CN209093057U - 一种从压缩空气中富集氧气的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种从压缩空气中富集氧气的装置，所述装置包括气体压缩装置、换热装置和膜分离装置，所述气体压缩装置与换热装置的热源出入口双向连接构成循环，所述气体压缩装置还与换热装置的冷源入口相连，所述换热装置的冷源出口与膜分离装置相连，所述膜分离装置的出口得到滞留气和渗透气。本实用新型通过在原有压缩空气供气***的基础上耦合膜分离装置来低成本富集氧气，保证氧气和压缩空气的现场同时供给，而不影响原有压缩空气的用途；同时充分回收压缩空气热能，用于进行膜分离气体的预热，有效减少膜分离装置所需的分离面积，降低了设备造价，应用前景广阔。

Description

一种从压缩空气中富集氧气的装置

技术领域

本实用新型属于气体分离与富集技术领域，涉及一种从压缩空气中富集氧气的装置。

背景技术

空气中含有大约21％的氧气和78％的氮气，富氧是指应用物理或化学方法将空气中的氧气进行收集，使收集后气体中的氧气含量≥21％，富氧的用途广泛，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，例如，应用于各种窑炉、锅炉、加热炉、焚烧炉、热媒炉、热风炉、冶炼炉、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、富氧造气、氧化反应、发酵等领域，医疗保健、大型富氧通风、高原增氧、水产养殖等方面，随着富氧技术的不断发展，其逐渐成为绿色能源的基础之一。

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***均存在投资大，耗能高，技术复杂，需专人操作，且运行费用较高的问题；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，存在能源消耗高、制造成本高、使用成本高等方面的弊端，在工业上难以大规模应用，仅适用于一些特殊场合。

膜法富氧技术是自20世纪70年代末逐渐发展起来的一种新分离方法，利用有机高分子致密薄膜对氮、氧的选择透过性差异，当膜两侧存在压力差时，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空气或富氮空气，膜分离方法为富氧提取开辟了一条新途径，因在分离浓缩过程中不存在相变，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、***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、工业锅炉等热能工程领域的富氧助燃。CN 103508422A公开了一种可稳定提供富氧纯度或富氧流量的膜分离供氧方法及***，所述***在现有膜分离供氧***的基础上增加一个与真空泵并联的调节回路，连续监测真空泵入口的压力，当温度降低或升高时，通过调节回路控制气体的流向，实现富氧***的稳定运行。然而，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、提高渗透量等成本控制方法基本已做到极限，愈发难以为继。目前很多工艺生产过程具有配套的压缩空气设施，若可以利用现有压缩空气得到富氧，则可以避免将空气先压缩提高压力，极大地降低获得富集氧气的成本。

综上所述，如何在充分利用现有设施而不影响原有设施运行的基础上低成本地获得富氧，是目前急需解决的问题之一。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种从压缩空气中富集氧气的装置。本实用新型充分通过将膜分离制氧有机耦合至原有压缩空气供气***中，利用压缩空气资源，低成本获得富氧而不影响原有压缩空气特定的用途，实现了压缩空气和富氧的同时供给。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一方面，本实用新型提供了一种从压缩空气中富集氧气的装置，所述装置包括气体压缩装置、换热装置和膜分离装置，所述气体压缩装置与换热装置的热源出入口双向连接构成循环，所述气体压缩装置还与换热装置的冷源入口相连，所述换热装置的冷源出口与膜分离装置相连，所述膜分离装置的出口得到滞留气和渗透气。

本实用新型中，利用原有的压缩空气***，再辅以膜分离制氧装置，可以得到富氧空气，而剩余的富氮空气仍可作为压缩气体使用，不影响其原有用途；同时空气压缩过程中温度升高，可以对进入膜分离装置的气体进行预热，降低膜分离装置分离面积的需求，从而降低装置造价。

以下作为本实用新型优选的技术方案，但不作为本实用新型提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本实用新型的技术目的和有益效果。

作为本实用新型优选的技术方案，所述气体压缩装置分为两部分，一部分包括第一入口和第一出口，另一部分包括第二入口和第二出口，所述气体压缩装置的第一出口与换热装置的热源入口相连，所述气体压缩装置的第二入口与换热装置的热源出口相连，所述气体压缩装置的第二出口与换热装置的冷源入口相连。

