[发明专利]使用离子传输膜发电

说明书

本申请要求了2010年10月12提交的美国临时申请序列号61/392,413的优先权的权益。前述相关申请的全部内容作为参考并入本文。

技术领域

本发明涉及功率和纯氧的同时产生，并且更具体地涉及集成氧离子传输膜与燃气轮机。

背景技术

碳氢化合物和含碳原料能够转变成H₂和CO的合成气体混合物，H₂与CO的比率是变化的。原料可以包括煤、天然气、石油馏分、沥青和焦油状炼油厂废料、石油焦和各种形式的生物质。合成气体混合物能够利用催化过程转变成有价值的碳氢化合物和化工产品。合成气体还可以通过CO组分与蒸汽在催化剂上的反应转变成H₂，继之以CO₂脱除，从而产生燃料气体，该燃料气体可以在捕集了CO₂的情况下在燃气轮机联合循环发电系统中燃烧致发电。合成气体向有价值的碳氢化合物和化工产品的转变通常需要提供大量额外的功率给这个过程并且这可以由燃气轮机系统产生。这些燃料向合成气的转变通常需要大量氧，其典型地用于原料的部分氧化中。氧能够在高温氧离子传输膜系统中产生，该系统通过从高氧分压区域向低氧分压区域的扩散而从高温高压气流中分离出氧。高温高压气流的来源可以是燃气轮机中产生的压缩气流。本发明的目的是披露一种集成氧离子传输膜与燃气轮机的方法，使用富氢贫碳燃料气体高效率地同时产生功率和纯氧。显然，ITM O₂产生模块与现有的未改变的燃气轮机的集成需要外部空气压缩机供应产生O₂所需的部分或全部气流。

本发明的目的是提出一种系统，该系统将允许用于空气预热的全部燃料气体燃烧热以燃气轮机燃烧热输入水平得到回收，从而使得回收的热量能够以55％至60％的净效率产生电功率。

本发明的另一个目的是，燃料气体被富氮稀释剂有效地稀释并且在低于500℃的温度下进行供给，而不会产生由向蒸汽系统传热引起的效率损耗。

本发明的另一个目的是确保稀释剂流的氧含量降低为ITM出口处的浓度，这绝不会在稀释剂和H₂或(H₂+CO)燃料气体在高温下混合时引起任何安全伤害。

本发明的另一个目的是H₂或(H₂+CO)燃料气体与稀释剂的混合物在燃气轮机的符合要求燃烧所需LHV值的范围内。对于LHV值来说，这个范围是大于约120Btu/scf，并且稀释的燃料气体混合物将处于燃气轮机厂家允许的最高温度。

已经在参考文献1和2中描述了上述用于优化燃气轮机与离子传输膜的集成的方法，该离子传输膜扩散来自加压受热供气流的纯氧，这些文献与如下所述的本发明相比都具有缺点。

发明内容

在一些实施方式中，一种系统可以包括离子传输膜(ITM)模块，该离子传输膜模块与燃气轮机集成在一起从加压热空气中分离纯氧以产生氧。该系统的一个重要用途是具有或不具有CO₂捕集的集成式气化联合循环(IGCC)系统，以最大化或提高系统效率。这些实施方式可以使带有少于1％的O₂的稀释气体能够与H₂和/或(H₂+CO)燃料气体安全地混合。另外，ITM与燃气轮机的组合最小化或减少ITM系统释放的热能，该热能传递给蒸汽系统。给ITM模块的供气可以被间接地加热，从而使得空气中O₂的分压不会由于供气气流的直接燃烧而降低。这最大化或提高O₂的回收并且最小化或减少用于固定式O₂产生的气流和膜面积。同时，一些实施方式可以避免或极大地降低燃烧产物对ITM膜的可能污染。

本发明的一个或多个实施例的详细内容在附图和下面的描述中进行阐述。通过描述和附图以及权利要求，本发明的其它特征、目的和优点将是显而易见的。

附图说明

图1示出过程的流程图，其中，给ITM模块的全部气流都取自燃气轮机压缩机排气；以及

图2示出过程的流程图，其中，有外部空气压缩机，其与取自燃气轮机空气压缩机排出的气流一起提供给ITM模块的全部供气。

不同的附图中，相同的附图标记代表相同的元件。

具体实施方式