专利名称：氧气分离和燃烧设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种氧气分离和燃烧设备以及将这种装置作为锅炉或氮气发生器来应用的方法，其中经过氧气输送膜从含有气体的氧气中分离出的氧气支持燃料在燃烧室中的燃烧，并且氧气输送膜的温度通过流体在流体通道中经燃烧室循环来控制。
背景技术：
对于例如全球变暖和污染物排放的环境的日益关注正驱动工业界开发出新方法来提高效率并降低污染物排放。对于作为最大的二氧化碳和空气污染物排放源之一的化石燃料燃烧系统来说尤其如此。降低排放并提高效率的一个有效方法是在燃烧过程中使用氧气或含大量氧气的空气。氧气或含大量氧气的空气的使用降低了排气热损失，这增加了系统效率，同时降低了NOX的排放。另外，因为几乎没有或没有氮气作为冲淡剂，所以在废气中的二氧化碳的浓度较高。较高的二氧化碳浓度增加了回收二氧化碳的可选择性。在现有技术中使用的氧气将这些过程限定在高的排气温度，例如在玻璃熔炉中。在这种应用中，燃料节省和所获得的益处大于氧气的成本。在低的排气温度的系统中，例如在锅炉中，情况正好相反。在这些系统中，使用现有技术来产生氧气的成本在费用在大于可获得的燃料节省。这使得在这种系统中使用氧气在经济上是没有吸引力的。而且，当考虑到产生氧气的能量时，总的热效率降低了。
对于消耗热的氧气分离和燃烧设备和工艺，在现有技术中以这样一种方式有利地使用氧气输送膜来产生氧气，即，使得可节省不得不花费在氧气分离上的费用。氧气输送膜由氧气选择性的离子输送陶瓷制成，其形式为管或板，其本身对于氧气和其它气体是不能透过的。然而，这种陶瓷在高温时展示出无限的氧气选择性，其经过该膜输送氧离子。在氧气输送膜中，在该膜的一个表面上氧气被离子化，以形成经该膜输送的氧离子。氧离子在该膜的相对侧上随着电子的产生而形成氧气。根据陶瓷的类型，氧离子或是流经该膜以使氧气离子化或是沿该膜内的分离的电通路流动，或通过一施加的电势。这种固体电解质膜由无机氧化物制成，典型示例为钙或钇稳定的锆以及具有氟化物或钙钛矿型结构的类似的氧化物。
在美国专利5888272中，氧气输送膜集成到燃烧过程本身中，其中所有产生的氧气直接进入燃烧器。被加热的废气随后引入该过程，其中热能用于加热流体或提供有用功。在一个实施例中，废气经一排氧气输送膜管再循环，并且废气中包含大量氧气。该废气通常进入该氧气输送膜管排时包含体积百分比约为1-3％之间的任何量的氧气，而离开该管排时包含体积百分比约为10-30％的氧气。含大量氧气的废气随后输送到燃烧空间，以用于使燃料燃烧。在另一实施例中，其称为反应性驱气，氧气输送膜管直接设置在燃烧空间中。被废气冲淡的燃料流经该管并且与流经该管的氧气进行燃烧。这样，氧气的产生和燃烧同时发生。
如上所述，本发明利用氧气输送膜来产生氧气，以这样一种方式来支持在例如锅炉的氧气分离和燃烧设备中的燃烧过程，即，固有地降低了涉及压缩向该膜供给的输入氧气的花费。本发明的优点在以下的描述中将清晰地显现出来。
发明内容
在一个方面中，本发明提供了一种氧气分离和燃烧设备，其包括位于燃烧室内的多个平行的氧气输送膜。多个平行的氧气输送膜用于将氧气从含氧气的气体中分离出来，由此在该燃烧室内提供氧气以支持燃料的燃烧并产生热量。多个流体通道经过燃烧室并定位成，以使该热量的一部分由该燃烧过程传递给氧气输送膜，以将氧气输送膜加热到工作温度，而该热量的另一部分由该燃烧过程传递给流体通道，以便提供热量并加热该流体并促使氧气输送膜的工作温度的稳定。至少一个入口设置用于至少将燃料引入到燃烧室中，并且引自燃烧室的排出口将由该燃料的燃烧而产生的燃烧产物排出。该排出口和所述至少一个入口彼此间隔开，以便使所述燃烧产物沿大致平行于所述氧气输送膜的方向流动。
