CN116062698A

CN116062698A - 一种空气富氧设备、富氧供气系统及富氧燃烧方法

Info

Publication number: CN116062698A
Application number: CN202111278563.3A
Authority: CN
Inventors: 孟凡飞; 张雁玲; 廖昌建; 曾翔宇; 刘志禹
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: Sinopec Dalian Petrochemical Research Institute Co ltd; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2021-10-30
Filing date: 2021-10-30
Publication date: 2023-05-05

Abstract

本发明公开了一种空气富氧设备、富氧供气系统及富氧燃烧方法。本发明的富氧空气设备，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的不同顺磁性和逆磁性，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。本发明的富氧燃烧供气系统，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

一种空气富氧设备、富氧供气系统及富氧燃烧方法

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

在我国“碳达峰、碳中和”背景下，国内碳减排政策会愈发严格，企业在节能减排基础上，进一步实施碳捕集势在必行。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，是用比空气含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，与普通空气燃烧相比，富氧燃烧可以有效提高火焰温度、提高热利用率、减少排烟损失，目前富氧燃烧技术应用越来越广，已逐步应用到煤粉炉、循环流化床和工业加热炉等。富氧燃烧还能够实现燃烧过程中碳捕集，在提供富氧气体的同时辅助以烟气循环燃烧技术，则可获得高浓度CO₂烟气，实现碳富集，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组分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，具有流程简单、体积小、自身能耗低、使用寿命长、投资较少等特点，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，但是在实际应用中存在粉尘、杂质等造成富氧膜的膜孔堵塞等问题，从而缩短了富氧膜的使用寿命。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时，发生不同方向偏转而得到富氧和富氮气体，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，以及氧气难从富集磁场脱离等问题。

专利CN101450792A公开了一种空气分离制氧气和氮气的方法，整个过程是在由混合导体透氧陶瓷膜分离器和复杂金属氧化物作为氧吸附剂的变压吸附分离器构成的平台上进行，空气中的大部分氧气被混合导体透氧陶瓷膜吸附，剩余的空气为贫氧空气，复杂金属氧化物作为吸附剂的变压吸附分离器吸附贫氧空气中氧气，再真空脱附得到氧气，通过渗透和变压吸附两步实现空气中氮气和氧气的分离，该系统复杂，对膜材料性能要求较高，且需要频繁切换真空再生，再生过程需要吸附剂解吸并穿透膜材料，系统能耗高。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。

此外，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。

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。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，并未考虑富氧气体的来源及成本问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种空气富氧设备、富氧供气系统及富氧燃烧方法。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，为后续CO₂的捕集和回收提供便利条件。

本发明第一方面提供了空气富氧设备，所述空气富氧设备为氮气/氧气膜分离设备，可以用于提供低氮气含量的富氧气体。

一种空气富氧设备，包括外壳体、原料气腔体、截余气腔体、中间腔体、膜分离组件和磁场组件；其中，

所述原料气腔体和截余气腔体分别位于外壳体内空间的两端；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于中间腔体内；所述膜分离组件为中空管式双开口膜形式，膜分离组件的两端开口分别与原料气腔体和渗余气腔体连通，将中间腔体分为截余通道和渗透通道；其中，膜分离组件的中空腔形成截余气通道，若干膜分离组件之间的腔体形成渗透通道；

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，原料气入口和截余气出口分别与截余气通道相连通；所述外壳体的两侧分别设置吹扫气进口和渗透气出口，吹扫气进口和渗透气出口分别与渗透通道相连通；

所述磁场组件设置在外壳体周围或两侧，用于在外壳体区域内形成磁场；在若干膜分离组件之间的渗透通道填充聚磁介质。

进一步，所述膜分离组件为多组设置，相应地膜分离组件中腔与原料气腔体、截余气腔体形成多组截余气通道。

进一步，所述空气富氧设备具有原料气进口、渗透气出口、截余气出口及吹扫气入口。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、吹扫气入口与膜分离组件的渗透通道连接。

