Способ отделения кислорода в генераторе горячего газа газовой турбины (варианты) и устройство для его осуществления (варианты)

 

При отделении кислорода от сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания газовой турбины, нагревают сжатый воздух путем сжигания топлива, чтобы образовать нагретый газ, содержащий кислород. Затем направляют нагретый газ, содержащий кислород, внутрь удлиненного канала, открытого с противоположных концов и соединенного с камерой сгорания газовой турбины. Кислород извлекают из нагретого газа посредством проникновения ионов кислорода через множество керамических мембран для отбора кислорода. Керамические мембраны для отбора кислорода смонтированы внутри канала так, что кислород отделяется от нагретого газа и собирается внутри керамических мембран для отбора кислорода. Внутри канала образуется наружный поток газа, обедненный кислородом, который выпускают с противоположного конца канала. Затем извлекают кислород из керамических мембран для отбора кислорода. Изобретение повышает эффективность отделения кислорода. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к отделителю кислорода и способу отделения кислорода, в котором используются керамические мембраны ионной проводимости для отбора кислорода. Более конкретно, настоящее изобретение относится к такому отделителю кислорода, в котором такие керамические мембраны для отбора кислорода размещены внутри канала, который либо непосредственно соединен с выпуском газовой турбины, либо соединен с камерой сгорания газовой турбины, чтобы получить воздух, нагретый путем сжигания топлива.

Предпосылки к созданию изобретения

Отделение кислорода от нагретых потоков воздуха высокого давления, производимых газовыми турбинами, может быть легко выполнено керамическими мембранами ионной проводимости для отбора кислорода, потому что газовые турбины производят больше воздуха с высокой температурой, чем требуется для поддержания горения в турбине. Фактически, имеет место достаточный избыток воздуха с высокой температурой, чтобы дать возможность извлекать достаточные количества кислорода в качестве побочного продукта.

Имеется ряд ссылок в известном уровне техники, в которых описаны объединения газовых турбин с отделителями кислорода, в которых используются керамические мембраны ионной проводимости для отбора кислорода (далее упоминаемые в описании и пунктах формулы изобретения как “керамические мембраны для отбора кислорода”). Например, J.D.Wright и др. в работе “Усовершенствованные мембраны для отделения кислорода”, стр.33-61 (1990), описывают объединение, в котором сжатый воздух косвенно нагревается до температуры, требуемой для работы мембраны, посредством нагревателя с огневым обогревом. Воздух затем проходит через задерживающую сторону отделителя, где часть содержащегося в нем кислорода проходит к пропускающей стороне под действием давления, создаваемого керамической мембраной ионной проводимости. Оставшаяся часть, обедненная кислородом, нагревается в нагревателе с огневым обогревом до температуры входа в турбину и затем расширяется в турбине, чтобы вырабатывать энергию. Нагреватель с огневым обогревом содержит змеевик для теплообмена для нагрева подачи в отделитель. Подобное объединение показано в патенте США № 5516359. В этом патенте воздух сжимается до повышенного давления и нагревается до рабочей температуры мембраны посредством камеры сгорания или посредством косвенного теплообмена. Нагретый сжатый воздух затем вводится в задерживающую сторону мембранного отделителя, который извлекает кислород из воздуха. Оставшаяся часть, обедненная кислородом, дополнительно нагревается до температуры входа в турбину путем непосредственного сжигания перед тем, как она расширится в турбине, чтобы вырабатывать энергию. В патенте США № 5562754 описывается введение пара в оставшийся поток, обедненный кислородом, как замену отделенного кислорода, и также использование пара как омывающего газа для пропускающей стороны мембраны, чтобы улучшить движущую силу для переноса кислорода.

В патенте США №5852925 описываются другие варианты процесса, которые особенно подходят для модернизации существующих установок. В одном варианте только часть потока сжатого воздуха перерабатывается в мембранном отделителе. Полученная в результате оставшаяся часть, обедненная кислородом, соединяется с потоком, который обходит отделитель перед расширением в турбине. Другой вариант предусматривает отдельный воздушный компрессор для подачи в мембранный отделитель. Оставшаяся часть, обедненная кислородом, нагревается в двухступенчатой камере сгорания и затем расширяется в турбине.

Патент США 5865878 вводит различные концепции объединения керамической мембраны для отбора кислорода с газовой турбиной, в которых такие реагенты, как пар и природный газ, вводятся в пропускающую сторону мембранного отделителя, чтобы реагировать с прошедшим кислородом для образования требуемых продуктов, таких как сингаз.

В патенте США 5820654 описываются способ и устройство, в которых кислород извлекается из нагретого содержащего кислород потока посредством керамической мембраны для отбора кислорода, в которой полученный кислород охлаждается посредством косвенного теплообмена с частью потока входящего воздуха. Отделение и охлаждение газа объединено в одном устройстве, чтобы довести до максимума использование обычных материалов конструкции.

Все предшествующие ссылки описывают объединения отделитель - газовая турбина, для которых требуется использование вспомогательного оборудования, такого как теплообменники и системы длинных трубопроводов, для извлечения воздуха и повторного введения воздуха, обедненного кислородом. Как можно оценить, такое оборудование и трубопроводы увеличивают сложность и стоимость объединения мембранного отделителя и газовой турбины. Кроме того, трубопроводы большой длины вызывают перепады давлений и трудности в обеспечении равномерного распределения потока в отделителе.

Как будет описано, настоящим изобретением предусмотрены отделители кислорода и способы, в которых используются керамические мембраны для отбора кислорода, которые сконструированы для объединения с газовой турбиной без использования длинных трубопроводов. В результате, перепад давления, связанный с обработкой большого потока воздуха между компонентами установки, сведен к минимуму, и проблемы распределения потока уменьшены.

Краткое изложение сущности изобретения

В одном аспекте настоящего изобретения предложен отделитель кислорода для отделения кислорода от нагретого газа, содержащего кислород, выпускаемого из расширителя генератора горячего газа газовой турбины, используемого для привода силовой турбины. Необходимо отметить, что генератор горячего газа состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и расширителя, который приводит в действие компрессор. Выпуск из расширителя имеет как повышенное давление, так и температуру, и может быть использован для привода силовой турбины, которая обычно расположена на валу, отдельном от вала компрессора-детандера. Обычно сочетание генератор горячего газа - силовая турбина представляет собой конструкцию переоборудованного авиационного двигателя.

В отделителе кислорода используется канал, открытый с противоположных концов и имеющий такую конфигурацию, чтобы он был непосредственно смонтирован между расширителем генератора горячего газа газовой турбины и силовой турбиной в оперативной взаимосвязи, чтобы принимать нагретый газ, содержащий кислород, из расширителя и чтобы выпускать газ, обедненный кислородом, в силовую турбину. Множество керамических мембран для отбора кислорода предусмотрено для извлечения кислорода из нагретого газа. Такие мембраны смонтированы внутри канала так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород. Отделенный кислород собирается внутри керамических мембран для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала. Предусмотрены средства для извлечения кислорода из керамических мембран для отбора кислорода.

Поскольку канал, содержащий керамические мембраны для отбора кислорода, непосредственно соединяет выпуск из расширителя с силовой турбиной, объединение осуществляется просто и без значительного перепада давления при извлечении нагретого газа, содержащего кислород, из расширителя, и повторном введении газа, обедненного кислородом, в силовую турбину. Далее, если отделители кислорода не объединены указанным выше образом, такие высокие перепады давления, как между примерно 3,45 бар и примерно 5,52 бар, часто требуются в точке повторного введения для достижения равномерного распределения. Это неэффективно, так как при этом требуется значительно большая степень сжатия, чем в первом случае.

Другим объединением является объединение с камерами сгорания газовой турбины промышленного типа. Расширитель этих агрегатов приводит в действие как воздушный компрессор, так и другие объединяемые потребители, такие как генераторы или компрессоры процесса. Выпуск из расширителя обычно находится под давлением, близким к атмосферному. Этот аспект настоящего изобретения предусматривает отделитель кислорода для отделения кислорода от сжатого воздуха, проходящего в камеру сгорания газовой турбины. Удлиненный канал, открытый с противоположных концов, имеет такую конфигурацию, что он соединяется с камерой сгорания газовой турбины для того, чтобы принимать нагретый газ, содержащий кислород, образованный из сжатого воздуха, после того, как он был нагрет, и чтобы выпускать газ, обедненный кислородом. Множество керамических мембран для отбора кислорода предусмотрено для извлечения кислорода из нагретого газа. Такие мембраны смонтированы внутри канала так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород. Отделенный кислород собирается внутри керамических мембран для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала.

Предусмотрены средства для извлечения кислорода из керамических мембран для отбора кислорода.

