集成的离子转运膜和燃气轮机系统 |
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| 申请号 | CN201010286651.3 | 申请日 | 2010-09-17 | 公开(公告)号 | CN102022190B | 公开(公告)日 | 2014-11-12 |
| 申请人 | 气体产品与化学公司; 康塞普斯ETI公司; | 发明人 | P·A·阿姆斯特朗; E·P·德梅特里; | ||||
| 摘要 | 集成的燃气 涡轮 燃烧 发动机 和离子转运膜系统，包括：燃气涡轮燃烧发动机，其包括：具有压缩含 氧 气体出口的 压缩机 ；包括 外壳 、与压缩含氧气体出口 流体 连通的燃烧区和与燃烧区流体连通且具有一个或多个稀释气体进口的稀释区的 燃烧器 ；和气体膨胀器。该系统包括具有离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其包括进气区、渗透区、与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的通向进气区的进气进口、进气区出口和从渗透区的渗透物抽出出口。膜组件的进气区出口与燃烧器稀释区的一个或多个稀释气体进口的任一个或多个流体连通。 | ||||||
| 权利要求 | 1.集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括： |
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| 说明书全文 | 集成的离子转运膜和燃气轮机系统背景技术[0003] 通过使用氧可渗透的混合金属氧化物陶瓷膜，可以在高温下分离空气以产生高纯度氧。这些膜通过氧离子的选择性渗透运行，并可以描述为离子转运膜。用于离子转运膜的混合金属氧化物材料可以是传导氧离子和电子的混合导体，其中，渗透的氧离子在膜的渗透侧重组以形成氧气。 [0004] 离子转运膜分离系统的进气是含氧气体(例如，空气)，其在膜系统之前压缩和加热达到700℃至1100℃的一般温度范围。进气的一部分透过膜，并作为热的高纯度的氧渗透产物回收。热的加压非渗透气体部分地氧贫化，并包含大量的热能和压力能；应该回收这种能量以确保整个氧生成过程在经济上是可行的。 [0005] 为了回收非渗透气中的大量热能和压力能，离子转运膜系统可以与使用热交换器、燃烧器(combustor)、燃气涡轮、蒸汽轮机和其他热利用设备的能够产生和回收系统整合。由于非渗透物含有残留氧，它可用作燃烧过程(例如，举例来说，燃气轮机或燃气轮发动机)中的氧化剂流。如果非渗透物具有低的氧浓度，一些旁路空气可与非渗透物混合以达到用于燃烧过程中的大多数燃料的可燃极限。因此，离子转运膜非渗透气体中的热能和压力能可以由燃气轮机系统作为机械能回收，且这种能量可以被认为是高纯度氧渗透气体的副产物。 [0006] 将离子转运膜系统与燃气涡轮发动机整合在一起是本领域公知的，其中，一部分燃气涡轮压缩机输出向膜系统提供压缩的空气进气，且来自膜系统的非渗透物流直接引入到通用燃气轮机燃烧器中。但是，现有技术中没有公开描述非渗透气体在特定燃气轮机燃烧器(gas turbinecombustor)中的集成使用的详细方法。因此，需要实际燃气轮机燃烧器中利用来自离子转运膜系统的非渗透气体的具体方法。通过下面所述的和随后的权利要求所限定的本发明的实施方式来满足了这种需要。 发明内容[0007] 本发明的一种实施方式涉及集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括： [0008] (a)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0009] (1)包括压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴(drive shaft)的压缩机； [0010] (2)包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里(liner)的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、燃烧气体出口和一个或多个稀释气体进口； [0011] (3)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具有一个或多个含氧气体进口，且通过该一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通； [0013] (5)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道(piping)； [0014] (b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区(feed zone)、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的(oxygen-depleted)非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和[0015] (c)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口的任一个或多个流体连通的管道。 [0016] 本发明的另一实施方式包括操作集成的燃气轮机(combustionturbine)和离子转运膜系统的方法，包括： [0017] (a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括： [0018] (1)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0019] (1a)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0020] (1b)包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口； [0021] (1c)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具有一个或多个含氧气体进口，且通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通； [0022] (1d)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器；和 [0023] (1e)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道； [0024] (2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口； [0025] (3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口的任一个或多个流体连通的管道； [0026] (b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，并在燃烧区中燃烧燃料与压缩的含氧气体的第一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释的热燃烧气体；和在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功(shaft work)； [0027] (c)加热压缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区中，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出渗透气体；和 [0028] (d)将贫氧的非渗透气体的至少一部分引入稀释区中。 [0029] 本发明的相关的实施方式包括集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括： [0030] (a)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0031] (1)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0032] (2)包括外壳、具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和围绕燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器； [0033] (3)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具有含氧气体进口并通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通； [0034] (4)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器；和 [0035] (5)适于从压缩机向燃烧区环形冷却区域的含氧气体进口转移压缩含氧气体的第一部分的管道； [0036] (b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和 [0037] (c)混合区、适于从压缩机向混合区转移压缩含氧气体的第二部分的管道、适于从进气区向混合区转移贫氧的非渗透气体的管道；和 [0038] (d)适于转移包含压缩含氧气体的第二部分和贫氧的非渗透气体的混合物进入燃烧区的管道。 [0039] 另一相关的实施方式包括操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括： [0040] (a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括： [0041] (1)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0042] (1a)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0043] (1b)包括外壳、具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和围绕燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器； [0044] (1c)外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具有含氧气体进口并通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通；和[0045] (1d)具有与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器； [0046] (2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口； [0047] (b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，将压缩的含氧气体分为第一部分、第二部分和第三部分，并将第一部分引入燃烧区环形冷却区域中； [0048] (c)加热压缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出渗透气体； [0049] (d)混合压缩的含氧气体的第三部分和来自进气区的贫氧的非渗透气体以形成混合的含氧气体，在燃烧区中燃烧燃料与混合的含氧气体以产生热燃烧气体，并在热气体膨胀涡轮中膨胀热燃烧气体以产生轴功。 [0050] 本发明的进一步实施方式涉及集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括： [0051] (a)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0052] (1)包括压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0053] (2)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、燃烧气体出口和一个或多个稀释气体进口； [0054] (3)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器；和 [0055] (4)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道； [0056] (b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和 [0057] (c)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通的管道。 [0058] 本发明的进一步的另一实施方式包括操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括： [0059] (a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括： [0060] (1)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0061] (1a)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0062] (1b)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口； [0063] (1c)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器；和 [0064] (1d)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道； [0065] (2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口； [0066] (3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通的管道； [0067] (b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，并在燃烧区中燃烧燃料与压缩的含氧气体的第一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释的热燃烧气体；和在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功； [0068] (c)加热压缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出渗透气体；和 [0069] (d)将贫氧的非渗透气体的至少一部分引入稀释区。 [0070] 本发明的一个可选的实施方式包括操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括： [0071] (a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括： [0072] (1)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0073] (1a)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0074] (1b)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口；和 [0075] (1c)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器； [0076] (2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口； [0077] (3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通的管道； [0078] (b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，加热压缩的含氧气体的至少一部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出高纯度氧渗透气体；和[0079] (c)在燃烧区中燃烧燃料与高纯度氧渗透气体的至少一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释的热燃烧气体；并在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功。 [0080] 本发明的最终的实施方式涉及集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括： [0081] (a)燃气涡轮燃烧发动机，其包括具有压缩含氧气体出口的压缩机；包括外壳、与压缩含氧气体出口流体连通的燃烧区和与燃烧区流体连通且具有一个或多个稀释气体进口的稀释区的燃烧器；和气体膨胀器；和 [0082] (b)具有离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，离子转运膜组件包括进气区、渗透区、与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的通向进气区的进气进口、进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口； [0083] 其中，膜组件的进气区出口与燃烧器稀释区的一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通。 [0084] 方面#1：集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括： [0085] (a)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0086] (1)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0087] (2)包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、燃烧气体出口和一个或多个稀释气体进口； [0088] (3)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具有一个或多个含氧气体进口并通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通； [0089] (4)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器；和 [0090] (5)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道； [0091] (b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和 [0092] (c)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通的管道。 [0093] 方面#2：方面#1中定义的系统，包括使渗透区的渗透物抽出出口与燃烧区的一个或多个含氧气体进口中的至少一个流体连通的管道。 [0094] 方面#3：方面#1中定义的系统，包括使膜组件的进气区出口与燃烧区环形冷却区域和燃烧区的一个或多个含氧气体进口中的至少一个其中之一或两者流体连通的管道。 [0095] 方面#4：方面#3中定义的系统，包括压缩机的压缩含氧气体出口和燃烧区环形冷却区域的一个或多个含氧气体进口中的任一个或多个之间的管道，其中，该管道适于将压缩含氧气体引入燃烧区环形冷却区域中。 [0096] 方面#5：方面#4中定义的系统，包括使渗透区的渗透物抽出出口与燃烧区的一个或多个含氧气体进口中的至少一个流体连通的管道。 [0097] 方面#6：方面#4中定义的系统，包括混合区、使压缩机的压缩含氧气体出口与混合区流体连通的管道、使离子转运膜组件的进气区出口与混合区流体连通的管道、适于向混合区引入燃料的管道和从混合区向燃烧区的一个或多个可燃气体进口中的任一个或多个转移可燃气体的管道。 [0098] 方面#7：方面#3中定义的系统，包括压缩机的压缩含氧气体出口和燃烧区的一个或多个含氧气体进口中的任一个或多个之间的管道，其中，该管道适于将压缩含氧气体直接引入燃烧区。 [0099] 方面#8：方面#7中定义的系统，包括使渗透区的渗透物抽出出口与适于将压缩含氧气体直接引入燃烧区的管道流体连通的管道。 [0100] 方面#9：方面#7中定义的系统，包括围绕稀释区的稀释区衬里和位于外壳和稀释区衬里之间的稀释区环形冷却区域，其中，一个或多个稀释气体进口适于将来自离子转运膜氧回收系统的贫氧的气体输入稀释区环形冷却区域中，和其中，稀释区环形冷却区域与稀释区流体连通。 [0101] 方面#10：方面#9中定义的系统，包括混合区、使压缩机的压缩含氧气体出口与混合区流体连通的管道、使离子转运膜组件的进气区出口与混合区流体连通的管道和适于从混合区向燃烧区的一个或多个含氧气体进口中的至少一个转移贫氧的气体的管道。 [0102] 方面#11：方面#1中定义的系统，包括适于加热来自压缩机的压缩含氧气体流的至少一部分以形成加热的压缩含氧气体流的加热器和从加热装置向离子转运膜组件的进气区的进气进口输送加热的压缩含氧气体流的管道装置。 [0103] 方面#12：方面#11中定义的系统，其中，加热器包括适于燃烧燃料与压缩的含氧气体流以提供加热的压缩的含氧气体流的直燃式燃烧器。 [0104] 方面#13：方面#1中定义的系统，其中，燃烧区包括初级燃烧区，接着是二级燃烧区，其中，一个或多个含氧气体进口中的至少一个适于将压缩的含氧气体的至少一部分引入初级燃烧区中，其中，一个或多个含氧气体进口中的至少一个适于将压缩的含氧气体的至少一部分引入二级燃烧区中，和其中，二级燃烧区包括燃烧气体出口。 [0105] 方面#14：方面#13中定义的系统，包括使渗透区的渗透物抽出出口与初级燃烧区和/或二级燃烧区流体连通的管道。 [0106] 方面#15：方面#1中定义的系统，其中，功输出轴适于通过压缩机驱动轴提供驱动压缩机所需的功的至少一部分。 [0107] 方面#16：一种操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括： [0108] (a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括： [0109] (1)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0110] (1a)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0111] (1b)燃烧器，包括外壳、具有一个或多个燃料进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区和围绕燃烧区的燃烧区衬里，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口； [0112] (1c)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具有一个或多个含氧气体进口并通过一个或多个含氧气体进口的至少一个与燃烧区流体连通； [0113] (1d)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器；和 [0114] (1e)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道； [0115] (2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口，和渗透区的渗透物抽出出口； [0116] (3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通的管道； [0117] (b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，并在燃烧区中燃烧燃料与压缩的含氧气体的第一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释的热燃烧气体；和在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功； [0118] (c)加热压缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出渗透气体；和 [0119] (d)将贫氧的非渗透气体的至少一部分引入稀释区中。 [0120] 方面#17：方面#16中定义的方法，包括将渗透气体的全部或部分引入一个或多个含氧气体进口的任一个或多个。 [0121] 方面#18：方面#16中定义的方法，包括将压缩含氧气体的一部分引入燃烧区环形冷却区域中。 [0122] 方面#19：方面#18中定义的方法，包括混合压缩的含氧气体的一部分和来自离子转运膜组件的进气区的贫氧的非渗透气体的一部分以形成混合的含氧气体，混合燃料和混合的含氧气体以形成可燃气体，并将可燃气体引入燃烧区的可燃气体进口中。 [0123] 方面#20：方面#16中定义的方法，包括将压缩含氧气体的一部分直接引入燃烧区中。 [0124] 方面#21：方面#20中定义的方法，包括：(1)将渗透气体的全部或部分直接引入燃烧区中，或(2)混合渗透气体的全部或部分和燃料以形成燃料-氧混合物，并将该混合物直接引入燃烧区中。 [0125] 方面#22：方面#20中定义的方法，其中，燃烧器包括围绕稀释区的稀释区衬里和位于外壳和稀释区衬里之间的稀释区环形冷却区域，其中，压缩含氧气体的另一部分与来自离子转运膜组件的进气区的贫氧的非渗透气体混合以形成混合的含氧气体，和其中，将混合的含氧气体的一部分引入稀释区环形冷却区域中。 [0126] 方面#23：方面#22中定义的方法，其中，将混合的含氧气体的另一部分引入燃烧区环形冷却区域中。 [0127] 方面#24：方面#16中定义的方法，其中，通过在直燃式燃烧器中燃烧燃料与压缩的含氧气体流实现压缩的含氧气体的第二部分的加热以提供加热的压缩含氧气体流。 [0128] 方面#25：方面#16中定义的方法，其中，燃烧区包括初级燃烧区，接着二级燃烧区，且二级燃烧区包括燃烧气体出口，其中，将压缩含氧气体的一部分引入初级燃烧区中，和其中，将压缩含氧气体的另一部分引入二级燃烧区中。 [0129] 方面#26：方面#16中定义的方法，其中，通过压缩机驱动轴驱动压缩机所需的功的至少一部分通过膨胀涡轮的功输出轴提供。 [0130] 方面#27：方面#25中定义的方法，其中，将来自离子转运膜组件进气区的贫氧的非渗透气体引入初级燃烧区和二级燃烧区其中之一或两者中。 [0131] 方面#28：一种集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括： [0132] (a)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0133] (1)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0134] (2)包括外壳、具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和围绕燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器； [0135] (3)位于外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具有含氧气体进口并通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通； [0136] (4)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器；和 [0137] (5)适于从压缩机向燃烧区环形冷却区域的含氧气体进口转移压缩含氧气体的第一部分的管道； [0138] (b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口，和渗透区的渗透物抽出出口；和 [0139] (c)混合区、适于从压缩机向混合区转移压缩含氧气体的第二部分的管道、适于从进气区向混合区转移贫氧的非渗透气体的管道；和 [0140] (d)适于转移包含压缩含氧气体的第二部分和贫氧的非渗透气体的混合物进入燃烧区的管道。 [0141] 方面#29：方面#28中定义的系统，其中，适于转移包括压缩含氧气体的第二部分和贫氧的非渗透气体的混合物进入燃烧区的管道还适于将该混合物直接引入燃烧区中。 [0142] 方面#30：一种操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括： [0143] (a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括： [0144] (1)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0145] (1a)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0146] (1b)包括外壳、具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和围绕燃烧区的燃烧区衬里的燃烧器； [0147] (1c)外壳和燃烧区衬里之间的燃烧区环形冷却区域，其中，燃烧区环形冷却区域具有含氧气体进口，且通过一个或多个含氧气体进口中的至少一个与燃烧区流体连通；和[0148] (1d)具有与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器； [0149] (2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口，和渗透区的渗透物抽出出口； [0150] (b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，将压缩的含氧气体分为第一部分、第二部分和第三部分，并将第一部分引入燃烧区环形冷却区域； [0151] (c)加热压缩的含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出渗透气体； [0152] (d)混合压缩的含氧气体的第三部分与来自进气区的贫氧的非渗透气体以形成混合的含氧气体，在燃烧区燃烧燃料与混合的含氧气体以产生热燃烧气体，并在热气体膨胀涡轮中膨胀热燃烧气体以产生轴功。 [0153] 方面#31：方面#30中定义的方法，其中，将混合的含氧气体直接引入燃烧区中。 [0154] 方面#32：一种集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括： [0155] (a)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0156] (1)包括压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0157] (2)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区、适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、燃烧气体出口和一个或多个稀释气体进口； [0158] (3)包括与燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器；和 [0159] (4)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道； [0160] (b)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口；和 [0161] (c)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通的管道。 [0162] 方面#33：方面#32中定义的系统，包括使渗透区的渗透物抽出出口与燃烧区的一个或多个含氧气体进口中的至少一个流体连通的管道。 [0163] 方面#34：一种操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括： [0164] (a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括： [0165] (1)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0166] (1a)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0167] (1b)燃烧器，包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区及适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口； [0168] (1c)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器；和 [0169] (1d)使压缩机的压缩含氧气体出口与燃烧区流体连通的管道； [0170] (2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口，和渗透区的渗透物抽出出口； [0171] (3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通的管道； [0172] (b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，并在燃烧区中燃烧燃料与压缩含氧气体的第一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热燃烧气体以形成稀释的热燃烧气体；和在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功； [0173] (c)加热压缩含氧气体的第二部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出渗透气体；和 [0174] (d)将贫氧的非渗透气体的至少一部分引入稀释区中。 [0175] 方面#35：方面#34中定义的方法，包括将渗透气体的全部或部分引入一个或多个含氧气体进口中的任一个或多个。 [0176] 方面#36：一种操作集成的燃气轮机和离子转运膜系统的方法，包括： [0177] (a)提供集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，其包括： [0178] (1)燃气涡轮燃烧发动机，包括： [0179] (1a)具有压缩含氧气体出口和压缩机驱动轴的压缩机； [0180] (1b)包括具有可燃气体进口和一个或多个含氧气体进口的燃烧区和适于接收来自燃烧区的燃烧气体的稀释区的燃烧器，其中，稀释区具有燃烧气体进口、一个或多个稀释气体进口和稀释的燃烧气体出口；和 [0181] (1c)具有与稀释的燃烧气体出口流体连通的进口、膨胀涡轮和由膨胀涡轮驱动的功输出轴的气体膨胀器； [0182] (2)具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口和渗透区的渗透物抽出出口； [0183] (3)使膜组件的进气区出口与一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通的管道； [0184] (b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，加热压缩的含氧气体的至少一部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区中，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出高纯度氧渗透气体；和[0185] (c)在燃烧区中燃烧燃料与高纯度氧渗透气体的至少一部分以产生热的燃烧气体；用稀释气体稀释热的燃烧气体以形成稀释的热燃烧气体；并在热气体膨胀涡轮中膨胀稀释的热燃烧气体以产生轴功。 [0186] 方面#37：方面#36中定义的方法，包括将贫氧的非渗透气体的至少一部分作为稀释气引入稀释区中。 [0187] 方面#38：方面#36中定义的方法，包括将压缩含氧气体的至少一部分作为稀释气引入稀释区中。 [0188] 方面#39：一种集成的燃气涡轮燃烧发动机和离子转运膜系统，包括： [0189] (a)燃气涡轮燃烧发动机，包括：具有压缩含氧气体出口的压缩机；包括外壳、与压缩含氧气体出口流体连通的燃烧区和与燃烧区流体连通且具有一个或多个稀释气体进口的稀释区的燃烧器和气体膨胀器；和 [0190] (b)具有离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，该离子转运膜组件包括进气区、渗透区、与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的通向进气区的进气进口、进气区出口，和渗透区的渗透物抽出出口； [0191] 其中，膜组件的进气区出口与燃烧器稀释区的一个或多个稀释气体进口中的任一个或多个流体连通。 [0192] 方面#40：一种燃烧方法，包括： [0193] (a)提供具有至少一个离子转运膜组件的离子转运膜氧回收系统，其中，膜组件包括进气区、渗透区、隔离渗透区和进气区的氧离子转运膜、通向进气区的进气进口、使进气进口与压缩机的压缩含氧气体出口流体连通的管道、适于从进气区抽出贫氧的非渗透气体的进气区出口，和渗透区的渗透物抽出出口，并提供使膜组件的进气区出口与燃烧炉(burner)流体连通的管道； [0194] (b)在压缩机中压缩空气以提供压缩的含氧气体，加热压缩的含氧气体的至少一部分以提供热的压缩含氧气体，和将热的压缩含氧气体引入膜组件的进气区，从进气区抽出贫氧的非渗透气体，并从渗透区的渗透物抽出出口抽出高纯度氧渗透气体；和[0195] (c)在炉(furnace)中燃烧燃料与贫氧的非渗透气体的至少一部分以减少NOx的形成。 [0196] 方面#41：方面#40中定义的方法，其中，所述炉是锅炉(boiler)、玻璃熔化炉、金属熔化炉、用于生产碳酸钠(洗涤碱)、高岭土或铬酸镁的窑炉、用于非铁金属(如铜、铅、镍、锌)的熔炉、非铁金属焙烧炉、纸浆锅炉(paper pulp boiler)或其他合适的炉。附图说明 [0197] 图1是示例性的燃气轮机燃烧器(gas turbine engine combustor)的示意图。 [0198] 图2是根据本发明的一种实施方式的与燃气涡轮燃烧发动机集成的集成式离子转运膜氧分离系统的示意流程图。 [0199] 图3是用于图2的实施方式中的燃气轮机燃烧器的示意图。 [0200] 图4是根据本发明的另一实施方式的与燃气涡轮燃烧发动机集成的集成式离子转运膜氧分离系统的示意流程图。 [0201] 图5是用于图4的实施方式中的燃气轮机燃烧器的示意图。 [0202] 图6是根据本发明的一种替代实施方式的与燃气涡轮燃烧发动机集成的集成式离子转运膜氧分离系统的示意流程图。 [0203] 图7是用于图6的实施方式中的燃气轮机燃烧器的示意图 [0204] 图8是用于实施例1中的基线系统(baseline system)的与燃气涡轮燃烧发动机集成的集成式离子转运膜氧分离系统的示意流程图。 [0205] 图9是实施例4中氧产生速率和电功率输出相对于混合的空气/非渗透气体温度的曲线图。 [0206] 图10是实施例5中贫油熄火(lean blowout)当量比(equivalenceratio)相对于预混合的甲烷/空气火焰温度的曲线图。 [0207] 图11是实施例5中燃烧器中的当量比和流向燃烧器的混合空气/非渗透物流的温度相对于输送到离子转运膜系统的来自燃气轮机压缩机的空气的百分比的曲线图。 具体实施方式[0208] 本发明的实施方式涉及离子转运膜(ITM)氧分离系统与燃气涡轮燃烧发动机的整合以及ITM非渗透气体在燃气轮机燃烧器中的使用。如下文更详细地描述的燃气轮机的燃烧器包括燃烧区和稀释区，且燃烧区可以具有初级和二级燃烧区。在一个实施方式中，燃气涡轮压缩机排出流的足够部分绕过(bypass)ITM系统，并用于满足燃烧和燃烧器的衬里冷却需求；其余部分提供ITM系统的进气。将ITM非渗透物流引入燃烧器以对来自燃烧器燃烧区的气流(flow)提供所需的稀释。 [0209] 在另一个实施方式中，绕行流的一部分与非渗透物混合以充分降低其温度，混合的气流用于衬里冷却和稀释。这具有在集成的ITM-燃气涡轮系统中简化管道的热-机械设计的可能。 [0210] 在第三种实施方式中，非渗透物流的一部分与部分ITM绕行流混合，由此产生的混合流与燃气涡轮燃料预混合并在燃气涡轮燃烧器中燃烧。这种实施方式可以通过用氧贫化的非渗透物流充分稀释降低燃料浓度，以提供实用水平的NOx控制。 [0211] 下面 描 述并 说明 这 些实 施 方式。 在 说明 书中，术 语“流体 连 通(flowcommunication)”和“与...流体连通(in flow communication with)”)用来定义气体从第一区域到第二区域的流路。流路可包括管道和/或气体流过的中间区域。气体中的成分(component)不会在流路中被化学反应改变；但是，气体在通过从第一区域到第二区域的流路的过程中可以加热、冷却或与另一种气体混合。 [0212] 当应用于说明书和权利要求所描述的本发明的实施方式中的任何特征时，本文所用的不定冠词“一”(“a”和“an”)指一个或多个。除非明确表示，“一”的使用不限制其含义为单一特征。单数或复数名词或名词短语前面的定冠词“该(the)”指一种或多种特别指明的特征，且根据其使用的上下文可以具有单数或复数的含义。形容词“任何”指一个、一些或对数量不加区别的全部。位于第一实体和第二实体之间的术语“和/或”指以下之一：(1)第一实体，(2)第二实体，以及(3)第一实体和第二实体。 [0213] 含氧气体定义为包含氧但没有燃料成分的气体。含氧气体可以是，例如，空气、贫氧的空气、富氧空气或含有至少99体积％氧的高纯度氧。 [0214] 术语“燃烧气体”定义为含有通过燃烧氧化反应形成的成分的任何气体。燃烧气体包括来自燃烧区的流出气体或与来自任何其他来源的一种或多种气体混合的来自燃烧区的流出气体。燃烧区定义为燃烧反应在其中发生的部分封闭或完全封闭的区域。燃烧区具有一个或多个燃料和/或可燃气体和/或含氧气体的进口。稀释区是燃烧区之后的区域且具有一个或多个稀释气体进口，其中稀释气体与来自燃烧区的燃烧气体混合以冷却该气体并获得均匀的出口温度或想要的温度分布。稀释气体基本上不含可燃成分，且可能是，例如，引入燃烧区的氧含气体的一部分。 [0215] 燃烧区具有至少一个燃烧气体出口，并可具有初级燃烧区和二级燃烧区。初级燃烧区定义为其中引入全部燃料且大部分燃料与含氧气体一起燃烧的区域。二级燃烧区定义为初级燃烧区之后的区域，其中来自初级燃烧区的剩余燃料与另外的含氧气体燃烧以产生流动进入稀释区的来自燃烧区的燃烧气体。 [0216] 燃料定义为包含一种或多种在燃烧氧化反应中与氧发生反应的成分的气体、液体、固体或其混合物。可能的燃料包括天然气、炼油厂尾气、合成气、氢气、乙醇或其他醇类、燃油、航空燃料或其他烃蒸馏物、燃油-水乳液(fuel oil-water emulsion)和煤粉或焦炭在燃油或水中的悬浮物。术语“可燃气体”是指包含一种或多种在燃烧氧化反应中与氧发生反应的成分的气体。可燃气体可以是包含可以与氧反应的燃料成分的燃料气体，或可以是燃料气体和含氧气体的混合物。 [0217] 图1给出典型的燃气涡轮燃烧器的横截面示意图。燃烧器包括以直径D1为特征的外壳1、以直径D3为特征的衬里3、进口端7和燃烧气体排出端9。衬里3包围包括以轴向长度P为特征的初级燃烧区11、以轴向长度S为特征的二级燃烧区13的燃烧区和包围以轴向长度D为特征的稀释区15。燃烧区以轴向长度C为特征。提供含氧气体进口17以将含氧气体(通常为加压空气)引入燃烧器中。 [0218] 外壳1和衬里3之间的环形区域形成环形冷却区19，其适于将含氧气体引向燃烧器的进口端，从而冷却衬里3，向初级燃烧区11和二级燃烧区13提供氧化剂气体并向稀释区15提供稀释气体。氧化剂气体旋流组件21位于燃烧器的进口端和初级燃烧区11的进口端。燃料进口27位于初级燃烧区11的进口端。环形冷却区19中的流动方向可以与衬里3内的流动方向同向或逆向。在某些情况下，环形冷却区19中的气流可能取决于空气或氧化剂气体相对于衬里3中的进口29和31在何处引入该区中而沿两个方向流动。 [0219] 环形冷却区19(和下面描述的其他实施方式的环形冷却区)由外壳1和衬里3的平行壁限定。 [0220] 衬里3具有多个二级进口29以使含氧气体从冷却区19流入二级燃烧区13，和具有多个稀释气体进口31以使含氧气体从冷却区19流入稀释区15。任选地，衬里3还具有小开口33、35和37以引导来自冷却区的一些含氧气体流过衬里的内表面，而提供内衬里冷却。可以在开口33和29之间、开口35和31之间和开口37和出口9之间设置另外的薄膜冷却开口。可以通过二级进口29、稀释气体进口31和小开口33、35和37的大小和数目来控制流向旋流组件21的初级含氧气体、流向燃烧区13的二级含氧气体和流向稀释区15的稀释气体的相对流速。 [0221] 燃烧器通过经进口27(其包括燃料喷雾雾化喷嘴(未显示))引入液体燃料39以产生燃料液滴41而进行操作。可选择地，可以利用经进口27的燃料直接注射或通过预混合燃料和含氧气体来使用气体燃料。含氧气体43(通常为加压空气)通过进口17引入燃烧器中，且流经邻近稀释区15的环形冷却区19部分，从而加热空气和冷却稀释区15周围的衬里3的部分。这些空气的一部分流经小开口37，并沿着衬里的内表面定向以提供另外的冷却。这些空气的另一部分流经稀释气体进口31，并稀释从二级燃烧区13进入稀释区15的燃烧气体。 [0222] 剩余的空气继续流经围绕二级燃烧区13的环形冷却区19的部分，从而加热空气和冷却围绕二级燃烧区13的衬里3的部分。这些空气的部分流经小开口35，并沿着衬里的内表面定向以提供另外的冷却。这些空气的另一部分流经二级进口29，并与从初级燃烧区11进入二级燃烧区13的燃烧气体混合。剩余的空气继续流经围绕初级燃烧区11的环形冷却区19的部分，从而加热空气和冷却围绕初级燃烧区11的衬里3的部分。这些空气的一部分流经小开口33，并沿着衬里的内表面定向以提供另外的冷却。剩余的空气流经旋流组件21，并与燃料41混合。 [0223] 初始燃烧发生在初级燃烧区11中，燃烧气体与来自二级进口29的二级空气混合，且混合气体流入其中发生进一步的燃烧反应的二级燃烧区13中。开口29和31之间的另外一组衬里开口(未显示)也可用于进一步渐进地引入稀释空气，从而使得较低反应性的物质(如一氧化碳)的燃烧反应在反应完合之前不会熄灭。来自二级燃烧区13的混合燃烧气体与来自稀释气体进口31的稀释空气在稀释区15中混合。热的加压燃烧气体45流向膨胀涡轮(未显示)以产生功。 [0224] 图1的燃烧器中(和下面描述的其他燃烧器中)初级燃烧空气、二级燃烧空气和稀释空气的相对流速取决于开口29和31的大小和数目。通过适当选择开口29到31的大小和数目可以设置这些流速之间的关系。 [0225] 可以按照本发明的各种实施方式对以上参照图1描述的燃烧器进行改进以与离子转运膜氧分离系统进行整合。第一实施方式如图2所示，其中，来自ITM系统的非渗透气体用作燃烧器中的稀释气体。