專利名稱：：用固體電解質離子導體體系增強燃燒的方法這是1997年6月5日提出申請的美國專利申請序號08/868,962的繼續(xù)申請。本發(fā)明涉及氧的增強燃燒與氧的分離方法的集成，氧分離方法采用了固體電解質離子導體膜，更具體地，本發(fā)明涉及用稀釋氧物流作為氧化劑，將這些方法集成以提高燃燒方法與經(jīng)濟、效率和與污染相關的問題。許多不同的氧氣分離體系，例如有機聚合物膜體系，已用于從空氣和其他氣體混合物中分離所選擇的氣體?？諝馐且环N可能含有不同量的水蒸氣的混合物，在海平面，空氣具有以下大致組成(體積)氧(20.9％)、氮(78％)、氬(0.94％)，其余由其他微量氣體構成。但是，完全不同類型的膜可能用某些無機氧化物制造。這些固體電解質膜用無機氧化物制成，典型地用鈣-穩(wěn)定的或釔-穩(wěn)定的具有螢石或鈣鈦礦結構的鋯氧化物和類似的氧化物制成。如果橫跨膜施加電位，這些固體氧化物中的某些氧化物在高溫下具有傳導氧離子的能力，也就是說，它們只是電-驅動導體或離子導體。最近的研究工作導致研制的固體氧化物，如果施加化學驅動勢能的話，它們具有在高溫下傳導氧離子的能力。如果施加足夠的氧分壓以提供化學驅動勢能，這些壓力驅動離子導體或混合導體可用作從含氧氣流中提取氧的膜。由于這些物質對氧的選擇性是極大的，并且氧流可以達到比普通膜一般高幾個數(shù)量級，因此使用這些離子傳輸膜生產(chǎn)氧會非常吸引人。盡管這些氧化陶瓷材料作為氣體分離薄膜的潛力是巨大的，但在其使用時還是存在某些問題。最顯而易見的困難是所有已知氧化陶瓷材料僅在高溫時才具有明顯的氧離子傳導性。它們必須在500℃以上，通常在600-900℃范圍內(nèi)才很好地操作。盡管大量研究工作發(fā)現(xiàn)了在較低的溫度下工作得很好的材料，但這一局限性依然存在。在Prasad等人申請的題為“分級電解質膜”(StagedElectrolyteMembrane)的美國專利5,547,494中，更詳細地說明了固體電解質離子導體技術，該文件作為參考文獻列于本文，以更全面地說明該技術狀況。但是，燃燒過程通常在高溫下操作，因此，有可能將離子傳輸體系與氧增強燃燒方法有效地集成，本發(fā)明包括將離子傳輸體系與氧增強燃燒方法集成的新流程。最普通的燃燒方法使用最方便充足的氧源，即空氣。空氣中存在的氮并不有利于燃燒過程，相反地，可能產(chǎn)生許多問題。例如，氮與氧在燃燒溫度下反應，生成氮氧化物(NOx)，它是一種不希望的污染物。在許多情況下，必須處理燃燒產(chǎn)物以使氮氧化物的排放量減少到在環(huán)境可接受的限制之下。此外，氮的存在增加了煙氣體積，這樣又增加了通過煙氣中的熱損失，降低了燃燒方法的熱效率。為了減少這些問題，富氧燃燒(OEC)已經(jīng)在工業(yè)上應用多年。富氧燃燒有幾個好處，其中包括排放減少(特別是氮氧化物)，能效增加，煙氣體積減少，燃燒更清潔更穩(wěn)定，增加在下游循環(huán)中熱力學效率的潛力。但是，OEC的這些優(yōu)點必須權衡為這種應用而必需生產(chǎn)的氧的成本。因此，OEC市場需要主要取決于生產(chǎn)富氧氣體的成本。人們估計，如果富氧氣體的成本能降低到約每噸15美元，OEC新市場需要每天高達100,000噸氧。采用離子遷移膜的氣體分離方法似乎有達到這一目標的希望。在H.Kobayashi所著的《富氧燃燒體系性能研究》(OxygenEnrichedCombustionSystemPerformanceStudy)第1卷《技術與經(jīng)濟分析(TechnicalandEconomicAnalysis)》(Report#DOE/ID/12597)，1986年和第2卷《市場評估(MarketAssessment)》(Report#DOE/ID/12597-3)，1987年(聯(lián)合碳化物公司-林德分公司，美國能源部報告，華盛頓)中，詳細討論了OEC。用于從氣流中分離氧的離子遷移導體技術相關文獻包括Hegarty在題為《由渦輪機發(fā)電生產(chǎn)副產(chǎn)品氧的方法》的美國專利4545787中涉及一種用壓縮熱空氣流發(fā)電的方法，該方法是從空氣流中去除氧、讓一部分得到的空氣流與燃料流燃燒、將燃燒流出物與另一部分得到的空氣流合并，再讓最終燃燒產(chǎn)物通過渦輪機膨脹發(fā)電。Hegarty提到使用銀復合膜和復合金屬氧化物固體電解質膜用于從空氣流中除去氧。Kang等人在題為《集成的高溫生產(chǎn)氧的方法》的美國專利5516359中涉及用固體電解質離子導體膜從加熱的壓縮空氣中分離氧的方法，其中讓非滲透產(chǎn)物進一步加熱，并通過渦輪機發(fā)電。Mazanec等人在題為《使用含Bi混合金屬氧化物的膜從含氧氣體中分離氧的方法》的美國專利5160713中公開了可以用作氧離子導體的含鉍材料。有關富氧燃燒或增強燃燒(OEC)的出版物包括由H.Kobayashi和H.Kobayashi、J.G.Boyle、J.G.Keller、J.B.Patton和R.C.Jain所著的上述美國能源部報告，《富氧燃燒體系在工業(yè)爐應用中的技術與經(jīng)濟評價》(TechnicalandEconomicEvaluationofOxygenEnrichedCombustionSystemsforIndustrialFurnaceApplications)，登載于1986年工業(yè)燃燒技術討論會論文集，芝加哥，伊里諾斯州，1986年4月29-30日，M.A.Lukasiewice編輯，美國金屬協(xié)會，MetalsPark，俄亥俄州，該出版物討論了氧-增強燃燒體系的各種技術和經(jīng)濟問題。富氧燃燒在工業(yè)上已應用，使用的氧是采用低溫蒸餾的方法生產(chǎn)的，或者采用像變壓吸附(PSA)之類的非低溫方法生產(chǎn)的。所有這些方法都是在100℃或低于100℃時操作的，因此，這些方法難以與燃燒方法熱集成。