JP4171673B2

JP4171673B2 - 酸素−燃料燃焼を用いる熱消費装置のための燃焼方法

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Publication number: JP4171673B2
Application number: JP2003182887A
Authority: JP
Inventors: ミニシュ・マヘンドラ・シャー; ロレンス・イー・ブール・ザ・サード; デイビッド・リチャード・トンプソン; クリスチャン・フリードリック・ゴッツマン; ヒサシ・コバヤシ
Original assignee: プラクスエア・テクノロジー・インコーポレイテッド
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: DE10328863B4; JP2004077116A; US20040002030A1; US6702570B2; DE10328863A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素移送膜により空気から分離された酸素により燃焼が支援されるところの、ボイラーあるいは炉のような熱消費装置の燃焼方法に関し、詳しくは、分離された酸素が、酸素移送膜に入る空気流れを加熱するための燃焼をも支援し、また、熱消費装置からの煙道ガスが、熱消費装置に送られる酸素を希釈するべく再循環される燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化石燃料の燃焼に際して生じる二酸化炭素が地球大気中の温室効果ガスの水準を増大させる大きな原因であることが分かってきた。温室効果ガスの水準は、その他の形式の燃料と比較して、中でも炭素成分の多い石炭を燃焼させることによって増大する。また、例えば旧式の発電所のように石炭燃焼を用いるプラントの熱効率は液体燃料を燃焼するプラントのそれよりも低いので、二酸化炭素排出量は液体燃料形式のプラントの場合よりもどうしても多くなる。
【０００３】
二酸化炭素を分離し、次いで隔離することが地球温暖化を軽減させ得る解決策の１つとして認識されてきている。二酸化炭素の分離と、引きつづく隔離とは、ガスを高圧に圧縮し、次いで地中深くあるいは海中深くの構造物中に注入することにより実現される。残念なことに、煙道ガスから二酸化炭素を取り除くための一般的な手段、例えばアミン洗浄は高価である。極低温分離プラントあるいは圧力スウィング吸着分離プラントにより創出される酸素に依存する燃焼では一次燃焼生成物は容易に凝縮する水であるため、煙道ガスから二酸化炭素を分離するコストは削減される。しかしながら、極低温蒸留あるいは圧力スウィング吸着による酸素分離に係わるコストがそうした二酸化炭素分離法を経済的に魅力のないものにしている。
【０００４】
従来方法は上述した問題を直接解決するものではないが、同様の考慮事項が別の分野で検討されてきている。例えば、米国特許第５，９７６，２２３号には、セラミック材料を用いて酸素含有供給物から酸素を分離する酸素移送膜反応器が記載される。一般にはペロブスカイトであるそうしたセラミック材料は、加熱され、酸素分圧差を受けると酸素含有供給物から酸素を分離することができる。
【０００５】
分離された酸素は酸素分離機能を奏し得るセラミックから形成した膜の陰極側で周知の様式下にイオン化される。酸素イオンは膜を通してこの膜の陽極側に移送される。酸素イオンは膜の陽極側でイオン化に際して得た電子を失い再結合する。これらの電子は陰極側で酸素をイオン化するために使用される。混合伝導体として知られるある種のセラミックでは酸素イオン及び電子が伝導される。イオン伝導体として知られるセラミックでは酸素イオンのみが伝導されるので、電子のための電気的通路が別に設けられる。
【０００６】
米国特許第５，９７６，２３３号では、透過した酸素が膜の透過側、即ち陽極側で燃料と共に燃焼される。透過した酸素が燃料のこうした燃焼により消費されることで、膜の陽極側での酸素分圧は低下する。透過物流れから二酸化炭素が回収され得る。
【０００７】
米国特許第５，８８８，２７２号では、酸素移送膜反応器の透過側が、燃料を注入するところの下流側プロセスからの燃焼生成物を使用してパージされる。燃料が燃焼することにより、膜を加熱し且つ膜を通過する酸素の駆動力を増大させるために生成される酸素の幾分かが消費される。次いで燃焼物流れは下流側のバーナーに導入され、バーナー内部での燃焼を支援し、そうした燃焼により再循環させるべき燃焼物流れを生成させるために使用される。
【０００８】
米国特許第６，１４９，７１４号には、酸素移送膜反応器の透過側を低酸素濃度のパージガス流れを使用してパージすることが記載される。この方法により、燃料の燃焼を支援し且つそうした燃焼により燃焼生成物を創出させるために使用する酸素が生成される。燃焼生成物から凝縮した水が排出され得、二酸化炭素が回収され得る。
