(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非ＣＯ２捕捉モードとＣＯ２捕捉モードのどちらかで選択的に動作可能な熱発生システムであって、
（i）化石燃料の流動層を燃焼させて作動流体を加熱し煙道ガスを発生させ、且つ（ii）前記加熱された作動流体及び前記発生した煙道ガスを排出するように構成された燃焼器と、
空気を予熱するように構成され、前記空気を予熱するために前記排出された煙道ガスを導くための第１の気体通路、及び前記燃焼器の外部での燃焼によって発生した捕捉されたＣＯ２を伴う他の気体を導くための第２の気体通路を有する予熱器と、
を備え、
前記燃焼器が、前記予熱された空気で化石燃料の層を流動化するように更に構成され、
前記非ＣＯ２捕捉モードにおいて、（i）前記予熱器が、前記排出された煙道ガスを受け取るが前記他の気体は受け取らず、（ii）前記第１の通路が、前記空気を予熱するために前記受け取った煙道ガスを導き、これにより、前記導かれた煙道ガスを冷却し、
前記ＣＯ２捕捉モードにおいて、
前記予熱器がまた、前記他の気体を受け取り、
前記第２の通路がまた、前記空気を予熱するために前記受け取った他の気体を導き、これにより、前記導かれた他の気体を冷却し、
前記予熱器が、前記冷却された煙道ガスを第１の経路に導き、前記冷却された他の気体を前記第１の経路とは異なる第２の経路に導く、熱発生システム。
【請求項２】
前記流動層の燃焼がまた、残留する第１の固体を発生させ、前記燃焼器が、前記発生した煙道ガスを前記発生した第１の固体を同伴させて排出するように更に構成され、前記システムは、
前記同伴された第１の固体を前記排出された煙道ガスから分離するように構成された分離器であって、前記予熱器によって受け取られた前記排出された煙道ガスが、前記分離された煙道ガスである分離器と、
固体から熱を伝導することによって、前記固体を冷却するように構成された熱交換器と、
を更に備え、
前記非ＣＯ２捕捉モードにおいてのみ、前記熱交換器が、前記分離された第１の固体から熱を伝導し、これにより、前記分離された第１の固体を冷却し、前記燃焼器が、前記冷却された第１の固体を燃焼させるように更に構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記分離器は第１の分離器であり、前記システムは、前記ＣＯ２捕捉モードにおいて、
（i）前記分離された第１の固体を燃焼させて、前記他の気体及び残留する第２の固体を発生させ、且つ（iii）前記発生した第２の固体を同伴する前記発生した他の気体を排出するように構成された反応器と、
前記排出された他の気体から前記同伴された第２の固体を分離するように構成された第２の分離器と、
を更に備え、
前記熱交換器が、前記分離された第２の固体の少なくとも一部から熱を伝導し、これにより、これらの分離された第２の固体を冷却し、前記燃焼器が、前記冷却された第２の固体を燃焼させるように更に構成され、
前記予熱器がまた、前記分離された他の気体を受け取り、前記第２の通路がまた、前記空気を予熱するために前記受け取った他の気体を導くことによって、前記導かれた他の気体を冷却し、前記予熱器が、前記冷却された煙道ガスを第１の経路に導き、前記冷却された他の気体を前記第１の経路とは異なる第２の経路へ導く、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記反応器が、前記分離された他の固体の一部も燃焼させるように更に構成された、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記作動流体が第１の作動流体であり、前記システムは、
（i）前記第２の経路に導かれた前記冷却された他の気体から第２の作動流体へ熱を伝導し、且つ（ii）前記加熱された第２の作動流体を排出するように構成された作動流体加熱器と、
前記排出された第１の作動流体及び前記排出された第２の作動流体を受け取るように構成されたタービンと、
を更に備えた、請求項３記載のシステム。
【請求項６】
前記第２の経路に導かれた前記冷却された他の気体から、捕捉されたＣＯ２を除去するように構成されたＣＯ２除去器を更に備えた、請求項３記載のシステム。
【請求項７】
第１の気体通路及び第２の気体通路を含む、空気を予熱するための予熱器を有する熱発生システムを動作させる方法であって、
作動流体を加熱して第１の気体及び該気体内に同伴された残留する第１の固体を発生させるために、化石燃料の流動層を燃焼させるステップと、
前記発生した第１の気体から前記同伴された第１の固体を分離するステップと、
前記空気を予熱するために前記第１の気体通路を介して前記分離された第１の気体のみを導くことによって、前記導かれた第１の気体を冷却するステップと、
前記冷却された第１の気体を第１の経路に沿って導くステップと、
化石燃料の層を前記予熱された空気で流動化するステップと、
を含み、
前記方法は、非ＣＯ２捕捉モードのみにおいて、前記分離された第１の固体から熱を伝導して、前記分離された第１の固体を冷却し、且つ前記作動流体を加熱するために前記冷却された第１の固体を燃焼させるステップを更に含み、
前記方法は、ＣＯ２捕捉モードのみにおいて、
第２の気体を発生させるために前記分離された第１の固体を燃焼させるステップであって、捕捉されたＣＯ２及び残留する第２の固体が前記発生した第２の気体内に同伴されているステップと、
前記発生した第２の気体から前記同伴された第２の固体を分離するステップと、
前記分離された第２の固体の少なくとも一部から熱を伝導して、前記分離された第２の固体を冷却し、且つ前記作動流体を加熱するために前記冷却された第２の固体を燃焼させるステップと、
前記空気を予熱するために前記第２の気体通路を介して前記発生した第２の気体を導くことによって、前記導かれた第２の気体を冷却するステップと、
前記冷却された第２の気体を前記第１の経路とは異なる第２の経路に沿って導くステップと、
前記第２の経路に沿って導かれた前記冷却された第２の気体から、捕捉されたＣＯ２を除去するステップと、
を更に含む、方法。
【請求項８】
捕捉されたＣＯ２を含む第２の気体を発生させるために、前記分離された第２の固体の一部を燃焼させる、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記作動流体が第１の作動流体であり、前記方法は、
前記冷却された第２の気体から第２の作動流体に熱を伝導するステップと、
前記加熱された第１の作動流体及び前記加熱された第２の作動流体でタービンを駆動するステップと、
を更に含む、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
ＣＯ２を捕捉するための熱発生システムであって、
化石燃料の流動層を燃焼させて作動流体を加熱し、第１の気体及び残留する第１の固体を発生させ、前記発生した残留する第１の固体を同伴する前記発生した第１の気体を排出するように構成された燃焼器と、
前記排出された第１の気体から、前記同伴された第１の固体を分離するように構成された第１の分離器と、