Канал может быть смонтирован между камерой сгорания и газовой турбиной. Альтернативно, может быть предусмотрена предварительная камера сгорания для нагрева сжатого воздуха, и канал непосредственно смонтирован между предварительной камерой сгорания и камерой сгорания газовой турбины. В таком конструктивном исполнении канал может образовать внутренний канал. Наружный канал, окружающий внутренний канал и соединенный с указанной предварительной камерой сгорания, образует кольцевое пространство между внутренним и наружным каналами, чтобы подавать сжатый воздух в предварительную камеру сгорания.

Такое объединение в соответствии с настоящим изобретением особенно выгодно в тех случаях, когда основное пространство ограничивается для установки отделителя кислорода. Кроме того, оно дает возможность простого объединения, в котором хорошее распределение смеси топливо - оставшаяся часть в камеры сгорания газовой турбины гарантировано при существенно меньшем требуемом перепаде давления, чем требуется в установках для отделения по известному уровню техники.

В объединении любого типа керамические мембраны для отбора кислорода могут быть расположены на одной прямой с потоком нагретого газа, содержащего кислород, или под углом к потоку, например, под прямыми углами. Дополнительно, каждая из керамических мембран для отбора кислорода может быть удлиненной, трубообразной конфигурации и имеет закрытые концы и противоположные открытые концы. В таком конструктивном исполнении средства для извлечения извлекают кислород из открытых концов керамических мембран для отбора кислорода.

Целесообразно, чтобы в отделителе кислорода, в котором используются трубообразные керамические мембраны, множество удлиненных труб могло быть соосно размещено внутри керамических мембран для отбора кислорода для введения пара, чтобы продуть кислород изнутри мембраны. Пространство, заполненное паром, соединено с удлиненными трубами, и входной трубопровод для пара проходит через указанный канал и соединен с пространством, заполненным паром, для введения пара в керамические мембраны для отбора кислорода. Эта продувка помогает осуществить проход кислорода через мембрану.

Другой целесообразный альтернативный отличительный признак отделителя кислорода по настоящему изобретению с использованием керамических мембран трубообразной формы заключается в создании экрана, окружающего керамические мембраны для отбора кислорода. Входной патрубок для дополнительного холодного воздуха проходит через канал и соединен с экраном для введения охлаждающего воздуха, чтобы охладить кислород, получаемый внутри керамических мембран для отбора кислорода, и конструкцию, на которую опираются керамические мембраны для отбора кислорода. Альтернативно, множество трубообразных штуцеров может быть смонтировано внутри керамических мембран для отбора кислорода, чтобы создать узкий кольцевой поток и таким образом улучшить коэффициенты теплопередачи пленки на той стороне, где кислород проходит внутрь керамических мембран для отбора кислорода.

Целесообразность упомянутого ранее отличительного признака настоящего изобретения заключается в том, что он дает возможность произвести охлаждение керамических мембран для отбора кислорода на участках, где такие мембраны уплотнены и имеют опору, и, следовательно, используются обычные конструкции и материалы.

В дополнительном аспекте предусмотрено множество труб камеры сгорания, которые изготовлены из материала керамических мембран для отбора кислорода, для отделения кислорода от нагретого газа. Входной трубопровод для топлива проходит через канал для введения топлива, и камера для топлива предусмотрена в соединении с открытыми концами труб камеры сгорания. Камера для топлива соединена с входным трубопроводом для топлива, чтобы ввести топливо в трубы камеры сгорания для сжигания топлива в присутствии прошедшего кислорода. Сжигание производит продукты сгорания, включая двуокись углерода. Подающие трубы размещены соосно внутри трубообразных керамических мембран для отбора кислорода и труб камеры сгорания для подачи продуктов сгорания из труб камеры сгорания к керамическим мембранам для отбора кислорода.

В любом типе объединения, рассматриваемом в настоящем изобретении, керамические мембраны для отбора кислорода трубообразной конфигурации могут быть смонтированы внутри канала посредством соединения с трубной решеткой, которая соединена с каналом. Средства для извлечения кислорода могут быть образованы пластиной сборника, соединенной с трубной решеткой и имеющей по меньшей мере одно отверстие, чтобы дать возможность прохода кислорода из открытых концов указанных керамических мембран для отбора кислорода через пластину сборника. Кроме того, крышка соединена с указанной пластиной сборника, которая покрывает по меньшей мере одно отверстие, и выходной трубопровод соединен с крышкой и проходит через канал.

По еще одному дополнительному аспекту настоящего изобретения канал может быть образован по меньшей мере двумя секциями и пластиной сборника, соединенной по меньшей мере с одной из двух секций, и трубной решеткой, соединенной с другой из двух секций. В таком аспекте пластина сборника и указанная трубная решетка могут быть снабжены периферическими фланцами, соединенными друг с другом, чтобы соединить указанные две секции друг с другом.

В любом типе объединения, рассматриваемом в настоящем изобретении, может также использоваться входной патрубок канала для дополнительного холодного воздуха для введения охлаждающего воздуха в канал, чтобы охладить кислород внутри керамических мембран для отбора кислорода при нагреве воздуха. С этой целью по меньшей мере одно отверстие указанной пластины сборника может содержать соосные радиальные ряды отверстий. Трубная решетка, пластина сборника и крышка могут иметь кольцеобразную конфигурацию, чтобы образовать в них соосные концентрические центральные внутренние отверстия. Штуцер может быть соединен с трубной решеткой и быть соосным с центральным внутренним отверстием в ней для того, чтобы подводить нагретый газ, содержащий кислород, к керамическим мембранам для отбора кислорода трубообразной формы ниже по потоку после входного патрубка для дополнительного холодного воздуха указанного канала.

По еще одному аспекту настоящее изобретение предусматривает способ отделения кислорода от нагретого газа, содержащего кислород, выпускаемого из выхода генератора горячего газа газовой турбины, используемого для привода силовой турбины. В соответствии с этим способом нагретый газ, содержащий кислород, принимается у одного конца канала, смонтированного непосредственно между расширителем генератора горячего газа газовой турбины и силовой турбиной, которые оперативно связаны. Кислород извлекается из нагретого газа, содержащего кислород, посредством проникновения ионов кислорода через множество керамических мембран для отбора кислорода. Керамические мембраны для отбора кислорода смонтированы внутри канала так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород, посредством проникновения. Прошедший кислород собирается внутри керамических мембран для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала. Газ, обедненный кислородом, выпускается с противоположного конца канала в силовую турбину, и кислород извлекается из керамических мембран для отбора кислорода.

По другому аспекту настоящим изобретением предусмотрен способ отделения кислорода от сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания газовой турбины. В соответствии с таким способом, сжатый воздух нагревается путем сжигания топлива, чтобы образовать нагретый газ, содержащий кислород. Нагретый газ, содержащий кислород, принимается внутрь удлиненного канала, открытого с противоположных концов и соединенного с камерой сгорания газовой турбины. Кислород извлекается из нагретого газа, содержащего кислород, посредством проникновения ионов кислорода через множество керамических мембран для отбора кислорода, имеющих закрытые концы и противоположные открытые концы. Керамические мембраны для отбора кислорода смонтированы внутри канала так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород. Отделенный кислород собирается внутри керамических мембран для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала. Газ, обедненный кислородом, выпускается с противоположного конца канала, и кислород извлекается из керамических мембран для отбора кислорода.

В соответствии с непосредственно вышеуказанным аспектом настоящего изобретения, нагретый газ, содержащий кислород, может быть подан внутрь одного из противоположных концов канала из предварительной камеры сгорания, соединенной с ним, и газ, обедненный кислородом, может быть непосредственно выпущен в камеру сгорания газовой турбины с другого его противоположного конца.

В аспекте изобретения, альтернативном предыдущему способу, используются керамические мембраны трубообразной конфигурации и введение топлива в трубы камеры сгорания, смонтированные внутри канала и изготовленные из материала керамических мембран для отбора кислорода для отделения кислорода от нагретого газа. Топливо сжигается в присутствии кислорода, прошедшего через трубы камеры сгорания, чтобы нагреть поток сжатого воздуха и образовать продукты сгорания, включающие двуокись углерода. Продукты сгорания подаются из труб камеры сгорания в керамические мембраны для отбора кислорода, чтобы продуть кислород.

В любом способе по настоящему изобретению после извлечения кислород охлаждается и затем сжимается. Керамические мембраны для отбора кислорода могут быть продуты инертным газом для продувки, предпочтительно паром, который может быть отделен от кислорода просто путем конденсации. Далее, поток дополнительного сжатого подаваемого воздуха, по меньший мере равный по объему удаленному полученному кислороду, может быть сжат и введен в канал, чтобы охладить кислород и опорную конструкцию.

