CN1199813A - 与燃气轮机结合的电解质膜生产氧化产物和发电的方法 - Google Patents

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Abstract

与发电的燃气轮机系统结合在一起产生氧化产物的工艺过程。此工艺过程包括在反应器中,使压缩且加热的含氧气流与至少一种固体电解质氧选择离子传输膜相接触。反应物被通入反应器由此产生氧化产物。来自反应器的氧耗尽滞留物流被加入燃气轮机燃烧器,并在燃气轮机中膨胀发电。

Description

与燃气轮机结合的电解质膜生产 氧化产物和发电的方法
本发明涉及利用与燃气轮机集成一体的固体电解质离子或混合导体膜生产氧化产物和发电的方法。更确切地说，本发明直接涉及利用与燃气轮机集成一体的固体电解质离子或混合导体膜生产合成气体和发电的方法。
这里包括了序列号为No.＿＿(代理人号为No.20288)的题为“利用固体电解质膜生产氢气的方法”的美国专利申请作为参考，与本申请同时提交。
在用于发电的燃气轮机中，馈入空气被压缩，并与反应物燃烧提高其温度，随后膨胀通过燃气轮机发电。氧气生产设备与一些燃气轮机结合在一起，以微增的成本产氧气。燃气轮机电力系统也与蒸汽电力产生系统结合在一起，产生额外的电力，这里膨胀的热气也被用于生产蒸汽。
一种氧气产生设备利用了固体电解质离子传输膜。此离子传输系统在比操作温度仅达到375℃的燃气轮机系统的压缩机的排出物compressor discharge高很多的温度下操作，在大约500℃至1200℃的范围。
现在正在开发两种固体电解质离子传输膜。它们包括仅使离子通过薄膜的离子导体和使离子与电子都通过薄膜的混合导体。显示混合传导特性的离子传输膜，能够以薄膜两边的氧气分压强的比例为条件而传输氧气，不需要离子导体所需的外加电场或外部电极。此处所用的术语“固体电解质离子传输系统”，或简单的“固体电解质”或“离子传输系统”，除特别说明外，用于指示利用离子型(电驱动的)系统或混合导体型(压力驱动的)系统的系统。
混合导体是一种在温度升高时包括选择性传输氧离子通过该材料的导电位置的移动氧离子空位的材料。此传输由氧活性比驱动，即膜两边的氧气分压强(P02)，由于氧离子从具有较高氧气分压强的一侧流向具有较低氧气分压强的一侧。氧分子电离为氧离子发生于膜的阴极侧(或滞留物区)。氧离子在膜的渗透区复合释放电子。对于仅显示离子传导性的材料，在电解质的表面放置外部电极，在外电路中电子返回阴极。在混合传导材料中，电子由内部传送至阴极而接通电路，免除了外部电极之需。人们相信渗透的氧与燃料的反应在表面或边界层发生，而不是在阳极侧(或渗透区)在主体段(bulk phase)发生。
包括含碳原料的部分氧化反应(POx)是常用的生产合成气体的方法。部分氧化也用于生产环氧乙烷、两烯腈和其他化学产品。由一氧体碳和氢气组成的合成气体，对于包括氨气、乙醇(包括甲醇和多碳醇)、合成燃料、乙醛、乙醚及其他化学产品的生产，为一种有价值的工业气体和重要的先质。包括天然气、煤、矿物油和燃料油的原料常常用于通过部分氧化或蒸汽转化(steam reforming)反应生产合成气体。部分氧化反应也可进一步由下式表示：
，其中CmHn为碳氢化合物原料。
最低程度，也可发生蒸汽转化，如下式所表示：
，其中CmHn为碳氢化合物原料。
传统的POx工艺频繁使用通过传统的通常在低于100℃的温度下操作的气体分离工艺(比如，压力旋转(swing)吸收、低温蒸馏)产生的氧分子。由于POx本身通常要求超过800℃的高温操作，所以，无法通过传统工艺实现部分氧化反应和传统氧气分离之间的结合。结果是，传统部分氧化通常以低原料转换、较低的氢与一氧化碳比及较低的氢与一氧化碳选择性为特征。此外，一般在部分氧化反应中所要求的外部供氧显著增加了资本与操作成本，它可能会占到总合成氧体生产成本的40％。
请注意，在均属于Mazanec等人的美国专利No.5,160,713和No.5,306,411公开了在电化学反应器中对POx使用固体电解质膜，但这些专利均未公开与协同使用燃气轮机系统一起生产氧化物的工艺。
离子传输膜系统最吸引人的两个特点为膜对氧传输的极大的选择性，及它可以从低压流向高压流传输氧，只要氧的分压强比大于1，如同渗透的氧与燃料气体反应时的情况。对本发明的目的来说，传输氧的离子传输膜材料被认为对于从含氧气体混合物中分离氧非常有用。有效传输氧离子的薄膜材料的类型在共同转让的1995年6月14提交的题为“利用与燃气轮机集成一体的固体电解质膜产生氧气和发电的方法”的美国专利申请序号No.08/490,362和现在提交的题为“利用固体电解质膜产生氢气的方法”的No.＿＿中做了讨论，它们被包括于此以作参考。
美国专利申请序号No.08/490,362公开了利用由发电系统达到的高燃烧温度，在对两系统均可接受的温度下驱动产生氧气的系统的方法。那一申请也公开了高效地产生氧气和发电的方法。美国专利No.5,515,359，No.5,562,754，No.5,565,017和欧洲专利公开No.0 658366以与燃汽轮机集成的工艺产生氧气。
据信以前并未现实与燃气轮机发电能力一起有效利用离子传输系统生产其他化学气体。虽然将空气分离装置与燃气轮机结合的概念已为人知，但是，据信尚未实现空气分离装置和燃气轮机之间的能量集合的协合利用：在空气分离装置中产生氧化物，使离子传输氧气分离膜与该燃气轮机系统结合成整体。
因而，本发明的一个目的在于提供能有效利用离子传输膜反应器产生氧化产物，如合成气体的改进工艺，其中使反应器与发电系统结合成整体同时发电并产生氧化产物。
本发明的另一个目的在于协合利用由离子传输系统排出的高温气体，后者被以协合方式向燃气轮机燃烧器馈送，其中如合成气体的氧化产物利用固体电解质膜产生。
本发明的另一个目的在于提供由将其馈入发电系统而有效利用离子传输膜反应器产生的氧耗尽滞留物气体的工艺。
本发明还有另一目的在于提供有效利用氧气渗透气体和反应物(以及作为选项的慢化剂)的混合物，在离子传输膜反应器中产生如合成气体的氧化产物的工艺。
本发明还有一个目的在于提供利用由发电系统达到的高燃烧温度发电并促进离子传输膜反应器中的离子传输的工艺系统。
本发明包括与发电的燃气轮机系统结合在一起的产生如合成气体的氧化产物的工艺。该工艺包括将压缩并加热的含氧气流，一般为空气，在反应器中与至少一种固体电解质氧离子传输膜相接触。反应器包括由膜隔开的滞留物区和渗透区，其中至少一部分氧气从滞留物区穿过膜传输至渗透区产生渗透流和氧耗尽滞留物流。如碳氢化合物的反应物被传至渗透区与传输的氧反应产生氧化产物。氧耗尽滞留物流加入燃气轮机燃烧器，在这里它通过与燃料的燃烧反应而被加热，形成燃烧的氧耗尽气流，它由燃气轮机燃烧器重新获得并在燃气轮机扩张器中膨胀发电。
