与燃气轮机一体化的氧气分离方法

专利名称：与燃气轮机一体化的氧气分离方法
技术领域：
本发明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，本发明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，本发明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。本发明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，根据本发明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发明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。本发明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。
在本发明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。
在本发明的另一个方面，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。在这一方面，集管板和所述管板可以提供相互连接的外围凸缘，以便使所述两个部分相互连接。
由本发明考虑的两种一体化中的任一种还可以使用管道的补充冷空气进口，用于向管道中引入冷空气来冷却在氧选择陶瓷膜内的氧气并加热该空气。为了这样的目的，所述集管板的至少一个孔可以包含对齐的径向开口阵列。管板、集管板和盖子各自可以有环形构形，以限定其对齐的同心内孔。套筒可以连接到管板上并与其中心的内孔对齐，以便把热含氧气体引入到所述管道的补充冷空气进口下游的管状形式的氧选择陶瓷膜中。
在另一个方面中，本发明提供一种从用来驱动功率涡轮机的燃气轮机热气体发生器的排气装置中排出的热含氧气体中分离氧气的方法。根据这样的方法，在以在一条线上的关系直接安装在热气体发生器的膨胀器和功率涡轮机之间的管道的一端接受热含氧气体。通过使氧离子渗透通过许多氧选择性陶瓷膜从热含氧气体中提取氧气。氧选择性陶瓷膜安装在管道内，使得氧气通过渗透从热含氧气体中分离。所渗透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气体的外气流。氧气减少的气体从管道的另一端排出到功率涡轮机中，并从氧选择性陶瓷膜中回收氧气。
在另一个方面，本发明提供一种从流向燃气轮机的燃烧器的压缩空气中分离氧的方法，根据该方法，通过使燃料燃烧来加热压缩空气，以形成热含氧气体。在相对的端部开口并连接到燃气轮机的燃烧器的细长管道内接受热含氧气体。通过使氧离子渗透通过许多氧选择性陶瓷膜从热含氧气体中提取氧气。所述陶瓷膜具有封闭的端部和相对的开口端。氧选择性陶瓷膜安装在管道内，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，并且在管道内形成氧气减少的气体的外气流。氧气减少的气体从管道的另一端排出并且从氧选择性陶瓷膜中回收氧气。
根据本发明的上一个方面，在管道与预燃烧器连接的一端相对的另一端之一内接受热含氧气体，并且氧气减少的气体可以直接从其相对端的另一个排出到燃气轮机的燃烧器中。
前述方法的一个供选择的本发明的方面是利用管状结构的陶瓷膜，并向安装在管道内且用从热气体中分离氧气的氧选择性陶瓷膜制造的燃烧器管内引入燃料。该燃料在通过燃烧器管渗透的氧存在下燃烧，以加热压缩空气流并形成包括二氧化碳的燃烧产物。燃烧产物从燃烧器管输送到氧选择性陶瓷膜，以吹扫氧气。
在本发明的两种方法中，冷却回收后的氧气，然后压缩。氧选择性陶瓷膜可以用惰性吹扫气体来吹扫，优选的是蒸汽，其可以简单地通过冷凝与氧气分离。此外，可以压缩至少体积与排出的氧气相当的补充压缩空气并引入到管道中，以冷却氧气和支撑结构。
为了避免图中所示各个实施方案中的每个部件的解释和描述中的不必要重复，在这些实施方案中，相同的参考数字用来表示具有相同设计和功能的部件。
同样为了避免附图的不必要复杂化，未示出公知的部件，如在凸缘、管座和在连接管道中提供柔韧性的装置之间的密封圈。同时，在图中表示为平面的管板和集管板任选可以是曲面的。
发明详述参见

图1，表示了燃气轮机热气体发生器1与氧气分离器2的一体化装置。在该一体化装置中，由热气体发生器1产生的热含氧气体被送入氧气分离器2中，氧气分离器2中包含从热含氧气体中分离氧气的氧选择性陶瓷膜，产生一种氧气减少的气体，其用来驱动功率涡轮机3。所示的功率涡轮机3可以用来驱动发电机4。