该氧气输送膜和该流体通道是管状构形。燃烧产物的流动的所述方向逆流于或同向于含氧气的气体在所述氧气输送膜中的流动。优选的是，所述氧气输送膜在一个端部处是封闭的，而在端部处是开口的，以便排出氧气耗尽的滞留物；并且多个同轴的喷管突伸入所述氧气输送膜的开口端，以便将所述含氧气的气体供给到其中。所述至少一个入口包括通向所述燃烧室的入口，以便将燃料和废气(如果需要废气的话)的混合物引入到所述燃烧室中。或者，在氧气输送膜单元是开口端并且是管状的情况下，所述至少一个入口包括位于接近所述氧气输送膜的开口端的喷口。
该流体可以是水，因此该流体加热器可以是锅炉。在这种情况下，该流体通道布置在氧气输送膜之间，并且流体通道和氧气输送膜彼此平行。优选的是，该流体通道在流体入口和出口集管之间连通，以便分别将该流体供给到流体通道中并将蒸气从其中排出。在这种情况下，从氧气输送膜的开口端，氧气输送膜从滞留物出口集管突伸，以便排出氧气耗尽的空气，而喷管从空气入口集管突伸。
在另一方面，本发明提供了一种氧气分离和燃烧方法，其包括将含氧气的气体引入到多个位于燃烧室内的平行的氧气输送膜中。在多个平行的氧气输送膜中将氧气从含氧气的气体中分离出来，由此在燃烧室内提供氧气。将燃料引入到燃烧室中；并且在存在氧气的情况下，该燃料在该燃烧室中燃烧，以产生热量。传送流体使其经过多个位于该燃烧室中的流体通道，并且从该燃烧室中排出燃烧产物。该燃烧产物从该燃烧室中排出，并且该燃料被引入，从而使该燃烧产物沿大致平行于所述氧气输送膜的方向流动，以提供反应性驱气，以便促使氧气从该含氧气的气体中分离出来。所述流体通道定位成，以使该热量的一部分由该燃烧过程传递给所述氧气输送膜，以将所述氧气输送膜加热到工作温度，而该热量的另一部分由该燃烧过程传递给所述流体通道以提供热量，以便加热该流体并促使所述氧气输送膜的工作温度的稳定。
在本发明的上述任一种方面中，以及在本说明书和权利要求书中，术语“被加热”意味着将热量传递给流体并由此使其温度升高。另外，术语“水”包括液体形式的水以及蒸气或水和蒸气的两相混合物。因此，同样在在本说明书和权利要求书中，术语“被加热”与水的结合使用意味着通过任何热量升高水的温度。这样，水的温度可能或不能足以升高成为蒸气，并且如果水作为蒸气进入传热通道，则该蒸气将被成为过热蒸气。
该氧气输送膜和上述的燃烧系统的结合显著地降低氧气产生所需的功率。如果传质率由氧气输送膜本身来控制，则经氧气输送膜的氧气通量大致与源侧和产物侧之间的分压力比率的对数成比例。例如，为了在一个绝对大气压下产生纯的氧气，空气必须被压缩到约15个大气压。假设无氧气的空气膨胀，这导致所需大致160kW/ton的净能量。尽管该功率需求小于常规设备的大约200kW/ton的功率需求，但是氧气输送膜单元与锅炉的燃烧系统的结合通过当氧气流经该膜时提供反应性驱气以消耗氧气从而更进一步地降低该功率需求。这种氧气消耗使得在氧气输送膜的产物侧上的氧气浓度总是接近于零。这提供了仅需要最小压缩的较大的驱动力，通常刚好足以使空气移动经过氧气输送膜。这可通过使用风机来实现，以代替较昂贵的压缩机。
在管状膜中，因为对于氧气分离的最大驱动力出现在空气或其它含氧气的气体的进入到膜中的进入点处，所以燃烧产物的逆向流动在该膜的相对端处形成了含大量燃料并且氧气稀少的状况，在该处存在较小的驱动力，以便进一步加强反应性驱气的效应。
因为燃料、废气和燃烧产物以混合物形式存在于燃烧室中，所以燃料被冲淡，以便降低该燃料向氧气输送膜的表面扩散的驱动力。同时，经该膜的氧气通量足够低，以至于形成大量含有燃料的状况。因此，燃料的燃烧在该膜的表面处或在表面附近发生。这当然取决于冲淡的程度。
在本发明的设备和方法中，燃烧的位置的结果使得产生了燃烧热，这产生了将导致损坏和过早破损的氧气输送膜的热耗散。在本发明中，在蒸气管之间布置的传热通道用来排出热量并由此有助于稳定该氧气输送膜的工作温度。
由本发明获得的另一优点在于高程度的集成结合的可能性。因为氧气在使用点处产生，所以不需要氧气安全管。另外，将空气和燃料-废气气体的混合物加热到氧气输送膜的工作温度所需的能量直接来自于氧气输送膜，并没有使用外接管路引起的热损耗。这种结合使得锅炉/加热器的尺寸和复杂性减至最小。因为氧气在单元中产生，所以不需要常规的现场空气分离系统所需的其它空间。氧气输送膜和在燃烧室中的传热通道的位置也有助于使得本发明的流体加热器的占地面积减至最小。