在另一实施例中，与发电的燃气轮机一起产生了基本上无硫的合成气体。压缩并加热的含氧气流在膜反应器中与至少一个固体电解质氧选择离子传输膜相接触。此反应器有由膜隔离的馈入区和渗透区，其中至少一部分氧穿过膜由馈入区传输至渗透区产生渗透流和氧耗尽滞留物流。蒸汽和有机燃料被传至渗透区与传输的氧反应产生合成气体。该合成气体被传至酸性气体去除器将硫回收而形成基本无酸的合成气体。氧耗尽滞留物流馈入燃气轮机燃烧器，而从燃气轮机燃烧器回收的燃烧后的氧耗尽气流在燃气轮机扩张器中膨胀发电。
在最佳实施例中，压缩的含氧气流从燃气轮机空气压缩机中抽出。该过程还包括从燃气轮机获得膨胀后的氧耗尽气流，并从膨胀后的氧耗尽气流中回收热量。在与膜接触前在含有反应物的气流中加入慢化剂。
从以下说明和附图中，本专业技术人员将明白本发明的其他目的、特征和优点，附图中：
图1简要表示了按照本发明同时产生氧化产物和发电的系统的主要部件；
图2简要表示了按照本发明产生合成气体和发电的系统，其中从渗透物和/或燃气轮机排出气体回收热量，以形成以后利用的气流，还有，其中仅一部分含氧气体被导向离子传输膜；
图3简要表示了与图2的系统相类似的系统，其中仅一部分含氧气体在与反应物和慢化剂相反的流动方向被导向离子传输膜，而由燃气轮机排出气体产生的气流不象慢化剂那样被在离子传输膜中重新利用；
图4简要表示了按照本发明的另一系统，其中渗透产物进入酸气装置中，以便纯化最终的合成气体，使其不含硫和其他杂质，气化混合循环装置的排出气体输送到燃气轮机燃烧器，并使用辅助含氧气体和辅助空气压缩/中间冷却装置；
图5简要表示了按照本发明的系统，其中含氧气体在与反应物和慢化剂相反的流动方向被导向离子传输膜，而一部分含氧气体被用于冷却析出气体，并利用了辅助含氧气体；
图6简要表示了按照本发明的另一系统，其中氧耗尽滞留物气体在馈入气体循环前通过热交换被部分冷却，并利用了辅助含氧气体；以及
图7a和7b分别简要表示了用于产生合成气体的对比系统和用于发电的独立气体循环。
本发明可通过利用部分氧化反应产生的热量而提供至少一部分由燃气轮机发电所需的能量而完成。废气(氧耗尽滞留物气体)由部分氧化反应产生的热量加热，传导穿过离子传输膜。然后被加热的废气被导入燃气轮机系统以将来自化学反应的热量转换成机械能，同时在离子传输膜的渗透区产生氧化产物。
本发明把离子传输膜部分氧化反应器(分离器)系统与燃气轮机结合成整体。部分氧化为反应器中的主要反应，并为高放热的。可能会发生蒸汽转化反应，它是吸热反应，但最好反应量很小。本发明直接产生如合成气体的氧化产物，及数种其他化学产品，包括但不限于甲醇、氨气和尿素，或用于氢气生产及/或化学、石油化学和精细化工中所用的一氧化碳。
此处所用的术语“滞留物区”为在离子传输膜反应器中由反应器壁、进气口/出气口和离子传输膜形成的区域，其中一般为馈入空气的含氧气体穿过膜，且由此氧气穿过膜传输至一个分离的区域。在滞留物区的最终气流至少消耗了部分氧气。
此处所用的术语“渗透区”指离子传输膜反应器中来自滞留物区的氧被传输穿过离子传输膜的区域。由于离子传输膜的极大的氧选择特性，在渗透区由膜产生的最终气体为纯氧气。
此处所用的术语“氧化产物”指在反应器的渗透区内已被部分或完全氧化的产物。
请注意本发明的各种实施例针对改型的系统，它具有某些已有部件或现有燃气轮机设计中的组合件。辅助含氧气体和辅助气体压缩器和/或中间冷却装置用于为如合成气体的氧化产物的产生和/或进入燃气轮机的燃烧提供所必需的氧。
本发明的方法可以用于此处所述的系统的各种改型。图1描述了其一般实施例。如图1的系统100所示，含氧气体流105通过气体反应器115的滞留物区101，后者包括至少一个固体电解质离子传输膜。反应器115与燃气轮机系统150结合成整体，燃气轮机系统包括气体压缩器130、燃气轮机燃烧器140和燃气轮机120。含氧气流105的滞留物部分通过反应器115产生氧耗尽滞留物气流112，它被导入燃气轮机燃烧器140。
反应物气流110与穿过固体电解质离子膜103进入渗透区102的氧渗入气体合在一起，从那里产生部分氧化物气流125。
在一个实施例中，加热器111为热交换器，而部分氧化物气流125(125a)和选项气流112流经热交换器111。部分氧化物气流125任选地流经热交换器111以产生较冷的部分氧化物气流127。
在最佳实施例中，部分氧化物气流125由含氧气流128中得到，后者流经压缩器130产生压缩含氧气流135。气流135的第一部分134在进入反应器115之前，穿过加热器111形成加热的、压缩含氧气流105，且任选地将气流135的第二部分136导入燃气轮机燃烧器140。压缩含氧气流135的部分136，如同氧耗尽气流112，进入燃气轮机燃烧器140。含有燃烧产物和氧耗尽气体的压缩气流137被导入燃气轮机120发电(145)，并由轴142驱动压缩器130。由燃气轮机120产生的为燃气轮机排出气体139，它任选地作为废气排出，或流入蒸气循环，或作本专业技术人员所知的其他用途。
将反应器中膜元件的温升限制为1250℃左右，最好为1100℃非常重要(在材料技术的现状下)，以避免从材料到还原(阳极)侧失氧而显著损坏薄膜材料。它可以通过使部分氧化反应的放出的热量与吸热的蒸汽转化反应的显热的平衡来实现，所述显热来自馈入气体的温升并传至离子传输反应器。这一考虑有益于使最大的含氧气体质量流量通过系统。对反应器的内部热传导设计加以了特别考虑以避免使薄膜元件温度过分降低(应该超过700℃至800℃)。该设计必须在反应器元件与含氧气体的温差小时提供高热传导系数，而在温差大时提供低热传导系数。一般地，液流进口温度应在300℃至700℃之间。
在图2的系统220中，按照本发明包括离子传输膜的反应器205与燃气轮机结合成整体用于产生合成气体及发电。压缩气流通过以与离子传输膜级的排出气体相反的方向流经热交换器而被加热。来自固定的Rankine发电机的水源通过与合成气体间接热交换加热，由此形成蒸汽，其中蒸汽重新循环至Rankine发电机，用于进一步增加热量，并接着在Rankine发电机中驱动蒸汽轮机。
在此实施例中，含氧气流201由压缩机202压缩，形成压缩的含氧气体209。空气流209的一部分206直接馈入燃烧器208中。
一般地，需要大量的压缩气体以驱动燃气轮机系统。此处所用的馈入以驱动燃气轮机的压缩含氧气体的量高达总压缩含氧气体的大约95％。
为保持足以支持反应器205内合成气体生产的含氧气体，以使燃气轮机系统在其最大输出或最大效率下运行，使用了额外的含氧气体。辅助含氧气体203被馈入压缩器204形成压缩辅助含氧气体254。压缩含氧气流206的一部分212与压缩辅助含氧气流254一起形成压缩含氧气流251。
