DE69828465T2

DE69828465T2 - Verfahren zur Sauerstoffanreicherung unter Anwendung eines Festelektrolyt-Systems

Info

Publication number: DE69828465T2
Application number: DE69828465T
Authority: DE
Inventors: Ravi East Amherst Prasad; Raymond Francis Clarence Center Drnevich; Homer Synder Fay
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1998-06-03
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2018-06-04
Also published as: CA2239441C; KR100363752B1; US5855648A; EP0888805A3; MY132916A; CA2239441A1; JPH11226344A; AU6989598A; CN1204548A; DE69828465D1; KR19990006602A; ZA984794B; BR9801767A; EP0888805A2; ES2231918T3; ID20885A; AU733252B2; RU2205227C2; CN1117604C; JP3392055B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Verwendung von Festelektrolyt-Ionenleiter-Systemen zum Abtrennen von Sauerstoff aus Luft zur Erzeugung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft.
Hintergrund der Erfindung
Der Betrieb von Hochöfen verbraucht typischerweise große Mengen an Luft, die den Sauerstoff für die darin stattfindenden Oxidationsreaktionen bereitstellt. Die Betreiber von Hochöfen haben auf eine Injektion von pulverisierter Kohle umgestellt, um die notwendige Menge an Koks für die Herstellung von Eisen aus Erz zu verringern. Mit dieser Veränderung muss die Luft für den Hochofen mit Sauerstoff angereichert werden, um die Hochofenproduktionsrate aufrechtzuerhalten, was einen Bedarf nach einer Herstellung von sauerstoffangereicherter Luft zur Verwendung mit Hochöfen erzeugt hat. Der Sauerstoffbedarf für einen derartigen Hochofen beträgt mehr als 0,1 Tonne Sauerstoff pro Tonne Eisen. Folglich werden die Kosten von Sauerstoff zu einem wichtigen Faktor in den Kosten der Eisenherstellung.
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 anderen Spurengasen besteht. Da nur der Sauerstoffanteil des in den Hochofen injizierten Gases (zum Beispiel Luft) von der Verbrennung verbraucht wird, werden die anderen Komponenten des Gases (zum Beispiel Stickstoff und Argon) üblicherweise chemisch unverändert von dem Gasofen abgelassen. Diese nicht reagierten Ablassgase sind jedoch in dem Verfahren erwärmt worden und tragen somit zu der Energieineffizienz des Verfahrens bei, da ein wesentlicher Anteil dieser Wärme nicht wieder gewonnen werden kann.
Die grundlegende Anordnung zum Zuführen von sauerstoffangereicherter Luft in den Hochofen beteiligt die Entnahme von Sauerstoff normaler Reinheit (99,5 Mol.%) von einer Luftzerlegungseinheit, die für die Zufuhr des Sauerstoffaufblaskonverters (BOF) entworfen ist, sowie das Vermischen des Gases mit der Blasluft vor der Einspeisung in die Hochöfen. Häufig liegt der für die Anreicherung der Luft verwendete Sauerstoff bei einem erhöhten Druck vor, der für BOF-Vorgänge erforderlich ist, namentlich bei >13,8 bar (200 psia).
Ein alternatives Verfahren besteht in der Verwendung einer Sauerstoffanlage mit niedriger Reinheit (70 – 90 Mol.%), um Sauerstoff unter Verwendung von weniger Energie als eine Sauerstoffanlage mit hoher Reinheit zu erzeugen und dieses Sauerstoffgas mit der Luft von dem Blasluftgebläse zu vermischen.
Aufgrund dieses Bedarfs nach Sauerstoff zur Verwendung in Hochöfen besteht eine Nachfrage nach der Entwicklung von effizienteren Verfahren für die Herstellung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft zur Verwendung in Hochofenvorgängen. Die Erfindung erfüllt diese Nachfrage, indem sie Gastrennverfahren für die Erzeugung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft mit den Hochöfen, die diese Verfahren speisen, integriert, wodurch die Effizienz des gesamten Verfahrens erhöht wird.
Festelektrolyt-Ionenleiter bieten eine potenziell attraktive Technologie für die Abtrennung von Sauerstoff aus Luft. Das Festelektrolytverfahren kann unter Verwendung der Ionenleiter in einem elektrisch angetriebenen Modus oder von Mischleitern in einem druckbetriebenen Modus betrieben werden. Zwei einzigartige Merkmale des Festelektrolytverfahrens bestehen darin, dass das Verfahren bei hohen Temperaturen arbeitet (600 – 1000°C) und Sauerstoff mit einer unendlichen Selektivität von Sauerstoff zu Stickstoff erzeugt. Diese Merkmale lassen das Festelektrolytverfahren für eine Integration in ein Hochtemperaturverfahren wie z.B. einen Hochofenbetrieb gut geeignet ausfallen.
Die Basis für den Betrieb der Ionentransportmembran besteht darin, dass sie Sauerstoffionenleerstellen bei hohen Temperaturen auf effektive Weise transportiert. Wenn sie einem differenziellen Sauerstoffpartialdruck an beiden Seiten der Membran ausgesetzt werden, ermöglichen es elektrisch angetriebene Ionentransportmembrane, dass sich eine spontane Spannung (das Nernst-Potenzial) entwickelt, die von dem Sauerstoffpartialdruck über die Membran logarithmisch abhängig ist. Wenn umgekehrt dazu eine externe Spannung angelegt wird, die das Nernst-Potenzial übersteigt, kann Sauerstoff in der Form von Oxidionen über die Membran gegen den Partialdruckgradienten gepumpt werden. Dieses Pumpen benötigt elektrischen Strom, und obwohl dieser Verfahrenstyp Sauerstoff bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur erzeugen kann, sind die Kosten der benötigten elektrischen Energie hoch.
In jüngerer Zeit sind Festelektrolytmaterialien entwickelt worden, die Sauerstoffionenleerstellen bei hohen Temperaturen transportieren können und zugleich Elektronenleiter sind. Für derartige Materialien wird der Gegenstrom zu dem Fluss von Sauerstoffionenleerstellen durch einen internen Elektronenfluss anstatt durch einen externen Stromkreis getragen. Es sind keine Elektroden erforderlich und der gesamte Transport wird durch den Sauerstoffpartialdruck in den Gasströmen an jeder Seite der Ionentransportmembran angetrieben. Es muss keine elektrische Energie zugeführt werden, dieser Verfahrenstyp ist einfacher in die Hochofenausrüstung integrierbar, und er stellt eine attraktivere Anordnung zum Zuführen von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in den Hochofen dar.
Somit sind zwei Typen von Ionentransportmembranen im Einsatz: Ausschließlich Ionen durch die Membran leitende Ionenleiter, die Elektroden und einen externen Stromkreis benötigen, um einen Elektronenfluss zu ermöglichen, und Mischleiter, die sowohl Ionen wie Elektronen durch die Membran leiten. Wie hier verwendet werden die Begriffe "Festelektrolyt-Ionenleiter", "Festelektrolyt-Ionentransportmembran", "Festelektrolyt"- oder "Ionentransportmembran" im allgemeinen dazu benutzt, entweder ein (elektrisch angetriebenes) System vom Ionentyp oder ein (druckbetriebenes) System vom Mischleitertyp zu bezeichnen, solange nichts anderes angegeben ist.
Obgleich das Ionentransportverfahren reinen Sauerstoff erzeugen kann, beteiligt der beste Praxismodus für diese Anwendung die Verwendung von Luft oder eines anderen Gases, das einen niedrigeren Sauerstoffpartialdruck als der Einsatzgasstrom hat, als ein Spülgasstrom für die Permeatseite der Ionentransportmembran. Dies verringert den Sauerstoffpartialdruck und verbessert den Sauerstofftransport durch die Membran, was zu einer höheren Sauerstoffgewinnung führt. Das Produkt von einem derartigen Ionentransportmodul ist sauerstoffangereicherte Luft anstatt reiner Sauerstoff, aber diese Luft ist für die Injektion in den Einsatz- bzw. den Blasluftstrom geeignet, um die Sauerstoffkonzentration der heißen Blasluft zu erhöhen.
Die Festelektrolyt-Ionentransporttechnologie ist ausführlicher in Prasad et al., US-A-5 547 494, mit dem Titel "Staged Electrolyte Membrane" beschrieben.
Fortschritte beim Stand der Technik zur Luftzerlegung unter Verwendung von anorganischen Oxidmembranen sind in der technischen Literatur aufgeführt. Zusätzlich sind Schemata vorgeschlagen worden (zum Beispiel Rathbone, US-A-5 268 019, siehe unten), in welchen Gasturbinen, deren Brennstoff Hochofengas ist, in Luftzerlegungseinheiten integriert sind, um Sauerstoff mit reduzierter Reinheit für die Blasluftanreicherung bereitzustellen.
Hegarty, US-A-4 545 787 mit dem Titel" Process for Producing By-Product Oxygen from Turbine Power Generation", bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Energie aus einem verdichteten und erwärmten Luftstrom, indem Sauerstoff von dem Luftstrom entfernt, ein Teil des sich ergebenden Luftstroms mit einem Brennstoffstrom verbrannt, der Verbrennungsausfluss mit einem anderen Teil des resultierenden Luftstroms kombiniert und das Verbrennungsendprodukt durch eine Turbine expandiert wird, um Energie zu erzeugen. Hegarty erwähnt die Verwendung von Silberverbundmembranen und Verbundmetalloxid-Festelektrolytmembranen zur Entfernung von Sauerstoff von dem Luftstrom.
Kang et al., US-A-5 516 359 mit dem Titel "Integrated High Temperature Method for Oxygen Production", bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtrennen von Sauerstoff aus erwärmter und verdichteter Luft unter Verwendung einer Festelektrolyt-Ionenleiter-Membran, wobei das Nichtpermeat-Produkt weiter erwärmt und zwecks Energieerzeugung durch eine Turbine geleitet wird.
Rathbone, US-A-5 268 019 mit dem Titel "Air Separation Method and Apparatus Combined with a Blast Furnace", bezieht sich auf eine Anordnung zum Integrieren einer Luftzerlegungsanlage in einen Hochofen. Das Verfahren benutzt keine Festelektrolyte und somit keine thermische Integration.
