(57)【要約】酸素を分離し且つ動力を発生させる複合方法。酸素を含む流れを圧縮し、酸素輸送膜ユニット（２５）中で前記の流れから酸素を分離し透過酸素と酸素希薄化滞留ガスとする。酸素輸送膜ユニット（２５）のアノード側（２６）を加圧過熱蒸気からなる加圧パージ流（４２、４２ｂ）でパージする。透過酸素と蒸気を含む加圧酸素生成物流（２０、２０ａ）を酸素輸送膜（２５）のアノード側（２６）から排出する。加圧酸素生成物流（２０、２０ａ）をそれ自身又は酸素含有流で冷却する。加圧酸素生成物流（２０、２０ａ）はプロセス流体（４６）との間接的熱移動によって凝縮するが、プロセス流体（４６）は沸騰し、沸騰したプロセス流体からは動力を取り出すことができる。凝縮水（５６）を酸素生成物流（２０、２０ａ）から分離し、分離した酸素を加圧生成物（３、３ａ）として取り出す。
2005507041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素含有ガスから酸素（３）を分離し且つ動力（４）を発生させる複合方法であって、該方法が、
高い作動温度で作動する少なくとも１個の酸素輸送膜を含み且つカソード側（２４）及びアノード側（２６）を有する酸素輸送膜ユニット（２５）中で、酸素含有ガス（１４、１６）から酸素を分離して透過酸素流と酸素希薄化滞留ガス流にすること、
少なくとも１個の酸素輸送膜のアノード側（２６）を加圧過熱蒸気を含む加圧パージ流（４２、４２ｂ）でパージすること、
前記の透過酸素と前記の蒸気を含む加圧酸素生成物流（２０、２０ａ）を、前記の少なくとも１個の酸素輸送膜の前記アノード側から排出すること、
前記加圧酸素生成物流（２０、２０ａ）中の少なくとも一部の蒸気を、加圧酸素生成物流中に含まれる蒸気の凝縮温度よりも低い沸騰温度で沸騰するプロセス流体への熱伝達によって凝縮（４４）し、その結果として、プロセス流体（４６）を沸騰させ且つ加圧酸素生成物流（２０、２０ａ）内の蒸気の少なくとも一部を凝縮させること、
前記の加圧酸素生成物流（２０、２０ａ）から凝縮水（５６）を分離（５４）すること、及び、
プロセス流体から軸仕事（４）としてエネルギーを取り出すこと、を含む複合方法。
【請求項２】
前記の酸素含有ガスが空気であり、
該空気を圧縮して圧縮空気流（１２）を形成し、
該圧縮空気流を第一空気分流及び第二空気分流（１４、１６）に分割し、
該第一空気分流（１４）を加圧酸素生成物流（２０、２０ａ）との間接的熱交換によって加熱し、
該第二空気分流（１６）を第一空気分流（１４）とは別個に過熱し、且つ
該第一空気分流及び第二空気分流（１４、１６）を酸素輸送膜ユニット（２５）に導入する前に合流させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
酸素含有流から酸素を分離することによって、少なくとも１個の酸素輸送膜の前記カソード側（２４）に滞留ガスを残し、
少なくとも酸素希薄化滞留ガスの一部から構成される滞留ガス流（２８）を、酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット（６０）に導入することにより、前記滞留ガス流（２０）から更に酸素を分離し、更なる透過酸素を生成させ、
少なくとも再循環水から形成される水流（３６）をポンプで送り込み、
前記水流（３６）を気化させ且つ少なくとも部分的に過熱して加圧流（４２ａ）を形成し、
第一燃料流を燃焼させること及び燃焼熱を水流（３６）に伝達することによって、該水流（３６）を気化させ且つ少なくとも部分的に過熱し、
第二燃料（６６）を前記の加圧流（４２ａ）に導入し、
該加圧流（４２ａ）を更に加熱し、次いで前記の酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット（６０）に導入することにより、燃料を前記の更なる透過酸素と反応させて熱及び燃焼生成物を発生させ、且つ
該加圧パージ流（４２ｂ）を酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット（６０）から排出する、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記の酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット（６０）によって更なる酸素希薄化滞留ガスを発生させ、
更なる酸素希薄化滞留ガスから構成される更なる滞留ガス流（７０）を、第一滞留ガス分流及び第二滞留ガス分流（７４，７２）に分割し、
該第一滞留ガス分流（７４）を、ガス膨張機（６２）中で膨張させて前記の空気圧縮機（１０）を駆動するための動力を発生させ、及び
