ES2269257T3 - Metodo de separacion de aire y sistema para producir oxigeno para apoyar la combustion en un dispositivo de consumo de calor. - Google Patents
Metodo de separacion de aire y sistema para producir oxigeno para apoyar la combustion en un dispositivo de consumo de calor. Download PDFInfo
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Abstract
Un método de separación de oxígeno del aire para producir oxígeno que mantiene la combustión de un combusti- ble, para producir de ese modo calor en una caldera, comprendiendo dicho método: comprimir una corriente de aire alimentada para produ- cir una corriente de aire comprimido; calentar la corriente de aire comprimido a una tempe- ratura operativa de un sistema de membranas que emplea al menos una membrana conductora de iones, selectiva de oxíge- no; siendo calentada la corriente de aire comprimido por medio de un intercambio de calor indirecto y al menos en parte dentro de dicha caldera haciendo pasar dicha corrien- te de aire comprimido a través de tubos de calentamiento de aire entremezclados con tubos de vapor dentro de una zona de intercambio de calor radiante de dicha caldera; introducir la corriente de aire comprimido, después de haber sido calentada, en el sistema de membranas para pro- ducir un oxígeno filtrado y un retenido pobre en oxígeno; y quemar dicho combustible en la presencia de un oxidan- te compuesto al menos en parte del oxígeno filtrado produ- cido dentro del sistema de membranas.
Description
Método de separación de aire y sistema para
producir oxígeno para apoyar la combustión en un dispositivo de
consumo de calor.
La presente invención se refiere a un método de
separación del aire y un sistema para producir oxígeno para
mantener la combustión de un combustible. Más particularmente, la
presente invención se refiere a un tipo de método y sistema en el
cual la combustión produce calor para un dispositivo de consumo de
calor. Incluso, más particularmente, la presente invención se
refiere a un tipo de método y sistema en el que se calienta el aire
dentro del dispositivo de consumo de calor y entonces se separa
dentro de un sistema de separación de membrana cerámica para
producir el oxígeno.
Existe una preocupación creciente sobre los
problemas medioambientales que origina la emisión de contaminantes
producida por los sistemas de combustión que queman combustibles
fósiles. Tales sistemas de combustión representan una de las
mayores fuentes de dióxido de carbono en las emisiones contaminantes
del aire. Se sabe que un medio eficaz para reducir tales emisiones
e incrementar la eficiencia de la combustión consiste en usar
oxígeno o aire enriquecido con oxigeno en el procedimiento de
combustión. La utilización de oxígeno o aire enriquecido con
oxígeno reduce el calor perdido por la chimenea, lo cual aumenta la
eficiencia del sistema, mientras que al mismo tiempo se reducen las
emisiones de NOx. Adicionalmente, la concentración de dióxido de
carbono en el gas de combustión es mayor puesto que hay poco o
ningún nitrógeno que actúe como diluente. Tal gas de combustión se
puede usar más fácilmente para producir una corriente rica en
dióxido de carbono para la reutilización o el secuestro que el gas
de combustión que tiene un alto contenido de nitrógeno.
La utilización de oxígeno para mantener la
combustión ha hallado aplicación en procedimientos que requieren
altas temperaturas, por ejemplo, en hornos de vidrio. En tales
aplicaciones, el ahorro de combustible y otros beneficios
conseguidos compensan el coste del oxígeno. Cuando se usa aire para
mantener la combustión del combustible en tales aplicaciones de
alta temperatura, una parte significativa del poder calorífico del
combustible se consume en el calentamiento del nitrógeno contenido
en el aire. Este calor se pierde luego cuando los gases de
combustión resultantes son descargados a altas temperaturas. En
sistemas de escape de baja temperatura, tales como calderas, la
pérdida de calor resultante es mucho menor puesto que se recupera
más calor de los gases de combustión antes de que sean descargados
en la atmósfera. Por tanto, en este caso el uso de oxígeno no es
atractivo económicamente porque el coste del oxígeno es mayor que
cualquier economía que puede obtenerse reduciendo el consumo de
combustible. En efecto, cuando se considera la energía requerida
para producir convencionalmente el oxígeno mediante procedimientos
de adsorción y criogénicos, el rendimiento térmico global
disminuye.
