MÉTODO Y SISTEMA DE SEPARACIÓN DE AIRE PARA PRODUCI R OXÍGENO PARA APOYAR LA COMBUSTIÓN EN U N APARATO QUE
CONSUME CALOR
Campo de la I nvención La presente invención , se refiere a u n método y sistema de separación de aire para producir oxígeno para apoyar la combustión de un combustible. Más particularmente, la presente invención se refiere a dicho método y sistema en el cual , la combustión prod uce calor para un aparato q ue consume calor. Aún más particu larmente, la presente invención se refiere a un método y sistema en el cual el aire es calentado dentro del aparato que consume calor y luego separado dentro de un sistema de separación de membrana de cerámica para producir el oxígeno. Antecedentes de la I nvención Existe u na preocupación creciente, acerca de los aspectos ambientales que surgen de la emisión de contaminantes prod ucidos por combustibles fósiles quemados en sistemas de combustión . Dichos sistemas de combustión representan una de las fuentes más g randes de d ióxido de carbono en emisiones de contaminación . Es sabido que u n medio efectivo para red ucir d ichas emisiones y aumentar la eficiencia de la combustión es usar oxígeno, o aire enriq uecido con oxígeno dentro del proceso de combustión . El uso del oxígeno o el aire enriquecido con oxígeno, red uce las pérd idas de calor de la chimenea , lo cual aumenta la eficiencia del sistema, mientras q ue al mismo tiempo red uce las emisiones de NOx. Ad icionalmente, la concentración de d ióxido de carbono en el gas del cond ucto es más alta debido, a q ue existe muy poco o ning ún nitrógeno para actuar como diluyente. Dicho gas del conducto puede ser utilizado fácilmente para producir un chorro rico en d ióxido de carbono para volverlo a usar o secuestrar lo que el gas del cond ucto q ue tiene un conten ido alto de n itrógeno . El uso de oxígeno para apoyar la combustión ha encontrado aplicación en los procesos que req uieren temperaturas altas, por ejemplo, hornos de vidrio. En dichas aplicaciones, los ahorros de combustible y otros beneficios logrados contrarrestan el costo del oxígeno. Cuando es usado aire, para soportar la combustión del combustible para dichas aplicaciones de alta temperatura, una parte significativa del valor del calentamiento del combustible se gasta en el calentamiento del nitrógeno contenido dentro del aire. Este calor por lo tanto es desperdiciado cuando el gas del conducto resu ltante es expu lsado a temperaturas más altas. En sistemas de escape de bajas temperaturas, tales como calderas, la pérdida de calor resu ltante es mucho más baja ya q ue se recupera más calor del gas del conducto antes de q ue sea expulsado a la atmósfera. Por lo tanto, en este caso el uso del oxígeno no es económicamente atractivo debido a q ue el costo del oxígeno es mayor que cualesquiera ahorros dispon ibles q ue se puedan realizar con u n consumo red ucido de combustible. En efecto, cuando se requiere q ue la energ ía produzca convencionalmente el oxígeno mediante la criogén ica conocida y procesos de adsorción se consideran las dismin uciones generales en la eficiencia térmica .
