CN103043616B - 化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置及方法，属于化学链技术及空气分离制备氧气领域，该装置包括流化床、旋风分离器、固定床、余热锅炉、冷凝器、布袋除尘器和储气柜，流化床连接旋风分离器，旋风分离器底部料腿伸入固定床内部并与固定床连接，固定床连接流化床，旋风分离器连接余热锅炉，余热锅炉连接固定床，余热锅炉连接冷凝器，冷凝器连接流化床，冷凝器连接固定床，冷凝器连接布袋除尘器，布袋除尘器连接储气柜；装置停运后多余蒸汽并入蒸汽管网；将出旋风分离器的贫氧空气与工业烟气通入余热锅炉产生蒸汽，形成循环系统；冷凝器冷却水温度在60~80℃左右，作为余热锅炉补水，实现水资源循环使用。

Description

化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置及方法
技术领域
本发明属于化学链技术及空气分离制备氧气领域，具体涉及一种化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置及方法。
背景技术
氧气是世界上最重要的化学原料之一，广泛应用于化工、冶金、国防、环境保护、医疗等领域。2009年全球氧气的需求量为850亿立方米，位居世界上气体生产量的第二位，约占气体生产市场份额的30%，并以每年约6%的速度增长。空气分离是目前最主要的氧气制备技术包括：低温精馏、变压吸附以及膜分离术，其中低温精馏技术是最常见也是最成熟的空气分离制取氧气和氮气的技术，已有近90年历史。它的优点是产品纯度高、产量高、种类多，氧浓度在99.6%以上，可同时生产高纯氧和高纯氮。缺点是流程复杂、操作繁琐、启动慢、投资大、成本高、能耗高。变压吸附(简称PSA)制氧是最近30年新兴的制氧技术，它的优点是设备启动快，操作简单，可实现自动化，设备制造简单，机组少，占地面积少，气体产量和纯度可调性好等。但生产的氧气纯度最高在90~93%左右，产量低，能耗高。膜分离技术兴起于二十世纪80年代，它的优点是操作简单，可在常温常压下进行生产，但存在氧气纯度低（25~50%左右），膜材料制备难，成本高等缺点。寻求一种高效，能耗低，操作简单，生产氧气纯度高的制氧技术成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置及方法，以达到降低制氧设备的成本、降低制氧过程能耗；制备高纯度的氧气并能够实现不同产量规模的氧气生产的目的。
一种化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置，包括流化床、旋风分离器、固定床、余热锅炉、冷凝器、布袋除尘器和储气柜，其中，流化床排气口连接旋风分离器进气口，旋风分离器底部的料腿伸入固定床内部，并与固定床连接，固定床卸料口连接流化床进料口，旋风分离器排气口连接余热锅炉烟气进口，余热锅炉水蒸气出口连接固定床水蒸气入口，余热锅炉冷凝水进口连接冷凝器冷凝水出口，冷凝器空气出口连接流化床空气进口，冷凝器混合气体进口连接固定床混合气体出口，冷凝器氧气出口连接布袋除尘器氧气进口，布袋除尘器出口连接储气柜进口。
所述的固定床外侧设置有加热保温装置；所述的固定床上端设置有装料口，下端设置有固定床放料口；所述的流化床下端设置有流化床放料口。
所述的流化床进料口与固定床卸料口之间设置有卸料口流量阀；所述的固定床水蒸气入口与余热锅炉水蒸气出口之间设置有水蒸气流量控制阀；冷凝器冷空气进口处设置有空气流量控制阀。
所述的余热锅炉水蒸气出口连入蒸气管网或者带动汽轮机发电。
所述的固定床卸料口与水平面夹角为30°～60°。
化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置，包括流化床、旋风分离器、固定床、余热锅炉、冷凝器、布袋除尘器和储气柜，其中，
固定床：是用于承载载氧体并为载氧体进行脱氧反应提供环境的装置；
流化床：是用于为固定床脱氧后的载氧体进行氧化反应提供环境的装置；
旋风分离器：是用于将流化床排出气体中的贫氧空气和载氧体粒子分离的装置；
冷凝器：是用于对固定床排出的氧气和水蒸气进行冷凝分离，并与冷空气进行热交换的装置；
余热锅炉：是用于为固定床提供水蒸气的装置。
采用化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置制备高纯氧气的方法：包括以下步骤：
步骤1、根据流化床工作温度选择金属氧化物和惰性载体制备载氧体，并选出粒度在100μm～500μm范围内的载氧体，通过固定床装料口将载氧体放置于固定床内；
步骤2、开启固定床加热保温装置，直至固定床内的温度达到载氧体脱氧反应的反应温度；
