CN110608367A - 一种氩气循环利用系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氩气循环利用系统，包括用氩设备、与所述的用氩设备的排气口相连通的第一冷却器、与所述的第一冷却器相连通的第一压缩机、与所述的第一压缩机相连通的过滤器、与所述的过滤器相连通的除氮单元、与所述的除氮单元相连通的第二冷却器、与所述的第二冷却器相连通的第二压缩机、与所述的第二压缩机相连通的第一加热器，所述的第一加热器与所述的用氩设备的进气口相连通，所述的除氮单元包括能够与进入所述的除氮单元的氩气接触的锆铝合金粉、用于对所述的除氮单元进行加热的加热装置。本发明的结构简单，能够有效除去氩气中的杂质，且能够实现氩气的循环利用，从而达到减少能耗，降低单位生产成本的目的。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种氩气循环利用系统及方法。
背景技术
在一些特殊的生产场合，比如3D打印的金属粉末(比如钛粉)生产过程中， 需要大量的氩气对生产过程进行保护，这些氩气一般来自于低温深冷法生产出 的液氩气化而成，在使用之后，大量的掺杂微量杂质的气体被从系统排出，由 于缺乏经济有效的回收及纯化工艺，这些氩气往往被排往大气，造成了很大的 浪费。实际上，在类似3D打印金属粉末的生产过程，氩气的消耗占了整个生产 运行成本的大半以上，如果能将这些本来要被排放掉的氩气重新回收并纯化， 并重新回到生产过程，将会大大降低某些生产工艺的生产成本，提高产品竞争 力。
但是在目前的实际应用中，由于这些被使用过的氩气含有的杂质气体组分 比较多，有氧气、氮气和水等，也含有一些固体颗粒，纯化系统的设计比较复 杂，或者回收成本较高，不具备经济效益，所以系统的氩气回收工艺系统的开 发进度缓慢，对于使用方来说，使用氩气回收纯化工艺系统的成本并不比使用 液氩低，所以购置热情也不高。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种能够减少能源消耗，降低单位生产成本 的氩气循环利用系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明的一个方面是提供一种氩气循环利用系统，包括用氩设备，所述的 氩气循环利用系统还包括与所述的用氩设备的排气口相连通的第一冷却器、与 所述的第一冷却器相连通的第一压缩机、与所述的第一压缩机相连通的过滤器、 与所述的过滤器相连通的除氮单元、与所述的除氮单元相连通的第二冷却器、 与所述的第二冷却器相连通的第二压缩机、与所述的第二压缩机相连通的第一 加热器，所述的第一加热器与所述的用氩设备的进气口相连通，所述的除氮单 元包括能够与进入所述的除氮单元的氩气接触的锆铝合金粉、用于对所述的除 氮单元进行加热的加热装置。
上述氩气循环利用系统可以满足气量较小且循环氩气纯度较好的用氩设备 使用，除氮单元可以吸附氩气中的杂质，包括氮气、氧气和水等，因此，可以 省略除氧单元和干燥单元。
具体地，所述的除氮单元包括具有容腔的外壳体、设置在所述的外壳体的 容腔内且具有位于中间的容置空间和位于外部的容置空间的内壳体、与所述的 内壳体的位于外部的容置空间的一侧相连通的第二进气管、与所述的内壳体的 位于外部的容置空间的另一侧相连通的第二出气管、设置在所述的内壳体的位 于中间的容置空间内的第一加热组件、设置在所述的内壳体的外表面和所述的 外壳体的内表面之间的第二加热组件、设置在所述的内壳体的外表面和所述的 外壳体的内表面之间的保温材料，所述的锆铝合金粉装填在所述的内壳体的位 于外部的容置空间内。该结构的除氮单元能够更好的控制锆铝合金粉的温度， 从而可以提高锆铝合金粉的利用效率。
