Uma Análise Econômica da Planta de Oxigênio VPSA de 6.000 Nm³/h, 100% para Suporte à Combustão com Oxigênio Enriquecido em Altos-Fornos em Siderúrgicas

Unidades de adsorção por oscilação de pressão a vácuo são utilizadas para produzir oxigênio com purezas entre 80% e 94%. O princípio técnico é separar o oxigênio do ar utilizando a diferente seletividade dos adsorventes para oxigênio e nitrogênio. Unidades que utilizam esse tipo de processo de produção de oxigênio não criogênico podem ser chamadas de sistemas VPSA (Adsorção por Oscilação de Pressão a Vácuo), VSA (Adsorção por Oscilação a Vácuo) ou PVSA (Adsorção por Oscilação de Pressão-Vácuo). A tecnologia de adsorção por oscilação de pressão a vácuo mencionada neste artigo é representada por VPSA.

O processo da tecnologia de geração de oxigênio VPSA tornou-se relativamente maduro após décadas de desenvolvimento. Foi alcançada a transformação do adsorvedor axial original com leito de adsorvente à base de cálcio para o vaso de adsorção radial com adsorvente à base de lítio. A capacidade máxima das plantas de dois vasos agora atinge 6.000 Nm³/h para 100% de produto de oxigênio. Essas plantas são particularmente adequadas para fornecer oxigênio como equipamento de suporte para altos-fornos ou fornos elétricos em siderúrgicas devido ao seu custo relativamente baixo, alta segurança, curto período de construção e fácil manutenção. Ao mesmo tempo, para setores de energia, a fácil inicialização e o rápido ajuste de carga da tecnologia VPSA apresentam grandes vantagens na regulação da demanda total de oxigênio, na redução da liberação de oxigênio e na redução adicional dos custos de produção. Em resumo, a tecnologia VPSA é a primeira escolha para empresas siderúrgicas complementarem oxigênio no caso de o nitrogênio ser fornecido suficientemente por separação criogênica de ar.

Em 2008, a Anshan Baode Iron and Steel Co., Ltd. concluiu um acordo de compra de planta de oxigênio VPSA (7.500 Nm³/h, 80%) com a Beijing Peking University Pioneer Technology Co., Ltd. para um alto-forno de produção de ferro. A unidade foi colocada em produção com sucesso e tem mostrado operação estável até agora. O alto-forno fornece uma taxa de enriquecimento de oxigênio de 2,38%, um aumento de produção de cerca de 8,5%, uma taxa de injeção de carvão de 145 kg/tonelada de ferro e uma redução na taxa de coque em 5%. Em agosto de 2017 e setembro de 2018, uma unidade de oxigênio VPSA com capacidade de 7.500 Nm³/h e pureza de 80% (6.000 Nm³/h, 100%) foi equipada para o alto-forno sucessivamente, enquanto a taxa de enriquecimento de oxigênio do alto-forno subiu para 4,38% e a taxa de coque foi reduzida em 10%, criando assim benefícios econômicos impressionantes.

Nos últimos anos, a tecnologia de geração de oxigênio VPSA passou por um rápido desenvolvimento na China, mostrando vantagens óbvias apresentadas a seguir:

Em primeiro lugar, a confiabilidade e a longa vida útil da tecnologia de produção de oxigênio VPSA resistem ao teste do tempo. A unidade de oxigênio VPSA que a Anshan Baode Iron and Steel Co., Ltd. aplicou em 2008 não enfraqueceu até agora, e seu consumo de energia permaneceu no nível original.

Em segundo lugar, a tecnologia de produção de oxigênio VPSA requer apenas equipamentos de energia, incluindo um soprador, uma bomba de vácuo, um motor elétrico e válvulas pneumáticas, portanto, nenhum pessoal adicional é necessário, pois os componentes de baixo custo são relativamente fáceis de manter.

Em terceiro lugar, a alta segurança é garantida. A planta de oxigênio VPSA injeta oxigênio enriquecido antes do soprador, sem pressurização para o alto-forno. Com um ambiente operacional relativamente espaçoso, os riscos de segurança ocultos são evitados e o gerenciamento é simplificado.

