專利名稱：生產氧氣以支持耗熱設備中的燃燒的空氣分離方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的領域本發(fā)明涉及用于產生氧氣以支持燃料燃燒的空氣分離方法和系統(tǒng)。更具體地講，本發(fā)明涉及這樣的一種方法和系統(tǒng)，其中燃燒產生的熱用于耗熱設備(heat consuming device)。甚至更具體地講，本發(fā)明涉及這樣的一種方法和系統(tǒng)，其中的空氣在耗熱設備中加熱，然后在一個陶瓷膜(ceramic membrane)分離系統(tǒng)中分離以產生氧氣。
使用氧氣支持燃燒可用于需要高溫的工藝(例如熔玻璃爐)中。在這些應用中，節(jié)省的燃料以及其他的利益在價值上超過氧氣的成本。對于這些高溫應用，當使用空氣來支持燃料的燃燒時，燃料的熱值的一大部分消耗在加熱空氣中的氮氣上。當生成的煙道氣在高溫下排放時，這部分熱因而被浪費掉。在低溫排氣系統(tǒng)(如鍋爐)引起的熱損失降低了很多，這是因為更多的熱在煙道氣排放到大氣之前得到回收。因此，在這種情況下，氧氣的使用在經濟上并不具有吸引力，因為氧氣的成本比降低燃料消耗可得到的任何節(jié)省要高。事實上，當考慮到用已知的常規(guī)生產氧氣的低溫和吸附工藝所需的能量，則總的熱效率將下降。
對低溫或吸附生產氧氣所做的主要改變是通過氧氣選擇性的、離子傳導膜(ion conducting membrane)系統(tǒng)在原位生產氧氣。在這種系統(tǒng)中，膜本身對氧氣是不可滲透的。在陶瓷膜的一個表面上將氧氣壓縮并離子化。產生的氧離子被傳導通過膜并重組形成氧分子。在重組中，氧離子給出電子并且直接通過膜或通過一條傳導通道，在膜的另一表面使氧氣離子化。這類陶瓷膜在高溫(可達到1000℃以上)下傳導離子。因此，在先有技術中，使用輔助燃燒來為陶瓷膜提供操作所需的高溫。
例如，U.S.5,888,272公開了這樣的一種工藝，在該工藝中從一個輸送組件燃燒室(transport module-combustor)的壓縮原料空氣流中分離出氧氣，其中分離出來的氧氣用于支持燃料的燃燒為膜產生高的操作溫度。在一個實施方案中，一個膜滲透流被用于下游的產生廢氣的耗熱過程，所述廢氣用于清洗膜的滲透面，滲透流還可用于支持一個位于耗熱過程上游的外接燃燒室中的燃燒。部分燃燒室的廢氣可以用于提供附加的清洗氣體。耗熱過程中一部分較冷的廢氣與經過加熱的滯留物(heated retentate)一起用于加熱進入一個外接熱交換器的空氣。
U.S.5,855,648公開了一種產生進料至高爐的富氧原料空氣流的方法。依照這一專利，將空氣壓縮并加熱。部分空氣在一個外接的熱交換器中加熱后，被引入一個陶瓷膜系統(tǒng)以產生滲透流。將所述滲透流依次引入到進入的經過加熱的空氣流中并用于制造引進到所述加熱爐中的富氧空氣?？蓪⑷剂霞尤氲皆谔沾赡ぶ写蛛x的空氣中，以支持在所述膜上的燃燒。此外，部分的壓縮能可以用膨脹器回收。
盡管兩篇專利都考慮到將陶瓷膜系統(tǒng)和一個耗熱設備結合在一起，但是兩者都沒有考慮到一個完整熱結合的完全獨立的操作系統(tǒng)。例如，在U.S.5,888,272中即使設想到氧-燃料的燃燒，但燃燒和氧氣的產生是整體構成部分，因此使得在沒有氧氣生產系統(tǒng)下操作這一耗熱設備非常困難。另外，在外接熱交換器中，通過與耗熱過程的廢氣的熱交換來加熱空氣是低效的，因為用這樣的安排不可避免地有熱損失到環(huán)境中。而U.S.5,855,648設想了在耗熱過程(即高爐)中的富氧燃燒，但這一過程的熱廢氣在沒有采取任何回收其熱值的措施下排放。
