интегрированный способ и система для разделения воздуха, поступающего посредством сжатого воздуха из нескольких компрессоров

Формула изобретения

1. Интегрированный способ для введения кислорода в установку (HF), потребляющую воздух, обогащенный кислородом, включающий следующие стадии:

i) сжатие воздуха в первом компрессоре (S) и разделение на первую и вторую части (1, 2),

ii) подачу первой части (1) сжатого воздуха в установку (HF), потребляющую воздух, обогащенный кислородом,

iii) очистку второй части (2) в очистительной установке (Р) и подачу в установку разделения воздуха (А),

iv) получение в установке разделения воздуха, по меньшей мере, одного потока, обогащенного кислородом (О), и, по меньшей мере, одного потока, обогащенного азотом (N),

v) направление, по меньшей мере, части потока, обогащенного кислородом, из установки разделения воздуха в установку, потребляющую воздух, обогащенный кислородом,

при этом воздух, сжатый в компрессоре (К) газовой турбины (С), разделяют на первую фракцию (I) и вторую фракцию (II), первую фракцию направляют в камеру сгорания газовой турбины (СС) и вторую фракцию очищают в очистительной установке (Р) и направляют в установку разделения воздуха, причем вторую фракцию (II) сжатого воздуха сжимают до более высокого давления после компрессора газовой турбины (К) и перед очистительной установкой (Р).

2. Способ по п.1, при котором воздух сжимают в компрессоре (D) и направляют в установку разделения воздуха (А).

3. Способ по п.1 или 2, при котором, по меньшей мере, один поток, обогащенный азотом (N), направляют в газовую турбину (С) в точку перед детандером (Е) газовой турбины для газа горения.

4. Способ по п.1, при котором вторую часть сжатого воздуха (2) и вторую фракцию (II) сжатого воздуха и необязательно воздух из компрессора (D) смешивают и очищают вместе в одной и той же очистительной установке (Р) для удаления, по существу, двуокиси углерода и воды.

5. Способ по п.1, при котором вторую часть (2) сжатого воздуха сжимают до более высокого давления после первого компрессора (S) и перед очистительной установкой (Р).

6. Способ по п.1, при котором установка (HF), потребляющая воздух, обогащенный кислородом, представляет собой печь для обработки металла.

7. Способ по п.1, при котором установка (А) разделения воздуха содержит, по меньшей мере, колонну (3) высокого давления и колонну (4) низкого давления, термически связанные с помощью конденсатора-ребойлера (5), при котором колонна высокого давления работает при давлении, находящемся в пределах между 15 и 20 бар абс. и, необязательно включает стадии сжатия воздуха и охлаждения воздуха, по существу, до его температуры точки росы, введения, по меньшей мере, части воздуха в нижнюю часть колонны (3) высокого давления, приема обогащенной жидкости в нижней части указанной колонны и расширения обогащенной жидкости до среднего давления, находящегося в пределах между высоким давлением и атмосферным давлением, и введения обогащенной жидкости в промежуточной точке колонны (4) среднего давления, охлаждения верхнего конденсатора (5) колонны высокого давления посредством жидкости из нижней части колонны низкого давления, расширения части этой жидкости до низкого давления с тем, чтобы охладить верхний конденсатор (6) колонны низкого давления, извлечения жидкости из верхней части колонны низкого давления, сжатия прокачкой извлеченной жидкости до высокого давления и инжектирования ее в верхнюю часть колонны высокого давления и извлечения продукта азота из верхней части колонны высокого давления, при этом колонна высокого давления работает при давлении, находящемся между 15 и 20 бар абс.

8. Интегрированная система, содержащая

a) установку разделения воздуха (А),

b) по меньшей мере, одну очистительную установку (Р),

c) средства прохода для направления первой части (1) сжатого воздуха из первого компрессора (S) в установку (HF), потребляющую воздух, обогащенный кислородом, и средства прохода для направления второй части (2) сжатого воздуха из первого компрессора в очистительную установку, а затем в установку разделения воздуха,

d) средства прохода для направления первой фракции (I) сжатого воздуха из компрессора (К) газовой турбины (С) в камеру сгорания (СС) газовой турбины и второй фракции (II) сжатого воздуха из компрессора (К) газовой турбины в очистительную установку (Р), а затем в установку разделения воздуха, причем вторая фракция (II) сжатого воздуха сжимается до более высокого давления после компрессора газовой турбины (К) и перед очистительной установкой (Р), и

е) средства прохода для удаления текучей среды, обогащенной

кислородом (О), из установки разделения воздуха и средства прохода для удаления текучей среды, обогащенной азотом (N), из установки разделения воздуха.

