Katsaus ilmanerotustekniikkaan ja sen integrointi energian muuntamisprosesseihin

Ilmanerottelutekniikka on teollisuuden kaasuntuotannon ydin, ja sen integroitu optimointi energian muuntamisprosessien kanssa on välttämätöntä teollisuuden tehokkuuden parantamiseksi ja kustannusten vähentämiselle . Tässä artikkelissa tarkastellaan systemaattisesti perinteisten ja nousevien ilmanerotustekniikan (kryogeenisen tislauksen, adsorption, adsorption, membraanien erottelun, ionin liikenteen membraanien, {1 Kryogeenisten ja ei-rygeenisten tekniikoiden integrointi kaasuturbiineihin, hiilen kaasuttamiseen yhdistettyyn sykliin (IGCC) ja SYNGAS-tuotantoon . teknisen vertailun ja tapausanalyysin avulla paljastetaan kehityssuuntaus ja tulevaisuuden tutkimustekniikan kehityssuunta ja tulevaisuuden tutkimussuunta energiakentällä .. kautta .}}}}}} {

 

 

 

 

Esittely

Teollisilla kaasuilla (happi, typpi, argon) on avainasemassa energian muuntamisprosessissa, ja niiden tuotantotekniikan valinnalla ja integroinnilla vaikuttavat suoraan laitoksen talouteen ja tehokkuuteen . Tässä artikkelissa käsitellään seuraavia ydinkysymyksiä:
Sovellettavat skenaariot erilaisista ilmanerotustekniikoista (puhtaus, mittakaava, energiankulutus)
Ilmanerotusyksikön (ASU) integraatiostrategia (ASU) ja alavirran prosessit (kuten kaasutus, palaminen, sähköntuotanto)
Esitettävien tekniikoiden haasteet ja lisäravinteet (kuten ionin kuljetuskalvot) perinteisiin kryogeenisiin prosesseihin
 

Ei-kryogeeninen ilmanerotustekniikka
 

 

Adsorptiomenetelmä (PSA/VSA)

Periaate: Hyödynnä typen selektiivistä adsorptiota zeoliitin tai hiilimolekyyliseulan avulla hapen ja typen erottelun saavuttamiseksi paineen kääntöjakson kautta .
Prosessi: Paineilma tulee adsorptiotorniin, typpeä adsorboituu, ja happirikas kaasu (93-95% puhtaus) puretaan tuotteena; Kyllästetty torni regeneroituu paineen vähentämisellä (kuva 1) .
Edut: Nopea käynnistys (minuutteja), modulaarinen muotoilu sopii pieneen ja keskisuureen mittakaavalle (<150 tons/day).
Rajoitukset: Argonia ei voida tuottaa, ja sivutuotteen typellä on korkea happipitoisuus ja se vaatii lisäpuhdistusta .

 

Kemiallinen imeytymismenetelmä

Tapaus: Moltoxe sulan suolaprosessi (kuva 2)
Prosessi: Paineilma reagoi sulan suolan kanssa esikäsittelyn jälkeen, happi imeytyy ja desorboituu lämmittämällä/masennuksella .
Edut: Ilman pakkauksen vähäinen virtakulutus ja prosessin jätealue voidaan käyttää .
Haasteet: Merkittävät korkean lämpötilan korroosioongelmat, ei vielä kaupallista .
 

Polymeerikalvon erottaminen

Mekanismi: Perustuu happimolekyylien pienempaan kineettiseen halkaisijaan, selektiiviseen läpäisyyn membraanimateriaalien kautta (kuva 3) .
Ominaisuudet: Ei liikkuvia osia, jotka sopivat matalan puhtaan skenaarioihin (25-50% happearikastettua ilmaa), asteikko on yleensä<20 tons/day.
Sovellus: Vesiviljelyn hapetus, hiilikaivoksen inertti .

