集成的离子转运膜和燃气轮机系统的制作方法

专利名称：集成的离子转运膜和燃气轮机系统的制作方法
集成的离子转运膜和燃气轮机系统关于联邦资助 的研究或开发的声明本发明按照合作协议DE-FC26-98FT40343部分地接受美国能源部的资助。政府 拥有本发明的某些权利。
背景技术：
通过使用氧可渗透的混合金属氧化物陶瓷膜，可以在高温下分离空气以产生高 纯度氧。这些膜通过氧离子的选择性渗透运行，并可以描述为离子转运膜。用于离子转 运膜的混合金属氧化物材料可以是传导氧离子和电子的混合导体，其中，渗透的氧离子 在膜的渗透侧重组以形成氧气。离子转运膜分离系统的进气是含氧气体(例如，空气)，其在膜系统之前压缩和 加热达到7oo°c至iioo°c的一般温度范围。进气的一部分透过膜，并作为热的高纯度的 氧渗透产物回收。热的加压非渗透气体部分地氧贫化，并包含大量的热能和压力能；应 该回收这种能量以确保整个氧生成过程在经济上是可行的。为了回收非渗透气中的大量热能和压力能，离子转运膜系统可以与使用热交换 器、燃烧器(combustor)、燃气涡轮、蒸汽轮机和其他热利用设备的能够产生和回收系统 整合。由于非渗透物含有残留氧，它可用作燃烧过程(例如，举例来说，燃气轮机或燃 气轮发动机)中的氧化剂流。如果非渗透物具有低的氧浓度，一些旁路空气可与非渗透 物混合以达到用于燃烧过程中的大多数燃料的可燃极限。因此，离子转运膜非渗透气体 中的热能和压力能可以由燃气轮机系统作为机械能回收，且这种能量可以被认为是高纯 度氧渗透气体的副产物。将离子转运膜系统与燃气涡轮发动机整合在一起是本领域公知的，其中，一部 分燃气涡轮压缩机输出向膜系统提供压缩的空气进气，且来自膜系统的非渗透物流直接 引入到通用燃气轮机燃烧器中。但是，现有技术中没有公开描述非渗透气体在特定燃气 轮机燃烧器(gas turbinecombustor)中的集成使用的详细方法。因此，需要实际燃气轮机 燃烧器中利用来自离子转运膜系统的非渗透气体的具体方法。通过下面所述的和随后的 权利要求所限定的本发明的实施方式来满足了这种需要。

发明内容
本发明的一种实施方式涉及集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包 括(a)燃气涡轮燃烧发动机，包括(1)包括压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴(drive shaft)的压缩机；(2)包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、 适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里(liner)的燃烧器， 其中，稀释区具有燃烧气体进口、燃烧气体出口和一个或多个稀释气体进口；(3)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具有一个或多个含氧气体进口，且通过该一个或多个含氧气体进口中的至少一个与 燃烧区流体连通；(4)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出 轴(work output shaft)的气体膨胀器；和(5)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道(piping)；(b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区(feed zone)、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气 进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫 氧的(oxygen-depleted)非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口 ；和(C)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口的任一个或多个流体连通 的管道。本发明的另一实施方式包括操作集成的燃气轮机(combustionturbine)和离子转 运膜系统的方法，包括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧 区、适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器，其 中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口；(Ic)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷 却区域具有一个或多个含氧气体进口，且通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与 燃烧区流体连通；(Id)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动 的功输出轴的气体膨胀器；和(Ie)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；(3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口的任一个或多个流体连通 的管道；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，并在燃烧区中燃烧燃料与压缩 的含氧气体的第一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释 的热燃烧气体；和在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功(shaftwork)；(c)加热压缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含 氧气体引入膜组件的进气区中，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物 抽出出口抽出渗透气体；和(d)将贫氧的非渗透气体的至少一部分引入稀释区中。本发明的相关的实施方式包括集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(a)燃气涡 轮燃烧发动机，包括(1)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(2)包括外壳、具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和围绕燃 烧区的燃烧区衬里的燃烧器；(3)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷 却区域具有含氧气体进口并通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连 通；(4)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出 轴的气体膨胀器；和(5)适于从压缩机向燃烧区环形冷却区域的含氧气体进口转移压缩含氧气体的第 一部分的管道；(b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和(c)混合区、适于从压缩机向混合区转移压缩含氧气体的第二部分的管道、适于 从进气区向混合区转移贫氧的非渗透气体的管道；和(d)适于转移包含压缩含氧气体的第二部分和贫氧的非渗透气体的混合物进入燃 烧区的管道。另一相关的实施方式包括操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包 括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)包括外壳、具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和围绕 燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器；(Ic)外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区 域具有含氧气体进口并通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通； 禾口(Id)具有与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输 出轴的气体膨胀器；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，将压缩的含氧气体分为第一部 分、第二部分和第三部分，并将第一部分引入燃烧区环形冷却区域中；(c)加热压缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽 出出口抽出渗透气体；(d)混合压缩的含氧气体的第三部分和来自进气区的贫氧的非渗透气体以形成混 合的含氧气体，在燃烧区中燃烧燃料与混合的含氧气体以产生热燃烧气体，并在热气体 膨胀涡轮中膨胀热燃烧气体以产生轴功。本发明的进一步实施方式涉及集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统， 其包括(a)燃气涡轮燃烧发动机，包括(1)包括压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(2)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于接收来自 燃烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、燃烧气体出口 和一个或多个稀释气体进口；(3)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出 轴的气体膨胀器；和(4)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道；(b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和(c)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连 通的管道。本发明的进一步的另一实施方式包括操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的 方法，包括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和适于接收来 自燃烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个 稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口；(Ic)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动 的功输出轴的气体膨胀器；和(Id)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；(3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连 通的管道；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，并在燃烧区中燃烧燃料与压缩
