專利名稱：用于空氣壓縮、冷卻和凈化的集成方法以及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成的空氣壓縮、冷卻和凈化的設(shè)備以及空氣壓縮、冷卻和凈化方法。具體地，本發(fā)明涉及使用所述空氣壓縮、冷卻和凈化的設(shè)備以及方法的低溫空氣分離設(shè)備和空氣分離方法。
背景技術(shù)：
某些市場——尤其是用于天然氣轉(zhuǎn)化的市場——需要大量的氧，因此，空氣分離設(shè)備的尺寸日益增大。因此，有必要增加用于空氣分離設(shè)備的空氣壓縮系統(tǒng)的尺寸。
通常使用具有中間冷卻器的壓縮機(jī)供給空氣分離設(shè)備。對(duì)于大型設(shè)備，這些壓縮機(jī)的成本非常高并且它們的尺寸使得安裝起來相當(dāng)昂貴。
為了解決這個(gè)問題，可以并行地使用多個(gè)壓縮機(jī)，但是這并不經(jīng)濟(jì)。
由于電機(jī)的尺寸有限，通常這些大型壓縮機(jī)通過燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)供給動(dòng)力。蒸汽輪機(jī)使用天然氣轉(zhuǎn)化過程所產(chǎn)生的蒸汽。
還已知燃?xì)廨啓C(jī)用以處理空氣流的軸流式壓縮機(jī)比用于空氣分離的壓縮機(jī)大得多。然而，這些壓縮機(jī)是絕熱的，并且由于壓縮熱不能再循環(huán)，其能量消耗令人失望甚至與空氣分離不相容。
由美國專利4,461,154已知，在絕熱壓縮機(jī)中壓縮的空氣可用于預(yù)熱鍋爐的給水。
美國專利6,117,916說明了在發(fā)送來自壓縮機(jī)的空氣之前使用來自絕熱壓縮機(jī)的熱量以使工作流體升溫?？諝怆S后被進(jìn)一步冷卻并送到空氣分離設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是有效地使用壓縮空氣中存在的熱量以產(chǎn)生能量。
本發(fā)明提供了一種用于空氣壓縮、冷卻和凈化的集成方法，其中a)絕熱壓縮機(jī)壓縮一空氣流以產(chǎn)生壓縮空氣流；b)所述壓縮空氣流用于加熱第一壓力下的第一加壓流和第二壓力下的第二加壓流，并生成升溫的第一加壓流、升溫的第二加壓流和冷卻的壓縮空氣流；c)所述升溫的第一加壓流為氣態(tài)并且在渦輪機(jī)中膨脹；d)所述渦輪機(jī)所做功的至少一部分用于為絕熱壓縮機(jī)供給動(dòng)力；e)所述冷卻的壓縮空氣流利用冷卻裝置通過與水進(jìn)行熱交換來進(jìn)一步冷卻，然后在使用TSA方法的凈化裝置中凈化；以及f)所述升溫的第二加壓流的至少一部分用于下述步驟中的至少一個(gè)步驟冷卻將要在冷卻過程中使用的水，以及加熱用于使凈化裝置再生的氣體。
此外，本發(fā)明提供了一種用于空氣壓縮、冷卻和凈化的集成設(shè)備，該設(shè)備包括a)用于壓縮一空氣流以產(chǎn)生壓縮空氣流的絕熱壓縮機(jī)；b)至少一個(gè)熱交換器以及用于將該壓縮空氣流、第一壓力下的第一加壓流和第二壓力下的第二加壓流送入該至少一個(gè)熱交換器以生成升溫的第一加壓流、升溫的第二加壓流和冷卻的壓縮空氣流的管路；c)渦輪機(jī)和用于將所述升溫的第一加壓流送入該渦輪機(jī)的管路；d)用于將該渦輪機(jī)所做功的至少一部分傳遞給絕熱壓縮機(jī)的裝置；e)利用水進(jìn)行熱交換的冷卻裝置和用于將所述冷卻的壓縮空氣流送到該冷卻裝置以生成進(jìn)一步冷卻的壓縮空氣流的管路；f)使用TSA方法的凈化裝置和用于將所述進(jìn)一步冷卻的壓縮空氣流送到該凈化裝置中的管路；以及
g)用于將所述升溫的第二加壓流的至少一部分送入所述冷卻裝置和凈化裝置中的至少一個(gè)的管路。
對(duì)絕熱壓縮機(jī)所產(chǎn)生熱量的有效利用使得蒸汽消耗相當(dāng)于空氣分離中通常使用的多級(jí)壓縮機(jī)的蒸汽消耗。


