ES2235274T3 - Procedimietno para combustion enriquecida usando sistemas conductores ionicos de electrolitos solidos. - Google Patents
Procedimietno para combustion enriquecida usando sistemas conductores ionicos de electrolitos solidos.Info
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Abstract
SE PRESENTA UN PROCESO PARA DIVIDIR UNA CORRIENTE DE GAS DE ALIMENTACION (1) EN UNA CORRIENTE DE GAS ENRIQUECIDO EN OXIGENO (10) QUE SE UTILIZA EN UN COMBUSTOR (14) Y EN UNA CORRIENTE DE GAS EMPOBRECIDO EN OXIGENO (8). LA CORRIENTE DE GAS DE ALIMENTACION (10) SE COMPRIME (2) Y EL OXIGENO SE SEPARA DE LA CORRIENTE DE GAS DE ALIMENTACION COMPRIMIDO UTILIZANDO UN MODULO DE TRANSPORTE DE IONES (35) QUE INCLUYE UNA MEMBRANA DE TRANSPORTE DE IONES (7) QUE TIENE UN LADO DE PRODUCTO RETENIDO (7A) Y UN LADO DE PRODUCTO INFILTRADO (7B). EL LADO DE PRODUCTO INFILTRADO (7B) DE LA MEMBRANA DE TRANSPORTE DE IONES ES PURGADO (9) CON AL MENOS UNA PARTE DE LA CORRIENTE DE GAS DEL PRODUCTO DE LA COMBUSTION OBTENIDA DE LA COMBUSTION EN EL COMBUSTOR (14) DE LA CORRIENTE DE GAS QUE SALE DEL LADO DEL PRODUCTO INFILTRADO (10) DEL MODULO DE TRANSPORTE DE IONES (35).
Description
Procedimiento para combustión enriquecida usando
sistemas conductores iónicos de electrolitos sólidos.
La invención se refiere a la integración de
combustión mejorada de oxígeno con procesos de separación de oxígeno
que usan membranas conductoras iónicas de electrolitos sólidas, y
de forma más particular, a la integración de estos procedimientos
para mejorar la eficiencia económica y los problemas relacionados
con la contaminación de los procesos de combustión.
Se han usado muchos sistemas de separación de
oxígeno diferentes, por ejemplo, sistemas de membrana de polímero
orgánico, para separar gases seleccionados de aire y otras mezclas
de gases. El aire es una mezcla de gases que puede contener
cantidades variables de vapor de agua y, a nivel del mar, presenta
la siguiente composición aproximada en volumen: oxígeno (20,9%),
nitrógeno (78%), argón (0,94%), constituyendo el resto otros gases
en cantidades traza. Sin embargo, se puede fabricar un tipo
totalmente diferente de membrana a partir de ciertos óxidos
inorgánicos. Estas membranas de electrolito sólidas se fabrican a
partir de óxidos inorgánicos, ejemplificados por circonio
estabilizado con calcio o itrio, y óxidos análogos que presentan una
estructura de fluorita o de
perovskita.
perovskita.
Algunos de estos óxidos sólidos presentan la
capacidad de conducir iones de oxígeno a temperaturas elevadas si se
aplica un potencial eléctrico a través de la membrana, esto es,
operan sólo eléctricamente o por conductores iónicos.
Investigaciones recientes han llevado al desarrollo de óxidos
sólidos que presentan la capacidad de conducir iones de oxígeno a
temperaturas elevadas si se aplica un potencial químico conductor.
Estos conductores iónicos o mixtos que operan mediante presión se
pueden usar como membranas para la extracción del oxígeno de
corrientes de gas que contienen oxígeno si se aplica una relación
de presión parcial de oxígeno suficiente para proporcionar el
potencial químico conductor. Debido a que la selectividad de estos
materiales por el oxígeno es infinito y se pueden obtener flujos de
oxígeno por lo general de varios órdenes de magnitud mayores que en
las membranas convencionales, surgen posibilidades atractivas para
la producción de oxígeno usando estas membranas de transporte
iónico.
iónico.
Aunque el potencial de estos materiales cerámicos
de óxido como membranas de separación de gas es grande, hay ciertos
problemas en su uso. La dificultad más obvia es que todos los
materiales cerámicos de óxido conocidos muestran una conductividad
de ion oxígeno apreciable sólo a temperaturas elevadas. Estos deben
operar normalmente por encima de los 500ºC, en general en el
intervalo de 600ºC a 900ºC. Esta limitación aún se da a pesar de la
gran investigación para encontrar materiales que trabajen bien a
temperaturas inferiores. Se describe con más detalle la tecnología
del conductor iónico de electrolito sólido por parte de Prasad y
col., en la patente de Estados Unidos nº 5.547.494.
Los procedimientos de combustión, no obstante,
operan normalmente a temperatura alta y por tanto existe potencial
para la integración eficiente de sistemas de transporte iónico con
procedimientos de combustión mejorados con oxígeno y la presente
invención se refiere a nuevos esquemas para la integración de
sistemas de transporte iónico con procedimientos de combustión
mejorados con oxígeno.
La mayoría de los procedimientos de combustión
convencionales usan la fuente de oxígeno más conveniente y
abundante, es decir, el aire. La presencia de nitrógeno en el aire
no beneficia el procedimiento de combustión y, por el contrario,
puede generar muchos problemas. Por ejemplo, el nitrógeno reacciona
con el oxígeno a las temperaturas de combustión, formando óxidos de
nitrógeno (NO_{x}), un contaminante no deseado. En muchos casos,
los productos de la combustión deber ser tratados para reducir las
emisiones de óxido de nitrógeno por debajo de los límites
ambientalmente aceptables. Además, la presencia de nitrógeno
aumenta el volumen del gas de combustión, lo cual aumenta por contra
las pérdidas de calor en el gas de combustión y disminuye la
eficiencia térmica del procedimiento de combustión. Para minimizar
estos problemas se ha llevado a la práctica comercialmente la
combustión enriquecida con oxígeno (OEC) durante muchos años. Se
dan varios beneficios en la combustión enriquecida con oxígeno
incluyendo emisiones reducidas (particularmente de óxidos de
nitrógeno), mayor eficiencia de energía, volumen de gas de
combustión reducido, combustión más limpia y más estable, y
potencial para mejor eficiencia termodinámica en ciclos aguas
abajo. Estos beneficios de la OEC, sin embargo, se deben sopesar
frente al coste del oxígeno que se ha de producir para esta
aplicación. Como consecuencia, el mercado para la OEC depende en
gran medida del coste de producción del gas enriquecido en oxígeno.
