CN1042313A - 富氧空气系统 - Google Patents

Abstract

把变压吸附系统(PSA)与空气混合系统相结合，以提供所需纯度的富氧空气，特别是在产品流速范围介于需要液氧和在现场设立空气分离低温装置之间所使用。

Description

本发明涉及富氧空气。更具体地说，本发明涉及通过使用变压吸附和有关的空气混合控制系统生产富氧的空气。

在许多工业应用中，为提高燃烧的效果，希望使用富氧的空气。在这些应用中，液氧通常被装运到现场的液氧贮罐，以便与空气混合，制备所需纯度的富氧空气。用于此目的的液氧通常氧浓度在99.5%以上。如果在工作现场需要保证有足够的富氧空气，则可以在现场设置低温空气分离装置，以便降低在这些工业应用中与生产和输送富氧空气有关的总费用。

对某些应用的一种可选方法包括使用适于一般空气分离操作的可渗透膜。这些膜一般把空气分离成高纯度的非渗透氮气流和富氧的渗透气流。膜系统简单且一般仅生产纯度为30-40%的富氧空气，而不需要与空气混合。对某些小规模的应用来说，可以使用现场渗透膜系统提供富氧空气。也可采用变压吸附系统（PSA）来生产富氧空气。

然而，实际工业操作的重要领域仍然存在，在这些操作中，把液氧从集中设置的低温空气分离装置装运到现场的贮存设备，随后与空气混合，对于满足工业设备对富氧空气的需要，这仍然是最经济的方法。尽管如此，与这样由液氧生产富氧空气有关的总费用是较高的，对提高燃烧炉的效率和实现这类炉子在操作中的能量节省来说，显著地影响着使用富氧空气的可能性。人们明白，对最有效的操作来说，不同的燃烧炉将要求不同纯度的富氧空气。因此，对于这类的燃烧操作，技术上需要对富氧空气的生产进行改进，特别是需要能够以所需的纯度生产富氧空气，并以比现有的用空气与液氧混合更低的费用来提供富氧空气。

因此，本发明的一个目的是提供一种生产富氧空气的改进系统。

本发明的另一个目的是提供一个在现场生产富氧空气的改进系统，它不基于装运液氧到装置现场。

本发明的这些和其它的目的，在下文将详详描述，本发明的新的特征在附加的权利要求中将特别指出。

控制PSA系统和空气混合装置就可得到所需氧浓度的富氧空气。监测系统的流量及纯度就能够使来自空气压缩机装置的适量空气与来自PSA系统的富氧混合。

下面，将特别参考附图来进一步描述本发明，其中：

图1是本发明的一个特定实施例的PSA系统和空气压缩机及混合装置的整体工艺流程图;

图2示出了图1实施例的变化的工艺流程图，其中对加入混合空气和产品增压压缩都是使用单一压缩装置;

图3示出了图1实施例的另一变化的工艺流程图，其中对加入混合空气和产品增压压缩都用单一压缩装置，且控制混合空气管。

本发明的这些目的是通过利用PSA系统和混合装置来实现的，以满足特殊应用对富氧空气的要求，这些要求通常高于那些通过使用液氧最经济地满足的生产要求，但低于在现场的低温装置可满足的要求。

在PSA工艺过程中，含较易吸附组分和较难吸附组分的原料混合气通常是在较高的吸附压力下通入能选择性地吸附较易吸附组分的吸附床。此后减压到较低的解吸压力，解吸所吸附的易吸附组分，并从该吸附床除去易吸附组分。之后，吸附床再加压，并将另一批量的原料混合气引入该吸附床。因此，该吸附床的吸附-解吸循环操作是连续进行的。这样的PSA工艺过程通常是在多床系统中进行的，每个床采用相同的PSA循环处理顺序，在系统的其它床中，这样的处理顺序相互关连地进行。在用来分离空气的PSA系统中，可以采用把氮作为较易吸附组分选择性地吸附，而把氧作为较难吸附组分加以回收的吸附剂。沸石分子筛是这种类型的吸附剂，它是在选择性吸附氮的吸附带的前缘形成并从床的加料端向床的产品端扩展的平衡基础上操作的，可以用在生产氧或氮作为所需产品的PSA工艺循环过程中。在后一种情况下，也同时回收富氧空气流。本领域技术人员也十分清楚，以速度的选择性为基础操作而不涉及在床中形成并扩展吸附带的碳分子筛也能够选择性地吸附氧，而不吸附氮，同样也可以用来生产高纯度的氧，或生产富氧空气流。在一些特殊的实施例中，本发明可以采用任意的这样的工艺过程，制备适合于与空气混合的含氧气流，以得到所需氧浓度的富氧空气流。

