Способ обогащения кислородом входного газа

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к методам обогащения кислородом газа, подаваемого в печь. Способ включает обогащение кислородом первого потока входного газа, вводимого в печь, путем использования потока обогащенного кислородом газа из второго потока входного газа, в котором первый поток входного газа сжимают, а затем нагревают перед введением в печь. Второй поток входного газа разделяют, используя модуль с переносом ионов, содержащий мембрану с переносом ионов, имеющую входную сторону и выходную сторону, для получения потока обедненного кислородом газа на входной стороне и потока чистого газообразного кислорода или потока газа, обогащенного кислородом, на выходной стороне. Поток чистого газообразного кислорода или поток газа, обогащенного кислородом, добавляют в первый поток входного газа в любом положении перед тем, как первый поток входного газа вводят в печь. Использование изобретения обеспечивает эффективное получение кислорода для обогащения вдуваемого в печь газа. 9 з.п. ф-лы, 8 ил, 6 табл.

Настоящее изобретение относится к способу обогащения кислородом входного газа с использованием систем твердых электролитов с ионной проводимостью для выделения кислорода из воздуха с целью получения кислорода или обогащенного кислородом воздуха и более конкретно при использовании таких систем твердых электролитов вместе с печами.

Это изобретение создано при поддержке правительства Соединенных Штатов Америки согласно Соглашению о сотрудничестве 70NANB5H1065 согласно решению Национального института стандартов и технологии. Правительство Соединенных Штатов Америки обладает определенными правами на настоящее изобретение.

При работе доменных печей обычно потребляется большое количество воздуха, поставляющего кислород для проходящих в них реакций окисления. Операторы доменных печей используют ввод порошкообразного угля для уменьшения количества кокса, необходимого для получения железа из руды. При таком изменении воздух, поступающий в доменную печь, должен быть обогащен кислородом для поддержания заданной производительности доменной печи. Это вызывает необходимость получения обогащенного кислородом воздуха для использования в доменных печах. Потребность в кислороде для такой доменной печи составляет более чем 0,1 тонны кислорода на тонну железа. Вследствие этого стоимость кислорода становится важным фактором в стоимости получаемого железа.

Воздух представляет собой смесь газов, которая может содержать различные количества водяных паров и на уровне моря имеет следующий объемный состав: кислород (20,9%), азот (78%), аргон (0,94%), при этом остаток составляет следы других газов. Поскольку только фракция кислорода в газе, вводимом в доменную печь (например, в воздухе), потребляется при горении, другие компоненты газа (например, кислород и аргон) обычно выпускается с отработанным газом химически не измененными. Эти не участвующие в процессе отходящие газы тем не менее нагреваются в процессе и поэтому снижают энергетическую эффективность процесса, поскольку большая часть этого тепла теряется.

Основные средства для подачи обогащенного кислородом воздуха в доменную печь включают отбор кислорода нормальной степени чистоты (99,5 мол.%) из узла отделения воздуха, сконструированного для питания основной кислородной печи (ОКП), и смешивание газа со сжатым доменным воздухом перед введением в воздухонагреватель (сушило) доменной печи. Часто кислород, используемый для обогащения воздуха, находится при повышенном давлении, необходимом для работы ОКП (больше 200 фунтов/кв.дюйм (0,1406 кг/кв.мм).

Альтернативным способом является использование кислородной установки, вырабатывающей кислород низкой степени чистоты (70-90 мол.%), с использованием меньшего количества энергии, чем при применении кислородной установки, поставляющей кислород высокой степени чистоты, и смешивание этого газообразного кислорода с воздухом из воздуходувки доменной печи.

Из-за этой необходимости в кислороде для использования в доменных печах существует потребность в разработке более эффективных способов получения кислорода или обогащенного кислородом воздуха для использования при работе доменной печи. Настоящее изобретение удовлетворяет эту потребность путем интегрирования процессов разделения газов для получения кислорода или обогащенного кислородом воздуха с доменными печами, куда он подается таким образом, чтобы увеличить общую эффективность процесса в целом.

Ионные проводники на основе твердых электролитов предоставляют принципиальную возможность привлекательной технологии для выделения кислорода из воздуха. Способ с использованием твердого электролита может осуществляться с использованием ионных проводников в режиме с приложением электрического поля или смешанных проводников с использованием режима с приложением разности давлений. Для уникальных особенностей способа с использованием твердого электролита позволяют осуществлять способ при высоких температурах (приблизительно 600-1000^oС) и получать кислород с бесконечно большой селективностью по кислороду по отношению к азоту. Эти особенности делают способ с использованием твердого электролита в высшей степени пригодным для использования в целях встраивания в высокотемпературный процесс, например в доменной печи.

Основой для работы мембраны с переносом ионов является то, что она эффективно переносит свободные ионы кислорода при высоких температурах. Мембраны с переносом ионов, которые работают в режиме с приложением электрического поля, в котором они подвергаются действию перепада парциального давления кислорода на обеих сторонах мембраны, вызывают самопроизвольное появление разности потенциалов (потенциал Нернста), который логарифмически зависит от перепада парциального давления кислорода на мембране. Подобным же образом при приложении разности потенциалов, превосходящей потенциал Нернста, кислород в форме оксидных ионов может прокачиваться через мембрану против градиента парциального давления. Такая прокачка нуждается в электрическом токе и, хотя этот тип процесса способен производить кислород при повышенных давлениях и температурах, стоимость потребляемой электрической энергии высока.

Позже были разработаны материалы на основе твердых электролитов, которые могут переносить свободные ионы кислорода при высокой температуре и являются также электронными проводниками. Для таких материалов ток, замыкающий поток свободных ионов кислорода, осуществляется скорее путем внутреннего перетекания электронов, чем через внешнюю цель. Никаких электродов не требуется, и перенос в целом осуществляется благодаря наличию парциального давления кислорода в потоках газа на одной из сторон мембраны с переносом ионов. Никакой подачи электрической энергии не требуется, и этот тип процесса легче встраивается в доменный процесс и является более подходящим средством для подачи кислорода или обогащенного кислородом воздуха для доменной печи.

Следовательно, существуют два типа мембран с переносом ионов с использованием ионных проводников, которые проводят через мембрану только ионы, для чего требуются электроды и внешняя цепь для создания потока электронов; и смешанных проводников, которые проводят через мембрану как ионы, так и электроны. Используемые здесь термины "ионный проводник на основе твердого электролита", "мембрана с переносом ионов на основе твердого электролита", "твердый электролит" или "мембрана с переносом ионов" применяются, как правило, для обозначения либо системы ионного типа (с приложением электрического поля), либо системы типа смешанного проводника (с приложением перепада давления), если не указано иного.

Хотя в процессе переноса ионов получается чистый кислород, наилучший способ осуществления включает использование воздуха или газа с более низким парциальным давлением кислорода, чем в потоке входного газа, например потоке продувочного газа на выходной стороне мембраны с переносом ионов. Это уменьшает парциальное давление кислорода и увеличивает перенос кислорода через мембрану, что позволяет получить более высокое извлечение кислорода. Продуктом из такого модуля с переносом ионов является скорее обогащенный кислородом воздух, чем чистый кислород, но он является пригодным для инжекции в поток входного воздуха или в поток доменного воздуха для увеличения концентрации кислорода в горячем доменном воздухе.

Технология на основе переноса ионов в твердом электролите описана в Prasad et аl., Патент США 5547494, Staqed Electrolyte Membrane, который включается сюда целиком в качестве ссылки для более полного описания состояния данной области.

