CN116059798A - 空气富氧设备、富氧燃烧供气系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气富氧设备、富氧燃烧系统及富氧燃烧方法。本发明的空气富氧设备，通过在膜分离设备外增设磁场，配合膜材料中间填充的聚磁介质，利用氧分子和氮分子不同的顺磁性和逆磁性，借助磁场及聚磁介质的相互配合，大大提高了单纯膜分离的富氧效果。本发明的富氧燃烧系统，针对膜分离组件，选择采用富含CO2的烟气作为膜分离组件的吹扫气，直接实现了富CO2烟气和富O2气体的混合燃烧，解决了现有磁法富氧效率较低，氧气难从富集磁场脱离等问题，整个富氧供气过程连续稳定。

Description

空气富氧设备、富氧燃烧供气系统及方法
技术领域
本发明属于加热炉技术领域，涉及一种加热炉节能减排降碳技术和方法，特别是一种利用富氧燃烧方式实现加热炉节能减排降碳的系统及方法。
背景技术
目前中国碳减排及捕集技术已经比较成熟，碳捕集主要在煤化工、火电行业、钢铁制造、天然气加工、水泥生产、甲醇、合成氨、制氢及炼油等行业。经济成本是制约我国CCUS发展的重要因素，在CCUS的捕集、输送、利用与封存环节中，碳捕集是能耗和成本最高的环节。相对中国的二氧化碳排放量和减排需求，当前CCUS的减排贡献仍然很低，难以满足中国低碳发展的迫切需求。
富氧燃烧是一项高效节能的燃烧技术，富氧燃烧是指用比空气含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，与用普通空气燃烧相比，可以有效提高火焰温度、提高热利用率、减少排烟损失，且随着富氧制备技术的不断发展，使得富氧获取更为容易，因此富氧燃烧技术应用越来越广，并逐步推广到煤粉炉、循环流化床和工业加热炉。富氧燃烧还能够实现燃烧过程中碳捕集，在富氧燃烧过程中，同时辅助以烟气循环的燃烧技术，则可获得高浓度的富含CO2烟气，实现碳富集，从而减低燃烧后碳捕集装置的规模、投资及运行成本，以较小的代价实现CO2回收或资源化利用，具有相对成本低、易规模化、可改造存量机组等诸多优势，被认为是最可能大规模推广和商业化的CCUS技术之一。
富氧成本是影响富氧燃烧技术整体投资和运行费用的关键，目前的富氧技术主要有深冷分离、变压吸附、膜分离及磁法富氧等方法。深冷分离是利用液化后各组分沸点差异来精馏分离，工艺成熟、氧纯度高，但能耗较大，主要用于大型企业纯氧燃烧捕获CO2。变压吸附（PSA）是利用吸附剂对特定气体的吸附和脱吸附能力对气体进行分离，可用于中、小规模气体分离，通常需要两罐或多罐切换吸附再生操作，存在切换阀高频动作泄露和故障高等问题，并且再生能耗较高。膜分离技术是利用具有特殊选择分离性的膜材料，对空气进行分离，适用于中、小规模低纯度制氧，膜技术的关键是制造高通量、高选择性、使用寿命长又易于清洗的膜材料。磁法富氧是利用氧分子和氮分子的不同的顺磁性和逆磁性，使得两种气体分子通过高磁磁场发生不同方向偏转而得到富氧空气和富氮空气，具有能耗低、富氧成本低的优点，但是现有磁法富氧装置普遍存在效率较低，富氧浓度不高，富氧气量小，且存在氧气难从富集磁场脱离等问题。
富氧燃烧虽然具有诸多优点，但在富氧燃烧条件下，随着富氧体积分数的增加，火焰温度升高，会生成更多的热力型氮氧化物，导致烟气中氮氧化物浓度增加，这也在一定程度上制约了富氧燃烧的推广应用，因此在富氧燃烧过程中，采取合适的低氮减排技术十分关键。
