專(zhuān)利名稱(chēng)：：用固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體體系增強(qiáng)燃燒的方法這是1997年6月5日提出申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序號(hào)08/868,962的繼續(xù)申請(qǐng)。本發(fā)明涉及氧的增強(qiáng)燃燒與氧的分離方法的集成，氧分離方法采用了固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體膜，更具體地，本發(fā)明涉及用稀釋氧物流作為氧化劑，將這些方法集成以提高燃燒方法與經(jīng)濟(jì)、效率和與污染相關(guān)的問(wèn)題。許多不同的氧氣分離體系，例如有機(jī)聚合物膜體系，已用于從空氣和其他氣體混合物中分離所選擇的氣體。空氣是一種可能含有不同量的水蒸氣的混合物，在海平面，空氣具有以下大致組成(體積)氧(20.9％)、氮(78％)、氬(0.94％)，其余由其他微量氣體構(gòu)成。但是，完全不同類(lèi)型的膜可能用某些無(wú)機(jī)氧化物制造。這些固體電解質(zhì)膜用無(wú)機(jī)氧化物制成，典型地用鈣-穩(wěn)定的或釔-穩(wěn)定的具有螢石或鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鋯氧化物和類(lèi)似的氧化物制成。如果橫跨膜施加電位，這些固體氧化物中的某些氧化物在高溫下具有傳導(dǎo)氧離子的能力，也就是說(shuō)，它們只是電-驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體或離子導(dǎo)體。最近的研究工作導(dǎo)致研制的固體氧化物，如果施加化學(xué)驅(qū)動(dòng)勢(shì)能的話(huà)，它們具有在高溫下傳導(dǎo)氧離子的能力。如果施加足夠的氧分壓以提供化學(xué)驅(qū)動(dòng)勢(shì)能，這些壓力驅(qū)動(dòng)離子導(dǎo)體或混合導(dǎo)體可用作從含氧氣流中提取氧的膜。由于這些物質(zhì)對(duì)氧的選擇性是極大的，并且氧流可以達(dá)到比普通膜一般高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此使用這些離子傳輸膜生產(chǎn)氧會(huì)非常吸引人。盡管這些氧化陶瓷材料作為氣體分離薄膜的潛力是巨大的，但在其使用時(shí)還是存在某些問(wèn)題。最顯而易見(jiàn)的困難是所有已知氧化陶瓷材料僅在高溫時(shí)才具有明顯的氧離子傳導(dǎo)性。它們必須在500℃以上，通常在600-900℃范圍內(nèi)才很好地操作。盡管大量研究工作發(fā)現(xiàn)了在較低的溫度下工作得很好的材料，但這一局限性依然存在。在Prasad等人申請(qǐng)的題為“分級(jí)電解質(zhì)膜”(StagedElectrolyteMembrane)的美國(guó)專(zhuān)利5,547,494中，更詳細(xì)地說(shuō)明了固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體技術(shù)，該文件作為參考文獻(xiàn)列于本文，以更全面地說(shuō)明該技術(shù)狀況。但是，燃燒過(guò)程通常在高溫下操作，因此，有可能將離子傳輸體系與氧增強(qiáng)燃燒方法有效地集成，本發(fā)明包括將離子傳輸體系與氧增強(qiáng)燃燒方法集成的新流程。最普通的燃燒方法使用最方便充足的氧源，即空氣?？諝庵写嬖诘牡⒉挥欣谌紵^(guò)程，相反地，可能產(chǎn)生許多問(wèn)題。例如，氮與氧在燃燒溫度下反應(yīng)，生成氮氧化物(NOx)，它是一種不希望的污染物。在許多情況下，必須處理燃燒產(chǎn)物以使氮氧化物的排放量減少到在環(huán)境可接受的限制之下。此外，氮的存在增加了煙氣體積，這樣又增加了通過(guò)煙氣中的熱損失，降低了燃燒方法的熱效率。為了減少這些問(wèn)題，富氧燃燒(OEC)已經(jīng)在工業(yè)上應(yīng)用多年。富氧燃燒有幾個(gè)好處，其中包括排放減少(特別是氮氧化物)，能效增加，煙氣體積減少，燃燒更清潔更穩(wěn)定，增加在下游循環(huán)中熱力學(xué)效率的潛力。但是，OEC的這些優(yōu)點(diǎn)必須權(quán)衡為這種應(yīng)用而必需生產(chǎn)的氧的成本。因此，OEC市場(chǎng)需要主要取決于生產(chǎn)富氧氣體的成本。人們估計(jì)，如果富氧氣體的成本能降低到約每噸15美元，OEC新市場(chǎng)需要每天高達(dá)100,000噸氧。采用離子遷移膜的氣體分離方法似乎有達(dá)到這一目標(biāo)的希望。在H.Kobayashi所著的《富氧燃燒體系性能研究》(OxygenEnrichedCombustionSystemPerformanceStudy)第1卷《技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析(TechnicalandEconomicAnalysis)》(Report#DOE/ID/12597)，1986年和第2卷《市場(chǎng)評(píng)估(MarketAssessment)》(Report#DOE/ID/12597-3)，1987年(聯(lián)合碳化物公司-林德分公司，美國(guó)能源部報(bào)告，華盛頓)中，詳細(xì)討論了OEC。用于從氣流中分離氧的離子遷移導(dǎo)體技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)包括Hegarty在題為《由渦輪機(jī)發(fā)電生產(chǎn)副產(chǎn)品氧的方法》的美國(guó)專(zhuān)利4545787中涉及一種用壓縮熱空氣流發(fā)電的方法，該方法是從空氣流中去除氧、讓一部分得到的空氣流與燃料流燃燒、將燃燒流出物與另一部分得到的空氣流合并，再讓最終燃燒產(chǎn)物通過(guò)渦輪機(jī)膨脹發(fā)電。Hegarty提到使用銀復(fù)合膜和復(fù)合金屬氧化物固體電解質(zhì)膜用于從空氣流中除去氧。Kang等人在題為《集成的高溫生產(chǎn)氧的方法》的美國(guó)專(zhuān)利5516359中涉及用固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體膜從加熱的壓縮空氣中分離氧的方法，其中讓非滲透產(chǎn)物進(jìn)一步加熱，并通過(guò)渦輪機(jī)發(fā)電。Mazanec等人在題為《使用含Bi混合金屬氧化物的膜從含氧氣體中分離氧的方法》的美國(guó)專(zhuān)利5160713中公開(kāi)了可以用作氧離子導(dǎo)體的含鉍材料。有關(guān)富氧燃燒或增強(qiáng)燃燒(OEC)的出版物包括由H.Kobayashi和H.Kobayashi、J.G.Boyle、J.G.Keller、J.B.Patton和R.C.Jain所著的上述美國(guó)能源部報(bào)告，《富氧燃燒體系在工業(yè)爐應(yīng)用中的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)》(TechnicalandEconomicEvaluationofOxygenEnrichedCombustionSystemsforIndustrialFurnaceApplications)，登載于1986年工業(yè)燃燒技術(shù)討論會(huì)論文集，芝加哥，伊里諾斯州，1986年4月29-30日，M.A.Lukasiewice編輯，美國(guó)金屬協(xié)會(huì)，MetalsPark，俄亥俄州，該出版物討論了氧-增強(qiáng)燃燒體系的各種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。