Se ha estimado que se requerirían para los nuevos mercados en OEC
hasta 100.000 toneladas al día de oxígeno si el coste del gas
enriquecido en oxígeno se pudiese reducir hasta aproximadamente 15
\textdollar/tonelada. Parece que los procedimientos de separación
de gas que usan membranas de transporte iónico prometen conseguir
esa meta. La OEC se describe detalladamente por parte de H.
Kobayashi en Oxygen Enriched Combustion System Performance Study,
volumen 1: Technical and Economic Analysis (Report
#DOE/ID/12597), 1986, y volumen 2: Market Assessment (Report
#DOE/ID/12597-3), 1987, Union Carbide Company -
Linde Division, informes para el Departamento de Estados Unidos de
Energía,
Washington D.C.).
Washington D.C.).
Bibliografía relacionada con la tecnología de
conductores de transporte iónico para uso en la separación de
oxígeno de corrientes de gas incluye:
Hegarty, patente de Estados Unidos nº 4.545.787,
titulada Procedimiento para la producción de oxígeno subproducto
a partir de generación de energía en turbina, que se refiere a
un procedimiento de generación de energía a partir de una corriente
de aire comprimida y calentada mediante eliminación del oxígeno de
la corriente de aire, combustión de una parte de la corriente de
aire resultante con una corriente de combustible, combinación del
efluente de combustión con otra parte de la corriente de aire
resultante y expansión del producto de combustión final a través de
una turbina para generar energía. Hegarty menciona el uso de
membranas compuestas de plata y membranas de electrolito sólidas de
óxido de metal compuesto para la eliminación de oxígeno de la
corriente de
aire.
aire.
Kang y col., patente de Estados Unidos nº
5.516.359, titulada Procedimiento a alta temperatura integrado
para la producción de oxígeno, que se refiere a un procedimiento
de separación del oxígeno de aire calentado y comprimido usando una
membrana conductora iónica de electrolito sólida en la que el
producto no permeado se calienta adicionalmente y pasa a través de
una turbina para la generación de energía.
Mazanec y col., patente de Estados Unidos nº
5.160.713, titulada Procedimiento para la separación de oxígeno
de un gas que contiene oxígeno mediante uso de una membrana de óxido
de metal mixto que contiene Bi, que describe materiales que
contienen bismuto que se pueden usar como conductores de ion
oxígeno. El oxígeno transportado hasta el lado del permeado se hace
reaccionar ahí con un gas de combustión, el cual se diluye con una
corriente de producto reciclado.
Las publicaciones relacionadas con la combustión
mejorada o enriquecida con oxígeno (OEC) incluyen los informes del
Departamento de Energía de Estados Unidos anteriormente mencionados
realizados por H. Kobayashi y H. Kobayashi, J. G. Boyle, J. G.
Keller, J. B. Patton y R. C. Jain, Evaluación técnica y económica
de los sistemas de combustión enriquecidos con oxígeno para
aplicaciones en hornos industriales, en Proceedings of the
1986 Symposium on Industrial Combustion Technologies, Chicago, IL,
Abril 29 - 30, 1986, ed. M.A. Lukasiewicz, American Society for
Metals, Metals Park, OH, la cual describe los distintos aspectos
técnicos y económicos de los sistemas de combustión mejorados con
oxígeno.
La combustión enriquecida con oxígeno se ha
llevado a la práctica comercialmente usando oxígeno producido bien
mediante destilación criogénica o por procedimientos no criogénicos
tal como adsorción por oscilación de presión (PSA). Todos estos
procedimientos operan a, o por debajo de, 100ºC y por tanto son
difíciles de integrar térmicamente con los procedimientos de
combustión.
Se han llevado cabo investigaciones sobre
conductores iónicos de electrolitos sólidos durante muchos años. Los
electrolitos sólidos se han usado principalmente en células y
sensores de combustible, y para producir de forma experimental
pequeñas cantidades de oxígeno puro a partir de aire, presentando la
ventaja de la selectividad infinita en el transporte de oxígeno. Se
han usado también membranas de electrolito sólidas que operan
eléctricamente para la eliminación de trazas de oxígeno de
corrientes de gas inerte, en donde la aplicación de un voltaje
suficiente a la membrana puede reducir la actividad del oxígeno de
la corriente de gas del retenido hasta un valor muy bajo. Muchos de
estos materiales, sin embargo, no presentaban una conductividad de
ion oxígeno apreciable. Sólo recientemente se han sintetizado
materiales que presentan conductividades de ion oxígeno
suficientemente altas de modo que hacen el procedimiento de
separación de gas económicamente viable. Aún se han de desarrollar
procedimientos de separación, purificación o enriquecimiento de gas
comerciales, basados en estos materiales. Tampoco se han descrito
en la técnica anterior procedimientos para integración de la
separación de oxígeno con combustión enriquecida con
oxígeno.
oxígeno.
Los inventores están al corriente de la
descripción anterior de una configuración de procedimiento para la
integración de un sistema de producción de oxígeno basado en el
transporte iónico con la OEC.
Es por tanto un objeto de la invención eliminar
la necesidad de un generador de oxígeno por separado o un sistema de
suministro de oxígeno y proporcionar un procedimiento integrado
eficiente para la combustión mejorada con oxígeno mediante
integración térmica y operacional de las distintas operaciones del
procedimiento.
Es otro objeto de la invención minimizar o
eliminar la formación de NO_{x} en los procesos del combustor y
la pérdida térmica debida al calentamiento del gas nitrógeno.
Es aún otro objeto de la invención recuperar una
corriente de gas rica en nitrógeno del módulo de transporte iónico
para ser usada como un co-producto.
Es otro objeto de la invención controlar la
concentración de oxígeno en la corriente de gas de escape usada en
el procedimiento de combustión.
La invención comprende un procedimiento como se
define en la reivindicación 1.
En una realización preferida de la invención, la
corriente de gas de alimentación es aire. En otra realización
preferida de la invención, la corriente de gas producto de
combustión usada para purgar el lado del permeado de la membrana de
transporte iónico incluye un gas reactivo que reacciona con una
parte más de la corriente de gas de oxígeno purificada que permea a
través de la membrana de transporte iónico. En otra realización
preferida de la invención, la corriente de gas producto de
combustión se enfría antes de ser usada para purgar el lado del
permeado de la membrana de transporte iónico. Aún en otra
realización preferida, la corriente de gas que sale del lado del
permeado del módulo de transporte iónico presenta una concentración
en oxígeno de aproximadamente un 10% a aproximadamente un 90%. En
otra realización preferida de la invención, la corriente de gas de
alimentación se calienta antes de ser alimentada al módulo de
transporte iónico. En otra realización preferida de la invención,
el combustor se integra con el módulo de transporte iónico en el
lado del permeado de la membrana de transporte
iónico.
iónico.
