CN101099069A - 用于在将空气引入低温空气分离装置之前预处理该空气的方法及相应设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在将空气引入低温空气分离装置之前预处理所述空气的方法并涉及相应的设备。在用于通过与水(12)直接热交换而冷却含CO2的空气的方法中，改变所用水的酸-碱平衡，以使其pH值大于7，以及使水吸收空气中所含的相当大一部分CO2。

Description

用于在将空气引入低温空气分离装置之前预处理该空气的方法及相应设备
技术领域
本发明涉及一种预处理大气空气的方法，尤其涉及一种在特别通过低温蒸馏来低温分离大气空气之前预处理所述空气的方法、一种预处理装置和一种包括这种预处理装置的分离装置。
背景技术
已知大气空气含有在将所述空气引入空气分离装置的冷芯盒的热交换器中之前必须去除的化合物，尤其是化合物二氧化碳(CO2)和水蒸汽(H2O)。
这是由于，在不进行这种用于去除杂质、CO2和水的空气预处理的情况下，这些杂质在空气冷却到低温温度时将冷凝并固化成冰，这样会产生在设备中尤其是在热交换器、蒸馏塔等中的堵塞问题。
目前，这种空气预处理是在空气压缩机下游按两个阶段实施的：
a)通过管式热交换器和/或通过直接与水接触的冷却塔来预冷由压缩机输出的空气。
一般，这种预冷却按两步进行。
在第一步中，这样将空气冷却到接近环境温度的温度：
-或者通过与大气空气(空气冷却塔)间接热交换；
-或者通过与管式热交换器中的冷却水间接热交换-该冷却水通过直接热交换(大气空气塔)或者间接热交换(水冷却塔)冷却；
-或者通过与填料塔中的冷却水直接热交换-塔中的填料可以是松散的或有序的并与金属(不锈钢)或塑料(聚丙烯)的温度水平有关。
在可能可选的第二步骤中，这样将空气冷却到远低于环境温度的温度：
-或者通过与在管式热交换器中汽化的冷却剂(NH3、R134a等)间接热交换，然后在这种冷却剂膨胀并被引入管式热交换器之前将该冷却剂压缩并使之在接近环境温度的温度下再冷凝-这称为空气制冷；
-或者通过与管式热交换器中的“冷”水间接热交换；
-或者通过与填料塔中的“冷”水直接热交换；如果在第一步骤中选用填料塔，则使用两级塔，也就是说，将这两个预冷却步骤合并到一个并且是同一塔中进行。
这种“冷”水可以通过多种方式得到：
-或者通过与在管式热交换器中汽化的冷却剂(NH3、R134a等)间接热交换；然后在该冷却剂膨胀并被引入管式热交换器之前于将该冷却气压缩并使之在接近环境温度的温度下再冷凝-这称为水制冷；
-或者通过在填料塔中与从低温空气分离装置出来的干燥的脱碳流体直接热交换；这种流体通常是“废”氮气，因为它是利用空气生产氧气的不能利用的副产品-该填料塔称为水氮塔。
b)通过用TSA(变温吸附)法或者PSA(变压吸附)法吸收水蒸汽和二氧化碳以净化空气。
通常，去除CO2和水蒸汽是在多个吸附剂层上进行的，所述吸附层即用于优选阻止水份的第一吸附剂层-例如活性氧化铝层，和用于优选阻止CO2的第二吸附剂层-例如沸石层。大气空气含有350ppm的CO2，但在排放大量CO2的某些工业场所，空气中CO2含量值显然更高(高达600ppm的CO2)。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于通过与水直接热交换来预处理含CO2的空气以使空气冷却的方法，其特征在于，改变用于这种热交换的水的酸-碱平衡，以使水的pH值高于7，并使水吸收空气中所含的相当大部分的CO2。
按照其它可选的方面：
-通过直接接触进行的热交换是利用松散或有序的填料实施的；
-在水中对CO2的吸收包括下列化学平衡中的至少一个：
CO2(g)CO2(aq)(1)，其中g和aq分别表示气相和溶解相；
CO2(aq)+H2OH2CO3(2)；
H2CO3H++HCO3 -(3)；
HCO3 -H++CO3 2-(4)；
-水的温度显著低于环境温度和/或低于通过直接与大气空气热交换所得到的冷却水的温度；
-改变水的酸-碱平衡以使水的pH值高于8；
-水中含有钙，并且在水和空气直接接触期间发生下列化学平衡：
CaCO3↓Ca2++CO3 2-；
-使水在吸收CO2之后与干燥的脱碳(除去碳酸，除去二氧化碳)流体接触，从而该流体充满CO2；
-所述干燥的脱碳流体来自低温空气分离装置；
-所述干燥的脱碳流体富含氮(气)；
-所述干燥的脱碳流体处在低于已冷却的空气的压力的压力下：
