CN104961101A - 用于天然气燃烧的富氧制取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于天然气燃烧的富氧制取装置及方法，该装置包括：内部设有沸石分子筛吸附床的吸附塔一和吸附塔二，吸附塔一与吸附塔二的进气管经过冷器与调压式空压机的出气管连接，吸附塔一与吸附塔二的出气管经输气管路与富氧气体储罐连接，吸附塔一与吸附塔二并联连接在过冷器与富氧气体储罐之间；吸附塔一、二的进气管上分别设有进气控制阀，吸附塔一、二的出气管上分别设有出气控制阀，吸附塔一、二的出气管之间连接有设有隔膜阀直连管路；吸附塔一、二的进气管上分别连接有废气支管，各废气支管上均设有废气控制阀，各废气支管与废气排气管连接。该装置结构简单，操作方便，能制取含氧量为30％～50％适用于天然气富氧燃烧的富氧产品。

Description

用于天然气燃烧的富氧制取装置及方法

技术领域

本发明涉及富氧制取领域，特别是涉及一种用于天然气燃烧的富氧制取装置及方法。

背景技术

目前，富氧气体的制取方法可分为物理制氧与化学制氧两种，其中物理制氧方法又可分为变压吸附制氧法(PSA分子筛制氧法)、薄膜分离制氧法以及低温精馏制氧法(又称深冷分离法)。

其中变压吸附(Pressure Swing Adsorption简称PSA)制氧法，是利用物理吸附的方法，在温度不变时，利用吸附剂对混合气体不同组分吸附能力不同的原理，将吸附能力强的混合气体组分吸附在吸附剂里，让吸附能力差的混合气体组分通过吸附剂床层，并排出，最终成为产品气，再通过压力的周期性变换，循环使用吸附剂，实现气体的分离与制取。

如公开号CN102809261A的中国专利公开了一种名称为从空气中制取低纯度氧气的深冷法分离装置，其结构如图1所示，该装置主要工作流程为：

1)空气流路:空气经过自洁式过滤器1后，进入第一空气压缩机2，经压缩后一部分空气进入第一空气冷却塔41，冷却到14℃左右，进入第一、二纯化器81，82去除CO₂和水份。进过纯化后空气经过主换热器10冷却后，一部分进入中压塔11进行精馏，一部分经过增压透平膨胀机17膨胀后进入低压塔16进行精馏；另一部分继续经过第二空气压缩机3压缩后，进入第二空气冷却塔42，冷却到14℃左右，进入第三、四纯化器91，92去除CO₂和水份。经过进化后的空气进入增压透平膨胀机17的增压端增压后，进入增压机后冷却器18冷却，经主换热器10冷却后，分别进入高压塔12和中压塔11进行精馏。

2)氧气流路:从低压塔16底部产生的氧气，经过主换热器10复热后送出冷箱。

3)氮气流量:从低压塔16顶部产生的氮气，经过过冷器15、主换热器10复热后，除产品氮气外，其他全部送入水冷却塔7冷却水。

上述分离装置至少存在下述缺点：1)该制氧装置投资较高。2)该制氧装置连续运行性能差。3)该制氧装置较难操作，自动化程度不高。4)该分离装置分离出的氧气产品含氧量在90％以上，天然气燃烧热值高，在该浓度条件下燃烧时燃烧温度高，导致炉内和炉体过热，增加炉料的氧化，甚至烧坏加热的炉料和损坏炉体。

发明内容

基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种用于天然气燃烧的富氧制取装置及方法，能高效且低成本制备含氧量在30％～50％的富氧产品，为天然气燃烧提供富氧气体。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于天然气燃烧的富氧制取装置，包括：

内部设有沸石分子筛吸附床的吸附塔一和吸附塔二，所述吸附塔一与吸附塔二的进气管经过冷器与调压式空压机的出气管连接，所述吸附塔一与吸附塔二的出气管经输气管路与富氧气体储罐连接，所述吸附塔一与吸附塔二并联连接在所述过冷器与所述富氧气体储罐之间；

