การทบทวนเทคโนโลยีการแยกอากาศและการรวมเข้ากับกระบวนการแปลงพลังงาน

เทคโนโลยีการแยกอากาศเป็นแกนหลักของการผลิตก๊าซอุตสาหกรรมและการเพิ่มประสิทธิภาพแบบบูรณาการกับกระบวนการแปลงพลังงานมีความสำคัญต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพของอุตสาหกรรมและลดค่าใช้จ่าย . กระดาษนี้จะทบทวนหลักการเศรษฐศาสตร์และการประยุกต์ใช้การแยกด้วยการแยกตัว การมุ่งเน้นไปที่การรวมเทคโนโลยีแช่แข็งและแบบไม่ใช้ cryogenic ในกังหันก๊าซการแปรสภาพเป็นก๊าซถ่านหินรวม (IGCC) และการผลิต syngas . ผ่านการเปรียบเทียบทางเทคนิคและการวิเคราะห์กรณีการพัฒนาและทิศทางการวิจัยในอนาคตของเทคโนโลยีการแยกอากาศในสนามพลังงาน

 

 

 

 

การแนะนำ

ก๊าซอุตสาหกรรม (ออกซิเจน, ไนโตรเจน, อาร์กอน) มีบทบาทสำคัญในกระบวนการแปลงพลังงานและการเลือกและการรวมเทคโนโลยีการผลิตของพวกเขาส่งผลโดยตรงต่อเศรษฐกิจและประสิทธิภาพของโรงงาน . บทความนี้กล่าวถึงประเด็นหลักต่อไปนี้:
สถานการณ์ที่ใช้บังคับของเทคโนโลยีการแยกอากาศที่แตกต่างกัน (ความบริสุทธิ์, ขนาด, การใช้พลังงาน)
กลยุทธ์การบูรณาการของหน่วยแยกอากาศ (ASU) และกระบวนการดาวน์สตรีม (เช่นการแปรสภาพเป็นแก๊สการเผาไหม้การผลิตพลังงาน)
ความท้าทายและอาหารเสริมของเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ (เช่นเยื่อหุ้มไอออนขนส่ง) ไปยังกระบวนการแช่แข็งแบบดั้งเดิม
 

เทคโนโลยีการแยกอากาศที่ไม่ใช่ความโกรธแค้น
 

 

วิธีการดูดซับ (PSA/VSA)

หลักการ: ใช้ประโยชน์จากการดูดซับของไนโตรเจนโดยซีโอไลต์หรือตะแกรงโมเลกุลคาร์บอนเพื่อให้ได้การแยกออกซิเจนและไนโตรเจนผ่านวงจรการสวิงความดัน .
กระบวนการ: อากาศอัดเข้าสู่หอคอยการดูดซับไนโตรเจนจะถูกดูดซับและก๊าซที่อุดมด้วยออกซิเจน (93-95% ความบริสุทธิ์) ถูกปล่อยออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ หอคอยอิ่มตัวจะถูกสร้างขึ้นใหม่โดยการลดแรงดัน (รูปที่ 1) .
ข้อดี: การเริ่มต้นอย่างรวดเร็ว (นาที) การออกแบบแบบแยกส่วนเหมาะสำหรับขนาดเล็กและขนาดกลาง (<150 tons/day).
ข้อ จำกัด : ไม่สามารถผลิตอาร์กอนได้และไนโตรเจนที่ได้รับผลพลอยได้มีปริมาณออกซิเจนสูงและต้องมีการทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติม .

 

วิธีการดูดกลืนสารเคมี

กรณี: กระบวนการเกลือหลอมเหลว moltoxe (รูปที่ 2)
กระบวนการ: อากาศอัดทำปฏิกิริยากับเกลือหลอมเหลวหลังจากการปรับสภาพออกซิเจนจะถูกดูดซึมและดูดซับโดยการให้ความร้อน/การทำให้หดหู่ .
ข้อดี: การใช้พลังงานต่ำสำหรับการบีบอัดอากาศและความร้อนของเสียจากกระบวนการสามารถใช้ .
ความท้าทาย: ปัญหาการกัดกร่อนอุณหภูมิสูงอย่างมีนัยสำคัญยังไม่ได้ทำการค้า .
 

การแยกโพลิเมอร์เมมเบรน

กลไก: ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางจลน์ขนาดเล็กของโมเลกุลออกซิเจนการซึมผ่านการคัดเลือกผ่านวัสดุเมมเบรน (รูปที่ 3) .
คุณสมบัติ: ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีความบริสุทธิ์ต่ำ (25-50% อากาศที่เสริมออกซิเจน<20 tons/day.
แอปพลิเคชั่น: การเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำออกซิเจนเหมืองถ่านหินไหลออกมา .

