膜分离法和用于高能效地产生氧气的膜设备的制造方法
膜分离法和用于高能效地产生氧气的膜设备的制造方法【
技术领域：
】[0001]本发明涉及一种膜分离法和一种在使用混合导电陶瓷膜的情况下高能效地产生氧气的膜设备。【
背景技术：
】[0002]目前优选地通过变压吸附（PSA-PressureSwingAdsorption，变压吸附）或者通过低温空气分离法）来传统地生产氧气。能量高度优化的大型设备达到最小0.34kWhei./Nm3〇2的单位能耗（kryogen_Fu，C，Gundersen，T.:UsingexergyanalysistoreducepowerconsumptioninairSeparationunitsforoxy-combustionprocesses.Energy44(2012)1，60_68(低温_Fu，C.，Gundersen，T.:使用放射本能分析来降低用于氧气燃烧过程的空气分离单元中的能耗。能源44(2012)1,60-68))或0.36kWhel./Nm3〇2的单位能耗（PSA_Dietrich，W·，Scholz，G.，Voit，J.:Linde_VerfahrenzurGewinnungvonSauerstoffundOzonfureineZellstoff-undPapierfabrik；BerichteausTechnikundWissenschaft80(2000)，3-8(PSA_Dietrich，W.，Scholz，G.，Voit，J.:针对纸浆厂和造纸厂用于获取氧气和臭氧的Linde法;技术科学报告80(2000)，3-8))。然而，传统设备的单位能耗却随着对生成气体(氧气）的所追求的纯度的提高而剧烈增加，同样也随着设备尺寸的减小而剧烈增加。因此，生产率为最多大约1000Nm302/h的较小的PSA设备需要至少1.0kWhel./Nm3的02,但是在此却仅提供95V〇l-%的氧气。基于这种高的单位能耗，非集中式的氧气产生对于许多在燃烧和气化技术中的应用来说在经济上是没有意义的。更加不经济的是尤其是在持续需要氧气的情况下通过瓶子或者液体罐进行供给。[0003]-种替选的、用于制造氧气的方法基于一种高温环境下的膜分离过程。为此使用混合导电陶瓷膜(MIEC-MixedIonicElectronicConductors，混合离子电子导体），它能够实现高度选择性地分离出氧气。氧气运输基于将氧离子运输穿过气密性的陶瓷材料并同时进行对电子载流子（电子或空穴）的运输。自1980年以来，在氧气运输和其他的材料特性方面研究了许多的陶瓷材料（Sunarso，J·，Baumann，S·，Serra，J·Μ·，Meulenberg，W.A·，Liu,S.,Lin,Y.S.,DinizdaCosta,J.C.:Mixedionic-electronicconducting(MIEC)ceramic-basedmembranesforoxygenseparation(基于混合离子电子导电（MIEC)陶瓷的氧气分离膜）；JournalofMembraneScience320(2008)，13_41)〇[0004]氧气穿过MIEC膜的渗透可以用瓦格纳等式来描述，并且主要通过材料在使用温度下的双极导电性、通过膜厚度并且通过驱动力来确定。驱动力由供给气体中的氧气分压力p〇(h)与冲洗气体或渗透气体中的氧气分压力ρ〇(I)的算法关系得出。穿过MIEC膜的氧气流因此在给定的材料、恒定的膜厚度和固定的温度下与ln{pQ(h)/pQ(I)}成正比。与此相应地，供给气体侧的加倍的P〇(h)所造成的氧气流的提升与渗透侧或尾气侧的pQ(I)的减半所造成的效果一样。为了在技术膜设备中产生纯氧可以相应地压缩空气或者利用真空吸走氧气，当然也可以组合这些过程(Armstrong，P.A.，Bennett，D.L.，Foster.E.P.，Stein.V.E.:ITM0xygen:TheNewOxygenSupplyfortheNewIGCCMarket(ITM氧：对于新兴的IGCC市场的新的氧气供应方案），GasificationTechnologies2005，SanFrancisco，9-120ctober2005)。对于大型技术设备来说，一般来说优选对空气进行压缩，这是因为压缩机一般来说比真空发生器更便宜并且更好用。[0005]利用MIEC膜产生氧气的在技术上的可行性已经小规模地通过构建和运行带有电动运行的真空栗的电加热的、便携式的氧气发生器得到证实（Kriegel，R.:EinsatzkeramischerBSCF-MembranenineinemtransportablenSauerstoff-Erzeuger(在可运输的氧气产生器中使用陶瓷BSCF膜）。在J.Kriegesmann(Ed.)，DKGHandbuchTechnischeKeramischeWerkstoffe(技术陶瓷材料手册），Loseblattwerk，HvB_VerlagEllerau，119.Erg.Lieferung,November2010,8.10.1.1章，1-46页中）。然而，所描述的设备的单位能耗比传统的过程明显要高1.6kWh/Nm302，其中，此外还忽略了对热能的需求。[0006]MIEC膜分离的能量需求一方面是来自于热能，它对于在膜上保持800°C到900°C的高温来说是必需的。另一方面为了产生用于运输氧气的驱动力而需要压缩能来压缩气体。如果在供给侧压缩空气，那么为了回收所使用的压缩能而必需通过气体涡轮机为压缩的、氧气贫竭的空气降低压力。作为过压法的替选，氧气可以通过利用真空吸走来获取。真空法所需要的压缩能较少，但是压缩能却不能够被回收。相应的过程已经在发电技术方面多次得到描述（W02008/014481A1、EP2067937A2、W02009/065374A3、EP2026004A1)，其中，只有W02009/065374A3涉及到了真空过程。[0007]MIEC膜设备的能量需求在发电领域中主要因为整合到发电站中而受到影响。因此，根据MIEC膜设备的整合程度，针对过压过程计算出的自身能量需求在0.03lkWhei./Nm302和0·134kWhei./Nm3〇2之间波动（Stadler，Η·，Beggel，F·，Habermehl，Μ·，Persigehl，B·，Kneer，R·，Modige11，M·，Jeschke，P·:Oxyfue1coalcombustionbyefficientintegrationofoxygentransportmembranes(通过有效整合氧气运输膜的氧气燃料煤燃烧），InternationalJournalofGreenhouseGasControl5(2011)，7_15)。真空过程利用最小〇·14kWhei./Nm3〇2的能量需求来说明（Nazarko，J·，Weber，Μ·，Riensche，E·，Stolten,D.：0xygenSupplyforOxyfuelPowerPlantsbyOxy-Vac-JiilProcess(通过Oxy-Vac-Jiil过程来给氧气燃料发电厂供氧），2ndInternationalConferenceonEnergyProcessEngineering,EfficientCarbonCaptureforCoalPowerPlants,2〇-22June,2011，FrankfUrt/Main)。