CN113865265A - 一种利用液氢冷能的空气分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用液氢冷能的空气分离方法，包括空气压缩净化系统、空气分离系统、为空气分离系统补充冷量的空气—液氢换热系统和利用低温氢气冷能的循环冷冻水系统四个部分；液氢‑空气换热器利用‑250℃的液氢提供的冷能将进入空气分离系统的空气液化，替代了的气体膨胀机组；气化后的低温氢气通过氢气‑冷冻水换热器提供低于25℃左右的冷冻水，再通过闭式冷冻水循环系统用于空压机组进气、级间和排气的冷却。本发明将液氢的低温冷能用于空分装置后，可使空分装置能耗大幅度降低，具有明显的节能效果，同时具有流程简洁、成本低廉、适用范围广的优点。
Description
技术领域
本发明涉及空气分离的技术领域，具体涉及一种利用液氢冷能的空气分离方法。
背景技术
空气分离方法特别是生产液氧、液氮和液氩等液体空分产品的空气分离方法以及生产部分加压气氧、气氮(内压缩气体产品)和部分液体空分产品的空气分离方法，需要大量的低温冷量。常规的办法是用一股高压空气或高压氮气冷却到规定温度后进一台或两台增压透平膨胀机膨胀制冷来提供空分系统所需的冷量。气体的压缩是要消耗大量电力和冷却水的。因此常规的这类空分系统其液体空分产品和内压缩气体产品的能耗很高。
氢能已成为国家节能减排、能源转型发展战略、双碳目标下的重大需求。氢能未来将广泛应用于化工、能源、交通运输、工业、建筑等多个领域。氢气在化工厂中有广泛的应用，当氢气以液氢的形式存在时，具有高品位的冷能，在化工厂中可与空分系统耦合，充分利用液氢的冷能，但目前尚未有相关专利公开。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用液氢冷能的空气分离方法，以解决现有技术中空分系统能耗大、流程复杂、成本高的难题。本发明将液氢的低温冷能用于空分装置后，可使空分装置能耗大幅度降低，具有明显的节能效果，同时具有流程简洁、成本低廉、适用范围广的优点。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种利用液氢冷能的空气分离系统，包括精馏塔，还包括空气压缩净化系统、空气分离系统、液氢-空气换热器系统和循环冷冻水系统；
所述空气压缩净化系统包括空气过滤器、原料空压机、空气预冷系统和空气纯化系统，所述空气过滤器用于过滤原料空气中的尘埃和机械杂质；所述原料空压机用于对过滤后的原料空气进行多级压缩；所述空气预冷系统包括空气冷却塔、水冷塔、冷却水泵、冷冻水泵和冷水换热器，用于对压缩的原料空气进行冷却和洗涤；所述空气纯化系统包括纯化器、再生加热器，用于吸附去除水分、二氧化碳、部分碳氢化合物；
所述液氢-空气换热器系统包括液氢-空气换热器，所述液氢-空气换热器用于将原料空气进一步冷却，将换热后的液氢气化为低温氢气；
所述循环冷冻水系统包括氢气-水换热器和循环水泵，所述氢气-水换热器用于获取低温氢气冷能，将低温氢气升温至管输温度送入输气管线。
所述空气分离系统包括主换热器、精馏塔下塔、精馏塔上塔和冷凝蒸发器，精馏塔和所述冷凝蒸发器用于对原料空气进行精馏，得到纯氮气，所述主换热器用于污氮气的冷却和复热。
进一步地，所述空气冷却塔顶部设有游离水分离装置，防止工艺空气中游离水份带出；所述空气冷却塔采用循环冷却水和经所述水冷塔冷却过的低温冷冻水冷却，降低空气温度，减少空气中水含量从而降低分子筛吸附器的工作负荷，空气冷却塔所需的低温冷冻水通过冷水换热器采用低温氢气的冷能，用冷水换热器替代了常规用的冷水机组。
进一步地，所述空气压缩净化系统还包括至少一个冷却器，利用低温氢气冷能的水作为所述原料空压机的冷却介质进行冷却。
进一步地，所述空气纯化系统包括两台吸附器，两台所述吸附器均采用双层床结构，当一台运行时，另一台则由来自冷箱中的污氮通过加热器加热后进行再生。
进一步地，所述液氢-空气换热器和主换热器合为一个换热器。
进一步地，所述原料空压机包括级间冷却器，采用温度低于25℃的冷冻水进行冷却。降低了原料空压机级间吸气温度，最终降低了空压机能耗。
进一步地，液氢-空气换热器利用-250℃的液氢提供的冷能将进入空气分离系统的空气液化。替代了的常规的气体膨胀机组，简化了空气分离系统的设备配置、节省了投资。
一种利用液氢冷能的空气分离系统的分离方法，包括以下步骤：
