JP4448357B2 - Oxygen production apparatus and oxygen production method - Google Patents

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本発明は、酸素製造装置および酸素製造方法に係り、特に、ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気から、固体電解質型酸素分離膜を用いて高純度（高濃度）の酸素を製造可能な酸素製造装置および酸素製造方法に関する。   The present invention relates to an oxygen production apparatus and an oxygen production method, and in particular, can produce high-purity (high concentration) oxygen from compressed air compressed by a compressor of a gas turbine engine using a solid electrolyte type oxygen separation membrane. The present invention relates to an oxygen production apparatus and an oxygen production method.

従来、ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を、固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを備えた酸素分離膜ユニットの上記第１空間に供給し、酸素のみ通過させる上記固体電解質型酸素分離膜を用いて上記第２空間に高い純度の酸素を抽出すると共に、蒸気スイープ法を用いて上記第２空間の酸素分圧を低下させ、上記酸素の抽出を促進する方法が知られている（たとえば特許文献１参照）。   Conventionally, compressed air compressed by a compressor of a gas turbine engine is supplied to the first space of an oxygen separation membrane unit having a first space and a second space partitioned by a solid oxide oxygen separation membrane, and oxygen is supplied. Extracting high-purity oxygen into the second space using the solid electrolyte type oxygen separation membrane that allows only oxygen to pass through, and reducing the oxygen partial pressure in the second space using a steam sweep method to extract the oxygen A method of promoting is known (see, for example, Patent Document 1).

上記固体電解質型酸素分離膜を通過する単位時間あたりの純酸素の量（酸素の透過速度）は、上記第１空間の酸素の分圧値Ｐ１と上記第２空間の酸素の分圧値Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２の関数で表され、上記比Ｐ１／Ｐ２の値が大きいほど上記酸素の透過速度が速くなる。   The amount of pure oxygen per unit time passing through the solid electrolyte oxygen separation membrane (oxygen permeation rate) is determined by the partial pressure value P1 of oxygen in the first space and the partial pressure value P2 of oxygen in the second space. The ratio of P1 / P2 is expressed as a function, and the larger the ratio P1 / P2, the faster the oxygen transmission rate.

上記従来の方法では、上記第２空間に蒸気を流すことによって、上記第２空間における酸素の滞留を防ぎ、上記第２空間における酸素の分圧の値を低下させて、上記酸素の透過速度を速めているものである。
米国特許第５５６２７５４号明細書 In the conventional method, by flowing steam into the second space, the retention of oxygen in the second space is prevented, the value of the partial pressure of oxygen in the second space is reduced, and the permeation rate of the oxygen is increased. It's faster.
US Pat. No. 5,562,754

ところで、上記従来の方法では、上記第２空間の酸素の分圧を下げることで純度の高い酸素を効率良く製造することができるが、上記第２空間に蒸気を供給することで酸素分離膜ユニットの固体電解質型酸素分離膜に蒸気が直接接し、たとえば、上記ガスタービンエンジンを停止したときに、蒸気が凝結して水になり、この水が上記固体電解質型酸素分離膜に付着するという問題がある。   By the way, in the conventional method, it is possible to efficiently produce high purity oxygen by lowering the partial pressure of oxygen in the second space, but by supplying steam to the second space, an oxygen separation membrane unit. For example, when the gas turbine engine is stopped, the vapor condenses into water when the gas turbine engine is stopped, and the water adheres to the solid electrolyte oxygen separation membrane. is there.

そして、上記固体電解質型酸素分離膜への水の付着によって、上記固体電解質型酸素分離膜に不具合が発生し上記酸素分離膜ユニットに故障が発生するおそれがある。   The adhesion of water to the solid electrolyte type oxygen separation membrane may cause a malfunction in the solid electrolyte type oxygen separation membrane and cause a failure in the oxygen separation membrane unit.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ガスタービンエンジンと固体電解質型酸素分離膜とを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置において、高純度の酸素を効率良く製造可能であると共に、上記固体電解質型酸素分離膜への水の付着を防止することができる酸素製造装置および酸素製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and in an oxygen production apparatus capable of producing high-purity oxygen using a gas turbine engine and a solid electrolyte type oxygen separation membrane, high-purity oxygen is efficiently produced. An object of the present invention is to provide an oxygen production apparatus and an oxygen production method that can be produced and that can prevent water from adhering to the solid electrolyte oxygen separation membrane.

請求項１に記載の発明は、ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置において、固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備し、上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を上記第１空間に導入し、上記圧縮空気中に存在している酸素を、上記固体電解質型酸素分離膜を用いて上記第２空間に分離可能な酸素分離膜ユニットと、上記第２空間を減圧可能なエゼクタ又は真空ポンプとを有し、上記エゼクタ又は真空ポンプは、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を少なくとも用いて駆動される酸素製造装置である。 The invention according to claim 1 is an oxygen production apparatus capable of producing high-purity oxygen using a gas turbine engine, and includes a first space and a second space partitioned by a solid oxide oxygen separation membrane, Air compressed by the compressor of the gas turbine engine is introduced into the first space, and oxygen present in the compressed air can be separated into the second space using the solid electrolyte oxygen separation membrane. and oxygen separation membrane unit, the second space is closed and pressure can be reduced ejector or vacuum pump, the ejector or vacuum pump, using at least the steam generated by the oxygen of the hot separated into the second space a driven Ru air separation unit.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の酸素製造装置において、上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて燃焼させる第１燃焼器と、上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に、燃料を加えて燃焼させる第２燃焼器とを有し、上記第１空間へは、上記第１燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給され、上記ガスタービンエンジンのタービンへは、上記第２燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給されるように構成されている酸素製造装置である。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the oxygen producing apparatus according to the first aspect, wherein the first combustor for adding fuel to the air compressed by the compressor and burning it, and the air supplied to the first space Among them, a second combustor that adds and burns fuel to the remaining air that does not pass through the solid oxide oxygen separation membrane and burns into the first space is generated by the first combustor. The oxygen producing apparatus is configured to be supplied with air containing gas and supplied with air containing combustion gas generated by the second combustor to the turbine of the gas turbine engine.

請求項３に記載の発明は、請求項１、または、請求項２記載の酸素製造装置において、上記エゼクタ又は真空ポンプは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、及び、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を用いて駆動される酸素製造装置である。 According to a third aspect of the present invention, in the oxygen production apparatus according to the first or second aspect, the ejector or the vacuum pump includes the steam generated by the exhaust heat boiler of the gas turbine engine, and the first steam produced by the oxygen of the separated high temperature into second space is air separation unit that is driven by.

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の酸素製造装置において、上記エゼクタの駆動に使用された蒸気と上記第２空間から排出された酸素とが混合されている流体を、酸素と蒸気とに分離可能なコンデンサを有する酸素製造装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, in the oxygen production apparatus according to any one of the first to third aspects, the steam used for driving the ejector and the oxygen discharged from the second space are mixed. It is an oxygen production apparatus having a condenser capable of separating the fluid that has been separated into oxygen and steam.

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の酸素製造装置において、上記コンデンサで分離された酸素を圧縮可能な圧縮機を有する酸素製造装置である。   The invention according to claim 5 is the oxygen producing apparatus according to claim 4, further comprising a compressor capable of compressing oxygen separated by the condenser.