需要注意，辅助含氧气体一般与现有燃气轮机设计一起使用。这是因为先前存在的设计也许没有足以支持反应器205中反应的含氧气体源。对于为本发明工艺设计的燃气轮机，将提供充足的含氧气体，而不一定需要辅助含氧气体。
气流251在热交换器211中与来自反应器205的热产物流反向流动而被加热。从热交换器211排出后，加热了的压缩气流270具有在300℃至800℃范围的温度，而最好在400℃至650℃。用于反应器205中所要求的高温操作也许要求对压缩含氧气流270进一步加热。如果大量蒸汽被馈入反应器以使蒸汽转化反应最大并达到合成气体的高氢：一氧化碳比，就更是如此。
然后加热的压缩含氧气流208进入燃烧器229形成燃烧后的压缩气流250，它由燃烧器229排出进入反应器205的滞留物区298。此由燃烧器229排出的燃烧压缩气流很热，在其进入反应器205的滞留物区298时足以影响离子传输。在滞留物区298中，一般从气流250中去除了气流250所含氧的约2％至50％。进入反应器205的馈入气流可在流入上述燃气轮机的馈入气流的百分比之内。最终通过离子传输膜297的分离的氧气在反应器205的渗透区298内与反应物225和蒸汽231反应。
馈入反应器205之前，反应物225在热交换器211中被加热。反应物225可以是能与氧气燃烧产生合成气体的任何碳氢化合物。反应物最好为如甲烷、乙烷或丙烷的低链饱和碳氢化合物气体。
蒸汽231用作慢化剂以使利用氧气和反应物通过水煤气轮换反应产生合成气体的温度和反应条件最优。蒸汽231还在馈入反应器205前通过热交换器211被预热。
在反应器205中通过离子传输膜297，氧被从压缩气流250中除去。然后，此渗入氧气在反应器205的渗透区299与反应物225和蒸汽231反应。
在渗透区299的反应之前，准备并预热了反应物225和蒸汽231。合成气体产物213通过渗入氧气与反应物225和蒸汽231的反应而产生。
合成气体产物213通过在反应器205的渗透区299中渗入氧气与反应物225和蒸汽231的反应而产生。从反应205排出的结果产物为热合成气体213，一般在从500℃至1200℃的膜操作温度范围，而具有从约900℃至1100℃的温度更好。膜的温度由平衡反应的总热量与反应器内气流的温升所发出的显热而保持在约500℃至1200℃之间。参见题为“集成固体电解质离子导体分离器与冷却器”(代理人案卷号No.D-20356)的美国专利申请系列号No.＿＿，及题为“固体电解质离子导体反应器设计”(代理人案卷号No.D-2-352)的美国专利申请系列号No.＿＿，两专利与本专利一起提交并均包括于此作为参考。
合成气体产物213在高温下从反应器205排出。多种设备可以用于将来自合成气体产物223的热量传导至系统210中其他受热元件。合成气体213的温度最初任选地用冷却剂265降低以形成具有通常可以控制用于传统设备中热交换的温度的合成气流218。冷却剂265最好用水，但也可是任何本专业技术人员所知的冷却剂。然后合成气流218与水流241相对通过锅炉boiler设备216，以使水流241转变为蒸汽242，并形成合成气流219。合成气流219保持足够的热量，使合成气流219在热交换器211中向压缩含氧气流251、反应物225和作为慢化剂气流231排出的蒸汽242的一部分传导热量。合成气流220的结果温度足够高，以便在另一热交换设备217中仍向水261传热，这样形成最终的合成气体产物227，并将冷水261变成温水241。
氧耗尽压缩滞留物排出气流222由反应器205的滞留物区298排出，并被加入气轮机燃烧器208，后者消除燃气轮机293的操作温度对反应器205的操作温度的影响。加热的氧耗尽压缩气流247从燃烧器208中排出，并进入扩张气轮机215以产生净功230。轴输出功率(shaft power)可用于通过发电机产生电力，或驱动另一如压缩器的设备。
任选地，膨胀的氧耗尽气流214进行Rankine发电循环的操作。热气流214进入多个热交换器234、236和245分别产生沸腾的气流235、温气流244和废蒸汽224。
泵221驱动水240，它包括补充水239和来自冷凝器223的水238，与膨胀氧耗尽气流214相反的方向顺序通过热交换器245、236和234，由燃气轮机293排出。在此实施例中，被电机驱动的水240通过多个热交换器245、236、234，分别以流255、256、258的形式排出。将蒸汽258馈入蒸汽轮机260产生净功259，以驱动电机或需要用电的如压缩器及给水泵221的其他设备。冷凝器223将蒸汽237变为水238。
水240的一部分，在进入热交换器245之前，产生水流261并与热合成气流220反向通过热交换器217而被加热，以水流241的形式流出热交热器217。在热交换器216中水流241与合成气流213反向进一步加热，产生蒸汽242。
蒸汽242在热交换器211中与合成气流219反向被进一步加热，产生过热蒸汽231，后者为反应器205内渗透区299中渗入氧气与反应物225的反应的慢化剂。最好将含氧气流206的一部分馈入燃烧器208，以便向燃烧器提供更多的含氧气体。
在图2的另外一个实施例中，如虚线和短划线所示，设有中间冷却器233和压缩器207。气流251以进入压缩器207之前进入中间冷却器233冷却所述气体，以降低压缩器的功率。压缩器207用于提高组合气流251的压力。中间冷却器233为任选的。从气体压缩器207排出的气体进入热交换器211。
来自Rankine循环的蒸汽可重新循环。蒸汽242的一部分在进入热交换器211之前，被分成蒸汽267。蒸汽267被转向、以便用于Rankine循环中重新循环并与流256组合在一起。在此实施例中，来自Rankine循环的水产生的并由合成气体产物流218和220加热的蒸汽261的一部分，被重新循环以通过蒸汽轮机260发电(259)。
图3的系统310表示了一个按照本发明与燃气轮机结合成整体用于产生合成气体和发电的包括反应器的离子传输膜的最佳实施例。在此实施例中，用于离子交换反应器的含氧气体被以与反应物和蒸汽流相对的逆流方向馈入反应器。在反应器的氧渗透区产生的热量足以将离子传输膜维持在足够高的温度，以使氧气有可能通过离子传输膜继续传输，而在进入反应器之前不将含氧气体升高到高温。所要求的进入温度视热平衡和向反应器内部的热传导而定，且要求膜温度必须保持在低于1250℃左右。结果是，馈入反应器的含氧气体不要求像气体通过燃烧器加热的情况那样，要求压缩的含氧气体被升高约600℃至900℃的温度范围；相反将被馈入反应器的压缩的含氧气体仅要求气流在200℃至400℃度的温度之上，如通过本专业技术人员所知的传统的同流换热器进行加热。另一替代方案，所需热传导可内部地加于反应器。请注意在采用离子传输膜的工艺的开始阶段，或许要求具有很高温度的气体馈入，它能有效启动氧透过膜的能力的反应。一旦渗入的氧与反应物和慢化剂的反应开始，从其中导致的热量产生足以利用压缩含氧气体和其他较低温度的材料维持继续反应的温度，就不要求来自燃烧器的具有高温的加热气体了。
