Кислорода и азота: вперед и вверх

Инновационные достижения продолжают пользоваться все три воздушных сегодняшней технологии разделения, помогая уменьшить потребление электроэнергии и капитальных затрат, и в свою очередь, расширить свои рынки

На протяжении более 100 лет, криогенные дистилляции царила как технологию для разделения воздуха на кислород и азот, особенно для приложений, требующих больших объемов газа высокой чистоты. Примерно 25 лет назад, революционной альтернативных разделения воздуха при температуре окружающей среды с использованием либо полимерных мембран или адсорбентов, молекулярное сито - стало сенсацией, что позволяет в меньших количествах и газов производится по мере необходимости, прямо на месте использования.

Совсем недавно, третий вариант, который осуществляет разделения воздуха при высоких температурах - с использованием специализированных керамических мембран или керамической sorbente - вышел. Заинтересованные стороны считают, что этот новый подход, когда commerciaalized, даст обычных криогенных воздухоразделительных баллотироваться на деньги в различных крупномасштабных приложений.

Каждый из этих вариантов технологий была предметом постоянного реинжиниринга и оптимизации усилий в последние годы.

Высокотемпературные разделения воздуха

Это новейшее дополнение к воздушной сепарации арсенал использует специализированные керамических мембран, которые производят кислород из воздуха при повышенной температуре порядка 800-9000C - не переохлажденного температурах (несколько сотен градусов ниже нуля), необходимых для традиционных криогенных единиц воздушной сепарации ( ASUS). Хотя коммерциализации представляется лет от Земли, обширные демонстрации масштаба тестирование показывает, что такой подход позволит обеспечить создание высокоэффективных компактных систем, которые могут производить тоннажа количества кислорода при значительно более низких капитальных затрат и потребностей в энергии, чем криогенных ВРУ.

Дальний по коммерциализации спектр ионного транспорта мембраны (ITM) Кислород системы, которая была в стадии разработки воздушные и химической продукции (Аллентаун, Пенсильвания; <A HREF = "http://www.airproducts.com" целевых = "_blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.airproducts.com </ A>) с Министерством энергетики США (DOE) поддержку в течение нескольких лет. В G?? процесса, сжатым воздухом (150-500 фунтов на квадратный дюйм) нагревается до 800-900 ° C и через стек запатентованной мембраны пластин из собственной керамической непористых, что является чрезвычайно избирательным кислорода (рис. 1).

"При высоких температурах, кислород ионизируется на поверхности мембраны, проходит через керамический кристаллической структуры в виде ионов, движимый деятельности grathent создать различиями в парциальное давление кислорода по обе стороны мембраны," объясняет Филипп Армстронг, Air Products 'руководитель программы ITM кислорода. "Процесс 100% к избирательным транспорта кислорода производства кислорода 99% чистоты и создает очень мало потери давления в потоке воздуха кормить. Это позволяет компактных и недорогих устройств, которые требуют 30-60% меньше энергии и на 30% ниже требований к капиталу по сравнению с криогенных ВРУ.

Проникать кислород собраны, охлаждают и сжимается, в то время как энергия в горячей, высокого давления, с пониженным содержанием кислорода отходящих газов могут быть извлечены вниз по течению, чтобы компенсировать расходы на энергию сжатия газа. "Это energyextraction функция является ключом к более высокой эффективности по Г.Г.? Процесса по сравнению с криогенной дистилляции, где сжатие энергии не могут быть восстановлены", говорит Армстронг.

"Поскольку технология не предусматривает механизма для перевозки ничего, кроме ионов кислорода через мембрану, керамических мембран сделать совершенно резкое сокращение между кислородом и другими компонентами воздуха. Таким образом, эти системы будут поддаваться для использования в приложениях тоннажа кислорода , которые требуют типа чистоты криогенных ВРУ, что обеспечить ", добавляет Джим Соренсен, президент консультации Sorensenergy LLC (Аллентаун, Пенсильвания), который провел 40 лет с Air Products и был основателем и председателем Совета Газификация технологий (GTC, Вашингтон, округ Колумбия ).

