MXPA98009617A - Conductor ionico de electrolito solido con produccion de vapor-a-oxigeno regulable - Google Patents

Abstract

Un proceso para producir una corriente de gas conteniendo oxígeno y vapor para alimentar un gasificador de carbón u otro proceso corriente abajo comprimiendo y calentando una corriente de gas de alimentación, y separando la corriente de gas calentado de alimentación en una corriente de gas agotado en oxígeno en un lado de retenido de una membrana transportadora de iones y una corriente de gas que contiene oxígeno en un lado de permeado. El lado de permeado es purgado con una corriente de gasde purga conteniendo vapor para producir una corriente de gas que contiene oxígeno y vapor, y por lo menos una porción de la corriente de gas conteniendo oxígeno y vapor es alimentada al gasificador de carbón después de mezclarse con una corriente de oxígeno puro recuperado de la porción restante de la corriente de purga o por un separador de transporte de iones no-purgado en paralelo en el sistema para alcanzar la relación vapor-a-oxígeno apropiada para el proceso corriente abajo.

Description

CONDUCTOR IÓNICO DE ELECTROLITO SOLIDO CON PRODUCCIÓN DE VAPOR-A-OXIGENO REGULABLE CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere al uso de sistemas de conductor iónico de electrolito sólido para producción de oxígeno y vapor, y se refiere en particular al incremento del contenido de oxígeno de una corriente de vapor-oxígeno para procesos tales como gasificación de carbón.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los sistemas no-criogénicos de separación de oxígeno en masa, por ejemplo, sistemas de membrana de polímero orgánico, han sido usados para separar gases seleccionados del aire y otras mezclas de gases. El aire es una mezcla de gases que puede contener cantidades variables de vapor de agua y, al nivel del mar, tiene la siguiente composición aproximada en volumen: oxígeno (20.9%), nitrógeno (78%), argón (0.94%), con el resto consistiendo de trazas de otros gases. Sin embargo, puede hacerse un tipo de membrana enteramente diferente a partir de ciertos óxidos inorgánicos. Estas membranas de electrolito sólido están hechas de óxidos inorgánicos tipificados por óxidos de circonio estabilizados con calcio o itrio y análogos que tienen una estructura de fluorita o perovskita. Aun cuando el potencial de estos materiales de cerámica de óxidos como membranas de separación de gases es grande, hay ciertos problemas en su uso. La dificultad más obvia es que todos los materiales de cerámica de óxido conocidos exhiben una apreciable conductividad de iones oxígeno a temperaturas elevadas solamente. Usualmente deben ser operadas muy por arriba de los 500° C, generalmente en el rango de 600°C a 900 C. Esta limitación permanece a pesar de la mucha investigación para encontrar materiales que trabajen bien a temperaturas menores. La tecnología de conductores iónicos de electrolito sólido se describe con más detalle en la Patente de E.U., Nb. 5,547,494, de Prasad et al., titulada "Membrana de Electrolito en Etapas", la cual se incorpora en la presente mediante referencia para describir más completamente el estado del arte. Puesto que la selectividad de estos materiales por oxígeno es infinita y se pueden obtener flujos de oxígeno de magnitud varias veces mayor que con membranas poliméricas, se crean oportunidades atractivas para la producción de oxígeno así como para procesos de oxidación que requieren oxígeno, especialmente en aplicaciones que involucran temperaturas elevadas, por ejemplo, gasificación de carbón. la gasificación de carbón tiene el potencial de utilizar reservas de carbón para la producción de combustibles sintéticos. Varios procesos comerciales han sido desarrollados para producir gases de bajas-Kcal, medianas-Kcal, y altas-Kcal a partir de carbón. ¡Muchos tipos diferentes de procesos son conocidos en el arte, por ejemplo, cama fija, cama fluidizada, cama arrastrada, y cama de baño fundido. Estos procesos pueden ser catalíticos o no-catalíticos, y cada uno se lleva a cabo bajo condiciones muy diferentes. Algunos de los principales procesos de gasificación se describen en el Capítulo 6 de "Tecnologías de Licuefacción y Gasificación de Carbón", E.C. Mangold et al. (1982). El aspecto común de la mayoría de estos procesos de gasificación de carbón es el uso de vapor y oxígeno y/o aire para llevar a cabo una oxidación parcial y/o completa del carbón. El reformado a vapor del carbón a altas temperaturas produce una corriente de gas combustible que contiene principalmente monóxido de carbono y gas hidrógeno. Se pueden llevar a cabo, sin embargo, pasos adicionales tales como reacción de desplazamiento de gas de agua y metanación, para regular la composición de la corriente de gases producto. Debido a la química compleja del carbón, pueden tener lugar otras reacciones y se pueden formar hidrocarburos mayores y alquitrán durante el proceso de gasificación de carbón. Cuando se usa aire como el oxidante, la gasificación de carbón produce generalmente gas de bajas-Kcal puesto que el nitrógeno en la corriente de aire actúa ccmo un diluyente. Por lo tanto, el uso de oxígeno o de una corriente de gas enriquecido con oxígeno es generalmente necesaria para formar una corriente de gas de madias-Kcal a altas-Kcal. En este caso, el costo del gas oxígeno requerido es una fracción significativa del costo total de la gasificación de carbón. Así, la posible integración de la gasificación de carbón con un proceso de producción de oxígeno a alta temperatura podría ser ventajoso. Una clase de procesos que integran la generación de energía térmica con la gasificación de carbón pueden ser referidos como ciclos de energía de gasificación integrada (CEGI). Un ciclo combinado de gasificación integrada (CCGI) es una modalidad específica de tal esquema y CCGI bien conocida en el arte.

