專利名稱：氧氣分離和電力產(chǎn)生的聯(lián)合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從含氧氣體中分離氧氣和產(chǎn)生功率的聯(lián)合方法。更具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種通過用過熱蒸汽吹掃的氧氣傳送膜來分離氧氣和通過蘭金循環(huán)來產(chǎn)生電力的聯(lián)合方法。甚至更具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種其中將熱從氧氣傳送膜產(chǎn)生的氧氣產(chǎn)品流傳遞給一種用于蘭金循環(huán)中的工作流體的聯(lián)合方法。
背景技術(shù)：
從熱效率的觀點(diǎn)考慮，聯(lián)合涉及使用氧氣傳送膜的產(chǎn)生功率和氧氣的循環(huán)特別具有吸引力。這是因?yàn)檠鯕鈧魉湍?duì)于包含許多發(fā)電循環(huán)中涉及的高溫的溫度范圍內(nèi)的氧氣分離是有效的。
氧氣傳送膜由各類眾所周知的陶瓷制成，例如鈣鈦礦和與鈣鈦礦類似的材料。在約400℃-約1000℃的高溫下，該陶瓷能夠傳導(dǎo)氧離子而保持對(duì)氧分子和含有結(jié)合狀態(tài)氧的物質(zhì)不透過。在氧氣傳送膜中，含氧氣體中的氧氣在該膜的陰極側(cè)電離。氧離子在橫越膜施加的正氧氣分壓比的推動(dòng)力作用下被傳送穿過該膜。出現(xiàn)在相反一側(cè)，該膜的陽極側(cè)的氧離子重新結(jié)合，釋放出該膜陰極側(cè)用于電離氧氣的電子。在一些被稱為混合導(dǎo)體的材料中，電子在陶瓷中被直接傳送回陰極。在雙重相導(dǎo)體中，電子通過位于陶瓷內(nèi)的金屬相或?qū)щ娮拥奶沾上啾粋鲗?dǎo)。
應(yīng)用逆流(相對(duì)于滯留物側(cè)的流動(dòng)方向)蒸汽吹掃對(duì)氧氣傳送膜的陽極，降低了沿膜的長度的氧氣分壓，從而提高了氧氣傳送的驅(qū)動(dòng)力。這使得較高的氧氣回收和/或更有效的循環(huán)成為可能，因?yàn)楫a(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力否則所必需的陰極側(cè)氣體或陽極側(cè)氣體的壓縮程度被降低，而且可允許在高壓下收回氧氣產(chǎn)品。氧氣傳送膜單元的陽極側(cè)出口處的蒸汽與氧氣的摩爾比決定氧氣產(chǎn)品回收的最大壓力；所述摩爾比越高，可能的氧氣產(chǎn)品的壓力也越高。不幸的是，陽極側(cè)氧氣分壓的顯著降低和或高的氧氣產(chǎn)品壓力需要高的蒸汽/氧氣比。例如，在滯留物或陰極側(cè)的空氣壓力為12巴，則陰極或滯留物側(cè)入口處的氧氣分壓約為2.4巴。在窄點(diǎn)處最小氧氣分壓比(離子傳送通過膜的驅(qū)動(dòng)力)為1.5時(shí)，滲透物側(cè)相應(yīng)要求的氧氣分壓將約為1.6巴。假如想要在6巴的壓力下回收氧氣，蒸汽與氧氣的摩爾比則必須約為(6-1.6)/1.6＝2.75。
為了在壓力下回收氧氣，由蒸汽和氧氣組成的滲透產(chǎn)品流與吸熱體例如冷卻水接觸被冷卻來使所述的蒸汽冷凝。不幸的是，由于冷凝潛熱不能被有效的回收，而產(chǎn)生大量蒸汽所需要的熱量使得該工藝的在經(jīng)濟(jì)上無吸引力。如果所述蒸汽一氧氣混合物在汽輪機(jī)中膨脹，氧氣則在低壓下被回收。這就產(chǎn)生一個(gè)難題，即當(dāng)隨后要求高壓下的氧氣產(chǎn)品時(shí)需要進(jìn)行再壓縮。而且如果想要避免從高真空水平下壓縮氧氣，可在汽輪機(jī)中回收的電力產(chǎn)生潛能的相當(dāng)大的部分將失去。
