特許 5934313 ケミカルループプロセスを制御・最適化するためのシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5934313

(24)【登録日】2016年5月13日

(45)【発行日】2016年6月15日

(54)【発明の名称】ケミカルループプロセスを制御・最適化するためのシステム

(51)【国際特許分類】

   F24J 1/00 20060101AFI20160602BHJP

   G05B 13/04 20060101ALI20160602BHJP

【ＦＩ】

   F24J1/00 301

   G05B13/04

【請求項の数】10

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-182317(P2014-182317)

(22)【出願日】2014年9月8日

(62)【分割の表示】特願2012-551310(P2012-551310)の分割

【原出願日】2011年1月28日

(65)【公開番号】特開2015-26383(P2015-26383A)

(43)【公開日】2015年2月5日

【審査請求日】2014年10月8日

(31)【優先権主張番号】13/014,776

(32)【優先日】2011年1月27日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/299,590

(32)【優先日】2010年1月29日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】515322297

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(72)【発明者】

【氏名】ジョシ アブヒナヤ

(72)【発明者】

【氏名】レイ ハオ

(72)【発明者】

【氏名】ロウ シンシェン

【審査官】 後藤 健志

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−０７０５６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１６９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１１１３７９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２４Ｊ １／００

Ｆ２３Ｃ １０／０２−１０／１４

Ｇ０５Ｂ １３／００−１３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ケミカルループプラントを最適化するためのシステムにおいて、
酸化装置と還元装置と複数の分離器とを備えるケミカルループであって、前記酸化装置は還元された固体を酸化し、前記還元装置に前記酸化された固体を移送するよう作用し、前記還元装置は前記酸化された固体を還元し、前記還元された固体を前記酸化装置に移送するよう作用する、ケミカルループと、
前記ケミカルループ内の少なくとも１つのパラメータを各々測定するための少なくとも２つのセンサであって、前記ケミカルループ内に位置する導管に設置されるとともに、少なくとも１つのデータ信号を各々生成するように構成された少なくとも２つのセンサと、
前記各少なくとも１つのデータ信号を受信するように構成され、前記ケミカルループ内の前記固体の流れを調節するために、少なくとも１つの制御信号を前記ケミカルループ内に位置する少なくとも１つの第１のバルブに送信するように構成されている制御部と、
を備え、
前記導管は、略垂直状であり、前記複数の分離器の少なくとも１つと前記導管内に位置する第２のバルブとの間にそれらと流体連通するように位置し、前記分離器の少なくとも１つは、前記酸化装置及び前記還元装置の少なくとも一方の下流に設置されており、
前記少なくとも２つのセンサは、前記導管内の固体の高さ、質量および体積のうちの少なくとも１つを測定するように構成されている第１のセンサと、前記ケミカルループの一部分で測定された差圧、前記ケミカルループの一部分における質量流量、及び前記ケミカルループの一部分における空気流量のうち少なくとも１つを決定するように構成されている第２のセンサとを含み、
前記ケミカルループは、第１および第２のケミカルループを含み、
前記第１のケミカルループが前記酸化装置と前記複数の分離器の内の第１の分離器を備え、
前記第２のケミカルループが前記還元装置と前記複数の分離器の内の第２の分離器を備え、
前記第１および第２のケミカルループのそれぞれが前記少なくとも２つのセンサを備えている、
制御システム。

【請求項2】

前記少なくとも１つのセンサは、前記酸化装置、前記導管、及び前記ケミカルループ内で前記酸化装置の下流に設置される前記第１の分離器と流体連通している出口ラインのうちの少なくとも１つにおいて測定される前記差圧を決定するように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記少なくとも１つのセンサは、前記酸化装置の入口、前記導管、及び前記ケミカルループ内で前記酸化装置の下流に設置される前記第１の分離器と流体連通している出口ラインのうちの少なくとも１つにおいて測定される前記質量流量を決定するように構成されている、請求項１または２に記載のシステム。

【請求項4】

前記第２のバルブは、その内部に固体を移送させるための入口及び２つの出口を備える、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

前記第２のケミカルループは少なくとも１つの第３のバルブを有しており、前記制御部は、前記第２のケミカルループ内の固体の流れを調節するために前記少なくとも１つの第３のバルブを調節するように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記制御部は、前記第２のケミカルループ内に位置する少なくとも１つの第３のバルブを制御するよう構成されており、前記第１のケミカルループは、前記第２のケミカルループと流体連通し、前記第１のバルブ及び前記第３のバルブのうち少なくとも１つは、前記第１のケミカルループと前記第２のケミカルループとの間の固体の流れを調節するように構成されている、請求項１乃至５のいずれかにに記載のシステム。

【請求項7】

前記少なくとも１つのセンサと通信するデータ取得システムをさらに備えている、請求項１乃至６のいずれかにに記載のシステム。

【請求項8】

前記制御部は、前記少なくとも１つのセンサと通信するデータ取得システムをさらに備えている、請求項１乃至７のいずれかにに記載のシステム。

【請求項9】

前記ケミカルループプラントは、マルチケミカルループ、利用または隔離のためのＣＯ２捕捉を備えるケミカルループに基づくプラント、および、ケミカルループに基づくＣＯ２-Readyプラントの少なくとも１つを含む、請求項１乃至８のいずれかにに記載のシステム。

