一种氮气制造系统及方法与流程

1.本技术涉及氮气制备的技术领域，尤其是涉及一种氮气制造系统及方法。


背景技术：

2.在半导体、面板和光伏等电子产业的生产过程中，通常需要用到氮气作为生产的环境气、保护气。氮气在半导体制程中的作用尤为明显，其覆盖了85%以上环节的应用，且用量较大，故而用户会选择以现场制气的方式，在厂房附近建造氮气站，为生产提供氮气。
3.氮气站的主要原材料是空气，制取氮气的过程中，电力成本占据了80%的成本比例。在制氮过程中，部分电力会以气体压缩发热的方式散失，而且为避免系统过热损坏，需要散热组件对其进行散热，增加了制备功耗。而高压储存的氮气在供应时需要经减压阀减压，减压阀运作时避免气体泄压吸热结冰，则需要提供伴热维持正常运作，同样增加了制备功耗。


技术实现要素：

4.为了降低氮气的制备能耗，降低氮气的生产成本，本技术提供一种氮气制造系统及方法。
5.第一方面，本技术提供的一种氮气制造系统，采用如下的技术方案：一种氮气制造系统，包括：制备线和冷却线，所述制备线包括空压机，所述空压机通过管道连接有冷干机，所述冷干机内具有相互独立且可进行热交换的第一换热通道和第二换热通道，所述第一换热通道的一端连接所述空压机，所述第一换热通道的另一端同过管道连接有制氮机，所述制氮机通过管道连接有第一增压机，所述第一增压机通过管道连接有第一储罐，所述第一储罐管道连接有第一减压阀；所述冷却线包括冷工质罐，所述冷工质罐设置有冷输入管和冷输出管；所述冷却线还包括热工质罐，所述热工质罐设置有热输入管和热输出管；所述冷输出管和所述热输出管连接有输出泵，所述冷却线还包括第一吸冷管套，所述第一吸冷管套套设于所述第一减压阀和/或所述第一减压阀连接的输出管道上，所述第一吸冷管套内设置有中空管道，所述中空管道的一端与所述冷输入管连接，所述中空管道的另一端与所述热输入管连接；所述第一增压机内具有可进行热交换的第一冷却通道，所述第一冷却通道的一端与所述冷输出管连接，所述第一冷却通道的另一端与所述热输入管连接；所述第二换热管道的一端与所述冷输入管连接，所述第二换热管道的另一端与所述热输出管连接。
6.通过采用上述技术方案，可以实现高效、稳定、可靠的氮气制造。在制备线上，空气经空压机收集，冷干机干燥后上，送至制氮机进行吸附制备，制氮机吸附分离的氮气经第一增压机增压，送往第一储罐储备，进行生产时，通过减压阀减压输送到用户终端。在制备线启动时，冷却线利用工质换热形成废冷和废热的利用循环，通过第二换热通道和第一吸冷管套收集冷干机和第一减压阀处废冷，并存于冷工质罐中，需要时输送到第一冷却通道对
第一增压机实现冷却，并收集废热到热工质罐中，用于作为伴热保证第一减压阀正常运行。冷热循环利用降低了氮气的制备能耗，降低制备成本。
7.优选的，一种氮气制造系统还包括回收线，所述回收线包括vocs处理机，所述vocs处理机通过管道连接有第二增压机，所述第二增压机管道连接有第二储罐，所述第二储罐设置有第二减压阀，所述第二减压阀通过管道与所述冷干机连接。
8.通过采用上述技术方案，增设了氮气回收线，对含氮废气进行再利用。利用含氮废气比空气含氮量高的特点，含氮废气产出等量氮气的做功能耗要低于空气，并且回收氮气实现了环境友好型生产。
9.优选的,所述第二增压机设置有第二冷却通道，所述第二冷却通道的一端通过管道与所述冷输出管连接，所述第二冷却通道的另一端通过管道与所述热输入管连接；所述第二减压阀和/或所述第二减压阀所连接的输出管道上套设有第二吸冷管套，所述第二吸冷管套内设置有中空管道，所述中空管道的一端与所述冷输入管连接，所述中空管道的另一端与所述热输入管连接。
10.通过采用上述技术方案，对回收线产生的废冷和废热进行了收集，并做利用循环，解决了第二增压机运行的冷却问题和第二减压阀运行的伴热问题，减少额外的功耗。
