JP3411838B2 - ガスタービンを用いて酸素、窒素及び／又は二酸化炭素を生成するための固形電解質イオン伝導体システム - Google Patents
ガスタービンを用いて酸素、窒素及び／又は二酸化炭素を生成するための固形電解質イオン伝導体システムInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス分離装置にお
いて固形電解質イオン伝導体膜（「イオン移送膜」又は
単に「膜」とも称する）を使用することに関し、特に、
イオン移送反応器を用いて、燃料流を移送酸素と反応さ
せることによってイオン移送分離器の作動に望ましい熱
条件を創生すること、及び、ガスタービンのパワー創生
サイクルと組み合わせることによってパワー（動力又は
電力）と、酸素、窒素及び／又は二酸化炭素を同時に共
生成するようにプロセスを改善することに関する。
いて固形電解質イオン伝導体膜（「イオン移送膜」又は
単に「膜」とも称する）を使用することに関し、特に、
イオン移送反応器を用いて、燃料流を移送酸素と反応さ
せることによってイオン移送分離器の作動に望ましい熱
条件を創生すること、及び、ガスタービンのパワー創生
サイクルと組み合わせることによってパワー（動力又は
電力）と、酸素、窒素及び／又は二酸化炭素を同時に共
生成するようにプロセスを改善することに関する。
【０００２】本発明は、米国規格及び技術協会との協力
協定Ｎｏ．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。
協定Ｎｏ．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。
【０００３】
【従来の技術】空気及びその他のガス混合物から特定の
ガスを分離するために、非極低温酸素分離装置、例えば
有機ポリマー膜装置が従来から用いられている。いろい
ろな量の水蒸気を含有し、海面上では、酸素２０．９％
と、窒素７８％と、アルゴン０．９４％（いずれも容積
％）と、残部他の微量ガスの組成を有する。しかしなが
ら、ある種の無機酸化物から、有機ポリマー膜とは全く
異なるタイプの膜である固形電解質膜を作ることができ
る。固形電解質膜を作る無機酸化物の代表的なものは、
カルシウム又はイットリウム安定化ジルコニウム、及び
螢石又は灰チタン石構造を有する類似の酸化物である。
ガスを分離するために、非極低温酸素分離装置、例えば
有機ポリマー膜装置が従来から用いられている。いろい
ろな量の水蒸気を含有し、海面上では、酸素２０．９％
と、窒素７８％と、アルゴン０．９４％（いずれも容積
％）と、残部他の微量ガスの組成を有する。しかしなが
ら、ある種の無機酸化物から、有機ポリマー膜とは全く
異なるタイプの膜である固形電解質膜を作ることができ
る。固形電解質膜を作る無機酸化物の代表的なものは、
カルシウム又はイットリウム安定化ジルコニウム、及び
螢石又は灰チタン石構造を有する類似の酸化物である。
【０００４】これらの酸化物セラミック材をガス分離膜
として使用することができる可能性は大であるが、それ
らの使用にはある種の問題がある。最も明白な欠点は、
既知の酸化物セラミック材は、いずれも、高温下でしか
有効な酸素イオン伝導性を発揮することができないこと
である。酸化物セラミック材は、通常、５００°Ｃより
はるかに高い温度、一般に６００°Ｃ〜９００°Ｃの範
囲で作動させなければならない。この制約は、それより
低い温度で十分に機能する材料を発見するための膨大な
研究が行われたにもかかわらず、依然として克服されな
いままである。固形電解質イオン伝導技術は、「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。近年の研究により、化学的駆動ポテンシ
ャルが与えられれば、高温下で酸素イオンを伝導する
（移送する）能力を有する固形酸化物が開発された。こ
れらの圧力駆動イオン伝導体材は、化学的駆動ポテンシ
ャルを得るのに十分な部分酸素圧比が与えられれば、酸
素含有ガス流から酸素を抽出するための膜として使用す
ることができる。これらの材料の酸素選択度は無限であ
り、ポリマー膜の場合に比べて桁違いに高い酸素抽出が
得られるので、高温を伴う用例においては特に、酸素の
生成にとっても、酸素を必要とする酸化工程にとって
も、魅力的な選択肢が与えられる。その顕著な一例は、
タービンの入口温度を利用可能な材料の能力の範囲内に
抑えるために多量の過剰空気を処理し、従って副産物と
して回収することができる利用可能な余剰酸素を生成す
るガスタービンサイクルである。
として使用することができる可能性は大であるが、それ
らの使用にはある種の問題がある。最も明白な欠点は、
既知の酸化物セラミック材は、いずれも、高温下でしか
有効な酸素イオン伝導性を発揮することができないこと
である。酸化物セラミック材は、通常、５００°Ｃより
はるかに高い温度、一般に６００°Ｃ〜９００°Ｃの範
囲で作動させなければならない。この制約は、それより
低い温度で十分に機能する材料を発見するための膨大な
研究が行われたにもかかわらず、依然として克服されな
いままである。固形電解質イオン伝導技術は、「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。近年の研究により、化学的駆動ポテンシ
ャルが与えられれば、高温下で酸素イオンを伝導する
（移送する）能力を有する固形酸化物が開発された。こ
れらの圧力駆動イオン伝導体材は、化学的駆動ポテンシ
ャルを得るのに十分な部分酸素圧比が与えられれば、酸
素含有ガス流から酸素を抽出するための膜として使用す
ることができる。これらの材料の酸素選択度は無限であ
り、ポリマー膜の場合に比べて桁違いに高い酸素抽出が
得られるので、高温を伴う用例においては特に、酸素の
生成にとっても、酸素を必要とする酸化工程にとって
も、魅力的な選択肢が与えられる。その顕著な一例は、
タービンの入口温度を利用可能な材料の能力の範囲内に
抑えるために多量の過剰空気を処理し、従って副産物と
して回収することができる利用可能な余剰酸素を生成す
るガスタービンサイクルである。
【０００５】イオン移送膜系の設計、及び、ガスタービ
ン等の高温サイクルへのイオン移送膜系の組み込みにお
いて対処しなければならない重要な問題は、イオン移送
のための駆パワーを最大限にすること、ガスの拡散抵抗
を最小限にすること、熱膨張及び収縮による過度の応力
を回避すること、及び、イオン移送素子をイオン移送装
置内に密封すること等である。この密封の問題は、イオ
ン移送膜の作動温度が５００°Ｃから１１００°Ｃの範
囲であることによっていっそう大きくなる。
ン等の高温サイクルへのイオン移送膜系の組み込みにお
いて対処しなければならない重要な問題は、イオン移送
のための駆パワーを最大限にすること、ガスの拡散抵抗
を最小限にすること、熱膨張及び収縮による過度の応力
を回避すること、及び、イオン移送素子をイオン移送装
置内に密封すること等である。この密封の問題は、イオ
ン移送膜の作動温度が５００°Ｃから１１００°Ｃの範
囲であることによっていっそう大きくなる。
【０００６】固形電解質イオン伝導体を用いる空気分離
の技術の進歩は、いろいろな技術文献に開示されてい
る。例えば、「固形多成分膜、電気化学反応器部品、電
気化学反応器、及び膜、反応器部品の使用態様、及び、
酸化反応のための反応器」と題する米国特許第５，３０
６，４１１号は、酸素含有ガスを酸素消費ガスと反応さ
せるための反応器に関し、固形電解質膜の一方の面の側
に酸素含有ガスを流し、他方の面の側に酸素消費ガスを
流すようにした管状反応器を開示している。しかしなが
ら、この特許は、そのようなシステムを、ガスタービン
サイクルから酸素を生成する工程、膜表面を所望の均一
温度に維持するための熱管理、効果的な物質移動を達成
するための流れ力学、又は、物質安定のために適正な酸
素分圧を維持するように反応パワー学を酸素イオンの伝
導性とバランスさせる必要性と統合させることに関する
問題には何ら関与していない。
の技術の進歩は、いろいろな技術文献に開示されてい
る。例えば、「固形多成分膜、電気化学反応器部品、電
気化学反応器、及び膜、反応器部品の使用態様、及び、
酸化反応のための反応器」と題する米国特許第５，３０
６，４１１号は、酸素含有ガスを酸素消費ガスと反応さ
せるための反応器に関し、固形電解質膜の一方の面の側
に酸素含有ガスを流し、他方の面の側に酸素消費ガスを
流すようにした管状反応器を開示している。しかしなが
ら、この特許は、そのようなシステムを、ガスタービン
サイクルから酸素を生成する工程、膜表面を所望の均一
温度に維持するための熱管理、効果的な物質移動を達成
するための流れ力学、又は、物質安定のために適正な酸
素分圧を維持するように反応パワー学を酸素イオンの伝
導性とバランスさせる必要性と統合させることに関する
問題には何ら関与していない。
【０００７】「スチーム及びパワー発生を伴う高温酸素
生成」と題する米国特許第５，５６５，０１７号は、篩
上ガス流（イオン移送膜を透過しなかった不透過ガスの
流れ）を加熱し、それにスチームを加えた後、該ガス流
からエネルギーを回収するためにイオン移送膜をガスタ
ービンに統合したシステムを開示している。イオン移送
膜不透過ガス流へのスチーム又は水の注入は、タービン
への供給ガス流からの酸素分の損失を補償する。
生成」と題する米国特許第５，５６５，０１７号は、篩
上ガス流（イオン移送膜を透過しなかった不透過ガスの
流れ）を加熱し、それにスチームを加えた後、該ガス流
からエネルギーを回収するためにイオン移送膜をガスタ
ービンに統合したシステムを開示している。イオン移送
膜不透過ガス流へのスチーム又は水の注入は、タービン
への供給ガス流からの酸素分の損失を補償する。
【０００８】「スチームの利用を伴うイオン移送膜によ
る酸素の生成」と題する米国特許第５，５６２，７５４
号は、篩上ガス流を加熱した後、該ガス流からエネルギ
ーを回収するためにイオン移送膜をガスタービンに統合
したシステムを開示している。スチームは、酸素回収率
を高めるために篩下側で掃引ガスとして注入される。篩
下側に酸素とスチームの混合物を含有した流れが生成さ
れ、それを生成物として抽出することができる。
る酸素の生成」と題する米国特許第５，５６２，７５４
号は、篩上ガス流を加熱した後、該ガス流からエネルギ
ーを回収するためにイオン移送膜をガスタービンに統合
したシステムを開示している。スチームは、酸素回収率
を高めるために篩下側で掃引ガスとして注入される。篩
下側に酸素とスチームの混合物を含有した流れが生成さ
れ、それを生成物として抽出することができる。
【０００９】「酸素生成のための統合高温方法」と題す
る米国特許第５，５１６，３５９号は、圧縮された供給
空気流を、一実施形態においては圧縮器とイオン移送膜
分離器との間に挿入された第１燃焼器によって適当な移
送作動温度にまで加熱することを開示している。次い
で、イオン移送膜分離器からの篩上ガス流は、第２燃焼
器によってタービンの入口温度にまで加熱される。ター
ビンの入口温度とイオン移送膜分離器の温度とは、上記
両燃焼器への燃料供給流量を制御することによって別々
に制御される。別の実施形態では、いずれもイオン移送
膜分離器の下流に配置されている２つの燃焼器の間に熱
交換器が配置され、イオン移送膜分離器への供給空気流
がこの熱交換器によって適正温度にまで加熱される。
る米国特許第５，５１６，３５９号は、圧縮された供給
空気流を、一実施形態においては圧縮器とイオン移送膜
分離器との間に挿入された第１燃焼器によって適当な移
送作動温度にまで加熱することを開示している。次い
で、イオン移送膜分離器からの篩上ガス流は、第２燃焼
器によってタービンの入口温度にまで加熱される。ター
ビンの入口温度とイオン移送膜分離器の温度とは、上記
両燃焼器への燃料供給流量を制御することによって別々
に制御される。別の実施形態では、いずれもイオン移送
膜分離器の下流に配置されている２つの燃焼器の間に熱
交換器が配置され、イオン移送膜分離器への供給空気流
がこの熱交換器によって適正温度にまで加熱される。
【００１０】しかしながら、上記米国特許第５，５１
６，３５９号に開示された方法は、イオン移送膜分離器
への供給空気流が燃焼生成物を含有しており、その燃焼
生成物がイオン移送膜分離器への供給空気流を希釈して
酸素駆パワーを低下させるとともに、場合によってはあ
る種のイオン伝導物質に対する有害汚染物となるという
欠点を有する。供給空気に含有されている酸素の一部が
第１燃焼器で消費されるので、酸素酸素駆パワーが更に
低下される。上記別の実施形態は、追加の、コスト高を
招く熱交換器を必要とするという欠点を有する。いずれ
にしても、この特許の方法は、第１燃焼器内に安定した
燃焼を維持する上で問題がある。なぜなら、特にタービ
ンの排気ガス中に含まれる熱を蓄熱方式により供給空気
流によって回収し、しかも、第１燃焼器の熱効率が低い
場合は、燃料対空気の当量比が低くなるからである。
６，３５９号に開示された方法は、イオン移送膜分離器
への供給空気流が燃焼生成物を含有しており、その燃焼
生成物がイオン移送膜分離器への供給空気流を希釈して
酸素駆パワーを低下させるとともに、場合によってはあ
る種のイオン伝導物質に対する有害汚染物となるという
欠点を有する。供給空気に含有されている酸素の一部が
第１燃焼器で消費されるので、酸素酸素駆パワーが更に
低下される。上記別の実施形態は、追加の、コスト高を
招く熱交換器を必要とするという欠点を有する。いずれ
にしても、この特許の方法は、第１燃焼器内に安定した
燃焼を維持する上で問題がある。なぜなら、特にタービ
ンの排気ガス中に含まれる熱を蓄熱方式により供給空気
流によって回収し、しかも、第１燃焼器の熱効率が低い
場合は、燃料対空気の当量比が低くなるからである。
【００１１】「タービンによるパワー発生工程から副産
物の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、燃焼タービンを用いて正味パ
ワーを創生するとともに、副産物の酸素富化ガスを回収
するための方法を開示している。供給空気は、圧縮され
て加熱され、酸素の一部分は、空気又は燃焼生成ガスの
排出流から空気分離器を用いて抽出される。酸素希薄燃
焼生成ガス排出流は、タービンを通して膨張せしめられ
パワーを創生する。変型実施形態においては、タービン
からの排出流を用いてスチームを発生させ、それによっ
て追加のパワーを創生する。この特許の方法では、燃料
の種類が、一般に、天然ガス、石油又は合成ガス等の
「クリーンな」燃料に制限される。
物の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、燃焼タービンを用いて正味パ
ワーを創生するとともに、副産物の酸素富化ガスを回収
するための方法を開示している。供給空気は、圧縮され
て加熱され、酸素の一部分は、空気又は燃焼生成ガスの
排出流から空気分離器を用いて抽出される。酸素希薄燃
焼生成ガス排出流は、タービンを通して膨張せしめられ
パワーを創生する。変型実施形態においては、タービン
からの排出流を用いてスチームを発生させ、それによっ
て追加のパワーを創生する。この特許の方法では、燃料
の種類が、一般に、天然ガス、石油又は合成ガス等の
「クリーンな」燃料に制限される。
【００１２】「外部燃料によるガスタービンからの酸素
の抽出」と題する米国特許第５，０３５，７２７号は、
外部燃料によるパワー発生ガスタービンから高純度酸素
を回収するための方法を開示している。この方法は、上
記米国特許第４，５４５，７８７号の方法と類似してい
るが、石炭又はバイオマス等の他の種類の燃料を用いる
ことができるようには、外部燃料によるガスタービンを
用いる点で異なる。
の抽出」と題する米国特許第５，０３５，７２７号は、
外部燃料によるパワー発生ガスタービンから高純度酸素
を回収するための方法を開示している。この方法は、上
記米国特許第４，５４５，７８７号の方法と類似してい
るが、石炭又はバイオマス等の他の種類の燃料を用いる
ことができるようには、外部燃料によるガスタービンを
用いる点で異なる。
【００１３】「タービンの排出流から固形電解質膜を用
いて酸素を回収する方法」と題する米国特許第５，１７
４，８６６号、及び、「タービンの排出流から固形電解
質膜を用いて酸素を回収する方法」と題する米国特許第
５，１１８，３９５号は、いずれも、ガスタービンの排
出流を酸素イオン伝導膜に通すことによって高純度酸素
を抽出する方法を開示している。これらの方法では、酸
素イオン伝導膜を用いる酸素分離器を先行特許における
ようにガスタービンの上流にではなく、ガスタービンの
幾つかの段又はすべての段の下流に配置する。タービン
排出流の圧力が低いときは、電気駆動式イオン移送ユニ
ットの使用を勧めている。酸素分離器からの排出流は、
随意選択として、ガスタービンの１つの段を通して膨張
させることができる。
いて酸素を回収する方法」と題する米国特許第５，１７
４，８６６号、及び、「タービンの排出流から固形電解
質膜を用いて酸素を回収する方法」と題する米国特許第
５，１１８，３９５号は、いずれも、ガスタービンの排
出流を酸素イオン伝導膜に通すことによって高純度酸素
を抽出する方法を開示している。これらの方法では、酸
素イオン伝導膜を用いる酸素分離器を先行特許における
ようにガスタービンの上流にではなく、ガスタービンの
幾つかの段又はすべての段の下流に配置する。タービン
排出流の圧力が低いときは、電気駆動式イオン移送ユニ
ットの使用を勧めている。酸素分離器からの排出流は、
随意選択として、ガスタービンの１つの段を通して膨張
させることができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、パワーと酸素、及び随意選択として窒素及び二酸化
炭素を同時に共生成するための能率的な方法を提供する
ことであり、イオン移送技術をガスタービンのパワー創
生サイクルと統合する（組み合わせる）改善された統合
方法を提供することである。