當熱電廠的鍋爐燃燒氧和燃料時，在達到最新技術發(fā)展水平的低溫裝置中分離空氣所需的動力是非常大的，消耗了約16％單循環(huán)蒸汽鍋爐發(fā)電廠生產(chǎn)的總電力。用于空氣分離所需要的壓縮空氣是這種電廠需要的主源。對于大多數(shù)鍋爐應用來說，氧氣太貴了，難以使用。在典型的空氣-燃料燃燒鍋爐的操作中，空氣在幾英寸H2O壓力下送到在近大氣壓力下操作的燃燒室中。由于壓縮空氣需要很多的電力，由此損失了發(fā)電效率，因此將空氣壓縮到甚至表壓的幾磅/平方英寸(psig)低壓也太昂貴了。使用陶瓷膜的一個實際問題是不能控制在陶瓷接合點和通過陶瓷膜管裂縫處的滲露所造成的問題。當在高溫下使用時，陶瓷材料易于形成應力裂縫，特別是在改變溫度條件時更是如此。因此，人們特別希望研制一種堅固的陶瓷膜體系，該體系盡管由于熱的和機械的應力而產(chǎn)生陶瓷膜管裂紋，但也能繼續(xù)有效和高效率地操作。因此，本發(fā)明的目的是提供一種富氧燃燒的方法或部分氧化的方法，在該方法中，將空氣在接近大氣壓下送入陶瓷膜組件中，該方法需要的電力比現(xiàn)有的常規(guī)方法少得多。本發(fā)明的另一個目的是將在燃燒過程中由于加熱氮氣而使生成的NOx和熱損失降至最少。本發(fā)明的另一個目的是從離子遷移膜組件中回收富氮氣體，作為副產(chǎn)品使用。本發(fā)明的另一個目的是生產(chǎn)用于回收的富含二氧化碳的煙道氣。本發(fā)明包括采用含低濃度氮的氧化劑進行燃燒或部分氧化的方法。將含氧的氣體送入離子遷移組件，該組件包括離子遷移膜，該膜有帶第一種壓力的保留面和帶第二種壓力的滲透面，在滲透面上分離純化的氧氣流，相應地在保留面上貧化氧，以得到貧氧的氣流。讓含有低濃度氮的吹洗氣流通過滲透面，得到含有約80％以下氧的氧化性氣流。然后氧化性氣流和燃料進入燃燒室或反應室，產(chǎn)生熱量和燃燒產(chǎn)物或部分氧化產(chǎn)物。在一個優(yōu)選的實施方案中，空氣用作含氧的氣體。第一種壓力與第二種壓力的比低于4.78，優(yōu)選地是0.5-4.0，更優(yōu)選地是0.8-2.0，最優(yōu)選地0.9-1.5。氧化性氣流含有1-40％氧，更優(yōu)選地是2-15％氧，最優(yōu)選地3-10％氧。吹洗氣含有10％以下的氮，優(yōu)選地是5％以下的氮。氧化性氣流的溫度優(yōu)選地高于500℃流送入燃燒室或反應室而不需大大冷卻。由下述優(yōu)選的實施方案及其附圖的說明，本
技術領域：
的技術人員將能了解本發(fā)明的其他目的、特點或優(yōu)點，其中圖1是說明將離子遷移生產(chǎn)氧氣與富氧燃燒和下游過程集成的示意圖；圖2是說明與圖1相似的將離子遷移生產(chǎn)氧氣與富氧燃燒和下游過程集成的示意圖；圖3是與圖2相似的示意圖，其中燃燒室與離子遷移組件集成；圖4是說明離子遷移過程、燃燒室和下游過程如何集成為單個組件的示意圖；圖5是說明離子遷移過程、燃燒室和下游過程集成為單個組件的實施方案的示意圖；以及圖6是說明兩個獨立離子遷移膜方法的實施方案示意圖，在兩方法之一沒有采用煙道氣再循環(huán)?，F(xiàn)在結合附圖詳細地說明本發(fā)明，其中用相同的標號表示相同的元件。本發(fā)明公開了方法布局，它能夠將離子遷移生產(chǎn)氧與富氧燃燒(OEC)以經(jīng)濟上誘人地進行集成。盡管離子遷移膜的壓力驅動方法由于其設計簡單而是優(yōu)選的，但這里描述的概念能應用于膜體系，該體系或者使用有電極和供電子返回的外部電路的僅是離子導體的膜，或者使用混合的導體薄膜。目前工業(yè)上生產(chǎn)氧的方法典型地在100℃以下的溫度進行。由于這種低的溫度，它們并未能通過與OEC方法集成而獲得很高的效率。高溫操作(通常高于600℃)使離子遷移方法本身就非常適合與高溫方法如用氧的燃燒集成。另外，將看到燃燒排出的煙道氣能夠用來增強離子遷移膜的性能。傳統(tǒng)生產(chǎn)氧的方法(例如PSA、TSA或基于膜的方法)不能很容易地利用排出的煙道氣，因為它們離開燃燒室時溫度很高。本方法布局的實質是離子遷移膜，這種膜使用固體氧離子傳導膜或混合傳導薄膜，以從含氧的氣體，典型地(但也不是必需地)從空氣中分離氧，并將這種分離的氧用于包括(但并不限于)富氧燃燒的下游過程中。為了減少離子遷移膜中滲透面上的氧分壓，使用一種貧氧氣體(例如來自燃燒過程或任何下游過程的廢氣)作為吹洗氣流。這樣吹洗大大增強了跨過離子遷移膜的驅動力，得到高氧流和較低膜面積的要求。甚至在原料氣體流處于相當?shù)偷膲毫r也會有這些好處，因此體系所需動力減少到了對實際應用有利的程度。燃燒排出氣體的再循環(huán)也是有好處的，因為它提供了在控制燃燒室中的溫度和使生成的NOX降至最少(例如，由未過濾的環(huán)境空氣中的氮生成)方面很重要的稀釋流。還可通過向進入氧氣分離器的煙道氣中加入燃料來提高本方法的效率。這樣進一步降低了在滲透面上的氧分壓，導致在離子遷移分離器中更高的氧流。在本發(fā)明的某些具體實施方案中，離子遷移組件還可起到燃燒室的作用，因此不再需要一個分開的燃燒室，除非這種應用不要求燃燒室出來的氣流高于1100℃，這是許多現(xiàn)有離子遷移膜組件的最高操作溫度。應該注意，離子遷移組件的溫度維持在操作范圍內(nèi)所需要的熱量可來自本
技術領域：