En una planta CCGI (también conocida como Gasificación de Carbón de Ciclo Combinado, o GCCC), el carbón es gasificado en una corriente de gas combustible la cual es suministrada a turbinas de gas empleadas en un sistema de generación de energía de ciclo combinado. La integración térmica entre la gasificación de carbón y los procesos de producción de energía resulta en una eficiencia global mejorada de la planta. Qi ciclos de energía de turbina de gas, el fluido de trabajo es aire generalmente o los productos de combustión del combustible y aire. Se genera calor dentro del sistema quemando combustible en una corriente de aire comprimido y los productos de combustión son expandidos a través de una turbina de gas para producir energía. El límite de temperatura metalúrgica en las paletas de la turbina necesita una operación de la turbina de gas con una relación oxígeno/combustible muy alta: el nitrógeno en el aire de alimentación y el oxígeno en exceso actúan como diluyentes y bajan la temperatura de los productos de combustión. Ccmo resultado, la corriente de gas que sale del ciclo de energía de la turbina de gas contiene oxígeno en exceso que puede quemar combustible adicional. La corriente de gas caliente de escape podría ser usada para precalentar la corriente de aire comprimido de alimentación o puede ser empleado también para generar vapor que puede usarse en un ciclo de energía de vapor, por ejemplo, (un ciclo Rankine o sus modificaciones tales como ciclos regenerativo y recalentado, ciclo de presión dual, y ciclos de co-generacióh) . En un ciclo de energía de gas, es posible también recuperar algo o todo el oxígeno en exceso en la corriente de gas oxidante (aire generalmente) ya sea antes o después de la turbina de gas. Esta recuperación de oxígeno se hace a expensas del aire de alimentación comprimido adicional para remplazar el oxígeno eliminado y el costo de capital asociado con el sistema de eliminación de oxígeno. El proceso de recuperación de oxígeno produce oxígeno a un costo de energía incremental muy bajo, lo cual es atractivo comparado con otros métodos de producción de oxígeno. Los gases a partir de los cuales necesita ser separado el oxígeno se hacen disponibles a una temperatura relativamente elevada (mayor de 400° C), mientras que los procesos de producción de oxígeno comerciales en uso operan típicamente a temperaturas por debajo de los 100° C. Debido a esta limitación de temperatura, los procesos de producción de oxígeno comerciales en uso no tienen una ganancia significativa por la integración con un proceso de gasificación de carbón. Parece que los procesos novedosos de separación de gases que emplean membranas conductoras de iones oxígeno tienen la promesa de una -integración altamente sinergística que puede disminuir dramáticamente el costo del oxígeno usado en los procesos de gasificación de carbón. La mayoría de los sistemas de generación de oxígeno utilizan métodos criogénicos de separación (generalmente para aplicaciones de alta pureza, a gran escala) o usan membranas poliméricas o técnicas de separación por adsorción (general-mente para aplicaciones de 90-95% de pureza , de pequeña a media escala) . Los sistemas de membrana son muy intensivas de energía típicamente, y son apropiadas solamente para la producción de pequeñas cantidades de aire enriquecido con oxígeno (por ejemplo, 50% de oxígeno) . Algunos de estos procesos recuperan una pa-rte de la energía utilizada en la producción del producto, sin embargo, no producen ninguna energía neta. Como se dijo antes, los procesos de separación de oxígeno tradicionales operan a bajas temperaturas (menos de 100° C) , y no se benefician significativamente de la integración con procesos de alta temperatura que utilizan oxígeno. Las temperaturas elevadas de operación hacen al proceso de transporte de iones intrínsecamente muy apropiado para la integración con procesos de alta temperatura tales como gasificación de carbón y generación de energía de ciclo combinado, como se describe en las siguientes referencias. Una publicación JPL D-7790 (1990) describe la integración de un proceso de producción de oxígeno de alta temperatura que usa un conductor de iones oxígeno con base de circonio dentro de una configuración GCCC. En este proceso, el oxígeno extraido del aire por un conductor de iones oxígeno se usa para la gasificación de carbón. Aire agotado en oxígeno se usa para quemar el gas combustible producido en el gasificador de carbón, y expandido en una turbina de gas para generar energía. El escape de la turbina de gas se usa para producir vapor, el cual es expandido en una turbina de vapor para generar energía adicional. La Patente de E.U., No. 5,306,411 ( azanec et al.) discute el mezclado de un diluyente inerte tal cerno vapor con un gas de alimentación de hidrocarburo ligero para producir gas de síntesis o hidrocarburos insaturados como un efluente permeado del lado del ánodo de una membrana de transporte de iones. Un gas conteniendo oxígeno se pasa a través de un lado de retenido o cátodo de la membrana; el gas resultante agotado en oxígeno extraido de la zona de retenido es desechado aparentemente. Mazanec et al., describe además en la Patente de E.U. , No. 5,160,713 que se puede generar vapor en la zona de permeado por reacción entre el hidrógeno, introducido como un substrato ccínsumidor de oxígeno, y el oxígeno transportado a través de la membrana. La Patente de E.U. , No. 5,565,017 de Kang et al., titulada "Producción de Oxígeno a Alta Temperatura con Generación de Vapor y Energía", se refiere a un sistema que integra- una menbrana de transporte de iones con una turbina de gas para recuperar energía de la corriente de gas retenido después que ha sido calentada y se ha agregado vapor. Se agrega agua a la corriente de gas retenido del módulo de transporte de iones antes de la turbina de gas para incrementar el flujo de masa en la turbina. Esto permite al módulo de transporte de iones y a la turbina de gas operar a su temperatura óptima. En la Patente de E.U., No. 5,516,359 de Kang et al., titulada "Método Integrado de Alta Temperatura Para Producción de Oxígeno", el aire de alimentación es comprimido y calentado en un primer paso de calentamiento (usando cambiador de calor y quemador) antes de pasar a través de un separador de oxígeno que emplea un óxido conductor mixto. La