JPH10297901A - ガスタービンと一体化させた固体電解質膜を使用して酸化生成物を製造し且つ動力を発生させるための方法 - Google Patents

ガスタービンと一体化させた固体電解質膜を使用して酸化生成物を製造し且つ動力を発生させるための方法

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JPH10297901A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 動力を発生させるためのタービンと連係して
酸化生成物を製造する方法を提供する。 【解決手段】 この方法は、圧縮され加熱された酸素含
有ガス流れを膜反応器において少なくとも１個の固体電
解質酸素選択性イオン輸送膜と接触させることを包含す
る。反応体が反応器に送給されてそこから酸化生成物が
生成される。反応器からの酸素減少保持流れはガスター
ビン燃焼器に加えられそしてガスタービンで燃焼されて
動力を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンと一
体化させた固体電解質イオン又は混成導体膜を使用して
酸化生成物を製造し且つ動力を発生させるための方法に
関する。特に、本発明は、ガスタ−ビンと一体化させた
固体電解質イオン又は混成導体膜を使用して合成ガスを
製造し且つ動力を発生させるための方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】動力を発生させるためのガスタ−ビン系
では、供給空気は、その温度を高めるために反応体と共
に圧縮されて燃焼され、しかる後に動力を発生するため
にタ−ビンを通して膨張される。これらのガスタ−ビン
系のいくらかには酸素生成装置が結合され、しかして酸
素は増加したコストで製造される。また、ガスタ−ビン
動力系には追加的な動力を発生させるための動力発生系
が組み合わされており、この場合には膨張した熱ガスを
使用してスチームを発生させることもできる。
【０００３】酸素製造装置の１つのタイプでは、固体電
解質イオン輸送膜が利用される。イオン輸送系は、ガス
タービン系の圧縮器排出口よりもかなり高い約５００℃
〜約１２００℃の温度で操作されるが、この操作温度は
まれに３７５℃に達する。
【０００４】現在、開発中の固体電解質イオン輸送膜に
は２つのタイプがある。それらは、膜を通してイオンだ
けを導くイオン導体と、膜を通してイオン及び電子の両
方を導く混成導体とを包含する。混成導体特性を示すイ
オン輸送膜は、イオンだけを導く導体の場合に必要な応
用電界又は外部電極を必要としないで膜を横切って酸素
のある分圧比を受けると酸素を輸送することができる。
本明細書において用語「固体電解質イオン輸送膜」又は
単なる「固体電解質」若しくは「イオン輸送膜」を使用
するときには、それは、特に記していなければイオンタ
イプ（電気作動）系又は混成導体タイプ（圧力作動）系
を使用するどちらかの系を表わすのに使用される。
【０００５】混成導体は、酸素イオンの選択的輸送のた
めの伝導部位を提供する移動酸素イオン空所を高められ
た温度で含有する物質である。この輸送は、酸素活性度
の比率、即ち、膜を横切る酸素分圧（ｐ02）によって推
進される。というのは、酸素イオンは、高い方の酸素分
圧の側から低い方の酸素分圧の側に流れるからである。
酸素イオンへの酸素分子のイオン化は、膜のカソード側
（又は保持帯域）で行なわれる。酸素イオンは膜の透過
帯域で再結合して電子を放出する。イオン伝導性のみを
示す物質では、電解質の表面に外部電極が置かれ、そし
て電子は外部回路にあるカソードに戻される。混成伝導
性物質では、電子はカソ−ドの内部に輸送され、かくし
て回路が完成されそして外部電極の必要性が回避され
る。透過した酸素と燃料との反応は、表面上で又はアノ
−ド側（又は透過帯域）において凝集相よりもむしろ境
界層で行なわれると考えられている。
【０００６】炭素質供給原料にかかわる部分酸化反応
（ＰＯx ）は、合成ガスを製造するための通常の方法で
ある。また、部分酸化は、エチレンオキシド、アクリロ
ニトリル及び他の化学物質を製造するためにも使用され
る。一酸化炭素及び水素からなある合成ガスは価値ある
工業ガスであって、しかも、アンモニア、アルコール
（メタノール及びそれより高級の炭素のアルコールを含
めて）、合成燃料、アルデヒド、エーテル等を含めた化
学物質を製造するための重要な前駆物質である。通常、
部分酸化又はスチームリホ−ミング反応によって合成ガ
スを製造するには、天然ガス、石炭、ナフサ及び燃料油
を含めた供給原料が使用される。更に、部分酸化反応
は、次のように表わされることができる。Ｃm Ｈn ＋
ｍ／２ Ｏ2 ＝ｍＣＯ＋ｎ／２ Ｈ2 （ここで、Ｃm Ｈ
n は炭化水素供給原料である）。僅かな程度まで、スチ
ームリホーミングも行なわれる可能性があるが、これは
次のように表わされる。Ｃm Ｈn ＋ｍＨ2 Ｏ＝ｍＣＯ＋
（ｍ＋ｎ／２）Ｈ2 （ここで、Ｃm Ｈn は炭化水素供給
原料である）。
【０００７】従来のＰＯx 法では、典型的には１００℃
よりも低い温度で操作される慣用ガス分離法（例えば、
圧力スイング吸着、極低温蒸留）によって生成された酸
素分子がしばしば使用される。ＰＯx それ自体では典型
的には８００℃以上の高い操作温度が要求されるので、
部分酸化反応と慣用酸素分離との間の一体化は、従来の
方法によっては実現されていない。その結果、従来の部
分酸化は、低い供給原料転化率、低い水素対一酸化炭素
比、並びに低い水素及び一酸化炭素選択率によってしば
しば特徴づけられている。加えて、部分酸化反応で典型
的に要求される外部酸素供給は、投下資本や操作コスト
を有意に増加させ、これは全合成ガス製造コストの４０
％ほどになる場合がある。
【０００８】マザネク氏他の米国特許５１６０７１３及
び５３０６４１１には電気化学的反応器においてＰＯx
用の固体電解質膜を使用することが開示されているが、
しかしこれらの特許のいずれも、ガスタービン系の相乗
的使用と連係して酸化生成物を製造する方法を開示して
いないことに注目すべきである。
【０００９】イオン輸送膜系の最も魅力のある特徴のう
ちの２つは、酸素輸送に対する膜の無限の選択性と、透
過した酸素が燃料ガスと反応するときの場合のように１
よりも大きい酸素分圧比が存在する限り酸素を低圧流れ
から高圧流れに輸送するその能力である。本発明の目的
に対して、酸素イオンを輸送するイオン輸送膜物質は、
酸素含有ガス混合物からの酸素の分離に対して有用であ
ると認められる。酸素イオンを輸送するのに有能な膜材
料の種類については、１９９５年６月１４日付け出願の
「ガスタービンと一体化した固体電解質膜を使用して酸
素を製造し且つ動力を発生させる方法」と題する米国特
許出願０８／４９０３６２及び同時に出願された「固体
電解質膜を使用する水素の製造法」と題する米国特許出
願に記載されている。
【００１０】米国特許出願０８／４９０３６２には、動
力発生系が到達する高い燃焼温度を利用して酸素製造系
をそれらの両方の系について受け入れできる操作温度で
運転するための方法が記載されている。また、この出願
は、酸素及び動力の両方を生成物として効率的に生成す
る方法も開示している。米国特許５５１６３５９、５５
６２７５４、５５６５０１７及びヨーロッパ特許公告６
５８３６６では、ガスタービンと一体化された方法で酸
素が製造されている。
【００１１】ガスタービンの動力発生能と連係して他の
化学ガス生成物を製造するためにイオン輸送系を効果的
に使用することは、これまで実現されていなかったと信
じられる。空気分離装置をガスタービン系と一体化させ
る概念は知られているけれども、イオン輸送性酸素分離
膜が一体化されたガスタービン系と連係して酸素生成物
を製造するところの空気分離装置の間でエネルギー一体
化の相乗的使用が行なわれていたとは思われない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、合成ガスのような酸化生成物を製造するイオン輸送
膜反応器を動力発生系と一体化して動力及び酸化生成物
の両方を生成するために該反応器を効率的に利用するた
めの改良法を提供することである。
【００１３】本発明の他の目的は、固体電解質膜を使用
して合成ガスのような酸化生成物が製造されるような相
乗的態様で、ガスタ−ビン燃焼器に供給原料を供給する
