一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明属于能源化工领域，具体涉及一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法。
【背景技术】
[0002]富氧气氛可以改进煤、石油、天然气等燃料的燃烧工况、提高燃烧效率，同时还能够降低燃料的消耗，起到节能减排的有益效果。相对于传统的燃烧工艺，富氧助燃技术具有比较显著的优势:①可以提高火焰温度，增加热量利用率；②可加快燃烧速度，有利于实现充分、完全的燃烧；③可降低燃料的燃点温度；④可减少燃烧后的排气量；?可降低空气过剩系数。因此，它在燃煤发电、内燃机、炼钢、工业锅炉等行业领域具有广阔的应用前景。
[0003]现有的富氧方式主要有三种:增压增氧方式、制氧机制氧方式和化学制氧方式。
[0004](I)增压增氧方式主要用在飞机上，通过增加机舱内的压力，使空气密度增加，从而增加空气中氧的绝对质量(空气中含氧量的比例是一定的，约为21%)，达到增加氧的目的。
[0005](2)制氧机制氧方式已广泛用在各个领域，主要分为三大类:①利用空气为原料，基于空气中主要气体成分沸点的差异性，通过深度冷凝后再蒸发的物理方法，把氧气从空气里分离出来。这种方法可制得较高纯度的氧气，但是成本较高。②膜分离制氧法，这是近十几年发展起来的制氧方法，属于常压(或低压)的制氧方法。它是以高分子选择性气体分离膜为载体，对空气进行分离的一种技术。其基本原理主要是扩散和溶解，通常在分离膜两侧制造压力差，将空气供应到分离膜的高压侧，其中的氧气和氮气会溶解到分离膜表面，在分离膜内的压力差和浓度差提供的驱动力作用下，在分离膜内进行扩散运动，最后从分离膜的低压侧析出。由于氧气分子比氮气分子扩散速率大，所以析出的气体中氧气浓度较高。③变压吸附制氧法，它将空气通过分子筛，利用氧和氮分子的直径差异来分离氧和氮以制备富氧气体的方法。
[0006](3)化学制氧法是利用含氧化合物(如氯酸钾)为原料，通过与催化剂的反应，制出氧气。通常产生的气量较小、成本较高，不适宜工业应用。
[0007]由于低温深冷制氧法和变压吸附制氧法常常局限于固定设备的制氧与富氧助燃，投资成本巨大，且不适合移动设备的富氧，例如工业窑炉等方面。膜分离法虽可用于移动设备的富氧助燃(如汽车和船舶等)，但是其投资较大，维修及操作费用较高，大规模应用的较少。因此，开发新型的富氧制备技术成为相关行业领域面临的新课题。
【发明内容】
[0008]本发明为克服现有技术中的问题，目的在于提供一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法，其有机结合了富氧助燃技术的发展需求，可适应大、中、小规模使用的适用性，具有设备与装置选择范围大、实用性强、便于工业化应用等特点。
[0009]为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案:
[0010]一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统，包括臭氧制备系统、臭氧吸收系统、氧气释放系统和离子沉降单元四个工艺单元；
[0011 ] 其中，臭氧制备系统上设置有空气入口，臭氧制备系统的出口与臭氧吸收系统的原料入口连接；臭氧吸收系统上设置有净化水入口、富氮气体出口和含臭氧水出口，臭氧吸收系统上的含臭氧水出口与氧气释放系统相连接；氧气释放系统上设置有富氧气体出口和含离子水出口，氧气释放系统上的含离子水出口与离子沉降单元相连接。
[0012]所述离子沉降单元上设置有净化水出口，且净化水出口与臭氧吸收系统相连接；在连接离子沉降单元与臭氧吸收系统二者之间的净化水管路上设置有补充净化水的支路。
[0013]所述氧气释放系统包括封闭的水箱或水池，水箱或水池的两端分别设置有进水口和出水口，进水口的设置位置在水平方向上高于出水口的位置，水箱或水池内部被隔板分隔成若干呈“N”字型相连通的径流室，除了进水口和出水口所处的两个径流室外，其余各径流室之间的隔板上部且高于水箱或水池内水溶液上液面的位置上均设置有气体通道；出水口所在的径流室顶部设置有尾气排出口，与进水口所在径流室紧邻的径流室中设置有与金属离子溶液添加装置相连通的管道；其中，进水口与臭氧吸收系统相连，出水口与离子沉降单元相连。
[0014]所述臭氧制备系统包括低压式臭氧制备系统、中压式臭氧制备系统以及高压式臭氧制备系统；
