Une analyse économique d'une usine d'oxygène VPSA de 6 000 Nm³/h, à 100 % pour la combustion enrichie en oxygène des hauts-fourneaux dans les aciéries

Les unités d'adsorption par variation de pression sous vide sont utilisées pour produire de l'oxygène à des puretés comprises entre 80 % et 94 %. Le principe technique consiste à séparer l'oxygène de l'air en utilisant la sélectivité différente des adsorbants pour l'oxygène et l'azote. Les unités utilisant ce type de procédé de production d'oxygène non cryogénique peuvent être désignées sous les noms de systèmes VPSA (adsorption par variation de pression sous vide), VSA (adsorption par variation de vide) ou PVSA (adsorption par variation de pression-vide). La technologie d'adsorption par variation de pression sous vide mentionnée dans cet article est représentée par VPSA.

Le procédé de la technologie de production d'oxygène par VPSA est devenu relativement mature après des décennies de développement. On est passé d'un adsorbeur à lit axial avec adsorbant à base de calcium à une cuve d'adsorption radiale avec adsorbant à base de lithium. La capacité maximale des installations à double cuve atteint aujourd'hui 6 000 Nm³/h pour un produit oxygène à 100 %. Ces installations sont particulièrement adaptées pour fournir de l'oxygène comme équipement de soutien des hauts-fourneaux ou des fours électriques dans les aciéries, en raison de leur coût relativement faible, de leur haute sécurité, de leur courte période de construction et de leur entretien facile. Parallèlement, pour les secteurs de l'énergie, la facilité de démarrage et l'ajustement rapide de la charge de la technologie VPSA présentent de grands avantages pour réguler la demande globale en oxygène, réduire les rejets d'oxygène et diminuer davantage les coûts de production. En résumé, la technologie VPSA est le premier choix pour les entreprises sidérurgiques pour compléter l'oxygène lorsque l'azote est suffisamment fourni par la séparation cryogénique de l'air.

En 2008, Anshan Baode Iron and Steel Co., Ltd. a conclu un accord d'achat d'une usine d'oxygène VPSA (7 500 Nm³/h, 80 %) avec Beijing Peking University Pioneer Technology Co., Ltd. pour un haut-fourneau de sidérurgie. L'unité a été mise en production avec succès et fonctionne de manière stable jusqu'à présent. Le haut-fourneau affiche un taux d'enrichissement en oxygène de 2,38 %, une augmentation de production d'environ 8,5 %, un rapport d'injection de charbon de 145 kg/tonne de fer et une réduction du rapport de coke de 5 %. En août 2017 et septembre 2018, une unité d'oxygène VPSA d'une capacité de 7 500 Nm³/h et d'une pureté de 80 % (6 000 Nm³/h, 100 %) a été équipée successivement pour le haut-fourneau, tandis que le taux d'enrichissement en oxygène du haut-fourneau est passé à 4,38 % et que le rapport de coke a été réduit de 10 %, créant ainsi des bénéfices économiques impressionnants.

Ces dernières années, la technologie de production d'oxygène par VPSA a connu un développement rapide en Chine, montrant des avantages évidents présentés comme suit :

Premièrement, la fiabilité et la longue durée de vie de la technologie de production d'oxygène par VPSA résistent à l'épreuve du temps. L'unité d'oxygène VPSA qu'Anshan Baode Iron and Steel Co., Ltd. a utilisée en 2008 n'a pas faibli jusqu'à présent, et sa consommation d'énergie est restée au niveau d'origine.

Deuxièmement, la technologie de production d'oxygène par VPSA ne nécessite que des équipements électriques comprenant un ventilateur, une pompe à vide, un moteur électrique et des vannes pneumatiques, aucun personnel supplémentaire n'est donc requis car les composants rentables sont relativement faciles à entretenir.

Troisièmement, une sécurité élevée est garantie. L'usine d'oxygène VPSA injecte de l'oxygène enrichi avant le ventilateur sans mise sous pression du haut-fourneau. Avec un environnement de fonctionnement relativement spacieux, les risques de sécurité cachés sont évités et la gestion est simplifiée.

