專利名稱：用于富集氣體流中的一種成分的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于富集氣體流中的一種成分的方法和設(shè)備。特別地，本發(fā)明涉及一種富集空氣中的氧的方法。
背景技術(shù)：
富集空氣中的氧在鋼鐵行業(yè)已經(jīng)變得很必要。
減少或消除高爐中的熱焦炭-通常對噴吹煤粉(CPI)有益-需要這種必要的轉(zhuǎn)變。
從EP-A-0 531 182得知用于經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)此富集的裝置包括低溫蒸餾一部分空氣流以提供給高爐。從而，獲得富氮流和富氧流，然后，將富氧流再混合到空氣分離單元下游的空氣流中。
由于氧流的壓力與供給空氣分離單元(ASU)的空氣流的壓力接近，所以涉及混合塔的方法將證實(shí)是尤其合適和經(jīng)濟(jì)的。
圖1示出EP-A-0 531 182中描述的用于富集空氣中的氧的分離單元。它由壓力為P的構(gòu)成高爐爐料的空氣系統(tǒng)來供給?？諝庹麴s單元用于在略高于壓力P的預(yù)定壓力-例如有利地比壓力P高1×104Pa abs至1×105Pa的壓力-下生產(chǎn)低純度例如純度為80-97％優(yōu)選為85-95％的氧。
該單元實(shí)質(zhì)上包括熱交換管路1A、雙蒸餾塔2A以及混合塔6A，該雙蒸餾塔2A包括中壓塔3A、低壓塔4A和主冷凝器-再沸器5A。塔3A和4A通常分別在約5.45×105Pa和約1.5×105Pa的壓力下工作。
如文獻(xiàn)US-A-4 022 030中詳細(xì)說明的，混合塔是具有與蒸餾塔相同結(jié)構(gòu)的、但是用于以接近可逆的方式將在塔的底部引入的較易揮發(fā)的氣體與在塔的頂部引入的較不易揮發(fā)的液體相混合的塔。
這種混合產(chǎn)生制冷能量，因此容許減少與蒸餾相關(guān)的能耗。在本示例中，如下面將要說明的，這種混合還有利地用于待在壓力P下直接生產(chǎn)的不純的氧。
就圖1而論，通過壓縮機(jī)14A將氣流壓至混合塔的壓力、在熱交換管路1A中冷卻、在過冷器21A中過冷、并且送到混合塔6A的底部。
從塔3A的底部抽取的“富液”(富氧空氣)在經(jīng)膨脹閥10A膨脹之后被引入塔4A。從塔3A的中間位置11A抽取的“貧液”(不純的氮)在經(jīng)膨脹閥12A膨脹之后被引入塔4A的頂部，從而形成該設(shè)備的廢氣，該廢氣和可能產(chǎn)生于塔3A的頂部的中壓純氣態(tài)氮在熱交換管路1A中升溫，然后從該設(shè)備排出。這些氣體分別由圖1中的NI和NG指示。
將根據(jù)雙塔2A的設(shè)置而生產(chǎn)的純度較高或較低的液態(tài)氧從塔4A的底部抽出、通過泵13A提高到比前面提到的壓力P略高的壓力P1以便將壓降(P1-P小于2×105Pa)考慮進(jìn)去、然后將該液態(tài)氧引入塔6A的頂部。
從混合塔6A抽取三種流體流從它的基部抽取與富液類似的液體并將該液體通過設(shè)置有膨脹閥15A’的管路15A與該富液混合；從中間位置抽取主要由氧和氮構(gòu)成的混合流體，并將該混合流體通過設(shè)置有膨脹閥17A的管路16A送到低壓塔4A的中間位置；以及，從該混合塔的頂部抽取不純的氧，該氧在熱交換管路中升溫后基本以壓力P經(jīng)管路18A作為成品氣體OI從該設(shè)備排出。
附圖還示出用于從在該裝置內(nèi)循環(huán)的流體中回收可利用的冷量的輔助熱交換器19A、20A、21A。
圖2示意性地示出現(xiàn)有技術(shù)的用于富集高爐用的空氣流的集成設(shè)備。