【請求項10】

前記酸化装置及び還元装置は、輸送反応器である、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、２０１０年１月２９日付出願の同時係属中の米国特許仮出願第６１／２９９,５９０号の米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権の利益を主張する。米国特許仮出願第６１／２９９,５９０号の内容の全ては参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

（政府ライセンス権）
本発明は、米国エネルギー省によって授与された契約第ＤＥ−ＦＣ２６−０７ＮＴ４３０９５号に基づき政府の支援のもとになされたものである。政府は、本発明に一定の権利を有する。

【0003】

本開示は概して発電・気化プロセスの制御・最適化のためのシステム及び方法に関し、より具体的には、発電・気化プラント内で採用されるケミカルループプロセスを制御・最適化するためのシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0004】

ケミカルループ（ＣＬ）は、例えば石炭や石油、バイオ燃料、バイオマス及びその他燃料等の燃料を燃焼させる発電プラント（例えば、電力又は蒸気生成プラント）内で利用することができる。ＣＬを採用している典型的なシステムとしては、例えばカルシウム系又は金属系の化合物等の固体を酸化装置と称される第１の反応器と還元装置と称される第２の反応器との間を「ループ」させる高温プロセスを利用したものがある。酸化装置内で起こる酸化反応においては、酸化装置に注入される空気から得られる酸素が、酸化装置に導入される固体によって捕捉される。そして、捕捉された酸素は、酸化した固体によって還元装置に運ばれる。還元装置では、酸素は、上記燃料のうちの１つ、例えば石炭を燃焼及び／又は気化させるために使用される。還元装置の還元反応の後、固体は捕捉した酸素を解放して、酸化装置に戻されて再び酸化される。このようにループが形成され、サイクルが繰り返される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

多くの生成システムにおいては、複数のＣＬループが相互に作用する。ＣＬプロセス、特にマルチループＣＬプロセスの制御及び最適化は複雑となり得る。固体の移送によって制御及び最適化が複雑化するだけでなく、化学及び熱反応により、例えば、固体の移送による時間遅延や、燃焼及び気化プロセスにおける化学反応速度等の変動的要素がもたらされるのである。これは、制御・最適化システムにおいて一般的に考慮される。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書で例示する態様によれば、ケミカルループ内で１つ以上のパラメータを測定するための１つ以上のセンサを備えるケミカルループシステムを最適化するための制御システムが提供される。センサは、ケミカルループ内に位置する導管に設置される。センサは、導管内の固体の量を表す１つ以上のデータ信号を生成する。制御システムは、センサと通信するデータ取得システムを備える。制御システムはまた、限定的ではないが、コンピュータ等のデータ取得システムと通信する制御部を備える。データ取得システムはデータ信号を受信し、制御部は制御信号を生成する。制御部は、ケミカルループ内に位置する１つ以上のバルブと通信する。バルブは、ケミカルループ内の固体の流れを調節するように構成されている。

【0007】

本明細書に開示するその他の態様によれば、データ信号は、導管内の固体の高さ、体積、及び／又は質量を表す。

【0008】

本明細書に開示するその他の態様によれば、データ信号は、ケミカルループの一部分で測定された差圧、ケミカルループの一部分の質量流量、及び／又はケミカルループの一部分の空気流量を表す。

【0009】

本明細書に開示するその他の態様によれば、センサが位置する導管は、略垂直状であり、分離器と他のバルブとの間にそれらと流体連通するように位置する。分離器と他のバルブは両方とも導管内に位置している。分離器は、ケミカルループ内で酸化装置及び還元装置のうちの少なくとも一つの下流に位置する。

【0010】

本明細書に開示するその他の態様によれば、ケミカルループシステムは、第２のケミカルループと流体連通している第１のケミカルループを備える。１つ以上の制御信号は、第１のケミカルループ内に位置する１つ以上の第１のバルブと、第２のケミカルループ内に位置する１つ以上の第２のバルブに送られる。第２のバルブは、第２のケミカルループを通じた及び／又は第１及び第２のケミカルループ間の固体の流れを、調節するように構成されている。

【0011】

本明細書に開示するその他の態様によれば、ケミカルループの制御・最適化方法が開示される。酸化装置の内部領域と流体連通している第１の導管を有する酸化装置が設けられる。また、第１の導管と流体連通しているとともに、第２の導管が接続された分離器も設けられる。第２の導管は、一部略垂直に配置されている。制御バルブは、第２の導管内に位置し、１つ以上のセンサは、分離器と制御バルブとの間で、第２の導管の略垂直部分に位置する。また、制御システムも設けられる。センサは、制御システムと通信する。センサは第２の導管内の固体の量を表す１つ以上のデータ信号を生成する。データ信号は、制御システムにより受信される。制御バルブは制御信号を用いて制御され、ケミカルループ内の固体の流れを調節する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】発電プラントのＣＬシステムの簡略化したブロック図である。

