DE69829132T2 - Verfahren zur angereicherten Verbrennung unter Verwendung von Festelektrolyt-Ionenleitsystemen - Google Patents

Verfahren zur angereicherten Verbrennung unter Verwendung von Festelektrolyt-Ionenleitsystemen Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Integration einer sauerstoffunterstützten Verbrennung in Sauerstoffabtrennverfahren, die Festelektrolyt-Ionenleitmembrane verwenden, und genauer auf die Integration dieser Verfahren für eine verbesserte ökonomische Effizienz und für geringe Probleme von Verbrennungsverfahren bezüglich der Umweltverschmutzung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es sind viele verschiedene Sauerstoffabtrennsysteme, zum Beispiel organische Polymermembransysteme, zur Abtrennung von ausgewählten Gasen aus Luft und anderen Gasgemischen verwendet worden. Luft ist ein Gemisch aus Gasen, das verschiedene Mengen an Wasserdampf enthalten kann und bei Meereshöhe in etwa die folgende Zusammensetzung in Volumenprozent aufweist: Sauerstoff (20,9 %), Stickstoff (78 %), Argon (0,94 %), wobei der Rest aus anderen Spurengasen besteht. Ein vollkommen verschiedener Membrantyp kann jedoch auch aus bestimmten anorganischen Oxiden angefertigt werden. Diese Festelektrolytmembrane werden aus anorganischen Oxiden angefertigt, die durch mit Calcium oder Yttrium stabilisiertes Zirconium und analogen Oxiden mit einer Fluorit- oder Perowskit-Struktur typisiert sind.
  • Einige dieser festen Oxide können Sauerstoffionen bei erhöhten Temperaturen leiten, wenn ein elektrisches Potenzial über die Membran angelegt wird, das heißt sie werden elektrisch angetrieben bzw. sie sind nur Ionenleiter. Jüngere Forschungsarbeiten haben zu der Entwicklung von festen Oxiden geführt, die Sauerstoffionen bei erhöhten Temperaturen leiten können, wenn ein chemisches Antriebspotenzial angelegt wird. Diese druckbetriebenen Ionenleiter oder Mischleiter können als Membrane für die Extraktion von Sauerstoff aus sauerstoffhaltigen Gasströmen verwendet werden, wenn ein ausreichendes Sauerstoffparzialdruckverhältnis angelegt wird, um das chemische Antriebspotenzial bereitzustellen. Da die Selektivität dieser Materialien für Sauerstoff unendlich ist und Sauerstoffströmungen erhältlich sind, die im allgemeinen um mehrere Größenordnungen höher als bei konventionellen Membranen liegen, ergeben sich attraktive Möglichkeiten für die Herstellung von Sauerstoff unter Verwendung dieser Ionentransportmembrane.
  • Obgleich das Potenzial groß ist, dass diese Oxidkeramikmaterialien als Gastrennmembrane dienen können, bestehen bei ihrer Verwendung bestimmte Probleme. Die augenscheinlichste Schwierigkeit besteht darin, dass alle bekannten Oxidkeramikmaterialien eine nennenswerte Sauerstoffionenleitfähigkeit nur bei erhöhten Temperaturen aufweisen. Üblicherweise müssen sie mit einem Pegel betrieben werden, der ausreichend über 500°C und im Allgemeinen in dem Bereich von 600°C–900°C liegt. Diese Begrenzung bleibt trotz des Umstands bestehen, dass eine umfängliche Forschungsarbeit zur Ermittlung von Materialien erfolgt ist, die bei niedrigeren Temperaturen zufrieden stellend arbeiten. Die Technologie von Festelektrolyt-Ionenleitern ist ausführlicher in Prasad et al., US-A-5 547 494 beschrieben.
  • Verbrennungsverfahren werden jedoch üblicherweise bei hohen Temperaturen betrieben und somit besteht das Potenzial zu einem effizienten Integrieren von Ionentransportsystemen und sauerstoffangereicherten Verbrennungsverfahren, wobei die vorliegende Erfindung neuartige Integrationsschemata von Ionentransportsystemen mit sauerstoffangereicherten Verbrennungsverfahren bereitstellt.
  • Die meisten konventionellen Verbrennungsverfahren verwenden die praktischste und ergiebigste Sauerstoffquelle, namentlich Luft. Das Vorhandensein von Stickstoff in Luft ist für das Verbrennungsverfahren nicht förderlich, sondern kann im Gegenteil viele Probleme aufwerfen. Beispielsweise reagiert Stickstoff mit Sauerstoff bei den Verbrennungstemperaturen und bildet Stickoxide (NOx) aus, die unerwünschte Schadstoffe sind. In vielen Fällen müssen die Produkte der Verbrennung behandelt werden, um die Stickoxidemissionen auf einen Wert unter den Grenzwerten der Umweltverträglichkeit zu reduzieren. Darüber hinaus erhöht das Vorliegen von Stickstoff das Rauchgasvolumen, was wiederum die Wärmeverluste in dem Rauchgas erhöht und die thermische Effizienz des Verbrennungsverfahrens verringert. Zur Minimierung dieser Probleme ist eine mit Sauerstoff angereicherte Verbrennung (OEC) seit vielen Jahren kommerziell angewendet worden. Bei der mit Sauerstoff angereicherten Verbrennung liegen verschiedene Vorteile vor, einschließlich verringerter Emissionen (insbesondere Stickoxide), einer gesteigerten Energieeffizienz, einem verringerten Rauchgasvolumen, einer reineren und stabileren Verbrennung, und dem Potenzial einer erhöhten thermodynamischen Effizienz in stromabwärtigen Zyklen. Diese Vorteile der OEC müssen jedoch gegen die Kosten des Sauerstoffs abgewogen werden, der für diese Anwendung hergestellt werden muss. Infolgedessen ist der Markt für die OEC in großem Maße von den Erzeugungskosten für sauerstoffangereichertes Gas abhängig. Es ist geschätzt worden, dass bis zu 100.000 Tonnen Sauerstoff täglich für die neuen OEC-Märkte notwendig wären, könnten die Kosten für das sauerstoffangereicherte Gas auf bis zu etwa 15 $ pro Tonne reduziert werden. Es scheint so, dass Gastrennverfahren, die Ionentransportmembrane verwenden, die Möglichkeit haben, dieses Ziel zu erreichen. Die OEC ist ausführlicher erläutert in H. Kobayashi, Oxygen Enriched Combustion System Performance Study, Vol. 1: Technical and Economic Analysis (Report #DOE/ID/12597), 1986, und Vol. 2: Market Assessment (Report #DOE/ID/12597-3), 1987, Union Carbide Company-Linde Division, Reports for the U.S. Dept. of Energy, Washington, D.C.).
  • Die sich auf die Technologie von Ionentransportleitern zur Verwendung beim Abtrennen von Sauerstoff aus Gasströmen beziehende Literatur beinhaltet folgende Referenzen:
  • 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 Verbrennungsabstrom mit einem anderen Teil des sich ergebenden Luftstroms kombiniert und das abschließende Verbrennungsprodukt durch eine Turbine expandiert wird, um Energie zu erzeugen. Hegarty erwähnt die Verwendung von Silberverbundmembranen und Verbundmetalloxid-Festelektrolytmembranen zur Entfernung von Sauerstoff aus 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-Ionenleitmembran, wobei das Nichtpermeatprodukt weiter erwärmt und zwecks Energieerzeugung durch eine Turbine geleitet wird.
