DE69808218T2

DE69808218T2 - Verfahren mit festen elektrolytischen Ionenleitern zur Erzeugung von Sauerstoff, Stickstoff und/oder Kohlendioxid für Gasturbirnen

Info

Publication number: DE69808218T2
Application number: DE69808218T
Authority: DE
Inventors: Christian Friedrich Gottzmann; Ravi Prasad
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: EP0916386B1; DE69808218D1; JPH11221421A; AU9243998A; CA2254128A1; BR9804689A; ES2180109T3; EP0916386A1; JP3411838B2; CN1217586A; US5976223A; ID21356A; KR19990045223A; CA2254128C; ZA9810504B

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Festelektrolyt-Ionenleitermembranen in Gastrennsystemen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung von Ionentransportreaktoren zur Erzeugung thermischer Bedingungen, die für den Ionentransportseparatorbetrieb erwünscht sind, indem ein Brennstoffstrom mit transportiertem Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird, und auf die Bereitstellung verbesserter Verfahren für die Koproduktion von Energie und Sauerstoff und Stickstoff und/oder Kohlendioxid durch eine Integration mit einem Gasturbinen-Energiezyklus.

U.S. Government-Rechte

Diese Erfindung erfolgte mit der Unterstützung des United States Government unter dem Cooperative Agreement mit der Nr. 70NANB5H1065 und wurde durch das National Institute of Standards und Technology ausgezeichnet. Das United States Government verfügt an der Erfindung über bestimmte Rechte.

Hintergrund der Erfindung

Nicht kroygene Massensauerstoftlrennsysteme, beispielsweise Membransysteme aus organischen Polymeren, sind zum Abtrennen von ausgewählten Gasen aus Luft und anderen Gasgemischen verwendet worden. Luft ist ein Gemisch aus Gasen, das variierende Mengen an Wasserdampf enthalten kann und bei Meereshöhe die folgende annähernde Zusammensetzung aufweist: Sauerstoff (20,9 Vol.%), Stickstoff (78 Vol.%), Argon (0,94 Vol.%), wobei der Rest aus weiteren Spurengasen besteht. Es kann jedoch auch ein vollständig unterschiedlicher Membrantyp aus bestimmten anorganischen Oxiden angefertigt werden. Diese Festelektrolytmembrane werden aus anorganischen Oxiden hergestellt, die durch calcium- oder yttrium-stabilisiertes Zirconium und analoge Oxide mit einer Fluorit- oder Perovskit-Struktur typisiert sind.
Obgleich das Potenzial für diese Oxidkeramikmaterialien als Gastrennmembrane groß ist, bestehen in ihrer Verwendung bestimmte Probleme. Die offensichtlichste Schwierigkeit besteht darin, dass sämtliche der bekannten Oxidkeramikmaterialien eine merkliche Sauerstoffionenleitfähigkeit nur bei erhöhten Temperaturen aufweisen. Sie müssen üblicherweise bei einer Temperatur betrieben werden, die ausreichend über 500ºC und im allgemeinen in dem Bereich von 600ºC bis 900ºC liegt. Diese Begrenzung bleibt trotz ausführlicher Forschungen nach Materialien erhalten, die bei niedrigeren Temperaturen gut arbeiten. Die Festelektrolyt-Ionenleiter-Technologie ist ausführlicher in US-A-5 547 494, Prasad et al., mit dem Titel Staged Elektrolyte Membrane beschrieben, das hier als Referenz dient, um den Stand der Technik ausführlicher zu beschreiben. Die erhöhten Temperaturen des Betriebs lassen jedoch Ionentransportverfahren für eine Integration mit Hochtemperaturverfahren wie z. B. auf Dampf oder auf Gas basierende oder kombinierte Energiezyklen wirklich gut geeignet ausfallen.
Neuere Entwicklungen haben zum Erzeugen fester Oxide geführt, die Sauerstoffionen bei erhöhten Temperaturen leiten können, wenn ein chemisches Antriebspotential zugeführt wird. Diese druckbetriebenen Ionenleitermaterialien können als Membrane für die Extrahierung von Sauerstoff aus Sauerstoff enthaltenden Gasströmen verwendet werden, wenn ein ausreichendes Sauerstoffpartialdruck-Verhältnis benutzt wird, um das chemisches Antriebspotential bereitzustellen. Da die Selektivität dieser Materialien für Sauerstoff unendlich ist und Sauerstoffflüsse in einer Größenordnung erhalten werden können, die um ein Mehrfaches über denen von Polymermembranen liegen, entstehen attraktive Möglichkeiten für die Erzeugung von Sauerstoff sowie für Sauerstoff erfordernde Oxidationsverfahren und insbesondere mit Anwendungen, die erhöhte Temperaturen beteiligen. Ein bekanntes Beispiel sind Gasturbinenzyklen, die typischerweise eine signifikante Menge von überschüssiger Luft verarbeiten, um die Turbineneinlasstemperatur innerhalb zulässiger Grenzen für verfügbare Materialien zu halten und somit überschüssigen Sauerstoff für die Gewinnung als ein Nebenprodukt verfügbar machen.
Einige der Schlüsselprobleme, die bei dem Entwurf der Ionentransport-Membransysteme und ihrer Integration in einen Hochtemperaturzyklus wie z. B. eine Gasturbine angegangen werden müssen, beteiligen ein Maximieren der Antriebskräfte für den Ionentransport, ein Minimieren des Gasdiffusionwiderstands, das Vermeiden übermäßiger Beanspruchungen durch die thermische und zusammensetzungsbedingte Expansion und -kontraktion und das Abdichten der Ionentransportelemente innerhalb der Ionentransportvorrichtung. Das letztere Problem wird durch den Umstand erschwert, dass die Betriebstemperaturen der Ionentransportmembran in dem Bereich von 500ºC bis 1100ºC liegen.
Fortschritte beim Stand der Technik der Luftzerlegung unter Verwendung von Festelektrolyt-Ionenleitern sind in der technischen Literatur dargestellt worden. Zum Beispiel bezieht sich US-A-5 306 411, Mazanec et al., mit dem Titel Solid Multi-Component Membranes, Electrochemical Reactor Components Electrochemical Reactors und Use of Membranes, Reactor Components and Reactor for Oxidation Reactions, auf elektrochemische Reaktoren, um ein Sauerstoff enthaltendes Gas mit einem Sauerstoff verbrauchenden Gas zur Reaktion zu bringen, und beschreibt einen Mantel- und Röhren-Reaktor, wobei das Sauerstoff enthaltende Gas auf einer Seite der Festelektrolytmembran und das Sauerstoff verbrauchende Gas auf der anderen Seite strömt. Mazanec et al. setzen sich jedoch nicht mit Themen auseinander, die sich auf die Integration solcher Systeme mit einer Sauerstoffherstellung aus Gasturbinenzyklen, auf das Wärmemanagement zur Aufrechterhaltung der Membranoberflächen bei den erwünschten gleichförmigen Temperaturen, auf die Strömungsdynamik zur Bewerkstelligung eines effektiven Stofftransports oder auf den Bedarf nach einem Ausgleichen der Reaktionskinetik mit der Sauerstoffionenleitfähigkeit zur Aufrechterhaltung des geeigneten Sauerstoffpartialdrucks für die Materialstabilität beziehen.
US-A-5 565 017, Kang et al., mit dem Titel High Temperature Oxygen Production Steam und Power Generation, bezieht sich auf ein System, das eine Ionentransportmembran mit einer Gasturbine integriert, um Energie von dem Retentatgasstrom zu gewinnen, nachdem er erwärmt und Dampf zugeführt worden ist. Die Injektion von Dampf oder Wasser in den Ionentransport-Nichtpermeatstrom gleicht den Verlust der Sauerstoffmasse von dem Turbineneinsatzgasstrom aus.
US-A-S 562 754, Kang et al., mit dem Titel Production of Oxygenn By Ion Transport Membranes with Steam Utilization, offenbart ein System, das eine Ionentransportmembran mit einer Gasturbine integriert, um Energie von dem Retentatgasstrom nach dessen Erwärmung zu gewinnen. Dampf wird für eine erhöhte Sauerstoffgewinnung als ein Spülgas an der Permeatseite hinzugefügt. Ein Strom, der ein Gemisch aus Sauerstoff und Dampf enthält, wird an der Permeatseite erzeugt und kann als ein Produkt abgezogen werden.
US-A-5 516 359, Kang et al., mit dem Titel Integrated High Temperature Method for Oxygen Production, beschreibt das Erwärmen eines komprimierten Lufteinsatzgasstroms auf die geeignete Ionentransport-Betriebstemperatur mittels einer ersten Verbrennungseinheit, die in einer Ausführungsform zwischen den Kompressorablass und den Ionentransportseparator eingesetzt wird.
Darauf folgend wird der Retentatgasstrom von dem Ionentransportseparator durch eine zweite Verbrennungseinheit auf die Turbineneinlasstemperatur erwärmt. Die Einlasstemperaturen für die Turbine und den Ionentransportseparator werden unabhängig voneinander durch ein Einstellen der Brennstoffraten zu den beiden Verbrennungseinheiten gesteuert. In einer alternativen Konfiguration ist ein Wärmetauscher zwischen den zwei Verbrennungseinheiten angeordnet, die beide jeweils stromab von dem Ionentransportseparator vorgesehen sind, und der Lufteinsatzgasstrom in den Ionentransportseparator wird durch diesen Wärmetauscher auf die korrekte Temperatur erwärmt.
Das in US-A-5 516 359 offenbarte Verfahren weist den Nachteil auf, dass der Einsatzgasstrom in den Ionentransportseparator Verbrennungsprodukte enthält, die den Einsatzgasstrom des Ionentransportseparators verdünnen, die Sauerstoffantriebskraft reduzieren, und die als ein nachteiliger Verunreinigungsstoff für einige Mischleitermaterialien fungieren könnten. Da ein Teil des in der Einsatzluft enthaltenen Sauerstoffs in der ersten Verbrennungseinheit verbraucht wird, wird die Sauerstoffantriebskraft weiter reduziert. Die alternative Konfiguration weist den Nachteil auf, dass sie einen zusätzlichen, potenziell teuren Wärmetauscher erfordert. Jedes der Verfahren könnte sich bei der Aufrechterhaltung einer stabilen Verbrennung in der ersten Verbrennungseinheit als problematisch erweisen, da das Äquivalenzverhältnis von Brennstoff zu Luft niedrig ausfällt und insbesondere dort, wo die in dem Turbinenauslass enthaltene Wärme regenerativ durch den Einsatzluftgasstrom gewonnen wird, insbesondere dort, wo die Wärmeleistung der ersten Verbrennungseinheit gering ist.
US-A-4 545 787, Hegarty, mit dem Titel Process for Producing By-Product Oxygen from Turbine Power Generation, bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Nutzenergie unter Verwendung einer Verbrennungsturbine, das durch die Gewinnung von mit Sauerstoff angereichertem Nebenproduktgas begleitet wird. Luft wird komprimiert und erwärmt, mindestens ein Teil der Luft wird verbrannt, und ein Teil des Sauerstoffs wird von der Luft oder dem Verbrennungsabstrom unter Verwendung eines Luftzerlegers entfernt. Der sauerstoffarme Verbrennungsabstrom wird durch eine Turbine zur Erzeugung von Energie expandiert. In einer alternativen Ausführungsform wird der Abstrom von der Turbine für eine Dampferzeugung benutzt, um zusätzliche Energie zu erzeugen. In diesem Verfahren begrenzt sich der Brennstofftyp im allgemeinen auf "saubere" Brennstoffe wie z. B. Erdgas, Öle oder Synthesegas.
US-A-5 035 727, Chen, mit dem Titel Oxygen Extraction from Externally Fired Gas Turbines, bezieht sich auf ein Verfahren zum Gewinnen von Sauerstoff hoher Reinheit von einem extern befeuerten energieerzeugenden Gasturbinenzyklus. Obgleich dieses Verfahren ähnlich wie dasjenige von US-A- 4 545 787 ausfällt, unterscheidet es sich hinsichtlich der Verwendung einer extern befeuerten Gasturbine, so dass andere Typen von Brennstoffen wie z. B. Kohle oder Biomasse verwendet werden können.
US-A-5 174 866, Chen et al., mit dem Titel Oxygen Recovery from Turbine Exhaust Using Solid Electrolyte Membrane, und Chen et al., US-A-5 118 395 mit dem Titel Oxygen Recovery from Turbine Exhaust Using Solid Electrolyte Membrane, beziehen sich beide auf Verfahren zum Extrahieren von Sauerstoff hoher Reinheit von Gasturbinenauslassströmen, indem der Gasturbinenauslass über eine Sauerstoffionen leitende Membran geführt wird. In diesen Verfahren ist der Sauerstoffseparator, der eine Sauerstoftionen leitende Membran verwendet, stromab von einigen oder sämtlichen Stufen der Gasturbine anstatt stromauf wie in früheren Patenten angeordnet. Eine elektrisch angetriebene Ionentransporteinheit wird vorgeschlagen, wenn der Turbinenauslassdruck niedrig ist. Der Ablassstrom von dem Sauerstoffseparator wird wahlweise durch eine Gasturbinenstufe expandiert.

