JP3392055B2 - 炉に使用するための固形電解質膜系 - Google Patents

炉に使用するための固形電解質膜系

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸素又は酸素富化
空気を生成するために空気から酸素を分離するための固
形電解質イオン伝導体系を用いる装置及び方法に関す
る。本発明は、米国規格及び技術協会との協力協定Ｎ
ｏ．７０ＮＡＮＢ５Ｈ１０６５に基づき米国合衆国政府
と協同してなされたものであり、米国合衆国政府も、本
発明の権利の一部を保有する。
【０００２】
【従来の技術】溶鉱炉は、通常、炉内で実施される酸化
反応のための酸素を供給する多量の空気を消費する。近
年、溶鉱炉の操業者は、鉱石から鉄を生産するのに必要
なコークスの所要量を削減するために微粉炭噴射方式に
切り替えつつある。この切り替えに伴い、溶鉱炉の生産
速度を維持するためには溶鉱炉への空気の酸素含有量を
豊富にしなければならない。そのような溶鉱炉の酸素所
要量は、鉄１トン当たり酸素０．１トン以上である。従
って、酸素のコストは、鉄の生産コストの大きな要素で
ある。
【０００３】空気は、可変量の水蒸気と、海水面基準で
みて右記の近似組成（重量％）即ち、酸素（２０．９
％）、窒素（７８％）、アルゴン（０．９４％）及び残
部としてその他の微量ガスを有する。溶鉱炉内へ噴射さ
れるガス（例えば空気）のうち酸素分だけが消費される
ので、ガスのたの成分（例えば窒素及びアルゴン）は、
通常、化学的に不変のままガス炉から排出される。しか
しながら、これらの未反応ガスは、プロセス（製鉄工
程）中に加熱されており、その熱の多くは回収すること
ができないので、プロセスのエネルギー効率低下の一因
となる。
【０００４】溶鉱炉へ酸素富化空気を供給するための基
本的手段は、基本的酸素炉（ＢＯＦ）へ供給するために
設計された空気分離ユニットから普通純度の酸素（９
９．５モル％）を取出し、そのガスをブラスト空気（溶
鉱炉へ吹き込まれる主供給空気）と混合した後溶鉱炉の
ストーブに導入することから成る。多くの場合、空気の
酸素富化のために用いられる酸素は、ＢＯＦの作動に必
要とされる高い圧力（＞２００ｐｓｉａ）（１４. ０６
１４Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））である。
【０００５】別の方法として、高純度酸素生産プラント
より低いパワー（動力又は電力）を使用する低純度（７
０〜９０モル％）酸素生産プラントを用いて酸素を生成
し、その酸素をブラスト空気ブロアからの空気と混合さ
せる方法がある。
【０００６】溶鉱炉にはこのような酸素需要があるの
で、溶鉱炉の作動に用いるための酸素又は酸素富化空気
を生成するためのより効率的なプロセスの開発を求める
要望がある。本発明は、酸素又は酸素富化空気を生成す
るためのガス分離プロセスを酸素の需要先の溶鉱炉と統
合することによってこの要望を充足し、それによってプ
ロセス全体の効率を高める。
【０００７】固形電解質イオン伝導体は、空気からガス
を分離するための技術として魅力的な潜在技術を提供す
る。固形電解質プロセスは、イオン伝導体を用いて電気
駆動モードで、又は、混合型伝導体（イオン伝導性と電
子伝導性の両方を有する混合型伝導体）を用いて圧力駆
動モードで作動させることができる。（固形電解質イオ
ン伝導体と混合型伝導体を総称して「セリック」（ＳＥ
ＬＩＣ）とも称される）。ここでは、固形電解質イオン
伝導体は、イオン伝導体膜として用いられることが多い
ので、イオン伝導体膜又はイオン移送膜とも称する。固
形電解質プロセスの２つの特有の特徴は、プロセスが高
い温度（〜６００〜１０００°Ｃ）で作動され、無限の
酸素／窒素選択度（窒素と区別して酸素を選択する無限
の選択度即ち、透過分離度）でもって酸素を生成するこ
とである。これらの特徴は、固形電解質プロセスを溶鉱
炉作動のような高温プロセスに組み入れるのを適正化す
るのに役立つ。
【０００８】イオン伝導膜即ちイオン移送膜の作動の基
本は、結晶格子中の酸素イオン空位（空格子点）を高温
下で効率的に移送することである。電気駆動によるイオ
ン移送膜は、膜の両側（両面）が酸素分圧の差圧に露呈
されると、膜の両側間の酸素分圧の差に対数的に依存す
る自発電圧（ネルンスト電位）を発生させる。反対に、
ネルンスト電位を上回る外部電圧を印加すれば、酸化物
イオンの形の酸素を分圧勾配に抗して膜を透過して圧送
することができる。このような圧送を行うには、電流を
必要とし、しかも、このプロセスは高圧及び高温下で酸
素を生成することができるが、所要電機エネルギーのコ
ストが高くなる。
【０００９】近年になって、酸素イオン空位を高温下で
移送することができ、かつ、電子伝導体でもある固形電
解質物質が開発された。そのような物質の場合、酸素イ
オン空位の流れに対する向流は、外部回路を通してでは
なく、電子の内部流れによって行われる。従って、電極
を必要とせず、全体の移送がイオン移送膜の両側（両
面）間の酸素分圧の差によって駆動される。電気エネル
ギーを供給する必要がなく、このプロセスは、溶鉱炉設
備に容易に組み入れることができ、溶鉱炉に酸素又は酸
素富化空気を供給するための好適な手段である。
【００１０】従って、現在使用されているイオン移送膜
には、イオンだけを透過させるイオン伝導体と、イオン
と電子を両方とも透過させる混合型伝導体の２つのタイ
プがある。イオンだけを透過させるイオン伝導体は、電
子を流動させるためには電極と外部回路を必要とする。
ここで用いられる「固形電解質イオン伝導体」、「固形
電解質イオン移送膜」、「固形電解質」又は「イオン移
送膜」等の用語は、一般に、特に断らない限り、イオン
タイプ（電気駆動式）系と混合伝導体タイプ（圧力駆動
式）系の両方を意味するものとする。
【００１１】イオン移送プロセスは、純粋酸素を生成す
ることができるが、本発明に適用するための最善のモー
ドは、イオン移送膜の透過物側（篩下側）の面のための
パージガス流として供給ガス流より酸素分圧が低い空気
又はガスを使用することができる。それによって、酸素
分圧を低下させることができ、膜を通しての酸素移送を
促進し、その結果として、酸素回収率を高める。そのよ
うなイオン移送モジュール（イオン移送膜を備えたイオ
ン移送ユニットのモジュール）からの生成物は、純粋酸
素ではなく、酸素富化空気であるが、酸素富化空気は、
高温ブラスト空気（溶鉱炉へ吹き込まれる主供給空気）
の酸素濃度を高めるためにブラスト空気即ち供給空気中
へ注入するのに適している。
【００１２】固形電解質イオン移送技術は、「多段電解
質膜」と題する米国特許第５，５４７，４９４号に記載
されている。
【００１３】無機酸化物膜を用いた空気分離技術の進歩
が、技術文献に紹介されている。更に、例えば後述する
米国特許第５，２６８，０１９号に記載されているよう
に、ブラスト空気の酸素富化のための酸素純度を低くす
るために溶鉱炉ガスを燃料とするガスタービンを空気分
離ユニットに組み合わせる方式も提案されている。
【００１４】「タービン発電から副生酸素を生成するた
めの方法」と題する米国特許第４，５４５，７８７号
は、空気流から酸素を除去し、得られた空気流の一部分
を燃料流と共に燃焼させ、得られた燃焼ガス流を上記得
られた空気流の一部分と共に燃焼させ、最終燃焼ガスを
タービンに通して膨脹させパワーを創生する方法を開示
している。同特許は、空気流からは、ガスタービンによ
るパワー発生段と、セリック膜による酸素生成段のその
作動温度を最適化することができないという欠点を有す
