使用離子傳輸膜生產(chǎn)氧和氮的方法和裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了使用離子傳輸膜組件生產(chǎn)氧產(chǎn)物氣體和氮產(chǎn)物氣體的方法和裝置。所述裝置包括至少兩個(gè)離子傳輸膜組件和在所述離子傳輸膜組件中之一的下游的渦輪膨脹機(jī)。在所述方法中，含氧和氮?dú)怏w被引入到所述離子傳輸膜組件中的第一個(gè)中以產(chǎn)生貧氧氣體和氧產(chǎn)物氣體。所述貧氧氣體被分割，第一部分在渦輪膨脹機(jī)中膨脹而第二部分被引入到所述離子傳輸膜組件中的第二個(gè)中。從第二離子傳輸膜組件抽出富氮產(chǎn)物氣體和另外的氧產(chǎn)物氣體。
【專(zhuān)利說(shuō)明】使用離子傳輸膜生產(chǎn)氧和氮的方法和裝置
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的奪叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年2月28日提交的標(biāo)題為"Porcess and Apparatus for Producing Oxygen and Nitrogen using Ion Transport Membranes (使用離子傳輸膜生產(chǎn) 氧和氮的方法和裝置）"的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)61/770, 761的優(yōu)先權(quán)，該臨時(shí)專(zhuān)利申 請(qǐng)以引用方式并入本文。
[0003] 關(guān)于聯(lián)邦政府咨助的研究或開(kāi)發(fā)的聲明
[0004] 本發(fā)明根據(jù)氣體產(chǎn)品和化學(xué)公司（Air Products and Chemicals, Inc.)與美國(guó)能 源部之間的合作協(xié)議第DE-FC26-98FT40343號(hào)在政府支持下進(jìn)行。美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明享有 一定權(quán)利。

【背景技術(shù)】
[0005] 通過(guò)使用混合傳導(dǎo)多組分金屬氧化物膜，可以在高溫下分離空氣產(chǎn)生高純度氧。 這些膜通過(guò)氧離子的選擇性傳輸來(lái)操作并可以描述為離子傳輸膜。離子傳輸膜中使用的混 合傳導(dǎo)多組分金屬氧化物材料傳導(dǎo)氧離子和電子二者，其中經(jīng)傳輸?shù)难蹼x子在膜的產(chǎn)物側(cè) 重新結(jié)合以形成氧氣。
[0006] 離子傳輸膜分離系統(tǒng)的進(jìn)料氣為含有氧和氮的氣體（例如，空氣），所述氣體在膜 系統(tǒng)之前被壓縮并加熱到通常在〇. 7MPa(100psia)至4. lMPa(60psia)范圍的壓力和通常 在750°C至950°C范圍的溫度。一部分進(jìn)料氣傳輸通過(guò)膜并作為熱的高純度氧產(chǎn)品進(jìn)行回 收。進(jìn)料氣的剩余部分是氧部分貧化的并仍然含有顯著量的熱和壓力能。
[0007] 所述熱的、加壓的貧氧氣體可用在眾多工藝應(yīng)用中。例如，可在膨脹渦輪機(jī)中回收 所述氣體中的顯著量的熱和壓力能以改善產(chǎn)氧的總體經(jīng)濟(jì)學(xué)?？梢詫㈦x子傳輸膜系統(tǒng)與氣 體渦輪機(jī)（燃燃燒渦輪機(jī)）系統(tǒng)在各種工藝布置中進(jìn)行集成，以?xún)?yōu)化兩種系統(tǒng)的運(yùn)行。
[0008] 適于生產(chǎn)噸量級(jí)氧的離子傳輸膜（ITM)系統(tǒng)使用混合傳導(dǎo)多組分金屬氧化物膜 材料，所述材料基于進(jìn)給側(cè)和產(chǎn)物側(cè)之間氧分壓的差異來(lái)傳輸氧。因此，在進(jìn)料中氧分壓 等于產(chǎn)物中氧分壓時(shí)，發(fā)生最大理論氧回收，并且需要無(wú)限的膜面積來(lái)達(dá)到此條件。例如， 當(dāng)純氧產(chǎn)物在103kPa(15psia) (p02 = 103kPa(15psia))下并且具有20摩爾％氧（p02 = 413kPa(60psia))的含氧和氮的進(jìn)氣在2068kPa(300psia)下時(shí)，在貧氧氣流中僅剩余5摩 爾％的氧時(shí)發(fā)生最大理論氧回收。作為實(shí)際的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，貧氧流很可能含有多若干摩爾％ 的氧。因此，難以設(shè)計(jì)ITM系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生具有低氧含量的高壓氮產(chǎn)物，并且從貧氧流去除最后 百分之幾的氧可能需要非常大的膜表面積。
[0009] ITM系統(tǒng)的協(xié)同應(yīng)用涉及到集成氣化組合循環(huán)（IGCC)工廠(chǎng)，其通常需要大量的氧 以便氣化并需要大量的富氮?dú)怏w以用作稀釋劑來(lái)控制氣體渦輪機(jī)中NOx形成。這種稀釋劑 氮流的典型最大氧含量為約2摩爾％，但是在使用替代的燃燒控制策略例如控制NOx的一 些應(yīng)用中可采用最高16摩爾％的濃度。一種實(shí)現(xiàn)氧水平小于約2摩爾％的途徑是簡(jiǎn)單地 伸展總壓力的界限（即增加ITM進(jìn)料氣的壓力和/或減小氧產(chǎn)物的壓力）直至在合理的膜 面積需求下貧氧流達(dá)到所需的氧含量。這種策略導(dǎo)致顯著增加資本和操作成本以用于主要 的輔助設(shè)備，例如要求更高壓力比的空氣和/或氧壓縮機(jī)、更大的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高溫?zé)?交換器的更高壓力等級(jí)或氧冷卻設(shè)備和管道的更低允許壓降。實(shí)現(xiàn)氧水平小于約2摩爾％ 的另一替代方法在授予Keskar等人的EP O 916 385中進(jìn)行論述，其中來(lái)自離子傳輸分離 器的滯留物流被送到經(jīng)反應(yīng)性吹掃的離子傳輸分離器。所述經(jīng)反應(yīng)性吹掃的離子傳輸分離 器起到脫氧單元的作用，其通過(guò)離子傳輸將殘余的氧分離到陽(yáng)極側(cè)，在這里，所述氧與燃料 吹掃流反應(yīng)產(chǎn)生非常低的氧分壓并從而增強(qiáng)氧移除。
[0010] 本領(lǐng)域中需要改進(jìn)的聯(lián)產(chǎn)高純度氧產(chǎn)物和富氮產(chǎn)物的離子傳輸膜方法和系統(tǒng)。還 需要通過(guò)從來(lái)自離子傳輸膜系統(tǒng)的任何熱的加壓的流出氣流中回收能量來(lái)使這些方法的 總效率最大化。這些需求通過(guò)下文描述且由附隨的權(quán)利要求限定的本發(fā)明實(shí)施方式得以解 決。


【發(fā)明內(nèi)容】
toon] 本發(fā)明涉及使用離子傳輸膜生產(chǎn)氧和氮的裝置和方法。
[0012] 所述裝置和方法有如下概述的若干方面。括號(hào)中給出的附圖標(biāo)記號(hào)和表達(dá)涉及下 文參考附圖進(jìn)一步說(shuō)明的示例性實(shí)施方式。然而，所述附圖標(biāo)記號(hào)和表達(dá)僅是示意性的而 不是將所述方面限于示例性實(shí)施方式的任何特定部件或特征。所述方面可闡述為權(quán)利要 求，在其中，括號(hào)中給出的附圖標(biāo)記號(hào)和表達(dá)視情況被略去或被其它的所替代。