由本发明获得的另一益处在于可产生作为副产品的高纯度的氮气。对于氧气输送的高驱动力产生氮气，其中几乎没有或没有氧气。而且，因为燃烧发生在存在氧气而不是空气的环境中，所以本发明的流体加热器产生极少的NOX。因为当燃料-废气混合物流经燃烧室时氧气逐渐加入到燃料-废气混合物中，所以燃烧本身分成这样的阶段在含大量燃料的状况下保持较长的滞留时间，并且缓慢地从含大量燃料的状况过渡到燃料稀少的状况，以便减少NOX形成的可能性。
尽管本发明以权利要求书来进行总结，该权利要求书清晰地指明了本申请人将其看作是他们的发明的本发明主题，但是应当认为结合附图可更好地理解本发明，在附图中图1是依据本发明的锅炉的示意图；图2是依据本发明的锅炉的另一实施例的示意图；图3是依据本发明的锅炉的又一实施例的示意图；和图4是依据本发明的示例的图表，其示出了氧气输送膜面积与用于该膜的热控制的蒸气管面积的所需比例。
为了避免重复地描述在本发明的各个实施例中对作为相同功能的元件，在图中使用的相同的附图标记表示相同的部件。
具体实施例方式
参照图1，其示出了依据本发明的锅炉1。应当注意，尽管本发明结合锅炉进行了描述，但是本发明并不限于此。锅炉只是依据本发明的氧气分离和燃烧设备的单个应用。其它流体例如石油产品可被加热，或者该流体通道可包含甲烷、蒸气、和适当蒸气转化催化剂。本发明的氧气分离和燃烧设备的目的不是加热流体，而是生成氮产物。在这种情况下，可使用任何适当的传热流体。
锅炉设置有燃烧室10和位于燃烧室10中的多个平行的氧气输送膜12、14、16。多个平行的流体通道18、20、22和23经过燃烧室10。在存在有由氧气输送膜12、14、16产生的氧气的情况下，燃料(例如甲烷或天然气)燃烧以产生热量，以便加热在流体通道18、20、22和23中循环的水。
氧气输送膜12、14、16优选是具有开口端的管的形式，该管连接到具有出口26的滞留物出口集管24。喷管28、30、32分别突伸入氧气输送膜12、14、16的开口端中，以便将包含氧气的气体供给到其中。喷管28、30、32连接到具有入口36的空气入口集管34。被加热的空气进入入口36和空气入口集管34，随后空气分配到喷管28、30、32中。空气如箭头A所示地从氧气输送膜12、14、16的封闭端流向氧气输送膜的开口端。氧气以氧离子的形式经氧气输送膜12、14、16渗透并排入到燃烧室10中。
尽管所示的氧气输送膜12、14、16是管状的，但是可由板状元件来代替。另外，尽管所示的流体通道18、20、22和23是彼此平行的并平行于氧气输送膜12、14、16，但是其它构形也是可行的。例如流体通道18、20、22和23可与所示取向成直角或围绕相应的氧气输送膜12、14、16成螺旋形。
燃料和废气的混合物借助于燃料入口38引入燃烧室10。燃料在氧气输送膜12、14、16的表面处燃烧，以产生热量和燃烧产物，以形成废气。所获得的热量将该氧气输送膜12、14、16加热到它们的工作温度，同时将热量供应给在相对端处连接到入口和出口集管46、48上的流体通道18、20、22和23。被加热的水引入流体入口集管40的入口50。随后水流经流体通道18、20、22和23生成蒸气，蒸气从流体出口集管48的出口52排出。
废气经废气出口54从燃烧室10中排出。尽管没有示出，但是从废气出口54排出的部分废气通过风机进行循环从而被冷却，并且随后与燃料混合。该混合物随后引入到入口38。入口38与废气出口54之间的间距使得废气和燃烧产物沿平行于氧气输送膜12、14、16的方向经过。
尽管仅示出了单排的流体通道18、20、22和23以及单排的氧气输送膜12、14、16，但是特别有利的是，提供多个这种排的形式，以便使每个氧气输送膜12、14、16被流体通道18、20、22、和23包围，从而将燃烧热传递给流体通道并有助于使氧气输送膜12、14、16的工作温度稳定。