前記分離された第１の固体を燃焼させて、第２の気体及び残留する第２の固体を発生させ、前記発生した残留する第２の固体を同伴する前記発生した第２の気体を排出するように構成された反応器と、
前記排出された第２の気体から前記同伴された第２の固体を分離するように構成された第２の分離器と、
空気を予熱するために、前記分離された第１の気体を導くように構成された第１の気体通路、及び前記分離された第２の気体を導くように構成された第２の気体通路を有し、これにより、前記導かれた第１の気体及び前記導かれた第２の気体を冷却する予熱器と、
前記分離された第２の固体の少なくとも一部から熱を伝導することによって、前記分離された第２の固体を冷却するように構成された熱交換器と、
を備え、
前記燃焼器が、前記予熱された空気を供給して、化石燃料の層を流動化するとともに、前記冷却された第２の固体を燃焼させるように更に構成され、
前記予熱器が、前記冷却された第１の気体を第１の経路に導き、前記冷却された第２の気体を前記第１の経路とは異なる第２の経路に導くように更に構成された、熱発生システム。
【請求項１１】
前記反応器が、前記分離された第２の固体の一部も燃焼するように更に構成された、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記作動流体が第１の作動流体であり、前記システムは、
前記第２の経路に導かれた前記冷却された第２の気体から第２の作動流体に熱を伝導するように構成された作動流体加熱器と、
前記加熱された第１の作動流体及び前記加熱された第２の作動流体を受け取るように構成されたタービンと、
を更に備えた、請求項１０記載のシステム。
【請求項１３】
前記システムは、前記第２の経路に導かれた前記冷却された第２の気体から、捕捉されたＣＯ２を除去するように構成されたＣＯ２除去器を更に備えた、請求項１０記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に熱の発生に関する。より詳細には、本発明は、空気燃焼ＣＯ２捕捉対応の流動層熱発生に関する。本発明は、特に、その後のＣＯ２捕捉のための空気燃焼循環流動層熱発生システムの設計に適している。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料を燃焼させるための炉を備えた熱発生システムは、有用な作業を行うことを目的として、制御された熱を発生させるために長く利用されてきた。この作業は、工業若しくは船舶への適用のため、又は電力を生成するタービンの駆動のため、窯炉を用いた直接的な作業の形、又は蒸気発生器を用いた間接的な作業の形となる可能性がある。現代の蒸気発生用の水管炉は、流動層ボイラーを含む様々な種類があり得る。様々な種類の流動層ボイラーが存在するが、全て、反応室内での燃焼前に、気体を注入して固体を流動化させるためにという原理に基づいて動作する。
【０００３】
循環流動層（ＣＦＢ）型ボイラーにおいて、気体、例えば空気が、固体粒子の層を通過し、粒子を互いに分離させる傾向を持った力を生成させる。気体流が増大するにつれ、粒子への力がちょうど分離を生じさせるのに十分である点に達する。そして、固体間の気体のクッションが粒子を自由に移動させて層に液状の特性を与え、この層は流動化される。層のかさ密度は、流動化の時点では比較的高いが、層が燃焼して熱を発生する反応室を通って上方向に流れるにつれて減少する。
【０００４】
ＣＦＢを形成する固体粒子は、一般に、破砕又は粉砕された石炭又は他の固体燃料などの燃料粒子と、破砕又は粉砕された石灰石、ドロマイト又は他のアルカリ土類材料などの吸収剤粒子とを含む。ボイラーの反応室内のＣＦＢの燃焼により、煙道ガス及び灰を生成する。燃焼プロセス中に、燃料内の炭素が酸化され、二酸化炭素（ＣＯ２）が発生することになる。窒素も酸化され、窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生することになる。更に、硫黄が酸化されて、二酸化ナトリウム（ＳＯ２）を形成する。燃焼中に発生したＣＯ２、ＮＯｘ、ＳＯ２及び他の気体は、煙道ガスを形成する。灰は、主として、不活性材料及び吸収剤粒子を含む未燃焼固体から成る。灰又はその一部分は、時として粒子状物質と呼ばれる。灰は、高温煙道ガスに同伴し、上方向流で搬送され、高温煙道ガスにより炉から排出される。この流れの間、煙道ガス中のＳＯ２は、吸収剤によって吸収される。
【０００５】
大気汚染制御（ＡＰＣ）サブシステムは、従来、このような熱発生システムによって生成された煙道ガスから、ＣＯ２、ＮＯｘ、ＳＯ２及び粒子状物質を含む様々な所謂汚染物質を除去するために使用されている。このように、炉から排出される煙道ガスは、煙突に到達し大気に排出される前に、ＡＰＣサブシステムの様々な構成要素に導かれる。ＡＰＣ構成要素の各々は、それ自体で１つのシステムと見なすことができる。例えば、煙道ガスは、遠心式分離器及び／又は静電集塵器により処理されて粒子状物質を除去し、選択触媒還元（ＳＣＲ）システムにより処理されてＮＯｘを除去し、ＳＯ２スクラバーシステムにより処理されてＳＯ２を除去し、ＣＯ２スクラバーシステムにより処理されてＣＯ２を除去することができる。
【０００６】
しかし、排出を低減させる他の方法もある。例えば、ＣＯ２及びＮＯｘの排出は、燃焼プロセス中に酸素を使用することによって低減できることが知られている。より詳細には、２００３年１月１４日発行の「Oxygen Fired Circulating Fluidized Bed Steam Generator」という名称の本出願の譲受人に譲渡された米国特許第６,５０５,５６７号には、ＣＦＢ内の燃料を流動化させるために空気の代わりに酸素を使用するＣＦＢ蒸気発生システムが記載されている。記載されたシステムにより、望ましい最終生成物として且つ燃焼プロセス支援においての両方でＣＯ２の使用が容易となる。米国特許第６,５０５,５６７号の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００７】
記載された手法によれば、実質的に純粋な酸素供給流をＣＦＢ蒸気発生器に導入し、燃料をその実質的に純粋な酸素供給流の存在下で燃焼することで、体積が最大の２つの構成要素としてＣＯ２及び水蒸気を有し実質的にＮＯｘを含まない煙道ガスを生成させる。煙道ガスは、酸素供給流予熱器を通過し、この予熱器は、煙道ガスから酸素供給流へ熱を伝導する。更にまた、煙道ガスは最終生成物部分とリサイクル部分に分離される。煙道ガスの最終生成物部分は、液相でＣＯ２を生成するために冷却・圧縮され、煙道ガスのリサイクル部分は、ＣＦＢ蒸気発生器に導き戻され、その中で燃焼プロセスに寄与する。
【０００８】
米国特許第６,５０５,５６７号に開示された手法は、生成されたＣＯ２を望ましい最終生成物として且つ燃焼プロセス支援において使用する融通性を提供する。また、液体ＣＯ２の生成は、熱発生システムの熱出力を向上させる。しかし、開示された手法がＣＯ２排出を大幅に低減させるために使用できる一方で、将来の政府のＣＯ２排出規制及びこれらの規制を満たすコストに関する懸念から、石炭燃焼熱発生システムの容量を追加することに対する抵抗は各方面で残る。この点に関して、従来式に設計されたＣＦＢ石炭燃焼蒸気発生システムをＣＯ２捕捉のために改造するための投資コストが、１キロワット（ｋＷ）当たり１０００ドル〜１６００ドルの範囲になり得ることが調査で分かった。またＣＯ２捕捉のためのエネルギー損失が、２５％から４０％の範囲になり得ることも調査で分かった。更にまた、特に改造する状況において、システムの敷地自体が、米国特許第６,５０５,５６７号に記載される種類のアーキテクチャを収容するには不十分となる可能性がある。
