一种用于工业窑炉的富氧供给系统及富氧浓度控制方法与流程

1.本技术属于工业窑炉领域，特别涉及一种用于工业窑炉的富氧供给系统及富氧浓度控制方法。


背景技术：

2.富氧燃烧是指供给燃烧用的气体中氧气的体积分数》2l％时的燃烧。目前国内工业窑炉燃烧系统助燃空气普遍采用常规空气，通常空气中的氧气含量为21％，氮气为78％，在燃烧过程中只有占空气总量21％左右的氧气参与燃烧，而占空气总量78％的氮气和其他惰性气体非但不助燃，反而将随烟气排到大气，带走大量的热量。如采用富氧燃烧,在助燃空气中每增加1％的氧气,则相应减少4％的氮气。故富氧燃烧可加快燃烧速度，提高燃烧效率，减少废气量，具有明显的节能减排效果。近些年来，国内外热工技术人员虽然开发不同类型高效预热器及蓄热体等余热回收技术，应有在工业窑炉上，取得不错节能减排、提质增效的效果。但是，提高工业窑炉的热效率的技术发展到新的瓶颈期，必须要开发和应用新的燃烧技术，进一步提高工业窑炉的热效率。
3.富氧燃烧是近代燃烧的节能技术之一，对于高能耗、高污染的钢铁工业来说，是提高能源效率，减少燃料消耗和削减污染物排放的最佳途径之一，在国内外冶金行业，主要应有在富氧炼铁和富氧炼钢上，取得非常好的效果。由于富氧燃烧技术具有加快燃料燃烧速度、缩短火焰长度、提高火焰温度、减少排烟量、降低燃料燃点温度、增加热量利用率等诸多优点，如何开发、应用高效、低成本的富氧供给技术以及富氧浓度的控制方法，正是本技术的

技术实现要素：
。
发明内容
4.为了解决现有技术在富氧供给方面存在高成本、低效等问题，本技术提供了一种用于工业窑炉的富氧供给系统及富氧浓度控制方法，进一步提高工业窑炉的热效率、降低燃料消耗和污染物排放，提高加热及热处理能力，达到节能减排、提质增效的目的。
5.具体的，为了实现上述技术方案，第一方面，本技术提供了一种用于工业窑炉的富氧供给系统，包括压缩空气管道，所述压缩空气管道连接管壳式换热器，所述管壳式换热器通过出口管道连接富氧膜组件，所述富氧膜组件设置有富氧管道和低氧富氮管道，所述压缩空气管道设置上有第一截止阀，所述出口管道设置有第二截止阀，所述第一截止阀门和所述第二截止阀均与控制中心连接，所述第二截止阀和所述富氧膜组件之间设置有温度传感器，所述温度传感器连接所述控制中心，所述富氧管道依次设置有压力传感器、氧浓度传感器和富氧气体流量计，且所述压力传感器、所述氧浓度传感器和富氧气体流量计均与所述控制中心连接，所述低氧富氮管道设置有压力调节阀和截止止回阀，所述压力调节阀和截止止回阀与所述控制中心连接，所述压力调节阀和所述富氧膜组件之间设置有阀前压力传感器，所述压力调节阀和所述截止止回阀之间设置有阀后压力传感器，所述阀前压力传感器和阀后压力传感器与所述控制中心连接；
6.所述控制中心包括接收单元，所述接收单元连接数据处理单元，所述数据处理单元连接控制单元，所述接收单元用于接收全部传感器和流量计得到的数据，所述控制单元用于控制阀门启、闭。
7.作为优选，所述富氧供给系统还包括旁通管道，所述旁通管道的一端设置于所述压缩空气管道上，具体位于所述第一截止阀外，所述旁通管道的另一端设置于所述第二截止阀和所述富氧膜组件之间，所述旁通管道上设置有第三截止阀。
8.作为优选，所述管壳式换热器设置有进水管道和回水管道，所述回水管道上设置有冷冻水调节阀，所述冷冻水调节阀连接控制单元。
9.作为优选，所述控制中心还包括显示单元，用于显示传感器数据和下单控制指令，所述显示单元连接数据处理单元，所述数据处理单元包括存储单元，用于存储传感器数据，所述显示单元连接电源单元，显示单元连接控制单元。
