CN110030552B - 一种富氧气体生产方法及其系统、加热炉 - Google Patents

一种富氧气体生产方法及其系统、加热炉 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种富氧气体生产方法及其系统、加热炉，属于加热炉技术领域。生产方法包括：将载氧体与空气中的氧气进行吸氧反应，得到富氧载氧体；将富氧载氧体进行释氧反应，得到富氧气体。吸氧反应和释氧反应均在流化床反应器或移动床反应器中进行。该方法简单，能减少污染物的产生，释氧过程中不需额外补充能量，制氧效率高、能耗低。富氧气体生产系统包括吸氧和释氧反应系统，吸氧反应器设有气体进口、废气出口及物料出口，吸氧反应器内设有载氧体，释氧反应器设置有物料进口及富氧出口。该系统利于实现加热炉富氧燃烧，提高加热炉热效率，减少污染物的产生。包括上述富氧气体生产系统的加热炉系统具有高效率和低排放运行的特点。

Description

一种富氧气体生产方法及其系统、加热炉
技术领域
本发明涉及加热炉技术领域，具体而言，涉及一种富氧气体生产方法及其系统、加热炉。
背景技术
目前加热炉采用燃料和空气接触燃烧的方式加热工艺介质，高温烟气经余热回收系统后排出。这种加热炉运行方式会产生环境污染物，并且热效率难以进一步提高，具体有以下几个问题。1)燃料与空气直接接触燃烧会产生NOx、CO2等污染物；2)由于低温露点腐蚀的存在，加热炉排烟温度都在120℃以上，烟气的低温余热无法深度回收，制约了加热炉热效率的提高；3)燃烧过程过剩空气系数大，排烟损失较大；4)燃烧产生的高温烟气含有大量氮气，降低了烟气的辐射能力，影响加热炉热效率提高。
传统化学链制氧技术大多需要额外补充热量维持反应进行，整个过程能耗较高，同时载氧体的循环存在一定困难。
发明内容
本发明的第一目的包括提供一种富氧气体生产方法，能减少污染物的产生，释氧过程中不需额外补充能量，制氧效率高、能耗低。
本发明的第二目的包括提供一种富氧气体生产系统，该富氧气体生产系统利于实现加热炉富氧燃烧，提高加热炉提高加热炉热效率，减少污染物的产生。
本发明的第三目的包括提供一种包括上述富氧气体生产系统的加热炉，具有高效率和低排放运行的特点。
本发明的第四目的包括提供一种利用上述加热炉进行富氧气体生产的方法，该方法操作简单，稳定性强。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明提出一种富氧气体生产方法，包括：
将载氧体与空气中的氧气进行吸氧反应，得到富氧载氧体。
将富氧载氧体进行释氧反应，得到富氧气体。
吸氧反应和释氧反应均在流化床反应器或移动床反应器中进行。
其中，吸氧反应的压力为1-3.5MPa，温度为650-1000℃；释氧反应的压力为0.1-0.5MPa，温度为600-990℃。
在一些实施方式中，吸氧反应的温度高于释氧反应的温度。
在一些实施方式中，载氧体包括金属载氧体或非金属载氧体，金属载氧体包括铜基载氧体、铁基载氧体和锰基载氧体中的一种或多种，非金属载氧体包括GaSO4载氧体和钙钛矿载氧体中的一种或多种。
本发明还提出一种富氧气体生产系统，其包括吸氧反应系统，用于将载氧体与空气中的氧气进行吸氧反应以得到富氧载氧体；释氧反应系统，用于将富氧载氧体进行释氧反应以得到富氧气体。
其中，吸氧反应系统包括吸氧反应器，释氧反应系统包括释氧反应器。吸氧反应器设置有气体进口、废气出口以及物料出口，吸氧反应器内设置有载氧体，载氧体用于与从气体进口输入的气体中的氧气进行化合反应以生成富氧载氧体，废气出口用于排出吸氧反应器内其余的气体，物料出口用于输出富氧载氧体，释氧反应器设置有物料进口以及富氧出口，物料进口与物料出口连通，物料进口用于承接从物料出口输出的富氧载氧体，使得富氧载氧体在释氧反应器内进行分解反应以生成氧气，富氧出口用于输出在释氧反应器内生成的富氧气体。
吸氧反应器和释氧反应器为流化床反应器或移动床反应器。
进一步地，当吸氧反应器和释氧反应器均为流化床反应器时，富氧气体生产系统还包括第一接收器、第一暂存器以及第二接收器；物料出口、第一接收器、第一暂存器、第二接收器和物料进口依次连通；第一接收器和第一暂存器之间设置有用于使第一接收器和第一暂存器通断的第一阀门；第一暂存器和第二接收器之间设置有用于使第一暂存器和第二接收器通断的第二阀门；第一暂存器设置有吹扫气体进口。
进一步地，富氧气体生产系统还包括第一管道，第一管道的输入端用于与加热炉的输出端连通，第一管道的第一输出端与释氧反应器连通，第一管道的第二输出端与第二接收器连通；第二接收器的高度低于物料进口的高度，从第二输出端输出的气体用于将从第二接收器输出的富氧载氧体吹入物料进口内。
进一步地，富氧气体生产系统还包括第三接收器、第二暂存器以及第四接收器；释氧反应器还设置有贫氧载氧体出口，贫氧载氧体出口用于输出富氧载氧体反应后的载氧体；吸氧反应器设置有贫氧载氧体进口；贫氧载氧体出口、第三接收器、第二暂存器、第四接收器和物料进口依次连通；第三接收器和第二暂存器之间设置有用于使第三接收器和第二暂存器通断的第三阀门；第二暂存器和第四接收器之间设置有用于使第二暂存器和第四接收器和通断的第四阀门。
