JPH10339405A - 個体電解質イオン導体システムを使用する富化燃焼方法 - Google Patents

個体電解質イオン導体システムを使用する富化燃焼方法

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JPH10339405A
JPH10339405A JP10170499A JP17049998A JPH10339405A JP H10339405 A JPH10339405 A JP H10339405A JP 10170499 A JP10170499 A JP 10170499A JP 17049998 A JP17049998 A JP 17049998A JP H10339405 A JPH10339405 A JP H10339405A
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Christian Friedrich Gottzman
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レイモンド・フラーンシス・ドルネビッチ
Nitin Ramesh Keskar
ニティン・ラメシュ・ケスカル
Hisashi Kobayashi
ヒサシ・コバヤシ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プロセスの様々な作働を熱的且つ作働上一体
化させ、独立した酸素発生器あるいは酸素供給システム
の必要性を排除し、酸素濃縮燃焼のための効率的且つ一
体化されたプロセスを提供することである。 【解決手段】 酸素元素を含む給物ガス流れ１がブロワ
２内で加圧された送給物ガス流れ３となり、熱交換器３
３内で加熱され、暖められた送給物ガス流れ４を生成す
る。送給物ガス流れ５がヒータ３４内で加熱されて高温
の送給物ガス流れ６を生成した後、イオン導伝膜７を使
用するイオン導伝モジュール３５の送給側に入る。高温
の送給物ガス流れ６内の酸素の一部分がイオン導伝モジ
ュール３５内で除去され、イオン導伝モジュールを出る
ガス流れ８が送給物ガス流れ１に関して窒素富化され
る。イオン導伝膜７の透過側７ｂは燃焼生成物を含有す
るパージガス流れ９によりパージされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸素濃縮燃焼プロ
セスと、固体電解質イオン導体膜を使用する酸素分離プ
ロセスとの一体化に関し、詳しくは、燃焼プロセスの経
済的効率と汚染関連問題とを改善するためにこれらのプ
ロセスを一体化することに関する。本発明は、Ｎａｔｉ
ｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒ
ｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙにより付与された
共同合意第７０ＮＡＮＢ５Ｈ１０６５号の下に米国政府
の支持を受けてなされたものであり、米国政府は本発明
における権利を有するものである。
【０００２】
【従来の技術】数多くの酸素分離システム、例えば有機
ポリマー膜システムが、空気その他のガス混合物から選
択されたガスを分離させるために使用されて来ている。
空気は可変量の水蒸気を含み得るガスの混合物であり、
海面高さ位置でのおよその容量組成は、酸素が２０．９
％、窒素が７８％、アルゴンが０．９４％であり、残り
はその他の微量ガスから構成される。しかしながら、全
く形式の異なる膜をある種のイオン酸化物から作製する
ことができる。固体電解質膜はカルシウムで或いはイッ
トリウムで安定化したジルコニウムや、フルオライト或
いはペロブスキー石構造を持つ類似物によって代表され
るイオン酸化物から作製される。
【０００３】これらの固体酸化物の幾つかは、膜を横断
して電位が加えられる場合に高温下に酸素イオンを導伝
させることができる。つまり、そうした幾つかの固体酸
化物は、電気的に駆動される導体、即ち、イオン導体の
みである。最近の研究により、化学的な駆動電位が加え
られた場合に高温下に酸素イオンを導伝させ得る固体酸
化物が開発された。圧力駆動イオン導体或いは混合導体
は、化学的駆動電位を提供するための十分な酸素分圧比
を与えると、酸素を含有するガス流れから酸素を抽出す
るための膜として使用することができる。これら材料の
対酸素選択性は無限であり、また酸素流量は一般に、従
来からの膜を使用して得られるそれよりも数オーダー大
きいことから、これらのイオン導電性の膜を使用する酸
素製造は魅力的である。
【０００４】こうした酸化物セラミック材料をガス分離
膜として使用できる可能性は大きいが、その使用に際し
てはある種の問題がある。最大の問題は、既知の全ての
酸化物セラミック材料は、高温時にのみ、認め得る酸素
イオン導伝性を有することである。既知の酸化物セラミ
ック材料は５００℃よりもずっと高い温度、一般には６
００乃至９００℃の高温の範囲内で作働されねばならな
い。固体電解質イオン導体法は米国特許第５，５４７，
４９４号に記載されている。しかしながら、燃焼プロセ
スは通常は高温下に実施されるのでイオン伝導システム
を酸素濃縮燃焼方法と効率的に一体化することができる
可能性があり、本発明はそうした一体化のための新規な
概要を含むものである。
【０００５】大抵の従来からの燃焼プロセスでは、酸素
の最も好都合な且つ豊富な供給源、即ち空気を使用す
る。空気中の窒素は燃焼プロセスにとって有益なもので
はなくむしろ多くの問題をもたらす。例えば、窒素は燃
焼温度で酸素と反応し、所望されざる汚染物質であると
ころの窒素酸化物（ＮＯｘ）を形成する。多くの場合、
燃焼生成物は、窒素酸化物放出量を環境上の許容限度以
下に押さえるべく処理されねばならない。更には、空気
中の窒素は煙道ガス量を増やし、それが結局、煙道ガス
の熱損失量を増大させ、また、燃焼プロセスの熱効率を
低下させる。こうした問題を最小化するために、長年、
酸素富化燃焼（ＯＥＣ）が商業的に実施されてきてい
る。酸素富化燃焼法には幾つかの利益があり、そうした
利益には、放出物（特に窒素酸化物）量の減少、エネル
ギー効率の増加、煙道ガス容積の減少、一段と浄化され
且つ安定化された燃焼、下流側サイクルでの熱動力学的
効率の向上、が含まれる。しかしながらこうしたＯＥＣ
の利益は、この用途のために製造すべき酸素コストに対
しては不利なものとなる。結局、ＯＥＣに対する市場は
酸素富化ガスの製造コストに大きく依存したものとな
る。酸素富化ガスの製造コストがトン当たり約１５ドル
に下がると、ＯＥＣの新しい市場のために必要な酸素生
成量は日産１０万トンにも上ることが予測されている。
そうした酸素生成量を達成することができるのはイオン
導伝性の膜を使用するガス分離プロセスであると考えら
れている。ＯＥＣは、ワシントンＤ．Ｃ．の米国エネル
ギー省に対するユニオンカーバイド社のＬｉｎｄｅ Ｄ
ｉｖｉｓｉｏｎの１９８６年のリポートであるＯｘｙｇ
ｅｎ Ｅｎｒｉｃｈｅｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｓｙ
ｓｔｅｍ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｓｔｕｄｙ，Ｖｏ
