一种化学链空气分离方法及其系统与流程

本发明涉及空气分离技术领域，具体而言，涉及一种化学链空气分离方法及其系统。

背景技术：

氧气和氮气是重要的化学原料，在化工、冶金、炼油、医疗及军事等领域有着广泛的应用，氧气和氮气的制备是一项非常关键的技术。目前常用的空气分离制取氧气和氮气的技术有低温精馏技术、膜分离技术和变压吸附技术。低温精馏技术是目前最成熟的空气分离技术，其原理是利用空气中氮气和氧气的沸点不同，将空气液化后，进行低温精馏达到分离氮气和氧气的目的，该技术投资大、成本高，能耗高，操作复杂。变压吸附空气分离技术存在产能低和能耗高等缺点。膜分离技术存在膜材料制备难，成本高等缺点。

化学链空气分离技术是一种新的空气分离技术，相比于常规的空气分离技术，其具有能耗低、启动快、成本低、操作便捷等优点。但目前化学链空气分离技术集中于制取氧气的研究，然而现有技术大多存在能耗较高、经济性较差、氧化纯度较低等缺陷。此外，制取氧气后形成的贫氧空气中氮气的纯度较低，即便经过常规的后续处理，仍然无法获得较高的氮气纯度。

技术实现要素：

本发明的第一目的包括提供一种化学链空气分离方法，该分离方法能够实现高压差条件下载氧体的循环流动，反应速度快，系统能耗低，操作简单便捷，并且能同时制取高纯度的氧气和氮气，有效提高化学链空气分离技术的效率和经济性能。

本发明的第二目的包括提供一种化学链空气分离系统，该分离系统分别采用高压、中压、低压反应器完成载氧体在高压差条件下的循环，利用高压低温条件下吸氧反应的不可逆性，同时制取高纯度的氧气和氮气，提高了化学链空气分离技术的效率和经济性能。

本发明的第三目的包括提供一种利用上述化学链空气分离系统进行空气分离的方法，该方法能耗较低，操作便捷。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：

本发明提出一种化学链空气分离方法，包括：

将微氧载氧体与空气进行中压吸氧反应，得到贫氧空气和富氧载氧体。

将富氧载氧体进行释氧反应，得到贫氧载氧体和富氧气体。

将贫氧空气与贫氧载氧体进行高压吸氧反应，得到微氧载氧体和富氮气体。

其中，中压吸氧反应的压力为1-3mpa，温度为650-1000℃；释氧反应的压力为0.1-0.5mpa，温度为600-990℃；高压吸氧反应的压力为3-5mpa，温度为500-900℃。

在一些优选的实施方式中，高压吸氧反应的压力比中压吸氧反应的压力高2-5mpa，高压吸氧反应的温度比中压吸氧反应的温度低100-500℃。

本发明提出一种化学链空气分离系统，

中压吸氧反应系统，用于将微氧载氧体与空气进行中压吸氧反应以得到贫氧空气和富氧载氧体。

放氧反应系统，用于将富氧载氧体进行释氧反应，得到贫氧载氧体和富氧气体。

高压吸氧反应系统，用于将贫氧空气与贫氧载氧体进行高压吸氧反应，得到微氧载氧体和富氮气体。

其中，高压吸氧反应系统包括高压吸氧反应器，中压吸氧反应系统包括中压吸氧反应器，放氧反应系统包括放氧反应器，高压吸氧反应器分别与中压吸氧反应器及放氧反应器连接。

高压吸氧反应器的反应压力不低于中压吸氧反应器的反应压力，且中压吸氧反应器的反应压力高于放氧反应器的反应压力；优选地，高压吸氧反应器的反应压力为3-5mpa，反应温度为500-900℃；中压吸氧反应器的反应压力为1-3mpa，反应温度为650-1000℃；放氧反应器的反应压力为0.1-0.5mpa，反应温度为600-990℃。

在一些实施方式中，高压吸氧反应器的压力比所中压吸氧反应器的压力高2-5mpa，高压吸氧反应器的温度比中压吸氧反应器的温度低100-500℃。

进一步地，当高压吸氧反应器、中压吸氧反应器以及放氧反应器均为流化床反应器时，高压吸氧反应系统还包括气涡轮机、第一预热设备和第一升压设备；中压吸氧反应系统还包括第二预热设备、第二收集器、变压送料器和第二升压设备；放氧反应系统还包括第三收集器、第三预热设备和冷却设备。

高压吸氧反应器的入口端分别与变压送料器的出口端以及第二升压设备的出口端连接，高压吸氧反应器的出口端与气涡轮机的入口端连接，第一预热设备的入口端分别与气涡轮机的出口端以及第一升压设备的出口端连接。

第二预热设备的入口端分别与第一预热设备的出口端及中压吸氧反应器的出口端连接，第二预热设备的出口端分别与中压吸氧反应器及第二升压设备的入口端连接。

变压送料器的入口端分别与中压吸氧反应器的出口端以及第三收集器的出口端连接，第二收集器的入口端分别与变压送料器的出口端以及第三预热设备的出口端连接，第三预热设备的出口端还与冷却设备连接，第三预热设备的入口端与放氧反应器的出口端连接，放氧反应器的入口端分别与第二收集器的出口端以及第三预热设备的出口端连接。

