KR100234576B1 - 가스 터빈과 합체되어 있는 고체 전해질 막을 사용하여 산소를 생성시키고,동력을발생시키는방법 - Google Patents

가스 터빈과 합체되어 있는 고체 전해질 막을 사용하여 산소를 생성시키고,동력을발생시키는방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 압축된 산소-함유 가스 스트림이 연소되고, 그후 고체 전해질 막과 접촉되어, 산소-고갈 압축 가스 스트림 및 생성물 산소를 생성시키는, 가스 터빈과 합체되어 있는 고체 전해질 막을 사용하여 동력을 발생시키고, 산소를 생성시키는 방법에 관한 것이다. 바람직하게, 산소-고갈 가스 스트림은 추가적으로 연소되고, 스트림을 생성시키고 그리고/또는 가스 터빈내에서 팽창되기 전에 산소-함유 가스 스트림을 예비 가열시키는데 사용된다.

Description

가스 터빈과 합체되어 있는 고체 전해질 막을 사용하여 산소를 생성시키고, 동력을 발생시키는 방법
제1도는, 후속 사용을 위해, 열이, SELIC 통과 생성물 및/또는 가스 터빈 배기로부터 회수되는 본 발명에 따라 동력을 발생시키고, 산소를 생성시키기 위한 시스템의 개략도이다 ;
제2도는, 압축 가스가 SELIC 생성물 및/또는 가스 터빈 배기가 직접 통과하는 열 교환기를 통과함에 의해 예비 가열되는 다른 구체예의 개략도이다 ;
제3도는, 열 교환기가, SELIC 통과 생성물 및 보유 배기를, 가스 터빈으로 통과시키기 잔에, 열을 회수하여, 후속 사용을 위해 증기를 발생시키고 터빈 유입 온도를 낮추는, 단일 연소기를 갖는 제 3 구체예의 개략도이다 ;
제4도는, 기존 동력 발생 시스템이 압축 공기 스트림의 압력에 맞도록 하기 위해 SELIC 보유 배기의 압력을 증가시키기 위해 압축기를 포함하는 SELIC 시스템으로 개장된 제 4 구체예의 개략도이다 ;
제5도는, 기존 동력 발생 시스템이, SELIC 보유 배기의 압력에 맞도록 하기 위해 압력 감소 요소를 갖는 SELIC 시스템으로 개장된 제 5 구체예의 개략도이다 ;
제6도는, 기존 동력 발생 시스템이, 추가 공기가, 동력 발생 시스템의 가스 터빈에 기계적으로 연결되어 제 2 압축기를 사용하여 압축되고, 산소 생성을 위해 SELIC 시스템으로 도입되고, SELIC 보유 배기가 가스 터빈으로 재도입되는 SELIC 시스템으로 개장된 제 6 구체예의 개략도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
11 : 압축기 12 : 가스 터빈
13 : SELIC 분리기 장치 14,15 : 연소기
16,17 : 열 교환기 45 : 열 교환기
본 발명은 가스 터빈과 합체되어 있는 고체 전해질 이온 또는 혼합 전도체 막을 사용하여 동력을 발생시키고 산소를 생성시키는 방법에 관한 것이다.
동력을 발생시키기 위한 가스 터빈 시스템에서, 압축 공기가 가열되고, 그후 가열된 압축 가스는 연료와 함께 연소되어, 온도를 더욱 상승시키고, 그후 터빈을 통하여 팽창되어, 동력을 발생시킨다. 비용을 줄이기 위해, 산소 생성 정치는 이러한 가스 터빈 시스템의 일부와 합체되었다. 또한 가스 터빈 동력 시스템은 추가 동력을 발생시키기 위해, 증기 동력 발생 시스템과 합체되었고, 팽창된 가열 가스가 또한 증기를 발생시키는데 사용될 수 있다.
고체 전해질 이온 또는 혼합 전도체 ("SELIC")막은, 약 500 내지 약 1000 ℃의 온도에서 가스로부터 산소를 추출하는데 사용되어 왔다. 가스로부터의 산소 추출에 있어서, SELIC 막의 최적 작업 온도는 SELIC 막 자체, 특히 막 구성 물질의 함수이다. 또한 이온 전도도는 작업 온도의 함수이고, 작업 온도가 증가함에 따라 증가한다.
약 500 내지 650 ℃ 미만의 작업 온도에서, SELIC 막의 이온 전도도가 낮아지는 것 이외에, 또한 표면 동력학 제한이 산소 플럭스 (단위 시간 및 단위 면적 당 산소의 양)를 속박한다. 이러한 동력학 제한은, SELIC 막의 공급면상의 가스상 산소 분자의 운동성 산소 이온으로의 전환 및 통과면상의 산소 이온의 산소 분자로의 전환으로 인한 것이다.
또한, 물질 및 구성 제한 (예를 들어,밀폐, 매니폴딩 및 열 응력)이 개시될 수 있기 때문에, 약 850 내지 900 ℃를 넘는 SELIC 막의 작업 온도는 바람직하지 않다. 가스 터빈내에서 통상적으로 도달되는 작업 온도 (일반적으로 약 1000 내지 1200 ℃)에서, 이러한 제한은 실질적으로 더욱 심화된다.
미국 특허 제 4,545,787 호 (Hegarty), 제 5,035,727 호 (Chen) 및 제 5,174,866 호 (Chen et al.)에 기술되어 있는 것과 같은, 가스 터빈과 합체되어 있는 SELIC 막을 사용한 산소 생성 및 동력 발생의 현행 방법은, 가스 터빈 동력 발생 단계 및 SELIC 막 산소 생성 단계의 각각의 작업 온도를 최적화시키지 못한다.
사실상, 단일 시스템으로 가스 터빈 및 SELIC 막을 사용하여 동력을 발생시키고, 산소를 생성시키려는 연구는 단지 최저 성공을 거두었다. 이러한 평범한 성능의 원인은, 공정 전반에 걸쳐 사용되는 작업 온도에 있다. 예를 들어, 막이, 압축기가 산소 함유 스트림을 방출시키거나 터빈으로부터 배기가 발생되는 온도에서 작동될 때, 이러한 온도는, SELIC 막으로부터의 최적 성능에 바람직한 것 보다 각각 더 낮거나 높다.
미국 특허 제 5,035,727 호에는, 막이 가열된 압축 공기로부터 산소를 분리시키는 온도가, 산소가 제거된 고온 압축 공기의 팽창을 통하여 동력을 발생시키는 가스 터빈의 온도와 동일함이 보고되어 있다. 이러한 관계에 있어서, 터빈 효율이 감소되거나 (바람직한 온도 보다 낮은 온도에서의 동력 발생으로 인해), 또는 SELIC 막이 최적 화학적 및 기계적 결착성에 요구되는 온도보다 높은 온도에서 작동된다.
