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特許7449090部分酸化を使用した電力生産のためのシステムおよび方法
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(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】
(24)【登録日】2024-03-05
(45)【発行日】2024-03-13
(54)【発明の名称】部分酸化を使用した電力生産のためのシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
   C10J 3/46 20060101AFI20240306BHJP
   B01D 53/04 20060101ALI20240306BHJP
   C10K 1/32 20060101ALI20240306BHJP
   C10K 1/34 20060101ALI20240306BHJP
   C10K 3/00 20060101ALI20240306BHJP
   C10K 3/04 20060101ALI20240306BHJP
   F02C 3/34 20060101ALI20240306BHJP
   F02C 6/00 20060101ALI20240306BHJP
   F02C 7/10 20060101ALI20240306BHJP
   F02C 7/22 20060101ALI20240306BHJP
【ＦＩ】
C10J3/46 J
B01D53/04
C10K1/32
C10K1/34
C10K3/00
C10K3/04
F02C3/34
F02C6/00 E
F02C7/10
F02C7/22 D
【請求項の数】 29
(21)【出願番号】P 2019513994
(86)(22)【出願日】2017-09-13
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2019-12-26
(86)【国際出願番号】 IB2017055538
(87)【国際公開番号】W WO2018051251
(87)【国際公開日】2018-03-22
【審査請求日】2020-08-20
【審判番号】
【審判請求日】2022-04-12
(31)【優先権主張番号】62/393,752
(32)【優先日】2016-09-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】312000387
【氏名又は名称】８ リバーズ キャピタル，エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100191086
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 香元
(72)【発明者】
【氏名】フォレスト，ブロック アラン
(72)【発明者】
【氏名】ル，シージア
(72)【発明者】
【氏名】アラム，ロドニー ジョン
(72)【発明者】
【氏名】フェトヴェデト，ジェレミー エロン
(72)【発明者】
【氏名】パルマー，マイルス アール．
【合議体】
【審判長】塩見 篤史
【審判官】門前 浩一
【審判官】関根 裕
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１５－５１３０２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００８－５４２４８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１７３０９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２４４４８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
C10J 3/00
C10L 3/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
部分酸化（ＰＯＸ）システムおよび電力生産システム（ＰＰＳ）の組み合わせを使用した電力の生産のためのプロセスであって、前記プロセスが、
固体または液体の燃料を部分酸化し、第１の温度で燃料ガスを含むＰＯＸ流を形成するために十分な条件下で、ＰＯＸ反応器で固体または液体の燃料および酸素を組み合わせるステップと、
前記燃料ガスの一部を形成しないすべての固体の成分または気体の成分のうちの少なくとも一部を、前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流から除去するステップであって、前記除去するステップはスクラバー部で実行する、ステップと、
前記スクラバー部からの前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流の少なくとも一部を、硫化カルボニル（ＣＯＳ）からＨ ２ Ｓに転換するように適合された硫化カルボニル（ＣＯＳ）加水分解反応器で処理するステップと、
ＰＯＸ熱交換器で、前記ＣＯＳ加水分解反応器からの前記燃料を含む前記ＰＯＸ流を、第２のより低い温度に冷却するステップと、
前記ＰＯＸ流に由来する液体の水および酸性ガスを除去し、それにより前記燃料ガスの流れを形成することにより、前記ＰＯＸ熱交換器からの前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流を精製するステップと、
前記燃料ガスの流れを約１２ＭＰａ以上の圧力に圧縮するステップと、
ＰＰＳ燃焼器で前記燃料ガスの流れを燃焼させて、少なくとも約１０ＭＰａの圧力および少なくとも約８００℃の温度の燃焼生成物流を形成するステップと、
ＰＰＳタービンを通して前記燃焼生成物流を膨張させて発電させ、膨張したＰＰＳ燃焼生成物流を形成するステップと、
前記膨張したＰＰＳ燃焼生成物流をＰＰＳ復熱型熱交換器に通し、これにより前記ＰＰＳ燃焼生成物流から熱を回収し、冷却したＰＰＳ燃焼生成物流を形成するステップと、
前記冷却したＰＰＳ燃焼生成物流から１つ以上の不純物のうちの少なくとも一部を除去して、リサイクルＣＯ２流を形成するステップと、
ＰＰＳ圧縮機で前記リサイクルＣＯ２流を加圧して圧縮したリサイクルＣＯ２流を形成するステップと
を含む、プロセス。
【請求項2】
前記ＰＯＸ反応器がガス化器である、請求項１に記載のプロセス。
【請求項3】
前記ＰＯＸ反応器が、流動床反応器である、請求項１に記載のプロセス。
【請求項4】
前記ＰＯＸ反応器が、触媒型反応器である、請求項１に記載のプロセス。
【請求項5】
前記ＰＯＸ熱交換器で前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流を冷却する前に、前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流の温度を、前記第１の温度未満かつ前記第２の温度を超える温度に低下させるステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項6】
前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流の温度を低下させるステップが、前記ＰＯＸ反応器に急冷流体を添加するステップを含む、請求項５に記載のプロセス。
【請求項7】
前記急冷流体が、水およびＣＯ２のうちの１つまたは両方を含む、請求項６に記載のプロセス。
【請求項8】
前記圧縮の後および前記燃焼の前に、前記燃料ガスの流れを加熱するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項9】
前記燃料ガスの流れを加熱するステップが、前記燃料ガスの流れを前記ＰＰＳ復熱型熱交換器に通すステップを含む、請求項８に記載のプロセス。
【請求項10】
蒸気およびＣＯ２のうちの１つまたは両方を前記ＰＯＸ反応器に提供するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項11】
前記ＰＯＸ熱交換器が、以下：前記圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部；加圧した水の流れ；窒素流；加圧したＯ２およびＣＯ２の流れ；前記燃料ガスの流れのうちの１つ以上と接触させて前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流から熱を回収するように構成されている、請求項１に記載のプロセス。
【請求項12】
Ｈ２およびＣＯ２の混合物をＣＯおよびＨ２Ｏの混合物に転換するように構成された、またはＣＯおよびＨ２Ｏの混合物をＨ２およびＣＯ２の混合物に転換するように構成されたシフト反応器に、前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流の一部を通すステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項13】
前記リサイクルＣＯ２流の一部と前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流の一部を混合して混合物を形成し、前記混合物を前記シフト反応器で処理するステップをさらに含む、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項14】
前記シフト反応器が、逆水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器である、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項15】
Ｈ２Ｓ、ＣＯＳ、および重金属のうちの１つ以上を、前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流から除去するように構成された温性脱硫部（ｗａｒｍ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ）に、前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流の一部を通すステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項16】
前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流の少なくとも一部を、前記燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流から水銀を除去するように構成された活性化吸着システムに通すステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項17】
前記燃料ガスの流れの少なくとも一部を、前記燃料ガスの流れに存在するすべてのＨ２Ｓの少なくとも一部およびすべてのＣＯ２の少なくとも一部のうちの１つまたは両方を分離するように構成された酸性ガス除去部に通すステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項18】
前記燃料ガスの流れの少なくとも一部を、ＣＯおよびＨ２をＣＨ４およびＨ２Ｏに転換するように構成された触媒型メタン生成システムに通すステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項19】
前記圧縮したリサイクルＣＯ２流の少なくとも一部を、前記ＰＰＳ復熱型熱交換器で加熱し、前記ＰＰＳ燃焼器に通す、請求項１に記載のプロセス。
