O revizuire a tehnologiei de separare a aerului și integrarea acesteia cu procesele de conversie a energiei

Tehnologia de separare a aerului este nucleul producției de gaze industriale, iar optimizarea integrată a proceselor de conversie a energiei este crucială pentru îmbunătățirea eficienței industriale și reducerea costurilor . Această lucrare examinează sistematic principiile, economia și scenariile de aplicare ale tehnologiilor tradiționale și emergente de separare a aerului (distilarea criogenă, etc. Concentrându-se pe integrarea tehnologiilor criogene și non-croteogene în turbinele cu gaze, ciclul combinat de gazificare a cărbunelui (IGCC) și Syngas Production . prin comparație tehnică și analiză de caz, tendința de dezvoltare și direcția viitoare de cercetare a tehnologiei de separare a aerului în domeniul energetic sunt dezvăluite .}}}}}}}}}} sunt dezvăluite .}}}}

 

 

 

 

Introducere

Gazele industriale (oxigen, azot, argon) joacă un rol cheie în procesul de conversie a energiei, iar selecția și integrarea tehnologiei lor de producție afectează în mod direct economia și eficiența instalației . Acest articol discută următoarele probleme de bază:
Scenarii aplicabile ale diferitelor tehnologii de separare a aerului (puritate, scară, consum de energie)
Strategia de integrare a unității de separare a aerului (ASU) și a proceselor din aval (cum ar fi gazificarea, combustia, generarea de energie)
Provocări și suplimente ale tehnologiilor emergente (cum ar fi membranele de transport ionic) la procesele criogene tradiționale
 

Tehnologia non-criogenă de separare a aerului
 

 

Metoda de adsorbție (PSA/VSA)

Principiu: Utilizați adsorbția selectivă a azotului prin zeolit sau sită moleculară de carbon pentru a obține oxigenul și separarea azotului prin ciclul de balansare a presiunii .
Proces: Aerul comprimat intră în turnul de adsorbție, azotul este adsorbit, iar gazul bogat în oxigen (93-95}% puritate) este descărcat ca produs; Turnul saturat este regenerat de reducerea presiunii (figura 1) .
Avantaje: pornire rapidă (minute), design modular potrivit pentru scară mică și medie (<150 tons/day).
Limitări: Argon nu poate fi produs, iar azotul produsului secundar are un conținut ridicat de oxigen și necesită o purificare suplimentară .

 

Metoda de absorbție chimică

Cazul: Procesul de sare topit Moltoxe (figura 2)
Proces: Aerul comprimat reacționează cu sare topită după pretratare, oxigenul este absorbit și desorbit prin încălzire/depresurizare .
Avantaje: Consumul redus de energie pentru compresia aerului și căldura reziduală din proces poate fi utilizat .
Provocări: probleme semnificative de coroziune la temperaturi ridicate, care nu sunt încă comercializate .
 

Separarea membranei polimerice

Mecanism: Pe baza diametrului cinetic mai mic al moleculelor de oxigen, permeare selectivă prin materiale cu membrană (Figura 3) .
Caracteristici: Fără părți mobile, potrivite pentru scenarii cu puritate scăzută (25-50% aer îmbogățit cu oxigen), scara este de obicei de obicei<20 tons/day.
Aplicație: Oxigenare în acvacultură, mine de cărbune care inertând .

Membrană de transport cu ioni (ITM)

Descoperire tehnologică: membranele ceramice la temperaturi ridicate obțin separarea prin conducerea ionilor de oxigen (Figura 4), cu o puritate de peste 99%.
Potențial de integrare: Când sunt combinate cu turbine cu gaz, produsele secundare de azot de înaltă presiune pot fi utilizate direct pentru generarea de energie, cu o creștere a eficienței termice a 15-20%.
Stare curentă: în etapa pilotului, durabilitatea materială trebuie optimizată .
 

Tehnologia de distilare criogenă: statutul și evoluția actuală

 

Nucleul procesului

Principiu: Utilizați diferența de puncte de fierbere ale componentelor de aer (grad O₂ -183, N₂ -196}) pentru a obține separarea printr-un turn de distilare în două etape (Figura 5) .
Pași cheie:
Compresie și pretratare: aerul este comprimat la bara 6-10, iar sitele moleculare îndepărtează CO₂ și vaporii de apă .
Separarea criogenică: aerul lichefiat este separat în oxigen (fundul turnului) și azot (vârful turnului) în turnul de distilare, iar argonul este recuperat prin linia laterală .
Recuperarea energiei: Expander folosește căderea de presiune pentru refrigerare, iar schimbătorul de căldură cu farfurie de înaltă eficiență recuperează rece .

 

Inovație pe scară largă și integrată

Scala de setare unică: de la 500 de tone/zi în anii 1980 la curentul 5, 000 tone/zi (Figura 6), costul investiției unității a fost redus cu 40%.}
Cazuri tipice de integrare:
Centrala electrică Demkolec IGCC (Olanda): ASU este complet integrat cu turbina cu gaz, aerul este preluat din compresor de turbină, azotul este injectat din nou în capătul combustiei, emisia de NOX este redusă cu 30%, iar eficiența netă a generarii de energie este crescută la 47%.}
Proiect de gazificare a cărbunelui Rozenburg: ASU independent furnizează oxigen, azot este utilizat ca gaz inert pentru siguranța proceselor, iar capacitatea de producție Syngas este maximizată .