在鼓風(fēng)機(jī)S中壓縮空氣流，以形成壓縮的氣流1。將該氣流分成兩個分支2和3。將第一分支2通過冷卻器R例如水冷卻器冷卻、在增壓機(jī)C中壓縮、然后送到空氣分離單元(ASU)。該空氣分離單元例如通過低溫蒸餾來工作，并包括在分離塔上游的凈化/純化裝置以及熱交換管路。它生產(chǎn)氧含量為80-95mol％的氧流10以及可能為廢流的氮流11。至少一部分富氧流10與第二空氣分支3混合。將富氧的混合流15在考貝式熱風(fēng)爐W中加熱，然后送到高爐HF。
為抵消包括該空氣分離單元的回路(從高爐進(jìn)風(fēng)口到該分離單元和氧氣流的再注入)中的壓降，安裝一壓縮機(jī)C。這樣就能提高送入空氣分離單元的總氣流(根據(jù)圖2)或者(作為圖1的變型)用于供應(yīng)混合塔的氣流(即由該分離單元處理的空氣流的約30％)的壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是以更經(jīng)濟(jì)和更可靠的方式將空氣分離單元集成到該煉鋼方法中，而該空氣分離單元中未使用任何氣體流壓縮機(jī)，除那些為保持該分離單元的制冷而連接到渦輪膨脹機(jī)的軸上的壓縮機(jī)以外。
本發(fā)明的一個主題是一種富集加壓氣體流中的一種成分A的方法，該方法包括步驟i)將該氣體流分成至少第一分支和第二分支；ii)將第一分支的至少一部分送入分離單元；iii)通過該分離單元提供至少第一流和第二流，該第一流的成分A的含量大于該第一分支中的成分A的含量；iv)將該第一流的至少一部分與該第二分支的至少一部分混合以形成加壓的混合氣體，其特征在于，使第二分支在與該第一流的至少一部分混合之前膨脹。
根據(jù)其它可選方面-該加壓氣體流與該第一分支的壓力基本相同，特別地，只有壓降是引起這兩種流體之間的壓力差異的原因；-該第一流和膨脹的第二分支的壓力基本相同，特別地，只有壓降是引起這兩種流體之間的壓力差異的原因；-該分離單元在能量需求方面是獨(dú)立的，所需求的能量用于壓縮由該單元生產(chǎn)的或者供給該單元的氣體流；-該加壓氣體流是空氣，并且任選地，所述成分A是氧；-該加壓氣體流是供給高爐的空氣；
-該分離單元是低溫蒸餾分離單元；-該分離單元包括中壓塔、與該中壓塔熱連接的低壓塔、以及混合塔；并且-在氣流被劃分之后，不壓縮該第一分支的供給蒸餾塔的部分或者不壓縮該第一分支的供給混合塔或者中壓塔的部分。
根據(jù)一種具體的操作方法i)在第一種操作中，壓縮第一分支的至少一部分，第二分支在與第一流的至少一部分混合之前不膨脹；以及ii)在第二種操作中，(例如，當(dāng)壓縮機(jī)C不工作時)不壓縮第一分支的至少一部分(不壓縮第一分支)，使第二分支在與第一流的至少一部分混合之前膨脹。
本發(fā)明的另一個主題是用于富集加壓氣體流中的一種成分A的設(shè)備，該設(shè)備包括i)用于將加壓氣體流分成至少第一分支和第二分支的裝置；ii)分離單元；iii)用于將第一分支的至少一部分送到該分離單元的裝置；以及iv)用于使由該分離單元生產(chǎn)的并與第一分支相比富含A的第一流的至少一部分與該第二分支混合以形成與加壓氣體流相比富含A的氣流的裝置，其特征在于，該設(shè)備包括用于在所述使第二分支與第一流的至少一部分混合的裝置上游以及在所述劃分氣體流的裝置的下游使該第二分支膨脹的裝置。
根據(jù)其它可選方面-該分離單元是包括中壓塔、熱連接到該中壓塔的低壓塔以及混合塔的空氣分離單元；-該設(shè)備不包括任何用于壓縮供給中壓塔或供給混合塔的空氣的裝置；以及-該設(shè)備包括用于壓縮第二分支的裝置，和用于運(yùn)送第二分支以使其在不流經(jīng)膨脹裝置的情況下與第一流的至少一部分混合的裝置。
有利地，該分離方法使用在等于或高于中壓塔壓力的壓力下工作的混合塔，而不需要另外的空氣壓縮裝置。
從而，本發(fā)明提出將混合塔單元集成到高爐鼓風(fēng)機(jī)中而不需要另外的空氣壓縮機(jī)，因此提高將氧分子以及富氧空氣運(yùn)送到高爐的可靠性，同時使此結(jié)構(gòu)所需的投資最小化。
