(57)【要約】【課題】混合伝導体膜を利用する酸素分離装置の運転において、できる限り専用の装置の使用を排除してプラント製作及び運転コストの低減を図る。【解決手段】混合伝導体膜による酸素分離装置を利用する酸素製造プラントの運転方式において、ガスタービンのコンバスターに流れる圧縮空気の一部を取り出し、熱交換器を経由後、混合伝導体膜による酸素分離装置へ供給し、酸素を得るようにする一方、酸素分離装置出口からの酸素濃度の低下した酸素貧化ガスを、熱交換器を経由後、前記取り出された一部の圧縮空気以外の残りの圧縮空気と合流させ、ガスタービンのコンバスターに導入されるようにする。【選択図】図２
2010184844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合伝導体膜による酸素分離装置を利用する酸素製造プラントの運転方式において、
ガスタービンのコンバスターに流れる圧縮空気の一部を取り出し、熱交換器を経由後、混合伝導体膜による酸素分離装置へ供給し、酸素を得るようにする一方、
酸素分離装置出口からの酸素濃度の低下した酸素貧化ガスを、熱交換器を経由後、前記取り出された一部の圧縮空気以外の残りの圧縮空気と合流させ、ガスタービンのコンバスターに導入されるようにしたことを特徴とする酸素製造プラントの運転方式。
【請求項２】
熱交換器を通った酸素貧化ガスの一部を燃焼器で昇温後、熱交換器に送られる酸素貧化ガスに導入することを特徴とする請求項１記載の運転方式。
【請求項３】
熱交換器を通った酸素貧化ガスをブロワーで昇圧後、ガスタービンのコンバスターに導入するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の運転方式。
【請求項４】
熱交換器がハニカム回転型の熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の運転方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、酸化物イオン透過性酸化物からなる分離膜（以下混合伝導体膜と称する）を利用した酸素分離装置の運転方式に係る。
【背景技術】
【０００２】
混合伝導体膜による酸素分離装置は近年開発途上にある技術であるが、これは、通常高温、高圧の空気、例えば温度９００℃前後、圧力１ＭＰａ前後の空気、を酸素分離炉に送り空気中の酸素の２０−３０体積％を取り出そうとするものである。
【０００３】
このような混合伝導体膜による酸素分離装置の運転方式の一例として、従来考えられている方式を図１に基づいてその概略を説明する。
コンプレッサー１００で圧縮された空気は例えば圧力１２０５ＫＰａ、温度３８９℃となるが、これを配管５を経由して熱交換器８に流した後、配管９を経て燃料と空気の混合器３０へ送り、次に燃焼炉３１で９１０℃に昇温した後、膜式酸素分離炉１０に至り、そこで１部の酸素が配管１１を通して取り出される。
【０００４】
一方、膜式酸素分離炉１０で１部の酸素が取り出されたため、酸素濃度が若干低下した
ところの膜式酸素分離炉１０を出た酸素貧化ガス(約９００℃)は、熱交換器８を経由することで膜式酸素分離炉１０に向かう前記圧縮空気を熱交換器８で加熱した後、ターボエキスパンダー１０１に至り、その残余のエネルギーの回収が図られる。残余エネルギーの回収の形態としては、発電機、熱回収装置への接続、あるいはコンプレッサー１００の運転への利用が考えられている。
【０００５】
このような従来例における熱交換器８における熱交換及びその以降の昇温状況等は次の通りである。前述のように、配管５を経由して熱交換器８に流れる圧縮空気は温度３８９℃で送り出されるが、それは熱交換器８において、膜式酸素分離炉１０からでる酸素貧化ガス（約９００℃）によって熱交換され約８２０℃となり、熱交換された方の酸素貧化ガス側は４３０℃前後となる。この昇温した圧縮空気は燃焼炉３１において燃料を加えられ燃焼される事により８２０℃から９１０℃前後に昇温されて膜式酸素分離炉１０に供給される。