ｌ．１：Ｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ
Ａｎａｌｙｓｉｓ（Ｒｅｐｏｒｔ＃ＤＯＥ／ＩＤ／１
２５９７−３）及び、１９８７年のＶｏｌ．２：Ｍａｒ
ｋｅｔ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ（Ｒｅｐｏｒｔ＃ＤＯＥ
／ＩＤ／１２５９７−３）の中で、Ｈ．Ｋｏｂａｙａｓ
ｈｉが詳細に議論している。ガス流れから酸素を分離す
る際に使用するためのイオン伝導性導体法に関する文献
には、
【０００６】“Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃ
ｉｎｇ Ｂｙ−Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｏｘｙｇｅｎ ｆｒｏ
ｍ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏ
ｎ”と題する、圧縮及び加熱した空気流れから酸素を除
去し、酸素を除去した空気流れの一部分を燃料流れと共
に燃焼させ、燃焼生成物を、前記酸素を除去した空気流
れの別の部分と共に燃焼させ、最終的な燃焼生成物をタ
ービンを通して膨張させて電力を発生させる発電方法に
関する米国特許第４，５４５，７８７号がある。この米
国特許では、銀配合膜及び、配合金属酸化物の固体電解
質膜を使用して空気流れから酸素を取り除くことが記述
される。
【０００７】“Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｈｉｇｈ Ｔｅ
ｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ Ｏｘｙｇｅ
ｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ”と題する米国特許第５，５
１６，３５９号は、固体電解質イオン導体膜を使用し
て、加熱及び圧縮された空気から酸素を分離し、非透過
性の生成物を更に加熱し、タービンを貫かせることによ
り電力を発生させる方法に関するものである。“Ｐｒｏ
ｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ Ｏｘｙｇｅ
ｎ ｆｒｏｍａｎ Ｏｘｙｇｅｎ−Ｃｏｎｔａｉｎｉｎ
ｇ Ｇａｓ ｂｙ Ｕｓｉｎｇ ａＢｉ−ｃｏｎｔａｉ
ｎｉｎｇ Ｍｉｘｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｍｅ
ｍｂｒａｎｅ”と題する米国特許第５，１６０，７１３
号には、酸素イオン導体として使用することのできるビ
スマス含有材料が記載される。酸素富化燃焼或いは酸素
濃縮燃焼（ＯＥＣ）に関する刊行物には、前述の、Ｈ．
Ｋｏｂａｙａｓｈｉの米国エネルギー省のリポートと、
Ｍ．Ａ．Ｌｕｋａｓｉｅｗｉｃｓ， Ａｍｅｒｉｃａｎ
Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｍｅｔａｌｓ，Ｐａｒｋ，
ＯＨ，から発行されたＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ
ｔｈｅ １９８６ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｄ
ｕｓｔｒｉａｌ ＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｉｅｓ Ｃｈｉｃａｇｏ，ＩＬ，Ａｐｒｉｌ ２９
−３０，１９８６の中の、Ｈ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ、
Ｊ．Ｇ．Ｂｏｙｌｅ、Ｊ．Ｇ．Ｋｅｌｌｅｒ、Ｊ．Ｂ．
Ｐａｔｔｏｎ、Ｒ．Ｃ．Ｊａｉｎらによる、“Ｔｅｃｈ
ｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｅｖａｌｕａ
ｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｘｙｇｅｎ Ｅｎｒｉｃｈｅｄ Ｃ
ｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｉｎｄ
ｕｓｔｒｉａｌ Ｆｕｒｎａｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉ
ｏｎ”が含まれる。後者の刊行物では、酸素濃縮燃焼シ
ステムの様々な技法上及び経済上の様相が議論されてい
る。
【０００８】酸素富化燃焼法は、極低温蒸留かあるいは
非極低温プロセス、例えば圧力スゥイング吸着（ＰＳ
Ａ）により製造した酸素を使用して商業的に実施されて
きている。これら方法の全ては１００℃あるいはそれ以
下の温度で実施されるので、燃焼プロセスと熱的に一体
化させるのは困難である。固体電解質イオン導体に関す
る研究が長年行われてきている。固体電解質は主に燃料
電池及びセンサ内で使用され、実験的に少量の純酸素を
空気から生成するためには酸素導伝のための選択性が無
限であるという利益がある。電気的に駆動される固体電
解質膜もまた、不活性ガス流れから微量の酸素を除去す
るために使用されてきている。固体電解質膜に十分な電
圧をかけると、残留ガス流れの酸素の活性度を極めて低
い値に減少させることができるのである。しかしながら
これらの材料の多くは酸素イオン導伝性を認め得るほど
には有していない。ごく最近になって、十分に高い酸素
イオン導伝性を有し、ガス分離プロセスを経済的に実施
することのできる材料が合成された。この材料を使用す
る商業的なガス分離、ガス浄化あるいはガス富化の各プ
ロセスは今尚、開発中である。酸素分離を酸素富化燃焼
と一体化させるための方法もまた、従来は議論されてき
ていない。本願発明者の知る限り、酸素生成システムを
基盤とするイオン導伝をＯＥＣと一体化させるためのプ
ロセス構成は開示されてはいない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は、プロセスの様々な作働を熱的且つ作働上一体化させ
ることにより、独立型の酸素発生器あるいは酸素供給シ
ステムの必要性を排除し、酸素濃縮燃焼のための効率的
且つ一体化されたプロセスを提供することである。解決
しようとする他の課題は、燃焼プロセスにおけるＮＯｘ
の形成、並びに窒素ガス加熱に基づく熱的損失を最小化
しあるいは排除することである。解決しようとする他の
課題は、副生成物として使用するべきイオン導伝モジュ
ールから窒素富化ガスの流れを回収することである。燃
焼プロセスで使用する廃棄物ガス流れ中の酸素濃度を制
御することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、酸素元素を含
有する送給ガス流れを酸素富化ガス流れと酸素減少ガス
流れとに分離させ、酸素富化ガス流れが燃焼器内で使用
される方法であって、（ａ）送給物ガス流れを加圧する
こと、（ｂ）イオン導伝膜を含むイオン導伝モジュール
にして、前記イオン導伝膜が保持側と透過側とを有し、
透過側に純化酸素ガス流れを分離させ、保持側では相当
量の酸素を減少させて酸素減少ガス流れを生成し、純化
酸素ガス流れが透過側の別のガス成分と混合して酸素富
化ガス流れを形成するイオン導伝モジュールを使用し
