專利名稱：集成的離子轉(zhuǎn)運膜和燃氣輪機系統(tǒng)的制作方法
集成的離子轉(zhuǎn)運膜和燃氣輪機系統(tǒng)關于聯(lián)邦資助 的研究或開發(fā)的聲明本發(fā)明按照合作協(xié)議DE-FC26-98FT40343部分地接受美國能源部的資助。政府 擁有本發(fā)明的某些權利。
背景技術：
通過使用氧可滲透的混合金屬氧化物陶瓷膜，可以在高溫下分離空氣以產(chǎn)生高 純度氧。這些膜通過氧離子的選擇性滲透運行，并可以描述為離子轉(zhuǎn)運膜。用于離子轉(zhuǎn) 運膜的混合金屬氧化物材料可以是傳導氧離子和電子的混合導體，其中，滲透的氧離子 在膜的滲透側(cè)重組以形成氧氣。離子轉(zhuǎn)運膜分離系統(tǒng)的進氣是含氧氣體(例如，空氣)，其在膜系統(tǒng)之前壓縮和 加熱達到7oo°c至iioo°c的一般溫度范圍。進氣的一部分透過膜，并作為熱的高純度的 氧滲透產(chǎn)物回收。熱的加壓非滲透氣體部分地氧貧化，并包含大量的熱能和壓力能；應 該回收這種能量以確保整個氧生成過程在經(jīng)濟上是可行的。為了回收非滲透氣中的大量熱能和壓力能，離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)可以與使用熱交換 器、燃燒器(combustor)、燃氣渦輪、蒸汽輪機和其他熱利用設備的能夠產(chǎn)生和回收系統(tǒng) 整合。由于非滲透物含有殘留氧，它可用作燃燒過程(例如，舉例來說，燃氣輪機或燃 氣輪發(fā)動機)中的氧化劑流。如果非滲透物具有低的氧濃度，一些旁路空氣可與非滲透 物混合以達到用于燃燒過程中的大多數(shù)燃料的可燃極限。因此，離子轉(zhuǎn)運膜非滲透氣體 中的熱能和壓力能可以由燃氣輪機系統(tǒng)作為機械能回收，且這種能量可以被認為是高純 度氧滲透氣體的副產(chǎn)物。將離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)與燃氣渦輪發(fā)動機整合在一起是本領域公知的，其中，一部 分燃氣渦輪壓縮機輸出向膜系統(tǒng)提供壓縮的空氣進氣，且來自膜系統(tǒng)的非滲透物流直接 引入到通用燃氣輪機燃燒器中。但是，現(xiàn)有技術中沒有公開描述非滲透氣體在特定燃氣 輪機燃燒器(gas turbinecombustor)中的集成使用的詳細方法。因此，需要實際燃氣輪機 燃燒器中利用來自離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的非滲透氣體的具體方法。通過下面所述的和隨后的 權利要求所限定的本發(fā)明的實施方式來滿足了這種需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種實施方式涉及集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，包 括(a)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(1)包括壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸(drive shaft)的壓縮機；(2)包括外殼、具有一個或多個燃料進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)、 適于接收來自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)和圍繞燃燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里(liner)的燃燒器， 其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、燃燒氣體出口和一個或多個稀釋氣體進口；(3)位于外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域具有一個或多個含氧氣體進口，且通過該一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與 燃燒區(qū)流體連通；(4)包括與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出 軸(work output shaft)的氣體膨脹器；和(5)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道(piping)；(b)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)(feed zone)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣 進口、使進氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧 氧的(oxygen-depleted)非滲透氣體的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口 ；和(C)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口的任一個或多個流體連通 的管道。本發(fā)明的另一實施方式包括操作集成的燃氣輪機(combustionturbine)和離子轉(zhuǎn) 運膜系統(tǒng)的方法，包括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)包括外殼、具有一個或多個燃料進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒 區(qū)、適于接收來自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)和圍繞燃燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里的燃燒器，其 中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、一個或多個稀釋氣體進口和稀釋的燃燒氣體出口；(Ic)位于外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷 卻區(qū)域具有一個或多個含氧氣體進口，且通過一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與 燃燒區(qū)流體連通；(Id)具有與稀釋的燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動 的功輸出軸的氣體膨脹器；和(Ie)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；(3)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口的任一個或多個流體連通 的管道；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，并在燃燒區(qū)中燃燒燃料與壓縮 的含氧氣體的第一部分以產(chǎn)生熱的燃燒氣體；用稀釋氣體稀釋熱的燃燒氣體以形成稀釋 的熱燃燒氣體；和在熱氣體膨脹渦輪中膨脹稀釋的熱燃燒氣體以產(chǎn)生軸功(shaftwork)；(c)加熱壓縮的含氧氣體的第二部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含 氧氣體引入膜組件的進氣區(qū)中，從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物 抽出出口抽出滲透氣體；和(d)將貧氧的非滲透氣體的至少一部分引入稀釋區(qū)中。本發(fā)明的相關的實施方式包括集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(a)燃氣渦 輪燃燒發(fā)動機，包括(1)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(2)包括外殼、具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)和圍繞燃 燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里的燃燒器；(3)位于外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷 卻區(qū)域具有含氧氣體進口并通過一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與燃燒區(qū)流體連 通；(4)包括與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出 軸的氣體膨脹器；和(5)適于從壓縮機向燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域的含氧氣體進口轉(zhuǎn)移壓縮含氧氣體的第 一部分的管道；(b)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；和(c)混合區(qū)、適于從壓縮機向混合區(qū)轉(zhuǎn)移壓縮含氧氣體的第二部分的管道、適于 從進氣區(qū)向混合區(qū)轉(zhuǎn)移貧氧的非滲透氣體的管道；和(d)適于轉(zhuǎn)移包含壓縮含氧氣體的第二部分和貧氧的非滲透氣體的混合物進入燃 燒區(qū)的管道。另一相關的實施方式包括操作集成的燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的方法，包 括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)包括外殼、具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)和圍繞 燃燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里的燃燒器；(Ic)外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū) 域具有含氧氣體進口并通過一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與燃燒區(qū)流體連通； 禾口(Id)具有與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸 出軸的氣體膨脹器；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，將壓縮的含氧氣體分為第一部 分、第二部分和第三部分，并將第一部分引入燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域中；(c)加熱壓縮的含氧氣體的第二部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含氧氣體引入膜組件的進氣區(qū)，從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽 出出口抽出滲透氣體；(d)混合壓縮的含氧氣體的第三部分和來自進氣區(qū)的貧氧的非滲透氣體以形成混 合的含氧氣體，在燃燒區(qū)中燃燒燃料與混合的含氧氣體以產(chǎn)生熱燃燒氣體，并在熱氣體 膨脹渦輪中膨脹熱燃燒氣體以產(chǎn)生軸功。本發(fā)明的進一步實施方式涉及集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)， 其包括(a)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(1)包括壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(2)包括具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)、適于接收來自 燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)的燃燒器，其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、燃燒氣體出口 和一個或多個稀釋氣體進口；(3)包括與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出 軸的氣體膨脹器；和(4)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道；(b)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；和(c)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口中的任一個或多個流體連 通的管道。本發(fā)明的進一步的另一實施方式包括操作集成的燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的 方法，包括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)包括具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)和適于接收來 自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)的燃燒器，其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、一個或多個 稀釋氣體進口和稀釋的燃燒氣體出口；(Ic)具有與稀釋的燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動 的功輸出軸的氣體膨脹器；和(Id)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；(3)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口中的任一個或多個流體連 通的管道；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，并在燃燒區(qū)中燃燒燃料與壓縮
