一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的装置和方法.pdf

本发明公开了一种一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的装置，包括过滤器、透平空气压缩机、冷冻机、交替使用的分子筛吸附器、电加热器、主换热器、氮塔、主冷凝蒸发器、氧塔、冷凝器、过冷器、膨胀机和冷箱。本发明还公开了一体化制备方法。本发明装置和方法是针对浮法玻璃窑炉其需要大量一定压力的氮气来用作氮气保护，同时也需要一定压力的低纯度氧气来供全氧燃烧，以制取高纯度压力氮气为主，利用多余的冷量来制取一定量的一定压力的氧气，因本流程氧气纯度低，氧气可以带一定压力出冷箱。本发明装置和流程形式简单，能够满足带压氮气需求量大，并同时要求部分带压氧气的客户。

权利要求书
1.  一种一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的装置，其特征在于，包括：过滤器、透平空气压缩机、冷冻机、交替使用的分子筛吸附器、电加热器、主换热器、氮塔、主冷凝蒸发器、氧塔、冷凝器、过冷器、膨胀机、冷箱；其中，过滤器、透平空气压缩机、冷冻机、交替使用的分子筛吸附器、电加热器设置于冷箱外，主换热器、氮塔、主冷凝蒸发器、氧塔、冷凝器、过冷器、膨胀机设置于冷箱内，主冷凝蒸发器设置于氮塔上方，冷凝器设置于氧塔下方；
过滤器、透平空气压缩机、冷冻机、交替使用的分子筛吸附器、主换热器依次连接，主换热器再和氮塔底部的原料空气进口连接；
氮塔顶部的带压氮气出口分别和主换热器、主冷凝蒸发器、冷凝器连接，氮塔底部的富氧液化空气出口和过冷器连接，过冷器再和主冷凝蒸发器连接；主冷凝蒸发器的带压液氮出口和氮塔顶部连接，主冷凝蒸发器的富氧空气出口和主换热器连接，主换热器、膨胀机、过冷器、主换热器、电加热器、交替使用的分子筛吸附器再依次连接；
主冷凝蒸发器的富氧液化空气出口和氧塔连接，氧塔下部的氧气出口和过冷器连接，过冷器和主换热器连接；氧塔的污氮气出口和过冷器连接，过冷器、主换热器、电加热器、交替使用的分子筛吸附器再依次连接。

2.  一种一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将原料空气经过滤器过滤掉灰尘和机械杂质后，进入透平空气压缩机将空气压缩到设定压力；之后经冷冻机预冷后进入交替使用的分子筛吸附器中纯化；
步骤二、将纯化后的原料空气部分用于仪表空气，其余部分进入主换热器中冷却至饱和并带有一定含湿后进入氮塔低温精馏而分离为带压氮气和富氧液化空气；
步骤三、精馏得到的带压氮气部分引出经主换热器复热后出冷箱作为带压氮气产品，部分引出进入主冷凝蒸发器，其余部分引出进入冷凝器；精馏得到的富氧液化空气经过过冷器过冷后节流进入主冷凝蒸发器，部分富氧液化空气和引入的带压氮气间接换热，使带压氮气冷却液化为带压液氮，带压液氮部分出冷箱作 为带压液氮产品，其余部分引入氮塔作为回流液，富氧液化空气气化为富氧空气即污氮气，富氧空气经过主换热器复热后进入膨胀机膨胀为装置提供必需冷量，再经过冷器、主换热器复热后出冷箱作再生气用；抽取部分富氧液化空气进入氧塔；
步骤四、进入氧塔的富氧液化空气精馏而分离为液氧和污氮气，液氧和引入的带压氮气间接换热，液氧气化为氧气，部分氧气经过冷器、主换热器复热后出冷箱作为氧气产品，带压氮气冷却液化为带压液氮引入氮塔作回流液；污氮气经过冷器、主换热器复热后出冷箱作再生气用。

