El Desarrollo y las Innovaciones de Aplicación de la Tecnología de Generación de Oxígeno VPSA y PSA en China

En los últimos 20 años, la economía de China se ha desarrollado de manera estable y rápida. La continua actualización e innovación de los procesos de producción en industrias como la del hierro y el acero, la metalurgia no ferrosa, la química, los hornos, la protección ambiental y otras impulsaron la demanda de oxígeno, promoviendo así el desarrollo de tecnologías de producción de oxígeno como el proceso de separación de aire criogénico, la producción de oxígeno VPSA y la tecnología de separación por membranas. La baja pureza del oxígeno del producto limita la adaptabilidad del proceso de separación por membranas, mientras que los procesos criogénico y VPSA lograron grandes avances. Después de la localización del nuevo adsorbente a base de litio y el avance en el desarrollo del absorbedor radial, el proceso de producción de oxígeno VPSA se ha utilizado ampliamente y ha sido reconocido activamente por los usuarios en China.

Avance de la Tecnología de Generación de Oxígeno VPSA y PSA

La tecnología de generación de oxígeno VPSA (adsorción por oscilación de presión al vacío) se desarrolló en la década de 1960 y se industrializó en EE. UU. y Japón sucesivamente a principios de la década de 1980. En los últimos años, con el desarrollo del motor de imán permanente y la optimización del proceso de producción de oxígeno, el consumo de energía más bajo en el extranjero se ha reducido a menos de 0.3 kWh/m³, y la mayor capacidad del sistema de oxígeno de torre doble ha superado los 6000 Nm³/h. El costo de la producción de oxígeno VPSA se redujo aún más, y la capacidad ha ido aumentando año tras año.

China comenzó a explorar la tecnología de generación de oxígeno VPSA a finales de la década de 1980, y solo a principios de la década de 1990 estuvo disponible una pequeña unidad de oxígeno industrializada. A principios de 2000, representado por PKU Pioneer, la producción de adsorbente de litio de alta eficiencia y la industrialización del proceso de generación de oxígeno VPSA utilizando el adsorbente de litio hicieron que la tecnología lograra un progreso rápido y una amplia popularidad. Actualmente, el caudal de las unidades de oxígeno de torre doble construidas por PKU Pioneer ha alcanzado los 6000 Nm³/h, y el consumo de energía (oxígeno puro) se acerca a 0.3 kWh/m³.

En China, la capacidad de las plantas de oxígeno VPSA ha ido aumentando anualmente y la fiabilidad ha mejorado de manera constante, mientras que el consumo de energía se redujo gradualmente con la solución de algunos problemas clave, como la producción estable de adsorbente de litio de alta eficiencia, el desarrollo del absorbedor radial, el desarrollo de válvulas de mariposa de alta frecuencia y gran diámetro confiables. Además, la especificación también se ha elevado de menos de 1000 Nm³/h de la planta de oxígeno inicial de doble torre a 6,000 Nm³/h hoy, y la capacidad total alcanza más de 70,000 Nm³/h después de la conexión en paralelo de múltiples torres, mientras que el consumo unitario de energía se ha reducido a menos de 0.32 kWh/m³ y más del 98% de las plantas de oxígeno operaron de manera exitosa y fluida anualmente. El ruido del soplador ha cumplido con el requisito de menos de 85 dB e incluso por debajo de 70 dB a 1 m fuera de la fábrica mediante medidas de eliminación. La tasa libre de fallos de las válvulas de mariposa de gran diámetro ha alcanzado generalmente más de 8000 h, y la vida útil del tamiz molecular de litio se ha extendido a más de 5 años. Los usuarios han tenido una nueva comprensión de los equipos VPSA-O2 de China y han ampliado su aplicación. Solo en 2018, se construyeron más de 70 unidades de oxígeno VPSA con una capacidad de más de 1000 Nm³/h.

