CN1008883B - 分离混合气体的方法以及实施该法的装置 - Google Patents

Abstract

利用分子筛分离混合气体，特别是分离空气，并使其中一台气体压缩机(1)与一台功率回收透平(9)相互传力连接。借助于离开分子筛(5)并通过一个热交换器(8)加热的压缩介质来运转功率回收透平(9)，此时可以节省压缩机(1)一部分的传动能。为了从吸附氧的分子筛(5)中解吸氧气可加热上述分子筛(5)，为此可将在热交换器(8)内燃烧生成的废气引过来。在加热吸附氧的分子筛(5)时可首先通过一台鼓风机(30)使气流通过热交换器(27)形成循环回路。当吸附氧的分子筛(5)达到所需解吸温度后，就可排出纯氧，即可用一台氧气压缩机(41)压缩氧气用于储存或排出使用。

Description

发明涉及一种分离混合气体的方法，特别适用于分离空气。用该法可压缩混合气体并使其通过一个吸附氧的分子筛，再将离开分子筛的气体成分，特别是氮气输送至一个与气体压缩机可离合的，传动连接的透平膨胀机。

从空气中提取工业用气体，例如氧和氮气或氩气的低温精馏装置耗费昂贵，还必须按通常的融化间距进行安装。而且每隔两周左右的时间还须加热留在低温部分的烃，碳酸以及微量水，使其蒸发並排出。因为上述这些物质由于冻结会堵住热交换器通道。

代替低温精馏法的是已知的所谓变压（吸附）法。但是这种方法仅用在规模很小的装置上，因为它需要较高的能耗。即结构较为简单并可取消较长的再生周期这些优点已不足于保证其在需要大量的高能耗的大型企业里实施。不过用这种变压（吸附）法既不可能提取氩气也不可能液化气体。这种变压吸附法是借助于分子筛工作的，而分子筛则是已知的，该分子筛可以有选择地吸附混合气体中的某单个气体成分。并在一定条件下解吸出来。已知一种借助于变压吸附技术分离混合气体的方法，例如在西德公开专利说明书DE-OS    3122701上有所描述。这种已知方法使用了多级吸附装置，以便可以例如，从焦炉煤气中分离提取氢气。

从西德公开专利说明书DE-OS    3319664得知，一种用吸附装置分离净化混合气体的生产方法。从西德公开专利说明书DE-OS3307974也可以得知一种从空气中提取氮的方法。在该法中采用了吸附氧的碳分子筛进行操作。

从西德展出专利说明书DE-AS3150624得知本文开始时所述的方法，该法可将氮气在加压下输送至一个透平膨胀机，而该透平与压缩机的传动装置相联结。然而，其中通过压缩空气只能使加压的氮气被预热到最高为140℃的温度。因此，在这种方式下可以回收的压缩机的传动能仍是很小的。

本发明从这种已知方法出发，用该方法总是只能得到一种较纯的产品气体。而且针对降低能耗，该方法在经济上是有利的。与此同时就有可能做到：可以提取的不仅是一种而至少是混合气体中的两种较纯的气体成分。为解决上述任务，发明是从采用一种吸附氧的分子筛进行运转的方法出发的。并且根据本发明，把离开分子筛的气体成分在导入至透平膨胀机以前加热到200℃以上的温度，最好是500℃至850℃之温度。其中至少使一个热交换器用燃烧器来加热，而该热交换器是用于加热要输送到透平膨胀机的气体成分。分子筛吸附氧气的操作是借助于压缩气体来实现的，而离开分子筛的气体则始终处于加压状态下。可以用一台透平膨胀机，通过该气体的减压膨胀来回收一部分压缩能。并且由此可以节省在这样一种装置中的耗能最大的设备，即空气压缩机的传动能。按这种方式仅在起动时才需要花费全部传动能，而它仅是其极限功率的一个较小部分。因此，在运转中只花费压缩机和透平膨胀机之间的差示功率。