富氧燃燒在工業(yè)上已應(yīng)用，使用的氧是采用低溫蒸餾的方法生產(chǎn)的，或者采用像變壓吸附(PSA)之類(lèi)的非低溫方法生產(chǎn)的。所有這些方法都是在100℃或低于100℃時(shí)操作的，因此，這些方法難以與燃燒方法熱集成。當(dāng)熱電廠的鍋爐燃燒氧和燃料時(shí)，在達(dá)到最新技術(shù)發(fā)展水平的低溫裝置中分離空氣所需的動(dòng)力是非常大的，消耗了約16％單循環(huán)蒸汽鍋爐發(fā)電廠生產(chǎn)的總電力。用于空氣分離所需要的壓縮空氣是這種電廠需要的主源。對(duì)于大多數(shù)鍋爐應(yīng)用來(lái)說(shuō)，氧氣太貴了，難以使用。在典型的空氣-燃料燃燒鍋爐的操作中，空氣在幾英寸H2O壓力下送到在近大氣壓力下操作的燃燒室中。由于壓縮空氣需要很多的電力，由此損失了發(fā)電效率，因此將空氣壓縮到甚至表壓的幾磅/平方英寸(psig)低壓也太昂貴了。使用陶瓷膜的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題是不能控制在陶瓷接合點(diǎn)和通過(guò)陶瓷膜管裂縫處的滲露所造成的問(wèn)題。當(dāng)在高溫下使用時(shí)，陶瓷材料易于形成應(yīng)力裂縫，特別是在改變溫度條件時(shí)更是如此。因此，人們特別希望研制一種堅(jiān)固的陶瓷膜體系，該體系盡管由于熱的和機(jī)械的應(yīng)力而產(chǎn)生陶瓷膜管裂紋，但也能繼續(xù)有效和高效率地操作。因此，本發(fā)明的目的是提供一種富氧燃燒的方法或部分氧化的方法，在該方法中，將空氣在接近大氣壓下送入陶瓷膜組件中，該方法需要的電力比現(xiàn)有的常規(guī)方法少得多。本發(fā)明的另一個(gè)目的是將在燃燒過(guò)程中由于加熱氮?dú)舛股傻腘Ox和熱損失降至最少。本發(fā)明的另一個(gè)目的是從離子遷移膜組件中回收富氮?dú)怏w，作為副產(chǎn)品使用。本發(fā)明的另一個(gè)目的是生產(chǎn)用于回收的富含二氧化碳的煙道氣。本發(fā)明包括采用含低濃度氮的氧化劑進(jìn)行燃燒或部分氧化的方法。將含氧的氣體送入離子遷移組件，該組件包括離子遷移膜，該膜有帶第一種壓力的保留面和帶第二種壓力的滲透面，在滲透面上分離純化的氧氣流，相應(yīng)地在保留面上貧化氧，以得到貧氧的氣流。讓含有低濃度氮的吹洗氣流通過(guò)滲透面，得到含有約80％以下氧的氧化性氣流。然后氧化性氣流和燃料進(jìn)入燃燒室或反應(yīng)室，產(chǎn)生熱量和燃燒產(chǎn)物或部分氧化產(chǎn)物。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，空氣用作含氧的氣體。第一種壓力與第二種壓力的比低于4.78，優(yōu)選地是0.5-4.0，更優(yōu)選地是0.8-2.0，最優(yōu)選地0.9-1.5。氧化性氣流含有1-40％氧，更優(yōu)選地是2-15％氧，最優(yōu)選地3-10％氧。吹洗氣含有10％以下的氮，優(yōu)選地是5％以下的氮。氧化性氣流的溫度優(yōu)選地高于500℃流送入燃燒室或反應(yīng)室而不需大大冷卻。由下述優(yōu)選的實(shí)施方案及其附圖的說(shuō)明，本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員將能了解本發(fā)明的其他目的、特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是說(shuō)明將離子遷移生產(chǎn)氧氣與富氧燃燒和下游過(guò)程集成的示意圖；圖2是說(shuō)明與圖1相似的將離子遷移生產(chǎn)氧氣與富氧燃燒和下游過(guò)程集成的示意圖；圖3是與圖2相似的示意圖，其中燃燒室與離子遷移組件集成；圖4是說(shuō)明離子遷移過(guò)程、燃燒室和下游過(guò)程如何集成為單個(gè)組件的示意圖；圖5是說(shuō)明離子遷移過(guò)程、燃燒室和下游過(guò)程集成為單個(gè)組件的實(shí)施方案的示意圖；以及圖6是說(shuō)明兩個(gè)獨(dú)立離子遷移膜方法的實(shí)施方案示意圖，在兩方法之一沒(méi)有采用煙道氣再循環(huán)。現(xiàn)在結(jié)合附圖詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，其中用相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元件。本發(fā)明公開(kāi)了方法布局，它能夠?qū)㈦x子遷移生產(chǎn)氧與富氧燃燒(OEC)以經(jīng)濟(jì)上誘人地進(jìn)行集成。盡管離子遷移膜的壓力驅(qū)動(dòng)方法由于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而是優(yōu)選的，但這里描述的概念能應(yīng)用于膜體系，該體系或者使用有電極和供電子返回的外部電路的僅是離子導(dǎo)體的膜，或者使用混合的導(dǎo)體薄膜。目前工業(yè)上生產(chǎn)氧的方法典型地在100℃以下的溫度進(jìn)行。由于這種低的溫度，它們并未能通過(guò)與OEC方法集成而獲得很高的效率。高溫操作(通常高于600℃)使離子遷移方法本身就非常適合與高溫方法如用氧的燃燒集成。另外，將看到燃燒排出的煙道氣能夠用來(lái)增強(qiáng)離子遷移膜的性能。傳統(tǒng)生產(chǎn)氧的方法(例如PSA、TSA或基于膜的方法)不能很容易地利用排出的煙道氣，因?yàn)樗鼈冸x開(kāi)燃燒室時(shí)溫度很高。本方法布局的實(shí)質(zhì)是離子遷移膜，這種膜使用固體氧離子傳導(dǎo)膜或混合傳導(dǎo)薄膜，以從含氧的氣體，典型地(但也不是必需地)從空氣中分離氧，并將這種分離的氧用于包括(但并不限于)富氧燃燒的下游過(guò)程中。為了減少離子遷移膜中滲透面上的氧分壓，使用一種貧氧氣體(例如來(lái)自燃燒過(guò)程或任何下游過(guò)程的廢氣)作為吹洗氣流。這樣吹洗大大增強(qiáng)了跨過(guò)離子遷移膜的驅(qū)動(dòng)力，得到高氧流和較低膜面積的要求。甚至在原料氣體流處于相當(dāng)?shù)偷膲毫r(shí)也會(huì)有這些好處，因此體系所需動(dòng)力減少到了對(duì)實(shí)際應(yīng)用有利的程度。燃燒排出氣體的再循環(huán)也是有好處的，因?yàn)樗峁┝嗽诳刂迫紵抑械臏囟群褪股傻腘OX降至最少(例如，由未過(guò)濾的環(huán)境空氣中的氮生成)方面很重要的稀釋流。還可通過(guò)向進(jìn)入氧氣分離器的煙道氣中加入燃料來(lái)提高本方法的效率。這樣進(jìn)一步降低了在滲透面上的氧分壓，導(dǎo)致在離子遷移分離器中更高的氧流。在本發(fā)明的某些具體實(shí)施方案中，離子遷移組件還可起到燃燒室的作用，因此不再需要一個(gè)分開(kāi)的燃燒室，除非這種應(yīng)用不要求燃燒室出來(lái)的氣流高于1100℃，這是許多現(xiàn)有離子遷移膜組件的最高操作溫度。