【０００６】
このような従来例では、周囲空気の圧縮にコンプレッサー１００が用意される一方、酸素を取り出した後の酸素貧化ガスのエネルギーの回収については、この装置独自のターボエキスパンダー１０１が利用されるようになっている。
しかしながら、混合伝導体膜による酸素分離装置は今だ開発途上段階のものであり、一般化しているものではないこと、及び、このような装置は現実には巨大なものであることから、この装置専用のそのような構成要素の設計製作はプラントの製作費用を著しく増加させてしまうと考えられる。
更に、この従来例では、酸素分離炉に送られる圧縮空気は燃料を加えて燃焼する事により８２０℃から９１０℃前後に昇温して膜式酸素分離炉１０に供給される。しかしこの昇温のために供給酸素の５％が燃焼に消費されることになり膜式酸素分離炉１０への供給空気の酸素濃度が低下し、取り出し得る酸素が７％前後減少する事になる。
これを改善するために圧縮空気を送り込み側では燃焼によっては昇温せず、酸素貧化ガス中で燃料を燃焼して昇温後に熱交換して酸素分離炉に送られる圧縮空気との間で熱交換するようにすることも考えられる。しかしながら、このような構成では運転初期の酸素分離炉の昇温時の運転が非常に困難なものとなり、運転初期の昇温運転が自由にできない。更に定常運転時には,酸素貧化ガスは酸素が取り出されて重量が少なくなっているものであるから、熱交換器の高温側と低温側の温度差を大きくしなければならなくなり、このことは現在入手可能の熱交換器の材質からみて、問題が生じる。
更に、通常使用されているような多管式の熱交換器は、圧力損失が大きすぎこのようなプラントではもはや効率的に限界にあると考えられるから、このようなプラントに適した熱交換器とその関連構成も考慮しなければならないものと考えられる。
【特許文献１】米国特許第６４０６５１８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明は、混合伝導体膜を利用する酸素分離装置の運転において、できる限り専用の装置を使用しなくてもすむようにして、プラント製作及び運転コストの低減を図るともに、あわせて酸素分離装置に送り込まれる圧縮空気の加熱系に関連した構造が最適化されたプラントの運転方式を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するための本願発明の手段は次の通りである。
（１）混合伝導体膜による酸素分離装置を利用する酸素製造プラントの運転方式において、ガスタービンのコンバスターに流れる圧縮空気の一部を取り出し、熱交換器を経由後、混合伝導体膜による酸素分離装置へ供給し、酸素を得るようにする一方、酸素分離装置出口からの酸素濃度の低下した酸素貧化ガスを、熱交換器を経由後、前記取り出された一部の圧縮空気以外の残りの圧縮空気と合流させ、ガスタービンのコンバスターに導入されるようにする。
（２）熱交換器を通った後の酸素貧化ガスの一部を燃焼器で昇温後、熱交換器に送られる酸素貧化ガスに導入するようにする。
（３）熱交換器を通った後の酸素貧化ガスをブロワーで昇圧後、ガスタービンのコンバスターに導入するようにする。
（４）熱交換器をハニカム回転型の熱交換器とする。
【発明の効果】
【０００９】
（１）本願発明では、混合伝導体膜による酸素分離装置を利用する酸素製造プラントの運転方式において、ガスタービンのコンバスターに流れる圧縮空気の一部を取り出し、熱交換器を経由後、混合伝導体膜による酸素分離装置へ供給し、酸素を得るようにする一方、酸素分離装置出口からの酸素濃度の低下した酸素貧化ガスを、熱交換器を経由後、前記取り出された一部の圧縮空気以外の残りの圧縮空気と合流させ、ガスタービンのコンバスターに導入するようにしたので、既存の運転中のガスタービンをシステムの一部として利用しえ酸素製造プラントの費用を大幅に低減できる。