热气体发生器1提供一个压缩机10来压缩空气。压缩机10通常没有中间冷却，尽管其任选可以是具有中间冷却的多级机器。燃料在燃烧器或燃烧室11中燃烧，以加热压缩空气，从而形成压缩并加热的空气，其在膨胀器12中膨胀到一个中间压力，获得用于驱动压缩机10的功率。所得的热含氧气体“A”，作为热气体发生器1的排出气流，压力通常为约4.83巴-约6.9巴，氧含量为12％-约17％。热含氧气体“A”的温度为约800℃-约900℃，所以非常适合于在分离氧的氧选择性陶瓷膜中进一步加工，产生一种氧气减少的气体“B”。所分离的氧气可以回收为氧气产品气流14。所述陶瓷膜可以是离子迁移型，其可以包含混合离子和电子导电材料，或者可以是离子和电子导电材料的多相混合物。在一些情况下，使用仅呈现离子导电性的材料是有优点的，所以需要外加电能以提供氧离子迁移的驱动力。正如所讨论的，虽然参考管状形式的薄膜和从该薄膜的开口端回收所渗透的氧气，说明了本发明，但是，本发明并不这样限定。除了在讨论薄膜的具体形式、要求权利或说明以外，已知的平板形式的薄膜也是可以的并且是预期的，即本发明不限于任何特定的薄膜构造。
向燃烧器11中引入的燃料可以是任何烃或含碳气体或液体流。如果可以获得，其通常是天然气或煤气。在煤气的情况下，氢气与一氧化碳的比例可以为约0.5-约2.0。煤气是一种有优点的燃料，因为它对于燃烧室中反应的每摩尔氧，可以多产生25％的热量。这导致在到氧选择性离子迁移陶瓷膜的入口处略高的氧含量或氧分压，允许更高的氧回收压力更小的薄膜面积或更高的氧回收率。
另外参考图2，使用图1所示的基本系统说明了另外的工艺改进。氧气产品流14可以被冷却，放出热量，优选的是把热量放出到其它热消耗固有设备中，如到余热锅炉料流15中产生的蒸汽中和/或到补充压缩空气流16中，其由补充压缩机17产生以补充热气体发生器1排出的气流。在这方面，这种补充压缩空气流16的使用在改进情况下是特别有用的。这样的补充压缩空气流16一般至少在体积上相当于所提取的氧气量，达到高于进料压力的水平。这为冷却氧气产品流14提供了一种经济的冷源。它还允许使用高效率的带有中间冷却的多级工业空气压缩机，这导致与所有的空气由非中间冷却的单级气体发生器压缩机相比，减小了空气压缩的功率。此外，它还减小了在发电膨胀器与气体发生器压缩机之间在改型设计或安装方面的不匹配。
正如所说明的，补充压缩空气流16可以直接引入到燃烧器11中。其还可以加入到压缩机10与燃烧器11之间的空气流中。另外，正如将要讨论的，这样的气流可以引入到氧气分离器2中，用于附加的冷却。
在氧选择性离子导电膜的保留物侧氧气分压的大小通常要求在明显低于大气压的压力下回收氧气，以保持正的驱动力。通过使用电驱动薄膜可以避免这样的低回收压力，其中，电极连接到仅有离子导电的电解质，并通过外部电源用已知的方法提供电势，以驱动氧离子从阴极或保留物侧到阳极或渗透物侧。
避免真空的另一种方法是提高用来吹扫氧选择性离子导电陶瓷膜的渗透物侧。在燃气轮机1排气的典型热气体条件下(压力等于约6.21巴，氧含量等于约15％，氧回收率为空气中所含氧气的33％，在渗透物出口处需要约40体积％的蒸汽含量来保持渗透侧总压力高于大气压，并使氧气分压足够低，以避免分压比驱动力减小。在氧气中的可得热量可以产生约一半的所需蒸汽。其余的可以由使用在功率涡轮机废气中可得热量的余热锅炉产生。这表示在图2中，为余热锅炉气流15。另外，如果产生另外的蒸汽不方便或者不经济，通过从产物氧气流中提取的热量产生的蒸汽量将允许在约0.827巴的中等真空下操作，相比之下，对于没有吹扫的该情况，真空约为0.24巴。
通过在冷凝器18中冷凝并在水分离器19中分离冷凝物，可以分离在氧气产物流14中所含的蒸汽，留下水汽饱和的纯氧气流。如果需要，可以在下游操作中通过薄膜或吸收干燥器除去残余的所含水蒸汽。氧气产物流14可以在氧气压缩机20中压缩到输送压力。
虽然未说明，在上述过程中，已经提供了蒸汽和燃料，氧气分离器如氧气分离器2可以转换到和煤气发生器中。在这样的情况下，燃料和可能的循环气体可以加到来自余热锅炉气流15的蒸汽中，以形成一种混合气流。该混合气流然后被引入到氧选择性陶瓷膜的阳极处，所述阳极填充了合适的重整催化剂如镍。所渗透的氧气在组合的部分氧化-重整反应中与燃料、蒸汽和循环气反应，产生煤气。这些反应将保证高的氧迁移驱动力。