CN104271217A公开了一种氧气分离器和产生氧气的方法，利用氧气分离吸附剂通过多周期间续运行实现氧气分离过程，该技术要实现氧气连续供应需要多组氧气分离器切换运行，且仅能提供小气量的氧气供应。专利CN101857200A利用磁分离技术，公开了一种新型组合式磁力富氧装置，富氧装置采用三级串联富氧，逐级提高氧气纯度，但在实际运行过程中存在氧气难从磁场脱离的问题。
专利CN106545846A公开了一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置及方法，装置包括主烟道和烟气循环支烟道，通过将加热炉排出的一部分烟气进行循环，同时掺入氧气进行混合形成氧含量为21％～30％的混合气体送入燃烧器作为助燃气体，大幅度降低了烟气中的NOx生成，但该技术需要配套有稳定的氧气源供给，并未考虑富氧成本问题。专利CN103343965A公开了一种利用富氧燃烧的加热炉系统，该发明涉及一种空气与氧气预先混合后供入烧嘴燃烧加热炉系统，采用富氧燃烧技术，可实现低热值煤气的有效利用，更加高效、节能、环保，但需要将原有加热系统燃烧器全部改为富氧燃烧器后才能应用，投资成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种空气富氧设备、富氧燃烧供气系统及方法。本发明，能够为富氧燃烧高效低成本的提供大气量富氧气体，并能够从源头减少和控制氮氧化物排放，提高加热炉热效率，降低烟气排放量并将烟气余热回收，同时富集烟气中CO2浓度，为后续CO2的捕集和回收提供便利条件。
为实现本发明目的，本发明第一方面提供了一种空气富氧设备，所述空气富氧设备为氮气/氧气磁法-膜组合分离设备。
一种空气富氧设备，包括外壳体、中间腔体、原料气腔体、截余气腔体、膜分离组件及磁场组件；其中
所述的原料气腔体和截余气腔体分别位于外壳体两端，中间腔体位于原料气腔体和截余气腔体之间；
所述膜分离组件设置在空气富氧设备的中间腔体内，其两端开口端分别与原料气腔体与截余气腔体连通，将中间腔体分为截余通道和渗透通道；其中，原料气腔体与截余气腔体通过膜分离组件中腔形成截余气通道；与截余气通道相对，膜分离组件之间的空间为渗透通道；
所述原料气腔体和截余气腔体分别设置原料气入口和截余气出口；
所述外壳体一侧设置渗透气出口，所述渗透气出口与膜分离组件的渗透通道连通；
所述磁场组件设置在外壳体周围或两侧，用于使空气富氧设备的壳体区域内形成磁场。
进一步，所述膜分离组件的管壁为膜分离材料，所述膜材料对氧气具有良好的选择透过性能，对氮气具有相对氧气较慢的透过性能，膜材料对O2/N2的选择性大于2（即O2和N2的渗透速率比值），所述膜分离材料可以为天然膜材料、无机膜材料、高分子聚合物膜材料或复合膜材料。
进一步，所述膜分离组件为中空管式双开口膜形式，即中空膜管两端开口。
进一步，所述膜分离组件为多组设置。多组膜分离组件相应地与原料气腔体、截余气腔体形成多组截余气通道。
进一步，所述磁场组件为多组磁体构成，所述磁体可以是永磁体、电磁体或超导磁体。
进一步，若干膜分离组件中间的渗透通道装有聚磁介质。所述聚磁介质为能够将均匀磁场变成高梯度的非均匀磁场的物质，可以为球介质、齿板介质、网介质、棒介质、钢毛介质的一种或几种组合，聚磁介质材质可以为纯铁、低碳钢、铁素体导磁不锈钢及铁钴钕硼合金等中的一种或几种。
进一步，所述空气富氧设备具有原料气进口、渗透气出口、截余气出口，所述原料气进口、截余气出口与膜分离组件的截余通道连通，所述渗透气出口与膜分离组件的渗透通道连通。
