Способ получения кислорода и выработки энергии

 

Сжатый, содержащий кислород газовый поток нагревается и затем вводится в контакт с мембраной из твердого электролита для получения обедненного кислородом сжатого газового потока и получения кислорода. Предпочтительно, обедненный кислородом газовый поток перед его расширением в газовой турбине дополнительно нагревается и используется для производства пара и/или для предварительного нагрева, содержащего кислород газового потока, что обеспечивает эффективное производство как кислорода, так и энергии. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Настоящее изобретение относится к способу производства кислорода и выработки энергии с использованием мембраны с твердым электролитом с ионной или смешанной проводимостью, интегрированной с газовой турбиной.

В газотурбинных системах для выработки энергии подаваемый воздух сжимается, этот сжатый воздух нагревается, а затем в этом нагретом сжатом газе сжигается топливо, для дальнейшего увеличения его температуры, и затем он расширяется через турбину для выработки энергии. С некоторыми из этих газотурбинных систем комбинируется оборудование для получения кислорода для выработки кислорода за счет некоторых дополнительных затрат энергии. Газотурбинные системы получения энергии комбинируются также с паровыми системами для вырабатывания дополнительной энергии, в которых расширенный нагретый газ может также использоваться для получения пара.

Мембраны с твердым электролитом, с ионной или смешанной проводимостью (ТЭИСП) применяются для извлечения кислорода из газов при температурах в диапазоне приблизительно от 500 до 1000^oC. С точки зрения процесса извлечения кислорода из газов, оптимальная рабочая температура для мембран ТЭИСП представляет собой функцию собственно мембраны ТЭИСП, в частности, материала из которого она изготовлена. Ионная проводимость также является функцией рабочей температуры и увеличивается при увеличении рабочей температуры.

При рабочих температурах ниже, приблизительно, 500-650^oC, помимо пониженной ионной проводимости мембран ТЭИСП, их поверхностные кинетические ограничения также могут сдерживать степень выделения кислорода - количество кислорода на единицу площади за единицу времени. Эти кинетические ограничения являются следствием преобразования молекул газообразного кислорода в мобильные ионы кислорода на стороне подачи мембраны ТЭИСП, и преобразования ионов кислорода в молекулы кислорода на стороне ее пропускания.

Рабочие температуры мембран ТЭИСП выше, приблизительно, 850-900^oC также нежелательны, поскольку могут возникнуть материальные и конструкционные ограничения (связанные с уплотнениями, трубопроводами и термическими нагрузками). При рабочих температурах, обычно применяемых в газовых турбинах (обычно, приблизительно, от 1000 до 1200^oC), такие ограничения становятся значительно более жесткими.

Существующие в настоящее время способы производства кислорода и выработки энергии с использованием мембран ТЭИСП, интегрированных с газовыми турбинами, такие, как описаны в американских патентах N 4545787 (Хегарти), 5035727 (Чен) и 5174866 (Чен и другие), не позволяют согласовать применение оптимальных рабочих температур на стадии газотурбинной выработки энергии и стадии получения кислорода в мембране ТЭИСП соответственно.

Очевидно, что попытки получения кислорода и производства энергии с использованием газовых турбин и мембран ТЭИСП в единой системе, имели до сих пор незначительный успех. Одна из причин такой посредственной производительности кроется в рабочих температурах, используемых в этом процессе. Например, если мембрана работает при температуре, при которой компрессор подает поток газа, содержащего кислород, или при которой выходят выхлопные газы турбины, значение такой температуры, обычно ниже либо выше, соответственно, требуемого для оптимальной производительности мембраны ТЭИСП.

В американском патенте N 5035727 кл. В 01 D 53/22, опубл. 30.07.1991) отмечено, что температура, при которой мембрана выделяет кислород из нагретого сжатого воздуха, та же, что и температура газовой турбины, которая вырабатывает энергию посредством расширения лишенного кислорода горячего сжатого воздуха. При такой конструкции эффективность турбины уменьшается (из-за того, что выработка энергии происходит при более низких, чем требуется температурах), либо мембрана ТЭИСП работает при более высокой температуре, чем требуется для оптимальных химических и механических условий.

В связи с этим, задачей настоящего изобретения является получение способа, который использовал бы высокие температуры сгорания, получаемые в системе выработки энергии, для обеспечения работы системы производства кислорода, при приемлемых рабочих температурах для обеих систем. Другой задачей настоящего изобретения является разработка такого способа, при котором эффективно производились бы как кислород, так и энергия.

Поставленная задача решается тем, что способ получения кислорода посредством модифицирования системы для выработки энергии, согласно изобретению включает использование системы для выработки энергии, включающей первый компрессор, первую камеру сгорания и газовую турбину, где первый компрессор предназначен для сжатия первого, содержащего кислород газового потока для подачи к первой камере сгорания, в которой осуществляют сжигание первого газового потока для расширения его в газовой турбине, использование второй камеры сгорания, связанной с, по меньшей мере, первым сепаратором, имеющим мембрану из твердого электролита, направление меньшей части первого газового потока во вторую камеру сгорания с использованием вентиля управления, расположенного между первым компрессором и первой камерой сгорания, сжигание, по меньшей мере, меньшей части первого газового потока во второй камере сгорания до температуры ниже 1100^oC для получения нагретого сжатого газового потока, ввод нагретого сжатого газового потока в контакт с мембраной из твердого электролита при температуре ниже 1000^oC для получения обедненного кислородом сжатого газового потока и получения из него кислорода, соединение обедненного кислородом сжатого газового потока с первым газовым потоком, по меньшей мере до, во время или после сгорания последнего в первой камере сгорания, регулирование давления оставшейся части первого газового потока после удаления его меньшей части, поскольку устройство управления, связанное с вентилем управления и первой камерой сгорания и расположенное между ними, причем устройство управления потоком располагают выше по потоку относительно соединения обедненного кислородом сжатого газового потока с первым газовым потоком для согласования давления регулируемого первого газового потока с давлением обедненного кислородом газового потока, расширение в газовой турбине обедненного кислородом газового потока при температуре в диапазоне примерно от 900 до 2000^oC для выработки энергии. Перед расширением в газовой турбине обедненного кислородом газового потока от последнего отбирают тепло. Способ дополнительно включает получение от газовой турбины расширенного обедненного кислородом газового потока и отбор тепла от этого потока.