前記の第二滞留ガス分流（７２）を加圧窒素生成物（５）として回収する、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記の酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット（６０）によって更なる酸素希薄化滞留ガスを発生させ、
更なる酸素希薄化滞留ガスから構成される更なる滞留ガス流（７０）を、第一滞留ガス分流及び第二滞留ガス分流（７４，７２）に分割し、
該第一滞留ガス分流（７４）を、インライン燃焼器（８６）内での燃焼によって加熱し、且つ
該第一滞留ガス分流（７４）を、ガス膨張機（６２）中で膨張させて前記の空気圧縮機（１０）を駆動するための動力を発生させる、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第二空気分流（１６）の一部（８８）を、前記インライン燃焼器（８６）の上流で前記第一滞留ガス分流（７４）と合流させて燃料の燃焼を支持し、それによって膨張前の前記第一滞留ガス分流（７４）に更なる熱と物質を付加する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記のプロセス流体（４６）が水であり、
前記加圧パージ流（４２、４２ｂ）中の前記蒸気の圧力が前記プロセス流体（４６）の圧力より高く、且つ
液体凝縮物の形態の前記プロセス流体（４６）を、ポンプ（５２）で前記パージ流（４２）より低い圧力で送り込み、加圧液体を作り出すこと、
再沸騰器−凝縮器（４０）中で前記凝縮パージ流（２０）の少なくとも一部との間接的熱交換によって前記加圧液体を気化させること、
前記プロセス流体（４０）を過熱すること、
過熱後の前記プロセス流を蒸気タービン（４８）中で膨張させ、前記タービン（４８）中で作り出された軸仕事（４）から前記の動力を取り出すこと、
及び、膨張後のプロセス流体を凝縮させて前記液体凝縮物を生成させること（５０）を含む、
ランキンサイクル（２）中のプロセス流体から前記の動力を引き出す、
請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４又は請求項５又は請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記加圧パージ流（４２，４２ｂ）を少なくとも再循環水から構成して、水流（３６）を形成し、
前記水流（３６）を気化、過熱して、前記加圧パージ流（４２ａ）を形成し、
前記水流を気化及び過熱するのに必要な熱の少なくとも一部を過熱ボイラー（４０、４０ａ）中での燃料の燃焼によって供給し、且つ
前記プロセス流体を過熱ボイラー（４０、４０ａ）内での燃料の燃焼によって過熱する、
請求項３又は請求項４又は請求項５又は請求項６に記載の方法。
【請求項９】
膨張後に、排気流（９４）としての加圧流（４２ａ）を再加熱し、パージガスとして酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット（６０）内に導入する、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記蒸気タービン（４８）を約１４．７ｐｓｉより低い排気圧で作動させる、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素含有ガスから酸素を分離し且つ動力を発生させる複合方法に関する。より詳細には、過熱蒸気でパージされる酸素輸送膜によって酸素を分離し、且つランキンサイクルによって動力を発生させる複合方法に関する。更に詳細には、熱を酸素輸送膜によって生じた酸素生成物流からランキンサイクルで使用されるプロセス流体に伝達する複合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素輸送膜の使用を含む、動力及び酸素生成サイクルの統合は、熱効率の観点から特に興味のあるものである。なぜなら、酸素輸送膜は、多くの動力発生サイクルで必要とされる高温を含む温度領域で酸素を効率的に分離するからである。
【０００３】
酸素輸送膜は、周知の各種セラミックス、例えばペロブスカイト及びペロブスカイト様材料から形成される。約４００℃〜約１０００度の高温で、このようなセラミックスは、酸素分子及び複合形態で酸素を含む物質に対する不浸透性を保持しながら、酸素イオンを伝導することができる。酸素輸送膜では、酸素含有ガス中の酸素が膜のカソード側でイオン化する。酸素イオンは、膜の両側に加えられた酸素分圧の実効比（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｒａｔｉｏ）を起動力として、膜を横切って移動することができる。反対側、すなわち膜のアノード側に現れた酸素イオンは再結合して、膜のカソード側で酸素をイオン化するのに使用される電子を放出する。混合伝導体として知られるある種の材料では、電子は、セラミック内を直接的にカソードに送り返される。複相伝導体では、電子は、金属層又はセラミックス内に配置された電子伝導セラミック相によって伝導される。
