CN103097694A - 使用离子传输膜发电 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

使用离子传输膜发电
优先权声明
本申请要求2010年7月14日提交的美国临时申请No.61/364,293的优先权，该申请的全部公开内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及将离子传输膜与燃气涡轮一体化。
背景技术
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、沥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。
发明内容
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%O2的稀释气体能够与H2和/或(H2+CO)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。
本发明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。本发明的其它特征、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工艺的流程图；以及
图2示出其中存在外部空气压缩机的工艺的流程图，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，相同的参考符号表示相同的元件。
具体实施方式
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单元生成的纯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沥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，净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单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O2。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单元，有必要提供通常处于800℃至900℃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巴的范围内的压力下可用。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℃至900℃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。出口贫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+CO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减少燃烧中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单元的贫O2非渗透流可具有过量的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+CO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力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+CO)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℃。ITM非渗透的稀释剂流在850℃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℃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℃：
(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℃。为了说明该方法，可执行以下情况：
(i)空气压缩机在22巴、75℃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单元。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℃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(i)多18%的用于压缩的净功率，但生成的热量少45%。按1lb mol空气计，额外功率0.224kW hr/lb mol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℃加热到850℃，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500℃-600℃的范围升高到900℃-1000℃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0.174kW/hr/lb mol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℃加热到约875℃。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℃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+CO)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℃下产生稀释的燃料气体流，通过从850℃冷却并将该热量排入蒸汽系统中而从非渗透ITM流回收热量，其中用于产生功率的回收的热量的最大效率通常为40%并且即使在超临界蒸汽条件下也不会超过44%。对于连接到煤基GE/德士古炉（Texaco）激冷气化器的通用电气（General Electric）9FA燃气涡轮来说，按600℃的标准燃气涡轮出口温度计的管道燃烧热负荷将为168MW。管道燃烧为具有52.7MW的热负荷要求的ITM进料空气加热产生热气体。因此，必须消耗额外的115.2MW燃料气体来以大约42%而不是60%的效率产生功率，即损失20.7MW的电能。