При этом обеспечивают обход части сжатого обедненного кислородом газового потока первой камеры сгорания и смешивание с нагретым сжатым содержащим кислород газовым потоком перед контактом с мембраной из твердого электролита. Также возможен обход части сжатого содержащего кислород газового потока первой камеры сгорания и мембраны из твердого электролита и нагревание этой части газового потока во второй камере сгорания вместе с обедненным кислородом сжатым газовым потоком, получаемым от мембраны с твердым электролитом. До нагрева во второй камере сгорания обходящую часть сжатого содержащего кислород газового потока для его регулирования проводят через устройство управления потоком. Обеспечивают обход части сжатого обедненного кислородом газового потока второй камеры сгорания и подачу его прямо на газовую турбину, причем целесообразен также обход части нагретого сжатого содержащего кислород газового потока мембраны с твердым электролитом и соединение его перед подачей во вторую камеру сгорания, по меньшей мере, с частью сжатого содержащего кислород газового потока, который обходит первую камеру сгорания.

Поставленная задача решается также и тем, что способ получения кислорода согласно изобретению включает нагрев сжатого содержащего кислород газового потока в первой камере сгорания, ввод нагретого сжатого содержащего кислород газового потока в контакт с мембраной из твердого электролита для получения обедненного кислородом сжатого газового потока и получения из него кислорода, направление, по меньшей мере, части полученного кислорода через теплообменник для вырабатывания пара, а также расширение обедненного кислородом сжатого газового потока, получаемого при контакте с мембраной из твердого электролита в газовой турбине для привода компрессора для получения сжатого содержащего кислород газового потока.

В некоторых вариантах осуществления изобретения дополнительные пути для части газа обходят главный путь, в случае, когда требуется обеспечить регулирование таких переменных, как скорость истечения газового потока, содержание кислорода и температура.

Термин "ТЭИСП" используется здесь по отношению к электролитам с ионной или смешанной проводимостью, которые могут транспортировать ионы кислорода.

Другие задачи, признаки и преимущества будут ясны для специалистов в этой области из нижеследующего описания наилучшего осуществления и чертежей, на которых: на фиг. 1 показано схематическое представление системы производства кислорода и выработки энергии в соответствии с настоящим изобретением, в котором тепло получается из пропускаемого продукта ТЭИСП и/или выхлопа газовой турбины для получения пара для последующего использования; фиг. 2 - схематическое представление альтернативного осуществления, в котором сжатый газ предварительно нагревается, проходя через теплообменник, через который пропускается продукт ТЭИСП и/или выхлоп газовой турбины; фиг. 3 - схематическое представление третьего варианта осуществления, имеющего одиночную камеру сгорания, в которой с помощью теплообменника отбирается тепло от пропускаемого продукта и задерживаемого выпускного потока ТЭИСП, перед подачей его в газовую турбину, для выработки пара для последующего его использования, и для снижения входной температуры турбины; фиг. 4 - схематическое представление четвертого варианта осуществления, в котором существующая система выработки энергии модифицирована с помощью системы ТЭИСП, включающей компрессор для повышения давления задерживаемого выпускного потока ТЭИСП с тем, чтобы оно соответствовало давлению потока сжатого воздуха; фиг. 5 - схематическое представление пятого варианта осуществления, в котором существующая система выработки энергии модифицирована с помощью системы ТЭИСП с элементом, уменьшающим давление таким образом, чтобы оно соответствовало давлению задерживаемого выпускного потока ТЭИСП; фиг. 6 - схематическое представление шестого варианта осуществления, в котором существующая система выработки энергии модифицирована с помощью системы ТЭИСП, в которой дополнительный воздух закачивается с использованием второго компрессора механически соединенного с газовой турбиной системы выработки энергии и вводится в систему ТЭИСП для производства кислорода, и задерживаемый выпускной поток ТЭИСП вводится обратно в газовую турбину.

Описание изобретения Способ в соответствии с настоящим изобретением заключается в производстве кислорода и выработке энергии с помощью интегрирования мембранной системы ТЭИСП с газотурбинной системой. Система производства кислорода на основе мембраны ТЭИСП и газотурбинная система выработки энергии работают при температурах, которые являются оптимальными для соответственной производительности. При этом используется одна или большее количество камер сгорания для нагрева газовых потоков до требуемых температур. Мембраны ТЭИСП, пригодные для использования, в соответствии с настоящим изобретением, более подробно описаны в приведенном тексте.

Хотя настоящее изобретение применимо, в общем случае, для производства кислорода и выработки энергии из любого газа, содержащего кислород, настоящее изобретение на практике, предпочтительно, применяется по отношению к выработке кислорода и энергии из воздуха. Получаемый кислород имеет концентрацию, по меньшей мере, приблизительно, 90%, предпочтительно, по меньшей мере, около 95% и более предпочтительно, по меньшей мере, около 98%.

На чертежах сплошные линии представляют основной поток в каждом из вариантов осуществления изобретения, а пунктирные и штрихпунктирные линии представляют альтернативные пути, которые обходят часть основного пути, для осуществления определенных преимуществ соответствующих вариантов осуществления изобретения. В целом, приблизительно от 10 до 90% потока может проходить по одному или большему количеству альтернативных путей.

Способы в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться с различными модификациями в газотурбинном цикле выработки энергии. Система 10, фиг. 1, включает мембрану ТЭИСП в блоке сепаратора 13, который интегрирован с газовой турбиной, для производства кислорода и выработки энергии, в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте осуществления тепло может отбираться от продукта пропускания мембраны ТЭИСП и/или от выхлопа газовой турбины для формирования пара в виде потока 125 для прохода через паропровод в цикл выработки энергии Ранкина.

Поток газа 111 сжимается в компрессоре 11 для того, чтобы получить поток сжатого газа 112, имеющий давление в диапазоне от, приблизительно, 7,03 до, приблизительно, 35,15 кг/см², причем давление в диапазоне от приблизительно 14,06 до, приблизительно, 28,12 кг/см², более предпочтительно.

