用于氧燃料燃燒和氧氣生產(chǎn)的綜合方法
【專利摘要】用于通過氧燃料燃燒進(jìn)行加熱的方法，其中借助于存在于從燃燒室(100)排出的煙道氣(11)中的余熱的至少一部分加熱空氣流(21)，將所述熱空氣流(22)的至少一部分引入至氧氣生產(chǎn)單元(20)內(nèi)，在該單元中存在于該熱空氣流(22)中的氧氣的一部分借助于一個(gè)或多個(gè)ITM被提取，其中獲得了高溫下的第一氧氣流(50)，將所述第一氧氣流(50)與第二氧氣流(60)混合以便獲得在比該第一氧氣流(50)的溫度更低的溫度下的總氧氣流(70)，將該總氧氣流(70)的至少一部分運(yùn)輸至該燃燒室(100)中并且在其內(nèi)用作富氧氧化劑。
【專利說明】用于氧燃料燃燒和氧氣生產(chǎn)的綜合方法
[0001]本發(fā)明涉及一種整合了氧氣生產(chǎn)或產(chǎn)生的氧燃料燃燒方法。
[0002]已知的是借助于離子運(yùn)輸膜(ITM)(還被稱為“固體電解質(zhì)”)從氣體(如空氣)中提取氧氣。所述ITM能夠離子化存在于與該ITM的第一面相接觸的空氣中的氧分子、穿過該ITM選擇性地運(yùn)輸這些氧離子并且在該膜的與該第一面相反(在這些氧離子的運(yùn)動(dòng)的方向上)的面上由所述氧離子重新構(gòu)成氧分子。
[0003]還已知的是使用由此產(chǎn)生的氧氣作為氧化劑(燃燒助燃劑)用于燃料的燃燒和熱量的產(chǎn)生。
[0004]W0-A-2011/015616披露了一種用于操作玻璃熔融爐的方法，其中這些燃燒器一方面供應(yīng)有燃料，并且另一方面供應(yīng)有直接從ITM氧氣提取器產(chǎn)生的熱氧氣。根據(jù)W0-A-2011/015616，如果來自該提取器的氧氣貢獻(xiàn)是不足的，進(jìn)行直接到該燃燒器的額外的氧氣貢獻(xiàn)。從該熔融爐離開的煙道氣傳遞至第一熱交換器(被稱為初級交換器)內(nèi)用于再加熱熱交換流體(特別是空氣)。由此再加熱的空氣供應(yīng)一系列次級熱交換器，其中壓縮空氣典型地在1.5至2X 16Pa的數(shù)量級的壓力下循環(huán)。在穿過這些次級交換器之后，該壓縮空氣展現(xiàn)出500°C至550°C的溫度?？梢赃M(jìn)一步在鍋爐中再加熱這種熱壓縮空氣以便達(dá)到更高的溫度，例如900°C數(shù)量級的溫度。如此獲得的熱壓縮空氣傳遞通過該ITM提取器用于生產(chǎn)氧氣并且從該熱壓縮空氣中如此提取的氧氣被直接引導(dǎo)至燃燒器中。貧氧空氣可以用于激活渦輪機(jī)用于生產(chǎn)引入至該ITM提取器內(nèi)的壓縮空氣。
[0005]如在W0-A-201I/015616中表明的，熱氧氣的特性(在其從該ITM提取器離開時(shí))對其中該熱氧氣循環(huán)的裝置強(qiáng)加了實(shí)際限制。因此特別地表明的是在氧氣提取之后立即使用該氧氣并且因此將該ITM提取器定位為接近該爐的燃燒器以便限制該過程接著是該氧氣一直到該燃燒器，以便限制與這種氧氣接觸的這些裝置的損害的風(fēng)險(xiǎn)。
[0006]為了安全起見，將每個(gè)提取器定位成接近相關(guān)燃燒器的需要大大限制在WO-A-2011/015616中描述的方法的優(yōu)點(diǎn)。
[0007]這是因?yàn)椴Ａ廴跔t尤其與用于向這些燃燒器供應(yīng)氧化劑的裝置和用于向這些燃燒器供應(yīng)燃料的裝置、以及如果適合的話這些燃燒器上游的用于預(yù)加熱氧化劑和/或燃料的裝置的緊鄰總體上在空間上特別地在這些燃燒器處是非常受限制的。盡管在空間上的這種限制，但是仍必要的是提供容易接近所述燃燒器以便允許維護(hù)和修理它們。
[0008]此外，這些熔融爐經(jīng)常包括大量的燃燒器。為了生產(chǎn)對于每個(gè)燃燒器是統(tǒng)一的小ITM氧氣提取器，顯著增加這些設(shè)施的成本。
