专利名称：一种为炉窑富氧助燃提供稳定流量和纯度的氧化剂的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于空气分离技术领域，具体涉及一种采用膜法富氧技术为炉窑富氧助燃提供氧化剂的装置。
背景技术：
富氧，广泛应用于各种燃油、燃气、燃煤窑炉(玻璃、水泥、陶瓷)、各种锅炉、加热炉、焚烧炉、热媒炉、热风炉、冶炼炉、航空发动机、船舶发动机等助燃节能与环保；催化裂化、脱硫、废水处理、发动机增效、富氧造(煤)气、各种氧化反应、发酵等领域也应用富氧技术取得了较好的经济效益；另外，富氧也大量的应用于医疗保健、大型富氧通风、高原增氧、水产养殖等方面，涉及石化、化工、医药、轻工、电力、建材、冶金、煤炭、交通运输、水产养殖和国防军事等领域。 空气中含有大约21%的氧气和78%的氮气，在以空气为原料提取富氧的方法中，工业上最广泛采用的方法是深冷精馏法和变压吸附法，但这两种方法构建的富氧系统均存在投资大，耗能高，技术复杂，需专人操作，且运行费用较高；此外，还有诸如电解法、化学法等氧气分离方法，但因其以消耗水、消耗化学品原料来实现氧气分离，存在原料获取不易、能源消耗高、制造成本高、使用成本高等方面的弊端，为工业客户所不能接受，仅在一些特殊场合米用。膜法富氧技术是自70年代末逐渐发展起来的一种新分离方法，它利用有机高分子致密薄膜对氮、氧的选择透过性差异，当在膜两侧存在压力差或者压力比时，混合气体中渗透速率快的气体如水蒸汽、氢气、氦气、氧气、二氧化碳等透过膜后在膜的低压侧富集成为富氧空气(视膜材料的氧氮分离系数不同，单级分离可获得纯度约为23-60%的富氧)，而渗透速率相对慢的气体如氮气、氩气、甲烷和一氧化碳等在膜的滞留侧被富集为贫氧(或富氮)空气，膜分离方法为富氧提取开辟了一条新途径，因它在分离浓缩的全过程中不存在相变，常温分离，尤其以板式膜构建的负压流程分离系统，具有设备简单、制造成本低、能源消耗小、产量可调节、启动迅速、操作简便、系统静态运行、可靠性高等突出优点，是一种经济的分离方法，目前，采用膜分离方法制取富氧已广泛应用于富氧助燃、富氧通风、水处理等领域，尤其针对玻璃、冶金、水泥回转窑、工业锅炉等等热能工程领域的富氧助燃，因膜分离方法具有的一系列优点，可为各用能单位提供一种相对廉价、灵活的现场供气方法而被广泛采用。随着膜分离材料的研究开发以及流程工艺的突破，应用于空气分离的有机膜分离材料其氧氮分离的a (阿尔法)值大都在2 7之间，可以直接自空气中获得大约60%以下纯度的氧气，采用多级膜分离过程的系统可以获得纯度甚至大于90%的氧气，单就空气组分膜分离制氧过程来说，一旦选型确定了膜分离材料、膜材料的分离面积以及动力设备之后，因分离材料的本征性能已确定，动力设备的能力已确定，膜分离过程自空气中获得的氧气组分与流量的稳定性主要与被分离的进料空气的温度有关。针对一个有可能应用于各种环境温度条件下的富氧助燃系统，不同安装应用场合的环境温度不同，甚至同一地点因春夏秋冬的环境温度不同，为炉窑富氧助燃提供氧气的膜分离系统因被不同地点、不同季节的被分离空气温度变化将导致分离出来的富氧空气的流量、氧纯度产生巨大的变化。而显然，膜分离提供富氧空气的氧气系统的流量、纯度的稳定直接决定了富氧助燃过程的效果，从某种意义上说，如果不能解决稳定的氧化剂提供方法，以这种分离方法的富氧助燃系统的应用将受到严重的制约。