[0013] 方面1、生產(chǎn)聯(lián)產(chǎn)物氧和氮流的裝置，所述裝置包括：
[0014] 第一離子傳輸膜組件（10)，其具有用于向第一離子傳輸膜組件（10)中引入包含 氧和氮的含氧和氮?dú)怏w（5)的入口、用于從第一離子傳輸膜組件（10)抽出貧氧氣體（13) 的第一出口和用于從第一離子傳輸膜組件（10)抽出氧產(chǎn)物氣體（15)的第二出口；
[0015] 渦輪膨脹機(jī)（40)，其具有用于向渦輪膨脹機(jī)（40)中引入渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料（85)的 入口和用于從渦輪膨脹機(jī)（40)抽出廢氣（45)的出口，所述渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料由貧氧氣體 (13)的第一部分形成，所述渦輪膨脹機(jī)（40)的入口與第一離子傳輸膜組件（10)的第一出 口下游流體流動(dòng)連通；和
[0016] 第二離子傳輸膜組件（20)，其具有用于向第二離子傳輸膜組件（20)中引入進(jìn)料 (19)的入口、用于從第二離子傳輸膜組件（20)抽出氮產(chǎn)物氣體（23)的第一出口和用于從 第二離子傳輸膜組件（20)抽出氧產(chǎn)物氣體（25)的第二出口，所述進(jìn)料由貧氧氣體（13)的 第二部分形成，第二離子傳輸膜組件（20)的入口與第一離子傳輸膜組件（10)的第一出口 下游流體流動(dòng)連通；
[0017] 其中所述第二離子傳輸膜組件（20)不與所述渦輪膨脹機(jī)（40)下游流體流動(dòng)連 通,和
[0018] 其中所述渦輪膨脹機(jī)（40)不與所述第二離子傳輸膜組件（20)下游流體流動(dòng)連 通。
[0019] 方面2、方面1的裝置，還包括：
[0020] 氧壓縮機(jī)（100)，其具有入口和出口，氧壓縮機(jī)（100)的入口與以下至少之一下游 流體流動(dòng)連通：第一離子傳輸膜組件（10)的第二出口以從第一離子傳輸膜組件（10)接收 氧產(chǎn)物氣體（15)，和第二離子傳輸膜組件（20)的第二出口以從第二離子傳輸膜組件（20) 接收氧產(chǎn)物氣體（25)
[0021] 方面3、方面1的裝置，還包括：
[0022] 氧壓縮機(jī)（100)，其具有入口和出口，氧壓縮機(jī)（100)的入口與第一離子傳輸膜 組件（10)的第二出口下游流體流動(dòng)連通以從第一離子傳輸膜組件（10)接收氧產(chǎn)物氣體 (15)，并與第二離子傳輸膜組件（20)的第二出口下游流體流動(dòng)連通以從第二離子傳輸膜 組件（20)接收氧產(chǎn)物氣體（25)。
[0023] 方面4、方面1至3中任一方面的裝置，還包括至少一個(gè)流動(dòng)控制裝置（6, 8)，其適 于控制去往渦輪膨脹機(jī)（40)的渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料（85)的流率和/或去往第二離子傳輸膜組 件（20)的進(jìn)料（19)的流率。
[0024] 方面5、方面1至4中任一方面的裝置，還包括具有燃燒室的氣體渦輪燃燒發(fā)動(dòng)機(jī) (50)，所述燃燒室具有燃燒區(qū)和燃燒區(qū)下游的稀釋區(qū)，所述氣體渦輪燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)（50)具有 用于引入低氧含量稀釋氣體（55)的入口、用于引入燃料（51)的入口和用于引入含氧氣體 (53)的入口，所述低氧含量稀釋氣體（55)由氮產(chǎn)物氣體（23)形成，所述燃燒區(qū)和/或稀釋 區(qū)與第二離子傳輸膜組件（20)的第一出口下游流體流動(dòng)連通以接收由氮產(chǎn)物氣體（23)形 成的低氧含量稀釋氣體（55)。
[0025] 方面6、生產(chǎn)聯(lián)產(chǎn)物氧和氮流的方法，所述方法包括：
[0026] 提供方面1至5中任一方面的裝置；
[0027] 向第一離子傳輸膜組件（10)的入口中引入包含氧和氮的含氧和氮?dú)怏w（5)，所述 含氧和氮?dú)怏w（5)具有750°C至950°C的溫度和689kPa至4136kPa的壓力，從第一離子傳 輸膜組件（10)的第一出口抽出貧氧氣體（13)，和從第一離子傳輸膜組件（10)的第二出口 抽出第一氧產(chǎn)物氣體（15);
[0028] 將貧氧氣體（13)分割成第一部分和第二部分；
[0029] 使由貧氧氣體（13)的第一部分形成的渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料（85)在渦輪膨脹機(jī)（40) 中膨脹以回收軸功或電能并從渦輪膨脹機(jī)（40)提供廢氣（45);和
[0030] 向第二離子傳輸膜組件（20)的入口中引入由貧氧氣體（13)的第二部分形成的 進(jìn)料（19)，從第二離子傳輸膜組件（20)抽出具有689kPa至4136kPa的壓力的氮產(chǎn)物氣體 (23)，和從第二離子傳輸膜組件（20)的第二出口抽出氧產(chǎn)物氣體（25)。
[0031] 方面7、使用方面1至5中任一方面的裝置生產(chǎn)聯(lián)產(chǎn)物氧和氮流的方法，所述方法 包括：
[0032] 向第一離子傳輸膜組件（10)的入口中引入包含氧和氮的含氧和氮?dú)怏w（5)，所述 含氧和氮?dú)怏w具有750°C至950°C的溫度和689kPa至4136kPa的壓力，從第一離子傳輸膜 組件的第一出口抽出貧氧氣體，和從第一離子傳輸膜組件（10)的第二出口抽出氧產(chǎn)物氣 體（15);
[0033] 將貧氧氣體（13)分割成第一部分和第二部分；
[0034] 使由貧氧氣體的第一部分形成的渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料在渦輪膨脹機(jī)中膨脹以回收軸 功或電能并從渦輪膨脹機(jī)提供廢氣；和
[0035] 向第二離子傳輸膜組件的入口中引入由貧氧氣體的第二部分形成的進(jìn)料，從第二 離子傳輸膜組件抽出具有689kPa至4136kPa的壓力的氮產(chǎn)物氣體，和從第二離子傳輸膜組 件的第二出口抽出氧產(chǎn)物氣體（25)。
[0036] 方面8、方面6或方面7的方法，還包括：
[0037] 選擇含氧和氮?dú)怏w（5)的工作壓力范圍；
[0038] 選擇來(lái)自第一離子傳輸膜組件（10)的氧產(chǎn)物氣體（15)的工作壓力范圍；
[0039] 選擇來(lái)自第二離子傳輸膜組件（20)的氧產(chǎn)物氣體（25)的工作壓力范圍；
[0040] 選擇去往第二離子傳輸膜組件（20)的進(jìn)料（19)的工作壓力范圍；
[0041] 選擇第一離子傳輸膜組件（10)的工作溫度范圍；和
[0042] 選擇第二離子傳輸膜組件（20)的工作溫度范圍；
[0043] 其中所述第一離子傳輸膜組件（10)包括第一數(shù)量的膜單元，所述第二離子傳輸 膜組件（20)包括第二數(shù)量的膜單元，并且其中所述第一數(shù)量的膜單元和所述第二數(shù)量的 膜單元各自以針對(duì)含氧和氮?dú)怏w（5)的選定工作壓力范圍、來(lái)自第一離子傳輸膜組件（10) 的氧產(chǎn)物氣體的選定工作壓力范圍、來(lái)自第二離子傳輸膜組件（20)的氧產(chǎn)物氣體的選定 工作壓力范圍、去往第二離子傳輸膜組件（20)的進(jìn)料（19)的選定工作壓力范圍、第一離子 傳輸膜組件（10)的選定工作溫度范圍和第二離子傳輸膜組件（20)的工作溫度范圍足以提 供氧濃度小于約2摩爾％氧的氮產(chǎn)物氣體（23)的數(shù)量提供。
