Application de la technologie de génération d'oxygène VPSA dans le chauffage des poches de coulée

En 2020, la production d'acier brut, de fonte brute et d'acier de la Chine était respectivement de 1 053 millions de tonnes, 887,52 millions de tonnes et 1 324,89 millions de tonnes, représentant des augmentations en glissement annuel de 5,2 %, 4,3 % et 7,7 %. La production d'acier brut représentait 58 % de la production mondiale totale. De 2011 à 2020, les industries manufacturières chinoises et la production d'acier brut ont augmenté annuellement en moyenne de 7,9 % et 5,1 %, soutenant le développement de haute qualité de l'économie chinoise. Bien que la consommation énergétique globale de la Chine par tonne d'acier ait diminué de 920 kgce/t en 2000 à 567 kgce/t en 2017, la consommation énergétique de l'industrie sidérurgique représente encore 20 à 25 % de celle de l'ensemble des secteurs industriels et 15 % de la valeur nationale totale. Les émissions de carbone de l'industrie sidérurgique chinoise représentent 15 % du total, ce qui en fait le plus grand émetteur de carbone parmi les 31 catégories des industries manufacturières.

Alors que les problèmes environnementaux et climatiques mondiaux deviennent de plus en plus marqués ces dernières années, des défis sérieux ont été posés aux entreprises sidérurgiques et métallurgiques du monde entier en matière de production économe en énergie et respectueuse de l'environnement. De nombreuses entreprises en Chine explorent de nouvelles mesures de production économes en énergie et écologiques dans le contexte de l'« objectif double carbone » du « pic carbone et de la neutralité carbone ». Un grand nombre d'études théoriques et de tests industriels ont été menés sur la combustion enrichie en oxygène et la combustion oxycombustible, suscitant des préoccupations concernant les sources et l'économie de l'oxygène pour les entreprises.

1. Technologie de génération d'oxygène VPSA

1.1 Description du processus

La VPSA est un procédé de production d'oxygène par adsorption sous pression et désorption sous vide. En fonction de la capacité d'adsorption du tamis moléculaire d’oxygène vis-à-vis des différents gaz présents dans l’air, l’azote (N₂) de l’air est adsorbé par pressurisation pour générer de l’O₂. L’adsorbant est régénéré après la désorption sous vide du N₂, assurant ainsi un approvisionnement stable en oxygène. Lorsque l’air comprimé traverse l’adsorbant (tamis moléculaire de zéolithe), une grande quantité de N₂ est capturée et adsorbée, tandis que les molécules d’oxygène sont séparées des molécules d’azote. Quand la pression diminue, le N₂ adsorbé par le tamis moléculaire de zéolithe est libéré afin de régénérer le tamis moléculaire. En fonctionnement pratique, comme la capacité d’adsorption de l’adsorbant pour l’Ar et l’O₂ est pratiquement identique, la pureté de l’O₂ collecté par le procédé VPSA est inférieure à 95 %, l’Ar et le N₂ n’étant pas totalement adsorbés.

1.2 Flux technique

Adsorption par variation de pression sous vide (VPSA) est composée d’un ventilateur, d’une pompe à vide, de vannes de commutation, de tours d’adsorption et de réservoirs tampons. L’air comprimé par le ventilateur Roots est envoyé dans la cuve d’adsorption après l’élimination des particules de poussière par des filtres à l’entrée. Les adsorbeurs sont chargés d’adsorbant. H₂O, CO₂ et une petite quantité d’autres composants gazeux sont d’abord adsorbés, puis N₂ est adsorbé par le tamis moléculaire d’oxygène, tandis que l’O₂ (y compris l’Ar), en tant que composant non adsorbé, s’écoule par la sortie au fond des adsorbeurs vers les réservoirs tampons comme gaz produit.

