APARATO DE SEPARACIÓN DE OXÍGENO Y COMBUSTIÓN Y MÉTODO.

La presente invención se refiere a un aparato de separación de oxígeno y combustión y un método que se puede aplicar a tales dispositivos como una caldera o un generador de nitrógeno en que el oxígeno separado de un gas que contiene oxígeno por membranas de transporte de oxígeno soporta la combustión de un combustible en una cámara de combustión y la temperatura de las membranas de transporte de oxígeno se controlan por fluido que circula en pasos de fluido que pasan por la cámara de combustión. Fundamento de la invención La creciente preocupación acerca de temas medioambientales, tales como el calentamiento global y las emisiones de contaminantes está llevando a las industrias a explorar nuevas formas de aumentar la eficacia y reducir las emisiones de los contaminantes. Esto es verdad en particular para sistemas de combustión de combustibles fósiles, que representa una de las fuentes más grandes de emisiones de dióxido de carbono y contaminantes al aire. Una manera eficaz de reducir las emisiones y aumentar la eficacia es usar oxígeno o aire enriquecido con oxígeno, en el proceso de combustión. El uso de oxígeno o aire enriquecido en oxígeno reduce muchas pérdidas de calor, que aumenta la eficacia del sistema, mientras que se reducen al mismo tiempo las emisiones de NOx. Además, la concentración de dióxido de carbono en el gas de combustión es mayor puesto que hay poco o nada de nitrógeno que actúe como diluyente. La mayor concentración de dióxido de carbono aumenta las opciones de recuperación de dióxido de carbono. El oxígeno usado en la técnica anterior ha estado limitado a los procesos con altas temperaturas de los gases de combustión, tales como los hornos de vidrio. En dichas aplicaciones, los ahorros de combustible y los beneficios conseguidos son mayores que el coste del oxígeno. En sistemas de baja temperatura de los gases de combustión, tales como calderas, la inversa es verdad. En estos sistemas, el coste de oxígeno producido con las tecnologías actuales es más caro que los ahorros de combustible disponibles. Esto hace que el uso de oxígeno en tales sistemas no sea económicamente atractivo. Por otra parte, cuando se tiene en cuenta la energía requerida para producir el oxígeno, la eficacia térmica total disminuye. Se han utilizado ventajosamente membranas de transporte de oxígeno en la técnica anterior para producir oxígeno para aparatos y procedimientos de separación de oxígeno y de combustión que consumen calor de manera que resulta un ahorro de energía que de otro modo se gastaría en la separación de oxígeno. Las membranas de transporte de oxígeno se fabrican de materiales cerámicos de transporte de iones, selectivos de oxígeno en forma de conductos o placas que son por sí mismos impermeables al flujo de oxígeno y otros gases. Dichos materiales cerámicos, sin embargo, presentan una infinita selectividad por el oxígeno a altas temperaturas por transporte de iones oxígeno por la membrana. En membranas de transporte de oxígeno, el oxigeno es ionizado en una superficie de la membrana para formar iones oxígeno que son transportados por la membrana. Los iones oxígeno en el lado opuesto de la membrana se recombinan para formar oxígeno con la producción de electrones. Dependiendo del tipo de material cerámico, los iones oxígeno o fluyen por la membrana para ionizar el oxígeno o por rutas eléctricas separadas en la membrana o por un potencial eléctrico aplicado. Tales membranas electrolíticas sólidas están fabricadas de óxidos inorgánicos, tipificados por óxidos de zirconio estabilizados con calcio o itrio y análogos con estructuras de fluoruro o perovskita. En la patente de EE.UU. 5.888.272 las membranas de transporte de oxígeno están integradas en un propio procedimiento de combustión, yendo todo el oxígeno producido directamente al combustor. Los gases de combustión calentados se pueden conducir después a un procedimiento en el que se puede usar la energía térmica para calentar un fluido o realizar trabajo útil. En una realización, los gases de combustión se reciclan por un banco de conductos de membranas de transporte de oxígeno y se enriquecen con oxígeno. Típicamente, el gas de combustión entra al banco conteniendo en cualquier parte de 1 a aproximadamente 3 por ciento de oxígeno y sale del banco conteniendo de aproximadamente 10 a aproximadamente 30 por ciento de oxígeno en volumen. El gas de combustión enriquecido se envía después a un espacio de combustión donde se usa para quemar el combustible. En otra realización, denominada purga reactiva, los conductos de membranas