MXPA99005118A - Proceso que integra una celda de combustible de oxido solido y un reactor de transporte de iones - Google Patents

Abstract

Un sistema integrado que utiliza una celda de combustible deóxido sólido y por lo menos un reactor de transporte de iones para generar energía eléctrica y un gas de producto para suministrar un gas que contiene oxígeno, normalmente aire, a un primer lado del cátodo de la celda de combustible deóxido sólido y suministrar un combustible gaseoso a un primer lado delánodo. Los iones de oxígeno se transportan a través de una membrana en la celda de combustible al primer lado delánodo y reaccionan exotérmicamente con el combustible gaseoso para generar energía eléctrico y calor. El transporte de calor y oxígeno produce una corriente de retentato gaseoso de temperatura superior con contenido de oxígeno reducido que sale del lado del cátodo de la celda de combustible deóxido sólido que se suministra a un primer reactor de transporte de iones en donde una porción substancial del oxígeno residual se transporta a través de una membrana de transporte de iones selectivo de oxígeno. Después se recupera una corriente de gas de producto.

Description

PROCESO QUE INTEGRA UNA CELDA DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO Y UN REACTOR DE TRANSPORTE DE IONES CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a un proceso para la cogeneración de energía y por lo menos un gas de producto. Más particularmente, el proceso íntegra una celda de combustible de óxido sólido y un reactor de transporte de iones. ANTECEDENTE DE LA INVENCIÓN La energía eléctrica se genera tradicionalmente por un proceso termodinámico. El calor, por ejemplo, puede generarse quemando aceite en un calentador para sobrecalentar agua presurizada. El agua sobrecalentada se expande en vapor presurizado que gira mecánicamente una turbina. La rotación de las aletas del reactor de un rotor de generador eléctrico conectado a la turbina a través de un campo magnético apropiado genera energía eléctrica. La generación de energía eléctrica convencional usa un proceso térmico/mecánico, la eficiencia del cual se limita por el ciclo de Carnot. Ei ciclo de Carnot es aquel, que aún bajo condiciones ideales, un motor de calor no puede convertir en energía mecánica toda la energía de calor suministrada al mismo y, por lo tanto, se rechaza una porción significativa de energía de calor. En el ciclo de Carnot. un motor acepta energía de calor de una fuente de alta temperatura, convierte parte de la energía de calor en trabajo mecánico y rechaza el resto de la energía de calor a un recipiente de calor de baja temperatura. La energía de calor rechazada ocasiona una perdida en eficiencia. Un proceso diferente para generar electricidad utiliza una celda de combustible de óxido sólido. La energía eléctrica resulta de ia conversión directa de la energía liberada como una reacción química en energía eléctrica, en lugar de un proceso térmico/mecánico. Como resultado, las celdas de combustible de óxido sólido no se limitan en eficiencia por el ciclo de Carnot y teóricamente es posible la generación eléctrica altamente eficiente. Una celda de combustible de óxido sólido se describe en la Patente de E.U.A. No. 5,413,879 de Domeracki y otros, que en ia presente se incorpora por referencia en su totalidad. La patente describe una celda de combustible de óxido sólido que tiene una membrana de cerámica hermética a un gas que separa una cámara de aire de una cámara de combustible. La membrana de cerámica normalmente es un material mixto de tres capas que tiene una porción de matriz hermética de gas formada de un material de membrana de cerámica tal como circonio esterilizada con itrio, que transporta selectivamente iones de oxígeno por difusión. Una porción de ia superficie de la membrana de la cerámica en contacto con el aire se reviste con un electrodo que puede estar hecho de una manganita de lantano contaminada con estroncio. Una porción de la superficie opuesta de la membrana de cerámica en contacto con el combustible es un electrodo de combustible que puede ser un cermet de níquel-circonio Las interconexiones se proveen en ambos electrodos lo cual permite conectar varias celdas eléctricas en serie o en paralelo y de tirar una corriente eléctrica generada por el flujo de iones. Las celdas de combustible adecuadas se describen en las Patentes de E.U.A. Nos. 4,490,444 (Isenberg) y 4,728,584 (Isenberg), cada una de las cuales se incorpora por referencia en su totalidad. El aire caliente se pone en contacto con el electrodo de aire y el oxígeno se separa del aire por transporte de iones a través de la membrana a la superficie del electrodo de combustible. Normalmente un combustible gaseoso como hidrocarburo ligero tal como gas natural o monóxido de carbono, se pone en contacto con la superficie del electrodo y reacciona exotérmicamente con los iones de oxígeno para producir electricidad y calor como el resultado de perdidas internas. En la salida de las celdas de combustible hay un gas agotado de oxígeno parcialmente caliente desde el lado del cátodo o retentato y los productos de reacción o combustión del lado del ánodo o permeato. Los sistemas que generan energía eléctrica que usan celdas de combustible de óxidos sólidos están limitados para obtener eficiencias obtenidas debido a varios factores incluyendo: (1) perdida eléctrica interna principalmente en los electrodos, (2) alta temperatura en la escala de aproximadamente 700°C a alrededor de 1,000°C a las cuales se debe calentar el aire; y (3) el hecho de que solamente una porción del oxígeno contenido dentro de aire caliente, normalmente en el orden de entre 20% a 30% en volumen del oxígeno disponible, se transporte a través de la membrana de cerámica para la reacción con el combustible gaseoso. El resto del oxígeno se descarga en la corriente del retentato que sale de la cámara de aire. Parte de la energía adicionada a las corrientes de retentato y permeato se pierde como resultado de la caída de presión y de la efectividad limitada de los intercambiadores de calor recuperativos opcionales. La patente de E.U.A. No. 5,413,879 (Domeracki) describe la combinación de productos de reacción de reacciones químicas en la cámara de combustible con ei retentato de gas caliente de la cámara de aire y haciéndolo reaccionar con el combustible adicional en un calentador para elevar más la temperatura de la mezcla. La mezcla caliente, calienta un gas comprimido que se usa para impulsar una turbina. Se describen varios tipos de membrana de transporte en la Patente de E.U.A. No. 5,733,435 (Prassad y otros). Para membranas que exhiben únicamente conductividad iónica, los electrodos externos se colocan sobre las superficies de la membrana y la corriente de electrones se regresa a través de un circuito externo. En las membranas de conducción mezcladas, los electrones se transportan al lado del cátodo internamente, terminando así un circuito y haciendo obvia la necesidad de electrodos externos en modo impulsado por presión. Para la misma aplicación también se pueden usar los conductores de fase doble, en los cuales se mezcla un conductor iónico con un conductor electrónico.

La Patente de E.U.A. No. 4,793,904 de Mazanec y otros, que se incorpora por referencia en su totalidad en la presente, describe una membrana de transporte de iones revestida sobre ambos lados con una capa eléctricamente conductora. Un gas que contiene oxígeno se pone en contacto con un lado de la membrana. Los iones de oxígeno se transportan a través de la membrana al otro lado en donde los iones reaccionan con metano o hidrocarburos similares para formar 'syngas'. Los electrones liberados por los iones de oxígeno fluyen desde la capa conductora a los cables externos y se pueden utilizar para generar electricidad. Una membrana de tipo conductor mezclada, la membrana tiene la capacidad de transportar selectivamente tanto iones de oxígeno como electrones. No es necesario proveer un campo eléctrico externo para la remoción de los electrones liberados por los iones de oxígeno. La Patente de E.U.A. No. 5,306,411 de Mazanec y otros, que se incorpora aquí por referencia en su totalidad, describe la aplicación de membranas conductoras mezcladas y conductoras de fase doble. La membrana comprende óxidos de metales mezclados en una "sola fase" teniendo la estructura de perovskita con propiedades conductoras de iones y electrones o una mezcla de múltiples fases de una fase conductora de electrones y una fase conductora de iones. El transporte de iones de oxígeno se describe por ser útil para formar 'syngas' y para remediar el flujo de gases tales como NOx y SOx.