て、加圧された送給物ガス流れから酸素を分離させるこ
と、（ｃ）イオン導伝膜の透過側を、イオン導伝モジュ
ールの透過側を出るガス流れを燃焼器内で燃焼させるこ
とにより入手される燃焼生成物ガス流れの少なくとも一
部分を使用してパージすること、を含んでいる。
【００１１】本発明の好ましい実施例では送給物ガス流
れは空気である。別の好ましい実施例では、イオン導伝
膜の透過側をパージするために使用する燃焼生成物ガス
流れは、イオン導伝膜を貫いて透過する純酸素ガス流れ
と反応する反応性ガスを含んでいる。別の好ましい実施
例では、燃焼生成物ガス流れは、イオン導伝膜の透過側
をパージするために使用されるに先立って冷却される。
更に別の好ましい実施例では、イオン導伝モジュールの
透過側を出るガス流れは酸素濃度が約１０〜９０％であ
る。更に別の実施例では、送給物ガス流れは、イオン導
伝モジュール内に送られるに先立って圧縮される。更に
別の実施例では燃焼器はイオン導伝膜の透過側でイオン
導伝モジュールと一体化される。
【００１２】更に別の実施例では、燃焼生成物ガス流れ
の少なくとも一部分が下流側プロセスで使用され、この
下流側プロセスからの下流側の生成物ガス流れの少なく
とも一部分が、イオン導伝膜の透過側をパージするため
に使用され得る。更に別の実施例では、下流側プロセス
からの下流側生成物ガス流れの少なくとも一部分に酸素
含有ガス流れが追加され、この酸素含有ガス流れを追加
した下流側生成物ガス流れがアフターバ−ナに送られ、
この下流側生成物ガス流れ中に残留する燃料が燃焼され
る。更に別の好ましい実施例では、燃焼器及び下流側プ
ロセスが共に、イオン導伝膜の透過側でイオン透過モジ
ュールと一体化される。更に別の好ましい実施例では、
下流側プロセスが、金属の酸化と、金属中の不純物を酸
化することによる金属の浄化、あるいは溶鉱炉とを含ん
でいる。
【００１３】
【発明の実施の形態】同じ参照番号は同じ要素を表す図
面を参照して、以下に本発明を詳しく説明する。本発明
は、イオン導伝酸素製造プロセスと、酸素富化燃焼（Ｏ
ＥＣ）との、経済的に魅力的な一体化を可能とする方法
の構成を開示するものである。そうした一体化を簡略化
するためには圧力駆動プロセスを使用するのが設計上好
ましいが、ここで説明する概念は電極と、電子復帰のた
めの外部回路とを有するイオン導体のみの膜か、あるい
は混合導体膜を使用するシステムに適用することができ
る。
【００１４】現在の商業的な酸素製造プロセスは代表的
には１００℃以下の温度で運転される。運転温度がこの
ように低いことから、それら従来の酸素製造プロセスは
ＯＥＣプロセスと一体化して効率を著しく高めることが
できない。イオン導伝プロセスは、運転温度が高いと
（通常は６００℃以上）、酸素を使用する、例えば燃焼
のような高温プロセスと一体化するために本来良く適合
するものとなる。加えて、燃焼排出物である煙道ガスを
イオン導伝膜の性能を増長させるために有益に使用でき
ることが示される。伝統的な酸素製造プロセス（例え
ば、ＰＳＡ、ＴＳＡ、あるいは膜ベースのプロセス）は
煙道ガスの利益を容易に受けることはできない。なぜな
ら、煙道ガスが燃焼器のチャンバを出る際の温度が高温
だからである。
【００１５】現在のプロセス構成の本質は、代表的に
は、これである必要はないが、空気である酸素含有ガス
から酸素を分離し、分離した酸素を下流側の、これに限
定するものではないが酸素富化燃焼プロセスを含む下流
側プロセスで使用するための、中実の酸素イオン導伝膜
あるいは混合イオン導伝膜を用いるイオン透過膜にあ
る。イオン透過膜の透過側での酸素分圧を下げるため
に、酸素減少ガス（例えば、燃焼プロセスあるいは任意
の下流側プロセスからの廃棄ガス）がパージガス流れと
して使用される。そうしたパージングはイオン透過膜を
横断する駆動力をかなり増長させ、酸素流量を増大させ
ると共に所要膜面積を小さくする。こうした利益は送給
物ガス流れの圧力が比較的低い場合でさえも蓄積され、
システムの所要電力を実用的に関心のあるそれに引き下
げる。燃焼廃棄物ガスの再循環もまた有益である。なぜ
なら、再循環される燃焼廃棄物ガスは燃焼器内の温度を
制御するために、またＮＯｘ（例えば侵入窒素）の形成
を最小化する上で重要な希釈流れを提供するからであ
る。
【００１６】本プロセスの効率は、酸素分離器に流入す
る煙道ガスに燃料を追加することによっても増長され
る。燃料の追加は更に、透過側での酸素分圧を一層低下
させそれにより、イオン導伝分離器での酸素流量を高め
さえもする。本発明の幾つかの実施例ではイオン導伝モ
ジュールを燃焼器としても機能させることにより、燃焼
器を出るガス流れの温度が、現在の多くのイオン導伝膜
の最大運転温度である１１００℃であることが用途上必
要でない限り、燃焼器を別に設ける必要性が排除され
る。イオン導伝モジュールの温度を運転温度範囲内に維
持するために必要な熱は、当業者には既知の様々な熱
源、例えば、中でも、アフターバ−ナ内や高温の燃焼生
成物ガス内に発生する熱を含む熱源から得られる。
【００１７】大抵の混合イオン導伝膜では、電子的な導
伝性が、関心運転温度での酸素イオン導伝性を大きく上
回り、一方の側から他方の側への酸素の全導伝量はこの
酸素イオン導伝性により制御される。数多くの潜在的な
混合イオン導伝体がフルオライト及びペロブスキー石結
晶構造において共に確認された。イオン導伝膜の挙動は
広範囲に研究され（例えば燃料電池）、正確にモデル化
することができる。表１は酸素分離のための関心混合イ
オン導体のリストの一部である。
【００１８】
【表１】
【表２】
【００１９】図１はイオン導伝酸素製造プロセスを酸素
富化燃焼プロセスと一体化した状況を示す概略ダイヤグ
ラム図である。運転中、酸素元素を含む、通常は空気で
ある送給物ガス流れ１が、ブロワあるいはコンプレッサ
２内で比較的低圧に圧縮されて圧縮された送給物ガス流
れ３となり、この送給物ガス流れ３が熱交換器３３内で
廃棄物ガス流れ３１及び生成物窒素ガス流れ３７と接触
して加熱され、暖められた送給物ガス流れ４を生成す
る。この送給物ガス流れ４からガス流れ２８が分岐さ
れ、随意的なアフターバ−ナ２６内で使用され、送給物
ガス流れ５が残される。送給物ガス流れ５はヒータ３４
内で随意的に加熱されて高温の送給物ガス流れ６を生成
する。この高温の送給物ガス流れ６は次に、保持側７ａ
と透過側７ｂとを有するイオン導伝膜７を使用するイオ
ン導伝モジュール３５の送給側に入る。高温の送給物ガ
ス流れ６内の酸素の一部分がイオン導伝モジュール３５
内で除去され、このイオン導伝モジュールを出るガス流
れ８が、送給物ガス流れ１に関して窒素富化される。イ
オン導伝膜７の透過側７ｂは燃焼生成物を含有するパー
ジガス流れ９によりパージされる。透過ガス流れ１０は
酸素を含み、この透過ガス流れ１０がその後燃料ガス流
れ１１と混合される。空気流れ１２がこの透過ガス流れ
１０に随意的に追加される。
【００２０】燃焼性ガスの流れ１３が、随意的なブロワ
（図示せず）を通過した後に燃焼器１４に入る。随意的
にあるいは燃料ガス流れ１１に加えて、燃焼器１４に燃
料ガス流れ１５を直接送給することができる。燃焼器１
４を化学量論に近付けてあるいは若干燃料リッチの状況
下に運転すること如理、廃棄物ガス流れ１６中の酸素濃
度を低レベルに維持することができる。本実施例では、