Rathbone, US-A-5 317 862 mit dem Titel "Air Separation", bezieht sich auf die Verwendung von unter Druck gesetztem Stickstoff zur Erzeugung von Energie und der Verbesserung des Wärmehaushalts eines in einem Hochofen integrierten Verfahrens.
Grenier, US-A-5 244 489 mit dem Titel "Process for Supplying a Blast Furnace with Air Enriched in Oxygen, and Corresponding Installation for the Reduction of Iron Ore", offenbart ein Verfahren gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 und bezieht sich auf eine Anordnung zum Integrieren einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage in einen Hochofen. Es werden keine Festelektrolyte benutzt und die Erfindung beteiligt die Verwendung des Blasluftgebläses in Kombination mit einem Niederreinheitsluftzerlegungskonzept, das als das Mischkolonnenverfahren bekannt ist. Dieses Verfahren ist ein Tieftemperaturverfahren ähnlich zu demjenigen der Standarddoppelkolonne, jedoch unter Hinzufügung einer dritten Kolonne, in der Flüssigkeit mit Luft in Kontakt gebracht wird, um einen Strom mit niedriger Reinheit zu erzeugen, der sich mit der in die Öfen eintretenden Blasluft vermischt.
EP 0 747 108 A2 bezieht sich auf ein Verfahren zur Sauerstofferzeugung aus Luft, indem der Luftstrom durch ein Sauerstoffionentransportmodul geleitet wird, damit Sauerstoff von der Permeatseite der Ionentransportmembran des Moduls gewonnen wird. Das Sauerstoffprodukt ist in einem Ofen verwendbar.
EP 0 555 878 A1 bezieht sich auf einen zweistufigen Membrantrockner zur Entfernung von Feuchtigkeit von einem feuchten Einsatzgasstrom wie z.B. Stickstoff mittels einer Permeation der Feuchtigkeit durch eine Membran, die in der Form hohler Fasern vorliegt. Ein Teil des von der zweiten Stufe abgezogenen getrockneten Produktgases wird zu der Permeatseite der Membran der zweiten Stufe zwecks Rücklaufspülung zurückgeführt.
Aufgaben der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines effizienten Verfahrens zum Integrieren eines Festelektrolyt-Ionenleiter-Systems in eine Sauerstofferzeugungseinheit, um einem Ofen einen sauerstoffangereicherten Gasstrom zuzuführen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Erhöhung der Effizienz des Verfahrens, indem die Ionentransportmembran mit einem Teil der heißen Blasluft, einem Teil des Stickstoffabstroms, einem reaktiven Brennstoffgas oder einem anderen Sauerstoffgas mit niedriger Konzentration gespült wird.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht in der Steigerung der Effizienz des gesamten Systems, indem die Stufen des Verfahrens unter Verwendung von Leitungen, Wärmetauschern, Kühlern, Brennkammern, Leistungsexpandern und anderen Ausrüstungsgegenständen an geeigneten Stellen in dem System integriert werden, um Energie zu gewinnen und zu übertragen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung weist ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Sauerstoffanreicherung eines ersten Einsatzgasstroms auf, der elementaren Sauerstoff und mindestens ein weiteres in einen Ofen einzuspeisendes Gas enthält.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ofen ein Hochofen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Einsatzgasstrom mindestens einen Teil des verdichteten ersten Einsatzgasstroms oder eines verdichteten sauerstoffangereicherten Einsatzgasstroms auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Teil des ersten Gasstroms, nachdem er erwärmt worden ist, zu dem zweiten Einsatzgasstrom hinzugefügt. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der zweite Einsatzgasstrom erwärmt, indem Wärme von dem reinen Sauerstoffgasstrom oder sauerstoffangereicherten Gasstrom und dem an Sauerstoff verarmten Gasstrom zu dem zweiten Einsatzgasstrom übertragen wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gewinnt ein Leistungsexpander Energie von dem an Sauerstoff verarmten Gasstrom. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Brennstoffgasstrom zwecks Spülung zu der Permeatseite der Ionentransportmembran zugeführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen und den beiliegenden Zeichnungen, in denen:
1 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung ist, das das Ionentransportmodul zusammen mit einem Hochofen darstellt, wobei ein Brennstoffgasstrom zu einer Brennkammer in dem Abgasstrom hinzugefügt wird;
2 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung ähnlich zu 1 jedoch mit der Ausnahme ist, dass der sauerstoffreiche Gasstrom aus dem Ionentransportmodul gekühlt, verdichtet und in den unter Druck gesetzten Gasstrom, der in die Öfen eintritt, injiziert wird, wobei die heiße Blasluft mit dem Einsatzgasstrom in das Ionentransportmodul vermischt wird;
3 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung ist, das ein Verfahren darstellt, bei dem der Spülgasstrom von einem Teil des Stickstoffnebenproduktgasstroms entnommen wird;
4 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung ähnlich zu derjenigen von 3, jedoch mit der Ausnahme ist, dass der sauerstoffreiche Permeatgasstrom aus dem Ionentransportmodul gekühlt, verdichtet und in den unter Druck gesetzten Gasstrom injiziert wird, der in die Öfen eintritt;
5 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung ähnlich zu derjenigen von 4 ist, wobei ein getrennter Luftkompressor den Ionentransportmodul-Einsatzgasstrom unter Druck setzt;
6 ein schematisches Diagramm ist, das sich auf keine Ausführungsform der Erfindung bezieht und ein druckbetriebenes Ionentransportverfahren darstellt, wobei ein Teil der Luft von dem Blasluftgebläse stammt und in einem Boosterkompressor gekühlt und auf einen hohen Druck verdichtet wird, um durch einen Wärmetauscher und eine Brennkammer geleitet zu werden, damit die Einsatzgasstromtemperatur auf die bevorzugte Ionentransport-Betriebstemperatur erhöht werden kann;
7 ein schematisches Diagramm ist, das sich auf keine Ausführungsform der Erfindung bezieht und ein mit einem Hochofenbetrieb kombiniertes, elektrisch angetriebenes Ionentransportmodul darstellt, wobei der Permeatgasstrom direkt zu dem in den Hochofen injizierten erwärmten Gasstrom hinzugefügt wird; und
8 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung ist, die ein in einen Hochofenbetrieb kombiniertes Ionentransportmodul darstellt, wobei ein Teil der Luft von dem Blasluftgebläse zu dem Ionentransportverfahren abgezweigt wird.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das grundlegende Merkmal der Erfindung besteht in der Ausbildung eines integrierten Verfahrens, bei welchem verdichtete Luft von dem Blasluftgebläse als der Einsatz für die Festelektrolytvorrichtung verwendet wird, wodurch der Bedarf nach einem separaten Kompressor beseitigt wird. Ein Teil der heißen Blasluft kann zur Zufuhr der Wärme, die für die Aufrechterhaltung der Festelektrolytmodul-Betriebstemperatur erforderlich ist, benutzt werden, wodurch der für den sauerstoffangereicherten Luftstrom notwendige Brennstoff beseitigt bzw. verringert wird, was den Betrieb des Hochofens verbessert.
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung benutzen einen Teil der Kompressionsenergie und einen Teil der Wärme von der Hochofenausrüstung, um den Betrieb des Ionentransportverfahrens zu unterstützen und Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft für die Erhöhung der Effektivität der Heißlufteinblasung in den Ofen zu erzeugen. Durch die Integration des Ionentransportmoduls in die Hochofenausrüstung können die Energie und die Kosten des Sauerstoffanreicherungsverfahrens verringert und das gesamte Verfahren effizienter gemacht werden.
Es bestehen verschiedene Wege, ein Ionentransportmodul in den Betrieb eines Hochofens zu integrieren oder mit diesem zu kombinieren. Einige dieser Wege bestehen lediglich in einer teilweisen Integration und sind möglicherweise nicht sehr effizient; jedoch werden sie illustrativer Zwecke halber beschrieben. Die bevorzugten Ausführungsformen sind hoch integriert und sollten ein effizientes und praktisches Mittel für eine Verbesserung des Hochofenbetriebs sein.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Figuren beschrieben werden. Im allgemeinen liegt die bevorzugte Konzentration der sauerstoffangereicherten Luft, die in einen Ofen wie z.B. einen Hochofen injiziert wird, zwischen 25 – 27 Vol.% Sauerstoff. Das Verfahren kann zur Bewerkstelligung dieser oder einer anderen erwünschten Sauerstoffkonzentration jeweils angepasst werden. Es liegen verschiedene Vorteile und Merkmale der Erfindung vor, die in den Ausführungsformen der Erfindung, die in den jeweiligen Figuren illustriert sind, verdeutlicht werden. Diese Merkmale beinhalten das Wärmemanagement und die thermische Integration der verschiedenen Komponenten des Verfahrens, die Möglichkeit der Verwendung der bestehenden Maschinerie und die Nachrüstung von Komponenten, die für eine Umwandlung eines bestehenden Hochofens in einen Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig sind, die Verwendung eines Spülgasstroms zur Erhöhung der Effizienz der Ionentransportmembran, sowie die Verwendung einer Turbine zur Energiegewinnung von Hochdruckgasströmen.