Перспективы в современном состоянии области разделения воздуха с использованием неорганических оксидных мембран представлены в технической литературе. Кроме того, предложены схемы (например, Rаthbone, Патент США 5268019, смотри ниже), в котором газовые турбины с использованием в качестве топлива доменного печного газа комбинируются с узлами разделения воздуха для получения кислорода с пониженной степенью чистоты для обогащения доменного воздуха.

Известен патент США 4545787, относящийся к способу получения энергии из потока сжатого и нагретого воздуха путем удаления кислорода из потока воздуха, сжигания части получаемого потока воздуха с потоком топлива, объединения части потока продуктов сгорания с другой частью получаемого потока воздуха и расширения конечного продукта горения через турбину для производства энергии. В этом решении используются композитные серебряные мембраны и композитные мембраны на основе твердого электролита с применением оксида металла для удаления кислорода из потока воздуха.

Кроме того, известен патент США 5516359, относящийся к способу выделения кислорода из нагретого и сжатого воздуха с использованием мембраны на основе твердого электролита с ионной проводимостью, в котором не проходящий через мембрану продукт дополнительно нагревается и проходит через турбину для генерации тепла.

Из патента США 5268019 известны средства, позволяющие объединить установку для разделения воздуха с доменной печью. Способ не включает твердых электролитов и поэтому не использует тепловую интеграцию.

Известен также патент США 5317862, относящийся к использованию азота под давлением для производства энергии и улучшения теплового баланса процесса, интегрированного с доменной печью.

И наконец из патента США 5244489 известны средства для комбинации криогенной установки для разделения воздуха с доменной печью. Твердые электролиты не используются, и изобретение включает использование доменной воздуходувки в сочетании с концепцией выделения кислорода из воздуха низкой чистоты, известной в качестве смешанного колонного способа. Он представляет собой криогенный способ, подобный стандартной сдвоенной колонне, но с добавлением третьей колонны, где жидкость приводится в контакт с воздухом для получения потока с кислородом низкой чистоты с целью смешивания с доменным воздухом, вводимым в воздухонагреватель.

Целью изобретения является создание эффективного способа встраивания системы на основе твердых электролитов с ионной проводимостью в узел получения кислорода для создания обогащенного кислородом газа потока, вводимого в печь.

Следующей целью изобретения является повышение эффективности способа путем продувки мембраны с переносом ионов частью горячего доменного воздуха, частью отходящего потока азота, реакционноспособным газообразным топливом или другим газом с низкой концентрацией кислорода.

Следующей целью настоящего изобретения является повышение эффективности системы в целом путем объединения стадий способа с использованием трубопроводов, теплообменников, охладителей, камер сгорания, детандеров для получения энергии и другого оборудования в соответствующих точках в системе для извлечения и переноса энергии.

Изобретение относится к способу обогащения кислородом первого потока входного газа, содержащего элементарный кислород и, по меньшей мере, один дополнительный газ, который необходимо ввести в печь, путем использования потока чистого газообразного кислорода или потока обогащенного кислородом газа, полученного из второго потока входного газа, содержащего элементарный кислород и, по меньшей мере, один дополнительный газ. При проведении способа первый поток входного газа сжимают. Второй поток входного газа разделяют с использованием модуля с переносом ионов, включающего мембрану с переносом ионов, имеющую входную сторону и выходную сторону, для получения потока обедненного кислородом газа на входной стороне и потока чистого газообразного кислорода или потока обогащенного кислородом газа на выходной стороне. По меньшей мере, первый поток входного газа нагревают перед введением в печь. Затем поток чистого газообразного кислорода или поток обогащенного кислородом газа добавляют к первому потоку входного газа в любом положении перед вводом первого потока входного газа в печь.

В предпочтительном выполнении изобретения печь является доменной печью. В другом предпочтительном выполнении изобретения второй поток входного газа содержит, по меньшей мере, часть первого потока сжатого входного газа или потока сжатого, обогащенного кислородом входного газа. В еще одном предпочтительном выполнении изобретения, по меньшей мере, часть обедненного кислородом потока газа или второго потока входного газа используется в качестве продувочного потока для продувки выходной стороны мембраны с переносом ионов. В другом предпочтительном выполнении изобретения, по меньшей мере, часть первого потока газа добавляют после нагрева ко второму потоку входного газа. В еще одном предпочтительном выполнении второй поток входного газа нагревают путем переноса тепла от потока чистого газообразного кислорода или потока обогащенного кислородом газа и обедненного кислородом газа ко второму потоку входного газа. В еще одном предпочтительном выполнении детандер для получения энергии извлекает энергию из обедненного кислородом потока газа. В еще одном предпочтительном исполнении добавляют поток газообразного топлива на выходной стороне мембраны с переносом ионов для продувки.

Другие цели, особенности и преимущества изобретения станут ясны специалистам в данной области из последующего описания предпочтительных выполнений и прилагаемых чертежей, на которых показано: на фиг.1 показана блок-схема согласно изобретению, представляющая модуль с переносом ионов вместе с доменной печью, с введением потока газообразного топлива камеры сгорания в поток отходящего газа; фиг. 2 - блок-схема согласно изобретению, аналогичная фиг.1, за исключением того, что поток обогащенного кислородом газа из модуля с переносом ионов охлаждают, и сжимают, и вводят в поток газа под давлением, вводимый в воздухонагреватель, и горячий доменный воздух смешивают с потоком входного газа в модуле с переносом ионов; фиг.3 - блок-схема согласно изобретению, представляющая способ, в котором поток продувочного газа отбирают из потока газообразного побочного продукта азота; фиг. 4 - блок-схема согласно изобретению, аналогичная фиг.3, за исключением того, что поток обогащенного кислородом газа из модуля с переносом ионов охлаждают, и сжимают, и вводят в поток газа под давлением, вводимый в воздухонагреватель; фиг. 5 - блок-схема согласно изобретению, аналогичная фиг.4, в котором отдельный воздушный компрессор повышает давление потока входного воздуха в модуле с переносом ионов; фиг. 6 - блок-схема согласно изобретению, с процессом переноса ионов с приложением перепада давления, в которой часть воздуха из доменной воздуходувки охлаждают и сжимают во вспомогательном компрессоре до высокого давления для прохождения через теплообменник и через камеру сгорания для повышения температуры потока входного газа до предпочтительной рабочей температуры переноса ионов; фиг. 7 - блок-схема согласно изобретению, представляющая модуль с переносом ионов с приложением электрического поля, объединенный с работающей доменной печью, в которой выходной поток газа непосредственно добавляют к потоку нагретого газа, вводимого в доменную печь; фиг. 8 - блок-схема согласно изобретению, представляющая модуль с переносом ионов, объединенный с работающей доменной печью, в котором часть воздуха из доменной воздуходувки возвращается в процесс переноса ионов.

Сущность изобретения заключается в формировании встраиваемого в процесс способа, при котором сжатый воздух из доменной воздуходувки используют для ввода в устройство на основе твердого электролита, тем самым устраняя необходимость в отдельном компрессоре. Часть горячего доменного воздуха может быть использована для подачи тепла, необходимого для поддержания рабочей температуры модуля на основе твердого электролита, тем самым устраняя необходимость в топливе, необходимом для потока обогащенного кислородом газа, или уменьшая его количество, что улучшает работу доменной печи.