En otra realización preferida de la invención, al
menos una parte de la corriente de gas producto de combustión se
usa en un procedimiento aguas abajo y al menos una parte de una
corriente de gas producto aguas abajo del procedimiento aguas abajo
se puede usar para purgar el lado del permeado de la membrana de
transporte iónico. Se puede añadir una corriente de gas que
contiene oxígeno a al menos una parte de la corriente de gas
producto aguas abajo desde el procedimiento aguas abajo y la
corriente de gas resultante se puede pasar a través de una cámara
de post-combustión para quemar cualquier
combustible que quede en la corriente de gas producto aguas abajo.
El procedimiento aguas abajo puede incluir la oxidación de metales,
la purificación de metales mediante oxidación de impurezas en los
metales, o un horno de aire inyectado.
Otros objetos, características y ventajas de la
invención se ocurrirán a los especialistas en la técnica a partir de
la siguiente descripción de realizaciones preferidas y dibujos
acompañantes, en los que:
la figura 1 es un diagrama esquemático que
muestra la integración de la producción de oxígeno por transporte
iónico con la combustión enriquecida con oxígeno y un procedimiento
aguas abajo;
la figura 2 es un diagrama esquemático que
muestra la integración de la producción de oxígeno por transporte
iónico con combustión enriquecida con oxígeno y un procedimiento
aguas abajo similar a la figura 1; y
la figura 3 es un diagrama esquemático que
muestra cómo el procedimiento de transporte iónico, combustor, y
procedimiento aguas abajo se integran en un único módulo.
La invención se describirá ahora con detalle en
referencia a las figuras en las que se usan referencias numéricas
similares para indicar elementos similares.
La presente invención describe configuraciones de
procedimiento que permiten la integración económicamente ventajosa
de la producción de oxígeno por transporte iónico con combustión
enriquecida con oxígeno (OEC). Si bien se prefieren procedimientos
que operen a presión por la simplicidad de su diseño, los conceptos
descritos aquí son aplicables a sistemas que usan bien una membrana
sólo conductora de iones que dispone de electrodos y un circuito
externo para el retorno de electrones o bien una membrana
conductora mixta.
Los procedimientos de producción de oxígeno
comerciales actuales operan típicamente a temperaturas por debajo de
100ºC. Debido a esta baja temperatura no ganan eficiencias
significativas mediante integración con un procedimiento de OEC.
Las temperaturas de operación elevadas (normalmente por encima de
600ºC) hacen al procedimiento de transporte iónico intrínsecamente
bien adecuado para la integración con procedimientos a alta
temperatura, tales como la combustión, que usan oxígeno. Además, se
mostrará que los gases de combustión de escape se pueden usar de
forma beneficiosa para mejorar el rendimiento de la membrana de
transporte iónico. Los procedimientos de producción de oxígeno
tradicionales (por ejemplo, PSA, TSA o procedimientos basados en
membrana) no pueden fácilmente sacar ventaja de los gases de
combustión de escape debido a su temperatura elevada cuando
abandonan la cámara de combustión.
La esencia de la configuración del procedimiento
presente es una membrana de transporte iónico que usa una membrana
conductora sólida o conductora mixta de ion oxígeno para separar el
oxígeno de un gas que contiene oxígeno, de forma típica, pero no
necesariamente, de aire, y para utilizar el oxígeno separado en un
procedimiento aguas abajo que incluye, pero sin limitarse a estos,
combustión enriquecida con oxígeno. Para reducir la presión parcial
del oxígeno en el lado del permeado en la membrana de transporte
iónico, se usa un gas exento de oxígeno (por ejemplo, gases
residuales del procedimiento de combustión o de cualquier
procedimiento aguas abajo) como una corriente de gas de purga. Tal
purgado mejora en gran medida la fuerza conductora a través de la
membrana de transporte iónico y da lugar a un flujo de oxígeno
elevado y un requerimiento de área de membrana menor. Estos
beneficios aumentan incluso cuando la corriente de gas de
alimentación está a una presión relativamente baja por lo que se
reducen los requerimientos de energía del sistema hasta aquel de
interés práctico. El reciclado del gas de escape de la combustión
es también beneficioso debido a que proporciona una corriente
diluyente que es importante para controlar la temperatura en el
combustor y minimizar la formación de NO_{x} (por ejemplo, de
nitrógeno que se infiltra). La eficiencia de este procedimiento se
podría mejorar también mediante la adición de combustible al gas de
combustión que entra en el separador de oxígeno. Esto reduce
adicionalmente la presión parcial del oxígeno en el lado del
permeado, dando como resultado incluso mayores flujos de oxígeno en
el separador de transporte iónico. Se debería observar que el calor
necesario para mantener la temperatura del módulo de transporte
iónico dentro del intervalo de operación puede venir de una
variedad de fuentes conocidas por los especialistas en la técnica,
incluyendo, por ejemplo, calor generado en una cámara de
post-combustión y de gases de producto de
combustión calientes reciclados, entre otros.
En la mayoría de los conductores mixtos, la
conductividad electrónica supera en gran medida la conductividad de
ion oxígeno a las temperaturas de operación de interés, y el
transporte total de oxígeno desde un lado al otro se controla
mediante la conductividad del ion oxígeno. Se han identificado un
número de conductores mixtos potenciales tanto en estructuras
cristalinas de fluorita como de perovskita. El comportamiento de
las membranas de transporte iónico se ha estudiado de forma
extensiva (por ejemplo, para las células de combustible) y se puede
modelizar de forma exacta. La tabla 1 es una lista parcial de
conductores mixtos de interés para la separación de oxígeno.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 es un diagrama esquemático que
muestra la integración de la producción de oxígeno por transporte
iónico con la combustión enriquecida con oxígeno. Durante la
operación, la corriente de gas de alimentación 1 que contiene
oxígeno elemental, normalmente aire, se comprime hasta un presión
relativamente baja en la soplante o compresor 2 para producir
corriente de gas de alimentación comprimida 3, la cual se calienta
en el intercambiador de calor 33 frente a la corriente de gas
residual 31 y corriente de gas nitrógeno producto 37 para producir
la corriente de gas de alimentación calentada 4. La corriente de
gas 28 se puede dividir de la corriente de gas de alimentación 4 y
usar en el dispositivo de post-combustión 26
opcional para dar la corriente de gas de alimentación 5, la cual se
calienta de forma opcional en el calentador 34 para producir la
corriente de gas de alimentación caliente 6. Luego la corriente de
gas de alimentación caliente 6 penetra en el lado de alimentación
del módulo de transporte iónico 35 que emplea la membrana de
transporte iónico 7 que presenta un lado de retenido 7a y un lado de
permeado 7b. Una parte del oxígeno en la corriente de gas de
alimentación 6 se elimina en el módulo de transporte iónico 35 y la
corriente de gas que sale 8 comienza a enriquecerse en nitrógeno
respecto de la corriente de gas de alimentación 1. El lado del
permeado 7b de la membrana de transporte iónico 7 se purga usando
la corriente de gas de purga 9 que contiene productos de
combustión. La corriente de gas del permeado 9 contiene oxígeno y
esta corriente de gas 10 se mezcla luego con la corriente de gas
combustible 11. La corriente de aire 12 se puede añadir
opcionalmente a la corriente de gas 10.
