Trong lĩnh vực khí công nghiệp, argon, một loại khí hiếm được sử dụng rộng rãi, chủ yếu thu được thông qua quá trình tách không khí ở nhiệt độ thấp. Việc một-thiết bị tách không khí đông lạnh quy mô lớn có được trang bị hệ thống argon hay không không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến khoản đầu tư ban đầu và mức tiêu thụ năng lượng-lâu dài của thiết bị mà còn có tác động quan trọng đến việc tối ưu hóa tổ hợp sản phẩm của nhà máy và cải thiện lợi nhuận tổng thể. Đặc biệt trong giai đoạn lập kế hoạch xây dựng nhà máy mới, cần phải phân tích toàn diện về cung và cầu thị trường argon trong khu vực, chi phí đầu tư và dữ liệu tiêu thụ năng lượng để chọn cấu hình tối ưu cho dự án và phát huy tối đa tiềm năng của bộ phận tách khí.
Dựa trên các đặc tính và kịch bản ứng dụng của nó, argon hiện diện trong khí quyển với tỷ lệ xấp xỉ 0,932%, khiến nó trở thành loại khí hiếm dồi dào nhất. Đặc tính hóa học của nó ổn định, không-dễ cháy và không hỗ trợ quá trình đốt cháy. Nó đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất, điện tử, luyện kim loại và các lĩnh vực khác. Ví dụ, argon thường được sử dụng làm khí bảo vệ trong hàn nhôm, magie, đồng, hợp kim của chúng và thép không gỉ, ngăn chặn hiệu quả quá trình oxy hóa hoặc nitrat hóa các bộ phận hàn do tiếp xúc với không khí, từ đó đảm bảo chất lượng mối hàn. Ví dụ: một thiết bị tách không khí sản xuất oxy có công suất 50.000 Nm³/h theo kế hoạch cho một dự án hóa chất than-quy mô lớn ở một khu vực nhất định sẽ sử dụng quy trình bao gồm tinh chế hấp phụ sàng phân tử ở nhiệt độ môi trường xung quanh, điều áp không khí và nén bên trong các sản phẩm oxy và nitơ. Quá trình này sẽ được kết hợp với tháp đóng gói có cấu trúc phía trên và quy trình sản xuất argon chưng cất hoàn toàn, với máy nén khí được điều khiển bởi động cơ điện. Quy trình sản xuất argon chưng cất hoàn toàn, hiện là phương pháp sản xuất argon phổ biến, mang lại những ưu điểm đáng kể như đơn giản, dễ vận hành, vận hành an toàn và ổn định cũng như hiệu suất chiết argon cao. Cụ thể, phần giàu argon{12}}được chiết xuất từ phần giữa và phần dưới của tháp phía trên rồi đưa vào hệ thống chưng cất argon. Cột argon thô ban đầu tách oxy và argon, tạo ra argon thô có hàm lượng oxy nhỏ hơn 1,5×10⁻⁶. Sau đó, argon thô này được đưa vào cột argon tinh chế để tiếp tục tách argon và nitơ, cuối cùng tạo ra sản phẩm argon có độ tinh khiết cao với hàm lượng argon là 99,999%. Nghiên cứu về thị trường argon trong khu vực cho thấy có tổng cộng chín đơn vị tách khí (ASU) có công suất 6.000 Nm³/h hoặc lớn hơn, đang hoạt động, đang xây dựng hoặc đã lên kế hoạch. Sáu trong số các tổ máy này đang hoạt động và có khả năng sản xuất argon, với tổng công suất thiết kế là 5,860 Nm³/h (tương đương 84.000 tấn/a). Tuy nhiên, do các yếu tố như hệ thống argon của một số dự án không hoạt động hoặc sản xuất không đạt tiêu chuẩn, sản lượng argon thực tế đạt khoảng 63.000 tấn/năm, khiến năng lực sản xuất chung của khu vực tương đối hạn chế.