[0044] 方面9、方面6至8中任一方面的方法，其中去往第二離子傳輸膜組件（20)的進(jìn)料 (19)具有摩爾流率，并且其中所述第一離子傳輸膜組件（10)包括第一數(shù)量的膜單元，所述 第二離子傳輸膜組件（20)包括第二數(shù)量的膜單元，其中所述第一數(shù)量的膜單元和所述第 二數(shù)量的膜單元足以提供氧濃度小于約2摩爾％氧的氮產(chǎn)物氣體（23)，所述方法還包括：
[0045] 調(diào)節(jié)含氧和氮?dú)怏w（5)的壓力；
[0046] 調(diào)節(jié)來(lái)自第一離子傳輸膜組件（10)的氧產(chǎn)物氣體（15)的壓力；
[0047] 調(diào)節(jié)來(lái)自第二離子傳輸膜組件（20)的第二氧產(chǎn)物氣體（25)的壓力；
[0048] 調(diào)節(jié)去往第二離子傳輸膜組件（20)的進(jìn)料（19)的壓力；
[0049] 調(diào)節(jié)第一離子傳輸膜組件（10)中的溫度；和
[0050] 調(diào)節(jié)第二離子傳輸膜組件（20)中的溫度；
[0051] 其中調(diào)節(jié)含氧和氮?dú)怏w（5)的壓力、來(lái)自第一離子傳輸膜組件（10)的氧產(chǎn)物氣體 (15)的壓力、來(lái)自第二離子傳輸膜組件（20)的氧產(chǎn)物氣體（25)的壓力、去往第二離子傳輸 膜組件（20)的進(jìn)料（19)的壓力、第一離子傳輸膜組件（10)中的溫度和第二離子傳輸膜組 件（20)中的溫度以針對(duì)去往第二離子傳輸膜組件（20)的進(jìn)料（19)的摩爾流率提供氧濃 度小于約2摩爾％氧的氮產(chǎn)物氣體（23)。
[0052] 方面10、方面6至9中任一方面的方法，還包括向氣體渦輪機(jī)（50)的燃燒室中引 入低氧含量稀釋氣體（55)，所述低氧含量稀釋氣體（55)由氮產(chǎn)物氣體（23)形成。
[0053] 方面11、方面11的方法，其中所述低氧含量稀釋氣體（55)由氮產(chǎn)物氣體（23)形 成而不壓縮氮產(chǎn)物氣體（23)。
[0054] 方面12、方面6至11中任一方面的方法，其中將來(lái)自第一離子傳輸膜組件（10)的 氧產(chǎn)物氣體（25)的壓力調(diào)節(jié)為與來(lái)自第二離子傳輸膜組件（20)的氧產(chǎn)物氣體的壓力相差 在20kPa內(nèi)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0055] 唯一的附圖為本發(fā)明的實(shí)施方式的示意性流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0056] 本發(fā)明涉及生產(chǎn)氧產(chǎn)物和氮產(chǎn)物的方法和裝置。所述氧產(chǎn)物可用在例如氣化器 中，而所述氮產(chǎn)物可用于例如氣體渦輪機(jī)中的NOx控制。
[0057] 下面的定義用于本文給出的本發(fā)明實(shí)施方式的描述中使用的術(shù)語(yǔ)。
[0058] 如本文所用，當(dāng)應(yīng)用于說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中所描述的本發(fā)明實(shí)施方式中的任何 特征時(shí)，不以數(shù)量詞修飾是指一個(gè)或多個(gè)。不以數(shù)量詞修飾不將含義限于單個(gè)特征，除非明 確指出這樣的限制。單數(shù)或復(fù)數(shù)名詞或名詞短語(yǔ)前面的定冠詞"所述/該（the)"表示一個(gè) 或多個(gè)特定的指定特征，并根據(jù)使用其的上下文可以具有單數(shù)或復(fù)數(shù)涵義。形容詞"任何" 是指不受限制的任何數(shù)量的一個(gè)、一些或全部。術(shù)語(yǔ)"和/或"置于第一實(shí)體和第二實(shí)體之 間是指以下之一 ：（1)第一實(shí)體、（2)第二實(shí)體和（3)第一實(shí)體和第二實(shí)體。術(shù)語(yǔ)"和/或" 置于3個(gè)或更多個(gè)實(shí)體的列舉的最后兩個(gè)實(shí)體之間是指所列舉的實(shí)體中的至少一個(gè)。
[0059] 短語(yǔ)"至少一部分"是指"一部分或全部"。流的至少一部分可以與其所源自的流 具有相同的組成。流的至少一部分可以包含其所源自的流的特定組分。
[0060] 如本文所用，流的"分割部分"為與其所取自的流具有相同化學(xué)組成的部分。
[0061] 如本文所用，"多個(gè)"指兩個(gè)或更多個(gè)。
[0062] 如本文所用，"流體流動(dòng)連通"指由一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管、歧管、閥等操作性地連接來(lái)轉(zhuǎn) 移流體。導(dǎo)管為流體可以通過(guò)其進(jìn)行傳送的任何管道、管、通道等。除非另外明確指出，流 體流動(dòng)連通的第一裝置和第二裝置之間可以存在中間裝置如泵、壓縮機(jī)或容器。
[0063] "下游"和"上游"是指被轉(zhuǎn)移的工藝流體的意欲流動(dòng)方向。如果工藝流體的意欲 流動(dòng)方向是從第一裝置到第二裝置，則第二裝置與第一裝置下游流體流動(dòng)連通。
[0064] 離子傳輸膜層為陶瓷膜材料的活性層，其包含能夠在升高的溫度下傳輸或滲透氧 離子的混合金屬氧化物。離子傳輸膜層也可以既傳輸電子又傳輸氧離子，并且這種類(lèi)型的 離子傳輸膜層通常被描述為混合導(dǎo)體膜層。離子傳輸膜層還可以包含一種或多種單質(zhì)金屬 從而形成復(fù)合膜。
[0065] 所述膜層非常薄，通常由多孔層支承結(jié)構(gòu)和/或帶肋支承結(jié)構(gòu)支承。支承結(jié)構(gòu)通 常由相同的材料（即其具有相同的化學(xué)組成）制成以避免熱膨脹錯(cuò)配。然而，支承結(jié)構(gòu)可 以包含與膜層不同的化學(xué)組成。
[0066] 膜單元，也稱(chēng)膜結(jié)構(gòu)，包括進(jìn)料區(qū)、氧產(chǎn)物區(qū)以及設(shè)置在進(jìn)料區(qū)和氧產(chǎn)物區(qū)之間的 膜層。含氧和氮?dú)怏w被送往進(jìn)料區(qū)并與膜層的一側(cè)接觸，氧傳輸通過(guò)膜層，而貧氧氣體從進(jìn) 料區(qū)抽出。氧氣產(chǎn)物，其可以含有至少99.0體積％的氧，從膜單元的氧產(chǎn)物區(qū)抽出。膜單 元可以具有本領(lǐng)域已知的任何結(jié)構(gòu)。當(dāng)膜單元具有平面結(jié)構(gòu)時(shí)，它通常被稱(chēng)為"晶片"。
[0067] 膜模塊，有時(shí)稱(chēng)為"膜堆"，包括多個(gè)膜單元。膜模塊可具有本領(lǐng)域已知的任何結(jié) 構(gòu)。
[0068] "離子傳輸膜組件"，也稱(chēng)"離子傳輸膜系統(tǒng)"，包括一個(gè)或多個(gè)膜模塊、容納所述一 個(gè)或多個(gè)膜模塊的壓力容器以及為引入一個(gè)或多個(gè)進(jìn)料流和抽出由所述一個(gè)或多個(gè)進(jìn)料 流形成的兩個(gè)或更多個(gè)流出物流所必需的任何附加部件。所述附加部件可以包括本領(lǐng)域已 知的一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)限制管、絕緣體、歧管等。當(dāng)使用了兩個(gè)或更多個(gè)膜模塊時(shí)，離子傳輸 膜組件中的所述兩個(gè)或更多個(gè)膜模塊可以并聯(lián)和/或串聯(lián)布置。
