專利名稱：爐用固體電解質(zhì)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體系統(tǒng)來(lái)使氧與空氣分離，從而產(chǎn)生氧或富氧空氣的設(shè)備和工藝，尤其是涉及采用這類固體電解質(zhì)系統(tǒng)的爐用設(shè)備和工藝。
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(National Institute of Standards andtechnology)頒發(fā)的合作協(xié)議(Cooperative Agreement)No．70NANB5H1065，本發(fā)明已獲得美國(guó)政府的支持。美國(guó)政府享有本發(fā)明中的某些權(quán)利。
高爐作業(yè)一般消耗大量的空氣，該空氣為爐中發(fā)生的氧化反應(yīng)提供了氧。高爐工作者已轉(zhuǎn)向噴煤粉，以便減少用礦石煉鐵時(shí)所需的焦炭量。由于這種改變，為保持高爐的生產(chǎn)率，輸往高爐的空氣必須是富氧的。這就產(chǎn)生了對(duì)生產(chǎn)被高爐所用的富氧空氣的需求。這類高爐所需的氧超過(guò)0．1噸氧／噸鐵。結(jié)果氧的成本就成了煉鐵成本中的重要因素。
空氣是一種氣體混合物，它含有量可變的水蒸氣而且在海平面處，其成份大致如下(體積％)O2(20．9％)、N2(78％)、Ar(0．94％)其余是其它的痕量氣體。由于只有噴入高爐中的氣體(如空氣)中的氧的部分經(jīng)燃燒而消耗，而該氣體中的其它組份(如N2和Ar)通常未經(jīng)化學(xué)變化從該氣體爐中排出。但這些未變化的氣體已在該過(guò)程中被加熱，因此由于大量的這種熱未被回收，所以對(duì)該過(guò)程的能量效率未作貢獻(xiàn)。
向高爐供富氧空氣的基本方法包括從為向堿性氧氣轉(zhuǎn)爐(BOF)供氧而設(shè)計(jì)的空氣分離裝置中提取正常純度的氧(99．5摩爾％)，然后在進(jìn)入高爐熱風(fēng)爐之前與鼓風(fēng)空氣混合。用于使空氣富化的氧的壓力常是BOF作業(yè)所需的高壓(7200帕)。
一種可供選用的方法是將用耗能比高純度制氧設(shè)備少的低純度(70-90摩爾％)制氧設(shè)備生產(chǎn)氧氣。然后將這種氧氣與來(lái)自空氣鼓風(fēng)機(jī)的空氣混合。
由于對(duì)高爐用氧的這種要求，所以就有了開(kāi)發(fā)更有效的，生產(chǎn)高爐作業(yè)所用的氧或富氧空氣工藝的需求。本發(fā)明通過(guò)將生產(chǎn)氧或富集空氣的分離方法與高爐結(jié)合成一體來(lái)滿足這種需求，供以這些氣體，提高了整個(gè)工藝的效率。
固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體提供了可能有吸引力的將氧與空氣分離的技術(shù)。這種固體電解質(zhì)工藝可將用離子導(dǎo)體以電-驅(qū)動(dòng)的模式運(yùn)行，或用混合導(dǎo)體以壓力-驅(qū)動(dòng)的模式運(yùn)行。這種固體電解質(zhì)工藝的兩個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)是該工藝在高溫(～600-1000℃)下運(yùn)行，而且以巨大的氧氮比的選擇性生產(chǎn)氧。這種特點(diǎn)很適于將固體電解質(zhì)工藝結(jié)合到高溫過(guò)程，如高爐作業(yè)中去。
離子轉(zhuǎn)移膜的運(yùn)行基礎(chǔ)是它在高溫下有效地轉(zhuǎn)移氧離子空位。當(dāng)電驅(qū)動(dòng)離子轉(zhuǎn)移膜暴露于該膜兩側(cè)的有差別的氧分壓中時(shí)，它使一種與該膜兩側(cè)的氧分壓成對(duì)數(shù)關(guān)系的自發(fā)電位差(能斯脫電勢(shì))得以產(chǎn)生。反之，當(dāng)加上一個(gè)超過(guò)此能斯脫電勢(shì)的外加電壓時(shí)，則可驅(qū)使氧化物離子態(tài)的氧逆著該分壓梯度越過(guò)此膜。這種驅(qū)動(dòng)需要電流，而盡管這類工藝能在高壓和高溫下生產(chǎn)氧，但所需的電解成本很高。
更近一些年來(lái)，已開(kāi)發(fā)了一些固體電解質(zhì)材料它們能在高溫下轉(zhuǎn)移氧離子空位，而且還是電導(dǎo)體。就這類材料而言，通過(guò)電子的內(nèi)部流動(dòng)，而不是通過(guò)外電路進(jìn)行與氧離子空位流相逆的流動(dòng)。不需要電極，而且全部轉(zhuǎn)移是由離子轉(zhuǎn)移膜兩側(cè)上的氣流中的氧分壓驅(qū)動(dòng)的。無(wú)需供給電能，而且這種類型的工藝很容易與高爐設(shè)備結(jié)合成一體，因而是一種為高爐供氧或供富氧空氣的較有吸引力的方法。
因而就有兩種類型的離子轉(zhuǎn)移膜在用只經(jīng)此膜傳導(dǎo)離子的離子導(dǎo)體，它需要電極及外電路以便能使電子流動(dòng)，及經(jīng)此膜傳導(dǎo)離子和電子的混合導(dǎo)體。本文中所用的術(shù)語(yǔ)“固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體”、“固體電解質(zhì)離子轉(zhuǎn)移膜”、“固體電解質(zhì)”或“離子轉(zhuǎn)移膜”，除另有規(guī)定外，一般既用于指代離子型(電驅(qū)動(dòng)的)系統(tǒng)，也用于指代混合導(dǎo)體型(壓力驅(qū)動(dòng)的)系統(tǒng)。
雖然離子轉(zhuǎn)移工藝能生產(chǎn)純氧，但這種用途的最好實(shí)施方式包括用空氣，或氧分壓比輸入氣流低的氣體作離子轉(zhuǎn)移膜透過(guò)物側(cè)的清掃氣流。這使氧分壓下降，并加強(qiáng)了氧經(jīng)過(guò)此膜的轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生較高的氧回收率。得自這種離子轉(zhuǎn)移組件的產(chǎn)物是富氧空氣，而不是純氧，但它適于噴入供入氣流或鼓風(fēng)空氣流來(lái)提高熱風(fēng)中的氧濃度。
在Prasad等人的，題為“Staged Electrolyte Membrane”的美國(guó)專利5，547，494中較詳細(xì)地描述了固體電解質(zhì)離子轉(zhuǎn)移技術(shù)，該專利經(jīng)參照結(jié)合于本文中，以便更完全地描述該技術(shù)的狀態(tài)。
采用無(wú)機(jī)氧化物膜的空氣分離技術(shù)水平方面的進(jìn)步，已載于該技術(shù)文獻(xiàn)中。此外，已提出了一些計(jì)劃(如Rathbone的US．5，268，019，見(jiàn)下文)，其中，用高爐氣體作燃料的燃?xì)廨啓C(jī)與空氣分離裝置結(jié)合，從而提供低純度的氧，以便使鼓風(fēng)空氣富集。