る。得られた空気流の一部分酸素を除去するための膜と
して、銀複合膜及び複合金属酸化物固形電解質膜の使用
を教示している。
【００１５】「酸素生成のための統合高温法」と題する
米国特許第５，５１６，３５９号は、固形電解質イオン
伝導体膜を用いて高温圧縮ガスから酸素を分離する方法
を開示している。イオン伝導体膜の不透過物は、更に加
熱されてパワー創生のためにタービンに通される。
【００１６】「溶鉱炉と組み合わせた空気分離方法及び
装置」と題する上述した米国特許第５，２６８，０１９
号は、空気分離プラントを溶鉱炉と統合する（組み合わ
せる）手段を教示している。ただし、この方法は、固形
電解質を使用せず、従って、熱統合を利用しない。
【００１７】「空気分離」と題する米国特許第５，３１
７，８６２号は、加圧窒素を用いてパワーを創生する方
法を教示している。この方法は、溶鉱炉と組み合わせた
方法の熱収支を改善する。
【００１８】「溶鉱炉に酸素富化空気を供給するための
方法及び鉄鉱石を還元するための関連設備」と題する米
国特許第５，２４４，４８９号は、極低温空気分離プラ
ントを溶鉱炉と統合する手段を教示している。ただし、
この方法は、固形電解質を使用せず、混合コラムプロセ
スと称される低純度空気分離方式と組み合わせてブラス
ト空気ブロアを使用するものであり、在来のダブル
（複）コラム方式に類似した極低温法であるが、それに
第３のコラムを追加し、液体を空気に接触させて低純度
酸素流を生成しそれを溶鉱炉のストーブに導入されるブ
ラスト空気と混合させる方法である。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、炉に酸素富化ガスを供給するための酸素生成ユニッ
トに固形電解質イオン伝導体系を統合する、即ち組み入
れるための効率的な方法を提供することである。
【００２０】本発明の他の目的は、イオン移送膜を高温
ブラスト空気の一部分、又は、窒素廃流の一部分、又
は、反応性燃料ガス、又は、他の低濃度酸素ガスでパー
ジすることによってプロセスの効率を高めることであ
る。
【００２１】本発明の更に他の目的は、エネルギーを回
収して転送するために系内の適当な地点でプロセスの各
段を導管、熱交換器、冷却器、燃焼器、及びその他の適
当な機器を用いて統合することによって系全体の効率を
高めることである。
【００２２】
【発明の概要】本発明は、上記課題を解決するために、
炉内へ供給するための、元素状酸素と少くとも１種類の
他のガスを含有した第１供給ガス流を、元素状酸素と少
くとも１種類の他のガスを含有した第２供給ガス流から
得られた純粋酸素ガス流又は酸素富化ガスを用いて酸素
富化させるための方法（プロセス）を提供する。このプ
ロセス中、第１供給ガス流を圧縮する。第２供給ガス流
は、篩上側と篩下側を有するイオン移送膜を含むイオン
移送モジュールを用いて分離し、篩上側に膜不透過ガス
流として酸素減耗ガス流（酸素を減少又は除去されたガ
ス流）を生成し、篩下側に膜透過ガス流として純粋酸素
ガス流又は酸素富化ガス流を生成する。少くとも第１供
給ガス流は、炉内へ噴射する前に加熱しておく。第１供
給ガス流を炉内へ導入する前の任意の部位において上記
純粋酸素ガス流又は酸素富化ガス流を第１供給ガス流に
添加する。
【００２３】本発明の好ましい実施形態では、上記炉は
溶鉱炉である。別の好ましい実施形態では、上記第２供
給ガス流は、圧縮された第１供給ガス流の少くとも一部
分又は圧縮された酸素富化供給ガス流を含有したものと
する。
【００２４】本発明の更に別の好ましい実施形態では、
酸素減耗ガス流又は第２供給ガス流の少くとも一部分
を、イオン移送膜の篩下側をパージするのに用いる。
【００２５】本発明の更に別の好ましい実施形態では、
第１供給ガス流の少くとも一部分を加熱した後、第２供
給ガス流に添加する。
【００２６】本発明の更に別の好ましい実施形態では、
純粋酸素ガス流、又は、酸素富化ガス及び酸素減耗ガス
流から第２供給ガス流へ熱を伝達することによって第２
供給ガス流を加熱する。
【００２７】本発明の更に別の好ましい実施形態では、
酸素減耗ガス流からパワー膨脹機によってエネルギーを
回収する。
【００２８】本発明の更に別の好ましい実施形態では、
イオン移送膜の篩下側へパージの目的で燃料ガス流を送
給する。
【００２９】
【発明の実施の形態】本発明の要旨は、ブラスト空気ブ
ロアからの圧縮空気を固形電解質イオン移送モジュール
又はデバイスのための供給ガスとして使用し、それによ
って別個の圧縮機を設ける必要を排除した統合（一体的
に組み合わされた）プロセスを形成することである。高
温のブラスト空気の一部分は、固形電解質イオン移送モ
ジュール（以下、単に「イオン移送モジュール」とも称
する）の作動温度を維持するために必要な熱を供給する
ために用いることができ、それによって溶鉱炉の作動を
促進する酸素富化空気流のために必要とされる燃料を不
要又は削減することができる。
【００３０】本発明の好ましい実施形態は、イオン移送
工程の作動を助成し、炉への高温ブラスト空気の効率を
高めるための酸素又は酸素富化空気を生成するために溶
鉱炉設備からの圧縮エネルギーの一部及び熱の一部を利
用する。イオン移送モジュールを溶鉱炉設備に統合する
ことによって酸素富化工程のエネルギー及びコストを削
減することができ、プロセス全体をより効率的にするこ
とができる。
【００３１】イオン移送モジュールを溶鉱炉の作動に組
合わさせる、又は統合する態様には幾つかの異なる態様
がある。これらの態様のうちの幾つかは、部分的にしか
統合されておらず、それほど効率的ではない場合がある
が、以下に例示の目的で説明する。本発明による好まし
い実施形態は、統合度が高く、溶鉱炉の作動を高めるた
めの効率的で実際的な手段を提供する。
【００３２】以下に、添付図を参照して本発明を説明す
る。一般に、溶鉱炉のような炉に注入される酸素富化空
気の好ましい酸素濃度は、２５〜２７容量％である。こ
のプロセスは、この又は他の酸素濃度を得るように適合
させることができる。本発明の幾つかの特徴及び利点
は、添付図に示された各実施形態に示されている。それ
らの特徴としては、プロセスの各機器の熱管理及び熱的
統合を行うこと、既存の溶鉱炉を本発明に変換するため
に既存の機械類を利用することができ、あるいは、その
ために必要な機器を後付けすることができること、イオ
ン移送膜の効率を高めるためにパージガス流を使用する
こと、及び、高圧ガス流からエネルギーを回収するため
にタービンを使用すること等がある。
【００３３】本発明のいろいろな側面を説明するため
に、各添付図に本発明の多数の変型実施形態を示す。例
えば、図１は、燃料ガス流を廃ガス流の形で燃焼器へ送
給するようにした本発明の一実施形態を示す概略図であ
る。この構成は、高温のブラスト空気流を分岐して利用
することが実際的でなく、従って、パージ操作のために
温暖空気流しか利用できない場合、あるいは、タービン
の入口温度を高めることによってタービンの出力を高め
たい場合は、温度を調整するために、あるいは、追加の
熱源としてのみ用いられる。
【００３４】作動において、供給ガス（空気）流２に酸
素富化ガス流４４が添加されて、ブラスト空気ブロア５
へ供給されるガス流４が生成される。ブラスト空気ブロ
ア５からの圧縮された供給ガス流６は、ストーブ１０へ
送られるガス流８と、熱交換器５２を通して分流される
ガス流４６とに分割される。熱交換器５２においてガス
流４６は、イオン移送モジュール３８からの高温の酸素
富化ガス流４２及び高温廃ガス流５４との熱交換によっ