【０００４】
酸素輸送膜のアノードに向流（滞留側流れの方向に対し）パージを加えると、膜の長さに沿った酸素分圧が低下し、酸素輸送のための推進力が向上する。これによって、より高い酸素回収、及び／又は、パージしなければ推進力を発生させるのに必要であったかもしれないカソード側ガス及びアノード側ガスの圧縮度を減少させ、加圧で酸素を引き出すことができる、より効率的なサイクルが可能となる。酸素輸送膜のアノード側出口における蒸気の酸素に対するモル比によって、酸素生成物を回収できる最大圧力が決まり、比が大きければ大きいほど可能な酸素生成物の圧力が大きい。残念ながら、アノードにおける酸素分圧を大幅に低下させ及び又は酸素生成物の圧力を高めるには、蒸気の酸素に対する比率を高める必要がある。例えば、滞留ガスすなわちカソード側の空気圧力が１２バールの状態で、カソードすなわち滞留側入り口での酸素分圧は約２．４バールである。ピンチポイントにおける１．５バールの最小酸素分圧比（膜を通過するイオン輸送のための推進力）で、それに対応して必要となる透過物側の酸素分圧は約１．６バールである。例えば酸素を６バールの圧力で取り出すことが所望であれば、蒸気の酸素に対する比率は約（６−１．６）／１．６＝２．７５でなければならない。
【０００５】
加圧下で酸素を回収するためには、蒸気及び酸素から構成される透過生成物流を、冷却水などのヒートシンクで冷却して蒸気を凝縮させる。残念ながら、大量の蒸気を生成させるための熱量が必要であるため、この方法は経済的に魅力のあるものではない。なぜなら、この凝縮潜熱を効率的には回収できないからである。蒸気−酸素混合物をタービン中で膨張させると、酸素は低圧で回収される。続いて加圧の酸素生成物を必要とし酸素を再圧縮する必要がある場合には、このことが問題となる。また、高真空レベルからの酸素圧縮を回避したい場合には、タービン中で回収可能な動力発生エネルギーのかなりの部分が失われる。
【０００６】
例えば米国特許第５，５６２，７５４号では、空気を圧縮し、インライン燃焼器中で加熱している。酸素輸送膜中で空気から酸素を分離し、滞留ガスを生成させている。滞留ガスの流れを、空気圧縮機及び場合によっては発電機を駆動するのに使用されるガス膨張機中で膨張させる。アノード側で蒸気パージを使用し、給水の予熱に使用される酸素生成物含有蒸気を生成させる。例示のサイクルでは、このような予熱の他には凝縮潜熱が回収されず、そこでサイクルに逸散してしまう。米国特許第５，９６４，９２２号では、ポンプで水を加圧し、次いで酸素輸送膜用の蒸気パージとして使用している。透過酸素及び蒸気の双方を含む加圧酸素生成物を水冷又は空冷凝縮器で冷却し、蒸気を凝縮して水にし、再循環できるようにする。その結果、凝縮潜熱は冷却媒体に逸散してしまう。米国特許第５，９５４，８５９号には、酸素輸送膜の透過ガス側を蒸気を含む加圧パージガス流でパージして、酸素及び蒸気を含む加圧ガス流を生成させることが開示されている。得られた流れをタービンに導入し、軸仕事として回収する。従って、もしその後に蒸気又は蒸気の一部が加圧であることを要求される場合には、それに伴なうエネルギーを費やして再圧縮する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
考察されるように、本発明は、生成物流に含まれる蒸気の凝縮潜熱からの仕事の回収を考慮に入れた圧力で酸素生成物流を生成させる、エネルギー効率のよい方法を包含する。本発明の他の有利な態様は以下の考察から明らかになろう
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、酸素含有ガスから酸素を分離し且つ動力を発生させる複合方法に関する。本発明方法によれば、酸素輸送膜ユニットによって酸素含有ガスから酸素を分離し、透過酸素及び酸素希薄化滞留ガスとする。酸素輸送膜ユニットには、少なくとも１個の酸素輸送膜が含まれていて、酸素輸送膜は、高い作動温度で作動し且つカソード側及びアノード側を有する。少なくとも１個の酸素輸送膜のアノード側を、加圧過熱蒸気を含む加圧パージ流でパージする。加圧酸素生成物流を、少なくとも１個の酸素輸送膜のアノード側から排出させる。加圧酸素生成物流には透過酸素及び蒸気が含まれている。酸素生成物流中に含まれる蒸気の凝縮温度よりも低い沸騰温度で沸騰するプロセス流体に熱を移動することによって、加圧酸素生成物中の蒸気の少なくとも一部を凝縮させる。その結果、そのプロセス流体が沸騰し、加圧酸素生成物流内の蒸気の少なくとも一部が凝縮する。凝縮水を加圧酸素生成物流から分離し、プロセス流体からは軸仕事としてエネルギーを取り出す。
【０００９】
