Situation du développement et innovation d'application de la technologie de production d'oxygène par PSA

1. Préface

Au cours des 20 dernières années, l'économie chinoise a connu une phase de développement régulier et rapide, au cours de laquelle les processus de production des industries telles que la fabrication sidérurgique, la métallurgie non ferreuse, l'industrie chimique, les économies d'énergie des fours, la protection de l'environnement, le verre et la fabrication du papier ont été continuellement améliorés et innovés. L'optimisation des processus et l'expansion des capacités de production ont entraîné une demande accrue d'oxygène dans divers secteurs, ce qui a à son tour stimulé le progrès technologique des usines industrielles d'O2. En conséquence, des améliorations ont été apportées aux technologies traditionnelles de production d'oxygène, notamment la séparation cryogénique de l'air, la production d'oxygène par PSA et les procédés de séparation par membrane, en particulier la technologie de fabrication d'oxygène par PSA a fait d'énormes progrès. Après la percée réalisée dans le développement du nouvel adsorbant à base de lithium et des adsorbeurs radiaux, la technologie de production d'oxygène par PSA a été largement utilisée et grandement reconnue par les utilisateurs finaux.

2. Progrès dans la technologie de production d'oxygène par PSA

Le développement de La technologie de production d'oxygène par adsorption modulée en pression (PSA) a commencé dans les années 1960, et les États-Unis et le Japon ont successivement réalisé l'industrialisation au début des années 1980. Au début des années 1990, Praxair a développé un tamis moléculaire au lithium pour la production d'oxygène et le procédé VPSA de production d'oxygène basé sur les caractéristiques de cet adsorbant. La capacité maximale de son unité PSA à double cuve dépassait 3000 Nm³/h, et la consommation d'énergie a été réduite à 0,35 kWh/m³, ce qui a conduit à une croissance rapide de la technologie de production d'oxygène par PSA et a jeté une base solide pour son large champ d'application.

Ces dernières années, avec le développement des moteurs à aimants permanents et l'optimisation du processus de production d'oxygène, la consommation d'énergie la plus faible des installations PSA est descendue à moins de 0,3 kWh/m³ , tandis que la capacité maximale des unités à double adsorbeur a dépassé 6000 Nm³/h. La réduction des coûts et l'augmentation du volume d'oxygène produit des équipements PSA ont toutes deux favorisé l'expansion de l'application du procédé de production d'oxygène par PSA.

La Chine a commencé à étudier la technologie de production d'oxygène par PSA à la fin des années 1980, et ce n'est qu'au début des années 1990 que de petits équipements industrialisés ont été disponibles. Les premiers systèmes PSA utilisaient un adsorbant à tamis moléculaire CaA, et la capacité a atteint un maximum de 1000 Nm³/h à la fin des années 1990, à partir de 20 Nm³/h, 50 Nm³/h et 100 Nm³/h, la consommation d'énergie (oxygène pur) était supérieure à 0,5 kWh/m³. De nombreuses entreprises, en particulier celles de l'industrie sidérurgique utilisant des équipements PSA en raison de leurs avantages (courte période de construction, fonctionnement stable et démarrage/arrêt rapide) l'ont remplacé par des équipements de séparation cryogénique en raison de la lourde charge de travail et du coût élevé de la maintenance des unités PSA. En résumé, il existe un écart clair avec le niveau avancé international de la même période, car les équipements PSA de l'époque ne pouvaient pas supporter un fonctionnement prolongé, et leur maintenance était trop importante et la capacité limitée.

Au début de l'an 2000, la technologie de production d'oxygène par PSA a fait des progrès rapides et a été largement popularisée grâce à la production d'adsorbant à base de lithium à haute efficacité représentée par PKU Pioneer et à l'industrialisation du procédé de production d'oxygène par PSA utilisant cet adsorbant. Actuellement, la capacité des installations PSA construites par PKU Pioneer a atteint 40 000 Nm³/h et la consommation d'énergie de l'oxygène pur est également proche de 0,3 kWh/m³.