【請求項20】
前記圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部を、前記ＰＯＸ熱交換器に通す、請求項１に記載のプロセス。
【請求項21】
前記圧縮したリサイクルＣＯ２流が、前記ＰＯＸ熱交換器を出て、前記ＰＰＳ復熱型熱交換器に通される、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項22】
前記圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部を、前記ＰＯＸ反応器に通す、請求項１に記載のプロセス。
【請求項23】
前記ＰＯＸ反応器で前記固体または液体の燃料を酸素と組み合わせる前に、前記圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部を前記固体または液体の燃料と組み合わせる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項24】
前記固体または液体の燃料が、液体または超臨界のＣＯ２と組み合わせた固体の燃料の形状の燃料スラリーを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項25】
部分酸化（ＰＯＸ）システムおよび電力生産システム（ＰＰＳ）を含む電力生産部であって、前記電力生産部が、
ＰＯＸ反応器と、
前記ＰＯＸ反応器の出口と流体連通した入口を備えるＰＯＸスクラバー部と、
前記ＰＯＸスクラバー部の出口と流体連通した入口を備える硫化カルボニル（ＣＯＳ）加水分解反応器と、
前記ＣＯＳ加水分解反応器の出口と流体連通した入口を備えるＰＯＸ熱交換器と、
前記ＰＯＸ熱交換器の出口と流体連通した入口を備えるＰＯＸ水分離器と、
前記ＰＯＸ水分離器の出口と流体連通した入口を備えるＰＯＸ酸性ガス除去システムと、
前記ＰＯＸ酸性ガス除去システムの出口と流体連通した入口を備えるＰＯＸ圧縮機と、
前記ＰＯＸ圧縮機の出口と流体連通した入口を備え、それから燃料ガスを受領するように構成されたＰＰＳ燃焼器と、
前記ＰＰＳ燃焼器の出口と流体連通した入口を備え、それから燃焼生成物流を受領するように構成されたＰＰＳタービンと、
前記ＰＰＳタービンの出口と流体連通した入口を備えるＰＰＳ復熱型熱交換器と、
前記ＰＰＳ復熱型熱交換器の出口と流体連通した入口を備えるＰＰＳ分離器と、
前記ＰＰＳ分離器の出口と流体連通した入口を備えるＰＰＳ圧縮機と
を含む、電力生産部。
【請求項26】
固体燃料供給システムと、
シフト反応器と、
脱硫部と、
活性化吸着部と、
触媒型メタン生成システムと
のうちの１つ以上をさらに含む、請求項２５に記載の電力生産部。
【請求項27】
前記ＰＯＸ熱交換器と前記ＰＰＳ復熱型熱交換器との間に閉鎖式熱伝達ループをさらに含む、請求項２５に記載の電力生産部。
【請求項28】
以下の条件：
前記ＰＯＸ水分離器が、前記ＰＯＸ反応器の入口と流体連通した出口を備え、
前記ＰＰＳ圧縮機が、前記ＰＯＸ熱交換器の入口と流体連通した出口を備え、
前記ＰＰＳ圧縮機が、前記ＰＰＳ復熱型熱交換器の入口と流体連通した出口を備える
のうちの１つ以上が当てはまる、請求項２５に記載の電力生産部。
【請求項29】
以下：
前記ＰＰＳ圧縮機と前記ＰＯＸ熱交換器との間の流体連通のための１つ以上の流れラインと、
前記ＰＰＳ圧縮機と前記ＰＰＳ復熱型熱交換器との間の流体連通のための１つ以上の流れラインと、
前記ＰＰＳ圧縮機と前記ＰＯＸ反応器との間の流体連通のための１つ以上の流れラインと
のうちの１つ以上をさらに含む、請求項２５に記載の電力生産部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料の燃焼における部分酸化を利用する、電力、たとえば電気などの生産のためのシステムおよび方法を目的とする。
【背景技術】
【0002】
従来の、燃料の燃焼からの電力生産の手段は、概して、高効率の電力生産と炭素の捕捉との両方を同時に達成する特性を欠いている。この欠点は、燃焼生成物流に残存している固体および不活性の窒素ガス含有物のため、燃焼反応において固体の燃料を使用する場合に悪化する。よって、ＣＯ２排出の低減および／または生産された二酸化炭素の隔離の容易さの改善を可能にする高効率の電力生産のためのシステムおよび方法の必要性が、当該分野でますます高まっている。
【0003】
炭素の捕捉を伴う高効率の電力生産の分野における刊行物の１つである、Ａｌｌａｍらに対する米国特許第８，５９６，０７５号は、石炭、褐炭、ペットコーク、またはバイオマスなどの固体の燃料を、Ｈ２Ｓ、ＣＳ２、硫化カルボニル（ＣＯＳ）、ＨＣＮ、およびＮＨ３などの燃焼由来の不純物を伴う可燃性の成分として主に一酸化炭素および水素を含む気体の燃料へと固体の燃料を実質的に完全に転換できるように十分に高い圧力および温度で作動する部分酸化反応器での酸素および任意に蒸気との反応により、気化させる１つの解決策を提供している。部分酸化した正味の生成ガスは、電力生成システムの燃焼チャンバーに燃料として導入できるように、冷却され、灰が分離され、任意に圧縮される。部分酸化システムおよび電力生成システムの作動圧力は、燃料ガスの圧縮を必要としないようにすることができる。電力生成システムの燃焼器は、燃焼後に存在する過剰のＯ２と共に作動し、これにより燃料および燃焼由来の不純物を、還元型から、主にＳＯ２およびＮＯを含む酸化型に転換させることを確保している。部分酸化反応器は、約８００℃の温度レベルで灰を除去する前に、高圧のリサイクルＣＯ２流によって部分酸化生成ガスを冷却するトランスピレーション冷却壁を備えることができる。さらに約４００℃に部分酸化ガスを冷却することが、固化した揮発性の無機成分を伴うすべての微細な灰の粒子を凝縮およびろ過して下流の器具での固体の析出、腐食、および詰まりを防止することを確保するために、必要である。８００℃から４００℃への部分酸化ガスの冷却は、部分酸化ガスにおけるブードア炭素形成反応および高いＣＯの分圧によるメタルダスティング腐食に耐性がある高圧の部分酸化ガス用のチューブを備えた熱交換器で行わなければならない。これを、式（１）で以下に示す。
ＣＯ＋ＣＯ＝Ｃ＋ＣＯ２（１）
【0004】
このチューブは、周期的な水洗浄により、固体の燃料、特に石炭および褐炭に存在する揮発性の無機成分の凝縮に由来する固体の付着物を除去できるように設計されていなければならない。
【0005】
上述の刊行物の進展にも関わらず、この中に記載されているシステムおよび方法は、電力生産燃焼燃料として固体の燃料を使用する場合に生じる問題に対して最も好都合な解決策を、未だ提供していない。よって、炭素の捕捉を伴う固体の燃料の高効率な燃焼のためのさらなるシステムおよび方法が、依然として必要とされている。
【発明の概要】
【0006】
本開示は、同時に炭素の捕捉を達成しつつ、燃料の燃焼を用いた高効率な電力生産のためのシステムおよび方法を提供する。特に、開示したシステムおよび方法は、部分酸化（ＰＯＸ）反応器を利用することができ、ここで燃料が燃焼され、部分酸化生成物を含むＰＯＸ流が生成される。ＰＯＸ流は、部分酸化生成物の少なくとも一部を実質的に完全に酸化して燃焼生成物流を生成する燃焼器に向かうことができる。
【0007】
部分酸化を利用する電力生産のためのシステムおよび方法は、たとえばＡｌｌａｍらに対する米国特許第８，７７６，５３２号に開示されており、この開示は、参照によりその全体が本明細書に援用されている。本開示は、Ａｌｌａｍら由来の１つ以上の構成部分を組み込み得るが、燃料の部分酸化、次いで部分酸化生成物の少なくとも一部の燃焼を組み込んだ高効率の電力生産に関するさらなる利点を提供するさらなるシステムおよび方法を提供する。
【0008】
１つ以上の実施形態では、本開示は、部分酸化（ＰＯＸ）システムおよび電力生産システム（ＰＰＳ）の組み合わせを使用した、電力の生産のためのプロセスに関し得る。非限定的な例では、このようなプロセスは、少なくとも以下のステップ：
固体または液体の燃料を部分酸化し、第１の温度で燃料ガスを含むＰＯＸ流を形成するために十分な条件下で、ＰＯＸ反応器で固体または液体の燃料および酸素を組み合わせるステップと、
燃料ガスの一部を形成しないすべての固体の成分または気体の成分のうちの少なくとも一部を、燃料ガスを含むＰＯＸ流から除去するステップと、
ＰＯＸ熱交換器で燃料ガスを含むＰＯＸ流を、第２のより低い温度に冷却するステップと、
燃料ガスを含むＰＯＸ流からすべての液体の水および酸性ガスのうちの少なくとも一部を除去し、よって燃料ガスの流れを形成することにより、燃料ガスを含むＰＯＸ流を精製するステップと、
燃料ガスの流れを約１２ＭＰａ以上の圧力に圧縮するステップと、
ＰＰＳ燃焼器で燃料ガスの流れを燃焼して、少なくとも約１０ＭＰａの圧力および少なくとも約８００℃の温度の燃焼生成物流を形成するステップと、
ＰＰＳタービンを通して燃焼生成物流を膨張させて発電し、膨張したＰＰＳ燃焼生成物流を形成するステップと、
膨張したＰＰＳ燃焼生成物流をＰＰＳ復熱型熱交換器に通し、これによりＰＰＳ燃焼生成物流から熱を回収し、冷却したＰＰＳ燃焼生成物流を形成するステップと、
冷却したＰＰＳ燃焼生成物流から１つ以上の不純物のうちの少なくとも一部を除去してリサイクルＣＯ２流を形成するステップと、
ＰＰＳ圧縮機でリサイクルＣＯ２流を加圧して圧縮したリサイクルＣＯ２流を形成するステップと
を含み得る。
【0009】
さらなる実施形態では、上述のプロセスは、以下の陳述のうちのいずれか１つ以上と関連してさらに定義されてもよく、これらは任意の数または順序で組み合わせてもよい。
【0010】
ＰＯＸ反応器は、ガス化器であり得る。
【0011】
ＰＯＸ反応器は、流動床反応器であり得る。
【0012】
ＰＯＸ反応器は、触媒型反応器であり得る。
【0013】
本プロセスは、ＰＯＸ熱交換器で燃料ガスを含むＰＯＸ流を冷却する前に、燃料ガスを含むＰＯＸ流の温度を第１の温度未満かつ第２の温度を超える温度に低下させるステップを含み得る。
【0014】
燃料ガスを含むＰＯＸ流の温度を低下させるステップは、ＰＯＸ反応器に急冷流体を添加するステップを含み得る。
【0015】
急冷流体は、水およびＣＯ２のうちの１つまたは両方を含み得る。
【0016】
本プロセスは、上記圧縮の後および上記燃焼の前に、燃料ガスの流れを加熱するステップをさらに含み得る。
【0017】
燃料ガスの流れを加熱するステップは、ＰＰＳ復熱型熱交換器に燃料ガスの流れを通すステップを含み得る。
【0018】
本プロセスは、ＣＯＳをＨ２Ｓに転換するように適合した硫化カルボニル（ＣＯＳ）加水分解反応器で、燃料ガスを含むＰＯＸ流の一部を処理するステップをさらに含み得る。
【0019】
本プロセスは、蒸気およびＣＯ２のうちの１つまたは両方をＰＯＸ反応器に提供するステップをさらに含み得る。
【0020】
ＰＯＸ熱交換器は、以下：圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部；加圧した水の流れ；窒素流；加圧したＯ２およびＣＯ２の流れ；燃料ガスの流れのうちの１つ以上と接触させて、燃料ガスを含むＰＯＸ流から熱を回収するように構成され得る。
【0021】
本プロセスは、Ｈ２およびＣＯ２の混合物をＣＯおよびＨ２Ｏの混合物に転換するように構成された、またはＣＯおよびＨ２Ｏの混合物をＨ２およびＣＯ２の混合物に転換するように構成されたシフト反応器に、燃料ガスを含むＰＯＸ流の一部を通すステップをさらに含み得る。
【0022】
本プロセスは、リサイクルＣＯ２流の一部と燃料ガスを含むＰＯＸ流の一部を混合して混合物を形成し、シフト反応器で上記混合物を処理するステップとをさらに含み得る。
【0023】