发明内容本实用新型的目的在于提出一种以膜法富氧技术为基础，产生稳定流量与纯度的富氧气体的装置，以便应对环境温度变化，为炉窑富氧助燃提供流量与纯度稳定的氧化剂(富氧气体)。通常的膜法富氧技术为炉窑富氧助燃提供流量与纯度稳定的氧化剂(富氧气体)的装置如图3所示。当冬季或环境温度较低的时候，富氧膜通量随温度降低而减小。对于 通常使用额定功率的真空泵的膜分离工艺过程，富氧膜两侧的压差将随膜通量的减小而增大，这样富氧产品气中氧浓度会上升但是富氧产品气流量会大幅下降以致影响后段富氧气体的使用。本发明采用窑炉烟道气或其它廉价热源对原料空气进行预热处理，经过温度调节使膜材料在较适宜的温度下分离空气，从而得到稳定流量和纯度的富氧产品气。本实用新型采用的分离方法有别于现有技术的简单膜分离过程，通过回收使用低品位热源对原料空气预热处理的方法可以有效的避免膜分离过程因应用环境温度变化而导致采用膜分离制取的富氧组分与流量的波动，从而使得以膜分离系统在较低制造成本为炉窑富氧助燃提供稳定氧化剂进行富氧助燃，是一种简单易行、非常适合炉窑富氧助燃过程所需的氧化剂供给方法；同时，通过回收使用低品位热源对富氧产品气进行加热处理减少了富氧气体进入窑炉后升温所需的热能，对富氧气体的助燃效果起到了促进作用。基于上述的可稳定流量与纯度的氧化剂的方法，本实用新型提供相应的膜分离装置。该膜分离装置，是对原有的用于制备富氧产品气的膜分离装置加以改进而获得。原有的用于制备富氧产品气的膜分离装置，其结构如图3所示，包括一种薄膜分离器M01，空气过滤器AFOI，升压设备ABOI，真空设备AB02 ;每个薄膜分离器至少有一个原料气入口 AO，一个滞留气出口 Al，一个渗透气出口 A2 ;膜分离器中的膜分离材料(即分离膜)至少分成了两侧，一侧为正压侧，一侧为负压侧，正压侧也即膜分离器的原料气侧，也称为高压侧、滞留气侧，负压侧也即膜分离器的渗透气侧，也称为低压侧、负压侧；空气过滤器AF01、升压设备ABOl通过管道依次连接后与薄膜分离器MOl的原料气入口 AO连接；真空设备AB02通过管道与薄膜分离器MOl的渗透气出口 A2连接；本装置的改进之处在于，在空气过滤器AFOl与升压设备ABOl之间增设第一换热器TC01，并在空气过滤器AFOl与第一换热器TCOl之间设置控制阀V02，在空气过滤器AFOl与升压设备ABOl之间设置控制阀V01，在升压设备ABOl与薄膜分离器MOl的原料气入口 AO之间设置温度监测仪TEOl ;在真空设备AB02之后设置第二换热器TC02。第一换热器TCOl通过引入低品位热能，预热原料空气；第二换热器TC02通过引入低品位热能，加热渗透气(即分离得的富氧气体)，作为氧化剂送入炉窑助燃。具体见图I所示。本装置中，还可将第二换热器TC02和第一换热器TCOl连接，通过引入炉窑烟道热气(废气)分别对渗透气(即分离得的富氧气体)和原料空气加热。具体见图2所示。[0011]本装置中，原料空气经过空气过滤器AFOl过滤掉灰尘等杂质，AFOl可以是各种形式的过滤器，包括纤维形式、滤料形式、袋式过滤，优选采用可自清洁形式或者各种组合形式的过滤器，用于过滤、清洁进入膜分离器的原料空气，保证膜分离器对原料空气的清洁度要求。过滤后的原料空气分为两部分，一部分经阀门VOl直接进气，一部分经阀门V02进入换热器TCOl升高温度后与前部分气体混合；当需要调节原料空气温度时，可通过调节V0UV02开度来实现；V01、V02可以是各种形式的阀门，如各种手动、自动控制、调节的截止阀、蝶阀、闸阀等，优选采用各种形式的程控调节阀，可以是气动的、电动的、液动的，用于切换、调节待分离空气进入膜分离器之前的流体分配，其中，如果是程控调节阀门，它们可根据预先设定的逻辑开启或关闭以及按照监测的温度进行流量、纯度控制调节，这些阀门可以是气动控制的，也可以是电动、液压控制的自动阀。 