ためにイオン輸送系からの高温ガス排出物を相乗的に利
用することである。
【００１４】本発明の他の目的は、イオン輸送膜反応器
から出る酸素減少保持ガスを動力発生系に供給すること
によってそれを効率的に利用する方法を提供することで
ある。
【００１５】本発明の他の目的は、イオン輸送膜反応器
において合成ガスのような酸化生成物を製造するために
酸素透過ガスと反応体（及び、随意成分としての調整
剤）との組み合わせを効率的に利用する方法を提供する
ことである。
【００１６】本発明の更に他の目的は、動力発生系が到
達する高い燃焼温度を利用して動力を発生させ、且つイ
オン輸送膜反応器においてイオン輸送を促進させるプロ
セス系を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】発明の概要 本発明は、動力を発生させるためのガスタ−ビン系と連
係して合成ガスのような酸化生成物を製造するための方
法を包含する。この方法は、圧縮され加熱された酸素含
有ガス流れ（典型的には空気）を反応器において少なく
とも１個の固体電解質酸素イオン輸送膜と接触させるこ
とを包含する。この反応器は、膜によって分離された保
持帯域と透過帯域とを有し、ここで酸素の少なくとも一
部分は膜を横切って保持帯域から透過帯域に輸送されて
透過流れと酸素減少保持流れとを生成する。炭化水素の
ような反応体が透過帯域に送られて透過した酸素と反応
し、かくして酸化生成物を生成する。酸素減少保持流れ
はガスタ−ビン燃焼器に加えられ、ここでそれは燃料と
の燃焼反応によって加熱されて燃焼した酸素減少ガス流
れを形成し、これは、ガスタ−ビン燃焼器から回収され
そして動力を発生させるためにタ−ビン膨張器で膨張さ
れる。
【００１８】別の具体例では、動力を発生させるための
タ−ビンと連係して実質上硫黄を含まない合成ガスが生
成される。圧縮され加熱された酸素含有ガス流れは、膜
反応器において少なくとも１個の固体電解質酸素選択性
イオン輸送膜と接触される。この反応器は、膜によって
分離された供給帯域と透過帯域とを有し、ここで酸素の
少なくとも一部分は膜を横切って供給帯域から透過帯域
に輸送されて透過流れと酸素減少保持流れとを生成す
る。スチ−ム及び有機燃料が透過帯域に送られて透過し
た酸素と反応して合成ガスを生成する。この合成ガスは
酸性ガス除去器に送られ、かくして硫黄を回収して実質
上酸素を含まない合成ガスを生成する。酸素減少保持流
れはガスタ−ビン燃焼器に供給され、そしてガスタ−ビ
ン燃焼器から回収される燃焼された酸素減少ガス流れは
タ−ビン膨張器で膨張されて動力を発生する。
【００１９】好ましい具体例では、ガスタ−ビン空気圧
縮器から圧縮された酸素含有ガス流れが抜き出される。
この方法は、更に、タービンから膨張した酸素減少ガス
流れを取得しそしてその膨張した酸素減少ガス流れから
熱を回収することを包含する。反応体含有ガス流れを膜
に接触させる前にそれに調整剤が添加される。
【００２０】本発明の他の目的、特徴及び利益は、当業
者には好ましい具体例及び添付図面についての以下の説
明から明らかになるであろう。
【００２１】
【発明の実施の形態】発明の具体的な説明 本発明は、部分酸化反応によって発生された熱を使用し
てガスタ−ビンから動力を発生させるのに要求されるエ
ネルギーの少なくとも一部分を提供することによって達
成することができる。リーン空気（酸素減少保持ガス）
は、部分酸素反応からイオン輸送膜を横切って伝導され
る熱エネルギーによって加熱される。加熱されたリ−ン
空気は次いでガスタ−ビン系に導入されて化学反応から
の熱を機械的エネルギーに変換し、これに対して酸化生
成物はイオン輸送膜の透過帯域で生成される。
【００２２】本発明は、イオン輸送膜部分酸化反応器
（分離器）系とガスタ−ビンとの組み合わせを一体化す
るものである。部分酸化は反応器における主反応であ
り、そして高度に発熱性である。吸熱反応であるスチ−
ムリホ−ミング反応も行なわれ得るが、しかし少量であ
るのが好ましい。本発明は、合成ガスのような酸化生成
物の製造、並びに限定するものではないが、メタノー
ル、アンモニア及び尿素を含めた多数の他の化学物質の
製造、又は化学、石油化学及び精製産業で使用するため
の水素及び／又は一酸化炭素の製造に係るものである。
【００２３】用語「保持帯域」を使用するときには、そ
れは、イオン輸送膜反応器内において反応器壁、ガス入
口／出口及びイオン輸送膜によって定められる領域であ
って、酸素含有ガス（一般には供給空気）が横に移動し
そこから酸素が膜を横切って別個の領域に入るような領
域と定義される。保持帯域において得られるガス流れ
は、酸素が少なくとも一部分減少されている。
【００２４】用語「透過帯域」を本明細書において使用
するときには、それは、イオン輸送膜反応器内の領域で
あって、保持帯域から酸素がイオン輸送膜を横切って移
動するところの領域を意味する。イオン輸送膜の極酸素
選択性の故に、透過帯域の膜から出る生成ガスは純酸素
である。
【００２５】用語「酸化生成物」を本明細書において使
用するときには、それは、反応器の透過帯域内で部分的
に又は完全に酸化された生成物を意味する。
【００２６】本発明の種々の具体例は、ある種の既に存
在する部材を有する系の改良変更又は既存のガスタ−ビ
ン設計内での組み込みに向けられていることに注目され
たい。合成ガスのような酸化生成物の製造に且つ／又は
予備タ−ビン燃焼に対して必要な酸素を供給するために
補充的酸素含有ガス及び補充的ガス圧縮器及び／又は中
間冷却装置が使用される。
【００２７】本発明の方法は、ここに記載した系に対し
て種々の変更修正をなして使用することができる。図１
は、その一般的な具体例を示す。図１の系１００で示さ
れるように、酸素含有ガス流れ１０５は、ガス反応器１
１５の保持帯域１０１を通る。ガス反応器１１５は、少
なくとも１個の固体電解質イオン輸送膜１０３を含む。
反応器１１５はガスタ−ビン系１５０と一体化される。
ガスタ−ビン系１５０は、ガス圧縮器１３０、ガスタ−
ビン燃焼器１４０及びガスタ−ビン１２０から構成され
る。反応器１１５を通る酸素含有ガス流れ１０５の保持
部分は、酸素減少保持ガス流れ１１２として出る。この
流れは、ガスタ−ビン燃焼器１４０に向けられる。
【００２８】反応体流れ１１０は、固体電解質イオン輸
送膜１０３を横切って透過帯域１０２に入った酸素透過
ガスと合流し、しかしてそこから部分酸化生成物流れ１
２５として出る。
【００２９】１つの具体例では、加熱器１１１は熱交換
器であり、そして部分酸化生成物流れ１２５（１２５
ａ）と随意としての流れ１１２とが熱交換器１１１を通
される。部分酸化生成物流れ１２５は随意に熱交換器１
１１を通過して、より冷たい部分酸化生成物流れ１２７
として出る。
【００３０】好ましい具体例では、部分酸化生成物流れ
１２５は、圧縮器１３０を通って圧縮された酸素含有ガ
ス流れ１３５として出る酸素含有ガス流れ１２８から誘
導される。流れ１３５の第一部分１３４は加熱器１１１
を通り、かくして反応器１１５に入る前に加熱され圧縮
された酸素含有ガス流れ１０５を生成し、そして随意に
流れ１３５の第二部分１３６はガスタ−ビン燃焼器１４
０に向けられる。圧縮された酸素含有ガス流れ１３５の
一部分１３６はガスタ−ビン燃焼器１４０に入り、そし
て酸素減少ガス流れ１１２も入る。燃焼生成物及び酸素
減少ガスを含有する圧縮された流れ１３７は、軸１４２
によって圧縮器１３０を駆動させる他に動力１４５を発
生させるためにタ−ビン１２０に向けられる。ガスタ−
ビン１２０からタ−ビン排出物１３９が出るが、これ
は、随意に廃棄物として、又はスチームサイクルに、或
いは当業者に知られた他の用途に送られることができ
る。
【００３１】膜物質から還元（アノ−ド）側への酸素の
損失による膜物質の有意の劣化を回避するために反応器
の膜部材の温度上昇を約１２５０℃好ましくは１１００
℃に制限することが重要である（材料技術の現状におい
て）。これは、部分酸化反応の発熱を吸熱性スチ−ムリ
ホ−ミング反応及びイオン輸送反応器への供給ガスの温
度上昇からの顕熱と平衡させることによって達成するこ
とができる。この考慮事項は、系を通る酸素含有ガスの
質量流れを最大限にするのを有利にすることができる。
膜部材温度（これは７００〜８００℃よりも高くされる
べきである）の過度の低下を回避するために反応器の内
部熱伝達設計に特別の考慮が払われる。この設計は、反