Una alternativa importante a la producción
criogénica o adsorbente es la producción en el lugar de oxígeno por
medio de sistemas de membrana cerámica de conducción de iones. En
tales sistemas, la propia membrana es impermeable al oxígeno. El
oxígeno es comprimido e ionizado en una superficie de la membrana
cerámica. Los iones de oxígeno son conducidos a través de la
membrana y recombinados para formar moléculas de oxígeno. En la
recombinación, se desprenden electrones de los iones de oxígeno y o
se desplazan directamente a través de la membrana o a través de una
trayectoria conductora para ionizar el oxígeno en la superficie
opuesta de la membrana. Tales membranas cerámicas conducen iones a
altas temperaturas que pueden superar los 1000ºC. Por tanto, en la
técnica anterior, la combustión auxiliar se usa para proporcionar
las altas temperaturas operativas requeridas por la membrana
cerámica.
El documento
US-A-5 643 354 describe un
procedimiento de fabricación de hierro en el que se usan carbón y
oxígeno para reducir directamente el mineral y fundir el hierro
esponjoso resultante, en el que un procedimiento de membrana de
transporte de iones de alta temperatura recupera oxígeno para ser
usado en el procedimiento de fabricación. Se proporciona calor para
la recuperación de oxígeno mediante la combustión de gas combustible
de poder calorífico medio generado por el procedimiento de
fabricación de hierro y/o mediante el intercambio de calor con gas
caliente proporcionado por el procedimiento de fabricación de
hierro. De acuerdo con el documento
US-A-5 643 354 la corriente de aire
comprimido es calentada mediante un intercambio de calor indirecto
contra el gas de reducción caliente que se forma retirando gas de
reducción cargado de polvo de un gasificador y separando de ese
carbón de gas de reducción, cenizas y finos de metal dentro de un
separador ciclónico
caliente.
caliente.
Por ejemplo, el documento U.S. 5.888.272
describe un procedimiento en el que se separa oxígeno de una
corriente de gas de alimentación comprimida en un módulo combustor
de transporte en el que el oxígeno separado se usa para mantener la
combustión de un combustible para producir las altas temperaturas
operativas para la membrana. En una realización, una corriente
filtrada por la membrana se usa en un procedimiento de consumo de
calor aguas abajo, que produce un escape que se usa para purgar el
lado filtrado de la membrana. La corriente filtrada puede ser usada
también para mantener la combustión en un combustor exterior que
está situado aguas arriba del procedimiento de consumo de calor.
Parte del escape del combustor puede ser usado para suministrar
gases de purga adicionales. Una porción del escape, relativamente
fría, del procedimiento de consumo de calor junto con el fluido
retenido caliente se usan para calentar el aire entrante en el
intercambiador de calor externo.
El documento 5.855.648 describe un procedimiento
para producir una corriente de gas de alimentación enriquecida con
oxígeno para ser alimentada en un alto horno. De acuerdo con esta
patente, se comprime y calienta aire. Parte del aire, después de
haber sido calentado en el intercambiador de calor externo, se
introduce en un sistema de membranas cerámicas para producir una
corriente filtrada. La corriente filtrada se introduce a su vez en
la corriente de aire calentada entrante y se usa para obtener un
aire enriquecido con oxígeno destinado a ser introducido en el
horno. Un combustible puede ser añadido al aire que ha de ser
separado en la membrana cerámica para mantener la combustión dentro
de la propia membrana. Adicionalmente, parte de la energía de
compresión puede ser recuperada con un expansor.
Aunque ambas patentes contemplan una integración
del sistema de membranas cerámicas con un dispositivo de consumo de
calor, ninguna contempla una integración térmica completa de
sistemas de funcionamiento completamente independientes. Por
ejemplo, en el documento U.S. 5.888.272 incluso donde se contempla
la combustión de oxígeno y combustible, la combustión y la
producción de oxígeno son componentes integrales, que hacen por
tanto muy difícil el funcionamiento de ese dispositivo de consumo
de calor sin el sistema de producción de oxígeno. Además, el
calentamiento de aire dentro de un intercambiador de calor externo
por medio de un intercambio de calor con gases de escape del
procedimiento de consumo de calor es ineficaz porque hay
invariablemente calor que se fuga al medio ambiente con ese tipo de
disposición. Aunque el documento U.S. 5.855.648 contempla una
combustión enriquecida con oxígeno dentro del propio procedimiento
de consumo de calor, es decir el alto horno, los gases de escape
calientes de ese tipo de procedimiento son expulsados sin provisión
alguna para la recuperación de su valor de calentamiento.
