CN1145822A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

将一种压缩的含氧气流燃烧，然后使其与一种固体电解质隔膜接触以产生一种贫氧的压缩气流和产品氧。优选是将该贫氧气流进一步燃烧以用于生产蒸汽和/或在其进入燃气轮机中膨胀之前，先用来预热所说的含氧气流。

Description

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
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；
图5是一个表示第五种实施方案的示意图，其中的动力产生系统用一个带有减压单元的SELIC系统来改进，以使其压力大致上与SELIC滞留排出气的压力相同；以及
图6是一个表示第六种实施方案的示意图，其中的动力产生系统用这样一种SELIC系统来改进，在该SELIC系统中的附加空气，用一个与动力产生系统的燃气轮机进行机械连接的第二压缩机，来压缩并导入SELIC系统中，以便用于氧的生产，而SELIC滞留排出气则返回燃气轮机中。
本发明的方法是通过使SELIC隔膜系统与燃气轮机结合来生产氧和产生动力。其中的SELIC隔膜氧生产系统和燃气轮机动力产生系统，皆在能使它们各自的性能最优化的温度下工作。有效地利用一个或多个燃烧器来将气流加热到所需的温度。适用于本发明的SELIC隔膜将在下面的表2、表3及所附的文字说明中讨论。
虽然本发明一般可用来由任何含氧气体生产氧及产生动力，但本发明优选是以空气来生产氧及产生动力。此处所用的产品氧是指一种纯度至少约为90％，优选至少约为95％，更优选至少约为98％的氧。
在这些图中，实线表示特定实施方案的主通道，而短划虚线和点-短划虚线表示旁路于某些主通道的供选择通道，这样可使有关的实施方案达到一定的有益效果。通常，一股气流可有约10％至90％通过一条或多条供选择的通道，这将在下文作较详细描述。
本发明的方法可以用各种不同的改进方案来实施燃气轮机动力产生系统。根据本发明，图1的系统10包括使一个处于分离装置13中的SELIC膜与一个燃气轮机结合，以用来生产氧和产生动力。在该实施方案中，可以从SELIC渗透产品中和/或燃气轮机废气中回收热能，以便产生如气流125所示的蒸汽，该蒸汽通过管道进入一个Rarkine动力产生循环。
气流111在压缩机11中被压缩，以生成一种压缩气流112，压力在约100至约500psia之间，优选在约200至约400psia之间。
从压缩机11排出的压缩气流112通入燃烧器14，压缩气流在其中燃烧以使其达到SELIC分离装置13中的SELIC膜的操作温度。该操作温度一般在约400至约1200℃之间，优选在约500至约850℃之间。
为了达到SELIC膜的操作温度，燃烧器14燃烧供入其中的燃料113。所供入的燃料可以是任何常规的燃料，包括烃类，例如天然气、燃料油或由煤生产的燃料气。燃烧过的压缩气流114从燃烧器14中排出并进入SELIC分离装置13。所供入的燃烧过的压缩气流114通过SELIC隔膜直接变成所需的渗透产品气流115。
在SELIC分离单元13中，氧从燃烧过的压缩气流114中分离出来。被分离出的氧通常占含氧气体内氧含量的约5％至约50％。从SELIC分离装置13排出的氧气流115接着通过热交换器16和17，从而变成一股逐级更冷的产品氧气流121和122。
贫氧压缩的SELIC滞留排出气流116，或称SELIC排出气，从SELIC分离装置13中排出，并进入燃烧器15。在燃烧器15中供入的附加燃料113a将贫氧压缩气流116的温度提高到燃气轮机12的入口温度。燃烧器15的使用就消除了SELIC分离器13的操作温度与燃气轮机12的操作温度之间的相互影响。被加热了的贫氧压缩气流117，从燃烧器15放出，然后进入燃气轮机12以产生净动力131。燃气轮机的操作温度通常在约900至约2000℃之间可达到最佳性能，优选温度在1000至1700℃之间。