La Patente de E.U.A. No. 5,516,359 de Kang y otros, describe una membrana de transporte de iones de cerámica integrada con un proceso de alta temperatura en la cual se utiliza el calor efectivamente para ia operación de la membrana y ei proceso de alta temperatura. El aire caliente comprimido se pone en contacto con una membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno y una porción del oxígeno contenida dentro del aire se transporta a través de la membrana y se remueve como un gas de producto. El gas residual agotado de oxígeno se combina con un combustible gaseoso y se hace reaccionar para generar un gas de alta temperatura útil para impulsar una turbina que normalmente se impulsa por un compresor de aire y el generador para generar energía eléctrica. Sin embargo, aún existe la necesidad de un proceso que integre los reactores de transporte de iones con ia celda de combustible de óxido sólido más eficiente para la generación de uno o más gases de producto y energía eléctrica para realizar una mejora en eficiencia. OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN Por lo tanto, es un objetivo de ia invención proveer un proceso para la generación de energía eléctrica y uno o más gases de producto incluyendo oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono solos o en combinación. Es un objetivo adicional de la invención que dichos procesos se integren eficientemente a la celda de combustible de óxido sólido con un reactor de transporte de iones. Este objetivo se ayuda por el hecho de las celdas de combustible de óxido sólido y las membranas de transporte de iones de oxígeno tienen temperaturas de operación similares. Aún otro objetivo de la invención es utilizar las corrientes que salen de la celda de combustible de óxido sólido como corrientes de alimentación al reactor de transporte de iones y utilizar la corriente que sale del lado del retentato y opcionalmente también del lado del permeato de la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno para impulsar una turbina. Es otro objetivo de la invención utilizar el calor generado en el lado del ánodo de la celda de combustible como resultado de la conversión ineficiente de energía química en energía eléctrica, para calentar el gas alimentado directamente al cátodo del separador de transporte de oxígeno a la temperatura de operación de la membrana. Es aún otro objetivo de la invención colocar el lado del ánodo de la celda de combustible en serie con el lado del ánodo con una membrana de transporte de iones purgada reactivamente y agregar combustible en exceso a la alimentación del ánodo de celdas de combustible para estar disponible como reactivo en ia corriente de purga y por lo tanto elevar la eficiencia de la conversión de energía de la celda de combustible. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Esta invención comprende un proceso para la generación de energía eléctrica y uno o más gases de producto de un gas que contiene oxígeno y un combustible gaseoso. Se provee una celda de combustible de óxido sólido que tiene un primer lado del cátodo o retentato y un primer lado del ánodo o permeato. Se provee un primer reactor de transporte de iones que tiene una membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno dispuesta en la misma, la membrana teniendo un segundo lado del cátodo o retentato y un segundo lado del ánodo o permeato. El gas que contiene oxígeno se pone en contacto con el primer lado del cátodo y se pone en contacto un combustible gaseoso con el primer lado del ánodo ocasionando que una primera porción de oxígeno sea transportada desde el primer lado del cátodo al primer lado del ánodo como iones de oxígeno. Los iones de oxígeno reaccionan con ei combustible gaseoso y generan calor y un flujo de electrones que se recupera como energía eléctrica. Un gas de retentato con oxígeno restante se dirige desde el primer lado dei cátodo de la celda de combustible de óxido sólido al segundo lado del cátodo del primer reactor de transporte de iones ocasionando que una segunda porción de oxígeno sea transportada a través de la membrana de cerámica al segundo lado del ánodo. Por lo menos, se recuperó un gas de producto de uno o más de los primero y segundo lados del ánodo y cátodo. En una modalidad preferida, el gas que contiene oxígeno es aire y se comprime antes de poner en contacto el primer lado del cátodo. Se recupera oxígeno del segundo lado del ánodo. Un intercambiador de calor de recuperación transfiere calor desde las salidas de reacción exotérmicas al gas que contiene oxígeno y a la primera corriente de combustible gaseoso de la celda de combustible de óxido sólido. En otra modalidad preferida, el calor generado en la celda de combustible, como resultado de la conversión ineficiente de energía química a energía eléctrica de la reacción del lado del ánodo, provee por lo menos parte de la energía requerida para conectar la corriente de aire a la temperatura de operación de la membrana de transporte de oxígeno. Se utiliza vapor como un gas de barrido para ei segundo lado del ánodo y el permeato del segundo lado del ánodo comprende una mezcla de vapor de oxígeno que se utiliza para clasificar carbón vegetal. Un gas de purga se pone en contacto con el segundo lado del ánodo y se recupera un gas nitrógeno con bajo contenido de oxígeno como gas de producto. En aún otra modalidad preferida, los productos de reacción generados en un lado del ánodo de la celda de combustible, se usan para purgar el ánodo del separador de transporte de oxígeno. Un segundo reactor de transporte de iones purgados reactivamente se dispone entre la celda de combustible de oxígeno sólido y el primer reactor de transporte de iones. En una modalidad preferida el combustible requerido en un reactor de transporte de oxígeno purgado reactivamente se agrega a la alimentación de combustible y a la celda de combustible y a los lados del ánodo de la celda de combustible y el reactor de transporte de iones se coloca en serie, incrementado así la eficiencia de la celda de combustible. El gas de producto de nitrógeno bajo presión o la energía eléctrica generada en la serie de combustible de óxido sólido, se utiliza para impulsar el compresor que comprime el gas que contiene oxígeno. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otros objetivos, aspectos y ventajas se presentarán para los expertos en la materia a partir de la siguiente descripción de las modalidades preferidas y los dibujos anexos, en los cuales: La Figura 1, ilustra esquemáticamente una celda de combustible de óxido sólido integrada con un reactor de transporte de iones de membrana de cerámica de acuerdo con la invención; La Figura 2, ilustra esquemáticamente un sistema integrado para la coproducción de energía y oxígeno; La Figura 3, ilustra esquemáticamente un sistema integrado para la coproducción de energía y una mezcla de oxígeno y la corriente útil para gasificar carbón vegetal. La Figura 4, ilustra esquemáticamente un sistema integrado para la coproducción de energía y nitrógeno; La Figura 5, ilustra esquemáticamente un sistema integrado para la coproducción de energía, oxígeno y nitrógeno. La Figura 6. ilustra esquemáticamente otro sistema integrado para la coproducción de energía eléctrica, oxígeno y nitrógeno; y La Figura 7, ilustra esquemáticamente un sistema integrado para la producción de nitrógeno esencialmente libre de oxígeno. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Esta invención se puede lograr integrando una celda de combustible de óxido sólido con un reactor de transporte de iones de membrana de cerámica. Preferiblemente, se opera una turbina con una o más corrientes que salen del sistema integrado. El aire comprimido se suministra a la celda de combustible de óxido sólido en donde una primera porción del oxígeno contenido dentro del aire se transporta a través de ia membrana de cerámica y reacciona exotérmicamente como un gas de combustible para generar productos de combustión y electricidad. Una corriente de retentato de contenido de oxígeno reducirá su descarga al cátodo de celda de combustible de óxido sólido al cátodo de un reactor de transporte de iones que tiene una membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno. Una segunda porción del oxígeno contenido dentro del aire se transporta a través de la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno y se puede recuperar como un gas de producto o utilizarse en reacciones corriente abajo. El retentato de la membrana de transporte de iones, mientras que se agota substancialmente de oxígeno, aún puede contener suficiente oxígeno de manera que se mezcle en algunas modalidades con un combustible gaseoso y se quema para generar un gas de alta temperatura para impulsar una turbina. Alternativamente, se puede recuperar nitrógeno de una corriente agotada de oxígeno. La Figura 1 ¡lustra esquemáticamente un proceso que integra una celda de combustible de óxido sólido 10 y un primer reactor de transporte de iones 11 de acuerdo con la invención. La celda de combustible de óxido sólido 10 tiene una membrana de cerámica 12 que divide la celda de combustible de óxido sólido 10 en un primer lado del cátodo 14 y un primer lado del ánodo 16. La membrana de cerámica 12 es selectiva de oxígeno y transporte de iones de oxígeno del primer lado del cátodo 14 al primer lado del ánodo 16. Un material adecuado para la membrana de cerámica 12 es circonio estabilizado con itrio. Un electrodo de aire poroso 18 cubre substancialmente todo el primer lado del cátodo 14. Un material adecuado para el electrodo de aire 18 es manganita de lantano contaminado con estroncio. Una primera porción de interconexión 22 no se reviste con el electrodo de aire 18 y se conecta eléctricamente a una carga 24. Los iones de oxígeno se transportan a través de la membrana de cerámica 12 al primer lado del ánodo 16 que se reviste con un electrodo de combustible del proceso 26 excepto por una porción de interconexión eléctrica. El electrodo de combustible 26 puede hacerse de cualquier material que reduzca al mínimo efectivamente las perdidas de polarización y es estable para reducir la atmósfera tal como un cermet de níquel-circonio. Una alimentación de gas que contiene oxígeno 28 se suministra al primer lado del cátodo 14 y un combustible gaseoso 30 se suministra al primer lado del ánodo 16. La alimentación de gas que contiene oxígeno 28, normalmente aire, se suministra al lado del cátodo de la celda de combustible a una temperatura algo baja (normalmente de 200 a 700°C o menos) de la temperatura de operación de ia celda de combustible para actuar como un recipiente de calor para el calor generado por la reacción de celdas de combustible. La temperatura de operación de la celda de combustible de óxido sólido 10 normalmente está a una temperatura por arriba de 500°C y preferiblemente en la escala de aproximadamente 700°C a alrededor de 1,000°C. Las moléculas de oxígeno en ei aire de alimentación se disocian del oxígeno elemental en contacto con el electrodo de aire 18. El "oxígeno elemental" se refiere al oxígeno que no se combina con otros elementos de la tabla periódica. Mientras que normalmente está en forma diatómica, se pretende que el término oxígeno elemental, como se usa en la presente, abarque átomos de oxígeno solo, ozono triatómico y otras formas no combinadas con otros elementos. Se prefiere el aire como la alimentación de gas que contiene oxígeno 28. La alimentación de gas que contiene oxígeno 28 preferiblemente se comprime, normalmente a una presión de entre 206.7 y 2067 kPa, y más preferiblemente a una presión entre 689 kPa y 1584.7 kPa, por el compresor 32. La alimentación que contiene oxígeno comprimido después se calienta preferiblemente a una temperatura intermedia de entre aproximadamente 300°C a alrededor de 800°C y más preferiblemente a una temperatura de aproximadamente 500°C a alrededor de 700°C y después se suministra al primer lado del cátodo 14. El calentamiento final del aire de alimentación a la celda de combustible y a las temperaturas que operan la membrana de transporte de oxígeno se presenta dentro de la celda de combustible en virtud de la porción de la energía química de la reacción del lado del ánodo que no se convierte en energía eléctrica pero se libera como calor que a su vez se transfiere para elevar la temperatura de la corriente de alimentación al nivel requerido. El combustible gaseoso 30 es cualquier gas o combinación de gases que tiene un constituyente que reacciona exotérmicamente con el oxígeno elemental. El constituyente reactivo puede ser gas natural o mezclas de hidrocarburos ligeros, metano, monóxido de carbono o gas de síntesis ("syngas"). El syngas es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbón con una relación moral de H2/CO de aproximadamente 0.6 a alrededor de 6.0. Un componente adicional del gas de combustible, que indeseablemente puede estar en la celda de combustible, en algunas modalidades es un gas diluyente no reactivo tal como nitrógeno, dióxido de carbono o vapor. El combustible gaseoso 30 se precalienta a una temperatura de aproximadamente 300°C a alrededor de 900°C y se introduce al primer lado del ánodo 16. Los constituyentes reactivos de combustible gaseoso 30 reaccionan exotérmicamente con oxígeno elemental. Los electrones 34 liberados de los iones de oxígeno proveen energía eléctrica a la carga 24. Una porción del oxígeno contenida en la alimentación de gas que contiene oxígeno 28 se consume por la reacción en el primer lado del ánodo 16. Una corriente de retentato 38 con el contenido de oxígeno reducido después se conduce a un segundo del catado 40 que es una porción de un primer reactor de transporte de iones 11. El primer reactor de transporte de iones 11 tiene una membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 que separa el primer reactor de transporte de iones 11 en un segundo lado del cátodo 40 y un segundo lado del ánodo 50. Por "selectivo de oxígeno" se entiende que los iones de oxígeno preferencialmente se transportan a través de la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44, a partir del segundo lado del cátodo 40 al segundo lado del ánodo 50, sobre otros elementos y iones de los mismos. La membrana de transportes de iones selectiva de oxígeno 44 se hace de óxidos inorgánicos, se tipifica por circonio estabilizada con calcio o itrio. A temperaturas elevadas, generalmente en exceso de 400°C, la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 contiene lugares vacíos de iones oxígeno móviles que provee sitios de conducción para el transporte selectivo de iones oxígeno a través de la membrana. El transporte a través de la membrana se impulsa por la relación de la presión parcial de oxígeno (Po2) a través de la membrana: los iones O" fluyen desde ei lado con alta P02 al lado con baja P02. La ionización de 02 a O" toma lugar en el segundo lado del cátodo 40 y los iones se transportan al segundo lado del ánodo 50 en donde 02 se recupera como un gas de producto. La membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 se forma como un óxido sólido de pared densa mezclado a un conductor de doble fase o alternativamente como un óxido sóiido de película delgada mezclada o un conductor de fase doble que se soporta sobre un substrato poroso. La membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 tiene un grosor nominal de menos de 5,000 mieras y preferiblemente es menor a 1,000 mieras de grosor. La membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 transporte iones de oxígeno y electrones en la presión parcial de oxígeno en la escala de temperatura de aproximadamente 450°C a alrededor de 1200°C cuando se mantiene una diferencia potencial química a través de la superficie de membrana de transporte iónico ocasionada por una relación de presiones parciales de oxígeno a través de membrana de transporte de iones. La conductividad de iones de oxígeno normalmente está en la escala de entre 0.01 a 100 S/cm en donde S ("Siemens") es reciproca a ohms (1/O). Los materiales adecuados para la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno incluyen perovskitas y combinaciones de óxido de metal-metal de fase doble como se lista en la Tabla 2 de la Patente de E.U.A. No. 5,733,345 que también se incorpora por referencia en su totalidad. Ver también los materiales descritos en las Patentes de E.U.A. Nos. 5,702,999 (Mazanec) y 5,712,220 (Carolan y otros). Un material con una alta conductividad de iones, a por lo menos 0.5 y preferiblemente por lo menos 1 S/cm a 900°C, se desea para la membrana 44 dado que la fuerza de impulsión para el transporte de oxígeno normalmente será pequeña (<10°). Un material adecuado podría ser una mezcla de lantano, estroncio y óxidos de cobalto.

