CN105036084B - 一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法，包括臭氧制备系统、臭氧吸收系统、氧气释放系统和离子沉降四个工艺单元，采用“以空气为原料，经制备臭氧后再次转换为氧气”的工艺路线，利用臭氧的特有性质，设计与开发出了一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统装备与工艺技术。本发明有机结合了富氧助燃技术的发展需求，可适应大、中、小规模使用的适用性，具有设备与装置选择范围大、实用性强、便于工业化应用的特点，同时具有广阔的应用前景和市场潜力。

Description

一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法

技术领域

本发明属于能源化工领域，具体涉及一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法。

背景技术

富氧气氛可以改进煤、石油、天然气等燃料的燃烧工况、提高燃烧效率，同时还能够降低燃料的消耗，起到节能减排的有益效果。相对于传统的燃烧工艺，富氧助燃技术具有比较显著的优势：①可以提高火焰温度，增加热量利用率；②可加快燃烧速度，有利于实现充分、完全的燃烧；③可降低燃料的燃点温度；④可减少燃烧后的排气量；⑤可降低空气过剩系数。因此，它在燃煤发电、内燃机、炼钢、工业锅炉等行业领域具有广阔的应用前景。

现有的富氧方式主要有三种：增压增氧方式、制氧机制氧方式和化学制氧方式。

(1)增压增氧方式主要用在飞机上，通过增加机舱内的压力，使空气密度增加，从而增加空气中氧的绝对质量(空气中含氧量的比例是一定的，约为21％)，达到增加氧的目的。

(2)制氧机制氧方式已广泛用在各个领域，主要分为三大类：①利用空气为原料，基于空气中主要气体成分沸点的差异性，通过深度冷凝后再蒸发的物理方法，把氧气从空气里分离出来。这种方法可制得较高纯度的氧气，但是成本较高。②膜分离制氧法，这是近十几年发展起来的制氧方法，属于常压(或低压)的制氧方法。它是以高分子选择性气体分离膜为载体，对空气进行分离的一种技术。其基本原理主要是扩散和溶解，通常在分离膜两侧制造压力差，将空气供应到分离膜的高压侧，其中的氧气和氮气会溶解到分离膜表面，在分离膜内的压力差和浓度差提供的驱动力作用下，在分离膜内进行扩散运动，最后从分离膜的低压侧析出。由于氧气分子比氮气分子扩散速率大，所以析出的气体中氧气浓度较高。③变压吸附制氧法，它将空气通过分子筛，利用氧和氮分子的直径差异来分离氧和氮以制备富氧气体的方法。

(3)化学制氧法是利用含氧化合物(如氯酸钾)为原料，通过与催化剂的反应，制出氧气。通常产生的气量较小、成本较高，不适宜工业应用。

由于低温深冷制氧法和变压吸附制氧法常常局限于固定设备的制氧与富氧助燃，投资成本巨大，且不适合移动设备的富氧，例如工业窑炉等方面。膜分离法虽可用于移动设备的富氧助燃(如汽车和船舶等)，但是其投资较大，维修及操作费用较高，大规模应用的较少。因此，开发新型的富氧制备技术成为相关行业领域面临的新课题。

发明内容

本发明为克服现有技术中的问题，目的在于提供一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法，其有机结合了富氧助燃技术的发展需求，可适应大、中、小规模使用的适用性，具有设备与装置选择范围大、实用性强、便于工业化应用等特点。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统，包括臭氧制备系统、臭氧吸收系统、氧气释放系统和离子沉降单元四个工艺单元；

其中，臭氧制备系统上设置有空气入口，臭氧制备系统的出口与臭氧吸收系统的原料入口连接；臭氧吸收系统上设置有净化水入口、富氮气体出口和含臭氧水出口，臭氧吸收系统上的含臭氧水出口与氧气释放系统相连接；氧气释放系统上设置有富氧气体出口和含离子水出口，氧气释放系统上的含离子水出口与离子沉降单元相连接。

所述离子沉降单元上设置有净化水出口，且净化水出口与臭氧吸收系统相连接；在连接离子沉降单元与臭氧吸收系统二者之间的净化水管路上设置有补充净化水的支路。

所述氧气释放系统包括封闭的水箱或水池，水箱或水池的两端分别设置有进水口和出水口，进水口的设置位置在水平方向上高于出水口的位置，水箱或水池内部被隔板分隔成若干呈“N”字型相连通的径流室，除了进水口和出水口所处的两个径流室外，其余各径流室之间的隔板上部且高于水箱或水池内水溶液上液面的位置上均设置有气体通道；出水口所在的径流室顶部设置有尾气排出口，与进水口所在径流室紧邻的径流室中设置有与金属离子溶液添加装置相连通的管道；其中，进水口与臭氧吸收系统相连，出水口与离子沉降单元相连。