具体地说，本实施例仅利用了含氧气流301的一部分，馈入通过离子传输膜397。此处所用的导入离子传输膜的含氧气体的量通常为现有技术条件下机械所限。目前，可用于此处的燃气轮机压缩机把可以从压缩机抽出的空气限制为25％左右。气体的剩余部分被导入燃烧器308。结果是，压缩的气流348被分成导入反应器305的一部分345，和导入燃烧器308用于驱动燃气轮机315的另一部分。
含氧气流345被导向中间冷却器333和升压压缩器307，形成含氧气流355，它随后借助于反应物302和慢化剂331、最好是蒸汽加热，在加热器311中，全部由合成气流326加热。接着产生的含氧气流323在与反应物325和慢化剂331相反的方向导入反应器305的滞留物区398。含氧气流323的一部分被传输通过离子传输膜397产生氧渗入气体，它与导入反应器305的渗透区399的反应物325和慢化剂331反应。在反应器305的渗入区399内发生渗入含氧气体、反应物325和慢化物331之间的部分氧化(和蒸汽转化)反应，产生从反应器305排出的合成气体产物313。
作为反应器305的膜397的渗透区399中放热反应的结果，合成气体产物313处于高温度。温度必须由反应器内适当的热均衡和热传导装置，保持低于1250℃以避免超出薄膜材料温度容限。合成气体产物313的温度任选地由最好是水的冷却剂339降低，产生合成气流328。热合成气体产物328通过多个热交换器316、311和317，分别由各热交换器产生较冷的气流326、303和327。
由反应器305的滞留物区398排出的氧耗尽滞留物气流351与燃料343合在一起馈入燃烧器308。燃料可以是任何常规燃料，包括如天然气、燃料油或由煤产生的燃气的碳氢化合物。
不导入反应器305的部分压强缩含氧气体348为气流346，它被馈入燃烧器308，提供用于燃烧的大部分氧气，形成与流343和346的混合，产生含氧气流347。
膨胀的氧耗尽气流314用于操作Rankine发电循环。热气流314经过多个热交换装置，以通过各个热交换器降低气流的温度。由燃气轮机315排出的热气流314，然后通过多个319、321和326，分别产生顺序较冷的废流320、322和324。
水流352部分分流进入流332用作反应器305中的慢化剂，并且分成流349以驱动蒸汽轮机329。水流349与气流314反方向通过热交换器326、321和319、依次产生较热的流353、354和336。蒸汽轮机329运行、由蒸汽336产生净功330。蒸汽334由冷凝器冷却为水，产生冷凝水357，它与补充水358合在一起。泵338抽出冷凝水357和补充水358一起形成用于再循环的水。
除提供水外，作为蒸汽轮机329的蒸汽源，流352分成流332，它如上所述通过多个热交换器317、316和311被加热，产生作为反应器305中反应的慢化剂的流331。
作为另一实施例，来自Rankine循环的水流332不被提供作为反应器305中产生合成气体的慢化剂。相反，水流332由独立于Rankine循环的源产生。
作为替代实施例，也提供控制值360以调整由反应器305产生的氧耗尽滞留物气流馈入燃烧器308中。
图4设有系统410，它针对包含反应器的离子传输膜，后者与燃气轮机结合成一体产生氧化产物和发电，且进一步地与气化装置组合在一起。本实施例说明与发电装置结合在一起的离子传输膜的更有效利用。在本实施例中，如图3的系统310中所示，用于离子交换反应器中的压缩含氧气体被以与反应物和蒸汽流相反的方向馈入离子传输反应器。在反应器的氧渗透区产生的热量高到足以维持可以确保氧通过离子传输膜的温度，而不在气体进入反应器之前将含氧气体升高到很高的温度。一般因反应器405中的部分氧化反应有足够的内部热产生，因此，含氧气体425不必在650℃之上。这消除了流423的额外燃烧器之需。
含氧气体401被馈入空气压缩器404，排出压缩的含氧气体448，它被分成馈入燃烧室408的气流446，和馈入离子传输膜反应器405的气流445。
压缩的含氧气流445在热交换器459中由水流461冷却，排出气流462。辅助含氧气流463通过多个压缩器级495和中间冷却器496，产生被压缩且中间冷却的含氧气流465，气流462和464合在一起形成压缩的中间含氧气流465，然后后者通过中间冷却器433、压缩器407和热交换器411(与氧化产物流406热交换)，排出用于馈入反应器405的压缩的燃烧后含氧气流423。
压缩的燃烧后含氧气流423通入反应器405的滞留物区498，以便使氧气穿过离子传输膜497传输到反应器405的渗透区499。反应物402通过热交换器411与流406(蒸汽)换热，作为反应物425排出，与也由热交换器411与流406换热排出的慢化剂431(蒸汽)一起，按照来自压缩含氧气流423的方向馈入在相对侧反应器405的渗透区499。反应物425和慢化剂431由部分氧化反应与渗入氧气反应，而合成气体413从那里的反应器405排出。
氧化产物流413的温度任选地由与冷却剂439，最好是水结合而降低，产生合成流428。然后，氧化产物流428可通过多个热交换器416、411和417依次产生较冷的合成气流406、423和427。然后，氧化产物流427通过冷却器440，作为氧化物470排出。
酸性气体去除装置471从氧化物流470中去除含硫和其他杂质的气体流472以便作进一步处理，即硫回收(sulfur recovery)。无硫合成气体473从酸性气体去除装置471中排出，并用作燃料，在燃烧器408中与氧耗尽气流451和含氧流446合在一起，以驱动扩张气轮机415。
由燃烧器408排出的气体447通过气轮机415发电(418)，并通过轴412驱动压缩器404。
气流414由燃气轮机415排出，并进入Rankine发电循环。气流414在Rankine循环中通过多个热交换器480、482和484，顺序产生较冷废气流481、483和424。水490的一部分491被馈入热交热器484、482和480与气流414、481和483换热，顺序产生较热流485、486和436。产生的过热蒸汽436馈入蒸汽轮机429以便发电(430)。冷凝器435将水蒸汽434冷凝为水457。泵489抽水457形成用于蒸汽轮机429的再循环的水490，或替代地，用于逐渐转化成蒸汽慢化剂431的水432。水流432的一部分也被分形成水流461，它接着通过热交换器459，排出热水流475。热水流475可被再循环，并在通过热交换器482作为馈入蒸汽轮机429的汽436排出之前，与热水流485合在一起。