Согласно предпочтительным выполнениям изобретения предлагается использование некоторой части энергии сжатия и некоторой части тепла из оборудования доменной печи для облегчения осуществления операции процесса переноса ионов, производящего кислород или обогащенный кислородом воздух, для увеличения эффективности продувки горячего воздуха в печи. Путем встраивания модуля с переносом ионов в оборудование доменной печи затраты энергии и стоимость процесса обогащения кислородом могут быть уменьшены, и способ в целом может стать более эффективным.

Существуют несколько различный путей, с помощью которых модуль с переносом ионов может быть объединен или встроен в работающую доменную печь. Некоторые из этих путей представляют собой только частичное встраивание и не могут быть особенно эффективными, они описаны лишь в качестве иллюстрации. Предпочтительные выполнения являются высоко эффективными и практичными средствами улучшения работы доменной печи.

Ниже изобретение описывается со ссылками на чертежи. Как правило, предпочтительная концентрация обогащенного кислородом воздуха, вводимого в печь, например доменную печь, составляет 25-27 об.% кислорода. Способ может быть приспособлен для получения такой или другой желаемой концентрации кислорода. Существуют несколько преимуществ и особенностей изобретения, которые иллюстрируются в выполнениях изобретения, представленных на чертежах. Эти особенности включают распределение тепла и термическую комбинацию различных компонентов способа, возможность использования существующих устройств и модернизации компонентов, необходимых для преобразования существующей доменной печи согласно изобретению, использование потока продувочного газа для увеличения эффективности мембраны с переносом ионов и использование турбины для извлечения энергии из потоков газов под высоким давлением.

Существует множество альтернативных выполнений изобретения, представленных на чертежах, иллюстрирующих различные аспекты изобретения. Например, на фиг.1 показана блок-схема, представляющая добавление потока газообразного топлива в камеру сгорания в потоке отходящего газа. Это расположение может быть использовано только для выравнивания температуры, но в качестве источника дополнительного тепла должно быть непрактичным отводить и использовать горячий вспомогательный поток, и таким образом иметь поток теплого воздуха, доступный для продувки, или, если это является желательным, получить больше энергии от турбины с помощью увеличения температуры на входе. Во время работы поток обогащенного кислородом газа 44 добавляют ко входному потоку газа 2 для получения потока газа 4, который вводится в доменную воздуходувку 5. Сжатый поток входного газа 6 из доменной воздуходувки 5 разделяют на поток газа 8, который вводят в воздухонагреватель 10, и поток газа 46, который отводят через теплообменник 52, где его температура повышается с помощью теплообмена с потоком обогащенного кислородом газа 42 и потоком горячего отходящего газа 50 из модуля с переносом ионов 38 с образованием потока нагретого газа 45. Поток газа 14 из воздухонагревателя 10 разделяют на поток газа 16, который вводят в доменную печь 12, и поток газа 18, который проходит через клапан 19, превращаясь в поток газа 22. Поток горячего отработанного газа 13 выводится из доменной печи 12. Поток газа 22 объединяется с потоком нагретого газа 45, превращаясь в поток газа 43. Поток газа 43 разделяется на поток газа 47 и поток газа 20. Поток газа 47 вводится с входной стороны 40а мембраны с переносом ионов 40. Поток газа 20 проходит через клапан 21, превращаясь в поток продувочного газа 26. Поток газообразного топлива 24, то есть реакционно-способного газа, подвергающегося горению с кислородом, необязательно добавляется в поток продувочного газа 26 и в конечном итоге сгорает внутри модуля с переносом ионов 38. Поток продувочного газа 26 может проходить через необязательный детандер 28 вместо клапана 21 так, что извлекается некоторая часть энергии сжатия, а затем образует поток продувочного газа 30. Поток продувочного газа 30 протекает на выходную сторону 40b мембраны с переносом ионов 40 в направлении противотока по отношению к потоку на входной стороне 40а мембраны с переносом ионов 40. Путем управления смешиванием потока газа 22 и потока газа 45 модуль с переносом ионов 38 может поддерживаться при соответствующей рабочей температуре. Поток обогащенного кислородом газообразного продукта при низком давлении 42 охлаждается в теплообменнике 52, формируя поток обогащенного кислородом газа 44, который вводят в поток входного воздуха 2 для увеличения концентрации кислорода в потоке вспомогательного воздуха 16. Поток обогащенного азотом отходящего газа 48 проходит через необязательную камеру сгорания 36, где добавляется поток газообразного топлива 34, и имеет место горение. Поток отходящего воздуха 50 проходит через детандер 56, где извлекается некоторая часть энергии сжатия, с образованием потока газа 54. Поток газа 54 проходит через теплообменник 52, чтобы сформировать поток газа 58, который обычно выпускают.

На фиг. 2 показана блок-схема, представляющая способ, несколько похожий на способ, описанный выше, за исключением того, что в этом случае поток обогащенного кислородом газа из модуля с переносом ионов охлаждают, и сжимают, и вводят в поток газа под давлением, скорее вводимый в воздухонагреватель, чем объединяемый с входным потоком в доменную воздуходувку. Можно увидеть, что часть смешанного потока входного газа отбирают для потока продувочного газа. Поскольку как поток входного газа, так и поток продувочного газа находятся при одинаковой температуре, разделение с помощью переноса ионов является изотермическим. Изотермическая работа обычно является предпочтительной, поскольку она более эффективна, и из-за уменьшения термических напряжений в элементах сепаратора с переносом ионов.

Во время работы поток входного газа 2 вводят в доменную воздуходувку 5. Поток сжатого входного газа 60 из доменной воздуходувки 5 разделяют на поток газа 62 и поток газа 77, который проходит через необязательный вспомогательный компрессор 78 для образования потока газа 79, который проходит через теплообменник 52, где его температура повышается с помощью теплообменника с потоком горячего обогащенного кислородом газа 71 и с потоком горячего отходящего газа 87 из модуля с переносом ионов 83, чтобы сформировать поток нагретого газа 80. Поток газа 62 смешивают с потоком обогащенного кислородом газа 76 и вводят в воздухонагреватель 10. Поток газа 64 из воздухонагревателя 10 разделяют на поток газа 65, который добавляют к потоку нагретого газа 80 с образованием потока газа 81, и поток газа 66, который вводят в доменную печь 12. Поток горячего отработанного газа 13 выводится из доменной печи 12. Поток газа 81 разделяют на поток газа 82 и поток газа 68. Поток газа 82 вводят с входной стороны 84а мембраны с переносом ионов 84. Поток газа 68 проходит через клапан 69 и через необязательный детандер 28, в котором извлекается некоторая часть энергии сжатия, и формирует поток продувочного газа 70. Поток продувочного газа 70 протекает на выходную сторону 84b мембраны с переносом ионов 84 в направлении противотока по отношению к потоку на входной стороне 84а мембраны с переносом ионов 84. Путем управления смешиванием потока газа 65 и потока газа 80 модуль с переносом ионов 83 может поддерживаться при соответствующей рабочей температуре. Поток обогащенного кислородом газообразного продукта при низком давлении 71 охлаждают в теплообменнике 52, чтобы сформировать поток обогащенного кислородом газа 72, который охлаждают с помощью охладителя 73 для формирования потока газа 74. Поток газа 74 сжимают с помощью компрессора 75, формируя поток газа 76, который вводят в поток газа 62 для повышения концентрации кислорода в потоке доменного воздуха 66. Поток обогащенного кислородом отходящего газа 86 проходит через необязательную камеру сгорания 36, где добавляют поток газообразного топлива 34, и имеет место горение. Поток выходного газа 87 проходит через детандер 56, где извлекается некоторая часть энергии сжатия, с формированием потока газа 88. Поток газа 88 проходит через теплообменник 52 с формированием потока газа 90, который обычно выпускают.

