CN102502512A - 一种为炉窑富氧助燃提供稳定流量和纯度的富氧气体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明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富氧气体的方法。本发明首先对原有膜分离装置加以改进，即对膜分离器进行分组，并加装了可以隔离至少一部分膜面积的控制阀门，并加装一套换热器，对进气温度补偿。本发明将因环境温度变化导致的富氧空气的流量、氧纯度产生的变化、波动，消除或者减轻到符合富氧助燃要求的范围内：运行环境温度低时，采用进气温度补偿措施，运行环境温度高时，调节流通量及隔离部分膜面积，来实现稳定的原料气温度和流量，最终保证分离系统出口的富氧空气的流量与纯度的稳定。本发明采用简单的隔离措施，以及充分回收废气热能的方法，增强系统的稳定性，提高系统总效率。

Description

一种为炉窑富氧助燃提供稳定流量和纯度的富氧气体的方法

技术领域

本发明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富氧气体（氧化剂）的方法。

背景技术

富氧，已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领域；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，并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。可见，富氧技术涉及石化、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广泛领域。

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，且运行费用较高等不足；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，因而难以为工业客户所接受，仅在一些特殊场合采用。

膜法富氧技术是自上世纪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，在膜两侧形成压力差或者压力比，使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，该方法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α(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，分离材料的本征性能、动力设备的能力即已确定，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会有所不同，甚至同一地点因季节的变化引起环境温度的差异。因此，为炉窑富氧助燃提供氧气的膜分离系统会因不同地点、不同季节的被分离空气温度的变化而导致分离出来的富氧空气的流量、氧纯度产生巨大的波动。由于膜分离提供富氧空气系统的流量、氧气纯度的稳定直接决定了富氧助燃过程的效果，所以，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

本发明的目的在于提出一种以膜法富氧技术为基础，可稳定流量与纯度的富氧气体的产生方法，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1所示。当夏季或环境温度较高的时候，富氧膜（亦称分离膜）通量随温度升高而增大。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增大而减小，从而造成富氧产品气中氧浓度下降以致影响后段富氧气体的使用。本发明采用的分离方法有别于现有技术的简单膜分离过程，采用了可隔离膜分离器内膜分离面积以稳定膜分离过程，即当环境温度升高可根据需要减少用于空气分离的富氧膜组件数量，如此即可稳定富氧产品（氧化剂）气流量和纯度。

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。

综上 所述，通过改变富氧膜组件数量和对原料空气预热处理相结合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；

基于上述的可稳定流量与纯度的氧化剂的供给方法，本发明提供了相应的膜分离装置和处理流程。

本发明提供的膜分离装置，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1所示，包括：空气过滤器AF01，升压设备AB01，N个膜分离器M01~M0N，真空设备AB02；其中，每个膜分离器M0i中，i=1，2，…，N，分别设有一个分离膜，该分离膜至少有一高压侧和一低压侧，在高压侧设有一空气入口A0，低压侧设有一渗透气出口A2，上方设有一废气排放口（滞留气出口）；空气过滤器AF01与升压设备AB01通过管道连接；升压设备AB01通过管道（该管道上设有控制阀门TE01）再分别与N个膜分离器M01~M0N的空气入口A0连接；N个膜分离器M01~M0N的渗透气出口A2分别通过管道与真空设备AB02连接。真空设备AB02通过管道与需富氧助燃的炉窑连接，为炉窑富氧助燃提供氧化剂，即由膜分离装置获得的富氧产品气。本发明改进之处在于，至少在一个膜分离器（图2中为膜分离器M0N）的空气入口A0处设置一控制阀门（图中为V0n1），在渗透气出口A2 处另一设置阀门（图中为V0n2）。

进一步， 在升压设备AB01后的管道上设置第一换热器TC01，该第一换热器TC01两端的管道上分别设置调节阀门V00A、V00B；在真空设备AB02之后设置第二换热器TC02，第一换热器TC01与第二换热器TC02有管道连通。其结构如图2、图3所示。窑炉烟道气或其它廉价热源通过管道进入第二换热器，经换热后进入第一换热器TC01，对原料空气进行预加热。

原料空气经过空气过滤器AF01过滤掉灰尘等杂质，AF01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。