corriente de gas retenido del módulo de transporte de iones es calentado en un segundo paso de calentamiento antes de expandirlo a través de una turbina de gas para recuperar energía. Los gases calientes de escape de la turbina de gas se usan para producir vapor que es expandido a través de una turbina de vapor para generar energía adicional. En estos procesos, las temperaturas de operación del módulo de transporte de iones y la turbina de gas son mantenidas independientemente controlando el régimen de adición de calor en el primer y segundo pasos de calentamiento. La Patente de E.U. , No. 5,562,754 (Kang et al.) titulada "Producción de Oxígeno Mediante Membranas de Transporte de Iones oon Utilización de Vapor" describe una producción de oxígeno con base en el transporte de iones integrada con una producción de energía por turbina de gas, en la cual el lado de permeado del módulo de transporte de iones es barrido con un gas inerte para barrido tal como vapor para aumentar el flujo de oxígeno a través de la membrana de transporte de iones. Cono resultado se produce una corriente que contiene una mezcla de vapor y oxígeno en el lado de pe-rmeado y puede ser retirada como un producto. Kang sugiere que esta corriente puede estar a una presión de 0.14 a 21.11 Kg/cm 2 y podría usarse para alimentar un gasificador que requiera vapor y oxígeno. Una inspección más cercana del concepto de Kang revela gue no proporciona una solución práctica para generar una mezcla de vapor-oxígeno de la composición requerida y a la presión requerida por muchos de los procesos de gasificación de carbón más prácticos. Las razones para esto son varias: i) Los reactores de gasificación operan típicamente a presiones con mucho en exceso a 21.11 Kg/cm^ abs. y requieren vapor y oxígeno a presiones que exceden a 24.63 Kg/cm^ ; ii) Es intensivo en energía, caro, potencialmente inseguro y por lo tanto impráctico comprimir una mezcla de vapor y oxígeno en un compresor; iii) La relación molar vapor-a-oxígeno requerida por el proceso de gasificación es típicamente cercana a 1, aunque hay excepciones en donde es mayor. Usando un ejemplo muy improbable que tiene una presión separadora de retenido de 21.11 Kg/cm2 abs. y una composición de admisión de 20% de oxígeno, la presión parcial de oxigeno cié admisión de retenido seria de 4.22 Kg/cm2 abs. la cual podría ser también el límite absoluto para la presión parcial de oxígeno en el extremo máximo del lado de permeado. Bajo estas condiciones y a una presión de vapor de permeado de 24.63 Kg/c-m2 abs. la relación molar limitante de vapor a oxigeno sería de 4.8, excediendo significativamente el valor típico requerido de aproximadamente 1.

OBJETIVOS DE XA INVENCIÓN Es por lo tanto un objetivo de la invención emplear una purga de vapor para el lado de perneado de un separador de transporte de iones para aumentar la recuperación de oxígeno y permitir la generación de una relación apropiada de vapor-a-oxígeno requerida para un proceso corriente abajo tal como un gasificador. Es otro objetivo de la invención proveer un proceso eficiente integrado capaz de combinar sistemas de conductor iónico de electrolito sólido con sistemas de gasificación de carbón proporcionando a la vez vapor y oxígeno a las presiones y relaciones molares apropiadas requeridas por el gasificador.

Es un objetivo adisional de la invención posibilitar la incorporación de cambiadores de calor, turbinas de vapor, c lentadores, enf iadores, compresores, y otros procesos de recuperación de energía para optimizar la eficiencia glob l del proceso integrado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención comprende un proceso para producir una corriente de gas que contiene oxígeno y vapor para alimentar un proceso corriente abajo tal como en un gasificador de carbón para produsir una corriente de gas combustible. En el proceso una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental es comprimida y después calentada. La corriente de gas de alimentación calentada es separada, usando por lo menos un módulo de transporte de iones que incluye una membrana de transporte de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado, en una corriente de gas agotado en oxígeno en el lado de retenido y una corriente de gas que contiene oxígeno en el lado de permeado. El lado de permeado de la membrana transportadora de iones se purga usando una corriente de gas de purga que contiene vapor para producir una corriente de gas que contiene oxígeno y vapor la cual es mezclada después con otra corriente de oxígeno para regular la relación vapor-a-oxígeno como se deseé. Una relación adecuada de vapor a oxígeno para -inyección al gasificador se obtiene preferiblemente de una o más de las maneras siguientes: i) Una primera porción de la corriente de purga vapor-oxígeno se mezcla con una corriente de gas oxígeno la cual es recuperada de la segunda porción restante de la corriente de purga después de condensar el agua. La última corriente de oxígeno puede ser recuperada del remanente de la corriente de purga mientras está a la misma presión o después de expansión a través de una turbina generadora de energía. Si la corriente de oxígeno ha sido expandida, la corriente de oxígeno es recomprimida preferiblemente por un compresor de oxígeno a la presión de inyección requerida. ii) La corriente de purga vapor-oxígeno se mezcla con una corriente de oxígeno recuperada de por lo menos un segundo separador de transporte de iones, configurado preferiblemente en un arreglo de alimentación paralela, y comprimida a la presión requerida por un compresor de oxígeno antes de mezclarse. iii) La corriente de purga se produce a una presión elevada; una porción de la corriente a alta presión es dirigida al gasificador, y el resto se usa para purgar el lado de permeado del separador de transporte de iones para producir una corriente permeada de vapor-oxígeno, la cual es expandida después para producir energía o enfriada. Siguiendo esto el agua es condensada, y la corriente de oxígeno separada, después de compresión según se requiera, es mezclada con el vapor de alta presión para producir la relación correcta de vapor-a-oxígeno. Esta modalidad es preferida si la presión del gasificador es muy alta. En una modalidad preferida de la invención, el gas de alimentación es aire. En otra modalidad preferida de la