JP2014234798A - 燃焼機関の燃焼方法、及び燃焼機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成でありながら、燃焼効率に優れ、経済性にも優れる燃焼機関の燃焼方法を提供すること。【解決手段】給気を燃焼機関１に供給して燃焼させる燃焼方法であって、（１）コンプレッサ２を用いて加圧された空気を酸素透過膜３の第１の表面３１に接触させ、第１の表面３１と反対側の第２の表面３２を透過した酸素富化空気を取り出すとともに、第１の表面３１を通過した窒素富化空気を取り出す工程と、（２）酸素富化空気を、給気として燃焼機関１に供給する工程と、（３）燃焼機関１の排熱を、窒素富化空気に与える工程と、（４）排熱が付与された窒素富化空気を少なくとも用いて、タービン４によりコンプレッサ２を駆動させる工程と、を有する、燃焼機関１の燃焼方法。【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼機関の燃焼方法、及び燃焼機関システムに関する。より詳しくは、給気を燃焼機関に供給して燃焼させる燃焼方法、及び当該燃焼機関を用いた燃焼機関システムに関する。

冶金、精錬、化学工業等の技術分野で用いられている燃焼炉や溶融炉等では、支燃性ガスとして空気中の酸素を用いた燃焼を行う（空気燃焼）。しかし、空気中の酸素濃度は２１％程度（体積比）であり、残余のほとんどが窒素等の不活性ガスであるため、燃焼炉の燃焼効率は十分ではない。そのため、酸素濃度を向上させた酸素富化空気が用いられている（酸素富化燃焼）。

また、特許文献１には、気体分離膜を用いて酸素富化空気を製造するための膜エレメント及び気体分離装置に関する技術が開示されている。

さらに、特許文献２には、加圧された空気（加圧空気）を供給するコンプレッサと、加圧空気を窒素富化させる膜モジュールと、窒素富化した加圧空気を用いてタービンを駆動することによって、空気の加圧に要した動力の一部を回収できる、不活性ガス（窒素富化空気）及び酸素富化空気の製造システムに関する技術が開示されている。

国際公開第２０１１／０３７２５５号パンフレット 米国特許出願公開第２００４／００２５５０７号明細書

燃焼機関の燃焼効率を少しでも向上できることは、実用レベルにおけるコスト軽減（燃料費節約等）や装置の運転管理等の観点から、大きな改善となるが、上述した従来技術の燃焼効率は未だ十分なものとはいえない。燃焼機関が大スケールである場合に、このような問題は顕著となる。

酸素富化空気を用いて燃焼機関の燃焼効率を向上する可能性は、よく知られている。燃焼効率を向上のメリットを総合的なシステムとして実現するには、より少ないエネルギーで酸素富化空気を製造する必要がある。さもないと酸素富化空気製造に要するエネルギーが、燃焼効率向上によるエネルギー低減（燃料節約）を相殺してしまう。酸素富化空気の実用的な製造技術として、深冷分離方式、ＰＳＡ（圧力変動吸着）方式、気体分離膜方式の３つの方法が挙げられる。酸素富化空気を準備するために液体空気を用いる深冷分離方式の場合、液体空気の価格が高いため、経済性に劣ってしまうという問題がある。数気圧の圧縮空気を用いるＰＳＡ（圧力変動吸着）方式の場合、空気圧縮に多くの動力（エネルギー）を要する。これらに対し、気体分離膜方式の場合、２〜３気圧程度と比較的低圧の圧縮空気供給で、３０％前後の酸素富化空気を製造することが可能であり、純酸素が必要でない用途においては、経済的な燃焼機関を構築できる可能性がある。気体分離膜方式においても、運転に要する動力（エネルギー）の大半は、空気の圧縮に起因するので、空気圧縮に要する動力（エネルギー）をいかに抑えるかが実用上重要である。