【０００９】
従って、例えば、更なる電力を生成するために、熱発生システムの高容量化への必要性が認識され、且つ、ＣＦＢ石炭燃焼システムが、このような熱を発生させる効率的な手段であることも認識される一方で、地球温暖化に関する継続中の議論、石炭などの化石燃料の燃焼からのＣＯ２排出に向け高まる注目、そして特に、設備費用及びエネルギー生成低減の両方の面におけるＣＯ２捕捉コストによって、電力容量、ひいては国及び世界に対する電力の供給を増大し得る設置の多くとは言わないまでも一部が間違いなく遅れている。
【００１０】
従って、ＣＦＢ化石燃料燃焼蒸気発生システムによって発生したＣＯ２の捕捉のための新しい手法が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、既知の手法よりも低費用及び/又は高効率で実施することができる、化石燃料燃焼蒸気システム又は他の熱発生システムによって発生したＣＯ２の捕捉のための手法を提供することである。
【００１２】
本発明の更なる目的、利点、新しい特徴は、以下の詳細な説明を含む本開示から、並びに本発明の実施により当業者に明らかになろう。本発明は、好ましい諸実施形態を参照して以下に説明されるが、本発明は、それらに限定されないことを理解されたい。本明細書の教示に接する機会を有する当業者であれば、更なる実装、変更、及び実施形態、並びに他の使用の分野を認識するであろう。これらは、本明細書に開示され、請求されたように本発明の範囲内であり、これらに関して本発明は、著しい有用性を有する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、非ＣＯ２捕捉モード又はＣＯ２捕捉モードで動作可能である熱発生システムは、第１の通路及び第２の通路を含む、空気を予熱するための予熱器を有する。このシステムは、石炭又は別の化石燃料などの化石燃料の流動層を燃焼させて作動流体を熱し、第１の気体を発生させることによって動作する。第１の気体は、単一種の気体、又は複数の異なる種類の気体の組み合せで形成することができるが、最も多くの場合、一般に煙道ガスと呼ばれるものである。流動層は循環流動層（ＣＦＢ）であることが好ましいが、これは必須ではない。この作動流体は、時として第１の作動流体と呼ばれ、水、蒸気、水と蒸気の混合物又は何らかの他の種類の作動流体であり得る。
【００１４】
非ＣＯ２捕捉モードにおいて、発生した第１の気体だけが、空気を予熱するために第１の通路を介して導かれ、これにより、導かれた第１の気体を冷却する。冷却された第１の気体は、第１の経路に沿って導かれ、化石燃料の層が、予熱された空気で流動化される。
【００１５】
一方、本発明の一態様によれば、ＣＯ２捕捉モードで動作した場合、流動層を燃焼させることによって発生した残留固体もまた燃焼され、捕捉されたＣＯ２を伴う第２の気体を発生させる。第２の気体もまた、単一種の気体、又は複数の異なる種類の気体の組み合せで形成することができるが、最も多くの場合、一般に煙道ガスと呼ばれるものである。このモードにおいて、発生した第１の気体が、第１の通路を介して導かれ続けるだけでなく、発生した第２の気体もまた、空気を予熱するために第２の通路を介して導かれ、これにより、導かれた第２の気体も冷却する。冷却された第２の気体は、第１の経路とは異なる第２の経路に導かれ、任意の既知又は他の適切な仕方で、空気予熱器の下流側で処理し、第２の気体中に捕捉されたＣＯ２を除去することができる。
【００１６】
一般に、流動層の燃焼により、残留固体も発生し、これは時として第１の固体と呼ばれ、発生した第１の気体中に同伴される。そのような場合、同伴された固体は、発生した第１の気体から分離されることが好ましく、第１の通路を介して導かれた第１の気体は、分離された第１の気体である。非ＣＯ２捕捉モードにおいて、これらの分離された固体からの熱は、伝導され、それにより、分離された固体を冷却する。これらの冷却された固体もまた、燃焼され、作動流体を加熱する。
【００１７】
ＣＯ２捕捉モードにおいて、分離された第１の固体は、冷却されるのではなく、燃焼されて、第２の気体を発生させ、そして発生した第２の気体中に同伴される残留する第２の固体を生成させることが好ましい。同伴された第２の固体は、発生した第２の気体から分離され、熱が、分離された第２の固体の少なくとも一部から伝導され、これにより、分離された第２の固体を冷却する。ＣＯ２捕捉モードにおいて、これらの冷却された第２の固体もまた、有利には燃焼され、作動流体を加熱する。特に好ましい実施において、分離された第２の固体の一部もまた、燃焼され、捕捉されたＣＯ２を有する第２の気体を発生する。
【００１８】
必須ではないが、有利にはＣＯ２捕捉モードにおいて、熱が、冷却された第２の気体から第２の作動流体に伝導され、これにより、第２の作動流体を加熱する。この第２の作動流体もまた、水、蒸気、水と蒸気の混合物、又は何らかの他の種類の作動流体であり得る。しかし、この作動流体は、第１の作動流体と同じ種類であることが好ましい。次いで、タービンは、加熱された第１の作動流体、並びに加熱された第２の作動流体で駆動することができる。
【００１９】
例示のシステムの実施において、非ＣＯ２捕捉モード又はＣＯ２捕捉モードのいずれかで動作可能である熱発生システムは、化石燃料の流動層を燃焼させて、作動流体を加熱し、煙道ガスを発生させるように構成された、すなわち、大きさを調整され、成形され、及び/又は必要な構成要素を組み込んだ燃焼器を含む。燃焼器はまた、加熱された作動流体及び発生した煙道ガスを排出するように構成される。予熱器は、空気を予熱するために含まれ、排出された煙道ガスを導くための第１の気体通路、及び燃焼器の外部での燃焼によって発生した捕捉されたＣＯ２を有する他の気体を導くように構成された第２の気体通路を有する。燃焼器は、予熱された空気で化石燃料の層を流動化するように更に構成される。非ＣＯ２捕捉モードにおいて、予熱器は、排出された煙道ガスを受け取り、他の気体を受け取らず、第１の通路は、空気を予熱するように受け取った煙道ガスを導き、これにより、受け取った煙道ガスを冷却する。
【００２０】
一方、ＣＯ２捕捉モードにおいて、空気予熱器は、排出された煙道ガス及び他の気体の両方を受け取り、第１の通路は、受け取った煙道ガスを導き、第２の通路は、受け取った他の気体を導いて、空気を予熱し、これにより、煙道ガス及び他の気体を冷却することが好ましい。冷却された煙道ガスは、空気予熱器から第１の経路まで導かれ、冷却された他の気体は、空気予熱器から第１の経路とは異なる第２の経路に導かれる。
【００２１】
