泰安市大学生科技创新行动计划项目.docx
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泰安市大学生科技创新行动计划项目
泰安市大学生科技创新行动计划项目
技术研究报告
项目编号：
2007D2030
项目名称：
空气分离助燃机
项目承担人：
马述平，董耀祖
指导教师：
戴葆青
学校名称：
山东科技大学
摘要
本项目主要思路是利用高分子选择性气体分离膜对混合气体（空气）进行分离以得到更高氧气浓度的空气（富氧空气）从而提高燃料的利用率并达到节约能源的目的。
所需气体膜分离技术是近年来发展起来的一种新型气体分离技术，国外现在已有许多使用气体膜分离技术制备富氧空气用于工业燃烧的成功经验。
本研究项目的目的就是将富氧燃烧技术引入到内燃机和锅炉等一些以燃料为动力的机械中，为机械的节能降耗、提高性能、减少污染寻找一条全新的道路。
膜法分离气体的基本原理，主要是利用高分子选择性气体分离膜对混合气体（空气）进行分离。
以往对以燃料为机械的研究大多集中在内燃机工质的形成、燃烧室、缸内气流运动及其三者之间的相互匹配等方面，对燃机气体质量方面的研究则较为少见。
因此本项目具有较高的研究价值。
从提高锅炉运行热效率和节约能源出发，提高富氧燃烧以低成本在锅炉上的应用。
主要从提高炉膛温度，减少排烟热损耗和消除氮氧化物对大气的污染等三方面论述了富氧燃烧技术的优越性。
内燃机的燃烧过程是发动机工作循环的中心环节，直接影响发动机的动力性能，经济性能和排放性能，一直是人们的研究对象。
而对内燃机燃烧过程进行分析的最终目的就是尽最大可能提高发动机的动力性及经济性，还要减少对大气的污染。
还有就是本身的费用要合理。
因此对内燃机的燃烧过程的分析就转化为对两个方面的分析：
其一对燃烧过程的放热及做功进行分析，其二为对燃料燃烧后所产生的废物进行分析。
我们研究的“空气分离助燃机”就是从进入气缸的空气入手寻找一种有效的提高发动机的动力性能，同时降低发动机工作过程中对环境的污染。
关键词：
选择性气体分离膜，富氧，膜法分离气体。
目录
第1章绪论………………………………………………………………………1
1.1课题的背景……………………………………………………………………………1
1.1.1本国能源现状……………………………………………………………………2
1.1.2国际能源现状……………………………………………………………………3
1.2国内外研究现状………………………………………………………………………4
1.2.1国外发展现状……………………………………………………………………4
1.2.2国内发展现状…………………………………………………………………4
1.3本文主要工作和研究内容……………………………………………………………4
1.3.1问题的提出………………………………………………………………………5
1.3.2主要工作………………………………………………………………………5
第2章富氧燃烧概述……………………………………………………………5
2.1前言………………………………………………………………………5
2.2膜分离技术………………………………………………5
第3章空气分离助燃器的研究…………………………………………………10
3.1前言…………………………………………………………………………10
3.2分离膜的研制……………………………………………………………………11
3.2.1空气不同气体的渗透率………………………………12
3.3空气分离忽然器的组成…………………………………………………………………13
第4章结论…………………………………………………………………………17
第1章绪论
富氧燃烧即增加助燃空气中的氧气含量完成的燃烧过程，简称OEC。
它是一项节能高效的燃烧技术。