所述臭氧制备系统包括低压式臭氧制备系统、中压式臭氧制备系统以及高压式臭氧制备系统；

所述低压式臭氧制备系统包括第一过滤器、吹风机、制冷剂干燥器、干燥剂干燥器、第二过滤器和臭氧发生器；空气依次经过第一过滤器、吹风机加压和制冷剂干燥器的预处理后，分成两个并行的支路，每个支路上均设置一个干燥剂干燥器，经过两个干燥剂干燥器之后，再次合并成一股气体，依次进入第二过滤器和臭氧发生器，臭氧发生器与臭氧吸收系统相连；

所述中压式臭氧制备系统包括第一过滤器、鼓风机、制冷剂干燥器、干燥剂干燥器、第二过滤器和臭氧发生器；空气依次经过第一过滤器、鼓风机、二次冷却水和制冷剂干燥器的预处理后，分成两个并行的支路，每个支路上均设置一个干燥剂干燥器，经过两个干燥剂干燥器之后，再次合并成一股气体，依次进入第二过滤器和臭氧发生器，臭氧发生器与臭氧吸收系统相连；

所述高压式臭氧制备系统包括第一过滤器、鼓风机、凝油器、干燥剂干燥器、减压阀、第二过滤器和臭氧发生器；空气依次经过第一过滤器、鼓风机、二次冷却水和凝油器的预处理后，分成两个并行的支路，每个支路上均设置一个干燥剂干燥器，经过两个干燥剂干燥器之后，再次合并成一股气体，经过减压阀后，依次进入第二过滤器和臭氧发生器，臭氧发生器与臭氧吸收系统相连。

所述臭氧吸收系统包括单室扩散池式系统、多室扩散池式系统和塔式系统三种子系统；

所述单室扩散池式臭氧吸收系统包括封闭且带有进水口和出水口的吸收池，吸收池内设置有用于将吸收池内空间分为上空腔和下空腔的隔板，进水口设置在上空腔的侧壁上，出水口设置在下空腔的侧壁上，且出水口位于进水口的正下方；隔板的靠近进水口端与吸收池无缝连接，隔板的远离进水口端与吸收池内壁之间有用于吸收臭氧的水折流通过的空隙，且隔板远离进水口端设置有挡板，挡板位于隔板的下方，隔板上设置有气体能够通过而液体不能通过的一组孔隙；吸收池顶部设置有尾气出口，吸收池底部设置有臭氧入口，且尾气出口、隔板上孔隙、臭氧入口三者不在同一竖直线上；臭氧入口与臭氧制备系统相连；出水口与氧气释放系统相连；

所述多室扩散池式臭氧吸收系统包括封闭的吸收池，吸收池的两端分别设置有进水口和出水口，吸收池的内部分割为若干个“N”字型连通的径流室，且进水口的位置在水平方向上高于出水口的位置，除了进水口和出水口所处的两个径流室外，其余各径流室中均对应设置有通入到径流室底部的用于臭氧导气的支管；出水口所在的径流室顶部设置有尾气出口；吸收池的顶部设置有用于通入臭氧的臭氧入口；臭氧入口与臭氧制备系统相连；出水口与氧气释放系统相连；

所述塔式臭氧吸收系统包括吸收塔，吸收塔顶端设置有尾气出口，吸收塔底端设置有出水口，吸收塔内从上往下数第一个塔板上部的侧壁上设置有进水口，吸收塔内靠近塔底第一个塔板下部的侧壁上开设有臭氧入口，连接进水口的管路伸入到塔中从上往下数第一个塔板的上部，并在伸入到吸收塔内的管路上设置有多个喷水器或喷水口；臭氧或富含臭氧的气体经吸收塔下端的臭氧入口进入塔内，从下向上扩散和传递；用于吸收臭氧的净化水自塔顶端的进水口进入塔内，从上向下传递，实现塔内气液两相多次逆向接触；其中，臭氧入口与臭氧制备系统相连；出水口与氧气释放系统相连。

一种从空气中提取富氧和富氮气体的方法，包括以下步骤：

1)在臭氧制备系统中，以空气作为原料，将空气依次经过除尘、加压、冷却、干燥及再次除尘预处理步骤后，输送给臭氧发生器，制备富含臭氧的气体；

2)将富含臭氧的气体输送到臭氧吸收系统；在臭氧吸收系统中，以净化水作为臭氧的吸收剂使用，净化水吸收臭氧后变为含臭氧的水；经臭氧吸收系统处理后的尾气以富氮气体的产品形式产出；

3)将含臭氧的水输送到氧气释放系统，调节金属离子溶液添加装置上的阀门，使预先装入到金属离子溶液添加装置中的金属离子流入到氧气释放系统中，通过金属离子与含臭氧的水相互接触和相互作用，形成富氧气体。