【図2】発電プラントの相互接続マルチループＣＬシステムの簡略化したブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

ここで参照する図面は、実施形態の一例であり、同様の構成要素には同様の番号を付している。

【0014】

本明細書では、例えば、発電プラント及び／又は気化プラント内で採用される、１つ以上のケミカルループ（ＣＬ）を有するケミカルループシステムの制御・最適化システムが開示される。制御・最適化システムでは、例えば、システム内の熱や、圧力や、質量流量や、質量のレベル及び体積や、反応時間等といったプラント及びプロセスパラメータを、システム内の１つ以上のポイントにおいて測定し、所望の動作条件を維持するために、測定結果に応じてバルブ部分、フロー、及び／又は体積を調整する。

【0015】

図１は、発電プロセスで使用するためのシングルループＣＬシステムを示す。シングルループＣＬシステムは、原則的に参照符号１００によって示される。図１に示すように、ＣＬシステム１００は、還元反応を起こすことができる還元装置１１０（例えば、還元反応器）と、酸化反応を起こすことができる酸化装置１２０（例えば、酸化反応器）とを備える。反応器としては、例えば、輸送反応器や、流動層反応器が適している。還元装置１１０と酸化装置１２０は、以下に説明するようにお互いに流体連通している。還元装置は、還元装置で生成された気体を除去するための出口１１２を備える。一の実施形態においては、ＣＬシステム１００は本出願人所有の特許第７,０８３,６５８号広報に記載されたものと同様であり、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。ＣＬシステムは発電プロセスで使用するものとして記載されているが、限定はされないが合成ガス生成に使用されるものや二酸化炭素を隔絶するために使用されるもの等の、限定はされないが気化プロセスを含む他の運用もまた考えられる。

【0016】

図１に示すように、給気部１３０は、間に伸びる導管１５０を介して酸化装置１２０の内部領域と流体連通している。導管１５０内において、導管１５０に排出される空気流を調節するための制御バルブ２５０が、給気部１３０の下流に位置する。一の実施形態においては、導管１５０は、概して酸化装置及び／又は還元装置１１０の下方に位置する。酸化装置１２０の出口１２２は、例えばサイクロンである分離器１８０の入口１７２と流体連通している。分離器１８０は、例えば通常分離器の上部に位置する通気孔である気体出口１８２を備える。また、分離器１８０は、例えば分離器の端部で気体出口１８２と略反対側に位置するパイプである他の出口１８４を備える。分離器１８０の他の出口１８４は、導管１９０を介して、例えばシールポット制御バルブ（ＳＰＣＶ）である制御バルブ２００と流体連通している。一の実施形態においては、導管１９０は略垂直状である。

【0017】

さらに図１を参照すると、ＳＰＣＶ２００においては２つの出口２０３及び２０４が形成される。一方の出口２０３は導管１５６を通じて還元装置１１０に接続されており、これによってＳＰＣＶ２００と還元装置１１０の内部領域間が流体連通している。ＳＰＣＶ２００の他方の出口２０４は、導管１５０と流体連通している他の導管２０５に接続されている。ＳＰＣＶ２００は、給気部１３０と流体連通している２つの給気ライン２０１及び２０２とも流体連通している。給気ライン２０１は、内部に制御バルブ２５４を備え、給気ライン２０２は、内部に他の制御バルブ２５２を備える。制御バルブ２５２及び２５４のいずれも、以下に説明するようにＳＰＣＶ２００への空気流を調節する。

【0018】

図１に示すように、還元装置１１０の内部領域は、１）入口２１０を介して例えば粉砕炭供給部である燃料源（図示せず）と、２）他の入口２２０を介して石灰石及び／又は炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）の供給源（図示せず）と、３）さらに他の入口２３０を介して蒸気供給部（図示せず）と流体連通している。還元装置１１０はまた、導管１５５を介して制御バルブ２５６の入口と流体連通している出口１１１を備える。制御バルブ２５６の出口は、導管１５５を介して、導管２０５と流体連通している。

【0019】

ＣＬシステム１００は、ＣＬシステム全体に亘って配置され、それぞれが１つ以上のデータ信号を生成する複数のセンサを備える。センサ及びデータ信号は、１）酸化装置１２０の差圧を測定し、データ信号ＤＰ１２０を生成するための差圧センサＳ１２０と、２）導管１９０の差圧を測定し、データ信号ＤＰ１９０を生成するための差圧センサＳ１９０と、３）導管２０５の差圧を測定し、データ信号ＤＰ２０５を生成するための差圧センサ２０５と、４）導管１５０内のポイント１５２に位置し、データ信号Ｄ１５２を生成する、質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ１５２と、５）導管１９０内のポイント１９２に位置し、データ信号Ｄ１９２を生成する、質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ１９２と、６）導管２０５内のポイント２０７に位置し、データ信号Ｄ２０７を生成する、質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ２０７と、７）導管１９０内のポイント１９４で測定を行い、データ信号Ｄ１９４を生成する質量、体積、及び／又はレベルセンサＳ１９４を含むが、これらに限定されない。

