综合利用氮气放空能量及液氩汽化冷能的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种综合利用氮气放空能量及液氩汽化冷能的装置和方法，属于低温 液化装置和方法技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，大部分制氧厂多采用多台制氧机联产为钢铁冶炼提供氧、氮、氩管道气产 品。其中氧、氮气是通过压缩机输送，氩气由液氩泵增压后经过汽化器复热后提供给用户。 采用压缩机输送氧、氮气时，为保证炼钢不稳定用气的要求，管输气量必须大于用户实际用 气量，这就造成氧、氮气都出现不同程度的放空，这部分放空的压缩气体消耗了压缩功，直 接放空不但是产品的损失，也是能量的损失。采用液氩向用户供氩气的方式，其中运用最广 泛的两种汽化器是空温式汽化器和蒸汽水浴式汽化器。采用空温式汽化器，虽然直接用空 气来使液氩汽化，不需要额外的能量，但浪费了低温液体的冷量；采用蒸汽水浴式汽化器不 仅浪费了低温液体的冷量，而且需要消耗额外的蒸汽。
[0003] 中国专利CN203431494U公开了一种制氧厂液氩汽化冷量回收增效利用装置，包 括氧气总管、氩气用户管网、液化装置冷端增压透平膨胀机、氧氩换热器、氮氩换热器、冷量 回收用冷箱、液氧贮槽、液氮贮槽和液氩贮槽，所述氧氩换热器和氮氩换热器设于所述冷量 回收利用冷箱中，所述液氩贮槽分别经所述氧氩换热器与所述氧气总管换热，以及经所述 氮氩换热器与所述液化装置冷端增压透平膨胀机换热。上述装置冷量来自液氩，冷源单一， 未实现氮气冷量的合理利用，装置结构简单，液氧、液氮产品产量受液氩流量限制一般较 低。
【发明内容】
[0004] 为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种综合利用氮气放空能量及液氩汽化 冷能的装置。
[0005] 本发明的另一目的还在于提供一种综合利用氮气放空能量及液氩汽化冷能的方 法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种综合利用氮气放空能量及液氩汽化冷能的装置，包括高压氮气管网、中压氮气管 网、低压氮气管网、压力氩气管网、压力氧气管网、换热器系统、膨胀制冷系统、液氮贮槽、液 氩贮槽和液氧贮槽，所述的换热器系统和膨胀制冷系统设于液化冷箱中，所述的换热器系 统包括一个主换热器E1和一个过冷器E2,所述的膨胀制冷系统至少包括一个低压膨胀机 ET1，各设备之间通过管路连通，连接关系如下： 所述的液氩贮槽通过管路LAR101接入主换热器E1，经主换热器E1后，送出冷箱，通过 管路GAR102接入压力氩气管网； 所述的高压氮气管网高压氮气通过管路PN201接入主换热器E1，经主换热器E1后，通 过管路LN201接入过冷器E2,经过冷器E2后，通过管路LN202分为三部分，一部分液氮送出 冷箱，通过管路LN205接入液氮贮槽，一部分液氮通过管路LN203返回过冷器E2,经过冷器 E2后，接入管路PN210, 一部分液氮通过管路LN204接入主换热器E1，经主换热器E1后，通 过管路PN209与中压氮气管网的氮气管路PN100连通，汇入管路PN101，接入低压增压机B1 压缩入口，经低压增压机B1增压后，通过管路PN102接入冷却器WE1，再通过管路PN103接 入主换热器E1，经主换热器E1后的氮气从主换热器E1中部抽出，通过管路PN105接入低压 膨胀机ET1进口，低压膨胀机ET1出口接入管路PN106,与所述管路PN210连通，接入管路 PN107,返回主换热器E1，经主换热器E1后，送出冷箱，通过管路PN109接入低压氮气管网； 所述的压力氧气管网氧气通过管路G0101接入主换热器E1，经主换热器E1后，送出冷 箱，通过管路L0102接入液氧贮槽。
[0007] 根据上述的综合利用氮气放空能量及液氩汽化冷能的装置，所述的低压增压机B1 和低压膨胀机ET1同步工作。
[0008] 根据上述的综合利用氮气放空能量及液氩汽化冷能的装置，所述的主换热器E1、 过冷器E2为板翅式换热器，所述的冷却器WE1为管壳式换热器。
[0009] -种利用上述的装置综合利用氮气放空能量及液氩汽化冷能的方法，包括以下步 骤：（1)中压氮气管网的放空氮气PN100与步骤（5)的PN209氮气汇合为第一氮气，通 过管路PN101接入低压增压机B1压缩入口，经低压增压机B1压缩，然后通过管路 PN102接入冷却器WE1，经冷却器WE1冷却后，通过管路PN103送入液化冷箱内，在主换热器 E1内冷却到一定温度后，从主换热器E1中部抽出，接入低压膨胀机ET1膨胀获得冷量并驱 动低压增压机B1做功，低压膨胀机出口接入管路PN106 ; (2) 高压氮气管网的放空氮气作为第二氮气，通过管路PN201送入液化冷箱内，经主换 热器E1冷却直至液化并过冷，再经过冷器E2进一步过冷； (3) 