MXPA00003019A - Proceso para combustion enriquecida usando sistemas de conductores ionicos de electrolito solido - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere:Un proceso de combustión u oxidación parcial para usar un oxidante con una baja concentración de nitrógeno. Un gas que contiene oxígeno se introduce a un módulo de transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de retenido con una primera presión y un lado de permeado con una segunda presión para separar una corriente de gas oxígeno purificado en el lado de permeado y que agota correspondientemente el oxígeno en el lado de retenido para producir la corriente de gas agotado en oxígeno, Una corriente de gas de purga que contiene una baja concentración de nitrógeno se pasa al lado de permeado para formar una corriente de oxidante que contiene menos de aproximadamente 40%de oxígeno. La corriente de oxidante y un combustible se introducen entonces a una cámara de combustión o reacción para producir calor y productos de combustión u oxidación parcial.

Description

PROCESO PARA COMBUSTIÓN ENRIQU ECI DA USAN DO SISTEMAS DE CONDUCTORES IÓN ICOS DE ELECTROLITO SOLI DO REFERENCIA CRUZADA CON SOLICITU DES RELATIVAS Esta es una parte en continuación de la solicitud de patente de E. U . , No. de Serie 08/868,962, presentada el 5 de junio de 1997.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a la integración de combustión mejorada con oxígeno con procesos de separación de oxígeno que emplean membranas de conductor iónico de electrolito sólido, y más particularmente, a la integración de estos procesos para mejorar la economía, eficiencia y problemas relacionados con contaminación de procesos de combustión que usan una corriente de oxígeno diluido como el oxidante.

ANTECEDENTES DE LA I NVENCIÓN Se han usado muchos sistemas diferentes de separación de oxígeno, por ejemplo, sistemas de membrana polimérica orgánica, para separar gases seleccionados a partir del aire y otras mezclas de gases. El aire es una mezcla de gases que pueden contener cantidades variables de vapor de agua y, al nivel del mar, tiene la siguiente composición aproximada en volumen: oxígeno (20.9%), nitrógeno (78%), argón (0.94%), con el resto que consiste de otras gases en trazas. Sin embargo, se puede hacer un tipo de membrana enteramente diferente a partir de ciertos óxidos inorgánicos. Estas membranas de electrolito sólido están hechas de óxidos inorgánicos, tipificados por óxidos de circonio estabilizados con calcio o itrio y análogos que tienen una estructura de fluorita o perovskita. Algunos de estos óxidos sólidos tienen la habilidad para conducir iones de oxígeno a temperaturas elevadas si se aplica un potencial eléctrico a través de la membrana, es decir, son impulsados eléctricamente o solamente conductores iónicos. Investigaciones recientes han conducido al desarrollo de óxidos sólidos que tienen la habilidad de conducir iones oxígeno a temperaturas elevadas si se aplica un potencial impulsor químico. Estos conductores iónicos impulsados a presión o conductores mixtos pueden ser usados como membranas para la extracción de oxígeno a partir de corrientes de gases que contienen oxígeno si se aplica una relación suficiente de presiones parciales de oxígeno para proveer un potencial impulsor químico. Puesto que la selectividad de estos materiales para el oxígeno es infinita y se pueden obtener flujos de oxígeno de generalmente varias veces de magnitud mayor que para membranas convencionales, se crean oportunidades atractivas para la producción de oxígeno usando estas membranas transportadoras de iones. Aunque el potencial de estos materiales cerámicos de óxidos como membranas de separación de gases es grande, hay ciertos problemas en su uso. La dificultad más obvia es que todos los materiales conocidos de cerámicas de óxidos exhiben una apreciable conductividad de iones oxígeno a temperaturas elevadas solamente. Usualmente deben ser operadas muy por arriba de 500°C, generalmente en el rango de 600°C a 900°C. Esta limitación permanece a pesar de la gran investigación para encontrar materiales que trabajen bien a temperaturas menores. La tecnología de conductores iónicos de electrolito sólido se describe con más detalle en la Patente de E. U. , No. 5, 547,494, de Prasad et al. , titulada "Membrana de Electrolito en Etapas", la cual es incorporada en la presente por referencia para describir más completamente el estado del arte. Los procesos de combustión, sin embargo, operan usualmente a alta temperatura y por lo tanto hay el potencial para integrar eficientemente sistemas de transporte de iones con procesos de combustión mejorada con oxígeno y la presente invención involucra esquemas novedosos para la integración de sistemas de transporte de iones con procesos de combustión mejorada con oxígeno. La mayoría de los procesos de combustión convencionales usan la fuente de oxígeno más conveniente y abundante, es decir, aire. La presencia de nitrógeno en el aire no beneficia el proceso de combustión y, por el contrario, puede crear muchos problemas. Por ejemplo, el nitrógeno reacciona con el oxígeno a temperaturas de combustión, formando óxidos de nitrógeno (NOx), un contaminante indeseable. En muchos casos, los productos de combustión deben ser tratados para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno por debajo de los límites aceptables ambientalmente. Además, la presencia del nitrógeno incrementa el volumen del gas de chimenea el cual a su vez incrementa las pérdidas de calor en el gas de chimenea y disminuye la eficiencia térmica del proceso de combustión. Para minimizar estos problemas, se ha practicado comercialmente durante muchos años la combustión enriquecida con oxígeno (OEC). Hay varios beneficios de la combustión enriquecida con oxígeno que incluyen emisiones reducidas (particularmente óxidos de nitrógeno), eficiencia aumentada de la energía, volumen reducido del gas de chimenea, combustión más limpia y más estable, y el potencial para eficiencia termodinámica incrementada en ciclos corriente abajo. Estos beneficios de la OEC deben ser ponderados, sin embargo, contra el costo del oxígeno que debe fabricarse para esta aplicación . Como consecuencia, el mercado para la OEC depende grandemente del costo de producción de gas enriquecido con oxígeno. Se ha estimado que se requerirían tanto como 100,000 tons. por día de oxígeno para los nuevos mercados en la OEC si el costo del gas enriquecido con oxígeno pudiera reducirse a aproximadamente $ 15/ton. Parece que los procesos de separación de gases que emplean membranas transportadoras de iones tienen la promesa de alcanzar esa meta. La OEC se discute en detalle en Oxigen Enriched Combustión System Performance Studv. de H. Kobayashi, Vol. 1 : Technical and Economic Analvsis (Reporte #DOE/ID/12597) . 1986, y Vol 2: Market Assessment (Report #DOE/I D/12597-3). 1 987, Union Carbide Company-Linde División, reportes para el Departamento de Energía de los E. U . , Washington, D. C). La literatura relacionada con la tecnología de conductores de transporte de iones para uso en separación de oxígeno a partir de corrientes de gases incluye: m-tWtíSSÉm.l£» - Hegarty, Patente de E. U. , No. 4,545,787, titulada Proceso para Producir Oxígeno Sub-Producto de la Generación de Energía por Turbina, se refiere a un método para generar energía a partir de una corriente de aire comprimida y calentada, mediante la eliminación de oxígeno de la 5 corriente de aire, quemando una porción de la corriente de aire resultante con una corriente de combustible, combinando el efluente de combustión con otra porción de la corriente de aire resultante, y expandiendo el producto de combustión final a través de una turbina para generar energía. Hegarty menciona el uso de membranas compuestas de plata y 10 membranas de electrolito sólido de óxidos metálicos para remover el oxígeno de la corriente de aire. Kang y colaboradores, Patente de E. U . , No. 5,516,359, titulada Método Integrado de Alta Temperatura para Producción de Oxígeno, se refiere a un proceso para separar oxígeno a partir aire calentado y 15 comprimido usando una membrana de conductor iónico de electrolito sólido donde el producto no permeado se calienta adicionalmente y se pasa a través de una turbina para generación de energía. Mazanec y colaboradores, Patente de E. U . , No. 5, 160,713, titulada Proceso para Separar Oxígeno a Partir de un Gas que Contiene Oxígeno Usando una Membrana que Contiene Dos Óxidos Metálicos Mixtos, describe materiales que contienen bismuto que pueden usarse como conductores de iones oxígeno. Publicaciones relacionadas con combustión enriquecida o mejorada con oxígeno (OEC) incluyen los reportes del Depto. de Energía de los E. U . , antes mencionados por H . Kobayashi y Technical and .m ^ ^ ^£ t ^?^¿?^ &^l^ ál^^s¿,s^^i&, .MTIMT Economic Evaluation of Oxygen Enriched Combustión Systems for Industrial Furnace Aplications por H. Kobayashi , J. G. Boyle, J. G. Keller, J . B. Patton, y R. C. Jain, en Proceedinqs of the 1986 Symposium on Industrial Combustión Technologies, Chicago, I L, 29-30 de abril de 1986. ed. M. A. Lukasiewics, American Society for Metals, Metals Park, OH, las cuales discuten los diferentes aspectos técnicos y económicos de los sistemas de combustión mejorada con oxígeno. La combustión enriquecida con oxígeno ha sido practicada comercialmente usando oxígeno fabricado ya sea mediante procesos de destilación criogénica o no criogénicos tales como adsorción de presión oscilante (PSA). Todos estos procesos operan a o por debajo de 100° C y por lo tanto son difíciles de integrar térmicamente con procesos de combustión. Cuando la caldera de una planta de energía a vapor trabaja con oxígeno y combustible, la energía requerida para separar aire en la planta criogénica de la técnica actual es muy significativa y consume aproximadamente 16% de la energía total generada de la planta de energía de caldera a vapor de ciclo sencillo. La compresión del aire requerido para la separación del aire es la fuente principal de este requerimiento de energía. El oxígeno es muy caro para usarse en la mayoría de las aplicaciones para calderas. En una operación típica de una caldera calentada con aire-combustible, el aire se alimenta a una presión de varios centímetros de H2O a la cámara de combustión ¿í$?M. .M-«?i¡?K£fefc8l ¡fc> . . ,.-,,:.^.^.,^,- .^¿5^ que opera a aproximadamente la presión atmosférica. Comprimir el aire a una baja presión de aun pocos kg/cm2 man. se considera muy costoso debido al requerimiento de energía incrementado para la compresión y una pérdida consecuente de eficiencia en la generación de energ ía. Un problema práctico al usar membranas de cerámica es la carencia de control que resulta de la fuga en las juntas de cerámica y a través de las grietas en los tubos de membrana de cerámica. Los materiales de cerámica son susceptibles a desarrollar grietas por esfuerzos cuando se usan a temperaturas elevadas, y especialmente bajo condiciones cambiantes de temperatura. Por lo tanto, es altamente deseable desarrollar un sistema robusto de membrana de cerámica que pueda continuar operando eficiente y efectivamente a pesar de las grietas del tubo de membrana de cerámica debido a los esfuerzos térmicos y mecánicos.

OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN Es por lo tanto un objetivo de la invención proporcionar un proceso de combustión enriquecida con oxígeno o de oxidación parcial en el cual se alimenta aire al módulo de membrana de cerámica a presión cercana a la atmosférica y que requiere menos energía eléctrica substancialmente que la práctica convencional actual. Es otro objetivo de la invención minimizar la formación de NOx y pérdidas térmicas debidas al calentamiento del gas nitrógeno en el proceso de combustión.

Es otro objetivo aun de la invención recuperar una corriente de gas rico en nitrógeno del módulo de membrana de transporte de iones para usarse como un sub-producto. Es otro objetivo de la invención producir una corriente de gas de chimenea rico en dióxido de carbono para recuperación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención comprende un proceso de combustión u oxidación parcial para usar un oxidante con una concentración baja de nitrógeno. Un gas que contiene oxígeno se introduce a un módulo de transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de retenido con una primera presión y un lado de permeado con una segunda presión para separar una corriente de gas de oxígeno purificado en el lado de permeado y que agota correspondientemente el oxígeno en el lado de retenido para producir la corriente de gas agotado en oxígeno. Una corriente de gas de purga que contiene una baja concentración de nitrógeno se pasa al lado de permeado para formar una corriente de oxidante que contiene menos de aproximadamente 80% de oxígeno. La corriente de oxidante y un combustible se introducen entonces a una cámara de reacción o combustión para producir calor y productos de combustión u oxidación parcial. En una modalidad preferida, se usa aire como el gas que contiene oxígeno. La relación de la primera presión a la segunda presión es menor que 4.78, de preferencia entre 0.5 y 4.0, más preferiblemente entre 0.8 y 2.0, y lo más preferible entre 0.9 y 1 .5. La corriente de oxidante comprende entre 1 % a 40% de oxígeno, más preferiblemente entre 2% a 15% , y lo más preferible entre entre 3% a 10% de oxígeno. El gas de purga comprende menos de 10% de nitrógeno, de preferencia menos de 5% de nitrógeno. La temperatura de la corriente de oxidante es de preferencia arriba de 500° C y la corriente de oxidante se introduce a la cámara de combustión o reacción sin enfriamiento substancial.

BREVE DESCRI PCIÓN DE LOS DI BUJOS Otros objetivos, aspectos y ventajas de la invención se les ocurrirá a aquellos expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción de modalidades preferidas y los dibujos adjuntos, en los cuales: La Figura 1 es un diagrama esquemático que muestra la integración de una producción de oxígeno por transporte de iones con combustión enriquecida con oxígeno y un proceso corriente abajo; La Figura 2 es un diagrama esquemático que muestra la integración de una producción de oxígeno por transporte de iones con combustión enriquecida con oxígeno y un proceso corriente abajo similar a la Figura 1 ; La Figura 3 es un diagrama esquemático similar a la Figura 2 en donde el quemador está integrado con el módulo de transporte de iones; La Figura 4 es un diagrama esquemático que muestra como están integrados en un solo módulo el proceso de transporte de iones, el quemador, y el proceso corriente abajo; La Figura 5 es un diagrama esquemático que muestra una modalidad del proceso de transporte de iones, el quemador, y el proceso corriente abajo integrados en un módulo sencillo; y La Figura 6 es un diagrama esquemático que muestra una modalidad de dos procesos de membrana transportadora de iones separados en la cual no se usa recirculación de gas de chimenea en uno de los procesos.