燃焼器１４からの廃棄物ガス流れ１６は２つの部分、即
ち、ガス流れ１７とガス流れ１８とに分岐される。ガス
流れ１８は、熱入力を必要とする下流側プロセス１９内
で使用され、この下流側プロセス１９からの比較的低温
の廃棄物ガス流れ２０もまた、２つの部分、詰まり廃棄
物ガス流れ２１と廃棄物ガス流れ２２とに分岐される。
燃料ガス流れ２５を廃棄物ガス流れ２１に付加してガス
流れ３８を生成することができる。
【００２１】ガス流れ３８をガス流れ１７に付加するこ
とにより、イオン導伝モジュール３５に導通されイオン
導伝膜７の透過側１７ｂをパージするために使用される
パージガス流れ９を生成することができる。随意的なヒ
ータ３４を使用するよりはむしろ、図示しないが、ガス
流れ１７を使用しての熱交換により暖かい送給物ガス流
れ５を加熱して、高温の送給物ガス流れ６を生成するこ
とができる。廃棄物ガス流れ２２を随意的なアフターバ
−ナ２６に随意的に送給し、このアフターバ−ナ２６内
に空気流れ２７あるいはガス流れ２８を随意的に追加す
ることにより高温の廃棄物ガス流れ２９を生成する。高
温の廃棄物ガス流れ２９は廃棄物ガス流れ３０あるいは
廃棄物ガス流れ３１となる。先に説明したように、廃棄
物ガス流れ３１は熱交換器３３内で、圧縮された送給物
ガス流れ３を加熱して廃棄物ガス流れ３２を生成するた
めに使用される。廃棄物ガス流れ３０は、仮に窒素が副
生成物としては使用されずしかも廃棄物ガス流れ３０の
温度が十分に高温である場合は、窒素富化された、残留
質ガス流れ８と混合される。残留質ガス流れ８は排出ガ
ス流れ３０よりも高圧となり易いことから、このガス流
れ８がガス流れ３０と混合する前に、膨張弁２３を使用
して余分な圧力を逃がす必要がある。もし、残留質ガス
流れ２４が、窒素富化された生成物ガス流れとして望ま
しいのであれば、ガス流れ３６及び３０は混合されな
い。
【００２２】イオン導伝モジュール３５内で酸素減少さ
れたパージガス流れ９を使用することにより、イオン導
伝膜７の透過側７ｂでの酸素分圧がかなり低くなる。本
発明の利益を得るために、燃料ガス流れ１１、１５、２
５、を図１の任意のあるいは全ての位置でプロセス構成
内に導入することができる。本発明のためには少なくと
も１つの燃料ガス流れが必須である。例えば、燃料ガス
流れ２５をイオン導伝モジュール３５の上流側に追加
し、イオン導伝膜７の透過側７ｂでの酸素分圧を大きく
低下させることが望ましい。こうすることにより、イオ
ン導伝モジュール３５内に燃料の燃焼による幾分かの熱
が発生しこの熱が、酸素導伝プロセスの加熱要件の幾分
かを相殺する。この場合、イオン導伝モジュール３５を
出る窒素富化されたガス流れ８をずっと高温にすること
ができる。これにより、熱交換器３３内での熱伝導がず
っと効率化されそれにより、熱交換のために必要な面積
が減少されると共に、恐らくは、イオン導伝モジュール
３５の上流側でのヒータ３４の必要性が排除される。イ
オン導伝モジュール３５内のイオン導伝膜７のパージ側
即ち透過側７ｂで十分な燃料が燃焼されるのであれば、
イオン導伝モジュール３５は燃焼器（図３を参照して説
明したように）としても作用する。この場合、著しいシ
ステムの簡素化及びコスト削減が達成される。
【００２３】１９９５年１２月５日に提出された“Ｒｅ
ａｃｔｉｖｅ Ｐｕｒｇｅ ｆｏｒＳｏｌｉｄ Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｇａｓ Ｓｅｐ
ａｒａｔｉｏｎ”と題する米国特許出願番号第０８／５
６７，６９９号には反応パージ配列構成が記載される。
反応パージを使用するイオン導伝モジュールのための好
ましい構造は、１９９７年４月２９日に提出された“Ｓ
ｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｉｏｎｉｃ Ｃｏ
ｎｄｕｃｔｏｒ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｄｅｓｉｇｎ”と題
する米国特許出願（Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ
Ｎｏ．Ｄ−２０３５２）に記載される。前記２つの米国
特許出願は共に本件出願人の所有するものである。
【００２４】燃焼器１４を若干燃料リッチの混合物を使
用して運転するのが有益である。なぜなら、そうするこ
とにより、透過ガス流れ１０に追加される燃料が部分的
に酸化されるようになり、廃棄物ガス流れ１６内に水素
ガス及び一酸化炭素が含まれるようになるからである。
先に説明したように、ガス流れ１７はイオン導伝膜７の
透過側７ｂをパージするために随意的に使用される。水
素ガスが、その他の多くのガス燃料よりも反応性の高
い、還元性の強いガスであり、この水素ガスがイオン導
伝モジュール内に存在すると、イオン導伝膜７のパージ
側７ｂでの酸素分圧は極めて低くなりそれが、イオン導
伝膜７を通しての一段と急速な酸素の導伝さえも可能に
することを明記されたい。
【００２５】水素ガスを燃料ガス流れ２５として導入す
ることによっても同様の結果を得られることはもちろん
であるが、それは、水素ガスが比較的高価な燃料である
ことから、燃焼器１４に燃料リッチな混合物を送給する
方策よりもコスト効率的なものではない。説明したよう
に、燃焼器１４に燃料リッチな混合物を送給することに
より、水素ガスがプロセスサイクルの一部として生成さ
れることから、予め生成した水素ガスを使用するための
必要性が無くなる。しかしながら、燃料リッチ条件下に
運転される燃焼器１４は一酸化炭素及び水素ガスを含む
廃棄物ガス流れ１８及び２２を発生し、これらの廃棄物
ガス流れはその濃度が低い場合には単に大気中に通気さ
れる。しかしながら、これらの一酸化炭素と水素ガスの
濃度が十分に高い場合には、先に言及したようにアフタ
ーバ−ナ２６（恐らくは触媒式の）を組み込み、このア
フターバ−ナに過剰の空気２７を追加することによりそ
れらを焼尽させることができる。アフターバ−ナ要件を
提供させるべく、暖められた送給物ガス流れ４のガス流
れ２８もまた、このアフターバ−ナ２６に追加すること
ができる。
【００２６】興味深いことに、燃焼生成物をパージガス
流れ９として再循環させることと、酸素に対するイオン
導伝膜７の選択性が無限であることとにより、燃焼器１
４内でのガス流れ１３の温度上昇を、余分な空気を必要
とせず、従って燃焼プロセスでの窒素が排除され、結局
はＮＯｘ形成が排除される状況下に、制限することが可
能となる。こうした相互依存的な効果は本発明の一般的
な原理であり、且つまた本発明の多くの実施例での特徴
でもある。
【００２７】本発明で使用するイオン導伝モジュールの
運転パラメータのための代表的な範囲は以下の通りであ
る。 温度：代表的には４００〜１０００℃の範囲であり、好
ましくは４００〜８００℃の範囲である。 圧力：パージ側での圧力は代表的には１〜３ａｔｍであ
り、送給側での圧力はもし窒素が副生成物ではないので
あれば１〜３ａｔｍであり、窒素が副生成物なのであれ
ば１〜２０ａｔｍである。 イオン導伝膜の酸素イオン導伝性（μi ）：代表的には
０．０１〜１００Ｓ／ｃｍの範囲（１Ｓ＝１／ｏｈｍ）
である。 イオン導伝膜の厚さ：イオン導伝膜は濃密フィルムの形
態として、あるいは多孔質の基材上に支持された薄いフ