  • Mazanec et al., US-A-5 160 713 mit dem Titel "Process for Separating Oxygen from an Oxygen-Containing Gas by Using a Bi-containing Mixed Metal oxide Membrane, offenbart Wismut enthaltende Materialien, die als Sauerstoffionenleiter verwendet werden können. Der zu der Permeatseite transportierte Sauerstoff wird dort mit einem Verbrennungsgas zur Reaktion gebracht, dass mit einem umgewälzten Produktstrom verdünnt werden soll.
  • Sich auf die sauerstoffangereicherte oder -unterstützte Verbrennung (OEC) beziehende Publikationen beinhalten den oben erwähnten Report des U.S. Dept. of Energy mit den Verfassern H. Kobayashi und H. Kobayashi, J.G. Boyle, J.G. Keller, J.B. Patton und R.C. Jain, Technical and Economic Evaluation of Oxygen Enriched Combustion Systems for Industrial Furnace Applications, in Proceedings of the 1986 Symposium on Industrial Combustion Technologies, Chicago, IL, 29.–30.04.1986, Ed. M.A. Lukasiewicz, American Society for Metals, Metals Park, OH, der die verschiedenen technischen und ökonomischen Aspekte von sauerstoffunterstützten Verbrennungssystemen diskutiert.
  • Die mit Sauerstoff angereicherte Verbrennung ist kommerziell angewendet worden, wobei Sauerstoff verwendet wurde, der entweder durch ein Tieftemperaturdestillationsverfahren oder durch nicht kryogene Verfahren wie z.B. die Druckwechseladsorption (PSA) hergestellt worden ist. All diese Verfahren werden bei 100° C oder darunter betrieben und sind daher schwierig thermisch in die Verbrennungsverfahren zu integrieren.
  • Die Erforschung von Festelektrolyt-Ionenleitern wird seit vielen Jahren durchgeführt. Festelektrolyte sind hauptsächlich in Brennstoffzellen und Sensoren verwendet worden, um experimentell kleine Mengen an reinem Sauerstoff aus Luft zu erzeugen, wobei ein Vorteil aus der unendlichen Selektivität für den Sauerstofftransport gezogen wurde. Es sind auch elektrisch angetriebene Festelektrolytmembrane benutzt worden, um Spuren von Sauerstoff aus inerten Gasströmen zu entfernen, wobei das Anlegen einer ausreichenden Spannung an die Membran die Sauerstoffaktivität des Retentatgasstroms auf einen sehr niedrigen Wert reduzieren kann. Viele dieser Materialien verfügen jedoch nicht über eine nennenswerte Sauerstoffionenleitfähigkeit. Lediglich in jüngster Zeit sind Materialien synthetisiert worden, die über genügend hohe Sauerstoffionenleitfähigkeiten verfügen, um das Gastrennverfahren ökonomisch sinnvoll ausfallen zu lassen. Kommerzielle Gastrennungs-, Reinigungs- oder Anreicherungsverfahren auf der Basis dieser Materialien müssen erst noch entwickelt werden. Weiterhin sind bislang keine Verfahren zum Integrieren der Sauerstoffabtrennung mit einer sauerstoffangereicherten Verbrennung beim Stand der Technik erläutert worden.
  • Die Erfinder kennen beim Stand der Technik keine Offenbarung einer Verfahrenskonfiguration für die Integration eines Sauerstofferzeugungssystems auf der Basis eines Ionentransports mit einer OEC.
  • Aufgaben der Erfindung
  • Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Beseitigung des Bedarfs nach einem unabhängigen Sauerstoffgenerator oder einem Sauerstoffzufuhrsystem und in der Bereitstellung eines effizienten integrierten Verfahrens für die sauerstoffunterstützte Verbrennung, indem die verschiedenen Vorgänge des Verfahrens in thermischer und betrieblicher Hinsicht integriert werden.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Minimierung bzw. Beseitigung der Ausbildung von NOx in den Verfahren mit einer Verbrennungseinheit sowie von thermischen Verlusten auf Grund des Erhitzens des Stickstoffgases.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Gewinnung eines stickstoffreichen Gasstroms von dem Ionentransportmodul, der als ein Nebenprodukt verwendet wird.
  • Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht in der Steuerung der Konzentration des Sauerstoffs in dem Abgasstrom, der in dem Verbrennungsverfahren benutzt wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung weist ein Verfahren gemäß Anspruch 1 auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Einsatzgasstrom aus Luft. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet der zur Spülung der Permeatseite der Ionentransportmembran verwendete Verbrennungsproduktgasstrom ein reaktives Gas, das mit einem weiteren Teil des gereinigten und durch die Ionentransportmembran permeierenden Sauerstoffgasstroms reagiert. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Verbrennungsproduktgasstrom gekühlt, bevor er zur Spülung der Permeatseite der Ionentransportmembran verwendet wird. In einer zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform weist der aus der Permeatseite des Ionentransportmoduls austretende Gasstrom eine Sauerstoffkonzentration von etwa 10 % bis etwa 90 % auf. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Einsatzgasstrom erwärmt, bevor er in das Ionentransportmodul eingespeist wird. In noch einer zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verbrennungseinheit in dem Ionentransportmodul an der Permeatseite der Ionentransportmembran integriert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Teil des Verbrennungsproduktgasstroms in einem stromab stattfindenden Verfahren benutzt und mindestens ein Teil eines stromabwärtigen Produktgasstroms von dem stromab stattfindenden Verfahren kann zur Spülung der Permeatseite der Ionentransportmembran verwendet werden. Ein sauerstoffhaltiger Gasstrom kann zu mindestens einem Teil eines stromabwärtigen Produktgasstroms von dem stromab stattfindenden Verfahren hinzugefügt werden und der sich ergebende Gasstrom kann durch einen Nachbrenner geleitet werden, um jeglichen Brennstoff, der sich noch in dem stromabwärtigen Produktgasstrom befindet, zu verbrennen. Das stromab stattfindende Verfahren kann die Oxidation von Metallen und die Reinigung der Metalle durch Oxidieren von Verunreinigungen in den Metallen oder in einem Hochofen beteiligen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und den beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
  • 1 ein schematisches Diagramm ist und die Integration einer Ionentransport-Sauerstofferzeugung mit einer sauerstoffangereicherten Verbrennung und einem stromab stattfindenden Verfahren darstellt;
  • 2 ein schematisches Diagramm ist und die Integration einer Ionentransport-Sauerstofferzeugung mit einer sauerstoffangereicherten Verbrennung und einem stromab stattfindenden Verfahren ähnlich wie in 1 zeigt; und
  • 3 ein schematisches Diagramm ist und die Art und Weise darstellt, wie das Ionentransportverfahren, die Verbrennungseinheit und das stromab stattfindende Verfahren in einem einzelnen Modul integriert sind.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die Figuren beschrieben werden, in denen gleiche Bezugszeichen für die Bezeichnung gleicher Elemente verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung offenbart Verfahrenskonfigurationen, die eine ökonomisch attraktive Integration einer Ionentransport-Sauerstofferzeugung und einer sauerstoffangereicherten Verbrennung (OEC) ermöglichen. Obgleich druckbetriebene Verfahren ihres einfachen Entwurfs halber bevorzugt werden, sind die hier beschriebenen Konzepte auch für Systeme anwendbar, die entweder eine nur aus Ionenleitern bestehende Membran mit Elektroden und einem externen Schaltkreis für die Rückführung von Elektronen oder eine Mischleitermembran benutzen.
