CN106629607B - 一种加压氧化化学链空分制氧装置及制氧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加压氧化化学链空分制氧装置及制氧方法，首先将空气通过空压机加压后通入反应器，与还原态载氧体发生反应，载氧体完全氧化后停止通入加压空气；接着将反应器内压力降至大气压，然后通入常压惰性气体进行还原反应放出氧气，制备的氧气被惰性气体带出，两个反应器交替循环工作连续生产。本发明方法与现有化学链制氧技术相比能显著降低制氧功耗，同时提高化学链空分制氧效率。

Description

一种加压氧化化学链空分制氧装置及制氧方法
技术领域
本发明属于空分制氧技术领域，具体涉及一种加压氧化化学链空分制氧装置及制氧方法。
背景技术
化学链制氧技术是一种新的制氧方法，相比于深冷法分离空气制氧，它具有能耗低、成本低、操作简捷等优点，其原理是利用载氧体在释氧反应器中发生释氧反应生成氧气，释氧后的载氧体在氧化反应器中与空气反应实现氧化再生。根据释氧反应器中载气类型不同，可以产生富氧气体或纯氧等。然而传统的化学链制氧技术多集中于常压下操作，载氧体还原时需要外部的热能供应来维持反应进行，导致整个过程能源消耗大。在节能减排的倡导下，有必要开发一种低能耗、经济高效的化学链空分制氧装置及方法。
发明内容
本发明针对现有常规化学链高温分离空气制氧技术载氧体还原时所需的外部热能供应过大等不足，提出了一种加压氧化化学链分离空气制氧的设备和方法，采用该方法可以显著降低载氧体还原时所需的外部热能。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种加压氧化化学链空分制氧装置，包括空压机(1)、换热器(2)、第一反应器(3)、第二反应器(4)、第一外部加热装置(5)、第二外部加热装置(6)、气涡轮机(17)、减压阀(18)，其中空压机(1)通过第一高压空气流量控制阀(9)、第二高压空气流量控制阀(10)可分别为反应器输送高压空气，反应后得到的欠氧空气经第一欠氧气流量控制阀(13)、第二欠氧气流量控制阀(14)后进入气涡轮机(17)和换热器(2)降温排放，高压惰性气体可分别通过第一高压流量控制阀(11)、第二高压流量控制阀(12)进入反应器内，常压惰性气体也可分别通过第一常压流量控制阀(7)、第二常压流量控制阀(8)进入反应器，反应器内制备得到的富氧气通过第一富氧气流量控制阀(15)、第二富氧气流量控制阀(16)以及减压阀(18)进行收集处理，所述第一外部加热装置(5)和第二外部加热装置(6)分别设置在第一反应器(3)和第二反应器(4)上。
上述方案中，所述加压氧化化学链空分制氧装置还包括与减压阀(18)相连的冷却器(19)以及气液分离器(20)。
一种加压氧化化学链空分制氧方法，包括以下步骤：
(a)新鲜空气经空压机(1)加压、换热器(2)换热后，通过第一高压空气流量控制阀(9)进入第一反应器(3)内与还原态载氧体反应，反应后的欠氧空气经第一欠氧气流量控制阀(13)、气涡轮机(17)和换热器(2)排出，待还原态载氧体氧化完全后停止向反应器内通入高压空气；
(b)将高压惰性气体经由第一高压流量控制阀(11)通入到第一反应器(3)中，待残余的欠氧空气被完全赶走后停止通入高压惰性气体；
(c)打开第一富氧气流量控制阀(15)、减压阀(18)对第一反应器(3)进行降压，待第一反应器(3)内压力降至大气压时，通过第一常压流量控制阀(7)向第一反应器(3)中输入常压惰性气体进行还原反应，释放出的氧气被惰性气体经由第一富氧气流量控制阀(15)和减压阀(18)带出；
(d)待第一反应器(3)降至设定温度时启动第一外部加热装置(5)使载氧体在设定温度下继续释氧，载氧体完全反应后停止通入常压惰性气体；
(e)第二反应器(4)及相关第二装置按照步骤a-d进行制氧；
(f)第一反应器(3)和第二反应器(4)按照上述步骤交替操作制氧。
上述方案中，所述还原态载氧体为锰基载氧体、钴基载氧体、铜基载氧体或钙钛型氧化物中的一种，还原态载氧体附着的惰性单体为镁氧化物、铝氧化物、硅氧化物、锆氧化物、钛氧化物中的一种或其络合氧化物。
上述方案中，还原态载氧体与惰性单体的质量比为0.1-3:1。
按照上述方案，向反应器内通入高压空气进行氧化反应时，压力控制在3-40个标准大气压，氧化反应温度控制在600-1300℃。