9. Система по п.8, содержащая средства прохода для направления текучей среды, обогащенной кислородом (О), из установки разделения воздуха (А) в установку (HF), потребляющую воздух, обогащенный кислородом.

10. Система по п.8 или 9, содержащая средства прохода для направления текучей среды, обогащенной азотом (N), из установки разделения воздуха (А) в газовую турбину (С).

11. Система по п.8, содержащая, по меньшей мере, один компрессор (В1, В2) для увеличения давления, по меньшей мере, одной из второй части сжатого воздуха (2) и второй фракции (II) сжатого воздуха перед очистительной установкой (Р).

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к интегрированному способу и устройству, где установка разделения воздуха составляет единое целое с газовой турбиной и установкой, потребляющей воздух, обогащенный кислородом, такой как доменная печь.

Стандартный способ для увеличения содержания кислорода для потока, направляемого в доменную печь, заключается в добавлении относительно чистого кислорода в поток воздуха высокого давления. Кислород направляют из установки разделения воздуха, как раскрыто, например, в патенте США №6119482, патенте США №5244489 и Европейском патенте №0531182. С точки зрения энергии стоимость 1 м³ (н.у.)/час кислорода, полученного с использованием смесительной колонны, составляет 0,32 кВт·час/м³ (н.у.) кислорода.

В патентах США №№4962646, 5295351, 5268019, 5317862 описаны способы, в которых воздух из компрессора газовой турбины вводят в установку разделения воздуха. Кислород, полученный с помощью установки разделения воздуха, направляют в доменную печь.

В патенте США №6089040 описан способ, в котором с помощью воздуходувки подают воздух в доменную печь и в установку разделения воздуха, с помощью которой, в свою очередь, обеспечивают подачу кислорода для доменной печи.

Воздух также направляют в установку разделения воздуха посредством специального компрессора, а азот из установки разделения воздуха направляют в газовую турбину.

Известные установки являются неэкономичными с точки зрения высокой стоимости кислорода, необходимого для добавления в поток воздуха высокого давления.

Соответственно, задачей настоящего изобретения является получение кислорода с особенно низкой стоимостью на площадке, где имеются установка разделения воздуха, газовая турбина и доменная печь (или подобная ей установка, потребляющая воздух, обогащенный кислородом). При использовании настоящего изобретения, стоимость кислорода, с точки зрения энергии, падает ниже 0,2 кВт·час/м³ (н.у.).

Все упомянутые давления представляют собой абсолютные давления, все проценты являются молярными процентами, и обогащенные текучие среды являются обогащенными компонентами, упомянутыми в связи с воздухом.

Технический результат достигается посредством обеспечения интегрированного способа для введения кислорода в установку, потребляющую воздух, обогащенный кислородом, включающего следующие стадии:

i) сжатие воздуха в первом компрессоре (S) и разделение на первую и вторую части,

ii) подачу первой части сжатого воздуха в установку, потребляющую воздух, обогащенный кислородом,

iii) очистку второй части в очистительной установке и подачу в установку разделения воздуха,

iv) получение в установке разделения воздуха, по меньшей мере, одного потока, обогащенного кислородом, и, по меньшей мере, одного потока, обогащенного азотом,

v) направление, по меньшей мере, части потока, обогащенного кислородом, из установки разделения воздуха в установку, потребляющую воздух, обогащенный кислородом,

при этом воздух, сжатый в компрессоре газовой турбины, разделяют на первую фракцию и вторую фракцию, первую фракцию направляют в камеру сгорания газовой турбины, и вторую фракцию очищают в очистительной установке и направляют в установку разделения воздуха, причем вторую фракцию сжатого воздуха сжимают до более высокого давления после компрессора газовой турбины и перед очистительной установкой.

