JP2008111419A - Oxygen separation gas turbine combined system - Google Patents
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Abstract
【課題】原料空気の加熱に別の昇温手段を用いることによる酸素分離効率の低下を回避してエネルギー効率の向上を図る酸素分離ガスタービン複合システムを提供する。
【解決手段】酸化物イオン透過性酸化物からなる分離膜を用いて酸素を分離する酸素分離装置1とガスタービン9とが複合化される。ガスタービン9の圧縮部10で生成した高圧空気の一部あるいは全量が熱交換によって加熱され、分離膜によって高純度の酸素が分離される。酸素分離後の酸素貧化空気が補助加熱手段を用いて昇温された後、高圧空気の加熱とガスタービン9の駆動に用いられる。
【選択図】図1The present invention provides an oxygen separation gas turbine combined system that improves energy efficiency by avoiding a decrease in oxygen separation efficiency due to the use of another temperature raising means for heating raw material air.
An oxygen separation device 1 for separating oxygen using a separation membrane made of an oxide ion permeable oxide and a gas turbine 9 are combined. Part or all of the high-pressure air generated in the compression unit 10 of the gas turbine 9 is heated by heat exchange, and high-purity oxygen is separated by the separation membrane. After the oxygen-depleted air after oxygen separation is heated using auxiliary heating means, it is used for heating high-pressure air and driving the gas turbine 9.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、酸化物イオン透過性酸化物からなる分離膜を使って、空気から高純度の酸素を分離する酸素分離装置とガスタービンとの複合化により、酸素と電力を併産する酸素分離ガスタービン複合システムに関する。 The present invention relates to an oxygen separation gas that produces both oxygen and electric power by combining a gas turbine with an oxygen separation device that separates high-purity oxygen from air using a separation membrane made of an oxide ion-permeable oxide. The present invention relates to a turbine complex system.
酸化物イオン透過性酸化物を使った酸素分離技術は、酸素分圧の異なる2種類のガスを隔離することにより、酸素分圧の高い側から低い側へ酸化物イオンの形で酸素が酸化物中を透過する現象に基づいている。酸化物イオン透過性酸化物の中でも、電子伝導性を併せ持つ混合伝導性酸化物の場合には、酸化物イオンの移動に伴う電荷のバランスを電子の移動で補償するため、外部回路なしで酸素の透過が持続するという特徴がある。 Oxygen separation technology using oxide ion permeable oxides separates two gases with different oxygen partial pressures, so that oxygen is oxidized in the form of oxide ions from the high oxygen partial pressure side to the low side. It is based on a phenomenon that penetrates inside. Among the oxide ion permeable oxides, in the case of mixed conductive oxides having both electron conductivity, the balance of charges accompanying the movement of oxide ions is compensated by the movement of electrons, so that oxygen can be removed without an external circuit. It has the feature that permeation persists.
酸素分離の際の駆動力となる酸素分圧の違いは、例えば酸素含有混合ガス(空気など)を圧縮することにより酸素分圧を常圧以上にするか、分離側を減圧にすることによって実現される。また、酸素分離速度は絶対温度に比例し、かつ分離膜材料の酸化物イオン伝導率自体も温度上昇とともに増大するため、高温ほど酸素分離速度を大きくすることができる。但し、高温領域では使用される金属材料が限定されるため、通常、700℃〜950℃といった温度域が選択される。 The difference in oxygen partial pressure, which is the driving force for oxygen separation, is realized by, for example, compressing the oxygen-containing mixed gas (air, etc.) to increase the oxygen partial pressure to normal pressure or lowering the separation side Is done. In addition, the oxygen separation rate is proportional to the absolute temperature, and the oxide ion conductivity itself of the separation membrane material increases as the temperature rises. Therefore, the oxygen separation rate can be increased as the temperature increases. However, since the metal material to be used is limited in the high temperature range, a temperature range of 700 ° C. to 950 ° C. is usually selected.