На фиг. 3 показана блок-схема, представляющая способ, в котором поток продувочного газа отбирают из части содержащего азот потока отходящего газа. Эта конфигурация дает возможность отбирать поток отходящего газа в виде содержащего азот побочного продукта, если это является преимущественным. В этом случае горячий доменный воздух добавляют к потоку входного газа при высоком давлении в модуль с переносом ионов, как на фиг.2. Альтернативно, поток обогащенного азотом отходящего газа может быть смешан с горячим доменным газом для сформирования потока продувочного газа, с давлением, несколько меньшим, чем давление на выходе доменной воздуходувки, часть, отбираемая для ввода в модуль с переносом ионов, может подвергаться расширению через клапан, как показано, и верхнее давление процесса переноса ионов тем самым уменьшается до давления горячего доменного воздуха. Как и на фиг.1, небольшое количество топлива может быть добавлено к потоку продувочного газа и сожжено в модуле с переносом ионов в качестве средства дополнительного нагрева. Альтернативно, топливо также может быть добавлено к потоку 106 и сгорает на входной стороне модуля с переносом ионов.

Во время работы поток обогащенного кислородом газа 121 добавляют к потоку входного газа 2 для создания потока газа 100, который вводят в доменную воздуходувку 5. Поток сжатого входного газа 101 из доменной воздуходувки 5 разделяют на поток газа 102, который вводят в воздухонагреватель 10, и поток газа 122, который проходит через клапан 123 и через теплообменник 52, где его температура повышается с помощью теплообмена с потоком горячего обогащенного кислородом газа 120 и потоком отходящего горячего газа 114 из модуля с переносом ионов 107 с образованием потока нагретого газа 124. Поток газа 103 от воздухонагревателя 10 разделяют на поток газа 105, который проходит через клапан 109 и добавляется к потоку газа 124 для получения потока газа 106, и поток газа 104, который вводят в доменную печь 12. Горячий поток отработанного газа 13 выводится из доменной печи 12. Поток газа 106 вводят со входной стороны 108а мембраны с переносом ионов 108. Остаточный поток газа 110 разделяют на поток газа 111, который проходит через клапан 115, чтобы сформировать поток продувочного газа 119, и поток газа 114. Поток газообразного топлива 117, то есть реакционноспособного газа, подвергающегося горению с кислородом, необязательно добавляют в поток продувочного газа 119 и в конечном итоге сжигают в модуле с переносом ионов 107. Поток продувочного газа 119 проходит через необязательный детандер 119, в котором извлекается некоторая часть энергии сжатия, и формируется поток продувочного газа 113. Поток продувочного газа 113 поступает на выходную сторону 108b мембраны с переносом ионов 108 в направлении противотока по отношению к потоку на входной стороне 108а мембраны с переносом ионов 108. Путем управления смешиванием потока газа 124 и потока газа 105 модуль с переносом ионов 107 может поддерживаться при соответствующей рабочей температуре. Поток обогащенного кислородом газообразного продукта при низком давлении 120 охлаждают в теплообменнике 52, чтобы сформировать поток обогащенного кислородом газа 121, который вводят в поток входного воздуха 2 для увеличения концентрации кислорода потока доменного воздуха 104. Поток обогащенного азотом отходящего газа 114 проходит через детандер 56, в котором извлекается некоторая часть энергии сжатия, для формирования потока газа 116. Поток газа 116 проходит через теплообменник 52 таким образом, чтобы сформировать поток газа 118, который обычно выпускают.

На фиг. 4 представлена блок-схема, представляющая способ, аналогичный способу на фиг.3, за исключением того, что в этом случае поток обогащенного кислородом газа из модуля с переносом ионов охлаждают, и сжимают, и вводят в поток газа под давлением, скорее вводимый в воздухонагреватель, чем рециклируемый для ввода в доменную воздуходувку.

Во время работы поток входного газа 2 вводят в доменную воздуходувку 5 для формирования потока сжатого газа 125. Поток сжатого газа 125 из доменной воздуходувки 5 разделяют на поток газа 126 и поток газа 131, который проходит через необязательный вспомогательный компрессор 132 для формирования потока газа 133, который проходит через теплообменник 52, где его температура повышается с помощью теплообмена с потоком горячего обогащенного кислородом газа 146 и потоком горячего отходящего газа 152 из модуля с переносом ионов 136, формируя поток нагретого газа 134. Поток газа 126 смешивают с потоком обогащенного кислородом газа 151, чтобы сформировать поток газа 127, который вводят в воздухонагреватель 10. Поток газа 128 из воздухонагревателя 10 разделяют на поток газа 130, который проходит через клапан 155 и добавляется к потоку нагретого газа 134, чтобы сформировать поток газа 135, и поток газа 129, который вводят в доменную печь 12. Поток горячего отработанного газа 13 выводится из доменной печи 12. Поток газа 135 вводят со входной стороны 138а мембраны с переносом ионов 138. Остаточный поток газа 140 разделяют на поток газа 141 и поток газа 152. Поток газа 141 проходит через клапан 153 для формирования потока газа 152, который в свою очередь проходит через необязательный детандер 144, где извлекается некоторая часть энергии сжатия, формируя поток продувочного газа 145. Поток газообразного топлива 142, то есть реакционноспособного газа, подвергающегося горению с кислородом, необязательно добавляют к потоку продувочного газа 143 и в конечном итоге сжигают в модуле с переносом ионов 136. Поток продувочного газа 145 протекает на выходную сторону 138b мембраны с переносом ионов 138 в направлении противотока по отношению к потоку на входной стороне 138а мембраны с переносом ионов 138. Путем управления смешиванием потока газа 130 и потока газа 134 модуль с переносом ионов 136 может поддерживаться при соответствующей рабочей температуре. Поток газообразного обогащенного кислородом продукта при низком давлении 146 охлаждается в теплообменнике 52, чтобы сформировать поток обогащенного кислородом газа 147, который охлаждается с помощью охладителя 148, формируя поток газа 149. Поток газа 149 сжимают с помощью компрессора 150, чтобы сформировать поток газа 151, который вводят в поток газа 126 для повышения концентрации кислорода потока доменного воздуха 129. Поток обогащенного азотом отходящего газа 152 проходит через детандер 56, где извлекается некоторая часть энергии сжатия, формируя поток газа 154. Поток газа 154 проходит через теплообменник 52 для формирования потока газа 156, который обычно выпускают.

На фиг. 5 показана блок-схема способа, в котором используют отдельный воздушный компрессор для повышения давления потока входного газа модуля с переносом ионов. Этот способ может быть использован, когда невозможно или непрактично получать сжатый воздух из доменной воздуходувки. В ином случае, этот способ аналогичен способу на фиг.4.