シフト反応器は、逆水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器であり得る。
【0024】
本プロセスは、燃料ガス流を含むＰＯＸ流から、Ｈ２Ｓ、ＣＯＳ、および重金属のうちの１つ以上を除去するように構成された温性脱硫部（ｗａｒｍ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ）に、燃料ガスを含むＰＯＸ流の一部を通すステップをさらに含み得る。
【0025】
本プロセスは、燃料ガスを含むＰＯＸ流から水銀を除去するように構成された活性化吸着システムに、燃料ガスを含むＰＯＸ流の少なくとも一部を通すステップをさらに含み得る。
【0026】
本プロセスは、燃料ガスの流れに存在する、すべてのＨ２Ｓの少なくとも一部およびすべてのＣＯ２の少なくとも一部のうちの１つまたは両方を分離するように構成された酸性ガス除去部に、燃料ガスの流れの少なくとも一部を通すステップをさらに含み得る。
【0027】
本プロセスは、ＣＯおよびＨ２をＣＨ４およびＨ２Ｏに転換するように構成された触媒型メタン生成システムに、燃料ガスの流れの少なくとも一部を通すステップをさらに含み得る。
【0028】
圧縮したリサイクルＣＯ２流の少なくとも一部は、ＰＰＳ復熱型熱交換器で加熱し、ＰＰＳ燃焼器に通すことができる。
【0029】
圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部は、ＰＯＸ熱交換器に通すことができる。
【0030】
圧縮したリサイクルＣＯ２流は、ＰＯＸ熱交換器を出て、ＰＰＳ復熱型熱交換器に通すことができる。
【0031】
圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部は、ＰＯＸ反応器に通すことができる。
【0032】
圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部は、ＰＯＸ反応器で酸素と固体または液体の燃料を組み合わせる前に、固体または液体の燃料と組み合わせることができる。
【0033】
固体または液体の燃料は、液体または超臨界のＣＯ２と組み合わせた固体の燃料の形状の燃料スラリーを含み得る。
【0034】
１つ以上の実施形態では、本開示は、電力生産のために構成されたシステムに関連し得る。本システムは、特に、部分酸化（ＰＯＸ）システムおよび電力生産システム（ＰＰＳ）の組み合わせを含む。組み合わせたシステムは、多くの構成要素の組み合わせを含み得る。最小限には、組み合わせたシステムは、
酸素（および任意に蒸気、ＣＯ２、および／または触媒）の存在下で液体または固体の燃料を部分酸化して燃料ガスを含むＰＯＸ流を形成するように適合した触媒型または非触媒型のＰＯＸ反応器；
急冷流体とＰＯＸ流を接触させるように適合した１つ以上の構成要素；
圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部、高圧の水流、ＡＳＵから回収された窒素流、高圧のＯ２／ＣＯ２流、および清浄にして冷却した燃料ガスのうちの１つ以上と接触させて、ＰＯＸ流から熱を回収し、冷却したＰＯＸ流をＰＯＸ熱交換器から出力するように適合したＰＯＸ熱交換器；
冷却したＰＯＸ流（またはＰＯＸ流由来の燃料ガス）を約１０ＭＰａ以上の圧力に圧縮するように適合した圧縮機；
酸素および圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部の存在下でＰＯＸ流由来の燃料ガスを燃焼し、約１０ＭＰａ以上の圧力のＰＰＳ燃焼生成物流を形成するように適合したＰＰＳ燃焼器；
ＰＰＳ燃焼生成物流を膨張させ、接続した発電機で発電させるように適合したタービン；
膨張したＰＰＳ燃焼生成物流から熱を回収し、この熱を圧縮したリサイクルＣＯ２流に加えるように適合した復熱型熱交換器；
リサイクルＣＯ２流を約１０ＭＰａ以上の圧力に圧縮し、圧縮したリサイクルＣＯ２流を形成するように適合したＰＰＳ圧縮機；ならびに
組み合わせたシステムのうちの１つ以上の異なる構成要素に１つ以上の流れを伝達するように適合した流れの構成要素（たとえば流れライン）
を含み得る。
【0035】
特定の実施形態では、組み合わせたシステムは、１つ以上のさらなる構成要素を含むことができる。たとえば、本開示は、任意の順序および任意の数で組み合わせることのできる、上述の構成要素と、以下の構成要素のうちの１つ以上とを備える組み合わせたシステムを包有するように意図されている。よって、組み合わせたシステムは、
部分的に急冷したＰＯＸ流（たとえばＰＯＸ流は約９００℃以下の温度である）に高位の熱を戻すように構成された、放射冷却器（ｒａｄｉａｎｔ ｃｏｏｌｅｒ）または対流冷却器（ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｃｏｏｌｅｒ）などの高温熱交換器；
急冷したＰＯＸ流に存在する固体および／または可溶性の酸性ガスの少なくとも一部を分離するように適合したＰＯＸスクラバー；
１つの相の急冷したＰＯＸ流から固化した灰の粒子を分離するように適合したろ過装置；
Ｈ２およびＣＯ２の混合物をＣＯおよびＨ２Ｏの混合物に転換、またはＣＯおよびＨ２Ｏの混合物をＨ２およびＣＯ２の混合物に転換するように適合した触媒型シフト反応器；
ＣＯＳをＨ２Ｓに転換するように適合したＣＯＳ加水分解反応器；
再生可能な固体の吸着剤を使用することにより、ＰＯＸ流からＨ２Ｓ、ＣＯＳ、および重金属を除去するように適合した温性脱硫部；
ＰＯＸ流からすべての液体の水を分離するように適合した分離器；
ＰＯＸ流から水銀を除去するように適合した活性化吸着システム；
ＰＯＸ流に存在するすべてのＨ２Ｓおよび／またはＣＯ２の少なくとも一部を分離するように適合した予燃焼酸性ガス除去部；
ＰＯＸ流における（またはＰＯＸ流由来の燃料ガスの流れにおける）ＣＯおよびＨ２をＣＨ４およびＨ２Ｏに転換するように適合した触媒型メタン生成システム；
膨張したＰＰＳ燃焼生成物流からＨ２ＳＯ４、ＨＮＯ３、および水に溶解したＨｇ塩のうちの１つ以上を分離し、リサイクルＣＯ２流を出力するように適合したＰＰＳ洗浄塔；
圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部をＰＯＸ熱交換器に向けるように適合した流れの構成要素；
圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部をＰＰＳ復熱型熱交換器に向けるように適合した流れの構成要素；
圧縮したリサイクルＣＯ２流をＰＯＸ熱交換器からＰＰＳ復熱型熱交換器に向けるように適合した流れの構成要素；
たとえばＰＯＸ反応器の作動温度を制御するために、圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部をＰＯＸ反応器に向けるように適合した流れの構成要素；ならびに
圧縮したリサイクルＣＯ２流の一部を、粉状にした固体の燃料をＰＯＸ反応器に運ぶために固体燃料供給システムに向けるように適合した流れの構成要素
のうちのいずれか１つ、２つ、３つまたはそれ以上を含んでもよい。
【0036】
１つ以上の実施形態では、本開示は、特に、部分酸化（ＰＯＸ）システムおよび電力生産システム（ＰＰＳ）を含む電力生産部であって、
ＰＯＸ反応器と、
ＰＯＸ反応器の出口と流体連通した入口を備えるＰＯＸスクラバー部と、
スクラバー部の出口と流体連通した入口を備えるＰＯＸ熱交換器と、
ＰＯＸ熱交換器の出口と流体連通した入口を備えるＰＯＸ水分離器と、
水分離器の出口と流体連通した入口を備えるＰＯＸ酸性ガス除去システムと、
酸性ガス除去システムの出口と流体連通した入口を備えるＰＯＸ圧縮機と、
ＰＯＸ圧縮機の出口と流体連通した入口を備え、それから燃料ガスを受領するように構成されたＰＰＳ燃焼器と、
ＰＰＳ燃焼器の出口と流体連通した入口を備え、それから燃焼生成物流を受領するように構成されたＰＰＳタービンと、
ＰＰＳタービンの出口と流体連通した入口を備えるＰＰＳ復熱型熱交換器と、
ＰＰＳ復熱型熱交換器の出口と流体連通した入口を備えるＰＰＳ分離器と、
ＰＰＳ分離器の出口と流体連通した入口を備えるＰＰＳ圧縮機と
を含む、電力生産部に関し得る。
【0037】
さらなる実施形態では、電力生産部は、以下の陳述のうちの１つ以上と関連させて特徴づけることができ、これらは任意の数または順序で組み合わせることができる。
【0038】
電力生産部は、固体燃料供給システム；シフト反応器；硫化カルボニル（ＣＯＳ）加水分解反応器；脱硫部；活性化吸着部；および触媒型メタン生成システムのうちの１つ以上をさらに含み得る。
【0039】
電力生産部は、ＰＯＸ熱交換器とＰＰＳ復熱型熱交換器との間に閉鎖式熱伝達ループをさらに含み得る。
【0040】
電力生産部は、以下の条件のうちの１つ以上を包有し得る：ＰＯＸ水分離器は、ＰＯＸ反応器の入口と流体連通した出口を備える；ＰＰＳ圧縮機は、ＰＯＸ熱交換器の入口と流体連通した出口を備える；ＰＰＳ圧縮機は、ＰＰＳ復熱型熱交換器の入口と流体連通した出口を備える。
【0041】
電力生産部は、以下：ＰＰＳ圧縮機とＰＯＸ熱交換器との間の流体連通のための１つ以上の流れライン；ＰＰＳ圧縮機とＰＰＳ復熱型熱交換器との間の流体連通のための１つ以上の流れライン；ＰＰＳ圧縮機とＰＯＸ反応器との間の流体連通のための１つ以上の流れラインのうちの１つ以上をさらに含み得る。
【0042】
１つ以上の実施形態では、異なる燃料を、電力生産部の起動のために利用することができる。たとえば気体の燃料流を、ＰＯＸシステムおよび／またはＰＰＳが定常状態で稼働するまで、ＰＯＸ反応器およびＰＰＳ燃焼器のうちの１つまたは両方で使用してもよい。
【0043】
このように、本発明を一般的な用語で説明してきたが、次に添付の図面を説明する。これは必ずしも尺度通りに描かれてはいない。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本開示に係る組み合わせたＰＯＸシステムおよびＰＰＳの例となる実施形態を例示した流れ図であり、ここでＰＰＳは、ＰＯＸシステムにおける液体または固体の炭化水素または炭素質の燃料の部分酸化に由来する燃料ガスを使用して発電を行う。
【図2】図１の組み合わせたシステムの一部を例示した流れ図であり、例示した部分は、特に、輸送する（ｅｘｐｏｒｔ）Ｈ２またはＨ２＋ＣＯの混合物の生成に有用な組み合わせたシステムの構成部分を示している。
【図3】本開示の実施形態に係る冷却装置の配置を例示した流れ図である。
【図4】本開示の実施形態に係るシフト反応器、ＣＯＳ加水分解反応器、および脱硫部の配置を例示した流れ図である。
【図5】本開示の実施形態に係る酸性ガス除去システム、活性化吸着システム、および触媒型メタン生成システムの配置を例示した流れ図である。
【図6】本開示の実施形態に係る、ＰＯＸ熱交換器とＰＰＳ復熱型熱交換器との間の熱の伝達のために構成された閉鎖式熱伝達ループを例示した流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【0045】
ここから本発明を、様々な実施形態への言及を介して以下でより完全に説明する。これら実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であるように提供されており、当業者に本発明の範囲を完全に伝えるものであろう。実際に、本発明は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書中記載の実施形態に限定されると解釈すべきではなく、むしろこれら実施形態は、本開示が適切な法的必要条件を満たすように提供されている。本明細書および添付の特許請求の範囲で用いる場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」は、文脈で特段他の意味が明示されていない限り、複数形を含む。