  • Derzeitige kommerzielle Sauerstofferzeugungsverfahren werden typischerweise bei Temperaturen unter 100° C betrieben. Auf Grund dieser niedrigen Temperatur erhalten sie durch eine Integration in ein OEC-Verfahren keine signifikant erhöhten Effizienzen. Die erhöhten Betriebstemperaturen (üblicherweise mehr als 600° C) lassen das Ionentransportverfahren für eine Integration mit Hochtemperaturverfahren wie z.B. der Sauerstoff verwendenden Verbrennung intrinsisch gut geeignet ausfallen. Weiterhin wird gezeigt werden, dass die Verbrennungsabgase auf vorteilhafte Weise verwendet werden können, um die Leistungsfähigkeit der Ionentransportmembran zu erhöhen. Traditionelle Sauerstofferzeugungsverfahren (zum Beispiel PSA- und TSA-Verfahren oder Verfahren auf Membranbasis) können nicht einfach einen Vorteil aus den Verbrennungsabgasen ziehen, da diese bei ihrem Austritt aus der Verbrennungskammer eine hohe Temperatur aufweisen.
  • Das Grundmerkmal der derzeitigen Verfahrenskonfiguration besteht in einer Ionentransportmembran, die eine feste Sauerstoffionen leitende oder mischleitende Membran verwendet, um Sauerstoff von einem sauerstoffhaltigen Gas abzutrennen, das typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise Luft ist, und in der Verwendung des abgetrennten Sauerstoffs in einem stromab stattfindenden Verfahren, das die mit Sauerstoff angereicherte Verbrennung einschließt, ohne sich jedoch darauf begrenzen zu wollen. Zur Verringerung des Parzialdrucks des Sauerstoffs an der Permeatseite in der Ionentransportmembran wird ein an Sauerstoff verarmtes Gas (zum Beispiel Abgase von dem Verbrennungsverfahren oder jedem stromab stattfindenden Verfahren) als ein Spülgasstrom verwendet. Eine derartige Spülung erhöht die Antriebskraft über die Ionentransportmembran hinweg in großem Umfang und bewirkt eine hohe Sauerstoffströmung und die Erfordernis einer geringeren Membranfläche. Diese Vorteile treten selbst dann auf, wenn der Einsatzgasstrom bei einem relativ niedrigen Druck vorliegt, wodurch die Energieanforderungen des Systems auf einen Wert verringert werden, der von praktischem Interesse ist. Ebenfalls ist eine Umwälzung der Verbrennungsabgase vorteilhaft, da sie einen Verdünnungsstrom bereitstellt, der für die Steuerung der Temperatur in der Verbrennungseinheit und die Minimierung der NOx Ausbildung (bei spielsweise durch eindringenden Stickstoff) wichtig ist. Die Effizienz dieses Verfahrens könnte auch dadurch erhöht werden, dass dem in den Sauerstoffseparator eintretenden Rauchgas Brennstoff hinzugefügt wird. Dies verringert den Sauerstoffparzialdruck an der Permeatseite weiter, was sogar zu noch höheren Sauerstoffströmungen in dem Ionentransportseparator führt.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Wärme, die zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Ionentransportmoduls innerhalb des Betriebsbereichs erforderlich ist, aus einer Vielzahl von dem Fachmann bekannten Quellen stammen kann, die unter anderem beispielsweise in einem Nachbrenner erzeugte Wärme und umgewälzte heiße Verbrennungsproduktgase umfassen können.
  • In den meisten Mischleitern übersteigt die elektronische Leitfähigkeit die Sauerstoffionenleitfähigkeit bei den in Frage kommenden Betriebstemperaturen deutlich und der gesamte Transport von Sauerstoff von einer Seite zu der anderen wird durch die Sauerstoffionenleitfähigkeit gesteuert. Eine Anzahl an potenziellen Mischleitern ist sowohl in den Fluorit- wie in den Perowskit-Kristallstrukturen bestimmt worden. Das Verhalten von Ionentransportmembranen ist (beispielsweise für Brennstoffzellen) ausführlich untersucht wurden und kann genau modelliert werden. Die Tabelle 1 ist eine teilweise Auflistung von Mischleitern, die für eine Sauerstoffabtrennung in Frage kommen
    Figure 00060001
    Figure 00070001
  • Figure 00080001
  • 1 ist ein schematisches Diagramm und stellt die Integration einer Ionentransport-Sauerstofferzeugung und einer sauerstoffangereicherten Verbrennung dar. Im Betrieb wird ein elementarer Sauerstoff enthaltender Einsatzgasstrom 1, üblicherweise Luft, in einem Gebläse oder Kompressor 2 auf einen relativ niedrigen Druck verdichtet, um einen verdichteten Einsatzgasstrom 3 zu erzeugen, der in einem Wärmetauscher 33 gegen einen Abgasstrom 31 und einen Produktstickstoffgasstrom 37 erwärmt wird, um einen erwärmten Einsatzgasstrom 4 zu erzeugen. Ein Gasstrom 28 kann von dem erwärmten Einsatzgasstrom 4 abgezweigt und in einem optionalen Nachbrenner 26 verwendet werden, um als ein Einsatzgasstrom 5 auszutreten, der wahlweise in einem Heizgerät 34 erwärmt wird, um einen heißen Einsatzgasstrom 6 zu erzeugen. Anschließend tritt der heiße Einsatzgasstrom 6 in die Einsatzseite eines Ionentransportmoduls 35 ein, das eine Ionentransportmembran 7 mit einer Retentatseite 7a und einer Permeatseite 7b verwendet. Ein Teil des Sauerstoffs in dem heißen Einsatzgasstrom 6 wird in dem Ionentransportmodul 35 entfernt und ein austretender Gasstrom 8 wird mit Bezug auf den Einsatzgasstrom 1 stickstoffangereichert. Die Permeatseite 7b der Ionentransportmembran 7 wird unter Verwendung eines Spülgasstroms 9 gespült, der Verbrennungsprodukte enthält. Ein Permeatgasstrom 10 enthält Sauerstoff und dieser Gasstrom 10 wird später mit einem Brennstoffgasstrom 11 vermischt. Wahlweise kann ein Luftstrom 12 zu dem Gasstrom 10 hinzugefügt werden.
  • Ein brennbarer Gasstrom 13 tritt anschließend, nachdem er durch ein (nicht dargestelltes) optionales Gebläse geleitet worden ist, in eine Verbrennungseinheit 14 ein. Optional oder zusätzlich zu dem Brennstoffgasstrom 11 kann ein Brennstoffgasstrom 15 direkt in die Verbrennungseinheit 14 eingespeist werden. Indem die Verbrennungseinheit 14 nahe bei einem stöchiometrischen oder geringfügig brennstoffreichen Zustand betrieben wird, kann die Sauerstoffkonzentration in einem Abgasstrom 16 auf niedrigen Pegeln gehalten werden. In dieser Ausführungsform wird der Abgasstrom 16 von der Verbrennungseinheit 14 in zwei Teile, namentlich einen Gasstrom 17 und einen Gasstrom 18 aufgeteilt. Der Gasstrom 18 wird in einem stromab stattfindenden Verfahren 19 verwendet, das einen Wärmeeingang erfordert, und ein relativ kälterer Abgasstrom 20 von dem stromab stattfindenden Verfahren 19 kann ebenfalls in zwei Teile, namentlich einen Abgasstrom 21 und einen Abgasstrom 22, aufgeteilt werden. Ein Brennstoffgasstrom 25 kann zur Erzeugung eines Gasstroms 38 zu dem Abgasstrom 21 hinzugefügt werden.