所述吸附塔一、二的进气管上分别设有进气控制阀，所述吸附塔一、二的出气管上分别设有出气控制阀，所述吸附塔一、二的出气管之间连接有设有隔膜阀直连管路；

所述吸附塔一、二的进气管上分别连接有废气支管，各废气支管上均设有废气控制阀，各废气支管与废气排气管连接。

本发明实施例还提供一种用于天然气燃烧的富氧制取方法，采用本发明的富氧制取装置，包括以下步骤：

调压式空压机输出的压缩空气经过冷器后进入吸附塔一，在所述吸附塔一内经沸石分子筛吸附床吸附住空气中的氮气、碳氢化合物、水分和二氧化碳后，产品气氧气从所述吸附塔一的出气管流出，经输气管路进入富氧气体储罐内储存；

当所述吸附塔一内的沸石分子筛吸附床达到饱和后，关闭所述吸附塔一的进气管的进气控制阀，减小吸附塔一的吸附压力，使其内沸石分子筛吸附床解吸并再生；

调压式空压机输出的压缩空气经过冷器后进入吸附塔二，在所述吸附塔二内经沸石分子筛吸附床吸附住空气中的氮气、碳氢化合物、水分和二氧化碳后，产品气氧气从吸附塔二的出气管流出，经输气管路进入富氧气体储罐内储存；

按上述流程循环进行两个吸附塔一、二周期切换吸附与解吸，连续获得产品气氧气，吸附的压力为高于大气压的0.1～0.6MPa，解吸在大气压下进行。

本发明的有益效果为：

通过采用内部设有沸石分子筛吸附床的吸附塔一和吸附塔二，并联连接在调压式空压机与过冷器组成的进气端与富氧气体储罐之间，形成吸附制备富氧气的装置，利用吸附塔内的沸石分子筛为吸附剂不仅具有强大的微孔系统，可以增大与空气的接触面积，而且会使非极性物质的氧气与氮气在沸石吸附剂的效能下产生诱导偶极，极性分子的固有偶极与诱导偶极之间存在诱导力，压力平衡状态下，氧气的诱导力小于氮气的诱导力，分子筛对氮气的吸附量较大，压力改变后，氮气与氧气在分子筛上的吸附性能产生变化，从而分离开空气中的氮气和氧气，吸附压力增大时，沸石吸附剂对氮气的吸附量较大，吸附压力降低时，沸石对氮气的吸附量比对氧气的吸附量少很多，通过沸石这种特性，可达到加压吸附，减压解吸的效果，从而制备出含氧量在30％～50％的富氧产品，满足天然气富氧燃烧所用富氧气体的要求。该装置结构简单，操作方便，能方便制取含氧量为30％～50％适用于天然气富氧燃烧的富氧产品。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为现有技术提供的从空气中制取低纯度氧气的深冷法分离装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的富氧制取装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的装置中吸附塔内所用沸石分子筛分压与吸附量的关系图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1所示为本发明实施例提供的一种用于天然气燃烧的富氧制取装置，用于制取供天然气富氧燃烧的含氧量在30％～50％的富氧气体，该装置包括：

内部设有沸石分子筛吸附床的吸附塔一21和吸附塔二22，吸附塔一21与吸附塔二22的进气管经过冷器24与调压式空压机23的出气管连接，吸附塔一21与吸附塔二22的出气管经输气管路26与富氧气体储罐25连接，吸附塔一21与吸附塔二22并联连接在过冷器24与富氧气体储罐25之间；

吸附塔一21与吸附塔二22的进气管上分别设有进气控制阀211，吸附塔一21与吸附塔二22的出气管上分别设有出气控制阀212，吸附塔一、二的出气管之间连接有设有隔膜阀27直连管路；

吸附塔一21与吸附塔二22的进气管上分别连接有废气支管213，各废气支管213上均设有废气控制阀214，各废气支管213与废气排气管215连接。

上述富氧制取装置中，通过控制吸附塔一21和吸附塔二22内部的沸石分子筛吸附床的厚度，控制富氧产品气中的氧气浓度，制取含氧量为30％～50％适用于天然气富氧燃烧的富氧产品。如增加吸附塔一21和吸附塔二22内部的沸石分子筛吸附床的厚度，制取含氧量高的富氧产品，如降低吸附塔一21和吸附塔二22内部的沸石分子筛吸附床的厚度，制取含氧量低的富氧产品。