在上述兩篇專利中，陶瓷膜系統(tǒng)用于其中燃燒氣體進入與所述膜接觸的過程。同樣，兩篇專利均限定于使用含有高無機物含量的燃料(例如煤和重油)的應用中。因為更純的燃料(cleaner fuel)(如天然氣)通常比含有高無機物含量的燃料更昂貴，因此希望能得到一種可以結合含有高無機物含量的燃料的工藝和系統(tǒng)。
正如將要討論的，本發(fā)明提供一種用于在一個高效地利用陶瓷膜系統(tǒng)提供氧氣的耗熱設備中的氧氣或富氧燃燒的方法和系統(tǒng)。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)能適用于低溫排氣系統(tǒng)(如鍋爐或加熱爐)，并能夠容易地使用高無機物含量的燃料。再進一步，設計這一系統(tǒng)使得在必要時可以在沒有陶瓷膜的情況下操作所述耗熱設備。
有利的是，可將含有滯留物的滯留流膨脹并產生膨脹功，而膨脹功可用于壓縮原料空氣流。滯留流的膨脹產生一種可用于通過間接熱交換預熱壓縮空氣流的膨脹滯留流。此外，可將原料空氣流壓縮到足以在陶瓷膜系統(tǒng)中驅動從空氣中分離出氧氣的壓力，而不用如清洗流。
在耗熱設備中，一個爐從燃料的燃燒中產生熱的煙道氣。壓縮的空氣流可以在耗熱設備中通過與所述經過加熱的煙道氣的間接熱交換加熱。或者，所述耗熱設備是那種帶有輻射熱交換區(qū)的類型，而壓縮氣流主要是在耗熱設備中通過輻射熱交換區(qū)的輻射熱加熱。
另一方面，本發(fā)明提供了一種用于生產支持在耗熱設備中的燃料燃燒的氧氣，并由此產生熱的空氣分離系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，提供了一臺壓縮機以壓縮原料空氣流并由此產生壓縮空氣流。一個陶瓷膜系統(tǒng)與所述壓縮機相連并且采用了至少一種氧氣選擇性的、離子傳導的膜以從所述壓縮的原料空氣流中分離出氧氣。一個位于所述耗熱設備中的熱交換器，插入在所述壓縮機和膜系統(tǒng)中間以加熱所述經過壓縮的空氣流至所述膜系統(tǒng)的工作溫度。提供了在耗熱設備中在由至少一部分從所述膜系統(tǒng)中產生的氧氣滲透物組成的氧化劑存在下燃燒燃料的設備。
所述空氣分離系統(tǒng)最好采用一個連接到所述膜系統(tǒng)的膨脹器，用于膨脹含有滯留物的滯留物流并產生功?？商峁┮环N應用膨脹功為壓縮機提供動力的設備?？梢栽谒鰺峤粨Q器和壓縮機之間插入一個預熱器并且連接到所述膨脹器上，用以通過與由膨脹器產生的膨脹滯留流的間接熱交換來預熱所述壓縮的空氣流。
燃料燃燒設備可以從燃料的燃燒產生熱的煙道氣，并且熱交換器可以位于耗熱設備中，這樣壓縮空氣流通過與熱的煙道氣的間接熱交換加熱?；蛘?，所述耗熱設備可以是設有輻射熱交換區(qū)的類型，并且所述熱交換器可以位于輻射熱交換區(qū)中，這樣壓縮空氣流主要在輻射熱交換區(qū)中通過輻射熱加熱?？梢岳斫獾?，這樣的一種耗熱設備可以是一個鍋爐并且所述熱交換器可主要由熱交換管間置蒸汽管構成。
從上面對本發(fā)明的描述中顯然可知，本發(fā)明考慮到了將陶瓷膜系統(tǒng)在熱方面與應用通過在所述陶瓷膜系統(tǒng)中產生的氧氣的富氧燃燒的耗熱設備結合成一體。應該注意到，在耗熱設備之中放置一個熱交換器乍看起來是實得其反的，或者在最好的情形下，與常規(guī)的以煤氣為燃料的設備比較也并沒有帶來額外的利益。