Hegarty的題為“Process for Producing By-Product Oxygen fromTurbine Power Generation”的美國(guó)專利4，545，787涉及一種用經(jīng)壓縮和加熱的空氣流發(fā)電的方法，該法通過(guò)從空氣流中去除氧，使部分的除氧后所得的空氣流與燃料流燃燒。將燃燒廢氣與另一部分除氧后所得的空氣流結(jié)合，及使最終的燃燒產(chǎn)物經(jīng)燃?xì)廨啓C(jī)膨脹而發(fā)電。Hegarty提到用銀的復(fù)合膜和復(fù)合金屬氧化物固體電解質(zhì)膜從空氣流中去除氧。
Kang等人的題為“Integrated High Temperature Method for OxygenProduction”的美國(guó)專利5，516，359涉及用固體離子導(dǎo)體電解質(zhì)膜使氧與加熱和壓縮的空氣分離的工藝，其中未透過(guò)的產(chǎn)物經(jīng)進(jìn)一步加熱，再經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)而發(fā)電。
Rathbone的題為“Air Separation Method and Apparatus CombinedWith a Blast Furnace”的美國(guó)專利5，268，019涉及將空氣分離機(jī)與高爐結(jié)構(gòu)成一體的方法。這方法不涉及固體電解質(zhì)，因此不涉及采用熱的整體結(jié)合。
Rathbone的題為“Air Separation”的美國(guó)專利5，317，862涉及用加壓氮發(fā)電及改進(jìn)與高爐相結(jié)合的工藝的熱平衡。
題為“Process for Supplying a Blast Furnace With Air Enriched inQxygen，and Corresponding Installation for Reduction of Iron Ore”的Grenier的美國(guó)專利5，244，489涉及將冷凍空氣分離機(jī)與高爐結(jié)合成一體的方法。該發(fā)明未采用固體電解質(zhì)，而是涉及使用與低純度空氣分離原理相結(jié)合的空氣鼓風(fēng)機(jī)，該原理作為混合柱法是已知的。這是與標(biāo)準(zhǔn)的雙柱法類似的冷凍法，但增加了第三柱，其中使液體與空氣接觸，以便產(chǎn)生與進(jìn)入熱風(fēng)爐的鼓風(fēng)空氣混合的低純度氣流。
因此，本發(fā)明的目的在于提供將固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體系統(tǒng)與制氧裝置連成一體，以便向爐子供應(yīng)富集氣體的有效方法。
本發(fā)明的另一目的在于通過(guò)用部分熱鼓風(fēng)空氣，部分氮廢氣流，反應(yīng)性的燃料氣體或其它的低濃度氧氣吹掃離子轉(zhuǎn)移膜來(lái)提高該方法的效率。
本發(fā)明的再一目的是通過(guò)在該系統(tǒng)的各個(gè)適當(dāng)位點(diǎn)上用管線、熱交換器、冷卻器、燃燒器、功率擴(kuò)張器及其它的設(shè)備將該工藝的各階段連成一體，以回收和傳輸能量來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。
本發(fā)明包括一種通過(guò)利用得自含有元素氧及至少一種其它氣體的第二供入氣流的純氧氣流或富氧氣流使欲被供入爐內(nèi)的含元素氧和至少一種其它氣體的第一供入氣流富集氧的工藝。在該工藝過(guò)程中，第一供入氣流被壓縮。用包含具有滯留物側(cè)和透過(guò)物側(cè)的離子轉(zhuǎn)移膜的離子轉(zhuǎn)移組件使第二氣流分離，從而在滯留物側(cè)產(chǎn)生貧氧氣流，而在透過(guò)物側(cè)產(chǎn)生純氧氣流或富氧氣流。至少將第一供入氣流在噴入爐內(nèi)之前加熱。然后在第一供入氣流進(jìn)入爐內(nèi)之前，于任何位置將該純氧氣流或富氧氣流加于第一供入氣流之中。
在本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施方案中，該爐是高爐。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，該第二供入氣體含至少一部分經(jīng)壓縮的第一供入氣流或經(jīng)壓縮的富氧供入氣流。在本發(fā)明的又一較佳實(shí)施方案中，至少部分的貧氧氣流或第二供入氣體被用作清掃氣流來(lái)吹掃該離子轉(zhuǎn)移膜的透過(guò)物側(cè)。在本發(fā)明的再一較佳實(shí)施方案中，將至少部分第一供入氣體，在加熱之后，加在第二供入氣流中。在又一較佳實(shí)施方案中，通過(guò)從純氧氣流或富氧氣流及貧氧氣流向第二供入氣流傳熱而將第二供入氣流加熱。在另一較佳實(shí)施方案中，功率擴(kuò)張器從該貧氧氣流中回收能量。在另一較佳實(shí)施方案中，為了清掃，將燃料氣流加在離子轉(zhuǎn)移膜的透過(guò)物側(cè)。
本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將從下面的對(duì)較佳實(shí)施方案和附圖的陳述中發(fā)現(xiàn)本發(fā)明其它的目的、特性及優(yōu)點(diǎn)。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施方案的示意圖，它展示這樣一種高爐用的離子轉(zhuǎn)移組件其中將燃料氣流加在廢氣流中的燃燒器中。
圖2是類似于圖1的一實(shí)施方案的示意圖，但得自該離子轉(zhuǎn)移組件的富氧氣流經(jīng)冷卻和壓縮，然后噴入進(jìn)入熱風(fēng)爐的加壓氣流中，而熱的鼓風(fēng)空氣與供向此離子轉(zhuǎn)移組件的供入空氣混合。
圖3是一實(shí)施方案的示意圖，它展示這樣一種工藝其中的清掃氣流取自部分的氮的聯(lián)產(chǎn)物氣流。
圖4是類似于圖3的一實(shí)施方案的示意圖，但使來(lái)自該離子轉(zhuǎn)移組件的富氧透過(guò)物氣流冷卻和壓縮，然后噴入進(jìn)入熱風(fēng)爐的加壓氣流中。
圖5是本發(fā)明的類似于圖4的一實(shí)施方案的示意圖，其中的分離空氣壓縮機(jī)使該離子轉(zhuǎn)移組件的供入氣體增壓。
圖6是具有壓力驅(qū)動(dòng)離子轉(zhuǎn)移過(guò)程的本發(fā)明的一實(shí)施方案的示意圖，其中將來(lái)自空氣鼓風(fēng)機(jī)的部分空氣冷卻和在一增壓壓縮機(jī)中壓縮至高壓，以便經(jīng)熱交換器和經(jīng)一燃燒器通過(guò)，從而將該供入氣流的溫度提高到最佳的離子轉(zhuǎn)移運(yùn)行溫度。
圖7是本發(fā)明一實(shí)施方案的示意圖，它展示了與高爐作業(yè)相結(jié)合的電驅(qū)動(dòng)離子轉(zhuǎn)移組件，其中將透過(guò)物氣流直接加在噴入高爐的該加熱氣流中。
