專利名稱：一種為爐窯富氧助燃提供穩(wěn)定流量和純度的富氧氣體的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于空氣分離技術(shù)領域，具體涉及一種采用膜法富氧技術(shù)為爐窯富氧助燃提供富氧氣體(氧化劑)的方法。
背景技術(shù)：
富氧，已廣泛應用于各種燃油、燃氣、燃煤窯爐(玻璃、水泥、陶瓷)、各種鍋爐、加熱爐、焚燒爐、熱媒爐、熱風爐、冶煉爐、航空發(fā)動機、船舶發(fā)動機等助燃節(jié)能與環(huán)保領域；催化裂化、脫硫、廢水處理、發(fā)動機增效、富氧造(煤)氣、各種氧化反應、發(fā)酵等領域也應用富氧技術(shù)，并取得了較好的經(jīng)濟效益；另外，富氧也大量的應用于醫(yī)療保健、大型富氧通風、高原增氧、水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面。可見，富氧技術(shù)涉及石化、化工、醫(yī)藥、輕工、電力、建材、冶金、煤炭、 交通運輸、水產(chǎn)養(yǎng)殖和國防軍事等廣泛領域?？諝庵泻写蠹s21%的氧氣和78%的氮氣。在以空氣為原料提取富氧的方法中， 工業(yè)上最廣泛采用的方法是深冷精餾法和變壓吸附法，但這兩種方法構(gòu)建的富氧系統(tǒng)均存在投資大，耗能高，技術(shù)復雜，需專人操作，且運行費用較高等不足；此外，還有諸如電解法、 化學法等氧氣分離方法，但因其以消耗水、消耗化學品原料來實現(xiàn)氧氣分離，存在原料獲取不易、能源消耗高、制造成本高、使用成本高等方面的弊端，因而難以為工業(yè)客戶所接受，僅在一些特殊場合采用。膜法富氧技術(shù)是自上世紀70年代末逐漸發(fā)展起來的一種新分離方法，它利用有機高分子致密薄膜對氮、氧的選擇透過性差異，在膜兩側(cè)形成壓力差或者壓力比，使混合氣體中滲透速率快的氣體如水蒸汽、氫氣、氦氣、氧氣、二氧化碳等透過膜后在膜的低壓側(cè)富集成為富氧空氣(視膜材料的氧氮分離系數(shù)不同，單級分離可獲得純度約為23-60%的富氧)，而滲透速率相對慢的氣體如氮氣、氬氣、甲烷和一氧化碳等在膜的滯留側(cè)被富集為貧氧(或富氮)空氣。膜分離方法為富氧提取開辟了一條新途徑，該方法在分離濃縮的全過程中不存在相變，常溫分離，尤其以板式膜構(gòu)建的負壓流程分離系統(tǒng)，具有設備簡單、制造成本低、能源消耗小、產(chǎn)量可調(diào)節(jié)、啟動迅速、操作簡便、系統(tǒng)靜態(tài)運行、可靠性高等突出優(yōu)點，是一種經(jīng)濟的分離方法。目前，采用膜分離方法制取富氧已廣泛應用于富氧助燃、富氧通風、水處理等領域，尤其對玻璃、冶金、水泥回轉(zhuǎn)窯、工業(yè)鍋爐等等熱能工程領域的富氧助燃，因膜分離方法具有的一系列優(yōu)點，可為各用能單位提供一種相對廉價、靈活的現(xiàn)場供氣方法而被廣泛采用。隨著膜分離材料的研究開發(fā)以及流程工藝的突破，應用于空氣分離的有機膜分離材料其氧氮分離的α (阿爾法)值大都在2 7之間，可以直接自空氣中獲得大約60%以下純度的氧氣，采用多級膜分離過程的系統(tǒng)可以獲得純度甚至大于90%的氧氣。單就空氣組分膜分離制氧過程來說，一旦選型確定了膜分離材料、膜材料的分離面積以及動力設備之后，分離材料的本征性能、動力設備的能力即已確定，膜分離過程自空氣中獲得的氧氣組分與流量的穩(wěn)定性主要與被分離的進料空氣的溫度有關。針對一個有可能應用于各種環(huán)境溫度條件下的富氧助燃系統(tǒng)，不同安裝應用場合的環(huán)境溫度會有所不同，甚至同一地點因季節(jié)的變化引起環(huán)境溫度的差異。