上記したように、流動層の燃焼により、一般に、排出された煙道ガス中に同伴される残留固体も発生する。これに相当する場合、システムは、時として第１の分離器と呼ばれる分離器、及び熱交換器も含むことが好ましい。分離器は、遠心式分離器又は他の種類の分離器とすることができる。分離器は、同伴された固体を、排出された煙道ガスから分離させるように構成され、空気予熱器によって受け取られる煙道ガスは、分離された煙道ガスである。熱交換器は、固体から熱を伝導させ、これにより、固体を冷却するように構成される。非ＣＯ２捕捉モードにおいて、熱交換器は、分離器によって分離された固体を受け取り、これらの受け取った固体から熱を伝導させて、これらの固体を冷却する。熱交換器が設けられた場合、燃焼器は、有利には、冷却された固体を燃焼させるように更に構成される。
【００２２】
一方、ＣＯ２捕捉モードにおいて、システムは、反応器及び別の、すなわち第２の分離器も含むことが好ましい。この分離器もまた、遠心式分離器又は他の種類の分離器とすることができる。このモードにおいて、反応器は、分離された固体を第１の分離器から受け取り、受け取った固体を燃焼させ、これにより、捕捉されたＣＯ２及び他の残留固体を有する他の気体を発生させ、他の固体を同伴する発生した他の気体を排出するように構成される。第２の分離器は、排出された他の気体から、同伴された他の固体を分離させるように構成される。熱交換器は、これらの分離された他の固体の少なくとも一部分を受け取る。非ＣＯ２捕捉モードとは異なり、このモードでは、熱交換器は、第１の分離器から分離された固体を受け取らない。従って、ＣＯ２捕捉モードにおいて、熱交換器は、第２の分離器によって分離された、受け取った他の固体だけから熱を伝導させ、これにより、受け取った他の固体を冷却することが好ましい。本発明の更に別の好ましいが、任意選択の態様によれば、反応器は、分離された他の固体の一部分を受け取り、燃焼させるようにも更に構成することができる。
【００２３】
任意選択だが有利には、ＣＯ２捕捉モードにおいて、システムは、空気予熱器から第２の経路まで導かれた冷却された他の気体及び第２の作動流体を受け取るように構成された作動流体加熱器を含むことができる。その場合、加熱器は、受け取った他の気体から、受け取った第２の作動流体まで熱を伝導させ、これにより、第２の作動流体を加熱する。作動流体加熱器は、加熱された第２の作動流体を排出するようにも構成される。タービンは、燃焼器から排出された加熱された第１の作動流体、並びに作動流体加熱器から排出された加熱された第２の作動流体を受け取るように構成することができる。
【００２４】
本発明の好ましい一実施形態において、ＣＯ２捕捉モードで、システムは、空気予熱器から第２の経路まで導かれた冷却された他の気体を受け取り、受け取った他の気体中に捕捉されたＣＯ２を除去するように構成されたＣＯ２除去器を更に含む。
【００２５】
ＣＯ２を捕捉するための例示のシステムの実施において、熱発生システムは、燃焼器、反応器及び空気予熱器を含むことができる。燃焼器は、化石燃料の流動層を燃焼させて作動流体を加熱し、第１の気体及び残留する第１の固体を発生させる。反応器は、発生した第１の固体を燃焼させ、これにより、第２の気体及び残留する第２の固体を発生させる。ここでやはり、空気予熱器は、空気を予熱し、導かれた第１及び第２の気体を冷却するように、発生した第１の気体を導くための第１の気体通路、及び発生した第２の気体を導くための第２の気体通路を有する。また、燃焼器は、予熱された空気を用いて、化石燃料の層を流動化させる。
【００２６】
上記したように、一般に、発生した第１の気体は、その中に同伴された発生した第１の固体と共に燃焼器から排出され、発生した第２の気体は、その中に同伴された発生した残留する第２の固体と共に反応器から排出される。そのような場合、第１及び第２の分離器は、システム内に含まれることが好ましい。第１の分離器は、排出された第１の気体から、同伴された第１の固体を分離させる。従って、第１の気体通路により導かれた発生した第１の気体は、分離された第１の気体であり、反応器により燃焼された発生した第１の固体は、分離された第１の固体である。第２の分離器は、排出された第２の気体から、同伴された第２の固体を分離させる。このため、第２の気体通路により導かれた発生した第２の気体は、分離された第２の気体である。
【００２７】
分離された第２の固体の少なくとも一部分から熱を伝導させるための熱交換器も含まれ、これにより、これらの分離された高温の他の固体を冷却することが好ましい。その場合、燃焼器は、冷却された第２の固体も燃焼させる。任意選択で、反応器は、分離された第２の固体の一部分を燃焼させることもできる。
【００２８】
空気予熱器は、冷却された第１の気体を第１の経路に導き、冷却された第２の気体を異なる第２の経路に導くことが好ましい。その場合、有利には、作動流体加熱器は、第２の経路に導かれた冷却された第２の気体及び他の作動流体を受け取り、受け取った第２の気体から、受け取った他の作動流体へ熱を伝導させ、これにより、他の作動流体を加熱する。タービンは、燃焼器から加熱された作動流体及び加熱器から加熱された作動流体の両方を受け取る。作動流体加熱器が含まれるか否かに関わらず、第２の経路に導かれた冷却された第２の気体だけを受け取り、受け取った第２の気体内に捕捉されたＣＯ２を除去するために、ＣＯ２除去器が含まれていてよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による、二酸化炭素（ＣＯ２）最終生成物を捕捉することができる循環流動層（ＣＦＢ）蒸気発生器を含む空気又は熱発生システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
共通システム構成要素及び関連する動作
図１は、本発明による空気燃焼循環流動層（ＣＦＢ）熱発生システム１００の一例の概略図を示す。ＣＦＢ熱発生システム１００は、空気を使用して化石燃料を燃焼させる。
【００３１】
以下に説明する特定の例示の実施において、化石燃料は微粉炭である。微粉炭の代わりに、他の種類の化石燃料が利用できるが、微粉炭又は石油コークス又はバイオマスなどの高炭素含有の化石燃料を使用するのが好ましいことを理解されたい。作動流体はＨ２Ｏであり、これは、プロセス内の異なる時点で、液体状態、気体状態、又は液体と気体の混合状態であってよい。しかし、ここでやはり、Ｈ２Ｏの代わりに他の種類の作動流体が利用できることを理解されたい。更にまた、様々な構成要素内を流れる作動流体は、同一又は異なる種類とすることができることを理解されたい。
【００３２】
ＣＦＢ熱発生システム１００は、単一サイクル電力発生システムとして動作して、電力を発生させることが可能である。しかし、ＣＦＢ熱発生システム１００は、ＣＯ２捕捉用に構成された場合、複合サイクル電力発生システムとして動作し、電力を発生させ且つ二酸化炭素（ＣＯ２）最終生成物を生成することが可能である。ＣＦＢ熱発生システム１００は、ＣＯ２捕捉用に構成された場合、任意選択で窒素（Ｎｘ）最終生成物を生成することもできる。
【００３３】
ＣＦＢ熱発生システム１００は、ＣＯ２捕捉のためのエネルギー損失を最小化する又は解消する際に特に有利である。実際に、Ｏ２燃焼用に構成された後は、ほぼ同じ正味電気出力を得ることができる。