11的含氧气体的第一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释 的热燃烧气体；和在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功；(c)加热压 缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含 氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽 出出口抽出渗透气体；和(d)将贫氧的非渗透气体的至少一部分引入稀释区。本发明的一个可选的实施方式包括操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方 法，包括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和适于接收来 自燃烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个 稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口；和(Ic)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动 的功输出轴的气体膨胀器；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；(3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连 通的管道；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，加热压缩的含氧气体的至少一 部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区，从进气区 抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出高纯度氧渗透气体；和(c)在燃烧区中燃烧燃料与高纯度氧渗透气体的至少一部分以产生热的燃烧气 体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释的热燃烧气体；并在热气体膨胀涡轮中膨 胀稀释的热燃烧气体以产生轴功。本发明的最终的实施方式涉及集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统， 其包括(a)燃气涡轮燃烧发动机，其包括具有压缩含氧气体出口的压缩机；包括外壳、 与压缩含氧气体出口流体连通的燃烧区和与燃烧区流体连通且具有一个或多个稀释气体 进口的稀释区的燃烧器；和气体膨胀器；和(b)具有离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，离子转运膜组件包括进气 区、渗透区、与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的通向进气区的进气进口、进气区 出口和渗透区的渗透物抽出出口；其中，膜组件的进气区出口与燃烧器稀释区的一个或多个稀释气体进口中的任 一个或多个流体连通。方面#1:集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括
(a)燃气涡轮燃烧发动机，包括(1)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(2)包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、 适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器，其中， 稀释区具有燃烧气体进口、燃烧气体出口和一个或多个稀释气体进口 ；(3)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却 区域具有一个或多个含氧气体进口并通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧 区流体连通；(4)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出 轴的气体膨胀器；和(5)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道；(b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和(c)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连 通的管道。方面#2 方面#1中定义的系统，包括使渗透区的渗透物抽出出口与燃烧区的一 个或多个含氧气体进口中的至少一个流体连通的管道。方面#3:方面#1中定义的系统，包括使膜组件的进气区出口与燃烧区环形冷 却区域和燃烧区的一个或多个含氧气体进口中的至少一个其中之一或两者流体连通的管道。方面#4:方面#3中定义的系统，包括压缩机的压缩含氧气体出口和燃烧区环形 冷却区域的一个或多个含氧气体进口中的任一个或多个之间的管道，其中，该管道适于 将压缩含氧气体弓I入燃烧区环形冷却区域中。方面#5 方面#4中定义的系统，包括使渗透区的渗透物抽出出口与燃烧区的一 个或多个含氧气体进口中的至少一个流体连通的管道。方面#6:方面#4中定义的系统，包括混合区、使压缩机的压缩含氧气体出口与 混合区流体连通的管道、使离子转运膜组件的进气区出口与混合区流体连通的管道、适 于向混合区引入燃料的管道和从混合区向燃烧区的一个或多个可燃气体进口中的任一个 或多个转移可燃气体的管道。方面#7 方面#3中定义的系统，包括压缩机的压缩含氧气体出口和燃烧区的一 个或多个含氧气体进口中的任一个或多个之间的管道，其中，该管道适于将压缩含氧气 体直接引入燃烧区。方面#8:方面#7中定义的系统，包括使渗透区的渗透物抽出出口与适于将压缩 含氧气体直接引入燃烧区的管道流体连通的管道。方面#9:方面#7中定义的系统，包括围绕稀释区的稀释区衬里和位于外壳和稀 释区衬里之间的稀释区环形冷却区域，其中，一个或多个稀释气体进口适于将来自离子 转运膜氧回收系统的贫氧的气体输入稀释区环形冷却区域中，和其中，稀释区环形冷却区域与稀释区流体连通。方面#10:方面# 9中定义的系统，包括混合区、使压缩机的压缩含氧气体出 口与混合区流体连通的管道、使离子转运膜组件的进气区出口与混合区流体连通的管道 和适于从混合区向燃烧区的一个或多个含氧气体进口中的至少一个转移贫氧的气体的管 道。方面#11 方面#1中定义的系统，包括适于加热来自压缩机的压缩含氧气体流 的至少一部分以形成加热的压缩含氧气体流的加热器和从加热装置向离子转运膜组件的 进气区的进气进口输送加热的压缩含氧气体流的管道装置。方面#12:方面#11中定义的系统，其中，加热器包括适于燃烧燃料与压缩的含 氧气体流以提供加热的压缩的含氧气体流的直燃式燃烧器。方面#13:方面#1中定义的系统，其中，燃烧区包括初级燃烧区，接着是二级 燃烧区，其中，一个或多个含氧气体进口中的至少一个适于将压缩的含氧气体的至少一 部分引入初级燃烧区中，其中，一个或多个含氧气体进口中的至少一个适于将压缩的含 氧气体的至少一部分引入二级燃烧区中，和其中，二级燃烧区包括燃烧气体出口。方面#14:方面#13中定义的系统，包括使渗透区的渗透物抽出出口与初级燃烧 区和/或二级燃烧区流体连通的管道。方面#15:方面#1中定义的系统，其中，功输出轴适于通过压缩机驱动轴提供 驱动压缩机所需的功的至少一部分。方面#16: —种操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)燃烧器，包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进 口的燃烧区、适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里，其 中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口；(Ic)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷 却区域具有一个或多个含氧气体进口并通过一个或多个含氧气体进口的至少一个与燃烧 区流体连通；(Id)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动 的功输出轴的气体膨胀器；和(Ie)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口，和渗透区的渗透物抽出出口；(3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连 通的管道；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，并在燃烧区中燃烧燃料与压缩 的含氧气体的第一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释的热燃烧气体；和在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功；(c)加热压缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含 氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽 出出口抽出渗透气体；和