进一步地，当吸氧反应器和释氧反应器均为移动床反应器时，富氧气体生产系统还包括第一缓冲罐、第一提升器、第二接收器和第二暂存器，吸氧反应器的物料出口、第一缓冲罐、第一提升器、第二接收器、第二暂存器和释氧反应器的物料入口依次连通。具体的，第二接收器与第一提升器之间通过第一上升管连通。
第二接收器与第二暂存器之间设置有用于使第二接收器和第二暂存器通断的第三阀门，第二暂存器与释氧反应器之间设置有用于使第二暂存器和释氧反应器通断的第四阀门；第一提升器设置有空气进口，第二暂存器设置有吹扫气体进口。
进一步地，富氧气体生产系统还包括第一管道，第一管道的输入端用于与加热炉的输出端连通，第一管道的第一输出端与释氧反应器连通，第一管道的第二输出端与吸氧反应器连通并用于使第二输出端输出的气体将第一提升器内的富氧载氧体提升至第二接收器中。
进一步地，富氧气体生产系统还包括第一接收器、第一暂存器、第二缓冲罐、第二提升器；释氧反应器还设置有贫氧载氧体出口，吸氧反应器设置有贫氧载氧体进口，释氧反应器的贫氧载氧体出口、第二缓冲罐、第二提升器、第一接收器、第一暂存器以及吸氧反应器的贫氧载氧体进口依次连通。具体的，第二提升器与第一接收器之间通过第二上升管连通。
第一接收器与第一暂存器之间设置有用于使第一接收器与第一暂存器通断的第一阀门，第一暂存器与吸氧反应器之间设置有用于使第一暂存器与吸氧反应器通断的第二阀门。
进一步地，富氧气体生产系统还包括烟气处理器、第一换热器、第二换热器及压缩机，烟气处理器的输入端与废气出口连通；第二换热器与烟气处理器以及气体进口均连通，且用于使进入气体进口内的气体与从烟气处理器输出的气体进行换热；压缩机、第一换热器以及第二换热器依次连通，压缩机用于将气体加压后输入第一换热器内，第一换热器用于将从压缩机输入的气体以及从加热炉输出的烟气进行换热，并将加压后的气体输入第二换热器内，以使加压的气体进入气体进口。
此外，本发明还提出了一种加热炉系统，其包括加热炉以及上述富氧气体生产系统，富氧出口与加热炉的富氧气体进口连通。
此外，本发明还提出了一种利用上述加热炉系统进行富氧气体生产的方法，包括以下步骤：
在吸氧反应系统将载氧体与空气中的氧气进行吸氧反应以得到富氧载氧体。
在释氧反应系统将富氧载氧体进行释氧反应以得到富氧气体。
将得到的富氧气体输入加热炉内。
本申请提供的富氧气体生产方法及其系统、加热炉的有益效果包括：
第一，可大幅降低加热炉排烟温度，提高加热炉热效率3个百分点以上。传统加热炉烟气的排出温度一般高于120℃，本申请提供的富氧燃烧加热炉系统排出物仅是50℃以下的贫氧空气，排出烟气温度降低至少70℃，可提升加热炉热效率3个百分点以上。
第二，无CO2、NOx等污染物排出。常规工艺中，燃料气与空气直接接触燃烧，燃烧过程会产生NOx和CO2，排出的烟气中含有大量的CO2和一定量的NOx。本申请中燃料气与不含氮气的富氧气体燃烧，根除了NOx的产生，同时通过烟气换热及气液分离，CO2可直接收集处理。
第三，可实现CO2的高效捕集。传统加热炉的烟气由于CO2浓度极低，进行浓缩捕集耗能较大，一般直接排放至大气中。本申请产生的烟气只含有CO2和H2O，烟气经过换热和冷凝后，即可分离出浓度99％以上的CO2，可直接进行收集处理。
第四，可大幅减小加热炉的空间尺寸。传统加热炉燃烧产生的烟气含有大量N2，N2辐射能力几乎为零，从而大大减弱了烟气的辐射能力，采用富氧燃烧后烟气成分为CO2和水蒸气，烟气辐射力可提高50％以上。相同条件下，加热工艺介质所需换热面积比传统加热炉可减少50％以上，加热炉空间尺寸可大幅减小，建造成本可降低20％以上。
第五，可大幅降低制氧系统能耗，本申请中吸氧反应器在高压条件下进行，载氧体在高于其还原释氧温度的状态下发生氧化吸氧反应，载氧体自身温度已高于还原释氧温度，还原释氧反应能够自发进行，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，进而大幅降低了化学链空分制氧系统能耗，与常压化学链制氧技术相比运行成本可降低7-10％，与常规制氧技术相比制氧能耗可降低30-50％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本申请实施例2提供的富氧气体生产系统的第一种结构示意图；
图2为本申请实施例2提供的富氧气体生产系统的第二种结构示意图；
图3为本申请实施例3提供的加热炉系统的第一种结构示意图；
图4为本申请实施例3提供的加热炉系统的第二种结构示意图。
图标：100-富氧气体生产系统；10-吸氧反应器；11-气体进口；12-废气出口；13-物料出口；14-贫氧载氧体进口；20-释氧反应器；21-物料进口；22-富氧出口；23-贫氧载氧体出口；31-第一接收器；32-第一暂存器；321-吹扫气体进口；33-第二接收器；34-第三接收器；35-第二暂存器；36-第四接收器；41-第一阀门；42-第二阀门；43-第三阀门；44-第四阀门；51-第一上升管；52-第二上升管；60-第一管道；61-第一输出端；62-第二输出端；71-第一连通管；72-第二连通管；73-过滤器；81-第一缓冲罐；82-第一提升器；821-空气进口；83-第二缓冲罐；84-第二提升器；91-烟气处理器；92-第一换热器；93-第二换热器；94-第三换热器；95-压缩机；96-冷凝器；200-加热炉系统；201-加热炉。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“垂直”等术语并不表示要求部件绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下进行具体说明。
