一种水泥厂炉窑现场制氧供气装置及方法

技术领域

本发明属于空气分离技术领域，具体涉及一种水泥厂炉窑现场制氧供气装置及方法。

背景技术

富氧，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；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，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；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，为工业客户所不能接受，仅在一些特殊场合采用。

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、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，因它在分离浓缩的全过程中不存在相变，常温分离，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，尤其针对玻璃、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。

典型的，如水泥厂炉窑的富氧燃烧，众所周知，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，而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，在一定的压力比下可以直接自空气中获得大约30～60％纯度的氧气，而提高膜分离材料的分离系数、进一步降低分离压力比、提高渗透量等围绕前述所要求的成本控制已做到极限，挑战艰难愈发难以为继，而尤其在很多如水泥工艺生产过程中大都已具有压缩空气资源的场合，如何使压缩空气供应与富氧分离有机结合，充分利用这些诸如原水泥工艺中用于清灰、清堵而配套的压缩空气设施，以怎样的分离技术利用这些压缩空气低成本的获取富氧的同时产生的富氮基本不影响原定清灰、清堵等用气需求，而由此低成本获得的富氧则可为诸如水泥回转窑提供额外的氧化剂来实施富氧燃烧技术改造而产生额外的经济效益，尤其，面向压缩空气需求不太高的工厂，因利用分离系统的废气来直接替代压缩空气的量有限，废气富余，如何进一步利用以降低系统消耗，急需有一种高效的解决方案。

发明内容

鉴于以上情况，为充分利用现场压缩空气资源，并由此低成本的获得富氧空气而并不影响原有压缩空气特定的保障用途以及富氧燃烧工艺所需的富氧纯度、压力需求，本发明提供一种水泥厂炉窑现场制氧供气装置及方法。

本发明将膜分离制氧技术有机耦合至工厂原压缩空气供气设施、熟料煅烧设施上，实现现场制氧供气。

有别于现有技术，如以独立的膜分离过程或其它技术的分离过程(如变压吸附、深冷空分技术)实施现场供氧(该等技术只能对炉窑供给富氧)，本发明采用膜分离制氧技术有机耦合至原压缩空气供气设施上，将原压缩空气(通常有0.6～1.3MPa)分离为两种气体：富氮和富氧；其中，产生的富氮，因压力较高，可直接替代原工厂的压缩空气需求(通常仅需～0.5MPa)，回收了压缩能；而产生的富氧，因压力较高(通常，可达20～100kpa)，可送炉窑直接完全或部分替代原净风、煤风而进行富氧燃烧，不仅回收了风机的压缩能，并且因富氧燃烧还可取得额外的经济效益；因而，本发明是一种结合水泥厂本身工艺的深度节能挖潜方案。

(一)本发明充分利用了压缩空气资源，具体的，利用压缩空气制取氧气后的副产品氮气，以此富氮气返回压缩空气管网给用气点使用；通常，该副产品仅仅因为组分为富氮气(如90～99％的氮气)，并不影响吹扫等原压缩空气用途，此外，经膜分离后的压力损失也仅仅只有～0.05MPa，通常基本不影响用气点使用。

(二)并且，本发明还充分考虑到压缩空气使用的极端情况，典型的，当采用上述耦合工艺供氧时，如提取的富氧时产生富氮量很大，将导致压缩空气供给过剩而不足以全部利用时，将该富余的富氮先经高速膨胀机发电以进一步回收能源。

(三)并且，将高速膨胀发电的后的气体余压设计为仍然可以满足窑尾输煤风的压力要求，将该富氮经热交换(典型的，可采用水泥厂富余的废热，或者直接常温空气换热器)之后，替代原窑尾输煤风，还可作为煤仓、危化品等仓库应急灭火气源。

(四)并且，本发明还充分的结合水泥熟料煅烧工艺，具体的，水泥厂熟料煅烧热工设施中窑头配套有风压20～100kpa风压的净风风机、煤风风机，利用压缩空气制取的富氧余压，可全部或部分替代原净风、煤风，停运或者降低原风机运行频率可回收风机的压缩能。