て昇温され、加熱されたガス流４５を生成する。
【００３５】ストーブ１０からのガス流１４は、溶鉱炉
１２に供給されるガス流（ブラスト空気流）１６と、弁
１９を通してガス流２２となるガス流１８とに分割され
る。溶鉱炉１２からは高温排出ガス流１３が排出され
る。ガス流２２は、加熱ガス流４５と合流してガス流４
３になる。ガス流４３は、ガス流４７とガス流２０に分
割され、ガス流４７は、イオン移送膜４０の篩上側４０
ａへ送られ、ガス流２０は、弁２１を通ってパージガス
流２６となる。
【００３６】酸素との燃焼に付される反応性ガスである
燃料ガス流２４が、随意選択としてパージガス流２６に
添加され、最終的にイオン移送モジュール３８内で燃焼
される。パージガス流２６は、弁２１にではなく随意選
択の膨脹機２８に通すこともでき、それによって圧縮エ
ネルギーの一部を回収してパージガス流３０とすること
ができる。パージガス流３０は、イオン移送膜４０の篩
上側４０ａの流れに対して向流方向にイオン移送膜４０
の篩下側４０ｂに沿って流れる。
【００３７】ガス流２２とガス流４５の混合割合を制御
することによってイオン移送モジュール３８を適正な作
動温度に維持することができる。イオン移送モジュール
３８からの低圧の酸素富化生成物ガス流４２は、熱交換
器５２内で冷却されて、酸素富化ガス流４４を生成す
る。酸素富化ガス流４４は、先に述べたように、供給空
気流２に注入されてブラスト空気流１６の酸素濃度を高
める。
【００３８】イオン移送膜４０の篩上側４０ａからの窒
素豊富ガス流４８は、随意選択の燃焼器３６に通されて
燃料ガス流３４を添加されて燃焼される。燃焼器３６か
らの廃ガス流５０は、膨脹機５６に通されてその圧縮エ
ネルギーの一部が回収され、高温廃ガス流５４を生成す
る。ガス流５４は、熱交換器５２に通されてガス流５８
となり、一般には廃棄される。
【００３９】図２は、図１の実施形態に類似した本発明
の変型実施形態の概略図であるが、この実施形態ではイ
オン移送モジュールからの酸素豊富ガス流が冷却されて
圧縮された後、ブラスト空気流への供給ガス流に混合さ
れるのではなく、溶鉱炉のストーブ内に導入される加圧
ガス流に注入されるという点で図１の実施形態とは異な
る。高温のブラスト空気がイオン移送モジュールへの供
給ガス流に混合され、その混合ガス流の一部分は、パー
ジガス流として分流される。供給ガス流とパージガス流
とは、同じ温度であるから、イオン移送による分離操作
は、等温操作である。等温操作は、一般に、効率が高い
という点と、イオン移送分離素子（イオン移送膜）に及
ぼす熱応力を少なくするという点で好ましい。
【００４０】作動において、供給ガス（空気）流２は、
ブラスト空気ブロア５へ供給され、ブラスト空気ブロア
５からの圧縮された供給ガス流６０は、ガス流６２とガ
ス流７７とに分割される。ガス流８１は、ガス流８２と
ガス流６８とに分割される。ガス流８２は、イオン移送
モジュール８３のイオン移送膜８４の篩上側８４ａへ供
給される。一方、ガス流６８は、弁６９を通り、随意選
択の膨脹機２８に通されて圧縮エネルギーの一部を回収
されパージガス流７０となる。パージガス流７０は、イ
オン移送膜８４の篩上側８４ａの流れに対して向流方向
にイオン移送膜８４の篩下側８４ｂに沿って流れる。
【００４１】ガス流６５とガス流８０の混合割合を制御
することによってイオン移送モジュール８８を適正な作
動温度に維持することができる。イオン移送モジュール
８３からの低圧の酸素富化生成物ガス流７１は、熱交換
器５２内で冷却されて、酸素富化ガス流７２を生成す
る。酸素富化ガス流７２は、冷却器７３によって冷却さ
れてガス流７４となる。ガス流７４は、圧縮機７５によ
って圧縮され、ガス流７６となる。酸素富化ガス流７６
は、供給空気流２に注入されてブラスト空気流６６の酸
素濃度を高める。
【００４２】イオン移送膜８４の篩上側８４ａからの窒
素豊富廃ガス流８６は、随意選択の燃焼器３６に通され
て燃料ガス流３４を添加されて燃焼される。燃焼器３６
からの廃ガス流８７は、膨脹機５６に通されてその圧縮
エネルギーの一部が回収され、高温廃ガス流８８を生成
する。ガス流８８は、熱交換器５２に通されてガス流９
０となり、一般には廃棄される。
【００４３】図３は、本発明の更に別の実施形態の概略
図であり、パージガス流が窒素豊富廃ガス流の一部分か
ら取り出されるようになされたプロセスを示す。この構
成は、廃ガス流を窒素副生成物として取り出すことが有
利である場合、そのような取出しを可能にする。その場
合、高温のブラスト空気流を、図２に示される実施形態
におけるように、イオン移送モジュールへ添加する。あ
るいは、別法として、窒素豊富廃ガス流を高温のブラス
ト混合してブラスト空気ブロアの出力圧力（吐出圧力）
より多少低いパージガス流を生成してもよいが、その混
合ガス流をイオン移送モジュールへ供給するには、図に
示されるように、弁を通して膨脹させなければならない
場合があり、それによって、イオン移送プロセスの高圧
側の圧力は、高温ブラスト空気の圧力にまで下げられ
る。図１に示される実施形態におけるように、パージガ
ス流に少量の燃料ガスを添加してイオン移送モジュール
内で補助加熱の手段として燃焼させることもできる。別
法として、供給ガス１０１から分流されたガス流１０６
に燃料を添加してイオン移送モジュールの供給側で燃焼
させてもよい。
【００４４】作動において、供給ガス（空気）流２に酸
素富化ガス流１２１が添加されて、ブラスト空気ブロア
５へ供給されるガス流１００が生成される。ブラスト空
気ブロア５からの圧縮された供給ガス流１０１は、スト
ーブ１０へ送られるガス流１０２と、弁１２３を通し、
熱交換器５２を通して分流されるガス流１２２とに分割
される。熱交換器５２においてガス流１２２は、イオン
移送モジュール１０７からの高温の酸素富化ガス流１２
０及び高温廃ガス流１１６との熱交換によって昇温さ
れ、加熱されたガス流１２４を生成する。
【００４５】ストーブ１０からのガス流１０３は、溶鉱
炉１２に供給されるガス流（ブラスト空気流）１０４
と、弁１０９を通してガス流１２４に添加されてガス流
１０６となるガス流１０５とに分割される。溶鉱炉１２
からは高温排出ガス流１３が排出される。ガス流１０６
は、イオン移送膜１０８の篩上側１０８ａへ送られる。
イオン移送膜１０８の篩上側１０８ａからの篩上ガス流
（即ち、移送膜１０８を透過しなかった膜不透過ガス
流）１１０は、ガス流１１１とガス流１１４に分割さ
れ、ガス流１１１は、弁１１５を通してパージガス流１
１９とされる。
【００４６】酸素との燃焼に付される反応性ガスである
燃料ガス流１１７が、随意選択としてパージガス流１１
９に添加され、最終的にイオン移送モジュール１０７内
で燃焼される。パージガス流１１９は、随意選択の膨脹
機１１２に通されて、圧縮エネルギーの一部が回収され
てパージガス流１１３とされ。パージガス流１１３は、
イオン移送膜１０８の篩上側１０８ａの流れに対して向
流方向にイオン移送膜１０８の篩下側１０８ｂに沿って
流れる。
【００４７】ガス流１２４とガス流１０５の混合割合を
制御することによってイオン移送モジュール１０７を適
正な作動温度に維持することができる。イオン移送モジ
ュール１０７からの低圧の酸素富化生成物ガス流１２０
は、熱交換器５２内で冷却されて、酸素富化ガス流１２
１を生成する。酸素富化ガス流１２１は、先に述べたよ
うに、供給空気流２に注入されてブラスト空気流１０４
の酸素濃度を高める。
【００４８】イオン移送膜１０８の篩上側１０８ａから
の窒素豊富ガス流１１４は、膨脹機５６に通されてその