例如，在美國專利US5562754中，空氣在一個(gè)在線燃燒器中被壓縮和加熱。氧氣在一個(gè)氧氣傳送膜中從空氣中分離出來，從而產(chǎn)生一種滯留物。滯留物流在用于驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)和任選發(fā)電機(jī)的氣體膨脹機(jī)中膨脹。在陽極側(cè)使用吹掃蒸汽，產(chǎn)生一種用于預(yù)熱供給水的含蒸汽的氧氣產(chǎn)品。除了預(yù)熱以外，所述循環(huán)中冷凝的潛熱不能回收利用，從而在循環(huán)中損失掉。在美國專利US5964922中，水通過泵作用被加壓，然后用作氧氣傳送膜的吹掃蒸汽。包含滲透氧氣和蒸汽的加壓氧氣產(chǎn)品在水冷或空氣冷的冷凝器中被冷卻，使得水從蒸汽中冷凝出來并回收。結(jié)果冷凝的潛熱也由此損失到冷卻介質(zhì)中。美國專利US5954859公開了用包含蒸汽的高壓吹掃氣體流吹掃氧氣傳送膜的滲透物側(cè)，從而產(chǎn)生一種包含氧氣和蒸汽的高壓氣體流。由此產(chǎn)生的物流被引入汽輪機(jī)回收軸功。因此如果其后要求該蒸汽或其部分達(dá)到高壓，它將需要進(jìn)行伴隨能量支出的再壓縮。
正如下面所論述的，本發(fā)明包含一種在壓力下生產(chǎn)氧氣產(chǎn)品流的能量有效的方法，該方法允許從該產(chǎn)品流中含有的蒸汽冷凝潛熱中回收功。本發(fā)明的其它有利方面將在以下的論述中更加明顯。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種從含氧氣體中分離氧氣和產(chǎn)生電力的聯(lián)合方法。根據(jù)本發(fā)明的方法，氧氣通過氧氣傳送膜單元從含氧氣體分離形成滲透氧氣和貧氧滯留物。氧氣傳送膜單元包括至少一個(gè)在高操作溫度下操作，并具有陰極側(cè)和陽極側(cè)的氧氣傳送膜。所述至少一個(gè)氧氣傳送膜的陽極側(cè)用包含加壓的過熱蒸汽的加壓吹掃流進(jìn)行吹掃。加壓的氧氣產(chǎn)品流則從所述至少一個(gè)氧氣傳送膜的陽極側(cè)排放出來。所述的加壓氧氣產(chǎn)品流包括滲透氧氣和蒸汽。所述加壓氧氣產(chǎn)品流中的至少部分蒸汽通過傳遞熱到一種在低于該氧氣產(chǎn)品流中含有的蒸汽的冷凝溫度的沸騰溫度下沸騰的工作流體中而被冷凝。結(jié)果所述工作流體沸騰且所述加壓氧氣產(chǎn)品流中的至少部分蒸汽冷凝。所述冷凝水從加壓氧氣產(chǎn)品流中分離出來，而且能量作為軸功從所述工作流體中被提取出來。
在氧氣傳送膜單元中進(jìn)行氧氣分離之前，含氧氣體優(yōu)選被加熱。由貧氧滯留物組成的滯留物流在在線燃燒器中通過包含在滯留物流中的至少一部分剩余氧氣支持的燃料燃燒被加熱，從而產(chǎn)生一種加熱的滯留物流。所述含氧流通過從加熱的滯留物流的間接熱傳遞至少部分地被加熱。
含氧氣體可以是空氣，它可通過壓縮形成一種壓縮空氣流。由貧氧滯留物組成的滯留物流可在氣體膨脹機(jī)中被膨脹。滯留物流也可先被冷卻然后在氣體膨脹機(jī)中進(jìn)行膨脹，這樣可以通過容許使用較廉價(jià)材料而降低資本費(fèi)用。優(yōu)選然后氣體膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)對(duì)含氧氣體進(jìn)行壓縮。或者為增加功率輸出，滯留物流可通過在在線燃燒器的燃燒進(jìn)一步被加熱，然后在氣體膨脹機(jī)中進(jìn)行膨脹。
壓縮空氣流被分成第一和第二分空氣流。第一分空氣流通過與加壓氧氣產(chǎn)品流進(jìn)行間接熱交換被加熱，而第二分空氣流與第一分空氣流單獨(dú)加熱。所述第一和第二分空氣流在被引入氧氣傳送膜單元之前進(jìn)行合并。
從含氧流中分離氧氣在至少一個(gè)氧氣傳送膜的陰極側(cè)產(chǎn)生一種滯留物。由至少一部分貧氧滯留物組成的滯留物流被引入氧氣傳送膜燃燒器和脫氧(deoxo)單元中，以致附加的氧氣從滯留物流中分離出來形成附加的滲透氧氣。
由循環(huán)水和視情況的補(bǔ)給水形成的水流被泵唧到至少克服吹掃回路中的壓降所必需的程度。所述水流被汽化而且至少部分達(dá)到過熱形成一種加壓流。所述加壓流通過燃燒第一燃料流和將該燃燒熱傳遞給合并水流而汽化和至少部分達(dá)到過熱。第二燃料被引入加壓流，而且該加壓流的至少一部分被進(jìn)一步加熱然后引入氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元中，以致于燃料與附加的滲透氧氣反應(yīng)生成熱和燃燒產(chǎn)物。所述生成熱可被用于至少部分加熱燃燒產(chǎn)物，以及通過間接熱交換來加熱至少一部分壓縮空氣進(jìn)料。優(yōu)選將燃燒產(chǎn)物加入加壓吹掃流中，從而增加吹掃所述氧氣傳送膜的陽極的氣體體積。這將進(jìn)一步降低氧氣傳送膜單元陽極的氧氣分壓，而且也使得剩余燃料以及部分氧化產(chǎn)品能夠完全氧化，后者是從氧氣傳送膜燃燒器中攜帶出來的。所述加壓吹掃流從所述氧氣傳送膜燃燒器和脫氧(deoxo)單元的陽極側(cè)提取出來。
氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元產(chǎn)生附加的貧氧滯留物。由附加的貧氧滯留物組成的一種附加滯留物流可被分成第一和第二分滯留物流。所述第一分滯留物流可在氣體膨脹機(jī)中通過膨脹產(chǎn)生功率來驅(qū)動(dòng)所述的空氣壓縮機(jī)。所述第二分滯留物流可作為一種加壓氮?dú)猱a(chǎn)品被回收。所述第一分滯留物流在膨脹之前可通過在線燃燒器中的燃燒被進(jìn)一步加熱。部分第二分空氣流可在在線燃燒器上游與第一分滯留物流合并來支持燃料燃燒，從而在膨脹之前往第一分滯留物流中加入了附加的熱和質(zhì)量。
在本發(fā)明的任何實(shí)施方式中，所述工作流體可以是水，而且所述加壓吹掃流中的蒸汽可以比工作流體壓力更高。電力則可從蘭金循環(huán)的工作流體中提取，在所述蘭金循環(huán)中所述工作流體以液體冷凝物的形式被泵唧至壓力比吹掃流低，從而形成一種加壓液體。所述加壓液體通過在再沸器-冷凝器中與吹掃流中的至少部分冷凝蒸汽進(jìn)行間接熱交換而被汽化。所述工作流體可被加熱至過熱，過熱后的工作流可在蒸汽汽輪機(jī)中膨脹。電力可從汽輪機(jī)創(chuàng)造的軸功中提取，然后從蒸汽汽輪機(jī)中排出的工作流體被冷凝生成一種液體冷凝物。
所述加壓吹掃流可至少由循環(huán)水和如果有必要的補(bǔ)給水組成以形成水流。應(yīng)該注意的是，如果將燃燒產(chǎn)物加到所述加壓吹掃流中，燃燒產(chǎn)物中的水可引起水的過剩，因而需要去除這些過剩水。
所述水流可被汽化和達(dá)到過熱以形成所述的加壓流。水流汽化和過熱所需要的至少一部分熱可由鍋爐-過熱器中的燃燒提供。工作流體通過鍋爐-過熱器中的燃燒達(dá)到過熱。
用于加壓流的水可通過泵唧、汽化和過熱形成所述的加壓流。由此形成的加壓流可在汽輪機(jī)中膨脹產(chǎn)生附加的電力。膨脹完后，該加壓流作為汽輪機(jī)的排出流可被再加熱和用于吹掃至少一個(gè)氧氣傳送膜的陽極側(cè)。所述加壓流與所述第一分空氣流一道通過氧氣產(chǎn)品流間接地加熱。所述加壓流膨脹后可將燃料加入其中。然后該加壓流作為反應(yīng)性的吹掃流被引入氧氣傳送膜燃燒器脫氧單元來生成熱和燃燒產(chǎn)物，所述燃燒產(chǎn)物與包含在所述加壓流中的蒸汽一起形成加壓吹掃流，被用于吹掃至少一個(gè)氧氣傳送膜的陽極側(cè)。
所述蘭金循環(huán)中的蒸汽汽輪機(jī)可在顯著地小于約14.7psia的排氣壓力下操作，因?yàn)槔淠郎囟葍H受冷凝器中的冷卻介質(zhì)的溫度的限制。汽化和過熱所述吹掃流的至少部分熱由從膨脹器的排出物中回收的熱來提供。
在本發(fā)明中由于所述加壓氧氣產(chǎn)品流不是簡(jiǎn)單地通過膨脹來提取電力，而是用于給蘭金循環(huán)提供熱，可生產(chǎn)用水飽和的加壓氧氣產(chǎn)品或生產(chǎn)所希望的蒸汽/氧氣摩爾比的加壓氧氣-蒸汽混合物。根據(jù)需要，被水分飽和的氧氣流能夠通過常規(guī)方法來干燥。蒸汽氧氣混合物可用在諸如煤氣化或自熱重整裝置的下游工藝過程中。在高壓下收回產(chǎn)品可降低或消除耗資本和能量的氧氣壓縮。同時(shí)，能量可通過蘭金蒸汽循環(huán)被有效的提取。
附圖簡(jiǎn)述雖然說明書結(jié)尾權(quán)利要求書清楚地指出了申請(qǐng)人認(rèn)為的本發(fā)明的主題，但相信當(dāng)結(jié)合附圖來說明時(shí)本發(fā)明將會(huì)被更好地理解。所述附圖包括附

圖1是實(shí)施本發(fā)明方法的裝置的簡(jiǎn)要工藝流程圖。
附圖2是本發(fā)明的一種結(jié)合氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元以允許生產(chǎn)高純度氮?dú)猱a(chǎn)品的替代性實(shí)施方式的示意圖。
附圖3是附圖2的另一種替代性實(shí)施方式，其中由氮?dú)鉁粑锖涂諝饨M成的合并流經(jīng)受在線燃燒，而且通過氣體膨脹機(jī)從合并流中提取能量。