DESCRI PCIÓN DETALLADA DE LA I NVENCIÓN La invención será descrita ahora en detalle con referencia a las figuras en las cuales se usan numerales de referencia similares para indicar elementos similares. La presente invención describe configuraciones de proceso que permiten la integración económicamente atractiva de producción de oxígeno por transporte de iones con combustión enriquecida con oxígeno (OEC). Aunque los procesos impulsados por presión para membranas transportadoras de iones son preferidos debido a la simplicidad de su diseño, los conceptos descritos en la presente son aplicables a sistemas de membrana que utilizan ya sea una membrana de conductor iónico solamente que tiene electrodos y un circuito externo para retorno de electrones o una membrana de conductor mixto. Los procesos de producción de oxígeno comerciales actuales operan típicamente a temperaturas por debajo de 100° C. Debido a esta baja temperatura, no se ganan eficiencias significativas mediante la integración con un proceso de OEC. Las temperaturas elevadas de . #:. t*¿ l3ÍS£m.m- &Í operación (usualmente mayores arj$?o° C) hacen al proceso de transporte de iones intrínsecamente bien adecuado para integración con procesos de alta temperatura, tal como combustión, que usan oxígeno. Además, se mostrará que los gases de combustión de chimenea de escape pueden usarse benéficamente para aumentar el rendimiento de la membrana transportadora de iones. Los procesos tradicionales de producción de oxígeno (por ejemplo, procesos PSA, TSA, o en base a membranas) no pueden tomar ventaja fácilmente de los gases de chimenea de escape debido a su alta temperatura cuando dejan la cámara de combustión. La esencia de la configuración del proceso actual es una membrana transportadora de iones que emplea una membrana sólida conductora de iones oxígeno o conductora mixta para separar oxígeno de un gas que contiene oxígeno, típicamente, pero no necesariamente, aire, y para utilizar el oxígeno separado en un proceso corriente abajo que incluye, pero no está limitado a, combustión enriquecida con oxígeno. Para reducir la presión parcial de oxígeno en el lado de permeado en la membrana transportadora de iones, se usa un gas agotado en oxígeno (por ejemplo, gases de desecho del proceso de combustión o cualquier proceso corriente abajo) como una corriente de gas de purga. Tal purgado aumenta grandemente la fuerza impulsora a través de la membrana transportadora de iones y efectúa un alto flujo de oxígeno y un requerimiento de área de membrana menor. Estos beneficios se acumulan aun cuando la corriente de gas alimentada esté a una presión baja relativamente, por lo cual se reducen los requerimientos de energía del sistema a los de interés práctico. La recirculación del gas de j£S£úS>B&, *b&?mlÍ * *¿ combustión de escape es también benéfico porque proporciona una corriente de diluyente que es importante para controlar la temperatura en el quemador y minimizar la formación de NOx (por ejemplo, a partir del nitrógeno contenido en el aire ambiental que se infiltra). La eficiencia de este proceso podría ser aumentada también agregando combustible al gas de chimenea que entra al separador de oxígeno. Esto reduce adicionalmente la presión parcial de oxígeno en el lado de permeado, resultando en flujos de oxígeno aun mayores en el separador de transporte de iones. En algunas modalidades de la invención, el módulo de transporte de iones puede funcionar también como el quemador, a menos que la aplicación requiera una corriente de gas que salga del quemador a una temperatura por arriba de 1 , 100° C, la temperatura máxima de operación de muchas membranas transportadoras de iones actuales. Debe notarse que el calor necesario para mantener la temperatura del módulo de transporte de iones dentro del rango de operación puede proceder desde una variedad de fuentes conocidas por aquellos expertos en la técnica, incluyendo, por ejemplo, calor generado en un post-quemador y gases calientes productos de combustión recirculados, entre otros. En la mayoría de los conductores mixtos, la conductividad electrónica excede grandemente la conductividad de iones oxígeno a las temperaturas de operación de interés, y el transporte global de oxígeno de un lado al otro se controla mediante la conductividad de iones oxígeno. Se han identificado un número de conductores mixtos potenciales en ambas estructuras de cristal de fluorita y perovskita. El comportamiento de las membranas transportadoras de iones ha sido estudiado extensivamente (por ejemplo, para celdas de combustible) y pueden ser modeladas con precisión. La Tabla 1 es una lista parcial de conductores mixtos de interés para separación de oxígeno. Tabla I La Figura 1 es un diagrama esquemático que muestra la integración de producción de oxígeno por transporte de iones con combustión enriquecida con oxígeno. Durante la operación, se comprime la corriente 1 de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental, usualmente aire, a una presión relativamente baja en el ventilador o compresor 2 para producir la corriente 3 de gas de alimentación comprimido el cual se calienta en el intercambiador de calor 33 contra la corriente 31 de gas de desecho y la corriente 37 de gas nitrógeno producto para producir la corriente 4 de gas de alimentación calentada. La corriente 28 de gas puede dividirse a partir de la corriente 4 de gas de alimentación caliente y usada en el post-quemador 26 opcional para dejar la corriente 5 de gas de alimentación la cual es calentada opcionalmente en el calentador 34 para producir la corriente 6 caliente de gas de alimentación . La corriente 6 caliente de gas de alimentación entra entonces al lado de alimentación del módulo 35 de transporte de iones que emplea una membrana 7 transportadora de iones que tiene un lado 7a de retenido y un lado 7b de permeado. Una porción del oxígeno en la corriente 6 caliente de gas de alimentación es removida en * ^ & el módulo 35 de transporte de iones y la corriente 8 de gas que sale se vuelve enriquecida con nitrógeno con respecto a la corriente 1 de gas de alimentación. El lado 7b de permeado de la membrana 7 transportadora de iones se purga usando la corriente 9 de gas de purga que contiene productos de combustión . La corriente 1 0 de gas permeado contiene oxígeno y esta corriente 10 de gas se mezcla más tarde con la corriente 1 1 de gas combustible. La corriente 12 de aire, oxígeno o aire enriquecido con oxígeno puede agregarse opcionalmente a la corriente 10 de gas. La corriente 13 de gas combustible, después de pasar a través de un ventilador opcional (no mostrado), entra entonces al quemador 14. Opcionalmente o además de o en lugar de la corriente 1 1 de gas combustible, una corriente 15 de gas combustible puede alimentarse directamente al quemador u horno 14 para generar calor y transferir calor a una carga de horno o para calentar las superficies de transferencia. Operando el quemador 14 cerca de una condición estequiométrica o ligeramente rica en combustible, la concentración de oxígeno en la corriente 16 de gas de escape puede mantenerse en niveles bajos. En esta modalidad la corriente 16 de gas de escape del quemador 14 se divide en dos porciones, la corriente 17 de gas y la corriente 18 de gas. La corriente 18 de gas se usa opcionalmente en el proceso 19 corriente abajo que requiere aporte de calor y la corriente 20 de gas de escape relativamente más fría del proceso 19 corriente abajo puede dividirse también en dos porciones, la corriente 21 de gas de escape y la corriente 22 de gas de escape. La corriente 25 de gas combustible puede agregarse a la corriente 21 de ga^ li escape para producir la corriente 38 de gas. La corriente 38 de gas puede agregarse a la corriente 17 de gas para producir la corriente 9 de gas la cual entra al módulo 35 de transporte de iones y se usa para purgar el lado 17b de permeado de la membrana 7 transportadora de iones. Aunque no se muestra en la presente, la corriente 17 de gas o quemador 14 pueden usarse para calentar el aire 3 de alimentación y/o la corriente 5 calentada de gas de alimentación mediante intercambio de calor para producir la corriente 6 caliente de gas de alimentación en lugar se usar el intercambiador de calor 33 y/o ei calentador 34 opcional. La corriente 22 de gas de escape alimentada opcionalmente a un post-quemador 26 opcional donde la corriente 27 de aire o la corriente 28 de gas se agrega opcionalmente para producir la corriente 29 caliente de gas de desecho. La corriente 29 caliente de gas de desecho puede convertirse en la corriente 30 de gas o en la corriente 31 de gas. Como se mencionó antes, la corriente 31 de gas se usa en el intercambiador de calor 33 para calentar la corriente 3 de gas de alimentación comprimido para producir la corriente 32 de gas de desecho. La corriente 30 de gas puede mezclarse con la corriente 8 de gas retenido rico en nitrógeno si el nitrógeno no se va a usar como un sub-producto y si la temperatura de la corriente 30 de gas de escape es adecuadamente alta. Cuando la corriente 8 de gas retenido está a una presión mayor que la corriente 30 de gas de escape y puede ser necesario liberar la presión en exceso de la corriente 8 de gas retenido usando la válvula 23 de expansión para producir la corriente 34 de gas retenido antes de que se mezcle con la corriente 30 de gas. Cuando la presión de la corriente 8 excede 2 atm, es ventajoso reemplazar la válvula 23 de expansión con una turbina de expansión para extraer trabajo de la flecha o para generar energía. Si la corriente 24 de gas retenido se desea como una corriente de gas producto rica en nitrógeno, las corrientes 36 y 30 de gas no se mezclan. El uso de una corriente 9 de gas de purga agotado en oxígeno en el módulo 35 de transporte de iones disminuirá en gran medida la presión parcial de oxígeno en el lado 7b de permeado de la membrana 7 transportadora de iones y permitirá el transporte rápido de oxígeno a través de la membrana 7. Las corrientes 1 1 , 15 y 25 de gases combustibles pueden introducirse a la configuración de proceso en cualquiera o todos los puntos mostrados en la Figura 1 para obtener los beneficios de la invención; el uso de por lo menos una corriente de gas combustible es esencial para la invención. Por ejemplo, puede ser deseable agregar la corriente 25 de gas combustible corriente arriba del módulo 35 de transporte de iones para reducir en gran medida la presión parcial de oxígeno en el lado 7b de permeado de la membrana 7 transportadora de iones. Esto resultaría también en alguna generación de calor en el módulo 35 de transporte de iones debido a la combustión del combustible, con lo que se desvía algo de los requerimientos de calentamiento del proceso de transporte de oxígeno. En este caso, la corriente 8 de gas rico en nitrógeno que sale del módulo 35 de transporte de iones podría hacerse más caliente. Esto haría la transferencia de calor en el intercambiador de calor 33 más eficiente, con lo cual se reduciría el área requerida para el intercambio de calor y se eliminaría potencialmente la necesidad del calentador 34 corriente arriba del módulo 35 de transporte de iones. Si se puede quemar suficiente combustible en el módulo 35 de transporte de iones en el lado 7b de purga o de permeado de la membrana 7 transportadora de iones, se puede eliminar conjuntamente la necesidad de un quemador 14 separado, es decir, el módulo 35 de transporte de iones serviría también como el quemador (como se describe en la Figura 3). En tal situación, puede resultar una simplificación del sistema y una reducción de costos significativas. Los arreglos de purga reactiva están descritos en "Purga Reactiva para Separación de Gases por Membrana de Electrolito Sólido", E. U . , No. de Serie 08/567,699, presentada el 5 de Diciembre de 1995 e incorporada a la presente por referencia. La configuración preferida para los módulos de transporte de iones que utilizan una purga reactiva se describe en "Diseño de Reactor de Conductor Iónico de Electrolito Sólido", E. U. , No. de Serie 08/848,204, presentada el 29 de Abril de 1997 e incorporada también a la presente por referencia. Ambas solicitudes son de pertenencia común con la presente solicitud. Puede ser ventajoso operar el quemador 14 con una mezcla ligeramente rica en combustible porque esto conducirá a la oxidación parcial del combustible agregado a la corriente 10 de gas permeado, resultando en una corriente 16 de gas de escape que contiene gas hidrógeno y monóxido de carbono. Como se mencionó antes, la corriente 17 de gas se usa opcionalmente para purgar el lado 7b de permeado de mí ^???Síí la membrana 7 transportadora de iones. Debe notarse que el gas hidrógeno es un gas altamente reductor con una reactividad mayor que muchos otros combustibles gaseosos, y su presencia en el módulo 35 de transporte de iones resultará en una presión parcial de oxígeno extremadamente baja en el lado 7b de purga de la membrana 7 transportadora de iones y esto permitirá un transporte de oxígeno aun más rápido a través de la membrana 7 transportadora de iones. Por supuesto, se podrían alcanzar resultados similares introduciendo gas hidrógeno como la corriente 25 de gas combustible, sin embargo, no será efectivo en costo como la alimentación rica en combustible al quemador 14, puesto que el gas hidrógeno es un combustible relativamente caro. El uso de una alimentación rica en combustible para el quemador 14 como se describió obvia la necesidad de un uso de un gas hidrógeno producido previamente, puesto que el gas hidrógeno se produce como una parte del ciclo de proceso. Haciendo trabajar el quemador 14 en una condición rica en combustible, sin embargo, podría causar que las corrientes 18 y 22 de gas de escape contuvieran monóxido de carbono y gas hidrógeno, ambos de los cuales pueden ser venteados simplemente a la atmósfera si la concentración es baja. Como se mencionó antes, puede ser posible, sin embargo, instalar un post-quemador 26 (quizás catalítico) al cual se agrega aire 27 en exceso para quemar el monóxido de carbono y el gas hidrógeno si su concentración es suficientemente alta. La corriente 28 de gas de la corriente 4 de gas de alimentación caliente podría agregarse también al post-quemador 26 para proporcionar los requerimientos del post-quemador.

