Pour les usines qui consomment de l’oxygène quotidiennement, la différence de coût entre les bouteilles livrées et la production d’oxygène sur site ne dépend pas uniquement du prix du gaz indiqué. Un système basé sur des bouteilles déplace la production, la compression, le stockage et le transport d'oxygène à l'extérieur de l'usine, tandis qu'un système PSA sur site déplace la plupart de ces fonctions vers l'installation de production. La structure des coûts qui en résulte passe d’un modèle d’achat et de livraison à un modèle d’électricité, de compresseur, de maintenance et d’utilisation des équipements.
Bouteille d'oxygène : comment fonctionne la chaîne d'approvisionnement conventionnelle
L'oxygène en bouteille industrielle atteint normalement l'utilisateur via une séquence de production, de compression, de remplissage, de transport, de stockage et de réduction de pression. L'oxygène est produit dans une usine à gaz centrale et comprimé dans des bouteilles en acier ou en aluminium. En fonction de la conception des bouteilles et des réglementations locales, les bouteilles industrielles peuvent être remplies à environ 150-200 bars à la station-service.
En usine, les bouteilles sont connectées individuellement ou via un collecteur qui regroupe plusieurs bouteilles en banques afin que les opérateurs puissent passer d'une banque vide à une banque remplie sans interrompre immédiatement le processus. Les régulateurs de pression réduisent ensuite la pression de la bouteille à la pression de fonctionnement requise par les brûleurs, les équipements de coupe, les systèmes d'aération ou tout autre équipement consommant de l'oxygène.
La quantité d’oxygène utilisable n’est pas déterminée uniquement par la pression nominale de la bouteille. Le volume d'eau de la bouteille, la pression de remplissage, la température du gaz et la pression résiduelle lors du remplacement de la bouteille affectent tous l'utilisation réelle. Si les bouteilles sont échangées alors qu'une quantité importante de gaz reste à l'intérieur, l'usine a payé pour du gaz qui n'est pas entré dans le processus de production.
Production d'oxygène PSA sur site : structure du système
Un sur placeSystème d'oxygène PSAgénère de l’oxygène à partir de l’air atmosphérique comprimé. Une installation typique contient un compresseur d'air, un récepteur d'air, des filtres à particules et coalescents, des récipients d'adsorption, des vannes de commutation, un récepteur d'oxygène, un analyseur d'oxygène, un système de contrôle PLC, un régulateur de pression et une tuyauterie de distribution d'oxygène.
Les récipients d'adsorption contiennent un matériau de tamis moléculaire, généralement de la zéolite. Le matériau interagit différemment avec l’azote et l’oxygène dans des conditions sous pression. Pendant la phase d'adsorption, l'air comprimé entre dans un récipient, l'azote est retenu préférentiellement par le tamis moléculaire et un flux gazeux enrichi en oxygène sort vers le récepteur d'oxygène.
Le système utilise normalement deux ou plusieurs récipients d'adsorption. Pendant qu'un récipient produit de l'oxygène, un autre récipient subit une dépressurisation et une régénération. Les vannes de commutation contrôlent le trajet du gaz selon un cycle programmé. Cet agencement permet à un récipient d'adsorber l'azote tandis qu'un autre libère l'azote précédemment retenu.
Le récepteur d'oxygène sépare la production de la demande instantanée du processus. Il peut absorber les fluctuations de débit à court terme et stabiliser la pression en aval au lieu d'exiger que les lits d'adsorption suivent chaque changement de consommation d'oxygène.
LeMessage d'intérêt publicLe cycle comprend principalement des étapes de pressurisation, d’adsorption, de dépressurisation et de régénération. L'air comprimé passe d'abord par la section de traitement de l'air, où l'eau, les aérosols d'huile et les particules sont éliminés avant que l'air n'atteigne le tamis moléculaire.
