一种膜分离制氧系统
本申请是于2017年12月25日提交的、申请号为201721832296.9、名称为″一种膜分离制氧系统″的分案申请。
技术领域
本实用新型涉及工业炉燃烧技术领域，具体地讲是一种用于工业锅炉或工业炉窑增氧燃烧用的高效膜分离制氧系统。
背景技术
空气中只有20.93％的氧气参加燃烧，其余79.07％的氮气不参加燃烧还要加热到1000多度带走大量的热量，使得燃烧中的挥发份和没燃尽的碳粒子不能充分燃烧，极大的浪费能源。有研究表明，采用高氧含量的空气(富氧)助燃后，可以减少空气中的氮气量，能够在不增加燃料的前提下使火焰温度提高，燃烧速度加快、强化燃烧、热辐射迅速增强，使燃料富氧燃烧中极大的转化成热能，提高燃烧效率，并且降低燃烧后的排气量和粉尘含量，降低二氧化碳、减少排放量。膜法制氧由于安全、投资量少，安装简单，操作方便灵活，使用寿命长，维修费用低等因素，已在燃烧的各个领域中获得应用。
现有技术CN200951960Y中公开一种高效膜分离制氧机，但是文献公开的技术方案仍存在诸多的缺点，例如采用水环式真空泵，因此存在设备庞大、成本高、耗水不环保等；例如该文献中虽然提及了空气过滤器，如同其他现有技术一样，出于成本和工艺流程的考虑，该设备也采用初级过滤或双层过滤手段，但是这样的过滤仍存在不足，导致后续工艺中的分离膜容易污染，影响使用寿命；另外，该文献中没有公开其中分离膜的具体结构，而分离膜的具体结构会影响整个设备的制氧效率和使用寿命等。
另外，膜法制氧中还仍存在难于大型化设计，一般规模较小等不足。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服上述已有技术的不足，提供一种高效膜法制氧系统。
根据本实用新型的实施方案，提供一种高效膜分离制氧系统，包括：固定平台1，安装在固定平台1上的空气过滤器2、与空气过滤器2连接的离心风机3，通过管道4与离心风机3连接的整流罩5、与整流罩5固定连接的膜制氧装置6、以及通过富氧输送系统7与膜制氧装置6连接的螺杆真空泵8；其中，所述空气过滤器2为三级过滤器，包括初效过滤部、中效过滤部和高效过滤部。
根据本实用新型的一个实施方案，其中所述初效过滤部为板式无纺布，活性炭过滤棉；所述中效过滤部为合成纤维；所述高效过滤部为超细玻璃纤维过滤部。
根据本实用新型的一个实施方案，其中所述的膜分离制氧系统还包括设置在固定平台1上用以封闭系统的外壳9以及设置在外壳上的自动控制柜10。
根据本实用新型的一个实施方案，其中所述膜制氧装置6由多个膜组件27组成，膜组件27的一端设封头23，封头23与富氧出口24连接，膜组件27由多个膜元件16组成，膜元件16由膜板21和分离膜20组成，膜板21上设富氧出口17和富氧孔19，在膜板21的上下两面分别附着分离膜20。
根据本实用新型的一个实施方案，其中所述分离膜20为三层结构的有机复合膜，包括基础层、机械支撑层以及选择分离层。
根据本实用新型的一个实施方案，其中所述基础层是无纺布层。
根据本实用新型的一个实施方案，其中所述选择分离层为硅橡胶层。
根据本实用新型的一个实施方案，其中所述离心风机3是变频可调速的。
本实用新型所述的一种高效膜分离制氧机与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：
1、采用三层结构的复合分离膜，提高了使用寿命和氧流量，改善了分离效率和节能效率，经膜分离可得到浓度为28％-40％富氧空气，节能率可达10％-25％；氧流量可达50～20000m3/h；
2、空气过滤器采用三级过滤，空气经过高效过滤器后，空气更洁净，能够显著地提高膜组件的使用寿命并维持良好的制氧浓度，进一步改善了节能效果；
3、采用螺杆真空泵，无需使用大量水，节省水资源和水管道工程；使用寿命长，节约成本；能够自动调节真空度，提供稳定的真空压力，减少生产故障；
4、膜法富氧流程简单、体积小、无相变、能耗低、操作方便安全、灵活性高、膜组件寿命长(长达10年以上)，投资比较少。
附图说明
图1为根据本实用新型实施方案的膜分离制氧系统的结构示意图；
图2为根据本实用新型实施方案的空气过滤器的结构示意图；
图3为根据本实用新型实施方案的螺杆真空泵的结构示意图；
图4为根据本实用新型实施方案的分离膜的结构示意图
图5为本实用新型实施方案的膜元件的结构示意图；