[0069] 示例性的離子傳輸膜層、膜單元、膜模塊和離子傳輸膜組件（系統(tǒng)）描述在美國(guó)專(zhuān) 利5, 681，373和7, 179, 323中描述，二者通過(guò)引用整體并入本文中。
[0070] 參照附圖，所述裝置包括多個(gè)離子傳輸膜組件，所述多個(gè)離子傳輸膜組件包括第 一離子傳輸膜組件10和第二離子傳輸膜組件20。第一離子傳輸膜組件10具有用于向第一 離子傳輸膜組件10中引入含氧和氮?dú)怏w5的入口、用于從第一離子傳輸膜組件10抽出貧 氧氣體13的第一出口和用于從第一離子傳輸膜組件10抽出氧產(chǎn)物氣體15的第二出口。
[0071] 所述裝置還包括渦輪膨脹機(jī)40,其具有用于向渦輪膨脹機(jī)40中引入渦輪膨脹機(jī) 進(jìn)料85的入口和用于從渦輪膨脹機(jī)40抽出廢氣45的出口，所述渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料85由貧 氧氣體13的第一部分形成。渦輪膨脹機(jī)40的入口與第一離子傳輸膜組件10的第一出口 下游流體流動(dòng)連通。在第一離子傳輸膜組件10和渦輪膨脹機(jī)40之間操作性地設(shè)置導(dǎo)管以 在所述裝置之間提供流體流動(dòng)連通?？梢詮膩?lái)自渦輪膨脹機(jī)40的廢氣45中回收熱。
[0072] 渦輪膨脹機(jī)，也稱(chēng)渦輪擴(kuò)張器、熱氣體膨脹機(jī)或膨脹渦輪機(jī)，為通過(guò)其使在第一較 高壓力下的氣體膨脹以產(chǎn)生功和在第二較低壓力下的氣體的任何裝置。渦輪膨脹機(jī)產(chǎn)生的 功可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)或本領(lǐng)域已知的其它合適裝置。
[0073] 渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料由貧氧氣體13的第一部分形成，這意味著使用所述第一部分來(lái) 形成渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料85。渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料可為貧氧氣體13的分割部分，其中所述渦輪膨脹 機(jī)進(jìn)料與從第一離子傳輸膜組件10抽出的貧氧氣體具有相同的組成。
[0074] 第二離子傳輸膜組件20具有用于向第二離子傳輸膜組件20中引入進(jìn)料19的入 口、所述進(jìn)料19由貧氧氣體13的第二部分形成。第二離子傳輸膜組件20具有用于從第二 離子傳輸膜組件20抽出氮產(chǎn)物氣體23的氮產(chǎn)物出口和用于從第二離子傳輸膜組件20抽 出氧產(chǎn)物氣體25的另一出口。第二離子傳輸膜組件20的入口與第一離子傳輸膜組件10 的第一出口下游流體流動(dòng)連通。在第一離子傳輸膜組件10和第二離子傳輸膜組件20之間 操作性地設(shè)置導(dǎo)管以在所述裝置之間提供流體流動(dòng)連通。
[0075] 去往第二離子傳輸膜組件20的進(jìn)料19由貧氧氣體13的第二部分形成，這意味著 使用所述第二部分來(lái)形成去往第二離子傳輸膜組件20的進(jìn)料。去往第二離子傳輸膜組件 20的進(jìn)料19可以為貧氧氣體13的分割部分，其中所述進(jìn)料與從第一離子傳輸膜組件10抽 出的貧氧氣體具有相同的組成。
[0076] 如圖中所示，去往渦輪膨脹機(jī)40的進(jìn)料和去往第二離子傳輸膜組件20的進(jìn)料由 貧氧氣體13的分開(kāi)的部分形成。第二離子傳輸膜組件20不與渦輪膨脹機(jī)40下游流體流 動(dòng)連通并且渦輪膨脹機(jī)40不與第二離子傳輸膜組件20下游流體流動(dòng)連通。
[0077] 所述裝置還可以包括任選的氧壓縮機(jī)100。氧壓縮機(jī)100具有入口和出口。氧壓 縮機(jī)的入口與以下至少之一下游流體流動(dòng)連通：第一離子傳輸膜組件10的第二出口以從 第一離子傳輸膜組件10接收氧產(chǎn)物氣體，和第二離子傳輸膜組件20的第二出口以從第二 離子傳輸膜組件20接收氧產(chǎn)物氣體。氧壓縮機(jī)100可以與第一離子傳輸膜組件10的第二 出口和第二離子傳輸膜組件20的第二出口二者下游流體流動(dòng)連通。
[0078] 附圖顯示了其中來(lái)自第一離子傳輸膜組件10的氧產(chǎn)物氣體和來(lái)自第二離子傳輸 膜組件20的氧產(chǎn)物氣體二者被送往共用的壓縮機(jī)100的實(shí)施方式。操作性地設(shè)置與第一 離子傳輸膜組件10的第二出口下游流體流動(dòng)連通的導(dǎo)管來(lái)從第一離子傳輸膜組件10接收 氧產(chǎn)物氣體。操作性地設(shè)置與第二離子傳輸膜組件20的第二出口下游流體流動(dòng)連通的另 一導(dǎo)管來(lái)從第二離子傳輸膜組件20接收氧產(chǎn)物氣體。操作性地設(shè)置又一導(dǎo)管，與這兩個(gè)另 外的導(dǎo)管下游流體流動(dòng)連通以接收來(lái)自第一離子傳輸膜組件10的氧產(chǎn)物氣體和來(lái)自第二 離子傳輸膜組件20的氧產(chǎn)物氣體二者。如圖中所示，氧壓縮機(jī)100具有與用來(lái)接收來(lái)自第 一離子傳輸膜組件和第二離子傳輸膜組件二者的氧產(chǎn)物氣體的導(dǎo)管下游流體流動(dòng)連通的 入口。
[0079] 所述裝置還可以包括至少一個(gè)流動(dòng)控制裝置6、8,其適于控制去往渦輪膨脹機(jī)40 的渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料85的流率和/或去往第二離子傳輸膜組件20的進(jìn)料的流率?？稍谘b置 中任何合適的位置安裝一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)控制裝置以改變?nèi)ネ鶞u輪膨脹機(jī)40和第二離子傳 輸膜20的貧氧氣體的劃分。
[0080] 所述裝置還可以包括具有燃燒室的氣體渦輪燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)50,所述燃燒室具有燃燒 區(qū)和稀釋區(qū)。所述燃燒區(qū)和/或稀釋區(qū)可以與第二離子傳輸膜組件20的氮產(chǎn)物氣體出口 下游流體流動(dòng)連通以向氣體渦輪燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)50的燃燒區(qū)和/或稀釋區(qū)中進(jìn)給來(lái)自第二離 子傳輸膜組件20的氮產(chǎn)物氣體。氣體渦輪燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)50還可以具有用于引入燃料51的 入口、用于引入含氧氣體53的入口和用于排放廢氣57的排氣裝置。氣體渦輪燃燒發(fā)動(dòng)機(jī) 可商購(gòu)獲得。
[0081] 參照附圖對(duì)所述方法進(jìn)行描述。
[0082] 所述方法包括向第一離子傳輸膜組件10中引入包含氧和氮并且具有750°C至 950°C的溫度和689kPa(100psia)至4136kPa(600psia)的壓力的含氧和氮?dú)怏w。含氧和氮 氣體定義為至少包含氧和氮并可以含有其它組分例如氬、二氧化碳、一氧化碳和/或水的 氣體?？梢允褂靡阎糜陔x子傳輸膜組件的任何含氧和氮?dú)怏w。含氧和氮?dú)怏w可以為例 如空氣、貧氧氣體或富氧氣體。含氧和氮?dú)怏w可以為來(lái)自貧燃料進(jìn)行操作的燃燒室的排氣 (并因此具有比燃燒所有燃料所需的氧過(guò)量的氧）。