【０００９】
上述した従来技術の全てにおいて、流入する空気流れは加熱される必要がある。こうした加熱は燃料を消費し、二酸化炭素を発生させる。以下に議論されるように、本発明は被分離酸素を含有する空気をも酸素−燃料燃焼を使用して予備加熱する熱消費装置内での、酸素−燃料燃焼のための酸素移送膜の使用、に関わる一体化を提供するものである。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第５，９７６，２２３号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，９７６，２３３号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，８８８，２７２号明細書
【特許文献４】
米国特許第６，１４９，７１４号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，８２０，６５４号明細書
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
被分離酸素を含有する空気をも酸素−燃料燃焼を使用して予備加熱する熱消費装置内での、酸素−燃料燃焼のための酸素移送膜の使用、に関わる一体化を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は熱消費装置の燃焼方法に関する。ここで、“熱消費装置”とは、熱を消費する、例えばボイラーあるいは炉のような任意の手段を言うものとする。
本発明に従えば、空気が圧縮され、圧縮空気流れが形成される。圧縮空気流れは第１酸素−燃料燃焼により少なくとも部分的に加熱される。ここで、“酸素−燃料燃焼”とは、空気中に於けるような窒素分子を含まないガス状混合物中に含有される酸素によって燃焼が支援されることを言うものとする。酸素は、酸素イオンをセラミック材料を通して移送して酸素透過流れと保持流れとを創出することを含む電気化学的分離プロセスにより、加熱された圧縮空気流れから分離される。熱消費装置は、二酸化炭素含有煙道ガスを生じる第２酸素−燃料燃焼により燃焼される。
【００１３】
第１酸素−燃料燃焼は、酸素透過流れ中に保持される酸素により支援される。酸素は、二酸化炭素含有煙道ガスの再循環部分により希釈されることで少なくとも部分的に形成される希釈酸素流れとして第２酸素−燃料燃焼中に導入される。二酸化炭素含有煙道ガスの残余部分から形成される生成物流れが熱消費装置から抽出され、次いでこの生成物流れが下流側プロセスで使用され得、あるいは二酸化炭素の隔離のためにこの生成物流れから水及び二酸化炭素が分離され得る。
【００１４】
希釈酸素流れの酸素含有量は約１０体積パーセント〜約４０体積パーセントの間であることが好ましい。前記酸素含有量は約１５〜約２５体積パーセントの間であることがもっと好ましい。この点は、熱消費装置を改修する場合には特に重要である。
【００１５】
酸素は、保持側及び透過側を有する少なくとも１つの酸素移送膜内で、加熱された圧縮空気流れから分離され得る。煙道ガスの少なくとも１部分が、二酸化炭素を含有する煙道ガスの一部から形成される。煙道ガス流れは、少なくとも１つの酸素移送膜の透過側に掃引ガス流れとして導入され、かくして酸素を含む掃引ガス流れを形成する。酸素を含む掃引ガス流れが燃焼するヒーター内に導入され、この掃引ガス流れに含まれる酸素の一部を使用する第１酸素−燃料燃焼を支援する。第１酸素−燃料燃焼により燃焼生成物流れが生じ、少なくともこの燃焼生成物流れにより希釈酸素含有流れが形成される。
【００１６】
少なくとも１つの酸素移送膜及び燃焼ヒーターを使用する他の実施例では、掃引ガス流れが少なくとも１つの酸素移送膜の透過側に導入されて酸素含有掃引ガス流れを形成する。この酸素含有掃引ガス流れの一部分と、二酸化炭素含有煙道ガスの一部分から形成される煙道ガス流れの少なくとも一部分とが、燃焼するヒーターの燃焼チャンバ内に導入される。これにより、第１酸素−燃料燃焼が支援され、掃引ガス流れが形成される。希釈酸素含有流れが、酸素含有掃引ガス流れの残余部分から少なくとも部分的に形成される。
【００１７】
空気の予備加熱が酸素移送膜燃焼器−ヒーター内で実施され得る。この形式の装置は米国特許第５，８２０，６５４号に記載される。酸素は、酸素移送膜分離器及び酸素移送膜燃焼器−ヒーターにおいてそれぞれ生じる第１分離及び第２分離とにより、加熱された圧縮空気流れから分離される。各酸素移送膜分離器及び各酸素移送膜燃焼器−ヒーターは対向する保持側及び透過側を有する。圧縮空気流れは加熱され、酸素移送膜燃焼器−ヒーターは熱交換器内で保持側に位置付けられる。第１酸素−燃料燃焼には、酸素移送膜燃焼器−ヒーターの透過側内での燃料の燃焼が含まれる。
