專利名稱：氣體循環(huán)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從其中利用保護(hù)性氣氛氣體的熱處理室中排放的排 出的氣氛氣體的循環(huán)。 背景討論
金屬零件在生產(chǎn)過程中一般要進(jìn)行熱處理以獲得所述金屬零件 的想要的特性。熱處理通常在保護(hù)性氣體中進(jìn)行，以防止不利的化學(xué) 反應(yīng)，例如氧化、滲碳、氫脆、或滲氮。對于大多數(shù)應(yīng)用，優(yōu)選化學(xué) 惰性氣體(例如，對于某些金屬是氬、氮)或化學(xué)還原性氣體(尤其 是部分或全部是氫氣的氣體)。特別地，氫氣退火表現(xiàn)出特別的優(yōu)點(diǎn)， 因?yàn)闅錃饩哂斜绕渌鼩怏w顯著更好的傳熱性能和更低的粘度，并且因 此允許本領(lǐng)域強(qiáng)對流罩式退火爐目前狀態(tài)的開發(fā)，其中罩式退火爐機(jī) 械循環(huán)所述要進(jìn)行熱處理的金屬周圍的氫氣氣體以獲得均勻的加熱且 不發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)。
因?yàn)橐嘶鸬慕饘偻ǔＲ呀?jīng)用油潤滑劑機(jī)械處理過，進(jìn)行或沒有 進(jìn)行隨后的洗滌，通常會在所述金屬上存在大量的油和/或水形式的污 染物。自然，所述退火氣體最初也充滿大氣，該大氣中含有大量的氧 氣、氮?dú)夂投趸?，所有這些氣體在所述金屬被加熱到用i《八、 應(yīng)力消除等的希望的溫度時可以導(dǎo)致不希望的化學(xué)反應(yīng)。在當(dāng)前的熱 處理設(shè)備中，所述大氣被第一清掃氣體代替(該第一清掃氣體可以是 或者可以不是所述最終氣氛氣體)以便替代所述空氣和某些蒸氣污染 物。安全通常規(guī)定該第一清掃氣體是不可燃的?；蛘?，可以單獨(dú)使用 或與惰性氣體聯(lián)合使用適度的真空以達(dá)到同樣的目的。
當(dāng)所述金屬被加熱時，可以連續(xù)地加入所述第一清掃氣體以帶走 蒸發(fā)的油和水，并防止進(jìn)入空氣，或者可以引入第二種氣體(通常是
9氫氣)。因?yàn)樵谒鰻t氣體中由于液體物料蒸發(fā)和化學(xué)分解使得烴、 碳的氧化物、氮?dú)夂退魵怆s質(zhì)的水平反而升高，所以從所述熱處理 爐中連續(xù)地移出所述氣體。
一些通常使用的處理所述氣氛氣體的策略 是在出口燃燒(常常稱作"火焰幕")、作為低價值燃料收集和燃燒 或簡單的排放到大氣中。
從所述熱處理氣體中除去雜質(zhì)的這些方法苦于幾個缺點(diǎn)。首先是 這些方法浪費(fèi)了所述氣氛氣體本身，而這些氣體通常是昂貴的。即使 作為燃料回收，所回收的氣氛氣體的燃料價值通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于消耗拌的 純氣氛氣體的成本。至于排放所述氣氛氣體，所述氣體中揮發(fā)性有機(jī) 化合物和一氧化碳雜質(zhì)則分散到周圍的空氣中，并形成空氣污染。很 多地方限制這些污染物的排放，并嚴(yán)格禁止額外的排放，需要增加昂 貴的后處理設(shè)備，例如熱或催化氧化器。
已經(jīng)提出了循環(huán)金屬處理氣體的方法。例如Krueger等人的美國 專利6881242 (后文中稱作"'242專利")中提出了氫氣循環(huán)系統(tǒng)， 其中所述氣氛氣體被過濾、壓縮，然后提供給金屬膜氫氣凈化器。該 方法在幾個方面是有限的。因?yàn)闅夥諝怏w通常非常熱，將該氣體壓縮 至所述'242專利中需要的壓力是不切實(shí)際的，除非打算用非常小的流 量。此外，所述'242專利沒有提供所述分離步驟之前的除去油蒸氣的 方法，這意味著所述分離器必須在暴露于來自分解的金屬成型油、漂 洗液等的混合的油和污染物時操作。金屬膜凈化器對于硫、碳沉積等 引起的中毒非常敏感，并且因此不能用于含此類化合物的一般的爐氣 體中。 。
Garg等人的美國專利5348592 (后文稱作"'592專利，，)提供了 僅用于除去水蒸氣和氧氣雜質(zhì)的另一種氣體循環(huán)方法。與所述'242專 利類似，所述'592專利建議可以使用吸附氣體干燥器來除去水蒸氣。 在'592專利的情況下，該水蒸氣實(shí)際上是由痕量的氧氣與氫氣的催化 反應(yīng)以及所述排出的氣氛氣體中預(yù)先存在的水蒸氣而形成的。所述 '592專利中使用的催化劑也對于由烴蒸氣、由金屬工作油中存在的疏 和由一氧化碳引起的失活非常敏感。因此，所述'592專利中的方法不適用于存在這些雜質(zhì)的冶金氣體。所述'592方法也不能除去不想要的 惰性氣體的排出的氣氛氣體，例如氮?dú)?，因此?dāng)希望要循環(huán)的氣體不 含氮?dú)鈺r，例如在氬氣或氫氣氣體中，所述'592方法是不適用的。
所述'242專利或所述'592專利中都沒有提供當(dāng)雜質(zhì)水平不能通 過提純裝置有效地除去時在循環(huán)過程中排除排出的氣氛氣體的方法。 因此，在這類循環(huán)過程中，所述排出的氣氛氣體可導(dǎo)致設(shè)備退化或故 障，或?qū)е麓罅康碾s質(zhì)循環(huán)到所述熱處理氣體中。
發(fā)明概述