还包括以下步骤：

4)将氧气释放系统排出的含金属离子的水溶液输送到离子沉降单元，通过离子沉淀或者蒸发结晶的方式回收析出的金属离子成分，同时回收不含杂质离子的净化水；

5)将离子沉降单元回收的不含杂质离子的净化水输送到臭氧吸收系统，实现水资源的循环利用。

所述步骤2)中净化水的温度为0～30℃，流速度控制在0～60cm/s的范围内。

所述步骤3)中金属离子溶液中金属离子为K⁺、Na⁺、NH₄ ⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Zn²⁺、Ag⁺中的一种或几种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的从空气中提取富氧和富氮气体的系统，通过设置臭氧制备系统、臭氧吸收系统、氧气释放系统和离子沉降四个工艺单元，采用“以空气为原料，经制备臭氧后再次转换为氧气”的工艺路线，利用臭氧的特有性质：臭氧可溶于水，在0℃、一标准大气压时，一体积水可溶解0.494体积臭氧；臭氧在纯水中分解较慢，但在臭氧水溶液中有金属离子存在时，臭氧可迅速分解为氧，设计与开发出了一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法。本发明有机结合了富氧助燃技术的发展需求，可适应大、中、小规模使用的适用性，具有设备与装置选择范围大、实用性强、便于工业化应用等特点，同时具有广阔的应用前景和市场潜力。

本发明的从空气中提取富氧和富氮气体的方法具有以下优点：

1)本发明可直接以未处理的空气为原料来制备富氧和富氮气体，以低温不含杂质离子的净化水作为臭氧的吸收剂，原料获取方便、成本低廉。

2)本发明的方法中所采用的核心装备(如臭氧发生器等)现已实现市场化生产，其余辅助设备较少，且均可从市场购买各种型号与规模的成品，部分辅助设备也便于自行建造；因此，在装备与设备方面不存在技术壁垒。

3)本发明中不需要分子筛、深度制冷设备或高效分离膜等投资成本高、损耗快、回收困难的商品、设备或部件，因此，总体投资成本比深冷制氧法、变压吸附法低廉；与膜分离法相比，本方法更适宜规模化应用于工业生产。

进一步的，臭氧吸收系统所采用的不含杂质离子的净化水主要来自于离子沉降单元回收的水，为了防止水资源在使用过程的损失造成水量不足的情况发生，在不含杂质离子的净化水输送到臭氧吸收系统的管路上设置有外界系统补充净化水的支路。本发明提供的方法不产生废水，且非常重视水资源的回收与再利用，还不需要深冷或者高强度加热，能耗较低，具有节能减排和清洁生产的特点与优势。

进一步的，臭氧吸收系统通常以低温(温度控制在0～30℃的范围内)不含杂质离子的净化水作为臭氧的吸收剂使用，水流速度控制在0～60cm/s(速度为0时，即为不流动的水，此时虽然为间歇操作，但依然能够实现目标)的范围内，目的是为了防止水流过快夹带气泡。

进一步的，所述臭氧入口、隔板上的小孔隙以及尾气出口三者不在同一竖直线上，以增大臭氧或者富含臭氧的气体在水中穿行的路径长度，从而增大臭氧在水中的溶解程度。

附图说明

图1是本发明提供的由空气制备富氧与富氮两种气体的工艺路线示意图；

图2是本发明提供的臭氧制备系统工艺流程图：(a)低压，(b)中压，(c)高压。

图3是本发明提供的单室扩散池式臭氧吸收系统示意图。

图4是本发明提供的多室扩散池式臭氧吸收系统示意图。

图5是本发明提供的臭氧吸收系统示意图。其中，(a)为板式塔式臭氧吸收系统示意图，(b)为图(a)中虚线方框处塔板的局部放大图。

图6是本发明提供的氧气释放系统示意图。

图中，1为空气；2为第一过滤器；3为吹风机；4为制冷剂干燥器；5为干燥剂干燥器；6为第二过滤器；7为臭氧发生器；8为鼓风机；9为二次冷却水；10为凝油器；11为减压阀；12为臭氧制备系统；13为臭氧吸收系统；14为氧气释放系统；15为离子沉降单元，16为尾气出口，17为臭氧入口；6-1为气体通道，6-2为尾气排出口，6-3为阀门，6-4为金属离子溶液，6-5为金属离子溶液添加装置。

具体实施方式

结合附图1～6，对本发明提供的从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法的详细描述如下：

参见图1，本发明提出的从空气中提取富氧和富氮气体的系统主要包括臭氧制备系统12、臭氧吸收系统13、氧气释放系统14和离子沉降单元15，如图1所示。空气作为原料，通过臭氧制备系统12上的空气入口进入臭氧制备系统12。

其中，臭氧制备系统12上设置有空气入口，臭氧制备系统12的出口与臭氧吸收系统13的原料入口连接。臭氧吸收系统13上设置有净化水入口、富氮气体出口和含臭氧水流出口，臭氧吸收系统13上的含臭氧水流出口与氧气释放系统14相连接。氧气释放系统14上设置有富氧气体出口和含离子水出口，氧气释放系统14上的含离子水出口与离子沉降单元15相连接。离子沉降单元15上设置有净化水出口，离子沉降单元15上的净化水出口与臭氧吸收系统13相连接，以实现水资源的循环利用。在连接离子沉降单元15与臭氧吸收系统13二者之间的净化水管路上设置有补充净化水的支路。

