Aplicação da Tecnologia de Produção de Oxigênio VPSA e PSA no Branqueamento de Celulose

Em muitos países desenvolvidos, a fabricação de papel é uma das suas 10 indústrias pilares da economia nacional, enquanto o tratamento de suas águas residuais é complexo. Os resíduos líquidos de branqueamento contendo cloro das fábricas de papel incluem não apenas COD e DBO, mas também outras substâncias altamente tóxicas. Substituir o método tradicional de branqueamento de celulose em três estágios CEH pelo novo branqueamento totalmente livre de cloro (TCF) ou livre de cloro elementar (ECF) é uma solução eficaz para a poluição ambiental da indústria de celulose e papel. Como o próprio oxigênio não é tóxico nem poluente para o ambiente, a quantidade de agente branqueador e águas residuais nas seções posteriores pode ser reduzida em 50% após a deslignificação com oxigênio. Portanto, o branqueamento de celulose com oxigênio tornou-se uma etapa essencial no desenvolvimento de processos de branqueamento limpos. Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente no branqueamento com oxigênio na indústria papeleira global, devido às exigências mais rigorosas de proteção ambiental.

As tecnologias comuns de geração de oxigênio industrial incluem os métodos de separação criogênica de ar e VPSA (Adsorção por Oscilação de Pressão a Vácuo). A unidade de separação criogênica de ar tem alto investimento e consumo de energia, bem como massivas tarefas de operação e manutenção, não sendo uma opção de fonte de oxigênio ideal como equipamento de suporte ao branqueamento para empresas de celulose, devido à sua inconveniência no arranque e paragem e aos custos gerais elevados. A planta de oxigênio VPSA tem as vantagens de composição mais simples, operação e manutenção mais fáceis, investimento relativamente menor e custo operacional mais baixo, com apenas 20 minutos de arranque e pureza de oxigênio de 93%, o que é totalmente capaz de atender aos requisitos do processo de branqueamento de celulose, dado que a faixa de consumo de oxigênio das fábricas de celulose é geralmente de 200-5000 Nm³/h, o que é considerada uma capacidade de produção de oxigênio VPSA de médio e pequeno porte. Além disso, o consumo de energia dos sistemas de oxigênio VPSA é de 0,29-0,32 kWh/Nm³, que é 30% menor do que o das unidades de separação criogênica de ar. Atualmente, a tecnologia de geração de oxigênio VPSA foi aplicada em mais de 30 fábricas de celulose na China, e estendida até mesmo a empresas papeleiras globais conhecidas, como a Double A (Tailândia) PLC e uma fábrica de celulose na Bielorrússia.

1. Processo Técnico do Sistema VPSA-O2

O O princípio técnico da unidade de oxigênio VPSA e PSA é separar o oxigênio com base nas diferentes capacidades adsortivas dos adsorventes sólidos para componentes gasosos. Quando adsorventes sólidos porosos entram em contato com gases, o fenômeno de acomodar gases no seu interior ou na sua superfície é chamado de adsorção do adsorvente sólido ao gás, enquanto o retorno de átomos ou moléculas que foram adsorvidos pelo adsorvente para o ar é chamado de dessorção.

Utilizando o princípio de que a capacidade adsortiva da peneira molecular para nitrogênio e oxigênio no ar difere sob várias pressões, os adsorvedores do gerador de oxigênio VPSA e PSA realizam a separação de oxigênio e nitrogênio através da comutação cíclica das etapas de adsorção, despressurização, dessorção a vácuo, purga e repressurização. Quando o ar passa pelo leito de adsorção equipado com o adsorvente de peneira molecular de zeólito sob certa pressão, o nitrogênio é adsorvido pela peneira molecular enquanto o oxigênio é enriquecido na fase gasosa e sai do leito de adsorção devido à menor adsorção. Quando a peneira molecular está próxima da saturação, para de alimentar o ar e reduz a pressão do leito de adsorção, então o nitrogênio adsorvido na peneira molecular pode ser dessorvido, alcançando assim a regeneração e reutilização da peneira molecular. O oxigênio pode ser gerado continuamente quando dois ou mais leitos de adsorção são operados em turnos. O oxigênio produto obtido continuamente é descarregado do topo dos adsorvedores para os tanques de buffer e, em seguida, enviado para a seção de branqueamento de celulose com oxigênio após ser pressurizado pelo booster de oxigênio. No processo acima, cada adsorvedor está em diferentes etapas de operação ao mesmo tempo, e as válvulas são comutadas em intervalos regulares sob o controle do sistema PLC para fabricar o oxigênio produto que atende aos requisitos do cliente.