invención, la corriente de gas de purga que contiene vapor está a la misma presión o a una presión mayor que la presión en el gasificador de carbón. En aun otra modalidad preferida de la invención, por lo menos una porción de la corriente de gas agotado en oxígeno es procesada además en un segundo -módulo de transporte de iones para producir una corriente de gas nitrógeno que tiene una pureza de más de 98% para usarse como un gas transportador para carbón pulverizado para el gasificador de carbón. En aun otra modalidad preferida de la invención, se recupera calor de la corriente de gas agotado en oxígeno usando un extractor de energía. En las modalidades preferidas de la invención, el extractor de energía es un cambiador de calor usado para realizar el paso de calentamiento del gas de alimentación o se usa un boiler para producir la corriente de gas de purga que contiene vapor. En otra modalidad preferida de la invención, el extractor de energía se usa para producción de energía. Como se usa en la presente el término "oxígeno elemental" significa cualquier oxígeno que está sin combinar con cualquier otro elemento de la Tabla Periódica. Aunque el oxígeno se encuentra en forma diatómica típicamente, el oxígeno elemental incluye átomos de oxígeno sencillos, ozono triatómico, y otras formas sin combinar con otros elementos. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otros objetivos, aspectos y ventajas de la invención se les ocurrirá a aquellos expertos en el arte de la siguiente descripción de las modalidades preferidas de la invención y de los dibujos adjuntos, en los cuales: La Fig 1 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que muestra un diseño básico de la invención que tiene uno o dos nodulos de separación de oxígeno basados en transporte de iones instalados entre el compresor de alimentación y una unidad gasificadora de carbón, y que muestra varias opciones para alcanzar la relación correcta vapor-a-oxígeno mezclando toda o una porción de la mezcla vapor-oxígeno que sale del lado de permeado de un separador purgado a vapor con oxígeno puro o una corriente de producto saturado en agua sino de otra forma oxígeno puro; y La Fig. 2 es un diagrama esquenatico de otra -modalidad de la invención similar a la Fig. 1, pero que incluye una etapa de turbina de vapor a alta presión en donde una porción del vapor a alta presión es mezclada con oxígeno recuperado por condensación del agua de la corriente de purga de vapor y en donde la descarga de la turbina de alta presión se usa para purgar el lado de permeado del separador. La figura ilustra también co-producción de nitrógeno para el transporte e inyección de carbón pulverizado. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La esencia de la invención es combinar la generación de vapor y oxígeno para inyección a un proceso corriente abajo tal cono un gasificador de carbón, en la relación correcta de vapor a oxígeno, instalando por lo menos uno o dos separadores de oxígeno por transporte de iones en una cofiguración integrada, tal que una corriente de gas de alimentación conteniendo oxígeno (típicamente aire) fluye en el lado de retenido o cátodo de la membrana de transporte de iones, y el lado de permeado o ánodo de por lo menos una de las membranas transportadoras de iones es purgado con vapor. La purga de vapor aumenta el transporte de oxígeno a través de la membrana transportadora de iones. Una porción de la corriente de gas que contiene oxígeno y el vapor que deja el nodulo de transporte de iones se mezcla con oxígeno puro recuperado de la porción no usada de la corriente de purga vapor-oxígeno, o de una segunda membrana transportadora de iones no purgada, para lograr la relación vapor-a-oxígeno requerida. La corriente mezclada es dirigida, por ejemplo, a un gasificador de carbón en el cual se oxida o reforma carbón en la presencia de vapor y oxígeno para producir una corriente de gas combustible que contiene principalmente monóxido de carbono y gas hidrógeno. En una configuración alterna la mezcla correcta de vapor y oxígeno se logra mezclando una porción de la alimentación de vapor al lado de permeado de la membrana transportadora de iones con oxígeno recuperado de la descarga del lado de permeado después de condensar el agua. La corriente de gas de alimentación que está agotado parcialmente de oxígeno en el módulo de transporte de iones puede ser usado para producir energía usando un ciclo térmico de energía, por ejemplo, un ciclo basado en turbinas de gas. La corriente de gas de escape de la unidad de producción térmica de energía está suficientemente caliente generalmente para producir vapor que será utilizado en un ciclo de energía con base en vapor para generar energía adicional. También son descritos procesos para regular la relación oxígeno/vapor en los gases a ser empleados en la unidad gasificadora de carbón. Como se anotó antes, el término "gasificación de carbón" es un término muy amplio usado para describir la conversión de carbón en una corriente de gas combustible. Un número de procesos de gasificación de carbón son practicados comercialmente en configuraciones de reactores ampliamente diferentes bajo un amplio rango de condiciones de proceso. La mayoría de estos procesos requieren vapor y oxígeno a diferentes presiones que fluctúan desde cerca de la presión atmosférica hasta 42.22 Kg/cm2 y en relaciones molares de vapor a oxígeno de 1 a 8. En la mayoría de los casos, las presiones de gasificación serán de más de 21.11 Kg/cm2 manométricos y las relaciones molares de vapor a oxígeno de menos de 2. En esta invención, el proceso de producción de oxígeno por transporte de iones puede ser aplicado a cualquiera de estos procesos de gasificación de carbón u otros procesos corriente abajo como se describe más adelante. La necesidad del mezclado se puede apreciar de la siguiente discusión. En sistemas típicos la presión del aire de alimentación raramente excederá los 21.11 Kg/ctnr y el contenido de oxígeno de la admisión al separador será entre 16 y 18%. Por lo tanto, la presión parcial de oxígeno en la entrada al separador estará por debajo de 3.38 a 3.8 Kg/cm . Bajo estas condiciones la presión parcial de oxígeno más alta posible en la corriente de salida del permeado es menor que estos valores. Si el reactor de gasificación requiere una presión mínima de vapor-oxígeno