Краткое описание чертежей

Несмотря на то, что пункты формулы изобретения определенно описывают предмет, который заявители считают своим изобретением, предполагается, что изобретение будет лучше понято, если рассматривать его в связи с чертежами, на которых:

фиг.1 представляет собой схематический вид отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением, объединенного с газовой турбиной, между силовой турбиной и расширителем генератора горячего газа газовой турбины;

фиг.2 представляет собой технологическую схему объединения, включающего отделитель кислорода по настоящему изобретению с потоком дополнительного сжатого подаваемого воздуха и с продувкой потоком;

фиг.3 представляет собой увеличенный схематический вид в разрезе отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.4 представляет собой увеличенный схематический вид в разрезе альтернативного конструктивного исполнения отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением, в котором предусмотрена продувка потоком;

фиг.5 представляет собой увеличенный схематический вид в разрезе альтернативного конструктивного исполнения отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением, в котором предусмотрено охлаждение полученного кислорода при нагреве дополнительного холодного воздуха;

фиг.6 представляет собой увеличенный схематический вид в разрезе альтернативного конструктивного исполнения отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением, в котором предусмотрено охлаждение полученного кислорода;

фиг.7 представляет собой схематический вид объединения отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением с камерой сгорания газовой турбины;

фиг.8 представляет собой фрагментарный увеличенный схематический вид в разрезе отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением, на котором показана объединенная камера сгорания для использования с объединением, показанным на фиг.7;

фиг.9 представляет собой технологическую схему объединения, показанного на фиг.1, по выбору с потоком дополнительного подаваемого сжатого воздуха и с продувкой потоком;

фиг.10 представляет собой увеличенный схематический вид в разрезе альтернативного конструктивного исполнения отделителя кислорода в соответствии с настоящим изобретением для использования в объединении, показанном на фиг.7; и

фиг.11 представляет собой альтернативное конструктивное исполнение отделителя кислорода, показанного на фиг.6.

Для того чтобы избежать ненужных повторений при объяснении и описании каждого элемента в различных конструктивных исполнениях, показанных на чертежах, одинаковые номера ссылок используются в этих конструктивных исполнениях для обозначения элементов, имеющих одинаковые конструкцию и функцию.

Также, чтобы избежать ненужного усложнения чертежей, широко известные элементы, такие как уплотнительные манжеты между фланцами, опоры труб и средства для обеспечения гибкости в соединениях труб, не показаны. Также трубные решетки и сборники, изображенные плоскими на чертежах, могут по выбору быть изогнутыми.

Подробное описание

На фиг.1 изображено объединение генератора 1 горячего газа газовой турбины и отделителя 2 кислорода в соответствии с настоящим изобретением. В таком объединении нагретый газ, содержащий кислород, полученный из генератора 1 горячего газа газовой турбины, подается в отделитель 2 кислорода, который содержит керамические мембраны для отбора кислорода, чтобы отделить кислород от нагретого газа, содержащего кислород, чтобы получить газ, обедненный кислородом, который используется для привода силовой турбины 3. Силовая турбина 3, как показано, может быть использована для привода электрогенератора 4.

Генератор 1 горячего газа газовой турбины снабжен компрессором 10, чтобы сжимать воздух. Компрессор 10 обычно не имеет промежуточного охлаждения, хотя по выбору он может быть многоступенчатой машиной с промежуточным охлаждением. Топливо сжигается в камере сгорания или топке 11, чтобы нагреть сжатый воздух и таким образом образовать сжатый и нагретый воздух, который расширяется до промежуточного давления в расширителе 12 для того, чтобы получить энергию для привода компрессора 10. Обычно в результате нагретый газ “А”, содержащий кислород, как поток, выпускаемый из генератора 1 горячего газа газовой турбины, имеет давление в диапазоне между примерно 4,83 бар и примерно 6,9 бар, и содержание кислорода в диапазоне между 12% и примерно 17%. Температура нагретого газа “А”, содержащего кислород, находится в диапазоне между примерно 800°С и примерно 900°С и поэтому очень подходит для дальнейшей переработки в керамических мембранах для отбора кислорода, чтобы отделить кислород для получения газа “В”, обедненного кислородом. Отделенный кислород может быть извлечен как поток 14 полученного кислорода. Мембраны представляют собой тип мембран с ионным переносом, которые могут содержать материал со смешанной ионной и электронной проводимостью, или многофазную смесь материалов с ионной и электронной проводимостью.

В определенных случаях преимущество имеет использование материалов, которые обладают только ионной проводимостью, и поэтому требуют внешнюю электрическую энергию для создания движущей силы для переноса ионов кислорода. Как будет описано, хотя настоящее изобретение иллюстрируется со ссылками на такие мембраны, которые имеют трубообразную форму и в которых прошедший кислород извлекается с открытых концов таких мембран, настоящее изобретение не ограничено этим. Известные мембраны в форме плоских пластин также являются возможными, и существует тенденция, что за исключением тех случаев, где определенная форма мембраны оговаривается, заявляется или иллюстрируется, настоящее изобретение не ограничено любой конкретной конфигурацией мембраны.

Топливо, вводимое в камеру сгорания 11, может быть любым потоком углеводородного или углеродсодержащего газа или жидкости. Обычно оно представляет собой природный газ или сингаз, если он доступен. В случае сингаза, отношение водорода к окиси углерода может находиться в диапазоне между примерно 0,5 и примерно 2,0. Сингаз является выгодным топливом, так как он дает возможность выработать примерно на 25% больше тепла на 1 моль кислорода, реагирующего в камере сгорания. Это приводит к несколько более высокому содержанию кислорода или парциальному давлению кислорода на входе в керамическую мембрану ионной проводимости для отбора кислорода, что дает возможность более высокого давления извлеченного кислорода, меньшей площади мембраны или более высокого извлечения кислорода.

Дополнительно на фиг.2 показаны дополнительные модификации процесса при использовании основной установки, показанной на фиг.1. Поток 14 полученного кислорода может быть охлажден отводом тепла, предпочтительно к другим применениям, в которых потребляется тепло, например к пару, получаемому в потоке 15 из котла-утилизатора отходящего тепла, и/или к потоку 16 дополнительного сжатого подаваемого воздуха, полученному посредством дополнительного компрессора 17, чтобы увеличить поток, выпускаемый из генератора 1 горячего газа газовой турбины. В этом отношении использование такого потока 16 дополнительного сжатого подаваемого воздуха особенно целесообразно в случае модификации. Такой поток 16 дополнительного сжатого подаваемого воздуха обычно по меньшей мере равен по объему количеству извлеченного кислорода при давлении выше давления на подаче. Это обеспечивает экономичный отвод тепла для охлаждения потока 14 полученного кислорода. Это также дает возможность использования эффективного многоступенчатого промышленного воздушного компрессора с промежуточным охлаждением, что приводит в результате к понижению мощности для сжатия воздуха по сравнению с тем случаем, когда весь воздух сжимается посредством одноступенчатого компрессора газогенератора без промежуточного охлаждения. Кроме того, это уменьшает несовпадение между расширителем и компрессором газогенератора в модифицированных конструкциях или установках.

Как показано, поток 16 дополнительного сжатого подаваемого воздуха может быть непосредственно введен в камеру сгорания 11. Он может также быть добавлен к потоку воздуха между компрессором 10 и камерой сгорания 11. Альтернативно, как будет описано, такой поток может быть введен в отделитель 2 кислорода в целях дополнительного охлаждения.

Обычно при величине парциальных давлений кислорода на задерживающей стороне мембраны ионной проводимости для отбора кислорода требуется производить извлечение кислорода при давлении существенно ниже атмосферного для поддержания положительной движущей силы. Такого низкого давления извлечения можно избежать путем использования мембраны с электрическим приводом, в которой электроды вставлены в электролит только ионной проводимости, и электрический потенциал создается внешним источником энергии известным способом, чтобы приводить в движение ионы кислорода от катода, или задерживающей стороны, к аноду, или пропускающей стороне.

Другой способ избежать вакуума заключается в выработке пара, который используется для продувки пропускающей стороны керамической мембраны ионной проводимости для отбора кислорода. В типичных условиях горячего газа, выпускаемого из генератора 1 горячего газа газовой турбины (давление, равное примерно 6,21 бар, содержание кислорода, равное примерно 15%, и извлечение кислорода 33% от содержания его в воздухе), требуется содержание пара примерно 40% по объему на пропускающем выходе для поддержания на пропускающей стороне общего давления выше атмосферного и парциального давления кислорода, достаточно низкого, чтобы избежать уменьшения отношения парциального давления к движущей силе. Посредством располагаемого тепла кислорода можно произвести примерно половину требуемого пара, остаток может быть выработан в котле-утилизаторе отходящего тепла с использованием располагаемого тепла на выпуске силовой турбины. Это показано на фиг.2 как поток 15 из котла-утилизатора отходящего тепла. Альтернативно, если неудобно или неэкономично образовать дополнительный пар, количество пара, выработанного посредством извлечения тепла из потока полученного кислорода, позволит работать при среднем вакууме примерно 0,827 бар, что сопоставимо с величиной примерно 0,24 бар для случая без продувки.

