一种水泥回转窑富氧燃烧供氧方法及装置

技术领域

本发明属于空气分离技术领域，具体涉及一种水泥回转窑富氧燃烧供氧方法及装置。

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，如水泥厂的回转窑的富氧燃烧，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，急需有一种高效的解决方案。

发明内容

鉴于以上情况，本发明的目的在于提供一种高效、安全、低成本的水泥回转窑富氧燃烧供氧方法及装置。

本发明充分利用现场压缩空气资源，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。

本发明提供的水泥回转窑富氧燃烧供氧装置，如附图2所示，具体包括：

(1)至少一组能切断原供压缩空气回路的切断阀。自接入点A至B之间的供气管网，至少设置如手动切断阀V01或者自动切断阀QDV02A，优选但非必要两者都设；当需要采用本发明实施现场供氧时，用于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。至少设置如手动切断阀V02或者自动切断阀QDV02B，优选但非必要两者都设置，当需要采用本发明实施现场供氧时，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(图中未标示出)，用于将气体中含有的灰尘、较大的水/油等液滴，等等微粒性杂质进行截留，然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，至少设置一个膜分离器M01，气体经过膜分离后，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：

优选在此支路至少设有自动切断阀，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，本发明还设置了一套压缩空气补偿系统，由压缩空气机AB02，根据客户要求决定是否配套必要的空气预处理设施(图中未标示出)、优选但非必要的单向阀DXF02接入C点，并可经打开QDV04、V03向原压缩空气用气点补偿供气；

(6)如公知技术，系统还需包含必要的控制组件，以使的系统动力设备能够运行，控制阀门能够按照要求进行切换等。

基于上述装置的水泥回转窑富氧燃烧供氧方法，将膜分离器产生的富氮经由A—C—B的供气支路送入到原压缩空气管网，替代原压缩空气的同时：

经自动调节阀调整流量后，优选直接取代净风风机为燃烧器提供富氧净风，原净风风机停运，或者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，25％≦目标控制氧浓度≦45％，同时，因停运风机或降低净风风机的运行负荷，回收能源；

经自动调节阀调整流量后，优选与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，目标控制氧浓度为≦30％，同时，降低煤风风机的运行负荷，回收能源；

经自动调节阀调整流量后，优选与窑尾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，目标控制氧浓度为≦30％，同时，降低煤风风机的运行负荷，回收了能源；

在富氧量较大或在测试过程排放中形成的富氧，送至回转窑篦冷机1/2风室。

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。

本发明装置中，A是压缩空气设施(或带有压缩空气预处理设备)至供气管网接入点；B是压缩空气供气管网至压缩空气用气点接口；C是膜分离部分富氮出口与压缩空气补偿设施的汇总点；D为膜分离部分富氧出口端应急排空及分别送入窑头、窑尾助燃风机的富氧总管汇总点。

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)，AB02是压缩空气补偿设施，也可带有空气预处理设施(图中未示出)，用于补偿用气端压力不足；

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，DXF02，是单向阀，可以是各种形式的逆止阀，用于流体返流截止；

标注自动调节阀或标号QTV的代表自动调节阀门，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；

标注自动切断阀或标QDV代表自动控制阀门，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，其中，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。

本文所说的分离系数，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

本发明有别于现有技术，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)，而是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，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，是一种结合了水泥厂本身工艺的深度节能挖潜方案。

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(通常，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。

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，如提取的富氧量很大，将导致压缩空气供给流量不足时，可采用备用压缩空气补偿回路进行流量补偿，以膜分离工艺供氧产生的富氮和压缩空气流量补偿回路送入管网的压缩空气共同满足原压缩空气需求，直至不影响原有压缩空气特定的保障任务，而经膜分离供氧回路产生的富氧则可低成本的供给诸如富氧燃烧、富氧汽化、富氧通风等场合，总体上实现了一种以压缩空气换氧气的供氧方案，极大的降低了氧气提取的能耗。

并且，本发明还充分的结合水泥熟料煅烧工艺，具体的，通常，水泥厂熟料煅烧热工设施中配套有风压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。

并且，本发明的方案，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：

(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；

而取得节能效益，同时，因这种方法的建造周期短，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为原压缩空气供气系统示意图。