de 25.7 Kg/cm2 abs., la relación vapor-a-oxígeno más baja posible es de menos de (25.7-3.8)/3.8, lo que es igual a 0.405. Puesto que estos son valores limitantes, consideraciones prácticas requieren mezclado en casi todos los casos. Las temperaturas elevadas de operación hacen a los procesos de transporte de iones, de acuerdo con la presente invención, muy adecuados para la integración con procesos de alta temperatura tales CCOTO ciclos de gasificación de carbón y energía térmica y permiten reducciones substanciales en el costo del oxígeno requerido por el proceso de gasificación. En la configuración de proceso de esta invención, el módulo de transporte de iones oxígeno está desacoplado térmicamente del gasificador de carbón. Así, cada sección puede operar en sus respectivas temperaturas óptimas de operación. También, la caida de presión a través de la membrana de transporte de iones por sí misma será relativamente pequeña. -Así una integración tal como la descrita en la presente no deberá afectar adversamente la eficiencia y rendimiento de ciclos disponibles sino más bien aumentar su eficiencia y efectividad de costo combinando económicamente la generación de vapor y oxígeno. La presente invención emplea uno o más módulos de transporte de iones, por lo menos uno de los cuales usa vapor como una corriente de gas de purga, y produce una corriente de gas que contiene vapor y oxígeno, ambos de los cuales son necesarios para la gasificación de carbón u otras aplicaciones corriente abajo. Además, la corriente de gas retenido de los módulos de transporte de iones contiene suficiente oxígeno para ser usado en la generación de energía. Esta generación de energía puede estar basada en tecnologías tales como turbinas de gas, turbinas de vapor o una combinación de las mismas. Si se usan turbinas de gas para generación de energía, no son necesarias modificaciones a la turbina de gas, puesto que único cambio es que se usa una corriente de gas que contiene oxígeno con un contenido menor de oxígeno que el aire. Además, el aporte de calor requerido en varios puntos en las configuraciones del proceso puede ser proporcionado usando quemadores tradicionales o de transporte de iones, calentadores a fuego o eléctricos, o reactores-calentadores de transporte de iones tales ccmo los descritos con más detalle en la solicitud de E.U., Serie No. 08/848,204, presentada el 29 de abril de 1997, la cual se incorpora en la presente mediante referencia. La Fig. 1 es una modalidad de la invención que tiene un módulo de separación de oxígeno basado en transporte de iones instalado entre el compresor de alimentación y el gasificador de carbón. Durante la operación, la corriente 1 de gas de alimentación que contiene oxígeno (típicamente aire) es comprimida en el compresor 2 para producir la corriente 3 de gas comprimido. Preferiblemente, por lo menos una porción 53 de la corriente 3 de gas comprimido es calentada en el cambiador de calor 54 contra la corriente de gas 50. La corriente de gas 3 es calentada a la temperatura requerida por la membrana transportadora de iones en el calentador 5, el cual puede ser un calentador convencional, un quemador, o un quemador/calentador de transporte de iones, para producir la corriente 6 de gas calentado. -Alternativamente, se puede agregar combustible directamente a la corriente 6 y llevarse a cabo la combustión en el módulo 7 de transporte de iones para generar calor in situ. La corriente de gas 6 entra entonces al módulo 7 de transporte de iones que emplea una membrana transportadora de iones que tiene un lado 7a de retenido y un lado 7b de permeado. El módulo 7 de transporte de iones separa oxígeno de la corriente 6 de gas que contiene oxígeno para producir la corriente 16 de gas permeado y la corriente 8 de gas retenido enriquecido con nitrógeno. Al mismo tiempo, la corriente de gas 15 que contiene vapor es usada para purgar el lado de permeado 7b de la membrana transportadora de iones 7; por lo tanto, la corriente de gas 16 contiene ambos vapor y oxígeno. Si la corriente de purga del lado de permeado está a una presión mayor que la presión del gasificador, la corriente de gas 16 puede ser dividida en una primera corriente de porción 17 y una segunda corriente de porción 18 como se muestra en la Fig. 1. Después de un ajuste opcional de su temperatura por calentamiento o enfriamiento (no mostrado), la corriente 17 se mezcla con la corriente 24 de oxígeno puro en la relación vapor-a-oxígeno requerida por el proceso de gasificación de carbón e inyectada al gasificador de carbón 27 cerno la corriente 26. I-a corriente 24 de oxígeno puro mezclada en la corriente 17 puede venir de diferentes fuentes. -La modalidad ilustrada recupera oxígeno de la corriente 18, la segunda porción de la corriente 16 de vapor oxígeno. La corriente 18 es enfriada en los cambiadores de calor 58 y 57 para producir la corriente 19 la cual es enviada a través del condensador 20 enfriado por agua o aire en donde la mayoría del agua contenida en la corriente 19 es condensada para producir la corriente 21. La corriente 21 es separada en el separador 22 en agua 25 y en la corriente de oxígeno saturado con agua 23 la cual es calentada recuperativamente en los cambiadores de calor 57 y 58 para producir la corriente 24 adecuada para mezclarse con la corriente 17 para producir la corriente mezclada 26. En otra modalidad, mostrada en linea punteada, la segunda porción de la corriente 16 de vapor-oxígeno es dirigida como corriente 38 a la turbina 39 para generar energía por expansión para formar la corriente expandida 40, enfriada después en el cambiador de calor 57, condensada turbina 39 para generar energía por expansión para formar la corriente expandida 40, enfriada después en el cambiador de calor 57, condensada en el condensador 20, y separada en agua y oxígeno como se describió en la primera modalidad. En esta modalidad, sin embargo, el oxígeno estará a una presión por arriba ligeramente de la atmosférica y la corriente 23, dirigida como corriente 41, es enfriada además en el enfriador 42 y comprimida entonces por el compresor 43 de oxígeno para producir la corriente 14 de oxígeno comprimido la cual es adecuada para mezclarse con la corriente 17 después de calentarse en el cambiador de calor 58 para producir la corriente mezclada 26. Esta segunda modalidad es más eficiente