然而，其他作者没有发现膜过程与低温空气分离之间有明显区别(Pfaff,I·，Kather，A.:ComparativeThermodynamicAnalysisandIntegrationIssuesofCCSSteamPowerPlantsBasedonOxy-CombustionwithCryogenicorMembraneBasedAirSeparation!；对基于低温氧燃烧或空气分离膜的CCS蒸汽发电站的比较性热力学分析和整合研究）；EnergyProcedia1(2009)1,495-502)。针对差异巨大的边界条件所得到的、区别强烈的或者互相矛盾的结果明显不适于对没有耦联到发电站上的独立膜设备进行能量评估。[0008]在所提到的工作中利用复杂的软件工具执行模型计算，以便鉴定并且探讨膜方法的自身能量需求与空气吞吐量、来自于所输送的空气(供给气体）的氧气的分离度、在方法技术方面连接到发电机上的关系。然而没有说明或者推导出影响参量和MIEC膜设备的单位能耗之间的简单的、可理解的关系，这是因为模型化总是在连接到发电站的情况下执行。相应地，迄今还无法在合理的耗费下为计划中的MIEC膜设备预判最佳的运行点并相应地基于该运行点地设计所有部件。[0009]按照现有技术，为了MIEC膜设备的经济的运行，膜材料的表面标准化的氧气渗透是至关重要的。与之相应地，为了经济的运行所要求的最小氧气渗透为l〇Nml(cm2·min)(Vente,JaapF.,Haije,ffim.G.,Ijpelaan,Ruud,Rusting,FransT.：Onthefull-scalemoduledesignofanairseparationunitusingmixedionicelectronicconductingmembranes(使用混合离子电子导电膜的空气分离单元的全尺寸模块设计），JournalofMembraneScience278(2006),66-71)。用于研发MIEC膜的当前的工作相应地几乎全部集中在如何实现尽可能高的氧气渗透(Ba当前第1页1 2 3 umann,S. ,Serra,J.M. ,Lobera,M.P., Escolastico,S.,Schulze-Kiippers,F.,Meulenberg,ff.A.：Ultrahigh oxygen permeation flux through supported Bao. 5Sr〇. 5C00. sFeo. 2Ο3-smembranes (穿过支撑起的 Ba〇.5SrQ.5C〇Q.8Fe().2〇3-s膜的超高的氧气渗透流量），Journal of Membrane Science 377 (2011)198-205)。在此使用高的供给吞吐量，并且将纯氧用作供给物;供给物中的氧气贫竭 对氧气渗透和能量需求的影响不予考虑。迄今为止没有对独立的、自给自足式的MIEC膜设 备的能耗进行过全面的评估。
【发明内容】
[0010] 本发明的任务是说明一种可能性，从而使得在避免现有技术的缺点的情况下显著 提升尤其是利用自给自足式的MIEC膜设备来生产氧气的MIEC膜方法的能效。
[0011] 根据本发明，该任务利用一种用于从新鲜空气中高能效地获取氧气的膜设备(膜 设备包括具有输入端和输出端的壳体、MIEC膜和真空栗)通过以下方式解决，即，金属联接 板布置在包含真空密封的空心腔结构的壳体内，单侧封闭的MIEC膜以气密性地置入的方式 布置到空心腔结构内。壳体通过至少一个分隔壁划分成室，其中，每个室具有静态再生器、 附加加热装置和一部分的MIEC膜，并且在每个分隔壁中都存在开口，从而确保新鲜空气从 布置在输入端后方的室穿流到布置在输出端前方的室中。此外，在输入端前方布置有风扇 并且在输出端后方布置有风扇，其中，风扇具有相反的抽吸方向。此外还存在再生式热交换 器，其中，一些部分区域配属给输入端，而另一些部分区域配属给输出端，并且真空栗与空 心腔结构处于连接，用于吸走所获取的氧气。
[0012] 根据本发明的布置方案的主要优点在于，膜设备的壳体不必实施为压力密封的。 具有相反的抽吸方向的风扇能够有利地改变其运转方向，或者设置有相应的空气阀，从而 使得空气流的流动方向可以反向。另一种有利的设计方案在于，输入端和输出端连同它们 的所配属的风扇布置在转动滑动件上。通过持续转动实现与在输入端和输出端固定的情况 下通过流动方向反向一样的效果。同样有利的是，将壳体划分成多个相同构建的室，其中， 输入端和输出端分别在三分之一的室上延伸，并且因此，三分之一的室处于静止阶段中。
[0013] 根据本发明，该任务还利用在真空运行时使用混合导电膜的情况下从被加热的新 鲜空气中高能效地获取氧气的膜分离法(其中，新鲜空气在分离出氧气之后作为废气排出） 通过以下方式解决，即，通过利用废气和/或获取的氧气的废热实现至少85%的为了加热新 鲜空气所必需的热能，通过外部的能量输入实现其余的加热，并且在正常运行时将新鲜空 气与产生的氧气的比调节在6:1和25:1之间的范围内。其余的加热在此可以通过电加热或 燃烧过程实现。用于加热新鲜空气所需要的热能有利地通过使用再生式热交换器获取。当 渗透侧的氧气通过真空吸走且供给气体在环境压力下使用时，根据本发明的膜分离法是特 别高效的。真空的产生通过机电式真空栗、机械真空栗或蒸汽喷射栗实现。有利地调节空气 吞吐量，从而使废气中的氧气分压力不高于lOOmbar地超过渗透侧的真空压力，然而优选低 于20mbar地超过渗透侧的真空压力。
[0014] 根据本发明，MIEC膜设备的最佳运行条件从关于氧气运输、待使用的再生式热交 换器的热回收率和对压缩能的实际需求的公知的等式中推导出。可以忽略氧气渗透的水平 以及所使用的MIEC膜材料，这是因为与公知的现有技术相反地，它们对能量需求方面仅有 很小的影响，并且所推导出的等式由于以所产生的氧气量进行了标准化而与氧气渗透无 关。与所描述的现有技术相反地得到的是，氧气渗透仅会影响设备尺寸并因此主要影响投 资成本。因此，在能耗方面，由于设备尺寸变化仅得到较高热损耗这一次要效应，热损耗通 常低于较大设备的总能耗的5%。因此，根据本发明，氧气渗透的绝对水平对于能量评估来 说可忽略。
[0015] 从供给侧向渗透侧或真空侧的氧气渗透在MIEC膜中发生，只要供给气体侧的氧气 分压力大于尾气侧或渗透侧的氧气分压力。如果穿过膜的氧气渗透相对于供给气体吞吐量 很高，那么从中汲取相对多的氧气。供给侧的氧气分压力因此沿膜下降，同样下降的还有局 部的氧气渗透。氧气的贫竭可以通过所谓的氧气分离度(英文:〇2recovery，中文:〇2回收） foRec来描述。
[0016] 于是，当接触膜后，供给气体中的氧气分压力PQFciuJl乎相当于尾气或渗透气体中 的氧气分压力PClScmt，也就是PQFcmt ? PQScmt成立时，就实现了对所建立起的膜表面的尽可能的 充分利用。两个压力的所追求的边界值相当于达到平衡-氧气-分压力POEq，并且可以从氧气 分离度fQRe。如下地计算出。
[0017]
[0018] 与此同时，氧气分离度与供给气体入口处的与表面相关的供给气体吞吐量jFin、供 给气体入口处的氧气分压力PClFin和氧气渗透率j〇2有直接关系。