一般来说，吸附氧的分子筛均可在-20℃至+40℃温度范围内工作。因此可使离开空气压缩机的气体在导入到吸附氧的分子筛以前进行冷却。然而透平膨胀机却能以很高的温度运转，而且其效率可随着离开吸附氧的分子筛的气体的加热而显著提高。因此，按照本发明将采取以下措施：将离开分子筛的气体成分在导入到透平膨胀机 平以前加热到200℃以上的温度，最好是500℃至850℃。对要输入到透平膨胀机的气体成分的加热，可通过燃烧器进行。这意味着虽然本发明的装置引用了另外一种能量，可是按照这种方式却能创造一种先决条件：即不仅能提取高纯度的氮气而且还能提取高纯度的氧气。从吸附氧后的分子筛中解吸氧气同样是有利的。所以可以采取措施，将上述分子筛加热到至少150℃，最好是至少200℃，并且在其减压后形成等于或小于大气压的状态。离开分子筛的气体成分在导入到透平膨胀机以前可以借助于燃烧器来进行加热。最好可将热态燃烧形成的废气通入至少另一个热交换器中，用于加热一种介质，以便用加热过的介质加热分子筛以使氧能解吸出来。

在本方法范围内最好是使分子筛不致载有过多的杂质。这种分子筛能吸附氧，而且在加热后应能解吸出氧。为此，最好在吸附氧的分子筛前面，让压缩气体先通过另一个分子筛，特别是吸附H₂O和CO₂的分子筛。可以通过一部分离开透平膨胀机的气体成分，特别是N₂，气对上述的分子筛进行再生。如果气体在进入到透平膨胀机平以前加热到500℃至850℃的温度。由此可以估算在透平膨胀机内其温度总计下降300℃至400℃。因此有一种较热的产品气体可供使用，特别可用这种热气体直接净化再生其它分子筛。

按照本发明的装置：一台气体压缩机与一台透平膨胀机相联结，其特征在于，在吸附氧的分子筛和透平膨胀机之间设置有至少一个用燃烧器供热的热交换器，其中最好再串联另一个热交换器，並使离开功率回收透平的气体通过该热交换器。按这种方式就可使透平膨胀机的效率大大提高。並同时还创造了这样的先决条件。即可提供一种用于加热分子筛的热介质，以便能从吸附氧后的分子筛中解吸 出氧。为了能使吸附氧后的分子筛解吸出氧，应至少使部分气体通过一个热交换器形成循环回路。並向该热交换器提供从燃烧器供热的热交换器出来的燃烧废气。而且使分子筛与一个可关闭的减压管路相连接。在分子筛的解吸氧的过程中必须进行必要的转换操作。为此使吸附氧的分子筛与一台鼓风机连接，並在鼓风机的后面配置一个第一换向阀。当该阀处在某个位置上时就会使气流通过热交换器回到分子筛形成循环回路;当阀处在另一位置上时就使鼓风机与排氧管路相通。因此，在加热吸附氧的分子筛过程中没有用附加的介质，只有一种直接在装置内流动的介质，该介质在分子筛达到解吸氧所要求的温度值以前可以循环使用。而在压力平衡后可抽吸至等于或小于大气压。此时，这种被抽吸的介质在压力达到平衡后基本上含有纯氧。为了随后能对吸附氧过程作快速重新调整，可以在加热解吸氧分子筛用的循环回路上再安装另一个换向阀，即当该阀处在某个位置上时就接通经过采用燃烧器产生的废气供热的热交换器回路;而当阀处在另一位置上时则接通经过一个冷却器的回路。此时可以有选择地接通所用的冷却器使分子筛作冷态运转，以便接着可以重新将压缩空气在较低的温度下导送通过分子筛。可用简单的方法实施分子筛的冷态运转，即可把一个冷却器旁通于连接分子筛与透平膨胀机的管路上。当分子筛达到解吸所需的温度后，为了回收氧气应在鼓风机的后面设置一个换向阀。当要回收氧气时将该阀处于某个位置上使得鼓风机与排氧管路相通。而当分子筛达到所需的温度以前，则用该阀使得气流循环回流。第一换向阀的后面可以连接一台压缩机，以提取并储存压缩氧气。

按照本发明的装置可以提取用于再生分子筛的热态未加压氮，冷态压缩氮气，还可以提取氧气。在导入到透平膨胀机以前加热离开分 子筛的压缩氮可以导致功率效益的提高，並可将其加热到接近1000℃的温度。这是因为现代燃气透平叶片组是处在一种诸如干燥氮气这样很纯净的流体中，其含水量事先已在前面串联的分子筛中除去，所以可引起的腐蚀现象很轻微。使用一个吸附氧的分子筛和一台采用纯净的干燥热态氮气的燃气透平就能使功效大大改善。然而在加热氮气的情况下，已知燃气透平的叶片组所能承受的限度低于采用废烟气的热交换器的管路的疲劳强度。在用高炉煤气加热的情况下，略微超过800℃的温度就已经足以使所用的管路失去其疲劳强度。