【0046】
本開示のシステムおよび方法は、炭素質の燃料、特に固体の燃料および／または液体の燃料の部分酸化（ＰＯＸ）を達成するために適合されている。本開示で使用できる燃料の非限定的な例として、石炭、褐炭、石油コークス、歴青、バイオマス、藻類、木材、等級化された可燃性の固形廃棄物、アスファルト、使用済みタイヤ、原油、他の灰含有液体燃料などが挙げられる。燃料は、粉状の固体として、高粘性の流体として、およびブリケット化した固体として、ＰＯＸ反応器に提供することができる。
【0047】
ＰＯＸ反応器での炭素質の燃料の部分酸化は、ＰＯＸ流を形成する。この流れはこの構成要素の観点から定義できる。特にＰＯＸ流は、燃料ガスと、任意に１つ以上の不純物（酸化可能な不純物および酸化不能な不純物）とを含み得る。ＰＯＸ反応器を出た流れから取られた燃料ガスは、電力生産システムの燃焼器に投入することができる。たとえば、本開示のシステムおよび方法と組み合わせることができる燃焼器および関連する電力生産サイクルが、Ａｌｌａｍらに対する米国特許第８，５９６，０７５号に記載されており、この開示は参照により本明細書に援用されている。このような燃焼器および関連する電力生産サイクルは、本明細書中で「Ａｌｌａｍ Ｃｙｃｌｅ」として援用されてもよい。Ａｌｌａｍ Ｃｙｃｌｅのプロセスは、作業流体として主にＣＯ２を使用して電力生産を達成する。特に、このプロセスは、高圧のリサイクルＣＯ２流と燃料の燃焼から生じる燃焼生成物との混合物を膨張させるタービンを使用する。燃焼プロセスでの酸化剤として純酸素を使用することができる。高温のタービン排気を、高圧のリサイクルＣＯ２流を部分的に予熱するために使用する。Ａｌｌａｍ ＣｙｃｌｅのリサイクルＣＯ２流はまた、高温のタービン排気に由来しない追加された熱を使用して加熱される。たとえば、Ｏ２生産プラントのエアフィードの圧縮エネルギーを使用してもよい。すべての燃料、および硫黄化合物、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈｇなどの燃焼由来の不純物を、大気に排出せずに廃棄するために分離することができる。
【0048】
本開示のシステムおよび方法は、ＰＯＸシステムおよび電力生産システム（ＰＰＳ）の組み合わせを特徴とすることができる。Ａｌｌａｍ Ｃｙｃｌｅは、本開示で使用できるＰＰＳの例である。特に、ＰＯＸ流由来の燃料ガスは、燃焼器用の燃料流の一部またはすべてとして、ＰＰＳ燃焼器に導入することができる。高圧の燃焼サイクルでは、ＰＯＸ流由来の燃料ガスは、一般に、電力生産システムの燃焼器で必要とされる高い圧力に圧縮しなければならない。たとえば、ＰＯＸ流由来の燃料ガスは、圧縮機で、約１０ＭＰａ以上、約１５ＭＰａ以上、約２０ＭＰａ以上、または約２５ＭＰａ以上の圧力に圧縮され得る。他の実施形態では、この圧力は、約８ＭＰａ～約５０ＭＰａ、約１５ＭＰａ～約４５ＭＰａ、または約２０ＭＰａ～約４０ＭＰａとすることができる。
【0049】
ＰＯＸシステムおよびＰＰＳシステムの組み合わせは、Ａｌｌａｍらに対する米国特許第８，７７６，５３２号に記載されており、この開示は参照により本明細書に援用されている。本開示のシステムおよび方法は、この中に記載されているシステムおよび方法の様々な態様を組み込むことができる。
【0050】
固体または液体の燃料と酸素の反応は、燃焼ガスを含むＰＯＸ流を提供することができ、上記流れは、利用するＰＯＸ反応器の種類に基づき、さまざまな量の固体および融解した固体を含むことができ、このような固体は、燃料ガスをＰＰＳ燃焼器に導入する前に除去され得る。具体的には、燃料ガスを含むＰＯＸ流は、灰および他の固体の物質を除去できる温度まで、必要に応じて冷却することができる。一部の実施形態では、しかしながら、固体は冷却前に除去されてもよい。このような除去は、ＰＯＸシステムおよびＰＰＳの器具の下流での異物混入の予防に有益であり得る。ＰＯＸ流の冷却の間に遊離した熱は、電力生産システムの全体の効率を最大限にするために、電力生産システムに移すことができる。特に、この熱は、燃焼生成物流の冷却の後および電力生産システムの燃焼器に戻すリサイクルＣＯ２流体の投入の前に、電力生産で循環しているリサイクルＣＯ２流体の少なくとも一部を部分的に加熱するために使用することができる。特にこの熱を、リサイクルＣＯ２流体の圧縮の後に、リサイクルＣＯ２流体に添加することができる。任意選択で、ＰＯＸ反応器および／または電力生産システムの燃焼器に必要な酸素を、同じまたは異なる熱交換器の冷却ＰＯＸ流と接触させて加熱することもできる。
【0051】
本開示で利用されるＰＯＸ反応器は、部分的な燃焼ガスの形成に有用と知られている任意の反応器を備えることができる。たとえば、合成ガスの形成に有用なガス化器を使用してもよい。同様に、流動床反応器を使用してもよい。さらに、この反応器は、触媒型反応器であってもよく、または非触媒型反応器であってもよい。ＰＯＸ反応器を出たＰＯＸ流は、本明細書中さらに記載されるように燃料ガスを含むことができる。用語「ＰＯＸ流」の本明細書中での使用は、燃料ガスと任意に１つ以上の混入物質または非燃料ガス物質とを含む、ＰＯＸ反応器を出た流れを表すことが理解されている。ＰＯＸ流由来の燃料ガスは、たとえば混入物質―たとえば固体、硫黄、金属、水、酸性ガスなどの除去を介して、ＰＯＸ流から単離することができる。よってＰＯＸ流は、十分に処理（たとえば精製および／または転換）されることにより、実質的に純粋であり得る―すなわち、本明細書中記載されるＰＰＳ燃焼器で可燃性である燃料ガスである成分のみを実質的に含み得る燃料ガスを結果として提供してもよい。しかしながら、必要に応じて、燃料ガス流は、ＰＰＳ燃焼器で燃焼できる、ある含有量の可燃性の固体および／または可燃性の液体を含むように構成されていてもよい。
【0052】
ＰＯＸ反応器は、第１の温度を有する出力ＰＯＸ流を提供するように適合することができ、このＰＯＸ流は、第２のより低い温度の流れに冷却することができる。使用するＰＯＸ反応器に応じて、ＰＯＸ反応器を出た燃料ガスを含むＰＯＸ流は、約１２００℃以上、約１３００℃以上、または約１４００℃以上の温度とすることができる。より具体的には、この温度は、約１０００℃～約２０００℃、約１２００℃～約１８００℃、または約１３００℃～約１６００℃とすることができる。他の実施形態では、ＰＯＸ反応器は、著しくより低い温度で作動するように構成することができる。このような実施形態では、ＰＯＸ反応器を出た燃料ガスを含むＰＯＸ流は、約３００℃以上、約４００℃以上、または約５００℃以上の温度とすることができる。より具体的には、この温度は、約３００℃～約１０００℃、約３５０℃～約９００℃、または約４００℃～約８００℃とすることができる。様々な実施形態では、ＰＯＸ流（よって、さらなる燃焼器に投入するための燃料ガス）を、好ましくはおおよそ大気温度に冷却するために、１つ以上のステップを利用することができる。
【0053】
１つ以上の実施形態では、上述の温度でＰＯＸ反応器を出たばかりのＰＯＸ流は、より低い温度に冷却することができる。冷却は、１つ以上の熱交換器の使用を含むことができる。あるいはまたはさらに、燃料ガスを含むＰＯＸ流は、急冷流体をＰＯＸ反応器に導入することにより急冷することができる。急冷および／または冷却は、ＰＯＸ流から固体を分離する前、ＰＯＸ流から固体を分離した後、または当該分離の前後に、実行することができる。好ましくは、急冷および／または冷却は、ＰＯＸ燃料ガス流の温度を、約１００℃以上、約２００℃以上、約３００℃、約４００℃以上、または約５００℃以上低下させる。一部の実施形態では、急冷は、ＰＯＸ流を第２のより低い温度に冷却することとみなすことができる。しかしながら、本明細書中さらに記載されているように、急冷は中間にある冷却ステップとみなすことができ、ＰＯＸ流は、後に第２のより低い温度に冷却される。
【0054】
急冷は、１つ以上の急冷流体とＰＯＸ流の混合により、実行することができる。本開示で使用できる急冷流体の非限定的な例として、リサイクルしたＰＯＸ流（すなわち燃料ガス、または燃料ガスと１つ以上の不純物とを備えるＰＯＸ流）、急冷流体温度の水、液体のＣＯ２、それらの混合物などの流れが挙げられる。一部の実施形態では、たとえば、ドライフィードガス化器を、フィードガスとして提供されるＣＯ２またはロックホッパーと共に使用してもよい。さらなる例では、Ｎ２などの他の実質的に不活性な気体を使用してもよい。有用な急冷流体の温度は、約１５０℃以下、約１００℃以下、約７５℃以下、または約６０℃以下とすることができる。急冷流体の温度は、特に、約１０℃～約１５０℃、約１５℃～約１００℃、または約２０℃～約７５℃とすることができる。水での急冷を使用する実施形態では、水の一部を蒸発させることによって、燃料ガス、蒸気、および液体の水分の混合物を提供することができ、この液体の水分により灰の粒子のバルクを洗浄する。液体および蒸気の総計の温度は、ＰＯＸ反応器で使用する圧力および急冷で使用される液体の水の量により、決定される。
【0055】
ＰＯＸ燃焼器を出たＰＯＸ流は、燃料ガスの一部を形成しないすべての固体の成分または気体の成分のうちの少なくとも一部を除去するために処理することができる。このような処理は、様々な精製ステップおよび／または転換ステップを含むことができる。
【0056】
一部の実施形態では、（急冷していない、またはすでに急冷もしくは冷却されている）ＰＯＸ反応器を出たＰＯＸ流を、ＣＯＳ加水分解反応器で処理することができる。これは、ＣＯＳをＨ２Ｓに転換することに有用であり得る。さらに、ＰＯＸ流を、温性脱硫部で処理することができる。これは、たとえば酸化亜鉛などの再生可能な固体の吸着剤を使用して、ＰＯＸ流からＨ２Ｓ、ＣＯＳ、および重金属を除去することに有用であり得る。ＣＯＳの加水分解および脱硫は、順次（任意の順序で）実行することができ、またはこれら処理のうちの１つのみを実行してもよい。
【0057】
１つ以上の実施形態では、本システムおよび本方法は、冷却したＰＯＸ流の蒸気からすべての液体の水およびすべての灰粒子のバルクまたはさらなる固体を分離するように構成することができる。これら固体の除去は、任意の従来の分離またはろ過器の手段を使用して実行することができる。適切な固体除去の構成要素の非限定的な例として、サイクロンフィルター、沈降タンク、キャンドルフィルター、バグフィルター、液体洗浄塔などが挙げられる。このような構成要素は、固体および／または可溶性の気体を除去するために構成されてもよい。たとえばウォータースクラバーを利用することができる。
【0058】
ＰＯＸ流の冷却は、複数の段階を含むことができる。この流れは、最初に冷却されてもよく、ＰＯＸ流から固体を分離させてもよく、次いで、１つ以上の熱交換器を使用して、たとえば大気温度近くまでさらに冷却されてもよい。特に、ＰＯＸ熱交換器は、ＰＯＸ流（任意選択で、すでに急冷されている、かつ／またはＰＯＸ反応器の温度未満の温度に冷却されている）から電力生産システムで利用される高圧のＣＯ２リサイクル流の１つ以上の部分に熱を伝達するように適合することができる。たとえば、この熱を、ＣＯ２リサイクル圧縮機の放出物から取られた高圧のＣＯ２リサイクル流に、および／または電力生産サイクルで使用される復熱型熱交換器における１つ以上の適切なポイントに、伝達することができる。ＰＰＳ復熱型熱交換器への熱の注入に関する温度の選択、ならびに急冷した燃料ガス冷却器で加熱されるＰＰＳ復熱型熱交換器から取られた流れの数および入口の温度は、熱の回収が実用的な熱交換器の大きさと調和する最大温度レベルであることを確保するように熱回収プロセスを変更することにより、決定することができる。
