CN209116371U - 一种低能耗稳定供气的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种低能耗稳定供气的系统，包括活塞式空气增压机、高效后冷却器、增压透平膨胀机、具有五个分隔的流体回路的主换热器、精馏塔上塔、精馏塔下塔、具有四个分隔的流体管的过冷器、低温液氮储罐以及低温液氮储罐；本实用新型通过空分产生的原本浪费的氮气被液化，由于充分利用了液氧的冷量，氮气的液化成本降低，液氮产生的效益基本抵消了使用液氧增加的成本，总体还降低了综合能耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及空气分离技术领域，尤其涉及一种低能耗稳定供气的系统。
背景技术
氧气在工业上广泛的应用，在很多行业(如电弧炉炼钢)氧气用量波动较大，有些行业因依赖电力而控制晚上生产量大白天生产量小，也使得晚上用氧气量大而白天用氧气量小的特点。
一般来说，这些行业用氧气平均量较大，所以很多都采用低温空气分离装置(以下简称空分装置)供氧气。
基于这样的用气波动问题，现有的解决方案主要有以下几种，一种是调节整套空分装置，使得装置适应新的工况，然而，空分装置设计一整套设备，包括压缩机、纯化器、膨胀机、精馏塔，一旦用气工况发生变化就需要调整整套工艺，这将异常的繁杂，特别是精馏塔，精馏塔是很难调节的，且空分装置在特定的设计工况其能耗是最低的，工况变化之后能耗也会增加。另一种方案是，将氧气产量设计为平均的氧气用量，当氧气用量低于平均用量时，将多余用量液化成液氧，当氧气用量高于平均用量时，使用液化的液氧供气补充高于平均量的部分；这种方案的缺陷一在于装置能耗较高，因为液氧不管以何种方式生产其生产成本是必定高于生产气态氧的；缺陷二在于，产生液氧和不产生液氧空分处于两种工作状态，其冷量需求不一样，生产液氧时系统冷量需求更大，因而也需要调节空分装置，虽然调节方式比前一种方案较简单，但同样会使得操作繁杂、空分装置偏离稳定设计值从而能耗高。
另一种方案是，将空分设计产氧气量定位最低用气量，然后使用外购的液氧来补充用气量大于设计量时的氧气用量，这种方案缺陷在于，外购液氧包含了液氧生产成本及运输成本等使得其成本较高。
另外，空分装置生产氧气的同时一般都会生产出氮气，然而这种用氧气的客户，其往往氮气用量很少或者不用，这使得空分装置生产的氮气除了少部分用于纯化器再生或自身仪表气外，大部分氮气被白白放空；当然有一种方案是将这部分氮气液化(称为外液化)然后外销，但是外液化投资高且氮气的液化成本较高，因而没有市场竞争力。
另一个常规的想法是将补充的液氧通过换热器将放空的氮气进行液化，这样可以降低氮气液化的成本，然而液氧的温度只有180℃左右，而氮气液化需要-196℃左右的低温，除非将氮气升高到较高的压力，但是这样的液氮由于自含的冷量少在低温储罐内很容易气化，一般客户也不易接受，市场应用不好，因此简单的通过换热器将氮气液化也是很难实现的。
基于此，针对现有技术中的不足，需要一种低能耗稳定供气的系统被设计出来，能够实现使用空分装置给用气量波动较大的用户稳定、低能耗供气。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，得到一种低能耗稳定供气的系统被设计出来，能够实现使用空分装置给用气量波动较大的用户稳定、低能耗供气。
本实用新型是通过以下技术方案实现：
一种低能耗稳定供气系统，包括具有五个分隔的流体回路的主换热器、精馏塔上塔、精馏塔下塔、具有四个分隔的流体管的过冷器、低温液氧储罐以及低温液氮储罐；所述主换热器的流体回路依次分别为第一流体回路、第二流体回路、第三流体回路、第四流体回路和第五流体回路；所述过冷器的流体管依次分别为第一流体管、第二流体管、第三流体管和第四流体管；供气管道入口分为第一供气管道入口和第二供气管道入口；其中，