透过膜的渗透速率不同，在压力差驱动下，使空气中的氧气优先通过得到富氧空气。
富氧空气浓度为28%-31%。
该设备主要有:
空气过滤器、变频调速高压通风机、膜法制氧器、调节阀、变频调速水环真空泵、汽水分离器、稳压系统、换向系统、预热系统、富氧喷嘴系统、微电脑控制柜等。
但富氧浓度不宜过高，国内外的研究表明，氧气的体积分数在28%左右时为佳。
因为氧浓度增加时火焰温度增加较少，而制氧投资则猛增，综合效益下降。
用富氧助燃，不仅可以提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时温度提高后，有利于强化燃烧，促进燃烧完全，从根本上消除大气污染。
燃料的燃点温度不是常数，如CO在空气中的燃点为609℃，而在纯氧中的燃点仅为388℃，所以用富氧助燃能降低燃料燃点，
提高火焰强度和增加释放热量等。
富氧助燃对热量的利用率有所提高，如用普通空气助燃，当加热温度为1300℃时，其可利用的热量为42%，而用26%的富氧空气助燃，可利用热量为56%，且氧浓度越高，加热温度越高，所增加的比例越明显，因此节能效果越好。
工业锅炉及工业炉窑采用富氧燃烧新技术，节能率为10-20%。
燃煤锅炉节煤率最少为10%以上。
并可提高锅炉出力10%以上，从根本上消除大气污染。
节能效果非常显著，社会经济效益是巨大的。
发达国家称该技术为“资源的创造性技术”，并已经在燃烧的各个领域得到广泛应用。
1.1课题的背景
1、我国是煤炭消耗大国，而消耗的绝大部分煤炭是用于锅炉的燃烧。
采用局部富氧助燃风量为设计引风量3%是即可节能10%。
这无疑是缓解当前能源危机、贯彻节能减排的有效方式之一。
2、应用于燃油燃气锅炉、炉窑节能率更高。
3、投资少。
达到节能10%时，相关投入在1-3个月就能通过节省燃料收回投资
4、应用在汽车方面前景也是很巨大的。
综上所述，富氧燃烧技术作为一项新兴技术无论是从技术前景还是经济前景来看都有无与伦比的发展空间，而国内作此项研究的还属于空白。
所以加大相关研究以迫在眉睫。
1.1.1本国能源现状
中国的能源蕴藏量位居世界前列，同时也是世界第二大能源生产国与消费国。
一、中国远景一次能源资源总储量估计为4万亿吨标准煤。
但是，人均能源资源占有量和消费量远低于世界平均水平。
1990年,中国人均探明煤炭储量147吨，为世界平均数的41.4%；人均探明石油储量2.9吨，为世界平均数的11%；人均探明天然气为世界平均数的4%；探明可开发水能资源按人口平均也低于世界人均数。
从人均能源消费看，1994年世界平均为1433千克油当量，发达国家为5066千克油当量，中国大约为670千克油当量。
1997年中国人均拥有电力装机容量0.21千瓦、人均用电量900kWh，仅相当于世界平均水平的1/3。
中国能源开发利用呈现出以下主要特点。
一是能源以煤炭为主，可再生资源开发利用程度很低。
中国探明的煤炭资源占煤炭、石油、天然气、水能和核能等一次能源总量的90%以上，煤炭在中国能源生产与消费中占支配地位。
20世纪60年代以前中国煤炭的生产与消费占能源总量的90%以上，70年代占80%以上，80年代以来煤炭在能源生产与消费中的比例占75%左右，其他种类的能源增长速度较快，但仍处于附属地位。
1995年，世界能源生产总量达到123万亿吨标准煤，固体、液体、气体、水电和核电的比重分别为28.3%、38.4%、23.5%和9.8%。
在世界能源由煤炭为主向油气为主的结构转变过程中，中国仍是世界上极少数几个能源以煤为主的国家之一。
二是能源消费总量不断增长，能源利用效率较低。
随着经济规模的不断扩大，中国的能源消费呈持续上升趋势。
1957？
1989年中国能源消费总量从9644万吨标准煤（SCE）增加到96934万吨，增加了9倍。
1989？
1999年，中国能源消费，从96394万吨标准煤增加到122000万吨，增长26%。
