[发明专利]一种空气富氧设备、富氧供气系统及富氧燃烧方法

说明书

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COsubgt;2/subgt;的烟气作为膜分离组件的吹扫气，直接实现了富COsubgt;2/subgt;烟气和富Osubgt;2/subgt;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。

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。