参见图3，其说明氧气分离器2，其被设计一体化构成到图1所示的基本系统中或者没有蒸汽吹扫的图2的系统中。氧气分离器2提供具有圆形横截面的管道22，其在相对的两端开口并包含部分24和26。通过提供一个结合到管道22的部分24的凸缘28和一个结合到热气体发生器1的凸缘30，管道22直接连接到热气体发生器1。结果，作为燃气轮机的膨胀器排气的压缩热含氧气体“A”被容纳在管道22内。通过提供结合到管道22的部分26的凸缘32和功率涡轮机3的凸缘34，管道22在其另一端连接到功率涡轮机4。这使得氧气减少的气体“B”可以直接排出到功率涡轮机44中。虽然未说明，但是本领域技术人员可以理解，凸缘28、30和32、34优选的是通过螺纹紧固件连接。
多个氧选择性陶瓷膜36安装在管道22内，从压缩并加热的含氧气体“A”中提取氧气，产生氧气减少的气体“B”。每个氧选择性陶瓷膜36具有管状构型并提供封闭端38和相对的开口端40。氧选择性陶瓷膜36通过其到管板42的连接安装在管道22内，管板42又连接到与凸缘32相对的导管22的部分24。氧选择性陶瓷膜36的开口端40用任何与制造过程中所用材料相匹配的方式连接到管板42。一种将管子密封并连接到管板上的方法包括使氧选择性陶瓷膜36(或下文将讨论的燃烧器管)在其开口端40的外表面金属化。所得的金属化表面硬钎焊到首尾同形的金属套管的一端。在其一端把一个金属延长管硬钎焊到所述套管的另一端。金属延长管的另一端然后可以通过公知的方法如焊接连接并密封到管板上。合适的金属是INCONEL、INCALOY、HASTELLOY和不锈钢合金。
作为回收所透过的氧气的一种方法，从氧选择性陶瓷膜36内由箭头“C”表示，提供集管板44、罩48和排出管50。集管板44连接到导管22的部分24，并且提供外周边凸缘46，其用已知方法通过螺纹紧固件连接到管板42的外周边凸缘43上。集管板44具有中心孔47，允许氧气从氧选择性陶瓷膜36的开口端40通过集管板44。罩48连接到集管板44的内圆周凸缘49，以形成一个通气室，其中，从氧选择性陶瓷膜36中收集氧气。排除管50连接到罩48并通过管道22的侧壁从管道22中排出氧气。
回收所渗透的氧气的其它方法可以用在氧气分离器2中以及本文提及的其它实施方案中。在这方面，各自连接到氧选择陶瓷膜36的开口端40的支管可以用于该目的。这些支管可以位于特定氧气分离器的管道的内部或外部。
管板42和集管板44分别提供具有孔52和53的外部径向排列，以允许热含氧气体“A”从燃气轮机通到用于氧气分离的氧选择性陶瓷膜36。在这方面，可以提供优选的挡板排列，表示为一种盘与环形的排列并用参考数字54表示，以保证气体与氧选择性陶瓷膜36的外表面良好接触，所以，保证在其保留物气体侧的低传质阻力并消耗最小的压力降。另外，也可以使用分段型挡板。
由于在氧选择性陶瓷膜36的操作中所涉及的高操作温度，在管道22的内表面和罩48上提供合适的隔热层55。
参见图4，其说明使用蒸汽吹扫的氧气分离器2’，以便提高膜上的驱动力并且可以在有或没有补充压缩空气流的条件下使用。氧气分离器2’被设计成用与氧气分离器2相同的方法对于热气体发生器1和功率涡轮机3一体化。正如所说明的，氧气分离器2’提供多个同轴布置在氧选择性陶瓷膜36内的细长管63，用于从例如余热锅炉气流15注入蒸汽，以吹扫膜36内的氧气。
氧选择性离子导电膜36安装在由部分58和60构成的管道56内。提供一个罩62，以形成蒸汽室。蒸汽室与细长管63和通过管道56的部分58的蒸汽引入管64相通。这使得可以向细长管63内引入蒸汽。罩62连接到集管板65，集管板65又连接到管板66。细长管63连接到管板66。集管板65提供与细长管63对齐的孔70的排列，以允许蒸汽通过集管板65并进入细长管63中。集管板65和管板66分别连接到部分58和60，并且又通过周边凸缘72和74相互连接。提供分别限定在集管板65和板管66内的孔75和76的径向或周向布置，以允许热含氧气体流向氧选择性陶瓷膜36。
提供管板77用于安装氧选择性陶瓷膜36。护罩90连接到管板77。管板77连接到集管板78，集管板78具有与氧选择性陶瓷膜36的开口端40对齐的孔80，以允许氧气-蒸汽混合物通过集管板78。氧气-蒸汽混合物收集在罩81内，罩81具有圆筒构型并在相对的端连接到集管板78和管板66，以支持上述膜、管板和来自管板66的集管板的组合并在罩81内形成氧气室。氧气排出管82连接到罩81并通过管道56的部分60伸出，以便可以使氧气和蒸汽排出。
参见图5，其说明氧气分离器2”，其被设计用与氧气分离器2相通的方式与热气体发生器和功率涡轮机一体化，并使用补充压缩空气流16。
