Cinque principali vantaggi del sistema di ossigeno VPSA rispetto ai metodi tradizionali: perché le acciaierie preferiscono questa tecnologia?

Nell'industria della fusione dell'acciaio, l'ossigeno è un gas industriale fondamentale che attraversa l'intero processo di sinterizzazione, produzione del ferro, produzione dell'acciaio e laminazione dell'acciaio. La stabilità dell’offerta, il tasso di conformità alla purezza e i costi del consumo energetico determinano direttamente l’efficienza produttiva e la competitività sul mercato delle imprese siderurgiche. Le tradizionali tecnologie di generazione dell'ossigeno (come la separazione criogenica dell'aria e la separazione a membrana) hanno gradualmente messo in luce punti critici come un consumo energetico elevato, un avvio lento e un funzionamento e una manutenzione complessi durante l'applicazione a lungo-termine.

Al contrario, i generatori di ossigeno con adsorbimento a pressione oscillante (VPSA), guidati da aggiornamenti tecnologici, hanno offerto vantaggi significativi nel controllo del consumo energetico, nell’adattabilità e nel ritorno sull’investimento, diventando la tecnologia preferita per i sistemi di generazione di ossigeno nelle moderne acciaierie. Questo articolo inizierà con cinque vantaggi principali, combinati con la produzione effettiva dell'industria siderurgica, per analizzare in modo approfondito il valore tecnico e la logica di adattamento industriale dei generatori di ossigeno VPSA.

Il costo del consumo energetico rappresenta la principale spesa operativa dei sistemi di generazione di ossigeno nelle acciaierie. I tradizionali generatori di ossigeno criogenici per la separazione dell'aria si basano sulla tecnologia di distillazione a bassa-temperatura, che richiede una grande quantità di elettricità per mantenere un ambiente di refrigerazione di -183 gradi, con un consumo energetico di circa 0,45-0,6 kWh per metro cubo di ossigeno. Al contrario, i sistemi di generazione di ossigeno VPSA adottano un principio combinato di desorbimento del vuoto e adsorbimento con oscillazione di pressione. Attraverso le caratteristiche di adsorbimento selettivo dei setacci molecolari per le molecole di azoto e ossigeno nell'aria, la separazione del gas può essere ottenuta a temperatura e pressione normali, con un consumo energetico di soli 0,28-0,35 kWh per metro cubo di ossigeno, risparmiando il 30%-40% di energia in più rispetto alla separazione criogenica dell'aria.

Per le grandi imprese siderurgiche con una produzione annua di 10 milioni di tonnellate, la domanda giornaliera di ossigeno è di circa 80.000-120.000 metri cubi. Utilizzando i generatori di ossigeno VPSA è possibile risparmiare annualmente decine di milioni di yuan in costi di elettricità. Ancora più importante, le apparecchiature VPSA per la generazione di ossigeno non richiedono il supporto di unità di refrigerazione e sistemi di scambio di calore su larga scala-e il consumo di energia delle apparecchiature ausiliarie è solo 1/5 di quello delle tecnologie tradizionali, il che è in linea con le esigenze di trasformazione a basso-carbonio dell'industria siderurgica nell'ambito dell'attuale obiettivo "doppio carbonio". Inoltre, i generatori di ossigeno VPSA possono regolare dinamicamente la potenza di produzione del gas in base al-carico della domanda di ossigeno in tempo reale dei forni e degli altiforni per la produzione dell'acciaio, evitando il problema degli sprechi dei tradizionali generatori di ossigeno con "funzionamento a pieno-carico e consumo energetico fisso". In scenari a basso carico, come lo spegnimento degli altiforni e gli intervalli di produzione dell'acciaio, il consumo energetico può essere ulteriormente ridotto del 15%-20%.

Il supporto tecnico principale alla base di questo vantaggio risiede nei materiali dei setacci molecolari ad alte-prestazioni e nei sistemi intelligenti di controllo della pressione.