Es interesante notar que en virtud de la recirculación de productos de combustión como corriente 9 de gas de purga, y debido a la selectividad infinita de la membrana 7 transportadora de iones para el oxígeno, es posible limitar el aumento de temperatura de la corriente 13 de gas en el quemador 14 sin la necesidad de aire en exceso y excluir con esto al nitrógeno del proceso de combustión, lo cual elimina substancialmente la formación de NOx. Este efecto sinérgico es un principio general de la invención y es un aspecto de muchas de las modalidades de la invención. Los rangos típicos para los parámetros de operación del módulo de transportes de iones usados en la invención son como sigue: Temperatura: típicamente en el rango de 400- 1000° C, y de preferencia en el rango de 400-800° C. Presión : la presión en el lado de purga estará típicamente en el rango de 1 -3 atm. La presión en el lado de alimentación será de 0.8-3 atm si el nitrógeno no es sub-producto, y 1 -20 atm si el nitrógeno es un sub-producto. Conductividad de Iones Oxígeno (µ,) de la Membrana Transportadora de Iones: típicamente en el rango de 0.01 - 100 S/cm (1 S = 1/ohm). Espesor de la Membrana Transportadora de Iones: la membrana transportadora de iones puede emplearse en la forma de una película densa, o una película delgada soportada en un substrato poroso. El espesor (t) de la membrana/capa de transporte de iones será típicamente de menos que 5,000 micrones; de preferencia menos que 1 ,000 micrones, y lo más preferible menos que 100 micrones. Configuración: los elementos de la membrana transportadora de iones pueden ser tubulares o planos. Como se mencionó antes, se usan membranas transportadoras de iones asimétricas o compuestas (es decir, membranas impulsadas por presión) en los ejemplos discutidos en la presente. Las siguientes propiedades se basan en valores típicos reportados en la literatura para tales membranas como podrían usarse en la presente invención. 10 Espesor efectivo de membrana: 20 micrones Conductividad iónica, µ(: 0.5 S/cm Temperatura de operación: 800° C Porosidad de substrato: 40% 15 Se han empleado modelos matemáticos estándar para determinar las condiciones de operación para el proceso mostrado en la Figura 1 , es decir, el requerimiento de área de membrana y los aportes de potencia y energía térmica requeridos en varios puntos. Este ejemplo, que modela un proceso que usa una configuración de la Figura 1 , es para propósitos ilustrativos solamente y no se ha hecho ningún intento para optimizar ia configuración del proceso. La principal razón por la cual no se ha intentado una optimización es que la optimización está basada generalmente sobre consideraciones económicas y la producción comercial de sistemas de membrana transportadora de iones aun está lejos de ser madura, y no hay disponibles actualmente estimados de costos confiables en tales sistemas. Para el ejemplo presente, observando la Figura 1 , el combustible se agrega al proceso solamente como corriente 1 1 de gas combustible. Además, la corriente 17 de gas opcional no se considera, es decir, las corrientes 16 y 18 de gas son idénticas. Además, el nitrógeno no se ve como un sub-producto y la corriente 36 de gas retenido, obtenido a partir de la corriente 8 de gas retenido después de reducir la presión en exceso del retenido usando la válvula 23 de alivio, se mezcla con la corriente 30 de gas, tomada de la corriente 29 de gas de escape. En general, sin embargo, no es efectiva para bajar la presión de la corriente 8 de gas retenido o para agregar la corriente 30 de gas a la corriente 8 de gas retenido corriente arriba del intercambiador de calor 33. Puesto que la corriente 22 de gas de escape no contiene monóxido de carbono y gas hidrógeno, el post-quemador 26 no está instalado. Bases para el Ejemplo: un proceso corriente abajo que requiere un aporte de calor de 5 millones de BTU/hr.

La Figura 2 es un diagrama esquemático similar a la Figura 1 que muestra una alternativa más eficiente que usa la instalación de postquemador catalítico. Durante la operación, la corriente 41 de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental, usualmente aire, se comprime a una presión relativamente baja en el ventilador o compresor 42 para producir la corriente 43 de gas de alimentación comprimido el cual se calienta en el intercambiador de calor 73 contra la corriente 40 caliente de gas de desecho y la corriente 64 de gas nitrógeno producto para producir la corriente 44 de gas de alimentación calentada. La corriente 70 de gas puede dividirse a partir de la corriente 44 de gas de alimentación caliente y usarse en el post-quemador 69 opcional para &¿'A:?í'mf*&,¿¿, dejar la corriente 74 de gas de alimentación la cu9l«^ $ calentada opcionalmente en el calentador 75 para producir la corriente 45 caliente de gas de alimentación. La corriente 45 caliente de gas de alimentación entra entonces al lado de alimentación del módulo 46 de transporte de iones que emplea una membrana 47 transportadora de iones que tiene un lado 47a de retenido y un lado 47b de permeado. Una porción del oxígeno en la corriente 45 caliente de gas de alimentación es removida en el módulo 46 de transporte de iones y la corriente 48 de gas que sale se vuelve enriquecida con nitrógeno con respecto a la corriente 41 de gas de alimentación. El lado 47b de permeado de la membrana 47 transportadora de iones se purga usando la corriente 79 de gas de purga que contiene productos de combustión. La corriente 50 de gas permeado contiene oxígeno y esta corriente 50 de gas se mezcla más tarde con la corriente 51 de gas combustible. La corriente 52 de aire, oxígeno o aire enriquecido con oxígeno puede agregarse opcionalmente a la corriente 50 de gas. La corriente 53 de gas combustible, después de pasar a través de un ventilador opcional (no mostrado), entra entonces al quemador u horno 54. Opcionalmente o además de, o en lugar de la corriente 51 de gas combustible, una corriente 55 de gas combustible puede alimentarse directamente al quemador 54. En el quemador u horno 54 el calor es transferido a una carga o superficies de transferencia de calor. Operando el quemador 54 cerca de una condición estequiométrica o ligeramente rica en combustible, la concentración de oxígeno en la corriente 56 de gas de escape puede mantenerse en niveles bajos. *" ^Ék& La corriente 56 de gas de escape del quemador 54 puede dividirse en dos porciones, la corriente 57 de gas y la corriente 58 de gas. La corriente 58 de gas se usa en el proceso 59 corriente abajo que requiere aporte de calor y la corriente 60 de gas de escape relativamente más fría del proceso 59 corriente abajo puede dividirse también en dos porciones, la corriente 61 de gas de escape y la corriente 62 de gas de escape. La corriente 65 de gas combustible puede agregarse a la corriente 61 de gas de escape para producir la corriente 78 de gas. La corriente 78 de gas puede agregarse a la corriente 57 de gas para producir la corriente 79 de gas la cual entra al módulo 46 de transporte de iones y se usa para purgar el lado 47b de permeado de la membrana 47 transportadora de iones. La corriente 62 de gas de escape puede dividirse opcionalmente en dos porciones, la corriente 40 caliente de gas de desecho y la corriente 77 de gas. Como se mencionó antes, la corriente 40 caliente de gas de desecho se usa en el intercambiador de calor 73 para calentar la corriente 43 de gas de alimentación comprimido para producir la corriente 74 de gas de desecho. La corriente 77 de gas puede ser mezclada con la corriente 48 de gas retenido rico en nitrógeno si el nitrógeno no se va a usar como un sub-producto y si la temperatura de la corriente 77 de gas de escape es adecuadamente alta. La razón para este paso es remover cualquier combustible sin reaccionar en la corriente 62 de gas de escape mediante combustión en un post-quemador 69 y para generar también energía de calor para mejorar la eficiencia del intercambiador de calor 73. La corriente 48 de gas retenido es muy posiblemente que esté a una presión mayor que la corriente 77 de gas de escape y puede ser necesario liberar la presión en exceso de la corriente 48 de gas retenido usando la válvula 63 de expansión para producir la corriente 76 de gas retenido antes de que se mezcle con la corriente 77 de gas para producir la corriente 80 de gas. La corriente 80 de gas de alimenta al post-quemador 69 opcional donde la corriente 70 de gas de agrega opcionalmente para producir la corriente 39 caliente de gas de desecho. En este caso uno necesitaría asegurarse de que la corriente 80 contiene suficiente oxígeno para que la combustión proceda hasta su culminación. Como se mencionó antes, la corriente 70 de gas tomada de la corriente 44 calentada de gas de alimentación puede agregarse opcionalmente al post-quemador 69 para asegurar esto. Debe notarse que la relación de flujo de la corriente combinada se incrementa mezclando los gases de escape del módulo 46 de transporte de iones y el proceso 59 corriente abajo. Esto mejora el régimen de capacidad en el cambiador de calor 73 e incrementa la transferencia de calor a la corriente 43 de gas de alimentación comprimido. La corriente 64 de gas producto contendrá oxígeno (usado en exceso para asegurar la combustión completa) y productos de combustión si se usa el post-quemador 69 y la corriente 64 de gas producto se desecha generalmente como una corriente de desecho. Como con la modalidad de la invención mostrada en la Figura 1 , el uso de una corriente 79 de gas de purga agotada en oxígeno en el módulo 46 de transporte de iones disminuirá en gran medida la presión parcial de oxígeno en el lado 47b de permeado de la membrana 47 transportadora de iones y permitirá el transporte rápido de oxígeno a través de la membrana 47. Xas corrientes 51 , 55 y 65 de gases combustibles pueden introducirse a la configuración del proceso en cualquiera o todos los puntos mostrados en la Figura 2 para obtener los beneficios de la invención y el uso de por lo menos una corriente de gas combustible es esencial para la invención. Como antes, puede ser deseable agregar la corriente 65 de gas combustible corriente arriba del módulo 46 de transporte de iones para reducir en gran medida la presión parcial de oxígeno en el lado 47b de permeado de la membrana 47 transportadora de iones. Esto resultaría también en alguna generación de calor en el módulo 46 de transporte de iones debido a la combustión del combustible, con lo que se desvía algo de los requerimientos de calentamiento del proceso de transporte de oxígeno. En este caso, la corriente 48 de gas rico en nitrógeno que sale del módulo 46 de transporte de iones podría hacerse más caliente y esto podría hacer la transferencia de calor en el intercambiador de calor 73 más eficiente, con lo cual se reduciría el área requerida para el intercambio de calor y se eliminaría potencialmente la necesidad del calentador 75 corriente arriba del módulo 46 de transporte de iones. Si se puede quemar suficiente combustible en el módulo 46 de transporte de iones en el lado 47b de purga o de permeado de la membrana 47 transportadora de iones, se puede eliminar conjuntamente la necesidad de un quemador 54 separado, es decir, el módulo 46 de transporte de iones serviría también como el quemador (como se describe en la Figura 3). En tal situación , puede resultar una simplificación del sistema y una reducción de costos significativas.

