[发明专利]使用与燃气轮机结合的固体电解质隔膜生产氧及产生动力的方法

说明书

本发明涉及使用一种与燃气轮机结合的固体电解质离子或混合导体隔膜来生产氧及产生动力的方法。

在产生动力的燃气轮机系统中，将进料空气压缩，该压缩的空气被加热，然后该被加热了的压缩气体与燃料一起燃烧以致其温度进一步升高，接着发生膨胀而通过燃气轮机，从而产生动力。这类燃气轮机系统中的某些类型为了产生氧气还与产氧设备相结合，从而增加了投资费用。燃气轮机动力系统还可与蒸汽动力系统相结合以产生附加的动力，而膨胀后的热气体还可用来产生蒸汽。

固体电解质离子或混合导体(“SELIC”)隔膜已被用来从气体中抽取氧，其工作温度在约500至约1000℃的范围内。关于从气体中抽取氧的情况，对于SELIC膜来说，其最佳操作温度与该SELIC膜本身有关，特别是与其构成材料有关。离子传导性还与操作温度有关，它随着温度的升高而增加。

当操作温度低于约500-650℃时，除了降低SELIC膜的离子传导性以外，其表面动力学的局限性可能也限制了氧的流量-单位面积单位时间内的氧气通过量。这种动力学的局限性是由于在SELIC膜进料侧的气相中的氧分子转变成容易流动的氧离子，而在该隔膜渗透侧的氧离子再转变成氧分子的这种转变作用而引起的。

SELIC膜的操作温度高于约850-900℃也是不希望的，这是由于隔膜的材料和结构的限制(例如密封、旁路和热应力)而引起的。在燃气轮机通常所达到的温度下(通常约1000至1200℃)，这种限制还要严重得多。

使用与燃气轮机结合的SELIC膜来生产氧和产生动力的现有方法例如有USP4,545,787(Hegarty)、USP5,035,727(Chen)和USP5,174,866(Chen等)，然而这些现有方法都不能使燃气轮机动力产生阶段和SELIC膜生产氧阶段各自的操作温度达到最佳化。

实际上，在将燃气轮机和SELIC膜用于单一系统中来生产氧和产生动力方面所作的努力仅仅是获得了有限的成功。只达到中等程度性能的理由之一是在整个过程中所采用的操作温度。例如，当一种隔膜在压缩机排出一种含氧气流的温度下或者在燃气轮机产生废气的温度下工作时，这两个温度通常都分别低于或高于SELIC膜最佳性能所需的温度。

在美国专利5,035,727中报导，使隔膜从加热了的压缩空气中分离氧时的工作温度与燃气轮机的工作温度相同，该燃气轮机通过使耗尽氧的热压缩空气膨胀而产生动力。采用这样一种方案，或者是燃气轮机的效率降低(由于在低于所需温度下产生动力)，或者SELIC膜在高于化学和机械的最佳配合所需的温度下工作。

因此，本发明的一个目的是提供这样一种方法，即利用由动力产生系统所达到的燃烧室的高温来驱动氧生产系统，使其在对两个系统都能接受的操作温度下工作。

本发明的另一个目的是提供一种能有效地将氧和动力二者都作为产品来生产的方法。

本发明包括：在一个燃烧器中燃烧一种压缩的气流，使经过燃烧的压缩气流与一种固体电解质离子或混合导体隔膜接触，以产生一种贫氧的压缩气流和产品氧气，并使从固体电解质隔膜处回收的贫氧压缩气流在燃气轮机中膨胀。由于在该燃气轮机内的气流膨胀而产生了动力，和/或利用其热量来生产蒸汽。最好是用一个第二燃烧器来燃烧该贫氧的压缩气流，然后才让它膨胀。

在某些实施方案中，在调节可变参数(例如气流的流量、氧的含量和温度〕时，采用一条部分地旁路于主通道的通道，从而使这些工艺参数符合要求。

此处所用的术语“SELIC”是指一种能输送氧化物离子的固体电解质离子或混合导体。

本领域的技术人员通过下面对较佳实施方案和附图的描述将能更好地理解本发明的目的、特征和优点，其中：

图1是一个表示本发明用于生产氧和产生动力的系统的示意图，其中，从SELIC渗透产物和/或燃气轮机的废气中回收热能以生产用于后续步骤的蒸汽；

图2是一个表示另一种实施方案的示意图，其中，被压缩的气体在通过一个热交换器时被预热，而SELIC产物和/或燃气轮机的废气通过该热交换器；

图3是一个表示具有单个燃烧器的第三种实施方案的示意图，其中，一个热交换器从SELIC的渗透产品气和滞留排出气中回收热量，然后让其通过燃气轮机以产生用于后续步骤的蒸汽以及借此降低燃气轮机入口的温度；

图4是一个表示第四种实施方案的示意图，其中的动力产生系统用一个包括压缩机的SELIC系统来改进，以便将SELIC滞留排出气的压力提高到大致上与压缩空气流的压力相同；