應(yīng)該注意，離子遷移組件的溫度維持在操作范圍內(nèi)所需要的熱量可來(lái)自本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員已知的各種熱源，其中包括例如在后燃室中產(chǎn)生的熱量，尤其是再循環(huán)的熱燃燒產(chǎn)物氣體產(chǎn)生的熱量。在大多數(shù)混合導(dǎo)體中，在相關(guān)的操作溫度下，電子導(dǎo)電性大大超過(guò)了氧離子導(dǎo)電性，氧從一側(cè)到另一側(cè)的總遷移受氧離子導(dǎo)電性的控制。在螢石和鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)中鑒定出大量潛在的混合導(dǎo)體。人們已廣泛研究了離子遷移膜的性能(例如，燃料電池)，并可以精確地進(jìn)行模擬。表1部分列出了用于氧分離的有關(guān)混合導(dǎo)體。表1<圖1是說(shuō)明將離子遷移生產(chǎn)氧與富氧燃燒集成的示意圖。在操作中，含有元素氧的原料氣流1，通常是空氣，在鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)2中壓縮到較低的壓力，以得到壓縮原料氣流3，氣流3在換熱器33中以逆向廢氣流31和產(chǎn)物氮?dú)饬?7加熱，得到溫的原料氣流4。可從熱氣流4分出氣流28，用在還可能有的后燃室26中，留下原料氣流5，氣流5還可在加熱器34中加熱，得到熱原料氣流6。然后熱原料氣流6進(jìn)入使用離子遷移膜7的離子遷移組件35的進(jìn)料側(cè)，離子遷移膜7有一個(gè)保留面7a和一個(gè)滲透面7b。在離子遷移組件35中除去熱原料氣流6中的一部分氧，出來(lái)的氣流8成為相對(duì)于原料氣流1來(lái)說(shuō)是富氮的氣體。用含有燃燒產(chǎn)物的吹洗氣流9吹洗離子遷移膜7的滲透面7b。滲透氣流10含有氧，該氣流10在以后與燃料氣流11混合。空氣、氧氣或富氧空氣流12能夠還可被加到氣流10中?？扇?xì)饬?3在通過(guò)還可有的鼓風(fēng)機(jī)(未繪出)之后，再進(jìn)入燃燒室14。任選地或是除燃料氣流11之外，或是代替燃料氣流11，燃料氣流15可以直接加入燃燒室或爐14以產(chǎn)生熱量，并將熱量轉(zhuǎn)移給爐料或換熱器表面。通過(guò)在接近化學(xué)計(jì)算量的條件或略微富含燃料的條件下操作燃燒室14，可以使廢氣流16的氧濃度保持在很低的水平。在這個(gè)具體實(shí)施方案中，來(lái)自燃燒室14的廢氣流16分成兩部分，氣流17和氣流18。氣流18還可用在下游過(guò)程19中，該過(guò)程要求輸入熱量，來(lái)自下游過(guò)程19的相對(duì)較冷的廢氣流20也可以分成兩部分，廢氣流21和廢氣流22。可向廢氣流21中加入燃料氣流25，得到氣流38?？赏鶜饬?8加入氣流17，得到氣流9，氣流9進(jìn)入離子遷移組件35，并用于吹洗離子遷移組件7的滲透面7b。盡管在這里沒(méi)有繪出，氣流17或燃燒室14可通過(guò)熱交換用來(lái)加熱原料空氣3和/熱氣流5，得到熱原料氣流6，而不是用換熱器33和/或可能有的加熱器34。廢氣流22還可進(jìn)入任選的后燃室26，在那里還可加入空氣流27或氣流28，得到熱的廢氣流29。熱的廢氣流29可變成氣流30或氣流31。如上所述，在換熱器33中使用氣流31加熱壓縮的原料氣流3，得到廢氣流32。如果氮不作為副產(chǎn)品使用以及如果廢氣流30的溫度足夠高的話(huà)，氣流30可與富氮的保留氣流8混合。當(dāng)保留氣流8處于比廢氣流30更高的壓力時(shí)，為了得到保留氣流36，在保留氣流8與氣流30混合之前，必須用膨脹閥23釋放保留氣流8的多余壓力。當(dāng)氣流8的壓力超過(guò)2個(gè)大氣壓時(shí)，用膨脹渦輪代替膨脹閥23，以獲取旋轉(zhuǎn)軸功或發(fā)電是有利的。如果想讓保留氣流24作為富氮產(chǎn)物氣流，氣流36與30就不要混合起來(lái)。在離子遷移組件35中使用貧氧的吹洗氣流9將大大降低離子遷移膜7的滲透面7b上的氧分壓，并能使氧迅速地通過(guò)膜7遷移。為了達(dá)到本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，可在圖1顯示的任何點(diǎn)或所有點(diǎn)將燃料氣流11、15和25加入本方法布局中；使用至少一條燃料氣流對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)是必不可少的。例如，可能希望在離子遷移組件35的上游加燃料氣流25，以大大降低離子遷移膜7滲透面7b上的氧分壓。由于燃料燃燒，這會(huì)導(dǎo)致在離子遷移組件35中產(chǎn)生一些熱量，因此抵消了氧遷移過(guò)程需要的一些熱量。在這種情況下，從離子遷移組件35出來(lái)的富氮?dú)饬?可能變得更熱。這樣會(huì)使換熱器33傳熱更有效，從而減少了所需要的熱交換面積，可能去掉在離子遷移組件35上游的加熱器34。如果能在離子遷移組件35中，在離子遷移組件7的吹洗或滲透面7b上燃燒足夠的燃料的話(huà)，還可能會(huì)去掉分開(kāi)的燃燒室14，也就是說(shuō)，離子遷移組件35還可用作燃燒室(如圖3所述)。在這樣一種情況下，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，成本也大大降低。反應(yīng)性吹洗設(shè)備在1995年12月5日提出的美國(guó)序號(hào)為08/567699的申請(qǐng)，《用于固體電解膜氣體分離的反應(yīng)性清洗》(ReactivePurgeforSolidElectrolyteMembraneGasSeparation)中已公開(kāi)，此文作為參考文獻(xiàn)列于本文。采用反應(yīng)性吹洗的離子遷移組件優(yōu)選布局在1997年4月29日提出的美國(guó)序號(hào)為08/848204的申請(qǐng)，《固體電解離子導(dǎo)體反應(yīng)器設(shè)計(jì)》(SolidElectrolyteIonicConductorReactorDesign)中已公開(kāi)，此文作為參考文獻(xiàn)列于本文。這兩件申請(qǐng)與本申請(qǐng)是共有申請(qǐng)。使用微富含燃料的混合物操作燃燒室14可能是有利的，因?yàn)檫@將導(dǎo)致加入滲透氣流10的燃料部分氧化，從而產(chǎn)生含有氫氣和一氧化碳的廢氣流16。如上所述，氣流17還可用于吹洗離子遷移組件7的滲透面7b。應(yīng)該注意，氫氣是強(qiáng)還原性氣體，其反應(yīng)性比許多其他氣體燃料高，并且在離子遷移組件中存在的氫氣將導(dǎo)致離子遷移組件7吹洗面7b上的氧分壓特別低，這會(huì)使氧更迅速地通過(guò)離子遷移組件遷移。當(dāng)然，作為燃料氣流25加入氫氣也會(huì)得到相似的結(jié)果，但是，由于氫氣是相當(dāng)貴的燃料，因此使用氫氣作為燃燒室14的富含燃料的氣體是不合算的。由于氫氣是作為過(guò)程循環(huán)的一部分而得到的，那么如上所述，燃燒室14富含燃料的氣體的使用，就避免使用預(yù)先制得的氫氣。但是，在富含燃料條件下燃燒室14的運(yùn)行可能造成含有一氧化碳和氫氣的廢氣流18和22，如果這兩種氣體的濃度低的話(huà)，就能簡(jiǎn)單地將它們排放到大氣中。如上所述，但是，如果一氧化碳和氫氣濃度足夠高，可能的是安裝后燃室26(可能是催化的)，向其中加入過(guò)量空氣27，以燒盡一氧化碳和氫氣。熱原料氣流4中的氣流28還可加到后燃室26中，以滿(mǎn)足后燃室的需要。