受资金、技术、能源价格等因素的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。
能源综合利用效率为32%，能源系统总效率为9.3%，只有发达国家的50%左右。
1994年单位GNP能耗（吨标准煤/千美元）比较，中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、4.2倍。
三是能源消费以国内供应为主，环境污染状况加剧，优质能源供应不足。
中国经济发展主要建立在国产能源生产与供应基础之上，能源技术装备也主要依靠国内供应。
90年代中期以前，中国能源供应的自给率达98%以上。
随着能源消费量的持续上升，以煤炭为主的能源结构造成城市大气污染，过度消耗生物质能引起生态破坏，生态环境压力越来越大。
世界银行认为，中国空气和水污染所造成的经济损失，大体占国内生产总值的3%？
8%。
中国有的学者甚至认为中国环境破坏经济损失占到国民生产总值的10%
1.1.2国际能源现状
全球能源供应日趋紧张，环境问题日益严重，可再生能源具有清洁和可再生的特点，符合人类可持续发展的要求，越来越受到世界各国的广泛关注。
2005年11月7-8日，在中国北京成功举行了“2005北京国际可再生能源大会”，来自92个国家、地区、国际组织和非政府组织的1200多名代表参加了会议。
这次大会是继2004年德国波恩世界可再生能源大会之后的又一次可再生能源的全球性、历史性的盛会，是在全球石油价格持续走高、能源和环境问题日益突出的背景下召开的，是2005年全球能源领域的一件大事，受到了国际社会的高度关注。
中华人民共和国主席胡锦涛向大会发来了书面致辞，指出加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路；加快可再生能源开发利用，必须加强国际合作。
全球能源供应日趋紧张，环境问题日益严重，可再生能源具有清洁和可再生的特点，符合人类可持续发展的要求，越来越受到世界各国的广泛关注。
2005年11月7-8日，在中国北京成功举行了“2005北京国际可再生能源大会”，来自92个国家、地区、国际组织和非政府组织的1200多名代表参加了会议。
这次大会是继2004年德国波恩世界可再生能源大会之后的又一次可再生能源的全球性、历史性的盛会，是在全球石油价格持续走高、能源和环境问题日益突出的背景下召开的，是2005年全球能源领域的一件大事，受到了国际社会的高度关注。
中华人民共和国主席胡锦涛向大会发来了书面致辞，指出加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路；加快可再生能源开发利用，必须加强国际合作。
1.1.3国内外研究现状
国内：
国内最早开始研究的中国科学院大连物理化学研究所，主要是分子膜的研究和开发，以及上海的sss公司。
在应用发面，最早开始研发的是大连天邦公司，结合中国的实际开发局部增氧、梯度燃烧等技术。
近几年烟台华盛燃烧设备有限公司也取得了很大的技术进步。
当前，在75T以下锅炉通过富氧燃烧已基本实现节能率8%左右，但存在的最大问题就是系统不稳地，每个企业的锅炉工掌握不了具体的调节方法，所以不适合作大规模的推广。
120吨以上锅炉采用富氧燃烧有待进一步研究。
国外：
由于国外主要是大吨位循环流化床锅炉、煤粉炉及燃油燃气锅炉，所以富氧燃烧技术更多的应用于工业炉窑中。
技术已经比较成熟，特别是在玻璃窑上已经部分实现和玻璃生产设备配套使用。
1.3本文主要工作和研究内容
膜法富氧燃烧是利用空气中各组分透过分子膜时的渗透速率不同，在压力差驱动下，使空气中的氧气优先通过得到“富氧空气”（氧浓度在28%-32%）。
然后利用“富氧空气”全部或局部代替空气参与燃烧，使燃烧充分，从而达到环保节能的作用。
本技术主要应用于“锅炉、炉窑”的燃烧系统。
分为全富氧和局部富氧：
1、全富氧燃烧：
富氧完全代替普通空气。
2、局部富氧：