La corriente de gas combustible 13, después de
pasar a través de una soplante opcional (no mostrada), penetra en el
combustor 14. De forma opcional o además de la corriente de gas
combustible 11, la corriente de gas combustible 15 se puede
alimentar directamente al combustor 14. Mediante la operación del
combustor 14 cerca del estado estequiométrico o ligeramente rico en
combustible, la concentración de oxígeno en la corriente de gas de
escape 16 se puede mantener a niveles bajos. En esta realización la
corriente de gas de escape 16 del combustor 14 se divide en dos
partes, la corriente de gas 17 y le corriente de gas 18. La
corriente de gas 18 se usa en el procedimiento aguas abajo 19 que
requiere entrada de calor y la corriente de gas de escape 20
relativamente más fría del procedimiento aguas abajo 19 puede
también dividirse en dos partes, la corriente de gas de escape 21 y
la corriente de gas de escape 22. La corriente de gas combustible
25 se puede añadir a la corriente de gas de escape 21 para producir
la corriente de gas 38.
La corriente de gas 38 se puede añadir a la
corriente de gas 17 para producir corriente de gas 9, la cual
penetra en el módulo de transporte iónico 35 y se usa para purgar
el lado del permeado 17b de la membrana de transporte iónico 7. Si
bien no se muestra en esta figura, la corriente de gas 17 se puede
usar para calentar la corriente de gas de alimentación calentada 5
mediante intercambio de calor para producir la corriente de gas de
alimentación caliente 6, mejor que usando el calentador 34 opcional.
La corriente de gas de escape 22 se alimenta opcionalmente a una
cámara de post-combustión 26, donde la corriente de
aire 27 o la corriente de gas 28 se añaden opcionalmente para
producir la corriente de gas residual caliente 29. La corriente de
gas residual caliente 29 puede llegar a ser la corriente de gas 30
o la corriente de gas 31. Como se mencionó anteriormente, la
corriente de gas 31 se usa en el intercambiador de calor 33 para
calentar la corriente de gas de alimentación 3 comprimida para
producir la corriente de gas residual 32. La corriente de gas 30 se
puede mezclar con la corriente de gas del retenido rica en
nitrógeno 8 si el nitrógeno no se va a usar como un
co-producto y si la temperatura de la corriente de
gas de escape 30 es adecuadamente alta. La corriente de gas del
retenido 8 estará probablemente a una presión mayor que la
corriente de gas de escape 30 y esto puede ser necesario liberar el
exceso de presión de la corriente de gas del retenido 8 usando la
válvula de expansión 23 para producir la corriente de gas del
retenido 36 antes de que se mezcle con la corriente de gas 30. Si
se desea la corriente de gas del retenido 24 como una corriente de
gas producto rica en nitrógeno, las corrientes de gas 36 y 30 no se
mezclan.
El uso de una corriente de gas de purga exenta de
oxígeno 9 en el módulo de transporte iónico 35 disminuirá en gran
medida la presión parcial del oxígeno en el lado del permeado 7b de
la membrana de transporte iónico 7 y faculta el transporte de
oxígeno rápido a través de la membrana 7. Las corrientes de gas
combustible 11, 15 y 25 se pueden introducir en la configuración
del procedimiento por cualquiera o por todos los puntos mostrados
en la figura 1 para obtener los beneficios de la invención; el uso
de al menos una corriente de gas combustible es esencial para la
invención. Por ejemplo, puede ser deseable añadir corriente de gas
combustible 25 aguas arriba del módulo de transporte iónico 35 para
reducir en gran medida la presión parcial del oxígeno en el lado del
permeado 7b de la membrana de transporte iónico 7. Esto también
daría lugar a algo de generación de calor en el módulo de
transporte iónico 35 debido a la combustión de combustible, con lo
que se compensa algo los requerimientos de calentamiento del
procedimiento de transporte de oxígeno. En este caso, la corriente
de gas rica en nitrógeno que sale 8 del módulo de transporte iónico
35 se podría estar más caliente. Esto haría más eficiente la
transferencia de calor en el intercambiador de calor 33, con lo que
se reduce el área requerida para el intercambio de calor y
potencialmente se elimina la necesidad del calentador 34 aguas
arriba del módulo de transporte iónico 35.
Se describen dispositivos de purga reactiva en el
documento EP-A-0778069 (publicado el
11 de junio de 1997) en donde se introduce una corriente de purga
reactiva y sufre combustión en el lado del permeado de un módulo de
transporte iónico para disminuir así la presión parcial del oxígeno
en el lado del permeado. Se describe la configuración preferida
para los módulos de transporte iónico que utilizan una purga
reactiva en el documento
EP-A-0875285, publicado el 4 de
noviembre de 1998.
Puede ser ventajoso operar el combustor 14 con
una mezcla ligeramente rica en combustible debido a que esto lleva a
la oxidación parcial del combustible añadido a la corriente de gas
de permeado 10, dando como resultado una corriente de gas de escape
16 que contiene gas hidrógeno y monóxido de carbono. Como se
mencionó anteriormente, la corriente de gas 17 se usa opcionalmente
para purgar el lado del permeado 7b de la membrana de transporte
iónico 7. Se debería observar que el gas hidrógeno es un gas
altamente reductor con una reactividad mayor que otros muchos
combustibles gaseosos, y su presencia en el módulo de transporte
iónico 35 dará lugar a una presión parcial del oxígeno
extremadamente baja en el lado de la purga 7b de la membrana de
transporte iónico 7 y esto permitirá incluso un transporte más
rápido del oxígeno a través de la membrana de transporte iónico 7.
Por supuesto, se podrían conseguir resultados similares mediante la
introducción de gas hidrógeno como corriente de gas combustible 25,
sin embargo, esto no será efectivo en coste como la alimentación
rica en combustible al combustor 14, ya que el gas hidrógeno es un
combustible relativamente caro. El uso de una alimentación rica en
combustible al combustor 14, como se describió, obvia la necesidad
de uso de un gas hidrógeno producido previamente, debido a que el
gas hidrógeno se produce como un parte del ciclo de procedimiento.