U na alternativa principal a la producción criogénica o adsortiva de oxígeno, es la producción en el sitio del oxígeno a través de sistemas de membrana de cerámica conductoras de ion selectivas de oxígeno. En dichos sistemas, la membrana misma es impermeable al oxígeno. El oxígeno es comprimido e ionizado en una superficie de la membrana de cerámica . Los iones de oxígeno son cond ucidos a través de la membrana y recombinados para formar molécu las de oxígeno. En la recombinación , los electrones son dejados por los iones de oxígeno y ya sea que viajan directamente a través de la membrana o a través de la trayectoria de cond uctor para ion izar el oxígeno en la superficie opuesta de la membrana . Dichas membranas de cerámica conducen iones a temperaturas altas q ue pueden alcanzar más de 1 000°C . Por lo tanto, en la técn ica anterior, se utilizó la combustión auxiliar para prod ucir las temperaturas de operación de alto req uerimiento de las membranas de cerámica. Por ejemplo, la Patente Norteamericana No. 5,888,272 describe un proceso en el cual, el oxígeno es separado de la corriente comprimida de gas de alimentación en un módu lo de la cámara de combustión de transporte en el cual, el oxígeno separado es utilizado para apoyar la combustión de un combustible para producir altas temperaturas de operación para la membrana . En otra modalidad , u na corriente permeada por u na membrana, es utilizada en un proceso descendente de consumo de calor q ue produce u na expulsión , la cual es utilizada para pu rgar el lado permeado de la membrana . La corriente permeable puede también ser utilizada para apoyar la combustión en la cámara de combustión externa que está situada en la parte superior de u n proceso de consumo de calor. Parte del escape de la cámara de combustión p uede ser utilizado para suministrar gases de purga adicionales. Una porción del escape relativamente frío del proceso q ue consume calor j u nto con la retención caliente, es utilizado para calentar el aire de entrada en u n intercambiador de calor externo. La Patente Norteamericana 5, 855,648 describe un proceso para prod ucir u na corriente de gas con alimentación enriq uecida con oxígeno para ser alimentada dentro de u n horno de fu nd ición . De acuerdo con esta patente, el aire es comprimido y calentado. Parte del aire, después de haber sido calentado en u n intercambiador de calor externo, se introd uce en un sistema de membrana de cerámica para producir una corriente permeada. La corriente permeada a la vez, se introd uce dentro de la corriente entrante de aire caliente y se utiliza para enriq uecer al aire con oxígeno para introducirlo dentro del horno . Se le puede agregar al aire un combustible para ser separado en la membrana de cerám ica para apoyar la combustión dentro de la membrana misma. Adicionalmente, parte de la energ ía de compresión puede ser recuperada con un expansor. Aunque ambas patentes contemplan u na integración del sistema de membrana de cerámica con un aparato que consume calor, ninguna contempla una integ ración térmica completa de sistemas de operación completamente independientes. Por ejemplo, en la Patente Norteamericana No. 5,888,272 aún cuando está contemplada la combustión de combustible-oxígeno, la combustión y la producción de oxígeno son componentes integ rales, haciendo de este modo muy difícil de operar d icho aparato consumidor de calor sin el sistema de producción de oxígeno. Además, el calentamiento del aire dentro de u n intercambiador de calor externo a través del intercambio de calor con gases de escape del proceso que consume calor, no es eficiente debido a que existe invariablemente pérd idas de calor en el ambiente con dicha d istribución . Aunque la Patente Norteamericana No. 5,855,648 contempla la combustión enriquecida con oxígeno dentro de u n proceso que consume calor mismo, es decir en el horno de fundición , los gases calientes del escape de dichos procesos , son expu lsados sin n ing u na provisión para la recuperación de su valor de calentamiento. En ambas de las patentes anteriores, el sistema de membrana de cerámica es utilizada en procesos en los cuales los gases de combustión llegan en contacto con la membrana . Ambas patentes tienen u na aplicación limitada al uso de combustibles que tienen un alto contenido inorgán ico, tales como carbón de pied ra, o aceite pesado. Debido a q ue el combustible más limpio tal como el gas natural, generalmente es más costoso q ue los combustibles