Opcionalmente, una capa porosa de catalizador, en alguna, modalidad hecha del mismo material de perovskita como el material de la capa de la membrana densa, se agrega a uno o ambos lados de la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 para aumentar ei intercambio de superficie de oxígeno en las reacciones químicas sobre las superficies. Alternativamente, las capas de superficie de la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 puede contaminarse, por ejemplo, con cobalto para incrementar la cinética de intercambio de superficie. El primer reactor de transporte de iones 11 se opera a una temperatura elevada que es suficiente para facilitar el transporte de iones a través de la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44. La temperatura de operación es de por lo menos 400°C, preferiblemente en la escala de aproximadamente 400°C a alrededor de 1,200°C y más preferiblemente en la escala de aproximadamente 400°C a alrededor de 1,000°C. Aproximadamente de 30% a 60% en volumen del oxígeno retenido en la salida de alimentación de gas de oxígeno reducido, se transporta a través de la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 y se recupera como gas de producto de oxígeno 52. Ei porcentaje de oxígeno que se puede recuperar depende de las presiones parciales de oxígeno respectivas en el segundo lado del cátodo 40 y el segundo lado del ánodo 50. El porcentaje de oxígeno recuperado se puede mejorar reduciendo la presión parcial de oxígeno en el segundo lado del ánodo 50 por el uso de un gas de barrido en el segundo lado del ánodo o bombeo de vacío. Los gases de purga son gases de eliminación de oxígeno tal como gas natural, metano, metanol, etanol e hidrógeno. Un gas de barrido es un gas no reactivo que reduce la presión parcial de oxígeno. Los gases de barrido adecuados incluyen dióxido de carbono y vapor. Opcionalmente se expande directamente una corriente de retentato agotada de oxígeno 54 en una turbina 62 para generar la energía de turbina 64 o se puede suministrar a un aparato de combustión 56 y hacerse reaccionar con un segundo combustible gaseoso 58. Los productos de combustión 60 son un gas de temperatura alta con bajo contenido de oxígeno que se pueden usar para impulsar la turbina 62 para generar una energía de flecha de turbina 64. La eficiencia del proceso ilustrado en la Figura 1 se aumenta por el arreglo ilustrado esquemáticamente por la Figura 2. Un intercambiador de calor de recuperación 66 recupera ei calor rechazado de los gases de temperatura elevados tales como el gas de producto 52, productos de combustión 68 de celdas de combustión de óxido sólido 10 y productos de combustión 60 de aparato de combustión 58. Opcionalmente, la salida agotada de oxígeno 54 se deriva del aparato de combustión 56 y rechaza calor al intercambiador de calor recuperativo 66. El calor se usa para elevar la temperatura de la alimentación de gas que contiene oxígeno 28 y el combustible gaseoso 30. Los productos de combustión 68 se pueden descargar después de recuperar el calor de desecho como se ilustra en la Figura 2. Alternativamente, los productos de combustión 68 se conducen al segundo lado del ánodo 50 con un gas de barrido, sombreado como ia flecha 68a para aumentar el transporte de oxígeno y su recuperación. En esta modalidad alternativa, ei gas de producto 52 contiene oxígeno, agua y dióxido de carbono. Después de condensar el agua, se recuperó una corriente de oxígeno con baja pureza diluido con dióxido de carbono. Si se desea, ios gases de producto de oxígeno y dióxido de carbono se pueden separar por un proceso corriente abajo tal como adsorción oscilante térmica o membranas poliméricas. Las disposiciones reactivas de purga se describen en "Reactive Purge for Solid Electrolyte Membrane Gas Separation", Serie de E.U.A. No. 08/567,699, presentada el 5 de Diciembre de 1995, Publicación de E.P. No. 778,069 y se incorporan aquí por referencia. Las configuraciones preferidas para módulos de transporte de iones que utilizan una purga reactiva se describen en "Solid Electrolyte lonic Conductor Reactor Design", Serie de E.U.A. No. 08/848,204, presentada el 29 de Abril de 1997 y también se incorpora aquí por referencia. Ambas aplicaciones pertenecen comúnmente a la aplicación en proceso.