在消除上面討論的限制和問題的努力中，發(fā)明人構(gòu)建了下面敘述 的熱處理氣體循環(huán)的方法和系統(tǒng)。
由于上面討論的原因，希望提供從一般的熱處理應(yīng)用的不純的排 出氣體中循環(huán)提純的氣氛氣體的方法和裝置。
還希望大大降低所述熱處理方法中的揮發(fā)性有機(jī)化合物的排放。
還希望提供能夠在排出氣體的廣泛變化的流量和組成下操作的 方法和裝置，其中所述排放氣體來自于單個熱處理爐或許多熱處理爐， 其中所述熱處理爐就其氣氛氣體的使用而言為操作在相內(nèi)或相外。
還希望提供用于在循環(huán)過程中選擇性地回收氣氛氣體的方法以 使所循環(huán)的氣體的回收率和純度獨(dú)立地最大化。
還希望提供氣氛氣體循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠同時從所述循環(huán)的氣 氛氣體中除去水蒸氣、氮?dú)?、氧氣、揮發(fā)性有機(jī)物、碳的氧化物和疏 化合物而不退化。
還希望提供氣氛氣體循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不管所述排出的氣體的流 量、溫度和組成如何變化，可以維持所述循環(huán)的氣氛氣體中基本恒定 的純度水平。
附圖簡述
參考下面的詳述，特別是當(dāng)與附圖結(jié)合起來考慮時，對本發(fā)明更 完整的理解和許多其伴隨的優(yōu)點(diǎn)會容易變得顯而易見，其中

圖1是提供了保護(hù)性氣氛氣體的熱處理裝置的示意流程圖。 圖2是與氣體循環(huán)裝置連接的提供了保護(hù)性氣氛氣體的熱處理裝置的示意流程圖。
圖3a-圖3c表明了對于氣體循環(huán)裝置的一個具體應(yīng)用來說產(chǎn)物 流量相對于回收率和純度的趨勢，該具體應(yīng)用是對原料氣中有三種不 同的污染水平的氫氣進(jìn)行提純。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的氣體循環(huán)裝置的實(shí)施方案的詳細(xì)的示 意流程圖。
發(fā)明詳述
下文會參考附掛描述本發(fā)明的實(shí)施方案。在下面的描述中，具有 基本相同的功能和布置的組成元件用相同的標(biāo)注數(shù)字表示，并且只在 需要時進(jìn)行重復(fù)描述。
圖1描述了熱處理爐10，其提供有來自氣體供應(yīng)11的保護(hù)性氣 氛氣體。所述熱處理爐10還由燃料12的燃燒或者可以用電加熱來提 供熱量。所述保護(hù)性氣體從所述爐10中排出，并可以經(jīng)過油分離罐 13，其中罐13中提供有冷凝油除去裝置。所述氣體離開所述油分離罐 13并任選地經(jīng)過防止常壓空氣進(jìn)入的背壓閥或單向閥14。所述排出的 氣氛氣體的一部分可以通過導(dǎo)管15作為燃料循環(huán)。該循環(huán)導(dǎo)管15被 描述為在所述背壓閥14之前連接，但是可以理解的是，取出作為燃料 的排出的氣體可以在所述系統(tǒng)的任何地方發(fā)生。最后，所述排出的氣 體與氣體排空口 16連接。在操作過程中，所述排出的氣體可以非常熱， 超過300。F，以及油冷凝可以非常少。在這些循環(huán)中，蒸發(fā)的烴被輸送 到下游，并且可以通過所述氣體排空口 16排出。
圖2描述了與所述燃料供應(yīng)12、油分離器13、背壓閥14和氣體 排空口 16連接的熱處理爐10。所述爐也仍然裝備有氣氛氣體供應(yīng)11， 這里描述為用于儲存氫氣、氬氣和/或氮?dú)獾牡蜏亍⒁夯瘹怏w的儲罐。 雖然顯示出單一的氣氛氣體罐11，但可以由分開的罐供應(yīng)惰性清掃氣 體和還原性氣體，例如氫氣?；蛘?，這些氣體中的任何氣體可以作為 在環(huán)境溫度和高壓下的輸送氣體來供應(yīng)。此外，可以現(xiàn)場產(chǎn)生一種或 多種氣氛氣體，例如通過選擇性滲透膜或變壓吸附(PSA)產(chǎn)生氮?dú)猓?或通過電解、烴的蒸氣轉(zhuǎn)化、氨催化離解或氣體產(chǎn)生領(lǐng)域的技術(shù)人員圖2還描述了驅(qū)動閥20，該閥與所述氣體排空管路以流體連通。 如果幾個加熱處理爐IO排列起來操作，它們每一個可提供有油分離器 13、背壓閥14和氣體排空口 16?；蛘撸鼈兛梢匀颗c提供這些功 能的普通裝配件連接。此外， 一種或多種所述功能元件可以不存在于 給定的裝置中。實(shí)際上，至少一個閥20然后可以以與所述排出的氣氛 氣體流體連通的形式安裝，選擇性地允許所述氣體與所述氣體循環(huán)裝 置21之間流體連通。所述閥20的備選實(shí)施方案包括轉(zhuǎn)向閥，這意味 著導(dǎo)致所有來自所述爐10的所述排出的氣體穿過所述循環(huán)裝置21， 而不可能直接流到所述排空口 16。在其它備選實(shí)施方案中，在所述循 環(huán)裝置21和所述排出系統(tǒng)之間沒有驅(qū)動閥20，以使得流動一直是有 可能的。
當(dāng)所述循環(huán)裝置21和所述爐IO之間建立流體連通時，可以導(dǎo)致 一部分所述氣氛氣體流向所述循環(huán)裝置21，在那里它被分為流向存儲 容器(storage volume) 22的提純的物流，和與一個或多個所述氣體 出口 16和所述循環(huán)燃料導(dǎo)管15連通的不純的物流。如果所述爐10 必須在不同于氣體存儲容器22的壓力下操作，那么可以提供降壓設(shè) 備，例如前壓力(forward pressure)調(diào)節(jié)器23。這有助于所述氣體 存儲容器在笫一最大儲存壓力下使用，而所述爐10在第二、較低的操 作壓力下操作。
