JP2004533594A

JP2004533594A - Apparatus for combustion of carbon-containing fuel in a nitrogen-free atmosphere and method for operating the apparatus

Info

Publication number: JP2004533594A
Application number: JP2002554435A
Authority: JP
Inventors: ブルウン、トール; グリョンスタド、レイフ; クリスティアンセン、コーレ; ウェルスウィック、ビョルナール; リンデル、ウルフ
Original assignee: Norsk Hydro ASA; Alstom Power Sweden AB
Current assignee: Norsk Hydro ASA; GE Power Sweden AB
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2004-11-04
Also published as: NO20006690D0; NO318619B1; WO2002053969A1; NO20006690L; US20050053878A1; EP1356233A1

Abstract

本発明は、無窒素雰囲気中での炭素含有燃料の燃焼のための装置、および該装置を運転する方法に関する。この装置は、発電プラント（すなわちガスタービン（複数可））と一体化されて、大気への二酸化炭素およびＮＯ_xの放出が低減した、エネルギー効率の良い発電プロセスを得ることができる。さらに、この装置は、吸熱反応を行う化学プラントと一体化され得る。The present invention relates to an apparatus for burning a carbon-containing fuel in a nitrogen-free atmosphere and a method of operating the apparatus. The device can be integrated with a power plant (ie, gas turbine (s)) to provide an energy efficient power generation process with reduced emissions of carbon dioxide and NO _x to the atmosphere. Further, the device can be integrated with a chemical plant that performs an endothermic reaction.