Поток сжатого газа 112, который выходит из компрессора 11, проходит в камеру сгорания 14, где он нагревается до рабочей температуры мембраны ТЭИСП, находящейся в блоке сепаратора ТЭИСП 13. Эта рабочая температура находится в диапазоне от, приблизительно, 400 до, приблизительно, 1200^oC, причем рабочая температура в диапазоне от, примерно, 500 до, примерно, 850^oC более предпочтительна. Чтобы достичь этой рабочей температуры ТЭИСП, в камере сгорания 14 сжигается топливо 113, подаваемое в нее. Это подаваемое топливо может быть любым подходящим топливом, включая углеводороды, такие, как естественный газ, топливные нефтепродукты или топливный газ, вырабатываемый из угля. Нагретый сжатый газовый поток 114 выходит из камеры сгорания 14 и поступает в блок сепаратора ТЭИСП. Поток нагретого сжатого газа 114, поступающий на мембрану ТЭИСП, полностью соответствует требуемому потоку пропускаемого продукта 115.

В блоке сепаратора ТЭИСП 13 кислород удаляется из нагретого сжатого газового потока 114. Количество удаляемого кислорода обычно находится в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 50% содержания кислорода в содержащем кислород газе. Поток кислорода 115 выходит из блока сепаратора ТЭИСП 13 и затем проходит через теплообменники 16 и 17, причем получаются последовательно охлажденные потоки кислорода 121 и 122.

Обедненный кислородом сжатый задержанный выпускной газовый поток, выходящий из ТЭИСП 116 или выход ТЭИСП, выходит из блока, сепаратора ТЭИСП 13 и поступает в камеру сгорания 15. В камере сгорания 15 дополнительное топливо 113а подводится для повышения температуры обедненного кислородом сжатого газового потока 116 до входной температуры газовой турбины 12. Использование камеры сгорания 15 делает независимыми рабочие температуры сепаратора ТЭИСП 13 и турбины 12. Нагретый, обедненный кислородом сжатый газовый поток 117 выходит из камеры сгорания 15 и поступает на газовую турбину 12 для получения сетевой электроэнергии 131. Температура, при которой работает газовая турбина 12, находится обычно в диапазоне от примерно 900 до примерно 2000^oC, для наилучшей производительности, с предпочтительной температурой от приблизительно 1000 до приблизительно 1700^oC.

Камеры сгорания 14 и 15 являются относительно недорогими устройствами, с помощью которых достигается требуемая степень нагрева, при значительно меньших капитальных затратах по сравнению с теплообменниками сравнимой производительности. Более того, с использованием таких камер сгорания степень нагрева может управляться более эффективно.

В газовой турбине 12 нагретый, обедненный кислородом сжатый газовый поток 117 расширяется, вырабатывая энергию. Газовая турбина 12 может быть соединена с компрессором 11 с помощью оси 110, через которую приводится во вращение компрессор 11. Могут применяться другие обычные варианты соединения, включающие набор шестерен или электрическое соединение. Газовая турбина 12 вырабатывает достаточно энергии для обеспечения питания компрессора 11, а также для обеспечения энергией других потребителей энергии.

Так же, как и поток кислорода 115, который выходит из блока сепаратора ТЭИСП 13, расширившийся обедненный кислородом газовый поток или выхлоп газовой турбины 118 может проходить через теплообменник 16 для преобразования в охлажденный выходной поток 119, который затем входит в теплообменник 17 для получения охлажденного выходного потока 120.

Поток воды 123 может подаваться в теплообменник 17 для формирования потока 124, который затем подается в теплообменник 16 для формирования потока 125. Поток 125 (практически пар) может использоваться для прохода через цикл выработки энергии Ранкина.

На практике может потребоваться пропускать часть, обычно от 10 до 90%, подаваемых потоков через один или большее количество камер сгорания 14 и 15, а также блок ТЭИСП 13. Эти альтернативные проходы показаны на фиг. 1 с помощью пунктирной и штрихпунктирной линий. Например, если в камеру сгорания от газового компрессора вводится слишком большой поток сжатого газа, сгорание будет производиться в условиях обедненного топлива. Если первичная зона камеры сгорания становится слишком обедненной топливом, пламя становится нестабильным. Отвод части сжатого газового потока позволяет регулировать условия в камере сгорания до соответствующего соотношения топливо-газ для сжигания. Если сжатый газовый поток, поступающий в камеру сгорания слишком велик, часть его может быть ответвлена и быть пропущена через вторую камеру сгорания ниже по потоку от камеры сгорания и сепаратора ТЭИСП.

В случае, если уровень содержания кислорода во второй камере сгорания 15, не достаточен для поддержания соответствующего горения газового потока, входящего в него, часть газового потока, выходящего от компрессора 11, может обойти камеру сгорания 14, а также блок сепаратора ТЭИСП 13. С его помощью уровень содержания кислорода в газовом потоке поддерживается на требуемом для второй камеры сгорания уровне. Таким образом, очевидно, что эти альтернативные проходы позволяют поддерживать требуемые температуры, уровень содержания кислорода и скорость потока на необходимом уровне по всей системе, в соответствии с настоящим изобретением.

В одном из таких альтернативных проходов часть подаваемого потока 130 обходит камеру сгорания 14 и оставшаяся часть потока 112 проходит через эту камеру сгорания. Использование подаваемого потока 130 позволяет повысить температуру внутри камеры сгорания 14, достигая более стабильного и эффективного сгорания. Далее по потоку от камеры сгорания 14 эти две части затем смешиваются с помощью вентиля в точке А, из которой более холодный поток 114 проходит в блок сепаратора ТЭИСП 13. В качестве альтернативы поток 128 выходит из точки А и проходит в точку D для соединения с огибающим потоком 126. Затем поток 127 может пройти в точку E для соединения с обедненным кислородом к сжатым газовым потокам 116, где объединенный поток входит в камеру сгорания 15. В других конструкциях обедненный кислородом газовый поток 116 может разветвляться в точке C, из которой поток 129 обходит камеру сгорания 15 и затем соединяется в точке В с потоком 117, который выходит из камеры сгорания 15. С помощью такого частичного обхода потоков камеры сгорания 14, камеры сгорания 15 или обеих, может быть получено высокое соотношение топливо/окислитель в камерах сгорания, поддерживая, таким образом, более стабильную работу камеры (камер) сгорания. Одна или обе камеры сгорания 14, 15 работают, таким образом, что при более высоких температурах, чем блок сепаратора ТЭИСП 13.