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の酸素製造装置において、上記圧縮機は、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動される酸素製造装置である。   According to a sixth aspect of the present invention, in the oxygen production apparatus according to the fifth aspect, the compressor includes steam generated by an exhaust heat boiler of the gas turbine engine, and high-temperature oxygen separated into the second space. It is an oxygen production apparatus driven using at least one of the steam produced | generated by.

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の酸素製造装置において、上記真空ポンプによって上記第２空間から吸引され上記真空ポンプから排出された酸素を圧縮可能な圧縮機を有する酸素製造装置である。 The invention described in claim 7 is the air separation unit as claimed in any one of claims 1 to 3, compressible oxygen discharged from the vacuum pump is sucked from the second space by the vacuum pump This is an oxygen production apparatus having a simple compressor.

請求項８に記載の発明は、請求項７記載の酸素製造装置において、上記圧縮機は、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動される酸素製造装置である。 The invention according to claim 8 is the oxygen production apparatus according to claim 7, wherein the compressor is generated by steam generated by an exhaust heat boiler of the gas turbine engine and high-temperature oxygen separated into the second space. It is an oxygen production apparatus driven using at least one of the generated steam.

請求項９に記載の発明は、ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造方法において、固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備している酸素分離膜ユニットの上記第１ 空間に上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を供給して上記第２空間へ酸素を分離する酸素分離段階と、エゼクタ又は真空ポンプを用いて上記第２空間を減圧する減圧段階とを有し、上記エゼクタ又は真空ポンプは、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を少なくとも用いて駆動される酸素製造方法である。 The invention according to claim 9 is an oxygen production method capable of producing high-purity oxygen using a gas turbine engine, comprising a first space and a second space partitioned by a solid electrolyte type oxygen separation membrane. An oxygen separation stage in which air compressed by the compressor of the gas turbine engine is supplied to the first space of the oxygen separation membrane unit, and oxygen is separated into the second space; and the second space using an ejector or a vacuum pump . possess a reduced pressure step of depressurizing the space, the ejector or vacuum pump is the least used driven Ru oxygen production method the generated steam by separated hot oxygen into the second space.

請求項１０に記載の発明は、請求項９記載の酸素製造方法において、上記酸素分離段階は、上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて第１の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を、上記酸素分離膜ユニットに供給して酸素を分離する段階であり、上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に燃料を加えて第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を用いて、上記ガスタービンエンジンのタービンを駆動している酸素製造方法である。 The invention according to claim 1 0, in the oxygen production method of claim 9, wherein the oxygen separation stage, combustion gas generated by the first combustion by adding fuel to the air compressed by the compressor Is supplied to the oxygen separation membrane unit to separate oxygen, and among the air supplied to the first space, the remaining air that does not pass through the solid oxide oxygen separation membrane is fueled. Is a method for producing oxygen in which the turbine of the gas turbine engine is driven using air containing combustion gas generated by performing second combustion.

請求項１１に記載の発明は、請求項９、または、請求項１０記載の酸素製造方法において、上記エゼクタ又は真空ポンプは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、及び、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を用いて駆動される酸素製造方法である。 The invention described in claim 1 1, claim 9, or in oxygen production method of claim 1 0, wherein the ejector or vacuum pump, steam generated by waste heat boiler of the gas turbine engine and, an oxygen production process that is driven by steam generated by the oxygen of the hot separated into the second space.

請求項１２に記載の発明は、請求項９乃至請求項１１のいずれか一に記載の酸素製造方法において、上記エゼクタに使用された蒸気と、上記第２空間から排出された酸素とが混合されている流体を、酸素と水とに分離する分離段階を有する酸素製造方法である。 The invention according to claim 1 2, in the oxygen production method according to any one of claims 9 to 11, and the steam used in the ejector, and oxygen discharged from the second space mixed It is an oxygen production method including a separation step of separating a fluid that has been separated into oxygen and water.

請求項１３に記載の発明は、請求項９乃至請求項１１のいずれか一に記載の酸素製造方法において、上記分離された酸素を圧縮する酸素圧縮段階を有する酸素製造方法である。 The invention according to claim 1 3, in oxygen production method according to any one of claims 9 to 11, an oxygen production process having an oxygen compression step of compressing the separated oxygen.

本発明によれば、ガスタービンエンジンと固体電解質型酸素分離膜とを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置において、高純度の酸素を効率良く製造可能であると共に、上記固体電解質型酸素分離膜への水の付着を防止することができるという効果を奏する。   According to the present invention, in an oxygen production apparatus capable of producing high purity oxygen using a gas turbine engine and a solid electrolyte oxygen separation membrane, high purity oxygen can be efficiently produced, and the solid electrolyte type There is an effect that the adhesion of water to the oxygen separation membrane can be prevented.

［第１の実施形態］
図1は、本発明の第１の実施形態に係る酸素製造装置３とこの酸素製造装置３が設けられているガスタービンエンジン１との概略構成を示すブロック図である。 [First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an oxygen production apparatus 3 according to a first embodiment of the present invention and a gas turbine engine 1 provided with the oxygen production apparatus 3.

酸素製造装置３は、ガスタービンエンジン１を用いて高純度の酸素を製造可能な装置であり、酸素分離膜ユニット５を備えている。また、ガスタービンエンジン１は、コンプレッサ７とこのコンプレッサ７に連動連結されているタービン９とを備えている。   The oxygen production device 3 is a device capable of producing high-purity oxygen using the gas turbine engine 1 and includes an oxygen separation membrane unit 5. The gas turbine engine 1 includes a compressor 7 and a turbine 9 that is linked to the compressor 7.

上記酸素分離膜ユニット５は、固体（固形）電解質型酸素分離膜（メンブレン）１１によって仕切られた第１空間（第１の部屋）１３と第２空間（第２の部屋）１５とを具備し、上記ガスタービンエンジン１のコンプレッサ７によって圧縮された高温の空気を上記第１空間１３に導入し、上記圧縮空気中に存在している酸素の一部を、上記固体電解質型酸素分離膜１１を用いて上記第２空間１５に分離可能なように構成されている。   The oxygen separation membrane unit 5 includes a first space (first room) 13 and a second space (second room) 15 partitioned by a solid (solid) electrolyte type oxygen separation membrane (membrane) 11. The high-temperature air compressed by the compressor 7 of the gas turbine engine 1 is introduced into the first space 13, and a part of the oxygen present in the compressed air is removed from the solid electrolyte oxygen separation membrane 11. And is configured to be separable into the second space 15.

なお、上記酸素分離膜ユニット５は、筐体１７を備え、この筐体１７によって外部とは仕切られた内部空間内に上記固体電解質型酸素分離膜１１が設けられ、上記内部空間内に、上記第１空間１３と上記第２空間１５とが形成されている。   The oxygen separation membrane unit 5 includes a housing 17, and the solid electrolyte type oxygen separation membrane 11 is provided in an internal space partitioned from the outside by the housing 17. A first space 13 and the second space 15 are formed.

上記固体電解質型酸素分離膜１１は、たとえば、固形電解質イオン伝導体膜（ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｉｏｎｉｃ）または、混合型伝導体膜（ｍｉｘｅｄ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｍｅｍｂｒａｎｅ）で構成されており、これらをセリック（ＳＥＬＩＣ）膜という場合がある。   The solid electrolyte type oxygen separation membrane 11 is composed of, for example, a solid electrolyte ionic conductor membrane or a mixed conductor membrane, which may be referred to as a SELIC membrane. is there.