【0059】
一部の実施形態では、本開示に係るプロセスは、ＰＯＸ反応器で固体または液体の燃料を部分酸化して第１の温度の燃料ガスを含むＰＯＸ流を形成するステップを含むことができる。このＰＯＸ流は、任意選択で、ＰＯＸ反応器の中、ＰＯＸ反応器の別のセクションの中、または別の急冷容器の中で、より低い温度に急冷することができる。燃料ガスを含むＰＯＸ流は、燃料ガスの一部を形成しないすべての固体の成分または気体の成分の少なくとも一部を除去するために処理することができる。たとえば、ＰＯＸ流は、スクラバーを介して処理することができる。その後、ＰＯＸ流は、任意選択で、シフト反応器、ＣＯＳ加水分解反応器、および温性脱硫部のうちの１つ以上を介して処理することができる。次に、ＰＯＸ流を、ＰＯＸ熱交換器で、第２のより低い温度に冷却することができる。次に、冷却したＰＯＸ流を、ＰＯＸ流からすべての水を除去し、ＰＯＸ流からすべての酸性ガスを除去することにより、精製することができる。この時点では、実質的に精製した流れは、ＰＯＸ流由来の燃料ガス流とみなすことができる。しかしながら同様に、この流れは、燃料ガスが当該流れの大部分（ｍｏｌ％にて）を含む、燃料ガスを含むＰＯＸ流を表し得ることが理解されている。燃料ガス流は、任意選択で、活性化吸着システムおよび触媒型メタン生成システムのうちの１つまたは両方を介して処理することができる。その後、燃料ガスを、ＰＰＳ燃焼器への投入に適した圧力に圧縮することができる。
【0060】
ＰＯＸ反応器で使用される燃料は、様々な形態で提供することができる。上述の実施形態では、固体の燃料は、特定の形態、好ましくは微細に粉末状にした状態で提供することができ、スラリー媒体でスラリー形成することができる。一部の実施形態では、スラリー媒体は、たとえば水、液体のＣＯ２、およびそれらの組み合わせを含むことができる。液体のＣＯ２は、少なくとも部分的に、電力生産システムからリサイクルしたＣＯ２から形成することができる。ＰＯＸ反応器で使用される炭素質の燃料は、加熱した歴青などの液体とすることができ、この場合、スラリー形成する流体は必要とされなくてもよい。一部の実施形態では、粉末状にした固体の燃料は、ＣＯ２（および／またはＮ２）と混合することができ、ＰＯＸ反応器、たとえばロックホッパー用のフィードガスとしてＣＯ２を使用するドライフィード式のガス化器に提供することができる。
【0061】
灰の除去の後に熱交換器で急冷したＰＯＸ流を冷却することにより遊離した熱は、電力生産システムから取られた高圧のＣＯ２リサイクル流の１つ以上の部分に伝達することができる。急冷流体は、液体の水の分離の後のＰＯＸ熱交換器の冷却端を出たリサイクルされるＰＯＸ流とすることができ、または凝縮し分離した水とすることができる。これはまた、燃料ガスおよび水の組み合わせとすることもできる。さらに、これは、リサイクルされるＣＯ２、またはＣＯ２と燃料ガスもしくは水、もしくはその両方の組み合わせとすることができる。他の実施形態では、（たとえば空気分離部から回収された）窒素流を、急冷流体として使用してもよい。さらに、高圧のＯ２およびＣＯ２の流れを使用してもよい。
【0062】
一部の実施形態では、急冷流体の供給源は、特に関連性があり得る。ＣＯ２スラリー形成媒体を利用する実施形態は、固体の燃料フィード（たとえば石炭）に存在する水素および水に由来する水の純生産をもたらし得る。よって、分離した液体は、水に溶解した可燃性の成分を分離するように処理することができる。これらの分離した可燃性物質を圧縮し、電力生産システムの燃焼器に戻すことができる。次に、清浄にした水流を、固体の燃料のスラリー形成システムまたはＰＯＸ急冷システムのいずれかに対してリサイクルすることができ、何等かの余剰な水を、電力生産システムに送ることができ、ここで、これを、Ａｌｌａｍらに対する米国特許第８，５９６，０７５号に記載されているように電力生産システムの水分離段階で生成されるすべてのＨ２ＳＯ４／ＨＮＯ３の酸を希釈するように使用することができる。固体の燃料を水でスラリー形成する実施形態では、高温のＰＯＸ流に存在する水を、固体燃料中の炭素の部分酸化により生成されるＣＯと反応させて水素ガスおよび一酸化炭素を生成することができる。これらはおよそ１：１の体積比のＨ２およびＣＯで存在することができる。
【0063】
このシフト反応における水の消費は水の不足を表し得、そのため、電力生産システムで生成された水は、固体の燃料の石炭のスラリーを生成し、よってこの消費を補うようにＰＯＸシステムに戻すことができる。次に、正味の冷却したＰＯＸ流（すなわち燃料ガス流）を、電力生産の燃焼器での燃焼に必要とされる圧力に圧縮することができる。様々な実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、ＰＯＸ反応器を出た高温のＰＯＸ流と共に使用するための内部の急冷流体を生産するように適合することができる。これは、ＰＯＸ反応、固体の除去、熱交換冷却、および水の分離の一連のステップから生じ得る。ＰＯＸ流由来の正味の量の燃料ガスを圧縮し、比較的高濃度の可燃性の気体（たとえばＨ２およびＣＯ）および電力生産システムの燃焼器での有用な燃焼条件を確保する発熱量を備える電力生産システムの燃焼器に送達することができる。
【0064】
１つ以上の実施形態では、逆水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器を利用してもよい。たとえば一部の実施形態では、ＰＰＳ由来のリサイクルＣＯ２流の一部を、ＰＯＸ流（またはＰＯＸ流由来の燃料ガス）の少なくとも一部と組み合わせることができ、この組み合わせを、逆ＷＧＳ反応器に向けることができる。これは、ＣＯ２およびＨ２のＣＯおよびＨ２Ｏへの転換に有用であり得る。
【0065】
一部の実施形態では、本開示に係るＰＯＸ反応器は、電力生産システムの燃焼器の圧力より高い圧力で作動するように適合することができる。電力生産システムの燃焼器は、特に、本システムで継続してリサイクルされている作業流体としてのＣＯ２を使用することができる。好ましくは、ＰＯＸ流は、急冷媒体としての冷却したＰＯＸ流または水のいずれかを使用した本明細書中記載されるような熱交換を介して急冷および冷却することができ、冷却したＰＯＸ流（すなわち燃料ガス）を、さらに圧縮することを必要とせずに、電力生産システムで使用することができる。ＰＯＸ反応器は、炭素質の燃料を燃焼するように適合した任意の反応器を含むことができ、特にこの燃料は、部分的にのみ酸化されており、特に反応器は、本明細書中記載の電力生産システムの燃焼器の作動圧力より大きな圧力で機能するように適合している。例示的な非限定的な実施形態では、ＰＯＸ燃焼器は、トランスピレーション冷却を利用することができ、ここでＣＯ２などの冷却流体を、ＰＯＸ燃焼チャンバーの周りの多孔性のトランスピレーション層に通す。このことは、灰の衝突および凝集の予防に特に有用であり得る。本開示に係るＰＯＸ反応器で使用できるトランスピレーション冷却の例示的な実施形態は、Ｐａｌｍｅｒらに対する米国特許出願公開公報第２０１０／０３０００６３号、Ｐａｌｍｅｒらに対する米国特許出願公開公報第２０１１／００８３４３５号、およびＰａｌｍｅｒらに対する米国特許出願公開公報第２０１２／００７３２６１号に記載されており、これら開示は参照により本明細書に援用される。ＰＯＸ燃焼器は特に、燃料流、および燃料流の燃焼のための酸素供給源を受領するように適合することができる。任意選択で、触媒を、ＰＯＸ反応器に含めてもよく、かつ／または触媒を、燃料と混合するなどしてＰＯＸ反応器に導入してもよい。任意選択で、蒸気流をＰＯＸ反応器に導入してもよい。
【0066】
さらなる実施形態では、本開示に係るＰＯＸ反応器は、電力生産システムの燃焼器の圧力未満の圧力で作動するように適合することができる。このような実施形態では、電力生産システムの燃焼器で使用するためのＰＯＸ流に由来する燃料ガス流は、電力生産システムの燃焼器に通す前に圧縮することができる。必要に応じて、燃料ガス流を、たとえば、本明細書中他で記載されている１つ以上の熱交換器を通過させることを介してあらかじめ加熱することができる。ＰＯＸ反応器は、任意の市販のシステムを含むことができる。本開示で有用な市販のシステムの非限定的な例として、Ｓｈｅｌｌの乾燥粉末状の石炭フィードを取り込んだフロー反応器、ＧＥ／Ｔｅｘａｃｏの急冷反応器、Ｓｉｅｍｅｎｓの冷却スクリーン急冷反応器、または類似のシステムが挙げられる。有用なＰＯＸ反応器は、ＰＯＸバーナーからの放射熱を吸収する内部の熱伝達部を含むことができる。さらなる例では、内部の熱伝達部は、伝導性および／または対流性の加熱のために構成することができる。このような実施形態では、電力生産システム由来の高圧のリサイクルされるＣＯ２流の一部を加熱し、より高い温度でＰＰＳシステムに戻すことができる。上述の加熱のためにＰＰＳシステムから取られたリサイクル流は、任意の圧力、たとえば約１０バール～約４００バールの圧力で採取されてもよく、よってリサイクル流は、上述の加熱の前に任意の温度、たとえば約５０℃以上（たとえば約５０℃～約５００℃、または約１００℃～約４００℃）の温度であってもよい。たとえば、約４００℃の温度のリサイクルされるＣＯ２流を、ＰＯＸ反応器の中で約４５０℃～約６００℃の温度に加熱し、類似の温度の高圧のリサイクルＣＯ２流のさらなる一部と再度混合することができる電力生産システムの復熱型熱交換器に戻すことができる。一部の実施形態では、熱を、高圧の水流に移して、飽和蒸気または過熱蒸気を生成することができる。
【0067】
本開示に係る電力生産システムとＰＯＸ反応器の組み合わせは、様々な有用な態様を提供することができる。例として、電力生産システムの燃焼器に入る冷却した高圧のＰＯＸ流に不純物（石炭または他の固体由来の不純物および燃料の部分酸化由来の不純物など）を保持し得る点で、この組み合わせを定義することができる。このような不純物は、Ｈ２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ２、ＨＣＮ、ＮＨ３、Ｈｇを含み得る。これらおよび他の不純物を、電力生産システムの燃焼器で酸化させて、たとえばＳＯ２、ＣＯ２、Ｎ２、ＮＯ、およびＨｇを形成し、次に、これらを電力生産システムから除去することができる。たとえば、電力生産システムを出た流れ由来の凝縮した水流は、たとえばＡｌｌａｍらに対する米国特許第８，５９６，０７５号に記載されているように、酸性であり、ＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ４、および溶解した無機塩のうちの１つ以上を含むことができる。１つ以上の実施形態では、不純物の少なくとも一部は、ＰＯＸシステムに戻してリサイクルすることができる。たとえば、ＮＨ３およびＨＣＮを搭載しているウォータースクラバーを出た水は、石炭―水のスラリー系のための補給水として使用されてもよく、よってＮＨ３およびＨＣＮは、ＰＯＸ反応器で追加的な発熱量を提供する機能を供給する。さらなる例として、ＮＨ３は、硫黄除去システムの一部として使用されてもよく、これによりアンモニアが燃焼されてＮＯＸが生成される。
【0068】
電力生産システムの燃焼器を直接介するよりも、ＰＯＸ反応器を介した固体燃料の処理は、汚染する可能性のある反応生成物を除去する特性の観点から特に有用であり得る。たとえば、ＰＯＸ反応器を出たＰＯＸ流は、約４００℃以下の温度、または石炭に由来する灰（もしくは石炭もしくは他の固体燃料から生じる他の融解した不純物）が除去できる固体の形態であることを確保するために有用なさらなる温度に、急冷することができる。好ましくは、固体の不純物を、たとえば熱交換器、タービン、圧縮機などの電力生産システムの構成要素の詰まりおよび／または腐食を実質的に防止するために、非常に低い濃度および十分に小さな粒径にまで除去することができる。
