与燃气轮机结合的电解质膜生产氧化产物和发电的方法技术

与发电的燃气轮机系统结合在一起产生氧化产物的工艺过程。此工艺过程包括在反应器中，使压缩且加热的含氧气流与至少一种固体电解质氧选择离子传输膜相接触。反应物被通入反应器由此产生氧化产物。来自反应器的氧耗尽滞留物流被加入燃气轮机燃烧器，并在燃气轮机中膨胀发电。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用与燃气轮机集成一体的固体电解质离子或混合导体膜生产氧化产物和发电的方法。更确切地说，本专利技术直接涉及利用与燃气轮机集成一体的固体电解质离子或混合导体膜生产合成气体和发电的方法。这里包括了序列号为No.＿＿(代理人号为No.20288)的题为“利用固体电解质膜生产氢气的方法”的美国专利申请作为参考，与本申请同时提交。在用于发电的燃气轮机中，馈入空气被压缩，并与反应物燃烧提高其温度，随后膨胀通过燃气轮机发电。氧气生产设备与一些燃气轮机结合在一起，以微增的成本产氧气。燃气轮机电力系统也与蒸汽电力产生系统结合在一起，产生额外的电力，这里膨胀的热气也被用于生产蒸汽。一种氧气产生设备利用了固体电解质离子传输膜。此离子传输系统在比操作温度仅达到375℃的燃气轮机系统的压缩机的排出物compressor discharge高很多的温度下操作，在大约500℃至1200℃的范围。现在正在开发两种固体电解质离子传输膜。它们包括仅使离子通过薄膜的离子导体和使离子与电子都通过薄膜的混合导体。显示混合传导特性的离子传输膜，能够以薄膜两边的氧气分压强的比例为条件而传输氧气，不需要离子导体所需的外加电场或外部电极。此处所用的术语“固体电解质离子传输系统”，或简单的“固体电解质”或“离子传输系统”，除特别说明外，用于指示利用离子型(电驱动的)系统或混合导体型(压力驱动的)系统的系统。混合导体是一种在温度升高时包括选择性传输氧离子通过该材料的导电位置的移动氧离子空位的材料。此传输由氧活性比驱动，即膜两边的氧气分压强(P02)，由于氧离子从具有较高氧气分压强的一侧流向具有较低氧气分压强的一侧。氧分子电离为氧离子发生于膜的阴极侧(或滞留物区)。氧离子在膜的渗透区复合释放电子。对于仅显示离子传导性的材料，在电解质的表面放置外部电极，在外电路中电子返回阴极。在混合传导材料中，电子由内部传送至阴极而接通电路，免除了外部电极之需。人们相信渗透的氧与燃料的反应在表面或边界层发生，而不是在阳极侧(或渗透区)在主体段(bulk phase)发生。包括含碳原料的部分氧化反应(POx)是常用的生产合成气体的方法。部分氧化也用于生产环氧乙烷、两烯腈和其他化学产品。由一氧体碳和氢气组成的合成气体，对于包括氨气、乙醇(包括甲醇和多碳醇)、合成燃料、乙醛、乙醚及其他化学产品的生产，为一种有价值的工业气体和重要的先质。包括天然气、煤、矿物油和燃料油的原料常常用于通过部分氧化或蒸汽转化(steam reforming)反应生产合成气体。部分氧化反应也可进一步由下式表示，其中CmHn为碳氢化合物原料。最低程度，也可发生蒸汽转化，如下式所表示，其中CmHn为碳氢化合物原料。传统的POx工艺频繁使用通过传统的通常在低于100℃的温度下操作的气体分离工艺(比如，压力旋转(swing)吸收、低温蒸馏)产生的氧分子。由于POx本身通常要求超过800℃的高温操作，所以，无法通过传统工艺实现部分氧化反应和传统氧气分离之间的结合。结果是，传统部分氧化通常以低原料转换、较低的氢与一氧化碳比及较低的氢与一氧化碳选择性为特征。此外，一般在部分氧化反应中所要求的外部供氧显著增加了资本与操作成本，它可能会占到总合成氧体生产成本的40％。请注意，在均属于Mazanec等人的美国专利No.5,160,713和No.5,306,411公开了在电化学反应器中对POx使用固体电解质膜，但这些专利均未公开与协同使用燃气轮机系统一起生产氧化物的工艺。离子传输膜系统最吸引人的两个特点为膜对氧传输的极大的选择性，及它可以从低压流向高压流传输氧，只要氧的分压强比大于1，如同渗透的氧与燃料气体反应时的情况。对本专利技术的目的来说，传输氧的离子传输膜材料被认为对于从含氧气体混合物中分离氧非常有用。