ィルムの形態として使用することができる。イオン導伝
膜／層の厚さ（ｔ）は代表的には５０００μ未満であ
り、最も好ましくは１００μ未満である。 形状：イオン導伝膜要素は管状あるいは扁平であり得
る。
【００２８】先に説明したように、本明細書で議論する
実施例では非対称の、あるいは複合的なイオン導伝膜
（つまり、圧力駆動される膜）が使用される。以下の特
性は、本発明で使用することができるものとしてのそう
した膜に対する、文献中に報告された代表的な値に基づ
くものである。 有効膜厚：２０μ イオン導伝性、μ1 ：０．５Ｓ／ｃｍ 運転温度：８００℃ 基材の多孔性：４０％
【００２９】図１に示すプロセスのための運転条件、つ
まり、所要膜面積と、様々な位置での電力及び熱的エネ
ルギーの必要入力とを決定するための標準的な数学的モ
デルが使用された。本実施例は図１の構成を使用するプ
ロセスをモデル化した、例示目的だけのためのものであ
り、プロセス上の構成を最適化しようとするものではな
い。その主な理由は、そうした最適化は一般に経済的考
慮事項に基づくものであるのに、イオン導伝膜システム
の商業的製造は未だ成熟しておらず、そうしたシステム
に関する信頼できるコスト評価が今のところ得られない
ことである。
【００３０】本例に関し、図１を参照するに、燃料は燃
料ガス流れ１１としてプロセスに付加される。加えて、
随意的なガス流れ１７は考慮されない。つまり、ガス流
れ１６及び１８は同一である。更に、窒素は副生成物と
しては要求されず、また、残留質ガス流れ８からの、釈
放弁２３を使用してこの残留質のガスの余分な圧力を減
少させた後に得られる残留質ガス流れ３６が、廃棄物ガ
ス流れ２９から得られるガス流れ３０と混合される。し
かしながら、一般に、残留質ガス流れ８の圧力を低下さ
せるためには、ガス流れ３０を熱交換器３３の上流側で
残留質ガス流れ８に加えるのは一般には効果的ではな
い。廃棄物ガス流れ２２は一酸化炭素及び水素ガスを含
有していないことから、アフターバーファー２６は組み
込まれない。 本例のための基礎：下流側プロセスでは５百万ＢＴＵ／
時の熱入力が要求される。
【００３１】
【表３】
【００３２】
【表４】
【００３３】図２は触媒アフターバ−ナ設備を使用す
る、より効率的な、図１と類似の別態様での実施例を示
す概略ダイヤグラム図である。運転中、送給物ガス流れ
４１は、通常は空気であるところの、酸素元素を含有
し、ブロワあるいは圧縮機４２内で比較的低い圧力で圧
縮されて加圧送給物ガス流れ４３を生成し、この加圧送
給物ガス流れ４３が、熱交換器７３内で高温の廃棄物ガ
ス流れ４０及び生成物窒素ガス流れ６４と接触して加熱
され、暖められた送給物ガス流れ４４を生成する。この
送給物ガス流れ４４からガス流れ７０が分岐され、随意
的なアフターバ−ナ６９内で使用されて送給物ガス流れ
７４が残る。こののこりの送給物ガス流れ７４はヒータ
７５内で随意的に加熱されて高温の送給物ガス流れ４５
となる。次いで、この送給物ガス流れ４５は、保持側４
７ａと透過側４７ｂとを有するイオン導伝膜４７を使用
するイオン導伝モジュール４６の送給側に入る。高温の
ガス流れ４５はその内部の酸素の一部がイオン導伝モジ
ュール４６内で除去された後、送給物ガス流れ４１に関
して窒素付加された残留質ガス流れ４８としてイオン導
伝モジュールを出る。
【００３４】イオン導伝膜４７の透過側４７ｂは燃焼生
成物を含有するパージガス流れ７９を使用してパージさ
れる。透過物ガス流れ５０は酸素を含有し、その後、燃
料ガス流れ５１と混合される。空気流れ５２をこの透過
物ガス流れ５０に随意的に付加することができる。燃焼
性ガス流れ５３は、随意的なブロワ（図示せず）を通過
した後、燃焼器５４に入る。随意的に、あるいは燃料ガ
ス流れ５１に加えて、燃料ガス流れ５５を燃焼器５４に
直接送給することができる。燃焼器５４を化学量論条件
に近付けて、あるいは若干燃料リッチな条件下に運転す
ることにより、廃棄物ガス流れ５６中の酸素濃度を低レ
ベルに維持することができる。
【００３５】燃焼器５４からの廃棄物ガス流れ５６を２
つの部分、即ち、ガス流れ５７とガス流れ５８とに分岐
させることができる。ガス流れ５８は熱入力を必要とす
る下流側プロセス５９で使用される。この下流側プロセ
ス５９からの比較的低温の廃棄物ガス流れ６０もまた２
つの部分、即ち廃棄物ガス流れ６１と廃棄物ガス流れ６
２とに分岐され得る。燃料ガス流れ６５を廃棄物ガス流
れ６１に付加することによりガス流れ７８を生成するこ
とができる。ガス流れ７８をガス流れ５７に付加するこ
とによりガス流れ７９を生成することができる。このガ
ス流れ７９は、イオン導伝モジュール４６に入り、イオ
ン導伝膜４７の透過側４７ｂをパージするために使用さ
れる。
【００３６】廃棄物ガス流れ６２を随意的に２つの部
分、即ち高温の廃棄物ガス流れ４０と廃棄物ガス流れ７
７とに分岐することができる。先に説明したように、高
温の廃棄物ガス流れ４０は熱交換器７３で加圧送給物ガ
ス流れ４３を加熱して廃棄物ガス流れ７４を生成するた
めに使用される。廃棄物ガス流れ７７は、もし、窒素が
副生成物として使用されず、また、もし廃棄物ガス流れ
７７の温度が十分に高くない場合には、窒素リッチな残
留質ガス流れ４８と混合させることができる。この段階
は、廃棄物ガス流れ６２内の未反応の燃料を、アフター
バ−ナ６９内で燃焼させることによって除去し、且つま
た、熱交換器７３の効率を改善するための熱エネルギー
を発生させるためのものである。残留質ガス流れ４８は
廃棄物ガス流れ７７よりも高圧なものであり得ることか
ら、膨張弁６３を使用してこのガス流れ４８から余分な
圧力を釈放させてガス流れ７６を生成させて後、このガ
ス流れ７６をガス流れ７７と混合してガス流れ８０を生
成させる必要がある。
【００３７】ガス流れ８０は随意的なアフターバ−ナ６
９に送給されそこでガス流れ７０が随意的に付加される
ことにより高温の廃棄物ガス流れ３９を生成する。この
場合はガス流れ８０が完全燃焼するだけの酸素を含有し
ていることを確認する必要がある。先に説明したよう
に、暖められた送給物ガス流れ４４から得られたガス流
れ７０を随意的にアフターバ−ナ６９に追加することに
より、そうした完全燃焼を確実なものとすることができ
る。この結合流れの流量は、イオン導伝モジュール４６
と、下流側プロセス５９とからの各廃棄物ガスを混合す
ることにより増大されることを明記されたい。そうした
流量増大により、熱交換器７３内での容量比が改善さ
れ、加圧送給物ガス流れ４３に対する伝熱量が増大す
る。生成物ガス流れ６４は、もしアフターバ−ナ６９が
使用される場合には酸素（完全燃焼を保証するために過
剰量において使用された）と、燃焼生成物とを含有し、
生成物ガス流れ６４は全体的に廃棄物流れとして廃棄さ
れる。
【００３８】図１に示される本発明の実施例では、イオ
ン導伝モジュール４６内の酸素減少されたパージガス流
れ７９を使用することで、イオン導伝膜４７の透過側４
７ｂでの酸素分圧が大幅に低下し、イオン導伝膜４７を
通る酸素の導伝速度は速くなる。燃料ガス流れ５１、５
５、６５を、図２中の、本発明の利益を得るための任意
のあるいは全ての位置でプロセスに導入することが可能
であり、少なくとも１つの燃料ガス流れを使用すること
が、本発明のための必須事項である。先に説明したよう
