专利摘要
本公开涉及用于用气体辅助型液体燃料氧气反应器进行液体燃料的低CO2排放燃烧的系统和方法。所述系统包括雾化器，所述雾化器将燃料和CO2喷射到蒸发区中，其中所述燃料和CO2被加热成汽化形式。所述系统包括反应区，所述反应区接收所述汽化的燃料和CO2。所述系统包括空气容器，所述空气容器具有空气流；以及加热容器，所述加热容器邻近于所述空气容器，所述加热容器将热量传递到所述空气容器。所述系统包括离子输送膜，所述离子输送膜与所述空气容器和所述反应区流动连通。所述离子输送膜从所述空气流接收O2渗透，并且将所述O2传递到所述反应区中，从而导致燃料的燃烧。所述燃烧产生热量并且产生在所述系统中再循环的CO2废气，从而限制CO2的排放。
权利要求
1.一种气体辅助型液体燃料氧气反应器系统，所述系统包括：
CO
蒸发区，所述蒸发区具有适于接收所述雾化的燃料和CO
反应区，所述反应区与所述蒸发区同轴地对准并且与之流动连通，其中所述反应区适于从所述蒸发区接收所述汽化的燃料和CO
离子输送膜，所述离子输送膜与所述蒸发区同轴地对准并且限定所述反应区；
由空气容器结构限定的空气容器，所述空气容器结构围绕所述离子输送膜安置并且在所述离子输送膜的外表面与所述空气容器结构的内表面之间限定第一空间，其中所述空气容器结构由导热材料形成，并且所述空气容器用于接收相对于所述反应区中的所述汽化的燃料和CO
由加热容器结构限定的加热容器，所述加热容器结构围绕所述空气容器结构安置并且在所述空气容器结构的外表面与所述加热容器结构的内表面之间限定第二空间，其中所述加热容器用于接收受热空气和气态燃料流，使得热量从所述空气和气态燃料流传递到所述第一空间；
其特征在于，所述离子输送膜适于从所述空气流提供O
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
燃料过滤器，所述燃料过滤器安设在所述蒸发区与所述反应区之间，并且适于在所述汽化的燃料和CO
钝体，所述钝体位于所述蒸发区内并且适于协助所述燃料的所述蒸发。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述废气的所述再循环对所述系统提供能量以在所述离子输送膜处维持至少基本上恒定的温度，并且其中所述离子输送膜处的温度维持在700℃与900℃之间。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
换热器，所述换热器位于所述CO
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统具有圆柱形形状，其中所述离子输送膜、所述空气容器结构和所述加热容器结构彼此同心，并且其中所述反应区位于所述离子输送膜的内部。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述离子输送膜包括其间安置有所述反应区的第一平面膜和第二平面膜，其中所述空气容器包括其间安置有所述离子输送膜的第一平面板和第二平面板，并且其中所述蒸发区、所述离子输送膜、所述空气容器和所述加热容器限定第一反应器单元，并且其中所述系统还包括至少第二反应器单元，所述第二反应器单元具有与所述第一反应器单元相同的构造，所述第一反应器单元和所述第二反应器单元处于堆叠的定向上。
7.一种气体辅助型液体燃料氧气反应器系统，所述系统包括：
CO
蒸发区，所述蒸发区具有适于接收所述雾化的燃料和CO
反应区，所述反应区与所述蒸发区同轴地对准并且与之流动连通，使得所述反应区从所述蒸发区接收汽化的燃料和CO
由离子输送膜构成的一系列管子，所述管子安设在所述反应区内并且垂直于所述反应区中的所述汽化的燃料和CO
其特征在于，所述管子适于在内部接收空气流并且允许O
所述系统还包括加热容器，所述加热容器包括用于受热空气和气态燃料流的入口，其中所述加热容器由包围所述反应区的结构限定，使得热量从所述受热空气和气态燃料流传递到所述反应区。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
燃料过滤器，所述燃料过滤器安设在所述蒸发区与所述反应区之间，并且适于在所述汽化的燃料和CO