【0020】

また、データ信号は、例えばコンピュータである外部ソース（図示せず）において生成された所定のデータ信号ＤＲを含む。所定のデータ信号ＤＲは、調節制御、負荷変更制限、及び／又はプラント停止・開始特性を含むが、それらに限定されない。質量レベル、質量流量、空気流量、及び質量体積はポイント１５２，１９２，１９４及び２０７で測定されるものとして説明及び図示したが、質量レベル、質量流量、空気流量、及び質量体積は本明細書で開示される広義の態様から逸脱しない範囲において、複数のポイントにおいても測定可能である。更に、センサＳ１２０，Ｓ１９０，Ｓ２０５，Ｓ１５２，Ｓ１９２，Ｓ２０７及びＳ１９４は、導管、還元装置、酸化装置又は分離器の外面若しくは内面又は内部領域に位置してもよく、或いはこれらと流体連通してもよい。

【0021】

一の実施形態においては、１）質量レベルという用語は、ある時点又は複数の時点における特定の導管の固体の充填の程度、例えば、導管１９０内の固体の高さ、又はある導管の特定の断面における固体の量を意味する。２）質量体積という用語は、ある時点又は複数の時点における、例えばキログラム及び／又は、分数若しくはパーセンテージ等の質量単位で表される、導管内又は導管の一部分の最大容量に対するそこに存在する固体の量を意味する。固体の質量レベル及び質量体積を測定する様々な技術を採用することができる。例えば、超音波センサ、音波センサ、レーザセンサ、容量センサ、及びこれらの組合せであってよいが、それらに限定はされない。センサは対応する導管、その内部又は動作可能な範囲でその近辺に搭載することができる。

【0022】

図１を参照すると、通信リンク２８５を介してデータ取得システム（ＤＡＳ）２９０と通信する制御システム２８０が図示されている。一の実施形態においては、制御システムはコンピュータである。制御システム２８０は、相互通信する解析モジュール２８１と、信号生成部２８２と、信号送信部２８３とを備える。ＤＡＳ２９０は、適切なデータリンクを介して、差圧センサＳ１２０、差圧センサＳ１９０、差圧センサＳ２０５、質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ１５２、質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ１９２、質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ２０７、質量体積及び／又はレベルセンサＳ１９４、及び外部ソースと通信する。従ってＤＡＳ２９０は、データ信号ＤＰ１２０，ＤＰ１９０，ＤＰ２０５，Ｄ１５２，Ｄ１９２，Ｄ２０７，Ｄ１９４及びＤＲを受信する。信号送信部２８３は、以下に説明するように、制御信号Ｃ２５０，Ｃ２５２，Ｃ２５４及びＣ２５６を制御バルブ２５０，２５２，２５４及び２５６へそれぞれ送信するために、制御バルブ２５０，２５２，２５４及び２５６と通信する。

【0023】

一の実施形態においては、制御システム２８０は、例えば、比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラや、ファジーコントローラや、適応コントローラや、モデルベースコントローラ等の、１つ以上の制御モジュールを備える。適応コントローラは、例えば、自己同調適応制御、ニューロ適応制御、ニューラルネットワーク（ＮＮ）及び／又はウェーブレットネットワークを備えてもよい。本実施形態で採用しているＣＬシステム及びプロセスは、多重フェーズのフローと化学反応を伴うため、これらのシステムは、特に質量輸送速度や化学反応速度によるプロセス非線形性及び時間遅延を特徴とする。そのため、非線形制御・最適化技術がＣＬプロセス内で一般的に採用されている。一の実施形態においては、制御システム２８０は、例えば、質量や、運動量やエネルギーバランスの式等の、第１原理式により導き出される非線形動的ＣＬモデリングとシミュレーションとを有する。非線形動的ＣＬモデリングとシミュレーションは、例えば、常微分方程式（ＯＤＥ）、代数微分方程式（ＡＥ）、及び偏微分方程式（ＰＤＥ）のうち１つ以上を、単独又は任意に組み合わせて含んでよい。また、第１原理式をデータ駆動モデルと組み合わせたハイブリッド動的モデル構造においては、例えばニューラルネットワーク（ＮＮ）等のデータ起動モデルの、経験モデル法を使用してもよい。さらに、線形及び非線形モデルの両方を使用する多変数モデル予測制御（ＭＰＣ）であれば、ＣＬプロセスの動的最適化が実現できる。

