A Situação de Desenvolvimento e a Inovação de Aplicação da Tecnologia de Geração de Oxigênio por PSA

1. Prefácio

Nos últimos 20 anos, a economia da China esteve em uma fase de desenvolvimento estável e rápido, onde os processos de produção de indústrias como fabricação de aço e ferro, metalurgia não ferrosa, indústria química, economia de energia em fornos, proteção ambiental, vidro e papel foram continuamente atualizados e inovados. A otimização de processos e a expansão da capacidade de produção levaram a demandas crescentes de oxigênio em várias áreas, o que, por sua vez, impulsionou o progresso tecnológico das plantas industriais de O2. Como resultado, melhorias foram feitas nas tecnologias tradicionais de geração de oxigênio, incluindo separação criogênica de ar, geração de oxigênio por PSA e processos de separação por membranas, especialmente a tecnologia de fabricação de oxigênio por PSA, que fez enormes progressos. Após o avanço no desenvolvimento do novo adsorvente à base de lítio e adsorvedores radiais, a tecnologia de geração de oxigênio por PSA tem sido amplamente utilizada e grandemente reconhecida pelos usuários finais.

2. Progresso na Tecnologia de Geração de Oxigênio por PSA

O desenvolvimento da A tecnologia de geração de oxigênio PSA começou na década de 1960, e os EUA e o Japão alcançaram a industrialização sucessivamente no início da década de 1980. No início da década de 1990, a Praxair desenvolveu um adsorvente de peneira molecular de lítio para geração de oxigênio e o processo de geração de oxigênio VPSA baseado nas características do adsorvente. A capacidade máxima de sua unidade de PSA de vaso duplo excedeu 3000Nm³/h, e o consumo de energia foi reduzido para 0,35 kWh/m³, o que levou ao rápido crescimento da tecnologia de produção de oxigênio por PSA e estabeleceu uma base sólida para sua ampla aplicação.

Nos últimos anos, com o desenvolvimento de motores de ímã permanente e a otimização do processo de geração de oxigênio, o menor consumo de energia da planta de PSA foi reduzido para menos de 0,3 kWh/m³ , enquanto a capacidade máxima da unidade de adsorvedor duplo ultrapassou 6000Nm³/h. A redução de custos e o aumento do volume de oxigênio produzido pelos equipamentos de PSA promoveram a expansão da aplicação do processo de geração de oxigênio por PSA.

A China começou a estudar a tecnologia de geração de oxigênio por PSA no final da década de 1980, e foi somente no início da década de 1990 que pequenos equipamentos industrializados estavam disponíveis. O sistema inicial de PSA usava adsorvente de peneira molecular CaA, e a capacidade atingiu o máximo de 1000Nm³/h no final da década de 1990, partindo dos originais 20Nm³/h, 50Nm³/h, e 100Nm³/h, o consumo de energia (oxigênio puro) era superior a 0,5 kWh/m³. Muitas empresas, especialmente aquelas na indústria siderúrgica que usavam equipamentos de PSA com base em suas vantagens de curto período de construção, operação estável e arranque/parada rápidos, substituíram-nos por equipamentos de separação criogênica devido à carga de trabalho pesada e alto custo de manutenção das unidades de PSA. Em suma, havia uma clara lacuna com o nível avançado internacional do mesmo período, pois os equipamentos de PSA da época não suportavam operação de longo prazo, além disso, sua manutenção era excessiva e a capacidade era limitada.

No início de 2000, a tecnologia de geração de oxigênio por PSA fez progressos rápidos e foi amplamente popularizada graças à produção de adsorvente de alta eficiência à base de lítio representada pela PKU Pioneer e à industrialização do processo de produção de oxigênio por PSA usando esse adsorvente. Atualmente, a capacidade das plantas de PSA construídas pela PKU Pioneer atingiu 40.000Nm³/h e o consumo de energia de oxigênio puro também está próximo de 0,3 kWh/m³.