3.  根据权利要求2所述的一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的方法，其特征在于，步骤三中精馏得到的带压氮气部分引出经主换热器复热后出冷箱作为产品，产品带压氮气压力为5～9barA，纯度为3～10ppmO2。

4.  根据权利要求2所述的一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的方法，其特征在于，步骤四中液氧气化为氧气经过冷器、主换热器复热后出冷箱作为产品，产品氧气压力为1～3barA，纯度为90～95％。

说明书一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的装置和方法
技术领域
本发明涉及空气分离技术领域，具体涉及一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的装置和方法。
背景技术
目前，我国玻璃工业总产量已位居世界首列。我国现在拥有浮法玻璃生产线140多条，其中至少有100余条采用重油作为燃料，然而随着重油价格的持续上涨，燃料在玻璃制造成本中所占的比例越来越大。所以，在玻璃熔制工艺中，提高燃烧效率和降低能源成本，是行业的重大课题之一。在传统玻璃熔制工艺中，是以空气作为助燃气体，而占空气约79％多的氮气却对燃烧过程毫无益处。不仅如此，由于氮气不起助燃作用，大量的氮气经高温加热后作为烟气排入大气，带走大量的热量，造成热量的损失；而且，氮气在高温下还会与氧气反应生成NO、NO2、N2O等有毒气体，造成环境污染。此外，在空气一燃料燃烧系统中，大量烟气及氮氧化物在经过蓄热室、烟囱等设备的过程中不仅能携带更多的粉尘，对环保不利，而且很容易冲蚀这些设备而减少其寿命。随着国家对环保、节能等方面的重视，迫切需要一项新的浮法玻璃窑燃烧技术来代替原有的空气助燃技术。而全氧燃烧技术正是符合节能、环保和高熔化质量的有效手段，被誉为玻璃熔制技术的第二次革命。
所谓全氧燃烧就是以纯氧(纯度从90％-100％)代替空气，经过调压后，以一定的流量送入窑炉，与燃料进行燃烧。采用全氧燃烧技术可以实现节能降耗、减少NOX排放、显著提高玻璃质量，而且可以减少熔窑的建设成本、延长熔窑使用寿命、降低生产成本，是企业节能降耗、提高产品质量、取得良好经济效益的有效措施。
浮法玻璃窑炉需要一定压力的低纯度氧气来供全氧燃烧，同时也需要大量一定压力的氮气来用作氮气保护。目前，采用空分进行制备氮气和氧气，制备工艺多为双塔内压缩，流程形式相对复杂，氧气和氮气量都比较大，需要配置原料空压机，循环增压机，液体泵，高压换热器等设备，成本较高。
发明内容
本发明目的是提供一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的装置和方法，以解决现有技术的不足。
本发明采用以下技术方案：
一种一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的装置，包括：过滤器、透平空气压缩机、冷冻机、交替使用的分子筛吸附器、电加热器、主换热器、氮塔、主冷凝蒸发器、氧塔、冷凝器、过冷器、膨胀机、冷箱；其中，过滤器、透平空气压缩机、冷冻机、交替使用的分子筛吸附器、电加热器设置于冷箱外，主换热器、氮塔、主冷凝蒸发器、氧塔、冷凝器、过冷器、膨胀机设置于冷箱内，主冷凝蒸发器设置于氮塔上方，冷凝器设置于氧塔下方；
过滤器、透平空气压缩机、冷冻机、交替使用的分子筛吸附器、主换热器依次连接，主换热器再和氮塔底部的原料空气进口连接；