は、パワーと酸素、及び随意選択として窒素及び二酸化
炭素を同時に共生成するための能率的な方法を提供する
ことであり、イオン移送技術をガスタービンのパワー創
生サイクルと統合する（組み合わせる）改善された統合
方法を提供することである。
【００１５】本発明の他の目的は、水を唯一の主要な不
純物とする二酸化炭素及び高純度窒素を共生成すること
である。
純物とする二酸化炭素及び高純度窒素を共生成すること
である。
【００１６】本発明の更に他の目的は、特に二酸化炭素
と酸素を共生成物として同時に得たい場合に、酸素の回
収を最大限にすることである。
と酸素を共生成物として同時に得たい場合に、酸素の回
収を最大限にすることである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、元素状酸素を含有した供給ガス流を圧縮
し、次いで、該供給ガス流を、イオン移送反応膜セクシ
ョンと燃料酸素との反応を用いて加熱し、それによっ
て、加熱された供給ガス流を創生することによって、少
なくとも酸素生成物ガス流と、ガスタービンからのパワ
ーを生成するための方法を提供する。好ましい例では、
イオン移送反応膜セクションを透過した酸素を第１透過
ガス帯域内で第１燃料ガス流と反応させて第１燃焼生成
物ガス流を創生する。加熱された供給ガス流は、イオン
移送分離膜セクションの篩上側に膜不透過ガス流として
残される酸素減耗ガス流（酸素を減少又は除去されたガ
ス流）と、篩下側に膜透過ガス流として透過された酸素
生成物ガス流とに分離される。第１燃焼生成物ガス流の
少くとも一部分は、回収することができる。少なくとも
１つのガス流、例えば酸素減耗ガス流を直接、又は、前
記第１透過ガス帯域での反応によって間接的に加熱した
後、ガスタービン内で膨張させることによってエネルギ
ーを抽出しパワーを創生することができる。
決するために、元素状酸素を含有した供給ガス流を圧縮
し、次いで、該供給ガス流を、イオン移送反応膜セクシ
ョンと燃料酸素との反応を用いて加熱し、それによっ
て、加熱された供給ガス流を創生することによって、少
なくとも酸素生成物ガス流と、ガスタービンからのパワ
ーを生成するための方法を提供する。好ましい例では、
イオン移送反応膜セクションを透過した酸素を第１透過
ガス帯域内で第１燃料ガス流と反応させて第１燃焼生成
物ガス流を創生する。加熱された供給ガス流は、イオン
移送分離膜セクションの篩上側に膜不透過ガス流として
残される酸素減耗ガス流（酸素を減少又は除去されたガ
ス流）と、篩下側に膜透過ガス流として透過された酸素
生成物ガス流とに分離される。第１燃焼生成物ガス流の
少くとも一部分は、回収することができる。少なくとも
１つのガス流、例えば酸素減耗ガス流を直接、又は、前
記第１透過ガス帯域での反応によって間接的に加熱した
後、ガスタービン内で膨張させることによってエネルギ
ーを抽出しパワーを創生することができる。
【００１８】本発明の好ましい実施形態では、酸素減耗
ガス流を燃焼器内で燃料ガス流と反応させて第２燃焼生
成物ガス流を創生する。本発明の別の好ましい実施形態
では、第１燃焼生成物ガス流の少くとも一部分を前記イ
オン移送分離膜セクションの篩上側からの酸素減耗ガス
流の少くとも一部分と合流させて集合ガス流を形成し、
その集合ガス流を燃焼器内で燃料ガス流と反応させて第
２燃焼生成物ガス流を創生する。
ガス流を燃焼器内で燃料ガス流と反応させて第２燃焼生
成物ガス流を創生する。本発明の別の好ましい実施形態
では、第１燃焼生成物ガス流の少くとも一部分を前記イ
オン移送分離膜セクションの篩上側からの酸素減耗ガス
流の少くとも一部分と合流させて集合ガス流を形成し、
その集合ガス流を燃焼器内で燃料ガス流と反応させて第
２燃焼生成物ガス流を創生する。
【００１９】本発明の更に別の好ましい実施形態では、
第１燃焼生成物ガス流の少くとも一部分から水を除去し
て二酸化炭素を生成する。本発明の好ましい実施形態で
は、ガスタービンによって回収されたエネルギーの少な
くとも一部分を用いて前記圧縮工程を実施する。本発明
の更に別の好ましい実施形態では、酸素減耗ガス流の少
くとも一部分を窒素生成物ガス流として回収する。
第１燃焼生成物ガス流の少くとも一部分から水を除去し
て二酸化炭素を生成する。本発明の好ましい実施形態で
は、ガスタービンによって回収されたエネルギーの少な
くとも一部分を用いて前記圧縮工程を実施する。本発明
の更に別の好ましい実施形態では、酸素減耗ガス流の少
くとも一部分を窒素生成物ガス流として回収する。
【００２０】ここでいう「モジュール」とは、１つ又は
それ以上のイオン移送膜セクションを収容したシェル
（殻体）のことをいう。特に断らない限り、２つ以上の
モジュールによって実施される操作の説明は、同様の操
作が単一のモジュール内に配設された２つ以上のイオン
移送膜セクションによって実施される変型実施形態にも
当てはまる。ここでいう「セクション」とは、筒状、平
面状又はその他の構造体として賦形することができるイ
オン膜素子の少なくとも一部分のことをいう。
それ以上のイオン移送膜セクションを収容したシェル
（殻体）のことをいう。特に断らない限り、２つ以上の
モジュールによって実施される操作の説明は、同様の操
作が単一のモジュール内に配設された２つ以上のイオン
移送膜セクションによって実施される変型実施形態にも
当てはまる。ここでいう「セクション」とは、筒状、平
面状又はその他の構造体として賦形することができるイ
オン膜素子の少なくとも一部分のことをいう。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明の要旨は、ガスタービンプ
ロセスをイオン移送分離膜セクションを介して少なくと
も１つの酸素生成物の回収と組み合わせることにあり、
供給ガス流を該分離膜の作動温度にまで加熱する最終加
熱は、供給ガス流を、イオン移送反応器、又は反応器−
加熱器、又は組み合わせ反応器−分離器を構成する反応
膜セクションの篩下側で燃料と反応させることによって
行われる。この反応膜セクションと、分離膜セクション
とは、幾つかの実施形態では互いに異なる、離隔された
膜であるが、たの実施形態では一体の膜構造体の異なる
部分である。
ロセスをイオン移送分離膜セクションを介して少なくと
も１つの酸素生成物の回収と組み合わせることにあり、
供給ガス流を該分離膜の作動温度にまで加熱する最終加
熱は、供給ガス流を、イオン移送反応器、又は反応器−
加熱器、又は組み合わせ反応器−分離器を構成する反応
膜セクションの篩下側で燃料と反応させることによって
行われる。この反応膜セクションと、分離膜セクション
とは、幾つかの実施形態では互いに異なる、離隔された
膜であるが、たの実施形態では一体の膜構造体の異なる
部分である。
【００２２】本発明は、イオン移送膜を有する少なくと
も１つのイオン移送酸素反応器をガスタービンのサイク
ルのパワー発生しく部分に設置し、イオン移送膜の篩下
側に導入される燃料を膜を通して移送された酸素と反応
させることによって供給空気流をイオン移送作動温度に
まで加熱するための加熱機能の少なくともの一部分を実
施することによって達成することができる。このような
反応式パージは、酸素を消費することにより、及び／又
は、膜を燃焼生成物ガスで掃引することにより、酸素分
圧を減小させることによって膜を通しての酸素の移送を
増進させ、従って、膜の反応側（篩下側）への潜在駆動
パワーを増大させる。供給ガス流（一般的に、空気）か
らの酸素は、その一部分がイオン移送反応器内で抽出さ
れ、上記反応を支持する。次いで、スチーム及び二酸化
炭素を含有した篩下側排出ガス流が冷却されると、その
ガス流から水が凝縮し、水蒸気で飽和されている以外は
純粋である二酸化炭素ガス流が所望に応じて得られる。
も１つのイオン移送酸素反応器をガスタービンのサイク
ルのパワー発生しく部分に設置し、イオン移送膜の篩下
側に導入される燃料を膜を通して移送された酸素と反応
させることによって供給空気流をイオン移送作動温度に
まで加熱するための加熱機能の少なくともの一部分を実
施することによって達成することができる。このような
反応式パージは、酸素を消費することにより、及び／又
は、膜を燃焼生成物ガスで掃引することにより、酸素分
圧を減小させることによって膜を通しての酸素の移送を
増進させ、従って、膜の反応側（篩下側）への潜在駆動
パワーを増大させる。供給ガス流（一般的に、空気）か
らの酸素は、その一部分がイオン移送反応器内で抽出さ
れ、上記反応を支持する。次いで、スチーム及び二酸化
炭素を含有した篩下側排出ガス流が冷却されると、その
ガス流から水が凝縮し、水蒸気で飽和されている以外は
純粋である二酸化炭素ガス流が所望に応じて得られる。
【００２３】本発明の別の構成では、反応器の篩下側を
篩上側と実質的に同じ圧力で作動させ、膜を通して流出
してきた透過物流（即ち、篩下側のガス流）をイオン移
送分離器から流出してきた不透過物ガス（即ち、篩上側
のガス）と合流させる。
篩上側と実質的に同じ圧力で作動させ、膜を通して流出
してきた透過物流（即ち、篩下側のガス流）をイオン移
送分離器から流出してきた不透過物ガス（即ち、篩上側
のガス）と合流させる。
【００２４】イオン移送反応器からの不透過物は、第２
イオン移送膜で更に処理されて、該膜の篩上側に酸素
を、そして、篩下側に酸素減耗ガス流を生成する。ある
種の構成においては、イオン移送反応器において酸素を
一部除去された不透過物ガス流を、燃料を用いて燃焼さ
せ、ガスタービンで膨張させてパワーを創生する。ガス
タービンからの排気ガスは、一般に、供給ガス流を予備
加熱することができるほど十分に高温ではないが、プロ
セスのスチームによるパワー創生部分に利用することが
できるスチームを生成するのに用いることができる。
イオン移送膜で更に処理されて、該膜の篩上側に酸素
を、そして、篩下側に酸素減耗ガス流を生成する。ある
種の構成においては、イオン移送反応器において酸素を
一部除去された不透過物ガス流を、燃料を用いて燃焼さ
せ、ガスタービンで膨張させてパワーを創生する。ガス
タービンからの排気ガスは、一般に、供給ガス流を予備
加熱することができるほど十分に高温ではないが、プロ
セスのスチームによるパワー創生部分に利用することが
できるスチームを生成するのに用いることができる。
【００２５】以下の説明から分かるように、本発明のプ
ロセスは、特に好ましい実施形態では、特に、燃焼生成
物ガスによるイオン移送供給ガス流の汚染を回避するこ
と、酸素駆パワーを減小させること、及び、燃料対空気
の当量比が低いことによる作動上の欠点を比較的簡単な
プロセス流れパターンで克服することという点で、従来
技術の主要な欠点の幾つかを排除する。
ロセスは、特に好ましい実施形態では、特に、燃焼生成
物ガスによるイオン移送供給ガス流の汚染を回避するこ
と、酸素駆パワーを減小させること、及び、燃料対空気
の当量比が低いことによる作動上の欠点を比較的簡単な
プロセス流れパターンで克服することという点で、従来
技術の主要な欠点の幾つかを排除する。
【００２６】更に、本発明は、ＮＯｘ排出量を減少さ
せ、二酸化炭素及び窒素を共生成するオプションを提供
するという利点を有する。本発明の好ましい実施形態で
は、イオン移送分離器での酸素回収率を高めるために燃
焼生成物ガス流をパージガスとして用いる。イオン移送
反応器−加熱器又はイオン移送反応器−分離器の使用
は、イオン移送分離器のためのパージガスを得るための
非常に経済的な方法を提供する。別法として、本発明
は、イオン移送反応器から出てくる燃焼生成物パージガ
ス流又は排気ガス流は主として水と二酸化炭素であるか
ら、プロセスからの二酸化炭素生成物の必要に応じての
回収を可能にする。排気ガス流中の水は、凝縮させて、
タービンへの供給ガスへの追加ガス流として再循環する
ことができる。通常、タービンには、余分の水を加える
ことを許容するのに十分な廃熱が得られる。一般に、タ
ービンの廃ガス流は、高い窒素含量を有しているので、
窒素の経済的な回収に向いている。本発明によるプロセ
スのうちのあるものは、イオン移送分離器のためのパー
ジガスとして燃焼生成物ガス流を用いるという点で、上
記発明の背景の項で述べた従来技術とは異なる。もう１
つの特徴は、スチームがパージ媒体として望ましい場
合、注入されたスチームの相当な部分を残留燃焼生成物
ガスから得ることができることである。
せ、二酸化炭素及び窒素を共生成するオプションを提供
するという利点を有する。本発明の好ましい実施形態で
は、イオン移送分離器での酸素回収率を高めるために燃
焼生成物ガス流をパージガスとして用いる。イオン移送
反応器−加熱器又はイオン移送反応器−分離器の使用
は、イオン移送分離器のためのパージガスを得るための
非常に経済的な方法を提供する。別法として、本発明
は、イオン移送反応器から出てくる燃焼生成物パージガ
ス流又は排気ガス流は主として水と二酸化炭素であるか
ら、プロセスからの二酸化炭素生成物の必要に応じての
回収を可能にする。排気ガス流中の水は、凝縮させて、
タービンへの供給ガスへの追加ガス流として再循環する
ことができる。通常、タービンには、余分の水を加える
ことを許容するのに十分な廃熱が得られる。一般に、タ
ービンの廃ガス流は、高い窒素含量を有しているので、
窒素の経済的な回収に向いている。本発明によるプロセ
スのうちのあるものは、イオン移送分離器のためのパー
ジガスとして燃焼生成物ガス流を用いるという点で、上
記発明の背景の項で述べた従来技術とは異なる。もう１
つの特徴は、スチームがパージ媒体として望ましい場
合、注入されたスチームの相当な部分を残留燃焼生成物
ガスから得ることができることである。
【００２７】イオン移送反応器の篩下側をパージするの
に本発明を用いる場合、本発明の重要な利点は、パージ
ガスとして燃焼生成物ガス（例えば、スチーム又は二酸
化炭素）を用いることであり、それによってイオン移送
反応器のイオン移送膜のパージ側（篩下側）の酸素の有
効分圧を減小させることができる。その結果として、イ
オン移送膜をと押しての駆パワーを高め、より大きい酸
素流束をもたらし、従って、膜の所要面積を小さくする
ことができる。
に本発明を用いる場合、本発明の重要な利点は、パージ
ガスとして燃焼生成物ガス（例えば、スチーム又は二酸
化炭素）を用いることであり、それによってイオン移送
反応器のイオン移送膜のパージ側（篩下側）の酸素の有
効分圧を減小させることができる。その結果として、イ
オン移送膜をと押しての駆パワーを高め、より大きい酸
素流束をもたらし、従って、膜の所要面積を小さくする
ことができる。
【００２８】高められた作動温度が、イオン移送工程を
他の高温工程と統合する（組み合わせる）のに本質的に
適するものとする。イオン移送ユニットを既存のガスタ
ービン発電プラントに組み入れる（後付けする）のは、
簡単であり、しかも、そのような後付けによって得られ
る利点は、イオン移送ユニット及びその付属機器を設置
するのに要するコストを補って余りある。本発明のプロ
セス構成においては、イオン移送酸素分離器をガスター
ビンから熱的に切り離される。従って、イオン移送酸素
分離器とガスタービン各機器は、それぞれの作動温度で
作動することができる。又、イオン移送ユニット自体を
通しての圧力降下は比較的小さい。従って、本発明によ
る後付は、既存の発電プラントの効率及び性能に悪影響
を及ぼすことがない。
他の高温工程と統合する（組み合わせる）のに本質的に
適するものとする。イオン移送ユニットを既存のガスタ
ービン発電プラントに組み入れる（後付けする）のは、
簡単であり、しかも、そのような後付けによって得られ
る利点は、イオン移送ユニット及びその付属機器を設置
するのに要するコストを補って余りある。本発明のプロ
セス構成においては、イオン移送酸素分離器をガスター
ビンから熱的に切り離される。従って、イオン移送酸素
分離器とガスタービン各機器は、それぞれの作動温度で
作動することができる。又、イオン移送ユニット自体を
通しての圧力降下は比較的小さい。従って、本発明によ
る後付は、既存の発電プラントの効率及び性能に悪影響
を及ぼすことがない。
【００２９】本発明によるガスタービンシステムを用い
ることによって、イオン移送膜との相乗効果的（相乗効
果が得られるような態様での）統合のための理想的な機
械が与えられる。なぜなら、タービンは高温ガスを膨張
させることによってパワーを回収するものだからであ
る。タービンによるパワー創生工程においては、空気が
圧縮され、次いで、燃料の直接燃焼によって加熱され
る。温度の上昇を制限し利用可能な材料の許容温度範囲
内に抑えるために、燃焼工程において相当な量の余分な
空気が用いられる。それが、高圧ガス流から余剰酸素の
一部分を高温膜工程によって抽出する理想的な機械を提
供する。
ることによって、イオン移送膜との相乗効果的（相乗効
果が得られるような態様での）統合のための理想的な機
械が与えられる。なぜなら、タービンは高温ガスを膨張
させることによってパワーを回収するものだからであ
る。タービンによるパワー創生工程においては、空気が
圧縮され、次いで、燃料の直接燃焼によって加熱され
る。温度の上昇を制限し利用可能な材料の許容温度範囲
内に抑えるために、燃焼工程において相当な量の余分な
空気が用いられる。それが、高圧ガス流から余剰酸素の
一部分を高温膜工程によって抽出する理想的な機械を提
供する。
【００３０】ガスタービンパワー創生サイクル（以下、
単に「ガスタービンサイクル」又は「パワー創生サイク
ル」とも称する）における作動流体は、通常、空気、又
は、燃料と空気の燃焼の生成物である。そのようなシス
テムで燃料が使用されるとすると、燃料が圧縮された空
気流内で燃焼することによってシステム内に熱が発生
し、生じた燃焼生成物ガス流がガスタービンを通して膨
張せしめられてパワーを創生する。なお、タービンブレ
ードに課せられた冶金学的温度制限の故に、ガスタービ
ンの作動は非常に高い空気対燃料比で実施しなければな
らないことに留意すべきである。在来のガスタービンシ
ステムでは、供給空気中の窒素と、燃焼生成物ガス流内