[0083] 含氧和氮?dú)怏w中的氧傳輸通過(guò)一個(gè)或多個(gè)膜單元以在所述一個(gè)或多個(gè)膜單元 的進(jìn)料側(cè)形成貧氧氣體并在所述一個(gè)或多個(gè)膜單元的產(chǎn)物側(cè)形成氧產(chǎn)物氣體。所述方 法包括從第一離子傳輸膜組件抽出貧氧氣體，并從第一離子傳輸膜組件10抽出氧產(chǎn) 物氣體以提供總氧產(chǎn)物的一部分?？梢圆僮魉龇椒ㄊ沟迷诩s689kPa(100psia)至 約4136kPa(600psia)的壓力和750°C至950°C的溫度下抽出貧氧氣體?？梢圆僮魉?述方法使得在進(jìn)行任何再壓縮步驟以達(dá)到最終使用壓力之前在約20kPa(3psia)至約 172kPa(25psia)的壓力下抽出氧產(chǎn)物氣體。
[0084] 所述方法然后包括將貧氧氣體13分割成至少第一部分和第二部分。如果需要，可 以將貧氧氣體13分割成另外的部分。所述第一部分可以為第一分割部分。所述第二部分 可以為第二分割部分?？梢酝ㄟ^(guò)本領(lǐng)域已知的任何合適的裝置來(lái)分割貧氧氣體，例如"T" 接頭、歧管等。作為替代方案，可以通過(guò)從第一離子傳輸膜組件10提供超過(guò)一個(gè)出口來(lái)分 割貧氧氣體。
[0085] 所述方法包括在渦輪膨脹機(jī)40中膨脹渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料85以回收軸功或電能并從 渦輪膨脹機(jī)40中提供廢氣流45。渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料85由貧氧氣體13的第一部分形成。
[0086] 所述方法還包括向第二離子傳輸膜組件20中引入由貧氧氣體13的第二部分 形成的進(jìn)料19。由貧氧氣體的第二部分形成的進(jìn)料可以具有750°C至950°C的溫度和約 689kPa(100psia)至約4136kPa(600psia)的壓力。進(jìn)料中的氧傳輸通過(guò)第二離子傳輸膜 組件20中的一個(gè)或多個(gè)膜單元以在第二離子傳輸膜組件20的所述一個(gè)或多個(gè)膜單元的進(jìn) 料側(cè)形成富氮?dú)怏w并在第二離子傳輸膜組件20的所述一個(gè)或多個(gè)膜單元的產(chǎn)物側(cè)形成第 二氧產(chǎn)物氣體。所述方法包括從第二離子傳輸膜組件20抽出具有約689kPa(100psia)至 約4136kPa(600psia)的壓力的氮產(chǎn)物氣體23并從第二離子傳輸膜組件20的第二出口抽 出氧產(chǎn)物氣體25。
[0087] 可以操作所述方法例如使得氮產(chǎn)物氣體中的氧濃度小于約2摩爾％氧。具有小于 約2摩爾％氧的氮產(chǎn)物氣體可以適于用作稀釋劑來(lái)控制氣體渦輪機(jī)（也稱(chēng)燃燒渦輪機(jī)）中 NOx的形成，所述控制通過(guò)直接向氣體渦輪機(jī)燃燒室或氣體渦輪機(jī)機(jī)匣中引入氮產(chǎn)物氣體， 或者通過(guò)首先將氮產(chǎn)物氣體與另一流如壓縮空氣流的一部分或與燃料流混合，然后向氣體 渦輪機(jī)燃燒室中引入該混合流而間接地向氣體渦輪機(jī)燃燒室中引入氮產(chǎn)物氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0088] 生產(chǎn)具有小于約2摩爾％氧的氮可以通過(guò)將在第二離子傳輸膜組件20中處理的 貧氧氣體的第二部分限制到僅產(chǎn)生所需氮產(chǎn)物流率所需要的量來(lái)促進(jìn)。這種布置將需要比 將全部的初始含氧和氮?dú)怏w處理至小于約2摩爾％氧相比更小的膜面積。
[0089] 從流中各種物質(zhì)的質(zhì)量平衡，熟練的技術(shù)人員可以確定進(jìn)入和離開(kāi)第一離子傳輸 膜組件10和第二離子傳輸膜組件20的各種流的流率和組成。從第一離子傳輸膜組件去往 第二離子傳輸膜組件的貧氧氣體的第二部分的流率可以由此質(zhì)量平衡確定。
[0090] 一旦知道進(jìn)給到各個(gè)離子傳輸膜組件的含氧和氮?dú)怏w的流率和組成以及來(lái)自各 個(gè)離子傳輸膜組件的各氧產(chǎn)物流率，本領(lǐng)域技術(shù)人員即可以確定所需的膜表面積或所需的 膜單元或模塊數(shù)?？梢允褂媚Ｐ蛠?lái)預(yù)測(cè)在給定的工藝條件集合下每單位面積的膜的氧通 量。合適的模型可在文獻(xiàn)中得到。
[0091] 一般地，來(lái)自膜組件的氧產(chǎn)量可以通過(guò)增大膜表面積（例如，增加膜單元）或增大 通過(guò)組件中的膜單元的氧通量來(lái)提高。通過(guò)第一組件中的膜的氧通量可以通過(guò)增大含氧和 氮進(jìn)料氣的壓力和/或減小氧產(chǎn)物壓力和/或提高組件中膜單元的溫度來(lái)提高。類(lèi)似地， 可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)壓力和/或溫度來(lái)增大或減小通過(guò)第二離子傳輸膜組件中的膜單元的 氧通量。
[0092] 所述方法還可以包括選擇含氧和氮?dú)怏w、來(lái)自第一離子傳輸膜組件的氧產(chǎn)物氣 體、來(lái)自第二離子傳輸膜組件的氧產(chǎn)物氣體和貧氧氣體的第二部分的工作壓力范圍。所述 方法還可以包括選擇第一和第二離子傳輸膜組件的工作溫度范圍。每一個(gè)離子傳輸膜組件 包括若干膜單元，并可以在每一個(gè)離子傳輸膜組件中提供足夠數(shù)量的膜單元以針對(duì)選定的 壓力范圍和溫度范圍提供氧濃度小于約2摩爾％氧的富氮?dú)怏w。
[0093] 貧氧氣體的第二部分具有摩爾流率并且提供氮?dú)怏w產(chǎn)物中小于約2摩爾％氧的 方法的操作可以取決于貧氧氣體的第二部分的摩爾流率。具有小于約2摩爾％氧的氮產(chǎn)物 氣體的產(chǎn)量也將取決于第一離子傳輸膜組件10中的膜單元數(shù)量（即，膜表面積）和第二離 子傳輸膜組件20中的膜單元數(shù)量。所述方法可以包括在第一離子傳輸膜組件和第二離子 傳輸膜組件中的每一個(gè)中提供足夠數(shù)量的膜單元以提供氧濃度小于約2摩爾％氧的氮產(chǎn) 物氣體。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以確定足以提供具有小于約2摩爾％氧的氮產(chǎn)物氣體的膜單元 數(shù)量或提供具有小于約2摩爾％氧的氮產(chǎn)物氣體所需的膜單元數(shù)量，而無(wú)需過(guò)多的實(shí)驗(yàn)。
[0094] 為了針對(duì)貧氧氣體的第二部分的摩爾流率提供具有小于約2摩爾％氧的氮產(chǎn)物 氣體，所述方法還可以包括以下中的一個(gè)或多個(gè)：調(diào)節(jié)或調(diào)整含氧和氮?dú)怏w的壓力、調(diào)節(jié)或 調(diào)整來(lái)自第一離子傳輸膜組件10的氧產(chǎn)物氣體的壓力、調(diào)節(jié)或調(diào)整來(lái)自第二離子傳輸膜 組件的氧產(chǎn)物氣體的壓力、調(diào)節(jié)或調(diào)整貧氧氣體的第二部分的壓力、調(diào)節(jié)或調(diào)整第一離子 傳輸膜組件10中的溫度和調(diào)節(jié)或調(diào)整第二離子傳輸膜組件20中的溫度。