En las dos patentes anteriores, el sistema de
membrana cerámica se utiliza en procedimientos en los que los gases
de combustión entran en contacto con la membrana. Como tales, ambas
patentes han limitado su aplicación a la utilización de
combustibles que tienen un elevado contenido inorgánico, tales como
el carbón y los aceites viscosos. Puesto que un combustible
limpiador tal como gas natural es generalmente más caro que los
combustibles que tienen un elevado contenido inorgánico, es
conveniente disponer de un procedimiento y un sistema que puedan
ser integrados con combustibles que tengan un alto contenido
inorgánico.
Como se examinará, la presente invención
proporciona un método y un sistema para la combustión de oxígeno, o
mejorada con oxígeno, dentro de un dispositivo de consumo que
utiliza eficientemente un sistema de membrana cerámica para
suministrar el oxígeno. Además, un método y un sistema de acuerdo
con la presente invención pueden ser aplicados a sistemas de escape
de baja temperatura tales como una caldera o un horno y permite
usar fácilmente combustibles con un alto contenido inorgánico.
Todavía más, ese tipo de sistema está diseñado de modo que el
dispositivo de consumo de calor puede ser accionado sin la membrana
cerámica si se requiere.
La presente invención se compone de un método de
separación del oxígeno del aire como se define en la reivindicación
1 y un sistema de separación del aire para producir oxígeno como se
define en la reivindicación 6. En particular, la presente invención
proporciona un método de separación del oxígeno del aire para
producir oxígeno que mejora la combustión de un combustible,
produciendo de ese modo calor en un dispositivo de consumo de calor.
De acuerdo con el método, una corriente de aire de alimentación es
comprimida para producir una corriente de aire comprimido. La
corriente de aire comprimido se calienta a una temperatura operativa
de un sistema de membrana cerámica que emplea, al menos, una
membrana conductora de iones selectiva de oxígeno. La corriente de
aire comprimido se calienta por medio de un intercambio de calor
indirecto y al menos en parte dentro del dispositivo de consumo de
calor. Después de haber sido calentada, la corriente de aire
comprimido es introducida en el sistema de membrana para producir
un oxígeno filtrado y un retenido cuyo oxígeno está agotado. El
combustible se quema en la presencia de un oxidante compuesto, al
menos en parte, del oxígeno filtrado producido en el sistema de
membrana.
Ventajosamente, una corriente de retenido
compuesta de la retención puede ser expandida con la producción de
trabajo y el trabajo de expansión puede ser aplicado a la compresión
de la corriente de aire de alimentación. La expansión de la
corriente de retenido produce una corriente de retenido expandida
que puede ser usada para precalentar la corriente de aire
comprimido por medio de un intercambiador de calor indirecto.
Adicionalmente, la corriente de aire alimentado puede ser
comprimida a una presión suficiente para activar la separación del
oxígeno del aire dentro del sistema de membrana cerámica sin usar,
por ejemplo, una corriente de purga.
En el dispositivo de consumo de calor un
quemador produce gases de combustión calientes con la combustión
del combustible. La corriente de aire comprimido puede ser calentada
dentro del dispositivo de consumo de calor por medio de un
intercambio de calor indirecto con este gas de combustión caliente.
Alternativamente, el dispositivo de consumo calor es del tipo que
está provisto de una zona de intercambio de calor radiante y la
corriente de aire comprimido es básicamente calentada dentro del
dispositivo de consumo de calor por el calor radiante dentro de la
zona de intercambio de calor radiante.
En otro aspecto, la presente invención
proporciona un sistema de separación del aire de producción de
oxígeno para mantener la combustión de un combustible y de ese modo
producir calor en un dispositivo de consumo de calor. De acuerdo
con este aspecto de la presente invención, se proporciona un
compresor para comprimir la corriente de aire alimentada y producir
de ese modo una corriente de aire comprimida. Un sistema de membrana
cerámica está en comunicación con el compresor y emplea al menos
una membrana conductora de iones selectiva del oxígeno para separar
oxígeno de la corriente de aire alimentada, comprimida. Un
intercambiador de calor, situado dentro del dispositivo de consumo
de calor, está interpuesto entre el compresor y el sistema de
membrana para calentar la corriente de aire comprimido a una
temperatura operativa del sistema de membrana. Se proporcionan unos
medios para quemar el combustible dentro del dispositivo de consumo
de calor en la presencia de un oxidante compuesto de, al menos en
parte, el oxígeno filtrado producido en el sistema de membrana.