11.优选的，所述冷却线还包括冷却塔，所述冷却塔的输入端通过管道与所述热输出管连接，所述冷却塔的输出端通过管道与所述冷输入管连接。
12.通过采用上述技术方案，当冷却线冷热循环失衡时，对热工质进行散热转化冷工质，避免氮气制造系统过热失衡。
13.优选的，所述冷干机的输入端通过管道连接有第一过滤器，所述冷干机的输出端通过管道连接有第二过滤器。
14.通过采用上述技术方案，对气源进行双重的过滤，第一过滤器和第二过滤器的作用都在于过滤油滴和固体杂质，其区别在于第一过滤器具有较大的滤径，对气源进行粗滤，第二过滤器具有较小的滤径，对小粒径的油滴杂质以及冷凝形成的小水滴进行细滤。
15.优选的，所述制备线还包括缓冲储罐，所述缓冲储罐连接位置位于所述空压机与所述冷干机之间，和/或所述冷干机与所述制氮机之间，和/或所述制氮机与所述第一增压机之间。
16.通过采用上述技术方案，平衡制备线相邻设备的之间的压力和流量，前置设备的压力和流量出现波动，起到缓冲作用，尽量避免对后置设备造成影响，提高制备线的稳定性和可靠性，保证氮气的生产质量和效率。
17.优选的，所述冷却线的管道、所述冷工质罐以及所述热工质罐至少一者的外侧设置有保温层。
18.通过采用上述技术方案，保证工质的温度稳定，尽量避免与外界交换热量，导致冷热交换失衡。
19.优选的，所述第一吸冷管套和所述第二吸冷管套的中空管道呈螺旋线状设置。
20.通过采用上述技术方案，增大了第一吸冷管套和第二吸冷管套的换热面积，延长了工质换热的时间，提高废冷回收的效率。
21.第二方面，本技术还提供的一种氮气制造方法，包括以下步骤：通过空压机对气源进行压缩集气；
将气源送入到冷干机的第一换热通道中，对其进行冷凝干燥，与此同时，热工质罐将其内部换热用的工质输送到第二换热通道中，对工质进行冷却降温，然后冷却的工质输送至冷工质罐备用；将已冷凝干燥的气源送入至制氮机中，将氮气从气源中分离；将氮气送入至第一增压机中增压并输送至第一储罐中，与此同时，将冷工质罐冷的工质输送至第一增压机的第一冷却管道，工质为第一增压机降温后输送至热工质罐中备用；氮气从第一储罐经第一减压阀减压后，流向用户终端，与此同时，热工质罐其内部换热用的工质被输送至第一吸冷管套中，然后被降温的工质回流至冷工质罐中备用。
22.通过上述方案，对气源进行收集过滤杂质后，吸附分离出氮气并作增压储存，生产时减压输送至用户终端，并对期间气体增压的废热、气体减压和冷干机产生的废冷进行收集储存，并将废冷用到设备冷却，将废热作为伴热使设备正常运作，形成冷热循环，减少功耗。
23.优选的，在“将气源送入到冷干机的第一换热通道中”这一步骤前还进行以下步骤：将用户终端收集的含氮废气输送至vocs处理机，将有机挥发物处理；将去除了有机挥发物的含氮废气送入至第二增压机中增压并输送至第二储罐中，与此同时，将冷工质罐冷的工质输送至第二增压机的第一冷却管道，工质为第二增压机降温后输送至热工质罐中备用；含氮废气通过压力自流的方式从第二储罐经第二减压阀减压后，流向冷干机，与此同时，热工质罐其内部换热用的工质被输送至第二吸冷管套中，然后被降温的工质回流至冷工质罐中备用。
24.通过上述方案，对含氮废气进行预处理，然后输入到制备线中进行氮气回收制备，含氮废气由于含氮量高，制备等量氮气功耗更低，成本更低，且减少了含氮废气的排放，对环境友好。回收过程中同样对回收过程中产生的废冷和废热，形成冷热循环。
25.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1.采用冷却线的设置，通过对制备线制备氮气的过程时产生的废热和废冷进行收集，并进行重新调配，将废冷和废热分别作为设备冷却的冷源和伴热的热源，实现冷热循环，减少能耗，降低制备成本。
26.2.采用回收线，对含氮废气进行预处理，并将其输送至制备线，回收利用生成新的氮气，并对回收线产生的废冷和废热实现收集再利用。.