本实用新型中，空气压缩后温度会有所升高，通常需要将气体温度降下来再输出，且在输送过程中，温度也会进一步降低，不利于膜分离过程的运行，因此本实用新型将刚压缩的空气作为热源去加热即将进入膜分离装置的压缩空气，实现压缩空气自身热量的空间转移与内部利用。

优选地，所述气体压缩装置包括活塞式压缩机、离心式压缩机、螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、罗茨式压缩机或液环式压缩机中任意一种。

作为本实用新型优选的技术方案，所述膜分离装置内装填膜分离材料，所述膜分离材料将膜分离装置分为原料侧和渗透侧，所述原料侧设有原料气入口和滞留气出口，渗透侧设有渗透气出口。

本实用新型中，每个膜分离装置至少包括一个原料气入口、一个滞留气出口和一个渗透气出口，膜分离装置中的膜分离材料将其分为两侧，一侧为正压测，一侧为负压侧，前者即为膜分离装置的原料侧，也称为高压侧、滞留气侧，后者则为膜分离装置的渗透侧，也称为低压侧。

膜分离材料的性能通常以分离系数来衡量，本实用新型中为氧氮分离系数，其一般定义为：氧氮分离系数α＝Q_N2/Q_O2，其中Q_N2和Q_O2分别为单位时间、压力下，纯组分氮气和氧气通过特定膜材料的渗透量。

针对自空气中分离富氧的膜分离过程，一般而言，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α值)、气体通过膜分离装置高压侧与低压侧的绝对压力比(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。

优选地，所述膜分离装置包括板式膜分离器、卷式膜分离器或中空纤维膜分离器中任意一种，优选为中空纤维膜。

作为本实用新型优选的技术方案，所述装置还包括空气预处理***，所述***的入口与气体压缩装置的第二出口相连，所述***的出口与换热装置的冷源入口相连。

优选地，所述***包括过滤装置和第二换热装置。

本实用新型中，空气预处理***的设置，可以将气体中含有的微粒性杂质截留，如灰尘、较大的水、油等液滴，避免其进入后续分离装置；其中第二换热装置用于换热压缩空气带有的热能，将压缩空气冷却下来除去其中夹带的冷凝水、油等。

优选地，所述过滤装置至少为一个，例如一个、两个、三个或四个等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为三个。

优选地，所述第二换热装置至少设置在第一个过滤装置之后。

优选地，所述过滤装置包括纤维式过滤器、滤料式过滤器或袋式过滤器中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：纤维式过滤器和滤料式过滤器的组合，滤料式过滤器和袋式过滤器的组合，纤维式过滤器、滤料式过滤器和袋式过滤器的组合等。

作为本实用新型优选的技术方案，所述装置还包括气体压缩补偿装置，所述气体压缩补偿装置与膜分离装置并列设置，所述气体压缩补偿装置的出口与膜分离装置的滞留气出口连接到同一管路。

本实用新型中，当采用上述装置提供富氧时，若富氧用量较大，将导致压缩空气供给流量不足，此时，可采用备用压缩空气补偿回路进行流量补偿，以膜分离装置产生的富氮和气体压缩补偿装置产生的压缩空气共同满足原压缩空气的需求，至不影响原有压缩空气特定的保障任务；而膜分离装置产生的富氧可供给富氧燃烧、富氧汽化、富氧通风等场合，总体上实现了以压缩空气换氧气的效果，极大的降低了氧气提取的能耗。

优选地，所述气体压缩补偿装置包括活塞式压缩机、离心式压缩机、螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、罗茨式压缩机或液环式压缩机中任意一种。

另一方面，本实用新型提供了一种采用上述装置从压缩空气中富集氧气的方法，所述方法包括：原料空气经压缩后进行换热处理，再进行膜分离，得到富氧空气和富氮空气。

作为本实用新型优选的技术方案，所述空气压缩后作为换热装置的热源，返回后再进入换热装置作为冷源。

优选地，所述膜分离在膜分离装置内进行。

优选地，压缩空气进入膜分离装置的温度为45～80℃，例如45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本实用新型中，空气压缩时产生的热能，用于进入膜分离装置的空气进行预热，通过这一能量回收利用过程，提高进入膜分离装置的空气温度，有效降低膜分离材料的分离面积需求，消除了大部分地区因露点温度变化产生结露对膜分离装置正常运行带来的负面影响。