Ventajosamente, el sistema de separación de aire
puede emplear un expansor conectado al sistema de membrana para
expandir una corriente de retenido compuesta por la retención con la
producción de trabajo. Se pueden proporcionar unos medios para
aplicar el trabajo de expansión al suministro de potencia del
compresor. Un precalentador puede estar interpuesto entre el
intercambiador de calor y el compresor, y conectado al expansor
para precalentar la corriente de aire comprimido por medio de un
intercambio de calor indirecto con la corriente de retención
expandida producida por el expansor.
Los medios de combustión de combustible pueden
producir gases de combustión calientes en la combustión del
combustible y el intercambiador de calor puede estar posicionado
dentro del dispositivo de consumo de calor de modo que la corriente
de aire comprimido sea calentada por medio de un intercambio de
calor indirecto con los gases de combustión calientes.
Alternativamente, el dispositivo de consumo de calor puede ser del
tipo provisto de una zona de intercambio de calor radiante y el
intercambiador de calor puede estar situado dentro de la zona de
intercambio de calor radiante de modo que la corriente de aire
comprimido sea básicamente calentada por el calor radiante dentro
de la zona de intercambio de calor radiante. Como se puede apreciar,
un dispositivo de consumo de calor de ese tipo puede ser una
caldera y el intercambiador de calor puede comprender tubos de
intercambio de calor espaciados entre tubos de vapor.
Como es evidente en la descripción anterior de
la presente invención, se contempla una integración en la que el
sistema de membrana cerámica se integra térmicamente con un
dispositivo de consumo de calor que emplea una combustión mejorada
de oxígeno por medio del oxígeno producido dentro del sistema de
membrana cerámica. Se ha de tener en cuenta que la colocación del
intercambiador de calor dentro del dispositivo de consumo de calor
deberá aparecer al principio como contraproducente o, a lo mejor,
sin proporcionar beneficio adicional alguno, en comparación con un
dispositivo convencional alimentado con aire.
Tanto en la presente invención como en el caso
alimentado con aire de la técnica anterior, el aire se calienta
como parte de funcionamiento del dispositivo de consumo de calor. En
dispositivos alimentados con aire convencionales el calentamiento
del aire, en particular de los componentes inertes del aire, tales
como el nitrógeno, se efectúa dentro del espacio de combustión. En
la presente invención el calentamiento del aire se efectúa
indirectamente utilizando intercambiadores de calor. La
configuración de la presente invención aparecería por lo tanto, a
primera vista, como idéntica a la del caso de alimentación de aire
convencional desde el punto de vista de la eficiencia térmica. Tras
un examen adicional, la eficiencia térmica de la presente invención
podría preverse inferior a la del caso en que se alimenta aire a
causa de las pérdidas de calor medioambientales inevitables que son
ocasionadas por el intercambio de calor externo y de las tuberías de
las corrientes de fluido filtrado calentadas en el dispositivo de
consumo de calor. No obstante, la presente invención proporciona un
incremento significativo en la eficiencia con respecto a los casos
alimentados por aire de la técnica anterior. Las calderas que
consumen aire tienen en cualquier caso una eficiencia de alrededor
del 85% a alrededor del 90% (basada en el mayor valor de
calentamiento) limitado por la temperatura de los gases de
combustión mínima para evitar la corrosión de gases ácida (de
alrededor de 148,9ºC a 204,4ºC). La presente invención proporciona
eficiencias comprendidas entre alrededor del 90% y alrededor del
95% (valor de calentamiento más alto) para un sistema similar. La
eficiencia incrementada se debe al hecho de que la corriente de
retenido puede ser enfriada a temperaturas mucho más bajas que las
temperaturas de escape de los sistemas alimentados con aire. Esto
permite que mucho más calor del que entra en el fluido retenido sea
recuperado en comparación con los sistemas alimentados con aire
convencionales. La eficiencia puede ser incrementada todavía más si
se usa un intercambiador de calor de condensación para enfriar más
la corriente de gases de combustión; una opción de la que
típicamente no se dispone en las unidades alimentadas con aire.