圖8是本發(fā)明一實(shí)施方案的示意圖，它展示了與高爐作業(yè)相結(jié)合的離子轉(zhuǎn)移組件，其中使來(lái)自空氣鼓風(fēng)機(jī)的部分空氣轉(zhuǎn)向該離子轉(zhuǎn)移組件。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)在于形成一個(gè)整體的工藝，其中用來(lái)自空氣鼓風(fēng)機(jī)的壓縮氣體作該固體電解質(zhì)裝置的供入氣體，因而不再需要分離壓縮機(jī)。部分熱鼓風(fēng)空氣可用來(lái)供應(yīng)保持該固體電解質(zhì)組件運(yùn)行溫度所需的熱，因而消除或減小了用于加強(qiáng)高爐作業(yè)的富氧空氣流所需的燃料。
本發(fā)明的較佳實(shí)施方案用來(lái)自高爐設(shè)備的一些壓縮能和一些熱能來(lái)幫助該離子轉(zhuǎn)移工藝的運(yùn)行，從而為增強(qiáng)鼓入該爐的熱鼓風(fēng)空氣的效率產(chǎn)生了氧和富氧空氣。通過(guò)將該離子轉(zhuǎn)移組件與高爐設(shè)備結(jié)合成一體，可減少氧富集所用的能量和成本，以及使整個(gè)工藝更為有效。
有一些可將離子轉(zhuǎn)移組件與高爐作業(yè)結(jié)合的不同方法。這些方法中的一些僅能進(jìn)行局部地結(jié)合，因而效率不高；出于說(shuō)明的目的述及了這些方法。為加強(qiáng)高爐的運(yùn)行，本發(fā)明的較佳實(shí)施方案是高度結(jié)合為一體的。因而提供了有效而具體的手段。
參照


本發(fā)明。一般來(lái)說(shuō)，噴入爐子，如高爐的富氧空氣的較佳氧濃度在25-27％(體積)之間。該工藝可適于達(dá)到這種或另種合乎要求的氧濃度。本發(fā)明有一些優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，它們?cè)谑居诟綀D的本發(fā)明的各實(shí)施方案中被加以說(shuō)明。這些特點(diǎn)包括該工藝中各部分的熱能控制及熱組合、利用現(xiàn)有機(jī)械的可能性，以及將現(xiàn)有高爐轉(zhuǎn)變成本發(fā)明時(shí)必需將各部位改裝的可能性、利用吹掃氣流增強(qiáng)離子交換膜的效率、及用渦輪機(jī)從高壓氣流中回收能量。
在說(shuō)明本發(fā)明的各個(gè)方面的附圖中，展示了本發(fā)明的很多供選擇的實(shí)施方案。比如，圖1是展示向廢氣流中的燃燒器加燃料氣流的示意圖。這種布局僅用于使溫度平衡，或作為附加熱源，實(shí)際上該布局不能排出和利用熱鼓風(fēng)氣流，因而只得到用于吹掃的溫的空氣流，或者，若愿意，可通過(guò)提高其入口溫度以渦輪機(jī)中產(chǎn)生較多的電。在運(yùn)行過(guò)程中，將富氧氣流44加到供入氣流2中，以形成供入空氣鼓風(fēng)機(jī)5的氣流4。來(lái)自空氣鼓風(fēng)機(jī)5的經(jīng)壓縮的供入氣流6被分成供入熱風(fēng)爐10的氣流8和經(jīng)熱交換器52轉(zhuǎn)變的氣流46，于熱交換器52中，它的溫度因來(lái)自離子轉(zhuǎn)移組件38的熱的富氧空氣流42和熱廢氣流50傳熱而被提高，結(jié)果形成被加熱的氣流45。來(lái)自熱風(fēng)爐10的氣流14被分成氣流16，它被供入高爐12，及氣流18，它經(jīng)閥19變成氣流22。熱的廢氣流離開(kāi)高爐12。氣流22與被加熱的氣流45匯合而成為氣流43。氣流43被分成氣流47和氣流20。氣流47被供往離子轉(zhuǎn)移膜40的滯留物側(cè)40a。氣流20經(jīng)過(guò)閥21成為清掃氣流26。燃料氣流24，即經(jīng)受被氧燃燒的反應(yīng)性氣體，被任選地加于清掃氣流26中，而最終在離子交換組件38中燃燒。清掃氣流26可經(jīng)過(guò)任選的擴(kuò)張器38而不經(jīng)過(guò)閥21，以便回收一些壓縮能，然后形成清掃氣流30。使清掃氣流30沿與離子轉(zhuǎn)移膜40的滯留物側(cè)40a上的流動(dòng)相反的方向在離子轉(zhuǎn)移膜40的透過(guò)物側(cè)40b上流動(dòng)。通過(guò)控制氣流22和氣流45的混合，可將離子轉(zhuǎn)移組件38保持于適宜的運(yùn)行溫度下。使低壓富氧產(chǎn)物氣流44在熱交換器52中冷卻，從而形成富氧氣流44，它被噴入供入氣流2中，以便提高鼓風(fēng)空氣流16中的氧濃度。富氮的廢氣流48通過(guò)任選的燃燒器36，在這里加了燃料氣流34，并發(fā)生燃燒。廢氣流50通過(guò)擴(kuò)張器56，在其中回收了一些壓縮能，從而形成氣流54。氣流54經(jīng)過(guò)熱交換器52，從而形成通常被丟棄的氣流58。
圖2是一示意圖，它展示了與前者有些相似的工藝，但在這種情況下，來(lái)自離子轉(zhuǎn)移組件的富氧氣流經(jīng)冷卻和壓縮，然后被噴入進(jìn)入熱風(fēng)爐的加壓氣流中，而不是與供入空氣鼓風(fēng)機(jī)的氣流混合?？芍氖?，取走部分混合的供入氣體流作清掃氣流。由于供入氣流和清掃氣流和溫度相同，所以離子轉(zhuǎn)移分離是等溫的。為了更為有效及減小離子轉(zhuǎn)移分離元件上的熱應(yīng)力，通常等溫運(yùn)行是較好的。
在運(yùn)行過(guò)程中，將供入氣流2供入空氣鼓風(fēng)機(jī)5中。將來(lái)自空氣鼓風(fēng)機(jī)5的經(jīng)壓縮的供入氣流60分成氣流62和氣流77，后者經(jīng)任選的增強(qiáng)壓縮機(jī)78形成氣流79，它經(jīng)過(guò)熱交換器52，在其中氣流79的溫度因熱的富氧氣流71和來(lái)自離子交換組件83的熱廢氣流87的傳熱而升高。結(jié)果形成加過(guò)熱的氣流80。將氣流62與富氧氣流76混合，然后送入熱風(fēng)爐10。將來(lái)自熱風(fēng)爐10的氣流64分成氣流65，它被加于加熱氣流80中，而形成氣流81，和分成氣流66，它被供入高爐12。熱的廢氣流13離開(kāi)高爐12。將氣流81分成氣流82和氣流68。將氣流82供于離子交換膜84的滯留物側(cè)84a。氣流68經(jīng)過(guò)閥69和任選的擴(kuò)張器28，于此回收了一些壓縮能，并形成清掃氣流70。清掃氣流70在離子轉(zhuǎn)移膜84的透過(guò)物側(cè)84b上，沿與離子轉(zhuǎn)移膜84的滯留物側(cè)84a上的流動(dòng)相反的方向流動(dòng)。通過(guò)控制氣流65和氣流80的混合，可將離子轉(zhuǎn)移組件83保持于適宜溫度下。使低壓富氧產(chǎn)物氣流71在熱交換器52中冷卻，結(jié)果形成富氧氣流72，用冷卻器73使之冷卻，結(jié)果形成氣流74。用壓縮機(jī)75壓縮氣流74，從而形成氣流76，它被噴入氣流62以提高鼓風(fēng)空氣流66的氧濃度。使富氮的廢氣流經(jīng)過(guò)任選的燃燒器36，于此加入燃料氣流34，從而發(fā)生燃燒。廢氣流87經(jīng)過(guò)擴(kuò)張器56，于此經(jīng)回收一些壓縮能而形成氣流88。氣流88經(jīng)熱交換器52而形成通常被丟棄的氣流90。