燃烧器14和15是相对较廉价的装置，它们与具有同等能力的热交换器相比，可以在低得多的投资费用的条件下达到所需的加热量。另外，使用这样一种燃烧器可以更有效地控制加热速率。
在燃气轮机12中，被加热了的贫氧压缩气流117发生膨胀，从而产生动力。燃气轮机12可以通过传动轴110而与压缩机11相连接，由该传动轴来驱动压缩机11。其他常规的连接装置包括一系列的齿轮或一种电连接装置。燃气轮机12能提供足够的动力，以满足操作压缩机11以及本文所述其他动力接受装置的动力需求。
象从SELIC分离装置13排出的氧气流115一样，膨胀后的贫氧气流或燃气轮机排出气流118，可以进入热交换器16以产生冷的废气流119，它接着进入热交换器17以产生冷的废气流120。
可以将水流123导入热交换器17以形成水流124，它接着进入热交换器16以产生流体125。流体125(基本上为蒸气)可用来通往Rankine动力产生循环。
在实践时，可能希望将进料气流的10％至90％旁路于燃烧器14和15以及SELIC装置13。这些可供选择的其他通道用短划虚线和点·-短划虚线示于图1中。例如，如果将过多的压缩气流从气体压缩机导入燃烧室，那么燃烧将在贫燃料的条件下进行。而如果燃烧器的第一区变得燃料过于贫化，则火焰变得不稳定。将一部分压缩气流旁路将能使燃烧器内的条件调节到燃料对气流之比适合于燃烧的比例。如进入燃烧器的压缩气流过大，则可把该气流的一部分从其中分出，并导入处于燃烧器及SELIC分离器下游的第二燃烧器中。
当第二燃烧器(燃烧器15)中的氧含量不足以使进入其中的气流维持正常的燃烧时，可以把从压缩机11排出的气流的一部分旁路于燃烧器14及SELIC分离装置13。这样做就能使得当气流进入第二燃烧器时能够维持气流中的氧含量。因此可以看出，这些可供选择的替代通道使得在本发明的整个工艺过程和系统中能够达到并维持所需的温度、氧含量和气体流量。
在这样一条供选择的替代通道中，进料气流112的一部分130旁路于燃烧器14，而进料气流112的其余部分则通过该燃烧器。使用进料气流130可使得燃烧器14的出口温度更高，从而保证更稳定和更有效的燃烧。在燃烧器14的下游，两部分气流在圆圈A点处通过一个阀门而汇合在一起，在A点处，较冷的气流114进入SELIC分离装置13中。另外，在圆圈A点处，分出的气流128通到圆圈D点，在此出与旁路气流126相汇合。然后，气流127通到圆圈E点，并与贫氧的压缩气流116汇合，汇合后的气流进入燃烧器15。在其他的结构中，贫氧的压缩气流116可在圆圈C点分开，以气流129旁路于燃烧器15，然后在圆圈B点处与从燃烧器15排出的气流117汇合。通过这样部分地旁路于燃烧器14或燃烧器15或者同时旁路于二者，就可以使得在一个或两个燃烧器中达到更高的燃料/氧化剂的比例，从而使燃烧器能维持更稳定的操作。因此可以使得燃烧器14和15之一或二者能在高于分离装置13的温度下操作。
当希望提高进入燃烧器15的进料气中的氧含量时，最好是使用气流127来补充或取代气流116。这是因为气流127没有导入SELIC分离装置13中，所以气流127中所含的氧量要高于从SELIC分离器13中排出的气流116中所含的氧量。通过如此选择该替换通道，就可以减小燃烧器14的体积并仍然能维持其最优操作条件。