Viele alternative Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren dargeboten und illustrieren verschiedene Aspekte der Erfindung. Zum Beispiel ist 1 ein schematisches Diagramm und zeigt die Hinzufügung eines Brennstoffgasstroms zu einer Brennkammer in dem Abgasstrom. Diese Anordnung würde nur für eine Abstimmung der Temperatur oder als eine Quelle von zusätzlicher Wärme verwendet werden, wenn es sich als unpraktikabel erweist, den heißen Einblasstrom anzuzapfen und zu verwenden, womit nur der warme Luftstrom zum Spülen verfügbar wäre oder wenn es erwünscht ist, mehr Energie von der Turbine zu erzeugen, indem ihre Einlasstemperatur erhöht wird. Im Betrieb wird ein sauerstoffangereicherter Gasstrom 44 zu einem Einsatzgasstrom 2 hinzugefügt, um einen Gasstrom 4 auszubilden, der in ein Blasluftgebläse 5 eingespeist wird. Ein aus dem Blasluftgebläse 5 kommender verdichteter Einsatzgasstrom 6 wird in einen Gasstrom 8 aufgeteilt, der in Öfen 10 eingespeist wird, sowie in einen Gasstrom 46, der durch einen Wärmetauscher 52 abgezweigt wird und wo seine Temperatur durch die Wärmeübertragung mit einem heißen sauerstoffangereicherten Gasstrom 42 und einem heißen Abgasstrom 50 aus einem Ionentransportmodul 38 erhöht wird, um einen erwärmten Gasstrom 45 auszubilden. Ein Gasstrom 14 aus den Öfen 10 wird in einen in einen Hochofen 12 eingespeisten Gasstrom 16 und in einen Gasstrom 18 aufgeteilt, der ein Ventil 19 durchläuft, um ein Gasstrom 22 zu werden. Ein heißer Abgasstrom 13 tritt aus dem Hochofen 12 aus. Der Gasstrom 22 verbindet sich mit dem erwärmten Gasstrom 45 und wird zu einem Gasstrom 43. Der Gasstrom 43 wird in einen Gasstrom 47 und einen Gasstrom 20 aufgeteilt. Der Gasstrom 47 wird in eine Retentatseite 40a einer Ionentransportmembran 40 eingespeist. Der Gasstrom 20 läuft durch ein Ventil 21 und wird zu einem Spülgasstrom 26. Ein Brennstoffgasstrom 24, d.h. ein mit einer Verbrennung mit Sauerstoff unterzogenes reaktives Gas, wird wahlweise zu dem Spülgasstrom 26 hinzugefügt und schließlich innerhalb des Ionentransportmoduls 38 verbrannt. Der Spülgasstrom 26 kann durch einen optionalen Expander 28 anstatt durch das Ventil 21 geleitet werden, so dass ein Teil der Kompressionsenergie gewonnen wird, und anschließend bildet er einen Spülgasstrom 30 aus. Der Spülgasstrom 30 wird an einer Permeatseite 40b der Ionentransportmembran 40 in Gegenrichtung zu der Strömung an der Retentatseite 40a der Ionentransportmembran 40 geführt. Durch die Steuerung des Vermischens des Gasstroms 22 und Gasstroms 45 kann das Ionentransportmodul 38 auf der richtigen Betriebstemperatur gehalten werden. Der sauerstoffangereicherte Niederdruckproduktgasstrom 42 wird in einem Wärmetauscher 52 gekühlt, um den sauerstoffangereicherten Gasstrom 44 auszubilden, der in den Einsatzluftstrom 2 injiziert wird, um die Sauerstoffkonzentration des Blasluftstroms 16 zu steigern. Ein stickstoffreicher Abgasstrom 48 wird durch einen optionalen Combustor 36 geleitet, wo ein Brennstoffgasstrom 34 hinzugefügt wird und sich die Verbrennung vollzieht. Ein Abgasstrom 50 durchläuft einen Expander 56, wo ein Teil der Kompressionsenergie zur Ausbildung eines Gasstroms 54 gewonnen wird. Der Gasstrom 54 läuft durch den Wärmetauscher 52, um einen Gasstrom 58 auszubilden, der im allgemeinen abgelassen wird.
2 ist ein schematisches Diagramm und zeigt ein zu dem vorhergehenden Verfahren ziemlich ähnlich beschaffenes Verfahren, jedoch mit der Ausnahme, dass in diesem Fall der sauerstoffreiche Gasstrom von dem Ionentransportmodul gekühlt, verdichtet und in den unter Druck gesetzten Gasstrom, der in die Öfen eintritt, injiziert wird, anstatt mit dem Einsatz in das Blasluftgebläse kombiniert zu werden. Es ist ersichtlich, dass ein Teil des vermischten Einsatzgasstroms für den Spülgasstrom entnommen wird. Da der Einsatzgasstrom und der Spülgasstrom beide mit der gleichen Temperatur vorliegen, ist die Ionentransportseparation isothermisch. Ein isothermischer Betrieb ist im allgemeinen bevorzugt, da er effizienter ist und die thermischen Belastungen an den Ionentransport-Separatorelementen verringert.
Im Betrieb wird der Einsatzgasstrom 2 in das Blasluftgebläse 5 eingespeist. Ein verdichteter Einsatzgasstrom 60 von dem Blasluftgebläse 5 wird in einen Gasstrom 62 und in einen Gasstrom 77 aufgeteilt, der einen optionalen Boosterkompressor 78 durchläuft, um einen Gasstrom 79 auszubilden, der durch den Wärmetauscher 52 läuft und wo seine Temperatur durch die Wärmeübertragung mit einem heißen sauerstoffangereicherten Gasstrom 71 und einem heißen Abgasstrom 87 von einem Ionentransportmodul 83 zur Ausbildung eines erwärmten Gasstroms 80 erhöht wird. Ein Gasstrom 62 wird mit einem sauerstoffangereicherten Gasstrom 76 vermischt und in die Öfen 10 eingespeist. Ein Gasstrom 64 von den Öfen 10 wird in einen Gasstrom 65 aufgeteilt, der zur Ausbildung eines Gasstroms 81 zu einem erwärmten Gasstrom 80 zugegeben wird, sowie in einen Gasstrom 66, der in den Hochofen 12 eingespeist wird. Der heiße Abgasstrom 13 tritt aus dem Hochofen 12 aus. Ein Gasstrom 81 wird in einen Gasstrom 82 und in einen Gasstrom 68 aufgeteilt. Der Gasstrom 82 wird in eine Retentatseite 84a einer Ionentransportmembran 84 eingespeist. Der Gasstrom 68 läuft durch ein Ventil 69 und durch den optionalen Expander 28, wo ein Teil der Kompressionsenergie gewonnen wird und einen Spülgasstrom 70 ausbildet. Der Spülgasstrom 70 wird an einer Permeatseite 84b der Ionentransportmembran 84 in einer Richtung im Gegenstrom zu der Strömung an der Retentatseite 84a der Ionentransportmembran 84 geführt. Indem das Vermischen des Gasstroms 65 und des Gasstroms 80 gesteuert wird, kann das Ionentransportmodul 83 bei der richtigen Betriebstemperatur gehalten werden. Der sauerstoffangereicherte Niederdruckproduktgasstrom 71 wird in dem Wärmetauscher 52 zur Ausbildung eines sauerstoffangereicherten Gasstroms 72 gekühlt, der zur Ausbildung eines Gasstroms 74 wiederum mittels eines Kühlers 73 gekühlt wird. Der Gasstrom 74 wird durch einen Kompressor 75 verdichtet, um einen Gasstrom 76 auszubilden, der in den Gasstrom 62 injiziert wird, um die Sauerstoffkonzentration des Blasluftstroms 66 zu steigern. Ein stickstoffreicher Abgasstrom 86 wird durch den optionalen Combustor 36 geleitet, wo der Brennstoffgasstrom 34 hinzugefügt wird und die Verbrennung stattfindet. Ein Abgasstrom 87 durchläuft den Expander 56, wo ein Teil der Kompressionsenergie zur Ausbildung eines Gasstroms 88 gewonnen wird. Der Gasstrom 88 läuft durch den Wärmetauscher 52, um einen Gasstrom 90 auszubilden, der im allgemeinen abgelassen wird.
3 ist ein schematisches Diagramm und stellt ein Verfahren dar, bei dem der Spülgasstrom von einem Teil des Stickstoffabgasstroms entnommen wird. Diese Konfiguration ermöglicht die Entnahme des Abgasstroms als ein Stickstoffnebenprodukt, sollte dies vorteilhaft sein. In diesem Fall wird die heiße Blasluft zu dem Hochdruckeinsatzgasstrom in das Ionentransportmodul hinzugefügt, wie in 2 dargestellt. Wahlweise könnte der stickstoffreiche Abgasstrom mit der heißen Blasluft zur Ausbildung des Spülgasstroms vermischt werden, der einen etwas niedrigeren Druck als derjenige des Ausgangs des Blasluftgebläses aufweist, wobei der zur Speisung des Ionentransports entnommene Teil möglicherweise und wie dargestellt durch ein Ventil expandiert werden muss. Dadurch wird der obere Druck des Ionentransportverfahrens auf den Druck der heißen Blasluft reduziert. Wie in 1 kann eine kleine Menge an Brennstoff zu dem Spülgasstrom hinzugefügt und als ein Mittel zum zusätzlichen Erwärmen in dem Ionentransportmodul verbrannt werden. Wahlweise kann Brennstoff auch zu einem Strom 106 zugegeben und an der Einsatzseite des Ionentransportmoduls verbrannt werden.
Im Betrieb wird ein sauerstoffangereicherter Gasstrom 121 zu dem Einsatzgasstrom 2 hinzugefügt, um einen Gasstrom 100 auszubilden, der in das Blasluftgebläse 5 eingespeist wird. Ein verdichteter Einsatzgasstrom 101 von dem Blasluftgebläse 5 wird in einen Gasstrom 102, der in die Öfen 10 eingespeist wird, und in einen Gasstrom 122 aufgeteilt, der durch ein Ventil 123 und durch den Wärmetauscher 52 läuft, wo seine Temperatur durch die Wärmeübertragung mit einem heißen sauerstoffangereicherten Gasstrom 120 und einem heißen Abgasstrom 114 von einem Ionentransportmodul 107 zur Ausbildung eines erwärmten Gasstroms 124 erhöht wird. Ein Gasstrom 103 aus den Öfen 10 wird in einen Gasstrom 105 aufgeteilt, der durch ein Ventil 109 läuft und zur Ausbildung eines Gasstroms 106 zu dem Gasstrom 124 hinzugefügt wird, sowie in einen Gasstrom 104, der in den Hochofen 12 eingespeist wird. Der heiße Abgasstrom 13 tritt aus dem Hochofen 12 aus. Ein Gasstrom 106 wird in eine Retentatseite 108a einer Ionentransportmembran 108 eingespeist. Ein Retentatgasstrom 110 wird in einen Gasstrom 111 aufgeteilt, der zur Ausbildung eines Spülgasstroms 119 durch ein Ventil 115 läuft, sowie in einen Gasstrom 114. Ein Brennstoffgasstrom 117, d.h. ein einer Verbrennung mit Sauerstoff unterzogenes reaktives Gas, wird optional zu dem Spülgasstrom 119 hinzugefügt und schließlich innerhalb des Ionentransportmoduls 107 verbrannt. Der Spülgasstrom 119 läuft durch einen optionalen Expander 112, wo ein Teil der Kompressionsenergie gewonnen und ein Spülgasstrom 113 ausgebildet wird. Der Spülgasstrom 113 wird an einer Permeatseite 108b der Ionentransportmembran 108 in einer Richtung im Gegenstrom zu der Strömung an der Retentatseite 108a der Ionentransportmembran 108 geführt. Indem das Vermischen des Gasstroms 124 und des Gasstroms 105 gesteuert wird, kann das Ionentransportmodul 107 bei der richtigen Betriebstemperatur gehalten werden. Ein sauerstoffangereicherter Niederdruck-Produktgasstrom 120 wird in dem Wärmetauscher 52 gekühlt, um einen sauerstoffangereicherten Gasstrom 121 auszubilden, der in den Einsatzluftstrom 2 injiziert wird, um die Sauerstoffkonzentration des Blasluftstroms 104 zu steigern. Der stickstoffreiche Abgasstrom 114 durchläuft den Expander 56, wo ein Teil der Kompressionsenergie zur Ausbildung eines Gasstroms 116 gewonnen wird. Der Gasstrom 116 läuft durch den Wärmetauscher 52, um einen Gasstrom 118 auszubilden, der im allgemeinen abgelassen wird.