过滤后的空气经升压设备AB01升压，AB01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。

经过滤、升压后的空气经膜分离器M01~M0N的入口A0进入膜分离器的高压侧（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气出口A1被排除出膜分离器。膜分离器M01~M0N可以是板式膜、卷式膜或中空纤维膜等；低压侧由真空设备AB02提供动力，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。

当需要改变膜组件数量或需要调节原料空气温度时，可通过调节阀门V00A，V00B，V0n1，V0n2开度来实现；阀门V00A，V00B，V0n1，V0n2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。

当需要对原料空气进行预热处理时，过滤后的原料空气经第一换热器TC01调节到适宜温度后升压；富氧气体进入窑炉助燃前可经过第二换热器TC02升高温度；其中温度参数可由第一换热器TE01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TE01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，如附图1所示，释义如下：

如附图1所示，薄膜分离器M01~M0N均是一种3口薄膜分离器，即每个薄膜分离器至少由1个原料气入口A0，1个滞留气出口A1， 1个渗透气出口A2，膜分离器中的膜分离材料至少分成两侧，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1所示，现有技术以膜法富氧技术为炉窑富氧助燃提供氧化剂（富氧气体）的过程，其中，气体经过AF01过滤掉灰尘等杂质后经AB01升压后自膜分离器的A0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A1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，在采用不同的分离机制时，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，AB01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1～10KPa，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AB01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，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（如3-5），即可，如膜的正压侧压力为2～5KPa的风压，绝压为大气压（101.325KPa）+(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≌4倍，可获得约30%的富氧纯度，显然，在这个过程中，AB01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，AB02提供的约25kpa绝压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AB01升压，其作用则不仅为了克服膜分离器M01~M0N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AB01升压到合适的压力，保持分离所需的压力比后，省略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（101.325KPa）+(400～1300KPa)，而负压侧或者渗透侧则仅需保持大气压排放（相当于0KPa表压的真空度），这样，分离压力比为【101.325+(300～1300KPa)】/101.325≌4～14倍，可获得约30～60%的富氧纯度。显然，在这个过程中，AB01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，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比，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AB01进入膜分离器M01~M0N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AB01进入膜分离器M01~M0N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。

如附图1，参照上述，本专业的技术人员会了解，原料气经AB01进入M01~M0N分离出的废气自A1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AB01的风量、风压，AB02的风量、风压，也选型确定了膜分离器M01~M0N，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：

1、 环境温度升高时，进入膜分离器的流体温度升高，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，进入膜分离器的流体温度下降，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，分离系数将有所增加，但更重要的是，因为渗透量的减小，将直接导致设置的真空泵AB02的抽速过大，直至超过预定的分离压力比，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是下降趋势。

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；

正是为了解决上述问题，本发明提出了可稳定流量与纯度的富氧气体的产生方法与装置。

如附图2，本发明对膜分离器进行了分组，并加装了可以隔离至少一部分膜面积（不严密）的阀门Vn01、Vn02，当环境温度变化时，通过监测真空泵连接的渗透侧绝压、氧气纯度与流量，调节阀门Vn01、Vn02，直至隔离该部分膜面积，将因为温度变化导致纯度与流量的波动消除或者减轻到符合富氧助燃要求的范围内。

如附图3，是一套加装了进气温度补偿，膜分离器进行了分组，并加装了可以隔离至少一部分膜面积的阀门Vn01、Vn02的膜分离系统，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，AB01的风量、风压，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：

（1）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）当运行环境温度低时，如在冬天运行，气体经过滤后，可分两路送入升压设备AB01，一路直接自V00A送入，另外一路自V00B送入换热器TC01进行热交换后送入。两个旁路分别以V00A、V00B两个调节阀门调节流量，通过接收TE01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AB01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℃，可通过减少V00A的流通量，加大V00B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，首先以逆流方向预热富氧再以逆流方向预热原料空气；

（5）当运行环境温度高时，如在夏天运行，温度升至40℃，可通过监测真空泵连接的渗透侧绝压、氧气纯度与流量，隔离至少一部分膜面积来实施调节。如根据需要调节V00A、V00B直至关闭V00B，并调节V0n1、V0n2的流通量隔离该部分膜面积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。