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述废气的所述再循环对所述系统提供能量以在所述离子输送膜处维持恒定温度，并且其中所述离子输送膜的所述恒定温度是在700℃与900℃之间。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
换热器，所述换热器位于所述CO
11.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统具有圆柱形配置，其中所述离子输送膜横向地延伸穿过所述系统。
12.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述雾化的燃料和CO
13.一种气体辅助型液体燃料氧气反应器中的液体燃料的低CO
将液体燃料注入到蒸发区中，其中所述液体燃料经由CO
使所述液体燃料和所述CO
使所述蒸发的燃料和CO
其特征在于，所述方法还包括：
将空气流供应到空气容器中，其中所述空气容器和所述反应区由离子输送膜隔开，并且其中O
将热空气和气态燃料流递送到邻近于所述空气容器的加热容器中，其中来自所述热空气和气态燃料流的热量经由隔开所述加热容器和所述空气容器的传导板传递到所述空气容器；以及
在所述反应区中存在O
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在将所述液体燃料注入到所述蒸发区中之前加热所述液体燃料，其中所述液体燃料经由换热器加热，并且其中所述加热所述液体燃料的步骤包括将所述O
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述使所述液体燃料汽化的步骤包括：
经由用作所述蒸发区的外壁的衬里的传导板将来自所述热空气和气态燃料流的热量传递到所述蒸发区。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
使所述废气流再循环来将热量传递到所述空气容器，其中经由用作所述空气容器的衬里的一个或多个传导板将所述热量传递到所述空气容器。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在使所述蒸发的燃料和CO
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述空气容器和所述离子输送膜位于所述反应区内，并且其中所述蒸发的燃料和CO
说明书
技术领域
本公开涉及用于燃烧和碳捕获的方法和系统，更具体地说是涉及用于液体燃料的燃烧和二氧化碳的有效捕获的氧气输送反应器的方法和系统。
背景技术
尤其是交通运输业中，化石燃料仍然是主要能源。然而，由于与化石燃料使用相关联的大量CO2产物，因此化石燃料也是全球变暖的主要推手。
在这些化石燃料中，液体燃料因其安全性和高热值而被广泛用于交通运输业中。液体燃料仍然会产生大量CO2，并且为了捕获CO2，当前可使用不同的技术，包括燃烧前、燃烧后和氧燃料燃烧技术。目前，氧燃料燃烧技术被认为属于最有前景的碳捕获技术中的一些。在氧燃料燃烧中，氧气在燃烧室中与燃料一起燃烧，并且燃烧产物仅包括CO2和H2O。CO2和H2O之后可以经由冷凝过程来分离，从而仅留下通过后续过程可以再循环或储存的CO2。这个过程需要经由例如低温蒸馏获得的纯氧(O2)。然而，从空气分离O2的低温蒸馏过程是非常昂贵的。
可能更为成本有效的从空气分离O2的替代方案之一是使用离子输送膜(ITM)，这可以降低空气分离单元在氧燃烧中的损耗。这些ITM有能力在通常高于700℃的高温下从空气分离O2。这些膜中的氧气渗透随着膜上的氧气的分压、膜厚度和这些膜操作所处的温度的变化而变化。当在经由ITM进行O2分离的同时完成燃烧时，所述单元通常被称为氧气输送反应器。
氧气输送反应器的主要挑战之一是通过膜获得的低通量。在这些低通量下，给定体积中产生的加热率是相对低的。
因此，需要一种解决现有技术不足，即通过膜获得的通量低，以及因此经济地加热膜的问题的氧气输送反应器。
发明内容
