[發(fā)明專利]集成的離子轉(zhuǎn)運膜和燃氣輪機系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010286651.3
• 申請日: 2010-09-17
• 公開（公告）號: CN102022190A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: P·A·阿姆斯特朗;E·P·德梅特里
• 申請（專利權(quán)）人: 氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司;康塞普斯ETI公司
• 主分類號: F02C7/141
• 分類號: F02C7/141;F02C7/18;F02C3/22
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 陳文平;徐志明

關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)的聲明

本發(fā)明按照合作協(xié)議DE-FC26-98FT40343部分地接受美國能源部的資助。政府擁有本發(fā)明的某些權(quán)利。

背景技術(shù)

通過使用氧可滲透的混合金屬氧化物陶瓷膜，可以在高溫下分離空氣以產(chǎn)生高純度氧。這些膜通過氧離子的選擇性滲透運行，并可以描述為離子轉(zhuǎn)運膜。用于離子轉(zhuǎn)運膜的混合金屬氧化物材料可以是傳導(dǎo)氧離子和電子的混合導(dǎo)體，其中，滲透的氧離子在膜的滲透側(cè)重組以形成氧氣。

離子轉(zhuǎn)運膜分離系統(tǒng)的進氣是含氧氣體(例如，空氣)，其在膜系統(tǒng)之前壓縮和加熱達到700℃至1100℃的一般溫度范圍。進氣的一部分透過膜，并作為熱的高純度的氧滲透產(chǎn)物回收。熱的加壓非滲透氣體部分地氧貧化，并包含大量的熱能和壓力能；應(yīng)該回收這種能量以確保整個氧生成過程在經(jīng)濟上是可行的。

為了回收非滲透氣中的大量熱能和壓力能，離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)可以與使用熱交換器、燃燒器(combustor)、燃氣渦輪、蒸汽輪機和其他熱利用設(shè)備的能夠產(chǎn)生和回收系統(tǒng)整合。由于非滲透物含有殘留氧，它可用作燃燒過程(例如，舉例來說，燃氣輪機或燃氣輪發(fā)動機)中的氧化劑流。如果非滲透物具有低的氧濃度，一些旁路空氣可與非滲透物混合以達到用于燃燒過程中的大多數(shù)燃料的可燃極限。因此，離子轉(zhuǎn)運膜非滲透氣體中的熱能和壓力能可以由燃氣輪機系統(tǒng)作為機械能回收，且這種能量可以被認為是高純度氧滲透氣體的副產(chǎn)物。

將離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)與燃氣渦輪發(fā)動機整合在一起是本領(lǐng)域公知的，其中，一部分燃氣渦輪壓縮機輸出向膜系統(tǒng)提供壓縮的空氣進氣，且來自膜系統(tǒng)的非滲透物流直接引入到通用燃氣輪機燃燒器中。但是，現(xiàn)有技術(shù)中沒有公開描述非滲透氣體在特定燃氣輪機燃燒器(gas?turbinecombustor)中的集成使用的詳細方法。因此，需要實際燃氣輪機燃燒器中利用來自離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的非滲透氣體的具體方法。通過下面所述的和隨后的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的實施方式來滿足了這種需要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一種實施方式涉及集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，包括：

(a)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括：

(1)包括壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸(drive?shaft)的壓縮機；

(2)包括外殼、具有一個或多個燃料進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)、適于接收來自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)和圍繞燃燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里(liner)的燃燒器，其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、燃燒氣體出口和一個或多個稀釋氣體進口；

(3)位于外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域具有一個或多個含氧氣體進口，且通過該一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與燃燒區(qū)流體連通；

(4)包括與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出軸(work?output?shaft)的氣體膨脹器；和

(5)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道(piping)；

(b)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括進氣區(qū)(feed?zone)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的(oxygen-depleted)非滲透氣體的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；和

(c)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口的任一個或多個流體連通的管道。

本發(fā)明的另一實施方式包括操作集成的燃氣輪機(combustionturbine)和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的方法，包括：

(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括：

(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括：

(1a)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；

(1b)包括外殼、具有一個或多個燃料進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)、適于接收來自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)和圍繞燃燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里的燃燒器，其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、一個或多個稀釋氣體進口和稀釋的燃燒氣體出口；

(1c)位于外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域具有一個或多個含氧氣體進口，且通過一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與燃燒區(qū)流體連通；

(1d)具有與稀釋的燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出軸的氣體膨脹器；和