因?yàn)橐徊糠炙鰵夥諝怏w作為不純氣體從所述循環(huán)裝置21中損 失，仍然需要從所述供應(yīng)11補(bǔ)充氣氛氣體流。如果所述供應(yīng)是通過低 溫液化氣進(jìn)行的，所述氣體供應(yīng)具有提供有初級蒸發(fā)器27的初級壓力 調(diào)節(jié)器24。所述壓力調(diào)節(jié)器24的設(shè)定壓力有利地設(shè)為低于所述壓力 調(diào)節(jié)器23的設(shè)定值。以這種方式，循環(huán)的氣氛氣體優(yōu)先在第一、較高 的設(shè)定壓力下使用，直到所述存儲容器22中的氣體壓力降為低于所 述閥23的設(shè)定壓力。如果氣氛氣體的流動在該點(diǎn)必須連續(xù)，繼續(xù)從所 述存儲容器22中流動，降低其壓力直到出現(xiàn)從所述供應(yīng)11通過所述 初級壓力調(diào)節(jié)器24流動新鮮氣氛氣體。以這種方式使來自所述供應(yīng)
1311的氣氛氣體的使用最小化。
如果所述氣體供應(yīng)11是具有液體部分29和氣體部分30的低溫 罐，并且經(jīng)過所述閥24的流量被最小化了，所述供應(yīng)罐ll中的壓力 將由于所述液化氣的蒸發(fā)而上升。如果該壓力變得足夠大，所述氣體 將經(jīng)過所述安全減壓閥26會被排放。如果所述低溫罐11提供有節(jié)能 閥25，該節(jié)能閥25的設(shè)定壓力高于閥24的壓力，但是低于安全閥26 的壓力，那么氣體會流經(jīng)節(jié)能閹25和補(bǔ)充的加熱器28，如果安裝了 加熱器28的話。為防止購買的氣氛氣體的浪費(fèi)，因此希望閥23的輸 送壓力低于閥25的輸送壓力，以使得可優(yōu)先使用該蒸發(fā)的氣氛氣體代 替能夠存儲在氣體存儲容器22中的循環(huán)的氣氛氣體。因此，希望所述 循環(huán)的氣氛氣體調(diào)節(jié)器23的設(shè)定壓力低于所述節(jié)能閥25的壓力，但 是高于初級氣體供應(yīng)閥24的設(shè)定壓力。
所述循環(huán)的氣體存儲容器提供有安全閥31，這確定了放空之前 可以存儲的循環(huán)氣的最大量。當(dāng)所述氣體循環(huán)存儲容器接近安全閥31 的設(shè)定壓力時，通過提高作為燃料循環(huán)或釋放到出口 16的排出的氣體 的量來減少循環(huán)的氣氛氣體的流量?；蛘撸梢园l(fā)生通過安全閥31 的放空。或者，可以選擇循環(huán)的氣體存儲的量以最小化或消除高于安 全閥31的設(shè)定壓力的壓力的發(fā)生。
所述循環(huán)裝置21可以產(chǎn)生任何純度的氣氛氣體。在一個實(shí)施方 案中，所述循環(huán)的氣氛氣體可以具有比來自所述氣體供應(yīng)11的補(bǔ)充氣 氛氣體更高的純度。這種情況的實(shí)例是來自氨離解的還原氣體供應(yīng)， 其中所述名義上的補(bǔ)充氣體組成為75 %的仏和25 %的N2和痕量的未 反應(yīng)的氨。所述循環(huán)的氣體可以除去絕大部分的氮物種，以使得該循 環(huán)的部分實(shí)際上在氣體中富含氫氣。這有利地降低了要處理的物料的 滲氮反應(yīng)的化學(xué)勢，該滲氮反應(yīng)是熱處理過程中潛在的不希望的副反 應(yīng)。
或者，所述循環(huán)的氣體可以具有比所供應(yīng)的氣氛氣體更低的純 度。這種情況的實(shí)例是所述通過提純的低溫氣，例如液氫，的補(bǔ)充供 應(yīng)。液化的氫通常以總雜質(zhì)低于50ppm進(jìn)行供應(yīng)。所述循環(huán)裝置21可以接收排出的氣氛氣體，該排出的氣氛氣體被來自環(huán)境空氣或來自 爐惰性清掃氣體中的氮?dú)馑廴??？梢钥刂扑鲅h(huán)裝置以除去所述
排出的氣氛氣體中基本上全部的雜質(zhì)。圖3a-3c顯示了對于所述循環(huán) 裝置的一個特別應(yīng)用的計(jì)算的性能曲線，其中回收的氣氛氣體中的氫 氣的分率隨著希望的雜質(zhì)水平降低而下降。圖3a描述了其中所引入的 排出氣體被10%的N2污染的例子，圖3b描述了其中所引入的排出氣 體被5%的N2污染的例子，和圖3c描述了其中所引入的排出氣體被l %的N,污染的例子。如果待熱處理的金屬沒有受到少量循環(huán)的氮?dú)獾?不利影響，循環(huán)的氣體的分?jǐn)?shù)在純度有小的下降的代價下可以合意地 上升。圖3a-圖3c表明，如果所引入的排出氣體被更低量的不想要的 組分污染了，想要的純度目標(biāo)，例如通過組成分析器32測定的純度， 可以導(dǎo)致改進(jìn)的氫氣產(chǎn)物流量和回收率。