【0024】

ここに記載するように、制御システム２８０の目的のひとつは、ＣＬシステム１００内の固体の質量流量の調節である。限定はされないが、質量や体積及び／又はレベルセンサＳ１９４等の、質量、フロー、体積、及びレベルセンサを使用すれば、ＣＬシステム内の質量流量に関して、従来の制御システムよりも有益な情報が提供される。例えば、導管１９０内の固体の体積及び／又はレベルは、ＣＬシステム１００に対する十分なシール圧力の決定に役立つ。導管１９０内の固体のレベルの上昇に伴い、シール圧力が増大する。ＣＬシステム１００内のシール圧力が高いほど、ＣＬシステムの動作範囲が拡大する。導管１９０内の固体のレベルは、例えば、制御バルブ２５６を介する固体の（例えばＣａ）供給の調節により、制御することができる。従って、導管１９０内の体積及び／又はレベルの測定値は、ＣＬシステム１００の動作範囲を変更するために制御バルブ２５６の位置を調節する制御信号の生成に利用される、パラメータとして機能する。更に、導管１９０内の体積及び／又はレベルに少なくとも部分的に基づく制御信号Ｃ２５０，Ｃ２５２，Ｃ２５４及びＣ２５６によって、動作パラメータの変動を最小化できる。例えば、ＣＬシステムの動作限界において、あるいはその近辺でＣＬシステム１００が安定すれば、ＣＬシステムの動作の採算性が向上する。

【0025】

一の実施形態においては、ＣＬシステム１００は、熱ループ２４０を備える。熱ループ２４０は、酸化装置１２０内で発生した熱を抽出するために、酸化装置１２０と連通する熱交換器２４１を備えている。熱ループ２４０は、例えば蒸気タービン２４６を備える。蒸気タービン２４６は、酸化中に生成される熱を用いて熱湯給水２４２によって生成される蒸気２４４を使用して、発電器２４８を駆動する。

【0026】

動作中の還元装置内では、還元反応の結果、例えば、カルシウム（Ｃａ）等の固体が生成される。一の実施形態においては、Ｃａは硫化カルシウム（ＣａＳ）である。Ｃａは、還元装置１１０から導管１５５，２０５及び１５０を介して酸化装置１２０の内部領域に排出される。Ｃａは酸化装置１２０内で酸化され、酸化カルシウム（ＣａＯ）が生成される。ＣａＯは導管１７０を通じて分離器１８０に移送される。分離器１８０においては、例えば窒化ガス（Ｎ_２）等の酸化気体がＣａＯから除去され、気体出口１８２を通じて分離器から排出される。そしてＣａＯは、分離器１８０から導管１９０を介してＳＰＣＶ２００へ排出される。ＣａＯの一部分は、導管１５６を通じてＳＰＣＶ２００から還元装置１１０へと送られる。ＣａＯは、酸素を還元装置１１０へ届けるためのキャリアである。また、燃料が、入口２１０を介して還元装置１１０へ届けられ、石灰石が入口２２０を介して還元装置へ導入される。燃料と石灰石は、燃焼及び／又は気化反応においてＣａＯに含まれる酸素と反応することによって、ＣａＯをＣａに還元する。その後、Ｃａは導管１５５と導管１５０を通じて酸化装置１２０に戻され、酸化装置１２０において再度酸化されＣａＯとなる。上記したようなサイクルが繰り返される。

【0027】

以上、ＣＬシステム１００は酸化カルシウム系のＣＬシステムであるとして説明したが、例えば、参照により本明細書に組み込まれる本出願人所有の米国特許第７，５３３，６２０号広報に記載されるように、ＣＬシステム１００内に金属酸化物を採用することも適用可能である。

【0028】

また、還元装置１１０内での還元によって、還元装置から出口１１２を介して除去される気体も生成される。この気体は、例えば、合成ガス、水素ガス（Ｈ_２）、及び／又は二酸化炭素ガス（ＣＯ_２）を含む。この気体の組成、例えばこの気体内の合成ガス、水素ガス（Ｈ_２）、及び／又は二酸化炭素ガス（ＣＯ_２）の比率は、燃料と空気の比率によって異なる。

【0029】

動作中の制御システム２８０は、給気部１３０から導管１５０へ供給される空気の量と給気部１３０からＳＰＣＶ２００へ供給される空気の量に基づいて、ＣＬシステム１００内で移送される固体（例えばＣａ及びＣａＯ）の量を制御する。例えば、１）制御バルブ２５０は、導管１５０へ導入される空気の量を制御して、酸化装置１２０へ移送される固体（例えばＣａ）の量を制御する。２）次に制御バルブ２５２が、ＳＰＣＶ給気部入口２０２へ導入される空気の量を制御して、ＳＰＣＶ２００から還元装置１１０へ送るＣａＯの量を制御する。３）制御バルブ２５４は、ＳＰＣＶ給気部入口２０１へ導入される空気の量を制御して、ＳＰＣＶから（例えば還元装置１１０を迂回する）導管２０５へ送るＣａＯの量を制御する。