Avec des solutions telles que la production stable d'adsorbants à base de lithium à haute efficacité, la R&D d'adsorbeurs radiaux et de vannes papillon de grand diamètre à haute fréquence de commutation fiable pour certains problèmes clés de la technologie de production d'oxygène par PSA, la capacité des systèmes PSA en Chine a augmenté d'année en année tandis que la consommation d'énergie a été progressivement réduite et la fiabilité régulièrement améliorée. La capacité d'une seule unité PSA à double tour est passée de moins de 1000 Nm³/h à l'actuel 6000 Nm³/h, et même plus de 40 000 Nm³/h après connexion multi-tours. Parallèlement, la consommation d'énergie unitaire d'oxygène a baissé à moins de 0,32 kWh/m³, et le taux de fonctionnement annuel est monté à plus de 98 %. Le bruit du ventilateur est tombé à moins de 85 dB (grâce aux mesures d'insonorisation, le bruit à 1 m à l'extérieur de l'atelier peut atteindre moins de 70 dB), le taux de non-défaillance des vannes papillon de grand diamètre a pour la plupart atteint plus de 8000 h, et la durée de vie du tamis moléculaire est allongée à plus de 5 ans. Les utilisateurs finaux ont eu une nouvelle perception des équipements de production d'oxygène par PSA et leur application s'est élargie. Rien qu'en 2018, plus de 70 unités PSA dépassant 1000 Nm³/h ont été installées en Chine.

PKU Pioneer a fait des efforts continus pour changer la dépendance des tamis moléculaires PSA vis-à-vis des importations et, en même temps, a réalisé des percées dans le tamis moléculaire au lithium et d'autres produits similaires, et a obtenu l'application industrielle de ces nouveaux produits de tamis moléculaire.

Grâce à un excellent développement et à des améliorations, la technologie de production d'oxygène par PSA a formé d'énormes avantages uniques par rapport à la technologie cryogénique, ce qui favorise encore l'application large de la technologie PSA dans diverses industries.

3. Caractéristiques de la technologie de production d'oxygène par PSA

① Faible consommation d'énergie et coûts d'exploitation réduits

Dans le processus de production d'oxygène, la consommation électrique représente plus de 90 % du coût d'exploitation total. Grâce à l'optimisation continue de la technologie de production d'oxygène par adsorption modulée en pression (PSA), la consommation énergétique pour l'oxygène pur est passée de 0,45 kWh/m³³ dans les années 1990 à moins de 0,32 kWh/m³³ aujourd'hui. En comparaison, la consommation minimale d'énergie pour l'oxygène pur des grands séparateurs d'air cryogéniques reste autour de 0,42 kWh/m³³, ce qui signifie que la production d'oxygène par PSA présente l'avantage d'un coût nettement inférieur, à condition que les clients n'aient pas besoin d'azote et n'exigent pas une pureté ou une pression d'oxygène trop élevées.

② Procédé simple, fonctionnement flexible, démarrage et arrêt rapides

Par rapport à la séparation de l'air cryogénique, le procédé de production d'oxygène par PSA, avec une pression de fonctionnement de -0,05 à 0,05 MPa, est relativement plus simple. L'équipement principal comprend un compresseur Roots et une pompe à vide Roots, tous deux simples à utiliser et faciles à entretenir. Comme le générateur d'oxygène PSA n'implique pas de processus de refroidissement et de chauffage lors du démarrage ou de l'arrêt, il ne faut que 30 minutes pour démarrer et produire l'oxygène cible. De plus, après de courtes interruptions, le système peut reprendre la production d'oxygène en quelques minutes seulement. En outre, l'arrêt est encore plus simple, effectué simplement en coupant l'équipement électrique et le programme de contrôle. Comparé aux équipements cryogéniques, le démarrage et l'arrêt de l'unité d'oxygène PSA sont plus pratiques, ce qui réduit considérablement les coûts d'exploitation de l'appareil.

③ Faible investissement et courte période de construction

Le générateur d'oxygène PSA est principalement composé du système d'alimentation, du système d'adsorption et du système de commutation des vannes. Le faible nombre de composants permet aux utilisateurs d'économiser leurs coûts initiaux. Par ailleurs, la faible superficie nécessaire contribue également à réduire les coûts de construction et d'investissement foncier. De plus, il faut moins de 4 mois pour terminer l'installation de ses unités principales et, dans des conditions normales, la production d'oxygène peut être réalisée en 6 mois, ce qui rend la période de fabrication et d'installation plus courte par rapport à la construction d'un séparateur d'air cryogénique.

④ Équipement et entretien simples

Les composants du générateur d'oxygène PSA, tels que les soufflantes, les pompes à vide et les vannes programmables, bénéficient de chaînes d'approvisionnement très matures, ce qui facilite le remplacement des pièces détachées, réduit les coûts et permet de maîtriser facilement la durée de construction. De plus, l'entretien des équipements PSA est simple, avec des services après-vente pratiques. Comparé à l'entretien des grands compresseurs centrifuges dans les séparateurs d'air cryogéniques, les installations d'oxygène PSA ne nécessitent pas d'investir des sommes importantes dans la maintenance ni d'embaucher des employés spécialisés.