使用众所周知的沸石分子筛，例如5A和13X型沸石分子筛，用于生产高纯度氧的一般PSA工艺循环过程，生产的氧的纯度约为90～95%，而使用碳分子筛甚至达到更高的纯度，例如直到约99.5%。在把氮作为所需产品生产的PSA工艺循环过程中，可以回收一般纯度约为30～90%（典型的约为30～50%）的含氧气流，根据本发明，也可以与空气混合，这取决于富氧空气产品中所要求的氧的浓度。

如上所述，PSA系统在较高的吸附压力和较低的解吸压力之间操作，解吸压力通常是大气压或负压。虽然较高的吸附压力一般高于大气压，但在应用中较高的吸附压力也可以位于大气压左右，在此时产生的富氧气流与空气混合，如本文中公开的和权利要求中所述。

现在参看附图，管1中的原料空气流通到原料空气压缩机2，加压到所要求的压力，然后通过管3进入PSA系统4，把空气分离成氧和富氮气流。所述PSA系统可以是任何常规或已知的PSA系统，基于所使用的沸石分子筛、碳分子筛或任何其它的吸附剂，就能够从原料空气中选择性地吸附氮或氧，生产适合与空气混合的富氧气流，以达到所要求的氧浓度。

人们懂得，PSA系统通常都采用一或几个吸附床在吸附阶段，原料气在较高的压力下通入该一或几个吸附床，而系统中的其它吸附床在进行再生和加压。这样的再生包括解吸阶段，在该阶段，易选择性吸附的组分氮或氧从吸附剂中解吸出来，并由吸附床排出。在附图所示的实施例中，氧作为较难吸附组分通过管5加以回收，而氮作为较易吸附组分通过管6排出，在真空压缩机7的作用下，作为高纯度的氮气产品，或作为富氮付产品，或作为废气流，通过管8从系统中排出。

管5中的富氧气流（可以装在产品缓冲贮罐9中）通过一般的气体纯度分析仪10进行监测。该分析仪10与信号发射器相连，适于发射一输出信号（通常用标号11表示）到工艺过程计算机/控制器12。在管5中，富氧也通过产品孔板流量计13，后者监测富氧气流的流量，并且也与常用的信号传感器连接，适于发送一输出信号（通常用标号14表示）到上述工艺过程计算机/控制器12。上述气体纯度分析仪10和管5中的产品孔板流量计13的下游，设置有过程流量或流量极限控制阀15，以控制到混合室16的富氧气流，在混合室16中，所述富氧气流与来自管17的空气混合，以产生所需的富氧空气产品。

来自管5的富氧与来自管17的空气混合后，从混合室16进入出口管18，用一般的气体纯度分析仪19进行监测，分析仪19与一信号发射器相连，适于发出一输入信号（通常用标号20表示）到上述工艺过程计算机/控制器12。出口管18中的混合富氧空气从本发明的整个系统通到下游的应用场地（一般用标号21表示）。如果需要，在出口管18中可采用流量控制阀装置22，以控制来自本发明PSA-氧混合系统的富氧空气到下游应用场地21的流量。

从所需压力下的混合空气压缩机23把混合空气收集在管17中，以便与管5中的富氧气流混合。在混合室16中进行这样的混合之前，管17中的混合空气通过混合空气孔板流量计24，监测上述混合空气的流量，它也与常用的空气流量信号发射器相连，适于发出一输出信号（用标号25表示）到上述工艺过程计算机/控制器12。