本発明は、かかる事情に鑑みなされたものであって、簡便な構成でありながら、燃焼効率に優れ、経済性にも優れる燃焼機関の燃焼方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、（１）コンプレッサを用いて加圧された空気を酸素透過膜の第１の表面に接触させ、第１の表面と反対側の第２の表面を透過した酸素富化空気を取り出すとともに、第１の表面を通過した窒素富化空気を取り出す工程と、（２）酸素富化空気を、給気として燃焼機関に供給する工程と、（３）燃焼機関の排熱を、窒素富化空気に与える工程と、（４）排熱が付与された窒素富化空気を少なくとも用いて、コンプレッサに接続されるタービンを駆動させる工程を行うことで、上記課題を解決できることを見出し、本願発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は以下のとおりである。
〔１〕
給気を燃焼機関に供給して燃焼させる燃焼方法であって、
（１）コンプレッサを用いて加圧された空気を酸素透過膜の第１の表面に接触させ、前記第１の表面と反対側の第２の表面を透過した酸素富化空気を取り出すとともに、前記第１の表面を通過した窒素富化空気を取り出す工程と、
（２）前記酸素富化空気を、前記給気として前記燃焼機関に供給する工程と、
（３）前記燃焼機関の排熱を、前記窒素富化空気に与える工程と、
（４）前記排熱が付与された前記窒素富化空気を少なくとも用いて、前記コンプレッサをタービンにより駆動させる工程と、
を有する、燃焼機関の燃焼方法。
〔２〕
前記（１）工程において、前記加圧された空気を前記酸素透過膜に供給する前に、前記加圧された空気を冷却する、〔１〕に記載の燃焼機関の燃焼方法。
〔３〕
給気を燃焼機関に供給して燃焼させる燃焼方法であって、
（ａ）コンプレッサを用いて加圧された空気を酸素透過膜の第１の表面に接触させ、前記第１の表面と反対側の第２の表面を透過した酸素富化空気を取り出すとともに、前記第１の表面を通過した窒素富化空気を取り出す工程と、
（ｂ）前記酸素富化空気を、前記給気として前記燃焼機関に供給する工程と、
（ｃ）前記コンプレッサによって前記加圧された空気の熱を、前記窒素富化空気に与える工程と、
（ｄ）前記熱が付与された窒素富化空気を少なくとも用いて、前記コンプレッサをタービンにより駆動させる工程と、
を有する、燃焼機関の燃焼方法。
〔４〕
前記加圧された空気の熱を、前記酸素富化空気に与える工程を、更に有する、〔３〕に記載の燃焼機関の燃焼方法。
〔５〕
前記（ａ）工程において、前記加圧された空気を前記酸素透過膜に供給する前に、前記加圧された空気を冷却する、〔３〕又は〔４〕に記載の燃焼機関の燃焼方法。
〔６〕
前記燃焼機関の排熱を、前記窒素富化空気に与える工程を、更に有する、〔３〕〜〔５〕のいずれか一項に記載の燃焼機関の燃焼方法。
〔７〕
空気を加圧する、タービンを備えたコンプレッサと、
前記コンプレッサに接続され、前記加圧された空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離する酸素透過膜を備えた、膜モジュールと、
前記膜モジュールに接続され、前記酸素富化空気を給気として燃焼させる燃焼機関と、
前記膜モジュールと前記タービンとの間に接続され、前記燃焼機関の排熱を前記窒素富化空気に与える、熱交換器と、
を備える、燃焼機関システム。
〔８〕
前記コンプレッサと前記膜モジュールとの間に接続され、前記加圧された空気を冷却する冷却器を、更に備える、〔７〕に記載の燃焼機関システム。
〔９〕
空気を加圧する、タービンを備えたコンプレッサと、
前記コンプレッサに接続され、前記加圧された空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離する酸素透過膜を備えた、膜モジュールと、
前記膜モジュールに接続され、前記酸素富化空気を給気として燃焼させる燃焼機関と、
前記膜モジュールと前記タービンとの間に接続され、前記コンプレッサによって前記加圧された空気の熱を前記窒素富化空気に与える、第１の熱交換器と、
を備える、燃焼機関システム。
〔１０〕
前記コンプレッサと前記膜モジュールとの間に接続され、前記加圧された空気の熱を前記酸素富化空気に与える、第２の熱交換器を、更に備える、〔９〕に記載の燃焼機関システム。
〔１１〕
前記コンプレッサと前記膜モジュールとの間に接続され、前記加圧された空気を冷却する冷却器を、更に備える、〔９〕又は〔１０〕に記載の燃焼機関システム。
〔１２〕
前記膜モジュールと前記タービンとの間に接続され、前記燃焼機関の排熱を前記窒素富化空気に与える、第３の熱交換器を、更に備える、〔９〕〜〔１１〕のいずれか一項に記載の燃焼機関システム。