energéticamente que la primera, porque parte del calor gastado en generación de vapor es recuperado como energía, pero tiene la complicación de cambiadores de calor agregados y un compresor de oxígeno agregado. Es posible que la segunda -modalidad sea preferida por las relaciones menores vapor-a-oxígeno en donde más del oxígeno requerido es proporcionado por la corriente de mezcla de oxígeno, para sistemas más grandes, y para costos de combustible más altos. Una tercera modalidad para generar oxígeno puro para propósitos de mezclado incluye la instalación de un segundo separador 48 de transporte de iones opcional en paralelo con el separador 7 de purga de vapor. En este caso, la corriente de aire de alimentación es dividida en la corriente 47 y la corriente 6. El volumen de la corriente 47 puede ser regulable mediante una válvula (no mostrada). La corriente 47 entra al separador 48 y es separada en una corriente de per-meado 50 y una corriente 49 de retenido agotada en oxígeno la cual es combinada con la corriente 8 de retenido del separador 7. La corriente 50 de oxígeno es enfriada en el cambiador de calor 54 y el enfriador 42 y ccmprimida por el compresor de oxígeno 43 para producir la corriente 14 la cual es calentada en el cambiador 58 para producir la corriente ccmprimida 24 saliente de oxígeno puro la cual es mezclada entonces con la corriente 17 de vapor-oxígeno para generar la corriente 26 deseada de ali-mentación de vapor-oxígeno del gasificador. En esta modalidad toda la corriente 16 de per-meado es dirigida cono corriente 17. Esta configuración minimiza la cantidad de vapor generado a la requerida por el proceso de gasificación a costa de áreas de separador más grandes puesto que una cantidad menor de oxígeno es generada en el separador más eficiente de oxígeno purgado de vapor. Con relación al lado de retenido del separador 7 para las tres modalidades, la corriente 8 agotada en oxígeno es calentada opcionalmente en el quemador 10 usando la corriente 9 de combustibie o un calentador a fuego -indirecto para producir la corriente 11 a la temperatura deseada de admisión a la turbina cuando la corriente 11 es expandida opcionalmente en la turbina 11 para producir energía. Aun después de la expansión, la corriente 13 está suficientemente caliente para ayudar en la generación de vapor 34 en el calentador 36. Después de transferir la mayor parte de su calor utilizable la corriente 14 agotada en oxígeno es desechada típicamente. Opcionalmente toda o una porción de la corriente 13 puede ser empleada en precalentar la corriente 3 de alimentación reduciendo con esto la corriente 4 de combustible requerido para el calentador 5, pero esto incrementaría la cantidad de combustible requerido por el calentador 36. Para completar el circuito generador de vapor, la corriente 25 de agua sondensada se sombina con la corriente 30 de agua de compensación que es llevada a una presión mayor por la bomba 31 o con la corriente 30A de compensación en caso que la presión de condensado de agua esté a niveles ambientales. La corriente combinada de agua de alimentación del calentador es bombeada a la presión requerida por la bomba 32 y calentada en el calentador 55 de agua de alimentación para producir agua de alimentación de alta presión 33 la cual es evaporada en el calentador 36 y super-calentada en los cambiadores de calor 57 y 58. El calor requerido para generar vapor super-calentado 34 es proporcionado por la corriente 13, preferiblemente junto con recuperación de calor útil de los gases producidos en el gasificador como se indica esquematicamente por la corriente 37. En muchos casos es quemado combustible adicional en el calentador 36 para satisfacer el balance de energía. Será aparente a aquellos expertos en el arte cuando es -implementada la presente invención que la integración del proceso requiere un balance cuidadoso de la capacidad calórica disponible son los requerimientos de calor a niveles de temperatura apropiados para permitir la utilización óptima de calor y evitar apuros excesivos en diferencias de temperaturas. la corriente 29 representa alimentación de carbón y la corriente 28 el gas crudo que sale del gasificador 27. Para mayor claridad, detalles adicionales del ciclo gasificador convencional, incluyendo recuperación de calor y purificación, no son mostrados.

Nótese que las necesidades de combustible de la configuración de proseso mostrada en la Fig. 1 pueden ser sumplidas los más deseablemente usando la corriente 28 de gas combustible producido en la unidad 27 gasifisadora de sarbón. Un gas sombustible externo (por ejenplo, gas natural), sin embargo, puede ser usado también. Adenás, si el sarbón 29 contiene cantidades substanciales de compuestos de azufre, puede ser necesario la desulfurización de la corriente 28 de gas combustible para llevarse a cabo. Otras substancias contenidas en el carbón que son detri-mentales al ambiente y/o para el proceso de acuerdo con la presente invención será necesario eliminarlas también. Dependiendo de los rangos de temperatura y presión de operación del transporte de iones, puede tenerse que modificar la conf.igurasión de la Fig. 1. Nótese que en la modalidad mostrada en la Fig. 1, la presión en el lado del ánodo en el módulo de transporte de iones será dictada por la presión a la cual opera la unidad gasificadora de carbón, puesto que no es práctico comprimir la corriente caliente de gas permeado que sale del módulo de transporte de iones. La temperatura de la corriente permeada que contiene vapor y oxígeno que deja el módulo de transporte de iones puede ser más alta que la que se necesita en la unidad gasificadora de carbón, en cuyo caso la corriente per-meada puede ser enfriada (preferiblemente sontra el vapor o el aire de alimentación entrantes) a la temperatura que se necesita en la unidad gasificadora de carbón. Si el módulo de transporte de iones opera a una temperatura más baja que la de la unidad gasifisadora de sarbón, puede ser colocado un calentador entre ellos. También, si el módulo de transporte de iones opera a una presión más alta que la de la unidad gasifisadora de sarbón, puede ser solosada una turbina de vapor entre ellos para expandir parsialmen e la corriente permeada. Materiales adecuados para la membrana transportadora de iones son los conductores mezclados y de doble fase de la Tabla I.