2. Adsorvedor (Vaso de Adsorção)

A unidade VPSA-O2 da PKU Pioneer, a maior fornecedora de equipamentos de geração de oxigênio VPSA da China, adota processo paralelo de dois adsorvedores, tornando possível personalizar flexivelmente a capacidade de oxigênio de acordo com as necessidades do cliente. O processo mais recente de geração de oxigênio VPSA da PKU Pioneer utiliza torres de adsorção radial vertical. Em comparação com as axiais iniciais, possui leitos de adsorção mais finos, menor resistência e despressurização do fluxo de ar, ajudando assim a reduzir a pressão de exaustão dos equipamentos de potência e o consumo de energia em 10%-15%, com notável eficiência de economia de energia. Além disso, a estrutura de leito cilíndrico ocupa uma área menor, o que efetivamente economiza o custo de construção também.

2.1 Seleção e Aplicação de Peneira Molecular

Adsorventes de peneira molecular comumente usados são 5A, 10X, 13X, N-2, CaA, NaX, CaX, LiX, CNA-198, Li.X.RE, HX5A-980, etc. Tomando a peneira molecular CaA comum como exemplo, quando o ar passa pela torre de adsorção equipada com peneira molecular CaA, o N2 é adsorvido preferencialmente de modo que o oxigênio sai da torre de adsorção como gás produto, porque o momento quadrupolar do nitrogênio é muito maior que o do oxigênio e o Ca2+ na superfície do microporo da peneira molecular CaA é mais eficaz na adsorção de N2 do que na adsorção de O2.

No entanto, a capacidade adsortiva e seletividade do adsorvente de peneira molecular CaA para nitrogênio ainda não são suficientemente altas, resultando em baixo rendimento de oxigênio e alto consumo de energia das unidades de geração de oxigênio VPSA. Em comparação com adsorventes de peneira molecular CaA e NaX, a peneira molecular LiX tem maior eficiência de produção de oxigênio. Menos peneira molecular LiX poderia ser usada para a mesma capacidade de oxigênio, reduzindo assim o consumo de energia e o tamanho do gerador de oxigênio VPSA e PSA. A capacidade da peneira molecular LiLSX para adsorver nitrogênio é maior que sua capacidade para adsorver o componente de oxigênio do ar, com um maior grau de troca iônica de Li e menor raio de Li+. O número de Li+ na peneira molecular LiLSX é o dobro do de Ca2+ no adsorvente de peneira molecular CaA e o coeficiente de separação nitrogênio-oxigênio é 2-5 vezes o das peneiras moleculares de oxigênio tradicionais, o que permite que a peneira molecular de lítio adsorva mais nitrogênio. Quando aplicada a unidades de oxigênio VPSA e PSA, o consumo de peneira molecular LiLSX é apenas 1/4 a 1/5 do da peneira molecular CaA, o que é favorável para reduzir o investimento total, aumentar o rendimento de oxigênio e reduzir grandemente o consumo de energia.

Adsorvente de Peneira Molecular de Oxigênio à Base de Lítio de Alta Eficiência PU-8 da PKU Pioneer para Usos Industriais e Médicos

2.2 Estrutura Interna dos Adsorvedores

O design irracional da estrutura interna dos adsorvedores de oxigênio VPSA pode levar a um deslocamento excessivo ou até mesmo à pulverização da peneira molecular carregada nos adsorvedores devido ao impacto do fluxo de ar. Especialmente, após a peneira molecular estar em serviço por um longo tempo, a lacuna entre as peneiras moleculares diminuirá gradualmente e o leito de adsorção descerá. A PKU Pioneer fez muitas otimizações e melhorias no design estrutural do adsorvedor através de mais de 20 anos de experiência em engenharia, e originou um sistema de distribuição de fluxo de ar mais razoável, que pode reduzir a zona inoperante no leito de adsorção, evitar o impacto direto da corrente de ar na peneira molecular e prolongar a vida útil das peneiras moleculares.

O adsorvedor é carregado com peneira molecular cuja adsorção e dessorção são diretamente influenciadas pela velocidade do fluxo de ar. Quanto mais lento o fluxo de ar, mais propício é para a adsorção e dessorção da peneira molecular. Em comparação com o fluxo axial de baixo para cima no vaso de adsorção axial, o adsorvente no adsorvedor radial está em contato total com o fluxo de ar, cuja direção é mais favorável à adsorção e dessorção. Na etapa de adsorção, o N2 é gradualmente absorvido e o volume de gás diminui à medida que a corrente de ar flui de fora para dentro. A seção transversal do fluxo da torre de adsorção radial também é progressivamente estreitada de fora para dentro. Essa estrutura aumenta a eficiência de utilização abrangente do adsorvente e melhora a estabilidade do leito de adsorção. A direção do ar é perpendicular à da gravidade, o que reduz efetivamente a lavagem da peneira molecular e aumenta sua vida útil.