[0019]
[0020] 田此口」以符氧气甘呙皮f 〇Rec且按用t订昇必而的、与衣囬W关的空气吞吐量jFin。 相应于供给气体中的有效的氧气分压力的影响，它也会影响到氧气渗透率。
【附图说明】
[0021]本发明在下面借助实施例更详尽地阐述。在所属的附图中示出：
[0022]图1示出在真空运行和过压运行(BSCF，850°C)时针对不同的氧气分离度(02回收） 的氧气吞吐量，
[0023]图2示出平衡-氧气-分压力和用于空气加热（在热回收在85%的情况下）的能量需 求、用于氧气压缩的能量需求、用于氧气冷却的能量需求，
[0024]图3示出平衡-氧气-压力或真空压力和在不同的热回收率(WRG)的情况下用于氧 气压缩、氧气冷却和空气加热的总能量需求Wg(3S.。
[0025]图4示意性地示出用于在真空运行时生产氧气的、具有静态的再生式热交换器的 MIEC膜模型，以及
[0026] 图5示意性地示出用于在真空运行时生产氧气的、具有旋转地穿流的、再生式热交 换器和转动滑动件的MIEC膜模型。
【具体实施方式】
[0027] 图1示出了 BSCF管膜在真空运行和过压运行时且针对不同的氧气分离度的情况 下、按照简化的瓦格纳等式计算出的氧气渗透率。清楚看出的是，氧气分离度的提升导致氧 气渗透率剧烈降低。此外明显的是，只有在渗透侧的特定的真空压力之下或在供给侧的特 定的过压之上时才发生氧气渗透，并且这种起限制作用的平衡-氧气-分压力P〇 Eq由氧气分 离度确定。
[0028] 由图1清楚地看出的是，真空过程随着真空压力的下降导致氧气渗透越来越剧烈 地增加。而在过压过程中，氧气渗透的进一步提升却越来越平缓。此外，在过压过程中必需 对压缩能进行回收，这对于较小的设备来说意味着过高的耗费。迄今还没有具有足够高效 率的相应的压缩机和减压涡轮机可供使用。因此，与多个当前的公开文献不同地，对于构建 用于产生氧气的高能效MIEC的膜设备针对于真空过程。
[0029] 对整个过程的建模所显示出的是，该过程的总能量需求主要依赖于氧气分离度， 并且该过程的所有与能量相关的特征参量都可以从氧气分离度中直接计算出。相应地，在 图2中示出了平衡-氧气-分压力P QEq的曲线以及用于加热空气（包括85%的热回收）的能量 需求、用于冷却氧气的能量需求以及用于将氧气压缩到环境压力的能量需求。为了计算真 空运行中的压缩能，这种压缩能以传统的真空栗为基础，从抽吸功率和额定功率中获得压 缩能。能效最高的商用真空栗达到的最小值为〇.〇151^1 (31./31113(31113为抽吸1113)。使用值 0.018kWh ei./Sm3 用以计算。
[0030] 图2中的所有能量说明以所产生的氧气量进行标准化。因此，氧气量能够以简单的 方式用于计算总能量需求Wges.。图3针对所使用的热量交换器的不同的热回收率示出了真 空过程的总能量需求W ge3S.，热交换器使用氧气贫竭的废气的废热来为新鲜空气加热。在热 交换器的WRG(热回收率)为85%的情况下并且在0.0181^〇1/3111 3的情况下，总能耗即使在不 使用来自冷却氧气的废热的情况下也已经几乎低于非集中式的PSA设备的总能耗。
[0031] 如果冷却氧气的废热也用于空气预热，那么在最佳的氧气分离度的范围内已经能 够实现明显更低的、〇.55kWh/Nm30 2的单位能耗。空气-废气-热交换器的更高的热回收率明 显导致该方法单位能耗明显降低。此外，最小的单位能耗范围随着WRG值的提升而扩大，最 小值受到的影响没有那么明显，并且向更小的氧气分离度移动。由此，与热交换器的更小的 WRG值相比可能的是，在真空压力明显更高的情况下仍然高能效地分离出氧气。最大允许的 真空压力在能量需求曲线的最小值中对于WRG为85 %的情况来说例如为大约90mbar，而真 空压力在WRG为97 %的情况下上升到133mbar。由此可能的是，在热回收更高的情况下使用 更小的真空栗，并且进一步降低压缩能在总的单位能量需求中所占的份额。
[0032]在WRG为97%的情况下，当氧气分离度为20%到大约70%且由此获得的新鲜空气 量与生产出的氧气量的比维持在24:1到6、8:1时，MIEC膜法的单位能量需求就已经可以低 于值0.3kWh/Nm30 2。因此，相对于现有技术(低温空气分离设备、非集中式PSA设备），根据本 发明实现了显著的能量方面的优点。
[0033]作为与生产的氧气成比例地控制空气量的替选方案，供给输出端上的氧气分压力 PoFout可以用于实现高能效的运行方式。为此不断地测量供给输出端上的氧气分压力PQFout 以及真空压力或渗透侧上与之一致的氧气分压力Poscmt。在调节技术上如下地调整空气吞吐 量，从而使得供给输出端上的氧气分压力PoFout不会多于lOO mbar地超出真空压力P QSciut，然 而在一种优选的实施变型方案中不会多于20mbar地超出真空压力。因此，在广泛的运行范 围内实现足够低的空气吞吐量和相应高的氧气分离度，以便确保高能效的运行。
[0034]根据本发明，高能效的MIEC膜设备的特征在于经由再生式热交换器为新鲜空气加 热，热交换器利用超过85%的、在优选的实施变型方案中大约为95%的在废气中包含的热 能以及在冷却氧气时释放的废热来为空气加热。用于氧气运输的驱动力通过施加真空产 生，这是因为由此使待使用的压缩能最小化并且不必对其进行回收。根据本发明，膜设备如 下地运行，从而在正常运行时，进入的新鲜空气量与生产的氧气量的比不超过25:1，并且不 低于6:1。为了维持膜设备的运行温度所需要的剩余热量通过电辅助加热或者通过添入少 量的燃料实现。由此，在后一种情况下可以实现电能消耗的进一步减少。
[0035] 实施例1:
[0036] 在图4中示意性地示出的、用于高能效地生产氧气的膜设备根据本发明由未压力 密封的、具有金属联接板2的壳体1构成，在金属联接板中借助硅酮密封件安置单侧封闭的 BSCF管膜3。带有开口 16的分隔壁15将壳体内部分隔成两个室，它们在新鲜空气路径方面镜 像对称地构建。在循环阶段A中，新鲜空气经由转速调节的、布置在输入端11前方的风扇4吸 入，通过再生式热交换器5预热，并且由经划分的联接板2引导，以便吸收所吸取的氧气的热 量。随后，为了被进一步加热，新鲜空气引导穿过静态再生器6,并且利用附加加热装置7再 加热到运行温度。空气流经过BSCF管膜3和第二附加加热装置8,并将它的热量输出给另一 个静态再生器9。已经剧烈冷却的、氧气贫竭的空气流随后通过金属联接板2朝再生式热交 换器5引导至输出端12前方的区域上，在那里，继续从其汲取热量。转速调节的、布置在输出 端12后方的风扇10在循环阶段A中以抽吸运行工作。金属联接板2包含真空密封的空心腔结 构13,它与BSCF管膜3处于连接。空心腔结构13的空心腔通过外部的真空栗14抽吸。纯氧气 随后在环境压力下被提供使用。
[0037] 在相应的循环时间以后，空气流的流动方向要么通过未示出的相应的空气阀要么 通过风扇4和10的运转方向的反转来反向。在这个循环阶段B中，所有的气流相应地反向。以 这种方式不仅尽可能地回收包含在热废气中的热量，并且还尽可能地回收由氧气传递到金 属联接板2上的热量。空气吞吐量通过转速调节的风扇4和10调节，从而使氧气分压力在接 触膜以后仅最大为1 OOmbar，根据本发明优选地仅比渗透侧的氧气分压力高出大约20mbar。 在遵守这些规定的情况下，由此确保小的过剩空气或者30%到70%的平均氧气分离度，并 且因此确保高能效的运行。
