一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统和方法 |
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| 申请号 | CN201710561469.6 | 申请日 | 2017-07-11 | 公开(公告)号 | CN107469564A | 公开(公告)日 | 2017-12-15 |
| 申请人 | 江苏昊泰气体设备科技有限公司; 西藏昊泰气体设备科技有限公司; | 发明人 | 祝显强; 林征宇; 张新龙; 史菊俊; | ||||
| 摘要 | 一种循环利用尾气的两级变压 吸附 制高纯 氧 系统和方法，是对现有两级变压吸附制高纯氧系统的改进，即第一级分离系统的每个吸附塔均经历多次均压和充压过程，产品氧气充压使靠近出气端的氮气浓度退回至靠近进气端 位置 ，防止吸附剂层提前被穿透，有利于进行多次均压过程，同时采用瞬间大流量产品氧气反吹清洗和长时间小流量富氩尾气反吹清洗相结合的清洗方式，不仅充分回收吸附完成后吸附塔内的有用组分，而且减小反吹清洗过程所需的产品氧气，显著提高了第一级分离系统的回收率；而在第二级分离系统中充分回收吸附阶段和高纯氧气反吹清洗过程中产生的富氩尾气，升压后少部分用于第一级分离系统反吹清洗，大部分用于第二级分离系统吸附塔的充压，有效提高了第二级分离系统的回收率，从而总的氧气回收率得到了有效提高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统，其中，第一级为装填有氮吸附剂的基于平衡吸附原理的变压吸附分离获得浓度约为94%产品氧气的系统，第二级为装填有氧吸附剂的基于平衡吸附或动力学分离原理的变压吸附分离获得浓度大于99.5%高纯氧气的系统；其中，第一级分离系统主要包括空压机(1)，冷干机（2），空气缓冲罐P1，进气管路（3），至少装填有氮吸附剂的两个吸附塔（第一吸附塔A1和第二吸附塔A2），第一交错均压阀（8）和第二交错均压阀（9）、出气端和进气端交错均压管路（10），第一出气端均压阀（11）和第二出气端均压阀（12），第一反吹阀（13）和第二反吹充压阀（14），产品氧气反吹充压管路（15），出氧管路（18），富氩尾气反吹清洗管路（19）和产品氧气罐P2，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统和方法技术领域[0001] 本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统和方法。 背景技术[0002] 变压吸附（pressure swing adsorption, PSA）是一种重要的分离技术，已在气体分离、提纯等领域获得广泛应用，尤其在中小规模的空气分离制氧氮方面。然而，由于吸附动力学限制，传统单级变压吸附制氧系统难以获得浓度大于96%的高纯氧气。高纯度氧气在医用、航空、电子、切割和金属加工等领域都有广泛应用，并且对氧气纯度有严格的要求。而传统氧气钢瓶或液氧储罐存在生产成本高、不易现场生产、运输过程中风险大等缺点。 [0003] 新型吸附剂的开发为单级变压吸附制高纯氧气提供了可能。国外专利US 5226933提出了一种以AgLSX为吸附剂单级变压吸附制高纯氧系统，可获得浓度为99.5%的高纯氧气，氧气回收率为6.6%，较低的氧气回收率限制了该系统的进一步应用。国外专利US6544318提出了一种以AgLiLSX为吸附剂单级真空变压吸附制高纯氧系统，可获得浓度为99.1%的高纯氧气，但其氧气回收率仍很低，约为10%。 [0004] 因此，人们不得不采用多级变压吸附系统来制取更高浓度的氧气。