Como con la modalidad de la invención mostra<#áfe©& „ a Figura 1 , puede ser ventajoso operar el quemador 54 con una mezcla ligeramente rica en combustible porque esto conducirá a la oxidación parcial del * . combustible agregado a la corrie^^SO de gas permeado, resultando en una corriente 56 de gas de escape que contiene gas hidrógeno y monóxido de carbono. Como se mencionó antes, la corriente 57 de gas se usa opcionalmente para purgar el lado 47b de permeado de la membrana 47 transportadora de iones y la presencia de gas hidrógeno en el módulo 46 de transporte de iones resultará en una presión parcial de oxígeno extremadamente baja en el lado 47b de purga de la membrana 47 transportadora de iones y esto permitirá un transporte de oxígeno aun más rápido a través de la membrana 47 transportadora de iones. El uso de una alimentación rica en combustible para el quemador 54 produce gas hidrógeno como una parte del ciclo de proceso. Como se mencionó antes, puede ser posible, instalar un post-quemador 69 (quizás catalítico) para quemar el monóxido de carbono y el gas hidrógeno si su concentración es suficientemente alta. La Figura 3 es un diagrama esquemático que muestra otra modalidad de la invención donde el quemador está integrado con el módulo de transporte de iones, es decir, donde el módulo de transporte de iones sirve el mismo como el quemador. Durante la operación , la corriente 81 de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental, usualmente aire, se comprime a una presión relativamente baja en el ventilador o compresor 82 para producir la corriente 83 de gas de alimentación comprimido el cual se calienta en el intercambiador de calor 1 13 contra la corriente 136 caliente de gas de desecho y la corriente 93 de gas nitrógeno producto ^fÜara producir la corriente 95 de gas de alimentación calentada. La corriente 1 10 de gas puede dividirse a partir de la corriente 95 de gas de alimentación caliente y usarse en el post-quemador 109 opcional para dejar la corriente 84 de gas de alimentación la cual es calentada opcionalmente en el calentador 1 14 para producir la corriente 85 caliente de gas de alimentación. La corriente 85 caliente de gas de alimentación entra entonces al lado de alimentación del módulo 86 de transporte de iones-quemador que emplea una membrana 87 transportadora de iones que tiene un lado 87a de retenido y un lado 87b de permeado. Una porción del oxígeno en la corriente 85 caliente de gas de alimentación es removida en el módulo 86 de transporte de iones-quemador y la corriente 88 de gas que sale se vuelve enriquecida con nitrógeno con respecto a la corriente 81 de gas de alimentación. El lado 87b de permeado de la membrana 87 transportadora de iones se purga usando la corriente 89 de gas de purga que contiene productos de combustión y combustible. La corriente 50 de gas permeado contiene oxígeno y la corriente 92 de aire puede ser agregada opcionalmente a la corriente 90 de gas para producir la corriente 98 de gas. Operando el módulo de transporte de iones-quemador 86 cerca de una condición estequiométrica o ligeramente rica en combustible, la concentración de oxígeno en la corriente 90 de gas de escape puede mantenerse en niveles bajos. La corriente 98 de gas se usa en el proceso 99 corriente abajo que requiere aporte de calor y la corriente 100 de gas de escape relativamente más fría del proceso 99 corriente abajo puede dividirse también en dos -porciones, la corriente 101 dre gas de escape y la corriente 102 de gas de escape. La corriente 105 de gas combustible se agrega de preferencia a la corriente 101 de gas de escape para producir la corriente 89 de gas la cual entra al módulo 86 de transporte de iones-quemador y se usa para purgar el lado 87b de permeado de la membrana 87 transportadora de iones. La corriente 102 de gas de escape puede dividirse opcionalmente en dos porciones, la corriente 1 16 caliente de gas de desecho y la corriente 1 15 de gas. Como se mencionó antes, la corriente 1 16 caliente de gas de desecho se usa en el intercambiador de calor 1 13 para calentar la corriente 83 de gas de alimentación comprimido para producir la corriente 1 17 de gas de desecho. La corriente 1 15 de gas puede ser mezclada con la corriente 88 de gas retenido rico en nitrógeno si el nitrógeno no se va a usar como un sub-producto y si la temperatura de la corriente 1 15 de gas de escape es adecuadamente alta. La razón para este paso es remover cualquier combustible sin reaccionar en la corriente 102 de gas de escape mediante combustión en un post-quemador 109 y para generar también energía calorífica para mejorar la eficiencia del intercambiador de calor 1 13. La corriente 88 de gas retenido es muy posiblemente que esté a una presión mayor que la corriente 1 15 de gas de escape y puede ser necesario liberar la presión en exceso de la corriente 88 de gas retenido usando la válvula 103 de expansión para producir la corriente 1 18 de gas retenido antes de que se mezcle con la corriente 1 15 de gas para producir la corriente 1 19 de gas.

La corriente 1 1 9 deyjas df«?fnenta al post-quemador 10F opcional donde la corriente 1 10 de ?j| le agrega opcionalmente para producir la corriente 93 caliente de gas de desecho. En este caso uno necesitaría asegurarse de que la corriente 119J lhtiene suficiente oxígeno para que la combustión proceda hasta su culminación . Como se mencionó antes, la corriente 1 10 de gas tomada de la corriente 95 calentada de gas de alimentación puede agregarse opcionalmente al post-quemador 109 para asegurar ésta. Debe notarse que la relación de flujo de la corriente combinada se incrementa mezclando los gases de escape del módulo 86 de transporte de iones-quemador y el proceso 99 corriente abajo. Esto mejora el régimen de capacidad en el cambiador de calor 1 13 e incrementa la transferencia de calor a la corriente 83 de gas de alimentación comprimido. La corriente 94 de gas contendrá oxígeno (usado en exceso para asegurar la combustión completa) y productos de combustión si se usa el post-quemador 1 09 y la corriente 94 de gas se desecha generalmente como una corriente de desecho. En la modalidad de la Figura 3, el calor de reacción generado en el módulo 86 de transporte de iones-quemador es removido de o consumido en el quemador en un proceso de transferencia de calor por convección y/o radiación . Por ejemplo, la membrana 87 transportadora de iones puede estar formada como tubos con la corriente 89 de gas de purga reactiva fluyendo dentro de los tubos. Debido al calor generado en el lado 87b de purga de la membrana 87 transportadora de iones formada como tubos, los tubos estarán a una temperatura elevada y actuarán como elementos de calentamiento. Los tubos de la membrana 87 - -^¿¿áa^T.-i,^-^..,^. transportadora de iones radiarán f lado 87a de retenido o al lado 87b de permeado donde podría llevarse a cabo un proceso tal como fundido de vidrio o templado de metal. También como, una parte del calor generado en el módulo 86 de transporte de iones podría usarse para pre-calentar la corriente 85 de gas de alimentación comprimido y corriente 89 de gas de purga, obviando posiblemente la necesidad del intercambiador de calor 1 13 y calentador 1 14. Note que la carga del horno será colocada en el lado 87b de permeado de la membrana 87 transportadora de iones (es decir, el lado con el gas oxidante) en este caso. También es posible integrar el módulo de transporte de iones-quemador con una circulación interna del gas de chimenea (horno). Si el horno y el módulo de transporte de iones-quemador operan aproximadamente a la misma temperatura (por ejemplo, entre 800°-1 ,200° C), entonces el módulo de transporte de iones-quemador puede colocarse adentro directamente del horno siempre que la atmósfera del horno sea "limpia", es decir, que no contenga ninguna especie en detrimento a la membrana transportadora de iones. Un modo de implementar esta idea se muestra en la Figura 4 en la cual el proceso de transporte de iones, el quemador y el proceso corriente abajo están todos integrados en una sola unidad. La corriente 1 32 de alimentación tal como aire calentado se dirige contra el lado 120a de cátodo de la membrana 120 para producir el retenido 134 caliente agotado en oxígeno tal como nitrógeno. El proceso 130 corriente abajo (por ejemplo, una carga de horno) se muestra en el lado 120b de permeado o ánodo de la membrana 120 transportadora de iones. En esta configuración, la corriente 121 de gas combustible se * alimenta cerca de la superficie d f lado 120b de permeado, barriendo así y/o consumiendo eficientemef?te el oxígeno transportado a través de la membrana 120 transportadora de iones. Los productos de combustión en la zona caliente 138 podrían ser f§ rculados en el horno contra el lado 120b de ánodo mediante convección natural o forzada; para la construcción mostrada en la Figura 4, la corriente 146 de productos de combustión, obtenida de preferencia del horno 130 como se muestra en líneas punteadas mediante la corriente 146a, y la corriente 121 de gas combustible se alimentan opcionalmente a través de la capa 122 porosa distribuidora de combustible adyacente al lado 120b de permeado de la membrana 120 transportadora de iones. De preferencia, la capa distribuidora 122 define por lo menos un pasaje o cámara para distribuir combustible más uniformemente a través de la membrana 120. El permeado 136 que ha reaccionado que contiene oxígeno y productos de combustión se dirige al horno 130 a través de la zona caliente 138. De preferencia, una porción de nitrógeno caliente 140 se dirige a través de la válvula 142 para proporcionar una atmósfera inerte sobre el horno 130. Puede agregarse combustible adicional 144 al horno 130 según se desee. En otra construcción , la membrana 120 transportadora de iones es parte de un módulo separado que está externo al horno 130. En cualquiera de las construcciones externa o integrada, puede establecerse un sistema de transporte de iones de dos etapas en el cual el lado del ánodo de la primera etapa se purga mediante la corriente de retenido de la primera etapa para producir ^ corriente de permeado de oxígeno diluido mientras que el \& ß del ánodo de la segunda etapa se purga reactivamente para producir una corriente de permeado rica en combustible. Las dos corrientes d^^er eado se usan en un horno para combustión con o sin el uso de las corrientes calientes de retenido de nitrógeno en la atmósfera del horno. Cuando la temperatura pico del horno es mucho mayor que la temperatura de operación del transporte de iones, puede seleccionarse una zona del horno con la temperatura "correcta" para la operación del transporte de iones (por ejemplo, sección pre-calentada de un horno recalentado continuo), o puede crearse una cámara especial con pozos de calor apropiados para controlar la temperatura. Por ejemplo, en aplicaciones de caldera o calentadores de petróleo, sería factible usar las cargas de calor del horno (es decir, tubos de agua o aceite) para crear una zona de una temperatura óptima para el módulo de transporte de iones. Una gran cantidad de gas de chimenea es circulada a través de esta zona para purgar oxígeno continuamente y mantener baja la concentración de oxígeno. La baja concentración de oxígeno y la circulación alta de gas de horno proporcionan una sinergia con el método de combustión de oxígeno diluido. Hay muchas ventajas de los procesos integrados de la invención. Por ejemplo, el oxígeno para la OEC puede extraerse de una corriente de gas de alimentación de baja presión usando la corriente de gas de escape para purgar y esto debe resultar en bajo requerimiento de energía para el proceso de separación de oxígeno.