气流127(旁路部分)对气流112(主要部分)的比例可以根据例如上述的，包括需要改善燃烧器15中的燃料/氧化剂的比例等各种不同的因素而变化。这种条件的改善可通过以供给燃烧器14的进料气的一部分，来补充或者甚至取代贫氧的压缩气流116的方法来达到。所说用于补充或替代的部分，可以作为气流126或者作为在第一燃烧器之后的气流128，从进料气流112中分出来。气流126旁路于燃烧器14，因此气流114从燃烧器14排出，并因此能燃烧到较高的温度。在每一种情况下，气流126和气流128都要比从SELIC分离装置13排出的贫氧压缩气流116具有更高的氧浓度。
根据本发明，在图2的系统209中，把用于生产氧和产生动力的含有SELIC隔膜的分离装置与燃气轮机结合。通过使压缩气流与从SELIC段和/或燃气轮机段(最好是这两个段)排出的气流，以逆流的方式通过一个热交换器而将压缩气流预热。在通过热交换器后，从燃气轮机排放出的此时已被冷却的排出气还可以回收，以用来产生用于通往Brayton动力产生循环所需的蒸汽。
在该实施方案中，将气流211供入压缩机21中，以便将压力提高到上述的范围内。然后，压缩气流212从压缩机21中放出并接着进入热交换器26，并在热交换器26中被废气流220和氧气流216预热。
在从热交换器26排出后，被预热过的压缩气流213的温度已达到约300至约800℃的范围，优选达到约400至约650℃的范围，然后进入燃烧器24。在其中，气流213与燃料214进行燃烧以达到SELIC膜的操作温度，并且最好高于上述的操作温度。为了达到该温度，燃烧器24燃烧供入其中的燃料214。
燃烧过的压缩气流215从燃烧器24中排出并进入SELIC分离器装置23。在SELIC分离器装置23中，在气流215中所含的氧通常约有5％至约50％被从气流215中除去。进入SELIC分离装置23的进料气流流量应在上述的进入燃气轮机的进料气流的百分比范围内。
氧气流216从SELIC分离装置23中排出并接着通过热交换器26。在热交换器26中，由氧气流216将热量转移给压缩气流212，从而产生较冷的产品氧217。可供选择的方案是使氧气流216在一个单独的热交换器27中冷却，以形成产品氧217a，并加热压缩进料气流212的一部分212a、这样做可能有利于减小用于处理高温和高纯度氧气流216的热交换器的体积，以免该高纯氧气流与某些物质发生不利的反应。
贫氧的压缩气流218从SELIC分离装置23中排出，并接着进入燃烧器25。在燃烧器25中，供入附加的燃料214a以便将贫氧压缩气流218的温度提高到燃气轮机22的入口温度。此处的温度在约900℃至约2000℃的范围内，优选在约1000℃-1700℃的范围内。燃烧过的贫氧压缩气流219从燃烧器25中排出并接着进入燃气轮机22中。
在燃气轮机22中，贫氧的压缩气流219发生膨胀，借此产生了净动力231。象图1所示情况一样，图2中描述的实施方案示出，燃气轮机22通过传动轴210与压缩机21相连接，由该传动轴210来驱动压缩机21。
如同从SELIC分离装置23排出的氧气流216一样，膨胀以后的贫氧气流220(或称燃气轮机废气)从燃气轮机22排出，并接着进入热交换器26，以产生冷的废气流221。气流221可以用来产生用于送往Rankine动力产生循环所需的蒸汽。
如同图1中的系统10所示的情况一样，图2中所示的所有经过预热的压缩气流213皆可以进入燃烧器24，其结果产生了用于通往SELIC分离装置23的压缩气流215。可供选择地，可将气流213的一部分224旁路于燃烧器24，而将其余的部分通过燃烧器24，并作为燃烧后的气流215排出。然后可将这两部分气流在圆圈A2点汇合。然后，汇合的两部分可以通入SELIC分离装置23，或者将其中的一部分通往圆圈D2点以便与旁路气流222相汇合。由于气流222和气流224旁路于燃烧器24，因此这两股气流都没有燃烧，所以它们都不能达到高于在热交换器26中所能达到的温度。由于气流222和气流224都旁路于SELIC分离装置23，因此它们所具有的氧含量皆高于从SELIC分离器装置23中排出的气流215中的氧含量。可将气流223通往圆圈E2点，以便与贫氧的压缩气流218汇合，并同时与进入燃烧器25的气流相汇合。
