在一些实施方式中，一种系统可包括压缩机、热交换器和ITM。压缩机被构造成接收空气流并压缩该空气流以生成加压流。热交换器被构造成接收加压流并使用来自离子传输膜(ITM)的氧气流的热量间接加热该加压流。ITM被构造成接收经加热的加压流并生成氧气流和非渗透流，其中，非渗透流通至燃气涡轮喷燃器并且氧气流通至热交换器。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及将离子传输膜与燃气涡轮一体化。
技术介绍
可以将烃和含碳原料转化成具有不同的H2与CO比率的H2与CO合成气混合物。原料可包括煤、天然气、油馏分、浙青和焦油状炼油厂废物、石油焦炭和各种形式的生物质。可使用催化工艺将合成气混合物转化成有价值的烃和化学品。
技术实现思路
在一些实施方式中，系统可包括与燃气涡轮一体化以产生氧气的离子传输膜(ITM)模块，该模块将纯氧从加压加热空气分离。该系统的重要用途是具有或不具有CO2捕获以最大化或者说是增加系统效率的整体气化联合循环(IGCC)系统。这些实施方式可使具有小于1%02的稀释气体能够与H2和/或(H2+C0)燃料气体安全地混合。此外，ITM和燃气涡轮的组合最小化或者说是减小在ITM系统中释放的转移到蒸汽系统的热能。到ITM模块的空气进料可被间接加热，使得空气中的O2分压不会由于进料空气流中的直接燃烧而降低。这最大化或者说是增加O2回收率并最小化或者说是减小用于固定的O2产生和膜区域的气流。另外，一些实施方式可以避免或者说是显著地降低燃烧产物对ITM膜的可能污染。本专利技术的一个或多个实施例的细节在附图中和下文的描述中阐述。本专利技术的其它特征、目的和优点将从描述和附图以及权利要求显而易见。附图说明图1示出其中到ITM模块的全部空气流都取自燃气涡轮压缩机的排放物的エ艺的流程图；以及图2示出其中存在外部空气压缩机的エ艺的流程图，该空气压缩机与取自燃气涡轮空气压缩机的排放物的空气流一起为ITM模块提供全部空气进料。在各个附图中，相同的參考符号表示相同的元件。具体实施例方式在一些实施方式中，系统可包括从燃气涡轮发电，其中，利用与从ITM単元生成的纯O2的部分氧化反应来气化含碳或含烃燃料。使用煤或石油焦炭或残余浙青作为燃料的现有系统通常采用O2燃烧部分氧化方法将含碳燃料转化成燃料气体，该燃料气体包含h2+co以及诸如H2S和其它的从进料得到的杂质。该燃料气体流被冷却并且诸如H2S和其它的杂质被除去。然后，浄化的燃料气体在用作与循环发电系统组合的燃气涡轮中的燃料之前与氮气和可选的蒸汽混合。传统上通过在低温空气分离単元中分离空气以产生基本上纯净的O2来生成用于部分氧化的02。所述实施方式使用包含通常具有钙钛矿晶体结构的混合的金属氧化物的O2离子传输膜(ITM)，其中在O2离子位点中具有空位。这些结构允许O2离子在高温下在晶体中变得可动，并且当在ITM上存在活度系数差值时，O2在膜上的扩散成为可能。ITM膜然后作为短路的电化学电池操作。为了操作ITM単元，有必要提供通常处于800°C至900°C的具有3到4巴的氧气分压的进料空气流，以便在ITM系统中实现从进料空气的70%或更多的O2分离因子并且制备足够的O2以供给至部分氧化气化器。纯O2可通过ITM膜扩散，并且在通常在0.3至0.8巴的范围内的压カ下可用。离开燃气涡轮空气压缩机的绝热压缩空气可在第一燃烧器中通过燃料的直接燃烧而加热到在800°C至900°C范围内的温度。经加热的空气然后穿过ITM膜模块，空气中的O2中的一些在模块中被分离。出ロ贫O2流仍具有用于在第二燃气涡轮燃烧器中燃烧更多燃料的足够的O2，第二燃气涡轮燃烧器将温度升高到设计值以便进入燃气涡轮膨胀器。燃气涡轮改型成本非常高，并且目前的高输出、高效率市售燃气涡轮抽取显著比例的离开空气压缩机段的空气以用于在ITM系统中的外部使用的能力有限。在一些实施方式中，ITM空气流不但可取自燃气涡轮压缩机排放物达最大可用流量，而且可取自带有对至ITM单元的压缩空气进料的外部加热的单独的空气压缩机。当燃烧H2+C0燃料气体时，燃料气体可主要地用作为空气分离的副产物而产生的富氮气体并可选地用蒸汽一起来稀释。这种稀释可降低火焰温度并因此減少燃烧中NOX的形成。这种稀释还可以将涡轮加载至最大化功率输出。离开ITM単元的贫O2非滲透流可具有过量的N2并可有效地作为稀释剂以用于至燃气涡轮喷燃器的H2或H2+C0燃料气体流。典型系统可具有以超过燃气涡轮空气压缩机排放压力的压カ进入燃气涡轮喷燃器的燃料气体以及按摩尔计的大约50%惰性稀释剂和50%(H2+C0)或H2的组合物。最高的燃料气体温度可受燃气涡轮燃料处理系统的设计限制并且通常低于450°C。ITM非渗透的稀释剂流在850°C下离开ITM模块。该流可来源于外部空气压缩机。通常，组合的燃料气体和稀释剂流可处于低于约450°C的温度。在一些实施方式中，稀释剂流可被冷却以产生用于兰金(Rankine)蒸汽循环的高压蒸汽，兰金蒸汽循环可以是组合循环的一部分。