Przegląd technologii separacji powietrza i jej integracja z procesami konwersji energii

Technologia separacji powietrza jest rdzeniem produkcji gazu przemysłowego, a jej zintegrowana optymalizacja z procesami konwersji energii ma kluczowe znaczenie dla poprawy wydajności przemysłowej i zmniejszenia kosztów . Niniejszy artykuł systematycznie przegląda zasady, ekonomię i scenariusze aplikacji tradycyjnych i rozwijających się technologii separacji powietrza (Focus On Afcing Afore Afcing Afcing Afcing Afcing Afcing Afcing Afcing Afcing Afcing Afcance Integracja technologii kriogenicznych i niekryogenicznych w turbinach gazowych, połączonym cyklu zgazowania węgla (IGCC) i produkcji syngas . poprzez techniczne porównanie i analizę przypadków, wykazano trend rozwoju i przyszły kierunek badań technologii separacji powietrza w polu energetycznym

 

 

 

 

Wstęp

Gazy przemysłowe (tlen, azot, argon) odgrywają kluczową rolę w procesie konwersji energii, a wybór i integracja ich technologii produkcyjnej wpływają bezpośrednio na ekonomię i wydajność obiektu . Artykuł ten omawia następujące podstawowe problemy:
Obowiązujące scenariusze różnych technologii separacji powietrza (czystość, skala, zużycie energii)
Strategia integracji jednostki separacji powietrza (ASU) i dalszych procesów (takich jak zgazowanie, spalanie, wytwarzanie energii)
Wyzwania i suplementy pojawiających się technologii (takich jak błony transportu jonów) do tradycyjnych procesów kriogenicznych
 

Niecryogeniczna technologia separacji powietrza
 

 

Metoda adsorpcji (PSA/VSA)

Zasada: Wykorzystaj selektywną adsorpcję azotu przez sit zeolitu lub molekularnego węgla, aby osiągnąć separację tlenu i azotu poprzez cykl wahania ciśnienia .
Proces: Sprężone powietrze wchodzi do wieży adsorpcji, azot jest adsorbowany, a gaz bogaty w tlen (93-95% czystość) jest rozładowywana jako produkt; Nasycona wieża jest regenerowana przez redukcję ciśnienia (ryc. 1) .
Zalety: Szybki startup (minuty), modułowa konstrukcja odpowiednia dla małej i średniej skali (<150 tons/day).
Ograniczenia: Argonu nie można wytwarzać, a azot produktu ubocznego ma wysoką zawartość tlenu i wymaga dodatkowego oczyszczania .

 

Metoda absorpcji chemicznej

Przypadek: Moltoxe Molten Salt Proces (ryc. 2)
Proces: Sprężone powietrze reaguje ze stopioną solą po wstępnej obróbce, tlen jest wchłaniany i desorbowany przez ogrzewanie/depresję .
Zalety: Niskie zużycie energii dla kompresji powietrza i ciepła odpadów z procesu można użyć .
Wyzwania: znaczące problemy z korozją o wysokiej temperaturze, jeszcze nie skomercjalizowane .
 

Separacja błony polimerowej

Mechanizm: Na podstawie mniejszej średnicy kinetycznej cząsteczek tlenu, selektywne przenikanie przez materiały błonowe (ryc. 3) .
Funkcje: Brak ruchomych części, odpowiednie dla scenariuszy niskiej czystości ({25-50% powietrza wzbogacone w tlen), skala jest zwykle<20 tons/day.
Zastosowanie: Otlenienie akwakultury, Inerowanie kopalni węgla .

Membrana transportowa jonowa (ITM)

Przełom technologiczny: ceramiczne błony w wysokiej temperaturze osiągają separację poprzez przewodnictwo jonów tlenowych (ryc. 4), z czystością ponad 99%.
Potencjał integracji: W połączeniu z turbinami gazowymi produkty uboczne azotu pod wysokim ciśnieniem można bezpośrednio wykorzystać do wytwarzania energii, przy czym wzrost wydajności termicznej 15-20%.
Obecny status: na etapie pilotażowym trwałość materiału musi zostać zoptymalizowana .
 