そして、上記固体電解質型酸素分離膜１１の高酸素分圧側の表面（上記第１空間１３に接する面）では、Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−の反応がおこり、この反応によって生成された酸素イオン（２Ｏ２−）が、上記固体電解質型酸素分離膜１１内を通って上記固体電解質型酸素分離膜１１の低酸素分圧側の表面（上記第２空間１５に接する面）まで移動し、上記低酸素分圧側の表面で、２Ｏ２−→Ｏ２＋４ｅ−の反応がおこり、この反応によって生成された酸素（酸素分子）Ｏ２が、上記固体電解質型酸素分離膜１１の低酸素分圧側の表面（第２空間１５に接する面）から離反して、上記第２空間１５内に放出されるようになっている。 On the surface of the solid electrolyte type oxygen separation membrane 11 on the high oxygen partial pressure side (surface in contact with the first space 13), a reaction of O 2 + 4e − → 2O 2− occurs, and oxygen ions generated by this reaction (2O 2− ) moves through the solid electrolyte type oxygen separation membrane 11 to the surface on the low oxygen partial pressure side of the solid electrolyte type oxygen separation membrane 11 (surface in contact with the second space 15), and the low A reaction of 2O 2− → O 2 + 4e − occurs on the surface on the oxygen partial pressure side, and oxygen (oxygen molecule) O 2 generated by this reaction is the surface on the low oxygen partial pressure side of the solid electrolyte oxygen separation membrane 11. It is separated from the (surface in contact with the second space 15) and discharged into the second space 15.

また、上記固体電解質型酸素分離膜１１の低酸素分圧側の表面（上記第２空間１５に接する面）で生成された電子（４ｅ−）は、上記固体電解質型酸素分離膜１１内を通って上記固体電解質型酸素分離膜１１の高酸素分圧側の表面（上記第１空間１３に接する面）まで移動し、上記固体電解質型酸素分離膜１１の高酸素分圧側での酸素Ｏ２のイオン化に使用される。 Electrons (4e − ) generated on the surface of the solid electrolyte type oxygen separation membrane 11 on the low oxygen partial pressure side (the surface in contact with the second space 15) pass through the solid electrolyte type oxygen separation membrane 11. It moves to the surface on the high oxygen partial pressure side of the solid electrolyte type oxygen separation membrane 11 (the surface in contact with the first space 13), and ionizes oxygen O 2 on the high oxygen partial pressure side of the solid electrolyte type oxygen separation membrane 11 used.

すなわち、上記固体電解質型酸素分離膜１１の高酸素分圧側の表面から低酸素分圧側の表面に向かう方向に、酸素イオンが移動し、これとは逆方向、すなわち、低酸素分圧側の表面から高酸素分圧側の表面に向かう方向に電子が移動して、上記固体電解質型酸素分離膜１１の高酸素分圧側から低酸素分圧側へ（第１空間１３から第２空間１５へ）酸素が移動するものである。   That is, oxygen ions move in a direction from the surface on the high oxygen partial pressure side of the solid electrolyte type oxygen separation membrane 11 toward the surface on the low oxygen partial pressure side, and in the opposite direction, that is, from the surface on the low oxygen partial pressure side. Electrons move in the direction toward the surface on the high oxygen partial pressure side, and oxygen moves from the high oxygen partial pressure side of the solid electrolyte oxygen separation membrane 11 to the low oxygen partial pressure side (from the first space 13 to the second space 15). To do.

ガスタービンエンジン１のコンプレッサ７の下流側（コンプレッサ７と酸素分離膜ユニット５との間）には、上記コンプレッサ７によって圧縮された空気に燃料を加えて燃焼させる第１燃焼器１９が設けられており、上記酸素分離膜ユニット５の下流側（上記酸素分離膜ユニット５とタービン９との間）には、上記酸素分離膜ユニット５の上記第１空間１３に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜１１を通過しない残りの空気、すなわち、上記酸素分離膜ユニット５によって高純度の酸素（体積比で９９％以上の酸素で構成された気体）が分離されて酸素の割合が減少した空気に燃料を加えて燃焼させる第２燃焼器２１が設けられている。   A first combustor 19 is provided on the downstream side of the compressor 7 of the gas turbine engine 1 (between the compressor 7 and the oxygen separation membrane unit 5) to add fuel to the air compressed by the compressor 7 and burn it. In the downstream of the oxygen separation membrane unit 5 (between the oxygen separation membrane unit 5 and the turbine 9), the air supplied to the first space 13 of the oxygen separation membrane unit 5 is The remaining air that does not pass through the solid electrolyte type oxygen separation membrane 11, that is, the oxygen separation membrane unit 5 separates high-purity oxygen (a gas composed of oxygen of 99% or more by volume), and the proportion of oxygen is reduced. A second combustor 21 is provided that adds fuel to the reduced air and burns it.

そして、上記コンプレッサ７で圧縮された圧縮空気が上記第１燃焼器１９に供給され、上記第１燃焼器１９から排出された燃焼ガスを含む空気（たとえば、８５０℃〜９００℃であって体積比（分圧の比）で約１６〜１８％の酸素を含む空気）が、上記酸素分離膜ユニット５の第１空間１３に供給されて、酸素が上記第１空間１３から上記第２空間１５へ上記固体電解質型酸素分離膜１１を介して分離されるようになっている。   Then, the compressed air compressed by the compressor 7 is supplied to the first combustor 19 and contains the combustion gas discharged from the first combustor 19 (for example, 850 ° C. to 900 ° C. with a volume ratio). (Air containing oxygen of about 16 to 18% by (partial pressure ratio)) is supplied to the first space 13 of the oxygen separation membrane unit 5, and oxygen is transferred from the first space 13 to the second space 15. It is separated through the solid electrolyte type oxygen separation membrane 11.

また、上記第１空間１３から排出された空気（上記酸素分離膜ユニット５によって高純度の酸素が分離されて酸素の割合がたとえば約１３％〜１５％に減少した空気）が上記第２燃焼器２１に供給され、上記第２燃焼器２１から排出された燃焼ガスを含む空気（たとえば、１１００℃〜１４００℃であって体積比で約１１〜１３％の酸素を含む空気）が、上記タービン９に供給されて上記タービン９が回転する。   Further, the air discharged from the first space 13 (air in which high-purity oxygen is separated by the oxygen separation membrane unit 5 and the ratio of oxygen is reduced to, for example, about 13% to 15%) is the second combustor. The air containing the combustion gas supplied to 21 and discharged from the second combustor 21 (for example, air containing 111 to 13% by volume of oxygen at 1100 ° C. to 1400 ° C.) is converted into the turbine 9. And the turbine 9 is rotated.

なお、酸素分離膜ユニット５で純度の高い酸素を分離し、上記タービン９を回転駆動させることができるのであれば、上記各燃焼器１９、２１についての構成を変更してもよい。   Note that the configuration of each of the combustors 19 and 21 may be changed as long as high purity oxygen can be separated by the oxygen separation membrane unit 5 and the turbine 9 can be rotationally driven.

たとえば、上記各燃焼器１９、２１のうちいずれか一方の燃焼器を削除してもよい。   For example, one of the combustors 19 and 21 may be deleted.