步骤3、开启固定床的水蒸气流量控制阀，余热锅炉所产生水蒸气通过固定床水蒸气入口进入固定床内，固定床中载氧体发生氧脱氧反应，生成氧气；
步骤4、当固定床中载氧体完全脱氧后，开启固定床卸料口流量阀，脱氧后的载氧体进入流化床内；
步骤5、开启冷凝器的空气流量控制阀，冷空气进入冷凝器中并与固定床释放的氧气和水蒸气进行热交换，水蒸气冷凝成水流入余热锅炉，氧气通过布袋除尘器进入储气柜中储存；
步骤6、换热后的空气通过流化床空气进口进入流化床内，并与脱氧后的载氧体发生氧化反应，生成贫氧空气和再生载氧体；
步骤7、开启旋风分离器，分离流化床释放的贫氧空气和再生载氧体颗粒，再生载氧体颗粒通过旋风分离器料腿返回固定床，即返回执行步骤2；装置运行平稳后，根据化学反应所需量，调节卸料口流量阀、水蒸气流量控制阀和空气流量控制阀；若达到氧气需求量，则停止装置，通过放料口清空流化床和固定床，并将多余的水蒸气排入蒸气管网或带动汽轮机发电。
步骤1所述的根据流化床工作温度选择金属氧化物和惰性载体制备载氧体，
当流化床工作温度在900℃~1300℃时，金属氧化物包括Co3O4、CoO、CuO、Cu2O、Mn2O3、Mn3O4；惰性载体包括Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、MgAl2O4、YSZ；
当流化床工作温度在400℃~900℃时，金属氧化物包括CrO2、Cr2O3、MnO2、Mn2O3、PbO2、Pb3O4、SrO2、SrO；惰性载体包括Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、MgAl2O4、YSZ；
其中，金属氧化物与惰性载体的质量比介于4：6~8：2之间；
所述的制备载氧体的方法包括机械混合法、溶胶-凝胶法、凝胶-凝胶燃烧合成法、柠檬酸法、喷雾干燥法、冷冻成粒法、浸渍法。
本发明优点：
本发明一种化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置及方法，余热锅炉的热源可由工业余热资源担当；本装置停止运行后多余的蒸汽并入蒸汽管网或带动汽轮机发电；出固定床的水蒸气和氧气混合气体与进流化床前的空气在冷凝器中进行热交换，可提高流化床的空气进口温度，并冷凝水蒸气得到高纯氧；出旋风分离器的贫氧空气仍具有一定的温度，将其与工业烟气一起通入余热锅炉产生蒸汽，形成循环系统；冷凝器冷却水温度在60~80℃左右，经除氧后作为余热锅炉的补水，实现了水资源的循环使用。
附图说明
图1为本发明一种实施例化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置结构示意图；
其中，1-流化床、2-旋风分离器、3-固定床、4-余热锅炉、5-冷凝器、6-布袋除尘器、7-储气柜、8-流化床排气口、9-旋风分离器排气口、10-料腿、11-固定床混合气体出口、12-固定床放料口、13-卸料口流量阀、14-流化床空气进口、15-流化床放料口、16-水蒸气流量控制阀、17-蒸气管网、18-余热锅炉水蒸气出口、19-余热锅炉冷凝水进口、20-冷凝器冷空气进口、21-冷凝器空气出口、22-冷凝器氧气出口、23-冷凝器混合气体进口、24-空气流量控制阀、25-固定床卸料口、26-布袋除尘器氧气进口、27-固定床水蒸气入口、28-装料口、29-余热锅炉烟气进口、30-烟气出口、31-加热保温装置、32-旋风分离器进气口、33-流化床进料口、34-冷凝器冷凝水出口；
图2为本发明一种实施例化学链空气分离制备氧气原理图；
图3为本发明一种实施例化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置进行制备高纯氧气的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例做进一步说明。
一种化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置，如图1所示，包括流化床1、旋风分离器2、固定床3、余热锅炉4、冷凝器5、布袋除尘器6和储气柜7，其中，流化床排气口8连接旋风分离器进气口32，旋风分离器2底部料腿10伸入固定床3内部，并与固定床3连接，固定床卸料口25连接流化床进料口33，旋风分离器排气口9连接余热锅炉烟气进口29，余热锅炉水蒸气出口18连接固定床水蒸气入口27，余热锅炉冷凝水进口19连接冷凝器冷凝水出口34，冷凝器空气出口21连接流化床空气进口14，冷凝器混合气体进口23连接固定床混合气体出口11，冷凝器氧气出口22连接布袋除尘器氧气进口26，布袋除尘器出口连接储气柜7进口。