応器部材と酸素含有ガスとの間の温度差が小さい場合に
は高い熱伝達係数、そしてその温度差が大きい場合には
低い熱伝達係数を提供しなければならない。典型的に
は、流体流れの流入温度は３００℃〜７００℃にすべき
である。
【００３２】図２の系２１０では、イオン輸送膜を収容
する反応器２０５は、本発明に従って合成ガス製造及び
動力発生のためにガスタ−ビンと一体化される。圧縮さ
れたガス流れは、イオン輸送膜段階からの排出物に対し
て向流流れで熱交換器を通すことによって加熱される。
付設されたランキン（Rankine ）動力発生器らの水源が
合成ガスに接して間接的熱交換によって加熱され、これ
によってスチ−ムが発生され、ここでこのスチ−ムはラ
ンキン動力発生器での熱の更なる付加及びその後のスチ
−ムタ−ビンの付勢のためにランキン動力発生器に再循
環して戻される。
【００３３】この具体例では、酸素含有ガス流れ２０１
は圧縮器２０２によって圧縮され、しかして圧縮された
酸素含有ガス２０９が形成される。空気流れ２０９の一
部分２０６は、燃焼器２０８に直接供給される。
【００３４】一般には、ガスタ−ビン系を操作するには
有意容量の圧縮ガスが必要とされる。本発明において使
用したときには、ガスタ−ビンを操作するのに供給され
る圧縮された酸素含有ガスの量とは、圧縮された酸素含
有ガス全体の約９５％までの範囲に及ぶものである。
【００３５】ガスタ−ビン系がその最大出力又は効率で
作動するように反応器２０５で合成ガス生成を支持する
のに十分な酸素含有ガスを維持するために、追加的な酸
素含有ガスが使用される。補充的酸素含有ガス２０３が
圧縮器２０４を介して供給され、しかして圧縮された補
充的酸素含有ガス２５４が形成される。この圧縮された
補充的酸素含有ガス流れ２５４に圧縮された酸素含有ガ
ス流れ２０６の一部分２１２が合流され、かくして圧縮
された酸素含有ガス流れ２５１を生成する。
【００３６】既存のガスタ−ビン設計では補充的酸素含
有ガスが一般的に使用されることに留意されたい。これ
は、既存の設計では反応器２０５内の反応を維持するの
に十分な酸素含有ガスの源が含まれない場合があるから
である。本発明の方法に対して設計されたガスタ−ビン
では、十分な酸素含有ガスが提供されそして補充的酸素
含有ガスは必要とされない。
【００３７】ガス流れ２５１は、熱交換器２１１におい
て反応器２０５からの熱い生成物の流れに接して加熱さ
れる。熱交換器２１１から出た後に、加熱され圧縮され
たガス流れ２７０は、約３００〜約８００℃好ましくは
約４００〜約６５０℃の範囲にある温度を有する。反応
器２０５で要求される高温操作には、圧縮された酸素含
有ガス流れ２７０の更なる加熱が要求される場合があ
る。このことは、スチ−ムリホ−ミング反応を最大限に
し且つ合成ガス用の高い水素：一酸化炭素比を達成する
のに有意な量のスチ−ムが反応器に供給される場合に特
に言える。
【００３８】加熱され圧縮された酸素含有ガス流れ２７
０は次いで燃焼器２２９に入り、しかして燃焼され圧縮
されたガス流れ２５０を生成し、そしてこれは燃焼器２
２９から出て反応器２０５の保持帯域２９８に入る。こ
の時、燃焼器２２９から出る燃焼され圧縮されたガス流
れは、それが反応器２０５の保持帯域２９８に入るとき
にイオン輸送を生じるのに十分なだけ熱い。保持帯域２
９８では、酸素は、典型的には、流れ２５０中に含有さ
れる酸素の約２％〜約５０％の範囲内でガス流れ２５０
から除去される。反応器２０５への供給流れは、先に記
載したガスタ−ビンに流入する供給物のその百分率比内
にすべきである。イオン輸送膜２９７を通して分離され
る生成した酸素は、反応器２０５の透過帯域２９８内で
反応体２２５及びスチ−ム２３１と反応される。
【００３９】反応体２２５は、反応器２０５への供給に
先立って熱交換器２１１において加熱される。反応体２
２５は、酸素ガスと合流して合成ガスを生成することが
できる任意の炭化水素反応体であってよい。好ましく
は、反応体は、メタン、エタン又はプロパンのような短
鎖飽和炭化水素である。
【００４０】スチ−ム２３１は、酸素ガス及び反応体を
使用して水性ガス転化反応によって合成ガスを製造する
ための温度及び反応条件を最適化するための調整剤とし
て働く。流れ２３１は、反応器２０５への供給に先立っ
て熱交換器２１１を通して更に予熱される。
【００４１】反応器２０５において、圧縮されたガス流
れ２５０から酸素がイオン輸送膜２９７を通して除去さ
れる。透過した酸素は、次いで、反応器２０５の透過帯
域２９９において反応体２２５及びスチ−ム２３１と反
応される。
【００４２】反応体２２５及びスチ−ム２３１は準備さ
れ予熱されてから透過帯域２９９で反応される。合成ガ
ス生成物２１３は、透過した酸素と反応体２２５及びス
チーム２３１との反応によって生成される。
【００４３】合成ガス生成物２１３は、反応器２０５の
透過帯域２９９にある透過した酸素ガスと、反応器２０
５の透過帯域２９９に入る反応体２２５及びスチーム２
３１との反応によって生成される。反応器２０５を出る
生成した生成物は一般には約５００℃〜約１２００℃の
膜操作温度範囲間にある熱い合成ガス２１３であり、そ
して約９００℃〜約１１００℃の温度範囲がより好まし
い。膜温度は、一体的な反応熱及び反応器内部のガス流
れの温度上昇から誘導される顕熱を平衡化することによ
って約５００〜１２００℃に維持される。対応する米国
特許出願と同時に出願された「一体化した固体電解質イ
オン導体分離器−冷却器」と題する米国特許出願及び
「固体電解質イオン導体反応器の設計」と題する米国特
許出願を参照されたい。
【００４４】合成ガス生成物２１３は、反応器２０５か
ら高い温度で出る。系２１０において合成ガス生成物２
１３からの熱エネルギーを他の熱受領部材に伝達するの
に多数の装置を使用することができる。合成ガス流れ２
１３の温度は、随意に、従来の装置において熱伝達のた
めに通常制御しやすい温度で合成ガス流れ２１８を形成
するための急冷剤２６５を使用することによって初期に
低下させることができる。急冷剤２６５は好ましくは水
であるが、しかし当業者に知られた任意の冷却剤であっ
てよい。合成ガス流れ２１８は、次いで、水流れ２４１
がスチーム２４２に転化されて合成ガス流れ２１９を形
成するように水流れ２４１と接してボイラー装置２１６
を通される。合成ガス流れ２１９は、合成ガス流れ２１
９が圧縮された酸素含有ガス流れ２５１、反応体２２
５、及び熱交換器２１１において調整剤ガス流れ２３１
として出るスチーム２４２の一部分に対して熱を伝達す
るのに十分な熱を保持する。得られた合成ガス流れ２２
０の温度は、更に他の熱伝達装置２１７において水２６
１にエネルギーを伝達するのに十分なだけ高く、かくし
て最終の合成ガス粗生成物２２７が生成されそして冷た
い水２６１の温かい水２４１への変換が行なわれる。
【００４５】反応器２０５の保持帯域２９８から圧縮さ
れた酸素減少保持排出ガス流れ２２２が出るが、これ
は、タービン燃焼器２０８に送られる。タービン燃焼器
２０８は、反応器２０５の操作温度をタービン２１５の
それから相互作用を断つ。加熱された酸素減少圧縮ガス
流れ２４７が燃焼器２０８から出て膨張タービン２１５
に入り、かくして正味の動力２３０を生じる。発生器に
よって電力を発生させ又は圧縮器のような他の装置を付
勢させるのに軸動力を使用することができる。
【００４６】随意として、膨張した酸素減少ガス流れ２
１４によってランキン動力発生サイクルが作動される。
熱いガス流れ２１４は複数の熱交換器２３４、２３６及
び２４５に入り、かくして沸騰するガス流れ２３５、温
かいガス流れ２４４及び廃ガス流れ２２４をそれぞれ生
成する。
【００４７】ポンプ２２１は、補給水２３９及び凝縮器
２２３からの水２３８からなる水２４０を熱交換器２４
５、２３６及び２３４に順次強制送りして、ガスタービ
ン２１５から出る膨張した酸素減少ガス流れ２１４と接
触させる。この具体例では、モーターで推進される水２
４０は複数の熱交換器２４５、２３６及び２３４を通
り、かくしてそれぞれ流れ２５５、２５６及び位２５８
として出る。スチームタービン２６０にスチーム２５８
を供給すると、発電機又は圧縮器のような動力を必要と
する他の装置を駆動させると共に、給水ポンプ２２１に
供給するための正味の動力２５９が発生される。凝縮器
２２３は、スチーム２３７を水２３８に変える。
【００４８】水２４０の一部分は、熱交換器２４５に入
る前に分岐して水流れ２６１を形成し、そして熱交換器
２１７を経て熱い合成ガス流れ２２０に接して加熱さ
れ、かくして熱交換器２１７から水流れ２４１として出
る。熱交換器２１６において水流れ２４１を合成ガス流
れ２１３と接して更に加熱すると、それはスチーム２４
２として出る。
【００４９】スチーム２４２は、熱交換器２１１におい
て合成ガス流れ２１９に接して更に加熱され、かくして
過熱スチーム２３１として出る。これは、反応器２０５
の透過帯域２９９において透過酸素及び反応体２２５と
反応させるための調整剤である。より多くの酸素を含有
するガスを燃焼器に供給するために酸素含有ガス流れ２
０６の一部分が燃焼器２０８に供給されるのが好まし
い。
【００５０】図２の別の具体例において、影像で且つ破
線によって示されるように、中間冷却器２３３及び圧縮
器２０７が設けられる。ガス流れ２５１は、圧縮器２０
７に入る前にガスを冷却して圧縮器動力を減少させるた
めに中間冷却器２３３に入る。圧縮器２０７は、合流し
たガス流れ２５１の圧力を上げるのに使用される。中間
冷却器２３３は随意のものである。ガス圧縮器２０７か
ら出るガスは熱交換器２１１に入る。
【００５１】ランキンサイクルからのスチームを再循環
させることができる。スチーム２４２の一部分は、熱交
換器２１１に入る前に、スチーム２６７に分割される。
スチーム２６７はランキンサイクルにおいて再循環して
流れ２５６と合流させるために分岐される。この具体例
では、ランキンサイクルから水によって発生されそして
合成ガス生成物流れ２１８及び２２０に接して加熱され
るスチーム２６１の一部分は、更にスチームタービン２
６０によって動力２５６を発生させるために再循環され
る。
【００５２】図３の系３１０は、本発明に従って合成ガ
ス製造及び動力発生のためにガスタービンと一体化され
たイオン輸送膜収容反応器の好ましい具体例を表わす。
この具体例では、イオン交換反応器で使用するための酸
素含有ガスは、反応体及びスチームの流れに対して向流
方向の流れで反応器に供給される。反応器の酸素透過帯
域で発生された熱は、酸素含有ガスを反応器への導入前
に高い温度に上げることなくイオン輸送膜を通る酸素の
連続輸送が可能になるようにイオン輸送膜を適度に高い
温度に維持するのに十分なものである。所要の流入温度
は、反応器内部の熱収支及び熱伝達、並びに膜の温度が
約１２５０℃よりも下に保たれなけれならないという要
求条件に左右される。その結果、反応器に供給される酸
素含有ガスは、ガスを燃焼器によって加熱する場合のよ
うに、圧縮された酸素含有ガスを約６００℃〜約９００
℃の温度範囲に上昇させることを必要としない。どちら
かと言えば、反応器に供給しようとする圧縮された酸素
含有ガスは、当業者に周知の回復型慣用熱交換器による
が如くしてガス流れを約２００℃〜４００℃の温度にす
るだけでよい。別法として、所要の熱伝達を反応器の内
部に加えることができる。イオン輸送膜を使用するプロ
セスの開始段階において、酸素が膜容量を透過する反応
を開始させるのに有効な十分に高い温度を有するガス供
給物を要求することができることに留意すべきである。
透過した酸素と反応体及び調整剤との間の反応が一旦開
始すると、それから得られる熱は、燃焼源からの高い温
度を有する加熱されたガスが必要とされないように、圧
縮された酸素含有ガス及びより低い温度の他の物質の使
用によって連続反応を維持するのに十分な温度を発生す
る。
【００５３】詳細に言えば、この具体例では、イオン輸
送膜３９７を経て供給するために酸素含有ガス流れ３０
１の一部分だけが使用される。本明細書において使用す
るときには、イオン輸送膜に向けられる酸素含有ガスの
量とは、一般には、現在の技術状態における機械装置の
限界を表わす。現在、本発明で使用するのに有効なガス
タービン圧縮器は、圧縮器から抜き出すことができる空
気を約２５％に制限する。ガスの残りの部分は燃焼器３
０８に向けられる。その結果、圧縮されたガス流れ３４
８は、一部分３４５が反応器３０５に向けられそして他
の部分がガスタービン３１５を駆動させるために燃焼器
３０８に向けられるように分割される。
【００５４】酸素含有ガス流れ３４５は中間冷却器３３
３及びブースター圧縮器３０７に向けられ、かくして酸
素含有ガス流れ３５５が形成され、その後に反応体３０
２及び調整剤３３１（好ましくはスチーム）と共に加熱
されるが、これらはすべて加熱器３１１において合成ガ
ス流れ３２６に接して加熱される。得られる酸素含有ガ
ス流れ３２３は、次いで、反応体３２５及び調整剤３３
１に対して向流の流れ方向で反応器３０５の保持帯域３
９８に供給される。酸素含有ガス流れ３２３の一部分は
イオン輸送膜３９７を横切って輸送され、かくして透過
された酸素ガスをもたらし、これは、反応器３０５の透
過帯域３９９に導入される反応体３２５及び調整剤３３
１と反応される。反応器３０５の透過帯域３９９内で
は、透過した酸素含有ガスと反応体３２５と調整剤３３
１との間で部分酸化（及びスチームリホーミング）反応
が行なわれて反応器３０５から出る合成ガス生成物３１
３を生成する。
【００５５】合成ガス生成物３１３は、反応器３０５の
膜３９７の透過帯域３９９における発熱反応の結果とし
て高い温度にある。この温度は、反応器内の適当な熱収
支及び熱伝達手段によって膜材料の温度許容限界を超え
るのを回避するために１２５０℃よりも下に保たれるべ
きである。合成ガス生成物３１３の温度は、急冷剤３３
９（好ましくは水）によって随意に低下させることがで
き、かくして合成ガス流れ３２８がもたらされる。熱い
合成ガス生成物３２８は、複数の熱交換器３１６、３１
１及び３１７を通り、そこからそれぞれより冷たいガス
流れ３２６、３０３及び３２７として各熱交換器を出
る。
【００５６】反応器３０５の保持帯域３９８から出る酸
素減少保持ガス流れ３５１は、燃料３４３と合流されて
燃焼器３０８に供給される。この燃料は、天然ガス、燃
料油又は石炭から発生される燃料ガスのような炭化水素
を含めて任意の都合のよい燃料であってよい。
【００５７】反応器３０５に向けられない圧縮された酸
素含有ガス３４８の一部分はガス流れ３４６であって、
これは燃焼器３０８に供給されて流れ３４３及び３５６
と組み合わさって燃焼及びリホーミングのための酸素の
大部分を提供し、かくして酸素含有ガス流れ３４７をも
たらす。
【００５８】膨張した酸素減少ガス流れ３１４は、ラン
キン動力発生サイクルを操作するのに使用される。熱い
ガス流れ３１４は複数の熱交換装置を通され、かくして
各熱交換器を通るガス流れの温度を低下させる。熱いガ
ス流れ３１４はガスタービン３１５から出てから複数の
熱交換器３１９、３２１及び３２６を通って順次冷たい
廃流れ３２０、３２２及び３２４を生じる。
【００５９】水流れ３５２の一部分は、反応器３０５で
調整剤として使用するための流れ３３２と、スチームタ
ービン３２９を駆動させるための流れ３４９とに分かれ
る。水流れ３４９は熱交換器３２６、３２１及び３１９
を通るガス流れ３１４の流れに接して加熱されて順次熱
い流れ３５３、３５４及び３３６を生じる。スチームタ
ービン３２９は、スチーム３３６から正味の動力３３０
を生じるように作動する。スチーム３３４は凝縮器３３
５によって水に凝縮されて凝縮水３５７として出るが、
これは補給水３５８と合流する。ポンプ３３８は凝縮水
３５７及び補給水３５８を一緒に引いて再循環のための
水３５２を形成する。
【００６０】スチームタービン３２９用のスチーム源と
して水を供給することの他に、流れ３５２は流れ３３２
に分流し、これは先に記載の如く複数の熱交換器３１
７、３１６及び３１１を通して加熱されて反応器３０５
における反応調整剤としての流れ３３１を生成する。
【００６１】別の具体例として、ランキンサイクルから
の水流れ３３２は、反応器３０５における合成ガス生成
用の調整剤として供給されない。どちらかと言えば、水
流れ３３２は、ランキンサイクルから独立した源から誘
導される。
【００６２】また、別の具体例として、反応器３０５か
ら出る酸素減少保持ガス流れ３５１の流れを調整して燃
焼器３０８に供給するための制御弁３６０も設けられ
る。
【００６３】図４は、酸化生成物の製造及び動力の発生
のためにガスタービンと一体化されそして更にガス化装
置と組み合わされたイオン輸送膜に向けられた系４１０