Объем пара, содержащегося в потоке 14 полученного кислорода, может быть отделен путем конденсации в конденсаторе 18 и отделения конденсата в отделителе 19 воды, при этом остается поток чистого кислорода, насыщенного влагой. Если требуется, остаток содержащего воду пара может быть удален в операции ниже по потоку посредством таких устройств, как мембрана или адсорбционные сушилки. Поток 14 полученного кислорода может быть сжат до давления поставки в компрессоре 20 кислорода.

Хотя не показано в процессе, описанном выше, в котором предусмотрена подача пара и топлива, отделители кислорода, например отделитель кислорода 2, могут быть преобразованы в генераторы сингаза. В этом случае топливо и, возможно, газ рецикла должны быть добавлены к пару из потока 15 из котла-утилизатора отходящего тепла, чтобы образовать объединенный поток. Объединенный поток затем подводится к аноду керамических мембран для отбора кислорода, который должен быть заполнен соответствующим катализатором риформинга, например никелем. Прошедший кислород должен реагировать с топливом, паром и газом рецикла, например двуокисью углерода, в объединенной частичной реакции окисления риформинга для образования сингаза. Эти реакции должны обеспечить высокие движущие силы для переноса кислорода.

На фиг.3 показан отделитель 2 кислорода, который сконструирован так, чтобы объединить его с основной установкой, показанной на фиг.1, или с установкой по фиг.2 без продувки паром. Отделитель 2 кислорода снабжен каналом 22 с круглым поперечным сечением, который открыт с противоположных концов и содержит секции 24 и 26. Канал 22 соединен непосредственно с генератором 1 горячего газа газовой турбины посредством фланца 28, соединенного с секцией 24 канала 22, и фланца 30, соединенного с генератором 1 горячего газа газовой турбины. В результате сжатый нагретый газ “А”, содержащий кислород, выпускаемый как выход из расширителя генератора 1 горячего газа газовой турбины, поступает внутрь канала 22. Канал 22 соединен с силовой турбиной на его противоположном конце, для чего предусмотрен фланец 32, соединенный с секцией 26 канала 22 и фланцем 34 силовой турбины 3. Это дает возможность газу “В”, обедненному кислородом, непосредственно выходить в силовую турбину. Хотя не показано, но как может быть оценено специалистами в этой области техники, фланцы 28, 30 и фланцы 32, 34 предпочтительно соединяются друг с другом резьбовыми крепежными деталями.

Множество керамических мембран 36 для отбора кислорода смонтировано внутри канала 22 для извлечения кислорода из сжатого и нагретого газа “А”, содержащего кислород, чтобы получить газ “В”, обедненный кислородом. Каждая керамическая мембрана 36 для отбора кислорода имеет трубообразную конфигурацию и снабжена закрытым концом 38 и противоположным открытым концом 40. Керамические мембраны 36 для отбора кислорода смонтированы внутри канала 22 посредством их соединения с трубной решеткой 42, которая в свою очередь соединена с секцией 24 канала 22, противоположной фланцу 32. Открытые концы 40 керамических мембран 36 для отбора кислорода соединены с трубной решеткой 42 любым способом, который совместим с материалами, использованными при изготовлении.

Способ уплотнения и прикрепления труб к трубным решеткам содержит металлизацию наружных поверхностей керамических мембран 36 для отбора кислорода (или труб камеры сгорания, которые будут описаны далее) на их открытых концах 40. Полученные в результате металлизированные поверхности припаяны к одному торцу металлического штуцера с двумя торцами. Выступ металлической трубы на одном из ее торцов припаян к другому торцу штуцера. Другой торец выступа металлической трубы может затем быть прикреплен и уплотнен к трубной решетке посредством общеизвестных способов, таких как сварка. Соответствующими металлами являются INCONEL, INCALOY, HASTELOY и сплавы нержавеющей стали.

Как средство для извлечения прошедшего кислорода, обозначенного стрелками “С”, из керамических мембран 36 для отбора кислорода предусмотрены пластина 44 сборника, крышка 48 и выходной трубопровод 50. Пластина 44 сборника соединена с секцией 24 канала 22 и снабжена наружным периферическим фланцем 46, который соединен с наружным периферическим фланцем 43 трубной решетки 42 резьбовыми крепежными деталями известным способом. Пластина 44 сборника имеет центральное отверстие 47, чтобы дать возможность прохода кислорода из открытых концов 40 керамических мембран 36 для отбора кислорода через пластину 44 сборника. Крышка 48 прикреплена к внутреннему периферическому фланцу 49 пластины 44 сборника для образования пространства, заполненного кислородом, в котором собирается кислород из керамических мембран 36 для отбора кислорода, выходной трубопровод 50 соединен с крышкой 48 и проходит через боковую стенку канала 22 для выхода кислорода из канала 22.

Другие средства для извлечения прошедшего кислорода могут быть использованы в отделителе 2 кислорода так же, как в других конструктивных исполнениях, упомянутых здесь. В этом отношении, разветвленные трубопроводы, имеющие отдельные соединения с открытыми концами 40 керамических мембран 36 для отбора кислорода, могут быть использованы для этих целей. Разветвленные трубопроводы могут быть размещены либо внутри, либо снаружи канала конкретного отделителя кислорода.

Трубная решетка 42 и пластина 44 сборника снабжены наружным радиальным рядом отверстий 52 и 53 соответственно для того, чтобы дать возможность нагретому газу “А”, содержащему кислород, пройти из генератора 1 горячего газа газовой турбины в керамические мембраны 36 для отбора кислорода для отделения кислорода. В этом отношении предпочтительно расположение перегородок, показанное как расположение типа диска и тороида и обозначенное ссылкой 54, может быть предусмотрено для обеспечения хорошего контакта газа с наружными поверхностями керамических мембран 36 для отбора кислорода и, следовательно, низкого сопротивления массопередаче на стороне оставшейся части газа, в то время как предполагается минимальный перепад давления. Альтернативно, могут быть использованы перегородки типа сегментов.

В связи с высокими рабочими температурами, имеющими место при работе керамических мембран 36 для отбора кислорода, соответствующая изоляция 55 предусмотрена на внутренних поверхностях канала 22 и крышки 48.

На фиг.4 показан отделитель 2’ кислорода, в котором используется продувка паром для того, чтобы повысить движущую силу через мембрану, и который может быть использован с потоком дополнительного сжатого воздуха или без него. Отделитель 2’ кислорода сконструирован так, чтобы он мог быть объединен таким же образом, как отделитель 2 кислорода, с генератором 1 горячего газа газовой турбины и силовой турбиной 3. Как показано, отделитель 2' кислорода снабжен множеством удлиненных труб 63, которые соосно размещены внутри керамических мембран 36 для отбора кислорода для введения пара, например, из потока 15 из котла-утилизатора отходящего тепла для продувки кислорода изнутри мембран 36.

Керамические мембраны 36 ионной проводимости для отбора кислорода смонтированы внутри канала 56, выполненного из секций 58 и 60. Крышка 62 предусмотрена для образования пространства, заполненного паром. Пространство, заполненное паром, соединено с удлиненными трубами 63 и входным трубопроводом 64 для пара, который проходит через секцию 58 канала 56. Это дает возможность вводить пар в удлиненные трубы 63. Крышка 62 соединена с пластиной 65 сборника, которая в свою очередь соединена с трубной решеткой 66. Удлиненные трубы 63 соединены с трубной решеткой 66. Пластина 65 сборника снабжена рядом отверстий 70, которые соосны с удлиненными трубами 63, чтобы дать возможность прохода пара через пластину 65 сборника и в удлиненные трубы 63. Пластина 65 сборника и трубная решетка 66 соединены с секциями 58 и 60 соответственно и, в свою очередь, соединены друг с другом периферическими фланцами 72 и 74. Радиальное и периферическое расположения отверстий 75 и 76, образованных внутри пластины 65 сборника и трубной решетки 66 соответственно, предусмотрены для того, чтобы дать возможность горячему газу, содержащему кислород, проходить к керамическим мембранам 36 для отбора кислорода.

Трубная решетка 77 предусмотрена для монтажа керамических мембран 36 для отбора кислорода. Экран 90 соединен с трубной решеткой 77. Трубная решетка 77 соединена с пластиной 78 сборника, имеющей отверстия 80, соосные с открытыми концами 40 керамических мембран 36 для отбора кислорода, для того, чтобы дать возможность смеси кислород-пар пройти через пластину 78 сборника. Смесь кислород-пар собирается внутри крышки 81, которая имеет цилиндрическую конфигурацию и соединена на противоположных концах с пластиной 78 сборника и трубной решеткой 66 для того, чтобы создать опору для предшествующего монтажа мембраны трубной решетки и пластины сборника из трубной решетки 66 и чтобы образовать пространство, заполненное кислородом, внутри крышки 81. Выходной трубопровод 82 для кислорода соединен с крышкой 81 и проходит через секцию 60 канала 56 для того, чтобы дать возможность выхода кислорода и пара.