值得指出的是，燃燒產(chǎn)物作為吹洗氣流9再循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)殡x子遷移組件7對(duì)氧氣的選擇性很大，所以有可能限制氣流13在燃燒室14中的溫度升高，不需多余的空氣，從而從燃燒過(guò)程中排除了氮?dú)?，這基本上消除生成NOx。這種協(xié)同效應(yīng)是本發(fā)明的基本原理，并且是本發(fā)明許多具體實(shí)施方案的一個(gè)特點(diǎn)。在本發(fā)明中使用的離子遷移組件操作參數(shù)的典型范圍如下。溫度典型地在400-1000℃范圍內(nèi)，優(yōu)選地是400-800℃。壓力吹洗面壓力典型地在1-3大氣壓范圍內(nèi)。如果氮?dú)獠皇歉碑a(chǎn)品，加料面壓力為0.8-3大氣壓。如果氮?dú)馐歉碑a(chǎn)品，則壓力是1-20大氣壓。離子遷移膜的氧離子導(dǎo)電性(μi)典型地在0.01-100西門(mén)/厘米范圍內(nèi)(1西門(mén)＝1/歐姆)。離子遷移膜的厚度可使用以多孔襯底載帶的致密膜或薄膜狀的離子遷移膜。離子遷移膜/層的厚度(t)典型地小于5000微米；優(yōu)選地小于1000微米，最優(yōu)選地小于100微米。結(jié)構(gòu)離子遷移膜元件可是管狀或平面狀的。如上所述，在此所述的實(shí)施例中使用了非對(duì)稱(chēng)的或復(fù)合離子遷移膜(即壓力驅(qū)動(dòng)膜)。下述特性基于在本發(fā)明中可能使用的這樣一些膜在文獻(xiàn)中所報(bào)導(dǎo)的典型值。有效膜厚度20微米離子導(dǎo)電性，μi0.5西門(mén)/厘米操作溫度800℃襯底孔隙度40％已運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型確定圖1所示方法的操作條件，即在各個(gè)不同的點(diǎn)所需要的膜面積和輸入的電能和熱能。這個(gè)實(shí)施例模擬采用圖1布局的方法，本實(shí)施例僅用于說(shuō)明的目的，而不是試圖優(yōu)化方法的布局。不試圖優(yōu)化的主要原因是優(yōu)化通常基于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，離子遷移膜體系商品遠(yuǎn)未成熟，這樣的體系不能可靠地估計(jì)成本。參看圖1，本實(shí)施例的燃料僅作為燃料氣流11加到過(guò)程中。此外，還可不考慮氣流17，也就是說(shuō)，氣流16和18是相同的。此外，氮并不作為副產(chǎn)品，從用解壓閥23減少保留氣流8的多余壓力之后得到的保留氣流36與從廢氣流29取出的氣流30混合。但是，通常，降低保留氣流8的壓力，或者在換熱器33上游向保留氣流8加入氣流30都不是有效的。由于廢氣流22不含一氧化碳和氫氣，所以不安裝后燃室26。實(shí)施例依據(jù)下游過(guò)程需要以5百萬(wàn)英國(guó)熱量單位(BTU)/小時(shí)輸入熱量。</tables>psia絕對(duì)磅/平方英寸SCFH標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時(shí)圖2是與圖1相似的示意圖，該圖說(shuō)明了使用催化后燃燒室的另一種更有效的方法。在操作中，含有元素氧的原料氣流41，通常是空氣，在鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)42中壓縮到較低的壓力，從而得到壓縮的原料氣流43，該氣流以逆向熱廢氣流40和產(chǎn)物氮?dú)饬?4在換熱器73中加熱，得到溫的原料氣流44。氣流70可由溫的原料氣流44分出來(lái)，并可在還可有的后燃室49中使用，留下的原料氣流74還可在加熱器75中被加熱，得到熱原料氣流45。然后，熱原料氣流45進(jìn)入離子遷移組件46的進(jìn)料面，組件46使用了有保留面47a和滲透面47b的離子遷移膜47。在離子遷移組件46中除去在熱原料氣流45中的一部分氧，出來(lái)的氣流48變成相對(duì)于原料氣流41來(lái)說(shuō)富含氮的氣流。用含有燃燒產(chǎn)物的吹洗氣流79吹洗離子遷移膜47的滲透面47b。滲透氣流50含有氧，該氣流50以后與燃料氣流51混合。還可向氣流50加入空氣、氧氣或富氧空氣流52。燃燒氣流53在通過(guò)還可有的鼓風(fēng)機(jī)(未繪出)后進(jìn)入燃燒室或爐54。任選地或除燃料氣流51之外，或代替燃料氣流51，燃料氣流55可直接加入燃燒室54。在燃燒室或爐54中，熱量轉(zhuǎn)移給爐料或傳熱表面。通過(guò)在接近化學(xué)計(jì)算量的條件或略微富含燃料的條件下操作燃燒室54，可以使廢氣流56中的氧濃度保持在低的水平。來(lái)自燃燒室54的廢氣流56可分成兩部分，氣流57和氣流58。氣流58用在下游過(guò)程59中，該過(guò)程要求輸入熱量，來(lái)自下游過(guò)程59的較冷的廢氣流60也可以分成兩部分，廢氣流61和廢氣流62。可向廢氣流61中加入燃料氣流65，得到氣流78?？蓪饬?8加到氣流57中，得到氣流79，氣流79進(jìn)入離子遷移組件46，并用于吹洗離子遷移組件47的滲透壁47b。廢氣流62還可分成兩部分，熱的廢氣流40和氣流77。如上所述，在換熱器73中使用熱的廢氣流40，以加熱壓縮的原料氣流43，得到廢氣流74。如果氮不作副產(chǎn)品使用，如果廢氣流77的溫度足夠高的話(huà)，氣流77可與富氮保留氣流48混合在一起。這個(gè)步驟的原因是通過(guò)在后燃室69中經(jīng)燃燒除去廢氣流62中任何未反應(yīng)的燃料，并產(chǎn)生提高換熱器73效率的熱能。保留氣流48可能處于比廢氣流77有更高的壓力，在將保留氣流48與氣流77混合得到氣流80之前，可能需要用膨脹閥63釋放保留氣流48的多余壓力，以得到保留氣流76。將氣流80送入還可有的后燃室69，在那里還可加入氣流70，得到熱廢氣流39。在這種情況下，人們需要確定氣流80含有足夠的燃燒用氧，以便進(jìn)行完全燃燒。如上所述，來(lái)自溫原料氣流44的氣流70可任選地加入到后燃室69中，以確保完全燃燒。應(yīng)該注意，將來(lái)自離子遷移組件46與下游過(guò)程59的廢氣混在一起，增加了混合流的流量。這就提高了在換熱器73中的容量比，并提高了向壓縮原料氣流43傳熱效果。如果使用了后燃室69，產(chǎn)物氣流64將含有氧氣(過(guò)量使用以保證完全燃燒)和燃燒產(chǎn)物，產(chǎn)物氣流64通常作為廢氣流廢棄。正如圖1所示的本發(fā)明的具體實(shí)施方案的情況，在離子遷移組件46中使用貧氧的吹洗氣流79將大大降低離子遷移組件47的滲透面47b上的氧分壓，并能夠使氧通過(guò)膜47迅速遷移。為了達(dá)到本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，燃料氣流51、55和65能夠在圖2示出的任何點(diǎn)或所有點(diǎn)加入到本方法布局中，使用至少一條燃料氣流對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)是必不可少的。像以前一樣，可能希望在離子遷移組件46的上游加燃料氣流65，以大大降低離子遷移膜47的滲透面47b上的氧分壓。由于燃料燃燒，這還會(huì)導(dǎo)致在離子遷移組件46中產(chǎn)生一些熱量，因此抵消了氧遷移過(guò)程中需要的一些熱量。在這種情況下，從離子遷移組件46出來(lái)的富氮?dú)饬?8可能變得更熱，這樣會(huì)使在換熱器73中傳熱更有效，從而減少了熱交換所需的面積，可能去掉在離子遷移組件46上游的加熱器75。