在燃烧系统中燃烧状况不好和最需要氧的地方增氧助燃。
随着经济的快速增长，我国已成为继美国之后的世界第二大能源消费大国。
其中以“锅炉”、“炉窑”消耗能源量最大。
据不完全统计：
我国工业锅炉的装机总量约为55.3万台，年消耗能源5.6亿吨标准煤；工业炉窑约80万台，年消耗能源1.9亿多吨标准煤。
由于技术落后、设备陈旧，锅炉和炉窑的效率普遍较低。
采用富氧燃烧技术后：
1、链条锅炉、抛煤机锅炉可提高锅炉效率5%-15%，节能率在8%以上。
煤粉炉节能率在1%-5%之间。
暂不适用于循环流化床。
2、工业炉窑根据具体工艺具体实施。
如在玻璃马蹄窑中可以代替纯氧混合空气法，可以达到相同的工艺要求和节能环保要求。
综上所述，在锅炉和炉窑上采用富氧燃烧技既符合企业的愿望也满足社会对节能能减排的目标，是一项具有革命性的实用新型技术。
1.3.1问题的提出
我国和整个社会的能源问题是我们研究该课题的最住要原因。
随着社会的进一步发展能源危机势必会成为整个人类面临的最大为题，我们只有从现在开始未雨绸缪才能为解决这一问题打下坚实的基础。
该项目紧紧围绕燃料的充分燃烧展开研究，减少能源的浪费延长了能源的寿命，同时也大大的减少了环境污染。
所以说该课题是具有划时代意义的。
1.3.2主要工作
1、分离富氧空气。
2、富氧空气参与燃烧的相关参数。
3、稳定运行
第2章富氧燃烧概述
富氧燃烧技术是利用分子膜分离出氧浓度为28%—31%的富氧空气，让富氧空气代替或局部替代空气助燃，达到节能环保的目的。
2．1膜分离技术
一、 膜法制氧原理：
膜法富氧是利用空气中各组分透过膜时的渗透速率不同，在压力差驱动下，使空气中的氧气优先通过得到富氧空气。
二、 各种制氧方法的对比：
目前常用的空气分离制氧方法有三种：
深冷法、PSA吸附分离法、膜分离法。
[详见下表]
表1 各种制氧方法的比较
项目
深冷法
吸附分离法（分子筛）
膜分离法
高纯
低纯
产量/m3﹒h-1
50～100000
1000～100000
50～4000
25~15000
纯度/%
99.6
95.0
93.0
40.0
压力/MPa
0.02～0.50
0.02～0.50
0.01
0.01
电耗/kW.h.m-3
0.80～0.45
0.60～0.40
＜0.40
＜0.30
启动时间/h
30
28
0.2
0.1
产品成本
中
略低
低
最低
设备投资
高
略低
略低
低
综合利用
有其它产品
无
无
无
操作性
复杂
较复杂
简单
简单
设备占地
大
大
中
小
表
（2）各种制氧方法投资的对比
当氧浓度达到30%左右，规模小于15000Nm3/h时，膜法制氧投资、维护及操作费用仅为深冷法制氧和PSA法（分子筛）制氧的2/3到3/4，而且规模越小，膜法制氧越经济。
三、 膜法制氧的种类和性能：
膜法制氧的膜组件有卷式、板式和中空纤维式三种：
3、卷式膜组件：
富氧浓度28~31%；
4、板式膜组件：
富氧浓度28~31%；
5、中空纤维式膜组件：
富氧浓度30~45%；
富氧助燃装置常用的是卷式膜组件和板式膜组件。
四、 膜法制氧的主要应用领域：
1）玻璃窑、陶瓷窑、水泥窑等。
2）各种锅炉。
特别适宜链条炉排锅炉、抛煤机锅炉、煤粉锅炉、燃油燃气锅炉等。
3）热风炉、加热炉、焚烧炉、冶炼炉等。
4）催化裂化富氧再生、脱硫制酸。
5）富氧制气、氧化反应、生物发酵。
6）动机增氧、水产养殖。
7）医疗保健、富氧空调、高原氧吧。
五、 膜法富氧燃烧技术的节能机理：
1）、 局部增氧助燃技术提高炉内火焰温度
膜法富氧技术有两种：
一种是全氧燃烧，另一种是局部增氧燃烧。
国内常用的是局部增氧燃烧技术。
常规燃烧中空气仅有21%的氧气参与燃烧过程，而约为79%的氮气吸收大量燃烧反应放出的热量，并作为烟气排出，造成能源浪费。