de transporte de oxígeno se ponen directamente en el espacio de combustión. Un combustible diluido con gas de combustión se hace pasar por los conductos y se quema con el oxígeno a medida que pasa por los conductos. Así, la producción de oxígeno y la combustión tienen lugar simultáneamente. La patente europea EP 0 984 500 A2 se refiere a un reactor de gas de síntesis que comprende una disposición coaxial de conductos de membranas de transporte de oxígeno, en los que un primer conducto de membrana de transporte de oxígeno rodea un conducto de combustible para formar una cámara de combustión. Un segundo conducto de membrana de transporte de oxígeno rodea el primer conducto de membrana de transporte de oxígeno para formar un paso de aire para suministrar oxígeno a la cámara de combustión. Una sección de reacción que contiene un catalizador para realizar reacciones de reformado rodea el segundo conducto de membrana de 2 E01991097 09-01-2012   transporte de oxígeno. Se conocen reactores de transporte de iones a partir de la patente europea EP 0 875 285 Al y la patente de EE.UU. 6.139.810. Como se discutirá, la presente invención utiliza membranas de transporte de oxígeno para producir oxígeno para soportar la combustión en un aparato de separación de oxígeno y combustión tal como una caldera de una manera que se reducen inherentemente los gastos de energía implicados en comprimir una alimentación que contiene oxígeno que entra en las membranas. Las ventajas de la presente invención llegarán a ser evidentes a partir de la siguiente discusión. Sumario de la invención En un aspecto, la presente invención proporciona un aparato de separación de oxígeno y combustión que comprende una pluralidad de membranas de transporte de oxígeno paralelas situadas en una cámara de combustión. La pluralidad de membranas de transporte de oxigeno paralelas sirve para separar oxígeno de un gas que contiene oxígeno, para proporcionar según lo cual el oxígeno en la cámara de combustión para soportar la combustión de un combustible y generar calor. Se hace pasar una pluralidad de pasos de fluido por la cámara de combustión y se colocan de manera que se transfiera una porción del calor de combustión de la combustión a las membranas de transporte de oxígeno para calentar las membranas de transporte de oxígeno a una temperatura de funcionamiento y una porción más del calor es trasferida de la combustión a los pasos de fluido para proporcionar calor para calentar el fluido y favorecer la estabilización de la temperatura de funcionamiento de las membranas de transporte de oxígeno. Al menos se proporciona una entrada para introducir al menos el combustible en la cámara de combustión y un escape de la cámara de combustión descarga productos de combustión que surgen de la combustión del combustible. El escape y al menos una entrada están separados entre sí de manera que los productos de combustión fluyen en una dirección predominantemente paralela a las membranas de transporte de oxígeno. Las membranas de transporte de oxígeno y los pasos de fluido pueden ser de configuración tubular. La dirección de flujo de los productos de combustión puede ser o de contracorriente o a favor de la corriente para el flujo de gas del gas que contiene oxígeno en las membranas de transporte de oxígeno. Preferiblemente, las membranas de transporte de oxígeno están cerradas en un extremo y abiertas en el extremo para descargar un concentrado reducido en oxígeno y una pluralidad de conductos de unión coaxiales sobresale en extremos abiertos de las membranas de transporte de oxígeno para suministrar el gas que contiene oxígeno a las mismas. Al menos una entrada puede comprender una entrada a la cámara de combustión para introducir una mezcla del combustible y un gas de combustión, si se requiere gas de combustión, a la cámara de combustión. Alternativamente, en caso de unidades de membrana de transporte de oxígeno tubulares, de extremo abierto, al menos una entrada puede comprender toberas de combustible situadas adyacentes a los extremos abiertos de las membranas de transporte de oxígeno. El fluido puede ser agua y así, el calentador del fluido puede ser una caldera. En tal caso, los pasos de fluido se... [Seguir leyendo]