图2为本发明的水泥回转窑富氧燃烧供氧装置的结构图示。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步介绍本发明。

图2为本发明水泥回转窑富氧燃烧供氧装置的结构图示。

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，而另一方面，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，为提高分离效率，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％时，约需建立起膜两侧的分离压力比为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。

供气时，压缩空气因A—B的流通因设有的手段或自动阀门而切断，压缩空气保障供气自A—C—B，而氧气则自D点输出为所需的目标富氧空气：

(1)在现场原有配套的压缩空气设施之后，自接入点A至B之间的供气管网，至少设置如手动切断阀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的供气支路流动以保障压缩空气用气点的需求(通常，仅因经膜分离器之后成为富氮气，压力则因前段输送管道、设备的压损而略有降低，通常这并不影响压缩空气的原有用途)，而氧气则经膜分离器出口自D点输出为所需的目标富氧空气。

(2)在A—C—B的供气支路，至少设置如手动切断阀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；

当通过上述阀门切换成制氧时，压缩空气强制从A—C—B的供气支路流动，优选但非必要设置空气预处理设施，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。

(3)在A—C—B的供气支路，至少设置了膜分离器M01，按前述阀门切换成制氧时，气体经过膜分离后：

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，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；

一部分渗透到低压侧、渗透侧富集成富氧自A2输出，经节点D后：

可经设有自动切断阀，用以在系统测试等情形可以将富氧直接对大气排空；

经自动调节阀调整流量后，优选直接取代净风风机为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；

经自动调节阀调整流量后，优选与窑尾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，可将富氧送至回转窑篦冷机1/2风室。

(4)当通过膜分离器自D输出的富氧达到一定流量，如影响到压缩空气保障供给时，本发明还设置了一套压缩空气补偿系统，由压缩空气机AB02，根据客户要求决定是否配套必要的空气预处理设施(图中未示出)、优选但非必要的单向阀DXF02接入C点，并可经打开QDV04、V03向原压缩空气用气点补偿供气；

通过耦合膜分离器对原压缩空气供气设施进行的上述改造，本发明方法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。而且，通过充分回收现场压缩空气并与膜分离工艺相结合，不仅回收了制氧时的富氮气体，以相对廉价的运行成本解决了现场压缩空气与富氧的需求，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。

本发明中，空气组分膜分离过程为炉窑富氧助燃提供氧化剂，但本发明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/烷烃的分离等。

实施例1

某水泥厂，当地海拔1008m，熟料产量为4050TPD，燃用热值约5800～6000kcal/kg的优质燃煤约21.5T/h，平均电价0.48元/KWH，平均煤价780元/吨，煤粉加工费30元/吨，每增产1吨熟料的效益计70元，年运行时间310天。

工厂共配套了3台355KW、排气量62m

按本发明的方法，将膜分离制氧技术有机耦合至原压缩空气供气设施上，现场同时供压缩空气又供氧，压缩空气满足上述0.6MPa的使用压力需求，组分无要求，而氧气则用于该水泥厂进行富氧燃烧，与原有技术相比，取得约5～10％的节煤效益。

采用上海穗杉实业股份有限公司生产的

(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

通常，制氧均需消耗数倍于氧气量的空气，制氧能源消耗高，而本方案充分利用系统制取氧气的同时制取的富氮，可用于替代一般原压缩空气站的清灰、清堵等用气需求，可降低制氧成本，本案中，配套的3台压缩空气设备，共可提取约4380m

(2)制取的富氧，总量约73m

1)制取的富氧，因其压力≧80kpa，与原净风风机形成并联供气回路，掺混后送入35％的富氧风进行富氧助燃，节约能源；

以富氧部分替代原净风，与原净风风机并联供气，掺混空气后控制目标富氧浓度35％，因至少部分替代富氧风，原净风风机降低了负荷，回收了能源，大约可节约装机功率52.53KW；

。

2)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29％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28.45KW

。

3)制取的富氧，因其压力≧80kpa，与原窑尾风机形成并联供气回路，掺混后送入23％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23％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7.27KW

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205.57KW，即制取了4380m

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。