Использование потока 127 для дополнения или замещения потока 116 может иметь преимущество в случае, если требуется увеличить содержание кислорода в потоке, подаваемом в камеру сгорания 15. Это происходит в связи с тем, что поток 127 имеет более высокое содержание кислорода, чем поток 116, который выходит из блока сепаратора ТЭИСП 13, поскольку поток 127 не проходил через блок сепаратора ТЭИСП 13. С помощью выбора этого альтернативного прохода может стать возможным уменьшить размеры камеры сгорания 14 и поддерживать при этом оптимальные рабочие условия.

Отношение потока 127 (обходящая часть) к потоку 112 (основная часть) может зависеть от различных факторов, таких как указаны выше, включая потребность в улучшении отношения топливо/окислитель в камере сгорания 15. Это может быть выполнено с помощью добавления и даже замещения обедненного кислородом сжатого газового потока 116 частью подаваемого потока в камеру сгорания 14. Эта добавляемая или замещаемая часть может разделяться от подаваемого потока 112 на поток 126 или 128 после первой камеры сгорания. Поток 126 обходит камеру сгорания 14, в то время, как поток 128 выходит из камеры сгорания 14 и поэтому он нагрет до повышенной температуры. В любом случае, поток 126 и поток 128 имеют более высокую концентрацию кислорода, чем обедненный кислородом сжатый газовый поток 116, который выходит из блока сепаратора ТЭИСП 13.

В системе 209, фиг. 2, блок сепаратора, содержащий мембрану ТЭИСП, интегрирован с газовой турбиной для получения кислорода и выработки энергии, в соответствии с настоящим изобретением. Поток сжатого газа может подвергаться предварительному нагреву во время прохода через теплообменник с противоположным течением потока выхода из ТЭИСП и/или газовой турбины, предпочтительно обоих. После прохождения через этот теплообменник, охлажденный выхлоп из газовой турбины может использоваться для производства пара и для пропускания его через цикл генерирования энергии Брайтона.

В настоящем варианте осуществления, газовый поток 211 входит в компрессор 21 для сжатия до давления в диапазоне, указанном выше. Затем сжатый газ 212 выходит из компрессора 21 и поступает на теплообменник 26, где он нагревается в теплообменнике 26 с помощью отработанного потока 220 и потока кислорода 216.

После выхода из теплообменника 26 нагретый сжатый газовый поток 213 имеет температуру в диапазоне от, приблизительно, 300 до 800^oC, предпочтительно, приблизительно от 400 до 650^oC, и затем проходит в камеру сгорания 24. В ней поток. 213 сгорает с топливом 214 для получения рабочей температуры мембраны ТЭИСП, температура которой указана выше. Для достижения этой температуры, в камере сгорания 24 сжигается топливо 214, поступающее в нее.

Нагретый сжатый газовый поток 215 выходит из камеры сгорания 24 и поступает на блок сепаратора ТЭИСП 23. В блоке сепаратора ТЭИСП 23, кислород обычным способом удаляется из потока 215 в диапазоне, приблизительно, от 5 до 50% от кислорода, содержащегося в потоке 215. Поступающий поток в блок сепаратора ТЭИСП 23 должен находиться в процентном соотношении по отношению к потоку, поступающему на газовую турбину, указанном выше.

Поток кислорода 216 выходит из блока сепаратора ТЭИСП 23 и затем проходит через теплообменник 26. В теплообменнике 26 тепло из потока кислорода 216 переходит в сжатый газовый поток 212, для получения более холодного кислорода 217. В качестве альтернативы, поток кислорода 216 охлаждается в отдельном теплообменнике 27 для получения кислорода 217а и для нагревания части 212а сжатого потока 212. Это может потребоваться для уменьшения размеров теплообменника, работающего при более высокой температуре, а также из-за высокой концентрации кислорода в потоке 216, который может вступать в реакцию с определенными материалами.

Обедненный кислородом сжатый газовый поток 218, выходящий из блока сепаратора ТЭИСП 23, поступает затем в камеру сгорания 25. В катере сгорания 25 дополнительное топливо 214а подводится для повышения температуры обедненного кислородом сжатого газового потока 218 до значения входной температуры газовой турбины 22. Здесь эта температура находится в диапазоне от, приблизительно, 900 до 2000^oC, предпочтительно приблизительно 1000-1700^oC. Нагретый, обедненный кислородом сжатый газовый поток 219 поступает из камеры сгорания 25 на газовую турбину 22.

В газовой турбине 22, нагретый, обедненный кислородом сжатый газовый поток 219 расширяется, вырабатывая сетевую энергию 231. Как и на фиг. 1, вариант осуществления, представленный на фаг. 2, представляет газовую турбину 22, соединенную с компрессором 22 с помощью оси 210, через которую приводится компрессор 22.

Так же, как и поток кислорода 216, который выходит из блока сепаратора ТЭИСП 23, расширившийся, обедненный кислородом газовый поток 220 (или выхлоп газовой турбины) выходят из газовой турбины 22 и подается на теплообменник 26 для получения холодного отработанного потока 221. Поток 221 может использоваться для выработки пара для прохода его через цикл генерирования энергии Ранкина.

Как и в системе 10, фиг. 1, весь поток, предварительно нагретого сжатого газа 213, фиг. 2, может поступать в камеру сгорания 24, в которой он нагревается, сжатый газовый поток 215 подается на блок сепаратора ТЭИСП 23. В качестве альтернативы, часть 224 потока 213 может обходить камеру сгорания 24, причем остающаяся часть пропускается через камеру сгорания 24 и выходит, как нагретый поток 215. Эти две части могут затем соединяться в точке А₂. Затем соединенные части могут поступать на блок сепаратора ТЭИСП 23, либо часть подается в точку D₂ для соединения с обходящим потоком 222. Поскольку поток 222 и поток 224 обходят камеру сгорания 24, эти потоки не нагреваются, и не достигают температуры выше полученной в теплообменнике 26. Поток 222 и поток 224 также имеют более высокое содержание кислорода, чем поток 215, который выходит из блока сепаратора ТЭИСП 23, поскольку они обходят блок сепаратора ТЭИСП 23. Поток 223 может пройти до точки E₂ для соединения с обедненным кислородом сжатым газовым потоком 218, после чего соединенный поток подается в камеру сгорания 25.