La capacità di assorbimento dell'azoto della nuova generazione di setacci molecolari a base di litio- è superiore del 25% rispetto a quella dei tradizionali setacci molecolari al carbonio e il ciclo di adsorbimento-desorbimento è ridotto a 2-3 minuti, riducendo significativamente la perdita di energia durante la conversione della pressione. Il sistema di controllo intelligente PLC può monitorare in tempo reale i dati sulla pressione e sulla purezza dell'ossigeno, regolare dinamicamente la curva di pressione della torre di adsorbimento e garantire l'equilibrio ottimale tra consumo energetico ed efficienza di produzione del gas. I dati rilevanti mostrano che dopo l’adozione della tecnologia di generazione dell’ossigeno VPSA, il costo medio del consumo di ossigeno per tonnellata di acciaio nell’industria siderurgica è diminuito del 28%, diventando una svolta fondamentale per le imprese per ridurre i costi e aumentare l’efficienza.

I tradizionali sistemi criogenici per la generazione di ossigeno con separazione dell'aria sono costituiti da decine di apparecchiature, tra cui compressori d'aria, sistemi di pre-raffreddamento, sistemi di purificazione, torri di distillazione e serbatoi di stoccaggio dell'ossigeno. L'intero sistema copre una vasta area e richiede una pianificazione separata delle fondazioni delle apparecchiature, dei supporti delle tubazioni e delle officine operative, rendendo estremamente difficile l'implementazione per le ristrutturazioni di vecchie fabbriche o progetti siderurgici con spazio limitato. Prendendo come esempio un sistema con una produzione giornaliera di ossigeno di 10.000 metri cubi, un generatore di ossigeno criogenico con separazione dell'aria richiede una superficie di circa 800-1000 metri quadrati, con un ciclo di installazione delle apparecchiature di 6-8 mesi e un grande investimento in costi di ingegneria civile.

I generatori di ossigeno VPSA adottano un design modulare integrato, con le apparecchiature principali (compressori d'aria, torri di adsorbimento, letti a setacci molecolari, gruppi di valvole a vuoto) altamente integrate in un'unica unità. L'intero sistema copre solo 1/3-1/4 dell'area di separazione criogenica dell'aria- un'apparecchiatura VPSA con una produzione giornaliera di ossigeno di 10.000 metri cubi necessita solo di 200-300 metri quadrati. La sua struttura modulare consente la prefabbricazione in fabbrica e il rapido assemblaggio in cantiere, abbreviando il ciclo di installazione a 1-2 mesi e riducendo significativamente l'impatto sulla normale produzione delle acciaierie. Per i progetti di aggiornamento del sistema di generazione di ossigeno di vecchi stabilimenti, i generatori di ossigeno VPSA possono essere collegati direttamente alle condutture di trasmissione dell'ossigeno esistenti senza ristrutturazioni su larga scala del sito, riducendo i costi di ingegneria civile di oltre il 60%.

In termini di costi di investimento, l'investimento iniziale dei sistemi di generazione di ossigeno VPSA è inferiore del 20%-30% rispetto a quello della separazione criogenica dell'aria e non è necessario investire in costose apparecchiature di refrigerazione e materiali di consumo per torri di distillazione. Ancora più importante, i generatori di ossigeno VPSA supportano "l'espansione su-richiesta". Le imprese siderurgiche possono aggiungere moduli di torri di assorbimento in più fasi in base ai propri piani di espansione della capacità, evitando l'occupazione di capitale causata da investimenti ingenti una tantum. Ad esempio, un'acciaieria di medie-dimensioni ha inizialmente configurato 2 set di generatori di ossigeno VPSA con una produzione giornaliera di 5.000 metri cubi quando la sua produzione annua di acciaio era di 3 milioni di tonnellate; quando la capacità successiva è aumentata a 5 milioni di tonnellate, è stato sufficiente aggiungere solo 1 set di apparecchiature con le stesse specifiche per soddisfare la domanda, superando di gran lunga le tradizionali tecnologie di generazione di ossigeno in termini di flessibilità di investimento.

