CN220524479U - 一种高炉富氧气源的精馏装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种高炉富氧气源的精馏装置，包括主换热器、空气输送总管和精馏塔，精馏塔包括上塔、主冷凝蒸发器和下塔，主冷凝蒸发器上设有第一液氧输送管，上塔上设有富氧气源输送管，空气输送总管和上塔设有第一空气输送支管，空气输送总管和下塔设有第二空气输送支管，第一空气输送支管上设有换热器、透平膨胀机和第一调节阀，第一液氧输送管和换热器相连通，换热器连通有分离罐输送管和气液分离罐，气液分离罐上连通有第二液氧输送管，富氧气源输送管和气液分离罐之间通过气相输送管相连通，气相输送管上设有节流阀。满足高炉生产对富氧气源的需求量降低空分系统能量额外消耗。实用新型调节、使用方便，具有广泛的市场前景。

Description

一种高炉富氧气源的精馏装置
技术领域
本实用新型涉及高炉配套空分设备领域，具体涉及一种高炉富氧气源的精馏装置。
背景技术
在空分装置的工艺流程中，原料空气经过一系列的过滤、压缩、预冷、净化、增压、膨胀和换热等操作环节后，进入下塔。空气经下塔初步精馏后，在下塔底部获得富氧液空，在下塔顶部获得纯液氮，并经由过冷器过冷后节流进入上塔；经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，并经液氧泵压缩后进入主换热器，复热后作为气氧产品出冷箱。部分液氧直接出冷箱作为液氧产品进入液氧储槽；从上塔顶部抽取液氮产品，进入液氮储槽。
高炉供气是在燃烧基础理论下进行的，即燃料燃烧是燃料与助燃剂在一定条件下发生放热和发光的剧烈氧化反应。通常的燃料燃烧都以空气作为助燃剂，而空气中参与燃烧反应的氧气含量仅为21%，不参与燃烧反应的氮气含量却高达79%，这些氮气吸收了大量的燃烧反应热，最终随烟气排入大气中，造成了很大的能源浪费。富氧燃烧就是助燃剂中的氧含量大于21%的燃料的燃烧。这种燃烧方式提高了助燃剂中的有用氧含量，降低了助燃剂中的无用成分氮气含量，对于稳定燃烧过程，提高燃烧效率，改善炉内传热具有积极意义。
对于现有技术中，供给与高炉富氧气的来源可以利用成品氧气作为气源，也可以从经典氧氮精馏系统中的上塔抽取出氧含量大于40%的污氮气作为富氧气源。从具体实施价值来说，从冷箱输送的大于40%氧含量的污氮气利用完所携带的冷量后，作为富氧气经济性是更为优异的，其表现为，由于在经典氮氧精馏系统中的污氮气中是含有各种杂质的氮含量大于90%的废气，常作为脱附气或者利用完经典氮氧精馏系统中的污氮气携带冷量后，作为废气进行排放。而将污氮气抽取位置下移抽取出大于40%氧含量的污氮气作为富氧气，虽然成品氧气会相应减少，但是大大提高了分离后物质的可利用性，从经济效益上来说是更为可取的。
在氮氧精馏系统的压缩流程中，压缩机组、透平膨胀机、液氧泵的能耗占总耗能的97%，如若氮氧精馏系统中的原料，即压缩空气需要较低的温度需要进入透平膨胀机之前的压缩空气压力足够高并且需要透平膨胀机维持在一定转速从而使得进入透平膨胀机的高压力的压缩空气能够获取强制膨胀后降温的工作环境。由于高炉配套的空分系统需要配合高炉的工作而进行配合供应富氧气源，由于高炉的转炉需要，高炉工作是间歇式的，在高炉需求富氧气的工况下，突然增加富氧气源的供应量需要获取经透平膨胀机膨胀做功后温度足够低的压缩空气作为原料从而增加氮氧精馏系统的负荷，在该阶段中耗能是比较巨大的。存在既能满足高炉生产即时需求量而又需要降低相应的系统提升过程中的能量消耗的改进空间，从而降低企业额外的能量成本消耗。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种能够满足高炉生产对富氧气源的需求量而且能够降低空分系统能量额外消耗的高炉富氧气源的精馏装置，用于克服现有技术中缺陷。