El retentato 54 agotado de oxígeno, Figura 2, contiene entre 6% y 12% en volumen de oxígeno residual y se puede descargar 70 después de rechazar calor al intercambiador de calor de recuperación 66, o alternativamente, una porción 70', o todo el retentato agotado de oxígeno se expande en la turbina 62 para recuperar energía. Dado que el retentato agotado de oxígeno 54 contiene algo de oxígeno residual, puede insertarse un aparato de combustión 56 corriente arriba de la turbina 62 y el retentato agotado de oxígeno se hizo reaccionar con el segundo combustible gaseoso 58 para elevar la temperatura de entrada de la turbina 62 a entre 1100°C y 1500°C incrementando así tanto la energía generada como la eficiencia térmica del sistema. En ausencia del aparato de combustión 56 o si la corriente expandida 60 está a una temperatura muy baja, la energía requerida para sostener la operación del sistema integrado ilustrado en la Figura 2 se provee por el calor generado en la celda de combustible de óxido sólido 10. La cantidad de calor generada depende de la eficiencia de la celda de combustible de óxido sólido 10 para convertir energía química a energía eléctrica. Esta eficiencia, a su vez, dicta que la porción 70' de la corriente de retentato agotada de oxígeno 54 que puede expandirse en la turbina 62, si el calor generado por la celda de combustible de óxido sólido 10 es inadecuado, deberá usarse una porción más grande de calor contenido dentro de la corriente 54 en el intercambiador de calor de recuperación 66 para calentar previamente la alimentación de gas que contiene oxígeno 28 y el combustible gaseoso 30. En una modalidad alternativa, el intercambiador de calor de recuperación 66 se reemplaza por un aparato de combustión (no mostrado) que se coloca corriente arriba de la celda de combustible de óxido sólido 10 para calentar previamente la alimentación de gas que contiene oxígeno 28 y el combustible gaseoso 30. La Figura 3 ilustra esquemáticamente una aplicación del sistema integrado que provee tanto oxígeno como vapor a un gasificador de carbón vegetal. Como se describe en la Solicitud de Patente de E.U.A. Serie No. 08/972,412 co-pendiente de propiedad común (D-20, 365) que se presentó ei 18 de Noviembre de 1997, los gasificadores de carbón vegetal requieren tanto vapor como oxígeno, normalmente a una relación molar de aproximadamente 1:2 y a presión eievada. En esta modalidad, la corriente de aire 28, la corriente de combustible 30 y la corriente de productos de combustión 68 de la celda de combustible 10 son similares a aquellos de la Figura 2. La corriente de retentato 54 del módulo 11, Figura 3, se pasa directamente a través del intercambiador 66 y/o a través del aparato de combustión 56' y la turbina 62'. El segundo lado del ánodo 50 del módulo 11 se barre con la corriente 72 para aumentar el transporte de oxígeno a través de la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 y disminuyendo la presión parcial de oxígeno promedio en el segundo lado del ánodo 50. Las ventajas de barrer el vapor se tratan en la Solicitud de Patente de E.U.A. Serie No. 08/972,020 copendiente, de propiedad común (Caso del Apoderado No. D-20, 345) que se presentó el 18 de Noviembre de 1997 y que también se incorpora aquí por referencia en su totalidad. El vapor 72 es una parte del ciclo de proceso 73 integrado en el sistema modulara de celada de combustible/transporte de iones. El agua alimentada 74 se bombea a una presión requerida, normalmente en el orden de 1033.5 kPa a 4134 kPa, por la bomba 76 y después se evapora y se sobre-calienta, tal como en el intercambiador de calor de recuperación 66 para producir el vapor 72. La corriente del permeato 78 contiene una mezcla de oxígeno residual y vapor. La corriente 78, en una primera modalidad, se inyecta directamente en un gasificador de carbón vegetal 80 (mostrado como corriente 102, pero sin la adición de la corriente 100', descrita antes). En una segunda modalidad, ia corriente 78 se divide en una primera porción 82 inyectada en el gasificador de carbón vegetal 80 y una segunda porción 84 que se expande en la turbina 63, se enfría y se suministra a un condensador 86. La mayoría de la corriente se condensa en el condensador 86 y la salida del condensador 88 es una mezcla de agua líquida y oxígeno saturado con agua. El agua se separa de la mezcla en un separador 90 y el agua reciclada 92 se mezcla con agua de alimentación de formación 74. El oxígeno saturado de agua 94 removido dei separador 90 se enfría en un enfriador 96 y se comprime en el compresor 98. La corriente comprimida 100 se vuelve a calentar, de manera que pasa a través del intercambiador de calor de recuperación 66 como corriente caliente 100' y después se mezcla con la primera porción de corriente de permeato 82 para producir la corriente 102. Controlando la proporción de la primera porción 82 y corriente comprimida 100 para formar la corriente 102, se obtiene la relación deseada de vapor a oxígeno para el gasificador de carbón vegetal 80. Las ventajas del sistema ilustrado esquemáticamente en la Figura 3 sobre una generación separada e inyección de corriente y oxígeno a un gasificador de carbón vegetal, incluyen una reducción en el área de membrana de transporte de iones requerida y ahorros en la energía requeridos para comprimir oxígeno. Mezclando una corriente que contiene vapor y oxígeno con una segunda corriente de contenido de oxígeno alto, se logra un mejor control de la relación de vapor a oxígeno. El uso de vapor como un gas de barrido permite operar los lados del cátodo del reactor de transporte de iones de celdas de combustible a presiones inferiores que la presión del gasificador, mientras que se ahorra energía de comprensión de oxígeno. Alternativamente, un condensador (no mostrado) puede utilizarse para remover agua de la salida 78 para obtener una relación inferior de vapor a oxígeno. Sin embargo, esto gasta gran parte de la energía contenida dentro de la porción de la salida 78 que se condensa reduciendo la eficiencia del sistema.

La Figura 4 ilustra esquemáticamente un sistema integrado que tiene una celda de combustible de óxido sólido 10 y un primer reactor de transporte de iones 11 útil para la coproducción de energía y nitrógeno. El gas de alimentación que contiene oxígeno 28, normalmente aire, se comprime por el compresor 32 a una presión entre aproximadamente 310.05 kPa y 1136.85 kPa. El aire comprimido después se calienta, tal como mediante ei intercambiador de calor de recuperación 66 a una temperatura de entre aproximadamente 200°C y 700°C, e introduciéndolo al primer lado del cátodo 14 de la celda de combustible 10. Aproximadamente de 60% a 70% en volumen de oxígeno contenido dentro de la alimentación de gas que contiene oxígeno 28 se transporta a través de ia membrana de cerámica 12 y se hace reaccionar exotérmicamente con el combustible gaseoso 30. Manteniendo una presión relativamente alta sobre el primer lado del cátodo 14, se mantiene una presión parcial de oxígeno relativamente alta permitiendo que una fracción de volumen importante del oxígeno sea transportada a través de la membrana de cerámica 12 y por lo tanto se obtenga una eficacia de conversión razonable. Debido a las reacciones exotérmicas importantes que se presentan en el primer lado del ánodo 16, se puede requerir enfriamiento adicional para evitar una elevación de temperatura excesiva. El retentato 38 que tiene un contenido de oxígeno reducido se suministra al primer reactor de transporte de iones 11 para completar la remoción de oxígeno de la corriente del lado del cátodo. El oxígeno se transporta a través de ia membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 y reacciona exotérmicamente con el combustible gaseoso 30' en el segundo lado del ánodo 50. El calor de esta reacción exotérmica se absorbe dentro una sección de calentador 39 por elevación a temperatura de la corriente de aumentación del lado del cátodo 38' la cual como la corriente 38, se enfriaron en ei intercambiador de calor 66 o en el enfriador opcional 66'. El retentato de la corriente 54 contiene menos de aproximadamente 10 ppm de oxígeno y se puede