(d)将贫氧的非渗透气体的至少一部分引入稀释区中。方面#17 方面#16中定义的方法，包括将渗透气体的全部或部分引入一个或多 个含氧气体进口的任一个或多个。方面#18:方面#16中定义的方法，包括将压缩含氧气体的一部分引入燃烧区环 形冷却区域中。方面#19 方面#18中定义的方法，包括混合压缩的含氧气体的一部分和来自离 子转运膜组件的进气区的贫氧的非渗透气体的一部分以形成混合的含氧气体，混合燃料 和混合的含氧气体以形成可燃气体，并将可燃气体引入燃烧区的可燃气体进口中。方面#20:方面#16中定义的方法，包括将压缩含氧气体的一部分直接引入燃烧 区中。方面#21 方面#20中定义的方法，包括(1)将渗透气体的全部或部分直接引 入燃烧区中，或(2)混合渗透气体的全部或部分和燃料以形成燃料-氧混合物，并将该混 合物直接引入燃烧区中。方面#22:方面#20中定义的方法，其中，燃烧器包括围绕稀释区的稀释区衬里 和位于外壳和稀释区衬里之间的稀释区环形冷却区域，其中，压缩含氧气体的另一部分 与来自离子转运膜组件的进气区的贫氧的非渗透气体混合以形成混合的含氧气体，和其 中，将混合的含氧气体的一部分引入稀释区环形冷却区域中。方面#23:方面#22中定义的方法，其中，将混合的含氧气体的另一部分引入燃 烧区环形冷却区域中。方面#24:方面#16中定义的方法，其中，通过在直燃式燃烧器中燃烧燃料与压 缩的含氧气体流实现压缩的含氧气体的第二部分的加热以提供加热的压缩含氧气体流。方面#25:方面#16中定义的方法，其中，燃烧区包括初级燃烧区，接着二级燃 烧区，且二级燃烧区包括燃烧气体出口，其中，将压缩含氧气体的一部分引入初级燃烧 区中，和其中，将压缩含氧气体的另一部分引入二级燃烧区中。方面#26:方面#16中定义的方法，其中，通过压缩机驱动轴驱动压缩机所需的 功的至少一部分通过膨胀涡轮的功输出轴提供。方面#27:方面#25中定义的方法，其中，将来自离子转运膜组件进气区的贫氧 的非渗透气体引入初级燃烧区和二级燃烧区其中之一或两者中。方面#28: —种集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括(a)燃气涡轮燃烧发动机，包括(1)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(2)包括外壳、具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和围绕燃 烧区的燃烧区衬里的燃烧器；(3)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷 却区域具有含氧气体进口并通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通；(4)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出 轴的气体膨胀器；和(5)适于从压缩机向燃烧区环形冷却区域的含氧气体进口转移压缩含氧气体的第 一部分的管道；(b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口，和渗透区的渗透物抽出出口 ；和(c)混合区、适于从压缩机向混合区转移压缩含氧气体的第二部分的管道、适于 从进气区向混合区转移贫氧的非渗透气体的管道；和(d)适于转移包含压缩含氧气体的第二部分和贫氧的非渗透气体的混合物进入燃 烧区的管道。方面#29:方面#28中定义的系统，其中，适于转移包括压缩含氧气体的第二 部分和贫氧的非渗透气体的混合物进入燃烧区的管道还适于将该混合物直接引入燃烧区 中。方面#30: —种操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)包括外壳、具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和围绕 燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器；(Ic)外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却 区域具有含氧气体进口，且通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连 通；禾口(Id)具有与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输 出轴的气体膨胀器；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口，和渗透区的渗透物抽出出口；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，将压缩的含氧气体分为第一部 分、第二部分和第三部分，并将第一部分引入燃烧区环形冷却区域；(C)加热压缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含 氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽 出出口抽出渗透气体；(d)混合压缩的含氧气体的第三部分与来自进气区的贫氧的非渗透气体以形成混 合的含氧气体，在燃烧区燃烧燃料与混合的含氧气体以产生热燃烧气体，并在热气体膨 胀涡轮中膨胀热燃烧气体以产生轴功。
方面#31:方面#30中定义的方法，其中，将混合的含氧气体直接引入燃烧区 中。方面#32: —种集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括(a)燃气涡轮燃烧发动机，包括(1)包括压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(2)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于接收来自 燃烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、燃烧气体出口 和一个或多个稀释气体进口；(3)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出 轴的气体膨胀器；和(4)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道；(b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和(c)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连 通的管道。方面#33:方面#32中定义的系统，包括使渗透区的渗透物抽出出口与燃烧区的 一个或多个含氧气体进口中的至少一个流体连通的管道。方面#34: —种操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)燃烧器，包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区及适 于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个 稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口；(Ic)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动 的功输出轴的气体膨胀器；和(Id)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口，和渗透区的渗透物抽出出口； (3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连 通的管道；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，并在燃烧区中燃烧燃料与压缩 含氧气体的第一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热燃烧气体以形成稀释的热 燃烧气体；和在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功；(c)加热压缩含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出渗透气体；和(d)将贫氧的非渗透气体的至少一部分引入稀释区中。方面#35 方面#34中定义的方法，包括将渗透气体的全部或部分引入一个或多 个含氧气体进口中的任一个或多个。方面#36: —种操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和适于接收来 自燃烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个 稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口；和(Ic)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动 的功输出轴的气体膨胀器；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括 进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进 气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透 气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；(3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连 通的管道；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，加热压缩的含氧气体的至少一 部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区中，从进气 区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出高纯度氧渗透气体；和(C)在燃烧区中燃烧燃料与高纯度氧渗透气体的至少一部分以产生热的燃烧气 体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释的热燃烧气体；并在热气体膨胀涡轮中膨 胀稀释的热燃烧气体以产生轴功。方面#37 方面#36中定义的方法，包括将贫氧的非渗透气体的至少一部分作为 稀释气引入稀释区中。方面#38 方面#36中定义的方法，包括将压缩含氧气体的至少一部分作为稀释 气引入稀释区中。方面#39: —种集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括(a)燃气涡轮燃烧发动机，包括具有压缩含氧气体出口的压缩机；包括外 壳、与压缩含氧气体出口流体连通的燃烧区和与燃烧区流体连通且具有一个或多个稀释 气体进口的稀释区的燃烧器和气体膨胀器；和(b)具有离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，该离子转运膜组件包括进气 区、渗透区、与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的通向进气区的进气进口、进气区 出口，和渗透区的渗透物抽出出口；其中，膜组件的进气区出口与燃烧器稀释区的一个或多个稀释气体进口中的任 一个或多个流体连通。
方面#40: —种燃烧方法，包括(a)提供具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件 包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、 使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非 渗透气体的进气区出口，和渗透区的渗透物抽出出口，并提供使膜组件的进气区出口与 燃烧炉(burner)流体连通的管道；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，加热压缩的含氧气体的至少一 部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区，从进气区 抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出高纯度氧渗透气体；和(c)在炉(furnace)中燃烧燃料与贫氧的非渗透气体的至少一部分以减少NOx的 形成。方面#41:方面#40中定义的方法，其中，所述炉是锅炉(boiler)、玻璃熔化 炉、金属熔化炉、用于生产碳酸钠(洗涤碱)、高岭土或铬酸镁的窑炉、用于非铁金属 (如铜、铅、镍、锌)的熔炉、非铁金属焙烧炉、纸浆锅炉(paper pulp boiler)或其他合适 的炉。