【0030】

ＣＬシステム１００内の固体の移送の制御は、解析モジュール２８１による、データ信号ＤＰ１２０，ＤＰ１９０，ＤＰ２０５，Ｄ１５２，Ｄ１９２，Ｄ２０７，Ｄ１９４及びＤＲの解析に基づく。データ取得システムＤＡＳ２９０は、データ信号ＤＰ１２０，ＤＰ１９０，ＤＰ２０５，Ｄ１５２，Ｄ１９２，Ｄ２０７，Ｄ１９４及びＤＲを収集し、データリンク２８５を介してデータ信号を制御システム２８０へ送信する。制御システム２８０の解析モジュール２８１は、データ信号ＤＰ１２０，ＤＰ１９０，ＤＰ２０５，Ｄ１５２，Ｄ１９２，Ｄ２０７，Ｄ１９４及びＤＲを解析し、比較する。また、解析モジュール２８１は、空気及び固体のフロー及び／又は体積をＣＬシステム１００内の様々なポイントで調整するための制御信号を生成する信号生成部２８２へ、データを送信する。空気及び／又は固体の、フロー及び／又は体積の調整は、ＣＬシステム１００内で測定する２つ以上のパラメータ（例えば導管１９０及び酸化装置１２０の差圧の差）の比較（例えば差を求めること）に基づいており、及び／又は所定の設定ポイントに合わせるよう、及び／又は例えば導管１９０内の所定の質量レベルに基づいて行われるルールベース制御・最適化の決定に合わせるよう行われる。

【0031】

例えば、制御信号Ｃ２５０，Ｃ２５２及びＣ２５４がデータ信号ＤＰ１２０，ＤＰ１９０，ＤＰ２０５，Ｄ１５２，Ｄ１９２，Ｄ２０７，Ｄ１９４及びＤＲに基づいて信号生成部２８２により生成され、信号送信部２８３によって制御バルブ２５０，２５２及び２５４へそれぞれ送信され、給気部１３０から制御バルブ２５０，２５２及び２５４を通じた空気流がそれぞれ調節される。制御バルブ２５６は、導管１５０を通じて酸化装置１２０に戻される還元装置１１０からの個体（例えばＣａ）の量を制御する。制御バルブ２５６は、制御システム２８０からの制御信号Ｃ２５６に対応して動作する。

【0032】

図１はシングルループのＣＬシステム１００を示すが、ここで説明する制御・最適化システム及び方法は同システムにおけるものに限定されない。例えば、複数ループによるＣＬの使用が考えられる。そのようなＣＬには、第１のケミカルループ３００Ａと第２のケミカルループ３００Ｂとを備える図２に示すような２つのループのＣＬシステム３００及び、水蒸気賦活及び／又は焼成を利用する複数ループＣＬや、本出願人所有の米国特許第７，０８３，６５８号広報に記載される複数ループＣＬ等の、他の複数ループＣＬが含まれるがそれに限定はされない。

【0033】

第１のケミカルループ３００Ａにおいて、導管３０５Ａを介して還元装置３１０Ａと流体連通している給気部３０２が図示されている。制御バルブ３５０Ａは、導管３０５Ａに排出される空気流を調節するために、導管３０５Ａ内において給気部３０２Ａの下流に位置する。一の実施形態においては、通常導管３０５Ａは、還元装置３１０Ａの下方に位置する。還元装置３１０Ａは、導管３１５Ａを介して分離器３２０Ａと流体連通している。分離器３２０Ａは、導管３２５Ａを介してＳＰＣＶ３３０Ａと流体連通している。ＳＰＣＶ３２０Ａは、２つの出口３３２Ａ及び３３４Ａを備える。ＳＰＣＶ３３０Ａの出口３３２Ａは、導管３３５Ａ及び導管３０５Ａを介して還元装置３１０と流体連通している。他方の出口３３４Ａは、以下に説明するように、第２のケミカルループ３００Ｂと流体連通している。また、ＳＰＣＶ３３０Ａは、ＳＰＣＶ３３０Ａに接続された２つの空気入口ライン３０１Ａ及び３１１Ａを備える。空気入口ライン３０１Ａは、内部に制御バルブ３５４Ａを備える。制御バルブ３５４Ａは、導管３０６Ａを介して給気部３０２Ａと流体連通している。空気入口ライン３１１Ａは、内部に制御バルブ３５２Ａを備える。制御バルブ３５２Ａは、導管３０６Ａを介して給気部３０２Ａと流体連通している。

【0034】

第２のケミカルループ３００Ｂにおいて、導管３０５Ｂを介して酸化装置３１０Ｂと流体連通している給気部３０２Ｂが図示されている。制御バルブ３５０Ｂは、導管３０５Ｂに排出される空気流を調節するために、導管３０５Ｂ内において、給気部３０２Ｂの下流に位置する。一の実施形態においては、通常導管３０５Ｂは酸化装置３１０Ｂの下方に位置する。酸化装置３１０Ｂは、導管３１５Ｂを介して分離器３２０Ｂと流体連通している。分離器３２０Ｂは、導管３２５Ｂを介してＳＰＣＶ３３０Ｂと流体連通している。ＳＰＣＶ３３０Ｂは、２つの出口３３２Ｂ及び３３４Ｂを備える。ＳＰＣＶ３３０Ｂの出口３３２Ｂは、導管３３５Ｂ及び導管３０５Ｂを介して酸化装置３１０Ｂと流体連通している。他方の出口３３４Ｂは、以下に説明するように、第１のケミカルループ３００Ａと流体連通している。また、ＳＰＣＶ３３０Ｂは、ＳＰＣＶ３３０Ｂに接続された２つの空気入口ライン３０１Ｂ及び３１１Ｂを備える。空気入口ライン３０１Ｂは、内部に制御バルブ３５４Ｂを備える。制御バルブ３５４Ｂは、導管３０６Ｂを介して給気部３０２Ｂと流体連通している。空気入口ライン３１１Ｂは、内部に制御バルブ３５２Ｂを備える。制御バルブ３５２Ｂは、導管３０６Ｂを介して給気部３０２Ｂと流体連通している。