На фиг.5 показан отделитель 2’’ кислорода, который сконструирован так, чтобы он мог быть объединен с генератором 1 горячего газа газовой турбины и силовой турбиной 3 таким же образом, как отделитель 2 кислорода, с использованием потока 16 дополнительного сжатого подаваемого воздуха.

Отделитель 2’’ кислорода снабжен каналом 83, образованным из секций 84 и 86. Предусмотрен входной патрубок 88 для дополнительного холодного воздуха для того, чтобы вводить холодный воздух. Холодный воздух охлаждает прошедший кислород и соединенную опорную конструкцию для керамических мембран 36 для отбора кислорода.

Входной патрубок 88 для дополнительного холодного воздуха проходит через секцию 86 канала 83 и соединен с экраном 90. Экран 90 соединен с трубной решеткой 42 вдоль керамических мембран 36 для отбора кислорода. Трубная решетка 42, в свою очередь, соединена с пластиной 92 сборника, имеющей внутренний радиальный ряд отверстий 94, соосных с концами 40 керамических мембран 36 для отбора кислорода, и наружный радиальный ряд отверстий 96, соосных с отверстиями 52 трубной решетки 42.

Пластина 92 сборника также снабжена внутренним фланцем 95 цилиндрической конфигурации и окружена внутренним радиальным рядом отверстий 94. Крышка 98 соединена с внутренним фланцем 95 для того, чтобы образовать пространство, заполненное кислородом, в котором собирается кислород “С” из керамических мембран 36 для отбора кислорода. Кислород “С” выходит из такого пространства, заполненного кислородом, через выходной трубопровод 100, проходящий через секцию 84 канала 83. Необходимо отметить, что трубная решетка 42 и пластина 92 сборника соединены периферическими фланцами 43 и 93 соответственно для того, чтобы также соединить секции 84 и 86 канала 83.

Сжатый нагретый газ “А”, содержащий кислород, из выпуска генератора 1 горячего газа газовой турбины таким образом проходит через наружные радиальные ряды отверстий 96 и 52 для того, чтобы подвести нагретый газ, содержащий кислород, к керамическим мембранам 36 ниже по потоку, чем экран 90. В то же время холодный воздух, введенный в экран 90, контактирует с керамическими мембранами 36 для отбора кислорода, чтобы охладить кислород, прошедший через них, части керамических мембран 36 для отбора кислорода, окруженные экраном 90, и поэтому такие опорные конструкции, как трубная решетка 42 и пластина 92 сборника нагреваются до повышенной температуры.

Экран 90 поэтому разделяет керамические мембраны 36 для отбора кислорода на секции теплообмена и секции отделения.

Керамические мембраны 36 для отбора кислорода, использованные в этом конструктивном исполнении, могут быть выполнены из пористого вещества, имеющего один или более пористых слоев. Плотная пленка электролита размещена на веществе в секциях отделения. Плотное герметичное покрытие, либо керамическое, либо металлическое, размещено на секциях теплообмена.

Для того чтобы увеличить коэффициенты теплопередачи, на наружной стороне труб, внутри экрана 90 может быть предусмотрено внутреннее расположение перегородок 107, показанных как перегородки типа сегментов. Далее, множество трубообразных штуцеров 104 может быть предусмотрено внутри керамических мембран 36 для отбора кислорода, создающих узкий кольцевой поток и тем самым улучшающих коэффициенты теплопередачи пленки между кислородом, прошедшим через них, и стенкой трубы. Штуцеры 104 соединены с открытыми концами 40 керамических мембран 36 для отбора кислорода, для чего предусмотрены конусообразные конструкции 105, имеющие отверстия 106 для того, чтобы дать возможность прохода кислорода в конусообразные конструкции 105.

Дополнительно, наружное расположение перегородок 108, 110 и 112 типа диска и тороида, имеющих отверстия 114 и 116, может быть предусмотрено для улучшения массопереноса между нагретым воздухом и керамическими мембранами 36 ионной проводимости для отбора кислорода. Может быть установлено больше одного комплекта перегородок.

На фиг.6 показан отделитель 2’’’ кислорода как другое альтернативное конструктивное исполнение отделителя 2’’, показанного на фиг.5. В таком конструктивном исполнении поток нагретого газа “А”, содержащего кислород, из расширителя 12 является осевым и поэтому поток нагретого газа “А”, содержащего кислород, проходит внутрь экрана 90.

Экран 90 соединен с трубной решеткой 116, которая в свою очередь соединена с пластиной 118 сборника посредством наружных периферических фланцев 122 и 120 соответственно, которые посредством этого также соединяют секции 84 и 86 канала 83. Керамические мембраны 36 для отбора кислорода соединены с трубной решеткой 116, и пластина 118 сборника снабжена рядом отверстий 124, соосных с открытыми концами 40 керамических мембран 36 для отбора кислорода, для прохода кислорода “С”. Кольцевая крышка 126 тороидальной формы соединена с пластиной 118 сборника для образования пространства, заполненного кислородом, для сбора кислорода “С”. По выходному трубопроводу 128 кислород выходит из пространства, заполненного кислородом, и секции 84 канала 83.

Кольцевая крышка 126, пластина 118 сборника и трубная решетка 116 имеют кольцевую конфигурацию и, таким образом, в них предусмотрены центральные отверстия 130, 131 и 132, соосные друг с другом и с экраном 90 для того, чтобы дать возможность осевого прохода нагретого воздуха ниже по потоку, чем холодный воздух, который подается по входному патрубку 134 для холодного воздуха. Наружные перегородки 136 типа диска или тороида могут быть предусмотрены для повышения коэффициентов теплопередачи пленки на стороне охлаждающего воздуха внутри секции теплопередачи, и центральные перегородки 138 типа диска и тороида могут быть предусмотрены для повышения массопередачи между горячим воздухом и керамическими мембранами 36 для отбора кислорода в секции для отделения.

На фиг.7 показано объединение отделителя 5 кислорода, объединенного с изображенной в увеличенном масштабе промышленной газовой турбиной 6 того типа, который используется в процессе IGCC. Газовая турбина 6 снабжена компрессором 146, который приводится в действие расширителем 148. Топливо сжигается в камерах сгорания или топках 150, чтобы нагревать сжатый воздух, полученный из компрессора 146, чтобы образовать сжатый и нагретый воздух для привода расширителя 148. Расширитель 148 обычно производит дополнительную работу на валу, которая используется для выработки электроэнергии посредством генератора или сжатого газа посредством отдельного компрессора.

Отделители 5 кислорода соединены с камерами сгорания 150. Предварительные камеры сгорания 7, соединенные с отделителем 5 кислорода, имеют инжекторы 151 топлива для производства нагретого газа “А”, содержащего кислород, в виде нагретого воздуха для отделения из него кислорода в отделителях 5 кислорода. Воздух, подаваемый в предварительные камеры сгорания 7, представляет собой сжатый воздух, проходящий из компрессора 146 по кольцевым проходам 152 в камеры сгорания 150 и по кольцевым проходам 153 в отделитель 5 кислорода, или сочетание воздуха, образованного из выпуска компрессора 146, и воздуха, обработанного в отдельном компрессоре. Воздух из отдельного компрессора может быть добавлен непосредственно в кольцевые проходы 152 через сопла 154. Хотя не показано, такой отдельно сжатый воздух может быть добавлен непосредственно в предварительные камеры сгорания 7.

От 5 до 20% воздуха, сжатого в компрессоре 146, направляется прямо в расширитель 148 для охлаждения, и от 10 до примерно 95% воздуха, сжатого в компрессоре 146, проходит в предварительную камеру сгорания 7. Остальной воздух подается прямо в камеры сгорания 150. При отделении кислорода в отделителе 5 кислорода получается газ “В”, обедненный кислородом, который вводится в камеры сгорания 150. Хотя не показано, отделители 5 кислорода могут быть соединены между камерами сгорания 150 и газовой турбиной 6 для того, чтобы получать нагретый газ “А”, содержащий кислород, прямо из камер сгорания 150. В таком случае газ “В”, обедненный кислородом, будет прямо выпускаться в газовую турбину 6, и не будет предварительных камер сгорания 7.

На фиг.8 показан отделитель 5, который представляет собой переоборудованную конструкцию отделителя 2’’’ по фиг.6. Внутренний узел отделителя 5 фактически идентичен узлу отделителя 2’’’ с модификациями для работы с газовой турбиной 6. Отделитель 5 кислорода отличается от отделителя 2’’’ добавлением кольцевого прохода 153, образованного между стенками канала 83 и наружным каналом 156, и заменой секции 84 канала 83 предварительной камерой сгорания 7. Дополнительно предусмотрены выступающий выходной трубопровод 128’ и выступающий входной патрубок 134’ для холодного воздуха для прохода в предварительную камеру сгорания 7 и наружный канал 156. Необходимо отметить, что возможны конструктивные исполнения настоящего изобретения, в которых предварительная камера сгорания 7 образована отдельным устройством, которое, будучи соединенным с отделителем кислорода, не является единым целым с ним, как в показанном конструктивном исполнении отделителя 5 кислорода.