下面进一步介绍充分利用原有压缩空气资源的现场供氧方法及其装置；参见图1和图2所示。图中：

AB01，AB02，是压缩空气设施，可以是各种形式的压缩设备，如活塞式、离心式、螺杆、涡旋、罗茨、液环等等压缩形式，可将气体升压到适当的压力，附图中，AB01是原压缩空气设施，用于将气体升压到一定的压力，还可带有空气预处理设施(图中未示出)，用于去除空气中的杂质、水气等，AB02是压缩空气补偿设施，用于补偿用气端压力不足；AB02也可带有空气预处理设施(图中未示出)；

A01，A02，A03，是鼓风机，可以是各种形式的鼓风机设备，如离心式、螺杆、涡旋、罗茨、液环、气悬浮等等压缩形式，可将气体升压到适当的压力，附图中，A01是窑头净风风机，用于将空气升压到一定的压力，为燃烧器提供净风(含外风、内风，或者称为轴流风、旋流风，也可分为单独的外风、内风风机)，A02是窑头煤风风机，用于将空气升压到一定的压力为窑头燃烧器的燃料供给提供输煤风，A03是窑尾煤风风机，用于将空气升压到一定的压力为窑尾燃料供给提供输煤风；

V01，V02，Vn1，Vn2是阀门，可以是各种形式的手动阀门，如各种球阀、截止阀、蝶阀、闸阀等，用于流体切断、调节，当然，也可修改成自动阀门，如气动、电动、液压控制的自动阀门；

DXF01，DXF 02，是单向阀，可以是各种形式的逆止阀，用于流体返流截止；

标注QTV的代表自动调节阀门，后面带的数字表示阀门序号，如QTV01，QTV02，，，等等，都是自动调节阀门，它们可根据预先设定的逻辑自0～100％开启或关闭，这些阀门可以是气动控制的，也可以是电动、液压控制的自动阀；

标注QDV代表自动控制阀门，后面带的数字和字母表示阀门序号和类别，如QDV01A，QDV01B，QDV02A，QDV02B，，，等等，都是自动控制阀门，它们可根据预先设定的逻辑开启或关闭，这些阀门可以是气动控制的，也可以是电动、液压控制的自动阀；

M01～M0N，是膜分离器，可以是板式膜，卷式膜，中空纤维膜；每个膜分离器具有三个接口：A0、A1和A2；A0是膜分离器的原料侧入口也即空气入口，A1是滞留气出口也即废气排除口，A2是膜分离器负压侧也即渗透侧出口，富氧空气出口；

其中，压缩空气设施(或带有压缩空气预处理设备)至供气管网接入点，记为A；压缩空气供气管网至压缩空气用气接口点，记为B；膜分离部分富氮出口与压缩空气补偿设施的汇总点，记为C点；富氮输送替代窑尾煤风管路、或氮气输送到需要氮气保护的煤粉舱、煤磨车间、危化品存储库房等作为防护气源或灭火介质的汇总点，记为E。

膜分离器中的膜分离材料至少分成两侧，一侧为正压侧，一侧为负压侧，正压侧也即膜分离器的原料气侧，也称为高压侧、滞留气侧，负压侧也即膜分离器的渗透气侧，也称为低压侧、负压侧。

膜分离材料的分离系数，如氧氮分离系数，其一般定义为：

α(阿尔法)值，氧氮分离系数＝(Q

式中Q

通常，气体经过清洁处理，处理掉其中带有的微粒类污染物、水、油分等杂质，并控制在一定温度、压力自膜分离器的A0入口进入膜分离器的正压侧，在膜分离器内，气体经过膜分离后一部分渗透到低压侧、渗透侧富集成富氧自A2输出，另外一部分富集了难以渗透的贫氧富氮气体则自滞留侧出口A1被排除出膜分离器；针对自空气中分离富氧的膜分离过程，一般的，膜分离制取氧气的纯度与膜分离材料的氧氮分离系数(称为阿尔法值)、气体通过膜分离器正压侧与负压侧的绝对压力比(称为分离压力比)以及原料气和富氧产品气之比(称为空氧比)有关，氧氮分离系数越高，意味着可在更低的分离压力比以及更小的空氧比下分离出更高纯度的富氧气体，针对相同的膜分离材料，分离压力比越高，可以获得更高纯度的富氧，空氧比越大，可以获得更高纯度的富氧。另一方面，膜分离制取富氧的流量即膜分离材料的渗透量，主要与原料气体的温度以及压力有关，针对相同的膜分离材料，分离温度越高，渗透量越大，分离压力越高，渗透量越大；