原料空气经大气吸入口吸入，进入所述空气过滤器中过滤原料空气中的尘埃和机械杂质后依次进入原料空压机中进行多级压缩；
压缩后的空气进入所述空气预冷系统中，进行水冷却和洗涤后通入所述空气纯化系统中，吸附去除空气中的水分、二氧化碳、部分碳氢化合物；
从所述空气纯化系统中出来的空气分为两部分，一部分作为仪表空气，另一部分依次进入所述主换热器和液氢-空气换热器被冷却至接近液化点，通入所述精馏塔下塔参与精馏，所述下塔精馏后在塔顶得到纯氮气，一部分氮气进入主冷氮测冷凝为液氮回所述下塔作为回流液，另一部分氮气经过所述主换热器复热后送出冷箱为氮气产品；从所述上塔顶部抽出污氮气经所述过冷器和所述主换热器复热出冷箱，出冷箱的污氮气一部分进入所述空气纯化系统进行再生后放空，其余污氮气通过所述空气预冷系统回收冷量，从主冷抽取富氧液体排放，保持富氧液体的流动；
所述液氢-空气换热器用于将原料空气进一步冷却，将换热后的液氢气化为低温氢气，将低温氢气与水在所述氢气-水换热器中换热，取得低温氢气冷能的水作为所述空气压缩净化系统的冷却介质，换热后的水经水泵回所述氢气-水换热器进行循环换热，低温氢气升温至管输温度送入输气管线。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过在空分装置中将液氢的冷能用于空气进入空气分离的液化、空压机级间换热器的冷却、以及空冷塔进水的降温，替代了常规气体膨胀机组、冷水机组的设置，可使空分装置能耗降低、投资降低，具有明显的节能效果，同时具有流程简洁、成本低廉、适用范围广的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1的示意图；
图2为本发明实施例2的示意图；
图中：AF1001-空气过滤器，AC1001-原料空压机，X1001-空气预冷系统，X1002-纯化系统，E1-主换热器，E3-液氢-空气换热器，C1-精馏塔下塔，C2-精馏塔上塔，吸附器MS1201，K1-冷凝蒸发器，E2-过冷器，E4-氢气-水换热器，E1001A、E1001B-空压机级间冷却器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。
实施例1
原料空气经大气吸入口吸入，进入空气过滤器AF1001中滤去尘埃和机械杂质后进入原料空压机AC1001中进行多级压缩。
压缩后的空气进入空气预冷系统X1001中的空气冷却塔，在其中被水冷却和洗涤。空气冷却塔采用循环冷却水和经水冷塔冷却过的低温冷冻水冷却，以尽可能降低空气温度减少空气中水含量从而降低分子筛吸附器的工作负荷。空气冷却塔顶部设有游离水分离装置，以防止工艺空气中游离水份带出。
出空气预冷系统X1001的工艺空气进入空气纯化系统，空气纯化系统主要用来吸附除去水份、二氧化碳、部分碳氢化合物，纯化系统中的吸附器MS1201由两台立式吸附容器组成；两台立式吸附容器采用双层床结构，当一台运行时，另一台则由来自冷箱中的污氮通过加热器加热后进行再生。
从纯化系统出来的空气将分成两部分，一部分作为仪表空气；另一部分依次进入主换热器E1和液氢-空气换热器E3被冷却至接近液化点，进入精馏搭下塔C1参与精馏。下塔精馏后在塔顶得到纯氮气，一部分氮气进入主冷氮侧冷凝为液氮回下塔作为回流液，另一部分氮气经过主换热器E1复热后送出冷箱为氮气产品。
从精馏搭上塔C2顶部抽出污氮气经过冷器E2和主换热器E1复热出冷箱。出冷箱的污氮气，一部分进纯化系统X1002进行再生后放空，其余污氮气去水冷塔回收冷量。从主冷抽取富氧液体排放，保持富氧液体的流动。
液氢冷能利用系统包括液氢-空气换热器E3和氢气-水换热器E4；液氢在液氢-空气换热器E3中将原料空气进一步冷却，经换热后液氢气化为出液氢-空气换热器E3的低温氢气，将低温氢气与水在氢气-水换热器E4中换热，取得低温氢气冷能的水作为空压机进气冷却器、空压机级间冷却器E1001A/B的冷却介质，换热后的水经水泵回氢气-水换热器E4进行循环换热，低温氢气升温至管输温度送入输气管线。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于将液氢-空气换热器E3与主换热器E1合为一个主换热器E1-3。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种利用液氢冷能的空气分离系统，包括精馏塔，其特征在于，还包括空气压缩净化系统、空气分离系统、液氢-空气换热器系统和循环冷冻水系统；
