CN101091097A - 用于空气压缩、冷却和净化的集成方法以及设备 - Google Patents

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Abstract

在一种用于空气压缩、冷却和净化的集成方法中，绝热压缩机(1)压缩空气流(2)以产生压缩空气流。该压缩空气流(3)用于加热第一压力下的第一加压流(37)和第二压力下的第二加压流(39)。所生成的流包括升温的第一加压流(7)、升温的第二加压流(9)以及冷却的压缩空气流(4)。升温的第一加压流为气态并且在涡轮机(11)中膨胀。该涡轮机所做功的至少一部分用于为绝热压缩机供给动力。冷却的压缩空气流利用冷却装置(5)通过与水(15、17)进行热交换而被进一步冷却，然后在使用TSA方法的净化装置(8)中净化。升温的第二加压流的至少一部分(9B、9C)用于冷却(31)将要在冷却过程中使用的水，和/或用于加热(43)用于使净化装置再生的气体(45)。

Description

用于空气压缩、冷却和净化的集成方法以及设备
技术领域
本发明涉及集成的空气压缩、冷却和净化的设备以及空气压缩、冷却和净化方法。具体地，本发明涉及使用所述空气压缩、冷却和净化的设备以及方法的低温空气分离设备和空气分离方法。
背景技术
某些市场——尤其是用于天然气转化的市场——需要大量的氧，因此，空气分离设备的尺寸日益增大。因此，有必要增加用于空气分离设备的空气压缩系统的尺寸。
通常使用具有中间冷却器的压缩机供给空气分离设备。对于大型设备，这些压缩机的成本非常高并且它们的尺寸使得安装起来相当昂贵。
为了解决这个问题，可以并行地使用多个压缩机，但是这并不经济。
由于电机的尺寸有限，通常这些大型压缩机通过燃气轮机或蒸汽轮机供给动力。蒸汽轮机使用天然气转化过程所产生的蒸汽。
还已知燃气轮机用以处理空气流的轴流式压缩机比用于空气分离的压缩机大得多。然而，这些压缩机是绝热的，并且由于压缩热不能再循环，其能量消耗令人失望甚至与空气分离不相容。
由美国专利4,461,154已知，在绝热压缩机中压缩的空气可用于预热锅炉的给水。
美国专利6,117,916说明了在发送来自压缩机的空气之前使用来自绝热压缩机的热量以使工作流体升温。空气随后被进一步冷却并送到空气分离设备。
发明内容
本发明的一个目的是有效地使用压缩空气中存在的热量以产生能量。
本发明提供了一种用于空气压缩、冷却和净化的集成方法，其中：
a)绝热压缩机压缩一空气流以产生压缩空气流；
b)所述压缩空气流用于加热第一压力下的第一加压流和第二压力下的第二加压流，并生成升温的第一加压流、升温的第二加压流和冷却的压缩空气流；
c)所述升温的第一加压流为气态并且在涡轮机中膨胀；
d)所述涡轮机所做功的至少一部分用于为绝热压缩机供给动力；
e)所述冷却的压缩空气流利用冷却装置通过与水进行热交换来进一步冷却，然后在使用TSA方法的净化装置中净化；以及
f)所述升温的第二加压流的至少一部分用于下述步骤中的至少一个步骤：冷却将要在冷却过程中使用的水，以及加热用于使净化装置再生的气体。
此外，本发明提供了一种用于空气压缩、冷却和净化的集成设备，该设备包括：
a)用于压缩一空气流以产生压缩空气流的绝热压缩机；
b)至少一个热交换器以及用于将该压缩空气流、第一压力下的第一加压流和第二压力下的第二加压流送入该至少一个热交换器以生成升温的第一加压流、升温的第二加压流和冷却的压缩空气流的管路；
c)涡轮机和用于将所述升温的第一加压流送入该涡轮机的管路；
d)用于将该涡轮机所做功的至少一部分传递给绝热压缩机的装置；
e)利用水进行热交换的冷却装置和用于将所述冷却的压缩空气流送到该冷却装置以生成进一步冷却的压缩空气流的管路；
f)使用TSA方法的净化装置和用于将所述进一步冷却的压缩空气流送到该净化装置中的管路；以及
g)用于将所述升温的第二加压流的至少一部分送入所述冷却装置和净化装置中的至少一个的管路。
对绝热压缩机所产生热量的有效利用使得蒸汽消耗相当于空气分离中通常使用的多级压缩机的蒸汽消耗。
附图说明