Lors de l'adsorption, la cuve d'exploitation reste sous pression tandis que l'azote est préférentiellement adsorbé. L'oxygène et l'argon traversent le lit et forment le gaz produit. À mesure que la capacité d'adsorption approche de sa limite de fonctionnement, le système de contrôle modifie le trajet du gaz et envoie le récipient en régénération.
Pendant la régénération, la pression de la cuve est réduite et l'azote adsorbé quitte le tamis moléculaire. Certaines configurations PSA utilisent une partie de l'oxygène produit pour la purge ou l'égalisation, tandis que d'autres configurations utilisent l'égalisation de pression entre les cuves pour réduire les pertes de gaz. Le cycle exact dépend de la taille du récipient, des caractéristiques du tamis moléculaire, de la pureté cible, de la récupération et du débit d'oxygène requis.
Aux fins de l'approvisionnement, la pureté de l'oxygène doit donc être évaluée ainsi que la récupération de l'oxygène et la consommation d'énergie spécifique. L'augmentation de la pureté de l'oxygène requise peut augmenter la quantité d'air comprimé requise par unité d'oxygène produit, ce qui peut augmenter la consommation d'énergie du compresseur.
Structure des coûts : remplissage de cylindres et production de PSA
L’oxygène en bouteille crée plusieurs éléments de coûts récurrents. L'usine peut payer elle-même l'oxygène, la location des bouteilles ou les frais de service, le transport, le chargement et le déchargement, le stockage et la main-d'œuvre de l'opérateur pour le remplacement des bouteilles. Ces coûts augmentent avec la fréquence des livraisons et la consommation d'oxygène.
La production de PSA déplace les dépenses récurrentes vers l’électricité et la maintenance des équipements. Le compresseur représente normalement une part importante de la consommation électrique car l'air atmosphérique doit être comprimé avant d'entrer dans les cuves d'adsorption. Les filtres, les vannes, les analyseurs d'oxygène, les joints et les tamis moléculaires contribuent également au coût du cycle de vie.
| Élément de coût | Alimentation des cylindres | PSA sur site |
|---|---|---|
| Achat d'oxygène | Frais de gaz récurrents | Non requis pour une production normale |
| Transport | Requis | Normalement supprimé |
| Manutention des bouteilles | Requis | Supprimé |
| Électricité du compresseur | Côté fournisseur | Côté usine |
| Investissement en équipement | Faible en usine | Requis |
| Traitement de l'air | Côté fournisseur | Obligatoire sur place |
| Stockage | Inventaire des bouteilles | Récepteur d'oxygène |
| Entretien | Régulateurs, vannes, collecteur | Compresseur, vannes, filtres, analyseur |
| Fourniture de secours | Cylindres supplémentaires | Cylindre ou autre source de sauvegarde |
La comparaison doit utiliser la même quantité d’oxygène, la même pureté, la même pression et la même période de fonctionnement. Comparer un prix de bouteille en $/bouteille avec l'électricité PSA en $/kWh sans convertir les deux systèmes en coût par Nm³ d'oxygène utilisable peut produire une conclusion incorrecte.
Pourquoi le taux de consommation d'oxygène modifie l'équation des coûts
La consommation d’oxygène est l’une des variables les plus importantes dans la comparaison économique. Une usine utilisant 10 Nm³/h pour une courte période de production a un profil de fonctionnement très différent d'une installation consommant 100 Nm³/h en continu pendant 24 heures.
Pour l’approvisionnement en bouteilles, une consommation plus élevée augmente directement le nombre de bouteilles qui doivent être livrées, stockées, connectées et remplacées. Si la consommation quotidienne dépasse la capacité du collecteur existant, des parcs de bouteilles supplémentaires ou des livraisons plus fréquentes peuvent être nécessaires.
Pour la production de PSA, une charge continue plus élevée peut augmenter l’utilisation de l’équipement et répartir le coût du capital fixe sur un plus grand volume d’oxygène. Cependant, le compresseur et les cuves d'adsorption doivent être dimensionnés pour le débit requis, et un fonctionnement proche de la capacité maximale peut modifier la consommation d'énergie spécifique et la récupération d'oxygène.