可以在圆圈C2点将气流225从贫氧的压缩气流218中分出，并使其旁路于燃烧器25。在圆圈B2点，可以使气流225与从燃烧器25中排出的燃烧过的贫氧压缩气流219相汇合，然后进入燃气轮机22。如同第一种实施方案一样，通过旁路于燃烧器24、燃烧器25中之一或旁路于二者，可以在燃烧器中达到较高的燃料/氧化剂之比，并可在SELIC装置或燃气轮机的入口达到所希望的温度控制。
表1列出用图2所示的工艺过程和系统来生产1,000,000NCFH(标准立方英尺/小时)氧时的某些工艺参数。在该实例中，SELIC隔膜在约1470°F的优选温度下操作。该温度高于从回收热交换器26放出的进料气流213的温度(约880°F)，但低于燃气轮机22的入口温度(约2000°F)。气流212在通过燃烧器24后，其温度就提高到SELIC分离装置23的操作温度。
                   表1
进料气211流量 11.2×106NCFH
燃料类型 天然气
进入燃烧器24的燃料气流214 1.56×105NCFH
进入燃烧器25的燃料气流214a 1.4×105NCFH
来自SELIC隔膜的氧气流216 1×106NCFH
热交换器26之后废气流221的温度 730°F(388℃)
进入压缩机的进料气211的温度 70°F(21℃)
热交换器26之后进料气213的温度 880°F(471℃)
燃烧器24之后气流215的温度 1470°F(800℃)
燃烧器25之后气流219的温度 2000°F(1094℃)
燃气轮机废气220的温度 900°F(483℃)
压缩机21之后进料气212的压力 12atm
O2产品气流216的压力 1atm
燃气轮机废气220的压力 1atm
压缩机21的等熵效率 86％
燃气轮机22的等熵效率 88％
热交换器26的效率 90％
燃料的低热值 900BTU/NCFH
燃气轮机22的动力输出 73.3Mw
压缩机21的动力消耗 40.9Mw
用于氧生产的动力部分 3.7Mw
净动力输出231 32.4Mw
根据本发明，图3中所示的用于生产氧和产生动力的系统309，包括一个与燃气轮机结合的SELIC膜。在该实施方案中，先用热交换器来回收从SELIC排出气中放出的热，然后再将气流通往燃气轮机让其膨胀。将回收的热用于产生蒸汽以供Rankine或其他的动力产生循环。
系统309在SELIC阶段的下游没有第二燃烧器。气流311由压缩机31压缩到从约100至约500psia，优选约200-400psia范围内的操作压力。从压缩机31放出的压缩气流312进入燃烧器34，在其中，通过燃烧供入燃烧器34中的燃料321来使该气流的温度提高到(优选超过)SELIC隔膜的操作温度。从燃烧器34排出的燃烧过的压缩气流313进入SELIC分离装置33，在此处，气流313中所含的氧通常有10-80％被除去。另外，被除去的和被回收的氧量要取决于含氧气体中氧的含量。从SELIC分离装置33中排出的贫氧气流314和氧气流316皆进入热交换器35。从热交换器35中排出冷的产品氧317。
水流318进入热交换器35，而来自气流314和气流316的一部分热产生了蒸汽流319。所回收的热可用于生产与Rankine或其他动力产生循环有关的能量。在一种方案中，热交换器35包含2个或多个热交换器，氧气流和废气流分别通过不同的热交换器。
