CN102072612B - N型模式节能制气方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种N型模式节能制气方法，其特征在于，包括步骤：使用精馏方法从空气中分离出液态第一气体，将分离出的液态第一气体储存；使用第一气体时，再将液态第一气体汽化输出。使用本发明中N型模式节能制气方法和装置，其产气量可按白天用气量的50％左右来设计。50％用气量可在晚上不需要用气时生产后储存，并在白天需要用气时与白天生产的气体一起供给用气装置，总体设备投资大大减小。避免了用户不用气时停车，用气时又要开车的频繁开、停车操作，减少了能源的浪费，同时有利于延长设备使用寿命。夜晚生产液态气体需要的低温介质大部分来由白天回收液态气体汽化所产生；少量低温介质由精馏装置分离出的液态副产品提供，减少了能源的浪费。

Description

N型模式节能制气方法
技术领域
本发明涉及一种N型模式节能制气方法及N型模式节能制气装置。 
背景技术
低温空气分离技术是指：先对空气进行压缩、膨胀降温直至冷却到液化，利用空气中不同组分(氧、氮等)的沸点不同，对空气进行多次的部分蒸发和部分冷凝，从而把氧、氮等组分精馏分离的技术。精馏时需要降低空气的温度，降温时可利用低温介质与空气进行热量交换以降低空气的温度。 
由于低温精馏生产的特点，普通一套空气分离装置的变负荷能力一般是很有限的，即对需要加工分离的空气的流量有一定的上限和下限要求。上限要求：一般大型空气分离装置加工空气量不应超过设计量的5％，小型装置不应超过20％；下限要求：一般空气分离装置加工空气量不应低于设计量的70％，否则就会破坏精馏过程，影响气体产品质量。 
从低温空气分离装置启动到合格出产品气体所需要的时间来看，一般小装置的热开车时间为8小时，大装置热开车时间需要25小时以上，经过热开车之后，才能产出合格的气体。热开车期间需要消耗大量的能源而没有合格产品的产出。因此频繁启、停装置的经济损失很大。 
空气的低温分离过程是一个稳定的生产过程，超过一定范围的变负荷将对产品质量有重大的负面影响；同时，频繁的启、停装置能源消耗很大，经济性很差。 
外界客户对气体的使用情况千差万别。并非所有气体使用单位都需要24小 时连续生产、稳定使用气体，不少气体使用单位是间断用气的。比如有的单位每天白天工作期间用气，而晚上不用气(或用气很少)。我们称这种白天用气、晚上不用气，或者白天不用气、晚上用气的用气模式为N型模式或类N型模式。 
气体的生产特点决定了必须尽量稳定生产气体产品以确保产品质量。但对于N型模式或类N型模式的用气客户，其气体消耗特点是间断用气，例如：白天使用，晚上不使用或很少使用。由于晚上客户不消耗气体或消耗很少的气体，通常空气分离装置的生产将面临如下两种情况。 
情况1：当晚上不使用气体时，由于气态产品难以储存，为避免气态产品放空，空气分离装置就需要停产，但白天来到之前，需要提前热开车；而停产后的热开车成本很高，热开车时间也很长，导致气体产品放空造成单位气体的生产成本提高。因此这种方法不经济，也不实际。 
情况2：白天晚上连续稳定生产，由于客户晚上不用气，气体产品难以储存，为了避免气体产品放空，一般采取以下2个方法回收晚上生产的气体产品。 
方法1：将晚上生产的气体产品通过压缩机压缩到高压(例如15MPa左右)装到钢瓶或其他高压容器中，到白天的时候，减压到合适的压力送出。 
方法2：利用液态产品的体积小，将生产的气态产品通过液化流程生产成液态产品装到低温液体储罐，到白天的时候将液化产品送汽化器(一般采用空气作为热源)汽化后送客户使用。 
