(57)【要約】  １つ又は複数の第１燃焼区画及び１つ又は複数の第２燃焼区画を有するプロセスヒータを利用した流体を加熱する方法。燃料の燃焼は、第１と第２燃焼区画の間で分割される。プロセスヒータを通過する燃料の完全燃焼のために必要な酸素の化学量論量の約５０から９９％を与える１つ又は複数の酸素運搬膜により、第１燃焼区画内の燃焼のために酸素が供給される。燃料の燃焼を完了させるために、補助的又は二次的な酸化剤が第２燃焼区画内に導入され、それにより、約１から３％の酸素を含む燃焼排ガス流を生成する。このようにして、酸素運搬膜の表面積は、酸素の１００％が酸素運搬膜により与えられる場合に必要となるであろう表面積より小さく低減可能となる。
2009518620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を加熱する方法であって、
燃料流中に含まれる燃料の燃焼のための少なくとも１つの第１燃焼区画及び少なくとも１つの第２燃焼区画、並びに、前記燃料の前記燃焼から発生された熱で加熱される前記流体の通過のために前記少なくとも１つの第１燃焼区画を通過して延在する熱転送路を有するプロセスヒータ内に前記燃料流を導入する工程であって、
前記少なくとも１つの第１燃焼区画及び前記少なくとも１つの第２燃焼区画は、前記燃料の第１部分が前記少なくとも１つの第１燃焼区画において燃焼可能となり、且つ、前記少なくとも１つの第１燃焼区画において燃焼されていない前記燃料の第２部分が前記少なくとも１つの第２燃焼区画において燃焼可能となるように、直列に接続されている工程と、
前記燃料流を、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内に位置された少なくとも１つの酸素運搬膜に接触させる工程と、前記少なくとも１つの酸素運搬膜を用いて少なくとも１つの第１酸素含有ガス流から酸素を分離する工程であって、前記酸素運搬膜では、透過酸素が前記燃料の前記第１部分の燃焼を支援し、及び、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内に存在する前記燃料の完全燃焼のために必要な化学量論量の酸素の約５０％から９９％を供給し、且つ、前記燃料の前記第１部分の燃焼が前記酸素の分離のための駆動力を供給する工程と、
前記少なくとも１つの第２燃焼区画内に少なくとも１つの第２酸素含有ガス流を導入して、前記燃料の前記第２部分の前記燃焼を支援し、約１体積％から約３体積％の酸素を含む前記燃料の第２部分の燃焼から燃焼排ガスを生成させる工程と、
前記少なくとも１つの第２燃焼区画から前記燃焼排ガスを排出する工程と、を含む方法。
【請求項２】
前記透過酸素が、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内に存在する前記燃料の完全燃焼のために必要な化学量論量の酸素の約７５％から約９５％を供給する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの第２酸素含有ガス流が、空気、又は、酸素富化空気、又は、少なくとも９０体積％の酸素を含む酸素含有流である請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記熱転送路が、前記少なくとも１つの第２燃焼区画を通過しても延在する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記燃焼排ガスの一部から構成される燃焼排ガス流も前記少なくとも１つの第１燃焼区画内に導入される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼排ガスの他の一部から構成される他の燃焼排ガス流が、前記少なくとも１つの第２燃焼区画内に導入される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
他の燃料流が、前記少なくとも１つの第２燃焼区画内に導入される請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記燃焼排ガス流が、インライン燃焼器内で加熱される請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの第１燃焼区画と前記少なくとも１つの第２燃焼区画との間で中間燃焼排ガス流を抜き出す工程であって、前記中間燃焼排ガス流が、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内で生成される燃焼ガスから形成されている工程と、前記中間燃焼排ガス流を、前記少なくとも１つの第１燃焼区画に再循環されている前記燃焼排ガス流と合流させる工程と、をさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの第２燃焼区画が、前記燃料の前記第２部分の燃焼を促進させるための酸化触媒を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記熱転送路が、前記少なくとも１つの第２燃焼区画を通過しても延在する請求項３に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃焼排ガスの一部から構成される燃焼排ガス流も、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内に導入される請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃焼排ガス流が、インライン燃焼器内で加熱される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの第１燃焼区画と前記少なくとも１つの第２燃焼区画との間で中間燃焼排ガス流を抜き出す工程であって、前記中間燃焼排ガス流が、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内で生成される燃焼ガスから形成されている工程と、前記中間燃焼排ガス流を、前記少なくとも１つの第１燃焼区画に再循環されている前記燃焼排ガス流と合流させる工程と、をさらに含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃焼排ガスの他の一部から構成される他の燃焼排ガス流が、前記少なくとも１つの第２燃焼区画内に導入される請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
他の燃料流が、前記少なくとも１つの第２燃焼区画内に導入される請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの第２燃焼区画が、前記燃料の前記第２部分の燃焼を促進させるための酸化触媒を含む請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を加熱する方法に関する。より詳細には、本発明は、燃焼を持続するための透過酸素を供給するための酸素運搬膜を組み込んでおり、それにより、流体を加熱するために必要な熱をもたらすプロセスヒータ内で、流体が加熱される方法に関する。重ねて詳細には、本発明は、燃料の燃焼が、酸素運搬膜を組み込んだ第１加熱区画と、燃焼を持続するために二次酸化剤が使用される第２加熱区画との間で分割されている方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術は流体を加熱するためのプロセスヒータを提供している。プロセスヒータの一般的な例は、供給水から水蒸気をもたらすか、又は、既に生成された水蒸気を過熱するかのいずれかのために使用されるボイラである。典型的に、プロセスヒータは、プロセス流体を加熱するために必要な熱を上げるために酸化剤、例えば空気の存在下で燃料を燃焼させる。近年、空気の代わりに燃焼を持続するための透過酸素を生成するために、プロセスヒータ内に酸素運搬膜を組み込むことが提案されている。
【０００３】
燃焼のための酸素を供給するためにプロセスヒータ内で酸素運搬膜を使用することの大きな長所は、燃焼からもたらされた燃焼排ガス中に存在する水蒸気が、空気のみによって持続された燃焼により生成された燃焼排ガス中におけるよりも高い温度で液化され得ることである。これの理由は、燃焼が酸素運搬膜により生成された酸素により持続されると、燃焼排ガスが基本的に二酸化炭素及び水を含むからである。空気が燃焼酸化剤として使用されると、燃焼排ガスはかなりの量の窒素も含み、且つ、その燃焼排ガスに含まれている水分ははるかに低い温度、典型的には、燃焼が酸素により持続されている場合よりも約２５℃低い温度で液化する。高い温度での水蒸気の液化は、さもなくば排ガス中に失われるであろう熱が、プロセスヒータへの供給物の予熱での使用のために再生及び再使用されることを可能にする。そのため、酸素運搬膜を利用したプロセスヒータは、空気を使用するものよりも熱的に効率的となり得る。前述に加えて、燃焼排ガスが基本的に水及び二酸化炭素を含むため、この二酸化炭素は、水分の従来技術による除去により容易に隔離され得る。さらに、存在するとしても、少量の窒素のみが燃焼中に存在し、燃焼からはＮＯｘがほとんど生成されない。
【０００４】