圖3是展示一種工藝的示意圖，其中的吹掃氣流取自部分的氮廢氣流。如果有利，這種結(jié)構(gòu)可采用這種廢氣流，如氮的聯(lián)產(chǎn)物。在此情況下，如圖2所示，將熱的鼓風(fēng)空氣加于供往離子轉(zhuǎn)移組件的高壓供入氣流中?？晒┻x擇的是，可將該富氮廢氣流與熱風(fēng)混合而形成清掃氣流，其壓力比空氣鼓風(fēng)機(jī)出口壓力稍低，用來(lái)供應(yīng)離子交換的這部分氣流可能不得不經(jīng)過(guò)一個(gè)閥而擴(kuò)張，如圖所示，因此該離子交換工藝的上限壓力被降低到熱鼓風(fēng)空氣的壓力。與圖1中一樣，可將少量燃料氣體加在清掃氣流中，然后在離子轉(zhuǎn)移組件中燃燒，以作為補(bǔ)充加熱的手段。可供選擇的是，還可將燃料供于氣流106中，并在離子轉(zhuǎn)移組件的供入側(cè)上燃燒。
在運(yùn)行過(guò)程中，將富氧氣流121加于供入氣流2中，結(jié)果形成供入空氣鼓風(fēng)機(jī)5中的氣流100。將來(lái)自空氣鼓風(fēng)機(jī)5的經(jīng)壓縮的供入氣流101分成供入熱風(fēng)爐10的氣流102和經(jīng)過(guò)閥123和熱交換器52的氣流122，其溫度在熱交換器52中通過(guò)來(lái)自離子轉(zhuǎn)移組件107的熱富氧氣流120和熱廢氣流114熱交換而被提高，結(jié)果形成加過(guò)熱的氣流124。將來(lái)自熱風(fēng)爐10的氣流103分成經(jīng)過(guò)閥109，然后加在氣流124中，從而形成氣流106的氣流105，和供入高爐12的氣流104。熱廢氣流13離開(kāi)高爐12。將氣流106供于離子轉(zhuǎn)移膜108的滯留物側(cè)108a。將滯留氣流110分成經(jīng)閥115而形成清掃氣流119的氣流111，及氣流114。將燃料氣流117，即承受被氧燃燒的反應(yīng)性氣體，任選地加于清掃氣流119中，然后最終在離子轉(zhuǎn)移組件107中燃燒。清掃氣流119經(jīng)任選的擴(kuò)張器112，于此回收一些壓縮能，并形成清掃氣流113。清掃氣流113在離子轉(zhuǎn)移膜108的透過(guò)物側(cè)108b上沿著與離子轉(zhuǎn)移膜108的滯留物側(cè)108a上的流動(dòng)相反的方向流動(dòng)。通過(guò)控制氣流124和氣流105的混合，可將離子轉(zhuǎn)移組件107保持在適宜的運(yùn)行溫度下。使低壓富氧產(chǎn)物氣流120在熱交換器52中冷卻，結(jié)果形成富氧氣流121，它被噴入供入空氣流2中，以提高鼓風(fēng)空氣流104的氧濃度。富氮的廢氣114流經(jīng)過(guò)擴(kuò)張器56，于此回收一些壓縮能，從而形成氣流116。氣流116經(jīng)過(guò)熱交換器52，從而形成通常被丟棄的氣流118。
圖4是示意圖，它展示的工藝與圖3中的相似，但在這種情況下，來(lái)自離子轉(zhuǎn)移組件的富氧氣流經(jīng)冷卻和壓縮，然后噴入進(jìn)入熱風(fēng)爐的加壓氣流中，而不是經(jīng)再循環(huán)而輸入空氣鼓風(fēng)機(jī)。
在運(yùn)行過(guò)程中，將供入氣流2輸進(jìn)空氣鼓風(fēng)機(jī)5，于是形成壓縮氣流125。將來(lái)自空氣鼓風(fēng)機(jī)5的經(jīng)壓縮的供入氣流125分成氣流126，及氣流131，氣流131經(jīng)任選的增壓壓縮機(jī)132而形成氣流133，它又經(jīng)過(guò)熱交換器52，于其中通過(guò)來(lái)自離子轉(zhuǎn)移組件136的熱的富氧氣流146和熱廢氣流152的傳熱，結(jié)果形成加了熱的氣流134。使氣流126與富氧氣流151混合而形成被供入熱風(fēng)爐10的氣流127。將來(lái)自熱風(fēng)爐10的氣流128分成經(jīng)閥155，然后加于加熱氣流134，從而形成氣流135的氣流130，和供入高爐12的氣流129。熱的廢氣流13離開(kāi)高爐12。將氣流135供于離子轉(zhuǎn)移膜138的滯留物側(cè)138a。將滯留物氣流140分成氣流141和152。氣流141經(jīng)閥153而形成氣流153，它順次經(jīng)過(guò)任選的擴(kuò)張器144，于此經(jīng)回收一些壓縮能而形成清掃氣流145。燃料氣流，即，承受被氧燃燒的反應(yīng)性氣體，任選地被加于清掃氣流143中，而后最終在離子轉(zhuǎn)移組件136中燃燒。使清掃氣流145在離子轉(zhuǎn)移膜138的透過(guò)物側(cè)138b上，沿著于離子轉(zhuǎn)移膜138的滯留物側(cè)138a上的流動(dòng)相反的方向流動(dòng)。通過(guò)控制氣流130和氣流134的混合，則可將離子轉(zhuǎn)移組件136保將在適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行溫度下。使低壓的富氧產(chǎn)物氣流146在熱交換器52中冷卻，從而形成富氧氣流147，它經(jīng)冷卻器148冷卻而形成氣流149。氣流149經(jīng)壓縮機(jī)150壓縮而形成氣流151，將其噴入氣流126中，以提高空氣鼓風(fēng)流129的氧濃度。高氮的廢氣流152經(jīng)擴(kuò)張器56，于此經(jīng)回收一些壓縮能而形成氣流154。氣流154經(jīng)熱交換器52而形成一般被丟棄的氣流156。
圖5是展示一種工藝的示意圖，其中用分離空氣壓縮機(jī)使離子轉(zhuǎn)移組件供入氣流增壓。在不可能或難以從空氣鼓風(fēng)機(jī)獲得增壓空氣時(shí)，可采用這種工藝。這種工藝也與圖4中的工藝相似。