为了进一步理解本发明的实质和目的，参照下面结合附图给出的详细说明，其中附图中同样的元件用相同的或类似的标号表示，在附图中：
-图1示出本发明的第一实施例；以及
-图2示出本发明的第二实施例。
具体实施方式
本发明提供了一种用于空气压缩、冷却和净化的集成方法，其中：
a)绝热压缩机压缩一空气流以产生压缩空气流；
b)所述压缩空气流用于加热第一压力下的第一加压流和第二压力下的第二加压流，并生成升温的第一加压流、升温的第二加压流和冷却的压缩空气流；
c)所述升温的第一加压流为气态并且在涡轮机中膨胀；
d)所述涡轮机所做功的至少一部分用于为绝热压缩机供给动力；
e)所述冷却的压缩空气流利用冷却装置通过与水进行热交换来进一步冷却，然后在使用TSA方法的净化装置中净化；以及
f)所述升温的第二加压流的至少一部分用于下述步骤中的至少一个步骤：冷却将要在冷却过程中使用的水，以及加热用于使净化装置再生的气体。
本发明还可包括下列方面中的一个或多个：
a)冷却过程可以是一吸附过程；所述第一和第二加压流是水流；
b)所述第一和第二加压流通过与所述压缩空气流间接接触而蒸发以生成第一和第二蒸汽流；
c)第一加压流的压力高于第二加压流；
d)所述升温的第一加压流的压力高于所述升温的第二加压流；
e)所述升温的第二加压流的至少一部分在涡轮机中膨胀；
f)所述升温的第二加压流的在涡轮机中膨胀的所述至少一部分被送到涡轮机的一中间级；
g)与所述第一和第二加压流相互作用而冷却的空气在所述进一步冷却和净化之后被送入空气分离设备；
h)与所述第一和第二加压流相互作用而冷却的空气在冷却装置中通过与至少一股水流直接接触而进一步冷却并被送入空气分离设备，并且所述至少一股水流在吸收式制冷装置中利用所述升温的第二加压流的至少一部分冷却；以及
i)与所述第一和第二加压流相互作用而冷却的空气在净化装置中净化并被送到空气分离设备，该空气分离设备生成用于使该净化装置再生的富氮流，并且所述升温的第二加压流的至少一部分用于加热该净化装置上游的所述富氮流。
此外，本发明提供了一种用于空气压缩、冷却和净化的集成设备，该设备包括：
a)用于压缩一空气流以产生压缩空气流的绝热压缩机；
b)至少一个热交换器以及用于将该压缩空气流、第一压力下的第一加压流和第二压力下的第二加压流送入所述至少一个热交换器以生成升温的第一加压流、升温的第二加压流和冷却的压缩空气流的管路；
c)涡轮机和用于将所述升温的第一加压流送入该涡轮机的管路；
d)用于将涡轮机所做功的至少一部分传递给绝热压缩机的装置；
e)利用水进行热交换的冷却装置和用于将所述冷却的压缩空气流送到该冷却装置以生成进一步冷却的压缩空气流的管路；
f)使用TSA方法的净化装置和用于将所述进一步冷却的压缩空气流送到该净化装置的管路；以及
g)用于将所述升温的第二加压流的至少一部分送入冷却装置和净化装置中的至少一个的管路。
本发明可另外包括下列特征中的一个或多个：
a)涡轮机和用于将所述升温的第二加压流的至少一部分送到该涡轮机的管路；
b)用于将所述升温的第二加压流的在涡轮机中膨胀的所述至少一部分送到该涡轮机的一中间级的管路；以及
c)冷却装置是直接接触式冷却装置并包括用于将水送入该冷却装置的管路、用于冷却所述水的吸收式制冷装置以及用于将所述升温的第二加压流的至少一部分送到该制冷装置的管路。
根据本发明的一个实施例，提供了一种空气分离设备，该空气分离设备包括上文所述的设备、用于冷却所述在冷却装置中冷却的空气的附加的热交换器、蒸馏塔系统、用于将空气送入塔系统的塔中的管路以及用于从塔系统的塔中取出产品的管路。
该空气分离设备可包括热交换器、用于将富氮流从塔系统送到该热交换器并从那里送到净化装置的管路、以及用于将所述升温的第二加压流的至少一部分送到该热交换器以加热净化装置上游的富氮流的管路。
对绝热压缩机所产生热量的有效使用使得蒸汽消耗相当于空气分离中通常使用的多级压缩机的蒸汽消耗。
在图1中，绝热压缩机1用于压缩空气流2。如果压缩到大约7 bar abs，则空气温度大约是350℃。然后，将空气送到一热交换器3，在该热交换器3中所述空气用于加热两股处于两种不同压力下的水流37、39，以形成处于两种不同压力——例如5 bar abs和30 bar abs——下的蒸汽流7、9。应该理解，根据所要产生的蒸汽流的数量，可用多个热交换器代替交换器3。