进一步地，当高压吸氧反应器、中压吸氧反应器以及放氧反应器均为移动床反应器时，高压吸氧反应系统还包括第一变压送料器、第一上升缓存罐、气涡轮机、第一预热设备；中压吸氧反应系统还包括第二变压送料器、第二预热设备、第二上升缓存罐；放氧反应系统还包括第三变压送料器、第三上升缓存罐和第三预热设备。

高压吸氧反应器的出口端分别与气涡轮机和第一上升缓存罐连接，气涡轮机的出口端与第一预热设备的入口端连接，高压吸氧反应器的入口端分别与第二预热设备的出口端、第一变压送料器的出口端连接。

中压吸氧反应器的入口端分别与第二预热设备的出口端以及第二变压送料器的出口端连接，第二变压送料器的入口端与第一上升缓存罐的出口端连接，中压吸氧反应器的出口端分别与第二预热设备的入口端以及第二上升缓存罐连接，第二预热设备的入口端还与第一预热设备的出口端连接。

放氧反应器的入口端分别与第三变压送料器的出口端以及第三预热设备的出口端连接，第三变压送料器的入口端与第二上升缓存罐的出口端连接，放氧反应器的出口端分别与第三上升缓存罐的入口端以及第三预热设备的入口端连接，第三上升缓存罐的出口端与第一变压送料器的入口端连接。

此外，本发明还提出了一种利用上述化学链空气分离系统进行空气分离的方法，包括如下步骤：

在中压吸氧反应器中将微氧载氧体与经加压换热升温后进入的空气进行氧化反应，产生贫氧空气和富氧载氧体。

将产生的富氧载氧体输入放氧反应器并将富氧载氧体在放氧反应器内的水蒸气稀释下进行释氧反应，产生贫氧载氧体和富氧气体；对富氧气体进行气液分离，收集分离出的氧气。

将贫氧空气输入高压吸氧反应器并将贫氧空气与高压吸氧反应器内的贫氧载氧体进行反应，产生微氧载氧体，同时贫氧空气失去氧气转化为氮气，收集氮气。

本申请提供的化学链空气分离方法及其系统的有益效果包括：

第一，系统能耗低、成本低、操作便捷。化学链空气分离系统实现了高压差下载氧体的循环使用，系统运行成本仅为升压设备电耗及部分热能，系统运行成本较低、能耗低；就制氧部分而言，微氧载氧体在高压下、高于其释氧温度的条件下发生吸氧反应，载氧体自身温度已高于释氧温度，进入低压放氧反应器，释氧反应能够自发进行，无需外部提供热量，制氧成本比常压化学链制氧技术可降低6％；同时，本发明工艺制取氧气的同时可以制取高纯度氮气，空气分离的效率和经济性进一步提高，与常规空气分离技术相比运行成本降低1/3左右，并且系统运行简单、操作便捷。

第二，可同时制得纯度99％以上的氮气和纯度99％以上的氧气。本发明工艺采用高压、中压、低压反应器完成载氧体在高压差条件下的循环，并利用高压低温条件吸氧反应的不可逆性，分离即可同时得到纯度99％以上的氮气和纯度99％以上的氧气。与现有化学链制氧工艺相比，在制取高纯度氧气的同时可以分离出高纯度的氮气，进一步提高了化学链分离技术的分离效率和经济性。

第三，分离效率高，可实现高压差条件下空气分离过程的连续稳定运行。本发明工艺采用移动床、流化床及变压送料器实现了载氧体在高压差条件下的循环流动反应，载氧体与反应气体在反应器内以流动的方式相互接触反应，传质传热效果及反应器温度均匀性较固定床反应器大幅提高，反应速率和反应深度有效增强；并且与固定床反应器化学链加压制氧工艺相比，没有频繁切换阀门的过程，避免了阀门频繁切换对系统稳定性和可靠性的影响。因此，本发明工艺可实现空气分离过程的高效连续稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的化学链空气分离系统的第一种结构示意图；