Technologia destylacji kriogenicznej: obecny status i ewolucja

 

Rdzeń procesu

Zasada: Wykorzystaj różnicę w temperaturach wrzenia komponentów powietrza (stopień O₂ -183, n₂ -196 stopień), aby osiągnąć separację poprzez dwustopniową wieżę destylacyjną (ryc. 5) .
Kluczowe kroki:
Kompresja i obróbka wstępna: powietrze jest kompresowane do paska 6-10, a siatki molekularne usuwają pary co₂ i wodne .
Separacja kriogeniczna: powietrze upłynniające jest podzielone na tlen (dno wieży) i azot (wieżowy górę) w wieży destylacji, a argon odzyskuje się przez linię boczną .
Odzyskiwanie energii: Ekspander wykorzystuje spadek ciśnienia w celu chłodzenia, a wysokowydajny wymiennik ciepła płyty odzyskuje zimno .

 

Innowacje na dużą skalę i zintegrowane

Skala pojedyncza: od 500 ton dziennie w latach 80. do bieżącego 5, 000 tony/dzień (rysunek 6), koszt inwestycji jednostkowych został obniżony o 40%.
Typowe przypadki integracji:
Elektrownia elektrowni IGCC Demkolec (Holandia): ASU jest w pełni zintegrowane z turbiną gazową, powietrze jest pobierane ze sprężarki turbiny, azot jest wstrzykiwany z powrotem do końca spalania, emisja NOx jest zmniejszona o 30%, a wydajność wytwarzania energii netto jest zwiększona do 47%.}
Rozenburg Projekt zgazowania węgla: Niezależne ASU dostarcza tlen, azot jest stosowany jako gaz obojętny do bezpieczeństwa procesu, a zdolność produkcyjna syngas jest zmaksymalizowana .

 

Optymalizacja procesu

Cykl niskiego ciśnienia (LP) vs wysokiego ciśnienia (EP):
LP Cykl: ciśnienie powietrza 65-100 PSIA, odpowiednie do scenariuszy odpowietrzania azotu .
Cykl EP: ciśnienie> 100 psia, azot może być bezpośrednio stosowany do kompresji procesu, zmniejszając dodatkowe zużycie energii .
Pompowanie cyklu cieczy: Produkty cieczy są pompowane do wysokiego ciśnienia, aby uniknąć zużycia energii na kompresję gazu, odpowiedni do scenariuszy wymagających tlenu pod wysokim ciśnieniem (takie jak przemysł chemiczny węglowy) .

Porównanie technologii i przewodnik po selekcji

Skala ekonomiczna dojrzałości technologii (tony/dzień) Purity (vol .%) Pojemność uruchamiania czasu uruchomienia
Cryogenic distillation Mature >20 większe lub równe 99 -godzinne azot i wydajne odzyskiwanie argonu
PSA Adsorption pół-dojrzałe<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
Separacja błony pół-dojrzała<20 ≤40 Immediate No
ITM w rozwoju nieokreślony większy lub równy 99 -godzinnym azot

Logika wyboru:
Popyt na dużą skalę (takie jak stal, przemysł chemiczny): Priorytetyzuj destylację kriogeniczną, biorąc pod uwagę wartość produktów ubocznych .
Małe i średnie elastyczne scenariusze (obszary medyczne, zdalne): PSA lub separacja membrany, koncentrując się na szybkim wdrażaniu i niskiej konserwacji .
Przyszłe scenariusze o wysokiej wartości: ITM w połączeniu z energią odnawialną, odpowiednią do rozproszonej produkcji tlenu i przechwytywania węgla .