参照图2，其示出了依据本发明的锅炉2。锅炉2和锅炉1之间的差别在于燃烧室的入口38和排气口54的位置倒置成入口38’和排气口54’，以便使得此时废气主要地沿箭头“B”的方向移动，该方向与空气在氧气输送膜元件12、14、16内的流动方向(如箭头“A”所示)相反。同样的，在管状的氧气输送膜元件12、14、16的封闭端处，存在最高的氧气浓度，并且因此在空气本身中存在最大的驱动力。当空气沿箭头“A”所示的方向朝向滞留物出口集管26行进时，在每一氧气输送膜单元12、14、16中的氧气浓度逐渐降低。然而燃料在氧气输送膜12、14、16的开口端处进入，在该开口端处具有最小的驱动力。然而，在该点处，燃烧是以包含大量燃料的方式进行，并因此由在该位置处通过反应性驱气(reactive purge)提供了最大的驱动力。
参照图3，其示出了依据本发明的锅炉3，其中燃料以与废气分离的方式通过一系列的燃料入口引入到燃烧室10中，该燃料入口由燃料入口集管56来提供，该燃料入口集管56具有燃料入口57和连接到该集管上的燃料喷射器58、60、62、64、66、68。燃料以逆流方向(箭头“B”)喷入燃烧室10，以便在氧气输送膜元件12、14、16的开口端处提供最大的反应性驱气效应，在该处在特定的膜内存在趋于分离的最小量的驱动力。废气经废气入口38”引入燃烧室10并从排气口54”排出。尽管没有示出，但是从排气口54”排出的部分废气通过高温风机循环回到废气入口38”。
在多种形式的氧气输送膜中，经该膜的氧气通量随着膜温度的增大而增大。因此，在表面处的燃烧反应以及由此的在表面处的热量释放由经该膜的氧气通量来限定。然而，较差的温度控制导致该膜的严重的热耗散。当温度增大时，更多的氧气流经该膜，这导致在表面处更高的燃烧率以及更高的膜温度，直到超过该膜的温度限定范围。
在氧气输送膜的任何构形中，涉及燃料在膜的表面或在该表面附近的燃烧，由燃烧形成的传热的主要形式是辐射。流体通道和氧气输送膜的布置必须这样设计并使用，即，使得流体通道将能够充分地吸收辐射热，避免了热耗散，由此保持所希望的膜工作温度。
参照图4，其示出了由六个包含水的流体通道包围的管状形式的氧气输送膜的所计算示例。为了用示例来说明，假定在最佳工作范围内氧气输送膜具有20scfh/ft2的氧气通量。流体通道和氧气输送膜作为黑体，其中氧气输送膜的周围的流体通道的观察域通过交叉串(crossedstring)方法来估算。对于膜的燃烧热通量设定成9000BTU/ft2，并且流体通道温度设定在400°F。膜的工作范围的上限是该膜损坏的温度。其下限温度是膜停止工作的温度。如图所示，流体通道必须构成膜和流体通道的总表面积的至少约58％，以便防止该膜过热。在另一方面的极端情况中，高于约85％的比例将导致膜过度的冷却。
尽管本发明结合优选实施例进行了描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，可在不脱离本发明的精神的情况下进行多种变型和省略。
权利要求
1.一种氧气分离和燃烧设备(1；2；3)，其包括燃烧室(10)；位于所述燃烧室(10)内的多个平行的氧气输送膜(12、14、16)，以将氧气从含氧气的气体中分离出来，由此在该燃烧室(10)内提供氧气以支持燃料的燃烧并由此产生热量；经过所述燃烧室(10)的多个流体通道(18、20、22、23)；所述流体通道(18、20、22、23)定位成，以使该热量的一部分由该燃烧过程传递给所述氧气输送膜(12、14、16)，以将所述氧气输送膜(12、14、16)加热到工作温度，而该热量的另一部分由该燃烧过程传递给所述流体通道(18、20、22、23)以提供热量，以便加热该流体并促使所述氧气输送膜(12、14、16)的工作温度的稳定；至少一个入口(38；38’；57)，该入口用于至少将燃料引入到所述燃烧室(10)中；和引自所述燃烧室(10)的排出口(54；54’；54”)，以便排出由该燃料的燃烧而产生的燃烧产物；该排出口(54；54’；54”)和所述至少一个入口(38；38’；57)彼此间隔开，以便所述燃烧产物沿大致平行于所述氧气输送膜(12、14、16)的方向流动。
