[0001] 本发明属于空气分离技术领域，具体涉及一种变工况装置及变工况工艺。

[0002] 空分装置是对空气进行分离，并得到氧、氮、氩等高纯工业气体的装置，它被广泛应用于石油、化工、冶金、电子、能源、航空航天、食品饮料、医疗保健等各种工业领域。所得到的氧、氮和氩产品在一个国家国民经济中的应用十分广泛。

[0003] 随着工业技术的进步和发展，在有色金属冶炼工艺中越来越广泛的大规模使用富氧熔炼技术，大规模使用氧气资源的企业不得不面临一个氧气放散率高的问题。冶金行业用氧气波动使得氧气大量放空造成的电能浪费及大量氧气放空可能导致的安全问题一直是冶金行业氧气厂存在的突出问题。如何解决这一问题是关乎有色冶炼加工成本和企业经济效益的重要因素之一。

[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

[0034] 现有技术中，空分装置的功率是固定的，且只能在小范围内进行调节。基于此，在用氧量波动时，当用氧量大幅增加时，现有的空分装置保持工作即可，实际耗氧量与供氧量之间的缺口可通过其他技术手段进行弥补。

[0035] 但当用氧量大幅减小时，由于调节能力有限，现有的空分装置并不能降低产能，其所生产的氧气量保持相对恒定，但实际用氧量已经大幅降低，则实际生产时将出现供氧量大于耗氧量的情况，现有技术中通常将多余氧气直接排放至大气中，造成了氧气放散量高的问题，且进一步，大量氧气防空增加了工厂附近区域的安全风险，不利于安全生产。

[0036] 同时，相比较于生产实际用氧量所消耗的电能，保持满功率运行的现有空分装置存在耗能过大的问题，能耗相对较高，也就增加了生产成本。

[0037] 针对于现有技术所存在的问题，提供一种变工况装置，所述变工况装置在单台膨胀机的基础上，设置了第二台膨胀机，且两台膨胀机中的一者的冗余量调节范围大，基于此，可以选择任意一台膨胀机使用，正常情况下使用冗余量小的一者，非正常情况下(如供大于求时)使用冗余量大的一者，冗余量大者的调节范围更大，能够以相对较低的功率运行，以降低能耗。

[0038] 基于此，所述的变工况工艺采取简便方法，解决了现有的空分装置能耗较高、膨胀机流量较大、热端膨胀机分担部分膨胀量等问题，大幅增加了空分系统的可控性，有效减少了氧气放散量，既可以降低能耗，减少10％以上的电能浪费，又可以规避氧气放散造成的不安全隐患。同时，还增加了液氧或液氮的产量，可以外销以增加企业收入，液氧产品还可以储存用作应急备用。

[0039] 具体来说，氧气放散量大容易引起火灾，氮气放散量大容易使人呼吸困难甚至窒息，有效减少了放散量，提高了生产的安全性。降低水电浪费，符合节能减排的发展理念，有助于提高公司效益；液氧方便存储，既可以外销，也可以后续供气使用，使用灵活。现有技术中大多采用外置液化装置处理多余的氧和氮，需要增加土地、设备和人工的额外投入，大大增加了生产成本，本发明有效规避了这一问题。

[0040] 实施例1：

[0041] 如图1所示，第一方面，本发明提供了一种变工况装置，包括第一膨胀机1、第二膨胀机2、主换热器3、上塔4、主冷5和下塔6，其中，主换热器3上设有空气进气管7、下塔连接管8和上塔连接管9，第一膨胀机1上连有第一进气管10，第二膨胀机2上设有第二进气管11，第一膨胀机1和第二膨胀机2均通过出气管12与下塔连接管8连通，且出气管12与下塔连接管8连接处的两端分别设有一个空气旁通阀13；

[0042] 上塔4、主冷5和下塔6组成精馏塔，上塔4通过上塔连接管9与主换热器3相连，下塔6通过下塔连接管8与主换热器3相连，上塔4的底部设有液氧输出管14和液氮输送管15，液氮输送管15上设有过冷器16，液氧输出管14连通用氧设备或储槽，上塔4的顶部设有氮气输出管17和污气输出管18；

