氧离子传输膜反应器在ZEPP中的应用

AZEP系统的最大部件是膜反应堆。这个大型陶瓷模块的工作温度为1250℃。在高温条件下，对于煤粉为燃料的空气透平，空气加热器是在高温下工作的另一个大型陶瓷部件。经过几十年的研究工作，这些空气加热器仍存在问题。发展整合氧离子传输膜（OITM）/燃烧室可能比发展CO₂透平更困难。现行的模块设计如图4-3所示。燃烧室和ITM模块纳入同一室内。

反应堆温度由燃烧温度控制。考虑到材料相对较低的耐热性，燃烧温度必须相对较低（低于1250℃）。低温会导致效率降低。此外，AZEP组确定使用部分催化氧化的分级燃烧作为获得低温完全燃烧的最佳方法（Sundkvist et al，2004）。这种复杂的燃烧方法给工程自身带来挑战。

基于压缩陶瓷结构的ITM组件如图4-4所示。其制作材料是MCM或是混合传导膜。压缩陶瓷是一种多孔支撑结构，其上涂有致密膜，如图4-5所示。

Selimovich（2005）发表了AZEP反应堆进展报告。这篇文章给出了许多反应堆发展方面的综合信息。许多反应堆的工程攻关和换热器设计所面临的问题相似，例如，如何提高比表面积。非均匀流分布处理是所有化学和核反应堆设计师的头痛问题，AZEP反应堆也不例外。面对这些问题，Selimovich（2005）给出了各种解决方案的详细信息。他提出，逆流优于顺流，这和换热器理论一致，并展示了ITM材料数据用以说明这一点。表4-2显示了反应堆开发的全面数据。进口的氧气分压力为207kPa，这表明为常压进气。工作压力定为10bar。实验表明，该系统如预期一样在压力为10bar和温度为900℃工况下运行。

图4-3 AZEP循环中ITM的反应堆设计图（Sundkvist et al，2004）

图4-4 AZEP循环的ITM反应堆设计图 （Sundkvist et al，2004）

除了工程设备设计固有的挑战外，反应堆的维护费用也较高。陶瓷部件寿命仅有2.5～7.5年。

图4-5 致密膜的多孔支承结构（Sundkvist et al.，2004）

表4-2 AZEP反应堆技术资料

注：源自于Selimovich，F，2005。(www.xing528.com)

图4-6 Oxycoal-AC循环膜反应堆的可能结构（Renzetal.，2005）

Renz等（2005）给出了用于Oxycoal-AC循环的膜反应堆设计的详细信息。陶瓷机械稳定性也是由致密膜多孔支架提供。错流的管状膜和逆流式的平板膜两者形状的比较如图4-6和图4-7所示。设备的压力和温度等详细信息，随陶瓷应力计算也一起给出（Renzetal，2005）。

近年来，亚琛工业大学（RWTH）已经设计和测试了一个小型ITM反应堆原型（活性表面为1m²），它由BSCF陶瓷管组成，如图4-8所示。测量和公布的有关这个小原型堆氧通量数据比在硬币大小样品上测试所获得的数据更具代表性。

测试数据（见图4-9）形象地显示了氧通量随温度、压力和不尽如人意的CO₂容忍度变化关系。

图4-7 用于Oxycoal循环的膜测试（Renz，2004）

图4-8 由BSCF陶瓷管制成的ITM反应原型堆（亚琛）

BSCF陶瓷是钡、锶、钴、铁的氧化物，如图4-1所示。RWTH得到的数据可以与图4-2中显示的数据做比较。图4-2反映的是相同陶瓷管下的其他测量数据。在大多数工程项目中，通量的单位是1g/m²×s（克每平方米每秒）。图4-9中，渗透单位为1ml/cm²×min＝0.238g/m²×s，而在图4-2中是1μmol/cm²×s＝0.32g/m²×s。在650℃以下时，有0.238×0.5＝0.119g/m²×s和0.32×0.5＝0.16g/m²×s。温度在900℃以上时，为0.64和0.32g/m²×s。结果相当好，它为在硬币大小样品所获的测量数据提供了有力的支持。

图4-9 在不同的运行条件下BCFC陶瓷试验（RWTH亚琛）