【００１８】
本発明の、酸素移送膜燃焼器−ヒーターを用いる１実施例では燃料流れと、二酸化炭素含有煙道ガスの一部分から形成される煙道ガス流れの少なくとも一部分とが、酸素移送膜燃焼器−ヒーターの透過側に反応性パージとして導入されて酸素透過物の一部分と反応し、第１酸素−燃料燃焼と、燃焼生成物流れとを生じる。第１分離により中間保持流れが生じ、この中間保持流れが結局、酸素移送膜燃焼器−ヒーターの保持側に導入され、影響を受けた第２分離により保持流れが形成される。燃焼生成物流れが酸素移送膜燃焼器−ヒーターの透過側に導入され、酸素含有燃焼生成物流れを形成する。この酸素含有燃焼生成物流れによって少なくとも部分的に、希釈酸素含有流れが形成される。
【００１９】
別の実施例では燃料流れが煙道ガス流れの少なくとも一部分と共に二酸化炭素含有煙道ガスの一部分から少なくとも部分的に形成され、酸素移送膜燃焼器−ヒーターの透過側に導入されて酸素透過物の一部分と反応する。この反応により第１酸素−燃料燃焼と、燃焼生成物流れとが生じる。第１分離により中間保持流れが生じる。中間保持流れが膨張して仕事を実施すると廃棄保持流れが生じる。廃棄保持流れは酸素移送膜燃焼器−ヒーターの保持側に導入され、影響を受けた第２分離により保持流れが形成される。保持流れは、熱あるいは窒素富化生成物が回収された後システムから廃棄され得る。燃焼生成物流れは酸素移送膜燃焼器−ヒーターの透過側に導入されて酸素含有燃焼生成物流れを形成する。希釈酸素含有流れが酸素含有燃焼生成物流れにより少なくとも部分的に形成される。
【００２０】
更に別の実施例では燃焼器−ヒーターの透過側が昇圧下に運転される。この点に関し、そうした実施例のみならず、燃焼器−ヒーターを用いるその他の実施例では、保持側の酸素分圧が透過側の酸素分圧よりも大きい場合、酸素を低い全圧からもっと高い全圧に分離及び移送する酸素移送膜の能力が使用される。燃焼生成物流れが燃焼器−ヒーターの透過側から取り出され、膨張して仕事を実行する。次いで、燃焼生成物流れは二酸化炭素含有煙道ガスの一部から少なくとも形成された煙道ガス流れに導入される。燃料流れが圧縮されて圧縮燃料流れが形成される。圧縮燃料流れは酸素移送膜燃焼器−ヒーターの透過側に導入される。仕事の実行に際しての膨張が少なくとも燃料の圧縮に適用される。余剰の電力は移出電力を発生するために使用することができる。燃焼生成物流れの導入後、煙道ガス流れの少なくとも一部分が第１酸素−燃料燃焼により加熱され、次いで酸素移送膜燃焼器−ヒーターの透過側に導入されて酸素含有燃焼生成物流れを創出する。第１分離により中間保持流れが生じ、この中間保持流れが膨張して仕事を実行すると保持廃棄流れが生じる。保持廃棄流れは酸素移送膜燃焼器−ヒーターの保持側に導入され、影響を受けた第２分離により保持流れが形成される。希釈酸素含有流れが酸素含有燃焼生成物により少なくとも部分的に形成される。こうした実施例では煙道ガス流れが二酸化炭素含有煙道ガスの一部から形成され得る。爾後の煙道ガス流れが二酸化炭素含有煙道ガスの残余の一部分から形成され得、この爾後の煙道ガス流れが、燃料ガス流れを圧縮する以前に煙道ガス流れと結合され得る。
【００２１】
更に別の実施例では、燃焼生成物流れが酸素移送膜燃焼器−ヒーターの透過側から除去され、燃料流れと共に間接熱交換器内に送られる。燃焼生成物流れが冷却され得、この冷却により水が分離され得る。水は生成物流れから分離され得、水を分離した生成物流れが加圧されて加圧生成物流れを形成する。燃焼生成物流れは加圧生成物流れに導入され得る。酸素含有煙道ガスの位置部から形成された煙道ガス流れの少なくとも一部分が第１酸素−燃料燃焼により加熱され、酸素移送膜燃焼器−ヒーターの透過側に掃引ガス流れとして導入される。これにより酸素含有掃引ガス流れが形成される。第１分離により中間保持流れが形成され、この中間保持流れが酸素移送膜燃焼器−ヒーターの保持側に導入され、これに影響を受けた第２分離により保持流れが生じる。余剰の電力は移出電力発生のために使用され得る膨張後の保持流れから成る廃棄流れが、圧縮空気流れと共に間接熱交換器に送られて圧縮空気流れを部分的に加熱し得る。本発明の、中間保持流れが膨張される実施例では、膨張による仕事が空気流れを加圧するためあるいは移出電力発生のために適用され得る。保持流れは圧縮空気流れと共に間接熱交換器に送られて圧縮空気流れを部分的に加熱することができる。
【００２２】
