低成本无氮燃烧制氧系统的制作方法

本发明涉及化石能源燃烧领域，具体而言，涉及一种低成本无氮燃烧制氧系统。

背景技术：

我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，据统计，我国90％二氧化硫、67％氮氧化物、70％烟尘排放量来自于煤炭的燃烧。其中，燃煤电站、燃煤工业锅炉、燃煤炉窑等烟气排放污染问题最为突出。

2015年北京拟定新政策，该新政策中包含以下要求：北京全市新建燃气(油)锅炉氮氧化物排放浓度需执行30毫克/立方米的排放限值。为早日达到相关的环保要求，北京市环保局近日也发布关于深化燃气(油)锅炉氮氧化物治理确保污染物达标排放的通告，要求全市燃气(油)锅炉业主要确保2017年4月1日起全面达到本市《锅炉大气污染物排放标准》(db11/139-2015)。为配合新标准的实施，北京市通过以奖代补和加大惩治来激励排放单位进行低氮技术改造。

富氧燃烧是一种既能提高燃烧效率，又能降低污染物排放的燃烧技术。富氧燃烧是在用氧或烟气代替空气，杜绝n2进入到燃烧系统中，以避免燃烧产物中氮氧化物的生成。富氧燃烧技术(又称为o2/co2燃烧技术)是采用烟气再循环的方式，采用从空气中分离获得的纯氧和一部分锅炉烟气构成的混合气代替空气作为燃烧时的氧化剂，以提高燃烧排烟中co2的浓度。富氧燃烧技术不仅能分离收集co2还能处理so2，但富氧燃烧系统中的空气分离氧气制备单元能耗高，单位制氧成本超过0.7kw.h/m³。

天然气燃烧过程：ch4+2o2→co2+2h2o。制氧成本约占系统燃烧放热热值的15％左右，若燃烧发电，则制氧成本约占所发电能价值的30％，制氧成本高，经济性较差。限制了富氧燃烧发电技术的工程实践应用，针对制氧成本较高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

天然气燃烧过程中耗氧较多，1标准体积的甲烷，消耗2标准体积的氧，而传统制氧工艺主要有两种，分别是低温深冷制氧和变压吸附制氧，制氧成本较高，

低温深冷制氧工艺流程中，耗能较大的是空气压缩单元和膨胀制冷单元，膨胀机耗能较大，目前，压缩机和膨胀制冷机运行所需动力主要来自于外界电网供给，耗能较高。

变压吸附制氧工艺流程(vpa)，主要是利用吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化的特性，在加压条件下完成混合气体的吸附分离过程，降压解析所吸附的杂质组分。变压吸附制氧工艺流程中耗能较大的主要是压缩机、真空泵耗能较高。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种低成本无氮燃烧制氧系统，以解决现有的氧气制备工艺存在的能耗较高的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面提供了一种低成本无氮燃烧制氧系统，低成本无氮燃烧制氧系统包括：燃烧单元，设置有助燃气入口、燃料入口和烟气出口；氧气制备单元，用于将空气中的氧气分离出来；热能动能转化单元，热能动能转化单元与燃烧单元的烟气出口相连通，述余热回收装置用于将燃烧单元排出的烟气中的热能吸收利用转化为动能，且热能动能转化单元与氧气制备单元相连，用以将动能提供给氧气制备单元。

进一步地，热能动能转化单元包括：余热回收装置，设置有烟气入口和蒸汽出口，烟气入口与烟气出口相连通，用于吸收烟气中的热量；及蒸汽透平，设置有蒸汽入口，蒸汽入口与蒸汽出口通过蒸汽输送管路相连通。

进一步地，蒸汽透平还设置有循环工质出口，且循环工质出口与余热回收装置通过循环工质输送管路相连通；热能动能转化单元还包括第一冷却装置，第一冷却装置设置在循环工质输送管路上。进一步地，热能动能转化单元还包括循环工质泵，循环工质泵设置在余热回收装置与第一冷却装置之间的循环工质输送管路上。