酸化物イオン透過性酸化物を使った酸素分離技術の特徴として、一つは高純度の酸素分離が上げられる。酸素分離の効率を上げるために分離膜の厚さは極限まで薄くされる。ガス分子が通り抜けられる欠陥のない薄膜が形成できれば、原理的には酸素しか透過できないためである。また、他の特徴として、安価な酸素製造の可能性が上げられる。これは、原料空気の高温・高圧化に要するエネルギーを排ガスからのエネルギー回収で補うことによって、単位体積当たり必要となる電力(電力原単位)を既存の酸素製造設備である酸素PSA(Pressure Swing Adsorption)や深冷分離より低くできるとの試算結果に基づいている。 One characteristic of oxygen separation technology using oxide ion-permeable oxides is high-purity oxygen separation. In order to increase the efficiency of oxygen separation, the thickness of the separation membrane is made as thin as possible. This is because, in principle, only oxygen can permeate if a thin film without defects through which gas molecules can pass is formed. Another feature is the possibility of inexpensive oxygen production. By supplementing the energy required for high temperature and high pressure of the raw material air by recovering energy from the exhaust gas, the power required per unit volume (electric power consumption) is reduced to oxygen PSA (Pressure Swing Adsorption), which is an existing oxygen production facility. ) And based on the trial calculation results that it can be lower than cryogenic separation.
これら2つの特徴があるものの未だに実用化が実現されていない理由の一つとして、エネルギー効率が期待されているレベルに達していないことによる。 One of the reasons why these two features are not yet in practical use is that energy efficiency has not reached the expected level.
エネルギー効率を向上させるための一つの方法として、原料空気の昇温に排ガスとの熱交換を利用する方法が挙げられる。しかしながら、通常の熱交換器では、伝熱面積を大きくして熱交換効率を上げるため、多くのフィンを具備した多管式熱交換器となっており、極めて高価であるという問題があった。また、熱伝達媒体が金属であるため、熱交換によって得られる温度はせいぜい500℃程度までであり、酸素分離に必要な700℃以上に昇温させるためには、別に昇温手段を講じる必要があった。 One method for improving energy efficiency is a method of using heat exchange with exhaust gas for raising the temperature of the raw material air. However, a normal heat exchanger has a problem that it is a multi-pipe heat exchanger having many fins in order to increase the heat transfer area and increase the heat exchange efficiency, and is extremely expensive. In addition, since the heat transfer medium is a metal, the temperature obtained by heat exchange is up to about 500 ° C., and in order to raise the temperature to 700 ° C. or higher necessary for oxygen separation, it is necessary to take another temperature raising means. there were.
これに対し、セラミック製のハニカムやボールなどを媒体とし、蓄熱・放熱作用を利用した蓄熱式熱交換器が知られている。例えば特許文献1では、高温型燃料電池の空気または燃料ガスの加熱に、発電部から出た排出ガスとの熱交換に蓄熱式熱交換器を使うことで経済性向上が図れることを開示している。また、特許文献2では、石炭ガス化炉の生成ガス等の高温ガスが保有する熱量を、系内にて有効利用するために蓄熱式熱交換器を用いるシステムを開示しており、実施例として酸化物燃料電池(SOFC)への適用について述べられている。
On the other hand, a heat storage type heat exchanger using a ceramic honeycomb or ball as a medium and utilizing heat storage and heat dissipation is known. For example,
燃料電池の場合、発電に発熱反応を伴うため、排出ガス温度は原料ガス温度より高温となっている。従って、燃料電池の分野では蓄熱式熱交換器を用いることにより、別の昇温手段を講じる必要は必ずしもない。一方、酸素分離の場合には燃料電池のような発熱反応はなく、逆に系外への放熱があるため、排出ガス(酸素貧化空気)は常に原料ガス(空気)より低温となっている。従って、蓄熱式熱交換器を用いてもなお原料ガスの加熱は不十分であり、不足する分を別の手段で補う必要があった。従来は、酸素分離装置をシンプルな構成とするため、排出ガスの熱回収と原料ガスの加熱を別々にすることが一般的であった。 In the case of a fuel cell, since the power generation involves an exothermic reaction, the exhaust gas temperature is higher than the raw material gas temperature. Accordingly, in the field of fuel cells, it is not always necessary to provide another temperature raising means by using a heat storage type heat exchanger. On the other hand, in the case of oxygen separation, there is no exothermic reaction like a fuel cell, and conversely there is heat dissipation outside the system, so the exhaust gas (oxygen-poor air) is always lower in temperature than the raw material gas (air). . Therefore, even if the heat storage type heat exchanger is used, the heating of the raw material gas is still insufficient, and it is necessary to compensate for the shortage by another means. Conventionally, it has been common to separate the heat recovery of the exhaust gas and the heating of the source gas in order to make the oxygen separation device simple.