图5中的系统510提供了一个实施例，其中含氧气体以与反应物和蒸汽流相同的方向馈入离子膜反应器。排出的合成气体产物通过由空气提供的冷源而维持在较低的温度。当二氧化碳被用作任选的慢化剂时，此含氧的馈入气体用于冷却产物流。
含氧气体501被馈入压缩器504，作为压缩含氧气流548排出，它分成馈入燃烧器508的气流540，和被导入中间冷却器533的气流549。辅助含氧气体577通过压缩器506，以排出作为辅助压缩含氧气流的554。气流554与气流549合在一起，形成压缩含氧气流551，后者顺序通过中间冷却器533、压缩器507和热交换器511，以排出加热的压缩气流555。
气流555比在反应器505中提供氧化剂所需的多。因而，此气流中的一部分被分入燃气轮机燃烧器。
燃料552被加入任选的燃烧器529，其中预热的压缩含氧气体555被燃烧，排出作为燃烧后的含氧气体550以馈入反应器505的滞留物区598。压缩的燃烧后含氧气体550的流向与反应物525和慢化剂流的方向相反，它被馈入反应器505的渗透区599。来自压缩的燃烧后含氧气流550的氧气传输通过离子传输膜597，在渗透区599中产生传输的氧气。接着传输的氧气与反应物525和慢化剂531通过部分氧化反应产生反应，由反应器505的渗透区599作为合成气体513排出。任选地，冷却剂539，最好为水，可加入合成气体513中，产生合成气流527，在作为合成气体527排出之前，降低其温度。冷却的合成气体通过热交换器511，并从其中排出合成气流503。空气被用于降低合成气流503的温度。热交换装置517也可用于进一步降低合成产物流503的温度，以排出冷合成气产物527。
反应物502通过热交换器511，排出加热的反应物525。来自Rankine蒸汽循环的水流542被用作慢化剂，并且也在热交换器511中被加热，排出水流531。如上指出的，反应物525和慢化剂531均进入通过反应器505的渗透区599。
由反应器505的滞留物区598排出的为压缩的燃烧后氧耗尽滞留物气流522，它与加热的压缩含氧气流555和燃料543一起，如上所述传至燃气轮机燃烧器508。从其中排出的为燃烧后气流，用于驱动燃气轮机590。扩张气轮机515由轴512连至压缩器504，轴驱动压缩器504，并且发电(518)。燃烧后含氧气流547由燃烧器508排出，并馈入扩张气轮机547，产生气流514。
采用了Rankine发电循环以利用热气流514。气流514在Rankine循环中被馈入多个热交换器580、582和584，顺序排出较凉的废气流581、583和524。水590被馈入热交换器584、582和580与气流583、581和514相向并与之热交换，以依次产生较热的流585、586和蒸汽558，后者被馈入蒸汽轮机529。蒸汽轮机529的运行产生电力530，并产生流537。或用冷凝器535将流537中水蒸汽冷凝为水557。泵589利用补充水558与水557一起，形成水559。加热用于蒸汽轮机529的水559的任选装置，在将加热的水559与由热交换器584排出的水流585合在一起之前，使其一部分591、逆着合成气流503通过热交换器517。
由热交换器582排出的饱和蒸汽586的一部分被分成流542用作反应器505的慢化剂。如以上指出的，流542在热交换器511中被加热，在进入反应器505之前排出过热蒸汽531。
如图6中简要表示的，系统610提供了图2的系统210的替代实施例。在此实施例中，在进入气体循环之前，来自反应器的氧耗尽滞留物气体被部分冷却。
含氧气体601通过压缩器603，产生压缩的含氧气体606。辅助含氧气体677通过压缩器618，排出辅助压缩含氧气体654。压缩含氧气流606的一部分与压缩的含氧气流654合在一起形成压缩的含氧气流651。在通过燃烧器629之前，压缩的含氧气流651依次在中间冷却器633、压缩器607和热交换器611中进行处理，排出压缩的燃烧后含氧气体650。燃烧器燃料652，诸如任意的常规燃料，包括像天然气、燃料油或由煤产生的燃气的碳氢化合物，可被用于馈入燃烧器629。
反应物602的温度由热交换器611升高，形成反应物625。蒸汽644也在热交换器611中被处理，形成蒸汽631。
压缩的燃烧后含氧气流650被馈入反应器605的滞留物区698，产生通过离子传输膜697渗入渗透区699的氧气。向反应器605的渗透区699导入反应物625和慢化剂631促进了反应器605的渗透区699中的部分氧化，从其中排出合成气流613。
合成气体613的温度可以任选地通过加入如水的冷却剂而降低，从其中排出合成气体628。合成气体628的温度由依次通过热交换器616、611和617而降低，从其中依次排出较冷的合成气流626、620和627，作为原始的合成气体产物。
氧耗尽气流622从反应器605的滞留物区698排出，并通过热交换器611，作为较冷的氧耗尽滞留物气流651排出。
合成气体628将热传导至用于反应器605和用于Rankine发电循环的循环的水流中。由Rankine循环排出的水661通过热交换器617和616，从其中依次排出较热的水流641和蒸汽642。蒸汽642被分成蒸汽644和645。蒸汽644在热交换器611中被进一步加热，排出过热蒸汽631。另一方面，蒸汽645进入Rankine循环与蒸汽686合并。
已被馈入并通过热交换器611的气流622排出较冷的气流651。燃料643，它可是任意常规燃料，包括像天然气、燃料油或由煤产生的气体，和气流651及流606的一部分691被用于在燃烧器608中产生热能。气流647通过扩张气轮机615，以便借助于轴612驱动空气压缩器603而发电(630)。从燃气轮机615排出的是膨胀的含氧气体614。
Rankine发电循环利用来自燃气轮机615的气流614。气流614被馈入并通过多个热交换器680、682和684，从其中依次排出较冷的废流681、683和624。水661的一部分被逆着热交换器684、682和680中的流681、683和624馈入Rankine循环热交换装置，从其中依次分别排出较热的水流685和蒸汽686及过热蒸汽658。如以上指出的，来自Rankine循环并由合成气体628和620间接加热的再循环蒸汽645与蒸汽686合在一起。