그러므로, 본 발명의 목적은 두 시스템의 허용될 수 있는 작업 온도에서 산소 생성 시스템을 가동시키기 위해, 동력 발생 시스템에 의해 도달되는 높은 연소기 온도를 사용하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 그외의 목적은 생성물로서 산소 및 동력 둘 모두를 효율적으로 발생시키는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 연소기내에서 압축 가스 스트림을 연소시키고, 연소된 압축 가스 스트림을 고체 전해질 이온 또는 혼합 전도체 막과 접촉시킴으로써, 산소 고갈 압축 가스 스트림 및 생성물 산소를 생성시키고, 고체 전해질 막으로부터 회수된 산소 고갈 압축 가스 스트림을 가스 터빈내에서 팽창시킴을 포함한다. 동력은 이러한 가스 터빈내의 가스 스트림의 팽창 및/또는 증기를 생성시키기 위한 열의 사용에 의해 발생된다. 제 2 연소기가 산소 고갈 압축 가스 스트림을 팽창 전에 연소시키는 것이 바람직하다.
일부 구체예에서, 가스 스트림 유량, 산소 함량 및 온도와 같은 변수에 대한 조정이 바람직할 경우, 다른 경로는 부분적으로 주 경로를 우회한다.
본원에서 사용되는 "SELIC"는, 산소 이온을 운반할 수 있는 고체 전해질 이온 또는 혼합 전도체를 의미한다.
그밖의 목적, 특성 및 장점은 바람직한 구체예 및 도면의 설명으로 당업자에게 분명할 것이다.
본 발명의 방법은, 가스 터빈 시스템과 SELIC 막 시스템을 합체시킴으로써 동력을 발생시키고, 생성물 산소를 생성시킨다. SELIC 막 산소 생성 시스템 및 가스 터빈 동력 발생 시스템은 각각의 성능을 최적화하는 온도에서 작동된다, 하나 이상의 연소기는 바람직한 온도로 가스 스트림을 가열하는데 효율적으로 사용된다. 본 발명에 따라 유용한 SELIC 막은 표 2 및 3 및 하기 설명에서 더욱 상세하게 논의된다.
본 발명이 일반적으로 모든 산소 함유 가스로부터의 산소 생성 및 동력 발생에 적용할 수 있지만, 본 발명은 공기로부터의 산소 생성 및 동력 발생에 대하여 수행하는 것이 바람직하다. 본원에서 사용되는 생성물 산소는 순도가 약 90% 이상, 바람직하게는 약 95% 이상, 더욱 바람직하게는 약 98% 이상인 산소를 의미한다.
도면에서, 실선은 특정 구체예의 주 경로를 의미하고, 점선 (----,―­―­―)은 주 경로의 일부를 우회하는 다른 경로를 의미하고, 각 구체예의 특정 잇점을 달성시키기 위해 수행될 수 있다. 일반적으로, 하기에서 더욱 상세히 살명되는 바와 같이, 대략 흐름의 10 내지 90%가 하나 이상의 대체 경로를 가로지를 수 있다.
본 발명의 방법은 가스 터빈 동력 발생 사이클을 다양하게 변형시켜 사용될 수 있다. 시스템 (10), 제 1도는 본 발명에 따른 산소 생성 및 동력 발생용 가스 터빈과 합체된 분리기 장치 (13)내의 SELIC 막을 포함한다. 이 구체예에서, 도관을 통하여 란킨 (Rankine) 동력 발생 사이클로의 통과를 위한 스트림 (125)으로서 증기를 생성시키기 위해, 열이 SELIC 통과 생성물 및/또는 가스 터빈 배기로부터 회수될 수 있다.
가스 스트림 (111)은 압축 가스 스트림 (112)을 생성시키기 위해 압축기 (11)내에서 압축되고, 압력은 약 100 내지 약 500 psia, 바람직하게는 약 200 내지 약 400 psia이다.
압축기 (11)로부터 나오는 압축 가스 스트림 (112)은 연소기 (14)로 통과되고, 여기서 SELIC 분리기 장치 (13)내에 들어 있는 SELIC 막의 작업온도로 연소된다. 상기 작업 온도는 약 400 내지 약 1200 ℃, 바람직하게는 약 500 내지 약 850 ℃이다.
상기 SELIC 작업 온도로 도달시키기 위해, 연소기 (14)는 공급된 연료(113)을 연소시킨다. 이렇게 공급된 연료는 석탄으로부터 발생되는 연료 가스, 연료 오일 또는 천연 가스와 같은 탄화 수소를 포함하여, 모든 편리한 연료일 수 있다. 연소된 압축 가스 스트림 (114)는 연소기 (14)로부터 배출되어, SELIC 분리기 장치(13)로 유입된다. 연소된 압축 가스 스트림 (114)의 SELIC 막으로의 공급 흐름은 통과 생성물 스트림 (115)의 바람직한 흐름에 해당한다.
SELIC 분리기 장치 (13)에서, 상소가 연소된 압축 가스 스트림(114)으로부터 제거된다. 제거된 산소의 양은 일반적으로 산소 함유 가스의 산소 함량의 약 5 내지 약 50%이다. 산소 스트림 (115)은 SELIC 분리기 장치 (13)로부터 나오고, 그 후 열 교환기 (16) 및 (17)를 통과하여, 연속적으로 더 냉각된 생성물 산소 스트림 (121) 및 (122)을 생성시킨다.
산소 고갈 압축 SELIC 보유 배기 가스 스트림 (116) 또는 SELIC 배기는 SELIC 분리기 장치 (13)로부터 나와서, 연소기 (15)로 유입된다. 연소기 (15)에서, 추가 연료 (113a)는 산소 고갈 압축 가스 스트림 (116)의 온도를 가스 터빈 (12)의 유입 온도로 증가시키기 위해 공급된다. 연소기 (15)의 사용은 터빈 (12)으로부터 SELIC 분리기 (13)의 작업 온도를 분리시킨다. 가열된 산소 고갈 압축 가스 스트림 (117)은 연소기 (15)를 나와서, 가스 터빈 (12)으로 유입되어, 순동력 (131)을 생성시킨다. 가스 터빈 (12)이 작동하는 온도는 일반적으로 최적 성능을 위하여 약 900 내지 약 2000 ℃이고, 바람직하게는 약 1000 내지 약 1700 ℃이다.
연소기 (14) 및 (15)는, 대등한 용량의 열 교환기상에서 매우 감소된 비용으로 바람직한 가열을 달성시키는 비교적 저렴한 장치이다. 더욱이, 가열 속도는 이러한 연소기를 사용하여 더욱 효과적으로 조절할 수 있다.