图6为本实用新型实施方案的膜组件的结构示意图；
图7为本实用新型的各实施例的富氧气体浓度的实验结果示图；
图8为本实用新型的各实施例的富氧气体流量(产量)的实验结果示图。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型并不限于以下实施例。
图1为根据本实用新型实施方案的膜分离制氧系统的主视示意图；为图1的膜分离制氧系统的俯视示意图。参考图1，本实用新型所提供高效的膜法制氧-富氧助燃节能系统，包括固定平台1，平台上依次安装高效空气过滤器2，与离心风机3连接，通过管道4与整流罩5连接，整流罩5与膜制氧装置6固定连接，每组膜组件之间采用橡胶垫密封连接固定，膜组件6的富氧出口6与集气管7连接，集气管7与螺杆真空泵8的进气口通过管道相连，螺杆真空泵8的出气口通过管道进入锅炉燃烧室，通过喷嘴将富氧气体喷出燃烧。
另外，还可以在平台上加盖箱体(外壳)(未示出)将系统密封，在箱体上加开进气口和出气口以及工作门。整个系统可以采用智能化控制，例如在外壳上设置自动控制柜(未示出)，对系统进行自动化控制。更具体地，例如自动控制柜上的仪表与自动控制系统的炉窑炉膛温度传感器、炉膛负压传感器、炉膛出口温度传感器、烟气检测传感器、蒸汽压力传感器、炉膛空气过剩系数传感器连接，自动控制系统可以包括电脑集成芯片，电脑集成芯片的输入端分别与炉窑炉膛温度传感器、炉膛负压传感器、炉膛出口温度传感器、烟气检测传感器、蒸汽压力传感器、炉膛空气过剩系数传感器连接，其输出端可以与离心风机3、螺杆真空泵8等自动控制连接。
在根据本实用新型的膜分离制氧系统中，所述离心风机3例如可以为卧式和立式风机，采用变频调速，风量根据锅炉实际情况可调，例如风量为2000～50000m3/h。另外，所述整流罩5例如可以为棱锥形结构。
图2是根据本实用新型实施方案的空气过滤器的结构示意图。如图2所示，在根据本实用新型的膜分离制氧系统中，所述高效空气过滤器2采用三级过滤，也即三层结构——初效、中效、高效过滤部(31、32、33)，空气过滤后洁净度达到0.3～0.5um。其中，初效过滤部的过滤介质例如可以由板式无纺布，活性炭过滤棉制成、中效过滤部的过滤介质可以由例如合成纤维制成，例如聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺等合成纤维；高效过滤部的过滤介质可以由超细玻璃纤维制成，能够过滤掉粒径为0.3微米和更大的粒子，其最低颗粒去除率可以高达99.97％。当然，结合本实用新型的教导，本领域技术人员也可以采用其他适当的各级过滤材料。
令人惊讶的是，发明人通过研究发现，空气过滤对后续产氧的膜组件的影响非常之大，包括膜组件的使用寿命、产氧量以及产氧浓度等各方面。相比于单级或双级过滤器，采用三级过滤器实现了意料不到的技术效果。
不期望受限于理论，发明人认为，其中可能的原因是在过滤不充分的条件下，空气中的细微颗粒或者是有机成分对产氧的膜组件的损伤非常之大。而本实用新型由于空气过滤器采用三级过滤，空气经过高效过滤器后，空气更洁净，由此能够显著地提高膜组件的使用寿命，保持稳定的膜组件的氧流量以及富氧空气的浓度。
图3为根据本实用新型实施方案的螺杆真空泵的结构示意图；如图3所示，在根据本实用新型的膜分离制氧系统中，所述螺杆真空泵8可以为单级、喷油、水冷、电动机驱动的低噪声固定式螺杆真空泵，机组主要由主机电机系统81、油气分离系统82、进气系统83、油冷却器系统84、冷却水路系统85、油路系统86等组成，并安装在隔声罩内。隔声罩一侧可以设有电气控制柜87，电气控制柜87中设置有控制系统，整个机组结构紧凑、外形美观、操作方便。螺杆真空泵系统的更具体结构为本领域技术人员所知，在此并不详述。
由于采用螺杆真空泵，因此无需使用大量水，节省水资源和水管道工程；并且螺杆真空泵使用寿命长，节约成本，能够自动调节真空度，提供稳定的真空压力，减少生产故障。
图4为根据本实用新型实施方案的分离膜的结构示意图；图5为本实用新型实施方案的膜元件的结构示意图；图6为本实用新型实施方案的膜组件的结构示意图。下面结合附图4-6来说明本实用新型的所述膜制氧装置6的具体结构。
根据本实用新型，所述膜制氧装置6包括多个膜组件27。如图6所示，膜组件27的一端设封头23，封头23与富氧出口24连接，膜组件27由多个膜元件16组成。参考图5，膜元件16由膜板21和分离膜20组成，膜板21上设富氧出口17和富氧孔19，在膜板21的上下两面分别附着分离膜20。