如果在離子遷移組件46中，在離子遷移組件47的吹洗或滲透面47b上能燃燒足夠的燃料的話(huà)，還可去掉分開(kāi)的燃燒室54，也就是說(shuō)，離子遷移組件46還可用作燃燒室(如圖3所述)。在這樣一種情況下，可以使系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，成本也大大降低。正如圖1所示的本發(fā)明具體實(shí)施方案的情況，用稍富含燃料的混合物操作燃燒室54可能是有利的，因?yàn)檫@將導(dǎo)致加入滲透氣流50的燃料部分氧化，從而產(chǎn)生含有氫氣和一氧化碳的廢氣流56。如上所述，氣流57還可用于吹洗離子遷移組件47的滲透面47b，并且離子遷移組件46中氫氣的存在將導(dǎo)致離子遷移組件47的吹洗面47b上的氧分壓特別低，這會(huì)使氧通過(guò)離子遷移組件47更迅速遷移。燃燒室54使用富含燃燒的原料產(chǎn)生了作為過(guò)程循環(huán)一部分的氫氣。如上所述，如果一氧化碳和氫氣濃度足夠高，安裝后燃室69(可能是催化的)燒盡一氧化碳和氫氣是可能的。圖3是說(shuō)明本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖，其中燃燒室與離子遷移組件集成，也就是說(shuō)，離子遷移組件本身就作為燃燒室使用。在操作中，含有元素氧的原料氣流81，通常是空氣，在鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)82中壓縮到較低的壓力，得到壓縮原料氣流83，氣流83在換熱器113中以逆向熱的廢氣流116和產(chǎn)物氮?dú)饬?3加熱，得到溫的原料氣流95。由溫的原料氣流95分出氣流110，并用在還可有的后燃室109中，留下原料氣流84，氣流84還可在加熱器114中加熱，得到熱的原料氣流85。然后熱原料氣流85進(jìn)入使用離子遷移膜87的離子遷移組件86的進(jìn)料面，離子遷移膜87有一個(gè)保留面87a和一個(gè)滲透面87b。在離子遷移組件86中除去在熱原料氣流85中的一部分氧，出來(lái)的氣流88成為相對(duì)于原料氣流81來(lái)說(shuō)富氮的氣體。用含有燃燒產(chǎn)物和燃料的吹洗氣流89吹洗離子遷移膜87的滲透面87b。滲透氣流90含有氧，還可向氣流90加入空氣流92，得到氣流98。通過(guò)在接近化學(xué)計(jì)算量的或稍富含燃料的條件下操作離子遷移組件-燃燒室86，可以將廢氣流90中氧的濃度保持在低水平。氣流98用在下游過(guò)程99中，該過(guò)程需要輸入熱量，來(lái)自下游過(guò)程99的較冷的廢氣流100也可以分成兩部分，廢氣流101和廢氣流102。優(yōu)選地，可向廢氣流101中加入燃料氣流105，得到氣流89，它進(jìn)入離子遷移-燃燒室組件86，并用于吹洗離子遷移膜87的滲透面87b。廢氣流102還可分成兩部分，熱的廢氣流116和氣流115。如上所述，在換熱器113中使用熱的廢氣流116，以加熱壓縮的原料氣流83，得到廢氣流117。如果氮不用作副產(chǎn)品，如果廢氣流115的溫度足夠高的話(huà)，氣流115可與富氮保留氣流88混合在一起。實(shí)施這個(gè)步驟的原因是通過(guò)在后燃室109中燃燒除去在廢氣流102中任何未反應(yīng)的燃料，并產(chǎn)生熱量，以提高熱交換器113的效率。保留氣流88可能處于比廢氣流115更高的壓力，在它與氣流115混合產(chǎn)生氣流119之前可逆需要用膨脹閥103釋放保留氣流88的多余壓力，以產(chǎn)生保留氣流118。氣流119還可進(jìn)入后燃室109，其中還可加入氣流110，得到熱的廢氣流93。在這種情況下，人們需要確定氣流119含有足夠燃燒用氧，以進(jìn)行完全燃燒。如上所述，來(lái)自溫的原料氣流95的氣流110還可被加入到后燃室109中，以保證完全燃燒。應(yīng)該注意，將來(lái)自離子遷移-燃燒室組件86與下游過(guò)程99的廢氣混在一起就增加了組合氣流的流量。這就提高了換熱器113的容量比，提高了向壓縮原料氣流83的傳熱效果。如果使用了后燃室109，氣流94將含有氧氣(過(guò)量使用以保證完全燃燒)和燃燒產(chǎn)物，氣流94通常作為廢氣流廢棄。在圖3具體實(shí)施方案中，在離子遷移-燃燒室組件86中產(chǎn)生的反應(yīng)熱以對(duì)流和/或輻射傳熱方式從燃燒室除去和或消耗在燃燒室中。例如，離子遷移膜87可以呈管狀，反應(yīng)性的吹洗氣流89在該管內(nèi)流動(dòng)。因?yàn)樵诔使軤畹碾x子遷移膜87的吹洗面87b上產(chǎn)生的熱量，管應(yīng)處于高溫，并作為加熱元件起作用。離子遷移膜87管向保留面87a或滲透面87b輻射，其中可以進(jìn)行如玻璃熔化或金屬退火之類(lèi)的過(guò)程。另外，一部分在離子遷移組件86中產(chǎn)生的熱量可以用來(lái)預(yù)熱壓縮原料氣流85和吹洗氣流89，這可能免去對(duì)換熱器113和加熱器114的需要。應(yīng)注意在這種情況下，在離子遷移膜87的滲透面87b(也就是說(shuō)，有氧化性氣體的面)上放置爐負(fù)載。還可能的是將離子遷移-燃燒室組件與煙道(爐)氣內(nèi)循環(huán)集成。如果爐和離子遷移-燃燒室組件在大致相同的溫度(例如800-1200℃)下操作時(shí)，那么可以把離子遷移-燃燒室組件可直接地放在爐內(nèi)，只要爐的氣氛是“清潔的”，即不含有任何對(duì)離子遷移膜有害的物質(zhì)。一種實(shí)施這種思想的方法示于圖4，在該圖中離子遷移過(guò)程、燃燒室和下游過(guò)程都集成在單個(gè)單元中。原料流132如加熱的空氣射向膜120的陰極面120a，得到熱的貧氧的保留氣流134如氮?dú)?。在離子遷移膜120的滲透面或陰極面120b上示出了下游過(guò)程130(例如爐負(fù)載)。在這種布局中，燃料氣流121在靠近滲透面120b的地方加入，因此掃凈和/或有效地消耗通過(guò)離子遷移膜120遷移的氧氣。在熱區(qū)域138中的燃燒產(chǎn)物可能通過(guò)自然對(duì)流或強(qiáng)制的對(duì)流方式在爐中對(duì)著陽(yáng)極面120b循環(huán)；對(duì)于圖4所示的布局，優(yōu)選地以流146a從如用剖面表示的爐130得到燃燒產(chǎn)物流146，和燃料氣流121還可通過(guò)多孔的燃料分配器層122加入，而該分配器層與離子遷移膜120的滲透面120b相鄰。優(yōu)選地，分配器層122限定了至少一個(gè)通道或室，使得燃料比較均勻地分配通過(guò)膜120。含有氧和燃燒產(chǎn)物的反應(yīng)滲透物136向著爐130通過(guò)熱區(qū)域138。優(yōu)選地，一部分熱氮?dú)?40通過(guò)閥142為爐130上方提供惰性氣氛。如需要的話(huà)，還可以往爐130補(bǔ)加燃料144。在另一種結(jié)構(gòu)中，離子遷移膜120是在爐130外面的分開(kāi)組件。在外部或集成結(jié)構(gòu)中，可以建立兩-級(jí)離子遷移體系，其中用來(lái)自第一級(jí)的保留氣流吹洗第一級(jí)的陽(yáng)級(jí)面，得到稀釋的氧滲透氣流，而第二級(jí)的陽(yáng)極面經(jīng)反應(yīng)性地吹洗，得到富含燃料的滲透氣流。對(duì)于在爐氣氛中使用或不使用熱的氮保留氣流的情況，這兩種滲透氣流都在爐中用于燃燒。當(dāng)爐的峰值溫度比離子遷移操作溫度高得多時(shí)，對(duì)于離子遷移操作可以選擇有“合理”溫度的爐子區(qū)域(例如連續(xù)再加熱爐的預(yù)熱部分)，或可以建立具有控制溫度的合適熱阱的特定室。