Mediante esfuerzos continuos, empresas chinas como PKU Pioneer cambiaron la dependencia de tamices moleculares importados para la producción de oxígeno VPSA, lograron un avance en tamices moleculares de litio y otros productos relacionados, y realizaron la aplicación industrial de nuevos productos de tamices moleculares. Con el desarrollo y mejora de la tecnología de generación de oxígeno VPSA, mostró gradualmente muchas ventajas exclusivas en comparación con la tecnología criogénica, lo que promovió aún más la aplicación de la tecnología en muchas industrias en China.

Ventajas de la Tecnología de Generación de Oxígeno VPSA y PSA

1. Bajo Consumo de Energía y Costos Operativos

El consumo de electricidad representa más del 90% del costo operativo total en el proceso de generación de oxígeno. Con la optimización continua de la tecnología de oxígeno VPSA y PSA, su consumo de energía de oxígeno puro ha bajado de 0.45 kW·h/m³ en la década de 1990 a menos de 0.32 kW·h/m³ hoy, mientras que incluso el valor más bajo de una ASU criogénica a gran escala es de alrededor de 0.42 kW·h/m³. En comparación con la tecnología criogénica, la tecnología de oxígeno VPSA y PSA tiene ventajas económicas evidentes en condiciones de trabajo donde el usuario no tiene demanda de nitrógeno y el proceso de oxígeno no tiene requisitos demasiado altos de pureza y presión.

2. Proceso Sencillo, Operación Flexible, Fácil Arranque y Parada

En comparación con la tecnología de generación de oxígeno criogénico, el proceso VPSA es relativamente simple con una operación comparativamente breve y fácil mantenimiento, ya que el equipo de potencia principal consiste en el soplador Roots y la bomba de vacío Roots. Como no hay proceso de enfriamiento y calentamiento durante el arranque y la parada, solo toma 30 minutos para que el equipo de oxígeno VPSA y PSA genere oxígeno calificado desde el inicio y unos minutos para regenerarse después de una breve suspensión. La parada es aún más simple: solo apagar el equipo de potencia y el programa de control. Por lo tanto, la tecnología de generación de oxígeno VPSA y PSA es más fácil que el proceso criogénico, lo que también reduce significativamente el costo operativo de arrancar y detener la planta de oxígeno.

3. Menor Inversión y Período de Construcción Corto

La unidad de oxígeno VPSA se compone principalmente de un pequeño número de componentes que incluyen el sistema de potencia, el sistema de adsorción y el sistema de conmutación de válvulas, etc., lo que puede ahorrar considerablemente su inversión única. La unidad de oxígeno ocupa un espacio pequeño y puede reducir el costo de ingeniería civil y el terreno de construcción. Además, el ciclo de fabricación y procesamiento es corto, los componentes principales del equipo pueden entregarse en solo 4 meses para alcanzar los requisitos de producción de oxígeno en 6 meses en circunstancias normales, acortando así significativamente el período de construcción del sistema de oxígeno en comparación con el de casi 1 año de las unidades de separación de aire criogénicas.

4. Composición Simple del Equipo y Fácil Mantenimiento

El equipo utilizado en las plantas de oxígeno VPSA, como sopladores, bombas de vacío y válvulas de control de programa, pueden producirse todos a nivel nacional, por lo que las piezas de repuesto se pueden reemplazar convenientemente para reducir costos y mantener el período de construcción bajo control. Con un mantenimiento simple del equipo y servicios posventa oportunos, los usuarios de plantas de oxígeno VPSA no necesitan demasiado costo ni trabajadores profesionales en comparación con el mantenimiento de grandes compresores centrífugos utilizados en separadores de aire criogénicos.

5. Fácil Regulación de la Relación de Reducción

En comparación con la tecnología criogénica de oxígeno líquido, el proceso de generación de oxígeno VPSA y PSA puede lograr un ajuste rápido de la capacidad de O2 del producto y la pureza con ligeras fluctuaciones en el consumo de energía de oxígeno puro. Generalmente, la capacidad se puede ajustar del 30% al 100%, y la pureza del 70% al 95%, especialmente cuando se construyen varios conjuntos de generadores de oxígeno VPSA y PSA en paralelo, el ajuste de carga es aún más fácil.

