燃料和氧的燃烧方法技术

本文揭示了富氧气流的生产。将空气流接触一种氧选择性混合导体材料，具体是钙钛矿材料，氧气就被滞留或者吸附在钙钛矿上。本发明专利技术方法可以用于各种过程，如燃气的燃烧、热量的回收和锅炉相关的操作。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生产富含氧气的气流，具体涉及。
技术介绍
燃烧过程的主要目的是产生热量。在发电厂或者工业锅炉系统中，热量被利用来产生高压蒸气，此高压蒸气可转而用于提供工业用热或者可用于发电。多数的常规燃烧过程使用空气作为氧气来源。但是空气中氮气的存在对燃烧过程不起作用，甚至反而会产生问题。例如，在燃烧温度下氮气会和氧气反应形成氧化氮(NOx)，这是一种不合适的污染物。在许多情况下，燃烧的产物必须经过处理以降低氧化氮的排放，使之低于环境可接受的限度。而且，氮的存在提高了燃烧气体的体积，由此增大了热损失，所以降低了燃烧过程的热效率。此外，由于燃烧气体中的高含氮量，人们就不太愿意将其中的CO2作为产品回收或者将其吸收除去。目前强调的CO2吸收可以减轻其对全球变暖的不利影响，因此研究一种能以成本有效的方式除去CO2的过程是很重要的。一种从燃烧废气或者烟道气中免除氮气的方式是在燃烧过程中使用纯氧代替空气。但是，用氧气燃烧会产生很高的温度，因此有些产生的烟道气必须被再循环到达中等温度。由此将氧气含量稀释至大约27％(其余～73％为CO2和水)，并保持火焰温度至相同值。虽然这种方案能消除与氮气有关的问题，但是目前氧气成本太高，以致在经济方面缺乏吸引力。在美国专利No.5,888,272中讨论了使用离子迁移陶瓷膜进行富氧气流的生产，揭示了将进料气流分离成用于燃烧器的富含氧的气流和贫氧的气流的方法。即将进料气流压缩，然后使用包括具有可滞留面和可渗透面的离子迁移膜的离子迁移模块来从压缩进料气流中分离出氧气。所述离子迁移膜的可渗透面用由离子迁移模块渗透面流出的气流在燃烧器中燃烧获得的燃烧产物气流的至少一部分进行冲吹。这种方法生产氧气的缺点是所述膜的制造成本高，并且制造能防泄露的膜结构很难。而且，在膜单元中氧气的回收率通常较低。本专利技术是以使用制成颗粒形式的高温氧选择性陶瓷材料来制备适用于燃料与氧燃烧用途的基本不含氮的氧气气流为基础的，并可提供一种可降低氧气成本的能引人注意的备选方案。此系统使用压力回转或者温度回转模式，因为陶瓷膜的氧气滞留负荷量受温度和压力影响很大。所述方法一般在高于300℃的温度操作，有好几个优点，包括氧的负荷量高，氧的选择性也高。这一方法的主要优点，是使用传统方法设计的固定床反应器中使用常规粒状的氧选择性材料。因此，相比上述需要专门的制造、密封和组装过程并已知在这些方面具有若干问题的膜基方法，本专利技术所述方法更易于工业应用。所述固定床陶瓷基系统的另一优点是它能直接制备含氧基本上不含氮的气流，其中氧的浓度适合于燃料与氧燃烧的用途。这一点不同于常规方法，如空气制冷分离方法，该方法首先生产高纯氧气，随后稀释获得所需的氧气浓度。本专利技术通过生产适用于燃烧过程基本不含氮的含氧气流来降低氧气的成本。它涉及使用高温氧气产生系统来产生基本不含氮的含氧气流。具体言之，本专利技术说明使用氧选择性陶瓷材料来从空气流中分离氧制备含氧气流，所述含氧气流可以作为代替空气的氧气源用于工业锅炉或者燃烧加热器或者其它以燃烧为基的过程中。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于工业锅炉或燃烧加热器的含氧气流的制备方法。该方法说明如下使用一部分来自锅炉的、主要含有水蒸汽和CO2的烟道气冲吹扫含有饱和了氧的高温氧选择性陶瓷材料(例如钙钛矿)的反应器来制备含氧气流。将所述含氧气流和燃料一起输入锅炉燃烧室中，在其中燃烧产生热量。以循环的方式将所述贫氧陶瓷材料暴露于空气中，使其饱和以氧。因此，所述陶瓷系统的操作方法由循环操作的每个循环中的至少两步组成。第一步，将空气流输入装有高温氧选择性陶瓷材料的反应器中，所述陶瓷材料能选择性地滞留氧气。第二步，将一部分来自锅炉燃烧室的烟道气输入反应器中，将至少一部分氧去除出所述陶瓷材料，使所述材料变成贫氧的。