  • Der Gasstrom 38 kann zu dem Gasstrom 17 hinzugefügt werden, um den Gasstrom 9 zu erzeugen, der in das Ionentransportmodul 35 eintritt und dort zur Spülung der Permeatseite 17b der Ionentransportmembran 7 verwendet wird. Obgleich nicht dargestellt kann der Strom 17 dazu verwendet werden, den erwärmten Einsatzgasstrom 5 mittels Wärmeaustausch zu erwärmen, damit der heiße Einsatzgasstrom 6 erzeugt wird, anstatt das optionale Heizgerät 34 zu verwenden. Der Abgasstrom 22 kann wahlweise in einen optionalen Nachbrenner 26 eingespeist werden, wo ein Luftstrom 27 oder ein Gasstrom 28 optional hinzugefügt werden, um einen heißen Abgasstrom 29 zu erzeugen. Der heiße Abgasstrom 29 kann zu einem Gasstrom 30 oder zu einem Gasstrom 31 werden. Wie oben erwähnt wird der Gasstrom 31 in einem Wärmetauscher 33 zur Erwärmung des verdichteten Einsatzgasstroms 3 verwendet, um einen Abgasstrom 32 zu erzeugen. Der Gasstrom 30 kann mit dem stickstoffreichen Retentatgasstrom 8 vermischt werden, wenn kein Stickstoff als ein Nebenprodukt verwendet werden soll und wenn die Temperatur des Abgasstroms 30 angemessen hoch ist. Der Retentatgasstrom 8 liegt wahrscheinlich bei einem höheren Druck als der Abgasstrom 30 vor und es kann sich als notwendig erweisen, den überschüssigen Druck des Retentatgasstroms 8 unter Verwendung eines Expansionsventils 23 abzulassen, um einen Retentatgasstrom 36 zu erzeugen, bevor dieser mit dem Gasstrom 30 vermischt wird. Wenn der Retentatgasstrom 24 als ein stickstoffreicher Produktgasstrom erwünscht ist, werden die Gasströme 36 und 30 nicht miteinander vermischt.
  • Die Verwendung eines an Sauerstoff verarmten Spülgasstroms 9 in dem Ionentransportmodul 35 wird den Sauerstoffparzialdruck an der Permeatseite 7b der Ionentransportmembran 7 in großem Umfang absenken und einen raschen Sauerstofftransport durch die Membran 7 ermöglichen. Die Brennstoffgasströme 11, 15, und 25 können an allen oder an den in 1 gezeigten Stellen in die Verfahrenskonfiguration eingeleitet werden, um die Vorteile der Erfindung zu bewerkstelligen, wobei die Verwendung von mindestens einem Brennstoffgasstrom für die Erfindung wesentlich ist. Zum Beispiel kann die Hinzufügung des Brennstoffgasstroms 25 stromauf von dem Ionentransportmodul 35 erwünscht sein, um den Sauerstoffparzialdruck an der Permeatseite 7b der Ionentransportmembran 7 deutlich zu reduzieren. Dies würde auch zur Erzeugung einer gewissen Wärmemenge in dem Ionentransportmodul 35 auf Grund der Brennstoffverbrennung führen, wodurch der Wärmebedarf des Sauerstofftransportverfahrens in gewissem Umfang verringert wird. In diesem Fall könnte der von dem Ionentransportmodul 35 austretende stickstoffreiche Gasstrom 8 heißer gemacht werden. Dies würde die Wärmeübertragung in dem Wärmetauscher 33 effizienter ausfallen lassen, wodurch die für den Wärmeaustausch erforderliche Fläche verringert und der Bedarf nach dem Heizgerät 34 stromauf von dem Ionentransportmodul 35 möglicherweise beseitigt wird.
  • Reaktive Spülanordnungen sind in EP-A-0 778 069 (veröffentlicht am 11.06.1997) offenbart, wobei ein reaktiver Spülstrom in die Permeatseite eines Ionentransportmoduls eingespeist und dort verbrannt wird, um den Sauerstoffdruck an der Permeatseite abzusenken. Bevorzugte Konfigurationen für Ionentransportmodule, die eine reaktive Spülung verwenden, sind in EP-A-0 875 285 (veröffentlicht am 04.11.1998) offenbart.
  • Der Betrieb der Verbrennungseinheit 14 mit einem geringfügig brennstoffreichen Gemisch kann sich als vorteilhaft erweisen, da dies zu einer partiellen Oxidation des Brennstoffs führt, der zu dem Permeatgasstrom 10 hinzugefügt wurde, was zu einem Abgasstrom 16 führt, der Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid enthält. Wie oben erwähnt wird der Gasstrom 17 optional für die Spülung der Permeatseite 7b der Ionentransportmembran 7 verwendet. Es sei darauf hingewiesen, dass Wasserstoffgas ein hoch reduzierendes Gas mit einer höheren Reaktivität als viele andere gasförmige Brennstoffe ist und dass sein Vorhandensein in dem Ionentransportmodul 35 zu einem äußerst geringen Sauerstoffparzialdruck an der Spülseite 7b der Ionentransportmembran 7 führt, was sogar einen noch schnelleren Transport von Sauerstoff durch die Ionentransportmembran 7 ermöglicht. Natürlich könnten ähnliche Ergebnisse auch durch die Einspeisung von Wasserstoffgas als der Brennstoffgasstrom 25 bewerkstelligt werden, allerdings ist dies nicht so kosteneffizient wie die Verwendung des brennstoffreichen Einsatzes für die Verbrennungseinheit 14, da Wasserstoffgas ein relativ teurer Brennstoff ist. Die Verwendung eines brennstoffreichen Einsatzes für die Verbrennungseinheit 14 wie oben beschrieben beseitigt den Bedarf nach der Verwendung eines vorab hergestellten Wasserstoffgases, da Wasserstoffgas als ein Teil des Verfahrenszyklus generiert wird. Indem die Verbrennungseinheit 14 jedoch in einem brennstoffreichen Zustand betrieben werden würde, könnte es bewirkt werden, dass die Abgasströme 18 und 22 Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas enthalten, wobei beide Stoffe einfach an die Atmosphäre entlüftet werden würden, wenn die Konzentration niedrig ist. Wie oben erwähnt kann es auch möglich sein, den (möglicherweise katalytischen) Nachbrenner 26 zu installieren, zu dem überschüssige Luft 27 hinzugefügt wird, um das Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas abzubrennen, wenn ihre Konzentrationen ausreichend hoch sind. Ebenfalls könnte der Gasstrom 28 des erwärmten Einsatzgasstroms 4 zu dem Nachbrenner 26 geführt werden, um die Erfordernisse des Nachbrenners bereitzustellen.
  • Es ist interessant darauf hinzuweisen, dass es auf Grund der Umwälzung von Verbrennungsprodukten als der Spülgasstrom 9 und wegen der unendlichen Selektivität der Ionentransportmembran 7 für Sauerstoff möglich ist, den Temperaturanstieg des Gasstroms 13 in der Verbrennungseinheit 14 ohne einen Bedarf nach überschüssiger Luft zu begrenzen, wodurch Stickstoff von dem Verbrennungsverfahren ausgeschlossen wird, was wiederum die NOx Ausbildung eliminiert. Dieser synergetische Effekt ist ein generelles Prinzip der Erfindung und bildet ein Merkmal von vielen Ausführungsformen der Erfindung.