冷的贫氧气流315从热交换器35中排出，并接着进入燃气轮机32，该气流在燃气轮机中膨胀以产生动力，该动力主要用于驱动压缩机31。燃气轮机32通过传动轴310与压缩机31相连接，由传动轴310驱动压缩机31。
在实践中，可能希望提高进入SELIC分离装置33的进气流中的氧含量，这是因为在压缩气流312中的一部分氧要用于燃烧器34中。因此，在圆圈A3点，用进料气流312中旁流于燃烧器34的那部分320，来补充或取代燃烧过的压缩气流313即可达到上述目的。由于气流320旁路于燃烧器34，因此其中的氧含量大于从燃烧器34排出的气流中的氧含量。
对于给定的进料气流311来说，系统309优选是最大程度地用于氧的生产，并同时产生用于后续工序的流体319，以及在较小程度上用于产生燃气轮机的净动力331。燃气轮机32是一种廉价的涡轮膨胀机，它主要用于驱动压缩机31。可供选择地，可将部分的或全部的旁路342来调节燃气轮机的入口温度和提高净动力331。还有另一种方案，即使用任选的第二燃烧器340及与其相应的燃料输入来产生附加的蒸汽，以及由于第二次燃烧所导致质量流量提高而能够获得附加的功。而且，燃烧器340利用了残留在滞留排出气流314中的氧。
在图4所示的系统409、509和609中，使用本发明的一种SELIC系统来改进现有常规的动力产生系统。该SELIC系统包括一个附加的燃烧器，它或者相对于SELIC隔膜来说可称为第一燃烧器，或者相对于动力产生系统中的燃烧器来说可称为第二燃烧器。
在图4中，使用一种带有附加压缩机46的SELIC系统来改进一种含有压缩机41、燃烧器47、燃气轮机48和传动轴410的现有燃气轮机动力产生系统，该压缩机46将SELIC滞留排出气加压到适合于在燃气轮机中膨胀的压力。该压缩的SELIC排出气在燃烧器47中燃烧到一个合适的温度后，被用于燃气轮机中的膨胀以产生动力。
气流411最初在压缩机41中被压缩。此处，SELIC膜的操作压力处于上述的范围内。压缩气流的一部分进入回收热交换器42，并在其中被预热到约300℃至约800℃而作为蒸汽413排出。压缩气流412的剩余部分422由控制阀433调节并进入燃烧器47。被加热了的压缩气流413从热交换器42中排出并进入燃烧器43。在燃烧器43中，该气流与燃料420一起燃烧，从燃烧器中排出的燃烧后的压缩气流414的温度大体上与SELIC膜的操作温度相同，该温度优选在上述的范围内。为了达到该温度，燃烧器43燃烧供入其中的燃料420。燃烧后的压缩气流414从燃烧器43中排出并进入SELIC分离装置44。
使燃烧后的压缩气流414与安装在SELIC分离装置44中的SELIC膜接触，从而从该气流中除去氧气流415。贫氧的压缩气流416从SELIC分离装置44中排出，并进入回收热交换器42以达到冷却的目的。然后从其中排放出的气流418接着进入热交换器45以进一步冷却。热交换器45将入口温度降低到适宜于装置46操作的上限温度。
冷的废气流419(约等于环境温度)进入增压装置46，以便将其加压到基本上与气流422相等的压力。增压装置46是一个低压力比的压缩机或鼓风机，它能防止由于补偿热交换器42中和SELIC系统的其他部件中的固有压力降所引起的回流。当增压装置46的大小适合于所需的流量时，控制阀433可以省掉。
然后，冷的压缩废气流421可以在圆圈A4点与燃料420a汇合，汇合后的气流进入燃烧器47中燃烧，以将该废气流的温度提高到燃气轮机48的操作温度，该温度处于从约900至约2000℃。进料气流412的剩余部分，表示为气流422，也进入燃烧器47中燃烧，以将温度提高到燃气轮机48的操作温度。燃烧后的气流423从燃烧器47中排出并进入燃气轮机48。
燃烧气流423在燃气轮机48中膨胀，从而产生动力。燃气轮机的排出气427可用来回收剩余的能量。另外，燃气轮机48可通过传动轴410与压缩机41相连接，由传动轴410来驱动压缩机41。