11的含氧氣體的第一部分以產(chǎn)生熱的燃燒氣體；用稀釋氣體稀釋熱的燃燒氣體以形成稀釋 的熱燃燒氣體；和在熱氣體膨脹渦輪中膨脹稀釋的熱燃燒氣體以產(chǎn)生軸功；(c)加熱壓 縮的含氧氣體的第二部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含 氧氣體引入膜組件的進氣區(qū)，從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽 出出口抽出滲透氣體；和(d)將貧氧的非滲透氣體的至少一部分引入稀釋區(qū)。本發(fā)明的一個可選的實施方式包括操作集成的燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的方 法，包括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)包括具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)和適于接收來 自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)的燃燒器，其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、一個或多個 稀釋氣體進口和稀釋的燃燒氣體出口；和(Ic)具有與稀釋的燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動 的功輸出軸的氣體膨脹器；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；(3)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口中的任一個或多個流體連 通的管道；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，加熱壓縮的含氧氣體的至少一 部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含氧氣體引入膜組件的進氣區(qū)，從進氣區(qū) 抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽出出口抽出高純度氧滲透氣體；和(c)在燃燒區(qū)中燃燒燃料與高純度氧滲透氣體的至少一部分以產(chǎn)生熱的燃燒氣 體；用稀釋氣體稀釋熱的燃燒氣體以形成稀釋的熱燃燒氣體；并在熱氣體膨脹渦輪中膨 脹稀釋的熱燃燒氣體以產(chǎn)生軸功。本發(fā)明的最終的實施方式涉及集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)， 其包括(a)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，其包括具有壓縮含氧氣體出口的壓縮機；包括外殼、 與壓縮含氧氣體出口流體連通的燃燒區(qū)和與燃燒區(qū)流體連通且具有一個或多個稀釋氣體 進口的稀釋區(qū)的燃燒器；和氣體膨脹器；和(b)具有離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，離子轉(zhuǎn)運膜組件包括進氣 區(qū)、滲透區(qū)、與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的通向進氣區(qū)的進氣進口、進氣區(qū) 出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；其中，膜組件的進氣區(qū)出口與燃燒器稀釋區(qū)的一個或多個稀釋氣體進口中的任 一個或多個流體連通。方面#1:集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，包括
(a)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(1)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(2)包括外殼、具有一個或多個燃料進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)、 適于接收來自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)和圍繞燃燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里的燃燒器，其中， 稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、燃燒氣體出口和一個或多個稀釋氣體進口 ；(3)位于外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷卻 區(qū)域具有一個或多個含氧氣體進口并通過一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與燃燒 區(qū)流體連通；(4)包括與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出 軸的氣體膨脹器；和(5)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道；(b)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；和(c)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口中的任一個或多個流體連 通的管道。方面#2 方面#1中定義的系統(tǒng)，包括使?jié)B透區(qū)的滲透物抽出出口與燃燒區(qū)的一 個或多個含氧氣體進口中的至少一個流體連通的管道。方面#3:方面#1中定義的系統(tǒng)，包括使膜組件的進氣區(qū)出口與燃燒區(qū)環(huán)形冷 卻區(qū)域和燃燒區(qū)的一個或多個含氧氣體進口中的至少一個其中之一或兩者流體連通的管道。方面#4:方面#3中定義的系統(tǒng)，包括壓縮機的壓縮含氧氣體出口和燃燒區(qū)環(huán)形 冷卻區(qū)域的一個或多個含氧氣體進口中的任一個或多個之間的管道，其中，該管道適于 將壓縮含氧氣體弓I入燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域中。方面#5 方面#4中定義的系統(tǒng)，包括使?jié)B透區(qū)的滲透物抽出出口與燃燒區(qū)的一 個或多個含氧氣體進口中的至少一個流體連通的管道。方面#6:方面#4中定義的系統(tǒng)，包括混合區(qū)、使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與 混合區(qū)流體連通的管道、使離子轉(zhuǎn)運膜組件的進氣區(qū)出口與混合區(qū)流體連通的管道、適 于向混合區(qū)引入燃料的管道和從混合區(qū)向燃燒區(qū)的一個或多個可燃氣體進口中的任一個 或多個轉(zhuǎn)移可燃氣體的管道。方面#7 方面#3中定義的系統(tǒng)，包括壓縮機的壓縮含氧氣體出口和燃燒區(qū)的一 個或多個含氧氣體進口中的任一個或多個之間的管道，其中，該管道適于將壓縮含氧氣 體直接引入燃燒區(qū)。方面#8:方面#7中定義的系統(tǒng)，包括使?jié)B透區(qū)的滲透物抽出出口與適于將壓縮 含氧氣體直接引入燃燒區(qū)的管道流體連通的管道。方面#9:方面#7中定義的系統(tǒng)，包括圍繞稀釋區(qū)的稀釋區(qū)襯里和位于外殼和稀 釋區(qū)襯里之間的稀釋區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，一個或多個稀釋氣體進口適于將來自離子 轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)的貧氧的氣體輸入稀釋區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域中，和其中，稀釋區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域與稀釋區(qū)流體連通。方面#10:方面# 9中定義的系統(tǒng)，包括混合區(qū)、使壓縮機的壓縮含氧氣體出 口與混合區(qū)流體連通的管道、使離子轉(zhuǎn)運膜組件的進氣區(qū)出口與混合區(qū)流體連通的管道 和適于從混合區(qū)向燃燒區(qū)的一個或多個含氧氣體進口中的至少一個轉(zhuǎn)移貧氧的氣體的管 道。方面#11 方面#1中定義的系統(tǒng)，包括適于加熱來自壓縮機的壓縮含氧氣體流 的至少一部分以形成加熱的壓縮含氧氣體流的加熱器和從加熱裝置向離子轉(zhuǎn)運膜組件的 進氣區(qū)的進氣進口輸送加熱的壓縮含氧氣體流的管道裝置。方面#12:方面#11中定義的系統(tǒng)，其中，加熱器包括適于燃燒燃料與壓縮的含 氧氣體流以提供加熱的壓縮的含氧氣體流的直燃式燃燒器。方面#13:方面#1中定義的系統(tǒng)，其中，燃燒區(qū)包括初級燃燒區(qū)，接著是二級 燃燒區(qū)，其中，一個或多個含氧氣體進口中的至少一個適于將壓縮的含氧氣體的至少一 部分引入初級燃燒區(qū)中，其中，一個或多個含氧氣體進口中的至少一個適于將壓縮的含 氧氣體的至少一部分引入二級燃燒區(qū)中，和其中，二級燃燒區(qū)包括燃燒氣體出口。方面#14:方面#13中定義的系統(tǒng)，包括使?jié)B透區(qū)的滲透物抽出出口與初級燃燒 區(qū)和/或二級燃燒區(qū)流體連通的管道。方面#15:方面#1中定義的系統(tǒng)，其中，功輸出軸適于通過壓縮機驅(qū)動軸提供 驅(qū)動壓縮機所需的功的至少一部分。方面#16: —種操作集成的燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的方法，包括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)燃燒器，包括外殼、具有一個或多個燃料進口和一個或多個含氧氣體進 口的燃燒區(qū)、適于接收來自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)和圍繞燃燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里，其 中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、一個或多個稀釋氣體進口和稀釋的燃燒氣體出口；(Ic)位于外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷 卻區(qū)域具有一個或多個含氧氣體進口并通過一個或多個含氧氣體進口的至少一個與燃燒 區(qū)流體連通；(Id)具有與稀釋的燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動 的功輸出軸的氣體膨脹器；和(Ie)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口，和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；(3)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口中的任一個或多個流體連 通的管道；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，并在燃燒區(qū)中燃燒燃料與壓縮 的含氧氣體的第一部分以產(chǎn)生熱的燃燒氣體；用稀釋氣體稀釋熱的燃燒氣體以形成稀釋的熱燃燒氣體；和在熱氣體膨脹渦輪中膨脹稀釋的熱燃燒氣體以產(chǎn)生軸功；(c)加熱壓縮的含氧氣體的第二部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含 氧氣體引入膜組件的進氣區(qū)，從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽 出出口抽出滲透氣體；和
