Le développement et les innovations d'application de la technologie de génération d'oxygène VPSA & PSA en Chine

Au cours des 20 dernières années, l'économie chinoise s'est développée de manière régulière et rapide. La mise à niveau continue et l'innovation des processus de production des industries du fer et de l'acier, de la métallurgie non ferreuse, de la chimie, des fours, de la protection de l'environnement et d'autres industries ont stimulé la demande d'oxygène, favorisant ainsi le développement de technologies de production d'oxygène telles que le processus de séparation d'air cryogénique, la production d'oxygène VPSA et la technologie de séparation par membrane. La faible pureté de l'oxygène produit limite l'adaptabilité du processus de séparation par membrane tandis que les processus cryogénique et VPSA ont réalisé des progrès significatifs. Après la localisation du nouvel adsorbant à base de lithium et la percée dans le développement du tour d'adsorption radial, le processus de production d'oxygène VPSA a été largement utilisé et activement reconnu par les utilisateurs en Chine.

Avancement de la technologie de génération d'oxygène VPSA & PSA

La technologie de génération d'oxygène VPSA (adsorption par variation de pression sous vide) a été développée dans les années 1960 et a été industrialisée successivement aux États-Unis et au Japon au début des années 1980. Ces dernières années, avec le développement du moteur à aimant permanent et l'optimisation du processus de production d'oxygène, la consommation d'énergie la plus basse à l'étranger a été réduite à moins de 0,3 kWh/m³, et la plus grande capacité d'un système d'oxygène à deux tours a dépassé 6000 Nm³/h. Le coût de la production d'oxygène VPSA a été encore réduit, et la capacité a augmenté d'année en année.

La Chine a commencé à explorer la technologie de génération d'oxygène VPSA à la fin des années 1980, et ce n'est qu'au début des années 1990 qu'une petite unité d'oxygène industrialisée est devenue disponible. Au début des années 2000, représentée par PKU Pioneer, la production d'adsorbant à haute efficacité à base de lithium et l'industrialisation du processus de génération d'oxygène VPSA utilisant l'adsorbant au lithium ont permis à la technologie de réaliser des progrès rapides et une large popularité. Actuellement, le débit des unités d'oxygène à deux tours construites par PKU Pioneer a atteint 6000 Nm³/h, et la consommation d'énergie (oxygène pur) se rapproche de 0,3 kWh/m³.

En Chine, la capacité des usines d'oxygène VPSA a augmenté chaque année et la fiabilité s'est constamment améliorée tandis que la consommation d'énergie a été progressivement réduite grâce à la résolution de certains problèmes clés tels que la production stable d'adsorbant à haute efficacité à base de lithium, le développement d'adsorbeurs radiaux, le développement fiable de vannes papillon à haute fréquence et à grand diamètre. En outre, la spécification a également été relevée de moins de 1000 Nm³/h pour l'usine d'oxygène à deux tours initiale à 6000 Nm³/h aujourd'hui, et la capacité totale atteint plus de 70 000 Nm³/h après la connexion en parallèle de plusieurs tours, tandis que la consommation d'énergie unitaire a été réduite à moins de 0,32 kWh/m³ et plus de 98 % des usines d'oxygène ont fonctionné avec succès et en douceur chaque année. Le bruit du ventilateur a satisfait à l'exigence de moins de 85 dB et même en dessous de 70 dB à 1 m à l'extérieur de l'usine grâce à des mesures d'élimination. Le taux sans défaillance des vannes papillon à grand diamètre a généralement atteint plus de 8000 h, et la durée de vie du tamis moléculaire au lithium a été étendue à plus de 5 ans. Les utilisateurs ont eu une nouvelle compréhension des équipements chinois VPSA-O2 et ont élargi leur application. Rien qu'en 2018, plus de 70 ensembles d'unités d'oxygène VPSA d'une capacité de plus de 1000 Nm³/h ont été construits.