Во время работы поток входного газа 2 вводят в доменную воздуходувку 5 для формирования потока сжатого воздуха 160. Поток газа 160 смешивают с потоком обогащенного кислородом газа 192 для формирования потока газа 162, который вводят в воздухонагреватель 10. Второй поток входного газа 168 проходит через компрессор 169, чтобы сформировать поток газа 170. Поток газа 170 проходит через теплообменник 52, в котором его температура повышается путем теплообмена с потоком обогащенного кислородом газа 187 и с потоком отходящего газа 194 из модуля с переносом ионов 176, чтобы сформировать поток нагретого газа 172. Поток газа 164 из воздухонагревателя 10 разделяют на поток газа 166, который проходит через клапан 167 и добавляется к потоку нагретого газа 172, чтобы сформировать поток газа 174, и поток газа 165, который вводят в доменную печь 12. Поток горячего отработанного газа 13 выводится из доменной печи 12. Поток газа 174 вводят с входной стороны 178а мембраны с переносом ионов 178. Остаточный поток газа 108 разделяют на поток газа 182 и поток газа 195. Поток газа 182 проходит через клапан 181, чтобы сформировать поток газа 184, который в свою очередь проходит через детандер 185, где некоторая часть энергии сжатия извлекается, чтобы сформировать поток продувочного газа 186. Поток газообразного топлива 183, то есть реакционноспособного газа, подвергающегося горению вместе с кислородом, необязательно добавляют к потоку продувочного газа 184 и в конечном итоге сжигают в модуле с переносом ионов 176. Поток продувочного газа 186 поступает на выходную сторону 178b мембраны с переносом ионов 178 в направлении противотока по отношению к потоку на входной стороне 178а мембраны с переносом ионов 178. Путем управления смешиванием потока газа 166 и потока газа 172 модуль с переносом ионов 176 может поддерживаться при соответствующей рабочей температуре. Поток обогащенного кислородом газообразного продукта при низком давлении 187 охлаждают в теплообменнике 52, чтобы сформировать поток обогащенного кислородом газа 188, который охлаждают с помощью охладителя 189, чтобы сформировать поток газа 190. Поток газа 190 сжимают с помощью компрессора 191 для формирования потока газа 192, который вводят в поток газа 160, чтобы повысить концентрацию кислорода в потоке доменного воздуха 165. Поток обогащенного азотом отходящего газа 194 проходит через детандер 56, где извлекается некоторая часть энергии сжатия, формируя поток газа 195. Поток газа 195 проходит через теплообменник 52, чтобы сформировать поток газа 196, который обычно выпускают.

Нужно заметить, что процессы ионного обмена, изображенные на фиг.1, 2, 3, 4 и 5, позволяют получить скорее обогащенный кислородом воздух, чем чистый кислород. Это является преимуществом, поскольку является сложным безопасно манипулировать с чистым кислородом, особенно при повышенных температурах и давлениях, и процесс переноса ионов является изначально высокотемпературным процессом. Способ с переносом ионов имеет бесконечно большой коэффициент разделения по отношению к кислороду, но для применений, которые требуют скорее обогащенного кислородом воздуха, чем чистого кислорода, является более эффективным продувать входную сторону мембраны с переносом ионов и понижать парциальное давление кислорода, чем производить чистый кислород, а впоследствии его разбавлять.

В порядке количественного описания относительных преимуществ и эффективности различных способов, изображенных на фиг.1, 2, 3 и 4, далее приводятся примеры.

Примеры Некоторые из предпочтительных режимов работы изобретения далее будут иллюстрированы посредством примеров, где скорости потоков, составы и температуры участвующих в способе потоков сбалансированы для гипотетических рабочих условий с использованием моделей, которые были разработаны для модуля с переносом ионов.

Для всех этих примеров, которые следуют далее, рабочие условия представлены в табл.I (см. в конце описания).

Пример 1
Этот пример представляет собой способ, представленный на фиг.1, где поток продувочного газа получают путем смешивания некоторой части горячего доменного воздуха после понижения давления с некоторой частью потока входного газа в модуле с переносом ионов после понижения давления. Полагая, что поток остаточного газа содержит 10% кислорода и отношение продувочного газа и остаточного газа составляет 25%, получаются следующие рабочие параметры, как показано в таблице Е-1. В этом примере добавление топлива не используется.

В примере 1 68% кислорода, содержащегося в потоке входного газа модуля с переносом ионов, извлекается в потоке выходного газа с концентрацией кислорода 60%. Необходимая площадь поверхности мембраны с переносом ионов для разделения составляет 17810 кв. фут (1655 кв.м). Доменная воздуходувка должна сжимать примерно 168000 куб.фут/кв.фут.мин (51000 м/мин) для получения 100000 куб.фут/кв.фут.мин (31000 м/мин) обогащенного кислородом воздуха (26% кислорода) для доменной печи. Поток остаточного газа в 47700 куб.фут/кв.фут. мин (14540 м/мин) может расширяться через турбину для извлечения некоторой части энергии сжатия, необходимой для доменной воздуходувки. Предполагая адиабатическую эффективность в 85% для воздуходувки и турбины, полученные значения мощности составляют:
дополнительная мощность, требуемая для воздуходувки: 6706 кВт;
мощность, извлекаемая с помощью турбины: 4397 кВт;
общая дополнительная мощность: 2309 кВт.

В этом примере энергия сжатия, теряемая при понижении давления потоков газа, отбираемых для продувки мембраны с переносом ионов, не извлекается. Мощность может быть уменьшена путем прохождения газа, который будет использован для продувки, через необязательный детандер, как показано на фиг. 1.

Пример 2
В примере 1 предполагается, что доменная воздуходувка имеет емкость, достаточную для манипуляций с дополнительным притоком потока газа из модуля с переносом ионов, и может безопасно перенести повышенную концентрацию кислорода. Эти проблемы исключены в примере 2, который представляет собой способ, представленный на фиг.2. Здесь обогащенный кислородом продукт из стадии с использованием переноса ионов сжимается скорее в отдельном компрессоре, чем в доменной воздуходувке, как в примере 1. Опять же температура модуля с переносом ионов поддерживается путем отбора некоторого количества горячего доменного воздуха, но в этом примере он примешивается к потоку входного газа в модуле с переносом ионов, и часть получаемого потока газа расширяется и используется для противоточной продувки. Предполагая снова, что поток остаточного газа содержит 10% кислорода и отношение продувочного газа к остаточному газу составляет 25%, получаются следующие рабочие параметры, как представлено в таблице Е-2. Добавление топлива в этом примере не используется.

В примере 2 59% кислорода, содержащегося в потоке входного газа модуля с переносом ионов, извлекается в потоке выходного газа с концентрацией кислорода 50,5%. Необходимая площадь поверхности мембраны с переносом ионов для разделения составляет 10300 кв.фут (956 кв.м). Доменная воздуходувка должна сжимать примерно 146850 куб. фут/кв. фут. мин (44700 м/мин) для получения 100000 куб.фут/кв.фут.мин (31000 м/мин) обогащенного кислородом воздуха (26% кислорода) для доменной печи. Опять же поток остаточного газа в 46800 куб. фун/кв. фут.мин (14260 м/мин) может расширяться через турбину для извлечения некоторой части энергии сжатия, необходимой для доменной воздуходувки. Предполагая адиабатическую эффективность в 85% для воздуходувки и турбины, полученные значения мощности составляют:
дополнительная мощность, требуемая для воздуходувки: 4590 кВт;
мощность, извлекаемая с помощью турбины: 4783 кВт;
общая дополнительная мощность: 1629 кВт.

Как и в примере 1, некоторая дополнительная мощность может быть извлечена путем прохождения газа, который должен быть использован в качестве продувочного, через необязательный детандер, как представлено на фиг.2.

Вычисления показывают, что настоящее выполнение требует меньшей площади поверхности мембраны с переносом ионов и потребляет меньше мощности, чем пример 1, но способ в примере 2 требует дополнительных компрессора и камеры охлаждения. Площадь поверхности мембраны может быть дополнительно уменьшена путем сжатия потока входного газа модуля с переносом ионов до более высокого давления в (необязательном) компрессоре, представленном на фиг.2.