实施例1
本实施例提供一种富氧气体生产方法，其可包括：
将载氧体与空气中的氧气进行吸氧反应，得到富氧载氧体。将富氧载氧体进行释氧反应，得到富氧气体。吸氧反应和释氧反应均在流化床反应器或移动床反应器中进行。
其中，吸氧反应的压力为1-3.5MPa，温度为650-1000℃；释氧反应的压力为0.1-0.5MPa，温度为600-990℃；优选地，吸氧反应的温度高于释氧反应，例如可以高50-400℃。在该过程中，吸氧反应压力高于释氧反应，高压下载氧体吸氧反应的平衡温度高于低压下载氧体的释氧温度，高压下载氧体进行吸氧反应，压力降低时载氧体即可进行放氧反应。
优选地，载氧体包括金属载氧体或非金属载氧体，金属载氧体包括铜基载氧体、铁基载氧体和锰基载氧体中的一种或多种，非金属载氧体包括GaSO4载氧体和钙钛矿载氧体中的一种或多种。
可参照地，载氧体可以选自CoO、Co2O3、Co3O4；Fe2O3、FeO、Fe3O4、MnO、MnO2、Mn2O3或钙钛矿等。
承上，在本实施例提供的富氧气体生产方法中，载氧体(贫氧载氧体)在高压条件以及高于释氧反应的温度下进行吸氧反应，吸氧后载氧体自身温度较高，进入低压释氧反应器，依靠载氧体自身热量，释氧反应可以自发进行，无需额外补充热量。
而现有技术中部分制备氧气的方法只适用于载氧体在低压差且常压条件下进行循环，载氧体释氧过程需要额外补充能量，系统能耗高；另外部分制备氧气的方法在高压差的条件下，通过固定床结合阀门切换的方式完成载氧体的吸氧和释氧，反应时间长，制氧效率低、处理能力小，阀门来回切换容易损坏，系统稳定性差、操作及管理比较复杂。故相较于现有技术中的制氧技术，本申请提供的富氧气体生产方法通过在高压差条件下结合移动床或流化床完成载氧体的自主循环，能够使成本降低7-10％，相较于常规制氧技术，本申请提供的富氧气体生产方法能够使成本降低30-50％。
实施例2
请一并参照图1和图2，本实施例提供的富氧气体生产系统100包括吸氧反应系统和释氧反应系统。吸氧反应系统用于将载氧体与空气中的氧气进行吸氧反应以得到富氧载氧体。释氧反应系统用于将富氧载氧体进行释氧反应以得到富氧气体。
其中，吸氧反应系统包括吸氧反应器10，释氧反应系统包括释氧反应器20。吸氧反应器10和释氧反应器20为流化床反应器或移动床反应器。吸氧反应器10设置有气体进口11、废气出口12以及物料出口13，吸氧反应器10内设置有载氧体，载氧体用于与从气体进口11输入的气体中的氧气进行化合反应以生成富氧载氧体，废气出口12用于排出吸氧反应器10内其余的气体，物料出口13用于输出富氧载氧体，释氧反应器20设置有物料进口21以及富氧出口22，物料进口21与物料出口13连通，物料进口21用于承接从物料出口13输出的富氧载氧体，使得富氧载氧体在释氧反应器20内进行分解反应以生成氧气，富氧出口22用于输出在释氧反应器20内生成的氧气。
其中，吸氧反应器10反应的压力可以为1-3.5MPa，反应温度为650-1000℃；释氧反应器20反应的压力可以为0.1-0.5MPa，反应温度为600-990℃。
上述载氧体例如可包括金属载氧体或非金属载氧体，金属载氧体可包括铜基载氧体、铁基载氧体、锰基载氧体及其复合的多元载氧体，非金属载氧体可包括GaSO4载氧体或钙钛矿载氧体。
可参照地，载氧体可以选自CoO、Co2O3、Co3O4；Fe2O3、FeO、Fe3O4；MnO、MnO2、Mn2O3或钙钛矿等，上述载氧体均具有富氧、贫氧状态。
请继续参照图1，当吸氧反应器10和释氧反应器20均为流化床反应器时，富氧气体生产系统100还包括第一接收器31、第一暂存器32以及第二接收器33；物料出口13、第一接收器31、第一暂存器32、第二接收器33和物料进口21(载氧体入口)依次连通；第一接收器31和第一暂存器32之间设置有用于使第一接收器31和第一暂存器32通断的第一阀门41；第一暂存器32和第二接收器33之间设置有用于使第一暂存器32和第二接收器33和通断的第二阀门42；第一暂存器32设置有吹扫气体进口321。具体的，第二接收器33和物料进口21之间通过第一上升管51连通。
进一步地，富氧气体生产系统100还包括第一管道60，第一管道60的输入端用于与加热炉201的输出端连通，第一管道60的第一输出端61与释氧反应器20连通，第一管道60的第二输出端62与第二接收器33连通；第二接收器33的高度低于物料进口21的高度，从第二输出端62输出的气体用于将从第二接收器33输出的富氧载氧体吹入物料进口21内。