因此，為爐窯富氧助燃提供氧氣的膜分離系統(tǒng)會因不同地點、不同季節(jié)的被分離空氣溫度的變化而導致分離出來的富氧空氣的流量、氧純度產(chǎn)生巨大的波動。由于膜分離提供富氧空氣系統(tǒng)的流量、氧氣純度的穩(wěn)定直接決定了富氧助燃過程的效果，所以，從某種意義上說，如果不能解決穩(wěn)定的氧化劑提供方法，以這種分離方法的富氧助燃系統(tǒng)的應用將受到嚴重的制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種以膜法富氧技術(shù)為基礎，可穩(wěn)定流量與純度的富氧氣體的產(chǎn)生方法，以便應對環(huán)境溫度變化，為爐窯富氧助燃提供流量與純度穩(wěn)定的氧化劑(富氧氣體)。通常的膜法富氧技術(shù)為爐窯富氧助燃提供流量與純度穩(wěn)定的氧化劑(富氧氣體) 的裝置如圖1所示。當夏季或環(huán)境溫度較高的時候，富氧膜(亦稱分離膜)通量隨溫度升高而增大。對于通常使用額定功率的真空泵的膜分離工藝過程，富氧膜兩側(cè)的壓差將隨膜通量的增大而減小，從而造成富氧產(chǎn)品氣中氧濃度下降以致影響后段富氧氣體的使用。本發(fā)明采用的分離方法有別于現(xiàn)有技術(shù)的簡單膜分離過程，采用了可隔離膜分離器內(nèi)膜分離面積以穩(wěn)定膜分離過程，即當環(huán)境溫度升高可根據(jù)需要減少用于空氣分離的富氧膜組件數(shù)量， 如此即可穩(wěn)定富氧產(chǎn)品(氧化劑)氣流量和純度。當冬季或環(huán)境溫度較低的時候，富氧膜通量隨溫度降低而減小。對于通常使用額定功率的真空泵的膜分離工藝過程，富氧膜兩側(cè)的壓差將隨膜通量的減小而增大，這樣富氧產(chǎn)品氣中氧濃度會上升但是富氧產(chǎn)品氣流量會大幅下降以致影響后段富氧氣體的使用。 本發(fā)明采用窯爐煙道氣或其它廉價熱源對原料空氣進行預熱處理，經(jīng)過溫度調(diào)節(jié)使膜材料在較適宜的溫度下分離空氣，從而得到穩(wěn)定流量和純度的富氧產(chǎn)品氣。綜上所述，通過改變富氧膜組件數(shù)量和對原料空氣預熱處理相結(jié)合的方法可以有效的避免膜分離過程因應用環(huán)境溫度變化而導致采用膜分離制取的富氧組分與流量的波動，從而使得以膜分離系統(tǒng)在較低制造成本為爐窯富氧助燃提供穩(wěn)定氧化劑進行富氧助燃，是一種簡單易行、非常適合爐窯富氧助燃過程所需的氧化劑供給方法；
基于上述的可穩(wěn)定流量與純度的氧化劑的供給方法，本發(fā)明提供了相應的膜分離裝置和處理流程。本發(fā)明提供的膜分離裝置，是對原有的用于制備富氧產(chǎn)品氣的膜分離裝置加以改進而獲得。原有的用于制備富氧產(chǎn)品氣的膜分離裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括空氣過濾器AFOl，升壓設備ABOl，N個膜分離器MOf MON，真空設備AB02 ；其中，每個膜分離器MOi中， i=l,2,…，N，分別設有一個分離膜，該分離膜至少有一高壓側(cè)和一低壓側(cè)，在高壓側(cè)設有一空氣入口 A0，低壓側(cè)設有一滲透氣出口 A2，上方設有一廢氣排放口(滯留氣出口);空氣過濾器AFOl與升壓設備ABOl通過管道連接；升壓設備ABOl通過管道(該管道上設有控制閥門TEO1)再分別與N個膜分離器MOfMON的空氣入口 AO連接；N個膜分離器MOfMON的滲透氣出口 Α2分別通過管道與真空設備ΑΒ02連接。真空設備ΑΒ02通過管道與需富氧助燃的爐窯連接，為爐窯富氧助燃提供氧化劑，即由膜分離裝置獲得的富氧產(chǎn)品氣。