优选地，所述膜分离装置内原料侧和渗透侧的压力比为4～14，例如4、5、6、8、10、12或14等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述膜分离装置的原料侧得到富氮空气，渗透侧得到富氧空气。

本实用新型中，采用膜分离装置进行氧氮分离时，为提高分离效率，降低成本，，可提高膜两侧的分离压力比，而这一过程显然受制于配套的压缩空气的压力。当采用α值为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，约需建立起膜两侧的分离压力比为4以上，如膜的高压侧压力为300～1300kPa，绝压为大气压(101.325kPa)+(300～1300kPa)，而低压侧仅需保持大气压排放，这样，分离压力比为[101.325kPa+(300～1300kPa)]/101.325kPa≈4～14倍，可获得约30～60％的富氧纯度。

作为本实用新型优选的技术方案，压缩空气进入换热装置前先进行预处理。

优选地，所述预处理包括过滤处理和冷凝处理。

作为本实用新型优选的技术方案，所述富氮空气供应不足时，还需补充压缩空气。

优选地，所述压缩空气通过气体压缩补偿装置补充。

作为本实用新型优选的技术方案，所述方法包括：原料空气先进行压缩，然后作为换热装置的热源，返回后进行过滤处理和冷凝处理，再进入换热装置作为冷源被加热至45～80℃进入膜分离装置进行膜分离，膜分离装置内两侧的压力比为4～14，膜分离装置的原料侧得到富氮空气，渗透侧得到富氧空气，富氮空气供应不足时，还需通过气体压缩补偿装置补充压缩空气。

本实用新型中，所述方法除了用于氧气/氮气的分离，根据膜分离材料的不同，同样可以适用于气体干燥、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/烷烃的分离等常见的分离过程。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型通过在原有压缩空气供气***的基础上耦合膜分离装置来富集氧气，保证氧气和压缩空气的现场同时供给，而不影响原有压缩空气的用途；

(2)本实用新型充分回收压缩空气热能，并与膜分离工艺相结合，减少膜分离装置分离面积的需求，降低了设备造价；

(3)本实用新型富氧过程运行成本较低，稳定性强，富氧效率显著提高，富氧空气中氧的纯度可达到28％以上。

附图说明

图1是本实用新型实施例1提供的从压缩空气中富集氧气装置的结构连接图；

其中，AB01-气体压缩装置，AF01-第一过滤装置，TC01-第二换热装置，AF02-第二过滤装置，AF03-第三过滤装置，TC02-换热装置，M01-膜分离装置，AB02-气体压缩补偿装置，A0-膜分离装置的原料气入口，A1-膜分离装置的滞留气出口，A2-膜分离装置的渗透气出口。

具体实施方式

为更好地说明本实用新型，便于理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型以具体实施方式进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本实用新型的简易例子，并不代表或限制本实用新型的权利保护范围，本实用新型保护范围以权利要求书为准。

本实用新型具体实施方式部分提供了一种从压缩空气中富集氧气的装置，所述装置包括气体压缩装置AB01、换热装置TC02和膜分离装置M01，所述气体压缩装置AB01与换热装置TC02的热源出入口双向连接构成循环，所述气体压缩装置AB01还与换热装置TC02的冷源入口相连，所述换热装置TC02的冷源出口与膜分离装置M01相连，所述膜分离装置M01的出口得到滞留气和渗透气。

以下为本实用新型典型但非限制性实施例：

实施例1：

本实施例提供了一种从压缩空气中富集氧气的装置，所述装置的结构连接图如图1所示，包括气体压缩装置AB01、换热装置TC02和膜分离装置M01，所述气体压缩装置AB01与换热装置TC02的热源出入口双向连接构成循环，所述气体压缩装置AB01还与换热装置TC02的冷源入口相连，所述换热装置TC02的冷源出口与膜分离装置M01相连，所述膜分离装置M01的出口得到滞留气和渗透气。

