一种应用正向膜制氧工艺的富氧烧成系统的制作方法

1.本实用新型涉及窑、炉等的燃烧设备和燃烧方法技术领域，具体涉及一种应用正向膜制氧工艺的富氧烧成系统。


背景技术：

2.富氧燃烧是将高于自然界空气含氧量的气体用于锅炉、窑炉等烧成系统中的技术。富氧燃烧对所有工业锅炉、窑炉使用燃料（包括气体、液体和固体）都使用，既能提高劣质燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能。而膜法富氧技术是自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，当在膜两侧存在压力差或者压力比时，混合气体中渗透速率快的气体如水蒸汽、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，而渗透速率相对慢的气体如氮气、氩气、一氧化碳等在膜的滞留侧被富集为富氮空气。
3.目前，采用膜分离方法制取富氧已广泛应用于富氧助燃、煅烧领域，尤其针对冶金、水泥回转窑、工业锅炉等等热能工程领域，为各用能单位提供一种相对高效、灵活的现场供气方法而被广泛采用，其主要优势在于：
4.①
能够将燃料本身具有的能量得以比较集中的释放出来，用在它该用的地方，减小了燃烧的边际效应，减少了由于不完全燃烧导致的它在不该用的地方继续燃烧造成的浪费。
5.②
由于燃料在富氧中的燃烧比较集中，而且提高了火焰黑度，热辐射迅速增强，提高了火焰对窑内物料的传热速度，将燃料本身具有的能量得以更多的传给物料，用在它该用的地方，减少其释放出的能量不能全部传给物料而随废气流失造成的浪费。
6.③
能够在一定程度上减少燃烧用风，减少废气排放，降低热能损失，同时减少废气处理能力方面的投资、降低高温风机和尾排风机的电耗。
7.但是，常规的富氧助燃和煅烧工艺也存在一些弊端，其中最明显的就是制备富氧气体的成本以及运行产生的能耗问题。首先，氧气设备不便宜，其次，制氧消耗的能源即运行费用不低，另外还涉及安全性、可靠性、操作维护方便性，以及经济效益等方面的因素。
8.1套制氧设备，按照其全寿命周期计（比如10年），大致的费用比例：
9.设备造价：运行电费：维护保养费用 = 10-20%：75-85%：1-5%
10.以水泥行业为例，现有的干法水泥生产线按照5000t/h的熟料生产线，至少需要20000-30000m3/h的空气量，以现有的制氧技术，要实现全富氧助燃，需要庞大的设备装置和大量的投资，尚难以实现，但即使在水泥生产线中采用局部富氧燃烧技术，即在窑头、窑尾送煤风中加入富氧空气，通过煤粉与富氧空气的充分混合来加强燃烧效果，也需要约5000m
³
/h、30-40%浓度的富氧风量，设备的投资、运行所消耗的能源均十分巨大。
11.因此，在例如水泥厂炉窑等典型的烧成系统中采用富氧燃烧，其成败的关键在于如何低成本的供给氧气，有效的降低富氧装置的运行成本、维护成本及装置造价，行业内亟需建立系统的操作、使用、训练方法，“富氧燃烧”解决方案才能真正落地。


技术实现要素：

12.为解决背景技术中指出的问题，本实用新型提供一种应用正向膜制氧工艺的富氧烧成系统，实现以“压缩空气换氧气”的目的，生成富氧空气参与烧成；而在具体的烧成系统中，本实用新型的工艺和装备能够充分利用现场压缩空气系统，在进行必要的管路改造后，即可以较低成本制备富氧空气，同时由于正向膜制氧工艺的特点，其对于富氮空气的气压影响较小，但安全性提高，可以实现原有压缩空气的所有功能，并且还大大提高了使用安全性。