-所述干燥的脱碳流体处在接近大气压力的压力下：
-在水和空气直接接触时发生碳酸钙(CaCO3)的沉淀；
-将固体碳酸钙与水分离；
-将第一产品注入水中，以保持水的吸收性(吸收能力)并改变水的pH值；
-所述第一产品属于碱性类型，尤其是石灰、氢氧化钠或氢氧化铵(氨水)；
-所述产品属于酸性类型，尤其是盐酸：
-所述干燥的脱碳流体由与将使用所述空气的空气分离装置相同的空气分离装置输出。
按照其它可选的方面，这种预冷却的特征在于：
-用于吸收CO2的水是“冷”水，因为水的温度越低，它可吸收的CO2的量越大；
-水的pH值高于8；
-吸收还涉及一种钙的化学平衡，例如：
CaCO3↓Ca2++CO3 2-  (5)；
-通过使充满CO2的水与干燥的脱碳流体接触而将CO2解吸并去除，这样干燥的脱碳流体将充装满CO2，所述流体优选来自低温空气分离装置，并伴随通过在填料塔中直接热交换使水冷却；
-这种干燥的脱碳流体富含氮；
-这种干燥的脱碳流体处在低于空气压力的压力下，从而使解吸更容易；
-将CO2解吸并同时以固体碳酸钙沉淀的形式去除该CO2，该沉淀涉及上述类型(5)的钙化学平衡；
-将CO2解吸，同时通过使充满CO2的水与干燥的脱碳流体接触和使固体碳酸钙沉淀的组合去除该CO2，所述流体则充满CO2；
-将一种产品注入该预冷却系统中，以用于保持水的吸收性，尤其是通过改变水的pH值(来保持吸收性)；
-这种用于保持水的吸收性的产品是碱性类型；
-这种碱性类型的产品是可能经过稀释的氢氧化钠NaOH；
-这和碱性类型的产品是石灰Ca(OH)2，其形式为溶液和/或水相悬浮体；
-这种碱性类型的产品含有形式为NH3(aq)(氢氧化铵)或者NH4 +(铵盐)的氨：以及
-如果水的碱性过强，则这种用于保持水的吸收性的产品是酸性产品。
本发明的另一目的是提供一种包括冷却塔的空气预处理装置，该冷却塔通过含CO2的空气与水之间的直接热交换进行冷却，用于这种热交换的水呈pH＞7的碱性，其特征在于，该预处理装置包括用于在冷却塔的上游向水中添加至少一种第一碱性产品以改变水的酸-碱平衡的装置。
本发明的再一目的是提供一种用于从空气中低温地分离气体的分离装置，该分离装置包括具有冷却塔的装置，该冷却塔通过含CO2的空气与水之间的直接热交换进行冷却，用于这种热交换的水呈pH＞7的碱性，其特征在于，该分离装置包括用于在冷却塔的上游向水中添加至少一种第一碱性产品以改变水的酸-碱平衡的装置。
附图说明
图1示出用于在尤其通过低温蒸馏而低温分离大气空气之前压缩、预冷却、预处理和/或净化所述空气的方法。
具体实施方式
包括多个压缩级2和中间冷却器3的压缩机1将空气按常规压缩到约6绝对巴(可在3.5-35绝对巴)的压力，并使空气以约100℃的温度离开最后的压缩级。然后该空气4被引入两级填料塔5，在该填料塔中空气首先在填料塔5的下部6中通过与冷却水8直接接触而冷却到约35℃的温度。该冷却水8预先用来自冷却水总管11的泵10压缩。该冷却水在45℃的温度下离开填料塔5的下部6(流体9)。该空气在约35℃的温度下离开该下部6。应该理解，这种冷却装置可用本文的前序中所述的装置代替。
在填料塔的上部7中，空气通过与处于很大的碱性pH(pH值在8至12之间)的“冷”水12直接接触而冷却，所述水吸收空气中所含的相当大部分的CO2。离开填料塔的上部7的水13处于约30℃的温度：所述水13不返回填料塔的下部6，而是整体地或至少大部分在填料塔5的中间高度处排出。空气14中的CO2含量通常约为10-50ppm，并且该空气的温度约为12℃。充满CO2的水13可部分地净化15，然后在阀16中膨胀到接近大气压的压力，并被引入填料塔17中，在所述填料塔17中它通过与由低温空气分离装置(未示出)所输出的干燥且脱碳的废氮气18直接接触而冷却。在同一填料塔17中，上述水至少部分地解吸(释放)它所含的CO2。从填料塔17出来的废氮气19用水饱和并含有由水解吸的CO2。在离开填料塔时，水20的温度为12℃。该水在泵21中被压缩，并接收第一产品22的注入，所述第一产品可以是碱性的，例如石灰、氢氧化钠或氢氧化铵。这种产品的注入改变水的pH值，以有效吸收CO2。上述产品可在填料塔5的紧前面注入，或者在水循环12、13、20中的任何地方注入。碱性产品的注入通过用于测量水的pH值的检测器控制，或者通过用于测量净化空气14中的CO2含量的检测器控制。同样，如果已经将过多的碱性产品送到水中，则可以证明通过加入酸性的第二产品例如盐酸来校正pH值以保持水吸收CO2的能力是必要的。在产品22的注入点的上游和下游，水可能已去除其中至少一部分固体悬浮物，该悬浮物主要由CaCO3组成。保持水相的悬浮物中的一部分固体以用作沉淀核可能是有用的。