即ち、現在市場にあるガスタービン発電機で、圧力が１．２ＭＰａ、圧縮空気量が９．４８Ｋｇ／ｓｅｃのものでは、酸素分離炉側に送り得る空気量は８．３５Ｋｇ／ｓｅｃ
である。しかし、現状の酸素分離炉の大きさはこの１／３程度が経済的に適するので、圧縮空気全量から膜式酸素分離炉で酸素を取り出すには膜式酸素分離炉が複数基並列することが必要となる。しかし、複数の酸素分離炉を並列的に使用すると、圧損の対応等で難しい問題を生じるように見えるが、本願発明では既存の運転中のガスタービンの圧縮空気の一部のみを酸素分離炉に使用し、かつ、運転中のガスタービンの圧縮空気に混合可能にするよう昇圧ブロワーで昇圧するものであるので、酸素分離炉が複数並列に配置されて各々の酸素分離炉に圧縮空気を送られるようにしても、既存のガスタービン自体の運転に影響を与えないですむことになる。
（２）本願発明では、熱交換後の酸素貧化ガス（例えば熱交換により４５０℃程度まで降温している）の一部を（必要によりブロワーで昇圧後）燃焼器で昇温、熱交換器に送られる酸素貧化ガスに導入するようにしているので熱交換器の酸素貧化ガス側は圧縮空気側の量の例えば１５〜２０%大きくしえ、圧縮空気側の９００〜９１０℃の温度との差を少なくすることができる。
（３）本願発明では、熱交換後の酸素貧化ガスをブロワーで昇圧後、ガスタービンのコンバスターに導入するようにしているので、既存のガスタービンシステムの運転に支障をきたさない。昇圧ブロワーがない場合には、酸素分離炉に送らない残りの圧縮空気の圧力を低下させねばならず、例えばガスタービン発電機の発電量を低下することになる。
（４）本願発明では熱交換器をハニカム回転型の熱交換器とするので、熱交換に要する圧力損失が少ないので、本願発明に係るプラントの運転方式を最適化しえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本願発明の実施例を図２に基づいて説明する。実施例に利用されるガスタービンとしては、現在市場に、圧縮空気は圧力１．２ＭＰａ程度のものを使用している１５００ＫＷのガスタービン発電機があるので、これを利用するように意図されて構成された酸素分離装置との酸素製造プラントの運転方式を説明する。
【００１１】
既存のガスタービン発電機システムのガスタービン４で圧縮された空気は例えば圧力１２０５ＫＰａ、温度３８９℃となるが、これを配管７を通してガスタービン４のコンバスター２３に流れる圧縮空気と（例えば約７０％）、配管５、６を経由して熱交換器８に流れるもの（例えば約３０％）とに分ける。そして配管５、６を経由して熱交換器８に流れる
圧縮空気については、膜式酸素分離炉１０に至り、そこで１部の酸素が配管１１を通して取り出されるようにする。
【００１２】
一方、膜式酸素分離炉１０で１部の酸素が取り出されたため、酸素濃度が若干低下した
ところの膜式分離炉１０を出た酸素貧化ガス(約９００℃)は、熱交換器８を通った後（熱交換の結果４５０度程度まで降下しているほか、酸素分離炉及び熱交換器での圧力損失で圧力が低下している）その一部（約１５−２０％の量）をブロワー１６にてリサイクルして燃料を混合し燃焼炉１９により約１１００℃−１３００℃迄昇温し、膜式酸素分離装置１０から出る酸素貧化ガスに再循環させ、９５０℃―１０００℃のガスとして膜式酸素分離装置入口側の空気と熱交換する事で、従来例のように膜式酸素分離装置の入口側に送られる圧縮空気中の酸素が低下することがないようにすると共に、膜式酸素分離装置の入口側に送られる圧縮空気の必要な温度を得ている。酸素貧化ガスの一部のみをリサイクルする理由は、熱交換器８における酸素分離炉１０への供給圧縮空気と酸素貧化ガスに由来するガスとの間の温度差を大きくしないためである。温度差が大きくなると関係する部材の材質に高価なものが必要となり、設備費が上昇する。