进一步，所述磁场组件由多组磁体构成。所述磁体可以为永磁体、电磁体或超导磁体。

进一步，所述吹扫气进口和渗透气出口设置在外壳体两侧靠近两端部的位置，并与膜分离组件的渗透通道相连通。

进一步，所述膜分离组件的管壁为膜分离材料。所述膜分离材料对氧气具有良好的选择透过性能，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，所述聚磁介质能够将均匀磁场变为高梯度的非均匀磁场。聚磁介质可以为球介质、齿板介质、网介质、棒介质、钢毛介质中的一种或几种。聚磁介质的材质可以为纯铁、低碳钢、铁素体导磁不锈钢和铁钴钕硼合金中的一种或几种。

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。

本发明第二方面提供了一种富氧燃烧供气系统，其中包括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、助燃风机、空气富氧设备、换热器、燃烧炉、烟气循环风机、脱水罐；所述助燃风机进口通过过滤器与大气相通；助燃风机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经换热器与燃气炉助燃风入口连接，空气富氧设备的截余气出口与大气连通；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接，第二路外排出系统；所述脱水罐的气体出口经过管线与空气富氧设备的吹扫气入口连接。

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。

本发明第三方面还提供一种富氧燃烧供气的方法，其中应用了前面所述的富氧供气系统。

所述的富氧燃烧供气方法包括如下步骤：

（1）空气经助燃风机增压后进入空气富氧设备进行处理，在空气富氧设备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，吹扫气经吹扫气入口进入空气富氧设备的渗透通道，与富氧气体一同由渗透通道排出空气富氧设备，截余通道的氮气外排出系统；

（2）步骤（1）所述空气富氧设备渗透通道排出的富氧气体经过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，并分成两路：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作为吹扫气，经吹扫气入口进入空气富氧设备。

进一步，步骤（1）所述助燃风机前设置空气过滤器，过滤空气中的杂质。

进一步，步骤（2）中的烟气为富含CO₂的烟气，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通道排出气体为富氧气体，助燃风中的O₂体积浓度≥21%。

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）中第二路外排出系统的气体为富CO₂的烟气，进一步进行碳捕集或回收处理。

本发明的富氧燃烧供气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，本发明所述富氧燃烧系统及方法具有如下优点：

1、针对膜分离组件，采用富含CO₂的烟气作为膜分离组件的吹扫气，作用如下：首先能够对氧气通过膜材料组件提供跨膜动力，吹扫气为富含CO₂气体，能够一定程度的降低渗透通道氧气的分压，降低两侧的氧气浓度差，促进氧气分离效果；其次，能够将富氧处理后的气体及时带出设备，提高分离效率；此外，在吹扫的过程中，直接实现了富CO₂烟气和富O₂气体的混合，配比成所需要氧气浓度的助燃风，再与燃料进行燃烧，不需要对原燃烧系统进行改动即可实现炉子的富氧燃烧。

2、提出了一种空气富氧设备，在膜分离设备外增设磁场，并在膜分离组件间的渗透侧填充聚磁介质，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。

3、针对提出的空气富氧设备，采用富含CO₂的烟气作为膜分离组件的吹扫气，能够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。

4、采用空气富氧设备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为本发明所述一种富氧燃烧供气系统示意图。

图中，1-空气管线，2-过滤器，3-助燃风机，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，1-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。

图2为本发明所述空气富氧设备结构示意图。

图中，51-外壳体，52-原料气腔体，53-截余气腔体，54-膜分离组件，55-磁场组件，56-吹扫气进口，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、富氧供气系统及富氧燃烧方法做详细说明，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，本发明的空气富氧设备结构如下：所述空气富氧设备包括外壳体51、原料气腔体52、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52、截余气腔体53分别位于外壳体51两端，所述膜分离组件54为中空膜形式，所述膜分离组件54设置在原料气腔体52与截余气腔体53中间，将中间腔体分为截余通道61和渗透通道60，其中原料气腔体52与截余气腔体53通过膜分离组件54中空腔形成截余通道61，所述膜分离组件为多组设置，相应与原料气腔体52、截余气腔体53形成多组截余通道61，所述原料气腔体52、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51两侧分别设置吹扫气进口56、渗透气出口58，所述吹扫气进口56、渗透气出口58设置在壳体51两侧的靠近两端部位置，与膜分离组件的渗透通道60连接，所述磁场组件55设置在空气富氧设备外壳体51周围或两侧。