在一個實(shí)施方案中，氣體純度分析器32可以通過取樣線33與進(jìn) 入所述爐10的氣體原料連接，通過取樣線34與來自所述循環(huán)裝置21 的循環(huán)的氣體連接，或通過取樣線35與混合良好的爐氣或其放空管道 流體連通。所述循環(huán)的氣氛氣體的純度通過對來自分析器32的信號作 出響應(yīng)而通過所述循環(huán)裝置21進(jìn)行變化，以達(dá)到在這些位置中的任何 一個位置或者在多于一個位置處的合意濃度，這通過連續(xù)地在每個位 置取樣或通過提供多于一個的分析器32來實(shí)現(xiàn)。
在另一個實(shí)施方案中，所述氣氛氣體的純度可在遍及所述熱處理 循環(huán)的范圍內(nèi)變化，以使得當(dāng)溫度低且不利的反應(yīng)，例如滲氮反應(yīng)， 不可能發(fā)生時，使用相對不純的氣體，但是當(dāng)溫度和所述氣體與待處 理的物料之間的不利反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)更高時，所述氣氛氣體的純度可以提 高。
圖4描述了接收不純的、排出的氣氛氣體50的所述氣體循環(huán)裝 置21的實(shí)施方案。該不純的、排出的氣體可以處于升高的溫度，并且 可以在冷卻器51中被冷卻?？梢允褂眠@種和任何形式的其它冷卻器， 例如液體冷卻的、空氣冷卻的、冷凍劑冷卻的，等等。所述冷卻的、 不純的氣氛氣體可能含有冷凝的液體作為氣溶膠和/或液體物流。這種液體在提供有除沫器53的入口緩沖器52中被分離，并易于冷凝液通 過閥54移出?；蛘撸瞿蛛x器53、冷凝物移出54和氣體緩沖器 52可以在分開的設(shè)備中工作。所述冷凝液將含有一部分殘余烴，該烴 會另外作為揮發(fā)性有機(jī)化合物， 一種形式的空氣污染，被排放到大氣 中。
所述基本無液體的不純氣然后流入至少一個壓縮機(jī)55，或多個 串聯(lián)的壓縮機(jī)。所述壓縮機(jī)選自已知類型的壓縮機(jī)以符合想要的操作 條件。所述壓縮機(jī)可以具有一個或多個壓縮和中間冷卻級，并且它可 以用任何方法驅(qū)動，例如電動機(jī)、空氣發(fā)動機(jī)、水力發(fā)動機(jī)、燃燒發(fā) 動機(jī)。向所述壓縮機(jī)提供能量的特別能量有效的方法是通過來自 一個 或多個廢氣氛氣體流的排出的氣氛氣體提供，如果它們可以燃燒的話， 例如在氫氣氣體的情況下。這可以通過在往復(fù)式發(fā)動機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi) 直接燃燒來實(shí)現(xiàn)，或通過使用所述排出的氣氛氣體產(chǎn)生的蒸氣的蒸汽 輪機(jī)來間接實(shí)現(xiàn)。
所述不純的氣氛氣體在升高的壓力和溫度下離開所述壓縮機(jī)，并 且必須在冷卻器57中被冷卻。因?yàn)樗鰵夥諝怏w的總壓升高了，可冷 凝的蒸氣的分壓升高。這會導(dǎo)致存在的揮發(fā)性有機(jī)物和任何水蒸氣的 進(jìn)一步冷凝。這些可以在提供有除沫器59和冷凝物移出閥60的氣體 緩沖器58中被分離。就像在所述壓縮機(jī)的入口側(cè)一樣，這些功能可選 擇地可以在分開的設(shè)備中進(jìn)行。然后將所述基本不含液體的不純的氣 氛氣體導(dǎo)入分離器61。在該實(shí)施方案中，所述分離器是至少一個PSA 裝置。備選的實(shí)施方案為某些具有特定雜質(zhì)的氣氛氣體而存在，包括 選擇性滲透膜。此外，此類膜可以與PSA結(jié)合以實(shí)現(xiàn)混合分離。這些 配置能擴(kuò)展成復(fù)雜的分級分離法，其使用串聯(lián)或并聯(lián)的每一種類型的 分離中的一種或多種，而提純的氣體在有或沒有后續(xù)再次加壓的中等 壓力下回收。
所述氣體分離器61產(chǎn)生提純的氣氛氣體流62和不純的物流63。 對于PSA分離器回收氫氣、氦氣或氮?dú)獾那闆r，所述提純的產(chǎn)物物流 處于幾乎與所述壓縮機(jī)排出壓力一樣高的升高的壓力下。所述不純的物流63則處于低壓下。對于壓力驅(qū)動的分離，例如PSA或選擇性滲透 膜，可以對物流63施加真空以分餾提高回收率、產(chǎn)物純度或設(shè)備產(chǎn)出， 或同時提高所有這些?？梢韵蛩鎏峒兊臍夥諝怏w流62提供緩沖罐 64以使壓力波動最小化。在使用PSA氣體分離器的實(shí)施方案中這種構(gòu) 型是尤其合意的。此外，可以使用背壓調(diào)節(jié)器65來在所述分離裝置上 施加恒定的背壓條件。最后，所述提純的氣氛氣體流66循環(huán)到圖2 中的儲存容器22中。
可以使用適合于除去所述不純的氣氛氣體中的雜質(zhì)的任何PSA 氣體分離器。用來除去關(guān)鍵雜質(zhì)的合適的PSA吸附劑的選擇在本領(lǐng)域 中是已知的。用于從氫氣氣體中除去雜質(zhì)的合適的吸附劑的實(shí)例是二 氧化硅凝膠和/或活化的氧化鋁，以除去水蒸氣和重質(zhì)烴，如果存在的 話?？梢允褂没钚蕴縼沓N和碳的氧化物。活性炭也可以用來除去 氮?dú)?、氧氣和一氧化碳，盡管硅鋁酸鹽沸石也是有效的。
所述循環(huán)的氣氛氣體62的分離效率和純度是所述分離裝置的函 數(shù)。對于PSA裝置，選擇閥序列起作用的頻率可以用來針對給定裝置 的尺寸和吸附劑特性改變產(chǎn)物的純度。因此，當(dāng)來自所述氣體純度分 析器32的控制信號36表明所述純度低于所述想要的目標(biāo)值時，提高 所述PSA循環(huán)操作的頻率以提高純度。這也導(dǎo)致了更大比例的廢氣氛 氣體，該廢氣氛氣體然后或者排放，或者用作燃料氣。如果所述循環(huán) 的氣體具有比所述目標(biāo)值低的雜質(zhì)，降低所述PSA循環(huán)的頻率，提高 所述雜質(zhì)水平，但也提高被循環(huán)的氣氛氣體的比例。