根据第一方面，提供了一种气体辅助型液体燃料氧气反应器系统。所述系统包括雾化器(例如，CO2辅助型雾化器)，所述雾化器具有入口，所述入口适于接收液体燃料；以及出口，所述出口适于喷射雾化的燃料和CO2。所述系统还包括蒸发区，所述蒸发区具有适于接收雾化的液体燃料和CO2的入口，并且具有外壁。一方面，蒸发区的外壁衬有(热)传导板，使得蒸发区适于将雾化的燃料和CO2加热成汽化形式。所述系统还包括反应区，所述反应区与蒸发区同轴地对准并且与之流动连通。反应区适于从蒸发区接收汽化的燃料和CO2的流。
根据一方面，所述系统还包括离子输送膜，所述离子输送膜与蒸发区同轴地对准并且限定反应区。根据一方面，所述系统还包括由结构限定的空气容器，所述结构围绕离子输送膜安置并且在离子输送膜的外表面与空气容器结构的内表面之间限定第一空间。一方面，空气容器接收在与反应区中的汽化的燃料和CO2的流相反的方向上流过空气容器的空气流。一方面，空气容器结构可以由导热材料形成。
根据一方面，所述系统还可以包括由结构限定的加热容器，所述结构围绕空气容器结构安置并且在空气容器结构的外表面与加热容器结构的内表面之间限定第二空间。一方面，加热容器接收受热空气和气态燃料流，使得热量从空气和气态燃料流传递到第一空间。
根据一方面，离子输送膜适于从空气流提供O2渗透并且将O2传递到反应区中，从而导致空气容器结构的第一空间中的O2耗尽的空气流。反应区进一步适于在存在O2的情况下燃烧汽化的燃料和CO2以产生热量并且产生在所述系统中再循环的废气。另一方面，废气的再循环对所述系统提供能量以在离子输送膜处维持至少基本上恒定的温度。根据一方面，离子输送膜处的温度维持在700℃与900℃之间。
根据一方面，所述系统具有圆柱形形状，其中离子输送膜、空气容器结构和加热容器结构彼此同心，并且其中反应区位于离子输送膜的内部。
根据另一方面，离子输送膜包括其间安置有反应区的第一平面膜和第二平面膜。根据另一方面，空气容器包括其间安置有离子输送膜的第一平面板和第二平面板。另一方面，蒸发区、离子输送膜、空气容器和加热容器限定第一反应器单元，并且所述系统还可以包括第二反应器单元，所述第二反应器单元具有与第一反应器单元相同的构造，其中第一反应器单元和第二反应器单元处于堆叠的定向上。
根据另一方面，所述系统还可以包括燃料过滤器，所述燃料过滤器安设在蒸发区与反应区之间。燃料过滤器适于在汽化的燃料和CO2进入到反应区中之前从汽化的燃料和CO2去除不想要的污染物。根据另一方面，所述系统还可以包括钝体，所述钝体位于蒸发区内并且适于协助燃料的蒸发。
根据另一方面，所述系统可以包括换热器，所述换热器位于CO2辅助型雾化器的上游。换热器适于从空气容器接收O2耗尽的空气流并接收液体燃料，并且适于在液体燃料被接收在CO2辅助型雾化器中之前将来自O2耗尽的空气流的热量传递到液体燃料。
另一方面，所述系统可以包括一系列管子，所述管子由安设在反应区内的离子输送膜(而不是在反应区的外部的离子输送膜)构成。该系列离子输送膜管垂直于反应区中的汽化的燃料和CO2的流定向。离子输送膜管还适于接收空气流并且允许O2从空气流穿过离子输送膜渗透出来并渗透到反应区中，从而导致管子中的O2耗尽的空气流以及在反应区中且在离子输送膜的外部的燃烧反应。
根据另一方面，提供了一种气体辅助型液体燃料氧气反应器中的液体燃料的低CO2排放燃烧方法。所述方法包括将液体燃料注入到蒸发区中，其中燃料经由雾化器(例如，CO2辅助型雾化器)注入，所述雾化器适于将液体燃料和CO2喷射到蒸发区中。所述方法还包括使液体燃料和CO2在蒸发区中汽化，从而导致蒸发的(汽化的)燃料和CO2的混合物，并且蒸发的燃料和CO2的混合物之后流入到反应区中。
根据另一方面，空气流供应到空气容器中，其中空气容器和反应区由离子输送膜隔开，并且其中O2从空气流渗透穿过离子输送膜并渗透到反应区中。O2到反应区中的渗透导致了空气容器中的O2耗尽的空气流。
根据另一方面，热空气和气态燃料流递送到邻近于空气容器的加热容器中，其中来自热空气和气态燃料流的热量传递到空气容器。根据另一方面，可以经由隔开加热容器和空气容器的(热)传导板来传递热量。根据另一方面，蒸发的燃料和CO2在反应区中存在O2的情况下燃烧以产生热量并且产生废气流。
根据另一方面，所述方法还包括在将液体燃料注入到蒸发区中之前加热液体燃料。根据另一方面，液体燃料经由换热器加热。根据另一方面，在注入到蒸发区中之前加热液体燃料的步骤包括将O2耗尽的空气流再循环到在反应区的上游的换热器，其中再循环的O2耗尽的空气流将热量传递到液体燃料。