进一步地，氧气制备单元包括：第一气体压缩装置，设置有第一空气入口和压缩空气出口；第二冷却装置，第二冷却装置与压缩空气出口通过压缩空气输送管路相连通；冷量供应装置，用于为第二冷却装置供应冷量；及精馏装置，精馏装置与第二冷却装置经液态空气输送管路相连通，用于将空气中的氧气分离出来，其中，第一气体压缩装置和冷量供应装置均由热能动能转化单元输出的动能驱动。

进一步地，氧气制备单元还包括第一空气净化装置，用以去除空气中的水、二氧化碳和粉尘，且第一空气净化装置设置在压缩空气输送管路上。

进一步地，精馏装置设置有氧气出口，氧气出口与助燃气入口通过氧气输送管路相连通。

进一步地，余热回收装置还设置有烟气回收口，且烟气回收口与助燃气入口通过烟气回收管路相连通。

进一步地，低成本无氮燃烧制氧系统还包括：脱水装置，脱水装置设置在烟气回收管路上；及脱硫除尘装置，脱硫除尘装置设置在脱水装置与余热回收装置之间的烟气回收管路上。

进一步地，低成本无氮燃烧制氧系统还包括：分流装置，分流装置设置在脱水装置下游的烟气回收管路上；及二氧化碳回收装置，二氧化碳回收装置与分流装置相连通，用于收集从烟气回收管路中分流出的二氧化碳。

应用本发明的技术方案，燃料在燃烧单元进行燃烧能够产生大量的烟气。将热能动能转化单元与燃烧单元相连通，能够将上述烟气输送至热能转化单元中。由于上述烟气具有较高的温度，因而通过热能动能转化单元能够将上述烟气中的热能吸收利用转化为动能，并将上述动能提供给氧气制备单元。由此可知，本申请提供的上述低成本无氮燃烧制氧系统减少了动能-电能及电能-动能的能量转换过程，进而降低了能量转换过程中的能量耗损，提高了能量利用率，并降低了氧气的制备成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一种典型的实施方式提供的低成本无氮燃烧制氧系统的结构示意图；以及

图2示出了本发明的一种优选的实施方式提供的低成本无氮燃烧制氧系统的结构示意图；

图3示出了本发明的另一种优选的实施方式提供的低成本无氮燃烧制氧系统的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

a、燃料；b、吸收热；c、冷媒；d、空气。

10、燃烧单元；101、助燃气入口；102、燃料入口；103、烟气出口；20、氧气制备单元；21、第一气体压缩装置；211、第一空气入口；212、压缩空气出口；22、第二冷却装置；23、冷量供应装置；24、精馏装置；241、氧气出口；25、第一空气净化装置；26、鼓风机；261、第二空气入口；27、第二空气净化装置；28、吸附塔；281、真空泵；29、第二气体压缩装置；30、热能动能转化单元；31、余热回收装置；311、烟气入口；312、蒸汽出口；313、烟气回收口；32、蒸汽透平；321、蒸汽入口；322、循环工质出口；33、第一冷却装置；34、循环工质泵；40、脱水装置；50、脱硫除尘装置；60、分流装置；61、三通阀；62、风机；70、二氧化碳回收装置；71、烟囱。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术所描述的，现有的氧气制备工艺存在能耗较高的问题。为了解决上述技术问题，本申请提供了一种低成本无氮燃烧制氧系统，如图1所示，该低成本无氮燃烧制氧系统包括燃烧单元10、氧气制备单元20、热能动能转化单元30。其中，燃烧单元10设置有助燃气入口101、燃料入口102和烟气出口103；氧气制备单元20用于将空气中的氧气分离出来；热能动能转化单元30与烟气出口103相连通，且热能动能转化单元30与氧气制备单元20相连，用以将烟气出口103排出的烟气中的热能转化为动能，动能提供给氧气制备单元20。