に存在する余剰酸素が、希釈剤として作用し、それによ
って燃焼生成物ガス流の温度を低下させる。その結果、
ガスタービンパワー創生サイクルからの排気ガスは、余
剰酸素を含有しており、所望ならば、その余剰酸素によ
って追加の燃料を燃焼させることが可能である。又、こ
れらの高温排気ガスは、圧縮された供給空気を予備加熱
するのに用いることもでき、あるいは、スチームパワー
創生サイクルにおいて使用するスチームを生成するのに
用いることもできる。又、ガスタービンサイクルにおけ
る排気ガス中の残留酸素の一部をイオン移送膜技術を用
いて回収することも可能である。大抵の酸素生成システ
ムは、極低温ガス分離方法（高純度、かつ、大規模）又
は膜及び吸着分離法を用いている。例えば、有機ポリマ
ー膜システムは、一般に、パワー集約型（パワー所要量
が大きい）であり、通常、少量の酸素富化空気（例え
ば、純度５０％の酸素）の生成に適している。又、周知
の圧力スイング式吸着（ＰＳＡ）システムは、通常、９
０〜９５％の純度の酸素を少量から中量の規模で生成す
る。これらの在来のプロセスには生成物を生成するのに
使用されるパワーの一部を回収するものもあるが、正味
パワー（創出したパワーから使用したパワーを差し引い
たプラス正味パワー）を創出しない。更に、在来の酸素
分離プロセスは、通常、１００°Ｃ未満の低温で作動
し、パワー創生サイクルとの統合から大きな利益を得る
ことはできない。
単に「ガスタービンサイクル」又は「パワー創生サイク
ル」とも称する）における作動流体は、通常、空気、又
は、燃料と空気の燃焼の生成物である。そのようなシス
テムで燃料が使用されるとすると、燃料が圧縮された空
気流内で燃焼することによってシステム内に熱が発生
し、生じた燃焼生成物ガス流がガスタービンを通して膨
張せしめられてパワーを創生する。なお、タービンブレ
ードに課せられた冶金学的温度制限の故に、ガスタービ
ンの作動は非常に高い空気対燃料比で実施しなければな
らないことに留意すべきである。在来のガスタービンシ
ステムでは、供給空気中の窒素と、燃焼生成物ガス流内
に存在する余剰酸素が、希釈剤として作用し、それによ
って燃焼生成物ガス流の温度を低下させる。その結果、
ガスタービンパワー創生サイクルからの排気ガスは、余
剰酸素を含有しており、所望ならば、その余剰酸素によ
って追加の燃料を燃焼させることが可能である。又、こ
れらの高温排気ガスは、圧縮された供給空気を予備加熱
するのに用いることもでき、あるいは、スチームパワー
創生サイクルにおいて使用するスチームを生成するのに
用いることもできる。又、ガスタービンサイクルにおけ
る排気ガス中の残留酸素の一部をイオン移送膜技術を用
いて回収することも可能である。大抵の酸素生成システ
ムは、極低温ガス分離方法（高純度、かつ、大規模）又
は膜及び吸着分離法を用いている。例えば、有機ポリマ
ー膜システムは、一般に、パワー集約型（パワー所要量
が大きい）であり、通常、少量の酸素富化空気（例え
ば、純度５０％の酸素）の生成に適している。又、周知
の圧力スイング式吸着（ＰＳＡ）システムは、通常、９
０〜９５％の純度の酸素を少量から中量の規模で生成す
る。これらの在来のプロセスには生成物を生成するのに
使用されるパワーの一部を回収するものもあるが、正味
パワー（創出したパワーから使用したパワーを差し引い
たプラス正味パワー）を創出しない。更に、在来の酸素
分離プロセスは、通常、１００°Ｃ未満の低温で作動
し、パワー創生サイクルとの統合から大きな利益を得る
ことはできない。
【００３１】上記発明の背景の項で述べた米国特許第
５，５１６，３５９号は、本発明とは異なり、二酸化炭
素の共生成にも、窒素の共生成にも向けられておらず、
反応生成物ガス流から窒素を除外することによって、二
酸化炭素の回収、又は、二酸化炭素のイオン移送分離器
のためのパージガス又は掃引ガス流としての使用を可能
にする装置の設計を開示しておらず、その目的のために
イオン移送反応器を使用することを考慮していない。本
発明による反応器加熱器の構成のある種の実施形態にお
いては、イオン移送分離器における酸素駆動力が燃焼生
成物の存在によって減小されないという追加の利点があ
る。本発明は、又、第１段燃焼器に代えてイオン移送反
応器を用いること、又は、第１段燃焼器とイオン移送分
離器に代えて単一ユニット（一体ユニット）としたイオ
ン移送反応器−分離器を用いること、又は、低温燃焼器
をタービンの入口ガス流にではなくタービンの排気ガス
流に接続して配置するという点で従来技術とは異なる。
イオン移送膜を、タービンパワー創生システムに後付け
することを含めて、ガスシステムに組み込む幾つかの実
施形態は、１９９５年６月１４日付で出願された米国特
許出願第０８／４９０，３６２号及びその分割出願であ
る１９９７年９月１８日付で出願された米国特許出願第
０８／９３３，２４８号に開示されている。反応式パー
ジ構成は、１９９５年１２月５日付で出願された米国特
許出願第０８／５６７，６９９号及びヨーロッパ特許公
開第７７８，０６９号に開示されている。又、いろいろ
なイオン移送反応器の構成は、１９９７年４月２８日付
で出願された米国特許出願第０８／８４８，２０４号及
び１９９７年４月２８日付で出願された米国特許出願第
０８／８４８，１９９号に開示されている。これらの特
許出願は、いずれも、本出願人の出願である。
５，５１６，３５９号は、本発明とは異なり、二酸化炭
素の共生成にも、窒素の共生成にも向けられておらず、
反応生成物ガス流から窒素を除外することによって、二
酸化炭素の回収、又は、二酸化炭素のイオン移送分離器
のためのパージガス又は掃引ガス流としての使用を可能
にする装置の設計を開示しておらず、その目的のために
イオン移送反応器を使用することを考慮していない。本
発明による反応器加熱器の構成のある種の実施形態にお
いては、イオン移送分離器における酸素駆動力が燃焼生
成物の存在によって減小されないという追加の利点があ
る。本発明は、又、第１段燃焼器に代えてイオン移送反
応器を用いること、又は、第１段燃焼器とイオン移送分
離器に代えて単一ユニット（一体ユニット）としたイオ
ン移送反応器−分離器を用いること、又は、低温燃焼器
をタービンの入口ガス流にではなくタービンの排気ガス
流に接続して配置するという点で従来技術とは異なる。
イオン移送膜を、タービンパワー創生システムに後付け
することを含めて、ガスシステムに組み込む幾つかの実
施形態は、１９９５年６月１４日付で出願された米国特
許出願第０８／４９０，３６２号及びその分割出願であ
る１９９７年９月１８日付で出願された米国特許出願第
０８／９３３，２４８号に開示されている。反応式パー
ジ構成は、１９９５年１２月５日付で出願された米国特
許出願第０８／５６７，６９９号及びヨーロッパ特許公
開第７７８，０６９号に開示されている。又、いろいろ
なイオン移送反応器の構成は、１９９７年４月２８日付
で出願された米国特許出願第０８／８４８，２０４号及
び１９９７年４月２８日付で出願された米国特許出願第
０８／８４８，１９９号に開示されている。これらの特
許出願は、いずれも、本出願人の出願である。
【００３２】上述した酸素分離器、イオン移送反応器、
イオン移送反応器−加熱器、イオン移送反応器−分離
器、又は、イオン移送反応器−燃焼器に用いられるイオ
ン移送膜は、固形電解質イオン伝導体である。これらの
材料は、企図された機能に必要な又は有利な特定の性能
特性に適合するように選択することができる。従って、
異なるモジュールに異なるイオン移送材を用いることが
できる。酸素イオンを移送するイオン移送材は、ガス混
合物から酸素を分離するのに有用である。ある種のイオ
ン移送材は、酸素イオンと電子の両方を伝導する混合伝
導体である。イオンの移送は、イオン移送膜の両側間の
酸素の分圧比によって駆動される。即ち、酸素イオン
は、膜の、酸素分圧が高い側から酸素分圧が低い側へ流
れる。酸素の酸素イオンへのイオン化は、膜のカソード
側即ち篩上側で起こり、次いで、それらの酸素イオン
は、イオン移送膜を透過して移送される。膜の篩下側で
酸素イオンは、脱イオン化して酸素分子を放出する。イ
オンだけの伝導性を有する膜材料の場合は、その材料
（電解質）の表面上に外部電極を設置し、電子流が外部
回路によって搬送されるようにする。混合伝導材の場合
は、電子は、膜材内部のカソードへ移送されて回路を完
成するので、外部電極を設ける必要がない。酸素イオン
伝導体と電子伝導体とが混合されている二相混合伝導体
も、同じ用途に用いることができる。
イオン移送反応器−加熱器、イオン移送反応器−分離
器、又は、イオン移送反応器−燃焼器に用いられるイオ
ン移送膜は、固形電解質イオン伝導体である。これらの
材料は、企図された機能に必要な又は有利な特定の性能
特性に適合するように選択することができる。従って、
異なるモジュールに異なるイオン移送材を用いることが
できる。酸素イオンを移送するイオン移送材は、ガス混
合物から酸素を分離するのに有用である。ある種のイオ
ン移送材は、酸素イオンと電子の両方を伝導する混合伝
導体である。イオンの移送は、イオン移送膜の両側間の
酸素の分圧比によって駆動される。即ち、酸素イオン
は、膜の、酸素分圧が高い側から酸素分圧が低い側へ流
れる。酸素の酸素イオンへのイオン化は、膜のカソード
側即ち篩上側で起こり、次いで、それらの酸素イオン
は、イオン移送膜を透過して移送される。膜の篩下側で
酸素イオンは、脱イオン化して酸素分子を放出する。イ
オンだけの伝導性を有する膜材料の場合は、その材料
（電解質）の表面上に外部電極を設置し、電子流が外部
回路によって搬送されるようにする。混合伝導材の場合
は、電子は、膜材内部のカソードへ移送されて回路を完
成するので、外部電極を設ける必要がない。酸素イオン
伝導体と電子伝導体とが混合されている二相混合伝導体
も、同じ用途に用いることができる。
【００３３】下記表Ｉは、酸素の分離に有用なイオン移
送材料の一部リストである。
送材料の一部リストである。
【００３４】
【表１】
【表２】
【表３】
【００３５】イオン移送材は、酸素に対して無限の選択
度を有しているので、空気分離及びガス精製の分野に幾
つかの潜在的用途を有している。しかしながら、イオン
移送材は、一般に、高い温度（４５０°Ｃより高い温
度）においてしか顕著なイオン伝導性を発揮しないの
で、低い温度（１００°Ｃ未満の温度）で作動する在来
の酸素分離プロセスとは異なる。大抵の酸素生成システ
ムは、極低温分離方法（一般に大規模高、純度向け）を
用いるか、ポリマー膜又は吸着分離法（一般に小〜中規
模、純度９０〜９５％向け）を用いる。膜システムは、
通常、非常なパワー集約型であり、窒素の生成や、少量
の酸素富化空気（例えば、酸素含量５０％）の生成に適
している。
度を有しているので、空気分離及びガス精製の分野に幾
つかの潜在的用途を有している。しかしながら、イオン
移送材は、一般に、高い温度（４５０°Ｃより高い温
度）においてしか顕著なイオン伝導性を発揮しないの
で、低い温度（１００°Ｃ未満の温度）で作動する在来
の酸素分離プロセスとは異なる。大抵の酸素生成システ
ムは、極低温分離方法（一般に大規模高、純度向け）を
用いるか、ポリマー膜又は吸着分離法（一般に小〜中規
模、純度９０〜９５％向け）を用いる。膜システムは、
通常、非常なパワー集約型であり、窒素の生成や、少量
の酸素富化空気（例えば、酸素含量５０％）の生成に適
している。
【００３６】本発明の好ましい実施形態では、圧縮空気
がイオン移送反応器へ直接供給され、そこで燃料がイオ
ン移送膜の透過側（篩下側）で透過した酸素と反応して
空気を適切なイオン移送作動温度にまで昇温するための
必要な熱を創生する。次いで、篩上ガス流は、イオン移
送反応器の下流に配置された在来の燃焼器内でタービン
の入口温度にまで加熱される。反応側の燃料対酸素比
は、安定した燃焼を得るために化学量論比又はそれより
僅かに燃料の割合を高くした値とすることができる。そ
れと同時に、「固形電解質イオン伝導体反応器の構造」
と題する上記米国特許出願第０８／８４８，２０４号に
記載されているイオン移送反応器の構造では、イオン移
送反応器の膜表面で起こる反応は、実質的に窒素（燃料
中に存在する窒素は別として）を除外する環境にあり、
比較的均一な温度下にあるので、ＮＯｘ発生量を最少限
にする。イオン移送反応器からの燃焼生成物は、イオン
移送（酸素）分離器の下流で篩上ガス流と合流させても
よく、あるいは、随意選択として、篩上ガス流を抽出し
て二酸化炭素を共生成物として回収してもよく、あるい
は、酸素の回収率を高めるためにイオン移送分離器の篩
下側（透過ガス側）のためのパージガスとして使用して
もよい。これは、二酸化炭素が目標生成物である場合に
有利である。なぜなら、燃焼生成物は、主として、二酸
化炭素と、凝縮によって簡単に除去することができる水
を含有している。イオン移送反応器の透過ガス側の酸素
分圧は非常に低いので、酸素駆動力は高く、イオン移送
面積の所要量を最小限にする。それと同時に、この低い
酸素分圧（１０-14未満）は、そのような低い圧力下で
安定した混合伝導体組成を選択することを要求する。
がイオン移送反応器へ直接供給され、そこで燃料がイオ
ン移送膜の透過側（篩下側）で透過した酸素と反応して
空気を適切なイオン移送作動温度にまで昇温するための
必要な熱を創生する。次いで、篩上ガス流は、イオン移
送反応器の下流に配置された在来の燃焼器内でタービン
の入口温度にまで加熱される。反応側の燃料対酸素比
は、安定した燃焼を得るために化学量論比又はそれより
僅かに燃料の割合を高くした値とすることができる。そ
れと同時に、「固形電解質イオン伝導体反応器の構造」
と題する上記米国特許出願第０８／８４８，２０４号に
記載されているイオン移送反応器の構造では、イオン移
送反応器の膜表面で起こる反応は、実質的に窒素（燃料
中に存在する窒素は別として）を除外する環境にあり、
比較的均一な温度下にあるので、ＮＯｘ発生量を最少限
にする。イオン移送反応器からの燃焼生成物は、イオン
移送（酸素）分離器の下流で篩上ガス流と合流させても
よく、あるいは、随意選択として、篩上ガス流を抽出し
て二酸化炭素を共生成物として回収してもよく、あるい
は、酸素の回収率を高めるためにイオン移送分離器の篩
下側（透過ガス側）のためのパージガスとして使用して
もよい。これは、二酸化炭素が目標生成物である場合に
有利である。なぜなら、燃焼生成物は、主として、二酸
化炭素と、凝縮によって簡単に除去することができる水
を含有している。イオン移送反応器の透過ガス側の酸素
分圧は非常に低いので、酸素駆動力は高く、イオン移送
面積の所要量を最小限にする。それと同時に、この低い
酸素分圧（１０-14未満）は、そのような低い圧力下で
安定した混合伝導体組成を選択することを要求する。
【００３７】本発明が提案するプロセス構成は、従来の
プロセスの欠点に対する解決を与え、多くの利点を提供
する。例えば、イオン移送酸素分離器とタービンへの入
口温度は、それぞれ独立して、イオン移送反応器と燃焼
器への燃料比を調節することによって、それぞれの最適
温度（イオン移送酸素分離器に対しては７００°Ｃ〜９
５０°Ｃ、タービンに対しては１０００°Ｃ〜１４００
°Ｃ）に制御することができる。更に、燃焼反応はイオ
ン移送反応器の篩下側に限定されているので、イオン移
送分離器供給ガス流の汚染も希釈も回避される。イオン
移送反応器内の燃料対酸素比は、連続した生成物の排出
を維持するためにこのプロセス中安定した燃焼を実施す
るのに十分に高い比である。又、この全体構造は、イオ
ン移送分離器は熱交換器と燃焼器の機能を兼備している
から、簡単である。先に述べたように、イオン移送モジ
ュールの使用は、ＮＯｘの発生を減少させ、必要な場
合、比較的豊富な二酸化炭素共生成物ガス流を抽出する
ことを可能にする。最後に、イオン移送モジュール内で
の反応を制御する一助としてスチームをイオン移送膜の
篩下側（透過ガス側）に希釈剤として添加することがで
きる。
プロセスの欠点に対する解決を与え、多くの利点を提供
する。例えば、イオン移送酸素分離器とタービンへの入
口温度は、それぞれ独立して、イオン移送反応器と燃焼
器への燃料比を調節することによって、それぞれの最適
温度（イオン移送酸素分離器に対しては７００°Ｃ〜９
５０°Ｃ、タービンに対しては１０００°Ｃ〜１４００
°Ｃ）に制御することができる。更に、燃焼反応はイオ
ン移送反応器の篩下側に限定されているので、イオン移
送分離器供給ガス流の汚染も希釈も回避される。イオン
移送反応器内の燃料対酸素比は、連続した生成物の排出
を維持するためにこのプロセス中安定した燃焼を実施す
るのに十分に高い比である。又、この全体構造は、イオ
ン移送分離器は熱交換器と燃焼器の機能を兼備している
から、簡単である。先に述べたように、イオン移送モジ
ュールの使用は、ＮＯｘの発生を減少させ、必要な場
合、比較的豊富な二酸化炭素共生成物ガス流を抽出する
ことを可能にする。最後に、イオン移送モジュール内で
の反応を制御する一助としてスチームをイオン移送膜の
篩下側（透過ガス側）に希釈剤として添加することがで
きる。
【００３８】図１は、酸素生成物ガス流と、二酸化炭素
ガス流と、パワーを創生するために固形電解質イオン伝
導体分離器モジュールをイオン移送反応器モジュール及
びタービンと組み合わせて使用する本発明の実施形態の
概略流れ図である。この実施形態では、イオン移送反応
器モジュール（以下、「イオン移送反応器」又は単に
「反応器」とも称する）２０と、イオン移送分離器モジ
ュール（以下、単に「イオン移送分離器」又は単に「分
離器」とも称する）４１がブレイトンサイクルにおける
ガスタービン４８と統合され（組み合わされ）、供給ガ
ス流１０から酸素を抽出することができるように構成さ
れている。
ガス流と、パワーを創生するために固形電解質イオン伝
導体分離器モジュールをイオン移送反応器モジュール及
びタービンと組み合わせて使用する本発明の実施形態の
概略流れ図である。この実施形態では、イオン移送反応
器モジュール（以下、「イオン移送反応器」又は単に
「反応器」とも称する）２０と、イオン移送分離器モジ