在不使用氣體純度分析器的備選的實(shí)施方案中，所述PSA r::r:: 頻率可以維持恒定。這會導(dǎo)致純度隨流向所述PSA的不純的氣氛氣體 的流量以及隨所述不純的氣氛氣體中的雜質(zhì)水平而變化?；蛘?，所述 PSA閥循環(huán)頻率可以隨著所述不純的氣氛氣體的流量而改變。該流量 可以用流量計(jì)測量，或者，它可以被假定為與所述壓縮機(jī)55的速度成 比例。可以改變所述壓縮機(jī)5 5的速度以維持與入口氣體緩沖器以流體 接觸的壓力基本恒定，該壓力由壓力傳感器56測量。在該實(shí)施方案中， 氣體流經(jīng)至少一個熱處理爐10時的變化可以由所述壓縮機(jī)速度的改
17變來補(bǔ)償。在所述壓縮機(jī)速度恒定的備選的實(shí)施方案中，只要背壓閥
14維持所述爐壓基本恒定，所述流量會保持基本不變。這有利地降低 了復(fù)雜性，但是導(dǎo)致了系統(tǒng)回收的氣氛氣體總量更小。所述壓縮機(jī)還 可以有利地在排放和吸入之間提供有旁路閥，該旁路閥提供再循環(huán)旁 路以允許所述壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)允許處理比所述壓縮機(jī)55容許的 最小速度所提供的流量更低的流量。事實(shí)上，該旁路閥允許所述壓縮 機(jī)55在零凈流量下連續(xù)地空轉(zhuǎn)，易于迅速地返回至流動條件。
上面的流量控制方法可以與卸料閥的使用相結(jié)合。因此，在所述 壓縮機(jī)的最小速度下，通過啟動抽氣機(jī)或卸料閥卸料設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn) 排出氣體流量的進(jìn)一步調(diào)節(jié)。因此，這里設(shè)想的流量調(diào)節(jié)可以完全基 于速度，或者可以基于容量控制，例如卸料閥或者抽氣機(jī)節(jié)流。此外， 這種調(diào)節(jié)可以是連續(xù)的，或者它可以是不連續(xù)的，這通過4吏用雙速電 機(jī)或通過使用所述壓縮機(jī)55中提供的一套或多套卸料閥來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)使 用不連續(xù)操作時，也可以使用相應(yīng)的PSA閥循環(huán)時間的不連續(xù)變化以 得到正確的循環(huán)氣體的純度，就像在所述變化基本連續(xù)的實(shí)施方案中 一樣。
在使用PSA的任何實(shí)施方案中，所述PSA吸附劑的性能將取決于 不純的氣體原料氣的溫度。高溫降低所述PSA中的吸附劑對雜質(zhì)蒸氣 的容量，因此導(dǎo)致更低的循環(huán)氣體純度。更冷的溫度導(dǎo)致更高的吸附 容量，并且因此純度在相同的閥循環(huán)頻率下相應(yīng)地提高。可以使用溫 度傳感器67作為向所述PSA氣體分離器61的控制輸入。更高的溫度 對應(yīng)于更高的閥切換頻率，而更低的溫度易于更低的頻率和更高的氣 氛氣體的回收率。閥頻率的組合，所述閥頻率與基于壓縮機(jī)55的流量 成比例并基于原料氣溫度67而調(diào)整，為所述PSA分離器61提供了簡 單的控制策略，該策略在希望的純度水平下使回收率最大化，以補(bǔ)償 原料氣流量和溫度的變化。該實(shí)施方案希望降低與使用氣體分析器32 相比的成本，但是不希望的是不能防止由于所述不純的氣氛氣體原 料中的雜質(zhì)水平的波動而引起的循環(huán)氣體的純度波動，以致于二種實(shí) 施方案在所有情況下都不是優(yōu)選的。理工藝(例如冶金工藝或半導(dǎo)體工藝) 中使用的氣體中的組分。
應(yīng)該注意的是，本文描述和敘述的示例性實(shí)施方案闡述了本發(fā)明 優(yōu)選的實(shí)施方案，并不意味著以任何方式將權(quán)利要求的范圍限制在那 里。
根據(jù)上面的教導(dǎo)，本發(fā)明的很多修改和變化是可能的。因此應(yīng)該 理解，在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以以不同于本文具體描 述的方式實(shí)踐。
權(quán)利要求
1. 用于循環(huán)熱處理室所排放的排出的氣氛氣體的系統(tǒng)，其中所述熱處理室使用保護(hù)性氣氛氣體，所述系統(tǒng)包括為接收所述排出的氣氛氣體而配置的氣體循環(huán)裝置，所述氣體循環(huán)裝置包括為了將所述排出的氣氛氣體分為提純的氣氛氣體流和不純的物流而配置的氣體分離器，其中所述氣體循環(huán)裝置是為了將所述提純的氣氛氣體流送入所述熱處理室而配置的。
2. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括為接收來自所述氣體循環(huán)裝置的提純的氣氛氣體流而配置的儲存容器，并且所述存儲容器是為了用所述提純的氣氛氣體流向所述熱處理室補(bǔ)充氣氛氣體供應(yīng)而配置的。