图2为本申请实施例提供的化学链空气分离系统的第二种结构示意图；

图3为图2中高压吸氧反应系统部分的结构示意图；

图4为图2中中压吸氧反应系统部分的结构示意图；

图5为图2中放氧反应系统部分的结构示意图。

图标：100-化学链空气分离系统；10-高压吸氧反应系统；11-高压吸氧反应器；111-高压吸氧反应器第一入口；112-高压吸氧反应器第二入口；113-高压吸氧反应器第一出口；114-高压吸氧反应器第二出口；12-气涡轮机；13-第一预热设备；131-第一预热设备第一入口；132-第一预热设备第二入口；133-第一预热设备第一出口；134-第一预热设备第二出口；14-第一升压设备；15-第一气固分离设备；151-第一气固分离设备第一出口；152-第一气固分离设备第二出口；16-过渡储存罐；20-中压吸氧反应系统；21-中压吸氧反应器；211-中压吸氧反应器第一入口；212-中压吸氧反应器第二入口；213-中压吸氧反应器第一出口；214-中压吸氧反应器第二出口；22-第二预热设备；221-第二预热设备第一入口；222-第二预热设备第二入口；223-第二预热设备第一出口；224-第二预热设备第二出口；23-第二收集器；24-变压送料器；241-变压送料器第一入口；242-变压送料器第二入口；243-变压送料器第三入口；244-第一变压送料器；245-第二变压送料器；246-第三变压送料器；25-第二升压设备；30-放氧反应系统；31-放氧反应器；311-载氧体入口；312-蒸汽入口；313-放氧反应器第一入口；314-放氧反应器第二入口；315-放氧反应器第一出口；316-放氧反应器第二出口；32-第三收集器；33-第三预热设备；331-第三预热设备第一入口；332-第三预热设备第二入口；333-第三预热设备第一出口；334-第三预热设备第二出口；34-冷却设备；341-冷却设备第一出口；342-冷却设备第二出口；41-第一收集器；42-第一连通管；43-过滤器；44-第二气固分离设备；45-第一提升管；46-第二提升管；51-第一阀门；52-第二阀门；53-第三阀门；54-第四阀门；55-第五阀门；56-第六阀门；61-第一上升缓存罐；62-第二上升缓存罐；63-第三上升缓存罐；71-第一缓冲罐；72-第二缓冲罐；73-第三缓冲罐。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“垂直”等术语并不表示要求部件绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种化学链空气分离方法，其可包括：

将微氧载氧体与空气进行中压吸氧反应，得到贫氧空气和富氧载氧体。将富氧载氧体进行释氧反应，得到贫氧载氧体和富氧气体。将贫氧空气与贫氧载氧体进行高压吸氧反应，得到微氧载氧体和富氮气体。

高压吸氧反应过程中，载氧体吸氧反应不可逆，也即该条件下载氧体不会发生释氧反应，混合气体中氧气可被完全吸收。

中压吸氧反应过程中，载氧体释氧反应和吸氧反应同时进行，平衡时气体中的氧体积含量可为0-20.8％，优选为5-15％。

值得说明的是，贫氧或微氧载氧体时在高压低温的条件才能发生不可逆的吸氧反应，即释氧反应不会发生，混合气体中的氧气可以被完全反应。不可逆反应可以使载氧体将混合气体中的氧气完全反应，使氮气纯度高于99％以上。

在一些实施方式中，中压吸氧反应的压力可以为1-3mpa，温度可以为650-1000℃；释氧反应的压力可以为0.1-0.5mpa，温度可以为600-990℃；高压吸氧反应的压力可以为3-5mpa，温度可以为500-900℃。具体的，根据不同种类的载氧体，压差及反应温度不同。

在一些实施方式中，高压吸氧反应的压力比中压吸氧反应的压力高2-5mpa，高压吸氧反应的温度比中压吸氧反应的温度低100-500℃。

作为可选地，载氧体包括金属载氧体或非金属载氧体，金属载氧体包括铜基载氧体、铁基载氧体和锰基载氧体中的一种或多种，非金属载氧体包括gaso4载氧体和钙钛矿载氧体中的一种或多种。

可参照地，载氧体可以选自coo、co2o3、co3o4；fe2o3、feo、fe3o4、mno、mno2、mn2o3或钙钛矿等，上述载氧体均具有微氧、富氧以及贫氧状态。

在一些实施方式中，富氧载氧体为cuo，贫氧载氧体为cu2o，微氧载氧体为cuo和cu2o的混合物，混合物中cuo的质量分数可以为30-50％。

进一步地，化学链空气分离方法还包括：将高压吸氧反应生成的载氧体用于中压吸氧反应。

而常规空气分离技术中低温精馏技术利用空气中氮气和氧气的沸点不同，将空气液化后，进行低温精馏达到分离氮气和氧气的目的，技术投资大、成本高，能耗高，操作复杂。变压吸附空气分离技术也存在产能低和能耗高等缺点。膜分离技术存在膜材料制备难，成本高等缺点，故相较于常规空气分离技术，本申请提供的化学链空气分离方法能够使成本降低。

承上，本实施例提供的化学链空气分离方法简单，操作便捷，能同时制取高纯度的氧气和氮气，提高化学链空气分离技术的效率和经济性能。

实施例2

请一并参照图1与图2，本实施例提供的化学链空气分离系统100包括高压吸氧反应系统10、中压吸氧反应系统20和放氧反应系统30。

其中，中压吸氧反应系统20用于将微氧载氧体与空气进行中压吸氧反应以得到贫氧空气和富氧载氧体。放氧反应系统30用于将富氧载氧体进行释氧反应，得到贫氧载氧体和富氧气体。高压吸氧反应系统10用于将贫氧空气与贫氧载氧体进行高压吸氧反应，得到微氧载氧体和富氮气体。

