Pregled tehnologije odvajanja zraka i njena integracija sa procesima pretvorbe energije

Tehnologija razdvajanja zraka je srž proizvodnje industrijskog plina, a njegova integrirana optimizacija procesa pretvorbe energije i smanjujući troškove sustavno preispituju načela tradicionalne i u nastajanju zraka, odvajanjem membrane, ic .), fokusiranje na integraciju Kriogene i nekrigene tehnologije u plinskim turbinama, kombinirani ciklus (IGCC) i proizvodnja sinezacije . Kroz tehničku usporedbu i analizu slučajeva, trend razvoja i budućim istraživačkim smjerom tehnologije za razdvajanje zraka u energetskom polju u energetskom polju u energetskom polju u energetskom polju

 

 

 

 

Uvođenje

Industrijski plinovi (kisik, azot, argon) igraju ključnu ulogu u procesu pretvorbe energije i odabir i integracija njihove proizvodnje direktno utječu na ekonomiju i efikasnost objekta . Ovaj članak govori o sljedećim osnovnim pitanjima:
Primjenjivi scenariji različitih tehnologija razdvajanja zraka (čistoća, razmjera, potrošnja energije)
Strategija integracije jedinice za odvajanje zraka (ASU) i nizvodnog procesa (poput gasifikacije, sagorevanja, proizvodnje energije)
Izazovi i dodaci u nastajanju tehnologija (poput jonskih transportnih membrana) u tradicionalne kriogene procese
 

Nekriegena tehnologija odvajanja zraka
 

 

Adsorpcijska metoda (PSA / VSA)

Načelo: Koristite selektivnu adsorpciju azota od zeolita ili ugljičnog molekularnog sita da biste postigli kiseonik i odvajanje dušika kroz ciklus tlačnog zamaha .
Proces: komprimirani zrak ulazi u adsorpcijski toranj, azot je adsorbiran, a plin bogat kiseonikom (93-95% čistoćom) ispušta se kao proizvod; Zasićeni toranj regeneriran je smanjenjem pritiska (slika 1) .
Prednosti: Brzi pokretanje (minuta), modularni dizajn pogodan za malu i srednju skalu (<150 tons/day).
Ograničenja: Argon se ne može proizvesti, a nusproizvodni azot ima visoki sadržaj kisika i zahtijeva dodatno pročišćavanje .

 

Metoda hemijskog apsorpcije

Slučaj: Moltoxe Moldten soli (slika 2)
Proces: komprimirani zrak reagira s rastaljenom soli nakon prethodne obrade, kiseonik se apsorbuje i poželjene grijanjem / pritiskom .
Prednosti: Mala potrošnja energije za kompresiju zraka i otpadnu toplinu iz procesa može se koristiti .
Izazovi: Značajni problemi sa visokim temperaturama, još nisu komercijalizirani .
 

Polimerno odvajanje membrane

Mehanizam: Na osnovu manjih kinetičkih promjera molekula kisika, selektivne propuštanja putem membranskih materijala (slika 3).
Značajke: Nema pokretnih dijelova, pogodno za scenarije niskog čistoće (25-50% obogaćen kiseonikom), skala je obično<20 tons/day.
Primjena: Oksigenacija akvakulture, rudnik uglja inercija .

ION transportna membrana (ITM)

Tehnološki proboj: visokotemperaturne keramičke membrane postižu odvajanje kroz kisik ionsku provodnju (slika 4), čistoćom više od 99%.
Integracioni potencijal: Kada se u kombinaciji sa plinskim turbinama, nusproizvodi sa visokotlačnim dušikom mogu se izravno koristiti za proizvodnju energije, sa povećanjem toplotne efikasnosti.%.
Trenutni status: U pilotskoj fazi mora se optimizirati izdržljivost materijala .
 

Krizegena tehnologija destilacije: trenutni status i evolucija

 

Proces jezgre

Načelo: Upotrijebite razliku u ključalim mjestima zračnih komponenti (₂ -183 stepen, n₂ -196 stepen) za postizanje odvajanja kroz dvostepeni destilacijski toranj (slika 5) .
Ključni koraci:
Kompresija i prethodna obrada: zrak je komprimiran na 6-10 baru, a molekularni sita uklanjaju Co₂ i vodenu paru .
Kriogeno odvajanje: ukapljeni zrak odvojen je u kisik (dno tornja) i azot (tower vrh) u destilacijskom tornju, a Argon se oporavlja kroz bočnu liniju .
Oporavak energije: Expander koristi pad tlaka za hlađenje, a toplinski izmjenjivač topline visoke pločice se oporavlja hladno .

 

Velika i integrirana inovacija

Jednostavna mjera: od 500 tona / dan u 1980-ima do trenutka 5, 000 tona / dan (slika 6), trošak investicije jedinice smanjen je za 40%.
Tipični slučajevi integracije:
Elektroelektrana Demkolec IGCC (Nizozemska): ASU je u potpunosti integriran sa gas turbinom, zrak se uzima iz turbinskog kompresora, azot se ubrizgava u kraj izgaranja, emisija NOX-a umanjena je za 30%, a neto efikasnost proizvodnje energije povećana je na 47% .
Projekt gasifikacije u Rozenburgu: Nezavisni ASU isporuka kisika, azot se koristi kao inertni plin za sigurnost procesa, a proizvodni kapacitet sinacije je maksimiziran .