所述氧气滞留步骤是发热的，而去除氧气的步骤是吸热的。在原理上，整个过程是热中性的，但是仍存在一些热损失，需要加以弥补。在此方法的一个实施方式中，锅炉在稍微氧化不完全的条件下操作，所以烟道气不含氧，但含有少量的CO和H2。所述CO+H2在反应器中和一部分在陶瓷材料中所保留的氧一起燃烧，产生维持反应器循环操作所需的热量。在此方法的另一实施方式中，所述锅炉在使燃料完全燃烧，并在燃气中存在少量过量的氧(通常为0.5～5.0体积％)的条件下操作。在这种情况下，将所述循环的烟道气和少量合适燃料气(CO、H2、CH4等，或者它们的混合物)一起输入反应器中，所加入燃料气的量至少应足以和烟道气中过量的氧反应。在同一反应器中，可以将燃烧催化剂和氧选择性陶瓷材料结合起来，作为在进口处的一层。而且，钙钛矿层可以起燃烧催化剂的作用。此燃烧产生了循环过程所需的热量。调节所加燃料气的量，以产生足够的热量。所加入的过量燃料气和陶瓷材料中储存的氧反应。若因燃烧导致更高的温度，则有助于从陶瓷材料中提取更多的氧气，这是因为陶瓷材料中滞留的氧气量通常随温度的升高而降低。燃气也可以经过另一个反应器，对此反应器中加入控制量的燃料气。所述反应器中可以有催化剂，如承载的贵金属催化剂。氧气通过与加入的燃料气进行反应在此反应器中消耗。如上所述，在热量回收后，然后将一部分所得的气体加入反应器中，用以产生含氧气流。若使用高温阀，来自锅炉的炽热烟道气可以直接输入反应器中。当使用低温阀时，来自锅炉的炽热烟道气在进入反应器之前，先经过热交换器，回收热量并产生有用的产物水蒸气。未循环的烟道气部分在分离掉水分和其它杂质之后，可用来将其中的CO2回收。在此方法的另一实施方式中，将离开反应器的含氧气体降温，冷凝分离出气流中的水分，由此提高返回锅炉气流中氧的浓度。氧的浓度提高，就可以为锅炉操作提供更大的灵活性。附图说明图1是本专利技术的锅炉和陶瓷氧气发生系统的示意图。图2是本专利技术用于燃料与氧燃烧用途的陶瓷氧气发生系统的示意图。图3是本专利技术用水蒸气冲吹的陶瓷氧气发生系统的示意图。图4是显示陶瓷氧气发生系统各层排列的示意图。具体实施例方式图1是锅炉或者燃烧加热器A和氧气发生陶瓷系统B的示意图。在B中装有氧选择性陶瓷材料。管道10将燃料气输送到锅炉A中。所述燃料选自CH4、H2、CO、C2H4、C2H6以及它们的混合物，或者是煤、木炭或者其它固体和各种炼油厂废气、燃油等，或者任何合适的可燃烧材料。燃烧排出的气体即烟道和燃气主要含有二氧化碳和水蒸汽，通过管道12从燃烧/热量回收区A离开。一部分燃烧排出气通过管道14进入氧气发生系统B。压缩空气从管道20进入氧气发生系统。主要含氮(高达98％)的贫氧气流通过管道22离开氧气发生系统。来自空气的氧气就被滞留在氧选择性陶瓷材料中。燃烧排出气进入系统B，从陶瓷材料除去氧气使其再生。基本不含氮而富含氧的气体通过管道18离开进入锅炉A中，再次进行燃烧。陶瓷系统主要包括至少两个充满高温氧选择性陶瓷材料如钙钛矿材料、和用于内部热交换的惰性陶瓷材料、还可以有多程热交换器和转换阀。系统的过程是循环的，可以和压力回转滞留过程比拟。简要地说，空气进入第一个床，在此氧气优先被滞留在氧选择性陶瓷材料上，贫氧气流则从床的顶部抽出。一旦所述材料部分地被氧饱和后，操作即转换到另一反应床。于是用燃烧排出气或者循环烟道气冲吹第一个床，从该床的陶瓷材料获得至少部分的氧，结果也就再生该陶瓷。本文档来自技高网...

【技术保护点】
在燃烧区域中燃烧燃气的方法，该方法包括如下步骤：（ａ）将所述燃气输入所述燃烧区域中；（ｂ）从氧气滞留系统中将富含氧气的气体输入所述燃烧区域中；（ｃ）燃烧所述燃气；（ｄ）从所述燃烧区域中回收燃烧排出气，并将其循环到所述氧气滞留 系统中。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：曾永先，DR阿查里雅，SS塔马卡，N朗帕萨德，R拉马钱德兰，FR菲切，DL麦考伦，林跃生，RH克拉克，
申请(专利权)人：波克股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]