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、無窒素雰囲気中での炭素含有燃料の燃焼のための装置と該装置を運転する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
本装置は、発電プラント（すなわちガスタービン（複数可））と一体化されて、大気への二酸化炭素およびＮＯ_xの放出が低減した、エネルギー効率の良い発電プロセスを得ることができる。さらに、本装置は、吸熱反応を行う化学プラントと一体化され得る。
【０００３】
炭素含有燃料に用いられる従来の燃焼プロセスは、主要な最終生成物である二酸化炭素と水（蒸気）を生成することのほかに、かなりの量の熱（燃焼熱）を発生する。従来の燃焼反応（たとえばメタンと酸素との燃焼反応）、すなわち、
ＣＨ₄＋２Ｏ₂−−＞ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ
は、メタン１ｍｏｌあたり約８０４ＫＪを発生する。
【０００４】
この燃焼プロセスが、たとえば発電プラント（すなわちガスタービン）、または吸熱反応を行う化学プラントと一体化される場合、燃焼プロセスによる総エネルギー損失が可能な限り低いことが重要である。
【０００５】
さらに、ＣＯ₂とＮＯ_xの環境側面により、大気へのこれらの成分の放出が従来のプロセスに比してかなり低減されることが重要である。従来の燃焼プロセスは、燃料ならびに適用される燃焼および熱回収のプロセスに応じて３％〜１５％の濃度のＣＯ₂を有する排ガスを生成する。濃度がこのように低い理由は、空気が約７８容積％の窒素を含んでいるからである。空気中での高温燃焼プロセスでは、窒素は、酸素と反応して環境有害ガス汚染物質ＮＯ_xを生成する。
【０００６】
大気への二酸化炭素の放出を減らすには、排ガスから二酸化炭素を分離するか、あるいは、種々の化学プロセスでの使用に適した、またはたとえば長期間堆積の地質学的形成物（geological formation）での噴射に適した、またはオイル貯蔵槽からのオイルの回収を高めるのに適したレベルに排ガスの濃度を上げることが必要となる。
【０００７】
ＣＯ₂は、いくつかの分離プロセス、たとえば化学的活性分離プロセス、物理吸着プロセス、分子ふるいによる吸着、膜分離、および極低温技法によって、冷却排ガスから除去され、通常は、気圧に近い圧力で排出され得る。化学吸着（たとえばアルカノールアミンによる）が、排ガスからＣＯ₂を分離するのに最も実用的で経済的な方法であると見なされている。これらの分離プロセスは、エネルギーを消費し、重くてかさばる装置を必要とする。これらの分離プロセスは、発電プロセスとともに適用されるため、電力出力が１０％またはそれ以上減ることになる。
【０００８】
種々の化学プロセスでの使用に適した、またはたとえば長期間堆積の地質学的形成物での噴射に適した、またはオイル貯蔵槽からのオイルの回収を高めるのに適したレベルに燃焼反応からの排ガス中のＣＯ₂の濃度を上げることは、空気の代わりに純酸素で炭素含有燃料を燃焼させることによって可能である。
【０００９】
純酸素を生成するために適用される商業的空気分離方法（たとえば極低温分離または圧力スイング吸着（ＰＳＡ：圧力変動吸着））は、２５０〜３００ＫＷｈ／トンの生成酸素が必要である。これらの方法は、酸素を燃焼プロセスにガスタービンサイクルで供給するのに用いられる場合、ガスタービンサイクルによる正味電力出力が少なくとも２０％低減するであろう。極低温ユニットでの酸素生成の費用は、生成される電力の価格を実質的に上げることになり、電力コストの５０％ほどの総額となる。
【００１０】
しかしながら、これらの分離方法よりも要求されるエネルギーが少ない方法が、欧州特許出願６５８３６７−Ａ２から知られている。この特許出願は、ガスタービンシステムと一体化される混合伝導膜（ＭＣＭ：mixed conducting membrane）の適用例を記載しており、ここでは膜が加熱空気流から酸素を分離する。
【００１１】
混合伝導膜（ＭＣＭ）は、イオン伝導率および電子伝導率の双方を有する材料からなる膜として定義される。この膜は、酸素を選択的に輸送（transport：移送）する。膜による駆動力は、酸素分圧間の対数関係、すなわちｌｏｇ（ｐＯ₂（Ｉ）／ｐＯ₂（ＩＩ））に比例する。ここで、（Ｉ）は膜の酸素送出側（空気）を表し、（ＩＩ）は膜の酸素受取側を表す。酸素の高輸送率（流束）を保つために、酸素受取側に低い分圧がかかっている状態に保つことが重要である。
【００１２】
したがって、たとえばＵＳ５５６２７５４およびＮＯ−Ａ−９７２６３２において記載されているように、この膜プロセスの効率をさらに高めるために、掃引ガスを適用して、膜の酸素受取側にかかる酸素分圧を減らすことによって、膜を通る酸素流束を増加させる。
【００１３】
燃焼プロセスにおいて酸素供給側として適用される場合の混合伝導膜（ＭＣＭ）を実際に利用する場合、以下の判定基準が不可欠である：
ａ）酸素分圧間の対数関係、すなわちｌｏｇ（ｐＯ₂（Ｉ）／ｐＯ₂（ＩＩ））として表される、膜による酸素輸送の駆動力は、高レベルで保たれる必要がある。
ｂ）膜は、高い温度レベル（＞６００°Ｃ）で動作して、十分な酸素流束が膜を通るようにする必要がある。したがって、膜と接触している空気または任意の他のガスは高温でなくてはならない。
【００１４】
膜による駆動力が膜の酸素受取側で高レベルの酸素に保たれるよう保証するには、以下のようにされる必要がある：
ｉ）掃引ガスを適用することにより膜表面から離して輸送される、または
ｉｉ）酸素受取側での直接の化学反応（たとえば燃焼プロセス）により消費される。
【００１５】
このことは、無窒素雰囲気中でエネルギー効率の良い燃焼を行うべき装置は、上述したように、プロセス条件下で動作するように設計されなければならないことを示唆している。したがって、このような装置、および、従来技術には記載されていない、該装置を運転する方法が依然として必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の主要な目的は、無窒素雰囲気中での炭素含有燃料の燃焼を達成するのに有効な装置を提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、高濃度のＣＯ₂および低濃度のＮＯ_xを有する排ガスを結果としてもたらす燃焼プロセスを達成するのに有効な装置を提供することである。
【００１８】
本発明の別の目的はさらに、上記装置を運転するための方法を提供することである。
【００１９】
本発明のさらなる別の目的は、エネルギー効率の良い発電のためのプラントおよび方法を提供することである。
【００２０】
本発明のさらなる別の目的はさらに、大気への二酸化炭素およびＮＯ_xの放出が低減した、発電のためのプラントおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者らは、上記の目的は、１つまたは複数の混合伝導膜モジュール、１つまたは複数の熱交換モジュール、および１つまたは複数の燃焼室がエンクロージャを画定する中空シェル（圧力容器）内に収納されている装置を用いることで果たされることを見出した。この装置はさらに、発電プラント内のガスタービン（複数可）と一体化され得る。この装置はまた、吸熱反応を行う化学プラントと一体化されたり、それにより吸熱反応に必要な熱を供給することができる。
【００２２】
本発明による装置において用いられる混合伝導膜（複数可）（ＭＣＭ）は、上述した条件（ａ）および（ｂ）で、酸素送出ガス（たとえば空気）から酸素受取ガスに酸素を輸送する。酸素受取ガスは、酸素送出ガスよりも低い酸素分圧を有する。酸素受取ガスに炭素富化燃料（たとえば天然ガス）を加えると、酸素と加えられた燃料との間に、熱が発生する燃焼反応が起こる。
【００２３】
純酸素での天然ガスの燃焼は、２つの主要な生成物である二酸化炭素と水（蒸気）を含有する排ガスを生成する。本発明によれば、排ガスは、酸素受取ガスとして用いられる。酸素が豊富なガス流（すなわち酸素富化排ガス）は、燃焼室に給送されて、燃焼反応の際に酸化剤として利用される。したがって、環境的に有害なＮＯ_xガスの生成が回避される。
【００２４】
燃焼反応により生成される熱エネルギーは、熱交換器（複数可）によって、ＭＣＭモジュール（複数可）に供給される空気を加熱するとともに、ＭＣＭモジュール（複数可）を出てゆく無酸素空気を加熱するのに用いられてから、発電タービン、または吸熱反応を行う化学プラントに入ることができる。
【００２５】
したがって、膜に給送される空気流は中にＣＯ₂またはＮＯ_xを生成することなく加熱される。燃焼反応では、ほぼ全ての酸素が消費され、したがって、その時点で非常に低い酸素分圧を有する排ガスは、酸素を取り込む掃引ガスとしてＭＣＭへ再循環させられてから、燃焼室に再度入ることができる。このようにして、連続燃焼が得られる。排ガスから、流出流を引き出して、加えられた燃料と受け取った酸素との平衡を保ち、大量蓄積を防止する。上昇した圧力および温度で装置を出てゆくこの流出ガスはまた、発電システム（タービン）に給送され得る。タービンでは、流出ガスの圧力は減少し、さらに冷却されて、ほぼ全ての蒸気を凝縮して水にする。したがって、ガス流は主として二酸化炭素から構成される。この二酸化炭素ガス流は、地下槽、帯水層とすることもできる槽、あるいはガスまたはオイル貯蔵槽内への噴射を可能にさせる圧力にまで圧縮される必要がある。これらの槽は、長期間堆積を保証するよう適したものとなっている。
【００２６】
上述したように、排ガスは、掃引ガスとして用いられて、膜モジュール（複数可）において酸素を取り込み、燃料が加えられた１つまたは複数の燃焼室に酸素を輸送する。排ガス中に発生した熱は、効率的な方法で、および掃引ガスと空気との間の漏れが防止されるかあるいは許容可能なレベルにまで最小にとどめられるようにして、空気流に輸送される。
【００２７】
さらに、本発明者らは、ＭＣＭモジュールおよび／または熱交換モジュールとして複数プレートまたは複数チャネルの構造を用いることによって、非常に効率的な装置が得られることを見出した。複数チャネル構造は、それらが１つの部品（すなわちモノリス（monolith：一体部材））に押出成形され得るため、１つの部品で大きな表面積が得られるということにより、最も有利であることが見出されている。最も好ましくは、熱交換モジュール（複数可）およびＭＣＭモジュールはいずれも、本プロセスの条件（大気、温度、および圧力）に耐えることが可能なセラミック材料からなる。
【００２８】
このような構造（特に、１０ｍｍより小さいチャネル直径を有する構造）は、非常に大きな表面積／単位体積を呈する。米国特許第４２７１１１０号に記載されているように、入口スロットのそばにチャネルを１列（row）置きに作製する（prepare）ことによって、チャネルの１列置きに簡素化されたマニホールドシステムが得られるため、空気側と酸素受取側との間の漏れ率の確率が低くなる。
【００２９】
熱交換および／または酸素移動（transfer）（ＭＣＭモジュールを用いた場合）について考えられ得る最大の表面積を得るために、チャネルは非常に小さいものとし、すべての空気チャネルは、他方のガス（すなわち掃引／排ガス）により包囲されている（すなわち共通の壁を有する）ものとする。そのような構成は、各隣接のチャネルに２つのガスを導く（マニホールディング）ための非常に複雑なシステムを必要とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、このような複数チャネルのモノリス構造は、ＭＣＭモジュールが２つの熱交換モジュール間に設置されるようにして、ともに接続または連結される。さらに、これらのモジュールは、圧力容器（以下に反応器として定義される）内に設置される。このようなシステムは、ＭＣＭが、システムに給送された空気流の温度よりも高く、かつ燃焼温度（すなわち、燃焼室からの排ガス温度）を下回る規定温度で動作することができるよう保証する。
【００３１】