本發(fā)明改進之處在于，至少在一個膜分離器(圖2中為膜分離器Μ0Ν)的空氣入口 AO處設置一控制閥門(圖中為VOnl)，在滲透氣出口 A2處另一設置閥門(圖中為V0n2)。進一步，在升壓設備ABOl后的管道上設置第一換熱器TC01，該第一換熱器TCOl 兩端的管道上分別設置調(diào)節(jié)閥門V00A、V00B;在真空設備AB02之后設置第二換熱器TC02， 第一換熱器TCOl與第二換熱器TC02有管道連通。其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。窯爐煙道氣或其它廉價熱源通過管道進入第二換熱器，經(jīng)換熱后進入第一換熱器TC01，對原料空氣進行預加熱。原料空氣經(jīng)過空氣過濾器AFOl過濾掉灰塵等雜質(zhì)，AFOl可以是各種形式的過濾器，包括纖維形式、濾料形式、袋式過濾，優(yōu)選采用可自清潔形式或者各種組合形式的過濾器，用于過濾、清潔進入膜分離器的原料空氣，保證膜分離器對原料空氣的清潔度要求。過濾后的空氣經(jīng)升壓設備ABOl升壓，ABOl可以是各種形式的壓縮設備，如活塞式、離心式、螺桿、渦旋、羅茨、液環(huán)等等壓縮形式，將氣體升壓到適當?shù)膲毫?。?jīng)過濾、升壓后的空氣經(jīng)膜分離器MOfMON的入口 AO進入膜分離器的高壓側(cè)(正壓側(cè))，在膜分離器內(nèi)，氣體經(jīng)過膜分離后一部分滲透到低壓側(cè)、滲透側(cè)富集成富氧自滲透氣出口 A2輸出，另外一部分富集了難以滲透的貧氧富氮氣體則自滯留氣出口 Al被排除出膜分離器。膜分離器MOfMON可以是板式膜、卷式膜或中空纖維膜等；低壓側(cè)由真空設備 AB02提供動力，AB02可以是各種形式的如活塞式、離心式、螺桿、渦旋、羅茨、液環(huán)等，將膜分離器負壓側(cè)減壓至分離器所需的分離壓力并克服后續(xù)流體輸送的阻力。當需要改變膜組件數(shù)量或需要調(diào)節(jié)原料空氣溫度時，可通過調(diào)節(jié)閥門V00A，V00B， VOnl, V0n2開度來實現(xiàn)；閥門V00A，V00B，VOnl，V0n2可以是各種形式的閥門，如各種手動、 自動控制、調(diào)節(jié)的截止閥、蝶閥、閘閥等，優(yōu)選采用各種形式的程控調(diào)節(jié)閥，可以是氣動的、 電動的、液動的，用于切換、調(diào)節(jié)待分離空氣進入膜分離器之前的流體分配，其中，如果是程控調(diào)節(jié)閥門，它們可根據(jù)預先設定的邏輯開啟或關閉以及按照監(jiān)測的溫度進行流量、純度控制調(diào)節(jié)，這些閥門可以是氣動控制的，也可以是電動、液壓控制的自動閥。當需要對原料空氣進行預熱處理時，過濾后的原料空氣經(jīng)第一換熱器TCOl調(diào)節(jié)到適宜溫度后升壓；富氧氣體進入窯爐助燃前可經(jīng)過第二換熱器TC02升高溫度；其中溫度參數(shù)可由第一換熱器TEOl實施監(jiān)控；換熱器TC01，換熱器TC02可以是各種形式的換熱器， 如列管式，板翅式等；換熱器TEOl用于監(jiān)測進入膜分離器的氣體溫度，可安裝在一切可以實時反映進入膜分離器的氣體溫度的任意位置，可以是電阻式、熱電偶溫度傳感或溫度監(jiān)測調(diào)節(jié)設備。為方便解釋膜分離過程的膜分離器與膜分離制氧，如附圖1所示，釋義如下 如附圖1所示，薄膜分離器Μ0ΓΜ0Ν均是一種3 口薄膜分離器，即每個薄膜分離器至少
