Nel settore delle apparecchiature per il gas industriale, la domanda di sistemi di fornitura di gas varia in modo significativo tra i diversi settori. Alcuni progetti danno priorità all'investimento iniziale, mentre altri si concentrano maggiormente sui costi operativi a lungo-termine. Per gli impianti di produzione continua su larga-scala, tuttavia, la stabilità della fonte di gas, la capacità di controllare la purezza e il potenziale di espansione futura spesso contano più dell'apparecchiatura stessa.
Come Shenger Gas, un'azienda da tempo impegnata nella produzione di apparecchiature per gas industriali, spesso incontriamo la stessa domanda da parte dei clienti durante la progettazione del sistema e le discussioni sui progetti: quali tipi di progetti industriali sono più adatti per le unità criogeniche di separazione dell'aria (ASU)?
Dai principi tecnici alla corrispondenza operativa-nel mondo reale, le ASU criogeniche non sono adatte per ogni applicazione di gas. Tuttavia, nei sistemi industriali che richiedono portate elevate, funzionamento continuo ed elevata purezza, spesso offrono vantaggi chiari e completi.
Questo articolo fornisce un'analisi sistematica, basata sulle caratteristiche dell'applicazione industriale, di quali-progetti di fornitura di gas su larga scala sono più adatti per le ASU criogeniche ed evidenzia i fattori chiave che le aziende dovrebbero considerare quando scelgono una soluzione di fornitura di gas.
Che cos'è un'unità criogenica di separazione dell'aria (ASU)?
Un'unità criogenica di separazione dell'aria è un sistema completo che separa i componenti dell'aria-come ossigeno, azoto e argon-attraverso processi tra cui la compressione dell'aria, la purificazione, lo scambio di calore, la refrigerazione basata su espansori-e la distillazione criogenica, il tutto a temperature estremamente basse.
La temperatura operativa interna raggiunge generalmente da -170 gradi a -190 gradi, consentendo una separazione stabile dei diversi componenti del gas tramite un sistema di distillazione a doppia-colonna. Rispetto ai generatori di ossigeno PSA standard o ai sistemi di separazione a membrana, il vantaggio principale di un'ASU criogenica non è semplicemente la "temperatura più bassa", ma la sua capacità di erogare gas industriali multicomponente di elevata purezza con basse fluttuazioni in condizioni operative continue e a flusso elevato.
Da un punto di vista industriale, l'ASU criogenica è essenzialmente una soluzione più adatta per la "fornitura di gas continua, 24 ore su 24, 7 giorni su 7, su larga scala e a lungo-termine".
Progetti di produzione di acciaio e fusione su larga scala-
Tra tutte le applicazioni industriali, l’industria siderurgica rimane uno dei campi più tipici e maturi per le ASU criogeniche.
La moderna produzione di acciaio-sia che si tratti di arricchimento di ossigeno in altoforno, di produzione dell'acciaio con forno ad ossigeno basico (BOF) o di fusione con forno ad arco elettrico (EAF)-ha diverse richieste molto specifiche per la fornitura di ossigeno:
- Requisiti di volume di gas molto elevati
- Lunghe ore di funzionamento continuo
- Requisiti di elevata purezza dell'ossigeno
- Requisiti estremamente elevati di stabilità del sistema
Le grandi acciaierie richiedono in genere capacità di fornitura di ossigeno da decine di migliaia a addirittura centinaia di migliaia di Nm³/h, spesso con azoto di elevata-purezza per sistemi di protezione, spurgo e colata continua.
L'utilizzo di più sistemi PSA di piccole dimensioni-e-medie non solo richiederebbe un gran numero di unità ma aumenterebbe significativamente anche i costi di manutenzione nel tempo. Un'ASU criogenica, al contrario, può fornire simultanea produzione di ossigeno, azoto e persino argon attraverso un'unica unità di grande-capacità, garantendo la stabilità del processo e allineandosi con gli obiettivi di efficienza energetica a lungo termine-delle grandi acciaierie. Per i progetti siderurgici con una produzione annua superiore a un milione di tonnellate, le ASU criogeniche sono diventate lo standard del settore.
Progetti chimici e petrolchimici del carbone
Le industrie chimiche del carbone e petrolchimiche sono un altro campo fortemente dipendente dalle ASU criogeniche.
Che si tratti del carbone-in-metanolo, del carbone-in-olefine, dell'ammoniaca sintetica o dei processi di idrogenazione di raffinazione, l'ossigeno e l'azoto svolgono spesso un ruolo diretto nei flussi di reazione principali. Questi progetti generalmente condividono le seguenti caratteristiche:
- L'erogazione del gas non può essere interrotta
- Requisiti di alta pressione del gas
- Cicli operativi lunghi con produzione continua-tutto l'anno
- Elevata sensibilità alle fluttuazioni di purezza
I gassificatori su larga scala-, in particolare, hanno requisiti molto severi per quanto riguarda il flusso di ossigeno e la stabilità della purezza. Anche le fluttuazioni a breve-termine possono influenzare l'equilibrio termico dell'intera linea di produzione.
Poiché le ASU criogeniche utilizzano la distillazione a bassa-temperatura, la purezza del prodotto è più stabile. Inoltre, possono fornire ossigeno ad alta-pressione direttamente tramite la compressione interna dell'ossigeno liquido, riducendo l'energia di compressione a valle. Pertanto, offrono chiari vantaggi nei grandi progetti chimici del carbone.