Aufgaben der Erfindung

Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines effizienten Verfahrens für die gemeinsame Herstellung von Energie und Sauerstoff und wahlweise von Stickstoff und Kohlendioxid, und in der Bewerkstelligung einer verbesserten Integration der Ionentransporttechnologie mit einem Gasturbinen-Energiezyklus. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ermöglichung der gemeinsamen Herstellung von Kohlendioxid und Stickstoff hoher Reinheit, wobei Wasser die einzige Hauptverunreinigung ist.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht in der Gewinnungsmaximierung von Sauerstoff, insbesondere in solchen Fällen, wo sowohl Kohlendioxid wie Sauerstoff als Nebenprodukte erwünscht sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung weist ein Verfahren zum Erzeugen mindestens eines Sauerstoffproduktgasstroms und Energie von einer Gasturbine durch Komprimieren eines elementaren Sauerstoff enthaltenden Einsatzgasstroms und anschließendes Erwärmen des Einsatzgasstroms unter Verwendung einer Brennstoff- Sauerstoff-Reaktion mit einem Membranabschnitt des Ionentransportreaktors auf, wodurch ein erwärmter Einsatzgasstrom erzeugt wird. Vorzugsweise wird der durch den Membranabschnitt des Ionentransportreaktors permeierende Sauerstoff in einer ersten Permeatzone mit einem ersten Brennstoffgasstrom zur Erzeugung eines ersten Verbrennungsproduktegasstroms zur Reaktion gebracht. Der erwärmte Einsatzgasstrom wird in einen an Sauerstoff verarmten Gasstrom an einer Retentatseite eines Membranabschnitts des Ionentransportseparators und in einen Sauerstoffproduktgasstrom an der Permeatseite des Separatormembranabschnitts getrennt. Mindestens ein Teil des ersten Verbrennungsproduktegasstroms kann gewonnen werden und Energie wird von mindestens einem zu expandierenden Gasstrom wie z. B. dem an Sauerstoff veramten Gasstrom extrahiert, nachdem dieser zu expandierende Strom direkt oder indirekt durch die erste Permeatzonenreaktion in einer Gasturbine zur Erzeugung von Energie erwärmt worden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der an Sauerstoff veramte Gasstrom in einer Verbrennungseinheit mit einem Brennstoffgasstrom zur Erzeugung eines zweiten Verbrennungsproduktegasstroms zur Reaktion gebracht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Teil des ersten Verbrennungsproduktegasstroms mit mindestens einem Teil des an Sauerstoff veramten Gasstroms von der Retentatseite des Membranabschnitts des Ionentransportseparators zur Ausbildung eines Aggregatgasstroms kombiniert; und der Aggregatgasstrom in der Verbrennungseinheit wird mit dem Brennstoffgasstrom zur Erzeugung eines zweiten Verbrennungsproduktegasstroms zur Reaktion gebracht. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Wasser von mindestens einem Teil des ersten Verbrennungsproduktegasstroms zur Erzeugung eines Kohlendioxid-Produktgasstroms entfernt. In einer zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Teil der durch die Gasturbine gewonnenen Energie zur Bewerkstelligung des Kompressionsschritts verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Teil des an Sauerstoff veramten Gasstroms als ein Stickstoffproduktgasstrom gewonnen.
Der Begriff "Modul" bezieht sich auf eine Ummantelung, die einen oder mehrere Ionentransportmembranabschnitte enthält. Soweit im folgenden nicht anders angegeben trifft eine Beschreibung von Vorgängen, die von zwei oder mehreren Modulen ausgeführt werden, auch auf alternative Ausführungsformen zu, in denen solche Vorgänge durch zwei oder mehrere in einem einzelnen Modul angeordnete Ionentransportmembranabschnitte ausgeführt werden. Der Begriff "Abschnitt" bezieht sich auf mindestens einen Teil eines Ionenmembranelements, der als ein rohrförmiger, planarer oder anderer Strukturtyp ausgebildet sein kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Für den Fachmann ergeben sich weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung und den beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Festelektrolyt-Ionenleiterseparatormoduls in Kombination mit einem Ionentransportreaktormodul und einer Turbine zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms, eines Kohlendioxidproduktgasstroms und von Energie ist;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Festelektrolyt-Ionenleiterseparatormoduls in Kombination mit einem Heizgerätmodul des Ionentransportreaktors und einer Turbine zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms und von Energie ist;
Fig. 3A ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung ähnlich zu Fig. 2 unter Verwendung eines integrierten Festelektrolyt-Ionenleiterreaktor-Separatormoduls und einer Turbine zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms und von Energie ist;
Fig. 3B eine detaillierte Ansicht einer alternativen Festelektrolyt-Ionenleiter-Verbrennungseinheit- Separatormodulkomponente für die in Fig. 3A dargestellte Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Festelektrolyt-Ionenleiterreaktorseparatormoduls in Kombination mit einer Verbrennungseinheit und einer Turbine zur Erzeugung eines Verbrennungsprodukte enthaltenden Sauerstoffproduktgasstroms und von Energie ist;
Fig. 5A ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Festelektrolyt-Ionenleiterseparatormoduls in Kombination mit einem Ionentransportreaktormodul ist, das stromab einer Turbine zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms und von Energie angeordnet ist;
Fig. 5B eine detaillierte Ansicht einer alternativen Verbrennungseinheit-Komponente für die in Fig. 5A dargestellte Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 6 ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Festelektrolyt-Ionenleiterreaktor-Heizgerätmoduls als eine Desoxidationseinheit in Kombination mit einem Ionentransportseparatormodul und einer Turbine zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms, eines Produktstickstoffstroms hoher Reinheit und von Energie ist; und
Fig. 7 ein schematisches Diagramm einer zusätzlichen Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Festelektrolyt-Ionenleiterreaktor-Heizgerätmoduls in Kombination mit einem Ionentranspvrtseparatormodul und einer Turbine zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms und von Energie ist, wobei Reaktionsprodukte von der Ionentransportreaktoranoden- oder -permeatseite die Permeatseite des Ionentransportseparators zur Verbesserung des Sauerstoffionentransports ausspülen.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Das Hauptmerkmal der Erfindung besteht in der Kombination eines Gasturbinenverfahrens mit der Gewinnung mindestens eines Sauerstoffprodukts durch einen Membranabschnitt des Ionentransportseparators, wobei das letztliche Erwärmen eines Einsatzstroms auf die Betriebstemperatur des Separators durch das Zur-Reaktion-Bringen eines Brennstoffs an der Permeatseite eines Reaktormembranabschnitts bewerkstelligt wird, der einen Ionentransportreaktor, ein Reaktorheizgerät oder eine Kombination aus Reaktor und Separator aufweist. Der Reaktormembranabschnitt und der Separatormembranabschnitt sind in einigen Ausführungsformen verschiedene, in Abstand angeordnete Membrane und in anderen Ausführungsformen unterschiedliche Bereiche einer einheitlichen Membranstruktur.
Diese Erfindung kann dadurch bewerkstelligt werden, dass mindestens ein Ionentransport-Sauerstoffreaktor mit einer Ionentransportmembran in einer Gasturbinenzyklusenergie-Erzeugungskonfiguration zum Durchführen mindestens eines Teils der Erwärmungsfunktion für einen Einsatzluftstrom installiert wird, um diesen Strom dadurch auf eine Ionentransport-Betriebstemperatur gebracht wird, indem ein in die Permeatseite der Ionentransportmembran eingeleiteter Brennstoff mit transportiertem Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird. Eine derartige reaktive Spülung verbessert den Sauerstofftransport über die Membran durch eine Reduzierung des Sauerstoffpartialdrucks, indem der Sauerstoff verbraucht und/oder durch die Membran mit Verbrennungsprodukten gespült wird, und sie erhöht daher das Antriebspotential für den Sauerstofftransport zu der Reaktionsseite. Von dem Einsatzgasstrom, im allgemeinen Luft, stammender Sauerstoff wird zur Unterstützung der Reaktion teilweise in dem Ionentransportreaktor extrahiert. Wenn der Dampf und der Kohlendioxid enthaltende Permeatablass-Gasstrom anschließend gekühlt wird, kondensiert Wasser aus dem Gasstrom und es kann ein mit Wasserdampf gesättigter, ansonsten jedoch reiner Kohlendioxidgasstrom je nach Wunsch erhalten werden. In einer weiteren Konstruktion wird die Permeatseite des Reaktors bei im wesentlichen dem gleichen Druck wie die Retentatseite betrieben und der austretende Permeatstrom wird mit dem von einem Ionentransportseparator austretenden Retentat zusammen geführt.
Das Retentat von dem Ionentransportreaktor wird vorzugsweise in einer zweiten Ionentransportmembran weiter verarbeitet, um Sauerstoff an der Permeatseite und einen an Sauerstoff veramten Gasstrom an der Retentatseite zu erzeugen. In einigen Konfigurationen wird der Retentatgasstrom, der in dem Ionentransportreaktor teilweise an Sauerstoff abgereichert worden ist, unter Verwendung eines Brennstoffs verbrannt und in einer Gasturbine zur Erzeugung von Energie expandiert. Der Ablass von der Gasturbine ist im allgemeinen für eine Vorwärmung des Einsatzstroms in einem Wärmetauscher heiß genug oder er kann für die Erzeugung von Dampf verwendet werden, der in einem auf Dampf basierenden Energieerzeugungsabschnitt des Verfahrens benutzt wird.
