Преглед на технологията за разделяне на въздуха и нейната интеграция с процесите на преобразуване на енергия

Air separation technology is the core of industrial gas production, and its integrated optimization with energy conversion processes is crucial to improving industrial efficiency and reducing costs. This paper systematically reviews the principles, economics and application scenarios of traditional and emerging air separation technologies (cryogenic distillation, adsorption, membrane separation, ion transport membrane, etc.), focusing on the integration of cryogenic and non-cryogenic technologies in gas turbines, coal gasification combined cycle (IGCC) and syngas production. Through technical comparison and case analysis, the development trend and future research direction of air separation technology in the energy field are revealed.

 

 

 

 

Въведение

Промишлените газове (кислород, азот, аргон) играят ключова роля в процеса на преобразуване на енергия, а подборът и интегрирането на тяхната производствена технология пряко влияят на икономиката и ефективността на съоръжението . Тази статия обсъжда следните основни проблеми:
Приложими сценарии на различни технологии за отделяне на въздух (чистота, мащаб, консумация на енергия)
Интеграционна стратегия на единица за отделяне на въздух (ASU) и процеси надолу по веригата (като газификация, горене, производство на енергия)
Предизвикателства и добавки на нововъзникващите технологии (като йонни транспортни мембрани) към традиционните криогенни процеси
 

Некриогенна технология за разделяне на въздуха
 

 

Адсорбционен метод (PSA/VSA)

Принцип: Използвайте селективната адсорбция на азота чрез зеолит или въглеродна молекулна сито, за да постигнете отделяне на кислород и азот чрез цикъл на люлеене на налягането .
Процес: Сгъстеният въздух влиза в адсорбционната кула, азотът се адсорбира и богатият на кислород газ (93-95% чистота) се изхвърля като продукт; Наситената кула се регенерира чрез намаляване на налягането (Фигура 1) .
Предимства: Бързо стартиране (минути), модулен дизайн, подходящ за малък и среден мащаб (<150 tons/day).
Ограничения: Аргон не може да бъде произведен, а азотът на страничния продукт има високо съдържание на кислород и изисква допълнително пречистване .

 

Метод на химическа абсорбция

Случай: Процес на разтопена сол на Moltoxe (Фигура 2)
Процес: Сгъстеният въздух реагира с разтопена сол след предварителна обработка, кислородът се абсорбира и десорбира чрез нагряване/напръскване .
Предимства: Ниска консумация на енергия за компресия на въздуха и отпадъчната топлина от процеса могат да се използват .
Предизвикателства: значителни проблеми с корозия с висока температура, все още не са комерсиализирани .
 

Разделяне на полимерната мембрана

Механизъм: Въз основа на по -малкия кинетичен диаметър на кислородните молекули, селективно проникване чрез мембранни материали (Фигура 3) .
Характеристики: Без движещи се части, подходящи за сценарии с ниска чист (25-50% въздух, обогатен с кислород), скалата обикновено е<20 tons/day.
Приложение: Оксигенация на аквакултурата, въглищна мина, инерция .

Йонна транспортна мембрана (ITM)

Технологичен пробив: Високотемпературните керамични мембрани постигат разделяне чрез кислородна йонна проводимост (Фигура 4), с чистота над 99%.
Интеграционен потенциал: Когато се комбинират с газови турбини, азотните странични продукти с високо налягане могат да се използват директно за производство на енергия, с термична ефективност на 15-20%.
Текущо състояние: В пилотния етап, издръжливостта на материала трябва да бъде оптимизирана .
 

Криогенна технология за дестилация: текущо състояние и еволюция

 

Процесната ядро

Principle: Utilize the difference in boiling points of air components (O₂ -183℃, N₂ -196℃) to achieve separation through a two-stage distillation tower (Figure 5).
Ключови стъпки:
Компресия и предварителна обработка: Въздухът се компресира до 6-10 бар, а молекулярните сита премахват co₂ и водна пара .
Криогенно разделяне: Втечненият въздух е разделен на кислород (дъно на кулата) и азот (плот на кулата) в дестилационната кула, а аргонът се възстановява през страничната линия .
Възстановяване на енергия: Разширяващият използва спад на налягането за хладилник, а топлообменникът с висока ефективност на плочата възстановява студен .

 

Мащабни и интегрирани иновации

Единична скала: От 500 тона/ден през 80 -те до сегашните 5, 000 тона/ден (Фигура 6), разходите за инвестиционна единица са намалени с 40%.
Типични случаи на интеграция:
Demkolec IGCC power plant (Netherlands): ASU is fully integrated with gas turbine, air is taken from turbine compressor, nitrogen is injected back into combustion end, NOx emission is reduced by 30%, and net power generation efficiency is increased to 47%.
Проект за газификация на въглища Rozenburg: Независимият ASU доставя кислород, азотът се използва като инертен газ за безопасност на процесите, а производственият капацитет на Syngas е максимален .