当技術分野ではよく知られているように、酸素運搬膜は、約４００℃と約１，０００℃との間の動作温度に加熱されると、酸素イオン運搬を呈する板状要素又は筒状要素に形成されたセラミックから製造され得る。酸素含有気体、例えば空気が、この膜のカソード面として知られている一方の面に接触すると、酸素は電子を得ることによりイオン化する。結果として得られる酸素イオンは、膜を通過して運搬され、且つ、酸素イオンが元素としての酸素を形成するために結合し、この結合を行なう中で電子を生成するアノード面として知られている反対側の面から、出現する。電子は、酸素をイオン化するためにアノード面からカソード面に戻される。セラミック材料が混合導電体、典型的に灰チタン石である場合、電子は、セラミック材料自体の内部で運搬される。他のタイプの材料は、酸素イオン及び電子伝導性相のみを運搬することができるセリア又はイットリア安定化ジルコニアなどのイオン性材料の二重相を使用する。電子伝導性相は電子を伝導するために利用される。酸素イオンの運搬は、膜のカソード面とアノード面との間の酸素分圧差分により駆動される。この分圧差は、燃料の燃焼によりアノード面において酸素を消費することにより、全体的にせよ部分的にせよ作り出され得る。
【０００５】
従来技術において提案された酸素運搬膜を組み込んだプロセスヒータに関しては、様々な設計がある。そういった例は米国特許第６３９４０４３号明細書に見出すことができ、この例は、燃料の燃焼を持続するために酸素を供給し、これにより、熱を発生するために、燃焼室内に酸素運搬膜を組み込んでいる。生成された熱の一部は、酸素運搬膜をこの膜の動作温度に加熱するために使用される。熱の残りの部分は、燃焼室を通過して延在する転送路を通過する水蒸気をもたらすか、又は、この水蒸気を過熱するために使用される。燃焼から生成された燃焼排ガスは、再循環され得て、燃料と混合され得る。他の例、米国特許第６５６２１０４号明細書において、燃料は燃焼室内で燃焼され、加熱された燃焼排ガスは、酸素を発生するために使用されている酸素運搬膜に直交流の関係において送られる。一実施形態において、酸素運搬膜及び水蒸気チューブは燃焼室内に点在されている。他の実施形態において、酸素運搬膜及び水蒸気チューブは分離されている。燃焼室は水蒸気チューブを含み、結果として得られた燃焼排ガスは、スイープガスとして酸素運搬膜に送られる。燃焼排ガスは酸素が豊富となり、続いて、燃焼室に再循環される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
酸素運搬膜を利用した酸素−燃料燃焼システムの問題は、燃料が豊富な状態での酸素流束が、燃料の乏しい状態におけるよりも量のオーダで実質的に大きいことである。そのため、このようなシステムでの燃焼を完了するためには、大きな膜表面積が、燃焼に必要な化学量論量の酸素を提供するために必要となる。以下に検討されるように、本発明は、燃焼を持続するために使用される酸素の唯一の供給源としての酸素運搬膜を利用しないことによりこの問題を克服する集積酸素運搬膜を有するプロセスヒータにより流体を加熱する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は流体を加熱する方法を提供する。この方法によれば、燃料流中に含まれる燃料の燃焼のための少なくとも１つの第１燃焼区画及び少なくとも１つの第２燃焼区画を有するプロセスヒータ内に、燃料流が導入される。熱転送路は、燃料の燃焼から発生された熱から加熱される流体の通過のために、少なくとも１つの第１燃焼区画を通過して延在する。少なくとも１つの第１燃焼区画及び少なくとも１つの第２燃焼区画は、燃料の第１部分が少なくとも１つの第１燃焼区画において燃焼可能となり、且つ、少なくとも１つの第１燃焼区画において燃焼されていない燃料の第２部分が少なくとも１つの第２燃焼区画において燃焼可能となるように、直列に接続されている。
【０００８】
燃料流は、少なくとも１つの第１燃焼区画内に位置された少なくとも１つの酸素運搬膜に接触する。前記少なくとも１つの酸素運搬膜を用いて前記少なくとも１つの第１酸素含有ガス流から酸素は分離され、前記酸素運搬膜では、透過酸素が前記燃料の第１部分の燃焼を支援し、及び、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内に存在する前記燃料の完全燃焼のために必要な化学量論量の酸素の約５０％から９９％を供給する。前記燃料の前記第１部分の燃焼は、前記酸素の分離のための駆動力を供給する。前記少なくとも１つの第２燃焼区画内に少なくとも１つの第２酸素含有ガス流が導入され、前記燃料の前記第２部分の前記燃焼を支援し、約１体積％から約３体積％の酸素を含む前記燃料の第２部分の燃焼から燃焼排ガスが生成する。前記燃焼排ガスは少なくとも１つの第２燃焼区画から排出される。
【０００９】