在混合空气压缩机23和上述混合空气孔板流量计24之间，排气管26从管17伸出，以便排出不需要在混合室16中与富氧气流混合的那部分混合空气。排气管26包括混合控制阀27，以便控制从管17输送到排气管26的混合空气的量。另外，可以调节压缩机23，例如用速度控制或导流叶片，以改变混合流速。

编制工艺过程计算机/控制器12的程序，使其发出输出信号（用标号28表示）到过程流量控制阀15，并发出一输出信号（用标号29表示）到混合控制阀27。本领域技术人员明白，PSA系统4通常都有循环控制装置30，以便以适当的操作程序控制系统中的每一个床的PSA循环操作。在本发明几个较好的实施例中，上述控制装置30适于发出一个输出信号（用标号31表示）到工艺过程计算机/控制器12。在这些实施例中，编写工艺过程计算机/控制器的程序，使其发出一输出信号（用标号32表示）到上述PSA控制装置30，以便控制需要整个系统相应波动时的PSA系统4的操作。

在运行中，使用气体纯度分析仪10监测管5中富氧气流的纯度，并发出与富氧纯度成比例的过程变化输入信号到计算机/控制器12。使用产品孔板流量计13监测管5中上述富氧气流的流速，并发出一个与富氧气流量成比例的输入信号到上述计算机/控制器12。利用这种输入的信息与正比于管18中氧浓度的工艺变量输入信号及流量信号25，工艺过程计算机/控制器12就可以发出一输出信号到管5上的过程流量控制阀15和混合空气排放管26上的混合控制阀27。这样，来自PSA系统的富氧量和来自混合系统的混合空气量就可以由工艺过程计算机/控制器12来控制并调节，因而，富氧空气流（用出口管18上的气体纯度分析仪19监测）可以输送所需总量的氧用于下游应用场地21中的预定目的。因此，根据最终富氧空气的纯度和所要求的流速，可以监测和控制本发明的PSA和混合系统，以便来自混合系统的适量空气与来自PSA系统的富氧气流混合，产生所需的富氧产品。

利用本发明的系统可以生产所需氧浓度范围很宽的富氧空气，从低至22%到高达约90%，较好的是从25%到70%的氧（按体积计）。虽然可以采用本发明在现场以适合于有效地操作PSA系统的任何所需流速生产富氧空气，但是，对所需的浓度，以5-100吨/日（较好的是15-60吨/日）的产量生产富氧空气，实施本发明特别有利。如上所述，更大的产量一般最好是使用现场的低温装置生产，而更小的产量通过使用从集中的、远离现场的低温空气分离装置装运的液氧与空气混合，或通过一确定产量和纯度范围的膜系统来供应是有利的。

如本文公开和权利要求所述，实施本发明所用的PSA系统可以在很宽的所需压力范围内，根据下游现场富氧空气产品要满足的加工应用要求，供应与空气混合的富氧空气。操作压力一般约为0到200Psig，常用的是5～100Psig，最常用的是5～50Psig。在通常的二床PSA系统中，工艺循环操作包括使用的一般沸石分子筛吸附材料的真空解吸，这样的系统可以以大约5Psig的较高的吸附压力提供富氧气流，该气流适合于在上述压力下与空气混合，生产所要求的富氧空气产品。上述产品气可以用于任何下游的加工应用，该应用需要特定的氧浓度，而该氧浓度通过本发明的总的PSA-空气混合系统是很容易实现的。在整个燃气工业如钢铁工业中有许多应用需要这样产量的富氧空气，通过实施本发明可以有效而经济地保证供应。对于燃烧，使用富氧空气代替一般空气，已知能够使燃烧炉更有效地操作，并且能够降低与这样的工业燃烧操作相联系的能量需要。本领域的技术人员懂得，富氧空气有许多其它的应用，这类富氧空气的生产要求是这样的，以致于本发明的PSA-空气混合系统对使用现场的低温装置、液氧或膜来说，是有吸引力的替代方案。