通过下列两种方法中的一种将至ITM的空气进料流加热到通常850°C:(a)燃料气体在辅助空气流中的直接燃烧。该方法可产生足够的热量以将空气流和燃烧产物的温度升高到850°C。为了说明该方法，可执行以下情况:(i)空气压缩机在22巴、75°C的排放条件下可以是等温的，并且在没有来自燃气涡轮的空气进料流的情况下将全部或基本上全部的空气进料提供给ITM単元。在这种情况下，在直接燃料燃烧中可消耗空气中的约25%的氧气，并且空气流可能必须增加约33%以进行补偿；以及(ii)空气压缩机在486 V的排放温度下可以是绝热的，并且可以与取自燃气涡轮的可变量的相似温度的空气混合。可消耗约14%的O2以用于燃料燃烧，同时增加约16%的空气流。此外，绝热机器的压缩机功率可比等温机器高35%。第二种情况(ii)可具有比情况⑴多18%的用于压缩的净功率，但生成的热量少45%。按lib mo I空气计，额外功率0.224kff hr/lb mo I空气被压缩，同时情况(ii)的热量节省为1.27kW。通常，在用于外部压缩机的绝热空气压缩机上使用可以更高效。(b)已经提出，ITM进料空气在与燃气涡轮相关联的热回收蒸汽发生器(HRSG)中可从520 V加热到850 V，这将需要在燃气涡轮排气中燃烧更多的燃料以将其温度从5000C _600°C的范围升高到900°C -1000°C的范围，以提供用于向ITM进料空气流热传递的必要的温度驱动力。与在HRSG中间接加热相比，使用用于如在情况a(ii)中的直接加热的燃料气体的效果是减少了 14%的空气流，从而节省了约0.174kff/hr/lb mo I的ITM进料空气。在热回收蒸汽发生器或HRSG中的间接加热方法可减少压缩空气流的量(可以不使用燃烧空气)，但可将整体燃气涡轮排放流从约600°C加热到约875°C。对于典型的整体气化联合循环(IGCC)系统来说，当使用直接燃烧加热时ITM空气流可以为燃气涡轮空气流的约25%，并且ITM模块可被设计用于80%的O2回收率。传递到ITM空气进料的热量可用于约60%效率(LHV)的功率循环，因为该热量在燃气涡轮中产生功率，然后在蒸汽系统中产生功率。用来将燃气涡轮排气的温度升高到875°C的来自管道燃烧的剩余热量可仅用来单独在兰金蒸汽循环中以约40%的效率产生功率。这意味着为允许间接加热ITM进料空气流而在进入HRSG的燃气涡轮排气中进行的管道燃烧非常低效地使用在气化系统中生成的H2或(H2+C0)燃料。在示例中给出间接加热ITM进料空气流的管道燃烧HRSG的性能的具体分析。在所有这些情况中，为了在通常450°C下产生稀释本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.14 US 61/364,2931.一种系统，包括: 燃气涡轮，所述燃气涡轮包括涡轮压缩机和膨胀器，其中所述涡轮压缩机排放空气流，同时压缩在燃烧期间所使用的空气； 単独的空气压缩机，所述单独的空气压缩机被构造成接收所述空气流并压缩所述空气流以生成加压流； 第一热交換器，所述第一热交換器被构造成接收所述加压流的全部或至少一部分并使用来自离子传输膜a )的氧气流的热量间接加热所述加压流； 第二热交換器，所述第二热交換器被构造成接收来自所述第一热交換器的经加热的加压空气或总的加压空气流的至少一部分并使用来自所述ITM的已被进一步加热的非滲透流的热量将所述加压流间接加热到所述ITM的入口温度； ITM，所述ITM被构造成接收所述经加热的加压流并生成所述氧气流和所述非渗透流，其中所述非渗透流通至燃料气体喷燃器并且所述氧气流通至所述第一热交換器； 燃料气体喷燃器，所述燃料气体喷燃器被构造成接收所述非滲透流并燃烧与所述非渗透流结合的燃料气体以生成经加热的非渗透流； 第三热交換器，所述第三热交換器被构造成接收来自所述燃气涡轮喷燃器的所述经加热的非滲透流并使用来自所述经加热的非滲透流的热量加热所述加压流的至少一部分，其中所述经加热的非渗透流在所述间接加热期间被冷却； 导管，所述导管被构造成接收来自所述第二热交換器的经冷却的非滲透流并将所述经冷却的非滲透流在用于所述燃气涡轮的燃料气体中的至少ー种中或在所述涡轮压缩机与所述膨胀器之间的位点处引入；以及 燃气涡轮燃料气体喷燃器，所述燃气涡轮燃料气体喷燃器燃烧与来自所述燃气涡轮压缩机段的空气中的所述非渗透流的至少一部分混合的燃料气体，其中所述燃料气体与所述非滲透流的组合物的温度低于所述燃气涡轮喷燃器的预定阈值温度，并且所述经加热的非滲透流中的氧气的浓度使得当与燃料气体流混合时导致氧气浓度低于所述混合物的易燃下限。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，从与所述燃气涡轮分离的空气压缩机接收40%和60%的所述经...
【专利技术属性】
技术研发人员：R·J·阿拉姆，
申请(专利权)人：GTL汽油有限公司，
类型：
国别省市：
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