一种空气分离设备的废气混合排放的装置的制作方法

本实用新型涉及化工与废气排放安全领域，具体涉及一种空气分离设备的废气混合排放装置。

背景技术：

氧气是一种氧化性气体，可以急剧加速燃烧或发生爆炸，与可燃物或还原性物质接触，有引起火灾爆炸的危险。在正常的空气中非可燃的材料（包括防火材料），在富氧环境里也可能剧烈燃烧。基于烃类（碳氢化合物）的物质，如油、油脂等在富氧环境中特别危险，可与氧发生剧烈反应导致起火或爆炸。容器遇火或高温加热，可能有开裂和爆炸的危险，发生火灾或爆炸的风险随着空气中氧气浓度的增加而增加。因此，氧富集的地区是非常危险的。空气中正常的氧气浓度是20.95%（体积），氧气浓度大于23.5%（体积）即为富氧环境。

在大型空气分离设备运行期间，可能会有大量的氧气（排放量大于60000-120000Nm³/h）排放到大气/环境中的情况，扩散模拟计算表明，氧气排放形成的危险区域范围很大，因此大型空气分离设备对排放氧气的高度和位置都有一定要求。大型空气分离制氧设备一般会产生含氮量较高的气体并直接排放到大气中，氮水塔可以利用这些气体与热水进行热交换，来生产冷冻水。在空气分离设备运行时，氮水塔会持续工作。此外，来自空气分离设备的不合格产品，包括氧气，及在下游客户短时间不用气时的合格的氧气产品，将通过排放塔排入大气。为了让排放装置更紧凑并简化结构，可将排放塔与氮水塔相邻排布一体化建造。

如图1所示，是现有技术中一种排放来自空气分离设备的废气的装置，包括氮水塔1’，排放塔2’，以及两者之间隔墙3’。在氮水塔1’中，污氮气或氮气通常通过垂直的通道向上流动至排放室13’，在排放室13’顶部的排放口14’用来将湿污氮气排放入大气中。从氮水塔1’中排放的湿污氮气通常是连续排放的。在排放塔2’底部包括数根废气排放管道，例如空气管21’，氮气管22’，氧气管23’；在排放塔2’顶部还包括废气排放口24’。由于在空气分离设备运行的不同阶段和不同工况下中排放的气体成分是变化的，所以有可能是单一废气从排放塔2’中排放。因此排放塔2’的设计必须考虑多种工况和弹性，使其能够同时满足多种气体以最大流量排放。如果只有单一的气体排放，其排放流速一般会比较低，在这种情况下如果该气体是氧气会产生排放危险。因为氧气比空气重，在氧气离开排放塔后，低流速将导致短距离内有下沉至地面的趋势，同时在特定的天气条件下（例如无风天气），排放危险区域（氧气浓度≥25vol.%的区域）的范围很大，考虑到氧气的物理化学性质，在这种浓度下将是有危险的。

美国专利（US 6733003B2，2004年）公开了一种空气分离设备的排放装置，如图2所示是装置的垂直方向的截面示意图。排放塔2’内置了一组排放筒25’，其顶部与开在隔墙3’上的湿氮气排放口15’几乎相平。排放筒25’的作用一方面使所有输入的气体能够完全排放，另一方面能保证在排放塔2’的排放口24’，即使只有单一氧气输入的情况下，排放速率也不小于7m/s。但是因为排放塔2’的排放口24’的横截面积约为单一氮水塔的排放口的60%-80%，同时形成了弯道，这种设计将导致氮气通过排放装置时产生较高的阻力。

美国专利（US 6733003B2，2004年）还公开了上述的装置的另一种变体。如图3所示是装置的垂直方向的截面示意图。氮水塔1’的上层排放室13’与排放塔2’通过安装在隔离墙上的排放口15’相连，气体从排放塔2’通过安装在隔离墙上的排放口15’输入排放室13’，在排放室13’中所有废气通过氮水塔1’的排放口14’排放到大气中。与上端所述的优先的装置相比，这种变体的稀释效果较差。同时这种变体的设计将可能导致氮水塔内的流体扰动。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供种空气分离设备的废气混合排放装置，该装置能够降低空气分离设备氧气排放的风险，且不对其他设备内部造成扰动。