来自步骤（2)的第二氮气分成三部分，一部分液氮送回过冷器E2被加热、汽化，接 入管路PN210,同时过冷来自主换热器E1的液氮，一部分液氮送回主换热器E1，作为第一返 流气，一部分液氮作为液氮产品送入液氮贮槽； (4) 步骤（3)所述PN210氮气与步骤（1)所述PN106氮气汇合，作为第二返流气，送回 主换热器E1，经主换热器E1回收冷量、复热到常温出冷箱，送入低压氮气管网； (5) 步骤（3)第一返流气被加热、汽化、复热到常温出冷箱，通过管路PN209与中压氮气 管网氮气PN100汇合，送入步骤（1)低压增压机B1压缩入口； (6) 液氩贮槽液氩通过管路LAR101接入主换热器E1，经主换热器E1加热、蒸发、复热 到常温后，送出冷箱，通过管路GAR102接入压力氩气管网； (7) 压力氧气管网氧气通过管路G0101接入主换热器E1，经主换热器E1冷却、液化、过 冷后得到液氧产品，送出冷箱，通过管路L0101接入液氧贮槽。
[0010] 一种综合利用氮气放空能量及液氩汽化冷能的装置，包括高压氮气管网、中压氮 气管网、压力氩气管网、压力氧气管网、低压氮气管网、换热器系统、膨胀制冷系统、液氮贮 槽、液氩贮槽和液氧贮槽，所述的换热器系统和膨胀制冷系统设于液化冷箱中，所述的换热 器系统包括一个主换热器E1和一个过冷器E2,所述的膨胀制冷系统至少有一个低压膨胀 机ET1和至少一个高压膨胀机ET2组成，各设备之间通过管路连通，连接关系如下： 所述的液氩贮槽通过管路LAR101接入主换热器E1，经主换热器E1后，送出冷箱，通过 管路GAR102接入压力氩气管网； 所述的高压氮气管网高压氮气通过管路PN201接入高压增压机B2压缩入口，经高压增 压机B2后，通过管路PN202进入冷却器WE2,通过管路PN203接入主换热器E1，一部分氮气 从主换热器E1中部抽出，通过管路PN205接入高压膨胀机ET2进口，高压膨胀机ET2出口连 通管路PN206,返回主换热器E1，另外一部分氮气继续经主换热器E1后，再经过冷器E2后， 通过管路LN202分为三部分，一部分液氮送出冷箱，通过管路LN205接入液氮贮槽，一部分 液氮通过管路LN203返回过冷器E2,经过冷器E2后，接入管路PN210, 一部分液氮通过管路 LN204接入主换热器E1，经主换热器E1，在主换热器E1内与所述管路PN206的氮气汇合，进 一步经主换热器E1后，通过管路PN209与中压氮气管网的氮气管路PN100连通，汇入管路 PN101，接入低压增压机B1压缩入口，经低压增压机B1后，通过管路PN102接入冷却器WE1， 通过管路PN103接入主换热器E1，从主换热器E1中部抽出，通过管路PN105接入低压膨胀 机ET1进口，低压膨胀机ET1出口接入管路PN106,与所述管路PN210汇合接入管路PN107， 返回主换热器E1，经主换热器E1后，送出冷箱，通过管路PN109接入低压氮气管网； 所述的压力氧气管网氧气通过管路G0101接入主换热器E1，经主换热器E1后，送出冷 箱，通过管路L0102接入液氧贮槽。
[0011] 根据上述的综合利用氮气放空能量及液氩汽化冷能的装置，所述的低压增压机B1 和低压膨胀机ET1同步工作，高压增压机B2和高压膨胀机ET2同步工作。
[0012] 根据上述的综合利用氮气放空能量及液氩汽化冷能的装置，所述的主换热器E1、 过冷器E2为板翅式换热器，所述的冷却器WEI、WE2为管壳式换热器。
[0013] 一种利用上述的装置综合利用氮气放空能量及液氩汽化冷能的方法，包括以下步 骤： (1) 中压氮气管网的放空氮气PN100与步骤（5)的PN209氮气汇合为第一氮气，通过管 路PN101接入低压增压机B1压缩入口，经低压增压机B1压缩，然后通过管路PN102接入冷 却器WE1，经冷却器WE1冷却后，通过管路PN103送入液化冷箱内，在主换热器E1内冷却到 一定温度后，从主换热器E1中部抽出，接入低压膨胀机ET1膨胀获得冷量并驱动低压增压 机B1做功，低压膨胀机出口接入管路PN106 ; (2) 高压氮气管网的放空氮气作为第二氮气，通过管路PN201接入高压增压机B2压缩 入口，经高压增压机B2压缩，然后通过管路PN202接入冷却器WE2,经冷却器WE2冷却后通 过管路PN203送入液化冷箱内，首先经主换热器E1冷却，一部分氮气作为第三氮气，在主换 热器E1中部抽出进入高压膨胀机ET2膨胀获得冷量并驱动高压增压机B2做功，高压膨胀 机ET2出口连接管路PN206,其余氮气作为第四氮气，在主换热器E1中继续冷却直至液化并 过冷，再经过冷器E2进一步过冷； (3) 来自（2)的第四氮气分成三部分，一部分液氮送回过冷器E2被加热、汽化，接入管 路PN210,同时过冷来自液化器E12的液氮，一部分液氮返回主换热器E1，作为第一返流气， 一部分液氮作为液氮产品送入液氮贮槽； (4) 步骤（3)所述PN210氮气与步骤（1)所述PN106氮气汇合，作为第二返流气，送回 主换热