高压吸氧反应系统10包括高压吸氧反应器11，中压吸氧反应系统20包括中压吸氧反应器21，放氧反应系统30包括放氧反应器31，高压吸氧反应器11分别与中压吸氧反应器21及放氧反应器31连接。

其中，高压吸氧反应器11的反应压力不低于中压吸氧反应器21的反应压力，且中压吸氧反应器21的反应压力高于放氧反应器31的反应压力。

作为可选地，高压吸氧反应器11的反应压力例如可以为3-5mpa，反应温度例如可以为500-900℃。中压吸氧反应器21的反应压力例如可以为1-3mpa，反应温度例如可以为650-1000℃。放氧反应器31的反应压力例如可以为0.1-0.5mpa，反应温度例如可以为600-990℃。具体的，根据不同种类的载氧体，压差及反应温度不同。

较佳地，高压吸氧反应器11的压力比所中压吸氧反应器21的压力高2-5mpa，高压吸氧反应器11的温度比中压吸氧反应器21的温度低100-500℃。

通过高压吸氧反应系统10、中压吸氧反应系统20和放氧反应系统30配合用于使载氧体循环运行以制取氧气和氮气。

载氧体的具体选择可参照实施例1。

上述化学链空气分离系统100的空气分离方法可包括：在中压吸氧反应器21中将微氧载氧体与经加压换热升温后进入的空气进行氧化反应，产生贫氧空气和富氧载氧体。

将产生的富氧载氧体输入放氧反应器31并将富氧载氧体在放氧反应器31内的水蒸气稀释下进行释氧反应，产生贫氧载氧体和富氧气体；对富氧气体进行气液分离，收集分离出的氧气。

将贫氧空气输入高压吸氧反应器11并将贫氧空气与高压吸氧反应器11内的富氧载氧体进行反应，产生微氧载氧体，同时贫氧空气失去氧气转化为氮气，收集氮气。

其中，空气的体积流量低于贫氧载氧体完全转化为富氧载氧体的理论流量，非当量比系数为0.6-0.95。

实施例3

结合实施例2，请继续参照图1，当化学链空气分离系统100中的高压吸氧反应器11、中压吸氧反应器21以及放氧反应器31均为流化床反应器时，高压吸氧反应系统10还包括气涡轮机12、第一预热设备13和第一升压设备14，中压吸氧反应系统20还包括第二预热设备22、第二收集器23、变压送料器24和第二升压设备25，放氧反应系统30还包括第三收集器32、第三预热设备33和冷却设备34。

高压吸氧反应器11的入口端分别与变压送料器24的出口端以及第二升压设备25的出口端连接。高压吸氧反应器11的出口端与气涡轮机12的入口端连接。第一预热设备13的入口端分别与气涡轮机12的出口端以及第一升压设备14的出口端连接。

第二预热设备22的入口端分别与第一预热设备13的出口端及中压吸氧反应器21的出口端连接，第二预热设备22的出口端分别与中压吸氧反应器21及第二升压设备25的入口端连接。

变压送料器24的入口端分别与中压吸氧反应器21的出口端以及第三收集器32的出口端连接，第二收集器23的入口端分别与变压送料器24的出口端以及第三预热设备33的出口端连接，第三预热设备33的出口端还与冷却设备34连接，第三预热设备33的入口端与放氧反应器31的出口端连接，放氧反应器31的入口端分别与第二收集器23的出口端以及第三预热设备33的出口端连接。

高压吸氧反应系统10还包括第一气固分离设备15和过渡储存罐16，高压吸氧反应器11的出口端与第一气固分离设备15的入口端连接，第一气固分离设备15的出口端分别与气涡轮机12的入口端和过渡储存罐16的入口端连接，过渡储存罐16的出口端还与中压吸氧反应器21连接，过渡储存罐16的入口端还与第二预热设备22的出口端连接。

进一步地，变压送料器24和中压吸氧反应器21之间还连接有第一收集器41，第一收集器41和中压吸氧反应器21之间连接有第一连通管42。中压吸氧反应器21与第二预热设备22之间还连接有过滤器43。

更进一步地，放氧反应器31内还设有第二气固分离设备44且放氧反应器31还分别设有蒸汽入口312和载氧体入口311，载氧体入口311与第二收集器23的出口端连接，蒸汽入口312与第三预热设备33的出口端连接。

作为参考地，本实施例中高压吸氧反应器11具有高压吸氧反应器第一入口111和高压吸氧反应器第二入口112。第一预热设备13具有第一预热设备第一入口131、第一预热设备第二入口132、第一预热设备第一出口133和第一预热设备第二出口134。第二预热设备22具有第二预热设备第一入口221、第二预热设备第二入口222、第二预热设备第一出口223以及第二预热设备第二出口224。中压吸氧反应器21具有中压吸氧反应器第一入口211和中压吸氧反应器第二入口212。变压送料器24具有变压送料器第一入口241、变压送料器第二入口242、变压送料器第三入口243。第三预热设备33具有第三预热设备第一入口331、第三预热设备第二入口332、第三预热设备第一出口333和第三预热设备第二出口334。冷却设备34具有冷却设备第一出口341和冷却设备第二出口342。

