一種低純度氧空氣分離的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空氣分離領(lǐng)域,尤其涉及一種低純度氧空氣分離的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前,深冷低溫工藝的空氣分離裝置廣泛應(yīng)用于化工和冶金行業(yè)等行業(yè),制氧純度要求高,煤化工、煉鋼等行業(yè)所需氧氣純度為99.6%以上。而在有些領(lǐng)域,不需要99.6%以上的純氧,富氧就能滿足要求,氧氣純度在70%?97%,如有色冶煉、富氧燃燒、發(fā)電等領(lǐng)域要求的氧純度約為95%左右,氧氣壓力不高0.4bar?2bar,能滿足輸送過程的阻力損失即可。富氧空分在現(xiàn)實(shí)工業(yè)和未來有很大的市場(chǎng),如200Mffe富氧燃煤就需要純度95%富氧123000Nm3/h。
[0003]空分裝置的原料是大氣,其主要的消耗是能源,因此,在如何進(jìn)一步降低能量消耗顯得尤為重要。對(duì)于采用低溫精餾的成套設(shè)備,提取率和能耗成為評(píng)價(jià)成套設(shè)備經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)的主要參數(shù);空分裝置為用電大戶,在能源日益緊張的情況下,對(duì)于不用行業(yè)不同領(lǐng)域的用戶,為他們提供更低能耗更合理的工藝流程,研制生產(chǎn)出低能耗的成套裝置,不僅可以做到降低能耗,降低生產(chǎn)成本,提高總體經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)日趨緊張的能源需求也可以起到一定的緩解作用。
[0004]深冷空氣分離制氧設(shè)備的最小分離功由裝置制氧量和流程壓力決定,在氧氣量一定的情況下,氧氣純度降低,空氣分離所需的最小分離功減小,制氧能耗降低。因此,對(duì)低純度制氧設(shè)備,不能仍然按常規(guī)傳統(tǒng)的制氧流程對(duì)待,而應(yīng)該從精餾、流程組織等方面來挖潛,研究新型裝置,以降低制氧功耗。
[0005]目前低純度氧氣設(shè)備采用的流程仍然是傳統(tǒng)的雙塔精餾,或者是采用高純度氧氣混合空氣的方法獲得。對(duì)于低純氧設(shè)備采用以上兩種方法制取,能耗高,經(jīng)濟(jì)性差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足提供一種能耗低、經(jīng)濟(jì)性好的低純度氧空氣分離的裝置及方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種低純度氧空氣分離的裝置,包括空氣壓縮系統(tǒng)、前端預(yù)冷純化系統(tǒng)和冷箱,所述空氣壓縮系統(tǒng)包括低壓力空壓機(jī)及高壓力空壓機(jī),所述冷箱包括主換熱器、液氧蒸發(fā)器、膨脹機(jī)的膨脹端及精餾塔,所述精餾塔包括低壓力下塔、高壓力下塔、上塔、低壓力下塔冷凝蒸發(fā)器和位于上塔和高壓力下塔之間的冷凝蒸發(fā)器,所述低壓力空壓機(jī)通過第一管道與前端預(yù)冷純化系統(tǒng)相連接,所述前端預(yù)冷純化系統(tǒng)的第一氣體出口通過第二管道經(jīng)主換熱器與所述低壓力下塔相連;前端預(yù)冷純化系統(tǒng)的第二氣體出口通過第三管道與一膨脹機(jī)的增壓端相連接,所述增壓端通過第四管道連接一水冷卻器,所述水冷卻器通過第五管道經(jīng)主換熱器連接在所述膨脹機(jī)的膨脹端;所述前端預(yù)冷純化系統(tǒng)的第三氣體出口通過第六管道與所述高壓力空壓機(jī)相連接,高壓力空壓機(jī)中抽出口通過第七管道經(jīng)主換熱器與所述高壓力下塔相連;高壓力空壓機(jī)末級(jí)出口通過第八管道經(jīng)主換熱器與所述液氧蒸發(fā)器相連,所述液氧蒸發(fā)器通過第九管道及第一節(jié)流閥連接在所述高壓力下塔中部入口處,所述液氧蒸發(fā)器通過第十管道及第二節(jié)流閥