Поток 225 может отделяться от обедненного кислородом сжатого газового потока 218 в точке C₂ и, таким образом, обходить камеру сгорания 25. В точке B₂ поток 225 может соединяться с нагретым обедненным кислородом сжатым газовым потоком 219, выходящим из камеры сгорания 25 и затем подаваться на газовую турбину 22. Как и в первом варианте осуществления, с помощью такого обхода камеры сгорания 24, либо камеры сгорания 25, либо обеих, может достигаться более высокое отношение топливо/окислитель в камере (камерах) сгорания, и может быть получено требуемое управление температурой на входе в блок ТЭИСП или в газовую турбину.

В таблице представлены определенные производственные параметры, касающиеся производства 28320 нормальных кубических метров в час кислорода, с помощью процесса и системы схематически представленной на фиг. 2. Для этого примера мембрана ТЭИСП работает на предпочтительной температуре, приблизительно, 799^oC. Эта температура выше, чем температура поступающего газового потока 213, выходящего из теплообменника 26 (приблизительно 471^oC), но ниже, чем входная температура газовой турбины 22 (приблизительно 1093^oC). Температура потока 212 повышается до рабочей температуры блока сепаратора ТЭИСП 23 при проходе через камеру сгорания 24.

Система 309, фиг. 3, включает мембрану ТЭИСП, интегрированную с газовой турбиной для производства кислорода и вырабатывания энергии, в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте осуществления теплообменник используется для отбора тепла от выходного продукта ТЭИСП до того, как он пройдет через газовую турбину для расширения. Полученное тепло используется для выработки пара для цикла Ранкина или другого цикла выработки энергии.

В системе 309 отсутствует вторая камера сгорания, расположенная далее по потоку после этапа ТЭИСП. Газовый поток 311 сжимается с помощью компрессора 31 до абсолютного значения рабочего давления в диапазоне, приблизительно, от 7,03 до 35,15 кг/см², предпочтительно, около 14,06-28,12 кг/см². Сжатый газовый поток 312, выходящий из компрессора 31, поступает на камеру сгорания 34, где температура газового потока повышается до рабочей температуры мембраны ТЭИСП (см. выше) с помощью сжигания топлива 321, подаваемого в камеру сгорания 34. Нагретый сжатый газовый поток 313, выходящий из камеры сгорания 34, поступает на блок сепаратора ТЭИСП 33, где обычно 10-80% кислорода, содержащегося в потоке 313, удаляется. Количество удаленного и оставшегося кислорода может зависеть от содержания кислорода в газе, содержащем кислород. Обедненный кислородом газовый поток 314 и поток кислорода 316, выходящий из блока сепаратора ТЭИСП 33, поступает на теплообменник 35. Полученный холодный кислород 317 выходит от теплообменника 35.

Поток воды 318 поступает на теплообменник 35 и часть тепла от потока 314 и потока 316 вырабатывает поток пара 319. Это тепло может использоваться для выработки энергии, в соответствии с циклом Ранкина или другим циклом вырабатывания энергии. В одной из конструкций теплообменник 35 включает два или более теплообменника, а кислород и выхлопные газы проходят через различные теплообменники.

Холодный, обедненный кислородом газовый поток 315 выходит от теплообменника 35 и поступает на газовую турбину 32, где он расширяется для выработки энергии, прежде всего, для вращения воздушного компрессора 31. Газовая турбина 32 соединена с компрессором 31 с помощью оси 310, которая приводит компрессор 31 во вращение. На практике может потребоваться увеличить количество кислорода в потоке, подаваемом на блок сепаратора ТЭИСП 33, поскольку определенная часть кислорода в сжатом газовом потоке 312 используется в камере сгорания 34. Таким образом, эта цель достигается с помощью добавления или замещения нагретого cжатого газового потока 313 в точке A₃ частью 320 подаваемого потока 312, который обходит камеру сгорания 34. Поскольку поток 320 обходит камеру сгорания 34, содержание кислорода в нем выше, чем в потоке 313, который выходит из камеры сгорания 34.

Система 309 имеет повышенное производство кислорода на заданный выходящий поток 311, при этом производится также поток 319 для последующего использования и в меньшей степени производится сетевая энергия 331 с помощью турбины. Турбина 32 является недорогим турборасширителем, который используется, прежде всего, для привода компрессора 31. В качестве альтернативы, часть или весь обходной поток 342 используется для регулирования входной температуры турбины и повышения выработки сетевой энергии 331. В другой конструкции вторая дополнительная камера сгорания 340 и связанный с ней подвод топлива вырабатывает дополнительный пар, и позволяет получить дополнительную работу от турбины 32, за счет увеличения массы потока через вторую камеру сгорания. Более того, камера сгорания 340 использует кислород, остающийся в обедненном задерживаемом выходном потоке 314.

В системах 409, 509 и 609, фиг. 4-6, существующая обычная система вырабатывания энергии модифицирована с помощью системы ТЭИСП, в соответствии с настоящим изобретением. Система ТЭИСП включает дополнительную камеру сгорания, которая может быть определена, как первая камера сгорания по отношению к мембране ТЭИСП, либо как вторая камера сгорания по отношению к камере сгорания в системе вырабатывания энергии.

На фиг. 4 существующая газотурбинная система выработки энергии, содержащая компрессор 41, камеру сгорания 47, турбину 48 и ось 410, модифицирована с помощью системы ТЭИСП, с дополнительным компрессором 46, сжимающим задерживаемые выходные газы ТЭИСП до подходящего давления для расширения в газовой турбине. Сжатые выходные газы ТЭИСП используются после нагрева в камере сгорания 47 до соответствующей температуры, для расширения в турбине для производства энергии.

Газовый поток 411 предварительно сжимается в компрессоре 41. Здесь рабочее давление мембраны ТЭИСП находится в диапазоне, указанном выше. Часть сжатого газового потока входит в теплообменник 42 и нагревается в нем до температуры в диапазоне, приблизительно, от 300 до 800^oC, как пар 413. Оставшаяся часть 422 сжатого газового потока 412, отводимая с помощью вентиля управления 433, поступает в камеру сгорания 47. Нагретый сжатый газовый поток 413 выходит из теплообменника 42 и входит в камеру сгорания 43. В камере сгорания 43 газовый поток нагревается с помощью топлива 420 и нагретый сжатый газовый поток 414 поступает оттуда, имея температуру, сравнимую с рабочей температурой мембраны ТЭИСП, значение которой указано выше. Для достижения этой температуры в камере сгорания 43 сжигается топливо 420, поступающее в нее. Нагретый сжатый газовый поток 414 выходит из камеры сгорания 43 и поступает в блок сепаратора ТЭИСП 44.