[0095] 增大含氧和氮?dú)怏w的壓力將增大通過(guò)第一離子傳輸膜組件10中的膜的氧通量并 因此減小貧氧氣體中的氧濃度，這進(jìn)而將減小氮產(chǎn)物氣體23中的氧濃度。減小含氧和氮?dú)?體的壓力將減小通過(guò)第一離子傳輸膜組件10中的膜的氧通量并因此增大貧氧氣體中的氧 濃度，這進(jìn)而將增大氮產(chǎn)物氣體23中的氧濃度。含氧和氮?dú)怏w的壓力可以通過(guò)調(diào)節(jié)或調(diào)整 向系統(tǒng)提供入口氣體5的供給壓縮機(jī)的排出壓力來(lái)增大或減小。
[0096] 減小來(lái)自第一離子傳輸膜組件10的氧產(chǎn)物氣體的壓力將增大通過(guò)第一離子傳輸 膜組件10中的膜的氧通量并因此減小貧氧氣體中的氧濃度，這進(jìn)而將減小氮產(chǎn)物氣體23 中的氧濃度（如果沒(méi)有通過(guò)閥6或8改變流動(dòng)的話(huà)）。增大來(lái)自第一離子傳輸膜組件的氧 產(chǎn)物氣體的壓力將減小通過(guò)第一離子傳輸膜組件中的膜的氧通量并因此增大貧氧氣體中 的氧濃度，這進(jìn)而將增大氮產(chǎn)物氣體23中的氧濃度。來(lái)自第一離子傳輸膜組件10的氧產(chǎn) 物氣體的壓力可以通過(guò)調(diào)節(jié)或調(diào)整連接到第一離子傳輸膜組件10的氧壓縮設(shè)備的吸入壓 力或通過(guò)調(diào)節(jié)或調(diào)整背壓控制閥（未示出）來(lái)增大或減小。
[0097] 減小來(lái)自第二離子傳輸膜組件20的氧產(chǎn)物氣體的壓力將增大通過(guò)第二離子傳輸 膜組件20中的膜的氧通量并因此減小氮產(chǎn)物氣體中的氧濃度。增大來(lái)自第二離子傳輸膜 組件20的氧產(chǎn)物氣體的壓力將減小通過(guò)第二離子傳輸膜組件中的膜的氧通量并因此增大 氮產(chǎn)物氣體23中的氧濃度。來(lái)自第二離子傳輸膜組件20的氧產(chǎn)物氣體的壓力可以通過(guò)調(diào) 節(jié)或調(diào)整連接到第二離子傳輸膜組件的氧壓縮設(shè)備的吸入壓力或通過(guò)調(diào)節(jié)或調(diào)整背壓控 制閥（未示出）來(lái)增大或減小。用于第二離子傳輸膜組件20的氧壓縮設(shè)備可以與第一離 子傳輸膜組件10共用。作為替代方案，用于第二離子傳輸膜組件20的氧壓縮設(shè)備可以與 用于第一離子傳輸膜組件10的氧壓縮設(shè)備是分開(kāi)的。
[0098] 增大貧氧氣體13的第二部分的壓力將增大通過(guò)第二離子傳輸膜組件20中的膜的 氧通量并因此減小氮產(chǎn)物氣體中的氧濃度。減小貧氧氣體13的第二部分的壓力將減小通 過(guò)第二離子傳輸膜組件20中的膜的氧通量并因此增大氮產(chǎn)物氣體23中的氧濃度。貧氧氣 體的第二部分的壓力可通過(guò)壓縮機(jī)來(lái)增大或通過(guò)壓力控制閥來(lái)減小，但這不如本文列出的 考慮從離開(kāi)第一離子傳輸膜組件10存在的無(wú)論哪種壓力改變?cè)搲毫Φ钠渌x擇實(shí)用。
[0099] 提高第一離子傳輸膜組件10中的溫度將增大通過(guò)第一離子傳輸膜組件10中的膜 的氧通量并因此減小貧氧氣體中的氧濃度，這進(jìn)而將減小氮產(chǎn)物氣體23中的氧濃度。降低 第一離子傳輸膜組件10中的溫度將減小通過(guò)第一離子傳輸膜組件10中的膜的氧通量并因 此增大貧氧氣體13中的氧濃度，這進(jìn)而將增大氮產(chǎn)物氣體23中的氧濃度。第一離子傳輸 膜組件10中的溫度可以通過(guò)調(diào)節(jié)或調(diào)整第一離子傳輸膜組件10上游的含氧和氮?dú)怏w5的 熱輸入（例如，調(diào)整直接或間接燃燒加熱器的燃料輸入）來(lái)提高或降低。
[0100] 提高第二離子傳輸膜組件20中的溫度將增大通過(guò)第二離子傳輸膜組件20中的膜 的氧通量并因此減小氮產(chǎn)物氣體23中的氧濃度。降低第二離子傳輸膜組件20中的溫度將 減小通過(guò)第二離子傳輸膜組件20中的膜的氧通量并因此增大氮產(chǎn)物氣體中的氧濃度。第 二離子傳輸膜組件20中的溫度可以通過(guò)調(diào)節(jié)或調(diào)整第二離子傳輸膜組件20上游的貧氧氣 體13的第二部分的熱輸入來(lái)提高或降低，但這不如本文列出的考慮從離開(kāi)第一離子傳輸 膜組件10存在的無(wú)論哪種溫度改變?cè)摐囟鹊钠渌x擇實(shí)用。
[0101] 可以在進(jìn)行任何再壓縮步驟以達(dá)到最終使用壓力之前將來(lái)自第一離子傳輸膜組 件10的氧產(chǎn)物氣體的壓力調(diào)節(jié)或調(diào)整至與來(lái)自第二離子傳輸膜組件20的氧產(chǎn)物氣體的壓 力相差在約20kPa(3psi)內(nèi)。在此情況下，對(duì)于整個(gè)離子傳輸膜系統(tǒng)，可以使用共用的氧冷 卻系統(tǒng)和/或共用的壓縮設(shè)備。調(diào)節(jié)或調(diào)整來(lái)自第一和第二離子傳輸膜組件的氧產(chǎn)物氣體 的壓力至大約相同將提供單個(gè)壓縮機(jī)組可以用于兩個(gè)組件的益處。
[0102] 如上面所討論的，由于可以從第二離子傳輸膜組件20抽出具有小于約2摩爾％氧 的富氮?dú)怏w，故該氮產(chǎn)物氣體可以適于用作稀釋劑來(lái)控制氣體渦輪機(jī)中NOx的形成。所述 方法還可以包括向氣體渦輪機(jī)50 (也稱(chēng)燃燒渦輪機(jī)）的燃燒室中引入氮產(chǎn)物的至少一部分 作為低氧含量稀釋氣體55。氣體渦輪機(jī)燃燒室50可以具有燃燒區(qū)和燃燒區(qū)下游的稀釋區(qū)。 低氧含量稀釋氣體55可以被引入到燃燒室的燃燒區(qū)和/或稀釋區(qū)中?？梢允沟脱鹾肯?釋氣體55的一部分與燃料混合?？稍?89kPa(100psia)至約4136kPa(600psia)的壓力下 向氣體渦輪機(jī)中引入低氧含量稀釋氣體。從第二離子傳輸膜組件抽出的氮產(chǎn)物可以具有足 夠的壓力，以致其可以被引入到氣體渦輪機(jī)中作為低氧含量稀釋氣體而不進(jìn)一步壓縮。
[0103] 所需的氮產(chǎn)物流率可以決定來(lái)自第一離子傳輸膜組件10的貧氧流的分割，以便 不會(huì)不必要地產(chǎn)生過(guò)量的氮產(chǎn)物，從而使最初安裝到各個(gè)離子傳輸膜組件中的所需膜表面 積最小化?？梢哉{(diào)節(jié)或調(diào)整去往第一離子傳輸膜組件10的含氧和氮?dú)怏w的進(jìn)給壓力使得 第二離子傳輸膜組件20的氮產(chǎn)物氣體可以用在氣體渦輪機(jī)或其它裝置中而不進(jìn)一步壓 縮。
[0104] 離子傳輸膜組件的所需膜表面積定義為在進(jìn)料側(cè)和產(chǎn)物側(cè)的給定的工藝條件集 合（即，溫度、壓力和氧濃度）下傳輸所需流率的氧所必要的膜的量，例如，以平方米量度。
[0105] 附圖的示意性流程圖中示出了本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式。熱的、加壓的含氧 和氮?dú)饬?,通常為空氣，在689kPa(100psia)至4136kPa(600psia)的典型壓力及750°C至 950°C的典型溫度下經(jīng)由導(dǎo)管從上游壓縮和加熱裝置（未示出）提供。該進(jìn)料氣被引入到 代表性的離子傳輸膜組件10中，離子傳輸膜組件10示意為具有將組件分割成進(jìn)料側(cè)或區(qū) 17和產(chǎn)物側(cè)或區(qū)18的膜11。這是說(shuō)明這里討論的方法的圖示，而非意在描述如上所限定 的實(shí)際離子傳輸膜組件的結(jié)構(gòu)。