Типичным криогенных колонке перегонки стоит 200 футов ростом, и ASU систем, используемых для широкомасштабных комплексных сегодняшнего комбинированном цикле газификации (ВЦГ) на электростанциях и уголь в жидкое (CTL) и газа в жидкие углеводороды (GTL) химической и топливной номера как правило, требуется несколько таких колонн, все размещается в изолированных холодильные камеры. Сравнительно размера Г.Г.? Кислород систему, включая все сосудов и трубопроводов, скорее всего, будет около трех четвертей размером всего 1 дистилляции башни, говорит Армстронг.

Air Products работает 5-т / г экспериментального завода с 2006 года, и компания работает с Национальной энергетической МЭ Технологий лаборатории (NETL; Питтсбурге, штат Пенсильвания; <A HREF = "http://www.netl.doe. Правительственный "целевых =" _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.netl.doe.gov </>), чтобы принести onstream, к 2011 году 150 тонн / сут испытания объекта, который будет пара ITM с турбомашин, что можно извлечь энергии от горячей, с пониженным содержанием кислорода в отходящих газов coproduce электроэнергии или пара.

Air Products планирует предложить подразделение ITM кислорода на коммерческой малого масштаба (

Linde группы (Мюнхен; <a target="_blank" href="http://www.linde.com" rel="nofollow"> www.linde.com </ A>) работает над различными типами технологий , керамические Автотермическая восстановления (CAR) процесса (изначально разработанного БП, который сейчас является частью Linde). CAR осуществляет поглощения и хранения кислорода при высоких температурах (600-800 ° С) с неподвижным слоем судна, несколько коек заполнены прессованные гранулы из керамических перовскита между двумя слоями алюминия бисера. Перовскита гранулы имеют высокую кислорода емкость и выпуск газа по льготным кислорода парциального давления условиях.

CAR процесс Линде работает так же, как давление качания адсорбции (PSA), которые используются в ambienttemperature без криогенных разделения воздуха (обсуждается на стр. 10), что несколько коек циклическое между адсорбции и десорбции режимов для получения кислорода постоянно. Поскольку кислород сорбции на перовскита экзотермично а кислород релиз является эндотермической, процесс, как только начало, действует autothermally, поэтому он практически не требует дополнительных затрат тепла.

После значительного лабораторных испытаний, Linde говорит, что общая стоимость производства кислорода с помощью CAR (один коммерческий), как ожидается, составит 20-30% ниже, чем у сопоставимого размера криогенных ВРУ, при потребляемой мощности 25%, а капитальные затраты примерно половина.

Работая в партнерстве с западными научно-исследовательский институт (Ларами, Вайоминг; <a target="_blank" href="http://www.westernresearch.org" rel="nofollow"> www.westernresearch.org </ A>) и DOE, Linde имеет встроенную 0,7-тонный / д пилотной установки для интеграции и проверки CAR технологии кислородной сгорания на 250000-Btu / ч для испытаний угля сгорания. С другим партнером, Alstom Power заводских лабораториях (Виндзор, штат Коннектикут), Linde выполнил детальный процесс и экономический анализ использования CAR процесса на поставку кислорода для кислородной сгорания. "Анализ показывает, что в целевых показателей, CAR процесс обеспечивает высокую производительность и снизить затраты по сравнению с криогенным разделения воздуха", говорит Крис Кришнамурти, директор программы по CAR проекта Линде.

"Тем не менее, продолжает он," некоторые проблемы, связанные с перовскита производительности материалов и затраты, и способность материала для обработки загрязняющих веществ, должны быть улажены до технологии, чтобы перейти к крупномасштабных коммерциализации ".

Praxair (Danbury, CT; <a target="_blank" href="http://www.praxair.com" rel="nofollow"> www.praxair.com </ A>) разрабатывает высокотемпературные разделения воздуха процесса, направленные на узкую набор приложений. "Мы не считаем, что высокая температура воздуха разделения использованием кислорода и транспорта ионов мембран или адсорбентов на основе того же материала, является прямой заменой для криогенных ВРУ и подразделений давления качели адсорбции, говорит Данте Bonaquist, ведущий ученый в Praxair. Напротив, он видит Основное применение кислорода и транспорта ионов мембраны в двух областях: интегрирован с кислородной сгорания и частичного процессов окисления, а во вторую очередь, для мелких приложений в упаковке и специальных газов.