例如在鍋爐應(yīng)用或石油加熱器中，使用爐的熱載荷(即水或油管)得到離子遷移組件的最佳溫度區(qū)域應(yīng)該是可行的。大量煙道氣可通過(guò)這個(gè)區(qū)域循環(huán)，連續(xù)地吹洗氧氣，并使氧氣濃度保持在低水平上。低氧氣濃度和高的爐氣循環(huán)達(dá)到了與稀的氧氣燃燒方法的協(xié)同作用。本發(fā)明的集成方法有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，可以通過(guò)使用吹洗的廢氣流從低壓原料氣流提取用于OEC的氧氣，這應(yīng)該使氧氣分離方法需要較低的電能。因?yàn)閮H氧氣通過(guò)離子遷移膜，流出離子遷移組件的吹洗氣流不加任何氮?dú)?。即使往燃燒混合物加入空氣，或者有意?例如任選地氣流12)，或者由于滲漏，燃燒混合物中的氮部分應(yīng)是很少的。這應(yīng)該使在燃燒室中生成NOx減至最小或不生成NOx。另外，下游過(guò)程前后產(chǎn)生的廢氣經(jīng)適當(dāng)混合，有可能將吹洗進(jìn)口溫度控制在離子遷移過(guò)程所要求的溫度。這樣可以自由地去除對(duì)預(yù)熱吹洗氣體的需要。此外，如果可以在離子遷移組件中可燃燒所有的燃料，則可以不設(shè)置分開(kāi)的燃燒室單元。這樣應(yīng)使體系大大簡(jiǎn)化，使成本大大降低。而且，如果從離子遷移組件中的原料氣流中除去足夠的氧氣，那么來(lái)自離子遷移組件的富氮保留氣流可以用作產(chǎn)品。如果加一些燃料，如燃料氣體流11，這將可能是非常誘人的。如果希望氮作為副產(chǎn)品，將原料氣流壓縮到提供氮產(chǎn)品所要求的壓力可能是有利的。但是，在這種情況下，來(lái)自離子遷移組件的保留氣流可不與來(lái)自下游過(guò)程的廢氣流混合。在這種情況下，可以安裝分離的換熱器，以回收廢氣流的熱量，或可能不打算回收任何熱量，因?yàn)橥ǔU氣流比保留氣體流少得多，也冷得多。因此，使用吹洗氣流降低了在離子遷移膜的滲透面上的氧濃度。從材料觀點(diǎn)來(lái)看，降低的氧濃度使得在吹洗面上離子遷移組件和下游組件(例如燃燒室)的設(shè)計(jì)變得容易得多。沒(méi)有吹洗氣流時(shí)，在離子遷移膜的滲透面上基本上得到純氧氣。這對(duì)安全操作這樣高純度氧氣流提出了很大的挑戰(zhàn)，特別是在高溫下。另外，采用很多技術(shù)可容易地控制吹洗廢氣流中的氧濃度例如改變?cè)蠚饬鞯牧髁?、改變清洗氣流的流?提高燃燒產(chǎn)物循環(huán))、改變離子遷移組件的操作溫度、或改變離子遷移級(jí)的膜面積。這些技術(shù)在控制分離出的氧的總量方面也是有效的，還能用于負(fù)載跟縱的目的。最后，使用離子遷移分離器會(huì)不需要獨(dú)立的氧發(fā)生器(例如，PSA)，或供氧系統(tǒng)(例如液槽與蒸發(fā)器)。預(yù)料這會(huì)使投資成本與生產(chǎn)氧的成本大大降低。圖5示出了尤其針對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案。將原料流或空氣232預(yù)熱到約500-1000℃適當(dāng)溫度。原料流或空氣優(yōu)選地含有較高的氧濃度，典型地高于15％的氧。然后將原料流或空氣232引入到離子遷移膜220的保留面220a，通過(guò)滲透面220b到達(dá)滲透室238，它與主燃燒室或爐230相連接。主燃燒室的溫度由加熱過(guò)程的需要所決定，可以高于或低于滲透室238的溫度。爐230中產(chǎn)生的大部分煙道氣作為氣流246循環(huán)到滲透室238中。氣流246使離子遷移膜220的滲透面220b中的氧濃度變低，并提高了通過(guò)離子遷移膜220的氧流。作為一種選擇，燃料氣流221可以加到滲透室238，以降低循環(huán)氣流246的氧濃度，和/或反應(yīng)性地吹洗滲透面220b，還提供熱以使保留面上的空氣溫度升高。滲透室238還可分成兩級(jí)離子遷移膜體系，在第一級(jí)使用反應(yīng)性吹洗，而第二級(jí)使用煙道氣吹洗(未繪出)。優(yōu)選以高速注入燃料氣流221，通過(guò)高速?lài)娚涞奈胱饔?，使?lái)自爐230的熱煙道氣流246適當(dāng)循環(huán)起來(lái)。使熱煙道氣流循環(huán)起來(lái)的其他方法包括(但不限于)使用循環(huán)風(fēng)扇，和使用壓縮煙道氣或氣流的噴射器。除了內(nèi)循環(huán)氣流246之外，或代替內(nèi)循環(huán)氣流246，可以使用外循環(huán)氣流248。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，來(lái)自爐230的煙道氣流247在換熱器260中被冷卻，冷卻端的氣流248壓縮后注入第一個(gè)室238中，帶動(dòng)熱煙道氣流246適當(dāng)循環(huán)。許多工業(yè)爐都可采用這種方法，如金屬熱處理、鋼的再加熱、玻璃熔化和鋁熔融爐等，而特別適合產(chǎn)生蒸汽的鍋爐和處理流體的加熱爐，如石油加熱器、裂解爐和蒸汽-甲烷重整爐。在本發(fā)明下面描述中，描述了產(chǎn)生蒸汽的方法。但是，這不能認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明應(yīng)用的限制。吹洗氣流優(yōu)選地含有低濃度氮，它通過(guò)轉(zhuǎn)移到達(dá)離子遷移膜的滲透面，形成氧化氣流236，該氣流236含有1-40％氧，優(yōu)選地是2-15％氧，更優(yōu)選地是3-10％氧。離子遷移膜220有效地構(gòu)成兩個(gè)有相同或不同壓力的反應(yīng)性面積的面，有第一種壓力的保留面220a，和有第二種壓力的滲透面220b。第一種壓力與第二種壓力的比小于4.78，優(yōu)選地是0.5-4.0，更優(yōu)選地是0.8-2.0，最優(yōu)選地是0.9-1.5。在從空氣分離氧的一般方法中，使用混合導(dǎo)體離子遷移膜體系，原料空氣必須壓縮到最小壓力為4.78大氣壓，以便在保留面中氧的分壓達(dá)到1個(gè)大氣壓。因此，為了在滲透面中得到1個(gè)大氣壓的純氧，理論上最小壓力比是4.78是需要的。為了產(chǎn)出通過(guò)膜的高氧流，實(shí)際的體系需要壓力比為10-30，以便達(dá)到氧分壓比為2-6。將原料空氣壓縮到10-20個(gè)大氣壓需要強(qiáng)大的電能。低壓力比對(duì)降低壓縮原料空氣所需要的電能是有利的。在理想化的體系中，第一種壓力與第二種壓力這兩者是相等的，并都是大氣壓力，這樣將需要的電能和在保留面220a與滲透面220b之間的可能氣體泄漏都降至最低。在這樣一種方法中，對(duì)原料空氣和吹洗氣體流的壓力要求僅是要克服使氣體流過(guò)離子遷移膜組件和爐時(shí)的正常壓力降。應(yīng)該指出，本發(fā)明允許氧滲透通過(guò)離子遷移膜，甚至壓力比小于1時(shí)也是如此，即保留面的壓力低于滲透面的壓力。這是因?yàn)檠鯘B透由保留面的氧分壓與滲透面的氧分壓的比來(lái)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)讓滲透面中的氧分壓保持較低，有可能達(dá)到氧分壓比大于2，同時(shí)保持總壓力比接近或小于1。在這樣一種條件下，因陶瓷膜管密封不良或因陶瓷膜管裂紋所引起的氣體泄漏，從滲透面流到保留面，并防止氮滲透到爐230中。