本实用新型采用的技术方案为：一种高炉富氧气源的精馏装置，包括用于气体交换的主换热器、空气输送总管和精馏塔，所述的精馏塔从上至下依次包括上塔、主冷凝蒸发器和下塔，主冷凝蒸发器上设置有第一液氧输送管，所述的上塔上设置有富氧气源输送管，空气输送总管和上塔之间设置有第一空气输送支管，空气输送总管和下塔之间设置有第二空气输送支管，第一空气输送支管沿着靠近上塔至远离上塔的方向依次设置有换热器的热源通道、透平膨胀机和第一调节阀，第二空气输送支管上设置有第二调节阀，第一液氧输送管的出口端和换热器冷源通道的入口端相连通，换热器冷源通道的出口端上依次连通有分离罐输送管和气液分离罐，气液分离罐的底部上连通有第二液氧输送管，富氧气源输送管和气液分离罐之间通过气相输送管相连通，气相输送管上设置有节流阀。
优选的，所述的下塔顶部和主冷凝蒸发器热源通道的进口端之间通过高压氮气输送管相连通，主冷凝蒸发器热源通道的出口端上设置有液氮输送总管，液氮输送总管沿着靠近主冷凝蒸发器至远离主冷凝蒸发器的方向依次设置有液氮输送支管的进口端、液氮回流管的进口端、第三调节阀和第一过冷器的热源通道，液氮输送支管的出口端和下塔相连通，液氮回流管的出口端和上塔相连通，高压氮气输送管、液氮输送支管和液氮回流管上均分别设置有第四调节阀，第一过冷器的冷源通道和上塔上设置有成品氮气输送管。
优选的，所述的分离罐输送管上设置有温度传感器，第一液氧输送管上设置有第五调节阀、液氧输送泵和液体流量传感器。
优选的，所述的富氧气源输送管和第二液氧输送管上设置有第二过冷器，第二过冷器和气液分离罐之间的第二液氧输送管上设置有第六调节阀。
优选的，所述的下塔底部和气液分离罐上均分别设置有液位传感器。
优选的，所述的下塔和上塔之间设置有富氧液空输送管，富氧液空输送管上设置有第七调节阀，富氧液空输送管和成品氮气输送管之间设置有第三过冷器。
优选的，所述的成品氮气输送管和富氧气源输送管上均分别设置有在线色谱仪。
本实用新型有益效果是：首先，本实用新型实现了利用氮氧精馏系统中向外输送的成品液氧结合作为高炉富氧气源的35%至45%氧含量的污氮气合并后形成最终的富氧气进而满足高炉生产对富氧气源的要求；并且在精馏阶段由于成品液氧作为进入上塔压缩空气的冷源，进一步的降低了进入上塔压缩空气的温度降低了精馏难度，在高炉开车阶段中需求富氧气量增大的过程中，通过增加相应的压缩机组更容易增加整体氮氧精馏系统负荷；在低负荷过程中利用过度生产的液氧作为冷源也便于降低氮氧精馏系统的能量消耗，从而降低压缩机组的负荷后也可以获得相对温度较低的原料空气，从而实现了从而降低企业额外的能量成本消耗。
其次，本实用新型所述的分离罐输送管上设置有温度传感器，第一液氧输送管上设置有第五调节阀、液氧输送泵和液体流量传感器。调整第五调节阀便于调整通过分离罐输送管的流量，安装液体流量传感器便于反馈通过分离罐输送管输送的流量。
最后，本实用新型所述的下塔底部和气液分离罐上均分别设置有液位传感器；安装液位传感器便于反馈液位参数。
本实用新型具有结构简单，操作方便，设计巧妙，大大提高了工作效率，具有很好的社会和经济效益，是易于推广使用的产品。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为图1细节A的局部放大示意图。
具体实施方式
如图1至图2所示，一种高炉富氧气源的精馏装置，包括用于气体交换的主换热器1、空气输送总管2和精馏塔，所述的精馏塔从上至下依次包括上塔3、主冷凝蒸发器4和下塔5，主冷凝蒸发器4上设置有第一液氧输送管6，所述的上塔3上设置有富氧气源输送管7，空气输送总管2和上塔3之间设置有第一空气输送支管8，空气输送总管2和下塔5之间设置有第二空气输送支管9，第一空气输送支管8沿着靠近上塔3至远离上塔3的方向依次设置有换热器10的热源通道、透平膨胀机11和第一调节阀12，第二空气输送支管9上设置有第二调节阀13，第一液氧输送管6的出口端和换热器10冷源通道的入口端相连通，换热器10冷源通道的出口端上依次连通有分离罐输送管14和气液分离罐15，气液分离罐15的底部上连通有第二液氧输送管16，富氧气源输送管7和气液分离罐15之间通过气相输送管17相连通，气相输送管17上设置有节流阀18。