的技術人員已知的各種熱源，其中包括例如在后燃室中產(chǎn)生的熱量，尤其是再循環(huán)的熱燃燒產(chǎn)物氣體產(chǎn)生的熱量。在大多數(shù)混合導體中，在相關的操作溫度下，電子導電性大大超過了氧離子導電性，氧從一側到另一側的總遷移受氧離子導電性的控制。在螢石和鈣鈦礦晶體結構中鑒定出大量潛在的混合導體。人們已廣泛研究了離子遷移膜的性能(例如，燃料電池)，并可以精確地進行模擬。表1部分列出了用于氧分離的有關混合導體。表1<圖1是說明將離子遷移生產(chǎn)氧與富氧燃燒集成的示意圖。在操作中，含有元素氧的原料氣流1，通常是空氣，在鼓風機或壓縮機2中壓縮到較低的壓力，以得到壓縮原料氣流3，氣流3在換熱器33中以逆向廢氣流31和產(chǎn)物氮氣流37加熱，得到溫的原料氣流4?？蓮臒釟饬?分出氣流28，用在還可能有的后燃室26中，留下原料氣流5，氣流5還可在加熱器34中加熱，得到熱原料氣流6。然后熱原料氣流6進入使用離子遷移膜7的離子遷移組件35的進料側，離子遷移膜7有一個保留面7a和一個滲透面7b。在離子遷移組件35中除去熱原料氣流6中的一部分氧，出來的氣流8成為相對于原料氣流1來說是富氮的氣體。用含有燃燒產(chǎn)物的吹洗氣流9吹洗離子遷移膜7的滲透面7b。滲透氣流10含有氧，該氣流10在以后與燃料氣流11混合?？諝?、氧氣或富氧空氣流12能夠還可被加到氣流10中?？扇細饬?3在通過還可有的鼓風機(未繪出)之后，再進入燃燒室14。任選地或是除燃料氣流11之外，或是代替燃料氣流11，燃料氣流15可以直接加入燃燒室或爐14以產(chǎn)生熱量，并將熱量轉移給爐料或換熱器表面。通過在接近化學計算量的條件或略微富含燃料的條件下操作燃燒室14，可以使廢氣流16的氧濃度保持在很低的水平。在這個具體實施方案中，來自燃燒室14的廢氣流16分成兩部分，氣流17和氣流18。氣流18還可用在下游過程19中，該過程要求輸入熱量，來自下游過程19的相對較冷的廢氣流20也可以分成兩部分，廢氣流21和廢氣流22?？上驈U氣流21中加入燃料氣流25，得到氣流38?？赏鶜饬?8加入氣流17，得到氣流9，氣流9進入離子遷移組件35，并用于吹洗離子遷移組件7的滲透面7b。盡管在這里沒有繪出，氣流17或燃燒室14可通過熱交換用來加熱原料空氣3和/熱氣流5，得到熱原料氣流6，而不是用換熱器33和/或可能有的加熱器34。廢氣流22還可進入任選的后燃室26，在那里還可加入空氣流27或氣流28，得到熱的廢氣流29。熱的廢氣流29可變成氣流30或氣流31。如上所述，在換熱器33中使用氣流31加熱壓縮的原料氣流3，得到廢氣流32。如果氮不作為副產(chǎn)品使用以及如果廢氣流30的溫度足夠高的話，氣流30可與富氮的保留氣流8混合。當保留氣流8處于比廢氣流30更高的壓力時，為了得到保留氣流36，在保留氣流8與氣流30混合之前，必須用膨脹閥23釋放保留氣流8的多余壓力。當氣流8的壓力超過2個大氣壓時，用膨脹渦輪代替膨脹閥23，以獲取旋轉軸功或發(fā)電是有利的。如果想讓保留氣流24作為富氮產(chǎn)物氣流，氣流36與30就不要混合起來。在離子遷移組件35中使用貧氧的吹洗氣流9將大大降低離子遷移膜7的滲透面7b上的氧分壓，并能使氧迅速地通過膜7遷移。為了達到本發(fā)明的優(yōu)點，可在圖1顯示的任何點或所有點將燃料氣流11、15和25加入本方法布局中；使用至少一條燃料氣流對本發(fā)明來說是必不可少的。例如，可能希望在離子遷移組件35的上游加燃料氣流25，以大大降低離子遷移膜7滲透面7b上的氧分壓。由于燃料燃燒，這會導致在離子遷移組件35中產(chǎn)生一些熱量，因此抵消了氧遷移過程需要的一些熱量。在這種情況下，從離子遷移組件35出來的富氮氣流8可能變得更熱。這樣會使換熱器33傳熱更有效，從而減少了所需要的熱交換面積，可能去掉在離子遷移組件35上游的加熱器34。如果能在離子遷移組件35中，在離子遷移組件7的吹洗或滲透面7b上燃燒足夠的燃料的話，還可能會去掉分開的燃燒室14，也就是說，離子遷移組件35還可用作燃燒室(如圖3所述)。在這樣一種情況下，可以實現(xiàn)系統(tǒng)大大簡化，成本也大大降低。反應性吹洗設備在1995年12月5日提出的美國序號為08/567699的申請，《用于固體電解膜氣體分離的反應性清洗》(ReactivePurgeforSolidElectrolyteMembraneGasSeparation)中已公開，此文作為參考文獻列于本文。采用反應性吹洗的離子遷移組件優(yōu)選布局在1997年4月29日提出的美國序號為08/848204的申請，《固體電解離子導體反應器設計》(SolidElectrolyteIonicConductorReactorDesign)中已公開，此文作為參考文獻列于本文。這兩件申請與本申請是共有申請。使用微富含燃料的混合物操作燃燒室14可能是有利的，因為這將導致加入滲透氣流10的燃料部分氧化，從而產(chǎn)生含有氫氣和一氧化碳的廢氣流16。如上所述，氣流17還可用于吹洗離子遷移組件7的滲透面7b。應該注意，氫氣是強還原性氣體，其反應性比許多其他氣體燃料高，并且在離子遷移組件中存在的氫氣將導致離子遷移組件7吹洗面7b上的氧分壓特別低，這會使氧更迅速地通過離子遷移組件遷移。當然，作為燃料氣流25加入氫氣也會得到相似的結果，但是，由于氫氣是相當貴的燃料，因此使用氫氣作為燃燒室14的富含燃料的氣體是不合算的。由于氫氣是作為過程循環(huán)的一部分而得到的，那么如上所述，燃燒室14富含燃料的氣體的使用，就避免使用預先制得的氫氣。但是，在富含燃料條件下燃燒室14的運行可能造成含有一氧化碳和氫氣的廢氣流18和22，如果這兩種氣體的濃度低的話，就能簡單地將它們排放到大氣中。如上所述，但是，如果一氧化碳和氫氣濃度足夠高，可能的是安裝后燃室26(可能是催化的)，向其中加入過量空氣27，以燒盡一氧化碳和氫氣。熱原料氣流4中的氣流28還可加到后燃室26中，以滿足后燃室的需要。值得指出的是，燃燒產(chǎn)物作為吹洗氣流9再循環(huán)的優(yōu)點，因為離子遷移組件7對氧氣的選擇性很大，所以有可能限制氣流13在燃燒室14中的溫度升高，不需多余的空氣，從而從燃燒過程中排除了氮氣，這基本上消除生成NOx。這種協(xié)同效應是本發(fā)明的基本原理，并且是本發(fā)明許多具體實施方案的一個特點。在本發(fā)明中使用的離子遷移組件操作參數(shù)的典型范圍如下。溫度典型地在400-1000℃范圍內(nèi)，優(yōu)選地是400-800℃。壓力吹洗面壓力典型地在1-3大氣壓范圍內(nèi)。如果氮氣不是副產(chǎn)品，加料面壓力為0.8-3大氣壓。如果氮氣是副產(chǎn)品，則壓力是1-20大氣壓。離子遷移膜的氧離子導電性(μi)典型地在0.01-100西門/厘米范圍內(nèi)(1西門＝1/歐姆)。