Grâce à des efforts continus, des entreprises chinoises telles que PKU Pioneer ont modifié la dépendance aux tamis moléculaires importés pour la production d'oxygène VPSA, ont réalisé une percée dans les tamis moléculaires au lithium et d'autres produits connexes et ont concrétisé l'application industrielle de nouveaux produits de tamis moléculaires. Avec le développement et l'amélioration de la technologie de génération d'oxygène VPSA, elle a progressivement montré de nombreux avantages exclusifs par rapport à la technologie cryogénique, ce qui a encore favorisé l'application de cette technologie dans de nombreuses industries en Chine.

Avantages de la technologie de génération d'oxygène VPSA & PSA

1. Faible consommation d'énergie et faibles coûts d'exploitation

La consommation d'énergie représente plus de 90 % du coût d'exploitation total dans le processus de génération d'oxygène. Avec l'optimisation continue de la technologie d'oxygène VPSA & PSA, sa consommation d'énergie en oxygène pur est passée de 0,45 kW·h/m³ dans les années 1990 à moins de 0,32 kW·h/m³ aujourd'hui, tandis que la valeur la plus basse des grandes ASU cryogéniques est d'environ 0,42 kW·h/m³. Par rapport à la technologie cryogénique, la technologie d'oxygène VPSA & PSA présente des avantages économiques évidents dans des conditions de travail où l'utilisateur n'a pas besoin d'azote et où le processus d'oxygène n'a pas d'exigences trop élevées en matière de pureté et de pression d'oxygène.

2. Processus simple, fonctionnement flexible, démarrage et arrêt faciles

Par rapport à la technologie de génération d'oxygène cryogénique, le processus VPSA est relativement simple avec un fonctionnement relativement court et une maintenance facile car les principaux équipements de puissance se composent du ventilateur Roots et de la pompe à vide Roots. Comme il n'y a pas de processus de refroidissement et de chauffage lors du démarrage et de l'arrêt, il ne faut que 30 minutes pour que l'équipement d'oxygène VPSA et PSA produise de l'oxygène qualifié depuis le début et quelques minutes pour régénérer après une courte suspension. L'arrêt est encore plus simple : il suffit de couper l'équipement de puissance et le programme de contrôle. Ainsi, la technologie de génération d'oxygène VPSA & PSA est plus facile que le processus cryogénique, ce qui réduit également considérablement le coût d'exploitation du démarrage et de l'arrêt de l'usine d'oxygène.

3. Investissement réduit et courte période de construction

L'unité d'oxygène VPSA est principalement composée d'un petit nombre de composants, notamment le système d'alimentation, le système d'adsorption et le système de commutation de vannes, etc., ce qui peut économiser considérablement son investissement initial. L'unité d'oxygène occupe une petite empreinte au sol et peut réduire le coût du génie civil et le terrain de construction. De plus, le cycle de fabrication et de traitement est court, les principaux composants de l'équipement peuvent être livrés en seulement 4 mois afin d'atteindre les exigences de production d'oxygène en 6 mois dans des circonstances normales, raccourcissant ainsi considérablement la période de construction du système d'oxygène par rapport à celle de près d'un an des unités de séparation d'air cryogéniques.

4. Composition simple de l'équipement et entretien facile

Les équipements utilisés dans les usines d'oxygène VPSA, tels que les ventilateurs, les pompes à vide et les vannes de commande programmables, peuvent tous être produits localement, de sorte que les pièces de rechange peuvent être facilement remplacées pour réduire les coûts et permettre de maîtriser la période de construction. Avec un entretien simple de l'équipement et des services après-vente ponctuels, les utilisateurs d'usines d'oxygène VPSA n'ont pas besoin de trop de coûts ni de travailleurs professionnels par rapport à l'entretien des grands compresseurs centrifuges utilisés dans les séparateurs d'air cryogéniques.