13.本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
14.一种正向膜制氧工艺在水泥窑炉富氧烧成系统中的应用，采用正向膜制氧与现有的压缩空气机构相结合，利用原压缩空气作为气源和动力源，将其导入正向膜制氧机构，使其产生富氧空气和富氮空气，富氧空气作为净风和煤风参与水泥炉窑内的烧成，富氮空气继续原有用途，同时扩展用途，作为保护气体和动力气体参与辅助煤粉研磨，方案包括：
15.1. 充分利用水泥工艺需要清灰、清堵等水泥工作用制备的压缩空气，采用正向膜分离工艺技术提取富氧和富氮气体；工作压力0.55～0.7mpa，工作温度20～55℃；
16.2. 分离出的富氮空气，其氮气浓度高于85%，露点低于-20℃，压力较输入压缩空气降低0.05mpa，富氮空气的气量和压力完全满足原定吹扫等水泥工艺的用气的清灰、清堵等压缩空气需求；并可以起到防爆、防止煤粉结块自燃、防止水泥结块结皮等；
17.3. 同时低能耗获取氧气，可分离纯度35～45%、压力≧60kpa的富氧空气，分别送入窑头、窑尾以完全或部分取代鼓风机送风，降低制氧压缩功率消耗，获得低成本的氧气。
18.具体包括以下装置：
19.首先，包括原有的压缩空气机构、用风机构、增设的正向膜制氧机构以及相互间连接管路上的控制阀门；
20.所述压缩空气机构采用单个压缩机直联或者两个及以上压缩机并联接入管道，其中每个压缩机的前后连接管道上均单独设有控制阀门；压缩机的出口端汇总后，分为两条支管，两条支管轮流开启；其中一条支管通向原有的用风机构，分别包含连接压缩空气管网、连接窑炉、连接除尘、连接发运工位四条分管，每个分管上均设置阀门；另一条支管连接正向膜制氧机构。
21.所述正向膜制氧机构为若干膜分离器并联而成，每个膜分离器有三个接口，分别是进气接口，即压缩空气入口；渗余接口，即富氮空气出口；以及渗透接口，即富氧空气出口；每个膜分离器相应接口都集中汇总，其中压缩空气入口汇总后与所述压缩机的出口端的其中一条支管连接。
22.富氮空气出口汇总后分别与原有的用风机构分管相连，及连接压缩空气管网、连接窑炉、连接除尘、连接发运工位四条分管，另外增设一条分管，连接增压风机后连接至煤粉研磨机构。
23.富氧空气出口汇总后分别连接至窑头煤风机、窑尾煤风机，以及窑头燃烧器，分别混合升压空气一同为窑头和窑尾燃烧器提供煤风富氧输入，以及净风富氧输入，其中在窑头净风富氧输入管道上增设窑头增压风机，用以调节氧浓度和提升富氧空气压力。
24.所述压缩空气机构中设置有空气预处理机构，具体包括空气一级过滤装置、空气压缩机、汽水分离机、空气缓冲气罐、空气二级过滤装置、冷冻干燥机、空气三级过滤装置以
及电加热器。
25.在所述相互并联的膜分离器的富氧空气出口汇总后设置富氧空气暂存罐或者辅助空气压缩机。
26.本实用新型通过采用膜分离制氧技术，实现以“压缩空气换氧气”的目的，生成富氧空气参与烧成，能够充分利用现场压缩空气系统，在进行必要的管路改造后，即可以较低成本制备富氧空气，同时由于正向膜制氧工艺的特点，其对于富氮空气的气压影响较小，但安全性提高，可以实现原有压缩空气的所有功能，并且还大大提高了使用安全性，同时，这种方式的建造周期短，设备管理、维护成本低。
27.另外，由于烧成系统采用了富氧煅烧，能够将燃料本身具有的能量得以比较集中的释放出来，用在它该用的地方，减小了燃烧的边际效应，减少了由于不完全燃烧导致的它在不该用的地方继续燃烧造成的浪费；燃料在富氧中的燃烧比较集中，而且提高了火焰黑度，热辐射迅速增强，提高了火焰对窑内物料的传热速度，将燃料本身具有的能量得以更多的传给物料，减少其释放出的能量不能全部传给物料而随废气流失造成的浪费；富氧煅烧还能够在一定程度上减少燃烧用风，减少废气排放，降低热能损失，并且降低废气处理系统能力的投资，降低高温风机和尾排风机电耗。