参见图2，臭氧制备系统12分为低压、中压和高压三种子系统，具体为低压式臭氧制备系统、中压式臭氧制备系统以及高压式臭氧制备系统，详见图2。根据实际需要，选择低压、中压或者高压式的臭氧制备系统(各子系统在设备上的差异性详见图2)：

(1)参见图2(a)，低压式臭氧制备系统主要由第一过滤器2、吹风机3(用于加压)、制冷剂干燥器4、干燥剂干燥器5、第二过滤器6和臭氧发生器7等装置或设备构成。在低压式臭氧制备系统中，原料空气1依次经过第一过滤器2、吹风机3加压和制冷剂干燥器4的预处理后，分成两个并行的支路，经过两个并行的干燥剂干燥器5之后，再次合并成一股气体，依次进入第二过滤器6和臭氧发生器7，臭氧发生器7与臭氧吸收系统13相连；也就是说，在低压式臭氧制备系统中，原料空气依次经过除尘、加压、冷却、干燥及再次除尘等预处理后，方可进入臭氧发生器进行制备臭氧的操作。

(2)参见图2(b)，中压式臭氧制备系统主要由第一过滤器2、用于加压的鼓风机8、二次冷却水9、制冷剂干燥器4、干燥剂干燥器5、第二过滤器6和臭氧发生器7等装置或设备构成。在中压式臭氧制备系统中，原料空气依次经过第一过滤2、鼓风机8加压、二次冷却水9和制冷剂干燥器4的预处理后，分成两个并行的支路，经过两个并行的干燥剂干燥器5之后，再次合并成一股气体，依次进入第二过滤器6和臭氧发生器7，臭氧发生器7与臭氧吸收系统13相连；也就是说，在中压式臭氧制备系统中，原料空气依次经过除尘、加压、冷却、干燥及再次除尘等预处理后，方可进入臭氧发生器进行制备臭氧的操作。

(3)参见图2(c)，高压式臭氧制备系统主要由第一过滤器2、鼓风机8用于加压、二次冷却水9、凝油器10、干燥剂干燥器5、减压阀11、第二过滤器6和臭氧发生器7等装置或设备构成。在高压式臭氧制备系统中，原料空气依次经过第一过滤器2、加压(鼓风机8)、二次冷却水9和凝油器10的预处理后，分成两个并行的支路，经过两个并行的干燥剂干燥器5之后，再次合并成一股气体，经过减压阀11后，依次进入第二过滤器6和臭氧发生器7，臭氧发生器7与臭氧吸收系统13相连；也就是说，在高压式臭氧制备系统中，原料空气依次经过除尘、加压、冷却、除油、干燥、减压及再次除尘等预处理后，方可进入臭氧发生器进行制备臭氧的操作。

臭氧吸收系统13也分为单室扩散池式系统、多室扩散池式系统和塔式系统三种子系统，分别对应图3、图4和图5。将从臭氧制备系统产生的富含臭氧的气体输送到臭氧吸收系统。根据实际生产的规模、投资成本和效率，对应选择单室扩散池式臭氧吸收系统(见图3)、多室扩散池式臭氧吸收系统(见图4)或者塔式臭氧吸收系统(如图5)。臭氧吸收系统的基本原理是利用臭氧的特有性质(臭氧可溶于水；在0℃、一标准大气压时，一体积水可溶解0.494体积臭氧；臭氧在纯水中分解较慢)，选择低温不含杂质离子的净化水作为臭氧的吸收剂使用。

其中，(1)参见图3，图3中实线表示水流方向，虚线表示气流方向，单室扩散池式臭氧吸收系统主体类似于一个封闭的水池或水箱，利用隔板将该水池或水箱(下文中称作吸收池)分割为上下两层，即上空腔和下空腔，在所述吸收池同侧(垂直于上述隔板的平面)同时设置有进水口和出水口，且出水口位于进水口的正下方；所述进水口和出水口分别位于上空腔侧壁和下空腔侧壁上，见图3。所述隔板上设置有气体可通过而液体不宜通过的一组小孔隙，所述小孔隙在隔板上的空间位置相对比较靠近进水口，所述隔板的靠近进水端与设置有进水口和出水口的吸收池的那个侧壁(所述侧面垂直于隔板平面)无缝连接，与进水口和出水口所在侧壁正对的侧壁面与隔板之间预留有间隙，用于吸收臭氧的水折流通过。即隔板的靠近进水口端与吸收池无缝连接，隔板的远离进水口端与吸收池内壁之间有用于吸收臭氧的水折流通过的空隙。所述隔板未触及吸收池侧面的那端(即远离进水口端)边缘在竖直方向上无缝焊接有一段挡板，挡板位于隔板的下方，所述挡板的宽度与隔板的宽度一致。所述用于吸收臭氧的水属于低温不含杂质离子的净化水，作为臭氧的吸收剂使用，其从所述隔板上侧的进水口进入吸收池，经隔板上表面，通过隔板另一端与吸收池侧面之间的间隙，折流到隔板下表面，通过吸收池上设置的出水口流出。隔板下表面对应的吸收池底面上设置有臭氧入口，吸收池顶面上远离进水口处设置有尾气出口16，所述尾气出口的位置可在竖直方向上投影到上述隔板未触及吸收池侧面的那端边缘上，即隔板与吸收池内壁存在间隙的一端与吸收池内壁之间的距离大于尾气出口在水平方向的宽度。臭氧或富含臭氧的气体通过吸收池底面上的臭氧入口，穿过上述隔板下方的水流，经隔板表面上的小孔隙和上述隔板上方的水流，再从吸收池顶面上的尾气出口排出尾气。所述臭氧入口、隔板上的小孔隙以及尾气出口三者不在同一竖直线上，以增大臭氧或者富含臭氧的气体在水中穿行的路径长度，从而增大臭氧在水中的溶解程度。所述臭氧入口17与臭氧制备系统12相连；出水口与氧气释放系统14相连；