本发明的空气富氧设备可以用于为富氧燃烧系统提供富氧助燃风，还可以用于金属冶炼、废水废气环保处理、化工合成氧化反应、发动机增氧、医疗保健供氧、水产养殖等领域的富氧气体供应。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种富氧燃烧供气系统，其中含有前面所述的空气富氧设备。
一种富氧燃烧供气系统，所述系统包括空气过滤器、助燃引风机、空气富氧设备、混合器、换热器、燃烧炉、烟气循环风机、脱水罐；所述空气过滤器进口与大气相通；空气过滤器出口与空气富氧设备的原料气进口连接；所述空气富氧设备的渗透气出口与助燃引风机入口连接，空气富氧设备的截余气出口与大气相通；所述助燃引风机出口与混合器第一入口连接；所述混合器第二入口与脱水罐气体出口通过管线连通，混合器出口经换热器与燃气炉助燃风入口连通；所述燃烧炉烟气出口经换热器与烟气循环风机入口连接；所述烟气循环风机出口分成两路，第一路与脱水罐入口连通，第二路外排出系统；所述脱水罐出口管线与混合器第二入口连接。
进一步，所述脱水罐为冷却脱水气液分离罐，内部设置有冷媒取热设施。
进一步，所述换热器为气-气换热器，换热器形式不限。
进一步，所述燃烧炉可以是使用固体燃料、液体燃料及气体燃料的燃烧炉。所述燃烧炉具有燃料供给口、助燃风供给口及烟气外排管线。
根据本发明的第三个方面，本发明还提供一种富氧燃烧方法，其中应用了前面所述的空气分离系统。
一种富氧燃烧方法，包括如下步骤：
（1）空气被助燃引风机引入空气富氧设备进行处理，在空气富氧设备内氧气在渗透通道富集，氮气在截余通道富集，富氧气体由渗透通道被助燃引风机引出空气富氧设备，截余通道的氮气外排出系统；
（2）步骤（1）经助燃引风机引出的富氧气进入混合器与脱水罐处理后的富含CO2烟气混合，混合后经换热后作为助燃风进入燃烧炉与燃料燃烧，燃烧后产生的高温烟气进行换热回收热量后，被烟气循环风机增压处理，增压后烟气分成两路：第一路进入脱水罐进行冷却降温脱水处理，第二路外排出系统；
（3）步骤（2）所述脱水罐处理后的低温烟气进入混合器与富氧气体混合后，作为助燃风使用。
进一步，步骤（1）所述空气富氧设备前设置空气过滤器，过滤空气中的杂质。
进一步，步骤（2）脱水罐处理后的烟气中CO2的体积浓度高于20%。
进一步，步骤（1）所述空气富氧设备渗透侧排出气体为富氧气体（用作助燃风），富氧气体中的O2体积浓度一般为30%~60%。
进一步，步骤（2）所述脱水罐温度为10~60℃，优选25~40℃。
进一步，步骤（2）所述烟气经循环风机增压处理后分成的两路，第一路占烟气总量的10%~60%，第二路占烟气总量的40%~90%。
进一步，步骤（2）所述第二路外排出系统的富CO2的烟气，可进一步进行碳捕集或回收处理。
本发明提供的富氧燃烧方法适用于固体燃料、液体燃料及气体燃料的各种类型燃烧炉的富氧燃烧过程。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出了一种空气富氧设备。本发明在膜分离设备外增设磁场，配合膜材料中间填充的聚磁介质，利用氧分子和氮分子的不同顺磁性和逆磁性，通过磁场及聚磁介质的相互配合，大大提高了单纯膜分离的富氧效果。此外，利用引风机抽吸的形式及时将富氧处理后的气体及时带出设备（磁场区），解决了现有磁法富氧效率较低，氧气难从富集磁场脱离等问题，整个富氧供气过程连续稳定。