El combustor 14 que opera en condiciones ricas en combustible,
podría generar, sin embargo, corrientes de gas de escape 18 y 22
para contener el monóxido de carbono y el gas hidrógeno, ambos se
pueden emitir simplemente a la atmósfera si la concentración es
baja. Como se mencionó anteriormente, puede ser posible, sin
embargo, instalar una cámara de post-combustión 26
(quizás catalítico) al cual se añade aire en exceso 27 para quemar
el monóxido de carbono y el gas hidrógeno si su concentración es
suficientemente alta. La corriente de gas 28 de la corriente de gas
de alimentación calentada 4 se podría añadir también al dispositivo
de post-combustión 26 para proporcionar los
requisitos del dispositivo de post-combustión.
Es de interés observar que en virtud del
reciclado de los productos de combustión como corriente de gas de
purga 9, y debido a la selectividad infinita de la membrana de
transporte iónico 7 por el oxígeno, es posible limitar el aumento de
temperatura de la corriente de gas 13 en el combustor 14 sin la
necesidad de aire en exceso y por tanto excluir el nitrógeno del
procedimiento de combustión, el cual elimina la formación de
NO_{x}. El efecto sinérgico es un principio general de la
invención y es una característica de muchas de las realizaciones de
la invención.
Los intervalos típicos para los parámetros de
operación del módulo de transporte iónico usado en la invención son
como siguen:
Temperatura: típicamente en el intervalo
de 400 - 1000ºC, y preferiblemente de 400 - 800ºC.
Presión: la presión del lado de purga
estará típicamente en el intervalo de 1 - 3 atmósferas. La presión
en el lado de alimentación será de 1 - 3 atmósferas, si el
nitrógeno no es un co-producto, y de 1 - 20
atmósferas si el nitrógeno es un co- producto.
Conductividad del ion oxígeno (\mu_{i}) de
la membrana de transporte iónico: típicamente en el intervalo
de 0,01 - 100 S/cm (1 S = 1/ohm).
Espesor de la membrana de transporte
iónico: se puede usar la membrana de transporte iónico en la
forma de una película densa, o una película fina soportada sobre un
sustrato poroso. El espesor (t) de la membrana/capa de transporte
iónico será típicamente inferior a 5000 micrómetros;
preferiblemente inferior a 1000 micrómetros, y lo más
preferiblemente inferior a 100 micrómetros.
Configuración: los elementos de la
membrana de transporte iónico pueden ser tubulares o planos.
Como se mencionó anteriormente, se usan membranas
de transporte iónico asimétricas o compuestas (esto es, las
membranas que operan a presión) en los ejemplos descritos en esta
invención. Las siguientes propiedades se basan en valores típicos
indicados en la bibliografía para membranas tales como las que se
podrían usar en la presente invención.
Espesor efectivo de la membrana: 20
micrómetros
Conductividad iónica, \mu_{i}: 0,5 S/cm
Temperatura de operación: 800ºC
Porosidad del sustrato: 40%
Se han usado modelos matemáticos convencionales
para determinar las condiciones de operación para el procedimiento
mostrado en la figura 1, esto es, el requerimiento de área de
membrana y las entradas de energía y energía térmica requeridas en
distintos puntos. Este ejemplo, que modeliza un procedimiento que
usa una configuración de la figura 1, es sólo a título ilustrativo
y no se ha hecho intento de optimizar la configuración del
procedimiento. La razón principal por la que no se ha intentado la
optimización se basa, en general, en consideraciones económicas y en
que la producción comercial de sistemas de membrana de transporte
iónico está ya desde hace tiempo asentada, y no hay en la
actualidad disponibles estimaciones de costes sobre tales
sistemas.
Para la presente invención, en vistas de la
figura 1, el combustible se añade únicamente al procedimiento como
corriente de gas combustible 11. Además, la corriente de gas
opcional 17 no se considera, esto es, las corrientes de gas 16 y 18
son idénticas. Además, e no se busca l nitrógeno como un
co-producto y la corriente de gas del retenido 36,
obtenida de la corriente de gas del retenido 8 tras reducción de la
presión en exceso del retenido usando la válvula de liberación 23,
se mezcla con la corriente de gas 30, tomada de la corriente de gas
de escape 29. En general, sin embargo, no es efectivo disminuir la
presión de la corriente de gas del retenido 8 o añadir la corriente
de gas 30 a la corriente de gas del retenido 8 aguas arriba del
intercambiador de calor 33. Debido a que la corriente de gas de
escape 22 no contiene monóxido de carbono y gas hidrógeno, no se
instala el dispositivo de post-combustión 26.
Base para el ejemplo: un procedimiento
aguas abajo que requiere una entrada de calor de 1,465 \cdot
10^{6} W (5 millones de BUT/h).
La figura 2 es un diagrama esquemático similar al
de la figura 1 que muestra una alternativa más eficiente que usa la
instalación del dispositivo de post-combustión
catalítico. Durante la operación, la corriente de gas 41 que
contiene oxígeno elemental, normalmente aire, se comprime hasta una
presión relativamente baja en la soplante o compresor 42 para
producir la corriente de gas de alimentación comprimida 43, la cual
se calienta en el intercambiador de calor 73 frente a la corriente
de gas residual caliente 40 y corriente de gas nitrógeno producto
64 para producir la corriente de gas de alimentación calentada 44.
La corriente de gas 70 se puede dividir de la corriente de gas de
alimentación calentada 44 y usar en el dispositivo de
post-combustión opcional 69 para dar la corriente
de gas de alimentación 74, la cual se calienta opcionalmente en el
calentador 75 para producir la corriente de gas de alimentación
caliente 45. La corriente de gas de alimentación caliente 45
penetra luego en el lado de alimentación del módulo de transporte
iónico 46 que usa la membrana de transporte iónico 47 que presenta
un lado de retenido 47a y un lateral de permeado 47b. Una parte del
oxígeno en la corriente de gas de alimentación caliente 45 se
elimina en el módulo de transporte iónico 46 y la corriente de gas
de salida 48 comienza a enriquecerse en nitrógeno respecto a la
corriente de gas de alimentación 41.
Se purga el lado del permeado 47b de la membrana
de transporte iónico 47 usando una corriente de gas de purga 79 que
contiene productos de combustión. La corriente de gas de permeado
50 contiene oxígeno y esta corriente de gas 50 se mezcla luego con
la corriente de gas combustible 51. Se puede añadir de forma
opcional la corriente de aire 52 a la corriente de gas 50. La
corriente de gas combustible 53, tras pasar a través de una
soplante opcional (no mostrada), penetra luego en el combustor 54.
De forma opcional o además de la corriente de gas combustible 51,
la corriente de gas combustible 55 se puede alimentar directamente
al combustor 54. Mediante la operación del combustor 54 próxima al
estado estequiométrico o ligeramente enriquecido en combustible, la
concentración de oxígeno en la corriente de gas de escape 56 se
puede mantener en niveles bajos.