Equipamentos de compactação razoáveis podem evitar que a peneira molecular se pulverize devido à colisão mútua. A tecnologia patenteada da PKU Pioneer, ou seja, o sistema de carregamento giratório homogêneo mecânico da peneira molecular e de compactação automática por membrana, garante força uniforme no adsorvente, de modo que a peneira molecular seja compactada e achatada uniformemente e a extremidade superior do leito de adsorção não seja facilmente pulverizada, o que pode evitar a diminuição da pureza do oxigênio ou afetar a capacidade de produção do gerador de oxigênio causada pelo pó adsorvente bombeado pela bomba de vácuo para garantir a operação estável do equipamento de oxigênio VPSA e melhorar ainda mais a eficiência de utilização do adsorvente de peneira molecular. Atualmente, a PKU Pioneer possui a maioria dos projetos de produção de oxigênio que estão em operação há mais de 10 anos na China, com excelentes indicadores, fornecendo uma garantia sólida para o fornecimento estável de oxigênio dos clientes.

3. Outros Equipamentos e Componentes no Processo

3.1 Soprador

O soprador centrífugo de pressão constante faz com que a vazão de oxigênio varie continuamente com a pressão. Embora a capacidade possa ser ajustada, a eficiência se degradará rapidamente sempre que se desviar do valor de projeto ideal. Na planta VPSA-O2, para fornecer ar pressurizado para o adsorvedor, o soprador Roots de fluxo de ar constante é geralmente usado para pressurizar o ar. Como resultado, a capacidade de oxigênio é basicamente estável quando a pressão muda, o que causa menos impacto no leito de adsorção e é benéfico para a adsorção da peneira molecular. No sistema de oxigênio VPSA, a eficiência do soprador Roots é maior do que a do soprador centrífugo, e a operação prática provou que seu índice de consumo de energia também é o mais baixo.

3.2 Bomba de Vácuo

As bombas de vácuo Roots têm inicialização rápida e alto vácuo final. Os componentes de transmissão da bomba possuem uma configuração robusta anti-folga, permitindo que níveis ideais de vácuo sejam alcançados em pouco tempo. Não há peças deslizantes na câmara da bomba e a lubrificação a óleo é desnecessária, evitando a contaminação do sistema por vapor de óleo. Também possui vantagens significativas, como menor consumo de energia, menor custo de operação e manutenção, maior velocidade e eficiência de bombeamento, operação mais estável, etc.

3.3 Compressor de Oxigênio

No sistema gerador de oxigênio VPSA, são aplicados compressores de oxigênio do tipo pistão, Roots e centrífugo, entre os quais o compressor de oxigênio a pistão é geralmente usado. O oxigênio é sensível à temperatura, óleo e faíscas, portanto, a falha do compressor de oxigênio afetará a operação dos adsorvedores. Se um compressor de oxigênio do tipo pistão for usado, é necessário evitar o aumento repentino da temperatura de exaustão do cilindro, bem como o desligamento por intertravamento causado pela mistura de óleo lubrificante e oxigênio. Se for usado um compressor de oxigênio tipo Roots, o selo mecânico duplo desbalanceado pode ser realizado tanto nas direções radial quanto axial.

4. Sistema de Controle

4.1 Válvulas de Comutação

As válvulas de comutação também são chamadas de válvulas de controle PLC. As válvulas de saída do soprador, válvulas de entrada do soprador de vácuo, válvulas de saída de oxigênio do produto, válvulas de purga, válvulas de equilíbrio (válvulas de equalização de pressão), etc., permitem que os adsorvedores passem normalmente pelas seções de adsorção, despressurização, dessorção direta e reversa e purga. Elas são geralmente pneumáticas e podem ser controladas por programas de computador quando conectadas a DCS ou PLC, com não apenas um curto ciclo de comutação, mas também uma longa vida útil de até 15 anos, e podem ser comutadas milhões de vezes após operação contínua por um ano.

4.2 Instrumentação

O sistema de controle de instrumentação do equipamento de oxigênio VPSA é controlado pelo sistema PLC. Instrumentos seguros, confiáveis e avançados são cruciais para atender aos requisitos de monitoramento e controle de uma operação suave.

5. Conclusão

Com o avanço e desenvolvimento da tecnologia de produção de oxigênio VPSA, a unidade VPSA-O2 tem sido gradualmente reconhecida por muitas fábricas de papel devido ao seu menor investimento, menor consumo de energia, operação mais confiável e estável, benefícios efetivos e maior eficiência econômica. Como o maior fornecedor global de equipamentos de produção de oxigênio VPSA e PSA a PKU Pioneer forneceu soluções econômicas e confiáveis de geração de oxigênio para empresas de papel líderes mundiais, como Sun Paper Group e Double A PLC, para ajudar os clientes a economizar energia e reduzir custos substancialmente para melhorar a eficiência de todo o processo de fabricação de papel, o que é de grande significado prático para promover a reciclagem de recursos e o desenvolvimento sustentável da fabricação de papel, indústria.