[0038] 实施例2:
[0039]在图5中示意性示出的、用于生产氧气的膜设备根据本发明由未压力密封的、具有 金属联接板2的壳体1构成，在金属联接板中借助电缆螺栓置入单侧封闭的BSCF管膜3。壳体 1八边形地构建，并且通过八个分隔壁15划分成八个室，其中，每个分隔壁在联接板2的区域 内都配有开口 16，从而新鲜空气能够流过所有的室。新鲜空气经由转速调节的、布置在输入 端11前方的风扇4吸入。输入端11位于转动滑动件17上，并且在此如下大小地构造，即，使得 新鲜空气能够同时流入三个室。输出端12同样位于转动滑动件17上，并且优选地和输入端 11 一样大，并且在这里与输入端11对置。直接布置在输入端11后方的再生式热交换器5在这 里至少如下地确定规格，即，使得在转动滑动件转动360°的情况下连续遮盖住输入端11或 输出端12的区域。通过前置的风扇4穿过输入端11地吸入的新鲜空气首先通过再生式热交 换器5的区域加热。进一步的加热通过掠过分部段的联接板2和布置在输入端后方的三个室 的后续的静态再生器6实现。布置在盖区域中的附加加热装置7用于对空气流再加热。作为 电加热的替选，在这里也可以利用少量的燃气来加热。经加热的新鲜空气随后在分隔壁15 之间向下流动并穿过开口 16流入相对置的室内。在那里向上经过BSCF管膜3和附加加热装 置8地，已经贫竭的新鲜空气现在引导经过相应室的静态再生器9。最后，尽可能地冷却的新 鲜空气引导穿过经划分的联接板2,并且流过再生式热交换器5的那些由输出端12敞开的区 域。在这里，从废气流抽走更多的热量。转速调节的后置的风扇10总是以抽吸运行工作。金 属联接板2包含真空密封的空心腔结构13,所获取的氧气在空心腔结构中聚集，并且因此通 过外部的真空栗14吸走。通过转动滑动件17的连续转动实现新鲜空气输送方向相对于相对 置的室的持续的换向，也就是说输入端11在转动滑动件17转动180°以后处在输出端12上， 反之亦然。
[0040]通过所示的结构不仅尽可能地回收包含在热的废气中的热量，而且也尽肯能地回 收通过氧气传递给金属联接板2的热量。空气吞吐量通过布置在转动滑动件17前方的风扇4 和布置在后方的风扇10利用可变的转速来调节，从而使得空气吞吐量为氧气生产率的12倍 到18倍。
[0041 ]附图标记列表
[0042] 1 壳体
[0043] 2 联接板
[0044] 3 BSCF 管膜
[0045] 4 前置的风扇
[0046] 5 再生式热交换器
[0047] 6 再生器
[0048] 7 附加加热装置
[0049] 8 附加加热装置
[0050] 9 再生器
[0051 ] 10后置的风扇
[0052] 11输入端
[0053] 12输出端
[0054] 13空心腔结构
[0055] 14真空栗
[0056] 15分隔壁
[0057] 16 开口
[0058] 17转动滑动件
【主权项】
1. 在真空运行时使用混合导电膜的情况下从经加热的新鲜空气中高能效地获取氧气 的膜分离法，其中，新鲜空气在分离出氧气后作为废气排出，其特征在于， -通过利用废气的和/或获取的氧气的废热实现至少85%的用于加热新鲜空气所必需 的热能， -通过外部的能量输入实现其余的加热， -在正常运行时将新鲜空气与产生的氧气的比调节到6:1和25:1之间的范围内。2. 按照权利要求1所述的膜分离法，其特征在于，所述其余的加热通过电加热或者燃烧 过程实现。3. 按照权利要求1所述的膜分离法，其特征在于，在使用再生式热交换器的情况下获取 用于加热新鲜空气所必需的热能。4. 按照权利要求1所述的膜分离法，其特征在于， -通过真空吸走渗透侧的氧气， -在环境压力下使用供给气体，并且 -通过机电式真空栗、机械真空栗或者蒸汽喷射栗实现真空产生。5. 按照权利要求1至2所述的膜分离法，其特征在于，调节空气吞吐量，从而使废气中的 氧气分压力不高于lOOmbar地超过渗透侧的真空压力，然而优选低于20mbar地超过渗透侧 的真空压力。6. 用于从新鲜空气中高能效地获取氧气的膜设备，其包括具有输入端（11)和输出端 (12)的壳体(1)、MIEC膜和真空栗(14)，其特征在于， -金属联接板（2)布置在包含真空密封的空心腔结构（13)的壳体（1)内，单侧封闭的MIEC膜以气密性地置入的方式布置到所述空心腔结构内， -存在至少一个用于划分室的分隔壁（15)，其中，每个室具有静态再生器(6或9)、附加 加热装置(7或8)和一部分的MIEC膜，并且在每个分隔壁（15)中都存在开口（16)，从而确保 新鲜空气从布置在所述输入端(11)后方的室穿流到布置在所述输出端(12)前方的室， -在所述输入端（11)前方布置有前置的风扇(4)， -在所述输出端（12)后方布置有后置的风扇（10)，其中，前置的风扇（4)和后置的风扇 (10) 具有相反的抽吸方向， -存在再生式热交换器(5)，其中，一些部分区域配属给所述输入端（11)，而另一些部分 区域配属给所述输出端（12)，并且 -所述真空栗（14)与所述空心腔结构（13)连接，用于吸走所获取的氧气。7. 按照权利要求6所述的膜设备，其特征在于，所述壳体(1)是非压力密封的壳体(1)。8. 按照权利要求6或7所述的膜设备，其特征在于，所述相反的抽吸方向能够以能反向 的方式调节。9. 按照权利要求6或7所述的膜设备，其特征在于，所述前置的风扇(4)和所述后置的风 扇（10)布置在转动滑动件（17)上，从而在所述转动滑动件（17)转动的情况下，所述输入端 (11) 从布置在所述输入端（11)后方的室向相应地相邻的室迀移，并且相应地，所述输出端 (12) 从相对置的室向相邻的室迀移。10. 按照权利要求9所述的膜设备，其特征在于，所述输入端（11)和相应地还有所述输 出端(12)分别在多个相邻的室上延伸。
【专利摘要】本发明涉及一种膜分离法和一种用于在使用混合导电陶瓷膜的情况下高能效地产生氧气的膜设备。本发明的基本任务是说明一种可能性，从而使得在避免现有技术的缺点的情况下能够显著提升尤其是利用自给自足式的MIEC膜设备生产氧气的MIEC膜法的能效。根据本发明，该任务利用在真空运行时使用混合导电膜的情况下从经加热的新鲜空气中高能效地获取氧气的膜分离法通过以下方式解决，即，通过利用废气和/或获取的氧气的废热实现至少85％的用于加热新鲜空气所必需的热能，通过外部的能量输入实现其余的加热并且在正常运行时将新鲜空气与产生的氧气的比调节到6:1和25:1之间的范围内，其中，新鲜空气在分离出氧气之后作为废气排出。
【IPC分类】F23L7/00, C01B13/02, B01D53/22
【公开号】CN105492380
【申请号】CN201480040710
【发明人】拉尔夫·克里格尔
【申请人】弗劳恩霍夫应用研究促进协会
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年7月15日
【公告号】DE102013107610A1, EP3022152A1, US20160136571, WO2015007272A1