本实用新型所采用的技术方案是：一种空气分离设备的废气混合排放装置，该装置包括设置有外置的废气混合排放筒的第一排放塔，用以排放包含有氧气或任意其他废气的第二排放塔，以及排放管道，所述的第一排放塔上设有排放口一，所述的第二排放塔设有排放口二，所述的废气混合排放筒设置于所述的第一排放塔的排放口一处，所述的第二排放塔的排放口二通过所述的排放管道与所述的废气混合排放筒相连，第二排放塔排放气与第一排放塔排放气在废气混合排放筒中充分混合后形成混合排放气排放，该混合排放气中的氧气浓度低于第二排放塔排放气中的氧气浓度。

其中，所述的废气混合排放筒上设有排放口三。

优选地，所述的第一排放塔排放气易与氧气混合，且第一排放塔排放气中的氧气浓度比所述的第二排放塔排放气中的氧气浓度低。优选地，所述的排放管道与所述的第二排放塔的排放口二的水平夹角α大于0°，小于等于60°。

优选地，所述的排放管道与所述的第二排放塔的排放口二的水平夹角α优选为30-45°。

优选地，所述的废气混合排放筒的排放口三的上端面与所述的排放管道和所述的废气混合排放筒的外墙壁上的连接处的上端点的距离为L，该距离L与所述的废气混合排放的筒截面参数D和所述的水平夹角α的关系为：L≥1.2D*tanα。

优选地，所述的废气混合排放筒的横截面积小于或等于所述的第一排放塔的排放口一的横截面积。

优选地，所述的废气混合排放筒的形状为长方体或圆柱体。

优选地，所述的第一排放塔与所述的第二排放塔共用一面隔墙，并且所述的第二排放塔的排放口二与所述的废气混合排放筒仅通过所述的排放管道相连。

优选地，所述的第二排放塔内置有消音器。

优选地，所述的第一排放塔的底部设置有干燥的第一排放塔排放气的进气管，上部设置有热水进水管道，在所述的热水进水管道的上方有与水进行换热后排放第一排放塔排放气的排放口，该排放口通向外置的废气混合排放筒。

优选地，在所述的第二排放塔的底部至少装有一根氧气排放管或任意其他废气排放管，其排放来自所述的空气分离设备的气体。

本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型中的废气混合排放装置能够通过预埋钢筋非常容易地安装在现有的第一排放塔上。

2、即使第二排放塔排放气是单一氧气，在与第一排放塔的排放气混合后，混合排放气中的氧气浓度也能降低，本实用新型的排放装置的危险浓度区域半径（氧气浓度大于25vol.%）将大大缩小。

3、将氧气从第二排放塔中输入到外置的废气混合排放筒中，而不是直接输送到第一排放塔中的排放室，能够减少对第一排放塔内部的扰动。第二排放塔排放废气时不会影响第一排放塔的正常运行。

4、此外，现有技术中在第一排放塔的原有排放室下方常设有除雾器，除雾器上经常会有残留油，当氧气从第二排放塔中直接输送进第一排放塔的排放室时，残留油有可能会暴露在富氧的环境下，因此会增加火灾的风险性。相比之下，本实用新型的装置中的氧气不进入第一排放塔内部，距离除雾器较远，不存在这种火灾风险性问题。

附图说明

图1是现有技术一种排放来自空气分离设备的废气的装置的截面示意图。

图2是美国专利（US 67330032B2）的排放装置的垂直方向的截面示意图。

图3是美国专利（US 67330032B2）的排放装置的一种变体的垂直方向的截面示意图。

图4是本实用新型排放装置的垂直方向的截面示意图。

图5是本实用新型废气混合排放筒与排放管道的截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步的说明。

本实用新型提供的一种空气分离设备的废气混合排放装置，该装置与空气分离设备连接，包括：设置有外置的废气混合排放筒18的第一排放塔1，用以排放包含有氧气的废气的第二排放塔2，以及排放管道17。