圧縮エネルギーの一部が回収され、ガス流１１６を生成
する。ガス流１１６は、熱交換器５２に通されてガス流
１１８となり、一般には廃棄される。
【００４９】図４は、図３の実施形態に類似した本発明
の変型実施形態の概略図であるが、この実施形態ではイ
オン移送モジュールからの酸素豊富ガス流が冷却されて
圧縮された後、ブラスト空気ブロアの供給ガスへ再循環
せずに、溶鉱炉のストーブ内に導入される加圧ガス流に
注入される。
【００５０】作動において、供給ガス（空気）流２がブ
ラスト空気ブロア５へ供給されて圧縮ガス流１２５を生
成する。ブラスト空気ブロア５からの圧縮ガス流１２５
は、ガス流１２６と、ガス流１３１に分流される。ガス
流１３１は、随意選択のブースター圧縮機１３２に通さ
れてガス流１３３とされた後、熱交換器５２に通され、
熱交換器５２においてガス流１３３は、イオン移送モジ
ュール１３６からの高温の酸素富化ガス流１４６及び高
温廃ガス流１５２との熱交換によって昇温され、加熱さ
れたガス流１３４を生成する。
【００５１】一方、ガス流１２６は、酸素富化ガス流１
５１と混合されてガス流１２７を生成し、ストーブ１０
へ供給される。ストーブ１０からのガス流１２８は、溶
鉱炉１２に供給されるガス流（ブラスト空気流）１２９
と、弁１５５を通して加熱ガス流１３４に添加されてガ
ス流１３５となるガス流１３０とに分割される。溶鉱炉
１２からは高温排出ガス流１３が排出される。ガス流１
３５は、イオン移送膜１３８の篩上側１３８ａへ送られ
る。イオン移送膜１３８の篩上側１３８ａからの篩上ガ
ス流（即ち、移送膜１３８を透過せずに膜上に保持され
た膜不透過ガス流）１４０は、ガス流１４１とガス流１
５２に分割され、ガス流１４１は、弁１５３を通してパ
ージガス流１４３とされる。パージガス流１４３は、随
意選択の膨脹機１４４に通され、その圧縮エネルギーの
一部が回収され、パージガス流１４５を生成する。
【００５２】酸素との燃焼に付される反応性ガスである
燃料ガス流１４２が、随意選択としてパージガス流１４
３に添加され、最終的にイオン移送モジュール１３６内
で燃焼される。パージガス流１４５は、イオン移送膜１
３８の篩上側１３８ａの流れに対して向流方向にイオン
移送膜１３８の篩下側１３８ｂに沿って流れる。
【００５３】ガス流１３０とガス流１３４の混合割合を
制御することによってイオン移送モジュール１３６を適
正な作動温度に維持することができる。イオン移送モジ
ュール１３６からの低圧の酸素富化生成物ガス流１４６
は、熱交換器５２内で冷却されて、酸素富化ガス流１４
７を生成する。酸素富化ガス流１４７は、冷却器１４８
によって冷却されてガス流１４９となる。ガス流１４９
は、圧縮機１５０によって圧縮され、ガス流１５１とな
り、供給空気流２に注入されてブラスト空気流１２９の
酸素濃度を高める。
【００５４】イオン移送膜１３８の篩上側１３８ａから
の窒素豊富廃ガス流１５２は、膨脹機５６に通されてそ
の圧縮エネルギーの一部が回収され、ガス流１５４を生
成する。ガス流１５４は、熱交換器５２に通されてガス
流１５６となり、一般には廃棄される。
【００５５】図５は、イオン移送モジュールへの供給ガ
ス流を圧縮するのに別個の圧縮機を用いるプロセスを示
す本発明の変型実施形態の概略図である。このプロセス
は、ブラスト空気ブロアから加圧空気を得ることが不可
能であるか、あるいは、実際的でない場合に、用いるこ
とができる。その他の点では、図３の実施形態のプロセ
スと同様である。
【００５６】作動において、供給ガス（空気）流２は、
ブラスト空気ブロア５へ供給されて圧縮ガス流１６０を
生成する。ブラスト空気ブロア５からの圧縮ガス流１６
０は、酸素富化ガス流１９２と混合されてガス流１６２
を生成し、ストーブ１０へ供給される。一方、第２のガ
ス流１６８が、圧縮機１６９に通されてガス流１７０と
された後、熱交換器５２に通され、熱交換器５２におい
てガス流１７０は、イオン移送モジュール１７６からの
高温の酸素富化ガス流１８７及び高温廃ガス流１９４と
の熱交換によって昇温され、加熱されたガス流１７２を
生成する。
【００５７】ストーブ１０からのガス流１６４は、溶鉱
炉１２に供給されるガス流（ブラスト空気流）１６５
と、弁１６７を通して加熱ガス流１７２に添加されてガ
ス流１７４となるガス流１６６とに分割される。溶鉱炉
１２からは高温排出ガス流１３が排出される。ガス流１
７４は、イオン移送膜１７８の篩上側１７８ａへ送られ
る。イオン移送膜１７８の篩上側１７８ａからの篩上ガ
ス流１８０は、ガス流１８２とガス流１９５に分割さ
れ、ガス流１８２は、弁１８１を通してパージガス流１
８４とされる。ガス流１８４は、膨脹機１８５に通さ
れ、その圧縮エネルギーの一部が回収され、パージガス
流１８６を生成する。
【００５８】酸素との燃焼に付される反応性ガスである
燃料ガス流１８３が、随意選択としてパージガス流１８
４に添加され、最終的にイオン移送モジュール１７６内
で燃焼される。パージガス流１８６は、イオン移送膜１
７８の篩上側１７８ａの流れに対して向流方向にイオン
移送膜１７８の篩下側１７８ｂに沿って流れる。
【００５９】ガス流１６６とガス流１１７２の混合割合
を制御することによってイオン移送モジュール１７６を
適正な作動温度に維持することができる。イオン移送モ
ジュール１７６からの低圧の酸素富化生成物ガス流１８
７は、熱交換器５２内で冷却されて、酸素富化ガス流１
８８を生成する。酸素富化ガス流１８８は、冷却器１８
９によって冷却されてガス流１９０となる。ガス流１９
０は、圧縮機１９１によって圧縮され、ガス流１９２と
なり、供給空気流２に注入されてブラスト空気流１６５
の酸素濃度を高める。
【００６０】イオン移送膜１７８の篩上側１７８ａから
の窒素豊富廃ガス流１９４は、膨脹機５６に通されてそ
の圧縮エネルギーの一部が回収され、ガス流１９５を生
成する。ガス流１９５は、熱交換器５２に通されてガス
流１９６となり、一般には廃棄される。
【００６１】図１、２、３、４及び５に示されたイオン
移送プロセスは、純粋酸素ではなく、酸素富化空気を生
成する。これは、特に高圧及び高温下で純粋酸素を取り
扱うことが困難であり、イオン移送プロセスが本来高温
プロセスであることからして有利な利点である。イオン
移送プロセスは、酸素に対しては無限の選択度（他の成
分と区別して酸素を選択する無限の選択度即ち、透過分
離度）を有するが、純粋酸素ではなく、酸素富化空気を
必要とする用途のためには、純粋酸素を生成した後それ
を稀釈するよりは、イオン移送膜の篩下側をパージして
酸素分圧を低下させる方が効率的である。
【００６２】図１、２、３、４及び５に示されたイオン
移送プロセスの各実施形態の相対的利点及び効率を定量
的に分析するために、以下に具体的な例を示す。本発明
の好ましい作動モードの幾つかは、下記の実施例によっ
てよりよく理解することができると思われる。下記の実
施例においてはプロセス流れの流量、組成及び温度は、
イオン移送モジュールのために開発された模型を用いて
仮想作動条件に対してバランスされたものである。以下
のすべての実施例において用いられた作動仕様は下記表
Ｉの通りである。
【００６３】
【表１】
【００６４】例１ この実施例は、図１に示されたプロセスであり、減圧さ
れた高温ブラスト空気の一部をイオン移送モジュール
（ITM ）への減圧された供給ガス流の一部と混合するこ
とによってパージガス流を生成するようになされてい
る。篩上ガス流が１０％の酸素を含有しており、パージ
ガス流に添加する篩上ガス流の比率が２５％であるとす
ると、以下の第Ｅ−１表に示されるような作動パラメー