Lorsque l’adsorbant est totalement saturé en N₂, les vannes de commutation activent la pompe à vide pour évacuer l’adsorbeur (dans le sens inverse de l’adsorption) et les gaz adsorbés (H₂O, CO₂, N₂ et autres) sont évacués vers l’atmosphère pour régénérer l’adsorbant.

Pour résumer ce qui précède, l’air est envoyé sous pression dans les cuves d’adsorption radiales via les filtres avant le ventilateur, et les deux adsorbeurs radiaux travaillent en alternance pour réaliser le cycle d’adsorption et de désorption. L’O₂ produit entre dans les réservoirs tampons pour stabiliser la pression, formant ainsi une alimentation externe stable en O₂ à basse pression.

1.3 Avantages techniques

La large application de la production d’oxygène par VPSA dans l’industrie métallurgique bénéficie de ses avantages techniques et économiques uniques par rapport au procédé de séparation cryogénique de l’air.

(1) Procédé simple et stable, moins d’équipements auxiliaires et mobiles, coûts d’exploitation et de maintenance réduits.

(2) Ensemble complet intégré de manière indépendante, exploitation et production flexibles, régulation de charge de 50 à 100 % pour s’adapter aux fluctuations de production, démarrage et arrêt rapides en moins de 30 minutes.

(3) Emprise au sol réduite, investissement moindre. Débit de 2 000 à 15 000 Nm³/h peut mieux répondre aux besoins de différents procédés. Dans les secteurs industriels chinois, des unités d’oxygène VPSA à grande échelle allant de 20 000 Nm³/h à 50 000 Nm³/h ont déjà été couramment appliquées.

(4) L’O₂ à basse pression correspond mieux à la demande d’oxygène basse pression pour la combustion dans la plupart des entreprises métallurgiques et permet simultanément d’économiser l’énergie des compresseurs utilisés pour l’O₂ haute pression.

(5) Coût de production d’oxygène réduit. Le gaz naturel peut être économisé grâce aux technologies de combustion enrichie en oxygène ou d’oxycombustion pour réduire efficacement le coût de production de l’entreprise. Son coût d’environ 0,2 à 0,3 ¥/Nm³ est bien inférieur à celui de la séparation cryogénique traditionnelle de l’air, qui est de 0,5 ¥/Nm³.

2. Cas d’application

Une entreprise sidérurgique chinoise a modifié ses 3 systèmes de chauffage de poches (120 t). L’ancienne combustion de gaz naturel assistée par l’air a été mise à niveau vers une oxycombustion, c’est-à-dire que le gaz naturel est assisté par de l’oxygène à 91 % fourni par une unité d’oxygène VPSA. La capacité en oxygène du système de production d’oxygène VPSA est de 800 Nm³/h avec une pureté ≥ 91 %, en tenant compte de l’utilisation simultanée des 3 réchauffeurs de poches et du réapprovisionnement résiduel en O₂ disponible dans l’aciérie.

3. Principales rénovations

(1) Rénovation du brûleur et du système de combustion

Le brûleur utilise des buses à gaz naturel et à oxygène à haute vitesse. Une alimentation en oxygène par paliers est adoptée, comprenant une buse centrale de gaz naturel, une alimentation primaire centrale en oxygène et une alimentation secondaire excentrée en oxygène. Le brûleur est monté intégralement avec une capacité de chauffage de 2 MW, un débit nominal de gaz naturel de 200 Nm³/h et un pouvoir calorifique de 33 440 kJ/Nm³.

Le système de combustion d'origine a été modifié en retirant le ventilateur d'air et le système de tuyauterie d'origine pour construire un nouvel ensemble de vannes de régulation d'alimentation en oxygène contenant des vannes de régulation de débit et des vannes d'arrêt d'urgence afin d'assurer la sécurité de l'alimentation en oxygène.

(2) Améliorations du contrôle automatique

Le système de contrôle d'origine est amélioré pour réaliser l'avertissement d'urgence, la coupure automatique ou le chauffage basé sur le contrôle du rapport volumique gaz naturel/oxygène.