4 ist ein schematisches Diagramm und zeigt ein Verfahren, das ähnlich wie dasjenige von 3 beschaffen ist, jedoch mit der Ausnahme, dass in diesem Fall der sauerstoffreiche Gasstrom von dem Ionentransportmodul gekühlt, verdichtet und in den unter Druck gesetzten Gasstrom, der in die Öfen eintritt, injiziert wird, anstatt zu dem Einsatz des Blasluftgebläses umgewälzt zu werden.
Im Betrieb wird der Einsatzgasstrom 2 zur Ausbildung eines verdichteten Gasstroms 125 in das Blasluftgebläse 5 eingespeist. Der verdichtete Einsatzgasstrom 125 von dem Blasluftgebläse 5 wird in einen Gasstrom 126 und in einen Gasstrom 131 aufgeteilt, der einen optionalen Boosterkompressor 132 durchläuft, um einen Gasstrom 133 auszubilden, der durch den Wärmetauscher 52 geleitet wird und wo seine Temperatur durch die Wärmeübertragung mit einem heißen sauerstoffangereicherten Gasstrom 146 und einem heißen Abgasstrom 152 von einem Ionentransportmodul 136 erhöht wird, um einen erwärmten Gasstrom 134 auszubilden. Der Gasstrom 126 wird mit einem sauerstoffangereicherten Gasstrom 151 vermischt, um einen Gasstrom 127 auszubilden, der in die Öfen 10 eingespeist wird. Ein Gasstrom 128 aus den Öfen 10 wird in einen Gasstrom 130 aufgeteilt, der durch ein Ventil 155 läuft und zur Ausbildung eines Gasstroms 135 zu dem erwärmten Gasstrom 134 hinzugefügt wird, sowie in einen Gasstrom 129, der in den Hochofen 12 eingespeist wird. Der heiße Abgasstrom 13 tritt aus dem Hochofen 12 aus. Der Gasstrom 135 wird in eine Retentatseite 138a einer Ionentransportmembran 138 eingespeist. Ein Retentatgasstrom 140 wird in einen Gasstrom 141 und in einen Gasstrom 152 aufgeteilt. Der Gasstrom 141 läuft durch ein Ventil 153, um einen Gasstrom 153 auszubilden, der wiederum einen optionalen Expander 144 durchläuft, wo ein Teil der Kompressionsenergie gewonnen wird, um einen Spülgasstrom 145 auszubilden. Ein Brennstoffgasstrom 142, d.h. ein einer Verbrennung mit Sauerstoff unterzogenes reaktives Gas wird wahlweise zu einem Spülgasstrom 143 zugegeben und schließlich innerhalb des Ionentransportmoduls 136 verbrannt. Der Spülgasstrom 145 wird an einer Permeatseite 138b der Ionentransportmembran 138 in einer Richtung im Gegenstrom zu der Strömung an der Retentatseite 138a der Ionentransportmembran 138 geführt. Indem das Vermischen des Gasstroms 130 und des Gasstroms 134 gesteuert wird, kann das Ionentransportmodul 136 bei der richtigen Betriebstemperatur gehalten werden. Ein sauerstoffangereicherter Niederdruckproduktgasstrom 146 wird in dem Wärmetauscher 52 zur Ausbildung eines sauerstoffangereicherten Gasstroms 147 gekühlt, der zur Ausbildung eines Gasstroms 149 wiederum mittels eines Kühlers 148 gekühlt wird. Der Gasstrom 149 wird durch einen Kompressor 150 verdichtet, um einen Gasstrom 151 auszubilden, der in den Gasstrom 126 injiziert wird, um die Sauerstoffkonzentration des Blasluftstroms 129 zu steigern. Ein stickstoffreicher Abgasstrom 152 durchläuft einen Expander 56, wo ein Teil der Kompressionsenergie gewonnen wird, um einen Gasstrom 154 auszubilden. Der Gasstrom 154 läuft durch den Wärmetauscher 52, um einen Gasstrom 156 auszubilden, der im allgemeinen abgelassen wird.
5 ist ein schematisches Diagramm und zeigt ein Verfahren, bei dem ein getrennter Luftkompressor dazu verwendet wird, den Ionentransportmodul-Einsatzgasstrom unter Druck zu setzen. Dieses Verfahren könnte dann benutzt werden, wenn es unmöglich oder unpraktisch ist, unter Druck gesetzte Luft von dem Blasluftgebläse zu erhalten. In anderen Belangen fällt dieses Verfahren ähnlich wie dasjenige von 4 aus.
Im Betrieb wird der Einsatzgasstrom 2 in das Blasluftgebläse 5 zur Ausbildung eines verdichteten Gasstroms 160 eingespeist. Der Gasstrom 160 wird mit einem sauerstoffangereicherten Gasstrom 192 vermischt, um einen Gasstrom 162 auszubilden, der in die Öfen 10 eingespeist wird. Ein zweiter Einsatzgasstrom 168 wird zur Ausbildung eines Gasstroms 170 durch einen Kompressor 169 geleitet. Der Gasstrom 170 durchläuft den Wärmetauscher 52, wo seine Temperatur durch die Wärmeübertragung mit einem heißen sauerstoffangereicherten Gasstrom 187 und einem heißen Abgasstrom 194 von einem Ionentransportmodul 176 erhöht wird, um einen erwärmten Gasstrom 172 auszubilden. Ein Gasstrom 164 aus den Öfen 10 wird in einen Gasstrom 166 aufgeteilt, der zur Ausbildung eines Gasstroms 174 durch ein Ventil 167 geleitet und zu dem erwärmten Gasstrom 172 hinzugefügt wird, sowie in einen Gasstrom 165, der in den Hochofen 12 eingespeist wird. Der heiße Abgasstrom 13 tritt aus dem Hochofen 12 aus. Der Gasstrom 174 wird an einer Retentatseite 178a einer Ionentransportmembran 178 eingespeist. Ein Retentatgasstrom 180 wird in einen Gasstrom 182 und in einen Gasstrom 195 aufgeteilt. Der Gasstrom 182 läuft durch ein Ventil 181, um einen Gasstrom 184 auszubilden, der wiederum einen Expander 185 durchläuft, wo ein Teil der Kompressionsenergie zur Ausbildung eines Spülgasstroms 186 gewonnen wird. Ein Brennstoffgasstrom 183, d.h. ein reaktives Gas, das einer Verbrennung mit Sauerstoff unterzogen wurde, wird optional zu dem Spülgasstrom 184 zugegeben und schließlich in dem Ionentransportmodul 176 verbrannt. Der Spülgasstrom 186 wird an einer Permeatseite 178b der Ionentransportmembran 178 in einer Richtung im Gegenstrom zu der Strömung an der Retentatseite 178a der Ionentransportmembran 178 geführt. Indem das Vermischen des Gasstroms 166 und des Gasstroms 172 gesteuert wird, kann das Ionentransportmodul 176 bei der richtigen Betriebstemperatur gehalten werden. Ein sauerstoffangereicherter Niederdruckproduktgasstrom 187 wird in dem Wärmetauscher 52 zur Ausbildung eines sauerstoffangereicherten Gasstroms 188 gekühlt, der wiederum mittels eines Kühlers 189 gekühlt wird, um einen Gasstrom 190 auszubilden. Der Gasstrom 190 wird durch einen Kompressor 191 zur Ausbildung eines Gasstroms 192 verdichtet, der in den Gasstrom 160 injiziert wird, um die Sauerstoffkonzentration des Blasluftstroms 165 zu steigern. Ein stickstoffreicher Abgasstrom 194 durchläuft den Expander 56, wo ein Teil der Kompressionsenergie gewonnen wird, um einen Gasstrom 195 auszubilden. Der Gasstrom 195 läuft durch den Wärmetauscher 52, um einen Gasstrom 196 auszubilden, der im allgemeinen abgelassen wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die in den 1, 2, 3, 4 und 5 dargestellte Ionentransportverfahren sauerstoffangereicherte Luft anstatt reinen Sauerstoff erzeugen. Dies ist ein Vorteil, da eine sichere Handhabung von reinem Sauerstoff insbesondere bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur schwierig ist, wobei das Ionentransportverfahren inhärent ein Hochtemperaturverfahren ist. Das Ionentransportverfahren hat einen unendlichen Separationsfaktor für Sauerstoff, jedoch ist es für Anwendungen, die sauerstoffangereicherte Luft anstatt reinem Sauerstoff erfordern, effizienter, die Permeatseite der Ionentransportmembran zu spülen und den Sauerstoffpartialdruck zu verringern, anstatt reinen Sauerstoff zu erzeugen und diesen nachfolgend zu verdünnen.
Zwecks einer quantitativen Beschreibung der relativen Vorteile und Wirkungsgerade der in den 1, 2, 3 und 4 dargestellten alternativen Verfahren werden im folgenden Beispiele aufgeführt.
Beispiele
Ein Teil der bevorzugten Betriebsmodi der Erfindung kann durch die Beispiele weiter illustriert werden, wobei die Durchflussraten, Zusammensetzungen und Temperaturen der Verfahrensströme hinsichtlich hypothetischer Betriebsbedingungen unter Verwendung von Modellen ausbalanciert wurden, die für das Ionentransportmodul entwickelt wurden.
Für sämtliche folgende Beispiele lauten die Betriebsspezifikationen wie folgt: Tabelle 1
Beispiel 1
Dieses Beispiel ist das in 1 dargestellte Verfahren, wobei der Spülgasstrom durch das Vermischen eines Teils der druckabgesenkten heißen Blasluft mit einem Teil des druckabgesenkten Ionentransportmodul-Einsatzgasstroms erzeugt wird. Unter der Annahme, dass ein Retentatgasstrom 10 % Sauerstoff und ein Verhältnis von Spülung zu Retentat von 25 % aufweist, werden die folgenden Betriebsparameter erhalten, die in Tabelle E-1 dargestellt sind. Es wurde kein zusätzlicher Brennstoff in diesem Beispiel verwendet. Tabelle E-1 (siehe Fig. 1)
In Beispiel 1 werden 68 % des in dem Ionentransportmodul-Einsatzgasstrom enthaltenen Sauerstoffs in dem Permeatgasstrom bei einer Sauerstoffkonzentration von 60 % gewonnen. Die für die Separation notwendige Ionentransport-Membranfläche beträgt 1655 m² (17.810 Fuß²). Das Blasluftgebläse muss näherungsweise 4757 m³/min (168.000 scfm) verdichten, um 2831 m³/min (100.000 scfm) an sauerstoffangereicherter Luft (26 % Sauerstoff) für den Hochofen zu verdichten. Der Retentatgasstrom von 1351 m³/min (47.700 scfm) kann durch eine Turbine expandiert werden, um einen Teil der von dem Blasluftgebläse erforderlichen Kompressionsenergie zu gewinnen. Ausgehend von einer adiabatischen Effizienz von 85 % für das Gebläse und die Turbine betragen die berechneten Energiebeträge:

Für das Gebläse notwendige Zusatzenergie: 6706 kW

Durch die Turbine gewonnene Energie: 4397 kW

Zugeführte Nettoenergie: 2309 kW
In diesem Beispiel wird die Kompressionsenergie, die bei der Druckabsenkung der für die Ionentransport-Membranspülung entnommenen Gasströme verloren geht, nicht gewonnen. Die Energie könnte verringert werden, indem das als eine Spülung zu verwendende Gas durch einen optionalen Expander geführt wird, wie in 1 dargestellt.
Beispiel 2
Wie in Beispiel 1 wird davon ausgegangen, dass das Blasluftgebläse über die Kapazität zur Handhabung des zusätzlichen Stroms des Ionentransportmodulgases verfügt und diese erhöhte Sauerstoffkonzentration sicher tolerieren kann. Diese Fragen werden in dem Beispiel 2 umgangen, das das in 2 dargestellte Verfahren ist. Hier wird das sauerstoffangereicherte Produkt von der Ionentransportstufe in einem getrennten Kompressor verdichtet anstatt in dem Blasluftgebläse wie in Beispiel 1. Wiederum wird die Temperatur des Ionentransportmoduls aufrechterhalten, indem ein Teil der heißen Blasluft genommen, jedoch in diesem Beispiel in den Einsatzgasstrom des Ionentransportmoduls gemischt wird. Ein Teil des sich ergebenden Gasstroms wird expandiert und für die Spülung im Gegenstrom verwendet. Unter der neuerlichen Annahme eines 10 % Sauerstoff enthaltenden Retentatgasstroms und eines Verhältnisses von Spülung zu Retentat von 25 % werden die folgenden und in Tabelle E-2 dargestellten Betriebsparameter erhalten. In diesem Beispiel wurde kein zusätzlicher Brennstoff verwendet.
Tabelle E-2 (siehe Fig. 2)

In Beispiel 2 werden 59 % des in dem Ionentransportmodul-Einsatzgasstrom enthaltenen Sauerstoffs in dem Permeatgasstrom mit einer Sauerstoffkonzentration von 50,5 % gewonnen. Die für die Separation notwendige Ionentransport-Membranfläche beträgt 956,9 m² (10.300 Fuß²). Das Blasluftgebläse muss näherungsweise 4158 m³/min (146.850 scfm) verdichten, um 2831 m³/min (100.000 scfm) an sauerstoffangereicherter Luft (26 % Sauerstoff) für den Hochofen zu verdichten. Wiederum kann der Retentatgasstrom von 1325 m³/min (46.800 scfm) durch eine Turbine expandiert werden, um einen Teil der Kompressionsenergie, die für das Blasluftgebläse erforderlich ist, zu gewinnen. Von einer adiabatischen Effizienz von 85 % für das Gebläse und die Turbine ausgehend betragen die berechneten Energiebeträge:

Für das Gebläse notwendige Zusatzenergie:	4590 kW
Energie für den Ionentransport-Produktkompressor:	1821 kW
Durch die Turbine gewonnene Energie:	4783 kW
Zugeführte Nettoenergie:	1629 kW