燃焼に必要な酸素の全てが酸素運搬膜により与えられるわけではない形で酸素運搬膜を利用しているプロセスヒータは、酸素運搬膜の数が実質的に低減されることを可能にし、酸素−燃料燃焼のための酸素運搬膜の使用を経済的に魅力的なものにする。好ましくは、透過酸素が、少なくとも１つの第１燃焼区画内に存在する燃料の完全燃焼に必要な化学量論量の酸素の約７５％から約９５％を供給する。少なくとも１つの第２酸素含有ガス流は、空気、又は、酸素を増加した空気、又は、少なくとも９０体積％の酸素を含む酸素含有流とすることができる。このような酸素含有流は、圧力スイング吸着又は低温精留により生成され得る。圧力スイング吸着又は低温精留の使用が、そのような供給源から酸素を得ることに伴う経費が存在する点で、経済的な基礎に基づき反直感的である一方、本発明の実施における酸素のそのような供給源の使用は、特に燃料のほとんどが第１燃焼区画において消費される場合に、そのような供給源から与えられることが必要な酸素がほとんどない点で、経済的に魅力的となり得る。
【００１０】
この燃焼排ガスにより一部が構成された燃焼排ガス流も、少なくとも１つの第１燃焼区画に導入可能である。少なくとも１つの第１燃焼区画におけるこの燃焼排ガスの使用は、燃焼の熱を再回収し、且つ、酸素運搬膜への炭素の堆積を防止するうえで役立つように水蒸気対炭素比を増加させもする。この燃焼排ガスの他の部分から構成された他の燃焼排ガス流は、少なくとも１つの第２燃焼区画に導入可能である。加えて、他の燃料流も少なくとも１つの第２燃焼区画に導入される。少なくとも１つの第１燃焼区画に導入された燃焼排ガス流は、インライン燃焼器において加熱可能である。さらなる可能性は、少なくとも１つの第１燃焼区画と少なくとも１つの第２燃焼区画との間の中間燃焼排ガス流を取り除き、且つ、この中間燃焼排ガス流を、少なくとも１つの第１燃焼区画に再循環されている燃焼排ガス流と合流させることである。中間燃焼排ガス流は、少なくとも１つの第１燃焼区画において生成された燃焼ガスから形成されている。
【００１１】
本発明のいずれの実施形態も、燃料の第２部分の燃焼を促進するために、少なくとも１つの第２燃焼区画に含まれた酸化触媒を組み込むことができる。
【００１２】
本明細書は、出願人が自身の発明であると考える主題を明確に指摘している特許請求の範囲を以って完結する一方、本発明は、添付の図面とともに読まれると、よりよく理解されると確信される。
【００１３】
（詳細な説明）
図１においては、説明をわかりやすくするために、プロセスヒータ１は、水を加熱するように、又は、水蒸気を過熱するように設計されたボイラであるとして示されている。当業者には知られているように、プロセスヒータは、他の流体、例えば、水蒸気メタン改質器への水蒸気、及び、炭化水素含有供給物などの反応物質を加熱するために使用可能である。これに関して、本明細書及び特許請求の範囲において使用されている用語「プロセスヒータ」は、プロセスヒータ内に位置される熱交換路を通過するいずれの流体も、燃料の燃焼により間接的に加熱するいずれかのデバイスである。
【００１４】
プロセスヒータ１には、第１燃焼区画１０、及び、結合流１４により供給された燃料を完了まで燃焼させるように設計された第２燃焼区画１２が設けられている。示された実施形態において、供給された燃料は天然ガス（「Ｎ．Ｇ．」）である。発生された熱全体は、プロセス流体、例えば、第１燃焼区画１０に位置された熱交換路１６、及び、任意で第２燃焼区画１２に位置された熱交換路１８を通過する水を加熱するために使用される。燃料の燃焼から発生された熱は、転送路１６及び１８を通過するプロセス流体に熱を供給する。
【００１５】
酸素運搬膜２０は第１燃焼区画１０内に位置されている。酸素運搬膜２０は、知られている灰チタン石、又は、酸素イオンの運搬のためのイオン相及び電子の通過のための電子相を有する二相伝導体から製造可能である。典型的なイオン性伝導体は、セリア又はイットリア安定化ジルコニアである。加えて、単一の酸素運搬膜２０のみが示されているが、当業者には知られているように、且つ、上記に検討された従来技術に示されたように、一連の酸素運搬膜が第１燃焼区画１０内に張り出すことができる。
【００１６】
一次酸素含有流２２、例えば空気は、第１燃焼区画１０に導入され、酸素運搬膜２０のカソード面２４に接触する。酸素は一次酸素含有流２２から分離され、酸素イオン運搬により酸素運搬膜２０のアノード面２６において透過酸素を生成する。酸素イオンの運搬は、結合流１４から燃焼区画１０内に注入された燃料の一部の燃焼により駆動され、同様に、発生された熱の一部は、酸素運搬膜２０を動作温度に引き上げるために使用される。
【００１７】
以下に検討されるように、燃料の第１部分は、燃料の第２部分及び燃焼生成物が、第２燃焼区画１２内への流れ２８として注入されるために残されるように、第１燃焼区画１０内で燃焼される。流れ２８は、第１燃焼区画１０において発生する燃焼により生成された燃焼ガス、及び、未燃焼の燃料を含んでいる。酸素含有ガス２２からの酸素の分離は酸素運搬膜離脱ガス流３０を生成し、同ガス流３０は空気の場合に窒素が豊富である。典型的に、酸素運搬膜２０の動作温度は大体約８００℃から約１，０００℃の間である。第１及び第２燃焼区画１０及び１２が分離され、且つ、互いから離れて図示されている一方、このような燃焼区画は、実際には同じ燃焼区画の一部とすることができることに注意されたい。その場合、第２燃焼区画１２は、単に、第１燃焼区画１０から、燃焼ガス及び未燃焼の燃料に関して下流に位置されているに過ぎない。