本発明によれば、簡便な構成でありながら、燃焼効率に優れ、経済性に優れる燃焼機関の燃焼方法を提供することができる。

本実施形態の燃焼方法の一例を説明するための概念図である。 本実施形態の燃焼方法の別の一例を説明するための概念図である。 本実施形態の燃焼方法のさらに別の一例を説明するための概念図である。 本実施形態の燃焼方法のさらに別の一例を説明するための概念図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明する。以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。
なお、図面中、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、本明細書において、「略」を付した用語は、当業者の技術常識の範囲内でその「略」を除いた意味自体も含むものとする。

まず、本実施形態の燃焼方法の一例について説明する。図１は、本実施形態の燃焼方法の一例を説明するための概念図である。

本実施形態の燃焼機関の燃焼方法は、
給気を燃焼機関１に供給して燃焼させる燃焼方法であって、
（１）コンプレッサ２を用いて加圧された空気を酸素透過膜３の第１の表面３１に接触させ、第１の表面３１と反対側の第２の表面３２を透過した酸素富化空気を取り出すとともに、第１の表面３１を通過した窒素富化空気を取り出す工程と、
（２）酸素富化空気を、給気として燃焼機関１に供給する工程と、
（３）燃焼機関１の排熱を、窒素富化空気に与える工程と、
（４）排熱が付与された窒素富化空気を少なくとも用いて、コンプレッサ２をタービン４により駆動させる工程と、
を有する、燃焼機関１の燃焼方法である。

圧縮された空気は断熱圧縮により高温となるが、この温度が酸素透過膜の耐熱温度を上回るある場合には、さらに、（１）工程において、加圧された空気を酸素透過膜３に供給する前に、加圧された空気を冷却することが好ましい。

図１では、まず、コンプレッサ２によって空気を加圧する。加圧された空気は、冷却器５によって冷却されて、膜モジュール６に送り込まれる。膜モジュール６に格納された酸素透過膜３は、酸素透過率が窒素透過率よりも高い膜である。酸素透過膜３のいずれか一方の表面（第１の表面３１）に加圧された空気を送りこむ。酸素透過膜３を通過した空気は酸素富化空気となり（図１の膜モジュール６中の矢印の流れ）、酸素透過膜３を透過せずに、第１の表面３１を通過した空気は、窒素富化空気となる。酸素富化空気は、空気を供給した表面と反対側の表面（第２の表面３２）から取り出すことができる。

窒素富化空気は酸素透過膜３を透過せず、酸素富化空気は酸素透過膜３を透過したものであるので、膜モジュール６を出た直後の窒素富化空気の空気圧は、膜モジュール６を出た直後の酸素富化空気の空気圧よりも高い傾向にある。

酸素富化空気は、燃焼機関１に供給され、そこで被燃焼物を燃焼させる。燃焼機関１で発生した排熱は、熱交換器７に供給され、タービン４を駆動させるための動力源の一つとして再利用される。燃焼機関１は、酸素等を支燃性ガスとして、被燃焼物を燃焼させる装置であり、例えば、燃焼炉、溶融炉、焼却炉、内燃機関等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

窒素富化空気は、コンプレッサ２に接続されるタービン４に送り込まれ、タービン４を駆動させるために用いられる。膜モジュール６から送り出される窒素富化空気の圧力は、膜モジュール６での圧力損失によって多少低下する場合があったとしても、それでも高圧を維持しているため、タービン４の駆動を加勢できる。