Une comparaison pratique devrait donc calculer la consommation d’oxygène comme suit :
Demande annuelle en oxygène=Débit d'oxygène × Heures de fonctionnement × Jours de fonctionnement
Le chiffre annuel Nm³ qui en résulte fournit une base commune pour comparer l’oxygène livré avec la production sur site.
Consommation d'électricité et d'air comprimé
Dans un système sur site, la consommation électrique est fortement influencée par la pression du compresseur, la température de l'air d'admission, l'efficacité du compresseur, la chute de pression du traitement de l'air, la configuration du cycle d'adsorption et la récupération de l'oxygène.
Par exemple, si un système consomme 0,8 kWh/Nm³ d’oxygène et que l’électricité industrielle coûte 0,10 $/kWh, la composante électrique est d’environ 0,08 $/Nm³. Ce chiffre n'inclut pas l'entretien des compresseurs, les filtres, le remplacement des vannes, l'analyse de l'oxygène ou la récupération du capital.
La qualité de l'air comprimé affecte également les coûts d'exploitation. L'eau pénétrant dans les lits d'adsorption peut altérer les performances du tamis moléculaire, tandis que la contamination par l'huile peut endommager la surface adsorbante. Les filtres à air font donc plus que protéger les composants en aval ; ils contrôlent également l'état du matériau d'adsorption.
Les ingénieurs d'approvisionnement doivent demander au fournisseur la consommation électrique spécifique au débit et à la pureté d'oxygène spécifiés plutôt que d'utiliser le kW nominal du moteur du compresseur comme coût de production d'oxygène.
Exigences de pression, de pureté et de débit
La pureté de l'oxygène et la pression de refoulement doivent être spécifiées ensemble car elles influencent la conception du système. Un procédé nécessitant environ 90 à 93 % d'oxygène peut utiliser une configuration PSA différente d'un procédé nécessitant plus de 95 % d'oxygène.
L'oxygène en bouteille fournit une grande quantité de gaz stocké à haute pression, tandis que les systèmes PSA génèrent généralement de l'oxygène à une pression plus basse, adaptée à une utilisation directe dans le processus ou à une surpression en aval. Si un processus nécessite une pression nettement plus élevée, un compresseur d'oxygène supplémentaire peut être nécessaire.
La stabilité du flux est une autre considération. Un brûleur ou une machine de découpe peut connaître des changements rapides dans la demande en oxygène, tandis que l'aération des eaux usées peut maintenir un débit relativement stable pendant des périodes prolongées. Le récepteur d'oxygène peut amortir les changements de demande à court terme, mais son volume doit être adapté à la différence entre la production de PSA et la consommation du procédé.
Demande en oxygène et fluctuation de la charge
Toutes les usines ne consomment pas d’oxygène à un rythme constant. Une ligne de production peut fonctionner avec une demande élevée en oxygène pendant la coupe ou la combustion et chuter à une demande plus faible pendant le chargement, la maintenance ou les changements d'équipe.
Pour les bouteilles, la capacité d'alimentation est déterminée par le nombre de bouteilles connectées et leur pression restante. Lorsque la consommation augmente de manière inattendue, l'opérateur peut avoir besoin de connecter un autre parc de bouteilles.
Avec la production de PSA, l'unité d'adsorption fonctionne généralement selon un cycle programmé tandis que le récepteur d'oxygène absorbe les écarts à court terme entre production et consommation. Si la demande reste supérieure à la capacité de production nominale pendant une période prolongée, la pression du récepteur finira par chuter. Le système a donc besoin d’une capacité de débit de pointe définie plutôt que d’un simple calcul de débit moyen.
Pour l'approvisionnement, les chiffres importants ne sont pas seulement le Nm³/h moyen, mais aussi le débit minimum, le débit normal, le débit de pointe, la durée de pointe et le profil de charge quotidien.