按照上述方案，向反应器内通入常压惰性气体进行还原反应时，还原反应温度比氧化反应温度低30-150℃，步骤(d)所述设定温度为500-1250℃。
上述方案中，高压惰性气体的压力比通入反应器内的高压空气压力高1-5atm。
上述方案中，所述惰性气体为CO2或水蒸气中的一种。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)采用加压氧化，可以使载氧体在高于其还原温度的状态下发生氧化反应，载氧体氧化放出的热量被载氧体自身和惰性单体蓄积起来，在载氧体还原时由于载氧体自身的温度已高于还原温度，还原反应自动发生，载氧体和惰性单体蓄积的热量可供给自身还原使用，通过上述过程可以显著降低载氧体还原所需的外部热能供应。(2)两个反应器交替循环进行反应，可连续产生富氧气体，极大地提高了化学链空分制氧效率。
附图说明
图1是利用本发明装置制备富氧烟气的示意图。
图2是利用本发明装置制备纯氧的示意图。
图中，1-空压机，2-换热器，3-第一反应器，4-第二反应器，5-第一外部加热装置，6-第二外部加热装置，7-第一常压流量控制阀，8-第二常压流量控制阀，9-第一高压空气流量控制阀，10-第二高压空气流量控制阀，11-第一高压流量控制阀，12-第二高压流量控制阀，13-第一欠氧气流量控制阀，14-第二欠氧气流量控制阀，15-第一富氧气流量控制阀，16-第二富氧气流量控制阀，17-气涡轮机，18-减压阀，19-冷却器，20-气液分离器。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步充分说明。
实施例1
如图1所示的一种富氧烟气的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：空气经空压机1加压后，经换热器2与欠氧空气进行换热，换热后的高压空气经第一高压空气流量控制阀9通入第一反应器3中，与附着在一定量惰性单体上的还原态载氧体进行反应。还原态载氧体为Mn3O4，惰性单体为Al2O3，两者质量比为Mn3O4：Al2O3＝1.69:1。氧化反应压力为15atm，氧化反应温度为930℃。反应后的欠氧空气经第一欠氧气流量控制阀13后，通过气涡轮机17对外做功，再由换热器2换热后降温排放。待还原态载氧体氧化完全后停止向第一反应器3中通入高压空气。
步骤二：高压二氧化碳(压力高于步骤一中高压空气1-5atm)经由第一高压流量控制阀11通入第一反应器3中，待反应器内残余的欠氧空气被赶出后停止通入高压二氧化碳。
步骤三：打开第一富氧气流量控制阀15、减压阀18，对第一反应器3进行降压。待第一反应器3降至大气压力时通入常压二氧化碳(1atm)充当惰性气体，此时第一反应器3进行还原反应，还原反应温度为860℃。氧化态载氧体释氧后变为还原态载氧体，释放出的氧气被充当惰性气体的二氧化碳气流经由第一富氧气流量控制阀15和减压阀18带出。这样产生的富氧烟气可以用于工业燃烧产生高浓度二氧化碳。
步骤四：待第一反应器3降至设定温度860℃时，启动第一外部加热装置5使载氧体在设定温度下继续释氧。待载氧体完全释氧变为还原态载氧体后停止通入惰性气体。
步骤五：第二反应器4、第二欠氧气流量控制阀14、第二高压流量控制阀12、第二富氧气流量控制阀16以及第二外部加热装置6按照上述步骤一至四进行操作制氧。
步骤六：第一反应器与第二反应器按照上述方法交替进行反应，连续制得富氧烟气。
实施例2
如图2所示的一种纯氧的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：新鲜空气经空压机1加压后，经换热器2与欠氧空气进行换热，换热后的高压空气经第一高压空气流量控制阀9通入第一反应器3中，与附着在一定量的惰性单体上的还原态载氧体进行反应。还原态载氧体为Cu2O，惰性单体为MgAl2O4，两者质量比为Cu2O：MgAl2O4＝1:5.3。氧化反应压力为10atm，氧化反应温度为1070℃。反应后的欠氧空气经第一欠氧气流量控制阀13后，通过气涡轮机17对外做功，再由换热器2换热后降温排放。待还原态载氧体氧化完全后停止向第一反应器3中通入高压空气。
步骤二：高压水蒸气(压力高于步骤一中高压空气1-5atm)经由第一高压流量控制阀11通入第一反应器3中，待反应器内残余的欠氧空气被赶出后停止通入高压水蒸气。