本发明中，优选采用如中空纤维膜进行氧氮分离；提高分离效率，降低成本，提高膜两侧的分离压力比显然受制于现场配套的压缩空气的压力，尽可能的降低压力损失。典型的，在采用分离材料的阿尔法值在5～7的膜分离材料做成的中空纤维膜分离器进行分离时，在所需富氧纯度为30～60％左右时，需建立起膜两侧的分离压力比约为4以上，即，如膜的正压侧压力为300～1300KPa的压力，绝压为大气压(101.325KPa)+(400～1300KPa)，而负压侧或者渗透侧则仅需保持大气压排放(相当于0KPa表压的真空度)，这样，分离压力比为【101.325+(300～1300KPa)】/101.325≌4～14倍，可获得约30～60％的富氧纯度。显然，在这个过程中，结合窑炉燃烧设施净风风机、煤风风机的压力，可以根据现场配套的压缩空气设备实际所需的使用压力，调整分离压力比以满足输出所需的富氧压力。

如附图1所示，是一个工厂压缩空气供气的示意图，图中，AB01为压缩空气设施，接入供气管网接入点A，经供气管网输送至压缩空气用气点接口B，以保障压缩空气用气点供气，压缩空气供气自A—B，其中：

如附图2所示，是本发明的一个水泥厂炉窑现场制氧供气装置，其结构包括：

(1)至少一组能切断原供压缩空气回路的切断阀；具体为：自接入点A至B之间的供气管网，至少设置手动切断阀V01或者自动切断阀QDV02A，优选但非必要两者都设，用于当需要采用本发明装置实施现场供氧时，通过切断本供气管网，使得压缩空气强制从A—C—B的供气支路流动；

(2)至少一组能切断供气支路A—C—B的切断阀；具体为：至少设置手动切断阀V02或者自动切断阀QDV02B，优选但非必要两者都设，用于当需要采用本发明装置实施现场供氧时，通过切断手动切断阀V01或者自动切断阀QDV02A，而打开手动切断阀V02或者自动切断阀QDV02B进行制氧，或者需要恢复原压缩空气保障模式而不制氧时，通过切断手动切断阀V02或者自动切断阀QDV02B，而打开手动切断阀V01或者自动切断阀QDV02A；

(3)优选但非必要在A—C—B的供气支路设置原料空气预处理设施(未示出)，用于将气体中含有的灰尘、较大的水/油等液滴，等等微粒性杂质截留后进入后级分离系统；当确认现场配套的压缩空气清洁度可满足分离要求时可不配套；

(4)在A—C—B的供气支路，至少设置膜分离器M01，气体经过膜分离器M01分离后，一部分富集了难以渗透的贫氧富氮气体则自滞留侧出口A1被排除出膜分离器，并经设置的QDV03、DXF01经节点C，QDV04与切断阀V03送节点B，供原压缩空气用气点，另一部分渗透到低压侧、渗透侧富集成富氧自A2输出，送炉窑富氧燃烧用气点：

优选地，在此供气支路至少设置自动切断阀，用以在系统测试等情形可以将富氧直接对大气排空；

(5)在膜分离器富氮气输出节点C，本发明还设置有膨胀发电机；当向水泥厂压缩空气用量不大，而按水泥厂富氧燃烧工艺所需设计了更大规模制氧时又产生的富氮有富余时，经该高速膨胀发电机发电进一步回收能源，并且，该膨胀发电机设计时应保留余压仍然可满足窑尾输煤风的风压要求，因经高速膨胀发电机之后的富氮温度较低(通常将达到-70度的低温)，可经优选采用工厂废热甚至直接常温空气为热源的换热器(图纸未示出)，将该富氮送窑尾完全或者部分替代输煤风；并且，也可通过，图示中E点输送到通常需要氮气保护的煤粉舱、煤磨车间、危化品存储库房，等作为防护气源或灭火介质，从而全面回收压缩能与组分价值；