根据另一方面，所述方法还包括使废气流再循环以将热量传递到空气容器。在某些实施方案中，经由用作空气容器的衬里的一个或多个(热)传导板将热量传递到空气容器。
根据另一方面，使液体燃料汽化的步骤包括经由用作蒸发区的外壁的衬里的(热)传导板将来自热空气和气态燃料流的热量传递到蒸发区。
根据另一方面，所述方法还包括在蒸发的燃料和CO2的混合物流入到反应区中之前过滤所述混合物的步骤。根据另一方面，蒸发的燃料和CO2经由燃料过滤器过滤。
根据所述方法的另一方面，空气容器和离子输送膜位于反应区内，并且其中蒸发的燃料和CO2的混合物到反应区中的流动垂直于离子输送膜。根据另一方面，离子输送膜是包围空气容器的管子。
附图说明
在审阅以下结合附图描述的本申请的各种实施方案的具体实施方式之后将更容易了解本申请的其他方面，在附图中：
图1是根据一个或多个实施方案的呈圆柱形配置的气体辅助型液体燃料氧气反应器的截面图；
图2是根据一个或多个实施方案的呈具有多个反应区的周期性平面配置的气体辅助型液体燃料氧气反应器的实施方案的截面图；
图3是根据一个或多个实施方案的与气体辅助型液体燃料氧气反应器相关联的换热器的示意图；
图4A至图4B是根据一个或多个实施方案的比较错流离子输送膜(4A)的操作与并流离子输送膜(4B)的操作的示意图；
图5是根据一个或多个实施方案的具有错流离子输送膜的气体辅助型液体燃料氧气反应器的实施方案的侧视图；
图6是根据一个或多个实施方案示出离子输送膜中的氧气渗透率在不反应和反应情况下随着吹扫气体中的CH4的百分率的增加而变化的线图；并且
图7是根据一个或多个实施方案示出反应区中的反应率随着吹扫气体中的CH4的百分率的增加而变化的曲线图。
具体实施方式
本公开详述了用于气体辅助型液体燃料氧气输送反应器的系统和方法。具体而言，本申请公开了一种用于利用气体燃烧的液体燃料的低碳排放型氧气输送反应器。在一个或多个实施方案中，本系统包括气体辅助(例如，CO2气体)雾化器，所述气体辅助型雾化器将液体燃料和气体的雾化喷雾提供到蒸发区中。雾化的燃料和气体在蒸发区中进行加热，然后经由燃料过滤器渗透到反应区(氧气输送反应器)中。空气流(flow of air)(空气流(air stream))也在邻近于反应区的导管(容器)中进给到所述系统中。这个空气流导管和反应区由一个或多个离子输送膜隔开。由于空气流导管的条件，来自空气流的氧气渗透穿过离子输送膜并渗透到反应区中。雾化的燃料和气体以及渗透的氧气在反应区中的组合导致燃料的燃烧和热量的产生。
在传统方法中，离子输送膜在低通量下操作，并且因此由反应区产生的加热率是相对低的。然而，本申请的系统利用雾化气体(例如，CO2)流作为吹扫气体来增加反应区中通过离子输送膜获得的氧气的通量。另外，本系统是闭环控制系统，其中气体和空气流在整个系统中再循环以在离子输送膜处维持恒定温度。例如，反应区中的气体燃烧反应用于将一个或多个离子输送膜加热到所需温度，并且维持离子输送膜处的温度所需的能量由离开反应区的废气的部分再循环提供。类似地，在经由离子输送膜失去氧气之后，现氧气耗尽的空气流(air stream)(空气流(flow))也可以用于在其进入到蒸发区中之前通过经由换热器将热量提供到液体燃料来使热量在所述系统内再循环。在离子输送膜处维持恒定温度避免了离子输送膜中的热应力，并且因此带来提高的膜稳定性和热性能。
本申请的系统和方法允许所述系统的有效的自加热，以及来自废气的CO2的储存，这显著减少了CO2排放。另外，由于燃料的燃烧是在氧气而非空气下进行，因此所述系统不会导致NOx的排放。
现将参考附图更全面地描述所提及的用于气体辅助型液体燃料氧气输送反应器的系统和方法，在附图中示出了所述系统和方法的一个或多个例举的实施方案和/或布置。所述系统和方法无论如何都不限于所例举的实施方案和/或布置，因为所例举的实施方案和/或布置仅仅是所述系统和方法的实例，所述系统和方法如本领域技术人员所了解可以各种形式体现。因此，应理解，本文公开的任何结构和功能细节不应被解释为限制所述系统和方法，而是提供为用来教导本领域技术人员一种或多种方式来实施所述系统和方法的代表性实施方案和/或布置。