在運(yùn)行過(guò)程中，將供入氣流2輸入空氣鼓風(fēng)機(jī)5，以形成壓縮氣流160。將氣流160與富氧氣流192混合而形成供入熱風(fēng)爐10的氣流162。使第二供入氣流168通過(guò)壓縮機(jī)169而形成氣流170。氣流170通過(guò)熱交換器52，于此，其溫度因來(lái)自離子轉(zhuǎn)移組件176的熱的富氧氣流187和熱的廢氣流194的傳熱而升高，從而形成加了熱的氣流172。將來(lái)自熱風(fēng)爐10的氣流164分成氣流166和165，氣流166經(jīng)閥(6)再加于加了熱的氣體172中，從而形成氣流174，而氣流165則供入高爐12中。熱的廢氣流13離開(kāi)高爐12。將氣流174供往離子轉(zhuǎn)移膜178的滯留物側(cè)178a。將滯留物氣流180分成氣流182和195。氣流182經(jīng)閥181形成氣流184，它依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)張器185，于此，經(jīng)回收一些壓縮能而形成清掃氣流186。燃料氣流183，即，承受被氧燃燒的反應(yīng)性氣體，任選地被加于清掃氣流184中，而最終在離子轉(zhuǎn)移組件176中燃燒。使清掃氣流186沿著與離子轉(zhuǎn)移膜178的滯留物側(cè)178a上的流動(dòng)相反的方向在離子轉(zhuǎn)移膜178的透過(guò)物側(cè)178b上流動(dòng)。通過(guò)控制氣流166和172的混合，可將離子轉(zhuǎn)移組件176保持在適宜的運(yùn)行溫度下。使低壓富氧氣流187在熱交換器52中冷卻，從而形成富氧氣流188，它經(jīng)冷卻器189冷卻而形成氣流190。氣流190經(jīng)壓縮機(jī)191壓縮而形成氣流192，它被噴入氣流160以便提高鼓風(fēng)空氣流165的氧濃度。富氮?dú)饬?94經(jīng)過(guò)擴(kuò)散器56，于其中回收一些壓縮能而形成氣流195。氣流195經(jīng)熱交換器52而形成一般被丟棄的氣流196。
應(yīng)注意，圖1，2，3，4和5中所描繪的這種離子轉(zhuǎn)移工藝生產(chǎn)的是富氧空氣而不是純氧。由于難于安全地控制純氧，尤其是難于在高壓下控制純氧，而這種離子轉(zhuǎn)移工藝又本身特有地是一種高溫過(guò)程，所以這是優(yōu)點(diǎn)。這種離子轉(zhuǎn)移工藝具有巨大的氧分離率，但對(duì)于需要富氧空氣，而不是純氧的應(yīng)用場(chǎng)合而言，清掃離子轉(zhuǎn)移膜的透過(guò)物側(cè)，從而降低氧分壓，結(jié)果生產(chǎn)純氧，然后再將其稀釋，這種工藝是較為有效的。
為了定量地描述圖1，2，3和4中所描繪的各可供選擇的工藝的相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和有效性，下面提供一些實(shí)施例。
借助這些實(shí)施例，可進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的一些較佳運(yùn)行方式，其中的工藝氣流的成份和溫度按假設(shè)的運(yùn)行條件。用為這種離子轉(zhuǎn)移組件開(kāi)發(fā)的模式進(jìn)行平衡。
下面所有的實(shí)施例的運(yùn)行規(guī)范是表Ⅰ

實(shí)施例1此實(shí)施例是圖1中所描繪的工藝，其中的清掃氣流是通過(guò)將一些減壓的熱風(fēng)與某些減壓的離子轉(zhuǎn)移組件的供入氣流混合而形成的。假設(shè)滯留物氣流含10％的氧，及清掃物與滯留物之比為25％，則得到表E-1所示的運(yùn)行參數(shù)。在此實(shí)施例中未用附加的燃料。
表E-1(參見(jiàn)圖1)

在實(shí)施例1中，離子轉(zhuǎn)移組件的供入氣流中所含的68％的氧，以60％的氧濃度被回收于滲過(guò)物氣流中。為了這種分離，要求離子轉(zhuǎn)移膜的面積為17810ft2。要求空氣鼓風(fēng)機(jī)壓縮168000scfm(標(biāo)準(zhǔn)英尺3／分)，以便產(chǎn)生100000scfm的富氧空氣(26％氧)供給高爐?？赏ㄟ^(guò)渦輪機(jī)使47700 scfm的滯留物氣流擴(kuò)張，以回收空氣鼓風(fēng)機(jī)所需的壓縮能。假設(shè)該鼓風(fēng)機(jī)和渦輪機(jī)的絕熱系數(shù)是85％，則算出的功率如下鼓風(fēng)機(jī)所需的附加功率6706kw渦輪機(jī)回收的功率4397kw凈加入的功率2309kw在此實(shí)施例中，用在使離子轉(zhuǎn)移膜清掃的氣流減壓而損失的壓縮能未被回收。如圖1所示，使欲被用于清掃的氣體通過(guò)一任選的擴(kuò)張器可使這種功率減少。實(shí)施例2在實(shí)施例1中假設(shè)空氣鼓風(fēng)機(jī)具有處理離子轉(zhuǎn)移組件氣流的附加流量的能力，及能容許氧濃度安全地升高。在作為圖中所描繪的工藝的實(shí)施例2中，避免了這些問(wèn)題。于是將來(lái)自離子轉(zhuǎn)移階段的富氧產(chǎn)物在一分離壓縮機(jī)中，而不是如在實(shí)施例1的空氣鼓風(fēng)機(jī)中壓縮。通過(guò)采用一些熱鼓風(fēng)再次保持了離子轉(zhuǎn)移組件的溫度，但在該實(shí)施例中，它被混在離子轉(zhuǎn)移組件的供入氣流中，并使部分所得的混合氣流擴(kuò)張，并將其用于逆流清掃。再假設(shè)滯留物氣流含10％的氧，而且清掃物與滯留物之比為25％，則得到下表E-2中所示的運(yùn)行參數(shù)。在該實(shí)施例中，未采用附加的燃料氣體。
表E-2(見(jiàn)圖2)

在實(shí)施例2中，離子轉(zhuǎn)移組件供入氣流中所含的59％的氧，以50．5％的氧濃度回收于滲過(guò)物氣流中。這種分離所需的離子轉(zhuǎn)移膜的面積為10300ft2。要求空氣鼓風(fēng)機(jī)壓縮約146850scfm，以產(chǎn)生100000 scfm的供往高爐的富氧空氣(26％的氧)?？稍俅问?6800scfm的滯留物氣流通過(guò)渦輪機(jī)擴(kuò)張而回收一些空氣鼓風(fēng)機(jī)所需的壓縮能。假設(shè)鼓風(fēng)機(jī)和渦輪機(jī)的絕熱系數(shù)為80％，則算出的功率是鼓風(fēng)機(jī)所需的附加功率4590kw用于離子轉(zhuǎn)移產(chǎn)物壓縮機(jī)的功率1821kw渦輪機(jī)回收的功率4783kw凈加入的功率1629kw和實(shí)施例1中一樣，可使欲被用于清掃的氣體通過(guò)圖2所示的任選的擴(kuò)張器而回收一些附加功率。
這種計(jì)算表明這個(gè)實(shí)施例所需的離子轉(zhuǎn)移膜的面積及消耗的功率均較實(shí)施例1少，但實(shí)施例2的工藝需要附加的壓縮機(jī)和冷卻器。通過(guò)將離子轉(zhuǎn)移組件的供入氣流在圖2所示的(任選的)壓縮機(jī)中壓至更高的壓力，還可進(jìn)一步減少膜的面積。實(shí)施例3此實(shí)施例是圖3中所描繪的工藝，其中的吹掃氣流取自富氮的滯留物氣流。如與實(shí)施例1中的工藝相同，將富氧的滲過(guò)物再循環(huán)至供往空氣鼓風(fēng)機(jī)的供入氣流中。通過(guò)假設(shè)滯留物氣流含5％的氧，而清掃物與滯留物之比為20％，則得到下面的表E-3所示的運(yùn)行參數(shù)。
表E-3(見(jiàn)圖3)

在實(shí)施例3中，經(jīng)過(guò)熱風(fēng)爐的壓降可以忽略。透過(guò)物氣流中的氧含量為60％；而且離子轉(zhuǎn)移組件供入氣流中所含氧的85％被回收。這種分離所需的離子轉(zhuǎn)移膜的面積為19600ft2。要求空氣鼓風(fēng)機(jī)壓縮約151000scfm，以便產(chǎn)生100000scfm的富氧空氣(26％的氧)供給高爐，但可使32010scfm的廢氣擴(kuò)張，以回收一些壓縮能。假設(shè)該鼓風(fēng)機(jī)和渦輪機(jī)的絕熱系數(shù)為85％，則計(jì)算出以下的功率鼓風(fēng)機(jī)所需的附加功率5039kw