国内专利CN20255514提出了一种两级变压吸附制高纯氧的装置，能在现场生产浓度大于99%的高纯氧气，但由于其工艺流程简单，使得氧气回收率较低以及能耗较高，限制了其进一步的应用。国内专利CN103768891和CN 103801171分别提出了一种具有混合进料回路的两级串联基于吸附平衡原理的变压吸附制高纯氧系统和一种具有第二级贫氧回收管路的两级串联基于吸附平衡原理变压吸附制高纯氧系统，经过工艺流程优化后可获得浓度大于99.5%的高纯氧气，总氧气回收率也得到有效提高，可达35%，但仍然较低，使设备能耗较高，难以适合大规模的工业应用。国内CN 103585856提出了一种多回流的变压吸附方法，用于两组分或三组分体系中获得两个纯组分，吸附过程中在吸附塔的中间进料，在吸附塔顶端得到弱组分产品气（氧气），但该流程中采用多组分回流冲洗，使得流程复杂，过程控制较难，难以获得理想的产品气。 [0005] 国外专利US 5137549提出了回收第二级分离系统中解吸后期浓度较低富氧尾气的两级变压吸附制高纯氧系统，回收的富氧尾气分别用于第一级分离系统充压和第二级分离系统的反吹清洗，可获得浓度为99.5%的高纯氧气，但由于流程简单，氧气回收率仍较低。 发明内容[0006] 本发明目的在于克服现有技术的缺点和不足提供一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统，并提供该系统的操作方法。 [0007] 现有典型的两级变压吸附制氧系统，如图1所示，第一级分离系统中吸附塔间仅有出气端均压或者出气端和进气端交错均压过程，同时为了防止吸附塔穿透均压时间很短，回收的有用组分很有限，氧气回收率低。另外，第二级分离系统中吸附塔出气端产生的大部分低压的富氩尾气被用于对第一级分离系统中吸附塔的反吹清洗，小部分用于吸附塔充压，充压效果很有限，使得总的氧气回收率较低。 [0008] 本发明提出一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统，如图2所示，是对现有两级变压吸附制高纯氧系统的改进，即第一级分离系统的每个吸附塔均经历多次均压和充压过程，产品氧气充压使靠近出气端的氮气浓度退回至靠近进气端位置，防止吸附剂层提前被穿透，有利于进行多次均压过程，同时采用瞬间大流量产品氧气反吹清洗和长时间小流量富氩尾气反吹清洗相结合的清洗方式，不仅充分回收吸附完成后吸附塔内的有用组分，而且减小反吹清洗过程所需的产品氧气，显著提高了第一级分离系统的回收率；而在第二级分离系统中充分回收吸附阶段和高纯氧气反吹清洗过程中产生的富氩尾气，升压后少部分用于第一级分离系统反吹清洗，大部分用于第二级分离系统吸附塔的充压，有效提高了第二级分离系统的回收率，从而总的氧气回收率得到了有效提高。 [0009] 一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统，其中，第一级为装填有氮吸附剂的基于平衡吸附原理的变压吸附分离获得浓度约为94%产品氧气的系统，第二级为装填有氧吸附剂的基于平衡吸附或动力学分离原理的变压吸附分离获得浓度大于等于99.5%高纯氧气的系统；其中，第一级分离系统主要包括空压机(1)，冷干机（2），空气缓冲罐P1，进气管路（3），至少装填有氮吸附剂的两个吸附塔（第一吸附塔A1和第二吸附塔A2），第一交错均压阀（8）和第二交错均压阀（9）、出气端和进气端交错均压管路（10），第一出气端均压阀（11）和第二出气端均压阀（12），第一反吹阀（13）和第二反吹充压阀（14），产品氧气反吹充压管路（15），出氧管路（18），第二级富氩尾气反吹清洗管路（19）和产品氧气罐P2。 [0010] 出气端和进气端交错均压管路（10）通过第一交错均压阀（8）和第二出气端均压阀（12）将第一吸附塔A1的进气端和第二吸附塔A2的出气端接通，通过第二交错均压阀（9）和第一出气端均压阀（11）将第一吸附塔A1的出气端和第二吸附塔A2的进气端接通；通过第一出气端均压阀（11）和第二出气端均压阀（12）将第一吸附塔A1的出气端和第二吸附塔A2的出气端接通。 [0011] 产品氧气反吹充压管路（15）通过单向控制阀（20）、第二反吹充压阀（14）和第一出气端均压阀（11）将产品氧气罐P2和第一吸附塔A1的出气端接通，用于产品氧气向第一吸附塔A1充压；通过单向控制阀（20）、第二反吹充压阀（14）和第二出气端均压阀（12）将产品氧气罐P2和第二吸附塔A2的出气端接通，用于产品氧气向第二吸附塔A2充压。 [0012] 产品氧气反吹充压管路（15）通过单向控制阀（20）、第二反吹充压阀（14）、第一出气端均压阀（11）和第一解吸阀（6）将产品氧气罐P2和第一吸附塔A1接通，用于产品氧气向第一吸附塔A1瞬间大流量反吹清洗，产品氧气反吹充压管路（15）通过单向控制阀（20）、第二反吹充压阀（14）、第二出气端均压阀（12）和第二解吸阀（7）将产品氧气罐P2和第二吸附塔A2接通，用于产品氧气向第二吸附塔A2瞬间大流量反吹清洗。 [0013] 第二级富氩尾气反吹清洗管路（19）通过第一反吹阀（13）、第一出气端均压阀（11）和第一解吸阀（6）将第二级分离系统的富氩尾气缓冲罐P3和第一吸附塔A1接通，用于向第一吸附塔A1长时间小流量反吹清洗；通过第一反吹阀（13）、第二出气端均压阀（12）和第二解吸阀（7）将第二级分离系统的富氩尾气缓冲罐P3和第二吸附塔A2接通，用于向第二吸附塔A2长时间小流量反吹清洗。 [0014] 第二级分离系统主要包括产品氧气的进气管路(21)，第三出氧控制阀（24）和第四出氧控制阀（25），第三反吹阀（26）和第四反吹阀（27），至少装填有氧吸附剂的两个吸附塔（第三吸附塔B1和第四吸附塔B2），富氩尾气充压阀（28），第一尾气排出充压阀（29），第二尾气排出充压阀（30），第三富氩尾气排出阀（31），富氩尾气排空阀（35）和富氩尾气收集阀（36），富氩尾气收集管路（37），尾气压缩机（38），富氩尾气缓冲罐P3，富氩尾气充压管路（40），高纯氧气清洗管路（41），氧压机（43）和高纯氧气缓冲罐P4，其特征在于：富氩尾气收集管路（37）通过富氩尾气收集阀（36）收集第二级分离系统吸附阶段产生的富氩尾气，经过尾气压缩机（38）升压后储存于富氩尾气缓冲罐P3，升压后富氩尾气用于第一吸附塔A1和第二吸附塔A2长时间小流量反吹清洗。 [0015] 富氩尾气充压管路（40）通过富氩尾气充压阀（28）和第一尾气排出充压阀（29）将尾气缓冲罐P3和第三吸附塔B1的出气端接通，用于部分富氩尾气对第三吸附塔B1充压；通过富氩尾气充压阀（28）和第二尾气排出充压阀（30）将尾气缓冲罐P3和第四吸附塔B2的出气端接通，用于部分富氩尾气对第四吸附塔B2充压。 [0016] 高纯氧气清洗管路（41）通过第三反吹阀（26）和第一尾气排出充压阀（29）将高纯氧气缓冲罐P4和第三吸附塔B1接通，用于对第三吸附塔B1高纯氧气反吹清洗；通过第四反吹阀（27）和第二尾气排出充压阀（30）将高纯氧气缓冲罐P4和第四吸附塔B2接通，用于对第四吸附塔B2高纯氧气反吹清洗。高纯氧气反吹清洗阶段产生的富氩尾气通过打开第三富氩尾气排出阀（31）经过尾气压缩机（38）升压后储存于富氩尾气缓冲罐P3中。 [0017] 一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统的操作方法，具体为装填氮吸附剂的第一级分离系统经进气管路（3）将经预处理的压缩空气送入第一吸附塔A1后，第一吸附塔A1进气吸附，第二吸附塔A2降压解吸。在第二吸附塔A2降压解吸的中后期通过第二级富氩尾气反吹清洗管路（19）对第二吸附塔A2利用第二级高压富氩尾气进行长时间小流量反吹清洗，再通过产品氧气反吹充压管路（15）打开第二反吹充压阀（14）和第二出气端均压阀（12）对第二吸附塔A2利用第一级产品氧气进行瞬间大流量反吹清洗。作为优选，该反吹清洗过程可间歇多次进行，即先富氩尾气长时间小流量反吹清洗、再产品氧气瞬间大流量反吹清洗，进一步进行富氩尾气长时间小流量反吹清洗和产品氧气瞬间大流量反吹清洗的间歇过程。 [0018] 装填氮吸附剂的第一级分离系统中第一吸附塔A1完成吸附，第二吸附塔A2完成解吸后，打开第一出气端均压阀（11）和第二出气端均压阀（12）进行出气端均压。完成出气端均压后，通过产品氧气反吹充压管路（15）打开第二反吹充压阀（14）和第二出气端均压阀（12）对第二吸附塔A2进行一次产品氧气充压。完成产品氧气充压后，通过出气端和进气端交错均压管路（10）打开第二交错均压阀（9）和第一出气端均压阀（11）进行交错均压；完成交错均压后，再一次通过产品氧气反吹充压管路（15）打开第二反吹充压阀（14）和第二出气端均压阀（12）对第二吸附塔A2进行第二次产品氧气充压，此后第一吸附塔A1进入降压解吸过程，第二吸附塔A2进入进气吸附过程。作为优选，该均压充压过程可间歇多次进行，即先进行出气端均压，再产品氧气充压，再次出气端和进气端交错均压，再次产品氧气充压，进一步地出气端和进气端交错均压以及产品氧气充压的多次间歇过程。 [0019] 装填氮吸附剂的第一级分离系统各控制阀门按下表规定的操作步骤进行切换：步 第一吸附塔A1运行 第二吸附塔A2运行步骤与阀门 吸附塔运行状态 骤 步骤与阀门开闭方 开闭方法 法 1 打开第一进气阀 打开第二解吸阀（7） 第一吸附塔A1进气吸附，第二吸 （4）和第一出氧控 附塔A2降压解吸 制阀（16） 2 打开第一进气阀 打开第二解吸阀（7）、第一反吹 第一吸附塔A1进气吸附，第二吸（4）和第一出氧控 阀（13）和第二出气端均压阀 附塔A2富氩尾气小流量反吹清制阀（16） （12） 洗 3 打开第一进气阀 打开第二解吸阀（7）、第二反吹 第一吸附塔A1进气吸附，第二吸（4）和第一出氧控 充压阀（14）和第二出气端均压 附塔A2瞬间大流量反吹清洗制阀（16） 阀（12） 4 打开第一出气端均 打开第二出气端均压阀（12） 第一吸附塔A1与第二吸附塔A2压阀（11） 进行出气端均压 5 打开第二反吹充压阀（14）和第 第一吸附塔A1进行第一次保压， 二出气端均压阀（12） 第二吸附塔A2进行第一次产品 氧气充压 6 打开第一出气端均 打开第二交错均压阀（9） 第一吸附塔A1与第二吸附塔A2压阀（11） 进行交错均压 7 打开第二反吹充压阀（14）和第 第一吸附塔A1进行第二次保压， 二出气端均压阀（12） 第二吸附塔A2进行第二次产品 氧气充压 8 打开第一解吸阀 打开第二进气阀（5）和第二出 第一吸附塔A1进行降压解吸，第（6） 氧控制阀（17） 二吸附塔A2进行进气吸附 上述运行步骤中除指定的开启阀门之外的阀门均为关闭状态。 [0020] 装填氧吸附剂的第二级分离系统第三吸附塔B1和第四吸附塔B2的出气端在吸附阶段产出的部分富氩尾气通过尾气排空阀（35）排空，而大部分富氩尾气通过富氩尾气收集管路（37）升压后储存于富氩尾气缓冲罐P3，被用于第一级分离系统的小流量反吹清洗。 [0021] 装填氧吸附剂的第二级分离系统第三吸附塔B1和第四吸附塔B2的出气端在高纯氧气清洗阶段产出的富氩尾气通过打开第一尾气排出充压阀（29）和第三富氩尾气排出阀（31）或打开第二尾气排出充压阀（30）和第三富氩尾气排出阀（31）经升压后储存于富氩尾气缓冲罐P3。 [0022] 装填氧吸附剂的第二级分离系统通过富氩尾气充压管路（40）打开富氩尾气充压阀（28）和第一尾气排出充压阀（29）或打开富氩尾气充压阀（28）和第二尾气排出充压阀（30）对第三吸附塔B1和第四吸附塔B2进行充压。 [0023] 装填氧吸附剂的第二级分离系统各控制阀门按下表规定的操作步骤进行切换：上述运行步骤中除指定的开启阀门之外的阀门均为关闭状态。 [0024] 本发明中部分名词释义如下：所说的产品氧气，是指第一级分离系统较难被吸附剂吸附的气体，如相对于氮吸附剂来说，氧气是较为难吸附的气体； 所说的富氮废气是指第一级分离系统中较容易被吸附剂吸附的气体，如相对于氮吸附剂来说，氮气是较容易吸附的气体； 所说的吸附塔也可称之为吸附器，吸附床，是指至少装填了上述多层吸附剂的容器； 所说的压力除特别说明外，其他的均指相对压力（表压）； 所说的保压是指将吸附塔的进气阀和出气阀均关闭，使吸附塔内压力保持不变的过程； 所说的均压是指将两个吸附塔的出气端或者吸附塔的出气端与另一吸附塔的进气端接通，使两个吸附塔内压力均衡的过程； 所说的产品氧气充压是指将吸附塔的出气端与产品氧气缓冲罐接通，将部分产品氧气充入吸附塔内，使吸附塔内压力升高的过程； 所说的变压吸附（PSA）所指的不仅是PSA方法，还包括与之相类似的周期性压力变化而吸附分离方法，其中周期性变化过程中较高压力可以大于或等于大气压力，较低的压力可以小于或等于大气压力，如真空变压吸附等方法。 [0025] 所说的富氩尾气是指第二级分离系统中较难被吸附剂吸附的气体，如相对于氧吸附剂来说，氩气是较难吸附的气体；所说的富氩尾气充压是指将吸附塔的出气端与富氩尾气缓冲罐接通，将部分富氩尾气充入吸附塔内，使吸附塔内压力升高的过程。 [0026] 本发明同现有技术相比具有的有益效果是：1)第一级分离系统中吸附塔经过多次均压和充压过程，不仅可以防止吸附剂层被提早穿透，而且充分回收吸附塔内有用组分，显著提高氧气回收率，降低能耗；2)第二级分离系统中大部分富氩尾气被回收利用，有效提高了氧气回收率，使总的回收率得到了提高。附图说明 [0027] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 [0028] 图1是现有典型的两级变压吸附制高纯氧系统。 [0029] 图2是本发明的一种循环利用尾气的两级变压吸附制高纯氧系统。 [0030] 图2中：1. 空压机；2.冷干机；P1.空气缓冲罐；3.进气管路；A1.装填氮吸附剂的第一吸附塔；A2.装填氮吸附剂的第二吸附塔；4.第一进气阀；5.第二进气阀；6.第一解吸阀；7.第二解吸阀；8.第一交错均压阀；9.第二交错均压阀；10.出气端和进气端交错均压管路； 11.第一出气端均压阀；12.第二出气端均压阀；13.第一反吹阀；14.第二反吹充压阀；15. 产品氧气反吹充压管路；16.第一出氧控制阀；17.第二出氧控制阀；18.出氧管路；P2.氧气缓冲罐；19.富氩尾气反吹清洗管路；20.单向控制阀；21.产品氧气的进气管路；22.第三进气阀；23.第四进气阀；24.第三出氧控制阀；25. 第四出氧控制阀；26.第三反吹阀；27.第四反吹阀；B1.装填氧吸附剂的第三吸附塔；B2.装填氧吸附剂的第四吸附塔；28.富氩尾气充压阀；29.第一尾气排出充压阀；30.第二尾气排出充压阀；31.第三尾气排出充压阀；32.单向控制阀；33.第一出氩控制阀；34.第二出氩控制阀；35.