在交换器3中冷却的空气4被送入冷却塔5的底部并在该冷却塔中通过与在两个分离的位置引入的水15、17直接接触而进行热交换。流15在进入冷却塔之前在吸附式冷却装置31中利用流9的至少一部分(这里示出为部分流9C)进行冷却。
在冷却塔5中冷却的空气17然后在净化装置8中净化以生成空气流47。该空气流然后被进一步冷却并送到可以是任何已知类型的低温空气分离设备的塔中。
净化装置通过由空气流47供给的空气分离设备所生成的富氮流45定期再生。使用流9的至少一部分(这里示出为部分流9B)使该富氮流45优选地升温到再生温度。
由被送到涡轮机7入口的升温的第一加压流7——其优选地与另一股蒸汽流13混合——供给涡轮机7。将流9的至少一部分(这里示出为部分流9A)送到涡轮机7的一中间级。
使膨胀流23冷凝并与部分冷凝的流9B、9C中的一股或两股一起在泵压之后再循环到交换器3的入口。可将两股水流37、39泵压到不同的压力，或者如所示出的那样，将两股水流泵压到共同的压力并且使一股水流39膨胀。显然，也可以将两股流泵压到共同的压力并进一步将流37泵压到一较高的压力。
根据图2所示的另一实施例，不需要单独的交换器3，该交换器的功能被集成到冷却塔5中。水流37、39和直接来自压缩机1的空气之间的热交换发生在冷却塔5的底部。冷却塔5被分成两个隔室：第一隔室5A和第二隔室5B，其中在第一隔室中在热空气4和水流37、39之间发生间接接触，在第二隔室中在已于第一隔室中冷却的空气和引入第二隔室的至少一股水流15、17之间发生直接接触。隔板21阻止向下通过第二隔室5B的水渗入第一隔室5A，但是允许空气从第一隔室向上进入第二隔室5B。
在第一隔室5A中，处于较高压力下的水流37在隔室底部的温度最高的盘管137中循环，处于较低压力下的水流39在盘管137上方的温度较低的另一盘管139中循环。应该理解，可以使用任何数量的水流和/或盘管。
第二隔室5B包含塔板、规整填料、散装填料或任何其它允许空气和水之间的传质和传热的填料。在塔顶部引入在吸附式冷却装置31中冷却后的水流15，并在第二隔室5B的中间位置引入水流17。空气从第一隔室上升到第二隔室5B中，并在其中通过与水直接热传递而被冷却。在第二隔室的底部取出升温的水41，然后以现有技术所熟知的方式再循环到冷却塔。
下面将说明使用图1的装置的方法的示例。燃气轮机具有一压缩机，其压缩106Nm3/h的空气流，即供给7,000吨每天的空气分离设备的空气。
在正常运行时，压缩机1将到11的空气压缩到8bars的压力，并且其转速为3,600rpm。
如果仅保持压缩机的低压部分，则该压缩机适于用来供给空气分离设备，并可通过3,600rpm的蒸汽轮机供给动力。
如果压缩机的输出为6bars，则需要91MW的蒸汽轮机为压缩机供给动力。实际蒸气消耗相当于71MW的压缩机的消耗。
除了蒸汽轮机外，还可使用电动机为绝热空气压缩机供给动力。
应该理解，尽管在上文中仅示出并说明了本发明的一个实施例，但是本领域的技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行多种修改。

Claims (16)

1.一种用于空气压缩、冷却和净化的集成方法，其中：
a)绝热压缩机压缩一空气流以产生压缩空气流；
b)所述压缩空气流用于加热第一压力下的第一加压流和第二压力下的第二加压流，并生成升温的第一加压流、升温的第二加压流和冷却的压缩空气流；
c)所述升温的第一加压流为气态并且在涡轮机中膨胀；
d)所述涡轮机所做功的至少一部分用于为所述绝热压缩机供给动力；
e)所述冷却的压缩空气流利用冷却装置通过与水进行热交换来进一步冷却，然后在使用TSA方法的净化装置中净化；以及
f)所述升温的第二加压流的至少一部分用于选自下列过程中的至少一个：
(i)冷却将要在所述冷却过程中使用的所述水；以及