对于用气需求是1.5MPa以下的常温气体的客户，以上方法1和方法2，都有大量的能量损失。在晚上储存气体产品的时候，不可避免的要花费大量的能源将气体升压到高压或将气体液化成液态，白天又要减压或汽化，能源损失大。 
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种可节省能源的N型模式节能制气方法。 
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现： 
N型模式节能制气方法，其特征在于，包括步骤：使用精馏方法从空气中分离出液态第一气体，将分离出的液态第一气体储存；在需要使用第一气体时，再将液态第一气体汽化输出。 
优选地是，不使用第一气体时，生产需要使用的第一气体总量的40％～60％，并以液态形式储存；需要使用第一气体时，将以液态形式储存的第一气体汽化输出；同时使用制气装置生产需要使用的第一气体总量的另外60％～40％。 
更优选地是，不使用第一气体时，生产需要使用的第一气体总量的50％，并以液态形式储存；需要使用第一气体时，将以液态形式储存的第一气体汽化输出；同时使用制气装置生产需要使用的第一气体总量的另外50％。 
优选地是，液态第一气体汽化时，回收液态第一气体的冷量，回收的冷量用于精馏分离。 
优选地是，所述的回收冷量是通过液态第一气体在汽化过程中与周围介质进行热量交换，降低周围介质的温度，降低温度后的介质作为精馏时的低温介质。 
优选地是，利用精馏从空气中至少分离出液态第一气体和第二气体，分离出的液态第一气体先储存，分离出的部分第二气体用于冷却空气。 
优选地是，利用精馏从空气中至少分离出液态第一气体和第二气体，分离出的液态第一气体先储存，分离出的部分第二气体在液态第一气体汽化时回收冷量；然后，第二气体为精馏提供冷量。 
优选地是，第二气体回收冷量后，先储存于存储系统中，需要使用第二气体的冷量时，再用于为精馏提供冷量；所述第二气体一部分用于回收冷量，并且在回收冷量之前，首先经过液化循环；所述第二气体另一部分进行液化循环后直接储存于储存装置中。 
优选地是，利用精馏还从空气中分离出液态第三气体，液态第三气体用于冷却空气或为精馏提供冷量。 
优选地是，所述第一气体为氧气；第二气体为污氮气；第三气体为氮气。 
本发明的另一个目的是提供一种节省能源的制气装置。 
N型模式节能制气装置，包括用于从空气中分离出液态第一气体的精馏装置；和将精馏装置分离出的液态第一气体输出的输送装置，其特征在于，还包括第一储存装置，第一储存装置与精馏装置联通，用于储存经精馏装置分离出的液态第一气体；汽化装置，汽化装置与第一储存装置联通，用于将第一储存装置储存的液态第一气体汽化；输送装置与汽化装置联通，用于将汽化后的第一气体输出。 
优选地是，汽化装置还与精馏装置联通，汽化装置用于在汽化液态第一气体时降低从精馏装置分离出的第二气体的温度，并将降低温度后的第二气体输送至精馏装置作为精馏的低温介质。 
优选地是，还包括第二储存装置，用于储存经精馏装置分离出的第二气体；所述第二储存装置与汽化装置联通。 
优选地是，还包括液化循环装置，用于液化进入第二存储系统之前的第二气体，并循环利用液化的第二气体。 
优选地是，还包括第三储存装置，第三储存装置与精馏装置联通，用于储存精馏装置分离出的第三气体。 
优选地是，所述第三储存装置还与第二储存装置联通。 
优选地是，还包括主换热器，主换热器与精馏装置联通；精馏装置可从空气至少分离出液态第一气体、第二气体和第三气体；主换热器用于使从精馏装置分离出的第二气体和第三气体之一或两种与进入精馏装置之前的空气进行热量交换，降低进入精馏装置之前的空气的温度。 
优选地是，还包括副换热器，所述副换热器与精馏装置联通，用于使从精馏装置分离出的液态第一气体与进入精馏装置之前的空气进行热量交换，使液态第一气体汽化，并降低进入精馏装置之前的空气的温度；所述副换热器与输送装置联通，用于将在副换热器进行热量交换后的第一气体输出。 