【0069】
上記に加えて、ＰＯＸ反応器由来のＰＯＸ流の急冷は、本明細書定義されている温度未満の急冷したＰＯＸ流を提供するように適合することができ、固体の燃料中のすべての無機成分の気相の濃度が、同様に、電力生産システムの１つ以上の構成要素での析出を実質的に予防するために十分に低いことを確保するように、十分に低いものである。たとえば、石炭の部分酸化は、ＮａＣｌ、ＣａＳＯ４、およびＫＣｌを含む１つ以上のアルカリ金属塩を生成することができ、本明細書中論述されるように除去することができる。同様に、不純物をＰＯＸ流に通し、ＰＰＳ燃焼器で燃焼することが可能であるが、実質的に純粋である―すなわち、ｍｏｌ％で大部分を占める燃料ガス（たとえば水、非可燃性の固体、金属、および酸性ガスを排除した）を含む、少なくとも７５ｍｏｌ％の燃料ガスを含む、少なくとも９０ｍｏｌ％の燃料ガスを含む、少なくとも９５ｍｏｌ％の燃料ガスを含む、または少なくとも９９ｍｏｌ％の燃料ガスを含むＰＰＳ燃焼器用の燃料ガスを提供するために、本明細書中他で記載されている１つ以上の精製ステップおよび／または転換ステップを実行することが好ましいとすることができる。
【0070】
本開示のシステムおよび方法は、ＰＯＸ流を冷却する間、好ましくは大気温度近くまで冷却する間に放出される実質的に全ての熱の回収、および電力生産システムにおけるリサイクルされた高圧のＣＯ２流への熱の回収を提供するために適合することができる。この追加的な加熱は、特に、電力生産システムの復熱型熱交換器においてより低い温度で提供することができる。この方法での追加的な熱の投入は、電力生産システムの全体的な効率に有意な正の効果を提供することができる。この効果は、４００℃～８００℃の高い温度と比較して５０℃～４００℃のより低い温度の高圧のリサイクルＣＯ２流のはるかに高い比熱、および電力生産システムの復熱型熱交換器において冷却するタービン排気流の低い比熱によるものである。この顕著な差は、リサイクルＣＯ２流を加熱するために温度範囲５０℃～４００℃にわたる有意な追加の余分な熱が、復熱型熱交換器で必要であることを意味している。ＰＯＸ流熱交換器で急冷したＰＯＸ流から得た追加的な熱は、燃料ガス自体を燃焼する際に放出される熱量と実質的に等しい、電力生産システムの燃焼器に有効な量の追加的な熱を提供する。
【0071】
ＰＯＸ反応器を、リサイクル水流を使用して飽和状態となるまで急冷する様々な実施形態では、大気温度近くに冷却した急冷したＰＯＸ流の温度―熱の放出曲線は、急冷水の蒸発に由来する水蒸気が凝縮し始める際の大きな初期の放熱を示している。この、単位温度低下あたりの放熱は、ＰＯＸ流が冷却されると次第に減少する。この効果は、冷却急冷したＰＯＸ流から熱を回収するために使用される電力生産システムの高圧のリサイクル流から取られた２つの別々の高圧のリサイクルＣＯ２流を必要とする。一部の実施形態では、第１の高圧のリサイクルＣＯ２流は、約４５℃～約７０℃の温度でＣＯ２リサイクル圧縮機での放出から取ることができる。第２の高圧のリサイクルＣＯ２流は、タービン排気冷却流の露点への小さな温度アプローチが存在する復熱型熱交換器におけるポイントで、高圧のリサイクル流から取ることができる。これら２つの流れはまとめて、最も可能性のある温度レベルで高圧のＣＯ２リサイクル流に戻すように効率的に伝達できる、水含有物が凝縮し始める際に、冷却急冷したＰＯＸ流からの大きな初期の放熱を提供することができる。一部の実施形態では、ＰＯＸ流を、部分的に、約９００℃、約７００℃、約５００℃、または約４００℃の温度などの第１の温度に急冷することができる。部分的な急冷を用いる場合、部分的な急冷温度と急冷したＰＯＸ流の水の露点との間に冷却範囲が存在し、この範囲は、ＰＯＸ流の水の露点未満の温度範囲と比較して、急冷したＰＯＸ流から入手可能なこの熱の一部を効率的に除去するために、低流量の高圧のリサイクルＣＯ２を必要とし得る。このことは、急冷温度近くおよび／または急冷温度未満の温度で残りの部分を除去しつつ、急冷したＰＯＸ流の露点温度近くおよび／または露点温度未満で加熱する高圧のリサイクルＣＯ２流の一部を除去することにより、達成することができる。次に、加熱した高圧のリサイクルＣＯ２流を、復熱型熱交換器における高圧のリサイクルＣＯ２流のバルクの流れに対応する温度点で復熱型熱交換器に戻すことができる。様々な実施形態では、ＰＯＸ冷却熱交換器で単一の戻る流れと組み合わせるための２つの流れに関する選択肢を提供することができる。一部の実施形態では、２超の高圧のリサイクル流体の流れを使用することができる。
【0072】
一部の実施形態では、急冷および灰の除去の後にＰＯＸ反応器から取られた燃料ガスは、約２５０℃～約４００℃の温度で、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２、およびＨ２Ｏを主に含むことができる。この燃料ガス流の一部は、純粋なＨ２、ＣＯ、またはそれらの様々なＨ２：ＣＯでの組み合わせの生成物と解釈することができる。大規模なＨ２生成のための典型的な使用は、たとえば、精製所で、可能性としては車両燃料としての、水素化脱硫および水素化分解とすることができる。Ｈ２およびＣＯの混合物の典型的な使用は、フィッシャー・トロプシュ法による炭化水素の液体生成（たとえばＣＯに対するＨ２比が約２．２）およびメタノール生成（たとえばＣＯに対するＨ２比が約２．０）とすることができる。各場合で、Ｈ２：ＣＯ比は、ＰＯＸ流（ＰＯＸ流由来の燃料ガスの流れ）において約１以下の比から増加しなければならず、この比は、固体燃料用のスラリー形成媒体としてのＣＯ２または水の使用に依存している。ＰＯＸ生成ガス中により多くの水を伴う水をベースとするスラリーは、ちょうど１未満のＨ２：ＣＯ比を提供する、Ｈ２およびＣＯ２に転換されるＣＯの有意な比率をもたらす。ＣＯ２ベースのスラリーは、これより低いＨ２：ＣＯ比を有する。以下の式（２）に示される、蒸気との反応によりＣＯをＨ２に転換する触媒型シフト反応器に急冷したＰＯＸ流から分離した燃料ガスの少なくとも一部を通すことが、有用であり得る。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ＝Ｈ２＋ＣＯ２（２）
【0073】
このことは、灰の除去の後に約２５０℃～約４００℃の温度で取られた燃料ガスの一部を使用して、かつ、シフト反応器においてコバルトベースなどの硫黄に耐性のあるＣＯシフト触媒を使用することにより、達成することができる。次に、Ｈ２を多く含んでいる燃料ガスの一部を、ＰＯＸ熱交換器を介する別の経路で冷却することができる。発熱シフト反応で放出された熱は、上述のようにＰＰＳに移すことができる。次に、排出されたシフトガスを、残りの冷却したＰＯＸ流の一部と混合することができ、組み合わせた流れを、単一の吸着しない成分として必要とされるＨ２：ＣＯ比のＨ２およびＣＯを分離するように設計されている複床圧力変動吸着器に通すことができ、吸着した成分は、すべての硫黄化合物、ＨＣＮ、ＮＨ３、Ｈｇ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、およびほとんどのＣＨ４を含み得る。この吸着されない画分はまた、石炭（または他の固体もしくは液体の燃料）由来のいくらかのＮ２およびＡｒ、ならびにＰＯＸで使用される酸素を含んでもよい。これらの不活性の成分は、好ましくは、フィッシャー・トロプシュおよびメタノールの反応器の両方に供給される気体にとって認容可能である５％未満の総濃度である。純Ｈ２の生産を必要とする場合、シフトした冷却ガスのみをＰＳＡに供給する。石炭および還元型のＰＯＸ由来の不純物の全てを含むＰＳＡ由来のほぼ大気圧の排ガスは、圧縮され、ＰＰＳ燃焼器での燃焼のためＰＯＸ流由来の残りの燃料ガスに戻される。
【0074】
一部の実施形態では、水急冷したＰＯＸ流の少なくとも一部を、逆ＷＧＳ反応器に通すことができる。たとえば、約９００℃以上の温度の水急冷した燃料ガスを含むＰＯＸ流を、Ｈ２およびＣＯ２の混合物を、ＣＯおよびＨ２Ｏの混合物を含むシフト反応器を出たガスに転換するように逆ＷＧＳ反応器で処理することができる。
【0075】
ＰＯＸ流（またはＰＯＸ流由来の燃料ガス）は、一部の実施形態では、たとえばその中に存在するすべてのＨ２Ｓおよび／またはＣＯ２のうち少なくとも一部を分離するように酸性ガス除去部を介して処理することができる。特に、酸性ガス除去は、ＰＯＸ熱交換器でのＰＯＸ流の冷却の後、およびＰＯＸ流からの水の除去の後に実行することができる。酸性ガス除去は、好ましくは、ＰＰＳ燃焼器に導入するための圧力に燃料ガスを圧縮する前に実行する。酸性ガス除去プロセスは、一般的な３つのタイプ：化学試薬、物理溶媒、およびハイブリッドな溶媒に分けることができる。酸性ガス除去プロセスの非限定的な例として、レクチゾール法、Ｓｕｌｆｉｎｏｌ、ＭＤＥＡ、セレクソール法、含水ジイソプロパノール（ａｑｕｅｏｕｓ ｄｉ－ｉｓｏｐｒｏｐｏｎａｌ）（ＡＤＩＰ）アミン、およびＦＬＥＸＳＯＲＢがある。１つの方法として、２つの段階のセレクソールプロセス（ＵＯＰ ＬＬＣ， ＵＳＡ）の使用を挙げることができ、ここでは第１段階でＨ２Ｓを除去し、第２段階でＣＯ２を除去する。酸性ガス除去由来のＨ２Ｓは、クラウスプロセスを含む当業者に知られている任意の方法により液体の硫黄元素に転換することができ、または湿式硫酸プロセス（ＷＳＡプロセス）を含む当業者に知られている任意の方法により、商業的な品質の硫酸に転換することができる。酸性ガス除去を介してＰＯＸ流から除去したＣＯ２を圧縮し、ＰＰＳ燃焼器に通すために圧縮したリサイクルＣＯ２流に混合することができる。一部の実施形態では、ＰＯＸ燃料流を活性化吸着システムに通してそれから水銀を除去することができる。
【0076】
１つ以上の実施形態では、ＰＯＸ流（またはＰＯＸ流由来の燃料ガス）を、メタン生成システムを介して処理することができる。特に、メタン生成は、ＰＯＸ熱交換器でＰＯＸ流を冷却した後およびＰＯＸ流から水を除去した後に、実行することができる。メタン生成は、好ましくは、ＰＰＳ燃焼器に導入するための圧力に燃料ガスを圧縮する前に行われる。触媒型ＰＯＸ反応器で生成された燃料ガスは、一部の実施形態では、水性ガスシフト反応器に通した後に約３：１のＨ２：ＣＯ比を有する。Ｈ２ＳおよびＣＯ２を、酸性ガス除去プロセスで除去することができ、酸性ガス除去プロセスを出た、高いメタン含有量を伴うＰＯＸ燃料ガスは、ＣＯ、Ｈ２、およびＣＨ４を主に含むことができる。メタン生成システムを出た燃料ガスは、約５０容量％以上、約７５容量％以上、約８５容量％以上、約９０容量％以上、または約９５容量％以上の含有量のメタンを有することができる。メタン生成プロセスで放出した熱は、１つまたは複数の熱交換器に熱を戻すことができる。これら熱交換器中の冷却流は、ＰＰＳから回収され、ＰＰＳに戻される高圧のリサイクル流体流、高圧の水流、固体燃料乾燥プロセスでＡＳＵから回収された窒素流、高圧のＯ２／ＣＯ２流、および／また清浄にして冷却した燃料ガス流を含み得る。例示的なメタン生成プロセスとして、Ｈａｌｄｏｒ Ｔｏｐｓｏｅによる高温のＴＲＥＭＰ（商標）の使用を挙げることができる。例えば、米国特許第８，５３０，５２９号を参照されたい。この開示は参照により本明細書に援用される。
【0077】