タが得られる。この例ではパージガス流への燃料の添加
は行われない。
【００６５】
【表２】
【００６６】この例１においては、イオン移送モジュー
ルへの供給ガス流に含有されている酸素の６８％が、６
０％の酸素濃度の篩下（膜透過）ガス流内に回収され
る。この例の分離に必要とされるイオン移送膜の面積
は、１７，８１０ｆｔ2 （１６５４. ５４９ｍ2 ）であ
る。ブラスト空気ブロアは、溶鉱炉へ供給するための１
００，０００ｓｃｆｍ（ｆｔ3/m 標準状態）（４７．１
９５ｍ3/ｍ）の酸素富化ガス（酸素含有量２６％）を生
成するためにほぼ１６８，０００ｓｃｆｍ（ｆｔ3/ｍ標
準状態）（７９. ２８７６ｍ3/ｍ）の酸素富化ガスを圧
縮しなければならない。４７，７００ｓｃｆｍ（ｆｔ3/
ｍ標準状態）（２２. ５１２ｍ3 / ｍ）の篩上（膜不透
過）ガス流は、ブラスト空気ブロア（以下、単に「ブロ
ア」とも称する）が必要とする圧縮エネルギーの一部を
回収するためにタービンに通して膨脹させることができ
る。そのブロア及びタービンが８５％の断熱効率（有効
効率）を有するとすると、それに基づいて計算されたパ
ワー（電力）は下記の通りである。 ブロアに必要とされる追加パワー：６７０６ｋＷ タービンによって回収されるパワー：４３９７ｋＷ 正味追加パワー：２３０９ｋＷ
【００６７】この例では、イオン移送膜をパージするた
めに取り出された（抽出された）ガス流の減圧によって
失われた圧縮エネルギーは回収されない。パワーは、パ
ージ用に用いるためのガスを図１に示されるように随意
選択の膨脹機に通せば、減少される。
【００６８】例２ 例１においては、ブラスト空気ブロアは、イオン移送モ
ジュールへのガス流の追加の流れを搬送するための容量
を有しており、増大した酸素濃度に安全に耐えうるもの
であると想定されているが、これらの問題は、図２に示
されたプロセスである例２においては回避される。この
実施例では、イオン移送モジュールからの生成物である
酸素富化ガス流は、図１に示されようにブラスト空気ブ
ロアによってではなく、別個の圧縮機によって圧縮され
る。やはり、イオン移送モジュールの温度は、高温ブラ
スト空気の一部を抽出することによって維持されるが、
この例では、高温ブラスト空気の一部をイオン移送モジ
ュールへの供給ガス流に混合させ、得られたガス流の一
部分を膨脹させて向流パージガス流として用いる。やは
りこの例でも、篩上ガス流が１０％の酸素を含有してお
り、パージガス流に添加する篩上ガス流の比率が２５％
であるとすると、以下の第Ｅ−２表に示されるような作
動パラメータが得られる。この例でも、パージガス流へ
の燃料の添加は行われない。
【００６９】
【表３】
【００７０】この例２においては、イオン移送モジュー
ルへの供給ガス流に含有されている酸素の５９％が、５
０．５％の酸素濃度の篩下（膜透過）ガス流内に回収さ
れる。この例の分離に必要とされるイオン移送膜の面積
は、１０，０００ｆｔ2 （９５６. ９０５ｍ2 ）であ
る。ブラスト空気ブロアは、溶鉱炉へ供給するための１
００，０００ｓｃｆｍ（４７．１９５ｍ3/ｍ）の酸素富
化ガス（酸素含有量２６％）を生成するためにほぼ１４
６，８５０ｓｃｆｍ（６９. ３０５８５７５ｍ3/ｍ）の
酸素富化ガスを圧縮しなければならない。やはり、４
６，８００ｓｃｆｍ（２２. ０８７２６ｍ3/ｍ）の篩上
（膜不透過）ガス流は、ブラスト空気ブロアが必要とす
る圧縮エネルギーの一部を回収するためにタービンに通
して膨脹させることができる。そのブロア及びタービン
が８５％の断熱効率（有効効率）を有するとすると、そ
れに基づいて計算されたパワーは下記の通りである。 ブロアに必要とされる追加パワー：４５９０ｋＷ イオン移送モジュールからの生成物のための圧縮機：１
８２１ｋＷ タービンによって回収されるパワー：４７８３ｋＷ 正味追加パワー：１６２９ｋＷ
【００７１】例１の場合と同様にこの例でも、パージ用
に用いるためのガスを図２に示されるように随意選択の
膨脹機に通すことによって若干の追加のパワーを回収す
ることができる。
【００７２】計算にによれば、この例は、例１よりも所
要イオン移送膜面積が少なくてすみ、消費パワーも少な
いが、追加の圧縮機と冷却器を必要とする。所要膜面積
は、イオン移送モジュールへの供給ガス流を図２に示さ
れる随意選択の圧縮機により更に高い圧力に圧縮すれ
ば、更に減小させることができる。
【００７３】例３ この例は、パージガス流を窒素豊富篩上ガス流（廃ガス
流）から取り出すようにした図３のプロセスである。酸
素豊富篩下ガス流は、図１に示される例１と同様に、ブ
ラスト空気ブロアへの供給ガス流へ再循環される。篩上
ガス流が５％の酸素を含有しており、パージガス流に添
加する篩上ガス流の比率が２０％であるとすると、以下
の第Ｅ−３表に示されるような作動パラメータが得られ
る。この例でも、パージガス流への燃料の添加は行われ
ない。
【００７４】
【表４】
【００７５】この例３においては、ストーブを通しての
圧力降下は、無視した。イオン移送膜の篩下（膜透過）
ガス流の酸素濃度は６０％であり、イオン移送モジュー
ルへの供給ガス流に含有されている酸素の８５％が回収
される。この例の分離に必要とされるイオン移送膜の面
積は、１９，６００ｆｔ2 （９. ２５０２２ｍ2 ）であ
る。ブラスト空気ブロアは、溶鉱炉へ供給するための１
００，０００ｓｃｆｍ（４７．１９５ｍ3/ｍ）の酸素富
化ガス（酸素含有量２６％）を生成するためにほぼ１５
１，０００ｓｃｆｍ（７１. ２６４４５ｍ3/ｍ）の酸素
富化ガスを圧縮しなければならないが、その圧縮エネル
ギーの一部を回収するために３２，０１０ｓｃｆｍ（１
５. １０７１１ｍ3/ｍ）の廃ガス流をタービンに通して
膨脹させることができる。ブラスト空気ブロア及びター
ビンが８５％の断熱効率（有効効率）を有するとする
と、それに基づいて計算されたパワーは下記の通りであ
る。 ブロアに必要とされる追加パワー：５０３９ｋＷ タービンによって回収されるパワー：３５１１ｋＷ 正味追加パワー：１５２８ｋＷ
【００７６】この例では、篩上ガス流のうちイオン移送
膜のためのパージするために取り出された部分の減圧に
よって圧縮エネルギーが失われるが、この失われたエネ
ルギーの一部は、そのパージガス流を弁にではなく、膨
脹機に通すことによって回収することができる。
【００７７】例４ この例（図４）は、図３に示される例３と同様に、イオ
ン移送膜の篩上ガス流をイオン移送膜のためのパージガ
スとして用いるが、モジュールからの酸素豊富篩下ガス
流は、ブラスト空気ブロアを通して再循環せずに、図２
に示されるように別途に圧縮して溶鉱炉のストーブへの
供給ガスとして再注入される。やはり、篩上ガス流が５
％の酸素を含有しており、パージガス流に添加する篩上
ガス流の比率が２０％であるとすると、以下の第Ｅ−４
表に示されるような作動パラメータが得られる。
【００７８】
【表５】
【００７９】この例４においては、イオン移送膜の篩下
（膜透過）ガス流の酸素濃度は５３．７％であり、イオ
ン移送モジュールへの供給ガス流に含有されている酸素
の８１％が回収される。この例の分離に必要とされるイ
オン移送膜の面積は、１４，４００ｆｔ2 （６. ７９６
０８ｍ2 ）である。ブラスト空気ブロアは、溶鉱炉へ供
給するための１００，０００ｓｃｆｍ（４７．１９５ｍ
3/ｍ）の酸素富化ガス（酸素含有量２６％）を生成する
ためにほぼ１３２，０９０ｓｃｆｍ（６２. ３３９８７
ｍ3/ｍ）の酸素富化ガスを圧縮しなければならないが、
その圧縮エネルギーの一部を回収するために３２，０１