Debido a que solamente e?g $ oxígeno a través de la membrana transportadora de iones, no se agrega nitrógeno a la corriente de gas de purga que sale del módulo de transporte de iones. Aun si se introduce aire a la mezcla de combustión, ya sea intencionalmente (por ejemplo, corriente 12 de gas opcional) o por fuga, la fracción de nitrógeno en la mezcla de combustión será pequeña. Esto debe minimizar o eliminar la formación de NOx en el quemador. Además, mezclando adecuadamente los gases de escape tomados antes y después del proceso corriente abajo, es posible controlar la temperatura de entrada de la purga a la deseada en el proceso de transporte de iones. Esto puede eliminar la necesidad para pre-calentar el gas de purga independientemente. Además, si la combustión de todo el combustible puede llevarse a cabo en el módulo de transporte de iones, puede eliminarse la unidad quemadora separada. Esto daría simplificación significativa al sistema y ahorros en costos. Además, si se remueve suficiente oxígeno de la corriente de gas de alimentación en el módulo de transporte de iones, entonces la corriente rica en nitrógeno retenida del módulo de transporte de iones puede usarse como un producto. Esto puede ser lo más atractivo si se agrega algún combustible, por ejemplo, la corriente 1 1 de gas combustible. Si se desea nitrógeno como un sub-producto, puede ser ventajoso comprimir la corriente de gas de alimentación a la presión requerida para suministro de nitrógeno producto. Sin embargo, en este caso, la corriente de gas retenido del módulo de transporte de iones puede no mezclarse con la corriente de gas de escape a partir del proceso corriente abajo. En este caso, pueden instat- fsj ya sea un intercambiador de calor separado para recuperar calor de la corriente de gas de escape, o puede no intentarse la recuperación de calor puesto que generalmente la corriente de gas a ^iscape será mucho menor y más fría comparada con la corriente de gas retenido. Además, el uso de la corriente de gas de purga disminuye la concentración de oxígeno en el lado de permeado de la membrana transportadora de iones. La concentración reducida de oxígeno hace al diseño del módulo de transporte de iones y de los componentes corriente abajo (por ejemplo, un quemador) en el lado de la purga considerablemente más fácil a partir de un punto de vista de los materiales. En la ausencia de una corriente de purga, se produciría esencialmente oxígeno puro en el lado de permeado de la membrana transportadora de iones. El manejo seguro de tal corriente de oxígeno de alta pureza tiene un reto significativo, especialmente a temperatura elevada. Además, la concentración del oxígeno en el escape de purga puede ser controlada fácilmente mediante un número de técnicas: por ejemplo, variando el régimen de flujo de la corriente de gas de alimentación, variando el régimen de flujo de la corriente de gas de purga (reciclado incrementado de los productos de combustión), cambiando la temperatura de operación del módulo de transporte de iones, o variando el área de membrana de la etapa de transporte de iones. Estas técnicas son efectivas también para controlar la cantidad total de oxígeno separado y podrían ser usadas para propósitos de seguimiento de carga.