高压吸氧反应器第一入口111与第二升压设备25的出口端连接，高压吸氧反应器第二入口112与变压送料器24的出口端连接，高压吸氧反应器11的出口端与第一气固分离设备15的入口端连接。第一气固分离设备15的上出口与气涡轮机12的入口端连接，第一气固分离设备15的下出口与过渡储存罐16的第二入口连接。

第一预热设备第一入口131与第一升压设备14的出口端连接，第一预热设备13的第二入口与气涡轮机12的出口端连接，第一预热设备第一出口133与第二预热设备第一入口221连接，第一预热设备第二出口134用于输出氮气。

第二预热设备第二入口222与过滤器43的出口端连接，第二预热设备第一出口223分为并列的两支，一支与中压吸氧反应器21的第一入口连接，另一支与过渡储存罐16的第一入口连接。第二预热设备22的第二出口与第二升压设备25的入口端连接。过渡储存罐16的出口端与中压吸氧反应器21的第二入口连接。

变压送料器第一入口241与第一收集器41的出口端连接，变压送料器第二入口242与第三收集器32的出口端连接，变压送料器第三入口243用于通入贫氧空气和水蒸气。变压送料器24的出口端分为两支，一支与高压吸氧反应器第二入口112连接，另一支与第二收集器23的入口端连接。

放氧反应器31的第一出口与第三收集器32的入口端连接，放氧反应器31的第二出口与第三预热设备33的第一入口连接。

第三预热设备第二入口332与冷却设备第一出口341连接，第三预热设备第一出口333与冷却设备34的入口端连接，第三预热设备第二出口334与放氧反应器31的载氧体入口311连接。

进一步地，第三预热设备第二出口334与载氧体入口311之间设有第一提升管45，放氧反应器第一出口315与第三收集器32的入口端之间设有第二提升管46。

更进一步地，第一收集器41的出口端与变压送料器第一入口241之间设有第一阀门51，变压送料器24的出口端与第二收集器23的入口端之间设有第二阀门52，变压送料器24的出口端与高压吸氧反应器第二入口112之间设有第四阀门54，第三收集器32的出口端与变压送料器第二入口242之间设有第三阀门53。

可参考地，上述化学链空气分离系统100的运行方式可以为(值得说明的是，以下涉及数据范围的括号中具体数据可整体形成一具体实施例，下同)：

常温常压空气(非当量比系数为0.6-0.95，如0.9)进入第一升压设备14，压力升高至1-3mpa(如1.5mpa)后通过第一预热设备第一入口131进入第一预热设备13与高温氮气换热，升温至200-550℃(如500℃)后通过与第二预热设备第一入口221连接的第一预热设备第一出口133进入第二预热设备22，与高温贫氧空气换热温度升高至600-950℃(如900℃)，大部分从中压吸氧反应器21底部的中压吸氧反应器第一入口211进入中压吸氧反应器21，少量从过渡储存罐16底部的过渡储存罐16第一入口进入过渡储存罐16。

经第一气固分离设备15气固分离后的500-900℃(如850℃)微氧载氧体(cuo/cu2o)由气固分离设备料腿(第一气固分离设备第二出口152)经过渡储存罐16第二入口进入过渡储存罐16，过渡储存罐16中的微氧载氧体在600-950℃(如900℃)空气的提升下经与中压吸氧反应器第二入口212连接的连通管进入中压吸氧反应器21。载氧体在1-3mpa(如1.5mpa)的压力下，在空气的流化作用下边上升边与空气发生氧化反应，并放出热量，产生温度为650-1000℃(如950℃)的贫氧空气和650-1000℃(如950℃)的富氧载氧体。吸氧反应的方程式如下所示，

650-1000℃(如950℃)的贫氧空气从中压吸氧反应器21上部经过滤器43滤掉载氧体颗粒后经第二预热设备第二入口222进入第二预热设备22，温度降低至300-600℃(如500℃)后通过第二预热设备第二出口224进入第二升压设备25，压力升高至3-5mpa(如4mpa)由高压吸氧反应器11底部的高压吸氧反应器第一入口111进入高压吸氧反应器11。

650-1000℃(如950℃)的富氧载氧体运行至中压吸氧反应器21上部，从第一连通管42进入第一收集器41，待变压送料器24泄压至压力比第一收集器41低10-50kpa(如20kpa)时打开第一阀门51，富氧载氧体依靠自身重力经变压送料器第一入口241进入变压送料器24，变压送料器24载氧体高度到达设定位置时关闭第一阀门51。变压送料器24进行泄压，并通入400-650℃(如600℃)水蒸汽吹扫空气，吹扫完毕后继续通入水蒸汽进行加压，当变压送料器24压力比第二收集器23压力高10-50kpa(如20kpa)时打开第二阀门52，640-990℃(如940℃)富氧载氧体依靠自身重力进入第二收集器23。变压送料器24卸料完毕后，关闭第二阀门52并泄压，压力降低至常压时打开第三阀门53，等待进料。