En realizaciones de la presente invención en las
que el compresor es alimentado por el expansor, se obtienen todavía
más ventajas no solamente en la economía de energía, sino también
basadas en el hecho de que la separación puede ser solamente
activada por la presión producida por el compresor sin una purga que
tendería a diluir el oxígeno. La utilización de un precalentador
que use el calor contenido en la corriente retenida expandida eleva
la eficiencia térmica de un método o sistema de acuerdo con la
presente invención.
Una ventaja adicional de la presente invención
radica en que el intercambio de calor indirecto dentro del
dispositivo de consumo de calor permite la utilización de
combustibles que contienen cantidades significativas de materias
inorgánicas debido al sistema de membrana o membranas cerámicas que
funciona sin producto alguno de combustión que atraviese las
membranas. En un método y sistema contemplados por la presente
invención, el funcionamiento del dispositivo de consumo de calor y
el sistema de membranas cerámicas están algo desacoplados. El
dispositivo de consumo de calor puede ser accionado sin el sistema
de producción de oxígeno, que colabora en el arranque y la
detención del sistema completo. A este respecto, en el caso de un
fallo del sistema de membranas cerámicas, el dispositivo de consumo
de calor puede hacerse todavía funcionar usando un suministro de
oxígeno de reserva. Además, la interrupción del sistema de membranas
cerámicas puede ser manipulada independientemente del
funcionamiento del dispositivo de consumo de calor.
Aunque la memoria descriptiva concluye con
reivindicaciones que claramente especifican el tema que los
solicitantes consideran de su invención, se considera que la
invención se comprenderá mejor cuando sea considerada en relación
con los dibujos que se acompañan, en los cuales:
la figura 1 es una vista esquemática de un
sistema de acuerdo con la presente invención en el que aire
comprimido entrante es calentado mediante un intercambiador de
calor situado de modo que indirectamente intercambia calor con los
gases de combustión; y
la figura 2 es una realización alternativa de la
presente invención en la que aire comprimido es calentado
básicamente por calor radiante dentro de una zona de intercambio de
calor radiante del dispositivo de consumo de calor.
Con referencia a la figura 1, en ella se ilustra
un aparato 1 en el que un horno 2 consume el calor producido por la
combustión de un combustible 3.
El aire se comprime en un compresor 10 a una
presión suficiente para activar una separación del oxígeno del aire
en un sistema 12 de membrana cerámica que emplea una o más membranas
conductoras de iones, selectivas del oxígeno. Se ha de tener en
cuenta, sin embargo, que la presente invención no debe ser
interpretada como excluyendo la utilización de un gas de purga en
el lado filtrado de las membranas. Las membranas conductoras de
iones, selectivas de oxígeno, son del tipo que a altas temperaturas
conducen iones de oxígeno, pero serán impermeables al propio
oxígeno. La presente invención contempla le utilización de las
membranas de conducción de dos fases en las que tanto el oxígeno
como los iones son conducidos dentro de la membrana, así como de
las membranas iónicas en las que solamente son conducidos los iones
de oxígeno. En las membranas de conducción iónica se proporciona
una trayectoria conductora para la conducción de los electrones.
El aire que ha sido comprimido dentro del
compresor 10 forma una corriente 12 de aire comprimido que es
precalentada dentro de un precalentador 14. Un intercambiador 14 de
calor se proporciona dentro del horno 2 que está situado de modo
que indirectamente intercambia calor entre la corriente 12 de aire
comprimida dentro del intercambiador 16 de calor y los gases de
combustión producidos por la combustión del combustible 3. La
temperatura resultante de la corriente 12 de aire comprimido,
después de pasar a través del intercambiador 16 de calor, es
suficiente para alcanzar la temperatura operativa del sistema 12 de
membranas. La corriente 12 de aire comprimido, como tal, nunca se
expone al combustible 3.