由1個原料氣入口 A0，1個滯留氣出口 Al，1個滲透氣出口 A2，膜分離器中的膜分離材料至少分成兩側(cè)，一側(cè)為正壓側(cè)，一側(cè)為負壓側(cè)，正壓側(cè)也即膜分離器的原料氣側(cè)，也稱為高壓側(cè)、滯留氣側(cè)，負壓側(cè)也即膜分離器的滲透氣側(cè)，也稱為低壓側(cè)、負壓側(cè)；
如附圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)以膜法富氧技術(shù)為爐窯富氧助燃提供氧化劑(富氧氣體)的過程，其中，氣體經(jīng)過AFOl過濾掉灰塵等雜質(zhì)后經(jīng)ABOl升壓后自膜分離器的AO入口進入膜分離器的正壓側(cè)，在膜分離器內(nèi)，氣體經(jīng)過膜分離后一部分滲透到低壓側(cè)、滲透側(cè)富集成富氧自A2輸出，另外一部分富集了難以滲透的貧氧富氮氣體則自滯留側(cè)出口 Al被排除出膜分離器，針對自空氣中分離富氧的膜分離過程，一般的，膜分離制取氧氣的純度與膜分離材料的氧氮分離系數(shù)(稱為阿爾法值)、氣體通過膜分離器正壓側(cè)與負壓側(cè)的絕對壓力比(稱為分離壓力比)以及原料氣和富氧產(chǎn)品氣之比(稱為空氧比)有關，氧氮分離系數(shù)越高，意味著可在更低的分離壓力比以及更小的空氧比下分離出更高純度的富氧氣體，針對相同的膜分離材料，分離壓力比越高，可以獲得更高純度的富氧，空氧比越大，可以獲得更高純度的富氧，而另一方面，膜分離制取富氧的流量即膜分離材料的滲透量，主要與原料氣體的溫度以及壓力有關，針對相同的膜分離材料，分離溫度越高，滲透量越大，分離壓力越高，滲透量越大。因此，在采用不同的分離機制時，設置的動力設備的目的也不同，如采用卷式或板式的分離器進行的膜分離過程中，ABOl主要以滿足提供新鮮空氣為主要目的，克服流體輸送的阻力，典型的，采用卷式膜分離器，升壓1 lOKPa，優(yōu)選的，建立2 5KPa的風壓以克服卷式膜本身具有的氣體流通阻力，而采用板式膜，甚至僅需建立數(shù)十到幾百帕的風壓，更有將ABOl放置在板式膜之后作為廢氣排放風機的做法，目的也僅僅是為了克服原料空氣進入膜分離器的阻力以不斷的提供新鮮空氣的目的，同時，AB02則主要以滿足分離所需的壓力比為主要目的，即建立起膜兩側(cè)的分離壓力比為3 10，更典型的，在采用分離材料的阿爾法值在2 3的膜分離材料做成的卷式膜、板式膜，在所需富氧純度為30%左右時，約需建立起膜兩側(cè)的分離壓力比為4左右(如3-5)，即可，如膜的正壓側(cè)壓力為2 5KPa的風壓，絕壓為大氣壓(101. 325KPa)+(2 5KPa)，則負壓側(cè)應建立大約25Kpa (相當于_75KPa 表壓的真空度)的絕壓，這樣，分離壓力比為101. 325+ (2 5KPa)/25竺4倍，可獲得約 30%的富氧純度，顯然，在這個過程中，ABOl為保持分離壓力比為4左右提供新鮮空氣的風壓對分離壓力比貢獻有限，僅以滿足輸送所需克服的阻力為主，AB02提供的約25kpa絕壓的真空動力才是滿足分離壓力比的主要動力源。而在另一類以中空纖維膜進行氧氮分離的過程中，典型的，如采用ABOl升壓，其作用則不僅為了克服膜分離器MOfMON的阻力，更重要的是為了獲得分離所需的絕壓， 提高膜兩側(cè)的分離壓力比，通常的做法會僅以ABOl升壓到合適的壓力，保持分離所需的壓力比后，省略AB02，典型的，在采用分離材料的阿爾法值在5 7的膜分離材料做成的中空纖維膜分離器進行分離時，在所需富氧純度為30 60%左右時，約需建立起膜兩側(cè)的分離壓力比為4以上，S卩，如膜的正壓側(cè)壓力為300 1300KPa的壓力，絕壓為大氣壓 (101. 325KPa) + 000 1300KPa)，而負壓側(cè)或者滲透側(cè)則僅需保持大氣壓排放(相當于 OKPa表壓的真空度)，這樣，分離壓力比為101. 