第二收集器23中640-990℃(如940℃)富氧载氧体在400-650℃(如600℃)的水蒸气的提升下经第一提升管45从放氧反应器31中部的载氧体入口311进入。在从放氧反应器31中下部的蒸气入口进入的400-650℃(如600℃)的水蒸气的流化下，在0.1-0.5mpa(如0.2mpa)的压力下边上升边发生释氧反应，并产生500-900℃(如800℃)贫氧载氧体(cu2o)和500-900℃(如800℃)的富氧气体。释氧反应的方程式如下所示，

500-900℃(如800℃)的富氧气体经第二气固分离设备44从放氧反应器31的上部的放氧反应器第二出口316引出经第三预热设备第一入口331进入第三预热设备33与水换热温度降低至80-150℃(如100℃)，然后通过第三预热设备第一出口333进入冷却设备34进行气液分离，得到冷凝水和纯度99％以上(如99.9％)的o2，o2进行收集处理。

冷凝水通过冷却设备第一出口341输出与补水混合后通过第三预热设备第二入口332进入第三预热设备33，升温后变为400-650℃(如600℃)水蒸气。大部分水蒸气从放氧反应器31中下部的蒸气入口进入，作为稀释气体与富氧载氧体放出的氧气混合产生富氧气体，少部分作为流化风提升载氧体。

500-900℃(如800℃)的贫氧载氧体在第二气固分离设备44的分离下返回放氧反应器31底部，在400-650℃(如600℃)的高温水蒸气的提升下通过与放氧反应器第一出口315连接的第二提升管46进入第三收集器32。

变压送料器24泄压至常压打开第三阀门53后，第三收集器32内500-900℃(如800℃)贫氧载氧体依靠重力通过变压送料器第二入口242进入变压送料器24。变压送料器24载氧体高度到达设定位置时关闭第三阀门53。向变压送料器24通入300-600℃(如500℃)的高压贫氧空气进行加压，当变压送料器24压力比高压吸氧反应器11压力高10-50kpa(如20kpa)时打开第四阀门54，490-890℃(如780℃)的贫氧载氧体依靠自身重力由高压吸氧反应器第二入口112进入高压吸氧反应器11下部。变压送料器24卸料完毕后，关闭第四阀门54并进行泄压，当变压送料器24压力比第一收集器41压力低10-50kpa(如20kpa)时打开第一阀门51，等待进料。

进入高压吸氧反应器11的300-600℃(如500℃)贫氧空气与从变压送料器24进入的富氧载氧体在3-5mpa(如4mpa)的压力下发生反应并放出热量。产生500-900℃的微氧载氧体，贫氧空气失去氧气转化为500-900℃(如850℃)的高浓度氮气。吸氧反应的方程式如下所示，

高压吸氧反应器11中500-900℃(如850℃)的微氧载氧体在贫氧空气的流化下进入第一旋风分离进行气固分离。500-900℃(如850℃)的微氧载氧体由气固分离设备料腿进入过渡储存罐16进行循环。

500-900℃(如850℃)的高浓度氮气由第一气固分离设备15上部(第一气固分离设备第一出口151)引出进入气涡轮机12，利用氮气的高温高压做功发电，压力降低至0.1-0.5mpa(如0.2mpa)，温度降低至300-700℃(如600℃)通过第一预热设备第二入口132进入第一预热设备13加热空气，温度降低至50℃以下进行收集处理，氮气纯度高于99％。

实施例4

结合实施例2，请继续参照图2至图5，当化学链空气分离系统100中的高压吸氧反应器11、中压吸氧反应器21以及放氧反应器31均为移动床反应器；高压吸氧反应系统10还包括第一变压送料器244、第一上升缓存罐61、气涡轮机12、第一预热设备13；中压吸氧反应系统20还包括第二变压送料器245、第二预热设备22、第二上升缓存罐62；放氧反应系统30还包括第三变压送料器246、第三上升缓存罐63和第三预热设备33。

高压吸氧反应器11的出口端分别与气涡轮机12和第一上升缓存罐61连接，气涡轮机12的出口端与第一预热设备13的入口端连接，高压吸氧反应器11的入口端分别与第二预热设备22的出口端、第一变压送料器244的出口端连接。

中压吸氧反应器21的入口端分别与第二预热设备22的出口端以及第二变压送料器245的出口端连接，第二变压送料器245的入口端与第一上升缓存罐61的出口端连接，中压吸氧反应器21的出口端分别与第二预热设备22的入口端以及第二上升缓存罐62连接，第二预热设备22的入口端还与第一预热设备13的出口端连接。

放氧反应器31的入口端分别与第三变压送料器246的出口端以及第三预热设备33的出口端连接，第三变压送料器246的入口端与第二上升缓存罐62的出口端连接，放氧反应器31的出口端分别与第三上升缓存罐63的入口端以及第三预热设备33的入口端连接，第三上升缓存罐63的出口端与第一变压送料器244的入口端连接。