Ionin kuljetuskalvo (ITM)

Teknologinen läpimurto: Korkean lämpötilan keraamiset kalvot saavuttavat erottelun happi-ionin johtavuuden kautta (kuva 4), puhtaus yli 99%.
Integrointipotentiaali: Kun yhdistettynä kaasuturbiineihin, korkeapaineinen typen sivutuotteita voidaan käyttää suoraan sähköntuotannossa, lämpötehokkuuden lisääntyminen 15-20%.
Nykyinen tila: Pilottivaiheessa materiaalin kestävyys on optimoitava .
 

Kryogeeninen tislaustekniikka: Nykyinen tila ja evoluutio

 

Prosessiydin

Periaate: Hyödynnä ilmakomponenttien kiehumispisteiden eroa (O₂ -183 astetta, n₂ -196 astetta) erottelun saavuttamiseksi kaksivaiheisen tislaustornin kautta (kuva 5) .
Avainvaiheet:
Pakkaus ja esikäsittely: Ilma on pakattu 6-10 -palkkiin, ja molekyyliseulot Poista co₂ ja vesihöyry .
Kryogeeninen erottelu: Nesteytetty ilma on erotettu happea (tornin pohja) ja typpeä (tornin yläosa) tislaustornissa, ja argoni otetaan talteen sivulinjan . läpi
Energian talteenotto: Laajennus käyttää paineen pudotusta jäähdytykseen ja korkean tehokkuuden levy-efin Heat -vaihdin palauttaa kylmän .

 

Laajamittainen ja integroitu innovaatio

Yhden sarjan asteikko: 500 tonnista/päivä 1980 -luvulla nykyiseen 5, 000 tonniin/päivä (kuva 6), yksikköinvestointikustannukset on alennettu 40%.}
Tyypilliset integraatiotapaukset:
Demkolec IGCC -voimalaitos (Alankomaat): ASU on täysin integroitu kaasuturbiiniin, ilma on otettu turbiinikompressorista, typpi injektoidaan takaisin palamispäähän, NOX -päästöt vähenee 30%: lla ja nettovoiman tuotannon hyötysuhde nousee 47%.
Rozenburgin hiilen kaasutusprojekti: Riippumaton ASU toimittaa happea, typpeä käytetään inertinä kaasuna prosessiturvallisuuteen, ja Syngas -tuotantokapasiteetti on maksimoitu .

 

Prosessin optimointi

Matalapaine (LP) vs. Korkeapaine (EP) -sykli:
LP -sykli: ilmanpaine 65-100 psia, soveltuu typen tuuletusskenaarioihin .
EP -sykli: Paine> 100 psiaa, typpeä voidaan käyttää suoraan prosessin pakkaamiseen, vähentämällä ylimääräistä virrankulutusta .
Pumppaus nestemäisykli: Nestemäiset tuotteet pumpataan korkeapaineeseen kaasun puristusenergian kulutuksen välttämiseksi, jotka sopivat skenaarioihin, jotka vaativat korkeapaineista happea (kuten hiilikemianteollisuus) .

Teknologian vertailu- ja valintaopas

Teknologian maturiteetin taloudellinen mittakaava (tonnit/päivä) puhtaus (vol .%) Käynnistysaika sivutuotteen kapasiteetti
Cryogenic distillation Mature >20 suurempi tai yhtä suuri kuin 99 tunnin typpi- ja argonitehokas palautuminen
PSA-adsorptio puoli-kypsy<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
Membraanin erottelu puoliksi kypsy<20 ≤40 Immediate No
ITM: n kehitteillä määrittelemättömät tai yhtä suuret kuin 99 tunnin typpi on hoidettava

Valintalogiikka:
Laajamittainen korkeapuhtauskysyntä (kuten teräs, kemianteollisuus): priorisoi kryogeeninen tislaus, ottaen huomioon sivutuotteiden arvo .
Pienet ja keskisuuret joustavat skenaariot (lääketieteelliset, syrjäiset alueet): PSA tai kalvoerottelu, keskittyen nopeaan käyttöönottoon ja alhaiseen ylläpitoon .
Tulevat korkean lisäarvoa koskevat skenaariot: ITM yhdistettynä uusiutuvaan energiaan, joka sopii hajautettuun hapentuotantoon ja hiilen sieppaamiseen .