3. 權(quán)利要求2的系統(tǒng)，還包括在所述氣氛氣體供應(yīng)和所述熱處理室之間提供的初級壓力調(diào)節(jié)器；和在所述儲存容器和所述熱處理室之間提供的前壓力調(diào)節(jié)器，其中所述初級壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定壓力低于所述前壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定壓力。
4. 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，還包括在所述氣氛氣體供應(yīng)和所述熱處理室之間提供的節(jié)能閥，其中所述前壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定壓力低于所述節(jié)能閥的設(shè)定壓力。
5. 權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述前壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定壓力高于所述初級壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定壓力。
6. 權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述氣氛氣體供應(yīng)是具有液體存儲部分和氣體存儲部分的低溫儲罐。
7. 權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所述低溫儲罐包括與其氣體存儲部分連接的安全減壓閥。
8. 權(quán)利要求7的系統(tǒng)，還包括與所述低溫儲罐的所述液體存儲部分連接的第一供應(yīng)路徑，并且配置該第一供應(yīng)路徑以向所述熱處理室供應(yīng)氣氛氣體；和與所述低溫儲罐的所述氣體存儲部分連接的第二供應(yīng)路徑，并且配置該第二供應(yīng)路徑以向所述熱處理室供應(yīng)氣氛氣體。
9. 權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述第一供應(yīng)路徑包括初級壓力調(diào)節(jié)器和初級蒸發(fā)器，和其中所述笫二供應(yīng)路徑包括節(jié)能閥和補(bǔ)充加熱器。
10. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，還包括為檢測向所述熱處理室的氣氛氣體供應(yīng)的供應(yīng)純度而配置的氣體純度分析器，所述氣體純度分析器是為檢測所迷排出的氣氛氣體的排放純度而配置的，和所迷氣體純度分析器是為檢測來自所述氣體循環(huán)裝置的所述提純的氣氛氣體流的循環(huán)純度而配置的，其中配置所述氣體純度分析器以向所述氣體循環(huán)裝置發(fā)送信號以獲得所述供應(yīng)純度、所述排放純度和所述循環(huán)純度中的一個或多個的想要的純度水平。
11. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，還包括為了從所述排出的氣氛氣體中除去冷凝液而配置的除沫器。
12. 權(quán)利要求11的系統(tǒng)，還包括氣體緩沖器，其中所述氣體緩沖器包括所述除沫器。
13. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述氣體循環(huán)裝置還包括一個或多個氣體緩沖器。
14. 權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中所述氣體循環(huán)裝置還包括與所述一個或多個氣體緩沖器中的氣體緩沖器的出口連接的壓縮機(jī)，和與所述壓縮機(jī)的出口連接的冷卻裝置。
15. 權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中所述壓縮機(jī)通過所述排出的氣氛氣體或所述不純的物流的燃燒提供能量。
16. 權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中所述氣體循環(huán)裝置還包括與所述壓縮機(jī)串聯(lián)提供的額外的壓縮機(jī)。
17. 權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中所述氣體循環(huán)裝置還包括在所述熱處理室與所述一個或多個氣體緩沖器之間提供的冷卻器。
18. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述氣體分離器是選擇性滲透膜。
19. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述氣體分離器是變壓吸附裝置。
20. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，還包括在所述熱處理室和所述氣體分離 器之間提供的冷卻器。
21. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，還包括為接收來自所述熱處理室的排出的氣氛氣體而配置的油分離器；和沿著氣體排出導(dǎo)管提供的背壓閥，所述背壓閥在所述油分離器的 下游提供，其中所述氣體循環(huán)裝置是為在所述背壓閥的上游和所迷油分離器 的下游位置接收所述排出的氣體而配置的。
22. 權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述油分離器是為接收來自至少一 個額外的熱處理室的排出的氣氛氣體而配置的。
23. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述氣體循環(huán)裝置是為選擇性地接 收來自一個或多個額外的熱處理室的排出的氣氛氣體而配置的，所述氣 體分離器是為將來自所述熱處理室和/或所述一個或多個額外的熱處理 室的排出的氣氛氣體分為提純的氣氛氣體流和不純的物流而配置的，其 中所述氣體循環(huán)裝置是為將所述提純的氣氛氣體流選擇性地送入所述 熱處理室和/或一個或多個額外的熱處理室而配置的。
24. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，還包括沿氣體排出導(dǎo)管提供的背壓閥。
25. 權(quán)利要求24的系統(tǒng)，還包括沿著連接所述氣體排出導(dǎo)管至所述氣體循環(huán)裝置的循環(huán)導(dǎo)管提供 的驅(qū)動閥，其中所述循環(huán)導(dǎo)管與位于所述背壓閥的上游處的所述氣體耕-由導(dǎo) 管連接，和其中所述驅(qū)動閥是為了選擇性地允許來自所述熱處理室的排出的 氣氛氣體與所述氣體循環(huán)裝置之間的流體連通而配置的。
26. 權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中所述驅(qū)動閥包括轉(zhuǎn)向閥，其中所述 轉(zhuǎn)向閥是為使來自所述熱處理室的所有排出的氣氛氣體選擇性地轉(zhuǎn)向 以經(jīng)過所述氣體循環(huán)裝置而配置的。
27. 用于循環(huán)熱處理室所排放的排出的氣氛氣體的方法，所述熱處理室使用保護(hù)性氣氛氣體，所述方法包括接收由所述熱處理室所排放的排出的氣氛氣體； 將所述排出的氣氛氣體分為提純的氣氛氣體流和不純的物流；和 將所述提純的氣氛氣體流送入所述熱處理室。
28. 權(quán)利要求27的方法，還包括利用所述不純的物流作為所述熱 處理室的燃料。
29. 權(quán)利要求27的方法，還包括在儲存容器內(nèi)接收所述提純的氣 氛氣體流，和用所迷提純的氣氛氣體流向所述熱處理室補(bǔ)充氣氛氣體供應(yīng)。
30. 權(quán)利要求29的方法，還包括在所述氣氛氣體供應(yīng)與所述熱處理室之間提供初級壓力調(diào)節(jié)器；和在所述儲存容器與所述熱處理室之間提供前壓力調(diào)節(jié)器， 其中所述初級壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定壓力低于所述前壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定壓力。
31. 權(quán)利要求30的方法，還包括在所述氣氛氣體供應(yīng)與所述熱處 理室之間提供節(jié)能閥，其中所述前壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定壓力低于所述節(jié)能 閥的設(shè)定壓力。
32. 權(quán)利要求31的方法，其中所述前壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定壓力高于 所述初級壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定壓力。
33. 權(quán)利要求29的方法，其中所述氣氛氣體供應(yīng)是具有液體存儲 部分和氣體存儲部分的低溫儲罐。
34. 權(quán)利要求33的方法，其中所述低溫儲罐包括與其氣體存儲部 分連接的安全減壓閥。
35. 權(quán)利要求34的方法，還包括提供與所述低溫儲罐的液體存儲部分連接的第一供應(yīng)路徑，并且 配置該第一供應(yīng)路徑以向所述熱處理室供應(yīng)氣氛氣體；和提供與所述低溫儲罐的氣體存儲部分連接的笫二供應(yīng)路徑，并且 配置該第二供應(yīng)路徑以向所述熱處理室供應(yīng)氣氛氣體。
36. 權(quán)利要求35的方法，其中所述第一供應(yīng)路徑包括初級壓力調(diào) 節(jié)器和初級蒸發(fā)器，和其中所述第二供應(yīng)路徑包括節(jié)能閥和補(bǔ)充加熱 器。
37. 權(quán)利要求27的方法，還包括提供為檢測向所迷熱處理室的氣氛 氣體供應(yīng)的供應(yīng)純度而配置的氣體純度分析器，所述氣體純度分析器是 為檢測所述排出的氣氛氣體的排放純度而配置的，和所述氣體純度分析 器是為檢測來自所述氣體循環(huán)裝置的所述提純的氣氛氣體流的循環(huán)純 度而配置的，其中配置所述氣體純度分析器以向所述氣體循環(huán)裝置發(fā)送 信號以獲得所述供應(yīng)純度、所述排放純度和所述循環(huán)純度的一個或多個 的想要的純度水平。