[0043] 第一膨胀机1的冗余量大于第二膨胀机2的冗余量，且第一膨胀机1和第二膨胀机2交替工作，以适配不同的用氧量需求。

[0044] 其中，第一膨胀机1的冗余量大，第二膨胀机2的冗余量小，正常情况使用第二膨胀机2，供需关系改变时，使用第一膨胀机1，增加了使用的灵活性。主换热器3用于承担加工空气和返流气体之间的热交换，使加工空气冷却到它的临界温度以下而使之液化，以便于在精馏塔中用作冷源。进一步，所述变工况装置中，加工空气和返流空气均为输入的纯化空气，即部分纯化空气(即所述的第一纯化空气，下称第一纯化空气)输入第一膨胀机1或第二膨胀机2，并在增压后依次经出气管12和上塔连接管9输送至主换热器3，其余纯化空气(即所述的第二纯化空气，下称第二纯化空气)输入主换热器3，则第一纯化空气和第二纯化空气在主换热器3内进行热交换，第一纯化空气放热降温以用作冷源，第二纯化空气吸热升温以用作热源。

[0045] 上塔4、主冷5和下塔6组成精馏塔，第一纯化空气为冷源，输送至上塔4后下落，第二纯化空气为热源，输送至下塔6后上升，上升蒸汽和下落液体经过热量交换后实现氮气和氧气的分离，并获得气氮、液氮、液氧和污气四种产物，分别收集后可用在不同方面，提高了综合效益。

[0046] 空气旁通阀13用于限制上塔连接管9的通断，以保证第一纯化空气的流向符合设计，保证第一纯化空气的流动路线为第一膨胀机1或第二膨胀机2‑主换热器3‑第一膨胀机1或第二膨胀机2‑上塔4，其中，第一纯化空气第一次流经第一膨胀机1或第二膨胀机2的增压端，第二次流经第一膨胀机1或第二膨胀机2的膨胀端。

[0047] 工作时，以第一膨胀机1为例，第一纯化空气经第一进气管10输入第一膨胀机1内，且第一纯化空气进入第一膨胀机1的增压端，第一纯化空气增压后经出气管12和上塔连接管9流入主换热器3内。第二纯化空气经空气进气管7输入主换热器3内，在第一纯化空气进入主换热器3后与第一纯化空气进行热交换，第一纯化空气放热降温后返流至第一膨胀机1的膨胀端，第二纯化空气吸热升温后经下塔连接管8输入下塔6内。第一纯化空气在第一膨胀机1内膨胀后经上塔连接管9输入上塔4内。同时，第一纯化空气流动时，两个空气旁通阀13注意开闭，以保证空气的流向正确。

[0048] 第一纯化空气和第二纯化空气均输送至精馏塔内后，精馏塔内冷源和热源齐备，纯化空气在精馏塔内实现分离，其中，精馏塔的工作原理为本领域的公知常识，在此不再赘述。分离完成后，气氮经氮气输出管17输出，污气经污气输出管18输出，液氧经液氧输出管14输出，液氮经液氮输送管15输出，或，液氮输送至过冷器16并返流至上塔4，以增加回流液的体积。

[0049] 在一种可能的实现方式中，液氮输送管15包括连接管151和液氮输出管152，连接管151连通过冷器16和主冷5，且过冷器16上设有液氮输入管21，液氮输出管152的进液口与连接管151连通。基于上述设计方案，连接管151用于液氮在精馏塔与过冷器16之间的往复流动，以通过过冷器16对液氮进行制冷，避免液氮气化，保证上塔4中回流液的体积。液氮输出管152则用于向外输出液氮，即供大于求时，向外输出液氮产品，降低上塔4中回流液的体积，以降低其余产品的产量。

[0050] 在一种可能的实现方式中，主换热器3、上塔4、主冷5、下塔6和过冷器16选用能够兼容第一膨胀机1和第二膨胀机2的型号。容易理解的，所述变工况装置中通过第一膨胀机1和第二膨胀机2的交替工作实现制冷性能的改变，也对主换热器3、上塔4、主冷5、下塔6和过冷器16进行了适应性选用，即事先根据氧气的需求对上塔4进行变工况计算设计，使上塔4和下塔6可以适应，即可正常生产气态氧及氮也适应生产比常规生产更多的液体氧或者液氮，使精馏塔的气液比例调节范围大；同时进行适应兼容的改进主换热器3及过冷器16。

