船用氮氣制造系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及氮氣制造技術領域，特別是涉及一種船用氮氣制造系統。
【背景技術】
[0002]國際海事組織(頂0)通過的現行生效的《國際海上人命安全公約》(SOLAS公約)規定，對于載重噸大于20，000噸及以上的載運閃點不超過60°C，且其雷德蒸汽壓力低于大氣壓力的原油和成品油或具有類似失火危險的其他液貨貨品的液貨船，液貨艙的保護應通過一個符合《消防安全系統規則》要求的固定惰性氣體系統來達到。
[0003]惰性氣體發生裝置是惰性氣體系統的核心部件，按照惰性氣體發生原理的不同，可將其分為燃燒式、中空纖維膜空分和變壓吸附式空分三種類型。其中中空纖維膜空分和變壓吸附式空分又稱為制氮發生裝置(簡稱制氮機)。
[0004]燃燒式惰氣發生裝置由于出現最早且價格低廉，所以在大型油船和早期化學品船上大量安裝。但是由于燃料燃燒后產生的惰氣即使經過海水淋洗后硫、氮氧化合物(NOX)含量依然很高，裝貨時隨著液體的不斷加入貨液艙，惰氣在港口連續排放，嚴重污染了港口環境。原來裝有惰氣的船不能取得GREENPASS，而現在裝有惰氣的船舶不再允許在排放控制區航行(ECA---emit control area)。
[0005]而制氮機制取的氮氣干凈無污染物，是可以在排放控制區使用的惰性氣體。但是制氮機的占地比惰氣設備大，采購成本高。所以對于改裝或加裝氮氣設備的化學品船或采用制氮設備的老設計的船型都對安裝制氮機的空間提出苛刻的要求。另外，降低氮氣的成本也是有利于船東盡早改用制氮機取得排放區適航證。
[0006]通常，利用變壓吸附方式(Pressure Swing Adsorpt1n，PSA方式)的氮氣制造裝置(氮氣PSA裝置)作為簡便的氮氣供給單元而用于多種用途。近些年，作為船舶(海洋平臺)用戶要求，這種氮氣制造裝置期望著在現有空間的基礎上提供更多的氮氣發生量。對于油品、化學品船而言，氮氣供應量的增加有助于提高油品、化學品船的港口卸貨速度，從而減少船的滯港時間，提高單船利用效率，提高油化船的經濟效益。
[0007]因此，現有技術急需開發一種結構精簡，投資低的船用氮氣制造系統。
【發明內容】
[0008]基于此，本發明的目的是提供一種結構精簡，投資低的船用氮氣制造系統。
[0009]具體的技術方案如下:
[0010]—種船用氮氣制造系統，由如下設備通過管線依次連接而成:
[0011]壓縮機，包括至少一個壓縮單元，用于提供壓縮空氣；
[0012]過濾裝置，包括至少一個過濾單元，用于過濾壓縮空氣；
[0013]制氮機，包括至少兩個制氮單元，用于制備氮氣；
[0014]和/或氮氣緩沖罐，用于儲存、緩沖氮氣；
[0015]以及流量壓力調節裝置，用于調節流量和壓力。
[0016]在其中一個實施例中，所述制氮單元的工作狀態包括制氮狀態和均壓狀態，在船用氮氣制造系統工作時，所述制氮機中最多有一個制氮單元處于均壓狀態，其余制氮單元均處于制氮狀態。
[0017]在其中一個實施例中，每INm3Aiin氮氣產量所需的氮氣緩沖罐的體積小于等于20L。
[0018]在其中一個實施例中，所述制氮單元包括兩個吸附塔，所述吸附塔中沿氣體流動方向依次設有干燥劑填料層和碳分子篩填料層。
[0019]在其中一個實施例中，流量壓力調節裝置包括流量純度壓力調節裝置和/或管路增壓裝置。
[0020]在其中一個實施例中，各所述制氮單元之間的連接方式為并聯連接。
[0021]本發明的原理及優點如下:
[0022]與現有的氮氣制造系統(如圖1所示)相比，本發明的船用氮氣制造系統中不設有冷干機(或單獨的吸附式壓縮空氣干燥裝置)、空氣緩沖罐以及氮氣緩沖罐(部分大型的制氮設備可以設有氮氣緩沖罐，但氮氣緩沖罐的體積也較現有技術大大縮小，現有技術通常每INm3Aiin氮氣產量至少需要0.3-0.6m3氮氣緩沖罐，本發明的氮氣制造系統每INm3/min氮氣產量最大只需要20L氮氣緩沖罐)。
[0023]本發明在制氮單元的吸附塔中沿氣體流動方向增加設置了干燥劑填料層，可以替代現有技術中冷干機(或吸干機)的功能。且本發明采用變壓吸附方法對氣體進行干燥脫水，其原理是利用干燥劑在不同壓力下吸附水分的不同，在加壓下吸附氣體中水分，在減壓時將吸附的水分通過干燥的氣體帶出。
[0024]現有技術中如果單獨采用變壓吸附干燥裝置于壓縮機后進行壓縮空氣脫水處理，需要耗損處理氣量14-20%的氣量來沖洗帶走解吸出來的水分。不但整套制氮設備沒法減小安裝面積，還要增加壓縮機的排氣量增加投資和能耗。
