Endurskoðun á loftaðskilnaðartækni og samþættingu þess við orkubreytingarferli

Loft aðskilnaðartækni er kjarni iðnaðar gasframleiðslu og samþætt hagræðing hennar með orkubreytingarferlum skiptir sköpum fyrir að bæta iðnaðar skilvirkni og draga úr kostnaði. Í þessari grein er kerfisbundið farið yfir meginreglur, hagfræði og notkunarsvið hefðbundinnar og vaxandi loftaðskilnaðartækni (kryógen eimingu, aðsog, himna aðskilnað, jónaflutningshimnu osfrv.) Með áherslu á samþættingu kryógenískrar og ekki - cryogenic tækni. Með tæknilegum samanburði og greiningum á málum kemur fram þróunarþróun og framtíðar rannsóknarstefna loftaðskilnaðartækni á orkusviðinu.

 

 

 

 

INNGANGUR

Iðnaðar lofttegundir (súrefni, köfnunarefni, argon) gegna lykilhlutverki í orkuferli og val og samþætting framleiðslutækni þeirra hefur bein áhrif á efnahagslíf og skilvirkni aðstöðunnar. Þessi grein fjallar um eftirfarandi grunnmál:
Gildandi atburðarás mismunandi loftaðskilnaðartækni (hreinleiki, mælikvarði, orkunotkun)
Sameiningarstefna loftaðskilnaðareiningar (ASU) og downstream ferlar (svo sem lofttegund, brennsla, orkuvinnsla)
Áskoranir og fæðubótarefni nýrar tækni (svo sem jónaflutningshimnur) við hefðbundna kryógenferla
 

Non - Cryogenic Air Separation Technology
 

 

Aðsogsaðferð (PSA/VSA)

Meginregla: Notaðu sértæka aðsog köfnunarefnis með zeólít eða kolefnissameindasigli til að ná súrefni og köfnunarefnisaðskilnað með þrýstingsveiflu.
Ferli: Þjappað loft fer inn í aðsogsturninn, köfnunarefni er aðsogað og súrefni - Rich Gas (93-95% hreinleiki) er tæmt sem vara; Mettuð turn er endurnýjaður með þrýstingsminnkun (mynd 1).
Kostir: hröð gangsetning (mínútur), mát hönnun sem hentar fyrir lítinn og meðalstóran hátt (<150 tons/day).
Takmarkanir: Ekki er hægt að framleiða argon og köfnunarefni í aukaafurðinni hefur mikið súrefnisinnihald og þarfnast viðbótar hreinsunar.

 

Efnafræðileg frásogsaðferð

Mál: Moltoxe bráðið saltferli (mynd 2)
Ferli: Þjappað loft bregst við bráðnu salti eftir formeðferð, súrefni frásogast og afsogast með upphitun/þunglyndi.
Kostir: Hægt er að nota litla orkunotkun fyrir loftþjöppun og úrgangshita frá ferlinu.
Áskoranir: Veruleg há - tæringarvandamál, ekki enn markaðssett.
 

Fjölliða himna aðskilnaður

Verkunarháttur: Byggt á minni hreyfiorku í súrefnissameindum, sértæk gegndræpi í gegnum himnuefni (mynd 3).
Eiginleikar: Engir hreyfanlegir hlutar, hentugur fyrir lágt - hreinleika atburðarás (25 - 50% súrefnis auðgað loft), kvarðinn er venjulega<20 tons/day.
Notkun: Súrefni fiskeldi, krabbameint.

Jón flutningshimna (ITM)

Tæknileg bylting: High - Hitastig keramikhimnur ná aðskilnað með súrefnisjóni leiðni (mynd 4), með meira en 99%hreinleika.
Möguleiki á samþættingu: Þegar það er sameinað gasturbínum er hægt að nota hátt - þrýstiköfnunarefni aukaafurðir með orkuvinnslu, með hitauppstreymi aukningu um 15-20%.
Núverandi staða: Í tilraunaþrepinu þarf að fínstilla efnislega endingu.
 

Cryogenic eimingartækni: Núverandi staða og þróun

 

Ferli kjarna

Meginregla: Notaðu mismuninn á suðumarkum lofthluta (O₂ - 183 gráðu, n₂ -196 gráðu) til að ná aðskilnaði í gegnum tveggja þrepa eimingarturn (mynd 5).
Lykilskref:
Samþjöppun og formeðferð: Loft er þjappað í 6-10 bar og sameindarstir fjarlægja co₂ og vatnsgufu.
Kryógen aðskilnaður: Fljótandi loft er aðskilið í súrefni (turnbotn) og köfnunarefni (turnstopp) í eimingarturninum og argon er endurheimt í gegnum hliðarlínuna.
Orkubata: Stækkarinn notar þrýstingsfall fyrir kælingu og háa - skilvirkni plata - ugg hitaskipti batnar um kalt.

 

Stór - kvarði og samþætt nýsköpun

Stakur mælikvarði: Frá 500 tonnum/dag á níunda áratugnum til núverandi 5.000 tonna/dags (mynd 6) hefur fjárfestingarkostnaður einingarinnar verið lækkaður um 40%.
Dæmigert samþættingarmál:
Demkolec IGCC virkjun (Holland): ASU er að fullu samþætt með gasturbínu, loft er tekið úr hverflum þjöppu, köfnunarefni er sprautað aftur í brennsluenda, losun NOx minnkar um 30%og skilvirkni netorku er aukin í 47%.
Rozenburg Coal Gasification Project: Sjálfstætt ASU veitir súrefni, köfnunarefni er notað sem óvirkt gas til að öryggi ferilsins og framleiðslugeta Syngas er hámarkað.