  • Typische Bereiche für Betriebsparameter des in der Erfindung verwendeten Ionentransportmoduls lauten wie folgt.
    Temperatur: Typischerweise in dem Bereich von 400–1000° C und vorzugsweise in dem Bereich von 400–800° C.
    Druck: Der Spülseitendruck liegt typischerweise in dem Bereich von 1–3 atm.. Der Einsatzseitendruck beträgt 1–3 atm, wenn Stickstoff kein Nebenprodukt ist, und andernfalls 1–20 atm.
    Sauerstoffionenleitfähigkeit (μi) der Ionentransportmembran: Typischerweise in dem Bereich von 0,01–100 S/cm (1 S = 1/Ohm).
    Dicke der Ionentransportmembran: Die Ionentransportmembran kann in der Form eines dichten Films oder eines dünnen Films verwendet werden, wobei letzterer auf einem porösen Substrat abgestüzt wird. Die Dicke (t) der Ionentransportmembran/schicht beträgt typischerweise weniger als 5000 μm, vorzugsweise weniger als 1000 μm, und am bevorzugtesten weniger als 100 μm.
    Konfiguration: Die Ionentransport-Membranelemente können rohrförmig oder flach sein.
  • Wie oben erwähnt werden asymmetrische oder Verbund-Ionentransportmembrane (d.h. druckbetriebene Membrane) in den hier erläuterten Beispielen verwendet. Die folgenden Eigenschaften basieren auf typischen Werten, die in der Literatur für derartige Membrane, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnten, angegeben sind.
    Effektive Membrandicke: 20 μm
    Ionenleitfähigkeit, μi: 0,5 S/cm
    Betriebstemperatur: 800° C
    Substratporösität: 40 %
  • Mathematische Standardmodelle sind zur Bestimmung der Betriebsbedingungen für das in 1 gezeigte Verfahren, d.h. die Membranflächenanforderung sowie die an verschiedenen Stellen notwendigen Leistungs- und thermischen Energieeingänge, verwendet worden. Dieses Beispiel, das ein Verfahren unter Verwendung einer Konfiguration von 1 modelliert, ist lediglich aus illustrativen Gründen angegeben und es erfolgten keine Versuche einer Optimierung der Verfahrenskonfiguration. Der Hauptgrund, weshalb keine Optimierung unternommen wurde, besteht darin, dass Optimierungen im allgemeinen auf ökonomischen Überlegungen beruhen, die kommerzielle Produktion der Ionentransportmembransysteme jedoch noch lange nicht ausgereift ist, und deshalb zur Zeit keine verlässlichen Kostenabschätzungen für derartige Systeme verfügbar sind.
  • Für das vorliegende Beispiel wird in 1 Brennstoff zu dem Verfahren ausschließlich als Brennstoffgasstrom 11 geführt. Weiterhin ist der optionale Gasstrom 17 unberücksichtigt, d.h. die Gasströme 16 und 18 sind identisch. Weiterhin ist Stickstoff nicht als Nebenprodukt beabsichtigt und der Retentatgasstrom 36, der von dem Retentatgasstrom 8 nach der Reduzierung des überschüssigen Drucks des Retentats unter Verwendung des Auslassventils 23 erhalten wurde, wird mit dem von dem Abgasstrom 29 entnommenen Gasstrom 30 vermischt. Im allgemeinen ist es jedoch nicht effektiv, den Druck des Retentatgasstroms 8 abzusenken oder den Gasstrom 30 stromauf von dem Wärmetauscher 33 zu dem Retentatgasstrom 6 hinzuzufügen. Da der Abgasstrom 22 kein Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas enthält, ist kein Nachbrenner 26 installiert.
  • Basis für das Beispiel: Ein stromab stattfindendes Verfahren erfordert einen Wärmeeingang von 1,465·106 W (5 Millionen BTU/h).
  • Tabelle II: Spezifikationen wichtiger Gasströme in dem integrierten Verfahren
    Figure 00120001
  • Tabelle III: Spezifikationen für Schlüsselmodule in dem integrierten Verfahren
    Figure 00120002
  • 2 ist ein schematisches Diagramm ähnlich wie 1 und stellt eine effizientere Alternative unter Verwendung der katalytischen Nachbrennerinstallation dar. Im Betrieb wird ein Einsatzgasstrom 41, der elementaren Sauerstoff, üblicherweise Luft enthält, in einem Gebläse oder Kompressor 42 auf einen relativ niedrigen Druck verdichtet, um einen verdichteten Einsatzgasstrom 43 zu erzeugen, der in einem Wärmetauscher 73 gegen einen heißen Abgasstrom 40 und einen Produktstickstoffgasstrom 64 erwärmt wird, damit ein erwärmter Einsatzgasstrom 44 hergestellt wird. Ein Gasstrom 70 kann von dem erwärmten Einsatzgasstrom 44 abgezweigt und in einem optionalen Nachbrenner 69 verwendet werden, aus dem ein Einsatzgasstrom 74 austritt, der wahlweise in einem Heizgerät 75 erwärmt wird, um einen heißen Einsatzgasstrom 45 zu erzeugen. Anschließend tritt der heiße Einsatzgasstrom 45 in die Einsatzseite des Ionentransportmoduls 46 ein, das eine Ionentransportmembran 47 mit einer Retentatseite 47a und einer Permeatseite 47b verwendet. Ein Teil des Sauerstoffs in dem heißen Einsatzgasstrom 45 wird in dem Ionentransportmodul 46 entfernt und der austretende Gasstrom 48 wird mit Bezug auf den Einsatzgasstrom 41 stickstoffangereichert.
  • Die Permeatseite 47b der Ionentransportmembran 47 wird unter Verwendung eines Spülgasstroms 79 gespült, der Produkte der Verbrennung enthält. Ein Permeatgasstrom 50 enthält Sauerstoff und dieser Gasstrom 50 wird später mit einem Brennstoffgasstrom 51 vermischt. Wahlweise kann ein Luftstrom 52 zu dem Gasstrom 50 hinzugefügt werden. Ein brennbarer Gasstrom 53 tritt, nachdem er durch ein (nicht dargestelltes) optionales Gebläse geleitet worden ist, in eine Verbrennungseinheit 54 ein. Optional oder zusätzlich zu dem Brennstoffgasstrom 51 kann ein Brennstoffgasstrom 55 direkt in die Verbrennungseinheit 54 eingespeist werden. Indem die Verbrennungseinheit 54 nahe bei der stöchiometrischen oder der geringfügig brennstoffreichen Bedingung betrieben wird, kann die Sauerstoffkonzentration in dem Abgasstrom 56 auf niedrigen Pegeln gehalten werden.