图1是示例性的燃气轮机燃烧器(gas turbine engine combustor)的示意图。图2是根据本发明的一种实施方式的与燃气涡轮燃烧发动机集成的集成式离子 转运膜氧分离系统的示意流程图。图3是用于图2的实施方式中的燃气轮机燃烧器的示意图。图4是根据本发明的另一实施方式的与燃气涡轮燃烧发动机集成的集成式离子 转运膜氧分离系统的示意流程图。图5是用于图4的实施方式中的燃气轮机燃烧器的示意图。图6是根据本发明的一种替代实施方式的与燃气涡轮燃烧发动机集成的集成式 离子转运膜氧分离系统的示意流程图。图7是用于图6的实施方式中的燃气轮机燃烧器的示意8是用于实施例1中的基线系统(baseline system)的与燃气涡轮燃烧发动机集 成的集成式离子转运膜氧分离系统的示意流程图。图9是实施例4中氧产生速率和电功率输出相对于混合的空气/非渗透气体温度 的曲线图。图10是实施例5中贫油熄火(lean blowout)当量比(equivalenceratio)相对于预
混合的甲烷/空气火焰温度的曲线图。图11是实施例5中燃烧器中的当量比和流向燃烧器的混合空气/非渗透物流的 温度相对于输送到离子转运膜系统的来自燃气轮机压缩机的空气的百分比的曲线图。
具体实施例方式本发明的实施方式涉及离子转运膜(ITM)氧分离系统与燃气涡轮燃烧发动机的 整合以及ITM非渗透气体在燃气轮机燃烧器中的使用。如下文更详细地描述的燃气轮机的燃烧器包括燃烧区和稀释区，且燃烧区可以具有初级和二级燃烧区。在一个实施方式 中，燃气涡轮压缩机排出流的足够部分绕过(bypass)ITM系统，并用于满足燃烧和燃烧 器的衬里冷却需求；其余部分提供ITM系统的进气。将ITM非渗透物流引入燃烧器以 对来自燃烧器燃烧区的气流(flow)提供所需的稀释。在另一个实施方式中，绕行流的一部分与非渗透物混合以充分降低其温度，混 合的气流用于衬里冷却和稀释。这具有在集成的ITM-燃气涡轮系统中简化管道的热-机 械设计的可能。 在第三种实施方式中，非渗透物流的一部分与部分ITM绕行流混合，由此产生 的混合流与燃气涡轮燃料预混合并在燃气涡轮燃烧器中燃烧。这种实施方式可以通过用 氧贫化的非渗透物流充分稀释降低燃料浓度，以提供实用水平的NOx控制。下面描述并说明这些实施方式。在说明书中，术语“流体连通 (flowcommunication) ” 禾口 “与...、流体连通(in flow communication with) ” )用来定义气 体从第一区域到第二区域的流路。流路可包括管道和/或气体流过的中间区域。气体中 的成分(component)不会在流路中被化学反应改变；但是，气体在通过从第一区域到第 二区域的流路的过程中可以加热、冷却或与另一种气体混合。当应用于说明书和权利要求所描述的本发明的实施方式中的任何特征时，本文 所用的不定冠词“一”(“a”和“an” )指一个或多个。除非明确表示，“一”的使 用不限制其含义为单一特征。单数或复数名词或名词短语前面的定冠词“该(the)”指一 种或多种特别指明的特征，且根据其使用的上下文可以具有单数或复数的含义。形容词
“任何”指一个、一些或对数量不加区别的全部。位于第一实体和第二实体之间的术语 “和/或”指以下之一(1)第一实体，(2)第二实体，以及(3)第一实体和第二实体。含氧气体定义为包含氧但没有燃料成分的气体。含氧气体可以是，例如，空 气、贫氧的空气、富氧空气或含有至少99体积％氧的高纯度氧。术语“燃烧气体”定义为含有通过燃烧氧化反应形成的成分的任何气体。燃烧 气体包括来自燃烧区的流出气体或与来自任何其他来源的一种或多种气体混合的来自燃 烧区的流出气体。燃烧区定义为燃烧反应在其中发生的部分封闭或完全封闭的区域。燃 烧区具有一个或多个燃料和/或可燃气体和/或含氧气体的进口。稀释区是燃烧区之后 的区域且具有一个或多个稀释气体进口，其中稀释气体与来自燃烧区的燃烧气体混合以 冷却该气体并获得均勻的出口温度或想要的温度分布。稀释气体基本上不含可燃成分， 且可能是，例如，引入燃烧区的氧含气体的一部分。燃烧区具有至少一个燃烧气体出口，并可具有初级燃烧区和二级燃烧区。初级 燃烧区定义为其中引入全部燃料且大部分燃料与含氧气体一起燃烧的区域。二级燃烧区 定义为初级燃烧区之后的区域，其中来自初级燃烧区的剩余燃料与另外的含氧气体燃烧 以产生流动进入稀释区的来自燃烧区的燃烧气体。燃料定义为包含一种或多种在燃烧氧化反应中与氧发生反应的成分的气体、液 体、固体或其混合物。可能的燃料包括天然气、炼油厂尾气、合成气、氢气、乙醇或其 他醇类、燃油、航空燃料或其他烃蒸馏物、燃油-水乳液(fuel oil-water emulsion)和煤粉 或焦炭在燃油或水中的悬浮物。术语“可燃气体”是指包含一种或多种在燃烧氧化反应 中与氧发生反应的成分的气体。可燃气体可以是包含可以与氧反应的燃料成分的燃料气体，或可以是燃料气体和含氧气体的混合物。图1给出典型的燃气涡轮燃烧器的横截面示意图。燃烧器包括以直径Dl为特征 的外壳1、以直径D3为特征的衬里3、进口端7和燃烧气体排出端9。衬里3包围包括 以轴向长度P为特征的初级燃烧区11、以轴向长度S为特征的二级燃烧区13的燃烧区和 包围以轴向长度D为特征的稀释区15。燃烧区以轴向长度C为特征。提供含氧气体进 口 17以将含氧气体(通常为加压空气)引入燃烧器中。外壳1和衬里3之间的环形区域形成环形冷却区19，其适于将含氧气体引向燃烧 器的进口端，从而冷却衬里3，向初级燃烧区11和二级燃烧区13提供氧化剂气体并向稀 释区15提供稀释气体。氧化剂气体旋流组件21位于燃烧器的进口端和初级燃烧区11的 进口端。燃料进口 27位于初级燃烧区11的进口端。环形冷却区19中的流动方向可以 与衬里3内的流动方向同向或逆向。在某些情况下，环形冷却区19中的气流可能取决于 空气或氧化剂气体相对于衬里3中的进口 29和31在何处弓I入该区中而沿两个方向流动。环形冷却区19 (和下面描述的其他实施方式的环形冷却区)由外壳1和衬里3的 平行壁限定。衬里3具有多个二级进口 29以使含氧气体从冷却区19流入二级燃烧区13，和具 有多个稀释气体进口 31以使含氧气体从冷却区19流入稀释区15。任选地，衬里3还具 有小开口 33、35和37以引导来自冷却区的一些含氧气体流过衬里的内表面，而提供内衬 里冷却。可以在开口 33和29之间、开口 35和31之间和开口 37和出口 9之间设置另外 的薄膜冷却开口。可以通过二级进口 29、稀释气体进口 31和小开口 33、35和37的大小 和数目来控制流向旋流组件21的初级含氧气体、流向燃烧区13的二级含氧气体和流向稀 释区15的稀释气体的相对流速。 燃烧器通过经进口 27 (其包括燃料喷雾雾化喷嘴(未显示))引入液体燃料39以 产生燃料液滴41而进行操作。可选择地，可以利用经进口 27的燃料直接注射或通过预 混合燃料和含氧气体来使用气体燃料。含氧气体43 (通常为加压空气)通过进口 17引入 燃烧器中，且流经邻近稀释区15的环形冷却区19部分，从而加热空气和冷却稀释区15 周围的衬里3的部分。这些空气的一部分流经小开口 37，并沿着衬里的内表面定向以提 供另外的冷却。这些空气的另一部分流经稀释气体进口 31，并稀释从二级燃烧区13进入 稀释区15的燃烧气体。剩余的空气继续流经围绕二级燃烧区13的环形冷却区19的部分，从而加热空气 和冷却围绕二级燃烧区13的衬里3的部分。这些空气的部分流经小开口 35，并沿着衬里 的内表面定向以提供另外的冷却。这些空气的另一部分流经二级进口 29，并与从初级燃 烧区11进入二级燃烧区13的燃烧气体混合。剩余的空气继续流经围绕初级燃烧区11的 环形冷却区19的部分，从而加热空气和冷却围绕初级燃烧区11的衬里3的部分。这些 空气的一部分流经小开口 33，并沿着衬里的内表面定向以提供另外的冷却。剩余的空气 流经旋流组件21，并与燃料41混合。初始燃烧发生在初级燃烧区11中，燃烧气体与来自二级进口 29的二级空气混 合，且混合气体流入其中发生进一步的燃烧反应的二级燃烧区13中。开口 29和31之间 的另外一组衬里开口(未显示)也可用于进一步渐进地引入稀释空气，从而使得较低反应 性的物质(如一氧化碳)的燃烧反应在反应完合之前不会熄灭。来自二级燃烧区13的混合燃烧气体与来自稀释气体进口 31的稀释空气在稀释区15中混合。热的加压燃烧气体 45流向膨胀涡轮(未显示)以产生功。图1的燃烧器中(和下面描述的其他燃烧器中)初级燃烧空气、二级燃烧空气和 稀释空气的相对流速取决于开口 29和31的大小和数目。通过适当选择开口 29到31的 大小和数目可以设置这些流速之间的关系。可以按照本发明的各种实施方式对以上参照图1描述的燃烧器进行改进以与离 子转运膜氧分离系统进行整合。第一实施方式如图2所示，其中，来自ITM系统的非渗 透气体用作燃烧器中的稀释气体。可以在压缩机203中压缩含氧气体201 (通常为空气) 至一般3至50大气压或更特别地7至30大气压的压力。管线205中的压缩空气分为通 过管线207的主要部分和通过管线209用于膨胀涡轮冷却的次要部分。通常通过将来自 管线209的冷却空气引入涡轮叶片内的小流动通道中实现这种涡轮冷却。这些空气在流 过内部冷却通道时提供叶片的对流冷却。然后它排入并在通过涡轮膨胀时与主流混合。 管线207中的压缩空气分为通过管线211的第一部分和通过管线213的第二部分。管线 211中的第一部分在直燃式燃烧器217中与燃料215 —起燃烧，以提供700至1,000°C的含 有12体积％至19体积％氧的加热的燃烧气体，且加热的燃烧气体经管线219流到离子转 运膜系统221。在一些具体的实施方式中，加热的燃烧气体可在800至900°C的温度下包 含16体积％至18体积％氧。虽然图2的实施方式显示了提供管线207中的压缩空气的单压缩机203，但来自 外部源(未显示)的另一压缩空气流可以用于补充管线207中的由压缩机203提供的空 气。例如，如果需要超过或超出可以由压缩机203提供的输入空气之外的另外的输入空 气，则可以使用外部或辅助压缩机。离子转运膜系统221的这一示意图代表包含具有本领域已知的任何适当类型 和配置的混合金属氧化膜用于实现氧离子的过膜转运的一个或多个组件，以产生高纯 度氧气产物。美国专利5,681,373和7,179,323描述了用于这种目的的示例性的离子转 运膜和系统，本文通过引用完整引入这两篇文献。代表性的离子转运膜系统221包 括具有将组件分割为进气侧或进气区227和渗透侧或渗透区229的膜225的组件外壳 (moduleenclosure)223。通常含有大于99.5体积％氧的高纯度氧气通过管线231抽出，且 通常含有3体积％至18体积％氧的贫氧的非渗透气体通过出口管线233抽出。燃烧器235是对图1燃烧器的改进，且包括以轴向长度C为特征的燃烧区237、 以轴向长度D为特征的稀释区239、外壳241、内部衬里243、环形冷却区245、旋流组件 247、燃料进口 249和燃烧气体出口管线251。非渗透气体出口管线233与稀释区239流 体连通，且压缩空气管线213与围绕燃烧区237的环形冷却区245的部分流体连通。燃烧气体经管线251流入膨胀涡轮257，其从热的燃烧气体回收功并通过管线 259排放膨胀的废气；一部分产生的功通过轴261转移以驱动压缩机203。另外的功263 可以用来发电和/或驱动其他旋转设备。通过管线213引入的压缩空气如所示流过围绕燃烧区237的环形冷却区245的部 分，并冷却围绕燃烧区237的衬里243的部分。这些空气的一部分可以流过相当于图1 的二级进口 29的二级进口(未显示)。空气或空气的剩余部分流经旋流组件247，并在 燃烧区237中与燃料264 —起燃烧，且燃烧气体流入稀释区239中。来自离子转运膜系