过滤并调温后的空气经升压设备ABOl升压，升压设备ABOl可以是各种形式的压缩设备，如活塞式、离心式、螺杆、涡旋、罗茨、液环等等压缩形式，将气体升压到适当的压力。过滤后的空气经后自膜分离器MOl的AO入口进入膜分离器的正压侧，在膜分离器内，气体经过膜分离后一部分渗透到低压侧、渗透侧富集成富氧自A2输出，另外一部分富集了难以渗透的贫氧富氮气体则自滞留侧出口 Al被排除出膜分离器，MOl可以是板式膜，卷式膜，中空纤维膜；低压侧由真空设备AB02提供动力，真空设备AB02可以是各种形式的如活塞式、离心式、螺杆、涡旋、罗茨、液环等，将膜分离器负压侧减压至分离器所需的分离压力并克服后续流体输送的阻力。自真空设备AB02输出富氧气体进入窑炉助燃前可经过换热器TC02升高温度；其中温度参数可由温度监测仪TEOl实施监控；换热器TC01、换热器TC02可以是各种形式的换热器，如列管式，板翅式等；换热器TEOl用于监测进入膜分离器的气体温度，可安装在一切可以实时反映进入膜分离器的气体温度的任意位置，可以是电阻式、热电偶温度传感或温度监测调节设备。为方便解释膜分离过程的膜分离器与膜分离制氧过程，释义如下如附图3所示，的MOl是一种3 口薄膜分离器，每个薄膜分离器至少由I个原料气入口 A0，I个滞留气出口 Al，I个渗透气出口 A2组成，膜分离器中的膜分离材料至少分成了两侧，一侧为正压侧，一侧为负压侧，正压侧也即膜分离器的原料气侧，也称为高压侧、滞留气侧，负压侧也即膜分离器的渗透气侧，也称为低压侧、负压侧。如附图3所示是现有技术的膜分离制取富氧空气的过程，其中，气体经过AFOl过滤掉灰尘等杂质后经升压设备ABOl升压后自膜分离器的原料气入口 AO进入膜分离器的正压侧，在膜分离器内，气体经过膜分离后一部分渗透到低压侧、渗透侧富集成富氧自渗透气出口 A2输出，另外一部分富集了难以渗透的贫氧富氮气体则自滞留侧出口 Al被排除出膜分离器。针对自空气中分离富氧的膜分离过程，一般的，膜分离制取氧气的纯度与膜分离材料的氧氮分离系数(称为阿尔法值)、气体通过膜分离器正压侧与负压侧的绝对压力比(称为分离压力比)以及原料气和富氧产品气之比(称为空氧比)有关，氧氮分离系数越高，意味着可在更低的分离压力比以及更小的空氧比下分离出更高纯度的富氧气体，针对相同的膜分离材料，分离压力比越高，可以获得更高纯度的富氧，空氧比越大，可以获得更高纯度的富氧，而另一方面，膜分离制取富氧的流量即膜分离材料的渗透量，主要与原料气体的温度以及压力有关，针对相同的膜分离材料，分离温度越高，渗透量越大，分离压力越高，渗透量越大。因此，在采用不同的分离制度时，会有不同的分离机制，设置的动力设备的目的也不同，如采用卷式或板式的分离器进行的膜分离过程中，升压设备ABOl主要以满足提供新鲜空气为主要目的，克服流体输送的阻力，典型的，采用卷式膜分离器，升压I lOKPa，优选的，建立2 5KPa的风压以克服卷式膜本身具有的气体流通阻力，而采用板式膜，甚至仅需建立数十到几百帕的风压，更有将升压设备ABOl放置在板式膜之后作为废气排放风机的做法，目的也仅仅是为了克服原料空气进入膜分离器的阻力以不断的提供新鲜空气的目的。同时，真空设备AB02则主要以满足分离所需的压力比为主要目的，即建立起膜两侧的分离压力比为3 10，更典型的，在采用分离材料的阿尔法值在2 3的膜分离材料做成的卷式膜、板式膜，在所需富氧纯度为30%左右时，约需建立起膜两侧的分离压力比为4左右，即，如膜的正压侧压力为2 5KPa的风压，绝压为大气压(101. 