また、たとえば、上記第２燃焼器２１を削除し、第１燃焼器１９から排出される燃焼ガスを含む空気の一部を上記酸素分離膜ユニット５に供給し、残りを上記タービン９に供給してもよい。この場合、上記酸素分離膜ユニット５に供給された空気は、酸素の一部が分離された後、上記タービン９に供給されるものとする。   Further, for example, the second combustor 21 is deleted, a part of the air containing the combustion gas discharged from the first combustor 19 is supplied to the oxygen separation membrane unit 5, and the rest is supplied to the turbine 9. May be. In this case, the air supplied to the oxygen separation membrane unit 5 is supplied to the turbine 9 after a part of oxygen is separated.

さらに、たとえば、上記第２燃焼器２１を削除し、コンプレッサから排出される圧縮空気の一部を上記酸素分離膜ユニット５に供給し、残りを上記第１燃焼器１９に供給し、上記第１燃焼器１９から排出される燃焼ガスを含む空気を上記タービン９に供給するようにしてもよい。この場合、上記酸素分離膜ユニット５に供給された空気は、酸素の一部が分離された後、上記第１燃焼器１９または上記タービン９に供給されるものとする。   Further, for example, the second combustor 21 is deleted, a part of the compressed air discharged from the compressor is supplied to the oxygen separation membrane unit 5, and the rest is supplied to the first combustor 19. Air including combustion gas discharged from the combustor 19 may be supplied to the turbine 9. In this case, the air supplied to the oxygen separation membrane unit 5 is supplied to the first combustor 19 or the turbine 9 after a part of oxygen is separated.

また、酸素製造装置３には、上記酸素分離膜ユニット５の上記第２空間１５の酸素を吸引して上記第２空間１５の酸素の分圧を減圧可能なエゼクタ２３が設けられていると共に、上記第２の空間１５と上記エゼクタ２３との間には、排熱ボイラ（上記第２空間１５へ分離された高温の酸素を用いて蒸気を生成する排熱ボイラ）３０が設けられている。   In addition, the oxygen production apparatus 3 is provided with an ejector 23 capable of sucking oxygen in the second space 15 of the oxygen separation membrane unit 5 and reducing the partial pressure of oxygen in the second space 15, An exhaust heat boiler (exhaust heat boiler that generates steam using high-temperature oxygen separated into the second space 15) 30 is provided between the second space 15 and the ejector 23.

上記排熱ボイラ３０を設けたことによって、上記第２空間１５へ分離された酸素を効率良く冷却することができる。   By providing the exhaust heat boiler 30, the oxygen separated into the second space 15 can be efficiently cooled.

上記エゼクタ２３は、図１に示すように、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ（上記ガスタービンエンジン１のタービン９を駆動するために使用された燃焼ガスを含む空気で蒸気を発生することができるボイラ）２４によって生成された蒸気（たとえば水蒸気）、上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気（たとえば水蒸気）で駆動するようになっている。   As shown in FIG. 1, the ejector 23 may generate steam with the exhaust heat boiler of the gas turbine engine 1 (air containing combustion gas used to drive the turbine 9 of the gas turbine engine 1). The boiler is capable of being driven by steam (for example, water vapor) generated by the waste heat boiler 30 and steam (for example, water vapor) generated by the exhaust heat boiler 30.

なお、上記各排熱ボイラ２４、３０で生成された蒸気の供給経路（図１に示されている蒸気の経路）を適宜変更し、上記排熱ボイラ３０によって生成された蒸気を少なくとも用いて上記エゼクタ２３を駆動する。更に、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気を用いて上記エゼクタ２３を駆動するようにしてもよい。 Incidentally, the supply path of each exhaust heat steam generated in the boiler 24, 30 (the path of the steam is shown in Figure 1) was appropriately changed, the steam generated by the upper Kihainetsu boiler 30 using at least The ejector 23 is driven. Furthermore, the ejector 23 may be driven using steam generated by the exhaust heat boiler 24 .

図２は、エゼクタ２３の概略構成を示す断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the ejector 23.

上記エゼクタ２３は、内部に空間２５を具備した筐体２７を備え、この筐体２７には、駆動流体（たとえば蒸気）を供給するための駆動流体供給孔２９と、流体（たとえば酸素）を吸入するための流体吸入孔３１と、流体（たとえば、蒸気と酸素とが混合された気体）を吐出するための流体吐出孔３３とが設けられている。   The ejector 23 includes a casing 27 having a space 25 therein. The casing 27 sucks fluid (for example, oxygen) and a driving fluid supply hole 29 for supplying a driving fluid (for example, steam). And a fluid discharge hole 33 for discharging a fluid (for example, a gas in which steam and oxygen are mixed).

また、上記駆動流体供給孔２９から上記筐体の内部空間２５にかけて、ノズル３５が設けられており、上記流体吐出孔３３には、ディフューザ３７が設けられている。なお、上記ノズル３５と上記ディフューザ３７とは、ほぼ同一直線状にそれぞれが延伸して設けられており、上記ノズル３５の出口３５Ａと上記ディフューザ３７の入口３７Ａとは互いが対向している。   A nozzle 35 is provided from the driving fluid supply hole 29 to the internal space 25 of the housing, and a diffuser 37 is provided in the fluid discharge hole 33. The nozzle 35 and the diffuser 37 are provided so as to extend in substantially the same straight line, and the outlet 35A of the nozzle 35 and the inlet 37A of the diffuser 37 face each other.

また、図１に示すように、上記駆動流体供給孔２９は、上記排熱ボイラ２４に接続されており、上記流体吸入孔３１は、排熱ボイラ３０を介して上記第２空間１５に接続されており、上記ディフューザ３７の出口３７Ｂは、コンデンサ３９に接続されている。   Further, as shown in FIG. 1, the driving fluid supply hole 29 is connected to the exhaust heat boiler 24, and the fluid suction hole 31 is connected to the second space 15 via an exhaust heat boiler 30. The outlet 37B of the diffuser 37 is connected to a capacitor 39.

なお、上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気を少なくともプロセス蒸気として使用する。更に、上記排熱ボイラ２４で生成された蒸気を、プロセス蒸気として使用してもよい。 The steam generated in the exhaust heat boiler 30 is used as at least process steam. Furthermore, the steam generated in the waste heat boiler 24, may be used as process steam.

上記駆動流体供給孔２９に、排熱ボイラ２４で生成された蒸気や上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気を供給すると、この蒸気が上記ノズル３５から吐出し、この吐出によるベンチェリ効果で、上記空間２５に負圧が発生し、この負圧によって、上記第２空間１５内の酸素を吸引することができるようになっている。   When the steam generated by the exhaust heat boiler 24 or the steam generated by the exhaust heat boiler 30 is supplied to the drive fluid supply hole 29, the steam is discharged from the nozzle 35. A negative pressure is generated in the space 25, and oxygen in the second space 15 can be sucked by the negative pressure.

また、上記筐体２７の内部空間２５内における上記ノズル３５の出口近傍で、上記駆動流体供給孔２９から供給された蒸気と上記流体吸入孔３１で吸引した酸素とが混合され、この混合された流体が上記ディフューザ３７を通って上記ディフューザの出口３７Ｂから吐出され、上記コンデンサ３９に供給されるようになっている。   Further, in the vicinity of the outlet of the nozzle 35 in the internal space 25 of the casing 27, the vapor supplied from the driving fluid supply hole 29 and the oxygen sucked in the fluid suction hole 31 are mixed and mixed. Fluid is discharged from the outlet 37B of the diffuser through the diffuser 37 and supplied to the capacitor 39.