图1示出了用于气体辅助型液体燃料氧气输送反应器的示例性系统100的截面图。在这个实施方案中，系统100具有圆柱形配置，诸如圆柱形管。在至少一个实施方案中，所述系统可以具有平面配置，所述平面配置具有水平的燃料注入槽。如本文所述，当系统100具有圆柱形形状时，所述系统由一系列同心区/区域构成。系统100通常可以被视为包括第一端102和相对的第二端104。
圆柱形系统100包括蒸发区105。蒸发区包括用于接收燃料雾化器115的入口110。液体燃料经由燃料雾化器115注入到蒸发区105中。液体燃料可以包含一种或多种化合物，包括但不限于甲烷(CH4)，但是也可以包括气态燃料和轻液燃料。在一个或多个实施方案中，燃料雾化器115是气体辅助的(例如，CO2辅助的)。在替代实施方案中，燃料雾化器115可以是液体燃料压力雾化器。燃料雾化器115可以包括入口120，所述入口120用于接收液体燃料；以及出口125，所述出口125适于将雾化的燃料和气体(例如，CO2)的液滴喷射到蒸发区105中。燃料雾化器115因此限定蒸发区105的一端。蒸发区105还包括外壁130，所述外壁130可以具有如所示的环形形状。在一个或多个实施方案中，外壁130可以包括一个或多个(热)传导板，所述传导板可以如下文将更详细所解释用于将雾化的(即，液滴)燃料和气体加热成汽化形式。在至少一个实施方案中，蒸发区105还可以包括钝体135。钝体135可以在蒸发区中用于辅助完成燃料蒸发并稳定火焰。火焰位于反应区145中。钝体135位于雾化器115的下游。
继续参考图1，在燃料和气体(例如，CO2)的蒸发之后，汽化的燃料和气体流过燃料过滤器140并流入到反应区(氧气输送反应器)145中。具体而言，来自雾化器的CO2的流充当吹扫气体，从而推动雾化的燃料穿过燃料过滤器140并将其推入到反应区145中。燃料过滤器140确保在进入到反应区145中之前从汽化的燃料和气体去除不想要的污染物。燃料过滤器140延伸穿过(横越)蒸发区105，并且因此被定位成使得来自雾化器的汽化的燃料和气体直接流入到燃料过滤器140中并穿过所述燃料过滤器。在一个或多个实施方案中且如图1所示，反应区145与蒸发区105同轴地对准并且位于所述蒸发区的下游。另外，在图1所示的实施方案中，蒸发区105和反应区145位于圆柱形配置(例如，管子)的最里面的区域(芯部)。
如图1所示，在一个或多个实施方案中，反应区145由一个或多个离子输送膜(ITM)150包围。在一种或多种实现方式中，ITM 150由陶瓷材料制成。在所示实施方案中，ITM 150具有环形形状，其中反应区145处于所述环形形状的内部。在至少一个实施方案中，诸如当所述系统具有平面配置时，ITM 150可以包括第一平面膜表面和第二平面膜表面，其中反应区145安置在两个平面膜表面之间。
在Behrouzifar等人的公布的论文(Experimental Investigation andMathematical Modeling of Oxygen Permeation Through DenseBa0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)Perovskite-type Ceramic Membranes.CeramicsInternational:38(2012)；4797-4811)中公开了示例性ITM材料和ITM的其他性质，所述论文以引用的方式整体并入本文。如在Behrouzifar等人的公布的论文中所论述，应了解，膜厚度和温度会影响ITM上的氧气通量。具体而言，ITM上的氧气通量通常随着膜周围的温度的增加而且随着膜的变厚而增加。
包围一个或多个ITM的是第一导管155(空气容器)。第一导管155包括用于空气流的入口(未示出)。如同系统100的其他部件和特征一样，第一导管155可以具有环形形状并且与蒸发区和反应区是同心的。如下所述，第一导管155由ITM 150限定(并部分地由外壁130限定)，并且由下文描述的外壁结构限定。反应区145中的蒸发的燃料和吹扫气体的混合物诱导在第一导管155中流动的空气流中的氧气穿过ITM 150传递到反应区145中。具体而言，反应区中的吹扫气体(例如，CO2)增加了整个ITM 150(整体)上获得的氧气的通量，从而诱导(导管145中的)空气流穿过ITM 150的氧气输送。
