Pregled tehnologije razdvajanja zraka i njegove integracije s procesima pretvorbe energije

Tehnologija razdvajanja zraka jezgra je industrijske proizvodnje plina, a njegova integrirana optimizacija s procesima pretvorbe energije ključna je za poboljšanje industrijske učinkovitosti i smanjenje troškova . Ovaj rad sustavno pregledava načela, ekonomiju i scenarij primjene tradicionalnih i novih tehnologija razdvajanja zraka, ADC -a, ADSBRPCPPCENT, MEMSBRANSKE Usredotočujući se na integraciju kriogenih i nekriogenih tehnologija u plinskim turbinama, kombinirani ciklus ugljena (IGCC) i proizvodnju syngas . putem tehničke usporedbe i analize slučaja, otkriveni su razvojni trend i budući istraživački smjer tehnologije razdvajanja zraka u energetskom polju .

 

 

 

 

Uvod

Industrijski plinovi (kisik, dušik, argon) igraju ključnu ulogu u procesu pretvorbe energije, a odabir i integracija njihove proizvodne tehnologije izravno utječu na ekonomiju i učinkovitost objekta . u ovom članku govori o sljedećim temeljnim pitanjima:
Primjenjivi scenariji različitih tehnologija razdvajanja zraka (čistoća, skala, potrošnja energije)
Strategija integracije jedinice za odvajanje zraka (ASU) i nizvodno procese (poput uplinjavanja, izgaranja, stvaranja energije)
Izazovi i dodaci tehnologija u nastajanju (poput ionskih prometnih membrana) u tradicionalne kriogene procese
 

Ne-kriogena tehnologija razdvajanja zraka
 

 

Adsorpcijska metoda (PSA/VSA)

Načelo: Upotrijebite selektivnu adsorpciju dušika od strane zeolita ili molekularnog sita ugljika kako biste postigli odvajanje kisika i dušika kroz ciklus ljuljanja tlaka .
Proces: komprimirani zrak ulazi u adsorpcijski toranj, dušik se adsorbira, a plin bogat kisikom (93-95% čistoća) se ispušta kao proizvod; Zasićeni toranj regenerira se smanjenjem tlaka (slika 1) .
Prednosti: Brzo pokretanje (minute), modularni dizajn pogodan za male i srednje skale (<150 tons/day).
Ograničenja: Argon se ne može proizvesti, a nusproizvod dušik ima visok sadržaj kisika i zahtijeva dodatno pročišćavanje .

 

Kemijska metoda apsorpcije

Slučaj: Moltoxe postupak rastaljene soli (Slika 2)
Proces: komprimirani zrak reagira s rastopljenom soli nakon prethodne obrade, kisik se apsorbira i desorbira zagrijavanjem/depresijom .
Prednosti: mala potrošnja energije za kompresiju zraka i otpadna toplina iz postupka može se koristiti .
Izazovi: značajni problemi s korozijom na visokoj temperaturi, još nisu komercijalizirani .
 

Razdvajanje polimernih membrana

Mehanizam: Na temelju manjeg kinetičkog promjera molekula kisika, selektivna propusnost kroz membranske materijale (Slika 3) .
Značajke: Nema pokretnih dijelova, prikladnih za scenarije niske čistoće ({25-50% zraka obogaćen kisikom), ljestvica je obično<20 tons/day.
Primjena: akvakultura oksigenacija, rudnik ugljena inertirajući .

Ionska transportna membrana (ITM)

Tehnološki proboj: Hightemperaturne keramičke membrane postižu razdvajanje kroz provodljivost iona kisika (Slika 4), sa čistoćom većom od 99%.
Potencijal integracije: U kombinaciji s plinskim turbinama, visokotlačni dušični nusprodukti mogu se izravno koristiti za proizvodnju energije, s povećanjem toplinske učinkovitosti od 15-20%.
Trenutni status: U pilot fazi mora biti optimizirana trajnost materijala .
 

Kriogena tehnologija destilacije: trenutni status i evolucija

 

Jezgra procesa

Princip: Upotrijebite razliku u točke vrevljenja zračnih komponenti (O₂ -183 stupanj, n₂ -196 stupanj) za postizanje razdvajanja kroz dvostupanjsku destilacijsku tornju (Slika 5) .
Ključni koraci:
Kompresija i prethodna obrada: zrak se komprimira na 6-10 traku, a molekularni sita uklanjaju co₂ i vodenu paru .
Kriogeno odvajanje: Ukapljeni zrak je odvojen na kisik (toranj dno) i dušik (vrh tornja) u destilacijskom tornju, a argon se oporavlja kroz bočnu liniju .
Oporavak energije: Extrader koristi pad tlaka za hlađenje, a izmjenjivač topline visoke učinkovitosti obnavlja hladno .

 

Velika i integrirana inovacija

Jednostruka skala: od 500 tona/dan u 1980 -ima do trenutnih 5, 000 tona/dan (slika 6), trošak ulaganja jedinice smanjen je za 40%.
Tipični slučajevi integracije:
Demkolec IGCC elektrana (Nizozemska): ASU je u potpunosti integriran s plinskom turbinom, zrak se uzima iz turbinskog kompresora, dušik se ubrizgava natrag u kraj izgaranja, emisija NOx se smanjuje za 30%, a neto učinkovitost proizvodnje energije povećava se na 47%.
Rozenburg Projekt za ugradnju ugljena: Nezavisni ASU isporučuje kisik, dušik se koristi kao inertni plin za sigurnost procesa, a kapacitet proizvodnje syngas maksimiziran je .