氮塔顶部的带压氮气出口分别和主换热器、主冷凝蒸发器、冷凝器连接，氮塔底部的富氧液化空气出口和过冷器连接，过冷器再和主冷凝蒸发器连接；主冷凝蒸发器的带压液氮出口和氮塔顶部连接，主冷凝蒸发器的富氧空气出口和主换热器连接，主换热器、膨胀机、过冷器、主换热器、电加热器、交替使用的分子筛吸附器再依次连接；
主冷凝蒸发器的富氧液化空气出口和氧塔连接，氧塔下部的氧气出口和过冷器连接，过冷器和主换热器连接；氧塔的污氮气出口和过冷器连接，过冷器、主换热器、电加热器、交替使用的分子筛吸附器再依次连接。
一种一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的方法，包括如下步骤：
步骤一、将原料空气经过滤器过滤掉灰尘和机械杂质后，进入透平空气压缩机将空气压缩到设定压力；之后经冷冻机预冷后进入交替使用的分子筛吸附器中纯化；
步骤二、将纯化后的原料空气部分用于仪表空气，其余部分进入主换热器中冷却至饱和并带有一定含湿后进入氮塔低温精馏而分离为带压氮气和富氧液化空气；
步骤三、精馏得到的带压氮气部分引出经主换热器复热后出冷箱作为带压氮气产品，部分引出进入主冷凝蒸发器，其余部分引出进入冷凝器；精馏得到的富 氧液化空气经过过冷器过冷后节流进入主冷凝蒸发器，部分富氧液化空气和引入的带压氮气间接换热，使带压氮气冷却液化为带压液氮，带压液氮部分出冷箱作为带压液氮产品，其余部分引入氮塔作为回流液，富氧液化空气气化为富氧空气即污氮气，富氧空气经过主换热器复热后进入膨胀机膨胀为装置提供必需冷量，再经过冷器、主换热器复热后出冷箱作再生气用；抽取部分富氧液化空气进入氧塔；
步骤四、进入氧塔的富氧液化空气精馏而分离为液氧和污氮气，液氧和引入的带压氮气间接换热，液氧气化为氧气，部分氧气经过冷器、主换热器复热后出冷箱作为氧气产品，带压氮气冷却液化为带压液氮引入氮塔作回流液；污氮气经过冷器、主换热器复热后出冷箱作再生气用。
进一步地，步骤三中精馏得到的带压氮气部分引出经主换热器复热后出冷箱作为产品，产品带压氮气压力为5～9barA，纯度为3～10ppmO2。
进一步地，步骤四中液氧气化为氧气经过冷器、主换热器复热后出冷箱作为产品，产品氧气压力为1～3barA，纯度为90～95％。
本发明的有益效果：
本发明装置和方法是针对浮法玻璃窑炉其需要大量一定压力的氮气来用作氮气保护，同时也需要一定压力的全氧来燃烧，以制取高纯度压力氮气为主，利用多余的冷量来制取一定量的一定压力、低纯度的氧气。因本流程氧气纯度低，氧气可以带一定压力出冷箱。本发明装置和流程形式简单，能够满足带压氮气需求量大，并同时要求部分带压氧气的客户。
附图说明
图1为本发明装置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
一种一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的装置，如图1所示，包括：过滤器1、透平空气压缩机2、冷冻机3、交替使用的分子筛吸附器4、电加热器5、主换热器6、氮塔7、主冷凝蒸发器8、氧塔9、冷凝器10、过冷器11、膨胀机12、冷箱13；其中，过滤器1、透平空气压缩机2、冷 冻机3、交替使用的分子筛吸附器4、电加热器5设置于冷箱13外，主换热器6、氮塔7、主冷凝蒸发器8、氧塔9、冷凝器10、过冷器11、膨胀机12设置于冷箱13内，主冷凝蒸发器8设置于氮塔7上方，冷凝器10设置于氧塔9下方；