を提供するものである。この具体例は、動力発生装置と
組み合わせてイオン輸送膜を更に効率的に使用すること
を例示するものである。この具体例では、図３の系３１
０におけるように、イオン交換反応器で使用するための
圧縮された酸素含有ガスは、反応体及びスチームの流れ
に対して向流流れの方向でイオン輸送反応器に供給され
る。反応器の酸素透過帯域で発生される熱は、酸素含有
ガスを反応器への導入前に高い温度に上昇させることな
く、イオン輸送膜を通る酸素の連続輸送を確実にする温
度を維持するのに十分なだけ高い。一般には、反応器４
０５では部分酸化反応によって十分な内部熱が発生し、
従って酸素含有ガス４２５は６５０℃よりも上にする必
要はない。これは、流れ４２３において追加的な燃焼器
の必要性を排除する。
【００６４】酸素含有ガス４０１は空気圧縮器４０４に
供給され、かくして圧縮された酸素含有ガス４４８とし
て出るが、これは、燃焼器４０８に供給するためのガス
流れ４４６と、イオン輸送膜反応器４０５に供給するた
めのガス流れ４４５とに分けられる。
【００６５】圧縮された酸素含有ガス流れ４４５は、熱
交換器４５９において水流れ４６１と接して冷却されて
ガス流れ４６２として出る。補充的酸素含有ガス流れ４
６３は複数の圧縮器段階４９５及び中間冷却器４９６を
通って、圧縮され中間冷却された酸素含有ガス流れ４６
４を生成する。ガス流れ４６２及び４６４は合流して圧
縮され中間冷却された酸素含有ガス流れ４６５を形成
し、次いでこれは中間冷却器４３３、圧縮器４０７及び
熱交換器４１１を（酸化生成物流れ４０６と接して）通
り、かくして圧縮され燃焼された酸素含有ガス流れ４２
３として出て反応器４０５に供給される。
【００６６】圧縮され燃焼された酸素含有ガス流れ４２
３は、酸素がイオン輸送膜４９７を横切って反応器４０
５の透過帯域４９９に輸送されるように反応器４０５の
保持帯域４９８に送られる。反応体４０２は流れ４０６
と接して熱交換器４１１を通り、かくして熱交換器４１
１から流れ４０６と接して調整剤４３１（スチーム）と
一緒に反応体４２５として出るが、これらは、圧縮され
た酸素含有ガス流れ４２３とは反対側で且つ反対の流れ
方向で反応器４０５の透過帯域４９９に供給される。反
応体４２５及び調整剤４３１は部分酸化反応によって透
過酸素と反応し、そして合成ガス４１３が反応器４０５
から出る。
【００６７】酸化生成物流れ４１３の温度は、急冷剤４
３９（好ましくは水）と組み合わせることによって随意
に低下させることができ、しかして合成流れ４２８を生
じる。次いで、酸化生成物流れ４２８は、複数の熱交換
器４１６、４１１及び４１７を通って順次冷たい合成ガ
ス流れ４０６、４２３及び４２７を生成する。次いで、
酸化生成物流れ４２７は冷却器４４０を通って酸化生成
物４７０として出る。
【００６８】酸性ガス除去装置４７１では、酸化生成物
流れ４７０から、硫黄及び他の不純物を含有するガス流
れ４７２が更なる処理即ち硫黄回収のために除去され
る。酸性ガス除去装置４７１から硫黄不含合成ガス４７
３が出るが、これは、燃料として使用され、そして膨張
タービン４１５を駆動させるために燃焼器４０８におい
て酸素減少ガス流れ４５１及び酸素含有流れ４４６と一
緒にされる。
【００６９】燃焼器４０８を出るガス４４７はタービン
４１５を通って動力４１８を発生し、且つ軸４１２によ
って圧縮器４０４を駆動させる。
【００７０】ガスタービン４１５からガス流れ４１４が
出るが、これはランキン動力発生サイクルに入る。ガス
流れ４１４は、ランキンサイクルにおいて複数の熱交換
器４８０、４８２及び４８４を通って順次冷たい廃ガス
流れ４８１、４８３及び４２４を生成する。水４９０の
一部分４９１がガス流れ４１４、４８１及び４８３の流
れと接して熱交換器４８４、４８２及び４８０に供給さ
れて、順次熱い流れ４８５、４８６及び４３６を生成す
る。得られる過熱スチーム４３６はスチームタービン４
２９に供給されて動力４３０を発生する。凝縮器４３５
は水蒸気４３４を水４５７に凝縮する。ポンプ４８９は
水４５７を引き、かくしてスチームタービン４２９で使
用するために再循環しようとする又は別法としてスチー
ム調整剤４３１への最終的な変換のための水４３２とし
て使用しようとする水４９０が生成する。また、水流れ
４３２の一部分を分割して水流れ４６１を形成すること
ができるが、これは次いで熱交換器４５９を通って熱い
水流れ４７５として出る。熱い水流れ４７５は再循環さ
れて熱い水流れ４８５と合流させた後に熱交換器４８２
に通され、かくしてスチームタービン４２９に供給する
ためのスチーム４３６として出ることができる。
【００７１】図５の系５１０は、酸素含有ガスが反応体
及びスチームと同じ流れ方向でイオン輸送膜反応器に供
給されるところの具体例を提供する。そこから出る合成
ガス生成物は、空気によって提供されるヒートシンクに
よってより低い温度に維持される。この酸素含有供給物
は、二酸化炭素が随意の調整剤として使用されるときに
生成物流れを冷却するのに使用される。
【００７２】酸素含有ガス５０１は圧縮器５０４に供給
され、かくして圧縮された酸素含有ガス流れ５４８（こ
れは、燃焼器５０８に供給するためのガス流れ５４０に
分流する）として、また中間冷却器５３３に向けられる
ガス流れ５４９として出る。補充的酸素含有ガス５７７
は、圧縮器５０６を通されて補給用の圧縮された酸素含
有ガス流れ５５４として出る。ガス流れ５５４はガス流
れ５４９と合流して圧縮された酸素含有ガス流れ５５１
を形成し、そしてこれは、中間冷却器５３３、圧縮器５
０７及び熱交換器５１１を順次通り、かくして加熱され
圧縮された酸素含有ガス流れ５５５として出る。
【００７３】流れ５５５は、反応器５０５において酸化
剤を提供するに必要とされるよりも多い。それ故に、こ
のガス流れの一部分は、ガスタービン燃焼器に向けるこ
とができる。
【００７４】随意の燃焼器５２９に燃料５５２が加えら
れ、ここで予熱され圧縮された酸素含有ガス５５５は燃
焼され、かくして反応器５０５の保持帯域５９８に供給
するための燃焼された酸素含有ガス５５０として出る。
この圧縮され燃焼された酸素含有ガス５５０の流れ方向
は、反応器５０５の透過帯域５９９に供給される反応体
５２５及び調整剤５３１と並流の流れ方向にある。圧縮
され燃焼された酸素含有ガス５５０から酸素がイオン輸
送膜５９７を通して輸送され、かくして輸送された酸素
を透過帯域５９９にもたらす。この時、輸送された酸素
は、反応体５２５及び調整剤５３１と部分酸化によって
反応して反応器５０５の透過帯域５９９から合成ガス５
１３として出る。随意に、急冷剤５３９（好ましくは
水）を合成ガス５１３に加えて合成ガス流れ５２８をも
たらすことができ、しかして合成ガス５２８として出る
る前にその温度を下げることができる。急冷された合成
ガスは熱交換器５１１を通り、そしてそこから合成ガス
流れ５０３として出る。合成ガス流れ５０３の温度を下
げるのに空気が使用される。熱交換装置５１７を使用し
て合成ガス流れ５０３の温度を更に下げ、かくして粗合
成ガス生成物５２７として出すことができる。
【００７５】反応体５０２は熱交換器５１１を通され、
かくして加熱された反応体５２５として出る。ランキン
スチーム発生サイクルからの水流れ５４２が調整剤とし
て使用されるが、これも熱交換器５１１において加熱さ
れて水流れ５３１として出る。先に記載したように、反
応体５２５及び調整剤５３１の両方とも反応器５０５の
透過帯域５９９に入る。
【００７６】反応器５０５の保持帯域５９８からは圧縮
され燃焼された酸素減少保持ガス流れ５２２が出るが、
これは加熱され圧縮された酸素含有ガス流れ５５５及び
燃料５４３と一緒に先に記載したようにガスタービン燃
焼器５０８に送られる。そこから、ガスタービン５１５
を駆動させるための燃焼ガス流れが出る。膨張タービン
５１５は軸５１２によって圧縮器５０４に連結され、そ
してこれは圧縮器５０４を駆動し且つ動力５１８を発生
させる。燃焼器５０８からは燃焼した酸素含有ガス流れ
５４７が出て膨張タービン５１５に入り、かくしてガス
流れ５１４として出る。
【００７７】熱いガス流れ５１４を利用するのにランキ
ン動力発生サイクルが使用される。ガス流れ５１４は、
ランキンサイクルにおいて複数の熱交換器５８０、５８
２及び５８４に供給されて順次冷たい排ガス流れ５８
１、５８３及び５２４として出る。水５９０は、ガス流