Os dois conjuntos de geradores de oxigênio VPSA de cerca de dez anos atrás passaram por ajustes de configuração e outras mudanças importantes, conforme observado na operação real. Os parâmetros específicos são mostrados na tabela abaixo:

Com seu rápido desenvolvimento ao longo de mais de uma década, a tecnologia de produção de oxigênio VPSA foi significativamente aprimorada em sua configuração e processo. De acordo com a análise da tabela acima, sua melhoria de processo é refletida por:

1. Redução no Número de Equipamentos Rotativos

Comparado com plantas anteriores de mesma capacidade, contém muito menos equipamentos de potência, motores elétricos e válvulas, reduzindo significativamente a carga de manutenção e, indiretamente, o custo de mão de obra e manutenção também. Devido ao desempenho melhorado do adsorvente, a capacidade por tonelada foi aumentada em mais de 20%. Além disso, o vaso de absorção axial foi transformado em vaso de fluxo radial, de modo que toda a estrutura interna do espaço sofreu uma mudança geral. A fabricação de adsorventes e adsorvedores se destaca internacionalmente, e todas as otimizações resultam em uma seleção de configuração simplificada e menor investimento.

2. Redução na Taxa de Falhas e Aumento na Vida Útil

Em toda a unidade, a operação normal das válvulas é uma condição importante para garantir o funcionamento contínuo do sistema, enquanto as válvulas são as principais partes que sofrem falhas facilmente. O trabalho central de manutenção para a planta de oxigênio VPSA produzida em 2008 reside nas válvulas. Geralmente, os anéis de vedação precisam ser substituídos uma vez por ano, em média. O número de válvulas em plantas de oxigênio fabricadas em 2017 foi reduzido em 30%, com o calibre aumentado, reduzindo bastante a manutenção geral. Por último, mas não menos importante, há a redução adicional na taxa de falhas. Enquanto isso, a melhoria do material dos anéis de vedação prolongou a frequência de substituição das válvulas para uma vez a cada cerca de 18 meses, em média (ou seja, embora o número de vezes que os anéis de vedação operam tenha dobrado, o ciclo de absorção é encurtado e o número de aberturas e fechamentos aumenta).

3. Redução no Consumo de Energia

O consumo de energia é o indicador mais importante para medir o desempenho avançado dos geradores de oxigênio VPSA. Com a adoção de novo adsorvente e adsorvedor radial, o consumo de energia foi reduzido em 10%. 1 Nm³³ de oxigênio puro pode economizar cerca de 0,04 kW/h de eletricidade, com base no cálculo de 6.000 Nm³³/h. Considerando uma operação anual estimada de 8.400 horas, uma economia de custos substancial de aproximadamente US$ 29 milhões pode ser alcançada.

4. Serviço Remoto

A proposição de "manufatura inteligente" promoveu a integração da tecnologia avançada de manufatura da China com a informatização. O sistema de análise remota de dados, Pioneer Cloud Service, é uma nova função prática carregada na planta de oxigênio. Os dados de operação são transmitidos ao cliente através do sistema específico em tempo real, então o sistema compara esses dados com a curva padrão em condições normais de operação e apresenta um relatório visualizado dos resultados. Em caso de qualquer anormalidade, um alarme imediato será acionado para orientar os operadores a realizar ajustes e manutenção, fortalecendo ainda mais sua estabilidade, evitando riscos desconhecidos e eliminando problemas o mais rápido possível.

5. Outros

A redução também é alcançada em vasos de absorção, área de cobertura e adsorvente. O ajuste de carga torna-se mais fácil e rápido.

Em resumo, a tecnologia de produção de oxigênio por adsorção por oscilação de pressão a vácuo tem as vantagens de baixo consumo de energia, alta confiabilidade, fácil operação e manutenção, ajuste rápido de carga, etc. Portanto, seu escopo de aplicação será amplamente expandido. Uma referência completa às aplicações tecnológicas VPSA por siderúrgicas em vários países ajuda a indústria siderúrgica chinesa a reduzir melhor os custos de produção e melhorar os benefícios empresariais, consolidando e aumentando assim a competitividade de mercado das empresas siderúrgicas.