过滤器1、透平空气压缩机2、冷冻机3、交替使用的分子筛吸附器4、主换热器6依次连接，主换热器6再和氮塔7底部的原料空气进口连接；
氮塔7顶部的带压氮气出口分别和主换热器6、主冷凝蒸发器8、冷凝器10连接，氮塔7底部的富氧液化空气出口和过冷器11连接，过冷器11再和主冷凝蒸发器8连接；主冷凝蒸发器8的带压液氮出口和氮塔7顶部连接，主冷凝蒸发器8的富氧空气出口和主换热器6连接，主换热器6、膨胀机12、过冷器11、主换热器6、电加热器5、交替使用的分子筛吸附器4再依次连接；
主冷凝蒸发器8的富氧液化空气出口和氧塔9连接，氧塔9下部的氧气出口和过冷器11连接，过冷器11和主换热器6连接；氧塔9的污氮气出口和过冷器11连接，过冷器11、主换热器6、电加热器5、交替使用的分子筛吸附器4再依次连接。
上述各部件的功能如下：
过滤器1，用于过滤原料空气中的灰尘和机械杂质；
透平空气压缩机2，用于将过滤后的原料空气压缩到设定压力；
冷冻机3，用于将过滤、压缩后的原料空气预冷；
交替使用的分子筛吸附器4，用于将过滤、压缩、预冷后的原料空气纯化，水分、CO2、C2H2等物质被分子筛吸附而去除；
主换热器6，用于将过滤、压缩、预冷、纯化后的原料空气冷却；用于将部分带压氮气、污氮气、氧气复热；
氮塔7，用于将经过滤、压缩、预冷、纯化、冷却后的原料空气低温精馏而分离为带压氮气和富氧液化空气的精馏塔；
主冷凝蒸发器8，用于将部分带压氮气和部分节流后的富氧液化空气间接换热以使带压氮气液化而得到带压液氮，同时使节流后的富氧液化空气气化而得到富氧空气即污氮气；
氧塔9，用于将部分节流后的富氧液化空气精馏而分离为液氧和污氮气的精馏塔；
冷凝器10，用于使部分带压氮气和经氧塔精馏后的液氧间接换热以使液氧气化，同时使带压氮气冷凝液化而得到带压液氮；
过冷器11，用于将富氧液化空气过冷却；将污氮气、氧气复热；
膨胀机12，用于将富氧空气膨胀制取装置必需冷量；
电加热器5，用于加热污氮气以再生分子筛吸附器；
一种一体化制备浮法玻璃窑炉氮气保护和全氧燃烧用氮气和氧气的方法，包括如下步骤：
步骤一、将原料空气经过滤器1过滤掉灰尘和机械杂质后，进入透平空气压缩机2将空气压缩到设定压力0.6～0.9Mpa；之后经冷冻机3预冷后进入交替使用的分子筛吸附器4中纯化，将水分、CO2、C2H2等物质去除；
步骤二、将纯化后的原料空气14部分用于仪表空气(图1中未标示出)，其余部分进入主换热器6中冷却至饱和并带有一定含湿后进入氮塔7低温精馏而分离为带压氮气和富氧液化空气；
步骤三、精馏得到的带压氮气部分引出经主换热器6复热后出冷箱13作为带压氮气产品15，其压力为5～9barA，纯度为3～10ppmO2，部分引出进入主冷凝蒸发器8，其余部分引出进入冷凝器10；精馏得到的富氧液化空气经过过冷器11过冷后节流进入主冷凝蒸发器8，部分富氧液化空气和引入的带压氮气间接换热，使带压氮气冷却液化为带压液氮，带压液氮部分出冷箱13作为带压液氮产品17，其余部分引入氮塔7作为回流液，富氧液化空气气化为富氧空气即污氮气，富氧空气经过主换热器6复热后进入膨胀机12膨胀为装置提供必需冷量，再经过冷器11、主换热器6复热后出冷箱13作再生气18用；抽取部分富氧液化空气进入氧塔9；
步骤四、进入氧塔9的富氧液化空气精馏而分离为液氧和污氮气，液氧和引入的带压氮气间接换热，液氧气化为氧气，部分氧气经过冷器11、主换热器6复热后出冷箱13作为氧气产品16，其压力为1～3barA，纯度为90～95％，带压氮气冷却液化为带压液氮引入氮塔7作回流液；污氮气经过冷器11、主换热器6复热后出冷箱13作再生气18用。