Wie aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich werden wird, beseitigt das vorliegende Verfahren besonders in seinen bevorzugten Modi einige der beim Stand der Technik vorhandenen wesentlichen Unzulänglichkeiten, insbesondere mit Bezug auf die Vermeidung einer Verunreinigung des Ionentransport-Einsatzgasstroms mit Verbrennungsprodukten, auf die Reduzierung der Sauerstoffantriebskraft und auf Betriebsprobleme infolge niedriger Äquivalenzverhältnisse von Brennstoff zu Luft mit relativ einfachen Verfahrensdurchflussanordnungen. Weiterhin weist die Erfindung den Vorteil von verringerten NOx-Emissionen auf und stellt Möglichkeiten für eine gemeinsame Herstellung von Kohlendioxid und Stickstoff bereit. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden einen Verbrennungsproduktegasstrom als ein Spülgas für eine erhöhte Sauerstoffgewinnung in dem Ionentransportseparator. Die Verwendung eines Ionentransportreaktor-Heizgeräts oder eines Ionentransportreaktor-Separators stellt einen sehr ökonomischen Weg für einen Erhalt des Spülgases für den Ionentransportseparator dar. Wahlweise erlaubt die Erfindung die Gewinnung eines Kohlendioxidprodukts von dem Verfahren nach Wunsch, da der Verbrennungsprodukte-Spülgasstrom oder -Auslassgasstrom, der von dem Ionentransportreaktor austritt, hauptsächlich aus Wasser und Kohlendioxid besteht. Das Wasser in dem Auslassgasstrom kann kondensiert und als ein Gasstrom zusätzlich zu dem Turbineneinsatz umgewälzt werden, und üblicherweise ist dort ausreichend ausschüssige Wärme verfügbar, um eine Zuführung von extra Wasser zu ermöglichen. Im allgemeinen wird der Turbinenabgasstrom einen hohen Stickstoffgehalt aufweisen und eignet sich selbst für eine ökonomische Gewinnung von Stickstoff. Einige der Verfahren gemäß der Erfindung unterscheiden sich insofern von den in dem Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" beschriebenen Erfindungen beim Stand der Technik, als dass ein Verbrennungsproduktegasstrom als ein Spülgasstrom für den Ionentransportseparator verwendet werden kann. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal besteht darin, dass wenn Dampf als ein Spülmedium erwünscht ist, ein signifikanter Anteil des injizierten Dampfs aus den Restverbrennungsprodukten erhältlich ist.
Wird die vorliegende Erfindung beim Spülen der Permeatseite eines Ionentransportreaktors benutzt wird, besteht ein Schlüsselvorteil darin, dass sie Verbrennungsprodukte (wie z. B. Dampf oder Kohlendioxid) als ein Spülgas verwendet, wodurch der effektive Partialdruck von Sauerstoff an der Spülseite der Ionentransportmembran reduziert wird. Dies erhöht die Antriebskraft über die Ionentransportmembran, bewirkt einen höheren Sauerstofffluss und einen geringere Membranflächenanforderung.
Die erhöhten Temperaturen des Betriebs lassen das Ionentransportverfahren für eine Integration mit Hochtemperaturverfahren ausgesprochen gut ausfallen. Der Einschluss einer Ionentransporteinheit in eine bestehende Gasturbinen-Energieanlage ist unkompliziert und die durch eine derartige Nachrüstung erwachsenden Vorzüge gleichen die Kosten für die Installation der Ionentransporteinheit und Zubehörteile mehr als aus. In der Verfahrenskonfiguration dieser Erfindung ist der Ionentransport-Sauerstoffseparator von der Gasturbine thermisch entkoppelt. Daher kann jedes Ausrüstungsstück bei seiner jeweiligen Betriebstemperatur betrieben werden. Weiterhin wird der Druckabfall über die Ionentransporteinheit selbst relativ klein ausfallen. Daher sollte ein Nachrüsten gemäß der vorliegenden Erfindung die Effizienz und Leistungsfähigkeit der bestehenden Energieanlage nicht nachteilig beeinflussen.
Eine ideale Gelegenheit für eine synergetische Integration mit Ionentransportmembranen wird durch die Verwendung von Gasturbinensystemen gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, da Turbinen Energie aus expandierenden heißen Gasen gewinnen. In dem Energieerzeugungsverfahren wird Luft komprimiert und anschließend durch die direkte Verbrennung von Brennstoff erwärmt. Um den Temperaturanstieg zu begrenzen und innerhalb der zulässigen Temperaturgrenzen von verfügbaren Materialien zu bleiben, wird eine signifikante Menge an überschüssiger Luft in dem Verbrennungsverfahren verwendet. Dies stellt somit eine ideale Gelegenheit zum Extrahieren eines Teils des überschüssigen Sauerstoffs von dem Hochdruckgasstrom durch ein Hochtemperatur-Membranverfahren dar.
Das Arbeitsfluid in einem Gasturbinen-Energiezyklus ist im allgemeinen Luft oder die Produkte der Verbrennung von Brennstoff und Luft. Bei der Verwendung von Brennstoff in einem derartigen System wird innerhalb des Systems Wärme durch Verbrennung des Brennstoffs in einem komprimierten Luftstrom erzeugt, und der sich ergebende Verbrennungsproduktegasstrom wird durch eine Gasturbine zur Erzeugung von Energie expandiert. Es sei darauf hingewiesen, dass die metallurgische Temperaturgrenze an den Turbinenschaufeln einen Gasturbinenbetrieb mit einem sehr hohen Luft-Brennstoff-Verhältnis erforderlich macht. In einem konventionellen Gasturbinensystem fungieren der Stickstoff in der Einsatzluft und der in dem Verbrennungsproduktegasstrom vorliegende überschüssige Sauerstoff als ein Verdünnungsmittel und senken dadurch die Temperatur des Verbrennungsproduktegasstroms ab. Infolgedessen enthält der Auslassgasstrom von dem Gasturbinen-Energiezyklus überschüssigen Sauerstoff, in dem zusätzlicher Brennstoff verbrannt werden könnte. Ebenfalls könnten diese heißen Auslassgase zum Vorwärmen der komprimierten Einsatzluft oder zum Erzeugen von Dampf verwendet werden, der in einem Dampfenergiezyklus benutzt werden kann.
Es ist auch möglich, einen Teil des restlichen Sauerstoffs in den Auslassgasen in einem Gasturbinenzyklus unter Verwendung der Ionentransportmembrantechnologie zu gewinnen. Die meisten Sauerstoff erzeugenden Systeme verwenden kryogene Gastrennverfahren (hohe Reinheit, großer Maßstab) oder Membran- und adsorptive Trenntechniken. Zum Beispiel sind organische Polymermembransysteme typischerweise sehr energieintensiv und sind üblicherweise nur für die Erzeugung kleiner Mengen an sauerstoffangereicherter Luft geeignet (beispielsweise 50% Sauerstoff). Druckwechseladsorptionssysteme erzeugen typischerweise Sauerstoff mit einer Reinheit von 90 bis 95% in kleinen bis mittleren Mengen. Obwohl einige dieser konventionellen Verfahren einen Teil der beim Herstellen des Produkts verwendeten Energie gewinnen, erzeugen sie keinerlei Nutzenergie. Weiterhin werden konventionelle Sauerstofftrennverfahren bei niedrigen Temperaturen betrieben und typischerweise bei weniger als 100ºC, weshalb sie von einer Integration mit einem Energieerzeugungsverfahren nicht signifikant profitieren.
Im Unterschied zu der vorliegenden Erfindung ist das im Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" erwähnte Patent US-A-5 516 359 (Kang et al.) nicht auf die gemeinsame Herstellung von Kohlendioxid oder Stickstoff ausgerichtet noch offenbart es den Entwurf einer dies ermöglichenden Vorrichtung oder berücksichtigt die Verwendung von Ionentransportreaktoren, die durch das Ausschließen von Stickstoff aus dem Reaktionsproduktgasstrom die Gewinnung von Kohlendioxid oder seine Verwendung als spülender oder mitreißender Gasstrom für Ionentransportseparatoren ermöglicht. In einigen der Reaktorheizgerät-Konfigurationen gemäß der vorliegenden Erfindung besteht der zusätzliche Vorteil darin, dass die Sauerstoffantriebskraft in dem Ionentransportseparator nicht durch die Anwesenheit von Verbrennungsprodukten reduziert wird. Ebenfalls unterscheidet sich die vorliegende Erfindung insofern, als dass die Verbrennungseinheit für die erste Stufe durch einen Ionentransportreaktor ersetzt wird bzw. dass die Verbrennungseinheit für die erste Stufe und der Ionentransportseparator durch einen Ionentransportreaktor-Separator in einer einzelnen Einheit ersetzt werden, oder dass die Verbrennungseinheit mit niedrigerer Temperatur in dem Turbinenauslassstrom anstatt in dem Einlassstrom angeordnet wird.
Verschiedene Ausführungsformen, die eine Ionentransportmembran in ein Gasturbinensystem einschließlich eines Nachrüstens eines Turbinenenergie-Erzeugungssystems beinhalten, sind in EP-A-0 748 648 offenbart, das hier als Referenz dient.
Reaktive Spülanordnungen sind in EP-A-0 778 069 offenbart, das hier als Referenz dient. Verschiedene Ionentransportreaktor-Entwürfe sind in EP-A-0 875 285, und in EP-A-0 875 281 offenbart, wobei beide hier ebenfalls als Referenz dienen. Der Anmelder aller in diesem Absatz angeführten Patentanmeldungen ist der gleiche wie derjenige der vorliegenden Anmeldung.
Die in den Sauerstoffseparatoren benutzten Ionentransportmembrane, die Ionentransportreaktoren, die Ionentransportreaktor-Heizgeräte, die Ionentransportreaktorseparatoren oder die Ionentransportseparator- Verbrennungseinheiten, die hier erläutert werden, sind Festelektrolyt-Ionenleiter. Diese Materialien können auf geeignete Weise entsprechend den jeweiligen Leistungscharakteristika ausgewählt werden, die für die beabsichtigte Funktion notwendig oder vorteilhaft sind, und somit können unterschiedliche Ionentransportmaterialien in verschiedenen Modulen verwendet werden. Sauerstoffionen transportierende Ionentransportmaterialien werden für die Trennung von Sauerstoff aus Gasgemischen als nützlich erachtet. Bestimmte Ionentransportmaterialien sind Mischleiter, die sowohl Sauerstoffionen wie -elektronen leiten. Bei erhöhten Temperaturen enthalten diese Materialien mobile Sauerstoffionenvakanzen, die leitende Stellen für den selektiven Transport von Sauerstoftionen durch das Material bereitstellen. Der Transport wird durch das Partialdruckverhältnis von Sauerstoff über der Membran angetrieben: Sauerstoffionen fließen von der Seite mit hohem Sauerstoffpartialdruck zu der Seite mit geringem Sauerstoffpartialdruck, die Ionisierung von Sauerstoff zu Sauerstoffionen findet an der Kathoden- oder Retentatseite der Membran statt und anschließend werden die Ionen über die Ionentransportmembran transportiert. Die Sauerstoffionen deionisieren an der Permeatseite der Membran und setzen Sauerstoffmoleküle frei. Für Materialien, die eine nur Ionenleitfähigkeit aufweisen, werden externe Elektroden an den Oberflächen des Elektrolyts angeordnet und der Elektronenstrom wird in einem externen Kreis geführt. In Mischleitermaterialien werden Elektronen intern zu der Kathode transportiert, wodurch somit der Kreis geschlossen und den Bedarf nach externen Elektroden beseitigt wird. Ebenfalls können Dualphasenleiter, in denen ein Sauerstoffionenleiter mit einem elektronischen Leiter vermischt ist, für die gleichen Anwendungen verwendet werden.
Tabelle I ist eine teilweise Liste von Ionentransportmaterialien, die für eine Sauerstofftrennung von Interesse sind. Tabelle I: Materialzusammensetzung