０ｓｃｆｍ（１５. １０７１１ｍ3 / ｍ）の廃ガス流を
タービンに通して膨脹させることができる。ブラスト空
気ブロア及びタービンが８５％の断熱効率（有効効率）
を有するとすると、それに基づいて計算されたパワーは
下記の通りである。 ブロアに必要とされる追加パワー：３１４４ｋＷ イオン移送モジュールのための圧縮機：１６１３ｋＷ タービンによって回収されるパワー：３２７６ｋＷ 正味追加パワー：１４８１ｋＷ
【００８０】この例でも、篩上ガス流のうちイオン移送
膜のためのパージするために取り出された部分の減圧に
よって圧縮エネルギーが失われるが、この失われたエネ
ルギーの一部は、そのパージガス流を弁にではなく、膨
脹機に通すことによって回収することができる。
【００８１】上記１〜４の各例からの結果を比較する
と、所要正味パワー（電力）及び所要イオン移送膜面積
は、いずれも、イオン移送モジュールからの酸素富化透
過（篩下）ガスをブラスト空気ブロアの供給ガス流へ再
循環させる例１及び３よりも、イオン移送モジュールか
らの酸素富化透過（篩下）ガスをブラスト空気ブロアの
供給ガス流へ再循環させずに別途に圧縮してストーブへ
の供給ガス流に注入する例２及び４の方が少なくてす
む。ただし、例２及び４のプロセスは、追加の圧縮機及
び冷却器（チラー）を必要とする。既存のブラスト空気
ブロアの容量に余裕がある場合は、例２及び４のプロセ
スの方が有利であるが、槽でない場合は、例１及び３の
プロセスの方が好ましい場合がある。作動パラメータ
は、コストはその他の経済的要因に基づいて決定される
ものであるから、ここではあえて作動パラメータを最適
化するための試みはしなかった。
【００８２】例１〜４のプロセスは、いずれも、イオン
移送モジュールへの供給ガス又はイオン移送モジュール
の篩上ガス流から取り出したパージガスを利用するとい
う点で新規である。これは、酸素豊富透過（篩下）ガス
を意図的にパージ操作によって稀釈させるようにした従
来のガス分離技術からみて予想外のことである。本発明
の方法は、高度のではなく、中庸の酸素富化操作を必要
とするだけであり、篩下ガスの稀釈が酸素の膜透過のた
めの駆動力を高めるので極めて効率的である。
【００８３】これらの例は、又、パージ操作のために供
給ガスを使用する（例１及び２）のに比べて、パージ操
作のために篩上ガスを使用すること（例３及び４）は、
パワー所要量を削減するが、膜の面積を大きくする必要
があることを示している。どの例のプロセスが好ましい
かは、最終的には経済的な配慮によって決められること
になろう。窒素の副生成物を必要とする場合は、例３及
び４のプロセスが有利であり、例４がその場合の好まし
いプロセスの代表例である。例３及び４における篩上ガ
ス流には通常５％の酸素が含まれるが、これらのプロセ
スは、酸素をほぼ１００％回収して篩上ガス流中にほぼ
純粋な窒素を生成するように改変することができる。純
粋な窒素を必要とする場合は、最終の純粋窒素生成物か
ら微量酸素を除去することによってイオン移送モジュー
ルからの廃ガス流を精製するために電気駆動又は圧力駆
動式の第２イオン移送段（モジュール）を用いるのが有
利な場合がある。
【００８４】上記例１〜４は、いずれも、本発明の好ま
しい実施形態である。すでに述べたように、本発明の作
動の好ましいモードは、イオン移送膜の篩下側をパージ
するようにした圧力駆動式イオン移送プロセスを採用す
る。これらのプロセスの例は、以上に述べたとおりであ
り、図１、２、３及び４に示されている。
【００８５】ただし、パージガス流を用いることが実際
的でない場合は、圧力駆動式イオン移送プロセスによっ
て空気から酸素を抽出ことが可能である。しかしなが
ら、その場合の生成物である純粋酸素は低圧であるか
ら、酸素移動プロセスを駆動するためには、イオン移送
モジュールへの供給ガス流の圧力を比較的高い圧力にし
なければならない。
【００８６】そのような圧力駆動式イオン移送プロセス
の一例を図６に示す。図６の例においては、ストーブへ
の空気供給流に酸素生成物が注入される。別法として、
随意経路として示されるように、ストーブからの高温ブ
ラスト空気に注入してもよい。これらの例に記載された
各プロセスでは、５０〜６０ｐｓｉａ（３. ５１５３５
〜４. ２１８４２Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧））の圧力の酸
素を生成するためにイオン移モジュールを高い圧力で作
動させる必要がある。
【００８７】作動において、随意選択としてガス流２２
５が供給ガス（空気）流２に添加されて、ガス流１９８
とされた後、ブラスト空気ブロア５へ供給される。ブラ
スト空気ブロア５からの圧縮ガス流２００は、ガス流２
０２とガス流２０６に分割され、後者のガス流２０６
は、冷却器２０７に通されてガス流２０８とされた後、
圧縮機２０９を経て熱交換器５２に通され、熱交換器５
２においてガス流２０８は、イオン移送モジュール２１
１からの高温の酸素富化ガス流２１４及び高温廃ガス流
２１８との熱交換によって昇温され、加熱されたガス流
２１０を生成する。
【００８８】一方、ガス流２０２は、酸素富化ガス流２
２８と混合されてガス流２０３を形成し、ストーブ１０
へ供給される。ストーブ１０からのガス流２０４に随意
選択として酸素富化ガス流２２７を添加してブラスト空
気ブロアへのガス流２０５を形成し、それを溶鉱炉１２
に供給する。溶鉱炉１２からは高温排出ガス流１３が排
出される。
【００８９】ガス流２１０は、イオン移送膜２１２の篩
上側２１２ａへ送られる。イオン移送膜１７８の篩下側
２１２ｂからの酸素富化ガス流２１４は、熱交換器５２
内で冷却されて酸素富化ガス流２２４を形成する。随意
選択として、酸素富化ガス流２２４の少くとも一部分を
ガス流２２５として先に述べたように供給ガス流２に添
加することができる。酸素富化ガス流２２４は、随意選
択の冷却器２４６で冷却されたガス流２２６を形成す
る。随意選択として、酸素富化ガス流２２６の少くとも
一部分をガス流２２７として先に述べたようにガス流２
０４に添加することができる。ガス流２４７は、随意選
択のブースター圧縮機２４８に通して酸素富化ガス流２
２８を得ることができる。ガス流２２８は、先に述べた
ようにガス流２０２に注入してブラスト空気流２０５の
酸素濃度を高める。イオン移送膜２１２の篩上側２１２
ａからの篩上ガス流である窒素豊富ガス流２１６は、燃
焼器３６に通されて燃料ガス流３４を添加されて燃焼さ
れる。この操作は、少量の燃料を添加することによって
廃ガス流２１６の温度を高めることを可能にする。別法
として、燃焼器３６をイオン移送モジュール２１１への
供給ガス流の導管に接続してもよいが、その場合はイオ
ン移送膜２１２によるガス分離前の酸素分圧を低下させ
る。燃焼器３６からの廃ガス流２１８は、膨脹機５６に
通されてその圧縮エネルギーの一部が回収されガス流２
２０を形成する。ガス流２２０は、一般には廃棄され
る。
【００９０】図６に波線で示される随意選択の機器（冷
却器２４６、ブースター圧縮機２４８）は、イオン移送
プロセスを駆動するための圧力差を、供給ガス流を圧縮
するのではなく、酸素生成物のガス流をポンプ送りする
（圧送する）ことによって得る方法を示す。各プロセス
は他のプロセスと組み合わせることができ、供給ガス流
と生成物ガス流の両方に圧縮機（ポンプ）を同時に用い
るようにすることができる。そのような改変は、当業者
には明らかである。１９１によって圧縮され、ガス流１
９２となり、供給空気流２に注入されてブラ
【００９１】イオン移送膜に使用することができる材料
は、以下の第II表に記載されている。