渦輪機(jī)回收的功率3511kw凈加入的功率1528kw。
在這種情況下，在使部分滯留物氣流，即取自離子轉(zhuǎn)移清掃氣流的氣流減壓時(shí)損失了壓縮能?？墒惯@種氣流經(jīng)過(guò)擴(kuò)張器，而不是經(jīng)過(guò)閥來(lái)回收這種能中的一部分。實(shí)施例4在此實(shí)施例(圖4)中，與在實(shí)施3中的工藝一樣，用部分滯留物作離子轉(zhuǎn)移清掃氣流，但又如在實(shí)施例2中的工藝一樣，將富氧的滲過(guò)物單獨(dú)壓縮，然后再噴入供往熱風(fēng)爐的氣流，而不是經(jīng)過(guò)空氣鼓風(fēng)機(jī)再循環(huán)。再假設(shè)滯留物氣流含5％的氧，及清掃物與滯留物之比為20％，則得到表E-4中所示的運(yùn)行參數(shù)。
表E-4(見(jiàn)圖4)

在此實(shí)施例中，透過(guò)物氣流中的氧濃度為53．7％，而離子轉(zhuǎn)移組件供入氣流中81％的氧被回收。為了這種分離所需的離子轉(zhuǎn)移膜的面積為14400ft2。要求空氣鼓風(fēng)機(jī)大約壓縮約132090scfm，以便產(chǎn)生100000富氧空氣(26％的氧)供往高爐，但可使32010scfm的廢氣流擴(kuò)張，以回收一些壓縮能。假設(shè)該鼓風(fēng)機(jī)和渦輪機(jī)的絕熱系數(shù)為85％，則計(jì)算出如下的功率鼓風(fēng)機(jī)需要加入的功率3144kw離子轉(zhuǎn)移組件壓縮機(jī)所需的功率1613kw渦輪機(jī)回收的功率3276kw凈加入的功率1481 kw。
壓縮能又損失于使部分滯留物氣流，即用于離子轉(zhuǎn)移膜清掃的氣流減壓中。通過(guò)使這種清掃氣流經(jīng)過(guò)擴(kuò)張器，而不是經(jīng)過(guò)閥，則可回收一些這種能。
將得自這些實(shí)施例的結(jié)果進(jìn)行比較，將來(lái)自離子轉(zhuǎn)移組件的富氧透過(guò)物單獨(dú)壓縮，然后噴入供往熱風(fēng)爐的供入氣流中(實(shí)施例2和4)的工藝，而不是再循環(huán)至空氣鼓風(fēng)機(jī)(實(shí)施例1和3)的工藝，使這種凈功率和離子轉(zhuǎn)移膜的面積都下降了。但這些工藝需要另外的壓縮設(shè)備和冷卻器。在現(xiàn)存的空氣鼓風(fēng)機(jī)有過(guò)載能力的情況下，采用實(shí)施例2和4的工藝是有益的，否則優(yōu)選實(shí)施例1和3的工藝。沒(méi)有試圖優(yōu)化這些運(yùn)行參數(shù)，它們?nèi)Q于可比成本及其它經(jīng)濟(jì)因素。但這只是少許可大量開(kāi)發(fā)的例子。
在這些工藝?yán)萌∽噪x子轉(zhuǎn)移組件供入氣流或滯留物氣流的清掃氣流方面，它們?nèi)际切路f的。因?yàn)樵摳谎醯耐高^(guò)物被有計(jì)劃地稀釋，所以這在氣體分離技術(shù)方面是不同尋常的。因?yàn)橹恍枋寡踹m度富集，并且透過(guò)物的稀釋增加了使氧透過(guò)的驅(qū)動(dòng)力，所以這些方法是成功而高效的。
這些實(shí)施例還表明將滯留物用于清掃(實(shí)施例3和4)與用供入氣流清掃相比，降低了功率需求，但需增加膜的面積。歸根結(jié)底，這種較佳的工藝將取決于經(jīng)濟(jì)上的考慮。在需要氮的聯(lián)產(chǎn)物的情況下，實(shí)施例3和4的工藝是有益的，而實(shí)施例4代表較佳的工藝。雖然實(shí)施例3和4中的滯留物氣流含5％的氧，但可改變這些工藝，以便回收近100％的氧及在滯留物氣流中產(chǎn)生近乎純的氮。當(dāng)需要純氮時(shí)，用電驅(qū)動(dòng)或壓力驅(qū)動(dòng)的第2離子轉(zhuǎn)移階段通過(guò)從最終的純氮產(chǎn)物中去除痕量的氧，來(lái)精制廢氣流是有益的。
所有的這些實(shí)施例都被認(rèn)為是本發(fā)明的較佳實(shí)施方案。
如已提到的那樣，本發(fā)明的較佳運(yùn)行模式把壓力驅(qū)動(dòng)離子轉(zhuǎn)移工藝包括在內(nèi)，其中清掃了該離子轉(zhuǎn)移膜的透過(guò)物側(cè)。在圖1，2，3和4中已描述和說(shuō)明了這些工藝的例子。
然而，若使用清掃氣流實(shí)際上不可行，則仍能用此離子轉(zhuǎn)移工藝從空氣中提取氧。但，這種低壓產(chǎn)物是純氧，因而，為了推動(dòng)這種氧轉(zhuǎn)移工藝，所需要的是壓力相當(dāng)高的供入氣流。
在圖6中展示了這種壓力驅(qū)動(dòng)工藝的例子。在圖6中，將氧產(chǎn)物噴入供往熱風(fēng)爐的空氣供入氣流中?？蛇x擇的是，如象此任選的途徑所示那樣，可將這種氧噴入來(lái)自熱風(fēng)爐的熱風(fēng)中。為了產(chǎn)生50-60psia的富氧空氣，這些示意圖中所描繪的工藝要求離子轉(zhuǎn)移組件在高壓下運(yùn)行。
在運(yùn)行過(guò)程中，任選地將氣流225加于供入氣流2中，以形成被供入空氣鼓風(fēng)機(jī)5的氣流198。將來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)5的經(jīng)壓縮的供入氣流200分成氣流202和206，氣流206經(jīng)冷卻器207而形成氣流208，它經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)209和熱交換器52，于此經(jīng)來(lái)自離子轉(zhuǎn)移組件211的熱的富氧氣流214和熱的廢氣流218傳熱升高其溫度，從而形成加過(guò)熱的氣流210。使氣流202與富氧氣流228混合而形成供入熱風(fēng)爐10的氣流203?？扇芜x地將氣流227加于氣流204中，以形成供入高爐12的氣流205。熱的廢氣流13離開(kāi)高爐12。將氣流210供往離子轉(zhuǎn)移膜212的滯留物側(cè)212a。將排自離子轉(zhuǎn)移組件211的氣流214在熱交換器52中冷卻，從而形成富氧氣流224。任選地將至少一部分富氧氣流224作為氣流225供往供入氣流2中。在任選的冷卻器246中冷卻氣流224，以形成氣流226。任選地將至少部分富氧氣流226作為氣流227加入氣流204中；使氣流247經(jīng)過(guò)增壓壓縮機(jī)248，結(jié)果獲得氣流228。將氣流228噴入氣流202以增加空氣鼓風(fēng)機(jī)205的氧濃度。使富氮廢氣流216經(jīng)過(guò)燃燒器36，于此加入燃料氣流并發(fā)生燃燒。通過(guò)加少量燃料就使得廢氣流216的溫度升高?？晒┻x擇的是，可將該燃燒器放在供往離子轉(zhuǎn)移組件211的供入氣流中，但這使得在分離之前氧分壓下降，因而降低了離子轉(zhuǎn)移階段的效率。廢氣流218經(jīng)過(guò)擴(kuò)張器56，于此回收一些壓縮能而形成氣流220。氣流220經(jīng)過(guò)熱交換器52，結(jié)果形成一般被廢棄的氣流222。