[0025]本發明巧妙地利用制氮機每次解吸時放出大量富氧廢氣(制取95%氮氣時放出的氣體量占輸入壓縮空氣總量的50 %，99.9 %純度時更是高達70 %以上)，將干燥和制氮合二為一，既可解決壓縮空氣脫水凈化保護制氮用的碳分子篩不受潮，又可以獲得露點要求符合要求的干燥氮氣。這樣做的好處是沒有多增加設備投資，充分利用了制氮機的解吸排放廢氣，節省了燃料和冷卻水，并達到節省了氮氣發生裝置安裝空間的目的。
[0026]現有技術中制氮單元包括兩個吸附塔，分別為吸附塔A和吸附塔B(由裝滿碳分子篩的罐子構成)，一個吸附塔A通入壓縮空氣，通過吸附塔內的碳分子篩吸附壓縮空氣中的氧氣獲得氮氣，稱為“制氮”。同時，另外用部分制取的氮氣對另外一個吸附塔B內的碳分子篩進行沖洗，將碳分子篩內吸附的氧氣排出，稱為“再生”。當“制氮”的吸附塔A內的碳分子篩吸附氧氣飽和時，“制氮”和“再生”同時暫停，“再生”和“制氮”完成的A、B吸附塔通過一個稱為“均壓”的過程將A吸附罐內的氮氣轉移到B吸附塔內，使得A、B吸附塔的壓力近乎相等。“均壓”后，B吸附塔通入壓縮空氣“制氮”，A吸附塔用氮氣沖洗且排空“再生”。在A、B吸附塔交替的“制氮”和“再生”過程中，制氮過程得以延續。這個交替過程由于“均壓”時，“制氮”處于暫停階段。既無壓縮空氣進入吸附塔被消耗，也無氮氣從吸附塔供出。A、B吸附塔的切換相當頻繁，一般Imin內就要切換一次。
[0027]為了維持氮氣供應的連續性，現有技術中的制氮單元后面都會采用一個氮氣緩沖罐儲存氮氣，在制氮單元處于均壓狀態時維持氮氣的連續供應。同樣，壓縮空氣緩沖罐也是為了在制氮單元處于均壓狀態時保證壓縮機不會因為壓縮空氣消耗驟停而頻繁加卸載。壓縮機的加卸載頻率是有一定限制的。過短時間的加卸載，不但不可以節省能耗還會損壞加卸載閥門和開關造成壓縮機故障。
[0028]本發明為了解決上述問題，制氮機中設置至少兩個制氮單元，通過將多組制氮單元的均壓時間錯開，避免所有制氮單元在同一時間均壓，即可以保證整個系統維持正常的氮氣供應和壓縮空氣消耗。例如如果有N組制氮單元同時工作，那么這N組制氮單元內A、B塔交換按照錯開時間T進行。假定“制氮”時間為TN2，“均壓”交替所需要時間為TE(j，T =(TN2+TEQ) /N。這個T就是最佳的間隔時間，保證最多只有一組PSA處于均壓狀態，其余制氮單元都處于制氮狀態。
[0029]對于化學品船清管作業，氣體運輸船裝卸載管道或LNG動力船裝燃料加注管道的惰化需要的氮氣總量不大，氮氣使用時間很短，但是要求氮氣壓力，純度，瞬間供應流量較高。針對這種作業要求，通常方案是通過提高壓縮機工作壓力進而提高PSA制氮壓力來提高氮氣的輸出壓力。但是這樣做法顯然會加大壓縮機的規格尺寸，即增加了投資和使用成本又增加設備占地。通過在管道上安裝氣驅動增壓閥或栗就可以在不增加壓縮機規格和占地的情況下解決這個問題。
[0030]本發明采取上述手段，將現有技術的氮氣制造系統進行了結構精簡，減小了設備的占地(完全可以布置進油化船原有的惰氣系統占用的空間)又能保證設備運轉和氮氣的產量、壓力、純度，同時節約了設備投資和能耗。
【附圖說明】
[0031]圖1為現有的氮氣制造系統的結構示意圖；
[0032]圖2為本發明一實施例的氮氣制造系統的結構示意圖；
[0033]圖3為本發明另一實施例的氮氣制造系統的結構示意圖。
[0034]附圖標記說明:
[0035]10、壓縮機；101、壓縮單元；20、制氮機；201、制氮單元；30、流量壓力調節裝置；301、流量純度壓力調節裝置；302、管路增壓裝置；40、氮氣緩沖罐；50、冷干機；60、空氣緩沖罐；70、過濾裝置。
【具體實施方式】
[0036]以下通過實施例對本申請做進一步闡述。
[0037]參考圖2、3，一種船用氮氣制造系統，由如下設備通過管線依次連接而成:
[0038]壓縮機10，包括至少一個壓縮單元101，用于提供壓縮空氣；按照船級社規則通常壓縮機中設有2個以上壓縮單元。
[0039]過濾裝置70，包括至少一個過濾單元，所述過濾單元為多級壓縮空氣過濾裝置，用于過濾壓縮空氣。
[0040]制氮機20，包括至少兩個制氮單元201，用于制備氮氣；各所述制氮單元之間的連接方式為并聯連接。各所述制氮單元的工作狀態包括制氮狀態和均壓狀態，在船用氮氣制造系統工作時，所述制氮機中只有一個制氮單元處于均壓狀態，其余制氮單元均處于制氮狀態。
[0041]每個所述制氮單元均包括兩個吸附塔，所述吸附塔中沿氣體流動方向分別裝填干燥劑填料層和碳分子篩填料層(圖中未示出)。