上述低成本无氮燃烧制氧系统中，燃料在燃烧单元10进行燃烧能够产生大量的高温烟气。将热能动能转化单元30与燃烧单元10相连通，能够将上述高温烟气输送至热能动能转化单元30中。由于上述烟气具有较高的温度，因而通过热能动能转化单元30能够回收烟气中的热能，将其转化为动能，并将上述动能提供给氧气制备单元20。由此可知，本申请提供的上述低成本无氮燃烧制氧系统减少了动能-电能及电能-动能的能量转换过程，进而降低了能量转换过程中的能量耗损，提高了能量利用率，并降低了氧气的制备成本。优选地上述燃烧单元10为加热炉或燃气轮机。

优选地，本申请提供的低成本无氮燃烧制氧系统还包括氧气供应装置，上述氧气供应装置与助燃气入口101相连通，以向燃烧单元10供应氧气，这有利于降低燃烧过程中产生氮氧化合物，进而提高上述低成本无氮燃烧制氧系统的环保性。

在一种优选的实施方式中，热能动能转化单元30包括余热回收装置31和蒸汽透平32、余热回收装置31设置有烟气入口311和蒸汽出口312，烟气入口311与烟气出口103相连通，余热回收装置31用于吸收烟气中的热量。蒸汽透平32设置有蒸汽入口321，且蒸汽入口321与蒸汽出口312通过蒸汽输送管路相连通。

热能动能转化单元30的工作原理为：循环工质吸收从燃烧单元10排出的烟气中的热量，并形成高温蒸汽；然后上述高温蒸汽进入蒸汽透平32中并驱动其做功，以对外输出动能。上述设置能够将燃烧单元10产生的烟气中的热能转化为动能，并以动能为能量源驱动氧气制备单元20工作，从而节省了氧气制备单元20所需的大量的电能消耗。上述循环工质包括但不限于水。

在一种优选的实施方式中，蒸汽透平32还设置有循环工质出口322，且循环工质出口322与余热回收装置31通过循环工质输送管路相连通；热能动能转化单元30还包括第一冷却装置33，第一冷却装置33设置在循环工质输送管路上。将循环工质在余热回收装置31中吸收热量转化为高温蒸汽，高温蒸汽在蒸汽透平32中做功后，经循环工质出口322进入至第一冷却装置33中，冷却降温后进入至余热回收装置31，这有利于将循环工质再次作为冷媒吸收烟气热量，从而使循环工质进行重复利用，节约成本。

在一种优选的实施方式中，热能动能转化单元30还包括循环工质泵34，且循环工质泵34设置在余热回收装置31与第一冷却装置33之间的循环工质输送管路上，这有利于提高循环工质的循环速率。

在一种优选的实施方式中，氧气制备单元20包括第一气体压缩装置21、第二冷却装置22、冷量供应装置23和精馏装置24。第一气体压缩装置21设置有第一空气入口211和压缩空气出口212；第二冷却装置22与压缩空气出口212通过压缩空气输送管路相连通；冷量供应装置23用于为第二冷却装置22供应冷量；及精馏装置24与第二冷却装置22经液态空气输送管路相连通，第一气体压缩装置21和冷量供应装置23由热能动能转化单元30输出的动能驱动。

将空气通入第一气体压缩装置21进行压缩，得到高压湿空气(压缩空气)；将高压湿空气通入第二冷却装置22中，将其转化为液态空气；冷量供应装置23用于为上述第二冷却装置22提供冷量，同时热能动能转化单元30中蒸汽透平32输出的动能用于驱动冷量供应装置23运转。液态空气进入至精馏装置24，利用氧、氮组分沸点的不同，从而使氧和氮在精馏装置24中分离。优选地，上述冷量供应装置23为膨胀制冷装置。上述冷量供应装置23还可以为脱水装置40提供冷量。

在一种优选的实施方式中，氧气制备单元20还包括：第一空气净化装置25，用以去除空气中的水、二氧化碳和粉尘，设置在压缩空气输送管路上。在压缩空气的输送管路上，设置第一空气净化装置25，能将高压湿空气中的水、二氧化碳和粉尘进行脱除，这有利于提高液态空气的纯度，进而提高精馏过程得到的氧气的纯度。