La corriente de gas de escape 56 del combustor 54
se puede dividir en dos partes, la corriente de gas 57 y la
corriente de gas 58. La corriente de gas 58 se usa en el
procedimiento aguas abajo 59 que requiere entrada de calor y la
corriente de gas de escape 60 relativamente más fría del
procedimiento aguas abajo 59 puede también dividirse en dos partes,
la corriente de gas de escape 61 y la corriente de gas de escape 62.
La corriente de gas combustible 65 se puede añadir a la corriente
de gas de escape 61 para producir la corriente de gas 78. La
corriente de gas 78 se puede añadir a la corriente de gas 57 para
producir la corriente de gas 79, la cual penetra en el módulo de
transporte iónico 46 y se usa para purgar el lado del permeado 47b
de la membrana de transporte iónico 47.
La corriente de gas de escape 62 se puede dividir
opcionalmente en dos partes, la corriente de gas residual caliente
40 y la corriente de gas 77. Como se mencionó anteriormente, la
corriente de gas residual caliente 40 se usa en el intercambiador
de calor 73 para calentar la corriente de gas de alimentación
comprimida 43 para producir la corriente de gas residual 72. La
corriente de gas 77 se puede mezclar con la corriente de gas de
retenido rica en nitrógeno 48 si el nitrógeno no se va a usar como
un co-producto y si la temperatura de la corriente
de gas de escape 77 es adecuadamente alta. La razón de esta etapa
es eliminar cualquier combustible no reaccionado en la corriente de
gas de escape mediante combustión en una cámara de
post-combustión 69 y también generar energía
calorífica para mejorar la eficiencia del intercambiador de calor
73. La corriente de gas del retenido 48 va a estar probablemente a
una presión mayor que la corriente de gas de escape 77 y puede ser
necesario liberar la presión en exceso de la corriente de gas del
retenido 78 usando una válvula de expansión 63 para producir la
corriente de gas del retenido 76 antes de que se mezcle con la
corriente de gas 77 para producir la corriente de gas 80.
Se alimenta la corriente de gas 80 al dispositivo
de post-combustión opcional 69, en donde la
corriente de gas 70 se añade de forma opcional para producir la
corriente de gas residual 39. En este caso, se necesitaría estar
seguro que la corriente 80 contiene suficiente oxígeno para que la
combustión se complete. Como se mencionó anteriormente, la
corriente de gas 70 tomada de la corriente de gas de alimentación
calentada 44 puede añadirse opcionalmente al dispositivo de
post-combustión 69 para asegurar esto. Se debería
observar que la velocidad de flujo de la corriente combinada aumenta
mediante la mezcla de los gases de escape del módulo de transporte
iónico 46 y del procedimiento aguas abajo 59. Esto mejora la
relación de capacidad en el intercambiador de calor 73 y aumenta la
transferencia de calor a la corriente de gas de alimentación
comprimido 43. La corriente de gas producto 64 contendrá oxígeno
(usado en exceso para asegurar la combustión completa) y productos
de combustión si se usa el dispositivo de
post-combustión 69 y la corriente de gas producto
64 se emite generalmente como una corriente residual.
Con la realización de la invención mostrada en la
figura 1, el uso de una corriente de gas de purga exenta de oxígeno
79 en el módulo de transporte iónico 46 disminuirá en gran medida
la presión parcial del oxígeno en el lado del permeado 47b de la
membrana de transporte iónico 47 y permitirá el transporte rápido de
oxígeno a través de la membrana 47. Las corrientes de gas
combustible 51, 55 y 65 se pueden introducir en la configuración
del procedimiento por cualquiera o por todos los puntos mostrados en
la figura 2 para obtener los beneficios de la invención y el uso de
al menos una corriente de gas combustible es esencial para la
invención. Como anteriormente, puede ser deseable añadir corriente
de gas combustible 65 aguas arriba del módulo de transporte iónico
46 para reducir en gran medida la presión parcial del oxígeno en el
lado del permeado 47b de la membrana de transporte iónico 47. Esto
daría lugar también a algo de generación de calor en el módulo de
transporte iónico 46 debido a la combustión de combustible, con lo
que se compensa algo las necesidades de calentamiento del
procedimiento de transporte de oxígeno. En este caso, la corriente
de gas rica en nitrógeno 48 que sale del módulo de transporte
iónico 46 podría estar más caliente y esto haría más eficiente la
transferencia de calor en el intercambiador de calor 73, con lo que
se reduce el área requerida para el intercambio de calor y se
elimina potencialmente la necesidad del calentador 75 aguas arriba
del módulo de transporte iónico 46. Si se puede quemar suficiente
combustible en el módulo de transporte iónico 46 en el lado de la
purga o del permeado 47b de la membrana de transporte iónico 47, se
puede eliminar totalmente la necesidad de un combustor separado 54,
esto es, el módulo de transporte iónico 46 también serviría como el
combustor (como se describe en la figura 3). En tal situación se
puede llegar a una simplificación del sistema y reducción de coste
significativas.
Con la realización de la invención mostrada en la
figura 1, puede ser ventajoso operar el combustor 54 con una mezcla
ligeramente rica en combustible, debido a que esto llevará a una
oxidación parcial del combustible añadido a la corriente de gas de
permeado 50, dando lugar a una corriente de gas de escape 56 que
contiene gas hidrógeno y monóxido de carbono. Como se mencionó
anteriormente, se usa la corriente de gas 57 opcionalmente para
purgar el lado del permeado 47b de la membrana de transporte iónico
47 y la presencia de gas hidrógeno en el módulo de transporte
iónico 46 dará lugar a una presión parcial del oxígeno
extremadamente baja en el lado de la purga 47b de la membrana de
transporte iónico 47 y esto permitirá un transporte incluso más
rápido del oxígeno a través de la membrana de transporte iónico 47.
El uso de una alimentación rica en combustible al combustor 54
produce gas hidrógeno como una parte del ciclo de procedimiento.
Como se mencionó anteriormente, puede ser posible, instalar el
dispositivo de post-combustión 69 (quizás
catalítico) para quemar el monóxido de carbono y gas hidrógeno si su
concentración es suficientemente alta.