好ましくは、酸素輸送膜ユニット内での酸素分離に付す前に、酸素含有ガスを加熱する。酸素希薄化滞留ガスを、インライン燃焼器中で、滞留ガス流に含まれる残存酸素の少なくとも一部によって支持された燃料の燃焼によって加熱し、加熱滞留ガス流を生成させることができる。加熱滞留ガス流からの間接的熱移動によって、酸素含有流の少なくとも一部を加熱する。
【００１０】
酸素含有ガスは空気であってもよく、空気を圧縮して圧縮空気流を形成できる。酸素希薄化滞留ガスからなる滞留ガス流をガス膨張機中で膨張させることができる。また。滞留ガス流を冷却した後にガス膨張機中で膨張させることにより、より低コストの材料の使用を可能にし、その資本コストを低減することができる。次いで、ガス膨張機によって空気圧縮機を駆動し、酸素含有ガスを圧縮できることが好ましい。別法としては、動力出力を増加させるために、滞留ガス流をインライン燃焼器中の燃焼によって更に加熱し、次いでガス膨張機中で膨張させることができる。
【００１１】
圧縮空気流を、第一空気分流及び第二空気分流に分割できる。第一空気分流を加圧酸素生成物流との間接的熱交換によって加熱することができ、第二空気分流を第一空気分流とは別個に加熱する。第一分流及び第二分流を合流させた後に酸素輸送膜に導入する。
【００１２】
酸素含有流から酸素を分離すると、少なくとも１個の酸素輸送膜のカソード側に滞留ガスが生成する。酸素希薄化滞留ガスの少なくとも一部からなる滞留ガス流を酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニットに導入し、滞留ガス流から更なる酸素を分離し、更なる透過酸素を形成できる。
【００１３】
再循環水と必要であれば補充水とから構成される水流を、少なくともパージ回路における圧力低下に打ち勝つに必要な程度までポンプで送り込む。この水流を気化させ、且つ少なくとも部分的に過熱して、加圧流を形成する。第一燃料流を燃焼させ、その燃焼熱を混合水流に移動することによって、この加圧流を気化し、少なくとも一部を過熱する。第二燃料を加圧流中に導入し、加圧流の少なくとも一部を更に加熱し、次いで酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニットに導入すると、燃料は更なる透過酸素と反応し、熱及び燃焼生成物を発生させる。この熱は、燃焼生成物、及び間接的熱移動によって圧縮給気の少なくとも一部を少なくとも部分的に加熱するのに使用できる。好ましくは、燃焼生成物を加圧パージ流に添加して、前記酸素輸送膜のアノードをパージするためのガスの容積を増加させる。これによって、酸素輸送膜のアノードの酸素分圧が更に減少し、また、残存燃料及び酸素輸送膜燃焼器から持ち込まれた部分酸化生成物の完全酸化が可能となる。加圧パージ流を酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニットから取り出す。
【００１４】
酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニットは更なる酸素希薄化滞留ガスを生成する。更なる酸素希薄化滞留ガスからなる更なる滞留ガス流を第一滞留ガス分流及び第二滞留ガス分流に分割できる。第一滞留ガス分流をガス膨張機中で膨張させて前記の空気圧縮機を駆動するための動力を発生できる。第二滞留ガス流を加圧窒素生成物として回収できる。膨張の前にインライン燃焼器内での燃焼によって第一滞留ガス分流を更に加熱できる。第二空気分流の一部を第一滞留ガス分流とインライン燃焼器の上流で合流させて燃料の燃焼を支持し、それによって第一滞留ガス分流に更なる熱及び質量を与えた後に膨張させる。
【００１５】
本発明の任意の実施形態において、プロセス流体は水でよく、加圧パージ流中の蒸気はプロセス流体よりも加圧でよい。次いで、ランキンサイクル中のプロセス流体から動力を取り出すことができ、ランキンサイクルでは、液体凝縮物の形態のプロセス流体をパージ流の圧力よりも低い圧力でポンプで送り込み加圧液体を作り出す。再沸騰器−凝縮器内で、パージ流中の凝縮する蒸気の少なくとも一部との間接的熱交換によってこの加圧液体を気化させる。プロセス流体を過熱し、過熱後に蒸気タービン中でそのプロセス流を膨張させることができる。タービン中で作り出された軸仕事から動力を取り出すことができる。その後、蒸気タービンから排出されるプロセス流体を凝縮させ液体凝縮物（復水）を作り出すことができる。
【００１６】
加圧パージ流は、少なくとも再循環水及び必要なら補充水から構成され、水流を形成することができる。加圧パージ流に燃焼生成物を添加する場合には、燃焼生成物に由来する水によって水の過剰が生じることになり、この過剰を除去する必要があるかもしれない。
【００１７】
水流を気化、過熱し加圧流を形成できる。水流の気化及び過熱に必要な熱の少なくとも一部は過熱ボイラー中での燃焼によって供給される。プロセス流体は過熱ボイラー内での燃焼によって過熱される。