⑤ Rapport de réduction élevé

Par rapport à la technologie de l'oxygène liquide cryogénique, les systèmes d'oxygène PSA permettent une régulation rapide du volume de gaz produit et de sa pureté, avec une faible variation de la consommation électrique (oxygène pur). En général, la capacité peut être ajustée dans une plage de 30 % à 100 %, et la pureté entre 70 % et 95 %. La régulation de la charge est particulièrement facile lorsque plusieurs générateurs d'oxygène PSA sont connectés en parallèle.

⑥ Sécurité opérationnelle élevée

Étant donné que l'exploitation de l'installation d'oxygène PSA se déroule à pression et température atmosphériques normales, sans présence d'oxygène liquide ni d'enrichissement en acétylène, elle est plus sûre que les équipements cryogéniques qui fonctionnent généralement à basse température et haute pression.

4. Principales applications de la technologie de production d'oxygène par PSA

À mesure que la capacité des unités d'oxygène PSA augmente, la fiabilité s'améliore tandis que la consommation électrique diminue progressivement. Parallèlement, grâce à ses avantages exceptionnels (fonctionnement flexible, régulation simple de la charge, faible consommation électrique, courte période de construction et haute sécurité), la technologie de production d'oxygène par PSA peut sans aucun doute constituer un procédé alternatif à la séparation cryogénique de l'air pour les industries nécessitant une utilisation flexible de l'oxygène enrichi. Le procédé de production d'oxygène par PSA a récemment été largement utilisé dans la sidérurgie, la métallurgie des non-ferreux, l'industrie chimique, les économies d'énergie dans les fours, les fours rotatifs à ciment, la protection de l'environnement, la fabrication du verre et du papier, etc.

① Enrichissement en oxygène des hauts fourneaux

Avec le développement de la l'enrichissement en oxygène des hauts fourneaux technologie, les hauts fourneaux sont devenus l'une des principales sources d'oxygène dans les aciéries. Ils peuvent donc être considérés comme le régulateur de l'approvisionnement en oxygène de l'ensemble de l'usine sidérurgique au début de l'application de l'enrichissement en oxygène des hauts fourneaux : le taux d'enrichissement est élevé lorsque le volume d'oxygène est important, et faible lorsque le débit d'oxygène est insuffisant. À mesure que les entreprises prennent conscience de l'importance de l'enrichissement en oxygène des hauts fourneaux dans les processus sidérurgiques, la stabilité du taux d'enrichissement devient un paramètre crucial pour une production de fonte à faible coût et efficace. L'approvisionnement en oxygène dans les aciéries nécessite de nombreuses procédures, et la charge fluctue chaque semaine, voire chaque jour. Dans ce cas, si l'on utilise une unité cryogénique avec une régulation de charge médiocre et un long temps de démarrage et d'arrêt, l'oxygène excédentaire doit être stocké après liquéfaction pour une utilisation ultérieure ou vendu comme produit commercial si la consommation d'oxygène est trop faible, ce qui entraîne parfois une évacuation de l'oxygène. Compte tenu des faibles exigences de pression et de pureté de l'oxygène enrichi pour les hauts fourneaux, de nombreuses entreprises sidérurgiques peuvent installer des générateurs d'oxygène PSA à proximité des hauts fourneaux, fournissant ainsi directement de l'oxygène au haut fourneau et servant de régulateur pour l'approvisionnement en oxygène de l'ensemble de l'usine. En cas de surplus ou de manque d'oxygène, le générateur d'oxygène PSA peut être démarré ou arrêté à tout moment pour augmenter ou réduire le volume, fournissant ainsi un oxygène stable au haut fourneau. Actuellement, de nombreuses entreprises sidérurgiques adoptent la technologie de production d'oxygène par PSA pour alimenter les hauts fourneaux, réalisant ainsi des réductions significatives des coûts d'oxygène. Il est désormais un consensus parmi la plupart des entreprises sidérurgiques que le système d'oxygène PSA est une source fiable d'oxygène enrichi pour les hauts fourneaux.