本発明の別の重要な特徴は、２つのガス流のフローパターンである。第１のガス流（空気流）は、モノリス構造のチャネル（すなわち熱交換器およびＭＣＭ）の方向に対し長手方向に従う、反応器の入口から出口への流れを有する。このことは、このガスが短い端部から開チャネルに出入りし、開空間またはそれらの端を接続している閉構造を介して流れることを意味する。第２のガス流は、モノリスの側部スロットに出入りする流れ方向を有し、バイパス空間またはコネクタを通って、隣接するモノリス構造の側部スロットに流れる。これらのバイパス空間は、第１のガスの内部開空間を包囲している。
【００３２】
このようなガスフローシステムでは、ガスのうちの１つ（ここでは第２のガス）が漏れて、反応器の全ての利用可能な空間または「空の」空間を塞ぐことになる。したがって、第１のガスのみが、モノリス構造の間の内部結合コネクタに配置された第２のガスに対して（反応器の「空の」空間に対してではない）密閉されることで、ガス密閉の要件が低くなる。
【００３３】
この特徴は、制御されるガス漏れが反応器室の内部の圧力を増加し、かつ均一にするのに必要であり、ガスのうち１つのみを漏れさせて混合を阻止するので、非常に重要である。この制御される必要な漏れ（controlled and necessary leakage）は、第２のガスのバイパスコネクタに対して規定された漏れ率の柔軟な密閉を可能にする。接続部品／モノリス構造において熱応力を回避する柔軟性は、致命的な亀裂を防止するのに非常に重要である。
【００３４】
モノリスチャネルの内部のガスとほぼ同じ圧力のガスを反応器に充填することにより、反応器の外部圧力シェルのみがプロセスの絶対圧力または全圧力に耐えればよい。したがって、モノリス壁にかかる圧力は、２つのガス（図３のガス１およびガス２）間の差圧に耐えるように低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の範囲および本発明の特定の特徴は、併記の特許請求の範囲によって定義される。
【００３６】
本発明は、以下の図面においてさらに説明され考察される。
【００３７】
図１は、プロセス流および重要なプロセスユニット（Ｈ−０１）、（Ｘ−０１）、（Ｈ−０２）、（Ｆ−０１）、および（Ｉ−０１）が示されている、本発明による装置の主要な略図を示している。ユニットはすべて反応器圧力シェル（この例では装置のシェルと同一である）の内部に設置されている。この図は、酸素含有ガス流（ここでは空気）が、コンプレッサを介して導かれることを示している。圧縮空気流（ＡＮ−０３０）は、さらに熱交換モジュール（Ｈ−０１）に給送され、この熱交換モジュールにおいて加熱され（ＡＮ−０５０）てから、混合伝導膜モジュール（Ｘ−０１）（mixed conducting membrane modules）に入り、この混合伝導膜モジュールにて酸素が空気流から分離される結果、無酸素空気流（ＡＬ−０１０）がもたらされる。無酸素空気流（ＡＬ−０１０）は、熱交換器（Ｈ−０２）に入り、さらに加熱されてから、装置を出る（ＡＬ−０２０）。無酸素空気流（ＡＬ−０２０）は、発電タービンまたは吸熱反応を行う化学プラントに給送され得る。掃引ガス（ＥＧ−０２０）は、ＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）に供給され、膜の酸素受取側で酸素を取り込み、熱交換モジュール（Ｈ−０１）を介してさらに輸送される。次に、酸素富化ガス流（oxygen rich gas stream）（ＥＧＯ−０３０）が増圧器（Ｉ−０１）内で加圧されてから燃焼室（Ｆ−０１）に入る。燃料（ＮＧ−０１０）が加えられて燃焼させる燃焼室（Ｆ−０１）は、この例では反応器圧力シェルの内部に設置されている。燃焼ガスすなわち排気（ＥＧ−０１０）は、燃焼室（Ｆ−０１）での燃焼によりその時点でほとんど酸素がなくなっている。
【００３８】
高温の燃焼生成物すなわち排ガス（ＥＧ−０１０）の一部は、流出流（ＥＧ−０４０）として取り出されて、反応器内での大量蓄積を防止し、生成ガスの残りは、熱交換モジュール（Ｈ−０２）に給送され、膜の動作温度まで加熱される。膜モジュールでは、ガス流（ＥＧ−０２０）は、掃引ガスとして作用している。高温の酸素富化掃引ガス流（ＥＧＯ−０２０）は、熱交換モジュール（Ｈ−０１）に給送されて、流入するガス流（ＡＮ−０３０）を加熱する。加熱された空気流（ＡＮ−０５０）は、ＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）の動作温度でＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）に入る。増圧器（Ｉ−０１）は、掃引ガスループでの循環を促進させ、連続燃焼を保証するように設置される必要がある。図１では、この増圧器は、高圧（ＨＰ）蒸気の噴射により駆動されるジェットポンプである。ジェットポンプは、動く部品がないという利点があり、非常に高い温度に耐えることのできる材料（すなわちセラミック）で形成され得る。発電について、無酸素ガス流（ＡＬ−０２０）および流出ガス流（ＥＧ−０４０）がガスタービンに給送されて発電し得る。主要な燃焼生成物（ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ）を含有する流出ガス（ＥＧ−０４０）は、高温（すなわち燃焼ガス温度）を有する。流出ガス流から直接発電させるには、ＣＯ₂とＨ₂Ｏの混合物を処理することが可能なガスタービンが必要とされる。このような流出流についての代替的な別の発電は、従来の蒸気タービンが用いることができる温度（＜５５０°）にガスを冷却することである。これは、水を流出流（ＥＧ−０４０）に噴射することによって、あるいは流入する「低温の」空気流（ＡＮ−０３０）との熱交換によってなされ得る。
【００３９】
図２は、増圧器（Ｉ−０１）および燃焼室（Ｆ−０１）が反応器圧力シェルの外部であるが装置のシェルの内部に取り付けられている、本発明による装置の別の実施形態を示している。この特徴は、装置の構造を単純化するのに寄与している。反応器の外側に増圧器（Ｉ−０１）および燃焼室（Ｆ−０１）を設置することの利点は、メンテナンス作業を容易にし、冷却装置を利用することを可能にさせることである。したがって、この図で想定されるように、回転圧力が増す機械を増圧器（Ｉ−０１）として用いることができる。この実施形態における流路は、図１に示す実施形態におけるものと同じである。唯一の違いは、高圧（ＨＰ）蒸気が噴射されない（ジェットポンプが使用されないため）ことであるが、このことが主要なフローパターンを修正することはない。図１に示すように、高圧（ＨＰ）蒸気を噴射することにより、プロセスの正味発電効率が低下するため、効率に関して、図２に示すような回転機械がより有益である。
【００４０】
燃焼室が外部にあることはまた、燃料（ＮＧ−０１０）噴射システムを単純化し、図８に示すように装置をスケールアップすることを容易にさせる。
【００４１】
図３は、好ましくは熱交換モジュールおよび膜モジュールの双方として用いられる、本発明による複数チャネルのモノリス構造を示している。上述したように、そのような構造は、主として製造方法が単純であるため有利である。しかしながら、本発明は、かかる構造の適用例のみに限定されず、他の構成（たとえばプレート）を代替形態とすることができる。
【００４２】
図３によれば、図１および図９におけるように流れの表記（stream notation）を用いて、ガス１は、モノリス構造がモジュール（Ｈ−０１）である場合にはガス流（ＡＮ−０３０）および（ＡＮ−０５０）を表し、モノリス構造がモジュール（Ｘ−０１）である場合にはガス流（ＡＮ−０５０）および（ＡＬ−０１０）を表す。モノリス構造がモジュール（Ｈ−０２）である場合、ガス１はガス流（ＡＬ−０１０）および（ＡＬ−０２０）である。
【００４３】
ガス２は、モジュールが（Ｈ−０１）である場合にはガス流（ＥＧＯ−０２０）および（ＥＧＯ−０３０）を表し、モジュールが（Ｘ−０１）である場合にはガス流（ＥＧＯ−０３０）および（ＥＧＯ−０１０／０２０）を表し、モジュールが（Ｈ−０２）である場合にはガス流（ＥＧ−０２０）および（ＥＧ−０３０）を表す。
【００４４】
ガス１は、チャネルを通って直線路に沿い、したがって常時、開チャネル行（row）に給送され、またモノリス端での開チャネル行から出される。ガス２（通常は掃引ガス）は常時、モノリス構造の側壁の開口スロットに供給され、そこから出される。これらのモノリス構造は、好ましくは押出成形により形成されるので、全てのチャネルが同じ長さを有する。ガス２の入口スロットおよび出口スロットは、図３に可視化したようにチャネルを１列置きに機械加工することによる押出成形後に形成されなければならない。好適な深さまで機械加工した後、開チャネル行（機械加工により形成される）は、側部スロットに対し十分な開口領域（ガス２のための入口および出口）が保たれるように密閉により閉じられる必要がある。
【００４５】
複数チャネルのモノリス構造の内外に２つの異なるガスを導くマニホールドシステムにおいて漏れを防止する問題は、記載され図３に示したようにこれらの入口および出口スロットを形成することによって最小にとどめられる。
【００４６】
本発明によれば、１０ｍｍよりも小さいチャネル直径を用いる。１ｍｍ〜８ｍｍの直径が好ましい。
【００４７】
図４は、燃焼室および増圧器が反応器シェルの外側に取り付けられている図２に記載の反応器の一実施形態を示している。この図では、掃引ガス流の入口（ＥＧ）および出口（ＥＧＯ）のための、ならびに空気流（ＡＮ）の入口および無酸素空気流（ＡＬ）の出口のための接続フランジが示されている。反応器の内部に、これらの空気流の流路が点線で可視化されている。熱交換器（Ｈ−０１）、ＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）、および出口熱交換器（Ｈ−０２）は、熱交換器（Ｈ−０１）、ＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）、および出口熱交換器（Ｈ−０２）間のコネクタによってともに固定されている。これらのコネクタは、好ましくはガラス密閉されてから反応器に取り付けられて、漏れがないように保証し、したがって、全部品が１つになる（すなわち合わせて密閉される）。加熱の間、この部品全体は膨張可能となる必要がある。このことは図７にさらに記載する。
【００４８】
図５は、ＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）と熱交換器（Ｈ−０１／Ｈ−０２）の間のコネクタについての代替的な形状を示している。このようにして、図示のように各種構成部品により、熱交換器（Ｈ−０１）とＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）ならびにＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）と熱交換器（Ｈ−０２）は、互いに接続かつ密閉され得る。最も重要な点は、内部ガス（すなわち、図３において説明したガス１（好ましくは空気））と外部ガス（すなわち、図３において説明したガス２（好ましくは掃引ガス））との間に漏れのない密閉を有することである。
【００４９】
図６は、燃焼室（Ｆ−０１）ならびに増圧器（Ｉ−０１）が反応器の外部に設置されている図２における例示による装置の一実施形態を示している。燃料（ＮＧ）は、増圧器（Ｉ−０１）に先立って低温ゾーンに噴射され、酸素富化掃引ガス（ＥＧＯ）との良好な混合を確実にしてから、燃焼室（Ｆ−０１）に入る。温度が低過ぎるため、燃焼は少なくとも部分的に触媒によって促進され得る。熱交換器（Ｈ−０１）を出る掃引ガス流（ＥＧＯ）は、空気流（ＡＮ）によって冷却され、増圧器（Ｉ−０１）に入る前に温度が最低となる。掃引ガス流（ＥＧＯ）の圧力は、増圧器（Ｉ−０１）によって増加してから、反応器の外部の燃焼室（Ｆ−０１）に入る。燃焼室（Ｆ−０１）では、掃引ガス流（ＥＧＯ）中の酸素が、加えられた燃料と反応し、燃焼が得られる。この燃焼の際、ほぼすべての酸素が消費される。したがって、主として反応生成物（ＣＯ₂およびＨ₂Ｏ）を含有する排ガス（ＥＧ）は、低濃度の酸素を有する。排ガス（ＥＧ）は、反応器を出た無酸素空気流（ＡＬ）を加熱している第２の熱交換器（Ｈ−０２）に入る。
【００５０】