附图说明
图1是本技术实施例的整体结构示意图；图2是第一吸冷管套或第二吸冷管套的结构示意图。
27.附图标记说明：1、制备线；11、预处理组件；111、空压机；112、第一缓冲储罐；113、第一过滤器；114、冷干机；1141、第一换热通道；1142、第二换热通道；115、第二过滤器；12、连通管道；13、第二缓冲储罐；14、制氮机；15、第三缓冲储罐；16、第一增压机；161、第一冷却通道；17、第一储罐；18、预留阀；19、第一减压阀；2、用户终端；3、回收线；31、vocs处理机；
32、第四缓冲储罐；33、第二增压机；331、第二冷却通道；34、第二储罐；35、第二减压阀；4、冷却线；41、热工质罐；42、冷工质罐；43、输出泵；44、第一吸冷管套；45、第二吸冷管套；46、冷却塔。
具体实施方式
28.以下结合附图1-2对本技术作进一步详细说明。
29.实施例：参见图1，一种氮气制造系统，包括制备线1，制备线1包括两套预处理组件11，每套预处理组件11包括空压机111，空压机111通过管道连接有第一缓冲储罐112，第一缓冲储罐112通过管道连接有第一过滤器113，第一过滤器113通过管道连接有冷干机114，冷干机114内具有相互独立且可进行热交换的第一换热通道1141和第二换热通道1142，第一换热通道1141的一端与前述的第一过滤器113连接，第一换热通道1141的另一端通过管道连接有第二过滤器115，两套预处理组件11之间连通有连通管道12，连通管道12的两端分别与两台空压机111的输出管道相连，连通管道12间设置有阀门。
30.制备线1采用两套预处理组件11对空气进行预处理，其中，第一过滤器113和第二过滤器115都用于过滤油滴，区别在于滤径不同，第一过滤器113在前，滤径大，对油气进行粗过滤，第二过滤器115在后，滤径小，对油气进行细过滤。而冷干机114则是对气源进行降温，气源中的气态水降到露点凝结析出，从而干燥气体。同时，通过连通管道12和阀门的切换，还可以实现两套预处理组件11的切换和联合运行，从而提高了系统的灵活性和可靠性。
31.第一缓冲储罐112的使用提高了系统的稳定性，避免气体压力和流量的突然变化导致系统出现故障或停机，同时，第一缓冲储罐112还可以减少气体输送管道的振动和冲击，保护管道和设备的安全性和稳定性。后续说明中所提及的其他缓冲储罐作用与第一缓冲储罐112相同，将不再赘述，且第一缓冲储罐112与后续提及的其他缓冲储罐合称为缓冲储罐。
32.参见图1，制备线1还包括第二缓冲储罐13，两套预处理组件11通过管道与第二缓冲储罐13连接，第二缓冲储罐13的容积不小于第一缓冲储罐112容积之和，第二缓冲储罐13通过管道连接有制氮机14，制氮机14通过管道连接有第三缓冲储罐15，第三缓冲储罐15通过管道连接有第一增压机16，第一增压机16通过管道连接有四个第一储罐17，每个第一储罐17均为大容积储罐，第一储罐17通过管道共同连接有输送管，输送管的一端连接有与预留阀18，输送管的另一端连接有第一减压阀19，第一减压阀19通过管道连接到用户终端2。
33.第二缓冲储罐13的容积不小于第一缓冲储罐112容积之和，是出于两套预处理组件11同时处于工作状态的考虑，起到足够的缓冲作用，减少压力和流量的波动对第二缓冲储罐13后续设备的影响。大容量的第一储罐17满足了制备大量氮气备用的需求，以实现氮气制造系统响应国家削峰填谷的用电鼓励政策，利用用户少，电价低的晚上时段制备氮气，在白天的生产时段经减压阀减压后输送到用户终端2，实现降本增效。预留阀18的作用则是方便第一储罐17的数量不满足生产要求时，增加第一储罐17数量可从预留阀18处进行管道连接，降低设计成本和施工成本。第一增压机16的作用是对氮气进行增压，使第一储罐17以高压的形式储存更多气体。
34.参见图1，一种氮气制造系统还包括回收线3，回收线3包括vocs处理机31，vocs处