加えて、窒素富化空気が熱交換器７を経由する際に、上記した燃焼機関１の排熱が窒素富化空気に付与されるので、この排熱の熱エネルギーもタービン４を駆動させるエネルギーとして有効に活用できる。

このように、本実施形態では、従来では必ずしも有効に利用されていなかったエネルギーも有効に再利用できる。特に、この実施態様では、コンプレッサ２によって加圧した圧力をタービン４の動力源として回収するとともに、燃焼機関１の排熱をタービン４の動力源として回収することで、コンプレッサ２に要する圧縮動力を大幅に低減することができる。

コンプレッサ２は、空気を加圧できるものであればよく、その種類等は特に限定されず、公知の装置を用いることもできる。例えば、ターボ型圧縮機等が挙げられる。モータＭは、コンプレッサ２を駆動し、タービン４は、コンプレッサ２を加勢する。

酸素透過膜３に供給する前の加圧された空気を、冷却器５により冷却できる。なお、冷却器５は必ずしも設ける必要はなく、省略することもできる。しかし、冷却器５を設けることで、酸素透過膜３の熱損傷を抑制することができるため、通常は設けることが好ましい。コンプレッサ２によって空気を加圧すると、断熱圧縮によってかなりの高温となるが、これを冷却した上で膜モジュール６に供給することにより、酸素透過膜３の熱損傷を抑制することができる。

冷却器５は、加圧された空気を所定の温度まで冷却できるものであればよく、その種類等は特に限定されず、公知のものを用いることもできる。例えば、水冷式又は空冷式の熱交換器等が挙げられる。

酸素透過膜３としては、酸素透過率が窒素透過率よりも高い膜であればよく、その種類や構成等は特に限定されない。酸素透過膜３としては、例えば、有機系高分子の酸素透過膜、無機系材料の酸素透過膜等が挙げられる。

有機系高分子の酸素透過膜としては、例えば、主鎖に含フッ素脂環構造を有する重合体が挙げられる。主鎖に含フッ素脂環構造を有する重合体としては、例えば、ペルフルオロ（２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール）（ＰＤＤ）、ペルフルオロ（２−メチル−１，３−ジオキソール）、ペルフルオロ（２−エチル−２プロピル−１，３−ジオキソール）、ペルフルオロ（２，２−ジメチル−４メチル−１，３−ジオキソール）等のジオキソール環を有する単量体と、フッ素、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基等のフッ素置換アルキル基を有するペルフルオロジオキソール類、ペルフルオロ（４−メチル−２−メチレン−１，３−ジオキソラン）（ＭＭＤ）、ペルフルオロ（２−メチル−１，４−ジオキシン）等の含フッ素脂環構造を有する単量体と、を共重合させることにより得られる重合体が挙げられる。

また、上記の単量体とＣ−Ｈ結合を含まない他のラジカル重合性単量体とを共重合させることにより得られる、主鎖に含フッ素脂環構造を有する重合体も用いることができる。含フッ素重合体の酸素透過性を向上させる観点から、含フッ素重合体における含フッ素脂環構造を有する単量体の重合単位の割合が７０モル％以上であることが好ましい。これにより環状構造を多く有することになり、分子間隔が大きくなり、気体の透過速度を一層上昇させることができる。

Ｃ−Ｈ結合を含まない他のラジカル重合性単量体としては、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロ（メチルビニルエーテル）等が挙げられる。実質的にＣ−Ｈ結合を有さない非晶質の含フッ素重合体としては、ペルフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール重合体等が挙げられる。これらは市販品を用いることもでき、例えば、商品名「テフロン（登録商標）ＡＦ１６００」（デュポン社製）、商品名「テフロン（登録商標）ＡＦ２４００」（デュポン社製）、商品名「ＨＹＦＬＯＮ ＡＤ」（アウジモント社製）等が挙げられる。

