Установки короткоцикловой безнагревной адсорбции используют метод адсорбции при повышенном давлении и регенерации адсорбента при снижении давления.
Установки КЦА с наномодифицированным активированным углем ООО «ЦУТНУМ» могут быть эффективно использованы для увеличения концентрации метана, извлекаемого из пространств угольных шахт для утилизации угольными предприятиями. Известно, что шахтный газ является экологически чистым и эффективным топливом, которое может быть использовано не только для получения тепла, но и электроэнергии (применение в когенерационных установках и газотурбинных двигателях).
Используются установки КЦА в разделении и очистке газов (выделение азота из воздуха, водорода из синтез-газа, коксового газа, продуктов газификации углей и других водородсодержащих газов), концентрировании метана из природного газа, продувочных газов, шахтного газа (смесь метана и воздуха из отработанных пространств угольных шахт), биогаза, в очистке воздуха, ПНГ, сбросных газов нефтегазохимии и дымовых газов ТЭЦ.
Теплотворная способность газа существенно зависит от концентрации в нем метана, поэтому обоснованным является использование установок КЦА с углеродными сорбентами для увеличения концентрации метана до 70-90%.
Зависимость теплоты сгорания шахтного газа от концентрации метана
|
Концентрация метана в шахтном газе, (%) |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
|
Теплота сгорания, (МДж/кг) |
10,5 |
14,3 |
17,8 |
21,3 |
24,7 |
28,5 |
32,1 |
Концентрация метана в направляемом на утилизацию шахтном газе составляет от 10 до 35 % об. Известно, что использования в качестве топливного газ должен иметь низшую теплотворную способность не ниже 16,0 МДж/м3, что соответствует содержанию СН4 46% об.
Аналогичная ситуация (невозможность непосредственного использования газа в качестве топливного ввиду крайне низкой теплотворной способности) возникает для попутного нефтяного газа (ПНГ) с высоким содержанием азота, углекислого газа.
Принцип работы установки
Преимущества короткоцикловой адсорбции
- Не требуется подвода тепла для осуществления регенерации адсорбента.
- Установки КЦА отличаются быстрым стартом и установкой, в отличие от традиционных криогенных блоков.
- Незначительные энергозатраты воздухоразделительного оборудования, работающего по принципу КЦА.
- Низкие затраты на установку и эксплуатацию оборудования, простота работы на установке.
- Возможность дистанционного управления.
- Длительное использование углеродного адсорбента без необходимости его замены.
- Ценовой фактор – воздухоразделительное и газоразделительное оборудование, работающее по принципу КЦА стоит существенно дешевле аналогичных мембранных или криогенных установок для разделения газа.
Установка короткоцикловой адсорбции (КЦА) используется для разделения газовых смесей с получением водорода, азота, кислорода, метана, этилена и других компонентов высокой концентрацией (от 95% до 99,9999%).
Данная технология позволяет разделять практически любой газ.
Часто для разделения используют различия в скорости адсорбции разных газов, например, при извлечении азота из воздуха с помощью углеродных молекулярных сит.
Технология КЦА основана на поглощении газа адсорбентом с использованием функции давления. Технологический процесс адсорбции строится так, что смесь газов подается в адсорбер при повышенном давлении и температуре внешней среды. При этом легкоадсорбируемые компоненты смеси поглощаются адсорбентом, в то время как слабоадсорбируемые или неадсорбируемые проходят через аппарат, благодаря чему происходит разделения газовой смеси. Адсорбент поглощает газ до состояния равновесия между адсорбцией и десорбцией, после чего адсорбент необходимо регенерировать, т.е. удалить с поверхности адсорбента поглощённые компоненты. Это можно сделать либо путём повышения температуры, либо путём сброса давления. Обычно в короткоцикловой адсорбции используют регенерацию посредством сброса давления.
На сегодняшний день получили распространение 3 метода организации циклического безнагревного процесса адсорбционного разделения воздуха: напорные — Pressure Swing Adsorbrion (PSA), вакуумные — Vacuum Swing Adsorbtion (VSA) и смешанные — Vacuum Pressure Swing Adsorbtion (VPSA).
Главная отличительная особенность безнагревной КЦА (PSA) в том, что циклы адсорбции и десорбции проводятся при одной и той же температуре, но парциальное давление адсорбирующихся компонентов при адсорбции больше, чем при десорбции.
Главное преимущество процессов PSA перед традиционным методом проведения адсорбционных процессов в циклах адсорбции-десорбции при различных температурах — в устранении стадий нагрева и охлаждения адсорбера, требующих больших затрат времени и энергии. Следующей отличительной чертой короткоцикловой адсорбции является небольшая длительность циклов адсорбции и регенерации, обычно в пределах нескольких минут, в результате чего указанный процесс получил наименование «короткоцикловая адсорбция» .
Свое широкое применение, особенно за рубежом, КЦА получила из-за следующих преимуществ:
- высокая селективность по адсорбируемым компонентам в зависимости от выбора адсорбента;
- быстрый пуск и остановка по сравнению с криогенными блоками;
- большой диапазон работы от 5 до 100% производительности без изменения энергетических затрат;
- большая гибкость установок, т.е. возможность быстрого изменения режима работы, производительности и чистоты в зависимости от потребности;
- автоматическое регулирование режима;
- возможность дистанционного управления;
- низкие энергетические затраты по сравнению с криогенными блоками;
- простое аппаратурное оформление;
- низкие, затраты на обслуживание из-за простоты установок;
- применение первого защитного слоя адсорбента предотвращает чувствительность к агрессивным компонентам по сравнению с мембранами и гарантирует длительные сроки эксплуатации адсорбента без его замены;
- низкая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями;
Из-за вышеперечисленных преимуществ КЦА широко применяется для следующих целей:
- получение водорода из природного и коксового газа, других водородсодержащих газов;
- получение метана из природного газа;
- получение окиси и двуокиси углерода;
- выделение этилена;
- получение азота и технического кислорода из воздуха;
- и др. газовых смесей.