可以在压缩机203中压缩含氧气体201(通常为空气)至一般3至50大气压或更特别地7至30大气压的压力。管线205中的压缩空气分为通过管线207的主要部分和通过管线209用于膨胀涡轮冷却的次要部分。通常通过将来自管线209的冷却空气引入涡轮叶片内的小流动通道中实现这种涡轮冷却。这些空气在流过内部冷却通道时提供叶片的对流冷却。然后它排入并在通过涡轮膨胀时与主流混合。管线207中的压缩空气分为通过管线211的第一部分和通过管线213的第二部分。管线211中的第一部分在直燃式燃烧器217中与燃料215一起燃烧，以提供700至1,000℃的含有12体积％至 19体积％氧的加热的燃烧气体，且加热的燃烧气体经管线219流到离子转运膜系统221。在一些具体的实施方式中，加热的燃烧气体可在800至900℃的温度下包含16体积％至18体积％氧。 [0226] 虽然图2的实施方式显示了提供管线207中的压缩空气的单压缩机203，但来自外部源(未显示)的另一压缩空气流可以用于补充管线207中的由压缩机203提供的空气。例如，如果需要超过或超出可以由压缩机203提供的输入空气之外的另外的输入空气，则可以使用外部或辅助压缩机。 [0227] 离子转运膜系统221的这一示意图代表包含具有本领域已知的任何适当类型和配置的混合金属氧化膜用于实现氧离子的过膜转运的一个或多个组件，以产生高纯度氧气产物。美国专利5,681,373和7,179,323描述了用于这种目的的示例性的离子转运膜和系统，本文通过引用完整引入这两篇文献。代表性的离子转运膜系统221包括具有将组件分割为进气侧或进气区227和渗透侧或渗透区229的膜225的组件外壳(moduleenclosure)223。通常含有大于99.5体积％氧的高纯度氧气通过管线231抽出，且通常含有3体积％至18体积％氧的贫氧的非渗透气体通过出口管线233抽出。 [0228] 燃烧器235是对图1燃烧器的改进，且包括以轴向长度C为特征的燃烧区237、以轴向长度D为特征的稀释区239、外壳241、内部衬里243、环形冷却区245、旋流组件247、燃料进口249和燃烧气体出口管线251。非渗透气体出口管线233与稀释区239流体连通，且压缩空气管线213与围绕燃烧区237的环形冷却区245的部分流体连通。 [0229] 燃烧气体经管线251流入膨胀涡轮257，其从热的燃烧气体回收功并通过管线259排放膨胀的废气；一部分产生的功通过轴261转移以驱动压缩机203。另外的功263可以用来发电和/或驱动其他旋转设备。 [0230] 通过管线213引入的压缩空气如所示流过围绕燃烧区237的环形冷却区245的部分，并冷却围绕燃烧区237的衬里243的部分。这些空气的一部分可以流过相当于图1的二级进口29的二级进口(未显示)。空气或空气的剩余部分流经旋流组件247，并在燃烧区237中与燃料264一起燃烧，且燃烧气体流入稀释区239中。来自离子转运膜系统221的非渗透气体通过管线233作为稀释气体引入稀释区239，在其中它与来自所示的燃烧区237的燃烧气体混合并稀释燃烧气体。 [0231] 可以通过类似于图1的稀释气体进口31的稀释气体进口(未显示)引入稀释气体。这显示在图3中，其是对图1的系统的改进。在此实施方式中，环形分隔环(toroidal partition ring)301安装于外壳1和内部衬里13之间的环形冷却区中，以将环形冷却区分隔成两个单独的环形区，即稀释环形冷却区303和燃烧环形冷却区305。通常情况下，区303和305之间没有直接的流体连通。图1的进口17被除去，而在外壳上安装两个新的进口 307和309。进口307接收来自离子转运膜组件221的出口233(图2)的非渗透气体311，且进口309线接收来自管线213(图2)的压缩空气313。非渗透气体311流过稀释气体进口31进入稀释区15，并在其中提供稀释。这种非渗透气体的一部分可以流过开口37并沿衬里的内表面流动，以提供额外的冷却。压缩空气313经进口309流过燃烧环形区305从而冷却衬里3，一部分流过开口29以向二级燃烧区13提供二级燃烧空气，和一部分流过旋流组件21并与燃料41混合。燃烧环形区305中的一些空气可以流过开口33和35沿衬里的内表面流动以提供额外的冷却。 [0232] 将非渗透气体311引入稀释区15的替代方法不需要使用环形分隔环301、进口307和孔31。在这种替代方案中，非渗透气体311通过在稀释区15的进口端径向设置并通过外壳1和内部衬里3的多个管引入稀释区15中。 [0233] 图3的初级燃烧区11和二级燃烧区13的燃烧过程类似于上述图1中的过程。在图3的实施方式中，稀释区15中的稀释过程与图1的不同之处仅在于稀释气体311具有比空气低的氧浓度并包含一些来自燃烧器217的燃烧产物。由于稀释过程只是没有化学反应参与的混合过程，非渗透物的组成在此无关紧要。如果非渗透物被引入燃烧区(其中其氧含量的降低会影响燃烧反应)，情况就不一样了。 [0234] 本发明的第二实施方式如图4的示意流程图所示。在此实施方式中，来自压缩机203的管线207中的压缩空气分为三个部分。第一部分通过管线401流到燃烧器217，和第二部分通过管线403流到燃烧器405。第三部分通过管线407流动并与管线409中来自离子转运膜组件221的非渗透气体相合并，以在管线411中产生混合的空气/非渗透物流。 [0235] 管线403中的压缩空气通过旋流组件413直接流入燃烧区417，并在燃烧区417中与通过管线416的燃料415一起燃烧，且燃烧气体流入稀释区419中。管线411中的混合的压缩空气和非渗透物流流入并通过围绕稀释区和燃烧区的环形冷却区，从而冷却衬里。这些混合流的一部分流进稀释区中以提供稀释气体，而另一部分流进二级燃烧区中。取决于燃烧区和环形冷却区中的相对压力，混合流的剩余部分可以流经旋流组件413以提供另外的初级燃烧氧化剂。可选择地，可以安装环形分隔环以防止混合的压缩空气和非渗透物流流向旋流组件413。如上所述，最后的热燃烧气体通过管线421流向膨胀涡轮257。 [0236] 虽然图4的实施方式显示提供管线207中的压缩空气的单压缩机203，但来自外部源(未显示)的另一压缩空气流可以用来补充管线207中由压缩机203提供的空气。例如，如果需要超过或超出可以由压缩机203提供的输入空气的另外的输入空气，则可以使用外部或辅助压缩机。 [0237] 该实施方式在图5中更详细地显示，其是对图1的系统的改进，其中如图所示进口501和503安装于外壳1中。管线403中的压缩空气流入进口501，通过旋流组件413，并在燃烧区11中与燃料415一起燃烧。管线411中的混合压缩空气和非渗透物流流入进口 503，并通过围绕稀释区和燃烧区的环形冷却区505，从而冷却衬里。这种混合流的一部分通过孔31流进稀释区15中，以在那里提供稀释气体；而另一部分通过孔29流进二级燃烧区13中，以提供二级氧化剂气体。混合的压缩空气和非渗透物流的部分也可通过开口33、 35和37沿衬里的内表面流动，以提供额外的冷却。取决于燃烧区和环形冷却区中的相对压力，混合流的剩余部分可以流经旋流组件413以提供另外的初级燃烧氧化剂。可选择地，可以在开口33和进口501之间的环形冷却区505中安装环形分隔环(未显示)，以防止混合的压缩空气和非渗透物流流向旋流组件413。 [0238] 涉及燃烧区所使用的术语“直接”是指：引入燃烧区的压缩空气(或任何其他含氧气体)在流入燃烧区前不流经围绕燃烧区和/或稀释区的环形冷却区(例如，图5中的505)。 [0239] 本发明的第三实施方式中如图6的示意流程图所示。在此实施方式中，来自压缩机203的管线207中的压缩空气分为三个部分。第一部分通过管线601流至燃烧器217，第二部分通过管线603流动，和第三部分通过管线605流动。管线607中的来自离子转运膜组件221的非渗透气体分为通过管线609和611两个气流。管线603中的压缩空气与来自管线611的非渗透气体在混合区(未显示)中混合，以在管线613中提供混合的空气/非渗透气体。管线605中的压缩空气流经围绕燃烧区619的环形冷却区，从而冷却衬里。这种气体的部分流入燃烧区619中以提供如下所述的另外的氧化剂。 [0240] 虽然图6的实施方式显示了提供管线207中的压缩空气的单压缩机203，但来自外部源(未显示)的另一压缩空气流可以用于补充管线207中由压缩机203提供的空气。例如，如果需要超过或超出可以由压缩机203提供的输入空气的另外的输入空气，则可以使用外部或辅助压缩机。 [0241] 本文所用的术语“混合区”是指促进两种或多种气体流混合以提供均匀混合的气体流的任何装置。这种混合区可以是T形管道、文氏管、连续静态分流混合器或本领域已知的任何其他气体混合装置。 [0242] 管线613中的混合空气和非渗透气体通过旋流组件615直接引入燃烧区619中，并在那里与燃料617一起燃烧，且燃烧气体流进稀释区621中，在其中燃烧气体用通过管线609的非渗透气体稀释。可选择地，通过管线625的燃料可以与来自管线603的压缩空气预混合，且预混合的气体通过管线613和旋流组件615引入。预混合应该迅速完成，以使得混合时间短于自燃延迟(autoignition delay)；这消除了在燃烧区619之前发生不希望的燃料-空气预点火的可能性。小部分的燃料可以作为引导流直接引入燃烧区中，以确保火焰稳定性。如上所述，最后的热燃烧气体通过管线623流至膨胀涡轮257。该实施方式中可以用于控制NOx产生。 [0243] 该实施方式更详细地显示在图7中，其是图1的燃烧器的改进，其中如图所示，进口701、703和705安装于外壳1中。环形分隔环707可以安装于外壳1和内部衬里13之间的环形冷却区中，以将环形冷却区分成两个单独的环形区，即稀释环形冷却区709和燃烧环形冷却区711。通常情况下，区709和711之间没有流体连通。