在局部增氧助燃后，整体助燃空气量减少（氮气量减少），烟气排量减少，故火焰温度随着燃烧空气中的氧气比例的增加而显著提高，但富氧浓度不宜过高，国内外的研究表明，氧气的体积分数在28%左右时为佳。
因为氧浓度增加时火焰温度增加较少，而制氧投资则猛增，综合效益下降。
2）、加快燃烧速度与促进燃烧完全
燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差甚大，如氢气在空气中的燃烧速度为280cm/s，在纯氧中的燃烧速度是1175cm/s，是在空气中的4.2倍。
用富氧助燃，不仅可以提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导。
同时温度提高后，有利于强化燃烧，促进燃烧完全，降低炉渣含碳量至10%以下，从根本上消除大气污染。
3）、降低燃料的燃点温度
燃料的燃点温度不是常数，如CO在空气中的燃点为609℃，而在纯氧中的燃点仅为388℃，所以用富氧助燃能降低燃料燃点，提高火焰强度和增加释放热量等。
4）、减少燃烧后的排气量
用普通空气助燃，占体积的4/5的氮气不参与助燃，还要带走大量热量，如用富氧助燃，氮气量减少，故燃烧后的排气量减少，降低排烟温度，从而提高锅炉热效率。
5）、增加热量利用率
富氧助燃对热量的利用率有所提高，如用普通空气助燃，当加热温度为1300℃时，其可利用的热量为42%，而用26%的富氧空气助燃是，可利用热量为56%，且氧浓度越高，加热温度越高，所增加的比例越明显，因此节能效果越好。
6）、降低空气过剩系数
用富氧代替空气助燃可降低空气过剩系数，这样即提高火焰温度又可降低排烟热损失，燃料消耗就响应减少，从而节约能源。
综上所述，工业锅炉采用富氧燃烧新技术，节能率为10~20%。
燃煤锅炉节煤率最少为10%以上。
并可提高锅炉出力10%以上，从根本上消除大气污染。
节能效果非常显著，社会经济效益是巨大的。
六、膜法制氧、富氧燃烧局部增氧助燃技术在工业锅炉的应用：
目前我国在用工业锅炉的装机总量约为55.3万台，190.6万蒸吨。
我国已成为世界上生产和使用工业锅炉最多的国家。
由于我国能源结果的特殊性，我国的工业锅炉以燃煤为主，每年约燃用全国原煤产量的三分之一。
因此工业锅炉也是我国煤烟型大气污染的主要污染源之一。
提高我国工业锅炉的能源利用率，减低其污染物排放，已成为迫切需要解决的重要问题
工业锅炉存在的主要问题：
我国在用的工业锅炉中将近85%是燃煤锅炉，以层燃燃烧为主，并且以链条炉排锅炉为主，锅炉的设计效率一般在72%~80%之间，但实际运行时普遍存在运行负荷较锅炉额定负荷低，炉渣含碳量高，过量空气系数大，排烟温度高，因此，热效率一般要比设计效率低。
上海市近几年对在用锅炉的测试数据也表明，4t/h及以下的水火管锅炉的平均热效率在60%~65%之间；6t/h~35t/h锅炉的平均热效率为70%~74%。
国外先进国家的层燃燃煤锅炉的热效率可达到80%~85%，有些锅炉已投入运行二、三十年，仍可保持很高的热效率，如美国NIOSH锅炉房的一台容量为550001b/h的蒸汽锅炉，1980年投入运行至今以有26年，它的热效率仍达83%。
与国外燃煤锅炉运行热效率相差10~20%，一大批工业锅炉需要采用膜法制氧、富氧助燃新技术进行改造，提高运行热效率，节约能源，从根本上消除大气污染。
七、 工业锅炉及工业炉窑富氧助燃装置的主要设备及工艺流程：
主要设备有:
空气过滤器、通风机、膜法制氧器、调节阀、真空泵、汽水分离器、脱湿系统、稳压系统、换向系统、预热系统、富氧喷嘴系统、微电脑控制箱。
八、 膜法制氧、富氧燃烧节能装置的优点：
膜法制氧装置操作简单，无运动部件，连续运行安全可靠，无须专人看管，开、停方便，启动后几分钟内即可生产出稳定的氧气，占地面积小，设备投入造价低，运行成本低，环保、节能效果明显。
使用寿命长，超过十年。
十几年的实际应用证明了它的优点。
九、 膜法富氧助燃节能装置的经济效益分析：