5. Régulation facile du rapport de réduction

Par rapport à la technologie d'oxygène liquide cryogénique, le processus de génération d'oxygène VPSA & PSA peut réaliser un ajustement rapide de la capacité et de la pureté de l'O2 produit avec de légères fluctuations de la consommation d'énergie en oxygène pur. Généralement, la capacité peut être ajustée de 30 % à 100 %, et la pureté de 70 % à 95 %, en particulier lorsque plusieurs ensembles de générateurs d'oxygène VPSA & PSA sont construits en parallèle, l'ajustement de la charge est encore plus facile.

6. Sécurité opérationnelle plus élevée

Comme le système d'oxygène VPSA fonctionne à basse pression et à température ambiante, il n'y aura pas d'oxygène liquide, d'enrichissement en acétylène ou d'autres phénomènes, ce qui entraîne une meilleure sécurité par rapport au fonctionnement à basse température et haute pression dans le processus de génération d'oxygène cryogénique.

Les principaux scénarios d'application de la technologie de génération d'oxygène VPSA & PSA

Avec l'augmentation de la capacité et de la fiabilité et la réduction progressive de la consommation d'énergie en oxygène, ainsi que les avantages d'un fonctionnement flexible, d'une régulation facile du rapport de réduction, d'une faible consommation d'énergie, d'une courte période de construction et d'une sécurité élevée, la technologie de génération d'oxygène VPSA est devenue sans aucun doute une alternative à la génération d'oxygène cryogénique pour les industries qui ont besoin d'utiliser l'oxygène de manière flexible, et son champ d'application s'élargit d'année en année. Ces dernières années, le processus de production d'oxygène VPSA a été largement utilisé dans les industries du fer et de l'acier, de la métallurgie non ferreuse, de la chimie, des fours et des fours, de la protection de l'environnement et d'autres industries.

1. Enrichissement en oxygène du haut fourneau

Avec le développement de la technologie d'enrichissement en oxygène du haut fourneau, le haut fourneau est devenu l'une des principales sources de consommation d'oxygène dans les entreprises sidérurgiques. Au stade initial de l'application de la technologie, le haut fourneau peut être utilisé comme régulateur de l'approvisionnement en oxygène, où le taux d'enrichissement en oxygène est plus élevé avec un débit d'oxygène relativement important et plus faible dans le cas contraire. Alors que l'importance de la technologie d'enrichissement en oxygène du haut fourneau dans le processus de fabrication du fer est devenue claire pour les aciéries, le taux d'enrichissement en oxygène stable du haut fourneau est devenu un facteur important pour une fabrication de fer à faible coût et efficace. En raison de nombreux processus d'approvisionnement en oxygène dans les entreprises sidérurgiques, le rapport de réduction fluctue chaque semaine ou même chaque jour. Compte tenu de la faible régulation du rapport de réduction du processus cryogénique et du long temps de démarrage et d'arrêt, l'oxygène en excès doit être liquéfié et stocké pour une utilisation ultérieure ou vendu lorsque le débit de consommation d'oxygène est faible, et parfois même une ventilation se produit. Compte tenu des exigences de basse pression et de pureté d'oxygène relativement plus faibles pour l'enrichissement en oxygène du haut fourneau, de nombreuses entreprises sidérurgiques peuvent construire des unités d'oxygène VPSA directement près du haut fourneau. Parallèlement, en tant que régulateur, lorsque le volume d'oxygène provenant de la séparation d'air cryogénique est excédentaire ou insuffisant, les unités d'oxygène VPSA peuvent démarrer et s'arrêter à tout moment pour augmenter ou diminuer l'oxygène pour le haut fourneau. Actuellement, après avoir adopté la technologie d'oxygène VPSA pour l'approvisionnement en oxygène, de nombreux fabricants d'acier ont considérablement réduit leur coût en oxygène. L'adoption par le haut fourneau de l'unité d'oxygène VPSA comme source d'oxygène enrichi est devenue une compréhension commune dans la plupart des entreprises sidérurgiques.