なお、上記混合された流体の流速は、上記ディフューザ３７の出口３７Ｂよりも入口３７Ａのほうで速く、一方、上記混合された流体の圧力は、上記ディフューザ３７の入口３７Ａよりも出口３７Ｂのほうで高い。つまり、上記ディフューザ３７によって、上記混合された流体の速度が圧力に変換されるようになっている。   The flow rate of the mixed fluid is faster at the inlet 37A than the outlet 37B of the diffuser 37, while the pressure of the mixed fluid is higher at the outlet 37B than the inlet 37A of the diffuser 37. high. That is, the diffuser 37 converts the speed of the mixed fluid into pressure.

コンデンサ３９は、上記エゼクタ２３の駆動に使用された蒸気と、上記エゼクタ２３によって上記第２空間１５から排出された（吸引された）酸素とが混合されている流体（気体）を、酸素（たとえば気体状態の酸素）と蒸気（たとえば蒸気が液化した状態の水）とに分離可能なものである。   The condenser 39 generates a fluid (gas) in which the steam used for driving the ejector 23 and the oxygen discharged (sucked) from the second space 15 by the ejector 23 are mixed with oxygen (for example, It can be separated into gaseous oxygen) and steam (for example, water in a state where steam is liquefied).

なお、上記コンデンサ３９で分離された酸素は、圧縮機４１に送られて、この圧縮機４１で圧縮されるようになっている。上記圧縮機４１は、たとえば、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気（排熱ボイラ３０で生成された蒸気）で駆動するようになっている。より詳しく説明すると、上記蒸気で蒸気タービン４３を駆動しこの蒸気タービン４３で圧縮機４１を駆動するようになっている。   The oxygen separated by the condenser 39 is sent to the compressor 41 and compressed by the compressor 41. The compressor 41 includes, for example, steam generated by the exhaust heat boiler 24 of the gas turbine engine 1 and steam generated by high-temperature oxygen separated into the second space 15 (generated by the exhaust heat boiler 30). It is driven by steam. More specifically, the steam turbine 43 is driven by the steam, and the compressor 41 is driven by the steam turbine 43.

なお、上記エゼクタ２３を駆動する場合と同様に、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記排熱ボイラ３０によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方の蒸気を用いて、蒸気圧縮機４１を駆動するようにしてもよい。   As in the case of driving the ejector 23, the steam compressor 41 is made using at least one of the steam generated by the exhaust heat boiler 24 and the steam generated by the exhaust heat boiler 30. You may make it drive.

次に、酸素製造装置３の動作について説明する。   Next, the operation of the oxygen production apparatus 3 will be described.

ガスタービンエンジン１が稼動している状態において、ガスタービンエンジン１のコンプレッサ７によって圧縮された空気に燃料を加えて、第１燃焼器１９で第１の燃焼をさせている。   In a state in which the gas turbine engine 1 is operating, fuel is added to the air compressed by the compressor 7 of the gas turbine engine 1, and the first combustion is performed by the first combustor 19.

上記第１の燃焼によって発生した燃焼ガスを含む空気が、上記酸素分離膜ユニット５の第１空間１３に供給され、固体電解質型酸素分離膜１１を介して、第２空間１５へ、上記第１空間１３に存在している酸素の一部が分離されている。   Air containing combustion gas generated by the first combustion is supplied to the first space 13 of the oxygen separation membrane unit 5, and the first space 13 is passed through the solid electrolyte oxygen separation membrane 11 to the first space 15. A part of oxygen existing in the space 13 is separated.

上記酸素を分離しているときに、エゼクタ２３を用いて上記第２空間１５内を減圧している。すなわち、上記第２空間１５の酸素を吸引して上記第２空間１５の酸素の分圧を減じている
なお、上記エゼクタ２３は、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動されている。 When the oxygen is separated, the inside of the second space 15 is decompressed using the ejector 23. That is, oxygen in the second space 15 is sucked to reduce the partial pressure of oxygen in the second space 15. The ejector 23 is a steam generated by the exhaust heat boiler 24 of the gas turbine engine 1, It is driven using at least one of steam generated by high-temperature oxygen separated into the second space 15.

また、上記第１空間１３に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜１１を通過しない残りの空気を第２燃焼器２１に導き、この第２燃焼器２１で燃料を加えて第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を用いて、上記ガスタービンエンジン１のタービン９が駆動されている。   Of the air supplied to the first space 13, the remaining air that does not pass through the solid oxide oxygen separation membrane 11 is guided to the second combustor 21, and fuel is added by the second combustor 21. The turbine 9 of the gas turbine engine 1 is driven using the air containing the combustion gas generated by the second combustion.

また、上記エゼクタ２３に使用された蒸気と上記エゼクタ２３によって上記第２空間１５から排出された酸素とが混合されている気体が、コンデンサ３９で酸素と水とに分離され、分離された水が上記コンデンサ３９から排出され、分離された酸素が圧縮機４１に供給されている。   In addition, the gas in which the steam used in the ejector 23 and the oxygen discharged from the second space 15 by the ejector 23 are mixed is separated into oxygen and water by the condenser 39, and the separated water is Oxygen discharged and separated from the condenser 39 is supplied to the compressor 41.

そして、上記分離されて上記圧縮機４１に供給された酸素が、上記圧縮機４１によって圧縮され、たとえば、圧縮された酸素を蓄えることが可能な酸素貯蔵器に蓄えられる。   Then, the oxygen separated and supplied to the compressor 41 is compressed by the compressor 41 and stored in, for example, an oxygen storage capable of storing the compressed oxygen.

酸素製造装置３によれば、上記第２空間１５に蒸気が供給されているわけではなく、酸素分離膜ユニット５の上記第２空間１５（低酸素分圧側の空間）に存在している酸素をエゼクタ２３で吸引し上記第２空間１５内の酸素分圧を下げているので、効率良く純度の高い酸素を製造することができると共に、たとえば、上記酸素製造装置３の運転を停止しても、上記エゼクタ２３の駆動に使用している蒸気が上記第２空間１５に入り込むおそれがなく、上記固体電解質型酸素分離膜１１への水の付着を防止することができる。   According to the oxygen production apparatus 3, steam is not supplied to the second space 15, but oxygen present in the second space 15 (the space on the low oxygen partial pressure side) of the oxygen separation membrane unit 5 is used. Since the oxygen partial pressure in the second space 15 is reduced by being sucked by the ejector 23, high-purity oxygen can be produced efficiently. For example, even if the operation of the oxygen production apparatus 3 is stopped, There is no possibility that the steam used to drive the ejector 23 enters the second space 15, and water adhesion to the solid electrolyte oxygen separation membrane 11 can be prevented.

また、酸素製造装置３によれば、上記第２空間１５の減圧に、構成が簡素であるエゼクタ２３を用いているので、装置全体の構成が簡素になっている。   Moreover, according to the oxygen production apparatus 3, since the ejector 23 with a simple structure is used for decompression of the second space 15, the structure of the entire apparatus is simplified.