無機系材料の酸素透過膜としては、窒化ケイ素系や炭素系等の気体透過膜が挙げられる。

酸素透過膜３は、支持層を有していてもよい。これによって、膜の機械的強度を向上させることができる。支持層の材質は、膜が酸素富化機能を発揮できるものであれば特に限定されず、様々なものを用いることができる。例えば、織布、不織布、微多孔膜等を用いることができる。支持層として用いられる微多孔膜としては、ポリイミド微多孔膜、ＰＶＤＦ微多孔膜、ＰＴＦＥ微多孔膜、ポリオレフィン微多孔膜、限外ろ過膜（ＵＦ膜）として使用されるポリスルホン微多孔膜やポリエーテルスルホン微多孔膜等が挙げられる。平膜の場合、支持層の上に膜が形成された形態等が挙げられる。中空糸膜の場合、支持層である中空糸膜の内側の表面又は外側の表面に、膜が形成された形態等が挙げられる。

支持層を有する膜のその他の例としては、ポリイミド系の膜である場合、膜そのものを湿式で製膜した非対象構造の膜が挙げられる。さらに、無機系の気体透過膜である場合、支持層であるセラミック膜の上に気体透過膜を水熱合成で形成したものや、化学蒸着（ＣＶＤ）により薄膜形成したものが挙げられる。

膜モジュール６は、上記した酸素透過膜３を格納したものであり、モジュール化したものである。膜モジュール６の形態としては、特に限定されず、使用環境や使用条件等を考慮して適宜好適な条件を採用することができる。膜モジュール６の具体例としては、例えば、平膜を用いたプレート・アンド・フレーム型、プリーツ型、中空糸型、チューブラー型等の膜モジュールが挙げられる。例えば、プリーツ型には、箱型にプリーツを重ねた形状のものや、円筒にプリーツを巻き付けたもの等が挙げられる。

このように、本実施形態によれば、
空気を加圧する、タービン４を備えたコンプレッサ２と、
コンプレッサ２に接続され、加圧された空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離する酸素透過膜３を備えた、膜モジュール６と、
膜モジュール６に接続され、酸素富化空気を給気として燃焼させる燃焼機関１と、
膜モジュール６とタービン４との間に接続され、燃焼機関１の排熱を窒素富化空気に与える、熱交換器７と、
を備える、燃焼機関システムＡを実現できる。

次に、本実施形態の燃焼方法の別の一例について説明する。なお、特に断りがない限り、上述した態様と重複する内容については説明を適宜省略する。図２は、本実施形態の燃焼方法の別の一例を説明するための概念図である。

本実施形態の燃焼機関の燃焼方法の別の態様は、
給気を燃焼機関１に供給して燃焼させる燃焼方法であって、
（ａ）コンプレッサ２を用いて加圧された空気を酸素透過膜３の第１の表面３１に接触させ、第１の表面３１と反対側の第２の表面３２を透過した酸素富化空気を取り出すとともに、第１の表面３１を通過した窒素富化空気を取り出す工程と、
（ｂ）酸素富化空気を、給気として燃焼機関１に供給する工程と、
（ｃ）コンプレッサ２によって加圧された空気の熱を、窒素富化空気に与える工程と、
（ｄ）熱が付与された窒素富化空気を少なくとも用いて、コンプレッサ２をタービン４により駆動させる工程と、
を有する、燃焼機関１の燃焼方法である。

さらに、加圧された空気の熱を、酸素富化空気に与える工程を、更に有することが好ましい。この場合、加圧された空気の熱は、窒素富化空気と酸素富化空気に与えられる。

図２では、まず、コンプレッサ２によって空気を加圧する。加圧された空気は、第１の熱交換器８と第２の熱交換器９を経由して、膜モジュール６に送り込まれる。加圧された空気が第１の熱交換器８を経由する際に、当該空気の熱（断熱圧縮により生じた熱エネルギー等）が後述する窒素富化空気に付与される。そして、加圧された空気が第２の熱交換器９を経由する際に、当該空気の熱が後述する酸素富化空気に付与される。

膜モジュール６に格納された酸素透過膜３のいずれか一方の表面（第１の表面３１）に加圧された空気が送り込まれる。酸素透過膜３を通過した空気は酸素富化空気となる。酸素透過膜３を透過せずに、第１の表面３１を通過した空気は、窒素富化空気となる。酸素富化空気は、空気を供給した表面と反対側の表面（第２の表面３２）から取り出すことができる。