进一步地，富氧气体生产系统100还包括第三接收器34、第二暂存器35以及第四接收器36；释氧反应器20还设置有贫氧载氧体出口23，贫氧载氧体出口23用于输出富氧载氧体反应后的载氧体；吸氧反应器10设置有贫氧载氧体进口14；贫氧载氧体出口23、第三接收器34、第二暂存器35、第四接收器36和物料进口21依次连通；第三接收器34和第二暂存器35之间设置有用于使第三接收器34和第二暂存器35通断的第三阀门43；第二暂存器35和第四接收器36之间设置有用于使第二暂存器35和第四接收器36和通断的第四阀门44。具体的，贫氧载氧体出口23与第三接收器34之间通过第二上升管52连通。
值得说明的是，在实际设计和生产时，上述第一暂存器32和第二暂存器35可以不进行区分，同为同1个暂存器(如图1所示)，也可以分别为2个不同的暂存器。可参照地，暂存器可以为闭锁料斗，下同。
进一步地，富氧气体生产系统100还包括第一连通管71和第二连通管72，第一连通管71的两端分别与吸氧反应器10的物料出口13以及第一接收器31连通，第二连通管72的两端分别与吸氧反应器10的下部以及第四接收器36连通。
进一步地，富氧气体生产系统100还包括过滤器73，过滤器73设置于吸氧反应器10内，过滤器73用于使吸氧反应器10内其余的气体过滤后从废气出口12排出。
请继续参照图2，当上述吸氧反应器10和释氧反应器20均为移动床反应器时，富氧气体生产系统100还包括第一缓冲罐81、第一提升器82、第二接收器33和第二暂存器35，吸氧反应器10的物料出口13、第一缓冲罐81、第一提升器82、第二接收器33、第二暂存器35和释氧反应器20的物料入口依次连通。
第二接收器33与第二暂存器35之间设置有用于使第二接收器33和第二暂存器35通断的第三阀门43，第二暂存器35与释氧反应器20之间设置有用于使第二暂存器35和释氧反应器20通断的第四阀门44。第一提升器82设置有空气进口821，第二暂存器35设置有吹扫气体进口321。
进一步地，富氧气体生产系统100还包括第一管道60，第一管道60的输入端用于与加热炉201的输出端连通，第一管道60的第一输出端61与释氧反应器20连通，第一管道60的第二输出端62与吸氧反应器10连通并用于使第二输出端62输出的气体将第一提升器82内的富氧载氧体提升至第二接收器33中。
进一步地，富氧气体生产系统100还包括第一接收器31、第一暂存器32、第二缓冲罐83、第二提升器84；释氧反应器20还设置有贫氧载氧体出口23，吸氧反应器10设置有贫氧载氧体进口14，释氧反应器20的贫氧载氧体出口23、第二缓冲罐83、第二提升器84、第一接收器31、第一暂存器32以及吸氧反应器10的贫氧载氧体进口14依次连通。第一接收器31与第一暂存器32之间设置有用于使第一接收器31与第一暂存器32通断的第一阀门41，第一暂存器32与吸氧反应器10之间设置有用于使第一暂存器32与吸氧反应器10通断的第二阀门42。
进一步地，富氧气体生产系统100还包括烟气处理器91(如或烟气轮机)，烟气处理器91的输入端与吸氧反应器10的废弃出口连通。作为可选的，当吸氧反应器10和释氧反应器20为流化床反应器时，烟气处理器91可以为气涡轮机；当吸氧反应器10和释氧反应器20为移动床反应器时，烟气处理器91可以为烟气轮机。
承上，采用流化床反应器，载氧体在反应器内悬浮于流化气体中，随流化气体一起上升流动；采用移动床反应器，载氧体从反应器上部进入，从反应器底部流出。
进一步地，无论吸氧反应器10和释氧反应器20为流化床反应器还是移动床反应器，富氧气体生产系统100还包括第二换热器93，第二换热器93与吸氧反应器10的气体进口11连通。
进一步地，富氧气体生产系统100还包括第一换热器92以及压缩机95，压缩机95、第一换热器92以及第二换热器93依次连通，压缩机95用于将气体加压后输入第一换热器92内，第一换热器92用于将从压缩机95输入的气体以及从加热炉201输出的烟气进行换热，并将加压后的气体输入第二换热器93内，以使加压的气体进入气体进口11。
进一步地，富氧气体生产系统100还包括第三换热器94，第三换热器94分别与释氧反应器20的富氧气体出口、烟气入口以及加热炉201连通。
进一步地，富氧气体生产系统100还包括冷凝器96，冷凝器96的入口端与第一换热器92连通并用于将与空气换热后的烟气进行气液分离，得到冷凝水和CO2。
实施例3
请一并参照图3和图4，本实施例提供了一种加热炉系统200，其包括加热炉201和上述实施例2中的富氧气体生产系统100，富氧出口22与加热炉201的氧气进口连通。作为可选地，加热炉201的燃料气例如可以包括天然气、液化气或炼厂气中的一种或几种。加热炉201可以为直火式加热炉201，如管式加热炉201、冶金炉、回转窑等。
实施例4
本实施例提供了一种上述加热炉系统200的运行方法，例如可以包括以下步骤：在富氧气体生产系统100的第一预设区域内(包括吸氧反应器10的相关区域)将载氧体与空气中的氧气进行化合反应以得到富氧载氧体。
将富氧载氧体在富氧气体生产系统100的第二预设区域(包括释氧反应器20的相关区域)内进行释氧反应以得到富氧气体。
将产生的富氧气体输入加热炉201内。
