如何模拟氧传输膜装置呢？

氧传输膜（OTM）是在陶瓷晶格里包含氧离子空穴的陶瓷膜（见第4章）。当被加热时，激活的氧离子可以利用这些空穴穿过晶格。

有两种具有氧离子传输能力的陶瓷类型：钙钛矿和萤石。钙钛矿氧传输陶瓷具有化学结构ABO₃。萤石氧传输陶瓷具有化学结构AO₂（例如，氧化锆）。

由Nernst-Einstein方程给出的穿过OTM的氧气流量，显示流量随着穿越膜时氧分压差的不同而上升，当耗氧反应发生在膜的一侧时，可特别地高。

氧气通量也与温度成比例，所以一个放热耗氧反应可以提供一个非常高的氧气通量。燃烧似乎是理想的应用此种膜的过程。然而，在高温下陶瓷会烧结，并最终融化，所以每一个OTM材料有一个最大的操作温度。钙钛矿材料通常具有的最高温度为800～1000℃。萤石材料能承受的温度要高得多；然而，萤石材料比钙钛矿的氧气通量低。

在世界各地，一些公司和集团不断开发新的OTM材料。OTM材料将发展到最高温度高于1400℃，并具有相对高的通量，这是完全有可能的。改进后的萤石膜可能是这一发展的关键。

用在ZEITMOP循环中的OTM装置将最有可能由一堆管子组成，很像一个壳管式热交换器（见图5-2），一边是空气，另一边是CO₂。Warchol（Foyetal，2007）模拟了一个从空气中分离一些氧气的OTM装置，其运行温度在750～1000℃之间。

然后氧气流与CO₂流混合。这意味着在图6-7所示的状况（燃烧温度为1400℃的数据）被模拟，如图6-8所示。因此，该模型假设OTM材料温度是925℃，而实际的OTM材料平均温度接近780℃。

通量的减少只会影响OTM装置的物理尺寸大小而不是循环的效率，所以这并不影响该模型的有效性。然而，这个简化的模型也不允许OTM装置本身的热传递。虽然对于低温比是可以接受的，假设当燃烧发生在OTM渗透侧时，这种假设是不能接受的，如对于联合的ZEITMOP，因为该装置很可能会作为一个热交换器运行。

图6-7在独立的ZEITMOP中OTM装置的进出口（Foyetal．，2007）

图6-8 独立的ZEITMOP中使用的OTM简化模型（Foyetal．，2007）

事实上，基于假设的热导率、厚度和OTM材料面积的初步计算，显示在所研究的温度下，该装置将作为一个近乎完美的热交换器运行。在这篇文章中提出的模型中，OTM/燃烧装置模拟为一个从空气中分离氧气的装置、一个热交换器和一个燃烧室。因此，图6-9所示的情况被模拟，如图6-5所示。

Yantovsky等人（2006）提出的结果是在燃烧温度为1200～1500℃、CO₂输送压力为90～210bar、有和没有额外的热交换器的条件下得出的。

在本节中，我们提出的循环模拟结果如图6-6所示，在相似的温度和CO₂的压力下，并且当CO2输送压力为210bar时，燃烧压力为3～40bar。

在模拟中使用的假设为：(www.xing528.com)

1）OTM使用的数据部分基于由tenElshof（1997）公布的数据和部分基于由Kharton等人（1999）公布的数据。

2）OTM装置能够承受115倍于薄膜压力范围内的总压比。

3）OTM装置可以承受在14倍于薄膜温度范围内的温度比。

4）98％的甲烷（CH₄）转化为CO₂和H₂O，没有出现其他的燃烧气体产物。

5）热交换器节点温差为14～16℃。

6）在所有相关的状态点中，用Peng-Robinson-Boston-Mathias的状态方程来计算纯CO₂和CO₂和水蒸气或氧气的混合物的物性。

7）热交换器和冷却器的压力损失为进口压力的3％。

8）分离器的压力损失为进口压力的15％。

图6-9 在联合的ZEITMOP中OTM装置的进出口（Foyetal．，2007）

9）OTM装置压力损失是基于实验数据（tenElshof，1997）的。

10）除了最后CO₂压缩阶段等熵效率为85％，其他的压缩机等熵效率为87％。

11）因为如第3章所述的冷却流的影响，对透平效率进行了调整。考虑到一股冷却流的影响，但没有模拟冷却流本身。因此空气和燃烧产物透平的等熵效率是变化的，从900℃时的895％到1500℃时的85％。

12）在30℃时排出热量。

13）OTM可以从空气中去除60％的O₂。