(d)將貧氧的非滲透氣體的至少一部分引入稀釋區(qū)中。方面#17 方面#16中定義的方法，包括將滲透氣體的全部或部分引入一個或多 個含氧氣體進口的任一個或多個。方面#18:方面#16中定義的方法，包括將壓縮含氧氣體的一部分引入燃燒區(qū)環(huán) 形冷卻區(qū)域中。方面#19 方面#18中定義的方法，包括混合壓縮的含氧氣體的一部分和來自離 子轉(zhuǎn)運膜組件的進氣區(qū)的貧氧的非滲透氣體的一部分以形成混合的含氧氣體，混合燃料 和混合的含氧氣體以形成可燃氣體，并將可燃氣體引入燃燒區(qū)的可燃氣體進口中。方面#20:方面#16中定義的方法，包括將壓縮含氧氣體的一部分直接引入燃燒 區(qū)中。方面#21 方面#20中定義的方法，包括(1)將滲透氣體的全部或部分直接引 入燃燒區(qū)中，或(2)混合滲透氣體的全部或部分和燃料以形成燃料-氧混合物，并將該混 合物直接引入燃燒區(qū)中。方面#22:方面#20中定義的方法，其中，燃燒器包括圍繞稀釋區(qū)的稀釋區(qū)襯里 和位于外殼和稀釋區(qū)襯里之間的稀釋區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，壓縮含氧氣體的另一部分 與來自離子轉(zhuǎn)運膜組件的進氣區(qū)的貧氧的非滲透氣體混合以形成混合的含氧氣體，和其 中，將混合的含氧氣體的一部分引入稀釋區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域中。方面#23:方面#22中定義的方法，其中，將混合的含氧氣體的另一部分引入燃 燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域中。方面#24:方面#16中定義的方法，其中，通過在直燃式燃燒器中燃燒燃料與壓 縮的含氧氣體流實現(xiàn)壓縮的含氧氣體的第二部分的加熱以提供加熱的壓縮含氧氣體流。方面#25:方面#16中定義的方法，其中，燃燒區(qū)包括初級燃燒區(qū)，接著二級燃 燒區(qū)，且二級燃燒區(qū)包括燃燒氣體出口，其中，將壓縮含氧氣體的一部分引入初級燃燒 區(qū)中，和其中，將壓縮含氧氣體的另一部分引入二級燃燒區(qū)中。方面#26:方面#16中定義的方法，其中，通過壓縮機驅(qū)動軸驅(qū)動壓縮機所需的 功的至少一部分通過膨脹渦輪的功輸出軸提供。方面#27:方面#25中定義的方法，其中，將來自離子轉(zhuǎn)運膜組件進氣區(qū)的貧氧 的非滲透氣體引入初級燃燒區(qū)和二級燃燒區(qū)其中之一或兩者中。方面#28: —種集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，包括(a)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(1)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(2)包括外殼、具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)和圍繞燃 燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里的燃燒器；(3)位于外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷 卻區(qū)域具有含氧氣體進口并通過一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與燃燒區(qū)流體連通；(4)包括與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出 軸的氣體膨脹器；和(5)適于從壓縮機向燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域的含氧氣體進口轉(zhuǎn)移壓縮含氧氣體的第 一部分的管道；(b)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口，和滲透區(qū)的滲透物抽出出口 ；和(c)混合區(qū)、適于從壓縮機向混合區(qū)轉(zhuǎn)移壓縮含氧氣體的第二部分的管道、適于 從進氣區(qū)向混合區(qū)轉(zhuǎn)移貧氧的非滲透氣體的管道；和(d)適于轉(zhuǎn)移包含壓縮含氧氣體的第二部分和貧氧的非滲透氣體的混合物進入燃 燒區(qū)的管道。方面#29:方面#28中定義的系統(tǒng)，其中，適于轉(zhuǎn)移包括壓縮含氧氣體的第二 部分和貧氧的非滲透氣體的混合物進入燃燒區(qū)的管道還適于將該混合物直接引入燃燒區(qū) 中。方面#30: —種操作集成的燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的方法，包括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)包括外殼、具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)和圍繞 燃燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里的燃燒器；(Ic)外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷卻 區(qū)域具有含氧氣體進口，且通過一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與燃燒區(qū)流體連 通；禾口(Id)具有與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸 出軸的氣體膨脹器；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口，和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，將壓縮的含氧氣體分為第一部 分、第二部分和第三部分，并將第一部分引入燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域；(C)加熱壓縮的含氧氣體的第二部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含 氧氣體引入膜組件的進氣區(qū)，從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽 出出口抽出滲透氣體；(d)混合壓縮的含氧氣體的第三部分與來自進氣區(qū)的貧氧的非滲透氣體以形成混 合的含氧氣體，在燃燒區(qū)燃燒燃料與混合的含氧氣體以產(chǎn)生熱燃燒氣體，并在熱氣體膨 脹渦輪中膨脹熱燃燒氣體以產(chǎn)生軸功。
方面#31:方面#30中定義的方法，其中，將混合的含氧氣體直接引入燃燒區(qū) 中。方面#32: —種集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，包括(a)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(1)包括壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(2)包括具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)、適于接收來自 燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)的燃燒器，其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、燃燒氣體出口 和一個或多個稀釋氣體進口；(3)包括與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出 軸的氣體膨脹器；和(4)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道；(b)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；和(c)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口中的任一個或多個流體連 通的管道。方面#33:方面#32中定義的系統(tǒng)，包括使?jié)B透區(qū)的滲透物抽出出口與燃燒區(qū)的 一個或多個含氧氣體進口中的至少一個流體連通的管道。方面#34: —種操作集成的燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的方法，包括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)燃燒器，包括具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)及適 于接收來自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)，其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、一個或多個 稀釋氣體進口和稀釋的燃燒氣體出口；(Ic)具有與稀釋的燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動 的功輸出軸的氣體膨脹器；和(Id)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口，和滲透區(qū)的滲透物抽出出口； (3)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口中的任一個或多個流體連 通的管道；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，并在燃燒區(qū)中燃燒燃料與壓縮 含氧氣體的第一部分以產(chǎn)生熱的燃燒氣體；用稀釋氣體稀釋熱燃燒氣體以形成稀釋的熱 燃燒氣體；和在熱氣體膨脹渦輪中膨脹稀釋的熱燃燒氣體以產(chǎn)生軸功；(c)加熱壓縮含氧氣體的第二部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含氧氣體引入膜組件的進氣區(qū)，從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽出出口抽出滲透氣體；和(d)將貧氧的非滲透氣體的至少一部分引入稀釋區(qū)中。方面#35 方面#34中定義的方法，包括將滲透氣體的全部或部分引入一個或多 個含氧氣體進口中的任一個或多個。方面#36: —種操作集成的燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的方法，包括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)包括具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)和適于接收來 自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)的燃燒器，其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、一個或多個 稀釋氣體進口和稀釋的燃燒氣體出口；和(Ic)具有與稀釋的燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動 的功輸出軸的氣體膨脹器；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括 進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進 氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透 氣體的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；(3)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口中的任一個或多個流體連 通的管道；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，加熱壓縮的含氧氣體的至少一 部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含氧氣體引入膜組件的進氣區(qū)中，從進氣 區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽出出口抽出高純度氧滲透氣體；和(C)在燃燒區(qū)中燃燒燃料與高純度氧滲透氣體的至少一部分以產(chǎn)生熱的燃燒氣 體；用稀釋氣體稀釋熱的燃燒氣體以形成稀釋的熱燃燒氣體；并在熱氣體膨脹渦輪中膨 脹稀釋的熱燃燒氣體以產(chǎn)生軸功。方面#37 方面#36中定義的方法，包括將貧氧的非滲透氣體的至少一部分作為 稀釋氣引入稀釋區(qū)中。方面#38 方面#36中定義的方法，包括將壓縮含氧氣體的至少一部分作為稀釋 氣引入稀釋區(qū)中。方面#39: —種集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，包括(a)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括具有壓縮含氧氣體出口的壓縮機；包括外 殼、與壓縮含氧氣體出口流體連通的燃燒區(qū)和與燃燒區(qū)流體連通且具有一個或多個稀釋 氣體進口的稀釋區(qū)的燃燒器和氣體膨脹器；和(b)具有離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，該離子轉(zhuǎn)運膜組件包括進氣 區(qū)、滲透區(qū)、與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的通向進氣區(qū)的進氣進口、進氣區(qū) 出口，和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；其中，膜組件的進氣區(qū)出口與燃燒器稀釋區(qū)的一個或多個稀釋氣體進口中的任 一個或多個流體連通。