Для применения кислородной сгорания, которые обладают способностью поглощать углекислый газ, подход Praxair является положить керамической мембраны внутри печи или котла так, что кислород добывается из стран с низким давлением воздуха. "Это все, но устраняет необходимость в завод по разделению воздуха и связанных с ней энергии", говорит Bonaquist.

Нажав на криогенных парадигмы

Облицовочные конкурентное давление со стороны высоких температур воздуха процессы разделения, криогенных воздухоразделительных установках, не желая почивать на лаврах. Непрерывная оптимизация и реинжиниринг усилия способствуют упорядочению реализации проекта, а также сократить капитальные и эксплуатационные затраты и потребление энергии связано с криогенных ВРУ. Например, расширенный теплообменников и компрессоров highefficiency, с повышенной эффективностью и более отложным диапазонов, в настоящее время разрабатываются, и использование более высоких рабочих давлений, что позволяет меньшего диаметра колонки должны uesd, ведется расследование.

В последние годы все крупные промышленные газовые компании также делали больший упор на использование передовых заводе системы управления, динамическое моделирование, вычислительная гидродинамика (CFD) моделирования для рационализации системы разработки и улучшения в режиме реального времени оптимизации (рис. 2) . Расширяя спектр процесса мат моделирования можно сделать, CFD использования "позволяет нам исследовать неоднородное распределение потока, мульти-продукт смеси кипения и повышенной термической интеграции более эффективно на этапе проектирования системы и оптимизации", говорит Дэн Yankowski, вице- Президент глобальных систем питания для Praxair.

Многие производители оборудования также обнаружили, что использование структурированных highefficiency упаковки может обеспечить эксплуатационные преимущества по сравнению с традиционными изношен башни дистилляции. Сегодня пользователи рассматривают упакованы в сравнении с потертым ВРУ должны весить более высокой стоимостью капитала и снижение потребления энергии связан с насадочных колонн с низкой начальной стоимости изношен столбцов. Они также должны согласовать компромиссы падение давления, диаметр колонки, а в колонке высот, связанные с различными подходами.

"В целом, упакованный башни подходит для большинства современных приложений, поскольку они, как правило, обеспечивают лучшую эффективность, чем традиционные механизмы драку", говорит Эдуардо Mihura, менеджер по глобальному маркетингу для ASU Air Products и химическими веществами. "Однако, потрепанные колонны по-прежнему жизнеспособной альтернативой для определенных обстоятельствах, таких как страны с низким по сравнению с пара Расходы, приведенные в криогенных столбец".

Герхард Beysel, менеджер Linde инжиниринг "по развитию бизнеса и продажам воздухоразделительных установок, добавляет, что в последнее время тенденция в пользу более широкого использования упакованных башни оказал влияние за последнее время рост цен на алюминий, поскольку насадочных колонн требуют" гораздо больше алюминия ".

Между тем, Linde недавно была разработана с меньшей энергией криогенных ВРУ, которая имеет три колонки конфигурации (в отличие от стандартных 2 колонки договоренности). "Используя сочетание нескольких столбцов конфигураций и тепла интеграции с последующей установкой turbinebased процессов силовой установки для сбора и повторного использования отработанного тепла, потребление энергии может быть уменьшено на 20-30% по сравнению с нынешней современное состояние ВРУ", говорит Линде Beysel. Он говорит, что эти три колонки конструкции доставки кислорода 95% чистоты, в нижней воздуха давление на выходе компрессора.

Движущие силы рынка

Два ключевых факторов рынка подталкивает производителей разрабатывать все больше и больше систем в целях поставки беспрецедентные объемы этих газов в наиболее экономичным способом.

Газификация: Pushing конверт для криогенных ВРУ. За последние несколько лет наблюдается стабильный рост числа объектов, использующих (или пытаются использовать) кислорода выдувное системы газификации для преобразования угля и другого сырья в синтез-газа, которые могут быть запущены в завод IGCC власти (КЭП сентября 2008, с. 8-14 и октябре 2008, с. 12-13) для производства электроэнергии, или доработать для производства различных жидких видов топлива, химикатов и удобрений.

