利用湿式燃烧来运行燃气涡轮机的方法和设备技术

本发明专利技术的任务是明显提高燃气涡轮机的电效率或有效功的份额，并且这已经针对简单的结构类型的小型燃气涡轮机或微型燃气涡轮机能够实现。根据本发明专利技术，现有技术罗列出的缺点通过利用氧气的湿式燃烧解决，其中，氧气通过混合引导的陶瓷薄膜提供。在此，用于使氧气穿过的驱动力通过在薄膜模块(5)的渗透侧降低氧气分压来实现，并且为此需要的能量从燃气涡轮机过程的过程能量中提取。

Method and equipment for operating gas turbines by wet combustion

The task of the invention is to significantly improve the electric efficiency or the share of the effective power of the gas turbine, and this has been achieved for a small gas turbine or a micro gas turbine for simple structural types. According to the invention, the disadvantages listed in the prior art are solved by using wet combustion of oxygen, wherein oxygen is supplied through a hybrid guided ceramic film. Here, the driving force for the oxygen passing through is realized by reducing the oxygen partial pressure at the osmotic side of the film module (5), and the energy needed is extracted from the process energy of the gas turbine process.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用湿式燃烧来运行燃气涡轮机的方法和设备
本专利技术涉及用于针对燃料而言以氧气作为氧化剂运行很小的(微型燃气涡轮机)和中等的结构大小的燃气涡轮机的方法，其中，氧气通过混合地引导的陶瓷MIEC(MixedIonicElectronicConductor(混合离子电子导体))薄膜在很高的温度的情况下在使用燃气涡轮机过程的过程能量的情况下产生。
技术介绍
氧气的常规的生产现在优选通过变压吸附(PSA-PressureSwingAdsorption(变压吸附))、真空变压吸附(VPSA-VacuumPSA(真空PSA))或通过低温空气分离(方法)实现。带有大于5000Nm3O2/h的流量的大型设施达到大约0.4kWhel./Nm3O2(低温)或0.36kWhel./Nm3O2(VPSA)的特殊的能量消耗。在对氧气的纯度的要求减小的情况下，可以通过低温空气分离设施实现0.33kWhel./Nm3O2的最小能量消耗，然而只有在大约500tO2/h或350000Nm3O2/h的生产率的情况下才实现[Fu,C.,Gundersen,T.：能量44(2012)，第60-68页]。在小型消耗器的很小的氧气需求的情况下，通常使用更小的PSA设施，其最小需要0.9kWhel./Nm3O2。使用来自瓶子或液体罐的氧气涉及针对出租和运输的巨大的费用。总体上，利用氧气运行更小的燃气涡轮机是不经济的，这是因为针对常规的氧气产生的能量需求超过了效率增长，或者供应的高的成本过度补偿了有效作用。用于制造氧气的替选的方法基于在高的温度下的薄膜分离过程。为此使用混合引导的陶瓷薄膜(MIEC-MixedIonicElectronicConductor(混合离子电子导体))，其能够实现氧气的高选择性的分离。氧气运输基于通过气密性的陶瓷材料运输氧离子，并且基于平行发生地运输电子电荷载体(电子或电子空穴)。从1980年开始，大量陶瓷材料在氧气运输和另外的材料特性方面得到研究。氧气渗透通过MIEC薄膜可以通过瓦格纳方程描述，并且首先通过材料在使用温度下的双极性导电率、薄膜厚度并且通过驱动力确定。驱动力由原料燃气中的氧气分压(ph)和冲洗气体或渗透中的氧气分压(pI)的对数比得到。氧气流过MIEC薄膜因此在给定的材料、恒定的模厚度和确定的温度中与ln(ph/pI)成正比。相应地，在原料燃气侧的ph的加倍导致氧气流动的和渗透侧或尾气侧的pI的平分相同的提高。为了在技术薄膜设施中产生纯氧气，空气可以相应地被压缩，或者氧气利用真空被抽吸；组合的过程当然也是可能的。针对大规模的的过程联合的MIEC薄膜设施，迄今为止宣传对空气的压缩，这是因为压缩机通常比真空产生器可更便宜且更好地使用。针对这种过压薄膜分离过程，然而整个空气流必须被压缩，从而首先必须消耗巨大的压缩功。如果被压缩的空气的压缩能量没有得到重新利用，那么用于利用MIEC薄膜产生氧气的能量需求超过低温空气分离和变压吸附(PSA-PressureSwingAdsorption(变压吸附))的能量需求。因此，在过压过程中，压缩能量通常在薄膜分离过程后通过降低被压缩的氧气耗尽的空气的压力经由透平得到重新利用。在此，力求达到大于80％的重新利用，其方法是，高效的压缩机和透平布置在共同的轴上。与基于MIEC薄膜实现的过压过程不同地，替选的真空薄膜分离过程不需要压缩能量的重新利用，从而独立的、非过程联合的MIEC薄膜设施也可以实现相对于低温空气分离、PSA和VPSA具有竞争力的能量消耗[DE102013107610A1]。从燃气涡轮机过程的热力学观察中得到的是，在确定的燃料输送中，其效能或效率，即可从系统提取的有效功的份额随着燃烧空气的氧气含量的增加而增加。此外，在利用纯的氧气燃烧时可以产生浓缩的CO2流，其能够实现储存[AT409162B]。