La produzione dell’acciaio è un’industria a flusso continuo che opera 24 ore al giorno. Eventuali guasti al sistema di generazione dell’ossigeno porteranno direttamente all’interruzione dell’ossigeno nell’altoforno e all’arresto della produzione dell’acciaio, con conseguenti perdite economiche di centinaia di migliaia di yuan all’ora. I tradizionali generatori di ossigeno criogenici per la separazione dell'aria hanno strutture di apparecchiature complesse e molti sistemi associati, che portano a relativamente più punti di guasto. Una volta che si verificano problemi come perdite del sistema di refrigerazione e blocco della torre di distillazione, il ciclo di manutenzione può durare diversi giorni, compromettendo seriamente la continuità della produzione.

Il vantaggio principale dei generatori di ossigeno VPSA risiede nella loro struttura semplice- le uniche parti mobili sono i compressori d'aria e i gruppi di valvole del vuoto, quindi il tasso di guasto è molto inferiore a quello delle apparecchiature criogeniche per la separazione dell'aria. Il tempo medio tra i guasti (MTBF) può raggiungere più di 8.000 ore e l'affidabilità operativa annuale supera il 99,5%. Il suo letto a setaccio molecolare adotta un design a letto fisso-, che non richiede sostituzioni frequenti e ha una durata di servizio di 8-10 anni- 3-5 anni in più rispetto al ciclo di sostituzione dei materiali di consumo dei tradizionali generatori di ossigeno. Inoltre, le apparecchiature per la generazione di ossigeno VPSA hanno le caratteristiche di un avvio rapido, impiegando solo 15-30 minuti per produrre ossigeno qualificato da uno stato di arresto, mentre i generatori di ossigeno criogenici per la separazione dell'aria richiedono 4-6 ore per avviarsi. Questo vantaggio è particolarmente evidente nella fase di ripresa della produzione dopo improvvise interruzioni di corrente o manutenzione delle apparecchiature.

In termini di adattabilità della purezza dell'ossigeno, i generatori di ossigeno VPSA possono regolare in modo flessibile la purezza dell'ossigeno tra il 90% e il 99,5% in base alle esigenze dei diversi processi di produzione dell'acciaio. Nel processo di produzione del ferro, l'ossigeno con una purezza del 90%-93% può soddisfare le esigenze dell'esplosione arricchita di ossigeno dell'altoforno-, riducendo così il consumo di energia. Il processo di produzione dell'acciaio (convertitore, forno elettrico ad arco) richiede ossigeno ad alta-purezza superiore al 99,2%. Ottimizzando il rapporto dei setacci molecolari e il ciclo di adsorbimento, i generatori di ossigeno VPSA possono produrre stabilmente ossigeno di elevata purezza-con un intervallo di fluttuazione della purezza controllato entro ±0,3%, soddisfacendo i requisiti della produzione di acciaio di precisione. Al contrario, la purezza massima dell'ossigeno dei generatori di ossigeno con separazione a membrana può raggiungere solo il 95%, il che non può adattarsi al processo di produzione dell'acciaio. Sebbene i generatori di ossigeno criogenici per la separazione dell'aria possano produrre ossigeno ad elevata purezza superiore al 99,5%, la loro flessibilità di regolazione della purezza è scarsa, con conseguenti gravi sprechi energetici durante la produzione di gas a bassa purezza.

I tradizionali sistemi criogenici per la generazione di ossigeno con separazione dell'aria coinvolgono molteplici collegamenti di processo complessi come la refrigerazione, la distillazione e la purificazione, che richiedono requisiti estremamente elevati per le competenze professionali del personale operativo e di manutenzione. Le imprese devono dotare i team di professionisti di conoscenze in molteplici campi come l’ingegneria chimica, la refrigerazione e i macchinari, e il numero di apparecchiature gestite per persona è limitato. Un'officina di separazione criogenica dell'aria con una produzione giornaliera di 100.000 metri cubi richiede 15-20 addetti alle operazioni e alla manutenzione, con conseguenti elevati costi di manodopera.