工业锅炉利用富氧助燃技术可提高锅炉效率5%~19%，燃煤锅炉节煤率最少为10%以上。
一台SHL20-3.82-Ⅰ型燃煤链条炉排蒸汽锅炉采用膜法富氧助燃节能装置，全年可节电7.2万kWh，节煤2142吨，经济效益达107.1万元，扣除运行成本（维修费用1.2万元/年，设备折旧费4万元/年，电费8万元/年）其经济效益是93.9万元。
运行六个月收回设备投资。
还具有稳定锅炉工况，减少大气污染、延长锅炉寿命等效果，综合效益十分显著。
第3章空气分离助燃器的研究
3.1富氧助燃是一种最新节能环保技术。
近十几年来，随着环保要求的不断提高以及节约能源的需要，富氧燃烧作为一种新兴的燃烧技术在世界各国蓬勃发展，有的国家要求全部新增工业炉窑、工业锅炉不得用普通空气助燃，都得用富氧空气助燃。
例如：
日本政府决定从1990年起，全部工业炉窑，包括：
大型锅炉、工业用的中型锅炉、取暖用的锅炉、船舶动力装置的锅炉等都不得用普通空气助燃，都应用富氧空气助燃。
引起国内外很多人把目光聚集到富氧燃烧技术开拓上。
3.2膜法制氧、富氧助燃节能装置的原理、结构及用途
富氧燃烧即增加助燃空气中的氧气含量完成的燃烧过程，简称OEC。
它是一项节能高效的燃烧技术。
透过膜的渗透速率不同，在压力差驱动下，使空气中的氧气优先通过得到富氧空气。
富氧空气浓度为28%-31%。
该设备主要有:
空气过滤器、变频调速高压通风机、膜法制氧器、调节阀、变频调速水环真空泵、汽水分离器、稳压系统、换向系统、预热系统、富氧喷嘴系统、微电脑控制柜等。
适用范围：
各种锅炉：
特别适宜链条炉排锅炉、抛煤机锅炉、煤粉锅炉、燃油燃气锅等。
工业炉窑：
加热炉、焚烧炉、冶炼炉、玻璃窑、陶瓷窑、水泥窑等。
3.3膜法制氧、富氧助燃节能装置的节能机理
1、 局部增氧助燃技术提高炉内火焰温度
膜法富氧技术有两种：
一种是全氧燃烧，另一种是局部增氧燃烧。
国内常用的是局部增氧燃烧技术。
常规燃烧中空气仅有21%的氧气参与燃烧过程，而约为79%的氮气吸收大量燃烧反应放出的热量，并作为烟气排出，造成能源浪费。
在局部增氧助燃后，整体助燃空气量减少（氮气量减少），烟气排量减少，故火焰温度随着燃烧空气中的氧气比例的增加而显著提高，但富氧浓度不宜过高，国内外的研究表明，氧气的体积分数在28%左右时为佳。
因为氧浓度增加时火焰温度增加较少，而制氧投资则猛增，综合效益下降。
2、加快燃烧速度与促进燃烧完全
燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差甚大，如氢气在空气中的燃烧速度为280cm/s，在纯氧中的燃烧速度是1175cm/s，是在空气中的4.2倍。
用富氧助燃，不仅可以提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时温度提高后，有利于强化燃烧，促进燃烧完全，从根本上消除大气污染。
3、降低燃料的燃点温度
燃料的燃点温度不是常数，如CO在空气中的燃点为609℃，而在纯氧中的燃点仅为388℃，所以用富氧助燃能降低燃料燃点，
提高火焰强度和增加释放热量等。
4、减少燃烧后的排气量
用普通空气助燃，占体积的4/5的氮气不参与助燃，还要带走大量热量，如用富氧助燃，氮气量减少，故燃烧后的排气量减少，从而提高了燃烧效率。
5、增加热量利用率
富氧助燃对热量的利用率有所提高，如用普通空气助燃，当加热温度为1300℃时，其可利用的热量为42%，而用26%的富氧空气助燃，可利用热量为56%，且氧浓度越高，加热温度越高，所增加的比例越明显，因此节能效果越好。
6、降低空气过剩系数
用富氧代替空气助燃可降低空气过剩系数，这样即提高火焰温度又可降低排烟热损失，燃料消耗就响应减少，从而节约能源。
综上所述，工业锅炉及工业炉窑采用富氧燃烧新技术，节能率为1
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