Finalmente, el uso def e | dor de transporte de iones eliminaría la necesidad de un generador de oxígeno solo (por ejemplo, PSA) o un sistema de suministro de oxígeno (por ejemplo, tanque y vaporizador de líquido) Esto se espera que de una reducción substancial en costo de capital y en el costo del oxígeno producido una modalidad dirigida particularmente a esta invención se muestra en la Figura 5. La corriente de alimentación o aire 232 se pre-calienta a una temperatura adecuada de aproximadamente 500° C a 1 ,000° C. La corriente de alimentación o aire contiene de preferencia una concentración de oxígeno relativamente alta de típicamente más de 15% de oxígeno. Esta corriente de alimentación o aire 232 se introduce entonces al lado 220aa de retenido de la membrana 220 transportadora de iones a través del lado 120b de permeado a la cámara 238 de permeado, la cual está conectada con la cámara principal de combustión u horno 230. La temperatura de la cámara principal se determina por el requerimiento del proceso de calentamiento y puede ser mayor o menor que la temperatura de la cámara 238 de permeado. Una porción significativa de gas de chimenea generada en el horno 230 se recircula como la corriente 246, a la cámara 238 de permeado. La corriente 246 causa que la concentración de oxígeno en el lado 220b de permeado de la membrana 220 transportadora de iones baje e incremente el flujo de oxígeno a través de la membrana 220 transportadora de oxígeno. Como una opción puede introducirse la corriente 221 de combustible a la cámara 238 de permeado para reducir la concentración de oxígeno de la corriente 246 recirculada y/o para purgar reactivamente el lado 220b de permeado y también para proporcionar calor para elevar la j m pera tura del hité en el lado de retenido. La cámara 238 dfe pgrmeado está segmentada opcionalmente en un sistema de membrana transportadora de iones de dos etapas que usa una purga reactiva en la á^ a etapa y una purga de gas de chimenea en la segunda etapa (no mostrada). La corriente 221 de combustible se inyecta de preferencia a alta velocidad para inducir la circulación apropiada de la corriente 246 caliente de gas de chimenea del horno 230 mediante el efecto de aspiración de chorros de alta velocidad . Otros medios de recirculación de gas de chimenea caliente incluyen, pero no están limitados a, un ventilador de circulación y un eductor que usa gas de chimenea comprimido o vapor puede ser usado. Además de o en lugar de la corriente 246 de recirculación interna, puede usarse la corriente 248 de recirculación externa. En una modalidad preferida la corriente 247 de gas de chimenea del horno 230 se enfría en el intercambiador de calor 260 y la corriente 248 lateral enfriada se comprime e inyecta a la primera cámara 238 para inducir la circulación apropiada de la corriente 246 caliente de gas de chimenea. El proceso puede usarse para muchos hornos industriales, tales como hornos para tratamiento térmico de metales, recalentamiento de acero, fundido de vidrio y fundido de aluminio, pero es adecuado particularmente para calderas para generar vapor y para hornos de calentamiento de fluidos de proceso tales como calentadores de petróleo, hornos de fraccionamiento y hornos reformadores de vapor-metano. En la siguiente descripción de la invención, se describe un proceso para generar vapor. Sin embargo, no se pretende que sea limitativo para la aplicación de esta invención. El ^.^a&^is-feA.,afc¿^aa ^-fe-aasJ gas de purga contiene de preferencia una baja concentración de nitrógeno, el cual a través del transporte al lado de permeado de la membrana transportadora de iones forma la corriente 236 de oxidante que contiene entre 1 % a 40% de oxígeno^, de preferencia entre 2% a 15% de oxígeno, y lo más preferible entre 3% a 10% de oxígeno. La membrana 220 transportadora de iones forma efectivamente dos lados del área reactiva que tienen una presión igual o diferente, el lado 220a de retenido que tiene una primera presión y un lado 220b de permeado que tiene una segunda presión . La relación de la primera presión a la segunda presión es menor que 4.78, de preferencia entre 0.5 y 4.0, más preferiblemente entre 0.8 y 2.0, y lo más preferible entre 0.9 y 1 .5. En el proceso convencional de separación de oxígeno a partir de aire usando un sistema de membrana transportadora de iones de conductor mixto, el aire de alimentación tiene que ser comprimido a una presión mínima de 4.78 atm con el fin de lograr una presión parcial de oxígeno de 1 atm en el lado de retenido. Así, una relación teórica de presión mínima de 4.78 se requiere para producir oxígeno puro a 1 atm en el lado de permeado. Con el fin de producir un alto flujo de oxígeno a través de la membrana, un sistema práctico requiere relaciones de presiones de 10 a 30 para producir relaciones de presiones parciales de oxígeno de aproximadamente 2 a 6. Para comprimir aire de alimentación a 10-20 atm se requiere una gran cantidad de energía eléctrica. Las relaciones bajas de presión son ventajosas para reducir la energía requerida para comprimir el aire de alimentación. En un sistema idealizado ambas la primera y segunda presiones son iguales y ?e=&fe» atmosféricas lo cual minimiza el re» ^ío de energía y la fuga de gas potencial entre el lado 220a de de permeado. En tal proceso, el único requisito de presión para las corrientes de aire de alimentación y gas de purga es superar las caídas normales de presión asociadas con flujos de gas que p san a través del módulo de membrana y el horno. Debe notarse que esta invención permite la penetración de oxígeno a través de la membrana transportadora de iones aun cuando la relación de presión sea menor que 1 , es decir, la presión del lado de retenido es menor que aquella del lado de permeado. Es debido a que la penetración de oxígeno es impulsada por la relación de la presión parcial de oxígeno del lado de retenido a la del lado de permeado. Manteniendo baja la presión parcial de oxígeno en el lado de permeado, es posible alcanzar una relación de presiones parciales de oxígeno de más de dos mientras que se mantiene la relación de presión total cerca o por debajo de 1 . Bajo tal condición, fugas de gas causadas por sellos imperfectos de los tubos de membrana de cerámica o por grietas en los tubos de membrana de cerámica fluyen del lado de permeado al lado de retenido y previenen la infiltración de nitrógeno al horno 230. Con el fin de reducir la formación de NOx y mantener una alta concentración de CO2 en el gas de chimenea, es preferible mantener la concentración de nitrógeno en el horno 230 por debajo de 10%. En la cámara 238 de permeado, se usan opcionalmente chorros de combustible para recircular el gas caliente de chimenea del horno 230 a la cámara 238 de permeado. Los chorros de vapor u otros chorros de gas, tal como la corriente 248 de gas de chimenea enfriado comprimido, pueden usarse para proporcionar gas de purga adicional y para facilitar la circulación del gas de chimenea a través del efecto de bomba de chorro. El chorro de combustible reacciona con el oxígeno contenido en el gas de chimenea recirculado y oxígeno permeado de los tubos de membrana transportadora de iones, reduciendo la concentración de oxígeno en la cámara 238 de permeado y generando calor. Tubos de caldera, tubos de supercalentadores de vapor y/o tubos de recalentamiento de vapor pueden colocarse opcionalmente en la cámara 238 de permeado como pozos de calor para controlar la temperatura de la cámara. La temperatura del tubo de membrana en la cámara 238 de permeado se mantiene de preferencia en una temperatura de membrana óptima, típicamente entre 600° C y 1 ,000° C, controlando el régimen de flujo del aire 232 de alimentación, el régimen de flujo del combustible 221 inyectado a esta cámara 238 de permeado y la cantidad de gas caliente 246 de chimenea recirculado. La concentración promedio de oxígeno en la mezcla 236 oxidante, que consiste de productos de combustión del combustible 221 , oxígeno transportado a través de la membrana 220 transportadora de iones, y gas 246 de chimenea recirculado, en la salida de la cámara 238 de permeado puede ser controlada de 1 % a 40% de oxígeno, de preferencia de 2% a 10%, y lo más preferible entre 3 y 10% de oxígeno. Esta mezcla es circulada a la cámara 230 de combustión, de preferencia sin enfriamiento. El flujo de aire a través del lado de retenido de los tubos de membrana transportadora de iones y el flujo de gases de combustible/chimenea en el lado de permeado puede ser arreglado en un modo a contracorriente para maximizar el flujo de oxígeno a través de los tubos de membrana trans parta c? ra de iones Generalmente se prefiere una concentración menor de oxígeno en el lado 220b de permeado para incrementar el régimen de penetración de oxígeno de la membrana transportadora de iones. Sin embargo, tiene que ser recirculado un gran volumen de gas de chimenea para mantener baja la concentración de oxígeno. Así, se prefiere el rango antes mencionado. En el horno 230, se inyecta el combustible 244 y se mezcla con la corriente 236 caliente de oxígeno diluido de la cámara 238 de permeado para combustión para generar vapor en el modo convencional para la sección radiante de una caldera de vapor. El proceso de combustión de oxígeno diluido como se describe en Development of the Dilute Oxygen Combustión Burner for High Temperature Furnace Applications, de H. M Ryan , y colaboradores, Proceedings of the Fourth International Conference on Technologies and Combustión or Clean Enviroment, julio 7-10, 1997 y la Patente de E. U . , No. 5,076,779 describe el proceso preferido de combustión para alcanzar bajas emisiones de NOx y alta eficiencia térmica. De preferencia 50% a 98% del gas de chimenea generado en el horno 230 es recirculado a la cámara 238 de permeado y el resto a la unidad de transferencia 260 de calor de convección para generar, sobre calentar y recalentar el vapor y para calentamiento del agua de alimentación . La corriente 249 de gas de chimenea se pasa opcionalmente a través de un intercambiador de calor 264 de condensado para recuperar el calor latente del vapor de agua en el gas de chimenea La recuperación total del calor latente del vapor de agua en el gas de chimenea proporciona una mejoría teórica de energía de aproximadamente 10% para combustión de gas natural, además de la mejoría en eficiencia como un resultado del calor sensible reducido en la corriente 263 de gas de .^¡Émenea enfriado. La combustión de oxígeno proporciona una ventaja única sobre la combustión de aire para la recuperación de calor latente debido a la alta concentración de vapor de agua en el gas de chimenea. Por ejemplo, la concentración de vapor de agua en el gas de chimenea de la combustión de gas natural-oxígeno es aproximadamente 65% y el punto de rocío es aproximadamente 88° C. Enfriando el gas de chimenea a aproximadamente 49° C la concentración de vapor de agua se reduce a 13% en volumen. Aproximadamente 93% de vapor de agua puede ser condensado. En comparación la concentración de vapor de agua en el gas de chimenea de la combustión de gas natural-aire es aproximadamente 18% y el punto de rocío es aproximadamente 58° C. Enfriando el gas de chimenea a aproximadamente 49° C, puede condensarse aproximadamente 41 % del vapor de agua. Se requiere enfriar adicionalmente hasta 32° C para condensar aproximadamente 77% de vapor de agua en la combustión de gas natural-aire. En consecuencia, una fracción inesperadamente grande de vapor de agua contenido en el gas de chimenea puede condensarse a temperatura relativamente alta cuando se quema gas natural o un combustible con una alta relación de hidrógeno a carbono atómico con oxígeno. Condensando el vapor de agua se reduce más el volumen de gas de chimenea y se produce la corriente rica en dióxido de carbono para recuperación y producción potencial de dióxido de carbono. La corriente 234 caliente rica en nitrógeno de la cámara de retenido se pasa a través de una unidad 261 de transferencia de calor por convección para calentar el agua de alimentación y proporcionar opcionalmente calor para la generación de vapor, sobrecalentar o recalentar. Alternativamente esta corriente 234 caliente puede usarse para precalentar aire de alimentación, como se muestra en las Figuras 1 a 3. Se puede producir una corriente de nitrógeno de alta pureza usando un sistema de membrana transportadora de iones de dos etapas con una purga reactiva en la primera etapa y una purga de gas de chimenea en la segunda etapa. El calentamiento de la corriente 232 de aire de alimentación puede hacerse también indirectamente en un intercambiador de calor (no mostrado) con la corriente 247 caliente de gas de chimenea y/o colocando tubos de calentamiento de aire en el horno 230 y/o en la cámara 238 de permeado. Además, puede usarse un quemador en línea (no mostrado) para calentar aire a una temperatura mayor. Aunque el calentamiento en línea resulta en una reducción en la concentración de oxígeno de la corriente 232 de aire de alimentación y por lo tanto reduce la fuerza impulsora para el flujo de oxígeno, la simplicidad del sistema de calentamiento directo en línea ofrece una reducción significativa de costo de capital sobre el sistema de calentamiento indirecto. >s¿^-:^^^nfTlW??rte1ÉÉ'?aÉi un proceso de membrana de transporte de iones-combustión integrado representado en la Figura 5.