固体燃料の部分酸化を伴う電力生産システムの一実施形態を、図１に準拠して説明する。ここで固体燃料は、ＰＯＸ反応器４で部分酸化される石炭供給流２１の形態で提供されている。石炭流２１は、吸気流６２から酸素流３２および６０と窒素流２３とを生成する空気分離部６から取られた、約８２℃（華氏１８０°）の温度のＮ２を含む乾燥窒素流２３が同様に供給される大粒子砕粉器１で、粉砕および部分的に乾燥される。好ましくは、乾燥窒素流２３は、より高温の流れであるＰＰＳにおける復熱型熱交換器を出たＣＯ２を多く含むタービン排気と接触させて加熱することができる。過剰の窒素流２２は、大粒子粉砕機１を出る。流れ２４における部分的に粉砕された石炭は、小粒子粉砕機２で好ましくは約２５０ミクロン以下の粒径にさらに粉砕されて粒子化した（ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｚｅｄ）石炭流２５を提供し、スラリー混合器３に向かう。スラリー混合器３で、粒子化した石炭は、ＣＯ２スラリー媒体流２９と混合され、これは好ましくは約８．５ＭＰａ以上の圧力を有する。この実施形態におけるＣＯ２を含むＣＯ２スラリー媒体流２９は、約１７℃の温度である。ＣＯ２を含むＣＯ２スラリー媒体流２９は、約８６５ｋｇ／ｍ３の密度を有する。粉状の石炭を、ＣＯ２と混合する前に、ロックホッパーシステムまたは他の手段により、８．５ＭＰａの圧力に、圧力を上げる。石炭／ＣＯ２スラリー流２６は、スラリー混合器３を出て、好ましくは、約４５重量％の石炭を含む。あるいはスラリー媒体は水流とすることができる。粉状の石炭注入システムはまた、粉状の加圧した石炭を窒素流に取り込み、ＰＯＸバーナーに供給するドライフィードシステムとして構成することもできる。次に、スラリー流２６は、好ましくは９５モル％以上の酸素濃度を含む酸素流５６と組み合わせるＰＯＸ反応器４にくみ上げられる。ＰＯＸ反応器４は、好ましくは、約８．５ＭＰａの圧力および約１４００℃の温度で作動する；しかしながら、この温度および圧力は、ＰＯＸ反応器を出たＰＯＸ流の性質に関連して本明細書中他で開示されている温度および圧力の範囲のいずれかの組み合わせとすることができる。よって、石炭スラリーの調製に関する条件を調節することができる。
【0078】
ＰＯＸ反応器４は、石炭を部分酸化し、ＰＯＸ流を形成するように適合されており、ＰＯＸ流は、ＰＯＸ反応器を出て、急冷チャンバー（不図示）に入ってもよく、または図１に例示されているように、ＰＯＸ反応器自体の中で急冷されてもよい。ＰＯＸ流は、限定するものではないが、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ２、ＨＣＮ、ＮＨ３を含む１つ以上の可燃性の（すなわち酸化可能な）物質を含み得る燃料ガスを含むことができる。さらに、ＰＯＸ流は、石炭（または他の固形燃料）由来のＨｇおよび他の不純物、ならびに不活性の物質（たとえばＮ２およびＡｒ）、たとえば酸素流５６由来の不純物＋他の微量成分を含み得る。またＰＯＸ流は、チャー、灰、またはスラグなどの１つ以上の非可燃性の物質を含むこともでき、これらは必要に応じてＰＯＸ流からろ過することができる。
【0079】
ＰＯＸ流（ＰＯＸ反応器の内部または別の構成要素におけるＰＯＸ流）は、急冷流体（本実施形態では液体の水流５７）と混合することにより急冷される。例示されているように、液体の水流５７は、制限ノズルの基部近くでＰＯＸ反応器に入る。急冷流の添加は、ＰＯＸ流の構成要素を、好ましくは約３０４℃の水飽和温度未満まで冷却する（しかしながらこれより高い温度も包有されている）。また、急冷温度は、好ましくは、灰およびスラグなどの非可燃性物質が固体の形態である温度とすることもできる。過度の急冷水は、ＰＯＸ反応容器（または別の急冷容器）の汚水の中のスラグおよび微細な灰のバルクと共に回収され、これらはさらなる処理のために除去される。急冷したＰＯＸ流５８は、スクラバー部５を通り、これは、ウォータースクラブタワー、次いでダスト負荷を約４ｍｇ／ｍ３以下の燃料ガス、約３ｍｇ／ｍ３以下の燃料ガス、または約２ｍｇ／ｍ３以下の燃料ガスに減少させるように適合した微細なカートリッジフィルターを含む。スクラバー部５はまた、スクラブ水をリサイクルするため、また廃棄用の灰流６６を処理するために必要とされるすべての器具およびポンプを備えることができる。ＰＯＸ反応器の灰の処理およびガス清浄化に有用なシステムの例示的な実施形態は、石炭／水のスラリーバーナーを備えたＧＥ／Ｔｅｘａｃｏ ＰＯＸシステムであり、これは、あるいは石炭／ＣＯ２スラリーを認容するように改変され得る。よって、１つ以上の固体除去の構成要素を介して、燃料ガスを含むＰＯＸ流から固体を除去することができる。
【0080】
図３に例示されているように、追加的な冷却部を、必要に応じて利用してもよい。特に、図３に示されるように、ＰＯＸ反応器４を出たＰＯＸ流５８ａは、冷却器１０１（たとえば放射冷却器または対流冷却器）を通り、冷却したＰＯＸ流５８ｂとして出た後に、スクラバー部５に入ってもよい。１つ以上の実施形態では、さらなる処理部を、スクラバー部５とＰＯＸ熱交換器７との間を通るＰＯＸ流５５の処理のために利用してもよい。図４に例示されているように、スクラバー部５を出たＰＯＸ流５５ａは、シフト反応器１０２、ＣＯＳ加水分解反応器１０３、および温性脱硫部０４のうちの１つ以上を通った後に、ＰＯＸ熱交換器７に通されてもよい（中間の流れ５５ｂ、５５ｃ、および５５ｄを伴う）。上記構成部分は任意であり、記載の構成部分のうちの１つまたは２つのみを利用してもよいことが理解されている。さらに、シフト反応器１０２、ＣＯＳ加水分解反応器１０３、および温性脱硫部１０４は、上記構成部分のうちの２つ以上が存在する場合に任意の順で提供されてもよい。
【0081】
清浄にした燃料ガス＋蒸気流５５は、ＰＯＸ熱交換器７で冷却される。排出された流れ５９は、さらに、熱交換器９中の冷却水と接触してさらに冷却される。液体の水４６が、入口の流れ６１から分離容器８で分離され、ＰＯＸ反応器の急冷および流れ３８からのいくらかの追加の補給水に戻すようにポンプ１１でくみ上げられて、急冷水流５７を生成する。一部の実施形態では、この結果得られる流れは、正味の燃料ガス流４７であり、次に、多段式遠心圧縮機１０で、電力生産システムの燃焼器１４への流れ４８としての投入に適した圧力に圧縮することができる。例として、燃料ガス流４７は、約３０．５ＭＰａの圧力に圧縮することができる。
【0082】
１つ以上の実施形態では、分離容器８を出た流れは、中間の燃料ガス流４７ａとすることができ、これは、除去に関するさらなる物質を含んでおり、かつ／またはさらなるアップグレーディングの処理に供することができる。たとえば、図５に示されているように、中間の燃料ガス流４７ａは、酸性ガス除去部１０５、活性化吸着システム１０６、および触媒型メタン生成システム１０７のうちの１つ以上に通した後、圧縮機１０に通すことができる（中間の流れ４７ｂ、４７ｃ、および４７ｄを伴う）。上記構成部分は任意であり、記載の構成部分のうちの１つまたは２つのみを利用してもよいことが理解されている。さらに、酸性ガス除去部１０５、活性化吸着システム１０６、および触媒型メタン生成システム１０７は、上記構成部分のうちの２つ以上が存在する場合に任意の順で提供されてもよい。
【0083】
特定の実施形態では、酸性ガス除去部１０５が存在することが好ましいとすることができる。よって硫化水素、ハロゲン化水素、二酸化炭素、硫黄酸化物、および窒素酸化物などの酸性ガスは、燃料ガスを圧縮する前に除去することができる。一部の実施形態では、同様に活性化吸着部１０６が存在することが好ましいとすることができる。
【0084】
圧縮した燃料ガス流４８は、復熱型熱交換器１２で電力生産システムの燃焼器１４への投入に適した温度に加熱される。例として、圧縮した燃料ガス流４８は、約７４６℃の温度に加熱することができる。加熱した燃料ガス流６４は、これを酸素およびＣＯ２と組み合わせる電力生産システムの燃焼器１４で燃焼される。例示した実施形態では、組み合わせたＯ２／ＣＯ２流５１は、モルベースで２５％のＯ２および７５％のＣＯ２を含む。組み合わせたＯ２／ＣＯ２流５１は、好ましくは、電力生産システムの燃焼器１４への投入に適した温度に加熱されている。例として、組み合わせたＯ２／ＣＯ２流５１は、復熱型熱交換器１２で約７４６℃の温度に加熱することができる。熱いリサイクルＣＯ２流５２は、復熱型熱交換器１２から向かっており、電力生産システムの燃焼器１４への投入に適した温度である。例として、熱いリサイクルＣＯ２流５２は、約７４６℃の温度に加熱され得る。
【0085】
電力生産システムの燃焼器では、燃料ガスの燃焼由来の燃焼ガスは、例示した実施形態において、熱いリサイクルＣＯ２流５２で冷却され、約１１５０℃の温度および約３０ＭＰａの圧力の組み合わせた燃焼生成物流５０を生成する。これを、発電機６５に接続したタービン１３で約３ＭＰａの圧力に膨張させ、出力電力６３を生成する。タービン出力流４９は、例示した実施形態において、復熱型熱交換器１２で冷却され、約６４℃の温度の冷却した生成流５３として出る。この流れ５３は、ウォータークーラー１６で約１７℃の温度に冷却される。さらに冷却されたタービン出力流５４は、スクラブタワー１７に入り、これは、さらに冷却したタービン出力流５４を受領するタワーの充填セクション（ｐａｃｋｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎ）上方にあるスクラブタワーの液体の入口４１に、循環ポンプ１８を介して大部分がリサイクルされる出力流４０を有する。流れ４０の一部は、さらなる処理のため流れ３９として分割される。タービン排気ガスが、復熱型熱交換器１２で水の露点未満に冷却すると、以下の反応が起こる。
ＮＯ＋１／２Ｏ２＝ＮＯ（３）
ＮＯ２＋ＳＯ２＝ＳＯ３＋ＮＯ（４）
ＳＯ３＋Ｈ２Ｏ＝Ｈ２ＳＯ４（５）
【0086】
上記の反応は、液体の水、窒素酸化物、ＳＯ２／ＳＯ３、および過剰な酸素の存在下で進行する。ＳＯ２／ＳＯ３の濃度は、式（３）に示されている制限反応が３ＭＰａで迅速に進行し、式（４）および式（５）の反応が非常に速いため、非常に低いレベルに低下する。全ての硫黄酸化物が硫酸に転換されている場合、窒素酸化物は、以下の反応の順序で、通過あたり約９５％の転換率で硝酸に転換される。
２ＮＯ２＋Ｈ２Ｏ＝ＨＮＯ２＋ＨＮＯ３（６）
３ＨＮＯ２＝ＨＮＯ３＋２ＮＯ＋Ｈ２Ｏ（７）
ＮＯ＋１／２Ｏ２＝ＮＯ２（８）
【0087】
図１に戻ると、正味の液体の酸生成流３９に存在する硝酸は、すべての存在する水銀を塩化水銀に転換する。スクラブタワー１７は、好ましくは、追加的な水洗浄および酸のミスト除去セクションを備えている。この主な機能は、実質的に全ての上記の反応がスクラブタワー１７の上流で行われるため、効率的な希酸除去装置として作用することである。混合される酸は、混合器１５において石灰石スラリー流３６（または他の適切な塩基）で処理され、石こうおよび硝酸カルシウム流３７を生成する。他のいずれかの微小な金属塩も同様に分離することができる。硝酸カルシウムおよび溶解した塩の除去の後の残りの水流３８は、冷却タワーまたはＰＯＸ急冷システムに対する補填として、またはスクラブタワー１７に再利用されるスクラブ水として、使用することができる。
【0088】
主に、約２．９ＭＰａの圧力のスクラブタワー１７を出たＣＯ２流４２は、約３０．５ＭＰａなどの、電力生産システムの燃焼器への投入に適切な圧力に、多段式のインタークーラー付きの圧縮機（ｍｕｌｔｉ ｓｔａｇｅ ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）／濃厚流体多段式ポンプ１９で圧縮する。圧縮したＣＯ２放出流３５は、約５４℃の温度でポンプ１９の最後の段階を出て、この流れの一部の、流れ７０は、復熱型熱交換器１２で約７４６℃の温度に加熱され、ＣＯ２流５２として出る。
【0089】