【0035】

さらに図２を参照すると、導管３４０Ａを介して酸化装置３１０Ｂと流体連通しているＳＰＣＶ３３０Ａの出口３３４Ａが図示されている。また、導管３４０Ｂを介して還元装置３１０Ａと流体連通しているＳＰＣＶ３３０Ｂの出口３３４Ｂが図示されている。

【0036】

ＣＬシステム３００は、ＣＬシステム内全体に亘って配置され、それぞれが１つ以上のデータ信号を生成する複数のセンサを備える。第１のケミカルループ３００Ａのセンサ及びデータ信号は、１）還元装置３１０Ａの差圧を測定し、データ信号ＤＰ３１０Ａを生成するための差圧センサＳ３１０Ａと、２）導管３２５Ａの差圧を測定し、データ信号ＤＰ３２５Ａを生成するための差圧センサＳ３２５Ａと、３）導管３３５Ａの差圧を測定し、データ信号ＤＰ３３５Ａを生成するための差圧センサＳ３３５Ａと、４）導管３３５Ａ内のポイント３３７Ａに位置し、データ信号Ｄ３３７Ａを生成する質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ３３７Ａと、５）導管３０５Ａ内のポイント３０７Ａに位置し、データ信号Ｄ３０７Ａを生成する質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ３０７Ａと、６）導管３２５Ａ内のポイント３２７Ａに位置し、データ信号Ｄ３２７Ａを生成する質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ３２７Ａと、７）導管３２５Ａ内のポイント３２９Ａで測定を行い、データ信号Ｄ３２９Ａを生成する質量体積及び／又はレベルセンサＳ３２９Ａとを含むが、これらに限定されない。一の実施形態においては、ポイント３２９Ａはポイント３２７Ａの上方にある。

【0037】

第２のケミカルループ３００Ｂのセンサ及びデータ信号は、１）酸化装置３１０Ｂの差圧を測定し、データ信号ＤＰ３１０Ｂを生成するための差圧センサＳ３１０Ｂと、２）導管３２５Ｂの差圧を測定し、データ信号ＤＰ３２５Ｂを生成するための差圧センサＳ３２５Ｂと、３）導管３３５Ｂの差圧を測定し、データ信号ＤＰ３３５Ｂを生成するための差圧センサＳ３３５Ｂと、４）導管３３５Ｂ内のポイント３３７Ｂに位置し、データ信号Ｄ３３７Ｂを生成する質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ３３７Ｂと、５）導管３０５Ｂ内のポイントに位置し、データ信号Ｄ３０７Ｂを生成する質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ３０７Ｂと、６）導管３２５Ｂ内のポイント３２７Ｂに位置し、データ信号Ｄ３２７Ｂを生成する質量レベル、質量流量、及び／又は空気流量センサＳ３２７Ｂと、７）導管３２５Ｂ内のポイント３２９Ｂで測定を行い、データ信号Ｄ３２５Ｂを生成する質量体積及び／又はレベルセンサＳ３２９Ｂとを含むが、これらに限定されない。一の実施形態においては、ポイント３２９Ｂはポイント３２７Ｂの上方にある。

【0038】

センサ（Ｓ３１０Ａ，Ｓ３１０Ｂ），（Ｓ３２５Ａ，Ｓ３２５Ｂ），（Ｓ３３５Ａ，Ｓ３３５Ｂ），（Ｓ３３７Ａ，Ｓ３３７Ｂ），（Ｓ３０７Ａ，Ｓ３０７Ｂ），（Ｓ３２７Ａ，Ｓ３２７Ｂ），及び（Ｓ３２９Ａ，Ｓ３２９Ｂ）は、上述したＣＬシステム１００の各センサＳ１２０，Ｓ１９０，Ｓ２０５，Ｓ２０７，Ｓ１５２，Ｓ１９２及びＳ１９４と同様である。また、データ信号は、例えばコンピュータである外部ソース（図示せず）において生成された所定のデータ信号ＤＲを含む。所定のデータ信号ＤＲは、調節制御、負荷変更制限、及び／又はプラント停止・開始特性を含むが、これらに限定されない。質量レベル、質量流量、空気流量、及び質量体積はポイント３３７Ａ，３３７Ｂ，３３５Ａ，３３５Ｂ，３０７Ａ，３０７Ｂ，３２５Ａ及び３２５Ｂで測定するものとして説明及び図示されているが、質量レベル、質量流量、空気流量、及び質量体積は本明細書で開示される広義の態様から逸脱しない範囲において、複数のポイントにおいても測定可能であると考えられる。