325+(300 1300KPa) 1/101. 325竺4 14 倍，可獲得約30 60%的富氧純度。顯然，在這個過程中，ABOl為保持分離壓力比為4 14倍左右提供新鮮空氣，并對保持分離過程的分離壓力比起決定性的作用，不僅以滿足輸送所需克服的阻力為主，在滿足分離所需的絕對壓力比之后，AB02則因僅需維持常壓而無需設置。同時，無論采用哪種膜分離器形式，一個膜分離制氧過程都需要滿足適當?shù)目昭醣?，以避免濃差極化現(xiàn)象，通俗的說即是需要時刻滿足分離所需的新鮮空氣，風量視分離材料的阿爾法值以及所需的富氧純度要求。典型的，如以阿爾法值2 3的膜分離材料做成的卷式膜、板式膜，為了獲得30%左右的富氧，典型的，經(jīng)ABOl進入膜分離器MOfMON所需的風量大約為富氧空氣流量的8 20倍，更典型的，為所需富氧流量的10 15倍；又如中空纖維膜，典型的，如以阿爾法值5 7的膜分離材料做成的中空纖維膜，為了獲得30%左右的富氧，典型的，經(jīng)ABOl進入膜分離器MOfMON所需的風量大約為富氧空氣流量的2 5倍，更典型的，為所需富氧流量的2. 5倍，需要的純度越高，在其他條件不變時空氧比要求越大。如附圖1，參照上述，本專業(yè)的技術(shù)人員會了解，原料氣經(jīng)ABOl進入MOfMON分離出的廢氣自Al排除，富氧經(jīng)AB02收集送入用氣點，為了獲得穩(wěn)定的氧氣純度、氧氣流量， 這一過程中因選型確定了 ABOl的風量、風壓，AB02的風量、風壓，也選型確定了膜分離器 MOfMON，其分離材料的氧氮分離系數(shù)以及分離面積均已確定，當應用環(huán)境溫度變化時，將按照下述趨勢發(fā)生變化
1、環(huán)境溫度升高時，進入膜分離器的流體溫度升高，針對確定面積與材料本證特性的膜分離器其滲透量將加大，同時，分離溫度的升高，還將導致分離系數(shù)的下降，更為重要的是，因為滲透量的加大，將直接導致設置的真空泵AB02的抽速不能滿足抽取到預定的分離壓力，這都將導致分離出來的富氧純度的降低，同時，分離出來的富氧流量將上升；
2、環(huán)境溫度下降時，進入膜分離器的流體溫度下降，針對確定面積與材料本征特性的膜分離器其滲透量將減小，同時，分離溫度的下降，分離系數(shù)將有所增加，但更重要的是， 因為滲透量的減小，將直接導致設置的真空泵AB02的抽速過大，直至超過預定的分離壓力比，前述這些都將導致分離出來的富氧純度的上升，但同時，分離出來的總富氧流量將是下降趨勢。因為環(huán)境溫度的改變將直接導致為富氧助燃系統(tǒng)提供氧化劑的膜分離系統(tǒng)制取的富氧流量與純度均產(chǎn)生大幅的波動，不利于進行富氧助燃；
正是為了解決上述問題，本發(fā)明提出了可穩(wěn)定流量與純度的富氧氣體的產(chǎn)生方法與裝置。如附圖2，本發(fā)明對膜分離器進行了分組，并加裝了可以隔離至少一部分膜面積 (不嚴密)的閥門VnOl、Vn02,當環(huán)境溫度變化時，通過監(jiān)測真空泵連接的滲透側(cè)絕壓、氧氣純度與流量，調(diào)節(jié)閥門VnOl、Vn02，直至隔離該部分膜面積，將因為溫度變化導致純度與流量的波動消除或者減輕到符合富氧助燃要求的范圍內(nèi)。如附圖3，是一套加裝了進氣溫度補償，膜分離器進行了分組，并加裝了可以隔離至少一部分膜面積的閥門VnOl、Vn02的膜分離系統(tǒng)，因原料氣進入時可通過換熱器交換爐窯燃燒產(chǎn)生的廢氣等低品位熱能而獲得穩(wěn)定的原料氣分離溫度，在其它分離條件都不變的情況下，如典型的，ABOl的風量、風壓，AB02的抽速、真空度，膜分離器的分離材料確定以及分離面積確定，在前面這些條件都確定的條件下，本發(fā)明可避免膜分離系統(tǒng)因環(huán)境溫度變化(不同安裝應用場合的環(huán)境溫度不同，甚至同一地點因春夏秋冬的環(huán)境溫度不同)導致的富氧空氣的流量、氧純度產(chǎn)生巨大的變化，將這種變化消除或者減輕到符合富氧助燃要求的范圍內(nèi)