【００３４】
ＣＦＢ熱発生システム１００は、流動化及び燃料燃焼容器として機能し、時として燃焼器と呼ばれる空気燃焼ＣＦＢ熱発生器１１０を有する。システム１００は、多数の下流側の煙道ガス処理構成要素も含み、その幾つかは、一般に、大気汚染制御（ＡＰＣ）サブシステムの一部と見なされる。
【００３５】
非ＣＯ２捕捉モードとＣＯ２捕捉モードとの間の動作上の変化、及び関連する構成要素のサイズ設定の概要
機能的に、非ＣＯ２捕捉モードとＣＯ２捕捉モードの双方に使用されるＣＦＢ熱発生システム１００の全ての構成要素は、動作の両モードにおいて全く同様に実行する。しかし、後述されるようにＣＯ２捕捉モードで動作する場合、ＣＦＢ熱発生システム１００内で共通に利用される構成要素によって処理されねばならない流れの容量は、非ＣＯ２捕捉モードで動作するＣＦＢ熱発生システム１００内の対応する構成要素によって処理される流れとは異なる。すなわち、流れの体積及び／又は温度などの属性が異なる。例えば、非ＣＯ２捕捉モードにおいて、ＣＦＢ熱発生器１１０からの作動流体１０２の流れは、ＣＯ２捕捉モードにおけるＣＦＢ熱発生器１１０からの作動流体１０２の流れよりも体積が少ない。以下に強調されるように、これらの構成要素の幾つかの場合、非ＣＯ２捕捉モードにおける動作には構成要素自体が幾分大型である、すなわち必要とするよりも大きい必要がある。しかし、その他の構成要素の場合、構成要素の動作制御における調整だけが必要とされ、従って、構成要素は非ＣＯ２捕捉モードにおける動作のためにサイズ設定することができる。
【００３６】
これに応じて、更に以下に説明されるように、ＣＦＢ熱発生システム１００において、幾つかの構成要素は、非ＣＯ２捕捉モードの動作に必要とされるより大きくサイズ設定される。これらの構成要素は、非ＣＯ２捕捉モードにおいて必要とされるより約１０から１５パーセント（１０〜１５％）多くの容量を提供するために大型化されることが好ましい。この余分の容量は、ＣＯ２捕捉モードで動作するときにだけ利用され、従来ＣＯ２捕捉のために費やされた損失を低減させる又は解消する。
【００３７】
タービンを駆動する作動流体を加熱するための流動化及び燃料の燃焼
ＣＦＢ熱発生器１１０は、壁管によって画定される炉を含む。燃料は炉内で燃焼し、熱を発生させる。より詳細には、空気１４２が、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉の低部セグメントに供給される。そこで、空気は流動化して、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉の低部セグメントに供給された燃料と吸収剤との混合物１１４と反応し、こうして燃料の燃焼を助ける。
【００３８】
空気１４２は、示されるように、火床を通り、且つ火床より２つ上のレベルの吸気口を通ってＣＦＢ熱発生器１１０に供給されることが好ましい。更に、燃料と吸収剤との混合物１１４は、空気支援型燃料及び吸収剤供給ノズルを通って炉に供給されることにより、壁貫通開口サイズ及び燃料落し口の詰り可能性を有利に最少化することが好ましい。
【００３９】
燃料と吸収剤との混合物１１４内の燃料の空気燃焼式燃焼により、一般に煙道ガスと呼ばれる高温燃焼気体、及び一般に灰と呼ばれる高温残留固体が発生する。高温固体の幾つかは、炉の底部に落ちる。最終的に、高温の固体１１５として示されたこれらの高温の固体は、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉の底部から従来型の又は他の適切な灰冷却器１１６に排出される。
【００４０】
しかし、生成された高温の固体の多くは、高温燃焼気体内、すなわち煙道ガス内に同伴する。煙道ガスは、そこに同伴する高温の固体を伴い、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉内を上昇し、煙道ガス１０４としてＣＦＢ熱発生器１１０の上部セグメントから排出される。
【００４１】
炉は、燃焼による熱を炉の壁管を流れる作動流体へ伝導することによって、冷却される。上記したように、本例示の実施において、作動流体はＨ２Ｏである。熱が作動流体に伝導されるにつれ、作動流体はＣＦＢ熱発生器１１０の炉の壁管内を上方向流で上昇する。加熱された作動流体１０２は、ＣＦＢ熱発生器１１０の上部セグメントから最終的に排出され、配管により、本実施においてはＣＦＢ熱発生システム１００内に含まれる蒸気タービンであるタービン１９０に導かれる。加熱された作動流体は、タービン１９０を駆動する。タービン１９０は、次いで発電機（図示せず）を駆動し、これにより電気を発生させる。
【００４２】
ＣＦＢ熱発生システム１００がＣＯ２捕捉モードで動作している時、ＣＦＢ熱発生器１１０に導入される化石燃料及び吸収剤１１４’の量は、非ＣＯ２捕捉モードで動作する時にＣＦＢ熱発生器１１０に導入される化石燃料及び吸収剤１１４の量よりも約１０〜１５パーセント（１０〜１５％）増大することが好ましい。よって、化石燃料及び吸収剤１１４及び１１４’をＣＦＢ熱発生器１１０に搬送するための構成要素（図示せず）もまた、非ＣＯ２捕捉モードにおいて化石燃料及び吸収剤１１４をＣＦＢ熱発生器１１０に搬送するのに要するよりも約１０〜１５パーセント（１０〜１５％）容量が上回る必要がある。
【００４３】
ＣＦＢ熱発生システム２００がＣＯ２捕捉モードで動作している時に、ＣＦＢ熱発生器１１０に導入される化石燃料及び吸収剤１１４’の量が増加するため、それに応じて、炉の底部に落ちる高温の固体の量も増加する。最終的に、高温の固体１１５として示されたこれらの高温の固体は、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉の底部から従来型の又は他の適切な灰冷却器１１６に排出され、これは、非ＣＯ２捕捉モードにおける動作に必要とされるよりも約１０〜１５パーセント（１０〜１５％）大きいサイズに設定されることが好ましい。
【００４４】
ＣＦＢ熱発生システム１００が、両方の動作モードでほぼ同量の電力を発生させる予定の場合は、ＣＦＢ熱発生システム１００のタービン１９０は、ＣＯ２捕捉モードで動作する時、非ＣＯ２捕捉モードでの動作に必要とされるよりも約１０〜１５パーセント（１０〜１５％）大きい容量を有する必要がある。タービン容量の増大は、ＣＯ２捕捉モードにおける動作中のタービン１９０内で、非ＣＯ２捕捉モードにおける動作中のタービン１９０内で使用されるものとは異なるブレードを使用することで得ることができる。例えば、非ＣＯ２捕捉モードにおける動作からＣＯ２捕捉モードにおける動作に切り換える前に、タービン１９０のブレード再設置をすることが可能である。従って、タービン１９０のブレード再設置をすることが好ましい。
【００４５】
非ＣＯ２捕捉モードにおけるタービン１９０への加熱された作動流体の流れの体積は、ＣＯ２捕捉モードにおけるものとは異なる。ＣＦＢ熱発生システム１００が、両方の動作モードでほぼ同量の電力を発生させる予定の場合は、ＣＯ２捕捉モードにおけるタービン１９０への流れもまた、非ＣＯ２捕捉モードにおけるＣＦＢ熱発生システム１００のタービン１９０への流れとは異なる。この点に関して、ＣＯ２捕捉モードにおけるＣＦＢ熱発生器１１０からの加熱された作動流体１０２の流れの体積は、非ＣＯ２捕捉モードにおけるＣＦＢ熱発生器１１０からの加熱された作動流体１０２の流れの体積を越える。その上、以下に更に論じられるように、ＣＯ２捕捉モードにおいては、タービン１９０は過熱蒸気２８６の新しい流れも受け取る。
