Un examen de la technologie de séparation d'air et de son intégration avec les processus de conversion d'énergie

La technologie de séparation d'air est au cœur de la production de gaz industriel, et son optimisation intégrée aux processus de conversion d'énergie est cruciale pour améliorer l'efficacité industrielle et réduire les coûts . Cet article passe systématique L'intégration des technologies cryogéniques et non cercryogéniques dans les turbines à gaz, le cycle combiné de gazéification du charbon (IGCC) et la production de syngas . par comparaison technique et analyse de cas, la tendance de développement et la direction de recherche future de la technologie de séparation de l'air dans le domaine de l'énergie sont révélées .

 

 

 

 

Introduction

Les gaz industriels (oxygène, azote, argon) jouent un rôle clé dans le processus de conversion d'énergie, et la sélection et l'intégration de leur technologie de production affectent directement l'économie et l'efficacité de l'installation . Cet article traite des problèmes fondamentaux suivants:
Scénarios applicables de différentes technologies de séparation d'air (pureté, échelle, consommation d'énergie)
Stratégie d'intégration de l'unité de séparation de l'air (ASU) et des processus en aval (tels que la gazéification, la combustion, la production d'électricité)
Défis et suppléments des technologies émergentes (comme les membranes de transport d'ions) vers des processus cryogéniques traditionnels
 

Technologie de séparation d'air non cerryogénique
 

 

Méthode d'adsorption (PSA / VSA)

Principe: Utilisez l'adsorption sélective de l'azote par la zéolite ou le tamis moléculaire de carbone pour réaliser l'oxygène et la séparation de l'azote par le cycle de swing de pression .
Processus: L'air comprimé entre dans la tour d'adsorption, l'azote est adsorbé et le gaz riche en oxygène (93-95% pureté) est déchargé en tant que produit; La tour saturée est régénérée par réduction de pression (figure 1) .
Avantages: Startup rapide (minutes), conception modulaire adaptée à une petite et moyenne échelle (<150 tons/day).
Limites: L'argon ne peut pas être produit, et l'azote de sous-produit a une teneur élevée en oxygène et nécessite une purification supplémentaire .

 

Méthode d'absorption chimique

Cas: Moltoxe Molten Salt Process (Figure 2)
Processus: l'air comprimé réagit avec du sel fondu après prétraitement, l'oxygène est absorbé et désorbé par le chauffage / la dépressurisation .
Avantages: une faible consommation d'énergie pour la compression d'air et la chaleur des déchets du processus peuvent être utilisées .
Défis: problèmes de corrosion importants à haute température, pas encore commercialisé .
 

Séparation de la membrane polymère

Mécanisme: basé sur le plus petit diamètre cinétique des molécules d'oxygène, la perméation sélective à travers des matériaux membranaires (figure 3) .
Caractéristiques: Pas de pièces mobiles, adaptées aux scénarios de basse pureté (25-50% d'air enrichi en oxygène), l'échelle est généralement<20 tons/day.
Application: oxygénation de l'aquaculture, mine de charbon insert .

Membrane de transport ionique (ITM)

Percée technologique: les membranes en céramique à haute température atteignent la séparation par la conduction des ions oxygène (figure 4), avec une pureté de plus de 99% .
Potentiel d'intégration: lorsqu'il est combiné avec des turbines à gaz, les sous-produits d'azote à haute pression peuvent être directement utilisés pour la production d'électricité, avec une augmentation de l'efficacité thermique de 15-20% .
Statut actuel: Au stade pilote, la durabilité des matériaux doit être optimisée .
 

Technologie de distillation cryogénique: statut actuel et évolution

 

Procéder le noyau

Principe: Utilisez la différence de points d'ébullition des composants d'air (O₂ -183 degré, n₂ -196) pour atteindre la séparation par une tour de distillation à deux étapes (figure 5) .
Étapes clés:
Compression et prétraitement: l'air est comprimé à 6-10} Bar, et les tamis moléculaires suppriment le co₂ et la vapeur d'eau .
Séparation cryogénique: l'air liquéfié est séparé en oxygène (bas de la tour) et azote (haut de la tour) dans la tour de distillation, et l'argon est récupéré à travers la ligne latérale .
Récupération d'énergie: L'expanseur utilise une chute de pression pour la réfrigération, et l'échangeur de chaleur à plaque à haute efficacité récupère le froid .

 

Innovation à grande échelle et intégrée

Échelle unique: de 500 tonnes / jour dans les années 1980 aux 5, 000 tonnes / jour (figure 6), le coût d'investissement de l'unité a été réduit de 40% .
Cas d'intégration typiques:
Demkolec IGCC Power Plant (Pays-Bas): L'ASU est entièrement intégré à la turbine à gaz, l'air est tiré du compresseur de la turbine, l'azote est injecté dans l'extrémité de combustion, l'émission NOX est réduite de 30% et l'efficacité de la production de puissance nette est augmentée à 47% .
Projet de gazéification du charbon Rozenburg: ASU indépendant fournit de l'oxygène, l'azote est utilisé comme gaz inerte pour la sécurité des procédés et la capacité de production de Syngas est maximisée .