来自管线613的混合的空气和非渗透气体(或者可选择地，预混合的燃料和混合空气/非渗透气体)流入进口701，来自管线605的压缩空气流入进口703，来自管线609的非渗透气体流入进口705。 [0244] 混合的空气和非渗透气体从管线613通过进口701直接流入燃烧区，通过旋流组件615，并在初级燃烧区11中与通过管线416引入的燃料415一起燃烧。可选择地，预混合的燃料和混合空气/非渗透气体从管线613通过进口701流过旋流组件615，并在初级燃烧区11中燃烧。在这种替代方式中，小部分燃料415可以通过管线416作为引导流直接引进燃烧区中，以确保火焰的稳定性。 [0245] 这里所用的术语“直接”是指：引入燃烧区的含氧气体在流入燃烧区前不流过围绕燃烧区和/或稀释区的环形冷却区(例如，图7中的709)。 [0246] 来自管线605的压缩空气经进口703流过燃烧环形区711，从而冷却衬里3，且这种压缩空气的一部分流过开口29以向二级燃烧区13提供二级燃烧空气。燃烧环形区711中的一些空气可以沿衬里的内表面流经开口33和35以提供额外的冷却。取决于燃烧区和环形冷却区中的相对压力，环形冷却区711中压缩空气的剩余部分可以流经旋流组件413以提供另外的初级燃烧氧化剂。可选择地，可以在开口33和进口701之间的环形冷却区711中安装环形分隔环(未显示)，以防止来自燃烧环形区711的压缩空气流向旋流组件615。 [0247] 来自管线609的非渗透气体通过进口705流过稀释气体进口31进入稀释区15中，并在其中提供稀释气体。这种非渗透气体的一部分可以流过开口37并沿衬里的内表面流动，以提供另外的冷却。 [0248] 在图6和7的系统的替代运行模式中，管线607中的全部非渗透气体通过管线611带走并与管线603中的压缩空气合并。没有非渗透气体通过管线609带走用于稀释。这种替代方式也可以用于如下面实施例5所述的控制NOx的生成。 [0249] 用于将来自管线609的非渗透气体引入稀释区15的替代方法不需要使用环形分隔环707、进口705和孔或开口31的使用。在这种替代方式中，来自管线609的非渗透气体通过多个径向设置于稀释区15的进口端并通过外壳1和内部衬里3的管引入稀释区15中。 [0250] 虽然上述实施方式使用空气作为燃气涡轮压缩机供应的含氧气体，但任何具有至少5体积％氧的氧浓度的含氧气体可以为燃气涡轮压缩机提供进口气体。 [0251] 另一实施方式如图8所示，其中管线201中的输入空气在压缩机203中被压缩，且分为通过管线207和209的两部分。压缩空气的第一部分流经管线209，并为膨胀涡轮257提供冷却空气。压缩空气的剩余部分流经管线207并分为通过管线801和803的两部分。管线801中的第一部分提供通过管线807流向常规的燃烧器805的基本压缩空气流，这在上面参照图1进行了详细描述。图8中的管线807在相当于图1的进口17的位置进入燃烧器。如前面参照图2所述，管线803中的第二部分在直燃式燃烧器217中与通过管线215提供的燃料一起燃烧，其通过管线219向离子转运膜系统221提供加热的燃烧气体。高纯度氧产物通过管线231抽出。 [0252] 含有降低的氧浓度的非渗透气体通过管线233抽出，并与来自管线801的压缩空气合并，以在管线807中提供合并的燃烧、冷却和稀释空气流。将管线807中的混合气流引入燃烧器805(相当于图1的燃烧器)中，在其中它与通过管线809提供的燃料一起燃烧。如前面参照图1所述，燃烧器805的操作利用管线807中的混合流进行燃烧、冷却和稀释，除了管线807中的混合空气/非渗透物流具有比图1的压缩空气43低的氧浓度。管线811中的热废气在膨胀涡轮257中膨胀，以在发电机(未显示)中产生电力。热废气通过管线 259排出。 [0253] 虽然图8的实施方式显示了在管线207中提供压缩空气的单压缩机203，但来自外部源(未显示)的另一压缩空气流可以用于补充管线207中由压缩机203提供的空气。例如，如果需要超过或超出可以由压缩机203提供的输入空气的另外的输入空气，则可以使用外部或辅助压缩机。 [0254] 上述实施方式利用了图1、3、5和7中所示的预混合阶段的燃烧器。可选择地，这些和相关的实施方式可以利用本领域已知用于燃气轮机系统中的任何其他类型的燃烧器。例如，扩散燃烧器(diffusion combustor)可用于上述任何实施方式中。 [0255] 与上述实施方式相关的另外的实施方式是可能的，其中来自离子转运膜组件221的氧产物的全部或一部分可以用于富化向燃烧器的燃烧区提供的燃烧空气。可以例如通过燃烧燃料(预混合的或作为扩散火焰)与化学计量的或更大量的高纯度氧，接着与较冷的空气或来自离子转运膜组件221的贫氧的非渗透气体快速混合而应用氧富化的概念。增加燃烧区中的O2浓度提高了燃料氧化的速率并降低了N2的浓度。这两种效应都可以减少NOx的形成。提高燃料的氧化速率可用于限制在燃烧区中的时间并限制相应的可用于NOx形成反应的时间。降低N2浓度通过其对于反应机制的影响降低这些反应的速率。此外，氧富化的使用可以提高燃烧较重液体燃料的能力。 [0256] 这些实施方式中的一种如图2所示，其中管线231中的氧渗透产物的全部或一部分通过管线265抽出，并被引入压缩空气管线213中，从而以高达大约99体积％氧的任何水平富化这一气体流。这具有富化燃烧器中的初级和二级空气的效应。压缩机(未显示)可以用来在引入管线213之前压缩管线265中的氧气。 [0257] 另一个氧富化的实施方式如图4所示，其中，管线231中的氧渗透产物的全部或一部分通过管线423抽出，并被引入压缩空气管线403中，从而以高达大约99体积％氧的任何水平富化燃烧器中的初级空气。压缩机(未显示)可以用来在引入管线403之前压缩管线423中的氧气。 [0258] 一种替代的氧富化实施方式如图6所示，其中，管线231中的氧产物的全部或一部分通过管线627抽出，并被引入压缩空气管线605中，从而高达大约99体积％氧的任何水平富化这一气流。这具有富化燃烧器中的二级空气的效应，并影响进入燃烧器的初级燃烧区的氧浓度。压缩机(未显示)可以用来在引入管线605之前压缩管线627中的氧气。 [0259] 另一种替代方式如图8所示，其中，管线231中的氧产物的全部或一部分通过管线813抽出，并被引入燃烧器805的初级空气区域中，从而以高达大约99体积％氧的任何水平富化燃烧器初级空气。可选择地，渗透气体的全部或一部分可与管线809中的燃料混合，以形成燃料-氧混合物，且该混合物被直接引入燃烧区中。该混合应该迅速完成，以使得混合时间短于自燃延迟；这消除了在燃烧区之前发生不希望的燃料-氧预点火的可能性。压缩机(未显示)可以用来在引入燃烧器之前压缩管线813中的氧气。 [0260] 上面参照图2、4、6的8描述的方法实施方式可应用于图1、3、5和7所示的燃烧器，其中稀释区和燃烧区包封在单罐配置(single-canconfiguration)的外壳1中(有时称为筒形燃烧器(silo combustor))。该实施方式还可以应用到具有跟随稀释区的燃烧区的任何其他燃烧器配置或几何排列。燃气轮机工业典型的其他可能的配置包括环形、逆流环形、罐环形和径向燃烧器几何排列。 [0261] 下面的实施例说明了本发明的实施方式，但并不限制本发明为其中所描述的任何具体细节。 [0262] 实施例1 [0263] 模拟基本燃气轮机(base gas turbine engine)以与下面提出的实施例2至5中的集成系统进行比较。未与离子转运膜系统集成的基本燃气轮机可以通过除去图4系统中的燃烧加热器217、离子转运膜系统221、管线401、管线403、管线409和管线423来说明。在该基本燃气轮机中，燃烧器405如前面参照图1所描述的燃烧器一样运行，并用天然气燃料运行。 [0264] 基于851°F的衬里进口冷却空气(管线411，图4)温度进行模拟，并使用以下发动机性能： [0265] ·压缩比(压缩机203)＝20/1 [0266] ·空气流速(压缩机203排出)＝344lb/sec [0267] ·涡轮进口温度(涡轮257)＝2200°F [0268] ·总体空气/燃料比＝50/1 [0269] ·压缩机效率(压缩机203)＝85％ [0270] ·涡轮效率(涡轮257)＝90％ [0271] ·涡轮冷却流(管线209)＝压缩机203排出流的10％ [0272] 用上述参数运行的系统的模拟获得相当于产生50兆瓦电功率水平。 [0273] 实施例2 [0274] 使用实施例1的发动机性能参数模拟图8所示的集成燃气轮机和离子转运氧生成系统。这一基线情况说明了现有技术的典型集成燃气轮机和离子转运氧生成系统，并提供用于与下面提出的实施例3-5比较的参照点。对于这一基线实施例情况，对取自燃气涡轮压缩机排放并被送至离子转运氧生成系统的压缩空气的量进行选择以在功率燃烧器805的进口获得14体积％的氧浓度。出于本实施例的说明目的选择了这一氧浓度；如果需要，在实际实施中可以使用其他浓度。 [0275] 参照图8，在851°F下，在压缩机203中压缩管线201中344lb/sec的输入空气至291psia，且分为通过管线207和209的两部分。34lb/sec的压缩空气的第一部分流过管线209，并为膨胀涡轮257提供冷却空气。压缩空气的剩余部分流过管线207，且分为通过管线801和803的两部分。管线801中的119lb/sec的第一部分提供通过管线807到达常规燃烧器805的基本压缩空气流。如前参照图2所述，管线803中的191lb/sec的第二部分在直燃式燃烧器217中与通过管线215提供的1.9lb/sec的天然气一起燃烧，直燃式燃烧器217通过管线219向离子转运膜系统221提供1562°F(850℃)的加热的燃烧气体。高纯度氧产物以800吨/天的流速通过管线231抽出。 [0276] 174lb/sec的含有10体积％氧的非渗透气体通过管线233抽出，并与通过管线801的压缩空气合并，以在管线807中提供1278°F的含有14体积％氧的合并的燃烧、冷却和稀释空气流。