2、采用空气富氧对空气进行氮氧分离，氮气的分离减少了助燃风量，从而减少了烟气生成量，降低了排烟热损失，提高了加热炉热效率，并且减少了原料氮氧化物的生成，从源头减少和控制了氮氧化物排放，配合富CO2烟气循环再生，与富氧气体混合，相当用CO2取代N2作为稀释气体，极大提高了烟气中CO2的浓度，大幅降低了碳捕集成本，为后续CO2的捕集和回收提供便利条件。
附图说明
图1为本发明所述一种空气分离系统示意图。
图中，1-空气管线，2-过滤器，3-助燃引风机，4-换热器，5-燃烧炉，6-烟气循环风机，7-空气富氧设备，8-燃烧器，9-燃料供给，10-脱水罐，11-循环风机第一路出口，12-循环风机第二路出口，13-助燃风入口，14-燃烧炉烟气出口，15-碳捕集回收装置，16-截余气外排管线，17-混合器。
图2为本发明所述空气富氧设备的结构示意图。
图中，51-外壳体，52-中间腔体，53-截余气腔体，54-膜分离组件，55-磁场组件，56-原料气进口，57-原料气入口，58-渗透气出口，59-截余气出口，60-渗透通道，61-截余通道。
图3为本发明所述磁法-膜分离组件结构示意图。
图中，62-聚磁介质，63-膜分离材料。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明一种空气富氧设备、富氧燃烧供气系统及方法做详细说明，但并不因此限制本发明。
实施例1
本实施方式对氧气/氮气空气富氧设备进行详细描述。如图2所示，本发明所述空气富氧设备为磁法-膜组合分离设备，包括外壳体51、中间腔体52、原料气腔体56、截余气腔体53、膜分离组件54及磁场组件55，所述原料气腔体56、截余气腔体53分别位于外壳体51两端，所述膜分离组件54为中空管式双开口膜形式，即中空膜管两端开口，所述膜分离组件54设置在外壳体内的中间腔体52，并且两端开口端分别与原料气腔体56与截余气腔体53连接，将中间腔体52分为截余通道61和渗透通道60，其中原料气腔体56与截余气腔体53通过膜分离组件54中腔形成截余通道61，所述膜分离组件54为多组设置，相应与原料气腔体56、截余气腔体53形成多组截余通道61，所述原料气腔体56、截余气腔体53分别设置原料气入口57、截余气出口59，所述外壳体51一侧设置渗透气出口58，所述渗透气出口58与膜分离组件的渗透通道60连接，所述磁场组件55设置在膜分离设备外壳体51周围或两侧。
如图3所示，膜分离组件54管壁为膜分离材料63，所述膜分离组件间的渗透通道填充聚磁介质62。
实施例2
本实施方式对本发明的富氧燃烧供气系统进行详细描述。
如图1所示，本发明提供一种空气分离系统，所述系统包括空气过滤器2、助燃风机3、空气富氧设备7、换热器4、燃烧炉5、烟气循环风机6、脱水罐10、混合器17；所述空气过滤器2进口与大气相通；空气过滤器2出口与空气富氧设备7的原料气进口连接；所述空气富氧设备7的渗透气出口与助燃引风机3入口连接，空气富氧设备7的截余气出口外排至大气；所述助燃引风机3出口与混合器17入口连接；所述混合器17另一入口与脱水罐10出口管线连接，混合器17出口经换热器4与燃气炉助燃风入口13连接；所述燃烧炉烟气出口14经换热器4与烟气循环风机6入口连接；所述烟气循环风机出口分成两路，第一路11与脱水罐10入口连接，第二路12外排出系统；所述脱水罐10出口管线与混合器17入口连接。
实施例3