Aufgrund ihrer unendlichen Selektivität für den Sauerstofftransport verfügen Ionentransportmaterialien über verschiedene potentielle Anwendungen in dem Gebiet der Luftzerlegung und der Reinigung von Gasen. Da Ionentransportmaterialien im allgemeinen merkliche ionische Leitfähigkeiten nur bei erhöhten Temperaturen zeigen (höher als 450ºC), unterscheiden sie sich jedoch von traditionellen Sauerstofftrennverfahren, die bei niedrigen Temperaturen betrieben werden (weniger als 100ºC). Die meisten Sauerstoff erzeugenden Systeme benutzen kroygene Trennverfahren (im allgemeinen für Anwendungen in großem Maßstab mit hoher Reinheit) oder verwenden Polymermembran- oder adsorptive Trenntechniken (im allgemeinen für Anwendungen im kleinen bis mittleren Maßstab, Reinheit 90-95%). Membransysteme sind typischerweise sehr energieintensiv und eignen sich für die Erzeugung von Stickstoff sowie für die Erzeugung kleiner Mengen an sauerstoffangereicherter Luft (beispielsweise 50% Sauerstoff).
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird komprimierte Luft direkt in einen Ionentransportreaktor eingespeist, wo der Brennstoff mit permeiertem Sauerstoff an der Permeatseite der Ionentransportmembran zur Reaktion gebracht wird, um die notwendige Wärme zu erzeugen, damit die Luft auf die geeignete Ionentransport-Betriebstemperatur gebracht wird. Dann wird der Retentatgasstrom in einer konventionellen, stromab angeordneten Verbrennungseinheit auf die Turbineneinlasstemperatur erwärmt. Das Reaktionsseitenverhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff kann zur Bewerkstelligung einer stabilen Verbrennung bei stöchiometrischen oder leicht brennstoffreichen Verhältnissen vorliegen.
Zugleich wird sich mit dem geeigneten und in dem oben als Referenz dienender EP-A-0 875 285 beschriebenen Ionentransportreaktorentwurf die an der Membranoberfläche des Ionentransportreaktors stattfindende Reaktion in einer Umgebung vollziehen, die im wesentlichen Stickstoff ausschließt (unter Ausnahme von Stickstoff, der in dem Brennstoff vorliegen kann), die bei einer relativ niedrigen gleichförmigen Temperatur stattfindet und daher die NOx-Erzeugung minimiert. Die Verbrennungsprodukte von dem Ionentransportreaktor können entweder mit dem Retentatgasstrom stromab von dem Ionentransport-Sauerstoffseparator zusammengeführt oder zur Gewinnung von Kohlendioxid als ein Nebenprodukt wahlweise abgezogen werden, oder sie können als ein Spülgas für die Permeatseite des Ionentransportseparators für eine verbesserte Sauerstoffgewinnung verwendet werden. Wenn Kohlendioxid ein erwünschtes Produkt ist, erweist sich dies als vorteilhaft, da die Verbrennungsprodukte hauptsächlich Kohlendioxid und Wasser enthalten, wobei letzteres einfach durch Kondensation entfernt werden kann. Da die Sauerstoffpartialdrücke an der Permeatseite des Ionentransportreaktors sehr niedrig ausfallen, sind die Antriebskräfte hoch und minimieren die Ionentransportflächen-Anforderungen. Gleichzeitig benötigt der niedrige Sauerstoffpartialdruck (weniger als 10&supmin;¹&sup4; atm) die Auswahl einer stabilen Mischleiterzusammensetzung bei diesen geringen Drücken.
Es ist leicht ersichtlich, dass die hier vorgeschlagene und bereitgestellte Verfahrensanordnung Lösungen für die Unzulänglichkeiten vorgängiger Verfahren bietet und viele Vorteile bereitstellt. Zum Beispiel können die Einlasstemperaturen in den Ionentransport-Sauerstoffseparator und in die Turbine unabhängig voneinander bei ihren jeweiligen optimalen Betriebstemperaturen gesteuert werden (700ºC bis 950ºC für den Ionentransportseparator und 1000ºC bis 1400ºC für die Turbine), indem die Brennstoffraten für den Ionentransportreaktor und die Verbrennungseinheit eingestellt werden. Da die Verbrennungsreaktion auf die Permeatseite des Ionentransportreaktors begrenzt ist, werden weiterhin sowohl eine Verunreinigung wie eine Verdünnung des Einsatzgasstroms des Ionentransportseparators vermieden. Die Verhältnisse von Brennstoff zu Sauerstoff in dem Ionentransportreaktor sind ausreichend hoch, um eine stabile Verbrennung während des Verfahrens aufrechtzuerhalten und einen kontinuierlichen Ausgang von Produkten bereitzustellen. Auch sei darauf hingewiesen, dass die allgemeine Anordnung einfach ausfällt, da der Ionentransportreaktor die Leistung eines Wärmetauschers und einer Verbrennungseinheit kombiniert. Wie oben erwähnt reduziert die Verwendung eines Ionentransportmoduls die NOx-Erzeugung und ermöglicht auf Wunsch den Abzug eines an Kohlendioxid relativ reichen Koproduktgasstroms. Schließlich kann Dampf an der Permeatseite der Ionentransportmembran als ein Verdünnungsmittel zugefügt werden, um die Steuerung der Reaktion zu unterstützen.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Festelektrolyt-Ionenleiterseparatormoduls in Kombination mit einem Ionentransportreaktormodul und einer Turbine zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms, eines Kohlendioxid-Produktgasstroms und von Energie. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind ein Ionentransportreaktormodul 20 und ein Ionentransportseparatormodul 41 in eine Gasturbine 48 in einem Brayton-Zyklus integriert, um eine Sauerstoffextrahierung von einem Einsatzgasstrom 10 zu ermöglichen.
Im Betrieb wird der Einsatzgasstrom 10 durch einen Kompressor 15 auf einen Druck von 12 atm komprimiert. Ein komprimierter Gasstrom 16 wird in einem Wärmetauscher 17 auf 880ºF (470ºC) durch einen heißen Kohlendioxidgasstrom 26, einen heißen Sauerstoffgasstrom 58 und einen Abgasstrom 51 erwärmt, um einen erwärmten Gasstrom 18 zu erzeugen. Dann tritt der erwärmte Gasstrom 18 durch Heizgerätröhren 21 mit offenen Enden in den Ionentransportreaktor 20 ein und wird auf 1470ºF (800ºC) erwärmt, was die typische Betriebstemperatur des Ionentransportseparators 41 ist.
Der Ionentrpnsportreaktor 20 enthält eine Ionentransportmembran 22 mit einer Retentatseite 22a und einer Permeatseite 22b. Die für den Anstieg der Temperatur des erwärmten Gasstroms 18 auf die Betriebstemperatur des Ionentransportseparators 41 erforderliche Wärme wird durch die Reaktion des Brennstoffgasstroms 24, beispielsweise Methan, mit Sauerstoff erzeugt, der in die Permeatseite 22b der Ionentransportmembran 22 permeiert, was durch den druckbetriebenen Sauerstoffionentransport über die Ionentransportmembran 22 bereitgestellt wird. Typischerweise enthält die Ionentransportmembran 22 zur Verbesserung der Reaktion an der Permeatseite 22b der Ionentransportmembran 22 Katalysatoren, um einen Verbrennungsproduktegasstrom 25 zu erzeugen. Die Reaktion in dem Ionentransportreaktor 20 wird zur Aufrechterhaltung einer stabilen Verbrennung vorzugsweise leicht brennstoffreich betrieben. In Abhängigkeit von dem Reaktorentwurf, d. h. von dem Gleichgewicht zwischen dem Sauerstofffluss und der Reaktionskinetik, können die Partialsauerstoffdrücke an der Permeatseite 22b der Ionentransportmembran 22 hinreichend gering ausfallen (beispielsweise weniger als 10&supmin;¹&sup5; atm), um die Verwendung eines Ionentransportmaterials zu erfordern, das bei diesen Niedersauerstoffdruckbedingungen stabil ist wie z. B. die in der Tabelle I als Gruppe 9 aufgelisteten chromhaltigen Perovskite. Der Ionentransportreaktor 20 führt die kombinierten Funktionen einer Verbrennungseinheit und eines Wärmetauschers aus, so dass ein an der Retentatseite 20a austretender Retentatgasstrom 40 bei einer Temperatur von 1470ºF vorliegt und nicht durch Verbrennungsprodukte verdünnt (nicht verunreinigt) ist. Der hauptsächlich Kohlendioxid und Wasserdampf enthaltende Verbrennungsproduktegasstrom 25 wird als ein Gasstrom 26 geführt, der wie oben erwähnt gegen den verdichteten Gasstrom 16 in dem Wärmetauscher 17 gekühlt wird, um einen Kohlendioxid-Produktgasstrom 28 zu erzeugen. Wahlweise wird der Gasstrom 25 als ein optionaler Gasstrom 27 geführt, der zur Ausbildung eines optionalen Gasstroms 29 mit einem Gasstrom 45 zusammengeführt wird.
Heißes Retentatgas 23 tritt aus dem Ionentransportreaktor 20 als Gasstrom 40 aus. Der Gasstrom 40 wird in den Ionentransportseparator 41 eingeleitet, der eine Ionentransportmembran 42 mit einer Retentatseite 42a und einer Permeatseite 42b enthält, wobei ein Anteil (z. B. 40%) des enthaltenen Sauerstoffs durch druckbetriebenen Ionentransport über die Ionentransportmembran 42 zur Erzeugung des heißen Sauerstoffgasstroms 58 und eines heißen Retentatgasstroms 44 getrennt wird. Der heiße Sauerstoffgasstrom 58 wird wie oben erwähnt gegen den verdichteten Gasstrom 16 in dem Wärmetauscher 17 zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms 60 gekühlt. Der heiße Retentatgasstrom 44 wird als ein Gasstrom 46 geführt und wird zu einem Gasstrom 47. Der Gasstrom 47 kann direkt in der Niedertemperaturturbine 48 expandiert werden, um durch eine Welle 54 den Kompressors 15 anzutreiben.
Für eine optimale Effizienz kann der Turbineneinsatzstrom wahlweise auf eine höhere Temperatur je nach der Temperaturtoleranz der Hochtemperaturturbine gebracht werden. Dies kann durch die Verwendung eines (nicht dargestellten) Heizgeräts oder wahlweise dadurch bewerkstelligt werden, dass der Gasstrom 44 als optionaler Gasstrom 45 geführt wird, der wie oben erwähnt mit dem optionalen Gasstrom 27 zusammengeführt wird, falls dieser erzeugt worden ist, um einen optionalen Gasstrom 29 auszubilden. Der optionale Gasstrom 29 wird in eine Verbrennungseinheit 30 eingeleitet, um mit einem Brennstoffgasstrom 32 zur Erzeugung eines Reaktionsproduktegasstroms 33 zu reagieren. Der Gasstrom 33 wird zu dem Gasstrom 47, der mit der erwünschten Turbineneinlasstemperatur (z. B. 2400ºF bzw. 1315ºC), in eine Hochtemperaturturbine wie z. B. die Gasturbine 48 zur Erzeugung von Energie injiziert wird, um Energie zum Drehen einer Welle 54 für den Antrieb des Kompressors 15, einen Auslassgasstrom 50 und überschüssige Energie 56 zu erzeugen. Der Auslassgasstrom 50 wird als der Gasstrom 51 geführt, der wie oben erwähnt gegen den verdichteten Gasstrom 16 in dem Wärmetauscher 17 zur Erzeugung eines Abgasstroms 52 gekühlt wird. Wahlweise wird der Auslassgasstrom 50 als ein Gasstrom 61 geführt, um für eine Dampferzeugung benutzt zu werden.
Tabelle II illustriert die Verwendung der Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten Erfindung für die Erzeugung von 2,83·10&sup4; Nm³/h (1.000.000 NCFH) von Sauerstoff. Fig. 1 und Tabelle II stellen deutlich dar, wie der Ionentransportreaktor 20 und die Verbrennungseinheit 30 unabhängig voneinander gesteuerte Betriebstemperaturen für den Ionentransportseparator 41 und die Gasturbine 48 bereitstellen, ohne den Betrieb des Ionentransportseparators 41 zu beeinträchtigen und ohne die Komplexität und Investition des Systems unerwünscht zu beeinflussen.