在一种优选的实施方式中，从精馏装置24分离出的氧气经氧气出口241与助燃气入口101通过氧气输送管路相连通。这样的设置能将氧气作为助燃气通入燃烧单元10，并参与燃烧反应。由于助燃气中不包含氮气，因而燃烧得到的烟气的主要成分是co2，且几乎没有氮氧化物的生成，这有利于co2的回收，属绿色低碳节能工艺过程，进而提高了上述低成本无氮燃烧制氧系统的环保性。

在一种优选的实施方式中，烟气回收口313与助燃气入口101通过烟气回收管路相连通。将上述烟气回收口313与助燃气入口101相连通能够将经过热量回收的烟气重新输送至燃烧单元10，以一定比例与氧气混合后作为助燃气进入至燃烧单元，一方面可以改善燃烧特性，另一方面没有燃烧完全的气体可以再次利用，进而节约工艺成本。

在一种优选的实施方式中，低成本无氮燃烧制氧系统还包括脱水装置40和脱硫除尘装置50。脱水装置40设置在烟气回收管路上；及脱硫除尘装置50设置在脱水装置40与余热回收装置31之间的烟气回收管路上。在烟气回收管路上，设置脱水装置40和脱硫装置有利于脱除二次利用的烟气中的水分和硫化物，进而有利于降低烟气中的酸性气体，提高工艺的环保性。优选地，上述脱水装置40为换热装置。从余热回收装置31中排除的烟气通入上述换热装置后，烟气中的水分会因冷凝而液化，进而实现去除烟气中的水分的目的，同时水分还可以回收利用。

在一种优选的实施方式中，低成本无氮燃烧制氧系统还包括分流装置60和二氧化碳回收装置70。分流装置60设置在脱水装置40下游的烟气回收管路上。二氧化碳回收装置70与分流装置60相连通，用于收集从烟气回收管路中分流出的二氧化碳。

在脱水装置40下游的烟气回收管路上，设置分流装置60，并使上述分流装置60与二氧化碳回收装置70相连通。这样的设置能够将第二烟气输送管道中的烟气进行分流，进而根据需要回收一定量的二氧化碳。上述二氧化碳回收装置70优选二氧化碳捕集回收装置。

优选，上述低成本无氮燃烧制氧系统还包括由三通阀61，上述三通阀61分别于氧气输送管以及烟气回收管路相连通，用于将烟气回收管路中的烟气和氧气输送管路中的氧气混合后，然后将得到的混合气体输送至燃烧单元10参与燃烧反应。

优选，上述低成本无氮燃烧制氧系统还包括风机62，该风机62设置在分流装置60与脱水装置40之间的烟气回收管路上。

优选地，本申请提供的低成本无氮燃烧制氧系统可以利用加热炉输出的热能，并将上述热能，并将热能转化为动能输送给氧气制备单元20的动力设备，如压缩机、透平膨胀机等，所述该系统可以应用于石油、化工、火电厂、城市热力、冶金、焦化等领域。

在一种优选的实施方式中，如图3所示，上述氧气制备单元20为变压吸附制氧系统，包括鼓风机26，第二空气净化装置27，第二气体压缩装置29、吸附塔28、真空泵281，且鼓风机26与第二空气净化装置27、吸附塔28、第二气体压缩装置29依次相连通，真空泵281与吸附塔28相连通。空气经第二空气入口261进入鼓风机26，然后经第二空气输送管路输送至在第二空气净化装置27进行脱油除水后，进入至吸附塔28。真空泵281与吸附塔28相连，氮气和氧气在吸附塔28中进行分离。分离出的氧气经第二气体压缩装置29压缩后输送至助燃气入口101，以为燃烧单元10提供助燃剂。上述鼓风机26优选为罗茨风机。上述蒸汽透平32对外输出的动能用以驱动鼓风机26、第二气体压缩装置29和真空泵281。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

实施例1

如图1所示，本申请提供了一种低成本无氮燃烧制氧系统。上述低成本无氮燃烧制氧系统中，氧气经助燃气入口101、燃料气经燃料入口102输送至燃烧单元10(加热炉)中进行充分燃烧，得到高温烟气。高温烟气在余热回收装置31中与冷水介质进行热交换，得到低温烟气。