次に、排ガス（ＥＧ）は、第２の熱交換器（Ｈ−０２）において無酸素空気流（ＡＬ）により幾分冷却されてから、膜モジュール（複数可）（Ｘ−０１）に入る。膜モジュール（Ｘ−０１）では、排ガス（ＥＧ）は、空気側から膜壁を介して輸送される酸素を取り込む掃引ガスとして作用する。次に、膜モジュール（Ｘ−０１）を出た酸素富化掃引ガス（その時点では掃引ガス流（ＥＧＯ）と呼ばれる）が、第１の熱交換器（Ｈ−０１）に入り、この第１の熱交換において空気流（ＡＮ）が加熱され、掃引ガス流（ＥＧＯ）が冷却される。このようにして冷却された酸素含有掃引ガス（ＥＧＯ）は次に、増圧器（Ｉ−０１）を介して燃焼室（Ｆ−０１）に戻り、それにより排気／掃引ガスループが得られる結果、連続燃焼が促進される。
【００５１】
酸素富化掃引ガス（ＥＧＯ）または排ガス（ＥＧ）のいずれかから、流出ガスを取り出して、空気からの酸素移動および燃料の添加に起因する、掃引ガスループ内の大量蓄積を防止する。流出ガス出口の例は、図８−１および図９−１に示す。
【００５２】
図６には、反応器の個々の構成部品の一部も示されている。
【００５３】
図７は、本発明による装置のさらに詳細な実施形態を示している。
【００５４】
反応器圧力容器（reactor pressure vessel）１は、低温熱交換器９、高温熱交換器１９、およびＭＣＭモジュール１５を含む。したがって、すべての他の部品は、これらのユニット９、１５、および１９の周囲に組み立てられており、これらによって、良好な熱輸送（掃引ガス／排ガスから空気への）および酸素輸送（空気から掃引ガスへの）を保証する。部品８、１４、および１８を用いて、熱交換器およびＭＣＭモジュールの外壁において円形状にして、密閉の複雑さを減らすよう保証する。これらの部品はまた、熱交換器８および１８またはＭＣＭモジュール１４として使用され得るようにして、チャネルを有して形成され得る。個々の部品１０、１１、１２、および１３はともに嵌合し、図５−３に示すように低温熱交換器９とＭＣＭモジュール１５との間に接続を形成する。同じようにして、個々の部品１６、１７、２０、および２１は、ＭＣＭモジュール１５と高温熱交換器１９との間に接続を形成する。連結部品１１は、好ましくはユニット９および１５と両端でガラス密閉され、部品２１は１５および１９と密閉される。したがって、連結部品１１の材料は、ユニット９および１５の双方の熱膨張に適さなければならず、部品２１の材料は、ユニット１５および１９の熱膨張に適さなければならない。一オプションは、これらの連結部品１１および２１を、ユニット９と接続される連結部品１１の端部の材料がその熱膨張に適し、連結部品１１の他端が部品１４の熱膨張に適するように、材料の組合せの漸次的な変化により押出成形することである。同じようにして、部品２１もまた、熱膨張がユニット１５および１９の双方の材料に合い、亀裂を防止するようになされ得る。空気のための入口プレナム空間と同様に、ユニット７は、低温熱交換器９とガラス密閉されて、漏れを最小にとどめるよう保証し得る。したがって、ユニット７の材料もまた、低温交換器９の熱膨張に適する必要がある。同じように、無酸素空気のための出口プレナム２３は、ユニット１８および１９とガラス密閉されるため、熱膨張の際にユニット１８および１９と適合する材料からなる必要がある。部品７は、可撓性シーリング５に嵌合することをより容易にさせるように円形状（パイプ）からなる入口端部（空気が流入する）にある。このことは、それぞれ出口プレナム２３（無酸素高温空気の）に対してもなされる。ここでもまた、入口と同じように、リングシーリング２４が図示されている。図７に示すように垂直配向の場合、下方の可撓性シーリングは必要とされ得ない。この端部は固定されたり、熱膨張がシール５の可撓性により上端に生じることが可能である。したがって、少なくとも１つの端部において、長手方向の膨張を可能にするシーリングを有する必要がある。本発明では、このことは、入口および／または出口コネクタ４および２５を円形状（パイプ端）にデザインすることで解決される。このようにして、可撓性シーリングを有することが容易になる。可撓性シーリングリング５および２４は、耐熱材料（セラミックまたは金属）からなる必要がある。他の可撓性「パイプ」シーリング系も可能である。
【００５５】
入口パイプ４および出口パイプ２５は、製造を単純化するために同じ形状を有し得る。入口パイプ４は、ユニット７によって形成されるとともに可撓性シーリング５を取り付けることができるように形成される入口プレナムに空気流を導く。入口パイプ４は、最も好ましくは、高温の入口空気と、圧力容器シェルに接続された外側金属パイプとの間の熱障壁またはライニングとして作用もする材料からなる。このことは、高温端における出口パイプ２５に対し特に重要である。排気／掃引ガスと、圧力容器のフランジ付き入口／出口金属パイプとの間の熱障壁またはライニングとして作用する部品６および２２も示されている。
【００５６】
高温の内部部品と、圧力容器の外部金属壁またはシェルとの間に熱障壁および断熱材３も示されている。外部圧力シェル内を低温（＜５００°Ｃ）に保つことにより、熱損失を低減させ、一般によく用いられる工業材料（すなわち炭素鋼）から圧力シェルを形成することが可能となる。温度を低くすることにより、壁厚、ひいては装置の総重量も減る。このことは、沿岸での設置にとって重要である。
【００５７】
部品３は、内部部品のための支持体として作用することができる形状およびそのような材料で形成される。２は、内壁（圧力シェル）および部品３との間の可撓性材料層であり、熱膨張により引き起こされる何らかの動きを許容する。
【００５８】
図８−１は、装置がガスタービンと一体化された、本発明による装置の一実施形態を示している。
【００５９】
図８−２は、複数の反応器が共通の燃焼室を有する、反応器をガスタービンと一体化させた別の実施形態を示している。
【００６０】
本発明によれば、図８−１に示すように、１つまたは複数の反応器ユニットがともに連結され、共通の燃焼室を共有する。これにより、図８−２に示すように、標準サイズの反応器をともに一体化または連結することで総電力出力を増大（スケールアップ）することによって、費用効率的な生産が可能になる。たとえば、図８−１に示すようにプラント内の単一の装置が１０ＭＷの電力を生産している場合、図８−２に示す、単一の標準反応器と同じサイズの６つの反応器を有するプラントは、約６０ＭＷの電力を生産することになる。
【００６１】
図８−１には、流出流を排出するための２つの異なる代替形態が示されている。１つの代替形態（代替１）は、掃引ガスループの低温部品から流出流を排出することである。流出流は、蒸気タービンに直接送られることを可能にする温度を有する。代替１で示したように取り出される流出流は酸素を含有しているため、このプロセス流は、無窒素雰囲気中でのさらなる熱発生のために、吸熱プロセスの熱源として用いることができる。代替形態２（代替２）では、流出流は燃焼後に排出されるためほとんど酸素がなく、高い温度レベルである。蒸気タービンを使用して、蒸気からの発電を高める場合、温度を下げなくてはならない、すなわち水を噴射することによって下げなくてはならない。流出流は、掃引ガス流のループのいずれかのところで排出され得る。図８−１には、入口空気パイプ（コンプレッサから反応器への）が、出口リーンエアパイプ（反応器からタービンへの）よりも長く示されている。このことは、入口空気流に比して出口酸素リーンエア流の温度の方が高いために有利であると分かった。
【００６２】
図９−１は、各種ガス流の流れ方向を有する本発明による装置を示している。この図は、酸素含有ガス流（ＡＮ−０３０）（好ましくは圧縮空気流）が、熱交換モジュール（Ｈ−０１）に給送され、この熱交換モジュールにおいてガス流が加熱されてから、混合伝導膜モジュール（Ｘ−０１）に入ることを示している。酸素は、膜壁を通して輸送され、掃引ガス流（ＥＧ−０３０）によって取り込まれる。酸素富化掃引ガス流は、混合伝導膜モジュール（Ｘ−０１）を出た時点で、（ＥＧＯ−０１０）と呼ばれる。
【００６３】
総燃料（ＮＧ−０３０）の一部は、混合伝導膜モジュール（Ｘ−０１）と熱交換モジュール（Ｈ−０１）との間に配置された追加の燃焼室（Ｆ−０２）における流れ（ＥＧＯ−０１０）と混合し、この燃焼室での燃焼から発生した熱が流入する空気を加熱するために熱交換器（Ｈ−０１）に供給される。本発明は、図６において説明されるように、この燃焼室（Ｆ−０２）なしで作用することを重要視する必要がある。この実施形態の場合、熱交換器（Ｈ−０１）に入る掃引ガス流（ＥＧＯ−０２０）は、蒸気（ＥＧＯ−０１０）よりも温度が幾分高く、酸素濃度が幾分低い。したがって、掃引ガス流（ＥＧＯ−０２０）が熱交換器（Ｈ−０１）に供給されて、ＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）へ流入する空気を加熱するようにする。熱交換器（Ｈ−０１）を出た掃引ガス流（ＥＧＯ−０３０）はその時点で温度が最低であり、反応器の外部にある、燃料（ＮＧ−０２０）の大半が燃焼される主燃焼室（Ｆ−０１）に供給される。増圧器（Ｉ−０１）は、主燃焼室（Ｆ−０１）の入口近くに設置される。増圧器（Ｉ−０１）によって高められた、掃引ガス流（ＥＧＯ−０３０）から（ＥＧＯ−０４０）への圧力増加は、掃引／排ガスループ内の循環を保証するものである。
【００６４】
高温の排ガス（ＥＧ−０４０）の一部は、流出流として排出されて、排気／掃引ガスループ内の大量蓄積を防止する。原理上、流出ガス流（ＥＧ−０４０）は、掃引ガスの循環ループのいずれのところでも排出され得る。たとえば、流出ガス流は、低温端に排出され、掃引ガス流（ＥＧＯ−０３０）から、蒸気タービンに直接送られる。排ガス（ＥＧ−０２０）は、高温熱交換器（Ｈ−０２）を介して膜モジュール（Ｘ−０１）に給送される。ガス流（ＥＧ−０３０）は、掃引ガスとして作用する際に、空気側から膜を介して輸送された酸素を受け取り、その酸素を燃焼室へさらに輸送する。したがって、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏが豊富な大気中のＯ₂との炭素富化燃料の連続燃焼を有する閉ループが得られる。
【００６５】
図９−２は、プレナム入口７およびプレナム出口２３、熱交換器（Ｈ−０１）および（Ｈ−０２）、ならびにＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）が１つの密閉ユニットにどのように内蔵され得るかを示している。これは、空気流と掃引ガス流との間の漏れを最小にとどめるのに寄与する、２つの主流である空気流と掃引ガスの流れ方向または流路である、本発明の重要な一特徴を示すものである。空気流は、直線の流れを有し、熱交換器（Ｈ−０１）および（Ｈ−０２）とＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）との間の内部の閉空間を介して直接流れ、掃引ガス流は、熱交換器（Ｈ−０１）、ＭＣＭモジュール（Ｘ−０１）、および熱交換器（Ｈ−０２）の開口した側部スロットに流出入する。反応器の内部に圧力の増加を確保するために、掃引ガスは、反応器のオープンスペースに充填されることが可能であるものとする。これにより、外部反応器シェルのみがプロセスの全圧に耐えるように設計されればよいことが保証される。
【００６６】
さらなる利点は、空気側と掃引ガス側との差圧が低い（＜５バール）ことであり、好ましくは、掃引ガス側にかかる圧力が幾分高くなっている。このことは、空気流と掃引ガス流との間に漏れがある場合、漏れの方向が掃引ガス側（ＣＯ₂およびＨ₂Ｏ）から空気側への方向であることを保証する。この漏れの方向は、特に環境的観点から、空気が燃焼ループ（掃引ガス）内へ漏れる場合よりも害が少ない。燃焼ループ（掃引ガスループ）内への窒素（空気）の漏れの場合にはＮＯ_xガスが生成され得るからである。
【００６７】
さらに、空気側と掃引ガス側との差圧が低いことにより、より薄い壁をモノリスにデザインすることが可能となり、したがって、より良好な熱および酸素（Ｘ−０１のみ）の移動が可能となる。また、これにより、重量がより少なくなる。
【００６８】
下記の表１及び２は、図９−１による番号を有するプロセス流についてのデータの例を示している。空気流についての入口条件は、２０バール、４５０°Ｃ、７９ｋｇ／ｓである。膜を通る酸素輸送は、６．１２ｋｇ／ｓである（膜領域は、これに従って設けられる）。燃料は、燃焼反応の化学量論に合うように加えられる。
【００６９】
【表１】