に、イオン導伝モジュール４６の上流側に燃料ガス流れ
６５を追加し、イオン導伝膜４７の透過側４７ｂでの酸
素分圧を大幅に低減させることが望ましい。そうするこ
とより、燃料が燃焼し低温導伝モジュール４６内に幾分
かの熱が発生し、酸素導伝プロセスの加熱条件の幾分か
が相殺されることにもなる。この倍、イオン導伝モジュ
ール４６からの窒素リッチなガス流れ４８をずっと高温
化することが可能であり、そうすれば熱交換器７３内の
伝熱効率が更に向上し、熱交換のために必要な面積が低
減されるばかりか、恐らくは、イオン導伝モジュール４
６の上流側でのヒーター７５の使用に対する必要性も排
除されることになる。もし、十分な燃料をイオン導伝モ
ジュール４６内のパージ側、即ち透過側４７ｂで燃焼さ
せることができるのであれば、別個燃焼器５４に対する
必要性は全くなくなる。つまり、イオン導伝モジュール
４６が燃焼器（図３に関連して説明したように）として
も作用するようになる。この場合、システムは著しく簡
略化され、コストも低下する。
【００３９】図１に示される本発明の実施例におけるよ
うに、燃焼器５４を若干燃料リッチな混合物を使用して
運転するのが有益である。なぜなら、そうすることによ
り、透過物ガス流れ５０に追加される燃料が部分的に酸
化され、廃棄物ガス流れ５６に水素ガスと一酸化炭素と
が含まれるようになるからである。先に説明したよう
に、ガス流れ５７は随意的に、イオン導伝膜４７の透過
側４７ｂをパージするために使用され、イオン導伝間モ
ジュール４６に水素ガスが発生することにより、イオン
導伝膜４７のパージ側、即ち透過側４７ｂでの酸素分圧
が極めて低くなりそれにより、イオン導伝膜４７を貫い
ての酸素の導伝速度がより速くなる。燃焼器５４に対し
て燃料リッチな送給物を使用することにより、プロセス
サイクルの一部としての水素ガスが生成される。先に説
明したように、一酸化炭素と水素ガスとは、もしそれら
の濃度が十分に高い場合にはアフターバ−ナ６９（恐ら
くは触媒式の）を組み込むことにより焼尽させることが
可能である。
【００４０】図３には本発明の別態様の実施例の概略ダ
イヤグラム図が示され、燃焼器がイオン導伝モジュール
と一体化されている。つまり、本実施例ではイオン導伝
モジュールそれ自体が燃焼器として作用する。運転中、
通常は空気であるところの、酸素元素を含有する送給物
ガス流れ８１がブロワあるいは圧縮器８２内で比較的低
圧に圧縮され、加圧された送給物ガス流れ８３が生成さ
れる。この、加圧された送給物ガス流れ８３は熱交換器
１１３内で、高温の廃棄物ガス流れ１１６及び生成物窒
素ガス流れ９３と接触して加熱されることにより、暖め
られた送給物ガス流れ９５を生成する。この暖められた
送給物ガス流れ９５からはガス流れ１１０が分岐され、
このガス流れ１１０が随意的なアフターバ−ナ１０９内
で使用された後、送給物ガス流れ８４となってアフター
バ−ナを出る。この送給物ガス流れ８４はヒータ１１４
内で随意的に加熱されて高温の送給物ガス流れ８５を生
成する。高温の送給物ガス流れ８５は次に、保持側８７
ａと透過側８７ｂとを有するイオン導伝膜８７を使用す
るイオン導伝−燃焼器モジュール８６の送給側に入る。
高温の送給物ガス流れ８５中の酸素の一部がこのイオン
導伝−燃焼器モジュール８６内で除去され、イオン導伝
−燃焼器モジュール８６を出る残留質ガス流れ８８が送
給物ガス流れ８１に関して窒素付加される。
【００４１】イオン導伝膜８７の透過側８７ｂが、燃焼
生成物及び燃料を含有するパージガス流れ８９を使用し
てパージされる。酸素と空気流れ９２とを含む透過物ガ
ス流れ９０をガス流れ９０に随意的に追加し、ガス流れ
９８を生成することができる。イオン導伝−燃焼器モジ
ュール８６を化学量論条件に近付けて、あるいは若干燃
料リッチな条件下に運転することにより、透過物ガス流
れ９０中の酸素濃度を低レベルに維持することができ
る。熱入力を必要とする下流側プロセス９９内でガス流
れ９８が使用され、この下流側プロセス９９からの比較
的冷えた廃棄物ガス流れ１００もまた、２つの流れ、即
ち廃棄物ガス流れ１０１と廃棄物ガス流れ１０２とに分
岐される。燃料ガス流れ１０５が廃棄物ガス流れ１０１
に追加されてガス流れ８９が生成され、このガス流れ８
９がイオン導伝−燃焼器モジュール８６に入り、次いで
イオン導伝膜８７の透過側８７ｂをパージするために使
用されるのが好ましい。
【００４２】廃棄物ガス流れ１０２は随意的に２つの部
分、即ち高温の廃棄物ガス流れ１１６と廃棄物ガス流れ
１１５とに分岐され得る。先に説明したように、高温の
廃棄物ガス流れ１１６は熱交換器１１３内で、加圧され
た送給物ガス流れ８３を加熱して廃棄ガス流れ１１７を
生成するために使用される。廃棄物ガス流れ１１５は、
窒素が副生成物として使用されず、また、廃棄物ガス流
れ１１５が十分に高温である場合には窒素リッチな残留
質ガス流れ８８と混合され得る。この段階は、廃棄物ガ
ス流れ１０２中の未反応の燃料をアフターバ−ナ１０９
内で燃焼させることにより除去するためであり、また、
熱交換器１１３の効率を改善するための熱エネルギーを
発生させることをその理由として実施されるものであ
る。残留質ガス流れ８８は廃棄物ガス流れ１１５よりも
ずっと高圧なものであり得ることから、膨張弁１０３を
使用して残留質ガス流れ１１８を生成した後、この残留
質ガス流れ１１８をガス流れ１１５と混合してガス流れ
１１９を生成する必要がある。
【００４３】ガス流れ１１９は随意的なアフターバ−ナ
１０９に送られそこでガス流れ１１０が随意的に追加さ
れることにより、高温の廃棄ガス流れ９３が生成され
る。この場合はガス流れ１１９が完全燃焼するだけの酸
素を含有していることを確認する必要がある。先に説明
したように、暖められた送給物ガス流れ９５から得られ
たガス流れ１１０を随意的にアフターバ−ナ１０９に追
加することにより、そうした完全燃焼を確実なものとす
ることができる。この結合流れの流量は、イオン導伝−
燃焼器モジュール８６と、下流側プロセス９９とからの
各廃棄物ガスを混合することにより増大されることを明
記されたい。そうした流量増大により、熱交換器１１３
内での容量比が改善され、加圧送給物ガス流れ８３に対
する伝熱量が増大する。生成物ガス流れ９４は、もしア
フターバ−ナ１０９が使用される場合には、酸素（完全
燃焼を保証するために過剰量において使用された）と、
燃焼生成物とを含有し、生成物ガス流れ９４は全体的に
廃棄物流れとして廃棄される。
【００４４】図３の実施例では、イオン導伝−燃焼器モ
ジュール８６内で発生する反応熱は燃焼器から除去され
あるいは燃焼器内で、対流及びあるいは放射伝熱プロセ
ス下に消費される。例えば、イオン導伝膜８７は、反応
性のパージガス流れ８９がその内部を流動する管状に形
成することができる。管状のイオン導伝膜８７のパージ
側、即ち透過側８７ｂで発生した熱により管が高温化さ
れる。これにより、管状のイオン導伝膜８７は加熱要素
として作用し、保持側８７ａあるいは透過側８７ｂに熱
を放射し、これらの保持側８７ａあるいは透過側８７で
はガラス溶融あるいは金属焼鈍のようなプロセスが実施
される。また、イオン導伝モジュール８６において発生
される熱の一部を使用して加圧送給物ガス流れ８５とパ
ージガス流れ８９とを前加熱することにより、熱交換器
１１３及びヒーター１１４に対する必要性が恐らくは排