所提议的现有技术方法使用加压的ITM非渗透流作为H2或(H2+CO)燃料气体流的稀释剂以降低燃烧温度，从而最小化NOX形成并最大化涡轮流量以完全加载涡轮。在该提议中存在非常显著的危害，因为必需确保绝不会存在O2浓度上升超出混合物的易燃下限并引起爆炸的任何机会。如果我们从保守的角度来看，对于具有单独的绝热空气压缩机的直接燃烧情况来说ITM O2回收率为70%，那么在所提议的稀释剂中的O2浓度将为约6%O2。这个浓度对于安全操作来说极其高。在其中来自低温ASU的N2与来源于气化器的燃料气体混合的以前的IGCC情况中，已经接受小于1%的水平作为在稀释剂N2流中容许的最大O2浓度。
使ITM O2制备模块与现有的未改型燃气涡轮一体化可包括外部空气压缩机，该外部空气压缩机供应用于O2产生的空气流的一部分或全部。在一些实施方式中，提议的系统可允许全部或基本上全部的用于空气预热的燃料气体燃烧热量以燃气涡轮燃烧热量输入水平被回收，使得回收的热量可以55%至60%的净效率产生电能。替代地或此外，可用富氮的稀释剂有效地稀释燃料气体并在低于500℃的温度下供应燃料气体，而不存在由将热量传递到蒸汽系统造成的效率损失。此外，当在高温下混合稀释剂和H2或(H2+CO)燃料气体时，在ITM出口处稀释剂流的氧气含量可减小到一定浓度以降低安全危害。另外，H2或(H2+CO)燃料气体和稀释剂的混合物可以在满足燃气涡轮中燃烧的LHV值内。对于LHV值来说该范围可大于约120Btu/scf，并且稀释的燃料气体混合物可以处于燃气涡轮供应商所允许的最大或者说是上限温度。
在一些实施方式中，联接到被改型成燃烧H2或富H2燃料气体的标准燃气涡轮的ITM O2生成系统可被设计成包括或执行下列中的一项或多项：(1)氧气产生可足以提供气化器或消耗O2的其它过程(例如，IGCC过程，该过程在具有或不具有二氧化碳捕获的情况下将含碳或含烃燃料转化成H2或富H2燃料气体并提供足够的清洁燃料气体以便为燃气涡轮提供动力)所需的O2；(2)H2燃料气体可用惰性气体来稀释以降低NOX水平并提供足够的燃料气体以加载燃气涡轮，但燃料气体的LHV发热量可在120Btu/scf以上以有助于燃烧；(3)即使在从单独的空气压缩机提供ITM进料空气流的情况中，用于将空气加热到通常850℃的ITM操作温度的全部的或基本上全部的燃料气体也可用作输入到燃气涡轮的燃料气体的一部分；(4)为了最大化或者说是增加来自给定的ITM进料空气流的O2产生，可以间接地加热空气；(5)离开ITM单元的氧气渗透和非渗透流可将最大的或增加的量的热量传递到燃气涡轮燃烧器或上游的气化器，或者成为至燃气涡轮燃烧器或上游的气化器的进料流的一部分，并且在一些情况下，可以最小化或者说是减小传递到蒸汽系统的任何高等级热量；(6)至燃气涡轮燃烧器的稀释的H2进料气体的最大的或上限温度可为450℃，并且至气化器的O2进料气体的最大或上限温度可为350℃；(7)H2燃料气体的稀释剂的O2含量可为2.5%O2以防止可能的点燃和爆炸(例如，低于1摩尔%的O2含量)；(8)根据可从燃气涡轮抽取的侧抽出空气的量，可包括与燃气涡轮压缩机并联的空气压缩机以补给至ITM模块的空气进料。通过以下的ITM燃气涡轮一体化可实现这些目的中的一个或多个。
ITM模块可由从燃气涡轮空气压缩机排放或单独的空气压缩机或两者一起抽出的绝热压缩空气进行供给。可将可形成ITM模块的空气进料的部分或全部的燃气涡轮侧抽出空气流升高压力，使得贫O2的非渗透流处于足够高的压力以便与燃气涡轮燃料气体流混合，贫O2的非渗透流在与主要的燃气涡轮压缩空气流混合之前穿过调节系统并通过喷燃器喷嘴。在实践中，压力在单级压缩机中可升高2巴至5巴。在单独的空气压缩机中等温压缩的空气通过与来自第一级热交换器中的ITM模块的O2渗透流间接热传递而被加热，然后在压缩之后与来自燃气涡轮压缩机排放物的任何侧抽出空气混合。可将离开ITM模块的非渗透流使用稀释的燃料气体在直接燃烧的燃烧器中升高到850℃至950℃范围内的温度。然后总的ITM进料空气流可通过在热交换器中与经加热的ITM非渗透流进行间接热传递而加热，以将其温度升高到在从约800℃至约900℃的范围内。ITM非渗透流可通过燃料气体的直接燃烧加热以将温度升高到足够高的水平以便实现两个目的：(2)将ITM入口空气加热到850℃；和(2)达到非渗透流的空气预热器的出口温度，以确保当该流的全部或部分用作接近环境温度的燃料气体的稀释剂时，产生的混合温度为450℃。通过借助于在燃烧器中氧化燃料气体而从非渗透流部分地除去O2，所得的O2浓度可保持低于2.5%O2(例如，低于1摩尔%)。
可能存在不需要的或者说是用于燃料气体稀释的过量的非渗透气体。该过量的非渗透气体可降低压力并加入燃气涡轮空气压缩机排放中或注入燃气涡轮燃烧器的混合段中。可选地，两个热交换器可以并联而不是串联。在并联布置中，处于通常约0.3至0.8巴的次大气压的氧气渗透流可穿过热交换器，该热交换器加热ITM单元的空气进料的一部分。在典型的应用中，可将ITM进料空气的一部分相对于850℃的O2加热到820℃，并且并联的热交换器可将剩余的ITM空气进料流相对于经加热的非渗透流加热到高于850℃的温度，使得混合之后的总空气流为约850℃。低压O2流然后可进入第二热交换器，该第二热交换器将气化器的压缩O2进料加热到约350℃。
图1所示系统使用联接到发电机2的燃气涡轮1，发电机2还联接到蒸汽涡轮3。蒸汽在热回收蒸汽发生器4中生成，热回收蒸汽发生器4包括锅炉给水处理和泵并且通过燃气涡轮排气流5来加热。已在燃气涡轮压缩机段6中绝热地压缩为18巴的空气的一部分在压缩机7中被压缩到22巴。空气流在并联的热交换器8和9中被加热以形成具有850℃的温度的混合蒸汽10。空气进入ITM模块11，其中氧气流12以例如0.6巴的压力被分离，从而离开非渗透流13。燃料气体流14被分成两个流。一个流15为用于燃气涡轮燃烧器16的燃料，并且第二个流17为用于燃烧器18的燃料，在燃烧器18中，非渗透流13被加热到1380℃并且作为具有例如1摩尔%的氧含量的流19离开。氧气渗透流在热交换器9中冷却至500℃，并且非渗透流冷却至860℃。离开热交换器9的氧气流20在热交换器21中被冷却，其中氧气流20将65巴的产物氧气流加热到350℃。中间冷却的压缩机23将氧气压力从0.35巴升高到65巴。离开热交换器9的非渗透流29在热交换器24中被冷却到一定温度，在该温度下部分25可与燃料气体流15混合以产生50%燃料气体和50%稀释剂的燃料气体流，该燃料气体流处于低于由燃气涡轮供应商指定的最大或预定的燃料流入口温度的混合温度，该指定温度在这种情况下为450℃。剩余的非渗透流26与燃气涡轮压缩机段27的入口气体流混合。蒸汽可在热交换器24中生成和/或过热以增加在蒸汽涡轮3中产生的功率。应当指出，为了同时实现进入燃气涡轮燃烧器16的混合燃料气体流28所需的温度和组合物，流29可被分开使得部分30绕过热交换器24。