另外，空气流在逆流工序中进给到系统100中，因为空气流在吹扫气体/汽化燃料的相反方向上流动。这个逆流工序提供了加热空气流所需的至少一些能量并且因此沿着ITM维持均一的温度，这实现了提高的膜稳定性。氧气到反应区145中的输送导致了反应区145中的燃料的燃烧，从而导致了热量的产生。在一个或多个实施方案中，吹扫气体中燃料(例如，CH4)的百分率的增加导致ITM 150中氧气渗透的增加，以及反应区145中的反应率的增加(参见图6至图7)。
燃烧反应还产生了包含CO2和水蒸气的废气。在一个或多个实施方案中，废气的至少部分可以经由(热)传导板165再循环来对空气流提供部分加热，从而在ITM 150上提供甚至更大的氧气通量。空气流通过反应区145中的燃烧气体的辐射来加热。离开155的受热空气(氧气耗尽的空气)将会循环到第二导管160中以在155中保持高温空气。在至少一个实施方案中，使用(在100之外燃烧的)空气和燃料的燃烧气体传递到第二导管160中作为155中的空气的加热源。
另外，在一个或多个实施方案中，废气中的水蒸气可以被冷凝，从而使得废气流中基本上只留下CO2，其之后可以储存来减少CO2排放。特别地，离开区155的气体可以传递到冷凝器(未示出)中以将水蒸气冷凝，从而留下可以压缩和储存的CO2。
如上所述，导管155的空气流被加热，这有助于沿着ITM 150维持均一的温度，从而实现提高的膜稳定性。在一个或多个实施方案中，在操作期间，ITM维持在约700℃至约900℃的范围内的某一温度上。优选温度的确定取决于在高温下可以实现的高氧气通量的优化以及对ITM材料的热和机械稳定性的约束。
不同于许多常规系统，本申请的系统提供用于使用氧气而不是空气进行燃料的燃烧，从而产生不含氮氧化物(NOx)的废气流。因此，本申请的系统是零NOx排放系统。
继续参考图1，在氧气从空气流渗透穿过ITM 150之后，第一导管155中的现已氧气耗尽的空气流也可以再循环。具体而言，氧气耗尽的空气中可用的能量可以例如被用来在进入到蒸发室105中之前经由换热器加热燃料(参见图3)。如图1所示，在至少一个实施方案中，导管155的氧气耗尽的空气还可以经由外壁130中的传导板加热蒸发区105中的燃料。
如上所述，在至少一个实施方案中，系统100还可以包括包围第一导管155的第二导管160(加热容器)，所述第二导管160和第一导管155由至少一个(热)传导壁/板165隔开。(热)传导壁/板165因此限定第一导管155和第二导管160两者。(热)传导壁/板165可以具有环形形状。
第二导管160可以包括用于热空气流/气态燃料流的入口(未示出)。热空气/气态燃料流可以经由(热)传导壁/板165将热量提供到第一导管155的空气流，从而使得空气流中穿过ITM 150的氧气通量变好。在一个或多个实施方案中，圆柱形系统100还包括外壁170，所述外壁170用作第二导管160的外屏障并且因此限定第二导管160。
还将理解，外壁130与ITM 150之间形成了流体密封。如图1所示，外壁130的一端抵靠并密封ITM 150的一端。
因此将了解，如图1所示，系统100可以包括允许一系列反向流体流的一系列流动路径。更特别地，在所示实施方案中，蒸发区和反应区以及第二导管160中的流体流处于相同方向(平行流动路径)，并且第一导管155中的流体流处于相反方向(反向流动路径)。此外，各个区和流动路径以同心方式布置，这归因于以下事实：在所示实施方案中，系统100具有至少部分由一系列同心的环形形状区/流动路径限定的圆柱形形状。
还将了解，不同区/流动路径的大小可以变化，并且当前的图仅是示例性的而且不限制本发明。此外，每个流动路径的流动方向在图1中仅是示例性的并且不进行限制，因为示出为从左到右的流可以等同地为从右到左的流。
还应理解，虽然图1(系统100)被描述为圆柱形配置，但是在至少一个实施方案中，所述系统可以具有平面配置，使得ITM 150可以包括第一平面膜表面和第二平面膜表面，其中反应区145安置在两个平面膜表面之间。在这个实施方案中，第一导管155(空气容器)可以包括第一平面板和第二平面板(传导板165)，其间安置有第一平面膜表面和第二平面膜表面。另外，第二导管160(加热容器)可以由平面外壁170和平面传导板165限定。