ュール（以下、単に「イオン移送分離器」又は単に「分
離器」とも称する）４１がブレイトンサイクルにおける
ガスタービン４８と統合され（組み合わされ）、供給ガ
ス流１０から酸素を抽出することができるように構成さ
れている。
【００３９】作動において、供給ガス流１０は、圧縮機
１５によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。圧縮
されたガス流１６は、熱交換器１７において高温二酸化
炭素ガス流２６、高温酸素ガス流５８及び廃ガス流５１
によって８８０°Ｆ（４７０°Ｃ）にまで加熱され、加
熱ガス流１８となる。この加熱ガス流１８は、先端開放
ヒーター管２１を通ってイオン移送反応器２０に流入
し、そこで更に、イオン移送分離器４１の通常作動温度
である１４７０°Ｆ（８００°Ｃ）にまで加熱される。
１５によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。圧縮
されたガス流１６は、熱交換器１７において高温二酸化
炭素ガス流２６、高温酸素ガス流５８及び廃ガス流５１
によって８８０°Ｆ（４７０°Ｃ）にまで加熱され、加
熱ガス流１８となる。この加熱ガス流１８は、先端開放
ヒーター管２１を通ってイオン移送反応器２０に流入
し、そこで更に、イオン移送分離器４１の通常作動温度
である１４７０°Ｆ（８００°Ｃ）にまで加熱される。
【００４０】イオン移送反応器は、篩上側（不透過ガス
側）２２ａと篩下側（透過ガス側）２２ｂを有するイオ
ン移送膜２２を備えている。加熱ガス流１８の温度をイ
オン移送分離器４１の作動温度にまで加熱するのに要す
る熱は、例えばメタンのような燃料ガス流２４を、イオ
ン移送膜２２を通しての圧力駆動酸素イオン移送により
イオン移送膜２２の篩下側２２ｂに透過してくる酸素と
反応させることによって得られる。通常、イオン移送膜
２２は、燃焼生成物ガス流２５を創生するためにイオン
移送膜２２の篩下側２２ｂでの反応を促進するための触
媒を有している。イオン移送反応器２０内での反応は、
安定した燃焼を維持するために好ましくは僅かに燃料豊
富状態（燃料比が化学理論量より僅かに高い状態）で作
動される。
側）２２ａと篩下側（透過ガス側）２２ｂを有するイオ
ン移送膜２２を備えている。加熱ガス流１８の温度をイ
オン移送分離器４１の作動温度にまで加熱するのに要す
る熱は、例えばメタンのような燃料ガス流２４を、イオ
ン移送膜２２を通しての圧力駆動酸素イオン移送により
イオン移送膜２２の篩下側２２ｂに透過してくる酸素と
反応させることによって得られる。通常、イオン移送膜
２２は、燃焼生成物ガス流２５を創生するためにイオン
移送膜２２の篩下側２２ｂでの反応を促進するための触
媒を有している。イオン移送反応器２０内での反応は、
安定した燃焼を維持するために好ましくは僅かに燃料豊
富状態（燃料比が化学理論量より僅かに高い状態）で作
動される。
【００４１】反応器の設計、即ち、酸素流束と反応の動
力学にもよるが、イオン移送膜２２の篩下側２２ｂの酸
素分圧は、表Ｉにグループ９として記載された灰チタン
石構造を有するクロムのような、低酸素圧条件下で安置
しているイオン移送材の使用を必要とするのに十分に低
い（例えば、１０-15ａｔｍ未満）である。イオン移送
反応器２０は、燃焼器と熱交換器の両方の機能を果たす
ので、イオン移送膜の篩上側（不透過ガス側）から流出
してきた篩上ガス（不透過ガス）流４０は１４７０°Ｆ
の温度にあり、燃焼生成物ガスによって全く希釈されて
いない（汚染されていない）。主として二酸化炭素と水
蒸気を含有している燃焼生成物ガス流２５は、ガス流２
６として導かれ、ガス流２６は、先に述べたように、熱
交換器１７において圧縮ガス流１６との熱交換によって
冷却され、二酸化炭素生成物ガス流２８となる。あるい
は、ガス流２５は、随意選択としてガス流２７として導
かれてガス流４５と合流せしめられ、随意選択のガス流
２９を形成する。
力学にもよるが、イオン移送膜２２の篩下側２２ｂの酸
素分圧は、表Ｉにグループ９として記載された灰チタン
石構造を有するクロムのような、低酸素圧条件下で安置
しているイオン移送材の使用を必要とするのに十分に低
い（例えば、１０-15ａｔｍ未満）である。イオン移送
反応器２０は、燃焼器と熱交換器の両方の機能を果たす
ので、イオン移送膜の篩上側（不透過ガス側）から流出
してきた篩上ガス（不透過ガス）流４０は１４７０°Ｆ
の温度にあり、燃焼生成物ガスによって全く希釈されて
いない（汚染されていない）。主として二酸化炭素と水
蒸気を含有している燃焼生成物ガス流２５は、ガス流２
６として導かれ、ガス流２６は、先に述べたように、熱
交換器１７において圧縮ガス流１６との熱交換によって
冷却され、二酸化炭素生成物ガス流２８となる。あるい
は、ガス流２５は、随意選択としてガス流２７として導
かれてガス流４５と合流せしめられ、随意選択のガス流
２９を形成する。
【００４２】高温の篩上ガス流２３は、イオン移送反応
器２０からガス流４０として流出する。ガス流４０は、
篩上側（不透過ガス側）４２ａと篩下側（透過ガス側）
４２ｂを有するイオン移送膜４２を備えたイオン移送分
離器４１へ導入される。導入された酸素の一部分（例え
ば、４０％）がイオン移送膜４２を通しての圧力駆動酸
素イオン移送により分離され、高温の酸素ガス流５８と
高温の篩上（不透過）ガス流４４を創生する。高温の酸
素ガス流５８は、先に述べたように、熱交換器１７にお
いて圧縮ガス流１６との熱交換によって冷却され、酸素
生成物ガス流６０となる。一方、篩上ガス流４４は、ガ
ス流４６として導かれてガス流４７となる。ガス流４７
は、軸５４を介して圧縮機１５を駆動するためにいきな
り低温ガスタービン４８に通して膨張させることができ
る。
器２０からガス流４０として流出する。ガス流４０は、
篩上側（不透過ガス側）４２ａと篩下側（透過ガス側）
４２ｂを有するイオン移送膜４２を備えたイオン移送分
離器４１へ導入される。導入された酸素の一部分（例え
ば、４０％）がイオン移送膜４２を通しての圧力駆動酸
素イオン移送により分離され、高温の酸素ガス流５８と
高温の篩上（不透過）ガス流４４を創生する。高温の酸
素ガス流５８は、先に述べたように、熱交換器１７にお
いて圧縮ガス流１６との熱交換によって冷却され、酸素
生成物ガス流６０となる。一方、篩上ガス流４４は、ガ
ス流４６として導かれてガス流４７となる。ガス流４７
は、軸５４を介して圧縮機１５を駆動するためにいきな
り低温ガスタービン４８に通して膨張させることができ
る。
【００４３】あるいは別法として、最適の効率を得るた
めに、タービン供給ガス流を高温ガスタービンが許容す
るようなより高い温度に昇温することもできる。そのよ
うな昇温は、ヒーター（図示せず）を用いることによっ
て、あるいは、ガス流４４を随意選択としてガス流４５
として導いて随意選択のガス流２７（それが生成される
場合）と合流させて随意選択のガス流２９を形成するこ
とによって達成される。随意選択のガス流２９は、燃焼
器３０内へ通されて燃料ガス流３２と反応し、反応生成
物ガス流３３を生成する。ガス流３３は、ガス流４７と
なり、所望のタービン入口温度（例えば、２４００°Ｆ
（１３１５°Ｃ））でガスタービン４８のような高温タ
ービン４８内へ注入されて、圧縮機１５を駆動するため
の（軸を回転する）パワー５４、排ガス流５０、及び余
剰パワー５６を創生する。排ガス流５０は、廃ガス流５
１として導かれ、熱交換器１７において圧縮ガス流１６
との熱交換によって冷却され、廃ガス流５２となる。随
意選択として、篩上ガス流４４は、ガス流４６として導
かれてガス流４７となる。排ガス流５０は、スチームを
創生するために用いるためにガス流６１として導かれ
る。
めに、タービン供給ガス流を高温ガスタービンが許容す
るようなより高い温度に昇温することもできる。そのよ
うな昇温は、ヒーター（図示せず）を用いることによっ
て、あるいは、ガス流４４を随意選択としてガス流４５
として導いて随意選択のガス流２７（それが生成される
場合）と合流させて随意選択のガス流２９を形成するこ
とによって達成される。随意選択のガス流２９は、燃焼
器３０内へ通されて燃料ガス流３２と反応し、反応生成
物ガス流３３を生成する。ガス流３３は、ガス流４７と
なり、所望のタービン入口温度（例えば、２４００°Ｆ
（１３１５°Ｃ））でガスタービン４８のような高温タ
ービン４８内へ注入されて、圧縮機１５を駆動するため
の（軸を回転する）パワー５４、排ガス流５０、及び余
剰パワー５６を創生する。排ガス流５０は、廃ガス流５
１として導かれ、熱交換器１７において圧縮ガス流１６
との熱交換によって冷却され、廃ガス流５２となる。随
意選択として、篩上ガス流４４は、ガス流４６として導
かれてガス流４７となる。排ガス流５０は、スチームを
創生するために用いるためにガス流６１として導かれ
る。
【００４４】表IIは、１，０００，０００ＮＣＦＨ（ft
3／時、標準状態）の酸素を生成するために図１に示さ
れた本発明の実施形態を用いた場合の作動条件及び作動
実績を示す。表IIから分かるように、イオン移送反応器
２０と燃焼器３０とは、イオン移送分離器４１の作動を
損ねることなく、又、システムの複雑さ及び設備コスト
に過度に影響することなく、イオン移送分離器４１とガ
スタービン４８のための作動温度をそれぞれ独立して制
御することを可能にする。
3／時、標準状態）の酸素を生成するために図１に示さ
れた本発明の実施形態を用いた場合の作動条件及び作動
実績を示す。表IIから分かるように、イオン移送反応器
２０と燃焼器３０とは、イオン移送分離器４１の作動を
損ねることなく、又、システムの複雑さ及び設備コスト
に過度に影響することなく、イオン移送分離器４１とガ
スタービン４８のための作動温度をそれぞれ独立して制
御することを可能にする。
【００４５】
【表４】
【００４６】この作動に随伴するパワー面の不利益は、
生成される酸素量に質量流量において等しい追加量の供
給空気を圧縮するのに随伴する損失である。３．７ＭＷ
という値は、中間冷却なしの単段圧縮に関連した値であ
る。追加の空気を追加の圧縮機によって圧縮することに
なる後付けの場合は、中間冷却を用いてパワー損失を約
１ＭＷ減少させる価値が十分にある。後付けではない標
準の場合は、酸素を生成するための設備コスト面の不利
益は、イオン移送反応器及びイオン移送分離器のコスト
と、生成物酸素ガス流から熱を回収するのに要するコス
トである。これらのコストは、燃焼器及び熱交換器の使
用責務（デューティ、即ち、断続使用される装置の稼動
時間の全時間に対する比）が低いことによるパワーの節
約によって一部は補償される。
生成される酸素量に質量流量において等しい追加量の供
給空気を圧縮するのに随伴する損失である。３．７ＭＷ
という値は、中間冷却なしの単段圧縮に関連した値であ
る。追加の空気を追加の圧縮機によって圧縮することに
なる後付けの場合は、中間冷却を用いてパワー損失を約
１ＭＷ減少させる価値が十分にある。後付けではない標
準の場合は、酸素を生成するための設備コスト面の不利
益は、イオン移送反応器及びイオン移送分離器のコスト
と、生成物酸素ガス流から熱を回収するのに要するコス
トである。これらのコストは、燃焼器及び熱交換器の使
用責務（デューティ、即ち、断続使用される装置の稼動
時間の全時間に対する比）が低いことによるパワーの節
約によって一部は補償される。
【００４７】熱回収熱交換器の代わりにランキンサイク
ル式熱回収システムやその他の熱回収システムを使用し
てもほぼ同様の結果が得られることは当業者には明らか
であろう。
ル式熱回収システムやその他の熱回収システムを使用し
てもほぼ同様の結果が得られることは当業者には明らか
であろう。
【００４８】図２は、酸素生成物ガス流とパワーを創生
するために固形電解質イオン伝導体分離器モジュールを
イオン移送反応器−加熱器モジュール及びタービンと組
み合わせて用いる本発明の一実施形態の概略流れ図であ
る。図２は、空気をイオン移送作動温度にまで加熱する
ためにイオン移送反応器に代えてイオン移送反応器−加
熱器を用いた、図１の実施形態の変型である。
するために固形電解質イオン伝導体分離器モジュールを
イオン移送反応器−加熱器モジュール及びタービンと組
み合わせて用いる本発明の一実施形態の概略流れ図であ
る。図２は、空気をイオン移送作動温度にまで加熱する
ためにイオン移送反応器に代えてイオン移送反応器−加
熱器を用いた、図１の実施形態の変型である。
【００４９】作動において、供給ガス流２００は、圧縮
機２０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。
圧縮されたガス流２０２は、熱交換器２０４において随
意選択の二酸化炭素ガス流２２０、高温酸素ガス流２３
０及び廃ガス流２５０によって６００°Ｆ〜１０００°
Ｆにまで加熱され、加熱ガス流２０６となる。この加熱
ガス流２０６は、ヒーター管２２４を通ってイオン移送
反応器−加熱器２０８に流入し、そこで更に、イオン移
送分離器２２６の通常作動温度である１４７０°Ｆ（８
００°Ｃ）にまで加熱される。
機２０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。
圧縮されたガス流２０２は、熱交換器２０４において随
意選択の二酸化炭素ガス流２２０、高温酸素ガス流２３
０及び廃ガス流２５０によって６００°Ｆ〜１０００°
Ｆにまで加熱され、加熱ガス流２０６となる。この加熱
ガス流２０６は、ヒーター管２２４を通ってイオン移送
反応器−加熱器２０８に流入し、そこで更に、イオン移
送分離器２２６の通常作動温度である１４７０°Ｆ（８
００°Ｃ）にまで加熱される。
【００５０】イオン移送反応器−加熱器２０８は、篩上
側（不透過ガス側）２１０ａと篩下側（透過ガス側）２
１０ｂを有するイオン移送膜２１０を備えている。加熱
ガス流２０６の温度をイオン移送分離器２２６の作動温
度にまで加熱するのに要する熱は、例えばメタンのよう
な燃料ガス流２１５を、イオン移送膜２１０を通しての
圧力駆動酸素イオン移送によりイオン移送膜２１０の篩
下側２１０ｂに透過してくる酸素と反応させることによ
って得られる。通常、イオン移送膜２１０は、燃焼生成
物ガス流２１６を創生するためにイオン移送膜２１０の
篩下側２１０ｂでの反応を促進するための触媒を有して
いる。
側（不透過ガス側）２１０ａと篩下側（透過ガス側）２
１０ｂを有するイオン移送膜２１０を備えている。加熱
ガス流２０６の温度をイオン移送分離器２２６の作動温
度にまで加熱するのに要する熱は、例えばメタンのよう
な燃料ガス流２１５を、イオン移送膜２１０を通しての
圧力駆動酸素イオン移送によりイオン移送膜２１０の篩
下側２１０ｂに透過してくる酸素と反応させることによ
って得られる。通常、イオン移送膜２１０は、燃焼生成
物ガス流２１６を創生するためにイオン移送膜２１０の
篩下側２１０ｂでの反応を促進するための触媒を有して
いる。
【００５１】イオン移送反応器−加熱器２０８内での反
応は、安定した燃焼を維持するために好ましくは僅かに
燃料豊富状態（燃料比が化学理論量より僅かに高い状
態）で作動される。先の実施形態の場合と同様に、イオ
ン移送反応器−加熱器２０８は、燃焼器と熱交換器の二
重の機能を果たすので、イオン移送膜の篩上側（不透過
ガス側）から流出してきた篩上ガス（不透過ガス）流２
３４は１４７０°Ｆの温度にあり、燃焼生成物ガスによ
って全く希釈されていない（汚染されていない）。主と
して二酸化炭素と水蒸気を含有している燃焼生成物ガス
流２１６は、ガス流２１８として導かれ、ガス流２１８
は、ガス流２３６として篩上ガス流２３４と合流せしめ
られ、ガス流２３７となる。別法として、燃焼生成物ガ
ス流２１６は、随意選択のガス流２２０として導かれ、
ガス流２２０は、先に述べたように、熱交換器２０４に
おいて圧縮ガス流２０２との熱交換によって冷却され、
二酸化炭素及びスチーム含有ガス流２２１となり、ガス
流２２１からその中のスチームを凝縮器２２２内で凝縮
させた後二酸化炭素を回収することができる。
応は、安定した燃焼を維持するために好ましくは僅かに
燃料豊富状態（燃料比が化学理論量より僅かに高い状
態）で作動される。先の実施形態の場合と同様に、イオ
ン移送反応器−加熱器２０８は、燃焼器と熱交換器の二
重の機能を果たすので、イオン移送膜の篩上側（不透過
ガス側）から流出してきた篩上ガス（不透過ガス）流２
３４は１４７０°Ｆの温度にあり、燃焼生成物ガスによ
って全く希釈されていない（汚染されていない）。主と
して二酸化炭素と水蒸気を含有している燃焼生成物ガス
流２１６は、ガス流２１８として導かれ、ガス流２１８
は、ガス流２３６として篩上ガス流２３４と合流せしめ
られ、ガス流２３７となる。別法として、燃焼生成物ガ
ス流２１６は、随意選択のガス流２２０として導かれ、
ガス流２２０は、先に述べたように、熱交換器２０４に
おいて圧縮ガス流２０２との熱交換によって冷却され、
二酸化炭素及びスチーム含有ガス流２２１となり、ガス
流２２１からその中のスチームを凝縮器２２２内で凝縮
させた後二酸化炭素を回収することができる。
【００５２】高温の篩上ガス流２２５は、イオン移送反
応器−加熱器２０８から流出し、篩上側（不透過ガス
側）２２８ａと篩下側（透過ガス側）２２８ｂを有する
イオン移送膜２２８を備えたイオン移送分離器２２６へ
導入される。導入された酸素の一部分（例えば、４０
％）がイオン移送膜２２８を通しての圧力駆動酸素イオ
ン移送により分離され、高温の酸素ガス流２３０と高温
の篩上（不透過）ガス流２３２を創生する。高温の酸素
ガス流２３０は、先に述べたように、熱交換器２０４に
おいて圧縮ガス流２０２との熱交換によって冷却され、
酸素生成物ガス流２３１となる。
応器−加熱器２０８から流出し、篩上側（不透過ガス
側）２２８ａと篩下側（透過ガス側）２２８ｂを有する
イオン移送膜２２８を備えたイオン移送分離器２２６へ
導入される。導入された酸素の一部分（例えば、４０
％）がイオン移送膜２２８を通しての圧力駆動酸素イオ
ン移送により分離され、高温の酸素ガス流２３０と高温
