סקירה של טכנולוגיית הפרדת אוויר ושילובתה בתהליכי המרת אנרגיה

טכנולוגיית הפרדת אוויר היא ליבת ייצור הגז התעשייתי, ואופטימיזציה משולבת שלה בתהליכי המרת אנרגיה היא מכריעה לשיפור היעילות התעשייתית והפחתת העלויות . מאמר זה סוקר באופן שיטתי את העקרונות, הכלכלה והתרחישים של היישומים של טכנולוגיות הפרדת אוויר מסורתיות (edpration {entuction intormance, ed (entuction intopration, enture, entuction intopration, enture, התמקדות בשילוב של טכנולוגיות קריוגניות ולא קריוגניות בטורבינות גז, מחזור משולב של גיזוז פחם (IGCC) וייצור Syngas {}}} באמצעות השוואה טכנית וניתוח מקרה, מגמת הפיתוח וכיוון המחקר העתידי של טכנולוגיית הפרדת אוויר בשדה האנרגיה נחשפים {}}}

 

 

 

 

מָבוֹא

גזים תעשייתיים (חמצן, חנקן, ארגון) ממלאים תפקיד מפתח בתהליך המרת האנרגיה, ובחירת ושילוב טכנולוגיית הייצור שלהם משפיעים ישירות על הכלכלה והיעילות של המתקן . מאמר זה דן בסוגיות הליבה הבאות:
תרחישים רלוונטיים של טכנולוגיות הפרדת אוויר שונות (טוהר, קנה מידה, צריכת אנרגיה)
אסטרטגיית אינטגרציה של יחידת הפרדת אוויר (ASU) ותהליכים במורד הזרם (כגון גיזוז, בעירה, ייצור חשמל)
אתגרים ותוספי מזון של טכנולוגיות מתעוררות (כמו ממברנות הובלת יונים) לתהליכים קריוגניים מסורתיים
 

טכנולוגיית הפרדת אוויר לא קריוגנית
 

 

שיטת ספיחה (PSA/VSA)

עקרון: השתמש בספיחה הסלקטיבית של חנקן על ידי מסננת זאוליט או מולקולרית פחמן כדי להשיג הפרדת חמצן וחנקן דרך מחזור נדנדה לחץ .
תהליך: אוויר דחוס נכנס למגדל הספיחה, חנקן סופג, וגז עשיר בחמצן (93-95% טוהר) משוחרר כמוצר; המגדל הרווי מתחדש על ידי הפחתת לחץ (איור 1) .
יתרונות: הפעלה מהירה (דקות), עיצוב מודולרי המתאים לקנה מידה קטן ובינוני (<150 tons/day).
מגבלות: לא ניתן לייצר ארגון, ולחנקן של תוצר לוואי יש תכולת חמצן גבוהה ודורש טיהור נוסף .

 

שיטת ספיגה כימית

מקרה: תהליך מלח מותך מולטוקס (איור 2)
תהליך: אוויר דחוס מגיב עם מלח מותך לאחר טיפול מקדים, חמצן נספג ומושקע על ידי חימום/דיכאון .
יתרונות: צריכת חשמל נמוכה לדחיסת אוויר, וניתן להשתמש בחום פסולת מהתהליך .
אתגרים: בעיות קורוזיה משמעותיות בטמפרטורה גבוהה, טרם מסחרו .
 

הפרדת קרום פולימר

מנגנון: בהתבסס על הקוטר הקינטי הקטן יותר של מולקולות חמצן, חדירה סלקטיבית באמצעות חומרי קרום (איור 3) .
מאפיינים: אין חלקים נעים, המתאימים לתרחישים נמוכים של טוהר (25-50% אוויר מועשר חמצן), הסולם הוא בדרך כלל<20 tons/day.
יישום: חמצון חקלאות, מכרה פחם מכרה .