Tabelle II

Strömungsrate des Einsatzluftstroms 10 3,17·10&sup5; Nm³/h (11,2·10&sup6; NCFH)
Typ der Brennstoffgasströme 24 und 32 Erdas (Methan)
Strömungssrate des Brennstoffgasstroms 24 4,41·10³ Nm³/h (1,56·10&sup5; NCFH)
Strömungsrate des Brennstoff asstroms 32 3,96·10&sup4; Nm³/h (1,4·10&sup6; NCFH)
Strömungsrate des Produktsauerstoffgasstroms 58 von dem Ionentransportseparator 41 2,83·10&sup4; Nm³/h (1·10&sup6; NCFH)
Temperatur des Einsatzluftstroms 10 21ºC (70ºF)
Temperatur des Gasstroms 18 nach dem Wärmetauscher 17 471ºC (880ºF)
Temperatur des Gasstroms 40 nach dem Ionentransportreaktor 20 799ºC (1470ºF)
Temperatur des Gasstroms 33 nach der Verbrennungseinheit 30 1093ºC (2000ºF)
Temperatur des Turbinenauslassgasstroms 50 482ºC (900ºF)
Temperatur des Auslassgasstroms 52 nach dem Wärmetauscher 17 388ºC (730ºF)
Druck des Gasstroms 16 nach dem Kompressor 15 12 atm
Druck des Sauerstoffproduktgasstroms 60 1 atm
Druck des Turbinenauslassgasstroms 50 1 atm
Isentropische Effizienz des Kompressors 15 86%
Isentropische Effizienz der Turbine 48 88%
Effektivität des Wärmetauschers 17 90%
Unterer Heizwert von Brennstoff 33,5 MJ/Nm³/h (900 BTU/NCFH)
Energieausgang von der Turbine 48 73,3 MW
Von dem Kompressor 15 verbrauchte Energie 40,9 MW
Für die Sauerstofferzeugung verwendete Energie 3,7 MW
Nettoenergieausgang 32,4 MW
Die damit verbundenen Energieeinbußen bestehen in dem Komprimieren einer zusätzlichen Menge an Einsatzluft, die bezüglich des Massendurchsatzes gleich der Menge an erzeugtem Sauerstoff ist. Der Wert von 3,7 MW ist mit einer Einzelstufenkompression ohne Zwischenkühlung assoziiert. In einem Nachrüstfall, wo zusätzliche Luft durch einen zusätzlichen Kompressor verdichtet wird, kann auch die Verwendung einer Zwischenkühlung angezeigt sein, wodurch die Energieeinbußen um etwa 1 MW verringert werden. In dem Standardfall sind die Kapitaleinbußen für die Sauerstofferzeugung die Kosten des Ionentransportreaktors, des Ionentransportseparators und die Kosten der Wärmegewinnung von dem Produktsauerstoffgasstrom. Diese Kosten werden teilweise durch die Einsparungen aufgrund der kleineren Wärmeleistung der Verbrennungseinheit und des Wärmetauschers ausgeglichen.
Es ist evident, dass anstelle eines Wiedergewinnungswärmetauschers ein Rankine-Zyklus-Wärmegewinnungssystem oder ein anderes Wärmegewinnungssystem benutzt werden kann, ohne die Ergebnisse materiell zu verändern.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Festelektrolyt-Ionenleiterseparatormoduls in Kombination mit einem Heizgerätmodul des Ionentransportreaktors und einer Turbine zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms und Energie. Fig. 2 ist eine Variation von Fig. 1 unter Verwendung eines Ionentransportreaktor-Heizgeräts anstelle eines Ionentransportreaktors zur Erwärmung der Luft auf die Ionentransport-Betriebstemperatur.
Im Betrieb wird ein Einsatzgasstrom 200 durch einen Kompressor 201 auf einen Druck von 12 atm verdichtet. Ein komprimierter Gasstrom 202 wird auf annähernd 316 bis 538ºC (600ºF bis 1000ºF) in einem Wärmetauscher 204 durch einen optionalen heißen Kohlendioxidgasstrom 220, einen heißen Sauerstoffgasstrom 230 und einen Abgasstrom 250 zur Erzeugung eines erwärmten Gasstroms 206 erwärmt. Der erwärmte Gasstrom 206 durchquert anschließend ein Ionentransportreaktor-Heizgerät 208 durch Heizgerätröhren 224, um zu einem Gasstrom 225 zu werden, der auf 799ºC (1470ºF), die Betriebstemperatur des Ionentransportseparators 226, erwärmt worden ist.
Das Ionentransportreaktor-Heizgerät 208 enthält eine Ionentransportmembran 210 mit einer Retentatseite 210a und einer Permeatseite 210b. Die für die Anhebung der Temperatur des erwärmten Gasstroms 206 auf die Betriebstemperatur des Ionentransportseparators 226 erforderliche Wärme wird durch die Reaktion eines Brennstoffgasstroms 215, beispielsweise Methan, mit Sauerstoff erzeugt, der zu der Permeatseite 21 Ob der Ionentransportmembran 210 permeiert, was durch den druckbetriebenen Sauerstoffionentransport über die Ionentransportmembran 210 bereitgestellt wird. Typischerweise enthält die Ionentransportmembran 210 Katalysatoren zur Verbesserung der Reaktion an der Permeatseite 210b der Ionentransportmembran 210 zur Erzeugung des Verbrennungsproduktegasstroms 216.
Die Reaktion in dem Ionentransportreaktor-Heizgerät 208 wird zur Aufrechterhaltung einer stabilen Verbrennung vorzugsweise leicht brennstoffreich betrieben. Wie oben führt das Ionentransportreaktor- Heizgerät 208 die kombinierten Funktionen einer Verbrennungseinheit und eines Wärmetauschers aus, so dass ein an der Retentatseite 210a austretender Retentatgasstrom 234 bei einer Temperatur von 799ºC (1470ºF) vorliegt und nicht durch Verbrennungsprodukte verdünnt (verunreinigt) ist. Wahlweise wird ein hauptsächlich Kohlendioxid und Wasserdampf enthaltender Verbrennungsproduktegasstrom 216 als ein Gasstrom 218 geführt, der als ein Gasstrom 236 mit einem Gasstrom 234 zusammengeführt wird, um einen Gasstrom 237 auszubilden. Wahlweise kann der Verbrennungsproduktegasstrom 216 als der optionale Gasstrom 220 geführt werden, der wie oben erwähnt gegen den komprimierten Gasstrom 202 in dem Wärmetauscher 204 gekühlt wird, um einen Kohlendioxid und Dampf enthaltenden Gasstrom 221 zu erzeugen, von dem Kohlendioxid nach dem Auskondensieren von Dampf in einem Kondensator 222 gewonnen werden kann.
Der heiße Einsatzgasstrom 225 tritt aus dem Ionentransportreaktor-Heizgerät 208 aus und wird in einen Ionentransportseparator 226 eingeleitet, der eine Ionentransportmembran 228 mit einer Retentatseite 228a und einer Permeatseite 228b enthält, wo ein Anteil (z. B. 40%) des enthaltenen Sauerstoffs durch druckbetriebenen Ionentransport über die Ionentransportmembran 228 zur Erzeugung eines heißen Sauerstoffgasstroms 230 und eines heißen Retentatgasstroms 232 getrennt wird. Der heiße Sauerstoffgasstrom 230 wird wie oben erwähnt gegen den komprimierten Gasstrom 202 in dem Wärmetauscher 204 zur Erzeugung des Sauerstoffproduktgasstroms 231 gekühlt.
Der heiße Retentatgasstrom 232 kann mit einem optionalen Gasstrom 238 zusammengeführt werden, um einen Gasstrom 233 auszubilden. Der Gasstrom 233 wird in das Ionentransportreaktor-Heizgerät 208 eingespeist, wo Sauerstoff zur Erzeugung eines Gasstroms 234 entfernt wird. Der Gasstrom 234 wird mit einem Gasstrom 236 zur Erzeugung eines Gasstroms 237 zusammengeführt. Der Gasstrom 237 wird in eine Verbrennungseinheit 240 eingespeist, um mit einem Brennstoffgasstrom 239 zur Erzeugung eines Reaktionsprodukte-Gasstroms 242 zu reagieren.
Der nun bei der erwünschten Turbineneinlasstemperatur (typischerweise höher als 1093ºC (2000ºF) vorliegende Gasstrom 242 wird in eine Gasturbine 243 injiziert, um Energie 256 für den Antrieb des Kompressors 201, einen Auslassgasstrom 246 und überschüssige Energie 244 zu erzeugen. Der Auslassgasstrom 246 wird als der Gasstrom 250 geführt, der wie oben erwähnt gegen den komprimierten Gasstrom 202 in dem Wärmetauscher 204 zur Erzeugung eines Abgasstroms 252 gekühlt wird. Wahlweise wird der Auslassgasstrom 246 als ein Gasstrom 247 geführt, um für eine Dampferzeugung verwendet zu werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung weist die gleichen Vorteile wie diejenige aus Fig. 1 auf. Weiterhin stellt die Ausführungsform aus Fig. 2 eine im Vergleich zu dem vorgängigen Beispiel höhere Sauerstoffantriebskraft zur Reduzierung der Fläche des Ionentransportseparators bereit, da im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren kein Sauerstoff von dem Luftgasstrom vor dem Eintritt in den Ionentransportseparator entfernt wird. Ein Nachteil besteht in der zusätzlichen Wärmeübertragungsfläche 224 in dem Ionentransportreaktor-Heizgerät 208.
Fig. 3A illustriert eine Konstruktion, wo die Funktionen des Ionentransportreaktors und des Ionentransportseparators aus Fig. 2 in einer einzigen Reaktor-Separator-Einheit kombiniert sind. Im Betrieb wird ein Einsatzgasstrom 300 durch einen Kompressor 301 auf einen Druck von 12 atm verdichtet. Ein komprimierter Gasstrom 302 wird in einem Wärmetauscher 304 auf 427 bis 538ºC (800ºF bis 1000ºF) durch einen heißen Kohlendioxidgasstrom 336, einen heißen Sauerstoffgasstrom 314 und einen Abgasstrom 332 erwärmt, um einen erwärmten Gasstrom 306 zu erzeugen. Dann tritt der erwärmte Gasstrom 306 in einen Ionentransportreaktor-Separator 310 durch Heizgerätröhren 362 mit offenen Enden ein und wird auf die Betriebstemperatur einer Ionentransportmembran 309 mit einer Retentatseite 309a und einer Permeatseite 309b sowie auf diejenige einer Ionentransportmembran 312 mit einer Retentatseite 312a und einer Permeatseite 312b erwärmt.
Die für den Temperaturanstieg des erwärmten Gasstroms 306 auf die Betriebstemperatur der Ionentransportmembran erforderliche Wärme wird durch die Reaktion eines Brennstoffgasstroms 311, z. B. Methan, mit Sauerstoff erzeugt, der zu der Permeatseite 309b der Ionentransportmembran 309 permeiert, was durch den druckbetriebenen Sauerstoffionentransport über die Ionentransportmembran 309 bereitgestellt wird. Typischerweise enthält die Ionentransportmembran 309 Katalysatoren zur Verbesserung der Reaktion an der Permeatseite 309b der Ionentransportmembran 309 zur Erzeugung eines Verbrennungsproduktegasstroms 336. Der hauptsächlich Kohlendioxid und Wasserdampf enthaltende Verbrennungsproduktegasstrom 336 wird wie oben erwähnt gegen den komprimierten Gasstrom 302 in dem Wärmetauscher 304 zur Erzeugung des Kohlendioxid-Produktgasstroms 340 gekühlt. Gleichzeitig trennt die Ionentransportmembran 312 einen Teil des Sauerstoffs von dem Einsatzstrom 306 durch druckbetriebenen Ionentransport über die Ionentransportmembran 312 zur Erzeugung des heißen Sauerstoffgasstroms 314 und eines heißen Retentatgasstroms 318 ab.
Der heiße Retentatgasstrom 318 tritt aus dem Ionentransportreaktor-Separator 310 aus und wird in eine Verbrennungseinheit 320 eingespeist, um mit einem Brennstoffgasstrom 322 zur Erzeugung eines Reaktionsproduktegasstroms 324 zu reagieren. Der bei der erwünschten Turbineneinlasstemperatur von 1316ºC (2400ºF) vorliegende Gasstrom 324 wird in eine Gasturbine 326 zur Erzeugung von Energie 364 für den Antrieb des Kompressors 301, eines Auslassgasstroms 332 und überschüssiger Energie 328 injiziert. Der Auslassgasstrom 332 wird wie oben erwähnt gegen den komprimierten Gasstrom 302 in dem Wärmetauscher 304 zur Erzeugung eines Abgasstroms 334 gekühlt. Der heiße Sauerstoffgasstrom 314 wird wie oben erwähnt gegen den komprimierten Gasstrom 302 in dem Wärmetauscher 304 zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms 316 gekühlt.
Fig. 3B ist eine detaillierte Ansicht einer alternativen Festelektrolyt-Ionenleiter-Verbrennungseinheit- Separatormodulkomponente für die in Fig. 3A dargestellte Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform beinhaltet ein Ionentransport-Verbrennungseinheit-Separator 361 eine Ionentransportmembran 360 mit einer Retentatseite 360a und einer Permeatseite 360b. Ein reaktiver Gasbrennstoffstrom 350 wird in die Retentatseite des Ionentransport-Verbrennungseinheit-Separators 361 unter Verwendung eines Verteilers 352 injiziert. In den anderen Aspekten würde diese Ausführungsform wie mit Bezug auf Fig. 3A beschrieben funktionieren.
In einer Konstruktion ist der Verteiler 352 eine poröse Wand oder Röhre, die sich innerhalb des Verbrennungseinheit-Separators 361 erstreckt. Der Verteiler 352 führt das reaktive Gas vorzugsweise im wesentlichen gleichförmig über eine wesentliche Länge der Retentatseite 360a, um in Kombination mit dem Wärmeübertragungsentwurf des Reaktor-Separators vernünftige gleichförmige Temperaturen der Ionentransportmembran und im wesentlichen vollständige Reaktionen des reaktiven Gases mit Sauerstoff sicherzustellen. Da die Verbrennungstemperaturen relativ niedrig ausfallen und um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs weiter sicherzustellen kann die Reaktion katalytisch verbessert werden.