然后干燥离开塔5的空气14，并在两个吸收装置23的一个中使之完全脱碳，所述吸收装置通常含有氧化铝层和分子筛层。同时，另一吸收装置可以通过另一部分由低温空气分离装置所输出的干燥的经过脱碳的废氮气24再生，所述废氮气可能在热交换器25中加热。通过阀系统26，所述吸收装置以吸收方式和然后的再生方式交替使用。离开吸收装置23的空气27是干燥并且脱碳的，因此可以被引入到低温空气分离装置中。

Claims (15)

1.一种方法，该方法用于通过直接与水(12)热交换而预处理含CO2的空气(4)以使空气冷却，其中，改变用于这种热交换的水的酸-碱平衡，以使水的pH值高于7并使水吸收空气中所含的大部分的CO2，其特征在于，使水在吸收CO2之后与来自低温空气分离装置的干燥的脱碳流体(18)接触，从而该流体充满CO2；以及将经预处理的空气送到空气分离装置中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过直接接触进行的热交换是利用松散或有序的填料实施的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在水中对CO2的吸收涉及下列化学平衡中的至少一个：
CO2(g)CO2(aq)(1)，其中g和aq分别表示气相和溶解相；
CO2(aq)+H2OH2CO3  (2)；
H2CO3H++HCO3 -    (3)；
HCO3 -H++CO3 2-    (4)。
4.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，水(12)的温度显著低于环境温度和/或低于通过直接与大气空气热交换所得到的冷却水的温度。
5.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，改变水的酸-碱平衡以使水的pH值高于8。
6.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述水含有钙，在水与空气直接接触期间发生下列化学平衡：
CaCO3↓Ca2++CO3 2-。
7.如权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，所述干燥的脱碳流体(18)富含氮。
8.如权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述干燥的脱碳流体(18)处在低于已冷却的空气的压力的压力下。
9.如权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述干燥的脱碳流体(18)处在接近大气压力的压力下。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在水与空气直接接触时发生碳酸钙(CaCO3)的沉淀。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，从水中分离固体碳酸钙。
12.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将第一产品(22)注入到水中，以便保持水的吸收性并改变水的pH值。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述产品(22)是碱性的，尤其是石灰、氢氧化钠或氢氧化铵。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述产品是酸性的，尤其是盐酸。
15.一种低温空气分离装置，包括空气预处理装置，所述空气预处理装置包括冷却塔(5)，其通过含CO2的空气和水之间的直接热交换进行冷却，用于这种热交换的水呈pH＞7的碱性，其特征在于，该低温空气分离装置包括用于通过在冷却塔的上游向水中添加至少第一碱性产品来改变水的酸-碱平衡的装置(22)、用于使已吸收CO2的水与从低温空气分离装置出来的干燥的脱碳流体(18)接触的装置以及用于将经过预处理的空气送到空气分离装置的装置。
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