磁电极优选提升氧气生成效率技术

磁致富氧技术是利用氧氮的顺磁性差别使空气中氧氮分离的一种空分技术。

4.2.3.1　磁致富氧技术的探索

早期，我国食品行业中通过磁电分离装置，利用氧的顺磁特性产生低氧分压的气体［12］。为提高气体富氧度，一些研究者使用铁淦氧（BaFe12O19）磁化空气，可使氧浓度由空气中的20.9%提高到23.4%，取得了初步的富氧效果。

1）原理

磁致富氧技术的原理是利用磁场强度产生的强磁壁垒使顺磁的氧分子顺利地通过强磁区，而逆磁性的气体（如氮气等）被阻挡在区域之外。于是空气在空分装置内部形成富氧气团和富氮气团。收集的富氧气团就是我们所需要的富氧空气。

2）实验方法

磁致富氧利用氧氮气体的磁化率差异实现分离。按其装置的结构特点可分为吸附富集法、轨迹偏转法和磁环法3种［13］（见图4-9），利用磁性壁垒的不同构造形成空分。其中轨道法可连续富氧，气体处理量大。

图4-9　几种磁致富氧分离类型

（a）吸附富集法　（b）轨迹偏转法　（c）磁环法

3）分析

根据实验情况，研究者分析氧、氮分子的运动速率及其在梯度磁场中的受力，计算磁场参数与富氧效果的关系。结果表明：在提高磁感应强度和磁场梯度乘积（大于108时）的条件下，有利于氧分子的引聚、富集，有着较高的富氧率［14］。

（1）磁场力　当空气进入空分装置磁幕区内，单个氧分子受到的磁场力为

式中，C为常数，m为质量，F为磁介质受到的x方向的磁场力；μ0为真空磁导率，数值为4π×10-7T·m/A；B为磁感应强度；T为温度。

由式（4-3）可见，作用在单个氧分子上的磁场力与磁感应强度与磁场梯度的乘积成正比，而与温度成反比，与压力无关。氧氮气体的部分特性如表4-9所示。

表4-9　氧氮气体特性

（2）富氧气体的能耗　为降低制氧成本，研究者试图将磁性介质引入膜分离、低温精馏等常规分离方法中，实现更经济、高纯度、大规模的耦合空分。磁电极选法利用强磁场的壁垒特性，大大降低了制氧的能耗。单位富氧气体能耗对照见表4-10。

表4-10　几种空分能耗的比较

（3）磁致富氧法特点　磁致富氧法的优点为装置简单，耗能低、富氧生产成本低，可以提供规模大的低纯度富氧空气；装置使用寿命长，不需要定期清灰，没有分子筛和膜法被灰尘堵塞孔眼的问题。其缺点是工作温度不高；氧富集度不高；若富集高纯度氧气，需要多级或配合膜制氧法等。(www.xing528.com)

（4）技术关键　磁致富氧法的技术关键在于：建立高梯度磁场；空气流道的布置及介质流控制；工质磁性的强化。选择更低的操作温度，低温下磁化率大幅提高，且常见的永磁体具有负的温度系数，温度越低磁场越强。

4.2.3.2　新颖磁电极选富氧技术

1）磁性材料

磁致富氧材料的选择和使用温度是成功的关键。常见空气分离装置采用的磁材料是一种被称为“磁王”的钕铁硼材料。镨钕氧金属（（Pr Nd）xOy）是生产钕铁硼（Nd2Fe14B）磁性材料的主要原料。钕铁硼合金含有大量稀土元素钕以及铁和硼，其特性硬而脆，在工作温度不太高（80～200℃）的环境下，具有极高的磁能积、矫顽力和能量密度。

钕铁硼磁铁可分为黏结钕铁硼和烧结钕铁硼两种。钕铁硼磁铁是具有最强磁力的永磁铁，材料牌号有N35—N52等。第三代稀土永磁钕铁硼是当代磁体中性能最强的永磁体，其主要原料有稀土金属钕（29%～32.5%）、金属元素铁（63.95%～68.65%）、非金属元素硼（1.1%～1.2%），以及添加少量金属元素镝（0.6%～1.2%）、铌（0.3%～0.5%）、铝（0.3%～0.5%）、铜（0.05%～0.15%）等元素。为了防止氧化腐蚀，其表面常进行化学纯化处理。

新型磁材料钕铁硼（NdFeB）的应用使增强空气氧氮分离度取得了明显效果。其磁能积高达35～51 MGOe，为铁淦氧磁能的15～22倍［15］。

2）磁电极选法

磁电极选富氧技术磁致富氧作用是以空气、稀土永磁材料为资源，集成高压电场的开发性和再创造性的应用技术。由于磁致富氧达到30%左右，突破了以前的技术水平，具有一定的应用价值。磁电极选法是磁致富氧效应与强电场耦合的品种，它利用强磁场和高压电场的电离特性，使磁致富氧气团离子化，增强气团的化学活性，促进了气体与燃料的化学反应。目前，磁电极选富氧空分技术仅处在水泥窑炉上的开发阶段，其富氧空分技术有待深入研究和技术鉴定，其应用的成熟度有待进一步考察。

（1）原理　研究者经过多年研究［16］，借鉴空气离子化的实践成果［17］，将高压电场、电晕放电式原理耦合在磁致富氧的框架内，使富氧气流离子化，原理如图4-10所示，外形如图4-11所示。

图4-10　磁电极选小粒径负离子发生器示意图

（2）装置简介　由图4-11可见，磁电极选装置主要有磁电极选小粒径负离子发生器、高压高频电源控制器以及气、电管线连接配置。

图4-11　磁电极选富氧装置示意图

（3）特点　磁电极选富氧技术的特点（见表4-11）蕴藏着巨大的经济潜力，有利于开发新颖高效的清洁动力发电装备。

表4-11　磁电极选富氧技术的特点

3）水泥炉窑应用

由某水泥公司的实测数据可知，炉窑系统投入富氧后，氧量明显增加，燃烧的二次风温度由1 050℃上升到1 100℃，三次风温度由978℃上升到1 002℃，温差Δt分别提高了50℃，燃烧更加充分。O2浓度增加，烟室温度达1 193℃，比原先升高50℃。加富氧前后在C1出口的烟气中，O2、CO含量有少许变化，温度变化不大；但NOx平均值由706 ppm上升到876 ppm，有较明显变化，系统拉风量有所加大。系统的煤耗从109.98标准煤当量（tce）下降到106.46 tce；熟料强度有些变化，3天强度下降0.6 MPa，熟料28天强度增加了2.1 MPa。