Поток кислорода 415 удаляется из нагретого сжатого газового потока 414 во время контакта потока с мембраной ТЭИСП, содержащейся в блоке сепаратора ТЭИСП 14. Обедненный кислородом сжатый газовый поток 416, выходит из блока сепаратора ТЭИСП 44 и поступает в теплообменник 42 для охлаждения. Поток 418 выходит оттуда и поступает в теплообменник 45 для дальнейшего охлаждения. Теплообменник 45 понижает входную температуру в соответствии с максимальной температурой, приемлемой на устройстве 46.

Охлажденный поток выхлопных газов 419 (приблизительно с температурой окружающей среды) подается на вспомогательный агрегат 46 для сжатия с тем, чтобы его давление соответствовало давлению потока 422. Агрегат 46 представляет собой компрессор низкого давления или вентилятор, который предотвращает обратный поток, компенсируя падение давления в теплообменнике 42 и других компонентах системы ТЭИСП. Вентиль управления 433 может быть исключен, если агрегат 46 имеет правильно выбранные размеры для приема требуемых потоков.

Холодные сжатые выхлопные газы 421 могут затем соединяться с топливом 420а в точке А₄, откуда эти соединенные потоки поступают в камеру сгорания 47 для сгорания, с целью повышения температуры этих выхлопных газов до рабочей температуры газовой турбины 48, причем эта температура должна находиться в диапазоне приблизительно от 900 до 2000^oC. Остальная часть подаваемого газового потока 412, как поток 422, также поступает в камеру сгорания 47 для нагрева до рабочей температуры газовой турбины 48. Нагретый поток 423 подается от камер сгорания 47 и поступает на газовую турбину 48.

В газовой турбине 48, нагретый поток 423 расширяется, вырабатывая энергию. Выхлоп газовой турбины 427 может использоваться для получения дополнительной энергии. Здесь опять газовая турбина 48 может быть соединена с компрессором 41 с помощью оси 410, которая приводит компрессор 41 во вращение.

Поток кислорода 415 охлаждается в теплообменнике 42 и выходит оттуда как охлажденный поток кислорода 417. Охлажденный поток кислорода затем охлаждается в теплообменнике 49 и поучается кислород 424 (приблизительно при температуре окружающей среды).

Поток выхлопных газов 421 может также поступать в камеру сгорания 47 прямо от компрессора 46 как поток 426 через газовые форсунки, не будучи предварительно смешанным с топливом 420а перед поступлением в камеру сгорания 47. В другой конструкции, обходной поток 425 позволяет увеличить поток на турбину 48 для предотвращения перегрузок в камере сгорания 47 и для уменьшения входной температуры турбины.

Система 509, фиг. 5, интегрирует обычную газотурбинную систему вырабатывания энергии с этапом ТЭИСП для производства кислорода и вырабатывания энергии в соответствии с настоящим изобретением. В отличие от системы 409, однако, в ней отсутствует компрессор выходных газов ТЭИСП.

Газовый поток 511, фиг. 5, сжимается в компрессоре 51. Абсолютное значение рабочего давления здесь, как и в четвертом варианте осуществления изобретения, находится в диапазоне от, приблизительно 7,03 до 35,15 кг/см², причем 14,06 - 28,12 кг/см² более предпочтительно. Сжатый газ 512 выходит из компрессора 51. Часть газового потока (до, приблизительно, 50%) направляется с помощью вентиля управления 533, либо в теплообменник 52 и нагревается в нем до температуры в диапазоне, приблизительно, от 300 до 800^oC, нагретый сжатый газовый поток 513 выходит из теплообменника 52 и поступает в камеру сгорания 53. В камеру сгорания 53 подается топливо 520 так, что горение нагретого потока может повышать температуру газового потока, выходящего из камеры сгорания 53, до значения рабочей температуры мембраны ТЭИСП, температура которой указана выше. В одной из конструкций обводной проход 532 оптимизирует работу камеры сгорания 53.

Выходящий из камеры сгорания 53 нагретый поток 514, входит в блок сепаратора ТЭИСП 54, в котором 10-80% кислорода, содержащегося в потоке 54, удаляется.

Из блока сепаратора ТЭИСП 54, обедненный кислородом сжатый газовый поток 516, проходит на теплообменник 52 для охлаждения. Тепло от потока 516 обменивается с потоком 512, который, как указано выше, при этом нагревается. Поток 517, выходящий из теплообменника 52, может соединяться в точке А₅ с потоком 521, который выходит из камеры сгорания 56. В качестве альтернативы, поток 517 может соединяться с потоком сжатого газа 522 в точке В₅ выше по потоку от камеры сгорания 56. В этом альтернативном проходе, все газовые потоки, входящие в газовые турбины 57, дополнительно нагреваются в камере сгорания 56 до рабочей температуры газовой турбины. Этот альтернативный проход может иметь преимущество, заключающееся в том, что давление подаваемого потока в камеру сгорания 56 в случае необходимости может управляться с помощью устройства управления потоком 58. В одной из конструкций устройство 58 представляет собой пластину с отверстием, имеющим размеры, требуемые для уменьшения давления потока 522 до величины, соответствующей давлению в потоке 517. Контролируя таким образом поток, подаваемый в камеру сгорания 56, необходимость в дополнительном теплообменнике (в таком, как теплообменник 45, фиг. 4) и в газовом компрессоре для регулирования давления устраняется.

Соединенный поток от основного или альтернативного прохода затем поступает на газовую турбину 57. В ней происходит расширение потока 521 с вырабатыванием энергии. Выхлопные газы газовой турбины 523 могут использоваться для получения дополнительной энергии. В этом модифицированном варианте осуществления изобретения, газовая турбина 57 может также соединяться с компрессором 51 с помощью оси 510, которая приводит компрессор 51 во вращение.

Поток кислорода 515 также выходит из блока сепаратора ТЭИСП 54 и проходит через теплообменник 52 для охлаждения. Поток кислорода 518, выходящий из него, затем дополнительно охлаждается, проходя через теплообменник 55 и получается кислород 519.