附圖4是附圖2的再一種替代實(shí)施方式，其中一種蒸汽吹掃流由于膨脹而作功，從而產(chǎn)生輸出電力。
為了避免重復(fù)和簡(jiǎn)化對(duì)附圖的討論，在各個(gè)附圖中用相同的參照數(shù)字來指示同樣的部件。為了更清楚，整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)通過不對(duì)次要工藝部件諸如進(jìn)料水加熱器、進(jìn)料水處理系統(tǒng)和節(jié)熱交換器進(jìn)行說明來簡(jiǎn)化系統(tǒng)。
發(fā)明詳述附圖1中的工藝流程圖公開了一種實(shí)施依據(jù)本發(fā)明的用于從含氧氣體中分離氧氣和產(chǎn)生電力的聯(lián)合方法。所述聯(lián)合方法包括一個(gè)與蘭金蒸汽循環(huán)2聯(lián)合的氧氣分離系統(tǒng)1。這種聯(lián)合產(chǎn)生一種用水3飽和的氧氣產(chǎn)品和通過參照數(shù)字4表示的輸出電力。
就氧氣分離系統(tǒng)1而論，含氧氣體空氣在空氣壓縮機(jī)10中被壓縮形成一種壓縮空氣流12。壓縮的空氣流12被分成第一分空氣流14和第二分空氣流16。第一分空氣流14在熱交換器18中通過與加壓氧氣產(chǎn)品流20的間接熱交換被加熱。第二分空氣流16在熱交換器22中通過與下文討論的加熱的滯留物流32進(jìn)行間接熱交換被加熱，然后與第一分空氣流18合并。
所述合并流被引入氧氣傳送膜單元25的陰極側(cè)24。氧氣傳送膜單元25包括一個(gè)或多個(gè)陶瓷氧氣傳送膜，所述氧氣傳送膜從含氧進(jìn)料中分離氧氣是通過離子傳送通過該膜來進(jìn)行的。含氧進(jìn)料中的氧氣在陰極側(cè)電離。氧離子被傳送經(jīng)過該膜到達(dá)該膜的陽極側(cè)，在那里氧離子放出用于氧電離的電子而重生成氧。所述膜中優(yōu)選混合傳導(dǎo)性的且由可傳導(dǎo)氧離子和電子的已知金屬氧化物，或離子傳導(dǎo)金屬氧化物和電子導(dǎo)電金屬氧化物或金屬的多個(gè)相組成。如上所述，這種膜的操作是在高溫下和分別在陰極側(cè)和陽極側(cè)的正氧氣分壓比的驅(qū)動(dòng)力下進(jìn)行的。所述膜可以是平面或管子，以及可形成較厚的致密的壁或支承在多孔基體上的薄膜。
氧氣在氧氣傳送膜25中被分離，并在它的陽極側(cè)26中又重生成氧氣。氧氣的分離在氧氣傳送膜單元25的陰極側(cè)24中產(chǎn)生一種貧氧滯留物。如此形成的貧氧滯留物包括典型地為約3％-約8％的氧氣。滯留物流28被引入在線燃燒器30中，滯留物流28中的剩余氧氣支持燃料燃燒以形成加熱的滯留物流32。加熱的滯留物流32被引入熱交換器22中來加熱第二分空氣流16。這將補(bǔ)償了熱交換器18和22中的熱滲漏和冷端的熱損失。所述加熱的滯留物流32在熱交換器22中被提取有效熱之后，作為一種高壓的富氮流34從該過程中被排放出來。
值得重視的是，在本發(fā)明的實(shí)施方式中所有的進(jìn)入空氣通過在線燃燒器30被加熱到膜的操作溫度，從而幫助加熱陶瓷膜單元25達(dá)到它的操作溫度是可能的。在這點(diǎn)上，在圖示的實(shí)施方式中，通過在線燃燒器30將熱加到系統(tǒng)上，在很大程度上使得陶瓷膜單元25保持在高的操作溫度下。
包括循環(huán)冷凝物56和如果有必要補(bǔ)償損失用的補(bǔ)給水的水流36通過泵38被泵唧，然后被引入一個(gè)燃料和空氣燃燒的鍋爐-過熱器40中，用于在過熱狀態(tài)產(chǎn)生一種加壓的吹掃流42。加壓的吹掃流42優(yōu)選在熱交換器18中進(jìn)一步被加熱從而達(dá)到接近膜的操作溫度，雖然在空氣燃燒的鍋爐-過熱器40中實(shí)現(xiàn)所有要求的加熱是可能的。
加壓吹掃流42吹掃氧氣傳送膜單元25的陽極側(cè)26，從而產(chǎn)生所述的加壓氧氣產(chǎn)品流20。加壓吹掃流42從氧氣傳送膜單元25的氧氣傳送膜吹掃滲透氧氣來降低陽極側(cè)26的氧氣分壓，從而減少了壓縮的要求。事實(shí)上，在本發(fā)明的實(shí)施方式中不需要可感知量的壓縮是可能的。同時(shí)，所述加壓蒸汽在加壓氧氣產(chǎn)品20中產(chǎn)生加壓。