の篩上（不透過）ガス流２３２を創生する。高温の酸素
ガス流２３０は、先に述べたように、熱交換器２０４に
おいて圧縮ガス流２０２との熱交換によって冷却され、
酸素生成物ガス流２３１となる。
【００５３】高温の篩上ガス流２３２は、随意選択のガ
ス流２３８と合流されてガス流２３３となる。ガス流２
３３は、イオン移送反応器−加熱器２０８へ導入され、
そこで酸素が除去されて篩上ガス流２３４を生成する。
篩上ガス流２３４は、ガス流２３６と合流されてガス流
２３７となる。ガス流２３７は、燃焼器２４０内へ通さ
れて燃料ガス流２３９と反応し、反応生成物ガス流２４
２を生成する。ガス流２４２は、所望のタービン入口温
度（通常、２０００°Ｆ）でガスタービン２４３へ注入
されて、圧縮機２０１を駆動するための（軸を回転す
る）パワー２５６、排ガス流２４６、及び余剰パワー２
４４を創生する。排ガス流２４６は、廃ガス流２５０と
して導かれ、先に述べたように、熱交換器２０４におい
て圧縮ガス流２０２との熱交換によって冷却され、廃ガ
ス流２５２となる。随意選択として、排ガス流２４６
は、スチームを創生するために用いるためにガス流２４
７として導かれる。
ス流２３８と合流されてガス流２３３となる。ガス流２
３３は、イオン移送反応器−加熱器２０８へ導入され、
そこで酸素が除去されて篩上ガス流２３４を生成する。
篩上ガス流２３４は、ガス流２３６と合流されてガス流
２３７となる。ガス流２３７は、燃焼器２４０内へ通さ
れて燃料ガス流２３９と反応し、反応生成物ガス流２４
２を生成する。ガス流２４２は、所望のタービン入口温
度（通常、２０００°Ｆ）でガスタービン２４３へ注入
されて、圧縮機２０１を駆動するための（軸を回転す
る）パワー２５６、排ガス流２４６、及び余剰パワー２
４４を創生する。排ガス流２４６は、廃ガス流２５０と
して導かれ、先に述べたように、熱交換器２０４におい
て圧縮ガス流２０２との熱交換によって冷却され、廃ガ
ス流２５２となる。随意選択として、排ガス流２４６
は、スチームを創生するために用いるためにガス流２４
７として導かれる。
【００５４】図２に示された本発明の実施形態は、図１
のそれと同じ利点を有する。加えて、図２の実施形態
は、図１の実施形態とは異なり、空気ガス流からそれを
イオン移送分離器へ導入する前に酸素を除去しないの
で、より高い酸素駆動力が得られ、従って、図１の実施
形態に比べてイオン移送分離器の面積を小さくすること
ができる。欠点は、イオン移送反応器−加熱器２０８に
熱伝達区域２２４を追加することである。
のそれと同じ利点を有する。加えて、図２の実施形態
は、図１の実施形態とは異なり、空気ガス流からそれを
イオン移送分離器へ導入する前に酸素を除去しないの
で、より高い酸素駆動力が得られ、従って、図１の実施
形態に比べてイオン移送分離器の面積を小さくすること
ができる。欠点は、イオン移送反応器−加熱器２０８に
熱伝達区域２２４を追加することである。
【００５５】図３Ａは、図２のイオン移送反応器とイオ
ン移送分離器の機能を単一の反応器−分離器として統合
された構造を示す。作動において、供給ガス流３００
は、圧縮機３０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮
される。圧縮されたガス流３０２は、熱交換器３０４に
おいて高温二酸化炭素ガス流３３６、高温酸素ガス流３
１４及び廃ガス流３３２によって８００°Ｆ〜１０００
°Ｆにまで加熱され、加熱ガス流３０６ガス流３０６と
なる。この加熱ガス流３０６は、先端が開放したヒータ
ー管３６２を通ってイオン移送反応器−分離器３１０イ
オン移送反応器−分離器３１０に流入し、そこで更に、
篩上側（不透過ガス側）３０９ａと篩下側（透過ガス
側）３０９ｂを有するイオン移送膜３０９及び篩上側３
１２ａと篩下側３１２ｂを有するをイオン移送膜３１２
の作動温度にまで加熱される。
ン移送分離器の機能を単一の反応器−分離器として統合
された構造を示す。作動において、供給ガス流３００
は、圧縮機３０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮
される。圧縮されたガス流３０２は、熱交換器３０４に
おいて高温二酸化炭素ガス流３３６、高温酸素ガス流３
１４及び廃ガス流３３２によって８００°Ｆ〜１０００
°Ｆにまで加熱され、加熱ガス流３０６ガス流３０６と
なる。この加熱ガス流３０６は、先端が開放したヒータ
ー管３６２を通ってイオン移送反応器−分離器３１０イ
オン移送反応器−分離器３１０に流入し、そこで更に、
篩上側（不透過ガス側）３０９ａと篩下側（透過ガス
側）３０９ｂを有するイオン移送膜３０９及び篩上側３
１２ａと篩下側３１２ｂを有するをイオン移送膜３１２
の作動温度にまで加熱される。
【００５６】加熱ガス流３０６の温度をイオン移送膜３
０９，３１２の作動温度にまで加熱するのに要する熱
は、例えばメタンのような燃料ガス流３１１を、イオン
移送膜３０９を通しての圧力駆動酸素イオン移送により
イオン移送膜３０９の篩下側３０９ｂに透過してくる酸
素と反応させることによって得られる。通常、イオン移
送膜３０９は、燃焼生成物ガス流３３６を創生するため
にイオン移送膜３０９の篩下側３０９ｂでの反応を促進
するための触媒を有している。主として二酸化炭素と水
蒸気を含有している燃焼生成物ガス流３３６は、上述し
たように、ガス流熱交換器３０４において圧縮ガス流３
０２との熱交換によって冷却され、二酸化炭素ガス流３
４０となる。一方、イオン移送膜３１２は、供給ガス流
３０６からの酸素の一部分を、イオン移送膜３１２を通
しての圧力駆動酸素イオン移送によって分離し、高温の
酸素ガス流３１４と高温の篩上（不透過）ガス流３１８
を創生する。
０９，３１２の作動温度にまで加熱するのに要する熱
は、例えばメタンのような燃料ガス流３１１を、イオン
移送膜３０９を通しての圧力駆動酸素イオン移送により
イオン移送膜３０９の篩下側３０９ｂに透過してくる酸
素と反応させることによって得られる。通常、イオン移
送膜３０９は、燃焼生成物ガス流３３６を創生するため
にイオン移送膜３０９の篩下側３０９ｂでの反応を促進
するための触媒を有している。主として二酸化炭素と水
蒸気を含有している燃焼生成物ガス流３３６は、上述し
たように、ガス流熱交換器３０４において圧縮ガス流３
０２との熱交換によって冷却され、二酸化炭素ガス流３
４０となる。一方、イオン移送膜３１２は、供給ガス流
３０６からの酸素の一部分を、イオン移送膜３１２を通
しての圧力駆動酸素イオン移送によって分離し、高温の
酸素ガス流３１４と高温の篩上（不透過）ガス流３１８
を創生する。
【００５７】高温の篩上ガス流３１８は、イオン移送反
応器−分離器３１０から流出し、燃焼器３２０内へ通さ
れて燃料ガス流３２２と反応し、反応生成物ガス流３２
４を生成する。ガス流３２４は、所望のタービン入口温
度（通常、２４００°Ｆ）でガスタービン３２６へ注入
されて、圧縮機３０１を駆動するためのパワー３６４、
排ガス流３３２、及び余剰パワー３２８を創生する。排
ガス流３３２は、先に述べたように、熱交換器３０４に
おいて圧縮ガス流３０２との熱交換によって冷却され、
廃ガス流３３４となる。高温の酸素ガス流３１４は、先
に述べたように、熱交換器３０４において圧縮ガス流３
０２との熱交換によって冷却され、酸素生成物ガス流３
１６ガス流３１６となる。
応器−分離器３１０から流出し、燃焼器３２０内へ通さ
れて燃料ガス流３２２と反応し、反応生成物ガス流３２
４を生成する。ガス流３２４は、所望のタービン入口温
度（通常、２４００°Ｆ）でガスタービン３２６へ注入
されて、圧縮機３０１を駆動するためのパワー３６４、
排ガス流３３２、及び余剰パワー３２８を創生する。排
ガス流３３２は、先に述べたように、熱交換器３０４に
おいて圧縮ガス流３０２との熱交換によって冷却され、
廃ガス流３３４となる。高温の酸素ガス流３１４は、先
に述べたように、熱交換器３０４において圧縮ガス流３
０２との熱交換によって冷却され、酸素生成物ガス流３
１６ガス流３１６となる。
【００５８】図３Ｂは、図３Ａに示された本発明の実施
形態のための変型固形電解質イオン伝導体燃焼器−分離
器モジュールの詳細図である。この変型例では、イオン
移送燃焼器−分離器３６１は、篩上側３６０ａと篩下側
３６０ｂを有するをイオン移送膜３６０を備えている。
分配器３５２を用いて反応性燃料ガス流３５０がイオン
移送燃焼器−分離器３６１の篩上側３６０ａへ注入され
る。その他の点では、この実施形態は、図３Ａに関して
述べたのと同様の態様で機能する。
形態のための変型固形電解質イオン伝導体燃焼器−分離
器モジュールの詳細図である。この変型例では、イオン
移送燃焼器−分離器３６１は、篩上側３６０ａと篩下側
３６０ｂを有するをイオン移送膜３６０を備えている。
分配器３５２を用いて反応性燃料ガス流３５０がイオン
移送燃焼器−分離器３６１の篩上側３６０ａへ注入され
る。その他の点では、この実施形態は、図３Ａに関して
述べたのと同様の態様で機能する。
【００５９】一構成例では、分配器３５２は、燃焼器−
分離器３６１内に延設した多孔質壁又は管によって構成
する。分配器３５２は、反応器−分離器の熱伝達構成と
相俟って、イオン移送膜の十分に均一な温度を保証し、
反応性燃料ガスの酸素との実質的に完全な反応を保証す
るために、反応性燃料ガスをイオン移送膜３６０の篩上
側３６０ａのほぼ全長にわたって実質的に均一に分配す
ることが好ましい。燃焼温度は比較的低いので、燃料の
完全燃焼を更に確保するために、反応を触媒によって促
進させることもできる。
分離器３６１内に延設した多孔質壁又は管によって構成
する。分配器３５２は、反応器−分離器の熱伝達構成と
相俟って、イオン移送膜の十分に均一な温度を保証し、
反応性燃料ガスの酸素との実質的に完全な反応を保証す
るために、反応性燃料ガスをイオン移送膜３６０の篩上
側３６０ａのほぼ全長にわたって実質的に均一に分配す
ることが好ましい。燃焼温度は比較的低いので、燃料の
完全燃焼を更に確保するために、反応を触媒によって促
進させることもできる。
【００６０】比較として、図３Ａの実施形態の分離器３
１０内では、燃料ガス流３１１の近傍に非常に高い反応
性ガス対酸素比が生じることがある。その反応性ガスが
可燃燃料であり、対酸素比がその燃料の燃焼限界に近い
か、限界外であると、不完全燃焼が起こる。即ち、燃料
の一部は、部分的にしか酸化されず、一酸化炭素又はそ
の他の汚染物を発生し、それらがガス流３３６に含有さ
れて流出することになる。
１０内では、燃料ガス流３１１の近傍に非常に高い反応
性ガス対酸素比が生じることがある。その反応性ガスが
可燃燃料であり、対酸素比がその燃料の燃焼限界に近い
か、限界外であると、不完全燃焼が起こる。即ち、燃料
の一部は、部分的にしか酸化されず、一酸化炭素又はそ
の他の汚染物を発生し、それらがガス流３３６に含有さ
れて流出することになる。
【００６１】図４は、酸素生成物ガス流とパワーを創生
するために固形電解質イオン伝導体反応器−分離器モジ
ュールを燃焼器及びタービンと組み合わせて用いる本発
明の一実施形態の概略流れ図である。この実施形態は、
企図される特定の応用例が酸素生成物ガス流の酸素純度
を８０％〜９５％未満にする必要がある場合に有用であ
る。
するために固形電解質イオン伝導体反応器−分離器モジ
ュールを燃焼器及びタービンと組み合わせて用いる本発
明の一実施形態の概略流れ図である。この実施形態は、
企図される特定の応用例が酸素生成物ガス流の酸素純度
を８０％〜９５％未満にする必要がある場合に有用であ
る。
【００６２】作動において、供給ガス流４００は、圧縮
機４０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。
圧縮されたガス流４０２は、熱交換器４０４において高
温ガス流４３８及び廃ガス流４３２によって８００°Ｆ
〜１０００°Ｆにまで加熱され、加熱ガス流４０６とな
る。この加熱ガス流４０６は、熱交換器４０８において
高温ガス流４３６及び廃ガス流４２０によってイオン移
送作動温度近くにまで更に加熱され、高温ガス流４１０
となる。次いで、高温ガス流４１０は、ヒーター管４１
４を通ってイオン移送反応器−分離器４１２に流入し、
そこで篩上側４１６ａと篩下側４１６ｂを有するイオン
移送膜４１６の作動温度にまで加熱される。
機４０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。
圧縮されたガス流４０２は、熱交換器４０４において高
温ガス流４３８及び廃ガス流４３２によって８００°Ｆ
〜１０００°Ｆにまで加熱され、加熱ガス流４０６とな
る。この加熱ガス流４０６は、熱交換器４０８において
高温ガス流４３６及び廃ガス流４２０によってイオン移
送作動温度近くにまで更に加熱され、高温ガス流４１０
となる。次いで、高温ガス流４１０は、ヒーター管４１
４を通ってイオン移送反応器−分離器４１２に流入し、
そこで篩上側４１６ａと篩下側４１６ｂを有するイオン
移送膜４１６の作動温度にまで加熱される。
【００６３】膜４１６は、「統合固形電解質イオン伝導
体分離器−冷却器」と題する上述した米国特許出願第０
８／８４８，１９９号に開示されているような単一膜構
造体の異なるセクションとして反応器セクション４６０
と分離器セクション４６２を有する。反応器セクション
４６０の長さは、後述するように生成物ガス流の所望純
度にもよるが、膜４１６の全長の５分の１〜２分の１の
範囲とし、好ましくは約４分の１とする。
体分離器−冷却器」と題する上述した米国特許出願第０
８／８４８，１９９号に開示されているような単一膜構
造体の異なるセクションとして反応器セクション４６０
と分離器セクション４６２を有する。反応器セクション
４６０の長さは、後述するように生成物ガス流の所望純
度にもよるが、膜４１６の全長の５分の１〜２分の１の
範囲とし、好ましくは約４分の１とする。
【００６４】加熱ガス流４１０の温度をイオン移送膜４
１６の作動温度にまで加熱するのに要する熱は、例えば
メタンのような燃料ガス流４１８を、イオン移送膜４１
６を通しての圧力駆動酸素イオン移送によりイオン移送
膜４１６の篩下側４１６ｂに透過してくる酸素と反応さ
せることによって得られる。通常、イオン移送膜４１６
は、燃焼生成物ＰＣと酸素を所望の比率で含有したガス
流４３６を創生するためにイオン移送膜４１６の篩下側
４１６ｂでの反応を促進するための触媒を有している。
燃料の量、従って創生することができるエネルギーの量
は、酸素生成物ガス流中の非凝縮性ガスの分率が当該応
用例によって要求される純度限界を超えてはならないと
いう酸素純度制約によって制限される。大抵のではなく
ても、多くの応用例は、本発明において生じる程度の燃
焼生成物の不純物（主として二酸化炭素と水蒸気）を許
容することができる。
１６の作動温度にまで加熱するのに要する熱は、例えば
メタンのような燃料ガス流４１８を、イオン移送膜４１
６を通しての圧力駆動酸素イオン移送によりイオン移送
膜４１６の篩下側４１６ｂに透過してくる酸素と反応さ
せることによって得られる。通常、イオン移送膜４１６
は、燃焼生成物ＰＣと酸素を所望の比率で含有したガス
流４３６を創生するためにイオン移送膜４１６の篩下側
４１６ｂでの反応を促進するための触媒を有している。
燃料の量、従って創生することができるエネルギーの量
は、酸素生成物ガス流中の非凝縮性ガスの分率が当該応
用例によって要求される純度限界を超えてはならないと
いう酸素純度制約によって制限される。大抵のではなく
ても、多くの応用例は、本発明において生じる程度の燃
焼生成物の不純物（主として二酸化炭素と水蒸気）を許
容することができる。
【００６５】随意選択として、ガス流４１８を不活性パ
ージガスとすることができ、その場合は、ガス流４３６
は希釈された酸素生成物ガス流となる。反応が反応器セ
クション４６０内だけで起こるように反応によるパージ
を燃料希薄状態で作動させた場合、ガス流４３６は、８
０％〜９５％の酸素を含有し、残部の大部分は二酸化炭
素と水蒸気である。
ージガスとすることができ、その場合は、ガス流４３６
は希釈された酸素生成物ガス流となる。反応が反応器セ
クション４６０内だけで起こるように反応によるパージ
を燃料希薄状態で作動させた場合、ガス流４３６は、８
０％〜９５％の酸素を含有し、残部の大部分は二酸化炭
素と水蒸気である。
【００６６】ガス流４３６は、先に述べたように、熱交
換器４０８において冷却されてガス流４３８となり、更
に、熱交換器４０４において冷却されてガス流４４０と
なる。ガス流４４０中の水蒸気は、凝縮器４４２内で凝
縮され、８０％〜９５％の酸素を含有した酸素生成物ガ
ス流４４４を生成する。仮想線で示された別法では、在
来のガス分離器４６４を用いて二酸化炭素炭素流４６８
からより純度の高い酸素流４６６を分離する。
換器４０８において冷却されてガス流４３８となり、更
に、熱交換器４０４において冷却されてガス流４４０と
なる。ガス流４４０中の水蒸気は、凝縮器４４２内で凝
縮され、８０％〜９５％の酸素を含有した酸素生成物ガ
ス流４４４を生成する。仮想線で示された別法では、在
来のガス分離器４６４を用いて二酸化炭素炭素流４６８
からより純度の高い酸素流４６６を分離する。
【００６７】高温の篩上ガス流４２０は、イオン移送反
応器−分離器４１２から流出し、先に述べたように、熱
交換器４０８において冷却されてガス流４２２となる。
ガス流４２２は、燃焼器４２４内へ通されて燃料ガス流
４２６ガス流４２６と反応し、反応生成物ガス流４２８
を生成する。ガス流４２８は、所望のタービン入口温度
（通常、２４００°Ｆ）でガスタービン４３０へ注入さ
れて、圧縮機４０１を駆動するためのパワー４５０、排
ガス流４３２、及び余剰パワー４４９を創生する。排ガ
ス流４３２は、先に述べたように、熱交換器４０４にお
いて圧縮ガス流４０２との熱交換によって冷却され、廃
ガス流４３４となる。
応器−分離器４１２から流出し、先に述べたように、熱
交換器４０８において冷却されてガス流４２２となる。
ガス流４２２は、燃焼器４２４内へ通されて燃料ガス流