本發(fā)明的另一主題是一種使用一設(shè)備來分離空氣的方法，該設(shè)備包括至少一個中壓塔、熱連接到中低壓塔的低壓塔以及在比中壓塔的壓力高的壓力下工作的混合塔，其中i)將經(jīng)壓縮和純化的空氣送到中壓塔；ii)將富氮流和富氧流從中壓塔送到低壓塔；iii)將富氧液體從低壓塔送到混合塔的頂部；以及iv)從該混合塔的頂部抽取富氧氣體，其特征在于，從中壓塔抽取富氮液體流、對該富氮液體流加壓并使之至少部分地汽化、在該混合塔的底部供應(yīng)至少一部分汽化的液體。
優(yōu)選地，富氮液體通過與所供應(yīng)的空氣的一部分進(jìn)行熱交換而被汽化。因此，可將液化的空氣送到中壓塔和低壓塔中的至少一個。
通過泵和/或靜液壓對富氮液體加壓。
本發(fā)明的另一主題是一種空氣分離設(shè)備，其包括a)中壓塔；b)熱連接到中低壓塔的低壓塔；c)在比該中壓塔的壓力高的壓力下工作的混合塔；d)用于將壓縮的純化空氣送到該中壓塔的裝置；e)用于將富氮流和富氧流從該中壓塔送到該低壓塔的裝置；f)用于將富氧液體從該低壓塔送到該混合塔的頂部的裝置；以及g)用于從該混合塔的頂部抽取富氧氣體的裝置，其特征在于，該設(shè)備包括用于從中壓塔抽取富氧液體流的裝置、用于對該液體加壓的裝置、用于至少部分地汽化該液體的裝置以及用于在該混合塔的底部供應(yīng)至少一部分汽化液體的裝置。


下面將參照圖3、4和5更詳細(xì)地說明本發(fā)明。在附圖中圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的用于富集空氣中的氧的分離單元；圖2示意性地示出現(xiàn)有技術(shù)的用于富集高爐用的空氣流的集成設(shè)備；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的用于富集氣體流的單元；圖4示出尤其適合于實(shí)施本發(fā)明的分離單元；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的用于富集氣體流的單元。
具體實(shí)施例方式
圖3示出用于富集供給到現(xiàn)有技術(shù)的高爐中的空氣流的集成單元。
在鼓風(fēng)機(jī)S中壓縮空氣流以形成壓縮的氣流1。將該氣流分成兩個分支2和3。將第一分支2通過冷卻器R例如水冷卻器冷卻，并在未在該冷卻器和空氣分離單元的進(jìn)口之間壓縮的情況下將該第一分支送入空氣分離單元(ASU)。該空氣分離單元通過例如低溫蒸餾來工作，并包括位于分離塔上游的純化單元和熱交換管路。該空氣分離單元生產(chǎn)可能為廢流的氮流11和含有80-95mol％的氧的氧流10。使第二空氣分支3通過膨脹裝置V膨脹，該膨脹裝置可能為例如閥、孔口、直徑減小的管或者渦輪機(jī)。使富氧流10的至少一部分在膨脹裝置V的下游與膨脹的第二空氣分支3混合。將富氧的混合流15在考貝式熱風(fēng)爐(Cowpers)W中加熱，并送到高爐HF。
此解決方案無需使用用于在空氣分離單元的上游提高壓力的空氣增壓機(jī)。因此整個系統(tǒng)的能量消耗減少。
圖4采用圖1的具有相同標(biāo)號的元件，所述元件不再詳細(xì)說明。
來自高爐進(jìn)風(fēng)口用的主空氣壓縮機(jī)或者來自渦輪膨脹機(jī)的5.45bar a的中壓純化空氣7A在進(jìn)入中壓塔2A之前分成至少兩個單獨(dú)的流。
第一流100以氣態(tài)形式直接供給到中壓塔2A的底部。
第二流200在熱交換器101A中至少部分地冷凝。將液化部分引入到蒸餾塔中的一個內(nèi)(中壓塔2A或者低壓塔4A)。在圖4中，將流202送到中壓塔的底部，而將流204在熱交換器19A中過冷后送到低壓塔。