為了進(jìn)一步理解本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和目的，參照下面結(jié)合附圖給出的詳細(xì)說明，其中附圖中同樣的元件用相同的或類似的標(biāo)號(hào)表示，在附圖中-圖1示出本發(fā)明的第一實(shí)施例；以及-圖2示出本發(fā)明的第二實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種用于空氣壓縮、冷卻和凈化的集成方法，其中a)絕熱壓縮機(jī)壓縮一空氣流以產(chǎn)生壓縮空氣流；b)所述壓縮空氣流用于加熱第一壓力下的第一加壓流和第二壓力下的第二加壓流，并生成升溫的第一加壓流、升溫的第二加壓流和冷卻的壓縮空氣流；c)所述升溫的第一加壓流為氣態(tài)并且在渦輪機(jī)中膨脹；d)所述渦輪機(jī)所做功的至少一部分用于為絕熱壓縮機(jī)供給動(dòng)力；e)所述冷卻的壓縮空氣流利用冷卻裝置通過與水進(jìn)行熱交換來進(jìn)一步冷卻，然后在使用TSA方法的凈化裝置中凈化；以及f)所述升溫的第二加壓流的至少一部分用于下述步驟中的至少一個(gè)步驟冷卻將要在冷卻過程中使用的水，以及加熱用于使凈化裝置再生的氣體。
本發(fā)明還可包括下列方面中的一個(gè)或多個(gè)a)冷卻過程可以是一吸附過程；所述第一和第二加壓流是水流；b)所述第一和第二加壓流通過與所述壓縮空氣流間接接觸而蒸發(fā)以生成第一和第二蒸汽流；
c)第一加壓流的壓力高于第二加壓流；d)所述升溫的第一加壓流的壓力高于所述升溫的第二加壓流；e)所述升溫的第二加壓流的至少一部分在渦輪機(jī)中膨脹；f)所述升溫的第二加壓流的在渦輪機(jī)中膨脹的所述至少一部分被送到渦輪機(jī)的一中間級(jí)；g)與所述第一和第二加壓流相互作用而冷卻的空氣在所述進(jìn)一步冷卻和凈化之后被送入空氣分離設(shè)備；h)與所述第一和第二加壓流相互作用而冷卻的空氣在冷卻裝置中通過與至少一股水流直接接觸而進(jìn)一步冷卻并被送入空氣分離設(shè)備，并且所述至少一股水流在吸收式制冷裝置中利用所述升溫的第二加壓流的至少一部分冷卻；以及i)與所述第一和第二加壓流相互作用而冷卻的空氣在凈化裝置中凈化并被送到空氣分離設(shè)備，該空氣分離設(shè)備生成用于使該凈化裝置再生的富氮流，并且所述升溫的第二加壓流的至少一部分用于加熱該凈化裝置上游的所述富氮流。
此外，本發(fā)明提供了一種用于空氣壓縮、冷卻和凈化的集成設(shè)備，該設(shè)備包括a)用于壓縮一空氣流以產(chǎn)生壓縮空氣流的絕熱壓縮機(jī)；b)至少一個(gè)熱交換器以及用于將該壓縮空氣流、第一壓力下的第一加壓流和第二壓力下的第二加壓流送入所述至少一個(gè)熱交換器以生成升溫的第一加壓流、升溫的第二加壓流和冷卻的壓縮空氣流的管路；c)渦輪機(jī)和用于將所述升溫的第一加壓流送入該渦輪機(jī)的管路；d)用于將渦輪機(jī)所做功的至少一部分傳遞給絕熱壓縮機(jī)的裝置；e)利用水進(jìn)行熱交換的冷卻裝置和用于將所述冷卻的壓縮空氣流送到該冷卻裝置以生成進(jìn)一步冷卻的壓縮空氣流的管路；f)使用TSA方法的凈化裝置和用于將所述進(jìn)一步冷卻的壓縮空氣流送到該凈化裝置的管路；以及
g)用于將所述升溫的第二加壓流的至少一部分送入冷卻裝置和凈化裝置中的至少一個(gè)的管路。
本發(fā)明可另外包括下列特征中的一個(gè)或多個(gè)a)渦輪機(jī)和用于將所述升溫的第二加壓流的至少一部分送到該渦輪機(jī)的管路；b)用于將所述升溫的第二加壓流的在渦輪機(jī)中膨脹的所述至少一部分送到該渦輪機(jī)的一中間級(jí)的管路；以及c)冷卻裝置是直接接觸式冷卻裝置并包括用于將水送入該冷卻裝置的管路、用于冷卻所述水的吸收式制冷裝置以及用于將所述升溫的第二加壓流的至少一部分送到該制冷裝置的管路。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種空氣分離設(shè)備，該空氣分離設(shè)備包括上文所述的設(shè)備、用于冷卻所述在冷卻裝置中冷卻的空氣的附加的熱交換器、蒸餾塔系統(tǒng)、用于將空氣送入塔系統(tǒng)的塔中的管路以及用于從塔系統(tǒng)的塔中取出產(chǎn)品的管路。