４２６ガス流４２６と反応し、反応生成物ガス流４２８
を生成する。ガス流４２８は、所望のタービン入口温度
（通常、２４００°Ｆ）でガスタービン４３０へ注入さ
れて、圧縮機４０１を駆動するためのパワー４５０、排
ガス流４３２、及び余剰パワー４４９を創生する。排ガ
ス流４３２は、先に述べたように、熱交換器４０４にお
いて圧縮ガス流４０２との熱交換によって冷却され、廃
ガス流４３４となる。
【００６８】図４の実施形態は、図１〜３に示された他
の実施形態と同様に、イオン移送分離器の温度とタービ
ンの入口温度を独立して制御することを可能にする。そ
の上、図４の実施形態は、分離器の内部構造をそれほど
複雑にすることなく、イオン移送反応器を設ける必要性
を排除することによってシステムを簡略化する。
の実施形態と同様に、イオン移送分離器の温度とタービ
ンの入口温度を独立して制御することを可能にする。そ
の上、図４の実施形態は、分離器の内部構造をそれほど
複雑にすることなく、イオン移送反応器を設ける必要性
を排除することによってシステムを簡略化する。
【００６９】図５Ａは、酸素生成物ガス流とパワーを創
生するために固形電解質イオン伝導体分離器モジュール
をタービンの下流に配置されたイオン移送反応器モジュ
ールと組み合わせて用いる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、イオン移送反応器をター
ビンの下流に接続してタービン排ガス流を受け取り、そ
の排ガス流を、イオン移送反応器のイオン移送膜を有効
に作動させるのに十分に高い温度（イオン移送膜の作動
温度）にまで加熱し、次いで、イオン移送反応器の篩上
ガス流から熱を得ることによって圧縮供給空気流をイオ
ン移送分離器の移送膜の所要作動温度にまで加熱する。
生するために固形電解質イオン伝導体分離器モジュール
をタービンの下流に配置されたイオン移送反応器モジュ
ールと組み合わせて用いる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、イオン移送反応器をター
ビンの下流に接続してタービン排ガス流を受け取り、そ
の排ガス流を、イオン移送反応器のイオン移送膜を有効
に作動させるのに十分に高い温度（イオン移送膜の作動
温度）にまで加熱し、次いで、イオン移送反応器の篩上
ガス流から熱を得ることによって圧縮供給空気流をイオ
ン移送分離器の移送膜の所要作動温度にまで加熱する。
【００７０】作動において、供給ガス流５００は、圧縮
機５０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。
圧縮された供給ガス流５０２は、熱交換器５０４におい
て高温酸素ガス流５５０、高温の篩上ガス流５４６及び
随意選択の高温の篩下ガス流５３９によって８００°Ｆ
〜９００°Ｆにまで加熱され、加熱ガス流５０６ガス流
５０６となる。この加熱された供給ガス流５０６は、熱
交換器５０８において高温酸素ガス流５４８及び高温篩
上ガス流５４４によってイオン移送分離器５１２の所要
作動温度（イオン移送膜５１４の作動温度）にまで更に
加熱され、高温ガス流５１０となる。次いで、高温ガス
流５１０は、イオン移送５１２に流入し、そこで篩上側
５１４ａと篩下側５１４ｂを有するイオン移送膜５１４
に沿って移動する。
機５０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。
圧縮された供給ガス流５０２は、熱交換器５０４におい
て高温酸素ガス流５５０、高温の篩上ガス流５４６及び
随意選択の高温の篩下ガス流５３９によって８００°Ｆ
〜９００°Ｆにまで加熱され、加熱ガス流５０６ガス流
５０６となる。この加熱された供給ガス流５０６は、熱
交換器５０８において高温酸素ガス流５４８及び高温篩
上ガス流５４４によってイオン移送分離器５１２の所要
作動温度（イオン移送膜５１４の作動温度）にまで更に
加熱され、高温ガス流５１０となる。次いで、高温ガス
流５１０は、イオン移送５１２に流入し、そこで篩上側
５１４ａと篩下側５１４ｂを有するイオン移送膜５１４
に沿って移動する。
【００７１】イオン移送分離器５１２の篩下ガスである
高温酸素ガス流５４８は、先に述べたように、熱交換器
５０８において冷却されて酸素ガス流５５０となり、熱
交換器５０４において更に冷却されて酸素ガス流５５２
となる。酸素ガス流５５２は、冷却器５５４において冷
却され、酸素生成物ガス流５５６となる。
高温酸素ガス流５４８は、先に述べたように、熱交換器
５０８において冷却されて酸素ガス流５５０となり、熱
交換器５０４において更に冷却されて酸素ガス流５５２
となる。酸素ガス流５５２は、冷却器５５４において冷
却され、酸素生成物ガス流５５６となる。
【００７２】一方、イオン移送分離器５１２の篩上（不
透過）ガスは、篩上ガス流５１６としてイオン移送分離
器５１２から流出し、燃焼器５２０内へ通されて燃料ガ
ス流５２２と反応し、燃焼生成物ＰＣ１を含有した反応
生成物ガス流５２４ガス流を生成する。ガス流５２４
は、所望のタービン入口温度でガスタービン５２６へ注
入されて膨張せしめられ、圧縮機５０１を駆動するため
のパワー５５９、排ガス流５２８、及び余剰パワー５２
７を創生する。排ガス流５２８は、先端が開放したヒー
ター管５３０を通ってイオン移送反応器５３２に流入
し、そこで篩上側５３４ａと篩下側５３４ｂを有するイ
オン移送膜５３４の作動温度にまで加熱される。タービ
ンの排ガス流５２８の酸素濃度は、通常、イオン移送反
応器５３２の作動にとって十分すぎるほどの５〜１２％
の範囲である。
透過）ガスは、篩上ガス流５１６としてイオン移送分離
器５１２から流出し、燃焼器５２０内へ通されて燃料ガ
ス流５２２と反応し、燃焼生成物ＰＣ１を含有した反応
生成物ガス流５２４ガス流を生成する。ガス流５２４
は、所望のタービン入口温度でガスタービン５２６へ注
入されて膨張せしめられ、圧縮機５０１を駆動するため
のパワー５５９、排ガス流５２８、及び余剰パワー５２
７を創生する。排ガス流５２８は、先端が開放したヒー
ター管５３０を通ってイオン移送反応器５３２に流入
し、そこで篩上側５３４ａと篩下側５３４ｂを有するイ
オン移送膜５３４の作動温度にまで加熱される。タービ
ンの排ガス流５２８の酸素濃度は、通常、イオン移送反
応器５３２の作動にとって十分すぎるほどの５〜１２％
の範囲である。
【００７３】排ガス流５２８の温度をイオン移送反応器
５３２の所要作動温度（イオン移送膜５３４の作動温
度）以上の温度にまで加熱するのに要する熱は、例えば
メタンのような燃料ガス流５３６を、イオン移送膜５３
４を通しての圧力駆動酸素イオン移送によりイオン移送
膜５３４の篩下側５３４ｂに透過してくる酸素と反応さ
せることによって得られる。通常、イオン移送膜５３４
は、燃焼生成物ガスＰＣ２を含有したガス流５３８を創
生するためにイオン移送膜５３４の篩下側５３４ｂでの
反応を促進するための触媒を有している。
５３２の所要作動温度（イオン移送膜５３４の作動温
度）以上の温度にまで加熱するのに要する熱は、例えば
メタンのような燃料ガス流５３６を、イオン移送膜５３
４を通しての圧力駆動酸素イオン移送によりイオン移送
膜５３４の篩下側５３４ｂに透過してくる酸素と反応さ
せることによって得られる。通常、イオン移送膜５３４
は、燃焼生成物ガスＰＣ２を含有したガス流５３８を創
生するためにイオン移送膜５３４の篩下側５３４ｂでの
反応を促進するための触媒を有している。
【００７４】随意選択として、燃焼生成物ガス流５３８
を篩上ガス流５１６に合流させて燃焼器５２０へ導入す
ることができる。この構成では、イオン移送反応器５３
２の反応側は、燃焼器５２０へ流入する篩上ガス流５１
６に燃焼生成物ガスＰＣ２を加えることを可能にするの
に十分に高い圧力で作動されることが好ましい。それに
よって、タービンの質量流量及び仕事ポテンシャル（潜
在駆動力）の損失を回避することができる。このプロセ
スは、イオン移送反応器５３２内での燃焼反応が篩上側
対篩下側の酸素分圧の比を１より大にするように設定す
る限り、燃焼に要する酸素を定圧側流れから高圧側流れ
へ移送させることができるという点でイオン移送反応器
の独特の特徴の１つを活用する。
を篩上ガス流５１６に合流させて燃焼器５２０へ導入す
ることができる。この構成では、イオン移送反応器５３
２の反応側は、燃焼器５２０へ流入する篩上ガス流５１
６に燃焼生成物ガスＰＣ２を加えることを可能にするの
に十分に高い圧力で作動されることが好ましい。それに
よって、タービンの質量流量及び仕事ポテンシャル（潜
在駆動力）の損失を回避することができる。このプロセ
スは、イオン移送反応器５３２内での燃焼反応が篩上側
対篩下側の酸素分圧の比を１より大にするように設定す
る限り、燃焼に要する酸素を定圧側流れから高圧側流れ
へ移送させることができるという点でイオン移送反応器
の独特の特徴の１つを活用する。
【００７５】随意選択として、分離器５１２における酸
素移送を促進するために分離器５１２の篩下側をパージ
するためにガス流５３８の全部又は一部を用いることが
できる。その場合、図には示されていないが、分離器５
１２の篩下側からでてくる篩下ガス流には水と蒸気が含
まれる。その蒸気を冷却器５５４で凝縮させた後、８０
〜９５％の酸素を含有した比較的低純度の酸素生成物が
回収される。
素移送を促進するために分離器５１２の篩下側をパージ
するためにガス流５３８の全部又は一部を用いることが
できる。その場合、図には示されていないが、分離器５
１２の篩下側からでてくる篩下ガス流には水と蒸気が含
まれる。その蒸気を冷却器５５４で凝縮させた後、８０
〜９５％の酸素を含有した比較的低純度の酸素生成物が
回収される。
【００７６】更に別法として、燃焼生成物ガスの主たる
不純物はやはり水であるから、図１に示される実施形態
の場合と同様に、二酸化炭素を回収するために燃焼生成
物ガス流の全部又は一部を抽出することができる。
不純物はやはり水であるから、図１に示される実施形態
の場合と同様に、二酸化炭素を回収するために燃焼生成
物ガス流の全部又は一部を抽出することができる。
【００７７】高温の篩上ガス流５４４は、イオン移送反
応器−分離器５３２から流出し、先に述べたように、熱
交換器５０８において熱を放出して冷却し、ガス流５４
６となる。ガス流５４６は、熱交換器５０４において更
に冷却され、廃ガス流５５８となる。
応器−分離器５３２から流出し、先に述べたように、熱
交換器５０８において熱を放出して冷却し、ガス流５４
６となる。ガス流５４６は、熱交換器５０４において更
に冷却され、廃ガス流５５８となる。
【００７８】更に別の構成として、図５Ａに示されたイ
オン移送反応器５３２の代わりに、慣用のインラインテ
ール燃焼器又は燃焼加熱器５６０（図５Ｂ参照）を用い
ることができる。図５Ｂに示されるように、タービンの
排ガス流５２８を慣用のインラインテール燃焼器又は燃
焼加熱器５６０内へ注入し、燃料ガス流５６２と反応さ
せてガス流５３８を生成させる。慣用のインラインテー
ル燃焼器又は燃焼加熱器５６０は、どちらを使用して
も、独立した温度制御を可能にし、イオン移送分離器へ
の供給ガス中の酸素の希釈ないし濃度減少を惹起しない
が、燃焼生成物ガスを高温の燃焼器入口へ再循環させる
オプション又は二酸化炭素の豊富な共生成物を回収する
というオプションを犠牲にする。その他の点では、この
辺記事時化は、図５Ａに関して説明したのと同様に機能
する。
オン移送反応器５３２の代わりに、慣用のインラインテ
ール燃焼器又は燃焼加熱器５６０（図５Ｂ参照）を用い
ることができる。図５Ｂに示されるように、タービンの
排ガス流５２８を慣用のインラインテール燃焼器又は燃
焼加熱器５６０内へ注入し、燃料ガス流５６２と反応さ
せてガス流５３８を生成させる。慣用のインラインテー
ル燃焼器又は燃焼加熱器５６０は、どちらを使用して
も、独立した温度制御を可能にし、イオン移送分離器へ
の供給ガス中の酸素の希釈ないし濃度減少を惹起しない
が、燃焼生成物ガスを高温の燃焼器入口へ再循環させる
オプション又は二酸化炭素の豊富な共生成物を回収する
というオプションを犠牲にする。その他の点では、この
辺記事時化は、図５Ａに関して説明したのと同様に機能
する。
【００７９】図５Ａ及び５Ｂの実施形態は、タービンの
入口温度とイオン移送分離器の温度を独立して制御する
ことを可能にし、イオン移送分離器への供給ガスを燃焼
生成物ガスに露呈させないので、燃焼生成物ガスによる
供給ガスの希釈ないし汚染を起こさない。又、図５Ａ及
び５Ｂの実施形態は、いずれも、分離器の上流にインラ
イン燃焼器又はインラインイオン移送反応器を設けた場
合のようにイオン移送分離器への供給ガス中の酸素濃度
従って酸素分圧の駆動力を減少させることがないという
追加の利点を提供する。又、イオン移送タービンテール
ガス反応器は、他のイオン移送反応器構成の場合と同様
に、安定した燃焼のための燃料対酸素等価比の制御を容
易にするという利点をも有している。
入口温度とイオン移送分離器の温度を独立して制御する
ことを可能にし、イオン移送分離器への供給ガスを燃焼
生成物ガスに露呈させないので、燃焼生成物ガスによる
供給ガスの希釈ないし汚染を起こさない。又、図５Ａ及
び５Ｂの実施形態は、いずれも、分離器の上流にインラ
イン燃焼器又はインラインイオン移送反応器を設けた場
合のようにイオン移送分離器への供給ガス中の酸素濃度
従って酸素分圧の駆動力を減少させることがないという
追加の利点を提供する。又、イオン移送タービンテール
ガス反応器は、他のイオン移送反応器構成の場合と同様
に、安定した燃焼のための燃料対酸素等価比の制御を容
易にするという利点をも有している。
【００８０】図６は、酸素生成物ガス流と、窒素と、二
酸化炭素と、所望に応じてパワーを共生成物として創生
するためのシステムを示す。
酸化炭素と、所望に応じてパワーを共生成物として創生
するためのシステムを示す。
【００８１】作動において、供給ガス流６００は、圧縮
機６０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。
圧縮されたガス流６０２は、回収熱交換器６０３におい
て高温ガス流６５２、タービン排ガス流６４６、高温ガ
ス流６２６及び随意選択の二酸化炭素ガス流６３８によ
って８００°Ｆ〜９００°Ｆにまで加熱され、加熱ガス
流６０４となる。この加熱ガス流６０４は、熱交換器６
０６において加熱ガス流６１８、高温ガス流６２４及び
高温ガス流６５０によって更に加熱され、加熱ガス流６
０８となる。次いで、加熱ガス流６０８は、ヒーター管
６１１を通ってイオン移送反応器−加熱器６１０に流入
し、そこでイオン移送反応器−加熱器６１０のイオン移
送作動温度にまで加熱される。イオン移送反応器−加熱
器６１０は、篩上側（不透過ガス側）６１２ａと篩下側
（透過ガス側）６１２ｂを有するイオン移送膜６１２を
備えている。ガス流６０８の温度をイオン移送反応器−
加熱器６１０の作動温度にまで加熱するのに要する熱
は、例えばメタンのような燃料ガス流６１４を、イオン
移送膜６１２を通しての圧力駆動酸素イオン移送により
イオン移送膜の篩下側６１２ｂに透過してくる酸素と反
応させることによって得られる。
機６０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。
圧縮されたガス流６０２は、回収熱交換器６０３におい
て高温ガス流６５２、タービン排ガス流６４６、高温ガ
ス流６２６及び随意選択の二酸化炭素ガス流６３８によ
って８００°Ｆ〜９００°Ｆにまで加熱され、加熱ガス
流６０４となる。この加熱ガス流６０４は、熱交換器６
０６において加熱ガス流６１８、高温ガス流６２４及び
高温ガス流６５０によって更に加熱され、加熱ガス流６
０８となる。次いで、加熱ガス流６０８は、ヒーター管
６１１を通ってイオン移送反応器−加熱器６１０に流入
し、そこでイオン移送反応器−加熱器６１０のイオン移
送作動温度にまで加熱される。イオン移送反応器−加熱
器６１０は、篩上側（不透過ガス側）６１２ａと篩下側
（透過ガス側）６１２ｂを有するイオン移送膜６１２を
備えている。ガス流６０８の温度をイオン移送反応器−
加熱器６１０の作動温度にまで加熱するのに要する熱
は、例えばメタンのような燃料ガス流６１４を、イオン
移送膜６１２を通しての圧力駆動酸素イオン移送により
イオン移送膜の篩下側６１２ｂに透過してくる酸素と反
応させることによって得られる。
【００８２】次いで、加熱されたガス流６０８は、イオ
ン移送反応器−加熱器６１０から流出して分流され、一
部はガス流６１８となり、熱交換器６０６に通された
後、燃焼器６３２へ注入され、ガス流６０８の他の一部
は、篩上側（不透過ガス側）６２２ａと篩下側（透過ガ
ス側）６２２ｂを有するイオン移送膜６２２を備えたイ
オン移送分離器６２１へ導入される。分離器６２１に導
入されたガス流に含有されている酸素の５０〜７５％
は、イオン移送膜６２２に沿って移動する間に抽出され
る。
ン移送反応器−加熱器６１０から流出して分流され、一
部はガス流６１８となり、熱交換器６０６に通された
後、燃焼器６３２へ注入され、ガス流６０８の他の一部
は、篩上側（不透過ガス側）６２２ａと篩下側（透過ガ
ス側）６２２ｂを有するイオン移送膜６２２を備えたイ
オン移送分離器６２１へ導入される。分離器６２１に導
入されたガス流に含有されている酸素の５０〜７５％
は、イオン移送膜６２２に沿って移動する間に抽出され
る。
【００８３】高温のガス流６５０は、先に述べたよう
に、熱交換器６０６において冷却されてガス流６５２と
なり、ガス流６５２は、熱交換器６０３において更に冷
却されて酸素ガス流６５４となる。一方、篩上ガス流６
２０は、イオン移送反応器−加熱器６１０へ通されてイ
オン移送膜６１２のアノード側即ち篩下側６１２ｂでの
反応のための所要の酸素を供給するとともに、残留酸素
をイオン移送膜６１２のカソード側即ち篩上側６１２ａ
からストリップ（剥離）する。
に、熱交換器６０６において冷却されてガス流６５２と
なり、ガス流６５２は、熱交換器６０３において更に冷