Wie in Beispiel 1 könnte eine gewisse zusätzliche Energie dadurch gewonnen werden, dass wie in 2 dargestellt das als eine Spülung zu verwendende Gas durch einen optionalen Expander geleitet wird.
Die Berechnungen zeigen, dass diese Ausführungsform eine geringere Ionentransport-Membranfläche benötigt und weniger Energie als die Ausführungsform aus Beispiel 1 verbraucht, allerdings benötigt das Verfahren in Beispiel 2 einen zusätzlichen Kompressor und Kühler. Die Membranfläche könnte durch ein Verdichten des Ionentransportmodul-Einsatzgasstroms auf einen höheren Druck in dem in 2 dargestellten (optionalen) Kompressor weiter verringert werden.
Beispiel 3
Dieses Beispiel ist das in 3 dargestellte Verfahren, wobei der Spülgasstrom von dem stickstoffreichen Retentatgasstrom entnommen wird. Wie in Beispiel 1 wird das sauerstoffreiche Permeat zu dem Einsatzgasstrom für das Blasluftgebläse umgewälzt. Unter der Annahme, dass ein Retentatgasstrom 5 % Sauerstoff und ein Verhältnis von Spülung zu Retentat von 20 % aufweist, werden die folgenden Betriebsparameter erhalten, die in Tabelle E-3 wiedergegeben sind.
Tabelle E-3 (Siehe Fig. 3)
In Beispiel 3 ist der Druckabfall über die Öfen vernachlässigt worden. Die Sauerstoffkonzentration des Permeatgasstroms beträgt 60 %; und 85 % des in dem Ionentransportmodul-Einsatzgasstrom enthaltenen Sauerstoffs wird gewonnen. Die für die Separation notwendige Ionentransport-Membranfläche beträgt 1821 m² (19.600 Fuß²). Das Blasluftgebläse muss näherungsweise 4276 m³/min (151.000 scfm) verdichten, um 2831 m³/min (100.000 scfm) an sauerstoffangereicherter Luft (26 % Sauerstoff) für den Hochofen zu erzeugen, aber der Abgasstrom von 906 m³/min (32.010 scfm) kann zur Gewinnung eines Teils der Kompressionsenergie expandiert werden. Ausgehend von einer adiabatischen Effizienz von 85 % für das Gebläse und die Turbine betragen die berechneten Energiebeträge:

Für das Gebläse notwendige Zusatzenergie: 5039 kW

Durch die Turbine gewonnene Energie: 3511 kW

Zugeführte Nettoenergie: 1528 kW
In diesem Fall geht Kompressionsenergie in der Druckabsenkung des Teils des Retentatgasstroms, der von dem Ionentransport-Spülgasstrom entnommen wird, verloren. Ein Teil dieser Energie könnte dadurch gewonnen werden, dass dieser Gasstrom durch einen Expander anstatt durch ein Ventil geleitet wird.
Beispiel 4
In diesem Beispiel (4) wird wie in Beispiel 3 ein Teil des Retentats als der Ionentransport-Spülgasstrom verwendet, jedoch wird wie in Beispiel 2 das sauerstoffreiche Permeat getrennt verdichtet und wieder in den Ofeneinsatz injiziert, anstatt durch das Blasluftgebläse umgewälzt zu werden. Wiederum unter der Annahme, dass ein Retentatgasstrom 5 % Sauerstoff enthält und ein Verhältnis von Spülung zu Retentat von 20 % aufweist, werden die folgenden Betriebsparameter erhalten, die in Tabelle E-4 dargestellt sind.
Tabelle E-4 (siehe Fig. 4)

In diesem Beispiel beträgt die Sauerstoffkonzentration des Permeatgasstroms 53,7 %, und 81 % des in dem Ionentransportmodul-Einsatzgasstrom enthaltenen Sauerstoffs werden gewonnen. Die für die Separation erforderliche Ionentransport-Membranfläche beträgt 1338 m² (14400 Fuß²). Das Blasluftgebläse muss näherungsweise 3740 m³/min (132.090 scfm) verdichten, um 2831 m³/min (100.000 scfm) sauerstoffangereicherte Luft (26 % Sauerstoff) für den Hochofen zu erzeugen, aber der Abgasstrom von 906 m³/min (32.010 scfm) kann expandiert werden, um einen Teil der Kompressionsenergie zu gewinnen. Unter der Annahme einer adiabatischen Effizienz von 85 % für das Gebläse und die Turbine betragen die berechneten Energiebeträge:

Für das Gebläse erforderliche Zusatzenergie:	3144 kW
Energie für den Ionentransportmodul Kompressor:	1613 kW
Durch die Turbine gewonnene Energie:	3276 kW
Zugeführte Nettoenergie:	1481 KkW