Es también posible integrar el módulo de
transporte iónico - combustor con una circulación interna del gas de
combustión (horno). Si el horno y el módulo de transporte iónico -
combustor operan a aproximadamente la misma temperatura (por
ejemplo, entre 800º - 1200ºC), entonces el módulo de transporte
iónico - combustor se puede colocar directamente dentro del horno
procurando que la atmósfera del horno esté "limpia", esto es,
no contenga especie alguna que vaya en detrimento de la membrana de
transporte iónico. En la figura 3 se muestra un modo de llevar a
cabo esa idea, en la que el procedimiento de transporte iónico,
combustor, y procedimiento aguas abajo se integran todos en una
unidad única. La corriente de alimentación 132, tal como aire
calentado, se dirige hacia el lado del cátodo 120a de la membrana
120 para producir retenido exento de oxígeno caliente 134, tal como
nitrógeno. Se muestra el procedimiento aguas abajo 130 (por
ejemplo, un horno) en el lado del permeado o del ánodo 120b de la
membrana de transporte iónico 120. En esta configuración, la
corriente de gas combustible 121 se alimenta próxima a la
superficie del lado del permeado 120b, arrastrando así y/o
consumiendo de forma eficiente el oxígeno transportado a través de
la membrana de transporte iónico 120. Los productos de combustión
en la zona caliente 138 se podrían reciclar al horno junto al lado
anódico 120b mediante convección natural o forzada; para la
construcción mostrada en la figura 3, la corriente de productos de
combustión 146, obtenida preferiblemente del horno 130 como se
muestra en trazas mediante la corriente 146b, y la corriente de gas
combustible 121 se alimentan opcionalmente a través de la capa del
distribuidor de combustible porosa 122 adyacente al lado del
permeado 120b de la membrana de transporte iónico 120.
Preferiblemente, la capa del distribuidor 122 define al menos un
paso o cámara para distribuir más uniformemente el combustible a lo
largo de la membrana 120.
El permeado reaccionado 136 que contiene oxígeno
y productos de combustión se dirige al horno 130 a través de la zona
caliente 138. Preferiblemente, una parte del nitrógeno caliente 140
se dirige, a través de la válvula 142, para proporcionar una
atmósfera inertizante sobre el horno 130. Se añade combustible
adicional 144 al horno 130.
En otra construcción, la membrana de transporte
iónico 120 es parte de un módulo a parte que es externo al horno
130. En cualquiera de las construcciones externas o integradas se
puede establecer un sistema de transporte iónico de dos etapas en
el que el lado del ánodo de la primera etapa se purga mediante la
corriente del retenido desde la primera etapa para producir una
corriente de permeado de oxígeno diluida mientras que el lado del
ánodo de la segunda etapa es purgado reactivamente para producir una
corriente de permeado rica en combustible. Se usan las dos
corrientes de permeado en un horno para combustión con o sin uso de
las corrientes de retenido de nitrógeno caliente en la atmósfera
del horno.
Cuando la temperatura del horno máxima es mucho
mayor que la temperatura de operación del transporte iónico, se
puede seleccionar una zona del horno con la temperatura
"correcta" para la operación de transporte iónico (por ejemplo,
sección precalentada de un horno de recalentamiento continuo), o se
puede crear una cámara especial con sumideros de calor apropiados
para controlar la temperatura. Por ejemplo, en aplicaciones para
calderas o calentadores de petróleo sería factible usar las cargas
de calor del horno (esto es, tubos de agua o aceite) para generar
una zona de una temperatura óptima para el módulo de transporte
iónico. Se hace circular una gran cantidad de gas de combustión a
través de esta zona para purgar de forma continua el oxígeno y
mantener la concentración de oxígeno baja. La baja concentración de
oxígeno y la alta circulación del gas en el horno proporcionan una
sinergia con el procedimiento de combustión con oxígeno
diluido.
Hay muchas ventajas en los procedimientos
integrados de la invención. Por ejemplo, el oxígeno para la OEC se
puede extraer de una corriente de gas de alimentación a baja
presión mediante el uso de la corriente de gas de escape para purga
y esto daría lugar a un requerimiento de energía bajo para el
procedimiento de separación de oxígeno.
Debido a que el oxígeno únicamente pasa a través
de la membrana de transporte iónico no se añade nitrógeno a la
corriente del gas de purga que sale del módulo de transporte
iónico. Incluso si se introduce aire en la mezcla de combustión,
bien de forma intencionada (por ejemplo, corriente de gas opcional
12) o mediante derivación, la fracción de nitrógeno en la mezcla de
combustión será pequeña. Esto debería minimizar o eliminar la
formación de NO_{x} en el combustor.
Además, mediante la mezcla adecuada de los gases
de escape tomados antes y después del procedimiento aguas abajo, es
posible controlar la temperatura de entrada de la purga a aquella
deseada en el procedimiento de transporte iónico. Esto puede
eliminar la necesidad del precalentamiento independiente del gas de
purga.
Además de esto, si se elimina suficiente oxígeno
de la corriente de gas de alimentación en el módulo de transporte
iónico, entonces el retenido de la corriente rica en nitrógeno del
módulo de transporte iónico se puede usar como un producto. Esto
puede ser lo más conveniente si se añade algo de combustible, por
ejemplo, corriente de gas combustible 11. Si se desea nitrógeno
como un co-producto, puede ser ventajoso comprimir
la corriente de gas de alimentación a la presión requerida para el
suministro de nitrógeno producto. Sin embargo, en este caso, la
corriente de gas del retenido del módulo de transporte iónico no
puede mezclarse con la corriente de gas de escape del procedimiento
aguas abajo. En este caso, puede instalarse bien un intercambiador
de calor a parte para recuperar el calor de la corriente de gas de
escape o bien no se intenta recuperación alguna del calor debido a
que la corriente de gas de escape será por lo general mucho menor y
más fría en comparación con la corriente de gas del retenido.
Además, el uso de la corriente de gas de purga
disminuye la concentración de oxígeno en el lado del permeado de la
membrana de transporte iónico. La concentración de oxígeno reducida
hace el diseño del módulo de transporte iónico y de los componentes
aguas abajo (por ejemplo, el combustor) en el lado de la purga
considerablemente más sencillo desde el punto de vista de los
materiales. En ausencia de una corriente de purga, se produciría
esencialmente oxígeno puro en el lado del permeado de la membrana
de transporte iónico. La manipulación segura de tal corriente de
oxígeno de gran pureza constituye un desafío significativo,
especialmente a temperatura elevada.
Además, la concentración de oxígeno en el gas de
escape de la purga se puede controlar fácilmente mediante un número
de técnicas: por ejemplo, variando la velocidad de flujo de la
corriente del gas de alimentación, variando la velocidad de flujo
de la corriente del gas de purga (mayor reciclado de los productos
de combustión), cambio de la temperatura de operación del módulo de
transporte iónico, o variación del área de membrana de la etapa de
transporte iónico. Estas técnicas son también efectivas en el
control de la cantidad total del oxígeno separado y se podrían usar
para fines de control de carga.