理机31通过管道连接有第四缓冲储罐32，第四缓冲储罐32通过管道连接有第二增压机33，第二增压机33通过管道连接有第二储罐34，第二储罐34通过管道连接有第二减压阀35，第二减压阀35通过管道经第一过滤器113与冷干机114相连接。
35.回收线3的设置是首先是出于降本的考虑，电子半导体行业中氮气多用做保护气，其含氮量远高于空气，回流到制氮机14中，其制备效率高于空气，耗能低，其次是出于环保考虑，有机挥发物是从电子半导体行业用户终端2收集的含氮废气的主要杂质，直接排放会对空气造成污染。vocs处理机31可采用沸石转轮吸附法、热破坏法等对vocs进行处理，此处不做限定。第二储罐34的作用则是，将白天生产时产生的含氮废气储存，方便晚上制备时释放，经过滤干燥后制备氮气，进一步降本。
36.参见图1，一种氮气制造系统还包括冷却线4，冷却线4包括热工质罐41和冷工质罐42，热工质罐41和冷工质罐42内都储存有换热用的工质，热工质罐41连接有热输入管和热输出管，冷工质罐42连接有冷输入管和冷输出管。热输出管和冷输出管均连接有输出泵43（后续提及的关于热输出管和冷输出管的管道连接均经过输出泵43，后面不做赘述）。
37.冷却线4的作用是一种氮气制造系统冷却，并对废冷废热进行再利用。而热工质罐41和冷工质罐42的作用将通过工质换热收集的废冷和废热储存在对应的罐体中。输出泵43为工质流动提供动力。工质可以是水、二氧化碳等，在此处不做限定。
38.参见图1，冷干机114的第二换热通道1142的一端连接热输出管，第二换热通道1142的另一端连接冷输入管道。第一增压机16内具有可进行热交换的第一冷却通道161，第一冷却通道161的一端连接冷输出管，第一冷却通道161的另一端连接热输入管道。第二增压机33内具有可进行热交换的第二冷却通道331，第二冷却通道331的一端连接冷输出管，第二换热通道1142的另一端连接热输入管道。
39.具体地，在冷干机114对气源进行冷凝干燥室时，热工质输送到第二换热通道1142进行冷却，然后回流到冷工质罐42中。第一增压机16以及第二增压机33工作时，气体压缩做功发热，冷工质输送到第一冷却通道161和第二冷却通道331换热后成为热工质，回流到热工质罐41中。
40.参见图1和图2，冷却线4还包括第一吸冷管套44和第二吸冷管套45，第一吸冷管套44具有中空管道，中空管道呈螺旋线状设置，中空管道的一端连接热输出管，中空管道的另一端连接冷输入管。第二吸冷管套45与第一吸冷管套44相同，其区别在于安装位置的不同，第一吸冷管套44套设在第一减压阀19和与第一减压阀19连接的输出管道上，而第二吸冷管套45套设在第二减压阀35和与第二减压阀35连接的输出管道上。
41.具体地，减压阀进行减压时，气体膨胀吸热，需要对减压阀及后续管道施以伴热避免减压阀结冰失效。此时将从第一增压机16和第二增压机33中吸收的废热利用，热工质提供热量，并成为冷工质回流到冷工质罐42中备用，进一步降低制备氮气的能耗，降低制备成本。中空管道呈螺旋线状设置增加中空管道的长度，使得工质在管道中停留的时间更长，增大了中空管道的接触面积，进一步增加换热效率。
42.参见图1，冷却线4还包括冷却塔46，冷却塔46具有输入端和输出端，冷却塔46的输入端通过管道与热输出管连接，冷却塔46的输出端通过管道与冷输入管连接。冷却塔46用于废冷和废热的利用循环中，热工质过量而冷工质供应不足时的备用冷却措施，将热工质冷却为冷工质。此外，热工质罐41、冷工质罐42以及冷却线4上的管道三者的外侧均安装有
保温层。减少它们与外界进行热量交换，维持废热和废冷利用循环正常运作。