优选地是，所述第一气体为氧气；第二气体为污氮气。 
优选地是，所述第一气体为氧气；第二气体为污氮气；第三气体为氮气。 
本发明以白天使用第一气体，夜晚不使用第一气体为例说明。使用本发明的方法和装置，白天需要使用第一气体时，装置生产所需第一气体总量的40％～ 60％，同时夜间生产的液态第一气体汽化，提供另外60％～40％的第一气体，液态第一气体汽化时回收冷量，以液态或气态第二气体的形式储存。在夜晚不需要使用第一气体时，液态第二气体被送入精馏与换热系统，为生产液态第一气体补充低温冷量。制气装置在夜晚生产的部分第二气体，经液化循环系统液化后，可以为晚上生产液态第一气体提供冷量。制气装置还可以在白天生产液态第三气体，液态第三气体储存后，可以为晚上生产液态第一气体提供冷量。 
夜晚生产液态第一气体的时候，冷量由三部分组成：一、膨胀制冷系统提供的冷量；二、白天液态第一气体汽化时，回收的冷量；三、污液氮液化循环系统启动，将出精馏与换热系统的气态第二气体增压、膨胀、液化，然后反灌回精馏与换热系统，为空分生产补充冷量。 
在冷量充足时，可以通过精馏从空气中分离出液态第三气体储存在液态副产品贮存系统中。待需要冷量时液态第三气体反灌入精馏与换热系统，可为空分生产补充部分冷量。 
本发明具有如下优点：1、使用本发明中节能制气装置，其产气量可按白天用气量的50％左右来设计。50％用气量可在晚上不需要用气时生产后储存，并在白天需要用气时与白天生产的气体一起供给用气装置，总体设备投资大大减小。2、避免了用户不用气时停车，用气时又要开车的频繁开、停车操作，减少了能源的浪费，同时有利于延长设备使用寿命。3、不用气时，避免了制气装置不停车而造成的产品放空。4、夜晚生产液态气体需要的低温介质大部分来由白天回收液态气体汽化所产生；少量低温介质由精馏装置分离出的液态副产品所提供，减少了能源的浪费。5、由于空气分离装置的电能消耗在成本中相当大的比重，对于白天用气，晚上不用气的用户，白天需要的部分气体是在晚上生产，可降 低成本，提高企业经济效益，同时对平衡电网峰谷值能起到一定的积极作用。 
附图说明
图1为本发明中的N型模式节能制气方法及N型模式节能制气装置原理流程图。 
图2为本发明N型模式节能制气方法及N型模式节能制气装置的工艺设备流程图。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述： 
如图1所示，本发明装置主要由空气过滤与压缩系统、预冷系统、纯化系统、膨胀制冷系统、精馏与换热系统、液态产品贮存系统、液态副产品贮存系统、污氮液化循环系统、汽化与冷量回收系统、氧气压缩与输送系统构成。 
空气依次经空气过滤与压缩系统过滤和压缩后，送往预冷系统，在预冷系统中进行预冷却至一定的温度，送往纯化系统进行纯化处理后，再送往膨胀制冷系统进行膨胀增压，然后送往精馏与换热系统进行精馏。精馏与换热系统包括精馏系统和换热系统。不用气时，精馏产生的液态氧气送往液氧贮存系统储存；需要使用氧气时，一部分氧气来自于精馏生产的液态氧气经过热量交换后所生产；另一部分来自于液氧储存系统储存的液氧，液氧在汽化与冷量回收系统汽化后经产品压缩与输送系统输往用气客户。精馏产生的液态副产品为液氮， 储存在液态副产品贮存系统即液氮储存装置中。精馏产生的污氮气在汽化与冷量回收系统中被降温后，送入污液氮储存装置储存，需要使用污液氮的冷量时，再将污液氮送往精馏与换热系统为精馏提供冷量。部分污氮气经污氮液化循环系统液化后，送往污液氮储存装置，可以为生产液氧提供额外低温冷量。 