離子遷移膜的厚度可使用以多孔襯底載帶的致密膜或薄膜狀的離子遷移膜。離子遷移膜/層的厚度(t)典型地小于5000微米；優(yōu)選地小于1000微米，最優(yōu)選地小于100微米。結構離子遷移膜元件可是管狀或平面狀的。如上所述，在此所述的實施例中使用了非對稱的或復合離子遷移膜(即壓力驅動膜)。下述特性基于在本發(fā)明中可能使用的這樣一些膜在文獻中所報導的典型值。有效膜厚度20微米離子導電性，μi0.5西門/厘米操作溫度800℃襯底孔隙度40％已運用標準的數(shù)學模型確定圖1所示方法的操作條件，即在各個不同的點所需要的膜面積和輸入的電能和熱能。這個實施例模擬采用圖1布局的方法，本實施例僅用于說明的目的，而不是試圖優(yōu)化方法的布局。不試圖優(yōu)化的主要原因是優(yōu)化通?；诮?jīng)濟方面的考慮，離子遷移膜體系商品遠未成熟，這樣的體系不能可靠地估計成本。參看圖1，本實施例的燃料僅作為燃料氣流11加到過程中。此外，還可不考慮氣流17，也就是說，氣流16和18是相同的。此外，氮并不作為副產(chǎn)品，從用解壓閥23減少保留氣流8的多余壓力之后得到的保留氣流36與從廢氣流29取出的氣流30混合。但是，通常，降低保留氣流8的壓力，或者在換熱器33上游向保留氣流8加入氣流30都不是有效的。由于廢氣流22不含一氧化碳和氫氣，所以不安裝后燃室26。實施例依據(jù)下游過程需要以5百萬英國熱量單位(BTU)/小時輸入熱量。</tables>psia絕對磅/平方英寸SCFH標準立方英尺/小時圖2是與圖1相似的示意圖，該圖說明了使用催化后燃燒室的另一種更有效的方法。在操作中，含有元素氧的原料氣流41，通常是空氣，在鼓風機或壓縮機42中壓縮到較低的壓力，從而得到壓縮的原料氣流43，該氣流以逆向熱廢氣流40和產(chǎn)物氮氣流64在換熱器73中加熱，得到溫的原料氣流44。氣流70可由溫的原料氣流44分出來，并可在還可有的后燃室49中使用，留下的原料氣流74還可在加熱器75中被加熱，得到熱原料氣流45。然后，熱原料氣流45進入離子遷移組件46的進料面，組件46使用了有保留面47a和滲透面47b的離子遷移膜47。在離子遷移組件46中除去在熱原料氣流45中的一部分氧，出來的氣流48變成相對于原料氣流41來說富含氮的氣流。用含有燃燒產(chǎn)物的吹洗氣流79吹洗離子遷移膜47的滲透面47b。滲透氣流50含有氧，該氣流50以后與燃料氣流51混合。還可向氣流50加入空氣、氧氣或富氧空氣流52。燃燒氣流53在通過還可有的鼓風機(未繪出)后進入燃燒室或爐54。任選地或除燃料氣流51之外，或代替燃料氣流51，燃料氣流55可直接加入燃燒室54。在燃燒室或爐54中，熱量轉移給爐料或傳熱表面。通過在接近化學計算量的條件或略微富含燃料的條件下操作燃燒室54，可以使廢氣流56中的氧濃度保持在低的水平。來自燃燒室54的廢氣流56可分成兩部分，氣流57和氣流58。氣流58用在下游過程59中，該過程要求輸入熱量，來自下游過程59的較冷的廢氣流60也可以分成兩部分，廢氣流61和廢氣流62?？上驈U氣流61中加入燃料氣流65，得到氣流78。可將氣流78加到氣流57中，得到氣流79，氣流79進入離子遷移組件46，并用于吹洗離子遷移組件47的滲透壁47b。廢氣流62還可分成兩部分，熱的廢氣流40和氣流77。如上所述，在換熱器73中使用熱的廢氣流40，以加熱壓縮的原料氣流43，得到廢氣流74。如果氮不作副產(chǎn)品使用，如果廢氣流77的溫度足夠高的話，氣流77可與富氮保留氣流48混合在一起。這個步驟的原因是通過在后燃室69中經(jīng)燃燒除去廢氣流62中任何未反應的燃料，并產(chǎn)生提高換熱器73效率的熱能。保留氣流48可能處于比廢氣流77有更高的壓力，在將保留氣流48與氣流77混合得到氣流80之前，可能需要用膨脹閥63釋放保留氣流48的多余壓力，以得到保留氣流76。將氣流80送入還可有的后燃室69，在那里還可加入氣流70，得到熱廢氣流39。在這種情況下，人們需要確定氣流80含有足夠的燃燒用氧，以便進行完全燃燒。如上所述，來自溫原料氣流44的氣流70可任選地加入到后燃室69中，以確保完全燃燒。應該注意，將來自離子遷移組件46與下游過程59的廢氣混在一起，增加了混合流的流量。這就提高了在換熱器73中的容量比，并提高了向壓縮原料氣流43傳熱效果。如果使用了后燃室69，產(chǎn)物氣流64將含有氧氣(過量使用以保證完全燃燒)和燃燒產(chǎn)物，產(chǎn)物氣流64通常作為廢氣流廢棄。正如圖1所示的本發(fā)明的具體實施方案的情況，在離子遷移組件46中使用貧氧的吹洗氣流79將大大降低離子遷移組件47的滲透面47b上的氧分壓，并能夠使氧通過膜47迅速遷移。為了達到本發(fā)明的優(yōu)點，燃料氣流51、55和65能夠在圖2示出的任何點或所有點加入到本方法布局中，使用至少一條燃料氣流對本發(fā)明來說是必不可少的。像以前一樣，可能希望在離子遷移組件46的上游加燃料氣流65，以大大降低離子遷移膜47的滲透面47b上的氧分壓。由于燃料燃燒，這還會導致在離子遷移組件46中產(chǎn)生一些熱量，因此抵消了氧遷移過程中需要的一些熱量。在這種情況下，從離子遷移組件46出來的富氮氣流48可能變得更熱，這樣會使在換熱器73中傳熱更有效，從而減少了熱交換所需的面積，可能去掉在離子遷移組件46上游的加熱器75。如果在離子遷移組件46中，在離子遷移組件47的吹洗或滲透面47b上能燃燒足夠的燃料的話，還可去掉分開的燃燒室54，也就是說，離子遷移組件46還可用作燃燒室(如圖3所述)。在這樣一種情況下，可以使系統(tǒng)大大簡化，成本也大大降低。正如圖1所示的本發(fā)明具體實施方案的情況，用稍富含燃料的混合物操作燃燒室54可能是有利的，因為這將導致加入滲透氣流50的燃料部分氧化，從而產(chǎn)生含有氫氣和一氧化碳的廢氣流56。如上所述，氣流57還可用于吹洗離子遷移組件47的滲透面47b，并且離子遷移組件46中氫氣的存在將導致離子遷移組件47的吹洗面47b上的氧分壓特別低，這會使氧通過離子遷移組件47更迅速遷移。