Наружный канал 156 прикреплен к переходной части 157 канала, ведущей из газовой турбины 6 посредством фланцев 158 и 159. Увеличенная пластина 118’’ сборника и увеличенная трубная решетка 116’ предусмотрены для прикрепления предварительной камеры сгорания 7 к отделителю 5 кислорода. Пластина 118’ сборника и трубная решетка 116’, в свою очередь, прикреплены к фланцу 160, соединенному с наружным каналом 156.

Радиальный ряд отверстий 161 предусмотрен в пластине 118’ сборника и трубной решетке 116’ для прохода сжатого газа “D”, содержащего кислород, из узла турбины. Предварительная камера сгорания 7 снабжена фасонной головкой 162 куполообразной конфигурации, прикрепленной к наружному фланцу 120’ пластины 118’ сборника, для образования пространства 163 для разветвленного трубопровода возврата. Сопло 151 для впрыска топлива проходит через фасонную головку 162 для впрыскивания топлива, чтобы оно реагировало с частью кислорода в сжатом газе “D”, содержащем кислород, тем самым поднимая температуру сжатого газа “D”, содержащего кислород, для образования нагретого газа “А”, содержащего кислород, имеющего достаточную температуру для эффективного ионного переноса кислорода. Изогнутая закругленная кольцевая перегородка 164 предусмотрена для того, чтобы помочь реверсировать поток сжатого газа “D”, содержащего кислород, внутри фасонной головки 162. Поток газа “В”, обедненного кислородом, возвращается в турбину через концентричный внутренний канал 166. Концентричный внутренний канал 166 соединен с фланцем 167, который в свою очередь соединен с фланцем 32 канала 83.

На фиг.9 показана технологическая схема процесса для объединения отделителей кислорода в газовую турбину 6 для установки того типа, который показан на фиг.7. Конструкция отделителя кислорода, использованного в этой установке, объединяет признаки отделителя 2’ кислорода, показанного на фиг.4, с добавлением наружного канала (например, наружного канала 156 отделителя 5 кислорода) и предварительной камеры сгорания, соединенной с наружным каналом таким же образом, как соединение предварительной камеры сгорания 7 с наружным каналом 156 отделителя 5 кислорода. Несмотря на то, что показаны только два отделителя кислорода, необходимо понять, что объединение включает множество отделителей кислорода, соединенных со множеством камер сгорания 150, распределенных вокруг периферии соединительного канала между компрессором 146 и расширителем 148.

Воздух извлекается из выпуска компрессора газовой турбины как поток 170 воздуха. Поток 172 дополнительного сжатого подаваемого воздуха обеспечивается отдельными воздушными компрессорами 173 и смешивается с потоком 170 выпускаемого сжатого воздуха. Хотя не показано, это может быть выполнено в предварительной камере сгорания, например в предварительной камере сгорания 7, путем добавления дополнительного входного патрубка для воздуха внутрь фасонной головки 162. Как можно оценить, один компрессор может осуществить подачу во все отделители 5 кислорода. Потоки оставшейся части из отделителей 5 кислорода, состоящие из воздуха “В”, обедненного кислородом, могут быть смешаны с топливом либо в камерах сгорания 150, как показано на фигуре, либо перед входом в камеры сгорания (не показано).

Потоки 174 полученного кислорода, образованные из прошедшего кислорода, могут быть охлаждены посредством косвенного теплообмена с потоком 175, используемого для повышения давления пара. После этого потоки 174 полученного кислорода могут быть охлаждены далее в конденсаторе 176, чтобы сконденсировать воду, которая затем отделяется в отделителе 178. Потоки 174 полученного кислорода могут затем быть сжаты до давления поставки в компрессоре 180 кислорода.

Для возможности достижения высокого извлечения кислорода в отделителях 5 кислорода прошедший кислород должен быть извлечен на уровне вакуума. Для того чтобы избежать этого и подать кислород в компрессор 180 кислорода под несколько повышенным давлением, пар, подведенный посредством потока 165, используется как омывающий газ для отделителей 5 кислорода.

Необходимо отметить, что вода для получения пара 175 состоит из воды, отделенной от потока 174 полученного кислорода, и подпитывающей воды, которая подается насосом 182 в отделители 5 кислорода.

Для типичной современной газовой турбины, которая сжимает подаваемый воздух от примерно 13,8 до 31,05 бар, количество пара для продувки, полученного таким образом, достаточно для достижения уровней извлечения кислорода примерно 80% от того количества, которое содержится в воздухе, подаваемом в отделители 5 кислорода, и для подачи кислорода в компрессор 182 кислорода при примерно 1,72 бар, в то же время поддерживая адекватные движущие потенциалы для перемещения кислорода в отделителях 5 кислорода.

Для того чтобы поддерживать выработку энергии, дополнительный воздух из потока 172 дополнительного сжатого подаваемого воздуха, который подается в отделители 5 кислорода, должен быть, по меньшей мере, равен объему извлеченного кислорода. В идеале, один модуль отделителя должен быть соединен с каждой камерой сгорания газовой турбины. Если требуется получить максимальную мощность с данной установки, может быть использовано многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением, поскольку мощность, требуемая для сжатия потока 172 дополнительного подаваемого сжатого воздуха (если его объем равен объему прошедшего кислорода), является мощностью, которую нужно отвести от установки. Однако в большинстве случаев общая эффективность цикла с промежуточным охлаждением будет меньше, чем без него.

На фиг.10 показан отделитель 5’ кислорода, который может быть объединен таким образом, который показан на фиг.7, без предварительной камеры сгорания 7, работающей непрерывно.

Отделитель 5’ кислорода снабжен внутренним каналом 184, который включает секцию 186 для сжигания и секцию 188 для отделения. Керамические мембраны 36 для отбора кислорода, размещенные внутри секции 186 для сжигания внутреннего канала 184, действуют как трубы камеры сгорания для сжигания топлива или, по выбору, смеси топлива и пара. Такое сжигание поддерживается прошедшим кислородом, извлеченным из горячего газа. При сжигании нагревается воздух, который проходит через внутренний канал 184, чтобы дать возможность работы керамическим мембранам для отбора кислорода при их проектных рабочих температурах. Предварительная камера сгорания 7 поэтому должна использоваться только в целях запуска в случае объединения между предварительной камерой сгорания 7 и камерой сгорания 150. Керамические мембраны для отбора кислорода, размещенные внутри секции 188 для отделения канала 184, работают для того, чтобы отделить кислород от нагретого воздуха, который образует нагретый газ “А”, содержащий кислород.

Секция 186 для сжигания внутреннего канала 184 имеет множество удлиненных труб 190, которые размещены соосно внутри керамических мембран 36 для отбора кислорода. Секция 188 для отделения канала 184 также снабжена множеством удлиненных труб 192, которые находятся в соединении с удлиненными трубами 190 и которые размещены соосно внутри керамических мембран 36 для отбора кислорода. В удлиненные трубы 192 поступают продукты сгорания из удлиненных труб 190 для продувки кислорода изнутри керамических мембран 36 для отбора кислорода, размещенных внутри секции 188 для отделения.

Секции 186 и 188 для сжигания и для отделения внутреннего канала 184 и их внутренние компоненты представляют собой зеркальное отражение друг друга, хотя в них могут применяться керамические мембраны 36 для отбора кислорода различной длины. Типичные керамические мембраны 36 для отбора кислорода внутри секции 188 для отделения длиннее, чем те же мембраны внутри секции 186 для сжигания.

В секциях 186 и 188 для сжигания и для отделения внутреннего канала 184 удлиненные трубы 190 и 192 соединены с парой трубных решеток 194, которые в свою очередь соединены с центральной монтажной пластиной 195. Трубные решетки 194 имеют периферические фланцы, соединенные друг с другом, например, посредством резьбовых крепежных деталей (не показаны), чтобы также соединить секции 186 и 188 для сжигания и для отделения друг от друга. Трубные решетки 194 и центральная монтажная пластина 195 также снабжены наружными радиальными рядами соосных отверстий 196 и 197 соответственно, чтобы дать возможность прохода горячего газа “А”, содержащего кислород, из секции 186 для сжигания в секцию 188 для отделения.