【００７０】
【表２】

【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】熱交換モジュール、ＭＣＭモジュール、および燃焼室として機能部品を含む本発明による装置の一実施形態の略図である。ここでは、高圧（ＨＰ）蒸気により駆動されるジェット噴射器（jet ejector）として示されている、増圧器も含まれる。この実施形態では、モジュールはすべて反応器内に設置される。
【図２】熱交換モジュール、ＭＣＭモジュール、および燃焼室ならびに増圧器として同じ機能部品を含む本発明による装置の別の実施形態の略図であるが、この実施形態では、燃焼は反応器に接続された分離容器内で起こる。増圧器は、好ましくは掃引ガスの温度が最低である燃焼室に先立って、接続パイプ内に設置される。
【図３】ＭＣＭモジュールおよび／または熱交換モジュールとして用いられる複数チャネルのモノリス構造の略図である。
【図４】内部に各種モジュールならびに他の機能構成部品を有する反応器の一実施形態を示す図である。
【図５−１】ＭＣＭモジュールと熱交換モジュールとの間に各種形状のコネクタ、ならびに両モジュール間のコネクタの密閉に適用される各種方法を示す図である。
【図５−２】ＭＣＭモジュールと熱交換モジュールとの間に各種形状のコネクタ、ならびに両モジュール間のコネクタの密閉に適用される各種方法を示す図である。
【図５−３】ＭＣＭモジュールと熱交換モジュールとの間に各種形状のコネクタ、ならびに両モジュール間のコネクタの密閉に適用される各種方法を示す図である。
【図５−４】ＭＣＭモジュールと熱交換モジュールとの間に各種形状のコネクタ、ならびに両モジュール間のコネクタの密閉に適用される各種方法を示す図である。
【図６】燃焼室が反応器の外部に設置されている本発明による装置の一実施形態、ならびに内部の個々の構成部品をより良く示すために反応器から取り出された内部構成部品の一部を示す図である。
【図７】本発明による装置全体、ならびに反応器の個々の構成部品をさらに詳細に示す図である。
【図８−１】本発明による装置がガスタービンと一体化されている発電プラントの一実施形態を示す図である。
【図８−２】本発明による装置がガスタービンと一体化されており、複数の反応器が共通の燃焼室を有している発電プラントの別の実施形態を示す図である。
【図９−１】各プロセス流が表１及び２によりタグ番号を与えられている本発明による装置の一実施形態である。
【図９−２】反応器内の空気の内部流路を示す図である。【Technical field】
[0001]
The present invention relates to an apparatus for burning a carbon-containing fuel in a nitrogen-free atmosphere and a method of operating the apparatus.
[Background Art]
[0002]
The device is integrated with a power plant (ie, gas turbine (s)) to provide carbon dioxide and NO _x An energy-efficient power generation process with reduced emission of methane can be obtained. Further, the apparatus may be integrated with a chemical plant that performs an endothermic reaction.
[0003]
Conventional combustion processes used for carbon-containing fuels generate significant amounts of heat (heat of combustion) in addition to producing the main end products of carbon dioxide and water (steam). The conventional combustion reaction (eg, the combustion reaction of methane and oxygen),
CH _Four + 2O _Two ---> CO _Two + 2H _Two O
Generates about 804 KJ per mole of methane.
[0004]
If this combustion process is integrated with, for example, a power plant (ie a gas turbine) or a chemical plant that performs an endothermic reaction, it is important that the total energy loss from the combustion process be as low as possible.
[0005]
In addition, CO _Two And NO _x It is important that the release of these components into the atmosphere is significantly reduced compared to conventional processes due to the environmental aspects of the process. Conventional combustion processes have a concentration of 3% to 15% CO depending on the fuel and the process of combustion and heat recovery applied. _Two To produce an exhaust gas having The reason for this low concentration is that the air contains about 78% by volume of nitrogen. In the high-temperature combustion process in air, nitrogen reacts with oxygen to react with environmentally harmful gas pollutants NO _x Generate
[0006]
To reduce the release of carbon dioxide to the atmosphere, carbon dioxide can be separated from the flue gas, or suitable for use in a variety of chemical processes or, for example, with long term sedimentary geological formations. It is necessary to increase the concentration of the exhaust gas to a level suitable for the injection of oil or for improving the recovery of oil from the oil storage tank.
[0007]
CO _Two Can be removed from cooling exhaust gases by several separation processes, such as chemically active separation processes, physisorption processes, adsorption by molecular sieves, membrane separation, and cryogenic techniques, and can be discharged at pressures typically near atmospheric pressure . Chemisorption (eg, with alkanolamines) removes CO from the exhaust gas. _Two Is considered to be the most practical and economical way to separate These separation processes are energy consuming and require heavy and bulky equipment. Since these separation processes are applied in conjunction with the power generation process, the power output will be reduced by 10% or more.
[0008]
Combustion reactions to levels suitable for use in various chemical processes or for example for injection with long-term sedimentary geological formations or to enhance oil recovery from oil storage tanks CO in exhaust gas _Two Can be increased by burning the carbon-containing fuel with pure oxygen instead of air.
[0009]
Commercial air separation methods applied to produce pure oxygen (eg, cryogenic separation or pressure swing adsorption (PSA: pressure swing adsorption)) require 250-300 KWh / ton of product oxygen. If these methods are used to supply oxygen to a combustion process in a gas turbine cycle, the net power output by the gas turbine cycle will be reduced by at least 20%. The cost of oxygen generation in a cryogenic unit will substantially increase the price of the electricity generated, amounting to as much as 50% of the electricity cost.
[0010]
However, a method requiring less energy than these separation methods is known from European Patent Application 658 367-A2. This patent application discloses a mixed conducting membrane (MCM: m ixed c onducting m embrane), where a membrane separates oxygen from a heated air stream.
[0011]
Mixed conduction membrane (MCM) is defined as a membrane made of a material that has both ionic and electronic conductivity. This membrane selectively transports oxygen. The driving force by the membrane is the logarithmic relationship between the oxygen partial pressures, log (pO _Two (I) / pO _Two (II)). Here, (I) represents the oxygen sending side (air) of the membrane, and (II) represents the oxygen receiving side of the membrane. In order to maintain a high oxygen transport rate (flux), it is important to keep a low partial pressure on the oxygen receiving side.
[0012]
Thus, to further increase the efficiency of this membrane process, as described in, for example, US Pat. No. 5,562,754 and NO-A-972632, by applying a sweep gas to reduce the oxygen partial pressure on the oxygen receiving side of the membrane. Increase the oxygen flux through the membrane.
[0013]
For practical use of mixed conducting membranes (MCM) when applied as an oxygen supply in a combustion process, the following criteria are essential:
a) Logarithmic relationship between oxygen partial pressures, ie, log (pO _Two (I) / pO _Two The driving force for oxygen transport by the membrane, expressed as (II)), needs to be kept at a high level.
b) The membrane needs to operate at high temperature levels (> 600 ° C.) to allow sufficient oxygen flux through the membrane. Therefore, the air or any other gas in contact with the membrane must be hot.
[0014]
To ensure that the driving force of the membrane is kept at a high level of oxygen on the oxygen receiving side of the membrane, the following must be done:
i) transported away from the membrane surface by applying a sweep gas, or
ii) consumed by a direct chemical reaction (eg, a combustion process) at the oxygen receiver.
[0015]
This implies that equipment to perform energy efficient combustion in a nitrogen-free atmosphere must be designed to operate under process conditions, as described above. Therefore, there is still a need for such a device, and a method of operating the device, not described in the prior art.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0016]
It is a primary object of the present invention to provide an apparatus effective for achieving combustion of a carbon-containing fuel in a nitrogen-free atmosphere.
[0017]
Another object of the present invention is to provide a high concentration CO 2 _Two And low concentrations of NO _x It is an object of the present invention to provide a device effective to achieve a combustion process that results in an exhaust gas having the following.
[0018]
Another object of the present invention is further to provide a method for operating the above device.
[0019]
Yet another object of the present invention is to provide a plant and method for energy efficient power generation.
[0020]
Yet another object of the present invention is further to provide carbon dioxide and NO _x It is to provide a plant and a method for power generation with reduced emissions.
[Means for Solving the Problems]
[0021]
The present inventors have determined that the above objects are achieved in a hollow shell (pressure vessel) in which one or more mixed conductive membrane modules, one or more heat exchange modules, and one or more combustion chambers define an enclosure. It has been found that this can be achieved by using the device housed in the company. The device may further be integrated with the gas turbine (s) in the power plant. The device can also be integrated with the chemical plant that performs the endothermic reaction, thereby providing the heat required for the endothermic reaction.
[0022]
The mixed conducting membrane (s) (MCM) used in the apparatus according to the present invention transports oxygen from an oxygen delivery gas (eg, air) to an oxygen receiving gas under the conditions (a) and (b) described above. The oxygen receiving gas has a lower oxygen partial pressure than the oxygen delivery gas. When a carbon-enriched fuel (eg, natural gas) is added to an oxygen receiving gas, a combustion reaction occurs that generates heat between the oxygen and the added fuel.
[0023]
Combustion of natural gas with pure oxygen produces an exhaust gas containing two main products, carbon dioxide and water (steam). According to the invention, the exhaust gas is used as an oxygen receiving gas. The oxygen-rich gas stream (ie, the oxygen-enriched exhaust gas) is fed to the combustion chamber and used as an oxidant during the combustion reaction. Therefore, environmentally harmful NO _x Gas generation is avoided.
[0024]
The heat energy generated by the combustion reaction heats the air supplied to the MCM module (s) by the heat exchanger (s) and heats the oxygen-free air exiting the MCM module (s). Once it has been used, it can enter a power generation turbine or a chemical plant that performs an endothermic reaction.
[0025]
Thus, the air flow delivered to the membrane contains CO2 in it. _Two Or NO _x Heated without producing. In the combustion reaction, almost all of the oxygen is consumed, so the exhaust gas, which has a very low partial pressure of oxygen at that point, can be recirculated to the MCM as a sweep gas taking up oxygen and then re-enter the combustion chamber. it can. In this way, continuous combustion is obtained. The effluent is withdrawn from the exhaust gas to balance the added fuel with the received oxygen and prevent mass accumulation. This effluent gas exiting the device at elevated pressure and temperature may also be fed to a power generation system (turbine). In the turbine, the pressure of the effluent gas decreases and is further cooled, condensing almost all of the steam into water. Thus, the gas stream is mainly composed of carbon dioxide. This stream of carbon dioxide gas needs to be compressed to a pressure that allows it to be injected into an underground tank, a tank that can be an aquifer, or a gas or oil storage tank. These vessels are suitable to guarantee long-term deposition.
[0026]
As described above, the exhaust gas is used as a sweep gas to take up oxygen in the membrane module (s) and transport it to one or more combustion chambers where the fuel has been added. The heat generated in the exhaust gas is transported to the air stream in an efficient manner and in such a way that leakage between the sweep gas and the air is prevented or minimized to an acceptable level .
[0027]
In addition, the present inventors have found that using a multi-plate or multi-channel structure as the MCM module and / or heat exchange module results in a very efficient device. Multi-channel structures have been found to be most advantageous by virtue of the fact that they can be extruded into one piece (ie, a monolith), resulting in a large surface area in one piece. I have. Most preferably, both the heat exchange module (s) and the MCM module are made of a ceramic material capable of withstanding the process conditions (atmosphere, temperature, and pressure).
[0028]
Such structures (especially those having a channel diameter of less than 10 mm) exhibit a very large surface area / unit volume. Preparing channels every other row near the inlet slot, as described in US Pat. No. 4,271,110, provides a simplified manifold system for every other row of channels. Therefore, the probability of the leak rate between the air side and the oxygen receiving side decreases.
[0029]
In order to obtain the maximum possible surface area for heat exchange and / or oxygen transfer (when using an MCM module), the channels should be very small and all air channels should have the other gas (ie / Exhaust gas) (ie have a common wall). Such a configuration requires a very complex system for directing (manifolding) two gases into each adjacent channel.
【The invention's effect】
[0030]
According to the invention, such a multi-channel monolith structure is connected or connected together such that the MCM module is installed between two heat exchange modules. In addition, these modules are located in a pressure vessel (defined below as a reactor). Such a system ensures that the MCM can operate at a specified temperature above the temperature of the airflow delivered to the system and below the combustion temperature (ie, the temperature of the exhaust gas from the combustion chamber).