suministrar a una presión como una presión alta del producto de nitrógeno 104 después de la remoción de calor útil por el intercambiador de calor de recuperación 66. Alternativamente, por lo menos una porción de la corriente agotada de oxígeno 54 se expande a la turbina 62 y se recupera como un producto de nitrógeno con baja presión 106. Una primera porción del combustible gaseoso 30 se suministra al primer lado del ánodo 16 de la celda de combustible de óxido sólido 10. Una segunda porción 30' del combustible gaseoso 30 puede suministrarse directamente al segundo lado del ánodo 50 dei primer reactor de transporte de iones 11. Preferiblemente, los productos de combustión 68 sirven como un diluyente y se combinan en la unión 108 con la segunda porción 30' del gas de combustible gaseoso 30 para purgar el segundo lado del ánodo 50. Más preferiblemente, todo el combustible gaseoso 30 pasa a través del primer lado del ánodo 16 para incrementar la presión parcial de combustible promedio en ánodo de celda de combustible de óxido sólido 10 y así aumentar ai máximo la eficiencia de la celda de combustible dado que una alta presión parcial de combustible aumentará la cinética de reacción del ánodo de la celda de combustible y así reducirá al mínimo las perdidas de polarización. El gas del permeato 52 es substancialmente vapor de agua y dióxido de carbono, dado que ei nitrógeno se excluye de las reacciones dei lado del ánodo, excepto por cantidades traza contenidas dentro dei combustible. Si se desea, se puede recuperar un producto de dióxido de carbono 109 después de condensar el agua. El sistema ¡lustrado esquemáticamente en la Figura 4 genera un exceso significativo de calor debido a que todo el oxígeno contenido en la alimentación de gas que contiene oxígeno 28 se hace reaccionar exotérmicamente con ei combustible gaseoso 30. En sistemas pequeños, este calor se puede usar para generar vapor para exportarlo desde el sistema. En sistemas más grandes, el calor en exceso se puede utilizar para producir energía adicional a través de un ciclo de Rankine 110, mostrado sombrado. En un ciclo Rankine, el calor en exceso se dirige a un calentador en donde el calor intercambia el agua en el vapor sobre-calentado. La expansión de vapor a un vapor de presión inferior impulsa una turbina para generar energía de la flecha. El calor entonces se remueve en un condensador dado que el vapor se convierte de nuevo a un líquido saturado de presión baja. Después una bomba regresa a la presión del calentador. El calor para el ciclo Rankine 110 preferiblemente se remueve de las corrientes 38 y/o 54. La Figura 5 ¡lustra un sistema para la co-generación de nitrógeno y oxígeno. Un segundo reactor de transporte de iones 112 se dispone entre la celda de combustible de óxido sólido 10 y el primer reactor de transporte de iones 11. Una alimentación de gas que contiene oxígeno 28, normalmente aire, se comprime a una presión entre 689 kPa y 2067 kPa por un compresor 32 y se calienta, tai como mediante el intercambiador de calor de recuperación 66 a una temperatura de entre aproximadamente 300°C y alrededor de 800°C. La alimentación de gas que contiene oxígeno caliente 28 se suministra al primer lado del cátodo 14. Aproximadamente 20% a 25% en volumen del oxígeno contenido dentro de la alimentación de gas que contiene oxígeno 28 se transporta a través de la membrana de cerámica 12 para reaccionar exotérmicamente con ei combustible gaseoso 30 generando energía eléctrica suministrada a la carga 24 y calor. El calor es efectivo para elevar la temperatura de ia corriente de retentato agotada parcialmente de oxígeno 38 a una temperatura en ia escala de aproximadamente 900°C a alrededor de 1,000°C. La corriente de gas de oxígeno agota parcialmente 38 ahora está a una temperatura efectiva para la separación de oxígeno en el segundo reactor de transporte de iones 112 y aproximadamente 48% a 60% del oxígeno restantes se transporta a través de una membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 114 y se recupera como producto de oxígeno 116. Una corriente de retentato que contiene oxígeno baja 118 descargada del segundo reactor de transporte de iones 112 rechaza calor al intercambiador de calor 120. El calor rechazado se puede usar para un ciclo de energía Rankine externo, suministrado al intercambiador de calor de recuperación 66 para formar deficiencias térmicas en otras partes del sistema, o descargarlas como desecho. Una temperatura reducida normalmente en el orden de 300 a 700°C, con corriente de contenido de oxígeno baja 122 se introduce en el segundo lado del cátodo 40 del primer reactor de transporte de iones 11. Normalmente, el contenido de oxígeno en el gas de alimentación al lado del cátodo 40 del primer reactor de transporte de iones 11 estará entre 2% a 7% en volumen, dependiendo si se introduce un gas de barrido (una fuente adecuada podría ser la corriente 52 que consiste de productos de combustión) al tercer lado del ánodo 124 del segundo reactor de transporte de iones 112 para reducir la presión parcial de oxígeno en el tercer lado del ánodo, incrementando así la fuerza de impulsión para el transporte de oxígeno a través de la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 114. El valor inferior se logra si se usa un gas de barrido. El oxígeno restante se transporta a través de la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 y se hace reaccionar exotérmicamente con combustible gaseoso 30, o con una mezcla de combustible y producto de combustión 60 en donde todo el combustible se introduce al ánodo de la celda de combustible 10, en el lado del ánodo 50 dei primer reactor de transporte de iones 11. El retentato del lado del cátodo 40, la corriente de gas agotada de oxígeno 54, normalmente tiene un contenido de oxígeno menor a. 10 partes por millón. Como se describió antes, la corriente de gas agotada de oxígeno 54 puede recuperarse como un producto de nitrógeno de alta presión 104, como un producto de nitrógeno de baja presión 106 después de que se expande la corriente 54' en la turbina de gas que produce gas 62, o una combinación de los mismos. El gas de producto 52 del segundo lado del ánodo 50 se puede enfriar para recuperar el dióxido de carbono 109 y vapor de agua. Alternativamente, el gas del producto 52 puede suministrarse ai lado del ánodo 124 sobre el segundo reactor de transporte de iones 112, en cuyo caso la corriente dei permeato 116 contiene una mezcla de dióxido de carbono, oxígeno y vapor de agua. Si el vapor de agua se remueve, tal como por condensación, el gas contendrá aproximadamente 75% a 92% en volumen de oxígeno. Se obtiene oxígeno puro, después de la separación y recuperación del dióxido de carbono y el secado adicional. Las ventajas de la invención descritas en la presente serán más evidentes a partir de los siguientes ejemplos: Ejemplo 1 La Figura 6 ilustra esquemáticamente un sistema que integra una celda de combustible de óxido sólido 10, un primer reactor de transporte de iones 11 y un segundo reactor de transporte de iones 112 para co-producir energía eléctrica para la carga 24, oxígeno como gas de producto 52 y nitrógeno de alta presión 104 y nitrógeno de baja presión 106. Las corrientes de producto de nitrógeno se proporcionan de manera que ia energía producida por la turbina de gas 138 es suficiente para impulsar el compresor de aire 32. Una alimentación de gas que contiene oxígeno 28, aire, se comprime por el compresor 32 a una presión a alrededor de 1067.95 kPa y después de haber sido precaientada en el intercambiador de gas de recuperación 66 se suministra al primer lado del cátodo 14 y en donde se calienta además a una temperatura de aproximadamente 950°C debido al calor generado por ias reacciones exotérmicas que se presentan en el primer lado del ánodo 16. La celda de combustible de óxido sólido 10 genera energía eléctrica que se extrae y después del acondicionamiento se suministra a la carga 24, tal como una red de energía externa. Ei contenido de oxígeno de la corriente de gas de oxígeno agotada parcialmente 38 es de aproximadamente 15% en volumen. La corriente 38 se suministra al tercer