其中，所述的固定床3外侧设置有加热保温装置31；所述的固定床3上端设置有装料（补料）口28，下端设置有固定床放料口12；所述的流化床1下端设置有流化床放料口15。所述的流化床进料口33与固定床卸料口25之间设置有卸料口流量阀13；所述的固定床水蒸气入口27与余热锅炉水蒸气出口18之间设置有水蒸气流量控制阀16；冷凝器冷空气进口20处设置有空气流量控制阀24。所述的余热锅炉水蒸气出口18连入蒸气管网17或者带动汽轮机发电。所述的固定床卸料口25与水平面夹角为30°～60°。所述的固定床3是用于承载载氧体并为载氧体进行脱氧反应提供环境的装置；流化床1是用于为固定床3脱氧后的载氧体进行氧化反应提供环境的装置；旋风分离器2是用于将流化床1排出气体中的贫氧空气和载氧体粒子分离的装置；冷凝器5是用于对固定床3排出的氧气和水蒸气进行冷凝分离，并与冷空气进行热交换的装置；余热锅炉4是用于为固定床3提供水蒸气的装置；余热锅炉通过烟气出口30排出烟气，工业余热资源可担当余热锅炉的热源。
本发明的方法的核心技术是利用金属氧化物载氧体在温度高于某一值，如图2所示，系统氧气分压低于平衡时氧分压时时发生氧脱耦反应产生氧气；反之会发生氧吸附反应。其反应方程式可表述为：
脱氧反应：
Figure BDA00002652871900041
氧化反应：
Figure BDA00002652871900042
其中，MexOy为载氧体；MexOy-2为脱氧后的载氧体；
采用化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置进行制备高纯氧气的方法：如图3所示，以产量为300m3/h的制氧系统为例，包括以下步骤：
步骤1、根据流化床工作温度选择金属氧化物和惰性载体制备载氧体，并选出粒度在100μm～500μm范围内的载氧体，通过固定床的装料口将载氧体放置于固定床内；
步骤1所述的根据流化床工作温度选择金属氧化物和惰性载体制备载氧体，
当流化床工作温度在900℃~1300℃时，金属氧化物包括Co3O4、CoO、CuO、Cu2O、Mn2O3、Mn3O4；惰性载体包括Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、MgAl2O4、YSZ；
当流化床工作温度在400℃~900℃时，金属氧化物包括CrO2、Cr2O3、MnO2、Mn2O3、PbO2、Pb3O4、SrO2、SrO；惰性载体包括Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、MgAl2O4、YSZ；
其中，金属氧化物与惰性载体的质量比介于4：6~8：2之间；
所述的制备载氧体的方法包括机械混合法、溶胶-凝胶法、凝胶-凝胶燃烧合成法、柠檬酸法、喷雾干燥法、冷冻成粒法、浸渍法。
本发明实施例中，选择金属氧化物CuO和惰性载体TiO2，惰性载体添加比例为20%，采用机械混合法制备载氧体，对制备的载氧体筛分，选择粒度在200~300μm的载氧体颗粒2吨，通过固定床装料口置于固定床床层；
步骤2、开启固定床加热保温装置，固定床内的温度达到载氧体脱氧反应的反应温度900℃；
步骤3、开启固定床的水蒸气流量控制阀，余热锅炉所产生水蒸气通过固定床水蒸气入口进入固定床内，固定床中载氧体发生氧脱氧反应，生成氧气；
步骤4、当固定床中载氧体完全脱氧后（20min后），开启固定床的卸料口流量阀，脱氧后的载氧体进入流化床内；
步骤5、开启冷凝器的空气流量控制阀，冷空气进入冷凝器中并与固定床释放的氧气和水蒸气进行热交换，水蒸气冷凝成水流入余热锅炉，氧气通过布袋除尘器进入储气柜中储存；
进流化床前的空气作为冷质，自固定床顶部排出的水蒸气和氧气的混合气体作为热质，在冷凝器中进行热交换，并冷凝出水和氧气，水进入余热锅炉省煤器作为锅炉补水；
步骤6、换热后的空气通过流化床空气进口进入流化床内，并与脱氧后的载氧体发生氧化反应，生成贫氧空气和再生载氧体；
步骤7、开启旋风分离器，分离流化床释放的贫氧空气和再生载氧体颗粒，再生载氧体颗粒通过旋风分离器料腿返回固定床，即返回执行步骤2，装置运行平稳后调节卸料口流量阀、水蒸气流量控制阀和空气流量控制阀至满足化学反应所需量位置处；若达到氧气需求量，则停止装置，通过放料口清空流化床和固定床，并将多余的水蒸气排入蒸气管网或带动汽轮机发电。
本发明固定床气体进口进入的用于脱氧反应的载气水蒸气可用纯氧来替代，此时需提高固定床内的反应温度，保证脱氧反应的发生。用纯氧作为载气时的系统可省去冷凝器，余热锅炉产生蒸汽全部并入蒸汽管网。
本发明的化学链技术制取高纯氧气的方法采用间歇处理或连续处理。反应过程中可通过固定床上部的进料口补充系统经旋风分离器损失掉的载氧体；反应完成或载氧体活性降低时可通过流化床和固定床下部的放料口将载氧体排净。

Claims (7)