該空氣分離設(shè)備可包括熱交換器、用于將富氮流從塔系統(tǒng)送到該熱交換器并從那里送到凈化裝置的管路、以及用于將所述升溫的第二加壓流的至少一部分送到該熱交換器以加熱凈化裝置上游的富氮流的管路。
對(duì)絕熱壓縮機(jī)所產(chǎn)生熱量的有效使用使得蒸汽消耗相當(dāng)于空氣分離中通常使用的多級(jí)壓縮機(jī)的蒸汽消耗。
在圖1中，絕熱壓縮機(jī)1用于壓縮空氣流2。如果壓縮到大約7 bar abs，則空氣溫度大約是350℃。然后，將空氣送到一熱交換器3，在該熱交換器3中所述空氣用于加熱兩股處于兩種不同壓力下的水流37、39，以形成處于兩種不同壓力——例如5 bar abs和30 bar abs——下的蒸汽流7、9。應(yīng)該理解，根據(jù)所要產(chǎn)生的蒸汽流的數(shù)量，可用多個(gè)熱交換器代替交換器3。
在交換器3中冷卻的空氣4被送入冷卻塔5的底部并在該冷卻塔中通過與在兩個(gè)分離的位置引入的水15、17直接接觸而進(jìn)行熱交換。流15在進(jìn)入冷卻塔之前在吸附式冷卻裝置31中利用流9的至少一部分(這里示出為部分流9C)進(jìn)行冷卻。
在冷卻塔5中冷卻的空氣17然后在凈化裝置8中凈化以生成空氣流47。該空氣流然后被進(jìn)一步冷卻并送到可以是任何已知類型的低溫空氣分離設(shè)備的塔中。
凈化裝置通過由空氣流47供給的空氣分離設(shè)備所生成的富氮流45定期再生。使用流9的至少一部分(這里示出為部分流9B)使該富氮流45優(yōu)選地升溫到再生溫度。
由被送到渦輪機(jī)7入口的升溫的第一加壓流7——其優(yōu)選地與另一股蒸汽流13混合——供給渦輪機(jī)7。將流9的至少一部分(這里示出為部分流9A)送到渦輪機(jī)7的一中間級(jí)。
使膨脹流23冷凝并與部分冷凝的流9B、9C中的一股或兩股一起在泵壓之后再循環(huán)到交換器3的入口?？蓪晒伤?7、39泵壓到不同的壓力，或者如所示出的那樣，將兩股水流泵壓到共同的壓力并且使一股水流39膨脹。顯然，也可以將兩股流泵壓到共同的壓力并進(jìn)一步將流37泵壓到一較高的壓力。
根據(jù)圖2所示的另一實(shí)施例，不需要單獨(dú)的交換器3，該交換器的功能被集成到冷卻塔5中。水流37、39和直接來自壓縮機(jī)1的空氣之間的熱交換發(fā)生在冷卻塔5的底部。冷卻塔5被分成兩個(gè)隔室第一隔室5A和第二隔室5B，其中在第一隔室中在熱空氣4和水流37、39之間發(fā)生間接接觸，在第二隔室中在已于第一隔室中冷卻的空氣和引入第二隔室的至少一股水流15、17之間發(fā)生直接接觸。隔板21阻止向下通過第二隔室5B的水滲入第一隔室5A，但是允許空氣從第一隔室向上進(jìn)入第二隔室5B。
在第一隔室5A中，處于較高壓力下的水流37在隔室底部的溫度最高的盤管137中循環(huán)，處于較低壓力下的水流39在盤管137上方的溫度較低的另一盤管139中循環(huán)。應(yīng)該理解，可以使用任何數(shù)量的水流和/或盤管。
第二隔室5B包含塔板、規(guī)整填料、散裝填料或任何其它允許空氣和水之間的傳質(zhì)和傳熱的填料。在塔頂部引入在吸附式冷卻裝置31中冷卻后的水流15，并在第二隔室5B的中間位置引入水流17。空氣從第一隔室上升到第二隔室5B中，并在其中通過與水直接熱傳遞而被冷卻。在第二隔室的底部取出升溫的水41，然后以現(xiàn)有技術(shù)所熟知的方式再循環(huán)到冷卻塔。
下面將說明使用圖1的裝置的方法的示例。燃?xì)廨啓C(jī)具有一壓縮機(jī)，其壓縮106Nm3/h的空氣流，即供給7,000噸每天的空氣分離設(shè)備的空氣。