【００９２】
【表６】
【表７】
【表８】
【００９３】上述した各プロセスは、イオン移送モジュ
ールの膜として固形混合型伝導体の仕様を必要とする
が、原則的には、純粋にイオン伝導性のイオン伝導体を
電気駆動式モードで使用することも可能である。電気駆
動式イオン移送膜は、純粋酸素を生成するのみならず、
十分な電圧を印加することによって純粋酸素を適当な高
さの圧力に間で圧縮することを可能にする。別法とし
て、酸素をより低い圧力で生成し、それによって所要電
圧を低く抑えることもできる。
【００９４】圧力駆動式プロセスを電気駆動式プロセス
に変換するのに要する改変は、当業者には明らかであろ
う。例えば、図７は、電気駆動式イオン移送モジュール
を溶鉱炉作動に組み合わせた場合の本発明の実施形態の
概略図である。この実施形態では、イオン移送モジュー
ルからの透過（篩下）ガス流が、溶鉱炉へ注入される加
熱ガス流に直接添加される。
【００９５】作動において、供給ガス（空気）流２は、
ブラスト空気ブロア５へ供給され、ブロア５からの圧縮
された供給ガス流２９２は、ストーブ１０へ送られるガ
ス流２９３と、熱交換器５２を通して分流されるガス流
２９９とに分割される。別法として、供給ガス（空気）
流２に酸素ガス流３０９を添加してガス流２９０を形成
し、それをブラスト空気ブロア５へ供給してもよい。
【００９６】供給ガス流２９２から分流されたガス流２
９９は、熱交換器５２においてイオン移送モジュール３
０２からの高温廃ガス流３１３、及びイオン移送モジュ
ール３０２からの高温の酸素富化ガス流３０８との熱交
換によって昇温され、加熱されたガス流３００を生成す
る。
【００９７】一方、ストーブ１０からの加熱された供給
ガス流２９４は、ガス流２９７と、ガス流２９５とに分
割される。ガス流２９７は、加熱ガス流３００に添加さ
れてガス流３０１を形成する。ガス流３０１は、イオン
移送モジュール３０２のイオン移送膜３０４の篩上側３
０４ａへ送られる。イオン移送モジュール３０２からの
酸素ガス流３０６は、酸素ガス流３０８（仮想線で示さ
れている）又は酸素ガス流３１０として送られる。酸素
ガス流３０８が形成された場合は、それは、熱交換器５
２内で冷却されて、酸素ガス流３０９とされ、上述した
ようにガス流２９３に添加される。酸素ガス流３１０が
形成された場合は、それは、高温ガス流２９５と混合さ
れて、酸素富化ガス流２９６となり、溶鉱炉１２に供給
される。溶鉱炉１２からは高温排出ガス流１３が排出さ
れる。
【００９８】イオン移送膜３０４の篩上側３０４ａから
の窒素豊富ガス流３１２は、随意選択の燃焼器３６に通
されて燃料ガス流３４を添加されて燃焼され廃ガス流３
１３となる。ガス流３１２に少量の燃料を添加すること
によってその温度を上昇させることができる。別法とし
て、燃焼器３６をイオン移送モジュール３０２への供給
ガス流の導管に接続してもよいが、その場合はイオン移
送膜３０４によるガス分離前の酸素分圧を低下させ、イ
オン移送モジュールの効率を低下させる。燃焼器３６か
らの廃ガス流３１３は、膨脹機５６に通されてその圧縮
エネルギーの一部が回収され、高温廃ガス流３１４を生
成する。ガス流３１４は、熱交換器５２に通されてガス
流３１６となり、一般には廃棄される。
【００９９】図８は、イオン移送モジュールを溶鉱炉作
動に組み合わせた場合の本発明の別の実施形態の概略図
である。この実施形態では、ブラスト空気ブロアからの
空気の一部流が、イオン移送プロセスへ分流される。
【０１００】作動において、供給ガス（空気）流２は、
ブラスト空気ブロア５へ供給され、ブラスト空気ブロア
５からの圧縮された供給ガス流４１１は、ガス流４１２
とガス流４５２とに分割される。ガス流４１２は、ガス
流４１０とガス流４１３とに分割される。ガス流４１３
は、圧縮機４１４に通された圧縮ガス流４１６となる。
ガス流４１６及び４１０は、各々熱交換器５２に通さ
れ、熱交換器５２においてそれらのガス流は、イオン移
送モジュール４２１からの高温の酸素富化ガス流４２８
及び高温廃ガス流４４２との熱交換によって昇温され、
それぞれ加熱されたガス流４１８及び４０８を生成す
る。
【０１０１】ガス流４５２は、酸素富化ガス流４３８と
混合されて、ガス流４５３となり、ストーブ１０へ供給
される。ストーブ１０からのガス流４０４は、ガス流４
０８と混合されて、ガス流４０６となり、溶鉱炉１２に
供給される。溶鉱炉１２からは高温排出ガス流１３が排
出される。
【０１０２】ガス流４１８は、ガス流４１９と４２６に
分割される。ガス流４１９は、イオン移送モジュール４
２１のイオン移送膜４２２の篩上側４２２ａへ供給され
る。一方、ガス流４２６は、弁４２５を通り、随意選択
の膨脹機２８に通されて圧縮エネルギーの一部を回収さ
れパージガス流４２４となる。パージガス流４２４は、
イオン移送膜４２２の篩上側４２２ａの流れに対して向
流方向にイオン移送膜４２２の篩下側４２２ｂに沿って
流れる。
【０１０３】イオン移送モジュール４２１からの酸素富
化生成物ガス流４２８は、熱交換器５２内で冷却され
て、酸素富化ガス流４３０を生成する。酸素富化ガス流
４３０は、冷却器４３２によって冷却されてガス流４３
４となる。ガス流４３４は、ブースター圧縮機４３６に
よって圧縮され、ガス流４３８となる。この酸素富化ガ
ス流４３８は、先に述べたように、供給ガス流４５２に
混合されてブラスト空気流４０６の酸素濃度を高める。
【０１０４】イオン移送膜４２２の篩上側４２２ａから
の窒素豊富廃ガス流４４０は、随意選択の燃焼器３６に
通されて燃料ガス流３４を添加されて燃焼される。ガス
流４４０に少量の燃料を添加することによってその温度
を上昇させることができる。燃焼器３６からの廃ガス流
４４２は、膨脹機５６に通されてその圧縮エネルギーの
一部が回収され、高温廃ガス流４４３を生成する。ガス
流４４３は、熱交換器５２に通されてガス流４４４とな
り、一般には廃棄される。
【０１０５】廃ガス流から膨脹機又はタービンによって
回収されるパワーは、供給空気の圧縮に要するパワーの
一部を埋め合わせるのに用いることができ、先に述べた
ようにその回収されるパワーは相当大きいものとするこ
とができる。窒素豊富廃ガス流を膨脹させることによっ
てエネルギーを回収するためにパワー創生タービンを用
いる場合は、タービンは、本書の添付図に示された大抵
の実施形態のプロセスより高い温度領域に配置すべきで
ある。タービンの理想的な入口温度は、１，３００°Ｆ
（７０４. ４°Ｃ）であり、その場合、かなり安価なガ
ス膨脹機を使用することができる。
【０１０６】添付図に示された各実施形態のプロセス
は、更に向上させることができ、プロセス全体のエネル
ギー効率を改善することができる。例えば、図７及び８
に示された電気駆動式プロセスは、ネルンスト電圧及び
所要電力を減少させるために、酸素分圧の低いガスを用
いて篩下側をパージする方式で作動させることができ
る。図７及び８の方式は、図では簡単そうに見えるが、
電気駆動式プロセスの設備は、圧力駆動式プロセスのも
のより設計及び製造が複雑である。又、電気駆動式プロ
セスは、多量の電力を消費するという欠点を有する。従
って、本発明の目的からすれば、圧力駆動式プロセスの
方が好ましい。又、温度の制御は、熱交換器の高温側の
温度に依存することは当業者には明らかであろう。従っ
て、ある種の状況下では、熱交換器なしで本発明の上記
各プロセスを作動させることが可能な場合があり、イオ
ン移送モジュールへの供給ガスの適正温度は、ブラスト
空気ブロアからの空気を高温ブラスト空気と混合するこ