[0009]因此，這些爐的當(dāng)前設(shè)計(jì)總體上不使在這些燃燒器的上游立即引入ITM氧氣提取器成為可能，如在W0-A-2011/015616中提供的，然而，如還在W0-A-2011/015616解釋的，將該ITM提取器安裝在與該燃燒器較大的距離處呈現(xiàn)了與高溫下氧氣運(yùn)輸相關(guān)的、總體上對于該爐的操作者不可接受的安全問題。
[0010]本發(fā)明的一個(gè)目的是至少部分地克服以上描述的問題。
[0011]本發(fā)明更具體地提供了一種用于在爐中通過氧燃料燃燒進(jìn)行加熱的方法，其中在該爐的燃燒室中用富氧氧化劑焚燒燃料，在該燃燒室中產(chǎn)生熱量和煙道氣。將這些產(chǎn)生的煙道氣從該燃燒室中排出，所述排出的煙道氣包含余熱。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，借助于存在于這些排出的煙道氣中的該余熱的至少一部分加熱空氣流。由此獲得了具有溫度TAl的熱空氣流。選擇該溫度TAl以便使通過ITM從該熱空氣提取氧氣成為可能。
[0013]將該熱空氣流的至少一部分引入至氧氣生產(chǎn)單元內(nèi)，其中存在于該熱空氣流的所述至少一部分中的氧氣的一部分借助于一個(gè)或多個(gè)ITM進(jìn)行提取。以此方式，獲得了在溫度TOl下的第一氧氣流和具有溫度TA2的貧氧空氣流，其中TA2<TA1。
[0014]在這個(gè)氧氣生產(chǎn)單元的下游，該第一氧氣流與第二氧氣流混合，以便獲得在溫度T02下的總氧氣流，其中T02<T01。由于該第二氧氣流的溫度小于該第一氧氣流的溫度TOl，總體上獲得了較低的溫度Τ02。
[0015]然后將該總氧氣流的至少一部分運(yùn)輸至該爐的燃燒室中并且用作該燃燒室中的富氧氧化劑。根據(jù)本發(fā)明，直接在該燃燒室的上游將該總氧氣流的所述至少一部分加熱至溫度TOf，其中T0f>T02。
[0016]術(shù)語“爐”理解為是指一種裝置或設(shè)施，其中加熱除了該燃料和氧化劑之外的材料或組分，目的是為了在所供應(yīng)的熱量的作用下使這種材料或這些組分經(jīng)受物理或化學(xué)轉(zhuǎn)化，例如熔融爐、煅燒爐、鋼再加熱爐等。
[0017]術(shù)語“余熱”理解為是指從燃燒室(其中通過該室中的燃燒產(chǎn)生煙道氣)排出的熱量。
[0018]術(shù)語“富氧”或簡單地“富”氧化劑或氣體理解為是指具有大于60體積％的氧含量的氧化劑或氣體。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，因此使用來自這些排出的煙道氣的余熱以便加熱空氣流一直到溫度TAl，這使在工業(yè)水平下通過ITM進(jìn)行氧氣的提取成為可能。
[0020]在該生產(chǎn)單元的下游，該第一氧氣流展現(xiàn)出高溫，使得這種第一氧氣流的運(yùn)輸將呈現(xiàn)安全問題。
[0021]根據(jù)本發(fā)明，通過將該第一流與第二氧氣流混合，有可能的是產(chǎn)生具有較低溫度T02的總氧氣流，這使該總流的安全運(yùn)輸成為可能，然而沒有損失存在于該生產(chǎn)單元的出口處的該第一氧氣流中的熱能。
[0022]貢獻(xiàn)來自于除了該生產(chǎn)單元之外的源的第二氧氣流還使得有可能避免由于大多數(shù)I TM基氧氣生產(chǎn)單元的有限生產(chǎn)能力的問題。
[0023]借助于存在于這些排出的煙道氣中的余熱的空氣流加熱可以在熱回收單元或交換器中進(jìn)行。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的有利的實(shí)施例，其至少一部分、的確甚至全部被引入至該氧氣生產(chǎn)單元內(nèi)的熱空氣流展現(xiàn)出7000C至10000C、優(yōu)選750 °C至950°C并且更優(yōu)選800 °C至900 °C的溫度TAl。這些溫度促進(jìn)通過ITM的氧氣提取。