燃燒室54使用富含燃燒的原料產(chǎn)生了作為過程循環(huán)一部分的氫氣。如上所述，如果一氧化碳和氫氣濃度足夠高，安裝后燃室69(可能是催化的)燒盡一氧化碳和氫氣是可能的。圖3是說明本發(fā)明的另一個實施方案的示意圖，其中燃燒室與離子遷移組件集成，也就是說，離子遷移組件本身就作為燃燒室使用。在操作中，含有元素氧的原料氣流81，通常是空氣，在鼓風機或壓縮機82中壓縮到較低的壓力，得到壓縮原料氣流83，氣流83在換熱器113中以逆向熱的廢氣流116和產(chǎn)物氮氣流93加熱，得到溫的原料氣流95。由溫的原料氣流95分出氣流110，并用在還可有的后燃室109中，留下原料氣流84，氣流84還可在加熱器114中加熱，得到熱的原料氣流85。然后熱原料氣流85進入使用離子遷移膜87的離子遷移組件86的進料面，離子遷移膜87有一個保留面87a和一個滲透面87b。在離子遷移組件86中除去在熱原料氣流85中的一部分氧，出來的氣流88成為相對于原料氣流81來說富氮的氣體。用含有燃燒產(chǎn)物和燃料的吹洗氣流89吹洗離子遷移膜87的滲透面87b。滲透氣流90含有氧，還可向氣流90加入空氣流92，得到氣流98。通過在接近化學計算量的或稍富含燃料的條件下操作離子遷移組件-燃燒室86，可以將廢氣流90中氧的濃度保持在低水平。氣流98用在下游過程99中，該過程需要輸入熱量，來自下游過程99的較冷的廢氣流100也可以分成兩部分，廢氣流101和廢氣流102。優(yōu)選地，可向廢氣流101中加入燃料氣流105，得到氣流89，它進入離子遷移-燃燒室組件86，并用于吹洗離子遷移膜87的滲透面87b。廢氣流102還可分成兩部分，熱的廢氣流116和氣流115。如上所述，在換熱器113中使用熱的廢氣流116，以加熱壓縮的原料氣流83，得到廢氣流117。如果氮不用作副產(chǎn)品，如果廢氣流115的溫度足夠高的話，氣流115可與富氮保留氣流88混合在一起。實施這個步驟的原因是通過在后燃室109中燃燒除去在廢氣流102中任何未反應的燃料，并產(chǎn)生熱量，以提高熱交換器113的效率。保留氣流88可能處于比廢氣流115更高的壓力，在它與氣流115混合產(chǎn)生氣流119之前可逆需要用膨脹閥103釋放保留氣流88的多余壓力，以產(chǎn)生保留氣流118。氣流119還可進入后燃室109，其中還可加入氣流110，得到熱的廢氣流93。在這種情況下，人們需要確定氣流119含有足夠燃燒用氧，以進行完全燃燒。如上所述，來自溫的原料氣流95的氣流110還可被加入到后燃室109中，以保證完全燃燒。應該注意，將來自離子遷移-燃燒室組件86與下游過程99的廢氣混在一起就增加了組合氣流的流量。這就提高了換熱器113的容量比，提高了向壓縮原料氣流83的傳熱效果。如果使用了后燃室109，氣流94將含有氧氣(過量使用以保證完全燃燒)和燃燒產(chǎn)物，氣流94通常作為廢氣流廢棄。在圖3具體實施方案中，在離子遷移-燃燒室組件86中產(chǎn)生的反應熱以對流和/或輻射傳熱方式從燃燒室除去和或消耗在燃燒室中。例如，離子遷移膜87可以呈管狀，反應性的吹洗氣流89在該管內(nèi)流動。因為在呈管狀的離子遷移膜87的吹洗面87b上產(chǎn)生的熱量，管應處于高溫，并作為加熱元件起作用。離子遷移膜87管向保留面87a或滲透面87b輻射，其中可以進行如玻璃熔化或金屬退火之類的過程。另外，一部分在離子遷移組件86中產(chǎn)生的熱量可以用來預熱壓縮原料氣流85和吹洗氣流89，這可能免去對換熱器113和加熱器114的需要。應注意在這種情況下，在離子遷移膜87的滲透面87b(也就是說，有氧化性氣體的面)上放置爐負載。還可能的是將離子遷移-燃燒室組件與煙道(爐)氣內(nèi)循環(huán)集成。如果爐和離子遷移-燃燒室組件在大致相同的溫度(例如800-1200℃)下操作時，那么可以把離子遷移-燃燒室組件可直接地放在爐內(nèi)，只要爐的氣氛是“清潔的”，即不含有任何對離子遷移膜有害的物質。一種實施這種思想的方法示于圖4，在該圖中離子遷移過程、燃燒室和下游過程都集成在單個單元中。原料流132如加熱的空氣射向膜120的陰極面120a，得到熱的貧氧的保留氣流134如氮氣。在離子遷移膜120的滲透面或陰極面120b上示出了下游過程130(例如爐負載)。在這種布局中，燃料氣流121在靠近滲透面120b的地方加入，因此掃凈和/或有效地消耗通過離子遷移膜120遷移的氧氣。在熱區(qū)域138中的燃燒產(chǎn)物可能通過自然對流或強制的對流方式在爐中對著陽極面120b循環(huán)；對于圖4所示的布局，優(yōu)選地以流146a從如用剖面表示的爐130得到燃燒產(chǎn)物流146，和燃料氣流121還可通過多孔的燃料分配器層122加入，而該分配器層與離子遷移膜120的滲透面120b相鄰。優(yōu)選地，分配器層122限定了至少一個通道或室，使得燃料比較均勻地分配通過膜120。含有氧和燃燒產(chǎn)物的反應滲透物136向著爐130通過熱區(qū)域138。優(yōu)選地，一部分熱氮氣140通過閥142為爐130上方提供惰性氣氛。如需要的話，還可以往爐130補加燃料144。在另一種結構中，離子遷移膜120是在爐130外面的分開組件。在外部或集成結構中，可以建立兩-級離子遷移體系，其中用來自第一級的保留氣流吹洗第一級的陽級面，得到稀釋的氧滲透氣流，而第二級的陽極面經(jīng)反應性地吹洗，得到富含燃料的滲透氣流。對于在爐氣氛中使用或不使用熱的氮保留氣流的情況，這兩種滲透氣流都在爐中用于燃燒。當爐的峰值溫度比離子遷移操作溫度高得多時，對于離子遷移操作可以選擇有“合理”溫度的爐子區(qū)域(例如連續(xù)再加熱爐的預熱部分)，或可以建立具有控制溫度的合適熱阱的特定室。例如在鍋爐應用或石油加熱器中，使用爐的熱載荷(即水或油管)得到離子遷移組件的最佳溫度區(qū)域應該是可行的。大量煙道氣可通過這個區(qū)域循環(huán)，連續(xù)地吹洗氧氣，并使氧氣濃度保持在低水平上。