Пара трубных решеток 198 предусмотрена для монтажа керамических мембран 36 для отбора кислорода. Трубные решетки 198 соединены с пластинами 200 сборника, имеющими отверстия 202, соосные с открытыми концами 40 керамических мембран 36 для отбора кислорода. Пара крышек 203 цилиндрической конфигурации присоединяет пластины 200 сборника к трубным решеткам 194 для образования заполненных пространств. Заполненные пространства дают возможность вводить топливо и, по выбору, другие потоки в керамические мембраны 36 ионной проводимости для отбора кислорода, которые действуют как трубы камеры сгорания, и для сбора кислорода и продуктов сгорания, включая влагу и двуокись углерода, из керамических мембран 36 для отбора кислорода, которые действуют исключительно как отделители. Соответствующие средства для теплопередачи, например, такие как показаны в патенте США 5820654, который включен сюда посредством ссылки, как полно изложено здесь, предпочтительно используются для предотвращения либо перегрева, либо закалки при реакции.

Входной трубопровод 204 для топлива и выходной трубопровод 206 проходят через секции 186 и 188 для сжигания и для отделения соответственно и сообщаются с заполненными пространствами, образованными крышками 203. Топливо и, по выбору, пар, вводятся во входной трубопровод 204 для топлива, и прошедший кислород и продукты сгорания, включая влагу и двуокись углерода и любой пар, выпускаются из выходного трубопровода 206. Двуокись углерода может быть извлечена как отдельный продукт одним из ряда процессов, хорошо известных в технике.

Сжатый газ “D”, содержащий кислород, подается из выхода компрессора через кольцевое пространство 210, образованное между наружным каналом 212 и секцией 188 для отделения внутреннего канала 184. Газ “D”, содержащий кислород, проходит через радиальные отверстия 214 и 216, образованные в пластинах 194 сборника и центральной монтажной пластине 195 соответственно, и затем проходит через кольцевое пространство 218, образованное между наружным каналом 212 и секцией 186 для сжигания внутреннего канала 184. Поток поворачивается на 180° посредством перегородок 221 и затем входит во внутреннюю часть секции 186 для сжигания. Как показано, наружный канал 212 образован двумя секциями 222 и 224, которые прикреплены к наружным фланцам 226 пластин 194 сборника. Другие части фланцев 226 в свою очередь соединены с центральной монтажной пластиной 195.

Хотя настоящее изобретение показано со ссылкой на отделители кислорода, в которых используются керамические мембраны для отбора кислорода, ориентированные в одну линию с потоком нагретого газа “А”, содержащего кислород, настоящее изобретение не должно быть истолковано как ограниченное такими конструктивными исполнениями. Например, на фиг.11 показано альтернативное конструктивное исполнение отделителя 2’’ кислорода с керамическими мембранами 36 для отбора кислорода, которые ориентированы под прямыми углами к потоку внутри канала 230. Керамические мембраны 36 для отбора кислорода соединены с трубной решеткой 232, которая в свою очередь соединена с пластиной 234 сборника. Вертикальная конструкция 236, имеющая такую же конфигурацию, как экран 90, соединена с каналом 230. Круглые фланцы 238 и 240 прикреплены к каналу 230 и вертикальной конструкции 236, соответственно, и друг к другу посредством крепежных деталей (не показаны).

Вертикальная конструкция 236 действует для приема охлаждающего воздуха 16, чтобы охладить прошедший кислород, проходящий внутри керамических мембран 36 для отбора кислорода, части керамических мембран 36 для отбора кислорода, окруженные вертикальной конструкцией 236, и, следовательно, такие опорные конструкции, как трубная решетка 232 и пластина 234 сборника. После этого поток 16, нагретый посредством теплообмена с горячим кислородом, соединяется с нагретым воздухом “А”, содержащим кислород, из генератора 1 горячего газа газовой турбины для отделения внутри частей керамических мембран 36 для отбора кислорода, выступающих в канал 230. В этом отношении канал 230 соединен непосредственно с генератором 1 горячего газа газовой турбины посредством фланца 242 и с силовой турбиной 3 на его противоположном конце посредством фланца 244.

Далее следует расчетный пример объединений отделителя 2 кислорода с генератором 1 горячего газа.

Пример

В расчетном примере для варианта генератора 1 горячего газа газовой турбины - переоборудованного авиационного двигателя представлено сравнение между стандартным Случаем I только для выработки энергии, Случаем II - для совместного получения кислорода посредством объединенного отделителя 2 кислорода с вакуумным насосом и сравнительным Случаем III с отделителем 2’ кислорода с продувкой паром - для получения кислорода с давлением выше атмосферного. Пар вырабатывается посредством отвода тепла от отработавшего газа силовой турбины. Цикл, показанный на фиг.2 (с дополнительным воздухом), был использован для случаев получения кислорода. Случай IV для необъединенной криогенной установки и отдельной силовой установки добавлен для сравнения.

Основными предположениями были следующие.

Степень сжатия компрессора генератора горячего газа газовой турбины: 30

Компрессор генератора горячего газа газовой турбины: без промежуточного охлаждения

Компрессор дополнительного воздуха: 2-ступенчатый с водяным промежуточным охлаждением

Вакуумный насос O₂: 3-ступенчатый с водяным промежуточным охлаждением

кпд воздушного компрессора 80%

кпд турбины 90%

кпд вакуумного насоса кислорода 70%

Топливо Метан

Полученный O₂ При 1,0135 бар

Далее следуют расчетные результаты

Давление горячего газа 6,32 бар

Температура горячего газа 1154 К

Температура на выходе силовой турбины 761 К

В приведенной ниже таблице показано, что в случаях объединенного "ОТМ" экономится значительная мощность по сравнению с отдельной криогенной установкой. В случае продувки паром экономятся мощность компрессора кислорода и расходы на дополнительные инвестиции в оборудование для выработки пара и теплообменники. В этом случае предполагается, что нет конкурентоспособного использования отходящего тепла.

Если предположить, что средний поток кислорода в отделитель "ОТМ" составляет 8,49 м³ (СТД,)/ч·м², площадь сепаратора составит 84,236 м². Для труб длиной 3,66 м, диаметром 2,54 см, разделенных шагом 3,49 см, диаметр пучка будет примерно 2,06 м. Оставляя примерно 0,76 м на изоляцию и площадь потока по периферии, получим в результате диаметр наружного кожуха примерно 2,9 м.

Если используется кольцевое расположение по фиг.11 при диаметре площади внутреннего потока 1,22 м, наружный диаметр пучка должен быть примерно 2,36 м. Это приведет в результате к диаметру кожуха примерно 2,74 м.

В то время, как настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительное конструктивное исполнение, специалисты в данной области техники могут внести ряд изменений, дополнений и пропусков, которые могут быть выполнены, не выходя за пределы сущности и объема настоящего изобретения.

Формула изобретения

1. Отделитель (2; 2'; 2"; 2''') кислорода для отделения кислорода от нагретого газа, содержащего кислород, выпускаемого из выхода расширителя генератора (1) горячего газа газовой турбины, используемого для привода силовой турбины (3), причем указанный отделитель кислорода содержит канал (22; 56; 83; 230), открытый с противоположных концов и имеющий такую конфигурацию, что он смонтирован непосредственно между расширителем (12) генератора (1) горячего газа газовой турбины и силовой турбиной (3) в оперативной взаимосвязи, чтобы принимать нагретый газ, содержащий кислород, из расширителя (12) и выпускать газ, обедненный кислородом, в силовую турбину (3); множество керамических мембран (36) для отбора кислорода для извлечения кислорода из нагретого газа; керамические мембраны (36) для отбора кислорода, смонтированные внутри указанного канала (22; 56; 83; 230) так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород, и собирается внутри керамических мембран (36) для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала (22; 56; 83; 230); и средства (44, 48, 50; 81, 82; 98, 100; 126, 128) для извлечения кислорода из керамических мембран для отбора кислорода.

2. Отделитель (5, 5') кислорода для отделения кислорода от сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания (150) газовой турбины (6), причем отделитель (5, 5') кислорода содержит удлиненный канал (83), открытый с противоположных концов и имеющий такую конфигурацию, что он соединяется с камерой сгорания (150) газовой турбины (6), чтобы принимать нагретый газ, содержащий кислород, образованный из сжатого воздуха после его нагрева, и чтобы выпускать газ, обедненный кислородом; множество керамических мембран (36) для отбора кислорода для извлечения кислорода из нагретого газа; керамические мембраны (36) для отбора кислорода, смонтированные внутри канала (83) так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород, и собирается внутри керамических мембран (36) для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала (83); и средства (126, 128'; 203, 206) для извлечения кислорода из керамических мембран для отбора кислорода.

3. Отделитель кислорода по п.2, в котором предварительная камера сгорания (7) нагревает сжатый воздух и указанный канал (83) смонтирован непосредственно между предварительной камерой сгорания (7) и камерой сгорания (150) газовой турбины (6).

4. Отделитель кислорода по п.3, в котором канал (83; 184) представляет собой внутренний канал, наружный канал (156; 212), окружающий внутренний канал (83; 184) и соединенный с предварительной камерой сгорания (7), образует кольцевое пространство (153; 212) между внутренним (83; 184) и наружным (156; 212) каналами, чтобы подавать сжатый воздух в предварительную камеру сгорания (7).