1.一种化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置，其特征在于：包括流化床（1）、旋风分离器（2）、固定床（3）、余热锅炉（4）、冷凝器（5）、布袋除尘器（6）和储气柜（7），其中，流化床排气口（8）连接旋风分离器进气口（32），旋风分离器（2）底部的料腿（10）伸入固定床（3）内部，并与固定床（3）连接，固定床卸料口（25）连接流化床进料口（33），旋风分离器排气口（9）连接余热锅炉烟气进口（29），余热锅炉水蒸气出口（18）连接固定床水蒸气入口（27），余热锅炉冷凝水进口（19）连接冷凝器冷凝水出口（34），冷凝器空气出口（21）连接流化床空气进口（14），冷凝器混合气体进口（23）连接固定床混合气体出口（11），冷凝器氧气出口（22）连接布袋除尘器氧气进口（26），布袋除尘器出口连接储气柜（7）进口。
2.根据权利要求1所述的化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置，其特征在于：所述的固定床（3）外侧设置有加热保温装置（31）；所述的固定床（3）上端设置有装料口（28），下端设置有固定床放料口（12）；所述的流化床（1）下端设置有流化床放料口（15）。
3.根据权利要求1所述的化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置，其特征在于：所述的流化床进料口（33）与固定床卸料口（25）之间设置有卸料口流量阀（13）；所述的固定床水蒸气入口（27）与余热锅炉水蒸气出口（18）之间设置有水蒸气流量控制阀（16）；冷凝器冷空气进口（20）处设置有空气流量控制阀（24）。
4.根据权利要求1所述的化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置，其特征在于：所述的余热锅炉水蒸气出口（18）连入蒸气管网（17）或者带动汽轮机发电。
5.根据权利要求1所述的化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置，其特征在于：所述的固定床卸料口（25）与水平面夹角为30°～60°。
6.采用权利要求1所述的化学链空气分离技术制备高纯氧气的装置制备高纯氧气的方法：其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、根据流化床工作温度选择金属氧化物和惰性载体制备载氧体，并选出粒度在100μm～500μm范围内的载氧体，通过固定床装料口将载氧体放置于固定床内；
步骤2、开启固定床加热保温装置，直至固定床内的温度达到载氧体脱氧反应的反应温度；
步骤3、开启固定床的水蒸气流量控制阀，余热锅炉所产生水蒸气通过固定床水蒸气入口进入固定床内，固定床中载氧体发生脱氧反应，生成氧气；
步骤4、当固定床中载氧体完全脱氧后，开启固定床卸料口流量阀，脱氧后的载氧体进入流化床内；
步骤5、开启冷凝器的空气流量控制阀，冷空气进入冷凝器中并与固定床释放的氧气和水蒸气进行热交换，水蒸气冷凝成水流入余热锅炉，氧气通过布袋除尘器进入储气柜中储存；
步骤6、换热后的空气通过流化床空气进口进入流化床内，并与脱氧后的载氧体发生氧化反应，生成贫氧空气和再生载氧体；
步骤7、开启旋风分离器，分离流化床释放的贫氧空气和再生载氧体颗粒，再生载氧体颗粒通过旋风分离器料腿返回固定床，即返回执行步骤2；装置运行平稳后，根据化学反应所需量，调节卸料口流量阀、水蒸气流量控制阀和空气流量控制阀；若达到氧气需求量，则停止装置，通过放料口清空流化床和固定床，并将多余的水蒸气排入蒸气管网或带动汽轮机发电。
7.根据权利要求6所述的制备高纯氧气的方法，其特征在于：步骤1所述的根据流化床工作温度选择金属氧化物和惰性载体制备载氧体，
当流化床工作温度在900℃~1300℃时，金属氧化物选自Co3O4、CoO、CuO、Cu2O、Mn2O3、Mn3O4；惰性载体选自Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、MgAl2O4、YSZ；
当流化床工作温度在400℃~900℃时，金属氧化物选自CrO2、Cr2O3、MnO2、Mn2O3、PbO2、Pb3O4、SrO2、SrO；惰性载体选自Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、MgAl2O4、YSZ；
其中，金属氧化物与惰性载体的质量比介于4：6~8：2之间；
所述的制备载氧体的方法选自机械混合法、溶胶-凝胶法、柠檬酸法、喷雾干燥法、冷冻成粒法、浸渍法。
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