在正常運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)1將到11的空氣壓縮到8bars的壓力，并且其轉(zhuǎn)速為3,600rpm。
如果僅保持壓縮機(jī)的低壓部分，則該壓縮機(jī)適于用來供給空氣分離設(shè)備，并可通過3,600rpm的蒸汽輪機(jī)供給動(dòng)力。
如果壓縮機(jī)的輸出為6bars，則需要91MW的蒸汽輪機(jī)為壓縮機(jī)供給動(dòng)力。實(shí)際蒸氣消耗相當(dāng)于71MW的壓縮機(jī)的消耗。
除了蒸汽輪機(jī)外，還可使用電動(dòng)機(jī)為絕熱空氣壓縮機(jī)供給動(dòng)力。
應(yīng)該理解，盡管在上文中僅示出并說明了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進(jìn)行多種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于空氣壓縮、冷卻和凈化的集成方法，其中a)絕熱壓縮機(jī)壓縮一空氣流以產(chǎn)生壓縮空氣流；b)所述壓縮空氣流用于加熱第一壓力下的第一加壓流和第二壓力下的第二加壓流，并生成升溫的第一加壓流、升溫的第二加壓流和冷卻的壓縮空氣流；c)所述升溫的第一加壓流為氣態(tài)并且在渦輪機(jī)中膨脹；d)所述渦輪機(jī)所做功的至少一部分用于為所述絕熱壓縮機(jī)供給動(dòng)力；e)所述冷卻的壓縮空氣流利用冷卻裝置通過與水進(jìn)行熱交換來進(jìn)一步冷卻，然后在使用TSA方法的凈化裝置中凈化；以及f)所述升溫的第二加壓流的至少一部分用于選自下列過程中的至少一個(gè)(i)冷卻將要在所述冷卻過程中使用的所述水；以及(ii)加熱用于使所述凈化裝置再生的氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述第一和第二加壓流是水流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述第一和第二加壓流通過與所述壓縮空氣流間接接觸而蒸發(fā)以生成第一和第二蒸汽流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述第一加壓流的壓力高于所述第二加壓流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述升溫的第一加壓流的壓力高于所述升溫的第二加壓流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述升溫的第二加壓流的至少一部分在所述渦輪機(jī)中膨脹。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于，將所述升溫的第二加壓流的在所述渦輪機(jī)中膨脹的所述至少一部分送到所述渦輪機(jī)的一中間級(jí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，與所述第一和第二加壓流相互作用而冷卻的所述空氣在所述進(jìn)一步冷卻和凈化之后被送到空氣分離設(shè)備。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，與所述第一和第二加壓流相互作用而冷卻的所述空氣在所述冷卻裝置中通過與至少一股水流直接接觸而進(jìn)一步冷卻并被送到空氣分離設(shè)備，在吸收式制冷裝置中利用所述升溫的第二加壓流的至少一部分冷卻所述至少一股水流。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于，與所述第一和第二加壓流相互作用而冷卻的所述空氣在凈化裝置中凈化并被送到空氣分離設(shè)備，所述空氣分離設(shè)備生成用于使所述凈化裝置再生的富氮流，并且所述升溫的第二加壓流的至少一部分用于加熱所述凈化裝置上游的所述富氮流。