除される。イオン導伝膜８７の透過側８７ｂ（つまり、
酸化用のガスを有する側）には炉負荷が配置されること
を明記されたい。
【００４５】イオン導伝−燃焼器モジュールを内側を循
環する煙道（炉）ガスと一体化させることもできる。も
し、炉とイオン導伝−燃焼器モジュールとをほぼ同じ温
度（例えば８００℃から１２００℃の間の温度）で運転
されるのであれば、イオン導伝−燃焼器モジュールを、
炉の雰囲気が“クリーン”であること、つまり、イオン
導伝膜にとって有害な何らの物体も含まれないという条
件の下に炉内に直接配置することができる。この考えを
実施する１つの方法が図４に示される。ここではイオン
導伝プロセスと、燃焼器と、下流側プロセスとが全て単
一ユニット内に一体化されている。加熱された空気のよ
うな送給物流れ１３２が膜１２０のカソード側１２０ａ
と接触して高温の、酸素減少された残留物１３４、例え
ば窒素を生成する。下流側プロセル１３０（例えば炉負
荷）が、イオン導伝膜１２０の透過側、即ち、アノード
側１２０ｂに示される。
【００４６】この構成では燃料ガス流れ１２１が透過側
１２０ｂの表面に接近して送給されそれにより、イオン
導伝膜１２０を横断して導伝する酸素を払拭し及びある
いは効率的に消費する。高温帯域１３８での燃焼生成物
は、自然のあるいは強制的な対流により、透過側１２０
ｂに接触させる状態出炉内を再循環させ得る。図４に示
す構成のためには、好ましくは炉１３０から得られる、
点線で示す流れ１４６ａであるところの燃焼生成物流れ
１４６と、燃料ガス流れ１２１とが、多孔質の燃料分与
層１２２を通してイオン導伝膜１２０の透過側１２０ｂ
に隣り合って随意的に送給される。燃料分与層１２２
は、イオン導伝膜１２０を横断して燃料をより一様に分
布させる少なくとも１つの通路あるいはチャンバを画定
するのが好ましい。
【００４７】反応透過物１３６が高温帯域１３８を通し
て炉１３０に送られる。高温の窒素１４０の一部が弁１
４２を通して送られ、炉１３０の上部の雰囲気を不活性
化するのが好ましい。所望で有れば、追加の燃料１４４
を炉１３０に追加することができる。
【００４８】別の構造では、イオン導伝膜１２０は炉１
３０の外側の別のモジュールの一部分である。外側のあ
るいは一体化の何れの構成であれ、第１ステージの透過
側がこの第１ステージからの保持流れによってパージさ
れることで希釈された酸素透過物流れが生成される一方
で、第２のステージの透過側が反応状況下にパージされ
て燃料リッチな透過物流れが生成される、２ステージ型
のイオン導伝システムが確立され得る。２つの透過物流
れは、炉雰囲気中の高温の残留質窒素を使用してあるい
は使用せずに、炉内で燃焼するために使用される。
【００４９】炉のピーク温度がイオン導伝運転温度より
もずっと高い場合は、イオン導伝運転のために“正し
い”温度を有する炉帯域（例えば、連続前か熱炉の前加
熱セクション）を選択することができる。あるいは、温
度を制御するための適正なヒートシンクを有する特別の
チャンバを作ることができる。例えば、ボイラ用途ある
いは石油ヒーターでは、炉熱負荷（つまり、水管あるい
はオイル管）を使用することにより、イオン導伝モジュ
ールのための最適温度を有する帯域を容易に創り出すこ
とが出来る。大量の煙道ガスがこの帯域を貫いて循環さ
れて酸素を連続的にパージし、酸素濃度を低く保つ。酸
素濃度が低く、炉内のガス循環量が多いことにより、希
釈酸素燃焼方法との共同作用が提供される。
【００５０】本発明の一体化されたプロセスには数多く
の利益がある。例えば、ＯＥＣ野ための酸素が、パージ
のための廃棄物ガス流れを使用することにより、低圧の
送給物ガス流れから抽出され得、そのことが、酸素分離
プロセスの所要電力を低下させる。イオン導伝膜を酸素
だけが通過することにより、イオン導伝モジュールを出
るパージガス流れには窒素は追加されない。燃焼混合物
中に空気が、意図的に（例えば随意的なガス流れ１２）
かあるいは漏洩によって導入される場合でさえも、燃焼
混合物中の窒素部分は小さい。これにより、燃焼器内に
形成されるＮＯｘは最小化されあるいはその形成が排除
される。更には、下流側プロセスに先立ってあるいはそ
の後に得られた廃棄物ガスを好適に混合することによ
り、パージ入り口温度をイオン導伝プロセスに望ましい
温度に制御することが可能である。これにより、パージ
ガスを別個に前加熱する必要性が排除され得る。
【００５１】また更に、全ての燃料の燃焼をイオン導伝
モジュール内で実施できるのであれば、別個の燃焼ユニ
ットを排除することができる。これにより、システム配
置印区簡略化され、コストも削減される。更に、もし、
イオン導伝モジュール内で送給物ガス流れから十分な酸
素が除去されるのであれば、イオン導伝モジュールから
の窒素リッチな残留質流れを生成物として使用すること
が可能となる。これは、もし幾分かの燃料、例えば燃料
ガス流れ１１が追加されるのであれば最大の魅力となり
得る。もし窒素が副生成物として望まれるのであれば、
送給物ガス流れを生成物窒素供給物のために必要な圧力
で加圧するのが有益である。しかしながら、この場合
は、イオン導伝モジュールからの残留質ガス流れは下流
側プロセスからの廃棄物ガス流れとは混合されない。こ
の場合、別個の熱交換器を組み込んで廃棄物ガス流れか
ら熱を回収するかあるいは、一般に廃棄物ガス流れは残
留質ガス流れのそれと比較してずっと少量でありかつ低
温であることから、熱の回収は意図されない。
【００５２】更に、パージガス流れを使用することでイ
オン導伝膜の透過側での酸素濃度が低下する。酸素濃度
が低下するとイオン導伝モジュール並びに下流側プロセ
スの部品（例えば燃焼器）のパージ側での設計が、材料
的な観点からかなり容易化される。パージ流れがない
と、イオン導伝膜のパージ側には本来純酸素が生成され
る。そうした高純度の酸素流れを安全に取り扱うために
は、特に高温下において著しい問題が生じる。
【００５３】また、パージガス流れ中の酸素濃度は数多
くの技法により容易に制御することができる。そうした
技法には、例えば、送給物ガス流れの流量を変化させる
こと、パージガス流れの流量を変化させること（燃焼生
成物の循環量を増大させる）、イオン導伝モジュールの
運転温度を変化させる、あるいは、イオン導伝ステージ
の膜面積を変更すること、が含まれる。こうした技法
は、酸素の合計分離量を制御する上でも有効であり、負
荷追跡目的のために使用され得る。
【００５４】最後に、イオン導伝分離器を使用すること
により、独立した酸素発生器（例えばＰＳＡ）あるいは
酸素供給システム（例えば、液体タンク及び蒸発器）に
対する必要性が排除される。これにより、資本コストが
実質的に削減され、酸素製造コストも削減することが予
測される。
【００５５】上記議論したプロセス構成の精神の範囲内
で本プロセスに多くの改変をなし得ることを銘記された
い。例えば、下流側プロセスからの廃棄物ガスを送給物
ガス流れを加熱するために使用することは有益であり得
る。イオン導伝モジュールを出るパージガス流れに幾分
かの空気を追加することもできるが、これは始動運転の
ために、あるいは負荷トラッキング目的のためには特に
望ましいものである。更には、本プロセスは混合導伝体
を圧力駆動する形式のイオン導伝膜に関して説明された
が、本発明の概念を、外部の電流帰路を使用する、圧力