却されて酸素ガス流６５４となる。一方、篩上ガス流６
２０は、イオン移送反応器−加熱器６１０へ通されてイ
オン移送膜６１２のアノード側即ち篩下側６１２ｂでの
反応のための所要の酸素を供給するとともに、残留酸素
をイオン移送膜６１２のカソード側即ち篩上側６１２ａ
からストリップ（剥離）する。
【００８４】篩上ガス流６２４は、イオン移送反応器−
加熱器６１０から流出し、先に述べたように、熱交換器
６０６において冷却されてガス流６２６となり、ガス流
６２６は、熱交換器６０３において更に冷却されてシス
テム圧（系圧）の窒素生成物ガス流６２８となる。窒素
生成物ガス流６２８は、好ましくは少なくとも９５％、
より好ましくは少なくとも９８％、最も好ましくは９９
％（いずれも容量％）の窒素を含有している。１０ｐｐ
ｍ未満の酸素を得ることができる。
加熱器６１０から流出し、先に述べたように、熱交換器
６０６において冷却されてガス流６２６となり、ガス流
６２６は、熱交換器６０３において更に冷却されてシス
テム圧（系圧）の窒素生成物ガス流６２８となる。窒素
生成物ガス流６２８は、好ましくは少なくとも９５％、
より好ましくは少なくとも９８％、最も好ましくは９９
％（いずれも容量％）の窒素を含有している。１０ｐｐ
ｍ未満の酸素を得ることができる。
【００８５】一方、イオン移送反応器−加熱器６１０か
らの篩下ガス流６３４は、ガス流６３６として導かれて
ガス流６３０と合流せしめられ、ガス流６３１となる。
随意選択として、篩下ガス流６３４の全部又は一部をガ
ス流６３６として導き、熱交換器６０３において冷却し
てガス流６４０を生成し、そのまま排出するか、あるい
は、そのガス流からその中の水蒸気をさせることによっ
て二酸化炭素を回収することができる。
らの篩下ガス流６３４は、ガス流６３６として導かれて
ガス流６３０と合流せしめられ、ガス流６３１となる。
随意選択として、篩下ガス流６３４の全部又は一部をガ
ス流６３６として導き、熱交換器６０３において冷却し
てガス流６４０を生成し、そのまま排出するか、あるい
は、そのガス流からその中の水蒸気をさせることによっ
て二酸化炭素を回収することができる。
【００８６】ガス流６３１は、燃焼器６３２内へ通され
て燃料ガス流６１５と反応し、反応生成物ガス流６４２
を生成する。ガス流６４２は、所望のタービン入口温度
（通常、２４００°Ｆ）でガスタービン６４４へ注入さ
れて、圧縮機６０１を駆動するための（軸を回転する）
パワー６４８、排ガス流６４６、及び余剰パワー６４７
を創生する。排ガス流６４６は、廃ガス流６４６として
導かれ、先に述べたように、熱交換器６０３において圧
縮ガス流６０２との熱交換によって冷却され、廃ガス流
６４９となる。
て燃料ガス流６１５と反応し、反応生成物ガス流６４２
を生成する。ガス流６４２は、所望のタービン入口温度
（通常、２４００°Ｆ）でガスタービン６４４へ注入さ
れて、圧縮機６０１を駆動するための（軸を回転する）
パワー６４８、排ガス流６４６、及び余剰パワー６４７
を創生する。排ガス流６４６は、廃ガス流６４６として
導かれ、先に述べたように、熱交換器６０３において圧
縮ガス流６０２との熱交換によって冷却され、廃ガス流
６４９となる。
【００８７】図６の実施形態によるイオン移送反応器−
加熱器６１０は、本質的に脱酸素ユニットとして機能す
る。供給ガス（空気）流６０８のガス流６１８への分流
割合は、タービン６４４の作動を過度におびやかすこと
なく、どれほどの量の生成物を抽出することができるか
にかかっている。窒素対酸素生成物比の調節は、窒素流
の一部を燃焼器６３２への供給ガス流へ戻すことによっ
て行うことができる。先に述べた幾つかの実施形態の場
合と同様に、イオン移送反応器−加熱器からの反応生成
物は、燃焼器６３２への主供給ガス流と混合してもよ
く、あるいは、全部又は一部を二酸化炭素共生成物とし
て抽出してもよい。イオン移送反応器−加熱器６１０の
構成も、やはり、そのイオン移送反応器−加熱器の構成
素子をできるだけ均一な温度に維持するような態様で反
応熱を処理するようにしなければならない。
加熱器６１０は、本質的に脱酸素ユニットとして機能す
る。供給ガス（空気）流６０８のガス流６１８への分流
割合は、タービン６４４の作動を過度におびやかすこと
なく、どれほどの量の生成物を抽出することができるか
にかかっている。窒素対酸素生成物比の調節は、窒素流
の一部を燃焼器６３２への供給ガス流へ戻すことによっ
て行うことができる。先に述べた幾つかの実施形態の場
合と同様に、イオン移送反応器−加熱器からの反応生成
物は、燃焼器６３２への主供給ガス流と混合してもよ
く、あるいは、全部又は一部を二酸化炭素共生成物とし
て抽出してもよい。イオン移送反応器−加熱器６１０の
構成も、やはり、そのイオン移送反応器−加熱器の構成
素子をできるだけ均一な温度に維持するような態様で反
応熱を処理するようにしなければならない。
【００８８】図６の実施形態の主たる利点は、本発明の
他の実施形態の利点の大部分を保持したままで、供給空
気流６０２の一部分を窒素生成物として回収することが
でき、窒素対酸素生成物の比を広範囲に亘って調節する
ことができることである。
他の実施形態の利点の大部分を保持したままで、供給空
気流６０２の一部分を窒素生成物として回収することが
でき、窒素対酸素生成物の比を広範囲に亘って調節する
ことができることである。
【００８９】多くの小型「低コスト」ガスタービンの場
合は、設備コストを削減するためにタービンの入口温度
を１４００°Ｆ〜１８００°Ｆ（イオン移送分離器の作
動温度範囲と同じ）の範囲に制限することが多い。もち
ろん、その場合は別個の高温燃焼器を省除することがで
きる。しかしながらそれでもなお、図１〜６に示された
各実施形態は、上述した利点の多くを保持したままで使
用することが可能である。
合は、設備コストを削減するためにタービンの入口温度
を１４００°Ｆ〜１８００°Ｆ（イオン移送分離器の作
動温度範囲と同じ）の範囲に制限することが多い。もち
ろん、その場合は別個の高温燃焼器を省除することがで
きる。しかしながらそれでもなお、図１〜６に示された
各実施形態は、上述した利点の多くを保持したままで使
用することが可能である。
【００９０】図７は、１９０５°Ｆ（１０４０°Ｃ）と
いう中庸程度のタービン入口温度を適当とする小型ガス
タービンに好適な実施形態を示す。この場合は、タービ
ンの入口温度がイオン移送温度の所要範囲内であるか
ら、第２の燃焼器は不要である。以下に述べる特定の例
においては、含有酸素及び二酸化炭素の相当量の部分を
共生成物として回収することが望ましい。
いう中庸程度のタービン入口温度を適当とする小型ガス
タービンに好適な実施形態を示す。この場合は、タービ
ンの入口温度がイオン移送温度の所要範囲内であるか
ら、第２の燃焼器は不要である。以下に述べる特定の例
においては、含有酸素及び二酸化炭素の相当量の部分を
共生成物として回収することが望ましい。
【００９１】作動において、供給ガス流７００は、圧縮
機７０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。
圧縮されたガス流７０２は、回収熱交換器７０４におい
て高温ガス流７８０及び高温ガス流７１７によって８０
０°Ｆ〜９００°Ｆにまで加熱され、加熱ガス流７０６
となる。次いで、この加熱ガス流７０６は、ヒーター管
７０８を通ってイオン移送反応器−加熱器７１０に流入
し、そこでイオン移送反応器−加熱器７１０のイオン移
送作動温度にまで加熱される。ガス流７０６の温度をイ
オン移送反応器−加熱器７１０の作動温度にまで加熱す
るのに要する熱は、例えばメタンのような燃料ガス流７
９０を、イオン移送膜７１２を通しての圧力駆動酸素イ
オン移送によりイオン移送膜の篩下側７１２ｂに透過し
てくる酸素と反応させることによって得られる。
機７０１によって１２ａｔｍの圧力にまで圧縮される。
圧縮されたガス流７０２は、回収熱交換器７０４におい
て高温ガス流７８０及び高温ガス流７１７によって８０
０°Ｆ〜９００°Ｆにまで加熱され、加熱ガス流７０６
となる。次いで、この加熱ガス流７０６は、ヒーター管
７０８を通ってイオン移送反応器−加熱器７１０に流入
し、そこでイオン移送反応器−加熱器７１０のイオン移
送作動温度にまで加熱される。ガス流７０６の温度をイ
オン移送反応器−加熱器７１０の作動温度にまで加熱す
るのに要する熱は、例えばメタンのような燃料ガス流７
９０を、イオン移送膜７１２を通しての圧力駆動酸素イ
オン移送によりイオン移送膜の篩下側７１２ｂに透過し
てくる酸素と反応させることによって得られる。
【００９２】次いで、加熱ガス流７０６は、イオン移送
反応器−加熱器７１０から加熱ガス流７１４として流出
し、イオン移送膜７２２を備えたイオン移送分離器７２
０へ導入される。分離器７２０内でガス流７１４は、篩
上側（不透過ガス側）７２２ａと篩下側（透過ガス側）
７２２ｂを有するイオン移送膜７２２に沿って移動し、
その間に酸素がイオン移送によって篩上側７２２ａから
篩下側７２２ｂへ移送される。篩上ガス流７１６は、イ
オン移送反応器−加熱器７１０へ通されてイオン移送膜
７１２の篩下側７１２ｂでの反応のための所要の酸素を
供給する。
反応器−加熱器７１０から加熱ガス流７１４として流出
し、イオン移送膜７２２を備えたイオン移送分離器７２
０へ導入される。分離器７２０内でガス流７１４は、篩
上側（不透過ガス側）７２２ａと篩下側（透過ガス側）
７２２ｂを有するイオン移送膜７２２に沿って移動し、
その間に酸素がイオン移送によって篩上側７２２ａから
篩下側７２２ｂへ移送される。篩上ガス流７１６は、イ
オン移送反応器−加熱器７１０へ通されてイオン移送膜
７１２の篩下側７１２ｂでの反応のための所要の酸素を
供給する。
【００９３】イオン移送反応器−加熱器７１０からの篩
上ガス流７１８は、ガス流７６４と合流されてタービン
導入流れ７７４を形成する。タービン導入流れ７７４
は、ガスタービン７７６内に注入されて圧縮機７０１を
駆動するための（軸を回転する）パワー７８２、排ガス
流７８０、及び余剰パワー７８１を創生する。排ガス流
７８０は、先に述べたように、熱交換器７０４において
圧縮ガス流７０２との熱交換によって冷却され、ガス流
７８４となり、ガス流７８４は、熱交換器７８８におい
て更に冷却されて窒素と水又は水蒸気を含有したガス流
７８６となる。
上ガス流７１８は、ガス流７６４と合流されてタービン
導入流れ７７４を形成する。タービン導入流れ７７４
は、ガスタービン７７６内に注入されて圧縮機７０１を
駆動するための（軸を回転する）パワー７８２、排ガス
流７８０、及び余剰パワー７８１を創生する。排ガス流
７８０は、先に述べたように、熱交換器７０４において
圧縮ガス流７０２との熱交換によって冷却され、ガス流
７８４となり、ガス流７８４は、熱交換器７８８におい
て更に冷却されて窒素と水又は水蒸気を含有したガス流
７８６となる。
【００９４】燃料流７９０は、イオン移送反応器−加熱
器７１０の篩下側へ導入され、イオン移送膜７１２を透
過してくる酸素と反応して所要の熱を供給する。イオン
移送反応器−加熱器７１０からの燃焼生成物ガス流７９
２は、イオン移送分離器７２０の篩下側をパージするの
に用いられ、それによって、篩下側の平均酸素分圧を低
下させ、酸素の移送を促進する。かくして、イオン移送
分離器７２０から出てくる篩下ガス流７１７は、蒸気と
二酸化炭素によって希釈された酸素を含有している。
器７１０の篩下側へ導入され、イオン移送膜７１２を透
過してくる酸素と反応して所要の熱を供給する。イオン
移送反応器−加熱器７１０からの燃焼生成物ガス流７９
２は、イオン移送分離器７２０の篩下側をパージするの
に用いられ、それによって、篩下側の平均酸素分圧を低
下させ、酸素の移送を促進する。かくして、イオン移送
分離器７２０から出てくる篩下ガス流７１７は、蒸気と
二酸化炭素によって希釈された酸素を含有している。
【００９５】ガス流７１７は、熱交換器７０４において
冷却されてガス流７１９となり、ガス流７１９は、熱交
換器７８８において更に冷却されてガス流７６７とな
る。凝縮器７６８においてガス流７６７中の水蒸気を凝
縮させた後、生じた水は、分離器７５２内で流れ７９１
から除去し、水流７５５と水飽和低純度酸素流７５４を
生成することができる。所望ならば、含有水を乾燥機で
除去し、二酸化炭素は、図４に示される分離器４６４の
ような膜吸着又は圧力又は温度スイング式吸着等の下流
のプロセスによって分離することができる。酸素流７５
４の二酸化炭素含有量は、通常、プロセス条件により５
〜２５％の範囲である。
冷却されてガス流７１９となり、ガス流７１９は、熱交
換器７８８において更に冷却されてガス流７６７とな
る。凝縮器７６８においてガス流７６７中の水蒸気を凝
縮させた後、生じた水は、分離器７５２内で流れ７９１
から除去し、水流７５５と水飽和低純度酸素流７５４を
生成することができる。所望ならば、含有水を乾燥機で
除去し、二酸化炭素は、図４に示される分離器４６４の
ような膜吸着又は圧力又は温度スイング式吸着等の下流
のプロセスによって分離することができる。酸素流７５
４の二酸化炭素含有量は、通常、プロセス条件により５
〜２５％の範囲である。
【００９６】得られる廃熱を利用し、タービン内の容積
流量の損失を最小限にするために、分離された水流は、
水ポンプ７６０によって適当な圧力にまで昇圧して流れ
７６１としてボイラー−過熱器式熱交換器７８８へ送
り、ガス流７６２を生成する。ガス流７６２は、回収
（復熱）熱交換器７０４へ通されて流れ７６４となる。
先に述べたように、ガス流７６２は、篩上ガス流７１８
と合流された後、タービン導入流れ７７４としてタービ
ンに注入される。
流量の損失を最小限にするために、分離された水流は、
水ポンプ７６０によって適当な圧力にまで昇圧して流れ
７６１としてボイラー−過熱器式熱交換器７８８へ送
り、ガス流７６２を生成する。ガス流７６２は、回収
（復熱）熱交換器７０４へ通されて流れ７６４となる。
先に述べたように、ガス流７６２は、篩上ガス流７１８
と合流された後、タービン導入流れ７７４としてタービ
ンに注入される。
【００９７】利用しうる熱の量と熱交換器の製造コスト
にもよるが、タービン７７６における容積流量及びパワ
ーの損失を更に減少させるためにポンプ７６０の吸込側
に仮想線７５０で示されるように追加の水を供給するこ
とも可能である。又、別個のイオン移送分離器を用いる
代わりに、イオン移送反応器−分離器組合せ体を用いる
ことができることは当業者には明らかであろう。又、イ
オン移送反応器からの燃焼生成物ガスを用いるという一
般的な技術思想は、イオン移送分離器又はタービンの下
流に燃焼器を配置して用いるシステムにも適用すること
ができることも、当業者には明らかであろう。
にもよるが、タービン７７６における容積流量及びパワ
ーの損失を更に減少させるためにポンプ７６０の吸込側
に仮想線７５０で示されるように追加の水を供給するこ
とも可能である。又、別個のイオン移送分離器を用いる
代わりに、イオン移送反応器−分離器組合せ体を用いる
ことができることは当業者には明らかであろう。又、イ
オン移送反応器からの燃焼生成物ガスを用いるという一
般的な技術思想は、イオン移送分離器又はタービンの下
流に燃焼器を配置して用いるシステムにも適用すること
ができることも、当業者には明らかであろう。
【００９８】表III及びIVは、図７の実施形態が、供給
ガス中の酸素の相当量の部分を回収し、ガスタービンの
パワー移出という犠牲がほとんどない状態で容易に分離
することができる混合酸素−二酸化炭素生成物流を提供
する態様を示す。
ガス中の酸素の相当量の部分を回収し、ガスタービンの
パワー移出という犠牲がほとんどない状態で容易に分離
することができる混合酸素−二酸化炭素生成物流を提供
する態様を示す。
【００９９】
【表５】
【０１００】
【表６】
【０１０１】この表から分かるように、この例において
は、２００ＴＰＤの酸素が５３０ｋＷ又は２．６５ｋＷ
／ＴＰＤの実効パワーで二酸化炭素処理のための負担な
しに生成される。このための設備コストの増大は、イオ
ン移送反応器−加熱器、ボイラー−過熱器、水流回路の
残部、及び、燃焼器を省除するための負担を伴う、より
精巧な復熱器のためのコストである。得られる追加の利
点は、燃焼器の代わりにイオン移送反応器を使用するこ
とによりＮＯXを実質的に完全に排除することである。
は、２００ＴＰＤの酸素が５３０ｋＷ又は２．６５ｋＷ
／ＴＰＤの実効パワーで二酸化炭素処理のための負担な
しに生成される。このための設備コストの増大は、イオ
ン移送反応器−加熱器、ボイラー−過熱器、水流回路の
残部、及び、燃焼器を省除するための負担を伴う、より
精巧な復熱器のためのコストである。得られる追加の利
点は、燃焼器の代わりにイオン移送反応器を使用するこ
とによりＮＯXを実質的に完全に排除することである。
【０１０２】又、廃ガスは、主として水と、窒素と、酸
素を含有しており、上記例においては、非凝縮性ガスの
百分率として算出した酸素含有率は僅か約３％であるこ
とに留意すべきである。従って、この廃ガスは、窒素生
成物回収システムのための理想的な供給物となる。その
ための好適なシステムとして、膜又はＰＳＡ／ＴＳＡ乾
燥機を設け、その下流にイオン移送脱酸素プラントを設
けることができる。窒素を回収する場合、上記廃ガスか
ら凝縮された水は、該システムへの外部からの水供給量
を少なくするために用いることができる。
素を含有しており、上記例においては、非凝縮性ガスの
百分率として算出した酸素含有率は僅か約３％であるこ
とに留意すべきである。従って、この廃ガスは、窒素生
成物回収システムのための理想的な供給物となる。その
ための好適なシステムとして、膜又はＰＳＡ／ＴＳＡ乾
燥機を設け、その下流にイオン移送脱酸素プラントを設
けることができる。窒素を回収する場合、上記廃ガスか
ら凝縮された水は、該システムへの外部からの水供給量
を少なくするために用いることができる。
【０１０３】本発明を実施するために必要な機器は、適
当に設計されたイオン移送反応器、イオン移送反応器−