q ue tienen un alto contenido inorgánico, es deseable tener u n proceso y sistema q ue pueda ser integ rado con combustibles con un alto contenido inorgán ico. Como se explicará, la presente invención proporciona u n método y sistema para oxígeno o combustión mejorada de oxígeno , dentro de u n aparato q ue consume calor que utiliza de manera eficiente, un sistema de membrana cerámica para suministrar el oxígeno . Además, un método y sistema de acuerdo con la presente invención , tiene aplicabilidad en sistemas de escape de baja temperatura, tales como u na caldera u horno y tiene la capacidad de utilizar fácilmente combustibles con un alto conten ido inorgánico. Todavía, dicho sistema está diseñado de modo q ue el aparato q ue consume calor puede ser operado sin las membranas de cerámica si así se requiere. Sumario de la Invención La presente invención proporciona u n método, para separar el oxígeno del aire para prod ucir oxígeno para apoyar la combustión de un combustible, para producir de este modo calor en un aparato que consume calor. De acuerdo con el método, una corriente de aire de alimentación es comprimida para prod ucir u na corriente de aire comprimido. La corriente de aire comprimido es calentada a una temperatu ra de operación de u n sistema de membrana de cerámica empleando por lo menos u na membrana conductora de iones selectivas de oxígeno. La corriente de aire comprimido es calentada a través del intercambio ind irecto del calor y por lo menos en parte dentro del aparato q ue consume calor. Después de haber sido calentada, la corriente de aire comprimido se introd uce dentro del sistema de membrana para prod ucir u n permeado de oxígeno, y un reten ido red ucido de oxígeno. El combustible es q uemado en la presencia de u n oxidante formado por lo menos en parte del permeado de oxígeno prod ucido dentro del sistema de membrana. De u na manera ventajosa, la corriente retenida compuesta del reten ido, puede ser expand ida con la prod ucción de trabajo y el trabajo de expansión puede ser aplicado para comprimir la corriente de aire de alimentación . La expansión de la corriente retenida produce u na corriente retenida expandida la cual puede ser usada para precalentar la corriente de aire comprimido a través del intercambio de calor indirecto. Adicionalmente, la corriente de aire de alimentación puede ser comprimida a una presión suficiente para operar la separación del oxígeno a partir del aire dentro del sistema de membrana de cerám ica sin por ejemplo, el uso de u na corriente de purga. En el aparato q ue consume calor, u n q uemador prod uce gases de cond ucto calientes a partir de la combustión del combustible. La corriente de aire comprimido puede ser calentada dentro del aparato que consume calor a través del intercambio de calor ind irecto con este gas del conducto caliente. Alternativamente, el aparato que consume calor es del tipo q ue está provisto con una zona de intercambio de calor radiante y la corriente de aire comprimido es calentada principalmente, dentro del aparato que consume calor mediante el calor radiante dentro de una zona de intercambio de calor radiante. En otro aspecto, la presente invención proporciona u n sistema de separación de aire, para producir oxígeno para apoyar la combustión de u n combustible y de este modo, producir calor en u n aparato que consume calor. De acuerdo con este aspecto de la presente invención , se proporciona un compresor para comprimir una corriente de aire de alimentación y de este modo prod ucir una corriente de aire comprimido. U n sistema de membrana de cerám ica está en com u n icación con el compresor y emplea por lo menos una membrana cond uctora de ion selectiva de oxígeno para separar el oxígeno de la corriente de aire de alimentación comprimido. U n intercambiador de calor, localizado dentro del aparato q ue consume calor, está interpuesto entre el compresor y el sistema de membrana para calentar la corriente de aire comprimido a una temperatura de operación del sistema de membrana . Se proporcionan medios para quemar el combustible dentro del aparato que consume calor en la presencia de u n oxidante compuesto por lo menos en parte del permeado de oxígeno prod ucido dentro del sistema de membrana. Ventajosamente, el sistema de separación de aire puede emplear un expansor conectado al sistema de membrana para expandir la corriente retenida compuesta del retenido con la producción de trabajo. Se pueden proporcionar medios para