(1)原料空氣經(jīng)過濾器AF01，將氣體中含有的灰塵等微粒性雜質(zhì)截留后進入后級分離系統(tǒng)，該過濾器如公知技術(shù)所描述的一樣，可以是任意形式的過濾器，包括可以采用復合方法、自清潔形式的過濾器；
(2)當運行環(huán)境溫度低時，如在冬天運行，氣體經(jīng)過濾后，可分兩路送入升壓設備AB01， 一路直接自VOOA送入，另外一路自VOOB送入換熱器TCOl進行熱交換后送入。兩個旁路分別以V00A、VOOB兩個調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)流量，通過接收TEOl監(jiān)測的溫度反饋進行調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定進入膜分離器的氣體溫度，維持進入ABOl的氣體溫度趨于穩(wěn)定。典型的，當運行環(huán)境溫度低，如在冬天運行，溫度降至-20°C，可通過減少VOOA的流通量，加大VOOB的流通量將空氣預熱來實現(xiàn)穩(wěn)定的原料氣溫度，最終保證分離系統(tǒng)出口的富氧空氣的流量與純度的穩(wěn)定；
(3)同時，優(yōu)選但非必要的，進行一次富氧空氣預熱，自AB02出口輸出的富氧空氣優(yōu)先以換熱器TC02交換爐窯廢氣等低品位熱能以預熱富氧；
(4)并且，在一個典型的采用低品位熱能的利用方式上，優(yōu)選交換窯爐煙囪排出的廢氣熱能，并且，首先以逆流方向預熱富氧再以逆流方向預熱原料空氣；
(5)當運行環(huán)境溫度高時，如在夏天運行，溫度升至40°C，可通過監(jiān)測真空泵連接的滲透側(cè)絕壓、氧氣純度與流量，隔離至少一部分膜面積來實施調(diào)節(jié)。如根據(jù)需要調(diào)節(jié)V00A、 VOOB直至關閉V00B，并調(diào)節(jié)V0nl、V0n2的流通量隔離該部分膜面積來實現(xiàn)穩(wěn)定的原料氣溫度，最終保證分離系統(tǒng)出口的富氧空氣的流量與純度的穩(wěn)定。與現(xiàn)有技術(shù)不同，通過對膜分離器進行了分組并加裝了可以隔離至少一部分膜面積的閥門V0nl、V0n2，加裝優(yōu)選但非必要的對原料空氣的溫度穩(wěn)定系統(tǒng)，本發(fā)明的方法可以連續(xù)穩(wěn)定的以膜分離方法獲取富氧空氣，其純度、流量相對現(xiàn)有技術(shù)在環(huán)境溫度變化時較為穩(wěn)定，而且，本發(fā)明的方法采用簡單的隔離措施，以及充分回收廢氣熱能的方法，以相對廉價的建造成本與運行成本解決了以膜分離方法提供富氧燃燒所需氧化劑的關鍵技術(shù)問題，不僅增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也提高了系統(tǒng)總效率；
本發(fā)明優(yōu)先應用于空氣組分膜分離過程為爐窯富氧助燃提供氧化劑，但是所公開的基本原則可用于很多其它的分離場合。通過本發(fā)明的方法可以實現(xiàn)分離的典型實例包括氧氣 /氮氣的分離、氣體干燥、二氧化碳/甲烷的分離、二氧化碳/氮氣的分離、氫氣/氮氣的分離和烯烴/烷烴的分離。如附圖3所示，一個完整的膜分離裝置，它包括
1、至少一個空氣過濾器AFOl；