上述低温烟气经烟气回收口313输送至脱硫除尘装置50中，脱除低温烟气中的硫化物和粉尘。然后将脱硫除尘后的低温烟气输送至脱水装置40中进行冷凝，以使上述低温烟气中的水分冷凝而从低温烟气中去除。经过脱水、脱硫和脱尘处理后的低温烟气中一部分经分流装置60(三通阀)分流至助燃气入口101输送至燃烧单元10，并参与燃烧反应；另一部分经分流装置60(三通阀)分流至二氧化碳回收装置70二氧化碳捕集回收装置中回收二氧化碳，而由二氧化碳回收装置70中逃逸出的不凝气经烟囱71排放。

从高温烟气中回收的热量使的循环工质(水)转化为高温蒸汽，高温蒸汽进入蒸汽透平32中进行做功，进而将热能转化为动能。高温蒸汽经做工后转化为低温蒸汽，并从蒸汽透平32中排出。排出的低温蒸汽经过第一冷却装置33和循环工质泵34输送回余热回收装置31循环利用以回收烟气余热。

在低成本无氮燃烧制氧系统中，空气由第一空气入口211进入第一气体压缩装置21进行压缩得高压湿空气，然后经压缩空气出口212将上述高压湿空气通入第一空气净化装置25(过滤装置)进行净化，以脱除高压湿空气中的粉尘、水分和二氧化碳。净化后的高压湿空气输送至第二冷却装置22(换热器)中深冷液化，得到液态空气。然后将上述液态空气输送至精馏装置24进行精馏，得到氧气和氮气。其中第二冷凝装置所需的冷量来自于冷量供应装置23(膨胀机)制冷。第一气体压缩装置21和冷量供应装置23(膨胀机)的驱动能量来自于余热回收单元的蒸汽透平32做功。

本申请的上述低成本无氮燃烧制氧系统，通过余热回收装置31，将燃烧单元10得到的高温烟气进行回收。回收的热能经蒸汽透平32转换为动能，并以此动能为能量源驱动氧气制备单元20，这有利于节省氧气制备单元20所需的电能。另一方面，以纯氧气替代传统工艺中的空气，参与燃料的燃烧反应，得到的烟气中的主要成分是co2和h2o。烟气经脱硫除尘、脱水后，进入二氧化碳回收装置70(二氧化碳捕集回收装置)回收。回收的co2可进一步提纯精制为产品级，实现了较好的经济效益，回收co2后的烟气可经烟囱中排出。

实施例2

如图2所示，本申请提供了一种低成本无氮燃烧制氧系统。上述低成本无氮燃烧制氧系统中，氧气经助燃气入口101、燃料气经燃料入口102输送至燃烧单元10(燃气轮机)中进行充分燃烧，得到高温烟气。高温烟气在余热回收装置31中与冷水介质进行热交换，得到低温烟气。

上述低温烟气经烟气回收口313输送至脱硫除尘装置50中，脱除低温烟气中的硫化物和粉尘。然后将脱硫除尘后的低温烟气输送至脱水装置40进行冷凝，以使上述低温烟气中的水分冷凝而从低温烟气中去除。经过脱水、脱硫和脱尘处理后低温烟气，一部分经分流装置60(三通阀)分流，通过助燃气入口101输送至燃烧单元10，并参与燃烧反应；另一部分经分流装置60(三通阀)分流，输送至二氧化碳回收装置70(二氧化碳捕集回收装置)中回收二氧化碳，而由二氧化碳回收装置70中逃逸出的不凝气经烟囱71排放。

从高温烟气中回收的热量使的循环工质(水)转化为高温蒸汽，高温蒸汽进入蒸汽透平32中进行做功，进而将热能转化为动能。高温蒸汽经做工后转化为低温蒸汽，并从蒸汽透平32中排出。排出的低温蒸汽经过第一冷却装置33和循环工质泵34输送回余热回收装置31循环利用以回收烟气余热。