Так же, как в системе 409, в альтернативном проходе, подводящем сжатый газ для расширения газовой турбины, остающаяся часть 522, фиг. 5, сжатого газового потока от компрессора 51 нагревается в камере сгорания 56 до повышения температуры газового потока, выходящего из камеры сгорания 56 в диапазоне от, приблизительно, 900 до 2000^oC. Однако здесь устройство управления потоком 58 может быть включено до камеры сгорания 56. Как указано выше, количество подаваемого сжатого потока, отводимого на мембрану ТЭИСП, может регулироваться с использованием устройства управления потоком 58, включенным вверх по потоку от камеры сгорания 56, которая управляет падением давления в потоке 522. Таким образом, остающаяся часть 522 сжатого газа может соединяться с потоком выходящих газов 517 от мембраны ТЭИСП в точке В₅ ниже по потоку от устройства управления потоком 58 и выше по потоку от камеры сгорания 56.

В системе 609, фиг. 6, газовый поток 611 сжимается в компрессоре 61 до давления в диапазоне от, приблизительно, 7,03 до 35,15 кг/см². От компрессора 61 выходит поток сжатого газа 612, который поступает в камеру сгорания 62 так же, как и топливо 613.

В камере сгорания 62 сжатый газовый поток 612 сгорает для повышения температуры в потоке нагретого газа, выходящего из нее, до рабочей температуры газовой турбины 63. Здесь эта температура находится в диапазоне от, приблизительно, 900 до 2000^oC. От камеры сгорания 62, нагретый сжатый газовый поток 615 поступает на газовую турбину 63, где он расширяется для выработки энергии. Газовая турбина 63 показана в соединении с компрессором 61 с помощью оси 610, которая приводит компрессор 61 во вращение. Выхлоп 616 из газовой турбины 63, может использоваться для получения дополнительной энергии в генераторе пара.

Второй газовый компрессор 64 сжимает второй поступающий поток газа 618 перед тем, как он будет подан в блок сепаратора ТЭИСП 67. Сжатый газ 619 выходит из компрессора 64 и поступает в теплообменник 65. Нагретый сжатый газ 620 выходит из него и поступает в камеру сгорания 65, где он дополнительно нагревается до рабочей температуры мембраны ТЭИСП. Здесь эта температура обычно имеет величину выше 400^oC и чаще выше 600^oC. Топливо 614 поступает в камеру сгорания 66 для повышения температуры сжатого газового потока 620, преобразуя его в нагретый поток 621. Предпочтительно, чтобы поток 621 составлял бы от 5% до 25% от потока 615, поступающего на турбину 63.

От камеры сгорания 66 нагретый поток 621 выходит и поступает на блок сепаратора ТЭИСП 67. В блоке сепаратора ТЭИСП 67 удаляется кислород из этого потока в количестве, обычно, находящемся в диапазоне от 10 до 80% кислорода, содержащегося в нем. Поток кислорода 622, который выходит из него затем охлаждается в теплообменнике 65. Полученный охлажденный кислородный поток 623 дополнительно охлаждается в теплообменнике 68, и затем выходит как получаемый кислород 624.

Обедненный кислородом сжатый газовый поток, выходящий из блока сепаратора ТЭИСП 67, соединяется с потоком топлива 613 в точке А₆ для подачи в камеру сгорания 62. В ней он соединяется с потоком cжатого газа 612 для нагрева, перед подачей на газовую турбину 63. Эта газотурбинная система работает при стандартных условиях.

Как и в системе 509, фиг. 5, в которой мембрана ТЭИСП интегрирована с газовой турбиной таким способом, что энергия, вырабатываемая газовой турбиной, может использоваться для работы газового компрессора 61, фиг. 6, необходимого для мембраны ТЭИСП, через ось 610, соединяющую эти устройства. В одной из конструкций, турбина 63 также механически соединяется со вторым компрессором 64 и вырабатывает сетевую энергию 631.

Дополнительно часть 626 обедненного кислородом сжатого газового потока 625 может соединяться со сжатым газом 612 перед подачей в камеру сгорания 62 (см. точку В₆), либо вместе с нагретым сжатым газом, который выходит из камеры сгорания 62 (см. точку С₆). Это имеет преимущество, поскольку получается дополнительная гибкость по отношению к требуемой температуре и концентрации кислорода в системе до или после камеры сгорания. Кроме того, часть 632 потока 620 может обходить камеру сгорания 66 в случае необходимости.

В одной из конструкций блок ТЭИСП 67 работает при давлении, отличающемся от рабочего давления турбины 63, что обеспечивается с помощью элемента управления давлением 634, показанного пунктиром в потоке 625. В случае, если элемент 634 представляет собой пластину управления потоком, блок ТЭИСП 67 работает при более высоком давлении, чем турбина 63. Если элемент 634 представляет собой компрессор или вентилятор, блок ТЭИСП 67 работает при пониженном относительном давлении.

Существующие газотурбинные системы выработки энергии, модифицированные с помощью системы ТЭИСП, в соответствии с настоящим изобретением, включают системы, поставляемые Дженерал Электрик Ко., Шенектади, Нью-Йорк, Сименс, Германия или АББ, Швеция. Необходима минимальная модификация этих турбин, включая добавление подаваемых газовых потоков на ТЭИСП и подачу, выходящих из ТЭИСП, газов в камеру сгорания, которая обеспечивает газотурбинное расширение.

Поскольку, обычно нежелательно чтобы газовые турбины работали в режимах, превышающих их мощность, для уменьшения этого эффекта может быть произведено регулирование скорости потока. Например, поток сжатого газа компрессора 61 может быть уменьшен для компенсации повышения потока, обедненного кислородом газа 625, выходящего от мембраны ТЭИСП. В случае, когда поток сжатого газа не может быть в достаточной степени понижен, часть обедненного кислородом газового потока, выходящего из мембраны ТЭИСП, должна быть прикрыта, либо поток сжатого газа, подаваемого на мембрану ТЭИСП, должен быть уменьшен. Максимальный поток, подаваемый на мембрану ТЭИСП, определяется мощностью, используемой для сжатия, подаваемого на нее потока. Поскольку данная система представляет собой систему, вырабатывающую сетевую энергию, мембрана ТЭИСП должна использовать меньшее количество энергии, чем вырабатывается системой.