lado del cátodo 126 del segundo reactor de transporte de iones 112. El oxígeno que corresponde al 12% de contenido en el aire de alimentación se transporta a través de la segunda membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 114 de manera que el contenido de oxígeno de la corriente del retentato 118 contiene alrededor de 6% de oxígeno en volumen. La corriente 118 está a una temperatura elevada y rechaza el calor en un primer sobre-calentador 128 a la corriente de vapor 130. La corriente 122, ahora a una temperatura reducida, se introduce ai segundo lado del cátodo 40 en donde el oxígeno residual contenido se remueve por una corriente de gas de purga de reacción 68, que consiste normalmente de combustible y productos de combustión que provienen del primer lado del ánodo 16 del primer reactor de transporte de iones 11. La corriente agotada de oxígeno 54, ahora una corriente de nitrógeno con alta pureza, se divide a la unión 132 en una primera corriente 134 que se recupera como producto de nitrógeno de alta presión 104 y una segunda corriente 136 que se expande en la turbina 138 la cual impulsa el compresor 32. La separación entre las corrientes 136 y 134 es proporcionada de manera que ia energía suministrada por la turbina 138 satisface los requerimientos del compresor 32 cuando la turbina y el compresor se acopian mecánicamente. El flujo en exceso del requerido se recupera como producto de nitrógeno de alta presión 104. El calor de desecho de la segunda corriente expandida 140 se recupera por el ciclo Rankine 110 antes de descargarse del sistema como corriente de nitrógeno de baja presión 106. El combustible gaseoso 30 se calienta en el intercambiador de calor de recuperación 66 y se suministra al segundo lado del ánodo 16. En el primer lado del ánodo 16, el combustible gaseoso 30 reacciona exotérmicamente con oxígeno transportado para producir energía eléctrica y calor. La corriente del permeato 68 que sale del primer lado del ánodo 16 contiene combustible no quemado en exceso y productos de combustión y se introducen al segundo lado del ánodo 50 del primer reactor de transporte de iones 11 para servir como la corriente de purga reactiva para la remoción de oxígeno residual de ia alimentación de gas agotada de oxígeno parcialmente 122. El permeato 144 del segundo lado del ánodo contienen principalmente ios productos de combustión (dióxido de carbono y vapor de agua) y se descarga después de la recuperación de calor útil en el intercambiador de calor de recuperación 66. Alternativamente, el combustible gaseoso 30 se comprime por un elemento convencional (no mostrado) y el primer lado del ánodo 16 y el segundo lado del ánodo 50 después se operan aproximadamente a la misma presión que los primero y segundo lados del cátodo 14 y 40. Si esto se hace, los productos de lado del ánodo de combustión se pueden suministrar a ia presión para la recuperación de corriente abajo aumentada de dióxido de carbono o, si no se desea un coproducto de dióxido de carbono se agrega a la segunda corriente de nitrógeno de alta presión 136 y se expande. Esto permitirá la recuperación del nitrógeno de alta presión adicional como producto 140 o la exportación de energía adicional. El tercer lado del ánodo 124 se purga por una gas de barrido (vapor en esta construcción) generado bombeando el agua de alimentación 74 por la bomba 76 a una presión de aproximadamente 6890 kPa y suministrándolo a un hervidor/calentador 146 que lo convierte en vapor 130. El vapor después se sobrecalienta en un segundo sobre calentador 148 a una temperatura que es suficiente para evitar condensación y humedad durante la expansión subsecuente a una presión de aproximadamente 1033.5 kPa en turbina de alta presión 150. La corriente expandida 130 se vuelve a calentar en el primer supercalentador 128 y se usa para purgar el tercer lado del ánodo 124. Esto mejor la recuperación de oxígeno e incrementa la fuerza de impulsión para el transporte de oxígeno. Dicha aplicación para un circuito de vapor se describe más completamente en la Solicitud de Patente de E.U.A. Serie No. 08/972,020 de propiedad común, copendiente (Caso de Documento NO. D-20, 345) que se incorpora aquí por referencia. La corriente 78 tiene una presión parcial de oxígeno de alrededor de 137.8 kPa y se suministran a una turbina de vapor de baja presión 152 a una presión de aproximadamente 1033.5 kPa. La salida expandida 154, ahora a una presión de 110.24 kPa, se enfría en el segundo sobre-calentador 148 proveyendo el calor requerido para sobrecalentar el vapor 130. La corriente de salida enfriada 156 entra al condensador 158 en donde una porción principal de agua contenida se condensa, permitiendo la recuperación del oxígeno como gas de producto 52 desde el separador 90. El agua reciclada 92 se puede combinar con el agua de alimentación para regresarla a la bomba 76 y así regresarla a una presión de 6890 kPa para completar el circuito de vapor. La Tabla 1 identifica que las entradas utilizadas para modelar el sistema ilustrado en la Figura 6, Tabla 1 Los resultados calculados para el sistema se tabula n en la Tabla 2. Tabla 2 Los resultados de la Tabla 2 exhiben un potencial de desempeño muy atractivo en términos de regímenes de calor realizados sin importar las temperaturas pico relativamente moderadas empleadas en el ciclo mientras que se obtienen recuperaciones de oxígeno respetables en comparación con los sistemas convencionales. Como beneficio adicional, una fracción significativa del nitrógeno contenido en el aire, se suministra con presión. Ejemplo 2 La Figura 7 representa esquemáticamente otro sistema integrado de acuerdo con la. invención. Este sistema es particularmente efectivo para la producción de nitrógeno esencialmente libre de nitrógeno con la opción de la coproducción de oxígeno y dióxido de carbono. El uso de los parámetros presentados en la Tabla 3 siguiente, la celda de combustible de óxido sólido 10 se dimensiona para suministrar suficiente energía para impulsar el compresor de aire 162. Una alimentación de gas que contiene oxígeno, preferiblemente aire, se comprime por el compresor de aire 162 a una presión de aproximadamente 1067.95 kPa. El aire comprimido después se precalienta, de manera que mediante ei intercambiador de calor de recuperación 66, a una temperatura de aproximadamente 800°C e introducido al primer lado del cátodo 14 de la celda de combustible de óxido sólido. El combustible gaseoso 30 se introduce al primer lado del ánodo 16 y se hace reaccionar exotérmicamente con iones de oxígeno transportados a través de la membrana de cerámica 12 generando calor, eléctrica y corriente del lado del ánodo 68 que es una mezcla de productos de combustión y combustible gaseoso. La energía eléctrica generada se utiliza para impulsar un motor eléctrico 164 que impulsa el compresor de aire 162. La corriente del retentato agotada de oxígeno parcialmente 38 que sale de ia celda de combustible de óxido sólido 10 está a una temperatura de aproximadamente 950°C. Alrededor de 12% en volumen de oxígeno contenido en ei aire se consume por la reacción con el combustible gaseoso 30 en el primer lado del ánodo 16. La corriente agotada de oxígeno parcialmente 38 sé conduce al tercer lado del cátodo 126 del segundo reactor de transporte de iones 112 en donde alrededor de 60% en volumen, del oxígeno restante se transporte a través de la segunda membrana de transporte de iones selectiva 114. Para aumentar la remoción y recuperación potencial de una fracción significativa contenida dei oxígeno dentro de la corriente 38, el tercer lado del ánodo 124 se barre con productos de combustión del primer lado del ánodo 16, el segundo lado del ánodo 50 o la combinación de ambos. El gas de barrido reduce ia presión parcial de oxígeno en el tercer lado del ánodo 124 para incrementar la recuperación de oxígeno y/o el potencial de impulsión para la transferencia de oxígeno. La corriente del retentato 118 del tercer lado del cátodo 126 contiene a alrededor de 6% en volumen de oxígeno. La corriente 118 se enfría en el intercambiado de calor 166 produciendo una corriente de temperatura reducida 122 para funcionar