Nel settore dei gas industriali, l'argon, un gas raro ampiamente utilizzato, si ottiene principalmente attraverso la separazione criogenica dell'aria. Il fatto che un'unità criogenica di separazione dell'aria su larga scala-sia dotata o meno di un sistema ad argon non solo influisce direttamente sull'investimento iniziale dell'unità e sul consumo energetico a lungo-termine, ma ha anche un impatto cruciale sull'ottimizzazione del mix di prodotti dell'impianto e sul miglioramento della redditività complessiva. Soprattutto durante la fase di pianificazione di un nuovo impianto, è necessaria un’analisi completa dell’offerta e della domanda del mercato dell’argon nella regione, dei costi di investimento e dei dati sul consumo energetico per selezionare la configurazione ottimale per il progetto e sfruttare appieno il potenziale dell’unità di separazione dell’aria.
In base alle sue proprietà e agli scenari applicativi, l’argon è presente nell’atmosfera a circa lo 0,932%, rendendolo il gas raro più abbondante. Le sue proprietà chimiche sono stabili, non è-infiammabile e non supporta la combustione. Svolge un ruolo importante nella produzione, nell'elettronica, nella fusione dei metalli e in altri campi. Ad esempio, l'argon viene spesso utilizzato come gas di protezione nella saldatura di alluminio, magnesio, rame e loro leghe e acciaio inossidabile, prevenendo efficacemente l'ossidazione o la nitrurazione delle parti saldate a causa del contatto con l'aria, garantendo così la qualità della saldatura. Ad esempio, un'unità di separazione dell'aria per la produzione di ossigeno da 50.000 Nm³/h pianificata per un progetto chimico su larga scala-del carbone in una determinata regione utilizzerà un processo che prevede la purificazione per adsorbimento con setaccio molecolare a temperatura ambiente, la pressurizzazione dell'aria e la compressione interna dei prodotti di ossigeno e azoto. Questo processo sarà combinato con una torre superiore di imballaggio strutturato e un processo di produzione completo di argon di distillazione, con il compressore d'aria azionato da un motore elettrico. Il processo di produzione completo di distillazione dell'argon, attualmente il metodo di produzione principale dell'argon, offre vantaggi significativi come semplicità, facilità d'uso, funzionamento sicuro e stabile ed elevata efficienza di estrazione dell'argon. Nello specifico, una frazione ricca di argon-viene estratta dalle porzioni centrale e inferiore della torre superiore e immessa in un sistema di distillazione dell'argon. La colonna di argon grezzo inizialmente separa l'ossigeno e l'argon, producendo argon grezzo con un contenuto di ossigeno inferiore a 1,5×10⁻⁶. Questo argon grezzo viene quindi immesso in una colonna di argon raffinata per un'ulteriore separazione di argon e azoto, producendo infine un prodotto di argon di elevata purezza-con un contenuto di argon del 99,999%. La ricerca sul mercato dell'argon nella regione rivela un totale di nove unità di separazione dell'aria (ASU) con una capacità di 6.000 Nm³/h o superiore, operative, in costruzione o pianificate. Sei di queste unità sono operative e in grado di produrre argon, con una capacità totale progettata di 5,860 Nm³/h (equivalenti a 84.000 t/a). Tuttavia, a causa di fattori quali l’inattività dei sistemi di argon di alcuni progetti o la produzione al di sotto degli standard, la produzione effettiva di argon è di circa 63.000 t/a, rendendo la capacità di produzione regionale complessiva relativamente limitata.
In termini di costo e prezzo di mercato, il costo unitario di trasporto dell'argon liquido è di 0,8-1,0 yuan per tonnellata/km. Sulla base di questo calcolo, la differenza di prezzo teorica per i mercati entro 200 km è di circa 160 yuan per tonnellata. Per distanze fino a 500 km, la differenza di prezzo supera i 400 yuan per tonnellata, riducendo le barriere di approvvigionamento tra i diversi mercati e consentendo la connessione incrociata. Il prezzo di mercato regionale dell'argon oscilla tra 800 e 1.900 yuan per tonnellata durante tutto l'anno. Calcolato sulla base di un prezzo medio annuo di 1.000 yuan per tonnellata, questo lascia spazio alla redditività.
Analizzando la struttura dei costi di produzione dell'argon, per un'unità di separazione dell'aria di classe 50.000, l'argon, come sottoprodotto, consuma principalmente lavoro di separazione e lavoro di liquefazione, con il lavoro di compressione completamente ammortizzato nei costi dei prodotti di ossigeno e azoto. Il lavoro di liquefazione minimo teorico dell'argon è 0,2391 kW·h/Nm³ (in realtà calcolato come 0,3 kW·h/Nm³). Il lavoro di liquefazione calcolato è 560 × 0.3=168 kW·h/ton. Il lavoro di separazione viene calcolato utilizzando una formula specifica, dove R è la costante universale dei gas, T è la temperatura ambiente, n_O₂, n_N₂ e n_Ar rappresentano rispettivamente le quantità di ossigeno, azoto e argon, p_O₂, p_N₂ e p_Ar sono le pressioni di ciascun componente e p è la pressione totale. I calcoli mostrano che il lavoro di separazione minimo teorico per la separazione completa di 1 Nm³ di aria è di circa 0,01744 kW·h/Nm³ (calcolato a 0,02 kW·h/Nm³). Poiché l'8% del lavoro di separazione è concentrato nell'argon, si calcola che il lavoro di separazione sia 248.000 × 0,02 × 8% × (560 ÷ 1500)=148 kW·h/t. Nel complesso, il costo di produzione dell'argon è di circa 316 kW·h/t, pari a 139 yuan/t. Se si coprono clienti entro un raggio di 200 km e 500 km, dopo aver aggiunto i corrispondenti costi di trasporto, il costo totale dell'argon è rispettivamente di circa 299 yuan/tonnellata e 539 yuan/tonnellata, mantenendo un significativo vantaggio in termini di costi rispetto al prezzo di mercato locale dell'argon. Inoltre la regione dista solo 100 km dalla zona industriale del capoluogo di provincia. Con l’avanzamento della strategia di sviluppo locale di “Rafforzamento della capitale provinciale”, l’industria manifatturiera, in particolare l’industria elettronica e fotovoltaica, introdurrà opportunità di sviluppo e la domanda di argon continuerà a crescere di conseguenza, fornendo un’ampia prospettiva di mercato per le vendite di argon.