氧气分离器2”提供由部分84和86构成的管道83。提供补充冷空气进口88，以注入冷空气。冷空气用来冷却所渗透的氧气和氧选择性陶瓷膜的相关支撑结构。
补充冷空气进口88通过管道83的部分86并连接到护罩90。护罩90连接到与氧选择性陶瓷膜36一起的管板42。管板42又连接到集管板92，集管板92具有与氧选择性陶瓷膜36的端部40对齐的内部径向排列的孔94，以及与管板42的孔52对齐的外部径向排列的孔96。
集管板92还提供具有圆筒结构的内凸缘95和周围内部径向排列的孔94。罩98连接到内凸缘95，形成氧气室，其中收集来自氧选择性陶瓷膜36的氧气“C”。氧气“C”从该氧气室通过排出管100排出，所述排出管100通过管道83的部分84。应当注意，管板42和集管板92分别由周围凸缘43和93相连，并且还连接管道83的部分84和86。
因此，来自燃气轮机1的排出装置的压缩的热含氧气体“A”通过外部径向排列的孔96和52，把热含氧气体导入护罩90下游的陶瓷膜36中。同时向护罩90内注入的冷空气接触氧选择性陶瓷膜36以冷却其中流动的氧气透过物，部分氧选择性陶瓷膜36被护罩90包围，所以，管板42和集管板92等支撑结构被加热到较高温度。
所以，护罩90把氧选择性陶瓷膜36分成热交换部分和分离器部分。用于该实施方案的氧选择性陶瓷膜36可以由具有一个或多个多孔层的多孔基材制成。在分离器部分的基材上沉积密实的电解质薄膜。在热交换部分沉积密实的陶瓷或金属密封涂层。
为了提高在管子外面的传热系数，可以在护罩90内提供表示为分段式的内部排列的挡板107。此外，可以在氧选择性陶瓷膜36内提供一些管状套管104，产生狭小的流动环形间隙，从而改善在其中流动的氧气渗透物与管壁之间的膜层传热系数。通过提供圆锥状结构105，套筒104连接到氧选择性陶瓷膜36的开口端40，圆锥状结构105有孔106，以便使氧气渗透物进入圆锥状结构105中。
此外，可以提供具有孔114和116的外面排列的盘与环形挡板108、110和112，以提高在热空气与氧选择性离子导电膜36之间的传质。可以安装一套以上的挡板。
参见图6，其说明氧气分离器2，作为图5中所示的氧气分离器的另一个供选择的实施方案。在该实施方案中，来自膨胀器12的热含氧气流“A”是轴向的，所以，热含氧气体“A”在护罩90内流动。
护罩90连接到管板116，管板116分别通过外圆周凸缘122和120又连接到集管板118，从而还连接管道83的部分84和86。氧选择性陶瓷膜36连接到管板116，集管板118提供与氧选择性陶瓷膜的开口端40对齐的孔124的排列，用于氧气“C”的通过。具有曲面形状的环形罩126连接到集管板118，以形成氧气室来收集氧气“C”。排气管128从氧气室和管道83的部分84中排出氧气。
环形罩126、集管板118和管板116各自具有环形构型，因此提供相互对齐并与护罩90对齐的中心孔130、131和132，以便使热空气在由冷空气进口134提供的冷却空气下游轴向通过。可以提供外面的盘与环形挡板136，以提高热交换部分内的冷空气侧的膜层传热系数，并且可以提供中心的盘与环形挡板138，以提高在热空气与分离器部分中的氧选择性陶瓷膜36之间的传质。
图7表示一种与用于IGCC工艺的类型的大规模工业燃气轮机6一体化的氧气分离器5的一体化装置。燃气轮机6提供由膨胀涡轮机或膨胀器148驱动的压缩机146。燃料在燃烧室或燃烧器150中燃烧，以加热由压缩机146产生的压缩空气，形成压缩的热空气来驱动膨胀器148。膨胀器148通常产生额外的轴功率，其用于通过发电机发电或者通过单独的压缩机产生压缩空气。
氧气分离器5连接到燃烧器150。连接到氧气分离器5的预燃烧器7有燃料喷枪151，以产生热空气形式的热含氧气体“A”，用于在氧气分离器中分离其中的氧气。提供到预燃烧器7的空气是沿着燃烧器150中的环形通道152和氧气分离器中的环形通道153由压缩机146输送的压缩空气，或者由压缩机146的排出装置形成的空气和在单独的压缩机中处理的空气的组合。来自单独的压缩机的空气可以通过喷嘴154直接加入到环形通道152中。虽然未说明，但是，该单独压缩的空气可以直接加入到预燃烧器7中。
在压缩机146中压缩的空气的5％-20％直接送到膨胀器148中用于冷却，由压缩机146压缩的空气的10％-约95％输送到预燃烧器7。其余的空气直接送到燃烧器150。氧气分离器5中的氧气分离产生氧气减少的气体“B”，其被引入到燃烧器150中。虽然未说明，氧气分离器5可以连接在燃烧器150和燃气轮机6之间，以便接受直接来自燃烧器150的热含氧气体“A”。在这种情况下，氧气减少的气体“B”直接排出到燃气轮机中，并且没有预燃烧器7。