325 KPa)+ (2 5KPa)， 则负压侧应建立大约25kpa (相当于_75KPa表压的真空度)的绝压，这样，分离压力比为101. 325+(2 5KPa)/25 2 4倍，可获得约30%的富氧纯度，显然，在这个过程中，升压设备ABOl为保持分离压力比为4左右提供新鲜空气的风压对分离压力比贡献有限，仅以满足输送所需克服的阻力为主，真空设备AB02提供的约25kpa的真空动力才是满足分离压力比的主要动力源。而在另一类以中空纤维膜进行氧氮分离的过程中，典型的，如采用升压设备ABOl升压，其作用则不仅为了克服膜分离器MOl的阻力，更重要的是为了获得分离所需的绝压，提高膜两侧的分离压力比，通常的做法会仅以升压设备ABOl升压到合适的压力，保持分离所需的压力比后，省略真空设备AB02，典型的，在采用分离材料的阿尔法值在5 7的膜分离材料做成的中空纤维膜分离器进行分离时，在所需富氧纯度为30 60%左右时，约需建立起膜两侧的分离压力比为4以上，即，如膜的正压侧压力为300 1300KPa的压力，绝压为大气压(101. 325 KPa)+(400 1300KPa)，而负压侧或者渗透侧则仅需保持大气压排放(相当于0 KPa表压的真空度)，这样，分离压力比为101. 325+(300 1300KPa)/101. 325 2 4 14倍，可获得约30 60%的富氧纯度，显然，在这个过程中，升压设备ABOl为保持分离压力比为4 14倍左右提供新鲜空气，并对保持分离过程的分离压力比起决定性的作用，不仅以满足输送所需克服的阻力为主，在满足分离所需的绝对压力比之后，真空设备AB02则因仅需维持常压而无需设置。同时，无论采用哪种膜分离器形式，一个膜分离制氧过程都需要满足适当的空氧t匕，以避免浓差极化现象，通俗的说即是需要时刻满足分离所需的新鲜空气，风量视分离材料的阿尔法值以及所需的富氧纯度要求，典型的，如以阿尔法值2 3的膜分离材料做成的卷式膜、板式膜，为了获得30%左右的富氧，典型的，经升压设备ABOl进入膜分离器MOl所需的风量大约为富氧空气流量的8 20倍，更典型的，为所需富氧流量的10 15倍，又如中空纤维膜，典型的，如以阿尔法值5 7的膜分离材料做成的中空纤维膜，为了获得30%左右的富氧，典型的，经升压设备ABOl进入膜分离器MOl所需的风量大约为富氧空气流量的2 5倍，更典型的，为所需富氧流量的2. 5倍，需要的纯度越高，在其他条件不变时空氧比要求越大。[0022]如附图3，参照上述，本专业的技术人员会了解，原料气经升压设备ABOl进入膜分离器MOl分离出的废气自Al排除，富氧经AB02收集送入用气点，为了获得稳定的氧气纯度、氧气流量，这一过程中因选型确定了升压设备ABOl的风量、风压，AB02的风量、风压，也选型确定了膜分离器M01，其分离材料的氧氮分离系数以及分离面积均已确定，当应用环境温度变化时，将按照下述趋势发生变化I、 环境温度升高时，进入膜分离器的温度升高，针对确定面积与材料本证特性的膜分离器其渗透量将加大，同时，分离温度的升高，还将导致分离系数的下降，更为重要的是，因为渗透量的加大，将直接导致设置的真空泵AB02的抽速不能满足抽取到预定的分离压力，这都将导致分离出来的富氧纯度的降低，同时，分离出来的富氧流量将上升；2、 环境温度下降时，进入膜分离器的温度下降，针对确定面积与材料本征特性的膜分离器其渗透量将减小，同时，分离温度的下降，分离系数将增加，但更为重要的是，因为渗透量的减小，将直接导致设置的真空设备AB02的抽速过大，直至超过预定的分离压 力，前述这些都将导致分离出来的富氧纯度的上升，但同时，分离出来的总富氧流量将下降。