技术领域：
】[0001]本发明涉及一种膜分离法和一种在使用混合导电陶瓷膜的情况下高能效地产生氧气的膜设备。【
背景技术：
】[0002]目前优选地通过变压吸附（PSA-PressureSwingAdsorption，变压吸附）或者通过低温空气分离法）来传统地生产氧气。能量高度优化的大型设备达到最小0.34kWhei./Nm3〇2的单位能耗（kryogen_Fu，C，Gundersen，T.:UsingexergyanalysistoreducepowerconsumptioninairSeparationunitsforoxy-combustionprocesses.Energy44(2012)1，60_68(低温_Fu，C.，Gundersen，T.:使用放射本能分析来降低用于氧气燃烧过程的空气分离单元中的能耗。能源44(2012)1,60-68))或0.36kWhel./Nm3〇2的单位能耗（PSA_Dietrich，W·，Scholz，G.，Voit，J.:Linde_VerfahrenzurGewinnungvonSauerstoffundOzonfureineZellstoff-undPapierfabrik；BerichteausTechnikundWissenschaft80(2000)，3-8(PSA_Dietrich，W.，Scholz，G.，Voit，J.:针对纸浆厂和造纸厂用于获取氧气和臭氧的Linde法;技术科学报告80(2000)，3-8))。然而，传统设备的单位能耗却随着对生成气体(氧气）的所追求的纯度的提高而剧烈增加，同样也随着设备尺寸的减小而剧烈增加。因此，生产率为最多大约1000Nm302/h的较小的PSA设备需要至少1.0kWhel./Nm3的02,但是在此却仅提供95V〇l-%的氧气。基于这种高的单位能耗，非集中式的氧气产生对于许多在燃烧和气化技术中的应用来说在经济上是没有意义的。更加不经济的是尤其是在持续需要氧气的情况下通过瓶子或者液体罐进行供给。[0003]-种替选的、用于制造氧气的方法基于一种高温环境下的膜分离过程。为此使用混合导电陶瓷膜(MIEC-MixedIonicElectronicConductors，混合离子电子导体），它能够实现高度选择性地分离出氧气。氧气运输基于将氧离子运输穿过气密性的陶瓷材料并同时进行对电子载流子（电子或空穴）的运输。自1980年以来，在氧气运输和其他的材料特性方面研究了许多的陶瓷材料（Sunarso，J·，Baumann，S·，Serra，J·Μ·，Meulenberg，W.A·，Liu,S.,Lin,Y.S.,DinizdaCosta,J.C.:Mixedionic-electronicconducting(MIEC)ceramic-basedmembranesforoxygenseparation(基于混合离子电子导电（MIEC)陶瓷的氧气分离膜）；JournalofMembraneScience320(2008)，13_41)〇[0004]氧气穿过MIEC膜的渗透可以用瓦格纳等式来描述，并且主要通过材料在使用温度下的双极导电性、通过膜厚度并且通过驱动力来确定。驱动力由供给气体中的氧气分压力p〇(h)与冲洗气体或渗透气体中的氧气分压力ρ〇(I)的算法关系得出。穿过MIEC膜的氧气流因此在给定的材料、恒定的膜厚度和固定的温度下与ln{pQ(h)/pQ(I)}成正比。与此相应地，供给气体侧的加倍的P〇(h)所造成的氧气流的提升与渗透侧或尾气侧的pQ(I)的减半所造成的效果一样。为了在技术膜设备中产生纯氧可以相应地压缩空气或者利用真空吸走氧气，当然也可以组合这些过程(Armstrong，P.A.，Bennett，D.L.，Foster.E.P.，Stein.V.E.:ITM0xygen:TheNewOxygenSupplyfortheNewIGCCMarket(ITM氧：对于新兴的IGCC市场的新的氧气供应方案），GasificationTechnologies2005，SanFrancisco，9-120ctober2005)。对于大型技术设备来说，一般来说优选对空气进行压缩，这是因为压缩机一般来说比真空发生器更便宜并且更好用。[0005]利用MIEC膜产生氧气的在技术上的可行性已经小规模地通过构建和运行带有电动运行的真空栗的电加热的、便携式的氧气发生器得到证实（Kriegel，R.:EinsatzkeramischerBSCF-MembranenineinemtransportablenSauerstoff-Erzeuger(在可运输的氧气产生器中使用陶瓷BSCF膜）。在J.Kriegesmann(Ed.)，DKGHandbuchTechnischeKeramischeWerkstoffe(技术陶瓷材料手册），Loseblattwerk，HvB_VerlagEllerau，119.Erg.Lieferung,November2010,8.10.1.1章，1-46页中）。然而，所描述的设备的单位能耗比传统的过程明显要高1.6kWh/Nm302，其中，此外还忽略了对热能的需求。[0006]MIEC膜分离的能量需求一方面是来自于热能，它对于在膜上保持800°C到900°C的高温来说是必需的。另一方面为了产生用于运输氧气的驱动力而需要压缩能来压缩气体。如果在供给侧压缩空气，那么为了回收所使用的压缩能而必需通过气体涡轮机为压缩的、氧气贫竭的空气降低压力。作为过压法的替选，氧气可以通过利用真空吸走来获取。真空法所需要的压缩能较少，但是压缩能却不能够被回收。相应的过程已经在发电技术方面多次得到描述（W02008/014481A1、EP2067937A2、W02009/065374A3、EP2026004A1)，其中，只有W02009/065374A3涉及到了真空过程。[0007]MIEC膜设备的能量需求在发电领域中主要因为整合到发电站中而受到影响。因此，根据MIEC膜设备的整合程度，针对过压过程计算出的自身能量需求在0.03lkWhei./Nm302和0·134kWhei./Nm3〇2之间波动（Stadler，Η·，Beggel，F·，Habermehl，Μ·，Persigehl，B·，Kneer，R·，Modige11，M·，Jeschke，P·:Oxyfue1coalcombustionbyefficientintegrationofoxygentransportmembranes(通过有效整合氧气运输膜的氧气燃料煤燃烧），InternationalJournalofGreenhouseGasControl5(2011)，7_15)。真空过程利用最小〇·14kWhei./Nm3〇2的能量需求来说明（Nazarko，J·，Weber，Μ·，Riensche，E·，Stolten,D.：0xygenSupplyforOxyfuelPowerPlantsbyOxy-Vac-JiilProcess(通过Oxy-Vac-Jiil过程来给氧气燃料发电厂供氧），2ndInternationalConferenceonEnergyProcessEngineering,EfficientCarbonCaptureforCoalPowerPlants,2〇-22June,2011，FrankfUrt/Main)。