Un material preferido es La1_? S ^Oj e 03_. El substrato poroso puede estar hesho del mismo material o consistir de una o varias sapas de otro material que sean químisamente compatibles son los materiales adyasentes a temperaturas de operasión. Materiales alternos posibles pueden ser óxidos menos saros tales somo sirsona, seria, itria, alúmina o metales tales somo super-aleasiónes sonteniendo cromo-níquel. En la Fig. 2 se presenta una construcción alterna. Esta construcción es mejor adecuada para las presiones altas del reactor, presiones más bajas del lado del aire, y relaciones bajas vapor-a-oxígeno. El aire 201 es comprimido por el compresor de aire 202 a una presión preferiblemente de 1.4 a 21.11 Kg/sm ^ abs. y presalentado opsionalmente en el sambiador de salor 203 para produsir la sorriente 204 de aire sompri-mido. La sorriente 204 es salentada adicionalmente a la temperatura requerida en la admisión del separador de típicamente 600 a 1000° C por combustión directa con el sombustible 206 en el quemador 205. Otras modalidades utilizan diferentes maneras para calentar -como se discutió para la Fig. 1. La corriente 207 de alimentación comprimida calentada en esta construcción es introducida entonces al lado del cátodo del separador de transporte de iones 208 donde una fracsión del oxígeno sontenido es separada mediante transporte de iones al ánodo o lado per-meado. 'Ja sorriente 209 de retenido agotado en oxígeno es salentada después opcionalmente a la temperatura de admisión de la turbina típicamente de 1200 a 1500° C en un quemador 210 con la adición de la corriente 211 de combustible para producir la corriente 212 la cual es expandida en la turbina 213 para produsir energía y una corriente 214 de escape a una presión de 1.05 a 1.4 Kg/cm2 abs. La corriente 214 en esta construcsión es dividida en una primera sorriente 215 de retenido la sual es enviada a la planta generadora de vapor, representada por el calentador 255, para resuperación del salor disponible, después de la sual la sorriente del salentador sale somo la sorriente 218, y una segunda sorriente 219 de retenido la sual es enviada a un separador de transporte de iones 220 purgado reactivamente. El separador 220 funciona como una unidad deoxo que separa el oxígeno residual por transporte de iones al lado del ánodo en donde reacciona con la corriente 223 de sombustible de purga para producir una presión parcial de oxígeno muy baja y aumentando con esto la eliminación de oxígeno. Un pozo de calor para absorber el calor de reacsión está disponible somo resultado de la corriente 219 de menor temperatura debido a la expansión como parte de la sorriente 214. La corriente 221 de retenido es una corriente de nitrógeno producto la sual después de recuperación de calor por el cambiador 203 o alternativamente por la planta generadora de vapor puede ser empleada cerno la corriente 224 como un propulsor para transporte de carbón pulverizado. Los produstos de sombustión de la sorriente 258 seden el calor disponible en el cambiador 203 y es descargada entonces como la corriente 225. Opcionalmente se puede recuperar CO2 de esa sorriente puesto que sontiene prinsipalmente CO2 y agua. Como se indicó antes, el separador 208 es purgado con la sorriente 226 de vapor para aumentar la separación de oxígeno. La corriente de purga es tomada del escape 250 del paso de alta presión de la turbina de vapor 249 y resalentada en el sambiador 251. La sorriente 227 de permeado saliente que sontiene oxígeno y vapor es expandida en el paso 228 de baja presión de la turbina para produsir la sorriente 229 a una temperatura intermedia. La sorriente 229 es super-salentada sontra la corriente 245 de alta presión en el cambiador 257 e introducida después al condensador 231 en donde la mayoría del vapor contenido se condensa para producir la corriente enfriada 232 la cual es separada en el separador 233 en la corriente 239 de agua y gas oxígeno saturado con agua 234. La corriente 234 es enfriada después en un cambiador de calor o enfriador 235 y comprimida entonces en el sompresor 236 de oxígeno a la presión requerida para inyessión al gasifisador 252. Antes de inyectarse al gasifisador 252, la corriente 237 es calentada en el cambiador 203 y mezclada en proporsión sorresta son la sorriente 247 de vapor sobre-calentado de alta presión para alcanzar una relación vapora-oxígeno deseada. El vapor 246 a alta presión se genera mezclando la corriente 239 de agua con agua de compensación 240, bombeando la corriente combinada a la presión requerida por la bomba 241, calentándola en el calentador 242 de agua de alimentación, evaporándola en el calentador 255 y sobrecalentándola en el cambiador de calor 257 a una temperatura suficientemente alta para evitar condensasión de la humedad durante la expansión de la porción 248 de purga en el paso 249 de alta presión de la turbina a vapor. El vapor sobre-calentado 246 de alta presión es dividido en la corriente 248 de purga, la cual es expandida en el paso 249 de la turbina después recalentado y usado para purgar el lado de permeado del separador 208, y la sorriente 247 la sual es mezclada con la corriente 238 de oxígeno. Co o en la Fig. 1, los requerimientos de calor para la generasión de vapor pueden exseder al salor de desperdisio disponible y requerir el quemado de combustible adicional en el calentador. La modalidad presentada en la Fig. 2 tiene varias ventajas. Desacopla la presión requerida en el lado de permeado de la presión del reactor, permite la optimización independiente de las relaciones de purga de vapor, y resulta en un ciólo Rankine eficiente en energía ccmo es ilustrado para un sistema muy similar en la solicitud presentada en común titulada "Producción de Oxígeno por Condustor Ióniso de Electrolito Sólido con Generación de Energía", Keskar et al., (Attorney Docket No. D-20345). Una desventaja es que todo el oxígeno requerido por el proseso es somprimido por compresores de oxígeno en contraste con los sistemas de la Fig. 1 en donde una porción del oxígeno requerido está disponible a la misma presión que el vapor de alta presión. La presente invención puede ser realizada de muchas maneras diferentes. Por ejemplo, la configurasión presente puede ser modifisada fásilmente a desperdisio orgánico gasificado (por ejemplo, desperdicio biológico e industrial) o coque de petróleo, o hidrocarburos oxidados parcialmente. Además, los quemadores y calentadores pueden ellos mismos ser módulos de transporte de iones, reduciendo/eliminando por esto la formasión de NO? . Rangos típicos para parámetros de operación del módulo de transporte de iones son como sigue: Temperatura: típicamente en el rango de 400° C a 1500° C, y preferiblemente en el rango de 600°C a 1200°C. Presión: La presión en el lado de purga estará típicamente en el rango de 3-40 atm, y preferiblemente de 1 a 10 atm. La presión en el lado de alimentación será de 1 a 40 atm. si se necesita nitrógeno presurizado como un producto o si el gas de escape del transporte de iones va a una turbina de gas para generación de energía, 1 a 10 atm. en caso diferente. Conductividad de Iones Oxígeno de la Menbrana Transportadora de Iones: Típicamente en el rango de 0.01-100 S/cm (lS=l/Ohm). Espesor de la Membrana Transportadora de Iones: La membrana transportadora de iones puede ser empleada en la forma de una película densa, o una película delgada soportada en un substrato poroso. El espesor (t) de la menbrana/capa transportadora de iones es típisamente de menos de 5000 misrones, preferiblemente es menor que 1000 misrones, y más preferiblemente es menor que 100 micrones. Configuración: Los elementos de la membrana transportadora de iones pueden ser típicamente tubulares o planares. Aunque los módulos de transporte de iones -impulsados a presión son preferidos por la simplicidad de su diseño, las ideas descritas aquí son aplicables a sistemas que utilizan unidades de separación de oxígeno que emplean condustores de iones oxígeno impulsadas a eléctricamente o impulsadas a presión. Además, se puede hacer uso de optimizaciones con respecto a la selecsión del material de transporte de iones, espesor de película y área de membrana mejor adecuados para esta aplicación. También, para un módulo de transporte de iones dado, la cantidad de oxígeno separado en el módulo de transporte de iones puede ser variada fácilmente de acuerdo con las necesidades variando la presión de la alimentación, la relación de flujo del aire de alimentación, o la temperatura de operación del transporte de iones. Por lo tanto, aspectos específisos de invención son mostrados en uno o más de los dibujos por conveniensia solamente, ya que cada aspecto puede ser sombinado son otros aspectos de acuerdo con la invención. Además, pueden hacerse varios cambios y modificaciones a los ejemplos dados sin apartarse del espíritu de la invención. Por ejemplo, el mezclado de la corriente de oxígeno y vapor junto con la corriente de oxígeno separado puede ser realizado internamente o externamente al proceso de gasificación de carbón. Modalidades alternativas serán reconocidas por aquellos expertos en el arte con base en las enseñanzas de la presente y se intenta que estén incluidas dentro del alcanse de las reivindisaciones.