低氧氣濃度和高的爐氣循環(huán)達到了與稀的氧氣燃燒方法的協(xié)同作用。本發(fā)明的集成方法有很多優(yōu)點。例如，可以通過使用吹洗的廢氣流從低壓原料氣流提取用于OEC的氧氣，這應該使氧氣分離方法需要較低的電能。因為僅氧氣通過離子遷移膜，流出離子遷移組件的吹洗氣流不加任何氮氣。即使往燃燒混合物加入空氣，或者有意地(例如任選地氣流12)，或者由于滲漏，燃燒混合物中的氮部分應是很少的。這應該使在燃燒室中生成NOx減至最小或不生成NOx。另外，下游過程前后產(chǎn)生的廢氣經(jīng)適當混合，有可能將吹洗進口溫度控制在離子遷移過程所要求的溫度。這樣可以自由地去除對預熱吹洗氣體的需要。此外，如果可以在離子遷移組件中可燃燒所有的燃料，則可以不設置分開的燃燒室單元。這樣應使體系大大簡化，使成本大大降低。而且，如果從離子遷移組件中的原料氣流中除去足夠的氧氣，那么來自離子遷移組件的富氮保留氣流可以用作產(chǎn)品。如果加一些燃料，如燃料氣體流11，這將可能是非常誘人的。如果希望氮作為副產(chǎn)品，將原料氣流壓縮到提供氮產(chǎn)品所要求的壓力可能是有利的。但是，在這種情況下，來自離子遷移組件的保留氣流可不與來自下游過程的廢氣流混合。在這種情況下，可以安裝分離的換熱器，以回收廢氣流的熱量，或可能不打算回收任何熱量，因為通常廢氣流比保留氣體流少得多，也冷得多。因此，使用吹洗氣流降低了在離子遷移膜的滲透面上的氧濃度。從材料觀點來看，降低的氧濃度使得在吹洗面上離子遷移組件和下游組件(例如燃燒室)的設計變得容易得多。沒有吹洗氣流時，在離子遷移膜的滲透面上基本上得到純氧氣。這對安全操作這樣高純度氧氣流提出了很大的挑戰(zhàn)，特別是在高溫下。另外，采用很多技術可容易地控制吹洗廢氣流中的氧濃度例如改變原料氣流的流量、改變清洗氣流的流量(提高燃燒產(chǎn)物循環(huán))、改變離子遷移組件的操作溫度、或改變離子遷移級的膜面積。這些技術在控制分離出的氧的總量方面也是有效的，還能用于負載跟縱的目的。最后，使用離子遷移分離器會不需要獨立的氧發(fā)生器(例如，PSA)，或供氧系統(tǒng)(例如液槽與蒸發(fā)器)。預料這會使投資成本與生產(chǎn)氧的成本大大降低。圖5示出了尤其針對本發(fā)明的具體實施方案。將原料流或空氣232預熱到約500-1000℃適當溫度。原料流或空氣優(yōu)選地含有較高的氧濃度，典型地高于15％的氧。然后將原料流或空氣232引入到離子遷移膜220的保留面220a，通過滲透面220b到達滲透室238，它與主燃燒室或爐230相連接。主燃燒室的溫度由加熱過程的需要所決定，可以高于或低于滲透室238的溫度。爐230中產(chǎn)生的大部分煙道氣作為氣流246循環(huán)到滲透室238中。氣流246使離子遷移膜220的滲透面220b中的氧濃度變低，并提高了通過離子遷移膜220的氧流。作為一種選擇，燃料氣流221可以加到滲透室238，以降低循環(huán)氣流246的氧濃度，和/或反應性地吹洗滲透面220b，還提供熱以使保留面上的空氣溫度升高。滲透室238還可分成兩級離子遷移膜體系，在第一級使用反應性吹洗，而第二級使用煙道氣吹洗(未繪出)。優(yōu)選以高速注入燃料氣流221，通過高速噴射的吸入作用，使來自爐230的熱煙道氣流246適當循環(huán)起來。使熱煙道氣流循環(huán)起來的其他方法包括(但不限于)使用循環(huán)風扇，和使用壓縮煙道氣或氣流的噴射器。除了內(nèi)循環(huán)氣流246之外，或代替內(nèi)循環(huán)氣流246，可以使用外循環(huán)氣流248。在優(yōu)選的實施方案中，來自爐230的煙道氣流247在換熱器260中被冷卻，冷卻端的氣流248壓縮后注入第一個室238中，帶動熱煙道氣流246適當循環(huán)。許多工業(yè)爐都可采用這種方法，如金屬熱處理、鋼的再加熱、玻璃熔化和鋁熔融爐等，而特別適合產(chǎn)生蒸汽的鍋爐和處理流體的加熱爐，如石油加熱器、裂解爐和蒸汽-甲烷重整爐。在本發(fā)明下面描述中，描述了產(chǎn)生蒸汽的方法。但是，這不能認為是對本發(fā)明應用的限制。吹洗氣流優(yōu)選地含有低濃度氮，它通過轉移到達離子遷移膜的滲透面，形成氧化氣流236，該氣流236含有1-40％氧，優(yōu)選地是2-15％氧，更優(yōu)選地是3-10％氧。離子遷移膜220有效地構成兩個有相同或不同壓力的反應性面積的面，有第一種壓力的保留面220a，和有第二種壓力的滲透面220b。第一種壓力與第二種壓力的比小于4.78，優(yōu)選地是0.5-4.0，更優(yōu)選地是0.8-2.0，最優(yōu)選地是0.9-1.5。在從空氣分離氧的一般方法中，使用混合導體離子遷移膜體系，原料空氣必須壓縮到最小壓力為4.78大氣壓，以便在保留面中氧的分壓達到1個大氣壓。因此，為了在滲透面中得到1個大氣壓的純氧，理論上最小壓力比是4.78是需要的。為了產(chǎn)出通過膜的高氧流，實際的體系需要壓力比為10-30，以便達到氧分壓比為2-6。將原料空氣壓縮到10-20個大氣壓需要強大的電能。低壓力比對降低壓縮原料空氣所需要的電能是有利的。在理想化的體系中，第一種壓力與第二種壓力這兩者是相等的，并都是大氣壓力，這樣將需要的電能和在保留面220a與滲透面220b之間的可能氣體泄漏都降至最低。在這樣一種方法中，對原料空氣和吹洗氣體流的壓力要求僅是要克服使氣體流過離子遷移膜組件和爐時的正常壓力降。應該指出，本發(fā)明允許氧滲透通過離子遷移膜，甚至壓力比小于1時也是如此，即保留面的壓力低于滲透面的壓力。這是因為氧滲透由保留面的氧分壓與滲透面的氧分壓的比來驅動。通過讓滲透面中的氧分壓保持較低，有可能達到氧分壓比大于2，同時保持總壓力比接近或小于1。在這樣一種條件下，因陶瓷膜管密封不良或因陶瓷膜管裂紋所引起的氣體泄漏，從滲透面流到保留面，并防止氮滲透到爐230中。為了減少生成NOx和保持在煙道氣中CO2高濃度，可取的是將在爐中的氮濃度保持在10％以下。