5. Отделитель кислорода по п.1 или 2, в котором каждая из керамических мембран (36) для отбора кислорода имеет удлиненную, трубообразную конфигурацию, имеющую закрытые концы (38) и противоположные открытые концы (40), средства (44, 48, 50; 81, 82; 98, 100; 126, 128, 128'; 203, 206) для извлечения извлекают кислород из открытых концов керамических мембран для отбора кислорода.

6. Отделитель кислорода по п.5, дополнительно содержащий множество удлиненных труб (63), соосно размещенных внутри керамических мембран (36) для отбора кислорода, для введения пара для того, чтобы продувать кислород изнутри мембран (36); пространство (62), заполненное паром, которое соединено с удлиненными трубами (63), и входной трубопровод (64) для пара, проходящий через канал (56) и соединенный с пространством (62), заполненным паром, для введения указанного пара.

7. Отделитель кислорода по п.5, дополнительно содержащий экран (90), окружающий часть керамических мембран (36) для отбора кислорода, и входной патрубок (88) для дополнительного холодного воздуха, проходящий через канал (83) и соединенный с экраном (90) для введения холодного воздуха, чтобы охладить кислород внутри керамических мембран (36) для отбора кислорода и конструкцию (107), на которую опираются керамические мембраны (36) для отбора кислорода, при нагреве до повышенной температуры.

8. Отделитель кислорода по п.6, дополнительно содержащий множество трубообразных штуцеров (104), смонтированных внутри керамических мембран (36) для отбора кислорода, чтобы посредством этого создать узкий кольцевой поток для улучшения коэффициента теплопередачи пленки между кислородом, проходящим внутрь керамических мембран (36) для отбора кислорода, и стенками труб керамических мембран.

9. Отделитель кислорода по п.3, в котором каждая из керамических мембран (36) для отбора кислорода имеет удлиненную трубообразную конфигурацию, имеющую закрытые концы (38) и противоположные открытые концы (40); средства (203, 206) для извлечения извлекают кислород из открытых концов (40) керамических мембран (36) для отбора кислорода; множество труб (36) камеры сгорания изготовлено из керамического материала, проницаемого для кислорода, для отделения кислорода от нагретого газа; входной трубопровод (204) для топлива проходит через канал (184) для введения топлива; камера (203) для топлива соединена с трубами камеры сгорания и соединена с входным трубопроводом (204) для топлива, для введения топлива в трубы (36) камеры сгорания для сжигания в присутствии кислорода, чтобы нагреть сжатый воздух и получить продукты сгорания; трубы (190, 192) для подачи размещены соосно внутри керамических мембран (36) для отбора кислорода и труб (36) камеры сгорания для подачи продуктов сгорания из труб (190) камеры сгорания к керамическим мембранам (36) для отбора кислорода, чтобы тем самым образовать омывающий газ для керамических мембран для отбора кислорода.

10. Отделитель кислорода по п.5, в котором керамические мембраны (36) для отбора кислорода смонтированы внутри канала (83) посредством соединения с трубной решеткой (116; 116'), которая, в свою очередь, соединена с каналом (83); средства для извлечения кислорода содержат пластину (120; 120') сборника, соединенную с трубной решеткой (116; 116') и имеющую, по меньшей мере, одно отверстие (124; 161), чтобы дать возможность кислороду проходить из открытых концов керамических мембран (36) для отбора кислорода через пластину (118; 118') сборника, крышку (126), соединенную с пластиной (118; 118') сборника и покрывающую, по меньшей мере, одно отверстие (124; 161), и выходной трубопровод (128; 128'), соединенный с крышкой (126) и проходящий через канал (83).

11. Отделитель кислорода по п.10, в котором канал имеет, по меньшей мере, две секции (84, 86); пластина (118) сборника соединена, по меньшей мере, с одной из двух секций (84, 86); пластина (118) сборника и трубная решетка (116) имеют периферические фланцы (120, 122), соединенные друг с другом, чтобы соединить указанные две секции (84, 86) друг с другом.

12. Отделитель кислорода по п.10, дополнительно содержащий входной патрубок (134, 134') для дополнительного холодного воздуха канала (83) для введения холодного воздуха в канал (83), чтобы охладить кислород внутри керамических мембран (36) для отбора кислорода во время нагрева до повышенной температуры; по меньшей мере, одно отверстие пластины (118; 118') сборника, содержащей радиальный ряд отверстий (124); трубную решетку (116; 116'), пластину (118; 118') сборника и крышку (126), каждая из которых имеет кольцевую конфигурацию для того, чтобы образовать в них соосные, концентрические центральные внутренние отверстия; экран (90), соединенный с трубной решеткой (116; 116') и соосный с центральным внутренним отверстием в ней для того, чтобы подвести нагретый газ, содержащий кислород, к керамическим мембранам (36) для отбора кислорода ниже по потоку, чем входной патрубок (134; 134') для дополнительного холодного воздуха канала (83).

13. Отделитель кислорода по п.5, в котором керамические мембраны (36) для отбора кислорода ориентированы под прямыми углами к потоку нагретого газа, содержащего кислород.

14. Способ отделения кислорода от нагретого газа, содержащего кислород, выпускаемого из выхода генератора (1) горячего газа газовой турбины, используемого для привода силовой турбины (3), причем указанный способ содержит стадии: принимают нагретый газ, содержащий кислород, в один конец канала (22; 56; 83; 230), смонтированного непосредственно между расширителем (12) генератора (1) горячего газа газовой турбины и силовой турбиной (3), которые оперативно связаны; извлекают кислород из нагретого газа, содержащего кислород, посредством проникновения ионов кислорода через множество керамических мембран (36) для отбора кислорода; причем керамические мембраны (36) для отбора кислорода смонтированы внутри канала (22; 56; 83; 230) так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород, и собирается внутри керамических мембран (36) для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала (22; 56; 83; 230); выпускают газ, обедненный кислородом, с противоположного конца канала (22; 56; 83; 230) в силовую турбину (3); извлекают кислород из керамических мембран для отбора кислорода.

15. Способ отделения кислорода от сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания (150) газовой турбины (6), причем способ содержит стадии: нагревают сжатый воздух путем сжигания топлива, чтобы образовать нагретый газ, содержащий кислород; принимают нагретый газ, содержащий кислород, внутрь удлиненного канала (83), открытого с противоположных концов и соединенного с камерой сгорания (150) газовой турбины; извлекают кислород из нагретого газа, содержащего кислород, посредством проникновения ионов кислорода через множество керамических мембран (36) для отбора кислорода; причем керамические мембраны для отбора кислорода смонтированы внутри канала (83) так, что кислород отделяется от нагретого газа, содержащего кислород, и собирается внутри керамических мембран (36) для отбора кислорода, и наружный поток газа, обедненного кислородом, образуется внутри канала; выпускают газ, обедненный кислородом, с противоположного конца канала (83); извлекают кислород из керамических мембран (36) для отбора кислорода.

16. Способ по п.15, в котором нагретый газ, содержащий кислород, принимают внутрь одного из противоположных концов канала из предварительной камеры сгорания (7), соединенной с ним, и газ, обедненный кислородом, непосредственно выпускают в камеру сгорания (150) газовой турбины с другого противоположного конца.

17. Способ по п.14 или 15, в котором кислород после извлечения охлаждают (18; 176) и затем сжимают (20; 180).

18. Способ по п.14 или 15, в котором керамические мембраны (36) для отбора кислорода продувают газом (15; 165) для продувки.

19. Способ по п.14 или 15, дополнительно содержащий сжатие (17) потока (16) дополнительного воздуха, по меньшей мере, равного по объему полученному удаленному кислороду, чтобы образовать поток (16) дополнительного сжатого подаваемого воздуха, и введение потока (16) дополнительного сжатого подаваемого воздуха, чтобы охладить керамические мембраны (36) для отбора кислорода и опорную конструкцию для керамических мембран (36) для отбора кислорода.

20. Способ по п.15, в котором каждая из керамических мембран (36) для отбора кислорода имеет удлиненную трубообразную конфигурацию, имеющую закрытые концы (38) и противоположные открытые концы (40); извлекают кислород из открытых концов (40) керамических мембран (36) для отбора кислорода; вводят топливо в трубы (36) камеры сгорания, изготовленные из материала керамических мембран для отбора кислорода и размещенные внутри канала (184) выше по потоку, чем керамические мембраны (36) для отбора кислорода; сжигают топливо в трубах (36) камеры сгорания в присутствии прошедшего кислорода из сжатого воздуха, чтобы нагреть сжатый воздух и посредством этого образовать продукты сгорания; вводят продукты сгорания в керамические мембраны (36) для отбора кислорода, как газ для продувки.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11