[0015]所述低压式臭氧制备系统包括第一过滤器、吹风机、制冷剂干燥器、干燥剂干燥器、第二过滤器和臭氧发生器；空气依次经过第一过滤器、吹风机加压和制冷剂干燥器的预处理后，分成两个并行的支路，每个支路上均设置一个干燥剂干燥器，经过两个干燥剂干燥器之后，再次合并成一股气体，依次进入第二过滤器和臭氧发生器，臭氧发生器与臭氧吸收系统相连；
[0016]所述中压式臭氧制备系统包括第一过滤器、鼓风机、制冷剂干燥器、干燥剂干燥器、第二过滤器和臭氧发生器；空气依次经过第一过滤器、鼓风机、二次冷却水和制冷剂干燥器的预处理后，分成两个并行的支路，每个支路上均设置一个干燥剂干燥器，经过两个干燥剂干燥器之后，再次合并成一股气体，依次进入第二过滤器和臭氧发生器，臭氧发生器与臭氧吸收系统相连；
[0017]所述高压式臭氧制备系统包括第一过滤器、鼓风机、凝油器、干燥剂干燥器、减压阀、第二过滤器和臭氧发生器；空气依次经过第一过滤器、鼓风机、二次冷却水和凝油器的预处理后，分成两个并行的支路，每个支路上均设置一个干燥剂干燥器，经过两个干燥剂干燥器之后，再次合并成一股气体，经过减压阀后，依次进入第二过滤器和臭氧发生器，臭氧发生器与臭氧吸收系统相连。
[0018]所述臭氧吸收系统包括单室扩散池式系统、多室扩散池式系统和塔式系统三种子系统；
[0019]所述单室扩散池式臭氧吸收系统包括封闭且带有进水口和出水口的吸收池，吸收池内设置有用于将吸收池内空间分为上空腔和下空腔的隔板，进水口设置在上空腔的侧壁上，出水口设置在下空腔的侧壁上，且出水口位于进水口的正下方；隔板的靠近进水口端与吸收池无缝连接，隔板的远离进水口端与吸收池内壁之间有用于吸收臭氧的水折流通过的空隙，且隔板远离进水口端设置有挡板，挡板位于隔板的下方，隔板上设置有气体能够通过而液体不能通过的一组孔隙；吸收池顶部设置有尾气出口，吸收池底部设置有臭氧入口，且尾气出口、隔板上孔隙、臭氧入口三者不在同一竖直线上；臭氧入口与臭氧制备系统相连；出水口与氧气释放系统相连；
[0020]所述多室扩散池式臭氧吸收系统包括封闭的吸收池，吸收池的两端分别设置有进水口和出水口，吸收池的内部分割为若干个“N”字型连通的径流室，且进水口的位置在水平方向上高于出水口的位置，除了进水口和出水口所处的两个径流室外，其余各径流室中均对应设置有通入到径流室底部的用于臭氧导气的支管；出水口所在的径流室顶部设置有尾气出口 ；吸收池的顶部设置有用于通入臭氧的臭氧入口 ；臭氧入口与臭氧制备系统相连；出水口与氧气释放系统相连；
[0021]所述塔式臭氧吸收系统包括吸收塔，吸收塔顶端设置有尾气出口，吸收塔底端设置有出水口，吸收塔内从上往下数第一个塔板上部的侧壁上设置有进水口，吸收塔内靠近塔底第一个塔板下部的侧壁上开设有臭氧入口，连接进水口的管路伸入到塔中从上往下数第一个塔板的上部，并在伸入到吸收塔内的管路上设置有多个喷水器或喷水口 ；臭氧或富含臭氧的气体经吸收塔下端的臭氧入口进入塔内，从下向上扩散和传递；用于吸收臭氧的净化水自塔顶端的进水口进入塔内，从上向下传递，实现塔内气液两相多次逆向接触；其中，臭氧入口与臭氧制备系统相连；出水口与氧气释放系统相连。
[0022]—种从空气中提取富氧和富氮气体的方法，包括以下步骤:
[0023]I)在臭氧制备系统中，以空气作为原料，将空气依次经过除尘、加压、冷却、干燥及再次除尘预处理步骤后，输送给臭氧发生器，制备富含臭氧的气体；
[0024]2)将富含臭氧的气体输送到臭氧吸收系统；在臭氧吸收系统中，以净化水作为臭氧的吸收剂使用，净化水吸收臭氧后变为含臭氧的水；经臭氧吸收系统处理后的尾气以富氮气体的产品形式产出；
[0025]3)将含臭氧的水输送到氧气释放系统，调节金属离子溶液添加装置上的阀门，使预先装入到金属离子溶液添加装置中的金属离子流入到氧气释放系统中，通过金属离子与含臭氧的水相互接触和相互作用，形成富氧气体。
[0026]还包括以下步骤:
[0027]4)将氧气释放系统排出的含金属离子的水溶液输送到离子沉降单元，通过离子沉淀或者蒸发结晶的方式回收析出的金属离子成分，同时回收不含杂质离子的净化水；
[0028]5)将离子沉降单元回收的不含杂质离子的净化水输送到臭氧吸收系统，实现水资源的循环利用。
[0029]所述步骤2)中净化水的温度为O?30°C，流速度控制在O?60cm/s的范围内。
[0030]所述步骤3)中金属离子溶液中金属离子为K+、Na+、NH4+、Fe3+、Al3+、Mg2+、Ba2+、Ca2+、Ni' Cu' Co' Zn'Ag+中的一种或几种。
[0031]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0032]本发明提供的