在滲透室238中，燃料噴射流還可用于將來自爐230的熱煙道氣體循環(huán)到滲透室238中。蒸汽噴射或其他氣體噴射，例如壓縮的冷煙道氣流248，可以用來提供附加的吹洗氣體，并使煙道氣容易通過噴射泵循環(huán)。噴射的燃料與再循環(huán)煙道氣中含有的氧與從離子遷移膜管滲透出來的氧反應，因此降低了滲透室238中的氧濃度，還產(chǎn)生了熱量。鍋爐管、蒸汽過熱器管和/或蒸汽再加熱管還可安裝在滲透室238中作為熱阱，以控制該滲透室的溫度。通過控制原料空氣232的流量，注入該滲透室238中燃料221的流量和再循環(huán)熱煙道氣246的量，可將滲透室238中的膜管溫度優(yōu)選地保持在最佳膜溫度，典型地是600-1000℃。在由燃料燃燒產(chǎn)物221、通過離子遷移膜220轉移的氧和再循環(huán)煙道氣246組成的氧化劑混合物236中的平均氧濃度，在滲透室238出口可以控制在1-40％的氧，優(yōu)選地是2-10％，更有選地是3-10％的氧。這種混合物循環(huán)到燃燒室230，優(yōu)選地是不經(jīng)冷卻循環(huán)到燃燒室230。通過離子遷移膜管保留面的空氣流和在滲透面中的燃料氣流/煙道氣流以逆流方式按排，以便使通過離子遷移膜管的氧流最大。為了提高氧在離子遷移膜中滲透速率，一般最好使在滲透面220b中的氧濃度較低。但是，體積很大的煙道氣必須循環(huán)，以保持這種低的氧濃度。因此，上述范圍是可取的。在爐230中，注入燃料244，并與來自滲透室238的稀釋氧氣流236混合，為的是蒸汽鍋爐輻射部分以通常的方式燃燒得到蒸汽。如H.M.Ryan等人在《稀釋氧燃燒的燃燒器在高溫爐應用中的進展(DevelopmentofDiluteOxygenCombutionBurnerforHighTemperatureFurnaceApplications)》，第四次技術與燃燒或清潔環(huán)境國際會議錄，1997年7月7-10日中描述的稀釋氧燃燒法，美國專利號5076779公開了可達到低NOx排放而熱效率又很高的優(yōu)選燃燒方法。優(yōu)選地，在爐230中產(chǎn)生的50-98％煙道氣循環(huán)到滲透室238，而余下部分循環(huán)到對流換熱設備260，以便產(chǎn)生、過熱和再加熱蒸汽和加熱加料水。煙道氣流249還可通過冷凝換熱器264，以回收煙道氣中的水蒸汽潛熱。由于在冷卻的煙道氣流263中降低的顯熱，除了效率提高之外，對于天然氣燃燒，全部回收煙道氣中的水蒸汽潛熱提供理論上能量改進約10％。由于在煙道氣中高濃度水蒸汽，對于回收潛熱，氧的燃燒比空氣燃燒具有獨特優(yōu)點。例如，在天然氣-氧燃燒的煙道氣中水蒸汽濃度是約65％，露點是約88℃。將煙道氣冷卻到49℃時，水蒸汽濃度降低到13％(體積)?？衫淠s93％水蒸汽。比較起來，在天然氣-空氣燃燒的煙道氣中水蒸汽濃度是約18％，露點是約58℃。將煙道氣冷卻到約49℃時，約41％水蒸汽可被冷凝。要冷凝約77％天然氣-空氣燃燒中的水蒸汽，需要進一步冷卻到32℃。因此，當將高氫/碳原子比的天然氣或燃料與氧一起燃燒時，可使在煙道氣中含有的未預料到的大部分水蒸汽被冷凝。通過冷凝水蒸汽，煙道氣體積進一步降低，還得到可用于回收和生產(chǎn)二氧化碳的富含二氧化碳的氣流。來自保留室的富含氮的熱氣流234通過對流換熱器單元261，以加熱原料水，并且還可提供蒸汽產(chǎn)生、過熱或再加熱所需要的熱量。另外，如圖1-3所示，可以使用這種熱氣流234預熱原料空氣。使用兩級離子遷移膜體系，其中在第一級有反應性吹洗，而第二級有煙道氣清洗，可以生產(chǎn)出高純度的氮氣流。還可以在換熱器(未繪出)中用熱的煙道氣流247和/或通過將空氣加熱管放在爐230中和/或放在滲透室238中間接地加熱原料空氣流232。另外，可以使用在線燃燒室(未繪出)將空氣加熱到更高的溫度。盡管在線加熱導致原料空氣流232的氧濃度降低，因此降低氧流的驅動力，但直接的在線加熱體系需要的投資成本比間接加熱體系大大降低。表IV和V表明了在圖5中描述的集成的離子遷移膜-燃燒方法的規(guī)格。在上述實施例中，將大量熱煙道氣循環(huán)使膜的滲透面中的氧濃度保持在7.43％，這有助于增加通過膜的氧流，而未將空氣原料流壓縮到高壓。通過在離子遷移膜220中采用反應性吹洗步驟生產(chǎn)高純度氮氣，在原料空氣流232中含的基本上所有的氧滲透通過離子遷移膜220，并用于與燃料流221和244一起燃燒。與表II中示出的前述實施例中165400SCFH相比，空氣原料流量是44290SCFH?？諝饧恿纤俾实拇蟠蠼档褪辜訜嵩峡諝馑枰臒崃拷档?，使原料空氣送風機所需要的能量也降低。在這個實施例中需要的送風機能量是9.3kw，以離子遷移膜分離出11740SCFH氧，相應于每100SCFH氧為0.079kw。比較起來，前述實施例消耗58kw能量生產(chǎn)出11600SCFH氧，相應于每100SCFH氧為0.5kw。應該指出，現(xiàn)有技術發(fā)展水平的空氣分離技術消耗約0.8kw能量以生產(chǎn)出100SCFH的氧純度為90-95％的1個大氣壓的工業(yè)級氧。因此，本發(fā)明集成的離子遷移膜-燃燒方法降低了分離空氣用于氧燃燒的能量達90％。本發(fā)明另一個具體實施方案提供一種方法，其中在圖6描述的雙-膜室燃燒方法的反應性吹洗離子遷移膜室中不使用任何循環(huán)煙道氣。圖5和6中某些共同的特征在這里不再重述，而共同特征可參看圖5實施方案的說明。在圖6中，來自第一個保留室的富含氮氣的熱流引入到在第二個保留室370中的離子遷移膜372的第二個保留面372a。氧滲透通過離子遷移膜372的第二個滲透面372b，進入第二個滲透室350，其中可達到反應性吹洗高氧流，甚至氮原料流334含有低濃度氧時也是如此。將燃料流355注入第二個滲透室350，與來自離子遷移膜370的第二個滲透面372b的氧流進行反應，從而生成熱的合成氣流373，它是一種含有如氫氣和一氧化碳之類可燃氣體的氣流。