图8说明分离器5，其是图6的分离器2设计的改型。分离器5的内部组合实际上与分离器2一致，改进是用于燃气轮机6。氧气分离器5与分离器2不同之处在于添加在管道83的壁与外管道156之间限定的环形通道153，管道83的部分84被预燃烧器7代替。另外，提供延长的排气管128’和延长的冷空气进口134’以穿过预燃烧器7和外管道156。应该注意，本发明的实施例是可能的，其中，由单独的装置形成预燃烧器7，并被连接到氧气分离器，与所说明的氧气分离器5的实施方案中不同，所述单独装置与其不是一体的。
外管道156连接到由凸缘158和159从燃气轮机引出的管道支架的过渡部分157。延长的集管板118’和延长的管板116’提供预燃烧器7到氧气分离器5的连接。集管板118’和管板116’又连接到结合在外管156上的凸缘160。
在集管板118’和管板116’中提供径向排列的孔161，用于来自涡轮机组合的压缩含氧气体“D”的通过。预燃烧器7提供连接到集管板118’的外凸缘120’的具有鼓状构型的成型头部，以形成返回集管空间163。燃料喷嘴151穿过成型头部162以喷入燃料，以便与压缩的含氧气体“D”中的一部分氧气反应，从而提高压缩的含氧气体“D”的温度，以形成热含氧气体“A”，其具有进行有效氧离子传递足够的温度。提供弯曲的环形的环状挡板164，以帮助在成型头部162内的压缩的含氧气流“D”返回。氧气减少的气流“B”通过同心内管166返回到涡轮机。同心内管166连接到凸缘167，凸缘167又连接到管道83的凸缘32。
参见图9，其说明工艺流程图，用于氧气分离器到图7所示的系统类型的燃气轮机6中的一体化。用在该系统中的氧气分离器设计引入图4所示的氧气分离器2’的特征，并添加外管(如氧气分离器的外管156)和预燃烧器，其用与预燃烧器7连接到氧气分离器5的外管156上的相同方式连接到外管上。虽然只表示了两个氧气分离器，但是应该理解，该一体化涉及连接到多个燃烧器150的多个氧气分离器，燃烧器150分布在压缩机146与膨胀涡轮机148之间的连接管道的圆周附近。
从燃气轮机压缩机排气装置抽出空气作为气流170。通过单独的空气压缩机173提供压缩的补充空气流172，并与压缩的放出气流170混合。虽然未说明，但是，这可以通过在成型头部162内添加补充空气进口在预燃烧器中进行，例如预燃烧器7。可以理解，单一的压缩机可以向所有的氧气分离器5送气。来自氧气分离器5的由氧气减少的空气“B”组成的保留物流可以在图中所示的燃烧器150中或者在进入燃烧器之前(未示出)与燃料混合。
由所渗透的氧气构成的氧气产物流174可以通过与用来产生蒸汽的料流175的间接热交换来冷却。然后，可以在冷凝器176中进一步冷却氧气产物流174，以便冷凝出水，然后在分离器178中分离水。氧气产物流17 4然后可以用氧气压缩机180压缩到输送压力。
为了在氧气分离器5中获得高氧气回收率，存在在真空水平下提取所渗透氧气的可能性。为了避免这样做并在略高的压力下把氧气输送到氧气压缩机180，使用通过气流165引入的蒸汽作为氧气分离器5的吹扫气体。应该注意，产生气流175的水由氧气产物流174的分离水和由泵182抽送到氧气分离器5的补充水组成。
对于典型的现代燃气轮机，其压缩进料空气到约13.8-31.05巴，因此产生的吹扫蒸汽量足以获得氧气分离器5的进料空气中所含氧气量的约80％的氧气回收水平，并且以约1.72巴把氧气输送到氧气压缩机182中，并在氧气分离器5中保持对氧迁移足够的驱动势。
为了保持发电，送入到氧气分离器5的补充压缩空气流172的补充空气应该至少等于所提取的氧气体积。理想地，一个分离器组应该与燃气轮机上的每个燃烧室伴随。如果希望从给定的装置产生最大的功率，可以使用带有中间冷却的多级压缩，因为压缩补充压缩空气流172(如果其体积等于所渗透的氧气体积)所需的功率对于该系统是一种功率损失。但是，在大多数情况下，用中间冷却比不用中间冷却的循环的总效率更小。
参见图10，其说明氧气分离器5’，该分离器可以用图7中具体说明的方式一体化而不用连续操作预燃烧器7。
氧气分离器5’提供了内管184，其包括燃烧部分186和分离器部分188。位于内管184的燃烧部分186内的氧选择性陶瓷膜36作为燃料或者任选为燃料和蒸汽的混合物燃烧的燃烧器管，这样的燃烧由从热气体中提取的氧气渗透物支持。该燃烧加热通过内管184的空气，使得氧选择性陶瓷膜可以达到其设计操作温度。所以，在预燃烧器7与燃烧器150一体化的情况下，预燃烧器7仅仅用于启动的目的。位于管道184的分离器部分188内的氧选择性陶瓷膜作用是从形成热含氧气体“A”的热空气中分离氧气。