步骤三：打开第一富氧气流量控制阀15、减压阀18，对第一反应器3进行降压。待第一反应器3降至大气压力时通入常压水蒸气(1atm)充当惰性气体，此时第一反应器3进行还原反应，还原反应温度为1000℃。氧化态载氧体释氧后变为还原态载氧体，释放出的氧气被充当惰性气体的水蒸气经由第一富氧气流量控制阀15和减压阀18带出，水蒸气-氧气混合气经冷却器19和气液分离器20后与水分离，这样就可得到高纯度氧气。
步骤四：待第一反应器3降至设定温度1000℃时，启动第一外部加热装置5使载氧体在设定温度下继续释氧。待载氧体完全释氧变为还原态载氧体后停止通入惰性气体。
步骤五：第二反应器4、第二欠氧气流量控制阀14、第二高压流量控制阀12、第二富氧气流量控制阀16以及第二外部加热装置6按照上述步骤一至四进行操作制氧。
步骤六：第一反应器与第二反应器按照上述方法交替进行反应，连续制得高纯度氧气。
以制备纯氧为例，经测算采用常规化学回路每消耗1Kg CH4可产出6.1Kg O2，而采用本发明方法每消耗1Kg CH4可产出18.8Kg O2。

Claims (6)

1.一种加压氧化化学链空分制氧装置，其特征在于，包括空压机(1)、换热器(2)、第一反应器(3)、第二反应器(4)、第一外部加热装置(5)、第二外部加热装置(6)、气涡轮机(17)、减压阀(18)，其中空压机(1)通过第一高压空气流量控制阀(9)、第二高压空气流量控制阀(10)分别为反应器输送高压空气，反应后得到的欠氧空气经第一欠氧气流量控制阀(13)、第二欠氧气流量控制阀(14)进入气涡轮机(17)和换热器(2)降温排放，高压惰性气体分别通过第一高压流量控制阀(11)、第二高压流量控制阀(12)进入反应器内，常压惰性气体也分别通过第一常压流量控制阀(7)、第二常压流量控制阀(8)进入反应器，反应器内制备得到的富氧气通过第一富氧气流量控制阀(15)、第二富氧气流量控制阀(16)以及减压阀(18)进行收集处理，所述第一外部加热装置(5)和第二外部加热装置(6)分别设置在第一反应器(3)和第二反应器(4)上。
2.如权利要求1所述的加压氧化化学链空分制氧装置，其特征在于，所述加压氧化化学链空分制氧装置还包括与减压阀(18)相连的冷却器(19)以及气液分离器(20)。
3.一种加压氧化化学链空分制氧方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)空气经空压机(1)加压、换热器(2)换热后，通过第一高压空气流量控制阀(9)进入第一反应器(3)内与还原态载氧体反应，反应后的欠氧空气经第一欠氧气流量控制阀(13)、气涡轮机(17)和换热器(2)排出，待还原态载氧体氧化完全后停止向反应器内通入高压空气；
(b)将高压惰性气体经由第一高压流量控制阀(11)通入到第一反应器(3)中，待残余的欠氧空气被完全赶走后停止通入高压惰性气体；
(c)打开第一富氧气流量控制阀(15)、减压阀(18)对第一反应器(3)进行降压，待第一反应器(3)内压力降至大气压时，通过第一常压流量控制阀(7)向第一反应器(3)中输入常压惰性气体进行还原反应，释放出的氧气被惰性气体经由第一富氧气流量控制阀(15)和减压阀(18)带出；
(d)待第一反应器(3)降至设定温度时启动第一外部加热装置(5)使载氧体在设定温度下继续释氧，载氧体完全反应后停止通入常压惰性气体；
(e)第二反应器(4)及相关第二装置按照步骤a-d进行制氧；
(f)第一反应器(3)和第二反应器(4)按照上述步骤交替操作制氧；
其中所述还原态载氧体为锰基载氧体、钴基载氧体、铜基载氧体或钙钛型氧化物中的一种，还原态载氧体附着的惰性单体为镁氧化物、铝氧化物、硅氧化物、锆氧化物、钛氧化物中的一种或其络合氧化物；所述惰性气体为CO2或水蒸气中的一种；
向反应器内通入高压空气进行氧化反应时，压力控制在3-40个标准大气压，氧化反应温度控制在600-1300℃。
4.如权利要求3所述的加压氧化化学链空分制氧方法，其特征在于：还原态载氧体与惰性单体的质量比为0.1-3：1。
5.如权利要求3所述的加压氧化化学链空分制氧方法，其特征在于：向反应器内通入常压惰性气体进行还原反应时，还原反应温度比氧化反应温度低30-150℃，步骤(d)所述设定温度为500-1250℃。
6.如权利要求3所述的加压氧化化学链空分制氧方法，其特征在于：高压惰性气体的压力比通入反应器内的高压空气压力高1-5atm。
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