 

Ferli hagræðing

Lágur þrýstingur (LP) á móti háum þrýstingi (EP) hringrás:
LP hringrás: Loftþrýstingur 65-100 PSIA, hentugur fyrir köfnunarefnisventlunarsvið.
EP hringrás: Þrýstingur> 100 psia, köfnunarefni er hægt að nota beint til að samþjöppun ferla og draga úr viðbótarorkunotkun.
Dælandi vökvaferli: Vökvafurðum er dælt að háum þrýstingi til að forðast orkunotkun á gasþjöppun, hentugur fyrir atburðarás sem krefst háþrýstings súrefnis (svo sem kolefnisiðnaður í kola).

Samanburður á tækni og valhandbók

Tækniþroski Efnahagslegur mælikvarði (tonn/dag) Hreinleiki (bindi) Byrjaðu - upp tíma eftir - Vörugetu
Cryogenic distillation Mature >20 meiri en eða jafnt og 99 klukkustundir köfnunarefni og argon duglegur bati
PSA aðsog hálf - þroskað<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
Himna aðskilnaður hálf - þroskaður<20 ≤40 Immediate No
ITM í þróun óákveðið meiri en eða jafnt og 99 klukkustundir þarf að meðhöndla köfnunarefni

Valrökfræði:
Stór - kvarðinn hátt - hreinleika eftirspurn (svo sem stál, efnaiðnaður): forgangsraða kryógen eimingu, með hliðsjón af gildi með - vörum.
Lítil og miðlungs - mælikvarði sveigjanleg atburðarás (læknisfræðileg, afskekkt svæði): PSA eða himna aðskilnaður, með áherslu á skjótan dreifingu og lítið viðhald.
Framtíðarhæft gildi - Bætt við atburðarás: ITM ásamt endurnýjanlegri orku, hentugur fyrir dreifða súrefnisframleiðslu og kolefnisupptöku.

 

Innbyggð tækni: Lykillinn að því að bæta orkunýtingu

 

Hitauppstreymi við gasturbínur

Loftútdráttur: Dragðu hluta loftsins frá gasturbínuþjöppunni til ASU til að draga úr orkunotkun óháðu loftþjöppunnar (mynd 7).
Köfnunarefnisuppspretta: Hátt - Þrýstings köfnunarefni er sprautað í brennsluhólfið til að draga úr logahitastiginu (NOX ↓ 50%) og virkar á sama tíma sem þynningarefni til að bæta eldsneytisnýting (orkuvinnsla ↑ 10-15%).

 

og kolgasun Combined Cycle (IGCC)

Mál: Tampa Electric Project notar hátt - þrýsting ASU, loftþrýstingur passar við gasturbínuna og köfnunarefni er notað til að kæla gasskælingu og heildar hitauppstreymi kerfisins er aukin í 52%.
Kostir: Sameiginlegur þjöppunarbúnaður, hitabata net og fjármagnskostnaður er lækkaður um 15-20%

 

Sameining efnaferla

Framleiðsla gasframleiðslu: ASU súrefni er notað við oxunarviðbrögð að hluta og með - vöruköfnunarefni er notað sem hráefni fyrir tilbúið ammoníak, að átta sig á „Gas - efnaframleiðslu - áburðar" CO - framleiðslu.
Kolefni: High - styrkur CO₂ framleiddur með súrefni - auðgaðri bruna er hægt að innsigla beint til að hjálpa til við að afköst iðnaðar.
Ný þróun og áskoranir

 

Tæknileg nýsköpunarstefna

Efnisleg bylting:
High - Performance Adsorbents (eins og MOF) bæta PSA sértækni, með hreinleika meira en 97%.
Samsettar keramikhimnur leysa vandamálið með háu - hitastigsþéttingu ITM, með markalífstími framlengdur í 50.000 klukkustundir.
Stafræn umbreyting: AI reiknirit hámarka ASU rekstrarbreytur og forspárviðhald dregur úr niður í miðbæ um 30%.
 

Sjálfbær þróunarþörf

Lágt - kolefnisferli: Notaðu vindorku/ljósmynda - ekið rafsog (E - PSA) til að ná „grænu rafmagni - grænu súrefni“ lokað lykkja.
Úrgangshitanotkun: Notaðu efnahita við endurnýjun TSA og dregur úr heildar orkunotkun um 10-12%.

 

Áskoranir

Mælikvarða flöskuháls af non - Cryogenic tækni: PSA og himna aðskilnaður geta samt ekki komið í stað kryógenískrar eimingar í háu - hreinleika og hátt- flæðasviðsmyndir.
Verkfræðihindranir ITM: stórt - framleiðsluferli er óþroskað og kostnaðurinn er meira en 40% hærri en lágt - hitastig.

 

Niðurstaða

Þróun loftaðskilnaðartækni sýnir mynstur „lágt hitastig ræður yfir stórum - kvarða, ekki - lágt hitastig fyllir sess atburðarásina“ og djúp samþætting með orkubreytingarferli er kjarninn í framtíðarsamkeppni. Cryogenic eiming heldur áfram að hámarka skilvirkni í gegnum stóran - kvarða og hita samþættingu, en ekki - kryógenísk tækni sýnir möguleika á sveigjanleika og litlum kolefnis. Með framgangi efnisvísinda og stafrænnar tækni munu ný líkön knúin áfram af blendingum (svo sem cryogenic + ITM) og endurnýjanlegri orku að móta landslag iðnaðarins og veita lykilstuðning fyrir markmið kolefnis hlutleysi.