Сердце газификации системы является ее частичное окисление реактор, который (в большинстве случаев) реагирует сырья с высоким давлением кислорода поток для производства синтез-газа. Криогенных ВРУ огромные, необходимых для типичных кислорода, газификации объекта может представлять 20% или более от общей потребности в капитале, и им необходимо огромное количество энергии для сжатия и охлаждения. Поскольку многие из мирового класса GTL сегодняшнем CTL и IGCC номера строятся на огромные - часто беспрецедентные-весы, все они имеют огромный - часто беспрецедентное - требования кислорода.

Например, первые поколения промышленных масштабах IGCC объектов мощностью 250-300 МВт требуется около 2000 тонн / сутки кислорода. С другой стороны, комбинированный цикл комплексной газификации в стадии разработки сегодня планируется иметь власть-генерирующих мощностей около 600 МВт, потребует порядка 5000 тонн / сут кислорода и более. Аналогичным образом, многие из CTL и GTL объекты под развитию во всем мире требуют до 30000 т / г или более кислорода. Для сравнения, типичные сталелитейного обычно потребляет кислород со скоростью 500-3,000 т / D.

"Кислород требования к газификации базирования создают особые проблемы, с точки зрения необходимости для больших возможностей, высоких давлений и компактных установок и систем доставки", говорит Клод Хеллер, директор энергетических развития бизнеса для группы Air Liquide (Париж; < HREF = "http://www.aMiquide.com" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.aMiquide.com </ A>).

Для удовлетворения их потребности в кислороде наиболее экономически эффективным способом, крупномасштабных GTL сегодняшнем CTL и комбинированный цикл комплексной газификации, ищущих ВРУ с максимально возможным размером одного поезда, а также промышленных газовой промышленности решает эту проблему в лоб. Например, несколько лет назад, крупнейшим поезд криогенных ВРУ может доставить 3500 тонн / сут кислорода, а сегодня с одним поездом ВРУ, которые обеспечивают до 5, 000 т / сут кислорода имеются, и системы до 7000 тонн / сут находятся в стадии разработки.

В условиях современной экономики, такие проблемы дизайн еще более усугубляются сложные вопросы логистики, глобальная нехватка квалифицированной рабочей силы, а также рост материальных и трудовых затрат во всем мире, говорит Beysel Линде.

Для того чтобы справиться с нехваткой судов во всем мире труда, Praxair разработала проекты для увеличения модуляризации разделения воздуха компонентов, сообщает Yankowski. Аналогичным образом, когда Linde получил контракт на поставку 8 поездов ASU с общим объемом кислорода превышает 30 000 тонн / сутки в течение проекта Перл GTL в Катаре, она разработала упаковке холодной коробочное решение, которое сократить капитальные затраты, свести к минимуму количество деталей нуждающихся в к отправке, снижение сайта подготовки требований и затрат на строительство на месте, и помогли ускорить сайте в сборе (рис. 3).

Beysel отмечает, что при проектировании и эксплуатации одного поезда ВРУ в этих рекордных масштабов (около 7000 т / г) технически возможно, реальные трудности и практические соображения будут ограничивать их использование, что приводит к использованию нескольких конструкций в поезде многих ситуациях. Например, наличие подходящих компрессоры остается препятствием. "Потому что компрессора оказывает существенное влияние на общее потребление энергии растения, есть острая необходимость для поставщиков в области повышения энергетической эффективности и увеличения мощности компрессора с тем чтобы эти мега-Asus," говорит он.

Другие препятствия включают ограниченное поставщиком наличие суперсайзд компрессоров, трубопроводов и арматуры, а также высокие транспортные и логистические расходы на сайты и конкретные ограничения, транспорт, добавил Dave Best, вице-президент Air Liquide процесса

Кислородной сгорания: Водительские спрос на недорогие разделения воздуха. Различные чистых технологий использования угля в настоящее время осуществляться с целью решения проблем изменения климата. Одним из таких процессов, кислородного горения (которые широко используются в меньших масштабах, в стали и стекла операций) ведется как способ помочь ископаемого fuelfired котлоагрегаты сократить свои СО2 след. Как кислородной выгоды сгорания широкое коммерческое признание, спрос на тоннаж кислорода, как ожидается, резко возрастет.