当吸氧反应器10和释氧反应器20均为流化床反应器时，生产可参照：
常温常压空气进压缩机95，压力升高至1-3.5MPa进入第一换热器92与加热炉201产生的烟气换热，温度升高至30-40℃进入第二换热器93，换热升温至400-750℃大部分从吸氧反应器10底部进入，少量从第四接收器36底部进入。
第四接收器36中590-960℃的贫氧载氧体在400-750℃空气的提升下经第二连通管72进入吸氧反应器10。载氧体在1-3.5MPa的压力下，在空气的流化作用下边上升边与空气发生氧化反应，并放出热量，产生温度为650-1000℃的贫氧空气和650-1000℃的富氧载氧体。吸氧反应的方程式如下所示，
Figure BDA0002066407000000161
650-1000℃的贫氧空气从吸氧反应器10上部经过滤器73滤掉载氧体颗粒后进入气涡轮机做功发电。压力降低至0.1-0.5MPa，温度降低至450-800℃进入第二换热器93加热空气，温度降低至50℃以下直接排出。
650-1000℃的富氧载氧体运行至吸氧反应器10上部，从第一连通管71进入第一接收器31，待第一暂存器32泄压至压力比第一接收器31低10-50kPa时打开第一阀门41，富氧载氧体依靠自身重力进入第一暂存器32，第一暂存器32载氧体高度到达设定位置时关闭第一阀门41。第一暂存器32进行泄压，并通入400-850℃高温烟气吹扫空气，吹扫完毕后继续通入烟气进行加压，当第一暂存器32压力比第二接收器33压力高10-50kPa时打开第二阀门42，640-990℃富氧载氧体依靠自身重力进入第二接收器33。第一暂存器32卸料完毕后，关闭第二阀门42并泄压，压力降低至常压时打开第三阀门43，等待进料。
第二接收器33中640-990℃富氧载氧体在400-850℃的高温烟气的提升下经第一管道60的第二输出端62(可理解为第一上升管51)从释氧反应器20中部的物料入口(载氧体入口)进入。在从释氧反应器20中下部烟气入口进入的400-850℃的高温烟气的流化下，在0.1-0.5MPa的压力下边上升边发生释氧反应，并产生600-970℃贫氧载氧体和600-970℃的富氧气体，释氧反应的方程式如下所示，
Figure BDA0002066407000000171
600-970℃的富氧气体经释氧反应器20内的旋风分离器从释氧反应器20上部引出进入第三换热器94与烟气换热温度降低至250-350℃进入加热炉201。富氧气体与燃料气在加热炉201内燃烧产生高辐射力的高温烟气，高温烟气加热工艺介质温度降低至150-250℃后由加热炉201烟囱引出。
150-250℃的烟气，1/3烟气进入第一换热器92加热常温空气，温度降低至40-60℃进入冷凝器96进行气液分离，得到冷凝水和纯度99％以上的CO2，CO2进行收集处理。2/3的烟气进入第三换热器94吸热升温至400-850℃，大部分从释氧反应器20中下部的烟气入口进入，作为稀释气体与富氧载氧体放出的氧气混合产生富氧气体，少部分作为流化风提升载氧体。
600-970℃的贫氧载氧在旋风分离器的分离下返回释氧反应器20底部，在400-850℃的高温烟气的提升下经管道(第二上升管52)进入第三接收器34。
第二暂存器35泄压至常压打开第三阀门43后，第三接收器34内600-970℃贫氧载氧体依靠重力进入第二暂存器35。第二暂存器35载氧体高度到达设定位置时关闭第三阀门43。向第二暂存器35通入400-750℃的高压空气进行加压，当第二暂存器35压力比第四接收器36压力高10-50kPa时打开第四阀门44，590-960℃的贫氧载氧体依靠自身重力进入第二接收器33。第二暂存器35卸料完毕后，关闭第四阀门44并进行泄压，当第二暂存器35压力比第一接收器31低10-50kPa时打开第一阀门41，等待进料。第二接收器33中590-960℃的贫氧载氧体在流化空气的作用下进入吸氧反应器10进行循环。
当吸氧反应器10和释氧反应器20均为移动床反应器时，生产方法可参照：
常温常压空气进压缩机95，压力升高至1-3.5MPa进入第一换热器92与加热炉201产生的烟气换热，温度升高至30-40℃进入的第二换热器93，换热升温至400-750℃从吸氧反应器10上部进入。
第二提升器84中的600-990℃贫氧载氧体由400-850℃的高温烟气提升经第二上升管52进入第一接收器31，载氧体依靠重力作用进入第一暂存器32，第一暂存器32中载氧体料位到达设定高度后关闭第一阀门41。
400-750℃高压空气通入第一暂存器32吹扫暂存器中的烟气，并继续加压，当第一暂存器32压力比吸氧反应器10高10-50kPa时，打开第二阀门42，温度降低为580-930℃的贫氧载氧体依靠自身重力从吸氧反应器10上部进入。
第一暂存器32卸料后，关闭第二阀门42并进行泄压操作，压力将至常压打开第一阀门41进行装料。
进入吸氧反应器10的高温空气与高温载氧体在1-3.5MPa的压力下进行氧化反应并放出热量，产生温度为650-1000℃的贫氧空气和650-1000℃的富氧载氧体。吸氧反应的方程式如下所示，
Figure BDA0002066407000000191