2.根据权利要求1所述的设备(1；2；3)，其特征在于，所述氧气输送膜(12、14、16)和所述流体通道(18、20、22、23)是管状构形。
3.根据权利要求2所述的设备(2；3)，其特征在于，所述方向逆流于含氧气的气体在所述氧气输送膜(12、14、16)中的流动。
4.根据权利要求2所述的设备(1)，其特征在于，所述方向与含氧气的气体在所述氧气输送膜(12、14、16)中的流动是同向的。
5.根据权利要求2所述的设备(1；2；3)，其特征在于，所述氧气输送膜(12、14、16)在一个端部处是封闭的，而在端部处是开口的，以便排出氧气耗尽的滞留物；和多个同轴的喷管(28、30、32)突伸入所述氧气输送膜(12、14、16)的开口端，以便将所述含氧气的气体供给到其中。
6.根据权利要求5所述的设备(1；2)，其特征在于，所述至少一个入口(38；38’)包括通向所述燃烧室(10)的入口，以便将燃料和废气的混合物引入到所述燃烧室(10)中。
7.根据权利要求5所述的设备(3)，其特征在于，燃料通过位于接近所述氧气输送膜(12、14、16)的开口端的喷口(58、60、62、64、66、68)引入到燃烧室(10)中。
8.根据权利要求1所述的设备(1；2；3)，其特征在于，所述流体是水。
9.一种氧气分离和燃烧方法，其包括将含氧气的气体引入到多个位于燃烧室(10)内的平行的氧气输送膜(12、14、16)中；在多个平行的氧气输送膜(12、14、16)中将氧气从该含氧气的气体中分离出来，由此在燃烧室(10)内提供氧气；将燃料引入到燃烧室(10)中；在存在氧气的情况下，使该燃料在该燃烧室(10)中燃烧，以产生热量；传送流体使其经过多个位于该燃烧室(10)中的流体通道(18、20、22、23)；从该燃烧室(10)中排出燃烧产物；该燃烧产物从该燃烧室(10)中排出，并且该燃料被引入，从而使该燃烧产物沿大致平行于所述氧气输送膜(12、14、16)的方向流动，以提供反应性驱气，以便促使氧气从该含氧气的气体中分离出来；以及所述流体通道(18、20、22、23)定位成，以使该热量的一部分由该燃烧过程传递给所述氧气输送膜(12、14、16)，以将所述氧气输送膜(12、14、16)加热到工作温度，而该热量的另一部分由该燃烧过程传递给所述流体通道(18、20、22、23)以提供热量，以便加热该流体并促使所述氧气输送膜(12、14、16)的工作温度的稳定。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方向逆流于含氧气的气体在所述氧气输送膜(12、14、16)中的流动。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方向与含氧气的气体在所述氧气输送膜(12、14、16)中的流动是同向的。
全文摘要
一种氧气分离和燃烧设备(1；2；3)，其中流体通道(18、20、22、23)和氧气输送膜(12、14、16)位于燃烧室(10)内。氧气输送膜(12、14、16)分离氧气以便向在燃烧室(10)内的燃料燃烧提供氧气。流体通道(18、20、22、23)定位成，以使燃烧热量的一部分传递给氧气输送膜(12、14、16)，以将氧气输送膜(12、14、16)加热到工作温度，以便促使所述氧气输送膜(12、14、16)的工作温度的稳定。燃料引入到燃烧室(10)中，并且燃烧产物这样排出，即，该燃烧产物沿大致平行于所述氧气输送膜(12、14、16)的方向流动。
文档编号B01D53/22GK1489681SQ01822696
公开日2004年4月14日 申请日期2001年12月18日 优先权日2000年12月19日
发明者L·E·波尔三世, H·科巴亚施, L E 波尔三世, 脱鞘 申请人:普莱克斯技术有限公司