I generatori di ossigeno VPSA adottano un sistema di controllo completamente automatizzato, consentendo operazioni come l'avvio e l'arresto dell'apparecchiatura, la regolazione dei parametri e l'allarme di guasto tramite un touch screen, che semplifica notevolmente il processo di funzionamento e manutenzione. I suoi lavori principali di funzionamento e manutenzione comprendono solo i collegamenti di base come la sostituzione dell'elemento filtrante del compressore d'aria, l'ispezione regolare dei letti dei setacci molecolari e la lubrificazione delle valvole. Il personale tecnico ordinario può operare in modo indipendente dopo 1-2 settimane di formazione. Una stazione di generazione di ossigeno VPSA con una produzione giornaliera di 100.000 metri cubi richiede solo 5-8 addetti alle operazioni e alla manutenzione, riducendo i costi di manodopera di oltre il 60% rispetto alla tradizionale separazione criogenica dell'aria.

Inoltre, la funzione di monitoraggio e diagnosi remota dei sistemi di generazione di ossigeno VPSA riduce ulteriormente la pressione operativa e di manutenzione. Attraverso la piattaforma Internet industriale, il personale operativo e di manutenzione può-visualizzare in tempo reale i parametri operativi delle apparecchiature (pressione, temperatura, purezza, consumo energetico) e il sistema può identificare automaticamente dati anomali ed emettere avvisi tempestivi e persino completare la regolazione dei parametri e la diagnosi dei guasti da remoto. Dopo aver adottato i generatori di ossigeno VPSA, un grande gruppo siderurgico ha creato un centro operativo e di manutenzione centralizzato, con solo 20 addetti operativi e di manutenzione che gestiscono 10 stazioni di generazione di ossigeno, migliorando notevolmente l'efficienza della gestione. Allo stesso tempo, le parti soggette ad usura (elementi filtranti, guarnizioni delle valvole) dei generatori di ossigeno VPSA hanno una forte versatilità, bassi costi di approvvigionamento e semplici processi di sostituzione, senza fare affidamento sul supporto tecnico originale di fabbrica, riducendo ulteriormente i tempi e i costi di approvvigionamento di funzionamento e manutenzione.

Con la crescente severità delle politiche nazionali di protezione ambientale, l'industria siderurgica, in quanto settore ad alto-consumo-di energia e ad-emissioni elevate, si trova ad affrontare pressioni urgenti per risparmiare energia e ridurre le emissioni. Durante il funzionamento dei tradizionali generatori di ossigeno criogenici per la separazione dell'aria, il sistema di refrigerazione produrrà una certa quantità di emissioni di gas serra e il rumore dell'apparecchiatura è relativamente elevato (il rumore operativo è di circa 85-90 decibel), richiedendo strutture di supporto per l'isolamento acustico. Allo stesso tempo, il sistema di purificazione della separazione criogenica dell'aria produrrà rifiuti adsorbenti, che causeranno inquinamento ambientale se non gestiti correttamente.

I generatori di ossigeno VPSA presentano vantaggi intrinseci nella protezione ambientale:

in primo luogo, non ci sono emissioni di gas serra. L’intero processo di generazione dell’ossigeno consuma solo aria ed elettricità e il consumo di elettricità è molto inferiore a quello delle tecnologie tradizionali, riducendo indirettamente le emissioni di carbonio derivanti dalla produzione di energia termica.

In secondo luogo, il rumore di funzionamento è basso. Ottimizzando la progettazione di riduzione del rumore dei compressori d'aria e delle strutture di tenuta delle apparecchiature, il rumore di funzionamento dei generatori di ossigeno VPSA può essere controllato al di sotto di 75 decibel, senza la necessità di ulteriori officine di isolamento acustico, soddisfacendo gli standard di emissione di rumore per le imprese industriali.

In terzo luogo, materiali di consumo rispettosi dell'ambiente. Il letto del setaccio molecolare ha una lunga durata e può essere riciclato e rigenerato dopo la rottamazione, senza causare inquinamento ambientale. Al contrario, gli adsorbenti dei rifiuti della tradizionale separazione criogenica dell’aria sono rifiuti pericolosi con elevati costi di smaltimento.