与现有技术不同，通过对膜分离器进行了分组并加装了可以隔离至少一部分膜面积的阀门V0n1、V0n2，加装优选但非必要的对原料空气的温度稳定系统，本发明的方法可以连续稳定的以膜分离方法获取富氧空气，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，本发明的方法采用简单的隔离措施，以及充分回收废气热能的方法，以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；

本发明优先应用于空气组分膜分离过程为炉窑富氧助燃提供氧化剂，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3所示，一个完整的膜分离装置，它包括：

1、 至少一个空气过滤器AF01；

2、 至少两个并联流通回路连接在AF01之后，其中，一路仅由V00A与必要的连接管道组成，另一路，由V00B串接热交换器TC01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AB01；

3、 至少一个升压设备AB01，用以将原料气升压到一定的压力或者将该升压设备放置在膜分离器之后用以排除废气；

4、 一个温度监测设备TE01，用以监测原料气温度，包括以此温度反馈进行控制V00A，V00B开度的控制与执行机构；

5、 至少一组膜分离器，它们以并联连接，并且至少隔离了一部分膜面积（如M0n）；

6、 至少一组用以调节、隔离膜面积M0n的阀门V0n1、V0n2；

7、 抽空设备AB02；

8、 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；

9、 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：

α(阿尔法)值，氧氮分离系数=（Q_N2/Q_O2）

式中Q_N2和Q_O2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。

附图说明

图1，以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。

图2，将膜分离器分组并加以隔离至少一部分膜面积的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，带原料空气预热措施，将膜分离器分组并加以隔离至少一部分膜分离面积的膜法富氧技术为炉窑富氧助燃提供氧化剂的装置图示。

具体实施方式

实施例 1

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，可由市售获得，其分离器采用的氧氮分离膜材料，在25℃条件下的分离系数为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，单组件分离器总共采用了1381 m²膜材料，本案设计选择了一套25℃下21352.9 Nm³/hr抽速的真空泵，在20℃条件下取得了29.94%纯度的富氧4974 Nm³/hr，满足设计要求：

设计环境温度	20.0	℃
			环境湿度	70.0%
运行地海拔	100.0	m
			运行地大气压	100.1	KPa
氧气渗透量	4.796	Nm3/hr·bar·m2
			氮气渗透量	2.297	Nm3/hr·bar·m2
分离系数	2.088
			空氧比	10.0
组件膜面积	1381	m2
			设计分离压力（绝压）	25	KPa
渗透侧流量（富氧）	4974	Nm3/hr.
			输出压力要求	1.0	KPa
总压差	76.10	KPa
			实际运行地泵抽速	21352.9	m3/hr.
分离压力比	4.3
			富氧纯度	29.94%

实际运行时，真空泵与分离器不变的条件下，当环境温度达42℃条件时，如果不隔离部分膜面积，因为温度升高，膜的渗透量大幅上升，并因此导致真空泵抽速不足以达成分离所需压力比，分离压力比下降至3.6，富氧纯度下降至28.37%，不能满足原设计要求：

环境温度	42.0	℃
			环境湿度	70.0%
运行地海拔	100.0	m
			运行地大气压	100.1	KPa
氧气渗透量	5.993	Nm3/hr·bar·m2
			氮气渗透量	3.099	Nm3/hr·bar·m2
分离系数	1.934
			空氧比	10.0
组件膜面积	1381	m2
			分离压力（绝压）	27.96	KPa
渗透侧流量（富氧）	5973	Nm3/hr.
			输出压力要求	1.0	KPa
总压差	73.17	KPa
			实际运行地泵抽速	21352.9	m3/hr.
分离压力比	3.6
			富氧纯度	28.37%

由上述可见，环境温度的变化导致了富氧流量5973-4974=999 Nm³/hr的增加，幅度达20%，这对系统运行的影响巨大，在这种极端天气条件将因为膜法富氧系统提供的氧化剂流量的巨大变化而严重影响助燃效果。