氧气流415在回收热交换器42中被冷却，并作为冷却的氧气流417从其中排出。冷却的氧气流被热交换器49进一步冷却，并作为产品氧424被回收(约为环境温度)。
该废气流421也可以从增压器46作为气流426通过喷气嘴直接进入燃烧器47，而不需要在进入燃烧器47前首先与燃料420a汇合。还有另一种方案，即用旁路气流425来提高进入燃气轮机48中的流量，以防止燃烧器47超载并降低其入口温度。
图5中的系统509是将常规的燃气轮机动力产生系统与本发明用于生产氧和产生动力的SELIC装置进行结合。但是它与系统409不同，其中没有配置用于SELIC排出气的压缩机。
图5中的气流511被压缩机51压缩。与前面4个实施方案相同，此处的操作压力在约100至约500psia的范围内，优选在200-400psia的范围内。压缩气流512从压缩机51排出。该气流的一部分(最高可达约50％)由控制阀533导入回收热交换器52，并在此处被预热至约300℃至约800℃的温度范围内。被加热了的压缩气流513从回收热交换器52中排出并进入燃烧器53。往燃烧器53中供入燃料520，使加热了的气流燃烧以将从燃烧器53中排出气流的温度提高到SELIC膜的操作温度，该温度优选是如上所述。在一个方案中，用旁路535使燃烧器53的操作达到最优化。
燃烧后的气流514从燃烧器53排出后，即进入SELIC分离装置54，在此处，气流514中所含的氧有10％-80％被抽取。
贫氧的压缩气流516从SELIC分离装置54排出后，即进入回收热交换器52以达到冷却的目的。来自气流516的热量转入气流512，使气流512如上所述那样获得预热。气流517从热交换器52中排出，并可以在圆圈A5点与从燃烧器56排出的气流521汇合。可供选择地，气流517可以在燃烧器56上游的圆圈B5点处与压缩气流522汇合。在该替换的方法中，所有进入燃气轮机57的气流都先经燃烧器56作进一步燃烧；以将其温度提高到燃气轮机的操作温度。该替换方法的优点是进入燃烧器56的进料气流的压力可随意控制，例如使用流量控制装置58来控制。在一种方案中，所说的装置58是一块具有一个小孔的平板，该小孔的大小应能将气流522的压力降低到大致上与气流517的压力相等。通过如此控制进入燃烧器56的进料气流的流量，就可以省去一个附加的热交换器(例如图4中的热交换器45)以及一台用于调节压力的气体压缩机。
来自主路线或替换路线的合并气流接着进入燃气轮机57。气流521在其中膨胀，从而产生动力。燃气轮机排出气523可用来回收剩余的能量。在该改进的实施方案中，燃气轮机57也可以通过传动轴510而与压缩机51相连接，由传动轴510来驱动压缩机51。
氧气流515也是从SELIC分离装置54中排出，并进入回收热交换器52以达到冷却的目的。从其中排出的氧气流518通过热交换器55而被进一步冷却，然后作为产品氧519而被回收。
象系统409一样，在将压缩气导入燃气机内膨胀的替换路线中，图5中示出的来自压缩机51的压缩气的剩余部分522在燃烧器56中燃烧，以将从燃烧器56中排出的气流的温度提高到约900℃至约2000℃的范围内。但是，此处可在燃烧器56之前插入一个流量控制装置58。正如上述，输往SELIC膜的压缩进料气流的流量，可以在燃烧器56的上游用流量控制装置58来调节，该控制装置可控制气流522中的压力降。这样，压缩气的剩余部分522可以在处于流量控制装置58的下游与燃烧器56的上游之间的圆圈B点处与来自SELIC隔膜的废气流517相汇合。
在图6所示的系统609中，气流611在压缩机中被压缩到约100至约500psia的压力范围。从压缩机61排出的压缩气流612随同燃料613进入燃烧器62。