Xét về mặt chi phí và giá thị trường, chi phí vận chuyển đơn vị argon lỏng là 0,8-1,0 nhân dân tệ/tấn/km. Dựa trên tính toán này, chênh lệch giá lý thuyết cho các thị trường trong phạm vi 200 km là khoảng 160 nhân dân tệ/tấn. Đối với khoảng cách lên tới 500 km, chênh lệch giá vượt quá 400 nhân dân tệ/tấn, giảm rào cản cung cấp giữa các thị trường khác nhau và tạo điều kiện cho kết nối chéo. Giá thị trường argon trong khu vực dao động từ 800 đến 1.900 nhân dân tệ/tấn trong suốt cả năm. Tính toán dựa trên mức giá trung bình hàng năm là 1.000 nhân dân tệ/tấn, điều này tạo cơ hội cho lợi nhuận.
Phân tích cơ cấu chi phí sản xuất của argon, đối với thiết bị tách không khí loại 50.000, argon, với tư cách là sản phẩm phụ, chủ yếu thực hiện công việc phân tách và hóa lỏng, trong đó công việc nén được phân bổ hoàn toàn vào chi phí của các sản phẩm oxy và nitơ. Công hóa lỏng tối thiểu theo lý thuyết đối với argon là 0,2391 kW·h/Nm³ (thực tế tính toán là 0,3 kW·h/Nm³). Công suất hóa lỏng được tính toán là 560 × 0.3=168 kW·h/tấn. Công việc phân tách được tính toán bằng một công thức cụ thể, trong đó R là hằng số khí phổ quát, T là nhiệt độ môi trường, n_O₂, n_N₂ và n_Ar lần lượt là lượng oxy, nitơ và argon, p_O₂, p_N₂ và p_Ar là áp suất của từng thành phần và p là áp suất tổng. Các tính toán cho thấy công suất phân tách tối thiểu theo lý thuyết để tách hoàn toàn 1 Nm³ không khí là khoảng 0,01744 kW·h/Nm³ (tính ở 0,02 kW·h/Nm³). Vì 8% công phân tách tập trung ở argon nên công phân tách được tính là 248.000 × 0,02 × 8% × (560 ÷ 1500)=148 kW·h/t. Nhìn chung, chi phí sản xuất argon là khoảng 316 kW·h/t, tương đương 139 nhân dân tệ/tấn. Nếu phục vụ khách hàng trong bán kính 200km và 500km, sau khi cộng chi phí vận chuyển tương ứng, tổng chi phí argon lần lượt là khoảng 299 nhân dân tệ/tấn và 539 nhân dân tệ/tấn, duy trì lợi thế đáng kể về chi phí so với giá thị trường argon địa phương. Hơn nữa, vùng này chỉ cách khu công nghiệp của tỉnh lỵ 100km. Với sự tiến bộ của chiến lược phát triển "Tăng cường thủ đô cấp tỉnh" tại địa phương, ngành sản xuất, đặc biệt là ngành điện tử và quang điện, sẽ mở ra các cơ hội phát triển và nhu cầu về argon sẽ tiếp tục tăng theo, mang lại triển vọng thị trường rộng lớn cho doanh số bán argon.
Liên quan đến những rủi ro và hiệu quả năng lượng của việc sản xuất argon, quy trình sản xuất argon chưng cất hoàn toàn hiện nay đã hoàn thiện và đáng tin cậy mà không làm tăng rủi ro về an toàn nhà máy. Hơn nữa, việc bổ sung hệ thống argon có thể tăng hiệu suất tách oxy và tiết kiệm năng lượng đáng kể. Ví dụ, một thiết bị tách không khí loại 50.000 (ASU) có thể chiết xuất khoảng 1.500 Nm³/h argon (giả sử tốc độ chiết xuất là 70%). So sánh các tùy chọn cấu hình khác nhau, tỷ lệ chiết oxy mà không cần hệ thống argon là 90,4%, không tiết kiệm năng lượng, không cần đầu tư liên quan và không mang lại lợi nhuận. Tùy chọn với bộ tăng cường hiệu suất sẽ tăng tỷ lệ chiết oxy lên 97%, tiết kiệm năng lượng khoảng 5%. Khoản đầu tư này tiêu tốn 8-10 triệu nhân dân tệ, với mức tiết kiệm năng lượng hàng năm là 8 triệu nhân dân tệ và thời gian hoàn vốn là một năm, nhưng không có sản lượng sản phẩm argon hoặc doanh thu liên quan. Tùy chọn với hệ thống argon đạt được tỷ lệ chiết oxy là 96,4%, tiết kiệm năng lượng khoảng 2,5%, đầu tư khoảng 15 triệu nhân dân tệ, tiết kiệm năng lượng hàng năm là 4 triệu nhân dân tệ, sản xuất argon hàng năm là 21.000 tấn, lợi ích sản phẩm hàng năm là 15 triệu nhân dân tệ và thời gian hoàn vốn là một năm. Hơn nữa, nó có thể tạo ra doanh thu hàng năm 15 triệu nhân dân tệ trong quá trình hoạt động.