通过把液氧输送到现场贮存装置，然后使液氧与空气混合来供应富氧空气时，大家知道，液氧的氧浓度约为99.5%。在这种情况下，液氧的贮存和空气混合系统的结合涉及有关的静态混合操作，其中很高的固定氧纯度的气流一般与常量的空气混合，以提供所需氧纯度的混合富氧空气气流。另一方面，本领域技术人员明白，PSA系统的操作是较为动态性的，带有不适合于液氧-空气混合系统的波动和变化。调节总系统和PSA系统本身的特性，使其与这些动态操作条件相适应，就显示出了非常有利的特点，提高了采用本发明的总的可行性，在工业上重要的一些应用中，最有效地满足了对富氧空气的需要。因此，本发明的较佳的实施例中，输入信号31从PSA循环控制装置30传送到工艺过程计算机/控制器12，而输出信号32则返回到上述控制装置30，能够监测和控制PSA系统。因此，PSA系统和空气混合系统能够有效地相互作用，以提供所需产量的富氧空气，

当所要求使用的富氧空气的压力高于PSA系统的排放压力时，就需要使用增压压缩机。如果混合鼓风机和产品增压压缩机的功能相结合的话，使之成为仅仅一台压缩装置，那么本发明的系统则可以简化，并且费用可以减少。

图2和图3示出了两个不同的可选控制流程图，此时使用一增压压缩机来加入混合空气和把最终的富氧空气流增压到所要求的压力。

下面参考图2，PSA产品气和混合空气在增压压缩机23的吸入侧相混合。总的产品流量在产品流量计24a处测量，而PSA纯度在分析仪10处监测。已知混合空气纯度、PSA纯度和最终产品流量及纯度，就可以用工艺过程计算机/控制器12计算所需的PSA流量及混合空气流量。然后，通过发出信号28到PSA产品阀15控制这种分流量，该阀调节PSA产品流量（用产品流量计13监测）到要求的量。一旦PSA产品流量固定，通过管26的混合空气流量也就确定了。混合空气可以经固定节流阀例如单向阀、压力调节器或其它的这类装置27进入管26。

增压压缩机23可以是任何类型的压缩机装置，用来压缩适合于富氧使用的气体，例如往复式压缩机离心鼓风机或压缩机等等。增压压缩机23可以用许多方式控制其容量，包括监测排放压力或流量和把信号发送到容量控制装置，例如变速马达、循环阀、卸料机阀或其它的装置，因此，机器容量的协调需要用流量和压力。在图2中，在下游设置一个可选用的背压调节器33，利用绕压缩机23的循环管34中的压力来控制容量。

现在参看图3的变化，混合空气的流量可以用产品流量计24监测，它适合于把输出信号35发送到工艺过程计算机/控制器12，然后用阀27控制混合空气流量，而不在13和15处监测和控制PSA产品流量。在本发明的一些没有增压的实施例中，可以使用许多可能的控制流程图，监测不同的流量和纯度。

大家将明白，图2和图3的实施例（在较高压力应用方面较好）除上述指出的外，其它的都是根据图1的实施例进行的。

本领域的技术人员都明白，这里描述的PSA-空气混合系统的细节可以进行各种各样改变和改进，都不超出在附加的权利要求中提出的本发明的保护范围。因此，大家都知道，PSA系统可以采用任意数目的吸附床，并且可以根据已知循环的连续工艺步骤进行操作。吸附剂可以从任何已知的吸附剂中选择，只要其吸附机理与所要求的特殊类型的吸附机理即速度选择吸附或平衡选择吸附机理不相矛盾即可。PSA系统也可以采用沸石分子筛吸附剂吸附，以得到一较高的氧浓度，使用碳分子筛吸附剂吸附，在与空气混合之前，可以达到更高的氧纯度。