本発明の全ての実施例において、熱及びエネルギーは保持流れから再捕捉され、圧縮空気流れを部分加熱するために及び流入空気流れを圧縮するために適用され得る。第１加熱を用いる実施例及び、中間保持流れが酸素移送膜燃焼器−ヒーターに導入される実施例では、保持流れは仕事の実施に伴い膨張され得る。膨張による仕事が少なくとも空気流れを圧縮するために適用され得る。余剰電力は移出電力発生のために使用され得る。膨張後の保持流れからなる廃棄流れは圧縮空気流れと共に間接熱交換器に送られて圧縮空気流れを部分的に加熱し得る。中間保持流れが膨張される実施例では、膨張による仕事が空気流れを加圧するためあるいは移出電力発生のために適用され得る。保持流れは圧縮空気流れと共に間接熱交換器に送られて圧縮空気流れを部分的に加熱することができる。
【００２３】
本発明の全ての実施例において、煙道ガス流れは第１副煙道ガス流れ及び第２副煙道ガス流れに分割され得る。煙道ガス流れの少なくとも一部分は第１副煙道ガス流れである。希釈酸素含有流れもまた、第２副煙道ガス流れから形成される。
【００２４】
更には、二酸化炭素含有煙道ガスが、二酸化炭素含有煙道ガス流れとして、熱消費装置の積層体から除去され得る。二酸化炭素含有煙道ガスは、圧縮空気流れと共に間接熱交換器に送られ、次いで煙道ガス流れと生成物流れとに分割され得る。煙道ガス流れは熱消費装置の積層体内に位置付けた再生熱交換器内で再熱され得る。全ての実施例において、第２酸素−燃料燃焼は石炭あるいは燃料油の何れかの燃焼であり得、熱消費装置はボイラーであり得る。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、石炭を燃焼してボイラ２を燃焼する設計とした本発明に従う装置１が例示される。装置１は既存の石炭燃焼ボイラを改修するために特に好適なものである。しかしながら、本発明はボイラ２に関して好ましい実施例を議論するが、任意の熱消費装置あるいは熱消費プロセスに対する適用性を有するものである。例えば、極めて僅かな改変によりボイラ２を炉に置換することが可能である。
【００２６】
空気流れ１０が圧縮器１２により絶対値での約２７５８００〜２．０６８５Ｅ６Ｐａ（４０〜約３００ｐｓｉａ）の間の圧力に加圧され、圧縮空気流れ１４が形成される。圧縮空気流れ１４は復熱式あるいは再熱式熱交換器１６内で予備加熱された後、間接熱交換器内で燃焼ヒーター１８内の第１酸素−燃料燃焼温度から、酸素移送膜分離器２０の運転温度、即ち、約７６０℃及び９８２．２２℃（約１４００°Ｆ及び約１８００°Ｆ）の間の温度に完全に加熱される。燃焼ヒーター１８には熱交換用のコイル２１の形態の熱交換通路が設けられる。
【００２７】
圧縮空気流れ１４は、加熱された後、参照番号２２で示されるような１つ以上の酸素移送膜を有する酸素移送膜分離器２０内に導入される。圧縮空気流れ１４は、加熱された後、約９０４．４４℃（約１６６０°Ｆ）の温度下に保持側２４に入り、酸素移送膜２２を運転温度に加熱することが好ましい。酸素の４０〜約９５パーセントが分離されて透過側２６位置で収集され、圧縮空気流れ１４のそれよりも低い約３４４７５〜６８９５０Ｐａ（５〜１９ｐｓｉ）の圧力を有する保持流れ２８が創出される。
【００２８】
今後議論されるように、酸素移送膜分離器２０の透過側２６はこの透過側２６での酸素分圧を低下させるために煙道ガス流れ４６により掃引され、かくして酸素移送のための駆動力が増大される。これにより、酸素含有掃引ガス流れ３０が生じ、この酸素含有掃引ガス流れ３０が燃焼ヒーター１８に導入され、この燃焼ヒーター内での燃料１３の第１酸素−燃料燃焼を支援する。その際、酸素移送膜分離器２０内には透過酸素の一部が創出される。この第１酸素−燃料燃焼により燃焼生成物流れ３２が生じ、この燃焼生成物流れ中の酸素が、ボイラー２内の石炭の燃焼を介して生じ得る第２酸素−燃料燃焼を支援するために使用される。
【００２９】
ボイラ２内での燃焼により、やはり水を含む二酸化炭素含有煙道ガスが生じ、この水が流れ３４として抽出される。流れ３４は熱交換器１６に送られてこの熱交換器１６内で潜熱の幾分かが回収される。回収された潜熱は圧縮空気流れ１４を予備加熱するために役立てられる。潜熱の回収は好ましいものであるが随意的である。しかしながら、仮にそうした潜熱が環境中に失われると燃料消費量が増大する。潜熱が回収された後、流れ３４は生成物流れ３６と煙道ガス流れ３８とに分割され、生成物流れ３６は爾後のプロセス処理のための生成物として取り出され、若しくは、凝縮後に含有水分が除去され、引き続く隔離のために圧縮される。生成物流れ３６と煙道ガス流れ３８とは、引き続く配管回路内での圧力損失に打ち勝つべく、ブロワ４０及び４２によって代表的には約１３７９０〜４１３７０Ｐａ（約２〜６ｐｓｉｇ）の圧力下に圧縮される。
【００３０】
煙道ガス流れ３８はボイラ２の積層体内に位置付けた煙道ガス復熱器４５内で約３２６．２７℃（約６２０°Ｆ）に加熱される。本実施例あるいは以下の任意の実施例では煙道ガス復熱器４５を省略することができる。しかしながら、その場合は燃料使用量をもっと多くして熱エネルギー損失を補償する必要がある。
【００３１】