酸素富化空気が第２の交換器９を経由する際に、上記した加圧された空気の熱（断熱圧縮により生じた熱エネルギー等）が付与される。その後、酸素富化空気は燃焼機関１に供給され、そこで被燃焼物を燃焼させる。

窒素富化空気は、コンプレッサ２に接続されるタービン４に送り込まれ、タービン４を駆動させるために用いられる。膜モジュール６から送り出される窒素富化空気の圧力は、膜モジュール６での圧力損失によって多少低下する場合があったとしても、それでも高圧を維持しているため、タービン４の駆動を加勢できる。

加えて、窒素富化空気が第１の熱交換器８を経由する際に、上記した加圧された空気の熱エネルギー（断熱圧縮により生じた熱エネルギー等）が窒素富化空気に付与されるので、当該空気の熱エネルギーもタービン４を駆動させるエネルギーとして有効に活用できる。

さらに、加圧された空気の熱（断熱圧縮により生じた熱エネルギー等）は、第１の交換器８によって窒素富化空気（タービン４に供給される前）に付与されるだけでなく、第２の熱交換器９によって酸素富化空気（燃焼機関１に供給される前）にも付与される。その結果、断熱圧縮により生じた熱エネルギーを酸素富化燃焼系にも用いることができるため、酸素富化燃焼系の燃焼効率を一層向上させることができる。ひいては、燃焼機関１での燃焼に用いる酸素富化空気の必要量を低減できる。

このように、本実施形態では、従来では必ずしも有効に利用されていなかったエネルギーも有効に再利用できる。

第２の熱交換器９は、必ずしも設ける必要はなく、省略することもできる。しかし、第２の熱交換器９を設けることで、断熱圧縮により生じた熱エネルギーを酸素富化燃焼系にも用いることができるため、設けることが好ましい。

なお、ここでは２つの熱交換器（第１の熱交換器８、第２の熱交換器９）を併用した構成を一例に説明しているが、これらの配置順序は特に限定されない。例えば、第２の熱交換器９の後に第１の熱交換器８を配置してもよい。

このように、本実施形態によれば、
空気を加圧する、タービン４を備えたコンプレッサ２と、
コンプレッサ２に接続され、加圧された空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離する酸素透過膜３を備えた、膜モジュール６と、
膜モジュール６に接続され、酸素富化空気を給気として燃焼させる燃焼機関１と、
膜モジュール６とタービン４との間に接続され、コンプレッサ２によって加圧された空気の熱を窒素富化空気に与える、第１の熱交換器８と、
を備える、燃焼機関システムＢを実現できる。

さらに、より好適な態様として、燃焼機関システムＢは、コンプレッサ２と膜モジュール６との間に接続され、加圧された空気の熱を酸素富化空気に与える、第２の熱交換器９を更に備えることが好ましい。

次に、本実施形態の燃焼方法のさらに別の一例を説明する。なお、特に断りがない限り、上述した態様と重複する内容については説明を適宜省略する。図３は、本実施形態の燃焼方法のさらに別の一例を説明するための概念図である。図３は、第２の熱交換器９の代わりに、コンプレッサ２と膜モジュール６の間に冷却器５を設けた点で、図２と相違する。

図３では、まず、コンプレッサ２によって空気を加圧する。加圧された空気は、第１の熱交換器８と冷却器５を経由して、膜モジュール６に送り込まれる。加圧された空気が第１の熱交換器８を経由する際に、当該空気の熱（断熱圧縮により生じた熱エネルギー等）が窒素富化空気（タービン４に供給される前）に付与される。さらに、加圧された空気自身は、冷却器５によって冷却された後に膜モジュール６に供給される。

窒素富化空気は、タービン４に送り込まれ、タービン４を駆動させるために用いられる。膜モジュール６から送り出される窒素富化空気の圧力は、膜モジュール６での圧力損失によって多少低下する場合があったとしても、それでも高圧を維持しているため、タービン４の駆動を加勢できる。