 

Zintegrowana technologia: klucz do poprawy efektywności energetycznej

 

Integracja termiczna z turbinami gazowymi

Ekstrakcja powietrza: Wyodrębnij część powietrza ze sprężarki turbiny gazowej do ASU, aby zmniejszyć zużycie energii niezależnej sprężarki powietrza (ryc. 7) .
Reindykcja azotu: azot pod wysokim ciśnieniem jest wstrzykiwany do komory spalania w celu zmniejszenia temperatury płomienia (NOX ↓ 50%), a jednocześnie działa jako rozcieńczenie w celu poprawy wykorzystania paliwa (wytwarzanie energii 10-15%) .}

 

i połączony cykl zgazowania węgla (IGCC)

Przypadek: Projekt elektryczny TAMPA wykorzystuje ASU pod wysokim ciśnieniem, ciśnienie powietrza pasuje do turbiny gazowej, a azot jest stosowany do chłodzenia gazu syntezy, a ogólna wydajność cieplna systemu jest zwiększona do 52%.
Zalety: wspólny sprzęt kompresyjny, sieć odzyskiwania ciepła odpadów i koszty kapitałowe są obniżone o 15-20%

 

Integracja procesu chemicznego

Produkcja gazu syntezy: tlen ASU jest wykorzystywany do częściowej reakcji utleniania, a azot produktu ubocznego jest stosowany jako surowiec do syntetycznego amoniaku, realizując koprodukcję „gaz-chemikalizer” .
Zabór węgla: CO₂ o wysokim stężeniu wytwarzane przez spalanie wzbogacone w tlen można zapieczętować bezpośrednio, aby pomóc w dekarbonizacji przemysłowej .
Pojawiające się trendy i wyzwania

 

Kierunek innowacji technologicznych

Przełom materiałowy:
Dysorbenty o wysokiej wydajności (takie jak MOF) poprawiają selektywność PSA, z czystością ponad 97%.
Kompozytowe membrany ceramiczne rozwiązują problem uszczelnienia ITMS w wysokiej temperaturze, z docelową żywotnością przedłużoną do 50, 000 godzin .
Transformacja cyfrowa: Algorytmy AI optymalizują parametry operacyjne ASU, a konserwacja predykcyjna zmniejsza przestoje o 30%.
 

Zrównoważone potrzeby rozwojowe

Proces o niskim obrębie: Użyj energii wiatrowej/fotowoltaicznej elektrosorpcji (E-PSA), aby uzyskać „Zieloną Zieloną Energię Zieloną na elektryczność” zamkniętą pętlę .
Wykorzystanie ciepła odpadów: Użyj chemicznego ciepła odpadów do regeneracji TSA, zmniejszając całkowite zużycie energii przez 10-12%.

 

Wyzwania

Wąskie wąskie gardło technologii niekryogenicznej: PSA i separacja membranowa nadal nie może zastąpić destylacji kriogenicznej w scenariuszach o wysokiej czystości i wysokim przepływie .
Bariery inżynieryjne ITM: Proces produkcyjny na dużą skalę jest niedojrzały, a koszt jest o ponad 40% wyższy niż w procesie niskiej temperatury .

 

Wniosek

Rozwój technologii separacji powietrza przedstawia wzór „niskiej temperatury dominuje na dużą skalę, niewielką temperaturę wypełnia niszowe scenariusze”, a głęboka integracja z procesem konwersji energii jest rdzeniem przyszłej konkurencji . destylacja kriogeniczna} z optymalizacją wydajności poprzez na dużą skalę i integrację ciepła, a nietopechogeniczna technologia wykazuje potencjał w elastyczności i niskiej falpalizacji}.... {5} {5}. z prądem optymalizacji materiałów na dużą skalę. Technologia cyfrowa, nowe modele napędzane procesami hybrydowymi (takimi jak kriogeniczne + ITM) i energia odnawialna przekształcą krajobraz branżowy i zapewnią kluczowe wsparcie dla celów neutralności węgla .