[0025]該熱空氣流的該至少一部分優(yōu)選地在該氧氣生產(chǎn)單元的入口處展現(xiàn)出I巴至6巴、優(yōu)選I巴至3巴并且更優(yōu)選I巴至2巴的絕對壓力PAl。
[0026]從該熱空氣流的該至少一部分提取的氧氣的一部分可以對應(yīng)于存在于該熱空氣流的所述至少一部分中的氧氣的10%與100%之間、優(yōu)選20%與70%之間并且更優(yōu)選20%與50%之間。盡管該氧氣的盡可能完全的提取是所希望的，但是在工業(yè)背景下部分提取經(jīng)常是更有益的并且因此優(yōu)選的。
[0027]從該生產(chǎn)單元產(chǎn)生的該第一氧氣流可以對應(yīng)于該總氧氣流的90體積％與0體積％之間、優(yōu)選90體積%與15體積％之間、更優(yōu)選80體積%與20體積之間、的確甚至80體積%與30體積%之間并且更優(yōu)選80體積%與50體積％之間。
[0028]根據(jù)本發(fā)明，不包含從該生產(chǎn)單元產(chǎn)生的氧氣并且因此完全由來自于另一個(gè)源的氧氣組成的總流的使用是例外的并且在時(shí)間上是受限制的(并且不在該方法的整體持續(xù)時(shí)間過程中)。然而，此類總流使該燃燒室的連續(xù)操作成為可能，盡管在該氧氣生產(chǎn)單元中存在停機(jī)或故障。
[0029]通過空氣分離單元如PSA(變壓吸附)單元或VPSA(真空變壓吸附)單元、液化氧槽或者氣態(tài)或液化氧管道供應(yīng)該第二氧氣流。
[0030]本發(fā)明在使用預(yù)加熱的富氧化劑的方法中具有特別用途。在本發(fā)明上下文中，術(shù)語“預(yù)加熱”指的是在將有待被加熱或熔融的產(chǎn)品，如燃料、氧化劑或者還有原料引入至該燃燒室內(nèi)之前它的加熱。
[0031 ]根據(jù)本發(fā)明，直接在該燃燒室的上游，S卩，直接在該燃燒室配備的并且用于將預(yù)加熱的氧氣注入至該燃燒室內(nèi)的燃燒器或噴槍的上游，將該總氧氣流的該至少一部分有利地加熱至在250°C與620°C之間、優(yōu)選在300°C與600°C之間并且更優(yōu)選在350°C與580°C之間的溫度TOf。
[0032]該貧氧空氣流有利地用于預(yù)加熱該總氧氣流的該至少一部分，例如通過在熱交換器中在該貧空氣與該總流的該至少一部分之間的熱交換。
[0033]這是因?yàn)槿Q于該氧氣生產(chǎn)單元的入口處的空氣的溫度TAl，在這個(gè)氧氣生產(chǎn)單元的出口處的該貧空氣流可以展現(xiàn)出400°C至750°C、優(yōu)選450°C至700°C并且更優(yōu)選500°C至650°C的溫度TA2。這種貧氧空氣流因此展現(xiàn)出可以有用地用于增加該方法的能量輸出的熱能。
[0034]因此，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，直接在該燃燒室的上游通過與由該氧氣生產(chǎn)單元產(chǎn)生的該貧氧空氣流熱交換來加熱該總氧氣流的該至少一部分。還有利的是預(yù)加熱該燃燒室中焚燒的燃料的至少一部分。在這種情況下，優(yōu)選的是典型地在熱交換器中通過與由該氧氣生產(chǎn)單元產(chǎn)生的該貧氧空氣流熱交換在該燃燒室的上游預(yù)加熱該燃燒室中焚燒的燃料的至少一部分。
[0035]術(shù)語“熱交換器”或“交換器”理解為是指一種設(shè)施或裝置，其中兩種不同溫度的流體在分開的室中循環(huán)并且通過將這兩個(gè)室隔開的一個(gè)或多個(gè)壁將熱從這兩種流體之一(最熱的流體)傳遞至這兩種流體中的另一種(最冷的流體)，并且因此沒有在這兩種流體之間的直接接觸或混合。