所述的下塔5顶部和主冷凝蒸发器4热源通道的进口端之间通过高压氮气输送管19相连通，主冷凝蒸发器4热源通道的出口端上设置有液氮输送总管20，液氮输送总管20沿着靠近主冷凝蒸发器4至远离主冷凝蒸发器4的方向依次设置有液氮输送支管21的进口端、液氮回流管22的进口端、第三调节阀23和第一过冷器24的热源通道，液氮输送支管21的出口端和下塔5相连通，液氮回流管22的出口端和上塔3相连通，高压氮气输送管19、液氮输送支管21和液氮回流管22上均分别设置有第四调节阀25，第一过冷器24的冷源通道和上塔3上设置有成品氮气输送管26。
所述的分离罐输送管14上设置有温度传感器27，第一液氧输送管6上设置有第五调节阀28、液氧输送泵29和液体流量传感器30。
所述的富氧气源输送管7和第二液氧输送管16上设置有第二过冷器31，利用富氧气源输送管7输送的氧含量位于35%至45%的污氮气作为冷源对经第二液氧输送管16输送给的作为热源的液氧进行过冷，从而获取过冷液氧。第二过冷器31和气液分离罐15之间的第二液氧输送管16上设置有第六调节阀32；安装第六调节阀32便于调整输送给第二过冷器31热源通道的液氧的流量。
所述的下塔5底部和气液分离罐15上均分别设置有液位传感器33。
所述的下塔5和上塔3之间设置有富氧液空输送管34，富氧液空输送管34上设置有第七调节阀35，富氧液空输送管34和成品氮气输送管26之间设置有第三过冷器36。利用利用富氧气源输送管7输送的氧含量位于35%至45%的污氮气作为冷源对经富氧液空输送管34输送给的作为热源的富氧液态空气进行过冷，从而获取过冷的富氧液态空气。
所述的成品氮气输送管26和富氧气源输送管7上均分别设置有在线色谱仪38。安装在线色谱仪38便于反馈组分参数。
本产品使用方法如下：如图1至图2所示，S1、来自于纯化系统的经纯化后的压缩空气通过空气输送总管2进行输送分为两部分：第一部分压缩空气通过第一空气输送支管8进行输送期间先经过透平膨胀机11膨胀做功后再进入换热器10的热源通道和持续进入换热器10冷源通道的冷源介质进行逆流换热后送入上塔3作为其中气态精馏原料参与精馏。第二部分压缩空气通过第二空气输送支管9输送至下塔5参与精馏。
S2、进入下塔5的压缩空气后沿着下塔5内腔持续上行和返回下塔5的回流液持续进行逆流换热，氮组分被逐渐富集在下塔5顶部形成高压氮气，并通过高压氮气输送管19输送给主冷凝蒸发器4的热源通道和主冷凝蒸发器4冷源通道的冷源介质进行换热而被液化形成液氮，主冷凝蒸发器4热源通道输送的液氮进入液氮输送总管20后分为三部分，第一部分通过液氮输送支管21送回下塔5形成下塔的回流液；第二部分通过液氮回流管22送至上塔3作为上塔3的其中一个冷源；第三部分则沿着液氮输送总管20继续前行进入第一过冷器24的热源通道和持续进入第一过冷器24冷源通道的介质进行逆流换热形成过冷液氮并向外输送至相应的液氮储罐。
S3、进入下塔5的压缩空气中的氧组分则在下塔5底部富集形成富氧液态空气并沿着富氧液空输送管34输送给上塔3作为上塔3的其中液态精馏原料，进入上塔3的气态精馏原料在上升过程中逐步与进入上塔的液氮进行持续的逆流换热，在下塔5的塔顶形成成品氮气并通过成品氮气输送管26向外输送，期间作为冷源依次通过第一过冷器24的冷源通道与持续进入第一过冷器24热源通道的液氮逆流换热以及通过第三过冷器36的冷源通道与持续进入第三过冷器36热源通道的富氧液态空气逆流换热后输送至下游气态氮气用户。
S4、进入上塔3的液态精馏原料持续下行在下降过程中氮组分被持续蒸发伴随被进入上塔3的气态精馏原料中被液化的氧组分持续下行，最终进入主冷凝蒸发器4的冷源通道和主冷凝蒸发器4热源通道中持续输送的高压氮气进行换热，氮组分被进一步蒸发最终在主冷凝蒸发器4的冷源通道中形成液氧成品，并通过第一液氧输送管6向外输送；而上塔3顶部靠下部分含有杂质气体的35%至45%氧含量的污氮气则通过富氧气源输送管7向外输送。
S5、通过第一液氧输送管6向外输送的成品液氧输送至换热器10的冷源通道和持续进入换热器10的热源介质进行逆流换热而部分被气话形成气液混合物并输送给气液分离罐15，气相部分通过气液分离罐15顶部输送给气相输送管17经节流阀18节流后输送给富氧气源输送管7和含有杂质气体的35%至45%氧含量的污氮气进行混合后并继续沿着富氧气源输送管7继续前行通过第二过冷器31的冷源通道和持续进入第二过冷器31热源通道的介质逆流换热后向外作为高炉的富氧气源进行输送。.