Com soluções como a produção estável de adsorventes de alta eficiência à base de lítio, a P&D de adsorvedores radiais e válvulas borboleta de grande diâmetro com alta frequência de comutação confiável para algumas questões-chave da tecnologia de geração de oxigênio por PSA, a capacidade dos sistemas de PSA da China aumentou ano após ano, enquanto o consumo de energia foi gradualmente reduzido e a confiabilidade melhorou constantemente. A capacidade de um único conjunto de dispositivo de PSA de torre dupla também cresceu de menos de 1000Nm³/h para os atuais 6000Nm³/h, e até mais de 40.000Nm³/h após conexão de múltiplas torres. Ao mesmo tempo, o consumo unitário de energia de oxigênio diminuiu para menos de 0,32 kWh/m³, e a taxa de operação anual subiu para mais de 98%. O ruído do soprador caiu para abaixo de 85dB (através de medidas de silenciamento, o ruído a 1m fora da oficina pode atingir menos de 70dB), a taxa de não falha das válvulas borboleta de grande diâmetro atingiu principalmente mais de 8000h, e a vida útil da peneira molecular foi prolongada para mais de 5 anos. Os usuários finais tiveram uma nova compreensão dos equipamentos de produção de oxigênio por PSA e sua aplicação foi ampliada. Somente em 2018, mais de 70 unidades de PSA com capacidade superior a 1000Nm³/h foram instaladas na China.

A PKU Pioneer fez esforços contínuos para mudar a dependência das peneiras moleculares de PSA de importações e, ao mesmo tempo, fez avanços em peneiras moleculares de lítio e outros produtos similares, e alcançou a aplicação industrial desses novos produtos de peneira molecular.

Com excelente desenvolvimento e aprimoramento, a tecnologia de geração de oxigênio por PSA formou enormes vantagens únicas em comparação com a tecnologia criogênica, o que promove ainda mais a ampla aplicação da tecnologia PSA em várias indústrias.

3. Características da Tecnologia de Geração de Oxigênio por PSA

① Baixo Consumo de Energia e Custo Operacional

No processo de produção de oxigênio, o consumo de energia representa mais de 90% do custo operacional total. Com a otimização contínua da tecnologia de geração de oxigênio por PSA, o consumo de energia do oxigênio puro diminuiu de 0,45 kWh/m³³ na década de 1990 para menos de 0,32 kWh/m³³ atualmente, comparativamente, o menor consumo de energia de oxigênio puro de separadores de ar criogênicos de grande escala permanece em cerca de 0,42 kW·h/m³³, o que significa que a geração de oxigênio por PSA tem a vantagem de custo significativamente menor, desde que os clientes não tenham demanda de nitrogênio e não exijam pureza e pressão de oxigênio muito altas.

② Processo Simples, Operação Flexível, Partida e Parada Rápidas

Em comparação com a separação de ar criogênica, o processo de geração de oxigênio por PSA, com pressão operacional de -0,05～0,05 MPa, é relativamente mais simples. O principal equipamento de potência consiste em soprador Roots e bomba de vácuo Roots, ambos simples de operar e fáceis de manter. Como o gerador de oxigênio por PSA não inclui o processo de resfriamento e aquecimento durante a partida ou parada, leva apenas 30 minutos para iniciar e produzir o oxigênio alvo. Além disso, após pequenas interrupções, o sistema pode continuar a gerar oxigênio em apenas alguns minutos. Adicionalmente, ainda mais simples, a parada é realizada apenas desligando o equipamento de potência e o programa de controle. Em comparação com equipamentos criogênicos, é mais conveniente para a unidade de oxigênio por PSA dar partida e parar, o que reduz enormemente o custo operacional do dispositivo.

③ Baixo Investimento e Curto Período de Construção

O gerador de oxigênio por PSA é composto principalmente pelo sistema de potência, sistema de adsorção e sistema de comutação de válvulas. O pequeno número de componentes permite que os usuários economizem seu custo inicial. Enquanto isso, a pequena área de terreno também ajuda a reduzir o investimento em construção e terreno. Além disso, leva menos de 4 meses para concluir a montagem de suas unidades principais e, em circunstâncias normais, a produção de oxigênio pode ser alcançada dentro de 6 meses, portanto, o período de fabricação e instalação é mais curto em comparação com a construção de separadores de ar criogênicos.

④ Equipamento e Manutenção Simples

Os componentes do gerador de oxigênio por PSA, como sopradores, bombas de vácuo e válvulas programáveis, têm cadeias de suprimento altamente maduras, levando à fácil substituição de suas peças de reposição e contribuindo para reduzir o custo e controlar facilmente o período de construção. Além disso, a manutenção do equipamento PSA é simples, com serviços pós-venda convenientes. Em comparação com a manutenção de compressores centrífugos de grande escala em separadores de ar criogênicos, as plantas de oxigênio por PSA não exigem investir muito em fundos de manutenção ou contratar funcionários profissionais.

