Una revisió de la tecnologia de separació de l’aire i la seva integració amb els processos de conversió d’energia

La tecnologia de separació de l’aire és el nucli de la producció industrial de gas, i la seva optimització integrada amb els processos de conversió d’energia és crucial per millorar l’eficiència industrial i reduir els costos . Aquest document revisa sistemàticament els principis, l’economia i els escenaris d’aplicacions de les tecnologies tradicionals i emergents de separació d’aire (destil·lació criogènica, adsorció, separació de membrana, membrana de transport de transport, membrana de transport, membrana de transport, membrana de transport, membrana de transport de membranes, membrana de transport de mamels, membrana de transport de mamels, membrana de transport de transport, és la membrana de transport de la membrana. etc .), centrat en la integració de les tecnologies criogèniques i no criogèniques en les turbines de gas, el cicle combinat de gasificació del carbó (IGCC) i la producció de Syngas . a través de la comparació tècnica i l'anàlisi de casos, la tendència de desenvolupament i la futura direcció de la tecnologia de la tecnologia de la separació de l'aire en el camp energètic es revela .

 

 

 

 

Presentació

Els gasos industrials (oxigen, nitrogen, argó) tenen un paper clau en el procés de conversió d’energia i la selecció i integració de la seva tecnologia de producció afecten directament l’economia i l’eficiència de la instal·lació . Aquest article tracta els problemes bàsics següents:
Escenaris aplicables de diferents tecnologies de separació de l’aire (puresa, escala, consum d’energia)
Estratègia d’integració de la unitat de separació d’aire (ASU) i processos aigües avall (com ara gasificació, combustió, generació d’energia)
Reptes i suplements de les tecnologies emergents (com les membranes de transport d’ions) a processos tradicionals criogènics
 

Tecnologia de separació d'aire no criogènica
 

 

Mètode d'adsorció (PSA/VSA)

Principi: Utilitzeu l’adsorció selectiva del nitrogen per zeolita o tamís molecular de carboni per aconseguir la separació d’oxigen i nitrogen mitjançant el cicle de swing de pressió .
Procés: l’aire comprimit entra a la torre d’adsorció, el nitrogen s’adsorbeix i el gas ric en oxigen (93-95% de puresa) es descarrega com a producte; La torre saturada està regenerada per la reducció de la pressió (figura 1) .
Avantatges: Startup Fast (minuts), disseny modular adequat per a petita i mitjana escala (<150 tons/day).
Limitacions: l'argó no es pot produir i el nitrogen de subproducte té un alt contingut en oxigen i requereix una purificació addicional .

 

Mètode d’absorció química

CAS: Procés de sal molosa de Molto (Figura 2)
Procés: L’aire comprimit reacciona amb la sal fos després del pretractament, l’oxigen s’absorbeix i es desorbeix per la calefacció/despressurització .
Avantatges: consum baix d’energia per a la compressió d’aire i es pot utilitzar la calor residual del procés .
Reptes: problemes significatius de corrosió a alta temperatura, encara no comercialitzats .
 

Separació de membrana de polímer

Mecanisme: Basat en el diàmetre cinètic més petit de les molècules d’oxigen, permeació selectiva a través de materials de membrana (Figura 3) .
Característiques: No hi ha parts mòbils, adequades per a escenaris de baixa puresa (25-50% aire enriquit en oxigen), l'escala sol ser<20 tons/day.
Aplicació: Aquacultura Oxigenació, Mina de carbó Inertant .

Ion Transport Membrana (ITM)

Avanç tecnològic: les membranes ceràmiques a alta temperatura aconsegueixen la separació mitjançant la conducció d’ions d’oxigen (figura 4), amb una puresa de més del 99%.
Potencial d’integració: quan es combinen amb les turbines de gas, els subproductes de nitrogen d’alta pressió es poden utilitzar directament per a la generació d’energia, amb un augment d’eficiència tèrmica de 15-20%.
Estat actual: En l'etapa pilot, cal optimitzar la durabilitat del material .
 

Tecnologia de destil·lació criogènica: estat actual i evolució

 

Processar el nucli

Principi: Utilitzeu la diferència en els punts d’ebullició dels components d’aire (o₂ -183 grau, n₂ -196 grau) per aconseguir la separació mitjançant una torre de destil·lació de dues etapes (Figura 5) .
Passos clau:
Compressió i pretractament: l’aire es comprimeix a la barra 6-10 i els tamis moleculars eliminen el vapor i el vapor d’aigua .
Separació criogènica: L’aire liquat es separa en oxigen (fons de la torre) i nitrogen (superior de la torre) de la torre de destil·lació i l’argó es recupera a través de la línia lateral .
Recuperació d’energia: l’expansor utilitza la caiguda de pressió per a la refrigeració i l’intercanviador de calor de placa d’alta eficiència recupera fred .