れ５８３、５８１及び５１４と接して熱交換器５８４、
５８２及び５８０に供給されて順次熱い流れ５８５、５
８６及びスチーム５５８を生じ、そしてこれはスチーム
タービン５２９に供給される。スチームタービン５２９
の作動は動力５３０を発生し、そして流れ５３７をもた
らす。凝縮器５３５を使用して流れ５３７中の水蒸気を
水５５７に凝縮させることができる。ポンプ５８９は補
給水５５８を推進して水５５７と合流させ、かくして水
５５９を形成する。スチームタービン５２９で使用する
ために水５５９を加熱するための随意の手段は、その一
部分５９１をそらして合成ガス流れ５０３と接して熱交
換器５１７に通し、その後に加熱された水５５９を熱交
換器５８４から出る水流れ５８５と合流させることによ
ってもたらされる。
【００７８】熱交換器５８２から出る飽和スチーム５８
６の一部分は、反応器５０５のための調整剤として使用
するために流れ５４２に分割される。先に記載した用
に、流れ５４２は熱交換器５１１において加熱され、か
くして反応器５０５に入る前に過熱スチーム５３１とし
て出る。
【００７９】図６において概略的に示される系６１０
は、図２の系２１０に対する別の具体例を提供する。こ
の具体例では、反応器からの酸素減少保持ガスは、ガス
サイクルに入る前に部分冷却される。
【００８０】酸素含有ガス６０１は圧縮器６０３を通
り、かくして圧縮された酸素含有ガス６０６をもたら
す。補充的酸素含有ガス６７７は圧縮器６１８を通さ
れ、かくして補給用の圧縮された酸素含有ガス６５４と
して出る。圧縮された酸素含有ガス流れ６０６の一部分
は圧縮された酸素含有ガス流れ６５４と合流し、かくし
て圧縮された酸素含有ガス流れ６５１を形成する。圧縮
された酸素含有ガス流れ６５１は、中間冷却器６３３、
圧縮器６０７及び熱交換器６１１で順次処理されてから
燃焼器６２９に送られ、かくして圧縮され燃焼された酸
素含有ガス６５０として出る。燃焼器６２９に供給する
ために、天然ガス、燃料油又は石炭から発生した燃料ガ
スのような炭化水素を含めて任意の都合のよい燃料の如
き燃焼器燃料６５２を使用することができる。
【００８１】反応体６０２の温度は熱交換器６１１によ
って高められ、かくして反応体６２５が形成される。ま
た、スチーム６４４も熱交換器６１１において処理さ
れ、かくしてスチーム６３１が形成される。
【００８２】圧縮され燃焼された酸素含有ガス流れ６５
０は反応器６０５の保持帯域６９８に供給され、かくし
てイオン輸送膜６９７を経て透過帯域６９９に透過され
た酸素をもたらす。反応器６０５の透過帯域６９９への
反応体６２５及び調整剤６９９の導入は、反応器６０５
の透過帯域６９９における部分酸化を促進し、かくして
そこから合成ガス流れ６１３として出る。
【００８３】合成ガス６１３の温度は、水のような急冷
剤６３９の添加によって随意に下げることができ、ここ
でそこから合成ガス６２８が生じる。合成ガス６２８の
温度は、熱交換器６１６、６１１及び６１７に順次通す
ことによって下げられ、かくしてそこから順次冷たい合
成ガス流れ６２６、６２０及び６２７が粗合成ガス生成
物として出る。
【００８４】酸素減少ガス流れ６２２は反応器６０５の
保持帯域６９８から出て熱交換器６１１を通り、そして
より冷たい酸素保持ガス流れ６５１として出る。
【００８５】合成ガス６２８は、反応器６０５での使用
及びランキン動力発生サイクルでの再循環の両方のため
に熱を水流れに伝達する。ランキンサイクルから出る水
６６１は、熱交換器６１７及び６１６を通ってそこから
順次温かい水流れ６４１及びスチーム６４２として出
る。スチーム６４２は、スチーム６４４及び６４５に分
割される。スチーム６４４は熱交換器６１１で更に加熱
され、かくして過熱スチーム６３１として出る。別法と
して、スチーム６４５はランキンサイクルに再循環され
てスチーム６８６と合流する。
【００８６】加熱器６１１を通して供給されたガス流れ
６２２は、より冷たいガス流れ６５１として出る。燃焼
器６０８で熱を発生させるのに、燃料６４３（これは、
天然ガス、燃料油又は石炭から発生するガスのような炭
化水素を含めて任意の都合のよい燃料であってよい）、
ガス流れ６５１、及び流れ６０６の一部分６９１が使用
される。ガス流れ６４７は、軸６１２によって空気圧縮
器６０３を駆動させるために且つ動力６３０を発生させ
るために膨張タービン６１５に入る。ガスタービン６１
５からは、膨張した酸素含有ガス６１４が出る。
【００８７】ランキン動力発生サイクルでは、ガスター
ビン６１５からのガス流れ６１４が使用される。ガス流
れ６１４は、複数の熱交換器６８０、６８２及び６８４
に供給され、かくしてそこから順次冷たい廃流れ６８
１、６８３及び６２４として出る。水６６１の一部分
は、熱交換器６８４、６８２及び６８０において流れ６
８１、６８３及び６２４に接してランキンサイクル熱交
換装置に供給され、かくしてそこからそれぞれ順次温か
い水流れ６８５及び流れ６８６、並びに過熱スチーム６
５８として出る。先に記載したように、ランキンサイク
ルから再循環されそして合成ガス６２８及び６２０によ
って間接的に加熱されたスチーム６４５はスチーム６８
６と合流される。
【００８８】熱交換器６８０から出るスチーム６５８は
スチームタービン６６５を駆動させ、かくして動力６６
６及び流れ６３７をもたらす。凝縮器６６７は水蒸気６
３７を凝縮して水６６８にし、そしてこれは補給水６６
９と合流して水６６１を形成する。ポンプ６７０は、ラ
ンキンサイクルにおいて水流れ６６８及び６６９を加圧
して水流れ６６１にする。
【００８９】別の具体例は、調整剤６４４の独立した源
である。ここで、水流れ６４２は分割されない。むし
ろ、水流れ６４２及び６４５は同じ流れであり、そして
ランキンサイクルに再循環される。調整剤６４４（これ
は、水、二酸化炭素、アルゴン又は当業者に知られた他
の種類の調整剤であってよい）は、系６１０の源以外の
源から出て熱交換器６１１を通された後に、反応器６０
５の透過帯域６９９に入る。
【００９０】本発明の利益のいくらかを例示する２つの
操作系の比較が図３（その別の具体例において）及び７
によって提供される。
【００９１】図７Ａ及び図７Ｂの系７１０の具体例は、
図３の系３１０の別の具体例の匹敵する。系７１０は、
イオン輸送膜反応器から生じる熱がガスタービン及び動
力発生装置と一体化されないところの例を提供する。従
って、図７Ａはイオン輸送膜反応器のプロセスの概略を
示し、そして図７Ｂは、イオン輸送膜反応器から独立し
たガスサイクル及びスチームサイクルの概略を示す。こ
の系はガスタービンであるブライトン（ Brayton）サイ
クル７９３を含み、そしてランキンサイクル７９４はス
チームタービンを含む。イオン輸送膜反応器をガスサイ
クル及びスチームサイクル動力発生と一体化させた本発
明の利益は、本発明に関連したエネルギー所要量及び投
下資本コストの減少の比較によって明らかであろう。
【００９２】系７１０では、イオン交換反応器７０５で
使用するための酸素含有ガスは、反応体７２５及び調整
剤７３１の流れとは反対の向流の流れ方向で供給され
る。反応器７０５の透過帯域７９９で発生される熱は、
酸素含有ガスを反応器７０５に送る前にそのガスを燃焼
させることなく、イオン輸送膜７９７を通る酸素の連続
輸送が有効になるのに十分なだけ高い温度にある。
【００９３】図７Ａでは、酸素含有ガス流れ７０１はイ
オン輸送膜７９７に向けられる。ガス流れ７０１は圧縮
器７０４及び熱交換器７１１を通って、圧縮され加熱さ
れた酸素含有ガス７２３として出る。これは、反応体流
れ７２５及び調整剤（スチーム）流れ７３１に対して向
流の流れ方向で反応器７０５の保持帯域７９８に供給さ
れる。反応体流れ７２５及び調整剤流れ７３１の両方と
も、反応器７０５の透過帯域７９９に供給される。
【００９４】反応器７０５の透過帯域７９９でイオン輸
送膜７９７を透過した酸素は反応体７２５及びスチーム
７３１と反応される。部分酸化反応が起こって合成ガス
７１３をもたらし、そしてこれは反応器７０５の透過帯
域７９９から出る。合成ガス７１３の温度は急冷剤７３
９（好ましくは水）によって随意に低下されることがで
き、これによって合成ガス流れ７２８が形成される。
【００９５】得られた合成ガス流れ７２８は、複数の熱
交換器７１６、７１１及び７１７を通って、順次冷たい
合成ガス流れ７２６、７０３及び粗合成ガス生成物７２
７を生じる。