  • Der Abgasstrom 56 von der Verbrennungseinheit 54 kann in zwei Teile, namentlich einen Gasstrom 57 und einen Gasstrom 58, aufgeteilt werden. Der Gasstrom 58 wird in einem stromab stattfindenden Verfahren 59, das einen Wärmeeingang erfordert, verwendet, und der relativ kältere Abgasstrom 60 von dem stromab stattfindenden Verfahren 59 kann ebenfalls in zwei Teile, namentlich einen Abgasstrom 61 und einen Abgasstrom 62 aufgeteilt werden. Ein Brennstoffgasstrom 65 kann zur Erzeugung eines Abgasstroms 61 zu dem Gasstrom 78 hinzugefügt werden. Der Gasstrom 78 kann zu dem Gasstrom 57 zugeführt werden, um einen Gasstrom 79 zu erzeugen, der in das Ionentransportmodul 46 eintritt und zur Spülung der Permeatseite 47b der Ionentransportmembran 47 benutzt wird.
  • Der Abgasstrom 62 kann wahlweise in zwei Teile, den heißen Abgasstrom 40 und einen Gasstrom 77 aufgeteilt werden. Wie oben erwähnt wird der heiße Abgasstrom 40 in dem Wärmetauscher 73 zur Erwärmung des verdichteten Einsatzgasstroms 43 verwendet, um den Abgasstrom 72 zu erzeugen. Der Gasstrom 77 kann mit dem stickstoffreichen Retentatgasstrom 48 vermischt werden, wenn Stickstoff nicht als ein Nebenprodukt benutzt wird und wenn die Temperatur des Abgasstroms 77 ausreichend hoch ist. Der Grund für diesen Schritt besteht einerseits darin, jeglichen nicht reagierten Brennstoff in dem Abgasstrom 77 durch eine Verbrennung in dem Nachbrenner 69 zu entfernen und andererseits in der Erzeugung von Wärmeenergie zwecks einer Verbesserung der Effizienz des Wärmetauschers 73. Der Retentatgasstrom 48 liegt wahrscheinlich bei einem höheren Druck als der Abgasstrom 77 vor und es kann sich als notwendig erweisen, den überschüssigen Druck des Retentatgasstroms 48 unter Verwendung eines Expansionsventils 63 freizusetzen, um einen Retentatgasstrom 76 zu erzeugen, bevor er mit dem Gasstrom 77 zur Erzeugung eines Gasstroms 80 vermischt wird.
  • Der Gasstrom 80 wird in den optionalen Nachbrenner 69 eingespeist und dort wird wahlweise der Gasstrom 70 zugeführt, um den heißen Abgasstrom 39 zu erzeugen. In diesem Falle wäre es notwendig sicherzustellen, dass der Strom 80 genügend Sauerstoff enthält, damit die Verbrennung fortschreiten und abgeschlossen werden kann. Wie oben erwähnt kann der von dem erwärmten Einsatzgasstrom 44 entnommene Gasstrom 70 wahlweise zu dem Nachbrenner 69 geführt werden, um dies sicherzustellen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Durchflussrate des kombinierten Stroms dadurch erhöht wird, dass die Abgase von dem Ionentransportmodul 46 und dem stromab stattfindenden Verfahren 59 miteinander vermischt werden. Dies verbessert das Kapazitätsverhältnis in dem Wärmetauscher 73 und erhöht die Wärmeübertragung zu dem verdichteten Einsatzgasstrom 43. Der Produktgasstrom 64 weist Sauerstoff (zur Sicherstellung einer vollständigen Verbrennung überschüssig verwendet) und Verbrennungsprodukte auf, wenn der Nachbrenner 69 benutzt wird, und der Produktgasstrom 64 wird im allgemeinen als ein Abstrom abgelassen.
  • Wie bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung verringert die Verwendung eines an Sauerstoff verarmten Spülgasstroms 79 in dem Ionentransportmodul 46 den Sauerstoffparzialdruck an der Permeatseite 47b der Ionentransportmembran 47 in großem Umfang und ermöglicht einen raschen Sauerstofftransport durch die Membran 47. Brennstoffgasströme 51, 55 und 65 können in der Verfahrenskonfiguration an allen oder an den in 2 dargestellten Stellen eingespeist werden, um die Vorteile der Erfindung zu realisieren, wobei die Verwendung von mindestens einem Brennstoffgasstrom für die Erfindung wesentlich ist. Wie oben kann die Hinzufügung eines Brennstoffgasstroms 65 stromauf von dem Ionentransportmodul 46 erwünscht sein, um den Sauerstoffparzialdruck an der Permeatseite 47b der Ionentransportmembran 47 deutlich zu reduzieren. Dies würde dazu führen, dass eine gewisse Wärmemenge in dem Ionentransportmodul 46 auf Grund der Brennstoffverbrennung erzeugt werden würde, wodurch sich ein Teil der Wärmebedürfnisse des Sauerstofftransportverfahrens befriedigen lassen. In diesem Fall könnte der austretende stickstoffreiche Gasstrom 48 von dem Ionentransportmodul 46 heißer gemacht werden, wodurch die Wärmeübertragung in dem Wärmetauscher 73 effizienter ausfiele, damit die für den Wärmeaustausch notwendige Fläche verringert und der Bedarf nach dem Heizgerät 75 stromauf von dem Ionentransportmodul 46 möglicherweise beseitigt werden würde. Wenn genug Brennstoff in dem Ionentransportmodul 46 an der Spül- oder Permeatseite 47b der Ionentransportmembran 47 verbrannt werden kann, kann dies alles zusammen den Bedarf nach einer separaten Verbrennungseinheit 54 beseitigen, das heißt, das Ionentransportmodul 46 würde auch als die Verbrennungseinheit fungieren. In einer derartigen Situation können sich eine signifikante Vereinfachung des Systems sowie eine Kostenreduzierung ergeben.
  • Wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung kann es sich als vorteilhaft erweisen, die Verbrennungseinheit 54 mit einem geringfügig brennstoffreichen Gemisch zu betreiben, da dies zu einer partiellen Oxidation des dem Permeatgasstroms 50 zugeführten Brennstoffs führt, was wiederum dazu führt, dass ein Abgasstrom 56 Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid enthält. Wie oben erwähnt wird der Gasstrom 57 optional zur Spülung der Permeatseite 47b der Ionentransportmembran 47 verwendet und das Vorhandensein von Wasserstoffgas in dem Ionentransportmodul 46 führt zu einem äußerst geringen Sauerstoffparzialdruck an der Spülseite 47b der Ionentransportmembran 47, wodurch sogar eine noch schnellerer Transport von Sauerstoff durch die Ionentransportmembran 47 bewerkstelligt wird. Die Verwendung eines brennstoffreichen Einsatzes in die Verbrennungseinheit 54 erzeugt Wasserstoffgas als Teil des Verfahrenszyklus. Wie oben erwähnt kann die Installation des (möglicherweise katalytischen) Nachbrenners 69 möglich sein, um das Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas abzubrennen, wenn ihre Konzentrationen ausreichend hoch sind.