进一步地，第一变压送料器244与第三上升缓存罐63之间设有第一收集器41，第二变压送料器245与第一上升缓存罐61之间设有第二收集器23，第三变压送料器246与第二收集器23之间设有第三收集器32。

进一步地，高压吸氧反应器11与第一上升缓存罐61之间设有第一缓冲罐71，中压吸氧反应器21与第二上升缓存罐62之间设有第二缓冲罐72，放氧反应器31与第三上升缓存罐63之间设有第三缓冲罐73。

进一步地，第一预热设备13的入口端还连接有第一升压设备14，第二预热设备22与高压吸氧反应器11之间还设有第二升压设备25，第三预热设备33还连接有冷却设备34。

作为参考地，第一预热设备13具有第一预热设备第一入口131、第一预热设备第二入口132、第一预热设备第一出口133和第一预热设备第二出口134。高压吸氧反应器11具有高压吸氧反应器第一入口111、高压吸氧反应器第二入口112、高压吸氧反应器第一出口113和高压吸氧反应器第二出口114。第二预热设备22具有第二预热设备第一入口221、第二预热设备第二入口222、第二预热设备第一出口223和第二预热设备第二出口224。中压吸氧反应器21具有中压吸氧反应器第一入口211、中压吸氧反应器第二入口212、中压吸氧反应器第一出口213和中压吸氧反应器第二出口214。第三预热设备33具有第三预热设备第一入口331、第三预热设备第二入口332、第三预热设备第一出口333和第三预热设备第二出口334。放氧反应器31具有放氧反应器第一入口313、放氧反应器第二入口314、放氧反应器第一出口315和放氧反应器第二出口316。冷却设备34具有冷却设备第一出口341和冷却设备第二出口342。

第一预热设备第一入口131与第一升压设备14的出口端连接，第一预热设备第二入口132与高压吸氧反应器第一出口113连接，第一预热设备第一出口133用于输出氮气，第一预热设备第二出口134与第二预热设备第一入口221连接。

高压吸氧反应器第一入口111与第一变压送料器244的出口端连接，高压吸氧反应器第二入口112与第二升压设备25的出口端连接，高压吸氧反应器第二出口114与第一缓冲罐71的入口端连接。

第二预热设备第二入口222与中压吸氧反应器第一出口213连接，第二预热设备第一出口223与中压吸氧反应器第二入口212连接，第二预热设备第二出口224与第二升压设备25的入口端连接。

中压吸氧反应器第一入口211与第二变压送料器245的出口端连接，中压吸氧反应器第二出口214与第二缓冲罐72的入口端连接。

第三预热设备第一入口331与放氧反应器第一出口315连接，第三预热设备第二入口332与冷却设备第一出口341连接，第三预热设备第一出口333与冷却设备34的入口端连接，第三预热设备第二出口334与放氧反应器第二入口314连接。

放氧反应器第一入口313与第三变压送料器246的出口端连接，放氧反应器第二出口316与第三缓冲罐73的入口端连接。

更进一步地，第一收集器41与第一变压送料器244之间设有第一阀门51，第一变压送料器244与高压吸氧反应器11之间设有第二阀门52，第二收集器23与第二变压送料器245之间设有第三阀门53，第二变压送料器245与中压吸氧反应器21之间设有第四阀门54，第三收集器32与第三变压送料器246之间设有第五阀门55，第三变压送料器246与放氧反应器31之间设有第六阀门56。

可参考地，上述化学链空气分离系统100的运行方式可以为：

高压吸氧反应系统10中，常温常压空气(非当量比系数为0.6-0.95，如0.9)进入第一升压设备14，压力升高至1-3mpa(如1.5mpa)通过第一预热设备第一入口131进入第一预热设备13与高温氮气换热，温度升高至200-550℃(如500℃)通过与第二预热设备第一入口221连接的第一预热设备第二出口134进入第二预热设备22，与高温贫氧空气换热温度升高至600-950℃(如900℃)经第二预热设备第一出口223从中压吸氧反应器21上部(中压吸氧反应器第二入口212)进入中压吸氧反应器21。

第一上升缓存罐61中的500-900℃(如850℃)微氧载氧体(cuo/cu2o)由300-650℃(如500℃)的贫氧空气经第一提升管45进入第二收集器23，载氧体依靠重力作用进入第二变压送料器245，第二变压送料器245中载氧体料位到达设定高度后关闭第三阀门53。

第二变压送料器245进行放空泄压，当变压送料器24的压力比中压吸氧反应器21高10-50kpa(如20kpa)后，打开第四阀门54，温度为500-900℃(如850℃)的微氧载氧体(cuo/cu2o)依靠自身重力从中压吸氧反应器21上部的中压吸氧反应器第一入口211进入中压吸氧反应器21。第二变压送料器245卸料后，关闭第四阀门54，打开第一阀门51进行装料。