【００１８】
上記に検討されたように、酸素運搬膜２０は、燃料流１４内の燃料を完全に燃焼させるために必要な酸素の化学量論量の約５０から約９９％のどの量でも供給する十分な面積を有している。好ましくは、酸素運搬膜２０は、酸素のそのような化学量論量の約７５％から約９５％を供給する。そのため、流れ２８は未燃焼の燃料を依然として含んでおり、且つ、以下に検討されるように、酸素運搬膜２０に対する面積の節約はこの状況下で顕著なものとなっている。
【００１９】
必要な膜表面積の実際の算出は、酸素運搬膜を通過した酸素の移動により決定される。いかなるそのような算出も、酸素運搬膜を取り囲む気相境界層にまたがる物質移動、空気側表面交換、二極性拡散、燃料の酸化、及び、膜の多孔質支持体を通過した燃料の物質移動などの検討されることが必要な多くの中間ステップを持つ複雑なモデル化処理となる。これらの中間ステップのいくらかに及ぼす温度、圧力、及び、ガス組成の影響はよく理解されていない。特定の膜構造のために開発されたモデルは、万能には適用されない。しかし、そのようなモデル化は、十分に当業者の技術の範囲内である。
【００２０】
したがって、モデル化が可能としても、以下は、そのような面積を決定するためのさらに直接的且つ単純な方法である。酸素運搬膜２０などの酸素運搬膜が、アノード面で高温及び燃料にさらされ、カソード面では酸素含有流にさらされる。これらのプロセス流は、互いに関して並流、向流、又は、直交流で流れることができる。燃料の燃焼程度は、取入れガスと取出しガスとの組成の間の差、及び、燃料又は酸素運搬膜のアノード面に対する流速から決定される。平均酸素流束は、酸素含有流から除去された単位時間当たりの酸素量を実験で使用された膜面積により除することにより計算される。燃料及び酸素含有流の流速が実験により変化されると、燃料の燃焼程度及び空気流からの酸素回収の程度に応じた平均酸素流束が決定され得る。この決定は、使用されたその特定の膜材料、膜構造、流れの配置構成、温度、及び、圧力のために、制限される。したがって、平均酸素流束値は、単位時間当たりの総酸素必要量を平均酸素流束により除することにより提供される化学量論量の酸素に対する膜面積の必要量を見積もるために使用され得る。
【実施例】
【００２１】
以下の表Ｉ、ＩＩ、及びＩＩＩは、約７８０．４ｃｍ２の膜面積に対する様々な程度の燃焼に関したシミュレーション結果からの平均酸素流束算出値の例を示している。
【表１】
2009518620.tif 000003
【表２】
2009518620.tif 000004
【表３】
2009518620.tif 000005
【００２２】
これらの表には、単位に基づく燃料の燃焼程度、酸素回収率、及び、平均酸素流束の算出量が掲げられている。これらの量は以下のように決定されている。
燃料の燃焼程度（η、％で表示）は、以下のように各表から計算され得る。
【数１】
2009518620.tif 000006
式中、
Ｆｆｕｅｌ，ｉｎ＝プロセスヒータに流入する燃料流のモル流速［モル／秒］
ｘＨ２，ｉｎ＝燃料中の水素のモル分率
ｘＣＯｉｎ＝燃料中の一酸化炭素のモル分率
ｘＣＨ４，ｉｎ＝燃料中のメタンのモル分率
Ｆｆｌｕｅｇａｓ，ｏｕｔ＝ボイラの酸素運搬膜区画を離脱する燃焼排ガス流のモル流速［モル／秒］
ｘＨ２，ｏｕｔ＝燃焼排ガス中の水素のモル分率
ｘＣＯｏｕｔ＝燃焼排ガス中の一酸化炭素のモル分率
ｘＣＨ４，ｏｕｔ＝燃焼排ガス中のメタンのモル分率
酸素回収率（ＲＯ２、％で表示）は、以下のように表Ｉから計算され得る。
【数２】
2009518620.tif 000007
式中、
Ｆａｉｒ，ｉｎ＝プロセスヒータに流入する酸素含有流のモル流速［モル／秒］
ｘＯ２，ｉｎ＝酸素含有ガス流中の酸素のモル分率
Ｆｒｅｔｅｎｔａｔｅ，ｏｕｔ＝酸素消耗流のモル流速［モル／秒］
ｘＯ２，ｏｕｔ＝酸素消耗流中の酸素のモル分率
【００２３】
平均酸素流束密度（ＪＯ２、モル／Ｏ２／ｍ２／秒で表示）は、以下の等式からもたらされる。
【数３】
2009518620.tif 000008
式中、
Ａ＝酸素運搬膜の面積［ｍ２］