煙道ガス流れ３８は第１副煙道ガス流れ４６及び第２副煙道ガス流れ４８にそれぞれ分割され、第１副煙道ガス流れ４６は燃焼ヒーター１８内で熱交換コイル５０の構成する通路により約９０４．４４℃（約１６６０°Ｆ）の膜作動温度に加熱される。次いで第１副煙道ガス流れ４６は酸素移送膜分離器２０の透過側２６に送られてこの透過側２６を掃引して酸素含有掃引ガス流れ３０を創出する。先に言及したように、酸素含有掃引ガス流れ３０は燃焼ヒーター１８に導入され、次いで第２副煙道ガス流れ４８と結合され、石炭の燃焼を支援する希釈酸素含有流れ５２を形成する。本実施例及び以下の各実施例では、希釈酸素含有流れ５２は約１０〜４０体積パーセントの間の酸素を含有することが好ましい。希釈酸素含有流れに含有される酸素は約１５〜２５体積パーセントの間であることが更に好ましい。
【００３２】
本実施例及び以下の各実施例では全ての煙道ガス流れ３８を掃引ガスとして使用することが可能である。しかしながら、例示した各実施例では煙道ガス流れ３８の使用量を少なくすると、関連する配管内での圧力降下や燃焼ヒーター１８での熱負荷が小さくなる利益がある。その結果、燃焼ヒーター１８の燃料として使用することが好ましい天然ガスの使用量が減少する。天然ガスはボイラー２の燃焼に使用される石炭よりもずっと高価な燃料である。第１副煙道ガス流れ４６が煙道ガス流れ３８の約２０〜約６０パーセントの間の割合を構成することが好ましい。
【００３３】
保持流れ２８の熱エネルギーは廃棄されるのではなく回収されることが好ましい。この点、保持流れ２８はターボエキスパンダ５４に導入され、好ましくは大気圧あるいはそれに近い圧力の廃棄流れ５６を創出する。廃棄流れ５６は圧縮空気流れ１４を予備加熱するべく復熱式の熱交換器１６に送られる。ターボエキスパンダ５４は圧縮器１２に結合され、余剰の電力が発電器５７内で取り出される。
【００３４】
ターボエキスパンダ５４により回収され得る電力量は酸素移送膜分離器２０内部で回収される酸素パーセントに関係し、酸素回収量が少ないと移出電力の入手量が増大し、かくして大型の圧縮機−タービンシステムの使用する幾分大きな駆動力が発生される。電力の最小十分量は圧縮器１２が駆動されるものである。しかしながら電力は、煙道ガス隔離のため及びあるいは発電器５７内部での移出電力発生のために、ブロワ４０及び４２をも駆動して煙道ガスを圧縮するに充分なものであることが好ましい。図示されないが、酸素移送膜分離器２０とターボエキスパンダ５４との間にヒーターを介在させ、出力電力量を増大させることが可能である。あるいは、保持流れ２８をずっと低温に冷却してターボエキスパンダ５４の構造及び材料選択を簡略化することができる。
【００３５】
図２を参照するに、流入する空気を加熱するための、コイル２１により提供される通路を有する燃焼ヒーター１８’が使用されている。本実施例では燃焼生成物流れ５８が酸素移送膜分離器２０の透過側２６に導入されて酸素含有燃焼生成物流れ５９が創出される。酸素含有燃焼生成物の一部分が第１副煙道ガス流れ４６と共に燃焼ヒーター１８’に流れ６０として導入されて燃焼生成物流れ５８が創出される。かくして、先の実施例とは異なり、全てではない燃焼生成物流れが燃焼ヒーター１８’に導入される。これにより熱交換コイルが不要となるが、流れ６０を射出させるための追加の高温ブロワ６２が必要となる。
【００３６】
酸素含有燃焼生成物５９の残余部分は流れ６４として第２副煙道ガス流れ４８と結合され、ボイラ２内での石炭の燃焼を支援する希釈酸素含有流れ５２を形成する。また、保持流れ２８の温度を下げてターボエキスパンダ５４の入口温度を低下させるための随意的な熱交換器６６が使用される。これにより、電力出力のためにターボエキスパンダ５４で使用する材料費が節減される利益が生じる。
【００３７】
図３を参照するに、酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８が、燃焼ヒーター１８及び１８’に代えて酸素移送膜分離器２０に結合されて第１酸素−燃料燃焼を実施し、流入する圧縮空気流れ１４を加熱している。酸素移送膜燃焼器−ヒーターを用いることにより、空気中に含まれ燃焼を支援する酸素の１００パーセントまでの回収率が許容される利益が生じる。更に、酸素移送膜燃焼器−ヒーターを用いることにより高純度の窒素生成物を製造することが可能となる。米国特許第５，８２０，６５４号に記載されるように、酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８は単独の装置において酸素移送膜分離器２０と結合することができる。本実施例及び以下の各実施例では、装置の酸素移送膜を加熱するために必要な熱負荷は、酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８を使用して生じる第１酸素−燃料燃焼から発生する熱により提供される。酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８は以下の実施例の装置では各装置における熱交換器コイルの配列構成が若干異なることから、参照番号６８’、６８”、６８'''として示される。