22统221的非渗透气体通过管线233作为稀释气体引入稀释区239，在其中它与来自所示的 燃烧区237的燃烧气体混合并稀释燃烧气体。可以通过类似于图1的稀释气体进口31的稀释气体进口(未显示)引入稀释气 体。这显示在图3中，其是对图1的系统的改进。在此实施方式中，环形分隔环(toroidal partition ring) 301安装于外壳1和内部衬里13之间的环形冷却区中，以将环形冷却区分隔 成两个单独的环形区，即稀释环形冷却区303和燃烧环形冷却区305。通常情况下，区 303和305之间没有直接的流体连通。图1的进口 17被除去，而在外壳上安装两个新的 进口 307和309。进口 307接收来自离子转运膜组件221的出口 233 (图2)的非渗透气体 311，且进口 309线接收来自管线213 (图2)的压缩空气313。非渗透气体311流过稀释 气体进口 31进入稀释区15，并在其中提供稀释。这种非渗透气体的一部分可以流过开口 37并沿衬里的内表面流动，以提供额外的冷却。压缩空气313经进口 309流过燃烧环形 区305从而冷却衬里3，一部分流过开口 29以向二级燃烧区13提供二级燃烧空气，和一 部分流过旋流组件21并与燃料41混合。燃烧环形区305中的一些空气可以流过开口 33 和35沿衬里的内表面流动以提供额外的冷却。将非渗透气体311引入稀释区15的替代方法不需要使用环形分隔环301、进口 307和孔31。在这种替代方案中，非渗透气体311通过在稀释区15的进口端径向设置并 通过外壳1和内部衬里3的多个管引入稀释区15中。图3的初级燃烧区11和二级燃烧区13的燃烧过程类似于上述图1中的过程。在 图3的实施方式中，稀释区15中的稀释过程与图1的不同之处仅在于稀释气体311具有 比空气低的氧浓度并包含一些来自燃烧器217的燃烧产物。由于稀释过程只是没有化学 反应参与的混合过程，非渗透物的组成在此无关紧要。如果非渗透物被引入燃烧区(其 中其氧含量的降低会影响燃烧反应)，情况就不一样了。本发明的第二实施方式如图4的示意流程图所示。在此实施方式中，来自压缩 机203的管线207中的压缩空气分为三个部分。第一部分通过管线401流到燃烧器217， 和第二部分通过管线403流到燃烧器405。第三部分通过管线407流动并与管线409中来 自离子转运膜组件221的非渗透气体相合并，以在管线411中产生混合的空气/非渗透物 流。管线403中的压缩空气通过旋流组件413直接流入燃烧区417，并在燃烧区417 中与通过管线416的燃料415—起燃烧，且燃烧气体流入稀释区419中。管线411中的 混合的压缩空气和非渗透物流流入并通过围绕稀释区和燃烧区的环形冷却区，从而冷却 衬里。这些混合流的一部分流进稀释区中以提供稀释气体，而另一部分流进二级燃烧区 中。取决于燃烧区和环形冷却区中的相对压力，混合流的剩余部分可以流经旋流组件413 以提供另外的初级燃烧氧化剂。可选择地，可以安装环形分隔环以防止混合的压缩空气 和非渗透物流流向旋流组件413。如上所述，最后的热燃烧气体通过管线421流向膨胀涡 轮 257。虽然图4的实施方式显示提供管线207中的压缩空气的单压缩机203，但来自外 部源(未显示)的另一压缩空气流可以用来补充管线207中由压缩机203提供的空气。例 如，如果需要超过或超出可以由压缩机203提供的输入空气的另外的输入空气，则可以 使用外部或辅助压缩机。
该实施方式在图5中更详细地显示，其是对图1的系统的改进，其中如图所示 进口 501和503安装于外壳1中。管线403中的压缩空气流入进口 501，通过旋流组件 413，并在燃烧区11中与燃料415 —起燃烧。管线411中的混合压缩空气和非渗透物流 流入进口 503，并通过围绕稀释区和燃烧区的环形冷却区505，从而冷却衬里。这种混合 流的一部分通过孔31流进稀释区15中，以在那里提供稀释气体；而另一部分通过孔29 流进二级燃烧区13中，以提供二级氧化剂气体。混合的压缩空气和非渗透物流的部分也 可通过开口 33、35和37沿衬里的内表面流动，以提供额外的冷却。取决于燃烧区和环 形冷却区中的相对压力，混合流的剩余部分可以流经旋流组件413以提供另外的初级燃 烧氧化剂。可选择地，可以在开口 33和进口 501之间的环形冷却区505中安装环形分隔 环(未显示)，以防止混合的压缩空气和非渗透物流流向旋流组件413。涉及燃烧区所使用的术语“直接”是指引入燃烧区的压缩空气(或任何其他 含氧气体)在流入燃烧区前不流经围绕燃烧区和/或稀释区的环形冷却区(例如，图5中 的 505)。本发明的第三实施方式中如图6的示意流程图所示。在此实施方式中，来自压 缩机203的管线207中的压缩空气分为三个部分。第一部分通过管线601流至燃烧器 217，第二部分通过管线603流动，和第三部分通过管线605流动。管线607中的来自离 子转运膜组件221的非渗透气体分为通过管线609和611两个气流。管线603中的压缩 空气与来自管线611的非渗透气体在混合区(未显示)中混合，以在管线613中提供混合 的空气/非渗透气体。管线605中的压缩空气流经围绕燃烧区619的环形冷却区，从而 冷却衬里。这种气体的部分流入燃烧区619中以提供如下所述的另外的氧化剂。虽然图6的实施方式显示了提供管线207中的压缩空气的单压缩机203，但来自 外部源(未显示)的另一压缩空气流可以用于补充管线207中由压缩机203提供的空气。 例如，如果需要超过或超出可以由压缩机203提供的输入空气的另外的输入空气，则可 以使用外部或辅助压缩机。本文所用的术语“混合区”是指促进两种或多种气体流混合以提供均勻混合的 气体流的任何装置。这种混合区可以是T形管道、文氏管、连续静态分流混合器或本领 域已知的任何其他气体混合装置。管线613中的混合空气和非渗透气体通过旋流组件615直接引入燃烧区619中， 并在那里与燃料617—起燃烧，且燃烧气体流进稀释区621中，在其中燃烧气体用通过管 线609的非渗透气体稀释。可选择地，通过管线625的燃料可以与来自管线603的压缩空 气预混合，且预混合的气体通过管线613和旋流组件615引入。预混合应该迅速完成， 以使得混合时间短于自燃延迟(autoignition delay)；这消除了在燃烧区619之前发生不希 望的燃料-空气预点火的可能性。小部分的燃料可以作为引导流直接引入燃烧区中，以 确保火焰稳定性。如上所述，最后的热燃烧气体通过管线623流至膨胀涡轮257。该实 施方式中可以用于控制NOx产生。该实施方式更详细地显示在图7中，其是图1的燃烧器的改进，其中如图所示， 进口 701、703和705安装于外壳1中。环形分隔环707可以安装于外壳1和内部衬里13 之间的环形冷却区中，以将环形冷却区分成两个单独的环形区，即稀释环形冷却区709 和燃烧环形冷却区711。通常情况下，区709和711之间没有流体连通。来自管线613的混合的空气和非渗透气体(或者可选择地，预混合的燃料和混合空气/非渗透气体)流 入进口 701，来自管线605的压缩空气流入进口 703，来自管线609的非渗透气体流入进 Π 705。混合的空气 和非渗透气体从管线613通过进口 701直接流入燃烧区，通过旋流组 件615，并在初级燃烧区11中与通过管线416引入的燃料415—起燃烧。可选择地，预 混合的燃料和混合空气/非渗透气体从管线613通过进口 701流过旋流组件615，并在初 级燃烧区11中燃烧。在这种替代方式中，小部分燃料415可以通过管线416作为引导流 直接引进燃烧区中，以确保火焰的稳定性。这里所用的术语“直接”是指引入燃烧区的含氧气体在流入燃烧区前不流过 围绕燃烧区和/或稀释区的环形冷却区(例如，图7中的709)。来自管线605的压缩空气经进口 703流过燃烧环形区711，从而冷却衬里3，且 这种压缩空气的一部分流过开口 29以向二级燃烧区13提供二级燃烧空气。燃烧环形区 711中的一些空气可以沿衬里的内表面流经开口 33和35以提供额外的冷却。取决于燃烧 区和环形冷却区中的相对压力，环形冷却区711中压缩空气的剩余部分可以流经旋流组 件413以提供另外的初级燃烧氧化剂。可选择地，可以在开口 33和进口 701之间的环形 冷却区711中安装环形分隔环(未显示)，以防止来自燃烧环形区711的压缩空气流向旋 流组件615。来自管线609的非渗透气体通过进口 705流过稀释气体进口 31进入稀释区15 中，并在其中提供稀释气体。这种非渗透气体的一部分可以流过开口 37并沿衬里的内表 面流动，以提供另外的冷却。在图6和7的系统的替代运行模式中，管线607中的全部非渗透气体通过管线 611带走并与管线603中的压缩空气合并。没有非渗透气体通过管线609带走用于稀释。 这种替代方式也可以用于如下面实施例5所述的控制NOx的生成。用于将来自管线609的非渗透气体引入稀释区15的替代方法不需要使用环形分 隔环707、进口 705和孔或开口 31的使用。在这种替代方式中，来自管线609的非渗透 气体通过多个径向设置于稀释区15的进口端并通过外壳1和内部衬里3的管引入稀释区 15中。虽然上述实施方式使用空气作为燃气涡轮压缩机供应的含氧气体，但任何具有 至少5体积％氧的氧浓度的含氧气体可以为燃气涡轮压缩机提供进口气体。另一实施方式如图8所示，其中管线201中的输入空气在压缩机203中被压缩， 且分为通过管线207和209的两部分。压缩空气的第一部分流经管线209，并为膨胀涡 轮257提供冷却空气。压缩空气的剩余部分流经管线207并分为通过管线801和803的 两部分。管线801中的第一部分提供通过管线807流向常规的燃烧器805的基本压缩空 气流，这在上面参照图1进行了详细描述。图8中的管线807在相当于图1的进口 17的 位置进入燃烧器。如前面参照图2所述，管线803中的第二部分在直燃式燃烧器217中 与通过管线215提供的燃料一起燃烧，其通过管线219向离子转运膜系统221提供加热的 燃烧气体。高纯度氧产物通过管线231抽出。含有降低的氧浓度的非渗透气体通过管线233抽出，并与来自管线801的压缩空 气合并，以在管线807中提供合并的燃烧、冷却和稀释空气流。将管线807中的混合气流引入燃烧器805 (相当于图1的燃烧器)中，在其中它与通过管线809提供的燃料一起 燃烧。如前面参照图1所述，燃烧器805的操作利用管线807中的混合流进行燃烧、冷 却和稀释，除了管线807中的混合空气/非渗透物流具有比图1的压缩空气43低的氧浓 度。管线811中的热废气在膨胀涡轮257中膨胀，以在发电机(未显示)中产生电力。 热废气通过管线259排出。虽然图8的实施方式显示了在管线207中提供压缩空气的单压缩机203，但来自 外部源(未显示)的另一压缩空气流可以用于补充管线207中由压缩机203提供的空气。 例如，如果需要超过或超出可以由压缩机203提供的输入空气的另外的输入空气，则可 以使用外部或辅助压缩机。上述实施方式利用了图1、3、5和7中所示的预混合阶段的燃烧器。可选择地， 这些和相关的实施方式可以利用本领域已知用于燃气轮机系统中的任何其他类型的燃烧 器。例如，扩散燃烧器(diffusion combustor)可用于上述任何实施方式中。