43.基于上述的一种氮气制造系统，提供一种氮气制造方法。以下做具体说明：首先是气源的收集，气源可分为两种，一是空压机111压缩的空气，空气通过第一缓冲储罐112管中平稳流量和压力，二是从用户终端2收集的含氮废气。含氮废气在用于制氮之前需要经过vocs处理机31处理，去除其中的有机挥发物（vocs），然后送入至第四缓冲储罐32中平稳流量和压力，再送至第二高压机增压储存与第二储罐34中备用。
44.然后两种气源根据其收集形式的不通，以不同方式送至第一过滤器113，压缩机将空气压入泵经第一缓冲储罐112管送至第一过滤器113，而含氮废气通过压力自流的方式，流动至第一过滤器113，第一过滤器113对气源进行初滤，去除气源中的大油滴；初滤后，气源通过冷干机114的第一换热通道1141进行冷凝干燥，去除其中的水分和粉尘杂质；冷干后，通过第二过滤器115进行细滤，去除空气中的小油滴。
45.再者气源经过滤干燥，送入至第二缓冲储罐13平稳流量和压力后，送入至制氮机14，制氮机14通过压缩交替吸附的方式分离出氮气。
46.最后氮气送入至第三缓冲储罐15平稳流量和压力后，经增压泵增压输送到第一储罐17中以做备用，当生产开始时，氮气经减压阀减压后从第一储罐17输送到用户终端2。
47.在上述氮气制备过程中产生的废热和废冷通过工质热交换的方式被收集，以进行废冷和废热的利用循环。具体地，冷工质罐42和热工质罐41作为废冷和废热的中转站，第一增压机16和第二增压机33启动后气体压缩发热的热量被冷工质通过第一冷却通道161和第二冷却通道331收集，冷工质转化为热工质，回流到热工质罐41中。而当第一泄压阀和第二泄压阀启动时，热工质经第一吸冷管套44和第二吸冷管套45被交换，成为冷工质，回流到冷工质罐42中。而当风干机启动时，热工质通过第二换热通道1142吸收废冷转化为冷工质，回流到冷工质罐42。
48.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种氮气制造系统，其特征在于：包括制备线(1)和冷却线(4)，所述制备线(1)包括空压机(111)，所述空压机(111)通过管道连接有冷干机(114)，所述冷干机(114)内具有相互独立且可进行热交换的第一换热通道(1141)和第二换热通道(1142)，所述第一换热通道(1141)的一端连接所述空压机(111)，所述第一换热通道(1141)的另一端同过管道连接有制氮机(14)，所述制氮机(14)通过管道连接有第一增压机(16)，所述第一增压机(16)通过管道连接有第一储罐(17)，所述第一储罐(17)管道连接有第一减压阀(19)；所述冷却线(4)包括冷工质罐(42)，所述冷工质罐(42)设置有冷输入管和冷输出管；所述冷却线(4)还包括热工质罐(41)，所述热工质罐(41)设置有热输入管和热输出管；所述冷输出管和所述热输出管连接有输出泵(43)，所述冷却线(4)还包括第一吸冷管套(44)，所述第一吸冷管套(44)套设于所述第一减压阀(19)和/或所述第一减压阀(19)连接的输出管道上，所述第一吸冷管套(44)内设置有中空管道，所述中空管道的一端与所述冷输入管连接，所述中空管道的另一端与所述热输入管连接；所述第一增压机(16)内具有可进行热交换的第一冷却通道(161)，所述第一冷却通道(161)的一端与所述冷输出管连接，所述第一冷却通道(161)的另一端与所述热输入管连接；所述第二换热管道的一端与所述冷输入管连接，所述第二换热管道的另一端与所述热输出管连接。2.根据权利要求1所述的一种氮气制造系统，其特征在于：还包括回收线(3)，所述回收线(3)包括vocs处理机(31)，所述vocs处理机(31)通过管道连接有第二增压机(33)，所述第二增压机(33)管道连接有第二储罐(34)，所述第二储罐(34)设置有第二减压阀(35)，所述第二减压阀(35)通过管道与所述冷干机(114)连接。3.