任選地，循環(huán)的煙道氣或氣流356還可注入第二個滲透室350以調(diào)節(jié)溫度。將熱的合成氣流373加入爐330中，與來自第一滲透室338的熱氧化氣流336混合，它提供燃燒用的氧氣。任選地，補加的空氣或氧氣流357還可注入爐330中，以燃燒熱的合成氣流373，并為該方法提供熱量。當富氮氣流334通過第二個保留面372a時，使它得到富集，這里當該氣流通過第二個離子遷移膜372進入第二個滲透室350時除去了氧氣，并生成了高純度氮氣流365。然后，高純度氮氣365通過對流換熱單元361，以回收冷的氮氣流362以提供使用或進一步處理。應該指出，這種方法的許多變通方法可能都在上面所討論方法布局的精神之中。例如，使用來自下游過程的廢氣流加熱原料氣流可能是有利的。還可能把一些空氣加到從離子遷移組件流出的吹洗氣流中。對于啟動操作或為了負載跟縱目的，這可能是特別有希望的。另外，盡管這里描述的方法是混合導體壓力驅動離子遷移膜的方法，但是該發(fā)明的概念也可應用于以帶有外流返回的壓力-或電-驅動方式操作的基本離子導體。最后，盡管在圖1中描述了逆流的氧分離方法，但是也可以采用同流或錯流方式實施同樣的方法。如前面所提到的，術語“固體電介質離子導體”、“固體電介質”、“離子導體”和“離子遷移膜”在這里用來表示離子型(電方法-驅動)體系或者混合導體型(壓力驅動)體系，除非另外說明。如這里使用的術語“氮”通常是表示貧氧的氣體，即相對于原料氣是貧氧的。如前面所討論的，離子遷移膜僅允許氧滲透。因此，保留物的組成將取決于原料氣的組成。原料氣中要貧化氧，但要保留氮和原料氣中任何其他的氣體(例如，氬)。如這里所討論的，在按照本發(fā)明使用該術語的上下文中，這個術語對于本
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的技術人員來說是很清楚的。如這里所使用的，術語“元素氧”表示未與元素周期表中任何其他元素結合的氧。當?shù)湫偷貫殡p原子時，元素氧包括單氧原子，三原子臭氧，和其他未與其他元素結合的形式。術語“高純度”是指含有5％(體積)以下的不需要氣體產(chǎn)品氣流。優(yōu)選地，產(chǎn)品是至少98.0％純的，更優(yōu)選地是99.9％純的，最優(yōu)選地是至少99.99％純的，其中“純的”是指不存在不需要的氣體?！白儔何健?，即“PSA”體系是指使用吸附材料的體系，這種材料對于一種要從其他氣體中分離的氣體，典型地為氮，是選擇性的。這樣一些材料包括速率-選擇性PSA材料，這些材料通常是含碳的，并提供高壓氮與低壓氧；平衡-選擇PSA材料，它們通常是含鋰的，并提供低壓氮與高壓氧。僅為方便起見，一個或多個附圖中顯示出本發(fā)明的特征，如每個特征可與本發(fā)明其他特征組合起來。另外，對實施例可作出各種改變或修改，但不會超出本發(fā)明的精神。這樣一些修改可包括使用變壓與變熱吸附床或其他大量氧分離的方法，以提供前面討論的聚合膜的功能。本
技術領域：
的技術人員將會理解另外的實施方案，這些都包括在權利要求書中。權利要求1.一種使用氧化劑與低濃度氮的燃燒方法，其中包括(a)將含氧的氣體引入離子遷移組件中，該組件包括離子遷移膜，該膜有帶第一壓力的保留面和帶第二壓力的滲透面，并構成滲透室，以分離在滲透面上純化的氧氣流，并相應地在保留面上貧化氧，以產(chǎn)生貧氧氣流；(b)讓含有低濃度氮的吹洗氣流通過滲透面，得到含有約40％以下氧的氧化性氣流；以及(c)然后將所述的氧化性氣流和燃料引入燃燒室，以產(chǎn)生熱量和燃燒產(chǎn)物。2.根據(jù)權利要求1所述的燃燒方法，其中所述的含氧氣體是空氣。3.根據(jù)權利要求1所述的燃燒方法，其中所述的第一壓力與所述的第二壓力之比小于4.78。4.根據(jù)權利要求1所述的燃燒方法，其中所述的氧化性氣流含有1-40％氧。5.根據(jù)權利要求1所述的燃燒方法，其中所述的吹洗氣體含有10％以下的氮。6.根據(jù)權利要求1所述的燃燒方法，其中所述保留面與所述滲透面的氧分壓比大于2，在所述保留面與所述滲透面上的總壓力比小于1。7.一種使用具有低濃度氮的氧化劑的燃燒方法，其中包括(a)將含氧的氣體引入離子遷移組件中，該組件包括第一個和第二個離子遷移膜，所述第一個遷移膜有帶第一保留壓的第一保留面，和帶第一滲透壓的第一滲透面，并構成第一個滲透室，以分離在第一滲透面上的第一種純化的氧氣流，并相應地在第一保留面上貧化氧，以產(chǎn)生貧氧氣流；(b)將所述的第一貧氧氣流引入所述的第二種離子遷移膜中，該膜有帶第二保留壓的第二保留面，和帶第二滲透壓的第二滲透面，并構成第二個滲透室，以分離在第二種滲透面上的第二純化的氧氣流，并相應地在第二保留面上貧化氧，以產(chǎn)生貧氧氣流；(c)使含有低濃度氮的第一吹洗氣流通過所述第一滲透面，以得到含有約40％以下氧的氧化性氣流；(d)使含有燃料和低濃度氮的第二吹洗氣流通過所述第二滲透面，以得到合成氣流；以及(e)將所述的氧化性氣流、所述合成氣流引入燃燒室，以產(chǎn)生熱量和燃燒產(chǎn)物。8.根據(jù)權利要求7所述的燃燒方法，其中還包括回收氮氣。9.根據(jù)權利要求7所述的燃燒方法，其中所述的含氧氣體是空氣。10.根據(jù)權利要求7所述的燃燒方法，其中所述第一保留壓與所述第一滲透壓與所述第一種滲透壓力的比小于4.78。全文摘要一種使用有低濃度氮的氧化劑的燃燒方法或部分氧化方法。將含氧的氣體引入離子遷移組件中,該組件包括離子遷移膜,該膜有帶第一壓力的保留面和帶第二壓力的滲透面,以分離在滲透面上的純化的氧氣流,并相應地在保留面上貧化氧,以得到貧氧氣流。讓含有低濃度氮的吹洗氣流通過滲透面,以得到含有約40%以下氧的氧化性氣流。將所述的氧化性氣流和燃料引入燃燒室或反應室,以產(chǎn)生熱量和燃燒產(chǎn)物或部分氧化產(chǎn)物。文檔編號C01B13/02GK1269488SQ00104819公開日2000年10月11日申請日期2000年3月27日優(yōu)先權日1999年3月29日發(fā)明者H·科巴雅施申請人:普拉塞爾技術有限公司