[0031]
Another important feature of the present invention is the flow pattern of the two gas streams. The first gas stream (air stream) has a flow from the inlet to the outlet of the reactor, which is longitudinal along the direction of the channels of the monolith structure (ie heat exchanger and MCM). This means that this gas enters and exits the open channel from the short end and flows through the open space or the closed structure connecting their ends. The second gas flow has a flow direction into and out of the side slot of the monolith and flows through the bypass space or connector to the side slot of the adjacent monolith structure. These bypass spaces surround the internal open space of the first gas.
[0032]
In such a gas flow system, one of the gases (here the second gas) leaks and will occlude all available or "empty" space in the reactor. Thus, only the first gas is sealed against the second gas (not against the “empty” space of the reactor) located at the internal coupling connector between the monolith structures, thereby reducing the gas. Sealing requirements are lower.
[0033]
This feature is very important because controlled gas leaks are necessary to increase and equalize the pressure inside the reactor chamber, allowing only one of the gases to leak and prevent mixing. It is. This controlled and necessary leakage allows for a flexible seal with a defined leakage rate for the second gas bypass connector. The flexibility to avoid thermal stresses in the connecting part / monolith structure is very important to prevent catastrophic cracks.
[0034]
By filling the reactor with gas at approximately the same pressure as the gas inside the monolith channel, only the outer pressure shell of the reactor needs to withstand the absolute or total pressure of the process. Thus, the pressure on the monolith wall is reduced to withstand the pressure difference between the two gases (gas 1 and gas 2 in FIG. 3).
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0035]
The scope of the invention and certain features of the invention are defined by the appended claims.
[0036]
The present invention is further described and discussed in the following drawings.
[0037]
FIG. 1 shows a process flow and important process units (H-01), (X-01), (H-02), (F-01), and (I-01) according to the present invention. 1 shows a main schematic of the device. All units are located inside a reactor pressure shell (in this example, identical to the shell of the apparatus). This figure shows that an oxygen-containing gas stream (here air) is directed through a compressor. The compressed air stream (AN-030) is further fed to the heat exchange module (H-01), heated in the heat exchange module (AN-050), and then mixed with the mixed conductive membrane module (X-01) (X-01). conducting membrane modules), where oxygen is separated from the air stream in the mixed conducting membrane module, resulting in an oxygen-free air stream (AL-010). The oxygen-free air stream (AL-010) enters the heat exchanger (H-02) and is further heated before exiting the unit (AL-020). The oxygen-free air stream (AL-020) may be fed to a power generation turbine or a chemical plant that performs an endothermic reaction. The sweep gas (EG-020) is supplied to the MCM module (X-01), takes up oxygen at the oxygen receiving side of the membrane, and is further transported through the heat exchange module (H-01). Next, an oxygen rich gas stream (EGO-030) is pressurized in an intensifier (I-01) before entering the combustion chamber (F-01). The combustion chamber (F-01) to which the fuel (NG-010) is added and burns is provided inside the reactor pressure shell in this example. The combustion gas, that is, the exhaust gas (EG-010) has almost no oxygen at that time due to the combustion in the combustion chamber (F-01).
[0038]
A portion of the hot combustion products, or exhaust gas (EG-010), is withdrawn as an effluent (EG-040) to prevent massive accumulation in the reactor, and the remainder of the product gas is passed through a heat exchange module (EG-010). H-02) and heated to the operating temperature of the membrane. In the membrane module, the gas flow (EG-020) is acting as a sweep gas. The hot oxygen-enriched sweep gas stream (EGO-020) is fed to the heat exchange module (H-01) to heat the incoming gas stream (AN-030). The heated air stream (AN-050) enters the MCM module (X-01) at the operating temperature of the MCM module (X-01). The intensifier (I-01) needs to be installed to promote circulation in the sweeping gas loop and ensure continuous combustion. In FIG. 1, the intensifier is a jet pump driven by injection of high pressure (HP) steam. Jet pumps have the advantage of having no moving parts and can be made of a material (ie ceramic) that can withstand very high temperatures. For power generation, an anoxic gas stream (AL-020) and an effluent gas stream (EG-040) may be fed to a gas turbine to generate power. Major combustion products (CO _Two + H _Two The effluent gas containing O) (EG-040) has a high temperature (i.e., combustion gas temperature). To generate electricity directly from the effluent gas stream, CO _Two And H _Two A gas turbine capable of processing a mixture of O is needed. An alternative power generation for such effluents is to cool the gas to a temperature (<550 °) that can be used by conventional steam turbines. This can be done by injecting water into the effluent stream (EG-040) or by heat exchange with the incoming “cold” air stream (AN-030).
[0039]
FIG. 2 shows another embodiment of the device according to the invention, wherein the intensifier (I-01) and the combustion chamber (F-01) are mounted outside the reactor pressure shell but inside the shell of the device. Is shown. This feature contributes to simplifying the structure of the device. The advantage of installing an intensifier (I-01) and a combustion chamber (F-01) outside the reactor is that it facilitates maintenance work and makes it possible to use a cooling device. Therefore, as assumed in this figure, a machine that increases the rotational pressure can be used as the pressure intensifier (I-01). The flow path in this embodiment is the same as in the embodiment shown in FIG. The only difference is that no high pressure (HP) steam is injected (because the jet pump is not used), but this does not modify the main flow pattern. Injecting high pressure (HP) steam, as shown in FIG. 1, reduces the net power generation efficiency of the process, so a rotary machine such as that shown in FIG. 2 is more beneficial in terms of efficiency.
[0040]
The external presence of the combustion chamber also simplifies the fuel (NG-010) injection system and makes it easier to scale up the device as shown in FIG.
[0041]
FIG. 3 shows a multi-channel monolith structure according to the invention, preferably used as both a heat exchange module and a membrane module. As mentioned above, such a structure is advantageous mainly because of the simplicity of the manufacturing method. However, the present invention is not limited to only the application of such a structure, and other configurations (for example, plates) can be used as alternatives.
[0042]
According to FIG. 3, using stream notation as in FIGS. 1 and 9, the gas 1 flows in the gas stream (AN-030) when the monolith structure is a module (H-01). And (AN-050), and when the monolith structure is the module (X-01), the gas flows (AN-050) and (AL-010). If the monolith structure is a module (H-02), gas 1 is gas flows (AL-010) and (AL-020).
[0043]
Gas 2 represents gas flows (EGO-020) and (EGO-030) when the module is (H-01) and gas flow (EGO-030) when the module is (X-01). ) And (EGO-010 / 020), and when the module is (H-02), the gas flows (EG-020) and (EG-030).
[0044]
Gas 1 follows a straight path through the channel and is therefore always fed into the open channel row and exits the open channel row at the monolith end. Gas 2 (usually a sweep gas) is constantly supplied to and exited from an open slot in the side wall of the monolith structure. These monolith structures are preferably formed by extrusion, so that all channels have the same length. The gas 2 inlet and outlet slots must be formed after extrusion by machining every other row of channels as visualized in FIG. After machining to a suitable depth, the open channel row (formed by machining) closes hermetically so that sufficient open area (inlet and outlet for gas 2) is maintained for the side slots. Need to be done.
[0045]
The problem of preventing leakage in a manifold system that directs two different gases into and out of a multi-channel monolith structure is minimized by forming these inlet and outlet slots as described and shown in FIG.
[0046]
According to the invention, a channel diameter smaller than 10 mm is used. A diameter of 1 mm to 8 mm is preferred.
[0047]
FIG. 4 shows one embodiment of the reactor of FIG. 2 where the combustion chamber and intensifier are mounted outside the reactor shell. In this figure, connection flanges are shown for the inlet (EG) and outlet (EGO) of the sweep gas stream, and for the inlet of the air stream (AN) and the outlet of the oxygen-free air stream (AL). Inside the reactor, the flow paths of these air streams are visualized by dotted lines. The heat exchanger (H-01), the MCM module (X-01), and the outlet heat exchanger (H-02) include the heat exchanger (H-01), the MCM module (X-01), and the outlet heat exchange. Are fixed together by a connector between the containers (H-02). These connectors are preferably glass-sealed and then attached to the reactor to ensure that there are no leaks, and thus all parts are united (ie, sealed together). During heating, the entire part needs to be expandable. This is further described in FIG.
[0048]
FIG. 5 shows an alternative configuration for the connector between the MCM module (X-01) and the heat exchanger (H-01 / H-02). Thus, as shown in the figure, the heat exchanger (H-01) and the MCM module (X-01) and the MCM module (X-01) and the heat exchanger (H-02) mutually Can be connected and sealed. Most importantly, the leakage between the internal gas (ie, gas 1 (preferably air) described in FIG. 3) and the external gas (ie, gas 2 (preferably swept gas) described in FIG. 3). Is to have no seal.
[0049]
FIG. 6 shows an embodiment of the apparatus according to FIG. 2 in which the combustion chamber (F-01) and the intensifier (I-01) are installed outside the reactor. Fuel (NG) is injected into the cold zone prior to the intensifier (I-01) to ensure good mixing with the oxygen-enriched sweep gas (EGO) before entering the combustion chamber (F-01). . Because the temperature is too low, combustion can be promoted at least partially by the catalyst. The sweep gas stream (EGO) exiting the heat exchanger (H-01) is cooled by the air stream (AN) and has a minimum temperature before entering the intensifier (I-01). The pressure of the sweep gas stream (EGO) is increased by an intensifier (I-01) before entering the combustion chamber (F-01) outside the reactor. In the combustion chamber (F-01), oxygen in the swept gas stream (EGO) reacts with the added fuel to obtain combustion. Almost all oxygen is consumed during this combustion. Therefore, mainly the reaction product (CO 2 _Two And H _Two The exhaust gas (EG) containing O) has a low concentration of oxygen. The exhaust gas (EG) enters a second heat exchanger (H-02) which is heating the oxygen-free air stream (AL) leaving the reactor.
[0050]
Next, the exhaust gas (EG) is cooled somewhat in the second heat exchanger (H-02) by the oxygen-free air flow (AL) before entering the membrane module (s) (X-01). In the membrane module (X-01), the exhaust gas (EG) acts as a sweep gas that takes in oxygen transported from the air side through the membrane wall. Next, the oxygen-enriched sweep gas exiting the membrane module (X-01), now referred to as the sweep gas stream (EGO), enters the first heat exchanger (H-01), where it enters the first heat exchanger (H-01). The air stream (AN) is heated and the sweep gas stream (EGO) is cooled in the heat exchange of the air. The oxygen-containing sweep gas (EGO) thus cooled is then returned to the combustion chamber (F-01) via the intensifier (I-01), thereby providing an exhaust / sweep gas loop, resulting in a continuous Combustion is promoted.
[0051]
Effluent gas is extracted from either oxygen-enriched sweep gas (EGO) or exhaust gas (EG) to prevent massive accumulation in the sweep gas loop due to oxygen transfer from air and addition of fuel. Examples of the effluent gas outlet are shown in FIGS. 8-1 and 9-1.
[0052]
FIG. 6 also shows some of the individual components of the reactor.
[0053]
FIG. 7 shows a more detailed embodiment of the device according to the invention.
[0054]
Reactor pressure vessel 1 includes a low temperature heat exchanger 9, a high temperature heat exchanger 19, and an MCM module 15. Thus, all other parts are assembled around these units 9, 15, and 19, which provide good heat transport (sweep gas / exhaust to air) and oxygen transport (sweep from air). To gas). Parts 8, 14, and 18 are used to make the heat exchanger and the outer wall of the MCM module circular so as to reduce the complexity of the seal. These parts can also be formed with channels so that they can be used as heat exchangers 8 and 18 or MCM module 14. The