Предпочтительно воздух сжимают в компрессоре и направляют в установку разделения воздуха. По меньшей мере, один поток, обогащенный азотом, направляют в газовую турбину, в точку перед детандером газовой турбины для газа горения.

Вторую часть сжатого воздуха и вторую фракцию сжатого воздуха и, необязательно, воздух из указанного компрессора смешивают и очищают вместе в одной и той же очистительной установке для удаления, по существу, двуокиси углерода и воды.

Предпочтительно вторую часть сжатого воздуха сжимают до более высокого давления после первого компрессора и перед очистительной установкой.

Предпочтительно также установка, потребляющая воздух, обогащенный кислородом, представляет собой печь для обработки металла.

Установка разделения воздуха содержит, по меньшей мере, колонну высокого давления и колонну низкого давления, термически связанные с помощью конденсатора-ребойлера, при котором колонна высокого давления работает при давлении, находящемся в пределах между 12 и 20 бар абс., и необязательно включает стадии сжатия воздуха и охлаждения воздуха по существу до его точки росы, введения, по меньшей мере, части воздуха в нижнюю часть колонны высокого давления, приема обогащенной жидкости в нижней части указанной колонны и расширения обогащенной жидкости до среднего давления, находящегося в пределах между высоким давлением и атмосферным давлением, и введения обогащенной жидкости в промежуточной точке колонны среднего давления, охлаждения верхнего конденсатора колонны высокого давления посредством жидкости из нижней части колонны низкого давления, расширения части этой жидкости до низкого давления с тем, чтобы охладить верхний конденсатор колонны низкого давления, извлечения жидкости из верхней части колонны низкого давления, сжатия прокачкой извлеченной жидкости до высокого давления и инжектирования ее в верхнюю часть колонны высокого давления и извлечения продукта азота из верхней части колонны высокого давления, при этом колонна высокого давления работает при давлении, находящемся в пределах между 15 и 20 бар абс.

Технический результат достигается также посредством обеспечения интегрированной системы, содержащей:

a) установку разделения воздуха,

b) по меньшей мере, одну очистительную установку,

c) средства прохода для направления первой части сжатого воздуха из первого компрессора в установку, потребляющую воздух, обогащенный кислородом, и средства прохода для направления второй части сжатого воздуха из первого компрессора в очистительную установку, а затем в установку разделения воздуха,

d) средства прохода для направления первой фракции сжатого воздуха из компрессора газовой турбины в камеру сгорания газовой турбины и второй фракции сжатого воздуха из компрессора газовой турбины в очистительную установку, а затем в установку разделения воздуха, причем вторая фракция сжатого воздуха сжимается до более высокого давления после компрессора газовой турбины и перед очистительной установкой, и

e) средства прохода для удаления текучей среды, обогащенной кислородом, из установки разделения воздуха и средства прохода для удаления текучей среды, обогащенной азотом, из установки разделения воздуха.

Интегрированная система дополнительно содержит средства прохода для направления текучей среды, обогащенной кислородом, из установки разделения воздуха в установку, потребляющую воздух, обогащенный кислородом, средства прохода для направления текучей среды, обогащенной азотом, из установки разделения воздуха в газовую турбину.

Предпочтительно интегрированная система содержит, по меньшей мере, один компрессор для увеличения давления, по меньшей мере, одной из второй части сжатого воздуха и второй фракции сжатого воздуха перед очистительной установкой.

В соответствии с необязательными признаками:

- сжимают воздух в компрессоре и направляют в установку разделения воздуха,

- направляют, по меньшей мере, один поток, обогащенный азотом, в газовую турбину, в точку перед детандером топливного газа газовой турбины,

- смешивают и очищают вторую часть сжатого воздуха и вторую фракцию сжатого воздуха и, необязательно, воздух из специального компрессора вместе в одной и той же очистительной установке для удаления, по существу, двуокиси углерода и воды,

- сжимают вторую часть сжатого воздуха до более высокого давления после первого компрессора и перед очистительной установкой,

- сжимают вторую фракцию сжатого воздуха до более высокого давления после компрессора газовой турбины и перед очистительной установкой, при этом

- установка, потребляющая воздух, обогащенный кислородом, представляет собой печь для обработки металла,

- установка разделения воздуха содержит, по меньшей мере, колонну высокого давления и колонну низкого давления, термически связанные с помощью конденсатора-ребойлера, колонна высокого давления работает при давлении, находящемся в пределах между 12 и 20 бар абс.