图2示出了根据一个或多个实施方案的呈具有多个反应区的周期性平面配置的气体辅助型液体燃料氧气反应器系统200的第二实施方案的截面图。另外，在至少一个实施方案中，有可能使用多个隔开的圆柱形系统，诸如图1的圆柱形系统。
如图2所示，系统200以与图1的实施方案类似的方式起作用。与表示单级式系统的系统100相对比，系统200表示二级式系统，因为存在参考图1描述和如下所述的两组部件和流动路径。
因此，在这个实施方案中，系统200包括两个蒸发区205，每个蒸发区具有用于接收雾化器215，诸如气体(例如，CO2)辅助型雾化器的入口210。液体燃料(和CO2)(经由入口220)注入到雾化器215中并且(经由出口225)喷射到蒸发区205中。在蒸发区205中，燃料和CO2使用来自(热)传导板230的热量来汽化。在某些实施方案中，每个蒸发区205还包括钝体235。
继续参考图2，汽化的燃料和CO2渗透穿过燃料过滤器240并且流入到反应区245中，反应区245各自与相应的蒸发区205同轴地对准。在图2的周期性平面配置中，反应区245各自安置在ITM 250之间。更特别地，在这个实施方案中，ITM 250可以包括平面膜，其中每个反应区245安置在第一平面膜与第二平面膜之间。与ITM 250接界的是空气流导管255(空气容器)，所述空气流导管255具有用于受热空气流的入口(未示出)。来自受热空气流的氧气渗透穿过ITM 250并渗透到反应区245中，从而导致汽化的燃料和CO2流的燃烧反应。燃烧反应产生了热量以及包含CO2和水蒸气的废气。废气的至少部分可以经由传导板再循环来对空气流提供部分加热，以在ITM250上实现更好的氧气通量。再次，在这个实施方案中，废气中的水蒸气可以被冷凝，从而使得废气流中基本上只留下CO2，其之后可以储存来减少CO2排放。如下所述，每个导管255可以包括至少一个平面传导板265，所述至少一个平面传导板将来自导管260中的热空气/气态燃料流的热量提供到导管255中的空气流。如同在第一实施方案中一样，ITM 250维持在约700℃至约900℃的范围内的某一温度上。
在氧气从空气流导管255中的空气流渗透之后，现已氧气耗尽的空气流也可以在进入到蒸发区205中之前例如经由一个或多个换热器再循环来加热燃料。系统200还可以包括空气和气态燃料导管260，所述空气和气态燃料导管260与空气流导管255接界，所述导管260经由(热)传导壁/板265与导管255隔开。导管260各自可以包括用于热空气/气态燃料流的入口(未示出)。热空气/气态燃料流可以经由(热)传导壁/板265将热量提供到导管255的空气流，从而使得空气流中穿过ITM 250的氧气通量变好。系统200还可以包括外壁270，所述外壁270用作包括空气/气态燃料流的导管260的外屏障。诸如图2的某些周期性平面实施方案可以提供提高的效率，因为它们避免了圆柱形配置中有时经由外壁170可能会发生的能量损失。
根据图2应理解，在某些实施方案中，所述系统可以包括若干反应区(即，两个或更多个)，每个反应区与其自身的蒸发区同轴地对准，并且每个反应区安置在平面ITM之间；空气流导管和/或空气加气态燃料导管。每个蒸发区、ITM(第一平面膜和第二平面膜)、空气流导管和空气/气态燃料导管(其中反应区安置在平面膜之间)可以被视为共同地构成反应器单元，并且在某些实施方案中，两个或更多个反应器单元可以例如堆叠的定向进行组合。例如，图2示出了呈堆叠的定向的两个反应器单元。在一个或多个实施方案中，对于每一个反应单元，反应区安置在第一平面膜与第二平面膜之间，并且第一平面膜和第二平面膜安置在空气容器(导管255)的第一平面板与第二平面板之间。
还应了解，在一个或多个实施方案中，歧管型结构可以用于从单一源产生多个流动路径。例如，在如图2所示的周期性平面配置中，可以存在液体燃料的单一源，并且可以使用歧管结构来将液流分流到用于进入到多个蒸发区205中的多个流动路径中。在某些实施方案中，所述系统中还可以存在用于其他类似流体流，诸如导管255的空气流的类似的歧管状结构。可选地，在至少一个实施方案中，用于进入到每个蒸发区205中的每个液体燃料流可以存在单独的源，而且系统200中的其他类似流体流可以存在单独的源。