内管184的燃烧部分186有多个细长管190，其同轴布置在氧选择性陶瓷膜36内。内管184的分离器部分188还提供多个细长管192，其与细长管190相通并同轴布置在氧选择性陶瓷膜36内。细长管192接受来自细长管190的燃烧产物，以便从位于分离器部分188内的氧选择性陶瓷膜36内吹扫氧气。
内管184的燃烧和分离器部分186和188及其内部部件相互之间为镜像关系，尽管它们可以使用不同长度的氧选择性陶瓷膜36。在分离器部分188内的氧选择性陶瓷膜通常比燃烧部分186内的氧选择性陶瓷膜更长。
在内管184的燃烧和分离器部分186和188中，细长管190和192连接到一对管板194，管板194又连接到中心的安装板195。管板194有例如通过螺纹紧固件(未示出)相互连接的周边凸缘，其还使燃烧和分离器部分186和188相互连接。管板194和中心安装板195还分别提供外面的径向排列的对齐的孔196和197，允许热含氧气体从燃烧部分186通过到分离器部分188。
提供一对管板198，用于安装氧选择性陶瓷膜36。管板198连接到集管板200，集管板200有与氧选择性陶瓷膜36的开口端40对齐的孔202。一对具有圆筒构型的罩203把集管板200连接到管板194，形成通气室。通气室使燃料和任选的蒸汽可以引入到作为燃烧器管的氧选择性离子导电膜36中，并从仅作为分离器的氧选择性陶瓷膜36中收集氧气和包括水汽和二氧化碳的燃烧产物。优选使用合适的传热装置(如US 5,820,654中所说明的那些，其引入本文作为参考，如同在本文中完全阐明一样)，以防反应的过热或突然结束。
燃料引入管204和引出管206分别穿过燃烧和分离器部分186和188，并与罩203形成的通气室相通。把燃料和任选的蒸汽引入到燃料引入管204中，并把所透过的氧气和包含水汽和二氧化碳及任何蒸汽的燃烧产物从出口管206排出。可以通过本领域众所周知的许多方法的任一种把二氧化碳作为一种单独的产品回收。
压缩的含氧气体“D”从压缩机排出口通过在外管212和内管184的分离器部分188之间限定的环形空间210供给。含氧气体“D”分别流过在集管板194和中心安装板195中限定的径向孔214和216，然后通过在外管212和内管184的燃烧器部分186之间限定的环形空间218。该气流被挡板221转180度，然后进入燃烧器部分186内部。正如所说明的，外管212由两部分222和224构成，它们连接到集管板194的外凸缘226上。外面的带凸缘部分226又连接到中心安装板195。
虽然已经参考氧气分离器说明了本发明，所述氧气分离器使用与热含氧气体“A”的气流在一条直线上取向的氧选择性陶瓷膜，但是本发明不应该限于这些实施方案。例如，参考图11，其说明了氧气分离器2”的一种供选择的实施方案，其中氧选择性陶瓷膜36与管道230内的气流成直角取向。氧选择性陶瓷膜36连接到管板232，管板232又连接到集管板234。具有与护罩90类似结构的直立结构236连接到管道230。圆形凸缘238和240分别连接到管道230和直立结构236，并通过未示出的紧固件相互连接。
直立结构236作用是容纳冷空气16，以冷却在氧选择性陶瓷膜36内流动的氧气渗透物、被直立结构236包围的多个部分氧选择性陶瓷膜36，注入管板232和集管板234等支撑结构。然后，已经被与热氧气的热交换加热的气流16与来自热气体发生器1的将要在多个部分氧选择性陶瓷膜36内分离的热含氧空气“A”混合，注入到管道230中。在这方面，管道230通过提供凸缘242直接连接到燃气轮机1并通过提供凸缘244在其另一端连接到功率涡轮机3。
以下是带有热气体发生器1的氧气分离器2的一体化的计算实施例。
以下是关键假设热气体发生器压缩机压力比30热气体发生器压缩机无中间冷却的补充空气压缩机2级，带中间冷却O2真空泵3级，带中间冷却空气压缩机效率80％涡轮机效率90％氧气真空泵效率70％燃料甲烷O2产物1.0135以下是计算结果热气体压力6.32巴热气体温度1154K功率涡轮机出口温度761K净功率O2产物燃料 热耗(基于LHV)单元 (KW) M3(STP)/Hr M3(STP)/Hr KW/KWHr情况I20,000-- 4.492.256情况II 18,6507,150 4.522.432情况III 19,2107,150 4.552.375情况IV 17,5007,150 4.492.577
上表说明，一体化的OTM情况比单独的冷冻装置节约了大量功率。蒸汽吹扫情况节约氧气压缩机功率和投资，代价是增加蒸汽产生设备和热交换器的投资。该情况假定没有完全利用余热。