原料空気の別の昇温手段としては、最も簡便な方法として電気的に加熱する方法の他に原料空気に燃料を混合させ、燃焼させる方法が知られている。しかしながら、電気的に加熱する方法では経済的なメリットは十分に享受できず、また、原料空気の燃焼による方法では、以下に述べる理由から必ずしも有効な方法とはなっていない。 As another method for raising the temperature of the raw material air, a method of mixing the fuel with the raw material air and burning it is known in addition to the method of electrically heating as the simplest method. However, economical merits cannot be sufficiently enjoyed by the method of electrically heating, and the method by combustion of raw material air is not necessarily an effective method for the reasons described below.
すなわち、酸素分離の場合は酸化物燃料電池や膜型反応器とは異なり、原料空気の燃焼による酸素濃度低下が顕著に現われるからである。酸化物燃料電池や膜型反応器の分野では、酸素供給源として原料空気が使われ、酸化物イオン透過性酸化物を挟んで反対側に水素や炭化水素ガスなどの燃料が供給される。酸化物イオンの移動の駆動力は、両面の酸素分圧比の対数に比例することから、極端に酸素分圧の低い状態となっている燃料側表面の状態で酸化物イオンの移動速度がほぼ決定され、原料空気側の酸素分圧の状況はほとんど反映されないと言ってよい。これに対し、酸素分離の場合では、常圧の酸素を得る場合には透過側の酸素分圧は0.1MPaで一定であり、原料空気側の酸素分圧の状況を顕著に反映することになる。 In other words, in the case of oxygen separation, unlike the oxide fuel cell and the membrane reactor, a decrease in oxygen concentration due to combustion of raw material air appears remarkably. In the field of oxide fuel cells and membrane reactors, raw material air is used as an oxygen supply source, and fuel such as hydrogen or hydrocarbon gas is supplied on the opposite side across an oxide ion permeable oxide. Since the driving force for the movement of oxide ions is proportional to the logarithm of the oxygen partial pressure ratio on both sides, the moving speed of oxide ions is almost determined by the state of the fuel side surface where the oxygen partial pressure is extremely low. Therefore, it can be said that the oxygen partial pressure on the raw material air side is hardly reflected. On the other hand, in the case of oxygen separation, when obtaining oxygen at normal pressure, the oxygen partial pressure on the permeate side is constant at 0.1 MPa, which significantly reflects the state of the oxygen partial pressure on the feed air side. .
分かり易く説明するために、原料空気の燃焼による昇温方法によって、原料空気中の酸素濃度が21%から16%に低下した場合を想定する。酸化物燃料電池や膜型反応器の場合、燃料側表面の酸素分圧を1.0×10-10MPaと仮定すると、
1 − [Ln(0.016/10-10) / Ln(0.021/10-10)] = 0.014
となり、酸素濃度低下の結果、1.4%の移動速度低下にしかならない。一方、酸素分離の場合、原料空気の圧力を1.0MPaとすると、
1 − [Ln(0.16/0.1) / Ln(0.21/0.1)] = 0.36
となり、実に36%の低下となる。
For easy understanding, it is assumed that the oxygen concentration in the raw material air is reduced from 21% to 16% by the temperature raising method by the combustion of the raw material air. For oxide fuel cells and membrane reactors, assuming the oxygen partial pressure on the fuel side surface is 1.0 × 10 −10 MPa,
1 − [Ln (0.016 / 10 -10 ) / Ln (0.021 / 10 -10 )] = 0.014
As a result of the decrease in oxygen concentration, the transfer speed is only decreased by 1.4%. On the other hand, in the case of oxygen separation, if the pressure of the raw material air is 1.0 MPa,
1 − [Ln (0.16 / 0.1) / Ln (0.21 / 0.1)] = 0.36
This is a 36% decrease.