Im Vergleich dazu können in dem Separator 310 aus Fig. 3A sehr hohe Verhältnisse von reaktivem Gas zu Sauerstoff in der Nähe der Eintrittsfläche des Brennstoffstroms 311 auftreten. Eine unvollständige Verbrennung kann aus dem Umstand resultieren, wenn das reaktive Gas ein brennbarer Brennstoff ist und das Verhältnis nahe bei den Entflammbarkeitsgrenzen des Brennstoffs oder außerhalb dieser liegt. Ein Teil des Brennstoffs kann nur teilweise oxidiert werden, was Kohlenmonoxid oder andere Schmutzstoffe erzeugt, die in dem Strom 336 austreten würden.
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Festelektrolyt-Ionenleiterreaktorseparatormoduls in Kombination mit einer Verbrennungseinheit und einer Turbine zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms und Energie. Diese Ausführungsform ist nützlich, wenn es die beabsichtigte Anwendung erforderlich macht, dass die Reinheit des Sauerstoffproduktgasstroms 80% bis 95% Sauerstoff oder weniger beträgt.
Im Betrieb wird ein Einsatzgasstrom 400 durch einen Kompressor 401 auf einen Druck von 12 atm verdichtet. Ein komprimierter Gasstrom 402 wird in einem Wärmetauscher 404 durch einen heißen Gasstrom 438 und einen Abgasstrom 432 auf 427 bis 538ºC (800 bis 1000ºF) zur Erzeugung eines erwärmten Gasstroms 406 erwärmt. Der Gasstrom 406 wird in einem Wärmetauscher 408 durch einen heißen Gasstrom 436 und einen Abgasstrom 420 auf einen nahe bei dem Betriebstemperaturbereich des Ionentransports liegenden Pegel erwärmt, um einen erwärmten Gasstrom 410 zu erzeugen. Der erwärmte Gasstrom 410 tritt dann in einen Ionentransportreaktor-Separator 412 durch Heizgerätröhren 414 mit offenen Enden ein und wird auf die Betriebstemperatur einer Ionentransportmembran 416 erwärmt, die eine Retentatseite 416a und eine Permeatseite 416b aufweist.
Die Membran 416 beinhaltet einen Reaktorabschnitt 460 und einen Separatorabschnitt 462 als verschiedene Abschnitte einer einheitlichen Membranstruktur, die z. B. in EP-A-0 875 281 offenbart ist, wobei diese Patentanmeldung hier als Referenz dient. Der Reaktorabschnitt 460 beträgt in Abhängigkeit von der nachstehend beschriebenen erwünschten Reinheit des Produktgasstroms 444 vorzugsweise ein Fünftel bis zu der Hälfte der gesamten Länge der Membran 416 und bevorzugter etwa ein Viertel der gesamten Länge,.
Die für den Temperaturanstieg des erwärmten Gasstroms 410 auf die Betriebstemperatur der Ionentransportmembran erforderliche Wärme wird durch die Reaktion eines Brennstoffgasstroms 418, z. B. Methan, mit Sauerstoff erzeugt, der zu der Permeatseite 416b der Ionentransportmembran 416 permeiert, was durch den druckbetriebenen Sauerstoffionentransport über die Ionentransportmembran 416 bewerkstelligt wird. Typischerweise enthält die Ionentransportmembran 416 Katalysatoren zur Verbesserung der Reaktion an der Permeatseite 416b der Ionentransportmembran 416, um einen Gasstrom 436 zu erzeugen, der Verbrennungsprodukte PC und Sauerstoff in einem erwünschten Verhältnis enthält. Die Brennstoff- und daher die Energiemenge, die erzeugt werden kann, ist durch die Zwänge der Sauerstoffproduktreinheit begrenzt, die es erfordern, dass der Prozentsatz an nicht kondensierbaren Gasen, die in dem Sauerstoffproduktgasstrom vorliegen, die von der Anwendung geforderten Verunreinigungsgrenzen nicht überschreitet. Viele, wenn nicht die meisten Anwendungen sollten imstande sein, die hier in Betracht gezogenen Verunreinigungen der Verbrennungsprodukte, die hauptsächlich aus Kohlendioxid und Wasserdampf bestehen, zu tolerieren. Wahlweise ist der Gasstrom 418 ein inerter Spülstrom, wobei der Gasstrom 436 ein verdünnter Sauerstoffproduktstrom ist. Wenn die reaktive Spülung brennstoffarm betrieben wird, so dass Reaktionen nur innerhalb eines Reaktorabschnitts 460 auftreten, enthält der Gasstrom 436 80% bis 95% Sauerstoff, wobei der Rest hauptsächlich aus Kohlendioxid und Wasserdampf besteht. Der Gasstrom 436 wird wie oben erwähnt in dem Wärmetauscher 408 zur Erzeugung eines Gasstroms 438 gekühlt, der wiederum in dem Wärmetauscher 404 zur Erzeugung eines Gasstroms 440 gekühlt wird. Der Wasserdampf in dem Gasstrom 440 wird in einem Kondensator 442 zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgasstroms 444 kondensiert, der 80% bis 95% Sauerstoff enthält. In einer weiteren, in gestrichelten Linien dargestellten Konstruktion trennt ein konventioneller Gasseparator 464 einen reineren Sauerstoffstrom 466 von einem Kohlendioxidstrom 468.
Der heiße Retentatgasstrom 420 tritt aus dem Ionentransportreaktor-Separator 412 aus und wird wie oben erwähnt in dem Wärmetauscher 408 zur Erzeugung eines Gasstroms 422 gekühlt, der in eine Verbrennungseinheit 424 geleitet wird, um mit einem Brennstoffgasstrom 426 zur Erzeugung eines Reaktionsprodukte-Gasstroms 428 zu reagieren. Der bei der erwünschten Turbineneinlasstemperatur (1316ºC (2400ºF)) vorliegende Gasstrom 428 wird in eine Gasturbine 430 zur Erzeugung von Energie 450 für den Antrieb des Kompressors 401, eines Auslassgasstroms 432 und überschüssiger Energie 449 injiziert. Der Auslassgasstrom 432 wird wie oben erwähnt gegen den komprimierten Gasstrom 402 in dem Wärmetauscher 404 zur Erzeugung eines Abgasstroms 434 gekühlt.
Wie die anderen Ausführungsformen gestattet die Ausführungsform aus Fig. 4 eine unabhängige Steuerung der Ionentransportseparator- und der Turbineneinlasstemperaturen. Zugleich vereinfacht die Konfiguration aus Fig. 4 das System, indem der Bedarf nach einem separaten Ionentransportreaktor beseitigt wird, ohne die Separatorinterna signifikant zu komplizieren.
Fig. 5A illustriert einen in einem Turbinenauslassstrom angeordneten Ionentransportreaktor, das Erwärmen dieses Ablassstroms auf eine Temperatur, die für das Betreiben einer Ionentransportmembran auf effiziente Weise ausreichend hoch ausfällt, und das anschließende Erwärmen des komprimierten Lufteinsatzstroms auf die erforderliche Temperatur des Ionentransportseparators, indem Wärme von einem Retentatstrom erhalten wird.
Im Betrieb wird ein Einsatzgasstrom 500 durch einen Kompressor 501 auf einen Druck von etwa 12 atm verdichtet. Ein komprimierter Gasstrom 502 wird auf eine Temperatur von 427 bis 482ºC (800 bis 900ºF) in einem Wiedergewinnungswärmetauscher 504 durch einen heißen Sauerstoffgasstrom 550, einen heißen Retentatgasstrom 546 und wahlweise einen heißen Permeatgasstrom 539 erwärmt, um einen erwärmten Gasstrom 506 zu erzeugen. Der erwärmte Einsatzgasstrom 506 wird in einem Wärmetauscher 508 durch einen heißen Sauerstoffgasstrom 548 und einen heißen Gasretentatstrom 544 weiter auf die erforderliche Temperatur des Ionentransportseparators erwärmt, um einen erwärmten Gasstrom 510 zu erzeugen. Anschließend tritt der erwärmte Gasstrom 510 in einen Ionentransportseparator 512 ein und strömt entlang einer Ionentransportmembran 514 mit einer Retentatseite 514a und einer Permeatseite 514b.
Der Gasstrom 548 wird wie oben erwähnt in dem Wärmetauscher 508 zur Erzeugung eines Sauerstoffgasstroms 550 gekühlt, der wiederum in einem Wärmetauscher 504 zur Erzeugung eines Sauerstoffgasstroms 552 gekühlt wird. Der Gasstrom 552 wird in einem Kühler 554 zur Erzeugung eines gekühlten Sauerstoffiroduktgasstroms 556 gekühlt.
Der heiße Retentatgasstrom 516 tritt aus dem Ionentransportseparator 512 aus und wird anschließend in eine Verbrennungseinheit 520 eingeleitet, um mit einem Brennstoffgasstrom 522 zur Erzeugung eines Reaktionsproduktegasstroms 524 zu reagieren, der Verbrennungsprodukte PC1 enthält. Der bei der erwünschten Turbineneinlasstemperatur liegende Gasstrom 524 wird in eine Gasturbine 526 injiziert und expandiert, um Energie 559 für den Antrieb des Kompressors 501, einen Auslassgasstrom 528 und überschüssige Energie 527 zu erzeugen. Der Auslassgasstrom 528 wird in einen Ionentransportreaktor 532 durch Heizgerätröhren 530 mit offenen Enden eingespeist und auf eine Temperatur über der Betriebstemperatur der Ionentransportmembran 534 erwärmt, die eine Retentatseite 534a und eine Permeatseite 534b aufweist. Die Sauerstoffkonzentration des Turbinenauslassgasstroms 528 liegt typischerweise in dem Bereich von 5 bis 12%, was für die Ionentransportreaktorfunktion mehr als ausreichend ist.
Die für den Temperaturanstieg des Auslassgasstroms 528 auf eine bei oder über der erforderlichen Temperatur des Ionentransportseparators liegende Temperatur erforderliche Wärme wird durch die Reaktion des Brennstoffgasstroms 536, z. B. Methan, mit Sauerstoff erzeugt, der zu der Permeatseite 534b der Ionentransportmembran 534 permeiert, was durch druckbetriebenen Sauerstoffionentransport über die Ionentransportmembran 534 bereitgestellt wird. Typischerweise enthält die Ionentransportmembran 534 Katalysatoren zur Verbesserung der Reaktion an der Permeatseite 534b der Ionentransportmembran 534, um einen Verbrennungsprodukte PC2 enthaltenden Gasstrom 538 zu erzeugen.
Wahlweise werden die Produkte des Verbrennungsgasstroms 538 so geführt, dass sie sich mit dem Gasstrom 516 vereinen, der in die Verbrennungseinheit 520 eingespeist wird. Die Reaktionsseite des Ionentransportreaktors 532 wird in dieser Konstruktion vorzugsweise bei einem Druck betrieben, der ausreichend hoch ist, um ein Hinzufügen der Verbrennungsgase PC2 zu dem in eine Verbrennungseinheit 520 strömenden Retentatstrom 516 zu ermöglichen, wodurch vermieden wird, dass Turbinendurchflussmasse und Turbinenarbeitspotential verloren geht. Dieses Verfahren verwertet eines der besonderen Merkmale eines Ionentransportreaktors, insofern er den für eine Verbrennung erforderlichen Sauerstoff von einem Niederdruckstrom zu einem Hochdruckstrom übertragen kann, so lange die Reaktion ein Verhältnis von Partialsauerstoffdrücken von der Retentat- zu der Permeatseite von höher als 1 erzeugt.
Wahlweise kann ein Teil des Gasstroms 538 oder der gesamte Gasstrom 538 zum Spülen der Permeatseite des Separators 512 verwendet werden, um den Sauerstofftransport zu erhöhen. In diesem nicht dargestellten Fall würde der austretende Permeatstrom Wasser und Dampf enthalten. Nach dem Auskondensieren von Dampf in dem Kühler 554 würde ein Produkt mit geringerer Reinheit, das 80 bis 95% Sauerstoff enthält, gewonnen werden.
Wahlweise werden die gesamten Verbrennungsgase oder ein Teil davon für die Gewinnung von Kohlendioxid wie in Fig. 1 abgezogen, da die primäre Verunreinigung der Verbrennungsgase wiederum aus Wasser besteht. Die Entwurfsanforderungen an den Ionentransportreaktor sind ähnlich wie diejenigen aus Fig. 1.
Der heiße Retentatgasstrom 544 tritt aus dem Ionentransportreaktor-Separator 532 aus, stellt wie oben erwähnt die Wärme bereit und wird in dem Wärmetauscher 508 zur Erzeugung des Gasstroms 546 selbst gekühlt, der zur Erzeugung eines Abgasstroms 558 wiederum in dem Wärmetauscher 504 gekühlt wird.
In einer noch weiteren Konstruktion ersetzt eine konventionelle In-line-Tail-Verbrennungseinheit bzw. ein befeuertes Heizgerät 560, Fig. 5B den in Fig. 5A dargestellten Ionentransportreaktor. Wie in Fig. 5B dargestellt wird der Turbinenauslassgasstrom 528 in die konventionelle In-line-Tail-Verbrennungseinheit bzw. in das befeuerte Heizgerät 560 injiziert und mit einem Brennstoffgasstrom 562 zur Erzeugung des Gasstroms 538 zur Reaktion gebracht. Sowohl die konventionelle In-line-Tail-Verbrennungseinheit wie das befeuerte Heizgerät 560 bieten eine unabhängige Temperatursteuerung und keine Verdünnung oder Absenkung der Sauerstoffkonzentration in dem Einsatz des Ionentransportseparators, aber erlaubt keine Umwälzung von Verbrennungsprodukten zu dem Einlass der Hochtemperaturverbrennungseinheit oder eine Gewinnung eines kohlendioxidreichen Nebenprodukts. Ansonsten würde diese Ausführungsform wie mit Bezug auf Fig. 5A beschrieben funktionieren.