 

Optimizacija procesa

Ciklus niskog tlaka (LP) vs visokog tlaka (EP):
LP ciklus: tlak zraka 65-100 psia, pogodan za scenarije ventilacije dušika .
EP Ciklus: Tlak> 100 psia, dušik se može izravno koristiti za kompresiju procesa, smanjujući dodatnu potrošnju energije .
Crpni tekući ciklus: Tekući proizvodi pumpaju se na visoki tlak kako bi se izbjegla potrošnja energije kompresije plina, prikladna za scenarije koji zahtijevaju kisik visokog tlaka (poput kemijske industrije ugljena) .

Vodič za usporedbu i odabir tehnologije

Ekonomska skala tehnologije (tona/dan) Čistoća (vol .%) Vrijeme pokretanja kapaciteta nusproizvoda
Cryogenic distillation Mature >20 veće od ili jednako 99 sati efikasnog oporavka dušika i argona
PSA adsorpcija polu-zrela<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
Polu-zrela membrana<20 ≤40 Immediate No
ITM u razvoju neodređeno veći ili jednak 99 sati dušika

Logika odabira:
Potražnja visoke čistoće velike razmjere (poput čelika, kemijska industrija): prioritet kriogene destilacije, uzimajući u obzir vrijednost nusproizvoda .
Mali i srednji fleksibilni scenariji (medicinska, udaljena područja): PSA ili membrana odvajanje, fokusiranje na brzo implementaciju i slabo održavanje .
Budući scenariji s dodanom vrijednošću: ITM u kombinaciji s obnovljivim izvorima energije, pogodan za proizvodnju distribuiranog kisika i hvatanje ugljika .

 

Integrirana tehnologija: ključ za poboljšanje energetske učinkovitosti

 

Toplinska integracija s plinskim turbinama

Ekstrakcija zraka: Izvadite dio zraka iz kompresora plinske turbine u ASU kako bi se smanjila potrošnja energije neovisnog zračnog kompresora (slika 7) .
Ponovno ponovno postavljanje dušika: Dušik visokog tlaka ubrizgava se u komoru za izgaranje kako bi se smanjila temperatura plamena (NOx ↓ 50%), a istodobno djeluje kao razrjeđivač za poboljšanje iskorištavanja goriva (stvaranje energije ↑ 10-15%) .

 

i kombinirani ciklus ugljena (IGCC)

Slučaj: Tampa Electric Project koristi ASU visokog tlaka, tlak zraka odgovara plinskoj turbini, a dušik se koristi za hlađenje plina za sintezu, a ukupna toplinska učinkovitost sustava povećava se na 52%.
Prednosti: Zajednička oprema za kompresiju, mreža za oporavak otpadne topline i kapitalni troškovi smanjuju se za 15-20%

 

Integracija kemijskog procesa

Proizvodnja plina sinteze: ASU kisik koristi se za reakciju djelomične oksidacije, a dušik nusproizvoda koristi se kao sirovina za sintetički amonijak, realizirajući na koprodukciju "plin-kemijsko-gnojivo" .
Snimanje ugljika: CO₂ s visokom koncentracijom proizvedeno izgaranjem obogaćenom s kisikom može se izravno zapečatiti kako bi se pomoglo industrijskoj dekarbonizaciji .
Trendovi i izazovi u nastajanju

 

Tehnološki inovacijski smjer

Proboj materijala:
Adsorbensi visokih performansi (poput MOF-a) poboljšavaju selektivnost PSA, čistoće veće od 97%.
Kompozitne keramičke membrane rješavaju problem za brtvljenje visokotemperatura, s ciljanim životom koji se proširio na 50, 000 sati .
Digitalna transformacija: AI algoritmi optimiziraju ASU operativne parametre, a prediktivno održavanje smanjuje zastoj za 30%.
 

Potrebe za održivi razvoj

Proces s niskim udjelom ugljika: Koristite elektrosorpciju vjetra/fotonaponsko vođenu (E-PSA) da biste postigli zatvorenu petlju "zelene električne energije-zeleni kisik" .
Upotreba otpadne topline: Koristite kemijsku otpadnu toplinu za regeneraciju TSA, smanjujući ukupnu potrošnju energije za 10-12%.

 

Izazovi

Skala uska grlo ne-krigene tehnologije: Odvajanje PSA i membrane još uvijek ne može zamijeniti kriogenu destilaciju u scenarijima visoke čistoće i visokog protoka .
Inženjerske barijere ITM-a: Proces velikih razmjera je nezrela, a trošak je veći od 40% veći od one u procesu niske temperature .

 

Zaključak

Razvoj tehnologije razdvajanja zraka predstavlja obrazac „niske temperature dominira velikim, ne-niska temperatura ispunjava nišne scenarije“, a duboka integracija s postupkom pretvorbe energije jezgra je buduće konkurencije . kriogena destilacija i dalje optimiziraju učinkovitost digitalnim i ne-akadizacijom, a ne na nisku tehnologiju u fleksibilnosti u fleksibilnosti Tehnologija, novi modeli vođeni hibridnim procesima (poput kriogene + ITM) i obnovljivih izvora energije preoblikovat će industrijski krajolik i pružiti ključnu potporu ciljevima neutralnosti ugljika .