가스 터빈 (12)에서, 가열된 산소 고갈 압축 가스 스트림 (117)은 팽창되어, 동력을 발생시킨다. 가스 터빈 (12)은 압축기 (11)를 구동할 수 있는 축 (110)에 의해 압축기 (11)에 연결될 수 있다. 다른 통상의 연결은,일련의 기어 또는 전기 접속부를 포함한다. 가스 터빈 (12)은 압축기 (11)를 작동시키고, 본원에서 언급된 것과 같은 다른 동력 수용기에 동력을 제공하기에 충분한 동력을 발생시킨다.
SELIC 분리기 장치(13)로부터 나오는 산소 스트림(115)과 유사하게 산소 고갈 가스 스트림 또는 가스 터빈 배기 (118)가 열 교환기 (16)로 유입되어, 냉각 폐 스트림 (119)을 생성시키고, 그 후 열 교환기 (17)로 유입되어, 냉각 폐 스트림 (120)을 생성시킬 수 있다.
물 스트림 (123)은 열 교환기 (17)로 도입되어 스트림 (124)을 형성시킨 후, 열 교환기 (16)로 유입되어 스트림 (125)을 생성시킬 수 있다. 스트림 (125)(실질적으로는 증기)은 란킨 동력 발생 사이클로의 통과를 위해 사용될 수 있다.
사실상, 하나 이상의 연소기 (14) 및 (15) 및 SELIC 장치 (13)으로 공급 스트림의 10 내지 90%를 우회시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 대체 경로는 제 1 도에, 점선 (----,―­―­―)에 의해 제시되어 있다. 예를 들어, 너무 많은 압축 가스 스트림이 가스 압축기로부터 연소기 내로 도입될 경우, 연료 부족 상태에서 연소가 일어날 것이다. 연소기의 일차 영역의 연료 부족이 심해지면, 화염이 불안정해진다. 압축 가스 스트림의 일부를 우회시키는 것은, 연소기 내의 조건이, 연소를 위한 적당한 연료-대-가스 스트림 비로 조절되도록 한다. 연소기 내로의 압축 가스 스트림의 흐름이 너무 빠른 경우, 압축 가스 스트림의 일부가 분리되어, SELIC 분리기 및 연소기의 제 2 연소기 하류로 도입될 수 있다.
제 2 연소기, 연소기 (15) 내의 산소 농도가, 연소기 내로 유입되는 가스 스트림의 충분한 연소를 유지시키기에 부족한 경우, 압축기 (11)로부터 유입되는 가스 스트림의 일부가 SELIC 분리기 장치 (13) 및 연소기 (14)를 우화할 수 있다. 이와 같이, 가스 스트림의 산소 함량은 제 2 연소기로 유입될 때와 같이 유지된다. 따라서, 이러한 대체 경로는, 본 발명의 시스템 및 공정 전반에 걸쳐 유지되고 달성되어야 하는 바람직한 온도, 산소 함량 및 유랴을 가능하게 하는 것으로 보인다.
이러한 대체 경로에서, 공급 흐름 (130의 일부는 연소기 (14)를 우회하고, 잔여 공급 흐름 (112)은 연소기 (14)를 지나 통과된다. 공급 흐름 (130)의 사용은, 연소기 (14)의 배출 온도를 더욱 높게 하여, 더욱 안정하고 효과적인 연소를 제공한다. 연소기 (14)의 하류에서, 그 후 두 부분은 원으로 표시된 지점 (A)에서 밸브를 통하여 합류되고, 여기서 냉각된 스트림 (114)이 SELIC 분리기 장치 (13)로 진행한다. 다른 방법으로, 스트림 (128)은 원으로 표시된 지점 (A)에서 분리되고, 우회된 스트림 (126)과의 합류를 위해 원으로 표시된 지점 (D)로 이동한다. 그후, 스트림 (127)은, 산소 고갈 압축 가스 스트림 (116)과의 합류를 위해 원으로 표시된 지점 (E)으로 진행되고, 여기서 결합된 스트림은 연소기 (15)로 유입될 수 있다. 다른 구조에서, 산소 고갈 압축 가스 스트림 (116)은 원으로 표시된 지점 (C)에서 분리되고, 스트림 (129)은 연소기 (15)를 우회하고, 그후 원으로 표시된 지점 (B)에서, 연소기 (15)로부터 나온 스트림 (117)과 합류될 수 있다. 연소기 (14) 또는 연소기 (15) 또는 두 연소기 모두를 부분적으로 우회함으로써, 연소기 내에 더 높은 연료/산화제 비가 달성되고, 그리하여 연소기의 더욱 안정한 작동이 유지된다. 그리하여 연소기 (14), (15) 또는 두 연소기 모두가 SELIC 분리기 장치 (13) 보다 고온에서 작동된다.
스트림 (116)을 대체하거나 보충하기 위한 스트림 (127)의 사용은, 연소기 (15)로의 공급 스트림의 산소 함량을 증가시키는 것이 바람직한 경우 유리할 수 있다. 그 이유는, 스트림 (127)이, SELIC 분리기 장치 (13)로부터 나오는 스트림 (116) 보다 더 높은 산소 함량을 갖기 때문이다 (스트림 (127)은 SELIC 분리기 장치 (13)로 도입되지 않는다). 이러한 대체 경로를 선택함으로써, 연소기 (14)의 크기를 줄이고, 최적 작업 조건을 유지하는 것이 가능할 수 있다.
스트림 (127) (우회된 부분) 대 스트림 (112) (주요 부분)의 비는 연소기 (15)내의 연료/산화제 비 개선의 바람직함을 포함하여, 상기 제시된 것과 같은 여러 가지 인자에 의존할 수 있다. 이것은, 산소 고갈 압축 가스 스트림 (116)을 연소기 (14)로의 공급 스트림의 일부로 보충하거나 대체함으로써 달성될 수 있다. 보충되거나 대체된 부분은 제 1 연소기 후 스트림 (126) 또는 스트림 (128)으로서 공급 흐름 (112)으로부터 분리될 수 있다. 스트림 (126)은 연소기 (14)를 우회하고, 스트림 (125)은 연소기 (14)로부터 나오고, 그럼으로써, 고온에서 연소된다. 어느 경우이든, 스트림 (126) 및 스트림 (128)은, SELIC 분리기 장치 (13)로부터 나오는 산소 고갈, 압축 가스 스트림 (116) 보다 높은 산소 농도를 갖는다.
제 2 도의 시스템 (209)에서, SELIC 막 함유 분리기 장치는 본 발명에 따라 산소 생성 및 동력 발생을 위한 가스 터빈과 합체된다. 압축 가스 스트림은, SELIC 단계 및/또는 가스 터빈, 바람직하게는 2가지 모두로부터의 배기와 역류로 열 교환기를 통과함으로써 예비 가열될 수 있다. 열 교환기 통과 후, 가스 터빈으로부터의 냉각 배기가 회수되어, 브라이톤(Brayton) 동력 발생 사이클로의 통과를 위한 스트림을 형성할 수 있다.
이 구체예에서, 가스 스트림 (211)은, 상기에서 언급된 범위의 압력으로의 압축울 위해 압축기 (21)로 유입된다. 그후, 압축된 가스 (212)는 압축기 (21)로부터 나오고, 열 교환기 (26)로 유입되고, 폐 스트림 (220) 및 산소 스트림 (216)에 의해 열 교환기 (26)에서 예비 가열된다.
열 교환기 (26)으로부터 배출된 후, 예비 가열된 압축 가스 스트림(213)은 약 300 내지 약 800 ℃, 바람직하게는 약 400 내지 약 650 ℃의 온도를 갖고, 그 후 연소기 (24)로 유입된다. 연소기 (24) 내에서, 스트림 (213)은 연료 (214)와 함께 연소되어, 상기 언급된 범위의, SELIC 막의 작업온도를 달성한다. 이러한 온도를 달성시키기 위해, 연소기 (24)는 공급된 연료 (214)를 연소시킨다.
연소된 압축 가스 스트림 (215)은 연소기 (24)로부터 나와서, SELIC 분리기 장치 (23)로 유입된다. SELIC 분리기 장치 (23)에서, 산소는 일반적으로 스트림 (215)에 함유되어 있는 산소의 약 5 내지 약 50%의 범위내에서 스트림 (215)으로부터 제거된다. SELIC 분리기 장치 (23)로의 공급 흐름은 상기 언급된 가스 터빈으로의 공급 흐름의 퍼센트 비율 이내이어야 한다.
산소 스트림 (216)은 SELIC 분리기 장치 (23)으로부터 나와서, 열 교환기 (26)으로 통과한다. 열 교환기 (26)에서, 열이 산소 스트림 (216)에 의해 압축 가스 스트림 (212)으로 첨가되어, 냉각 생성물 산소 (217)를 생성시킨다. 다른 방법으로, 산소 스트림 (216)은 분리 열 교환기 (27)에서 냉각되어, 생성물 산소 (217a)를 생성시키고, 압축 공급 스트림 (212)의 (212a)의 일부를 가온시킨다. 특정 물질과 역 반응할 수 있는 고온,고순도의 산소 스트림 (216)을 취급하는 열 교환기의 크기를 줄이는 것이 바람직할 수 있다.
그 후, SELIC 분리기 장치 (23)로부터 나온 산소 고갈 압축 가스 스트림 (218)은 연소기 (25)로 유입된다. 연소기 (25)에서, 추가 연료 (214a)가 공급되어, 산소 고갈 압축 가스 스트림 (218)의 온도를 가스 터빈 (22)의 유입구 온도로 증가시킨다. 상기에서, 온도는 약 900 내지 약 2000 ℃, 바람직하게는 약 1000 내지 1700 ℃이다. 연소된 산소 고갈 압축 가스 스트림 (219)은 연소기 (25)로부터 나와서, 가스 터빈 (22)으로 유입된다.
가스 터빈 (22)에서, 연소된 산소 고갈 압축 가스 스트림 (219)은 팽창되어 순동력(231)을 발생시킨다. 제 1 도에서와 같이,제 2 도에 설명된 구체예는, 압축기 (22)를 구동할 수 있는 축 (210)에 의해 압축기 (22)로 연결되는 가스 터빈 (22)을 도시한다.
SELIC 분리기 장치 (23)로부터 나온 산소 스트림 (216)과 같이, 팽창된 산소 고갈 가스 스트림 (220) (또는 가스 터빈 배기)은 가스 터빈 (22)로 부터 나와서, 열 교환기 (26)로 유입되어, 냉각된 폐 스트림 (221)을 생성시킨다. 스트림 (221)은 란킨 동력 발생 사이클로의 통과를 위한 증기를 발생시키는데 사용될 수 있다.
제 1도의 시스템 10에서와 같이, 제 2 도의, 모든 예비 가열된 압축가스 스트림 (213)은 연소기 (24)로 유입될 수 있고, 연소된 압축 가스 스트림 (215)은 SELIC 분리기 장치 (23)로 통과된다. 다른 방법으로, 스트림 (213)의 일부 (224)는 연소기 (24)를 우회하고, 나머지는 연소기 (24)를 통과하고, 연소된 스트림 (215)으로서 배출된다. 그후 두 부분은 원으로 표시된 지점 (A2)에서 합류될 수 있다. 그 후, 합류된 부분은 SELIC 분리기 장치 (23)로 진행되거나 일부가 우회된 스트림 (222)과의 합류를 위해 원으로 표시된 지점 (D2)으로 전달된다. 스트림 (222) 및 스트림 (224)은 여소기 (24)를 우회하고, 이러한 스트림은 연소되지 않고, 따라서 열 교환기 (26)에서 달성되는 온도를 넘는 온도에 도달되지 않는다. 또한 스트림 (222) 및 스트림 (224)은, SELIC 분리기 장치(23)을 우회하기 때문에, SELIC 분리기 장치 (23) 로부터 나온 스트림 (215) 보다 더 높은 산소 함량을 갖는다. 스트림 (223)은 산소 고갈 압축 가스 스트림 (218)과의 합류를 위하여 원으로 표시된 지점 (E2)으로 진행될 수 있고, 합류된 스트림은 연소기 (25)로 유입된다.
스트림 (225)은 원으로 표시된 지점 (C2)에서 산소 고갈 압축 가스 스트림 (218)으로부터 분리되고, 그 후 연소기 (25)를 우회할 수 있다. 원으로 표시된 지점 (B2)에서, 스트림 (225)은 연소기 (25)로부터 나온 연소된 산소 고갈 압축 가스 스트림 (219)과 합류될 수 있고, 그후 가스 터빈 (22)로 유입된다. 제 1 구체예에서와 같이, 연소기 (24) 또는 연소기 (25) 또는 두 연소기 모두를 우회함으로써, 연소기 내에 더 높은 연료/산화제 비를 달성시킬 수 있고, 가스 터빈 또는 SELIC 장치의 유입구에서 바람직한 온도 조절이 달성될 수 있다.
표 1은, 제 2 도에서 개략적으로 설명된 시스템 및 공정으로부터 산소의 1,000,000 NCFH (normal cubic feet per hour)의 생성에 관련된 특정 생성 파라미터를 제시한다. 이 실시예에서, SELIC 막은 약 1470 ℉의 바람직한 온도에서 작동된다. 상기 온도는 회수 열 교환기 (26)로부터 나온 공급 가스 스트림 (213)의 온도 (약 880 ℉) 보다 높고, 가스 터빈 (22)의 유입구 온도 (약 2000 ℉)보다 낮다. 스트림 (212)의 온도는 연소기 (24)를 통과함으로써 SELIC 분리기 장치 (23)의 작동 온도로 증가된다.
제 3 도의 시스템 (309)은, 본 발명에 따른 산소 생성 및 동력 발생을 위한 가스 터빈과 합체된 SELIC 막을 포함한다. 이 구체예에서, 열 교환기는, 팽창을 위해 가스 터빈을 통과하기 전에, SELIC 배기로부터 열을 회수하는데 사용된다. 회수된 열은 란킨 또는 다른 동력 발생 사이클을 위한 증기를 발생시키는데 사용된다.
시스템 (309)은 SELIC 단계 하류의 제 2 연소기가 없다. 가스 스트림 (311)은 압축기 (31)에 의해 약 100 내지 약 500 psia, 바람직하게는 약 200 내지 약 400 psia의 작업 압력으로 압축된다. 압축기 (31)로부터 나온 압축 가스 스트림 (312)은 연소기 (34)로 유입되고, 여기서 스트림 (312)의 온도는 연소기 (34)에 공급되는 연로 (321)의 연소를 통해 SELIC 막의 작업 온도 (상기 언급됨)로 상승된다. 연소기 (34)로부터 나온 연소된 압축 가스 스트림 (313)은 SELIC 분리기 장치 (33)로 유입되고, 여기서 일반적으로, 스트림 (313) 내에 함유된 산소의 10 내지 80 %가 제거된다. 제거되고, 회수되는 산소의 양은 산소 함유 가스의 산소 함량에 의존할 수 있다. SELIC 분리기 장치 (33)로부터 배출되는 산소 스트림 (316) 및 산소 고갈 가스 스트림 (314)은 열 교환기 (35)로 유입된다. 냉각 생성물 산소 (317)는 열 교환기 (35)로부터 배출된다.
물 스트림 (317)은 열 교환기 (35)로 유입되고, 스트림 (314) 및 스트림 (316)으로부터의 열의 일부는 증기 스트림 (319)을 발생시킨다. 회수된 열은 란킨 또는 다른 동력 발생 사이클과의 연결에서 동력 발생을 위해 사용될 수 있다. 한 구조에서, 열교환기 (35)는 두 개 이상의 열 교환기로 이루어지고, 산소 및 물 스트림은 다른 교환기를 통하여 통과된다.
냉각된 산소 고갈 가스 스트림 (315)은 열 교환기 (35)로부터 배출되고, 가스 터빈 (32)으로 유입되고, 여기서 동력 발생을 위해 팽창되고, 일차적으로 공기 압축기 (31)을 작동시킨다. 가스 터빈 (32)은, 압축기 (31)를 구동할 수 있는 축 (310)에 의해 압축기 (31)에 연결된다.
사실상, 압축된 가스 스트림 (312) 내의 일부 산소가 연소기 (34)에서 사용되기 때문에, SELIC 분리기 장치 (33)로의 공급 스트림의 산소의 양을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 원으로 표시된 지점 (A3)에서, 연소기 (34)를 우회하는, 공급 스트림 (312)의 일부 (320)로, 연소된 압축 가스 스트림 (313)을 보충하거나 대체하면, SELIC 분리기 장치 (33)로의 공급 스트림의 산소 양의 증가가 달성된다. 스트림 (320)이 연소기 (34)를 우회하기 때문에, 산소 함량은, 연소기 (34)로부터 배출되는 스트림 (313) 보다 크다.
시스템 (309)은, 차후의 사용을 위한 스트림 (319)를 생성시키고, 더 낮은 정도로, 순 터빈 동력 (331)을 생성시키면서, 바람직하게는 산소 생성을 최대화한다. 터빈 (32)은, 일차적으로 압축기 (31)를 운전하는데 사용될 수 있는 저렴한 터보 팽창기일 수 있다. 다른 방법으로, 부분적 또는 전체 우회 경로 (342)는 터빈 유입 온도를 조절하고, 순동력 (331)을 증가시킨다. 또 다른 구조에서, 제 2 의 임의적 연소기 (340) 및 관련된 연료 투입은 추가적 증기를 발생시키고, 제 2 연소로부터의 증가된 질량 흐름으로 인해, 추가적 작동이, 터빈 (32)로부터 얻어지도록 한다. 더욱이, 연소기 (340)는 보유 배기 스트림 (314)내의 잔류 산소를 사용한다.
제 4 내지 6도의 시스템 (409), (509) 및 (609)에서, 종래의 통상적 동력 발생 시스템이 본 발명에 따른 SELIC 시스템으로 개장된다. SELIC 시스템은, 동력 발생 시스템 내의 연소기에 관련된 제 2 연소기로서 또는 SELIC 막에 관련된 제 1 연소기로서 언급될 수 있는 추가적 연소기를 포함한다.
제 4도에서, 압축기 (41), 연소기 (47), 터빈 (48) 및 축 (410)을 포함하는 기존 가스 터빈 동력 발생 시스템은, 가스 터빈 내의 팽창을 위한 적당한 압력으로 SELIC 보유 배기를 압축시키는 추가적 압축기 (46)와 합체된 SELIC 시스템으로 개장된다. 연소기 (47)에서 적당한 온도로의 연소 후, 압착된 SELIC 배기는 동력을 생성시키기 위한 터빈에서의 팽창을 위해 사용된다.
가스 스트림 (411)은 처음에 압축기 (41)에서 압축된다. 상기에서, SELIC 막의 작업 압력은 상기 언급된 범위 내이다. 압축 가스 스트림의 일부는 회수 열 교환기 (42)로 유입되고, 증기 (413)로서 약 300 내지 약 800 ℃ 내의 온도로 예비 가열된다. 압축 가스 스트림 (412)의 잔여 부분 (422)은, 조절 밸브 (433)에 의해 조절됨에 따라, 연소기 (47)로 유입된다. 가열된 압축 가스 스트림 (413)은 열 교환기 (42)로부터 배출되고, 연소기 (43)로 유입된다. 연소기 (43)에서, 가스 스트림은 연료 (420)와 함께 연소되고, 연소된 압축 가스 스트림 (414)은, 상기 언급된 SELIC 막의 작업 온도에 가까운 온도를 가지고 배출된다. 상기 온도에 도달시키기 위해, 연소기 (43)는 공급된 연료 (420)를 연소시킨다. 연소된 압축 가스 스트림 (414)은 연소기 (43)로부터 배출되고, SELIC 분리기 장치 (44)로 유입된다.
산소 스트림 (415)은, SELIC 분리기 장치 (44) 내에 함유되어 있는 SELIC 막과 상기 스트림을 접촉시킴으로써, 연소된 압축 가스 스트림 (414)로부터 제거된다. 산소 고갈 압축 가스 스트림 (416)은 SELIC 분리기 장치 (44)로부터 배출되고, 냉각을 위해 회수 열 교환기 (42)로 유입된다. 그후 스트림 (418)은 배출되고, 추가적 냉각을 위해 열 교환기 (45)로 유입된다. 열 교환기 (45)는 장치 (46)에 적합한 최대 온도를 수용하기 위해 유입구 온도를 감소시킨다.
냉각된 폐 스트림 (419) (약 주위 온도에서)은, 스트림 (422)의 압력에 맞추기 위해, 압축용 부우스터 장치 (46)로 유입된다. 장치 (46)는 SELIC 시스템내의 다른 요소 및 열 교환기 (42)에 내재하는 압력 강하를 위해 보상함으로써 역류를 억제하는 저압력비 압축기 또는 송풍기이다. 장치 (46)가, 바람직한 흐름을 수용하는 적당한 크기일 경우, 조절 밸브 (433)는 생략될 수 있다.
그후 냉각된 압축 폐 스트림 (421)은 원으로 표시된 지점 (A4)에서 연료 (420a)와 합류될 수 있고, 합류된 스트림은 연소를 위해 연소기 (47)로 유입되어, 폐수 스트림의 온도가 약 900 내지 약 2000 ℃의 가스 터빈 (48)의 작업 온도로 상승된다. 또한 스트림 (422)으로서, 공급 가스 스트림 (412)의 나머지 부분은 연소기 (47)로부터 나와서, 가스 터빈 (48)으로 유입된다.
가스 터빈 (48)에서, 연소된 스트림 (423)은 팽창되어, 동력을 발생시킨다. 가스 터빈 배기 (427)는 추가 에너지를 회수하는데 사용될 수 있다. 여기에서 다시, 가스 터빈 (48)은, 압축기 (41)를 구동할 수 있는 축 (410)에 의해 압축기 (41)에 연결될 수 있다.
산소 스트림 (415)은 회수 열 교환기 (42)에서 냉각되고, 냉각된 산소 스트림 (417)으로서 회수 열 교환기 (42)에서 나온다. 냉각된 산소 스트림은 열 교환기 (49)에 의해 추가적으로 냉각되고, 생성물 산소 (424)로서 회수된다 (약 주위 온도에서).
또한 폐 스트림 (421)은 연소기(47)로 유입되기 전에 먼저 연료(420a)와 합류되지 않고 가스 노즐을 통하여 스트림 (426)으로서 부우스터 압축기 (46)로부터 직접 연소기 (47)로 유입될 수 있다. 또 다른 구조에서, 우회 경로 스트림 (425)은 터빈 (48)으로의 증가된 흐름이 연소기 (47)의 과적을 방지하고, 터빈 유입구 온도를 감소시키는 것을 가능하게 한다.
제 5 도의 시스템 (509)은, 통상적 가스 터빈 동력 발생 시스템과, 본 발명에 따른 산소 생성 및 동력 발생을 위한 SELIC 단계를 합체시킨다. 그러나, 시스템 (409)과는 달리, SELIC 배기 압축기는 제공되지 않는다.
제 5 도의 가스 스트림 (511)은 압축기 (51)에서 압축된다. 제 4 구체예에서와 같이, 상기에서의 작업 압력은 약 100 내지 약 500 psia, 바람직하게는 200 내지 400 psia이다. 압축된 가스 (512)는 압축기 (51)로부터 나온다. 일부 가스 스트림 (50 % 이하)은 조절 밸브 (533)에 의해 회수 열 교환기 (52)로 유입되고, 약 300 내지 약 800 ℃의 온도로 예비 가열된다. 가열된 압축 가스 스트림 (513)은 회수 열 교환기 (52)로부터 나와서, 연소기 (53)로 유입된다. 연료 (520)가 공급되어, 연소기 (53)에서, 가열된 스트림의 연소가 일어나, 연소기 (53)으로부터 나온 가스 스트림의 온도를 상기 언급된 SELIC 막의 작업 온도로 상승시킬 수 있다.
연소기 (53)로부터 배출시, 연소된 스트림 (514)은 SELIC 분리기 장치 (54)로 유입되고, 여기서 스트림 (514)에 함유된 산소의 10 내지 80%가 추출된다.
SELIC 분리기 장치 (54)로부터, 산소 고갈 압축 가스 스트림 (516)은 냉각을 위해 회수 열 교환기 (52)로 유입된다. 스트림 (516)으로부터의 열은, 상기 언급된 것과 같이 예비 가열된 스트림 (512)으로 교환된다. 스트림 (517)은 연소기 (56)로부터 상류의 원으로 표시된 지점 (B5)에서 압축된 가스 스트림 (521)과 합류될 수 있다. 또는, 스트림(517)은 연소기(56) 상류의 원으로 표시한 점 B5에서 압축 가스 스트림(522)과 함류될 수 있다. 이러한 대체 경로에서, 가스 터빈 (57)으로 유입된 모든 가스 스트림은 가스 터빈 작업 온도로 연소기 (56)에 의해 추가 연소된다. 이러한 대체 경로는, 연소기 (56)로의 공급 스트림의 압력이, 흐름 조절 장치 (58)의 사용을 통한 것과 같이, 바람직하게 조절된다. 한 구조에서, 장치 (58)는 스트림 (517)의 압력에 맞도록 스트림 (522)의 압력을 감소시키도록 된 크기의 오리피스 판이다. 연소기 (56)로의 공급 스트림의 흐름을 이렇게 조절함으로써, 추가의 열 교환기(제 4 도의 교환기 (45)와 같은 교환기) 및 압력 조절을 위한 가스 압축기의 필요성이 없어진다.
그후 주 경로 또는 대체 경로로부터 합류된 스트림은 터빈 (57)으로 유입된다. 터빈 (57)에서, 스트림 (521)의 팽창이 일어나서 동력을 발생시킨다. 가스 터빈 배기 (523)는 추가 에너지를 회수하는데 사용될 수 있다. 이러한 개장 구체예에서, 또한 가스 터빈 (57)은, 압축기 (51)을 구동할 수 있는 축 (510)에 의해 압축기 (51)에 연결될 수 있다.
또한 산소 스트림 (515)은 SELIC 분리기 장치 (54)로부터 나와서, 냉각을 위해 회수 열 교환기 (52)로 유입된다. 산소 스트림 (518)은 회수 열 교환기 (52)로부터 나와서, 열 교환기 (55)를 통과함으로써 추가적으로 냉각되고, 생성물 산소 (519)로서 회수된다.
시스템 (409)과 같이, 가스 터빈내의 압축된 가스 팽창으로 유도하는 대체 경로에서, 제 5 도의, 압축기 (51)로부터의 압축 가스 스트림의 나머지 부분 (522)은 연소기 (56)에서 연소되어, 연소기 (56)로부터 나온 가스 스트림의 온도를 약 900 내지 약 2000 ℃로 상승시킨다. 그러나, 여기에서, 흐름 조절 장치 (58)는 연소기 (56) 전에 삽입될 수 있다. 위에서 지적한 바와 같이, SELIC 막으로 우회된 압축 공급 스트림의 양은, 스트림 (522)에서 압력 강하를 조절하는 흐름 조절 장치 (58)를 사용하여 연소기 (56)의 상류에서 조절될 수 있다. 따라서, 압축 가스의 나머지 부분 (522)은, 연소기 (56)의 상류 및 흐름 조절 장치 (58)의 하류의 원으로 표시된 지점 (B)에서 SELIC 막으로부터의 폐 스트림 (517)과 합류될 수 있다.
제 6 도의 시스템 (609)에서, 가스 스트림 (611)은 압축기 (61)에서 약 100 내지 약 500 psia 압력으로 압축된다. 압축기 (61)로부터 나온 압축된 가스 스트림 (612)은 연료 (613)와 마찬가지로 연소기 (62)로 유입된다.
연소기 (62)에서, 압축 가스 스트림 (612)은 연소되어, 연소기로부터 나온 연소된 스트림의 온도는 가스 터빈 (63)의 작업 온도로 상승된다. 여기에서, 온도는 약 900 내지 약 2000 ℃이다. 연소기 (62)로부터의 연소된 압축 가스 스트림 (615)은 가스 터빈 (63)으로 유입되고, 팽창되어 동력을 발생시킨다. 가스 터빈 (63)은, 압축기 (61)를 구동할 수 있는 축 (610)에 의해 압축기 (61)에 연결된다. 가스 터빈 (63)으로부터의 배기 (616)는 열 회수 스트림 발생기에 의해, 추가 에너지를 회수하기 위해 사용될 수 있다.
제 2 가스 압축기 (64)는, SELIC 분리기 장치 (67)로의 도입 전에, 제 2 공급 가스 스트림 (618)을 압축시킨다. 압축된 가스 (619)는 압축기 (64)로부터 나와서, 회수 열 교환기 (65)로 유입된다. 가열된 압축 가스 (620)는 회수 열 교환기 (65)로부터 나와서, 연소기 (66)로 유입되어, SELIC 막의 작업 온도로 추가 가열된다. 여기서, 온도는 통상적으로 400 ℃를 넘고, 더욱 통상적으로는 600 ℃를 넘는다. 연료 (614)는 연소기 (66)로 공급되어, 압축가스 스트림 (620)의 온도가 가열된 스트림 (621)으로 상승되도록 한다. 바람직하게는, 스트림 (621)의 유량은 터빈 (63)으로 유입되는 스트림 (615)의 5 내지 25% 이다.
연소기 (66)로부터, 연소된 스트림 (621)이 나와서, SELIC 분리기 장치 (67)로 유입된다. SELIC 분리기 장치 (67)에서, 산소는, 스트림내에 함유된 산소의 10 내지 80 %의 양으로 상기 스트림으로부터 제거된다. 그후, SELIC 분리기 장치 (67)에서 나온 산소 스트림 (622)은 회수 열 교환기 (65)에서 냉각된다. 생성된 냉각 산소 스트림 (623)은 열 교환기 (68)에 의해 추가 냉각되고, 그후 생성물 산소 (624)로서 회수된다.
SELIC 분리기 장치 (67)에서 나온 산소 고갈 압축 가스 스트림은, 연소기 (62)로의 유입을 위해 원으로 표시된 지점 (A6)에서 연료 스트림 (613)과 합류된다. 상기에서, 가스 터빈 (63)으로 유입되기 전에, 연소를 위해 압축 가스 스트림 (612)과 합류된다. 이러한 가스 터빈 시스템은 표준 조건하에서 작동한다.
제 5 도의 시스템 (509)에서와 같이, 이러한 방식으로 SELIC 막이 가스 터빈과 합체된 경우, 가스 터빈에 의해 발생된 동력은, 이러한 장치를 연결시키는 축 (610)을 통하여, SELIC 막을 위해, 제 6 도의 가스 압축기 (61)을 작동시키는데 사용될 수 있다. 한 구조에서, 또한 터빈 (63)은 기계적으로 제 2 압축기 (64)에 연결되어 있고, 순 동력 (631)을 발생시킨다.
임의로, 산소 고갈 압축 가스 스트림 (625)의 일부 (626)는, 연소기 (62)로부터 나온 연소된 압축 가스 (원으로 표시된 지점 (C6))와, 또는 연소기 (62)로의 유입 전에 압축된 가스 (612) (원으로 표시된 지점 (B6))와 합류될 수 있다. 연소기 전 또는 후에 시스템내의 바람직한 온도, 희석제 수준 및 산소 농도에 대한 추가적 융통성이 제공되기 때문에, 이것이 유리하다. 또한, 스트림(620)의 일부(632)는 원하는 대로 연소기(66)를 우회할 수 있다.
하나의 구조에서, SELIC 장치 (67)는, 스트림 (625)의 허상으로 표시된 압력 조절 요소 (634)에 의한 조절을 통하여 터빈 (63)의 작업 압력 이상의 다른 압력에서 작동될 수 있다. 요소 (634)가 흐름 조절 판일 경우, SELIC 장치 (67)는 터빈 (63) 보다 높은 압력에서 작동된다. 요소 (634)가 압축기 또는 송풍기일 경우, SELIC 장치 (67)는 감소된 상대 압력에서 작동된다.
본 발명에 따른 SELIC 시스템으로 개장되는 종래의 가스 터빈 동력 발생 시스템은 제네랄 일렉트릭 컴퍼니(General Electric Co., Schenectady, New York), 지멘스(Siemens, Germany), 또는 에이비비(ABB, Sweden)로부터 구할 수 있다. 이러한 가스 터빈 시스템의 변형은, 가스 터빈 팽창을 제공하는, SELIC 단계로의 가스 스트림 공급 및 연소기로의 SELIC 배기 공급의 첨가를 포함하여, 최소이다.
용량 이상으로 가스 터빈을 작동시키는 것은 보통 바람직하지 않은 반면에, 유량의 조정으로 이러한 영향을 완하시킬 수 있다. 예를 들어, 압축기 (61)로부터의 압축 가스의 흐름이 감소되어, SELIC 막으로부터 나온 산소 고갈 가스 (625)의 증가된 흐름에 대해 보상할 수 있다. 압축 가스 흐름이 충분히 감소되지 못할 경우, SELIC 막으로부터 나온 산소 고갈 가스 흐름의 일부가 배출되어야 하거나 SELIC 막으로의 압축 가스 공급이 감소되어야 한다. SELIC 막으로의 최대 공급 흐름은, 공급 스트림을 압축시키는데 사용되는 동력에 의해 결정된다. 상기 시스템이 순동력 발생 시스템이기 때문에, SELIC 막은 시스템에 의해 발생되는 것보다 더 적은 양의 동력을 사용하여야 한다.
본원에서 사용되는 SELIC 막은, 도판트 (dopant) (Y, Sr, Ba, Ca 등과 같은)의 도입 또는 결손에 의해 야기되는 결정 격자내의 산소 빈자리를 특징으로 하는 치밀한 세라믹 산화물 또는 산화물의 혼합물로 구성된다. 빈자리 확산 메커니즘은, 산소 이온이 결정 격자를 통하여 전달되는 수단이다. 일반적으로, 빈자리의 높은 이동성을 달성시키기 위한 작동 동안, 상승 온도 (약 500 내지 약 1000 ℃, 바람직하게는 약 600 내지 약 800 ℃와 같은 400 내지 1200 ℃)가 유지되어야 한다. 빈자리의 높은 이동성과 결합된 높은 빈자리 농도는, SELIC 막 구성 물질을 통한 빠른 산소 이온의 전달을 위한 기초를 형성한다. 단지 산소 이온만이 결정 격자를 점유하기 때문에, 이상적 SELIC 막은 무한한 산소 선택성을 갖는다. 적합한 SELIC 막 물질은, 예를 들어 미국 특허 제 5,306,411 호 (Mazanec et al.)에 기술되어 있다.
소정의 적용을 위해, 선택된 SELIC 막의 크기는 통상적으로, 막을 통한 산소 플럭스 (즉, 단위 시간 당 단위 면적 당 산소의 양)에 연결된다. 작은 면적의 SELIC 막이 SELIC 분리기 장치로 유입되는 가열된 압축 가스로부터 산소를 효과적으로 제거하는데 사용될 수 있도록 산소 플럭스의 값이 높은 것이 바람직하다. 더 작은 면적의 SELIC 막은 비용을 절감시킨다. SELIC 막 상의 모든 위치에서의 산소 플럭스는, 전해질의 이온 전도도, 막의 두께 및 산소의 화학적 퍼텐셜을 포함하여, 많은 인자에 의존한다. SELIC 막의 성능을 최대화하기 위해 약 0.01 S/㎝ (Siemens/㎝) 초과, 바람직하게는 약 0.1 S/㎝를 초과하는 높은 이온 전도율이 제공되어야 한다. 충분히 높은 온도 (통상적으로 400 ℃ 초과, 더욱 통상적으로는 600 ℃ 초과)에서 SELIC 막을 유지시키면, 높은 온도에서 SELIC 막이 상당한 산소 이온 전도도를 가지고, 이러한 전도도는 온도 상승에 따라 증가하기 때문에, 본 발명의 방법 및 시스템의 성능 최대화에 기여한다. 또한 더 높은 온도는, SELIC 막의 표면에서 표면 교환 과정의 동력학을 강화할 수 있다.
본 발명의 특이적 특성은 편의상 하나 이상의 도면에 제시되어 있고, 각각의 특성은 본 발명에 따른 다른 특성과 결합될 수 있다. 당업자들은 본 발명의 특허 청구의 범위내에 포함되는 다른 구체예를 인지할 것이며 특허 청구의 범위에 포함된다.　

Claims (9)

  1. (a) 제 1 연소기내에서 압축된 산소 함유 가스 스트림을 연소시켜서 가스 스트림의 온도를 상승시키는 단계 ; (b) 연소된 압축 산소 함융 가스 스트림을 고체 전해질 막과 접촉시켜서 산소 고갈 압축 가스 스트림 및 이로부터의 생성물 산소를 생성시키는 단계 ; (c) 제 2 연소기내에서 산소 고갈 압축 가스 스트림을 연소시켜서 스트림의 온도를 증가시키는 단계 ; 및 (d) 제 2 연소기 및 고체 전해질 막으로부터 회수된 연소된 산소 고갈 압축 가스 스트림을 가스 터빈내에서 팽창시켜서 동력을 발생시키는 단계를 포함하여, 산소를 생성시키고, 동력을 발생시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 (d) 전에, 열이 산소 고갈 압축 가스 스트림으로부터 회수됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 터빈으로부터 팽창된 산소 고갈 가스 스트림을 수득하는 단계, 및 팽창된 산소 고갈 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 압축 산소 함유 가스 스트림의 일부가 제 1 연소기를 우회하고, 고체 전해질 막과의 접촉 전에, 연소된 압축 산소 함유 가스 스트림과 혼합됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 단계 (a)의 압축 산소 함유 가스 스트림의 일부가 제 1 연소기 및 고체 전해질 막을 우회하고, 단계 (b)의 고체 전해질 막으로부터 회수된 산소 고갈 압축 가스 스트림과 함께 제 2 연소기에서 연소됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 제 2 연소기에서 연소되기 전에, 압축 산소 함유 가스 스트림의 우회한 일부가 유량을 조절하기 위해 흐름 조절 장치를 통과함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 단계 (b)로부터의 산소 고갈 압축 가스 스트림의 일부가 제 2 연소기를 우회하고, 가스 터빈내로 직접 도입됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 단계 (a)의 연소된 압축 산소 함유 가스 스트림의 일부가 고체 전해질 막을 우회하고, 제 2 연소기로 전달되기 전에, 제 1 연소기를 우회한 압축 산소 함유 가스 스트림의 일부 또는 전부와 합류됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 연소기에서 압축 산소 함유 가스 스트림을 연소시키는 단계 ; 연소된 압축 산소 함유 가스 스트림을 고체 전해질 막과 접촉시켜서 산소 고갈 압축 가스 스트림 및 이로부터의 생성물 산소를 생성시키는 단계 ; 생성물 산소의 일부를 열 교환기를 통과시켜서 증기를 발생시키는 단계 ; 및 압축기를 구동시키기 위해 터빈에서, 고체 전해질 막으로부터 회수된 산소 고갈 압축 가스 스트림을 팽창시켜서 압축 산소 함유 가스 스트림을 수득하는 단계를 포함하여, 산소를 생성시키고 동력을 발생시키는 방법.
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