Tabla V Especificaciones para Módulos Clave en el Proceso Integrado Ventilador de alimentación (no mostrado) (eficiencia = 75%) (kW) 930 Cantidad total aporte de combustible 221 más 244 (millones joules/hr) 611668 En el ejemplo anterior, se recircula una gran cantidad de gas de chimenea caliente para mantener la concentración de oxígeno en el lado de permeado de la membrana en 7.43%, lo cual ayuda a incrementar el flujo de oxígeno a través de la membrana sin comprimir la corriente de alimentación de aire a una alta presión Produciendo nitrógeno de alta pureza con un paso de purga reactiva en la membrana 220 transportadora de iones, substancialmente todo el oxígeno contenido en la corriente 232 de aire de alimentación penetra a través de la membrana 220 transportadora de iones y se usa para combustión con las corrientes de combustible 221 y 244. El régimen de flujo de la alimentación de aire es 1 ,256.62 MCN H comparado con 4,692.82 MCN H en el ejemplo previo mostrado en la Tabla I I . La gran reducción en el régimen de alimentación de aire reduce la cantidad de calor requerido para calentar aire de alimentación y la energía requerida en el ventilador de aire de alimentación. La potencia del ventilador requerida en este ejemplo es de 9.3 kw y 333.09 MCN H de oxígeno se separan mediante la membrana transportadora de iones, que corresponden a 0.079 kw de potencia por 2.83 MCN H de oxígeno. En comparación , el ejemplo previo consume 58 kw de energía para producir 329.12 MCN H de oxígeno, que corresponden a 0.5 kw de energía por 2.83 MCN H . Debe notarse que el estado actual de la técnica de tecnologías de separación de aire consumen aproximadamente 0.8 kw de energía para producir 2.83 MCN H de oxígeno grado industrial a una pureza de 90% a 95% de oxígeno y a 1 atmósfera. Así, el proceso integrado de membrana transportadora de iones-combustión de esta invención reduce el consumo de energía para separar aire para combustión de oxígeno tanto como 90%. Otra modalidad de esta invención proporciona un proceso donde no se usa recirculación de gas de chimenea en una cámara de membrana transportadora de iones purgada relativamente de un proceso de combustión de cámara de dos membranas representado en la Figura 6. •i Ciertos aspectos comunes en ambas Figuras 5 y 6 no se repiten en la presente, y los aspectos comunes pueden ser aludidos en la descripción de la modalidad de la Figura 5. En la Figura 6, se introduce una corriente 334 caliente rica en nitrógeno desde la primera cámara de retenido al segundo lado 372a de retenido de la membrana 372 transportadora de iones en la segunda cámara 370 de retenido. El oxígeno penetra a través del segundo lado 372b de permeado de la membrana 372 transportadora de iones a la segunda cámara 350 de permeado, en la cual se alcanza un alto flujo de oxígeno relativamente purgado aun cuando la corriente 334 de alimentación de nitrógeno contiene una baja concentración de oxígeno. La corriente 355 de combustible se inyecta a la segunda cámara 350 de permeado para reaccionar con el flujo de oxígeno del segundo lado 372b de permeado de la membrana 370 transportadora de iones, con lo que se forma la corriente 373 caliente de gas sintético (syngas), una corriente de gas que contiene gases combustibles tales como hidrógeno y monóxido de carbono. Opcionalmente, puede inyectarse gas de chimenea reciclado o vapor 356 a la segunda cámara 350 de permeado para modular la temperatura. La corriente 373 caliente de gas sintético se introduce al horno 330 y se mezcla con la corriente 336 caliente de oxidante de la primera cámara 338 de permeado, lo cual proporciona el oxígeno para combustión. Opcionalmente, se inyecta aire adicional o la corriente 357 de oxígeno al horno 330 para quemar la corriente 373 caliente de gas sintético y proporcionar calor al proceso. ^ gj^^^a|§ ¿ j ^ La corriente 334 rica en nitrógeno se enriquece conforme pasa a través del segundo lado 372a de retenido, donde se remueve oxígeno conforme pasa a través de la segunda membrana 372 transportadora de iones a la segunda cámara 350 de permeado, y se forma una corriente de nitrógeno 365 de alta pureza. La corriente 365 de nitrógeno de alta pureza pasa después a través de la unidad 361 de transferencia de calor por convección para recuperar la corriente 362 de nitrógeno frío para uso o procesamiento posterior. Debe notarse que son posibles un número de modificaciones del proceso dentro del espíritu de la configuración de proceso discutida anteriormente. Por ejemplo, puede ser ventajoso usar el gas de escape del proceso corriente abajo para calentar la corriente de gas de alimentación. También es posible agregar algo de aire a la corriente de gas de purga que sale del módulo de transporte de iones. Esto puede ser particularmente deseable para las operaciones de arranque o para propósitos de seguimiento de carga. Además, aunque los procesos descritos aquí son para membranas transportadoras de iones impulsadas a presión de conductor mixto, es obvio que el concepto inventivo también es aplicable a conductores iónicos principalmente que son operados en el modo impulsado a presión o eléctricamente con un retorno de corriente externo. Finalmente, aunque en la Figura 1 se representa un proceso de separación de oxígeno a contra corriente, el mismo proceso puede ser llevado a cabo también en un modo concurrente o a corriente cruzada. Como se mencionó antes, los términos "conductor iónico de electrolito sólido", "electrolito sólido", "conductor iónico", y "membrana Íftfc=A~a transportadora de iones" se usan generalmente en la presente para designar ya sea un sistema de tipo iónico (impulsado eléctricamente) o un sistema de tipo conductor mixto (impulsado a presión) a menos que se especifique lo contrario. El término "nitrógeno" como se usa en la presente significará usualmente gas agotado en oxígeno, es decir, agotado en oxígeno con relación al gas de alimentación. Como se discutió antes, la membrana transportadora de iones permite solamente la penetración de oxígeno. Por lo tanto, la composición del retenido dependerá de la composición del gas de alimentación. El gas de alimentación estará agotado en oxígeno pero retendrá nitrógeno y cualesquiera otros gases (por ejemplo, argón) presentes en el gas de alimentación. El significado del término será claro para alguien experto en la técnica en el contexto del uso del término a la luz de la invención como se describió en la presente. Como se usa en la presente el término "oxígeno elemental" significa cualquier oxígeno que está sin combinar con cualquier otro elemento en la Tabla Periódica. Aunque se encuentra típicamente en forma diatómica, el oxígeno elemental incluye átomos sencillos de oxígeno, ozono triatómico, y otras formas sin combinar con otros elementos. El término "alta pureza" se refiere a una corriente de producto la cual contiene menos del cinco por ciento en volumen de gases indeseables. De preferencia el producto es por lo menos 98.0% de pureza, más preferiblemente 99.9% puro, y lo más preferible por lo menos 99.99% puro, donde "puro" indica una ausencia de gases indeseables.

Los sistemas de "adsorción por presión oscilante" o "PSA" se refieren a sistemas que usan materiales de adsorción que son selectivos para un gas, típicamente nitrógeno, para separar ese gas de otros gases. Tales materiales incluyen materiales de PSA de régimen selectivo, los cuales usualmente contienen carbono y proporcionan nitrógeno a alta presión y oxígeno a baja presión, y materiales de PSA de equilibrio selectivo, los cuales usualmente contienen litio y proporcionan nitrógeno a baja presión y oxígeno a alta presión. Los aspectos específicos de la invención se muestran en 1 o más de los dibujos solamente para conveniencia, ya que cada aspecto puede combinarse con otros aspectos de acuerdo con la invención. Además, pueden hacerse varios cambios y modificaciones a los ejemplos dados sin apartarse del espíritu de la invención. Tales modificaciones pueden incluir el uso de camas de adsorción de presión oscilante y térmico oscilantes u otros métodos de separación de oxígeno a granel para proporcionar la función de las membranas poliméricas discutidas anteriormente. Las modalidades alternativas serán reconocidas por aquellos expertos en la técnica y se pretende que sean incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

1. R EIVINDICACION ES 1 Un proceso de combustión que usa un oxidante con una baja concentración de nitrógeno que comprende: (a) introducir un gas que contiene oxígeno a un módulo de 5 transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de retenido con una primera presión y un lado de permeado con una segunda presión que forma una cámara de permeado para separar una corriente de gas oxígeno purificado en el lado de permeado y que agota correspondientemente el oxígeno en el lado de 10 retenido para producir una corriente de gas agotado en oxígeno; (b) pasar una corriente de gas de purga que contiene una baja concentración de nitrógeno al lado de permeado para formar una corriente de oxidante que contiene menos de aproximadamente 40% de oxígeno; 15 (c) introducir dicha corriente de oxidante y un combustible a una cámara de combustión para producir calor y productos de combustión
2. 2. El proceso de combustión de la reivindicación 1 en donde dicho gas que contiene oxígeno es aire.
3. 3. El proceso de combustión de la reivindicación 1 en donde la 20 relación de dicha primera presión a dicha segunda presión es menor que 4.78.
4. 4. El proceso de combustión de la reivindicación 1 en donde dicha corriente de oxidante comprende entre 1 % y 40% de oxígeno.
5. 5. El proceso de combustión de la reivindicación 1 en donde dicho 25 gas de purga comprende menos de 10% de nitrógeno 4¡3ú??i fr-aSfJsM
6. 6. El proceso de combustión de la reivindicación 1 en donde la relación de presiones parciales de oxígeno de dicho lado de retenido a dicho lado de permeado es mayor que 2 y la relación de presión total en dicho lado de retenido a dicho lado de permeado es menor que 1 .
7. 7. Un proceso de combustión que usa un oxidante con una baja concentración de nitrógeno que comprende: (a) introducir un gas que contiene oxígeno a un módulo de transporte de iones que incluye una primera y segunda membranas transportadoras de iones, dicha primera membrana transportadora de iones que tiene un primer lado de retenido con una primera presión de retenido y un primer lado de permeado con una primera presión de permeado que forma una primera cámara de permeado para separar una primera corriente de gas oxígeno purificado en el primer lado de permeado y que agota correspondientemente el oxígeno en el primer lado de retenido para producir una primera corriente de gas agotado en oxígeno; (b) introducir dicha primera corriente de gas agotado en oxígeno a dicha segunda membrana transportadora de iones que tiene un segundo lado de retenido con una segunda presión de retenido y un segundo lado de permeado con una segunda presión de permeado que forma una segunda cámara de permeado para separar una segunda corriente de gas oxígeno purificado en el segundo lado de permeado y que agota correspondientemente el oxígeno en el segundo lado de retenido para producir una segunda corriente de gas agotado en oxígeno; Mj^fejg^j^^^ (c) pasar una primera corriente de gas de purga que contiene una baja concentración de nitrógeno a dicho primer lado de permeado para formar una corriente de oxidante que contiene menos de aproximadamente 40% de oxígeno; (d) pasar una segunda corriente de gas de purga que contiene un combustible y una baja concentración de nitrógeno a dicho segundo lado de permeado para formar una corriente de gas sintético; (e) introducir dicha corriente de oxidante, dicha corriente de gas sintético a una cámara de combustión para producir calor y productos de combustión.
8. 8. El proceso de combustión de la reivindicación 7 que comprende además recuperar gas nitrógeno.
9. 9. El proceso de combustión de la reivindicación 7 en donde dicho gas que contiene oxígeno es aire.
10. 10. El proceso de combustión de la reivindicación 7 en donde la relación de dicha primera presión de retenido a dicha primera presión de permeado es menor que 4.78.