  • Weiterhin ist es möglich, ein Ionentransport-Verbrennungsmodul in eine interne Umwälzung des Rauch-(Ofen)-Gases zu integrieren. Wenn der Ofen und das Ionentransport-Verbrennungsmodul mit etwa der gleichen Temperatur betrieben werden (zum Beispiel zwischen 800° und 1200° C), kann das Ionentransport-Verbrennungsmodul direkt in dem Ofen angeordnet werden, vorausgesetzt dass die Ofenatmosphäre "sauber" ist, das heißt, dass sie keine Spezies aufweist, die für die Ionentransportmembran schädlich ist. Eine Möglichkeit zur Implementierung dieser Idee ist in 3 dargestellt, wobei das Ionentransportverfahren, die Verbrennungseinheit und das stromab stattfindende Verfahren alle in einer einzigen Einheit integriert sind. Ein Einsatzstrom 132 wie z.B. erwärmte Luft wird gegen eine Kathodenseite 120a einer Membran 120 gerichtet, um heißes, an Sauerstoff verarmtes Retentat 134 wie z.B. Stickstoff zu erzeugen. Ein stromab stattfindendes Verfahren 130 (beispielsweise ein Ofenbetrieb) ist an der Permeat- oder Anodenseite 120b der Ionentransportmembran 120 dargestellt. In dieser Konfiguration wird ein Brennstoffgasstrom 121 nahe an der Oberfläche der Permeatseite 120b eingespeist, wodurch Sauerstoff weggespült und/oder auf effiziente Weise verbraucht und über die Ionentransportmembran 120 hinweg transportiert wird. Die Verbrennungsprodukte in einer heißen Zone 138 könnten in dem Ofen gegen die Anodenseite 120b mittels natürlicher oder erzwungener Konvektion umgewälzt werden. Für die in 3 dargestellte Konstruktion könnte ein Verbrennungsproduktstrom 146 vorzugsweise von einem Ofen 130 erhalten werden, wie dies in gestrichelten Linien durch einen Strom 146a dargestellt ist, und der Brennstoffgasstrom 121 wird wahlweise durch eine poröse Brennstoffverteilerlage 122 eingespeist, die benachbart zu der Permeatseite 120b der Ionentransportmembran 120 angeordnet ist. Vorzugsweise bildet die Verteilerlage 122 mindestens einen Durchlass bzw. eine Kammer aus, um den Brennstoff gleichförmiger über die Membran 120 hinweg zu verteilen.
  • Reagiertes Permeat 136, das Sauerstoff und Verbrennungsprodukte enthält, wird durch eine heiße Zone 138 zu dem Ofen 130 geführt. Vorzugsweise wird ein Teil des heißen Stickstoffs 140 durch ein Ventil 142 geleitet, um eine inertierende Atmosphäre über dem Ofen 130 bereitzustellen. Zusätzlicher Brennstoff 144 wird dem Ofen 130 zugeführt.
  • In einer weiteren Konstruktion ist die Ionentransportmembran 120 ein Teil eines separaten Moduls, das extern zu dem Ofen 130 angeordnet ist. In jeder der externen oder integrierten Konstruktionen kann ein zweistufiges Ionentransportsystem ausgebildet werden, bei dem die Anodenseite der ersten Stufe durch den Retentatstrom von der ersten Stufe zur Erzeugung eines verdünnten Sauerstoff-Permeatstroms gespült wird, wobei die Anodenseite der zweiten Stufe reaktiv gespült wird, um einen brennstoffreichen Permeatstrom zu erzeugen. Die beiden Permeatströme werden in einem Ofen für eine Verbrennung mit oder ohne die Verwendung der heißen Stickstoffretentatströme in der Ofenatmosphäre benutzt.
  • Wenn die Spitzentemperatur des Ofens viel höher als die Ionentransport-Betriebstemperatur ist, kann eine Ofenzone mit der "richtigen" Temperatur für den Ionentransportbetrieb ausgewählt werden (zum Beispiel der Vorerwärmungsabschnitt eines Durchlaufwiedererhitzungsofens), oder es kann eine spezielle Kammer mit geeigneten Wärmesenken erzeugt werden, um die Temperatur zu steuern. Zum Beispiel wäre es in Kesselanwendungen oder Erdölheizgeräten geeignet, die Ofenwärmebelastungen (das heißt, die Wasser- oder Ölröhren) für die Erzeugung einer Zone mit einer optimalen Temperatur für das Ionentransportmodul zu verwenden. Eine große Menge an Rauchgas wird durch diese Zone umgewälzt, um kontinuierlich Sauerstoff zu spülen und die Sauerstoffkonzentration niedrig zu halten. Eine niedrige Sauerstoffkonzentration und eine hohe Ofengasumwälzung stellen für das Verbrennungsverfahren von Verdünnungssauerstoff synergetische Effekte bereit.
  • Es bestehen viele Vorteile der integrierten Verfahren der Erfindung. Zum Beispiel kann der Sauerstoff für die OEC aus einem Niederdruck-Einsatzgasstrom extrahiert werden, indem der Abgasstrom für das Spülen verwendet wird, und dies sollte zu einem niedrigeren Energiebedarf für das Sauerstoffabtrennverfahren führen.
  • Da nur Sauerstoff durch die Ionentransportmembran geleitet wird, wird kein Stickstoff zu dem Spülgasstrom hinzugefügt, der aus dem Ionentransportmodul austritt. Selbst wenn Luft entweder absichtlich (z.B. als der optionale Gasstrom 12) oder durch Undichtigkeiten in das Verbrennungsgemisch eingeführt wird, wird der Stickstoffanteil in dem Verbrennungsgemisch gering ausfallen. Dies sollte die Ausbildung von NOx in der Verbrennungseinheit minimieren oder beseitigen.
  • Durch ein geeignetes Vermischen der Abgase, die entweder vor oder nach dem stromab stattfindenden Verfahren entnommen werden, ist es weiterhin möglich, die Spüleinlasstemperatur auf die in dem Ionentransportverfahren erwünschte Temperatur zu regeln. Dies kann den Bedarf nach einer unabhängigen Vorwärmung des Spülgases beseitigen.
  • Wenn darüber hinaus ausreichend Sauerstoff von dem Einsatzgasstrom in dem Ionentransportmodul entfernt wird kann anschließend das stickstoffreiche Stromretentat von dem Ionentransportmodul als ein Produkt verwendet werden. Dies kann dann besonders attraktiv sein, wenn etwas Brennstoff hinzugefügt wird, zum Beispiel der Brennstoffgasstrom 11. Wenn Stickstoff als ein Nebenprodukt erwünscht ist, kann es vorteilhaft sein, den Einsatzgasstrom auf den für die Produktstickstoffzufuhr notwendigen Druck zu verdichten. In diesem Fall kann jedoch der von dem Ionentransportmodul stammende Retentatgasstrom nicht mit dem Abgasstrom von dem stromab stattfindenden Verfahren vermischt werden, sondern es kann entweder ein getrennter Wärmetauscher installiert werden, um Wärme von dem Abgasstrom zu gewinnen, oder es kann keine Wärmegewinnung unternommen werden, da der Abgasstrom im Vergleich zu dem Retentatgasstrom im allgemeinen viel kleiner und kälter ist.
  • Darüber hinaus verringert die Verwendung des Spülgasstroms die Sauerstoffkonzentration an der Permeatseite der Ionentransportmembran. Die verringerte Sauerstoffkonzentration vereinfacht den Entwurf des Ionentransportmoduls und der stromabwärtigen Komponenten (beispielsweise der Verbrennungseinheit) an der Spülseite bezüglich der Materialauswahl beträchtlich. Bei der Abwesenheit eines Spülstroms würde im wesentlichen reiner Sauerstoff an der Permeatseite der Ionentransportmembran erzeugt werden. Die sichere Handhabung eines derartigen hochreinen Sauerstoffstroms stellt insbesondere bei erhöhten Temperaturen eine signifikante Herausforderung dar.