【0039】

図２を参照すると、通信リンク４８５を介してデータ取得システム（ＤＡＳ）４９０と通信する制御システム４８０が図示されている。制御システム４８０及びＤＡＳ４９０は、上述したＣＬ１００の制御システム２８０及びＤＡＳ２９０と同様に構成されている。例えば、ＤＡＳ４９０は、センサＳ３３７Ａ，Ｓ３３７Ｂ，Ｓ３３５Ａ，Ｓ３３５Ｂ，Ｓ３０７Ａ，Ｓ３０７Ｂ，Ｓ３２５Ａ及びＳ３２５Ｂと通信し、制御システム４８０は制御バルブ３５０Ａ，３５０Ｂ，３５２Ａ，３５２Ｂ，３５４Ａ及び３５４Ｂと通信する。以下に説明するように、制御システムは、制御信号Ｃ３５０Ａ，Ｃ３５０Ｂ，Ｃ３５２Ａ，Ｃ３５２Ｂ，Ｃ３５４Ａ及びＣ３５４Ｂを、それぞれ制御バルブ３５０Ａ，３５０Ｂ，３５２Ａ，３５２Ｂ，３５４Ａ及び３５４Ｂへ送信する。

【0040】

動作中、固体（例えばＣａ及び／又はＣａＯ）は、ケミカルループ３００Ａ及び３００Ｂ内で（ここでは「再循環移送」と称する）及びケミカルループ３００Ａと３００Ｂとの間で（ここでは「クロスオーバー移送」と称する）移送される。例えば、ケミカルループ３００Ａ内で、還元装置３１０から流出して分離器３２０Ａ及びＳＰＣＶ３３０Ａを通るＣａの一部は、導管３３５Ａ及び３０５Ａを介して再循環し、還元装置３１０へと戻る。制御バルブ３５０Ａは、導管３０５Ａへ導入される空気の量を制御して、還元装置３１０Ａに供給される固体（例えばＣａ）の量を制御する。同様に、ケミカルループ３００Ｂを参照すると、酸化装置３１０Ｂから流出して分離器３２０Ｂ及びＳＰＣＶを通るＣａＯの一部は、導管３３５Ｂ及び３０５Ｂを介して再循環し、酸化装置３１０Ｂへと戻る。制御バルブ３５０Ｂは、導管３０５Ｂに導入される空気の量を制御して、酸化装置３１０Ｂに供給される固体（例えばＣａＯ）の量を制御する。

【0041】

あるいは、クロスオーバー移送では、固体（例えばＣａ及び／又はＣａＯ）は、ケミカルループ３００Ａと３００Ｂとの間で移送される。例えば、ケミカルループ３００Ａを参照すると、分離器３２０Ａ及びＳＰＣＶ３３０Ａを通じて還元装置３１０Ａから流出するＣａの一部は、導管３４０Ａ及び３０５Ｂを介して酸化装置３１０Ｂへ移送される。同様に、ケミカルループ３００Ｂを参照すると、分離器３２０Ｂ及びＳＰＣＶ３３０Ｂを通じて酸化装置３１０Ｂから流出するＣａＯの一部は、導管３４０Ｂ及び３０５Ａを介して還元装置３１０Ａへ移送される。

【0042】

ケミカルループ３００Ａにおいては、制御バルブ３５４Ａは、給気部入口３０１Ａへと導入される空気の量を制御して、ＳＰＣＶ３３０Ａから導管３４０Ａを介して酸化装置３１０Ｂへと移送されるＣａの量を制御する。ケミカルループ３００Ｂにおいては、制御バルブ３５４Ｂは、給気部入口３０１Ｂへ導入される空気の量を制御して、ＳＰＣＶ３３０Ｂから導管３４０Ｂを介して還元装置３１０Ａへと移送されるＣａＯの量を制御する。

【0043】

制御システム４８０は、データ信号ＤＰ３１０Ａ，ＤＰ３２５Ａ，ＤＰ３３５Ａ，Ｄ３３７Ａ，Ｄ３０７Ａ，Ｄ３２７Ａ，Ｄ３２９Ａ，ＤＰ３１０Ｂ，ＤＰ３２５Ｂ，ＤＰ３３５Ｂ，Ｄ３３７Ｂ，Ｄ３０７Ｂ，Ｄ３２７Ｂ及びＤ３２５Ｂの解析に基づいて、制御信号Ｃ３５０Ａ，Ｃ３５０Ｂ，Ｃ３５２Ａ，Ｃ３５２Ｂ，Ｃ３５４Ａ及びＣ３５４Ｂを制御バルブ３５０Ａ，３５０Ｂ，３５２Ａ，３５２Ｂ，３５４Ａ及び３５４Ｂへ供給する。

【0044】

様々な例示の実施形態を参照して本開示を説明したが、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更を加えたり、本発明の要素を均等物に置き換えたりできることが当業者には理解されるであろう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況や材料を本発明の教示に適合させるように多くの変形を行うことができる。したがって、本発明は、この発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、添付の請求項の範囲内の全ての実施形態を含むことが意図されている。

【図1】

【図2】