Pregled tehnologije ločevanja zraka in njene integracije s procesi pretvorbe energije

Tehnologija ločevanja zraka je jedro proizvodnje industrijskega plina, njegova integrirana optimizacija s procesi pretvorbe energije pa je ključnega pomena za izboljšanje industrijske učinkovitosti in zmanjšanje stroškov . Ta prispevek sistematično pregleduje načela, ekonomijo in scenarije uporabe tradicionalne in nastajajoče ločitve zraka itd. {1}, ion membrana, ion membrana, ion membrana, ion membrana, ion membrana, ion membrana, ion membrana, ion membrana, ion Osredotočenost na integracijo kriogenih in nekriogenih tehnologij v plinskih turbinah, kombinirani cikel premogovništva (IGCC) in proizvodnjo Syngas . s tehnično primerjavo in analizo primerov, razvojni trend in prihodnjo raziskovalno smer tehnologije ločevanja zraka v energetskem polju se razkrijejo .

 

 

 

 

Uvod

Industrijski plini (kisik, dušik, argon) igrajo ključno vlogo pri procesu pretvorbe energije, izbira in integracija njihove proizvodne tehnologije pa neposredno vplivata na gospodarstvo in učinkovitost objekta . Ta članek obravnava naslednja temeljna vprašanja:
Veljavni scenariji različnih tehnologij ločevanja zraka (čistost, lestvica, poraba energije)
Strategija integracije enote za ločevanje zraka (ASU) in procesov na nižji stopnji (kot so uplinjanje, izgorevanje, proizvodnja električne energije)
Izzivi in dodatki nastajajočih tehnologij (na primer membrane ionskih transportov) v tradicionalne kriogene procese
 

Ne-kriogena tehnologija ločevanja zraka
 

 

Metoda adsorpcije (PSA/VSA)

Načelo: Uporabite selektivno adsorpcijo dušika z zeolitom ali ogljikovim molekularnim sitom, da dosežete ločevanje kisika in dušika skozi cikel tlačnega nihanja .
Postopek: stisnjen zrak vstopi v adsorpcijski stolp, dušik je adsorbiran, plin, bogat s kisikom (93-95% čistosti), pa je izpuščen kot izdelek; Nasičen stolp se regenerira z znižanjem tlaka (slika 1) .
Prednosti: hiter zagon (minute), modularni dizajn, primeren za majhno in srednje velikosti (<150 tons/day).
Omejitve: Argona ni mogoče izdelati, dušik s stranskim proizvodom pa ima visoko vsebnost kisika in zahteva dodatno čiščenje .

 

Metoda kemične absorpcije

Primer: proces moltoxe staljena sol (slika 2)
Postopek: stisnjen zrak reagira s staljeno sol
Prednosti: Nizka poraba energije za stiskanje zraka in odpadna toplota iz postopka lahko uporabite .
Izzivi: pomembne visokotemperaturne korozijske težave, še niso komercializirane .
 

Ločevanje polimera membrane

Mehanizem: Na podlagi manjšega kinetičnega premera molekul kisika, selektivno prepustnost skozi membranske materiale (slika 3) .
Značilnosti: brez gibljivih delov, primerni za scenarije nizkih čistosti (25-50%%, obogateni z kisikom), je lestvica običajno<20 tons/day.
Aplikacija: Oksigenacija ribogojstva, inertiranje rudnika premoga .

Ionska transportna membrana (ITM)

Tehnološki preboj: visokotemperaturne keramične membrane dosežejo ločitev s kisikovo ionsko prevodnostjo (slika 4), s čistostjo več kot 99%.
Integrativni potencial: V kombinaciji s plinskimi turbinami se lahko za proizvodnjo električne energije neposredno uporabijo visokotlačni dušikovi stranski proizvodi, s povečanjem toplotne učinkovitosti 15-20%.
Trenutno stanje: V fazi pilota je treba optimizirati trajnost materiala .
 

Kriogena tehnologija destilacije: trenutno stanje in evolucija

 

Procesno jedro

Načelo: Uporabite razlike v vreliščih komponent zraka (o₂ -183 stopinje, n₂ -196 stopinja), da dosežete ločitev skozi dvostopenjski destilacijski stolp (slika 5) .
Ključni koraki:
Stiskanje in predhodno obdelavo: zrak je stisnjen na 6-10 bar, molekularni sitovi pa odstranijo co₂ in vodno paro .
Kriogena ločitev: utekočinjeni zrak se v destilacijskem stolpu loči na kisik (stolpno dno) in dušik (zgornji del stolpa), argon pa se povrne skozi stransko črto .
Okrevanje energije: Expander uporablja padec tlaka za hlajenje in visoko učinkovit ploščice toplote obnovi mraz .