また、上記コンプレッサ７で圧縮された４００℃〜５００℃の圧縮空気に燃料を加えて上記第１燃焼器１９で燃焼させ、この燃焼で生成された燃焼ガスを含む８５０℃〜９００℃の空気を、８５０℃〜９００℃の温度で最も効率良く働く上記酸素分離膜ユニット５に供給するので、効率良く酸素を分離することができ、また、上記酸素分離膜ユニット５から出てきた空気に燃料を加えて上記第２燃焼器２１で燃焼させ、この燃焼で生成された燃焼ガスを含む１１００℃〜１４００℃の空気でタービン９を駆動するので、効率良く上記ガスタービンエンジン１を運転することができる。   Further, fuel is added to the compressed air of 400 ° C. to 500 ° C. compressed by the compressor 7 and burned by the first combustor 19, and the air of 850 ° C. to 900 ° C. containing the combustion gas generated by this combustion , The oxygen is supplied to the oxygen separation membrane unit 5 that works most efficiently at a temperature of 850 ° C. to 900 ° C., so that oxygen can be separated efficiently, and fuel is supplied to the air that has come out of the oxygen separation membrane unit 5. In addition, since the turbine 9 is driven by air at 1100 ° C. to 1400 ° C. containing the combustion gas generated by the combustion by the second combustor 21, the gas turbine engine 1 can be efficiently operated. .

また、エゼクタ２３の駆動を、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ２４によって生成される蒸気によって行うので、ガスタービンエンジン１を効率良く運転することができる。   Further, since the ejector 23 is driven by the steam generated by the exhaust heat boiler 24 of the gas turbine engine 1, the gas turbine engine 1 can be operated efficiently.

つまり、ガスタービンエンジン１のタービン９の回転力を上記第２空間１５を減圧するために用いてはいないので、ガスタービンエンジン１のタービン９の回転力を発電等の本来の目的に効率良く用いることができる。   That is, since the rotational force of the turbine 9 of the gas turbine engine 1 is not used to depressurize the second space 15, the rotational force of the turbine 9 of the gas turbine engine 1 is efficiently used for an original purpose such as power generation. be able to.

なお、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気に代えてまたは加えて上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を用いて、換言すれば、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって（高温の酸素とたとえばボイラを用いて）生成された蒸気の少なくとも一方を用いて上記エゼクタ２３を駆動するようにしてもよい。   In addition, in place of or in addition to the steam generated by the exhaust heat boiler 24, steam generated by high-temperature oxygen separated into the second space 15 is used, in other words, generated by the exhaust heat boiler 24. The ejector 23 may be driven using at least one of the generated steam and the steam generated by the hot oxygen separated into the second space 15 (using the hot oxygen and, for example, a boiler).

このように上記第２空間１５へ分離された高温の酸素で蒸気を生成すれば、上記第２空間１５へ分離された酸素の温度を下げることができ、上記第２空間１５へ分離された酸素の温度を下げる装置を別途設ける必要がなく、装置の構成を簡素化することができる。   If steam is generated with the high-temperature oxygen separated into the second space 15 as described above, the temperature of the oxygen separated into the second space 15 can be lowered, and the oxygen separated into the second space 15 can be reduced. It is not necessary to separately provide a device for lowering the temperature of the device, and the configuration of the device can be simplified.

また、酸素分離製造装置３によれば、コンデンサ３９を設けているので、エゼクタ２３（ディフューザ３７の出口３７Ｂ）から、蒸気を含んだ酸素が出てきても、蒸気と酸素とを分離することができ、酸素のみを得ることができる。   Moreover, according to the oxygen separation manufacturing apparatus 3, since the condenser 39 is provided, even if oxygen containing vapor comes out from the ejector 23 (the outlet 37B of the diffuser 37), the vapor and oxygen can be separated. Only oxygen can be obtained.

また、酸素製造装置３によれば、コンデンサ３９によって分離された酸素を圧縮機４１で圧縮するので、体積が減少することによって取り扱い容易になった酸素を得ることができる。   Moreover, according to the oxygen production apparatus 3, since the oxygen separated by the condenser 39 is compressed by the compressor 41, it is possible to obtain oxygen that is easy to handle by reducing the volume.

なお、上記圧縮機４１を、上記エゼクタ２３の場合と同様に、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動すれば、エゼクタ２３を用いた場合と同様に、ガスタービンエンジン１のタービン９の回転力を発電等の本来の目的に効率良く用いることができ、さらに、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を使用すれば、上記第２空間１５へ分離された酸素の温度を下げることができる。   The compressor 41 is made of steam generated by the exhaust heat boiler 24 of the gas turbine engine 1 and steam generated by high-temperature oxygen separated into the second space 15 in the same manner as the ejector 23. As with the case where the ejector 23 is used, the rotational force of the turbine 9 of the gas turbine engine 1 can be efficiently used for the original purpose such as power generation. If steam generated by high-temperature oxygen separated into the second space 15 is used, the temperature of the oxygen separated into the second space 15 can be lowered.

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る酸素製造装置３Ａとこの酸素製造装置３Ａが設けられているガスタービンエンジン１Ａについて説明する。 [Second Embodiment]
Next, an oxygen production apparatus 3A according to a second embodiment of the present invention and a gas turbine engine 1A provided with the oxygen production apparatus 3A will be described.

図３は、本発明の第２の実施形態に係る酸素製造装置３Ａとこの酸素製造装置３Ａが設けられているガスタービンエンジン１Ａとの概略構成を示すブロック図である。   FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of an oxygen producing apparatus 3A according to the second embodiment of the present invention and a gas turbine engine 1A provided with the oxygen producing apparatus 3A.

酸素製造装置３Ａは、エゼクタ２３とコンデンサ３９とが削除され、代わりに真空ポンプ４５を設け、この真空ポンプ４５で、酸素分離膜ユニット５の第２空間１５の酸素を吸引するようになっている点が、第１の実施形態に係る酸素製造装置３とは異なり、その他の点は、酸素製造装置３とほぼ同様に構成されている。なお、図３に示した各構成部品のうちで、第１の実施形態に係る構成部品と同じものには、図１の場合と同じ番号を付してある。   In the oxygen production apparatus 3A, the ejector 23 and the capacitor 39 are omitted, and a vacuum pump 45 is provided instead, and the oxygen in the second space 15 of the oxygen separation membrane unit 5 is sucked by the vacuum pump 45. The point is different from the oxygen production apparatus 3 according to the first embodiment, and the other points are configured in substantially the same manner as the oxygen production apparatus 3. Note that, among the components shown in FIG. 3, the same components as those according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIG.

すなわち、酸素製造装置３Ａは、ガスタービンエンジン１Ａを用いて高純度の酸素を製造可能な装置であり、酸素分離膜ユニット５を備えている。   That is, the oxygen production apparatus 3A is an apparatus that can produce high-purity oxygen using the gas turbine engine 1A, and includes the oxygen separation membrane unit 5.

より詳しく説明すると、コンプレッサ７によって圧縮された空気に燃料を加えて第１燃焼器１９で燃焼させ、上記第１燃焼器１９で生成された燃焼ガスを含む空気が上記酸素分離膜ユニット５の第１空間１３に供給され、上記酸素分離膜ユニット５の第２空間１５へ酸素が分離されるようになっている。   More specifically, fuel is added to the air compressed by the compressor 7 and burned by the first combustor 19, and the air containing the combustion gas generated by the first combustor 19 is the first of the oxygen separation membrane unit 5. The oxygen is supplied to the first space 13 and separated into the second space 15 of the oxygen separation membrane unit 5.