所述第一供气管道入口连接至第一流体回路的输入端，所述第一流体回路的输出端连接至精馏塔上塔的上部，所述第二供气管道入口连接至第二流体回路的输入端，所述第二流体回路的输出端连接精馏塔下塔的下部，所述精馏塔下塔的下部连接至过冷器的第四流体管的输入端，所述第四流体管的输出端连接至精馏塔上塔，所述精馏塔上塔的上部分别连接至第二流体管和第三流体管，所述第二流体管连接至第三流体回路的输入端，所述第三流体回路的输出端连接至高纯氮输送管道，所述第三流体管连接至第四流体回路的输入端，所述第四流体回路的输出端连接至污氮气去纯化系统，所述精馏塔上塔的下部连接至第五流体回路的输入端，所述低温液氧储罐与精馏塔上塔沿液氧输送方向并联至第五流体回路的输入端，所述第五流体回路的输出端连接至待使用氧气管道，所述精馏塔上塔的底部与精馏塔下塔的顶部连接设置液氮循环管道，所述液氮循环管道包括第一液氮循环管道和第二液氮循环管道，所述第二液氮循环管道还连接至过冷器中第一流体管的输入端，所述第一流体管的输出端分别连接至精馏塔上塔的顶部和低温液氮储罐。
进一步地，所述低温液氧储罐与精馏塔上塔沿液氧输送方向依次串联至第五流体回路的输入端。
更进一步地，所述系统还包括增压透平膨胀机，所述增压透平膨胀机的增压端入口连接第一供气管道入口，所述增压透平膨胀机的增压端出口连接第一流体回路的输入端，所述第一流体回路的输出端连接增压透平膨胀机的膨胀端，所述增压透平膨胀机的膨胀端连接精馏塔上塔的上部。
更进一步地，所述系统还包括活塞式空气增压机和高效后冷却器，所述活塞式空气增压机的输入端连接第二供气管道入口，所述活塞式空气增压机的输出端连接高效后冷却器的输入端，所述高效后冷却器的的输出端连接第二流体回路的输入端。
与现有的技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型通过空分产生的原本浪费的氮气被液化，由于充分利用了液氧的冷量，氮气的液化成本降低，液氮产生的效益基本抵消了使用液氧增加的成本，总体还降低了综合能耗；
2、本实用新型设计的空分装置工况一直稳定在设计工况，只需微量调节，就能实现空分能耗最低、运行最稳定、操作简单。
附图说明
图1是本实用新型一个实施例中低温液氧储罐3与精馏塔上塔5沿液氧输送方向并联至第五流体回路1-5的输入端的示意图；
图2是本实用新型一个实施例中低温液氧储罐3与精馏塔上塔5沿液氧输送方向依次串联至第五流体回路1-5的输入端的示意图。
附图标记如下：
1、主换热器，1-1、第一流体回路，1-2、第二流体回路，1-3、第三流体回路，1-4、第四流体回路，1-5、第五流体回路，2、活塞式空气增压机，3、低温液氧储罐，4、低温液氮储罐，5、精馏塔上塔，6、精馏塔下塔，7、过冷器，7-1、第一流体管，7-2、第二流体管，7-3、第三流体管，7-4、第四流体管，8、增压透平膨胀机，9、供气管道入口，9-1、第一供气管道入口，9-2、供气管道入口，10、高纯氮输送管道，11、污氮气去纯化系统，12、待使用氧气管道。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，一种低能耗稳定供气系统，包括具有五个分隔的流体回路的主换热器1、精馏塔上塔5、精馏塔下塔6、具有四个分隔的流体管的过冷器7、低温液氧储罐3以及低温液氮储罐4；所述主换热器1的流体回路依次分别为第一流体回路1-1、第二流体回路1-2、第三流体回路1-3、第四流体回路1-4和第五流体回路1-5；所述过冷器7的流体管依次分别为第一流体管7-1、第二流体管7-2、第三流体管7-3和第四流体管7-4；供气管道入口9分为第一供气管道入口9-1和第二供气管道入口9-2；其中，