 

Optimisation du processus

Cycle de basse pression (LP) vs haute pression (EP):
Cycle LP: pression d'air 65-100 psia, adapté aux scénarios de ventilation de l'azote .
Cycle EP: pression> 100 psia, l'azote peut être directement utilisé pour la compression de processus, réduisant une consommation d'énergie supplémentaire .
Pompage du cycle liquide: les produits liquides sont pompés à haute pression pour éviter la consommation d'énergie de compression de gaz, adapté aux scénarios nécessitant de l'oxygène à haute pression (comme l'industrie chimique du charbon) .

Guide de comparaison de la technologie et de sélection

Échelle économique de la maturité technologique (tonnes / jour) Pureté (vol .%) Capacité de sous-produit du temps de démarrage
Cryogenic distillation Mature >20 supérieur ou égal à 99 heures récupération efficace de l'azote et de l'argon
Adsorption PSA semi-mature<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
Séparation membranaire semi-mature<20 ≤40 Immediate No
ITM en cours de développement indéterminé supérieur ou égal à 99 heures l'azote doit être traité

Logique de sélection:
Demande de grande pureté à grande échelle (comme l'acier, l'industrie chimique): prioriser la distillation cryogénique, en tenant compte de la valeur des sous-produits .
Scénarios flexibles à petite et moyenne échelle (régions médicales, éloignées): séparation PSA ou membrane, en se concentrant sur le déploiement rapide et la faible maintenance .
Scénarios futurs à valeur ajoutée: ITM combinée avec des énergies renouvelables, adaptées à la production d'oxygène distribuée et à la capture du carbone .

 

Technologie intégrée: la clé pour améliorer l'efficacité énergétique

 

Intégration thermique avec des turbines à gaz

Extraction de l'air: extraire une partie de l'air du compresseur de turbine à gaz vers l'ASU pour réduire la consommation d'énergie du compresseur d'air indépendant (figure 7) .
Réinjection d'azote: L'azote à haute pression est injecté dans la chambre de combustion pour réduire la température de la flamme (NOx ↓ 50%), et en même temps agir comme un diluant pour améliorer l'utilisation du carburant (production d'énergie ↑ 10-15%) .

 

et cycle combiné de gazéification du charbon (IGCC)

Case: Le projet électrique Tampa utilise l'ASU à haute pression, la pression d'air correspond à la turbine à gaz et l'azote est utilisé pour le refroidissement par gaz de synthèse, et l'efficacité thermique globale du système est augmentée à 52% .
Avantages: l'équipement de compression partagé, le réseau de récupération de chaleur des déchets et les coûts en capital sont réduits par 15-20%

 

Intégration de processus chimiques

Synthèse de la production de gaz: l'oxygène ASU est utilisé pour la réaction d'oxydation partielle, et l'azote de sous-produit est utilisé comme matière première pour l'ammoniac synthétique, réalisant la coproduction "Gas chimical-fertilisante" .
Capture du carbone: le co₂ à haute concentration produit par la combustion enrichie en oxygène peut être directement scellé pour aider à la décarbonisation industrielle .
Tendances et défis émergents

 

Direction de l'innovation technologique

Percée matérielle:
Les adsorbants haute performance (tels que les MOF) améliorent la sélectivité PSA, avec une pureté de plus de 97% .
Les membranes en céramique composite résolvent le problème de la scellant à haute température des ITM, avec une durée de vie cible étendue à 50, 000} .
Transformation numérique: les algorithmes d'IA optimisent les paramètres de fonctionnement de l'ASU, et la maintenance prédictive réduit les temps d'arrêt de 30% .
 

Besoins de développement durable

Processus à faible teneur en carbone: utilisez l'électricité éolienne / électrosorption motivée par photovoltaïque (E-PSA) pour obtenir une boucle fermée "vert électrique vert" .
Utilisation de la chaleur des déchets: Utilisez la chaleur des déchets chimiques pour la régénération de la TSA, en réduisant la consommation globale d'énergie par 10-12% .

 

Défis

Goutte d'étranglement de la technologie non cercryogénique: la séparation de PSA et de la membrane ne peut toujours pas remplacer la distillation cryogénique dans les scénarios de haute pureté et à haut débit .
Les barrières d'ingénierie de l'ITM: le processus de fabrication à grande échelle est immature, et le coût est supérieur à 40% plus élevé que celui du processus à basse température .

 

Conclusion

Le développement de la technologie de séparation de l'air présente un schéma de "la basse température domine à grande échelle et non la température à faible température des scénarios de niche", et l'intégration profonde avec le processus de conversion énergétique est au cœur de la concurrence future . La distillation cryogénique contient une efficacité optimiste et une faible intégration de carbonisation et de chaleur {5} et la technologie numérique, les nouveaux modèles motivés par des processus hybrides (tels que Cryogenic + ITM) et les énergies renouvelables remodeleront le paysage de l'industrie et fourniront un soutien clé aux objectifs de neutralité en carbone .