したがって、プロセスヒータに必要な酸素運搬膜の面積は、同じ程度の燃焼、酸素回収率、及び、他のプロセス条件（例えば、温度、圧力、燃料、酸素含有流の組成、及び、流速）について上述の方法で決定された平均酸素流束の実験的な値により、化学量論的比率により決定される燃料燃焼のための酸素の必要量を除することにより計算され得る。例えば、燃料及び５０％の燃料の燃焼程度が必要な場合の水素を想定すると、このような目的のために必要な酸素の量は、必要な燃料の量の半分となる。したがって、必要な酸素の流速は、必要な面積を決定するために上記に決定された平均流束「ＪＯ２」の実験的な値により除される。
【００２４】
表Ｉ、ＩＩ、及び、ＩＩＩを検討すると、燃焼程度が上昇するに従い、単位面積当たりの流束が減少することが分かる。これは、上述されたように、より高い程度の燃焼にはより大きな面積が必要となるが、膜の長さに沿った駆動力は、単位面積当たりの流束密度の値を低下させるように低下していくからである。
【００２５】
示された実施形態に戻ると、流れ２８は、流れ２８中に残存する燃料を完全に燃焼させるために必要な追加の酸素を供給するために、二次酸素含有ガス流３２とともに、第２燃焼区画１２内に導入される。第２燃焼区画１２に熱交換路１８などの負荷がかけられると、その負荷に対する加熱要件を満たすために、追加の燃料流３４も第２燃焼区画１２内に導入可能である。しかし、これは、熱交換路１８と同様に任意である。第１燃焼区画１０内で発生する燃焼がほぼ化学量論的なものである状況においては、流れ２８中に残存する燃料を第２燃焼区画１２内で燃焼させることが困難となることがある。このような場合、酸素含有ガス流３２中に含まれた酸素との燃料の反応を促進するために、酸化触媒３６を供給することができる。酸化触媒３６は、当技術分野でよく知られており、灰チタン石酸化物から構成することができる多数のそのような触媒のいずれとすることもできる。約１体積％から約３体積％のいずれかの量の酸素を含む燃焼排ガス流３８が、第２燃焼区画１２から排出されるように、十分な酸素が第２酸素含有ガス流３２により供給されることが必要である。このことは、結合流１４により送られた燃料、及び、任意で、燃料を含む結合流３４が完全に燃焼されることを確実にする。
【００２６】
第２酸素含有ガス流３２は空気とすることができる。これは、最も安価な提案であり、第１燃焼区画１０内の化学量論並の高い酸素比率において実践的なものとなる。したがって、与えられる窒素はほとんどなく、燃焼排ガス流３８は、プロセスヒータ全体を通じて空気により酸化剤が従来技術により供給されていた場合よりも高い温度で、燃焼排ガス流３８内に含まれた水が液化可能であるよりも十分に低い濃度の窒素を含む。以下に検討されるように、圧力スイング吸着又は低温蒸留によってさえ生成されたものなどの酸化剤の他の供給源も使用され得る。必要となる酸素の量は非常に少なく、そのユニットは極端にコンパクトにすることができ、したがって、経済的に見合う。当然、正確な境界点は、二次酸素含有ガス流３２内に含まれる酸素の価格に依存した経済的なものとなる。いずれにしても、二次酸素含有ガス流３２は、好ましくは、少なくとも約９０体積％の酸素濃度を有し、そのため、酸素富化空気とすることができる。
【００２７】
燃焼排ガス流３８の第１部分４０は、結合流１４を形成するために、燃料流４２と結合された再循環流として再循環され得る。第１燃焼区画１０内に、燃料流４２と燃焼排ガス流３８の第１部分４０とを別個に注入することは可能である。再循環燃焼排ガスの使用は任意であるが、その場合に、有利に、燃料流１４を予熱し、且つ、燃焼の炭素比にまで水蒸気を増加させることにより酸素運搬膜２０上への炭素の堆積を防止するために、水蒸気を供給もする。任意で、燃料流４４はインライン燃焼器４６、例えばダクトバーナ内で燃焼可能である。インライン燃焼器４６内での燃焼は、三次酸素含有ガス流４８、例えば空気により持続される。任意で、流れ２８の一部から形成された中間燃焼排ガス流５０が、同じく燃料の一部を燃焼させるために燃焼排ガス再循環流に追加可能である。これの長所は、より大きな物質移動及びより均一な温度分布を促進するために、より大きな流速を達成することである。重ねてさらなる選択肢は、第２燃焼区画１２に熱を供給するために、燃焼排ガス流３８から第２部分５２を供給することである。上述したように、結合流３４は、燃料流５４を、燃焼排ガス流３８の第２部分５２と結合することにより生成され得る。燃料流５４と燃焼排ガス流３８の第２部分５２とは、別個に注入可能である。
【００２８】
続いて、燃焼排ガス流５６は、二酸化炭素捕獲システム５８内に導入され原則的に水から構成される廃棄物流６２における隔離用二酸化炭素生成物６０を生成する。二酸化炭素捕獲システム５８は、当技術分野においてよく知られている方法で利用されている相分離器、圧縮器、及び、中間冷却器から構成されている。燃焼排ガス流５６は、燃焼排ガス流３８の全量、又は、燃焼排ガス流３８の第１及び第２部分４０及び５２を供給した後の残存部分から構成可能である。
【００２９】