上述富氧制取装置中，富氧气体储罐25设有供气管路251，该供气管路251上依次设有第一减压阀252、流量计253、第二减压阀254和燃烧器接口255，燃烧器接口255连接带有天然气入口C的燃烧器D,方便为天然气富氧燃烧直接供气。

上述富氧制取装置中，吸附塔一21与吸附塔二22的进气管均处于吸附塔一21与吸附塔二22的底部，吸附塔一21与吸附塔二22的出气管均处于吸附塔一21与吸附塔二22的顶部。

上述富氧制取装置中，输气管路26上设有减压阀261；废气排气管215上设有消音器2151，废气排气管215末端的出气口排出废气B。

上述富氧制取装置中，过冷器24上设有引入冷却水的冷却水进水管和排出冷却水的冷却水出水管,通过冷却水进水管和冷却水出水管引入循环的冷却水A。

上述富氧制取装置中，各进气控制阀211、各出气控制阀212和各废气控制阀214均采用气动角式阀；隔膜阀27采用内螺纹隔膜阀。

本发明实施例还提供一种用于天然气燃烧的富氧制取方法，采用上述的富氧制取装置(参见图1)，包括以下步骤：

空气B1进入调压式空压机23压缩，调压式空压机23输出的压缩空气经过冷器后进入吸附塔一21，在所述吸附塔一21内经沸石分子筛吸附床吸附住空气中的氮气、碳氢化合物、水分和二氧化碳后，产品气氧气从所述吸附塔一21的出气管流出，经输气管路26进入富氧气体储罐25内储存；

当所述吸附塔一21内的沸石分子筛吸附床达到饱和后，关闭所述吸附塔一21的进气管的进气控制阀，减小吸附塔一21的吸附压力，使其内沸石分子筛吸附床解吸并再生；

空气B1进入调压式空压机23压缩，调压式空压机23输出的压缩空气经过冷器后进入吸附塔二22，在所述吸附塔二22内经沸石分子筛吸附床吸附住空气中的氮气、碳氢化合物、水分和二氧化碳后，产品气氧气从吸附塔二22的出气管流出，经输气管路进入富氧气体储罐25内储存；

按上述流程循环进行两个吸附塔一、二周期切换吸附与解吸，连续获得产品气氧气，吸附的压力为高于大气压的0.1～0.6MPa，解吸在大气压下进行。

制取的富氧产品，使用时，由富氧气体储罐25经供气管路直接提供给燃烧器。

下面结合具体实施例对本发明装置及方法作进一步说明。

本发明的富氧制取装置，吸附塔内采用沸石分子筛吸附床进行吸附，通过调整沸石分子筛吸附床的床层厚度，能将制取的用于天然气燃烧的氧气含量控制在30％～50％，而目前分子筛制氧机的产品气含氧量在90％以上，最高可达99％，参与天然气燃烧时，燃烧温度过高，将会导致窑炉熔毁。与其他富氧制取设备不同，该装置可以使空压机动力消耗少，利用压力罐储存制取的富氧产品，燃烧过程不需要再次加压。装置制氧过程的吸附与解析自动运行，操作灵活、可靠性高。为制取含氧量相对较低的富氧气体，可减少分子筛吸附床层的厚度，既可以减少造价，亦可达到降低氧浓度的目的。当冲洗量一定时，通过减小空气的进口压力，可以降低产品气的含氧量。

本发明所采用的沸石分子筛，通过静电反应来工作。沸石具有强大的微孔系统，可以增大与空气的接触面积。同时，虽然氧气与氮气都是非极性物质，但会在沸石吸附剂的效能下能产生诱导偶极，极性分子的固有偶极与诱导偶极之间存在诱导力，压力平衡状态下，氧气的诱导力小于氮气的诱导力，所以分子筛对氮气的吸附量较大。压力改变后，氮气与氧气在分子筛上的吸附性能产生变化，从而分离开空气中的氮气和氧气，分压与吸附量的关系见图3。由图3可见，吸附压力增大时，沸石吸附剂对氮气的吸附量较大，随着吸附压力的降低，沸石对氮气的吸附量比对氧气的吸附量少很多。利用沸石这种特性，便可达到加压吸附，减压解吸的效果，使用循环操作的方法来制取氧气。

