变压吸附制氮尾气回收用于石灰石富氧助燃技术研究
来源:哲成阀门 作者:www.zczkvalve.com 发布时间:2019-5-15 阅读:
  

     变压吸附(PSA)制氮是利用吸附剂—碳分子筛在不同压力下对氧、氮的吸附能力大小的不同,加压吸附、减压解吸,从而达到分离空气中氧、氮的目的,得到高纯度的氮气y。该工艺在制得高纯度氮气的同时也可得到富氧空气,目前多采用放空的方式将富氧空气当做尾气排放,然而富氧尾气是无尘、无油、干燥的洁净气体,氧气浓度在30.5%左右。该气体回收后可代替液氧用于我公司石灰石锻烧富氧助燃,不仅可以使废弃资源再利用,还可以降低纯碱生产成本。
1 富氧尾气回收技术
     碳分子筛对氧气和氮气的分离原理是基于这两种气体的动力学直径的微小差别,氧气的动力学直径小于氮气的动力学直径,在碳分子筛的微孔中有较快的扩散速率,这种气体扩散速率的差别可使氧气的吸附量在短时间内大大超过氮气的吸附量团,从而实现氮、氧分离。因此PSA制氮工艺富氧尾气的放空为非连续周期性短时过程(放空周期约为1 min,尾气排放时长仅有6}-8 s),这为富氧尾气的收集带来了困难,而且收集过程中不能影响正常的制氮过程,要求放空末期放空日为常压或微负压状态,以便下一周期尾气的顺利排放。
     变压吸附制氮机富氧尾气排放初期压力较高,压力可达U. 4 MPa,随着富氧尾气排放压力逐渐降低,后期低压尾气压力为接近常压,故将富氧尾气收集分为高压阶段富氧尾气收集和低压阶段富氧尾气收集。
1.1初级收集流程
     最初设计的收集流程,高压阶段的富氧尾气通过直排管线直接进人缓冲罐,为了防止放空后期缓冲罐内气体倒吸进人引风机,在直排管线上设置了一个单向阀。低压尾气收集阶段为不影响制氮工艺保证放空日处于常压或微负压状态,利用回收风机抽吸低压富氧尾气,并将尾气送人集气罐,集气罐内收集的富氧尾气再通过送气风机送至缓冲罐内。初级收集流程如图1所示。为避免富氧尾气收集过程出现异常情况影响正常的制氮工艺,在制氮机尾气放空日设置压力变送器和自动排空阀门。自动排空阀门和压力变送器实现关联,当放空日压力高于设定值时,自动排空阀门自动开启放空,确保制氮机组正常运行。
     初级收集流程投人运行后,高压阶段尾气收集效果良好,收集速率可达5 000^-6 000 mj/h,然而低压阶段回收风机运行不稳定,经常自动跳车,导致该阶段尾气通过排空阀门放空,收集效果不理想。

图1 富氧尾气初级收集流程图

1.2自力式调节阀收集流程
     经观察分析发现,导致初级收集流程中低压阶段尾气收集不理想的主要原因是高压阶段的高压气体对回收风机冲击力大,推动叶片转动,造成风机超流跳车。为解决该问题,在回收风机进气管路上设置自力式压力调节阀,用于控制、稳定回收风机的进气压力。自力式调节阀工作原理如图2所示,主要是通过阀后气体自身的压力控制阀门的开度,当阀后压力逐渐升高,阀门逐渐关闭。直至阀后压力稳定在要求的给定值,从而实现自动调节。自力式调节阀收集流程如图3所示。
     安装自力式调节阀后,尾气收集系统运行稳定性提高了很多,收集效率有所提高,收集速率达到9 000 mj/h左右。然而由于尾气放空周期短,自力式调节阀动作滞后,偶尔还会出现回收风机跳车现象。

自力式调节阀的工作原理

图2 自力式调节阀的工作原理

富氧尾气自力式调节阀收集流程图

图3 富氧尾气自力式调节阀收集流程图

1.3自动调节收集流程
     根据尾气收集过程对回收风机以及回收风机对环境的要求,高压收集阶段要减轻高压气流对回收风机的影响,保证风机的稳定运行;低压收集阶段要求风机能高效运行,实现放空日处常压或微负压状态。为满足以上要求,借鉴自力式调节阀的作用原理,我们通过自主研发设计了一套自动调节装置。自动调节装置结构如图4所示,工作原理为高压阶段高压气体作用在阀门片上,致使阀门关闭,阻止大量气体进人回收风机,避免了对回收风机的冲击;在低压阶段气流作用在阀门片上的作用力小,此时阀门打开,气体可以通过进人回收风机。自动调节装置有效改善了自力式调节阀收集流程中回收风机跳车的问题,从而使富氧尾气收集过程平稳、连续,收集流程如图5所示。

通自动调节装置结构图

图4 通自动调节装置结构图


图5 富氧尾气自动调节收集流程

2收集效果分析
     
富氧尾气收集过程加人自动调节装置后能保证富氧尾气收集过程平稳、连续,而且能使放空日在收集末期处于常压或微负压的状态,不影响制氮过程的正常进行。不仅如此,自动调节流程收集的富氧尾气含氧量高,能保证石灰窑进窑空气含氧量达到21. 65 0 o实现液氧零消耗。
3效益分析
     该技术的成功研发是对我公司氨碱法纯碱生产混料竖式石灰窑富氧助燃技术的进一步升级,形成了一种制氮机尾气收集、配送的工艺技术及控制方法,在国内纯碱生产企业中首次将制氮机副产尾气回收应用于纯碱生产,并完全代替液氧用于石灰石锻烧富氧助燃,同时还提高了石灰窑单窑能力及石灰石的活性,石焦消耗有所降低,促进了纯碱产业的技术进步,最大回收制氮乏气能力达到10 500 mj/h左右。正常生产时制氮机组并非全部开启,每小时可收集富氧尾气2 500^-3 500 mj,能够保证石灰窑进窑空气氧气浓度在21. 4%到21. 9%之间,年可节约液氧约9 600 t,经济效益为642万元/年。
4结语
     利用变压吸附制氮工艺不仅可以得到高纯度的氮气,该工艺放空的尾气中含有高浓度的氧气。本文通过研究几种不同的富氧尾气收集流程发现,自动调节收集流程能够很好地解决其他流程中回收风机跳车的问题,而且该流程运行连续、平稳,对正常的制氮工艺不产生影响。本文研究了富氧尾气回收利用新工艺、新技术,合理回收了工业废弃物,实现了氨碱法纯碱生产中石灰石锻烧富氧助燃过程液氧的零消耗,实现了变废为宝,具有很好的经济效益、社会效益和生态效益。

本文Tag:调节阀、自力式调节阀、气动调节阀
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