如果假定在OTM分离器中的平均氧气流量为8.49m3(STP)/Hrm2，分离器面积为84.236m2。对于间距为3.49cm的3.66m长、2.54cm直径的管子，管束直径约为2.06m。留下约0.76m用于安装和周边流动区域将导致外壳直径约2.9m。如果使用图11的环形布置并具有1.22m直径的内部流动区域，外面的管束直径约为2.36m。这产生约2.74m的外壳直径。
虽然参考优选的实施方案描述了本发明，正如本领域技术人员将会想到的那样，可以进行许多变化、添加和省略而不脱离本发明的实质和范围。
权利要求
1.一种氧气分离器(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)。
2.一种氧气分离器(5、5’)，其用于从流向燃气轮机(6)的燃烧器(150)的压缩空气中分离氧气，所述氧气分离器(5、5’)包括在相对的端部开口并构造成连接到所述燃气轮机(6)的所述燃烧器(150)的细长管道(83)，以接受来自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；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；所述氧选择性陶瓷膜(36)安装在所述管道(83)内，使得所述氧气与所述热含氧气体分离并收集在所述氧选择性陶瓷膜(36)内，并且在所述管道(83)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(126、128’、203、206)。
3.权利要求2的氧气分离器，其中预燃烧器(7)加热压缩空气；和所述管道(83)直接安装在所述预燃烧器(7)和所述燃气轮机(6)的所述燃烧器(150)之间。
4.权利要求3的氧气分离器，其中所述管道(83、184)是内管；包围所述内管(83、184)并连接到所述预燃烧器(7)的外管(156、212)在所述内管(83、184)与外管(156、212)之间限定一个环形空间(153、212)，来输送压缩空气到预燃烧器(7)。
5.权利要求1或2的氧气分离器，其中每个所述氧选择性陶瓷膜(36)具有细长的、管状构型，具有封闭端(38)和相对的开口端(40)；和所述回收装置(44、48、50、81、82、98、100、126、128、126、128’、203、206)从所述氧选择性陶瓷膜的所述开口端回收所述氧气。
6.权利要求5的氧气分离器，其还包括在所述氧选择性陶瓷膜(36)内同轴布置的多个细长管(63)，用于注入蒸汽来从所述薄膜(36)内清除所述氧气；与所述细长管(63)相通的蒸汽室(62)；和通过所述管道(56)并连接到所述蒸汽室(64)用于引入所述蒸汽的蒸汽引入管(64)。
7.权利要求5的氧气分离器，其还包括包围一部分所述氧选择性陶瓷膜(36)的护罩(90)；和通过所述管道(83)并连接到所述护罩(90)的补充冷空气引入管(88)，用于引入冷空气来冷却在所述氧选择性陶瓷膜(36)内的所述氧气和支撑所述氧选择性陶瓷膜(36)的结构并被加热到较高温度。
8.权利要求6的氧气分离器，其还包括多个安装在所述氧选择性陶瓷膜(36)内的管状套管(104)，从而产生狭窄的流动环形空间，以改善在所述氧选择性陶瓷膜(36)内流动的氧气与所述陶瓷膜管壁之间的膜层传热系数。
9.权利要求3的氧气分离器，其中所述氧选择性陶瓷膜(36)的每一个具有细长的、管状构型，其具有封闭端(38)和相对的开口端(40)；所述回收装置(203、206)从所述氧选择性陶瓷膜(40)的所述开口端(38)回收所述氧气；多个燃烧管(36)用可以通过所述氧气的陶瓷制造，用于从所述热气体中分离所述氧气；燃料引入管(204)通过所述管道(184)，用于引入燃料；燃料室(203)与所述燃料管相通并连接到所述燃料引入管(204)，用于向所述燃烧器管(36)引入所述燃料，用于在所述氧气存在下燃烧，以加热所述压缩空气并产生燃烧产物；和输送管(190、192)同轴布置在所述氧选择性陶瓷膜(36)和所述燃烧器管(36)内，用于把所述燃烧产物从所述燃烧器管(190)中输送到所述氧选择性陶瓷膜(36)中，从而为所述氧选择性陶瓷膜提供吹扫气体。