650-1000℃的高压贫氧空气由吸氧反应器10下部引出进入烟气轮机，利用高温高压做功发电，贫氧空气压力降低至0.1-0.5MPa，温度降低至450-800℃进入第二换热器93加热空气，温度降低至50℃以下直接排出。
650-1000℃的富氧载氧体根据第一提升器82中载氧体的提升速度依靠自身重力依次进入第一缓冲罐81，然后进入第一提升器82。第一提升器82中的富氧载氧体由400-750℃高压空气提升经第一上升管51进入第二接收器33。
第二接收器33的载氧体依靠重力作用进入第二暂存器35，第二暂存器35中载氧体料位到达设定高度后关闭第三阀门43。
第二暂存器35进行泄压，压力降低至常压后向第二暂存器35通入400-850℃高温烟气吹扫空气并进行加压，当暂存器压力比释氧反应器20高10-50kPa后，打开第四阀门44，温度降低至640-990℃的富氧载氧体依靠自身重力从释氧反应器20上部进入。
第二暂存器35卸料后，关闭第四阀门44并进行泄压操作，压力将至常压打开第三阀门43进行装料。
进入释氧反应器20的高温富氧载氧体在0.1-0.5MPa的压力下进行释氧反应，富氧载氧体变为温度为600-970℃贫氧载氧体；400-850℃的高温烟气进入释氧反应器20与富氧载氧体释放的氧气混合，产生600-970℃的富氧气体。释氧反应的方程式如下所示，
Figure BDA0002066407000000201
600-970℃的贫氧载氧体根据第二提升器84中载氧体的提升速度依靠自身重力依次进入第二缓冲罐83，然后进入第二提升器84进行循环。
600-970℃的富氧气体进入第三换热器94与烟气换热温度降低至250-350℃进入加热炉201，与燃料气在加热炉201内燃烧产生高辐射力的高温烟气，高温烟气加热工艺介质温度降低至150-250℃由加热炉201烟囱引出。
150-250℃的烟气，1/4-3/4烟气进入第一换热器92加热常温空气，温度降低至40-60℃进入冷凝器96进行气液分离，得到冷凝水和纯度99％以上的CO2，CO2进行收集处理。剩余的烟气进入第三换热器94吸热升温至400-850℃，然后从释氧反应器20上部进入，作为稀释气体与富氧载氧体放出的氧气混合产生富氧气体。
实施例5
本实施例提供一种实施例4中当吸氧反应器10和释氧反应器20均为流化床反应器时具体的富氧气体生产方法：
常温常压空气进压缩机95，压力升高至如2MPa进入第一换热器92与加热炉201产生的烟气换热，温度升高至40℃进入第二换热器93，换热升温至700℃大部分从吸氧反应器10底部进入，少量从第四接收器36底部进入。
第四接收器36中900℃的贫氧载氧体(Cu2O)在700℃空气的提升下经第二连通管72进入吸氧反应器10。载氧体在2MPa的压力下，在空气的流化作用下边上升边与空气发生氧化反应，并放出热量，产生温度为950℃的贫氧空气和950℃的富氧载氧体。吸氧反应的方程式如下所示，
Figure BDA0002066407000000211
950℃的贫氧空气从吸氧反应器10上部经过滤器73滤掉载氧体颗粒后进入气涡轮机做功发电。压力降低至2MPa，温度降低至750℃进入第二换热器93加热空气，温度降低至50℃以下直接排出。
950℃的富氧载氧体运行至吸氧反应器10上部，从第一连通管71进入第一接收器31，待第一暂存器32泄压至压力低于第一接收器31 20kPa时打开第一阀门41，富氧载氧体依靠自身重力进入第一暂存器32，第一暂存器32载氧体高度到达设定位置时关闭第一阀门41。第一暂存器32进行泄压，并通入800℃高温烟气吹扫空气，吹扫完毕后继续通入烟气进行加压，当第一暂存器32压力比第二接收器33压力高20kPa时打开第二阀门42，940℃富氧载氧体依靠自身重力进入第二接收器33。第一暂存器32卸料完毕后，关闭第二阀门42并泄压，压力降低至常压时打开第三阀门43，等待进料。
第二接收器33中940℃富氧载氧体在800℃的高温烟气的提升下经第一管道60的第二输出端62(可理解为第一上升管51)从释氧反应器20中部的物料入口(载氧体入口)进入。在从释氧反应器20中下部烟气入口进入的800℃的高温烟气的流化下，在0.2MPa的压力下边上升边发生释氧反应，并产生910℃贫氧载氧体和910℃的富氧气体，释氧反应的方程式如下所示，
Figure BDA0002066407000000221
910℃的富氧气体经释氧反应器20内的旋风分离器从释氧反应器20上部引出进入第三换热器94与烟气换热温度降低至300℃进入加热炉201。富氧气体与燃料气在加热炉201内燃烧产生高辐射力的高温烟气，高温烟气加热工艺介质温度降低至200℃后由加热炉201烟囱引出。
如200℃的烟气，1/3烟气进入第一换热器92加热常温空气，温度降低至50℃进入冷凝器96进行气液分离，得到冷凝水和纯度99.9％的CO2，CO2进行收集处理。2/3的烟气进入第三换热器94吸热升温至800℃，大部分从释氧反应器20中下部的烟气入口进入，作为稀释气体与富氧载氧体放出的氧气混合产生富氧气体，少部分作为流化风提升载氧体。
910℃的贫氧载氧在旋风分离器的分离下返回释氧反应器20底部，在800℃的高温烟气的提升下经管道(第二上升管52)进入第三接收器34。