將與空氣相比富含氮的液體流300從中壓塔3A抽出、通過泵400或者簡單的靜液力高度來壓縮、在熱交換器101A中抵抗中壓空氣的冷凝而汽化以形成氣態(tài)氮流500、然后將該氣態(tài)氮流供應(yīng)到混合塔6A的底部。因而，得益于空氣和富氮流之間成分的差別，在比供給到中壓塔3A的空氣100的壓力高的壓力下實(shí)現(xiàn)了對混合塔6A的供給，這樣就不需要額外的壓縮機(jī)。
還可考慮在將氣態(tài)氮500引入混合塔之前使該氣態(tài)氮在主熱交換管路中升溫。
為生產(chǎn)5.9bar a的氣態(tài)氮流500，熱交換器101A具有0.6℃的AT。
將來自混合塔6A的底部的比圖1中的流更富含氮的流15A送到低壓塔4A頂部的緊下方。
(本實(shí)施例)省略了過冷器21A，并且不再抽取中壓氣態(tài)氮NG。
任選地，將第三空氣流送入增壓機(jī)8A、使該第三空氣流在熱交換管路1A中冷卻、并且在鼓風(fēng)渦輪機(jī)9A中膨脹，但也可以設(shè)想其它制冷裝置，包括使供給中壓塔的空氣膨脹的裝置。
如果存在該增壓機(jī)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)則是不需要對供給混合塔或中壓塔的空氣進(jìn)行空氣壓縮的步驟。
就圖4而論，抽取效率降低，而該系統(tǒng)的分離能量保持優(yōu)于基礎(chǔ)實(shí)例。
但是，將圖4的空氣分離單元集成到在圖3所示變型中公開的裝置中確實(shí)能夠很大程度地減少閥中的壓降。
圖5示出用于富集供給到現(xiàn)有技術(shù)的高爐中的空氣流的集成單元。
在鼓風(fēng)機(jī)S中壓縮空氣流以形成壓縮的氣流1。將該氣流分成兩個分支2和3。將第一分支2通過冷卻器R例如水冷卻器冷卻、在增壓機(jī)C中壓縮該第一分支、并將該第一分支送入空氣分離單元(ASU)。該空氣分離單元例如通過低溫蒸餾來工作，并包括位于分離塔上游的純化單元和熱交換管路。該空氣分離單元生產(chǎn)可能為廢流的氮流11和含有80-95mol％的氧的氧流10。使第二空氣分支3通過膨脹裝置V膨脹，該膨脹裝置可為例如閥、孔口、直徑減小的管或者渦輪機(jī)。使富氧流10的至少一部分在膨脹裝置V的下游與膨脹的第二分支3混合。將富氧的混合流15在考貝式熱風(fēng)爐W中加熱、并送到高爐HF。該增壓機(jī)C和閥V具有短路裝置。在該單元的第一操作中，壓縮第一分支2并且不使第二分支膨脹。在第二操作中，壓縮該第一分支的至少一部分，并且使第二分支與在第一流的至少一部分混合之前膨脹。
變型的評估現(xiàn)有技術(shù)

帶膨脹閥的變型1(圖3)

具有膨脹閥(圖3)和圖4的空氣分離方法的變型2


權(quán)利要求
1.一種富集加壓氣體流中的一種成分A的方法，包括以下步驟i)將該氣體流(1)分成至少第一分支(2)和第二分支(3)；ii)將第一分支(2)的至少一部分送入分離單元(ASU)；iii)通過該分離單元提供至少第一流和第二流，該第一流(10)的成分A的含量大于該第一分支中的成分A的含量；iv)將該第一流的至少一部分與該第二分支的至少一部分混合以形成加壓的混合氣體(15)，其特征在于，使第二分支在與第一流的至少一部分混合之前膨脹。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該加壓氣體流(1)和所述第一分支(2)基本處于相同的壓力，具體地，只有壓降是引起這兩種流體之間的壓力差異的原因。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一流和膨脹的第二分支基本處于相同的壓力，具體地，只有壓降是引起這兩種流體之間的壓力差異的原因。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述分離單元(ASU)在用于壓縮由該單元生產(chǎn)或者供給該單元的氣體流的能量需求方面是獨(dú)立的。