如图3所示，本发明系统及方法所述磁法-膜分离组件结构如下：所述膜分离组件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，本发明提供的富氧燃烧供气系统，其中包含前面所述的空气富氧设备。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；所述助燃风机进口通过过滤器2与大气相通；助燃风机3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的渗透气出口经换热器4与燃气炉助燃风入口13连接，空气富氧设备的截余气出口16外排至大气；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出口管线与空气富氧设备7的吹扫气入口连接。

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。

本发明提供的一种富氧燃烧供气系统及方法的工作过程如下：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，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，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11进入脱水罐10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15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富氧供气燃烧系统的具体应用案例。

采用图1所示的一种磁法富氧供气燃烧系统对某企业10MW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，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，外磁场采用电磁体，外磁场强度＞5T，磁场梯度＞5000T/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侧富集，氮气具有较低的膜透过性能在截余侧富集，与此同时，富含CO₂烟气（CO₂体积分数27%左右）作为吹扫气由吹扫气入口进入空气富氧设备7的渗透侧，与富氧气体一同由渗透侧排出空气富氧设备，此时的助燃风各组分体积分数为：O₂约为23%、N₂约为53%、CO₂约为15%，剩余为水，截余侧的氮气外排出系统16；空气富氧设备7渗透侧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56%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27%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，燃烧炉整体热效率提高1%以上，烟气外排量降低约60%，且烟气中CO₂浓度由10%左右提升至27%，相当于后续碳捕集设备规模降低60%左右，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

1.一种空气富氧设备，包括外壳体、原料气腔体、截余气腔体、中间腔体、膜分离组件和磁场组件；其中，

所述膜分离组件设置于中间腔体内；所述膜分离组件为中空管式双开口膜形式，膜分离组件的两端开口分别与原料气腔体和渗余气腔体连通，将中间腔体分为截余通道和渗透通道；

所述膜分离组件的中空腔形成截余气通道，若干膜分离组件之间的腔体形成渗透通道；

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；所述外壳体的两侧分别设置吹扫气进口和渗透气出口，吹扫气进口和渗透气出口分别与渗透通道相连通；

2.按照权利要求1所述的空气富氧设备，其特征在于，所述膜分离组件设置多组，相应地与原料气腔体、截余气腔体形成多组截余气通道。

3.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、吹扫气入口与膜分离组件的渗透通道连接。

4.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。

5.按照权利要求1所述的空气富氧设备，其特征在于，所述吹扫气进口和渗透气出口设置在外壳体两侧靠近两端部的位置。

6.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，所述膜分离材料对O₂/N₂的选择性大于2。

7.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为高梯度的非均匀磁场。

8.按照权利要求7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、棒介质和钢毛介质中的一种或几种。

9.按照权利要求1、7或8所述的空气富氧设备，其特征在于，聚磁介质的材质为纯铁、低碳钢、铁素体导磁不锈钢和铁钴钕硼合金中的一种或几种。

10.一种膜法富氧燃烧供气系统，其中包括权利要求1-9任一所述的空气富氧设备。

11.按照权利要求10所述的膜法富氧燃烧供气系统，其特征在于，所述系统包括空气过滤器、助燃风机、空气富氧设备、换热器、燃烧炉、烟气循环风机、脱水罐；

所述助燃风机进口通过过滤器与大气相通；助燃风机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经换热器与燃气炉助燃风入口连接，空气富氧设备的截余气出口与大气连通；

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接，第二路外排出系统；

所述脱水罐的气体出口经过管线与空气富氧设备的吹扫气入口连接。

12.按照权利要求11所述的膜法富氧燃烧供气系统，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。

13.一种膜法富氧燃烧供气的方法，其中应用了权利要求10-12任一所述的富氧燃烧供气系统。

14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述助燃风机前设置空气过滤器，用以过滤空气中的杂质。

16.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤（2）中所述的烟气为富含CO₂的烟气，烟气中CO₂的体积浓度高于20%。

17.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述空气富氧设备渗透通道排出气体中的O₂体积浓度≥21%。

18.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述脱水罐的温度为10~60℃。

19.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述高温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%。

20.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤（2）中第二路外排出系统的气体进一步进行碳捕集或回收处理。