图2所示系统非常类似于图1所示系统，并且其添加了外部中间冷却的空气压缩机34，空气压缩机34将总ITM进料空气流10的一半制备为蒸汽35，蒸汽35处于比离开压缩机7的燃气涡轮空气侧抽出流的压力高0.5巴的压力并且处于75℃的温度。流35在热交换器9中被加热到192℃，热交换器9将来自ITM模块11的0.6巴的氧气渗透流12从850℃冷却到500℃。离开热交换器9的氧气流20在热交换器21中被用来将来自压缩机23的65巴的压缩氧气流加热到350℃的温度。离开热交换器9的外部压缩的空气流36在热交换器8中被加热到约500℃，此时与同样处于约500℃的燃气涡轮侧抽出空气流混合。混合的总空气进料流然后被加热到850℃。在热交换器8中的加热介质如之前那样为来自ITM模块的经加热的非渗透流。该系统的剩余部件与图1所示的那些相同。
近似标定方法基于在具有一氧化碳酸性变换反应器和75%CO2捕获的IGCC系统中使用的匹兹堡8号煤的公开数据。该系统可使用GE9FA燃气涡轮、低温O2制备装置和具有CO2捕获的德士古炉（Texaco）激冷气化器。燃料气体稀释可用蒸汽和一些CO2来进行。基本情况性能如下：
总功率(燃气涡轮+蒸汽涡轮+膨胀涡轮)=481Mw
低温ASU功率=47.7Mw
内部功率消耗=14.1Mw
净功率输出=419.2Mw
净效率(LHV)=39%
使用具有取代低温氧气设施的ITM模块和氧气压缩机的以上所述的系统可产生以下结果：
1.所有ITM空气取自燃气涡轮空气压缩机出口
净功率=466.6Mw
净效率=40.52%
2.ITM空气一半来自燃气涡轮，一半来自单独的空气压缩机
净功率=462.3Mw
净效率=41.37%
3.所有ITM空气取自单独的空气压缩机
净功率=448.4Mw
净效率=41.2%.
已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，基于使用9FA燃气涡轮、低温O2和具有CO2捕获的德士古炉（Texaco）激冷气化器的煤IGCC的公开数据的近似标定方法显示从39%到41.65%的效率增加(LHV基)以及6.8%的功率输出增加。因此，其它实施例在以下权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种系统，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；
单独的空气压缩机，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；
第一热交换器，所述第一热交换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(ITM)的氧气流的热量间接加热所述加压流；
第二热交换器，所述第二热交换器被构造成接收来自所述第一热交换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渗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换器；
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渗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；
第三热交换器，所述第三热交换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渗透流并使用来自所述经加热的非渗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换器的经冷却的非渗透流并将所述经冷却的非渗透流在用于所述燃气涡轮的燃料气体中的至少一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渗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渗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%的所述经加热的加压流。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述经加热的非渗透流为约800℃或更高。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述经加热的非渗透流的氧气浓度大约低于2.5%或更小的摩尔浓度。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述经加热的加压流在从约800℃到约900℃的范围内。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，作为用于所述ITM的所述空气进料的一部分从所述燃气涡轮压缩机排放的所述空气流被压缩在从约2巴到10巴的范围内。
7.一种方法，包括：
从涡轮压缩机排放空气流，同时压缩在燃气涡轮的燃烧期间所使用的空气；
压缩所述空气流以生成加压流；
使用来自离子传输膜(ITM)的氧气流的热量间接加热所述加压流；
使用所述ITM生成所述氧气流和非渗透流，其中，所述非渗透流通至燃气涡轮喷燃器，并且所述氧气流通至所述第一热交换器；
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，其中，所述燃料气体和所述非渗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渗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；
使用来自所述经加热的非渗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；以及
将经冷却的非渗透流在用于所述燃气涡轮的所述燃料气体中的至少一种中或在所述涡轮压缩机与膨胀器之间的位点处引入。
8.根据权利要求7所述的方法，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%的所述经加热的加压流。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述经加热的非渗透流为约800℃或更高。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述经加热的非渗透流的氧气浓度大约低于2.5%或更小的摩尔浓度。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述经加热的加压流在从约800℃到约900℃的范围内。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述经加热的加压流处于在从约2巴到10巴的范围内的压力。
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