【００４６】
ＣＦＢ熱発生システム１００が、両方の動作モードでほぼ同量の電力を発生させる予定の場合は、タービンの容量を大型化するには、ＣＦＢ熱発生システム１００用の発電機（図示せず）が、非ＣＯ２捕捉モードにおける動作に必要とされるより約１０から１５パーセント（１０〜１５％）多くの容量を有する必要がある。
【００４７】
ＣＦＢ熱発生システム１００が、非ＣＯ２捕捉モード及びＣＯ２捕捉モードの両方のモードでほぼ同量の電力を発生させる予定の場合は、ＣＦＢ熱発生システム１００のボイラー供給流体加熱器、ポンプ及び復水器（全て図示せず）もまた、非ＣＯ２捕捉モードに対して必要とされるよりも相応に大きな容量を有することになる。
【００４８】
固体のリサイクル
煙道ガス１０４は、導管によって、遠心式分離器として示された高温の固体−気体分離器１１８に搬送される。高温の固体−気体分離器１１８は、高温の固体の少なくとも一部を煙道ガスから分離させる。高温の固体−気体分離器１１８は、その壁構造に組み込まれる管を有し、本実施におけるこれらの管を通過する水又は水と蒸気の混合物である作動流体によって冷却されることが好ましい。
【００４９】
高温の固体−気体分離器１１８内で、少なくとも所定のサイズを超える高温の固体は、高温の固体が同伴される高温の煙道ガスから分離されることが好ましい。分離器１１８は一つだけ示されているが、複数の分離器１１８が、しばしば使用されることに留意されたい。分離された高温の固体は、未燃焼燃料、フライアッシュ及び吸収剤を含む。
【００５０】
ＣＯ２捕捉用に構成されない場合、高温の固体−気体分離器１１８からの分離された高温の固体１１２は、重力により、１つ又は両方のリサイクル経路に流れ、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉の低部セグメントに最終的に再導入され、ＣＦＢ熱発生器１１０内で行われる燃焼プロセスを再度受ける。高温の分離された固体１１２ａは、冷却されることなく、一方の経路に沿ってＣＦＢ熱発生器１１０に直接に戻るよう導かれる。高温の分離された固体１１２ｂは、他方の経路に沿って、流動層熱交換器（ＦＢＨＥ）として示される熱交換器１３６を通ってＣＦＢ熱発生器１１０に戻り導かれ、熱交換器で、固体は、発生器１１０に戻る前に作動流体に熱を伝導することによって、冷却される。熱交換器内の作動流体は、要望に応じて、ＣＦＢ熱発生器１１０内の作動流体と同一又は異なる種類であってよいことが認識されよう。単一の熱交換器１３６が示されているが、実施が複数の分離器１１８を含む場合、各分離器に対して別々の熱交換器が、一般に設けられることに留意されたい。
【００５１】
ＣＯ２捕捉用に構成された場合、高温の分離された固体１１２ｂ’は、追加された反応器サブシステムを介して別の経路に沿って重力流でＣＦＢ熱発生器１１０へ戻るように導かれ、そこで、高温の分離された固体１１２ｂ’は、熱交換器１３６に、そして最終的に発生器１１０に戻る前に更に処理される。反応器２１０、高温の固体−気体分離器２１８及び後部煙道２２２を含む追加された反応器サブシステムについては、以下に更に詳細に説明される。ＣＯ２捕捉用に構成された場合、高温の分離された固体１１２ｂは、熱交換器１３６に導かれないことが好ましい。
【００５２】
１つ又は複数の流動化送風機１７６が、流動化空気１７７又は１７７’を熱交換器１３６に供給するよう機能する。ＣＯ２捕捉用に構成されない場合、流動化空気１７７は、交換器１３６から離れる冷却された固体１１２ｃ及び他方の経路上を移動する高温の固体１１２ａを流動化し、リサイクルのために、これらの流動化された固体をＣＦＢ熱発生器１１０に送り込む。リサイクルされた固体は、発生器１１０中のＣＦＢ内に注入され、そこで燃焼される。
【００５３】
一方で、ＣＯ２捕捉用に構成された場合、流動化空気１７７’は、交換器１３６から離れる冷却された固体２１２ｃ及び他方の経路上を移動する高温の固体１１２ａを流動化し、リサイクルのために、これらの流動化された固体をＣＦＢ熱発生器１１０に送り込む。ここでやはり、リサイクルされた固体は、発生器１１０中のＣＦＢ内に注入され、そこで燃焼される。
【００５４】
分離された固体１１２が、組み合わされた高温の固体−気体分離器１１８の低部セグメントから導かれ、システム１００がＣＯ２捕捉用に構成されるか否かに関わらず、１つ又は複数の灰制御バルブ（図示せず）が、利用可能な２つの経路間の分離された固体の流れを制御するために一般に使用される。上記したように、いずれの場合でも、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉の低部セグメントに対して、経路の１つは、直接的接続を提供し、他方の経路は、間接的接続を提供する。
【００５５】
この点に関して、一方の経路に沿って搬送される分離された固体１１２ａは、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉の低部セグメントに直接的に供給される。一方、他方の経路に沿って搬送される分離された固体１１２ｂ又は１１２ｂ’は、熱交換器１３６を通過した後に、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉の低部セグメントに間接的に供給される。上記のように、ＣＯ２捕捉用に構成された場合、分離された固体１１２ｂ’は、追加された反応器サブシステム２１０，２１８を通過後に初めて、間接的に熱交換器１３６に、そしてそこから炉１１０の低部セグメントに供給される。
【００５６】
分離器１１８から搬送された分離された固体１１２ｂ、又は追加された反応器サブシステムから搬送された分離された固体２１２ａは、説明されている例示の実施において熱交換器１３６内に配置された管内を流れる水又は水と蒸気の混合物である作動流体に熱を伝導することによって、熱交換器１３６で冷却され、ＣＯ２捕捉用に構成された場合、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉の低部セグメントに導かれる冷却された固体１１２ｃ又は冷却された固体２１２ｃとなる。任意の従来型又は他の適切な手法を使用して、２つの利用可能な経路間の分離された固体の流れ及び分岐を制御することによって、分離された固体は、一方の経路又は他方の経路に沿って、或いは同時に複数の経路に沿って、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉の低部セグメントに供給することができ、こうして固体の冷却されていない流れ、及び／又は固体の冷却された流れが、ＣＦＢ熱発生器１１０に戻る。その結果、この制御により、再循環された固体の流れを受け取ることによってＣＦＢ熱発生器１１０内の温度を制御することができる。
【００５７】
流動化空気の予熱