1. Un aparato de separación de oxígeno y combustión (1; 2; 3) que comprende: una cámara de combustión (10); una pluralidad de membranas (12,14,16) de transporte de oxígeno paralelas situadas en dicha cámara (10) de combustión para separar oxígeno de un gas que contiene oxígeno, para proporcionar de ese modo el oxígeno en la cámara (10) de combustión para soportar la combustión de un combustible y generar de ese modo calor; una pluralidad de pasos (18, 20, 22, 23) de fluido que pasa por dicha cámara (10) de combustión; situados dichos pasos (18, 20, 22, 23) de fluido de manera que se transfiere una porción del calor de la combustión a dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno para calentar dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno a una temperatura de funcionamiento y una porción adicional del calor se transfiere de la combustión a dichos pasos (18, 20, 22, 23) de fluido para proporcionar calor para calentar fluido y favorecer la estabilización de la temperatura de funcionamiento de dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno; al menos una entrada (38; 38'; 57) para introducir al menos el combustible en dicha cámara (10) de combustión y un escape (54 ;54'; 54") de dicha cámara (10) de combustión para descargar productos de combustión que surgen de la combustión del combustible; el escape (54; 54'; 54") y al menos dicha entrada (38; 38'; 57) separados entre sí de manera que dicho flujo de productos de combustión en una dirección predominantemente paralela a dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno. 2. El aparato (1; 2; 3) según la reivindicación 1, en el que dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno y dichos pasos (18, 20, 22, 23) de fluido son de configuración tubular. 3. El aparato (l; 2; 3) según la reivindicación 2, en el que: las membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno están cerradas en un extremo y abiertas en el otro extremo para descargar un concentrado reducido en oxígeno y una pluralidad de conductos (28, 30, 32) de unión coaxiales sobresalen en extremos abiertos de dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno para suministrar el gas que contiene oxígeno a los mismos. 4. El aparato (1; 2) según la reivindicación 3, en el que al menos dicha entrada (38; 38') comprende una entrada (38; 38') a dicha cámara (10) de combustión para introducir una mezcla del combustible y un gas de combustión en dicha cámara (10) de combustión. 5. El aparato (3) según la reivindicación 3, en el que el combustible se introduce en la cámara (10) de combustión por toberas (58, 60, 62, 64, 66, 68) situadas adyacentes a los extremos abiertos de dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno. 6. Un método de separación de oxígeno y combustión que comprende: introducir un gas que contiene oxígeno en una pluralidad de membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno paralelas situadas en una cámara (10) de combustión; separar oxígeno del gas que contiene oxígeno en la pluralidad de membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno, paralelas, para proporcionar de ese modo oxígeno a la cámara (10) de combustión; introducir combustible en la cámara (10) de combustión y quemar el combustible en la cámara (10) de combustión en presencia del oxígeno para generar calor; hacer pasar un fluido por una pluralidad de pasos (18, 20, 22, 23) de fluido situados en la cámara (10) de combustión; descargar productos de combustión de la cámara (10) de combustión; descargándose los productos de combustión de la cámara (10) de combustión e introduciéndose el combustible de manera que los productos de combustión fluyan en una dirección predominantemente paralela a dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno para proporcionar una purga reactiva para favorecer la separación del oxígeno del gas que contiene oxígeno y 7 E01991097 09-01-2012   situándose los pasos (18, 20, 22, 23) de fluido de manera que se transfiere una porción del calor de la combustión a dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno para calentar dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxigeno a una temperatura de funcionamiento y una porción adicional del calor se transfiere de la combustión a dichos pasos (18, 20, 22, 23) de fluido para proporcionar calor para calentar el fluido y favorecer la estabilización de la temperatura de funcionamiento de dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno. 7. El método según la reivindicación 6, en el que dicha dirección es a contracorriente al flujo de gas del gas que contiene oxígeno en dichas membranas (12, 14, 16) de transporte de oxígeno. 8. El método según la reivindicación 6, en el que dicha dirección es a favor de la corriente del flujo de gas del gas que contiene oxígeno en dichas membranas (12,14,16) de transporte de oxígeno. 9. El método según la reivindicación 6, en el que dicho fluido es agua. 8 E01991097 09-01-2012   9 E01991097 09-01-2012   E01991097 09-01-2012