Пример 3
Этот пример представляет способ, иллюстрируемый на фиг.3, где поток продувочного газа отбирают из потока обогащенного азотом остаточного газа. Как и в примере 1, обогащенный кислородом выходной газ рециклируют в поток входного газа в доменную воздуходувку. Предполагая, что поток остаточного газа содержит 5% кислорода и отношение продувочного газа к остаточному газу составляет 20%, получаются следующие рабочие параметры, как представлено в таблице Е-3.

В примере 3 падение давления в воздухонагревателе пренебрежимо мало. Концентрация кислорода в потоке выходного газа составляет 60%, и извлекается 85% кислорода, содержащегося в потоке входного газа модуля с переносом ионов. Необходимая площадь поверхности мембраны с переносом ионов для разделения составляет 19600 кв.фут (1821 кв.м). Доменная воздуходувка должна сжимать примерно 151000 куб.фут/кв.фут.мин (46020 м/мин) для получения 100000 куб.фут/кв.фут.мин (31000 м/мин) обогащенного кислородом воздуха (26% кислорода) для доменной печи, но избыточный поток газа в 32010 куб.фут./кв.фут. мин (9757 м/мин) может расширяться для извлечения некоторой части энергии сжатия. Предполагая адиабатическую эффективность в 85% для воздуходувки и турбины, полученные значения мощности составляют:
дополнительная мощность, требуемая для воздуходувки: 5039 кВт;
мощность, извлекаемая с помощью турбины: 3511 кВт;
общая дополнительная мощность: 1528 кВт.

В этом случае энергия сжатия теряется при понижении давления части потока остаточного газа, который отбирают из потока продувочного газа в процессе на основе переноса ионов. Некоторая часть этой энергии может быть извлечена путем прохождения этого потока газов скорее через детандер, чем через клапан.

Пример 4
В этом примере (фиг.4) часть остаточного газа используется в качестве потока продувочного газа в процессе на основе переноса ионов, как в примере 3, но обогащенный кислородом выходной газ сжимается отдельно и вводится скорее во входной газ для воздухонагревателя, как в примере 2, чем рециклируется сквозь доменную воздуходувку. Опять предполагая, что поток остаточного газа содержит 5% кислорода и отношение продувочного газа к остаточному газу составляет 20%, получаются следующие рабочие параметры, как представлено в таблице Е-4.

В этом примере концентрация кислорода в потоке выходного газа составляет 53,7 и 81% кислорода, содержащегося в потоке входного газа модуля с переносом ионов, извлекается. Необходимая площадь поверхности мембраны с переносом ионов для разделения составляет 14400 кв.фут (1338 кв.м). Доменная воздуходувка должна сжимать 132090 куб.фут/кв.фут.мин (40260 м/мин) для получения 100000 куб.фут/кв.фут.мин (31000 м/мин) обогащенного кислородом воздуха (26% кислорода) для доменной печи, но избыточный поток газа в 32010 куб.фут/кв. фут.мин (9757 м/мин) может расширяться для извлечения некоторой части энергии сжатия. Предполагая адиабатическую эффективность в 85% для воздуходувки и турбины, вычисленные значения мощности составляют:
дополнительная мощность, требуемая для воздуходувки: 3144 кВт;
мощность для компрессора модуля с переносом ионов: 1613 кВт;
мощность, извлекаемая с помощью турбины: 3276 кВт;
общая дополнительная мощность: 1481 кВт.

Опять же энергия сжатия теряется при понижении давления части потока остаточного газа, который отбирают из потока продувочного газа в процессе на основе переноса ионов. Некоторая часть этой энергии может быть извлечена путем прохождения этого потока газов скорее через детандер, чем через клапан.

При сравнении результатов этих примеров как общие значения мощности, так и площади поверхности мембран являются более низкими для способов (примеры 2 и 4), где обогащенный кислородом выходной газ из модуля с переносом ионов отдельно сжимается и вводится скорее в поток входного газа в воздухонагревателе, чем рециклируется на вход доменной воздуходувки (примеры 1 и 3). Эти способы, однако, требуют дополнительного оборудования для сжатия и камеры охлаждения. Когда существующая доменная воздуходувка имеет избыточную емкость, могут быть использованы преимущественно способы примеров 2 и 4, в других случаях процессы примеров 1 и 3 могут быть предпочтительными. Попыток оптимизации рабочих параметров, которые зависят от сравнительной стоимости и других экономических факторов, не делалось. Представлены, однако, несколько примеров из многих, которые могут быть разработаны.

Все эти способы являются новыми в том, что они используют потоки продувочного газа, отбираемые из потока входного газа модуля с переносом ионов или из потока остаточного газа. Это является необычным в технологии разделения газов, поскольку обогащенный кислородом выходной газ специально разбавляется с помощью продувки. Эти способы осуществляются и являются высокоэффективными потому, что требуется только умеренное обогащение кислородом, и разбавление выходного газа увеличивает движущую силу для проникновения кислорода.

Эти примеры также показывают, что использование остаточного газа для продувки (примеры 3 и 4) понижает требуемую мощность, но увеличивает необходимую площадь поверхности мембраны по сравнению с использованием потока входного газа для продувки (примеры 1 и 2). В конечном итоге предпочтительный способ будет зависеть от экономических соображений. Там, где имеется потребность в азотном побочном продукте, способы примеров 3 и 4 являются преимущественными, и пример 4 представляет предпочтительный способ. Хотя поток остаточного газа в примерах 3 и 4 содержит 5% кислорода, способы могут быть изменены, чтобы достигнуть извлечения приблизительно 100% кислорода и получать почти чистый азот в потоке остаточного газа. Когда желателен чистый азот, может быть преимущественным использование второй стадии с переносом ионов с приложением электрического поля или перепада давлений для рафинирования потока отходящего газа путем удаления следов кислорода из конечного чистого продукта азота.

Все эти примеры предназначаются для рассмотрения в качестве предпочтительных примеров выполнения изобретения.

Как указано, предпочтительные режимы работы по настоящему изобретению включают процесс переноса ионов с приложением перепада давлений, где продувается выходная сторона мембраны с переносом ионов. Примеры этих способов описаны и иллюстрируются на фиг.1, 2, 3 и 4.

Не является практичным использование потока продувочного газа, однако все еще возможным является извлечение кислорода из воздуха с помощью процесса переноса ионов. Однако продуктом с низким давлением является чистый кислород, и это требует, чтобы поток входного газа был при относительно высоком давлении в порядке осуществления процесса переноса кислорода.

Пример такого способа с приложением перепада давлений представлен на фиг. 6. На фиг.6 кислородный продукт вводят в поток входного воздуха в воздухонагреватель. Альтернативно, кислород может вводиться в горячий доменный воздух из воздухонагревателя, как показано с помощью необязательного маршрута. Способы, изображенные на этих схемах, требуют, чтобы модуль с переносом ионов работал при высоком давлении в порядке получения обогащенного кислородом воздуха при 50-60 фунт/кв.дюйм (3,52-4,21 кг/кв.см).