2、至少兩個并聯(lián)流通回路連接在AFO1之后，其中，一路僅由VOOA與必要的連接管道組成，另一路，由VOOB串接熱交換器TCOl與必要的連接管道組成，兩個旁路匯集并串聯(lián)連接升壓設備ABOl ；
3、至少一個升壓設備AB01，用以將原料氣升壓到一定的壓力或者將該升壓設備放置在膜分離器之后用以排除廢氣；
4、一個溫度監(jiān)測設備TE01，用以監(jiān)測原料氣溫度，包括以此溫度反饋進行控制 V00A, VOOB開度的控制與執(zhí)行機構(gòu)；
5、至少一組膜分離器，它們以并聯(lián)連接，并且至少隔離了一部分膜面積(如MOn)；
6、至少一組用以調(diào)節(jié)、隔離膜面積MOn的閥門VOnl、V0n2；
7、抽空設備AB02;
8、優(yōu)選但非必要的換熱器TC02，用于交換廢氣熱能預熱富氧空氣；
9、如公知技術(shù)，系統(tǒng)還需包含必要的控制組件，以使的系統(tǒng)動力設備能夠運行，控制閥門能夠按照要求進行切換等。本文所說的分離系數(shù)，如氧氮分離系數(shù)，其一般定義為 α (阿爾法)值，氧氮分離系數(shù)=(QN2/Q02)
式中Qn2和Q02分別為單位時間、壓力下純組分氮氣和氧氣通過特定膜材料的滲透量。


圖1，以膜法富氧技術(shù)為爐窯富氧助燃提供氧化劑的裝置圖示，現(xiàn)有技術(shù)。圖2，將膜分離器分組并加以隔離至少一部分膜面積的膜法富氧技術(shù)為爐窯富氧助燃提供氧化劑的裝置圖示。圖3，帶原料空氣預熱措施，將膜分離器分組并加以隔離至少一部分膜分離面積的膜法富氧技術(shù)為爐窯富氧助燃提供氧化劑的裝置圖示。
具體實施例方式實施例1
一個采用Oxylead 板式膜分離器為水泥回轉(zhuǎn)窯富氧助燃提供氧化劑的系統(tǒng)，設計板式膜分離器為單組件富氧流量5000Nm7hr，Oxylead 板式膜分離器由上海穂杉實業(yè)有限公司生產(chǎn)，可由市售獲得，其分離器采用的氧氮分離膜材料，在25°C條件下的分離系數(shù)為 2. 05，氧氣滲透量為 5. 068 NmVhr 'bar ·ι 2，氮氣滲透量為 2. 479 Nm3/hr 'bar ·ι 2，5000Nm3/ hr，單組件分離器總共采用了 1381 m2膜材料，本案設計選擇了一套25°C下21352. 9 NmVhr 抽速的真空泵，在20°C條件下取得了四.94%純度的富氧4974 Nm3/hr，滿足設計要求: 設計環(huán)境溫度|20.0 I'C
權(quán)利要求
1.一種為爐窯富氧助燃提供穩(wěn)定流量和純度的富氧氣體的方法，其特征在于，首先對原有的用于制備富氧產(chǎn)品氣的膜分離裝置加以改進，原有的膜分離裝置包括空氣過濾器 AF01，升壓設備AB01，N個膜分離器MOf MON，真空設備AB02 ；其中，每個膜分離器MOi中， i=l,2,…，N，分別設有一個分離膜，該分離膜至少有一高壓側(cè)和一低壓側(cè)，在高壓側(cè)設有一空氣入口 A0，低壓側(cè)設有一滲透氣出口 A2，上方設有一廢氣排放口 ；空氣過濾器AFOl與升壓設備ABOl通過管道連接；升壓設備ABOl通過連接管道再分別與N個膜分離器MOfMON 的空氣入口 AO連接，該連接管道上設有控制閥門TEOl ；N個膜分離器MOfMON的滲透氣出口 Α2分別通過管道與真空設備ΑΒ02連接；真空設備ΑΒ02通過管道與需富氧助燃的爐窯連接，為爐窯富氧助燃提供氧化劑，即由膜分離裝置獲得的富氧產(chǎn)品氣；將N個膜分離器MOfMON分組，至少在一個膜分離器的空氣入口 AO處設置一控制閥門 VOnl，在滲透氣出口 Α2處另一設置閥門V0n2;當環(huán)境溫度變化時，通過監(jiān)測真空泵連接的滲透側(cè)絕壓、氧氣純度與流量，調(diào)節(jié)閥門 