  • Weiterhin kann die Konzentration des Sauerstoffs in dem Spülausstoß durch eine Anzahl an Techniken einfach gesteuert werden, zum Beispiel durch eine Variierung der Einsatzgasstromdurchflussrate, eine Variierung der Spülgasstromdurchflussrate (gesteigerte Umwälzung der Verbrennungsprodukte), eine Veränderung der Ionentransportmodul-Betriebstemperatur, oder durch eine Variierung der Membranfläche der Ionentransportstufe. Ebenfalls erweisen sich diese Techniken bei der Steuerung der Gesamtmenge an abgetrenntem Sauerstoff als effektiv und könnten für Lastnachführzwecke benutzt werden.
  • Als Letztes würde die Verwendung des Ionentransportseparators den Bedarf nach einem unabhängigen Sauerstoffgenerator (zum Beispiel PSA) oder nach einem Sauerstoffzufuhrsystem (beispielsweise ein Flüssigkeitstank und Verdampfer) beseitigen. Es ist zu erwarten, dass dies zu einer wesentlichen Verringerung der Kapitalkosten und der Kosten des hergestellten Sauerstoffs führt.
  • Es sei darauf hingewiesen, das in dem Rahmen der oben erörterten Verfahrenskonfiguration eine Anzahl an Modifizierungen des Verfahrens möglich ist. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, das Abgas von dem stromab stattfindenden Verfahren für eine Erwärmung des Einsatzgasstroms zu verwenden. Eben falls ist es möglich, dem aus dem Ionentransportmodul austretenden Spülgasstrom eine gewisse Menge an Luft zuzuführen. Dies kann insbesondere bei Startvorgängen oder für eine Lastnachführung erwünscht sein. Und obwohl weiterhin die hier beschriebenen Verfahren für druckbetriebene Mischleiter-Ionentransportmembrane gedacht sind ist es offensichtlich, dass das Erfindungskonzept auch für primär mit Ionenleiter arbeitende Membrane anwendbar ist, die in dem druckbetriebenen oder elektrisch angetriebenen Modus mit einer externen Stromrückführung betrieben werden. Und obgleich als Letztes ein im Gegenstrom arbeitendes Sauerstoffabtrennverfahren in 1 dargestellt ist, kann das gleiche Verfahren auch in einem im Gleich- oder im Querstrom arbeitenden Modus durchgeführt werden.
  • Wie oben erwähnt werden die Begriffe "Festelektrolyt-Ionenleiter", "Festelektrolyt", "Ionenleiter" und "Ionentransportmembran" im allgemeinen dazu verwendet, entweder ein (elektrisch angetriebenes) Ionentypsystem oder ein (druckbetriebenes) Mischleitertypsystem zu bezeichnen, solange dies nicht anderweitig angegeben ist.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Stickstoff' ein an Sauerstoff verarmtes Gas, das heißt, ein relativ zu dem Einsatzgas an Sauerstoff verarmtes Gas. Wie oben erwähnt erlaubt die Ionentransportmembran nur die Permeation von Sauerstoff. Somit hängt die Zusammensetzung des Retentats von der Zusammensetzung des Einsatzgases ab. Das Einsatzgas wird an Sauerstoff verarmt, jedoch wird es Stickstoff und jegliche andere Gase (beispielsweise Argon), das/die in dem Einsatzgas vorhanden sind, zurückhalten. Die Bedeutung des Begriffs versteht sich für den Fachmann im Kontext der Verwendung 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 mit anderen Elementen nicht kombiniert sind.
  • Der Begriff "hohe Reinheit" bezieht sich auf einen Produktstrom, der weniger als 5 Volumenprozent an unerwünschten Gasen enthält. Vorzugsweise weist das Produkt einer Reinheit von mindestens 98,0%, bevorzugter von 99,9%, und am bevorzugtesten von mindestens 99,99% auf, wobei "Reinheit" die Abwesenheit von unerwünschten Gasen bezeichnet.
  • "Druckwechseladsorptions"- oder "PSA"-Systeme beziehen sich auf Systeme, die Adsorptionsmaterialien verwenden, welche für ein Gas, typischerweise Stickstoff, selektiv sind, um dieses Gas von anderen Gasen abzutrennen. Derartige Materialien beinhalten bereichsselektive PSA-Materialien, die üblicherweise Kohlenstoff enthalten und Hochdruckstickstoff sowie Niederdrucksauerstoff bereitstellen, sowie gleichgewichtsselektive PSA-Materialien, die üblicherweise Lithium enthalten und Niederdruckstickstoff und Hochdrucksauerstoff bereitstellen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur sauerstoffunterstützten Verbrennung, bei welchem: (a) ein sauerstoffhaltiger Einsatzgasstrom (1; 41) verdichtet wird; (b) Sauerstoff von dem verdichteten Einsatzgasstrom (3; 43) unter Verwendung eines Ionentransportmoduls (35; 46) abgetrennt wird, welches eine Ionentransportmembran (7; 47; 120) mit einer Retentatseite (7a; 47a; 120a) und einer Permeatseite (7b; 47b; 120b) beinhaltet, wobei das abgetrennte Sauerstoffgas an der Permeatseite der Ionentransportmembran erhalten wird und wobei der Sauerstoff an der Retentatseite der Ionentransportmembran entsprechend verarmt wird, um so einen an Sauerstoff verarmten Gasstrom zu erzeugen; (c) das abgetrennte Sauerstoffgas an der Permeatseite mit anderen Gaskomponenten gemischt wird, um einen mit Sauerstoff angereicherten Gasstrom zu erzeugen; (d) Brennstoff (11, 15; 51, 55; 144) und mindestens ein Teil des abgetrennten Sauerstoffs in einer Verbrennungseinheit (14; 54; 130) verbrannt werden, die separat von der Permeatseite der Ionentransportmembran vorgesehen ist; und (e) die Permeatseite der Ionentransportmembran mit einem an Sauerstoff verarmten Spülgasstrom (9; 79, 146) gespült wird, der mindestens einen Teil eines Verbrennungsproduktgasstroms (16; 56; 146a) ausmacht, der durch die Verbrennung des Brennstoffs (11, 15; 51, 55; 144) und des Gasstroms (10; 50; 136), der die Permeatseite der Ionentransportmembran verlässt, erhalten wurde.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Einsatzgasstrom Luft ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Verbrennungsproduktgasstrom, der zum Spülen der Permeatseite der Ionentransportmembran verwendet wird, ein reaktives Gas aufweist, welches mit einem weiteren Teil des abgetrennten Sauerstoffs reagiert.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner der Verbrennungsproduktgasstrom gekühlt wird, bevor er dazu verwendet wird, die Permeatseite der Ionentransportmembran zu spülen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchen der Gasstrom, der die Permeatseite der Ionentransportmembran verlässt, eine Sauerstoffkonzentration zwischen etwa 10 % und etwa 90 % aufweist.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ferner das verdichtete Einsatzgas erwärmt wird, bevor es in das Ionentransportmodul eingespeist wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Verbrennungseinheit (14; 54) mit einem geringfügig brennstoffreichen Gemisch betrieben wird.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei welchem Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas in dem Verbrennungsproduktgasstrom (16; 56) der Verbrennungseinheit (14; 54) in einem Nachbrenner (26; 69) abgebrannt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mindestens ein Teil des Verbrennungsproduktgasstroms (16; 56) in einem stromab stattfindenden Prozess (19; 59; 130) verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem mindestens ein Teil eines stromabwärts erhaltenen Produktgasstroms von dem stromab stattfindenden Prozess verwendet wird, um die Permeatseite der Ionentransportmembran zu spülen.
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