10.作为优选，所述富氧膜组件为中空纤维正压膜，压缩空气进入所述富氧膜组件之后，沿着膜组件的轴向运动，部分气体透过膜壁成为富氧气体，进入到富氧管道，压力降低到10～15kpa；剩余气体则成为低氧富氮气体，进入到低氧富氮管道，压力相对于入口处下降到0.5bar～1bar。
11.作为优选，压缩空气有以下两种方式进入所述富氧膜组件，第一种是选择走所述旁通管道直接进入所述富氧膜组件；第二种是选择通过管壳式换热器，通过冷冻水降低温度后，再进入所述富氧膜组件。
12.第二方面，本技术提供了一种用于工业窑炉的富氧浓度控制方法，用于控制本技术任意实施例提供的一种用于工业窑炉的富氧供给系统，采用两种不同的机制对富氧气体生产的浓度进行控制和调节：气量调节法和温度调节法。
13.作为优选，所述气量调节法具体包括以下步骤：
14.s1：检测富氧供给浓度，若富氧供给浓度为37％～41％，进入步骤s2；
15.s2：控制中心控制打开第三截止阀，同时关闭管壳式换热器前后的第一截止阀和第二截止阀，以及冷冻水调节阀；
16.s3：控制中心实时采集富氧管道上的氧浓度传感器的数据，并与目标数据进行比较，采用pid算法调节第三截止阀的开度，控制富氧浓度。
17.作为优选，所述温度调节法具体包括以下步骤：
18.s101：检测富氧供给浓度，若富氧供给浓度大于41％，进入步骤s102；
19.s102：打开第一截止阀和第二截止阀，将压缩空气引入管壳式换热器，同时打开冷冻水调节阀，将冷冻水引入管壳式换热器，利用冷冻水降低压缩空气的温度；
20.s103:控制中心实时采集富氧管道上的氧浓度传感器的数据，并与目标数据进行比较，采用pid算法调节冷冻水调节阀的开度，控制富氧浓度。
21.本技术具有如下有益效果：本技术提供的技术方案可以根据用户的需要，在富氧供给侧实现比传统膜富氧更高的浓度的富氧气体，更宽的富氧供给浓度；本技术具有系统配置简洁、安全、操作方便、可靠，具有广阔的市场推广前景。
附图说明
22.构成本技术的一部分的附图用于来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性
实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
23.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本技术实施例的一种用于工业窑炉的富氧供给系统的结构示意图；
25.图2是本技术实施例的控制中心的结构示意图。
26.附图标记：
27.1、压缩空气管道；2、第一截止阀；3、管壳式换热器；4、第二截止阀；5、旁通管道；6、第三截止阀；7、温度传感器；8、富氧膜组件；9、富氧管道；10、压力传感器；11、氧浓度传感器；12、富氧气体流量计；13、低氧富氮管道；14、阀前压力传感器；15、压力调节阀；16、阀后压力传感器；17、截止止回阀；18、冷冻水调节阀；19、控制系统；20、出口管道；22、进水管道；23、出水管道；101、接收单元；102、数据处理单元；103、控制单元；104、电源单元；105、显示单元。
具体实施方式
28.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
29.在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.请参阅图1，本技术的一个较佳实施例，一种用于工业窑炉的富氧供给系统，包括压缩空气管道1、第一截止阀2、管壳式换热器3、第二截止阀4、旁通管道5、第三截止阀6、温度传感器7、富氧膜组件8、富氧管道9、压力传感器10、氧浓度传感器11、富氧气体流量计12、低氧富氮管道13、阀前压力传感器14、压力调节阀15、阀后压力传感器16、截止止回阀17、冷冻水调节阀18、控制中心19、出口管道20。