借助于一个普通的热交换器可从减压氮气中回收余热，以加热冷态压缩氮气。上述减压氮气是指离开透平膨胀机的氮。因此，例如用高炉煤气加热仅仅是为了获得该热交换器的温差和气体在透平膨胀减压过程中的温度下降。充分利用这些附加的热量，实际上就是把透平效率转换成机械功率。而唯一的由于以附加形式加热热态压缩气体所形成的较大的附加损耗就是作上述加热时的废气热损耗。

耗氧装置，例如气化反应器、环氧吹顶转炉装置或部分氧化装置大多数也生产可燃气体作为附产品。因此可以直接从以上这些耗氧装置引用为开动本发明装置所需的可燃气体。反过来又可以把本发明装置所提取的氧气输送到这些耗氧装置中，或者使这些耗氧装置与所开动的本发明的装置相连接。特别是高炉中产生大量的高炉煤气，此时可以没有多大困难就引用这些煤气。即使在本发明装置中的热交换器漏损时，也仅仅使放出的废烟气中或氮气中的含氧量增加，而不致于会产生其它的危险。

下面借助于附图详述本发明的实施例。

将过滤后的空气输入到压缩机1中，该压缩机上装有一个流量控制机 构2，例如一个螺旋调节装置，供调节使用。把由于受压缩而使其温度升高的压缩空气用一个空气洗涤器3冷却。然后先送到第一分子筛4中，该分子筛用于吸附水，CO₂和烃。接着通入一个用于吸附氧的分子筛5中。彻底脱氧后的气体成分经过一个换向阀6进入到第一个热交换器7中。接着又进入另一个用可燃气体供热的热交换器8中。把按这种方式加热的干燥压缩氮气通向一个透平膨胀机9中，而该透平则通过轴10与压缩机1相联接。压缩机的驱动马达如图中11所示，其中装有一个传动装置12。只有当起动设备时才需要驱动马达11的全部传动功率，而在运行期间驱动马达11只承担压缩机1和透平膨胀机9之间的差示功率。这要经计算确定，以使有限定输送功率的机组可以加速。当所指定的压缩气体成分通过透平膨胀机9膨胀减压时，就由该透平9通过离合器轴10提供大量传动功率。

把通过膨胀减压冷却的、但其温度仍较高的气体通过热交换器7，並随后流入管路13。由此使冷态压缩气体在热交换器8内被加热以前，就先在热交换器7中被予热。而卸压后的氮气则可以由上述管路13排出。还可以把部分这种还较热的、经过大大减压的气体通入一个混合喷咀14，其中用于吸入未加压氮气的调节机构15是受一个测温机构16控制的。以便可以提供具有温度要求的再生气体用于再生已吸附水蒸汽，CO₂和烃后的第一分子筛4。上述再生气体管路在图中用管路17表示。再生气体在通过第一分子筛4以后通入一个排放烟囱18中，该烟囱是用于排放从该分子筛出来的潮湿再生废气。

为了加热介质，在该介质进入到透平膨胀机9以前，先在热交换器8中加热。为此，通过管路19向热交换器8输送可燃气体。其 中使这种可燃气体也象输入到热交换器8的燃烧用的空气那样先通过热交换器22加热。上述的燃烧用的空气则由一台装有相应流量调节机构21，例如螺旋调节装置的鼓风机20来输送。予热过的可燃气体和予热过的燃烧用空气分别经过管路23被输送到热交换器8的燃烧室中。其中使热态燃烧废气通过管路24排出，即如图所示先通入热交换器22，以予热燃烧用空气。然后将该废气再通过烟囱25向外排出。

为了再生吸附氧后的分子筛5，将管路24中的一部分这种燃烧产生的废气在通过热交换器22以前，经一个调温的开关或调节机构26输送到一个热交换器27中。用于调节机构26的测温敏感元件在图中如28所示，并且安装在用于加热分子筛5的循环管路上。为此目的使分子筛5连接管路29和一个附装有流量调节机构，例如螺旋调节装置31的鼓风机30，还安置有第一换向阀32，借助该阀32可把来自分子筛5並经过鼓风机30、引出的气体成分通过管路33和第二换向阀34输送到热交换器27中。离开热交换器27的加热过的介质可以通过循环管路35回送到分子筛5中。对分子筛5的这种逐步加热可在加压下或是不加压状态下进行。其中用于使分子筛5减压的减压阀36是与一个排放烟囱37相通的。