⑤ Alta Taxa de Redução de Carga

Em comparação com a tecnologia de oxigênio líquido criogênico, os sistemas de oxigênio por PSA conseguem uma regulação rápida do volume de gás produto e da pureza se houver pouca mudança no consumo de energia (oxigênio puro). Geralmente, a capacidade pode ser ajustada na faixa de 30% a 100%, e a pureza de 70% a 95%. Especialmente, a regulação da carga é muito mais fácil quando vários conjuntos de geradores de oxigênio por PSA são conectados em paralelo.

⑥ Alta Segurança Operacional

Como a operação da planta de oxigênio por PSA ocorre sob pressão atmosférica e temperatura normais, sem oxigênio líquido ou enriquecimento de acetileno, etc., é mais segura do que o equipamento criogênico, que geralmente é operado em baixa temperatura e alta pressão.

4. Principais Aplicações da Tecnologia de Geração de Oxigênio por PSA

À medida que a capacidade das unidades de oxigênio por PSA aumenta, a confiabilidade melhora enquanto o consumo de energia diminui gradualmente. Ao mesmo tempo, com as vantagens notáveis de operação flexível, regulação simples de carga, baixo consumo de energia, curto período de construção e alta segurança, a tecnologia de produção de oxigênio por PSA pode, sem dúvida, ser um processo alternativo à separação de ar criogênica para indústrias que exigem uso flexível de oxigênio enriquecido. O processo de geração de oxigênio por PSA também tem sido amplamente utilizado recentemente na siderurgia, metalurgia não ferrosa, indústria química, economia de energia em fornos, fornos rotativos de cimento, proteção ambiental, fabricação de vidro e papel, etc.

① Enriquecimento de Oxigênio em Altos-Fornos

Com o desenvolvimento da enriquecimento de oxigênio em alto-forno tecnologia, o alto-forno tornou-se uma das principais fontes de oxigênio em siderúrgicas, podendo ser tratado como regulador de fornecimento de oxigênio para toda a usina no estágio inicial da aplicação de enriquecimento de oxigênio em altos-fornos - a taxa de enriquecimento de oxigênio no alto-forno é alta quando o volume de oxigênio é grande, e a taxa é baixa com fluxo de oxigênio insuficiente. À medida que as empresas gradualmente se tornam mais conscientes da importância do enriquecimento de oxigênio em altos-fornos nos processos de produção de ferro, a estabilidade da taxa de enriquecimento de oxigênio torna-se um parâmetro crucial para operações de produção de ferro de baixo custo e eficientes. O fornecimento de oxigênio em siderúrgicas requer muitos procedimentos, e a carga flutua semanalmente ou até diariamente. Nesse caso, se for adotada uma unidade criogênica com regulação de carga inferior e longo tempo de partida e parada, o oxigênio excedente precisa ser armazenado após liquefação para uso posterior ou vendido como produto comercial se o consumo de oxigênio for muito baixo, resultando em evacuação de oxigênio às vezes. Devido aos baixos requisitos de pressão e pureza do oxigênio enriquecido para altos-fornos, muitas empresas siderúrgicas podem instalar geradores de oxigênio por PSA próximos aos altos-fornos, fornecendo assim oxigênio diretamente ao alto-forno e servindo como regulador do fornecimento de oxigênio de toda a usina. Quando há oxigênio excedente ou insuficiente, o gerador de oxigênio por PSA pode ser iniciado ou parado a qualquer momento para aumentar ou diminuir o volume, fornecendo oxigênio estável para o alto-forno. Atualmente, muitas empresas siderúrgicas adotam a tecnologia de geração de oxigênio por PSA para fornecer oxigênio para altos-fornos, com grande redução no custo do oxigênio. Tornou-se um consenso entre a maioria das empresas siderúrgicas que o sistema de oxigênio por PSA é uma fonte confiável de oxigênio enriquecido para altos-fornos.

② Aciaria Elétrica

Cerca de 60% a 70% das empresas de aciaria elétrica no Japão usam a tecnologia PSA para produzir oxigênio a 93% para a produção de aço. Em teoria, a aciaria elétrica depende principalmente do forno elétrico a arco (EAF) para fundir e fabricar aço, no qual o oxigênio tem apenas um efeito auxiliar. Portanto, o oxigênio a 93% produzido por plantas PSA pode ser usado na aciaria elétrica. Empresas na China, como Chizhou Guihang Metal Products Co., Ltd., Zunyi Changling Special Steel Co., Ltd. e Luzhou Yixin Iron & Steel Co., Ltd., começaram a usar geradores de oxigênio por PSA para fornecer oxigênio para a aciaria elétrica. De acordo com o feedback real dessas empresas, a tecnologia de geração de oxigênio por PSA não só não prejudica a qualidade do aço, mas também pode reduzir significativamente o custo de produção da aciaria elétrica. Após a adoção da tecnologia, o custo unitário do oxigênio pode ser controlado abaixo de US$ 0,0447.