进一步地，所述的除氮单元还包括设置在所述的内壳体的位于外部的容置 空间的底部的气流分布器，所述的第二进气管与所述的气流分布器相连通，所 述的第二出气管与所述的内壳体的位于外部的容置空间的上部相连通；从而使 得进入除氮单元的氩气通过气流分布器均匀分布至内壳体的位于外部的容置空 间的底部，然后向上运动与锆铝合金粉接触后，自第二出气管排出，利于氩气 和锆铝合金粉的充分接触从而更好的去除氩气中的杂质。
进一步地，所述的第一加热组件为多个且沿着圆周方向均匀设置，所述的 第二加热组件为多个且沿着圆周方向均匀设置，从而使得加热更加均匀。
进一步地，所述的除氮单元还包括设置在所述的第二出气管上的第一测温 元件、插入至所述的锆铝合金粉内的第二测温元件、设置在所述的第一加热组 件上的第三测温元件、设置在所述的第二加热组件上的第四测温元件，从而能 够更好的控制温度。
优选地，所述的氩气循环利用系统还包括设置在所述的过滤器和所述的除 氮单元之间的除氧单元和干燥单元，所述的除氧单元和所述的干燥单元包括至 少两组反应器组，每组所述的反应器组分别包括装填有还原剂的除氧器、进气 口与所述的除氧器的出气口相连通且装填有脱水剂的干燥器，所述的除氧单元 和所述的干燥单元还包括与所述的除氧器的进气口相连接的第一进气管、与所 述的干燥器的出气口相连接的第一出气管、与所述的除氧器的进气口相连接的 第二加热器、与所述的第二加热器相连接的加氢管、分别与所述的第一出气管 和所述的加氢管相连通的加氩管、与所述的干燥器的出气口相连接的排气管。 至少两组反应器组可以保证一组反应器组在对氩气进行除氧干燥的时候，另一组反应器组可以进行还原剂和脱水剂的再生。
进一步优选地，所述的还原剂为MnO，所述的脱水剂为吸水分子筛或其他 优先吸附水的吸附材料。
优选地，所述的氩气循环利用系统还包括用于向所述的氩气循环利用系统 内补充氩气的补气管、用于对所述的氩气循环利用系统抽真空的真空泵。
进一步优选地，所述的补气管连接在所述的第一冷却器和所述的第一压缩 机之间，所述的真空泵连接在所述的第二冷却器和所述的第二压缩机之间。
优选地，所述的氩气循环利用系统还包括设置在所述的第一冷却器和所述 的第一压缩机之间的第一缓冲罐、设置在所述的第一压缩机和所述的过滤器之 间的第二缓冲罐、设置在所述的第二冷却器和所述的第二压缩机之间的第三缓 冲罐、设置在所述的第二压缩机和所述的第一加热器之间的第四缓冲罐。
本发明的另一个方面是提供一种利用所述的氩气循环利用系统进行氩气循 环利用的方法，首先利用补气管和真空泵对所述的氩气循环利用系统进行多次 抽真空、补充氩气、抽真空过程；然后利用所述的第一冷却器将来自所述的用 氩设备的氩气冷却至45℃以下，然后利用所述的第一压缩机对氩气进行增压至 0.8～1.3MPa，再通过过滤器过滤去除所述的氩气内的微量油气和固体杂质，选 择性地进入除氧单元和干燥单元进行除氧和除水，然后进入所述的除氮单元， 控制所述的除氮单元的锆铝合金粉温度在250℃～800℃以除去氩气中的杂质，利 用所述的第二冷却器将所述的氩气的温度降低至45℃以下，然后通过第二压缩 机对氩气进行压缩，再利用第一加热器对氩气进行加热后返回至所述的用氩设 备；当所述的氩气循环利用系统内的压力低于设定值时，利用所述的补气管向 所述的氩气循环利用系统内补充氩气。
本发明的氩气循环利用系统特别适用于氩气消耗量大，从而造成生产成本 居高不下的行业(比如3D打印钛粉生产行业)。
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的结构简单，能够有效除去氩气中的杂质，且能够实现氩气的循环 利用，从而达到减少能耗，降低单位生产成本的目的。
附图说明
图1为具体实施方式的流程示意图；
图2为具体实施方式的除氮单元的纵向剖视图；
图3为具体实施方式的除氮单元的局部剖视图；
图4为图3的剖视图；