参考图4，根据本实用新型的实施例，所述分离膜20为三层结构的有机复合膜，包括基础层201、多孔支撑层202以及选择分离层203。更具体地，本实用新型所用的膜可以为平板富氧膜，采用硅橡胶材料，是有机高分子复合膜，它具有三层结构，如图4所示。(1)基础层是无纺布层，作为整个膜的支撑；(2)中间层为机械支撑层，决定了膜的强度、耐受性，结实、耐用并且抗溶解的多孔支撑层决定了膜的寿命，同时要求其对传质的阻力很小。例如其可以是高强度耐溶剂性好的改性聚丙烯腈PAN作为支撑层。(3)最上层为选择分离层，氧氮在此分离层分离，通常可以使用橡胶态的硅橡胶，复合膜的渗透阻力主要取决于这层膜的阻力。为了减少气体渗透阻力，选择分离层厚度一般可以控制在0.2～2μm。当然，也可以采用其他合适的复合膜材料，本领域技术人员对此易于理解。
在本实用新型中，采用三层结构的复合分离膜，再结合三级过滤的空气过滤器，由此能够提高使用寿命、改善了分离效率、增加氧流量和富氧浓度、提高了节能效率。例如经膜分离可得到浓度为28％-40％富氧空气，节能率可达10％-25％，氧流量可达50～20000m3/h。
下面结合具体的实施例，对本实用新型进行进一步的阐述；实验的条件如下：
膜组件形式：板式膜组件，三层：无纺布基础层、改性聚丙烯腈PAN支撑层、以及硅橡胶选择分离层
膜组件数量：16件
膜组件流量：52m3/h
理论富氧气体流量：830m3/h
负压系统真空度：-0.078MPa
空气过滤器：无纺布、活性炭过滤棉初效过滤部；合成纤维中效过滤部；细微玻璃纤维高效过滤部。
实施例1：利用本实用新型的系统来制氧——三层高效过滤器(无纺布)
利用本实用新型的设备来制备富氧空气，其中过滤器采用本实用新型的三层高效过滤器，也即包括：无纺布初效过滤部、合成纤维中效过滤部、细微玻璃纤维高效过滤部。实验检测的参数包括：富氧气体浓度，富氧气体产气量(流量)，实验时间20天，系统运行温度25摄氏度。
实施例2：利用本实用新型的系统来制氧——三层高效过滤器(活性炭过滤棉)
利用本实用新型的设备来制备富氧空气，其中过滤器采用本实用新型的三层高效过滤器，也即包括：活性炭过滤棉初效过滤部、合成纤维中效过滤部、细微玻璃纤维高效过滤部。实验检测的参数包括：富氧气体浓度，富氧气体产气量，实验时间20天，系统运行温度25摄氏度。
对比例3：单层活性炭过滤棉初效，其他条件一样。
对比例4：单层合成纤维中效过滤，其他条件一样。
对比例5：单层细微玻璃纤维高效过滤，其他条件一样。
对比例6：双层过滤，活性炭过滤棉和合成纤维，其他条件一样。
对比例7：双层过滤，合成纤维和细微玻璃纤维，其他条件一样。
实验结果参见附图7和图8，其中，图7为本实用新型的各实施例的富氧气体浓度的实验结果示图；图8为本实用新型的各实施例的富氧气体流量(产量)的实验结果。
如图7所示，采用本实用新型的系统的实施例1和实施例2，其所得的富氧空气的氧浓度一直平稳，维持在0.30(30％)左右。但是，其他的对比例则在试验期间富氧浓度明显地下降。尤其是采用单层过滤的对比例3-5。可能是由于过滤效果差，进入产氧膜组件的空气质量较差，导致膜组件的性能也快速的下降，富氧浓度明显下降，最后几乎失去了富氧的功能。
参考图8，图8所示的结果与图7中基本一致。采用本实用新型的系统的实施例1和实施例2，其所得的富氧空气的氧流量一直平稳，维持在820m3/h左右。但是，其他的对比例则在试验期间富氧浓度明显地下降。尤其是采用单层过滤的对比例3-5。可能是由于过滤效果差，进入产氧膜组件的空气质量较差，导致膜组件的性能也快速的下降，富氧流量明显下降。
注意，部分对比例由于膜组件性能下降太快，因此实验没有进行到第20天即停止。另外，顺便提及，本实用新型的实施例1和2在进行到第20天仍表现出良好的性能以及稳定性，因此实验继续进行了一段时间，实验到第40天，其富氧空气的氧浓度以及流量仍没有表现出下降的趋势。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的装置及其核心思想，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