【００３８】
例示されるように、酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８はセラミック膜７４で分離された保持側７０と透過側７２とを有する。圧縮空気流れ１４は、酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８の保持側７０内に位置付けた熱交換器コイル７６を通して送られ、透過側７２の燃料の燃焼により加熱される。
【００３９】
そうした目的上、好ましくは天然ガスである燃料流れ７８は第１副煙道ガス流れ４６と共に、酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８の透過側７２内に位置付けた熱交換コイル８０内に導入される。燃焼は、所望であれば若干燃料リッチ状況で実施することで酸素回収量を増大させることができる。燃料は代表的には全ての透過酸素と反応して第１酸素−燃料燃焼を生じ、かくして、酸素移送膜分離器２０の透過側２６に導入されるところの燃焼生成物流れ８２を創出する。酸素移送膜分離器２０の透過側２６に導入された燃焼生成物流れ８２に追加の酸素が透過され、かくして酸素含有燃焼生成物流れ８４が形成される。酸素含有燃焼生成物流れ８４は第２副煙道ガス流れ４８と結合し、ボイラー２に導入するて希釈酸素含有流れ５２を形成する。
【００４０】
酸素移送膜分離器２０内部の酸素が第１分離された後、酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８に導入する中間保持流れ８５が形成され、かくして酸素の第２分離が生じて保持流れ２８が創出される。保持流れ２８は先の実施例におけると同様にターボエキスパンダ５４に導入されて廃棄流れ５６が創出され、廃棄流れ５６は結局、流入する圧縮空気流れ１４を部分的に加熱するために使用することができる。
【００４１】
図４を参照するに、酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８’を使用する本発明の別態様の実施例が示される。本実施例では、中間保持流れ８５がターボエキスパンダ５４に導入される。ターボエキスパンダ５４の保持廃棄流れ８６は熱交換器コイル８７を通して酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８’の保持側７０’に導入され、膜作動温度に加熱される。燃料と反応することにより透過側７２’での酸素分圧が極めて低くなることから、分離のために入手することのできる駆動力は、保持廃棄流れ８６の圧力が膨張によって低下しているとはいえ、十分なものである。本実施例では、中間保持流れ８５の質量流量が保持流れ２８のそれよりもずっと大きいことから、ずっと大きな電力が発生され得る。この大きな質量流量は、中間保持流れ８５における酸素含有量が保持流れ２８におけるそれよりもずっと大きいことによるものである。
【００４２】
図５には、透過側７２”が昇圧下に運転される酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８”を有する実施例が示される。本実施例では透過側７２”が昇圧下に運転されることにより、酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８”の燃焼生成物からの発電が許容される。
【００４３】
燃焼生成物流れ８８が酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８”の透過側７２”から取り出され、ターボエキスパンダ８９内で膨張される。発電器９０及び天然ガス圧縮器９２によりターボエキスパンダ８９から膨張による仕事が取り出され得る。ターボエキスパンダ８９から廃棄される流れ９４が煙道ガス流れ３８に導入され、第１副煙道ガス流れ４６と第２副煙道ガス流れ４８とに分割される。第１副煙道ガス流れ４６は透過側７２”に位置付けた熱交換器コイル１００内で加熱されて掃引ガス流れ１０１を生じ、この掃引ガス流れ１０１が酸素移送膜分離器２０の透過側に導入されて酸素含有掃引ガス流れ１０２を生じる。酸素含有掃引ガス流れ１０２は第２副煙道ガス流れ４８と結合して希釈酸素含有流れ５２を創出する。
【００４４】
天然ガスである燃料流れ１０３が天然ガス圧縮器９２内で圧縮されて圧縮天然ガス流れ１０４を生じる。圧縮天然ガス流れ１０４は熱交換器コイル１０６を介して酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８”の透過側７２”に導入される。圧縮天然ガス流れ１０４内の天然ガスは酸素透過物の一部分と反応し、先に説明した燃焼生成物流れ８８を形成する。