[0036]然而不排除用于預(yù)加熱該氧氣和/或該燃料的其他熱源的使用，單獨(dú)地或者優(yōu)選地與和該貧氧空氣流的熱交換組合。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的方法對于爐的任何高溫燃燒室有用并且是有利的。該燃燒室因此可以是熔融室，如用于熔融金屬的室或者優(yōu)選用于熔融可玻璃化材料的室。此類熔融室的實(shí)例是浮法類型的玻璃熔融室。該室還可以是煅燒室，例如用于水泥的煅燒，或者還是再加熱室，如特別是鋼再加熱室。
[0038]應(yīng)該注意，術(shù)語“燃燒室”不限于靜態(tài)燃燒室而且還包括旋轉(zhuǎn)燃燒室。
[0039]鑒于根據(jù)本發(fā)明的方法的以下實(shí)例和適合于此類方法的實(shí)施實(shí)施的設(shè)施將更好地理解本發(fā)明和其優(yōu)點(diǎn)，參考圖1，該圖是適合于根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施的用于熔融玻璃的此類設(shè)施的圖解表示。
[0040]所述設(shè)施包括爐的燃燒室100，更具體地玻璃熔融或熔融/精煉室，該室配備有一個(gè)或多個(gè)適合于預(yù)加熱的富氧燃料的燃燒的燃燒器200。
[0041]該設(shè)施還包括用于分配富氧氧化劑來向所述燃燒器200供應(yīng)氧化劑的系統(tǒng)，以及還有用于分配燃料來向所述燃燒器200供應(yīng)燃料(例如，天然氣)的系統(tǒng)。
[0042]雖然在該圖中僅僅示出一個(gè)燃燒器，但是該燃燒室典型地包括若干燃燒器、以及甚至大量的燃燒器，例如在浮法類型的熔融爐的情況下。
[0043]從燃燒室100排出由燃燒產(chǎn)生的這些煙道氣并且將其送至用于排出這些煙道氣11的回路中。
[0044]將一個(gè)或多個(gè)熱交換器10(被稱為初級交換器)放置于該回路上用于在燃燒室100的下游排放這些煙道氣U。在初級交換器10中，將來自這些排出的煙道氣的余熱的一部分轉(zhuǎn)移到空氣流21中，其中一方面獲得熱空氣流22并且另一方面獲得溫和的排出煙道氣流
12ο
[0045]在初級交換器10的出口處該熱空氣達(dá)到700°C并且最高達(dá)900°C、的確甚至最高達(dá)950 °C的數(shù)量級的溫度。
[0046]因此將熱空氣流22帶到在ITM上的氧氣提取可以在工業(yè)規(guī)模上進(jìn)行的溫度的水平。它是處于接近于大氣壓的壓力下。
[0047]將這個(gè)熱空氣流22引入至用于借助于陶瓷ITM20通過提取生產(chǎn)氧氣的單元中，具有I至100噸氧氣/天的容量。
[0048]在這些壓力下并且具有合適的膜表面面積，該提取輸出例如是50%的數(shù)量級。
[0049]因此，在生產(chǎn)單元20的出口處獲得了第一氧氣流50以及還有貧氧空氣流23。
[0050]由ITM產(chǎn)生的第一氧氣流50是熱的，具有900°C的數(shù)量級的溫度T01。將這種熱氧氣50直接注入至用于分配氧氣的系統(tǒng)內(nèi)，在該系統(tǒng)處該熱氧氣與由另一個(gè)氧氣源(如ASU(空氣分離單元)、VSA(真空變壓吸附)單元、LOX(液氧)槽或氣態(tài)氧回路)產(chǎn)生的較冷氧氣60混入口 ο
[0051 ]因此獲得了總氧氣流70，該總氧氣流含有從20至25體積％ (并且最高達(dá)50體積％ )的由該ITM氧氣生產(chǎn)單元產(chǎn)生的氧氣和從75至80體積％ (并且低至50體積％)的由另一氧氣源產(chǎn)生的氧氣。
[0052]由ITM產(chǎn)生的該熱氧氣因此冷卻而沒有該設(shè)施的能量損失并且可以無風(fēng)險(xiǎn)地在該氧氣分配系統(tǒng)中運(yùn)輸，該系統(tǒng)的材料不必耐受該非常高溫氧氣的高度侵蝕性條件。