 

Оптимизация на процесите

Цикъл на ниско налягане (LP) срещу високо налягане (EP):
LP цикъл: налягане на въздуха 65-100 psia, подходящо за сценарии за азотно вентилация .
ЕП цикъл: налягане> 100 psia, азот може да се използва директно за компресия на процеса, намалявайки допълнителната консумация на енергия .
Течен цикъл на изпомпване: Течните продукти се изпомпват на високо налягане, за да се избегне консумацията на енергия на компресия на газ, подходяща за сценарии, изискващи кислород с високо налягане (като въглищна химическа промишленост) .

Ръководство за сравнение и избор на технологии

Технологична зрялост Икономическа скала (тонове на ден) Чистота (том .%) Капацитет на страничния продукт за стартиране
Cryogenic distillation Mature >20 по -големи или равни на 99 часа ефективно възстановяване на азот и аргон
PSA адсорбция полуаретална<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
Мембранно разделяне Полуторело<20 ≤40 Immediate No
ITM в процес

Логика на селекция:
Мащабно търсене с висока чистота (като стомана, химическа промишленост): Приоритизиране на криогенната дестилация, като се вземе предвид стойността на страничните продукти .
Малки и средномащабни гъвкави сценарии (медицински, отдалечени райони): PSA или мембрана разделяне, фокусиране върху бързото внедряване и ниска поддръжка .
Бъдещи сценарии с висока добавена стойност: ITM в комбинация с възобновяема енергия, подходяща за разпределено производство на кислород и улавяне на въглерод .

 

Интегрирана технология: Ключът към подобряването на енергийната ефективност

 

Топлинна интеграция с газови турбини

Извличане на въздух: Извличане на част от въздуха от компресора на газовата турбина към ASU, за да намали консумацията на енергия на независимия въздушен компресор (Фигура 7) .
Азотен повторно инжектиране: Азотът с високо налягане се инжектира в горивната камера, за да се намали температурата на пламъка (NOX ↓ 50%) и в същото време действа като разредител за подобряване на използването на горивото (генериране на електроенергия ↑ 10-15%) .

 

и комбиниран цикъл на газификация на въглища (IGCC)

Случай: Електрическият проект Tampa използва ASU с високо налягане, налягането на въздуха съвпада с газовата турбина, а азотът се използва за синтез на газово охлаждане, а общата топлинна ефективност на системата се увеличава до 52%.
Предимства: споделено оборудване за компресия, мрежа за възстановяване на топлината на отпадъците и капиталовите разходи се намаляват с 15-20%

 

Интеграция на химически процеси

Производство на газ Синтез: ASU кислород се използва за реакция на частично окисляване, а азотът на страничния продукт се използва като суровина за синтетичен амоняк, осъзнавайки съвместната производство на "газо-химически офертилатор" .
Улавяне на въглерод: CO-концентрация CO₂, произведено от изгаряне, обогатено с кислород, може да бъде директно запечатано, за да помогне за индустриалната декарбонизация .
Възникващи тенденции и предизвикателства

 

Технологична посока на иновациите

Материален пробив:
Високопроизводителните адсорбенти (като MOFs) подобряват селективността на PSA, с чистота над 97%.
Композитните керамични мембрани решават проблема с високотемпературното уплътняване на ITM, с целевия живот, удължен до 50, 000 часа .
Дигитална трансформация: AI алгоритмите оптимизират операционните параметри на ASU, а прогнозната поддръжка намалява престоя с 30%.
 

Устойчиви нужди за развитие

Процес с ниско съдържание на въглерод: Използвайте електросорбция, задвижвана от вятърна енергия/фотоволтаична (E-PSA), за да постигнете "зелено електричество-зелен кислород" затворен контур .
Използване на отпадъчната топлина: Използвайте химическа отпадъчна топлина за регенерация на TSA, намалявайки общата консумация на енергия чрез 10-12%.

 

Предизвикателства

Мащабното затруднение от некрийогенната технология: PSA и мембранното разделяне все още не могат да заменят криогенната дестилация при сценарии с висока чистота и висок поток .
Инженерни бариери на ITM: Мащабният производствен процес е незрял, а цената е повече от 40% по-висока от тази на процеса на ниска температура .

 

Заключение

The development of air separation technology presents a pattern of "low temperature dominates large-scale, non-low temperature fills the niche scenarios", and deep integration with energy conversion process is the core of future competition. Cryogenic distillation continues to optimize efficiency through large-scale and heat integration, while non-cryogenic technology shows potential in flexibility and low carbonization. With the advancement of materials science and Дигиталната технология, новите модели, задвижвани от хибридни процеси (като криогенни + ITM) и възобновяема енергия, ще прекроят индустриалния пейзаж и ще осигурят ключова поддръжка за целите на въглеродния неутралитет .