【００４５】
図６を参照するに、図５に関して説明した装置の別態様が示され、流れ３４の二酸化炭素含有煙道ガスが更に分割されて別の煙道ガス流れ１０８が生じている。別の煙道ガス流れ１０８は圧縮器９２内で圧縮されるに先立ち、煙道ガス流れ１０３と結合される。これによりターボエキスパンダ８９を通る燃焼生成物の質量流量が増大し、かくしてターボエキスパンダにおける出力電力量が増大する。
【００４６】
図７を参照するに、本発明の別態様の実施例が示され、例えば高圧天然ガスであるところの高圧燃料流れ１１０が熱交換器１１２内で加熱され、酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８'''の透過側７２に導入されている。酸素移送膜燃焼器−ヒーター６８'''の透過側７２から燃焼生成物流れ１１３が抜き出され、次いで熱交換器１１２内に送られて流入する高圧燃料流れ１１０を加熱する。次いで燃焼生成物流れ１１３は凝縮器１１４内で冷却され、燃焼生成物流れと共に凝縮水が出現する。凝縮水をポート１１７に分離させた後、二酸化炭素含有流れ１１８が形成される。この二酸化炭素含有流れ１１８を圧縮生成物流れ３６ａに加え、次いで下流側プロセスで使用する、あるいは二酸化炭素隔離のために更に圧縮することができる。圧縮生成物流れ３６ａは凝縮器１２０内で生成物流れ３６の水分を凝縮させることにより形成される。凝縮水は分離ポート１２１に分離されて除去され、圧縮器１２２が生成物流れ３６を圧縮し、かくして圧縮生成物流れ３６ａが形成される。圧縮生成物流れは少なくとも近隔離圧力となるべく充分に加圧される。
【００４７】
表１は、図１から図５のフローシートを用いて実施された数多くの計算例を、外部供給酸素を使用する従来の空気燃焼及び酸素−燃料燃焼と比較したものである。表には、高い空気圧力下にシステムを運転する場合にターボエキスパンダ５４の発生する電力が増大する結果が示される。更に、参照番号６８で示すような酸素移送膜燃焼器−ヒーターを使用する場合に、酸素移送膜における低い全圧下の保持流れから高い全圧下の反応流れに酸素を移送する能力が、ターボエキスパンダ５４の効率を改善する。これは図３及び図４の結果を比較することにより示される。前記能力は、透過帯域が高い圧力下（例えば絶対値での約１．２４１１Ｅ６Ｐａ（１８０ｐｓｉａ））で運転される場合に燃焼生成物の膨張ににより電力を取り出すためにも使用することができる。これにより、図５に関する結果により例示されるように、電力発生量及びシステム効率を一層増大させる。特に改修する場合、改修された設備の電力出力量は減少されないことが重要である。こうした条件下において、燃焼により生成した二酸化炭素を隔離するための熱消費率上の不利益はほんの僅かであるに過ぎない。
【００４８】
表では、圧縮器及びタービンの熱的効率が８０％である事、中間冷却、隔離を伴う圧縮圧力が絶対値での約１．０３４２５Ｅ７Ｐａ（１５００ｐｓｉａ）であること、石炭中の揮発物質含有量が低いこと、が前提とされる。
【００４９】
表中、“ＭＭ”は百万単位を表し、“ＨＨＶ”は発熱量が高いことを表している。また、“電力ランキンサイクルＭＷ”とは、ボイラーからランキンサイクルのための蒸気を発生させることにより得られるメガワット単位での電力を表すものである。この電力は結局、電気を発生させるために使用される。“空気圧縮後の電力ガスタービンサイクルＭＷ”とは、空気圧縮により消費される電力未満の、メガワット単位での電力を表す。これに関し、図２に関する列に示される負の値は、空気圧縮器がタービンの発生する電力を上回る電力を消費したことを示すものである。“燃料ガス圧縮”とは、二酸化炭素含有煙道ガス流れを圧縮して地中に射出する際に消費された電力量を表す。“合計正味電力”は、ランキンサイクル及びタービンにより発生した電力を加算し、煙道ガス圧縮に際して消費された電力を減算して決定した値である。“熱消費量”とは、全燃料消費量を正味の全発生電力で除算したＢＴＵ／ＫＷ−ＨＲ単位での値である。
【００５０】
【表１】

【００５１】
図３〜図５の例では、空気中に含まれる酸素の利用率は比較的高い８７％であった。空気流量を増大させて酸素の利用率を下げると、正味の出力電力量及びシステム効率が上昇する。選択されたタービン入口温度は極めて控え目なものであった。この温度を、第２酸素燃焼燃焼器を加えることにより上昇させて電力出力量及びサイクル効率を増大させることが可能である。
【００５２】
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【００５３】
【発明の効果】