图5为气流分布器的俯视图；
图6为除氧单元和干燥单元的结构示意图；
其中，1、用氩设备；2、第一冷却器；3、第一缓冲罐；4、第一压缩机；5、 第二缓冲罐；6、过滤器；7、除氧单元；8、干燥单元；9、除氮单元；10、第 二冷却器；11、第三缓冲罐；12、第二压缩机；13、第四缓冲罐；14、第一加 热器；15、补气管；16、真空泵；71、除氧器；72、第一进气管；73、第一管 路；74、第二管路；75、第一出气管；76、第三管路；77、第四管路；78、加 氢管；79、第二加热器；81、干燥器；82、第五管路；83、第六管路；84、加 氩管；85、排气管；86、第七管路；87、第八管路；88、过滤器；91、内壳体； 92、第一加热组件；93、锆铝合金粉；94、气流分布器；95、第二进气管；96、 第二出气管；97、外壳体；98、第二加热组件；99、保温材料；100、第一测温 元件；101、第二测温元件；102、第三测温元件。
具体实施方式
下面的实施例为用来说明本发明的几个具体实施方式，但并不将本发明局 限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求 书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
本发明中未详细描述的结构等为本领域的常规技术手段。
如图1所示的氩气循环利用系统，包括用氩设备1、与用氩设备1的排气口 相连通的第一冷却器2、与第一冷却器2相连通的第一缓冲罐3、与第一缓冲罐 3相连通的第一压缩机4、与第一压缩机4相连通的第二缓冲罐5、与第二缓冲 罐5相连通的过滤器6、与过滤器6相连通的除氧单元7、与除氧单元7相连通 的干燥单元8、与干燥单元8相连通的除氮单元9、与除氮单元9相连通的第二 冷却器10、与第二冷却器10相连通的第三缓冲罐11、与第三缓冲罐11相连通 的第二压缩机12、与第二压缩机12相连通的第四缓冲罐13、与第四缓冲罐13相连通的第一加热器14、与连接第一冷却器2和第一缓冲罐3的管路相连通的 补气管15、与连接第二冷却器10和第三缓冲罐11的管路相连通的真空泵16， 第一加热器14与用氩设备1的进气口相连通，其中，过滤器6为三级过滤器。
如图6所示，除氧单元7和干燥单元8包括两组反应器组，每组反应器组 分别包括装填有还原剂的除氧器71、进气口与除氧器71的出气口相连通且装填 有脱水剂的干燥器81。还原剂为MnO，脱水剂为吸水分子筛或其他优先吸附水 的吸附材料。
除氧单元7和干燥单元8还包括第一进气管72、分别与第一进气管72和一 个除氧器71的进气口相连通的第一管路73、分别与第一进气管72和另一个除 氧器71的进气口相连通的第二管路74、第一出气管75、分别与一个干燥器81 的出气口和第一出气管75相连通的第三管路76、分别与另一个干燥器81的出 气口和第一出气管75相连通的第四管路77、加氢管78、与加氢管78相连通的 第二加热器79、分别与第二加热器79和一个除氧器71的进气口相连通的第五 管路82、分别与第二加热器79和另一个除氧器71的进气口相连通的第六管路 83、分别与第一出气管75和加氢管78相连通的加氩管84、排气管85、分别与 排气管85和一个干燥器81的出气口相连通的第七管路86、分别与排气管85和 另一个干燥器81的出气口相连通的第八管路87、设置在第一出气管75上的过 滤器88，且过滤器88位于加氩管84的上游。第一进气管72、第一管路73、第 二管路74、第三管路76、第四管路77、第五管路82、第六管路83、第七管路 86、第八管路87、第一出气管75、加氢管78、加氩管84上分别设置有阀门。 除氧单元7和干燥单元8还包括设置在各管路以及除氧器71和干燥器81上的 压力表。