aplicar el trabajo de expansión para sumin istrar energ ía al compresor. Se puede interponer u n precalentador entre el intercambiador de calor y el compresor y conectarlo al expansor para precalentar la corriente de aire comprimido a través del intercambio de calor indirecto con u na corriente de retenido expandida producida por el expansor. Los medios de quemado del combustible pueden producir gases de cond uctos calientes proven ientes de la combustión del combustible y el intercambiador de calor puede estar colocado dentro del aparato que consume calor de modo que la corriente de aire comprimido sea calentada a través del intercambio de calor indirecto con los gases de conductos calentados. Alternativamente, el aparato que consume calor puede ser del tipo provisto con u na zona de intercambio de calor rad iante, y el intercambiador de calor puede estar localizado dentro de la zona de intercambio de calor radiante de modo q ue la corriente de aire comprimido sea calentada principalmente por el calor radiante dentro de la zona de intercambio de calor radiante. Como puede apreciarse, dicho aparato que consume calor puede ser u na caldera y el intercambiador de calor puede comprender tubos de intercambio de calor entremezclado con los tubos de vapor. Como se puede apreciar por la descripción anterior de la presente invención , se contempla u na integ ración en la cual el sistema de membrana de cerámica sea integrada térmicamente con un aparato q ue consume calor el cual emplea la combustión mejorada con oxígeno a través del oxígeno prod ucido dentro del sistema de membrana de cerámica . Deberá notarse q ue la colocación del intercambiador de calor dentro del aparato q ue consume calor debía parecer primero como contraprod ucente o, en el mejor de los casos no proporcionar beneficios adicionales comparados con los aparatos encendidos por aire convencionales. Tanto en la presente invención , como en el caso del encendido por aire de la técn ica anterior, el aire es calentado, como parte de la operación del aparato que consume calor. En los aparatos encendidos por aires convencionales, el calentamiento del aire, en particular los componentes inertes del aire, tales como nitrógeno , son calentados dentro del espacio de combustión . En la presente invención , el calentamiento del aire se hace indirectamente a través del uso de intercambiadores de calor. La configuración de la presente invención por lo tanto a primera vista parecería q ue es idéntica al caso de encendido por aire convencional desde el punto de vista de la eficiencia térmica . Al hacer un examen adicional, la eficiencia térmica de la presente inversión se podría esperar q ue en efecto fuera menor q ue la del caso de encendido por aire debido a las pérd idas de calor inevitables en el medio ambiente que son ocasionadas por el uso del intercambiador de calor externo, y la tubería de las corrientes de permeado de calor al aparato que consume calor. Sin embargo, la presente invención realmente proporciona un aumento significativo en las eficiencias sobre los casos encendidos por aire de la técn ica anterior. Las calderas encend idas por aire típicas tienen u na eficiencia que se encuentra entre aproximadamente el 85% y aproximadamente el 90% (basados en los valores más altos de calentamiento) limitada por la temperatura mínima del gas del conducto para evitar la corrosión acida del gas de aproximadamente 300° a 400° F. La presente invención proporciona eficiencias entre aproximadamente el 90% y aproximadamente el 95% (valores de calentamiento más altos) para un sistema similar. La eficiencia aumentada se debe al hecho de q ue la corriente retenida puede ser enfriada a temperaturas mucho más bajas, que las temperaturas del escape de los sistemas encend idos por aire. Esto perm ite más entrada de calor al reten ido para ser recuperado comparado con los sistemas encendidos por aire convencionales. La eficiencia todavía puede ser aumentada más, si se utiliza un intercambiador de calor condensador para enfriar más la corriente del gas del cond ucto; una opción que no está generalmente d isponible para las unidades encendidas por aire. En las modalidades de la presente invención , en las cuales, el compresor recibe energ ía del expansor, se realizan todavía ventajas adicionales no solamente en ahorros de energ ía , sino también en el hecho de q ue la separación puede ser operada ún icamente por la presión prod ucida por el compresor sin una pu rga q ue