方面#40: —種燃燒方法，包括(a)提供具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件 包括進氣區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、 使進氣進口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非 滲透氣體的進氣區(qū)出口，和滲透區(qū)的滲透物抽出出口，并提供使膜組件的進氣區(qū)出口與 燃燒爐(burner)流體連通的管道；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，加熱壓縮的含氧氣體的至少一 部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含氧氣體引入膜組件的進氣區(qū)，從進氣區(qū) 抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽出出口抽出高純度氧滲透氣體；和(c)在爐(furnace)中燃燒燃料與貧氧的非滲透氣體的至少一部分以減少NOx的 形成。方面#41:方面#40中定義的方法，其中，所述爐是鍋爐(boiler)、玻璃熔化 爐、金屬熔化爐、用于生產(chǎn)碳酸鈉(洗滌堿)、高嶺土或鉻酸鎂的窯爐、用于非鐵金屬 (如銅、鉛、鎳、鋅)的熔爐、非鐵金屬焙燒爐、紙漿鍋爐(paper pulp boiler)或其他合適 的爐。


圖1是示例性的燃氣輪機燃燒器(gas turbine engine combustor)的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的與燃氣渦輪燃燒發(fā)動機集成的集成式離子 轉(zhuǎn)運膜氧分離系統(tǒng)的示意流程圖。圖3是用于圖2的實施方式中的燃氣輪機燃燒器的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的與燃氣渦輪燃燒發(fā)動機集成的集成式離子 轉(zhuǎn)運膜氧分離系統(tǒng)的示意流程圖。圖5是用于圖4的實施方式中的燃氣輪機燃燒器的示意圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的一種替代實施方式的與燃氣渦輪燃燒發(fā)動機集成的集成式 離子轉(zhuǎn)運膜氧分離系統(tǒng)的示意流程圖。圖7是用于圖6的實施方式中的燃氣輪機燃燒器的示意8是用于實施例1中的基線系統(tǒng)(baseline system)的與燃氣渦輪燃燒發(fā)動機集 成的集成式離子轉(zhuǎn)運膜氧分離系統(tǒng)的示意流程圖。圖9是實施例4中氧產(chǎn)生速率和電功率輸出相對于混合的空氣/非滲透氣體溫度 的曲線圖。圖10是實施例5中貧油熄火(lean blowout)當量比(equivalenceratio)相對于預
混合的甲烷/空氣火焰溫度的曲線圖。圖11是實施例5中燃燒器中的當量比和流向燃燒器的混合空氣/非滲透物流的 溫度相對于輸送到離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的來自燃氣輪機壓縮機的空氣的百分比的曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實施方式涉及離子轉(zhuǎn)運膜(ITM)氧分離系統(tǒng)與燃氣渦輪燃燒發(fā)動機的 整合以及ITM非滲透氣體在燃氣輪機燃燒器中的使用。如下文更詳細地描述的燃氣輪機的燃燒器包括燃燒區(qū)和稀釋區(qū)，且燃燒區(qū)可以具有初級和二級燃燒區(qū)。在一個實施方式 中，燃氣渦輪壓縮機排出流的足夠部分繞過(bypass)ITM系統(tǒng)，并用于滿足燃燒和燃燒 器的襯里冷卻需求；其余部分提供ITM系統(tǒng)的進氣。將ITM非滲透物流引入燃燒器以 對來自燃燒器燃燒區(qū)的氣流(flow)提供所需的稀釋。在另一個實施方式中，繞行流的一部分與非滲透物混合以充分降低其溫度，混 合的氣流用于襯里冷卻和稀釋。這具有在集成的ITM-燃氣渦輪系統(tǒng)中簡化管道的熱-機 械設計的可能。 在第三種實施方式中，非滲透物流的一部分與部分ITM繞行流混合，由此產(chǎn)生 的混合流與燃氣渦輪燃料預混合并在燃氣渦輪燃燒器中燃燒。這種實施方式可以通過用 氧貧化的非滲透物流充分稀釋降低燃料濃度，以提供實用水平的NOx控制。下面描述并說明這些實施方式。在說明書中，術語“流體連通 (flowcommunication) ” 禾口 “與...、流體連通(in flow communication with) ” )用來定義氣 體從第一區(qū)域到第二區(qū)域的流路。流路可包括管道和/或氣體流過的中間區(qū)域。氣體中 的成分(component)不會在流路中被化學反應改變；但是，氣體在通過從第一區(qū)域到第 二區(qū)域的流路的過程中可以加熱、冷卻或與另一種氣體混合。當應用于說明書和權利要求所描述的本發(fā)明的實施方式中的任何特征時，本文 所用的不定冠詞“一”(“a”和“an” )指一個或多個。除非明確表示，“一”的使 用不限制其含義為單一特征。單數(shù)或復數(shù)名詞或名詞短語前面的定冠詞“該(the)”指一 種或多種特別指明的特征，且根據(jù)其使用的上下文可以具有單數(shù)或復數(shù)的含義。形容詞
“任何”指一個、一些或?qū)?shù)量不加區(qū)別的全部。位于第一實體和第二實體之間的術語 “和/或”指以下之一(1)第一實體，(2)第二實體，以及(3)第一實體和第二實體。含氧氣體定義為包含氧但沒有燃料成分的氣體。含氧氣體可以是，例如，空 氣、貧氧的空氣、富氧空氣或含有至少99體積％氧的高純度氧。術語“燃燒氣體”定義為含有通過燃燒氧化反應形成的成分的任何氣體。燃燒 氣體包括來自燃燒區(qū)的流出氣體或與來自任何其他來源的一種或多種氣體混合的來自燃 燒區(qū)的流出氣體。燃燒區(qū)定義為燃燒反應在其中發(fā)生的部分封閉或完全封閉的區(qū)域。燃 燒區(qū)具有一個或多個燃料和/或可燃氣體和/或含氧氣體的進口。稀釋區(qū)是燃燒區(qū)之后 的區(qū)域且具有一個或多個稀釋氣體進口，其中稀釋氣體與來自燃燒區(qū)的燃燒氣體混合以 冷卻該氣體并獲得均勻的出口溫度或想要的溫度分布。稀釋氣體基本上不含可燃成分， 且可能是，例如，引入燃燒區(qū)的氧含氣體的一部分。燃燒區(qū)具有至少一個燃燒氣體出口，并可具有初級燃燒區(qū)和二級燃燒區(qū)。初級 燃燒區(qū)定義為其中引入全部燃料且大部分燃料與含氧氣體一起燃燒的區(qū)域。二級燃燒區(qū) 定義為初級燃燒區(qū)之后的區(qū)域，其中來自初級燃燒區(qū)的剩余燃料與另外的含氧氣體燃燒 以產(chǎn)生流動進入稀釋區(qū)的來自燃燒區(qū)的燃燒氣體。燃料定義為包含一種或多種在燃燒氧化反應中與氧發(fā)生反應的成分的氣體、液 體、固體或其混合物?？赡艿娜剂习ㄌ烊粴?、煉油廠尾氣、合成氣、氫氣、乙醇或其 他醇類、燃油、航空燃料或其他烴蒸餾物、燃油-水乳液(fuel oil-water emulsion)和煤粉 或焦炭在燃油或水中的懸浮物。術語“可燃氣體”是指包含一種或多種在燃燒氧化反應 中與氧發(fā)生反應的成分的氣體?？扇細怏w可以是包含可以與氧反應的燃料成分的燃料氣體，或可以是燃料氣體和含氧氣體的混合物。圖1給出典型的燃氣渦輪燃燒器的橫截面示意圖。燃燒器包括以直徑Dl為特征 的外殼1、以直徑D3為特征的襯里3、進口端7和燃燒氣體排出端9。襯里3包圍包括 以軸向長度P為特征的初級燃燒區(qū)11、以軸向長度S為特征的二級燃燒區(qū)13的燃燒區(qū)和 包圍以軸向長度D為特征的稀釋區(qū)15。燃燒區(qū)以軸向長度C為特征。提供含氧氣體進 口 17以將含氧氣體(通常為加壓空氣)引入燃燒器中。外殼1和襯里3之間的環(huán)形區(qū)域形成環(huán)形冷卻區(qū)19，其適于將含氧氣體引向燃燒 器的進口端，從而冷卻襯里3，向初級燃燒區(qū)11和二級燃燒區(qū)13提供氧化劑氣體并向稀 釋區(qū)15提供稀釋氣體。氧化劑氣體旋流組件21位于燃燒器的進口端和初級燃燒區(qū)11的 進口端。燃料進口 27位于初級燃燒區(qū)11的進口端。環(huán)形冷卻區(qū)19中的流動方向可以 與襯里3內(nèi)的流動方向同向或逆向。在某些情況下，環(huán)形冷卻區(qū)19中的氣流可能取決于 空氣或氧化劑氣體相對于襯里3中的進口 29和31在何處弓I入該區(qū)中而沿兩個方向流動。環(huán)形冷卻區(qū)19 (和下面描述的其他實施方式的環(huán)形冷卻區(qū))由外殼1和襯里3的 平行壁限定。襯里3具有多個二級進口 29以使含氧氣體從冷卻區(qū)19流入二級燃燒區(qū)13，和具 有多個稀釋氣體進口 31以使含氧氣體從冷卻區(qū)19流入稀釋區(qū)15。任選地，襯里3還具 有小開口 33、35和37以引導來自冷卻區(qū)的一些含氧氣體流過襯里的內(nèi)表面，而提供內(nèi)襯 里冷卻。可以在開口 33和29之間、開口 35和31之間和開口 37和出口 9之間設置另外 的薄膜冷卻開口?？梢酝ㄟ^二級進口 29、稀釋氣體進口 31和小開口 33、35和37的大小 和數(shù)目來控制流向旋流組件21的初級含氧氣體、流向燃燒區(qū)13的二級含氧氣體和流向稀 釋區(qū)15的稀釋氣體的相對流速。 燃燒器通過經(jīng)進口 27 (其包括燃料噴霧霧化噴嘴(未顯示))引入液體燃料39以 產(chǎn)生燃料液滴41而進行操作?？蛇x擇地，可以利用經(jīng)進口 27的燃料直接注射或通過預 混合燃料和含氧氣體來使用氣體燃料。含氧氣體43 (通常為加壓空氣)通過進口 17引入 燃燒器中，且流經(jīng)鄰近稀釋區(qū)15的環(huán)形冷卻區(qū)19部分，從而加熱空氣和冷卻稀釋區(qū)15 周圍的襯里3的部分。這些空氣的一部分流經(jīng)小開口 37，并沿著襯里的內(nèi)表面定向以提 供另外的冷卻。這些空氣的另一部分流經(jīng)稀釋氣體進口 31，并稀釋從二級燃燒區(qū)13進入 稀釋區(qū)15的燃燒氣體。剩余的空氣繼續(xù)流經(jīng)圍繞二級燃燒區(qū)13的環(huán)形冷卻區(qū)19的部分，從而加熱空氣 和冷卻圍繞二級燃燒區(qū)13的襯里3的部分。這些空氣的部分流經(jīng)小開口 35，并沿著襯里 的內(nèi)表面定向以提供另外的冷卻。這些空氣的另一部分流經(jīng)二級進口 29，并與從初級燃 燒區(qū)11進入二級燃燒區(qū)13的燃燒氣體混合。剩余的空氣繼續(xù)流經(jīng)圍繞初級燃燒區(qū)11的 環(huán)形冷卻區(qū)19的部分，從而加熱空氣和冷卻圍繞初級燃燒區(qū)11的襯里3的部分。這些 空氣的一部分流經(jīng)小開口 33，并沿著襯里的內(nèi)表面定向以提供另外的冷卻。剩余的空氣 流經(jīng)旋流組件21，并與燃料41混合。初始燃燒發(fā)生在初級燃燒區(qū)11中，燃燒氣體與來自二級進口 29的二級空氣混 合，且混合氣體流入其中發(fā)生進一步的燃燒反應的二級燃燒區(qū)13中。開口 29和31之間 的另外一組襯里開口(未顯示)也可用于進一步漸進地引入稀釋空氣，從而使得較低反應 性的物質(zhì)(如一氧化碳)的燃燒反應在反應完合之前不會熄滅。來自二級燃燒區(qū)13的混合燃燒氣體與來自稀釋氣體進口 31的稀釋空氣在稀釋區(qū)15中混合。熱的加壓燃燒氣體 45流向膨脹渦輪(未顯示)以產(chǎn)生功。圖1的燃燒器中(和下面描述的其他燃燒器中)初級燃燒空氣、二級燃燒空氣和 稀釋空氣的相對流速取決于開口 29和31的大小和數(shù)目。通過適當選擇開口 29到31的 大小和數(shù)目可以設置這些流速之間的關系?？梢园凑毡景l(fā)明的各種實施方式對以上參照圖1描述的燃燒器進行改進以與離 子轉(zhuǎn)運膜氧分離系統(tǒng)進行整合。第一實施方式如圖2所示，其中，來自ITM系統(tǒng)的非滲 透氣體用作燃燒器中的稀釋氣體。可以在壓縮機203中壓縮含氧氣體201 (通常為空氣) 至一般3至50大氣壓或更特別地7至30大氣壓的壓力。管線205中的壓縮空氣分為通 過管線207的主要部分和通過管線209用于膨脹渦輪冷卻的次要部分。通常通過將來自 管線209的冷卻空氣引入渦輪葉片內(nèi)的小流動通道中實現(xiàn)這種渦輪冷卻。這些空氣在流 過內(nèi)部冷卻通道時提供葉片的對流冷卻。然后它排入并在通過渦輪膨脹時與主流混合。 管線207中的壓縮空氣分為通過管線211的第一部分和通過管線213的第二部分。管線 211中的第一部分在直燃式燃燒器217中與燃料215 —起燃燒，以提供700至1,000°C的含 有12體積％至19體積％氧的加熱的燃燒氣體，且加熱的燃燒氣體經(jīng)管線219流到離子轉(zhuǎn) 運膜系統(tǒng)221。在一些具體的實施方式中，加熱的燃燒氣體可在800至900°C的溫度下包 含16體積％至18體積％氧。雖然圖2的實施方式顯示了提供管線207中的壓縮空氣的單壓縮機203，但來自 外部源(未顯示)的另一壓縮空氣流可以用于補充管線207中的由壓縮機203提供的空 氣。例如，如果需要超過或超出可以由壓縮機203提供的輸入空氣之外的另外的輸入空 氣，則可以使用外部或輔助壓縮機。離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)221的這一示意圖代表包含具有本領域已知的任何適當類型 和配置的混合金屬氧化膜用于實現(xiàn)氧離子的過膜轉(zhuǎn)運的一個或多個組件，以產(chǎn)生高純 度氧氣產(chǎn)物。美國專利5,681,373和7,179,323描述了用于這種目的的示例性的離子轉(zhuǎn) 運膜和系統(tǒng)，本文通過引用完整引入這兩篇文獻。代表性的離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)221包 括具有將組件分割為進氣側(cè)或進氣區(qū)227和滲透側(cè)或滲透區(qū)229的膜225的組件外殼 (moduleenclosure)223。通常含有大于99.5體積％氧的高純度氧氣通過管線231抽出，且 通常含有3體積％至18體積％氧的貧氧的非滲透氣體通過出口管線233抽出。燃燒器235是對圖1燃燒器的改進，且包括以軸向長度C為特征的燃燒區(qū)237、 以軸向長度D為特征的稀釋區(qū)239、外殼241、內(nèi)部襯里243、環(huán)形冷卻區(qū)245、旋流組件 247、燃料進口 249和燃燒氣體出口管線251。非滲透氣體出口管線233與稀釋區(qū)239流 體連通，且壓縮空氣管線213與圍繞燃燒區(qū)237的環(huán)形冷卻區(qū)245的部分流體連通。燃燒氣體經(jīng)管線251流入膨脹渦輪257，其從熱的燃燒氣體回收功并通過管線 259排放膨脹的廢氣；一部分產(chǎn)生的功通過軸261轉(zhuǎn)移以驅(qū)動壓縮機203。另外的功263 可以用來發(fā)電和/或驅(qū)動其他旋轉(zhuǎn)設備。通過管線213引入的壓縮空氣如所示流過圍繞燃燒區(qū)237的環(huán)形冷卻區(qū)245的部 分，并冷卻圍繞燃燒區(qū)237的襯里243的部分。這些空氣的一部分可以流過相當于圖1 的二級進口 29的二級進口(未顯示)?？諝饣蚩諝獾氖Ｓ嗖糠至鹘?jīng)旋流組件247，并在 燃燒區(qū)237中與燃料264 —起燃燒，且燃燒氣體流入稀釋區(qū)239中。來自離子轉(zhuǎn)運膜系