【００１８】
加圧流用の水をポンプで送り込み、気化させ、過熱して加圧流を作り出すことができる。このようにして作り出した加圧流をタービン中で膨張させ、更なる動力を生み出すことができる。膨張後、タービンの排気流としての加圧流を再熱し、少なくとも１個の酸素輸送膜のアノード側をパージするのに使用できる。加圧流は、前記第一空気分流と一緒に酸素生成物流によって間接的に加熱される。膨張してしまった後の加圧流に燃料を添加することができる。そのあと、この加圧流を反応性パージとして酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニットに導入し、熱と燃焼生成物を発生させる。燃焼生成物は、前記の加圧流に含まれる蒸気と一緒になって加圧パージ流を形成し、少なくとも１個の酸素輸送膜のアノード側をパージするのに使用される。
【００１９】
凝縮温度は凝縮器の冷媒の温度で制限されるだけなので、ランキンサイクルの蒸気タービンは約１４．７ｐｓｉよりもかなり低い排気圧で運転できる。前記パージ流を気化させ過熱するための熱の少なくとも一部は膨張機の排気からの熱回収によって供給できる。
【００２０】
本発明では、加圧酸素生成物を単に膨張させて動力を取り出すのではなく、むしろランキンサイクルに熱を供給するために使用するので、水で飽和された加圧酸素生成物を生成させること、又は所望の蒸気／酸素モル比で加圧の酸素−蒸気混合物を生成させることができる。必要な場合には、水分飽和酸素流を通常の手段によって乾燥することができる。蒸気酸素混合物を、石炭ガス化又は自熱改質器（ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｒｅｆｏｒｍｅｒ）などの下流プロセスで使用することができる。生成物を加圧で取り出すと、資本及び莫大なエネルギーを消費する酸素圧縮が削減され又は無用になる。同時に、ランキン蒸気サイクルによってエネルギーを効率的に取り出すことができる。
【００２１】
明細書は、発明者が自ら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によって最終的に結論付けられるが、発明は付属図面と関連させた場合により理解し易いと考えられる。
【００２２】
繰返しを避け、図面に関する考察を簡単にするために、類似の構成要素については異なる図面中でも同一の参照番号を用いて示した。更に、明瞭化する目的で、給水加熱器、給水処理装置、及びエコノマイザー熱交換器など、主要でないプロセス構成要素を図示せずに、全体装置を単純化して示した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１に、酸素含有ガスから酸素を分離し且つ動力を発生させるための、本発明の複合方法を実施する際のプロセス流れ図を開示する。この複合方法には、ランキン蒸気サイクル２と統合された酸素分離装置１が含まれる。この統合によって、水で飽和された酸素生成物３及び参照番号４で示した配送用動力が生じる。
【００２４】
酸素分離装置１については、酸素含有ガス、空気を空気圧縮機１０で圧縮し、圧縮空気流１２を生成させる。圧縮空気流１２を、第一空気分流１４及び第二空気分流１６に分割する。第一空気分流１４は、熱交換器１８中での加圧酸素生成物流２０との間接的熱交換によって加熱される。第二空気流１６は、熱交換器２２中で以後に考察予定の加熱滞留ガス流３２との間接的熱交換によって加熱され、次いで第一空気分流１８と合流する。
【００２５】
次いで、この混合流を酸素輸送膜ユニット２５のカソード側２４に導入する。酸素輸送膜ユニット２５には、膜を通過するイオン輸送によって酸素含有給気から酸素を分離する、１個又は複数のセラミックスの酸素輸送膜が含まれている。酸素含有給気内の酸素はカソード側でイオン化する。酸素イオンは膜を通して膜のアノード側に輸送され、そこで、酸素のイオン化に使用される電子を放出して酸素に再構成される。好ましくは、膜は混合伝導膜であり、酸素イオンと電子の双方を伝導する周知の金属酸化物から、又は、イオン伝導金属酸化物及び電子伝導金属酸化物若しくは金属の複相から構成される。先に触れたように、このような膜は、高温下で、それぞれカソード側及びアノード側の酸素分圧の分圧比を推進力として機能する。膜は、平面状又はチューブ状でよく、厚めの密な壁体又は多孔性基盤で支持された薄膜で形成できる。
【００２６】