このように酸化物燃料電池や膜型反応器の分野では有効ではあるが、原料空気に燃料を混合させ燃焼させる昇温方法は、酸素分離の場合では分離効率の大幅な低下を招くという問題があった。 As described above, although it is effective in the field of oxide fuel cells and membrane reactors, the method of raising the temperature by mixing the fuel with the raw air and combusting has the problem that the separation efficiency is greatly reduced in the case of oxygen separation. there were.
また、酸素分離によって排出される酸素貧化空気の持つ高温・高圧のエネルギーを回収する方法として、ガスタービンを接続する方法が知られている。例えば本発明者らが以前に出願した特許文献3及び特許文献4にあるように、ガスタービンの圧縮部で発生した高圧空気を酸素分離部へいったん分岐し、酸素分離部から排出される酸素貧化空気をタービン部へ戻す方法である。酸素分離によってタービン駆動用のガス流体が減少し、発電量が低下するが、低下した発電量は酸素分離に要した電力量と見なせるため、酸素と電力の併産システムとして勘案すると、トータルでエネルギー効率が改善する。
Further, a method of connecting a gas turbine is known as a method for recovering high-temperature and high-pressure energy of oxygen-poor air discharged by oxygen separation. For example, as described in
しかしながら、酸素分離に必要な温度域ではガスタービン駆動温度よりも低温であるため、タービン部に戻された酸素貧化空気は、ガスタービン内部で燃焼過程を経て膨張タービンを駆動する。つまりタービン駆動に必要な高温・高圧空気は原料空気の加熱に使われておらず、酸素分離に必要な温度まで原料空気を加熱するために、やはり別に昇温手段を講じる必要があった。 However, since the temperature range necessary for oxygen separation is lower than the gas turbine driving temperature, the oxygen-poor air returned to the turbine section drives the expansion turbine through a combustion process inside the gas turbine. That is, the high-temperature and high-pressure air necessary for driving the turbine is not used for heating the raw material air, and it is necessary to take another temperature raising means in order to heat the raw material air to a temperature necessary for oxygen separation.
なお、酸素分離と類似した酸化物燃料電池の分野では、例えば特許文献5、特許文献6、特許文献7、特許文献8、特許文献9及び特許文献10などにガスタービンによる高温・高圧排ガスからのエネルギー回収方法が開示されている。これらは、上述したように原料ガス温度より排ガス温度の方が高いために、必ずしも別に昇温手段を講じる必要はない。仮に別の昇温手段として原料空気の燃焼による加熱方法を適用しても、上述したように燃料電池では大きな影響は生じない。すなわち燃料電池の分野で開示されている技術は、燃料電池特有の技術とは言え、これらの技術をそのまま酸素分離に適用することはできなかった。
In the field of oxide fuel cells similar to oxygen separation, for example,
本発明は、上述した現状の課題を鑑み、エネルギー効率に優れた酸素分離装置に関連したシステムの開発を目指した結果なされたものである。すなわち、高温プロセスである酸化物イオン伝導性酸化物を使った酸素分離技術にガスタービンを接続するシステムを見直し、原料空気の加熱に別の昇温手段を用いることによる酸素分離効率の低下を回避してエネルギー効率の向上を図ることを目的とする。 The present invention has been made as a result of aiming at the development of a system related to an oxygen separation apparatus excellent in energy efficiency in view of the above-mentioned problems. In other words, we reviewed the system that connects the gas turbine to the oxygen separation technology using oxide ion conductive oxide, which is a high temperature process, and avoided the decrease in oxygen separation efficiency due to the use of another heating means for heating the raw air The purpose is to improve energy efficiency.