22統(tǒng)221的非滲透氣體通過管線233作為稀釋氣體引入稀釋區(qū)239，在其中它與來自所示的 燃燒區(qū)237的燃燒氣體混合并稀釋燃燒氣體?？梢酝ㄟ^類似于圖1的稀釋氣體進口31的稀釋氣體進口(未顯示)引入稀釋氣 體。這顯示在圖3中，其是對圖1的系統(tǒng)的改進。在此實施方式中，環(huán)形分隔環(huán)(toroidal partition ring) 301安裝于外殼1和內(nèi)部襯里13之間的環(huán)形冷卻區(qū)中，以將環(huán)形冷卻區(qū)分隔 成兩個單獨的環(huán)形區(qū)，即稀釋環(huán)形冷卻區(qū)303和燃燒環(huán)形冷卻區(qū)305。通常情況下，區(qū) 303和305之間沒有直接的流體連通。圖1的進口 17被除去，而在外殼上安裝兩個新的 進口 307和309。進口 307接收來自離子轉(zhuǎn)運膜組件221的出口 233 (圖2)的非滲透氣體 311，且進口 309線接收來自管線213 (圖2)的壓縮空氣313。非滲透氣體311流過稀釋 氣體進口 31進入稀釋區(qū)15，并在其中提供稀釋。這種非滲透氣體的一部分可以流過開口 37并沿襯里的內(nèi)表面流動，以提供額外的冷卻。壓縮空氣313經(jīng)進口 309流過燃燒環(huán)形 區(qū)305從而冷卻襯里3，一部分流過開口 29以向二級燃燒區(qū)13提供二級燃燒空氣，和一 部分流過旋流組件21并與燃料41混合。燃燒環(huán)形區(qū)305中的一些空氣可以流過開口 33 和35沿襯里的內(nèi)表面流動以提供額外的冷卻。將非滲透氣體311引入稀釋區(qū)15的替代方法不需要使用環(huán)形分隔環(huán)301、進口 307和孔31。在這種替代方案中，非滲透氣體311通過在稀釋區(qū)15的進口端徑向設置并 通過外殼1和內(nèi)部襯里3的多個管引入稀釋區(qū)15中。圖3的初級燃燒區(qū)11和二級燃燒區(qū)13的燃燒過程類似于上述圖1中的過程。在 圖3的實施方式中，稀釋區(qū)15中的稀釋過程與圖1的不同之處僅在于稀釋氣體311具有 比空氣低的氧濃度并包含一些來自燃燒器217的燃燒產(chǎn)物。由于稀釋過程只是沒有化學 反應參與的混合過程，非滲透物的組成在此無關緊要。如果非滲透物被引入燃燒區(qū)(其 中其氧含量的降低會影響燃燒反應)，情況就不一樣了。本發(fā)明的第二實施方式如圖4的示意流程圖所示。在此實施方式中，來自壓縮 機203的管線207中的壓縮空氣分為三個部分。第一部分通過管線401流到燃燒器217， 和第二部分通過管線403流到燃燒器405。第三部分通過管線407流動并與管線409中來 自離子轉(zhuǎn)運膜組件221的非滲透氣體相合并，以在管線411中產(chǎn)生混合的空氣/非滲透物 流。管線403中的壓縮空氣通過旋流組件413直接流入燃燒區(qū)417，并在燃燒區(qū)417 中與通過管線416的燃料415—起燃燒，且燃燒氣體流入稀釋區(qū)419中。管線411中的 混合的壓縮空氣和非滲透物流流入并通過圍繞稀釋區(qū)和燃燒區(qū)的環(huán)形冷卻區(qū)，從而冷卻 襯里。這些混合流的一部分流進稀釋區(qū)中以提供稀釋氣體，而另一部分流進二級燃燒區(qū) 中。取決于燃燒區(qū)和環(huán)形冷卻區(qū)中的相對壓力，混合流的剩余部分可以流經(jīng)旋流組件413 以提供另外的初級燃燒氧化劑?？蛇x擇地，可以安裝環(huán)形分隔環(huán)以防止混合的壓縮空氣 和非滲透物流流向旋流組件413。如上所述，最后的熱燃燒氣體通過管線421流向膨脹渦 輪 257。雖然圖4的實施方式顯示提供管線207中的壓縮空氣的單壓縮機203，但來自外 部源(未顯示)的另一壓縮空氣流可以用來補充管線207中由壓縮機203提供的空氣。例 如，如果需要超過或超出可以由壓縮機203提供的輸入空氣的另外的輸入空氣，則可以 使用外部或輔助壓縮機。
該實施方式在圖5中更詳細地顯示，其是對圖1的系統(tǒng)的改進，其中如圖所示 進口 501和503安裝于外殼1中。管線403中的壓縮空氣流入進口 501，通過旋流組件 413，并在燃燒區(qū)11中與燃料415 —起燃燒。管線411中的混合壓縮空氣和非滲透物流 流入進口 503，并通過圍繞稀釋區(qū)和燃燒區(qū)的環(huán)形冷卻區(qū)505，從而冷卻襯里。這種混合 流的一部分通過孔31流進稀釋區(qū)15中，以在那里提供稀釋氣體；而另一部分通過孔29 流進二級燃燒區(qū)13中，以提供二級氧化劑氣體?；旌系膲嚎s空氣和非滲透物流的部分也 可通過開口 33、35和37沿襯里的內(nèi)表面流動，以提供額外的冷卻。取決于燃燒區(qū)和環(huán) 形冷卻區(qū)中的相對壓力，混合流的剩余部分可以流經(jīng)旋流組件413以提供另外的初級燃 燒氧化劑?？蛇x擇地，可以在開口 33和進口 501之間的環(huán)形冷卻區(qū)505中安裝環(huán)形分隔 環(huán)(未顯示)，以防止混合的壓縮空氣和非滲透物流流向旋流組件413。涉及燃燒區(qū)所使用的術語“直接”是指引入燃燒區(qū)的壓縮空氣(或任何其他 含氧氣體)在流入燃燒區(qū)前不流經(jīng)圍繞燃燒區(qū)和/或稀釋區(qū)的環(huán)形冷卻區(qū)(例如，圖5中 的 505)。本發(fā)明的第三實施方式中如圖6的示意流程圖所示。在此實施方式中，來自壓 縮機203的管線207中的壓縮空氣分為三個部分。第一部分通過管線601流至燃燒器 217，第二部分通過管線603流動，和第三部分通過管線605流動。管線607中的來自離 子轉(zhuǎn)運膜組件221的非滲透氣體分為通過管線609和611兩個氣流。管線603中的壓縮 空氣與來自管線611的非滲透氣體在混合區(qū)(未顯示)中混合，以在管線613中提供混合 的空氣/非滲透氣體。管線605中的壓縮空氣流經(jīng)圍繞燃燒區(qū)619的環(huán)形冷卻區(qū)，從而 冷卻襯里。這種氣體的部分流入燃燒區(qū)619中以提供如下所述的另外的氧化劑。雖然圖6的實施方式顯示了提供管線207中的壓縮空氣的單壓縮機203，但來自 外部源(未顯示)的另一壓縮空氣流可以用于補充管線207中由壓縮機203提供的空氣。 例如，如果需要超過或超出可以由壓縮機203提供的輸入空氣的另外的輸入空氣，則可 以使用外部或輔助壓縮機。本文所用的術語“混合區(qū)”是指促進兩種或多種氣體流混合以提供均勻混合的 氣體流的任何裝置。這種混合區(qū)可以是T形管道、文氏管、連續(xù)靜態(tài)分流混合器或本領 域已知的任何其他氣體混合裝置。管線613中的混合空氣和非滲透氣體通過旋流組件615直接引入燃燒區(qū)619中， 并在那里與燃料617—起燃燒，且燃燒氣體流進稀釋區(qū)621中，在其中燃燒氣體用通過管 線609的非滲透氣體稀釋?？蛇x擇地，通過管線625的燃料可以與來自管線603的壓縮空 氣預混合，且預混合的氣體通過管線613和旋流組件615引入。預混合應該迅速完成， 以使得混合時間短于自燃延遲(autoignition delay)；這消除了在燃燒區(qū)619之前發(fā)生不希 望的燃料-空氣預點火的可能性。小部分的燃料可以作為引導流直接引入燃燒區(qū)中，以 確?；鹧娣€(wěn)定性。如上所述，最后的熱燃燒氣體通過管線623流至膨脹渦輪257。該實 施方式中可以用于控制NOx產(chǎn)生。該實施方式更詳細地顯示在圖7中，其是圖1的燃燒器的改進，其中如圖所示， 進口 701、703和705安裝于外殼1中。環(huán)形分隔環(huán)707可以安裝于外殼1和內(nèi)部襯里13 之間的環(huán)形冷卻區(qū)中，以將環(huán)形冷卻區(qū)分成兩個單獨的環(huán)形區(qū)，即稀釋環(huán)形冷卻區(qū)709 和燃燒環(huán)形冷卻區(qū)711。通常情況下，區(qū)709和711之間沒有流體連通。來自管線613的混合的空氣和非滲透氣體(或者可選擇地，預混合的燃料和混合空氣/非滲透氣體)流 入進口 701，來自管線605的壓縮空氣流入進口 703，來自管線609的非滲透氣體流入進 Π 705?；旌系目諝?和非滲透氣體從管線613通過進口 701直接流入燃燒區(qū)，通過旋流組 件615，并在初級燃燒區(qū)11中與通過管線416引入的燃料415—起燃燒?？蛇x擇地，預 混合的燃料和混合空氣/非滲透氣體從管線613通過進口 701流過旋流組件615，并在初 級燃燒區(qū)11中燃燒。在這種替代方式中，小部分燃料415可以通過管線416作為引導流 直接引進燃燒區(qū)中，以確保火焰的穩(wěn)定性。這里所用的術語“直接”是指引入燃燒區(qū)的含氧氣體在流入燃燒區(qū)前不流過 圍繞燃燒區(qū)和/或稀釋區(qū)的環(huán)形冷卻區(qū)(例如，圖7中的709)。來自管線605的壓縮空氣經(jīng)進口 703流過燃燒環(huán)形區(qū)711，從而冷卻襯里3，且 這種壓縮空氣的一部分流過開口 29以向二級燃燒區(qū)13提供二級燃燒空氣。燃燒環(huán)形區(qū) 711中的一些空氣可以沿襯里的內(nèi)表面流經(jīng)開口 33和35以提供額外的冷卻。取決于燃燒 區(qū)和環(huán)形冷卻區(qū)中的相對壓力，環(huán)形冷卻區(qū)711中壓縮空氣的剩余部分可以流經(jīng)旋流組 件413以提供另外的初級燃燒氧化劑。可選擇地，可以在開口 33和進口 701之間的環(huán)形 冷卻區(qū)711中安裝環(huán)形分隔環(huán)(未顯示)，以防止來自燃燒環(huán)形區(qū)711的壓縮空氣流向旋 流組件615。來自管線609的非滲透氣體通過進口 705流過稀釋氣體進口 31進入稀釋區(qū)15 中，并在其中提供稀釋氣體。這種非滲透氣體的一部分可以流過開口 37并沿襯里的內(nèi)表 面流動，以提供另外的冷卻。在圖6和7的系統(tǒng)的替代運行模式中，管線607中的全部非滲透氣體通過管線 611帶走并與管線603中的壓縮空氣合并。沒有非滲透氣體通過管線609帶走用于稀釋。 這種替代方式也可以用于如下面實施例5所述的控制NOx的生成。用于將來自管線609的非滲透氣體引入稀釋區(qū)15的替代方法不需要使用環(huán)形分 隔環(huán)707、進口 705和孔或開口 31的使用。在這種替代方式中，來自管線609的非滲透 氣體通過多個徑向設置于稀釋區(qū)15的進口端并通過外殼1和內(nèi)部襯里3的管引入稀釋區(qū) 15中。雖然上述實施方式使用空氣作為燃氣渦輪壓縮機供應的含氧氣體，但任何具有 至少5體積％氧的氧濃度的含氧氣體可以為燃氣渦輪壓縮機提供進口氣體。另一實施方式如圖8所示，其中管線201中的輸入空氣在壓縮機203中被壓縮， 且分為通過管線207和209的兩部分。壓縮空氣的第一部分流經(jīng)管線209，并為膨脹渦 輪257提供冷卻空氣。壓縮空氣的剩余部分流經(jīng)管線207并分為通過管線801和803的 兩部分。管線801中的第一部分提供通過管線807流向常規(guī)的燃燒器805的基本壓縮空 氣流，這在上面參照圖1進行了詳細描述。圖8中的管線807在相當于圖1的進口 17的 位置進入燃燒器。如前面參照圖2所述，管線803中的第二部分在直燃式燃燒器217中 與通過管線215提供的燃料一起燃燒，其通過管線219向離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)221提供加熱的 燃燒氣體。高純度氧產(chǎn)物通過管線231抽出。含有降低的氧濃度的非滲透氣體通過管線233抽出，并與來自管線801的壓縮空 氣合并，以在管線807中提供合并的燃燒、冷卻和稀釋空氣流。將管線807中的混合氣流引入燃燒器805 (相當于圖1的燃燒器)中，在其中它與通過管線809提供的燃料一起 燃燒。如前面參照圖1所述，燃燒器805的操作利用管線807中的混合流進行燃燒、冷 卻和稀釋，除了管線807中的混合空氣/非滲透物流具有比圖1的壓縮空氣43低的氧濃 度。