高温の固体のいかなる残余、例えば、所定のサイズ未満である高温の固体も、高温の固体−気体分離器１１８から後部煙道１２２までの導管によって導かれた分離された煙道ガス１０６内に同伴されたままで残る。後部煙道１２２は、その壁構造に組み込まれた管を有し、これらの管を流れる作動流体によって冷却される。説明されている例示の実施において、この作動流体は、水又は水と蒸気の混合物であるが、所望に応じて別の種類の作動流体が使用可能である。後部煙道１２２において、更なる熱伝導動作が実行され、煙道ガス及び全ての同伴された高温の残余固体が冷却される。更に、導管により、冷却された煙道ガス１５０が後部煙道から予熱器１４４に導かれ、予熱器は、ＣＦＢ熱発生器１１０に供給されている流動化空気を予熱することができる。予熱器１４４は、無漏出の管状予熱器であることが好ましい。後部煙道から予熱器１４４に流れる煙道ガス１５０は、窒素に富むことが認識されよう。ＣＯ２捕捉用に構成された場合、流動化空気１８８又は１８８’は、ＣＦＢ熱発生器１１０の炉に導入される前に、導管によって予熱器１４４に導かれることが好ましい。
【００５８】
予熱器は、利用可能な２つの別個の気体通路を含む。通路１４４ａは、いずれの動作モードにおいても、空気を予熱するために煙道ガス１５０を導くためのものである。通路１４４ｂは、ＣＯ２捕捉の動作モードにおいてのみ、やはり空気を予熱するために気体２５０を導くためのものである。ＣＯ２捕捉用に構成されない場合、予熱器１４４は、後部煙道１２２から搬送された煙道ガス１５０のみから流動化空気１８８に熱を伝導する。一方、ＣＯ２捕捉用に構成された場合、予熱器１４４は、後部煙道１２２から搬送された煙道ガス１５０及び追加された反応器サブシステムの後部煙道２２２から搬送された気体２５０の両方から流動化空気１８８’に熱を伝導する。いずれの場合も、流動化空気１８８又は１８８’は、予熱器１４４内で所望の温度に予熱される。示されたように、空気１８８又は１８８’は、一次空気（ＰＡ）ファン又は二次空気（ＳＡ）ファンのいずれかで示される１つ又は複数の送風機１８０によって加圧され、予熱器１４４及び最終的にＣＦＢ熱発生器１１０に送り込まれる。ＣＯ２捕捉用に構成された場合、予熱された空気１４２又は予熱された空気１４２’は、予熱器１４４からＣＦＢ蒸気発生器１１０の炉まで導管によって導かれる。予熱器１４４から離れる、同伴された残余固体を有する冷却された煙道ガス１５４は、予熱器１４４からＡＰＣサブシステムの微粒子除去構成要素１５２まで経路に沿って導管によって導かれる。ＣＯ２捕捉用に構成された場合、予熱器１４４から離れる、追加された反応器サブシステムからの冷却された気体２５４は、以下に詳細に説明されるように、予熱器１４４から更なる処理構成要素に異なる経路に沿って導管によって導かれる。
【００５９】
ＣＦＢ熱発生器１１０に導入される化石燃料の量の増加のため、ＣＦＢ熱発生システム１００が両方の動作モードでほぼ同量の電力を発生させる予定の場合は、ＣＯ２捕捉モードにおいてＣＦＢ熱発生器１１０に送出される空気１４２’の量もまた、非ＣＯ２捕捉モードにおいてＣＦＢ蒸気発生器１１０に送出される空気１４２の量よりも１０から１５パーセント（１０〜１５％）多いことが好ましいことが認識されよう。同様に、予熱器１４４への空気の流れ１８８と比較して、空気流１８８’の体積の対応する増加も必要である。
【００６０】
下流側の煙道ガスの処理
静電集塵器システム（ＥＰＳ）として示された微粒子除去構成要素１５２は、冷却された煙道ガス１５４内にまだ同伴されている比較的細かい固体を除去する。微粒子除去構成要素１５２を出た煙道ガス１５８は、誘引通風（ＩＤ）ファンとして示された送風機１６２に、更なる導管を介して搬送される。
【００６１】
送風機１６２を出た全ての煙道ガス１６４は、排気筒に到達する前にＡＰＣサブシステムの追加的構成要素を一般に通過して、更なる導管を介して排気筒（図示せず）に向けて搬送される。
【００６２】
配管及び導管
上記を鑑みて、当業者には十分に理解されるように、ＣＦＢ熱発生システム１００が両方の動作モードでほぼ同量の電力を発生させる予定の場合は、ＣＦＢ蒸気システム１００の作動流体の配管（図示せず）、並びに空気及び煙道ガスの導管（図示せず）はまた、非ＣＯ２捕捉モードにおいて必要とされるよりも相応に大きな容量を有することになる。
【００６３】
ＣＯ２捕捉用の改造及び関連する動作上の変更
ＣＦＢ熱発生システム１００は、任意の特定の時点で、ＣＯ２捕捉用に構成されてよく、又は構成されなくてよい。しばしば、初期動作は非ＣＯ２捕捉モードにおいてなされる。そのような場合、ＣＦＢ熱発生システム１００は、ＣＯ２捕捉モードでの動作用に後で容易に改造することができる。上記したように、ＣＯ２捕捉を容易にするために、図１で任意選択として示された様々な構成要素２００がシステムに追加される。より詳細には、ＣＦＢ熱発生システム１００は、並列供給流体加熱器（ＰＦＦＨ）２８２、ガス冷却器２６０、送風機２６２、気体処理構成要素２６６、並びに反応器２１０、高温の固体−気体分離器２１８及び後部煙道２２２を含む追加された反応器サブシステムで構成される。ＣＯ２捕捉モードでのＣＦＢ熱発生システム１００内の動作上の流れにおけるこれらの構成要素及び関連する変更は、以下に説明される。
【００６４】
タービンを駆動する追加的作動流体を加熱する下流側の気体処理
ＣＯ２捕捉用に構成された場合、説明されている例示の実施において並列供給水加熱器（ＰＦＷＨ）であるＰＦＦＨ２８２が、追加的な導管を介して予熱器１４４を出た冷却された気体２５４を受け取る。ＰＦＦＨ２８２は、本実施において液体状態でのＨ２Ｏ、すなわち、一般に給水と呼ばれるものである供給作動流体２８４に気体２５４から熱を伝導する。熱の伝導は、供給作動流体２８４が、所望の温度にまで加熱されるように、既知又は他の手法を使用して制御することができる。ＰＦＦＨ２８２において、供給作動流体の状態は、液体から気体、たとえば水から蒸気に変化することが好ましい。次いで、加熱された作動流体２８６の流れは、タービン１９０に導かれる。タービン１９０は、ＰＦＦＨ２８２からの低レベル熱回収のために装備され、圧縮機中間冷却器の設備を有することが好ましい。ＰＦＦＨ２８２を出た煙道ガス２５９は、導管によってガス冷却器２６０に導かれる。
【００６５】
Ｈ２Ｏを除去する下流側の気体処理
ここで、ＣＯ２捕捉モードにおいて、追加された反応器サブシステムの後部煙道２２２を出る気体２５０の体積が最大の２つの構成要素は、システムが石炭燃焼の場合、ＣＯ２及びＨ２Ｏであることは留意するに値する。しかし、気体２５０はまた、一部のＮＯｘ、例えばＮＯ２を含む傾向にある。以下に更に説明されるように、気体のこの組成は、追加された反応器サブシステムの反応器２１０内で生じる反応に起因する。
【００６６】
ガス冷却器２６０において、気体２５９のＨ２Ｏ蒸気の一部は凝結される。ガス冷却器２６０は、気体２５９を逆流する相対的により冷たい水に接触させて配置することによって、上記を行うことが好ましく、これにより、気体２５９中の比較的大幅な割合のＨ２Ｏ蒸気は液体の水に凝結し、煙道ガスから分離する。更なる処理の前に、ガス冷却器２６０が、気体２５９を可能な限り最も低い温度にまで冷却することが有利であり得る。こうして、ガス冷却器２６０は、受け取った気体２５９に対し冷却、凝結、Ｈ２Ｏ分離を行った後、その時点で主にＣＯ２を含有する脱水された気体２６１を排出する。脱水された気体２６１は、導管によって送風機２６２に導かれる。