קרום הובלת יונים (ITM)

פריצת דרך טכנולוגית: ממברנות קרמיקה בטמפרטורה גבוהה משיגות הפרדה באמצעות הולכת יון חמצן (איור 4), עם טוהר של יותר מ- 99%.
פוטנציאל אינטגרציה: בשילוב עם טורבינות גז, ניתן להשתמש ישירות בתוצרי לוואי של חנקן בלחץ גבוה לייצור חשמל, עם עליית יעילות תרמית של 15-20%.
סטטוס נוכחי: בשלב הפיילוט, יש לבצע אופטימיזציה של עמידות חומר .
 

טכנולוגיית זיקוק קריוגנית: מצב נוכחי והתפתחות

 

Core Core

עקרון: השתמש בהבדל בנקודות רתיחה של רכיבי אוויר (O₂ -183 תואר, n₂ -196 תואר) כדי להשיג הפרדה דרך מגדל זיקוק דו-שלבי (איור 5) .
שלבי מפתח:
דחיסה וטיפול מקדים: אוויר דחוס ל 6-10 סר
הפרדה קריוגנית: אוויר נוזלי מופרד לחמצן (תחתית מגדל) ולחנקן (למעלה מגדל) במגדל הזיקוק, וארגון מתאושש דרך קו הצד .
התאוששות אנרגיה: המרחיב משתמש בירידה בלחץ לקירור, ומחליף החום של סנפיר הצלחת הגבוה משחזר קר .

 

חדשנות בקנה מידה גדול ומשולב

סולם סט יחיד: מ- 500 טון ליום בשנות השמונים עד 5, 000 טון/יום (איור 6), עלות ההשקעה של היחידה הופחתה ב- 40%.
מקרי שילוב אופייניים:
תחנת הכוח של דמקולק IGCC (הולנד): ASU משולבת במלואה עם טורבינת גז, אוויר נלקח ממדחס הטורבינה, חנקן מוזרק חזרה לקצה הבעירה, פליטת NOx מופחתת ב- 30%, ויעילות ייצור הכוח נטו מוגברת ל 47%{2}}
פרויקט גיזוז פחם של רוזנבורג: ASU עצמאי מספק חמצן, חנקן משמש כגז אינרטי לבטיחות בתהליכים, ויכולת הייצור של סינזים ממקסמת .

 

אופטימיזציה של תהליכים

לחץ נמוך (LP) לעומת מחזור לחץ גבוה (EP):
מחזור LP: לחץ אוויר 65-100 psia, מתאים לתרחישים של אוורור חנקן .
מחזור EP: לחץ> 100 psia, ניתן להשתמש ישירות בחנקן לדחיסת תהליכים, הפחתת צריכת חשמל נוספת .
שאיבת מחזור נוזלים: מוצרים נוזליים נשאבים ללחץ גבוה כדי למנוע צריכת אנרגיה של דחיסת גז, המתאימים לתרחישים הדורשים חמצן בלחץ גבוה (כגון תעשיית כימיקלים פחם) .

מדריך השוואה ובחירת טכנולוגיה

טכנולוגיית בגרות טכנולוגית סולם כלכלי (טון/יום) טוהר (Vol .%) זמן ההפעלה יכולת תוצר לוואי
Cryogenic distillation Mature >20 גדול יותר או שווה ל 99 שעות חנקן והחלמה יעילה של ארגון
ספיחת PSA בוגרת למחצה<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
הפרדת ממברנה בוגרת למחצה<20 ≤40 Immediate No
יש לטפל בפיתוח גדול יותר או שווה ל 99 שעות חנקן

היגיון בחירה:
דרישה רחבת היקף ביקורת גבוהה (כגון פלדה, תעשייה כימית): העדיפות זיקוק קריוגני, תוך התחשבות בערך של תוצרי לוואי .
תרחישים גמישים קטנים ובינוניים (אזורים רפואיים, מרוחקים): הפרדת PSA או קרום, תוך התמקדות בפריסה מהירה ותחזוקה נמוכה .
תרחישים בעלי ערך מוסף גבוה בעתיד: ITM בשילוב אנרגיה מתחדשת, המתאימים לייצור חמצן מופץ ולכידת פחמן .