对于气量较小且循环氩气纯度较好的氩气循环利用系统，上述除氧单元7 和干燥单元8可以省略，将三级过滤器的出口直接与除氮单元9相连接，利用 除氮单元9去除氮气、氧气和水等杂志。
如图2至5所示，除氮单元9包括内壳体91，内壳体91具有位于中间且密 闭的容置空间(下述以第一容置空间命名)以及位于外部且密闭的容置空间(下 述以第二容置空间命名)，其中，第二容置空间呈环形，第一容置空间和第二容 置空间由多个壳体拼装而成。本实施例中，第一容置空间的高度高于第二容置 空间，从而便于第一加热组件92(下文将详述)的设置。
内壳体91的第一容置空间内设置第一加热组件92，第一加热组件92为多 个且沿着圆周方向均匀设置，第一加热组件92的个数可以根据需要进行布置， 例如3个、4个、5个、6个等等，如图4所示，第一加热组件92由六根呈U 型的电热管组成，这六根电热管沿着第一容置空间的侧壁均匀分布，从而能够 将内壳体91的温度均匀加热，进而利用内壳体91将温度传递给锆铝合金粉93 (下文将详述)。
内壳体91的第二容置空间内装填有锆铝合金粉93，内壳体91的第二容置 空间的底部设置有气流分布器94，如图5所示，该气流分布器94呈环形，且该 气流分布器94的出气口朝向侧面和底面，从而避免氩气自气流分布器94中冲 出时，对锆铝合金粉93造成冲击，影响锆铝合金粉93的装填密度。第二进气 管95伸入内壳体91的第二容置空间且与气流分布器94相连通，第二出气管96 与内壳体91的第二容置空间的上部相连通，从而自第二进气管95进入的氩气 经气流分布器94自第二容置空间的底部进入第二容置空间，然后向上运动与锆 铝合金粉93接触从而去除氩气中的氮气、氧气和水等杂质，处理后的氩气自第 二出气管96排出。
除氮单元9还包括具有容腔的外壳体97，外壳体97的容腔也为密闭腔体且 是由多个壳体拼装而成。内壳体91设置在外壳体97的容腔内，内壳体91的外 侧壁上固定设置有第二加热组件98，第二加热组件98为多个且沿着圆周方向均 匀设置，第二加热组件98的个数可以为5～35个，优选个数多余第一加热组件 92的个数，如图4所示，第二加热组件98为27个呈U型的电热管组成，从而 能够将内壳体91的温度均匀加热，进而利用内壳体91将温度传递给锆铝合金 粉93(下文将详述)。
除氮单元9还包括设置在内壳体91的外表面和外壳体97的内表面之间的 保温材料99，该保温材料99采用本领域常用的保温棉等均可。
除氮单元9还包括设置在第二出气管96上的第一测温元件100、插入至锆 铝合金粉93内的第二测温元件101、设置在第一加热组件92上的第三测温元件 102、设置在第二加热组件98上的第四测温元件，从而能够更好的控制温度。
在正常使用过程之前，需要使用一台真空泵16并开启补气管15阀门将整 套系统多次重复抽真空-补氩-抽真空，使整套系统内部含有的杂质(氧、氮和水 等)尽可能低，从而降低纯化单元的负荷压力。
使用时，从用氩设备1排放出的氩气，出口压力在0～30Kpa，通过第一冷 却器2冷却至45℃以下，然后通过第一压缩机4，将压力提高至0.8～1.3Mpa， 再通过三级过滤器，除去压缩氩气中含有的微量油气和固体杂质。然后进入纯 化系统。
纯化系统分三个部分：除氧单元7、干燥单元8(也称除水单元)和除氮单 元9。
除氧单元7采用催化氧化工艺，使氩气中含有的微量氧气与装填在除氧器 71中的MnO反应生成MnO2，使氩气中的氧含量低于1ppm，此过程被称为吸氧 过程。除氧器71有两只，当其中一个在工作时候，另一只除氧器71则通过加 氢再生的办法，使之恢复活性，此过程被成为再生过程。原理为：
2MnO+O2＝2MnO2 (吸氧过程)
MnO2+H2＝MnO+H2O (再生过程)