 

Optimizacija procesa

Niski pritisak (LP) vs visokotlačni (EP) ciklus:
LP ciklus: tlak zraka 65-100 psia, pogodan za scenarije odzračivanja dušika .
EP ciklus: pritisak> 100 psia, azot se može izravno koristiti za kompresiju procesa, smanjujući dodatnu potrošnju energije.
Pumpni tečni ciklus: Tečni proizvodi pumpaju se na visoki pritisak kako bi se izbjegla potrošnju energije za kompresiju plina, pogodno za scenarije koje zahtijevaju visokotlačni kisik (kao što je visokoelektrana) .

Vodič za usporedbu i odabir tehnologije

Tehnologija Zrelost ekonomska skala (tona / dan) Čistoća (Vol .%) Vrijeme pokretanja Proizvodni kapacitet
Cryogenic distillation Mature >20 veće od ili jednako 99 sati azot i argona efikasan oporavak
PSA adsorpcija polu-zrela<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
Poluzlutno razdvajanje membrane<20 ≤40 Immediate No
ITM u razvoju neodređenog većeg ili jednakog do 99 sati azot treba tretirati

Logika izbora:
Velika potrošnja visoke čistoće (kao što su čelik, hemijska industrija): prioritet kriogenoj destilaciji, uzimajući u obzir vrijednost nusproizvoda .
Mali i srednji fleksibilni scenariji (medicinska, udaljena područja): PSA ili membranska odvajanje, fokusiranje na brzo postavljanje i nisko održavanje .
Budući visoki scenari na vrijednosti: ITM u kombinaciji s obnovljivim energijom, pogodan za distribuiranu proizvodnju kisika i uhvatljive ugljika .

 

Integrirana tehnologija: Ključ za poboljšanje energetske efikasnosti

 

Termička integracija sa gas turbinama

Vađenje zraka: Izvadite dio zraka iz plinskog turbinskog kompresora do ASU-a za smanjenje potrošnje energije neovisnog zračnog kompresora (slika 7).
Dušik azota: visokotlačni azot ubrizgava se u komoru za sagorevanje da bi se smanjila temperatura plamena (NOX ↓ 50%), a istovremeno djeluje kao razrjeđivač za poboljšanje korištenja goriva (generiranje goriva ↑ 10-15%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .%) .

 

i kombinirani ciklus gasifikacije uglja (IGCC)

Električni projekat koristi visoko pritisak ASU, pritisak zraka odgovara plinskoj turbini, a dušik se koristi za sintezu za hlađenje plina, a ukupna toplotna efikasnost sistema povećana je na 52% .
Prednosti: Zajednička kompresijska oprema, mreža za oporavak otpadnih toplina i kapitalni troškovi smanjeni su za 15-20%

 

Integracija hemijske procese

Synteza Proizvodnja plina: ASU kisik se koristi za djelomičnu oksidacijsku reakciju, a nusproizvodi se azot koristi kao sirovina za sintetički amonijak, realizirajući koprodukciju "plinsko-hemijskih gnojiva" .
Snimanje ugljika: CO₂ visoke koncentracije proizvedene sa izgaranjem obogaćenim kiseonikom može se izravno zapečati kako bi se pomoglo industrijskoj dekarbonizaciji .
Ulazni trendovi i izazovi

 

Smjer tehnološke inovacije

Proboj materijala:
Visoke performanse adsorbenti (poput mofa) poboljšavaju PSA selektivnost, čistoćom više od 97%.
Kompozitne keramičke membrane rješavaju problem za brtvljenje visoke temperature ITMS-a, a ciljni vijek trajanja produžen na 50, 000 sati .
Digitalna transformacija: AI algoritmi optimiziraju ASU operativne parametre i prediktivno održavanje smanjuje prekid zastoja za 30%.
 

Potrebe održivog razvoja

Proces niskog ugljenika: Koristite elektrosorpciju vođenu / fotonaponskim pogonu na vjetar (E-PSA) za postizanje zatvorene petlje "zelene električne energije-zelene kiseonike .
Upotreba otpadnih topline: Koristite hemijsku otpadnu toplinu za regeneraciju TSA, smanjujući ukupnu potrošnju energije za 10-12%.

 

Izazovi

Bottleteck skala neproogene tehnologije: PSA i odvajanje membrane još uvijek ne mogu zamijeniti kriogenu destilaciju u scenariji visokog čistoće i visokog protoka .
Inženjerske barijere ITM-a: veliki proizvodni proces je nezreli, a trošak je veći od 40% veći od niskog temperaturnog procesa .

 

Zaključak

Razvoj tehnologije odvajanja zraka predstavlja uzorak "niske temperature dominira velikom temperaturom" i duboka integracija sa procesom pretvorbe energije ", dok ne-kriogena tehnologija", dok se nekoliko tehnologija pokazuje u fleksibilnoj i niskoj karbonizaciji . uz napredak nauke o materijalima i digitalnoj tehnologiji Hibridnim procesima (poput kriogene + ITM) i obnovljive energije preoblikovat će industrijski krajolik i pružiti ključnu podršku ciljevima neutralnosti ugljika .