压缩气流612在燃烧器62中燃烧，以把从其中排出的燃烧后气流的温度提高到燃气轮机63的操作温度。该温度在约900℃至约2000℃的范围内。来自燃烧器62的燃烧后的压缩气流615进入燃气轮机63，气体在其中膨胀，从而产生动力。燃气轮机63通过传动轴610而与压缩机61相连接，由传动轴610来驱动压缩机61。来自燃气轮机63的排出气616可以借助一种热回收蒸汽发生器来回收剩余的能量。
用一台第二气体压缩机64来压缩第二进料气流618，然后再将其导入SELIC分离装置67。压缩气619从压缩机64中排出并进入回收热交换器65。被加热了的压缩气620从热交换器中排出并进入燃烧器66，在其中被进一步加热到SELIC膜的操作温度。此处，该温度通常高于400℃，更通常高于600℃。将燃料614供入燃烧器66中，以帮助将压缩气流620的温度提高到加热后的气流621的温度。优选是使气流621的流量等于进入燃气轮机63的气流615的5％至25％。
燃烧后的气流621从燃烧器66中排出并进入SELTC分离装置67。在SELIC分离装置67中，从气流中除去的氧量通常在该气流所含氧量的10-80％的范围内。从其中排出的氧气流622接着在回收热交换器65中被冷却。所获冷的氧气流623被热交换器68作进一步冷却，然后将其作为产品氧624加以回收。
从SELIC分离装置67排出的贫氧压缩气流在圆圈A6点与燃料气613汇合，然后加入燃烧器62。在其中，该合并气流与压缩气流612汇合以进行燃烧，然后进入燃气轮机63。这些燃气轮机系统皆在标准条件下操作。
如同图5中所示系统509一样，当SELIC膜按此方式与燃气轮机结合时，由燃气轮机产生的动力可以通过与其相连接的一个传动轴610来操作图6中用于SELIC膜的气体压缩机61。在一种方案中，燃气轮机63还按机械式连接到第二压缩机64并产生净动力631。
任选地，贫氧压缩气流625的一部分626可以与压缩气流612相汇合，然后再进入燃烧器62(见圆圈B6点)，或者与从燃烧器62排出的燃烧过的压缩气相汇合(见圆圈C6点)。这是有利的，因为这样可在燃烧器之前或之后对系统中所需的温度、稀释剂含量和氧气浓度提供附加的灵活性。另外，如果需要，可以将气流620的一部分632旁路于燃烧器66。
在一种方案中，通过用图中以虚线表示的在气流625途中的压力控制元件634进行控制，可使SELIC装置67在与燃气轮机63的操作压力不同的压力下操作。当该元件634是一块流量控制板时，SELIC装置67就在高于燃气轮机63的压力下操作。当该元件634是一台压缩机或鼓风机时，SELIC装置67就在相对较低的压力下操作。
可用本发明的SELIC系统来改进的产生动力的燃气轮机系统，包括那些从通用电气公司，Schenectady，纽约；西门子，德国；或ABB，瑞典购得的燃气轮机。对这些燃气轮机的改动是十分小的，包括给SELIC段附加一个气体进料装置，和给用于向燃气轮机提供膨胀气体的燃烧器附加一个SELIC排气的进料装置。
虽然通常不希望燃气轮机在超载的条件下工作，但是可以将流量调小以减轻这种效应。例如，为了补偿从SELIC放出的贫氧气体625所增加的流量，可以相应减小来自压缩机61的压缩气的流量。当该压缩气流量难以减小时，可以将来自SELIC膜的贫氧气流的一部分排放掉，或者减少通向SELIC膜的压缩气进料。通向SELIC膜的最大进料气流量，由用于压缩所说进料气流的功率来决定。当该系统是一个具有净动力输出的系统时，该SELIC膜所消耗的动力就应小于由该系统所产生的动力。