采用如附图2所示的工艺方法，与分离器厂家进行了联系，要求该公司针对本案定制一个大型板式膜分离器，分离的膜面积分成两部分，一部分为不带隔离阀的分离面积部分，另一部分则安装了隔离阀的膜面积部分，隔离部分的膜面积为300m²，如下述，在环境温度达42℃条件下，采取关闭阀门V0n1,V0n2以隔离该部分膜分离材料，减少膜面积，取得了4996 Nm³/hr. 富氧纯度29%的效果，满足了原设计要求：

环境温度	42.0	℃
			环境湿度	70.0%
运行地海拔	100.0	m
			运行地大气压	100.1	KPa
氧气渗透量	5.993	Nm3/hr·bar·m2
			氮气渗透量	3.099	Nm3/hr·bar·m2
分离系数	1.934
			空氧比	10.0
组件膜面积	1081	m2
			被隔离的组件膜面积	300	m2
总膜面积	1381	m2
			分离压力（绝压）	23.2	KPa
渗透侧流量（富氧）	4996	Nm3/hr.
			输出压力要求	1.0	KPa
总压差	77.95	KPa
			实际运行地泵抽速	21352.9	m3/hr.
分离压力比	4.3
			富氧纯度	29%

上面所描述的实施方法仅阐述本发明的一些重要特征，本专业的技术人员应该知道，尽管本发明结合附图进行了部分描述，但这仅仅是本发明的一个应用实例或者一种方法，一切不违反本发明阐述的实质的其它变化也属于本发明的范畴。

Claims (2)

1.一种为炉窑富氧助燃提供稳定流量和纯度的富氧气体的方法，其特征在于，首先对原有的用于制备富氧产品气的膜分离装置加以改进，原有的膜分离装置包括：空气过滤器AF01，升压设备AB01，N个膜分离器M01~M0N，真空设备AB02；其中，每个膜分离器M0i中，i=1，2，…，N，分别设有一个分离膜，该分离膜至少有一高压侧和一低压侧，在高压侧设有一空气入口A0，低压侧设有一渗透气出口A2，上方设有一废气排放口；空气过滤器AF01与升压设备AB01通过管道连接；升压设备AB01通过连接管道再分别与N个膜分离器M01~M0N的空气入口A0连接，该连接管道上设有控制阀门TE01；N个膜分离器M01~M0N的渗透气出口A2分别通过管道与真空设备AB02连接；真空设备AB02通过管道与需富氧助燃的炉窑连接，为炉窑富氧助燃提供氧化剂，即由膜分离装置获得的富氧产品气；

将N个膜分离器M01~M0N分组，至少在一个膜分离器的空气入口A0处设置一控制阀门V0n1，在渗透气出口A2 处另一设置阀门V0n2；

当环境温度变化时，通过监测真空泵连接的渗透侧绝压、氧气纯度与流量，调节阀门Vn01、Vn02，直至隔离该部分膜面积，将因为温度变化导致纯度与流量的波动消除或者减轻到符合富氧助燃要求的范围内。

2.根据权利要求1所述的为炉窑富氧助燃提供稳定流量和纯度的富氧气体的方法，其特征在于，进一步在升压设备AB01后的管道上设置第一换热器TC01，该第一换热器TC01两端的管道上分别设置调节阀门V00A、V00B；在真空设备AB02之后设置第二换热器TC02，第一换热器TC01与第二换热器TC02有管道连通；窑炉烟道气或其它廉价热源通过管道进入第二换热器，经换热后进入第一换热器TC01，对原料空气进行预加热；在其它分离条件都不变的情况下，将因环境温度变化导致的富氧空气的流量、氧纯度产生的变化、波动，消除或者减轻到符合富氧助燃要求的范围内：

（1）当运行环境温度低时，原料空气经过滤器AF01过滤后，分两路送入升压设备AB01：一路直接自V00A送入，另外一路自V00B送入第一换热器TC01进行热交换后送入；两个旁路分别以V00A、V00B两个调节阀门调节流量，通过接收第一换热器TE01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AB01的气体温度趋于稳定；

（2）同时，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以第二换热器TC02交换炉窑废气热能以预热富氧；

（3）当运行环境温度高时，通过监测真空设备AB02连接的渗透侧绝压、氧气纯度与流量，隔离至少一部分膜面积来实施调节；如调节V00A、V00B的开放度，直至关闭V00B，并调节V0n1、V0n2的流通量隔离该部分膜面积，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。

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