与上述实施方式相关的另外的实施方式是可能的，其中来自离子转运膜组件221 的氧产物的全部或一部分可以用于富化向燃烧器的燃烧区提供的燃烧空气。可以例如通 过燃烧燃料(预混合的或作为扩散火焰)与化学计量的或更大量的高纯度氧，接着与较冷 的空气或来自离子转运膜组件221的贫氧的非渗透气体快速混合而应用氧富化的概念。 增加燃烧区中的O2浓度提高了燃料氧化的速率并降低了 N2的浓度。这两种效应都可以 减少NOx的形成。提高燃料的氧化速率可用于限制在燃烧区中的时间并限制相应的可用 于NOx形成反应的时间。降低N2浓度通过其对于反应机制的影响降低这些反应的速率。 此外，氧富化的使用可以提高燃烧较重液体燃料的能力。这些实施方式中的一种如图2所示，其中管线231中的氧渗透产物的全部或一部 分通过管线265抽出，并被引入压缩空气管线213中，从而以高达大约99体积％氧的任 何水平富化这一气体流。这具有富化燃烧器中的初级和二级空气的效应。压缩机(未显 示)可以用来在引入管线213之前压缩管线265中的氧气。另一个氧富化的实施方式如图4所示，其中，管线231中的氧渗透产物的全部或 一部分通过管线423抽出，并被引入压缩空气管线403中，从而以高达大约99体积％氧 的任何水平富化燃烧器中的初级空气。压缩机(未显示)可以用来在引入管线403之前 压缩管线423中的氧气。一种替代的氧富化实施方式如图6所示，其中，管线231中的氧产物的全部或一 部分通过管线627抽出，并被引入压缩空气管线605中，从而高达大约99体积％氧的任 何水平富化这一气流。这具有富化燃烧器中的二级空气的效应，并影响进入燃烧器的初 级燃烧区的氧浓度。压缩机(未显示)可以用来在引入管线605之前压缩管线627中的氧气。另一种替代方式如图8所示，其中，管线231中的氧产物的全部或一部分通过管 线813抽出，并被引入燃烧器805的初级空气区域中，从而以高达大约99体积％氧的任 何水平富化燃烧器初级空气。可选择地，渗透气体的全部或一部分可与管线809中的燃 料混合，以形成燃料-氧混合物，且该混合物被直接引入燃烧区中。该混合应该迅速完 成，以使得混合时间短于自燃延迟；这消除了在燃烧区之前发生不希望的燃料_氧预点 火的可能性。压缩机(未显示)可以用来在引入燃烧器之前压缩管线813中的氧气。
上面参照图2、4、6的8描述的方法实施方式可应用于图1、3、5和7所示的燃 烧器，其中稀释区和燃烧区包封在单罐配置(single-canconfiguration)的外壳1中(有时称 为筒形燃烧器(silo combustor)).该实施方式还可以应用到具有跟随稀释区的燃烧区的任 何其他燃烧器配置或几何排列。燃气轮机工业典型的其他可能的配置包括环形、逆流环 形、罐环形和径向燃烧器几何排列。下面的实施例说明了本发明的实施方式，但并不限制本发明为其中所描述的任 何具体细节。实施例1 模拟基本燃气轮机(base gas turbine engine)以与下面提出的实施例2至5中的集
成系统进行比较。未与离子转运膜系统集成的基本燃气轮机可以通过除去图4系统中的 燃烧加热器217、离子转运膜系统221、管线401、管线403、管线409和管线423来说 明。在该基本燃气轮机中，燃烧器405如前面参照图1所描述的燃烧器一样运行，并用 天然气燃料运行。基于851° F的衬里进口冷却空气(管线411，图4)温度进行模拟，并使用以下 发动机性能·压缩比(压缩机203) = 20/1·空气流速(压缩机203排出)=3441b/sec·涡轮进口温度(涡轮257) = 2200° F·总体空气/燃料比=50/1·压缩机效率(压缩机203) = 85%·涡轮效率(涡轮257) = 90%·涡轮冷却流(管线209)=压缩机203排出流的10%用上述参数运行的系统的模拟获得相当于产生50兆瓦电功率水平。实施例2使用实施例1的发动机性能参数模拟图8所示的集成燃气轮机和离子转运氧生成 系统。这一基线情况说明了现有技术的典型集成燃气轮机和离子转运氧生成系统，并提 供用于与下面提出的实施例3-5比较的参照点。对于这一基线实施例情况，对取自燃气 涡轮压缩机排放并被送至离子转运氧生成系统的压缩空气的量进行选择以在功率燃烧器 805的进口获得14体积％的氧浓度。出于本实施例的说明目的选择了这一氧浓度；如果 需要，在实际实施中可以使用其他浓度。参照图8，在851° F下，在压缩机203中压缩管线201中3441b/sec的输入空气 至291psia，且分为通过管线207和209的两部分。341b/sec的压缩空气的第一部分流过 管线209，并为膨胀涡轮257提供冷却空气。压缩空气的剩余部分流过管线207，且分为 通过管线801和803的两部分。管线801中的1191b/sec的第一部分提供通过管线807到 达常规燃烧器805的基本压缩空气流。如前参照图2所述，管线803中的1911b/sec的第 二部分在直燃式燃烧器217中与通过管线215提供的1.91b/sec的天然气一起燃烧，直燃 式燃烧器217通过管线219向离子转运膜系统221提供1562° F (850°C )的加热的燃烧气 体。高纯度氧产物以800吨/天的流速通过管线231抽出。1741b/sec的含有10体积％氧的非渗透气体通过管线233抽出，并与通过管线801的压缩空气合并，以在管线807中提供1278° F的含有14体积％氧的合并的燃烧、 冷却和稀释空气流。管线807中的合并气流被引入燃烧器805(等同于图1中的燃烧器) 中，在其中它与通过管线809提供的4.11b/sec的天然气一起燃烧。如前参照图1所述， 燃烧器805的运行利用了管线807中的混合流进行燃烧、冷却和稀释，除了管线807中的 混合空气/非渗透物流具有比图1的压缩空气43更低的氧浓度。管线811中的热废气 在膨胀涡轮257中膨胀，以产生34兆瓦的电功率263。在903° F下，通过管线259以 33 lib/sec排放热废气。实施例3使用实施例1的发动机参数和图3的燃烧器配置模拟图2所示的集成燃气轮机 和离子转运氧生成系统。对于该实施例可实现的系统性能主要是对燃烧和衬里冷却分割 所需的空气流的功能。对于常规的燃气轮机，作为压缩机排出的一部分的衬里冷却空气 流通常在10%-40%的范围内，而燃烧所需的空气量取决于燃烧过程在初级区(primary zone)中贫化程度(lean)如何。对于干式低NOx燃烧器，贫化的初级区当量比(例如， 0.5)是必要的。当量比，Φ，定义为实际的燃料/空气比除以化学计量的燃料/空气比。 如果使用另一种NOx控制的方法(例如，注水)，在初级区中可以使用高达1.0的当量 比。作为压缩机排出的一部分的所需要相应燃烧空气在30%至60%的级别。基于上述 考虑，选择下列标准的空气流分布(作为压缩机排出的百分比)用于本实施例的模拟 衬里冷却流=25%， 燃烧空气流=45%， 稀释空气流=30%。在本实施例中，图3的系统通过除去环形挡板301和进口 311并将空气通过在进 口处穿过外壳和内部衬里的多个管引入稀释区中进行改进。因此，进入进口 309的空气 313的一部分也流过薄膜冷却孔37。参照图2，3441b/sec的进口空气通过进口管线201吸入压缩机203中，压缩， 并在291psia和851° F下通过管线205排出。341b/sec的这种压缩空气的一部分通过管 线209抽出用于膨胀涡轮257的冷却。管线207中的压缩空气分为以1951b/sec通过管线 213的第一部分和以1151b/sec通过管线211第二部分。将管线213中的第一部分引入围 绕衬里的环形冷却区域中，通过旋流组件247，并在燃烧区237中与通过燃料进口 249提 供的4.91b/sec的天然气264—起燃烧。其余部分提供衬里的对流冷却，并通过二级孔29 和薄膜冷却孔33、35和37 (图3)进入衬里。将来自膜组件221的1051b/sec的含有10 体积％氧的非渗透气体通过管线233直接引入稀释区239中，在其中它与来自燃烧区237 的燃烧气体混合并稀释燃烧气体。燃烧气体在2200° F下通过管线251排到膨胀涡轮， 燃烧气体在其中膨胀至大气压并产生相当于40兆瓦的电功率。3381b/sec和907° F的膨 胀废气通过涡轮出口 259排出。实施例4使用实施例1的发动机参数和图5的燃烧器构型模拟图4所示的集成燃气轮机和 离子转运氧生成系统。参照图4，3441b/sec的进口空气通过进口管线201吸入压缩机203 中，压缩，并以29Ipais和851° F通过管线205排出。341b/sec的这种压缩空气的一部 分通过管线209抽出用于膨胀涡轮257的冷却。管线207中的压缩空气分为以711b/sec通过管线401的第一部分，以1191b/sec通过管线403的第二部分和以1201b/sec通过管线 407的第三部分。如前参照图2所述，管线401中的第一部分在直燃式燃烧器217中与0.71b/Sec 的天然气215 —起燃烧，以提供1562° F(850°C )的含有17.24体积％氧的加热的燃烧气 体，且加热的燃烧气体经管线219流到离子转运膜系统221。高纯度氧产物以300吨/ 天的流速通过管线231抽出。641b/sec的含有10体积％氧的非渗透气体通过管线403抽 出。将管线403中的压缩空气的第二部分经旋流组件413直接引入燃烧区417中，并与 5.41b/sec的天然气燃料415—起燃烧。管线407中的压缩空气的第三部分与通过管线409 的非渗透气体合并，以产生1100° F的管线411中的混合空气/非渗透气体。参照图5，其 是对于图4的燃烧器405的更详细的说明，来自管线403的压缩空 气流入进口 501，并通过旋流组件413直接进入初级燃烧区11，它在其中与通过进口 416 引入的天然气415—起燃烧。管线411中的混合空气/非渗透气体引入进口 503，并如所示流过围绕稀释区和 燃烧区的环形冷却区505，从而冷却衬里3。空气/非渗透气体的一部分流过开口 37， 并沿衬里3的内表面流动，以提供另外的冷却。混合空气/非渗透气体的另一部分流过 开口 31，进入稀释区15中以与来自燃烧区的燃烧气体混合并稀释燃烧气体。混合空气/ 非渗透气体的另一部分流过开口 33、35和37，并沿衬里3的内表面流动，以提供另外的 冷却。混合空气/非渗透气体的另外的部分流过开口 29，以向二级燃烧区13提供氧化剂 气体。剩余的混合空气/非渗透物流流向旋流器413。在2200° F下，将来自稀释区15 (图5)或419 (图4)的热的加压燃烧气体通过 管线421排向膨胀涡轮257，其中热的加压燃烧气体膨胀至大气压并产生相当于43兆瓦的 电功率263。在3431b/sec和910° F下，膨胀废气通过涡轮出口 259排出。此过程允许非渗透气体同时用于稀释和衬里冷却，且这可以达到的程度随管线 411中的混合空气/非渗透气流的温度变化。为了检查所涉及的权衡(tradeoff)，通过改 变与管线409中的非渗透气体混合的管线407中压缩空气的量进行一系列的参数计算。 结果绘制在图9中。为了冷却目的，混合空气/非渗透气体温度的可容许上限为大约 1200° F，这与回热式燃气轮机(recuperated gas turbine engine)中的燃烧器进口温度水平 相当。从实际角度来看，更现实的限度是1100° F的级别，且这是上述模拟所选择的温 度。实施例5使用实施例1的发动机参数和图7的燃烧器构型模拟图6所示的集成燃气轮机 和离子转运氧生成系统。参照图6，3441b/sec的进口空气通过进口管线201吸入压缩机 203，压缩，并在291psia和851° F下通过管线205排出。341b/sec的这种压缩空气的一 部分通过管线209抽出用于膨胀涡轮257的冷却。