理解可能なように、燃焼区画１０などのいくつかの燃焼区画が、より大きな設備において利用可能である。このことは、熱交換路１６の加熱がさらに均一になることを可能にする。そのような設備において、図示されていないが、燃料流１４の全てが第１燃焼区画の最初の部分に導入されるわけではなく、むしろ、燃料は第１燃焼区画に滞留され、そのため、発生された熱は等しかった。加えて、燃焼区画１２などの２つ以上の第２燃焼区画が設けられることが可能である。例えば、燃料の５０％のみが第１燃焼区画１０内で燃焼された場合、水蒸気を過熱するための十分な燃料は、第２燃焼区画１２の最初の部分に、続いて、燃焼区画１２の下流に存在し、水蒸気は供給水からもたらされ得る。同じく図示されていないが、下流熱交換器は、燃焼排ガス流３８の温度を低下させるために設けることが可能である。
【００３０】
以下の表ＩＶは、二次酸素含有ガス流３２による補助的な酸素の追加が後に続く、第１燃焼区画１０内で発生する準化学量論的な燃焼である、豊富な燃料の使用に伴う第１燃焼区画１０内で使用されている酸素運搬膜の面積の減少に及ぼす影響を示すための算出例を示している。ここで考えられているシステムは、天然ガスを燃焼させた１２０ＭＭ  ＢＴＵ／時の熱入力（約１００，０００ｌｂ／時の飽和蒸気を生成するボイラに等価）のためのものである。酸素運搬膜は、約８５０℃から約１，０００℃で動作することを想定されている。基本的な場合は、酸素運搬膜２０からの酸素流束が、燃料が過剰である炉の開始部分において一定であったことを想定することにより作り出された。燃料の全てが一旦消費されれば、酸素流束が実質的に低下し、且つ、燃料が最早なくなってからは、酸素運搬膜が、燃焼生成物がスイープガスとして機能する上述の特許と同様の方法で動作することが想定された。表を作成する際に使用されたさらなる想定は、（ａ）酸素運搬膜が化学量論量の酸素の１００％を供給する、（ｂ）化学量論的な必要量を超える酸素は、二次酸素含有ガス流３２による上記に示されたものなどの二次酸素の直接酸化剤注入により供給される、（ｃ）酸素流束は１０ｓｃｃｍ／ｃｍ２−ｍｉｎで一定である、及び、（ｄ）二次酸素の注入により過剰酸素が存在する際に、酸素流束が０．５ｓｃｃｍ／ｃｍ２−ｍｉｎで一定である、である。
【表４】
2009518620.tif 000009
【００３１】
表Ｖはさらなる算出例を示し、表ＩＶに類似するが、直接注入によりシステム内で置き換えられた酸素の全体量を変更する影響を示している。表Ｖの基本的な場合は、表ＩＶと同じである（全ての酸素は１つ又は複数の膜を通過した酸素イオン運搬により供給される）。これらの場合において、想定は、（ａ）燃焼排ガス中の過剰酸素は１％（湿潤）、（ｂ）基本の場合を基準とした総必要量の特定の割合までの酸素（列１）は、酸素イオン運搬により供給される、（ｃ）二次酸素の直接注入により供給された化学量論的な、並びに、過剰な酸素の残存、（ｄ）酸素流束は、燃焼区画内で１０ｓｃｃｍ／ｃｍ２−ｍｉｎで一定である、及び、（ｅ）酸素流束は、過剰なＯ２が存在する際は０．５ｓｃｃｍ／ｃｍ２−ｍｉｎで一定である、である。
【表５】
2009518620.tif 000010
【００３２】
本発明が好ましい実施形態への参照を伴い説明された一方、当業者には想起されるように、現在係属中の特許請求の範囲に述べられた通りの本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、多くの変更、追加、及び、省略を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による方法を実施するための装置の概略図である。
【図１】
2009518620.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成20年7月11日(2008.7.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を加熱する方法であって、
燃料流中に含まれる燃料の燃焼のための少なくとも１つの第１燃焼区画及び少なくとも１つの第２燃焼区画、並びに、前記燃料の前記燃焼から発生された熱で加熱される前記流体の通過のために前記少なくとも１つの第１燃焼区画を通過して延在する熱転送路を有するプロセスヒータ内に前記燃料流を導入する工程であって、
前記少なくとも１つの第１燃焼区画及び前記少なくとも１つの第２燃焼区画は、前記燃料の第１部分が前記少なくとも１つの第１燃焼区画において燃焼可能となり、且つ、前記少なくとも１つの第１燃焼区画において燃焼されていない前記燃料の第２部分が前記少なくとも１つの第２燃焼区画において燃焼可能となるように、直列に接続されている工程と、
前記燃料流を、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内に位置された少なくとも１つの酸素運搬膜に接触させる工程と、前記少なくとも１つの酸素運搬膜を用いて少なくとも１つの第１酸素含有ガス流から酸素を分離する工程であって、