В соответствии с дополнительными необязательными признаками система может содержать:

- средства прохода для направления текучей среды, обогащенной кислородом, из установки разделения воздуха в установку, потребляющую воздух, обогащенный кислородом,

- средства прохода для направления текучей среды, обогащенной азотом, из установки разделения воздуха в газовую турбину,

- по меньшей мере, один компрессор для увеличения давления, по меньшей мере, одной из второй части сжатого воздуха и второй фракции сжатого воздуха перед очистительной установкой.

В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения предусматривается способ получения азота при давлении, определяемом как высокое давление, включающий сжатие воздуха и охлаждение воздуха по существу до его точки росы, введение, по меньшей мере, части воздуха в нижнюю часть колонны высокого давления, прием обогащенной жидкости в нижней части указанной колонны и расширение обогащенной жидкости до среднего давления между высоким давлением и атмосферным давлением и введение обогащенной жидкости в промежуточной точке колонны среднего давления, охлаждение верхнего конденсатора колонны высокого давления посредством жидкости из нижней части колонны низкого давления, расширение части этой жидкости до низкого давления, с тем чтобы охладить верхний конденсатор колонны низкого давления, извлечение жидкости из верхней части колонны низкого давления, сжатие прокачкой извлеченной жидкости до высокого давления и инжектирование ее в верхнюю часть колонны высокого давления и извлечение продукта азота из верхней части колонны высокого давления, при этом колонна высокого давления работает при давлении в пределах между 15 и 20 бар абс.

Настоящее изобретение далее будет объяснено более подробно со ссылками на чертежи.

На Фиг.1 изображена интегрированная система для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, и на Фиг.2 изображена установка разделения воздуха, подходящая для использования в интегрированном способе.

На Фиг.1 показана интегрированная система, которая содержит установку А разделения воздуха, доменную печь В и газовую турбину С.

Газовая турбина С содержит компрессор К, камеру сгорания СС и детандер Е.

Первая фракция воздуха I из компрессора К направляется в камеру сгорания с топливом F и производит газы горения, которые затем расширяются в детандере Е.

Установка разделения воздуха представляет собой установку для криогенной дистилляции и может включать любую подходящую для использования систему колонн, включая одинарную колонну, двойную колонну или тройную колонну. Система колонн может содержать колонну аргона, и/или смесительную колонну, и/или боковую колонну. Предпочтительно используемая система будет такой, как показана на Фиг. 2.

Воздух сжимается в первом компрессоре S, и первая часть 1 воздуха направляется в доменную печь HF. Вторая часть 2 воздуха дополнительно сжимается в бустерном компрессоре В1 до давления 17 бар и направляется в очистительную установку Р.

Вторая фракция II воздуха из компрессора К газовой турбины также направляется в бустерный компрессор В2, где он сжимается до такого же давления (17 бар), смешивается с воздухом из бустера В1 и направляется в ту же очистительную установку Р.

Если выходные давления компрессоров S, К являются одинаковыми, один и тот же бустер может использоваться для сжатия второй части 2 сжатого воздуха и второй фракции II сжатого воздуха.

Поток очищенного смешанного воздуха направляется в установку А разделения воздуха, а потоки продуктов О, N удаляются из нее. Обогащенный кислородом поток О направляется в доменную печь В, а обогащенный азотом поток N направляется в газовую турбину С. Разумеется, и другие продукты могут производиться и направляться куда-либо еще.

Как показано с помощью прерывистых линий, установка разделения воздуха может также снабжаться воздухом из компрессора D. Это может облегчить запуск или работу системы, когда газовая турбина и/или доменная печь находятся в нерабочем состоянии.

