与燃气轮机一体化的氧气分离方法技术

一种氧气分离器和从热含氧气体中分离氧气的方法，其在管道（２２、５６、８３、２３０）内使用具有细长管状树型的氧选择性陶瓷膜（３６），用于从热气体中分离氧气。管道（２２、５６、８３、２３０）可以连接在燃气轮机（６）的排出装置与由所述排出装置驱动的发电机（３）之间，或者可以连结到燃气轮机（６）的一个或多个燃烧器（１５０）。补充压缩空气进料（１６）可以按至少等于所透过氧气的流量加入，用于冷却和流量平衡。还可以引入吹扫气体（１６５）。此外，还可以提供由氧选择性陶瓷膜材料制成的燃烧器管（３６），以产生燃烧产物，所述燃烧产物又可以用于下游的氧选择性陶瓷膜（３６）的吹扫。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氧气分离器和使用氧选择性离子导电陶瓷膜分离氧气的方法。更特别地，本专利技术涉及这样一种设备其中这些氧选择性陶瓷膜位于直接连接到燃气轮机的排气装置或者连接到燃气轮机的燃烧器的管道内，以接受由燃料燃烧加热的空气。现有技术中有许多参考文献公开了燃气轮机与使用氧选择性离子导电陶瓷膜(下文在说明书和权利要求书中称为“氧选择性陶瓷膜”)的氧气分离器的一体化设备。例如，J.D.Wright等的“AdvancedOxygen Separation Membranes(先进的氧气分离膜)”，第33-61页(1990)中公开了一种一体化设备，其中，压缩空气由火焰加热器间接加热到必须的膜操作温度。然后该空气通过分离器的保留物侧，其中一部分所含氧气由压力驱动的离子导电陶瓷膜输送到渗透物侧。氧气减少后的保留物在火焰加热器中被加热到燃气轮机进口温度，然后在涡轮机中膨胀以产生功率。火焰加热器含有热交换蛇纹管，用于加热分离器进料。类似的一体化设备表示在US 5,516,359中。在该专利中，空气被压缩到较高压力并由燃烧器或间接热交换加热到膜操作温度。加热后的压缩空气然后引入到从空气中提取氧气的膜分离器的保留物侧。氧气减少后的保留物由直接燃烧进一步加热到涡轮机进口温度，然后在涡轮机中膨胀产生功率。US 5,562,754公开了向氧气减少了的保留物气流中引入蒸汽作为所分离氧气的替换，并且还使用蒸汽作为膜的渗透物层的吹扫气体，以改善氧气传递的驱动力。US 5,852,925描述了不同的工艺选项，其特别适合于改进现有的装置。一种选项中，仅有一部分压缩空气流被膜分离器加工。所得的氧减少的保留物在涡轮机膨胀之前与绕过分离器的气流混合。另一种选项提供了一个单独的空气压缩机，以供给膜分离器。氧减少的保留物在第二级燃烧器中加热，然后在涡轮机中膨胀。US 5,865,878引入了各种使氧选择性陶瓷膜与燃气轮机一体化的概念，其中，蒸汽和天然气等反应物被引入到膜分离器的渗透物侧，以便与所渗透的氧气反应形成希望的产物如煤气。US 5,820,654公开了一种方法和设备，其中，通过氧选择性陶瓷膜从热含氧气流中提取氧气，其中，氧气产物通过与一部分进气流的间接热交换冷却。气体分离和冷却被集成在单一的设备中，以便最大利用传统的结构材料。所有上述参考文献公开了分离器-燃气轮机一体化，它们都要求使用辅助设备，如热交换器和长管道系统，用于提取空气和重新注入氧减少的空气。可以理解，这样的设备和管道增加了膜分离器和燃气轮机一体化的复杂性和费用。此外，长管运行产生压力降并难以为分离器提供均匀的流量分布。正如将要讨论的，本专利技术提供使用氧选择性陶瓷膜的氧气分离器和方法，其被设计与燃气轮机一体化而不用长管运行。结果，在处理系统部件间的大量空气流中涉及的压力降被最小化，并且减少了流量分配问题。氧气分离器利用在相对的端部开口的管道，并且构造成以在一条线上的关系直接安装在热空气发生器的膨胀器与功率涡轮机之间，以接受来自膨胀器的热含氧气体并把氧气减少的气体排放到功率涡轮机中。提供许多氧选择性陶瓷膜来从热气体中提取氧气。这样的薄膜安装在管道内，使得氧气与热含氧气体分离。所分离的氧气收集在氧选择性陶瓷膜内并且在管道内形成氧减少气体的外气流。提供一种装置从所述氧选择性陶瓷膜中回收氧气。因为含有氧选择性陶瓷膜的管道直接把膨胀器的排气与功率涡轮机相连，所以，简单地实现了一体化并且避免了来自膨胀器的热含氧气体提取过程中和重新向功率涡轮机中引入氧气减少的气体过程中的明显压力降。此外，当氧气分离器不以上述方式一体化时，在获得充分分布的重新引入时，压力降高达约3.45巴并且常常需要5.52巴。这是效率低的，因为其要求在第一种情况下的压缩程度更大。另一种一体化是与工业型燃气轮机的燃烧器一体化。这些单元的涡轮膨胀器驱动空气压缩机和其它相连的负荷如发电机或工艺压缩机。