所述第一供气管道入口9-1连接至第一流体回路1-1的输入端，所述第一流体回路1-1的输出端连接至精馏塔上塔5的上部，所述第二供气管道入口9-2连接至第二流体回路1-2的输入端，所述第二流体回路1-2的输出端连接精馏塔下塔6的下部，所述精馏塔下塔6的下部连接至过冷器7的第四流体管7-4的输入端，所述第四流体管7-4的输出端连接至精馏塔上塔5，所述精馏塔上塔5的上部分别连接至第二流体管7-2和第三流体管7-3，所述第二流体管7-2连接至第三流体回路1-3的输入端，所述第三流体回路1-3的输出端连接至高纯氮输送管道10，所述第三流体管7-3连接至第四流体回路1-4的输入端，所述第四流体回路1-4的输出端连接至污氮气去纯化系统11，所述精馏塔上塔5的下部连接至第五流体回路1-5的输入端，所述低温液氧储罐3与精馏塔上塔5沿液氧输送方向并联至第五流体回路1-5的输入端，所述第五流体回路1-5的输出端连接至待使用氧气管道12，所述精馏塔上塔5的底部与精馏塔下塔6的顶部连接设置液氮循环管道，所述液氮循环管道包括第一液氮循环管道和第二液氮循环管道(图示未标出)，所述第二液氮循环管道还连接至过冷器7中第一流体管7-1的输入端，所述第一流体管7-1的输出端分别连接至精馏塔上塔5的顶部和低温液氮储罐4。
如图2所示，与上述技术方案不同的是，所述低温液氧储罐3与精馏塔上塔5沿液氧输送方向依次串联至第五流体回路1-5的输入端。从低温液氧储罐3补充的液氧先经过精馏塔上塔5底部进行气化处理，再与精馏塔上塔5经过精馏后底部产出的液氧汇合，气化的氧成为上升蒸汽，可防止原流程液氧气化气泡堵塞管路导致液氧流通不畅。
在上述技术方案的基础上，具体实施时，所述系统还包括增压透平膨胀机8，所述增压透平膨胀机8的增压端入口连接第一供气管道入口9-1，所述增压透平膨胀机8的增压端出口连接第一流体回路1-1的输入端，所述第一流体回路1-1的输出端连接增压透平膨胀机8的膨胀端，所述增压透平膨胀机8的膨胀端连接精馏塔上塔5的上部。
在上述技术方案的基础上，具体实施时，所述系统还包括活塞式空气增压机2和高效后冷却器(图示未标出)，所述活塞式空气增压机2的输入端连接第二供气管道入口9-2，所述活塞式空气增压机2的输出端连接高效后冷却器的输入端，所述高效后冷却器的的输出端连接第二流体回路1-2的输入端。
本实用新型的工作原理为：
一套常规的空分装置(使用公知的双塔精馏制氧技术)，其设计产量为客户(正常用气时)用气波动的最低用气量，如客户用气量为1200-2000方/小时波动，则空分设计产量为氧气产量1200方/小时。
空分流程描述：经过压缩、冷却、纯化除水和二氧化碳的(以上皆为公知的常规技术)空气，一部分进入增压透平膨胀机8的增压端增压，冷却之后进入主换热器1进一步降温，之后经过增压透平膨胀机8膨胀端，膨胀降温降压后送入精馏塔上塔5参与精馏，另一部分空气直接进入主换热器1降低温度部分液化，之后进入精馏塔下塔6。精馏塔下塔6底部抽出部分富氧液空，进入过冷器7过冷后送入精馏塔上塔5参与精馏。从精馏塔下塔6顶部抽出的高纯氮气进入精馏塔上塔5的冷凝蒸发器中被液化，液化的液氮一部分作为精馏塔下塔6的回流液，一部分进入过冷器7过冷后进入精馏塔上塔5作为精馏塔上塔5的回流液，还有一部分抽出到低温液氮储罐4中作为产品液氮。
精馏塔上塔5经过精馏后底部产出合格的液氧，与从低温液氧罐补充的液氧汇合，之后通过低温液氧泵加压进入主换热器1，在主换热器1中利用冷量后气化成一定压力的气态氧气，气态氧气供给客户使用。
精馏塔上塔5顶部产生的高纯氮气，精馏塔上塔5上部需要抽出部分不纯氮气，这部分高纯氮气和不纯氮气作为空分纯化器的再生气，多余的则放空。
当用户用气量大于1200方/小时，如1800方/小时时，使用储罐内液氧(此时为补充600方/小时)通过管道补充道低温液氧泵入口，从而保障了客户氧气的用量，此时系统冷量富余，可以从精馏塔上塔5冷凝蒸发器抽出的液氮中抽出一部分液氮作为产品进入低温液氮储罐4(经计算，约600方/小时)；这使得精馏塔上塔5的液氮回流液略有减少，最终使得精馏塔上塔5底部产出的液氧略有减少，因此实际上储罐内需稍多补充液氧，如650方/小时。
