Operazioni di ottimizzazione-del risparmio energetico per un'unità di separazione dell'aria da 45.000 M³/h

L'unità di separazione dell'aria (ASU) adotta il pretrattamento della temperatura ambiente a setaccio molecolare-, il raffreddamento ad espansione della turbina con sovralimentazione d'aria, la distillazione a doppia-colonna e la compressione interna a doppia-pompa per ossigeno liquido e azoto liquido. La capacità di produzione di ossigeno progettata è di 45.000 m³/h, con il compressore d'aria e il booster azionati da una turbina a vapore in una configurazione "da uno- a- due". Con la premessa di garantire una fornitura stabile di ossigeno e azoto alle unità di gassificazione e sintesi a valle, questo studio esplora strategie di-risparmio energetico e riduzione dei consumi-attraverso l'analisi del consumo energetico e misure operative ottimizzate. L’obiettivo è migliorare l’efficienza complessiva del sistema e ridurre i costi operativi.

 

 

 

Analisi del consumo energetico attuale

 

L'ASU è progettata per una capacità di produzione di ossigeno di 45.000 m³/h, con una turbina a vapore di supporto con un flusso di progetto del vapore ad alta pressione-di 168 t/h, compreso un flusso di estrazione di circa 28 t/h. Il compressore d'aria ha una potenza all'albero di 21.000 kW e il booster ha una potenza all'albero di 18.000 kW. I calcoli sull’efficienza energetica indicano che il compressore d’aria rappresenta circa il 95% del consumo energetico totale.

In pratica, l'ASU opera solitamente a circa 36.000 m³/h, circa l'80% del carico di progetto, mentre il consumo della turbina a vapore rimane a circa 160 t/h, vicino al livello di progetto. Questa discrepanza tra carico e consumo energetico evidenzia che la chiave del risparmio energetico risiede nell'ottimizzazione del funzionamento del compressore d'aria.

 

Misure di ottimizzazione

 

●Ottimizzazione del funzionamento dell'espansore della turbina

La curva anti-sovratensione originale dell'espansore era impostata troppo alta e la valvola di riflusso rimaneva aperta al 15%, con conseguente bassa efficienza di raffreddamento. Regolando la curva anti-surge, chiudendo la valvola di riflusso e aumentando l'apertura della pala di guida per aumentare la velocità dell'espansore, la capacità di raffreddamento dell'unità viene garantita, la pressione di uscita del booster diminuisce e il consumo di vapore ad alta-pressione da parte della turbina viene ridotto.

●Miglioramento dello scambiatore di calore

Una scarsa qualità dell’acqua circolante riduce l’efficienza dello scambiatore di calore. Installando valvole di bypass e implementando un regolare controlavaggio in linea, la temperatura dello scambiatore di calore finale del booster- è diminuita di 4–5 K, migliorando significativamente le prestazioni di raffreddamento dell'espansore. Inoltre, il monitoraggio della differenza di temperatura all'estremità termica degli scambiatori di calore a piastre a bassa-pressione previene le perdite di raffreddamento.

●Coordinamento del compressore d'aria e del booster

Ridurre opportunamente il carico del compressore d'aria e abbassare la velocità mantenendo stabile la bassa pressione della colonna-; ridurre l'angolo delle palette guida di ingresso.

Garantire filtri dell'aria puliti per ridurre la resistenza in ingresso e migliorare l'efficienza di compressione.

Regola l'apertura della valvola anti-sovratensione al 5% per mantenere stabili le pressioni del secondo- e del terzo-stadio.

Ottimizza la pressione di scarico del compressore d'aria per abbinare meglio l'uscita dell'ASU alla domanda a valle.

●Regolazione della colonna di distillazione

Regolando il rapporto di riflusso, il contenuto di ossigeno nei rifiuti di azoto viene ridotto al 2–3%, garantendo la purezza dell'azoto liquido nella colonna inferiore e migliorando il recupero dell'ossigeno, riducendo il carico del compressore d'aria.

●Ottimizzazione del funzionamento dell'adsorbitore a setaccio molecolare

Estendere il tempo di pressurizzazione del setaccio molecolare a 25 minuti per ridurre le fluttuazioni del flusso d'aria e minimizzare l'impatto della commutazione sul sistema di distillazione. Mantenere la temperatura di spurgo a freddo superiore a 125 gradi ed estendere il ciclo di commutazione da 4 ore a 6 ore per risparmiare sul consumo di vapore e ridurre i costi operativi.

 

Effetti di ottimizzazione

Dopo l'ottimizzazione, l'ASU funziona in modo stabile e il consumo energetico complessivo diminuisce in modo significativo. Un confronto degli indicatori operativi prima e dopo l'ottimizzazione è mostrato nella Tabella 1.

Tabella 1. Confronto degli indicatori operativi dell'ASU prima e dopo l'ottimizzazione

 

Parametro operativo	Prima dell'ottimizzazione	Dopo l'ottimizzazione
Consumo di vapore ad alta pressione-della turbina a vapore, t/h	135	125
Pressione di scarico del compressore d'aria, MPa	0.498	0.490
Pressione di uscita del secondo{0}}stadio del booster, MPa	2.70	2.55
Pressione di uscita del terzo-stadio del booster, MPa	6.6	6.3
Apertura della valvola di riflusso dell'espansore, %	15	0
Velocità della turbina a vapore, giri/min	4450	4250

 

I calcoli indicano che ogni anno è possibile risparmiare circa 70.000 t di vapore ad alta-pressione, dimostrando un notevole risparmio energetico-e vantaggi economici.

 

Conclusione

Ottimizzando l'espansore, gli scambiatori di calore, il coordinamento del compressore d'aria e del booster, le colonne di distillazione e gli adsorbitori a setaccio molecolare, l'ASU ottiene un'efficienza energetica notevolmente migliorata e costi operativi ridotti. Le misure di risparmio energetico proposte in questo studio sono applicabili alle ASU di compressione interna azionate da turbine e hanno un ampio valore promozionale per le imprese di sintesi di ammoniaca su larga scala e di chimica del carbone, riducendo efficacemente il consumo energetico complessivo per tonnellata di ammoniaca.