加えて、窒素富化空気が第１の熱交換器８を経由する際に、上記した加圧された空気の熱エネルギー（断熱圧縮により生じた熱エネルギー等）が窒素富化空気に付与されるので、当該空気の熱エネルギーもタービン４を駆動させるエネルギーとして有効に活用できる。

また、加圧された空気にとっては、第１の交換器８と冷却器５の両方によって冷却されることになるため、酸素透過膜３の熱損傷を一層抑制できるといった効果も得られる。

このように、本実施形態のより好適な態様の１つとして、
空気を加圧する、タービン４を備えたコンプレッサ２と、
コンプレッサ２に接続され、加圧された空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離する酸素透過膜３を備えた、膜モジュール６と、
膜モジュール６に接続され、酸素富化空気を給気として燃焼させる燃焼機関１と、
膜モジュール６とタービン４との間に接続され、コンプレッサ２によって加圧された空気の熱を窒素富化空気に与える、第１の熱交換器８と、
コンプレッサ２と膜モジュール６との間に接続され、加圧された空気を冷却する冷却器５と、
を備える、燃焼機関システムＣを実現できる。

次に、本実施形態の燃焼方法のさらに別の一例を説明する。なお、特に断りがない限り、上述した態様と重複する内容については説明を適宜省略する。図４は、本実施形態の燃焼方法のさらに別の一例を説明するための概念図である。図４は、タービン４と膜モジュール６の間に接続された第３の熱交換器１０をさらに備える点で、図２と相違する。

図４では、燃焼機関１で発生した排熱が第３の熱交換器１０に供給される。そして、タービン４に供給される前の窒素富化空気が第３の熱交換器１０を経由する際に、その排熱が窒素富化空気に付与される。窒素富化空気に熱エネルギーが付与されることで、タービン４を一層効率よく駆動させることができる。このように、本実施形態では、燃焼機関１の排熱を、窒素富化空気に与えることが好ましい。

第１の熱交換器８、第２の熱交換器９、及び第３の熱交換器１０の配置の順序は、特に限定されない。

図４では、図２に示された構成に第３の熱交換器１０を設けた態様を一例として説明したが、例えば、図示はしないが、図３に示された構成に第３の熱交換器１０を設けることもできる。また、第３の熱交換器１０は、図１の熱交換器７と同様の構成とすることができる。

このように、本実施形態のより好適な態様の１つとして、
空気を加圧する、タービン４を備えたコンプレッサ２と、
コンプレッサ２に接続され、加圧された空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離する酸素透過膜３を備えた、膜モジュール６と、
膜モジュール６に接続され、酸素富化空気を給気として燃焼させる燃焼機関１と、
膜モジュール６とタービン４との間に接続され、コンプレッサ２によって加圧された空気の熱を窒素富化空気に与える、第１の熱交換器８と、
コンプレッサ２と膜モジュール６との間に接続され、加圧された空気の熱を酸素富化空気に与える、第２の熱交換器９と、
膜モジュール６とタービン４との間に接続され、燃焼機関１の排熱を窒素富化空気に与える、第３の熱交換器１０と、
を備える、燃焼機関システムＤを実現できる。

本実施形態の燃焼機関システムは、焼却炉、ボイラ、廃棄物処理装置、石炭ガス化発電装置等のような種々の燃焼装置や内燃機関等に応用可能である。例えば、焼却炉、ボイラ、廃棄物処理装置等では、窒素が奪う燃焼熱を低減できるため、排気ガスからの熱損失を抑えられ、燃焼効率の向上（燃料や補助燃料の削減等）や、燃焼温度の向上を達成できる。また、排ガス量を低減できるため、排ガス処理設備の処理規模を抑えることにつながる。同様に、ガソリンエンジン等の内燃機関においても、燃焼効率の向上が期待される。

本発明に係る燃焼機関システムは、焼却炉、ボイラ、廃棄物処理装置、石炭ガス化発電等をはじめとする、幅広い分野において利用することができる。

１…燃焼機関、２…コンプレッサ、３…酸素透過膜、３１…第１の表面、３２…第２の表面、４…タービン、５…冷却器、６…膜モジュール、７、８、９、１０…（第１、第２、第３の）熱交換器、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ…燃焼機関システム、Ｍ…モータ