进入中压吸氧反应器21的高温空气与高温载氧体在1-3mpa(如1.5mpa)的压力下进行氧化反应并放出热量，产生温度为650-1000℃(如950℃)的贫氧空气和650-1000℃(如950℃)的富氧载氧体。吸氧反应的方程式如下所示，

650-1000℃(如950℃)的高压贫氧空气由中压吸氧反应器21下部的中压吸氧反应器第一出口213引出经第二预热设备第二入口222进入第二预热设备22，温度降低至300-600℃进入第二升压设备25，压力升高至3-5mpa(如4mpa)由第二预热设备第二出口224经高压反应器上端的高压吸氧反应器第二入口112进入高压反应器。

650-1000℃(如950℃)的富氧载氧体(cuo)根据第二上升缓存罐62中载氧体的提升速度依靠自身重力依次进入第二缓冲罐72，然后进入第二上升缓存罐62。第二上升缓存罐62中的富氧载氧体由600-950℃(如900℃)的高压空气经第二提升管46输送到第三收集器32。

第三收集器32的载氧体依靠重力作用进入第三变压送料器246，第三变压送料器246中载氧体料位到达设定高度后关闭第五阀门55。

第三变压送料器246进行泄压，压力降低至常压后向第三变压送料器246通入300-650℃高温水蒸气吹扫空气并进行加压，当变压送料器24压力比放氧反应器31高10-50kpa后，打开第六阀门56，温度降低至600-990℃(如930℃)的富氧载氧体(cuo)依靠自身重力从放氧反应器31上部的放氧反应器第一入口313进入放氧反应器31。

第三变压送料器246卸料后，关闭第六阀门56，打开第五阀门55进行装料。

进入放氧反应器31的高温富氧载氧体在0.1-0.5mpa(如0.2mpa)的压力下进行释氧反应，富氧载氧体变为温度为500-900℃(如800℃)的贫氧载氧体；300-650℃(如600℃)的水蒸气经放氧反应器第二入口314进入放氧反应器31与富氧载氧体释放的氧气混合，产生500-900℃(如800℃)的富氧气体。释氧反应的方程式如下所示，

500-900℃(如800℃)的富氧气体经放氧反应器第一出口315以及第三预热设备第一入口331进入第三预热设备33，温度降低至80-150℃(如100℃)经第三预热设备第一出口333进入冷却设备34进行气液分离，得到冷凝水和纯度99％以上(如99.9％)的o2，o2进行收集处理。冷却设备第一出口341输出的冷凝水与补水混合后经第三预热设备第二入口332进入第三预热设备33升温后变为300-650℃(如600℃)水蒸气再经放氧反应器第二入口314进入放氧反应器31。

500-900℃(如800℃)的贫氧载氧体(cu2o)根据第三上升缓存罐63中载氧体的提升速度依靠自身重力经放氧反应器第二出口316依次进入第三缓冲罐73，然后进入第三上升缓存罐63由300-650℃(如600℃)的水蒸气经第三提升管提升至第一收集器41。

第一收集器41的载氧体依靠重力作用进入第一变压送料器244，第一变压送料器244中载氧体料位到达设定高度后关闭第一阀门51。

第一变压送料器244进行泄压，压力降低至常压后向第一变压送料器244通入300-650℃(如500℃)的贫氧空气吹扫水蒸气并进行加压，当变压送料器24压力比高压吸氧反应器11高10-50kpa(如20kpa)后，打开第二阀门52，温度降低至490-890℃(如780℃)的贫氧载氧体依靠自身重力从高压吸氧反应器11上端的高压吸氧反应器第一入口111进入高压吸氧反应器11。

第一变压送料器244卸料后，关闭第二阀门52并进行泄压操作，压力将至常压打开第一阀门51进行装料。

进入高压吸氧反应器11的高温富氧载氧体(cuo)在3-5mpa(如4mpa)的压力下与贫氧空气发生反应并放出热量，产生500-900℃(如850℃)的微氧载氧体，贫氧空气失去氧气转化为500-900℃(如850℃)的高浓度氮气。吸氧反应的方程式如下所示，

500-900℃(如850℃)的氮气由高压吸氧反应器11下部的高压吸氧反应器第一出口113引出进入气涡轮机12，利用氮气的高温高压做功发电，压力降低至0.1-0.5mpa(如0.2mpa)，温度降低至300-700℃(如600℃)经第一预热设备第二入口132进入第一预热设备13加热空气，温度降低至50℃以下进行收集处理，氮气纯度高于99％。

500-900℃(如850℃)的微氧载氧体根据第一上升缓存罐61中载氧体的提升速度依靠自身重力经高压吸氧反应器第二出口114依次进入第一缓冲罐71，然后进入第一上升缓存罐61完成载氧体的一个循环。

综上所述，本申请提供的化学链空气分离系统100分别采用高压、中压、低压反应器完成载氧体在高压差条件下的循环，利用高压低温条件下吸氧反应的不可逆性，同时制取高纯度的氧气和氮气，提高了化学链空气分离技术的效率和经济性能。其运行方法简单，操作便捷。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，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。