6. Mayor Seguridad Operativa

Como el sistema de oxígeno VPSA opera a baja presión y temperatura ambiente, no habrá oxígeno líquido, enriquecimiento de acetileno ni otros fenómenos, lo que resulta en una mejor seguridad en comparación con la operación a baja temperatura y alta presión en el proceso de generación de oxígeno criogénico.

Los Principales Escenarios de Aplicación de la Tecnología de Generación de Oxígeno VPSA y PSA

Con el aumento de la capacidad y la confiabilidad y la reducción gradual del consumo de energía de oxígeno, así como las ventajas de operación flexible, ajuste simple de la relación de reducción, bajo consumo de energía, período de construcción corto y alta seguridad, la tecnología de generación de oxígeno VPSA se ha convertido sin duda en una alternativa a la generación de oxígeno criogénico para industrias que necesitan utilizar oxígeno de manera flexible, y su alcance de aplicación se expande año tras año. En los últimos años, el proceso de producción de oxígeno VPSA se ha utilizado ampliamente en las industrias del acero, la metalurgia no ferrosa, la química, hornos y calcinadores, protección ambiental y otras industrias.

1. Enriquecimiento de Oxígeno en Altos Hornos

Con el desarrollo de la tecnología de enriquecimiento de oxígeno en altos hornos, el alto horno se ha convertido en una de las principales fuentes de consumo de oxígeno en las empresas siderúrgicas. En la etapa inicial de aplicación de la tecnología, el alto horno se puede usar como regulador del suministro de oxígeno, donde la tasa de enriquecimiento de oxígeno es mayor con un flujo de oxígeno relativamente grande y menor en el caso contrario. A medida que la importancia de la tecnología de enriquecimiento de oxígeno en altos hornos en el proceso de fabricación de hierro se hizo clara para las acerías, la tasa estable de enriquecimiento de oxígeno en altos hornos se ha convertido en un factor importante para la fabricación de hierro de bajo costo y eficiente. Debido a muchos procesos de suministro de oxígeno en las empresas siderúrgicas, la relación de reducción fluctúa cada semana o incluso cada día. Considerando la débil regulación de la relación de reducción del proceso criogénico y el largo tiempo de arranque y parada, el exceso de oxígeno debe licuarse y almacenarse para su uso posterior o venta cuando el flujo de consumo de oxígeno es bajo, y a veces incluso ocurre ventilación. Teniendo en cuenta los requisitos de baja presión y pureza de oxígeno relativamente más baja para el enriquecimiento de oxígeno en altos hornos, muchas empresas siderúrgicas pueden construir unidades de oxígeno VPSA cerca del alto horno directamente. Mientras tanto, como regulador, cuando el volumen de oxígeno de la separación de aire criogénica es excedente o insuficiente, las unidades de oxígeno VPSA pueden arrancar y detenerse en cualquier momento para aumentar o disminuir el oxígeno para el alto horno. Actualmente, después de adoptar la tecnología de oxígeno VPSA para el suministro de oxígeno, muchos fabricantes de acero han reducido sustancialmente su costo de oxígeno. La adopción de la unidad de oxígeno VPSA como fuente de oxígeno enriquecido en el alto horno ha sido un entendimiento común en la mayoría de las empresas siderúrgicas.

2. Fabricación de Acero en Horno de Arco Eléctrico (EAF)

En el pasado, la mayoría de las empresas siderúrgicas chinas creían que la fabricación de acero en horno eléctrico necesitaba usar oxígeno puro generado por unidades de separación de aire criogénicas, mientras que en Japón alrededor del 60%-70% de las acerías usan oxígeno al 93% del sistema VPSA-O2 para la fabricación de acero. Teóricamente, la fabricación de acero EAF depende principalmente de la fundición por arco eléctrico y el oxígeno solo juega un papel auxiliar, por lo que el oxígeno al 93% de la producción de oxígeno VPSA se puede aplicar completamente a la fabricación de acero en horno eléctrico. Hasta ahora, empresas chinas como Luzhou Yixin Iron & Steel Co., Ltd., Zunyi Changling Special Steel Co., Ltd. y Chizhou Guihang Metal Products Co., Ltd. ya han comenzado a adoptar plantas de oxígeno VPSA para suministrar oxígeno para la fabricación de acero EAF. Según los comentarios de los usuarios, utilizar el sistema de oxígeno VPSA no tiene impacto negativo en la calidad de los productos de acero, y puede reducir significativamente el costo de producción de acero.