Phân tích sâu hơn về dữ liệu tiêu thụ năng lượng cho thấy hơn 90% năng lượng tiêu thụ của bộ tách khí đến từ máy nén khí và máy tăng áp. Lấy cấu hình của hệ thống argon làm ví dụ, với tổng công suất máy nén và máy tăng áp là 40.000 kW, giả sử thời gian vận hành hàng năm là 8.000 giờ và giá điện dự kiến là 0,44 nhân dân tệ, mức tiết kiệm năng lượng được tính là 40.000 × 8.000 × 0,44 × 2,5% `90%=3.91 triệu nhân dân tệ. Về lợi ích của việc sản xuất argon lỏng, một đơn vị tách khí duy nhất có thể sản xuất 21.000 tấn argon lỏng mỗi năm. Dựa trên giá argon trung bình hàng năm tại địa phương là 1.000 nhân dân tệ/tấn, điều này tạo ra hơn 15 triệu nhân dân tệ lợi ích bổ sung hàng năm. Xét về thời gian hoàn vốn, nếu hệ thống argon được cấu hình nhưng việc bán sản phẩm argon lỏng không được thực hiện thì chi phí đầu tư có thể được thu hồi trong khoảng bốn năm; nếu việc bán sản phẩm argon lỏng được thực hiện bình thường thì khoản đầu tư có thể được thu hồi chỉ sau một năm. Điều đáng chú ý là nếu bộ phận tách khí thiếu hệ thống argon và tháp tăng áp thì tốc độ trích oxy sẽ giảm, lượng không khí cần xử lý bởi máy nén khí sẽ tăng lên đáng kể và mức tiêu thụ năng lượng của bộ phận máy nén khí sẽ tăng lên. Do đó, ngay cả khi không có hệ thống argon, các thiết kế bộ tách khí thông thường thường yêu cầu tháp tăng áp để giảm mức tiêu thụ năng lượng của máy nén.
Tóm lại, việc triển khai hệ thống argon trong các thiết bị tách không khí đông lạnh lớn là hoàn thiện về mặt kỹ thuật và đáng tin cậy, không gây thêm rủi ro về an toàn và có thể cải thiện hiệu suất tách oxy cũng như giảm mức tiêu thụ năng lượng. Về mặt kinh tế, việc bán các sản phẩm argon phù hợp với nhu cầu thị trường có thể nhanh chóng thu hồi vốn đầu tư và cải thiện đáng kể lợi nhuận của nhà máy. Hơn nữa, hệ thống argon cung cấp khả năng điều chỉnh linh hoạt, cho phép chuyển đổi vào và ra hệ thống argon tinh chế dựa trên biến động của thị trường. Tháp argon thô sau đó có thể hoạt động như một tháp tăng áp, tiếp tục tiết kiệm năng lượng và cho phép điều chỉnh năng động trong quá trình sản xuất sản phẩm. Đối với những khu vực có thị trường argon phát triển mạnh, thiết bị chiết argon được khuyến nghị sử dụng cho thiết bị tách không khí đông lạnh cỡ lớn nhằm tối ưu hóa cả lợi ích kinh tế và hiệu quả năng lượng.