Progetti di fusione di metalli non-ferrosi
Anche la-fusione di metalli non ferrosi-come rame, piombo, zinco e nichel-è un'importante area di applicazione per le ASU criogeniche.
Nei processi di fusione arricchiti di ossigeno-, l'ossigeno stabile e di elevata{1}purezza migliora significativamente l'efficienza della combustione, accorcia i cicli di fusione e riduce il consumo energetico specifico.
Per le fonderie di grandi dimensioni, il sistema di fornitura di ossigeno non deve solo fornire portate elevate ma anche fornire:
- Funzionamento stabile a lungo termine-
- Capacità di gestire le fluttuazioni del carico
- Fornitura di gas simultanea a più fasi del processo
Le ASU criogeniche funzionano in modo più affidabile in queste condizioni di carico continuo ed elevato-. Inoltre, i sistemi di azoto associati possono essere utilizzati per la protezione, lo spurgo e l'isolamento di sicurezza durante la manutenzione delle apparecchiature. Per le aziende di fusione che richiedono una produzione ininterrotta per tutto l'anno-, il valore operativo complessivo di un sistema criogenico è in genere molto superiore a quello delle apparecchiature per la generazione di gas a ciclo breve-.
Nuovi materiali energetici e progetti di produzione di energia fotovoltaica (PV).
Con la rapida crescita del nuovo settore energetico, la domanda di gas industriali ad elevata-purezza in settori quali materiali per batterie al litio, materiali in silicio fotovoltaico e produzione di semiconduttori è in costante aumento.
Anche se il consumo di ossigeno per sito in queste industrie potrebbe non essere così massiccio come nella produzione dell’acciaio, impongono requisiti più severi sulla qualità del gas:
- Purezza dell'azoto tipicamente richiesta pari al 99,999%
- Fluttuazione estremamente bassa nella fornitura di gas
- Nessuna contaminazione di olio, acqua o particolato
- I sistemi devono supportare un funzionamento stabile 24 ore su 24, 7 giorni su 7
Le ASU criogeniche presentano vantaggi naturali nella fornitura di azoto ad elevata-purezza, che le rendono particolarmente adatte per modelli di fornitura di gas centralizzata in grandi basi fotovoltaiche, parchi di semiconduttori e parchi industriali di nuovi materiali. Rispetto a più generatori di azoto distribuiti, la fornitura centralizzata di gas criogenico offre un migliore controllo della purezza, coerenza operativa e scalabilità futura.
Progetti di fornitura di gas centralizzata in grandi parchi industriali chimici
Negli ultimi anni, sempre più parchi industriali hanno adottato modelli di fornitura centralizzata del gas.
In questo modello, un grande hub del gas deve servire più fabbriche, fornendo ossigeno, azoto, argon e persino prodotti liquidi. Tali progetti in genere affrontano diverse sfide:
- Diverse esigenze degli utenti
- Ampie fluttuazioni nella domanda di gas di punta
- Sono necessari più tipi di gas
- Chiara necessità di espansione futura
La capacità di separazione multi-componente delle ASU criogeniche le rende particolarmente adatte per la fornitura di gas centralizzata-a livello di parco. Con la corretta configurazione dello stoccaggio dei liquidi, dei sistemi di backup e del controllo intelligente, possono supportare la fornitura di gas stabile a lungo-termine a più utenti. Dal punto di vista del ROI, con l’aumento della domanda di gas, il costo unitario di produzione del gas delle ASU criogeniche tende a diventare più competitivo.
Come determinare se un progetto è adatto per un'ASU criogenica
Dal punto di vista della pratica ingegneristica, se un progetto ha le seguenti tre caratteristiche, in genere vale la pena dare priorità a un'ASU criogenica:
- Elevato volume della domanda di gas: una volta che i fabbisogni di ossigeno o azoto raggiungono una scala da media-a-grande, le economie di scala dei sistemi criogenici diventano evidenti.
- È necessario un funzionamento continuo: le fabbriche attive 24 ore su 24, 7 giorni su 7,-tutto l'anno sono più adatte al funzionamento stabile a lungo-termine dei processi criogenici.
- Elevate esigenze di purezza e stabilità: soprattutto per i progetti che richiedono ossigeno ad alta purezza, azoto ad alta purezza o produzione simultanea di argon, la tecnologia criogenica presenta un chiaro vantaggio.
Le unità criogeniche di separazione dell'aria non sono adatte a tutti i progetti industriali. Tuttavia, per gli scenari di produzione continua a carico elevato-come la produzione dell'acciaio, i prodotti chimici del carbone, la fusione di materiali non ferrosi-, i nuovi materiali energetici e gli hub di gas di parchi industriali su larga scala-, spesso rappresentano la scelta più logica per una strategia operativa a lungo-termine.
Dagli investimenti nelle attrezzature ai costi operativi del ciclo di vita, dalla purezza del gas alle future capacità di espansione, un sistema di fornitura di gas veramente adatto a progetti industriali su larga-scala non viene mai giudicato esclusivamente in base a "se può produrre gas", ma "se può fornire gas in modo affidabile per dieci o anche vent'anni".