除水单元采用分子筛脱水工艺，此单元也至少包含两只干燥器81，内部装 填吸水分子筛或其他优先吸附水的吸附材料，当氩气通过干燥器81时，氩气中 含有的微量水分被吸附，使氩气干燥至常压露点-65℃以下(水含量低于 5.35ppm)。当一只干燥器81在吸附工作时，另外一个干燥器81在执行再生过 程，即引一路干燥氩气对已经吸附饱和的干燥器81进行加热吹扫再生，然后吹 冷、等待吸附。如此交替工作，从而实现连续运行。
除氮单元9采用了一种锆铝合金粉93，此材料在250℃以上高温状态下， 优选250～800℃下，可以吸附氩气中的其他残余杂质，包括氮气、氧气和水等。 通过此单元，将氩气中的杂质含量控制在允许范围内。
在实际使用过程中，若整套氩气回收系统气量较小且循环氩气纯度较好， 可以省略除氧单元7和干燥单元8，直接使用此除氮单元9去除氩气中的杂质组 分，也能够满足要求。
从纯化单元出来的氩气压力约为0.6～1.2Mpa，此压力往往不能满足用户的 使用要求，还需通过第二压缩机12对其进行增压。首先从纯化单元出来的高温 氩气通过第二冷却器10冷却至第二压缩机12的入口要求(一般要求小于45℃)， 然后通过第二压缩机12的压缩，将氩气压力提升至用户的用氩设备1所需要的 压力，再通过一台第一加热器14，将增压后的氩气温度提升至用户的用氩设备 1所需要的温度，然后进入用户用氩设备1进行使用。
在整个循环过程中，由于损耗、再生过程的放空等因素，会造成整个循环 系统的压力的逐渐下降，需要定期补气，即当系统压力低于一设定值时，开启 一只补气管15的阀门，将外界的氩气补充进来，从而使整个循环系统能够正常 运转。
以一套900Nm3/h氩气循环利用系统装置为例，若用户购置液氩气化使用， 每年需要的费用为2430万元(按照某地液氩价格3500元/吨计算)。若使用本氩 气循环利用系统装置，装置造价1400万元(含土建、安装等)，实际运行能耗 约217Kw/h，综合考虑其他物资消耗(氢气、循环水、补充氩气等)和年维护 保养费用，每年的运行费用为316万元。即使用该氩气循环利用系统装置的投 资回收期为：1400/(2400-316)＝0.66年，即不到8个月即可完全回收成本。经 济效益极为明显。且装置越大，经济性越高。
本发明包括但不限于以上实施例，本领域熟练技术人员可在本发明权利要 求内变换得到更多实施例。
Claims (10)
1.一种氩气循环利用系统，包括用氩设备(1)，其特征在于：所述的氩气循环利用系统还包括与所述的用氩设备(1)的排气口相连通的第一冷却器(2)、与所述的第一冷却器(2)相连通的第一压缩机(4)、与所述的第一压缩机(4)相连通的过滤器(6)、与所述的过滤器(6)相连通的除氮单元(9)、与所述的除氮单元(9)相连通的第二冷却器(10)、与所述的第二冷却器(10)相连通的第二压缩机(12)、与所述的第二压缩机(12)相连通的第一加热器(14)，所述的第一加热器(14)与所述的用氩设备(1)的进气口相连通，所述的除氮单元(9)包括能够与进入所述的除氮单元(9)的氩气接触的锆铝合金粉(93)、用于对所述的除氮单元(9)进行加热的加热装置。
2.根据权利要求1所述的氩气循环利用系统，其特征在于：所述的除氮单元(9)包括具有容腔的外壳体(97)、设置在所述的外壳体(97)的容腔内且具有位于中间的容置空间和位于外部的容置空间的内壳体(91)、与所述的内壳体(91)的位于外部的容置空间的一侧相连通的第二进气管(95)、与所述的内壳体(91)的位于外部的容置空间的另一侧相连通的第二出气管(96)、设置在所述的内壳体(91)的位于中间的容置空间内的第一加热组件(92)、设置在所述的内壳体(91)的外表面和所述的外壳体(97)的内表面之间的第二加热组件(98)、设置在所述的内壳体(91)的外表面和所述的外壳体(97)的内表面之间的保温材料(99)，所述的锆铝合金粉(93)装填在所述的内壳体(91)的位于外部的容置空间内。