(3) Autres modifications

En modifiant la taille et les exigences de charge du brûleur, la structure du couvercle de poche, le mécanisme de levage par treuil, le réfractaire à l'intérieur du couvercle de poche et les bras rotatifs ont été rénovés en conséquence.

4. Analyse des effets

4.1 Économies d'énergie et réduction des émissions

La consommation moyenne de gaz naturel d'une poche de 120 t avant transformation est de 227 Nm³/h. Après la mise à niveau, elle a diminué à 131,6 Nm³/h, économisant en moyenne 95,4 Nm³/h (42 %), et 315,84 Nm³/h de consommation d'O2 ont été simultanément économisées. Compte tenu de la fréquence d'utilisation de chaque équipement de chauffage de poche de 6 000 h par an, 572 400 Nm³ de gaz naturel pourraient être économisés par an. De plus, en prenant le pouvoir calorifique du gaz naturel comme 33 440 kJ/m³, l'utilisateur peut économiser 654,1 tce/a et réduire 21 124,4 t/a d'émissions de CO, soit 0,3 Nm³ de gaz naturel peuvent être économisés pour 1 Nm³ d'O2 introduit dans le réchauffeur de poche, et 1,96 kg d'émissions de CO2 peuvent être réduits.

4.2 Avantages économiques

Fourni par gazoduc, le prix moyen de son gaz naturel est de ￥3.5/Nm³ pour l'année entière, tandis que l'oxygène fourni par l'installation VPSA-O2 n'est que de ￥0.4/Nm³ en tenant compte des coûts d'exploitation, de maintenance et de personnel en comparaison. L'oxygène produit par la technologie VPSA est ≥91%. Pour une combustion complète du gaz naturel, la teneur en oxygène est contrôlée à environ 3%, et le rapport oxygène/gaz naturel est maintenu à 2.4. Par conséquent, la consommation moyenne d'O2 après la modification est de 131.6 m³/h×2.4=315.84 m³/h.

Sans tenir compte d'autres facteurs, le coût de l'oxygène d'un réchauffeur=315.84×6,000×0.4=￥758,016/a, le gaz naturel économisé=95.4×6,000×3.5=￥2,003,400/a, et les avantages économiques directs d'un réchauffeur après rénovation=coût du gaz naturel économisé-coût de l'oxygène=￥1,245,000/a.

5. Conclusion

(1) La production d'oxygène par VPSA présente des avantages techniques uniques par rapport au processus cryogénique et est plus adaptable aux exigences d'une faible consommation d'oxygène avec des charges variables dans l'industrie métallurgique. Elle contribue à réduire les coûts et les risques liés à l'investissement, au terrain de construction, à l'exploitation et à la maintenance, etc., et aide les utilisateurs à optimiser et à améliorer le processus de production existant.

(2) Avec un coût total de production d'oxygène par VPSA d'environ ￥0.4/Nm³, après application de la combustion oxycombustible, 1 Nm³ d'oxygène permet d'économiser 0.3 Nm³ de gaz naturel et réduit d'environ 1.96 kg les émissions de CO2. Globalement, un coût de production annuel d'environ ￥1,245,000 pourrait être économisé, ce qui entraîne des avantages économiques et environnementaux significatifs.

(3) Actuellement, le rapport air/gaz dans le réchauffeur est de 2.4, et la teneur en oxygène résiduel dans les gaz de combustion est mesurée à environ 3%. Compte tenu de la vitesse de combustion et de la vitesse de propagation de la flamme de la combustion enrichie en oxygène, le rapport oxygène/carburant a encore un potentiel d'optimisation.

(4) L'article analyse la coproduction d'équipements d'oxygène VPSA et du système de chauffage de poche, et la technologie de génération d'oxygène VPSA est également largement appliquée dans d'autres procédés tels que la combustion enrichie en oxygène du haut fourneau et la fabrication d'acier au four électrique. Il est intéressant d'améliorer l'efficacité et les profits pour les utilisateurs.