Die Ausführungsformen der Fig. 5A und 5B ermöglichen eine unabhängige Steuerung der Turbineneinlass- und den Ionentransportseparator-Temperaturen und unterziehen den Einsatz des Ionentransportseparators keiner Verdünnung und Verunreinigung mit Verbrennungsprodukten. Jede dieser Ausführungsformen weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Einsatz des Ionentransportseparators und somit die Parfialdruckantriebskraft nicht wie in dem Fall einer In-line-Tail- Verbrennungseinheit oder eines In-line-Ionentransportreaktors stromauf eines Separators reduziert wird. Der Ionentransport-Turbinen-Tail-Gasreaktor teilt den Vorteil einer vereinfachten Steuerung der Gleichgewichtsverhältnisse von Brennstoff zu Sauerstoff für eine stabile Verbrennung mit den anderen Ionentransportreaktorschemata.
Fig. 6 illustriert ein System zur Erzeugung von Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid als Nebenprodukte je nach Wunsch mit einer Energieerzeugung. Im Betrieb wird ein Einsatzgasstrom 600 durch einen Kompressor 601 auf einen Druck von 12 atm verdichtet. Ein komprimierter Gasstrom 602 wird auf eine Temperatur von 427 bis 482ºC (800 bis 900ºF) in einem Wiedergewinnungswärmetauscher 603 durch einen heißen Gasstrom 652, einen Turbinenauslassgasstrom 646, einen heißen Gasstrom 626 und wahlweise einen heißen Kohlendioxidgasstrom 638 erwärmt, um einen erwärmten Gasstrom 604 zu erzeugen. Der erwärmte Gasstrom 604 wird in einem Wärmetauscher 606 durch einen erwärmten Gasstrom 618, einen heißen Gasstrom 624 und einen heißen Gasstrom 650 zur Erzeugung des erwärmten Gasstroms 608 weiter erwärmt. Anschließend wird der erwärmte Gasstrom 608 in einem Ionentransportreaktor-Heizgerät 610 bei seinem Durchlauf durch Heizgerätröhren 611 auf die Ionentransporttemperatur erwärmt. Die für den Temperaturanstieg des Gasstroms 608 auf die erforderliche Temperatur des Ionentransportseparators notwendige Wärme wird durch die Reaktion des Brennstoffgasstroms 614, z. B. Methan, erzeugt.
Dann tritt der erwärmte Gasstrom 608 aus dem Ionentransportreaktor-Separator 610 aus und wird aufgeteilt. Ein Teil von ihm wird zu einem Gasstrom 618, der durch einen Wärmetauscher 606 geleitet und anschließend in eine Verbrennungseinheit 632 injiziert wird. Ein weiterer Teil wird in einen Ionentransportseparator 621 injiziert, wo 50 bis 75% des enthaltenen Sauerstoffs als das Gas extrahiert wird, das entlang einer Ionentransportmembran 622 mit einer Retentatseite 622a und einer Permeatseite 622b geführt wird.
Der Gasstrom 650 wird wie oben erwähnt in dem Wärmetauscher 606 zur Erzeugung eines Gasstroms 652 gekühlt, der wiederum in einem Wärmetauscher 603 zur Erzeugung eines Sauerstoffgasstroms 654 gekühlt wird. Ein Retentatgasstrom 620 wird zu einem Ionentransportreaktor-Heizgerät 610 geleitet, um den notwendigen Sauerstoff für die Reaktion an der Anoden- oder Permeatseite 612b der Transportembran 612 bereitzustellen und gleichzeitig den restlichen Sauerstoff von der Kathoden- oder Retentatseite 612a der Transportembran 612 zu strippen.
Der Retentatgasstrom 624 wird wie oben erwähnt in dem Wärmetauscher 606 zur Erzeugung des Gasstroms 626 gekühlt, der wiederum in einem Wärmetauscher 603 zur Erzeugung eines Stickstoffproduktstroms 628 bei Systemdruck gekühlt wird. Der Stickstoffproduktstrom enthält vorzugsweise mindestens 95 Vol.% Stickstoff, bevorzugter mindestens 98 Vol.% Stickstoff und am bevorzugtesten mehr als 99 Vol.% Stickstoff. Weniger als 10 Teile pro Million Sauerstoffgehalt sind erreichbar. Ein Permeatgasstrom 634 wird zur Ausbildung eines Gasstroms 631 mit einem Gasstrom 630 zusammengeführt. Wahlweise kann der gesamte Gasstrom 634 oder ein Teil davon zu einem Gasstrom 638 werden. Der Gasstrom 638 wird in dem Wärmetauscher 603 zur Erzeugung eines Gasstroms 640 gekühlt, der entweder abgelassen wird oder von dem CO&sub2; durch ein Auskondensieren von Wasser gewonnen werden kann.
Der Gasstrom 631 wird in eine Verbrennungseinheit 632 eingespeist, um mit einem Brennstoffgasstrom 615 zur Erzeugung eines Reaktionsproduktegasstroms 642 zu reagieren. Der bei der erwünschten Turbineneinlasstemperatur von typischerweise 1316ºC (2400ºF) vorliegende Gasstrom 642 wird in eine Gasturbine 644 zur Erzeugung von Energie 648 für den Antrieb des Kompressors 601, eines Auslassgasstroms 646 und überschüssiger Energie 647 injiziert. Der Auslassgasstrom 646 wird wie oben erwähnt gegen den komprimierten Gasstrom 602 in dem Wärmetauscher 603 zur Erzeugung eines Abgasstroms 648 gekühlt.
Der Ionentransportreaktor 610 gemäß der Ausführungsform von Fig. 6 arbeitet im wesentlichen wie eine Desoxidationseinheit. Die Proportionierung des Aufteilens des Luftstroms 608 hängt davon ab, wie viel Produkt extrahierbar ist, ohne die Turbine 644 übermäßig zu beeinträchtigen. Eine Einstellung des Verhältnisses von Stickstoff zu Sauerstoffprodukt kann durch Rückführen eines Teils des Stickstoffstroms zu dem Einsatz der Verbrennungseinheit bewerkstelligt werden. Wie in einigen vorgängigen Ausführungsformen können die Produkte der Reaktion von dem Ionentransportreaktor mit dem Haupteinsatzstrom in die Verbrennungseinheit 632 vermischt oder vollständig bzw. teilweise als ein Kohlendioxidnebenprodukt abgezogen werden. Der Entwurf des Ionentransportreaktor-Heizgeräts 610 muss wiederum die Entfernung der Reaktionswärme auf eine Weise handhaben, welche die Ionentransportreaktorelemente bei einer so gleichförmigen Temperatur wie möglich hält.
Es ist ersichtlich, dass der Hauptvorteil der obigen Anordnung darin besteht, dass sie die Gewinnung eines Teils des Einsatzluftstroms 602 als Stickstoffprodukt und das Einstellen des Verhältnisses von Stickstoff zu Sauerstoffprodukt über einen breiten Bereich ermöglicht, während die meisten der Vorteile der anderen Ausführungsformen der Erfindung beibehalten werden.
In vielen kleineren "billigen" Gasturbinen tendieren die Turbineneinlasstemperaturen dazu, auf den Bereich von 760 bis 982ºC (1400ºF bis 1800ºF) begrenzt zu sein (was identisch zu dem Betriebsbereich von Ionentransportseparatoren ist), um die Kapitalkosten zu reduzieren. Offensichtlich kann in diesen Fällen eine separate Hochtemperatur-Verbrennungseinheit weggelassen werden. Die in den vorgängigen Figuren dargestellten Schemata können jedoch immer noch benutzt werden, wobei viele der oben angeführten Vorteile beibehalten werden.
Fig. 7 illustriert eine für kleinere Gasturbinen anwendbare Ausführungsform, die eine moderatere Turbineneinlasstemperatur von 1905ºF (1040ºC) bewerkstelligt. In diesem Fall ist keine zweite Verbrennungseinheit erforderlich, da die Turbineneinlasstemperatur in dem Bereich der Anforderungen der Ionentransporttemperatur liegt. In dem jeweils nachstehend beschriebenen Beispiel ist es erwünscht, einen signifikanten Anteil des enthaltenen Sauerstoffs und Kohlendioxids als Nebenprodukte zu gewinnen.
Im Betrieb wird ein Einsatzgasstrom 700 durch einen Kompressor 701 auf einen Druck von 12 atm verdichtet. Ein komprimierter Gasstrom 702 wird in einem Wiedergewinnungswärmetauscher 704 durch einen heißen Gasstrom 780 und einen heißen Gasstrom 717 auf eine Temperatur von 427 bis 482ºC (800 bis 900ºF) erwärmt, um einen erwärmten Gasstrom 706 zu erzeugen. Anschließend wird der erwärmte Gasstrom 706 in einem Ionentransportreaktor-Separator 710 bei seinem Durchlauf durch Heizgerätröhren 708 auf die Ionentransporttemperatur erwärmt. Die für den Temperaturanstieg des Gasstroms 706 auf die erforderliche Temperatur des Ionentransportseparators notwendige Wärme wird durch die Reaktion des Brennstoffgasstroms 790, z. B. Methan, erzeugt.
Dann tritt der erwärmte Gasstrom 706 aus dem Ionentransportreaktor-Heizgerät 710 als ein erwärmter Gasstrom 714 aus und wird in einen Ionentransportseparator 720 injiziert, wo das Gas entlang einer Ionentransportmembran 722 mit einer Retentatseite 722a und einer Permeatseite 722b geleitet wird und wo Sauerstoff von der Retentat- zu der Permeatseite mittels Ionentransport übertragen wird. Ein Retentatgasstrom 716 wird zu dem Ionentransportreaktor 710 geführt, wo er mittels Ionentransport den für die Reaktion an der Permeatseite 712b erforderlichen Sauerstoff zuführt. Ein Retentatgasstrom 718 wird zur Ausbildung eines Turbineneinlassstroms 774 mit einem Gasstrom 764 zusammengeführt. Der Turbineneinlassstrom 774 wird in eine Gasturbine 776 injiziert, um Energie 782 für den Antrieb des Kompressors 701, einen Auslassgasstrom 780 und überschüssige Energie 781 zu erzeugen. Der Auslassgasstrom 780 wird wie oben erwähnt gegen den komprimierten Gasstrom 702 in dem Wärmetauscher 704 gekühlt, um einen Gasstrom 784 zu erzeugen, der wiederum in einem Wärmetauscher 788 gekühlt wird, um einen Gasstrom 786 aus Stickstoff und Wasser oder Wasserdampf auszubilden.
Ein Brennstoffdampf 790 wird in die Permeatseite des Ionentransportreaktors 710 eingeleitet, um mit dem permeierenden Sauerstoff zu reagieren und dadurch die notwendige Wärme bereitzustellen. Austretende Verbrennungsprodukte 792 werden zum Spülen der Permeatseite des Ionentransportseparators 720 verwendet und erhöhen dadurch den Sauerstofftransport, indem der mittlere Partialsauerstoffdruck an der Permeatseite reduziert wird. Der austretende Permeatgasstrom 717 enthält nun Sauerstoff, der im wesentlichen mit Dampf und CO&sub2; verdünnt ist.
Der Strom 717 wird in dem Wärmetauscher 704 zur Erzeugung des Gasstroms 719 gekühlt, der wiederum in dem Wärmetauscher 788 zur Erzeugung eines Gasstroms 767 gekühlt wird. Nach dem Auskondensieren von Wasser in einem Kondensator 780 kann das sich ergebende Wasser aus einem Strom 791 in einem Separator 752 zur Erzeugung eines Wasserstroms 755 und eines mit Wasser gesättigten Sauerstoffproduktstroms 754 niedriger Reinheit entfernt werden. Auf Wunsch kann das darin enthaltene Wasser in einem Trockner entfernt und CO&sub2; kann durch ein stromabwärtiges Verfahren wie z. B. einer Membran- oder Druck- oder Temperaturwechseladsorption entfernt werden, was beispielsweise durch einen Separator 464, Fig. 4, dargestellt ist. Der CO&sub2;-Gehalt des Stroms 754 variiert typischerweise von 5 bis 25% in Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen.
Um die verfügbare Abwärme zu verwenden und den Verlust an Durchflussvolumen in der Turbine zu minimieren, wird ein getrennter Wasserstrom 755 vorzugsweise durch eine Wasserpumpe 760 auf den geeigneten Druck gepumpt und als ein Strom 761 in den Aufkocher-Überhitzerwärmetauscher 788 eingespeist, wobei ein Strom 762 erzeugt wird, der wiederum durch einen rekuperativen Wärmetauscher 704 zur Erzeugung des Stroms 764 geleitet wird. Wie oben erwähnt wird der Strom 764 mit dem heißen Retentatstrom 718 vermischt, bevor er in den Turbineneinlassstrom 774 injiziert wird.
In Abhängigkeit von der verfügbaren Wärme und den Wärmetauscherkosten ist es möglich, zusätzliches Wasser an der Ansaugung der Pumpe 760 durch einen Strom 750 hinzuzufügen, um die Verluste in dem Volumendurchfluss und der Energie in der Turbine 776 weiter zu reduzieren. Es ist offensichtlich, dass anstelle separater Ionentransporteinheiten eine Reaktor-Separator-Kombination verwendet werden kann. Ebenfalls ist evident, dass das allgemeine Konzept einer Verwendung von Verbrennungsgasen aus einem Ionentransportreaktor mit Systemen verwendet werden kann, die eine Verbrennungseinheit stromab von dem Ionentransportseparator oder der Turbine benutzen.
Die Tabellen III und IV stellen dar, wie die Ausführungsform aus Fig. 7 einen signifikanten Anteil des Sauerstoffs in dem Einsatzgasstrom gewinnen und einen einfach abtrennbaren vermischten Sauerstoff- Kohlendioxid-Produktstrom mit einem nur geringen Verlust an Exportenergie von der Gasturbine bereitstellen kann.