Finalmente, el uso del separador de transporte
iónico eliminaría la necesidad de un generador de oxígeno a parte
(por ejemplo, PSA) o un sistema de suministro de oxígeno (por
ejemplo, tanque de líquido y vaporizador). Se espera que esto de una
reducción sustancial en la inversión y en el coste de oxígeno
producido.
Se debería observar que son posibles un número de
modificaciones del procedimiento dentro del espíritu de la
configuración de procedimiento descrita anteriormente. Por ejemplo,
puede ser ventajoso el uso del gas de escape de los procedimientos
aguas abajo para calentar la corriente de gas de alimentación. Es
también posible añadir algo de aire a la corriente de gas de purga
que sale del módulo de transporte iónico. Esto puede ser
particularmente deseable para las operaciones de arranque o para
fines de control de carga. Además, aunque los procedimientos
descritos aquí son para membranas de transporte iónico que operan a
presión de conductor mixto, es obvio que el concepto inventivo es
también aplicable a conductores iónicos primarios que operan en el
modo a presión o eléctricamente con un retorno de corriente externo.
Finalmente, aunque se representa un procedimiento de separación de
oxígeno en contracorriente en la figura 1, se puede llevar a cabo
el mismo procedimiento en un modo de corriente en paralelo o de
flujo cruzado.
Como se mencionó anteriormente, los términos
"conductor iónico electrolito sólido", "electrolito
sólido", "conductor iónico" y "membrana de transporte
iónico", se usan por lo general en esta invención para designar
bien un sistema tipo iónico (accionado eléctricamente) o uno tipo
conductor mixto (accionado por presión) a menos que se especifique
de otra forma.
El término "nitrógeno" tal como se usa en
esta invención, significará normalmente gas exento de oxígeno, esto
es, exento de oxígeno respecto del gas de alimentación. Como se
describió anteriormente, la membrana de transporte iónico sólo
permite la permeación de oxígeno. Por tanto, la composición del
retenido dependerá de la composición del gas de alimentación. El
gas de alimentación se agotará en oxígeno pero retendrá el
nitrógeno y cualquier otro gas (por ejemplo el argón) presentes en
el gas de alimentación. El significado del término estará claro
para un especialista en la técnica en el contexto de uso del
término a la luz de la invención tal como se describe en este
documento.
Tal como se usa en el presente documento, el
término "oxígeno elemental" significa cualquier oxígeno que no
esté combinado con cualquier otro elemento en la tabla periódica.
Si bien se encuentra típicamente en forma diatómica, el oxígeno
elemental incluye átomos de oxígeno simples, ozono triatómico y
otras formas no combinadas con otros elementos.
El término "alta pureza" se refiere a una
corriente de producto que contiene menos de un cinco por ciento en
volumen de gases no deseados. Preferiblemente el producto es al
menos puro en un 98,0%, más preferiblemente puro en al menos un
99,9%, y lo más preferiblemente puro en al menos un 99,99%, en
donde "puro" indica una ausencia de gases no deseados.
Los sistemas de "adsorción por oscilación de
presión" o "PSA" se refieren a sistemas que usan materiales
de adsorción que son selectivos para un gas, típicamente el
nitrógeno, para separar ese gas de otros gases. Tales materiales
incluyen materiales de PSA selectivos de velocidad, los cuales
contienen normalmente carbono y proporcionan nitrógeno a alta
presión y oxígeno a baja presión y materiales PSA selectivos de
equilibrio, que contienen normalmente litio y proporcionan nitrógeno
a baja presión y oxígeno a alta presión.
Claims (10)
1. Un procedimiento para la combustión mejorada
con oxígeno que comprende:
- a)
- compresión de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno (1, 41);
- b)
- separación del oxígeno de la corriente de gas de alimentación comprimida (3; 43) usando un módulo de transporte iónico (35; 46) que incluye una membrana de transporte iónico (7; 47; 120) que presenta un lado de retenido (7a; 47a; 120a) y un lado de permeado (7b; 47b; 120b), en donde el gas oxígeno separado se obtiene en el lado del permeado de la membrana de transporte iónico y en donde el oxígeno en el lado del retenido de la membrana de transporte iónico se agota correspondientemente con lo que se produce una corriente de gas exenta de oxígeno;
- c)
- mezcla del gas oxígeno separado con otros componentes del gas en el lado del permeado para formar una corriente de gas enriquecida en oxígeno;
- d)
- combustión del combustible (11, 15; 51; 55; 144) y al menos una parte del oxígeno separado en un combustor (14; 54; 130) que se separa del lado del permeado de la membrana de transporte iónico; y
- e)
- purga del lado del permeado de la membrana de transporte iónico con una corriente de gas de purga exenta de oxígeno (9; 79; 146) que comprende al menos una parte de una corriente de gas producto de combustión (16; 56; 146a) obtenida de la combustión del combustible (11, 15; 51, 55; 144) y de la corriente de gas (10; 50; 136) que sale del lado del permeado de la membrana de transporte iónico.
2. El procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que la corriente de gas de alimentación es
aire.
3. El procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, en el que la corriente de gas producto de
combustión usada para purgar el lado del permeado de la membrana de
transporte iónico incluye un gas reactivo que reacciona con una
parte adicional del oxígeno separado.
4. El procedimiento de acuerdo con alguna de las
reivindicaciones precedentes, que comprende además el enfriamiento
de la corriente de gas producto de combustión antes de usarse para
purgar el lado del permeado de la membrana de transporte iónico.
5. El procedimiento de acuerdo con alguna de las
reivindicaciones precedentes, en el que la corriente de gas que
sale del lado del permeado de la membrana de transporte iónico
presenta una concentración de oxígeno de aproximadamente un 10% a
aproximadamente un 90%.
6. El procedimiento de acuerdo con alguna de las
reivindicaciones precedentes, que comprende además calentamiento
del gas de alimentación comprimido antes de ser alimentado al módulo
de transporte iónico.
7. El procedimiento de acuerdo con alguna de las
reivindicaciones precedentes, en el que el combustor (14; 54) se
opera con una mezcla ligeramente rica en combustible.
8. El procedimiento de la reivindicación 7, en el
que el monóxido de carbono y el gas hidrógeno en la corriente de
gas producto de combustión (15; 56) del combustor (14; 54) se
queman en una cámara de post-combustión (26;
69).
9. El procedimiento de acuerdo con alguna de las
reivindicaciones precedentes, en la que al menos una parte de la
corriente de gas producto de combustión (16; 56) se usa en un
procedimiento aguas abajo (19; 59; 130).
10. El procedimiento de la reivindicación 9, en
el que al menos una parte de una corriente de gas producto aguas
abajo del procedimiento aguas abajo se usa para purgar el lado del
permeado de la membrana de transporte iónico.
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