[0051] 在一种可能的实现方式中，如图1所示，出气管12包括一个主管121和两个支管122，主管121一端与上塔连接管9连通，主管121另一端通过支管122分别连通第一膨胀机1和第二膨胀机2。基于上述设计方案，支管122不仅起到连接作用，还可以适当延长，以适配于第一膨胀机1和第二膨胀机2之间的距离，以满足第一膨胀机1和第二膨胀机2安装的要求。

[0052] 在一种可能的实现方式中，氮气输出管17上设有氮气换热器19。基于上述设计方案，通过氮气换热器19制冷向外输出的氮气，气氮液化为液氮，进而可经液氮输入管21输入过冷器16，以形成用于上塔4的回流液，起到补充回流液的作用。换而言之，拓展了气氮的用途，增加了回流次数，有助于提高分离的纯度。

[0053] 在一种可能的实现方式中，主换热器3上设有污气排出管20，污气输出管18经主换热器3与污气排出管20连通。基于上述设计方案，利用污气的热量第第二纯化空气进行加热，以达到对能量的充分利用，有助于减少浪费。

[0054] 实施例2：

[0055] 本实施例在实施例1的基础上，介绍一种基于所述变工况装置的变工况工艺，所述变工况工艺包括以下步骤：

[0056] S100进料：纯化空气输入；且输入第一膨胀机1或第二膨胀机2的纯化空气为第一纯化空气，输入主换热器3的纯化空气为第二纯化空气，以便于说明纯化空气的流向。

[0057] S200热交换：部分纯化空气经第一膨胀机1或第二膨胀机2制冷，以用作冷源；其余纯化空气经主换热器3换热，以用作热源。

[0058] 具体来说，S200热交换包括：

[0059] S201：第一纯化空气经第一膨胀机1的增压端或第二膨胀机2的增压端后输入主换热器3，并与第二纯化空气进行热交换。

[0060] S202：第一纯化空气热交换后回流至第一膨胀机1的膨胀端或第二膨胀机2的膨胀端，第一纯化空气膨胀后输送至上塔4。

[0061] 经步骤S201和步骤S202，不仅可以通过纯化空气自身的热量实现第二纯化空气的加热，以形成热源，又可以极大降低第一纯化空气的温度，以形成冷源。基于此，有助于降低能量输入，以达到降低能耗的目的。

[0062] S300分离：纯化空气在精馏塔内被分离为氧气、氮气、污氮气和液氧。

[0063] 其中，步骤S300中，通过过冷器16补充液氮，以增加回流液。基于此，回流液充足提供了各板所必须的液流，是建立各板正常浓度分布，维护全塔连续稳定操作的必要条件。

[0064] S400输出：分别向外输送氧气、氮气、污气和液氧。

[0065] 氮气输出管17上设有氮气换热器19；主换热器3上设有污气排出管20，污气输出管18经主换热器3与污气排出管20连通；步骤S400中：氮气经氮气换热器19降温后排出；污气经主换热器3热交换后排出。基于此，不同的产品从不同的管路流出，以分类获得不同种的产品，以分别处理和利用，达到提高综合效益的目的。

[0066] 其中，第一膨胀机1的冗余量大于第二膨胀机2的冗余量，且第一膨胀机1和第二膨胀机2交替工作，以改变向外输出的气液量。

[0067] 即当第二膨胀机2工作时，第二膨胀机2的冗余量满足正常生产时的供氧需求，第二膨胀机2正常工作即可。而当供求关系变化时，则当第一膨胀机1替换第二膨胀机2工作时，液氧、液氮各自的产量增加，多余的液氧经液氧输出管14输送至储槽，多余的液氮经液氮输送管15输出并储存。基于此，在满足供氧需求的基础上，多余的液氧可以储到储槽存起来用作应急备用。

[0068] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。