10.权利要求5的氧气分离器，其中所述氧选择性陶瓷膜(36)通过连接到管板(116、116’)安装在所述管道(83)内，管板(116、116’)又连接到所述管道(83)；和所述氧气回收装置包括一个连接到所述管板(116、116’)并且有至少一个孔(124、161)的集管板(120、120’)，所述孔使得所述氧气可以从所述氧选择性陶瓷膜(36)通过所述集管板(118、118’)；一个连接到所述集管板(118、118’)并覆盖所述至少一个孔(124、161)的罩(126)；和一个连接到罩(126)并通过所述管道(83)的排气管(128、128’)。
11.权利要求10的氧气分离器，其中所述管道有至少两个部分(84、86)；所述集管板(118)连接到两个部分(84、86)的至少一个上；所述集管板(118)和所述管板(116)有相互连接的周边凸缘(120、122)，以便把所述两个部分(84、86)相互连接。
12.权利要求10的氧气分离器，其还包含所述管道(83)的补充冷空气引入管(134、134’)，用于向所述管道(83)中引入冷空气，以冷却在所述氧选择性陶瓷膜(36)内的所述氧气并被加热到较高温度；所述集管板(118、118’)的所述至少一个孔包含径向排列的孔(124)；所述管板(116、116’)、所述集管板(118、118’)和所述罩(126)各自具有环形构型，以限定其对齐的、同心的中心内孔；和连接到所述管板(116、116’)并与其所述中心内孔对齐的护罩(90)，以便把所述热含氧气体导向所述管道(83)的所述补充冷空气引入管(134、134’)下游的所述氧选择性陶瓷膜(36)。
13.权利要求5的氧气分离器，其中，所述氧选择性陶瓷膜(36)与热含氧气流成直角取向。
14.一种从热含氧气体中分离氧气的方法，所述热含氧气体从用于驱动功率涡轮机(3)的燃气轮机热气体发生器(1)的排出装置排出，所述方法包括以在线的关系直接安装在所述热气体发生器(1)的所述膨胀器(12)和所述功率涡轮机(3)之间的管道(22、56、83、230)一端接受所述热含氧气体；由所述氧气通过多个氧选择性陶瓷膜(36)渗透的离子从所述热含氧气体提取所述氧气；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；从所述管道(22、56、83、230)的另一端排出所述氧气减少的气体到所述功率涡轮机(3)；和从所述氧选择性陶瓷膜中回收所述氧气。
15.一种从流向燃气轮机(6)的燃烧器(150)的压缩空气中分离氧气的方法，所述方法包括通过燃烧燃料加热压缩空气，形成热含氧气体；在相对端开口并连接到所述燃气轮机的所述燃烧器(150)的细长管道(83)内接受所述热含氧气体；由所述氧气通过多个氧选择性陶瓷膜(36)的渗透离子从所述热含氧气体中提取所述氧气；所述氧选择性陶瓷膜安装在所述管道(83)内，使得所述氧气与所述热含氧气体分离并收集在所述氧选择性陶瓷膜(36)内，并且在所述管道内形成所述氧气减少的气体的外气流；从所述管道(83)的另一端排出所述氧气减少的气体；和从所述氧选择性陶瓷膜(36)中回收所述氧气。
16.权利要求15的方法，其中，所述热含氧气体被容纳在所述管道远离与其连结的预燃烧器(7)的所述相对端部之一内，并且所述氧气减少的气体从其所述相对端的另一端直接排出到所述燃气轮机的燃烧器(150)。
17.权利要求14或15的方法，其中，所述氧气在回收后被冷却(18、176)，然后压缩(20、180)。
18.权利要求14或15的方法，其中，所述氧选择性陶瓷膜(36)用吹扫气体(15、165)吹扫。
19.权利要求14或15的方法，其还包括压缩至少体积等于所排出氧气的补充孔气流(16)以形成补充压缩空气流(16)，并引入所述补充压缩空气流(16)以冷却氧选择性陶瓷膜(36)和所述氧选择性陶瓷膜(36)的支撑结构。
20.权利要求15的方法，其中所述氧选择性陶瓷膜(36)的每一个具有细长的、管状构型，其具有封闭端(38)和相对的开口端(40)；从所述氧选择性陶瓷膜(36)的所述开口端(40)回收氧气；把所述燃料引入到燃烧器管(36)中，所述燃烧器管用氧选择性陶瓷膜材料制成并位于在所述氧选择性陶瓷膜(36)上游的所述管道(184)内；所述燃料在燃烧器管(36)内并在从所述压缩空气中透过的氧气存在下燃烧，以加热所述压缩空气，并因此形成燃烧产物；和把所述燃烧产物引入到所述氧选择性陶瓷膜(36)中作为吹扫气体。
全文摘要
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。
文档编号B01D53/34GK1440490SQ01812258
公开日2003年9月3日 申请日期2001年4月23日 优先权日2000年5月4日
发明者R·F·德内维奇, M·M·沙赫, C·F·戈特茨曼恩 申请人:普莱克斯技术有限公司