[0053]然后將由此獲得的來自不同源的氧氣的混合物用作富氧氧化劑來在燃燒/熔融室30中產(chǎn)生燃料的燃燒。
[0054]根據(jù)本發(fā)明，有可能的是通過在最適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)處定位該一個(gè)或多個(gè)氧氣產(chǎn)生單元20來優(yōu)化該玻璃熔融設(shè)施的配置，即使這與燃燒室100的燃燒器200有一定距離，并且對于總氧氣流70的運(yùn)輸不必使用耐受該高溫氧氣的材料(通常非常昂貴的材料)。
[0055]在示出的實(shí)施例中，通過ITM的氧氣的生產(chǎn)與用于預(yù)加熱氧氣和燃料(例如天然氣)的技術(shù)整合用于供應(yīng)該玻璃熔融設(shè)施的燃燒室100的氧燃料可燃燃燒器200。
[0056]用于預(yù)加熱氧氣的類似技術(shù)特別地從US-A6071 116已知。
[0057]將展現(xiàn)出450°C的數(shù)量級的溫度TA2的由氧氣生產(chǎn)單元20產(chǎn)生的貧氧空氣23引導(dǎo)至次級熱交換器31和32中。
[0058]在第一次級交換器31中，貧氧空氣23的一部分用于在燃燒室100的這些燃燒器200的上游預(yù)加熱燃料25(例如天然氣)。獲得了被供應(yīng)給這些燃燒器200的預(yù)加熱的燃料流26、以及第一溫和的貧氧空氣流27。
[0059]類似地，在第二次級交換器32中，貧氧空氣23的一部分用于在所述燃燒器200的上游預(yù)加熱總氧氣流70的至少一部分。獲得了被供應(yīng)給這些燃燒器200的預(yù)加熱的氧氣流71、以及第二溫和的貧氧空氣流28。
[0060]圖1中示出了僅一個(gè)第一次級交換器31和僅一個(gè)第二次級交換器32。然而，該設(shè)施可以包括若干第一次級交換器31和若干第二次級交換器32。特別地，當(dāng)該燃燒室包括大量燃燒器200時(shí)，該設(shè)施可以包括若干第一次級交換器31和若干第二次級交換器32，每個(gè)熱交換器31和32供應(yīng)有限數(shù)量的燃燒器200，的確甚至僅一個(gè)燃燒器200。這使得有可能特別地限制用于分別地運(yùn)輸預(yù)加熱的燃料或預(yù)加熱的氧氣的管道。
[0061]雖然，根據(jù)本發(fā)明，由ITM產(chǎn)生的氧氣通過將其與來自另一個(gè)源的氧氣混合進(jìn)行冷卻，然而本發(fā)明使得有可能具有典型地約300°C的在次級交換器32的入口處的氧氣(氧氣混合物或總氧氣流)溫度，并且因此減少該一個(gè)或多個(gè)用于預(yù)加熱該氧氣的次級交換器32的尺寸和成本。
[0062]因此本發(fā)明使得有可能使用來自從燃燒室100排出的這些煙道氣的余熱用于生產(chǎn)氧氣并且用于預(yù)加熱該燃料和富氧氧化劑，以優(yōu)化該設(shè)施的配置并且限制必須耐受熱氧氣的材料的使用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于在爐中通過氧燃料燃燒進(jìn)行加熱的方法，其中: ?在該爐的燃燒室(100)中用富氧氧化劑焚燒燃料，其中在該燃燒室中產(chǎn)生熱量和煙道氣， ?將這些產(chǎn)生的煙道氣(11)從該燃燒室(100)中排出，所述排出的煙道氣包含余熱， ?借助于存在于這些排出的煙道氣中的該余熱的至少一部分加熱空氣流(21)，其中獲得了在溫度TAl下的熱空氣流(22)， ?將該熱空氣流(22)的至少一部分引入至氧氣生產(chǎn)單元(20)內(nèi)，在該單元中存在于該熱空氣流(20)的所述至少一部分中的氧氣的一部分借助于一個(gè)或多個(gè)ITM被提取，其中獲得了在溫度TOl下的第一氧氣流(50)和在溫度TA2下的貧氧空氣流(23)，其中TA2<TA1， ?