3.根据权利要求2所述的氩气循环利用系统，其特征在于：所述的除氮单元(9)还包括设置在所述的内壳体(91)的位于外部的容置空间的底部的气流分布器(94)，所述的第二进气管(95)与所述的气流分布器(94)相连通，所述的第二出气管(96)与所述的内壳体(91)的位于外部的容置空间的上部相连通。
4.根据权利要求2所述的氩气循环利用系统，其特征在于：所述的第一加热组件(92)为多个且沿着圆周方向均匀设置，所述的第二加热组件(98)为多个且沿着圆周方向均匀设置。
5.根据权利要求2所述的氩气循环利用系统，其特征在于：所述的除氮单元(9)还包括设置在所述的第二出气管(96)上的第一测温元件(100)、插入至所述的锆铝合金粉(93)内的第二测温元件(101)、设置在所述的第一加热组件(92)上的第三测温元件(102)、设置在所述的第二加热组件(98)上的第四测温元件。
6.根据权利要求1所述的氩气循环利用系统，其特征在于：所述的氩气循环利用系统还包括设置在所述的过滤器(6)和所述的除氮单元(9)之间的除氧单元(7)和干燥单元(8)，所述的除氧单元(7)和所述的干燥单元(8)包括至少两组反应器组，每组所述的反应器组分别包括装填有还原剂的除氧器(71)、进气口与所述的除氧器(71)的出气口相连通且装填有脱水剂的干燥器(81)，所述的除氧单元(7)和所述的干燥单元(8)还包括与所述的除氧器(71)的进气口相连接的第一进气管(72)、与所述的干燥器(81)的出气口相连接的第一出气管(75)、与所述的除氧器(71)的进气口相连接的第二加热器(79)、与所述的第二加热器(79)相连接的加氢管(78)、分别与所述的第一出气管(75)和所述的加氢管(78)相连通的加氩管(84)、与所述的干燥器(81)的出气口相连接的排气管(85)。
7.根据权利要求6所述的氩气循环利用系统，其特征在于：所述的还原剂为MnO，所述的脱水剂为吸水分子筛或其他优先吸附水的吸附材料。
8.根据权利要求1所述的氩气循环利用系统，其特征在于：所述的氩气循环利用系统还包括用于向所述的氩气循环利用系统内补充氩气的补气管(15)、用于对所述的氩气循环利用系统抽真空的真空泵(16)。
9.根据权利要求1所述的氩气循环利用系统，其特征在于：所述的氩气循环利用系统还包括设置在所述的第一冷却器(2)和所述的第一压缩机(4)之间的第一缓冲罐(3)、设置在所述的第一压缩机(4)和所述的过滤器(6)之间的第二缓冲罐(5)、设置在所述的第二冷却器(10)和所述的第二压缩机(12)之间的第三缓冲罐(11)、设置在所述的第二压缩机(12)和所述的第一加热器(14)之间的第四缓冲罐(13)。
10.一种利用权利要求1至9中任一项所述的氩气循环利用系统进行氩气循环利用的方法，其特征在于：首先利用补气管(15)和真空泵(16)对所述的氩气循环利用系统进行多次抽真空、补充氩气、抽真空过程；然后利用所述的第一冷却器(2)将来自所述的用氩设备(1)的氩气冷却至45℃以下，然后利用所述的第一压缩机(4)对氩气进行增压至0.8～1.3MPa，再通过过滤器(6)过滤去除所述的氩气内的微量油气和固体杂质，选择性地进入除氧单元(7)和干燥单元(8)进行除氧和除水，然后进入所述的除氮单元(9)，控制所述的除氮单元(9)的锆铝合金粉(93)温度在250℃～800℃以除去氩气中的杂质，利用所述的第二冷却器(10)将所述的氩气的温度降低至45℃以下，然后通过第二压缩机(12)对氩气进行压缩，再利用第一加热器(14)对氩气进行加热后返回至所述的用氩设备(1)；当所述的氩气循环利用系统内的压力低于设定值时，利用所述的补气管(15)向所述的氩气循环利用系统内补充氩气。
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