此处所用的SELIC膜由某些致密的陶瓷氧化物或其混合物构成，这些氧化物的特征是在其晶格中具有由于缺陷或引入掺杂物(例如Y、Sr、Ba、Ca等)而导致的氧空穴。一种空穴扩散的机理是指氧离子可以借助于该空穴而通过晶格。通常，当需要要达到空穴的高迁移率时，必须维持提高的温度(400℃-1200℃，例如在约500至约1000℃，优选约600至约800℃的范围内)。大的空穴浓度与空穴的高迁移率结合，就为氧离子迅速渗透过构成该SELIC膜的材料提供了基础。因为只有氧离子才能占据这种晶格，所以理想的SELIC膜具有无限大的氧选择性。例如在美国专利No.5,306,411(Mazanec等)中公开了一些适用的SELIC膜的材料。
对于指定的应用来说，对SELIC膜尺寸的选择通常与氧的通过量(即单位时间内在单位面积上的氧通过量)有关。希望具有高的氧通过量，因为这样可以使用较小面积的SELIC膜来从进入该SELIC分离装置的热压缩气中有效地除去氧。较小面积的SELIC膜可以减少投资费用。在SELIC膜的任何位置上的氧流量取决于多种因素，其中包括电解质的离子传导率、离子交换膜的厚度和氧的化学势的差异。对于最优性能的SELIC膜来说，必须具有高的离子传导率，例如高于约0.01S/cm(西门子/cm)，优选高于约0.1S/cm，更优选高于约1.0S/cm。由于SELIC膜在提高的温度下能明显地提高氧离子的传导率，并且该传导率随着温度的升高而增加，所以将SELIC膜维持在足够高的温度下(通常高于400℃，更通常高于600℃)，可使本发明的方法和系统的性能达到最优化。较高的温度还可以提高在SELIC膜表面上表面交换过程的动力学。
本发明的具体特征只是为了方便而示于一个或多个附图中，而其中的每一个特征都可以与本发明的其他特征相结合。其他可供选择的实施方案皆可为本领域的技术人员所理解，并且皆应被包括在权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种用于生产氧和产生动力的方法，该方法包含下列步骤：
(a)在第一燃烧器中燃烧一种压缩的含氧气流以提高该气流的温度；
(b)将该燃烧过的，压缩的含氧气流与一种固体电解质隔膜接触，以产生一种贫氧的压缩气流和产品氧；
(c)将该贫氧的压缩气流在第二燃烧器中燃烧以提高该气流的温度；以及
(d)把从固体电解质隔膜和第二燃烧器中回收的，燃烧过的贫氧压缩气流在燃气轮机中膨胀，从而产生动力。
2.如权利要求1的方法，其中，在步骤(d)之前，从贫氧压缩气流中回收热量。
3.如权利要求1的方法，其中还包含从燃气轮机中获得一种膨胀过的贫氧气流，并从该膨胀过的贫氧气流中回收热量。
4.如权利要求1的方法，其中有一部分压缩的含氧气流旁路于第一燃烧器，然后在与固体电解质隔膜接触之前与燃烧过的，压缩的含氧气流混合。
5.如权利要求1的方法，其中有一部分步骤(a)的压缩的含氧气流旁路于第一燃烧器，然后与从步骤(b)的固体电解质隔膜回收的贫氧的压缩气流一起在第二燃烧器中燃烧。
6.如权利要求5的方法，其中压缩的含氧气流的旁路部分，在进入第二燃烧器燃烧之前，先通过一个流量控制装置以调节其流量。
7.如权利要求1的方法，其中，来目步骤(b)的一部分贫氧压缩气流，旁路于第二燃烧器并被直接导入燃气轮机中。
8.如权利要求1的方法，其中有一部分步骤(a)的燃烧过的压缩含氧气流旁路于固体电解质隔膜，然后在通入第二燃烧器之前，与至少一部分旁路于第一燃烧器的压缩含氧气流汇合。
9.一种用于生产氧并产生蒸汽的方法，该方法包含如下步骤：
在第一燃烧器中燃烧一种压缩的含氧气流；
将该燃烧过的压缩含氧气流与一种固体电解质隔膜接触，以产生一种贫氧的压缩气流和产品氧；
将至少一部分产品氧通过热交换器以产生蒸汽；以及
把从固体电解质隔膜回收的贫氧压缩气流在燃气轮机中膨胀，以驱动压缩机，从而获得压缩的含氧气流。
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