3. Metalurgia No Ferrosa

En los últimos 10 años, la tecnología de generación de oxígeno VPSA ha sido altamente reconocida en la fundición de cobre, plomo y zinc. La mayoría de los procesos de fundición de metales no ferrosos generalmente requieren oxígeno del 24% al 90% con grandes fluctuaciones en la relación de reducción, y el N2 difícilmente es necesario para las empresas de fundición de metales no ferrosos, lo que hace que la tecnología de producción de oxígeno VPSA sea adecuada para la fundición de metales no ferrosos con las características de operación más simple y menor consumo de energía. Actualmente, la mayoría de las fundiciones no ferrosas de China, como Tongling Nonferrous Metals Group Co., Ltd., Zijin Mining Group Co., Ltd. y Yunnan Copper Co., Ltd., han elegido plantas de oxígeno VPSA como fuente de enriquecimiento de oxígeno. Con el aumento de la producción de cobre y la mejora del proceso de fundición de cobre, Baotou Huading Copper Development Co., Ltd. ha construido 4 conjuntos de unidades de oxígeno VPSA sucesivamente, y la capacidad total alcanzó más de 25,000 Nm³/h. Además, Chuxiong Smelting Works en Yunnan ha construido 3 conjuntos de unidades de generación de oxígeno VPSA con el aumento de la producción de cobre, y su volumen total de consumo de oxígeno ha alcanzado 30,000 Nm³/h.

4. Química

Actualmente, algunas fábricas de fertilizantes nitrogenados pequeñas y medianas en China utilizan un proceso continuo de generación enriquecido con oxígeno para mejorar la producción intermitente original de gas, principalmente mediante tecnología VPSA. Además, la tecnología de gasificación continua rica en oxígeno es altamente aplicable al carbón al mejorar la capacidad de la unidad de producción de gas. Además, la mayoría de las empresas papeleras tanto nacionales como internacionales eligen la tecnología VPSA para generar oxígeno. La tecnología de generación de oxígeno VPSA también se utiliza ampliamente en otras áreas, como la combustión enriquecida con oxígeno para vidrio flotado en la industria de fibra de vidrio, hornos de cemento e incineración de residuos, tratamiento de aireación enriquecida con oxígeno de aguas residuales y ozono.

Visión del Desarrollo de la Tecnología de Generación de Oxígeno VPSA y PSA

Como una nueva tecnología de generación de oxígeno que se ha desarrollado rápidamente en los últimos 20 años, la tecnología de generación de oxígeno VPSA ha sido gradualmente reconocida por muchos usuarios a medida que continúa avanzando tecnológicamente y expandiendo sus campos de aplicación. Para reducir el consumo de energía, desarrollar nuevos materiales de adsorción y tratar de coordinarse con el proceso de membrana o criogénico para expandir más áreas de aplicación complementándose mutuamente es una dirección importante de investigación y desarrollo para la tecnología de generación de oxígeno VPSA en el futuro. Por ejemplo, la combinación de VPSA y tecnología de oxígeno de membrana puede producir oxígeno >99%, que es una alternativa a las unidades de separación de aire criogénicas en áreas remotas o bajo algunas condiciones que requieren equipos móviles. Las empresas chinas dedicadas a la producción de oxígeno VPSA, como PKU Pioneer, han dado gran importancia a la I+D, esforzándose por tomar la delantera en el futuro mediante el aumento de la inversión. A medida que la tecnología de producción VPSA-O2 se mejora cada vez más, poseerá una perspectiva de aplicación más extensa con diversas ventajas y un potencial masivo.