공기 분리 기술 검토 및 에너지 전환 프로세스와의 통합

공기 분리 기술은 산업 가스 생산의 핵심이며, 에너지 전환 공정과의 통합 최적화는 산업 효율성을 향상시키고 비용을 줄이는 데 중요합니다. 이 논문은 기존 및 신흥 공기 분리 기술 (극저온 증류, 흡착, 막 분리, 이온 수송 막 등)의 원리, 경제 및 응용 시나리오를 체계적으로 검토하여 가스 터빈, 석탄 가스화 조합 사이클 (IGCC) 및 SyngAS 생산에 대한 극저온 및 비 암생 기술의 통합에 중점을 둔다. 기술 비교 및 사례 분석을 통해 에너지 분야에서 공기 분리 기술의 개발 경향과 향후 연구 방향이 밝혀졌습니다.

 

 

 

 

소개

산업 가스 (산소, 질소, 아르곤)는 에너지 전환 공정에서 중요한 역할을하며 생산 기술의 선택 및 통합은 시설의 경제 및 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 기사는 다음과 같은 핵심 문제에 대해 설명합니다.
다양한 공기 분리 기술의 적용 가능한 시나리오 (순도, 규모, 에너지 소비)
공기 분리 장치 (ASU) 및 다운 스트림 공정의 통합 전략 (예 : 가스화, 연소, 발전)
전통적인 극저온 과정에 대한 새로운 기술 (예 : 이온 수송 멤브레인)의 도전과 보충제
 

비 조화 공기 분리 기술
 

 

흡착 방법 (PSA/VSA)

원리 : 압력 스윙주기를 통해 산소 및 질소 분리를 달성하기 위해 제올라이트 또는 탄소 분자 체에 의한 질소의 선택적 흡착을 이용하십시오.
공정 : 압축 공기가 흡착 타워에 들어가고, 질소가 흡착되며, 산소가 풍부한 가스 (93-95% 순도)가 생성물로 배출됩니다. 포화 타워는 압력 감소에 의해 재생됩니다 (그림 1).
장점 : 빠른 시작 (분), 중소 규모에 적합한 모듈 식 설계 (<150 tons/day).
한계 : 아르곤은 생산할 수 없으며 부산물 질소는 산소 함량이 높고 추가 정제가 필요합니다.

 

화학적 흡수 방법

사례 : Moltoxe 용융 소금 공정 (그림 2)
공정 : 압축 공기는 전처리 후 용융 소와 반응하여, 가열/억제에 의해 산소를 흡수하고 탈착시킨다.
장점 : 공기 압축을위한 저전력 소비 및 공정의 폐 열을 사용할 수 있습니다.
과제 : 아직 상용화되지 않은 상당한 고온 부식 문제.
 

중합체 막 분리

메커니즘 : 산소 분자의 작은 동역학 직경에 기초하여, 막 재료를 통한 선택적 투과 (도 3).
특징 : 움직이는 부품 없음, 저급 시나리오에 적합한 시나리오 (25-50% 산소가 풍부한 공기), 스케일은 일반적으로입니다.<20 tons/day.
적용 : 양식업 산소화, 탄광 inerting.

이온 수송 막 (ITM)

기술 혁신 : 고온 세라믹 막은 산소 이온 전도를 통한 분리를 달성하며 (도 4) 순도는 99%이상입니다.
통합 잠재력 : 가스 터빈과 결합 될 때, 고압 질소 부산물은 15-20%의 열 효율 증가와 함께 발전에 직접 사용될 수 있습니다.
현재 상태 : 파일럿 단계에서는 재료 내구성을 최적화해야합니다.
 

극저온 증류 기술 : 현재 상태 및 진화

 

프로세스 코어

원리 : 공기 구성 요소의 끓는점 차이 (O₂ -183 Degree, n₂ -196 정도)를 사용하여 2 단계 증류탑을 통한 분리를 달성합니다 (그림 5).
주요 단계 :
압축 및 전처리 : 공기가 6-10 막대로 압축되고 분자 체는 COS와 수증기를 제거합니다.
극저온 분리 : 액화 공기는 증류탑에서 산소 (타워 하단) 및 질소 (타워 상단)로 분리되고 아르곤은 측면 라인을 통해 회수됩니다.
에너지 회복 : Expander는 냉장에 압력 강하를 사용하고 고효율 플레이트 핀 열교환 기는 추위를 회복합니다.

 

대규모 및 통합 혁신

단일 세트 스케일 : 1980 년대 500 톤/일에서 현재 5, 000 톤/일 (그림 6)으로 단위 투자 비용은 40%감소했습니다.
일반적인 통합 사례 :
DEMKOLEC IGCC 발전소 (네덜란드) : ASU는 가스 터빈과 완전히 통합되어 있고, 공기는 터빈 압축기에서 공기를 가져오고, 질소는 다시 연소 종료에 주입되며, NOX 방출은 30%감소하며 순 전력 효율은 47%로 증가합니다.
Rozenburg Coal Gasification Project : 독립 ASU 공급 산소, 질소는 공정 안전을위한 불활성 가스로 사용되며 Syngas 생산 능력이 최대화됩니다.