上述の課題を解決するための本発明の要旨は、次の通りである。
(1)酸化物イオン透過性酸化物からなる分離膜を用いて酸素を分離する酸素分離装置とガスタービンとが複合化されたシステムであって、前記ガスタービンの圧縮部で生成した高圧空気の一部あるいは全量が熱交換によって加熱され、前記分離膜によって高純度の酸素が分離されるとともに、酸素分離後の酸素貧化空気が補助加熱手段を用いて昇温された後、前記高圧空気の加熱と前記ガスタービンの駆動に用いられるようにしたことを特徴とする酸素分離ガスタービン複合システム。
The gist of the present invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
(1) A system in which an oxygen separation device that separates oxygen using a separation membrane made of an oxide ion permeable oxide and a gas turbine are combined, and the high-pressure air generated in the compression section of the gas turbine A part or the whole is heated by heat exchange, high-purity oxygen is separated by the separation membrane, and oxygen-depleted air after oxygen separation is heated using an auxiliary heating means. An oxygen-separated gas turbine combined system characterized by being used for heating and driving of the gas turbine.
(2)前記補助加熱手段は、前記酸素貧化空気に燃料を混合し、酸化触媒による燃焼熱を利用する加熱手段であることを特徴とする(1)の酸素分離ガスタービン複合システム。
(3)前記酸素貧化空気の熱交換で前記高圧空気を加熱する手段として、蓄熱式熱交換器を含むことを特徴とする(1)または(2)の酸素分離ガスタービン複合システム。
(4)前記熱交換により加熱された前記高圧空気の温度が、700℃以上950℃以下であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかの酸素分離ガスタービン複合システム。
(5)前記ガスタービンの排出口に排熱回収ボイラを接続し、スチームタービンを駆動することによって、前記ガスタービンと前記スチームタービンとにより複合発電を行うことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかの酸素分離ガスタービン複合システム。
(6)酸素分離側に減圧手段を有することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかの酸素分離ガスタービン複合システム。
(7)前記酸化物イオン透過性酸化物が実質的に立方晶ペロブスカイト酸化物であることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかの酸素分離ガスタービン複合システム。
(2) The oxygen-separated gas turbine combined system according to (1), wherein the auxiliary heating unit is a heating unit that mixes fuel with the oxygen-poor air and uses combustion heat of an oxidation catalyst.
(3) The oxygen-separated gas turbine combined system according to (1) or (2), wherein a heat storage heat exchanger is included as means for heating the high-pressure air by heat exchange of the oxygen-poor air.
(4) The oxygen-separated gas turbine combined system according to any one of (1) to (3), wherein the temperature of the high-pressure air heated by the heat exchange is 700 ° C. or higher and 950 ° C. or lower.
(5) A combined heat generation is performed by the gas turbine and the steam turbine by connecting an exhaust heat recovery boiler to the exhaust port of the gas turbine and driving the steam turbine. ) Any oxygen separation gas turbine combined system.
(6) The oxygen separation gas turbine combined system according to any one of (1) to (5), wherein a pressure reducing means is provided on the oxygen separation side.
(7) The oxygen-separated gas turbine combined system according to any one of (1) to (6), wherein the oxide ion-permeable oxide is substantially a cubic perovskite oxide.
本発明によれば、酸素貧化空気の持つ高温・高圧のエネルギーが有効に活用されるため、高圧空気中の酸素濃度の低下が少なくて済み、高い酸素透過速度や電力原単位の削減が実現される。これにより固体電解質酸化物を使った酸素分離の特徴である高純度酸素製造に加え、従来、机上での可能性の指摘に留まっていた安価酸素製造が実際に可能となる。 According to the present invention, since the high-temperature and high-pressure energy of oxygen-poor air is effectively used, the decrease in oxygen concentration in high-pressure air can be reduced, realizing a high oxygen transmission rate and reduction in power consumption. Is done. As a result, in addition to high-purity oxygen production, which is a feature of oxygen separation using solid electrolyte oxide, low-cost oxygen production that has conventionally been pointed out on the desk is actually possible.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1に、本発明の好ましい具体例として、酸素分離装置とガスタービンが複合化されたシステムを示す。これは、ガスタービンの圧縮部で生成した高圧空気の一部あるいは全量が熱交換によって加熱され、酸素分離管によって高純度の酸素が分離される。分離後の酸素貧化空気は補助加熱手段を用いて更に昇温された後、高圧空気の加熱とタービン駆動に用いられる酸素分離ガスタービン複合システムである。以下、図1に従って本システムの詳細を述べる。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a system in which an oxygen separator and a gas turbine are combined as a preferred embodiment of the present invention. This is because part or all of the high-pressure air generated in the compression section of the gas turbine is heated by heat exchange, and high-purity oxygen is separated by the oxygen separation pipe. The oxygen-poor air after separation is further heated by using auxiliary heating means, and then is an oxygen separation gas turbine combined system used for heating high-pressure air and driving a turbine. Details of this system will be described below with reference to FIG.
