[发明专利]一种为炉窑富氧助燃提供稳定流量和纯度的富氧气体的方法

说明书

技术领域

本发明属于空气分离技术领域，具体涉及一种采用膜法富氧技术为炉窑富氧助燃提供富氧气体（氧化剂）的方法。

背景技术

富氧，已广泛应用于各种燃油、燃气、燃煤窑炉（玻璃、水泥、陶瓷）、各种锅炉、加热炉、焚烧炉、热媒炉、热风炉、冶炼炉、航空发动机、船舶发动机等助燃节能与环保领域；催化裂化、脱硫、废水处理、发动机增效、富氧造（煤）气、各种氧化反应、发酵等领域也应用富氧技术，并取得了较好的经济效益；另外，富氧也大量的应用于医疗保健、大型富氧通风、高原增氧、水产养殖等方面。可见，富氧技术涉及石化、化工、医药、轻工、电力、建材、冶金、煤炭、交通运输、水产养殖和国防军事等广泛领域。

空气中含有大约21%的氧气和78%的氮气。在以空气为原料提取富氧的方法中，工业上最广泛采用的方法是深冷精馏法和变压吸附法，但这两种方法构建的富氧系统均存在投资大，耗能高，技术复杂，需专人操作，且运行费用较高等不足；此外，还有诸如电解法、化学法等氧气分离方法，但因其以消耗水、消耗化学品原料来实现氧气分离，存在原料获取不易、能源消耗高、制造成本高、使用成本高等方面的弊端，因而难以为工业客户所接受，仅在一些特殊场合采用。

膜法富氧技术是自上世纪70年代末逐渐发展起来的一种新分离方法，它利用有机高分子致密薄膜对氮、氧的选择透过性差异，在膜两侧形成压力差或者压力比，使混合气体中渗透速率快的气体如水蒸汽、氢气、氦气、氧气、二氧化碳等透过膜后在膜的低压侧富集成为富氧空气（视膜材料的氧氮分离系数不同，单级分离可获得纯度约为23-60%的富氧），而渗透速率相对慢的气体如氮气、氩气、甲烷和一氧化碳等在膜的滞留侧被富集为贫氧(或富氮)空气。膜分离方法为富氧提取开辟了一条新途径，该方法在分离浓缩的全过程中不存在相变，常温分离，尤其以板式膜构建的负压流程分离系统，具有设备简单、制造成本低、能源消耗小、产量可调节、启动迅速、操作简便、系统静态运行、可靠性高等突出优点，是一种经济的分离方法。目前，采用膜分离方法制取富氧已广泛应用于富氧助燃、富氧通风、水处理等领域，尤其对玻璃、冶金、水泥回转窑、工业锅炉等等热能工程领域的富氧助燃，因膜分离方法具有的一系列优点，可为各用能单位提供一种相对廉价、灵活的现场供气方法而被广泛采用。

随着膜分离材料的研究开发以及流程工艺的突破，应用于空气分离的有机膜分离材料其氧氮分离的α(阿尔法)值大都在2～7之间，可以直接自空气中获得大约60%以下纯度的氧气，采用多级膜分离过程的系统可以获得纯度甚至大于90%的氧气。单就空气组分膜分离制氧过程来说，一旦选型确定了膜分离材料、膜材料的分离面积以及动力设备之后，分离材料的本征性能、动力设备的能力即已确定，膜分离过程自空气中获得的氧气组分与流量的稳定性主要与被分离的进料空气的温度有关。针对一个有可能应用于各种环境温度条件下的富氧助燃系统，不同安装应用场合的环境温度会有所不同，甚至同一地点因季节的变化引起环境温度的差异。因此，为炉窑富氧助燃提供氧气的膜分离系统会因不同地点、不同季节的被分离空气温度的变化而导致分离出来的富氧空气的流量、氧纯度产生巨大的波动。由于膜分离提供富氧空气系统的流量、氧气纯度的稳定直接决定了富氧助燃过程的效果，所以，从某种意义上说，如果不能解决稳定的氧化剂提供方法，以这种分离方法的富氧助燃系统的应用将受到严重的制约。

发明内容

本发明的目的在于提出一种以膜法富氧技术为基础，可稳定流量与纯度的富氧气体的产生方法，以便应对环境温度变化，为炉窑富氧助燃提供流量与纯度稳定的氧化剂（富氧气体）。

通常的膜法富氧技术为炉窑富氧助燃提供流量与纯度稳定的氧化剂（富氧气体）的装置如图1所示。当夏季或环境温度较高的时候，富氧膜（亦称分离膜）通量随温度升高而增大。对于通常使用额定功率的真空泵的膜分离工艺过程，富氧膜两侧的压差将随膜通量的增大而减小，从而造成富氧产品气中氧浓度下降以致影响后段富氧气体的使用。本发明采用的分离方法有别于现有技术的简单膜分离过程，采用了可隔离膜分离器内膜分离面积以稳定膜分离过程，即当环境温度升高可根据需要减少用于空气分离的富氧膜组件数量，如此即可稳定富氧产品（氧化剂）气流量和纯度。