Aplicação da Tecnologia de Geração de Oxigênio VPSA no Aquecimento de Panelas

Em 2020, a produção de aço bruto, ferro-gusa e aço da China foi de 1.053 milhões de toneladas, 887,52 milhões de toneladas e 1.324,89 milhões de toneladas, respectivamente, representando aumentos anuais de 5,2%, 4,3% e 7,7%. A produção de aço bruto representou 58% da produção total mundial. De 2011 a 2020, as indústrias manufatureiras da China e a produção de aço bruto cresceram anualmente em média 7,9% e 5,1%, apoiando o desenvolvimento de alta qualidade da economia chinesa. Embora o consumo geral de energia por tonelada de aço da China tenha diminuído de 920 kgce/t em 2000 para 567 kgce/t em 2017, o consumo de energia da indústria siderúrgica ainda representa 20~25% do total dos setores industriais e 15% do valor nacional total. As emissões de carbono da indústria siderúrgica da China representam 15% do total, tornando-se a maior emissora de carbono entre as 31 categorias das indústrias manufatureiras.

À medida que as questões ambientais e climáticas globais se tornam cada vez mais proeminentes nos últimos anos, desafios sérios foram impostos às empresas siderúrgicas e metalúrgicas em todo o mundo quanto à produção energeticamente eficiente e ecologicamente correta. Muitas empresas na China estão explorando novas medidas de produção ecologicamente corretas e de economia de energia no contexto da "meta de carbono duplo" de "pico de carbono e neutralidade de carbono". Um grande número de estudos teóricos e testes industriais foi realizado sobre combustão enriquecida com oxigênio e combustão com oxigênio puro, levantando preocupações sobre as fontes e a economia do oxigênio para as empresas.

1. Tecnologia de Geração de Oxigênio por VPSA

1.1 Descrição do Processo

VPSA é um processo de geração de oxigênio por meio de adsorção pressurizada e dessorção a vácuo. Dependendo da capacidade de adsorção da peneira molecular de oxigênio para diferentes gases no ar, o N2 no ar é adsorvido por pressurização para gerar O2. O adsorvente é regenerado após a dessorção a vácuo do N2, realizando assim o fornecimento estável de oxigênio. Quando o ar comprimido passa pelo adsorvente (peneira molecular de zeólita), uma grande quantidade de N2 é capturada e adsorvida, enquanto as moléculas de oxigênio são separadas das moléculas de nitrogênio. Quando a pressão cai, o N2 adsorvido pela peneira molecular de zeólita é liberado para regenerar a peneira molecular. Na operação prática, como a capacidade de adsorção do adsorvente para Ar e O2 é basicamente a mesma, a pureza do O2 coletado pelo processo VPSA é inferior a 95%, com Ar e N2 não sendo totalmente adsorvidos.

1.2 Fluxo Técnico

Adsorção por Oscilação de Pressão a Vácuo (VPSA) é composta por um soprador, uma bomba de vácuo, válvulas de comutação, torres de adsorção e tanques de compensação. O ar comprimido pelo soprador Roots é alimentado ao vaso de adsorção após a remoção de partículas de poeira por filtros na zona de entrada. Os adsorvedores são carregados com adsorvente. H2O, CO2 e uma pequena quantidade de outros componentes gasosos são adsorvidos primeiro, e o N2 é adsorvido pela peneira molecular de oxigênio, enquanto O2 (incluindo Ar), como um componente não adsorvido, flui para fora da saída na parte inferior dos adsorvedores para os vasos de compensação como gás produto.

Quando o adsorvente está totalmente saturado com N2, as válvulas de comutação ativam a bomba de vácuo para evacuar o adsorvedor (na direção oposta à adsorção) e os gases adsorvidos H2O, CO2, N2 e outros são ventilados para a atmosfera para regenerar o adsorvente.

Resumindo o acima, o ar é enviado para os vasos de adsorção radiais sob pressão através dos filtros antes do soprador, e os dois adsorvedores radiais trabalham alternadamente para completar o ciclo de adsorção e dessorção. O O2 gerado entra nos tanques de compensação para estabilizar a pressão, formando assim um fornecimento externo estável de O2 de baixa pressão.

1.3 Vantagens Técnicas

A ampla aplicação da geração de oxigênio VPSA na indústria metalúrgica se beneficia de suas vantagens técnicas e econômicas únicas em relação ao processo de separação de ar criogênico.

(1) Processo simples e estável, menos equipamentos de suporte e móveis, menor custo de operação e manutenção.

(2) Conjunto completo integrado de forma independente, operação e produção flexíveis, regulação de carga de 50~100% para se adaptar a flutuações de produção, inicialização e desligamento rápidos de não mais de 30 min.

(3) Menor área ocupada, menor investimento. Vazão de 2.000-15.000 Nm³/h pode atender melhor às necessidades de diferentes processos. Nos setores industriais da China, unidades de oxigênio VPSA de grande escala variando de 20.000 Nm³/h a 50.000 Nm³/h já foram comumente aplicadas.³/h a 50.000 Nm³/h já são comumente aplicadas. - (Nota: linha 7066-7069 precisam ser tratadas como contínuas. Vou manter a tradução consistente)³/h a 50.000 Nm³/h já são comumente aplicadas.³/h já foram comumente aplicadas.

(4) O2 de baixa pressão corresponde melhor à demanda de oxigênio de baixa pressão para combustão na maioria das empresas metalúrgicas e economiza o consumo de energia dos compressores usados para O2 de alta pressão ao mesmo tempo.