 

Optimizarea procesului

Ciclu de presiune scăzută (LP) față de presiune ridicată (EP):
LP Cycle: Air Pression 65-100 psia, adecvat pentru scenarii de aerisire a azotului .
Ciclul EP: presiune> 100 psia, azotul poate fi utilizat direct pentru compresia procesului, reducând consumul suplimentar de energie .
Ciclul lichidului de pompare: Produsele lichide sunt pompate la presiune ridicată pentru a evita consumul de energie de compresie a gazelor, adecvat pentru scenarii care necesită oxigen de înaltă presiune (cum ar fi industria chimică a cărbunelui) .

Ghid de comparare și selecție a tehnologiei

Tehnologia scară economică a maturității (tone/zi) Puritate (vol .%) Capacitate de timp de pornire a produsului secundar
Cryogenic distillation Mature >20 mai mare sau egal cu 99 de ore de azot și recuperare eficientă a argonului
Semi-maturi de adsorbție PSA<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
Semi-maturizarea membranei semi-mature<20 ≤40 Immediate No
ITM în curs de dezvoltare nedeterminat mai mare sau egal cu 99 de ore azotul trebuie tratat

Logica de selecție:
Cerere de mare puritate la scară largă (cum ar fi oțelul, industria chimică): prioritizează distilarea criogenică, ținând cont de valoarea produselor secundare .
Scenarii flexibile la scară mică și medie (zone medicale, îndepărtate): separarea PSA sau a membranei, concentrându-se pe implementarea rapidă și întreținerea scăzută .
Scenarii viitoare cu valoare adăugată ridicată: ITM combinată cu energie regenerabilă, potrivită pentru producția distribuită de oxigen și captura de carbon .

 

Tehnologie integrată: Cheia îmbunătățirii eficienței energetice

 

Integrare termică cu turbine cu gaz

Extragerea aerului: extrageți parte din aer din compresorul turbinei cu gaz la ASU pentru a reduce consumul de energie al compresorului de aer independent (Figura 7) .
Reinjectare a azotului: azot de înaltă presiune este injectat în camera de ardere pentru a reduce temperatura flăcării (NOX ↓ 50%) și, în același timp

 

și ciclul combinat de gazul de cărbune (IGCC)

Cazul: Proiectul Electric Tampa folosește ASU de înaltă presiune, presiunea aerului se potrivește cu turbina cu gaz, iar azotul este utilizat pentru răcirea de gaze de sinteză, iar eficiența termică totală a sistemului este crescută la 52%.}
Avantaje: Echipamentele de compresie partajate, rețeaua de recuperare a căldurii reziduale și costurile de capital sunt reduse cu 15-20%

 

Integrarea proceselor chimice

Producție de gaze de sinteză: Oxigenul ASU este utilizat pentru reacția de oxidare parțială, iar azotul produsului este utilizat ca materie primă pentru amoniac sintetic, realizând co-producția „gaz-chimical-gamical” {.
Captura de carbon: CO₂ cu concentrare ridicată produsă prin combustie îmbogățită cu oxigen poate fi sigilată direct pentru a ajuta decarbonizarea industrială .
Tendințe și provocări emergente

 

Direcția inovației tehnologice

Descoperire materială:
Adsorbanții de înaltă performanță (cum ar fi MOF) îmbunătățesc selectivitatea PSA, cu o puritate de peste 97%.
Membranele ceramice compuse rezolvă problema etanșării la temperaturi ridicate a ITM-urilor, cu o durată de viață țintă extinsă la 50, 000 ore .
Transformare digitală: algoritmii AI optimizează parametrii de funcționare ASU, iar întreținerea predictivă reduce timpul de oprire cu 30%.
 

Nevoi de dezvoltare durabilă

Proces cu conținut scăzut de carbon: Utilizați electrosorbția eoliană/electrozorbție bazată pe fotovoltaică (E-PSA) pentru a obține o buclă închisă „oxigen verde electricitatea verde” .}
Utilizarea căldurii reziduale: Utilizați căldură reziduală chimică pentru regenerarea TSA, reducând consumul general de energie prin 10-12%.

 

Provocări

Găutarea la scară a tehnologiei non-crogene: Separarea PSA și a membranei încă nu pot înlocui distilarea criogenică în scenarii de înaltă puritate și cu flux ridicat .
Barierele de inginerie ale ITM: Procesul de fabricație la scară largă este imatur, iar costul este mai mare de 40% mai mare decât cel al procesului de temperatură scăzută .

 

Concluzie

Dezvoltarea tehnologiei de separare a aerului prezintă un model de „temperaturi scăzute domină temperatura non-scăzută la scară largă, umple scenariile de nișă”, iar integrarea profundă cu procesul de conversie a energiei este nucleul concurenței viitoare . distilarea criogenică continuă să optimizeze eficiența prin integrarea la scară largă și a căldurii, în timp ce tehnologia non-crideogenă prezintă potențialul de flexibilitate și prin intermediul joasării și a integrării la scară largă, în timp ce tehnologia non-cridenică arată potențialul de flexibilitate și prin carbonizare scăzută .} cu tehnologia care prezintă potențialul de flexibilitate și prin intermediul scăderii de scară largă {{5} ” Tehnologia digitală, noile modele determinate de procese hibride (cum ar fi criogenic + ITM) și energia regenerabilă vor modela peisajul industriei și vor oferi sprijin cheie pentru obiectivele de neutralitate a carbonului .