S6、气液分离罐15中的液相组分，所述的气液分离罐15中的液相组分就是成品液氧，通过气液分离罐15的底部输送给第二液氧输送管16向外输送期间进入第二过冷器31的热源通道和持续进入过第二过冷器31冷源通道的介质逆流换热后形成过冷液氧并向外输送至相应的液氧储罐。
通过本实施例，实现了利用氮氧精馏系统中向外输送的成品液氧结合作为高炉富氧气源的35%至45%氧含量的污氮气合并后形成最终的富氧气进而满足高炉生产对富氧气源的要求；并且在精馏阶段由于成品液氧作为进入上塔3压缩空气的冷源，进一步的降低了进入上塔3压缩空气的温度降低了精馏难度，在高炉开车阶段中需求富氧气量增大的过程中，通过增加相应的压缩机组更容易增加整体氮氧精馏系统负荷；在低负荷过程中利用过度生产的液氧作为冷源也便于降低氮氧精馏系统的能量消耗，从而降低压缩机组的负荷后也可以获得相对温度较低的原料空气，从而实现了从而降低企业额外的能量成本消耗。
以上所述之实施例，只是本实用新型的较佳实施例而已，并非限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本实用新型申请专利范围内。

Claims (7)

1.一种高炉富氧气源的精馏装置，包括用于气体交换的主换热器（1）、空气输送总管（2）和精馏塔，所述的精馏塔从上至下依次包括上塔（3）、主冷凝蒸发器（4）和下塔（5），主冷凝蒸发器（4）上设置有第一液氧输送管（6），其特征在于：所述的上塔（3）上设置有富氧气源输送管（7），空气输送总管（2）和上塔（3）之间设置有第一空气输送支管（8），空气输送总管（2）和下塔（5）之间设置有第二空气输送支管（9），第一空气输送支管（8）沿着靠近上塔（3）至远离上塔（3）的方向依次设置有换热器（10）的热源通道、透平膨胀机（11）和第一调节阀（12），第二空气输送支管（9）上设置有第二调节阀（13），第一液氧输送管（6）的出口端和换热器（10）冷源通道的入口端相连通，换热器（10）冷源通道的出口端上依次连通有分离罐输送管（14）和气液分离罐（15），气液分离罐（15）的底部上连通有第二液氧输送管（16），富氧气源输送管（7）和气液分离罐（15）之间通过气相输送管（17）相连通，气相输送管（17）上设置有节流阀（18）。
2.根据权利要求1所述的高炉富氧气源的精馏装置，其特征在于：所述的下塔（5）顶部和主冷凝蒸发器（4）热源通道的进口端之间通过高压氮气输送管（19）相连通，主冷凝蒸发器（4）热源通道的出口端上设置有液氮输送总管（20），液氮输送总管（20）沿着靠近主冷凝蒸发器（4）至远离主冷凝蒸发器（4）的方向依次设置有液氮输送支管（21）的进口端、液氮回流管（22）的进口端、第三调节阀（23）和第一过冷器（24）的热源通道，液氮输送支管（21）的出口端和下塔（5）相连通，液氮回流管（22）的出口端和上塔（3）相连通，高压氮气输送管（19）、液氮输送支管（21）和液氮回流管（22）上均分别设置有第四调节阀（25），第一过冷器（24）的冷源通道和上塔（3）上设置有成品氮气输送管（26）。
3.根据权利要求1所述的高炉富氧气源的精馏装置，其特征在于：所述的分离罐输送管（14）上设置有温度传感器（27），第一液氧输送管（6）上设置有第五调节阀（28）、液氧输送泵（29）和液体流量传感器（30）。
4.根据权利要求1所述的高炉富氧气源的精馏装置，其特征在于：所述的富氧气源输送管（7）和第二液氧输送管（16）上设置有第二过冷器（31），第二过冷器（31）和气液分离罐（15）之间的第二液氧输送管（16）上设置有第六调节阀（32）。
5.根据权利要求1所述的高炉富氧气源的精馏装置，其特征在于：所述的下塔（5）底部和气液分离罐（15）上均分别设置有液位传感器（33）。
6.根据权利要求2所述的高炉富氧气源的精馏装置，其特征在于：所述的下塔（5）和上塔（3）之间设置有富氧液空输送管（34），富氧液空输送管（34）上设置有第七调节阀（35），富氧液空输送管（34）和成品氮气输送管（26）之间设置有第三过冷器（36）。
7.根据权利要求2所述的高炉富氧气源的精馏装置，其特征在于：所述的成品氮气输送管（26）和富氧气源输送管（7）上均分别设置有在线色谱仪（38）。
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