有效传输氧离子的薄膜材料的类型在共同转让的1995年6月14提交的题为“利用与燃气轮机集成一体的固体电解质膜产生氧气和发电的方法”的美国专利申请序号No.08/490,362和现在提交的题为“利用固体电解质膜产生氢气的方法”的No.＿＿中做了讨论，它们被包括于此以作参考。美国专利申请序号No.08/490,362公开了利用由发电系统达到的高燃烧温度，在对两系统均可接受的温度下驱动产生氧气的系统的方法。那一申请也公开了高效地产生氧气和发电的方法。美国专利No.5,515,359，No.5,562,754，No.5,565,017和欧洲专利公开No.0 658366以与燃汽轮机集成的工艺产生氧气。据信以前并未现实与燃气轮机发电能力一起有效利用离子传输系统生产其他化学气体。虽然将空气分离装置与燃气轮机结合的概念已为人知，但是，据信尚未实现空气分离装置和燃气轮机之间的能量集合的协合利用在空气分离装置中产生氧化物，使离子传输氧气分离膜与该燃气轮机系统结合成整体。因而，本专利技术的一个目的在于提供能有效利用离子传输膜反应器产生氧化产物，如合成气体的改进工艺，其中使反应器与发电系统结合成整体同时发电并产生氧化产物。本专利技术的另一个目的在于协合利用由离子传输系统排出的高温气体，后者被以协合方式向燃气轮机燃烧器馈送，其中如合成气体的氧化产物利用固体电解质膜产生。本专利技术的另一个目的在于提供由将其馈入发电系统而有效利用离子传输膜反应器产生的氧耗尽滞留物气体的工艺。本专利技术还有另一目的在于提供有效利用氧气渗透气体和反应物(以及作为选项的慢化剂)的混合物，在离子传输膜反应器中产生如合成气体的氧化产物的工艺。本专利技术还有一个目的在于提供利用由发电系统达到的高燃烧温度发电并促进离子传输膜反应器中的离子传输的工艺系统。本专利技术包括与发电的燃气轮机系统结合在一起的产生如合成气体的氧化产物的工艺。该工艺包括将压缩并加热的含氧气流，一般为空气，在反应器中与至少一种固体电解质氧离子传输膜相接触。反应器包括由膜隔开的滞留物区和渗透区，其中至少一部分氧气从滞留物区穿过膜传输至渗透区产生渗透流和氧耗尽滞留物流。如碳氢化合物的反应物被传至渗透区与传输的氧反应产生氧化产物。氧耗尽滞留物流加入燃气轮机燃烧器，在这里它通过与燃料的燃烧反应而被加热，形成燃烧的氧耗尽气流，它由燃气轮机燃烧器重新获得并在燃气轮机扩张器中膨胀发电。在另一实施例中，与发电的燃气轮机一起产生了基本上无硫的合成气体。压缩并加热的含氧气流在膜反应器中与至少一个固体电解质氧选择离子传输膜相接触。此反应器有由膜隔离的馈入区和渗透区，其中至少一部分氧穿过膜由馈入区传输至渗透区产生渗透流和氧耗尽滞留物流。蒸汽和有机燃料被传至渗透区与传输的氧反应产生合成气体。该合成气体被传至酸性气体去除器将硫回收而形成基本无酸的合成气体。氧耗尽滞留物流馈入燃气轮机燃烧器，而从燃气轮机燃烧器回收的燃烧后的氧耗尽气流在燃气轮机扩张器中膨胀发电。在最佳实施例中，压缩的含氧气流从燃气轮机空气压缩机中抽出。该过程还包括从燃气轮机获得膨胀后的氧耗尽气流，并从膨胀后的氧耗尽气流中回收热量。在与膜接触前在含有反应物的气流中加入慢化剂。从以下说明和附图中，本专业技术人员将明白本专利技术的其他目的、特征和优点，附图中附图说明图1简要表示了按照本专利技术同时产生氧化产物和发电的系统的主要部件；图2简要表示了按照本专利技术产生合成气体和发电的系统，其中从本文档来自技高网...

【技术保护点】
与发电的燃气轮机系统结合在一起产生氧化产物的工艺过程包括以下步骤： （ａ）在反应器中，使压缩且加热的含氧气流与至少一种固体电解质氧离子传输膜相接触，所述反应器具有由所述膜隔开的滞留物区和渗透区，其中至少氧的一部分穿过所述膜，从所述滞留物区传输至渗透区，产生渗透流和氧耗尽滞留物流； （ｂ）将反应物传到所述渗透区与所述传输的氧反应，从其中产生氧化产物； （ｃ）将所述氧耗尽滞留物流加入燃气轮机燃烧器；和 （ｄ）在燃气轮机中从所述燃气轮机燃烧器回收的所述燃烧后氧耗尽气流膨胀，由此发电。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RF德纳维赫，CF高茨曼，
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]