(2)参见图4，多室扩散池式臭氧吸收系统主体类似于一个封闭的水池或水箱(后文称为吸收池)，该吸收池两端分别设置有进水口和出水口，其内部被分隔成几个乃至几十个“N”字型相连通的径流室，以实现用于吸收臭氧的水呈现“N”字型径向折流通过，从而增加臭氧或富含臭氧气体在水中扩散的路径长度，详见图4。所述进水口的设置位置在水平方向上略高于出水口的位置，以便于利用水的重力势能，减小动力消耗。所述用于吸收臭氧的水属于低温不含杂质离子的净化水，作为臭氧的吸收剂使用。上述径流室中，除了进水口和出水口所处的两个室外，其余各室中均对应设置有通入到径流室底部的用于臭氧导气的支管，即通入臭氧吸收池的臭氧进气管路分支的数量为径流室的个数减去二。所述臭氧导气的支管在临近径流室底部的端口上设置有便于气体扩散的多孔扩散器。上述出水口所在的径流室顶部设置有尾气出口16，以便于被吸收后的尾气排出。吸收池的顶部设置有用于通入臭氧的臭氧入口。

(3)参见图5，(a)为板式塔式臭氧吸收系统示意图，(b)为塔板的局部放大图，塔式臭氧吸收系统包括吸收塔，可分为填料塔和板式塔两类，外型上类似于石油化工行业的精馏塔，均可用作臭氧吸收系统的装置。在吸收塔中，气液两相(臭氧或富含臭氧的气体为气相，用于吸收臭氧的净化水为液相)接触的表面积随着填料材料的比表面积或塔板的数量增大而增大。所述吸收塔顶端设置有尾气出口16，底端设置有出水口，在吸收塔中填料上部(或者临近塔顶的第一个塔板，即从上往下数第一个塔板)与塔顶尾气出口之间设置有进水口，在塔中填料下部(或者临近塔底的第一个塔板)与塔底出水口之间设置有臭氧入口17。与进水口相连的管路伸入到吸收塔中填料(或者临近塔顶的第一个塔板，即从上往下数第一个塔板)的上部，并在伸入到塔内的管路上设置有多个喷水器或喷水口，以增大水流的分散度。所述塔式臭氧吸收系统中臭氧或富含臭氧的气体经塔下端的臭氧入口17进入塔内，从下向上扩散和传递；而用于吸收臭氧的净化水自塔上部的进水口进入塔内，从上向下传递；进而实现塔内气液两相(臭氧或富含臭氧的气体为气相，用于吸收臭氧的净化水为液相)多次逆向接触，以增大臭氧的吸收率。其中，臭氧入口17与臭氧制备系统12相连；出水口与氧气释放系统14相连；本说明书在图中列举了板式塔式臭氧吸收系统的模型(见图5)，本发明包括它，但不仅仅局限于此。

参见图6，氧气释放系统14主体上也类似于一个封闭的水箱或水池，其基本原理是臭氧在纯水中分解较慢，但在臭氧水溶液中有金属离子存在时，臭氧可迅速分解为氧气。氧气释放系统14包括封闭的水箱或水池，水箱或水池一端设置有进水口另一端设置有出水口，其内部被隔板分隔成数个呈“N”字型相连通的径流室，以实现液相水溶液呈现“N”字型径向折流通过，用于增强含臭氧水溶液与金属离子的相互接触和作用，详见图6。所述进水口的设置位置在水平方向上略高于出水口的位置，以便于利用水的重力势能，减小动力消耗。上述径流室中，除了进水口和出水口所处的两个径流室外，其余各径流室之间的隔板上部在水箱顶端下方且高于水箱中水溶液的上液面的位置上均设置有气体通道6-1。出水口所在的径流室顶部设置有尾气排出口6-2，以便于从水溶液中释放出氧气从尾气出口排出。在与进水口所在径流室紧邻的那个径流室中设置有与金属离子溶液添加装置6-5相连通的管道，所述金属离子溶液添加装置6-5包括溶液箱体，溶液箱体下部管路上设置有阀门6-3，该阀门用于控制金属离子溶液添加装置6-5内金属离子溶液6-4的流速，同时也可防止氧气释放系统中的气体经此管路外漏。所述阀门下端的液体管路穿过水箱顶部伸入到水箱中水溶液液面的下部。