Мембраны ТЭИСП, используемые здесь, сконструированы из плотных керамических оксидов или смеси оксидов, отличающихся наличием кислородных вакансий в их кристаллической решетке, вызываемых дефектами или вводом специальных присадок (таких, как Y, Sr, Ba, Ca и т.п.). Ионы кислорода транспортируются через кристаллическую решетку с помощью механизма диффузии вакансий. В целом, повышенные температуры (от 400 до 1200^oC, такие, как в диапазоне от, примерно, 500 до 1000^oC, предпочтительно, в диапазоне от, примерно 600 до 800^oC) должны поддерживаться во время работы для получения высокой степени мобильности вакансий. Высокая концентрация вакансий, в соединении с высокой мобильностью этих вакансий, формирует основу для быстрого транспортирования ионов кислорода через материалы, из которых изготавливаются мембраны ТЭИСП. Поскольку только ионы кислорода могут занимать кристаллическую решетку, идеальные мембраны ТЭИСП обладают бесконечной избирательностью к кислороду. Подходящие материалы для мембран ТЭИСП описаны, например, в американском патенте N 5306411 (Мазанек и другие).

Для данного применения размер выбранной мембраны ТЭИСП обычно связан со степенью выделения кислорода, (то есть количеством кислорода на единицу площади за единицу времени) через нее. Высокие значения степени выделения кислорода желательны для того, чтобы можно было использовать меньшую площадь мембран ТЭИСП для эффективного удаления кислорода из нагретого сжатого газа, поступающего в блок сепаратора ТЭИСПе. Уменьшенная площадь мембран ТЭИСП уменьшает капитальные затраты. Степень выделения кислорода в любом месте мембраны ТЭИСП зависит от многих факторов, включая ионную проводимость электролита, толщины мембраны и разности химического потенциала кислорода. Для оптимальной производительности мембраны ТЭИСП необходимо обеспечить высокую ионную проводимость, выше, приблизительно, 0,01 С/см (Сименс/см), предпочтительно выше, приблизительно 0,1 С/см и более предпочтительно, выше, примерно 1,0 С/см. Поддержание достаточно высокой температуры мембраны ТЭИСП (обычно выше 400^oC, чаще выше 600^oC) повышает оптимизацию производительности процесса и системы, в соответствии с настоящим изобретением, поскольку мембрана ТЭИСП обладает приемлемой проводимостью ионов кислорода при повышенных температурах, и проводимость увеличивается с увеличением температуры. Более высокие температуры могут также улучшить динамику поверхностного процесса обмена на поверхности мембраны ТЭИСП.

Специфические признаки настоящего изобретения представлены на одном или большем количестве чертежей, только для удобства, поскольку каждый признак может соединяться с другими признаками, в соответствии с настоящим изобретением. Альтернативные варианты осуществления будут ясны для специалистов в данной области и включены в рассматриваемую формулу изобретения.

Формула изобретения

1. Способ получения кислорода посредством модифицирования системы для выработки энергии, отличающийся тем, что он включает использование системы для выработки энергии, включающей первый компрессор, первую камеру сгорания и газовую турбину, где первый компрессор предназначен для сжатия первого, содержащего кислород, газового потока для подачи к первой камере сгорания, в которой осуществляют сжигание первого газового потока для расширения его в газовой турбине, использование второй камеры сгорания, связанной с, по меньшей мере, первым сепаратором, имеющим мембрану из твердого электролита, направление меньшей части первого газового потока во вторую камеру сгорания с использованием вентиля управления, расположенного между первым компрессором и первой камерой сгорания, сжигание, по меньшей мере, меньшей части первого газового потока во второй камере сгорания до температуры ниже 1100^o для получения нагретого сжатого газового потока, ввод нагретого сжатого газового потока в контакт с мембраной из твердого электролита при температуре ниже 1000^o для получения обедненного кислородом сжатого газового потока и получения из него кислорода, соединение обедненного кислородом сжатого газового потока с первым газовым потоком, по меньшей мере, до, во время или после сгорания последнего в первой камере сгорания, регулирование давления оставшейся части первого газового потока после удаления его меньшей части, используя устройство управления, связанное с вентилем управления и первой камерой сгорания и расположенное между ними, причем устройство управления потоком располагают выше по потоку относительно соединения обедненного кислородом сжатого газового потока с первым газовым потоком для согласования давления регулируемого первого газового потока с давлением обедненного кислородом газового потока, расширение в газовой турбине обедненного кислородом газового потока при температуре 900 - 2000^o для выработки энергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед расширением в газовой турбине обедненного кислородом газового потока от последнего отбирают тепло.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает получение от газовой турбины расширенного обедненного кислородом газового потока и отбор тепла от этого потока.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают обход части сжатого обедненного кислородом газового потока первой камеры сгорания и смешивание с нагретым, сжатым, содержащим кислород газовым потоком перед контактом с мембраной из твердого электролита.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают обход части сжатого содержащего кислород газового потока первой камеры сгорания и мембраны из твердого электролита и нагревание этой части газового потока во второй камере сгорания вместе с обедненным кислородом сжатым газовым потоком, получаемым от мембраны с твердым электролитом.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что до нагрева во второй камере сгорания обходящую часть сжатого содержащего кислород газового потока для его регулирования проводят через устройство управления потоком.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают обход части сжатого обедненного кислородом газового потока второй камеры сгорания и подачу его прямо на газовую турбину.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают обход части нагретого, сжатого, содержащего кислород газового потока мембраны с твердым электролитом и соединение его перед подачей во вторую камеру сгорания, по меньшей мере, с частью сжатого, содержащего кислород газового потока, который обходит первую камеру сгорания.

9. Способ получения кислорода, отличающийся тем, что он включает нагрев сжатого, содержащего кислород газового потока в первой камере сгорания, ввод нагретого, сжатого, содержащего кислород газового потока в контакт с мембраной из твердого электролита для получения обедненного кислородом сжатого газового потока и получения из него кислорода, направление, по меньшей мере, части полученного кислорода через теплообменник для вырабатывания пара, а также расширение обедненного кислородом сжатого газового потока, получаемого при контакте с мембраной из твердого электролита в газовой турбине для привода компрессора для получения сжатого, содержащего кислород газового потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8