分離装置本体1の中に、複数本の酸素分離管4が空間2と空間3を隔離するように置かれる。酸素分離管4は、多孔質支持管の上に極薄膜が形成された構造をとっており、多孔質支持管部分で空間2と空間3の間に発生する圧力差を保持するための強度を持たせ、薄膜部分で実際の酸素分離を行なうようになっている。多孔質支持管と薄膜のそれぞれの厚さは、次のような観点をもとに適宜選択される。多孔質支持管は保持すべき圧力差を勘案して一定以上の厚さが必要となるが、一方、あまり厚くなると通気抵抗が発生し、酸素透過速度が低下する。一般的には、0.5mm以上10mm以下の範囲で選択される。薄膜は、酸素透過速度を増大させる上で薄いほど有利となるが、あまり薄くなると欠陥部を通してガスが抜けやすくなるため、分離酸素の純度の低下を招く。一般的には、1μm以上1mm以下の範囲で選択される。
A plurality of
酸素分離管4は、空間2と空間3を隔離するように複数本が分離装置本体1に置かれるため、分離管本体によるガスのリーク回避は勿論、分離管を保持する箇所(図示せず)においても完全なガスシールが施される。空間2と空間3は、常に空間2の酸素分圧が空間3の酸素分圧より高くなるようになっており、酸素は空間2から空間3に透過する。例えば、空間2/空間3=高圧空気/常圧酸素、あるいは高圧空気/減圧酸素といった組み合わせとなる。ここでは、高圧空気から常圧酸素を分離する場合について説明する。
Since a plurality of
原料空気6は、ガスタービン9の圧縮部10に取り込まれ、断熱圧縮相当分だけ昇温された高圧空気は熱交換器6に入って更に昇温される。分離装置本体1において酸素分離が行なわれ、分離酸素は酸素排出口5から回収される。酸素貧化空気は、燃料7と混合後、燃焼器8によって更に昇温され、熱交換器6を経由してガスタービンの膨張タービン部11へ戻される。
The
燃焼器8は、通常の火炎を発するバーナー方式のものでも構わないが、酸素濃度の低下した酸素貧化空気を使って安定して燃焼を持続させる対策をとらないと火炎が消失し、システムとして成立しない可能性もある。酸素貧化空気の安定燃焼を簡便に実現する手段として、燃料の酸化を促進する触媒を使った触媒燃焼器が好適に用いられる。これは、火炎を発生することなく触媒表面での酸化熱によって昇温するものであり、酸化熱によって触媒能発現に必要な温度に保たれるため、持続的な燃焼が可能である。また、触媒付近に設置した温度計をモニターして燃料の供給量を自動制御するので、安定した温度制御が行なわれる。
The
次に、より望ましい実施の形態として、酸素貧化空気の熱交換で高圧空気を加熱する手段として蓄熱式熱交換器を用いた例を図2に示し、これに従って本複合システムの説明を行なう。
ガスタービンの圧縮部10で発生した高圧空気は、開閉バルブ15Aを通って蓄熱式熱交換器16Aに入る。前段で蓄熱された媒体から熱を受けとり、酸素分離可能な温度まで昇温された後、分離装置本体1の空間2に導入される。酸素は酸素排出口5から回収される。酸素貧化空気は、開閉バルブ18Bを通って供給される燃料7と混合され加熱器8Bによって加熱された後、蓄熱式熱交換器16Bの媒体を昇温させながら自身は冷却され、開閉バルブ17Bを通って、ガスタービンの膨張タービン部11へ戻される。
Next, as a more desirable embodiment, an example in which a regenerative heat exchanger is used as means for heating high-pressure air by heat exchange of oxygen-poor air is shown in FIG. 2, and the composite system will be described according to this.