加壓氧氣產(chǎn)品流20在熱交換器18中部分冷卻。然后被引入鍋爐冷凝器44中，在那里所包含的蒸汽的至少一部分通過向沸騰的工作流體放熱而冷凝。在蘭金蒸汽循環(huán)2中，有利地由蒸汽組成的工作流體流46在燃料和空氣燃燒的鍋爐-過熱器40中被加至過熱，并在蒸汽汽輪機(jī)48中膨脹而產(chǎn)生輸出電力4。
工作流46優(yōu)選在蒸汽汽輪機(jī)中膨脹至典型地為0.5-3psia的高真空壓力水平，從而使電力的產(chǎn)生達(dá)到最大。工作流46然后在冷凝器50中通過冷卻水或空氣冷卻而被冷凝，然后作為一種液體冷凝物通過泵52被加壓。加壓完后，工作流46則在再沸器-冷凝器44中轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，并在鍋爐-過熱器40中加至過熱。加壓氧氣產(chǎn)品流20具有比再沸器-冷凝器44中的工作流46更高的壓力和因此更高的溫度，這樣以致于加壓氧氣產(chǎn)品的冷凝蒸汽部分的冷凝熱可傳遞到工作流體側(cè)，用以汽化蘭金循環(huán)回路中的水。
加壓氧氣產(chǎn)品流20和工作流46之間的溫度差優(yōu)選保持較小，典型地在約3-約10℃之間。這避免了重大的潛能損失，而在再沸器-冷凝器44中沒有遭受大的資本損失，因?yàn)闊醾鬟f膜系數(shù)在沸騰和冷凝的水中較高。所述沸騰和冷凝的水的高熱傳遞膜系數(shù)可通過沿用已久的技術(shù)例如美國專利US3384154中描述的多孔沸騰面，和/或槽紋沸騰和冷凝面來提高，所述槽紋沸騰和冷凝面利用液相的表面張力來分別吸引液體進(jìn)料或冷凝物進(jìn)入優(yōu)選的通道并從而在熱傳遞面積的主要部分上提供一個(gè)薄的液膜而自增效。
現(xiàn)在包含液態(tài)水的氧氣產(chǎn)品流20被引入相分離器54中以產(chǎn)生氧氣產(chǎn)品3和水流56，它如有必要可與補(bǔ)給水流58合并生成水流36。補(bǔ)給水流58補(bǔ)償從所述蘭金循環(huán)回路中的損失掉的任何水。本發(fā)明的一個(gè)有利特征在于它極易適合于產(chǎn)生受控摩爾比的氧氣-蒸汽混合物。這在下游過程需要預(yù)定蒸汽含量的氧氣蒸汽混合物的尤其重要。在這點(diǎn)上，雖然在圖中沒有示出，受控部分的氧氣產(chǎn)品流20可繞過再沸器-冷凝器44，然后返回到再沸器-冷凝器44下游的氧氣產(chǎn)品流20中。如果繞過或轉(zhuǎn)向的量被控制，則氧氣產(chǎn)品流20中蒸汽的量則也可被控制。
至于附圖2所示為依據(jù)本發(fā)明的一種替代性實(shí)施方式的工藝流程圖。它利用一種公知的氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元60來產(chǎn)生一種附加的高純度氮?dú)饬?。在用于驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)10的氣體膨脹器62中產(chǎn)生額外的電力。
空氣在空氣壓縮機(jī)10中壓縮至約6-20bar后形成壓縮空氣流12，所述壓縮空氣流12被分成第一和第二分空氣流14和16。作為空氣進(jìn)料主要部分的第二分空氣流16在熱交換器22a和22b中被加熱，然后在氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元60中被進(jìn)一步加熱到稍高于氧氣傳送膜單元25的溫度，即在約750℃和約1000℃之間的溫度。然后第二分空氣流16與第一分空氣流14合并并被引入氧氣傳送膜單元25的陰極側(cè)24。
氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元60在它的陰極側(cè)65里包含熱交換器64，用于在熱交換器22a和22b中加熱后對(duì)第二分空氣流16進(jìn)行進(jìn)一步加熱。一種加壓流42a在熱交換器18中被預(yù)熱。此外，加壓流42a在熱交換器18之前或之后添加燃料66，并在熱交換器18中加熱后再被引入氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元60的陰極側(cè)68?？扇芜x地將一部分加壓流42a繞過氧氣傳送燃燒器60。
氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元60包含可有效分離滯留物流28中的剩余氧氣的陶瓷氧氣傳送膜。陽極側(cè)68內(nèi)的氧氣滲透物與包含加壓流42a的燃料中的燃料反應(yīng)，以進(jìn)一步將陽極側(cè)的氧氣分壓降低到一個(gè)很低的水平，大大低于單獨(dú)蒸汽吹掃所獲得的壓力，使得滯留物中的剩余氧氣含量可被降低到一個(gè)非常低的水平。可任選地通過位于陽極表面上或鄰近其的氧化催化劑使得陽極側(cè)的反應(yīng)被加強(qiáng)。優(yōu)選60％-80％的氧氣在氧氣傳送膜單元25中被分離，剩余的氧氣在氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元60中分離。
加壓吹掃流42b與氧化產(chǎn)物一起從燃燒器脫氧單元60的陽極側(cè)68排放出來，并被引入氧氣傳送膜單元25的陽極側(cè)26。加壓吹掃流42b用來從陽極側(cè)26吹掃氧氣并形成一種加壓的氧氣產(chǎn)品流20a，所述加壓的氧氣產(chǎn)品流20a中除氧氣和和蒸汽外還包括燃料的燃燒產(chǎn)物。如上述實(shí)施方式中，加壓氧氣產(chǎn)品流20a被引入再沸器-冷凝器44中，以致于大部分蒸汽冷凝，所述流20a由此被引入相分離器54從而產(chǎn)生一種用水飽和且含有燃料燃燒的二氧化碳的氧氣產(chǎn)品流3a。在這點(diǎn)上，氧氣產(chǎn)品流3a典型地含有約90vol％的氧氣和約10vol％的二氧化碳。如果和下游應(yīng)用相適合則所述氧氣產(chǎn)品流可直接應(yīng)用，否則可通過公知的方法分離成氧氣和副產(chǎn)物二氧化碳。
滯留物流28被引入氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元60中后，產(chǎn)生含氧量很低的滯留物流70。滯留物流70被引入熱交換器22a中而且優(yōu)選被冷卻到約750℃，使得容許使用不需要外來的、昂貴的耐高溫部件的氣體膨脹機(jī)。滯留物流70被分成第一和第二分滯留物流74和72。在熱交換器22b中在第二分滯留物流72和第二分空氣流16之間進(jìn)一步傳遞熱，從而形成所述的高純度氮?dú)猱a(chǎn)品流5。第一分滯留物流74則在驅(qū)動(dòng)氣體壓縮機(jī)10的氣體膨脹機(jī)62中被膨脹，結(jié)果得到的排氣流76被引入熱交換器77中以預(yù)熱和部分汽化加壓后的水流36。此后，排氣流76作為一種低壓的氮?dú)猱a(chǎn)品從系統(tǒng)中釋放出來。在熱交換器77中部分汽化后的加壓水流36在空氣燃燒鍋爐40中完全汽化且部分過熱從而產(chǎn)生加壓流42a。此外，加壓工作流46在空氣燃燒鍋爐40中被加至過熱。
應(yīng)當(dāng)注意的是在本發(fā)明的任何實(shí)施方式中，滯留物可作為高壓產(chǎn)物被部分回收以及部分為了電力回收的目的被膨脹。
參考附圖3通過一個(gè)與附圖2所示相似的工藝流程圖來對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行說明，但該方法的目的是增加空氣和滯留物體氣體的膨脹所產(chǎn)生的電力。在該實(shí)施方式中提供一個(gè)補(bǔ)助空氣壓縮機(jī)80來產(chǎn)生的補(bǔ)助空氣流82，它被并入第一分空氣流14中，用于補(bǔ)償從循環(huán)中收回的氣體體積。此外，滯留物流28的一部分84繞過燃燒器脫氧單元60而直接流入位于氣體膨脹機(jī)62的上游的燃燒器86中。任選空氣流88和90分別在熱交換器22b之前和之后加入滯留物流28的部分84來增加被膨脹的質(zhì)量。在附圖3中的具體實(shí)施方式
中，再沸器-過熱器40a中的供熱僅由從氣體膨脹機(jī)62出來的排氣流76中包含的熱來提供。氣體膨脹機(jī)62可驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)而產(chǎn)生附加的輸出能量。正如所視為較佳的，通過使用在線燃燒并使部分空氣繞過系統(tǒng)中的分離器部分而在汽輪機(jī)的前面增加附加熱量，這可在本發(fā)明的任何實(shí)施方式中應(yīng)用。