污氮液化循环系统，是指从污氮气管道中引出部分污氮气，进行压缩、膨胀、制冷，使部分污氮气液化为污液氮，污液氮送往污液氮储存装置；另一部分污氮气复热后，重新返回污氮气管道中。 
如图2所示，图1中的各系统的组成如下： 
空气过滤与压缩系统：空气过滤器1、压缩机组2、泄压阀3、消音器4。 
预冷系统：空气冷却塔5、氮水预冷塔6、空冷塔出水阀7、循环水泵8、冷水机组9、空冷塔进水阀10、污氮去氮水预冷塔阀35、氮气去氮水预冷塔阀36、氮水预冷塔补水阀64。 
纯化系统：水分离器11、一号吸附筒12、二号吸附筒13、一号吸附筒空气进口阀14、二号吸附筒空气进口阀15、一号吸附筒再生气出口阀16、二号吸附筒再生气出口阀17、一号吸附筒泄压阀18、二号吸附筒泄压阀19、一号吸附筒再生气进口阀20、二号吸附筒再生气进口阀21、一号吸附筒空气出口阀22、二号吸附筒空气出口阀23、均压阀24、电加热器25、再生气泄放阀26、再生气泄放消音器27。 
膨胀制冷系统：空气增压膨胀机28。 
精馏与换热系统：增压后冷却器29、主换热器30、氧换热器31、下塔32、 上塔33、冷凝蒸发器34、过冷器38、液空节流阀39、液氮节流阀40。 
液氧贮存系统：精馏塔液氧输出阀55、液氧罐56。 
污氮液化循环系统：氮气去污氮压缩机阀37、低压污氮气缓冲罐41、污氮压缩机42、中压污氮气缓冲罐43、污氮增压膨胀机44、污氮液化器45、污氮液化器污氮气进口阀46、污液氮罐47、污液氮反灌节流阀48。 
液态副产品贮存系统：精馏塔液氮出口阀49、液氮罐50、液氮去污液氮罐阀51。 
汽化与冷量回收系统：液氧汽化器52、液氧汽化器污液氮输出阀53、液氧汽化器氧气输出阀54。 
产品压缩与输送系统：氧气输出阀57、氧气放空阀58、氧气放空消音器59、低压氧气缓冲罐60、氧气压缩机61、中压氧气缓冲罐62、氧气输出总阀63。 
本发明使用的有关术语中，液空是指液态空气；液氧是指液态氧气；液氮是指液态氮气；污氮是指不纯的氮气；污液氮是指液态不纯氮气。 
以下结合本发明中N型模式节能制气装置的工艺流程说明制气方法。如图2所示，空气经空气过滤器1过滤，压缩机组2压缩后，进入空气冷却塔5冷却。当压缩机组2出口空气压力超过设定值后，会自动通过泄压阀3和消音器4泄放，以保证压缩机组2出口压力的稳定。氮水预冷塔6、空冷塔出水阀7、循环水泵8、冷水机组9、空冷塔进水阀10及氮水预冷塔补水阀64是氮水预冷系统的有机组成部分，主要作用是将空气冷却塔5里喷淋的冷却水进行冷却，从而降低出空气冷却塔5的压缩空气的温度。 
纯化系统中，一号吸附筒12处于吸附状态，则二号吸附筒13处于再生状态。一号吸附筒空气进口阀14打开，一号吸附筒空气出口阀22打开，二号吸附筒空气进口阀15关闭，二号吸附筒空气出口阀23关闭。出空气冷却塔5的压缩空气经水分离器11分离游离水后，进入一号吸附筒12，空气中的水分、二氧化碳和乙炔等碳氢化合物被一号吸附筒12内的吸附剂除去。一号吸附筒再生气出口阀16、一号吸附筒泄压阀18、一号吸附筒再生气进口阀20处于关闭状态。二号吸附筒再生气进口阀21打开，二号吸附筒泄压阀19在泄压期间打开，其余时间关闭；二号吸附筒再生气出口阀17在加热、冷吹期间打开，其余时间关闭；均压阀24在均压期间打开，其余时间关闭；电加热器25在加热期间启动加热再生气，其余时间处于关闭状态；再生气泄放阀26、再生气泄放消音器27的作用是当再生气超压时，对再生气进行泄压，以保证合适的再生气压力。 
被纯化后的干燥清洁的压缩空气分三路：第一路经空气增压膨胀机28的增压端压缩后，依次进入增压后冷却器29和主换热器30冷却，然后经空气增压膨胀机28的膨胀端膨胀后进入上塔33中部参与精馏；第二路经主换热器30被反流氮气和污氮气冷却后进入下塔32；第三路经氧换热器31被反流氧气冷却后进入下塔32。反流氮气和污氮气均来自于上塔33顶部和上部，并经过冷器38复热；反流氧气来自上塔33底部。 