Continuité de stockage et d’approvisionnement
Les systèmes de bouteilles stockent l’oxygène directement dans des récipients sous pression. Une usine peut maintenir plusieurs jours d'approvisionnement si suffisamment de bouteilles sont conservées sur site, mais cela augmente la zone de stockage requise et la charge de travail de manutention. Les stocks de bouteilles doivent également être alternés conformément aux procédures du fournisseur et aux exigences applicables en matière d'appareils sous pression.
UnPSA sur siteLe système stocke normalement l’oxygène dans un récepteur plutôt que de maintenir un grand inventaire de bouteilles remplies. Le récepteur fournit un tampon de gaz entre le cycle d'adsorption et la ligne de traitement.
Pour une production continue, une source d’oxygène de secours reste importante. Si le compresseur PSA s'arrête en raison d'une panne électrique, d'une surchauffe, d'une maintenance ou d'un défaut de contrôle, l'oxygène stocké ne peut soutenir le processus que pendant une période limitée. Un collecteur de cylindre de secours peut donc être connecté en aval afin que la production puisse continuer pendant l'inspection des équipements PSA.
Installation et intégration du système
Le remplacement des bouteilles par une production de PSA nécessite des modifications de l'infrastructure gazière de l'usine. L'installation doit fournir un espace pour le compresseur, le réservoir d'air, l'ensemble de filtration, les récipients d'adsorption, le récepteur d'oxygène, l'armoire de commande et la tuyauterie associée.
L'air comprimé doit passer par les étapes de filtration spécifiées avant d'entrer dans les récipients d'adsorption. Le condensat doit être évacué du réservoir d'air et des filtres pour empêcher l'eau liquide d'atteindre le tamis moléculaire. Une tuyauterie d'oxygène relie ensuite le récepteur au système de régulation de pression et de distribution du processus.
Le système électrique doit alimenter le compresseur et l'équipement de contrôle selon la tension et le courant nominal du fabricant. La ventilation doit également être envisagée car les compresseurs génèrent de la chaleur lors d'un fonctionnement continu, tandis que les gaz d'échappement du PSA libèrent des gaz riches en azote lors de la régénération.
Avant la mise en service, les ingénieurs vérifient normalement la propreté des canalisations, l'intégrité de la pression, le fonctionnement des vannes, la pureté de l'oxygène, la pression de sortie, la capacité de débit et les fonctions d'alarme. L'analyseur d'oxygène doit confirmer que le gaz généré répond à la pureté spécifiée avant que l'équipement de traitement ne reçoive le gaz.
Modes de maintenance et de défaillance
Les systèmes de bouteilles nécessitent principalement l’inspection des robinets des bouteilles, des régulateurs, des tuyaux flexibles, des raccords de collecteur et des joints. Une fuite au niveau d’une vanne ou d’un raccordement peut libérer continuellement de l’oxygène et augmenter la consommation sans augmenter la production.
Les systèmes PSA présentent une gamme plus large de modes de défaillance mécaniques et liés aux processus. La surchauffe du compresseur peut réduire le débit d'air, les filtres obstrués peuvent augmenter la chute de pression, l'usure des vannes de commutation peut perturber la séquence d'adsorption et la contamination du tamis moléculaire peut réduire la capacité d'adsorption de l'azote.
Une diminution de la pureté de l'oxygène peut indiquer des problèmes liés au cycle d'adsorption, à l'état de l'air d'alimentation, au calage des soupapes, à l'état du tamis moléculaire ou à une demande excessive de produit. Une chute de pression dans les filtres peut indiquer une contamination, tandis qu'une température anormale de décharge du compresseur peut indiquer des problèmes de refroidissement ou mécaniques.
La maintenance doit donc inclure l'inspection du compresseur, le remplacement du filtre, l'élimination des condensats, la surveillance du cycle des vannes, l'étalonnage de l'analyseur d'oxygène, la mesure de la chute de pression et l'inspection du système d'adsorption en fonction des heures de fonctionnement et des exigences du fabricant.