加熱器、イオン移送反応器−分離器である。先に述べた
ように、これらの機器の設計は、イオン移送反応器の構
成素子が過度の温度変動を受けず、最大の効率を得るた
めに比較的均一な温度で作動するような態様に反応熱を
管理するようにしなければならない。
当に設計されたイオン移送反応器、イオン移送反応器−
加熱器、イオン移送反応器−分離器である。先に述べた
ように、これらの機器の設計は、イオン移送反応器の構
成素子が過度の温度変動を受けず、最大の効率を得るた
めに比較的均一な温度で作動するような態様に反応熱を
管理するようにしなければならない。
【０１０４】本発明に用いられるイオン移送モジュール
の作動パラメータの代表的な範囲は、以下の通りであ
る。
の作動パラメータの代表的な範囲は、以下の通りであ
る。
【０１０５】温度：イオン移送モジュールの作動温度
は、通常、４００°Ｃ〜１５００°Ｃ、好ましくは６０
０°Ｃ〜１２００°Ｃの範囲とする。スチームタービン
は、通常、８００°Ｃ〜１５００°Ｃの範囲で作動させ
る。
は、通常、４００°Ｃ〜１５００°Ｃ、好ましくは６０
０°Ｃ〜１２００°Ｃの範囲とする。スチームタービン
は、通常、８００°Ｃ〜１５００°Ｃの範囲で作動させ
る。
【０１０６】圧力：イオン移送膜のパージ側の圧力は、
通常、１ａｔｍ〜４０ａｔｍとし、好ましくは１ａｔｍ
〜１０ａｔｍとする。供給側の圧力は、生成物して加圧
窒素が求められる場合、あるいは、イオン移送反応器か
らの排ガスがパワー創生のためにガスタービンへ送られ
る場合は、１ａｔｍ〜４０ａｔｍとし、その他の場合
は、１ａｔｍ〜１０ａｔｍとする。ガスタービンの入口
圧力は、通常、５ａｔｍ〜４０ａｔｍとし、排ガスの圧
力は、通常、１ａｔｍ〜１．５ａｔｍとする。スチーム
発生器は、ランキンサイクルの場合、１０ａｔｍ〜５０
ａｔｍの圧力でスチームを発生する。
通常、１ａｔｍ〜４０ａｔｍとし、好ましくは１ａｔｍ
〜１０ａｔｍとする。供給側の圧力は、生成物して加圧
窒素が求められる場合、あるいは、イオン移送反応器か
らの排ガスがパワー創生のためにガスタービンへ送られ
る場合は、１ａｔｍ〜４０ａｔｍとし、その他の場合
は、１ａｔｍ〜１０ａｔｍとする。ガスタービンの入口
圧力は、通常、５ａｔｍ〜４０ａｔｍとし、排ガスの圧
力は、通常、１ａｔｍ〜１．５ａｔｍとする。スチーム
発生器は、ランキンサイクルの場合、１０ａｔｍ〜５０
ａｔｍの圧力でスチームを発生する。
【０１０７】イオン移送膜の酸素イオン伝導率：通常、
０．０１〜１００Ｓ／ｃｍの範囲（１Ｓ＝１／Ｏｈｍ）イオン移送膜の厚さ ：イオン移送膜は、緻密なフィル
ム、又は、多孔質の基材上に支持させた薄いフィルムの
形で用いることができる。イオン移送膜の厚さ（ｔ）
は、通常、５０００μ未満とし、好ましくは１０００μ
未満、最も好ましくは１００μ未満とする。 形状：イオン移送膜は、通常、筒状又は平面状とするこ
とができる。
０．０１〜１００Ｓ／ｃｍの範囲（１Ｓ＝１／Ｏｈｍ）イオン移送膜の厚さ ：イオン移送膜は、緻密なフィル
ム、又は、多孔質の基材上に支持させた薄いフィルムの
形で用いることができる。イオン移送膜の厚さ（ｔ）
は、通常、５０００μ未満とし、好ましくは１０００μ
未満、最も好ましくは１００μ未満とする。 形状：イオン移送膜は、通常、筒状又は平面状とするこ
とができる。
【０１０８】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。
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。
【０１０９】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。
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１】図１は、酸素生成物ガス流と、二酸化炭素生成
物ガス流と、パワーを創生するために固形電解質イオン
伝導体分離器モジュールをイオン移送反応器モジュール
及びタービンと組み合わせて用いる本発明の一実施形態
の概略図である。
物ガス流と、パワーを創生するために固形電解質イオン
伝導体分離器モジュールをイオン移送反応器モジュール
及びタービンと組み合わせて用いる本発明の一実施形態
の概略図である。
【図２】図２は、酸素生成物ガス流とパワーを創生する
ために固形電解質イオン伝導体分離器モジュールをイオ
ン移送反応器−加熱器モジュール及びタービンと組み合
わせて用いる本発明の一実施形態の概略図である。
ために固形電解質イオン伝導体分離器モジュールをイオ
ン移送反応器−加熱器モジュール及びタービンと組み合
わせて用いる本発明の一実施形態の概略図である。
【図３】図３Ａは、酸素生成物ガス流とパワーを創生す
るために統合された固形電解質イオン伝導体反応器−分
離器モジュール及びタービンを用いる本発明の一実施形
態の、図２と同様の概略図である。図３Ｂは、図３Ａに
示された本発明の実施形態のための変型固形電解質イオ
ン伝導体燃焼器−分離器モジュールの詳細図である。
るために統合された固形電解質イオン伝導体反応器−分
離器モジュール及びタービンを用いる本発明の一実施形
態の、図２と同様の概略図である。図３Ｂは、図３Ａに
示された本発明の実施形態のための変型固形電解質イオ
ン伝導体燃焼器−分離器モジュールの詳細図である。
【図４】図４は、燃焼生成物を含有した酸素生成物ガス
流とパワーを創生するために固形電解質イオン伝導体反
応器モジュールを燃焼器及びタービンと組み合わせて用
いる本発明の一実施形態の概略流れ図である。
流とパワーを創生するために固形電解質イオン伝導体反
応器モジュールを燃焼器及びタービンと組み合わせて用
いる本発明の一実施形態の概略流れ図である。
【図５】図５Ａは、酸素生成物ガス流とパワーを創生す
るために固形電解質イオン伝導体分離器モジュールをタ
ービンの下流に配置されたイオン移送反応器モジュール
と組み合わせて用いる本発明の別の実施形態の概略流れ
図である。図５Ｂは、図５Ａに示された本発明の実施形
態のための変型燃焼器の詳細図である。
るために固形電解質イオン伝導体分離器モジュールをタ
ービンの下流に配置されたイオン移送反応器モジュール
と組み合わせて用いる本発明の別の実施形態の概略流れ
図である。図５Ｂは、図５Ａに示された本発明の実施形
態のための変型燃焼器の詳細図である。
【図６】図６は、酸素生成物ガス流と、高純度生成物窒
素流と、パワーを創生するために脱酸素ユニットとして
の固形電解質イオン伝導体反応器−加熱器モジュールを
イオン移送分離器モジュール及びタービンと組み合わせ
て用いる本発明の別の実施形態の概略流れ図である。
素流と、パワーを創生するために脱酸素ユニットとして
の固形電解質イオン伝導体反応器−加熱器モジュールを
イオン移送分離器モジュール及びタービンと組み合わせ
て用いる本発明の別の実施形態の概略流れ図である。
【図７】図７は、酸素生成物ガス流とパワーを創生する
ために固形電解質イオン伝導体反応器−加熱器モジュー
ルをイオン移送分離器モジュール及びタービンと組み合
わせて用いる本発明の別の実施形態の概略流れ図であ
る。酸素イオンの移送を促進するためにイオン移送反応
器のアノード又は透過物（篩下）側からの反応生成物は
イオン移送分離器の透過物側をパージする。
ために固形電解質イオン伝導体反応器−加熱器モジュー
ルをイオン移送分離器モジュール及びタービンと組み合
わせて用いる本発明の別の実施形態の概略流れ図であ
る。酸素イオンの移送を促進するためにイオン移送反応
器のアノード又は透過物（篩下）側からの反応生成物は
イオン移送分離器の透過物側をパージする。
１０ 供給ガス流
１５ 圧縮機
１６ 圧縮ガス流
１７ 熱交換器
１８ 加熱ガス流
２０ イオン移送反応器
２１ 先端開放ヒーター管
２２ イオン移送膜
２２ａ 篩上側
２２ｂ 篩下側
２３ 篩上ガス流
２４ 燃料ガス流
２５ 燃焼生成物ガス流
２６ 高温二酸化炭素ガス流
２７ ガス流
２８ 二酸化炭素生成物ガス流
２９ ガス流
３０ 燃焼器
３２ 燃料ガス流
３３ 反応生成物ガス流
４０ ガス流
４１ イオン移送分離器
４２ イオン移送膜
４４ 篩上ガス流
４５，４６，４７ ガス流
４８ ガスタービン
５０ 排ガス流
５１，５２ 廃ガス流
５４ パワー（軸）
５６ 余剰パワー
５８ 高温酸素ガス流
６０ 酸素生成物ガス流
６１ ガス流
２００ 供給ガス流
２０１ 圧縮機
２０２ 圧縮ガス流
２０４ 熱交換器
２０６ 加熱ガス流
２０８ 加熱器
２１０ イオン移送膜
２１０ａ 篩上側
２１０ｂ 篩下側
２１５ 燃料ガス流
２１６ 燃焼生成物ガス流
２１８ ガス流
２２０ 二酸化炭素ガス流
２２１ スチーム含有ガス流
２２２ 凝縮器
２２４ ヒーター管
２２５ 篩上ガス流
２２６ イオン移送分離器
２２８ イオン移送膜
２３０ 高温酸素ガス流
２３１ 酸素生成物ガス流
２３２ 篩上ガス流
２３３ ガス流
２３４ 篩上ガス流
２３６，２３７，２３８ ガス流
２３９ 燃料ガス流
２４０ 燃焼器
２４２ 反応生成物ガス流
２４３ ガスタービン
２４４ 余剰パワー
２４６ 排ガス流
２４７ ガス流
２５０，２５２ 廃ガス流
２５６ パワー
３００ 供給ガス流
３０１ 圧縮機
３０２ 圧縮ガス流
３０４ 熱交換器
３０６ 加熱ガス流
３０９ イオン移送膜
３０９ａ 篩上側
３０９ｂ 篩下側
３１０ 分離器
３１１ 燃料ガス流
３１２ イオン移送膜
３１２ａ 篩上側
３１２ｂ 篩下側
３１４ 高温酸素ガス流
３１６ 酸素生成物ガス流
３１８ 篩上ガス流
３２０ 燃焼器
３２２ 燃料ガス流
３２４ 反応生成物ガス流
３２６ ガスタービン
３２８ 余剰パワー
３３２ 排ガス流
３３４ 廃ガス流
３３６ 燃焼生成物ガス流
３４０ 二酸化炭素ガス流
３５０ 反応性燃料ガス流
３５２ 分配器
３６０ イオン移送膜
３６０ａ 篩上側
３６０ｂ 篩下側
３６１ 分離器
３６２ ヒーター管
３６４ パワー
４００ 供給ガス流
４０１ 圧縮機
４０２ 圧縮ガス流
４０４ 熱交換器
４０６ 加熱ガス流
４０８ 熱交換器
４１０ 高温ガス流
４１２ 分離器
４１４ ヒーター管
４１６ イオン移送膜
４１６ａ 篩上側
４１６ｂ 篩下側
４１８ 燃料ガス流
４２０ 篩上ガス流
４２２ ガス流
４２４ 燃焼器
４２６ 燃料ガス流
４２８ 反応生成物ガス流
４３０ ガスタービン
４３２ 排ガス流
４３４ 廃ガス流
４３６ 高温ガス流
４３８ 高温ガス流
４４０ ガス流
４４２ 凝縮器
４４４ 酸素生成物ガス流
４４９ 余剰パワー
４５０ パワー
４６０ 反応器セクション
４６２ 分離器セクション
４６４ 分離器
４６６ 酸素流
４６８ 二酸化炭素炭素流
５００ 供給ガス流
５０１ 圧縮機
５０２ 供給ガス流
５０４ 熱交換器
５０６ 加熱ガス流
５０８ 熱交換器
５１０ 高温ガス流
５１２ イオン移送分離器
５１４ イオン移送膜
５１４ａ 篩上側
５１４ｂ 篩下側
５１６ 篩上ガス流
５２０ 燃焼器
５２２ 燃料ガス流
５２４ 反応生成物ガス流
５２６ ガスタービン
５２７ 余剰パワー
５２８ 排ガス流
５３０ ヒーター管
５３２ イオン移送反応器
５３４ イオン移送膜
５３４ａ 篩上側
５３４ｂ 篩下側
５３６ 燃料ガス流
５３８ 燃焼生成物ガス流
５３９ 篩下ガス流
５４４ 高温篩上ガス流
５４６ 篩上ガス流
５４８ 高温酸素ガス流
５５０ 高温酸素ガス流
５５２ 酸素ガス流
５５４ 冷却器
５５６ 酸素生成物ガス流
５５８ 廃ガス流
５５９ パワー
５６０ 燃焼加熱器
５６２ 燃料ガス流
６００ 供給ガス流
６０１ 圧縮機
６０２ 圧縮ガス流
６０３ 回収熱交換器
６０４ 加熱ガス流
６０６ 熱交換器
６０８ 加熱ガス流
６１０ 加熱器
６１１ ヒーター管
６１２ イオン移送膜
６１２ａ 篩上側
６１２ｂ 篩下側
６１４，６１５ 燃料ガス流
６１８ 加熱ガス流
６２０ 篩上ガス流
６２１ イオン移送分離器
６２２ イオン移送膜
６２４ 篩上ガス流
６２６ 高温ガス流
６２８ 窒素生成物ガス流
６３０，６３１ ガス流
６３２ 燃焼器
６３４ 篩下ガス流
６３６ ガス流
６３８ 二酸化炭素ガス流
６４０ ガス流
６４２ 反応生成物ガス流
６４４ ガスタービン
６４６ タービン排ガス流
６４７ 余剰パワー
６４８ パワー
６４９ 廃ガス流
６５０ 高温ガス流
６５２ 高温ガス流
６５４ 酸素ガス流
７００ 供給ガス流
７０１ 圧縮機
７０２ 圧縮ガス流
７０４ 回収熱交換器
７０６ 加熱ガス流
７０８ ヒーター管
７１０ 加熱器
７１２ イオン移送膜
７１２ａ 篩上側
７１２ｂ 篩下側
７１４ 加熱ガス流
７１６ 篩上ガス流
７１７ 篩下ガス流
７１８ 篩上ガス流
７１９ ガス流
７２０ イオン移送分離器
７２２ イオン移送膜
７２２ａ 篩上側
７２２ｂ 篩下側
７５２ 分離器
７５４ 水飽和低純度酸素流
７５５ 水流
７６０ 水ポンプ
７６２，７６４ ガス流
７６７ ガス流
７６８ 凝縮器
７７６ ガスタービン
７８０ 排ガス流
７８１ 余剰パワー
７８２ パワー
７８４，７８６ ガス流
７８８ 過熱器式熱交換器
７９０ 燃料ガス流
７９２ 燃焼生成物ガス流
３０９，３１２ イオン移送膜
ＰＣ１ 燃焼生成物
ＰＣ２ 燃焼生成物ガス
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平４−228403（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−77606（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−228402（ＪＰ，Ａ)
米国特許5447555（ＵＳ，Ａ)
米国特許5516359（ＵＳ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B01D 53/22
Claims (10)
- 【請求項１】 少なくとも酸素生成物ガス流と、ガスタ
ービンからのパワーとを生成するための方法であって、 （ａ）元素状酸素を含有した供給ガス流を圧縮し、 （ｂ）各々、一方の篩上側に篩上帯域を有し、他方の篩
下側に篩下帯域を有する少なくとも第１イオン移送膜セ
クションと、第２イオン移送膜セクションを準備し、 （ｃ）前記供給ガス流を前記第１イオン移送膜セクショ
ンの篩下帯域内での反応によって発生する熱を用いて加
熱し、それによって、加熱された供給ガス流を創生し、 （ｄ）該加熱された供給ガス流を、前記第２イオン移送
膜セクションを用いて該第２イオン移送膜セクションの
篩上側に膜不透過ガス流として残される酸素減耗ガス流
と篩下側に膜透過ガス流として透過された酸素含有ガス
流とに分離し、 （ｅ）少なくとも１つのガス流を直接又は第１イオン移
送膜セクションの篩下帯域内での反応によって間接的に
加熱した後ガスタービン内で膨張させることによってエ
ネルギーを抽出してパワーを創生し、 （ｆ）前記酸素含有ガス流を酸素生成物ガス流として回
収することから成る方法。 - 【請求項２】 前記第１イオン移送膜セクションは、イ
オン移送反応膜で有り、前記第２イオン移送膜セクショ
ンは、該反応膜から離隔した異なる種類のイオン移送分
離膜であることを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 前記第１イオン移送膜セクションと第２
イオン移送膜セクションは、一体の膜構造体のそれぞれ
異なる部分であることを特徴とする請求項１に記載の方
法。 - 【請求項４】 前記第１イオン移送膜セクションの前記
篩下帯域内の前記反応は、該第１イオン移送膜セクショ
ンを透過した酸素を第１燃料ガス流と反応させて第１燃
焼生成物ガス流を生成することを含むことを特徴とする
請求項１に記載の方法。 - 【請求項５】 前記第１燃焼生成物ガスから生成物とし
て二酸化炭素を得る工程を含むことを特徴とする請求項
４に記載の方法。 - 【請求項６】 二酸化炭素を得る前記工程は、前記第１
燃焼生成物ガスからみず又は水蒸気を除去することを含
むことを特徴とする請求項５に記載の方法。 - 【請求項７】 前記第２イオン移送膜セクションを通し
ての酸素イオンの移送を促進するために前記燃焼生成物
ガス流の少なくとも一部分を用いて該第２イオン移送膜
セクションの篩下帯域をパージすることを特徴とする請
求項４に記載の方法。 - 【請求項８】 前記酸素含有ガス流から二酸化炭素を分
離する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の方
法。 - 【請求項９】 前記酸素減耗ガス流を燃焼器内で第２燃
料ガス流と反応させて第２燃焼生成物ガス流を創生し、
該第２燃焼生成物ガス流を前記膨張させるためのガス流
として前記タービンへ差し向ける工程を含むことを特徴
とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項１０】 第１燃焼生成物ガス流の少くとも一部
分を前記イオン移送分離膜セクションの篩上側からの前
記酸素減耗ガス流の少くとも一部分と合流させて集合ガ
ス流を形成し、 該集合ガス流を燃焼器内で第２燃料ガス流と反応させて
第２燃焼生成物ガス流を創生し、 該第２燃焼生成物ガス流を前記膨張させるためのガス流
として前記タービンへ差し向ける工程を含むことを特徴
とする請求項１に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/972409 | 1997-11-18 | ||
| US08/972,409 US5976223A (en) | 1997-11-18 | 1997-11-18 | Solid electrolyte ionic conductor systems for oxygen, nitrogen, and/or carbon dioxide production with gas turbine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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