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述加壓氣體流為空氣，任選地，所述成分A是氧。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述加壓氣體流是供給高爐(HF)的空氣。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述分離單元是低溫蒸餾分離單元(ASU)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述分離單元(ASU)包括中壓塔(2A)、熱連接到該中壓塔的低壓塔(4A)、以及混合塔(6A)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在步驟i)中將氣體流劃分之后，不壓縮第一分支的供給蒸餾塔的部分或者不壓縮第一分支的供給混合塔或中壓塔的部分。
10.如前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法，其中i)在第一種操作中，壓縮第一分支的至少一部分，第二分支在與第一流的至少一部分混合之前不膨脹；以及ii)在第二種操作中，不壓縮第一分支的至少一部分—不壓縮第一分支，使第二分支在與第一流的至少一部分混合之前膨脹。
11.用于富集加壓氣體流中的一種成分A的設(shè)備，該設(shè)備包括i)用于將該加壓氣體流(1)分成至少第一分支(2)和第二分支(3)的裝置；ii)分離單元(ASU)；iii)用于將第一分支(2)的至少一部分送到該分離單元的裝置；iv)用于將由該分離單元生產(chǎn)的并與第一分支相比富含成分A的第一流(10)的至少一部分與該第二分支混合以形成與該加壓氣體流相比富含成分A的流(15)的裝置，其特征在于，該設(shè)備包括用于在所述使第一流的至少一部分與第二分支混合的裝置的上游并在所述劃分氣體流的裝置的下游使該第二分支膨脹的裝置(V)。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備的分離單元是包括中壓塔(3A)、熱連接到該中壓塔的低壓塔(4A)以及混合塔(6A)的空氣分離單元(ASU)。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備不包括任何用于在所述劃分氣體流的裝置的下游壓縮供給該中壓塔或者混合塔的空氣的裝置。
14.如權(quán)利要求11或12所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括用于壓縮第二分支的裝置，以及用于運(yùn)送第二分支以使其在不流經(jīng)膨脹裝置的情況下與第一流的至少一部分混合的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種富集加壓氣體流(1)中的一種成分(A)的方法。本發(fā)明的方法包括下列步驟將氣體流分成至少第一和第二分支(2、3)；將第一分支(2)的至少一部分送到分離單元(ASU)；通過該分離單元提供至少兩個排出流，包括具有比供給該分離單元的分支(2)中的成分A的含量高的第一排出流(10)；使該第一排出流(10)的至少一部分與該第二分支(3)的至少一部分混合以形成加壓的混合氣體(15)；使第二分支(3)膨脹，隨后與第一排出流(10)的至少一部分混合。
文檔編號F25J3/04GK1878999SQ200480033075
公開日2006年12月13日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月10日
發(fā)明者P·勒博, X·龐頓 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司