其中，所述气体压缩装置AB01分为两部分，一部分包括第一入口和第一出口，另一部分包括第二入口和第二出口，所述气体压缩装置AB01的第一出口与换热装置TC02的热源入口相连，所述气体压缩装置AB01的第二入口与换热装置TC02的热源出口相连，所述气体压缩装置AB01的第二出口与换热装置TC02的冷源入口相连。

所述膜分离装置M01内装填膜分离材料，所述膜分离材料将膜分离装置分为原料侧和渗透侧，所述原料侧设有原料气入口A0和滞留气出口A1，渗透侧设有渗透气出口A2。

所述装置还包括空气预处理***，所述***的入口与气体压缩装置AB01的第二出口相连，所述***的出口与换热装置TC02的冷源入口相连；所述***包括依次连接的第一过滤装置AF01、第二换热装置TC01、第二过滤装置AF02和第三过滤装置AF03。

所述装置还包括气体压缩补偿装置AB02，所述气体压缩补偿装置AB02与膜分离装置M01并列设置，所述气体压缩补偿装置AB02的出口与膜分离装置M01的滞留气出口A1连接到同一管路。

所述装置是在原压缩空气供气***基础上耦合膜分离装置M01，其具体运行过程如下：

其中，A是气体压缩装置AB01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是膜分离装置M01富氮出口与气体压缩补偿装置AB02的汇总点，D是膜分离装置M01富氧出口与空气混入口汇总点；

在现场原有配套的压缩空气***之后，在接入点A与B之间的供气管网，设置手动切断阀和/或自动切断阀，当需要现场供氧时，A—B的流通被切断，压缩空气沿A—C—B路线流通，以保障压缩空气用气点的需求，富氧则经膜分离装置M01出口自D点经吸入大气掺混后输出为所需的目标富氧空气；

在A—C—B的供气支路，也设置手动切断阀和/或自动切断阀，同时设置空气预处理***，其中过滤装置去除气体中的微粒性杂质，第二换热装置TC01将压缩空气冷却，除去其中夹带的冷凝水、油等，然后在进入后续分离装置前进行预热，即连接换热装置TC02，该装置的热源即为气体压缩装置AB01中压缩空气的热能，实现装置内能量的回收，之后经过膜分离装置M01，富氮气体自滞留气出口A1排出，与节点C之间设置切断阀和单向阀，再经过节点C和B间的切断阀，供给原压缩空气用气点；富氧气体自渗透气出口A2输出，经节点D，以及设置的调节阀引入空气，掺混至目标富氧浓度后自节点D送入富氧空气用气点；

当富氧的用量影响到压缩空气供给使用时，通过气体压缩补偿装置AB02来补偿压缩空气，将其连接单向阀来接入节点C，与富氮气体共同向原压缩空气用气点供气。

实施例2：

本实施例提供了一种从压缩空气中富集氧气的方法，所述方法采用实施例1中的装置进行，其具体应用环境为：

某水泥厂，配套流量约为340m³/min、出口压力为1.0MPa的压缩空气***，主要为清灰、清堵等需求供压缩空气，用气点正常使用压力约0.6MPa，采用实施例1中的装置改进现有压缩空气***，使现场同时供给压缩空气和富氧，压缩空气满足上述0.6MPa的使用压力需求即可，对组分无要求，氧气则用于该水泥厂进行富氧燃烧。

本实施例中所用膜分离装置为上海穗杉实业股份有限公司生产的膜分离器，其所采用的氧氮分离膜材料在50℃条件下的分离系数为6.35，膜分离器设计工作压力为0.8MPa，膜分离本身压力损失约0.06MPa，设计工作温度为50℃，膜分离器分离的空氧比约2.7。

采用所述膜分离器分离流量为340m³/min的压缩空气，可得到纯度为45％的富氧空气7556m³/h，掺混空气后以目标富氧纯度28％对窑炉实施富氧助燃，形成了约25776m³/h、纯度28％的富氧空气以取代窑头净风、煤风，富氧助燃取得了约8％的节煤率；同时，剩余的富氮空气的流量仍为214m³/min，满足原压缩空气吹扫、清堵的需求。