 

Innovació a gran escala i integrada

Escala de conjunt únic: de 500 tones/dia a la dècada de 1980 fins a les 5, 000 tones/dia (Figura 6), el cost d'inversió d'unitat s'ha reduït en un 40%.
Casos d’integració típics:
Penal elèctrica de Demkolec IGCC (Països Baixos): ASU està totalment integrada amb la turbina de gas, l’aire es pren del compressor de turbina, el nitrogen s’injecta a l’extrem de combustió, l’emissió de NOx es redueix en un 30%i l’eficiència de generació d’energia neta s’incrementa fins al 47%.
Projecte de gasificació del carbó de Rozenburg: ASU independent subministra oxigen, el nitrogen s’utilitza com a gas inert per a la seguretat del procés i la capacitat de producció de Syngas es maximitza .

 

Optimització de processos

Cicle de baixa pressió (LP) vs Alta pressió (EP):
Cicle LP: pressió de l’aire 65-100 Psia, adequat per a escenaris de ventilació de nitrogen .
Cicle EP: pressió> 100 psia, nitrogen es pot utilitzar directament per a la compressió del procés, reduint el consum d’energia addicional .
Cicle de líquid de bombament: els productes líquids es bomben a alta pressió per evitar el consum d’energia de compressió de gas, adequats per a escenaris que requereixen oxigen a alta pressió (com la indústria química del carbó) .

Guia de comparació i selecció de tecnologia

Tecnologia de la maduresa Escala econòmica (tones/dia) Puritat (vol .%) Temps de posada en marxa Capacitat de subproducte
Cryogenic distillation Mature >20 majors o iguals a 99 hores Nitrogen i argó Recuperació eficient
PSA adsorció semi-madura<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
Separació de membrana semi-madura<20 ≤40 Immediate No
ITM en desenvolupament no determinat superior o igual a 99 hores cal tractar nitrogen

Lògica de selecció:
Demanda a gran escala d’alta puresa (com l’acer, la indústria química): prioritzeu la destil·lació criogènica, tenint en compte el valor dels subproductes .
Escenaris flexibles a petita i mitjana escala (àrees mèdiques, remotes): separació de PSA o membrana, centrada en el desplegament ràpid i el baix manteniment .
Futurs escenaris d’alt valor afegit: ITM combinat amb energia renovable, adequada per a la producció d’oxigen distribuïda i la captura de carboni .

 

Tecnologia integrada: la clau per millorar l’eficiència energètica

 

Integració tèrmica amb turbines de gas

Extracció d’aire: extreure part de l’aire del compressor de turbines de gas a l’ASU per reduir el consum d’energia del compressor d’aire independent (figura 7) .
Reinjecció de nitrogen: el nitrogen d’alta pressió s’injecta a la cambra de combustió per reduir la temperatura de la flama (NOX ↓ 50%) i, al mateix temps

 

i cicle combinat de gasificació de carbó (IGCC)

Cas: el projecte Tampa Electric utilitza ASU a alta pressió, la pressió de l’aire coincideix amb la turbina de gas i el nitrogen s’utilitza per al refredament de gas de síntesi i l’eficiència tèrmica general del sistema s’incrementa fins al 52%.}
Avantatges: els equips de compressió compartits, la xarxa de recuperació de calor de residus i els costos de capital es redueixen per {{0}%%

 

Integració del procés químic

Producció de gas de síntesi: l’oxigen ASU s’utilitza per a la reacció d’oxidació parcial i el nitrogen subproducte s’utilitza com a matèria primera per a l’amoníac sintètic, realitzant la coproducció de “Fas-Ferribal-Ferros” .
Captura de carboni: co₂ d’alta concentració produïda per la combustió enriquida per l’oxigen es pot segellar directament per ajudar a la descarbonització industrial .
Tendències i reptes emergents

 

Direcció d’innovació tecnològica

Avançat material:
Els adsorbents d’alt rendiment (com ara MOFs) milloren la selectivitat de PSA, amb una puresa de més del 97%.
Les membranes de ceràmica compostes solucionen el problema del segellat a alta temperatura de ITMS, amb una vida útil objectiu estesa a 50, 000 hores .
Transformació digital: els algoritmes AI optimitzen els paràmetres de funcionament ASU i el manteniment predictiu redueix el temps d’inactivitat en un 30%.
 

Necessitats de desenvolupament sostenible

Procés baix en carboni: utilitzeu l'electrosorció de potència eòlica/fotovoltaica (E-PSA) per aconseguir un "oxigen d'electricitat verd" bucle tancat .
Utilització de la calor de residus: utilitzeu la calor de residus químics per a la regeneració de TSA, reduint el consum general d’energia per 10-12%.

 

Reptes

Escala de coll d'ampolla de tecnologia no criogènica: la separació de PSA i membrana encara no pot substituir la destil·lació criogènica en escenaris d'alta puresa i de gran flux .
Barreres d'enginyeria de ITM: el procés de fabricació a gran escala és immadur i el cost és superior al 40% superior al del procés de baixa temperatura .

 

Conclusió

El desenvolupament de la tecnologia de separació de l’aire presenta un patró de "temperatura de baixa temperatura que omple la temperatura a gran escala, que omple els escenaris de nínxol", i la integració profunda amb el procés de conversió d’energia és el nucli de la competència futura {{2} criogènic La destil·lació continua L’avanç de la ciència de materials i la tecnologia digital, nous models impulsats per processos híbrids (com ara criogènic + ITM) i l’energia renovable remodelaran el panorama de la indústria i proporcionaran suport clau als objectius de neutralitat del carboni .