(6)如公知技术，系统还需包含必要的控制组件，以控制装置各部件按要求运行，包括控制阀门能够按照要求进行切换等；所述控制组件的设计对本领域技术人员而已是容易实现的。

根据本发明的现场制氧供气装置，其供气方法为：A—C—B的供气支路中，富氧自A2输出，送炉窑富氧燃烧用气点，其中：

经自动调节阀调整流量后，优选直接取代净风风机为炉窑燃烧器提供富氧净风，原净风风机停运，但也可以与净风风机形成并联供气回路，富氧与空气掺混至目标控制氧浓度后给燃烧器提供相对富氧系统出口氧浓度更低的富氧空气进行富氧助燃，优选25％≦目标控制氧浓度≦45％，同时，因停运风机或降低了净风风机的运行负荷，回收了能源；

经自动调节阀调整流量后，优选与炉窑窑头煤风风机形成并联供气回路，富氧与空气掺混至目标控制氧浓度后进行输煤风替代，以保证更高的安全性，优选目标控制氧浓度为≦30％，同时，降低了煤风风机的运行负荷，回收了能源；

在富氧量较大或在测试等过程排放中形成的富氧，优选送至回转窑篦冷机1/2风室；

在送输煤风的回路中，经自动调节阀调整流量后，与炉窑窑尾煤风风机形成并联供气回路，富氮与空气掺混至目标控制氧浓度后进行输煤风替代，以保证更高的安全性；优选5％≦目标控制氧浓度≦21％，可降低煤风风机的运行负荷，回收能源。

此外，将M01膜分离器产生的富氮经A—C—B的供气支路送入到原压缩空气管网以替代原压缩空气，不足部分将从C点接收压缩空气补偿回路设置的AB02进行补偿。

以膜分离器制取富氧、富氮的过程，优选将压缩空气经加热器(图中未示出)加热后进入膜分离器，典型的，可将空气加热至25～65℃，更高的温度尽管将略微降低富氧纯度，但可大幅降低膜分离器的投资；

以膜分离器制取的富氧，优选是取代窑头净风，可以取得更高的节能率，典型的，按净风总量全部替代为富氧；

进一步的，优选取代窑头煤风，典型的，将剩余富氧总量以替代煤风，但进入煤风的富氧浓度不超过30％，以确保供氧安全，也有利于可以取得更高的节能率；

再进一步的，优选取代窑尾煤风，将剩余富氧进一步替代窑尾煤风，但进入煤风的富氧浓度不超过30％，以确保供氧安全，也有利于可以取得更高的节能率；

再进一步的，将还有富余的富氧以及测试过程的富氧进入篦冷机1/2风室，避免浪费，有利于可以取得更高的节能率；

上述富氧，按公知技术调节，围绕背压至最低要求的输送压力，克服输送管网的压力损失，以及满足替代原风机供气所需压力需求，所需富氧管道的材质、直径，可按公知技术设计，典型的，满足输送压力的承压要求，输送流速按4～16m/s设计以计算压力降；

与现有技术不同，本发明通过耦合膜分离器对原压缩空气供气设施进行上述改造，可以连续稳定的获取富氧空气，并同时保证现场压缩空气及氧气的供给平衡；而且，通过充分回收现场压缩空气并与膜分离工艺相结合，不仅彻底回收了制氧时的富氮气体的压缩能与组分价值，以相对廉价的运行成本解决了现场压缩空气(以富氮替代，回收了压缩能)与富氧(用以富氧燃烧，不仅替代了原风机风量，回收了部分压缩能，更因富氧燃烧还可期待产生节能效益)以及富余富氮(发电回收能源，并且将余压保持可供替代输煤风，以及用于防护、灭火)的需求，以膜分离方法低成本的提供了富氧燃烧所需氧化剂的关键技术问题，不仅增强了系统的稳定性，降低了成本，也提高了系统总效率。

本发明可应用于空气组分膜分离过程为炉窑富氧助燃提供氧化剂，但是所公开的基本原则可用于很多其它的分离场合。通过本发明可以实现分离的典型实例包括氧气/氮气的分离、气体干燥、二氧化碳/甲烷的分离、二氧化碳/氮气的分离、氢气/氮气的分离和烯烃/烷烃的分离。