Ion Transport Membrane (ITM)

การพัฒนาทางเทคโนโลยี: เยื่อหุ้มเซรามิกอุณหภูมิสูงสามารถแยกออกจากการนำออกซิเจนไอออน (รูปที่ 4) ด้วยความบริสุทธิ์มากกว่า 99%.
ศักยภาพในการรวม: เมื่อรวมกับกังหันก๊าซผลพลอยได้ไนโตรเจนแรงดันสูงสามารถใช้โดยตรงสำหรับการผลิตพลังงานโดยมีประสิทธิภาพความร้อนเพิ่มขึ้น 15-20%.}
สถานะปัจจุบัน: ในขั้นตอนการนำร่องความทนทานของวัสดุจะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสม .
 

เทคโนโลยีการกลั่นด้วยแช่แข็ง: สถานะและวิวัฒนาการปัจจุบัน

 

แกนประมวลผล

หลักการ: ใช้ความแตกต่างในจุดเดือดของส่วนประกอบอากาศ (o₂ -183 องศา, n₂ -196 องศา) เพื่อให้ได้การแยกผ่านหอกลั่นสองขั้นตอน (รูปที่ 5) .}}}
ขั้นตอนสำคัญ:
การบีบอัดและการปรับสภาพ: อากาศถูกบีบอัดเป็น 6-10 แถบและตะแกรงโมเลกุลจะลบco₂และไอน้ำ .}
การแยกแช่แข็ง: อากาศเหลวจะถูกแยกออกเป็นออกซิเจน (ด้านล่างของหอคอย) และไนโตรเจน (ท็อปท็อป) ในหอกลั่นและอาร์กอนจะถูกกู้คืนผ่านสายด้านข้าง .
การกู้คืนพลังงาน: ตัวขยายใช้แรงดันลดลงสำหรับการทำความเย็นและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่นประสิทธิภาพสูงช่วยคืนความเย็น .}

 

นวัตกรรมขนาดใหญ่และบูรณาการ

สเกลชุดเดี่ยว: จาก 500 ตัน/วันในปี 1980 ถึง 5 ปัจจุบัน, 000 ตัน/วัน (รูปที่ 6) ต้นทุนการลงทุนของหน่วยลดลง 40%.}
กรณีการบูรณาการทั่วไป:
โรงไฟฟ้า Demkolec IGCC (เนเธอร์แลนด์): ASU ถูกรวมเข้ากับกังหันก๊าซอย่างสมบูรณ์อากาศถูกนำมาจากคอมเพรสเซอร์กังหันไนโตรเจนจะถูกฉีดกลับเข้าไปในจุดสิ้นสุดการเผาไหม้การปล่อย NOX ลดลง 30%และประสิทธิภาพการผลิตพลังงานสุทธิเพิ่มขึ้นเป็น 47%.}}}
โครงการการแปรสภาพเป็นแก๊สถ่านหินของ Rozenburg: ASU อิสระจัดหาออกซิเจน, ไนโตรเจนถูกใช้เป็นก๊าซเฉื่อยเพื่อความปลอดภัยของกระบวนการและกำลังการผลิต Syngas จะขยายใหญ่ที่สุด .

 

การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ

ความดันต่ำ (LP) เทียบกับวัฏจักรแรงดันสูง (EP):
LP Cycle: ความดันอากาศ 65-100 psia เหมาะสำหรับสถานการณ์การระบายของไนโตรเจน .}
วัฏจักร EP: ความดัน> 100 psia, ไนโตรเจนสามารถใช้โดยตรงสำหรับการบีบอัดกระบวนการลดการใช้พลังงานเพิ่มเติม .}
การปั๊มของเหลววัฏจักร: ผลิตภัณฑ์ของเหลวถูกสูบไปยังแรงดันสูงเพื่อหลีกเลี่ยงการใช้พลังงานการบีบอัดก๊าซเหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ต้องใช้ออกซิเจนแรงดันสูง (เช่นอุตสาหกรรมเคมีถ่านหิน) .

คู่มือการเปรียบเทียบและเลือกเทคโนโลยี

ความบริสุทธิ์ทางเศรษฐกิจวุฒิภาวะ (ตัน/วัน) ความบริสุทธิ์ (เล่ม .%) ความสามารถในการเริ่มต้น
Cryogenic distillation Mature >20 มากกว่าหรือเท่ากับ 99 ชั่วโมงไนโตรเจนและการกู้คืนที่มีประสิทธิภาพอาร์กอน
การดูดซับ PSA กึ่งโตเต็มที่<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
การแยกเมมเบรน<20 ≤40 Immediate No
ITM ภายใต้การพัฒนาที่ไม่ได้กำหนดมากกว่าหรือเท่ากับ 99 ชั่วโมงไนโตรเจนจะต้องได้รับการรักษา

ตรรกะการเลือก:
ความต้องการที่มีความบริสุทธิ์สูงขนาดใหญ่ (เช่นเหล็กอุตสาหกรรมเคมี): จัดลำดับความสำคัญ
สถานการณ์ที่ยืดหยุ่นขนาดเล็กและขนาดกลาง (การแพทย์พื้นที่ห่างไกล): การแยก PSA หรือเมมเบรนโดยมุ่งเน้นไปที่การปรับใช้อย่างรวดเร็วและการบำรุงรักษาต่ำ .}
สถานการณ์เพิ่มมูลค่าสูงในอนาคต: ITM รวมกับพลังงานหมุนเวียนเหมาะสำหรับการผลิตออกซิเจนแบบกระจายและการจับคาร์บอน .