Кислородной сгорания бомжи угля в среде, состоящей из кислорода и вторичного highpurity fluegas. Исключение азота вперед, в результате fluegas сконцентрирована в CO2, что делает его захвата и очистки для использования методов увеличения нефтеотдачи пластов (ПНП), или для долгосрочного поглощение более рентабельным. Для сравнения, от обычного fluegas airbased сжигания угля сравнительно разбавленных в отношении СО2 и требует более крупных и дорогостоящих системах разделения.

Сегодня, кислородной сгорания в настоящее время, как глаза модифицированной возможность сделать существующих электростанций и промышленных предприятий более склонны к СО2 захвата. Тем не менее, стоимость кислорода остается серьезным препятствием на пути ее широкому распространению. Таким образом, давление на обе коммерциализации новых высокотемпературные процессы разделения воздуха (которые обещают скачок сокращения капитальных затрат и электроэнергии по сравнению с криогенных ВРУ), а также продолжить оптимизацию криогенных ВРУ.

Франсуа Фуэнтес, Эр Ликид научный руководитель группы, отмечает, что 2007 DOE / NETL исследование показало, что используют ли они или криогенных ITM кислорода, пыли котлов в сочетании с СО2 захвата будет испытывать 11-percentagepoint сокращение общей энергоэффективности (что переводится примерно 80%-ное увеличение расходов levelized энергии). Фуэнтес утверждает, матовый перспективных достижений в области криогенных ВРУ "должен помочь снизить эту казнь только 6 процентных пунктов в ближайшее время".

Air Liquide работает с Бабкок

Air Liquide и парижская целом (<a target="_blank" href="http://www.total.com" <rel="nofollow"> www.total.com />), также пилотируемых этой технологии в лак, Франция, где Air Liquide обеспечивает криогенных кислорода для горения, а также передовые технологии горелки и С02-процессор. И компания недавно объявила проект по оказанию криогенных кислорода Каллайд кислородной Услуги в Квинсленде, Австралия, для чего, как ожидается, будет крупнейшей угольной сжигание в кислородной среде в мире растение.

В кислородной сгорания, эффективной очистки CO2-богатых fluegas является одной из ключевых задач производительность - и он остается в "одной из важнейших задач, стоящих перед" для включения в промышленных масштабах утверждение, говорит Эллен О'Коннелл, улавливание менеджер по маркетингу Air Products. Поскольку следов примесей должна быть уменьшена, чтобы трубопроводного транспорта для повышения нефтеотдачи пластов или конфискации, компания оптимизирует процесс, используемый для сжатия и очистки CO2-богатых fluegas от кислородной процесса сгорания.

В частности, Air Products использует поставил сжатия процесс, который сказал, чтобы оптимизировать давление прижима, и время пребывания, позволяя удаления примесей (например, SO2, NO ^ югу х ^, ртути и других тяжелых металлов) CO2- богатые fluegas в процессе сжатия. В экспериментальной работе, проводимой Имперского колледжа в Лондоне, с использованием фактических fluegas от 160 кВт угольных установка Doosan Бэбкок в Ренфру, Шотландия, "Air Products 'кислой технологии сжатия" показали, что примеси могут быть удалены в процессе сжатия. "Наша цель заключается в решении этих примесей, без необходимости для более дорогих и сложных fluegas сероочистки и де-NO ^ х ^ к югу единиц", говорит О'Коннелл.

Между тем, Linde представил ASU и СО2 очистки и сжижения объект в течение 30 МВт кислородной опытно сгорания, который запущен в сентябре прошлого года на лигните электростанции управляется шведской Vattenfall АВ полезность в земле Бранденбург, Германия. На первом этапе, как ожидается, продлится до 2011, и будет служить основой для более крупных (200-300 МВт) кислородной станции сгорания в будущем.

Кроме того, Praxair работает с Foster Wheeler (Клинтон, штат Нью-Джерси), Джеймстаун (Нью-Йорк) Совета коммунального хозяйства (ГПП), а также рядом других партнеров, чтобы продемонстрировать кислородной сгорания и СО2 захвата на новый 50-МВт циркулирующей жидкости в кровать котел должен быть установлен на месте ГПП. Предложение о финансировании будет представлен на НОО в январе. "В ожидании финансирования, разрешений и проведения дополнительных испытаний, проект может стать первым в своем роде в США", говорит Bonaquist. Это в настоящее время планируется запуск в эксплуатацию в 2014 году.