また、上記ガスタービンエンジン１Ａの排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気（上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気）を用いて真空ポンプ４５を駆動し、上記第２空間１５を減圧可能なように構成されている。なお、上記真空ポンプ４５は、たとえば、上記排熱ボイラ２４からの蒸気、上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気で蒸気タービン４７を駆動し、この蒸気タービン４７で駆動されるようになっている。 Further, steam generated by the exhaust heat boiler 24 of the gas turbine engine 1A and steam generated by high-temperature oxygen separated into the second space 15 ( steam generated by the exhaust heat boiler 30) are used. The vacuum pump 45 is driven so that the second space 15 can be decompressed. The vacuum pump 45 drives the steam turbine 47 with steam from the exhaust heat boiler 24 and steam generated by the exhaust heat boiler 30, for example, and is driven by the steam turbine 47. .

なお、上記第１の実施形態に係る酸素製造装置３と同様に、上記排熱ボイラ３０によって生成された蒸気を用いて、上記真空ポンプ４５を駆動する。更に、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気を用いて、上記真空ポンプ４５を駆動するようにしてもよい。
Note that the vacuum pump 45 is driven using the steam generated by the exhaust heat boiler 30 in the same manner as the oxygen production apparatus 3 according to the first embodiment . Furthermore, by using the steam generated by the waste heat boiler 24, may be driven to the vacuum pump 45.

また、上記第１空間１３に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜１１を通過しない残りの空気に燃料を加えて、第２燃焼器２１で燃焼させ、この第２燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が、上記ガスタービンエンジン１Ａのタービン９に供給されるように構成されている。   Further, of the air supplied to the first space 13, fuel is added to the remaining air that does not pass through the solid oxide oxygen separation membrane 11 and burned by the second combustor 21. This second combustor The air containing the combustion gas generated in is supplied to the turbine 9 of the gas turbine engine 1A.

さらに、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１５へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気（上記排熱ボイラ３０で生成された蒸気）を用いて、上記真空ポンプ４５によって上記第２空間１５から吸引され上記真空ポンプ４５から排出された酸素を、圧縮機４１で圧縮可能なように構成されている。   Further, the vacuum pump 45 is generated using steam generated by the exhaust heat boiler 24 and steam generated by high-temperature oxygen separated into the second space 15 (steam generated by the exhaust heat boiler 30). Thus, the oxygen sucked from the second space 15 and discharged from the vacuum pump 45 can be compressed by the compressor 41.

なお、上記第１の実施形態に係る酸素製造装置３と同様に、上記排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記排熱ボイラ３０によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方の蒸気を用いて、上記圧縮機４１を駆動するようにしてもよい。   As with the oxygen production apparatus 3 according to the first embodiment, using at least one of the steam generated by the exhaust heat boiler 24 and the steam generated by the exhaust heat boiler 30, The compressor 41 may be driven.

次に、酸素製造装置３Ａの動作について説明する。   Next, the operation of the oxygen production apparatus 3A will be described.

酸素製造装置３Ａは、酸素分離膜ユニット５の第２空間１５の酸素分圧を、真空ポンプ４５を用いて減じており、さらに、コンデンサで蒸気と酸素とを分離していない点が、上記第１の実施形態に係る酸素製造装置３とは異なり、その他の点は、酸素製造装置３とほぼ同様に動作する。   The oxygen producing apparatus 3A reduces the partial pressure of oxygen in the second space 15 of the oxygen separation membrane unit 5 using the vacuum pump 45, and further does not separate the vapor and oxygen with the condenser. Unlike the oxygen production apparatus 3 according to the first embodiment, the other points operate in substantially the same manner as the oxygen production apparatus 3.

すなわち、ガスタービンエンジン１Ａが稼動している状態において、ガスタービンエンジン１Ａのコンプレッサ７によって圧縮された空気に燃料を加えて、第１燃焼器１９で第１の燃焼をさせている。   That is, while the gas turbine engine 1A is operating, fuel is added to the air compressed by the compressor 7 of the gas turbine engine 1A, and the first combustor 19 causes the first combustion.

上記第１の燃焼によって発生した燃焼ガスを含む空気が、上記酸素分離膜ユニット５の第１空間１３に供給され、固体電解質型酸素分離膜１１を介して、第２空間１５へ、上記第１空間１３に存在している酸素の一部が分離されている。   Air containing combustion gas generated by the first combustion is supplied to the first space 13 of the oxygen separation membrane unit 5, and the first space 13 is passed through the solid electrolyte oxygen separation membrane 11 to the first space 15. A part of oxygen existing in the space 13 is separated.

上記酸素を分離しているときに、真空ポンプ４５を用いて上記第２空間１５内を減圧する。すなわち、上記第２空間１５の酸素を吸引して上記第２空間１５の酸素の分圧を減じている。   While separating the oxygen, the inside of the second space 15 is depressurized using the vacuum pump 45. That is, oxygen in the second space 15 is sucked to reduce the partial pressure of oxygen in the second space 15.

また、上記第１空間１３に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜１１を通過しない残りの空気を第２燃焼器２１に導き、この第２燃焼器２１で燃料を加えて第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を用いて、上記ガスタービンエンジン１のタービン９が駆動されている。   Of the air supplied to the first space 13, the remaining air that does not pass through the solid oxide oxygen separation membrane 11 is guided to the second combustor 21, and fuel is added by the second combustor 21. The turbine 9 of the gas turbine engine 1 is driven using the air containing the combustion gas generated by the second combustion.

また、酸素分離膜ユニットで分離されて上記真空ポンプ４５で吸引された酸素が、上記圧縮機４１に供給されて圧縮され、たとえば、圧縮された酸素を蓄えることが可能な酸素貯蔵器に蓄えられる。   Further, oxygen separated by the oxygen separation membrane unit and sucked by the vacuum pump 45 is supplied to the compressor 41 and compressed, for example, stored in an oxygen reservoir capable of storing compressed oxygen. .

酸素製造装置３Ａによれば、第１の実施形態に係る酸素製造装置３とほぼ同様の効果を奏すると共に、真空ポンプ４５で酸素を吸引しているので、吸引された酸素に蒸気が付加されることがなく、第１の実施形態に係る酸素製造装置３のように蒸気を分離するためのコンデンサを設置しなくても、純度の高い酸素を得ることができる。   According to the oxygen producing apparatus 3A, the same effect as the oxygen producing apparatus 3 according to the first embodiment is obtained, and oxygen is sucked by the vacuum pump 45, so that steam is added to the sucked oxygen. In addition, high-purity oxygen can be obtained without installing a condenser for separating steam as in the oxygen production apparatus 3 according to the first embodiment.