根据权利要求2所述的一种氮气制造系统，其特征在于：所述第二增压机(33)设置有第二冷却通道(331)，所述第二冷却通道(331)的一端通过管道与所述冷输出管连接，所述第二冷却通道(331)的另一端通过管道与所述热输入管连接；所述第二减压阀(35)和/或所述第二减压阀(35)所连接的输出管道上套设有第二吸冷管套(45)，所述第二吸冷管套(45)内设置有中空管道，所述中空管道的一端与所述冷输入管连接，所述中空管道的另一端与所述热输入管连接。4.根据权利要求3所述的一种氮气制造系统，其特征在于：所述冷却线(4)还包括冷却塔(46)，所述冷却塔(46)的输入端通过管道与所述热输出管连接，所述冷却塔(46)的输出端通过管道与所述冷输入管连接。5.根据权利要求3所述的一种氮气制造系统，其特征在于：所述冷干机(114)的输入端通过管道连接有第一过滤器(113)，所述冷干机(114)的输出端通过管道连接有第二过滤器(115)。6.根据权利要求3所述的一种氮气制造系统，其特征在于：所述制备线(1)还包括缓冲储罐，所述缓冲储罐连接位置位于所述空压机(111)与所述冷干机(114)之间，和/或所述冷干机(114)与所述制氮机(14)之间，和/或所述制氮机(14)与所述第一增压机(16)之间。7.根据权利要求3所述的一种氮气制造系统，其特征在于：所述冷却线(4)的管道、所述冷工质罐(42)以及所述热工质罐(41)至少一者的外侧设置有保温层。8.根据权利要求3所述的一种氮气制造系统，其特征在于：所述第一吸冷管套(44)和所述第二吸冷管套(45)的中空管道呈螺旋线状设置。
9.一种氮气制造方法，基于权利要求1-8任一所述的一种氮气制造系统，其特征在于，包括以下步骤：通过空压机(111)对气源进行压缩集气；将气源送入到冷干机(114)的第一换热通道(1141)中，对其进行冷凝干燥，与此同时，热工质罐(41)将其内部换热用的工质输送到第二换热通道(1142)中，对工质进行冷却降温，然后冷却的工质输送至冷工质罐(42)备用；将已冷凝干燥的气源送入至制氮机(14)中，将氮气从气源中分离；将氮气送入至第一增压机(16)中增压并输送至第一储罐(17)中，与此同时，将冷工质罐(42)冷的工质输送至第一增压机(16)的第一冷却管道，工质为第一增压机(16)降温后，输送至第热工质罐(41)中备用；氮气从第一储罐(17)经第一减压阀(19)减压后，流向用户终端(2)，与此同时，热工质罐(41)其内部换热用的工质被输送至第一吸冷管套(44)中，然后被降温的工质回流至冷工质罐(42)中备用。10.根据权利要求9所述的一种氮气制造方法，其特征在于，在“将气源送入到冷干机(114)的第一换热通道(1141)中”这一步骤前还进行以下步骤：将用户终端(2)收集的含氮废气输送至vocs处理机(31)，将有机挥发物处理；将去除了有机挥发物的含氮废气送入至第二增压机(33)中增压并输送至第二储罐(34)中，与此同时，将冷工质罐(42)冷的工质输送至第二增压机(33)的第一冷却管道，工质为第二增压机(33)降温后输送至热工质罐(41)中备用；含氮废气通过压力自流的方式从第二储罐(34)经第二减压阀(35)减压后，流向冷干机(114)，与此同时，热工质罐(41)其内部换热用的工质被输送至第二吸冷管套(45)中，然后被降温的工质回流至冷工质罐(42)中备用。

技术总结
本申请涉及氮气制备的技术领域，尤其是涉及一种氮气制造系统及方法。一种氮气制造系统包括制备线、回收线和冷却线，一种基于上述氮气制造系统的氮气制造方法则简要概述为制备线对气源进行过滤干燥制备，生成氮气增压储存，减压分配，回收线对含氮废气进行回收预处理，并输送到制备线制备氮气，冷却线则是对制备线和回收线工作时产生的废热和废冷进行收集、储存和调度，实现冷热循环，降低能耗以及生产成本。产成本。产成本。


技术研发人员：陈贤剑 梁宏飞 陆壬
受保护的技术使用者：广东立开机电设备工程有限公司
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/22