【００９６】水７２８は複数の熱交換器７１７、７１６
及び７１１を通って、順次熱い水７４１及びスチーム７
４２、並びに過熱スチーム７３１を生じる。反応体ガス
流れ７０２は熱交換器７１１において加熱され、かくし
て加熱された反応体７２５として出る。
【００９７】反応器７０５の保持帯域７９８から出る酸
素減少保持ガス流れ７５１は、膨張器７８１に入る前に
急冷剤７８０（好ましくは水流れ）によって随意に冷却
されることができ、これによってスチーム７８２及び動
力７８３が生じる。
【００９８】別個に、図７Ａでは、酸素含有ガス７６０
が圧縮器７６１で圧縮される。そこから出る圧縮された
酸素含有ガス７６２は燃焼器７６４に入る。燃料７６３
が燃焼器７６４で燃焼され、そしてそこから圧縮され燃
焼された酸素含有ガス７６５が出る。ガス流れ７６５は
膨張タービン７６６を通って動力７６７を発生し、そし
て軸７６８によって空気圧縮器７６１を駆動させる。
【００９９】ガスタービン７６６を出るガス流れ７６９
は、ランキン動力発生サイクルを操作するのに使用され
る。熱いガス流れ７６９は複数の熱交換器７１９、７２
１及び７５９に送られて順次冷たい廃流れ７２０、７２
２及び７２６を生じ、かくしてそれぞれ熱交換器から出
る。
【０１００】水流れ７４９は、ランキン動力発生サイク
ルにおいて複数の熱交換器７５９、７２１及び７１９に
供給され、かくしてその熱交換器からそれぞれ順次熱い
水７５３及びスチーム７５４、並びに過熱スチーム７３
６が出る。スチーム７３６はスチームタービン７２９を
駆動するために使用され、かくして動力７３０及び水蒸
気７３４を発生する。凝縮器７３５は水蒸気７３４を凝
縮して水７５２にし、かくしてモーター駆動手段７３８
によって複数の熱交換器に再循環される。
【０１０１】表１は、イオン輸送膜を使用した合成ガス
製造による動力発生の概要を提供するものである。この
表は、イオン輸送膜反応器を介して動力サイクルと部分
酸化とを一体化したものと一体化していないものとの比
較を示すものである。
【０１０２】
【表１】
【０１０３】イオン輸送膜分離器を介した動力サイクル
と部分酸化との一体化の概要を比較すると、本発明の一
体化系は、非一体化系に勝る経済上の利益を提供するこ
とが明らかである。系３１０の別の具体例において、ま
た系７１０において、同量の合成ガスが１，０００ポン
ド−モル／ｈの天然ガスから生成される。しかしなが
ら、本発明の一体化プロセスでは、より良好な熱一体化
の故により多くの動力が発生される。その結果として、
一体化プロセスから発生される正味の動力は、基本（非
一体化）ケースにおける２６，８６７kWと比較して２
７，３３６kWである。２つの具体例においてガスタービ
ンから同等の出力を得るのに、一体化プロセスでは約６
％少ない燃料が使用される。８０００ｈｒ／ｙｒの従来
の操作及び＄２．２０／MMbtu の天然ガスコスト（ＨＨ
Ｖ）を基にして、本発明の一体化系では、５ｃ／kWH に
おいて年当たり＄１８８，０００の有意に高い収益、並
びに年当たり＄２２５，０００の燃料節約コストを期待
することができる。加えて、合成ガス製造のための圧縮
器及び膨張器の別個の使用を排除する場合の一回限りの
投下資本の節約は、約＄２，０００，０００に達する。
【０１０４】既存のガスタービン動力発生系には、本発
明に従ったイオン輸送系を後付けすることができる。こ
れらの系としては、ニューヨーク州シェネクタディのゼ
ネラル・エレクトリック・カンパニー、ドイツ国のシー
メンス又はスエーデン国のＡＢＢから入手可能なものを
挙げることができる。これらのガスタービン系に対する
変更修正は、イオン輸送段階へのガス流れ供給物、並び
に膨張タービンに対してガスを提供する燃焼器へのイオ
ン輸送排出供給物の付加を含めて最小限である。
【０１０５】本発明で使用されるイオン輸送膜は、稠密
なセラミック酸化物又は酸化物の混合物であって、欠陥
又はドーパント（Ｙ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ等のような）の
導入によってそれらの結晶格子中に引き起こされた酸素
空所によって特徴づけられるものから構成される。空所
拡散機構は、結晶格子を経て酸素イオンが輸送される手
段である。一般には、高められた温度（約５００℃〜約
１２００℃の範囲内そして好ましくは約９００℃〜約１
１００℃の範囲内のような４００℃〜１２５０℃）を操
作の間に維持して空所の高い移動度を達成するべきであ
る。空所の高い移動度と組み合わさった大きい空所濃度
は、イオン輸送膜を構成する材料を通る急速な酸素イオ
ン輸送のための基礎となる。酸素イオンだけが結晶格子
を占めることができるので、理想的なイオン輸送膜は極
限の酸素選択性を有する。
【０１０６】本発明で使用するのに好適なイオン輸送膜
は、混成導体であり且つ電子移動を容易にするのに外部
回路を必要としない材料から構成することができる。こ
れらの例としては、二相膜が挙げられる。イオン輸送膜
の種々の組み合わせの使用については、“圧力作動固体
電解質膜ガス分離法”と題する１９９５年５月１８日付
け出願の米国特許出願０８／４４４３５４に開示されて
いる。
【０１０７】本発明の精神を維持しながら異なる種類の
イオン輸送材料を使用することが可能である。例えば、
イオン輸送膜は、主としてイットリア安定化ジルコニア
（“ＹＳＺ”）のような酸素イオン導体である材料を２
つの多孔質電極間にサンドイッチして構成することがで
きる。実施に際して、酸素分子はその多孔質電極のうち
の１つを経て電解質表面へと拡散し、この点において酸
素イオンへの解離が行なわれる。この第一の多孔質電極
はプロセスに対して電子を提供する。酸素イオンはその
電解質を通って拡散しそして第二の多孔質電極に到達
し、ここで再結合が起こり、これによってプロセスにお
いて酸素分子が形成しそして電子が放出する。これらの
電子は、外部回路によって酸素のイオン化のために第一
の多孔質電極に戻される。
【０１０８】別法として、本発明で使用されるイオン輸
送膜は、酸素イオン及び電子の両方を導く材料から構成
することができる。かかる材料は、しばしば、混成導体
と称されている。混成導体イオン輸送膜では、電子は、
イオン輸送膜それ自体を通る電子伝導によってイオン輸
送膜の高い酸素分圧側に戻され、これによって外部回路
の必要性が回避される。
【０１０９】イオン輸送膜それ自身は現在、市場で入手
可能であるとは思われない。しかしながら、イオン輸送
膜を製造するのに使用される材料は、例えば、米国ワシ
ントン州ウッドインビル所在のプラクシア・スぺシャリ
ティ・ケミカルズから入手可能である。
【０１１０】イオン輸送膜を製造するのに使用される市
販材料は、押出、スリップ被覆、浸漬被覆、スピン被覆
等のような慣用技術によって厚目の自立性フィルム、円
板様の及び管状の形態にある適当な多孔質基体に支持さ
れる薄目のフィルム等に二次加工されることができる。
イオン輸送膜の厚さは約５０００μｍ以下にすべきであ
り、そして約５００μｍ以下が好ましく、約５０μｍ以
下が更に好ましい。フィルム厚が大きい（例えば、約１
０００μｍ以上）場合には、イオン輸送膜は自立性にな
り得る。
【０１１１】別法として、イオン輸送膜は、約５００μ
ｍ〜約５０００μｍの範囲内の厚さを有する薄膜の形態
にあってもよく、そして多孔質支持体上に支持されるこ
とができる。かかる多孔質支持体は、イオン輸送膜それ
自体と同じ材料又はそれとは異なる材料から構成される
ことができる。混成導体型イオン輸送膜は、以下の表２
に記載するものを含めて種々の材料から製造されること
ができる。表２において、δは、酸素の化学量論からの
偏りである。加えて、ｘ及びｙの値は材料の組成に応じ
て変動することができる。
【０１１２】
【表２】
【表３】
【０１１３】表２における項目１４の混成電子／イオン
導体は、イオン伝導性相及び電子伝導性相の物理的混合
物から構成される二相混成導体である。アノードでの還
元用途では、クロム含有混成導体材料が低い酸素分圧で
の良好な安定性の故に好ましい。
【０１１４】イオン導体を基材とする電気推進イオン輸
送膜は、表３に記載の材料から選択することができる。
【０１１５】
【表４】
【０１１６】所定の用途では、選択されるイオン輸送膜
の寸法は、典型的には、そこを通る酸素の流束（即ち、
酸素量／単位面積／単位時間）に結び付けられる。高い
値の酸素流束が望ましく、従ってイオン輸送膜反応器に
入る加熱され圧縮されたガスから酸素を効率的に除去す
るのにより小さいイオン輸送膜面積を使用することがで
きる。このより小さいイオン輸送膜面積は資本投下の費
用を減じる。イオン輸送膜の任意の位置での酸素流束
は、電解質のイオン伝導性、膜の厚さ及び酸素化学電位
の差を含めた多くの因子に左右される。膜型ガス反応に
対する材料選択は、適切な伝導性と共に最適な安定性を
持つ材料に向けられる。高い酸素圧比は力を推進するの
で、伝導性に対して妥協することができる。イオン輸送
膜を十分に高い温度（典型的には４００℃以上、より典
型的には６００℃以上）に維持することは本発明の方法
及び系の性能最適化に寄与する。というのは、イオン輸
送膜は高められた温度で評価し得る酸素イオン伝導度を
有し、そしてこの伝導度は温度の上昇と共に向上するか
らである。また、高い温度程、イオン輸送膜の表面にお
ける表面交換プロセスの反応速度を向上させることがで
きる。
【０１１７】本発明の具体的な特徴は、便宜上、添付図
面の１つ又はそれ以上において示されている。というの
は、各特徴は本発明に従って他の特徴と組み合せること
ができるからである。当業者には別の具体例が認識され
るだろうが、これらも特許請求の範囲内に包含されるこ
とに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って酸化生成物を製造し且つ動力を
発生させるための系の主要部分を示す概略図である。
【図２】本発明に従って合成ガスを製造し且つ動力を発
生させるための系であって、透過生成物及び／又はガス
タ−ビン排出物から熱を回収してスチ−ムをその後の使
用のために発生させ、更に、酸素含有ガスの一部分だけ
をイオン輸送膜に向けるような系を示す概略図である。
【図３】図２と同様の系であって、酸素含有ガスの一部
分だけが反応体及び調整剤に接して向流の流れ方向でイ
オン輸送膜に向けられそしてガスタ−ビン排出物から発
生されるスチ−ムがイオン輸送膜において調整剤として
使用するために回収されないような系を示す概略図であ
る。
【図４】本発明に従った他の系であって、得られる合成
ガスを硫黄及び他の不純物から精製するために透過生成
物が酸性ガス装置に入り、ガス化結合サイクル装置から
の排出物がガスタ−ビン燃焼器に入り、そして補充的酸
素含有ガス及び補充的空気圧縮／中間冷却装置が使用さ
れるような系を示す概略図である。
【図５】本発明に従った系であって、酸素含有ガスが反
応体及び調整剤に接して並流の流れ方向でイオン輸送膜
に向けられ、酸素含有ガスの一部分が生成物ガスを冷却
するのに使用され、そして補充的酸素含有ガスが使用さ
れるような系を示す概略図である。
【図６】酸素減少保持ガスがガスサイクルに供給される
前に熱交換によって一部分冷却され、そして補充的酸素
含有ガスが使用されるような更に他の系を示す概略図で
ある。
【図７】７Ａ及び７Ｂは、それぞれ、合成ガスを製造す
るための比較系及び動力を発生させるための独立ガスサ
イクルを示す概略図である。
【符号の説明】
１００、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７
１０ 系 １０１、２９８、３９８、４９８、５９８、６９８、７
９８ 保持帯域 １０２、２９９、３９９、４９９、５９９、６９９、７
９９ 透過帯域 １０３、２９７、３９７、４９７、５９７、６９７、７
９７ 固体電解質イオン輸送膜 １１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１、７
１１ 熱交換器 １１５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５、７
０５ 反応器 １３０、２０４、３０４、４０４、５０４、６０３、７
６１ 圧縮器 １４０、２０８、３０８、４０８、５０８、６０８、７
６４ 燃焼器 １２０、２１５、３１５、４１５、５１５、６１５、７
６６ 膨張タービン ２６０、３２９、４２９、５２９、６６５、７２９ ス
チームタービン ４７１ 酸性ガス除去装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリスチャン・フリードリック・ゴッツマ ン アメリカ合衆国ニューヨーク州クラレン ス、トンプソン・ロード5308

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 動力を発生させるためのガスタービン系
    と連係して酸化生成物を製造する方法において、 （ａ）圧縮され加熱された酸素含有ガス流れを保持帯域
    と透過帯域とを有する反応器において少なくとも１個の
    固体電解質酸素イオン輸送膜と接触させ、ここで膜を横
    切って酸素の少なくとも一部分を保持帯域から透過帯域
    に輸送して透過流れと酸素減少保持流れとを生成し、 （ｂ）反応体を透過帯域に送給してその輸送された酸素
    と反応させてそれから酸化生成物を生成し、 （ｃ）酸素減少保持流れをガスタービン燃焼器に加え、
    そして （ｄ）ガスタービン燃焼器から回収される燃焼された酸
    素減少ガス流れをガスタービンにおいて膨張させ、これ
    によって動力を発生させる、各工程を含む酸化生成物の
    製造法。
  2. 【請求項２】 圧縮された酸素含有ガスが工程（ａ）の
    前でガスタービン圧縮器から抜き出される請求項１記載
    の方法。
  3. 【請求項３】 タービンから膨張した酸素減少ガス流れ
    を取得し、そしてその膨張した酸素減少ガス流れから熱
    を回収することを更に含む請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 酸素含有ガス流れの一部分がタービンに
    よって少なくとも一部分作動される圧縮器によって圧縮
    され、そしてその圧縮された酸素含有ガス流れに補充的
    な圧縮された酸素含有ガス流れを加えてから工程（ａ）
    において膜と接触させる請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 反応体が透過帯域に送られる前に調整剤
    と混合される請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 酸素含有ガス流れ及び反応体を予熱する
    ために透過流れが向けられる請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 酸素含有ガス流れが工程（ｂ）において
    反応体の流れに対して向流流れの方向で流れる請求項１
    記載の方法。
  8. 【請求項８】 膜の操作温度が約５００℃〜約１２００
    ℃の範囲内である請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 動力を発生させるためのガスタービン系
    と連係して実質上硫黄を含まない酸化生成物を製造する
    方法において、 （ａ）圧縮され加熱された酸素含有ガス流れを保持帯域
    と透過帯域とを有する反応器において少なくとも１個の
    固体電解質酸素イオン輸送膜と接触させ、ここで膜を横
    切って酸素の少なくとも一部分を保持帯域から透過帯域
    に輸送して透過流れと酸素減少保持流れとを生成し、 （ｂ）反応体を透過帯域に送給してその輸送された酸素
    と反応させてそれから酸化生成物を生成し、 （ｃ）工程（ｂ）からの酸化生成物を酸性ガス除去器に
    送って硫黄を回収し、かくして実質上硫黄を含まない部
    分酸化生成物を生成し、 （ｄ）酸素減少保持流れをガスタービン燃焼器に加え、
    そして （ｅ）硫黄を含まない部分酸化生成物をガスタービン燃
    焼器において燃焼させ、 （ｆ）ガスタービン燃焼器から回収される燃焼された酸
    素減少ガス流れをガスタービン膨張器において膨張さ
    せ、これによって動力を発生させる、各工程を含む実質
    上硫黄を含まない酸化生成物の製造法。
  10. 【請求項１０】 圧縮された酸素含有ガス流れに、工程
    （ａ）において膜と接触させる前に補充的な圧縮された
    酸素含有ガス流れが加えられる請求項９記載の方法。
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