然而，其他作者没有发现膜过程与低温空气分离之间有明显区别(Pfaff,I·，Kather，A.:ComparativeThermodynamicAnalysisandIntegrationIssuesofCCSSteamPowerPlantsBasedonOxy-CombustionwithCryogenicorMembraneBasedAirSeparation!；对基于低温氧燃烧或空气分离膜的CCS蒸汽发电站的比较性热力学分析和整合研究）；EnergyProcedia1(2009)1,495-502)。针对差异巨大的边界条件所得到的、区别强烈的或者互相矛盾的结果明显不适于对没有耦联到发电站上的独立膜设备进行能量评估。[0008]在所提到的工作中利用复杂的软件工具执行模型计算，以便鉴定并且探讨膜方法的自身能量需求与空气吞吐量、来自于所输送的空气(供给气体）的氧气的分离度、在方法技术方面连接到发电机上的关系。然而没有说明或者推导出影响参量和MIEC膜设备的单位能耗之间的简单的、可理解的关系，这是因为模型化总是在连接到发电站的情况下执行。相应地，迄今还无法在合理的耗费下为计划中的MIEC膜设备预判最佳的运行点并相应地基于该运行点地设计所有部件。[0009]按照现有技术，为了MIEC膜设备的经济的运行，膜材料的表面标准化的氧气渗透是至关重要的。与之相应地，为了经济的运行所要求的最小氧气渗透为l〇Nml(cm2·min)(Vente,JaapF.,Haije,ffim.G.,Ijpelaan,Ruud,Rusting,FransT.：Onthefull-scalemoduledesignofanairseparationunitusingmixedionicelectronicconductingmembranes(使用混合离子电子导电膜的空气分离单元的全尺寸模块设计），JournalofMembraneScience278(2006),66-71)。用于研发MIEC膜的当前的工作相应地几乎全部集中在如何实现尽可能高的氧气渗透(Ba当前第1页1 2 3 umann,S. ,Serra,J.M. ,Lobera,M.P., Escolastico,S.,Schulze-Kiippers,F.,Meulenberg,ff.A.：Ultrahigh oxygen permeation flux through supported Bao. 5Sr〇. 5C00. sFeo. 2Ο3-smembranes (穿过支撑起的 Ba〇.5SrQ.5C〇Q.8Fe().2〇3-s膜的超高的氧气渗透流量），Journal of Membrane Science 377 (2011)198-205)。在此使用高的供给吞吐量，并且将纯氧用作供给物;供给物中的氧气贫竭 对氧气渗透和能量需求的影响不予考虑。迄今为止没有对独立的、自给自足式的MIEC膜设 备的能耗进行过全面的评估。
【发明内容】
[0010] 本发明的任务是说明一种可能性，从而使得在避免现有技术的缺点的情况下显著 提升尤其是利用自给自足式的MIEC膜设备来生产氧气的MIEC膜方法的能效。
[0011] 根据本发明，该任务利用一种用于从新鲜空气中高能效地获取氧气的膜设备(膜 设备包括具有输入端和输出端的壳体、MIEC膜和真空栗)通过以下方式解决，即，金属联接 板布置在包含真空密封的空心腔结构的壳体内，单侧封闭的MIEC膜以气密性地置入的方式 布置到空心腔结构内。壳体通过至少一个分隔壁划分成室，其中，每个室具有静态再生器、 附加加热装置和一部分的MIEC膜，并且在每个分隔壁中都存在开口，从而确保新鲜空气从 布置在输入端后方的室穿流到布置在输出端前方的室中。此外，在输入端前方布置有风扇 并且在输出端后方布置有风扇，其中，风扇具有相反的抽吸方向。此外还存在再生式热交换 器，其中，一些部分区域配属给输入端，而另一些部分区域配属给输出端，并且真空栗与空 心腔结构处于连接，用于吸走所获取的氧气。
[0012] 根据本发明的布置方案的主要优点在于，膜设备的壳体不必实施为压力密封的。 具有相反的抽吸方向的风扇能够有利地改变其运转方向，或者设置有相应的空气阀，从而 使得空气流的流动方向可以反向。另一种有利的设计方案在于，输入端和输出端连同它们 的所配属的风扇布置在转动滑动件上。通过持续转动实现与在输入端和输出端固定的情况 下通过流动方向反向一样的效果。同样有利的是，将壳体划分成多个相同构建的室，其中， 输入端和输出端分别在三分之一的室上延伸，并且因此，三分之一的室处于静止阶段中。
[0013] 根据本发明，该任务还利用在真空运行时使用混合导电膜的情况下从被加热的新 鲜空气中高能效地获取氧气的膜分离法(其中，新鲜空气在分离出氧气之后作为废气排出） 通过以下方式解决，即，通过利用废气和/或获取的氧气的废热实现至少85%的为了加热新 鲜空气所必需的热能，通过外部的能量输入实现其余的加热，并且在正常运行时将新鲜空 气与产生的氧气的比调节在6:1和25:1之间的范围内。其余的加热在此可以通过电加热或 燃烧过程实现。用于加热新鲜空气所需要的热能有利地通过使用再生式热交换器获取。当 渗透侧的氧气通过真空吸走且供给气体在环境压力下使用时，根据本发明的膜分离法是特 别高效的。真空的产生通过机电式真空栗、机械真空栗或蒸汽喷射栗实现。有利地调节空气 吞吐量，从而使废气中的氧气分压力不高于lOOmbar地超过渗透侧的真空压力，然而优选低 于20mbar地超过渗透侧的真空压力。
[0014] 根据本发明，MIEC膜设备的最佳运行条件从关于氧气运输、待使用的再生式热交 换器的热回收率和对压缩能的实际需求的公知的等式中推导出。可以忽略氧气渗透的水平 以及所使用的MIEC膜材料，这是因为与公知的现有技术相反地，它们对能量需求方面仅有 很小的影响，并且所推导出的等式由于以所产生的氧气量进行了标准化而与氧气渗透无 关。与所描述的现有技术相反地得到的是，氧气渗透仅会影响设备尺寸并因此主要影响投 资成本。因此，在能耗方面，由于设备尺寸变化仅得到较高热损耗这一次要效应，热损耗通 常低于较大设备的总能耗的5%。因此，根据本发明，氧气渗透的绝对水平对于能量评估来 说可忽略。
[0015] 从供给侧向渗透侧或真空侧的氧气渗透在MIEC膜中发生，只要供给气体侧的氧气 分压力大于尾气侧或渗透侧的氧气分压力。如果穿过膜的氧气渗透相对于供给气体吞吐量 很高，那么从中汲取相对多的氧气。供给侧的氧气分压力因此沿膜下降，同样下降的还有局 部的氧气渗透。氧气的贫竭可以通过所谓的氧气分离度(英文:〇2recovery，中文:〇2回收） foRec来描述。
[0016] 于是，当接触膜后，供给气体中的氧气分压力PQFciuJl乎相当于尾气或渗透气体中 的氧气分压力PClScmt，也就是PQFcmt ? PQScmt成立时，就实现了对所建立起的膜表面的尽可能的 充分利用。两个压力的所追求的边界值相当于达到平衡-氧气-分压力POEq，并且可以从氧气 分离度fQRe。如下地计算出。
[0017]
[0018] 与此同时，氧气分离度与供给气体入口处的与表面相关的供给气体吞吐量jFin、供 给气体入口处的氧气分压力PClFin和氧气渗透率j〇2有直接关系。