Les deux ensembles de générateurs d'oxygène VPSA datant d'une dizaine d'années ont subi des ajustements de configuration et d'autres changements majeurs comme le montre l'exploitation réelle. Les paramètres spécifiques sont indiqués dans le tableau ci-dessous :

Grâce à son développement rapide sur une dizaine d'années, la technologie de production d'oxygène VPSA a considérablement amélioré sa configuration et son procédé. Selon l'analyse du tableau ci-dessus, l'amélioration de son procédé se manifeste par :

1. Réduction du nombre d'équipements rotatifs

Par rapport aux installations précédentes de même capacité, elle contient beaucoup moins d'équipements motorisés, de moteurs électriques et de vannes, réduisant considérablement la charge de maintenance et, indirectement, les coûts de main-d'œuvre et de maintenance. Grâce à l'amélioration des performances de l'adsorbant, la capacité par tonne a augmenté de plus de 20 %. De plus, le récipient d'absorption axial a été transformé en récipient à écoulement radial, ce qui a entraîné un changement global de la structure interne. La fabrication de l'adsorbant et des adsorbeurs a atteint un niveau international de pointe, et toutes ces optimisations aboutissent à une sélection de configuration simplifiée et à des investissements réduits.

2. Réduction du taux de défaillance et augmentation de la durée de vie

Dans l'ensemble de l'unité, le fonctionnement normal des vannes est une condition importante pour garantir la continuité du système, tandis que les vannes sont les principales pièces sujettes aux pannes. Le travail de maintenance principal de l'usine d'oxygène VPSA produite en 2008 réside dans les vannes. Généralement, les joints d'étanchéité doivent être remplacés en moyenne une fois par an. Le nombre de vannes dans les usines d'oxygène fabriquées en 2017 a été réduit de 30 %, avec un calibre augmenté, réduisant considérablement la maintenance globale. Enfin, le taux de défaillance est encore réduit. Parallèlement, l'amélioration du matériau des joints d'étanchéité a prolongé la fréquence de remplacement des vannes à environ une fois tous les 18 mois en moyenne (c'est-à-dire que, bien que le nombre de cycles des joints d'étanchéité soit doublé, le cycle d'absorption est raccourci et le nombre d'ouvertures/fermetures augmente).

3. Réduction de la consommation électrique

La consommation électrique est l'indicateur le plus important pour mesurer la performance avancée des générateurs d'oxygène VPSA. Avec l'adoption d'un nouvel absorbant et d'un absorbeur radial, la consommation électrique a été réduite de 10 %. 1 Nm³ d'oxygène pur permet d'économiser environ 0,04 kW/h d'électricité, calcul basé sur 6 000 Nm³/h. Avec une durée de fonctionnement annuelle estimée à 8 400 heures, une économie de coûts substantielle d'environ 29 millions de dollars peut être réalisée.

4. Service à distance

La proposition de « fabrication intelligente » a favorisé l'intégration de la technologie de fabrication avancée de la Chine avec l'informatisation. Le système d'analyse de données à distance, Pioneer Cloud Service, est une nouvelle fonction pratique intégrée à l'usine d'oxygène. Les données de fonctionnement sont transmises au client en temps réel via le système spécifique, puis le système compare ces données avec la courbe standard dans des conditions de fonctionnement normales et présente un rapport de résultats visualisé. En cas d'anomalie, une alarme rapide est déclenchée pour guider les opérateurs dans les ajustements et la maintenance, renforçant ainsi sa stabilité, évitant les risques inconnus et éliminant les problèmes cachés dès que possible.

5. Autres

Une réduction est également réalisée dans les cuves d'absorption, la surface couverte et l'absorbant. L'ajustement de la charge devient plus facile et plus rapide.

En résumé, la technologie de production d'oxygène par adsorption à pression alternée sous vide présente les avantages d'une faible consommation électrique, d'une haute fiabilité, d'une exploitation et d'une maintenance faciles, d'un ajustement rapide de la charge, etc. Par conséquent, son champ d'application sera largement étendu. Une référence complète aux applications technologiques VPSA par les aciéries de divers pays aide l'industrie sidérurgique chinoise à mieux réduire les coûts de production et à améliorer les bénéfices des entreprises, consolidant ainsi et augmentant la compétitivité sur le marché des entreprises sidérurgiques.