Se ha de tener en cuenta que son posibles
realizaciones de la presente invención que no utilicen el
precalentador 14 y la corriente 12 de aire comprimido sea calentada
solamente dentro del intercambiador 16 de calor. La utilización del
precalentador 14, no obstante, permite la recuperación ventajosa de
calor que de otra manera se perdería del sistema. Aunque el
intercambiador 16 de calor se ilustra solamente como una tubería,
deberán emplearse tantas tuberías como sea necesario para
proporcionar la transferencia de calor requerida.
El oxígeno se separa de la corriente 12 de aire
comprimido dentro del sistema 12 de membranas para producir una
corriente filtrada 18 compuesta de oxígeno. La corriente filtrada 18
puede ser alimentada directamente en un quemador de oxígeno y
combustible para quemar el combustible 3, mezclado con aire
suplementario para la combustión enriquecida con oxígeno, o puede
ser usado con propósitos de lanza de oxígeno.
La corriente 20 de retenido, cuyo oxígeno ha
sido agotado, puede ser introducida en una turbina 22 para que la
corriente 20 de retenido se expanda con la producción de trabajo. El
trabajo de expansión puede ser aplicado entonces a la compresión de
aire dentro del compresor 10 ya sea directamente por medio de un
enlace mecánico o indirectamente por medio de un generador
eléctrico que produciría electricidad destinada a alimentar el
compresor 10. Como puede apreciarse, en la aplicación de ese trabajo
de expansión, la electricidad generada por un generador puede ser
alimentada en la red eléctrica de la que se toma potencia para el
compresor 10 para aplicar apropiadamente el trabajo de expansión a
la compresión.
La expansión realizada por el expansor 22
produce una corriente 24 de aire expandido que está a menor
temperatura y menor presión que la corriente 20 de retenido. Sin
embargo, todavía tiene una temperatura suficiente para permitir su
alimentación en el precalentador 14 para precalentar la corriente 12
de aire comprimido. La corriente expandida 24 puede entonces ser
alimentada en la pila o ser usada con otros propósitos. Como puede
apreciarse, son posibles realizaciones de la presente invención que
no incorporen el expansor 22.
Con referencia a la figura 2, en ella se ilustra
un aparato 4 en el que la combustión de un combustible es mantenida
mediante oxígeno dentro de una caldera 5. La caldera 5 tiene una
tobera 30 de entrada de combustible y una tobera 32 de entrada de
oxígeno. Tubos 34 de vapor convencionales están preferiblemente
entremezclados con tubos 36 de calentamiento de aire dentro de una
zona 38 de intercambio de calor radiante de la misma. Los tubos 36
de calentamiento de aire están conectados entre sí para formar un
intercambiador de calor dentro de la zona 38 de intercambio de
calor radiante. El aire entrante es comprimido mediante compresor 40
para producir una corriente 42 de aire comprimido que es
precalentada dentro de un precalentador 44. La corriente de aire
comprimido se hace pasar entonces a través de tubos 36 de
calentamiento de aire y luego dentro de un sistema 46 de membranas
cerámicas que emplea una o más membranas de conducción de iones
selectivas de oxígeno. Los tubos 36 de calentamiento de aire
funcionan calentando la corriente 42 de aire comprimido básicamente
mediante calor radiante aunque al menos en un grado limitado, pueden
estar presentes mecanismos de transferencia de calor convectivo. El
oxígeno separado del aire se hace pasar entonces como una corriente
48 filtrada a la tobera 32 de oxígeno. Una corriente 50 de retenido
pobre en oxígeno puede ser entonces expandida dentro de un expansor
52 para producir una corriente 54 expandida. La corriente 54 de aire
expandida puede ser introducida en el precalentador 44 que sirve
para impartir calor a la corriente 42 de aire comprimido.
Como en la realización mostrada en la figura 1,
se contemplan realizaciones de la presente invención que no empleen
el precalentador 44 y que usen una corriente de purga dentro del
sistema 46 de membranas cerámicas. Son posibles más realizaciones
en las que el expansor 52 no está presente.
Opcionalmente, el aparato 4 puede usar tanto
calentamiento radiante como convectivo, proporcionando el
intercambiador 56 de calor por encima de la zona 38 de intercambio
de calor radiante para calentar una corriente 58 de aire
subsidiario constituida por una parte de la corriente 42 de aire
comprimido entrante. La corriente 60 de aire subsidiario calentada
resultante puede entonces ser también introducida en el sistema 46
de membrana o membranas cerámicas.