当分子筛5达到所要求的温度以后，可以转换第一换向阀32。此时在分子筛5减压后，可以通过管路38将纯氧气排出。在管路38上有一个氧流量调节机构39，做成抽吸节流阀，其中的流量测量段在图中用40表示。随后还设置一台氧气压缩机41，该机装有常用的安全控制装置，特别是装有防止喘振调节器42，该调节器是由一个终端压力测量计43和一个流量测量段44来控制。上述 调节器还对一个氧气转送阀45起作用，即当该阀开启时可使一部分压缩氧气通过管路46回送到压缩机41的吸入侧。按该方式压缩的氧气可以储存在一个储存器47内，或是直接作为压缩氧气通过管路48排出。

利用燃料输送管路19的高炉煤气，可使热交换器8中的温度加热到约850℃，而不会形成多大的热气腐蚀作用。

按照这种管路布置可使热交换器8的废烟气再次被用于加热分子筛5以达到解吸氧的目的。其中该废烟气在离开热交换器27以后通过管路49回送到废气烟囱25去。

在透平膨胀机9上还可装有一个相应的流量调节机构，例如一个螺旋调节装置50。

Claims (12)

1、特别适用于分离空气的混合气体分离法，该方法包括以下步骤：

-压缩混合气体并使其通过一个吸附O₂的第一分子筛(5)；

-将离开第一分子筛(5)的气体成分，特别是氮气输送至一个与气体压缩机(1)可离合的传动连接的透平膨胀机(9)；该方法的特征在于：

-在将离开所述第一分子筛(5)的气体送入透平膨胀机以前用至少一个由燃烧器供热的第一热交换器将其加热到200℃以上，最好加热到500℃至850℃。

2、按权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述第一分子筛（5）至少加热到150℃的温度，最好至少加热到200℃进行解吸氧，并将其减压成等于或低于大气压。

3、按权利要求1或2的方法，其特征在于：使压缩气体在流过所述第一分子筛（5）前，先流过另一个专门用于吸附H₂O和CO₂的第二分子筛（4），用其中一部分离开透平膨胀机（9）的气体成分，特别是N₂，再生该分子筛。

4、按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在通过所述燃烧器加热要送入透平膨胀机（9）的气体成分时，将所述燃烧器产生的废气送至至少一个第二热交换器（27）来加热一种介质，而该介质是供加热所述第一分子筛（5）作解吸氧用的。

5、实施权利要求1或2所述方法的装置，该装置包括一台气体压缩机（1）和与其相联接的透平膨胀机（9），以及第一分子筛（5），其特征在于：

一在所述第一分子筛（5）与透平膨胀机（9）之间设置有一个由燃烧器供热的第一热交换器（8）和一个与该热交换器相串联的第二热交换器（7），并使离开透平膨胀机（9）的气体通过所述第二热交换器（7）。

6、按权利要求5所述的装置，其特征在于还设置有专用于吸附H₂O和CO₂的第二分子筛（4）该分子筛与所述第一分子筛（5）相连，并借助其中一部分离开透平膨胀机（9）的气体成分得以再生。

7、按权利要求5所述的装置，其特征在于：还设置有第三热交换器（27），用于接收来自燃烧器的废气去加热一种为解吸氧而加热所述第一分子筛（5）的介质。

8、按权利要求7所述的装置，其特征在于：设有为从所述第一分子筛（5）中解吸氧时，使部分气体通过所述第三热交换器（27）形成的循环回路，该回路配置了：一个带有流量调节机构的鼓风机（30），连接第一分子筛（5）的管路（29），从所述鼓风机导出气体成份的管路（33）及将加热后介质导入所述第一分子筛（5）的管路（35）;还设有连接所述第一分子筛（5）的一个可关闭的减压管路（37）。

9、按权利要求8所述的装置，其特征在于：在所述鼓风机（30）及其管路（33）之间设置有一个第一换向阀（32），该阀的一个位置是使气流经第三热交换器（27）循环回到第一分子筛（5），而其另一位置是使鼓风机（30）与一根排氧管路（48）相通。

10、按权利要求9所述的装置，其特征在于：在解吸氧的第一分子筛（5）的循环回路中还配置有第二换向阀（34），该阀的一个位置是与所述第三热交换器（27）形成循环回路，而其另一位置是与一个冷却器形成循环回路。

11、按权利要求10所述的装置，其特征在于;所述冷却器配置在旁通于所述第一分子筛（5）与透平膨胀机（9）连接的管路上。

12、按权利要求9所述的装置，其特征在于还设置有与所述鼓风机（30）和所述第一换向阀（32）相连接的压缩机（41）。