本発明の第１の実施形態に係る酸素製造装置とこの酸素製造装置が設けられているガスタービンエンジンとの概略構成を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an oxygen production apparatus according to a first embodiment of the present invention and a gas turbine engine provided with the oxygen production apparatus. エゼクタの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of an ejector. 本発明の第２の実施形態に係る酸素製造装置とこの酸素製造装置が設けられているガスタービンエンジンとの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the oxygen production apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, and the gas turbine engine provided with this oxygen production apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１、１Ａ ガスタービンエンジン
３、３Ａ 酸素製造装置
５ 酸素分離膜ユニット
７ コンプレッサ
９ タービン
１１ 固体電解質型酸素分離膜
１３ 第１空間
１５ 第２空間
１９ 第１燃焼器
２１ 第２燃焼器
２３ エゼクタ
２４ 排熱ボイラ
３９ コンデンサ
４１ 圧縮機
４３ 真空ポンプ 1, 1A Gas turbine engine 3, 3A Oxygen production apparatus 5 Oxygen separation membrane unit 7 Compressor 9 Turbine 11 Solid electrolyte type oxygen separation membrane 13 First space 15 Second space 19 First combustor 21 Second combustor 23 Ejector 24 Exhaust Heat boiler 39 Condenser 41 Compressor 43 Vacuum pump

Claims (13)

ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造装置において、
固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備し、上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を上記第１空間に導入し、上記圧縮空気中に存在している酸素を、上記固体電解質型酸素分離膜を用いて上記第２空間に分離可能な酸素分離膜ユニットと、
上記第２空間を減圧可能なエゼクタ又は真空ポンプと、
を有し、
上記エゼクタ又は真空ポンプは、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を少なくとも用いて駆動されることを特徴とする酸素製造装置。 In an oxygen production apparatus capable of producing high-purity oxygen using a gas turbine engine,
A first space and a second space partitioned by a solid electrolyte type oxygen separation membrane, wherein air compressed by a compressor of the gas turbine engine is introduced into the first space, and is present in the compressed air. Oxygen separation membrane unit capable of separating oxygen in the second space using the solid electrolyte oxygen separation membrane;
An ejector or a vacuum pump capable of depressurizing the second space;
I have a,
The ejector or vacuum pump, air separation unit, characterized in Rukoto driven the steam generated by the oxygen of the hot separated into the second space using at least. 上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて燃焼させる第１燃焼器と、
上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に、燃料を加えて燃焼させる第２燃焼器と、
を有し、上記第１空間へは、上記第１燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給され、上記ガスタービンエンジンのタービンへは、上記第２燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の酸素製造装置。 A first combustor for adding fuel to the air compressed by the compressor and burning it;
A second combustor that burns by adding fuel to the remaining air that does not pass through the solid oxide oxygen separation membrane among the air supplied to the first space;
The air containing the combustion gas generated in the first combustor is supplied to the first space, and the combustion gas generated in the second combustor is supplied to the turbine of the gas turbine engine. The oxygen production apparatus according to claim 1, wherein the oxygen production apparatus is configured to be supplied with air. 上記エゼクタ又は真空ポンプは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、及び、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を用いて駆動されることを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の酸素製造装置。 The ejector or vacuum pump, and wherein steam produced by the waste heat boiler of the gas turbine engine, and, to be driven by the steam generated by the oxygen of the hot separated into the second space The oxygen production apparatus of Claim 1 or Claim 2 to do. 上記エゼクタの駆動に使用された蒸気と上記第２空間から排出された酸素とが混合されている流体を、酸素と蒸気とに分離可能なコンデンサを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の酸素製造装置。 Claims 1 to characterized in that it has a fluid, capacitor separable into oxygen and steam and oxygen discharged from the steam which is used to drive the ejector and the second space are mixed The oxygen production apparatus according to any one of 3 . 上記コンデンサで分離された酸素を圧縮可能な圧縮機を有することを特徴とする請求項４記載の酸素製造装置。   5. The oxygen production apparatus according to claim 4, further comprising a compressor capable of compressing oxygen separated by the condenser. 上記圧縮機は、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動されることを特徴とする請求項５記載の酸素製造装置。   The compressor is driven using at least one of steam generated by an exhaust heat boiler of the gas turbine engine and steam generated by high-temperature oxygen separated into the second space. The oxygen production apparatus according to claim 5. 上記真空ポンプによって上記第２空間から吸引され上記真空ポンプから排出された酸素を圧縮可能な圧縮機を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の酸素製造装置。 The oxygen production apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising a compressor capable of compressing oxygen sucked from the second space by the vacuum pump and discharged from the vacuum pump. 上記圧縮機は、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて駆動されることを特徴とする請求項７記載の酸素製造装置。 The compressor is driven using at least one of steam generated by a waste heat boiler of the gas turbine engine and steam generated by high-temperature oxygen separated into the second space. The oxygen production apparatus according to claim 7 . ガスタービンエンジンを用いて高純度の酸素を製造可能な酸素製造方法において、
固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備している酸素分離膜ユニットの上記第１空間に上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を供給して上記第２空間へ酸素を分離する酸素分離段階と、
エゼクタ又は真空ポンプを用いて上記第２空間を減圧する減圧段階と、
を有し、
上記エゼクタ又は真空ポンプは、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を少なくとも用いて駆動されることを特徴とする酸素製造方法。 In an oxygen production method capable of producing high-purity oxygen using a gas turbine engine,
Air compressed by the compressor of the gas turbine engine is supplied to the first space of the oxygen separation membrane unit having a first space and a second space partitioned by a solid electrolyte type oxygen separation membrane, and the first space is supplied. An oxygen separation stage for separating oxygen into two spaces;
A decompression step of decompressing the second space using an ejector or a vacuum pump ;
I have a,
The ejector or vacuum pump, oxygen production method comprising Rukoto driven the steam generated by the oxygen of the hot separated into the second space using at least. 上記酸素分離段階は、上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて第１の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を、上記酸素分離膜ユニットに供給して酸素を分離する段階であり、
上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に燃料を加えて第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を用いて、上記ガスタービンエンジンのタービンを駆動していることを特徴とする請求項９記載の酸素製造方法。 The oxygen separation step is a step of supplying oxygen to the oxygen separation membrane unit by supplying air containing combustion gas generated by adding fuel to the air compressed by the compressor and causing the first combustion to separate oxygen. Yes,
Among the air supplied to the first space, using air containing combustion gas generated by adding fuel to the remaining air that does not pass through the solid oxide oxygen separation membrane and causing the second combustion to occur, The oxygen production method according to claim 9, wherein a turbine of the gas turbine engine is driven. 上記エゼクタ又は真空ポンプは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、及び、上記第２空間へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気を用いて駆動されることを特徴とする請求項９、または、請求項１０記載の酸素製造方法。 The ejector or vacuum pump, and wherein steam produced by the waste heat boiler of the gas turbine engine, and, to be driven by the steam generated by the oxygen of the hot separated into the second space claim 9 or oxygen process according to claim 1 0, wherein, for. 上記エゼクタに使用された蒸気と、上記第２空間から排出された酸素とが混合されている流体を、酸素と水とに分離する分離段階を有することを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか一に記載の酸素製造方法。 And steam which is used in the ejector, the fluid and discharging oxygen is mixed from the second space, claims 9 to and having a separation step of separating the oxygen and water 11 The oxygen manufacturing method as described in any one of these . 上記分離された酸素を圧縮する酸素圧縮段階を有することを特徴とする請求項９乃至請求項１２のいずれか一に記載の酸素製造方法。 The method for producing oxygen according to any one of claims 9 to 12, further comprising an oxygen compression step of compressing the separated oxygen.
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