来自涡轮膨胀器的排气通常接近大气压。本专利技术的这一方面提供从流到燃气轮机的燃烧器的压缩空气中分离氧气的氧气分离器。一个相对端开口的细长管道被构造成连接到燃气轮机的燃烧器，以容纳由已经加热后的压缩空气形成的热含氧气体，并排出氧气减少的气体。提供许多氧选择性陶瓷膜来从热气体中分离氧气。这样的薄膜安装在管道中，使得氧气从热含氧气体中分离。所分离的氧气收集在氧选择性陶瓷膜内，并在管道内形成氧气减少的气体的外气流。提供一种装置，从氧选择性陶瓷膜中回收氧气。所述管道可以安装在燃烧器和燃气轮机之间。供选择地，可以提供一个预燃烧器，来加热压缩空气，并且管道直接安装在预燃烧器和燃气轮机的燃烧器之间。在这样的实施方案中，所述管道形成内管。包围所述内管并连接到所述预燃烧器的外管在内管和外管之间限定一个环形空间，把压缩空气输送到预燃烧器。在对氧气分离器安装存在最重要的空间限制的情况下，根据本专利技术的这种一体化是特别有益的。另外，其可以进行简单的一体化，其中，用比现有技术的分离系统中所需的明显更小的压力降，保证了燃料-保留物混合物到燃气轮机的燃烧器的良好分布。在这两种整体化的任一种中，氧选择性陶瓷膜可以与热含氧气流在一条直线上，或者与其成一定角度，例如直角。另外，每个氧选择性陶瓷膜可以是细长的、管状的结构，并且具有封闭的端部和相对的开口端部。在这样的实施方案中，回收装置从氧选择性陶瓷膜的开口端回收氧气。有利的是，在使用管状陶瓷膜的氧气分离器中，许多细长管可以同轴布置在氧选择性陶瓷膜内，用于注入蒸汽来吹扫来自薄膜内部的氧气。一个蒸汽室与细长管道相通并且蒸汽引入管通过所述管道并与蒸汽室相连，用于向氧选择性陶瓷膜中引入蒸汽。这种吹扫有助于驱动氧气通过所述薄膜的渗透。使用管状形式陶瓷膜的本专利技术的氧气分离器的另一种有益的替换特征是提供包围氧选择性陶瓷膜的护罩。一个附加的冷空气进口通过所述管道并连接到所述护罩，用于引入冷空气来冷却氧选择陶瓷膜内的氧气产品和支持氧选择性陶瓷膜的结构。在这样的替换方案中，可以在氧选择性陶瓷膜内安装多个管状套筒，以产生狭窄的流动环形缝隙，从而改善在氧选择性陶瓷膜内氧气流动一侧上的膜层传热系数。本专利技术的前述特征的优点是其可以在密封并支持氧选择性陶瓷膜的区域内进行温度较低的氧选择性陶瓷膜的操作，所以，可以使用传统的结构和材料。在另一个方面，提供多个燃烧器管，其用氧选择性陶瓷膜材料制造，用于从热气体中分离氧气。燃料引入管通过所述管道引入燃料，并提供与燃烧器管开口端相通的燃料室。该燃料室连接到燃料引入管，以便向燃烧器管中引入燃料，用于在所渗透的氧气存在下的燃料燃烧。燃烧产生燃烧产物，包括二氧化碳。传送管同轴布置在管状氧选择性陶瓷膜和燃烧器管内，用于从燃烧器管向氧选择性陶瓷膜输送燃烧产物。在本专利技术考虑的两种一体化的任一种中，管状结构的氧选择性陶瓷膜通过连接到其本身连接到所述管道的管板而安装在管道内部。氧回收装置可以用连接到管板的集管板(header plate)制成，并且有至少一个孔使氧气从所述氧选择性陶瓷膜的开口端通过集管板。此外，一个罩连接到所述集管板上，其覆盖所述至少一个孔，并且一个排出管连接到该罩上并通过所述管道。在本专利技术的另一个方面，所述管道可以由至少两个部分形成，集管板连接到至少两个部分之一上并且管板连接到两个部分的另一个上。在这本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧气分离器（２、２’、２”、２’”），其从用于驱动功率涡轮机（３）的燃气轮机热气体发生器（１）的膨胀器排出装置排出的热含氧气体中分离氧气，所述氧气分离器包括：在相对的端部开口并构造为以在线关系直接安装在所述燃气轮机热气体发生器（１） 的所述膨胀器（１２）与所述功率涡轮机（３）之间的管道（２２、５６、８３、２３０），以接受来自所述膨胀器（１２）的所述热含氧气体并把氧气减少的气体排出到所述功率涡轮机（３）；多个氧选择性陶瓷膜（３６），用于从所述热气体中提取所述氧气； 所述氧气选择性陶瓷膜（３６）安装在所述管道（２２、５６、８３、２３０）中，使得所述氧气从所述热含氧气体中分离并收集在所述氧选择性陶瓷膜（３６）中，并在所述管道（２２、５６、８３、２３０）内形成所述氧气减少的气体的外气流；和用于从所述氧选 择性陶瓷膜中回收所述氧气的装置（４４、４８、５０、８１、８２、９８、１００、１２６、１２８）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RF德内维奇，MM沙赫，CF戈特茨曼恩，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]