[0106] 通常含大于99. 0摩爾％氧的高純度氧產(chǎn)物氣體15經(jīng)由導(dǎo)管抽出，并且通常含3 至16摩爾％氧的貧氧氣體13經(jīng)由另一導(dǎo)管抽出。
[0107] 來(lái)自第一離子傳輸膜組件10的貧氧氣體13被分割成第一部分和第二部分，各個(gè) 分割部分的量通過(guò)操作流動(dòng)控制裝置6和8來(lái)控制。第一部分經(jīng)由導(dǎo)管被傳輸?shù)綔u輪膨脹 機(jī)40,而第二部分經(jīng)由另一導(dǎo)管被傳輸?shù)降诙x子傳輸膜組件20。閥和孔口為流動(dòng)控制裝 置的實(shí)例。作為替代方案，這些流動(dòng)控制裝置中的一個(gè)可以用來(lái)控制流動(dòng)分割而不使用其 它的流動(dòng)控制裝置。
[0108] 貧氧氣體13的第一部分在渦輪膨脹機(jī)40中膨脹以回收軸功或電能，并經(jīng)由導(dǎo)管 從渦輪膨脹機(jī)40抽出低壓（LP)富氮廢氣45。
[0109] 貧氧氣體13的第二部分經(jīng)由導(dǎo)管被引入到第二離子傳輸膜組件20中，第二離子 傳輸膜組件20示意性地顯示為具有將組件分割成進(jìn)料側(cè)或區(qū)27和產(chǎn)物側(cè)或區(qū)28的膜21。 通常含大于99. 0摩爾％氧的另外的氧產(chǎn)物氣體25經(jīng)由導(dǎo)管被抽出，并且與貧氧氣體13的 第二部分相比還進(jìn)一步貧氧的氮產(chǎn)物氣體23經(jīng)由導(dǎo)管被抽出，其通常含有例如1. 5至5摩 爾％的氧。氮產(chǎn)物氣體可以含小于約2摩爾％的氧。
[0110] 第一離子傳輸膜組件1〇和第二離子傳輸膜組件20的示意圖各自代表如上所限定 的任何組件。組件可以以串流和/或并流結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)模塊。如上所述，示例性的離 子傳輸膜、膜單元、膜模塊和膜組件（系統(tǒng)）描述在美國(guó)專(zhuān)利5, 681，373和7, 179, 323中， 二者通過(guò)引用整體并入本文中。
[0111] 可以設(shè)計(jì)和操作第一級(jí)和第二級(jí)離子傳輸膜組件10和20使得氧氣流15和25的 壓力基本相等，即來(lái)自?xún)杉?jí)的流的壓力之間的絕對(duì)差可以小于20kPa(3psi)。附圖中示意 性地顯示了這種結(jié)構(gòu)，其中氧氣流15和25在任選的產(chǎn)物氧壓縮機(jī)100中任選地合并并任 選地壓縮以提供經(jīng)壓縮的氧產(chǎn)物。在壓縮之前，氧氣流15和25可能需要冷卻（未示出）。 冷卻可以在流合并之前或之后進(jìn)行。
[0112] 高壓（HP)氮產(chǎn)物氣體23可以用作稀釋劑或稀釋氣體來(lái)控制氣體渦輪機(jī)50中氮 氧化物（NOx)的形成。典型氣體渦輪機(jī)系統(tǒng)的燃燒室可以包括燃燒區(qū)和稀釋區(qū)，并且燃燒 區(qū)可以具有一次和二次燃燒區(qū)域。燃燒區(qū)和稀釋區(qū)可以設(shè)置在襯里中，所述襯里進(jìn)而設(shè)置 在燃燒室系統(tǒng)的外殼中。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"稀釋劑"是指具有比在氣體渦輪機(jī)系統(tǒng)的燃燒 區(qū)中與燃料一起燃燒的氧化劑氣體更低的氧濃度的氣體?？梢栽跉怏w渦輪機(jī)燃燒室中的任 何所需位置處引入抽出的氮產(chǎn)物氣體或源自其的任何氣體部分來(lái)控制氣體渦輪機(jī)50中氮 氧化物（NOx)的形成。氮產(chǎn)物氣體可以?xún)?yōu)選在1724kPa(250psia)和3103kPa(450psia)之 間的壓力下產(chǎn)生。
[0113] 在利用氮產(chǎn)物氣體23的實(shí)施方式中，可以設(shè)計(jì)和操作離子傳輸膜組件使得氮產(chǎn) 物氣體的氧含量小于約2摩爾％。這可以通過(guò)選擇設(shè)計(jì)和操作特征如由在每個(gè)離子傳輸膜 組件10和20中使用的膜單元數(shù)量產(chǎn)生的總膜表面積、貧氧氣體13的第一和第二部分的流 量比以及組件的運(yùn)行進(jìn)料和/或氧產(chǎn)物壓力和/或溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0114] 可以選擇在附圖的實(shí)施方式中從第一離子傳輸膜組件10送往膨脹機(jī)40的貧氧氣 體的分?jǐn)?shù)，使得送往第二離子傳輸膜組件20的貧氧部分的氮含量與所需的氮產(chǎn)物流率相 匹配。換句話(huà)說(shuō)，所需的氮生產(chǎn)速率將決定貧氧部分的第一部分的分割，以便不會(huì)不必要地 產(chǎn)生過(guò)量的氮，從而使所需的膜表面積最小化。最后，可以選擇去往第一離子傳輸膜組件10 的含氧氣體5的空氣進(jìn)料壓力，使得來(lái)自第二離子傳輸膜組件20的氮產(chǎn)物可在壓力下使用 而不經(jīng)進(jìn)一步壓縮。例如，GE7FB氣體渦輪機(jī)的稀釋劑壓力規(guī)格為大約2. 7MPa(400psia)。 當(dāng)考慮了各種所需的單元操作的壓降時(shí)，去往第一離子傳輸膜組件10的所需空氣進(jìn)料壓 力將為約3. OMPa(430psia)。這個(gè)壓力將提供足夠的驅(qū)動(dòng)力以在合理的氧產(chǎn)物壓力和膜面 積要求下產(chǎn)生氮產(chǎn)物的所需氧含量（即，小于約2摩爾％)所必要的氧傳輸速率。
【權(quán)利要求】
1. 生產(chǎn)聯(lián)產(chǎn)物氧和氮流的裝置，所述裝置包括： 第一離子傳輸膜組件，其具有用于向所述第一離子傳輸膜組件中引入包含氧和氮的含 氧和氮?dú)怏w的入口、用于從所述第一離子傳輸膜組件抽出貧氧氣體的第一出口和用于從所 述第一離子傳輸膜組件抽出氧產(chǎn)物氣體的第二出口； 渦輪膨脹機(jī)，其具有用于向所述渦輪膨脹機(jī)中引入渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料的入口和用于從所 述渦輪膨脹機(jī)抽出廢氣的出口，所述渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料由所述貧氧氣體的第一部分形成，所 述渦輪膨脹機(jī)的所述入口與所述第一離子傳輸膜組件的所述第一出口下游流體流動(dòng)連通； 和 第二離子傳輸膜組件，其具有用于向所述第二離子傳輸膜組件中引入進(jìn)料的入口、 用于從所述第二離子傳輸膜組件抽出氮產(chǎn)物氣體的第一出口和用于從所述第二離子傳輸 膜組件抽出氧產(chǎn)物氣體的第二出口，所述進(jìn)料由所述貧氧氣體的第二部分形成，所述第二 離子傳輸膜組件的所述入口與所述第一離子傳輸膜組件的所述第一出口下游流體流動(dòng)連 通； 其中所述第二離子傳輸膜組件不與所述渦輪膨脹機(jī)下游流體流動(dòng)連通，以及 其中所述渦輪膨脹機(jī)不與所述第二離子傳輸膜組件下游流體流動(dòng)連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述裝置還包括： 氧壓縮機(jī)，其具有入口和出口，所述氧壓縮機(jī)的所述入口與以下至少之一下游流體流 