31.具体的，压缩空气管道1连接管壳式换热器3，所述管壳式换热器3通过出口管道20连接富氧膜组件8，所述富氧膜组件8设置有富氧管道9和低氧富氮管道13，所述压缩空气管道1设置上有第一截止阀2，所述出口管道20设置有第二截止阀4，所述第一截止阀2和所述第二截止阀4均与控制中心19连接，所述第二截止阀4和所述富氧膜组件8之间设置有温度传感器7，所述温度传感器7连接所述控制中心19，所述富氧管道9依次设置有压力传感器10、氧浓度传感器11和富氧气体流量计12，且所述压力传感器10、所述氧浓度传感器11和富氧气体流量计12均与所述控制中心19连接，所述低氧富氮管道13设置有压力调节阀15和截止止回阀17，所述压力调节阀15和截止止回阀17与所述控制中心19连接，所述压力调节阀15和所述富氧膜组件8之间设置有阀前压力传感器14，所述压力调节阀15和所述截止止回阀17之间设置有阀后压力传感器16，所述阀前压力传感器14和阀后压力传感器16与所述控制中心19连接；
32.在本实施例中，所述富氧供给系统还包括旁通管道5，所述旁通管道5的一端设置
于所述压缩空气管道1上，具体位于所述第一截止阀2外，所述旁通管道5的另一端设置于所述第二截止阀4和所述富氧膜组件8之间，所述旁通管道5上设置有第三截止阀6。
33.在本实施例中，所述管壳式换热器3设置有进水管道21和回水管道22，所述回水管道22上设置有冷冻水调节阀18，所述冷冻水调节阀18连接控制单元。
34.在本实施例中，所述富氧膜组件8为中空纤维正压膜，压缩空气进入所述富氧膜组件8之后，沿着膜组件的轴向运动，部分气体透过膜壁成为富氧气体，进入到富氧管道9，压力降低到10～15kpa；剩余气体则成为低氧富氮气体，进入到低氧富氮管道13，压力相对于入口处下降到0.5bar～1bar。
35.在本实施例中，压缩空气有以下两种方式进入所述富氧膜组件8，第一种是选择走所述旁通管道5直接进入所述富氧膜组件8；第二种是选择通过管壳式换热器3，通过冷冻水降低温度后，再进入所述富氧膜组件8。
36.请参见图2，图2是本技术实施例的控制中心的结构示意图，所述控制中心包括接收单元101，所述接收单元101连接数据处理单元102，所述数据处理单元102连接控制单元103，所述接收单元101用于接收全部传感器和流量计得到的数据，所述控制单元103用于控制阀门启、闭。
37.在本实施例中，所述控制中心19还包括显示单元105，用于显示传感器数据和下单控制指令，所述显示单元105连接数据处理单元102，所述数据处理单元102包括存储单元，用于存储传感器数据，所述显示单元105连接电源单元104，显示单元105连接控制单元103。
38.当工业窑炉需要富氧气体时，打开第一截止阀2和第二截止阀4或者打开第三截止阀6，就可以产生富氧气体。此时调节压力调节阀15或者冷冻水调节阀18，可以根据需要调整富氧气体的浓度。
39.在富氧供给浓度为37％～41％范围内，同时低氧富氮气体可以完全使用的情况下，采用气量调节法，在采用气量调节法时，打开第三截止阀6，同时关闭换热器前后的第一截止阀2和第二截止阀4，以及冷冻水调节阀18。让气体通过旁通管道走，降低系统的阻力。采用流量调节法时，控制中心实时采集富氧管道上的氧浓度传感器的数据，并与目标数据进行比较，采用pid算法调节第三截止阀6的开度，控制富氧浓度。
40.在富氧供给浓度要求大于41％时，采用温度调节法，打开第一截止阀2和第二截止阀4，将压缩空气引入管壳式换热器3，同时打开冷冻水调节阀18，将冷冻水引入管壳式换热器3，利用冷冻水降低压缩空气的温度；与此同时，需要关闭第三截止阀6，避免气体通过旁通管道5。根据膜组件的物理特性，压缩空气的温度越低，在同样气量的条件下，生产富氧气体的浓度越高。通过调节冷冻水调节阀18的开度，来调节进入富氧膜组件8的压缩空气温度，进而改变富氧气体的浓度。采用温度调节法时，控制中心实时采集富氧管道上的氧浓度传感器的数据，并与目标数据进行比较，采用pid算法调节冷冻水管道阀门的开度，控制富氧浓度。