本发明的从空气中提取富氧和富氮气体的方法，包括以下步骤：

(1)根据实际需要，选择低压、中压或者高压式的臭氧制备系统(各子系统在设备上的差异性详见图2)，以空气作为原料，通过臭氧制备系统上的空气入口进入臭氧制备系统，将原料空气依次经过除尘、加压、冷却、干燥及再次除尘等预处理步骤后，输送给臭氧发生器，制备富含臭氧的气体；

①当选择低压式臭氧制备系统时，原料空气依次经过过滤器、吹风机和制冷剂干燥器的预处理后，分成两个并行的支路，同时接受干燥剂干燥器的预干燥处理，然后再次合并成一股气体，依次进入过滤器和臭氧发生器。也就是说，在低压式臭氧制备系统中，原料空气依次经过除尘、加压、冷却、干燥及再次除尘等预处理后，方可进入臭氧发生器进行制备臭氧的操作。

②当选择中压式臭氧制备系统时，原料空气依次经过过滤器、鼓风机、二次冷却水、和制冷剂干燥器的预处理后，同时进入分成两个并行支路的两个干燥剂干燥器，然而再次合并成一股气体，依次进入过滤器和臭氧发生器；也就是说，在中压式臭氧制备系统中，原料空气依次经过除尘、加压、冷却、干燥及再次除尘等预处理后，方可进入臭氧发生器进行制备臭氧的操作。

③当选择高压式臭氧制备系统时，原料空气依次经过过滤器、鼓风机、二次冷却水和凝油器的预处理后，分成两个并行的支路，同时接受两个并行的干燥剂干燥器的预处理，然后再次合并成一股气体，经过减压阀减压后，依次进入过滤器和臭氧发生器；也就是说，在高压式臭氧制备系统中，原料空气依次经过除尘、加压、冷却、除油、干燥、减压及再次除尘等预处理后，方可进入臭氧发生器进行制备臭氧的操作。

(2)将从臭氧制备系统12产生的富含臭氧的气体输送到臭氧吸收系统13。根据实际生产的规模、投资成本和效率，对应选择单室扩散池式臭氧吸收系统(见图3)、多室扩散池式臭氧吸收系统(见图4)或者塔式臭氧吸收系统(如图5)。臭氧吸收系统通常以低温(温度控制在0～30℃的范围内)不含杂质离子的净化水作为臭氧的吸收剂使用，水流速度控制在0～60cm/s的范围(速度为0时，即为不流动的水，此时虽然为间歇操作，但依然能够实现目标)内，目的是为了防止水流过快夹带气泡。经臭氧吸收系统处理后的尾气(主要成分是氮气)以富氮气体的产品形式产出。然后，将含臭氧的水(或称作吸收臭氧后的水)输送到氧气释放系统14。臭氧吸收系统13所采用的不含杂质离子的净化水主要来自于离子沉降单元15回收的水，为了防止水资源在使用过程的损失造成水量不足的情况发生，在不含杂质离子的净化水输送到臭氧吸收系统的管路上设置有外界系统补充净化水的支路。

①当选用单室扩散池式臭氧吸收系统(见图3)时，用于吸收臭氧的水从系统的进水口进入，经过隔板的上表面以及隔板与吸收池之间的缝隙折回流向出水口，然后携带着吸收的臭氧流出系统。而臭氧或富含臭氧的气体通过吸收池底面上的臭氧入口，穿过上述隔板下方的水流，经隔板表面上的小孔隙和上述隔板上方的水流，再从吸收池顶面上的尾气出口排出尾气。

②当选用多室扩散池式臭氧吸收系统(见图4)时，用于吸收臭氧的水从系统的进水口进入，呈现“N”字型径向折流通过系统内的各个径流室，然后携带着吸收的臭氧经出水口流出系统。而臭氧或富含臭氧的气体通过臭氧导管通入到各个径流室的底部，被吸收后剩余的尾气从系统的尾气出口排出系统。

③当选用塔式臭氧吸收系统(如图5)时，用于吸收臭氧的水从系统上部的进水口进入，经过各个塔板或者填料的表面，从上向下传递；而臭氧或富含臭氧的气体经塔下端的臭氧入口进入塔内，从下向上扩散和传递。当臭氧或富含臭氧的气体与吸收剂完成多次逆向接触与相互作用后，剩余的尾气从系统顶部的尾气出口排出系统。

