[发明专利]集成的离子转运膜和燃气轮机系统

说明书

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明按照合作协议DE-FC26-98FT40343部分地接受美国能源部的资助。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

通过使用氧可渗透的混合金属氧化物陶瓷膜，可以在高温下分离空气以产生高纯度氧。这些膜通过氧离子的选择性渗透运行，并可以描述为离子转运膜。用于离子转运膜的混合金属氧化物材料可以是传导氧离子和电子的混合导体，其中，渗透的氧离子在膜的渗透侧重组以形成氧气。

离子转运膜分离系统的进气是含氧气体(例如，空气)，其在膜系统之前压缩和加热达到700℃至1100℃的一般温度范围。进气的一部分透过膜，并作为热的高纯度的氧渗透产物回收。热的加压非渗透气体部分地氧贫化，并包含大量的热能和压力能；应该回收这种能量以确保整个氧生成过程在经济上是可行的。

为了回收非渗透气中的大量热能和压力能，离子转运膜系统可以与使用热交换器、燃烧器(combustor)、燃气涡轮、蒸汽轮机和其他热利用设备的能够产生和回收系统整合。由于非渗透物含有残留氧，它可用作燃烧过程(例如，举例来说，燃气轮机或燃气轮发动机)中的氧化剂流。如果非渗透物具有低的氧浓度，一些旁路空气可与非渗透物混合以达到用于燃烧过程中的大多数燃料的可燃极限。因此，离子转运膜非渗透气体中的热能和压力能可以由燃气轮机系统作为机械能回收，且这种能量可以被认为是高纯度氧渗透气体的副产物。

将离子转运膜系统与燃气涡轮发动机整合在一起是本领域公知的，其中，一部分燃气涡轮压缩机输出向膜系统提供压缩的空气进气，且来自膜系统的非渗透物流直接引入到通用燃气轮机燃烧器中。但是，现有技术中没有公开描述非渗透气体在特定燃气轮机燃烧器(gas turbinecombustor)中的集成使用的详细方法。因此，需要实际燃气轮机燃烧器中利用来自离子转运膜系统的非渗透气体的具体方法。通过下面所述的和随后的权利要求所限定的本发明的实施方式来满足了这种需要。

发明内容

本发明的一种实施方式涉及集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括：

(a)燃气涡轮燃烧发动机，包括：

(1)包括压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴(drive shaft)的压缩机；

(2)包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里(liner)的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、燃烧气体出口和一个或多个稀释气体进口；

(3)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具有一个或多个含氧气体进口，且通过该一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通；

(4)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴(work output shaft)的气体膨胀器；和

(5)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道(piping)；

(b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区(feed zone)、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的(oxygen-depleted)非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和

(c)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口的任一个或多个流体连通的管道。

本发明的另一实施方式包括操作集成的燃气轮机(combustionturbine)和离子转运膜系统的方法，包括：

(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括：

(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括：

(1a)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；

(1b)包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口；

(1c)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具有一个或多个含氧气体进口，且通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通；

(1d)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器；和