第二暂存器35泄压至常压打开第三阀门43后，第三接收器34内910℃贫氧载氧体依靠重力进入第二暂存器35。第二暂存器35载氧体高度到达设定位置时关闭第三阀门43。向第二暂存器35通入700℃的高压空气进行加压，当第二暂存器35压力比第四接收器36压力高20kPa时打开第四阀门44，900℃的贫氧载氧体依靠自身重力进入第二接收器33。第二暂存器35卸料完毕后，关闭第四阀门44并进行泄压，当第二暂存器35压力低于第一接收器31 20kPa时打开第一阀门41，等待进料。第二接收器33中900℃的贫氧载氧体在流化空气的作用下进入吸氧反应器10进行循环。
实施例6
本实施例提供一种实施例4中当吸氧反应器10和释氧反应器20均为移动床反应器时具体的富氧气体生产方法：
常温常压空气进压缩机95，压力升高至2MPa进入第一换热器92与加热炉201产生的烟气换热，温度升高至40℃进入的第二换热器93，换热升温至740℃从吸氧反应器10上部进入。
第二提升器84中的940℃贫氧载氧体(Cu2O)由850℃的高温烟气提升经第二上升管52进入第一接收器31，载氧体依靠重力作用进入第一暂存器32，第一暂存器32中载氧体料位到达设定高度后关闭第一阀门41。
750℃高压空气通入第一暂存器32吹扫暂存器中的烟气，并继续加压，当第一暂存器32压力高于吸氧反应器10 20kPa后，打开第二阀门42，温度降低为930℃的贫氧载氧体依靠自身重力从吸氧反应器10上部进入。
第一暂存器32卸料后，关闭第二阀门42并进行泄压操作，压力将至常压打开第一阀门41进行装料。
进入吸氧反应器10的高温空气与高温载氧体在2MPa的压力下进行氧化反应并放出热量，产生温度为970℃的贫氧空气和970℃的富氧载氧体(CuO)。吸氧反应的方程式如下所示，
Figure BDA0002066407000000241
970℃的高压贫氧空气由吸氧反应器10下部引出进入烟气轮机，利用高温高压做功发电，贫氧空气压力降低至0.3MPa，温度降低至800℃进入第二换热器93加热空气，温度降低至50℃以下直接排出。
970℃的富氧载氧体(CuO)根据第一提升器82中载氧体的提升速度依靠自身重力依次进入第一缓冲罐81，然后进入第一提升器82。第一提升器82中的富氧载氧体(CuO)由750℃高压空气提升经第一上升管51进入第二接收器33。
第二接收器33的载氧体依靠重力作用进入第二暂存器35，第二暂存器35中载氧体料位到达设定高度后关闭第三阀门43。
第二暂存器35进行泄压，压力降低至常压后向第二暂存器35通入600℃高温烟气吹扫空气并进行加压，当暂存器压力比释氧反应器20高20kPa后，打开第四阀门44，温度降低至960℃的富氧载氧体(CuO)依靠自身重力从释氧反应器20上部进入。
第二暂存器35卸料后，关闭第四阀门44并进行泄压操作，压力将至常压打开第三阀门43进行装料。
进入释氧反应器20的高温富氧载氧体(CuO)在CuO的压力下进行释氧反应，富氧载氧体变为温度为940℃贫氧载氧体(Cu2O)；850℃的高温烟气进入释氧反应器20与富氧载氧体释放的氧气混合，产生940℃的富氧气体。释氧反应的方程式如下所示，
Figure BDA0002066407000000251
940℃的贫氧载氧体根据第二提升器84中载氧体的提升速度依靠自身重力依次进入第二缓冲罐83，然后进入第二提升器84进行循环。
940℃的富氧气体进入第三换热器94与烟气换热温度降低至300℃进入加热炉201，与燃料气在加热炉201内燃烧产生高辐射力的高温烟气，高温烟气加热工艺介质温度降低至200℃由加热炉201烟囱引出。
200℃的烟气，1/2烟气进入第一换热器92加热常温空气，温度降低至50℃进入冷凝器96进行气液分离，得到冷凝水和纯度99.5％的CO2，CO2进行收集处理。剩余的烟气进入第三换热器94吸热升温至850℃，然后从释氧反应器20上部进入，作为稀释气体与富氧载氧体放出的氧气混合产生富氧气体。
综上所述，本申请提供的富氧气体生产系统100利于实现加热炉201富氧燃烧，提高加热炉201提高加热炉201热效率，减少污染物的产生，并有效捕集烟气中的CO2。包括上述富氧气体生产系统100的加热炉201，具有高效率和低排放运行的特点。上述加热炉201的运行方法，该方法操作简单，稳定性强。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种富氧气体生产系统，其特征在于，包括：
吸氧反应系统，用于将载氧体与空气中的氧气进行吸氧反应以得到富氧载氧体；
释氧反应系统，用于将所述富氧载氧体进行释氧反应以得到富氧气体；
所述吸氧反应系统包括吸氧反应器，所述释氧反应系统包括释氧反应器，所述吸氧反应器设置有气体进口、废气出口以及物料出口，所述吸氧反应器内设置有载氧体，所述载氧体用于与从所述气体进口输入的气体中的氧气进行化合反应以生成富氧载氧体，所述废气出口用于排出所述吸氧反应器内其余的气体，所述物料出口用于输出所述富氧载氧体，所述释氧反应器设置有物料进口以及富氧出口，所述物料进口与所述物料出口连通，所述物料进口用于承接从所述物料出口输出的富氧载氧体，使得所述富氧载氧体在所述释氧反应器内进行分解反应以生成氧气，所述富氧出口用于输出在所述释氧反应器内生成的富氧气体；