其中，第一排放塔1上设有排放口一，第二排放塔2设有排放口二24，废气混合排放筒18上设有排放口三，废气混合排放筒18设置于第一排放塔1的排放口一处，第二排放塔2的排放口二24通过排放管道与废气混合排放筒相连。

如图5所示，本实用新型中所描述的外置的废气混合排放筒18可以非常容易地安装在现有的第一排放塔1上，外置的废气混合排放筒18的下端面通过预埋钢筋与第一排放塔1的排放口一上端面相连。废气混合排放筒18的形状可为长方体或圆柱体，相应地，废气混合排放筒18的截面参数D是指其正方形横截面的一个边长为D或圆形横截面的直径为D或其长方形截面的一个边长为D（详见图5，即与角α邻边平行的那个边的边长)。在本实施例中，外置的废气混合排放筒18为长方体，其横截面为正方形，边长为D，其中外置的废气混合排放筒18的横截面积与第一排放塔1的排放口一的面积相同。

如图4和图5所示，本实用新型中所描述的第二排放塔2的排放口二24的上端面的高度可以等于、略高于或略低于外置的废气混合排放筒18的下端面的高度。如图5所示，连接第二排放塔2的排放口二24和废气混合排放筒18的排放管道17与第二排放塔2的排放口二24的水平夹角为α，α大于0°，小于等于60°，在本实施例中，排放管道17与第二排放塔2的排放口二24的水平夹角为45°，以保证对第一排放塔内部压力没有影响。实际设计中可能考虑更多细节因素：如维护的要求，可拆性，加强筋增加结构稳定性，氧气流速较高区域局部采用不锈钢材质等问题。

本实用新型中所描述的废气混合排放筒18的排放口三的上端面与排放管道17和废气混合排放筒18的外墙壁的连接处的上端点的距离为L（见图5），该距离L与废气混合排放筒的截面参数D以及排放管道与第二排放塔2的排放口二24的水平夹角α（见图5）的关系为：L≥1.2D*tanα。在本实施例中，排放管道17与第二排放塔排放口的水平夹角α是45°，L的长度应大于或等于1.2D。L的长度和接入角度有关，为了保证氧气和来自第一排放塔的气体有一定的混合段，L≥1.2D*tanα。因为在扩散过程中混合还会自发地进行，没有必要无限增加L段的长度。废气混合排放筒下端面的中心可以位于第一排放塔1的排放口一上端面的中心，排放管道17的下端面的中心可位于第二排放塔2的排放口二24的上端面的中心或偏心。

如图4所示，本实施例中所描述的第一排放塔1可以使用空气分离设备中的氮水塔，第一排放塔1的底部设有输送来自空气分离设备的污氮气（氮气浓度大于等于95 vol.%）进气管11，上部的热水进水管道12，干燥的污氮气通过进气管11进入第一排放塔1的底部，在上升过程中与从热水进水管道12进入的水进行热交换后，污氮气进入排放室13，然后进入废气混合排放筒18，被冷却的水将通过冷水管16输出到其他单元用于冷却其他单元中的气体。污氮气密度比空气低，在与来自第二排放塔2的气流在废气混合排放筒18混合时，携带气流向上流动离开塔体。第一排放塔1也可以是氮气、污氮气、氩气、空气或这些气体的混合气的排放塔。在没有第一排放塔1但是有其他过量的氮气或污氮气来源（例如纯氮气，更普遍来讲，其他不能再利用的氮气源），也可以通入废气混合排放筒。本实用新型也不局限用氮气与氧气混合，可以使用其他密度比氧气低，可与氧气混合的惰性气体。在该操作条件下，惰性气体意味着在与氧气混合时无毒没有爆炸性，不是燃料或氧化剂。在图4中，在第二排放塔2的底部，输入来自空气分离设备的废气的管道在本实施例中包括污氮气管20，空气管21，氮气管22和氧气管23。在第二排放塔2的顶部的排放口二24并不直接将气体排入大气，而是与排放管道17相连接，将气体通入废气混合排放筒18。废气混合排放筒18和排放管道17通过排放口15相连，包含氧气或氧气/其他废气混合气的第二排放塔排放气从第二排放塔2中排入废气混合排放筒18。第二排放塔2内部还设置了消音器25，第二排放塔排放气经过消音器后进入排放筒18，第二排放塔排放气部分或全部与污氮气在废气混合排放筒内混合后排入大气。