【００１３】
一方、熱交換器８からリサイクルブロワー１６経由で再循環した酸素貧化ガスが加わった酸素貧化ガスに由来するガスは、昇圧ブロワー２２を介してガスタービンの圧縮空気側に戻し、先に取り出された一部の圧縮空気以外の残りの圧縮空気と合流させ、ガスタービンのコンバスター２３に導入する。昇圧ブロワー２２を使用するのは、ガスタービンの圧縮空気側に戻す酸素貧化ガスの圧力が酸素分離炉、熱交換器等の圧力損失分だけ低くなるので、このガスタービンの圧縮側に戻す酸素貧化ガスの圧力をガスタービン側と同じか少し高めにして、失われたガスエネルギーを回復し、合流使用を図るためである。
この際、もともと本願発明では、酸素貧化ガスの一部をガス・燃料混合器１７にて燃料を混合し昇温用燃焼炉１９にて１１００−１３００℃の燃焼ガスとして混合しているので膜式酸素分離炉１０からの酸素貧化ガスの重量が増加している事から分離された酸素分の重量の減少が１部補われていること、及び燃焼ガスを混合した為温度が高くなっていてエネルギーが多くなっていること、昇圧ブロワー２２による昇圧で圧力の低下分を補っていること等から、ガスタービンの出力は同じ燃焼温度とした場合、取り出し酸素の重量減少による出力低下が１部補われるようになっている。特に昇圧ブロワーの昇圧能力はプラントのコストに直結する要因であるが、本願発明では合理的な構成の採用によって、費用の増加が阻止される。
【００１４】
なお、このような本願発明では、仮にガスタービンの圧縮機で圧縮された空気の大部分を膜式酸素分離炉１０に送り、それによって酸素貧化ガスの圧力を維持してガスタービンに戻したとしてもガスタービンのコンバスター２３で酸素が不足することは起こらないと考えられる。それはこの方式では膜式酸素分離炉に送り込んだ圧縮空気中の酸素の４０％を取出す事が装置の圧力上限度と思われるし、また、ガスタービン本体内部を流れる圧縮空気とバイパス空気もある事でも有り酸素不足は起こらないからである。
【００１５】
本願発明に使用される熱交換器８は従来使用されているような多管式のものではなく、熱交換効率を上げる為、ハニカム回転型の熱交換器を使用する事が、既存のガスタービンを利用する酸素製造プラントとしての効率を挙げる点でより望ましい。即ちハニカム回転型の熱交換器８を使用すれば、圧力損失を１０ＫＰａ以下に押さえることが可能となり、この場合は低温側と高温側の圧力差が小さいので、高圧側から低圧側への漏れ量も少なくなり装置も小型となり熱損失も小さく膜式酸素分離炉１０の効率が高くなる。
また、このハニカム型回転型熱交換器を使用する場合は、ブロワー１６でリサイクルするガス量が自由に変更可能で、リサイクル量を大きくして、高温側と低温側の温度差を小さくする事も可能となる。ハニカム回転型の熱交換器８では、高温側と低温側が回転することにより切り替わる場合に、温度変化に対してハニカムの伸びが変化するので、温度差は小さいほうが一般的には望ましいものである。回転ハニカムと流路を切り替える褶動面は高温下での摩耗を防ぐため褶動面にＴｉＣ、ＴｉＡｌＮ等の膜が耐熱被覆材として使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来例による酸素製造プラントの運転方式の例である。
【図２】本願発明による酸素製造プラントの運転方式の実施例である。
【符号の説明】
【００１７】
４      ガスタービン発電機
８      熱交換器
１０    膜式酸素分離炉
１３    混合器
１６    昇温炉用ガスブロワー
１７    ガス・燃料混合器
１９    昇温用燃焼炉
２２    ガスタービン戻り用ブロワー
２３    コンバスター
１００  圧縮機
１０１  ターボエキスパンダー
【図１】
2010184844.tif 000003
【図２】
2010184844.tif 000004