管线207中的压缩空气分为以1431b/ sec通过管线601的第一部分，以801b/sec通过管线603的第二部分，和以861b/sec通过 管线605的第三部分。参照图6，如前参照图2所述，管线601中的压缩空气的第一部分在直燃式燃烧 器217中与通过管线215的1.41b/SeC的天然气一起燃烧，以提供1562° F(850°C)的含 有17.24体积％氧的加热的燃烧气体，且加热的燃烧气体经管线219流到离子转运膜系统221。高纯度氧产物以600吨/天的流速通过管线231抽出。1301b/sec的含有10体积％ 氧的非渗透气体通过管线607和管线611抽出，且非渗透气体与管线603中的压缩空气合 并，以在管线613中提供混合的空气/非渗透气体。在本实施例中，非渗透气体流过管 线609。管线613中的空气和非渗透气体的混合流与通过管线625提供的4.61b/Sec的天 然气混合，且混合的氧化剂/燃料流流过旋流组件615，并在燃烧区619中燃烧。来自燃 烧器的热的加压燃烧气体以2200° F通过管线623排向膨胀涡轮257，热的加压燃烧气体 在其中膨胀至大气压并产生相当于38兆瓦的电功率263。在3361b/sec和905° F下，膨 胀废气通过涡轮出口 259排放。干式低NOx(DLN)燃烧器通过预混合燃料和足量的空气以在燃烧区中获得低当 量比Φ (定义为实际燃料/空气比除以化学计量的燃料/空气比)来控制NOx排放。通 常情况下，需要0.3至0.5级别的Φ值以达到个位数的(Single-Ciigit)NOx水平(即，低于 lOppmv)。在这些低当量比值下火焰稳定性是一个问题，但可以通过增加进口空气温度 改善稳定性情况。这种效应由图10绘制的数据证明，其显示贫油熄火(LBO)率随预混 合的甲烷/空气火焰温度的变化。LBO当量比是限制值，低于该值火焰熄灭，因为燃料 /空气混合物太稀薄(即，燃料浓度太低)而不能维持在现有流动条件下的燃烧。本文所示的设计途径提供了在DLN燃烧器中控制NOx的手段。通过在预混合 燃料之前向燃烧空气加入部分或全部非渗透气体来实现这一点。选择燃烧空气和非渗透 物的相对量来调整提高火焰稳定性和控制NOx所必需的燃料浓度和混合物温度。在本实 施例中，在与燃料预混合之前，全部非渗透气体与燃烧空气混合。通过改变燃烧空气和非渗透气体的比例同时保持衬里冷却空气的流速(管线 605，图6)的流速为来自压缩机的总空气的25%进行了一系列参数计算。进行计算以说 明来自燃气涡轮压缩机的排放并被送往离子转运氧生成系统的空气的百分比、燃烧器中 的当量比和到达燃烧器的混合空气/非渗透物流的温度之间的关系。计算是基于将全部 非渗透气体与流向燃烧器的压缩空气混合。主要结果见图11，其表明改变空气提取量 (即，来自燃气涡轮压缩机的空气运向离子转运膜的比例)对于进入燃烧区的混合流状态 的效应。如图所示，在流温度足够高以保证稳定运行的情况下，0.3-0.4范围的当量比是 可能的。另一个必须考虑的因素是到达燃烧器的混合空气/非渗透的流的氧浓度。为了 保持该气流中的氧浓度高于大约14体积％，当量比应限制在大约0.35的最低实际值。一 般情况下，这对于任何典型的燃气轮机达到NOx的显著减少应该是足够的。下面的表1给出实施例1-5选择的参数的总结。表 1实施例1-5的参数总结
权利要求
1.集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括(a)燃气涡轮燃烧发动机，包括(1)包括压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(2)包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于 接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器，其中，稀释 区具有燃烧气体进口、燃烧气体出口和一个或多个稀释气体进口 ；(3)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域 具有一个或多个含氧气体进口，且通过该一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧 区流体连通；(4)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的 气体膨胀器；和(5)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道；(b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气 区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进 口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体 的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和(c)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口的任一个或多个流体连通的管道。
2.根据权利要求1的系统，进一步包括使膜组件的进气区出口与燃烧区环形冷却区域和燃烧区的一个或多个含氧气体进口 中的至少一个其中之一或两者流体连通的管道；压缩机的压缩含氧气体出口和燃烧区环形冷却区域的一个或多个含氧气体进口中的 任一个或多个之间的管道，其中，该管道适于将压缩含氧气体引入燃烧区环形冷却区域 中；使渗透区的渗透物抽出出口与燃烧区的一个或多个含氧气体进口中的至少一个流体 连通的管道；和混合区、使压缩机的压缩含氧气体出口与混合区流体连通的管道、使离子转运膜组 件的进气区出口与混合区流体连通的管道、适于向混合区引入燃料的管道和从混合区向 燃烧区的一个或多个可燃气体进口中的任一个或多个转移可燃气体的管道。
3.根据权利要求1的系统，进一步包括使膜组件的进气区出口与燃烧区环形冷却区域和燃烧区的一个或多个含氧气体进口 中的至少一个其中之一或两者流体连通的管道；压缩机的压缩含氧气体出口和燃烧区的一个或多个含氧气体进口中的任一个或多个 之间的管道，其中，该管道适于将压缩含氧气体直接引入燃烧区；使渗透区的渗透物抽出出口与适于将压缩含氧气体直接引入燃烧区的管道流体连通 的管道；围绕稀释区的稀释区衬里和位于外壳和稀释区衬里之间的稀释区环形冷却区域，其 中，一个或多个稀释气体进口适于将来自离子转运膜氧回收系统的贫氧的气体输入稀释 区环形冷却区域中，和其中，稀释区环形冷却区域与稀释区流体连通；和混合区、使压缩机的压缩含氧气体出口与混合区流体连通的管道、使离子转运膜组 件的进气区出口与混合区流体连通的管道和适于从混合区向燃烧区的一个或多个含氧气 体进口中的至少一个转移贫氧气体的管道。
4.根据权利要求1的系统，其中，所述燃烧区包括初级燃烧区，接着是二级燃烧区， 其中，一个或多个含氧气体进口中的至少一个适于将压缩的含氧气体的至少一部分引入 初级燃烧区中，其中，一个或多个含氧气体进口中的至少一个适于将压缩的含氧气体的 至少一部分引入二级燃烧区中，和其中，二级燃烧区包括燃烧气体出口，并进一步包括 使渗透区的渗透物抽出出口与初级燃烧区和/或二级燃烧区流体连通的管道。
5.一种操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、用 于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器，其中，稀 释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口 ；(Ic)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区 域具有一个或多个含氧气体进口，且通过该一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃 烧区流体连通；(Id)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功 输出轴的气体膨胀器；和(Ie)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气 区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进 口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体 的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和(3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通的 管道；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，并在燃烧区中燃烧燃料和压缩含氧 气体的第一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释的热的 燃烧气体；和在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功；(c)加热压缩含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体 引入膜组件的进气区中，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出 口抽出渗透气体；和(d)将贫氧的非渗透气体的至少一部分引入稀释区中。
6.根据权利要求5的方法，进一步包括将渗透气体的全部或一部分引入一个或多个含氧气体进口中的任一个或多个；将一部分压缩含氧气体引入燃烧区环形冷却区域；和混合一部分压缩的含氧气体和一部分来自离子转运膜组件进气区的贫氧的非渗透气 体以形成混合的含氧气体，混合燃料和混合的含氧气体以形成可燃气体，并将可燃气体引入燃烧区的可燃气体进口。
7.根据权利要求5的方法，进一步包括将一部分压缩含氧气体直接引入燃烧区中；和(1)将渗透气体的全部或一部分直接引入燃烧区中，或(2)混合渗透气体的全部或一 部分和燃料以形成燃料_氧混合物并将该混合物直接引入燃烧区中。
8.根据权利要求5的方法，进一步包括将压缩含氧气体的一部分直接引入燃烧区中；其中，燃烧器包括围绕稀释区的稀释区衬里和位于外壳和稀释区衬里之间的稀释区 环形冷却区域，其中，压缩含氧气体的另一部分与来自离子转运膜组件进气区的贫氧的 非渗透气体混合以形成混合的含氧气体，和其中，将混合的含氧气体的一部分引入稀释 区环形冷却区域中；和其中，将混合的含氧气体的另一部分引入燃烧区环形冷却区域中。
9.根据权利要求5的方法，其中，所述燃烧区包括初级燃烧区，接着是二级燃烧区， 且二级燃烧区包括燃烧气体出口 ；其中，压缩的含氧气体的一部分引入初级燃烧区中；其中，压缩的含氧气体的另一部分引入二级燃烧区中；其中，通过压缩机驱动轴驱动压缩机所需的功的至少一部分通过膨胀涡轮的功输出 轴提供；和其中，将来自离子转运膜组件进气区的贫氧的非渗透气体引入初级燃烧区和二级燃 烧区之一或两者中。