在本發(fā)明和先有技術的以煤氣為燃料的兩種情況中，加熱空氣作為操作耗熱設備的一部分。在常規(guī)的以煤氣為燃料的設備中的空氣的加熱，特別是空氣中的惰性成分(如氮氣)，是在燃燒空間(combustionspace)中加熱。本發(fā)明中空氣的加熱通過使用熱交換器間接地完成。初看之下，本發(fā)明的整體構型從熱效率的觀點上來看會因此顯得與常規(guī)的以煤氣為燃料的情況一致。在進一步的檢驗下，事實上可預期本發(fā)明的熱效率比以煤氣為燃料的情況的低，原因是不可避免的、由于使用外接熱交換和用管道連接熱的滲透物流到耗熱設備引起的環(huán)境的熱損失。但是，本發(fā)明實際上提供了一種比先有技術的以煤氣為燃料的情況顯著提高的熱效率。由于受到為防止酸性氣體的腐蝕而設定的約300°F到400°F的最低煙道氣溫度的限定，典型的以煤氣為燃料的鍋爐的效率只能為約85％到約90％(以較高的熱值計)。對于類似的系統(tǒng)，本發(fā)明提供的效率在約90％到約95％之間(以較高的加熱值計)。增加的效率是由于滯留流可以冷卻到比來自以煤氣為燃料的系統(tǒng)的廢氣溫度低很多的原因。與常規(guī)的以煤氣為燃料的系統(tǒng)比較，這使得可以將更多的熱輸送至待回收的滯留物中。如果使用一種冷凝熱交換器進一步冷卻煙道氣流，則效率還可以進一步得到提高；這種選擇對于以煤氣為燃料的系統(tǒng)一般是不可行的。
在本發(fā)明的一個其中壓縮機由膨脹器驅動的實施方案中，實現(xiàn)了不僅在節(jié)能方面，而且在事實上所述分離也可以單獨地由壓縮機產生的壓力驅動而不用會傾向于稀釋氧氣的清洗的更進一步的優(yōu)點。使用一個應用了包含在膨脹的滯留流之中的熱的預熱器，提高了本發(fā)明的方法或系統(tǒng)的熱效率。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是在耗熱設備中的間接熱交換使得可以使用含有極大量的無機物的燃料，因為陶瓷膜系統(tǒng)由此可以在沒有任何燃燒產物進入所述膜的條件下工作。在本發(fā)明所構想的方法和系統(tǒng)中，耗熱設備和陶瓷膜系統(tǒng)的操作是有些分離的。所述耗熱設備可以在沒有氧氣生產系統(tǒng)下工作，這有助于整個系統(tǒng)的開動和停止運轉。在這一點上，當出現(xiàn)陶瓷膜系統(tǒng)失效的情況時，所述耗熱設備可使用后備的氧氣供給繼續(xù)工作。此外，關閉陶瓷膜系統(tǒng)可以在獨立于耗熱設備的工作下進行操作。
詳細描述參照附

圖1，以設備1為例進行說明，其中加熱爐2消耗了由燃料3燃燒產生的熱。
空氣在壓縮機10中壓縮到一個足以在一個應用一個或多個氧氣選擇性的、離子傳導膜的陶瓷膜系統(tǒng)12中驅動氧氣從空氣中分離出來的壓力。但是必須注意到，本發(fā)明不應被解釋為排除了在膜的滲透面使用清洗氣體。所述氧氣選擇性的、離子傳導膜是在高溫下傳導氧離子，但不會滲透氧氣本身的類型。本發(fā)明考慮使用在膜中氧氣和離子都能傳導的雙相傳導膜，以及其中只有氧離子能傳導的離子膜。在離子傳導膜中，一個傳導通道提供電子的傳導。
空氣在壓縮機10中壓縮形成壓縮空氣流11，壓縮空氣流11在預熱器14中預熱。在加熱爐2中設有一個熱交換器16，位于能夠在熱交換器16中的壓縮空氣流11和產生于燃料3的燃燒的煙道氣之間進行間接熱交換的位置上。壓縮空氣流11在通過熱交換器16之后而得到的溫度足以到達膜系統(tǒng)12的工作溫度。同樣，壓縮空氣流11決不會直接暴露于燃料3。