酸素輸送膜２５中で酸素を分離し、膜のアノード側２６で酸素に再構成する。酸素を分離することによって、酸素輸送膜ユニット２５のカソード側２４に酸素希薄化滞留ガスが生じる。このようにして形成された酸素希薄化滞留ガスには、若干の酸素ガス、典型的には約３％〜約８％の酸素が含まれている。滞留ガス流２８をインライン燃焼器３０に導入し、滞留ガス流２８中の残存酸素によって燃料の燃焼を支持し、高温滞留ガス流３２を形成する。高温滞留ガス流３２を熱交換器２２に導入し、第二空気分流１６を加熱する。この加熱によって、熱漏出及び熱交換器１８及び２２の冷末端熱損失を補償する。高温滞留ガス流３２は、熱交換器２２で有用な熱を取り出した後、加圧窒素富化流３４として系から排出される。
【００２７】
本発明の実施形態の一つとして、流入する全ての空気をインライン燃焼器３０によって膜の作動温度まで加熱して、セラミック膜ユニット２５をその作動温度まで加熱するのを支持できることは当然である。この点で、例示した実施形態では、大部分をインライン燃焼器３０によって系に加えられた熱によってセラミック膜ユニット２５を高い作動温度に維持する。
【００２８】
再循環凝縮液５６及び漏出補償に必要なら補充水を含む水流３６を、ポンプ３８によって送り込み、燃料及び空気で燃焼している過熱ボイラー４０内に導入し、過熱状態の加圧パージ流４２を生成させる。必要な全ての加熱を空気燃焼過熱ボイラー４０内で実施することも可能であるが、好ましくは、熱交換器１８内で加圧パージ流４２を膜の作動温度近くまで更に加熱する。
【００２９】
加圧パージ流４２によって酸素輸送膜ユニット２５のアノード側２６をパージし、加圧酸素生成物流２０を生成させる。加圧パージ流４２によって酸素輸送膜ユニット２５の酸素輸送膜から透過してきた酸素を吹掃し、アノード側２６の酸素分圧を低下させ、それによって圧縮の必要度を低減させる。実際、本発明の実施形態では、圧縮をほとんど必要としないことも可能である。同時に、加圧蒸気によって加圧化され加圧酸素生成物２０となる。
【００３０】
加圧酸素生成物流２０を、熱交換器１８内で部分的に冷却する。この流れを次いでボイラー凝縮器４４に導入し、含まれていた蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、熱をプロセス流体を沸騰させるのに引き渡す。ランキン蒸気サイクル２では、有利には蒸気から構成されるプロセス流体流４６を、燃料及び空気燃焼している過熱ボイラー４０内で過熱し、蒸気タービン４８内で膨張させ、配送用動力４を得る。好ましくは、プロセス流体流４６を蒸気タービン内で高真空圧力レベル、典型的には０．５〜３ｐｓｉまで膨張させ、動力の生産を最大にする。次いで、プロセス流体流４６を、冷却水又は冷却空気で冷やした凝縮器５０内で液体凝縮物として凝縮させ、次いでポンプ５２を使用して加圧する。加圧後、プロセス流体流４６を再沸騰器−凝縮器４４内で蒸気に変換し、過熱ボイラー４０中で過熱する。加圧酸素生成物流２０は加圧であり、そのため再沸騰器−凝縮器４４内のプロセス流体流４６よりも温度が高く、その結果、加圧酸素生成物の蒸気部分を凝縮させる際の凝縮熱をプロセス流体側に移動させ、ランキンサイクル回路内の水を気化させることができる。
【００３１】
好ましくは、加圧酸素生成物流２０とプロセス流体流４６の温度差を小さく、典型的には約３〜約１０℃に保つ。熱伝達膜係数は沸騰水及び凝縮水で大きいので、温度差を少なくすることによって、大きな資本追加を負担することなしに再沸騰器−凝縮器４４中でのエネルギーポテンシャルの大きな損失を防止できる。米国特許第３，３８４，１５４号に記載されているような多孔性沸騰面、並びに／又は、溝付き沸騰面及び凝縮面など、十分確立された技術によって沸騰水及び凝縮水に対する高い熱伝達膜係数を強化できる。ここで、溝付き沸騰面及び凝縮面は、液体給液又は凝縮物のそれぞれを好ましい溝に引き寄せ、それによって熱伝達領域の主要部分に液体薄膜を用意する液相の表面張力を利用して自己強化されるものである。
【００３２】
液体の水を含むに至った酸素生成物流２０を相分離器５４に導入し、酸素生成物３と水流５６とに分離できる。水流５６には、必要なら補充水流５８を混合して水流３６とすることができる。補充水流５８によって、ランキンサイクル回路からのあらゆる漏出を補償する。本発明の有利な点は、本発明を、制御されたモル比で酸素−蒸気混合生成物が生成するように構成することが極めて容易であることである。下流のプロセスが前以て定めた蒸気含有量を有する酸素−蒸気混合物を必要としている場合には、このことが特に重要になることがある。これに関しては、例示はしていないが、酸素生成物流２０の制御された部分に再沸騰器−凝縮器４４を迂回させ、次いで再沸騰器−凝縮器４４の下流で酸素生成物流２０に戻すことができる。バイパス又は迂回量を制御する場合には、酸素生成物流２０の蒸気含量も制御する。
【００３３】
図２には、本発明による別な実施形態に関するプロセス流れ図を示す。このプロセスでは、既知の酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット６０を利用して更に高純度の窒素流５を生成させる。更に、ガス膨張機６２で空気圧縮機１０を駆動するのに使用できる動力を発生させる。