圖6中的任選的設(shè)備表明，如何通過(guò)推送氧產(chǎn)物而不是壓縮供入氣流來(lái)獲得壓差驅(qū)動(dòng)的離子轉(zhuǎn)移過(guò)程。這種工藝可以組合及在供入氣流中和產(chǎn)物氣流中可同時(shí)采用壓縮機(jī)(泵)是顯而易見(jiàn)的。本文中所提出的實(shí)施例的這種改進(jìn)以及其它的改進(jìn)是本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員所熟知的。
在表Ⅱ中展示了這種離子轉(zhuǎn)移膜所用的材料。
表Ⅱ



雖然上述工藝要求用固體混合導(dǎo)體作該離子轉(zhuǎn)移組件中的膜，但原則上，在電驅(qū)動(dòng)模式中采用純離子導(dǎo)體也是可能的。電驅(qū)動(dòng)的離子轉(zhuǎn)移膜不僅產(chǎn)生純氧，而且可通過(guò)施加足夠的電壓使此純氧被壓縮到適當(dāng)高的壓力?？晒┻x擇的是，可以低壓力產(chǎn)生氧，從而降了所需的電壓。這種要求將壓力驅(qū)動(dòng)工藝轉(zhuǎn)變成電驅(qū)動(dòng)工藝的改進(jìn)對(duì)于普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。比如，圖7是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖，它展示了一種與高爐作業(yè)相結(jié)合的離子轉(zhuǎn)移組件，其中透過(guò)物氣流被直接加在噴入高爐的加過(guò)熱的氣流中。在運(yùn)行期間，將供入氣流2供入空氣鼓風(fēng)機(jī)5。將來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)5的經(jīng)壓縮的氣流292分成氣流299和293。任選地將氧氣流309加于氣流293中而形成氣流290。使氣流299通過(guò)熱交換器52，于此通過(guò)熱的廢氣流313和任選地通過(guò)熱的富氧氣流308(均來(lái)自離子轉(zhuǎn)移組件302)的熱傳導(dǎo)使其溫度升高，從而形成經(jīng)加熱的氣流300。將氣流290供入熱風(fēng)爐10，然后作為加過(guò)熱的氣流294排出，它又被分成氣流297和295。將氣流297加于氣流300中，以便得到氣流301。將氣流301供往離子轉(zhuǎn)移膜304的滯留物側(cè)304a。出自離子轉(zhuǎn)移組件302的氧氣流306或變成氧氣流308(示于圖中)或成為氧氣流310。氧氣流308，若已形成，則使之在熱交換器52中冷卻，如上所述，結(jié)果形成加于氣流293中的氧氣流309。氧氣流310，若已形成，則與熱氣流295混合，以形成供入高爐12的富氧氣流296。熱的廢氣流13離開(kāi)高爐12。使富氮的氣流312經(jīng)過(guò)任選的燃燒器36，于此加入燃料氣流34并發(fā)生燃燒，結(jié)果形成氣流313。通過(guò)加少量燃料就使得廢氣流312的溫度升高?？晒┻x擇的是，可將燃燒器置于供往離子轉(zhuǎn)移組件302的供入氣流中，但這降低了分離前的氧分壓，因而降低了離子轉(zhuǎn)移階段的效率。廢氣流313通過(guò)擴(kuò)張器56，于此回收一些壓縮能，從而形成氣流314。氣流314經(jīng)過(guò)熱交換器52，結(jié)果形成通常被廢棄的氣流316。
圖8是本發(fā)明一實(shí)施方案的示意圖，它展示了一種與高爐作業(yè)相結(jié)合的離子轉(zhuǎn)移組件，其中將來(lái)自空氣鼓風(fēng)機(jī)的部分空氣轉(zhuǎn)向該離子轉(zhuǎn)移過(guò)程。在作業(yè)期間，將供入氣流2供往空氣鼓風(fēng)機(jī)5，以形成壓縮的供入氣流311，它被分成氣流312和352。將氣流312分成氣流310和313，氣流313經(jīng)壓縮機(jī)314而形成氣流316。氣流316和310各經(jīng)過(guò)熱交換器52，于此，它們的溫度因來(lái)自離子轉(zhuǎn)移組件321的熱富氧氣流328和熱廢氣流342的傳熱而升高，從而分別形成加了熱的氣流318和加了熱的氣流308。將氣流352與富氧氣流338混合，從而形成被供往熱風(fēng)爐10的氣流353。出自熱風(fēng)爐10氣流304與氣流308混合，結(jié)果形成供往高爐12的氣流306。熱的廢氣流13離開(kāi)高爐12。將氣流318分成氣流319和326。將氣流319供往離子轉(zhuǎn)移膜322的滯留物側(cè)322a。氣流326經(jīng)閥325，及任選地經(jīng)功率擴(kuò)張器28而形成氣流324。將氣流324用于清掃離子轉(zhuǎn)移膜322的透過(guò)物側(cè)322b。使排自離子轉(zhuǎn)移組件321的氣流328在換熱器52中冷卻，從而形成富氧氣流330。將富氧氣流330在冷卻器332中冷卻而形成氣流334。使氣流334經(jīng)增壓壓縮機(jī)336，結(jié)果得到氣流338，它，如上所述，與氣流352混合，以便提高鼓風(fēng)氣流306的氧濃度。使富氮的廢氣流340經(jīng)過(guò)任選的燃燒器36，于其中加入了燃料氣流34，和發(fā)生了燃燒。通過(guò)加少量燃料而使得廢氣流340的溫度升高。廢氣流342經(jīng)過(guò)擴(kuò)張器56，于此回收一些壓縮能而形成氣流343。氣流343經(jīng)換熱器52，結(jié)果形成通常被廢棄的氣流344。
借助擴(kuò)張器或渦輪機(jī)從廢氣流中回收的能量可部分地用來(lái)彌補(bǔ)壓縮供入空氣的需求，而且，如上所示，這種能量相當(dāng)大的。應(yīng)注意若將發(fā)電的渦輪機(jī)用于回收來(lái)自富氮?dú)饬鲾U(kuò)張的能量，則應(yīng)將該渦輪機(jī)設(shè)在溫度比圖中所示的大部分區(qū)域高的區(qū)域。理想的渦輪機(jī)入口溫度可能大致為1300°F，這種溫度能使用適當(dāng)價(jià)廉的氣體擴(kuò)張器。
給于附圖中的這些流程還能被增強(qiáng)，從而改進(jìn)整個(gè)工藝的能量效率。比如，為了降低能斯脫電位和減小所需的電能，圖7和8中的電驅(qū)動(dòng)的工藝可用低氧分壓氣體的清掃透過(guò)物側(cè)來(lái)運(yùn)行。還應(yīng)注意的是，雖然圖7和8中的流程顯得簡(jiǎn)單，但就設(shè)計(jì)和制造而言，這種電驅(qū)動(dòng)的工藝要比壓力驅(qū)動(dòng)的工藝復(fù)雜。這種用電的工藝還有消耗大量電能的缺點(diǎn)。因此，就本發(fā)明的目的而言，壓力驅(qū)動(dòng)的工藝是適宜的。還應(yīng)看到的是溫度控制取決于熱交換器溫端的溫度。在某些情況下，不用換熱器使這些工藝運(yùn)行是可能的，因而通過(guò)使來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的空氣與熱風(fēng)適當(dāng)混合就能簡(jiǎn)單地得到適于該離子轉(zhuǎn)移組件的供入溫度。還應(yīng)指出的是離子轉(zhuǎn)移組件可被用作這些附圖中任何圖中的燃燒器。