この実施形態における空気分離プラント６は、２つの別々の流れに分かれる約８．６ＭＰａの圧力の９９．５モル％の酸素純度の生成物流を生成する。酸素流６０は、熱交換器７で約２９４℃の温度に加熱され、石炭の部分酸化のためＰＯＸ反応器４で使用するためにガス流５６として出る。残りの酸素流３２は、約８．６ＭＰａの圧力でＣＯ２と混合される。具体的には、ＣＯ２は、流れ３０として圧縮機１９の中間の段階から取られ、一部分の流れ３１は、酸素流３２と混合されて、２５モル％のＯ２および７５モル％のＣＯ２の組成を提供する。この希釈したＯ２流３３は、多段式のインタークーラーを備えた圧縮機２０で約３０．５ＭＰａの圧力に圧縮され、放出流３４は、復熱型熱交換器１２で約７４６℃の温度に加熱され、流れ５１として電力生産システムの燃焼器１４に入る。純粋なＯ２流３２の希釈は、電力生産システムの燃焼器１４の燃焼に必要な酸素を、酸化に耐性のある物質を必要とすることなく高温に加熱させるために有用である。これは、電力生産システムの安全な作動を確約している。この３０％のＯ２流は、電力生産システムの断熱燃焼温度を約２４００℃の値に抑えるために有用である。ＣＯ２流３０の残りの部分はＣＯ２流２９であり、粉状にした石炭のスラリー形成を行うためのＣＯ２を提供し、スラリー混合器３に向かう。
【0090】
熱交換器７において急冷したＰＯＸガスの冷却は、電力生産システムに最大熱量を伝達して全体の効率を最大限にするために有用である。電力生産システムは、大気温度近くから最大約４００℃までの温度範囲の外部供給源由来の有意な量の熱を必要とする。これは、空気分離プラント６の断熱性空気圧縮機を使用し、高圧のリサイクルＣＯ２流の一部に圧縮熱を伝達することにより、提供することができる。本実施形態では、必要とされる外部加熱負荷は、ＰＯＸ熱交換器７で急冷したＰＯＸガスを冷却し、２つの高圧のリサイクル流を加熱することにより提供される。約５４℃の温度の高圧のリサイクルＣＯ２流２８および復熱型熱交換器１２において中間の温度点で取られた約１２０℃の温度の高圧のリサイクルＣＯ２流４３を加熱し、約２９４℃の温度の組み合わせた加熱出力流４４を提供する。これは、復熱型熱交換器１２において対応する温度点の主要なリサイクルＣＯ２流と混合するために戻される。任意選択で、出力流６７もまた、同様に主要なリサイクルＣＯ２流と混合するために対応する温度点で復熱型熱交換器に戻されてもよい。
【0091】
１つ以上の実施形態では、専用の熱伝達ループを介して、ＰＯＸ熱交換器７とＰＰＳ復熱型熱交換器１２との間に熱伝達を提供することが有用であり得る。たとえば、図６に例示されているように、熱伝達流体流１０９は、ポンプ１０８を介して、ＰＯＸ熱交換器７とＰＰＳ復熱型熱交換器１２との間を循環する。熱伝達流体流１０９は、最大約３０ＭＰａ、最大約２０ＭＰａ、または最大約１０ＭＰａなどの大気圧より大きな圧力とすることができる。特定の実施形態では、熱伝達流体流１０９は、ＰＯＸ熱交換器７からＰＰＳ復熱型熱交換器１２まで熱を伝達することができる。
【0092】
例示的な実施形態では、熱交換器７は、高圧の、ロウ付けまたは拡散接合した複数のチャネル部とすることができる。この構築材料は、好ましくは、ＰＯＸガス＋液体の水に存在する不純物の存在に耐腐食性である。復熱型熱交換器１２は、好ましくは、拡散接合した複数のチャネル部である。この部は、好ましくは、最大約８００℃の温度での作動に適合しており、約２００℃未満の温度での酸による腐食に耐性があるように適合している。例示的な適切な材料は、Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｍｅｔａｌｓ ａｌｌｏｙ ７４０である。一部の実施形態では、熱交換器１２の熱い端部の温度平均は、７５０℃未満に低下させることができ、このような場合、ａｌｌｏｙ ６１７が適切であり得る。任意選択で、約２００℃～５４０℃の間の中間のセクションは、ステンレス鋼から作製することができる。２００℃未満での潜在的な酸による腐食に供されるセクションは、定期的に交換可能なように構築することができる。
【0093】
さらなる実施形態では、ＰＯＸ流を処理するための別の構成部分の配置を使用することができる。例示的な実施形態では、図２は、ＰＯＸ生成物を、電力生産システム用の燃料ガスの生産のため、ならびにＨ２およびＣＯの分離し精製した混合物の生産のための両方に使用する、任意選択の配置を示している。副流９０は、灰の除去の後の急冷したＰＯＸガス流５５から取られており、硫黄耐性のコバルトベースのシフト触媒（または他の適切な物質）を有する触媒型シフト転換器９１に通される。より高温の出力ガス流９２が、熱交換器７で約６０℃の温度に冷却され、流れ７３として出て、熱交換器７４で水を約２０℃の温度に冷却することにより、流れ７５としてさらに冷却される。凝縮した水７８は分離器７７で分離されており、冷却したガス流７６は、複床式の圧力変動吸着部７９に入る。分離器７７で分離した水７８は、液体の水流４６に加えられる。圧力変動吸着部（ＰＳＡ）７９は、注入ガス流７６を、約８ＭＰａの圧力でこの部を出る純Ｈ２または純粋なＨ２およびＣＯ２流８０と、すべての不純物（たとえばＨ２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ２、ＨＣＮ、ＮＨ３、Ｈｇ、および他の微量な成分）、ならびにＨ２、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４、およびＨ２Ｏの一部の組み合わせを含む排ガス流９３とに分離するように設計されている。この不純物の分離により、Ｈ２またはＨ２およびＣＯの生成物流８０中のこれら成分の濃度が１ｐｐｍ未満となる。この配置は、高濃度のＣＯを含む冷却したＰＯＸガスの流れ８３を使用してシフト反応した冷却済みのガス流７６と混合し、ＰＳＡ部７９を通過する際に８ＭＰａの生成流８０で必要とされる流れおよび必要とされるＨ２：ＣＯ比を提供する流れ７２を生成する。純Ｈ２が必要とされる場合、流れ８３はゼロである。０．１２ＭＰａの圧力のＰＳＡ７９由来の排ガス流９３は、多段式のインタークーラーを備えた圧縮機８１で約８ＭＰａの圧力に圧縮され、放出流８２は、燃料ガス流４７に添加されて圧縮され、電力生産システムの燃焼器１４に通される（図１参照）。燃料ガス流全体は、圧縮機１０で約３０．５ＭＰａの圧力に圧縮され、この結果得られる高圧の燃料ガス流４８は、復熱型熱交換器１２を介して電力生産システムの燃焼器１４に送られる（図１参照）。この配置は、電力生産システムへのすべての石炭およびＰＯＸ由来の不純物の移送を確保しており、これらは電力生産システムの燃焼器１４で酸化される。様々な実施形態では、シフト反応における追加の水の消費は、式（９）にしたがって進行することができ、少量の追加的な補填の流れを必要とし得る。
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ＝ＣＯ２＋Ｈ２（９）
【0094】
上記からわかるように、本開示は、特に、部分酸化（ＰＯＸ）システムおよび電力生産システム（ＰＰＳ）の組み合わせを使用した電力生産のためのプロセスを提供することができる。このプロセスは、本明細書中記載のプロセスのステップの任意の組み合わせを介した実施により、定義することができる。
【0095】
本開示はさらに、部分酸化（ＰＯＸ）システムおよび電力生産システム（ＰＰＳ）を含む電力生産部を提供することができる。上記部は、以下の構成要素：ＰＯＸ反応器；ＰＯＸスクラバー（または他のろ過部）；ＰＯＸ熱交換器；ＰＯＸ水分離器；ＰＯＸ酸性ガス除去システム；ＰＯＸ圧縮機；ＰＰＳ燃焼器；ＰＰＳタービン、ＰＰＳ復熱型熱交換器；ＰＰＳ分離器；ＰＰＳ圧縮機；固体燃料供給システム；シフト反応器；硫化カルボニル（ＣＯＳ）加水分解反応器；脱硫部；活性化吸着部；触媒型メタン生成システム；ならびにＰＯＸ熱交換器とＰＰＳ熱交換器との間の閉鎖式熱伝達ループのうちのいずれかを含むことができる。上記に加えて、電力生産部は、上記構成要素の間に流体の流れを提供するための、記載の構成要素のいずれかを相互連結する流れラインを含むことができ、電力生産部は、各構成要素の間の流体の流れを容易にするために、必要に応じて、バルブ、コネクタ、および制御器を含むことができる。さらに、上記の構成要素が、本明細書中記載の電力生産部の作動の間に、それらの中の流体の流れおよびそれらからの流体の流れのための入口および出口を含むことが理解されている。同様に、様々な構成要素（またはその入口および／または出口）が流体連通して記載されている限り、上記流体連通が、上記構成要素（またはその入口および／または出口）の間に置かれている流れラインの存在、ならびに、上記構成要素の間に置かれている１つ以上のさらなる構成要素の存在を含み得ることが理解されている。さらに、流れている流体を処理する複数の構成要素を含む電力生産部で、特定の構成要素が、他の各構成要素の上流、および／または他の各構成要素の下流にあると解釈され得ることが理解されている。別の各構成要素の上流および／または下流にある構成要素の配置は、少なくとも添付の図面から明らかである。よって、添付の図面で第１の構成要素が第２の構成要素から流体の流れを受領する限り、第１の構成要素が、第２の構成要素より上流にあり、第２の構成要素が第１の構成要素より下流にあることが理解されている。同様に、第２の構成要素より下流にある第３の構成要素は、同様に第１の構成要素より下流にあると解釈され、このような関係は添付の図面および本明細書中のさらなる記載から明らかである。
【0096】
本明細書中記載のシステムおよび方法の構成部分を組み込んだ様々な実施形態では、開示のシステムおよび方法の全体的な効率は、５０％超である（代表的なタービンおよび圧縮機の効率、ならびに熱交換器の温度差および圧力低下を伴う、低位発熱量（ＬＨＶ）に基づく）。さらに、ＣＣＳが、他のすべての燃料、ＰＯＸ、および燃焼由来の不純物の実質的に完全な除去と共に同時に提供されている。燃料流２１中の炭素に由来する過剰なＣＯ２は、３０．５ＭＰａの流れ７１としての循環するＣＯ２システムから除去される（図１参照）。これは、本システムおよび方法が、約１５ＭＰａ以上、約２０ＭＰａ以上、約２５ＭＰａ以上、または約３０ＭＰａ以上の圧力の燃料由来のＣＯ２の実質的に全てを提供するように適合されていることから、容易に行うことができる。この高い効率は、好ましくは、たとえばＡｌｌａｍらに対する米国特許第８，５９６，０７５号に記載されているように、市販のＰＯＸ反応器システムおよび高圧のＣＯ２作業流体電力サイクルを使用するなどして、低コストのシステムで達成することができる。比較の例として、現存の、ＣＯ２の捕捉およびパイプラインの圧力への圧縮を伴う商業的な石炭ベースのガス化複合発電（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｙｃｌｅ（ＩＧＣＣ）の発電システムは、比較可能な原理でたったの３４％～３９％の効率を有することが示されており、資本コストが本システムよりも著しく高い。
【0097】
上記の説明および関連の図面に提示されている技術の有益性を有することを含む、本開示の主題の多くの修正および他の実施形態は、当業者に明らかである。よって、本開示は本明細書中記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、修正および他の実施形態が、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されていることを理解すべきである。特定の用語が本明細書中で使用されているが、これらは単に一般的および説明上の意味で使用されており、限定を目的とするものではない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
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