可以注意到本發(fā)明的實施方案中有可能不使用預熱器14而壓縮空氣流11單獨地在熱交換器16中加熱。但是，預熱器14的使用可有利地回收熱，否則將會從系統(tǒng)中損失。盡管熱交換器16僅用一條管表示，但可使用所需要的數(shù)量的管來提供給所述必不可少的熱交換器。
氧氣從膜系統(tǒng)12中的壓縮空氣流11中分離出來以產生由氧氣組成的滲透流18。滲透流18可以直接地進料到一個氧氣-燃料爐中燃燒燃料3，與補充的空氣混合以供富氧燃燒，或可用于氧矛切割的目的。
貧氧的滯留流20可以通入渦輪22中以對其進行膨脹并產生功。隨后可將膨脹功用于壓縮機10內的空氣壓縮，既可直接地通過機械的聯(lián)動也可以間接地通過發(fā)電機發(fā)電用于驅動壓縮機10。可以理解，在應用所述膨脹功中，為了適當?shù)貙⑴蛎浌糜趬嚎s，由發(fā)電機產生的電力可以并入壓縮機10從中得到動力的電網(wǎng)上。
通過膨脹器22的膨脹產生膨脹空氣流24，它具有比滯留流20低的溫度和低的壓力。但是，它依然具有足夠的溫度使之可以被送進預熱器14中預熱壓縮空氣流11。隨后膨脹空氣流24可被進料至煙囪或用于其他的用途?？梢岳斫?，本發(fā)明的實施方案中有可能不加入膨脹器22。
參照圖2，以設備4為例進行說明，其中由氧氣支持的燃料在鍋爐5內的燃燒。鍋爐5具有一個燃料入口噴嘴30和一個氧氣入口噴嘴32。優(yōu)選將常規(guī)的蒸汽管34與空氣加熱管36間置排列在輻射熱交換區(qū)38內。空氣加熱管36彼此之間相互連接，在輻射熱交換區(qū)38中形成熱交換器。進入的空氣用壓縮機40壓縮產生壓縮空氣流42，壓縮空氣流42在預熱器44中預熱。所述壓縮空氣流隨后通過空氣加熱管36，然后進入使用一個或多個氧氣選擇性的、離子傳導膜的陶瓷膜系統(tǒng)46。空氣加熱管36主要通過輻射熱起加熱壓縮空氣流42的作用，盡管可能會存在至少有限程度的，傳遞性的熱轉移機理。氧氣從空氣中分離出來后作為滲透流48通過氧氣噴嘴32。貧氧的滯留流50隨后可在膨脹器52中膨脹產生膨脹氣流54。可以將膨脹空氣流54引入到預熱器44中將熱傳遞給壓縮空氣流42。
如附圖1所示的實施方案中，本發(fā)明的實施方案設想不使用預熱器44而在陶瓷膜系統(tǒng)46中使用一種清洗流。其它實施方案中有可能不存在膨脹器52。
任選設備4可通過在輻射熱交換區(qū)38之上提供熱交換器56而同時利用輻射和傳遞加熱來加熱由進入的壓縮空氣流42中的一部分形成的分支空氣流58。所產生的熱的分支空氣流60隨后也可以引入到陶瓷膜系統(tǒng)46中。
盡管參照優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進行了描述，本領域的熟練的技術人員會想到，在沒有偏離本發(fā)明的宗旨和范圍下可以作出多種變化，添加或刪除。
權利要求
1.一種從空氣中分離出氧氣用于生產支持在耗熱設備(heatconsuming device)中的燃料燃燒的氧氣，由此產生熱的方法，所述方法包括壓縮原料空氣流以產生壓縮空氣流；加熱所述壓縮空氣流至膜系統(tǒng)的工作溫度，所述膜系統(tǒng)使用至少一種氧氣選擇性的、離子傳導膜(ion conducting membrane)；所述壓縮空氣流通過間接熱交換加熱并且至少有一部分在所述的耗熱設備中進行；經過加熱之后，將所述壓縮空氣流引入到所述膜系統(tǒng)中以產生一種氧氣滲透物(permeate)和一種貧氧的滯留物(retentate)；以及在至少有一部分由在所述膜系統(tǒng)內產生的氧氣滲透物構成的氧化劑的存在下燃燒所述燃料。