Aunque la presente invención ha sido descrita
con referencia a una realización preferida, como se les ocurrirá a
los expertos en la técnica, numerosos cambios, adiciones y omisiones
pueden hacerse en la misma sin salirse del espíritu y alcance de la
presente invención.
Claims (9)
1. Un método de separación de oxígeno del aire
para producir oxígeno que mantiene la combustión de un combustible,
para producir de ese modo calor en una caldera, comprendiendo dicho
método:
comprimir una corriente de aire alimentada para
producir una corriente de aire comprimido;
calentar la corriente de aire comprimido a una
temperatura operativa de un sistema de membranas que emplea al
menos una membrana conductora de iones, selectiva de oxígeno;
siendo calentada la corriente de aire comprimido
por medio de un intercambio de calor indirecto y al menos en parte
dentro de dicha caldera haciendo pasar dicha corriente de aire
comprimido a través de tubos de calentamiento de aire
entremezclados con tubos de vapor dentro de una zona de intercambio
de calor radiante de dicha caldera;
introducir la corriente de aire comprimido,
después de haber sido calentada, en el sistema de membranas para
producir un oxígeno filtrado y un retenido pobre en oxígeno; y
quemar dicho combustible en la presencia de un
oxidante compuesto al menos en parte del oxígeno filtrado producido
dentro del sistema de membranas.
2. El método de la reivindicación 1, en el
que:
la combustión del combustible produce gases de
combustión calientes; y
dicha corriente de aire comprimido se calienta
también dentro de dicha caldera por medio de un intercambio de
calor indirecto con dichos gases de combustión calientes.
3. El método de las reivindicaciones 1 ó 2, que
comprende además:
expandir una corriente de retenido compuesta de
la retención con la producción de trabajo; y
aplicar dicho trabajo para comprimir dicha
corriente de aire alimentada.
4. El método de la reivindicación 3, en el
que:
la expansión de dicha corriente de retenido
produce una corriente de retenido expandida; y
dicha corriente de aire comprimido es
precalentada por medio de intercambio de calor indirecto con dicha
corriente de retenido expandida.
5. El método de la reivindicación 3, en el que
la corriente de aire alimentada se comprime a una presión suficiente
para activar la separación de oxígeno del aire dentro del sistema
de membranas.
6. Un aparato que comprende un sistema de
separación del aire y una caldera, en el que dicho sistema de
separación del aire produce oxígeno para mantener la combustión de
un combustible y de ese modo producir calor en dicha caldera,
comprendiendo dicho sistema de separación del aire:
un compresor para comprimir una corriente de
aire alimentada y producir de ese modo una corriente de aire
comprimido;
un sistema de membranas en comunicación con
dicho compresor y que emplea al menos una membrana de conducción de
iones, selectiva de oxígeno, para separar oxígeno de la corriente de
aire alimentada comprimida;
un intercambiador de calor formado por tubos de
calentamiento entremezclados con tubos de vapor dentro de una zona
de intercambio de calor radiante de dicha caldera e interpuesto
entre dicho compresor y dicho sistema de membranas para calentar la
corriente de aire comprimido a una temperatura operativa del sistema
de membranas; y
medios para quemar dicho combustible en la
presencia de un oxidante compuesto, al menos en parte, de oxígeno
filtrado producido dentro del sistema de membranas.
7. El aparato de la reivindicación 6, en el
que:
dichos medios de combustión de combustible
producen gases de combustión calientes de la combustión del
combustible; y
un intercambiador de calor adicional está
posicionado dentro de dicha caldera de modo que dicha corriente de
aire comprimido es también calentada por medio de intercambio de
calor indirecto con dichos gases de combustión calientes.
8. El aparato de la reivindicación 7 que
comprende además:
un expansor conectado a dicho sistema de
membranas para expandir una corriente de retenido, cuya expansión
está compuesta con la producción de trabajo mecánico; y
medios para aplicar dicho trabajo mecánico al
accionamiento de dicho compresor.
9. El aparato de la reivindicación 8, que
comprende además un precalentador interpuesto entre dicho
intercambiador de calor y dicho compresor y está conectado al
expansor para precalentar dicha corriente de aire comprimida por
medio de un intercambio de calor indirecto con una corriente de
retenido expandida producida por dicho expansor.
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