41.压缩空气管道1：压缩空气管道用于输送富氧膜组件所需的原料气。
42.第一截止阀2和第二截止阀4：用于控制压缩空气是否进入管壳式换热器8。
43.管壳式换热器3：安装在第一截止阀2和第二截止阀4之间，用于调整压缩空气的温度。
44.旁通管道5和第三截止阀6：当压缩空气不需要降温时，用于压缩空气的旁通管道，
减少压缩空气的压损。
45.温度传感器7：用来测量压缩空气的温度；
46.富氧膜组件8：是富氧供给的核心装置，压缩空气在这里实现富氧和富氮气体的分离。富氧膜组件8为中空纤维正压膜。
47.富氧管道9：连接到富氧膜组件8的富氧生成侧，用于输送富氧气体。
48.压力传感器10：用来测量富氧气体的供给压力。
49.氧浓度传感器11：用来检测富氧供给的氧浓度。
50.富氧流量传感器12：用来检测富氧供给的流量，为涡街气体流量计。
51.低氧富氮管道13：用来输送低氧富氮气体，该气体为带压气体，为了避免浪费，该部分气体一般都需要接入到工厂的压缩空气供给管道。
52.阀前压力传感器14和阀后压力传感器16：用来测量压力调节阀15前后的压力，阀前压力用来测量富氧膜组件8的背压，阀后压力用来测量低氧富氮气体的最终供气压力；
53.压力调节阀15：通过改变阀门的开度来调节富氧膜组件8的背压，进而调节通过富氧膜组件8的压缩空气流量。
54.截止止回阀17：防止低氧富氮气体的压力过低，在接入压缩空气供给管道后，出现压缩空气倒流进入富氧膜组件8的情形。
55.冷冻水调节阀18：用来调节进入管壳式换热器3冷冻水的流量，通过调节阀门的开度，来调节压缩空气进入富氧膜组件8的温度；。
56.控制中心19：温度传感器6、压力传感器10、氧浓度传感器11、富氧气体流量计12、阀前压力传感器14、压力调节阀15、阀后压力传感器16和冷冻水调节阀18都接入控制中心19的接收单元101，通过内置的算法计算和控制单元控制阀门开度来调节富氧的供给浓度。
57.以上，仅为本技术较佳的具体实施方式；但本技术的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，根据本技术的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本技术的保护范围内。

技术特征：
1.一种用于工业窑炉的富氧供给系统，其特征在于，包括压缩空气管道，所述压缩空气管道连接管壳式换热器，所述管壳式换热器通过出口管道连接富氧膜组件，所述富氧膜组件设置有富氧管道和低氧富氮管道，所述压缩空气管道设置上有第一截止阀，所述出口管道设置有第二截止阀，所述第一截止阀门和所述第二截止阀均与控制中心连接，所述第二截止阀和所述富氧膜组件之间设置有温度传感器，所述温度传感器连接所述控制中心，所述富氧管道依次设置有压力传感器、氧浓度传感器和富氧气体流量计，且所述压力传感器、所述氧浓度传感器和富氧气体流量计均与所述控制中心连接，所述低氧富氮管道设置有压力调节阀和截止止回阀，所述压力调节阀和截止止回阀与所述控制中心连接，所述压力调节阀和所述富氧膜组件之间设置有阀前压力传感器，所述压力调节阀和所述截止止回阀之间设置有阀后压力传感器，所述阀前压力传感器和阀后压力传感器与所述控制中心连接；所述控制中心包括接收单元，所述接收单元连接数据处理单元，所述数据处理单元连接控制单元，所述接收单元用于接收全部传感器和流量计得到的数据，所述控制单元用于控制阀门启、闭。