38. 權(quán)利要求27的方法，還包括使用除沫器從所述排出的氣氛氣 體中除去冷凝液。
39. 權(quán)利要求38的方法，還包括為所述排出的氣氛氣體提供氣體 緩沖器，其中所述氣體緩沖器包括所述除沫器。
40. 權(quán)利要求27的方法，還包括提供一個或多個氣體緩沖器，其 中所述氣體緩沖器包括為促進(jìn)冷凝液的除去而配置的除沫器。
41. 權(quán)利要求40的方法，還包括提供與所述一個或多個氣體緩沖 器中的氣體緩沖器的出口連接的壓縮機(jī)，和與所述壓縮機(jī)的出口連接的 冷卻裝置。
42. 權(quán)利要求41的方法，其中所述壓縮機(jī)通過所述排出的氣氛氣 體的燃燒提供能量。
43. 權(quán)利要求41的方法，還包括提供與所述壓縮機(jī)串聯(lián)提供的額 外的壓縮機(jī)。
44. 權(quán)利要求27的方法，還包括在所述分離步驟之前冷卻所述排 出的氣氛氣體。
45. 權(quán)利要求27的方法，其中使用選擇性滲透膜將所述排出的氣 氛氣體分為提純的氣氛氣體流和不純的物流。
46. 權(quán)利要求27的方法，其中使用變壓吸附裝置將所述排出的氣 氛氣體分為提純的氣氛氣體流和不純的物流。
47. 權(quán)利要求46的方法，其中用與所述排出的氣氛氣體的想要的 流量成比例變化的閥循環(huán)頻率對所述變壓吸附裝置進(jìn)行操作。
48. 權(quán)利要求27的方法，還包括提供為了接收來自所述熱處理室的排出的氣氛氣體而配置的油分 離器；和提供沿氣體排出導(dǎo)管提供的背壓閥，所述背壓閥在所述油分離器的 下游提供。
49. 權(quán)利要求48的方法，其中所述油分離器是為了接收來自至少 一個額外的熱處理室的排出的氣氛氣體而配置的。
50. 權(quán)利要求27的方法，還包括選擇性地接收來自 一個或多個額外的熱處理室的排出的氣氛氣體； 將來自所述熱處理室和/或所述一個或多個額外的熱處理室的所述排出的氣氛氣體分為提純的氣氛氣體流和不純的物流；和將所述提純的氣氛氣體流選擇性地送入熱處理室和/或一個或多個 額外的熱處理室。
51. 權(quán)利要求27的方法，還包括沿著連接至所述熱處理室的氣體排出導(dǎo)管提供背壓閥。
52. 權(quán)利要求51的方法，還包括提供驅(qū)動闊，其中所述驅(qū)動閥為 選擇性地允許來自所述熱處理室的排出的氣氛氣體與為實(shí)施所述分離 步驟而配置的氣體循環(huán)裝置之間的流體連通而配置。
53. 權(quán)利要求52的方法，其中所述驅(qū)動閥包括為使來自所述熱處 理室的所有排出的氣氛氣體選擇性地轉(zhuǎn)向以經(jīng)過所述氣體循環(huán)裝置而 配置的轉(zhuǎn)向閥。
54. 權(quán)利要求27的方法，其中使用氣體分離器實(shí)施所述分離步驟， 并且還包括不管向所述熱處理室的氣氛氣體供應(yīng)流量如何變化，在所迷 氣體分離器入口處維持排出的氣氛氣體的想要的流量。
55. 權(quán)利要求54的方法，其中所述維持步驟包括提供沿連接至所 述熱處理室的氣體排出導(dǎo)管的背壓閥，和提供所述氣體分離器與位于沿 所述背壓閥的所述氣體排出導(dǎo)管上游的氣體排出導(dǎo)管之間的流體連通。
56. 權(quán)利要求54的方法，其中所述維持步驟包括 提供為了接收來自所述熱處理室的所述排出的氣氛氣體而配置的氣體緩沖器；提供與所迷氣體緩沖器的出口連接的壓縮機(jī)；和 改變所述壓縮機(jī)的速度以維持所迷氣體緩沖器中的恒定的壓力。
57. 權(quán)利要求56的方法，其中所述壓縮機(jī)提供有在其排放側(cè)和吸 入側(cè)之間的旁通閥。
58. 權(quán)利要求56的方法，其中所述維持步驟還包括向所述壓縮機(jī) 提供驅(qū)動閥卸料器，配置該驅(qū)動閥卸料器以調(diào)整氣體穿過那里的流量以 維持排出的氣氛氣體在所述氣體分離器入口處的想要的流量。
59. 權(quán)利要求27的方法，其中所述分離步驟使用氣體分離器進(jìn)行， 并且進(jìn)一步包括控制排出的氣氛氣體在所述氣體分離器入口處的流量 以控制所述提純的氣氛氣體流的純度和/或所述不純的物流的純度。
全文摘要
用來循環(huán)熱處理室(10)排放的排出的氣氛氣體的系統(tǒng)，其中所述熱處理室(10)使用保護(hù)性氣氛氣體。所述系統(tǒng)包括為接收所述排出的氣氛氣體(16)而配置的氣體循環(huán)裝置(15)。所述氣體循環(huán)裝置包括為將所述排出的氣氛氣體分為提純的氣氛氣體流和不純的物流而配置的氣體分離器(13)。所述氣體循環(huán)裝置是為將所述提純的氣氛氣體流送入所述熱處理室而配置的。可以提供儲存容器(11)以接收來自所述氣體循環(huán)裝置的提純的氣氛氣體流，并且所述存儲容器(11)是為了用所述提純的氣氛氣體流向所述熱處理室(1)補(bǔ)充氣氛氣體供應(yīng)而配置的。
文檔編號B01D53/00GK101460231SQ200780020548
公開日2009年6月17日 申請日期2007年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月20日
發(fā)明者F·D·洛馬克斯, G·S·卡爾, R·S·托德 申請人:H2Gen創(chuàng)新公司