从热交换器680排出的蒸汽658驱动蒸汽轮机665，产生电力666并产生流637。冷凝器667将水蒸汽637冷凝为水668，后者与补充水669合在一起形成水661。在Rankine循环中，泵670将水流668和669压入水流670。
另一替代实施例是慢化剂的独立源。这里，水流641不被分流。相反，水流642和645为同一水流，并进入Rankine循环中再循环。慢化剂644，它可以是水、二氧化碳、氩或本专业技术人员所知的另一类型慢化剂，来自不在系统610中的源，并在进入反应器605的渗透区699前通过热交换器611。
由图3(在其替代实施例中)和图7提供了对显示了本发明的一些优点的两操作系统的比较。
把图7a和7b的系统710的实施例，与图3的系统310的实施例加以比较。系统710提供了这样的例子，其中，由离子传输膜膜反应器产生的热不与燃气轮机和发电装置结合成整体。这样，图7a简要表示了离子传输膜反应器的工艺过程，而图7b简要表示了均独立于离子传输膜反应器的气体循环和蒸汽循环。所述系统包括燃气轮机、Brayton循环793，而Rankine循环794包括蒸汽轮机。比较与本发明相关的能量要求和资本投资，本发明的优点将十分明显，其中离子传输反应器与气体循环和蒸汽循环发电结合成整体。
在系统710中，用于离子传输反应器705的含氧气体被以与反应物725和慢化剂731相反的流动方向馈入。在反应器705的渗透区799中产生的热量处在足够高的温度下，使得可以获得氧通过离子传输膜797持续传输，而不用在使气体进入反应器705之前燃烧含氧气体。
在图7a中，含氧体气流701被导入离子传输膜798。气流701通过压缩器704和热交换器711作为压缩的加热含氧气体723排出，它被以与反应物流725和慢化剂(蒸汽)流731相反的流动方向馈入反应器705的滞留物区799。反应物流725和蒸汽731被馈入反应器705的渗透区799。
在反应器705的渗透区799中渗入通过传输膜797的氧与反应物725和蒸汽731反应。发生部分氧化反应产生合成气体713，后者由反应器705的渗透区799排出。合成气体的温度任选地通过最好是水的冷却剂降低，由此形成合成气流728。
产生的合成气流728通过多个热交换器716、711和717，以便依次产生较冷的合成气流726、703和原始合成气体产物727。
水728通过多个热交换器717、716和711，以便依次产生较热的水741，和蒸汽742及过热蒸汽731。反应物气流702在热交换器711中被加热，作为加热后的反应物725排出。
在通过扩张器781之前，从反应器705的滞留物区798排出的氧耗尽滞留物气流751任选地通过最好是水流的冷却剂780冷却，由此产生流782和电力783。
另外，在图7b中，含氧气体760在压缩器761中被压缩。从其中排出的压缩的含氧气体762传至燃烧器764。燃料763在燃烧器764中燃烧，而从其中排出压缩的燃烧后含氧气体765。气流767传到扩张气轮机766，产生电力767并通过轴768驱动空气压缩器761。
从燃气轮机766排出的气流769用于操作Rankine发电循环。热气流769经过多个热交换器719、721和759，依次产生较冷的废流720、722和724，分别从热交换器中排出。
在Rankine发电循环中，水流749被馈入多个热交换器759、721和719，以便使热水753和蒸汽754及过热蒸汽736分别从各热交换器中排出。蒸汽736用于驱动蒸汽轮机729，产生电力730和水蒸汽734。冷凝器735将水蒸汽734冷凝为水752，以便借助于马达装置738通过多个热交换器再循环。
表1对利用离子传输膜通过合成气体生产来发电作了总结。此表比较了发电循环和通过离子传输膜反应器的部分氧化过程结合成整体和不结合成整体的情况。
表1发电循环和通过离子传输膜反应器的部分氧化过程结合成整体和不结合成整体的情况的比较
基本情况： 本发明：
未结合通过部分氧化产生的合成气体进行的发电电厂：燃料                505.66(天然气以1b-mol/h为单位)燃料中总btu/h       203,902,017GT模拟，hp          54,384GT功率(×0.98)，kW  39,750GT comp.，hp        26,645GT comp.，kW        19,877水泵，hp            55水泵，kW            41 把发电循环与通过离子传输膜反应器的蒸汽转化结合成整体燃料                  473.9(天然气以1b-mol/h为单位)燃料中总btu/h         191,095,135燃料(POx)in 1b-mol/h  1,000燃料中总btu/h         403,239,365GT模拟，hp            57,833GT功率(×0.98)，kW    42,281GT comp.，hp          29,776GT comp.，kW          22,213
效率为85％的ST         10,021ST产生净功率           7139发电循环产生净功率，kW 27,021离子传输膜/Pox：燃料(天然气以1b-mol/h为单位)1,000燃料中总btu/h          403,239,365空气压缩器，hp         7,708空气comp.，kW          5,750扩张器，hp             7,654.8扩张器，kW             5,596蒸汽循环，kW           0净功                   -154总功率，kW             26,867热率， but/kwh         7,589(仅基于发电循环中使用的燃料)热率， but/kwh         22,598(基于发电循环和POx中使用的燃料) Booster comp.，hp      325Booster comp.，kW      242水泵，hp               57水泵，kW               43效率为85％的ST         10,532ST产生净功率           7,511发电循环产生净功率，kW 27,336热率，    but/kwh    6,991(仅基于发电循环中使用的燃料)热率，    but/kwh    21,742(基于发电循环和POx中使用的燃料)
以5c/kWh计有较高的营业额  美元/年  187,706燃料节约  美元/年                  224.987压缩器和扩张器投资节约             2,000,000前提条件是：操作：8,000小时/年燃料：天然气(HHV)为2.20美元/MMbtu