駆動モードあるいは電気駆動モードで運転される、主に
イオン導体に対しても適用することができることは明ら
かである。最後に、向流での酸素分離プロセスを図１に
示したが、同じプロセスを並流あるいは交叉流れモード
で行うことも可能である。
【００５６】本明細書中で“固体電解質イオン導体”、
“固体電解質”，”イオン導体”、“イオン導伝膜”と
は、特に断りのない限り、イオン形式（電気駆動され
る）システムか、あるいは混合導体形式（圧力駆動され
る）システムの何れかを指している。ここで、“窒素”
とは、通常は酸素減少ガス、つまり、送給物ガスに関し
て酸素減少されたガスを意味する。先に議論したよう
に、イオン導伝膜は酸素だけを透過させる。従って、残
留質の組成は送給物ガスの組成に依存する。送給物ガス
は酸素が減少されるがしかし、窒素及び送給物ガス中に
存在する任意のその他のガス（例えばアルゴン）を保持
している。ここで、“酸素元素”とは、元素周期表中の
任意のその他元素と結合していない任意の酸素を意味す
る。代表的には２価の形態であるが、酸素元素は、単一
の酸素原子、３価のオゾン、そしてその他の、他の元素
と結合しない形態を有する。
【００５７】ここで、“高純度の”とは、所望されざる
ガスの含有量が５容積％未満である生成物流れを意味す
る。生成物の純度は好ましくは９８．０８％、より好ま
しくは９９．９％、最も好ましくは９９．９９％であ
り、ここで“純度”とは所望されざるガスが存在しない
度合いを意味する。“圧力スゥイング吸着”システムあ
るいは“ＰＳＡ”システムとは、ガス、代表的には窒素
に対する選択性を有し、そうしたガスをその他のガスか
ら分離させる吸着材料を使用するシステムに対して参照
される。そうした材料には、通常はカーボンを含有し、
高圧の窒素と低圧の酸素とを提供する速度選択性のＰＳ
Ａ材料と、通常はリチウムを含有し、低圧の窒素と高圧
の酸素とを提供する平衡選択性のＰＳＡ材料とが含まれ
る。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。
【００５８】
【発明の効果】プロセスの様々な作働を熱的且つ作働上
一体化させることにより、独立型の酸素発生器あるいは
酸素供給システムの必要性を排除して、酸素濃縮燃焼の
ための効率的且つ一体化されたプロセスが提供される。
燃焼プロセスにおけるＮＯｘの形成、並びに窒素ガスの
加熱に基づく熱的損失が最小化されあるいは排除され
る。副産物として使用するべきイオン導伝モジュールか
ら窒素富化ガスの流れが回収される。燃焼プロセスで使
用する廃棄物ガス流れ中の酸素濃度が制御される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はイオン導伝による酸素製造プロセスを酸
素富化燃焼プロセス及び下流側プロセスと一体化した状
況を示す概略ダイヤグラム図である。
【図２】図２はイオン導伝による酸素製造プロセスを酸
素富化燃焼プロセス及び下流側プロセスと一体化した状
況を示す、図１と類似の概略ダイヤグラム図である。
【図３】図３は、燃焼器をイオン導伝モジュールと一体
化した状態での、図２と類似の概略ダイヤグラム図であ
る。
【図４】図４は、イオン導伝プロセスと、燃焼器と、下
流側プロセスとを単一のモジュール内に一体化した状況
を例示する概略ダイヤグラム図である。
【符号の説明】
１ 送給物ガス流れ ２ ブロワ ３ 送給物ガス流れ ７ イオン導伝膜 ７ａ 保持側 ７ｂ 透過側 １０ 透過ガス流れ １２ 空気流れ １３ 燃焼性ガスの流れ １４ 燃焼器 １１、１５ 燃料ガス流れ １６、２０ 廃棄物ガス流れ １９ 下流側プロセス ２６ アフターバ−ナ ３１ 廃棄物ガス流れ ３３ 熱交換器 ３４ ヒータ ３５ イオン導伝モジュール ３７ 生成物窒素ガス流れ ３５ イオン導伝モジュール
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ２３Ｌ 7/00 Ｆ２３Ｌ 7/00 Ｂ (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 (72)発明者 レイモンド・フラーンシス・ドルネビッチ アメリカ合衆国ニューヨーク州クラレン ス・センター、クリークビュー・ドライブ 5850 (72)発明者 ニティン・ラメシュ・ケスカル アメリカ合衆国ニューヨーク州グランド・ アイランド、スパイサー・クリーク138 (72)発明者 ヒサシ・コバヤシ アメリカ合衆国ニューヨーク州パットナ ム・バレー、バージャー・ストリート170

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 酸素元素を含有する送給物ガス流れを、
    燃焼器内で使用される酸素富化ガス流れと、酸素減少ガ
    ス流れとに分離するための方法であって、 （ａ）送給物ガス流れを加圧すること、 （ｂ）加圧された送給物ガス流れから、保持側と透過側
    を有するイオン導伝膜にして、透過側に純化された酸素
    ガス流れを分離させ、該純化された酸素ガス流れが透過
    側のその他のガス成分と混合して酸素富化ガス流れを形
    成し、保持側には、相当量の酸素を減少させることによ
    り酸素減少ガス流れを生成するイオン導伝膜を含むイオ
    ン導伝モジュールを使用して酸素を分離すること、 （ｃ）イオン導伝モジュールの透過側を出るガス流れを
    燃焼器内で燃焼させることにより得られる燃焼生成物ガ
    ス流れの少なくとも一部分を使用して、イオン導伝膜の
    透過側をパージすること、 を含む方法。
  2. 【請求項２】 送給物ガス流れが空気である請求項１の
    方法。
  3. 【請求項３】 イオン導伝膜の透過側をパージするため
    に使用する燃焼生成物ガス流れが、イオン導伝膜を貫い
    て透過する純化酸素ガス流れと反応する反応性ガスを含
    んでいる請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 燃焼生成物ガス流れを、イオン導伝膜の
    透過側をパージするために使用するに先だって冷却する
    ことを更に含む請求項１の方法。
  5. 【請求項５】 イオン導伝モジュールの透過側を出るガ
    ス流れが、約１０％から約９０％の酸素濃度を有してい
    る請求項１の方法。
  6. 【請求項６】 加圧された送給物ガス流れを、該加圧さ
    れた送給物ガス流れがイオン導伝モジュールに送られる
    前に加熱することを更に含む請求項１の方法。
  7. 【請求項７】 イオン導伝膜の透過側で、燃焼器がイオ
    ン導伝モジュールと一体化される請求項１の方法。
  8. 【請求項８】 燃焼生成物ガス流れの少なくとも一部分
    が下流側プロセスで使用される請求項１の方法。
  9. 【請求項９】 燃焼器と下流側プロセスとがイオン導伝
    膜の透過側でイオン導伝モジュールと一体化される請求
    項８の方法。
  10. 【請求項１０】 下流側プロセスからの下流側生成物ガ
    ス流れの少なくとも一部分がイオン導伝膜の透過側をパ
    ージするために使用される請求項８の方法。
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