連接在所述低壓力下塔中部入口處;所述膨脹端出口設(shè)置第十一管道與上塔相連;所述高壓力下塔底部液體出口處通過第十二管道及第三節(jié)流閥后與所述低壓力塔冷凝器連接,所述高壓力下塔中部液體出口處連接第十三管道,所述高壓力下塔頂部的液體出口處連接第十四管道,所述第十三管道經(jīng)過一過冷器及第四節(jié)流閥后連接在所述上塔中部入口處,所述第十四管道經(jīng)過所述過冷器及第五節(jié)流閥后連接在所述上塔頂部入口處;所述低壓力下塔底部液體出口處通過第十五管道及第六節(jié)流閥與所述低壓力塔冷凝器連接,所述低壓力下塔頂部的液體出口處連接第十六管道,所述第十六管道經(jīng)過所述過冷器及第七節(jié)流閥后連接在所述上塔的上部入口處,所述低壓力下塔冷凝器的污氮?dú)馔ㄟ^第十七管道與上塔中部入口相連;所述上塔頂部的污氮?dú)獬隹谔庍B接第十八管道,所述第十八管道連接所述過冷器和主換熱器;所述冷凝蒸發(fā)器的液氧側(cè)出口處通過第十九管道和所述液氧蒸發(fā)器連接,所述液氧蒸發(fā)器的氣氧出口通過第二十管道與所述主換熱器連接。
[0008]所述低壓力下塔為工作壓力0.2-0.22MPa,所述高壓力下塔為工作壓力?0.36MPa0
[0009]所述高壓力下塔為塔板數(shù)為25~35或?qū)?yīng)塔盤數(shù)為35~50盤的下塔,所述低壓力下塔為塔板數(shù)為25~35或?qū)?yīng)塔盤數(shù)為35~50盤的下塔,所述上塔為塔板數(shù)為30~40或?qū)?yīng)塔盤數(shù)為52~68盤的規(guī)整填料上塔。
[0010]所述低壓力空壓機(jī)排氣壓力0.25-0.27MPa.所述高壓力空壓機(jī)帶中抽兩段式,中抽壓力0.38,末級(jí)壓力~0.65MPa,可根據(jù)不同氧氣壓力工況,調(diào)整末級(jí)壓力。
[0011]—種低純度氧空氣分離的方法,該方法如下:
空氣經(jīng)低壓力空壓機(jī)壓縮經(jīng)前端預(yù)冷純化后分為三部分:第一部分空氣進(jìn)入主換熱器,被返流氣體冷卻后進(jìn)入低壓力下塔;第二部分相當(dāng)于膨脹量的空氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)的增壓端增壓,增壓后經(jīng)冷卻器冷卻后進(jìn)入主換熱器,冷卻到一定溫度后從主換熱器中部抽出進(jìn)入膨脹機(jī),膨脹后的空氣送入上塔;第三部分空氣進(jìn)入高壓力空壓機(jī)壓縮,抽出一部分進(jìn)入主換熱器冷卻后進(jìn)入高壓力下塔,其余部分經(jīng)高壓力空壓機(jī)進(jìn)一步壓縮,經(jīng)主換熱器冷卻后進(jìn)入液氧蒸發(fā)器作為熱源汽化液氧,出液氧蒸發(fā)器后分成兩股:一股進(jìn)入高壓力下塔中部,另一股進(jìn)入低壓力下塔中部;空氣經(jīng)下塔精餾后,在下塔底部獲得液空,在頂部獲得液氮;
其中,高壓力下塔從上到下產(chǎn)生液氮、貧液空及富氧液空,富氧液空節(jié)流進(jìn)入低壓力下塔冷凝器作為冷源,貧液空經(jīng)過冷器過冷后,節(jié)流進(jìn)入上塔,作為其回流液,純液氮在過冷器中過冷后送入上塔頂部作回流液;低壓力下塔從上到下產(chǎn)生液氮及富氧液空,富氧液空節(jié)流進(jìn)入低壓力下塔冷凝器作為冷源,液氮在過冷器中過冷后送入上塔頂部作回流液,低壓力下塔冷凝器蒸發(fā)后的液空蒸汽送入上塔中部參與精餾;在上塔從上到下產(chǎn)生氮?dú)夂鸵貉?,氮?dú)鈴纳纤敳砍槌龊蠼?jīng)過冷器和主換熱器復(fù)熱至設(shè)計(jì)溫度出冷箱,一股污氮用于分子篩吸附器的再生,另一股送到水冷塔對(duì)水進(jìn)行冷卻,還有一小部分進(jìn)入冷箱,對(duì)冷箱充氣;液氧從上塔底部抽出進(jìn)入液氧蒸發(fā)器,被空氣加熱汽化后進(jìn)入主換熱器復(fù)熱到常溫后送往用戶。
膨脹機(jī)增壓端的氣體來自低壓力空壓機(jī)后的氣體。
[0012]產(chǎn)品氧氣純度70%?97%,產(chǎn)品氧氣壓力0.4bar (G)?2bar (G),氧提取率99%以上。