Tabelle III: Turbine ohne Neben rodukte

Kompressorluftstom 55.202 kg/h (121.700 lbs/h)
Kompressorverdichtungsverhältnis 10 : 1
Turbineneinlasstemperatur 1041ºC (1905ºF)
Brennstoffströmungsrate 939 kg/h (2070 lbs/h)
Wellenenergie 3580 kW

Tabelle IV: Turbine mit Sauerstoff und Kohlendioxid-Nebenprodukten

Kompressorluftstrom 55.202 kg/h (121.700 lbs/h)
Kompressionsverhältnis 10 : 1
Turbineneinlasstemperatur 1041ºC (1905ºF)
Brennstoffströmungsrate 939 kg/h (2070 lbs/h)
Wasserhinzufügung 2676 kg/h (5900 lbs/h)
Erzeugte Energie 3050 kW
Erzeugte Sauerstoff 200 tons/Tag (59 Gew.-% an Sauerstoff in Einsatzasstrom)
Erzeugtes Kohlendioxid 68 tons/Tag
Es ist ersichtlich, dass in dem angegebenen Beispiel 200 tons/Tag an Sauerstoff bei einer effektiven Energie von 530 kW oder 2,65 kW/tons/Tag ohne Berücksichtigung des Kohlendioxids erzeugt werden. Das zusätzliche Kapital besteht in den Ausgaben für das Ionentransportreaktor-Heizgerät, den Aufkocher- Überhitzer, den restlichen Wasserkreislauf und einem ausgefeilteren Rekuperator unter Berücksichtigung der Beseitigung einer Verbrennungseinheit. Ein zusätzlicher Vorteil besteht in der wesentlichen vollständigen Beseitigung von NOx aufgrund der Verwendung eines Ionentransportreaktors anstelle einer Verbrennungseinheit.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Abgas hauptsächlich Wasser, Stickstoff und Sauerstoff enthält und dass in dem Beispiel der Sauerstoffgehalt als ein Prozentsatz an nicht kondensierbaren Gasen nur etwa 3% beträgt. Infolgedessen würde der Ausschuss einen idealen Einsatz für ein Stickstoffproduktgewinnungssystem ausbilden. Ein geeignetes System könnte eine Membran oder ein PSA/TSA-Trockner sein, gefolgt von einer Ionentransport-Desoxidationsanlage. In dem Fall, wenn Stickstoff gewonnen werden soll, könnte das aus dem Ausschuss auskondensierte Wasser zur Reduzierung der externen Wasserzufuhr für das System verwendet werden.
Für die Praxis der vorliegenden Erfindung erforderliche Elemente sind auf geeignete Weise entworfene Tonentransportreaktoren, Reaktor-Heizgeräte und Reaktor-Separator-Einheiten. Wie weiter oben erwähnt muss der Entwurf dieser Vorrichtungen die Handhabung der Wärmemengen der Reaktion auf eine solche Weise beinhalten, dass die Temperatur der Ionentransportreaktorelemente keine übermäßigen Temperaturschwankungen aufweist und diese für eine maximale Effizienz bei relativ gleichförmigen Temperaturen betrieben werden.
Typische Bereiche für die Betriebsparameter der Ionentransportmodule lauten wie folgt:
Temperatur: Für die Ionentransportmodule liegt die Temperatur typischerweise in dem Bereich von 400ºC bis 1500ºC und vorzugsweise in dem Bereich von 600ºC bis 1200ºC. Die Dampfturbine wird typischerweise in dem Bereich von 350 bis 600ºC und die Gasturbine wird typischerweise in dem Bereich von 800ºC bis 1500ºC betrieben.
Druck: Der Spülseitendruck wird typischerweise zwischen 1 atm und 40 atm und vorzugsweise zwischen 1 atm und 10 atm betragen. Der Einsatzseitendruck wird zwischen 1 atm und 40 atm liegen, wenn aufgedrückter Stickstoff als ein Produkt erforderlich ist oder wenn das Ionentransportauslassgas für eine Energieerzeugung zu einer Gasturbine geführt wird, und andernfalls zwischen 1 atm bis 10 atm. Der Gasturbineneinlassdruck liegt typischerweise zwischen 5 atm und 40 atm und der Ablassdruck wird typischerweise zwischen 1 atm und 1,5 atm betragen. Der Dampfgenerator erzeugt typischerweise Dampf bei einem Druck von 10 atm bis 50 atm für den Rankine-Zyklus.
Sauerstoffionenleitfähigkeit der Ionentransportmembran: Typischerweise in dem 0,01-100 S/cm-Bereich (1 S = 1/Ohm).
Dicke der Ionentransportmembran: Eine Ionentransportmembran kann in der Form eines dichten Films oder eines dünnen Films benutzt werden, der auf einem porösen Substrat gestützt wird. Die Dicke (t) der Ionentransportmembran/Lage beträgt typischerweise weniger als 5000 um, vorzugsweise weniger als 1000 um und am bevorzugtesten weniger als 100 um.
Konfiguration: Die Ionentransportmembranelemente können typischerweise rohrförmig oder planar sein.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "elementarer Sauerstoff' jeden Sauerstoff, der nicht mit irgendeinem anderen Element der Periodentabelle kombiniert ist. Obgleich typischerweise in diatomarer Form vorliegend beinhaltet elementarer Sauerstoff auch einzelne Sauerstoffatome, triatomares Ozon und andere Formen, die nicht mit anderen Elementen kombiniert sind.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen mindestens eines Sauerstoffproduktgasstromes und Energie, wobei im Zuge des Verfahrens:

(a) ein Einsatzgasstrom, der elementaren Sauerstoff enthält, komprimiert wird;

(b) mindestens erste und zweite Ionentransportmembranabschnitte bereitgestellt werden, wobei jeder Membranabschnitt eine Retentatzone auf einer Seite des Membranabschnitts sowie eine Permeatzone auf der anderen Seite aufweist;

(c) der Einsatzgasstrom unter Verwendung von Wärme erhitzt wird, die durch eine Reaktion innerhalb der Permeatzone des ersten Ionentransportmembranabschnitts erzeugt wurde, um einen erwärmten Einsatzgasstrom zu erzeugen;

(d) der erwärmte Einsatzgasstrom unter Verwendung des zweiten Ionentransportmembranabschnitts in einen an Sauerstoff verarmten Gasstrom an der Retentatseite und einen sauerstoffhaltigen Gasstrom an der Permeatseite zerlegt wird;

(e) in einer Gasturbine Energie von mindestens einem zu expandierenden Gasstrom extrahiert wird, um Energie zu erzeugen, nachdem der zu expandierende Strom direkt oder indirekt mittels der Reaktion innerhalb der ersten Permeatzone erwärmt wurde; und

(f) der sauerstoffhaltige Gasstrom als der Sauerstoffproduktstrom gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der erste Membranabschnitt eine Reaktormembran ist und der zweite Membranabschnitt eine in Abstand von der Reaktormembran angeordnete unterschiedliche Trennmembran ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der erste und der zweite Membranabschnitt unterschiedliche Bereiche einer einheitlichen Membranstruktur sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Reaktion innerhalb der Permeatzone des ersten Ionentransportmembranabschnitts das Reagieren des den ersten Ionentransportmembranabschnitt permeierenden Sauerstoffs mit einem ersten Brenngasstrom unter Erzeugung eines ersten gasförmigen Verbrennungsproduktegasstroms beinhaltet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem ferner Kohlendioxid als ein Produkt von dem ersten Verbrennungsproduktegasstrom erhalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Erhalten von Kohlendioxid das Entfernen von Wasser oder Wasserdampf von dem ersten Verbrennungsproduktegasstrom beinhaltet.

7. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem mindestens ein Teil des Verbrennungsproduktegasstroms verwendet wird, um die Permeatzone des zweiten Ionentransportmembranabschnitts zu spülen, um den Sauerstoffionentransport durch den zweiten Membranabschnitt zu verbessern.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem ferner Kohlendioxid von dem sauerstoffhaltigen Gasstrom abgetrennt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner der an Sauerstoff verarmte Gasstrom in einer Verbrennungseinheit mit einem zweiten Brenngasstrom zur Reaktion gebracht wird, um einen zweiten gasförmigen Verbrennungsproduktegasstrom zu erzeugen, und der zweite gasförmigen Verbrennungsproduktegasstrom zu der Turbine als der zu expandierende Gasstrom geleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner:

mindestens ein Teil des ersten gasförmigen Verbrennungsproduktegasstroms mit mindestens einem Teil des an Sauerstoff verarmten Gasstroms von der Retentatseite des Ionentransportseparatormembranabschnitts kombiniert wird, um einen Aggregatgasstrom zu bilden;

der Aggregatgasstrom in einer Verbrennungseinheit mit einem zweiten Brenngasstrom zur Reaktion gebracht wird, um einen zweiten gasförmigen Verbrennungsproduktegasstrom zu erzeugen, und der zweite gasförmigen Verbrennungsproduktegasstrom als der zu expandierende Gasstrom zu der Turbine geleitet wird.