本发明通过采用膜分离制氧技术有机耦合至工厂原压缩空气供气设施、熟料煅烧设施的富氧燃烧解决方案，可最大限度的降低制氧成本的同时，可通过富氧燃烧而取得节能效益：

(1)提高燃料燃烬率；

(2)提高升温速率，改善炉内火焰的热传递效率，提高热量利用率；

(3)减少燃料热损失，减少过剩空气系数，提高了热效率；

(4)降低燃料燃点温度，获得更宽泛的燃料选择范围。

同时，因这种方案的建造周期短，设备管理、维护成本低，还因为没有了高纯度富氧掺混存在的安全隐患，尤其制氧本身的运行能耗低，是水泥厂富氧燃烧节能改造的首选方案。

附图说明

图1为压缩空气供气示意图。

图2为本发明的现场制氧供气装置及流程图示。

具体实施方式

实施例1

某水泥厂，当地海拔500m，熟料产量为6200TPD，燃用热值约～5900kcal/kg的优质燃煤约31T/h，平均电价0.55元/KWH，平均煤价690元/吨，煤粉加工费30元/吨，每增产1吨熟料的效益计100元，年运行时间300天；

工厂正常压缩空气消耗量～50m

按富氧燃烧工艺模拟计算，约需35％纯度的富氧空气7100m

按本发明的方法，采用膜分离制氧技术有机耦合至原压缩空气供气设施上，现场分离的富氮同时供替代压缩空气又供氧，压缩空气满足上述0.6MPa的使用压力需求，富余的富氮则通过高速膨胀发电回收能源后继续作为窑尾输煤风使用，进一步回收了能源，而氧气则用于该水泥厂进行富氧燃烧，取得约5～10％的节煤效益；能源回收方面：

(1)制取的富氮，可完全替代原压缩空气站的需求，可回收能源测算

按工厂测算，原压缩空气实际使用～50m

(2)制取的富氮，除满足完全替代并停运原压缩空气站之外，尚可采用高速膨胀发电机回收能源的测算

按工厂测算，目前压缩空气实际消耗～50m

。

(3)制取的富氧，总量～118m

(4)制取的富氧，因其压力≧80kpa，与原净风风机形成并联互备供气回路，停运原净风风机，直接替代原净风供给35％的富氧风进行富氧助燃，节约能源。

以富氧供气，停运原净风风机，与原净风风机并联互备供气，原净风风机装机功率132KW，负荷按85％计，折算回收了能源大约112.2KW；

。

(5)制取的富氧，因其压力≧80kpa，与原窑头风机形成并联供气回路，掺混后送入30％的富氧风进行富氧助燃，节约能源。

以富氧部分替代原煤风，考虑到为确保安全，限制输煤风目标富氧浓度不超过30％，设计该部分富氧风与原煤风风机并联供气，掺混至不超过29％的氧气浓度，因至少部分替代富氧风，原煤风风机降低了负荷，大约可节约装机功率27.22KW

(6)经高速膨胀机发电后的富氮，因其压力≧60kpa，可与窑尾煤风风机形成并联互备供气回路，停运原煤风风机，直接替代原煤风供给，节约能源。

以富氮供气，停运原窑尾煤风风机，与原窑尾煤风风机并联互备供气，原窑尾风机装机功率110KW，负荷按85％计，折算回收了能源大约93.5KW；

。

综上，通过本方案，压缩空气系统总功率消耗与能源回收情况测算一览表如下：

如上，实际净能源消耗仅584.83KW，即制取了7100m

并且，基于本方案的富氧燃烧改造，还将产生如下测算一览表的经济效益

投资回收期短，经济效益显著；

以上所描述的实施方法仅阐述本发明的一些重要特征，本专业的技术人员应该知道，尽管本发明结合附图进行了部分描述，但这仅仅是本发明的一个应用实例或者一种方法，一切不违反本专利阐述的实质的其它变化也属于本专利的范畴，本发明的范围仅仅受所附的权利要求书范围所限制。

以上通过具体实施方式，对本发明的上述内容进一步的做出了一些详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于以上耦合实例，凡基于本发明以上的内容所实现的技术均属于发明的范围。