individual components

10, 11, 12, and 13 mate together to form a connection between the low temperature heat exchanger 9 and the MCM module 15, as shown in FIG. In the same way, the

individual parts

16, 17, 20 and 21 form a connection between the MCM module 15 and the high-temperature heat exchanger 19. The connecting part 11 is preferably glass-sealed at both ends with the units 9 and 15, and the part 21 is sealed with 15 and 19. Therefore, the material of the connecting part 11 must be suitable for the thermal expansion of both the units 9 and 15, and the material of the part 21 must be suitable for the thermal expansion of the units 15 and 19. One option is to connect these connecting

parts

11 and 21 such that the material at the end of the connecting part 11 connected to the unit 9 is suitable for its thermal expansion and the other end of the connecting part 11 is suitable for the thermal expansion of the part Extrusion by a gradual change in the combination of materials. In the same way, the part 21 can also be made such that the thermal expansion matches the material of both the units 15 and 19 and prevents cracking. As with the inlet plenum space for air, the unit 7 may be glass sealed with the cold heat exchanger 9 to ensure that leakage is minimized. Therefore, the material of the unit 7 also needs to be suitable for the thermal expansion of the cold exchanger 9. Similarly, the outlet plenum 23 for oxygen-free air must be made of a material that is compatible with the units 18 and 19 during thermal expansion, as it is glass sealed with the units 18 and 19. The part 7 is at the inlet end (air inflow) of a circular shape (pipe) to make it easier to fit into the flexible sealing 5. This is also done for each outlet plenum 23 (of oxygen-free hot air). Again, as with the inlet, a ring ceiling 24 is shown. For the vertical orientation as shown in FIG. 7, lower flexible sealing may not be required. This end can be fixed or thermal expansion can occur at the upper end due to the flexibility of the seal 5. It is therefore necessary to have a seal at at least one end that allows longitudinal expansion. In the present invention, this is solved by designing the inlet and / or

outlet connectors

4 and 25 to be circular (pipe ends). In this way, it is easier to have a flexible sealing. The flexible sealing rings 5 and 24 need to be made of a heat-resistant material (ceramic or metal). Other flexible "pipe" sealing systems are possible.
[0055]
Inlet pipe 4 and outlet pipe 25 may have the same shape to simplify manufacturing. The inlet pipe 4 directs the air flow to an inlet plenum formed by the unit 7 and formed so that the flexible sealing 5 can be attached. The inlet pipe 4 is most preferably made of a material that also acts as a thermal barrier or lining between the hot inlet air and the outer metal pipe connected to the pressure vessel shell. This is particularly important for the outlet pipe 25 at the hot end. Parts 6 and 22 are also shown that act as thermal barriers or linings between the exhaust / sweep gas and the flanged inlet / outlet metal pipes of the pressure vessel.
[0056]
Also shown is a thermal barrier and insulation 3 between the hot internal components and the outer metal wall or shell of the pressure vessel. Keeping the temperature inside the outer pressure shell at a low temperature (<500 ° C.) reduces heat loss and allows the pressure shell to be formed from commonly used industrial materials (ie, carbon steel). By lowering the temperature, the wall thickness and thus the total weight of the device are also reduced. This is important for coastal installations.
[0057]
The part 3 is formed of a shape and such a material that can act as a support for the internal part. 2 is a layer of flexible material between the inner wall (pressure shell) and the part 3, allowing some movement caused by thermal expansion.
[0058]
FIG. 8-1 shows an embodiment of the device according to the invention, in which the device is integrated with a gas turbine.
[0059]
FIG. 8-2 shows another embodiment in which the reactors are integrated with a gas turbine, where the reactors have a common combustion chamber.
[0060]
According to the invention, as shown in FIG. 8-1, one or more reactor units are connected together and share a common combustion chamber. This enables cost-effective production by increasing (scaling up) the total power output by integrating or connecting together standard sized reactors, as shown in FIG. 8-2. For example, if a single unit in the plant is producing 10 MW of power as shown in FIG. 8-1, six reactors of the same size as the single standard reactor shown in FIG. The plant that has it will produce about 60 MW of electricity.
[0061]
FIG. 8-1 shows two different alternatives for discharging the effluent. One alternative (Alternative 1) is to discharge the effluent from the cold parts of the swept gas loop. The effluent has a temperature that allows it to be sent directly to a steam turbine. Since the effluent withdrawn as shown in Alternative 1 contains oxygen, this process stream can be used as a heat source in an endothermic process for further heat generation in a nitrogen-free atmosphere. In alternative 2 (alternative 2), the effluent is exhausted after combustion and therefore has little oxygen and is at a higher temperature level. If a steam turbine is used to increase power generation from steam, the temperature must be reduced, i.e., by injecting water. The effluent may be exhausted anywhere in the sweep gas stream loop. In FIG. 8-1, the inlet air pipe (compressor to reactor) is shown longer than the outlet lean air pipe (reactor to turbine). This has been found to be advantageous because the outlet oxygen lean air stream has a higher temperature than the inlet air stream.
[0062]
FIG. 9-1 shows an apparatus according to the invention with different gas flow directions. This figure shows that an oxygen-containing gas stream (AN-030) (preferably a compressed air stream) is fed to a heat exchange module (H-01) where the gas stream is heated before mixed conduction. This indicates that the device enters the membrane module (X-01). Oxygen is transported through the membrane wall and is taken up by the sweeping gas stream (EG-030). Upon exiting the mixed conducting membrane module (X-01), the oxygen-enriched sweep gas stream is referred to as (EGO-010).
[0063]
A portion of the total fuel (NG-030) flows (EGO) in an additional combustion chamber (F-02) located between the mixed conductive membrane module (X-01) and the heat exchange module (H-01). -010), and heat generated from the combustion in the combustion chamber is supplied to the heat exchanger (H-01) for heating the incoming air. It must be emphasized that the present invention works without this combustion chamber (F-02), as illustrated in FIG. In this embodiment, the sweep gas stream (EGO-020) entering the heat exchanger (H-01) has a somewhat higher temperature and a somewhat lower oxygen concentration than the steam (EGO-010). Therefore, the sweep gas stream (EGO-020) is supplied to the heat exchanger (H-01) to heat the air flowing into the MCM module (X-01). The sweep gas stream (EGO-030) leaving the heat exchanger (H-01) has the lowest temperature at that time and is the main combustion outside the reactor where most of the fuel (NG-020) is burned It is supplied to the chamber (F-01). The pressure intensifier (I-01) is installed near the inlet of the main combustion chamber (F-01). The pressure increase from the sweep gas stream (EGO-030) to (EGO-040), which is increased by the intensifier (I-01), ensures circulation in the sweep / exhaust gas loop.
[0064]
Some of the hot exhaust gas (EG-040) is discharged as an effluent to prevent massive accumulation in the exhaust / sweep gas loop. In principle, the effluent gas stream (EG-040) can be exhausted anywhere in the sweep gas circulation loop. For example, the effluent gas stream is discharged to the cold end and is sent directly from the swept gas stream (EGO-030) to the steam turbine. The exhaust gas (EG-020) is supplied to the membrane module (X-01) via the high-temperature heat exchanger (H-02). The gas stream (EG-030), when acting as a sweep gas, receives oxygen transported through the membrane from the air side and further transports the oxygen to the combustion chamber. Therefore, CO _Two And H _Two O in the atmosphere rich in O _Two A closed loop with continuous combustion of the carbon-enriched fuel is obtained.
[0065]
FIG. 9-2 shows how the plenum inlet 7 and plenum outlet 23, the heat exchangers (H-01) and (H-02), and the MCM module (X-01) can be integrated into one closed unit. Is shown. This is an important feature of the present invention, which is the flow direction or flow path of the two main streams, air flow and sweep gas, which contribute to minimizing leakage between the air flow and the sweep gas flow. It is shown. The air flow has a straight flow and flows directly through the heat exchangers (H-01) and the internal closed space between (H-02) and the MCM module (X-01), and the sweep gas flow Flows into and out of the open side slots of the heat exchanger (H-01), the MCM module (X-01), and the heat exchanger (H-02). To ensure an increase in pressure inside the reactor, the sweep gas shall be able to fill the open space of the reactor. This ensures that only the outer reactor shell need be designed to withstand the full pressure of the process.
[0066]
A further advantage is that the differential pressure between the air side and the sweep gas side is low (<5 bar), preferably the pressure on the sweep gas side is somewhat higher. This means that if there is a leak between the air stream and the sweep gas stream, the direction of the leak will be on the sweep gas side (CO _Two And H _Two Ensure that the direction is from O) to the air side. This direction of leakage is less harmful than if air leaks into the combustion loop (sweep gas), especially from an environmental point of view. NO if nitrogen (air) leaks into combustion loop (sweep gas loop) _x This is because gas can be generated.
[0067]
In addition, the lower differential pressure between the air side and the sweep gas side allows for thinner walls to be designed in the monolith, thus allowing better heat and oxygen (X-01 only) transfer. . This also results in less weight.
[0068]
Tables 1 and 2 below show example data for a process stream having a number according to FIG. 9-1. The inlet conditions for the air flow are 20 bar, 450 ° C., 79 kg / s. The oxygen transport through the membrane is 6.12 kg / s (the membrane area is provided accordingly). Fuel is added to match the stoichiometry of the combustion reaction.
[0069]
[Table 1]