所述空气压缩净化系统包括空气过滤器(AF1001)、原料空压机(AC1001)、空气预冷系统(X1001)和空气纯化系统(X1002)，所述空气过滤器(AF1001)用于过滤原料空气中的尘埃和机械杂质；所述原料空压机(AC1001)用于对过滤后的原料空气进行多级压缩；所述空气预冷系统(X1001)包括空气冷却塔(T1101)、水冷塔(T11012)、冷却水泵(P1101)、冷冻水泵(P1102)和冷水换热器(E1101)，用于对压缩的原料空气进行冷却和洗涤；所述空气纯化系统(X1002)包括纯化器(MS1201A/B)、再生加热器(EH1201)，用于吸附去除水分、二氧化碳、部分碳氢化合物；
所述液氢-空气换热器系统包括液氢-空气换热器(E3)，所述液氢-空气换热器(E3)用于将原料空气进一步冷却，将换热后的液氢气化为低温氢气；
所述循环冷冻水系统包括氢气-水换热器(E4)和循环水泵(P1401)，所述氢气-水换热器(E4)用于获取低温氢气冷能，将低温氢气升温至管输温度送入输气管线。
所述空气分离系统包括主换热器(E1)、精馏塔下塔(C1)、精馏塔上塔(C2)和冷凝蒸发器(K1)，精馏塔和所述冷凝蒸发器(K1)用于对原料空气进行精馏，得到纯氮气，所述主换热器(E1)用于污氮气的冷却和复热。
2.根据权利要求1所述的一种利用液氢冷能的空气分离系统，其特征在于，所述空气冷却塔(T1101)顶部设有游离水分离装置，所述空气冷却塔(T1101)采用循环冷却水和经所述水冷塔(T11012)冷却过的低温冷冻水冷却，低温冷冻水通过冷水换热器采用低温氢气的冷能。
3.根据权利要求1所述的一种利用液氢冷能的空气分离系统，其特征在于，所述空气压缩净化系统还包括至少一个冷却器(E1001)，利用低温氢气冷能的水作为所述原料空压机(AC1001)的冷却介质进行冷却。
4.根据权利要求1所述的一种利用液氢冷能的空气分离系统，其特征在于，所述空气纯化系统(X1002)包括两台吸附器(MS1201A/B)，两台所述吸附器均采用双层床结构，当一台运行时，另一台则由来自冷箱中的污氮通过加热器加热后进行再生。
5.根据权利要求1所述的一种利用液氢冷能的空气分离系统，其特征在于，所述液氢-空气换热器(E3)和主换热器(E1)合为一个换热器。
6.根据权利1所述的一种利用液氢冷能的空气分离系统，其特征在于：所述原料空压机(AC1001)包括级间冷却器(E1001、E1002)，采用温度低于25℃的冷冻水进行冷却。
7.根据权利要求1所述的一种利用液氢冷能的空气分离系统，其特征在于，液氢-空气换热器(E3)利用-250℃的液氢提供的冷能将进入空气分离系统的空气液化。
8.一种使用任一权利要求1-7的利用液氢冷能的空气分离系统的分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
原料空气经大气吸入口吸入，进入所述空气过滤器(AF1001)中过滤原料空气中的尘埃和机械杂质后依次进入所述原料空压机(AC1001)中进行多级压缩；
压缩后的空气进入所述空气预冷系统(X1001)中，进行水冷却和洗涤后通入所述空气纯化系统(X1002)中，吸附去除空气中的水分、二氧化碳、部分碳氢化合物；
从所述空气纯化系统(X1002)中出来的空气分为两部分，一部分作为仪表空气，另一部分依次进入所述主换热器(E1)和液氢-空气换热器(E3)被冷却至接近液化点，通入所述精馏塔下塔(C1)参与精馏，所述下塔(C1)精馏后在塔顶得到纯氮气，一部分氮气进入主冷氮测冷凝为液氮回所述下塔(C1)作为回流液，另一部分氮气经过所述主换热器(E1)复热后送出冷箱为氮气产品；从所述上塔(C2)顶部抽出污氮气经所述过冷器(E2)和所述主换热器(E1)复热出冷箱，出冷箱的污氮气一部分进入所述空气纯化系统(X1002)进行再生后放空，其余污氮气通过所述空气预冷系统(X1001)回收冷量，从主冷抽取富氧液体排放，保持富氧液体的流动；
所述液氢-空气换热器(E3)用于将原料空气进一步冷却，将换热后的液氢气化为低温氢气，将低温氢气与水在所述氢气-水换热器(E4)中换热，取得低温氢气冷能的水作为所述空气压缩净化系统的冷却介质，换热后的水经水泵回所述氢气-水换热器(E4)进行循环换热，低温氢气升温至管输温度送入输气管线。
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