(3)将臭氧吸收系统产生的含臭氧的水(或称作吸收臭氧后的水)输送到氧气释放系统(见图6)。然后，调节金属离子溶液添加装置上的阀门，使预先装入到金属离子溶液添加装置6-5中的金属离子溶液6-4流入到氧气释放系统中。金属离子与含臭氧的水(或称作吸收臭氧后的水)相互接触和相互作用后，释放出的氧气通过各个隔板上的气体通道汇聚到尾气出口，释放出系统，形成富氧气体产品。所述金属离子通常选用可转化成沉淀析出或便于回收的金属离子，如K⁺、Na⁺、NH₄ ⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Zn²⁺、Ag⁺等中的一种或几种的组合。离子浓度在理论上只影响释放气体的速率，可根据实际需要及经济成本来确定。因此，本发明对离子浓度无明确要求，只要有对应的离子存在即可达到目的。

(4)之后，将氧气释放系统14排出的含金属离子的水溶液输送到离子沉降单元15，通过离子沉淀或者蒸发结晶的方式回收析出的金属离子成分，同时回收不含杂质离子的净化水。

(5)最后将离子沉降单元15回收的不含杂质离子的净化水输送到臭氧吸收系统13，实现水资源的循环利用。在连接离子沉降单元与臭氧吸收系统二者之间的净化水管路上设置有补充净化水的支路，以满足用于吸收臭氧的水量不足时的需要。

本发明利用臭氧的特有性质(臭氧可溶于水，在0℃、一标准大气压时，一体积水可溶解0.494体积臭氧；臭氧在纯水中分解较慢，但在臭氧水溶液中有金属离子存在时，臭氧可迅速分解为氧)，提出了一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法，有机结合了富氧助燃技术的发展需求，具有广阔的应用前景和市场潜力。

本发明提供了一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统与方法，包括臭氧制备系统、臭氧吸收系统、氧气释放系统和离子沉降四个工艺单元，采用“以空气为原料，经制备臭氧后再次转换为氧气”的工艺路线，利用臭氧的特有性质，设计与开发出了一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统装备与工艺技术。本发明有机结合了富氧助燃技术的发展需求，可适应大、中、小规模使用的适用性，具有设备与装置选择范围大、实用性强、便于工业化应用的特点，同时具有广阔的应用前景和市场潜力。

Claims (9)

1.一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统，其特征在于：包括臭氧制备系统(12)、臭氧吸收系统(13)、氧气释放系统(14)和离子沉降单元(15)四个工艺单元；

其中，臭氧制备系统(12)上设置有空气入口，臭氧制备系统(12)的出口与臭氧吸收系统(13)的原料入口连接；臭氧吸收系统(13)上设置有净化水入口、富氮气体出口和含臭氧水出口，臭氧吸收系统(13)上的含臭氧水出口与氧气释放系统(14)相连接；氧气释放系统(14)上设置有富氧气体出口和含离子水出口，氧气释放系统(14)上的含离子水出口与离子沉降单元(15)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统，其特征在于：所述离子沉降单元上设置有净化水出口，且净化水出口与臭氧吸收系统(13)相连接；在连接离子沉降单元(15)与臭氧吸收系统(13)二者之间的净化水管路上设置有补充净化水的支路。

3.根据权利要求1所述的一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统，其特征在于：所述氧气释放系统(14)包括封闭的水箱或水池，水箱或水池的两端分别设置有进水口和出水口，进水口的设置位置在水平方向上高于出水口的位置，水箱或水池内部被隔板分隔成若干呈“N”字型相连通的径流室，除了进水口和出水口所处的两个径流室外，其余各径流室之间的隔板上部且高于水箱或水池内水溶液上液面的位置上均设置有气体通道(6-1)；出水口所在的径流室顶部设置有尾气排出口(6-2)，与进水口所在径流室紧邻的径流室中设置有与金属离子溶液添加装置(6-5)相连通的管道；其中，进水口与臭氧吸收系统(13)相连，出水口与离子沉降单元(15)相连。

4.根据权利要求1所述的一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统，其特征在于：所述臭氧制备系统(12)包括低压式臭氧制备系统、中压式臭氧制备系统或高压式臭氧制备系统；

所述低压式臭氧制备系统包括第一过滤器(2)、吹风机(3)、制冷剂干燥器(4)、干燥剂干燥器(5)、第二过滤器(6)和臭氧发生器(7)；空气(1)依次经过第一过滤器(2)、吹风机(3)加压和制冷剂干燥器(4)的预处理后，分成两个并行的支路，每个支路上均设置一个干燥剂干燥器(5)，经过两个干燥剂干燥器之后，再次合并成一股气体，依次进入第二过滤器(6)和臭氧发生器(7)，臭氧发生器(7)与臭氧吸收系统(13)相连；

所述中压式臭氧制备系统包括第一过滤器(2)、鼓风机(8)、制冷剂干燥器(4)、干燥剂干燥器(5)、第二过滤器(6)和臭氧发生器(7)；空气(1)依次经过第一过滤器(2)、鼓风机(8)、二次冷却水(9)和制冷剂干燥器(4)的预处理后，分成两个并行的支路，每个支路上均设置一个干燥剂干燥器(5)，经过两个干燥剂干燥器(5)之后，再次合并成一股气体，依次进入第二过滤器(6)和臭氧发生器(7)，臭氧发生器(7)与臭氧吸收系统(13)相连；