在低成本无氮燃烧制氧系统中，空气由第一空气入口211进入第一气体压缩装置21进行压缩得高压湿空气，然后经压缩空气出口212将上述高压湿空气通入第一空气净化装置25(过滤装置)进行净化，以脱除高压湿空气中的粉尘、水分和二氧化碳。净化后的高压湿空气输送至第二冷却装置22(换热器)中深冷液化，得到液态空气。然后将上述液态空气输送至精馏装置24进行精馏，得到氧气和氮气。其中第二冷凝装置所需的冷量来自于冷量供应装置23(膨胀机)制冷。且第一气体压缩装置21和冷量供应装置23(膨胀机)的驱动能量来自于余热回收单元的蒸汽透平32做功。

本申请的上述低成本无氮燃烧制氧系统，通过余热回收装置31，将燃烧单元10(燃气轮机)得到的高温烟气进行回收。回收的热能经蒸汽透平32转换为动能，并以此动能为能量源驱动氧气制备单元20，这有利于节省氧气制备单元20所需的电能。另一方面，以纯氧气替代传统工艺中的空气，参与燃料的燃烧反应，得到的烟气中的主要成分是co2和h2o。烟气经脱硫除尘、脱水后，进入二氧化碳回收装置70(co2捕集回收单元)回收。回收的co2可进一步提纯精制为产品级，实现了较好的经济效益，回收co2后的烟气可经烟囱中排出。

实施例3

如图3所示，本申请提供了一种低成本无氮燃烧制氧系统。上述低成本无氮燃烧制氧系统中，氧气经助燃气入口101、燃料气经燃料入口102输送至燃烧单元10(加热炉)中进行充分燃烧，得到高温烟气。高温烟气在余热回收装置31中与冷水介质进行热交换，得到低温烟气。

上述低温烟气经烟气回收口313输送至脱硫除尘装置50中，脱除低温烟气中的硫化物和粉尘。然后将脱硫除尘后的低温烟气输送至脱水装置40进行冷凝，以使上述低温烟气中的水分冷凝而从低温烟气中去除。经过脱水、脱硫和脱尘处理后低温烟气，一部分经分流装置60(三通阀)分流，通过助燃气入口101输送至燃烧单元10，并参与燃烧反应；另一部分经分流装置60(三通阀)分流，输送至二氧化碳回收装置70二氧化碳捕集回收装置中回收二氧化碳，而由二氧化碳回收装置70中逃逸出的不凝气经烟囱71排放。

从高温烟气中回收的热量使的循环工质(水)转化为高温蒸汽，高温蒸汽进入蒸汽透平32中进行做功，进而将热能转化为动能。高温蒸汽经做工后转化为低温蒸汽，并从蒸汽透平32中排出。排出的低温蒸汽经过第一冷却装置33和循环工质泵34输送回余热回收装置31循环利用以回收烟气余热。

在低成本无氮燃烧制氧系统中，空气由第二空气入口261进入鼓风机26进入至第二空气净化装置27进行脱油除水后，得到净化后的空气。然后将上述净化后的空气进入至吸附塔28中，真空泵281与吸附塔28相连，空气中的氮气和氧气在吸附塔28中分离。上述蒸汽透平32对外输出的动能用以驱动鼓风机26、第二气体压缩装置29和真空泵281。

本申请的上述低成本无氮燃烧制氧系统，通过余热回收装置31，将从燃烧单元10排出的高温烟气中的热量进行回收。回收的热能经蒸汽透平32转换为动能，并以动能为能量源驱动氧气制备单元20，这有利于节省氧气制备单元20所需的电能。另一方面，以纯氧气替代传统工艺中的空气，参与燃料的燃烧反应，得到的烟气中的主要成分是co2和h2o。烟气经脱硫除尘、脱水后，进入二氧化碳回收装置70(二氧化碳捕集回收装置)回收。回收的co2可进一步提纯精制为产品级，实现了较好的经济效益，回收co2后的烟气可经烟囱中排出。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。