反應(yīng)性清掃裝置公開(kāi)于“Reactive Purge for Solid ElectrolyteMembrane Gas Separation”(U．S．Serial No．08／567，699，filed December5，1995)中，該公開(kāi)內(nèi)容經(jīng)參照已結(jié)合于本文中。采用反應(yīng)性清掃的離子轉(zhuǎn)移組件的較佳結(jié)構(gòu)公開(kāi)于“Solid Electrolyte Ionic Conductor ReactorDesign”(U．S．Serial No．______[Attorney Docket No．D-20352]，filedApril 29，1997)中，其內(nèi)容經(jīng)參照也結(jié)合于本文中了。這兩份申請(qǐng)都屬于本申請(qǐng)人。
如上所述，在本文中，術(shù)語(yǔ)“固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體”、“固體電解質(zhì)離子轉(zhuǎn)移膜”、“固體電解質(zhì)”或“離子轉(zhuǎn)移膜”除非另有規(guī)定一般用于或指代離子型(電驅(qū)動(dòng))系統(tǒng)，或指代混合導(dǎo)體型(壓力驅(qū)動(dòng))系統(tǒng)。
本文所用的術(shù)語(yǔ)“氮”通常指的是貧氧氣體，即相對(duì)供入的氣體來(lái)說(shuō)是貧氧的氣體。如上所述，這種離子轉(zhuǎn)移膜只允許氧透過(guò)。因此，滯留物的成份將取決于供入氣體的成份。這種滯留物氣體將是貧氧的氣體，但保留該供入氣體中所存在的氮和任何其它氣體(如氬)。按照這里所公開(kāi)的本發(fā)明，普通技術(shù)人員對(duì)于本文中所用的這些術(shù)語(yǔ)的含義是清楚的。
本文所用的術(shù)語(yǔ)“元素氧”指的是未與元素周期表中的任何其它元素結(jié)合的任何氧。雖然元素氧一般為雙原子態(tài)，但元素氧也包括單氧原子態(tài)，三原子臭氧及未與其它元素結(jié)合的其它態(tài)。
術(shù)語(yǔ)“高純度”指的是含有小于5％(體積)的不需要的氣體的產(chǎn)物氣流。該產(chǎn)物較好是至少99．0％的純度，更好是99．9％的純度，而最好是至少99．98％的純度，其中“純度”指的是沒(méi)有不需要的氣體。
很多各式各樣的實(shí)用的部件，如系統(tǒng)中的和階段中的熱交換器，中間冷卻器，加熱器，及實(shí)施本發(fā)明所需的其它設(shè)備都可以適當(dāng)?shù)姆绞接糜诒景l(fā)明中。采用這些部件，如上述的熱交換器，經(jīng)常提高整個(gè)工藝的能效。這些部件及其運(yùn)行是本技術(shù)領(lǐng)域中已知的，而且在按本發(fā)明實(shí)施氣體分離、氣體處理及適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用是本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員所能理解的。
將本發(fā)明的特點(diǎn)展示在一個(gè)或多個(gè)附圖中，僅出于方便的考慮，因?yàn)楦鱾€(gè)特點(diǎn)可按本發(fā)明進(jìn)行組合。此外，對(duì)所示的各實(shí)施例在不違背本發(fā)明精神的條件下可作各種變更或修改。普通技術(shù)人員將能辨識(shí)各種替代的實(shí)施方案，而且已決定將這些方案包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．利用得自含元素氧和至少一種其它氣體的第二供入氣流的純氧氣流或富氧氣流使欲被供入爐中的含元素氧及至少一種其它氣體的第一供入氣流富集氧的工藝，該工藝包括壓縮該第一供入氣流；用包括帶有滯留物側(cè)和透過(guò)物側(cè)的離子轉(zhuǎn)移膜的離子轉(zhuǎn)移組件分離該第二供入氣流，以便在該滯留物側(cè)產(chǎn)生貧氧氣流，及在該透過(guò)物側(cè)產(chǎn)生純氧氣流或富氧氣流；在噴入該爐之前加熱至少該第一供入氣流；及，在該第一供入氣流進(jìn)入該爐之前，于任何位置將該純氧氣流或該富氧氣流加在該第一供入氣流中。
2．權(quán)利要求1的工藝，其中該爐是高爐。
3．權(quán)利要求1的工藝，其中該第二氣流含有至少一部分該經(jīng)壓縮的第一供入氣流或經(jīng)壓縮的富氧供入氣流。
4．權(quán)利要求1的工藝，其中至少一部分該貧氧氣流被用作清掃該離子轉(zhuǎn)移膜的該透過(guò)物側(cè)的清掃氣流。
5．權(quán)利要求1的工藝，其中一部分該第一供入氣流在被加熱后，被導(dǎo)向該離子轉(zhuǎn)移膜的滯留物側(cè)，以便構(gòu)成第二供入氣流。
6．權(quán)利要求5的工藝，其中所述的部分經(jīng)加熱的第一氣流被加在附加氣流中以構(gòu)成第二供入氣流。
7．權(quán)利要求1的工藝，其中通過(guò)該純氧氣流、或富氧氣流和該貧氧氣流向該第二供入氣流傳熱而將該第二供入氣流加熱。
8．權(quán)利要求7的工藝，其中在該純氧氣流或富氧氣流經(jīng)熱交換后，使該純氧氣流或富氧氣流冷卻及在一增壓壓縮機(jī)中進(jìn)一步壓縮。
9．權(quán)利要求7的工藝，其中將燃料氣體加于該貧氧氣流中，以便在該貧氧氣流經(jīng)熱交換前燃燒。
10．權(quán)利要求1的工藝，其中采用一功率擴(kuò)張器從該貧氧氣流中回收能量。
全文摘要
利用來(lái)自第二供入氣流的富氧氣使供入爐子的第一供入氣流富集氧的工藝,其中該第一供入氣流在噴入該爐之前經(jīng)壓縮和加熱。用包含具有滯留物側(cè)和透過(guò)物側(cè)的離子轉(zhuǎn)移膜的離子轉(zhuǎn)移組件使第二氣流分離,以便在滯留物側(cè)產(chǎn)生貧氧氣流,而在透過(guò)物側(cè)產(chǎn)生純氧或富氧氣流。將該純氧或富氧氣流在第一供入氣流進(jìn)入爐中之前,于任何位置,加在該第一供入氣流中。
文檔編號(hào)C21B9/14GK1204548SQ9810939
公開(kāi)日1999年1月13日 申請(qǐng)日期1998年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月5日
發(fā)明者R·普拉薩, R·F·德?tīng)杻?nèi)維, H·菲伊 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司