进入下塔32的空气进行初步精馏，在下塔32的塔底得到富氧液态空气，在下塔32的塔顶得到纯氮气。氮气进入冷凝蒸发器34，被来自上塔33底部的液氧冷凝成液氮。一部分液氮作为回流液送回下塔32参与精馏，提供冷量；另一部分液氮经过冷器38过冷、液氮节流阀40节流后送入上塔33顶部，作为上塔33的回流液参与精馏，提供冷量；第三部分液氮作为液氮产品经液氮输出阀49后送到液氮罐50储存。当夜间生产液态氧气冷量不足时，可以通过液氮去污液 氮罐阀51将液氮送入污液氮罐47，然后通过污液氮反灌节流阀48将污液氮反灌回上塔33，补充冷量。 
从下塔32的塔底得到的富氧液态空气，经过冷器38过冷后，经液空节流阀39节流后进入上塔33的中部，作为上塔33中部的回流液，参与上塔的精馏。在上塔33底部得到液氧及氧气，在上塔33顶部得到氮气产品，在上塔33上部引出污氮气。液氧及氧气经氧换热器31与进入下塔32之前的空气换热后输出冷箱(图中点画线内的部分)，经氧气输出阀57输出至氧气压缩和输送系统。生产的液氧可经精馏塔液氧输出阀55送液氧罐56贮存。当上塔输出的氧气压力超压后，氧气放空阀58会自动打开经氧气放空消音器59放空，以保证输出压力的稳定。 
氮气经过冷器38、主换热器30和增压后冷却器29后，经氮气去氮水预冷塔阀36送入氮水预冷塔6底部来冷却循环水。氮气去污氮压缩机阀37在夜间污氮气膨胀量不够时可适当开启，将部分氮气补充给污液氮循环系统。 
污氮气经过冷器38、主换热器30和增压后冷却器29后，一部分经污氮去氮水预冷塔阀35送入氮水预冷塔6底部来冷却循环水；另一部分污氮气从主换热器30后引出，作为再生气经电加热器25加热、二号吸附筒再生气进口阀21送入二号吸附筒13；第三部分污氮气经低压污氮气缓冲罐41、然后被污氮压缩机42压缩后送入中压污氮气缓冲罐43。 
根据氧气用户对氧气需求情况，N型模式节能制气装置可根据不同的状况使用不同的运行模式： 
在白天客户使用氧气时，装置在最大产气氧工况下运行。供应客户的氧气由两部分组成：第一部分由上塔33底部送出，经过氧气输出阀57送出；第二部分由液氧罐56储存的液氧在液氧汽化器52中与来自中压污氮气缓冲罐43的污 氮气进行热量交换后被汽化，再经过液氧汽化器氧气输出阀54，与第一部分氧气会合后进入低压氧气缓冲罐60，然后经氧气压缩机61压缩到特定的压力后，进入中压氧气缓冲罐62，由氧气输出总阀63送至用户用气点。在最大用气工况下，第一部分氧气与第二部分氧气各占需要使用的氧气量的50％；当用户用量下降时，可适当降低汽化的液氧所占的比例。污氮气在液氧汽化器52中与液态氧气换热后被冷凝成污液氮，然后经液氧汽化器污液氮输出阀53送入污液氮罐47贮存，从而将液氧汽化时的冷量回收。 
在夜晚客户不用氧气时，装置在最大产液氧工况下运行。液态氧从上塔33底部抽出，经液氧输出阀55进入液氧罐56储存；整个装置不生产气态的氧气。来自中压污氮气缓冲罐43的污氮气，经过污氮增压膨胀机44的增压端压缩后，经过污氮液化器污氮气进口阀46，进入污氮液化器45后分两路，第一路污氮气中抽后经过污氮增压膨胀机44的膨胀端膨胀降压、降温后，再反流进入污氮液化器45；第二路污氮气继续正流通过污氮液化器45，被反流的低压、低温污氮气冷却、液化成污液氮，被液化的污液氮送入污液氮罐47贮存。反流会污氮液化气器的第一路污氮气复热后送入低压污氮气缓冲罐41之前的污氮气管路中。污液氮罐47储存的污液氮经污液氮反灌节流阀48节流后送入上塔33上部成为上塔33的又一股回流液，并为上塔33带来了额外的低温冷量，使装置在最大产液氧工况下运行。 