[0019]
[0020] 田此口」以符氧气甘呙皮f 〇Rec且按用t订昇必而的、与衣囬W关的空气吞吐量jFin。 相应于供给气体中的有效的氧气分压力的影响，它也会影响到氧气渗透率。
【附图说明】
[0021]本发明在下面借助实施例更详尽地阐述。在所属的附图中示出：
[0022]图1示出在真空运行和过压运行(BSCF，850°C)时针对不同的氧气分离度(02回收） 的氧气吞吐量，
[0023]图2示出平衡-氧气-分压力和用于空气加热（在热回收在85%的情况下）的能量需 求、用于氧气压缩的能量需求、用于氧气冷却的能量需求，
[0024]图3示出平衡-氧气-压力或真空压力和在不同的热回收率(WRG)的情况下用于氧 气压缩、氧气冷却和空气加热的总能量需求Wg(3S.。
[0025]图4示意性地示出用于在真空运行时生产氧气的、具有静态的再生式热交换器的 MIEC膜模型，以及
[0026] 图5示意性地示出用于在真空运行时生产氧气的、具有旋转地穿流的、再生式热交 换器和转动滑动件的MIEC膜模型。
【具体实施方式】
[0027] 图1示出了 BSCF管膜在真空运行和过压运行时且针对不同的氧气分离度的情况 下、按照简化的瓦格纳等式计算出的氧气渗透率。清楚看出的是，氧气分离度的提升导致氧 气渗透率剧烈降低。此外明显的是，只有在渗透侧的特定的真空压力之下或在供给侧的特 定的过压之上时才发生氧气渗透，并且这种起限制作用的平衡-氧气-分压力P〇 Eq由氧气分 离度确定。
[0028] 由图1清楚地看出的是，真空过程随着真空压力的下降导致氧气渗透越来越剧烈 地增加。而在过压过程中，氧气渗透的进一步提升却越来越平缓。此外，在过压过程中必需 对压缩能进行回收，这对于较小的设备来说意味着过高的耗费。迄今还没有具有足够高效 率的相应的压缩机和减压涡轮机可供使用。因此，与多个当前的公开文献不同地，对于构建 用于产生氧气的高能效MIEC的膜设备针对于真空过程。
[0029] 对整个过程的建模所显示出的是，该过程的总能量需求主要依赖于氧气分离度， 并且该过程的所有与能量相关的特征参量都可以从氧气分离度中直接计算出。相应地，在 图2中示出了平衡-氧气-分压力P QEq的曲线以及用于加热空气（包括85%的热回收）的能量 需求、用于冷却氧气的能量需求以及用于将氧气压缩到环境压力的能量需求。为了计算真 空运行中的压缩能，这种压缩能以传统的真空栗为基础，从抽吸功率和额定功率中获得压 缩能。能效最高的商用真空栗达到的最小值为〇.〇151^1 (31./31113(31113为抽吸1113)。使用值 0.018kWh ei./Sm3 用以计算。
[0030] 图2中的所有能量说明以所产生的氧气量进行标准化。因此，氧气量能够以简单的 方式用于计算总能量需求Wges.。图3针对所使用的热量交换器的不同的热回收率示出了真 空过程的总能量需求W ge3S.，热交换器使用氧气贫竭的废气的废热来为新鲜空气加热。在热 交换器的WRG(热回收率)为85%的情况下并且在0.0181^〇1/3111 3的情况下，总能耗即使在不 使用来自冷却氧气的废热的情况下也已经几乎低于非集中式的PSA设备的总能耗。
[0031] 如果冷却氧气的废热也用于空气预热，那么在最佳的氧气分离度的范围内已经能 够实现明显更低的、〇.55kWh/Nm30 2的单位能耗。空气-废气-热交换器的更高的热回收率明 显导致该方法单位能耗明显降低。此外，最小的单位能耗范围随着WRG值的提升而扩大，最 小值受到的影响没有那么明显，并且向更小的氧气分离度移动。由此，与热交换器的更小的 WRG值相比可能的是，在真空压力明显更高的情况下仍然高能效地分离出氧气。最大允许的 真空压力在能量需求曲线的最小值中对于WRG为85 %的情况来说例如为大约90mbar，而真 空压力在WRG为97 %的情况下上升到133mbar。由此可能的是，在热回收更高的情况下使用 更小的真空栗，并且进一步降低压缩能在总的单位能量需求中所占的份额。
[0032]在WRG为97%的情况下，当氧气分离度为20%到大约70%且由此获得的新鲜空气 量与生产出的氧气量的比维持在24:1到6、8:1时，MIEC膜法的单位能量需求就已经可以低 于值0.3kWh/Nm30 2。因此，相对于现有技术(低温空气分离设备、非集中式PSA设备），根据本 发明实现了显著的能量方面的优点。
[0033]作为与生产的氧气成比例地控制空气量的替选方案，供给输出端上的氧气分压力 PoFout可以用于实现高能效的运行方式。为此不断地测量供给输出端上的氧气分压力PQFout 以及真空压力或渗透侧上与之一致的氧气分压力Poscmt。在调节技术上如下地调整空气吞吐 量，从而使得供给输出端上的氧气分压力PoFout不会多于lOO mbar地超出真空压力P QSciut，然 而在一种优选的实施变型方案中不会多于20mbar地超出真空压力。因此，在广泛的运行范 围内实现足够低的空气吞吐量和相应高的氧气分离度，以便确保高能效的运行。
[0034]根据本发明，高能效的MIEC膜设备的特征在于经由再生式热交换器为新鲜空气加 热，热交换器利用超过85%的、在优选的实施变型方案中大约为95%的在废气中包含的热 能以及在冷却氧气时释放的废热来为空气加热。用于氧气运输的驱动力通过施加真空产 生，这是因为由此使待使用的压缩能最小化并且不必对其进行回收。根据本发明，膜设备如 下地运行，从而在正常运行时，进入的新鲜空气量与生产的氧气量的比不超过25:1，并且不 低于6:1。为了维持膜设备的运行温度所需要的剩余热量通过电辅助加热或者通过添入少 量的燃料实现。由此，在后一种情况下可以实现电能消耗的进一步减少。
[0035] 实施例1:
[0036] 在图4中示意性地示出的、用于高能效地生产氧气的膜设备根据本发明由未压力 密封的、具有金属联接板2的壳体1构成，在金属联接板中借助硅酮密封件安置单侧封闭的 BSCF管膜3。带有开口 16的分隔壁15将壳体内部分隔成两个室，它们在新鲜空气路径方面镜 像对称地构建。在循环阶段A中，新鲜空气经由转速调节的、布置在输入端11前方的风扇4吸 入，通过再生式热交换器5预热，并且由经划分的联接板2引导，以便吸收所吸取的氧气的热 量。随后，为了被进一步加热，新鲜空气引导穿过静态再生器6,并且利用附加加热装置7再 加热到运行温度。空气流经过BSCF管膜3和第二附加加热装置8,并将它的热量输出给另一 个静态再生器9。已经剧烈冷却的、氧气贫竭的空气流随后通过金属联接板2朝再生式热交 换器5引导至输出端12前方的区域上，在那里，继续从其汲取热量。转速调节的、布置在输出 端12后方的风扇10在循环阶段A中以抽吸运行工作。金属联接板2包含真空密封的空心腔结 构13,它与BSCF管膜3处于连接。空心腔结构13的空心腔通过外部的真空栗14抽吸。纯氧气 随后在环境压力下被提供使用。
[0037] 在相应的循环时间以后，空气流的流动方向要么通过未示出的相应的空气阀要么 通过风扇4和10的运转方向的反转来反向。在这个循环阶段B中，所有的气流相应地反向。以 这种方式不仅尽可能地回收包含在热废气中的热量，并且还尽可能地回收由氧气传递到金 属联接板2上的热量。空气吞吐量通过转速调节的风扇4和10调节，从而使氧气分压力在接 触膜以后仅最大为1 OOmbar，根据本发明优选地仅比渗透侧的氧气分压力高出大约20mbar。 在遵守这些规定的情况下，由此确保小的过剩空气或者30%到70%的平均氧气分离度，并 且因此确保高能效的运行。