所述高压式臭氧制备系统包括第一过滤器(2)、鼓风机(8)、凝油器(10)、干燥剂干燥器(5)、减压阀(11)、第二过滤器(6)和臭氧发生器(7)；空气(1)依次经过第一过滤器(2)、鼓风机(8)、二次冷却水(9)和凝油器(10)的预处理后，分成两个并行的支路，每个支路上均设置一个干燥剂干燥器(5)，经过两个干燥剂干燥器之后，再次合并成一股气体，经过减压阀(11)后，依次进入第二过滤器(6)和臭氧发生器(7)，臭氧发生器(7)与臭氧吸收系统(13)相连。

5.根据权利要求1所述的一种从空气中提取富氧和富氮气体的系统，其特征在于：所述臭氧吸收系统(13)包括单室扩散池式系统、多室扩散池式系统或塔式系统三种子系统；

所述单室扩散池式臭氧吸收系统包括封闭且带有进水口和出水口的吸收池，吸收池内设置有用于将吸收池内空间分为上空腔和下空腔的隔板，进水口设置在上空腔的侧壁上，出水口设置在下空腔的侧壁上，且出水口位于进水口的正下方；隔板的靠近进水口端与吸收池无缝连接，隔板的远离进水口端与吸收池内壁之间有用于吸收臭氧的水折流通过的空隙，且隔板远离进水口端设置有挡板，挡板位于隔板的下方，隔板上设置有气体能够通过而液体不能通过的一组孔隙；吸收池顶部设置有尾气出口(16)，吸收池底部设置有臭氧入口(17)，且尾气出口(16)、隔板上孔隙、臭氧入口(17)三者不在同一竖直线上；臭氧入口(17)与臭氧制备系统(12)相连；出水口与氧气释放系统(14)相连；

所述多室扩散池式臭氧吸收系统包括封闭的吸收池，吸收池的两端分别设置有进水口和出水口，吸收池的内部分割为若干个“N”字型连通的径流室，且进水口的位置在水平方向上高于出水口的位置，除了进水口和出水口所处的两个径流室外，其余各径流室中均对应设置有通入到径流室底部的用于臭氧导气的支管；出水口所在的径流室顶部设置有尾气出口(16)；吸收池的顶部设置有用于通入臭氧的臭氧入口(17)；臭氧入口(17)与臭氧制备系统(12)相连；出水口与氧气释放系统(14)相连；

所述塔式臭氧吸收系统包括吸收塔，吸收塔顶端设置有尾气出口(16)，吸收塔底端设置有出水口，吸收塔内从上往下数第一个塔板上部的侧壁上设置有进水口，吸收塔内靠近塔底第一个塔板下部的侧壁上开设有臭氧入口(17)，连接进水口的管路伸入到塔中从上往下数第一个塔板的上部，并在伸入到吸收塔内的管路上设置有多个喷水器或喷水口；臭氧或富含臭氧的气体经吸收塔下端的臭氧入口(17)进入塔内，从下向上扩散和传递；用于吸收臭氧的净化水自塔顶端的进水口进入塔内，从上向下传递，实现塔内气液两相多次逆向接触；其中，臭氧入口(17)与臭氧制备系统(12)相连；出水口与氧气释放系统(14)相连。

6.一种从空气中提取富氧和富氮气体的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在臭氧制备系统中，以空气作为原料，将空气依次经过除尘、加压、冷却、干燥及再次除尘预处理步骤后，输送给臭氧发生器，制备富含臭氧的气体；

2)将富含臭氧的气体输送到臭氧吸收系统；在臭氧吸收系统中，以净化水作为臭氧的吸收剂使用，净化水吸收臭氧后变为含臭氧的水；经臭氧吸收系统处理后的尾气以富氮气体的产品形式产出；

3)将含臭氧的水输送到氧气释放系统，调节金属离子溶液添加装置上的阀门，使预先装入到金属离子溶液添加装置中的金属离子流入到氧气释放系统中，通过金属离子与含臭氧的水相互接触和相互作用，形成富氧气体。

7.根据权利要求6所述的一种从空气中提取富氧和富氮气体的方法，其特征在于：还包括以下步骤：

4)将氧气释放系统排出的含金属离子的水溶液输送到离子沉降单元，通过离子沉淀或者蒸发结晶的方式回收析出的金属离子成分，同时回收不含杂质离子的净化水；

5)将离子沉降单元回收的不含杂质离子的净化水输送到臭氧吸收系统，实现水资源的循环利用。

8.根据权利要求6所述的一种从空气中提取富氧和富氮气体的方法，其特征在于：所述步骤2)中净化水的温度为0～30℃，流速度控制在0～60cm/s的范围内。

9.根据权利要求6或7所述的一种从空气中提取富氧和富氮气体的方法，其特征在于：所述步骤3)中金属离子溶液中金属离子为K⁺、Na⁺、NH₄ ⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Zn²⁺、Ag⁺中的一种或几种。