附图说明
28.图1 是正压操作膜分离制氧流程图。
29.图2是压缩空气制备富氮空气后管路的局部阀门结构示意图。
30.图3是水泥回转窑富氧燃烧工艺流程图。
31.图中，正向膜制氧机构1、富氧总阀101、窑头煤风机2、窑尾煤风机3、窑头燃烧器4、窑头增压风机5、排水阀6、进气阀7、富氧放空阀8、氮气出口阀9、至膜分离器压缩空气总阀10、至用气点压缩空气总阀11、供氮总阀12、水泥包装气阀13，清灰清堵供气阀14、压缩空气机构15、一级过滤装置151、空气压缩机152、汽水分离机153、空气缓冲气罐154、空气二级过滤装置155、冷冻干燥机156、空气三级过滤装置157、电加热器158。
具体实施方式
32.下面结合附图对本实用新型所述技术方案进行进一步说明。
33.实施例1
34.如图1、2、3所示，本案例是压缩空气膜法制备富氧技术在某水泥有限公司的具体应用。通过对公司目前熟料产量为2800t/d的回转窑进行富氧助燃改造，以期实现增产降耗的工艺目的。
35.首先，本案例所采用的正向膜制氧机构的主要技术性能参数如下：
36.压缩空气需求：流量＞7700nm
³
/h，压力＞0.7mpa，露点＜-15℃
37.膜分离器共计投入三组，每组为整体撬装，分组并联运行；
38.富氧浓度： 37%～40% ；
39.富氧流量： 2000～3200nm
3 /h ；
40.富氮气体： 4600nm
3 /h、纯度90%、压力＞0.6mpa（表压）、常压露点-40℃。
41.按照本实用新型所述的方案，将正向膜制氧机构与现场压缩空气机构15相结合，
计划利用原有的6台27m3/min排气压力0.8mpa的压缩机作为主要的原料和动力来源；预计利用原厂的压缩空气经膜分离装置可产生总富氧量约3200nm
3 /h、纯度35%～39%的富氧空气为窑炉提供富氧助燃，最终实现每吨熟料节约标煤耗6-8%的目标；同时产生的4600nm3/h、纯度90%、压力≧600kpa（表压）、常压露点-40℃的富氮空气，以满足现场实际清灰、清堵的压缩空气压力需求，直接替代原工厂配套的压缩空气，从而回收了大部分压缩能。
42.具体流程：
43.富氧空气供应的流程：
44.压缩空气引入正向膜制氧机构1后，每个膜分离器的富氧空气出口集中汇总后经富氧总阀101后分别连接至窑头煤风机2、窑尾煤风机3，以及窑头燃烧器4，分别混合加压空气一同为窑头和窑尾提供煤风富氧输入，以及净风富氧输入，其中在窑头净风富氧输入管道上增设窑头增压风机5，用以调节氧浓度和提升富氧空气压力。
45.富氮空气供应的流程及操作顺序（详见图3）：
46.①
、首先打开排水阀6，排净压缩空气管路内废水；
47.②
、全开膜分离组的进气阀7及富氧放空阀8；
48.③
、半开膜分离组氮气出口阀9；
49.⑤
、打开至膜分离器压缩空气总阀10，同时关闭至用气点压缩空气总阀11，最后打开供氮总阀12给多个用气点供氮气，依次是水泥包装供气阀13，清灰、清堵供气阀14。
[0050] 在实际运行测试中，由于该水泥厂地处3300米海拔高原，且空气压缩机存在性能衰减等原因，原有压缩空气量仅仅达到膜制氧要求的71%，使膜分离器入口压缩空气气量和压力不稳定，直接影响供氧的稳定性。经过调试在投运三组膜分离器后，出氧量仍满足本次富氧助燃临时测试需要，试验富氧的主要运行参数如下：
[0051]