管線811中的熱廢氣在膨脹渦輪257中膨脹，以在發(fā)電機(未顯示)中產(chǎn)生電力。 熱廢氣通過管線259排出。雖然圖8的實施方式顯示了在管線207中提供壓縮空氣的單壓縮機203，但來自 外部源(未顯示)的另一壓縮空氣流可以用于補充管線207中由壓縮機203提供的空氣。 例如，如果需要超過或超出可以由壓縮機203提供的輸入空氣的另外的輸入空氣，則可 以使用外部或輔助壓縮機。上述實施方式利用了圖1、3、5和7中所示的預混合階段的燃燒器?？蛇x擇地， 這些和相關的實施方式可以利用本領域已知用于燃氣輪機系統(tǒng)中的任何其他類型的燃燒 器。例如，擴散燃燒器(diffusion combustor)可用于上述任何實施方式中。與上述實施方式相關的另外的實施方式是可能的，其中來自離子轉(zhuǎn)運膜組件221 的氧產(chǎn)物的全部或一部分可以用于富化向燃燒器的燃燒區(qū)提供的燃燒空氣?？梢岳缤?過燃燒燃料(預混合的或作為擴散火焰)與化學計量的或更大量的高純度氧，接著與較冷 的空氣或來自離子轉(zhuǎn)運膜組件221的貧氧的非滲透氣體快速混合而應用氧富化的概念。 增加燃燒區(qū)中的O2濃度提高了燃料氧化的速率并降低了 N2的濃度。這兩種效應都可以 減少NOx的形成。提高燃料的氧化速率可用于限制在燃燒區(qū)中的時間并限制相應的可用 于NOx形成反應的時間。降低N2濃度通過其對于反應機制的影響降低這些反應的速率。 此外，氧富化的使用可以提高燃燒較重液體燃料的能力。這些實施方式中的一種如圖2所示，其中管線231中的氧滲透產(chǎn)物的全部或一部 分通過管線265抽出，并被引入壓縮空氣管線213中，從而以高達大約99體積％氧的任 何水平富化這一氣體流。這具有富化燃燒器中的初級和二級空氣的效應。壓縮機(未顯 示)可以用來在引入管線213之前壓縮管線265中的氧氣。另一個氧富化的實施方式如圖4所示，其中，管線231中的氧滲透產(chǎn)物的全部或 一部分通過管線423抽出，并被引入壓縮空氣管線403中，從而以高達大約99體積％氧 的任何水平富化燃燒器中的初級空氣。壓縮機(未顯示)可以用來在引入管線403之前 壓縮管線423中的氧氣。一種替代的氧富化實施方式如圖6所示，其中，管線231中的氧產(chǎn)物的全部或一 部分通過管線627抽出，并被引入壓縮空氣管線605中，從而高達大約99體積％氧的任 何水平富化這一氣流。這具有富化燃燒器中的二級空氣的效應，并影響進入燃燒器的初 級燃燒區(qū)的氧濃度。壓縮機(未顯示)可以用來在引入管線605之前壓縮管線627中的氧氣。另一種替代方式如圖8所示，其中，管線231中的氧產(chǎn)物的全部或一部分通過管 線813抽出，并被引入燃燒器805的初級空氣區(qū)域中，從而以高達大約99體積％氧的任 何水平富化燃燒器初級空氣?？蛇x擇地，滲透氣體的全部或一部分可與管線809中的燃 料混合，以形成燃料-氧混合物，且該混合物被直接引入燃燒區(qū)中。該混合應該迅速完 成，以使得混合時間短于自燃延遲；這消除了在燃燒區(qū)之前發(fā)生不希望的燃料_氧預點 火的可能性。壓縮機(未顯示)可以用來在引入燃燒器之前壓縮管線813中的氧氣。
上面參照圖2、4、6的8描述的方法實施方式可應用于圖1、3、5和7所示的燃 燒器，其中稀釋區(qū)和燃燒區(qū)包封在單罐配置(single-canconfiguration)的外殼1中(有時稱 為筒形燃燒器(silo combustor)).該實施方式還可以應用到具有跟隨稀釋區(qū)的燃燒區(qū)的任 何其他燃燒器配置或幾何排列。燃氣輪機工業(yè)典型的其他可能的配置包括環(huán)形、逆流環(huán) 形、罐環(huán)形和徑向燃燒器幾何排列。下面的實施例說明了本發(fā)明的實施方式，但并不限制本發(fā)明為其中所描述的任 何具體細節(jié)。實施例1 模擬基本燃氣輪機(base gas turbine engine)以與下面提出的實施例2至5中的集
成系統(tǒng)進行比較。未與離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)集成的基本燃氣輪機可以通過除去圖4系統(tǒng)中的 燃燒加熱器217、離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)221、管線401、管線403、管線409和管線423來說 明。在該基本燃氣輪機中，燃燒器405如前面參照圖1所描述的燃燒器一樣運行，并用 天然氣燃料運行。基于851° F的襯里進口冷卻空氣(管線411，圖4)溫度進行模擬，并使用以下 發(fā)動機性能·壓縮比(壓縮機203) = 20/1·空氣流速(壓縮機203排出)=3441b/sec·渦輪進口溫度(渦輪257) = 2200° F·總體空氣/燃料比=50/1·壓縮機效率(壓縮機203) = 85%·渦輪效率(渦輪257) = 90%·渦輪冷卻流(管線209)=壓縮機203排出流的10%用上述參數(shù)運行的系統(tǒng)的模擬獲得相當于產(chǎn)生50兆瓦電功率水平。實施例2使用實施例1的發(fā)動機性能參數(shù)模擬圖8所示的集成燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運氧生成 系統(tǒng)。這一基線情況說明了現(xiàn)有技術的典型集成燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運氧生成系統(tǒng)，并提 供用于與下面提出的實施例3-5比較的參照點。對于這一基線實施例情況，對取自燃氣 渦輪壓縮機排放并被送至離子轉(zhuǎn)運氧生成系統(tǒng)的壓縮空氣的量進行選擇以在功率燃燒器 805的進口獲得14體積％的氧濃度。出于本實施例的說明目的選擇了這一氧濃度；如果 需要，在實際實施中可以使用其他濃度。參照圖8，在851° F下，在壓縮機203中壓縮管線201中3441b/sec的輸入空氣 至291psia，且分為通過管線207和209的兩部分。341b/sec的壓縮空氣的第一部分流過 管線209，并為膨脹渦輪257提供冷卻空氣。壓縮空氣的剩余部分流過管線207，且分為 通過管線801和803的兩部分。管線801中的1191b/sec的第一部分提供通過管線807到 達常規(guī)燃燒器805的基本壓縮空氣流。如前參照圖2所述，管線803中的1911b/sec的第 二部分在直燃式燃燒器217中與通過管線215提供的1.91b/sec的天然氣一起燃燒，直燃 式燃燒器217通過管線219向離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)221提供1562° F (850°C )的加熱的燃燒氣 體。高純度氧產(chǎn)物以800噸/天的流速通過管線231抽出。1741b/sec的含有10體積％氧的非滲透氣體通過管線233抽出，并與通過管線801的壓縮空氣合并，以在管線807中提供1278° F的含有14體積％氧的合并的燃燒、 冷卻和稀釋空氣流。管線807中的合并氣流被引入燃燒器805(等同于圖1中的燃燒器) 中，在其中它與通過管線809提供的4.11b/sec的天然氣一起燃燒。如前參照圖1所述， 燃燒器805的運行利用了管線807中的混合流進行燃燒、冷卻和稀釋，除了管線807中的 混合空氣/非滲透物流具有比圖1的壓縮空氣43更低的氧濃度。管線811中的熱廢氣 在膨脹渦輪257中膨脹，以產(chǎn)生34兆瓦的電功率263。在903° F下，通過管線259以 33 lib/sec排放熱廢氣。實施例3使用實施例1的發(fā)動機參數(shù)和圖3的燃燒器配置模擬圖2所示的集成燃氣輪機 和離子轉(zhuǎn)運氧生成系統(tǒng)。對于該實施例可實現(xiàn)的系統(tǒng)性能主要是對燃燒和襯里冷卻分割 所需的空氣流的功能。對于常規(guī)的燃氣輪機，作為壓縮機排出的一部分的襯里冷卻空氣 流通常在10%-40%的范圍內(nèi)，而燃燒所需的空氣量取決于燃燒過程在初級區(qū)(primary zone)中貧化程度(lean)如何。對于干式低NOx燃燒器，貧化的初級區(qū)當量比(例如， 0.5)是必要的。當量比，Φ，定義為實際的燃料/空氣比除以化學計量的燃料/空氣比。 如果使用另一種NOx控制的方法(例如，注水)，在初級區(qū)中可以使用高達1.0的當量 比。作為壓縮機排出的一部分的所需要相應燃燒空氣在30%至60%的級別。基于上述 考慮，選擇下列標準的空氣流分布(作為壓縮機排出的百分比)用于本實施例的模擬 襯里冷卻流=25%， 燃燒空氣流=45%， 稀釋空氣流=30%。在本實施例中，圖3的系統(tǒng)通過除去環(huán)形擋板301和進口 311并將空氣通過在進 口處穿過外殼和內(nèi)部襯里的多個管引入稀釋區(qū)中進行改進。因此，進入進口 309的空氣 313的一部分也流過薄膜冷卻孔37。參照圖2，3441b/sec的進口空氣通過進口管線201吸入壓縮機203中，壓縮， 并在291psia和851° F下通過管線205排出。341b/sec的這種壓縮空氣的一部分通過管 線209抽出用于膨脹渦輪257的冷卻。管線207中的壓縮空氣分為以1951b/sec通過管線 213的第一部分和以1151b/sec通過管線211第二部分。將管線213中的第一部分引入圍 繞襯里的環(huán)形冷卻區(qū)域中，通過旋流組件247，并在燃燒區(qū)237中與通過燃料進口 249提 供的4.91b/sec的天然氣264—起燃燒。其余部分提供襯里的對流冷卻，并通過二級孔29 和薄膜冷卻孔33、35和37 (圖3)進入襯里。將來自膜組件221的1051b/sec的含有10 體積％氧的非滲透氣體通過管線233直接引入稀釋區(qū)239中，在其中它與來自燃燒區(qū)237 的燃燒氣體混合并稀釋燃燒氣體。燃燒氣體在2200° F下通過管線251排到膨脹渦輪， 燃燒氣體在其中膨脹至大氣壓并產(chǎn)生相當于40兆瓦的電功率。3381b/sec和907° F的膨 脹廢氣通過渦輪出口 259排出。實施例4使用實施例1的發(fā)動機參數(shù)和圖5的燃燒器構型模擬圖4所示的集成燃氣輪機和 離子轉(zhuǎn)運氧生成系統(tǒng)。參照圖4，3441b/sec的進口空氣通過進口管線201吸入壓縮機203 中，壓縮，并以29Ipais和851° F通過管線205排出。341b/sec的這種壓縮空氣的一部 分通過管線209抽出用于膨脹渦輪257的冷卻。管線207中的壓縮空氣分為以711b/sec通過管線401的第一部分，以1191b/sec通過管線403的第二部分和以1201b/sec通過管線 407的第三部分。如前參照圖2所述，管線401中的第一部分在直燃式燃燒器217中與0.71b/Sec 的天然氣215 —起燃燒，以提供1562° F(850°C )的含有17.24體積％氧的加熱的燃燒氣 體，且加熱的燃燒氣體經(jīng)管線219流到離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)221。高純度氧產(chǎn)物以300噸/ 天的流速通過管線231抽出。641b/sec的含有10體積％氧的非滲透氣體通過管線403抽 出。將管線403中的壓縮空氣的第二部分經(jīng)旋流組件413直接引入燃燒區(qū)417中，并與 5.41b/sec的天然氣燃料415—起燃燒。管線407中的壓縮空氣的第三部分與通過管線409 的非滲透氣體合并，以產(chǎn)生1100° F的管線411中的混合空氣/非滲透氣體。參照圖5，其 是對于圖4的燃燒器405的更詳細的說明，來自管線403的壓縮空 氣流入進口 501，并通過旋流組件413直接進入初級燃燒區(qū)11，它在其中與通過進口 416 引入的天然氣415—起燃燒。管線411中的混合空氣/非滲透氣體引入進口 503，并如所示流過圍繞稀釋區(qū)和 燃燒區(qū)的環(huán)形冷卻區(qū)505，從而冷卻襯里3?？諝?非滲透氣體的一部分流過開口 37， 并沿襯里3的內(nèi)表面流動，以提供另外的冷卻?；旌峡諝?非滲透氣體的另一部分流過 開口 31，進入稀釋區(qū)15中以與來自燃燒區(qū)的燃燒氣體混合并稀釋燃燒氣體?；旌峡諝? 非滲透氣體的另一部分流過開口 33、35和37，并沿襯里3的內(nèi)表面流動，以提供另外的 冷卻?；旌峡諝?非滲透氣體的另外的部分流過開口 29，以向二級燃燒區(qū)13提供氧化劑 氣體。剩余的混合空氣/非滲透物流流向旋流器413。在2200° F下，將來自稀釋區(qū)15 (圖5)或419 (圖4)的熱的加壓燃燒氣體通過 管線421排向膨脹渦輪257，其中熱的加壓燃燒氣體膨脹至大氣壓并產(chǎn)生相當于43兆瓦的 電功率263。在3431b/sec和910° F下，膨脹廢氣通過渦輪出口 259排出。此過程允許非滲透氣體同時用于稀釋和襯里冷卻，且這可以達到的程度隨管線 411中的混合空氣/非滲透氣流的溫度變化。為了檢查所涉及的權衡(tradeoff)，通過改 變與管線409中的非滲透氣體混合的管線407中壓縮空氣的量進行一系列的參數(shù)計算。 結(jié)果繪制在圖9中。為了冷卻目的，混合空氣/非滲透氣體溫度的可容許上限為大約 1200° F，這與回熱式燃氣輪機(recuperated gas turbine engine)中的燃燒器進口溫度水平 相當。從實際角度來看，更現(xiàn)實的限度是1100° F的級別，且這是上述模擬所選擇的溫 度。實施例5使用實施例1的發(fā)動機參數(shù)和圖7的燃燒器構型模擬圖6所示的集成燃氣輪機 和離子轉(zhuǎn)運氧生成系統(tǒng)。參照圖6，3441b/sec的進口空氣通過進口管線201吸入壓縮機 203，壓縮，并在291psia和851° F下通過管線205排出。341b/sec的這種壓縮空氣的一 部分通過管線209抽出用于膨脹渦輪257的冷卻。