[发明专利]包括离子迁移部件的用于发电的系统和方法

说明书

本发明涉及一种利用离子迁移膜(ITM)单元发电的系统和方法。空气流和燃料流可以通过ITM单元，使得燃料至少被部分氧化或燃烧以形成包含CO₂的出口流。CO₂流可被压缩和膨胀以产生动力。

技术领域

本公开涉及用于发电的系统和方法。特别是，可以进行其中用于燃料燃烧的氧至少部分地由通过氧离子迁移膜的氧扩散提供的发电。

背景技术

在Allam等人的美国专利No.8,596,075中，描述了利用二氧化碳作为工作流体燃烧含碳或碳烃燃料的用于发电的系统和方法，通过引用的方式将其合并于此。这种系统和方法利用了将CO₂作为工作流体的高压回热式布雷顿系统，其中相当纯的氧用于在高压(例如，约200巴至400巴)和高温(例如，约600℃至约1600℃)下燃烧燃料。在一些实例中，燃料可以是天然气(即，主要由甲烷组成的烃类气体混合物)和/或源自部分氧化的煤、生物质和/或残余炼油产品(例如重渣油馏分或石油焦的燃料)。在这样的压力和温度下的燃烧产物流在具有约20巴至约40巴的出口压力的涡轮机上膨胀。然后，可以将膨胀的流冷却(例如，用回热式热交换器)和处理以除去水或其他杂质，从而提供相当纯的CO₂流，该CO₂流在被再循环到燃烧器之前可以被压缩和再加热(例如，靠在回热式热交换器中的涡轮机出口流)。可选地，如在Palmer等人的美国专利No.8,869,889中所描述的，可提取部分或全部CO₂用于封存和/或二次使用，诸如提高石油采收率，通过引用的方式将其公开内容合并于此。这种动力循环可以提供高效率的发电，同时捕获大量产生的CO₂。例如，燃烧天然气来提供压力为300巴和温度约为1150℃的涡轮入口流和压力约为30巴的涡轮出口流的这种发电循环可以表现出在完全碳捕获的情况下约59％的净效率(在较低的加热值基础上)。通过在低于约400℃的温度水平下引入第二热量输入来补偿系统中所使用的高压和低压下的较低温度的CO₂的比热之间的较大差异，可部分地实现这种高效率。

这种动力循环的关键要求是大量高纯度的、高压气态氧。在上述的条件下工作的300MW电力生产设备通常需要低温空气分离设备产生的每天约3500公吨(MT/D)的纯度为99.5％和30巴的最小压力的氧气。包含氧气发生器显著增加了如上所述运行的电力生产系统的资本成本，并且在发电循环的运行期间还消耗了大量的电力。如上所述，已经示出了通过增加不能从燃烧产物流中恢复的热量来提供提高效率的这种系统和方法。在一些实施例中，增加的热量可来源于增加低温制氧工艺中的入口空气流的压力的、由压缩机产生的绝热热量和另外的来源于至少部分CO₂再循环压缩的热量。然而，在本领域中仍然需要进一步的发电循环，其可以在基本完全捕获碳的情况下获得高效率，并且其可以以减少的资本支出和操作成本来实现。

发明内容

本公开涉及用于发电的系统和方法，其中可以为燃料的燃烧提供氧，而不需要低温空气分离设备。在一个或多个实施例中，可通过离子迁移从空气流(或其他相对低的氧浓度流)中得到氧。例如，在约750℃以上的温度下操作的具有钙钛矿或钙铁石晶体结构的某些混合氧化物陶瓷组合物，具有从高氧活度系数的区域向低氧活度系数的区域扩散氧的能力。可以选择混合氧化物陶瓷的组成，使得在晶格中有通常存在氧离子的空位。这可以通过例如混合单价、二价或三价金属氧化物来实现，以实现使晶体结构保持稳定的晶格差异。

本公开的系统和方法可消除对高效氧燃料燃烧所需的一件或多件设备的需要，诸如提供高纯度氧的低温空气分离单元和/或在用于发电的膨胀之前加热加压的工作流流的高压氧燃料燃烧器。消减这些元件可以显著地节约设备成本和操作成本。目前所公开的动力循环可使发电涡轮机在较低的入口温度下运行，这将允许消除涡轮叶片和内涡轮壳体内的内部CO₂冷却流，从而提高涡轮效率，降低资本成本。

在一个或多个实施例中，本系统和方法可通过在涡轮排出压力下将燃料气体引入系统中而消除对高压燃料气体压缩机的需要。例如，天然气燃料可以在约30bar压力下直接由天然气管道提供。