とによって得られる。又、イオン移送モジュールは、上
記どの実施形態においても、燃焼器として使用すること
ができることを指摘しておきたい。
【０１０７】反応性パージ方式は、１９９５年１２月５
日に出願された「固形電解質膜式ガス分離のための反応
性パージ」と題する本出願人の米国特許願第０８／５６
７，６９９号に開示されている。反応性パージを用いる
イオン移送モジュールの好ましい構成は、１９９７年４
月２９日に出願された「固形電解質イオン伝導体反応器
の構成」と題する本出願人の米国特許願に開示されてい
る。
【０１０８】先に述べたように、ここで用いられる「固
形電解質イオン伝導体」、「固形電解質イオン移送
膜」、「固形電解質」又は「イオン移送膜」等の用語
は、一般に、特に断らない限り、イオンタイプ（電気駆
動式）系と混合伝導体タイプ（圧力駆動式）系の両方を
意味するものとする。
【０１０９】又、ここでいう「窒素」とは、通常、酸素
減耗ガス、即ち、供給ガスに対して酸素を除去されたガ
スを意味する。先に述べたように、イオン移送膜は、酸
素の透過だけを許す。従って、篩上ガス（移送膜を透過
せずに残された膜不透過ガス）の組成は、供給ガスの組
成によって決まる。篩上ガスは、酸素を除去されるが、
供給ガスに含まれている窒素及びその他のガス（例えば
アルゴン等）は篩上ガスとして保持する。
【０１１０】ここでいう「元素状酸素」とは、周期表の
他のいかなる元素とも結合していない酸素のことをい
う。元素状酸素は通常は２原子形態であるが、元素状酸
素には、単一酸素原子、３原子酸素であるオゾン、及び
他の元素と結合していないその他の形態の酸素も含まれ
る。
【０１１１】ここでいう「高純度」とは、望ましくない
ガスの含有量が５容量％未満である目的の生成物ガス流
のことをいう。目的生成物は、好ましくは、少くとも９
９．０％、より好ましくは９９．９％、最も好ましくは
少くとも９９．９９％純粋なガスをいう。「純粋な」と
は、望ましくないガスを含有していないという意味であ
る。
【０１１２】本発明の実施に必要とされる、各機器間に
設ける中間熱交換器、中間冷却器、加熱器及びその他の
機器は、本発明の範囲内で任意の適当な態様で用いるこ
とができる。それらの機器、例えば上記各実施形態にお
いて用いられている熱交換器は、多くの場合プロセス全
体のエネルギー効率を高める。そのような機器及びそれ
らの作動は、ガス分離及びガス処理等の技術において周
知であり、それらの機器を必要に応じて本発明に適用す
る態様については当業者には明らかであろう。
【０１１３】以上、本発明を実施形態に関連して説明し
たが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形
状に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲か
ら逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であ
り、いろいろな変更及び改変を加えることができること
を理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の概略図であり、
燃料ガス流が廃ガス流の形で燃焼器へ送給されるように
した溶鉱炉に統合されたイオン移送モジュールを示す。
【図２】図２は、図１の実施形態に類似した本発明の変
型実施形態の概略図であるが、この実施形態ではイオン
移送モジュールからの酸素豊富ガス流が冷却されて圧縮
された後、溶鉱炉のストーブ内に導入される加圧ガス流
に注入され、高温のブラスト空気は、イオン移送モジュ
ールへの供給ガス流に混合される。
【図３】図３は、本発明の別の実施形態の概略図であ
り、パージガス流が窒素副生成物ガス流の一部分から取
り出されるようになされたプロセスを示す。
【図４】図４は、図３の実施形態に類似した本発明の変
型実施形態の概略図であるが、この実施形態ではイオン
移送モジュールからの酸素豊富ガス流が冷却されて圧縮
された後、溶鉱炉のストーブ内に導入される加圧ガス流
に注入される。
【図５】図５は、図４の実施形態に類似した本発明の変
型実施形態の概略図であるが、この実施形態ではイオン
移送モジュールへの供給ガス流を別個の圧縮機によって
圧縮する。
【図６】図６は、圧力駆動式イオン移送工程を有する本
発明の実施形態の概略図であり、この実施形態では、ブ
ラスト空気ブロアからの空気の一部分が冷却されてブー
スター圧縮器内で高圧に圧縮され、熱交換器及び燃焼器
に通されて、供給ガス流の温度を好ましいイオン移送作
動温度にまで昇温させる。
【図７】図７は、溶鉱炉の作動と組み合わせた電気駆動
式イオン移送モジュールを示す本発明の実施形態の概略
図であり、この実施形態では、透過ガス流が、溶鉱炉に
噴射される加熱されたガス流に直接添加される。
【図８】図８は、溶鉱炉の作動と組み合わせた電気駆動
式イオン移送モジュールを示す本発明の実施形態の概略
図であり、この実施形態では、ブラスト空気ブロアから
の空気の一部分流がイオン移送工程へ分流される。
【符号の説明】
５：ブラスト空気ブロア １０：ストーブ １２：溶鉱炉 ３６：燃焼器 ３８：イオン移送モジュール ４０：イオン移送膜 ４０ａ：篩上側 ４０ｂ：篩下側 ５２：熱交換器 ５６：膨脹機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レイモンド・フラーンシス・ドルネビッ チ アメリカ合衆国ニューヨーク州クラレン ス・センター、クリークビュー・ドライ ブ5850 (72)発明者 ホーマー・フェイ アメリカ合衆国ニューヨーク州スナイダ ー、ブラントウッド・ロード347 (56)参考文献 特開 平８−337404（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−309142（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01D 53/22

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炉内へ供給するための、元素状酸素と少
    くとも１種類の他のガスを含有した第１供給ガス流を、
    元素状酸素と少くとも１種類の他のガスを含有した第２
    供給ガス流から得られた純粋酸素ガス流又は酸素富化ガ
    スを用いて酸素富化させるための方法であって、 第１供給ガス流を圧縮する工程と、 第２供給ガス流を、篩上側と篩下側を有するイオン移送
    膜を含むイオン移送モジュールを用いて分離し、篩上側
    に膜不透過ガス流として酸素減耗ガス流を生成し、篩下
    側に膜透過ガス流として純粋酸素ガス流又は酸素富化ガ
    ス流を生成する工程と、 少くとも前記第１供給ガス流を炉内へ噴射する前に加熱
    しておく工程と、 第１供給ガス流を炉内へ導入する前の任意の部位におい
    て第２供給ガス流から得られた前記純粋酸素ガス流又は
    酸素富化ガス流を第１供給ガス流に添加する工程と、 から成る方法。
  2. 【請求項２】 前記炉は、溶鉱炉であることを特徴とす
    る請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記第２供給ガス流は、圧縮された前記
    第１供給ガス流の少くとも一部分又は圧縮された酸素富
    化供給ガス流を含有したものであることを特徴とする請
    求項１に記載の方法。
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