 

טכנולוגיה משולבת: המפתח לשיפור יעילות האנרגיה

 

שילוב תרמי עם טורבינות גז

מיצוי אוויר: חלץ חלק מהאוויר ממדחס טורבינת הגז ל- ASU כדי להפחית את צריכת החשמל של מדחס האוויר העצמאי (איור 7) .
הזרמת חנקן מחדש: חנקן בלחץ גבוה מוזרק לתא הבעירה כדי להפחית את טמפרטורת הלהבה (NOX  50%), ובו בזמן פועל כדילול לשיפור השימוש בדלק (ייצור חשמל ↑ {{2}%).

 

ומחזור משולב גיזוז פחם (IGCC)

מקרה: הפרויקט החשמלי של טמפה משתמש ב- ASU בלחץ גבוה, לחץ האוויר תואם את טורבינת הגז, וחנקן משמש לקירור גזים סינתזה, והיעילות התרמית הכוללת של המערכת מוגברת ל 52%{2}}
יתרונות: ציוד דחיסה משותף, רשת שחזור חום פסולת ועלויות ההון מופחתות על ידי 15-20%

 

שילוב תהליכים כימיים

ייצור גז סינתזה: חמצן ASU משמש לתגובת חמצון חלקית, והחנקן של תוצר לוואי משמש כחומר גלם לאמוניה סינתטית, ומימוש "הדשנה-כימית-גז" ייצור משותף "{}}}
לכידת פחמן: CO₂ ריכוזי גבוה המיוצר על ידי בעירה מועשרת בחמצן ניתן לאטום ישירות כדי לסייע בפירוק תעשייתי .
מגמות ואתגרים מתעוררים

 

כיוון חדשנות טכנולוגית

פריצת דרך חומרית:
ספיגות בעלות ביצועים גבוהים (כגון MOF) משפרים את סלקטיביות ה- PSA, עם טוהר של יותר מ- 97%.
ממברנות קרמיקה מורכבות פותרות את הבעיה של איטום טמפרטורה גבוהה של ITMs, כאשר תוחלת החיים המטרה מורחבת ל 50, 000 שעות .
טרנספורמציה דיגיטלית: אלגוריתמי AI מיטבים את פרמטרי ההפעלה של ASU, ותחזוקה חזויה מפחיתה את השבתה ב- 30%.
 

צרכים לפיתוח בר -קיימא

תהליך פחמן נמוך: השתמש באלקטרו-ספיגה מונעת פוטו-וולטאית (E-PSA) כדי להשיג "חמצן ירוק-ירוק-ירוק" לולאה סגורה .
ניצול חום פסולת: השתמש בחום פסולת כימית לצורך התחדשות TSA, והפחתת צריכת האנרגיה הכוללת על ידי 10-12%.

 

אתגרים

צוואר בקבוק בקנה מידה של טכנולוגיה לא קריוגנית: הפרדת PSA וממברנה עדיין לא יכולים להחליף זיקוק קריוגני בתרחישים בעלי טווח גבוה ובזרימה גבוהה .
מחסומי הנדסה של ITM: תהליך ייצור בקנה מידה גדול אינו בוגר, והעלות גבוהה יותר מ- 40% מזה של תהליך טמפרטורה נמוכה .

 

מַסְקָנָה

פיתוח טכנולוגיית הפרדת אוויר מציגה דפוס של "טמפרטורה נמוכה שולטת בטמפרטורה רחבה, ללא נמוכה, ממלאת את תרחישי הנישה", ושילוב עמוק בתהליך המרת אנרגיה הוא הליבה של תחרות עתידית {}}} זיקוק קריגי ממשיך לייעול מיטוב של מיעילות דרך היעילות הגדולה והגמישות של גמישות (5 לא-קריאוגניזציה, מדעי חומרים וטכנולוגיה דיגיטלית, דגמים חדשים המונעים על ידי תהליכים היברידיים (כגון Cryogenic + ITM) ואנרגיה מתחדשת יעצבו מחדש את הנוף בתעשייה ויספקו תמיכה מרכזית ליעדי ניטרליות פחמן .