[發明專利]使用離子傳輸膜發電的系統和方法

有效

• 申請號: 201180044025.6
• 申請日: 2011-07-14
• 公開（公告）號: CN103097694B
• 公開（公告）日: 2016-10-19
• 發明（設計）人: R·J·阿拉姆
• 申請（專利權）人: GTL汽油有限公司
• 主分類號: F02C3/20
• 分類號: F02C3/20;F02C7/00;B01D59/30;B01D61/38;F02C6/18
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 張蘭英

優先權聲明

本申請要求2010年7月14日提交的美國臨時申請No.61/364,293的優先權，該申請的全部公開內容以引用方式并入本文。

技術領域

本發明涉及將離子傳輸膜與燃氣渦輪一體化。

背景技術

可以將烴和含碳原料轉化成具有不同的H2與CO比率的H2與CO合成氣混合物。原料可包括煤、天然氣、油餾分、瀝青和焦油狀煉油廠廢物、石油焦炭和各種形式的生物質。可使用催化工藝將合成氣混合物轉化成有價值的烴和化學品。

發明內容

在一些實施方式中，系統可包括與燃氣渦輪一體化以產生氧氣的離子傳輸膜(ITM)模塊，該模塊將純氧從加壓加熱空氣分離。該系統的重要用途是具有或不具有CO₂捕獲以最大化或者說是增加系統效率的整體氣化聯合循環(IGCC)系統。這些實施方式可使具有小于1%O₂的稀釋氣體能夠與H₂和/或(H₂+CO)燃料氣體安全地混合。此外，ITM和燃氣渦輪的組合最小化或者說是減小在ITM系統中釋放的轉移到蒸汽系統的熱能。到ITM模塊的空氣進料可被間接加熱，使得空氣中的O₂分壓不會由于進料空氣流中的直接燃燒而降低。這最大化或者說是增加O₂回收率并最小化或者說是減小用于固定的O₂產生和膜區域的氣流。另外，一些實施方式可以避免或者說是顯著地降低燃燒產物對ITM膜的可能污染。

本發明的一個或多個實施例的細節在附圖中和下文的描述中闡述。本發明的其它特征、目的和優點將從描述和附圖以及權利要求顯而易見。

附圖說明

圖1示出其中到ITM模塊的全部空氣流都取自燃氣渦輪壓縮機的排放物的工藝的流程圖；以及

圖2示出其中存在外部空氣壓縮機的工藝的流程圖，該空氣壓縮機與取自燃氣渦輪空氣壓縮機的排放物的空氣流一起為ITM模塊提供全部空氣進料。

在各個附圖中，相同的參考符號表示相同的元件。

具體實施方式

在一些實施方式中，系統可包括從燃氣渦輪發電，其中，利用與從ITM單元生成的純O₂的部分氧化反應來氣化含碳或含烴燃料。使用煤或石油焦炭或殘余瀝青作為燃料的現有系統通常采用O₂燃燒部分氧化方法將含碳燃料轉化成燃料氣體，該燃料氣體包含H₂+CO以及諸如H₂S和其它的從進料得到的雜質。該燃料氣體流被冷卻并且諸如H₂S和其它的雜質被除去。然后，凈化的燃料氣體在用作與循環發電系統組合的燃氣渦輪中的燃料之前與氮氣和可選的蒸汽混合。傳統上通過在低溫空氣分離單元中分離空氣以產生基本上純凈的O₂來生成用于部分氧化的O₂。所述實施方式使用包含通常具有鈣鈦礦晶體結構的混合的金屬氧化物的O₂離子傳輸膜(ITM)，其中在O₂離子位點中具有空位。這些結構允許O₂離子在高溫下在晶體中變得可動，并且當在ITM上存在活度系數差值時，O₂在膜上的擴散成為可能。ITM膜然后作為短路的電化學電池操作。為了操作ITM單元，有必要提供通常處于800℃至900℃的具有3到4巴的氧氣分壓的進料空氣流，以便在ITM系統中實現從進料空氣的70%或更多的O₂分離因子并且制備足夠的O₂以供給至部分氧化氣化器。純O₂可通過ITM膜擴散，并且在通常在0.3至0.8巴的范圍內的壓力下可用。離開燃氣渦輪空氣壓縮機的絕熱壓縮空氣可在第一燃燒器中通過燃料的直接燃燒而加熱到在800℃至900℃范圍內的溫度。經加熱的空氣然后穿過ITM膜模塊，空氣中的O₂中的一些在模塊中被分離。出口貧O₂流仍具有用于在第二燃氣渦輪燃燒器中燃燒更多燃料的足夠的O₂，第二燃氣渦輪燃燒器將溫度升高到設計值以便進入燃氣渦輪膨脹器。