前記酸素運搬膜では、透過酸素が前記燃料の前記第１部分の燃焼を支援し、及び、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内に存在する前記燃料の完全燃焼のために必要な化学量論量の酸素の約５０％から９９％を供給し、且つ、前記燃料の前記第１部分の燃焼が前記酸素の分離のための駆動力を供給する工程と、
前記少なくとも１つの第２燃焼区画内に少なくとも１つの第２酸素含有ガス流を導入して、前記燃料の前記第２部分の前記燃焼を支援し、約１体積％から約３体積％の酸素を含む前記燃料の第２部分の燃焼から燃焼排ガスを生成させる工程と、
前記少なくとも１つの第２燃焼区画から前記燃焼排ガスを排出する工程と、を含む方法。
【請求項２】
前記透過酸素が、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内に存在する前記燃料の完全燃焼のために必要な化学量論量の酸素の約７５％から約９５％を供給する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの第２酸素含有ガス流が、空気、又は、酸素富化空気、又は、少なくとも９０体積％の酸素を含む酸素含有流である請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記熱転送路が、前記少なくとも１つの第２燃焼区画を通過しても延在する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記燃焼排ガスの一部から構成される燃焼排ガス流も前記少なくとも１つの第１燃焼区画内に導入される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼排ガスの他の一部から構成される他の燃焼排ガス流が、前記少なくとも１つの第２燃焼区画内に導入される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
他の燃料流が、前記少なくとも１つの第２燃焼区画内に導入される請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記燃焼排ガス流が、インライン燃焼器内で加熱される請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの第１燃焼区画と前記少なくとも１つの第２燃焼区画との間で中間燃焼排ガス流を抜き出す工程であって、前記中間燃焼排ガス流が、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内で生成される燃焼ガスから形成されている工程と、前記中間燃焼排ガス流を、前記少なくとも１つの第１燃焼区画に再循環されている前記燃焼排ガス流と合流させる工程と、をさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの第２燃焼区画が、前記燃料の前記第２部分の燃焼を促進させるための酸化触媒を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記熱転送路が、前記少なくとも１つの第２燃焼区画を通過しても延在する請求項３に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃焼排ガスの一部から構成される燃焼排ガス流も、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内に導入される請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃焼排ガス流が、インライン燃焼器内で加熱される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの第１燃焼区画と前記少なくとも１つの第２燃焼区画との間で中間燃焼排ガス流を抜き出す工程であって、前記中間燃焼排ガス流が、前記少なくとも１つの第１燃焼区画内で生成される燃焼ガスから形成されている工程と、前記中間燃焼排ガス流を、前記少なくとも１つの第１燃焼区画に再循環されている前記燃焼排ガス流と合流させる工程と、をさらに含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃焼排ガスの他の一部から構成される他の燃焼排ガス流が、前記少なくとも１つの第２燃焼区画内に導入される請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】
2009518620.tif 000012
2009518620.tif 000013