Vn01、Vn02，直至隔離該部分膜面積，將因為溫度變化導致純度與流量的波動消除或者減輕到符合富氧助燃要求的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的為爐窯富氧助燃提供穩(wěn)定流量和純度的富氧氣體的方法，其特征在于，進一步在升壓設備ABOl后的管道上設置第一換熱器TC01，該第一換熱器TCOl兩端的管道上分別設置調(diào)節(jié)閥門V00A、VOOB ；在真空設備AB02之后設置第二換熱器TC02，第一換熱器TCOl與第二換熱器TC02有管道連通；窯爐煙道氣或其它廉價熱源通過管道進入第二換熱器，經(jīng)換熱后進入第一換熱器TC01，對原料空氣進行預加熱；在其它分離條件都不變的情況下，將因環(huán)境溫度變化導致的富氧空氣的流量、氧純度產(chǎn)生的變化、波動，消除或者減輕到符合富氧助燃要求的范圍內(nèi)(1)當運行環(huán)境溫度低時，原料空氣經(jīng)過濾器AFOl過濾后，分兩路送入升壓設備ABOl 一路直接自VOOA送入，另外一路自VOOB送入第一換熱器TCOl進行熱交換后送入；兩個旁路分別以V00A、V00B兩個調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)流量，通過接收第一換熱器TEOl監(jiān)測的溫度反饋進行調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定進入膜分離器的氣體溫度，維持進入升壓設備ABOl的氣體溫度趨于穩(wěn)定；(2)同時，進行一次富氧空氣預熱，自真空設備AB02出口輸出的富氧空氣以第二換熱器TC02交換爐窯廢氣熱能以預熱富氧；(3)當運行環(huán)境溫度高時，通過監(jiān)測真空設備AB02連接的滲透側(cè)絕壓、氧氣純度與流量，隔離至少一部分膜面積來實施調(diào)節(jié)；如調(diào)節(jié)V00A、VOOB的開放度，直至關閉V00B，并調(diào)節(jié)VOnl、V0n2的流通量隔離該部分膜面積，實現(xiàn)穩(wěn)定的原料氣溫度，最終保證分離系統(tǒng)出口的富氧空氣的流量與純度的穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明屬于空氣分離技術(shù)領域，具體為一種為爐窯富氧助燃提供穩(wěn)定流量和純度的富氧氣體的方法。本發(fā)明首先對原有膜分離裝置加以改進，即對膜分離器進行分組，并加裝了可以隔離至少一部分膜面積的控制閥門，并加裝一套換熱器，對進氣溫度補償。本發(fā)明將因環(huán)境溫度變化導致的富氧空氣的流量、氧純度產(chǎn)生的變化、波動，消除或者減輕到符合富氧助燃要求的范圍內(nèi)運行環(huán)境溫度低時，采用進氣溫度補償措施，運行環(huán)境溫度高時，調(diào)節(jié)流通量及隔離部分膜面積，來實現(xiàn)穩(wěn)定的原料氣溫度和流量，最終保證分離系統(tǒng)出口的富氧空氣的流量與純度的穩(wěn)定。本發(fā)明采用簡單的隔離措施，以及充分回收廢氣熱能的方法，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)總效率。
文檔編號F23L7/00GK102502512SQ20111034762
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者丁艷賓, 張敏, 林峰, 賈吉來, 趙宏煒, 陳如真 申請人:上海奕材環(huán)?？萍加邢薰?br>