2.根据权利要求1所述的一种用于工业窑炉的富氧供给系统，其特征在于，所述富氧供给系统还包括旁通管道，所述旁通管道的一端设置于所述压缩空气管道上，具体位于所述第一截止阀外，所述旁通管道的另一端设置于所述第二截止阀和所述富氧膜组件之间，所述旁通管道上设置有第三截止阀。3.根据权利要求1或2所述的一种用于工业窑炉的富氧供给系统，其特征在于，所述管壳式换热器设置有进水管道和回水管道，所述回水管道上设置有冷冻水调节阀，所述冷冻水调节阀连接控制单元。4.根据权利要求3所述的一种用于工业窑炉的富氧供给系统，其特征在于，所述控制中心还包括显示单元，用于显示传感器数据和下单控制指令，所述显示单元连接数据处理单元，所述数据处理单元包括存储单元，用于存储传感器数据，所述显示单元连接电源单元，所述显示单元还连接所述控制单元。5.根据权利要求1所述的一种用于工业窑炉的富氧供给系统，其特征在于，所述富氧膜组件为中空纤维正压膜，压缩空气进入所述富氧膜组件之后，沿着膜组件的轴向运动，部分气体透过膜壁成为富氧气体，进入到富氧管道，压力降低到10～15kpa；剩余气体则成为低氧富氮气体，进入到低氧富氮管道，压力相对于入口处下降到0.5bar～1bar。6.根据权利要求4所述的一种用于工业窑炉的富氧供给系统，其特征在于，压缩空气有以下两种方式进入所述富氧膜组件，第一种是选择走所述旁通管道直接进入所述富氧膜组件；第二种是选择通过管壳式换热器，通过冷冻水降低温度后，再进入所述富氧膜组件。7.一种用于工业窑炉的富氧浓度控制方法，其特征在于，用于控制权利要求1-6任一项所述的一种用于工业窑炉的富氧供给系统，采用两种不同的机制对富氧气体生产的浓度进行控制和调节：气量调节法和温度调节法。8.根据权利要求7所述的一种用于工业窑炉的富氧浓度控制方法，其特征在于，所述气量调节法具体包括以下步骤：s1：检测富氧供给浓度，若富氧供给浓度为37％～41％，进入步骤s2；s2：控制中心控制打开第三截止阀，同时关闭管壳式换热器前后的第一截止阀和第二截止阀，以及冷冻水调节阀；
s3：控制中心实时采集富氧管道上的氧浓度传感器的数据，并与目标数据进行比较，采用pid算法调节第三截止阀的开度，控制富氧浓度。9.根据权利要求7所述的一种用于工业窑炉的富氧供给系统，其特征在于，所述温度调节法具体包括以下步骤：s101：检测富氧供给浓度，若富氧供给浓度大于41％，进入步骤s102；s102：打开第一截止阀和第二截止阀，将压缩空气引入管壳式换热器，同时打开冷冻水调节阀，将冷冻水引入管壳式换热器，利用冷冻水降低压缩空气的温度；s103:控制中心实时采集富氧管道上的氧浓度传感器的数据，并与目标数据进行比较，采用pid算法调节冷冻水调节阀的开度，控制富氧浓度。

技术总结
本申请公开了一种用于工业窑炉的富氧供给系统及富氧浓度控制方法，涉及工业窑炉技术领域，包括压缩空气管道，压缩空气管道连接管壳式换热器，管壳式换热器通过出口管道连接富氧膜组件，富氧膜组件设置有富氧管道和低氧富氮管道，压缩空气管道设置上有第一截止阀，出口管道设置有第二截止阀，第二截止阀和富氧膜组件之间设置有温度传感器，富氧管道依次设置有压力传感器、氧浓度传感器和富氧气体流量计，低氧富氮管道设置有压力调节阀、截止止回阀、阀前压力传感器、阀后压力传感器。本申请提供的技术方案可以根据用户的需要，在富氧供给侧实现比传统膜富氧更高的浓度的富氧气体，更宽的富氧供给浓度；系统配置简洁、安全、操作方便、可靠。可靠。可靠。


技术研发人员：沈天昱 麻剑锋 郁辉球 王小华 沈岑 王钊 沈新荣
受保护的技术使用者：杭州哲达科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/14