管線207中的壓縮空氣分為以1431b/ sec通過管線601的第一部分，以801b/sec通過管線603的第二部分，和以861b/sec通過 管線605的第三部分。參照圖6，如前參照圖2所述，管線601中的壓縮空氣的第一部分在直燃式燃燒 器217中與通過管線215的1.41b/SeC的天然氣一起燃燒，以提供1562° F(850°C)的含 有17.24體積％氧的加熱的燃燒氣體，且加熱的燃燒氣體經(jīng)管線219流到離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)221。高純度氧產(chǎn)物以600噸/天的流速通過管線231抽出。1301b/sec的含有10體積％ 氧的非滲透氣體通過管線607和管線611抽出，且非滲透氣體與管線603中的壓縮空氣合 并，以在管線613中提供混合的空氣/非滲透氣體。在本實施例中，非滲透氣體流過管 線609。管線613中的空氣和非滲透氣體的混合流與通過管線625提供的4.61b/Sec的天 然氣混合，且混合的氧化劑/燃料流流過旋流組件615，并在燃燒區(qū)619中燃燒。來自燃 燒器的熱的加壓燃燒氣體以2200° F通過管線623排向膨脹渦輪257，熱的加壓燃燒氣體 在其中膨脹至大氣壓并產(chǎn)生相當于38兆瓦的電功率263。在3361b/sec和905° F下，膨 脹廢氣通過渦輪出口 259排放。干式低NOx(DLN)燃燒器通過預混合燃料和足量的空氣以在燃燒區(qū)中獲得低當 量比Φ (定義為實際燃料/空氣比除以化學計量的燃料/空氣比)來控制NOx排放。通 常情況下，需要0.3至0.5級別的Φ值以達到個位數(shù)的(Single-Ciigit)NOx水平(即，低于 lOppmv)。在這些低當量比值下火焰穩(wěn)定性是一個問題，但可以通過增加進口空氣溫度 改善穩(wěn)定性情況。這種效應由圖10繪制的數(shù)據(jù)證明，其顯示貧油熄火(LBO)率隨預混 合的甲烷/空氣火焰溫度的變化。LBO當量比是限制值，低于該值火焰熄滅，因為燃料 /空氣混合物太稀薄(即，燃料濃度太低)而不能維持在現(xiàn)有流動條件下的燃燒。本文所示的設計途徑提供了在DLN燃燒器中控制NOx的手段。通過在預混合 燃料之前向燃燒空氣加入部分或全部非滲透氣體來實現(xiàn)這一點。選擇燃燒空氣和非滲透 物的相對量來調(diào)整提高火焰穩(wěn)定性和控制NOx所必需的燃料濃度和混合物溫度。在本實 施例中，在與燃料預混合之前，全部非滲透氣體與燃燒空氣混合。通過改變?nèi)紵諝夂头菨B透氣體的比例同時保持襯里冷卻空氣的流速(管線 605，圖6)的流速為來自壓縮機的總空氣的25%進行了一系列參數(shù)計算。進行計算以說 明來自燃氣渦輪壓縮機的排放并被送往離子轉(zhuǎn)運氧生成系統(tǒng)的空氣的百分比、燃燒器中 的當量比和到達燃燒器的混合空氣/非滲透物流的溫度之間的關系。計算是基于將全部 非滲透氣體與流向燃燒器的壓縮空氣混合。主要結(jié)果見圖11，其表明改變空氣提取量 (即，來自燃氣渦輪壓縮機的空氣運向離子轉(zhuǎn)運膜的比例)對于進入燃燒區(qū)的混合流狀態(tài) 的效應。如圖所示，在流溫度足夠高以保證穩(wěn)定運行的情況下，0.3-0.4范圍的當量比是 可能的。另一個必須考慮的因素是到達燃燒器的混合空氣/非滲透的流的氧濃度。為了 保持該氣流中的氧濃度高于大約14體積％，當量比應限制在大約0.35的最低實際值。一 般情況下，這對于任何典型的燃氣輪機達到NOx的顯著減少應該是足夠的。下面的表1給出實施例1-5選擇的參數(shù)的總結(jié)。表 1實施例1-5的參數(shù)總結(jié)
權利要求
1.集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，包括(a)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(1)包括壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(2)包括外殼、具有一個或多個燃料進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)、適于 接收來自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)和圍繞燃燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里的燃燒器，其中，稀釋 區(qū)具有燃燒氣體進口、燃燒氣體出口和一個或多個稀釋氣體進口 ；(3)位于外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域 具有一個或多個含氧氣體進口，且通過該一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與燃燒 區(qū)流體連通；(4)包括與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出軸的 氣體膨脹器；和(5)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道；(b)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括進氣 區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進氣進 口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體 的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；和(c)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口的任一個或多個流體連通的管道。
2.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，進一步包括使膜組件的進氣區(qū)出口與燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域和燃燒區(qū)的一個或多個含氧氣體進口 中的至少一個其中之一或兩者流體連通的管道；壓縮機的壓縮含氧氣體出口和燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域的一個或多個含氧氣體進口中的 任一個或多個之間的管道，其中，該管道適于將壓縮含氧氣體引入燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域 中；使?jié)B透區(qū)的滲透物抽出出口與燃燒區(qū)的一個或多個含氧氣體進口中的至少一個流體 連通的管道；和混合區(qū)、使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與混合區(qū)流體連通的管道、使離子轉(zhuǎn)運膜組 件的進氣區(qū)出口與混合區(qū)流體連通的管道、適于向混合區(qū)引入燃料的管道和從混合區(qū)向 燃燒區(qū)的一個或多個可燃氣體進口中的任一個或多個轉(zhuǎn)移可燃氣體的管道。
3.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，進一步包括使膜組件的進氣區(qū)出口與燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域和燃燒區(qū)的一個或多個含氧氣體進口 中的至少一個其中之一或兩者流體連通的管道；壓縮機的壓縮含氧氣體出口和燃燒區(qū)的一個或多個含氧氣體進口中的任一個或多個 之間的管道，其中，該管道適于將壓縮含氧氣體直接引入燃燒區(qū)；使?jié)B透區(qū)的滲透物抽出出口與適于將壓縮含氧氣體直接引入燃燒區(qū)的管道流體連通 的管道；圍繞稀釋區(qū)的稀釋區(qū)襯里和位于外殼和稀釋區(qū)襯里之間的稀釋區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其 中，一個或多個稀釋氣體進口適于將來自離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)的貧氧的氣體輸入稀釋 區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域中，和其中，稀釋區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域與稀釋區(qū)流體連通；和混合區(qū)、使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與混合區(qū)流體連通的管道、使離子轉(zhuǎn)運膜組 件的進氣區(qū)出口與混合區(qū)流體連通的管道和適于從混合區(qū)向燃燒區(qū)的一個或多個含氧氣 體進口中的至少一個轉(zhuǎn)移貧氧氣體的管道。
4.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中，所述燃燒區(qū)包括初級燃燒區(qū)，接著是二級燃燒區(qū)， 其中，一個或多個含氧氣體進口中的至少一個適于將壓縮的含氧氣體的至少一部分引入 初級燃燒區(qū)中，其中，一個或多個含氧氣體進口中的至少一個適于將壓縮的含氧氣體的 至少一部分引入二級燃燒區(qū)中，和其中，二級燃燒區(qū)包括燃燒氣體出口，并進一步包括 使?jié)B透區(qū)的滲透物抽出出口與初級燃燒區(qū)和/或二級燃燒區(qū)流體連通的管道。
5.一種操作集成的燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的方法，包括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)包括外殼、具有一個或多個燃料進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)、用 于接收來自燃燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)和圍繞燃燒區(qū)的燃燒區(qū)襯里的燃燒器，其中，稀 釋區(qū)具有燃燒氣體進口、一個或多個稀釋氣體進口和稀釋的燃燒氣體出口 ；(Ic)位于外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū) 域具有一個或多個含氧氣體進口，且通過該一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與燃 燒區(qū)流體連通；(Id)具有與稀釋的燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功 輸出軸的氣體膨脹器；和(Ie)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括進氣 區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進氣進 口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體 的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；和(3)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口中的任一個或多個流體連通的 管道；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，并在燃燒區(qū)中燃燒燃料和壓縮含氧 氣體的第一部分以產(chǎn)生熱的燃燒氣體；用稀釋氣體稀釋熱的燃燒氣體以形成稀釋的熱的 燃燒氣體；和在熱氣體膨脹渦輪中膨脹稀釋的熱燃燒氣體以產(chǎn)生軸功；(c)加熱壓縮含氧氣體的第二部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含氧氣體 引入膜組件的進氣區(qū)中，從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽出出 口抽出滲透氣體；和(d)將貧氧的非滲透氣體的至少一部分引入稀釋區(qū)中。
6.根據(jù)權利要求5的方法，進一步包括將滲透氣體的全部或一部分引入一個或多個含氧氣體進口中的任一個或多個；將一部分壓縮含氧氣體引入燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域；和混合一部分壓縮的含氧氣體和一部分來自離子轉(zhuǎn)運膜組件進氣區(qū)的貧氧的非滲透氣 體以形成混合的含氧氣體，混合燃料和混合的含氧氣體以形成可燃氣體，并將可燃氣體引入燃燒區(qū)的可燃氣體進口。
7.根據(jù)權利要求5的方法，進一步包括將一部分壓縮含氧氣體直接引入燃燒區(qū)中；和(1)將滲透氣體的全部或一部分直接引入燃燒區(qū)中，或(2)混合滲透氣體的全部或一 部分和燃料以形成燃料_氧混合物并將該混合物直接引入燃燒區(qū)中。
8.根據(jù)權利要求5的方法，進一步包括將壓縮含氧氣體的一部分直接引入燃燒區(qū)中；其中，燃燒器包括圍繞稀釋區(qū)的稀釋區(qū)襯里和位于外殼和稀釋區(qū)襯里之間的稀釋區(qū) 環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，壓縮含氧氣體的另一部分與來自離子轉(zhuǎn)運膜組件進氣區(qū)的貧氧的 非滲透氣體混合以形成混合的含氧氣體，和其中，將混合的含氧氣體的一部分引入稀釋 區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域中；和其中，將混合的含氧氣體的另一部分引入燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域中。
