[发明专利]应用于空分纯化系统余热回收装置及其关键参数确定方法

说明书

本发明公开了一种应用于空分纯化系统余热回收装置及其关键参数确定方法，采集空分纯化装置冷吹污氮气的实际温度、流量数据；对于温度，采用非线性拟合获得排出冷吹污氮气的温度与流量变化规律；为提升余热回收能力，相变储热器采用多级形式，基于常微分方程组建立多级相变储热器数学模型，采用数值方法对相应的常微分方程组进行顺序求解；以相变储热器对再生污氮气的最大放热量目标函数，同时设定相应约束条件，提升计算效率；利用微分进化算法对多级相变储热器模型进行优化，获得相变储热器内相变材料最佳相变温度、质量等关键参数；最大程度提升冷吹污氮气余热回收效果，减小电加热器功率，实现空分纯化系统的节能降耗。

技术领域

本发明涉及空分纯化装置技术领域，特指一种应用于空分纯化系统余热回收装置及其关键参数确定方法。

背景技术

空分装置中通常采用低温精馏法来获取液化空气，为防止水汽、二氧化碳等杂质影响后续的精馏过程，需要采用纯化系统对空气进行预处理。目前，纯化系统主要为分子筛吸附器，其按照吸附-解吸-吸附的流程进行工作。据统计，分子筛吸附器的能耗约占空分装置总能耗的16％左右，若能降低其运行成本，则可使企业在市场竞争中获得较大的优势。为实现吸附剂的再生，通常需要通入大量加热后的污氮气来加热吸附剂，完成再生后，还需要对吸附剂进行冷吹降温。对于冷吹过程排出的污氮气，其温度远远高于未加热的污氮气，且数量巨大。而常规空分纯化系统只包含两台并行工作的分子筛吸附器，由于时间差异导致冷吹污氮气所包含的热量很难利用，通常直接放空，造成了能量的大量浪费。一种可行的解决方法是采用储热技术对排出的冷吹污氮气余热进行回收。其中，相变储热是一种理想的潜在方法，近年来得到越来越多的关注。相较于常规的显热储热技术，相变储热技术具有高储能密度、近似等温储/放热等优势，已在工业余热回收领域得到了成功应用。鉴于此，可在传统空分纯化系统基础上，增设一台相变储热器，实现污氮气余热的有效回收和利用。但冷吹污氮气具有高温、高湿、变温的特点，相变储热器中相变材料的相变温度、质量等关键参数直接影响着余热回收效率，所以需要对相变储热器进行针对性设计。

发明内容

本发明的目的是为了提升相变储热器对冷吹污氮气余热回收效率，通过数据采集、模型建立、优化计算等方法，提供一种应用于空分纯化系统余热回收装置关键参数确定方法。该方法能根据排出的冷吹污氮气特点，针对性地计算出对应相变储热器的关键参数，实现余热的高效回收。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种应用于空分纯化系统余热回收装置关键参数确定方法，所述余热回收装置为内设多级相变材料的相变储热器，其包括以下步骤：

S1：采集待回收余热的空分纯化系统中冷吹污氮气的温度和流量数据；对于温度，采用非线性拟合获得排出冷吹污氮气的温度与时间之间的变化规律；对于流量，对冷吹污氮气和再生污氮气分别取平均值；以再生污氮气的温度为下限，通过积分计算冷吹污氮气的最大余热量；

S2：对相变储热器进行单级相变材料的能量分析，获得相变材料温度与污氮气温度相关的常微分方程；基于单级相变材料的常微分方程建立多级相变储热器模型，采用数值方法对常微分方程组进行顺序求解；

S3：以相变储热器对再生污氮气的最大放热量为目标函数，同时设定相应约束条件以提升计算效率；利用微分进化算法对多级相变储热器模型进行优化，获得相变储热器内相变材料最佳相变温度和质量。

在上述方案基础上，各步骤还可以进一步采用如下具体技术方案实现。

作为优选，所述步骤S1的具体实现方法如下：

S11：对待进行余热回收的空分纯化系统进行数据采集，获取系统排出的冷吹污氮气的温度和流量的时序数据；同时获取输入空分纯化系统中的再生污氮气的流量时序数据；

S12：以时间为自变量，以冷吹污氮气温度为因变量，对采集的时序数据采用分段函数形式进行非线性拟合，获得冷吹污氮气温度随时间变化的变化规律；非线性拟合函数形式如下：