KR19990045223A - 가스터빈을 사용하여 산소, 질소 및/또는 이산화탄소를 생성하기 위한 고체전해질 이온전도체 시스템 - Google Patents

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젤사 존 엠.
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Abstract

본 발명은 가열된 공급 가스흐름을 생성하기 위하여 원소(elemental) 산소를 함유하는 공급 가스흐름을 압축하고, 이온전달 반응기 막 부(section)의 보유(retentate)면 상에서의 공급 가스흐름을 가열함으로써 적어도 하나의 산소 생성 가스흐름 및 가스터빈으로부터 동력을 생성하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 이온전달 반응기 막 부분을 투과하는 산소는 제1 연료 가스흐름과 반응하여 제1 연소 생성물 가스흐름을 생성한다. 상기 가열된 공급 가스흐름은 보유면과 투과면을 갖는 이온전달 분리기 막 부을 이용하여 보유면 상에서의 산소-결핍 가스흐름과 투과면 상에서의 산소-포함 가스흐름으로 분리된다. 상기 제1 연소 생성물 가스흐름 중 적어도 일부분은 회수될 수 있으며, 에너지는 에너지를 생성시키기 위하여 가스터빈에서 팽창되는 적어도 하나의 가스흐름으로부터 추출될 수 있다.

Description

가스터빈을 사용하여 산소, 질소 및/또는 이산화탄소를 생성하기 위한 고체전해질 이온전도체 시스템
본 발명은 가스분리 시스템에서 고체전해질 이온전도체막을 사용하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연료흐름을 전달된 산소와 반응시켜 이온전달 분리기 운전에 바람직한 열조건을 발생하기 위하여, 그리고 가스터빈 동력 사이클과 통합함으로써 동력 및 산소, 질소 및/또는 이산화탄소를 공생산하기 위한 향상된 공정을 제공하기 위하여 이온전달 반응기를 사용하는 것에 관한 것이다.
본 발명은 미국 표준기술 국립연구소에 의해 선정되어 공동합의 제70NANB5H1065호에 준하여 미국정부 보조로 실행되었다. 미국정부는 본 발명에 대하여 특정권리를 갖는다.
비-저온 벌크(bulk) 산소 분리시스템, 예를 들면 유기 고분자막 시스템은 공기 및 다른 가스 혼합물로부터 선택된 가스를 분리하기 위하여 사용되었다. 공기는 수증기 양이 변하는 가스의 혼합물이며, 부피비로 산소(20.9%), 질소(78%), 아르곤(0.94%) 및 다른 미량의 가스들로 이루어지는 조성을 갖는다. 그러나 완전히 다른 타입의 막이 특정 무기 산화물로부터 제조될 수 있다. 이들 고체 전해질 막은 칼슘- 또는 이트륨-안정된 지르코늄 및 형석(fluorite) 또는 회티탄석(perovskite) 구조를 갖는 유사 산화물에 의하여 유형화된 무기 산화물로부터 제조된다.
비록 가스 분리막으로서 이들 산화물 세라믹 재료의 잠재력은 굉장하지만, 이들을 사용하는데 있어서 문제점들이 있다. 가장 명백한 문제점은 상기 알려진 산화물 세라믹 재료 모두가 단지 높은 온도에서 상당한 산소 이온전도도를 나타낸다는 것이다. 그들은 보통 500℃ 이상에서 일반적으로 600℃ 내지 900℃ 범위에서 잘 작동된다. 낮은 온도에서도 잘 작동하는 물질을 찾기 위한 많은 연구에도 불구하고 상기와 같은 한계가 아직도 남아 있다. 고체전해질 이온전도체 기술은 프라사드(Prasad et al.)의 미국특허 제5,547,494호 "다단식 전해질 막"에 보다 상세하게 기술되어 있다. 그러나 운전의 높인 온도는 증기-기저, 가스-기저, 또는 결합동력 사이클과 같은 고온공정과의 통합에 본질적으로 잘 맞는 이온전달공정을 만든다.
만약 화학 구동 잠재성이 응용된다면, 높인 온도에서 산소이온을 전도하기 위한 능력을 갖는 고체 산화물을 생성하는 최근 기술이 개발되었다. 이들 압력 구동 이온전도체 재료는 만약 충분한 산소부분압 비율이 화학 구동 잠재성을 제공하기 위하여 응용된다면 산소를 포함하는 가스흐름으로부터의 산소추출을 위한 막으로서 사용될 수 있다. 산소에 대한 이들 재료의 선택도는 무한하고, 고분자막에 대하여 보다 몇 배 큰 산소 플럭스(flux)가 얻어질 수 있기 때문에, 특히 높인 온도를 수반하는 응용과 함께 산소가 요구되는 산화공정을 위해서 뿐만 아니라 산소생성을 위하여 만들어진다. 유명한 예는 유효한 재료의 가능성 내에 터빈 유입온도를 유지하기 위하여 충분한 양의 잉여공기를 일반적으로 처리하는 가스터빈 사이클이다. 그러므로 해서 공생성물로서 회수하기 위한 유효한 잉여산소를 만든다.
이온전달막 시스템의 고안에서 그리고 가스터빈과 같은 고온 사이클로의 통합에서의 중요한 몇 가지 문제점은 이온전달에 대한 구동력을 극대화하고, 기체 확산저항을 최소화하고, 열적 및 조성상의 팽창과 수축으로부터의 잉여응력을 피하고, 그리고 이온전달장치 내에 이온전달요소를 봉합하는 것을 수반한다. 나머지 문제는 이온전달막 운전온도가 500 내지 1100℃인 사실에 의하여 악화된다.
고체 전해질 이온전도체를 사용하는 공기분리 기술의 진보는 기술문헌에 개시되어 있다. 예를 들면, Mazanec 등의 미국특허 제5,306,411호의 "고체 다성분막, 전기화학 반응기 구성요소, 전기화학반응기 및 산화반응을 위한 막, 반응기 구성요소 및 반응기의 사용"은 산소를 함유하는 가스는 산소를 소비하는 가스와 반응시키기 위한 전기화학 반응기에 관한 것이며, 고체 전해질막의 한 면에 흐르는 산소를 포함하는 가스 및 다른 면에 산소를 소비하는 가스를 갖는 쉘(shell) 및 튜브 반응기를 개시하고 있다. 그러나 Mazanec 등은 그와 같은 시스템을 가스터빈 사이클로부터의 산소생성, 바람직한 균일한 온도에서 막 표면을 유지하기 위한 열조절, 효율적 물질전달을 얻기 위한 유체 동력학, 또는 재료의 안정성을 위한 적절한 산소 부분압을 유지하기 위한 산소이온 전도도와 함께 반응 동력학이 균형을 이루기 위한 필요성을 해결하기 위한 시스템과 통합하는 것에 관하여는 언급하지 않았다.
Kang 등의 미국특허 제5,565,017호의 "증기 및 동력 생산과의 고온 산소생성"은 가열되고 증기가 첨가된 후에 보유가스흐름으로부터 에너지를 회수하기 위한 가스터빈과 이온전달막을 통합하는 시스템에 관한 것이다. 증기 또는 물을 이온전달 비투과 흐름 내로의 주입은 터빈 공급가스흐름으로부터의 산소질량의 손실을 보충한다.
Kang 등의 미국특허 제5,562,754호의 "증기를 사용하는 이온전달막에 의한 산소생성"은 가열된 후에 보유가스흐름으로부터의 에너지를 회수하기 위하여 이온전달막을 가스터빈과 통합하는 시스템을 개시하고 있다. 증기가 산소회수를 향상시키기 위하여 투과면 상에 스위프(sweep)가스로서 첨가된다. 산소와 증기의 혼합물을 함유하는 흐름은 생성물로 추출될 수 있는 투과면 상에서 생성된다.
Kang 등의 미국특허 제5,516,359호의 "산소생성을 위한 통합고온방법"은 컴프레셔 배출과 이온전달분리기 사이에 주입된 제1연소기에 의하여 압축공기 공급가스흐름을 적당한 이온전달 운전온도로 가열하는 것을 개시하고 있다. 그 후에 이온전달분리기로부터의 보유가스흐름은 제2연소기에 의하여 터빈 유입온도로 가열된다. 터빈 및 이온전달 분리기에 대한 유입온도는 상기 두 연소기에 대한 연료속도를 조절하여 독립적으로 조절된다. 다른 구성에 있어서, 열교환기는 이온전달분리기로부터의 하류에 위치하는 두 연소기 사이에 설치되며, 이온전달분리기로 향하는 공기공급가스흐름은 열교환기에 의하여 정확한 온도로 가열된다.
Kang 등의 미국특허 제5,516,359호에 개시된 방법은 이온전달분리기로 향하는 공급가스흐름이 이온전달 분리기 공급가스흐름을 희석하고, 산소 구동력을 감소시키고, 그리고 혼합 전도체 재료 유해오염물로 작용할 수 있는 연소생성물을 포함하는 단점이 있다. 공급공기 내에 함유된 약간의 산소가 제1연소기에서 소비되기 때문에, 산소구동력은 더 감소된다. 이 다른 구성은 부가적이고, 잠재적인 고비용의 열교환기를 필요로 하는 단점을 가지고 있다. 또한 연료-대-공기 동치비율이 낮기 때문에 제1연소기에서 안정적 연소를 유지하는데 문제가 있을 수 있다. 특히 상기에서 터빈 배출 내에 포함된 열은 공급 공기가스흐름에 의하여 재생적으로 회수되며, 제1연소기의 열사용은 적다.
Hegarty의 미국특허 제4,545,787호의 "터빈 동력 생산으로부터의 부산물 산소 생성을 위한 방법"은 부산물 산소농축 가스의 회수를 수반하는 연소터빈을 사용하여 순동력을 생산하기 위한 방법에 관한 것이다. 공기는 압축되어 가열되고, 공기의 적어도 일부분은 연소되고, 산소의 일부분은 공기 분리기를 사용하여 공기 또는 연소 유출액으로부터 제거된다. 산소희박 연소유출액은 동력을 생산하기 위하여 터빈을 통하여 팽창된다. 대체 구체예에 있어서, 터빈으로부터의 유출액은 부가동력을 생산하기 위한 증기를 생성하기 위하여 사용된다. 이 공정에서 연료의 타입은 일반적으로 천연가스, 오일 또는 합성가스와 같은 "깨끗한" 연료로 한정된다.
Chen 등의 미국특허 제5,035,727호의 "외부 발화 가스 터빈으로부터 산소추출"은 외부 연소 동력생성 가스터빈 사이클로부터 고순도 산소를 회수하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 헤가티(Hegarty)의 미국특허 제4,545,787호와 동일한 반면에 첸은 석탄 또는 생물량을 사용할 수 있도록 외부 연소 가스터빈을 사용하는데 차이점이 있다.
Chen 등의 미국특허 제5,174,866호의 "고체전해질막을 사용하여 터빈 배출로부터 산소회수" 및 미국특허 제5,118,395호의 "고체 전해질막을 사용하는 터빈 배출로부터 산소회수" 둘 다는 가스터빈 배출을 산소 이온전도막을 통과하도록 함으로써 가스터빈 배출흐름으로부터 고순도 산소를 추출하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 공정에 있어서, 산소이온 전도막을 사용하는 산소분리기는 종래 특허와 같은 상류 대신에 가스터빈의 몇몇 또는 모든 단계의 하류에 위치한다. 전기적으로 구동되는 이온전달단위는 터빈 배출압력이 낮을 때 제안된다. 산소분리기로부터의 배출흐름은 선택적으로 가스터빈을 통하여 팽창된다.
본 발명의 목적은 동력 및 산소, 선택적으로 질소 및 이산화탄소의 공생성을 위한 효율적 방법을 제공하기 위한 그리고 이온전달 기술을 가스터빈 동력 사이클과 향상된 통합을 달성하기 위하여 가스터빈을 사용하여 산소, 질소 및/또는 이산화탄소를 생성하기 위한 고체전해질 이온전도체 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유일한 주요 불순물인 물과 함께 이산화탄소 및 고순도 질소의 공생산을 하기 위하여 가스터빈을 사용하여 산소, 질소 및/또는 이산화탄소를 생성하기 위한 고체전해질 이온전도체 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 특히 이산화탄소와 산소 둘 다의 공생성물이 요구되는 경우에 있어서 산소의 회수를 최대화하기 위하여 가스터빈을 사용하여 산소, 질소 및/또는 이산화탄소를 생성하기 위한 고체전해질 이온전도체 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 하기 본 발명의 바람직한 구체예의 설명 및 첨부 도면으로부터 당 분야의 기술자에 의하여 이해될 것이다.
도1은 산소생성물 가스흐름, 이산화탄소 생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위하여 이온전달 반응기 모듈 및 터빈과 결합하여 고체전해질 이온전도체 분리기 모듈을 사용하는 본 발명의 구체예를 나타낸 개략도이다.
도2는 산소생성물 가스흐름과 동력을 생성하기 위하여 이온전달 반응기-히터 모듈과 결합하여 고체전해질 이온전도체 분리기 모듈을 사용하는 본 발명의 구체예를 나타낸 개략도이다.
도3a는 산소생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위하여 통합된 고체전해질 이온전도체 반응기-분리기 모듈 및 터빈을 사용하는 도2와 비슷한 본 발명의 구체예를 나타낸 개략도이다.
도3b는 도3A에 나타낸 본 발명의 구체예에 대한 대체 고체전해질 이온전도체 연소기-분리기 모듈 구성요소에 대한 상세도이다.
도4는 연소와 동력의 생성물을 포함하는 산소생성물 가스흐름을 생성하기 위한 연소기와 터빈을 결합하여 고체전해질 이온전도체 반응기 분리기 모듈을 사용하는 본 발명의 구체예에 대한 개략도이다.
도5a는 산소생성물 가스흐름과 동력을 생성하기 위하여 터빈의 하류에 배치된 이온전달 반응기 모듈과 결합하여 고체 전해질 이온전도체 분리기 모듈을 사용하는 본 발명의 다른 구체예에 대한 개략도이다.
도5b는 도5A에 나타낸 본 발명의 구체예에 대한 대체 연소기 구성요소에 대한 상세도이다.
도6은 산소생성물 가스흐름, 고순도 생성 질소흐름 및 동력을 생성하기 위한 이온전달 분리기 모듈 및 터빈과 결합하여 디옥소(deoxo) 단위로써 고체전해질 이온전도체 반응기-히터 모듈을 사용하는 본 발명의 또 다른 구체예에 대한 개략도이다.
도7은 산소생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위하여 이온전달 분리기 모듈 및 터빈과 결합하여 고체전해질 이온전도체 반응기-히터 모듈을 사용하여 본 발명의 또 다른 구체예에 대한 개략도이며, 여기서 이온전달반응기 양극 또는 투과면으로부터의 반응 생성물이 산소이온전달을 높이기 위하여 이온전달 분리기의 투과면을 세척한다.
본 발명은 원소(elemental) 산소를 포함하는 공급 가스흐름을 압축하고, 이온전달 반응기 막(membrane) 부(section)와의 연료-산소 반응을 이용하여 공급 가스흐름을 가열하고, 상기에 의하여 가열된 공급 가스흐름을 생성함으로써 적어도 산소생성 가스흐름 및 가스터빈으로부터 동력을 생성하기 위한 방법으로 이루어져 있다. 바람직하게는 이온전달 반응기막(membrane) 부분을 투과하는 산소는 제1연소 생성물 가스흐름을 생성하기 위하여 제1연료 가스흐름과 함께 제1투과영역에서 반응한다. 상기 가열된 공급 가스흐름은 이온전달 분리기 막 부의 보유면 상에 산소-결핍 가스흐름 및 분리기 막 부의 투과면 상에 산소생성물 가스흐름으로 분리된다. 제1연소 생성물 가스흐름의 적어도 한 부분은 회수될 수 있고, 에너지는 팽창되는 산소-결핍 가스흐름과 같은 적어도 하나의 가스흐름으로부터 추출되며, 그 후에 팽창된 흐름은 동력을 생성하기 위하여 가스터빈 내에서 제1투과영역 반응에 의하여 직접 또는 간접적으로 가열되었다.
본 발명의 바람직한 구체예에 있어서, 산소-결핍 가스흐름은 제2연소 생성물 가스흐름을 생성하기 위하여 연료 가스흐름과 함께 연소기에서 반응한다. 본 발명의 다른 바람직한 구체예에서, 제1연소 생성물 가스흐름의 적어도 일부분은 응집 가스흐름을 만들기 위하여 이온전달 분리기 막 부의 보유면으로부터의 산소-결핍 가스흐름의 적어도 일부분과 결합하고; 그리고 연소기내의 응집 가스흐름은 제2연소 생성물 가스흐름을 생성하기 위하여 연료가스흐름과 반응한다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에 있어서, 물은 이산화탄소 생성물 가스흐름을 생성하기 위하여 제1연소 생성물 가스흐름의 적어도 일부분으로부터 제거된다. 본 발명의 또 다른 구체예에 있어서, 가스터빈에 의해 회수되는 에너지의 적어도 일부분은 압축단계를 수행하기 위하여 사용된다. 본 발명의 다른 바람직한 구체예에 있어서, 산소-결핍 가스흐름의 적어도 일부분은 질소생성물 가스흐름으로 회수된다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "모듈(module)"은 하나 또는 그 이상의 이온전달막 부를 포함하는 쉘(shell)을 말하는 것이다. 만약 하기에 반대로 언급되지 않는다면, 둘 또는 그 이상의 모듈에 의하여 실행되는 운전설명은 다른 구체예에 응용한다. 상기에서 그와 같은 운전은 단일 모듈에 배치된 둘 또는 그 이상의 이온전달막 부에 의하여 실행된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "부(section)"는 관형(tubular), 평면형, 또는 다른 형태의 구조와 같은 형태로 될 수 있는 이온막 요소의 적어도 일부분을 말하는 것이다.
본 발명의 본질은 이온전달 분리기막 부에 의한 적어도 산소 생성물의 회수를 가스터빈 공정과 결합하기 위한 것이며, 여기서 분리기의 작동 온도로 공급흐름을 마지막으로 가열하는 것이 이온전달 반응기, 반응기-히터, 또는 반응기-분리기 결합으로 이루어지는 반응기막 부의 투과면 상에서 연료를 반응시킴으로써 실행된다. 반응기 막 부분과 분리기 막 부분은 몇 구체예에서는 막이 공간을 두고 떨어져 있는 것이 다르며, 다른 구체예에서는 단일막 구조가 다른 부분이다.
본 발명은 이온전달막의 투과면 내로 주입된 연료를 전달된 산소와 반응함으로써 이온전달 운전온도까지 올리기 위한 공급공기흐름에 대한 가열기능의 적어도 일부분을 실행하기 위하여 가스터빈 사이클 동력 생성구조 내에 이온전달막을 갖는 적어도 하나의 이온전달 산소반응기를 설치함으로써 실행될 수 있다. 그와 같은 반응적 세척은 산소 부분압을 감소시킴으로써, 산소를 소비함으로써 및/또는 연소생성물로 막을 스위프(sweep)함으로써 막 사이의 산소전달을 향상시키고, 그러므로 반응면에 대한 산소전달을 위한 구동 잠재력을 증가시킨다. 일반적으로 공기와 같은 공급가스흐름으로부터의 산소는 반응을 지원하기 위하여 이온전달반응기 내에서 부분적으로 추출된다. 증기와 이산화탄소를 함유하는 투과유출 가스흐름이 냉각될 때, 물은 가스흐름으로부터 응축되고, 수증기로 포화된 그렇지만 순수한 이산화탄소 가스흐름은 바라는 바와 같이 얻어질 수 있다. 다른 구성에 있어서, 반응기의 투과면은 실질적으로 보유면과 같은 압력에서 운전되며, 분출투과흐름은 이온전달분리기로부터 나타나는 보유면과 만난다.
이온전달 반응기로부터의 보유흐름은 투과면 상에서 산소 및 보유면 상에 산소-결핍 가스흐름을 생성하기 위하여 제2 이온전달막에서 더 실행된다. 몇몇 구성에 있어서, 이온전달반응기 내에서 부분적인 산소-결핍 보유가스흐름은 연료를 사용하여 연소되고, 동력 생성을 위하여 가스터빈에서 팽창된다. 가스터빈으로부터의 배출은 일반적으로 열교환기 내에서 공급흐름을 예열하기에 충분히 뜨겁거나, 공정의 증기-기저 동력 생산 부분에서 사용되는 증기를 생성하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 하기 설명에 나타낸 바와 같이, 특히 바람직한 모드(mode)에서, 본 발명은 연소 생성물과의 이온전달 공급가스흐름의 오염을 피하는 것, 산소 구동력 감소, 비교적 간단한 공정흐름 배열과 함께 낮은 연료-대-공기 동등 비율 때문의 운전 어려움과 관계되는 종래 기술의 중요 단점의 몇 가지를 제거한다. 더군다나, 본 발명은 NOx방출을 감소시키고, 이산화탄소 및 질소의 공생산(coproduction)을 위한 선택권을 제공하는 장점을 가지고 있다. 본 발명의 바람직한 구체예는 이온전달 분리기 내에서 산소회수를 향상하기 위한 세척가스로써 연소 생성물 가스흐름을 사용한다. 이온전달 반응기-히터 또는 이온전달 반응기-분리기의 사용은 이온전달 분리기를 위한 세척가스를 얻기 위하여 매우 경제적인 방법을 제공한다. 선택적으로 본 발명은 연소 생성물 세척가스흐름 또는 이온전달 반응기로부터 나오는 배출가스흐름이 주로 물과 이산화탄소이기 때문에 공정으로부터 이산화탄소 생성물의 바라는 바와 같은 회수를 하도록 한다. 배출 가스흐름 내에 물은 응축될 수 있고, 터빈 공급에 가스흐름 부가로써 재활용되며, 상기에는 잉여물 첨가를 허용하기 위한 충분한 폐열이 항상 유효하다. 일반적으로, 터빈 폐기가스흐름은 높은 질소 함유를 갖고 있으며, 질소의 경제적 회수에 도움이 된다. 본 발명에 따른 몇몇 공정은 연소생성 가스흐름이 이온전달 분리기에 대한 세척가스흐름으로써 사용 가능하다는 점에 있어서 종래 기술과 구별된다. 또 다른 구별되는 특징은 만약 증기가 세척 매체로서 바람직하다면, 주입된 증기의 중요한 부분이 연소의 잔여 생성물로부터 얻어질 수 있다는 것이다.
이온전달 반응기의 투과면을 세척하는데 사용될 때, 본 발명의 중요한 장점은 세척가스로써 연소 생성물(예, 증기 또는 이산화탄소)을 사용하는 것이며, 그에 의하여 이온전달막의 세척면 상에 산소의 효과적 부분압을 감소시킨다. 이것은 이온전달막을 통하는 동력을 향상시키고, 요구되는 높은 산소 플럭스 및 낮은 막 면적에 영향을 미친다.
운전의 높인 온도는 이온전달 공정을 높은 온도공정과의 통합에 대하여 본질적으로 잘 적용되도록 한다. 현존하는 가스터빈 동력 플랜트 내에 이온전달 단위를 합체하는 것은 쉬우며, 상기와 같은 개선으로 얻어지는 이익은 이온전달 단위 및 악세서리 설치비용을 상쇄한다. 본 발명의 공정구성에 있어서, 이온전달 산소분리기는 가스터빈으로부터 열적으로 분리된다. 그래서 각 장치는 각 운전온도에서 운전될 수 있다. 또한 이온전달단위 그 자체 사이에 압력강하는 비교적 작은 것이다. 본 발명에 따른 개선은 기존 동력 플랜트의 효율성 및 실행에 반대로 영향을 주지 않는다.
이온전달막과의 공동 통합에 대한 이상적인 기회는 터빈이 뜨거운 가스가 팽창함으로써 동력을 회수하기 때문에 본 발명에 따른 가스터빈 시스템을 사용함으로써 제공된다. 동력 생성공정에 있어서, 공기는 연료의 직접 연소에 의하여 압축되고, 그리고 가열된다. 유효한 재료의 온도 적응성 내에서 온도 상승 및 유지를 한정하기 위하여, 많은 양의 잉여공기가 연소공정에서 사용된다. 그러므로 본 발명은 높은 온도 막 공정에 의한 높은 압력 가스흐름으로부터 잉여산소의 일부분을 추출하는 이상적 기회를 제공한다.
가스터빈 동력 사이클 내에 작동 유체는 일반적으로 공기 또는 연료와 공기의 연소 생성물이다. 만약 연료가 그와 같은 시스템에 사용된다면, 열은 압축공기흐름 내에서 연소되는 연료에 의해서 시스템 내에서 생성되고, 결과물인 연소생성물 가스흐름은 동력을 생성하기 위하여 가스터빈을 통하여 팽창된다. 터빈(turbine) 블레이드(blade) 상에 금속온도 한계는 매우 높은 공기-대-연료 비율을 갖는 가스터빈 운전을 필요로 한다. 종래의 가스터빈 시스템에 있어서, 공급공기 내에 존재하는 질소 및 연소생성물 가스흐름 내에 존재하는 잉여산소는 희석제로써 작용하며, 그에 의해서 연소 생성물 가스흐름의 온도를 낮춘다. 결과적으로, 가스터빈 동력 사이클로부터의 배출가스흐름은 잉여산소를 함유하고, 상기에서 부가연료가 연소될 수 있다. 또한 이들 뜨거운 배출가스는 압축공급공기를 예열하기 위하여 사용될 수 있거나 또는 증기동력 사이클에 사용될 수 있는 증기를 생산하기 위하여 사용될 수 있다.
또한 이온전달막 기술을 사용하는 가스터빈 사이클에서 배출가스 내에 잔여산소의 어느 정도를 회수할 가능성이 있다. 대부분의 산소생성 시스템은 저온가스 분리방법(고순도, 큰 용량) 또는 막 및 흡착분리기술을 사용한다. 예를 들면, 유기고분자막 시스템은 일반적으로 매우 동력 집중적이며, 단지 산소 농축 공기(예, 산소 50%)의 적은 양 생성에 대해 적합하다. 압력 스윙(swing) 흡착 시스템은 일반적으로 적은양 내지 중간 정도의 양에서 90 내지 95% 순도의 산소를 생성한다. 비록 이들 종래 공정의 몇몇이 생성물을 생성하는데 사용되는 동력의 일부분을 회수하지만, 순 동력을 생산하지는 못한다. 더군다나, 종래 산소분리공정은 낮은 온도에서 일반적으로 100℃ 이하에서 운전되며, 동력 생산 공정과의 통합으로 인한 상당한 이익을 주지 않는다.
본 발명과는 달리 상기에서 언급한 미국특허 제5,516,359호는 이산화탄소 또는 질소의 공생산을 언급하지 않았고, 가능한 장치의 고안을 개시하지 않았거나, 반응 생성물 가스흐름으로부터 질소를 배제함으로써 이온전달 분리기를 위한 세척(purge) 또는 스위프(sweep) 가스흐름으로써 사용할 수 있는 이온전달 반응기의 사용을 고려하지 않았다. 본 발명에 따른 반응기 히터 구성에 있어서, 이온전달 분리기내에 산소구동력은 연소 생성물의 존재에 의하여 감소되지 않는 부가적 장점이 있다. 또한 본 발명은 이온전달 반응기를 제1단계 연소기로 대체함으로써 또는 단일단위인 이온전달 반응기-분리기를 제1단계 연소기 및 이온전달 분리기로 대체하는 것이 다르고, 낮은 온도 연소기를 유입흐름보다 터빈 배출흐름 내에 배치하는 것이 다르다.
터빈 동력생성시스템의 개선을 포함하는 가스터빈시스템에 이온전달막을 결합하는 여러 구체예는 미국특허출원 제08/490,362호(1995. 6. 14)의 분할출원인 프라시스(Prassd et al.)의 미국특허출원 제08/933,248호(1997. 9. 18) 및 유럽특허공개 제748,648호에 개시되어 있다. 반응 세척 배열은 미국특허출원 제08/567,699호(1995. 12. 5), 유럽특허 제778,069호에 개시되어 있다. 여러 이온전달 반응기 고안이 Gottzmann 등의 미국특허출원 제08/848,204호(1997. 4. 28) 및 미국특허출원 제08/848,199호(1997. 4. 28)에 개시되어 있다.
여기에서 언급되는 산소분리기, 이온전달 반응기, 이온전달 반응기-히터, 이온전달 반응기-분리기 또는 이온전달 분리기-연소기에 사용되는 이온전달막은 고체 전해질 이온전도체이다. 이들 재료는 특별 실행 특징 필요 또는 고의 기능에 대한 장점에 대해 적합하게 선택될 수 있고, 그러므로 다른 이온전달물질은 다른 모듈내에 사용될 수 있다. 산소이온을 전달하는 이온전달물질은 가스혼합물로부터 산소를 분리하기에 유용하다. 특정 이온전달물질은 산소이온 및 전자 둘 다를 전도하는 전도체를 혼합한 것이다. 높인 온도에서, 이들 물질은 재료를 통하여 산소이온의 선택적 전달을 위한 전도부위를 제공한다. 전달은 막 사이의 산소 부분압 비율에 의하여 구동되고, 산소이온은 높은 산소부분압을 갖는 면으로부터 낮은 산소부분압을 갖는 면으로 흐른다. 산소로부터 산소이온으로의 이온화는 막의 음극 또는 보유면 상에서 일어나며, 이온은 이온 전달막을 통하여 전달된다. 산소이온은 산소분자가 방출되는 막의 투과면 상에서 탈이온화한다. 단지 이온전도도를 나타내는 재료에 대하여, 외부전극은 전해질의 표면에 배치되며, 전자전류가 외부회로에서 운반된다. 혼합된 전도재료에서, 전자는 내부적으로 음극으로 전달되며, 그러므로 회로를 완성하고, 외부 전극에 대한 필요성을 제거한다. 산소이온전도체가 전자전도체와 혼합된 이중상 전도체는 같은 응용에 대하여 사용될 수 있다.
표 1a 및 1b는 산소분리를 위한 이온전달재료의 일부분을 나타낸 것이다.
산소전달에 대한 무한한 선택성 때문에, 이온전달물질은 가스의 공기 분리 및 정제 면적에 있어서 여러 잠재적 응용을 가지고 있다. 그러나 이온전달물질은 일반적으로 단지 높은 온도(450℃이상)에서 상당한 이온전도도를 나타냄으로써, 낮은 온도(100℃이하)에서 운전하는 종래의 산소분리 공정과 다르다. 대부분의 산소생성 시스템은 저온분리방법(일반적으로 큰 용량과 고순도 응용에 대하여)을 사용하거나 고분자막을 사용하거나 흡착 분리기술(일반적으로 90-95% 순도 응용의 적은 용량부터 중간용량에 대하여)을 사용한다. 막 시스템은 일반적으로 매우 동력 집중적이며, 질소생성에 대하여 그리고 산소농축공기(예, 50%산소)의 적은양 생성에 대하여 적합하다.
본 발명의 구체예에 있어서, 압축공기는 공기를 적절한 이온전달 작동온도로 높이기 위하여 필요한 열을 생성하기 위한 이온전도막의 투과면상에서 투과된 산소와 연료가 반응하는 이온전달반응기로 직접 공급된다. 보유가스흐름은 하류에 위치한 종래의 연소기내에 터빈 유입온도로 가열된다. 반응면의 연료-대-산소비율은 안정된 연소를 얻기 위하여 화학량존적 또는 약간 연료-농축 비율에 있다. 동시에 Gottzmann 등의 미국특허출원 제08/848,204호의 "고체전해질 이온전도체 반응기 고안"에 개시된 적절한 이온전달반응기 고안과 함께, 이온전달반응기 막 표면에서 일어나는 반응은 실질적으로 질소(연료에 존재할 수 있는 질소는 제외하고)를 배제하는 환경에 있고, 비교적 낮은 균일한 온도에 있고, 그러므로 NOx생성을 작게한다. 이온전달반응기로부터의 연소 생성물은 이온전달 산소분리기의 보유가스흐름 하류에 합쳐지거나 선택적으로 공생성물로써 이산화탄소를 회수하기 위하여 추출되거나 또는 산소회수 향상을 위하여 이온전달 분리기의 투과면에 대한 세척가스로서 사용될 수 있다. 만약 이산화탄소가 바람직한 생성물이라면, 이것은 연소생성물이 주로 이산화탄소와 응축에 의하여 쉽게 제거될 수 있는 물을 포함하기 때문에 유리하다. 이온전달 반응기의 투과면에 산소 부분압이 매우 낮기 때문에, 구동력은 높고 요구되는 이온전달 면적을 작게 한다. 동시에 낮은 산소부분압(10-14atm이하)은 낮은 압력에서 안정된 혼합 전도체 조성물을 요구한다.
여기에서 제공되는 제시된 공정배열은 종래 방법의 단점에 대한 해법을 제공하고, 많은 장점이 제공된다. 예를 들면, 이온전달 산소분리기 및 터빈에 대한 유입온도는 이온전달 반응기 및 연소기에 대한 연료속도를 조절함으로써 각각의 최적운전온도(이온전달 분리기에 대해서는 700℃ 내지 950℃, 및 터빈에 대해서는 1000℃ 내지 1400℃)에서 독립적으로 조절될 수 있다. 더군다나 연소반응은 이온전달 반응기의 투과면에 한정되기 때문에, 이온전달 분리기 공급가스흐름의 오염 및 희석 둘다를 피하게 된다. 상기 이온전달 반응기내에 연료-대-산소 비율은 생성물의 연속출력을 제공하기 위하여 공정동안에 안정된 연소를 산출하기 위해서 충분히 높다. 또한 일반적인 배열은 이온전달 반응기가 열교환기 및 연소기의 사용을 결합하기 때문에 간단하다. 이전에 언급한 바와 같이, 이온전달모듈의 사용은 NOx생성을 감소시키고, 만약 바람직하다면 비교적 짙은 이산화탄소 공생성물 가스흐름을 추출하는 것을 허용한다. 마지막으로 반응 조절하는 것을 도와주기 위한 이온전달막의 투과면에 희석제로써 첨가될 수 있다.
도 1은 산소생성 가스흐름, 이산화탄소 생성가스흐름 및 동력을 생성하기 위해서 이온전달반응기모듈 및 터빈과 결합하는 고체전해질 이온전도체 분리기 모듈을 사용하는 본 발명의 구체예에 대한 개략도이다. 본 발명의 이 구체예에 있어서, 이온전달반응기 모듈(20) 및 이온전달분리기모듈(41)은 공급가스흐름(10)으로부터 산소추출을 할 수 있도록 하기 위하여 브레이톤(Brayton) 사이클 내에 가스터빈(48)과 통합되었다.
운전동안에, 공급가스흐름(10)은 압축기에 의해서 12 기압으로 압축된다. 압축 가스흐름(16)은 가열된 가스흐름(18)을 생성하기 위하여 뜨거운 이산화탄소 가스흐름(26), 뜨거운 산소가스흐름(58), 및 폐기가스 흐름(51)에 의하여 열교환기(17)내에서 880℉(470℃)로 가열된다. 가열된 가스흐름(18)은 끝이 열린 히터튜브(21)를 통하여 이온전달반응기(20)로 들어가고, 1470℉(800℃)로 가열된다. 상기 온도는 이온전달분리기의 일반적 운전온도이다.
이온전달반응기(20)는 보유면(22a)과 투과면(22b)을 갖는 이온전달막(22)을 포함한다. 이온전달분리기(41) 운전온도로 가열된 가스흐름(18)의 온도를 높이기에 필요한 열은 이온전달막(22) 사이에 압력구동 산소이온전달에 의하여 제공되는 이온전달막(22)의 투과면(22b)으로 투과하는 산소와 함께 메탄과 같은 연료가스흐름(24)의 반응에 의하여 생성된다. 일반적으로 이온전달막(22)은 연소생성가스흐름(25)을 생성하기 위한 이온전달막(22)의 투과면(22b)상에 반응을 향상시키기 위한 촉매를 포함한다. 이온전달반응기내에 반응은 안정된 연소를 유지하기 위하여 우선적으로 약간 짙은 연료로 운전된다. 즉, 반응기 고안에 따라 산소 플럭스와 반응속도 사이의 균형, 이온전달막(22)의 투과면(22b)상에 산소부분압은 표1에 그룹9로 나타낸 페로브스키트(perovskites)를 포함하는 크롬과 같은 낮은 산소압력 조건에서 안정한 이온전달 재료의 사용을 요구하기 위하여 충분히 낮을 수 있다(예, 10-15atm 이하). 이온전달반응기(20)는 보유면(20a)에 유출되는 보유가스흐름(40)이1470℉에 있고, 연소생성물에 의하여(오염되지 않은) 희석되기 위하여 연소기와 열교환기가 합쳐진 기능을 실행한다. 대부분 이산화탄소 및 수증기를 포함하는 연소생성물 가스흐름(25)은 이산화탄소 생성물 가스흐름(28)을 생성하기 위하여 열교환기(17) 내에 압축가스흐름(16)과는 반대로 냉각되는 가스흐름(26)으로 향한다. 교대로 가스흐름(25)은 선택적 가스흐름(29)을 만들기 위하여 가스흐름(45)과 만나는 선택적 가스흐름(27)으로 향한다.
뜨거운 보유가스(23)는 가스흐름(40)으로써 이온전달 반응기(20)에서 나온다. 가스흐름(40)은 보유면(42a)과 투과면(42b)을 갖는 이온전달막(42)을 포함하는 이온전달 분리기(41) 내로 주입되며, 상기에서 포함된 산소의 분율(예, 40%)은 뜨거운 산소가스흐름(58)과 뜨거운 보유가스흐름(44)을 생성하기 위한 이온전달막(42) 사이에 압력구동 이온전달에 의하여 분리된다. 상기에서 언급된 바와 같이, 뜨거운 산소가스흐름(58)은 산소생성물 가스흐름(60)을 생성하기 위하여 열교환기(17) 내에서 압축가스흐름(16)과는 반대로 냉각된다. 뜨거운 보유가스흐름(44)은 가스흐름(46)으로 향하여 가스흐름(47)으로 된다. 가스흐름(47)은 샤프트(54)를 통하여 압축기(15)를 구동하기 위하여 낮은-온도 터빈(48)에서 직접 팽창될 수 있다.
선택적으로, 최적 효율을 위하여, 터빈 공급흐름이 높은-온도 터빈에 의하여 높은 온도로 올려질 수 있다. 이것은 히터(도시되지 않음)를 사용하여 성취될 수 있거나, 또는 선택 가스흐름(45)으로 향하는 가스흐름(44)을 선택 가스흐름(29)이 형성되게 하기 위하여 선택 가스흐름(27)과 합쳐지게 한다. 선택 가스흐름(29)은 반응 생성물 가스흐름(33)을 생성하기 위하여 연료가스흐름(32)과 반응하도록 연소기(30) 내를 지나간다. 압축기(15), 배출가스흐름(50) 및 잉여 동력(56)을 구동하기 위하여 샤프트(shaft)(54)를 회전하기 위한 동력을 생성하기 위하여 가스흐름(33)은 가스터빈과 같은 고온터빈 내로 주입되는 바람직한 터빈 유입온도(예, 2400℉ 또는 1315℃)에 있는 가스흐름(47)이 된다. 배출가스흐름(50)은 폐기가스흐름(52)을 생성하기 위하여 열교환기(17) 내에서 압축가스흐름(16)과는 반대로 냉각되는 가스흐름(51)으로 향한다. 선택적으로 배출가스흐름(50)은 증기생성을 위하여 사용되도록 가스흐름(61)으로 도입된다.
표2는 산소의 1,000,000 NCFH의 생성을 위하여 도1에 나타낸 본 발명의 구체예 사용을 설명한 것이다. 도1 및 표2는 어떻게 이온전달 반응기(20)와 연소기(30)가 이온전달 분리기(41)의 운전을 절충하고, 시스템 복잡성 및 투자에 과도하게 영향을 끼치는 것 없이 이온전달 분리기(41) 및 가스터빈(48)을 위하여 독립적으로 조절된 운전온도를 제공하는지를 설명하고 있다.
재료성분
공급 공기흐름(10) 유속 11.2×106NCFH
연료 가스흐름(24, 32) 타입 천연가스(메탄)
연료 가스흐름(24) 유속 1.56×105NCFH
연효 가스흐름(32) 유속 1.4×106NCFH
이온 전달 분리기(41)로 부터의생성물 산소 가스흐름(58) 유속 1×106NCFH
공급 공기 흐름(10) 온도 70℉
열교환기(17) 후에 가스흐름(18) 온도 880℉
이온전달 반응기(20) 후에 가스흐름(40) 온도 1470℉
연소기(30) 후에 가스흐름(33) 온도 2000℉
터빈 배출가스흐름(50) 온도 900℉
열교환기(17) 후에 배출가스흐름(52) 온도 730℉
컴프레셔(15) 후에 가스흐름(16) 압력 12 기압
산소생성 가스흐름(60) 압력 1 기압
터빈 배출가스흐름(50) 압력 1 기압
컴프레셔(15)의 등엔트로피 효율 86%
터빈(48)의 등엔트로피 효율 88%
열교환기(17) 효율 90%
연료의 낮은 가열값 900 BTU/NCFH
터빈(48)으로부터 동력출력 73.3 MW
컴프레서(15)에 의하여 소비되는 동력 40.9 MW
산소생성을 위하여 소비되는 동력 3.7 MW
순 동력 출력 32.4 MW
손실되는 동력은 질량 유속으로 생성된 산소량과 동일한 공급공기의 추가 양을 압축하기 위한 것이다. 3.7 MW의 값은 중간 냉각없이 단일단계 압축과 관련된다. 추가 공기가 추가 압축기에 의하여 압축되는 개장 경우에 있어서, 중간냉각을 사용하고 동력 손실을 약 1MW까지 감소시키는데는 좋다. 표준 경우에 있어서, 산소생성을 하기 위한 자본 손실은 이온전달 반응기, 이온전달 분리기 비용 및 생성물 산소 가스흐름으로부터의 열회수 비용이다. 이들 비용은 연소기 및 열교환기의 보다 적은 열사용으로 인한 절약에 의해서 부분적으로 보충된다.
회수 열교환기 대신에 란킨(Rankine) 사이클 열회수 시스템 또는 다른 열회수 시스템이 물질적으로 결과물을 변형시키는 것 없이 사용될 수 있다는 것이 증명 되었다.
도2는 산소생성 가스흐름 및 동력을 생산하기 위하여 이온전달 반응기-히터 모듈 및 터빈과 결합하여 고체전해질 이온전도체 분리기 모듈을 사용하는 본 발명의 한 구체예에 대한 개략도이다. 도2는 공기를 이온전달 운전온도로 가열하기 위해 이온전달 반응기 대신에 이온전달 반응기-히터를 사용하는 도1의 변형이다.
운전 동안에, 공급가스흐름(200)은 12 기압의 압력으로 압축기(201)에 의하여 압축된다. 압축된 가스흐름(202)은 가열된 가스흐름(206)을 생성하기 위하여 선택적 뜨거운 이산화탄소 가스흐름(220), 뜨거운 산소가스흐름(230) 및 폐기가스흐름(250)에 의하여 열교환기(204) 내에서 대략 600℉ 내지 1000℉로 가열된다. 그리고 나서 가열된 가스흐름(206)은 이온전달 분리기(226)의 운전온도 1470℉로 가열된 가스흐름(225)이 되기 위하여 히터튜브(224)를 통하여 이온전달 반응기-히터(208)를 통과한다.
이온전달 반응기-히터(208)는 보유면(210a)과 투과면(210b)을 갖는 이온전달막(210)을 포함한다. 가열된 가스흐름(206)의 온도를 이온전달 분리기(226) 운전온도로 높이기에 필요한 열은 메탄과 같은 연료가스흐름(215)이 이온전달막(210) 사이에 압력구동 산소이온전달에 의해 제공되는 이온전달막(210)의 투과면으로 투과하는 산소와 함께 반응함으로써 생성된다. 일반적으로 이온전달막(210)은 연소생성물 가스흐름(216)을 생성하기 위하여 이온전달막(210)의 투과면(210b) 상에 반응을 향상시키기 위한 촉매를 포함한다.
이온전달 반응기-히터(208) 내에 반응은 안정된 연소를 유지하기 위하여 우선적으로 약간 짙은 연료로 운전된다. 이전과 마찬가지로, 이온전달 반응기-히터(208)는 보유면(210a)에서 유출되는 보유가스흐름(234)이 1470℉의 온도에 있고 연소 생성물에 의하여 희석되지 않도록(오염되지 않도록) 하기 위하여 연소기와 열교환기가 합쳐진 기능을 실행한다. 교대로, 대부분 이산화탄소와 수증기를 함유하는 연소생성 가스흐름(216)은 가스흐름(237)을 만들기 위하여 가스흐름(234)과 가스흐름(236)이 합쳐지는 가스흐름(218)으로 향한다. 교대로, 연소생성물 가스흐름(216)은 선택가스흐름(220)으로 향하여 열교환기(204) 내에서 압축가스흐름(202)과는 반대로 냉각되어 가스흐름(221)을 포함하는 이산화탄소 및 증기를 생성하고, 여기로부터 이산화탄소는 콘덴서(222)에서 증기가 응축된 후에 회수될 수 있다.
뜨거운 공급가스흐름(225)은 이온전달 반응기-히터(20)로 나가고, 보유면(228a) 및 투과면(228b)을 갖는 이온전달막(228)을 포함하는 이온전달 분리기(226) 내로 주입되며, 여기서 포함된 산소의 분율(예, 40%)은 뜨거운 산소가스흐름(230) 및 뜨거운 보유가스흐름(232)을 생성하기 위하여 이온전달막(228) 사이에 압력구동 이온전달에 의하여 분리된다. 상기에서 언급된 바와 같이, 뜨거운 산소가스흐름(230)은 열교환기(204) 내에서 압축가스흐름(202)과는 반대로 냉각되어 산소생성가스흐름(231)울 생성한다.
뜨거운 보유가스흐름(232)은 선택가스흐름(238)과 합쳐져 가스흐름(233)이 된다. 가스흐름(233)은 가스흐름(234)을 생성하기 위하여 산소가 제거되는 이온전달 반응기-히터(208) 내로 주입된다. 가스흐름(234)은 가스흐름(236)과 합쳐져서 가스흐름(237)을 생성한다. 가스흐름(237)은 연소기(240) 내를 통과하면서 연료가스흐름(239)과 반응하여 반응생성물 가스흐름(242)을 생성한다. 바람직한 터빈 유입온도(일반적으로 2000℉ 이상)에 있는 가스흐름(242)은 가스터빈(243)으로 주입되어 컴프레셔(201), 배출가스흐름(246) 및 잉여동력(244)을 구동하기 위한 동력(256)을 생성한다. 폐기가스흐름(246)은 가스흐름(250)으로 보내어져 열교환기(204) 내에서 압축가스흐름(202)과는 반대로 냉각되고 폐기가스흐름(252)을 생성한다. 선택적으로 폐기가스흐름(246)은 증기 생성에 사용되기 위하여 가스흐름(247)으로 보내어진다.
도2에 나타낸 본 발명의 구체예는 도1과 똑같은 장점을 갖는다. 또한 도2의 구체예는 이전의 실시예와 연관되는 이온전달 분리기 면적을 감소시키기 위한 높은 산소구동력을 제공한다. 왜냐하면 도1에 나타낸 공정과는 달리 산소가 이온전달 분리기 내로 들어가기 전에 공기가스흐름으로부터 제거되지 않기 때문이다. 단점은 이온전달 반응기-히터(208)에 추가된 열전달 면(224)이다.
도3A는 이온전달 반응기와 도2의 이온전달 분리기의 기능이 단일 반응기-분리기 단위로 결합한 구성을 설명하는 것이다. 운전 동안에 공급가스흐름(300)은 압축기에 의하여 12 기압의 압력으로 압축된다. 압축된 가스흐름(302)은 뜨거운 이산화탄소 가스흐름(336), 뜨거운 산소가스흐름(314) 및 폐기가스흐름(332)에 의하여 열교환기(304)에서 800℉ 내지 1000℉로 가열된 가스흐름(306)은 끝이 열린 히터튜브(362)를 통하여 이온전달 반응기-분리기(310)로 들어가서, 보유면(309a)과 투과면(309b)을 갖는 이온전달막(309) 및 보유면(312a)과 투과면(312b)을 갖는 이온전달막(312)의 운전온도로 가열된다.
가열된 가스흐름(306)의 온도를 이온전달막 운전온도로 올리기 위해 필요한 열은 메탄과 같은 연료가스흐름(311)이 이온전달막(309) 사이에 압력구동 산소이온전달에 의하여 제공되는 이온전달막(309)의 투과면(309b)을 투과하는 산소와 함께 반응함으로써 발생된다. 일반적으로 이온전달막(309)은 연소생성물 가스흐름(336)을 생성하기 위한 이온전달막(309)의 투과면(309b)상에 반응을 향상시키기 위하여 촉매를 포함한다. 상기에서 언급한 바와 같이 주로 이산화탄소와 수증기를 포함하는 연소생성가스흐름(336)은 열교환기(304)내에서 압축가스흐름(302)과는 반대로 냉각되어 이산화탄소 생성가스흐름(340)을 생성한다. 동시에, 이온전달막(312)은 이온전달막(312) 사이에 압력구동 이온전달에 의하여 공급흐름(306)으로부터 약간의 산소를 분리하여 뜨거운 산소가스흐름(314) 및 뜨거운 보유가스흐름(318)을 생성한다.
뜨거운 보유가스흐름(318)은 이온전달 반응기-분리기(310)를 나와서 연소기(320)내를 통과하면서 연료가스흐름(322)과 반응하여 반응생성물 가스흐름(324)을 생성한다. 바람직한 터빈 유입온도(2400˚F)에 있는 가스흐름(324)은 가스터빈(326) 내로 주입되어 컴프레셔(301), 배출가스흐름(322) 및 잉여동력(328)을 구동하기 위한 동력(364)을 생성한다. 상기에서 언급된 바와 같이, 배출가스흐름(332)은 열교환기(304)에서 압축가스흐름(302)과는 반대로 냉각되어 폐기가스흐름(334)을 생성한다. 상기에서 언급된 바와 같이, 뜨거운 산소가스흐름(314)은 열교환기(304)내에서 압축가스흐름(302)과는 반대로 냉각되어 산소생성 가스흐름(316)을 생성한다.
도3B는 도3A에 나타낸 본 발명의 구체예에 대한 대체 고체전해질 이온전도체 연소기-분리기 모듈 구성성분에 대한 상세도이다. 본 구체예에서 이온전달 연소기-분리기(361)는 보유면(360a)과 투과면(360b)을 갖는 이온전달막(360)을 포함한다. 반응가스 연료흐름(350)은 분배기(352)를 사용하여 이온전달 연소기-분리기(361)의 보유면으로 주입된다. 다른 방법에 있어서, 이 구체예는 도3A와 연관되어 설명된 것과 같은 작용을 한다.
한 구성에서, 분배기(352)는 다공벽 또는 연소기-분리기(361)내에서 연장되는 튜브이다. 분배기(352)는 이온전달막의 알맞는 균일온도를 반응기-분리기의 열전달 고안과 결합하여 확실하게 하기 위하여, 그리고 실질적으로 산소와 함께 반응가스의 반응을 완성하기 위하여 보유면(360a)의 실질적 길이에 걸쳐 대체적으로 균일하게 반응가스를 적용한다. 연소온도가 비교적 낮기 때문에, 그리고 연료의 완전연소를 더 확실히 하기 위하여, 반응은 촉매적으로 향상될 수 있다.
도 3A의 분리기(310)에서 비교에 의하면, 매우 높은 반응가스-대-산소 비율은 연료흐름(311)의 주입면적 가까이에서 발생한다. 만약 반응가스가 가연성 연료 그리고 비율이 연료의 연소성 한계에 가까이 또는 한계를 넘으면 불완전 연소가 발생할 수 있다. 약간의 연료는 단지 부분적으로 산화되어 이산화탄소 또는 흐름(336)에서 나타나는 다른 오염물질을 생성한다.
도 4는 산소생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위하여 연소기와 터빈과 결합하여 고체전해질 이온전도체 반응기 분리기 모듈을 사용하는 본 발명의 구체예에 대한 개략도이다. 이 구체예는 만약 의도된 응용이 산소 생성물 가스흐름 순도가 80% 내지 95% 산소 또는 그 보다 적은 것을 요구한다면 유용하다.
운전하는 동안에, 공급가스흐름(400)은 압축기(401)에 의하여 12 기압의 압력으로 압축된다. 압축된 가스흐름(402)은 뜨거운 가스흐름(438) 및 폐기가스흐름(432)에 의하여 열교환기(404) 내에서 800˚F 내지 1000˚F로 가열되어 가열된 가스흐름(406)을 생성한다. 가스흐름(406)은 뜨거운 가스흐름(436)과 폐기가스흐름(420)에 의하여 열교환기(408) 내에서 이온전달 운전온도 범위 가까이로 가열되어 가열된 가스흐름(410)을 생성한다. 그리고 나서 가열된 가스흐름(410)은 끝이 열린 히터튜브(414)를 통하여 이온전달 반응기-분리기(412)로 들어가서 보유면(416a)과 투과면(416b)을 갖는 이온전달막(416)의 운전온도로 가열된다.
막(416)은 Gottzmann 등의 미국특허출원 제08/848,199호의 "통합고체전해질 이온전도체 분리기 냉각기"에 개시되어 있는 것과 같은 단일막 구조의 다른 부분으로써 반응기 부(460) 및 분리기 부(462)을 포함한다. 반응기 부(460)는 하기에 설명된 바와 같이 생성물 가스흐름(444)의 바람직한 순도에 따라 바람직하게 막의 전체길이의 1/5 내지 1/2이며, 보다 바람직하게는 전체길이의 1/4이다.
가열된 가스흐름(410)의 온도를 이온전달막 운전온도로 올리기 위해 필요한 열은 메탄과 같은 연료가스흐름(418)이 이온전달막(416) 사이에 압력구동 산소이온전달에 의하여 제공되는 이온전달막(416)의 투과면(416b)으로 투과하는 산소와 함께 반응함으로써 생성된다. 일반적으로 이온전달막(416)은 바람직한 비율로 연소 PC 및 산소의 생성물을 포함하는 가스흐름(436)을 생성하기 위하여 이온전달막(416)의 투과면(416b) 상에 반응을 향상시키기 위하여 촉매를 포함한다. 연료의 양 및 생성될 수 있는 에너지 양은 산소생성물 가스흐름 내에 존재하는 비응축 가스의 비율이 응용에 의하여 요구되는 불순물 한계를 초과하지 않는 것을 요구하는 산소 생성물 순도 제한에 의하여 한정된다. 대부분의 경우에 주로 이산화탄소 및 수증기와 같은 연소 불순물이 생성되어도 무방하다. 선택적으로, 가스흐름(418)은 불활성 세척흐름이며, 여기서 가스흐름(436)은 희석된 산소생성흐름이다. 반응 세척은 반응이 반응기 부(460) 내에서만 발생하는 것과 같이 연료-부족으로 운전될 때, 가스흐름(436)은 주로 이산화탄소 및 수증기 균형과 함께 80% 내지 95% 산소를 포함한다. 상기에서 언급된 바와 같이, 가스흐름(436)은 열교환기(408)에서 냉각되어 가스흐름(438)을 생성하고, 다시 말해서 열교환기(4040)에서 냉각되어 가스흐름(4040)을 생성한다. 가스흐름(440)내에 수증기는 응축기(442)에서 응축되어 80% 내지 95% 산소를 포함하는 산소생성가스흐름(444)을 생성한다. 가상으로 보이는 다른 구성에서 종래의 가스 분리기(464)는 이산화탄소 흐름(468)으로부터 보다 순수한 산소흐름(466)을 분리한다.
뜨거운 보유가스흐름(420)은 이온전달 반응기-분리기(412)를 나와서, 상기에서 언급한 바와 같이, 열교환기(408)에서 냉각되어 가스흐름(422)을 생성하고, 연소기(424)를 통과하면서 연료가스흐름(426)과 함께 반응하여 반응 생성물 가스흐름(428)을 생성한다. 바람직한 터빈 유입온도(2400˚F)에 있는 가스흐름(428)은 가스터빈(430)내로 주입되어 컴프레셔(401), 배출가스흐름(432) 및 잉여 동력(449)을 구동하기 위한 동력(450)을 생성한다. 배출가스흐름(432)은 열교환기(404)에서 압축가스흐름(402)과는 반대로 냉각되어 폐기가스흐름(434)을 생성한다.
다른 구체예와 같이, 도4의 구체예는 이온전달분리기 및 터빈 유입온도의 독립적 조절을 허용한다. 동시에 도4의 구성은 분리기 내부를 굉장히 복잡하게 하지 않고 분리 이온전달 반응기에 대한 필요를 제거함으로써 시스템을 단순화한다.
도5A는 배출흐름을 이온전달막을 효율적으로 운전하기 위해 충분히 높은 온도로 가열하고, 압축공기공급 흐름을 보유흐름으로부터 열을 얻음으로써 요구되는 이온전달 분리기 온도로 가열하는 터빈 배출흐름 내에 위치한 이온전달반응기를 설명하는 것이다.
운전 동안에, 공급가스흐름(500)은 응축기에 의하여 12 기압의 압력으로 압축된다. 압축가스흐름(502)은 뜨거운 산소가스흐름(550), 뜨거운 보유가스흐름(546) 및 선택적 뜨거운 투과 가스흐름(539)에 의하여 회수 열교환기(504) 내에서 800 내지 900˚F로 가열되어 가열된 가스흐름(506)을 생성한다. 가열된 공급가스흐름(506)은 뜨거운 산소가스흐름(548) 및 뜨거운 가스보유흐름(544)에 의하여 열교환기(508)에서 요구되는 이온전달분리기 온도로 더 가열되어 가열된 가스흐름(510)을 생성한다. 가열된 가스흐름(510)은 이온전달분리기(512)로 들어가서 보유면(514a)과 투과면(514b)을 갖는 이온전달막(514)을 따라 통과한다.
상기에서 언급된 바와 같이, 가스흐름(548)은 열교환기(508)에서 냉각되어 산소 가스흐름(550)을 생성하고, 교대로 열교환기(504)에서 냉각되어 산소가스흐름(552)을 생성한다. 가스흐름(552)은 냉각기(554)에서 냉각되어, 냉각된 산소생성물 가스흐름(556)을 생성한다.
뜨거운 보유가스흐름(516)은 이온전달분리기(512)로부터 나와서, 연소 PC 1 생성물을 포함하는 반응생성물 가스흐름(524)을 생성하기 위한 연료가스흐름(522)과 함께 반응하기 위하여 연소기(520) 내를 통과한다. 바람직한 터빈 유입온도에 있는 가스흐름(524)은 가스터빈(526) 내로 주입되어 팽창하여 컴프레셔(501), 폐기가스흐름(528) 및 잉여동력(527)을 구동하기 위한 동력(559)을 생성한다. 폐기가스흐름(528)은 끝이 열린 히터튜브(530)를 통하여 이온전달반응기(532)내를 통과하고 보유면(534a) 및 투과면(534b)을 갖는 이온전달막(534)의 운전온도 이상의 온도로 가열된다. 터빈 폐기가스흐름(528)의 산소농도는 일반적으로 5 내지 12% 범위에 있으며, 이 범위는 이온전달반응기 작용을 위하여 충분한 것이다.
폐기가스흐름(528)의 온도를 요구되는 이온전달분리기 온도에서 또는 그 이상으로 올리기 위하여 필요한 열은 메탄과 같은 연료 가스흐름(536)이 이온전달막(534) 사이에 압력구동 산소이온전달에 의하여 제공되는 이온전달막(534)의 투과면(534b)으로 투과하는 산소와 반응함으로써 생성된다. 일반적으로 이온전달막(534)은 연소 PC2 생성물을 포함하는 가스흐름(538)을 생성하기 위하여 이온전달막(534)의 투과면(534b) 상에 반응을 향상시키기 위한 촉매를 포함한다.
선택적으로, 연소가스흐름(538)의 생성물은 연소기(520) 내로 주입되는 가스흐름(516)과 혼합하도록 보내어진다. 이온전달 반응기(532)의 반응면은 바람직하게 연소가스 PC2를 연소기(520)로 흐르는 보유흐름(516)에 첨가하는 것을 허용하기 위하여 충분히 높은 압력으로 이 구성에서 운전된다. 상기에 의하여 터빈 흐름 질량 및 일 잠재력을 잃는 것을 피한다. 이 공정은 반응이 그보다 큰 보유면-대-투과면의 산소 부분압 비율을 생성하는 한 낮은 압력흐름을 높은 압력흐름으로 연소를 위하여 요구되는 산소를 전달할 수 있다는 점에서 이온전달 반응기의 유일한 특징 중의 하나를 이용한다.
선택적으로, 가스흐름(538)의 모두 또는 일부분은 산소전달 향상을 위한 분리기(512)의 투과면을 세척하기 위하여 사용될 수 있다. 이 경우에(도시되지 않았지만), 나오는 투과흐름은 물과 증기를 포함한다. 냉각기(554)에서 증기를 응축한 후에, 80 내지 95% 산소를 포함하는 낮은 순도 생성물은 회수된다.
교대로, 연소가스의 모두 또는 일부분은 연소가스의 주 불순물이 다시 물이 되기 때문에 도1에서와 같이 이산화탄소의 회수를 위하여 추출된다. 이온전달 반응기를 위하여 요구되는 고안은 도1과 유사하다.
뜨거운 보유가스흐름(544)는 이온전달 반응기-분리기(532)에서 나오고, 열을 제공하고, 그 자체는 열 교환기(508)내에서 냉각되어 가스흐름(546)을 생성하고, 다시 말해서 열교환기(504)에서 냉각되어 폐기가스흐름(558)을 생성한다.
다른 구성에 있어서, 종래의 인-라인(in-line) 테일(tail) 연소기 또는 도5B의 점화히터(560)가 도5A에서 나타낸 이온전달반응기 대신에 대체되었다. 도5B에 설명된 바와 같이, 터빈 폐기가스 흐름(528)은 종래의 인-라인 테일(tail) 연소기 또는 점화히터(560)내로 주입되어, 연료가스흐름(562)과 반응하여 가스흐름(538)을 생성한다. 종래 인-라인 테일(tail) 연소기 또는 점화히터(560)는 독립적 온도조절을 제시하고, 이온전달 분리기 내에 산소농도의 희석 또는 감소가 없는 것은 연소생성물 재활용 선택을 높은 온도 연소기 유입 또는 이산화탄소-농축 공생성물의 회수에 희생한다. 그렇지 않으며, 이 구체예는 도5A에 관하여 설명된 것과 같이 작동한다.
도5A와 5B의 구체예는 터빈 유입과 이온전달분리기 온도의 독립적 조절을 하도록 하고, 이온전달 분리기 공급을 연소생성물과의 희석 및 오염에 노출하지 않는다. 각각은 이온전달분리기 공급 내에 산소농도 및 부분압 구동력은 인-라인 연소기 또는 분리기의 인-라인 이온전달 반응기 상류의 경우에 감소되지 않는 장점이 있다. 이온전달 터빈-테일(tail)-가스 반응기는 다른 이온전달반응기 고안과 함게 안정된 연소를 위한 연료-대-산소 동등 비율의 조절을 완화하는 장점을 나눈다.
도6은 동력 생산과 함께 공생성물로써 산소, 질소, 및 이산화탄소를 생성하기 위한 시스템이다. 공정동안에 공급 가스흐름(600)은 압축기에 의하여 12 기압으로 압축된다. 압축된 가스흐름(602)은 뜨거운 가스흐름(652), 터빈 배출 가스흐름(646), 뜨거운 가스흐름(626), 및 선택적으로 뜨거운 이산화탄소 가스흐름에 의하여 회수 열교환기(603)에서 800 내지 900℉의 온도로 가열된다. 가열된 가스흐름(604)은 가열된 가스흐름(618), 뜨거운 가스흐름(624) 및 뜨거운 가스흐름(650)에 의하여 열교환기(606)에서 더 가열되어 가열된 가스흐름(608)을 생성한다. 가열된 가스흐름(608)은 히터튜브(611)를 통하여 지나는 것과 같이 이온전달 반응기-히터(610)내에서 이온전달 반응온도로 가열된다. 가스흐름(608) 온도를 요구되는 이온 전달 분리기 온도로 올리기에 필요한 열은 메탄과 같은 연료 가스흐름(614)의 반응에 의하여 생성된다.
가열된 가스흐름(608)은 이온전달 반응기-분리기(610)를 나와서 나누어지고, 열교환기(606)를 통해 지나가는 가스흐름(618)이 되는 일부분이 연소기(632)로 주입되며 일부분이 포함된 산소의 50 내지 75%가 보유면(622a) 및 투과면(622b)을 갖는 이온전달막(622)을 따라 통과되는 가스와 같이 추출되는 이온전달 분리기(621)내로 주입된다.
상기에서 언급된 바와 같이, 가스흐름(650)은 열교환기(606)에서 냉각되어 가스흐름(652)을 생성하고, 다시 말해서 열교환기(603)에서 냉각되어 산소 가스흐름(654)을 생성한다. 보유 가스흐름(620)은 이온전달 반응기-히터(610)를 통과하여 전달막(612)의 양극 또는 투과면(612b)상에 반응을 위한 필요한 산소를 제공하고, 동시에 전달막(612)의 음극 또는 보유면(612a)으로부터 잔여 산소를 제거한다.
상기에서 언급된 바와 같이, 보유 가스흐름(624)은 열교환기(606)내에서 냉각되어 가스흐름(626)을 생성하고, 다시 말해서 열교환기(603)에서 냉각되어 시스템 압력에서 질소 생성물 흐름(628)을 생성한다. 질소 생성물 흐름은 바람직하게는 부피로 적어도 95% 질소, 보다 바람직하게는 적어도 98% 질소, 및 가장 바람직하게는 99% 질소 이상을 포함한다. 100만분의 10보다 적은 산소 함량이 얻어질 수 있다. 투과 가스흐름(634)은 가스흐름(630)과 혼합되어 가스흐름(631)을 형성한다. 선택적으로 가스의 모두 또는 일부분이 가스흐름(638)으로 될 수 있다. 가스흐름(638)은 열교환기에서 냉각되어 가스흐름(640)을 생성하고, 상기 가스흐름은 배출되거나 또는 CO2가 물을 응축함으로써 회수될 수 있다.
가스흐름(631)은 반응생성물 가스흐름(642)을 생성하기 위한 연료 가스흐름(615)과 반응하기 위하여 연소기(632)를 지난다. 바라는 터빈 유입온도, 일반적으로 2400℉에 있는 가스흐름(642)은 가스 터빈(644)으로 주입되어 컴프레서(631), 배출 가스흐름(646) 및 잉여 동력(647)을 구동하기 위한 동력(648)을 생성한다. 상기에서 언급된 바와 같이 배출 가스흐름(646)은 열교환기(603)내에서 압축 가스흐름(602)과는 반대로 냉각되어 폐기가스 흐름(648)을 생성한다.
도6의 본 발명에 따른 이온전달 반응기(610)는 디옥소(Deoxo) 단위로서 필수적으로 수행한다. 공기흐름(608)의 분열 비율은 터빈(64)를 과도하게 무리하게 하지 않고(peneralizing) 얼마나 많은 생성물을 추출할 수 있는가에 의존한다. 질소-대-산소 생성비의 조절은 질소흐름의 일부를 연소기 공급으로 되돌림으로써 이루어질 수 있다. 상기 몇몇 구체예에서와 같이 이온전달 반응기로부터 반응 생성물은 연소기로 향하는 주 공급 흐름과 혼합되거나 이산화탄소 공생성물(coproduct)로서 전체적으로 또는 부분적으로 제거될 수 있다. 이온전달 반응기-히터(610)의 고안은 이온전달 반응기 구성요소를 가능한 균일한 온도로 유지시키는 방법으로 반응열 제거를 수행해야만 한다.
상기 배열의 주된 장점은 질소 생성물로서 공급 공기흐름(602)의 일부분을 회수하고, 본 발명의 다른 구체예의 대부분의 장점을 보유하는 반면 광범위한 범위에서 질소-대-산소 생성비를 조절하도록 하는 것이라는 사실은 명백한 것이다.
많은 더 작은 크기의 "저 비용(low cost)" 가스터빈에서, 유입온도는 비용을 절감하기 위해서 144℉ 내지 1800℉의 범위(이온전달 분리기의 작동 범위와 동일)에 제한되는 경향이 있다. 명백히 이 경우에 있어서, 분리된 고온의 연소기는 제거될 수 있다. 상기 도면에 도시된 개략도는 이전에 언급된 많은 장점이 유지될 수 있도록 사용될 수 있다.
도7은 좀더 알맞은 1905℉ (1040℃)의 터빈 유입온도를 특징으로 하는 더 작은 가스터빈에 적용될 수 있는 구체예를 설명하는 것이다. 이러한 경우에 터빈 유입온도가 이온전달온도 요구범위내에 있기 때문에 제2연소기는 요구되지 않는다. 하기 기재된 특정 구체예에서 공생성물로서 함유된 산소 및 이산화탄소의 상당한 부분을 회수하는 것이 바람직하다.
운전중에 공급 가스흐름(700)은 압축기(701)에 의하여 12 기압까지 압축된다. 압축된 가스흐름(702)는 회수 열교환기(704)내에서 고온의 가스흐름(780) 및 고온의 가스흐름(717) 의하여 800 내지 900℉로 가열되어 가열된 가스흐름(706)을 생성한다. 그런 다음 가열된 가스흐름(706)은 이온전달 반응기-분리기(710)에서 히터 튜브(708)을 통과하면서 이온전달 온도로 가열된다. 가스흐름(706)의 온도를 요구되는 이온전달 분리기 온도까지 상승시키기 위한 열은 메탄과 같은 연료 가스흐름(790)의 반응에 의하여 생성된다.
그런 후에 가열된 가스흐름(706)은 이온전달 반응기-히터(710)에 가열된 가스 흐름(714)로서 존재하고, 보유면(retentate side)(722a) 및 투과면(722b)를 가지는 이온전달막(722)을 따라 가스가 통과하고 산소가 이온전달에 의해서 보유면으로부터 투과면으로 전달되는 이온전달 분리기(720)내로 주입된다. 보유 가스흐름(716)은 투과면(712b)상의 반응에 필요한 이온전달에 의하여 산소를 공급하는 이온전달 반응기(710)로 향한다. 보유 가스흐름(718)은 터빈 유입흐름(774)을 형성하기 위하여 가스 흐름(764)와 합쳐진다. 터빈 유입흐름(774)는 압축기(701)을 구동시키기 위한 동력(782)을 생성하기 위하여, 그리고 폐기가스흐름(780) 및 잉여동력(781)을 생성하기 위하여 가스터빈(776) 내로 주입된다. 폐기가스흐름(780)은 상기 언급된 바와 같이 열 교환기(704)에서 압축된 가스흐름(702)과는 반대로 냉각되어 가스흐름(784)을 생성시키며 이것은 열교환기(788)에서 냉각되어 질소 및 물 또는 수증기 가스흐름(786)을 생성시킨다.
연료흐름(790)은 이온전달기(710)의 투과면으로 도입되어 투과된 산소와 반응함으로써 필요한 열을 제공한다. 나오는 연소생성물(792)은 이온전달 분리기(720)의 투과면을 세척(purge)하여 투과면에 산소 평균 부분압을 감소시킴으로써 산소전달을 증가시키는데 사용된다. 배출되는 투과 가스흐름(717)은 증기 및 CO2에 의하여 실질적으로 희석되는 산소를 포함한다.
흐름(717)은 열교환기(704)에서 냉각되어 가스흐름(719)를 생성시키고, 마찬가지로 열교환기(788)에서 냉각되어 가스흐름(767)을 생성시킨다. 응축기(780)에서 물을 응축시킨 후에 생성된 물은 분리기(752)에서 흐름(791)로부터 제거되어 물흐름(755) 및 물이 포화된 낮은 순도의 산소생성물 흐름(754)을 생성된다. 필요에 따라 함유된 물은 건조기에서 제거될 수 있고, 제4도의 분리기(464)에 도시된 것과 같은 압력 또는 온도 스윙(swing) 흡수 또는 막과 같은 하류공정에 의하여 CO2가 분리될 수 있다. 흐름(754)의 CO2함량은 공정 조건에 따라 일반적으로 5 내지 25% 범위내에서 다양하게 변화된다.
사용 가능한 폐열을 사용하고 터빈에서 흐름부피의 손실을 최소화하기 위하여 분리된 물흐름(755)은 물펌프(760)에 의하여 적당한 압력으로 펌프되는 것이 바람직하고, 흐름(762)를 생성하는 보일러-과열기 열교환기(788)로 흐름(761)으로서 통과하고, 복열식(recuperator) 열교환기(704)를 통과하여 흐름(764)를 생성한다. 상기 언급된 바와 같이 흐름(764)는 터빈 유입흐름(774)내로 주입되기 전에 뜨거운 보유흐름(718)과 혼합된다.
사용가능한 열 및 열교환기 비용에 따라 부피흐름내에 손실 및 터빈(776)에서의 동력을 더 감소시키기 위하여 흐름(750)을 통하여 펌프(760)의 흡인시 추가물을 첨가하는 것이 가능하다. 분리된 이온전달 단위(units)대신에 결합된 반응기-분리기가 사용될 수 있음은 물론이다. 또한 이온전달 반응기로부터 연소가스를 사용하는 일반적인 방법이 이온전달 분리기 또는 터빈으로부터 연소기 하류를 이용하는 시스템과 함께 사용될 수 있다.
하기 표3 및 4는 도7에 나타낸 구체예가 공급 가스흐름내애서 상당한 산소 부분을 어느 정도 회수하고 가스 터빈으로부터의 방출 동력에서 약간의 손실로 쉽게 분리가능한 혼합 산소-이산화탄소 생성물 흐름을 얼마나 제공할 수 있는가를 보여준다.
공생성물없는 터빈
컴프레셔 공기흐름 121,700 lbs/hr
컴프레셔 압축비율 10:1
터빈유입온도 1905 ℉
연료유속 2070 lbs/hr
샤프트 동력 3580 kW
산소 및 이산화탄소 공생성물을 갖는 터빈
컴프레셔 공기흐름 121,700 lbs/hr
압축율 10:1
터빈유입온도 1905 ℉
연료유속 2070 lbs/hr
물추가 5900 lbs/hr
동력생성 3050 kw
산소생성 200 TPD(유입가스흐름 내에 산소의 59wt%)
이산화탄소 생성 68 TPD
본 발명의 실시예에서 200 TPD의 산소가 이산화탄소를 생성시키지 않고 530 kW 또는 2.65 kW/TPD의 유효 동력(effective power)으로 생성되는 것을 알수 있다. 소요된 자본(capital)은 이온전달 반응기-히터, 보일러-과열기, 물 순환의 잔류소 및 연소기를 제거하기 위한 정교한 복열기에 대한 것이다. 연소기 대신에 이온전달 반응기를 사용하기 때문에 완전히 NOx를 제거하는 데 필수적으로 부가적인 비용이 소요될 것이다.
폐기가스는 주로 물, 질소 및 산소를 포함하고, 예를 들어 비-응축가능한 가스의 백분율로서 산소 함량은 약 3% 정도이다. 결과적으로 폐기물은 질소생성물 회수 시스템을 위한 이상적인 공급을 형성할 것이다. 적당한 시스템은 막 또는 PSA/TSA 건조기 및 이에 따르는 이온전달 디옥소(Deoxo) 플랜트가 될 수 있다. 질소가 회수되는 경우에 폐기물로 부터 응축되는 물은 시스템으로의 외부 물 공급을 감소시키는 데 사용될 수 있었다.
본 발명의 실시에 필수적인 요소는 적절히 고안된 이온전달 반응기, 반응기-히터, 및 반응기-분리기 단위이다. 앞에서 언급된 바와 같이 이들 장치의 고안은 이온전달 반응기 요소의 온도가 과도한 온도 유출(excursion)을 겪지 않고 최대의 효율로 상대적으로 균일한 온도로 작동되는 방식으로 반응온도를 조절하는 것을 포함하여야 한다.
이온전달 모듈러스의 작동 매개변수에 대한 일반적인 범위는 다음과 같다:
온도: 이온전달 모듈(module)를 위하여 온도는 일반적으로 400℃ 내지 1500℃의 범위에 있으며, 바람직하게는 600℃ 내지 1200℃의 범위에 있다. 증기터빈은 일반적으로 350℃ 내지 600℃의 범위에서 작동한다. 가스터빈은 일반적으로 800℃ 내지 1500℃의 범위에서 작동한다.
압력: 세척-면(purge-side)의 압력은 일반적으로 1 기압 내지 40 기압의 범위에 있으며, 바람직하게는 1 기압 내지 10 기압의 범위이다. 공급-면 압력은 가압된 질소가 생성물로서 필요로 한다면 또는 이온전달 폐기가스가 동력을 생성하기 위하여 가스 터빈으로 가게 된다면, 1 기압 내지 40 기압의 범위에 있을 것이고, 그렇지 않다면 1 기압과 10 기압의 범위에 있게 된다. 가스터빈 유입압력은 일반적으로 5 기압 내지 40 기압의 범위에 있으며, 소모압력은 일반적으로 1 기압 내지 1.5 기압의 범위에 있을 것이다. 증기 생성기는 일반적으로 란킨(Rankine) 싸이클에 대하여 10 기압 내지 50 기압의 압력으로 증기를 생성시킬 것이다.
이온전달막의 산소 이온전도도: 일반적으로 0.01-100 S/cm 범위(1S = 1/Ohm).
이온전달막의 두께: 이온전달막은 조밀한 필름 또는 다공성 기질에 지지된 박막의 형태로 사용될 수 있다. 이온전달막/층(layer)의 두께(t)는 일반적으로 5000 미크론 이하이며, 바람직하게는 t는 1000 미크론 이하이며, 가장 바람직하게는 100 미크론 이하이다.
형상: 이온전달막 구성요소는 일반적으로 관상(tubular) 또는 평면상이다.
본 명세서에서 사용된 용어 "원소 산소(elemental oxygen)"은 주기율표에서 다른 어떤 원소와 결합되지 않는 산소를 의미한다. 일반적으로 이원소형태이지만 상기 원소 산소는 단일 산소 원자, 삼원자 오존, 다른 원소와 결합되지 않는 다른 형태를 포함할 수 있다.
본 발명의 특징은 하나 또는 그 이상의 도면에 나타나 있고, 각각의 특징은 본 발명에 따른 다른 특징과 조화될 수 있다. 또한 본 발명의 다양한 변화 및 변형은 특정 예에 따라 제조될 수 있으며 본 발명의 영역을 떠나지 않는다. 다른 구체예들도 이 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 인식될 수 있으며 하기 특허청구범위의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
본 발명은 유일한 주요 불순물인 물과 함께 이산화탄소 및 고순도 질소의 공생산을 하기 위하여 가스터빈을 사용하여 산소, 질소 및/또는 이산화탄소를 생성하기 위한 고체전해질 이온전도체 시스템을 제공하는 것이며, 특히 이산화탄소와 산소 둘 다의 공생성물이 요구되는 경우에 있어서 가스터빈을 사용하여 산소의 회수를 최대화할 수 있는 발명의 효과를 갖는다.

Claims (10)

  1. (a) 원소 산소(elemental oxygen)를 함유하는 공급 가스흐름을 압축하고;
    (b) 적어도 하나의 제1 또는 제2의 이온전달막 부(section)를 제공하고, 각 막(membrane) 부는 한쪽 면에 보유(retentate) 영역 및 다른 면에 투과 영역을 가지며;
    (c) 가열된 공급 가스흐름을 생성하기 위하여 제1의 이온전달 막 부의 투과 영역 내에서의 반응에 의하여 생성된 열을 이용하여 상기 공급 가스흐름을 가열하고;
    (d) 제2 이온전달막 부를 사용하여 상기 가열된 공급 가스흐름을 보유면에서의 산소-결핍 가스흐름 및 투과면에서의 산소-함유 가스흐름으로 분리하고;
    (e) 적어도 하나의 가스흐름이 팽창됨으로써 에너지를 추출하고, 그 후에 팽창된 흐름은 동력을 생성하기 위하여 가스터빈에서 제1 투과 영역내의 반응에 의하여 직접 또는 간접적으로 가열되고; 그리고
    (f) 산소 생성물 흐름으로서 산소-함유 가스흐름을 회수하는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적어도 산소 생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 막 부(section)는 반응기 막이고, 제2 막 부는 반응기 막으로부터 떨어져 위치한 다른 분리기 막인 것을 특징으로 하는 적어도 산소 생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 막 부는 단일(unitary) 막 구조 중 다른 부분인 것을 특징으로 하는 적어도 산소 생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 이온전달막 부의 투과영역 내에 반응이 제1 이온전달 막 부를 투과하는 산소가 제1 연료 가스흐름과 반응하여 제1 연소 생성물 가스흐름을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 산소 생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 연소 생성물 흐름으로부터 생성물로서 이산화탄소를 얻는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 산소 생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이산화탄소를 얻는 단계가 제1 연소 생성물 흐름으로부터 물 또는 수증기를 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 산소 생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위한 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 적어도 한 부분의 연소 생성물 흐름이 제2 막 부를 통하여 산소 이온전달을 향상시키기 위하여 제2 이온전달 막 부의 투과영역을 세척하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 적어도 산소 생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산소-함유 가스흐름으로부터 이산화탄소를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 산소 생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위한 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연소기내의 산소-결핍 가스흐름을 제2 연료 가스흐름과 반응시켜 제2 연소 생성물 가스흐름을 생성시키는 단계 및 상기 제2 연소생성물 가스흐름을 팽창된 가스흐름으로서 터빈으로 향하게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 산소 생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위한 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 일부분의 제1 연소 생성물 가스흐름을 이온전달 분리기 막 부의 보유면으로부터 산소-결핍 가스흐름의 적어도 일부분과 결합하여 응집(aggregate) 가스흐름을 형성하고;
    연소기내의 상기 응집 가스흐름을 제2 연료 가스흐름과 반응시켜 제2 연소 생성물 가스흐름을 생성시키고; 그리고
    상기 제2 연소 생성물 가스흐름을 팽창된 가스흐름으로써 터빈으로 향하게 하는;
    단계를 더 포함되는 것을 특징으로 하는 적어도 산소 생성물 가스흐름 및 동력을 생성하기 위한 방법.
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