Per quanto riguarda i rischi e l’efficienza energetica della produzione di argon, l’attuale processo di produzione di argon di distillazione completa è maturo e affidabile, senza aumentare i rischi per la sicurezza degli impianti. Inoltre, l’aggiunta di un sistema ad argon può aumentare l’efficienza di estrazione dell’ossigeno e ottenere un notevole risparmio energetico. Ad esempio, un'unità di frazionamento dell'aria (ASU) di classe 50.000 può estrarre circa 1.500 Nm³/h di argon (assumendo una velocità di estrazione del 70%). Confrontando le diverse opzioni di configurazione, il tasso di estrazione dell'ossigeno senza il sistema ad argon è del 90,4%, senza risparmio energetico, nessun investimento associato e nessun rendimento. L'opzione con l'amplificatore di efficienza aumenta il tasso di estrazione dell'ossigeno al 97%, con un risparmio energetico di circa il 5%. L'investimento costa 8-10 milioni di yuan, con un risparmio energetico annuo di 8 milioni di yuan e un periodo di ammortamento di un anno, ma non vi è produzione di argon o entrate associate. L'opzione con il sistema ad argon raggiunge un tasso di estrazione dell'ossigeno del 96,4%, con un risparmio energetico di circa il 2,5%, un investimento di circa 15 milioni di yuan, un risparmio energetico annuo di 4 milioni di yuan, una produzione annua di argon di 21.000 tonnellate, un vantaggio annuo del prodotto di 15 milioni di yuan e un periodo di ammortamento di un anno. Inoltre, durante il funzionamento può generare un fatturato annuo di 15 milioni di yuan.
Un'ulteriore analisi dei dati sul consumo energetico rivela che oltre il 90% dell'energia consumata da un'unità di frazionamento dell'aria proviene dal compressore d'aria e dal booster. Prendendo come esempio la configurazione di un sistema ad argon, con una potenza totale del compressore e del booster di 40.000 kW, presupponendo un tempo di funzionamento annuale di 8.000 ore e un prezzo dell'elettricità preventivato di 0,44 yuan, il risparmio energetico è calcolato in 40.000 × 8.000 × 0,44 × 2,5% ÷ 90%=3.91 milioni di yuan. Per quanto riguarda i vantaggi della produzione di argon liquido, una singola unità di separazione dell’aria produce 21.000 tonnellate di argon liquido all’anno. Sulla base del prezzo medio annuo locale dell’argon di 1.000 yuan per tonnellata, ciò genera oltre 15 milioni di yuan di ulteriori benefici annuali. In termini di periodo di ammortamento, se il sistema ad argon è configurato ma non vengono effettuate vendite di prodotti argon liquidi, il costo dell'investimento può essere recuperato in circa quattro anni; se le vendite dei prodotti argon liquidi vengono effettuate regolarmente, l'investimento può essere recuperato in un solo anno. Vale la pena notare che se l'unità di separazione dell'aria non dispone di un sistema ad argon e di una torre booster, la velocità di estrazione dell'ossigeno sarà ridotta, il volume d'aria richiesto per essere gestito dal compressore d'aria aumenterà in modo significativo e il consumo energetico dell'unità di separazione dell'aria del compressore aumenterà. Pertanto, anche senza un sistema ad argon, i progetti convenzionali di unità di separazione dell'aria richiedono in genere una torre booster per ridurre il consumo energetico del compressore.
In sintesi, l’implementazione di un sistema ad argon in grandi unità criogeniche di separazione dell’aria è tecnicamente matura e affidabile, non comporta ulteriori rischi per la sicurezza e può migliorare l’efficienza di estrazione dell’ossigeno e ridurre il consumo di energia. Dal punto di vista economico, la vendita di prodotti argon in linea con la domanda del mercato può recuperare rapidamente gli investimenti e migliorare significativamente la redditività dell’impianto. Inoltre, il sistema ad argon offre capacità di regolazione flessibili, consentendo di attivare e disattivare il sistema ad argon raffinato in base alle fluttuazioni del mercato. La torre dell’argon grezzo può quindi funzionare come torre di rinforzo, continuando a risparmiare energia e consentendo adeguamenti dinamici alla produzione del prodotto. Per le regioni con un robusto mercato dell'argon, si consiglia di utilizzare apparecchiature di estrazione dell'argon per la pianificazione di grandi unità criogeniche di separazione dell'aria per ottimizzare sia i vantaggi economici che l'efficienza energetica.