【００３４】
空気を空気圧縮機１０内で約６〜２０バールに圧縮して、圧縮空気流１２を形成し、それを第一空気分流及び第二空気分流すなわち１４及び１６に分割する。供給空気の主要部分である第二空気分流１６を熱交換器２２ａ及び２２ｂ内で加熱し、次いで酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット６０内で酸素輸送膜ユニット２５の温度より僅かに高い温度、すなわち約７５０℃〜約１０００℃まで更に加熱する。次いで、第二空気分流１６を第一空気分流１４と合流させ、酸素輸送膜ユニット２５のカソード側２４に導入する。
【００３５】
酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット６０には、そのカソード側６５に、熱交換器２２ａ及び２２ｂ内で加熱された後の第二空気分流１６を更に加熱するための熱交換器６４が含まれている。加圧流４２ａを熱交換器１８中で予熱する。更に、加圧流４２ａに、熱交換器１８の前又は後ろで燃料６６を添加し、加圧流４２ａは、熱交換器１８内で加熱した後に酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット６０のカソード側６８に導入される。場合によっては、加圧流４２ａの一部に酸素輸送燃焼器６０を迂回させることができる。
【００３６】
酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット６０には、滞留ガス流２８中の残存酸素を分離するのに有効なセラミックの酸素輸送膜が収められている。アノード側６８内の透過酸素は、燃料を含有する加圧流４２ａ中の燃料と反応し、そのアノード側での酸素分圧を非常に低いレベル、蒸気パージ単独で到達できるよりかなり低いレベルに低下させ、その結果、滞留ガスの残存酸素含有量を非常に低いレベルまで低減させることができる。場合によっては、アノード表面又はその近隣に配置した酸化触媒によってアノード側での反応を高めることができる。好ましくは、酸素の６０〜８０パーセントを酸素輸送膜ユニット２５内で分離し、残りを酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット６０内で分離する。
【００３７】
酸化生成物と一緒に加圧パージ流４２ｂを燃焼脱酸素ユニット６０のアノード側６８から排出し、酸素輸送膜ユニット２５のアノード側２６に導入する。加圧パージ流４２ｂはアノード側２６から酸素をパージする役割を果たし、酸素及び蒸気の他に燃料の燃焼生成物を含有する加圧酸素生成物流２０ａを形成する。前の実施形態と同様、加圧酸素生成物流２０ａを再沸騰器−凝縮器４４に導入すると、大部分の蒸気が凝縮するので、流れ２０ａを直ぐに相分離器５４に導入し、水で飽和され燃料の燃焼に由来する二酸化炭素を含有する酸素生成物流３ａが得られる。これに関して、酸素生成物流３ａは、典型的には溶積で約９０％の酸素と溶積で約１０％の二酸化炭素を含むことができる。酸素生成物は、下流での応用に適合すればそのままで使用可能であり、あるいは既知の方法によって酸素と副生二酸化炭素に分離できる。
【００３８】
滞留ガス流２８を酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット６０に導入し、非常に低濃度の酸素を含む滞留ガス流７０とする。滞留ガス流７０を熱交換器２２ａに導入し、好ましくは、特殊で高価な耐高温性部品を必要としないガス膨張機を使用できるように、約７５０℃まで冷却する。滞留ガス流７０を第一滞留ガス分流及び第二滞留ガス分流、すなわち７４及び７２に分割する。更に、熱交換器２２ｂ内で第二滞留ガス分流７２と第二空気分流１６との間で熱を移動させ、高純度窒素生成物流５を形成する。同時に、第一滞留ガス分流７４を、空気圧縮機１０を駆動するガス膨張機６２内で膨張させ、得られた排気流７６を熱交換器７７に導入し、揚水後の水流３６を予熱及び部分的に気化させることができる。その後続いて、排気流７６を低圧窒素生成物として系外に排出する。熱交換器７７内で部分的に気化させた後の加圧水流３６を、空気燃焼ボイラー４０内で完全に気化させ且つ部分的に過熱し、加圧流４２ａを生成させる。加えて、加圧プロセス流体流４６を空気燃焼ボイラー４０内で過熱する。
【００３９】
本発明の任意の実施形態において、滞留ガスを加圧生成物として部分的に回収すること、及び動力回収を目的として膨張させることができることに注意されたい。
【００４０】