管线807中的合并气流被引入燃烧器805(等同于图1中的燃烧器)中，在其中它与通过管线809提供的4.1lb/sec的天然气一起燃烧。如前参照图1所述，燃烧器805的运行利用了管线807中的混合流进行燃烧、冷却和稀释，除了管线807中的混合空气/非渗透物流具有比图1的压缩空气43更低的氧浓度。管线811中的热废气在膨胀涡轮257中膨胀，以产生34兆瓦的电功率263。在903°F下，通过管线259以331lb/sec排放热废气。 [0277] 实施例3 [0278] 使用实施例1的发动机参数和图3的燃烧器配置模拟图2所示的集成燃气轮机和离子转运氧生成系统。对于该实施例可实现的系统性能主要是对燃烧和衬里冷却分割所需的空气流的功能。对于常规的燃气轮机，作为压缩机排出的一部分的衬里冷却空气流通常在10％-40％的范围内，而燃烧所需的空气量取决于燃烧过程在初级区(primary zone)中贫化程度(lean)如何。对于干式低NOx燃烧器，贫化的初级区当量比(例如，0.5)是必要的。当量比，Φ，定义为实际的燃料/空气比除以化学计量的燃料/空气比。如果使用另一种NOx控制的方法(例如，注水)，在初级区中可以使用高达1.0的当量比。作为压缩机排出的一部分的所需要相应燃烧空气在30％至60％的级别。基于上述考虑，选择下列标准的空气流分布(作为压缩机排出的百分比)用于本实施例的模拟： [0279] ·衬里冷却流＝25％， [0280] ·燃烧空气流＝45％， [0281] ·稀释空气流＝30％。 [0282] 在本实施例中，图3的系统通过除去环形挡板301和进口311并将空气通过在进口处穿过外壳和内部衬里的多个管引入稀释区中进行改进。因此，进入进口309的空气313的一部分也流过薄膜冷却孔37。 [0283] 参照图2，344lb/sec的进口空气通过进口管线201吸入压缩机203中，压缩，并在291psia和851°F下通过管线205排出。34lb/sec的这种压缩空气的一部分通过管线209抽出用于膨胀涡轮257的冷却。管线207中的压缩空气分为以195lb/sec通过管线213的第一部分和以115lb/sec通过管线211第二部分。将管线213中的第一部分引入围绕衬里的环形冷却区域中，通过旋流组件247，并在燃烧区237中与通过燃料进口249提供的 4.9lb/sec的天然气264一起燃烧。其余部分提供衬里的对流冷却，并通过二级孔29和薄膜冷却孔33、35和37(图3)进入衬里。将来自膜组件221的105lb/sec的含有10体积％氧的非渗透气体通过管线233直接引入稀释区239中，在其中它与来自燃烧区237的燃烧气体混合并稀释燃烧气体。燃烧气体在2200°F下通过管线251排到膨胀涡轮，燃烧气体在其中膨胀至大气压并产生相当于40兆瓦的电功率。338lb/sec和907°F的膨胀废气通过涡轮出口259排出。 [0284] 实施例4 [0285] 使用实施例1的发动机参数和图5的燃烧器构型模拟图4所示的集成燃气轮机和离子转运氧生成系统。参照图4，344lb/sec的进口空气通过进口管线201吸入压缩机203中，压缩，并以291pais和851°F通过管线205排出。34lb/sec的这种压缩空气的一部分通过管线209抽出用于膨胀涡轮257的冷却。管线207中的压缩空气分为以71lb/sec通过管线401的第一部分，以119lb/sec通过管线403的第二部分和以120lb/sec通过管线407的第三部分。 [0286] 如前参照图2所述，管线401中的第一部分在直燃式燃烧器217中与0.7lb/sec的天然气215一起燃烧，以提供1562°F(850℃)的含有17.24体积％氧的加热的燃烧气体，且加热的燃烧气体经管线219流到离子转运膜系统221。高纯度氧产物以300吨/天的流速通过管线231抽出。64lb/sec的含有10体积％氧的非渗透气体通过管线403抽出。将管线403中的压缩空气的第二部分经旋流组件413直接引入燃烧区417中，并与5.4lb/sec的天然气燃料415一起燃烧。管线407中的压缩空气的第三部分与通过管线409的非渗透气体合并，以产生1100°F的管线411中的混合空气/非渗透气体。 [0287] 参照图5，其是对于图4的燃烧器405的更详细的说明，来自管线403的压缩空气流入进口501，并通过旋流组件413直接进入初级燃烧区11，它在其中与通过进口416引入的天然气415一起燃烧。 [0288] 管线411中的混合空气/非渗透气体引入进口503，并如所示流过围绕稀释区和燃烧区的环形冷却区505，从而冷却衬里3。空气/非渗透气体的一部分流过开口37，并沿衬里3的内表面流动，以提供另外的冷却。混合空气/非渗透气体的另一部分流过开口31，进入稀释区15中以与来自燃烧区的燃烧气体混合并稀释燃烧气体。混合空气/非渗透气体的另一部分流过开口33、35和37，并沿衬里3的内表面流动，以提供另外的冷却。混合空气/非渗透气体的另外的部分流过开口29，以向二级燃烧区13提供氧化剂气体。剩余的混合空气/非渗透物流流向旋流器413。 [0289] 在2200°F下，将来自稀释区15(图5)或419(图4)的热的加压燃烧气体通过管线421排向膨胀涡轮257，其中热的加压燃烧气体膨胀至大气压并产生相当于43兆瓦的电功率263。在343lb/sec和910°F下，膨胀废气通过涡轮出口259排出。 [0290] 此过程允许非渗透气体同时用于稀释和衬里冷却，且这可以达到的程度随管线411中的混合空气/非渗透气流的温度变化。为了检查所涉及的权衡(tradeoff)，通过改变与管线409中的非渗透气体混合的管线407中压缩空气的量进行一系列的参数计算。结果绘制在图9中。为了冷却目的，混合空气/非渗透气体温度的可容许上限为大约1200°F，这与回热式燃气轮机(recuperated gas turbine engine)中的燃烧器进口温度水平相当。 从实际角度来看，更现实的限度是1100°F的级别，且这是上述模拟所选择的温度。 [0291] 实施例5 [0292] 使用实施例1的发动机参数和图7的燃烧器构型模拟图6所示的集成燃气轮机和离子转运氧生成系统。参照图6，344lb/sec的进口空气通过进口管线201吸入压缩机203，压缩，并在291psia和851°F下通过管线205排出。34lb/sec的这种压缩空气的一部分通过管线209抽出用于膨胀涡轮257的冷却。管线207中的压缩空气分为以143lb/sec通过管线601的第一部分，以80lb/sec通过管线603的第二部分，和以86lb/sec通过管线605的第三部分。 [0293] 参照图6，如前参照图2所述，管线601中的压缩空气的第一部分在直燃式燃烧器217中与通过管线215的1.4lb/sec的天然气一起燃烧，以提供1562°F(850℃)的含有17.24体积％氧的加热的燃烧气体，且加热的燃烧气体经管线219流到离子转运膜系统221。高纯度氧产物以600吨/天的流速通过管线231抽出。130lb/sec的含有10体积％氧的非渗透气体通过管线607和管线611抽出，且非渗透气体与管线603中的压缩空气合并，以在管线613中提供混合的空气/非渗透气体。在本实施例中，非渗透气体流过管线 609。管线613中的空气和非渗透气体的混合流与通过管线625提供的4.6lb/sec的天然气混合，且混合的氧化剂/燃料流流过旋流组件615，并在燃烧区619中燃烧。来自燃烧器的热的加压燃烧气体以2200°F通过管线623排向膨胀涡轮257，热的加压燃烧气体在其中膨胀至大气压并产生相当于38兆瓦的电功率263。在336lb/sec和905°F下，膨胀废气通过涡轮出口259排放。 [0294] 干式低NOx(DLN)燃烧器通过预混合燃料和足量的空气以在燃烧区中获得低当量比Φ(定义为实际燃料/空气比除以化学计量的燃料/空气比)来控制NOx排放。通常情况下，需要0.3至0.5级别的Φ值以达到个位数的(single-digit)NOx水平(即，低于10ppmv)。在这些低当量比值下火焰稳定性是一个问题，但可以通过增加进口空气温度改善稳定性情况。这种效应由图10绘制的数据证明，其显示贫油熄火(LBO)率随预混合的甲烷/空气火焰温度的变化。LBO当量比是限制值，低于该值火焰熄灭，因为燃料/空气混合物太稀薄(即，燃料浓度太低)而不能维持在现有流动条件下的燃烧。 [0295] 本文所示的设计途径提供了在DLN燃烧器中控制NOx的手段。通过在预混合燃料之前向燃烧空气加入部分或全部非渗透气体来实现这一点。选择燃烧空气和非渗透物的相对量来调整提高火焰稳定性和控制NOx所必需的燃料浓度和混合物温度。在本实施例中，在与燃料预混合之前，全部非渗透气体与燃烧空气混合。 [0296] 通过改变燃烧空气和非渗透气体的比例同时保持衬里冷却空气的流速(管线605，图6)的流速为来自压缩机的总空气的25％进行了一系列参数计算。进行计算以说明来自燃气涡轮压缩机的排放并被送往离子转运氧生成系统的空气的百分比、燃烧器中的当量比和到达燃烧器的混合空气/非渗透物流的温度之间的关系。计算是基于将全部非渗透气体与流向燃烧器的压缩空气混合。主要结果见图11，其表明改变空气提取量(即，来自燃气涡轮压缩机的空气运向离子转运膜的比例)对于进入燃烧区的混合流状态的效应。如图所示，在流温度足够高以保证稳定运行的情况下，0.3-0.4范围的当量比是可能的。 [0297] 另一个必须考虑的因素是到达燃烧器的混合空气/非渗透的流的氧浓度。为了保持该气流中的氧浓度高于大约14体积％，当量比应限制在大约0.35的最低实际值。一般情况下，这对于任何典型的燃气轮机达到NOx的显著减少应该是足够的。 [0298] 下面的表1给出实施例1-5选择的参数的总结。 [0299] 表1 [0300] 实施例1-5的参数总结 [0301] |
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