[0013]空分裝置能耗比常規(guī)雙塔流程低了 10%以上。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案產(chǎn)生的積極效果如下:所述低壓力空壓機(jī)排氣壓力0.25-0.27MPa,裝置能耗有了質(zhì)的降低。所述高壓力空壓機(jī)帶中抽兩段式,中抽壓力0.38,末級(jí)壓力約0.65MPa,可根據(jù)不同氧氣壓力工況,調(diào)整末級(jí)壓力。
[0015]所述低壓力下塔為工作壓力0.2~0.22MPa,所述高壓力下塔為工作壓力?0.36MPa0
[0016]本發(fā)明充分挖掘了精餾塔的精餾潛力,能耗低,比常規(guī)雙塔流程低了 10%以上;操作上比純氧和空氣混合簡(jiǎn)單;產(chǎn)品提取率高達(dá)99%以上。
[0017]本發(fā)明不同于常規(guī)雙塔流程空分裝置,本發(fā)明充分挖掘了精餾塔的精餾潛力,通過流程的合理組織,采用三塔(一臺(tái)高壓力下塔、一臺(tái)低壓力下塔、一臺(tái)上塔)流程制取低純度氧,低壓力空壓機(jī)排壓從0.4MPa降到了 0.27MPa,而空壓機(jī)是空分裝置的用電大戶,空壓機(jī)排壓的降低使得空分裝置整體能耗比常規(guī)雙塔流程低了近10%。該發(fā)明對(duì)降低生產(chǎn)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明生產(chǎn)低純度氧空氣分離的裝置及方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中標(biāo)注為:1、低壓力空壓機(jī);2、前端預(yù)冷純化系統(tǒng);3、高壓力空壓機(jī);4、增壓端;5、水冷卻器;6、主換熱器;7、液氧蒸發(fā)器;8、高壓力下塔;9、冷凝蒸發(fā)器;10、上塔;11、過冷器;12、低壓力下塔;13、低壓力下塔冷凝蒸發(fā)器;14、膨脹端;15、第一節(jié)流閥;16、第二節(jié)流閥;17、第三節(jié)流閥;18、第四節(jié)流閥;19、第五節(jié)流閥;20、第六節(jié)流閥;21、第七節(jié)流閥;22、冷箱;101、第一管道;102、第二管道;103、第三管道;104、第四管道;105、第五管道;106、第六管道;107、第七管道;108、第八管道;109、第九管道;110、第十管道;111、第十一管道;112、第十二管道;113、第十三管道;114、第十四管道;115、第十五管道;116、第十六管道;117、第十七管道;118、第十八管道;119、第十九管道;120、第二十管道。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。
[0021]實(shí)施例一
一種低純度氧空氣分離的裝置,如圖1所示,包括空氣壓縮系統(tǒng)、前端預(yù)冷純化系統(tǒng)2和冷箱22,所述空氣壓縮系統(tǒng)包括低壓力空壓機(jī)I及高壓力空壓機(jī)3,所述冷箱包括主換熱器6、液氧蒸發(fā)器7、膨脹機(jī)的膨脹端14及精餾塔,所述精餾塔包括低壓力下塔12、高壓力下塔8、上塔10、低壓力下塔冷凝蒸發(fā)器13和位于上塔和高壓力下塔之間的冷凝蒸發(fā)器9 ;所述低壓力空壓機(jī)通過第一管道101與前端預(yù)冷純化系統(tǒng)相連接,所述前端預(yù)冷純化系統(tǒng)的第一氣體出口通過第二管道102經(jīng)主換熱器與所述低壓力下塔相連;前端預(yù)冷純化系統(tǒng)的第二氣體出口通過第三管道103與一膨脹機(jī)的增壓端4相連接,所述增壓端通過第四管道104連接一水冷卻器11,所述水冷卻器通過第五管道105經(jīng)主換熱器連接在所述膨脹機(jī)的膨脹端;所述前端預(yù)冷純化系統(tǒng)的第三氣體出口通過第六管道106與所述高壓力空壓機(jī)相連接,高壓力空壓機(jī)中抽出口通過第七管道107經(jīng)主換熱器與所述高壓力下塔相連;高壓力空壓機(jī)末級(jí)出口通