[0038] 实施例2:
[0039]在图5中示意性示出的、用于生产氧气的膜设备根据本发明由未压力密封的、具有 金属联接板2的壳体1构成，在金属联接板中借助电缆螺栓置入单侧封闭的BSCF管膜3。壳体 1八边形地构建，并且通过八个分隔壁15划分成八个室，其中，每个分隔壁在联接板2的区域 内都配有开口 16，从而新鲜空气能够流过所有的室。新鲜空气经由转速调节的、布置在输入 端11前方的风扇4吸入。输入端11位于转动滑动件17上，并且在此如下大小地构造，即，使得 新鲜空气能够同时流入三个室。输出端12同样位于转动滑动件17上，并且优选地和输入端 11 一样大，并且在这里与输入端11对置。直接布置在输入端11后方的再生式热交换器5在这 里至少如下地确定规格，即，使得在转动滑动件转动360°的情况下连续遮盖住输入端11或 输出端12的区域。通过前置的风扇4穿过输入端11地吸入的新鲜空气首先通过再生式热交 换器5的区域加热。进一步的加热通过掠过分部段的联接板2和布置在输入端后方的三个室 的后续的静态再生器6实现。布置在盖区域中的附加加热装置7用于对空气流再加热。作为 电加热的替选，在这里也可以利用少量的燃气来加热。经加热的新鲜空气随后在分隔壁15 之间向下流动并穿过开口 16流入相对置的室内。在那里向上经过BSCF管膜3和附加加热装 置8地，已经贫竭的新鲜空气现在引导经过相应室的静态再生器9。最后，尽可能地冷却的新 鲜空气引导穿过经划分的联接板2,并且流过再生式热交换器5的那些由输出端12敞开的区 域。在这里，从废气流抽走更多的热量。转速调节的后置的风扇10总是以抽吸运行工作。金 属联接板2包含真空密封的空心腔结构13,所获取的氧气在空心腔结构中聚集，并且因此通 过外部的真空栗14吸走。通过转动滑动件17的连续转动实现新鲜空气输送方向相对于相对 置的室的持续的换向，也就是说输入端11在转动滑动件17转动180°以后处在输出端12上， 反之亦然。
[0040]通过所示的结构不仅尽可能地回收包含在热的废气中的热量，而且也尽肯能地回 收通过氧气传递给金属联接板2的热量。空气吞吐量通过布置在转动滑动件17前方的风扇4 和布置在后方的风扇10利用可变的转速来调节，从而使得空气吞吐量为氧气生产率的12倍 到18倍。
[0041 ]附图标记列表
[0042] 1 壳体
[0043] 2 联接板
[0044] 3 BSCF 管膜
[0045] 4 前置的风扇
[0046] 5 再生式热交换器
[0047] 6 再生器
[0048] 7 附加加热装置
[0049] 8 附加加热装置
[0050] 9 再生器
[0051 ] 10后置的风扇
[0052] 11输入端
[0053] 12输出端
[0054] 13空心腔结构
[0055] 14真空栗
[0056] 15分隔壁
[0057] 16 开口
[0058] 17转动滑动件
【主权项】
1. 在真空运行时使用混合导电膜的情况下从经加热的新鲜空气中高能效地获取氧气 的膜分离法，其中，新鲜空气在分离出氧气后作为废气排出，其特征在于， -通过利用废气的和/或获取的氧气的废热实现至少85%的用于加热新鲜空气所必需 的热能， -通过外部的能量输入实现其余的加热， -在正常运行时将新鲜空气与产生的氧气的比调节到6:1和25:1之间的范围内。2. 按照权利要求1所述的膜分离法，其特征在于，所述其余的加热通过电加热或者燃烧 过程实现。3. 按照权利要求1所述的膜分离法，其特征在于，在使用再生式热交换器的情况下获取 用于加热新鲜空气所必需的热能。4. 按照权利要求1所述的膜分离法，其特征在于， -通过真空吸走渗透侧的氧气， -在环境压力下使用供给气体，并且 -通过机电式真空栗、机械真空栗或者蒸汽喷射栗实现真空产生。5. 按照权利要求1至2所述的膜分离法，其特征在于，调节空气吞吐量，从而使废气中的 氧气分压力不高于lOOmbar地超过渗透侧的真空压力，然而优选低于20mbar地超过渗透侧 的真空压力。6. 用于从新鲜空气中高能效地获取氧气的膜设备，其包括具有输入端（11)和输出端 (12)的壳体(1)、MIEC膜和真空栗(14)，其特征在于， -金属联接板（2)布置在包含真空密封的空心腔结构（13)的壳体（1)内，单侧封闭的MIEC膜以气密性地置入的方式布置到所述空心腔结构内， -存在至少一个用于划分室的分隔壁（15)，其中，每个室具有静态再生器(6或9)、附加 加热装置(7或8)和一部分的MIEC膜，并且在每个分隔壁（15)中都存在开口（16)，从而确保 新鲜空气从布置在所述输入端(11)后方的室穿流到布置在所述输出端(12)前方的室， -在所述输入端（11)前方布置有前置的风扇(4)， -在所述输出端（12)后方布置有后置的风扇（10)，其中，前置的风扇（4)和后置的风扇 (10) 具有相反的抽吸方向， -存在再生式热交换器(5)，其中，一些部分区域配属给所述输入端（11)，而另一些部分 区域配属给所述输出端（12)，并且 -所述真空栗（14)与所述空心腔结构（13)连接，用于吸走所获取的氧气。7. 按照权利要求6所述的膜设备，其特征在于，所述壳体(1)是非压力密封的壳体(1)。8. 按照权利要求6或7所述的膜设备，其特征在于，所述相反的抽吸方向能够以能反向 的方式调节。9. 按照权利要求6或7所述的膜设备，其特征在于，所述前置的风扇(4)和所述后置的风 扇（10)布置在转动滑动件（17)上，从而在所述转动滑动件（17)转动的情况下，所述输入端 (11) 从布置在所述输入端（11)后方的室向相应地相邻的室迀移，并且相应地，所述输出端 (12) 从相对置的室向相邻的室迀移。10. 按照权利要求9所述的膜设备，其特征在于，所述输入端（11)和相应地还有所述输 出端(12)分别在多个相邻的室上延伸。
【专利摘要】本发明涉及一种膜分离法和一种用于在使用混合导电陶瓷膜的情况下高能效地产生氧气的膜设备。本发明的基本任务是说明一种可能性，从而使得在避免现有技术的缺点的情况下能够显著提升尤其是利用自给自足式的MIEC膜设备生产氧气的MIEC膜法的能效。根据本发明，该任务利用在真空运行时使用混合导电膜的情况下从经加热的新鲜空气中高能效地获取氧气的膜分离法通过以下方式解决，即，通过利用废气和/或获取的氧气的废热实现至少85％的用于加热新鲜空气所必需的热能，通过外部的能量输入实现其余的加热并且在正常运行时将新鲜空气与产生的氧气的比调节到6:1和25:1之间的范围内，其中，新鲜空气在分离出氧气之后作为废气排出。
【IPC分类】F23L7/00, C01B13/02, B01D53/22
【公开号】CN105492380
【申请号】CN201480040710
【发明人】拉尔夫·克里格尔
【申请人】弗劳恩霍夫应用研究促进协会
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年7月15日
【公告号】DE102013107610A1, EP3022152A1, US20160136571, WO2015007272A1
最新回复(0)