Во время работы поток газа 225 необязательно добавляют к потоку входного газа 2, чтобы сформировать поток газа 198, который вводят в доменную воздуходувку 5. Поток сжатого входного газа 200 из доменной воздуходувки 5 разделяют на поток газа 202 и поток газа 206, который проходит через охладитель 207, формируя поток газа 208, который проходит через компрессор 209 и теплообменник 52, где его температура повышается с помощью теплообмена с потоком горячего обогащенного кислородом газа 214 и с потоком горячего отходящего газа 218 из модуля с переносом ионов 211, чтобы сформировать поток нагретого газа 210. Поток газа 202 смешивают с потоком обогащенного кислородом газа 228 для формирования потока газа 203, который вводят в воздухонагреватель 10. Поток газа 227 может быть необязательно добавлен к потоку газа 204, чтобы сформировать поток газа 205, который вводят в доменную печь 12. Поток горячего отработанного газа 13 выпускается из доменной печи 12. Поток газа 210 вводят на входной стороне 212а мембраны с переносом ионов 212. Поток газа 214, выходящий из модуля с переносом ионов 211, охлаждается в теплообменнике 52, чтобы сформировать обогащенный кислородом поток газа 224. Необязательно, по меньшей мере, часть потока обогащенного кислородом газа 224 добавляют в качестве потока газа 225 к потоку входного газа 2. Поток газа 224 охлаждают в необязательном охладителе 246, формируя поток газа 226. Необязательно, по меньшей мере, часть потока обогащенного кислородом газа 226 добавляется в качестве потока газа 227 к потоку газа 204; поток газа 247 проходит через необязательный вспомогательный компрессор 258 для получения потока газа 228. Поток газа 228 вводят в поток газа 202 для повышения концентрации кислорода в потоке доменного воздуха 205. Поток обогащенного азотом отходящего газа 216 проходит через камеру сгорания 36, где добавляется поток газообразного топлива 34, и имеет место горение. Это дает возможность температуре потока отходящего газа 216 увеличиваться путем добавления небольшого количества топлива. Альтернативно, камера сгорания может быть расположена в потоке входного газа для модуля переносом ионов 211, но это понижает парциальное давление кислорода перед разделением и понижает эффективность стадии с переносом ионов. Поток отходящего газа 218 проходит через детандер 56, где извлекается некоторая часть энергии сжатия, чтобы сформировать поток газа 220. Поток газа 220 проходит через теплообменник 52, формируя поток газа 222, который обычно выпускается.

Необязательное оборудование на фиг.6 показывает, как разность давлений, являющаяся движущейся силой процесса переноса ионов, получается скорее путем прокачки потока продукта газообразного кислорода, чем сжатия потока входного газа. Очевидно, что способ может быть объединен, и компрессоры (насосы) можно использовать как в потоках входного газа, так и в потоках газообразного продукта одновременно. Такие модификации примеров, представленных здесь, а также другие хорошо известны специалистам в данной области.

Материалы, пригодные для использования в качестве мембраны с переносом ионов, представлены в таблице II (см. в конце описания).

Хотя способы, которые описаны выше, требуют использования смешанных твердых проводников в качестве мембраны в модуле с переносом ионов, является также возможным в принципе использовать чисто ионные проводники в режиме с приложением электрического поля. Мембрана с переносом ионов, к которой прикладывается электрическое поле, позволяет не только получить чистый кислород, но также дает возможность сжать поток чистого газообразного кислорода до соответствующего высокого давления путем приложения достаточно высокого электрического напряжения. Альтернативно, кислород может производиться при более низком давлении, тем самым понижается требуемое электрическое напряжение. Модификации, необходимые для преобразования способа с приложением перепада давлений в способ с приложением электрического поля, должны быть очевидны для специалистов в данной области. Например, на фиг.7 показана блок-схема выполнения изобретения, иллюстрирующая модуль с переносом ионов и с приложением электрического поля, соединенный с работающей доменной печью, в котором поток выходного газа добавляется непосредственно в поток нагретого газа, который вводят в доменную печь. Во время работы поток газа 2 вводят в доменную воздуходувку 5. Сжатый поток входного газа 292 из доменной воздуходувки 5 разделяют на поток газа 299 и поток газа 293. Поток газообразного кислорода 309 необязательно добавляют к потоку газа 293, чтобы сформировать поток газа 290. Поток газа 299 проходит через теплообменник 52, где его температура повышается с помощью теплообмена с потоком горячего отходящего газа 313 и, необязательно, с потоком горячего обогащенного кислородом газа 308 из модуля с переносом ионов 302, чтобы сформировать поток нагретого газа 300. Поток газа 290 вводят в воздухонагреватель 10 и выводят как поток нагретого входного газа 294, который разделяется на поток газа 297 и поток газа 295. Поток газа 297 добавляют к потоку газа 300, чтобы получить поток газа 301. Поток газа 301 вводится со входной стороны 304а мембраны с переносом ионов 304. Поток газообразного кислорода 306, выходящий из модуля с переносом ионов 302, либо становится потоком газообразного кислорода 308 (показан пунктиром), либо потоком газообразного кислорода 310. Поток газообразного кислорода 308, если он создается, охлаждают в теплообменнике 52, чтобы получить поток газообразного кислорода 309, который добавляют в поток газа 293, как указано выше. Поток газообразного кислорода 310, если он создается, смешивается с потоком горячего газа 295, чтобы сформировать поток обогащенного кислородом газа 296, который вводится в доменную печь 12. Горячий отработанный газ 13 выводится из доменной печи 12. Поток отходящего обогащенного азотом газа 312 проходит через необязательную камеру сгорания 36, в которой добавляют поток газообразного топлива 34, и имеет место горение, чтобы сформировать поток газа 313. Это дает возможность увеличения температуры потока отходящего газа 312 путем добавления небольшого количества топлива. Альтернативно, камера сгорания может быть размещена в потоке входного газа для модуля с переносом ионов 302, но это понижает парциальное давление кислорода перед разделением и понижает эффективность стадии с переносом ионов. Поток отходящего газа 313 проходит через детандер 56, где извлекается некоторая часть энергии сжатия, чтобы сформировать поток газа 314. Поток газа 314 проходит через теплообменник 52, чтобы сформировать поток газа 316, который обычно выпускают.

На фиг.8 представлена блок-схема выполнения изобретения, иллюстрирующая модуль с переносом ионов, объединенный с работающей доменной печью, где часть воздуха из доменной воздуходувки отводится в процесс с переносом ионов. Во время работы входной поток газа 2 вводят в доменную воздуходувку 5, чтобы сформировать сжатый поток входного газа 311, который разделяют на поток газа 312 и поток газа 352. Поток газа 312 разделяют на поток газа 310 и поток газа 313, который проходит через компрессор 314, чтобы сформировать поток газа 316. Поток газа 316 и поток газа 310, каждый, проходят через теплообменник 52, где их температуры повышаются с помощью теплообмена с потоком горячего обогащенного кислородом газа 328 и с потоком горячего отходящего газа 342 из модуля с переносом ионов 321, чтобы сформировать поток нагретого газа 318 и поток нагретого газа 308 соответственно. Поток газа 352 смешивают с потоком обогащенного кислородом газа 338, чтобы сформировать поток газа 353, который вводят в воздухонагреватель 10. Поток газа 304, выходящий из воздухонагревателя 10, смешивают с потоком газа 308, чтобы сформировать поток газа 306, который вводят в доменную печь 12. Поток горячего отработанного газа 13 выпускается из доменной печи 12. Поток газа 318 разделяют на поток газа 319 и поток газа 326. Поток газа 319 вводят со входной стороны 322а мембраны с переносом ионов 322. Поток газа 326 проходит через клапан 325 и, необязательно, через детандер для получения энергии 28, чтобы сформировать поток газа 324. Поток газа 324 используют для продувки выходной стороны 322b мембраны с переносом ионов 322. Поток газа 328, выходящий из модуля с переносом ионов 321, охлаждают в теплообменнике 352, чтобы сформировать поток обогащенного кислородом газа 330. Поток обогащенного кислородом газа 330 охлаждают в охладителе 332, формируя поток газа 334. Поток газа 334 проходит через вспомогательный компрессор 336, чтобы получить поток газа 338, который, как указано выше, смешивают с потоком газа 352 для увеличения концентрации кислорода в потоке доменного воздуха 306. Поток обогащенного азотом отходящего газа 340 проходит через необязательную камеру сгорания 36, где добавляется поток газообразного топлива 34, и имеет место горение. Это дает возможность увеличения температуры потока отходящего газа 340 путем добавления небольшого количества топлива. Поток отходящего газа 342 проходит через детандер 56, в котором извлекается некоторая часть энергии сжатия, чтобы сформировать поток газа 343. Поток газа 343 проходит через теплообменник 52, чтобы сформировать поток газа 344, который обычно выпускают.