以上，因为环境温度的改变将直接导致为富氧助燃系统提供氧化剂的膜分离系统制取的富氧流量与纯度均产生大幅的波动，不利于进行富氧助燃。本实用新型正是为了解决上述问题，提出了一套加装了进气温度补偿的膜分离系统，如附图I所示，因原料气进入时可通过换热器交换炉窑燃烧产生的废气等低品位热能而获得稳定的原料气分离温度，在其它分离条件都不变的情况下，如典型的，升压设备ABOl的风量、风压，真空设备AB02的抽速、真空度，膜分离器的分离材料确定以及分离面积确定，在前面这些条件都确定的条件下，本发明可避免膜分离系统因环境温度变化(不同安装应用场合的环境温度不同，甚至同一地点因春夏秋冬的环境温度不同)导致的富氧空气的流量、氧纯度产生巨大的变化，将这种变化消除或者减轻到符合富氧助燃要求的范围内I、原料空气经过滤器AF01，将气体中含有的灰尘等微粒性杂质截留后进入后级分离系统，该过滤器如公知技术所描述的一样，可以是任意形式的过滤器，包括可以采用复合方法、自清洁形式的过滤器；2、气体经过滤后，可分两路送入升压设备AB01，一路直接自VOl送入，另外一路自V02送入换热器TCOl进行热交换后送入，两个旁路分别以调节阀V01、V02调节流量，通过接收TEOl监测的温度反馈进行调节，以稳定进入膜分离器的气体温度，维持进入升压设备ABOl的气体温度趋于稳定，典型的，当运行环境温度低，如在冬天运行，温度降至_20°C，可通过减少调节阀VOl的流通量，加大调节阀V02的流通量将空气预热来实现稳定的原料气温度，最终保证分离系统出口的富氧空气的流量与纯度的稳定；3、同时，优选但非必要的进行一次富氧空气预热，自真空设备AB02出口输出的富氧空气优先以换热器TC02交换炉窑废气等低品位热能以预热富氧；4、并且，在一个典型的采用低品位热能的利用方式上，优选交换窑炉烟囱排出的废气热能，并且，如附图2，首先以逆流方向预热富氧再以逆流方向预热原料空气。与现有技术不同，通过对原料空气的温度稳定系统，本发明可以连续稳定的以膜分离方法获取富氧气体，其纯度、流量相对现有技术在环境温度变化时较为稳定，而且，本发明的方法充分回收了废气热能，以简单的方法、相对廉价的建造成本与运行成本解决了以膜分离方 法提供富氧燃烧所需氧化剂的关键技术问题，不仅增强了系统的稳定性，也提高了系统总效率。本实用新型优先应用于空气组分膜分离过程为富氧燃烧提供氧化剂，但是所公开的基本原则可用于很多其它的分离场合。通过本发明的方法可以实现分离的典型实例包括氧气/氮气的分离、气体干燥、二氧化碳/甲烷的分离、二氧化碳/氮气的分离、氢气/氮气的分离和烯烃/烷烃的分离。如附图I所示，一个完整的膜分离过程示意图，它至少包括I、至少一个过滤器AFOl ;2、至少两个串联在AFOl之后的并联流通回路，其中，一路仅由调节阀VOl与必要的连接管道组成，另一路，由调节阀V02串接热交换器TCOl与必要的连接管道组成，两个旁路汇集并串联连接升压设备ABOl ；3、至少一个升压设备AB01，用以将原料气升压到一定的压力；4、 至少一个温度监测设备TE01，用以监测原料气温度，优选但非必要包括以此温度反馈进行控制VOl，V02开度的控制与执行机构；5、至少一组膜分离器M01，它们可以并联连接或者串联连接；6、升压设备 AB02 ;7、优选但非必要的换热器TC02，用于交换废气热能预热富氧空气；8、如公知技术，系统还需包含必要的控制组件，以使的系统动力设备能够运行，控制阀门能够按照要求进行切换等。本文所说的分离系数，如氧氮分离系数，其一般定义为a (阿尔法)值，氧氮分离系数=(Q N2/Q 02)式中Q N2和Q 02分别为单位时间、压力下纯组分氮气和氧气通过特定膜材料的