在客户使用少量氧气时，同时生产气氧、液氧。上塔33生产的氧气经氧换热器31后，以气态形式经氧气输出阀57送出进入低压氧气缓冲罐60，经氧气压缩机61压缩到特定的压力后，经中压氧气缓冲罐62，由氧气输出总阀63供给用户使用。同时，液氧经液氧输出阀55送液氧罐56贮存。 
以上配置的生产过程实现了制氧装置在用气工况、不用气工况和少量用气工况下的合理生产和供气，减少了设备投资，减少了能源浪费。 
本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。 

Claims (4)

1.N型模式节能制气方法，包括步骤：使用精馏方法从空气中分离出液态第一气体，将分离出的液态第一气体储存；在需要使用第一气体时，再将液态第一气体汽化输出；不使用第一气体时，生产需要使用的第一气体总量的40％～60％，并以液态形式储存，需要使用第一气体时，将以液态形式储存的第一气体汽化输出，同时使用制气装置生产需要使用的第一气体总量的另外60％～40％；利用精馏从空气中至少分离出液态第一气体和第二气体，分离出的液态第一气体先储存，分离出的部分第二气体在液态第一气体汽化时回收冷量，然后，第二气体为精馏提供冷量，第二气体回收冷量后，先储存于存储系统中，需要使用第二气体的冷量时，再用于为精馏提供冷量，所述第二气体一部分用于回收冷量，并且在回收冷量之前，首先经过液化循环；所述第二气体另一部分进行液化循环后直接储存于储存装置中；利用精馏还从空气中分离出液态第三气体，液态第三气体用于冷却空气或为精馏提供冷量；
所述的节能制气方法使用的N型模式节能制气装置，包括用于从空气中分离出液态第一气体的精馏装置和将精馏装置分离出的液态第一气体输出的输送装置，还包括第一储存装置，第一储存装置与精馏装置联通，用于储存经精馏装置分离出的液态第一气体；汽化装置，汽化装置与第一储存装置联通，用于将第一储存装置储存的液态第一气体汽化；输送装置与汽化装置联通，用于将汽化后的第一气体输出；汽化装置还与精馏装置联通，汽化装置用于在汽化液态第一气体时降低从精馏装置分离出的第二气体的温度，并将降低温度后的第二气体输送至精馏装置为精馏提供冷量；还包括第二储存装置，用于储存经精馏装置分离出的第二气体，所述第二储存装置与汽化装置联通；还包括液化循环装置，用于液化进入第二存储系统之前的第二气体，并循环利用液化的第二气体；还包括第三储存装置，第三储存装置与精馏装置联通，用于储存精馏装置分离出的第三气体，所述第三储存装置还与第二储存装置联通；所述第一气体为氧气，第二气体为污氮气，第三气体为氮气。
2.根据权利要求1所述的N型模式节能制气方法，其特征在于，利用精馏从空气中至少分离出液态第一气体和第二气体，分离出的液态第一气体先储存，分离出的部分第二气体用于冷却空气。
3.根据权利要求1所述的N型模式节能制气方法，其特征在于，所述的N型模式节能制气装置还包括主换热器，主换热器与精馏装置联通；精馏装置从空气至少分离出液态第一气体、第二气体和第三气体；主换热器用于使从精馏装置分离出的第二气体和第三气体之一或两种与进入精馏装置之前的空气进行热量交换，降低进入精馏装置之前的空气的温度。
4.根据权利要求3所述的N型模式节能制气方法，其特征在于，所述的N型模式节能制气装置还包括副换热器，所述副换热器与精馏装置联通，用于使从精馏装置分离出的液态第一气体与进入精馏装置之前的空气进行热量交换，使液态第一气体汽化，并降低进入精馏装置之前的空气的温度；所述副换热器与输送装置联通，用于将在副换热器进行热量交换后的第一气体输出。
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