為了減少生成NOx和保持在煙道氣中CO2高濃度，可取的是將在爐中的氮濃度保持在10％以下。在滲透室238中，燃料噴射流還可用于將來(lái)自爐230的熱煙道氣體循環(huán)到滲透室238中。蒸汽噴射或其他氣體噴射，例如壓縮的冷煙道氣流248，可以用來(lái)提供附加的吹洗氣體，并使煙道氣容易通過(guò)噴射泵循環(huán)。噴射的燃料與再循環(huán)煙道氣中含有的氧與從離子遷移膜管滲透出來(lái)的氧反應(yīng)，因此降低了滲透室238中的氧濃度，還產(chǎn)生了熱量。鍋爐管、蒸汽過(guò)熱器管和/或蒸汽再加熱管還可安裝在滲透室238中作為熱阱，以控制該滲透室的溫度。通過(guò)控制原料空氣232的流量，注入該滲透室238中燃料221的流量和再循環(huán)熱煙道氣246的量，可將滲透室238中的膜管溫度優(yōu)選地保持在最佳膜溫度，典型地是600-1000℃。在由燃料燃燒產(chǎn)物221、通過(guò)離子遷移膜220轉(zhuǎn)移的氧和再循環(huán)煙道氣246組成的氧化劑混合物236中的平均氧濃度，在滲透室238出口可以控制在1-40％的氧，優(yōu)選地是2-10％，更有選地是3-10％的氧。這種混合物循環(huán)到燃燒室230，優(yōu)選地是不經(jīng)冷卻循環(huán)到燃燒室230。通過(guò)離子遷移膜管保留面的空氣流和在滲透面中的燃料氣流/煙道氣流以逆流方式按排，以便使通過(guò)離子遷移膜管的氧流最大。為了提高氧在離子遷移膜中滲透速率，一般最好使在滲透面220b中的氧濃度較低。但是，體積很大的煙道氣必須循環(huán)，以保持這種低的氧濃度。因此，上述范圍是可取的。在爐230中，注入燃料244，并與來(lái)自滲透室238的稀釋氧氣流236混合，為的是蒸汽鍋爐輻射部分以通常的方式燃燒得到蒸汽。如H.M.Ryan等人在《稀釋氧燃燒的燃燒器在高溫爐應(yīng)用中的進(jìn)展(DevelopmentofDiluteOxygenCombutionBurnerforHighTemperatureFurnaceApplications)》，第四次技術(shù)與燃燒或清潔環(huán)境國(guó)際會(huì)議錄，1997年7月7-10日中描述的稀釋氧燃燒法，美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5076779公開(kāi)了可達(dá)到低NOx排放而熱效率又很高的優(yōu)選燃燒方法。優(yōu)選地，在爐230中產(chǎn)生的50-98％煙道氣循環(huán)到滲透室238，而余下部分循環(huán)到對(duì)流換熱設(shè)備260，以便產(chǎn)生、過(guò)熱和再加熱蒸汽和加熱加料水。煙道氣流249還可通過(guò)冷凝換熱器264，以回收煙道氣中的水蒸汽潛熱。由于在冷卻的煙道氣流263中降低的顯熱，除了效率提高之外，對(duì)于天然氣燃燒，全部回收煙道氣中的水蒸汽潛熱提供理論上能量改進(jìn)約10％。由于在煙道氣中高濃度水蒸汽，對(duì)于回收潛熱，氧的燃燒比空氣燃燒具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。例如，在天然氣-氧燃燒的煙道氣中水蒸汽濃度是約65％，露點(diǎn)是約88℃。將煙道氣冷卻到49℃時(shí)，水蒸汽濃度降低到13％(體積)。可冷凝約93％水蒸汽。比較起來(lái)，在天然氣-空氣燃燒的煙道氣中水蒸汽濃度是約18％，露點(diǎn)是約58℃。將煙道氣冷卻到約49℃時(shí)，約41％水蒸汽可被冷凝。要冷凝約77％天然氣-空氣燃燒中的水蒸汽，需要進(jìn)一步冷卻到32℃。因此，當(dāng)將高氫/碳原子比的天然氣或燃料與氧一起燃燒時(shí)，可使在煙道氣中含有的未預(yù)料到的大部分水蒸汽被冷凝。通過(guò)冷凝水蒸汽，煙道氣體積進(jìn)一步降低，還得到可用于回收和生產(chǎn)二氧化碳的富含二氧化碳的氣流。來(lái)自保留室的富含氮的熱氣流234通過(guò)對(duì)流換熱器單元261，以加熱原料水，并且還可提供蒸汽產(chǎn)生、過(guò)熱或再加熱所需要的熱量。另外，如圖1-3所示，可以使用這種熱氣流234預(yù)熱原料空氣。使用兩級(jí)離子遷移膜體系，其中在第一級(jí)有反應(yīng)性吹洗，而第二級(jí)有煙道氣清洗，可以生產(chǎn)出高純度的氮?dú)饬?。還可以在換熱器(未繪出)中用熱的煙道氣流247和/或通過(guò)將空氣加熱管放在爐230中和/或放在滲透室238中間接地加熱原料空氣流232。另外，可以使用在線(xiàn)燃燒室(未繪出)將空氣加熱到更高的溫度。盡管在線(xiàn)加熱導(dǎo)致原料空氣流232的氧濃度降低，因此降低氧流的驅(qū)動(dòng)力，但直接的在線(xiàn)加熱體系需要的投資成本比間接加熱體系大大降低。表IV和V表明了在圖5中描述的集成的離子遷移膜-燃燒方法的規(guī)格。在上述實(shí)施例中，將大量熱煙道氣循環(huán)使膜的滲透面中的氧濃度保持在7.43％，這有助于增加通過(guò)膜的氧流，而未將空氣原料流壓縮到高壓。通過(guò)在離子遷移膜220中采用反應(yīng)性吹洗步驟生產(chǎn)高純度氮?dú)猓谠峡諝饬?32中含的基本上所有的氧滲透通過(guò)離子遷移膜220，并用于與燃料流221和244一起燃燒。與表II中示出的前述實(shí)施例中165400SCFH相比，空氣原料流量是44290SCFH。空氣加料速率的大大降低使加熱原料空氣所需要的熱量降低，使原料空氣送風(fēng)機(jī)所需要的能量也降低。在這個(gè)實(shí)施例中需要的送風(fēng)機(jī)能量是9.3kw，以離子遷移膜分離出11740SCFH氧，相應(yīng)于每100SCFH氧為0.079kw。比較起來(lái)，前述實(shí)施例消耗58kw能量生產(chǎn)出11600SCFH氧，相應(yīng)于每100SCFH氧為0.5kw。應(yīng)該指出，現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平的空氣分離技術(shù)消耗約0.8kw能量以生產(chǎn)出100SCFH的氧純度為90-95％的1個(gè)大氣壓的工業(yè)級(jí)氧。因此，本發(fā)明集成的離子遷移膜-燃燒方法降低了分離空氣用于氧燃燒的能量達(dá)90％。本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施方案提供一種方法，其中在圖6描述的雙-膜室燃燒方法的反應(yīng)性吹洗離子遷移膜室中不使用任何循環(huán)煙道氣。圖5和6中某些共同的特征在這里不再重述，而共同特征可參看圖5實(shí)施方案的說(shuō)明。在圖6中，來(lái)自第一個(gè)保留室的富含氮?dú)獾臒崃饕氲皆诘诙€(gè)保留室370中的離子遷移膜372的第二個(gè)保留面372a。氧滲透通過(guò)離子遷移膜372的第二個(gè)滲透面372b，進(jìn)入第二個(gè)滲透室350，其中可達(dá)到反應(yīng)性吹洗高氧流，甚至氮原料流334含有低濃度氧時(shí)也是如此。將燃料流355注入第二個(gè)滲透室350，與來(lái)自離子遷移膜370的第二個(gè)滲透面372b的氧流進(jìn)行反應(yīng)，從而生成熱的合成氣流373，它是一種含有如氫氣和一氧化碳之類(lèi)可燃?xì)怏w的氣流。任選地，循環(huán)的煙道氣或氣流356還可注入第二個(gè)滲透室350以調(diào)節(jié)溫度。將熱的合成氣流373加入爐330中，與來(lái)自第一滲透室338的熱氧化氣流336混合，它提供燃燒用的氧氣。