11.一種用于空氣壓縮、冷卻和凈化的集成設(shè)備，包括a)用于壓縮一空氣流以產(chǎn)生壓縮空氣流的絕熱壓縮機(jī)；b)至少一個(gè)熱交換器以及用于將所述壓縮空氣流、第一壓力下的第一加壓流和第二壓力下的第二加壓流送到所述至少一個(gè)熱交換器以生成升溫的第一加壓流、升溫的第二加壓流和冷卻的壓縮空氣流的管路；c)渦輪機(jī)以及用于將所述升溫的第一加壓流送到所述渦輪機(jī)的管路；d)用于將所述渦輪機(jī)所做功的至少一部分傳遞給所述絕熱壓縮機(jī)的裝置；e)利用水進(jìn)行熱交換的冷卻裝置；f)用于將所述冷卻的壓縮空氣流送到所述冷卻裝置以生成進(jìn)一步冷卻的壓縮空氣流的管路；g)使用TSA方法的凈化裝置以及用于將所述進(jìn)一步冷卻的壓縮空氣流送到所述凈化裝置的管路；以及h)用于將所述升溫的第二加壓流的至少一部分送到所述冷卻裝置和所述凈化裝置中的至少一個(gè)的管路。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括渦輪機(jī)和用于將所述升溫的第二加壓流的至少一部分送到所述渦輪機(jī)的管路。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括用于將所述升溫的第二加壓流的在所述渦輪機(jī)中膨脹的所述至少一部分送到所述渦輪機(jī)的一中間級(jí)的管路。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其特征在于，所述冷卻裝置是直接接觸式冷卻裝置并包括用于將水送到所述冷卻裝置的管路、用于冷卻所述水的吸收式制冷裝置以及用于將所述升溫的第二加壓流的至少一部分送到所述制冷裝置的管路。
15.一種包括根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備的空氣分離設(shè)備，所述空氣分離設(shè)備還包括用于冷卻在所述冷卻裝置中冷卻的所述空氣的附加的熱交換器、蒸餾塔系統(tǒng)、用于將空氣送到所述塔系統(tǒng)的塔中的管路以及用于從所述塔系統(tǒng)的塔中取出產(chǎn)品的管路。
16.根據(jù)權(quán)利要求16的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括a)熱交換器；b)用于將富氮流從所述塔系統(tǒng)送到所述熱交換器并從該熱交換器送到所述凈化裝置的管路；以及c)用于將所述升溫的第二加壓流的至少一部分送到所述熱交換器以加熱所述凈化裝置上游的富氮流的管路。
全文摘要
在一種用于空氣壓縮、冷卻和凈化的集成方法中，絕熱壓縮機(jī)(1)壓縮空氣流(2)以產(chǎn)生壓縮空氣流。該壓縮空氣流(3)用于加熱第一壓力下的第一加壓流(37)和第二壓力下的第二加壓流(39)。所生成的流包括升溫的第一加壓流(7)、升溫的第二加壓流(9)以及冷卻的壓縮空氣流(4)。升溫的第一加壓流為氣態(tài)并且在渦輪機(jī)(11)中膨脹。該渦輪機(jī)所做功的至少一部分用于為絕熱壓縮機(jī)供給動(dòng)力。冷卻的壓縮空氣流利用冷卻裝置(5)通過與水(15、17)進(jìn)行熱交換而被進(jìn)一步冷卻，然后在使用TSA方法的凈化裝置(8)中凈化。升溫的第二加壓流的至少一部分(9B、9C)用于冷卻(31)將要在冷卻過程中使用的水，和/或用于加熱(43)用于使凈化裝置再生的氣體(45)。
文檔編號(hào)F04D29/58GK101091097SQ200580044943
公開日2007年12月19日 申請日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月27日
發(fā)明者P·勒博 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司