本发明系统的机械性能也可以从一种应用到另一种应用而改变，这主要取决于所述应用的要求和在特定工作现场可用的装置。油浸式螺旋压缩机可以用来压缩空气，但是，任何其它适合的油润滑或非油润滑的空气压缩装置也可采用。大家都明白，各种各样的容量控制装置，例如变速马达，内循环阀和吸入阀卸料机都可以用来按照工艺过程计算机/控制器12的输出信号调低空气压缩装置，而不再需要上述所提的排气控制装置。虽然上述公开的孔板装置对测定PSA输出管中和空气混合管中的气体流量是合适的装置，但是，任何其它合适的工业现有流量测量装置也可用来测定上述管线中气流的量，并且把输入信号传送到工艺过程计算机/控制器，以用于本发明的总的混合控制目的。同样，用于控制富氧从PSA系统通到混合室的量的富氧产品气流控制阀也可以用一般的三通阀或其它能根据工艺过程计算机/控制器的输出信号调节气体流量的现有流量控制装置代替。本领域的技术人员也知道，混合室可以是任何方便的区域，在此，来自PSA系统的富氧空气和来自混合系统的空气可以混合，并作为所需氧纯度和压力的混合富氧空气产品从系统通过。如果需要，也可以采用辅助压缩装置，以把PSA系统的富氧气流的压力提高到所要求的产品压力。本领域技术人员都知道，特殊燃烧系统可以要求随富氧空气流速变化而变化的不同的氧纯度，当然，在实施本发明时这可以很容易地实现。

综上所述，大家都理解，为生产富氧空气和把这样的富氧空气以所需氧纯度供应下游应用，各种各样的工艺技术都是可用的。大家还理解，上述的每一工艺技术对特定的总的操作要求是特别有利的。本发明在变压吸附技术领域提供了非常重要的改进，使之能有效地实际用于这样的富氧空气应用中。由于使用PSA系统的现有选择范围扩大到了某些足够大的应用中，其中液氧系统相对较贵，但现场低温系统使用效益太低，而本发明的重要贡献在于经济地开发了使用富氧空气来提高工业方面的重要燃烧的应用。

Claims (21)

1、一种生产富氧空气的系统，包括：

(a)含有一个或几个吸附床的变压吸附系统，该吸附床能从空气中把氧或氮作为较易吸附组分而选择性地吸附，并从上述系统分别回收空气中的较难吸附组分和较易吸附组分；

(b)在所要求的吸附压力下，把原料空气通入上述吸附系统的装置；

(c)富氧气流的导管装置，用该装置使来自PSA系统的原料空气中的较难吸附组分或较易吸附组分作为所要求压力的富氧气流通过，以便下一步与空气混合；

(d)空气压缩装置，用来把混合空气压缩到上述所要求的压力，以便与上述的富氧气流混合；

(e)混合空气导管装置，用以使来自空气压缩装置的压缩过的混合空气通过，以便下一步与上述富氧气流混合；

(f)在所要求的压力下混合上述的富氧气流与上述的混合空气的混合区，生成富氧的产品空气流；

(g)用于把上述的富氧空气流通到下游应用的卸料导管装置；

(h)用于把在上述混合空气导管中的压缩过的部分混合空气通到排出口的排放导管装置；

(i)工艺过程计算机/控制器装置，适合于接收在上述富氧气流导管装置中富氧流速输入信号和在上述混合空气导管装置中的混合空气的流速输入信号、在上述富氧气流导管装置中和在上述排放导管装置中的氧纯度输入信号，并适合于传送控制上述富氧气流和上述混合空气流流速的输出信号，从而使上述气流混合，产生所需氧纯度的富氧空气；

(j)纯度监测装置，用于监测上述富氧气流导管装置中的富氧气流纯度和上述排放导管装置中的产品富氧空气流的纯度，上述监测装置包括发送器装置，用来根据测量的纯度发送输入信号到上述的工艺过程计算机/控制器装置；

(k)流量监测装置，用来监测在上述富氧气流导管装置中的上述富氧气流的流速，和监测设置在上述排放导管装置上游的上述混合空气导管装置中的混合空气的流速，上述监测装置包括发送器装置；用来根据测量的流速把输入信号发送到上述工艺过程计算机/控制器；

(l)流量控制阀装置，位于上述富氧气流导管装置中和上述排放导管装置中，用来控制富氧和混合空气通入混合区的量，上述的流量控制阀装置按来自上述工艺过程计算机/控制器装置的输出信号动作，因此，来自PSA系统的富氧和混合空气可以适当地混合，产生具有所需氧浓度的富氧产品空气。