此外，若采用气体压缩补偿装置AB02补偿7556m³/h的压缩空气，仅需消耗约500kW的功率，而单独制取45％的富氧空气7556m³/h，等同于2522m³/h、93％的氧气混合5034m³/h的空气，采用变压吸附方法制取相同规模的富氧时，每立方富氧通常需要1.1kW的功率，总的电功率约为2774.2kW，再加上配风所需电耗，远大于500kW。

本实施例中，通过现场压缩空气的热能引入换热装置TC02，使得进入膜分离器M01的气体满足50℃的分离温度，所需膜分离器的数量为98支。通过富氧助燃，水泥厂的煤炭使用减少，达到8％的节煤率，经济效益显著。

对比例1：

本对比例提供了一种从压缩空气中富集氧气的装置及方法，所述装置参照实施例1中的装置，区别仅在于：不包括换热装置TC02。

所述方法参照实施例2中的方法，区别在于：压缩空气热能没有对进入膜分离器M01的压缩空气进行预热。

本对比例中，进入膜分离器M01的压缩空气温度为25℃，此时氧氮分离膜材料的分离系数为6.5，与50℃条件下的分离系数相差不大，并不太影响分离性能，但其25℃条件下的渗透量与50℃条件下的相差1.38倍，要达到相同的富氧分离量，所需膜分离器的数量的增加为136支，与实施例2相比，设备的造价大幅提高，同时装置的运行稳定性较差。

综合上述实施例和对比例可以得出，本实用新型通过在原有压缩空气供气***的基础上耦合膜分离装置来低成本富集氧气，保证氧气和压缩空气的现场同时供给，而不影响原有压缩空气的用途；同时充分回收压缩空气热能，用于进行膜分离气体的预热，有效减少膜分离装置所需的分离面积，降低了设备造价，所得富氧作为助燃剂、氧化剂等，应用领域广泛。

申请人声明，本实用新型通过上述实施例来说明本实用新型的详细装置，但本实用新型并不局限于上述详细装置，即不意味着本实用新型必须依赖上述详细装置才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本实用新型的任何改进，对本实用新型装置的等效替换及辅助装置的添加、具体方式的选择等，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种从压缩空气中富集氧气的装置，其特征在于，所述装置包括气体压缩装置、换热装置和膜分离装置，所述气体压缩装置与换热装置的热源出入口双向连接构成循环，所述气体压缩装置还与换热装置的冷源入口相连，所述换热装置的冷源出口与膜分离装置相连，所述膜分离装置的出口得到滞留气和渗透气。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体压缩装置分为两部分，一部分包括第一入口和第一出口，另一部分包括第二入口和第二出口，所述气体压缩装置的第一出口与换热装置的热源入口相连，所述气体压缩装置的第二入口与换热装置的热源出口相连，所述气体压缩装置的第二出口与换热装置的冷源入口相连。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体压缩装置包括活塞式压缩机、离心式压缩机、螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、罗茨式压缩机或液环式压缩机中任意一种。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜分离装置内装填膜分离材料，所述膜分离材料将膜分离装置分为原料侧和渗透侧，所述原料侧设有原料气入口和滞留气出口，渗透侧设有渗透气出口。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜分离装置包括板式膜分离器、卷式膜分离器或中空纤维膜分离器中任意一种。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括空气预处理***，所述***的入口与气体压缩装置的第二出口相连，所述***的出口与换热装置的冷源入口相连。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述***包括过滤装置和第二换热装置，所述过滤装置至少为一个，所述第二换热装置至少设置在第一个过滤装置之后。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述过滤装置包括纤维式过滤器、滤料式过滤器或袋式过滤器中任意一种或至少两种的组合。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括气体压缩补偿装置，所述气体压缩补偿装置与膜分离装置并列设置，所述气体压缩补偿装置的出口与膜分离装置的滞留气出口连接到同一管路。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述气体压缩补偿装置包括活塞式压缩机、离心式压缩机、螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、罗茨式压缩机或液环式压缩机中任意一种。