The high-pressure air generated in the
蓄熱式熱交換器16Bの媒体が十分に昇温(蓄熱)した段階で、開閉バルブ15A、15B、17A、17Bを操作し、流路パターンを切り換える。流路パターンを切り換えと同時に、開閉バルブ18Bを閉じ、18Aを開けることで、加熱器8Aを稼動させ、蓄熱式熱交換器16Aの蓄熱媒体を加熱する。
When the medium of the heat
蓄熱式熱交換器16Aあるいは16Bによって高圧空気を700℃以上950℃以下という酸素分離可能な温度にまで昇温することができると、酸素分離前に補助加熱手段を用いる必要はなく、原料空気中の酸素濃度の低下を回避することができるので、複合システムとしては更に望ましい。但し、700℃未満の温度であっても、昇温のために消費される酸素量は少なくて済むため、若干の補助加熱手段を併用しても本発明を逸脱するものではない。
次に、ガスタービンとスチームタービンの複合発電としたシステムについて説明する。図3は、図1のシステムにスチームタービンを追加した例であり、以下、図3をもとに説明するが、図2にスチームタービンを追加することも可能である。
If the high-pressure air can be raised to a temperature capable of oxygen separation of 700 ° C. or more and 950 ° C. or less by the heat
Next, a system configured as a combined power generation of a gas turbine and a steam turbine will be described. FIG. 3 is an example in which a steam turbine is added to the system of FIG. 1 and will be described below with reference to FIG. 3, but a steam turbine can also be added to FIG.
ガスタービンから排出される排ガス13は、例えば、300℃〜500℃といった中温域の熱を有しているため、この排熱を利用して排熱回収ボイラ19においてスチームを生成し、スチームタービン20を駆動する。この結果、ガスタービンとスチームタービンの複合発電が行なえ、エネルギー効率を更に高めることができる。
The
なお、酸素分離装置に組み合わされるガスタービンは、酸素分離装置の規模によって適宜選択される。より小規模の場合には、マイクロガスタービンを用いてもよい。 Note that the gas turbine combined with the oxygen separator is appropriately selected depending on the scale of the oxygen separator. For smaller scales, a micro gas turbine may be used.
上述した酸素分離ガスタービン複合システムにおいて、分離酸素側を減圧して分離することもできる。なお、このために酸素分離側(空間3)に接続された適宜の減圧手段を備える。減圧に要するエネルギーの回収が困難であるものの、酸素透過のための駆動力が増大するため、より少ない酸素分離管で目的とする酸素を分離することができる。また、小規模システムでマイクロガスタービンを用いる場合には、圧縮部から発生する原料空気の圧力が不足する場合があるので、このような場合では、特に分離酸素側を減圧にするメリットが大きくなる。いずれにしても、分離側を減圧するかどうかは、トータルの酸素製造コストを勘案しながら決めればよい。 In the above-described oxygen separation gas turbine combined system, the separated oxygen side can be separated under reduced pressure. For this purpose, an appropriate pressure reducing means connected to the oxygen separation side (space 3) is provided. Although recovery of energy required for decompression is difficult, the driving force for oxygen permeation increases, so that the target oxygen can be separated with fewer oxygen separation tubes. In addition, when a micro gas turbine is used in a small-scale system, the pressure of the raw material air generated from the compression unit may be insufficient. In such a case, the merit of reducing the pressure on the separated oxygen side is particularly large. . In any case, whether to depressurize the separation side may be determined in consideration of the total oxygen production cost.
酸素分離ガスタービン複合システムで用いられる酸化物イオン透過性酸化物としては、酸化ビスマス系、セリア系、ジルコニア系、ペロブスカイト型酸化物、パイロクロア型酸化物など、850℃で10-2Scm-1以上の酸化物イオン伝導率を有する酸化物が好適に用いられる。中でも、酸化物イオン伝導率が高い、実質的に立方晶ペロブスカイト酸化物が最も好適に用いられる。ここで、実質的にとは、近似的には立方晶となるペロブスカイト酸化物でも、実際には結晶構造が若干歪んだ構造となっていることから、厳密に立方晶ペロブスカイト酸化物に限定するものではないことを示している。 Oxide ion permeable oxides used in the oxygen separation gas turbine combined system include bismuth oxide, ceria, zirconia, perovskite oxide, pyrochlore oxide, etc., at 10 −2 Scm −1 or more at 850 ° C. An oxide having the following oxide ion conductivity is preferably used. Among them, a substantially cubic perovskite oxide having a high oxide ion conductivity is most preferably used. Here, the term “substantially” means that even a perovskite oxide that is approximately cubic crystal is actually limited to a cubic perovskite oxide because the crystal structure is actually slightly distorted. It is not.