Бустерные компрессоры B1, B2 и/или другой компрессор могут быть соединены с паровыми турбинами, расположенными на площадке, или с детандером Е газовой турбины.

На Фиг.2 показана установка разделения воздуха, известная как "Azotonne"^тм, подобная той, которая описана в патенте США №4717410, но незначительно отличающаяся от нее, в частности, тем, что она работает при значительно более высоком давлении.

Система для получения чистого азота, схематически показанная на Фиг.2, представляет собой систему с одинарным турбодетандером. Она содержит трубопровод 1 теплообмена и двойную дистилляционную колонну 2. Последняя включает нижнюю колонну 3 высокого давления, то есть рабочего давления порядка 15-20 бар абс., и нижнюю колонну 4 среднего давления, порядка 10-15 бар абс. Каждая из этих колонн имеет верхний конденсатор 5, 6 соответственно.

Очищенный воздух, сжатый до давления, незначительно превышающего высокое давление, разделяется на две части. Первая часть 17 охлаждается в трубопроводе 1 теплообмена и направляется в нижнюю часть колонны 3 высокого давления в газообразной форме. Вторая часть 15 сжимается в бустере 16 до давления, находящегося в пределах между 20 и 25 бар, охлаждается в трубопроводе 1 теплообмена и расширяется в турбине 14. Обогащенная жидкость, находящаяся в равновесии с воздухом, подаваемая в нижнюю часть колонны 3, переохлаждается, расширяется до среднего давления в расширительном клапане 7 и вводится в промежуточной точке колонны 4. В последней нисходящая жидкость обогащается кислородом и охлаждает основной конденсатор 5 в нижней части колонны с тем, чтобы обеспечить дефлегмацию в колонне 3. Основной конденсатор 5 нагревается с помощью газа, обогащенного азотом, из верхней части колонны высокого давления, и конденсированный азот из конденсатора 5 возвращается в верхнюю часть колонны высокого давления в виде флегмы. Часть жидкости в нижней части колонны 4 среднего давления переохлаждается (не показано), а затем расширяется до "давления, незначительно превышающего атмосферное давление в расширительном клапане 8, а затем используется для охлаждения дополнительного конденсатора 6 и обеспечения дефлегмации в колонне 4 путем конденсации газа из верхней части колонны среднего давления. Расширенная жидкость после испарения направляется противотоком с помощью прохода 9 через трубопровод 1 теплообмена с тем, чтобы образовать остаточный газ устройства.

Пар, который восходит в колонне 4, постепенно обогащается азотом и представляет собой чистый азот, который конденсируются с помощью верхнего конденсатора 6. Фракция конденсированного потока подается на слив 10, извлекается из колонны 4 и доводится опять с помощью насоса 11 до высокого давления и повторно инжектируется в верхнюю часть колонны 3. Газообразный азот извлекается в верхней части последней и направляется противотоком посредством проходов 12 через трубопровод 1 теплообмена для его утилизации.

Система может необязательно или дополнительно охлаждаться с помощью дополнительного подвода жидкого азота под высоким давлением, поступающего из внешнего источника 13, этот жидкий азот вводится в верхнею часть колонны 3. Энергия, содержащаяся в обогащенной жидкости под высоким давлением, используется не только для достижения дистилляции в этой колонне 3, как обычно, но также и для дистилляции этой жидкости в колонне 4 и, таким образом, для увеличения производства азота посредством его количества, извлекаемого в верхней части колонны 4.

В случае, когда поступающий воздух находится под давлением 17 бар, колонна высокого давления работает при 17 бар, колонна низкого давления работает при 11 бар, и верхний конденсатор 6 находится при 5,6 бар. 6% воздуха расширяется в турбине 14. Обогащенная жидкость содержит 32 мол.% кислорода, и продукты, которые содержат азот 12 при 16,5 бар, представляющий собой 54% воздуха, который может направляться в камеру сгорания или в детандер газовой турбины после стадии небольшого сжатия, и газ 9, содержащий 44-46 мол.% кислорода при 5,4 бар, который может направляться в установку для обработки металла (например, доменную печь).

Внутренние части колонны предпочтительно представляют собой структурированную насадку с поперечной гофрировкой.