尾气排空阀；36. 富氩尾气收集阀；37.富氩尾气收集管路；38. 尾气压缩机；39. 反吹控制阀；P3.尾气缓冲罐；40.富氩尾气充压管路；41.高纯氧气清洗管路；42.单向控制阀；43.氧压机；P4.高纯氧气缓冲罐。 具体实施方式[0031] 以下通过具体实施例对本发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，但所应理解的是，以下所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普遍技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均包括在本发明的范围内。 [0032] 本示例采用具有两个吸附塔两级变压吸附制高纯氧工艺，如图2所示，第一级分离系统中空压机的排气压力约为0.5 MPa（表压），吸附压力约为0.4 MPa，第二级分离系统吸附压力约为0.3 MPa。 [0033] 在第一级分离系统中以第一吸附塔A1为例，原料空气进入第一吸附塔A1后，第一吸附塔A进入吸附过程，在吸附塔的出气端得到约为94%的产品氧气，而第二吸附塔A2进入降压解吸过程。第一吸附塔A1完成吸附，第二吸附塔A2完成解吸后，打开第一出气端均压阀（11）和第二出气端均压阀（12）进行出气端均压。完成出气端均压后，通过产品氧气反吹充压管路（15）打开第二反吹充压阀（14）和第二出气端均压阀（12）对第二吸附塔A2进行一次94%产品氧气充压。完成产品氧气充压后，通过出气端和进气端交错均压管路（10）打开第二交错均压阀（9）和第一出气端均压阀（11）进行交错均压；完成交错均压后，再一次通过产品氧气反吹充压管路（15）打开第二反吹充压阀（14）和第二出气端均压阀（12）对第二吸附塔A2进行第二次产品氧气充压，此后第一吸附塔A1进入降压解吸过程，第二吸附塔A2进入进气吸附过程。作为优选，该均压充压过程可间歇多次进行，即先进行出气端均压，再产品氧气充压，再次出气端和进气端交错均压，再次产品氧气充压，进一步地出气端和进气端交错均压以及产品氧气充压的多次间歇过程。完成多次均压和充压后，第一吸附塔A1进行降压解吸，第二吸附塔A2则进行进气吸附。经过该循环过程后，产品氧气的回收率至少为55%。 [0034] 在第二级分离系统中以第三吸附塔B1为例，第一级分离系统产出的产品氧气进入第三吸附塔B1，第三吸附塔B1进行吸附过程，而第四吸附塔B2进入降压解吸过程，可在进气端另一侧解吸获得浓度≥99.5%的高纯氧气。第三吸附塔B1在出气端产出的部分富氩尾气通过尾气排空阀（35）排空，而大部分富氩尾气通过富氩尾气收集管路（37）升压后储存于富氩尾气缓冲罐P3，被用于第一级分离系统的小流量反吹清洗。第三吸附塔B1完成吸附后，利用高纯氧气缓冲罐P4内高纯氧气对第三吸附塔B1进行反吹清洗，将仍然残余在吸附塔内氩气等不纯组分吹扫出去，而清洗阶段产出的富氩尾气通过打开第一尾气排出充压阀（29）和第三富氩尾气排出阀（31）经升压后储存于富氩尾气缓冲罐P3。第三吸附塔B1完成反吹清洗而第四吸附塔B2完成降压解吸后，第三吸附塔B1进入降压解吸过程获得高纯氧气，同时打开富氩尾气充压阀（28）和第二尾气排出充压阀（30）对第四吸附塔B2进行富氩尾气充压，尾气充压完成后第四吸附塔B2进入进气吸附过程，至此过程完成了一个循环。经过该循环过程后，氧气回收率至少为75%，则本发明的两级变压吸附制氧系统的总氧气回收率至少40%以上，比现有两级变压吸附制氧系统的总氧气回收率至少5%。 |
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