比较把发电循环和通过离子传输膜分离器的部分氧化过程结合成整体的情况，本发明结合成整体的系统明显比未结合成整体的系统具有经济上的优点。在系统310的替代实施例和在系统710中，由1,0001b-mol/h的天然气产生等量的合成气体。然而，在本发明的结合成整体的工艺中，由于更好的热积累而产生了更多的电。结果是，对比基本情况(未结合成整体)下的26,867kW净功率，由结合成整体的工艺产生了27,336kW的净功率。对于两实施例中燃气轮机相等的功率输出，结合成整体的工艺少用6％的燃料。基于通常8000小时/年的操作，和在2.20美元/MMbtu的天然气(HHV)成本，本发明的结合成整体的系统，以5美分/kWh计，预计每年能将营业额大幅提高188,000美元，并节约燃料成本225,000美元。另外，免于分别使用合成气体产生的压缩器和扩张器，一次性节约资本约200万美元。
可利用按照本发明的离子传输系统改造现有的燃气轮机发电系统。这些系统包括由纽约Schenectady的通用电气、德国西门子或瑞典ABB提供的系统。对这些燃气轮机系统的修改很小，包括另加气流馈入离子传输级和排气馈入燃烧器，它将气体提供给扩张气轮机。
这里采用的离子传输膜由密集的陶瓷氧化物或氧化物的混合物构成，具有由缺陷或引入掺杂剂(如Y、Sr、Ba、Ca等)引起在其晶格中氧空穴的特征。空穴扩散机制为氧离子通过晶格传输的方式。一般地，操作期间，应维持升高的温度(400℃至1250℃，比如在500℃至1200℃的范围内，最好在900℃至1100℃左右)，以达到空穴的高度移动性。大的空穴密度与空穴的高度移动性一起形成通过材料的快速氧离子传输的基础，离子传输膜由该材料构成。由于仅有氧离子可能占据晶格，理想的离子传输膜具有极大的氧选择性。
适合于此处的离子传输膜可由为混合导体的材料制成，它不需要外电路来促进电子运动。实例包括双相(dual-phase)膜。不同离子传输膜组合的使用公开于1995年5月18日提交的题为“压力驱动的固体电解质膜气体分离方法”的美国专利No 08/444,354中，它包括于此以作参考。
遵照本发明的精神可采用不同类型的离子传输材料。例如，离子传输膜可由主要为氧离子导体，诸如氧化钆-稳定剂(stabilized)-氧化锆(“YSZ”)，夹于两多孔电极之间的材料构成。实际中，氧分子通过多孔电极之一扩散至电解质表面，在那里分解为氧离子。第一多孔电极为该过程提供电子。氧离子通过所述电极扩散并到达第二电极，在那里发生复合，由此形成氧分子，并在过程中释放电子。在外电路下电子返回第一多孔电极用于氧电离。
作为替代方案，本发明中使用的离子膜可由既传导氧离子又传导电子的材料构成。此材料常常被称为混合导体。对于混合导体离子传输膜，电子从其中自身通过离子传输膜的电传导，返回离子传输膜的高氧分压强的一侧，由此免去了外电路之需。
相信离子传输膜至今未有商业提供。然而，用于准备离子传输膜的材料可由，如华盛顿Woodinville的Praxair Specialty Chemicals公司获得。
用于准备离子传输膜的商业提供的材料可由传统技术制造，如挤压成形、流铸(slip coating)、压制(calendaring)、浸涂、旋涂及此类的方法，形成厚支撑膜、和稳定的多孔基片支撑的薄膜，形成碟形或管形。离子传输膜的厚度应小于5000μm，最好小于500μm，而小于50μm就更好。如果薄膜厚度大(例如，在1000μm左右)，离子传输膜可自支撑。
另外替代地，离子传输膜可为薄膜形式，它可由多孔支持片支撑，具有在500μm至5000μm范围内的厚度。此多孔基片可由与离子传输膜本身相同或不同的材料构成。混合导体型离子传输膜可由包括于以下表2所列各种材料制备。在表2中，δ为对氧化学计量的偏离。另外，x和y的值可随材料组成而不同。表2  混合传导固体电解质
材料组成1.(La1-xSrx)(Co1-yFey)O3-δ(0≤x≤1，o≤y≤1，δ根据化学计量法决定)2.SrMnO3-δSrMn1-xCoxO3-δ(0≤x≤1，o≤y≤1，δ根据化学计量法决定)Sr1-xNaxMnO3-δ3.BaFe0.5Co0.5YO3SrCeO3YBa2Cu3O7-β(0≤β≤1，β根据化学计量法决定)4.La0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O2.6Pr0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O2.65.AxA’x’A”x”ByB’y’B”y”O3-z(x，x’，x”，y，y’，y”均在0至1的范围)
  其中：A，A’，A”为1、2、3族元素和f区block的镧
        B，B’，B”为d区block的跃迁transition金属6.(a)Co-La-Bi型    氧化钴    15-75摩尔％
                氧化镧    13-45摩尔％
                氧化铋    17-50摩尔％(b)Co-Sr-Ce型    氧化钴    15-40摩尔％
                氧化锶    40-55摩尔％
                氧化铈    15-40摩尔％(c)Co-Sr-Bi型    氧化钴    10-40摩尔％
                氧化锶    5-50摩尔％
                氧化铋    35-70摩尔％(d)Co-La-Ce型    氧化钴    10-40摩尔％
                氧化镧    10-40摩尔％
                氧化铈    30-70摩尔％(e)Co-La-Sr-Bi型 氧化钴    15-70摩尔％
                  氧化镧    1-40摩尔％
                  氧化锶    1-40摩尔％
                  氧化铋    25-50摩尔％(f)Co-La-Sr-Ce型   氧化钴    10-40摩尔％
                  氧化镧    1-35摩尔％
                  氧化锶    1-35摩尔％