本实施例中第一排放塔1为氮水塔，从塔底到排放室13顶部的高度为14.5m，废气混合排放筒的高度为4m，总高为18.5m。废气混合排放筒的排放口面积为8.3m²，氮水塔的污氮气（氧气浓度为3.38 vol.%）排放量为128557Nm³/h。第二排放塔2的排放口二的面积为2.8m²，第二排放塔排放气为空气分离设备产生的废气，其排放流速为6.8m/s，排放量为6300Nm³/h，第二排放塔排放气中的氧气浓度为99.6 vol.%。在没有设置废气混合排放筒18，第二排放塔2单独排放时，为了符合氧气安全排放的要求，第二排放塔2的高度一般需建为27m，氧气危险浓度区域以排放口为中心的半径为48m（在风速为1.5m/s时）。

本实用新型中所描述的氧气排放的危险浓度区域是指，在排放口附近氧气浓度大于25 vol.%的区域，考虑到氧气的物理化学性质，在这种浓度下将是有危险的。大型空气分离设备（2000tpd~3000tpd）的排放量增大，其安全距离的要求也相应增大，而且由于土地成本增加，工厂设备布置相对紧凑的趋势下，为满足安全排放，排放高度通常因障碍物高度的影响而增高。

本实施例中，第二排放塔2中包含氧气或氧气/其他废气混合气的第二排放塔排放气通过排放管道17进入到第一排放塔1的外置的废气混合排放筒18中，第二排放塔排放气与从第一排放塔1的底部进入的第一排放塔排放气混合形成混合排放气，混合排放气的氧气浓度低于第二排放塔排放气中的氧气浓度，混合排放气排放进入大气中。本实施例中第二排放塔2的高度和第一排放塔1的高度一样，约为14.5m。混合后排放气的排放流速为6.81m/s，排放量为191557Nm³/h，混合后排放气中的氧气浓度为27.3 vol.%，氧气危险浓度区域以排放口为中心的半径为8m（在风速为1.5m/s时）。由于废气混合排放筒的排放口三的面积（8.3m²）比第二排放塔2的排放口二面积（2.8m²）大，且第二排放塔2最高排放流速（一般为30m/s）比第一排放塔1的排放流速（约为6~8m/s）快。当第一排放塔1的排放流速约为第二排放塔2最高排放流速0.2-0.25倍时，即使第二排放塔2中排放气是单一氧气，其氧气浓度也能通过与第一排放塔排放气混合而降低，本实用新型的排放装置的危险浓度区域半径（氧气浓度大于25 vol.%）将大大缩小，为直接从第二排放塔2中排放氧气产生的危险浓度区域半径的六分之一左右。由此可见本实施例使用了废气混合排放筒后，可以大大降低排放装置的高度，节约成本，将排放装置的氧气危险浓度区域面积大大缩小的同时也不会造成第一排放塔1的内部的扰动。

此外，有气体持续从废气混合排放筒18排放，能防止杂质（落叶等）和积雪堵塞第一排放塔1的排放口一。进一步，持续流出的第一排放塔排放气与来自第二排放塔2的即使是纯氧气混合的情况下，也能混合均匀，有效降低氧气浓度，并提高氧气排放速度，降低氧气排放的风险。

以上仅为本实用新型的理想案例，并非对本实用新型的限制，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型思想的范围内，进行多样的变更以及修改。