2.權利要求1的方法，其中燃料的燃燒產生熱的煙道氣；以及所述壓縮空氣流是在上述耗熱設備中通過與所述熱煙道氣的間接熱交換加熱。
3.權利要求1的方法，其中所述耗熱設備具有一個輻射熱交換區(qū)；以及所述壓縮空氣流在所述耗熱設備中主要通過所述輻射熱交換區(qū)內的輻射熱加熱。
4.權利要求2或權利要求3的方法，所述方法進一步包括膨脹含有所述滯留物的滯留流并產生功；以及應用所述功壓縮所述原料空氣流。
5.權利要求4的方法，其中所述滯留流的膨脹產生膨脹的滯留流；和所述壓縮空氣流通過與所述膨脹的滯留流的間接熱交換預加熱。
6.一個用于生產支持在耗熱設備中的燃料燃燒的氧氣并由此產生的熱的空氣分離系統(tǒng)，所述空氣分離系統(tǒng)包括一臺用于壓縮原料空氣流并因此產生壓縮空氣流的壓縮機；一個與所述壓縮機相連并使用至少一種氧氣選擇性的、離子傳導膜的膜系統(tǒng)，用于從所述經過壓縮的原料空氣流中分離出氧氣；一個位于所述耗熱設備內并插入于所述壓縮機與所述膜系統(tǒng)之間的熱交換器，用于加熱所述壓縮空氣流至所述膜系統(tǒng)的工作溫度；以及用于在至少有一部分由在所述膜系統(tǒng)內產生的氧氣滲透物構成的氧化劑的存在下燃燒所述燃料的設備。
7.權利要求6的空氣分離系統(tǒng)，其中所述燃料燃燒設備由燃料的燃燒產生熱的煙道氣；以及所述熱交換器位于所述耗熱設備內，這樣所述壓縮空氣流通過與所述熱煙道氣的間接熱交換加熱。
8.權利要求6的系統(tǒng)，其中所述耗熱設備具有一個輻射熱交換區(qū)；和所述熱交換器位于所述輻射熱交換區(qū)內，這樣所述壓縮空氣流主要通過在所述輻射熱交換區(qū)內的輻射熱加熱。
9.權利要求7或權利要求8的空氣分離系統(tǒng)，所述空氣分離系統(tǒng)還包括一個連接到所述膜系統(tǒng)，用于膨脹含有所述滯留物的滯留流并產生功的膨脹器；以及應用所述功驅動所述壓縮機的設備。
10.權利要求9的空氣分離系統(tǒng)，所述空氣分離系統(tǒng)還包括一個插入于所述熱交換器和所述壓縮機之間并連接到所述膨脹器的預熱器，用于通過與由所述膨脹器產生的膨脹滯留流的間接熱交換預熱所述壓縮空氣流。
全文摘要
從空氣中分離出氧氣用于生產支持在耗熱設備中的燃料燃燒的氧氣,并由此產生熱的方法和系統(tǒng)。根據(jù)該方法和系統(tǒng),將經過加熱和壓縮的空氣流引入到一個具有一個或多個氧氣選擇性的、離子傳導膜的陶瓷膜系統(tǒng)中以產生用于支持燃料燃燒的氧氣滲透流。所述壓縮空氣流在耗熱設備(例如加熱爐或鍋爐)中,通過與煙道氣的間接熱交換加熱或由在其中的輻射熱交換區(qū)中的輻射熱加熱。從所述經過壓縮和加熱的空氣流分離出氧氣后產生的貧氧滯留流可膨脹產生膨脹的空氣流并產生功。所述膨脹功可用于壓縮進入的空氣流。所述膨脹空氣流可用于預熱所述經過壓縮和加熱的空氣流。
文檔編號F23L15/00GK1333077SQ01123158
公開日2002年1月30日 申請日期2001年7月11日 優(yōu)先權日2000年7月12日
發(fā)明者L·E·波爾三世, H·科巴雅施 申請人:普萊克斯技術有限公司