 

Integroitu tekniikka: Avain energiatehokkuuden parantamiseen

 

Lämpöintegraatio kaasuturbiineihin

Ilmanpoisto: Uuteta ilmaa kaasuturbiinikompressorista ASU: hon riippumattoman ilmakompressorin virrankulutuksen vähentämiseksi (kuva 7) .
Typen uudelleeninjektio: Korkeapaineen typpi injektoidaan palamiskammioon liekin lämpötilan alentamiseksi (NOX ↓ 50%) ja samanaikaisesti laimennelmana polttoaineen käytön parantamiseksi (sähköntuotanto 10-15%) .}

 

ja hiilen kaasuttaminen yhdistetty sykli (IGCC)

Tapaus: Tampa Electric -projekti käyttää korkeapainetta ASU: ta, ilmanpaine vastaa kaasuturbiinia ja typpeä käytetään synteesikaasun jäähdytykseen, ja järjestelmän yleistä lämpötehokkuutta nostetaan 52%: iin .
Edut: Jaetut puristuslaitteet, jätealueen talteenottoverkko ja pääomakustannukset vähenevät 15-20%

 

Kemiallisen prosessin integrointi

Synteesin kaasuntuotanto: ASU-happea käytetään osittaiseen hapettumisreaktioon, ja sivutuotteen typpeä käytetään raaka-aineena synteettiseen ammoniakkiin, joka toteuttaa "kaasemäkeläisen lannoitteen" yhteistuotannon .
Hiilen sieppaus: Happirikastetun palamisen tuottama korkea-luvun co₂ voidaan sinetöitä suoraan teollisuuden hiilidioksidipäästöjen . auttamiseksi .
Nousevat trendit ja haasteet

 

Teknologinen innovaatiosuunta

Materiaalin läpimurto:
Korkean suorituskyvyn adsorbentit (kuten MOFS) parantaa PSA: n selektiivisyyttä, puhtaus yli 97%.
Yhdistelmäkeraamiset kalvot ratkaisevat ITMS: n korkean lämpötilan tiivistymisen ongelman, jonka tavoitteen elinaika pidennetty 50: een, 000 tuntia .
Digitaalinen muunnos: AI -algoritmit optimoivat ASU -käyttöparametrit ja ennustava ylläpito vähentää seisokkeja 30%.
 

Kestävän kehityksen tarpeet

Lähen hiiliprosessi: Käytä tuulivoimaa/aurinkosähköä ohjattua sähkösorptiota (E-PSA) saavuttaaksesi "vihreän sähkö-vihreän happea" suljetun silmukan .
Jätelämmön käyttö: Käytä kemiallista jätealuetta TSA

 

Haasteet

Ei-kryogeenisen tekniikan asteikon pullonkaula: PSA: n ja kalvon erottaminen ei vieläkään pysty korvaamaan kryogeenistä tislausta korkean puhkeamisen ja korkean virran skenaarioissa .
ITM: n tekniikan esteet: laajamittainen valmistusprosessi on epäkypsä, ja kustannukset ovat yli 40% korkeammat kuin matalan lämpötilan prosessin . kustannukset

 

Johtopäätös

Ilmaerotteluteknologian kehittäminen esittelee "matalan lämpötilan hallitseminen laajamittaisen, alhaisen lämpötilan täyttää kapean skenaariot", ja syvä integraatio energian muuntamisprosessiin on tulevaisuuden kilpailun ydin . kryogeeninen tislaus jatkaa tehokkuuden optimoimista ja alhaisen hiilidioksidin {5} {5}. {5} ja digitaalitekniikka, hybridiprosessien (kuten kryogeeninen + ITM) ja uusiutuvan energian ohjaamat uudet mallit ja uusiutuvat energiat muuttavat alan maisemaa ja tarjoavat avaintukea hiilihapojen neutraalisuustavoitteille .