図３について、図２に示したと同様なプロセス流れ図によって本発明の方法を説明するが、本方法の目的は空気及び滞留ガスの膨張によって生じる動力を増加させることである。この実施形態では、補助空気圧縮機８０を準備し、サイクルから抜き取られたガス溶積を補償するために第一空気分流１４と合流させる補助空気流８２を生成させる。更に、滞留ガス流２８の一部８４には燃焼脱酸素ユニット６０を迂回させ、ガス膨張機６２の上流に配置した燃焼器８６に直接流し込む。場合によっては、空気流８８及び９０を、熱交換器２２ｂのそれぞれ前及び後ろで滞留ガス流２８の一部８４に添加し、被膨張物の量を増加させる。図３に示す特定の実施形態では、過熱ボイラー４０ａへの熱入力はガス膨張機６２からの排気流７６内に含まれる熱によってのみ供給される。ガス膨張機６２によって系の空気圧縮機を駆動し、更なる配布用動力を発生させることができる。当然のことであるが、本発明の任意の実施形態において、インライン燃焼器の使用によるタービンの上流への更なる熱の追加、及び系の分離器部分を迂回させた空気を利用できるかもしれない。
【００４１】
図４では、ポンプ３８によって水流３６を約１５〜約６０バールの範囲のより高い圧力に送り込む。次いで、加圧化した後の水流３６を、熱交換器７７及び空気燃焼ボイラー４０で予熱及び気化させ、加圧過熱蒸気からなる加圧流４２ａを発生させる。加圧流４２ａを、蒸気タービン９２内で加圧から中圧まで膨張させ、蒸気タービン９０からの排気を排気流９４として、図２のプロセスと同様、更に加熱し燃料を噴射した後、酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット６０のアノード側６８に導入する。加圧酸素生成物及びランキンサイクル回路のプロセス流体に関する残りの部分は図２に示したものと同様である。加圧流４２ａの過熱度は、タービンで膨張している間に液滴が形成されるのを防止するのに十分なものでなければならない。
【００４２】
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、添付の特許請求の範囲に示した本発明の主旨及び範囲から逸脱することなしに、多くの付加、省略及び変更をなし得ることは、当業者にとって当然理解できることである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明方法を実施するための装置に関するプロセス流れ概略図である。
【図２】酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニットを組み込み、高純度窒素生成物の製造を見込んだ、本発明の他の実施形態に関する概略図である。
【図３】窒素滞留ガス及び空気の混合流をインライン燃焼器に供し、ガス膨張機によってその混合流からエネルギーを取り出す、図２の他の実施形態を示す図である。
【図４】配送用動力を発生させる仕事を行いながら、蒸気パージ流を膨張させる、図２の他の実施形態を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2005507041.tif 000037
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【手続補正書】
【提出日】平成15年7月3日(2003.7.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
酸素分離装置１については、酸素含有ガス、空気を空気圧縮機１０で圧縮し、圧縮空気流１２を生成させる。圧縮空気流１２を、第一空気分流１４及び第二空気分流１６に分割する。第一空気分流１４は、熱交換器１８中での加圧酸素生成物流２０との間接的熱交換によって加熱される。第二空気流１６は、熱交換器２２中で以後に考察予定の加熱滞留ガス流３２との間接的熱交換によって加熱され、次いで第一空気分流１４と合流する。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
図４では、ポンプ３８によって水流３６を約１５〜約６０バールの範囲のより高い圧力に送り込む。次いで、加圧化した後の水流３６を、熱交換器７７及び空気燃焼ボイラー４０で予熱及び気化させ、加圧過熱蒸気からなる加圧流４２ａを発生させる。加圧流４２ａを、蒸気タービン９０内で加圧から中圧まで膨張させ、蒸気タービン９０からの排気を排気流９４として、図２のプロセスと同様、更に加熱し燃料を噴射した後、酸素輸送膜燃焼脱酸素ユニット６０のアノード側６８に導入する。加圧酸素生成物及びランキンサイクル回路のプロセス流体に関する残りの部分は図２に示したものと同様である。加圧流４２ａの過熱度は、タービンで膨張している間に液滴が形成されるのを防止するのに十分なものでなければならない。


【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2005507041.tif 000039
【国際調査報告】
2005507041.tif 000040
2005507041.tif 000041