环境温度：-4～16℃；
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环境湿度：20～80℃
[0052]
压缩空气量：3900～5200nm
3 /h 膜入口空气压力：0.45～0.55 mpa
[0053]
富氧纯度：36.4～39.8%
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
富氧流量：1400～1970 nm
3 /h
[0054]
分离后同时产生的富氮空气的气量和压力完全满足水泥生产的需求。
[0055]
按空白期与富氧投运调试期间4天内的统计结果表明，初步富氧测试显示出具有助燃、节煤和提产的效果：
[0056]
日增加熟料产量：7.8*24=187.2t，增产率5.6%；其中最高增加10.23% ；吨熟料标煤耗未上升，并节煤：2.5kg/t。
[0057]
实施例2
[0058]
某水泥厂目前的一条水泥生产线，目前的熟料产量为5600吨/天，燃用热值约5600千卡/kg的燃煤34.5吨/小时；其现有3座压缩空气站共计10台空气压缩机，可提供1.0mpa的压缩空气月300m
³
/min。要求采用压缩空气膜法制备富氧技术后，实现增产5%，或者降低燃料煤用量5%以上，并且在改烧劣质煤后不影响窑炉状况。
[0059]
根据需求，结合炉窑实际运行及总体情况，拟充分利用水泥厂原配套用以清灰、清堵的压缩空气，其压力~0.7mpa，经膜分离系统“过滤”后可产生两种气体：
[0060]
一种是30~40%的富氧空气；可直接以管道送窑炉的净风及煤风风机入口吸入，并可加以三通掺混空气至目标氧浓度进行富氧助燃技术改造，以期达到增产降耗的工艺目的；
[0061]
另外一种是富氮空气，因膜分离系统的差压小，仅0.05mpa，系统输入压力~0.7mpa的条件下，该系统输出的富氮空气的出口压力可达0.65mpa，足以满足现场实际清灰、清堵的压缩空气压力需求(~0.5mpa) 。
[0062]
因为取走了部分富氧，而现场实际压缩空气系统配置不足，可以采用0.5mpa的压缩空气机进行等量补偿该富氧气量的压缩空气，实际上形成了一种充分结合工厂压缩空气资源的“以空气换氧气”的制氧方案，由此可低成本的获得富氧进行富氧助燃技术改造，是一种深度节能挖潜的工艺技术方案。
[0063]
具体方案如下：
[0064]
①
3号压缩空气站的8、9、10三台压缩机处设置一套膜分离系统，提取～40m3/min、纯度30～40％的富氧空气，将富氧送窑炉助燃，富氮则就近返回原压缩空气管网；
[0065]
②
在1号压缩空气站的1、4号空气压缩机处，或者2号压缩空气站的5、7号空气压缩机处设置一套膜分离系统，提取～53m3/min、纯度30～40％的富氧空气，将富氧送窑炉助燃，富氮则就近返回原压缩空气管网；
[0066]
以上，共制取（40＋53＝93）m3/min，纯度30～40％的富氧空气用于富氧助燃；同时，将产生（7
×
30.8-93＝122.6）m3/min的富氮空气，其压力不低于0.7mpa，仍然可满足原清灰清堵压力需求；
[0067]
按原开机4～5台压缩空气设备的实际运行需求，所产生的富氮空气122.6m3/min可满足接近原压缩空气4台的流量，余下几台作为备用仍然可以满足目前压缩空气的实际运行工况需求，而无需增加备机补充压缩空气流量；
[0068]
本方案中制取的富氧空气对窑头净风富氧化至25～35％、对窑头、窑尾的煤风富氧化至23～28％进行富氧燃烧节能改造，实现5％以上的增产降耗目标。