參考附圖4中，泵38泵唧水流36產(chǎn)生一個(gè)約15-約60bar的更高的壓力。被如此加至高壓后，水流36在熱交換器77和空氣燃燒鍋爐40中預(yù)熱和汽化，從而產(chǎn)生由高壓的過熱蒸汽構(gòu)成的加壓流42a。加壓流42a在蒸汽汽輪機(jī)92中從高壓膨脹至中壓，使從蒸汽汽輪機(jī)90中的排氣作為排氣流94經(jīng)過如附圖2方法所示的進(jìn)一步加熱和燃料注入后，被引入氧氣傳送膜燃燒器-脫氧單元60的陽極側(cè)68。加壓氧氣產(chǎn)品的剩余物和工作流體蘭金循環(huán)回路與附圖2中的相同。加壓流42a的過熱量應(yīng)足以在汽輪機(jī)中膨脹時(shí)避免液滴的形成。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所意識(shí)到的，雖然本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)行了描述，許多增加、刪除和改變也不違反本發(fā)明如附錄權(quán)利要求提出的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種從含氧氣體中分離氧氣(3)和產(chǎn)生電力(4)的聯(lián)合方法，所述方法包括在包含至少一個(gè)在高操作溫度下操作并具有陰極側(cè)(24)和陽極側(cè)(26)的氧氣傳送膜的氧氣傳送膜單元(25)中，從含氧氣體(14，16)分離氧而形成滲透氧氣和貧氧滯留物流；用包含加壓的過熱蒸汽的加壓吹掃流(42；42b)吹掃至少一個(gè)氧氣傳送膜的陽極側(cè)(26)；從所述至少一個(gè)氧氣傳送膜的所述陽極側(cè)排放出加壓的氧氣產(chǎn)品流(20；20a)，所述加壓的氧氣產(chǎn)品流(20；20a)包含所述的滲透氧氣和所述蒸汽；通過將熱傳遞給在比加壓氧氣產(chǎn)品流中所含的蒸汽的冷凝溫度低的沸騰溫度下沸騰的工作流體(46)而冷凝(44)所述加壓氧氣產(chǎn)品流(20；20a)中的至少部分蒸汽，使得該工作流體(46)沸騰而加壓氧氣產(chǎn)品流(20；20a)中的至少部分蒸汽冷凝；從所述加壓氧氣產(chǎn)品流(20；20a)中分離(54)冷凝水(56)；以及從工作流體提取出作為軸功(4)的能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述含氧氣體為空氣；該空氣被壓縮形成一種壓縮的空氣流(12)；所述壓縮的空氣流被分成第一和第二分空氣流(14，16)；所述第一分空氣流(14)通過與加壓氧氣產(chǎn)品流(20；20a)的間接熱交換被加熱；所述第二分空氣流(16)與所述第一分空氣流(14)單獨(dú)加熱；以及所述第一和第二分空氣流(14，16)在它們被引入所述氧氣傳送膜單元(25)之前被合并。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中從含氧流中分離氧氣，在至少一個(gè)氧氣傳送膜的所述陰極側(cè)(24)產(chǎn)生滯留物；由至少一部分所述貧氧滯留物組成的滯留物流(28)被引入氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元(60)中，致使附加的氧氣從所述滯留物流(20)中分離出來形成附加的滲透氧氣；至少由循環(huán)水形成的水流(36)被泵唧；所述水流(36)被汽化，并且至少部分過熱形成加壓流(42a)；通過燃燒第一燃料流并將燃燒熱傳遞給所述水流(36)，使得所述水流(36)被汽化而且至少部分達(dá)到過熱；第二燃料(66)被引入所述加壓流(42a)；所述加壓流(42a)被進(jìn)一步加熱，然后被引入所述的氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元(60)中，使得燃料與所述的附加的滲透氧氣反應(yīng)產(chǎn)生熱和燃燒產(chǎn)物；以及所述加壓吹掃流(42b)從氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元(60)中排放出來。