(ii)加热用于使所述净化装置再生的气体。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述第一和第二加压流是水流。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述第一和第二加压流通过与所述压缩空气流间接接触而蒸发以生成第一和第二蒸汽流。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述第一加压流的压力高于所述第二加压流。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述升温的第一加压流的压力高于所述升温的第二加压流。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述升温的第二加压流的至少一部分在所述涡轮机中膨胀。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，将所述升温的第二加压流的在所述涡轮机中膨胀的所述至少一部分送到所述涡轮机的一中间级。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于，与所述第一和第二加压流相互作用而冷却的所述空气在所述进一步冷却和净化之后被送到空气分离设备。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，与所述第一和第二加压流相互作用而冷却的所述空气在所述冷却装置中通过与至少一股水流直接接触而进一步冷却并被送到空气分离设备，在吸收式制冷装置中利用所述升温的第二加压流的至少一部分冷却所述至少一股水流。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，与所述第一和第二加压流相互作用而冷却的所述空气在净化装置中净化并被送到空气分离设备，所述空气分离设备生成用于使所述净化装置再生的富氮流，并且所述升温的第二加压流的至少一部分用于加热所述净化装置上游的所述富氮流。
11.一种用于空气压缩、冷却和净化的集成设备，包括：
a)用于压缩一空气流以产生压缩空气流的绝热压缩机；
b)至少一个热交换器以及用于将所述压缩空气流、第一压力下的第一加压流和第二压力下的第二加压流送到所述至少一个热交换器以生成升温的第一加压流、升温的第二加压流和冷却的压缩空气流的管路；
c)涡轮机以及用于将所述升温的第一加压流送到所述涡轮机的管路；
d)用于将所述涡轮机所做功的至少一部分传递给所述绝热压缩机的装置；
e)利用水进行热交换的冷却装置；
f)用于将所述冷却的压缩空气流送到所述冷却装置以生成进一步冷却的压缩空气流的管路；
g)使用TSA方法的净化装置以及用于将所述进一步冷却的压缩空气流送到所述净化装置的管路；以及
h)用于将所述升温的第二加压流的至少一部分送到所述冷却装置和所述净化装置中的至少一个的管路。
12.根据权利要求11的设备，其特征在于，所述设备包括涡轮机和用于将所述升温的第二加压流的至少一部分送到所述涡轮机的管路。
13.根据权利要求12的设备，其特征在于，所述设备包括用于将所述升温的第二加压流的在所述涡轮机中膨胀的所述至少一部分送到所述涡轮机的一中间级的管路。
14.根据权利要求12的设备，其特征在于，所述冷却装置是直接接触式冷却装置并包括用于将水送到所述冷却装置的管路、用于冷却所述水的吸收式制冷装置以及用于将所述升温的第二加压流的至少一部分送到所述制冷装置的管路。
15.一种包括根据权利要求12的设备的空气分离设备，所述空气分离设备还包括用于冷却在所述冷却装置中冷却的所述空气的附加的热交换器、蒸馏塔系统、用于将空气送到所述塔系统的塔中的管路以及用于从所述塔系统的塔中取出产品的管路。
16.根据权利要求16的设备，其特征在于，所述设备包括：
a)热交换器；
b)用于将富氮流从所述塔系统送到所述热交换器并从该热交换器送到所述净化装置的管路；以及
c)用于将所述升温的第二加压流的至少一部分送到所述热交换器以加热所述净化装置上游的富氮流的管路。
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