然而，在利用氧气燃烧时，燃烧温度也强烈地升高，这明显使在已经高度热负载的燃气涡轮机中的技术实现变得困难。因此，CO2一部分在循环回路中引导，并且蒸汽用于冷却燃烧室。与蒸汽透平(GUD发电站)组合地可以达到64％的毛电效率，其然而通过用于产生氧气和压缩氧气的能量需求下降到大约55％的纯效率[Jericha,H.；Sanz,W.；E.：带有CO2保存的燃气涡轮机-490MW(氧化燃料系统格拉茨循环)，在VDI报告中，编号1965，聚焦于经济性、安全性和气候保护的静止燃气涡轮机，勒沃库森，2006年11月21-22号，第1-20页]。针对评估燃气涡轮机的氧气运行的有利性，用于提供氧气的能量消耗相应地必须与可提取的有效功的提升对照，并且相应地被考虑到。如已经实施的那样充分公知的是，高的燃烧温度可以通过蒸汽喷入或水喷射来明显降低(US2009/0071648A1)。如果在纯的燃气涡轮机过程中，在没有再利用蒸汽透平中的废热的情况下，蒸汽借助废气的过程废热产生，并且蒸汽由此已经利用过压引入到燃气涡轮机的燃烧室中，那么就实现类似于GUD过程(燃气和蒸汽发电站)的效率[S.、Albin,E.、K.、Krüger,O.、Schimek,S.、Terhaar,S.、Paschereit,C.O.：高效的非常湿式的燃烧的、低排放的燃气涡轮机，第六次国际会议“燃气涡轮机技术的未来”，文件ID17，2012年10月17-18号，布鲁塞尔，比利时]。由此，GUD发电站的效率范围已经可以利用单个燃气涡轮机实现，而不需要另外的单独的部件，如蒸汽透平或ORC设施。所谓的“湿式燃烧”导致通过引入的比较冷的水蒸气(200-400℃)来明显更好地冷却涡轮叶片和燃烧室。由此可以放弃借助剩余的空气实现的对涡轮叶片的常见的薄膜冷却，燃气涡轮机的压缩机的空气流量和必需的压缩功率下降，有效功的份额或效率上升，效率通常上升15-20％。此外，“湿式燃烧”导致NOx排放的明显的下降。然而在利用空气的“湿式燃烧”的情况下，实现稳定的燃烧过程被证实是困难的，这是因为火焰传播速度和点火极限由于燃料空气混合物中的水蒸气的高的含量而发生强烈改变。在由氧气和水蒸气构成的混合物中的燃料燃烧时，一方面，“湿式燃烧”的之前提到的优点得到保持，另一方面，燃烧温度也可以由于还更高的蒸汽含量而保持足够低。附加的优点根据上面的实施方案由如下得到，即，相对于利用空气的“湿式燃烧”，在利用氧气燃烧时形成带有高的CO2含量和高的水蒸气含量的废气，即已经在简单的燃气涡轮机中，能够在小范围中实现CO2分离。此外，包含在烟气中的水蒸气的大部分可以被冷凝，并且又被回送到蒸汽产生器中，从而附加的水仅为了补偿损失而必须输送至过程中。现在基于这些原因而实现一种用于在燃气涡轮机中的氢气和氧气的“湿式燃烧”的概念[柏林工业大学于2015年2月24号的媒体信息42/2015]。在此，氢气和氧气应该通过由再生的剩余电流实现的水电解产生。研发的目标相应是临时存储来自可再生能源(风力、太阳能)的形式为被压缩的燃气(H2、O2)的电能，并且利用燃气涡轮机将燃气转换为电能。因为在水电解时，每标准m3氢气然而需要至少4kWh电能，每标准m3氧气甚至需要至少8kWh电能，所以在能量方面，针对常规的燃料的氧气燃烧提供电解产生的氧气显得是没有意义的。所描述的手段因此仅适用于临时存储剩余电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.以借助氧气或富含氧气的空气湿式燃烧燃料来运行燃气涡轮机(1)的方法，其中，对于燃烧来说所需要的氧气借助混合引导的陶瓷MIEC(混合离子电子导体)薄膜通过降低MIEC薄膜的渗透侧的氧气分压提供，并且所有针对燃气涡轮机(1)的运行所参与的部件形成总系统，其特征在于，借助燃气涡轮机(1)的过程能量来降低MIEC薄膜的渗透侧的氧气分压，并且由此实现总系统的电效率相对于燃气涡轮机(1)利用空气的通常运行提高至少4个百分点。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.18 DE 102015119915.71.以借助氧气或富含氧气的空气湿式燃烧燃料来运行燃气涡轮机(1)的方法，其中，对于燃烧来说所需要的氧气借助混合引导的陶瓷MIEC(混合离子电子导体)薄膜通过降低MIEC薄膜的渗透侧的氧气分压提供，并且所有针对燃气涡轮机(1)的运行所参与的部件形成总系统，其特征在于，借助燃气涡轮机(1)的过程能量来降低MIEC薄膜的渗透侧的氧气分压，并且由此实现总系统的电效率相对于燃气涡轮机(1)利用空气的通常运行提高至少4个百分点。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮机(1)的废热用于将氧气从薄膜设施抽吸走。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮机(1)的压缩机(6)设计为真空压缩机，并且在160mbar(绝对)以下的压力的情况下从薄膜模块(5)抽吸氧气，并且将所述氧气压缩至燃气涡轮机(1)的运行压力。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由CO2、蒸汽或由这些成分组成的混合物所构成的、处于过压下的，也就是被压缩的气体部分流作为冲洗气体以低的氧气分压使用在混合引导的薄膜上，并且因此，在使用电能或机械功的情况下取消机械式气体压缩。5.以湿式燃烧来运行燃气涡轮机(1)的设备，其中，氧气产生器(2)置于燃气涡轮机(1)前，并且蒸汽产生器(3)置于燃气涡轮机后，氧气产生器(2)包含带有前置的热交换器(8)和通风装置(7)的MIEC(混合离子电子导体)薄膜模...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉尔夫·克里格尔，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：德国,DE