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元(60)產(chǎn)生附加的貧氧滯留物；由附加的貧氧滯留物組成的附加的滯留物流(70)被分成第一和第二分滯留物流(74，72)；所述第一分滯留物流(74)在氣體膨脹機(jī)(62)中膨脹產(chǎn)生電力來驅(qū)動(dòng)所述的空氣壓縮機(jī)(10)；以及所述第二分滯留物流(72)作為加壓的氮?dú)猱a(chǎn)品(5)被回收。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元(60)產(chǎn)生附加的貧氧滯留物；由附加的貧氧滯留物組成的附加的滯留物流(70)被分成第一和第二分滯留物流(74，72)；所述第一分滯留物流(74)通過在在線燃燒器(86)中的燃燒而被進(jìn)一步加熱；所述第一分滯留物流(74)在氣體膨脹機(jī)(62)中膨脹產(chǎn)生電力來驅(qū)動(dòng)所述的空氣壓縮機(jī)(10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述第二分空氣流(16)的一部分(88)在所述在線燃燒器(86)的上游與所述第一分滯留物流(74)合并來支持燃料的燃燒，由此在膨脹之前向所述第一分滯留物流(74)中添加附加的熱和質(zhì)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的方法，其中所述工作流體(46)是水；所述加壓吹掃流(42；42b)中的所述蒸汽處于高于所述工作流體(46)的壓力；以及所述電力從蘭金循環(huán)(2)中的工作流體中提取，包括泵唧(52)液體冷凝物形式的所述工作流體(46)至低于所述吹掃流(42)的壓力以產(chǎn)生加壓液體；在再沸器-冷凝器(40)中通過與至少部分所述冷凝吹掃流(20)進(jìn)行間接熱交換，使所述加壓液體汽化；將所述工作流體(40)加至過熱；在蒸汽汽輪機(jī)(48)中膨脹加至過熱后的所述工作流，并從所述汽輪機(jī)(48)中產(chǎn)生的軸功(4)中提取所述電力；以及冷凝(50)膨脹后的工作流體，產(chǎn)生所述的液體冷凝物。
8.根據(jù)權(quán)利要求3-6中任一項(xiàng)的方法，其中所述加壓吹掃流(42；42b)由至少循環(huán)水構(gòu)成，形成水流(36)；所述水流(36)被汽化和加至過熱來形成所述的加壓吹掃流(42a)；所述水流汽化和過熱所需的至少一部分熱是通過鍋爐-過熱器(40；40a)中燃料的燃燒提供的；以及所述工作流體通過鍋爐-過熱器(40，40a)中燃料的燃燒被加至過熱。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中膨脹后，所述加壓流(42a)作為一種排氣流(94)被再加熱，并作為吹掃流被引入氧氣傳送膜燃燒器和脫氧單元(60)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述蒸汽汽輪機(jī)(48)在低于約14.7psia的排氣壓力下操作。
全文摘要
一種分離氧氣和產(chǎn)生電力的聯(lián)合方法。一種含氧流被壓縮，而且在一種氧氣傳送膜單元(25)中氧氣從所述流中分離出來形成滲透氧氣和貧氧滯留物。在該氧氣傳送膜單元(25)的陽極側(cè)(26)用由加壓的過熱蒸汽組成的加壓吹掃流(42；42b)吹掃。一種包括滲透氧氣和蒸汽的加壓氧氣產(chǎn)品流(20；20a)從該氧氣傳送膜(25)的陽極側(cè)(26)排放出來。所述加壓氧氣產(chǎn)品流(20；20a)通過與自身或所述含氧流接觸而被冷卻。所述加壓氧氣產(chǎn)品流(20；20a)通過與一種工作流體(46)間接熱傳遞而被冷凝，并使所述工作流體(46)沸騰從而允許從該工作流體中提取電力。冷凝水(56)從該氧氣產(chǎn)品流(20；20a)中分離出來，而且分離的氧氣在壓力下被提取出來作為產(chǎn)品(3；3a)。
文檔編號(hào)F02C6/00GK1592649SQ02823419
公開日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2002年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月27日
發(fā)明者C·F·戈特茲曼 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司