Thermo-economic analysis of an oxygen production plant using typical turbochargers ofthe automotive industry

Abstract

[ES] En el siguiente estudio se realiza la selección básica de componentes y el análisis termoeconómico de una planta de producción de oxígeno a implementar en la industria cerámica española con el fin de realizar oxicombustión para alcanzar altas temperaturas que se demandan en esta industria. Para esto, se usan turbocompresores típicos de la industria automotriz y recuperación de calor de otros procesos. Se expone un ciclo donde se obtiene oxígeno de alta pureza a partir de una membrana de separación, la cual requiere altos gradientes de presión y temperatura de entrada. El ciclo toma los flujos de nitrógeno y oxígeno a alta temperatura resultantes para la recuperación de calor y el flujo de nitrógeno para impulsar las turbinas de los turbogrupos usados para el aumento de la presión del aire. De igual modo, se recupera calor de gases de escape provenientes de otros procesos cercanos a esta instalación. De manera inicial, se busca que el ciclo sea capaz de producir 0,12 kg/s, el cual corresponde al requerimiento de oxígeno de una planta cerámica en la Comunidad Valenciana. Por tanto, se abren dos casos que han sido analizados en este estudio para diferentes puntos de operación: el Caso 1, donde se utiliza un compresor eléctrico en la línea de oxígeno para aumentar el gradiente de presión requerido en la membrana al generar vacío y, el Caso 2, donde una fuente de calor adicional es implementada y la generación de vacío se realiza a partir del uso de un turbogrupo. De este modo, se analiza la producción de oxígeno desde un punto de vista termoeconómico para cada uno de los casos expuestos considerando los precios típicos en la industria de gas natural, electricidad y oxígeno de alta pureza. Para el cálculo de flujos energéticos en el ciclo, se utilizó la herramienta VEMOD, la cual ha sido desarrollada en I.U.I CMT Motores Térmicos, cuyo propósito inicial es el modelamiento 0D/1D de procesos termofluidodinámicos en motores Diesel, pero que actualmente es flexible para simular elementos independientes como turbogrupos, enfriadores, tuberías, intercambiadores de calor y membranas de separación. Adicionalmente, el estudio económico de estos flujos energéticos es realizado al usar indicadores como costo energético por oxígeno producido (en /Tn), energía consumida por oxígeno producido (en kWh/kg) y producción neta de oxígeno (en kg/s). Se halló un máximo de producción para el Caso 1 de 0.1235 kg/s con un costo de 29 /Tn y un mínimo de costo energético por oxígeno producido de 6 /Tn para un nivel de producción de 0.06 kg/s aproximadamente. Mientras tanto, para el Caso 2, se calculó un máximo de producción de 0.227 kg/s y un costo de 61 /Tn, y, aunque no se halló un mínimo en el costo de producción, al tener como referencia una producción de 0.12 kg/s como base, se estima un costo de producción de 35 /Tn. Por tanto, al considerar un precio de oxígeno de alta pureza disponible en la industria de 50 /Tn, se puede mencionar que ambos casos se muestran rentables al considerar su costo para una producción de alrededor de 0.12 kg/s. Sin embargo, se observan mayores niveles en el costo de producción para el Caso 2 que para el Caso 1, lo cual se explica en la alta cantidad de energía térmica utilizada en el calentador y en la baja eficiencia del grupo turbocompresor para mover el oxígeno debido al desequilibrio en el flujo trasegado entre la turbina y el compresor. Por esta razón, hay mayores restricciones en la operación del Caso 2 desde el punto de vista de la rentabilidad del proceso. En conclusión, se puede decir que el Caso 1 puede ser implementado para menores niveles de producción donde el costo unitario es una variable altamente restrictiva, mientras que el Caso 2 sería una opción viable al buscarse mayores niveles de producción, donde hay mayor margen para compensar los costos de operar una instalación de este tipo.

[EN] A basic selection of components and a thermoeconomic analysis of an oxygen production plant to be used in the Spanish ceramic industry to implement oxycombustion to reach high temperatures that are demanded in this industry is performed in the following study. For this, typical turbochargers in the automotive industry and heat recovery from other processes are used. A cycle is described where high-purity oxygen using a separation membrane which requires high pressure gradients and inlet temperature. The cycle uses the oxygen and nitrogen flows at high temperature, which result of the air separation, to drive the turbines that moves the compressors used to increase the air pressure. Likewise, thermal energy from flue gases of other process near the facilities of this cycle is exploited. Initially, the aim is to study a cycle that produces 0.12 kg/s of oxygen, corresponding to the requirement of a ceramic plant in Valencia. Therefore, two different cases are analysed in this study for different operation points: Case 1, where an electric compressor is used in the oxygen line to increase the pressure gradient in the membrane by generating vacuum pressure, and, Case 2, where an additional heat source is added and the vacuum generation is performed using a turbocharger. Thus, the oxygen production is analysed from a thermoeconomic view for each of the exposed cases considering typical prices in the industry of natural gas, electricity and high-purity oxygen. Additionally, to calculate energy flows in the cycle, a computational tool called VEMOD is implemented, which has been developed in I.U.I CMT Motores Térmicos, whose initial purpose is the 0D/1D modelling of thermo and fluid dynamic processes in Diesel engines, but currently is flexible to simulate independent elements as turbochargers, coolers, pipes, heat exchangers and separation membranes. Moreover, the economic study of this energy flows is performed by using indicators as energy cost per produced oxygen (in /Tn), consumed energy per produced oxygen (in kWh/kg) and net oxygen production (in kg/s). It was found a maximum of production for Case 1 of 0.1235 kg/s, with a cost of 29 /Tn and a minimum energetic cost per produced oxygen of 6 /Tn for a production level of 0.06 kg/s approximately. Meanwhile, for Case 2, it was calculated a máximum of production of 0.227 kg/s and a cost of 61 /Tn, and, although a minimum value for production cost was not found, taking as a reference a production of 0.12 kg/s as a base, a production cost of 35 /Tn is estimated. Therefore, considering a cost for high-purity oxygen available in the industry of 50 /Tn, it can be mentioned that both cases exhibit profitable behaviours when a production of 0.12 kg/s is achieved. Nonetheless, higher levels of production cost are observed for Case 2 than for Case 1, which is explained with the high amount of thermal energy used in the heater and the low efficiency in the turbocharger implemented to generate vacuum in the oxygen line due the unbalance in the different flows driven in the turbine and the compressor. For this reason, there are more restrictions in the operation of Case 2 from a profitability view. In conclusion, it can be said that Case 1 can be implemented for lower production levels where cost production is a highly restrictive variable, while Case 2 would be a viable option when higher production levels are sought, where there is a higher margin to compensate the cost for operate in this type of installations.