本实施方式对本发明的富氧燃烧供气方法进行了详细描述。结合图1-3，本发明提供的一种磁法空气分离系统及富氧燃烧方法的工作过程如下：空气被助燃引风机3引入空气富氧设备7进行处理，在空气富氧设备7内氧气具有较高的膜透过性能在渗透侧60富集，氮气具有较低的膜透过性能在截余通道61富集，富氧气体由渗透通道被助燃引风机3引出空气富氧设备7，截余通道的氮气外排出系统16；助燃引风机3引出的富氧气进入混合器17与脱水罐10处理后的富含CO2烟气混合，混合后经换热后作为助燃风进入燃烧炉5与燃料燃烧，燃烧后产生的高温烟气14进行换热回收热量后，被烟气循环风机6增压处理，并分成两路：第一路11进入脱水罐10进行冷却降温脱水处理，处理后的低温烟气进入混合器与富氧气体混合后，作为助燃风使用；第二路外排出系统，可进一步的进行碳捕集或回收处理。
实施例4
本实施方式给出了一种磁法富氧供气燃烧系统的具体应用案例。
采用图1所示本发明提供的一种磁法富氧供气燃烧系统对某企业5MW燃气加热炉进行富氧燃烧处理，燃料气为天然气，空气富氧设备采用图2所示结构，膜材料选择聚甲基硅氧烷/聚碳酸酯类高分子氮气/氧气分离膜，膜分离组件内聚磁介质选用100μm的铁铬合金钢毛介质，外磁场选用钕铁硼(Nd2Fe14B)合金永磁体，可定期充磁，磁场强度＞1T，磁场梯度＞1000T/m。
空气经助燃风机3增压后进入空气富氧设备7进行处理，在空气富氧设备7内氧气具有较高的膜透过性能在渗透通道富集，氮气具有较低的膜透过性能在截余通道富集，与此同时，富含CO2烟气（CO2体积分数21%左右）作为吹扫气由吹扫气入口进入空气富氧设备7的渗透通道，与富氧气体一同由渗透通道排出空气富氧设备，此时的助燃风各组分体积分数为：O2约为24%、N2约为61%、CO2约为8%，剩余为水，截余通道的氮气外排出系统16；空气富氧设备7渗透通道排出的富氧气体经换热后作为助燃风进入燃烧炉5与燃料燃烧，燃烧后产生的高温烟气14进行换热回收热量后，被烟气循环风机6增压处理，并分成两路：第一路占总烟气体积的41%进入脱水罐16进行冷却降温脱水处理后，作为吹扫气进入空气富氧设备7，第二路为剩余烟气外排出系统，外排气体中CO2体积浓度21%左右，可进一步的进行碳捕集或回收处理。
以上过程由于采用了膜分离富氧配上烟气循环吹扫工艺优化，在不改造原加热炉烧嘴的情况下，减少了烟气生成量，降低了排烟热损失，提高了加热炉热效率，并且能够有效控制氮氧化物排放，与空气助燃工艺相比，烟气外排量降低48%，且烟气中CO2浓度由10%左右提升至21%，相当于后续碳捕集设备规模降低近50%，极大降低了碳捕集成本，为后续CO2的捕集和回收提供便利条件。

Claims (19)

1.一种空气富氧设备，包括外壳体、中间腔体、原料气腔体、截余气腔体、膜分离组件及磁场组件；其中
所述的原料气腔体和截余气腔体分别位于外壳体两端，中间腔体位于原料气腔体和截余气腔体之间；
所述膜分离组件设置在空气富氧设备的中间腔体内，其两端开口端分别与原料气腔体与截余气腔体连通，将中间腔体分为截余通道和渗透通道；其中，原料气腔体与截余气腔体通过膜分离组件中腔形成截余气通道；膜分离组件之间的空间为渗透通道；
所述原料气腔体和截余气腔体分别设置原料气入口和截余气出口；
所述外壳体一侧设置渗透气出口，所述渗透气出口与膜分离组件的渗透通道连通；
所述磁场组件设置在外壳体周围或两侧，用于使空气富氧设备的壳体区域内形成磁场；若干膜分离组件之间的渗透通道填充聚磁介质。
2.按照权利要求1所述的空气富氧设备，其特征在于，所述膜分离组件的管壁为膜分离材料，所述膜材料对O2/N2的分离选择性大于2。
3.按照权利要求1所述的空气富氧设备，其特征在于，所述膜分离组件为中空管式双开口膜形式，即中空膜管两端开口。
4.按照权利要求1所述的空气富氧设备，其特征在于，所述膜分离组件为多组设置。