2. Aciérie électrique

Par le passé, la plupart des entreprises sidérurgiques chinoises pensaient que la fabrication d'acier au four électrique nécessitait l'utilisation d'oxygène pur produit par des unités de séparation d'air cryogéniques, tandis qu'au Japon, environ 60 à 70 % des aciéries utilisent de l'oxygène à 93 % produit par un système VPSA-O2 pour la fabrication de l'acier. Théoriquement, la fabrication d'acier au four électrique repose principalement sur la fusion par arc électrique et l'oxygène ne joue qu'un rôle auxiliaire, donc l'oxygène à 93 % produit par la production d'oxygène VPSA peut être pleinement appliqué à la fabrication d'acier au four électrique. À ce jour, des entreprises chinoises telles que Luzhou Yixin Iron & Steel Co., Ltd., Zunyi Changling Special Steel Co., Ltd. et Chizhou Guihang Metal Products Co., Ltd. ont déjà commencé à adopter l'usine d'oxygène VPSA pour fournir de l'oxygène à la fabrication d'acier au four électrique. Selon les retours des utilisateurs, l'utilisation du système d'oxygène VPSA n'a aucun impact négatif sur la qualité des produits en acier, et peut réduire considérablement le coût de production de l'acier.

3. Métallurgie non ferreuse

Au cours des 10 dernières années, la technologie de génération d'oxygène VPSA a été hautement reconnue dans la fusion du cuivre, du plomb et du zinc. La plupart des processus de fusion des métaux non ferreux nécessitent généralement de l'oxygène à 24 % à 90 % avec de grandes fluctuations du rapport de réduction, et N2 est rarement nécessaire pour les entreprises de fusion des métaux non ferreux, ce qui rend la technologie de production d'oxyg³/h. De plus, l'usine de fusion de Chuxiong dans le Yunnan a construit 3 ensembles d'unités de production d'oxygène VPSA avec l'augmentation de la production de cuivre, et son volume total de consommation d'oxygène a atteint 30 000 Nm³/h.

4. Chimie

Actuellement, certaines petites et moyennes usines d'engrais azotés en Chine utilisent un processus continu de production d'oxygène enrichi pour améliorer la production de gaz intermittente d'origine, principalement par la technologie VPSA. De plus, la technologie de gazéification continue enrichie en oxygène est hautement applicable au charbon en renforçant la capacité de l'unité de production de gaz. Par ailleurs, la plupart des entreprises papetières, tant nationales qu'internationales, choisissent la technologie VPSA pour produire de l'oxygène. La technologie de production d'oxygène VPSA est également largement utilisée dans d'autres domaines, tels que la combustion enrichie en oxygène pour le verre flotté dans l'industrie de la fibre de verre, les fours à ciment et l'incinération des déchets, le traitement par aération enrichie en oxygène des eaux usées et l'ozone.

Vision du développement de la technologie de production d'oxygène VPSA et PSA

En tant que nouvelle technologie de production d'oxygène qui s'est développée rapidement au cours des 20 dernières années, la technologie de production d'oxygène VPSA a progressivement été reconnue par de nombreux utilisateurs grâce à ses avancées technologiques continues et à l'expansion de ses domaines d'application. Afin de réduire la consommation d'énergie, le développement de nouveaux matériaux d'adsorption et la tentative de coordination avec les procédés à membrane ou cryogéniques pour étendre davantage les domaines d'application par complémentarité constituent une direction importante de recherche et développement pour la technologie de production d'oxygène VPSA à l'avenir. Par exemple, la combinaison de VPSA et de la technologie d'oxygène à membrane peut produire de l'oxygène >99 %, ce qui constitue une alternative aux unités de séparation d'air cryogéniques dans les zones reculées ou dans certaines conditions nécessitant des équipements mobiles. Les entreprises chinoises engagées dans la production d'oxygène VPSA, telles que PKU Pioneer, ont accordé une grande importance à la R&D, s'efforçant de prendre la tête à l'avenir en augmentant les investissements. À mesure que la technologie de production d'oxygène VPSA-O2 s'améliore, elle possédera une perspective d'application plus étendue avec divers avantages et un potentiel massif.