Claims (12)

1. 給気を燃焼機関に供給して燃焼させる燃焼方法であって、
   （１）コンプレッサを用いて加圧された空気を酸素透過膜の第１の表面に接触させ、前記第１の表面と反対側の第２の表面を透過した酸素富化空気を取り出すとともに、前記第１の表面を通過した窒素富化空気を取り出す工程と、
   （２）前記酸素富化空気を、前記給気として前記燃焼機関に供給する工程と、
   （３）前記燃焼機関の排熱を、前記窒素富化空気に与える工程と、
   （４）前記排熱が付与された前記窒素富化空気を少なくとも用いて、前記コンプレッサをタービンにより駆動させる工程と、
   を有する、燃焼機関の燃焼方法。
2. 前記（１）工程において、前記加圧された空気を前記酸素透過膜に供給する前に、前記加圧された空気を冷却する、請求項１に記載の燃焼機関の燃焼方法。
3. 給気を燃焼機関に供給して燃焼させる燃焼方法であって、
   （ａ）コンプレッサを用いて加圧された空気を酸素透過膜の第１の表面に接触させ、前記第１の表面と反対側の第２の表面を透過した酸素富化空気を取り出すとともに、前記第１の表面を通過した窒素富化空気を取り出す工程と、
   （ｂ）前記酸素富化空気を、前記給気として前記燃焼機関に供給する工程と、
   （ｃ）前記コンプレッサによって前記加圧された空気の熱を、前記窒素富化空気に与える工程と、
   （ｄ）前記熱が付与された窒素富化空気を少なくとも用いて、前記コンプレッサをタービンにより駆動させる工程と、
   を有する、燃焼機関の燃焼方法。
4. 前記加圧された空気の熱を、前記酸素富化空気に与える工程を、更に有する、請求項３に記載の燃焼機関の燃焼方法。
5. 前記（ａ）工程において、前記加圧された空気を前記酸素透過膜に供給する前に、前記加圧された空気を冷却する、請求項３又は４に記載の燃焼機関の燃焼方法。
6. 前記燃焼機関の排熱を、前記窒素富化空気に与える工程を、更に有する、請求項３〜５のいずれか一項に記載の燃焼機関の燃焼方法。
7. 空気を加圧する、タービンを備えたコンプレッサと、
   前記コンプレッサに接続され、前記加圧された空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離する酸素透過膜を備えた、膜モジュールと、
   前記膜モジュールに接続され、前記酸素富化空気を給気として燃焼させる燃焼機関と、
   前記膜モジュールと前記タービンとの間に接続され、前記燃焼機関の排熱を前記窒素富化空気に与える、熱交換器と、
   を備える、燃焼機関システム。
8. 前記コンプレッサと前記膜モジュールとの間に接続され、前記加圧された空気を冷却する冷却器を、更に備える、請求項７に記載の燃焼機関システム。
9. 空気を加圧する、タービンを備えたコンプレッサと、
   前記コンプレッサに接続され、前記加圧された空気を酸素富化空気と窒素富化空気に分離する酸素透過膜を備えた、膜モジュールと、
   前記膜モジュールに接続され、前記酸素富化空気を給気として燃焼させる燃焼機関と、
   前記膜モジュールと前記タービンとの間に接続され、前記コンプレッサによって前記加圧された空気の熱を前記窒素富化空気に与える、第１の熱交換器と、
   を備える、燃焼機関システム。
10. 前記コンプレッサと前記膜モジュールとの間に接続され、前記加圧された空気の熱を前記酸素富化空気に与える、第２の熱交換器を、更に備える、請求項９に記載の燃焼機関システム。
11. 前記コンプレッサと前記膜モジュールとの間に接続され、前記加圧された空気を冷却する冷却器を、更に備える、請求項９又は１０に記載の燃焼機関システム。
12. 前記膜モジュールと前記タービンとの間に接続され、前記燃焼機関の排熱を前記窒素富化空気に与える、第３の熱交換器を、更に備える、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の燃焼機関システム。