5.按照权利要求1所述的空气富氧设备，其特征在于，所述磁场组件由多组磁体构成，所述磁体为永磁体、电磁体或超导磁体。
6.按照权利要求1所述的空气富氧设备，其特征在于，所述聚磁介质用于将均匀磁场变成高梯度的非均匀磁场的物质。
7.按照权利要求1或6所述的空气富氧设备，其特征在于，所述聚磁介质为球介质、齿板介质、网介质、棒介质、钢毛介质的一种或几种组合，聚磁介质材质为纯铁、低碳钢、铁素体导磁不锈钢及铁钴钕硼合金中的一种或几种。
8.按照权利要求1所述的空气富氧设备，其特征在于，所述原料气进口、截余气出口与膜分离组件的截余通道连通，所述渗透气出口与膜分离组件的渗透通道连通。
9.一种富氧燃烧供气系统，其中含有权利要求1-8任一所述的空气富氧设备。
10.按照权利要求9所述的富氧燃烧供气系统，其特征在于，所述系统包括空气过滤器、助燃引风机、空气富氧设备、混合器、换热器、燃烧炉、烟气循环风机、脱水罐；所述空气过滤器进口与大气相通；空气过滤器出口与空气富氧设备的原料气进口连接；所述空气富氧设备的渗透气出口与助燃引风机入口连接，空气富氧设备的截余气出口与大气相通；所述助燃引风机出口与混合器第一入口连接；所述混合器第二入口与脱水罐气体出口通过管线连通，混合器出口经换热器与燃气炉助燃风入口连通；所述燃烧炉烟气出口经换热器与烟气循环风机入口连接；所述烟气循环风机出口分成两路，第一路与脱水罐入口连通，第二路外排出系统；所述脱水罐出口管线与混合器第二入口连接。
11.按照权利要求10所述的富氧燃烧供气系统，其特征在于，所述脱水罐为冷却脱水气液分离罐，内部设置有冷媒取热设施。
12.一种富氧燃烧方法，其中应用了权利要求9-11任一所述的富氧燃烧供气系统。
13.按照权利要求12所述的富氧燃烧方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）空气被助燃引风机引入空气富氧设备进行处理，在空气富氧设备内氧气在渗透侧富集，氮气在截余侧富集，富氧气体由渗透侧被助燃引风机引出空气富氧设备，截余侧的氮气外排出系统；
（2）步骤（1）经助燃引风机引出的富氧气进入混合器与脱水罐处理后的富含CO2烟气混合，混合后经换热后作为助燃风进入燃烧炉与燃料燃烧，燃烧后产生的高温烟气进行换热回收热量后，被烟气循环风机增压处理，增压后烟气分成两路：第一路进入脱水罐进行冷却降温脱水处理，第二路外排出系统；
（3）步骤（2）所述脱水罐处理后的低温烟气进入混合器与富氧气体混合后，作为助燃风使用。
14.按照权利要求13所述的富氧燃烧方法，其特征在于，步骤（1）所述空气富氧设备前设置空气过滤器，过滤空气中的杂质。
15.按照权利要求13所述的富氧燃烧方法，其特征在于，步骤（2）中燃烧产生的高温烟气中CO2的体积浓度高于20%。
16.按照权利要求13所述的富氧燃烧方法，其特征在于，步骤（1）所述空气富氧设备渗透通道排出气体的O2体积浓度为30%~60%。
17.按照权利要求13所述的富氧燃烧方法，其特征在于，步骤（2）所述脱水罐温度为10~60℃。
18.按照权利要求14所述的富氧燃烧方法，其特征在于，步骤（2）所述烟气经循环风机增压处理后分成的两路，第一路占烟气总量的10%~60%，第二路占烟气总量的40%~90%。
19.按照权利要求13所述的富氧燃烧方法，其特征在于，第二路外排出系统的气体进行碳捕集或回收处理。
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