渗透量。
图I为利用炉窑低品位热能并以膜法富氧技术为炉窑富氧助燃提供氧化剂的装置图示。图2为利用炉窑烟道气热能并以膜法富氧技术为炉窑富氧助燃提供氧化剂的装置图示。图3为采用膜法富氧技术为炉窑富氧助燃提供氧化剂的装置图示(现有技术)。
具体实施方式
实施例I一个采用Oxylead 板式膜分离器为水泥回转窑富氧助燃提供氧化剂的系统，设计板式膜分离器为单组件富氧流量5000Nm3/hr.，Oxylead 板式膜分离器由上海穂杉实业有限公司生产，可由市售取得，其分离器采用的氧氮分离膜材料的在25°C条件下分离系数约为2. 05，氧气渗透量为5. 068 Nm3/hr. bar. m2，氮气渗透量为2. 479 Nm3/hr. bar. m2,5000Nm3/hr.单组件分离器采用了 1381 m2膜材料，本案设计选择了 20°C下22186 Nm3/hr抽速的真空泵，在25°C条件下取得了 29. 61%纯度的富氧5256. 2 Nm3/hr
权利要求1.一种为炉窑富氧助燃提供稳定流量和纯度的氧化剂的装置，包括ー种膜分离器MOl，空气过滤器AFOl，升压设备ABOl，真空设备AB02 ;每个膜分离器至少有ー个原料气入ロ A0，ー个滞留气出口 Al，ー个渗透气出口 A2 ;膜分离器中的分离膜至少分成两侧，ー侧为正压侧，一侧为负压侧；空气过滤器AF01、升压设备ABOl通过管道依次连接后与薄膜分离器MOl的原料气入口 AO连接；真空设备AB02通过管道与薄膜分离器MOl的渗透气出ロA2连接；其特征在于 在空气过滤器AFOl与升压设备ABOl之间增设第一换热器TCOl，并在空气过滤器AFOl与第一换热器TCOl之间设置调节阀V02，在空气过滤器AFOl与升压设备ABOl之间设置调节阀V01，在升压设备ABOl与薄膜分离器MOl的原料气入ロ AO之间设置温度监测仪TEOl ；在真空设备AB02之后设置第二换热器TC02 ;第一换热器TCOl用于引入低品位热能，预热原料空气；第二换热器TC02用于引入低品位热能，加热渗透气，作为氧化剂送入炉窑助燃。
2.根据权利要求I所述的为炉窑富氧助燃提供稳定流量和纯度的氧化剂的装置，其特征在于第二换热器TC02和第一换热器TCOl连接，用于引入炉窑烟道热气加热渗透气和原料空气。
专利摘要本实用新型属于空气分离技术领域，具体为一种为炉窑富氧助燃提供稳定流量和纯度的氧化剂的装置。该装置包括膜分离器、空气过滤器、升压设备、真空设备等；本实用新型在空气过滤器与升压设备之间增设第一换热器，并设置相应调节阀；在真空设备之后设置第二换热器；换热器通过引入低品位热能，预热原料空气，加热渗透气，在环境温度发生变化、波动时，稳定分离出的富氧气体的流量和纯度，为炉窑富氧助燃提供稳定的氧化剂。本装置充分利用废气热能，可降低建造与运行成本，同时可增强系统的稳定性，提高系统总效率。
文档编号C01B13/02GK202390202SQ201120436109
公开日2012年8月22日 申请日期2011年11月7日 优先权日2011年11月7日
发明者丁艳宾, 张敏, 林峰, 贾吉来, 赵宏炜, 陈如真 申请人:上海奕材环保科技有限公司