9.根據(jù)權利要求5的方法，其中，所述燃燒區(qū)包括初級燃燒區(qū)，接著是二級燃燒區(qū)， 且二級燃燒區(qū)包括燃燒氣體出口 ；其中，壓縮的含氧氣體的一部分引入初級燃燒區(qū)中；其中，壓縮的含氧氣體的另一部分引入二級燃燒區(qū)中；其中，通過壓縮機驅(qū)動軸驅(qū)動壓縮機所需的功的至少一部分通過膨脹渦輪的功輸出 軸提供；和其中，將來自離子轉(zhuǎn)運膜組件進氣區(qū)的貧氧的非滲透氣體引入初級燃燒區(qū)和二級燃 燒區(qū)之一或兩者中。
10.集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，包括(a)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(1)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(2)包括外殼、具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)和圍繞燃燒區(qū) 的燃燒區(qū)襯里的燃燒器；(3)位于外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域 具有含氧氣體進口，并通過一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與燃燒區(qū)流體連通；(4)包括與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出軸的 氣體膨脹器；和(5)適于從壓縮機向燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域的含氧氣體進口轉(zhuǎn)移壓縮含氧氣體的第一部 分的管道；(b)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括進氣 區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、進氣區(qū)的進氣進口、使進氣進口與 壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體的進 氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；和(C)混合區(qū)、適于從壓縮機向混合區(qū)轉(zhuǎn)移壓縮含氧氣體的第二部分的管道、適于從進 氣區(qū)向混合區(qū)轉(zhuǎn)移貧氧的非滲透氣體的管道；和(d)適于轉(zhuǎn)移包含壓縮含氧氣體的第二部分和貧氧的非滲透氣體的混合物進入燃燒區(qū) 的管道。
11.一種操作集成的燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的方法，包括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)包括外殼、具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)和圍繞燃燒 區(qū)的燃燒區(qū)襯里的燃燒器；(Ic)外殼和燃燒區(qū)襯里之間的燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域，其中，燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域具 有含氧氣體進口，且通過一個或多個含氧氣體進口中的至少一個與燃燒區(qū)流體連通；和(Id)具有與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出軸 的氣體膨脹器；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括進氣 區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進氣進 口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體 的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，將壓縮的含氧氣體分為第一部分、 第二部分和第三部分，并將第一部分引入燃燒區(qū)環(huán)形冷卻區(qū)域中；(c)加熱壓縮的含氧氣體的第二部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含氧氣 體引入膜組件的進氣區(qū)中，從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽出 出口抽出滲透氣體；和(d)混合壓縮的含氧氣體的第三部分和來自進氣區(qū)的貧氧的非滲透氣體以形成混合的 含氧氣體，在燃燒區(qū)中燃燒燃料和混合的含氧氣體以產(chǎn)生熱的燃燒氣體，并在熱的氣體 膨脹渦輪中膨脹熱的燃燒氣體以產(chǎn)生軸功。
12.集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，包括(a)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(1)包括壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(2)包括具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)、適于接收來自燃燒 區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)的燃燒器，其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、燃燒氣體出口和一 個或多個稀釋氣體進口；(3)包括與燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功輸出軸的 氣體膨脹器；和(4)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道；(b)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括進氣 區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進氣進 口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體 的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；和(c)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口中的任一個或多個流體連通的 管道。
13.操作集成的燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的方法，包括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)包括具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)和適于接收來自燃 燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)的燃燒器，其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、一個或多個稀釋 氣體進口和稀釋的燃燒氣體出口；(Ic)具有與稀釋的燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功 輸出軸的氣體膨脹器；和(Id)使壓縮機的壓縮含氧氣體出口與燃燒區(qū)流體連通的管道；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括進氣 區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進氣進 口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體 的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；和(3)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口的任一個或多個流體連通的管道；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，并在燃燒區(qū)中燃燒燃料與壓縮的含 氧氣體的第一部分以產(chǎn)生熱的燃燒氣體；用稀釋氣體稀釋熱的燃燒氣體以形成稀釋的熱 燃燒氣體；和在熱氣體膨脹渦輪中膨脹稀釋的熱燃燒氣體以產(chǎn)生軸功；(c)加熱壓縮的含氧氣體的第二部分以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含氧氣 體引入膜組件的進氣區(qū)，從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽出出 口抽出滲透氣體；和(d)將貧氧的非滲透氣體的至少一部分引入稀釋區(qū)中。
14.操作集成的燃氣輪機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)的方法，包括(a)提供集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，其包括(1)燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，包括(Ia)具有壓縮含氧氣體出口和壓縮機驅(qū)動軸的壓縮機；(Ib)包括具有可燃氣體進口和一個或多個含氧氣體進口的燃燒區(qū)和適于接收來自燃 燒區(qū)的燃燒氣體的稀釋區(qū)的燃燒器，其中，稀釋區(qū)具有燃燒氣體進口、一個或多個稀釋 氣體進口和稀釋的燃燒氣體出口；和(Ic)具有與稀釋的燃燒氣體出口流體連通的進口、膨脹渦輪和由膨脹渦輪驅(qū)動的功 輸出軸的氣體膨脹器；(2)具有至少一個離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其中，膜組件包括進氣 區(qū)、滲透區(qū)、隔離滲透區(qū)和進氣區(qū)的氧離子轉(zhuǎn)運膜、通向進氣區(qū)的進氣進口、使進氣進 口與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的管道、適于從進氣區(qū)抽出貧氧的非滲透氣體 的進氣區(qū)出口和滲透區(qū)的滲透物抽出出口；和(3)使膜組件的進氣區(qū)出口與一個或多個稀釋氣體進口的任一個或多個流體連通的管道；(b)在壓縮機中壓縮空氣以提供壓縮的含氧氣體，加熱壓縮的含氧氣體的至少一部分 以提供熱的壓縮含氧氣體，和將熱的壓縮含氧氣體引入膜組件的進氣區(qū)中，從進氣區(qū)抽 出貧氧的非滲透氣體，并從滲透區(qū)的滲透物抽出出口抽出高純度氧滲透氣體；和(C)在燃燒區(qū)燃燒燃料和至少一部分高純度氧滲透氣體以產(chǎn)生熱的燃燒氣體；用稀釋 氣體稀釋熱的燃燒氣體以形成稀釋的熱燃燒氣體；并在熱氣體膨脹渦輪中膨脹稀釋的熱 燃燒氣體以產(chǎn)生軸功。
15.集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，包括(a)包括具有壓縮含氧氣體出口的壓縮機；包括外殼、與壓縮含氧氣體出口流體連通 的燃燒區(qū)和與燃燒區(qū)流體連通且具有一個或多個稀釋氣體進口的稀釋區(qū)的燃燒器；和氣 體膨脹器的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機；和(b)具有離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，離子轉(zhuǎn)運膜組件包括進氣區(qū)、滲 透區(qū)、與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的通向進氣區(qū)的進氣進口、進氣區(qū)出口和 滲透區(qū)的滲透物抽出出口；其中，膜組件的進氣區(qū)出口與燃燒器稀釋區(qū)的一個或多個稀釋氣體進口中的任一個 或多個流體連通。
全文摘要
集成的燃氣渦輪燃燒發(fā)動機和離子轉(zhuǎn)運膜系統(tǒng)，包括燃氣渦輪燃燒發(fā)動機，其包括具有壓縮含氧氣體出口的壓縮機；包括外殼、與壓縮含氧氣體出口流體連通的燃燒區(qū)和與燃燒區(qū)流體連通且具有一個或多個稀釋氣體進口的稀釋區(qū)的燃燒器；和氣體膨脹器。該系統(tǒng)包括具有離子轉(zhuǎn)運膜組件的離子轉(zhuǎn)運膜氧回收系統(tǒng)，其包括進氣區(qū)、滲透區(qū)、與壓縮機的壓縮含氧氣體出口流體連通的通向進氣區(qū)的進氣進口、進氣區(qū)出口和從滲透區(qū)的滲透物抽出出口。膜組件的進氣區(qū)出口與燃燒器稀釋區(qū)的一個或多個稀釋氣體進口的任一個或多個流體連通。
文檔編號F02C3/22GK102022190SQ20101028665
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權日2009年9月18日
發(fā)明者E·P·德梅特里, P·A·阿姆斯特朗 申請人:康塞普斯Eti公司, 氣體產(chǎn)品與化學公司