用于分离二氧化碳和至少一种其它气体的混合物以及用于通过低温蒸馏分离空气的设备和集成方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201280026405.1 | 申请日 | 2012-05-29 | 公开(公告)号 | CN103975213B | 公开(公告)日 | 2016-05-18 |
| 申请人 | 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司; | 发明人 | M·科尼亚尔; A·达德; B·达维迪安; R·杜贝蒂尔-格勒尼耶; F·洛克伍德; C·萨姆卢斯基; X·特拉维萨; | ||||
| 摘要 | 一种用于分离二 氧 化 碳 和至少一种其它气体的混合物以及通过空气蒸馏来分离空气的集成设备，包括：用于分离含有二氧化碳和至少一种其它气体的气态混合物以便产生富二氧化碳气体和贫含二氧化碳的气体的单元（CPU），用于通过低温蒸馏分离空气以便产生至少一股富氮气体流（17）的空气分离单元（ASU），通过直接 接触 运行的 水 冷却塔 ，用于将水送至所述塔的顶部的管线，用于将富氮气体流的至少一部分送至所述塔的较低高度的管线，用于将被冷却的水从所述塔中抽出的已 冷却水 管线（15），以及用于冷却空气分离单元上游的空气（1）的装置；所述已冷却水管线连接至用于冷却空气分离单元上游的空气的装置以及连接至用于分离气态混合物的单元的进口和/或出口。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于分离二氧化碳和至少一种其它气体的混合物以及用于通过空气蒸馏分离空气的集成设备，包括：用于分离含有二氧化碳和至少一种其它气体的气态混合物以便产生富二氧化碳气体和贫含二氧化碳的气体的单元(CPU)，用于通过低温蒸馏分离空气以便产生至少一股富氮气体流(17)的空气分离单元(ASU)，通过直接接触运行的水冷却塔(33)，用于将水送至所述塔的顶部的管线(31)，用于将所述富氮气体流的至少一部分送至所述塔的较低高度的管线，用于从所述塔抽取经冷却的水的冷却水管线(15，23，27，37)，以及用于冷却所述空气分离单元上游的空气的装置，所述冷却水管线连接至用于冷却所述空气分离单元上游的空气的装置(133)以及连接至用于分离气态混合物的所述单元的进口和/或出口，其中，用于输送来自空气分离单元的富氮气体流的至少一部分的管线连接至所述塔的较低高度而不通过涡轮或旨在冷却气态混合物的交换器。 |
||||||
| 说明书全文 | 用于分离二氧化碳和至少一种其它气体的混合物以及用于通过低温蒸馏分离空气的设备和集成方法 [0001] 本发明涉及用于分离二氧化碳和至少一种其它气体的混合物以及用于通过低温蒸馏分离空气的设备和集成方法。 [0002] 本发明尤其涉及用于分离二氧化碳和至少一种其它气体的混合物以及用于通过低温蒸馏分离空气的设备和集成方法，其中利用水冷却来冷却混合物和/或分离的上游的空气。 [0003] 处理富含CO2(基于干燥基准大于35％体积、优选地大于70％)的进料的压缩和净化设备基本上生产CO2含量低于进料并且含有将从产物中被提取出的气体的流。CO2的净化可以由于一次或多次部分冷凝或通过膜分离或任何其它工艺(吸附、低温冷凝等)而发生。在上述提到的某些工艺中，不纯气体流是干燥产物。通过利用例如胺洗涤来分离将不是这种情况，其中分离的两种产物(CO2和残余气体)将是湿的。 [0004] 大多数CO2处理单元包括干燥被处理的气体的步骤。这能藉由吸附而干燥。干燥气体必须随后被用于在吸附剂被水饱和时使吸附剂再生。现有技术提供了在高压或低压下使用从CO2或残余气体的储器蒸发的气体。 [0005] 本发明根据某些替代实施例提出了另一用于干燥残余气体的用途。它们可以在通过直接接触运行的塔中被水饱和，使得可以降低未蒸发水的温度以及生产冷却水。这种方法通常用在用于在“水-氮塔”中分离空气的设备上用以通过热量交换以及蒸发来自用于分离空气的设备的冷氮来冷却水。 [0006] 由EP-A-1712858可知在水冷却塔内使用贫含二氧化碳的气体冷却水。 [0007] EP-A-0503190公开了用于分离二氧化碳、氧和氮的混合物的设备的水冷却系统，其中水冷却塔被供应有水和来自用于分离空气的设备的膨胀的氮，其中被冷却的水随后用于冷却待分离的混合物。在被送至所述塔之前，氮被送至蒸馏塔的顶部冷凝器并且随后被送至待分离的混合物的冷却交换器。这种复杂的设置要求存在涡轮使得氮具有足够的冷量以提供所需的冷量。不能认为该冷量会足以冷却用于分离混合物的设备和用于分离空气的设备两者所用的水。 [0008] 对于其中不可冷凝的物质相对于被处理的总流量的流量明显低于空气中的氮的情况，水冷却的第一部分可在“不可冷凝的水”塔中进行，其中冷却的第一部分由制冷单元内的冷却的第二部分补充。 [0009] 当用于分离空气的设备具有定位在用于分离二氧化碳和至少一种其它气体的混合物的设备的附近的水冷却塔时，利用水-氮塔以生产用于两个设备以及还可能地使其中的不可冷凝物质(其将随后分享氮的排放)饱和的冷水将允许获得相对于使用两个独立的塔的投入的实际收益。 [0010] 必须不惜任何代价地阻止不可冷凝的物质中包含的CO2藉由用于将干燥的氮传递至水-氮塔的管线而升高返回到用于分离空气的设备中。在如降级模式的正常运行中，存在将CO2引入用于分离空气的设备的真正风险和当CO2已经冻结时堵塞该设备的真正风险。 [0011] 可以想到以高于氮的第二高度将CO2引到塔中。 [0012] 然而，要注意的是该风险与允许湿气/水分进入用于分离空气的设备的冷箱中的风险相似，除了不可冷凝物质在压力下到达而当氮已经变湿时，其必然处于低于其在冷箱内的压力的压力下，因为其来自于冷箱。 [0013] 也被声称具有创造性的预防性措施在于使不可冷凝物质充分远离塔膨胀，使得经过一被认为合理的距离，塔的供应管线内的用于不可冷凝物质管线的压力低于用于氮管线的压力。 [0014] 根据一种尤其简单的替代方案，所述方法包括通过使用来自ASU的氮、可能地来自用于分离CO2和至少一种其它气体的混合物的单元的至少一种气体(其可以例如是氮、氧、氩、一氧化碳、氢、甲烷、NO2或这些气体中的至少两种的混合物)来冷却水。 [0015] 根据本发明的一个目的，提供一种用于分离二氧化碳和至少一种其它气体的混合物以及通过空气蒸馏分离空气的集成设备，包括：用于分离含有二氧化碳和至少一种其它气体的气态混合物以便产生富二氧化碳气体和贫含二氧化碳的气体的单元，用于通过低温蒸馏分离空气以便产生至少一股富氮气体流的空气分离单元，其特征在于，该集成设备包括通过直接接触运行的水冷却塔，用于将水送至所述塔的顶部的管线，用于将所述富氮气体流的至少一部分送至所述塔的较低高度/位置的管线，用于从所述塔抽取已冷却的水的已冷却水管线，以及用于冷却所述空气分离单元上游的空气的装置，所述已冷却水管线连接至用于冷却所述空气分离单元上游的空气的装置以及连接至用于分离气态混合物的所述单元的进口和/或出口。 [0016] 根据本发明的其它可选方面： [0017] -用于冷却空气分离单元上游的空气的所述装置由水冷却塔和用于将加热的水从洗涤塔送至水冷却塔的管线组成； [0018] -所述已冷却水管线适于将被冷却的水从塔送至用于分离混合物的单元以便向待被分离的气态混合物和/或向来自分离的产物提供冷量； [0019] -集成设备包括富氧燃烧单元，用于将氧从空气分离设备送至富氧燃烧单元的管线，以及用于将来自富氧燃烧的烟气作为气态混合物送至用于分离混合物的单元的管线； [0020] -设备包括用于将贫含二氧化碳的气体送至水冷却塔的管线，其中可能地富氮气体流的引入高度低于塔的输送贫含二氧化碳的气体的高度； [0021] -设备包括机械制冷单元，以便在用于冷却所述空气分离单元上游的空气的所述装置的上游和/或在将在所述冷却塔中冷却的水送至所述用于分离气态混合物的单元之前冷却在所述冷却塔中冷却的水。 [0022] 根据本发明的另一目的，提供一种用于分离二氧化碳和至少一种其它气体的混合物以及用于通过空气蒸馏分离空气的集成方法，包括：用于分离含有二氧化碳和至少一种其它气体的气态混合物以便产生富二氧化碳气体和贫含二氧化碳的气体的单元，和用于通过低温蒸馏分离空气以便产生至少一股富氮气体流的空气分离单元，其特征在于，水在通过与富氮气体流直接接触而运行的水冷却塔中被冷却，意在用于所述空气分离单元的空气利用在冷却塔中冷却的水被冷却，意在用于所述用于分离气态混合物的单元的气态混合物和/或来自所述用于分离气态混合物的单元的产物利用来自冷却塔的已冷却的水冷却。 [0023] 根据其它可选方面： [0024] -空气分离单元上游的空气在洗涤塔中被由在水冷却塔中冷却的水供应的水冷却； [0025] -将来自用于分离空气的一个或所述设备的氧送至富氧燃烧单元，将来自富氧燃烧的烟气作为气态混合物送至用于分离混合物的单元； [0026] -将贫含二氧化碳的气体从用于分离气态混合物的单元送至水冷却塔； [0027] -富氮气体流的引入高度低于塔的输送贫含二氧化碳的气体的高度； [0028] -在用于冷却空气分离单元上游的空气的装置的上游和在用于分离气态混合物的单元的上游，在冷却塔中冷却的水借助机械制冷单元被冷却； [0029] -贫含二氧化碳的气体在阀中膨胀至一压力，该压力低于富氮气体流被引入水冷却塔中的压力； [0030] -混合物中的至少一种其它气体是氮、氧、氩、氢、一氧化碳、甲烷或NO2，混合物含有至少40mol.％的二氧化碳； [0032] -用于分离气态混合物的单元通过在低温温度下蒸馏和/或相分离来分离混合物。 [0033] 根据本发明的另一目的，提供一种用于分离二氧化碳和至少一种其它气体的混合物以及通过空气蒸馏分离空气的集成设备，包括：用于分离含有二氧化碳和至少一种其它气体的气态混合物以便产生富二氧化碳气体和贫含二氧化碳的气体的单元，用于通过低温蒸馏分离空气以便产生至少一股富氮气体流的空气分离单元，其特征在于，所述集成设备包括通过直接接触运行的水冷却塔，用于将水送至所述塔的顶部的管线，用于将贫含二氧化碳的气体送至所述塔的较低高度的管线，用于将富氮气体流的至少一部分送至所述塔的较低高度的管线，用于从所述塔抽取已被冷却的水的已冷却水管线，以及用于冷却空气分离单元上游的空气的装置，所述已冷却水管线连接至所述用于冷却空气分离单元上游的空气的装置。 [0034] 根据其它可选方面： [0035] -用于冷却空气分离单元上游的空气的所述装置由利用水的洗涤塔和用于将加热的水从所述洗涤塔送至水冷却塔的管线组成； [0036] -设备包括用于将已冷却的水从塔送至用于分离混合物的单元以提供冷量的管线； [0037] -集成设备包括诸如如上所述的设备，该设备包括富氧燃烧单元，用于将氧从空气分离设备送至富氧燃烧单元的管线，以及用于将来自富氧燃烧的烟气作为气态混合物送至用于分离混合物的单元的管线； [0038] -富氮气体流被送至水冷却塔的高度低于塔的输送贫含二氧化碳的气体的高度； [0039] -用于输送来自空气分离单元的富氮气体流的至少一部分的管线连接至所述塔的较低高度而不通过涡轮或旨在冷却气态混合物的交换器。 [0040] 根据本发明的另一目的，提供一种用于在一设备中分离二氧化碳和至少一种其它气体的混合物以及通过空气蒸馏分离空气的集成方法，该设备包括：用于分离含有二氧化碳和至少一种其它气体的气态混合物以便产生富二氧化碳气体和贫含二氧化碳的气体的单元，和用于通过低温蒸馏分离空气以便产生至少一股富氮气体流的空气分离单元，其特征在于，所述设备包括通过直接接触运行的水冷却塔，以及用于将水送至所述塔的顶部的管线，其中将贫含二氧化碳的气体送至所述塔的较低高度，将富氮气体流的至少一部分送至所述塔的较低高度，从所述塔抽取已冷却的水，空气在用于冷却空气分离单元上游的空气的装置中被冷却，并且将已冷却的水从所述塔的槽(cuve)送至用于冷却空气分离单元上游的空气的装置。 [0041] 根据其它可选特征： [0042] -空气分离单元上游的空气通过与来自水冷却塔的被冷却的水直接交换而被冷却； [0043] -已冷却的水从水冷却塔被送至用于分离混合物的单元以在分离的上游或下游提供冷量，其中水在于水冷却塔中冷却的水的机械制冷单元的上游或下游被抽取； [0044] -贫含二氧化碳的气体在阀中膨胀至一压力，该压力低于富氮气体流被引入水冷却塔中的压力； [0045] -混合物中的至少一种其它气体是氮、氧、氩、氢、一氧化碳、甲烷或NO2，混合物含有至少40mol.％的二氧化碳； [0046] -至少一种其它气体包括氢、一氧化碳或甲烷，从水冷却塔的顶部离开的湿的气体用作例如气体涡轮中的燃料； [0047] -富氮流在不经过膨胀并且不在气态混合物的冷却交换器中被加热的情况下从用于分离空气的设备被送至塔； [0048] -塔的运行压力基本上等于氮离开用于分离空气的设备的压力。 [0049] 本发明的优点是允许用于分离设备的冷水的生产利用作为所述两个设备之间的唯一连接的已冷却水管线的集成，尽管根据现有技术的解决方案需要连接所述两个设备的压力下的氮管线。 [0051] 图1示出根据本发明的用于分离二氧化碳和至少一种其它气体的混合物以及用于通过低温蒸馏分离空气的设备和集成方法。图2-4示出根据本发明的用于冷却图1中通过蒸馏进行空气分离的上游的空气的各种水冷却塔的细节。 [0052] 在图1中，空气流1在预冷却单元P中被冷却，该预冷却单元包括利用水的空气洗涤塔和利用氮17的水冷却塔。这种类型的冷却在F.G.Kerry的“Industrial Gas Handbook”第112页已知。在预冷却单元P内被冷却的空气3被送至用于分离空气的设备ASU，其中空气被净化用以去除二氧化碳和水分、被冷却以及在塔系统中被分离以产生氧5和氮17。氧5被送至也供应有燃料7的富氧燃烧锅炉B。来自富氧燃烧锅炉B的烟气9在干燥基础上含有至少 40mol.％的二氧化碳，或者甚至至少60mol.％的二氧化碳，以及选自以下列表中的至少一种成分：氮、氧、氩、氢、一氧化碳、甲烷或NO2。烟气在分离单元CPU中处理。在CPU上游，烟气9在冷却单元R中通过与冷水15热交换而被冷却。烟气可以被压缩并且随后在单元CPU中在低温温度下通过相分离和/或蒸馏被分离。这使得可以产生液体或气体形式的富二氧化碳流CO2 20和贫含二氧化碳的气体流13。贫含二氧化碳的流13可以是氮流、氧流、氩流或NO2流或这些气体中的至少两种的混合物。流13在接近环境温度的温度下(-10℃至80℃)和接近大气压力的压力(1bar至2bar(绝对压力))下离开单元CPU并且根据系统下游的负载损失在几十到几百毫米水柱压力下在阀V中膨胀。膨胀气体13可以被送去预冷却。 [0053] 氮17直接从用于分离空气的设备ASU被送至预冷却单元P而不经过其它处理装置，诸如涡轮或除了与用于分离空气的设备ASU关联的空气冷却交换器以外的交换器。 [0054] 预冷却单元产生冷水，该冷水作为流15被送至单元R或者用在单元P中，或者两者。 [0055] 图2示出预冷却单元P的细节。 [0056] 这个单元包括冷却塔33，其中水31直接与来自用于分离空气的设备ASU的氮17接触。膨胀气体13可以高于氮17的进入高度/位置的高度被送至塔，可能通过衬套级与氮的进入高度分离。氮17直接来自设备ASU并且到达塔33内而不通过构件R或CPU。 [0057] 水冷却塔33在顶部被供应在从4℃到40℃的温度下的水流31。流13的压力由于在塔的上游在阀V内膨胀而略微小于在塔33的进口处的流17的压力，用以防止污染被冷却的水。 [0058] 气体17和可能地气体13通过直接接触和蒸发这些干燥气体中的部分水来冷却水，形成的混合物39随着排气从塔的顶部离开。在单元CPU中被加热的水可以藉由供应装置21被送回到单元P中。 [0059] 塔33的槽内的经冷却的水由泵25抽取，以便通过管线27被送至利用水的空气冷却塔中。或者，经冷却的水可以被送至利用间接接触的交换器以将冷量传递给待用于蒸馏的空气。水27的一部分也可以用于提供冷量给单元CPU，例如干燥单元的上游。 [0060] 这个过程可以不使用机械制冷单元，诸如制冷单元。塔33将可能稍微大于仅用来向空气分离单元ASU提供水的塔。 [0061] 针对图3和图4的工艺，使用了制冷单元35。以这样的方式，替代各单元均具有制冷单元，单一制冷单元能冷却空气分离单元ASU以及用于分离含有二氧化碳的混合物的单元CPU。 [0062] 图3示出预冷却单元P的细节。 [0063] 这个单元P包括：冷却塔33，其中水31与来自用于分离空气的设备ASU的氮17直接接触；以及利用水的空气冷却塔133。膨胀气体13可能以高于氮17的进入高度的高度被送至塔33。氮17直接来自设备ASU并且到达塔33内而不通过构件R或CPU。 [0064] 水冷却塔33在顶部被供应在10℃到50℃的温度下的水流31。 [0065] 流13的压力由于在塔的上游在阀V内膨胀而略微小于在塔33的进口处的流17的压力。塔33的运行压力基本上等于氮17离开用于分离空气的设备ASU的压力。 [0066] 气体17和可能地气体13通过直接接触和蒸发来冷却水，形成的混合物39随着排气从塔的顶部离开。 [0067] 塔33的槽内的经冷却的水由泵25抽取，以便作为流37被送至利用水的空气冷却塔133的顶部。待用于蒸馏的空气1通过被送至塔133的槽内而被冷却。冷却水21作为流121被送至塔133的中间高度处并作为流31被送至塔33的顶部。水通过在塔133的顶部产生冷却空气流3来冷却空气，所述冷却空气流被输送用于净化以及随后在空气分离单元ASU内蒸馏。 [0068] 被加热的水221在塔133的槽内积聚并且在外部制冷(通过使用空气冷却器，经与冷水交换，等等)以后在塔133内再循环。还可以想到水221不是再循环而是例如返回到河流或下游水网中。 [0069] 在塔33的槽内积聚的冷却水23通过泵25加压，并且一部分15被送至分离单元CPU。水的其余部分通过制冷单元35冷却用以构成被送至塔133的顶部的流37。 [0070] 图4与图3的区别仅在于，来自泵25的全部水在被分成两股以前在制冷单元中被冷却。经冷却的流37被送至塔133的顶部并且经冷却的流15被送至单元CPU。 [0071] 送至CPU的经冷却的水15可以用于冷却待分离的混合物或者冷却来自分离的产物。单元CPU不必一定在低温温度下运行。在单元CPU内加热的水可以藉由供应装置21被送至单元P。 [0072] 用于分离空气的设备ASU不必一定向富氧燃烧单元(如果存在)供应氧。对用于分离空气的设备ASU而言只需相对地靠近单元CPU定位以允许两者之间的集成就够了。 [0073] 对于其中贫含二氧化碳的气体包括一氧化碳和/或甲烷和/或氢的情形，气体能被送至冷却塔，在塔的顶部形成的湿的气体可以用作燃料，例如在气体涡轮中。 |
||||||