Окружающей температуры без криогенный

Пользователи, которым требуется меньшего thantonnage объемы кислорода и азота и может мириться с несколько более низким чистоты, чем это предусмотрено криогенных ВРУ также извлекли пользу из текущих улучшений в noncryogenic методы, которые выполняют разделения воздуха при комнатной температуре и давлениях использовании полого волокна и полимерных мембран адсорбентов, молекулярное сито. Эти системы отдельных воздуха на кислород и азот, основанных на различиях в молекулярной структуре, размеру и массе, и обычно они обеспечивают кислорода с чистотой 93-95%.

Такие системы, как правило, зарезервированы для небольших промышленных приложений, так как они не являются экономически конкурентоспособными в более широких масштабах. 4to сделать в два раза больше кислорода, вы существенно необходимо в два раза больше адсорбента. Так с адсорбентом подразделений, ключевые части столицы стоимость этих систем, эффект масштаба для адсорбции по сравнению с непривлекательными для криогенных большого объема приложений ", объясняет консультант Соренсен.

Базовая конструкция системы не сильно изменилась с мембранной основе разделения воздуха был первым коммерческим. Эти системы обычно включают модули, как и обменники кожухотрубный тепло, которые загружаются с тысячами полые волокна нити мембраны, каждая тоньше человеческого волоса. Как чистить, сжатый воздух проходит через модули и путешествует по всей длине волокна, он постоянно контактирует очень большой площадью поверхности, с кислородом проникают мембраны легче, чем азота.

В настоящее время все основные производители газа продолжать с целью коммерциализации собственных достижений для улучшения селективности и пропускной способности их мембран, а также модуль переделывается снизить рабочее давление (и энергопотребление и расходы) для входа сжатия воздуха.

Кроме того, улучшение адсорбирующих материалов для давления качели адсорбции (PSA) и вакуумно-качели адсорбции (VSA) системах, усилия по повышению энергоэффективности, а также упаковки moreefficient работали в тандеме, чтобы улучшить разделение эффективность и снизить затраты на эти системы. Это открыло двери для не-криогенные системы, которые будут использоваться для удовлетворения все более большого объема требований, говорит Роберт Льюис, Air Products 'менеджер по маркетингу порожденных газов.

Большинство PSA, VSA и гибридных качели вакуум-давление адсорбции (VPSA) системы опираются на угольный основе молекулярных сит (называемый также сорбенты) для съемки кислород и производить азот с чистотой 95-99.5%, или алюминия в сочетании с цеолитом силикатов ловушку азот и кислород с чистотой 90-95%.

Вместе с тем ряд промышленных предприятий газа коммерческую систем, основанных на улучшение lithiumbased адсорбентов, которые имеют большую избирательность и выше массовой скорости передачи. Эти передовые адсорбентов с различными механическими инновации, такие как использование радиальных (в отличие от вертикальной или горизонтальной) мест, улучшение тягачи воздуха и систем сжатия, а более простые схемы управления - позволили создать более компактные системы. Эти модем системы адсорбент требования, которые являются менее чем на 25%, что из ранее созданных самолетов, и их потребности в энергии были снижены более чем на 20%.

"VPSA единиц сегодня можно производить кислород почти в четыре раза эффективнее, чем аналогичные устройства, разработанные 15 лет назад, и сито достижения дальнейшего уменьшения стоимости производства кислорода", говорит Билл Пирс, вице-президент по Praxair месте по развитию бизнеса.

Еще несколько лет назад, 30 тонн / сутки раньше экономический предел для adsorbentbased систем. В настоящее время на месте системы PSA, которые производят 200 т / сутки кислорода имеются, добавляет Альфред Bolkart, руководитель Адсорбция Продукты Linde инженерно-отдела

Bolkart отмечает, что Linde также коммерческой системы высокой чистоты PSA, которые могут доставить азота с менее чем 1 стр / мин остаточного кислорода, что делает его экономически эффективной альтернативой азота высокой чистоты из криогенных ВРУ. Это PSA может быть использован для приложений, которым требуется до 30 тонн / сут азота.

Сюзанна Шелли

Ответственный редактор