(5) Menor custo de produção de oxigênio. O gás natural pode ser economizado por tecnologias de combustão enriquecida com oxigênio ou com oxigênio puro para reduzir efetivamente o custo de produção da empresa. Seu custo de cerca de ¥0,2～0,3/Nm³³ é muito inferior ao da separação de ar criogênica tradicional de ¥0,5/Nm³³.

2. Caso de Aplicação

Uma siderúrgica na China reformou seus 3 sistemas de aquecimento de panelas (120t). A antiga combustão de gás natural apoiada por ar foi atualizada para combustão com oxigênio puro, ou seja, o gás natural é auxiliado por oxigênio a 91% fornecido por uma unidade VPSA. A capacidade de oxigênio do sistema de geração de oxigênio VPSA é de 800 Nm³/h³com pureza de ≥91%, considerando o uso simultâneo de 3 aquecedores de panela e o reabastecimento de O2 residual disponível na usina siderúrgica.

3. Principais Reformas

(1) Reforma do Queimador e do Sistema de Combustão

O queimador usa bicos de gás natural e oxigênio de alta velocidade. A alimentação graduada de oxigênio é adotada, incluindo bico central de gás natural, alimentação primária central de oxigênio e alimentação secundária excêntrica de oxigênio. O queimador é montado integralmente com capacidade de aquecimento de 2 MW, vazão nominal de gás natural de 200 Nm³/h³e valor calorífico de 33.440 kJ/Nm³³.

O sistema de combustão original foi remodelado removendo o soprador de ar original e o sistema de tubulação para construir um novo conjunto de válvulas de controle de alimentação de oxigênio contendo válvulas reguladoras de vazão e válvulas de corte de emergência para garantir a segurança do fornecimento de oxigênio.

(2) Atualizações de Controle Automático

O sistema de controle original é atualizado para realizar o alerta de emergência, corte automático ou aquecimento com base no controle da proporção de volume de gás natural e oxigênio.

(3) Outras Modificações

Modificando o tamanho e os requisitos de carga do queimador, a estrutura da tampa da panela, o mecanismo de içamento do guincho, o refratário dentro da tampa da panela e os braços rotativos foram reformados de acordo.

4. Análise de Efeitos

4.1 Economia de Energia e Redução de Emissões

O consumo médio de gás natural de uma panela de 120t antes da transformação é de 227 Nm³/h. Após a modernização, reduziu-se para 131,6 Nm³/h, economizando em média 95,4 Nm³/h (42%), e 315,84 Nm³/h de consumo de O₂ foram economizados simultaneamente. Considerando a frequência de uso de cada equipamento de aquecimento de panela como 6.000 h/ano, 572.400 Nm³ de gás natural poderiam ser economizados por ano. Além disso, considerando o poder calorífico do gás natural como 33.440 kJ/m³³, o usuário pode economizar 654,1 tce/ano e reduzir 21.124,4 t/ano de emissões de CO₂, ou seja, 0,3 Nm³ de gás natural podem ser economizados para 1 Nm³ de O₂ introduzido no aquecedor de panela, e 1,96 kg de emissões de CO₂ podem ser reduzidos.

4.2 Benefícios Econômicos

Fornecido por dutos, o preço médio do gás natural é de ¥ 3,5/Nm³ ao longo do ano, enquanto o oxigênio fornecido pela planta VPSA-O₂ é de apenas ¥ 0,4/Nm³ considerando os custos de operação, manutenção e pessoal em contraste. O oxigênio gerado pela tecnologia VPSA é ≥91%. Para combustão completa do gás natural, o teor de oxigênio é controlado em cerca de 3%, e a razão oxigênio/gás natural é mantida em 2,4. Portanto, o consumo médio de O₂ após a modificação é de 131,6 m³³/h × 2,4 = 315,84 m³³/h.

Sem considerar outros fatores, o custo de oxigênio de um aquecedor = 315,84 × 6.000 × 0,4 = ¥ 758.016/ano, gás natural economizado = 95,4 × 6.000 × 3,5 = ¥ 2.003.400/ano, e os benefícios econômicos diretos de um aquecedor após a reforma = custo de gás natural economizado - custo de oxigênio = ¥ 1.245.000/ano.

5. Conclusão

(1) A produção de oxigênio VPSA tem vantagens técnicas únicas em relação ao processo criogênico e é mais adaptável às demandas de baixo consumo de oxigênio com cargas variáveis na indústria metalúrgica. É favorável para reduzir os custos e riscos de investimento, terreno para construção, operação e manutenção, etc., e ajuda os usuários a otimizar e modernizar o processo de produção existente.

(2) Com o custo total da produção de oxigênio VPSA de cerca de ¥ 0,4/Nm³, após aplicar a combustão oxicombustível, 1 Nm³ de oxigênio economiza 0,3 Nm³ de gás natural e reduz cerca de 1,96 kg de emissões de CO₂. De forma abrangente, um custo anual de produção de cerca de ¥ 1.245.000 poderia ser economizado, resultando em benefícios econômicos e ambientais significativos.

(3) Atualmente, a razão ar-gás no aquecedor é de 2,4, e o teor de oxigênio residual nos gases de combustão é medido em torno de 3%. Considerando a taxa de combustão e a velocidade de propagação da chama da combustão enriquecida com oxigênio, a razão oxigênio-combustível ainda tem potencial para otimização adicional.

(4) O artigo analisa a coprodução de equipamento de oxigênio VPSA e sistema de aquecimento de panela, e a tecnologia de geração de oxigênio VPSA também é amplamente aplicada em outros processos, como combustão enriquecida com oxigênio em alto-forno e fabricação de aço em forno elétrico. É de interesse melhorar a eficiência e os lucros para os usuários.