在該氧氣生產(chǎn)單元(20)的下游，該第一氧氣流(50)與第二氧氣流(60)混合，以便獲得在溫度T02下的總氧氣流(70)，其中T02<T01， ?將該總氧氣流(70)的至少一部分運(yùn)輸至該燃燒室(100)中并且用作該燃燒室(100)中的富氧氧化劑，直接在該燃燒室(100)的上游將該總氧氣流(70)的所述至少一部分加熱至溫度TOf，其中TOf > Τ02。2.如權(quán)利要求1所述的加熱方法，其中該熱空氣流(22)展現(xiàn)出700°C至1000°C、優(yōu)選750°C至950 °C并且更優(yōu)選800 °C至900 °C的溫度TAl。3.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中該熱空氣流(22)展現(xiàn)出在該氧氣生產(chǎn)單元的入口處的I巴至6巴、優(yōu)選I巴至3巴并且更優(yōu)選I巴至2巴的絕對壓力PAl。4.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中從熱空氣流(22)的該至少一部分中提取的該部分氧氣對應(yīng)于存在于該熱空氣流的所述至少一部分中的氧氣的10%與100%之間、優(yōu)選20%與70%之間并且更優(yōu)選20%與50%之間。5.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中該貧氧空氣流(23)的溫度TA2是從400°C至750°C、優(yōu)選從450°C至700°C并且更優(yōu)選從500°C至650°C。6.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中該第一氧氣流(50)對應(yīng)于該總氧氣流(70)的90體積％與0體積％之間、優(yōu)選90體積0A與15體積％之間、更優(yōu)選80體積％與20體積％之間、的確甚至80體積%與30體積%之間并且更優(yōu)選80體積%與50體積％之間。7.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過空氣分離單元、VSA單元、液化氧槽或氣態(tài)氧管道供應(yīng)該第二氧氣流(60)。8.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中直接在該燃燒室(100)的上游將該總氧氣流(70)的該至少一部分加熱至在250°C與620°C之間、優(yōu)選在300°C與600°C之間并且更優(yōu)選在350 0C與580 0C之間的溫度TOf。9.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中直接在該燃燒室(100)的上游通過與由該氧氣生產(chǎn)單元(20)產(chǎn)生的該貧氧空氣流(23)熱交換來加熱該總氧氣流(70)的該至少一部分。10.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在該燃燒室(100)的上游通過與由該氧氣生產(chǎn)單元(20)產(chǎn)生的該貧氧空氣流(23)熱交換來預(yù)加熱在該燃燒室(100)中焚燒的該燃料(25)的至少一部分。11.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中該燃燒室(100)是熔融室，優(yōu)選用于熔融可玻璃化材料的室，煅燒室或鋼再加熱室。
【文檔編號】C01B13/02GK105980776SQ201480074698
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年12月19日
【發(fā)明人】呂克·雅里, 尼古拉斯·施皮格爾
【申請人】喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司