本發(fā)明屬于空分制氧技術領域，具體涉及一種加壓氧化化學鏈空分制氧裝置及制氧方法。

背景技術：

化學鏈制氧技術是一種新的制氧方法，相比于深冷法分離空氣制氧，它具有能耗低、成本低、操作簡捷等優(yōu)點，其原理是利用載氧體在釋氧反應器中發(fā)生釋氧反應生成氧氣，釋氧后的載氧體在氧化反應器中與空氣反應實現(xiàn)氧化再生。根據(jù)釋氧反應器中載氣類型不同，可以產(chǎn)生富氧氣體或純氧等。然而傳統(tǒng)的化學鏈制氧技術多集中于常壓下操作，載氧體還原時需要外部的熱能供應來維持反應進行，導致整個過程能源消耗大。在節(jié)能減排的倡導下，有必要開發(fā)一種低能耗、經(jīng)濟高效的化學鏈空分制氧裝置及方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有常規(guī)化學鏈高溫分離空氣制氧技術載氧體還原時所需的外部熱能供應過大等不足，提出了一種加壓氧化化學鏈分離空氣制氧的設備和方法，采用該方法可以顯著降低載氧體還原時所需的外部熱能。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種加壓氧化化學鏈空分制氧裝置，包括空壓機(1)、換熱器(2)、第一反應器(3)、第二反應器(4)、第一外部加熱裝置(5)、第二外部加熱裝置(6)、氣渦輪機(17)、減壓閥(18)，其中空壓機(1)通過第一高壓空氣流量控制閥(9)、第二高壓空氣流量控制閥(10)可分別為反應器輸送高壓空氣，反應后得到的欠氧空氣經(jīng)第一欠氧氣流量控制閥(13)、第二欠氧氣流量控制閥(14)后進入氣渦輪機(17)和換熱器(2)降溫排放，高壓惰性氣體可分別通過第一高壓流量控制閥(11)、第二高壓流量控制閥(12)進入反應器內(nèi)，常壓惰性氣體也可分別通過第一常壓流量控制閥(7)、第二常壓流量控制閥(8)進入反應器，反應器內(nèi)制備得到的富氧氣通過第一富氧氣流量控制閥(15)、第二富氧氣流量控制閥(16)以及減壓閥(18)進行收集處理，所述第一外部加熱裝置(5)和第二外部加熱裝置(6)分別設置在第一反應器(3)和第二反應器(4)上。

上述方案中，所述加壓氧化化學鏈空分制氧裝置還包括與減壓閥(18)相連的冷卻器(19)以及氣液分離器(20)。

一種加壓氧化化學鏈空分制氧方法，包括以下步驟：

(a)新鮮空氣經(jīng)空壓機(1)加壓、換熱器(2)換熱后，通過第一高壓空氣流量控制閥(9)進入第一反應器(3)內(nèi)與還原態(tài)載氧體反應，反應后的欠氧空氣經(jīng)第一欠氧氣流量控制閥(13)、氣渦輪機(17)和換熱器(2)排出，待還原態(tài)載氧體氧化完全后停止向反應器內(nèi)通入高壓空氣；

(b)將高壓惰性氣體經(jīng)由第一高壓流量控制閥(11)通入到第一反應器(3)中，待殘余的欠氧空氣被完全趕走后停止通入高壓惰性氣體；

(c)打開第一富氧氣流量控制閥(15)、減壓閥(18)對第一反應器(3)進行降壓，待第一反應器(3)內(nèi)壓力降至大氣壓時，通過第一常壓流量控制閥(7)向第一反應器(3)中輸入常壓惰性氣體進行還原反應，釋放出的氧氣被惰性氣體經(jīng)由第一富氧氣流量控制閥(15)和減壓閥(18)帶出；

