Johdanto
Teollisessa kaasuntuotannossa ilmaerotusyksikkö (ASU) on ydinlaitteisto, jota käytetään ensisijaisesti kaasujen, kuten hapen, typen ja argonin, erottamiseen ja hyödyntämiseen ilmasta. Nousevien energiakustannusten ja "kaksoishiilen" tavoitteiden myötä ASU:iden energiatehokkuuden parantamisesta on tullut alan keskeinen painopiste. Äskettäisessä tutkimuksessa, jossa käytettiin esimerkkinä 60 000 Nm³/h kryogeenistä ilmanerotusyksikköä tietyllä tehtaalla, käytettiin Aspen Plus -ohjelmistoa prosessin mallintamiseen ja optimointiin, mikä saavutti merkittäviä energiansäästöjä ja taloudellisia etuja, tarjoten arvokkaan tapaustutkimuksen teollisuudelle.
Kryogeenisten ilmanerotusyksiköiden toimintaperiaate
Kryogeeninen ilmanerotusprosessi erottaa ensisijaisesti kaasukomponentit ilmasta sellaisilla vaiheilla kuin ilman puristus, esijäähdytys, lämmönvaihto ja tislaus. Ilma paineistetaan ja jäähdytetään ensin kompressorilla, sitten syvä-jäähdytetään noin -170 asteeseen paisuntalaitteella. Happi ja typpi erotetaan sitten korkea-{5}} ja matalapaineisissa tislaustorneissa.
Ylempi ja alempi torni ovat toisistaan riippumattomia, mutta ne on yhdistetty putkistojen avulla: korkeapainetorni ylläpitää noin 0,55 MPa:n painetta ja matalapainetorni noin 0,14 MPa. Kaasu tiivistyy tornin huipulla tuottaen nestemäistä typpeä, josta osa virtaa edelleen ylempään torniin lisätislausta varten, jolloin saadaan erittäin puhdasta typpikaasua tai nestemäisiä typpejä.
Tässä prosessissa energiankulutus keskittyy ensisijaisesti puristus-, jäähdytys- ja tislausvaiheisiin. Siksi lämpökuorman ja syöttöparametrien optimointi on avainasemassa energiatehokkuuden parantamisessa.
Simulaatiomallinnuksen rooli prosessin optimoinnissa
Tutkimusryhmä käytti Aspen Plus -työkalua ilmanerotusyksikön digitaalisen mallin rakentamiseen, joka kattaa tärkeimmät yksikön laitteet, kuten kompressorit, lämmönvaihtimet, pumput ja tislaustornit. Simulointitulosten vertaaminen suunnittelun spesifikaatioihin paljasti, että mallivirhe oli 1 prosentin sisällä, mikä osoittaa sen suuren tarkkuuden ja potentiaalin energiansäästön todentamiseen ja parametrien optimointiin. Simulaatioanalyysi keskittyi neljään avaintekijään:
Syötteen sijainti
Syöttövirtaus
Tislauskolonnin käyttöpaine
Syöttölämpötila
Nämä parametrit vaikuttavat yhdessä tornin ylälämpökuormaan, nestemäisen typen saantoon ja puhtauteen ja siten määrittävät järjestelmän kokonaisenergiatehokkuuden.
Prosessiparametrien vaikutus energiansäästöön
Syötteen sijainti
Kun muut olosuhteet pysyivät vakiona, tutkimuksessa havaittiin, että syöttöpaikan asettaminen alustalle 33 johti pienimpään ja stabiilimpaan tornin ylälämpökuormaan, mikä teki siitä optimaalisen syöttökohdan.
Syöttövirtaus
Syöttövirtauksen lisääminen lisää nestemäisen typen saantoa, mutta vähentää puhtautta. Kun alempaa tornin syöttönopeutta säädetään arvoon 804 kmol/h, saantoa voidaan lisätä säilyttäen samalla typen puhtaus (99,999 %).
Lämpötilan säätö
Syöttölämpötila korreloi positiivisesti nestemäisen typen virtausnopeuteen, mutta liian korkeat lämpötilat voivat vaikuttaa hapen ja argonin erottumiseen, kun taas liian alhaiset lämpötilat lisäävät energiankulutusta. Tutkimuksessa määritettiin -173 astetta optimaaliseksi käyttölämpötilaksi.
Säätämällä näitä parametreja ilmanerotusyksikkö voi saavuttaa suuremman tehon säilyttäen samalla energiankulutuksen, mikä saavuttaa "energiansäästön ja tehokkuuden parantamisen" tavoitteen.
Käytännön sovellus ja taloudellisten hyötyjen analyysi
Tämä optimointiratkaisu otettiin käyttöön kaasulaitoksessa vuonna 2022. Tulokset osoittivat, että laitos pystyi toimimaan vakaasti 120 %:lla nimelliskuormituksesta, mikä lisää merkittävästi tuotantoa:
Typen tuotanto kasvoi 450 kmol/h;
Keskipaineinen-nestetyppituotanto kasvoi 625 kmol/h;
Matalapaineinen-nestetyppituotanto kasvoi 281 kmol/h.
Samaan aikaan tislauskolonnin ylälämpökuorma pieneni 7,48 %, mikä säästää noin 721 000 yuania vuosittaisissa sähkökustannuksissa. Markkinahintoihin perustuen vuotuinen taloudellinen kokonaishyöty oli noin 4,6 miljoonaa yuania. Tämä saavutus osoittaa prosessien optimoinnin merkittävän arvon teollisuuskaasun tuottajille.
Päätelmät ja toimialan vaikutukset
Tämä tutkimus esittelee kryogeenisten ilmanerotusyksiköiden energiansäästöoptimoinnin tieteellistä lähestymistapaa ja käytännön tuloksia. Kehittynyt simulointiohjelmisto, kuten Aspen Plus, mahdollistaa järjestelmän suorituskyvyn varhaisen ennustamisen prosessin suunnitteluvaiheessa, mikä vähentää kokeilu--ja-virhekustannuksia.
Kaasuntuottajille tällä digitaalisen prosessin optimoinnilla on kolme keskeistä vaikutusta:
Simulaatio{0}}ohjattu päätöksenteko-: Simulaatiomallit mahdollistavat prosessien visualisoinnin ja dynaamisen analyysin. Energiansäästö ja kannattavuus kulkevat käsi kädessä: Prosessin optimointi ei ainoastaan vähennä energiankulutusta, vaan myös lisää suoraan tuotantoa ja voittoja.
Vihreän tuotannon trendit: Maailmanlaajuisten hiilidioksidipäästöjen vähentämispolitiikkojen tiukentuessa ilmanerotusteollisuuden on jatkettava energiaa säästävien muutosten ja älykkäiden päivitysten{0} edistämistä.
Jatkossa kryogeenisten ilmanerotusyksiköiden optimointisuuntaa integroidaan entisestään tekoälyn ennakoivaan ohjaukseen, digitaalisiin kaksoisjärjestelmiin ja integroituun EPC-suunnitteluun, jotta saavutetaan koko elinkaaren energiatehokkuuden hallinta suunnittelusta käyttöön.