被分離酸素を含有する空気も酸素−燃料燃焼を使用して予備加熱する熱消費装置内での、酸素−燃料燃焼のための酸素移送膜の使用、に関わる一体化が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するための装置の概略図である。
【図２】本発明の方法を実施するための装置の別態様の概略図である。
【図３】本発明の方法を実施するための装置の別態様の概略図である。
【図４】本発明の方法を実施するための装置の別態様の概略図である。
【図５】本発明の方法を実施するための装置の別態様の概略図である。
【図６】本発明の方法を実施するための図５の装置の別態様の概略図である。
【図７】本発明の方法を実施するための装置の別態様の概略図である。
【符号の説明】
１装置
２ボイラ
１０空気流れ
１２圧縮器
１４圧縮空気流れ
１６熱交換器
１８燃焼ヒーター
２０酸素移送膜分離器
２１コイル
２２酸素移送膜
２４保持側
２６透過側
２８保持流れ
３０酸素含有掃引ガス流れ
３２燃焼生成物流れ
３６生成物流れ
３８煙道ガス流れ
４０、４２ブロワ
４５煙道ガス復熱器
４６第１副煙道ガス流れ
４８第２副煙道ガス流れ
５０熱交換コイル
５２希釈酸素含有流れ
５４ターボエキスパンダ
５６廃棄流れ
５７発電器
５８燃焼生成物流れ
５９酸素含有燃焼生成物流れ
６２高温ブロワ
６６随意的な熱交換器
６８酸素移送膜燃焼器−ヒーター
７０保持側
７２透過側
７４セラミック膜
７８燃料流れ
８０熱交換コイル
８２燃焼生成物流れ
８４酸素含有燃焼生成物流れ
８５中間保持流れ
８６保持廃棄流れ
８８燃焼生成物流れ
８９ターボエキスパンダ
９０発電器
９２天然ガス圧縮器
１００熱交換器コイル
１０１掃引ガス流れ
１０２酸素含有掃引ガス流れ
１０３燃料流れ
１０４圧縮天然ガス流れ
１０６熱交換器コイル
１０８別の煙道ガス流れ
１１０高圧燃料流れ
１１２熱交換器
１１３燃焼生成物流れ
１１４凝縮器
１１７ポート
１１８二酸化炭素含有流れ
１２０凝縮器
１２１分離ポート
１２２圧縮器

Claims

熱消費装置の燃焼方法であって、
空気を圧縮して圧縮空気流れを形成すること、
該圧縮空気流れを、少なくとも部分的に第１酸素−燃料燃焼により加熱して加熱された圧縮空気流れを形成すること、
セラミック材料を通して酸素イオンを移送して酸素透過物の流れ及び保持流れを創出することを含む電気化学的分離プロセスにより、前記加熱された圧縮空気流れから酸素を分離すること、
第２酸素−燃料燃焼により熱消費装置を燃焼させて二酸化炭素含有煙道ガスを創出すること、
第１酸素−燃料燃焼及び第２酸素−燃料燃焼を、酸素透過物に含有される酸素を使用して支援すること、
二酸化炭素含有煙道ガスの一部から形成した生成物流れを熱消費装置から取り出すこと、
を含み、
前記第２酸素−燃料燃焼を支援するために使用する、酸素透過物に含有される酸素が、前記二酸化炭素含有煙道ガスの一部を再循環させることにより少なくとも部分的に形成した流れで前記酸素透過物を希釈して形成した希釈酸素含有流れとして第２酸素−燃料燃焼中に導入され、前記希釈されるべき酸素透過物が、第１酸素−燃料燃焼の燃焼生成物によって少なくとも部分的に形成される流れの少なくとも一部分に含まれる燃焼方法。
酸素が、保持側と透過側とを有する少なくとも１つの酸素移送膜を有する酸素移送膜分離器内で、加熱された圧縮空気流れから分離され、
二酸化炭素含有煙道ガスの一部から形成された煙道ガス流れの少なくとも一部分が、少なくとも１つの酸素移送膜の透過側に掃引ガス流れとして導入されて酸素含有掃引ガス流れを形成し、
該酸素含有掃引ガス流れが、該酸素含有掃引ガス流れに含まれる酸素の一部分を使用して第１酸素−燃料燃焼を支援するべく燃焼ヒーターに導入されて燃焼生成物流れを創出し、
希釈酸素含有流れが燃焼生成物流れにより少なくとも部分的に形成される請求項１の燃焼方法。
酸素が、保持側と透過側とを有する少なくとも１つの酸素移送膜内で、加熱された圧縮空気流れから分離され、
燃焼生成物流れが、少なくとも１つの酸素移送膜の透過側に導入されて酸素含有燃焼生成物流れを形成し、
該酸素含有燃焼生成物流れの一部と、二酸化炭素含有煙道ガスの一部分から形成した煙道ガス流れの少なくとも一部分とが、燃焼ヒーターの燃焼チャンバに導入されて第１酸素−燃料燃焼を支援し且つ燃焼生成物流れを形成し、
希釈酸素含有流れが、酸素含有燃焼生成物流れの残余部分から少なくとも部分的に形成される請求項１の燃焼方法。
酸素が、酸素移送膜分離器内で生じる第１分離と、酸素移送膜燃焼器−ヒーター内で生じる第２分離とにより、内部の加熱された圧縮空気流れから分離され、
各酸素移送膜分離器及び各酸素移送膜燃焼器−ヒーターが、相対する保持側及び透過側を有し、
圧縮空気流れが、酸素移送膜燃焼器−ヒーターの、該酸素移送膜燃焼器−ヒーターの保持側に位置付けた熱交換器内で加熱され、
第１酸素−燃料燃焼が、酸素移送膜燃焼器−ヒーターの透過側の内部の燃料の燃焼を含んでいる請求項１の燃焼方法。