③ Metalurgia Não Ferrosa

Nos últimos 10 anos, a tecnologia de geração de oxigênio por PSA obteve alto reconhecimento por parte de empresas de fundição de cobre, chumbo e zinco. A maioria dos processos de fundição de metais não ferrosos, com grandes variações de carga, dificilmente necessita de nitrogênio e geralmente requer de 24% a 90% de oxigênio. Devido às características de operação simples e baixo consumo de energia, a tecnologia de geração de oxigênio por PSA é bem adequada para a fundição de metais não ferrosos. Agora, a maioria das empresas de fundição não ferrosa da China, como Tongling Nonferrous Metals Group, Zijin Mining Group e Yunnan Copper Co., Ltd., selecionaram plantas de oxigênio por PSA como suas fontes de oxigênio enriquecido. Por exemplo, a Baotou Huading Copper Development Co., Ltd. construiu sucessivamente 4 conjuntos de unidades de oxigênio por PSA devido ao aumento de sua produção de cobre e à melhoria dos processos de fundição de cobre, com capacidade total de oxigênio superior a 25.000 Nm³³/h. Da mesma forma, a Yunnan Chuxiong Copper Smelter construiu sucessivamente 3 conjuntos de plantas de oxigênio por PSA, com capacidade total de oxigênio de 30.000 Nm³³/h.

④ Indústria Química

Atualmente, o processo contínuo de geração enriquecida de oxigênio é usado para melhorar a produção intermitente anterior de oxigênio em fábricas de fertilizantes nitrogenados de médio e pequeno porte, e a fonte de oxigênio enriquecido é principalmente de equipamentos de produção de oxigênio por PSA. A tecnologia de gaseificação contínua enriquecida com oxigênio tem alta aplicabilidade ao carvão, o que é favorável para melhorar a capacidade de produção do dispositivo de produção de oxigênio. Tem uma ampla perspectiva de aplicação.

⑤ Fabricação de Papel

Na fabricação de papel,o oxigênio é usado principalmente na seção de fabricação de polpa, como deslignificação com oxigênio e branqueamento em branqueamento com oxigênio. Como o processo de fabricação de papel não exige alta pureza de oxigênio nem necessita de nitrogênio, a maioria das fábricas de papel atualmente escolhe a tecnologia PSA para gerar oxigênio.

⑥ Outras Indústrias

Atualmente, a tecnologia de geração de oxigênio por PSA também é amplamente utilizada em outros campos, por exemplo, fabricação de fibra de vidro, combustão enriquecida com oxigênio em vidro float, fornos de cimento e incineração de resíduos, aeração rica em oxigênio e geradores de ozônio em tratamento de esgoto, etc.

5. Visão para o Desenvolvimento da Tecnologia de Geração de Oxigênio por PSA

A tecnologia de produção de oxigênio por PSA, uma tecnologia emergente que vem se desenvolvendo rapidamente nos últimos 20 anos, tem sido gradualmente reconhecida por muitas empresas com seu progresso tecnológico e expansão das fronteiras de aplicação. Para reduzir o consumo de energia da produção de oxigênio, é uma importante direção de P&D expandir áreas de aplicação maiores da futura tecnologia de produção de oxigênio por PSA, desenvolvendo novos adsorventes e tentando combiná-la com separação por membrana ou processos criogênicos. Por exemplo, combinar a tecnologia de produção de oxigênio por PSA com a tecnologia de separação por membrana pode obter oxigênio com mais de 99%+, que pode substituir a separação de ar criogênica em áreas remotas ou em algumas demandas móveis. A PKU Pioneer, como líder pioneira na indústria de geração de oxigênio, espera tomar a iniciativa no desenvolvimento futuro aumentando continuamente o investimento efetivo e dando grande importância à P&D da tecnologia PSA. À medida que a tecnologia de geração de oxigênio por PSA for cada vez mais aprimorada, certamente terá múltiplas vantagens e enorme potencial para conquistar uma perspectiva de aplicação mais brilhante no futuro.