任選地，補(bǔ)加的空氣或氧氣流357還可注入爐330中，以燃燒熱的合成氣流373，并為該方法提供熱量。當(dāng)富氮?dú)饬?34通過(guò)第二個(gè)保留面372a時(shí)，使它得到富集，這里當(dāng)該氣流通過(guò)第二個(gè)離子遷移膜372進(jìn)入第二個(gè)滲透室350時(shí)除去了氧氣，并生成了高純度氮?dú)饬?65。然后，高純度氮?dú)?65通過(guò)對(duì)流換熱單元361，以回收冷的氮?dú)饬?62以提供使用或進(jìn)一步處理。應(yīng)該指出，這種方法的許多變通方法可能都在上面所討論方法布局的精神之中。例如，使用來(lái)自下游過(guò)程的廢氣流加熱原料氣流可能是有利的。還可能把一些空氣加到從離子遷移組件流出的吹洗氣流中。對(duì)于啟動(dòng)操作或?yàn)榱素?fù)載跟縱目的，這可能是特別有希望的。另外，盡管這里描述的方法是混合導(dǎo)體壓力驅(qū)動(dòng)離子遷移膜的方法，但是該發(fā)明的概念也可應(yīng)用于以帶有外流返回的壓力-或電-驅(qū)動(dòng)方式操作的基本離子導(dǎo)體。最后，盡管在圖1中描述了逆流的氧分離方法，但是也可以采用同流或錯(cuò)流方式實(shí)施同樣的方法。如前面所提到的，術(shù)語(yǔ)“固體電介質(zhì)離子導(dǎo)體”、“固體電介質(zhì)”、“離子導(dǎo)體”和“離子遷移膜”在這里用來(lái)表示離子型(電方法-驅(qū)動(dòng))體系或者混合導(dǎo)體型(壓力驅(qū)動(dòng))體系，除非另外說(shuō)明。如這里使用的術(shù)語(yǔ)“氮”通常是表示貧氧的氣體，即相對(duì)于原料氣是貧氧的。如前面所討論的，離子遷移膜僅允許氧滲透。因此，保留物的組成將取決于原料氣的組成。原料氣中要貧化氧，但要保留氮和原料氣中任何其他的氣體(例如，氬)。如這里所討論的，在按照本發(fā)明使用該術(shù)語(yǔ)的上下文中，這個(gè)術(shù)語(yǔ)對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很清楚的。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“元素氧”表示未與元素周期表中任何其他元素結(jié)合的氧。當(dāng)?shù)湫偷貫殡p原子時(shí)，元素氧包括單氧原子，三原子臭氧，和其他未與其他元素結(jié)合的形式。術(shù)語(yǔ)“高純度”是指含有5％(體積)以下的不需要?dú)怏w產(chǎn)品氣流。優(yōu)選地，產(chǎn)品是至少98.0％純的，更優(yōu)選地是99.9％純的，最優(yōu)選地是至少99.99％純的，其中“純的”是指不存在不需要的氣體?！白儔何健保础癙SA”體系是指使用吸附材料的體系，這種材料對(duì)于一種要從其他氣體中分離的氣體，典型地為氮，是選擇性的。這樣一些材料包括速率-選擇性PSA材料，這些材料通常是含碳的，并提供高壓氮與低壓氧；平衡-選擇PSA材料，它們通常是含鋰的，并提供低壓氮與高壓氧。僅為方便起見(jiàn)，一個(gè)或多個(gè)附圖中顯示出本發(fā)明的特征，如每個(gè)特征可與本發(fā)明其他特征組合起來(lái)。另外，對(duì)實(shí)施例可作出各種改變或修改，但不會(huì)超出本發(fā)明的精神。這樣一些修改可包括使用變壓與變熱吸附床或其他大量氧分離的方法，以提供前面討論的聚合膜的功能。本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員將會(huì)理解另外的實(shí)施方案，這些都包括在權(quán)利要求書(shū)中。權(quán)利要求1.一種使用氧化劑與低濃度氮的燃燒方法，其中包括(a)將含氧的氣體引入離子遷移組件中，該組件包括離子遷移膜，該膜有帶第一壓力的保留面和帶第二壓力的滲透面，并構(gòu)成滲透室，以分離在滲透面上純化的氧氣流，并相應(yīng)地在保留面上貧化氧，以產(chǎn)生貧氧氣流；(b)讓含有低濃度氮的吹洗氣流通過(guò)滲透面，得到含有約40％以下氧的氧化性氣流；以及(c)然后將所述的氧化性氣流和燃料引入燃燒室，以產(chǎn)生熱量和燃燒產(chǎn)物。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒方法，其中所述的含氧氣體是空氣。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒方法，其中所述的第一壓力與所述的第二壓力之比小于4.78。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒方法，其中所述的氧化性氣流含有1-40％氧。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒方法，其中所述的吹洗氣體含有10％以下的氮。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒方法，其中所述保留面與所述滲透面的氧分壓比大于2，在所述保留面與所述滲透面上的總壓力比小于1。7.一種使用具有低濃度氮的氧化劑的燃燒方法，其中包括(a)將含氧的氣體引入離子遷移組件中，該組件包括第一個(gè)和第二個(gè)離子遷移膜，所述第一個(gè)遷移膜有帶第一保留壓的第一保留面，和帶第一滲透壓的第一滲透面，并構(gòu)成第一個(gè)滲透室，以分離在第一滲透面上的第一種純化的氧氣流，并相應(yīng)地在第一保留面上貧化氧，以產(chǎn)生貧氧氣流；(b)將所述的第一貧氧氣流引入所述的第二種離子遷移膜中，該膜有帶第二保留壓的第二保留面，和帶第二滲透壓的第二滲透面，并構(gòu)成第二個(gè)滲透室，以分離在第二種滲透面上的第二純化的氧氣流，并相應(yīng)地在第二保留面上貧化氧，以產(chǎn)生貧氧氣流；(c)使含有低濃度氮的第一吹洗氣流通過(guò)所述第一滲透面，以得到含有約40％以下氧的氧化性氣流；(d)使含有燃料和低濃度氮的第二吹洗氣流通過(guò)所述第二滲透面，以得到合成氣流；以及(e)將所述的氧化性氣流、所述合成氣流引入燃燒室，以產(chǎn)生熱量和燃燒產(chǎn)物。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃燒方法，其中還包括回收氮?dú)狻?.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃燒方法，其中所述的含氧氣體是空氣。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃燒方法，其中所述第一保留壓與所述第一滲透壓與所述第一種滲透壓力的比小于4.78。全文摘要一種使用有低濃度氮的氧化劑的燃燒方法或部分氧化方法。將含氧的氣體引入離子遷移組件中,該組件包括離子遷移膜,該膜有帶第一壓力的保留面和帶第二壓力的滲透面,以分離在滲透面上的純化的氧氣流,并相應(yīng)地在保留面上貧化氧,以得到貧氧氣流。讓含有低濃度氮的吹洗氣流通過(guò)滲透面,以得到含有約40%以下氧的氧化性氣流。將所述的氧化性氣流和燃料引入燃燒室或反應(yīng)室,以產(chǎn)生熱量和燃燒產(chǎn)物或部分氧化產(chǎn)物。文檔編號(hào)C01B13/02GK1269488SQ00104819公開(kāi)日2000年10月11日申請(qǐng)日期2000年3月27日優(yōu)先權(quán)日1999年3月29日發(fā)明者H·科巴雅施申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司