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES 1. Un proceso para producir una corriente de gas que contiene oxígeno y vapor en una relación deseada, el proceso comprendiendo: (a) somprimir una sorriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental; (b) calentar una corriente de gas de alimentación; (s) separar la corriente de gas de alimentación calentado usando por lo menos un módulo de transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado en una corriente de gas agotado en oxígeno en el lado de retenido y una corriente de gas que contiene oxígeno en el lado de permeado; (d) purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones usando una corriente de gas de purga que sontiene vapor para produsir una sorriente de gas que sontiene oxígeno y vapor; (e) alimentar a un proseso sorriente abajo por lo menos una - primera porsión de la sorriente de gas que sontiene oxígeno y vapor; y (f) mezclar una corriente separada de oxígeno con la primera porción de la corriente de purga para producir una relación vapor- a-oxígeno que es deseable para el proceso corriente abajo.
2. 2. El proceso de acuerdo son la reivindisasión 1, en donde el mezclado incluye enfriar una segunda porción restante de la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor, separando el oxígeno contenido por condensación del agua, y mezclando la corriente de oxígeno resultante con la primera porción de la corriente de purga, en donde la primera y la segunda porciones están en proporción para producir una relación vapor-a-oxígeno que es deseable para el proceso sorriente abajo.
3. 3. El proseso de asuerdo a la reivindisasión 2, en donde el gas de alimentación es aire.
4. 4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 3, en donde la corriente de gas de purga que contiene vapor está a la misma presión o a una presión mayor que la presión en el proceso corriente abajo.
5. 5. El proseso de asuerdo a la reivindisasión 3, en donde por lo menos una porsión de la sorriente de gas agotado en oxígeno es prosesado posteriormente en un segundo módulo de transporte de iones para producir una corriente de gas nitrógeno que tiene una pureza de más de 98% para usarse ccmo un gas de transporte para el proceso corriente abajo.
6. 6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el proceso corriente abajo incluye gasificación de carbón en un gasificador de carbón para producir un vapor de gas combustible, y la corriente de gas nitrógeno es usada como un gas de transporte para carbón pulverizado para el gasificador de sarbón.
7. 7. El proceso de acuerdo con la reivindisación 1, en donde una corriente de gas de vapor es inyestada a un gasifisador de sarbón somo parte del proseso -corriente abajo, y donde la segunda porción de la corriente de gas vapor es expandida en una turbina de vapor para producir una corriente de gas vapor a una presión atmosférica o intermedia y generar energía.
8. 8. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, para producir una sorriente de gas que sontiene oxígeno y vapor para alimentar un gasificador de sarbón para produsir una sorriente de gas sombustible, en donde: la separasión de la sorriente de gas de alimentasión calentado incluye el uso de por lo menos dos módulos de transporte de iones que incluyen membranas transportadoras de iones que tienen un lado de retenido y un lado de permeado en una sorriente de gas agotado en oxígeno en el lado de retenido y una corriente de gas conteniendo oxígeno en el lado de pe-rmeado; el lado pe-rmeado de una de las -membranas transportadoras de iones es purgado usando una corriente de gas de purga que contiene vapor para producir una corriente de gas conteniendo oxígeno y vapor; el oxígeno es separado por lo menos la otra de las membranas transportadoras de iones sin purgar el lado de permeado de la otra membrana transportadora de iones, y después enfriada, comprimida y recalentada la corriente de oxígeno puro resultante; la corriente de oxígeno puro es mezclada son la sorriente de gas que sontiene vapor y oxígeno en donde las dos sorrientes están en proporción para producir la relación de vapor-a-oxígeno requerida por el proceso de gasifisasión de sarbón; y la sorriente de gases mezclados sonteniendo oxígeno y vapor es alimentada a un gasifisador de sarbón para gasifisación de carbón para producir la corriente de gas combustible.
9. 9. Un proseso de asuerdo son la reivindisación 8, en donde los dos separadores de membrana transportadora de iones están instalados en una configurasión de alimentasión en paralelo.
10. 10. El proceso de acuerdo con la reivindicasión 1, para produsir una sorriente de gas que sontiene oxígeno y vapor para alimentar un gasifisador de sarbón para produsir una sorriente de gas sombustible, el proseso comprendiendo además: produsir vapor a una presión elevada requerida para inyessión a un gasifisador de sarbón; expandir una porsión de la sorriente de vapor de alta presión en una turbina a una presión intermedia para producir energía y una corriente expandida conteniendo vapor; separar la corriente de gas de alimentación calentado incluye purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones usando la corriente expandida que contiene vapor para producir una corriente de gas que contiene oxígeno y vapor; enfriar la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor; separar el oxígeno contenido en dicha corriente de gas por condensación del agua; mezclar la corriente de oxígeno resultante con la corriente de vapor a alta presión, restante sin expandir, para producir la relación de vapor-a-oxígeno requerida por el proceso de gasificasión de sarbón; e inyectar la sorriente mezclada resultante conteniendo vapor y oxígeno en la relación correcta al gasificador.
11. 11. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la corriente expandida conteniendo vapor y oxígeno es expandida adicionalmente en una segunda turbina para producir energía antes de separar el oxígeno contenido.