如以上实施方案中所提及，导管155(或导管255)中的氧气耗尽的空气流中可用的能量在经由ITM渗透氧气之后可以被用来在进入到蒸发室中之前经由一个或多个换热器加热液体燃料。图3示出了根据一个或多个实施方案的用于在进入到蒸发区中之前加热液体燃料的换热器302。换热器302可以位于一个或多个蒸发区的上游。如图3所示，换热器302可以具有用于燃料的第一入口304、用于氧气耗尽的空气流的第二入口306、用于燃料的第一出口308以及用于氧气耗尽的空气流的第二出口310。第二入口306可以连接到空气流导管155(或255)以接收氧气耗尽的空气，并且第一出口308可以连接到雾化器115(或215)的入口120(220)。来自氧气耗尽的空气流的热量可以本领域的普通技术人员已知的任何数量的方式在换热器302中传递到燃料流。另外，离开的氧气耗尽的空气通常富含N2并且可以用于诸如肥料行业的工业过程中。
如上所述，根据一个或多个实施方案，本申请的系统可以是自加热的，因为它们可以使用反应区中的燃烧反应来将ITM加热到所需温度。另外，由离开反应区的废气流的部分再循环提供的能量有助于维持ITM温度。因此，在这些实施方案中，本系统是闭环控制系统，其中ITM温度维持在恒定水平上以便于避免ITM中的热应力并且提高热性能。
在一个或多个实施方案中，每个ITM可以是包围反应区的一个连续膜。在至少一种实现方式中，ITM可以是一系列ITM管。更特别地，在某些实施方案中，ITM管可以安设在反应区内并且垂直于吹扫流(进入反应区的雾化的燃料和CO2)以增强ITM上的氧气渗透。换言之，在吹扫流垂直于ITM的实施方案中，与其中吹扫流平行于ITM的“并流”ITM相比较，ITM被视为“错流”ITM。图4A至图4B示出了错流ITM(图4A)的操作与并流ITM(图4B)的操作的比较的示意图。
图5示出了具有错流离子输送膜的气体辅助型液体燃料氧气反应器的替代实施方案的侧视图。在这个实施方案中，系统500可以与系统100和200类似的方式操作，并且可以包括所有或基本上所有与图1和图2的实施方案所示相同的元件，包括但不限于：蒸发区505、燃料过滤器540、反应区545、ITM 550(在这个实施方案中为ITM管550)、传导板/壁(未示出)以及空气加气态燃料流导管560。
然而，不同于以上的实施方案，系统500中的空气流直接进给到ITM管550中(这与沿着其外部流动相反)，并且来自空气流的氧气(O2)之后如图5所示从ITM管550内部渗透到在ITM管550的外部的反应区545。换言之，在这个实施方案中，ITM管550安设在反应区545内，并且ITM管550的内部用作空气导管。在先前的实施方案中，反应区在内部位于ITM管内，而在这个实施方案中，反应区位于一个或多个ITM管的外部。
在这个实施方案中，在蒸发区505中加热液体燃料和CO2之后，汽化的燃料和CO2流穿过燃料过滤器540流入到反应区545中。在此处，汽化的燃料和CO2的流是垂直于ITM管550的“错流型”流。例如，ITM管550可以在反应区中自上而下垂直地定向。汽化的燃料和CO2的错流增强了从空气流穿过ITM管550的的氧气渗透，从而提高反应区545中的燃烧反应的效率。在图5的实施方案(即，错流ITM)的一种或多种实现方式中，废气流、氧气耗尽的空气流和空气加气态燃料流可以针对图1和图2的实施方案所描述类似的方式在所述系统中再循环用于加热目的，所述方式包括一个或多个换热器的使用(参见图3)。
虽然上文已使用特定实施方案描述了本发明，但是存在对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的许多变化和修改。因此，所描述的实施方案应被视作在各方面都是说明性的而不是限制性的。本发明的范围因此由随附权利要求而非前文描述指明。在权利要求的含义和等效范围内的所有变化被包含在所述权利要求的范围内。
气体辅助型液体燃料氧气反应器专利购买费用说明
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4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
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