Inoltre, le caratteristiche di risparmio idrico-delle apparecchiature per la generazione di ossigeno VPSA soddisfano anche le esigenze di conservazione dell'acqua dell'industria siderurgica. Il sistema di pre-raffreddamento e il sistema di raffreddamento dei generatori di ossigeno criogenici con separazione dell'aria devono consumare una grande quantità di acqua industriale. Un'apparecchiatura criogenica con una produzione giornaliera di ossigeno di 10.000 metri cubi consuma circa 50-80 tonnellate di acqua al giorno. Al contrario, i generatori di ossigeno VPSA necessitano solo di una piccola quantità di acqua di raffreddamento per il raffreddamento del compressore d'aria, con un consumo giornaliero di acqua di sole 5-10 tonnellate e un tasso di risparmio idrico superiore all'80%. Questo vantaggio è particolarmente importante per le acciaierie situate in aree con scarsità d’acqua. Spinti dall'obiettivo del "doppio carbonio" e dalle politiche di protezione ambientale, gli attributi ecologici dei generatori di ossigeno VPSA sono diventati un vantaggio importante per le imprese siderurgiche per adempiere alle proprie responsabilità sociali e ottenere sostegno dalle politiche di protezione ambientale.

Nel complesso, i cinque principali vantaggi dei generatori di ossigeno VPSA soddisfano accuratamente le esigenze principali dell'industria siderurgica: il risparmio energetico e la riduzione dei costi sono in linea con gli obiettivi di profitto dell'azienda, l'implementazione leggera si adatta ai vincoli del sito, il funzionamento stabile garantisce una produzione continua, il funzionamento e la manutenzione convenienti riducono la pressione sulla gestione e la protezione ambientale risponde ai requisiti politici.

Rispetto alle tradizionali tecnologie di generazione di ossigeno, i generatori di ossigeno VPSA non solo sono leader in termini di indicatori tecnici, ma creano anche valore economico e sociale a lungo termine-per le imprese siderurgiche.

Dal punto di vista delle tendenze del settore, con il continuo miglioramento della tecnologia dei materiali dei setacci molecolari (come la ricerca e sviluppo e l'applicazione di setacci molecolari a base di litio ad alte prestazioni--e setacci molecolari compositi) e l'ottimizzazione dei sistemi di controllo intelligenti, il consumo di energia dei generatori di ossigeno VPSA sarà ulteriormente ridotto, l'intervallo di regolazione della purezza sarà più ampio e l'adattabilità sarà più forte. In futuro, la tecnologia di generazione dell’ossigeno VPSA non sarà applicata solo ai collegamenti convenzionali della fusione dell’acciaio, ma si espanderà anche a scenari con requisiti più elevati di purezza dell’ossigeno come la raffinazione dell’acciaio speciale e il trattamento termico dell’acciaio, diventando il supporto tecnico fondamentale per il sistema di fornitura di gas nell’industria siderurgica.

Per le imprese siderurgiche, la scelta dei generatori di ossigeno VPSA non è più un semplice aggiornamento delle apparecchiature ma una decisione strategica per migliorare la competitività di base. Che si tratti della pianificazione di sistemi di generazione di ossigeno per nuovi progetti siderurgici o della trasformazione tecnica di apparecchiature di generazione di ossigeno in vecchie fabbriche, i generatori di ossigeno VPSA sono diventati la soluzione preferita per un numero sempre maggiore di imprese siderurgiche con i loro significativi vantaggi globali, promuovendo lo sviluppo di alta-qualità dell'industria siderurgica in una direzione efficiente, a basso-carbonio e sostenibile.

Dopo aver adottato l'apparecchiatura per la generazione di ossigeno VPSA, un'acciaieria ha aumentato la propria efficienza produttiva complessiva del 25%, ha ottenuto un controllo più preciso della temperatura durante la fusione e ha ridotto il consumo di ossigeno del 30%. Inoltre, le emissioni di carbonio sono state ridotte del 15%, apportando significativi vantaggi economici e ambientali all’azienda.

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