 

เทคโนโลยีแบบบูรณาการ: กุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

 

การรวมความร้อนกับกังหันก๊าซ

การสกัดอากาศ: สกัดส่วนหนึ่งของอากาศจากคอมเพรสเซอร์กังหันก๊าซไปยัง ASU เพื่อลดการใช้พลังงานของคอมเพรสเซอร์อากาศอิสระ (รูปที่ 7) .}
ไนโตรเจน Reinjection: ไนโตรเจนแรงดันสูงถูกฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้เพื่อลดอุณหภูมิเปลวไฟ (Nox ↓ 50%) และในเวลาเดียวกันทำหน้าที่เป็นตัวเจือจางเพื่อปรับปรุงการใช้เชื้อเพลิง (การสร้างพลังงาน↑ 10-15%)

 

และวงจรรวมกันของแก๊สถ่านหิน (IGCC)

กรณี: โครงการไฟฟ้าแทมปาใช้ ASU แรงดันสูงความดันอากาศตรงกับกังหันก๊าซและไนโตรเจนใช้สำหรับการสังเคราะห์การระบายความร้อนของก๊าซและประสิทธิภาพความร้อนโดยรวมของระบบเพิ่มขึ้นเป็น 52%.}}
ข้อดี: อุปกรณ์บีบอัดที่ใช้ร่วมกันเครือข่ายการกู้คืนความร้อนเสียและต้นทุนเงินทุนลดลงโดย 15-20%

 

การรวมกระบวนการทางเคมี

การผลิตก๊าซการสังเคราะห์: ออกซิเจน ASU ใช้สำหรับปฏิกิริยาการเกิดออกซิเดชันบางส่วนและไนโตรเจนที่ได้รับผลพลอยได้ใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับแอมโมเนียสังเคราะห์ตระหนักถึงการผลิต "ก๊าซ-เคมี
การดักจับคาร์บอน: CO₂ความเข้มข้นสูงที่ผลิตโดยการเผาไหม้ออกซิเจนสามารถปิดผนึกโดยตรงเพื่อช่วย decarbonization อุตสาหกรรม .}
แนวโน้มและความท้าทายที่เกิดขึ้นใหม่

 

ทิศทางนวัตกรรมเทคโนโลยี

การพัฒนาวัสดุ:
ตัวดูดซับประสิทธิภาพสูง (เช่น MOFs) ปรับปรุงการเลือก PSA ด้วยความบริสุทธิ์มากกว่า 97%.
เยื่อหุ้มเซรามิกคอมโพสิตแก้ปัญหาการปิดผนึกอุณหภูมิสูงของ ITM โดยมีอายุการใช้งานเป้าหมายขยายไปถึง 50, 000 ชั่วโมง .}
การแปลงดิจิตอล: อัลกอริทึม AI เพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์การทำงานของ ASU และการบำรุงรักษาแบบทำนายช่วยลดการหยุดทำงานได้ 30%.
 

ความต้องการการพัฒนาที่ยั่งยืน

กระบวนการคาร์บอนต่ำ: ใช้พลังงานลม/ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ (E-PSA) (E-PSA) เพื่อให้ได้ "ออกซิเจนสีเขียว-เขียว"
การใช้ความร้อนของเสีย: ใช้ความร้อนจากสารเคมีสำหรับการฟื้นฟู TSA ลดการใช้พลังงานโดยรวมโดย 10-12%.

 

ความท้าทาย

คอขวดขนาดของเทคโนโลยีที่ไม่ได้เกิดจากความโกรธ: PSA และการแยกเมมเบรนยังคงไม่สามารถแทนที่การกลั่นด้วยความเย็นในสถานการณ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงและไหลสูง .
อุปสรรคทางวิศวกรรมของ ITM: กระบวนการผลิตขนาดใหญ่ยังไม่บรรลุนิติภาวะและค่าใช้จ่ายสูงกว่ากระบวนการอุณหภูมิต่ำมากกว่า 40% .}

 

บทสรุป

การพัฒนาเทคโนโลยีการแยกอากาศนำเสนอรูปแบบของ "อุณหภูมิต่ำมีอุณหภูมิขนาดใหญ่ที่ไม่มีอุณหภูมิต่ำในระดับต่ำเติมเต็มสถานการณ์" และการรวมเข้ากับกระบวนการแปลงพลังงานอย่างลึกล้ำเป็นแกนกลางของการแข่งขันในอนาคต วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีดิจิตอลรุ่นใหม่ที่ขับเคลื่อนโดยกระบวนการไฮบริด (เช่น cryogenic + ITM) และพลังงานหมุนเวียนจะเปลี่ยนภูมิทัศน์อุตสาหกรรมและให้การสนับสนุนที่สำคัญสำหรับเป้าหมายความเป็นกลางคาร์บอน .}