10.集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括(a)燃气涡轮燃烧发动机，包括(1)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(2)包括外壳、具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和围绕燃烧区 的燃烧区衬里的燃烧器；(3)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域 具有含氧气体进口，并通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通；(4)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的 气体膨胀器；和(5)适于从压缩机向燃烧区环形冷却区域的含氧气体进口转移压缩含氧气体的第一部 分的管道；(b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气 区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、进气区的进气进口、使进气进口与 压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进 气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和(C)混合区、适于从压缩机向混合区转移压缩含氧气体的第二部分的管道、适于从进 气区向混合区转移贫氧的非渗透气体的管道；和(d)适于转移包含压缩含氧气体的第二部分和贫氧的非渗透气体的混合物进入燃烧区 的管道。
11.一种操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)包括外壳、具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和围绕燃烧 区的燃烧区衬里的燃烧器；(Ic)外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具 有含氧气体进口，且通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通；和(Id)具有与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴 的气体膨胀器；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气 区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进 口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体 的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，将压缩的含氧气体分为第一部分、 第二部分和第三部分，并将第一部分引入燃烧区环形冷却区域中；(c)加热压缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气 体引入膜组件的进气区中，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出 出口抽出渗透气体；和(d)混合压缩的含氧气体的第三部分和来自进气区的贫氧的非渗透气体以形成混合的 含氧气体，在燃烧区中燃烧燃料和混合的含氧气体以产生热的燃烧气体，并在热的气体 膨胀涡轮中膨胀热的燃烧气体以产生轴功。
12.集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括(a)燃气涡轮燃烧发动机，包括(1)包括压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(2)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于接收来自燃烧 区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、燃烧气体出口和一 个或多个稀释气体进口；(3)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的 气体膨胀器；和(4)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道；(b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气 区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进 口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体 的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和(c)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通的 管道。
13.操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和适于接收来自燃 烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释 气体进口和稀释的燃烧气体出口；(Ic)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功 输出轴的气体膨胀器；和(Id)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气 区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进 口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体 的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和(3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口的任一个或多个流体连通的管道；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，并在燃烧区中燃烧燃料与压缩的含 氧气体的第一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释的热 燃烧气体；和在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功；(c)加热压缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气 体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出 口抽出渗透气体；和(d)将贫氧的非渗透气体的至少一部分引入稀释区中。
14.操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括(a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括(1)燃气涡轮燃烧发动机，包括(Ia)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机；(Ib)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和适于接收来自燃 烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释 气体进口和稀释的燃烧气体出口；和(Ic)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功 输出轴的气体膨胀器；(2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气 区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进 口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体 的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和(3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口的任一个或多个流体连通的管道；(b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，加热压缩的含氧气体的至少一部分 以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区中，从进气区抽 出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出高纯度氧渗透气体；和(C)在燃烧区燃烧燃料和至少一部分高纯度氧渗透气体以产生热的燃烧气体；用稀释 气体稀释热的燃烧气体以形成稀释的热燃烧气体；并在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热 燃烧气体以产生轴功。
15.集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括(a)包括具有压缩含氧气体出口的压缩机；包括外壳、与压缩含氧气体出口流体连通 的燃烧区和与燃烧区流体连通且具有一个或多个稀释气体进口的稀释区的燃烧器；和气 体膨胀器的燃气涡轮燃烧发动机；和(b)具有离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，离子转运膜组件包括进气区、渗 透区、与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的通向进气区的进气进口、进气区出口和 渗透区的渗透物抽出出口；其中，膜组件的进气区出口与燃烧器稀释区的一个或多个稀释气体进口中的任一个 或多个流体连通。
全文摘要
集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括燃气涡轮燃烧发动机，其包括具有压缩含氧气体出口的压缩机；包括外壳、与压缩含氧气体出口流体连通的燃烧区和与燃烧区流体连通且具有一个或多个稀释气体进口的稀释区的燃烧器；和气体膨胀器。该系统包括具有离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其包括进气区、渗透区、与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的通向进气区的进气进口、进气区出口和从渗透区的渗透物抽出出口。膜组件的进气区出口与燃烧器稀释区的一个或多个稀释气体进口的任一个或多个流体连通。
文档编号F02C3/22GK102022190SQ20101028665
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月17日 优先权日2009年9月18日
发明者E·P·德梅特里, P·A·阿姆斯特朗 申请人:康塞普斯Eti公司, 气体产品与化学公司