図1に示した酸素分離ガスタービン複合システムと、図4に示した従来のガスタービン併設システム(比較例)を使い、それぞれの場合の酸素製造電力原単位を比較した。酸素分離装置は850℃にて、酸素分離を行った。結果を図5に示す。図5は、横軸に酸素製造速度、縦軸に発電量をとってプロットしたものであり、いずれも酸素製造量の増大に伴い発電量の低下が認められたが、この傾きから計算される酸素製造電力原単位は、従来システムでは、電力原単位0.28kW時/m3-酸素、本発明によるシステムでは、同0.22 kW時/m3-酸素であることがわかった。これにより、本発明によって、21%の電力が削減できることが確認された。 The oxygen separation gas turbine combined system shown in FIG. 1 and the conventional gas turbine-equipped system (comparative example) shown in FIG. 4 were used, and the oxygen production power intensity in each case was compared. The oxygen separation apparatus performed oxygen separation at 850 ° C. The results are shown in FIG. FIG. 5 is a plot of the oxygen production rate on the horizontal axis and the power generation amount on the vertical axis. In both cases, a decrease in power generation amount was observed as the oxygen production amount increased. oxygen production unit power consumption, in conventional systems, the electric power consumption rate 0.28kW time / m 3 - the oxygen, in the system according to the present invention, the 0.22 kW during / m 3 - was found to be oxygen. Thus, it was confirmed that the present invention can reduce power by 21%.
1 酸素分離装置本体
2 酸素分離管外面と酸素分離装置本体の間の空間
3 酸素分離管内面と酸素分離装置本体の間の空間
4 酸素分離管
5 分離酸素排出口
6 熱交換器
7 燃料
8 燃焼器
8A 燃焼器A
8B 燃焼器B
9 ガスタービン
10 圧縮部
11 膨張タービン部
12 原料空気
13 排ガス
15A 開閉バルブA(原料空気用)
15B 開閉バルブB(原料空気用)
16A 蓄熱式熱交換器A
16B 蓄熱式熱交換器B
17A 開閉バルブA(酸素貧化空気用)
17B 開閉バルブB(酸素貧化空気用)
18A 燃料バルブA
18B 燃料バルブB
19 排熱回収ボイラ
20 スチームタービン
21 第1燃焼器
22 第2燃焼器
DESCRIPTION OF
8B Combustor B
9
15B Open / close valve B (for raw air)
16A Regenerative heat exchanger A
16B Regenerative heat exchanger B
17A Open / close valve A (for oxygen-poor air)
17B Open / close valve B (for oxygen-poor air)
18A Fuel valve A
18B Fuel valve B
19 Waste
Claims (7)
前記ガスタービンの圧縮部で生成した高圧空気の一部あるいは全量が熱交換によって加熱され、前記分離膜によって高純度の酸素が分離されるとともに、酸素分離後の酸素貧化空気が補助加熱手段を用いて昇温された後、前記高圧空気の加熱と前記ガスタービンの駆動に用いられるようにしたことを特徴とする酸素分離ガスタービン複合システム。 A system in which an oxygen separation device that separates oxygen using a separation membrane made of an oxide ion permeable oxide and a gas turbine are combined,
Part or all of the high-pressure air generated in the compression section of the gas turbine is heated by heat exchange, high-purity oxygen is separated by the separation membrane, and oxygen-depleted air after oxygen separation serves as auxiliary heating means. An oxygen-separated gas turbine combined system, wherein the combined system is used for heating the high-pressure air and driving the gas turbine after the temperature is raised.
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