como un recipiente para calor 168 para absorber calor de la reacción generada corriente abajo en el primer reactor de transporte de iones 11. El calor rechazado de la corriente de retentato con bajo contenido de oxígeno 118 en el intercambiador de calor 166 se puede usar para elevar el vapor 170 para exportación u otros usos. La corriente de temperatura reducida 122 se suministra al segundo lado del cátodo 40 en donde el resto del oxígeno contenido se transporta a través de la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno 44 y reacciona con el combustible gaseoso contenido dentro de la mezcla de combustible gaseoso/productos de combustión 68 en el segundo lado del ánodo 50. La corriente de gas agotada de oxígeno 54 removida del segundo lado del cátodo 40 contiene menos de 10 ppm de oxígeno y se puede suministrar, después de la recuperación de calor útil, como un producto de nitrógeno de alta presión 104. El combustible gaseoso 30 se precalienta en el intercambiador de calor de recuperación 66 y se suministra al primer lado del ánodo 16 y reacciona con oxígeno transportado a través de la membrana de cerámica 12 del primer lado del cátodo 14. Dado que el combustible gaseoso 30 contiene también el combustible requerido en el primer reactor de transporte de oxígeno 11, ia presión parcial promedio del combustible gaseoso en la celda de combustible de óxido sólido 10 se eleva para aumentar la eficiencia. La corriente de permeato de salida 68 contiene combustible gaseoso diluido por los productos de combustión y entra el segundo lado del ánodo 50 del primer reactor de transporte de iones 11 para remover el oxígeno transportado a través de la membrana de cerámica 44 y el segundo lado del cátodo 40 por una purga reactiva. La corriente de permeato que sale 144 contiene productos de combustión, una mezcla de vapor de agua y dióxido de carbono y es útil como un gas de barrido para purgar el tercer lado del ánodo 124 del segundo reactor de transporte de iones 112. La corriente de permeato 78 que sale del segundo reactor de transporte de iones 112 contiene una mezcla de productos de combustión y oxígeno. Después de la recuperación de calor de desecho útil en el intercambiador de calor de recuperación 66, el condensador 158 y el separador 160 se utilizan para recuperar un gas de producto de oxígeno con baja pureza 52 que contiene a alrededor de 75% en volumen, de oxígeno con el volumen de las impurezas siendo dióxido de carbono. Si se requiere, el dióxido de carbono se puede remover de un proceso corriente abajo y se puede recuperar el oxígeno. El agua reciclada 92 se descarga apropiadamente. Si no se desea oxígeno o dióxido de carbono, la corriente 78 también puede descargarse después de ia recuperación de calor útil en el recuperador 66. La Tabla 3 identifica los parámetros de entrada para el sistema ilustrado esquemáticamente en la Figura 7.

Tabla 3 Los resultados de los cálculos que utilizan las entradas de la Tabla 3 se tabulan en la Tabla 4.

Tabla 4 Una ventaja del sistema ilustrado en la Figura 7 es que la eficiencia se aumenta por ia disponibilidad del diluyente de combustible, en la forma de productos de combustión de la celda de v 42 combustible de óxido sólido 10 y el primer reactor de transporte de iones 1 1 para purgar ei segundo reactor de transporte de iones 1 12. Esto permite regímenes de recuperación altos de nitrógeno y oxígeno. Un sistema de separación no integrado (celda de 5 combustible separada que acciona el compresor o una membrana de transporte de iones independiente) podría quemarse por el gasto de capital adicional de aire separado y circuitos de combustible, las desventajas de capital y energ ía debido a una celda de combustible más g rande que se requiere para suministrar la energía de comprensión de aire para ambos sistemas y desventajas de mayor energía debido a las perdidas de diferencial de temperatura final de enfriamiento, probablemente dando como resultado el uso de combustible menos eficiente . Los aspectos específicos de la invención se muestran en uno o más de los dibujos únicamente para conveniencia, dado que cada aspecto puede combinarse con otros aspectos de acuerdo con la invención . Las modalidades alternativas serán reconocidas por los aspectos en la materia y se pretende que se incluyan dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

1. REIVI N DICACION ES 1 . Un proceso para la generación de energía eléctrica y una corriente de gas de producto de una mezcla de un gas de corriente que contiene oxígeno y una primera corriente de combustible gaseoso , comprendiendo: (a) proveer una celda de combustible de óxido sólido que tiene un primer lado del cátodo y un primer lado del ánodo; (b) proveer un primer reactor de transporte de iones que tiene en el mismo una membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno, la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno teniendo un segundo lado del cátodo y un segundo lado del ánodo, (c) poner en contacto la corriente de gas que contiene oxígeno con el primer lado del cátodo y poner en contacto la primera corriente de combustible gaseoso con el primer lado del ánodo; (d) transportar una primera porción de oxígeno de la corriente de gas que contiene oxígeno del primer lado def cátodo al primer lado del ánodo; (e) hacer reaccionar la primera porción de oxígeno con la primera corriente de combustible gaseoso en el primer lado del ánodo y generar un flujo de electrones del primer lado del ánodo al primer lado del cátodo; (f) recuperar el flujo de electrones como energía eléctrica; (g) di rigir u n resto de la corriente de gas que contiene oxíge no como u na primera corriente de retentato desde el primer lado del cátodo al segu ndo lado del cátodo ; (h) poner en contacto la primera corriente de retentato con el segundo lado del cátodo y transportar a una segunda porción de oxígeno del segundo lado del cátodo al segundo lado del ánodo; y (i) recuperar una corriente de gas como la corriente de gas de producto de por lo menos un primer lado dei cátodo, el primer lado del ánodo, el segundo lado del cátodo y el segundo lado del ánodo.
2. 2. El proceso de la reivindicación 1 , en donde la corriente de gas que contiene oxígeno incluye aire.
3. 3. El proceso de ia reivindicación 2 , que incluye además comprimir aire antes de poner en contacto el primer lado del cátodo.
4. 4. El proceso de la reivindicación 3 , que incluye además recuperar oxígeno como corriente de gas de producto del segundo lado del ánodo.
5. 5. El proceso de la reivindicación 4, que incluye además hacer reaccionar una corriente de gas de retentato que sale del segundo lado del cátodo con una segunda corriente de combustible gaseoso para generar p roductos de combustión .
6. 6. El proceso de la reivindicación 5, en donde ios productos de comb ustión se utilizan para impulsar una turbina.
7. 7. El proceso de la reivindicación 2 , en donde un intercambiador de calor de recuperación transfiere calor de por lo m enos u n a corriente , después de poner en contacto la corriente con por lo menos uno de los primero y segundo lados del cátodo y ánodo, a dicho aire y a la primera corriente de combustible gaseoso corriente arriba de la celda de combustible de óxido sólido.
8. 8. El proceso de la reivindicación 2, que incluye además barrer el segundo lado del ánodo con vapor a una presión elevada por lo que una corriente de gas de permeato que sale del segundo lado del ánodo contiene una mezcla de vapor y oxígeno.
9. 9. El proceso de la reivindicación 8, que incluye además ajustar la relación de vapor a oxígeno en la corriente de gas de permeato desde el segundo lado del ánodo en una relación molar efectiva para la gasificación de carbón vegetal.
10. 10. El proceso de la reivindicación 9, en donde el paso de ajuste comprende dividir la corriente de gas de permeato del segundo lado del ánodo en una primera porción y una segunda porción , enfriar la segunda porción , condensar agua de la segunda porción , comprimir el gas restante de la segunda porción de regreso a la presión de la corriente de gas del permeato y después recombinar la primera porción y la segunda porción .