(d)待第一反應器(3)降至設定溫度時啟動第一外部加熱裝置(5)使載氧體在設定溫度下繼續(xù)釋氧，載氧體完全反應后停止通入常壓惰性氣體；

(e)第二反應器(4)及相關第二裝置按照步驟a-d進行制氧；

(f)第一反應器(3)和第二反應器(4)按照上述步驟交替操作制氧。

上述方案中，所述還原態(tài)載氧體為錳基載氧體、鈷基載氧體、銅基載氧體或鈣鈦型氧化物中的一種，還原態(tài)載氧體附著的惰性單體為鎂氧化物、鋁氧化物、硅氧化物、鋯氧化物、鈦氧化物中的一種或其絡合氧化物。

上述方案中，還原態(tài)載氧體與惰性單體的質(zhì)量比為0.1-3:1。

按照上述方案，向反應器內(nèi)通入高壓空氣進行氧化反應時，壓力控制在3-40個標準大氣壓，氧化反應溫度控制在600-1300℃。

按照上述方案，向反應器內(nèi)通入常壓惰性氣體進行還原反應時，還原反應溫度比氧化反應溫度低30-150℃，步驟(d)所述設定溫度為500-1250℃。

上述方案中，高壓惰性氣體的壓力比通入反應器內(nèi)的高壓空氣壓力高1-5atm。

上述方案中，所述惰性氣體為CO₂或水蒸氣中的一種。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：(1)采用加壓氧化，可以使載氧體在高于其還原溫度的狀態(tài)下發(fā)生氧化反應，載氧體氧化放出的熱量被載氧體自身和惰性單體蓄積起來，在載氧體還原時由于載氧體自身的溫度已高于還原溫度，還原反應自動發(fā)生，載氧體和惰性單體蓄積的熱量可供給自身還原使用，通過上述過程可以顯著降低載氧體還原所需的外部熱能供應。(2)兩個反應器交替循環(huán)進行反應，可連續(xù)產(chǎn)生富氧氣體，極大地提高了化學鏈空分制氧效率。

附圖說明

圖1是利用本發(fā)明裝置制備富氧煙氣的示意圖。

圖2是利用本發(fā)明裝置制備純氧的示意圖。

圖中，1-空壓機，2-換熱器，3-第一反應器，4-第二反應器，5-第一外部加熱裝置，6-第二外部加熱裝置，7-第一常壓流量控制閥，8-第二常壓流量控制閥，9-第一高壓空氣流量控制閥，10-第二高壓空氣流量控制閥，11-第一高壓流量控制閥，12-第二高壓流量控制閥，13-第一欠氧氣流量控制閥，14-第二欠氧氣流量控制閥，15-第一富氧氣流量控制閥，16-第二富氧氣流量控制閥，17-氣渦輪機，18-減壓閥，19-冷卻器，20-氣液分離器。

具體實施方式

為使本領域普通技術人員充分理解本發(fā)明的技術方案和有益效果，以下結(jié)合具體實施例及附圖進行進一步充分說明。

實施例1

如圖1所示的一種富氧煙氣的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：空氣經(jīng)空壓機1加壓后，經(jīng)換熱器2與欠氧空氣進行換熱，換熱后的高壓空氣經(jīng)第一高壓空氣流量控制閥9通入第一反應器3中，與附著在一定量惰性單體上的還原態(tài)載氧體進行反應。還原態(tài)載氧體為Mn₃O₄，惰性單體為Al₂O₃，兩者質(zhì)量比為Mn₃O₄：Al₂O₃＝1.69:1。氧化反應壓力為15atm，氧化反應溫度為930℃。反應后的欠氧空氣經(jīng)第一欠氧氣流量控制閥13后，通過氣渦輪機17對外做功，再由換熱器2換熱后降溫排放。待還原態(tài)載氧體氧化完全后停止向第一反應器3中通入高壓空氣。

步驟二：高壓二氧化碳(壓力高于步驟一中高壓空氣1-5atm)經(jīng)由第一高壓流量控制閥11通入第一反應器3中，待反應器內(nèi)殘余的欠氧空氣被趕出后停止通入高壓二氧化碳。

