燃气ZEITMOP循环中集成ITMR和燃烧室

根据化学反应，除了生产纯氧，ITM同样可以应用到合成气的生产：

合成气，也就是CO和H₂，是很多化学合成的原料。Ritchie等人（2004）已详细研究过它的生产过程。Korobitsyn等人（2000）在ECN做了大量的分析。因为甲烷的转换率高于95％，所以在计算中假设反应器的操作温度是1121℃，操作压力为27bar。通过膜的氧的通量为10Nml/cm²×min＝2.3gO₂/m²×s。如果在上面提到的ITM分离单元能达到这样的通量，它的大小将在每一尺度上少（2.3/0.0522）1/3＝3.47，即约为2.1×2.1×2.1m³＝9.26m³。

这个应用的实质是甲烷的进一步氧化，它的完整的氧化为

CH₄＋2O₂⇒CO₂＋2H₂O（5-2）

式（5-1）是吸热反应，与其相反，式（5-2）是放热反应。这就是著名的甲烷燃烧的反应。和普通的燃气轮机和活塞发动机的燃烧室不同的是，使用ITM装置能使燃烧的产物、CO₂和水不被N₂稀释。在环境温度下，处于液态的水更容易从气态的CO₂中分离出来。因为后者构成了准联合零排放循环的工作流体，所以只将一部分（5％～10％）高压气流用于随后的封存并没有任何困难。

图5-2 ITM反应器燃烧室（与图4-8相似）(www.xing528.com)

1—ITM陶瓷管 2—钢和陶瓷的焊接套（氩弧焊） 3—钢管阀盘 4—节流阀端盖 5—钢外壳（不锈钢） 6—排气口 7—绝缘热材料（石英）

图5-3 将ITM反应器与燃烧室集成到一起的ZEITMOP循环

1—空气压缩机 2—冷却塔 3—热交换器 4＋7—ITM燃烧室 5—贫氧燃气轮机 6—CO₂＋H₂O透平 8—CH₄压缩机 9—CO₂透平 10—再热器 11—具有中间冷却的CO₂压缩机 12—水分离器

关于陶瓷膜材料的选择和对氧通量的估算，采用了tenElshof（1997）详细的研究结果。对于ITM燃烧室（即反应器）的配置，使用了有详尽记录并被证实的管壳式燃烧室，如图5-2所示。管子是由有孔难熔的陶瓷（例如氧化铝、Al₂O₃）做成。混合传导陶瓷膜是被喷洒到底面的孔上。许多这样的薄膜沉积技术很有名，而更多的处于发展中。多孔氧化铝的壁厚为2～3mm，而薄膜的厚度大约为几十微米。图5-3所示的是带ITM燃烧室的零排放电厂的结构示意图。

空气进入压缩机1和热交换器3，达到要求的压力和温度之后进入燃烧室4＋7的管（进料）侧。在损失一些氧气并且用来自管侧的热量加热到一个更高的温度之后，贫氧空气流通过热交换器3和燃气轮机5，驱动空气压缩机。贫氧空气排入大气，由于它不含有任何污染物，因而不会对环境造成任何伤害。

在涂膜管内，从8来的燃料气体和再循环的CO₂的混合气流都达到了规定的压力和温度，从左侧进入吸收氧流通过管壁。在管壁表面的周围，混合氧和甲烷燃料发生反应，提高气体温度。在ITM燃烧室的右手侧，区别于一个普通的燃烧室，燃烧产物CO₂和H₂O比入口处的温度更高。甲烷的化学能转化为燃烧产物的热能（内部的）。燃烧产物在透平6中膨胀做功，然后在再热器10中释放热量，再进入冷却塔13，在12中把水从CO₂中分离出去。几乎纯净的CO₂在多级内冷式压缩机11中被压缩。大部分在再热器10中加热，在透平9中膨胀，剩下的少部分驱动CO₂压缩机。膨胀后的CO₂处于要求的压力和温度范围内，因此可以和燃料气体混合进入燃烧室。三个轴的电气设备是同步发电机，它能在电动机处于起动和瞬态情况下工作。