利用本发明装置制氧的工作流程如下：

空气从塔底部，经鼓风机后进入吸附塔，吸附住空气中的氮气、碳氢化合物、水分、二氧化碳，产品气氧气从塔顶流出。当吸附塔1的吸附剂达到一定饱和度后，空气自动进入吸附塔2，同时减小吸附塔1的吸附压力，使其解吸并再生。循环包括一次均压降压、排空解吸、一次均压升压、产品气加压等几个程序步骤。两塔切换周期，便可连续获得产品气，该流程在高于大气压(0.1～0.6MPa)下吸附，大气压下解吸。

利用本发明的方法及装置，具有以下有益效果：

1)有效延长炉龄：

该装置制取的富氧气体中氧浓度为30％～50％左右，可避免因富氧中氧气浓度过高导致的炉料氧化，避免温度过高损坏炉体。使得天然气燃烧环境优化，使得炉内温度分布更加合理，有效延长窑炉、锅炉的使用寿命。

2)节能效果显著：

将富氧燃烧应用于天然气燃烧领域能大幅提高燃烧热效率，如在玻璃行业中平均节气为20％-40％，在工业锅炉、加热炉、炼铁断和水泥厂机立窑等应用节能量为20％-50％，显著提高天然气热能使用效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于天然气燃烧的富氧制取装置，其特征在于，包括：

内部设有沸石分子筛吸附床的吸附塔一和吸附塔二，所述吸附塔一与吸附塔二的进气管经过冷器与调压式空压机的出气管连接，所述吸附塔一与吸附塔二的出气管经输气管路与富氧气体储罐连接，所述吸附塔一与吸附塔二并联连接在所述过冷器与所述富氧气体储罐之间；

所述吸附塔一、二的进气管上分别设有进气控制阀，所述吸附塔一、二的出气管上分别设有出气控制阀，所述吸附塔一、二的出气管之间连接有设有隔膜阀直连管路；

所述吸附塔一、二的进气管上分别连接有废气支管，各废气支管上均设有废气控制阀，各废气支管与废气排气管连接。

2.根据权利要求1所述的用于天然气燃烧的富氧制取装置，其特征在于，所述富氧气体储罐设有供气管路，该供气管路上依次设有第一减压阀、流量计、第二减压阀和燃烧器接口。

3.根据权利要求1所述的用于天然气燃烧的富氧制取装置，其特征在于，所述吸附塔一与吸附塔二的进气管均处于所述吸附塔一与吸附塔二的底部，所述吸附塔一与吸附塔二的出气管均处于所述吸附塔一与吸附塔二的顶部。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于天然气燃烧的富氧制取装置，其特征在于，所述输气管路上设有减压阀；

所述废气排气管上设有消音器。

5.根据权利要求1至3任一项所述的用于天然气燃烧的富氧制取装置，其特征在于，所述过冷器上设有引入冷却水的冷却水进水管和排出冷却水的冷却水出水管。

6.根据权利要求1至3任一项所述的用于天然气燃烧的富氧制取装置，其特征在于，所述各进气控制阀、各出气控制阀和各废气控制阀均采用气动角式阀；

所述隔膜阀采用内螺纹隔膜阀。

7.一种用于天然气燃烧的富氧制取方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的富氧制取装置，包括以下步骤：

调压式空压机输出的压缩空气经过冷器后进入吸附塔一，在所述吸附塔一内经沸石分子筛吸附床吸附住空气中的氮气、碳氢化合物、水分和二氧化碳后，产品气氧气从所述吸附塔一的出气管流出，经输气管路进入富氧气体储罐内储存；

当所述吸附塔一内的沸石分子筛吸附床达到饱和后，关闭所述吸附塔一的进气管的进气控制阀，减小吸附塔一的吸附压力，使其内沸石分子筛吸附床解吸并再生；

调压式空压机输出的压缩空气经过冷器后进入吸附塔二，在所述吸附塔二内经沸石分子筛吸附床吸附住空气中的氮气、碳氢化合物、水分和二氧化碳后，产品气氧气从吸附塔二的出气管流出，经输气管路进入富氧气体储罐内储存；

按上述流程循环进行两个吸附塔一、二周期切换吸附与解吸，连续获得产品气氧气，吸附的压力为高于大气压的0.1～0.6MPa，解吸在大气压下进行。