 

프로세스 최적화

저압 (LP) 대 고압 (EP) 사이클 :
LP 사이클 : 공기압 65-100 PSIA, 질소 환기 시나리오에 적합합니다.
EP 사이클 : 압력> 100 psia, 질소는 공정 압축에 직접 사용하여 추가 전력 소비를 줄일 수 있습니다.
펌핑 액체 사이클 : 액체 제품은 가스 압축 에너지 소비를 피하기 위해 고압으로 펌핑되며, 고압 산소 (예 : 석탄 화학 산업)가 필요한 시나리오에 적합합니다.

기술 비교 및 선택 안내서

기술 성숙 경제 규모 (톤/일) 순도 (Vol.%) 스타트 업 시간 부산물 용량
Cryogenic distillation Mature >20 또는 99 시간의 질소 및 아르곤 효율적인 회복에 비해 20
PSA 흡착 반 성숙<150 93-95 minutes Nitrogen needs to be purified
막 분리 반 성숙<20 ≤40 Immediate No
개발중인 ITM은 99 시간 이상의 결정되지 않은 질소를 치료해야합니다.

선택 로직 :
대규모 고급 수요 (철강, 화학 산업과 같은) : 부산물의 가치를 고려하여 극저온 증류 우선 순위를 정합니다.
중소형 유연한 시나리오 (의료, 원격 영역) : PSA 또는 멤브레인 분리, 신속한 배치 및 유지 보수가 적습니다.
미래의 고 부가가치 시나리오 : ITM은 재생 에너지와 결합되어 분산 산소 생산 및 탄소 포획에 적합합니다.

 

통합 기술 : 에너지 효율을 향상시키는 열쇠

 

가스 터빈과의 열 통합

공기 추출 : 가스 터빈 압축기에서 ASU로 공기의 일부를 추출하여 독립 공기 압축기의 전력 소비를 줄입니다 (그림 7).
질소 재배치 : 고압 질소가 연소 챔버에 주입되어 화염 온도 (NOX ↓ 50%)를 감소시키고 동시에 연료 활용을 향상시키기위한 희석제 역할을합니다 (전력 생성 ↑ 10-15%).

 

및 석탄 가스화 결합 사이클 (IGCC)

사례 : Tampa Electric Project는 고압 ASU를 사용하고 공기압은 가스 터빈과 일치하며 질소는 합성 가스 냉각에 사용되며 시스템의 전체 열 효율은 52%로 증가합니다.
장점 : 공유 압축 장비, 폐열 회복 네트워크 및 자본 비용은 15-20%만큼 줄어 듭니다.

 

화학 공정 통합

합성 가스 생산 : ASU 산소는 부분 산화 반응에 사용되며, 부산물 질소는 합성 암모니아의 원료로 사용되어 "가스 화학적 수정기"공동 생산을 실현합니다.
탄소 캡처 : 산소가 풍부한 연소에 의해 생성 된 고농도 Co₂는 산업 탈탄화를 돕기 위해 직접 밀봉 될 수 있습니다.
새로운 트렌드와 도전

 

기술 혁신 방향

재료 혁신 :
고성능 흡착제 (예 : MOF)는 97%이상의 순도로 PSA 선택성을 향상시킵니다.
복합 세라믹 멤브레인은 ITM의 고온 밀봉 문제를 해결하고, 목표 수명은 50, 000 시간으로 확장됩니다.
디지털 변환 : AI 알고리즘 ASU 운영 매개 변수를 최적화하고 예측 유지 보수는 다운 타임을 30%줄입니다.
 

지속 가능한 개발 요구

저탄소 공정 : "녹색 전기-녹색 산소"폐쇄 루프를 달성하기 위해 풍력/태양 광 기반 전기 흡착 (E-PSA)을 사용하십시오.
폐 열 이용 : TSA 재생에 화학 폐열을 사용하여 전체 에너지 소비를 10-12%만 줄입니다.

 

도전

비 조정 기술의 스케일 병목 현상 : PSA 및 막 분리는 여전히 고급 및 고유 한 시나리오에서 극저온 증류를 대체 할 수 없습니다.
ITM의 엔지니어링 장벽 : 대규모 제조 공정은 미숙하며 비용이 저온 공정보다 40% 이상 높습니다.

 

결론

공기 분리 기술의 개발은 "저온 온도가 대규모의 비 규모의 비 적용 온도를 틈새 시나리오를 채우는 것"의 패턴을 나타냅니다. 에너지 변환 프로세스와의 깊은 통합은 미래의 경쟁의 핵심입니다. 극저온 증류는 대규모 및 열 통합을 통해 효율성을 계속 최적화하는 반면, 비 조정 기술은 유연성과 낮은 탄화의 잠재력을 보여줍니다. 재료 과학 및 디지털 기술의 발전으로 하이브리드 프로세스 (예 : 극저온 + ITM)와 재생 에너지에 의해 구동되는 새로운 모델은 산업 환경을 재구성하고 탄소 중립 목표를위한 주요 지원을 제공 할 것입니다.