通过本实用新型的技术方案，空分装置工况一直稳定在设计工况，只需微量调节，空分能耗最低、运行最稳定、操作简单，同时，空分产生的原本浪费的氮气被液化，由于充分利用了液氧的冷量，氮气的液化成本大大降低，使得生产的液氮有市场竞争力，液氮产生的效益基本抵消了使用液氧增加的成本，总体还降低了综合能耗。经过计算，补充650标方液氧，可以产生约600标方液氮，增加的压缩机能耗只有约50KW，相当于这部分液氮的能耗只有0.09KWh/Nm3，如果算上使用液氧增加的成本(每标方液氧和气态氧生产成本差约0.4KWh)，液氮的能耗为0.5KWh/Nm3，较之一般的液氮生产成本0.7KWh/Nm3还低。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种低能耗稳定供气的系统，其特征在于，包括具有五个分隔的流体回路的主换热器(1)、精馏塔上塔(5)、精馏塔下塔(6)、具有四个分隔的流体管的过冷器(7)、低温液氧储罐(3)以及低温液氮储罐(4)；所述主换热器(1)的流体回路依次分别为第一流体回路(1-1)、第二流体回路(1-2)、第三流体回路(1-3)、第四流体回路(1-4)和第五流体回路(1-5)；所述过冷器(7)的流体管依次分别为第一流体管(7-1)、第二流体管(7-2)、第三流体管(7-3)和第四流体管(7-4)；供气管道入口(9)分为第一供气管道入口(9-1)和第二供气管道入口(9-2)；其中，
所述第一供气管道入口(9-1)连接至第一流体回路(1-1)的输入端，所述第一流体回路(1-1)的输出端连接至精馏塔上塔(5)的上部，所述第二供气管道入口(9-2)连接至第二流体回路(1-2)的输入端，所述第二流体回路(1-2)的输出端连接精馏塔下塔(6)的下部，所述精馏塔下塔(6)的下部连接至过冷器(7)的第四流体管(7-4)的输入端，所述第四流体管(7-4)的输出端连接至精馏塔上塔(5)，所述精馏塔上塔(5)的上部分别连接至第二流体管(7-2)和第三流体管(7-3)，所述第二流体管(7-2)连接至第三流体回路(1-3)的输入端，所述第三流体回路(1-3)的输出端连接至高纯氮输送管道(10)，所述第三流体管(7-3)连接至第四流体回路(1-4)的输入端，所述第四流体回路(1-4)的输出端连接至污氮气去纯化系统(11)，所述精馏塔上塔(5)的下部连接至第五流体回路(1-5)的输入端，所述低温液氧储罐(3)与精馏塔上塔(5)沿液氧输送方向并联至第五流体回路(1-5)的输入端，所述第五流体回路(1-5)的输出端连接至待使用氧气管道(12)，所述精馏塔上塔(5)的底部与精馏塔下塔(6)的顶部连接设置液氮循环管道，所述液氮循环管道包括第一液氮循环管道和第二液氮循环管道，所述第二液氮循环管道还连接至过冷器(7)中第一流体管(7-1)的输入端，所述第一流体管(7-1)的输出端分别连接至精馏塔上塔(5)的顶部和低温液氮储罐(4)。
2.根据权利要求1所述的一种低能耗稳定供气的系统，其特征在于：所述低温液氧储罐(3)与精馏塔上塔(5)沿液氧输送方向依次串联至第五流体回路(1-5)的输入端。
3.根据权利要求1或2所述的一种低能耗稳定供气的系统，其特征在于：所述系统还包括增压透平膨胀机(8)，所述增压透平膨胀机(8)的增压端入口连接第一供气管道入口(9-1)，所述增压透平膨胀机(8)的增压端出口连接第一流体回路(1-1)的输入端，所述第一流体回路(1-1)的输出端连接增压透平膨胀机(8)的膨胀端，所述增压透平膨胀机(8)的膨胀端连接精馏塔上塔(5)的上部。
4.根据权利要求1或2所述的一种低能耗稳定供气的系统，其特征在于：所述系统还包括活塞式空气增压机(2)和高效后冷却器，所述活塞式空气增压机(2)的输入端连接第二供气管道入口(9-2)，所述活塞式空气增压机(2)的输出端连接高效后冷却器的输入端，所述高效后冷却器的输出端连接第二流体回路(1-2)的输入端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |