JP2000304206A - 固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

Abstract

(57)【要約】 【課題】 解決しようとする課題は、セラミック膜モジ
ュール内に近大気圧力下に空気が送給され、現用のプラ
クティスよりも要求電力量が実質的に少ない、酸素富化
燃焼あるいは部分酸化プロセスを提供することである。 【解決手段】 比較的高濃度の酸素を含む送給物流れ２
３２が約５００〜１０００℃の好適な温度に前加熱さ
れ、イオン導伝膜２２０の保持側２２０ａに導入され、
透過側２２０ｂを通過し、炉２３０に結合した透過物チ
ャンバ２３８に入る。炉２３０内に発生する煙道ガスの
多くの部分は再循環流れ２４６として透過物チャンバ２
３８に再循環される。再循環流れ２４６は、イオン導伝
膜２２０の透過側２２０ｂ内の酸素濃度を低下せしめ、
また、イオン導伝膜２２０を通る酸素流れを増大させ
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１９９７年６月５日
に出願された米国特許出願番号第０８/８６８，９６２
号の部分継続出願である。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、希釈酸素流れを酸化体と
して使用することにより改善するために、これらのプロ
セスを一体化することに関する。

【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２
０．９％、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主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で
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
てはある主の問題がある。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、イオン導伝システ
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 Ｓｙｓ
ｔｅｍＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｓｔｕｄｙ，Ｖｏｌ．
１：Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄＥｃｏｎｏｍｉｃ Ａｎ
ａｌｙｓｉｓ（Ｒｅｐｏｒｔ＃ＤＯＥ／ＩＤ／１２５９
７−３）及び、１９８７年のＶｏｌ．２：Ｍａｒｋｅｔ
Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ（Ｒｅｐｏｒｔ＃ＤＯＥ／ＩＤ
／１２５９７−３）の中で、Ｈ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉが
詳細に議論している。

【０００６】ガス流れから酸素を分離する際に使用する
ためのイオン導伝性導体法に関する文献には、“Ｐｒｏ
ｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｂｙ−Ｐｒｏｄ
ｕｃｔ Ｏｘｙｇｅｎ ｆｒｏｍ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｐｏｗ
ｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ”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４，５４
５，７８７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 Ｔｅｍ
ｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ Ｏｘｙｇｅｎ
Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ”と題する米国特許第５，５１
６，３５９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。“Ｐｒｏｃｅ
ｓｓ ｆｏｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ Ｏｘｙｇｅｎ ｆｒ
ｏｍ ａｎ Ｏｘｙｇｅｎ−ＣｏｎｔａｉｎｉｎｇＧａｓ
ｂｙ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｂｉ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｍ
ｉｘｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ”
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（ＯＥ
Ｃ）に関する刊行物には、前述の、Ｈ．Ｋｏｂａｙａｓ
ｈｉの米国エネルギー省のリポートと、Ｍ．Ａ．Ｌｕｋ
ａｓｉｅｗｉｃｓ， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ
ｆｏｒ Ｍｅｔａｌｓ，Ｐａｒｋ，ＯＨ，から発行され
たＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９８６ Ｓｙ
ｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏｍｂ
ｕｓｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｈｉｃａｇ
ｏ，ＩＬ，Ａｐｒｉｌ ２９−３０，１９８６の中の、
Ｈ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ、Ｊ．Ｇ．Ｂｏｙｌｅ、Ｊ．
Ｇ．Ｋｅｌｌｅｒ、Ｊ．Ｂ．Ｐａｔｔｏｎ、Ｒ．Ｃ．Ｊ
ａｉｎらによる、“Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｃｏ
ｎｏｍｉｃ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｘｙｇｅｎ
Ｅｎｒｉｃｈｅｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ
ｓ ｆｏｒ ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＦｕｒｎａｃｅ Ａｐ
ｐｌｉｃａｔｉｏｎ”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。気力発電所のボイラを酸素−
燃料炊きする場合、最新の極低温プラント内で空気を分
離するに要する電力は非常に大きく、単サイクル式の蒸
気ボイラ発電プラントの発生する全電力の約１６％を消
費する。空気分離に要する空気の圧縮のために使用する
電力が、この所要電力の主たる消費源である。酸素は、
大抵のボイラ用途で使用するためには高価過ぎる。代表
的な空気−燃料炊きボイラでは、空気は数インチのＨ₂
Ｏに相当する圧力下に、概略大気圧下に作動する燃焼チ
ャンバに送給される。空気を数ｐｉｓｇの低圧に圧縮す
ることさえも、圧縮のために要する大きな電力と、その
結果としての発電効率の損失とから、あまりにコスト高
であると考えられる。セラミック膜を使用する上での１
つの実用上の問題は、セラミック膜の連結部及びセラミ
ック部材の管部の亀裂を夫々通しての漏れを原因とする
制御性の欠如がある。セラミック材料は、高温条件下、
特に変化する温度条件下に使用する場合に、応力割れを
生じやすい。従って、セラミック膜の管部が熱的及び機
械的応力下に亀裂を生じても、効率的かつ有効に作動し
続け得る頑丈なセラミック膜システムを開発することが
非常に望ましい。

【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、セラミック膜モジュール内に近大気圧力下に空気が
送給され、現用のプラクティスよりも要求電力量が実質
的に少ない、酸素富化燃焼あるいは部分酸化プロセスを
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窒素ガス加熱に基づくＮＯｘ形成量
及び熱損失を最小化することである。解決しようとする
更に他の課題は、イオン導伝膜モジュールからの、副産
物として使用する窒素富化ガス流れを回収することであ
る。解決しようとする更に他の課題は、回収のための二
酸化炭素富化煙道ガス流れを創出させることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、低濃度
窒素と共に酸化体を使用するための燃焼プロセスあるい
は部分酸化プロセスが提供される。酸素を含有するガス
が、イオン導伝膜を含むイオン導伝膜モジュールに導入
される。イオン導伝膜は、第１の圧力下の保持側と、第
２の圧力下の透過側とを有し、純粋酸素ガス流れを透過
側に分離させ、保持側では相当量の酸素を減損させ、そ
れにより、酸素減損されたガス流れを生成する。低濃度
の窒素を含む純粋ガス流れが透過側に送られ、約８０％
未満の酸素を含有する酸化体流れが形成される。次い
で、酸化体流れと燃料とが燃焼チャンバあるいは反応チ
ャンバに導入され、熱と、燃焼生成物あるいは部分酸化
生成物とが生成される。

【００１１】好ましい実施例では酸素含有ガスとして空
気が使用される。第１の圧力と第２の圧力の比は４．７
８、好ましくは０．５〜４．０の間、より好ましくは
０．８〜５．０の間、最も好ましくは０．９〜１．５の
間である。酸化体流れは、１〜４０％、好ましくは２〜
１５％、最も好ましくは３〜１０％の酸素を含む。パー
ジガスは、１０％未満、好ましくは５％未満の窒素を含
む。酸化体流れの温度は約５００℃以上であるのが好ま
しく、酸化体流れが、実質的に冷却されることなく燃焼
チャンバあるいは反応チャンバに導入されるのが好まし
い。

【００１２】

【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、電子復帰用の
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。

【００１３】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（通
常は６００℃以上）場合に、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。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、ＰＳ
Ａ、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いからであ
る。

【００１４】現在のプロセス構成の本質は、代表的に
は、これに限定するものではないが、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、酸素減損されたガス（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な関心量へと引
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、侵入周囲空
気に含まれる窒素）形成量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。

【００１５】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より一層
低下させそれにより、イオン導伝性の分離器での酸素流
量を高めさえもする。本発明のある実施例では、イオン
導伝膜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。イオン導伝膜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。

【００１６】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対象混合
イオン導体のリストの一部である。

【００１７】

【表１】

【表２】

【００１８】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、通常は空気である、酸素元素を
含む送給物ガス流れ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
ン導伝膜モジュール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膜モジュール
３５内で除去され、このイオン導伝膜モジュールを出る
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。透過物ガス流
れ１０は酸素を含み、この透過物ガス流れ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
過物ガス流れ１０に随意的に追加される。

【００１９】燃焼性ガス流れ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
下に運転することにより、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、つ
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。

【００２０】ガス流れ３８をガス流れ１７に付加するこ
とにより、イオン導伝膜モジュール３５に導通されイオ
ン導伝膜７の透過側７ｂ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、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が廃棄物ガス流れ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。仮に、窒素富
化された生成物ガス流れとして残留質ガス流れ２４が望
ましいのであれば、ガス流れ３６及び３０は混合させな
い。

【００２１】イオン導伝膜モジュール３５内で酸素減損
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、
２５、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をイオン導伝膜モジュール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
オン導伝膜モジュール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、イオン導伝膜モジュー
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、熱交換のための
必要面積が減少されると共に、恐らくは、イオン導伝膜
モジュール３５の上流側でのヒータ３４の必要性も排除
される。イオン導伝膜モジュール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、イオン導伝膜モジュール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。

【００２２】１９９５年１２月５日に提出された“Ｒｅ
ａｃｔｉｖｅ Ｐｕｒｇｅ ｆｏｒＳｏｌｉｄ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｇａｓ Ｓｅｐａｒ
ａｔｉｏｎ”と題する米国特許出願番号第０８／５６
７，６９９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膜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 Ｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒ 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。

【００２３】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、透過物ガス流れ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。水素ガスは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
伝膜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。

【００２４】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に良くない。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。

【００２５】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及び、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により、燃焼器１
４内での燃焼性ガス流れ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。

【００２６】本発明で使用するイオン導伝膜モジュール
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。

【００２７】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／ｃ
ｍ、運転温度：８００℃ 基材の多孔性：４０％

【００２８】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から
である。

【００２９】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、膨
張弁２３を使用してこの残留質のガスの余分な圧力を減
少させた後のガス流れ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。

【００３０】

【表３】

【００３１】

【表４】

【００３２】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器４２内で比較的低い圧力で圧縮さ
れ、加圧された送給物ガス流れ４３を生成し、この送給
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、加温された送給物ガス流れ４４を生成する。送給物
ガス流れ４４は、随意的なアフターバ−ナ６９内で使用
されるガス流れ７０と、送給物ガス流れ７４とに分岐さ
れる。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
の高温の送給物ガス流れ４５は、保持側４７ａ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
伝膜モジュール４６の送給側に入る。高温の送給物ガス
流れ４５はその内部の酸素の一部がイオン導伝膜モジュ
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
膜モジュールを出る。

【００３３】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。

【００３４】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、イオン導伝膜モジュール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。

【００３５】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内で送給物ガス
流れ４３を加熱して送給物ガス流れ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を使用してこの残留質ガス流れ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８
０を生成させる必要がある。

【００３６】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、加温さ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、イオン導伝膜モジュール４
６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、送給物ガス流れ４３に対する伝熱量が増大する。生
成物窒素ガス流れ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
成物窒素ガス流れ６４は全体的に廃棄物流れとして廃棄
される。

【００３７】図１に示される本発明の実施例では、イオ
ン導伝膜モジュール４６内の酸素減損されたパージガス
流れ７９を使用することで、イオン導伝膜４７の透過側
４７ｂ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、
５５、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、イオン導伝膜モジュール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。この場合、イオン導伝
膜モジュール４６からの窒素リッチな残留質ガス流れ４
８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
伝膜モジュール４６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
料をイオン導伝膜モジュール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
に燃焼器５４を用意する必要性は全くなくなる。つま
り、イオン導伝膜モジュール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。

【００３８】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、イオン導伝膜モ
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。

【００３９】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膜モジュー
ルと一体化されている。つまり、本実施例ではイオン導
伝膜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９４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は随意的なアフターバ−ナ１０
９内で使用される。送給物ガス流れ９５の残余の部分、
即ち、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。送
給物ガス流れ８５は次に、保持側８７ａ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。送給物ガス流れ８
５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。

【００４０】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が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８９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。

【００４１】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、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１１
５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こと、及び、熱交換器１１
３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１
１８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。

【００４２】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、高温の廃棄物ガス流れ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１１
３内での容量比が改善され、加圧された送給物ガス流れ
８３に対する伝熱量が増大する。生成物窒素ガス流れ９
４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、生成物窒素ガス
流れ９４は一般に廃棄物流れとして廃棄される。

【００４３】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８７ｂ
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、イオン導伝膜モジュール８６において
発生される熱の一部を使用して送給物ガス流れ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）には炉負荷が加えられる。

【００４４】イオン導伝−燃焼器モジュールに、内側を
循環する煙道（炉）ガスを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、送給物流れあるいは空気１３２が膜１２０の
カソード側、即ち、保持側１２０ａと接触して高温の、
酸素減損された残留物１３４、例えば窒素を生成する。
下流側プロセス１３０（例えば炉負荷）が、イオン導伝
膜１２０のアノード側、即ち、透過側１２０ｂに示され
る。

【００４５】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られ、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に接触させる状態で炉内を再循環され得る。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１２
０ｂに隣り合って随意的に送られる。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。

【００４６】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。所望であれば、追加の燃料１４４
を炉１３０に追加することができる。

【００４７】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ステージの保持側からの流れによってパー
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、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。

【００４８】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、連続前加熱炉の前加
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、イオン導伝膜モジ
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で、希釈
酸素燃焼方法との相乗効果が提供される。

【００４９】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、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ＯＥ
Ｃのための酸素が抽出され得、それが、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のみが
通過することにより、イオン導伝膜モジュールを出るパ
ージガス流れに窒素が追加されない。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。

【００５０】また更に、全ての燃料の燃焼をイオン導伝
膜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
は著しく簡略化され、コストも削減される。更に、も
し、イオン導伝膜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、イオン導伝膜モジュ
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、イオン導伝膜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
あり且つ低温であることから、熱の回収は意図されな
い。

【００５１】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膜モジュール並びに下流側プロ
セスの装置（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粋な酸素が生成
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。

【００５２】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）、イオン導伝膜モジュール
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（ｌｏａｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ）目的のために使
用され得る。

【００５３】最後に、イオン導伝型の分離器を使用する
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）の必要性が排除される。これにより、資本コスト並
びに酸素製造コストが実質的に削減することが予測され
る。

【００５４】図５には本発明を具体化した実施例が示さ
れる。送給物流れあるいは空気２３２が約５００〜１０
００℃の好適な温度に前加熱される。送給物流れあるい
は空気２３２は、比較的高濃度、代表的には１５％以上
の酸素を含有するのが好ましい。次いで、送給物流れあ
るいは空気２３２は、イオン導伝膜２２０の保持側２２
０ａに導入され、透過側２２０ｂを通過し、主燃焼チャ
ンバ、即ち、炉２３０に結合した透過物チャンバ２３８
に入る。炉２３０の温度は加熱プロセスの条件により決
定され、透過物チャンバ２３８の温度よりも高いあるい
は低い温度であり得る。炉２３０内に発生する煙道ガス
の多くの部分は再循環流れ２４６として透過物チャンバ
２３８に再循環される。再循環流れ２４６は、イオン導
伝膜２２０の透過側２２０ｂ内の酸素濃度を低下せし
め、また、イオン導伝膜２２０を通る酸素流れを増大さ
せる。随意的に、燃料流れ２２１を透過物チャンバ２３
８に導入し、再循環流れ２４６の酸素濃度を低下させ及
びあるいは、透過側２２０ｂを反応パージさせ、且つま
た、保持側の空気温度を上昇させるための熱を提供させ
ることもできる。透過物チャンバ２３８を、第１のステ
ージを持つ第１のイオン導伝膜システム及び第２のステ
ージを持つ第２のイオン導伝膜システムに随意的にセグ
メント化し、第１ステージでは反応的なパージを、また
第２ステージでは図示しない煙道ガスパージを、夫々使
用することができる。燃料流れ２２１を高速でジェット
噴射し、この高速でジェット噴射される燃料流れの旋回
効果により、透過物チャンバ２３８からの高温の煙道ガ
ス流れ、即ち、再循環流れ２４６を適正に循環させるの
が好ましい。

【００５５】高温の煙道ガスを再循環させるためのその
他の手段には、これに限定するものではないが、圧縮煙
道ガスあるいは圧縮蒸気を使用することのできる循環フ
ァン及びエゼクタが含まれる。好ましい実施例では、透
過物チャンバ２３８からの高温の煙道ガス流れ２４７は
熱交換器２６０内で冷却され、冷却側流れ２４８が、圧
縮され、次いで透過物チャンバ２３８に噴入され、それ
により、再循環流れ２４６の適正な循環が誘起される。
本プロセスを、金属加熱処理炉、鋼再熱炉、ガラス溶融
炉、アルミニューム溶融炉のような多くの工業用炉のた
めに使用することができるが、特に好適なのは、蒸気発
生ボイラ並びに、石油ヒーター、クラッキング炉、蒸気
−メタン改質炉のようなプロセス流体加熱炉である。以
下に、蒸気発生のためのプロセスに関して本発明を詳し
く説明するが、本発明はそうしたプロセスにその適用を
限定するものではない。パージガスは低濃度の窒素を含
み、イオン導伝膜の透過側に導伝されることにより、１
〜４０％、好ましくは２〜１５％、最も好ましくは３〜
１０％の間の酸素を含有する酸化体流れ２３６を形成す
るのが好ましい。

【００５６】イオン導伝膜２２０は、圧力が同じ、もし
くは異なる２つの側、即ち、第１の圧力を有する保持側
２２０ａと、第２の圧力を有する透過側２２０ｂとを反
応領域に有効に形成する。第１の圧力と第２の圧力の比
は４．７８未満、好ましくは０．５〜４．０の間、更に
好ましくは０．８〜２．０の間、最も好ましくは０．９
〜１．５の間である。混合イオン導伝膜システムを使用
して空気から酸素を分離する従来プロセスでは、送給物
流れあるいは空気は、保持側における１ａｔｍの酸素分
圧を達成するために４．７８ａｔｍの最小圧力に圧縮さ
れる。かくして、透過側に１ａｔｍの純粋酸素を生成さ
せるためには、理論上の最小圧力比である４．７８ａｔ
ｍが必要である。実用システムでは、膜に大量の酸素流
れを通すためには、圧力比を１０〜３０として酸素分圧
比約２〜６を創出させる必要がある。空気を１０〜２０
ａｔｍに圧縮するためには大きな電力が必要である。

【００５７】送給物流れあるいは空気を圧縮するために
必要な電力を低減させるには圧力比を小さくするのが有
益である。理想的システムでは、第１の圧力及び第２の
圧力は共に等しく且つ大気圧であり、これが、所要電力
を最小化すると共に、保持側２２０ａ及び透過側２２０
ｂ間でのガス漏れの恐れを最小化する。このようなプロ
セスでは、送給物流れあるいは空気及びパージガス流れ
の唯一の圧力条件は、イオン導伝膜モジュール及び炉を
貫いてのガス流れの通過に関連する通常圧力の降下に打
ち勝つことである。本発明によれば、圧力比が１未満、
即ち、保持側の圧力が透過側の圧力よりも小さい場合で
さえ、イオン導伝膜を通して酸素を透過させることが可
能である。それは、酸素の透過が、保持側の酸素分圧と
透過側の酸素分圧との比によって駆動されるからであ
る。透過側での酸素分圧を低く維持することで、全圧縮
比を１前後あるいはそれ以下に維持しつつ、酸素分圧比
２以上を達成することが可能である。そうした条件下で
は、セラミック膜管のシール不良あるいは亀裂により漏
洩したガスが、透過側から保持側に流動し、炉２３０に
窒素が侵入するのが防止される。窒素酸化物形成量を低
下させ、燃料ガス中の二酸化炭素濃度を高く維持するに
は、炉２３０内の窒素濃度を１０％以下に押さえるのが
好ましい。

【００５８】透過物チャンバ２３８内では、炉２３０か
らの高温の煙道ガスをこの透過物チャンバ２３８内に再
循環させるために燃料ジェットが随意的に使用される。
蒸気ジェットあるいは、圧縮され冷却された煙道ガス流
れ２４８のようなその他のガスジェットを使用して、追
加的なパージガスを提供させるとともに、ジェットポン
プ効果を介して煙道ガスの再循環を容易化させることが
できる。燃料ジェットは、再循環される煙道ガス中に含
まれる酸素及びイオン導伝膜管からの透過酸素と反応
し、透過物チャンバ２３８内の酸素濃度と、発生する熱
量とを減少させる。ボイラ管、蒸気加熱器管及びあるい
は蒸気再熱器管を透過物チャンバ２３８内に随意的に配
置してヒートシンクとし、透過物チャンバ２３８の温度
を制御することができる。透過物チャンバ２３８内のイ
オン導伝膜管の温度は、透過物チャンバ２３８に噴入す
る燃料２２１の流量及び、再循環される高温の煙道ガス
２４６の量を制御することにより、最適膜温度、代表的
には６００℃及び１０００℃の間の温度に維持するのが
好ましい。

【００５９】燃料２２１の燃焼生成物と、イオン導伝膜
２２０を透過した酸素と、再循環される煙道ガス２４６
とが透過物チャンバ２３８の出口位置で混合して形成さ
れる酸化体流れ２３６内の平均酸素濃度は、１〜４０
％、好ましくは２〜１０％、最も好ましくは３〜１０％
に制御され得る。酸化体流れ２３６は、好ましくは冷却
を伴うことなく透過物チャンバ２３８に再循環される。
イオン導伝膜管の保持側を貫く空気流れと、透過側内を
流動する燃料／煙道ガス流れとを向流態様化し、イオン
導伝膜管を通る酸素流量を最大化させることができる。
透過側２２０ｂ内の酸素濃度は、イオン導伝膜の酸素透
過率を増大させるために一般に低い方が好ましいが、酸
素濃度を低く維持するには大量の煙道ガスを再循環させ
る必要がある。かくして、酸素濃度は上述した範囲であ
るのが好ましい。

【００６０】炉２３０内では燃料２４４が噴射され、透
過物チャンバ２３８からの高温の希釈酸素流れ、即ち酸
化体流れ２３６と混合して燃焼し、蒸気ボイラの放射セ
クションのための蒸気を従来様式下に発生する。希釈酸
素燃焼プロセスは、Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ
Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｒ Ｃｌｅａｎ ｅｎｖｉ
ｒｏｎｍｅｎｔに関する第４回国際会議の１９９７年７
月７−１０号議事録のＨ．Ｍ．Ｒｙａｎ他の“Ｄｅｖｅ
ｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ＤｉｌｕｔｅＯｘｙｇ
ｅｎ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｂｕｒｎｅｒ ｆｏｒ
Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｕｒｎａｃｅ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”に説明されるようなもので
あり、また米国特許第５，０７６，７７９号には、低Ｎ
Ｏｘ放出量及び高い熱効率を実現するための好ましい燃
焼プロセスが記載される。

【００６１】炉２３０内で発生する煙道ガスの５０〜９
８％を主燃焼チャンバ２３８に再循環させ、残余の煙道
ガスを対流熱伝達ユニット２６０に送り、蒸気を過熱
（ｓｕｐｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ）及び再加熱させ且つ送
給水を加熱するのが好ましい。煙道ガス流れ２４９を随
意的に凝縮熱交換器２６４を通して送ることより、煙道
ガス中の水蒸気の潜熱が回収される。煙道ガス中の潜熱
を完全に回収すると、冷却された煙道ガス流れ２６３に
おける顕熱が減少し、その結果、効率が改善するのに加
え、天然ガス燃焼のための理論エネルギーが約１０％向
上する。酸素の燃焼には、煙道ガス中の水蒸気濃度が高
いことに依存して、潜熱回収に関して空気燃焼に勝る独
特の長所がある。

【００６２】例えば、天然ガス−酸素燃焼により生じる
煙道ガス中の水蒸気濃度は約６５％であり、露点は約８
８℃である。煙道ガスを約４９℃に冷却すると水蒸気濃
度は体積パーセントで１３％に減少され、約９３％の水
蒸気が凝縮され得る。比較するに、天然ガス−空気燃焼
で生じる煙道ガス中の水蒸気濃度は約１８％であり、露
点は約５８℃である。煙道ガスを約４９℃に冷却するこ
とで約４１％の水蒸気が凝縮され得る。天然ガス−空気
燃焼における水蒸気の約７７％を凝縮させるには３２℃
に更に冷却する必要がある。従って、水素原子と炭素原
子との比の大きい天然ガスあるいは燃料を酸素と燃焼さ
せた場合、煙道ガス中に含まれる意外に大量の水蒸気
を、比較的高い温度下に凝縮させることが可能である。
水蒸気を凝縮させることで、煙道ガス量が更に減少さ
れ、見込まれる二酸化炭素の回収及び生成のための二酸
化炭素富化流れが創出される。

【００６３】透過物チャンバ２３８の保持側２２０ａか
らの高温の、窒素富化流れ２３４は、対流熱交換器ユニ
ット２６１を通して送られ、送給水を加熱し、また、随
意的には、蒸気を発生、過熱あるいは再熱するための熱
を提供する。あるいは、窒素富化流れ２３４を使用し
て、図１から図３に示すように送給物流れあるいは空気
を前加熱させることができる。反応パージを第１ステー
ジで、煙道ガスパージを第２ステージで夫々行う２ステ
ージイオン導伝膜システムを使用して、高純度の窒素流
れを生成させることができる。

【００６４】送給物流れあるいは空気２３２の加熱を、
高温の煙道ガス流れ２４７を使用して図示しない熱交換
器内で、及びあるいは、炉２３０内に空気加熱管を配置
して、及びあるいは、透過物チャンバ２３８内で、間接
的に実施することも可能である。更には、図示しないラ
イン内燃焼器を使用して空気をもっと高温に加熱するこ
とができる。ライン内加熱は送給物流れあるいは空気流
れ２３２の酸素濃度を低下させ、それにより、酸素流量
のための駆動力を低下させるものの、ライン内の直接的
な加熱システムには、間接加熱システムを上回る大きな
資本コスト削減効果がある。以下の表ＩＶ及びＶには、
図５に示す一体型のイオン導伝膜燃焼プロセスの基準例
が示される。

【００６５】

【表５】

【００６６】

【表６】

【００６７】上記の例では、イオン導伝膜の透過側での
酸素濃度を７．４３％に維持するために大量の高温の煙
道ガスが再循環され、それが、送給物流れあるいは空気
を高圧に圧縮することなく、イオン導伝膜の透過酸素流
量の増大を助長する。イオン導伝膜２２０内での反応パ
ージ段階を使用して高純度窒素を生成することで、送給
物流れあるいは空気流れ２３２に含まれる実質的に全て
の酸素がイオン導伝膜２２０を透過し、燃料流れ２２１
及び２４４との燃焼のために使用される。空気の流量
は、表ＩＩで示した従来例のそれが毎時４６８４．２３
ｍ³（１６５，４００ＳＣＦＨ）であるのに対し、毎時
１２５４．３２ｍ³（４４，２９０ＳＣＦＨ）である。
空気流量が大幅に減少することにより、送給物流れある
いは空気を加熱するために必要な熱量及び空気ブロワの
要求電力が減少する。本例での空気ブロワの要求電力は
９．３ｋｗであり、３３２．４８４ｍ³（１１，７４０
ＳＣＦＨ）の酸素がイオン導伝膜により分離される。こ
れは、酸素２．８３２ｍ³（１００ＳＣＦＨ）当たり
０．０７９ｋｗに相当する。比較するに、従来例では酸
素３２８．５２ｍ³（１１，６００ＳＣＦＨ）生成させ
るために５８ｋｗの電力を消費し、この場合は酸素２．
８３２ｍ³（１００ＳＣＦＨ）当たり０．５ｋｗに相当
することになる。最新の空気分離技法では、酸素純度９
０〜９５％及び１大気圧下に工業等級の酸素２．８３２
ｍ³（１００ＳＣＦＨ）を生成するためには約０．８ｋ
ｗの電力が消費されることを銘記されたい。かくして、
本発明の、一体型の、イオン導伝膜−燃焼プロセスによ
れば、酸素燃焼のための空気の分離に要する消費電力量
は９０％程も減少する。

【００６８】本発明の他の様相によれば、図６に示す２
つの膜チャンバを使用する燃焼プロセスの反応パージ用
のイオン導伝膜チャンバ内で、煙道ガスの再循環を使用
しないプロセスが提供される。図５及び図６の共通部分
についてはここでは繰り返されないので、そうした共通
部分に関しては図５の実施例の説明を参照されたい。

【００６９】第１の保持側３２０ａを出た高温の窒素富
化流れ３３４は、イオン導伝膜３７２の第２の保持チャ
ンバ内３７０の第２の保持側３７２ａに導入される。イ
オン導伝膜３７２の第２の保持チャンバ３７０内の第２
の保持側３７２ａを透過した酸素は第２の透過物チャン
バ３５０に導入される。この場合、窒素富化流れ３３４
に含有される酸素濃度が低い場合でさえも、反応パージ
された酸素の流量は増大する。燃料流れ３５５が第２の
透過物チャンバ３５０に噴入され、イオン導伝膜３７２
の第２の透過側３７２ｂからの酸素流れと反応し、高温
の合成ガス流れ３７３と、水素及び一酸化炭素のような
燃焼性ガスを含むガス流れとを形成する。随意的には、
再循環される煙道ガスあるいは再循環流れ３５６を第２
の透過物チャンバ３５０に噴入し、温度を変化させるこ
とができる。

【００７０】高温の合成ガス流れ３７３は炉３３０に導
入され、第１の透過物チャンバ３３８からの高温の酸化
体流れ３３６と混合し、燃焼のための酸素を提供する。
随意的には、追加の空気あるいは酸素流れ３５７を炉３
３０内に噴入して合成ガス流れ３７３を燃焼させ、プロ
セスに熱を提供させることができる。

【００７１】窒素富化流れは、第２の保持側３７２ａを
横断して送られる際、第２のイオン導伝膜３７２を通過
して第２の透過物チャンバ３５０に入るに際して酸素減
損されることにより窒素富化され、高純度窒素流れ３６
５を形成する。次いで、高純度窒素流れ３６５は対流伝
熱ユニット３６１を通して送られ、使用のための、ある
いはそれ以降のプロセス処理のための冷えた窒素流れ３
６２が回収される。

【００７２】先に議論した形態でのプロセスの範囲内で
数多くの変更が可能であることを銘記されたい。例え
ば、下流側プロセスからの排気ガスを使用して送給物ガ
ス流れを加熱するのは有益であり得る。イオン導伝膜モ
ジュールを出るパージガス流れに多少の空気を追加する
ことも可能である。これは、始動運転のために、あるい
は負荷追跡目的のために特に望ましいものであり得る。
加えて、本発明の方法を、混合導体を圧縮駆動するイオ
ン導伝膜に関して説明したが、本発明の概念を、外部電
流復帰（ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｔｕｒｎ）を使用する圧
力駆動モードあるいは電気駆動モード下に作動する本来
イオンを含む導体にも適用し得ることは明らかである。
最後に、図１では向流モードでの酸素分離プロセスを説
明したが、幾つかのプロセスを並流もしくは交叉流れモ
ード下に実施することも可能である。

【００７３】先に説明したように、“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（電気的
駆動）システムもしくは、混合導体形式（圧力駆動）シ
ステムを意味するものとする。ここで、“窒素”とは、
酸素減損ガスつまり、酸素を送給物ガスに関して減少さ
せたガスに対して参照するものとする。先に言及したよ
うに、イオン導伝膜は酸素透過のみを許容する。従っ
て、残留物の組成は送給物ガスの組成に依存する。送給
物ガスは酸素減損されるが、窒素と、その他の、休部次
がす中に存在する任意のガス（例えば、アルゴン）を保
持する。

【００７４】ここで、“元素酸素”とは、周期表中のそ
の他の元素とは未結合の任意の酸素を意味するものとす
る。元素酸素は代表的には２価の形態を有するが、単酸
素原子、３価オゾン、その他の、他の元素と未結合の形
態を含み得る。ここで、“高純度”とは、含有する所望
されざるガスの体積パーセントが５％未満であるものを
意味するものとする。生成物の純度は少なくとも９８％
であるのが好ましく、更に好ましくは９９．９％、最も
好ましくは少なくとも９９．９９％である。“純度”と
は、所望されざるガスが存在しない程度を意味するもの
とする。ここで“圧力スゥイング吸着”あるいは“ＰＳ
Ａ”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ＰＳＡ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。

【００７５】以上、本発明を実施例を参照して説明した
が、本発明の内で主々の変更をなし得ることを理解され
たい。そうした変更には、圧力スゥイング吸着床及び熱
スゥイング吸着床その他の、大量の酸素を分離するため
の方法を使用して、上述した高分子膜の機能を提供する
ことが含まれ得る。

【００７６】

【発明の効果】セラミック膜モジュール内に近大気圧力
下に空気が送給され、現用のプラクティスよりも要求電
力量が実質的に少ない、酸素富化燃焼あるいは部分酸化
プロセスが提供される。燃焼プロセスにおける窒素ガス
加熱に基づくＮＯｘ形成量及び熱損失が最小化される。
イオン導伝膜モジュールからの、副産物として使用する
窒素富化ガス流れが回収される。回収のための二酸化炭
素富化煙道ガス流れが創出される。

【図面の簡単な説明】

【図１】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】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】燃焼器をイオン導伝膜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】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。

【図５】単一モジュール内に一体化した、イオン搬送プ
ロセス、燃焼機、下流側プロセスの実施例を示す概略ダ
イヤグラム図である。

【図６】一方のプロセスで煙道ガス再循環を使用しない
場合の、２つの別個のイオン搬送膜プロセスの実施例を
示す概略ダイヤグラム図である。

【符号の説明】

１、３、４、５、６、４１、４３、４４、４５、７４、
７５、８１、８３、８４、８５、９５ 送給物ガス流れ ２、４２、８２ ブロワ ７、４７、８７、１２０、２２０、３７２ イオン導伝
膜 ７ａ、４７ａ、８７ａ、１２０ａ、２２０ａ 保持側 ７ｂ、４７ｂ、８７ｂ、１２０ｂ、２２０ｂ 透過側 １０、５０、９０ 透過物ガス流れ １２、２７、５２、９２ 空気流れ １３ 燃焼性ガス流れ １４、５４ 燃焼器 １１、１５、２５、５１、５５、６５、１０５、１２１
燃料ガス流れ １６、１８、２０、２１、２２、２９、３１、３２、３
９、４０、５６、６０、６１、６２、７７、１００、１
０１、１０２、１１５、１１６、１１７ 廃棄物ガス流
れ ２６、６９、１０９ アフターバ−ナ ３３、７３ 熱交換器 ３４、７５ ヒータ ３５、４６ イオン導伝膜モジュール ３７、６４、９４ 生成物窒素ガス流れ ４２、８２ 圧縮器 ４７ａ、２２０ａ 保持側 ４７、８７、１２０、２２０、３７２ イオン導伝膜 ４８、８８、１１８ 残留質ガス流れ ９、７９、８９ パージガス流れ ５３ 燃焼性ガス流れ ５９、９９、１３０ 下流側プロセス ７３、１１３、２６０ 熱交換器 ６３ 膨張弁 ７９、８９ パージガス流れ ７５、１１４ ヒーター ８２ 圧縮器 ８６ イオン導伝−燃焼器モジュール １２２ 燃料分与層 １３０、２３０ 炉 １３４ 酸素減損された残留物 １３６ 反応透過物 １３８ 高温帯域 １４０ 窒素 １４２ 弁 １３２、２３２ 送給物流れあるいは空気 ２３６ 酸化体流れ ２３８ 透過物チャンバ ２４４ 燃料 ２４６ 再循環流れ ２４８ 冷却側流れ ２４９ 煙道ガス流れ ２６０、３６１ 対流熱伝達ユニット ２６３ 煙道ガス流れ ２６４ 凝縮熱交換器 ３２０ａ 第１の保持側 ３２０ｂ 第１の透過側 ３３４ 窒素富化流れ ３３６ 酸化体流れ ３３８ 第１の透過物チャンバ ３５０ 第２の透過物チャンバ ３５５ 燃料流れ ３５６ 再循環流れ ３５７ 追加の空気あるいは酸素流れ ３６２ 冷えた窒素流れ ３６５ 高純度窒素流れ ３７２ 第２のイオン導伝膜 ３７２ａ 第２の保持側 ３７２ｂ 第２の透過側 ３７３ 合成ガス流れ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒素濃度の低い酸化体を使用する燃焼方
   法であって、 （ａ）酸素を含有するガスを、第１の圧力下の保持側
   と、透過チャンバを形成する、第２の圧力下の透過側
   と、を有するイオン導伝膜を含むイオン導伝モジュール
   内に導入し、前記透過側において純粋酸素ガス流れを分
   離させるとともに前記保持側の酸素を前記分離相当量減
   損させ、かくして酸素減損されたガス流れを生成するこ
   と、 （ｂ）低濃度の窒素を含むパージガス流れを前記透過側
   に通し、約４０％未満の酸素を含有する酸化体流れを形
   成すること、 （ｃ）該酸化体流れ及び燃料を燃焼チャンバに導入し、
   熱及び燃焼生成物を生成すること、 を含む窒素濃度の低い酸化体を使用する燃焼方法。
2. 【請求項２】 酸素を含有するガスが空気である請求項
   １の燃焼方法。
3. 【請求項３】 窒素濃度の低い酸化体を使用する燃焼方
   法であって、 （ａ）酸素を含有するガスを、第１のイオン導伝膜及び
   第２のイオン導伝膜を含むイオン導伝モジュールにし
   て、前記第１のイオン導伝膜が、第１の保持圧力下の第
   １の保持側と、第１の透過チャンバを形成する、第１の
   透過圧力下の第１の透過側とを有するイオン導伝モジュ
   ールに導入し、前記第１の透過側において第１の純粋酸
   素ガス流れを分離させるとともに第１の保持側の酸素を
   前記分離相当量減損させ、かくして第１の酸素減損され
   たガス流れを生成すること、 （ｂ）該第１の酸素減損されたガス流れを、第２の保持
   圧力下の第２の保持側と、第２の透過チャンバを形成す
   る、第２の透過圧力下の第２の透過側とを有する第２の
   イオン導伝膜に導入し、前記第２の透過側において第２
   の純粋酸素ガス流れを分離させるとともに第２の保持側
   の酸素を前記分離相当量減損させ、かくして第２の酸素
   減損されたガス流れを生成すること、 （ｃ）低濃度の窒素を含有する第１のパージガス流れを
   前記第１の透過側に通し、それにより、酸素濃度が約４
   ０％未満である酸化体流れを生成すること、 （ｄ）燃料及び低濃度の窒素を含有する第２のパージガ
   ス流れを前記第２の透過側に通すことにより、合成ガス
   流れを形成すること、 （ｅ）前記酸化体流れと、合成ガス流れとを燃焼チャン
   バに導入し、熱及び燃焼生成物を生成すること、 を含む窒素濃度の低い酸化体を使用する燃焼方法。