Wiederum geht Kompressionsenergie in der Druckabsenkung desjenigen Teils des Retentatgasstroms, der für die Ionentransport-Membranspülung entnommen wird, verloren. Ein Teil dieser Energie könnte dadurch gewonnen werden, dass dieser Spülgasstrom durch einen Expander anstatt durch ein Ventil geleitet wird.
Werden die Ergebnisse aus diesen Beispielen verglichen, sind sowohl die Nettoenergie wie die Ionentransport-Membranflächen für diejenigen Verfahren (Beispiele 2 und 4) niedriger, bei denen das sauerstoffangereicherte Permeat von dem Ionentransportmodul getrennt verdichtet und in den Einsatzgasstrom für die Öfen injiziert wird, anstatt zu dem Einsatz des Blasluftgebläses umgewälzt zu werden (Beispiele 1 und 3). Jedoch benötigen diese Verfahren eine zusätzliche Kompressionsausrüstung und einen Kühler. Dort wo das bestehende Blasluftgebläse eine überschüssige Kapazität aufweist, können die Verfahren der Beispiele 2 und 4 vorteilhaft verwendet werden. Ansonsten können die Verfahren der Beispiele 1 und 3 bevorzugt werden. Es erfolgten keine Versuche zu einer Optimierung der Betriebsparameter, die von den vergleichbaren Kosten und anderen ökonomischen Faktoren abhängen. Diese Faktoren sind nur einige von vielen, die berücksichtigt werden könnten.
Alle diese Verfahren sind insofern neu, als dass sie Spülgasströme verwenden, die von dem Ionentransportmodul-Einsatzgasstrom oder von dem Retentatgasstrom entnommen werden. Dies ist in der Gastrenntechnologie unüblich, da das sauerstoffreiche Permeat durch die Spülung absichtlich verdünnt wird. Diese Verfahren erweisen sich als erfolgreich und hoch effizient, weil nur eine moderate Sauerstoffanreicherung erforderlich ist und die Verdünnung des Permeats die Antriebskraft für die Sauerstoffpermeation steigert.
Ebenfalls zeigen diese Beispiele, dass die Verwendung des Retentats zum Spülen (Beispiele 3 und 4) den Energiebedarf verringert, aber die erforderliche Membranfläche im Vergleich zu der Verwendung des Einsatzgasstroms zum Spülen (Beispiele 1 und 2) erhöht. Letztendlich wird das bevorzugte Verfahren von ökonomischen Faktoren abhängen. Dort wo ein Bedarf nach einem Stickstoffnebenprodukt vorliegt, sind die Verfahren der Beispiele 3 und 4 vorteilhaft, wobei das Beispiel 4 das bevorzugte Verfahren darstellt. Obwohl der Retentatgasstrom in den Beispielen 3 und 4 fünf Prozent Sauerstoff enthält, können die Verfahren zur Bewerkstelligung einer Gewinnung von nahezu 100% Sauerstoff und der Erzeugung von nahezu reinem Stickstoff in dem Retentatgasstrom geändert werden. Wenn reiner Stickstoff erwünscht ist, kann es vorteilhaft sein, eine elektrisch angetriebene oder druckbetriebene zweite Ionentransportstufe zu verwenden, um den Abgasstrom durch eine Entfernung der Sauerstoffspuren von dem reinen Stickstoffendprodukt zu veredeln.
Alle diese Beispiele werden als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betrachtet.
Wie bereits erwähnt wurde schließen die bevorzugten Betriebsmodi der Erfindung ein druckbetriebenes Ionentransportverfahren ein, bei welchem die Permeatseite der Ionentransportmembran gespült wird. Beispiele dieser Verfahren sind in den 1, 2, 3 und 4 beschrieben und illustriert worden.
Wenn die Verwendung eines Spülgasstroms nicht praktikabel ist, ist es jedoch noch immer möglich, Sauerstoff durch das Ionentransportverfahren von der Luft zu extrahieren. Das Niederdruckprodukt ist jedoch reiner Sauerstoff und dies erfordert es, dass der Einsatzgasstrom bei einem relativ hohen Druck vorliegt, um das Sauerstofftransportverfahren anzutreiben.
Ein Beispiel eines derartigen druckbetriebenen Verfahrens, das nicht gemäß der Erfindung arbeitet, ist in 6 dargestellt. In 6 wird das Sauerstoffprodukt in den Lufteinsatzstrom für die Öfen injiziert. Wahlweise könnte der Sauerstoff in die heiße Blasluft von den Öfen injiziert werden, wie durch den optionalen Weg dargestellt. Die in diesen Schemata dargestellten Verfahren erfordern den Betrieb des Ionentransportmoduls bei einem hohen Druck, um sauerstoffangereicherte Luft bei 50 – 60 psia zu erzeugen. Im Betrieb wird ein Gasstrom 225 wahlweise zu dem Einsatzgasstrom 2 hinzugefügt, um einen Gasstrom 198 auszubilden, der in das Blasluftgebläse 5 eingespeist wird. Ein verdichteter Einsatzgasstrom 200 von dem Blasluftgebläse 5 wird in einen Gasstrom 202 und in einen Gasstrom 206 aufgeteilt, der einen Kühler 207 durchläuft, um einen Gasstrom 208 auszubilden, der einen Kompressor 209 und den Wärmetauscher 52 durchläuft, wo seine Temperatur durch die Wärmeübertragung mit einem heißen sauerstoffangereicherten Gasstrom 214 und einem heißen Abgasstrom 218 von einem Ionentransportmodul 211 zur Ausbildung eines erwärmten Gasstroms 210 erhöht wird. Der Gasstrom 202 wird mit einem sauerstoffangereicherten Gasstrom 228 vermischt, um einen Gasstrom 203 auszubilden, der in die Öfen 10 eingespeist wird. Ein Gasstrom 227 kann optional zu dem Gasstrom 204 zugegeben werden, um einen Gasstrom 205 auszubilden, der in den Hochofen 12 eingespeist wird. Der heiße Abgasstrom 13 tritt aus dem Hochofen 12 aus. Der Gasstrom 210 wird in eine Retentatseite 212a einer Ionentransportmembran 212 eingespeist. Der aus dem Ionentransportmodul 211 austretende Gasstrom 214 wird in dem Wärmetauscher 52 zur Ausbildung eines sauerstoffangereicherten Gasstroms 224 gekühlt. Wahlweise wird mindestens ein Teil des sauerstoffangereicherten Gasstroms 224 als Gasstrom 225 zu dem Einsatzgasstrom 2 hinzugefügt. Der Gasstrom 224 wird in einem optionalen Kühler 246 zur Ausbildung eines Gasstroms 226 gekühlt. Wahlweise wird mindestens ein Teil des sauerstoffangereicherten Gasstroms 226 als der Gasstrom 227 zu dem Gasstrom 204 zugegeben. Ein Gasstrom 247 wird durch einen optionalen Boosterkompressor 248 geleitet, um einen Gasstrom 228 zu erhalten. Der Gasstrom 228 wird in den Gasstrom 202 injiziert, um die Sauerstoffkonzentration des Blasluftstroms 205 zu steigern. Ein stickstoffreicher Abgasstrom 216 wird durch den Combustor 36 geleitet, wo der Brennstoffgasstrom 34 hinzugefügt wird und die Verbrennung stattfindet. Dies ermöglicht es, dass die Temperatur des Abgasstroms 216 erhöht werden kann, indem eine kleine Menge an Brennstoff zugeführt wird. Wahlweise könnte die Brennkammer in dem Einsatzstrom zu dem Ionentransportmodul 211 vorgesehen werden, aber dies verringert den Sauerstoffpartialdruck vor der Separation und senkt die Effizienz der Ionentransportstufe. Der Abgasstrom 218 durchläuft den Expander 56, wo ein Teil der Kompressionsenergie gewonnen wird, um einen Gasstrom 220 auszubilden. Der Gasstrom 220 läuft durch den Wärmetauscher 52, um einen Gasstrom 222 auszubilden, der im allgemeinen abgelassen wird.
Die optionale Ausrüstung in 6 stellt dar, wie die das Ionentransportverfahren antreibende Druckdifferenz durch Pumpen des Sauerstoffproduktgasstroms statt durch ein Verdichten des Einsatzgasstroms erhalten wird. Es ist augenscheinlich, dass das Verfahren kombiniert und Kompressoren (Pumpen) gleichzeitig in sowohl den Einsatzgas- wie den Produktgasströmen verwendet werden könnten. Derartige und weitere Modifikationen der hier bereitgestellten Beispiele liegen im Vermögen des Fachmanns.
Die für die Ionentransportmembran nützlichen Materialien sind in Tabelle II aufgeführt.
Tabelle II
Obwohl die oben beschriebenen Verfahren die Verwendung von festen Mischleitern als die Membran in dem Ionentransportmodul erfordern, ist es prinzipiell ebenfalls möglich, ausschließlich Ionenleiter in einem elektrisch angetriebenem Modus zu verwenden. Eine elektrisch angetriebene Ionentransport membran erzeugt nicht nur reinen Sauerstoff, sondern ermöglicht auch die Verdichtung des reinen Sauerstoffgasstroms auf einen geeignet hohen Druck, indem eine ausreichende Spannung angelegt wird. Wahlweise kann der Sauerstoff bei einem niedrigeren Druck erzeugt werden, wodurch die erforderliche Spannung verringert wird. Die zur Umwandlung eines druckbetriebenen Verfahrens in ein elektrisch angetriebenes Verfahren notwendigen Modifikationen verstehen sich für den Fachmann. Beispielsweise ist 7 ein schematisches Diagramm, das sich auf keine Ausführungsform der Erfindung bezieht und ein elektrisch angetriebenes Ionentransportmodul darstellt, das mit einem Hochofenbetrieb kombiniert ist und wo der Permeatgasstrom direkt zu dem in den Hochofen injizierten erwärmten Gasstrom hinzugefügt wird. Im Betrieb wird der Einsatzgasstrom 2 in das Blasluftgebläse 5 eingespeist. Ein verdichteter Einsatzgasstrom 292 von dem Blasluftgebläse 5 wird in einen Gasstrom 299 und in einen Gasstrom 293 aufgeteilt. Ein Sauerstoffgasstrom 309 wird wahlweise zu dem Gasstrom 293 zugegeben, um einen Gasstrom 290 auszubilden. Ein Gasstrom 299 wird durch den Wärmetauscher 52 geleitet, wo seine Temperatur durch die Wärmeübertragung mit einem heißen Abgasstrom 313 und wahlweise mit einem heißen sauerstoffangereicherten Gasstrom 308 sowie von einem Ionentransportmodul 302 erhöht wird, um einen erwärmten Gasstrom 300 auszubilden. Der Gasstrom 290 wird in die Ofen 10 eingespeist und tritt als erwärmter Einsatzgasstrom 294 aus, der in einen Gasstrom 297 und in einen Gasstrom 295 aufgeteilt wird. Der Gasstrom 297 wird zu dem Gasstrom 300 hinzugefügt, um einen Gasstrom 301 zu erhalten. Der Gasstrom 301 wird in eine Retentatseite 304a der Ionentransportmembran 304 eingespeist, Ein aus dem Ionentransportmodul 302 austretender Sauerstoffgasstrom 306 wird entweder zu einem (in gestrichelten Linien dargestellten) Sauerstoffgasstrom 308 oder zu einem Sauerstoffgasstrom 310. Wenn er erzeugt worden ist, wird der Sauerstoffgasstrom 308 in dem Wärmetauscher 52 gekühlt, um einen Sauerstoffgasstrom 309 auszubilden, der wie oben erwähnt zu dem Gasstrom 293 zugegeben wird. Der Sauerstoffgasstrom 310 wird, so er erzeugt worden ist, mit einem heißen Gasstrom 295 vermischt, um einen sauerstoffangereicherten Gasstrom 296 auszubilden, der in den Hochofen 12 eingespeist wird. Der heiße Abgasstrom 13 tritt aus dem Hochofen 12 aus. Ein stickstoffreicher Abgasstrom 312 wird durch den optionalen Combustor 36 geleitet, wo der Brennstoffgasstrom 34 hinzugefügt wird und sich die Verbrennung vollzieht, um einen Gasstrom 313 auszubilden. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Temperatur des Abgasstroms 312, indem eine kleine Menge an Brennstoff zugegeben wird. Wahlweise könnte die Brennkammer in dem Einsatzgasstrom zu dem Ionentransportmodul 302 angeordnet werden, aber dies verringert den Sauerstoffpartialdruck vor der Separation und senkt die Effizienz der Ionentransportstufe. Der Abgasstrom 313 durchläuft den Expander 56, wo ein Teil der Kompressionsenergie zur Ausbildung eines Gasstroms 314 gewonnen wird. Der Gasstrom 314 läuft durch den Wärmetauscher 52, um einen Gasstrom 316 auszubilden, der im allgemeinen abgelassen wird.
8 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung und zeigt ein Ionentransportmodul, das mit einem Hochofenbetrieb kombiniert ist, wobei ein Teil der Luft von dem Blasluftgebläse zu dem Ionentransportverfahren abgezweigt wird. Im Betrieb wird der Einsatzgasstrom 2 in das Blasluftgebläse 5 eingespeist, um einen verdichteten Einsatzgasstrom 311 auszubilden, der in einen Gasstrom 312 und in einen Gasstrom 352 aufgeteilt wird. Der Gasstrom 312 wird in einen Gasstrom 310 und in einen Gasstrom 313 aufgeteilt, der zur Ausbildung eines Gasstroms 316 einen Kompressor 314 durchläuft. Der Gasstrom 316 und der Gasstrom 310 werden jeweils durch den Wärmetauscher 52 geleitet, wo ihre Temperaturen durch die Wärmeübertragung mit einem heißen sauerstoffangereicherten Gasstrom 328 und einem heißen Abgasstrom 342 von einem Ionentransportmodul 321 erhöht werden, um einen erwärmten Gasstrom 318 bzw. den erwärmten Gasstrom 308 auszubilden. Ein Gasstrom 352 wird mit einem sauerstoffangereicherten Gasstrom 338 vermischt, um einen Gasstrom 353 auszubilden, der in die Öfen 10 eingespeist wird. Der aus den Öfen 10 austretende Gasstrom 304 wird mit dem Gasstrom 308 vermischt, um einen Gasstrom 306 auszubilden, der in den Hochofen 12 eingespeist wird. Der heiße Abgasstrom 13 tritt aus dem Hochofen 12 aus. Der Gasstrom 318 wird in einen Gasstrom 319 und in einen Gasstrom 326 aufgeteilt. Der Gasstrom 319 wird in eine Retentatseite 322a einer Ionentransportmembran 322 eingespeist. Der Gasstrom 326 durchläuft ein Ventil 325 und zur Ausbildung eines Gasstroms 324 wahlweise den Leistungsexpander 28. Der Gasstrom 324 wird zum Spülen einer Permeatseite 322b der Ionentransportmembran 322 verwendet. Ein aus dem Ionentransportmodul 321 austretender Gasstrom 328 wird in dem Wärmetauscher 52 zur Ausbildung eines sauerstoffangereicherten Gasstroms 330 gekühlt. Der sauerstoffangereicherte Gasstrom 330 wird in einem Kühler 332 gekühlt, um einen Gasstrom 334 auszubilden. Der Gasstrom 334 wird durch einen Boosterkompressor 336 geleitet, um einen Gasstrom 338 zu erhalten, der wie oben erwähnt mit dem Gasstrom 352 vermischt wird, um die Sauerstoffkonzentration des Blasluftstroms 306 zu steigern. Ein stickstoffreicher Abgasstrom 340 wird durch den optionalen Combustor 36 geleitet, wo der Brennstoffgasstrom 34 hinzugefügt wird und die Verbrennung stattfindet. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Temperatur eines Abgasstroms 340, indem eine kleine Menge an Brennstoff zugegeben wird. Ein Abgasstrom 342 durchläuft den Expander 56, wo ein Teil der Kompressionsenergie zur Ausbildung eines Gasstroms 343 gewonnen wird. Der Gasstrom 343 läuft durch den Wärmetauscher 52, um einen Gasstrom 344 auszubilden, der im allgemeinen abgelassen wird.
Die von dem Abgasstrom mittels eines Expanders oder einer Turbine gewonnene Energie kann dazu verwendet werden, die Erfordernisse nach einer Einsatzluftverdichtung teilweise zu befriedigen, und wie oben gezeigt kann diese Energie beträchtlich sein. Es sei darauf hingewiesen, dass wenn eine Energie erzeugende Turbine zum Gewinnen von Energie aus der Expansion des stickstoffreichen Abstroms verwendet wird, diese Turbine in einem Bereich mit höherer Temperatur vorgesehen werden sollte, als dies in den meisten der Figuren angegeben ist. Die ideale Turbineneinlasstemperatur könnte bei etwa 1300° Fliegen, was eine Verwendung von preisgünstigen Gasexpandern ermöglichen würde.
Diese in den Figuren dargestellten Schemata könnten weiter ausgearbeitet und die Energieeffizienz des gesamten Verfahrens könnte verbessert werden. Beispielsweise könnten die in den 7 und 8 gezeigten elektrisch angetriebenen Verfahren mit einer Permeatseitenspülung unter Verwendung eines Gases mit einem niedrigen Sauerstoffpartialdruck betrieben werden, um das Nernst-Potenzial und die erforderliche elektrische Energie zu verringern. Ebenfalls sei darauf hingewiesen, dass obwohl die Schemata in den 7 und 8 einfach erscheinen, die elektrisch angetriebenen Verfahren komplexer als die druckbetriebenen Verfahren zu entwerfen und herzustellen sind. Weiterhin weisen die elektrischen Verfahren den Nachteil des Verbrauchs hoher Mengen an elektrischer Energie auf. Somit sind für den Zweck dieser Erfindung die druckbetriebenen Verfahren bevorzugt. Ebenfalls sollte augenscheinlich sein, dass die Temperatursteuerung von der Temperatur an dem warmen Ende des Wärmetauschers abhängt. In bestimmten Umständen kann es möglich sein, diese Verfahren ohne einen Wärmetauscher zu betreiben, wobei die richtige Einsatztemperatur für das Ionentransportmodul einfach dadurch erhalten wird, dass die Luft von dem Blasluftgebläse mit der heißen Blasluft geeignet vermischt wird. Auch sei darauf hingewiesen, dass ein Ionentransportmodul in jeder der Figuren als die Brennkammer verwendet werden kann.
Reaktive Spülanordnungen sind in "Reactive Purge for Solid Electrolyte Membrane Gas Separation", EP-A-0 778 069, eingereicht am 04.12.1996, offenbart. Bevorzugte Konfigurationen für Ionentransportmodule, die eine reaktive Spülung verwenden, sind offenbart in "Solid Electrolyte Ionic Contactor Reactor Design", EP 875 285 A1 , veröffentlicht am 11.04.1998. Beide Anmeldungen haben den gleichen Inhaber wie die vorliegende Erfindung.
Wie oben erwähnt werden die Begriffe "Festelektrolyt-Ionenleiter", "Festelektrolyt-Ionentransportmembran", "Festelektrolyt-" oder "Ionentransportmembran" hier im allgemeinen dazu benutzt, entweder ein (elektrisch angetriebenes) System vom Ionentyp oder ein (druckbetriebenes) System vom Mischleitertyp zu bezeichnen, solange nichts anderes spezifiziert ist.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Stickstoff" üblicherweise ein an Sauerstoff verarmtes Gas, das heißt relativ zu dem Einsatzgas an Sauerstoff verarmt. Wie oben erläutert ermöglicht die Ionentransportmembran lediglich eine Sauerstoffpermeation. Daher hängt die Zusammensetzung des Retentats von der Zusammensetzung des Einsatzgases ab. Das Retentatgas wird an Sauerstoff verarmt werden, aber es hält Stickstoff und jegliche anderen in dem Einsatzgas vorhandenen Gase (z.B. Argon) zurück. Die Bedeutung des Begriffes versteht sich für den Fachmann im Kontext der Benutzung des Begriffes hinsichtlich der hier offenbarten Erfindung.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "elementarer Sauerstoff' jeden Sauerstoff, der nicht mit irgendeinem anderen Element in 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.
Der Begriff "hochrein" bezieht sich auf einen weniger als 5 Gew.% an unerwünschten Gasen enthaltenden Produktgasstrom. Vorzugsweise weist das Produkt eine Reinheit von mindestens 99,0 % und bevorzugter von 99,9 % auf, wobei eine Reinheit von mindestens 99,99 % am bevorzugtesten ist und der Begriff "Reinheit" die Abwesenheit von unerwünschten Gasen angibt.
Viele alternative Variationen von physikalischen Elementen wie z.B. Zwischensystem- und Zwischenstufen-Wärmetauscher, Zwischenkühler, Heizvorrichtungen, und andere Ausrüstungen, die in der Praxis der Erfindung erforderlich sind, können in dieser Erfindung in jeder geeigneten Weise verwendet werden. Die Verwendung dieser Elemente, zum Beispiel die hier beschriebenen Wärmetauscher, erhöht häufig die Energieeffizienz des gesamten Verfahrens. Derartige Komponenten und ihr Betrieb sind beim Stand der Technik und in der Praxis der Gastrennung und -verarbeitung wohlbekannt, wobei sich ihre geeignete Verwendung in der vorliegenden Erfindung für den Fachmann versteht.