 

Obsežne in integrirane inovacije

Enotna nastavljena lestvica: od 500 ton/dan v osemdesetih do trenutnih 5, 000 ton/dan (slika 6), so se stroški naložbe na enoto znižali za 40%.
Tipični primeri integracije:
Demkolec IGCC elektrarna (Nizozemska): ASU je v celoti integriran s plinsko turbino, zrak je vzet iz turbinskega kompresorja, dušik se vbrizga nazaj v zgorevanje, emisija NOX se zmanjša za 30%, neto učinkovitost proizvodnje energije pa se poveča na 47%.
Rozenburg Projekt za uplinjanje premoga: Neodvisna dobava kisika ASU, dušik se uporablja kot inertni plin za varnost procesa, proizvodna zmogljivost sinhro

 

Optimizacija procesa

Nizko tlak (LP) v primerjavi z visokim tlakom (EP) cikel:
LP cikel: zračni tlak 65-100 PSIA, primeren za scenarije odzračevanja dušika .
EP cikel: Tlak> 100 psiA, dušik se lahko neposredno uporablja za stiskanje procesov, zmanjšanje dodatne porabe energije .
Črpalni tekoči cikel: tekoči izdelki se črpajo do visokega tlaka, da se prepreči poraba energije za stiskanje plina, primerna za scenarije, ki zahtevajo visokotlačni kisik (na primer kemična industrija premoga) .

Vodnik za primerjavo in izbiro tehnologije

Ekonomska lestvica zapadlosti tehnologije (ton/dan) čistost (vol .%) Čas zagona.
Cryogenic distillation Mature >20 večje ali enako 99 -urno okrevanje z dušikom in argonom
PSA adsorpcija pol zrela<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
Membranska ločitev pol zrela<20 ≤40 Immediate No
ITM v razvoju, ki ni določen večji ali enak 99 -uri, je treba zdraviti dušik

Logika izbire:
Obsežno povpraševanje po visoki čistosti (na primer jeklo, kemična industrija): dajte prednost kriogeni destilaciji, ob upoštevanju vrednosti stranskih proizvodov .
Majhni in srednje obsežni prilagodljivi scenariji (medicinska, oddaljena območja): PSA ali membrana ločevanje, osredotočenost na hitro uvajanje in nizko vzdrževanje .
Prihodnji scenariji z visoko vrednostjo: ITM v kombinaciji z obnovljivo energijo, primeren za porazdeljeno proizvodnjo kisika in zajemanje ogljika .

 

Integrirana tehnologija: ključ do izboljšanja energetske učinkovitosti

 

Toplotna integracija s plinskimi turbinami

Ekstrakcija zraka: Izvlecite del zraka iz kompresorja plinske turbine na ASU, da zmanjšate porabo energije neodvisnega zračnega kompresorja (slika 7) .
Nitrogen Reinion: Visokotlačni dušik se vbrizga v zgorevalno komoro, da se zmanjša temperatura plamena (NOX ↓ 50%), hkrati pa deluje kot redčenje za izboljšanje porabe goriva (proizvodnja energije ↑ 10-15%) .

 

in premogovništvo kombinirani cikel (IGCC)

Primer: Električni projekt Tampa uporablja visokotlačni ASU, zračni tlak se ujema s plinsko turbino, dušik pa se uporablja za hlajenje plina za sintezo, skupna toplotna učinkovitost sistema
Prednosti: Oprema za stiskanje v skupni rabi, omrežje za obnovo odpadkov in kapitalski stroški se zmanjšajo za 15-20%

 

Integracija kemičnega procesa

Proizvodnja plina sinteze: ASU kisik se uporablja za delno oksidacijsko reakcijo, dušik stranskega proizvoda
Zajem ogljika: Co₂ z visoko koncentracijo, ki ga proizvaja zgorevanje, obogateno s kisikom
Nastajajoči trendi in izzivi

 

Tehnološka usmeritev inovacij

Materialni preboj:
Visokozmogljivi adsorbenti (na primer MOF) izboljšajo selektivnost PSA, s čistostjo več kot 97%.
Kompozitne keramične membrane rešujejo problem visokotemperaturnega tesnjenja ITMS, pri čemer se ciljna življenjska doba razširi na 50, 000 ure .
Digitalna transformacija: AI algoritmi optimizirajo obratovalne parametre ASU in napovedno vzdrževanje zmanjša izpad za 30%.
 

Potrebe trajnostnega razvoja

Proces z nizko vsebnostjo ogljika: Uporabite vetrno moč/fotovoltaično elektrosorpcijo (E-PSA), da dosežete zaprto zanko "zelene električne energije-zelene kisike" .
Uporaba toplote odpadkov: uporabite kemično odpadno toploto za regeneracijo TSA in zmanjšate skupno porabo energije z 10-12%.

 

Izzivi

Boza lestvice nekriogene tehnologije: ločitev PSA in membrane še vedno ne more nadomestiti kriogene destilacije v scenarijih z visoko čistostjo in visokim pretokom .
Inženirske ovire ITM: Obsežni proizvodni postopek je nezrel, stroški pa so več kot 40% višji kot pri nizkotemperaturnem procesu .

 

Zaključek

The development of air separation technology presents a pattern of "low temperature dominates large-scale, non-low temperature fills the niche scenarios", and deep integration with energy conversion process is the core of future competition. Cryogenic distillation continues to optimize efficiency through large-scale and heat integration, while non-cryogenic technology shows potential in flexibility and low carbonization. With the advancement Znanosti o materialih in digitalni tehnologiji, novi modeli, ki jih poganjajo hibridni procesi (na primer kriogeni + ITM) in obnovljiva energija