所述吸氧反应器和所述释氧反应器为流化床反应器或移动床反应器；
所述吸氧反应器反应的压力为1-3.5MPa，反应温度为650-1000℃；所述释氧反应器反应的压力为0.1-0.5MPa，反应温度为600-990℃；且吸氧反应的温度高于释氧反应的温度；
所述载氧体包括金属载氧体或非金属载氧体，所述金属载氧体包括铜基载氧体、铁基载氧体和锰基载氧体中的一种或多种，所述非金属载氧体包括GaSO4载氧体和钙钛矿载氧体中的一种或多种；
当所述吸氧反应器和所述释氧反应器均为流化床反应器时，所述富氧气体生产系统还包括第一接收器、第一暂存器以及第二接收器；所述物料出口、所述第一接收器、所述第一暂存器、所述第二接收器和所述物料进口依次连通；所述第一接收器和所述第一暂存器之间设置有用于使所述第一接收器和所述第一暂存器通断的第一阀门；所述第一暂存器和所述第二接收器之间设置有用于使所述第一暂存器和所述第二接收器通断的第二阀门；所述第一暂存器设置有吹扫气体进口；
所述富氧气体生产系统还包括第一管道，所述第一管道的输入端用于与加热炉的输出端连通，所述第一管道的第一输出端与所述释氧反应器连通，所述第一管道的第二输出端与所述第二接收器连通；所述第二接收器的高度低于所述物料进口的高度，从所述第二输出端输出的气体用于将从所述第二接收器输出的富氧载氧体吹入所述物料进口内；
当所述吸氧反应器和所述释氧反应器均为移动床反应器时，所述富氧气体生产系统还包括第一缓冲罐、第一提升器、第二接收器和第二暂存器，所述吸氧反应器的所述物料出口、所述第一缓冲罐、所述第一提升器、所述第二接收器、所述第二暂存器和所述释氧反应器的物料入口依次连通；
所述第二接收器与所述第二暂存器之间设置有用于使所述第二接收器和所述第二暂存器通断的第三阀门，所述第二暂存器与所述释氧反应器之间设置有用于使所述第二暂存器和所述释氧反应器通断的第四阀门；所述第一提升器设置有空气进口，所述第二暂存器设置有吹扫气体进口。
2.根据权利要求1所述的富氧气体生产系统，其特征在于，富氧气体生产系统还包括第三接收器、第二暂存器以及第四接收器；所述释氧反应器还设置有贫氧载氧体出口，所述贫氧载氧体出口用于输出所述富氧载氧体反应后的载氧体；所述吸氧反应器设置有贫氧载氧体进口；所述贫氧载氧体出口、所述第三接收器、所述第二暂存器、所述第四接收器和所述物料进口依次连通；所述第三接收器和所述第二暂存器之间设置有用于使所述第三接收器和所述第二暂存器通断的第三阀门；所述第二暂存器和所述第四接收器之间设置有用于使所述第二暂存器和所述第四接收器和通断的第四阀门。
3.根据权利要求1所述的富氧气体生产系统，其特征在于，当所述吸氧反应器和所述释氧反应器均为移动床反应器时，所述富氧气体生产系统还包括第一管道，所述第一管道的输入端用于与加热炉的输出端连通，所述第一管道的第一输出端与所述释氧反应器连通，所述第一管道的第二输出端与所述吸氧反应器连通并用于使所述第二输出端输出的气体将所述第一提升器内的富氧载氧体提升至所述第二接收器中。
4.根据权利要求3所述的富氧气体生产系统，其特征在于，所述富氧气体生产系统还包括第一接收器、第一暂存器、第二缓冲罐、第二提升器；所述释氧反应器还设置有贫氧载氧体出口，所述吸氧反应器设置有贫氧载氧体进口，所述释氧反应器的所述贫氧载氧体出口、所述第二缓冲罐、所述第二提升器、所述第一接收器、所述第一暂存器以及所述吸氧反应器的所述贫氧载氧体进口依次连通；
所述第一接收器与所述第一暂存器之间设置有用于使所述第一接收器与所述第一暂存器通断的第一阀门，所述第一暂存器与所述吸氧反应器之间设置有用于使所述第一暂存器与所述吸氧反应器通断的第二阀门。
5.根据权利要求1-4任一项所述的富氧气体生产系统，其特征在于，所述富氧气体生产系统还包括烟气处理器、第一换热器、第二换热器及压缩机，所述烟气处理器的输入端与所述废气出口连通；所述第二换热器与所述烟气处理器以及所述气体进口均连通，且用于使进入所述气体进口内的气体与从所述烟气处理器输出的气体进行换热；所述压缩机、所述第一换热器以及所述第二换热器依次连通，所述压缩机用于将气体加压后输入所述第一换热器内，所述第一换热器用于将从所述压缩机输入的气体以及从加热炉输出的烟气进行换热，并将加压后的气体输入所述第二换热器内，以使所述加压的气体进入所述气体进口。
6.一种加热炉系统，其特征在于，包括加热炉以及权利要求2-5任一项所述的富氧气体生产系统，所述富氧出口与所述加热炉的富氧气体进口连通。
7.一种利用权利要求6所述的加热炉系统进行富氧气体生产的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在吸氧反应系统将载氧体与空气中的氧气进行吸氧反应以得到富氧载氧体；
在释氧反应系统将所述富氧载氧体进行释氧反应以得到富氧气体；
将得到的所述富氧气体输入加热炉内。
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