動(dòng)連通：所述第一離子傳輸膜組件的所述第二出口以從所述第一離子傳輸膜組件接收氧產(chǎn) 物氣體，和所述第二離子傳輸膜組件的所述第二出口以從所述第二離子傳輸膜組件接收氧 產(chǎn)物氣體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述裝置還包括： 氧壓縮機(jī)，其具有入口和出口，所述氧壓縮機(jī)的所述入口與所述第一離子傳輸膜組件 的所述第二出口下游流體流動(dòng)連通以從所述第一離子傳輸膜組件接收氧產(chǎn)物氣體，并與所 述第二離子傳輸膜組件的所述第二出口下游流體流動(dòng)連通以從所述第二離子傳輸膜組件 接收氧產(chǎn)物氣體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述裝置還包括至少一個(gè)流動(dòng)控制裝置，所述流動(dòng)控 制裝置適于控制去往所述渦輪膨脹機(jī)的所述渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料的流率和/或去往所述第二 離子傳輸膜組件的進(jìn)料的流率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述裝置還包括具有燃燒室的氣體渦輪燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)， 所述燃燒室具有燃燒區(qū)和稀釋區(qū)，所述氣體渦輪燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)具有用于引入低氧含量稀釋氣 體的入口、用于引入燃料的入口和用于引入含氧氣體的入口，所述低氧含量稀釋氣體由所 述氮產(chǎn)物氣體形成，所述燃燒區(qū)和/或所述稀釋區(qū)與所述第二離子傳輸膜組件的所述第一 出口下游流體流動(dòng)連通以接收由所述氮產(chǎn)物氣體形成的所述低氧含量稀釋氣體。
6. 生產(chǎn)聯(lián)產(chǎn)物氧和氮流的方法，所述方法包括： 提供權(quán)利要求1所述的裝置； 向所述第一離子傳輸膜組件的所述入口中引入所述包含氧和氮的含氧和氮?dú)怏w，所述 含氧和氮?dú)怏w具有750°C至950°C的溫度和689kPa至4136kPa的壓力，從所述第一離子傳 輸膜組件的所述第一出口抽出所述貧氧氣體，并從所述第一離子傳輸膜組件的所述第二出 口抽出第一氧產(chǎn)物氣體； 將所述貧氧氣體分割成所述第一部分和所述第二部分； 使由所述貧氧氣體的所述第一部分形成的所述渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料在所述渦輪膨脹機(jī)中 膨脹以回收軸功或電能并從所述渦輪膨脹機(jī)提供所述廢氣；和 向所述第二離子傳輸膜組件的所述入口中引入由所述貧氧氣體的所述第二部分形成 的進(jìn)料，從所述第二離子傳輸膜組件抽出具有689kPa至4136kPa的壓力的氮產(chǎn)物氣體，并 從所述第二離子傳輸膜組件的所述第二出口抽出氧產(chǎn)物氣體。
7. 使用權(quán)利要求1所述的裝置生產(chǎn)聯(lián)產(chǎn)物氧和氮流的方法，所述方法包括： 向所述第一離子傳輸膜組件的所述入口中引入所述包含氧和氮的含氧和氮?dú)怏w，所述 含氧和氮?dú)怏w具有750°C至950°C的溫度和689kPa至4136kPa的壓力，從所述第一離子傳 輸膜組件的所述第一出口抽出貧氧氣體，并從所述第一離子傳輸膜組件的所述第二出口抽 出氧產(chǎn)物氣體； 將所述貧氧氣體分割成所述第一部分和所述第二部分； 使由所述貧氧氣體的所述第一部分形成的所述渦輪膨脹機(jī)進(jìn)料在所述渦輪膨脹機(jī)中 膨脹以回收軸功或電能并從所述渦輪膨脹機(jī)提供所述廢氣；和 向所述第二離子傳輸膜組件的所述入口中引入由所述貧氧氣體的所述第二部分形成 的進(jìn)料，從所述第二離子傳輸膜組件抽出具有689kPa至4136kPa的壓力的所述氮產(chǎn)物氣 體，并從所述第二離子傳輸膜組件的所述第二出口抽出氧產(chǎn)物氣體。
8. 權(quán)利要求7所述的方法，其中將來(lái)自所述第一離子傳輸膜組件的氧產(chǎn)物氣體的壓力 調(diào)節(jié)為與來(lái)自所述第二離子傳輸膜組件的氧產(chǎn)物氣體的壓力相差在20kPa內(nèi)。
9. 權(quán)利要求7所述的方法，所述方法還包括： 選擇所述含氧和氮?dú)怏w的工作壓力范圍； 選擇來(lái)自所述第一離子傳輸膜組件的氧產(chǎn)物氣體的工作壓力范圍； 選擇來(lái)自所述第二離子傳輸膜組件的氧產(chǎn)物氣體的工作壓力范圍； 選擇去往所述第二離子傳輸膜組件的進(jìn)料的工作壓力范圍； 選擇所述第一離子傳輸膜組件的工作溫度范圍；和 選擇所述第二離子傳輸膜組件的工作溫度范圍； 其中所述第一離子傳輸膜組件包括第一數(shù)量的膜單元，所述第二離子傳輸膜組件包括 第二數(shù)量的膜單元，并且其中所述第一數(shù)量的膜單元和所述第二數(shù)量的膜單元各自以針對(duì) 所述含氧和氮?dú)怏w的所述選定工作壓力范圍、來(lái)自所述第一離子傳輸膜組件的所述氧產(chǎn)物 氣體的選定工作壓力范圍、來(lái)自所述第二離子傳輸膜組件的所述氧產(chǎn)物氣體的選定工作壓 力范圍、去往所述第二離子傳輸膜組件的進(jìn)料的選定工作壓力范圍、所述第一離子傳輸膜 組件的選定工作溫度范圍和所述第二離子傳輸膜組件的所述工作溫度范圍足以提供氧濃 度小于約2摩爾％氧的氮產(chǎn)物氣體的數(shù)量提供。
10. 權(quán)利要求7所述的方法，其中去往所述第二離子傳輸膜組件的進(jìn)料具有摩爾流率， 并且其中所述第一離子傳輸膜組件包括第一數(shù)量的膜單元，所述第二離子傳輸膜組件包括 第二數(shù)量的膜單元，其中所述第一數(shù)量的膜單元和所述第二數(shù)量的膜單元足以提供氧濃度 小于約2摩爾％氧的氮產(chǎn)物氣體，所述方法還包括： 調(diào)節(jié)所述含氧和氮?dú)怏w的壓力； 調(diào)節(jié)來(lái)自所述第一離子傳輸膜組件的氧產(chǎn)物氣體的壓力； 調(diào)節(jié)來(lái)自所述第二離子傳輸膜組件的第二氧產(chǎn)物氣體的壓力； 調(diào)節(jié)去往所述第二離子傳輸膜組件的進(jìn)料的壓力； 調(diào)節(jié)所述第一離子傳輸膜組件中的溫度；和 調(diào)節(jié)所述第二離子傳輸膜組件中的溫度； 其中調(diào)節(jié)所述含氧和氮?dú)怏w的壓力、來(lái)自所述第一離子傳輸膜組件的氧產(chǎn)物氣體的壓 力、來(lái)自所述第二離子傳輸膜組件的氧產(chǎn)物氣體的壓力、去往所述第二離子傳輸膜組件的 進(jìn)料的壓力、所述第一離子傳輸膜組件中的溫度和所述第二離子傳輸膜組件中的溫度以針 對(duì)去往所述第二離子傳輸膜組件的進(jìn)料的摩爾流率提供氧濃度小于約2摩爾％氧的氮產(chǎn) 物氣體。
11.權(quán)利要求7所述的方法，所述方法還包括向氣體渦輪機(jī)的燃燒室中引入低氧含量 稀釋氣體，所述低氧含量稀釋氣體由所述氮產(chǎn)物氣體形成。
【文檔編號(hào)】C01B13/02GK104220367SQ201480000569
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月28日
【發(fā)明者】W·S·羅林斯, V·E·斯坦 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司