2、根据权利要求1的系统，适宜于以大约5-100吨/日的速度生产富氧产品空气。

3、根据权利要求2的系统，其特征是上述产品的生产量大约为15-60吨/日。

4、根据权利要求1的系统，其特征是，上述流量监测装置包括设置在监测管线上的孔板流量计。

5、根据权利要求1的系统，其特征是，变压吸附系统（PSA）包括二个或二个以上吸附床。

6、根据权利要求5的系统，其特征是，上述PSA系统在负压下下进行解吸操作。

7、根据权利要求1的系统，其特征是，上述富氧产品空气的氧纯度约为22-99%（按体积计）。

8、根据权利要求7的系统，其特征是，上述氧产品纯度约为25-95%。

9、根据权利要求1的系统，其特征是，上述吸附床能把氮作为空气中的较易吸附组分而选择性地吸附。

10、一种生产富氧空气的系统，包括：

（a）含有一个或几个吸附床的变压吸附系统，该吸附床能把通到上述系统的原料空气中的氧或氮作为较易吸附组分而选择性地吸附，用导管装置回收原料空气中的较易吸附组分或较难吸附组分，作为随后在所要求压力下与空气混合的富氧气流，

（b）在上述要求的压力下，压缩混合空气的空气压缩装置，以便与上述富氧气流混合，上述空气压缩装置包括控制上述混合空气流速的控制装置;

（c）混合上述富氧气流和上述混合空气的混合区;

（d）用于把富氧产品空气通到下游应用的排放导管装置;

（e）工艺过程计算机/控制器装置，适宜于接收相应的富氧流速输入信号、上述混合空气的流速输入信号、上述富氧气流和上述富氧空气产品的氧纯度输入信号，并适于发出控制上述富氧气流和上述混合空气流速的输出信号，从而使富氧空气产品为所要求的氧纯度;

（f）用于监测富氧气流纯度和富氧空气产品纯度的纯度监测装置，该监测装置并且用来根据测量的纯度把输入信号发送到上述工艺过程计算机/控制器;和

（g）用于监测上述富氧气流和通到上述混合区的上述混合空气流速的的监测装置，该装置并且用来根据测量的流速把输入信号发送到上述工艺过程计算机/控制器，由此，来自PSA系统的富氧与混合空气可以适当地混合，产生所要求氧浓度的富氧空气产品。

11、根据权利要求10的系统，其特征是以大约为5-100吨/日的速度生产富氧空气产品。

12、根据权利要求11的系统，其特征是，上述产品的生产容量大约为15-60吨/日。

13、根据权利要求10的系统，其特征是，PSA系统包括二个或二个以上吸附床。

14、根据权利要求13的系统，其特征是，包括适于按照PSA系统的操作条件把输入信号发送到上述工艺过程计算机/控制器装置的变压吸附控制系统，上述控制装置适于接收来自上述工艺过程计算机/控制器装置的输出信号，以便改变上述的操作条件，从而可以调节PSA系统的性能，以保证以所需的产品流量和纯度从PSA系统回收上述富氧气流。

15、根据权利要求10的系统，其特征是，上述空气压缩装置包括一油浸式螺旋压缩机。

16、根据权利要求10的系统，其特征是，控制混合空气流速的上述控制装置包括用于排出由上述空气压缩装置通到上述混合区的部分混合空气的排气装置。

17、根据权利要求16的系统，其特征是，上述排气装置包括按工艺过程计算机/控制器的输出信号动作的流量控制阀装置，用于控制排放到排气口的混合空气部分和通到上述混合区的部分。

18、根据权利要求10的系统，其特征是包括容量控制装置，用来根据来自工艺过程计算机/控制器装置的信号调低上述空气压缩机的产量。

19、根据权利要求10的系统，其特征是，上述氧产品纯度约为22-90%（按体积计）。

20、根据权利要求19的系统，其特征是，上述氧产品纯度约为25-50%。

21、根据权利要求10的系统，其特征是，上述吸附床能把氮作为空气中的较易吸附组分而选择性吸附。

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