[0070]
[Table 2]

[Brief description of the drawings]
[0071]
FIG. 1 is a schematic diagram of one embodiment of an apparatus according to the present invention including a heat exchange module, an MCM module, and a functional component as a combustion chamber. It also includes an intensifier, shown as a jet ejector driven by high pressure (HP) steam. In this embodiment, all the modules are located in the reactor.
FIG. 2 is a schematic diagram of another embodiment of the device according to the invention comprising the same functional components as a heat exchange module, an MCM module and a combustion chamber and intensifier, in which the combustion is connected to a reactor; Occurs in a separated separation vessel. The intensifier is preferably installed in the connecting pipe prior to the combustion chamber where the temperature of the sweep gas is lowest.
FIG. 3 is a schematic diagram of a multi-channel monolith structure used as an MCM module and / or a heat exchange module.
FIG. 4 is a diagram showing one embodiment of a reactor having various modules and other functional components inside.
FIG. 5-1 is a view showing various shapes of connectors between an MCM module and a heat exchange module, and various methods applied to sealing of a connector between both modules.
FIG. 5-2 illustrates various shapes of connectors between the MCM module and the heat exchange module, and various methods applied to sealing of the connector between both modules.
FIG. 5-3 illustrates various shapes of connectors between the MCM module and the heat exchange module, and various methods applied to sealing of the connector between both modules.
FIG. 5-4 illustrates various shapes of connectors between the MCM module and the heat exchange module, and various methods applied to sealing of the connector between the modules.
FIG. 6 shows an embodiment of the device according to the invention in which the combustion chamber is located outside the reactor, as well as some of the internal components taken out of the reactor to better show the individual components inside; FIG.
FIG. 7 shows the entire apparatus according to the invention as well as the individual components of the reactor in more detail.
FIG. 8-1 shows an embodiment of a power plant in which the device according to the invention is integrated with a gas turbine.
FIG. 8-2 shows another embodiment of a power plant in which the device according to the invention is integrated with a gas turbine and the reactors have a common combustion chamber.
FIG. 9-1 is an embodiment of an apparatus according to the present invention, wherein each process stream is given a tag number according to Tables 1 and 2.
FIG. 9-2 is a diagram showing an internal flow path of air in a reactor.

Claims

An apparatus for burning a carbon-containing fuel in a nitrogen-free atmosphere, comprising:
Having an inlet for the fuel, an inlet for a compressed oxygen-containing gas stream, an outlet for discharging an oxygen-free gas stream (oxygen-depleted gas stream), and an outlet for discharging an effluent stream (bleed stream); A hollow shell defining the enclosure;
One or more heat exchange modules configured to heat the incoming compressed oxygen-containing gas stream;
One or more mixed conducting membrane modules configured to separate oxygen from the oxygen-containing gas stream, resulting in an oxygen-enriched gas stream and the oxygen-free gas stream;
A first and possibly a second combustion chamber for combustion of the fuel, an inlet pipe connected to an inlet for the fuel for delivering the fuel to the combustion chamber, the combustion chamber An inlet pipe connected to the heat exchange module (s) to send hot oxygen-enriched gas to the membrane module (s) to send exhaust gas from the combustion chamber to the membrane module (s). A first and possibly a second combustion chamber having an outlet pipe,
An intensifier installed prior to the first combustion chamber;
Means (11, 12) for connecting said heat exchange module (s) and membrane module (s);
Means (7, 23) connecting said heat exchange module (s) and membrane module (s) to said inlet for said compressed oxygen-containing gas stream and said outlet for said oxygen-free gas stream;
A pipe directing a portion of the exhaust gas stream to the heat exchange module (s) and returning to the outlet pipe from the combustion chamber.

The hollow shell comprises the heat exchange module (s), the membrane module (s), the means (7, 11, 21, 23), an outlet pipe for the hot oxygen-enriched gas stream, 2. The reactor of claim 1, further comprising one or more reactor (s) having said outlet for discharging an oxygen gas stream, an inlet pipe for said exhaust gas, and said inlet for a compressed oxygen-containing gas stream. An apparatus according to claim 1.

The hollow shell includes the heat exchange module (s), the membrane module (s), the second combustion chamber, the means (7, 11, 21, 23), the hot oxygen-enriched gas stream. One or more reactor (s) having an outlet pipe for discharging the oxygen-free gas stream, an outlet pipe for the exhaust gas, and the inlet for a compressed oxygen-containing gas stream The device of claim 1, further comprising:

The apparatus of claim 1, wherein the module and the second combustion chamber are vertically interconnected one above the other.

The apparatus of claim 1, wherein the modules are interconnected vertically one above the other.

The apparatus according to claim 1, wherein the membrane module is installed between two heat exchange modules.

The apparatus of claim 1, wherein the second combustion chamber is located between one of the heat exchange modules and the membrane module.

The outlet pipe for the hot oxygen-enriched gas stream is connected to the inlet pipe to the first combustion chamber, and the inlet pipe for the exhaust gas is connected to the outlet pipe from the first combustion chamber. Apparatus according to claims 2 and 3, connected to an outlet pipe.

The apparatus according to claim 1, wherein the intensifier is a fan or a compressor.

The apparatus of claim 1, wherein the heat exchange module (s) and the membrane module (s) include a multi-channel monolith structure.

Supplying a compressed oxygen-containing gas stream to a first heat exchange module, wherein the compressed oxygen-containing gas stream comprises heat generated by combustion of fuel in a combustion chamber. Fed to a first heat exchange module, heated by
Feeding the heated gas stream to a mixed conductive membrane module (s), wherein a majority of the oxygen is separated from the gas stream and an oxygen-free gas stream is formed. Feeding the resulting mixed conductive membrane module (s);
A sweep gas is delivered to the membrane module to capture oxygen, and the oxygen-enriched sweep gas is further delivered to an intensifier;
Entering the combustion chamber, wherein the pressurized sweep gas stream enters the combustion chamber, wherein the pressurized sweep gas stream is mixed with fuel and burns;
Feeding the oxygen-free gas stream to another heat exchange module, which is further heated before exiting the apparatus, and fed to the other heat exchange module. A method for operating a device according to claims 1 to 10.

The method of operating an apparatus according to claim 11, wherein the products of combustion, i.e., exhaust gas, are utilized as a sweep gas.

The method of operating an apparatus according to claim 11, wherein a portion of the exhaust gas is withdrawn as an effluent to prevent bulk accumulation in the apparatus.

Apparatus according to claims 1 to 10, characterized in that it is integrated with one or more gas turbines, power plants with a reduction in the emission of carbon dioxide and NO _x to the atmosphere.

11. A plant for performing an endothermic chemical reaction, wherein the apparatus according to claim 1 is integrated with a plant for performing an endothermic reaction.

The hot oxygen-free air stream and / or the effluent gas stream exiting the device according to claims 1 to 10 are fed to one or more gas turbines, characterized in that they are carbon dioxide and NO to the atmosphere. Power generation process with reduced _x emissions.

Process for supplying heat to an endothermic reaction, characterized in that the hot oxygen-free air stream and / or the effluent gas stream leaving the device according to claims 1 to 10 is fed to a plant where the endothermic reaction takes place.