Мощность, извлекаемая из потока отходящего газа посредством детандера или турбины, может быть использована для частичного ослабления требований для сжатия входного воздуха, и, как показано выше, мощность может быть достаточной. Необходимо заметить, что, если турбина для получения энергии используется для извлечения энергии из расширения потока обогащенного азотом отходящего газа, турбина должна быть расположена в области с более высокой температурой, чем указано на большинстве чертежей. Идеальная температура на входе турбины должна быть около 1300^oF (1027^oC), что позволило бы использовать относительно недорогие газовые детандеры.

Эти схемы, представленные на чертежах, могли бы быть дополнительно усилены, и энергетическая эффективность способа в целом могла бы быть улучшена. Например, способы с приложением электрического поля, показанные на фиг.7 и 8, могли бы работать с продувкой выходной стороны, при использовании газа с низким парциальным давлением кислорода, в порядке уменьшения потенциала Нернста и требуемой электрической мощности. Необходимо также заметить, что, хотя схемы на фиг.7 и 8 выглядят простыми, способы с приложением электрического поля являются более сложными по конструкции и для изготовления, чем способы с приложением перепада давлений. Электрические процессы также имеют такой недостаток, как потребление больших количеств электрической энергии. Следовательно, для целей настоящего изобретения способы с использованием перепада давлений являются предпочтительными. Должно быть также ясно, что управление температурой зависит от температуры на теплом конце теплообменника. В определенных обстоятельствах может быть возможным осуществление этих способов без теплообменника, при этом соответствующая температура на входе модуля с переносом ионов получается просто путем соответствующего смешивания воздуха из доменной воздуходувки с горячим доменным воздухом. Необходимо также отметить, что модуль с переносом ионов может быть использован в качестве камеры сгорания на любом из чертежей.

Конструкции для реакционной продувки описаны в заявке на патент США, серийный 08/567699, поданной 5 декабря 1995 г. и включенной сюда в качестве ссылки. Предпочтительные конструкции модулей с переносом ионов, использующих реакционную продувку, описаны в заявке на патент США, серийный номер _ (Досье поверенного D - 20352), поданный 29 апреля 1997 г. и также включенной сюда в качестве ссылки. Обе заявки находятся в совместной собственности вместе с настоящей заявкой.

Как указано выше, термины "твердый электролит с ионной проводимостью", "мембрана с переносом ионов на основе твердого электролита", "твердый электролит" или "мембрана с переносом ионов" обычно используются здесь для обозначения либо системы ионного типа (с приложением электрического поля), либо системы со смешанным типом проводимости (с приложением перепада давлений), если не указано иного.

Используемый здесь термин "азот" обычно обозначает обедненный кислородом газ, то есть газ, обедненный кислородом по сравнению со входным газом. Как обсуждалось выше, мембрана с переносом ионов позволяет проникать только кислороду. Следовательно, состав остаточного газа будет зависеть от состава входного газа. Остаточный газ обеднен кислородом, но содержит азот и любые другие газы (например, аргон), содержащиеся во входном газе. Значение термина понятно специалисту в данной области в контексте использования этого термина в свете настоящего изобретения, как здесь описано.

Используемый здесь термин "элементарный кислород" обозначает кислород, который не соединен с каким-либо другим элементом периодической системы. Хотя он присутствует обычно в двухатомной форме, элементарный кислород включает отдельные атомы кислорода, трехатомный озон и другие формы, не объединенные с другими элементами.

Термин "высокая степень чистоты" относится к потоку газообразного продукта, который содержит менее чем пять объемных процентов нежелательных газов. Предпочтительно продукт является чистым, по меньшей мере, на 99,0%, более предпочтительно чистым на 99,9% и наиболее предпочтительно чистым, по меньшей мере, на 99,99%, где "чистый" означает отсутствие нежелательных газов.

Множество альтернативных изменений физических элементов, например теплообменники, промежуточные охладители, нагреватели и другое оборудование, внутри системы и между стадиями, которые являются необходимыми в практике настоящего изобретения, могут быть использованы любым соответствующим образом в настоящем изобретении. Использование этих элементов, например теплообменников, описанных здесь, часто увеличивает энергетическую эффективность способа в целом. Такие компоненты и их работа являются хорошо известными в данной области и в практике разделения газов и переработки газов, и их соответствующее использование в настоящем изобретении понятно специалистам в данной области.

Конкретные признаки изобретения представлены на одном или нескольких чертежах только для удобства, поскольку каждый признак может быть объединен с другими признаками согласно изобретению. Кроме того, различные изменения и модификации по сравнению с примерами могут быть сделаны без отклонения от духа настоящего изобретения. Альтернативные исполнения будут обнаружены специалистами в данной области, и они, как предполагается, включены в объем формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Способ обогащения кислородом входного газа, включающий обогащение первого потока входного газа, содержащего элементарный кислород и, по меньшей мере, один дополнительный газ, вводимого в печь, путем использования потока чистого газообразного кислорода или потока обогащенного кислородом газа, полученного из второго потока входного газа, содержащего элементарный кислород и, по меньшей мере, один дополнительный газ, отличающийся тем, что осуществляют сжатие первого потока входного газа, разделение второго потока входного газа с использованием модуля с переносом ионов, содержащего мембрану с переносом ионов, имеющую входную и выходную стороны, для получения потока обедненного кислородом газа на входной стороне и потока чистого газообразного кислорода или потока газа, обогащенного кислородом, на выходной стороне, нагрев, по меньшей мере, первого потока входного газа перед введением в печь и добавление в него потока чистого газообразного кислорода или потока газа, обогащенного кислородом, в любом положении перед введением первого потока входного газа в печь.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве печи используют доменную печь.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй поток входного паза содержит, по меньшей мере, часть первого потока сжатого входного газа или потока обогащенного кислородом сжатого газа.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть потока обедненного кислородом газа используют в качестве продувочного потока для продувки выходной стороны мембраны с переносом ионов.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть первого потока газа после нагрева направляют на входную сторону мембраны с переносом ионов для получения второго потока входного газа.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй поток входного газа нагревают путем переноса в него тепла из потока чистого газообразного кислорода или потока газа, обогащенного кислородом, и из потока газа, обедненного кислородом.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно используют детандер, для извлечения энергии из потока обедненного газа.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что часть первого потока газа после нагрева добавляют к дополнительному потоку газа для получения второго потока входного газа.

9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что поток чистого газообразного кислорода или поток обогащенного кислородом газа охлаждают и дополнительно сжимают при помощи дополнительного компрессора, после чего поток чистого газообразного кислорода или поток обогащенного кислородом газа подвергают теплообмену.

10. Способ по п. 7, отличающийся тем, что перед тем, как поток обедненного кислородом газа подвергают теплообмену, к нему для горения добавляют поток газообразного топлива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17