tendería a dilu ir el oxígeno. El uso de un precalentador que utiliza el calor contenido dentro de la corriente retenida expandida eleva, la eficiencia térmica de un método o sistema de acuerdo con la presente invención . U na ventaja adicional de la presente invención , es q ue el intercambiador de calor indirecto dentro del aparato que consume calor, permite el uso de combustibles q ue contienen cantidades sig nificativas de inorgán icos, debido a q ue el sistema de membrana de cerámica puede operar sih combustión alguna de los prod uctos q ue entran en las membranas. En u n método y sistema contemplados por la presente invención , la operación del aparato que consume calor y el sistema de membrana de cerámica, están algo desacoplados. El aparato que consume calor puede ser operado sin el sistema de prod ucción de oxígeno, el cual ayuda en el arranq ue y apagado del sistema completo. En este aspecto, en el caso de u na falla del sistema de membrana de cerámica , el aparato que consume calor todavía puede ser operado utilizando un suministro de oxígeno de soporte. Además, la mitigación del sistema de membrana de cerám ica puede ser manejada independ ientemente de la operación del aparato q ue consume calor. Breve Descripción de los Di bu jos Au nque la especificación concluye con las reivindicaciones que señalan de manera d istintiva el asu nto o materia q ue los solicitantes consideran como su invención , se cree q ue la invención será entendida mejor cuando es tomada en relación con los dibujos que la acompañan en los cuales:
La fig ura 1 , es una vista esq uemática de u n sistema de acuerdo con la presente invención , en el cual la entrada de aire comprimido es calentada por u n intercambiador de calor, localizado para calentar el intercambio ind irectamente desde los gases del cond ucto; y La fig ura 2, es una modalidad alternativa de la presente invención , en la cual el aire comprimido es calentado principalmente por calor radiante dentro de una zona de intercambio de calor radiante del aparato que consume calor. Descripción Detallada de la Invención Con referencia a la figura 1 , se ilustra un aparato 1 en el cual un horno 2 consume calor producido por la combustión de u n combustible 3.
El aire es comprimido en un compresor 1 0 a una presión suficiente para operar u na separación de oxígeno del aire, en un sistema de membrana de cerámica 1 2 que emplea una o más membranas conductoras de iones selectivas de oxígeno . Sin embargo deberá notarse que la presente invención deberá ser interpretada como la q ue excluye el uso de u n gas de purga en el lado permeado de las membranas. Las membranas cond uctoras de iones selectivas de oxígeno son del tipo de iones de oxígeno q ue cond ucen temperaturas altas, pero serán impermeables al oxígeno mismo. La presente invención contempla el uso de membranas cond uctoras de fase dual en la cual, tanto el oxígeno como los iones son cond ucidos dentro de la membrana , así como membranas iónicas en las cuales solamente los iones de oxígeno son cond ucidos. En las membranas conductoras ión icas, se proporciona una trayectoria conductora para la cond ucción de los electrones.
El aire q ue ha sido comprimido dentro del compresor 1 0, forma u na corriente de aire comprimido 1 2, y es previamente calentada dentro de u n precalentador 14. Se proporciona un intercambiador de calor 1 6 dentro del horno 2 q ue está localizado de manera que caliente el intercambio de manera ind irecta entre la corriente de aire comprimido 1 2 dentro del intercambiador de calor 1 6, y los gases del cond ucto prod ucidos por la prod ucción del combustible 3. La temperatura resu ltante de la corriente de aire comprimido 1 2, después de su paso a través del intercambiador de calor 16, es suficiente para alcanzar la temperatu ra de operación del sistema de membrana 12. Como tal, la corriente de aire comprimido 12 n u nca está expuesta d irectamente al combustible 3. Deberá observarse, que la presente invención tiene modalidades posibles en las cuales no se utiliza el precalentador 14, y la corriente de aire comprimido 12 es calentada únicamente dentro del intercambiador de calor 1 6. El uso del precalentador 14 sin embargo, permite la recuperación ventajosa de calor, q ue de otra manera se perdería del sistema. Au nq ue el intercambiador de calor 1 6 está ilustrado solamente como u n tubo, se pod rían emplear tantos tubos como fueran necesarios para proporcionar el req uisito de la transferencia de