步驟三：打開第一富氧氣流量控制閥15、減壓閥18，對第一反應器3進行降壓。待第一反應器3降至大氣壓力時通入常壓二氧化碳(1atm)充當惰性氣體，此時第一反應器3進行還原反應，還原反應溫度為860℃。氧化態(tài)載氧體釋氧后變?yōu)檫€原態(tài)載氧體，釋放出的氧氣被充當惰性氣體的二氧化碳氣流經(jīng)由第一富氧氣流量控制閥15和減壓閥18帶出。這樣產(chǎn)生的富氧煙氣可以用于工業(yè)燃燒產(chǎn)生高濃度二氧化碳。

步驟四：待第一反應器3降至設定溫度860℃時，啟動第一外部加熱裝置5使載氧體在設定溫度下繼續(xù)釋氧。待載氧體完全釋氧變?yōu)檫€原態(tài)載氧體后停止通入惰性氣體。

步驟五：第二反應器4、第二欠氧氣流量控制閥14、第二高壓流量控制閥12、第二富氧氣流量控制閥16以及第二外部加熱裝置6按照上述步驟一至四進行操作制氧。

步驟六：第一反應器與第二反應器按照上述方法交替進行反應，連續(xù)制得富氧煙氣。

實施例2

如圖2所示的一種純氧的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：新鮮空氣經(jīng)空壓機1加壓后，經(jīng)換熱器2與欠氧空氣進行換熱，換熱后的高壓空氣經(jīng)第一高壓空氣流量控制閥9通入第一反應器3中，與附著在一定量的惰性單體上的還原態(tài)載氧體進行反應。還原態(tài)載氧體為Cu₂O，惰性單體為MgAl₂O₄，兩者質(zhì)量比為Cu₂O：MgAl₂O₄＝1:5.3。氧化反應壓力為10atm，氧化反應溫度為1070℃。反應后的欠氧空氣經(jīng)第一欠氧氣流量控制閥13后，通過氣渦輪機17對外做功，再由換熱器2換熱后降溫排放。待還原態(tài)載氧體氧化完全后停止向第一反應器3中通入高壓空氣。

步驟二：高壓水蒸氣(壓力高于步驟一中高壓空氣1-5atm)經(jīng)由第一高壓流量控制閥11通入第一反應器3中，待反應器內(nèi)殘余的欠氧空氣被趕出后停止通入高壓水蒸氣。

步驟三：打開第一富氧氣流量控制閥15、減壓閥18，對第一反應器3進行降壓。待第一反應器3降至大氣壓力時通入常壓水蒸氣(1atm)充當惰性氣體，此時第一反應器3進行還原反應，還原反應溫度為1000℃。氧化態(tài)載氧體釋氧后變?yōu)檫€原態(tài)載氧體，釋放出的氧氣被充當惰性氣體的水蒸氣經(jīng)由第一富氧氣流量控制閥15和減壓閥18帶出，水蒸氣-氧氣混合氣經(jīng)冷卻器19和氣液分離器20后與水分離，這樣就可得到高純度氧氣。

步驟四：待第一反應器3降至設定溫度1000℃時，啟動第一外部加熱裝置5使載氧體在設定溫度下繼續(xù)釋氧。待載氧體完全釋氧變?yōu)檫€原態(tài)載氧體后停止通入惰性氣體。

步驟五：第二反應器4、第二欠氧氣流量控制閥14、第二高壓流量控制閥12、第二富氧氣流量控制閥16以及第二外部加熱裝置6按照上述步驟一至四進行操作制氧。

步驟六：第一反應器與第二反應器按照上述方法交替進行反應，連續(xù)制得高純度氧氣。

以制備純氧為例，經(jīng)測算采用常規(guī)化學回路每消耗1Kg CH₄可產(chǎn)出6.1Kg O₂，而采用本發(fā)明方法每消耗1Kg CH₄可產(chǎn)出18.8Kg O₂。