Claims

Verfahren zum Mit-Sauerstoff-Anreichern eines ersten Einsatzgasstroms, der elementaren Sauerstoff und mindestens ein weiteres Gas enthält, das in einen Ofen einzubringen ist, indem ein reiner Sauerstoffgasstrom oder ein mit Sauerstoff angereicherter Gasstrom verwendet wird, der aus einem zweiten Einsatzgasstrom gewonnen wurde, der elementaren Sauerstoff und mindestens ein weiteres Gas enthält, wobei im Zuge des Verfahrens: der erste Einsatzgasstrom verdichtet wird; mindestens der erste Einsatzgasstrom vor dem Injizieren in den Ofen erwärmt wird; und der reine Sauerstoffgasstrom oder der mit Sauerstoff angereichterte Gasstrom an irgendeiner Stelle zu dem ersten Einsatzgasstrom hinzugegeben wird, bevor der erste Einsatzgasstrom in den Ofen eintritt; dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einsatzgasstrom unter Verwendung eines Ionentransportmoduls zerlegt wird, welches eine Ionentransportmembran mit einer Retentatseite und einer Permeatseite aufweist, um einen an Sauerstoff verarmten Gasstrom auf der Retentatseite und den reinen Sauerstoffgasstrom oder den mit Sauerstoff angereicherten Gasstrom auf der Permeatseite zu erzeugen; und mindestens ein Teil des zweiten Einsatzgasstroms oder des an Sauerstoff verarmten Gasstroms als Spülgasstrom verwendet wird, um die Permeatseite der Ionentransportmembran zu spülen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei es sich bei dem Ofen um einen Hochofen handelt.
Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei der zweite Einsatzgasstrom mindestens einen Teil des verdichteten ersten Einsatzgasstroms oder einen verdichteten, mit Sauerstoff angereichterten Einsatzgasstrom aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei ein Teil des ersten Einsatzgasstroms nach Erwärmung auf die Retentatseite der Ionentransportmembran geleitet wird, um den zweiten Einsatzgasstrom zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Teil des erwärmten ersten Einsatzgasstroms zu einem zusätzlichen Gasstrom hinzugegeben wird, um den zweiten Einsatzgasstrom zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Einsatzgasstrom erwärmt wird, indem Wärme von dem reinen Sauerstoffgasstrom oder dem mit Sauerstoff angereicherten Gasstrom und dem an Sauerstoff verarmten Gasstrom auf den zweiten Einsatzgasstrom übertragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der reine Sauerstoffgasstrom oder der mit Sauerstoff angereicherte Gasstrom gekühlt wird und mittels eines Boosterkompressors weiter verdichtet wird, nachdem der reine Sauerstoffgasstrom oder der mit Sauerstoff angereicherte Gasstrom einem Wärmeaustausch unterzogen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei ein Brennstoffgasstrom zwecks Verbrennung zu dem an Sauerstoff verarmten Gasstrom hinzugegeben wird, bevor der an Sauerstoff verarmte Gasstrom einem Wärmeaustausch unterzogen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei ein Leistungs-Expander verwendet wird, um Energie aus dem an Sauerstoff verarmten Gasstrom zu gewinnen.