                  氧化铈    30-70摩尔％7.Bi2-x-yM’xMyO3-δ(0≤x≤1，o≤y≤1，δ根据化学计量法决定)其中：M’为Er，Y，Tm，Yb，Tb，Lu，Nd，Sm，Dy，Sr，Hf，Th，Ta，Nb，Pb，SnIn，Ca，Sr，La和其混合物M为Mn，Fe，Co，Ni，Cu和其混合物8.BaCe1-xGdxO3-x/2其中x为0至1左右。9.成份公开于美国专利5,306,411(Mazanec et al.)的AsA’tBuB’vB”wOx族材料之一如下：
A代表La或Y，或其混合物；
A’代表铝土金属或混合物；
B代表Fe；
B’代表Cr或Ti，或其混合物；
B”代表Mn，Co，V，Ni，Cu或其混合物；
而s，t，u，v，w和x满足：
s/t在从0.01左右到100左右；
u在从0.01左右到1左右；
v在从0到1左右；
w在从0到1左右；
x为满足分子式中A，A’，B，B’，B”化合价之数；
且0.9＜(s+t)/(u+v+w)＜1.110.La1-xSrxCu1-yMyO3-δ族的材料之一，其中：
M代表Fe或Co；
x在从0到1左右；
y在从0到1左右；
δ为满足分子式中La，Sr，Cu和M的化合价之数。11.Ce1-xAxO2-δ族的材料之一，其中：
A代表La，Ru或Y，或其混合物；
x在从0到1左右；
y在从0到1左右；
δ为满足分子式中Ce和A的化合价之数。12.Sr1-xBixFeO3-δ族的材料之一，其中：
A代表La或Y，或其混合物；
x在从0到1左右；
y在从0到1左右；
δ为满足分子式中Ce和A的化合价之数。13.SrxFeyCuzOw族的材料之一，其中：
x在从0到1左右；
y在从0到1左右；
z在从0到1左右；
w为满足分子式中Sr，Fe和Co的化合价之数。14.双相混合导体(电子的/离子的)：
(Pd)0.5/(YSZ)0.5
(Pt)0.5/(YSZ)0.5
(B-MgLaCrOx)(YSZ)0.5
(In90％Pt10％)0.6/(YSZ)0.5
(In90％Pt10％)0.5/(YSZ)0.5
(In95％Pr2.5％Zr2.5％)0.5/(YSZ)0.5
对1至13中所述材料中的任一种加有高温金属相(例如，Pd，Pt，Ag，Au，Ti，Ta，W)
表2中第14项混合电/离子导体为双相混合导体，它由离子传导相和电子传导相的物理混合构成。为在阳极处的还原应用，最好是含有混合导体材料的铬，因为它在低氧分压强下具有较好的稳定性。
基于离子导体的电驱动离子传输膜可从以下表3的材料中选择。
表3离子导体离子传输材料
15.(Bi2O3)x(My1Oy2)1-x，其中M可从Sr，Ba，Y，Gd，Nb，Ta，Mo，W，Cd，Er和其混合物中选择，而x大于等于0且小于等于1。
16.CaTi0.7Al0.3O3-x，其中x大于等于0且小于等于1。
17.CaTi0.5Al0.5O3-x，其中x由化学计量法决定。
18.CaTi0.95Al0.05O3-x，其中x由化学计量法决定。
19.ZrO2-Tb4O7
20.ZrO2-T2O3-Bi2O3
21.BaCeO3：Gd
22.BaCeO3；BaCeO3：Y；BaCeO3：Nd
23.LaxSr1-xGayMg1-yO3-d，其中x大于等于0且小于等于1，y大于等于0且小于等于1，而d由化学计量法决定。
对于特定应用，所选的离子传输膜的大小通常与从其中通过的氧通量相关(即单位时间单位面积通过的氧气量)。人们希望得到大的氧通量值，以使较小的离子传输膜面积可用于有效地从进入离子传输膜的加热的压缩气体中去除氧气。较小的离子传输膜面积减少了投资。在离子传输膜任一位置的氧通量取决于很多因素，包括电解质的离子传导率、膜的厚度和氧化学势之差。膜型气体反应所选材料倾向于具有足够的导电率的稳定性最优的材料。由于高的氧压力比驱动力，可得到较佳的导电率。将离子传输膜维持在相当高的温度(一般在400℃以上，更典型地在600℃以上)对本发明的工艺中的性能优化和系统很有好处，因为离子传输膜在升高的温度下具有更好的导电率，且导电率随着温度升高而升高。较高的温度也在离子传输膜的表面提高了交换过程的表面动力。
仅为方便，本发明的特征显示于一个或多个附图中，因为每一特征可以与按照本发明的其他特征结合在一起。本专业技术人员将可识别替代实施例，这些替代的实施例被包括在权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.与发电的燃气轮机系统结合在一起产生氧化产物的工艺过程包括以下步骤：
(a)在反应器中，使压缩且加热的含氧气流与至少一种固体电解质氧离子传输膜相接触，所述反应器具有由所述膜隔开的滞留物区和渗透区，其中至少氧的一部分穿过所述膜，从所述滞留物区传输至渗透区，产生渗透流和氧耗尽滞留物流；
(b)将反应物传到所述渗透区与所述传输的氧反应，从其中产生氧化产物；
(c)将所述氧耗尽滞留物流加入燃气轮机燃烧器；和
(d)在燃气轮机中从所述燃气轮机燃烧器回收的所述燃烧后氧耗尽气流膨胀，由此发电。
2.权利要求1的工艺过程，其特征在于所述压缩的含氧气体是在步骤(a)之前从燃气轮机压缩器中抽出的。
3.权利要求1的工艺过程，其特征在于它还包括从所述气轮机获得膨胀的氧耗尽气流，以及从所述膨胀的氧耗尽气流回收热量。
4.权利要求1的工艺过程，其特征在于所述含氧气流的一部分被至少部分地由气轮机驱动的压缩器压缩，以及在步骤(a)中接触所述膜之前，辅助压缩含氧气流被加入所述压缩含氧气流中。
5.权利要求1的工艺过程，其特征在于在传至所述渗透区之前，所述反应物与慢化剂混合。
6.权利要求1的工艺过程，其特征在于所述渗透流被引导来预热所述含氧气流和所述反应物。
7.权利要求1的工艺过程，其特征在于所述含氧气流以与步骤(b)中所述反应物的所述流的方向相反的方向流动。
8.权利要求1的工艺过程，其特征在于所述膜的操作温度在从大约500℃至大约1200℃的范围内。
9.与发电的燃气轮机系统结合在一起产生基本上无硫的氧化产物气体的工艺过程包括以下步骤：
(a)在反应器中，使压缩且加热的含氧气流与至少一种固体电解质氧离子传输膜相接触，所述反应器具有由所述膜隔开的滞留物区和渗透区，其中至少氧的一部分穿过所述膜，从所述滞留物区传输至渗透区，产生渗透流和氧耗尽滞留物流；
(b)将反应物传到所述渗透区与所述传输的氧反应，从其中产生氧化产物；
(c)将来自步骤(b)的所述氧化产物通入酸气去除剂中以回收硫，产生基本上无硫的部分氧化产物；
(d)在燃气轮机的燃烧器中燃烧所述无硫的部分氧化产物；和
(e)从燃气轮机燃烧器中回收的所述燃烧后氧耗尽气流在燃气轮机扩张器中膨胀，由此发电。
10.权利要求9的工艺过程，其特征在于辅助压缩含氧气流在与步骤(a)中所述膜接触之前，被加入所述压缩的含氧气流中。
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