calor. El oxígeno es separado de la corriente de aire comprimido 1 2 dentro del sistema de membrana 1 2, para producir una corriente permeada 1 8 q ue consiste de oxígeno. La corriente permeada 1 8 puede ser alimentada d irectamente en un quemador de combustible-oxígeno para quemar el combustible 3 mezclado con aire suplementario para la combustión enriquecida por oxígeno, o puede ser utilizada con propósitos de expu lsión del oxígeno . La corriente retenida 20, la cual tiene el oxígeno red ucido, puede ser pasada dentro de u na turbina 22 para expand ir la corriente retenida 20 con la prod ucción de trabajo. El trabajo de expansión puede ser aplicado entonces, a la compresión del aire dentro del compresor 1 0 ya sea d irectamente o por medio de un en lace mecánico o ind irectamente por medio de u n generador eléctrico, que produciría la electricidad utilizada para sum in istrarla al compresor 1 0. Como puede ser apropiado, en la aplicación de dicho trabajo de expansión , la electricidad generada por un generador podría ser alimentada en una rej illa eléctrica desde la cual, se d irigiera la energ ía eléctrica por med io del compresor 1 0 con el objeto de aplicar de manera correcta el trabajo de expansión a la compresión . La expansión por medio del expansor 22 , prod uce u na corriente de aire expandido 24 la cual es a una temperatura inferior y una presión inferior q ue la corriente de retención 20. Todavía tiene, sin embargo, una temperatu ra suficiente para permitir q ue sea alimentada dentro del precalentador 14 para precalentar la corriente de aire comprimido 1 2. La corriente expand ida 24 entonces, puede ser alimentada en la chimenea o ser usada para otros propósitos. Como se puede apreciar, la presente invención tiene modalidades en las q ue es posible no incorporar el expansor 22. Con referencia a la figu ra 2, se ilustró un aparato 4 en el cual la combustión de un combustible es apoyada por el oxígeno dentro de una caldera 5. La caldera 5 tiene una boq uilla de entrada de combustible 30, y una boq uilla de entrada de oxígeno 32. Los tubos de vapor convencionales 34, están entremezclados preferentemente con los tubos de calentamiento de aire 36, dentro de la zona de intercambio de calor radiante 38 de la misma. Los tubos de calentamiento de aire 36 están conectados uno al otro para formar un intercambiador de calor dentro de la zona de intercambio de calor radiante 38. El aire de entrada es comprimido por u n compresor 40, para prod ucir u na corriente de aire comprimido 42 que es precalentada dentro del precalentador 44. La corriente de aire comprimido entonces, es pasada a través de los tubos de calentamiento de aire 36 y luego dentro del sistema de membrana de cerámica 46 q ue emplea una o más membranas cond uctoras de iones selectivas de oxígeno. Los tubos de calentamiento de aire 36 funcionan para calentar la corriente de aire comprimido 42, principalmente mediante el calor radiante hasta por lo menos un pu nto limitado, pueden estar presentes mecanismos con vectores de transferencia de calor. El oxígeno separado del aire entonces, es pasado como una corriente permeada 48 a la boq u illa de oxígeno 32. U na corriente reten ida 50 transportada en el oxígeno entonces, puede ser expandida dentro de u n expansor 52 para producir u na corriente expandida 54. La corriente de aire expand ido 54 puede ser introducida dentro del precalentador 44 que sirve, para impartir calor a la corriente de aire comprimido 42. Como en la modalidad mostrada en la figura 1 , las modalidades de la presente invención están contempladas para no emplear el precalentador 44 y el uso de una corriente de purga dentro del sistema de membrana de cerámica 46. Además, son posibles modalidades en las cuales no está presente el expansor 52. Opcionalmente, el aparato 4 puede usar tanto el calor convectivo, como el radiante, proporcionando el intercambiador de calor 56, arriba de la zona de intercambio de calor radiante 38, que calienta una corriente de aire subsidiaria 58 formada a partir de la corriente de aire comprimido de entrada 42. La corriente de aire subsidiaría calentada resultante 60 entonces también puede ser introducida, dentro del sistema de membrana de cerámica 46. Aunque la presente invención ha sido descrita con referencia a una modalidad preferida, aquellos expertos en la técnica se les ocurrirán numerosos cambios, adiciones y omisiones que pueden hacerse sin salirse del espíritu y alcance de la presente invención .