② Aciérie électrique

Environ 60 % à 70 % des entreprises d'aciérie électrique au Japon utilisent la technologie PSA pour produire de l'oxygène à 93 % destiné à la fabrication d'acier. En théorie, l'aciérie électrique repose principalement sur le four à arc électrique (EAF) pour fondre et fabriquer l'acier, l'oxygène n'ayant qu'un effet auxiliaire. Par conséquent, l'oxygène à 93 % produit par les installations PSA peut être utilisé dans l'aciérie électrique. Des entreprises en Chine, telles que Chizhou Guihang Metal Products Co., Ltd., Zunyi Changling Special Steel Co., Ltd. et Luzhou Yixin Iron & Steel Co., Ltd., ont toutes commencé à utiliser des générateurs d'oxygène PSA pour fournir de l'oxygène à l'aciérie électrique. Selon les retours d'expérience de ces entreprises, la technologie de production d'oxygène par PSA non seulement ne nuit pas à la qualité de l'acier, mais peut également réduire considérablement les coûts de production de l'aciérie électrique. Après l'adoption de cette technologie, le coût unitaire de l'oxygène peut être contrôlé en dessous de 0,0447 $.

③ Métallurgie des non-ferreux

Au cours des 10 dernières années, la technologie de production d'oxygène par PSA a été largement reconnue par les entreprises de fusion du cuivre, du plomb et du zinc. La plupart des procédés de métallurgie des non-ferreux, caractérisés par de grandes variations de charge, nécessitent rarement de l'azote et exigent généralement de l'oxygène à 24 %-90 %. Grâce à ses caractéristiques de simplicité d'exploitation et de faible consommation électrique, la technologie de production d'oxygène par PSA est bien adaptée à la métallurgie des non-ferreux. Aujourd'hui, la plupart des entreprises chinoises de métallurgie des non-ferreux, telles que le groupe Tongling Nonferrous Metals, le groupe Zijin Mining et Yunnan Copper Co., Ltd., ont choisi des installations d'oxygène PSA comme sources d'oxygène enrichi. Par exemple, Baotou Huading Copper Development Co., Ltd. a successivement construit 4 unités d'oxygène PSA en raison de l'augmentation de sa production de cuivre et de l'amélioration de ses procédés de fusion, la capacité totale d'oxygène atteignant plus de 25 000 Nm³³/h. De même, la fonderie de cuivre de Yunnan Chuxiong a successivement construit 3 installations d'oxygène PSA, avec une capacité totale d'oxygène de 30 000 Nm³³/h.

④ Industrie chimique

Aujourd'hui, le procédé continu de production d'oxygène enrichi est utilisé pour améliorer l'ancienne production intermittente d'oxygène dans les petites et moyennes usines d'engrais azotés, et la source d'oxygène enrichi provient principalement des équipements de production d'oxygène par PSA. La technologie de gazéification continue enrichie en oxygène présente une grande adaptabilité au charbon, ce qui est favorable à l'amélioration de la capacité de production de l'unité de production d'oxygène. Elle offre de larges perspectives d'application.

⑤ Fabrication du papier

Dans la fabrication du papier, l'oxygène est principalement utilisé dans la section de fabrication de la pâte à papier, comme la délignification à l'oxygène et le blanchiment dans le blanchiment à l'oxygène. Étant donné que le processus de fabrication du papier n'exige pas une pureté élevée de l'oxygène et ne nécessite pas d'azote, la plupart des papeteries choisissent actuellement la technologie PSA pour produire de l'oxygène.

⑥ Autres industries

Actuellement, la technologie de production d'oxygène par PSA est également largement utilisée dans d'autres domaines, par exemple la fabrication de fibres de verre, la combustion enrichie en oxygène dans le verre flotté, les fours à ciment et l'incinération des déchets, l'aération enrichie en oxygène et les générateurs d'ozone dans le traitement des eaux usées, etc.

5. Perspectives de développement de la technologie de production d'oxygène par PSA

La technologie de production d'oxygène par PSA, une technologie émergente qui s'est développée rapidement au cours des 20 dernières années, a progressivement été reconnue par de nombreuses entreprises grâce à ses progrès technologiques et à l'expansion de ses frontières d'application. Pour réduire la consommation énergétique de la production d'oxygène, il est important d'orienter la R&D vers l'expansion des domaines d'application futurs de la technologie PSA en développant de nouveaux adsorbants et en tentant de la coupler à la séparation par membrane ou aux procédés cryogéniques. Par exemple, la combinaison de la technologie PSA avec la séparation par membrane peut permettre d'obtenir de l'oxygène à 99 %+, ce qui pourrait remplacer la séparation cryogénique de l'air dans les zones reculées ou pour certaines demandes mobiles. PKU Pioneer, en tant que leader pionnier dans l'industrie de la production d'oxygène, espère prendre l'initiative dans le développement futur en augmentant continuellement les investissements efficaces et en accordant une grande importance à la R&D de la technologie PSA. À mesure que la technologie de production d'oxygène par PSA s'améliore, elle aura inévitablement de multiples avantages et un énorme potentiel pour gagner des perspectives d'application plus brillantes à l'avenir.