【００６７】
ＣＯ２及びＮ２を捕捉するための下流側の気体処理
送風機２６２を出た気体２６４は、更に処理ができる位置に導かれる。より詳細には、気体２６４は、回収サブシステム２６６に導かれる。回収サブシステム２６６は、液体のＣＯ２最終生成物が商業的な応用に適切となるように気体２６４内でＣＯ２を液化する動作が可能な液体回収構成要素を含む。液体ＣＯ２生成物は、例えば、原油増進回収（ＥＯＲ）のために使用する、又は分離することができる。
【００６８】
回収サブシステム２６６は、凝結できない窒素及び酸素を回収するための回収構成要素を含むことが好ましい。その場合、これらの回収構成要素は、窒素（Ｎ２）生成物及び酸素（Ｏ２）を気体２６４から生成するように動作可能である。液体ＣＯ２生成物と同様に、Ｎ２生成物は、例えば、ＥＯＲのために使用する、又は分離することができる。実施に応じて、あらゆる回収されたＯ２を追加された反応器サブシステムの反応器２１０へ導き戻すことが望ましい可能性がある。
【００６９】
追加された反応器サブシステム
−システム構成要素及び関連する流れ−
上記のように、追加された反応器サブシステムは、反応器２１０、高温の固体−気体分離器２１８及び後部煙道２２２を含む。ＣＯ２捕捉モードで動作するとき、高温の固体の流れ１１２ｂ’は、分離器１１８から反応器２１０まで、好ましくは重力によって導かれる。ＣＦＢ熱発生器１１０内の燃焼によって生じた灰は、ＣａＳＯ４及びＣａＯに富むことが認識されよう。破砕又は粉砕された石炭又は他の固体燃料などの燃料粒子を含む固体粒子と、破砕又は粉砕された石灰石、ドロマイト又は他のアルカリ土類材料などの吸収剤粒子とが、燃料と吸収剤の混合物１１４”を形成し、これも反応器２１０に供給される。一部の実施において、反応器２１０に炭酸カルシウムなどの吸収剤を個別に又は高温の固体１１２ｂ’及び／又は燃料と吸収剤の混合物１１４”と共に注入することは有利であり得る。送風機１８０からの流動化空気１４２’の流れも反応器２１０の低部に導かれる。
【００７０】
燃料と吸収剤の混合物１１４”内の燃料は、高温の固体１１２ｂ’内のあらゆる固体粒子の燃料と共に、反応器２１０内で燃焼し、これにより熱が発生する。より詳細には、空気１４２’は、反応器２１０の炉の低部セグメントに供給される。そこで、空気１４２’は、反応器２１０の炉の低部セグメント内に供給される高温の固体１１２ｂ’及び燃料と吸収剤の混合物１１４”を流動化し、これらと反応し、こうして燃料の燃焼を助ける。
【００７１】
反応器から排出される気体２０４がＣＯ２に富むように、様々な手法が、反応器２１０の動作を制御するために使用できる。例えば、反応器２１０内で生成されたその気体は、反応器を通過する際に、ＣａＯ、すなわち石灰石を充填することができ、こうして、この気体は、以下の反応を用いて、煙道ガス内に含まれるＣＯ２を捕捉するように、あらゆる吸収剤及び入ってくる煙道ガスに含有されるＣａＯに接触する状態に置くことができる。
ＣａＯ＋ＣＯ２＝＞ＣａＣＯ３
【００７２】
反応器２１０が再循環高速流動層反応器である場合、気体移動時間は、所望のＣＯ２捕捉効率に依存する。このような種類の反応器におけるＣＯ２捕捉効率は２０から８０パーセント（２０〜８０％）の範囲で、気体移動時間が１０秒未満、固体移動時間が数分であると報告されている。２００４年５月１８日に発行された「Method Of Simultaneously Reducing CO2 And SO2 Emissions In A Combustion Installation」という名称の、本出願の譲受人に譲渡された米国特許第６,７３７,０３１号には、本明細書に記載されたＣＦＢ熱発生システム１００における使用に容易に適合できる種類の再循環高速流動層反応器及び関連する分離器が記載されている。米国特許第６,７３７,０３１号の開示全体が、参照によって本明細書に組み込まれる。
【００７３】
反応器２１０から離れる排出された気体２０４内にある固体の一部は、遠心式分離器として示された固体−気体分離器２１８内で抽出される。捕捉されたＣＯ２含有量の一部、及び分離された固体を除去された他の部分を有する気体２０６が、分離器２１８から排出され、後部煙道２２２に導かれる。
【００７４】
分離された固体２１２は、組み合わされた高温の固体−気体分離器２１８の低部セグメントから導かれる。そこから、分離された固体２１２の一部分を、異なるリサイクル経路に沿って導くことができる。この点に関して、分離された固体２１２ｂが、リサイクルのために、重力によって反応器２１０に直接戻ることが好ましい。しかし、分離された固体２１２ａは、熱交換器１３６に導かれ、そこで、ＣＦＢ熱発生器１１０にリサイクルする前に冷却される。分離器１１８からの流れの制御に関して以前に説明されたように、１つ又は複数の灰制御バルブ（図示せず）を使用して、２つの経路間の分離された固体の流れを制御する。
【００７５】
ＣＦＢ熱発生器１１０の炉の低部セグメントに間接的に導く経路に沿って搬送された分離された固体２１２ａは、熱交換器１３６に供給され、そこで、以前に論じたように作動流体によって冷却される。これらの固体は、主としてＣａＳで形成されることが認識されよう。分離器１１８からの高温の分離された固体１１２ａと共に、冷却された固体２１２ｃは、送風機１７６からの空気１７７’によって流動化され、リサイクルのためにＣＦＢ熱発生器１１０に送り込まれる。ここでやはり、任意の従来型又は他の適切な手法を使用して、分離された固体２１２ａの流れを制御することにより、熱交換器１３６内の温度は、制御することができる。これにより、ＣＦＢ熱発生器１１０から離れる作動流体１０２の温度を制御することが可能になる。
【００７６】
更に、分離器２１８からの全てのリサイクル経路に沿った高温固体の流れを制御することによって、反応器２１０の温度は、制御することができる。より詳細には、制御された体積分の非冷却の固体２１２ｂが反応器２１０に戻るように、分離器２１８から離れる再循環された固体２１２の流れ及び分岐を２つの経路間で制御することが、反応器２１０内の温度の制御を助ける。
【００７７】
分離された高温の固体２１２は、反応器２１０及び／又はＣＦＢ熱発生器１１０に戻る前に、ＣＯ２及びＳＯ２捕捉に対する固体の反応性を改善するために、例えば、水又は水蒸気を追加する、或いはナトリウム塩などの反応促進剤を追加するなどの処理を任意選択で施すことができる。
【００７８】
後部煙道２２２は、その壁構造に組み込まれた管を有し、これらの管中を流れる作動流体によって冷却される。説明されている例示の実施において、この作動流体は、水又は水と蒸気の混合物であるが、所望に応じて別の種類の作動流体が使用可能である。後部煙道２２２において、更なる熱伝導動作が実行され、気体及び全ての同伴された高温の残余固体が冷却される。更に、導管により、煙道ガス２５０は後部煙道から予熱器１４４に、そしてそこから上で論じた下流側の処理構成要素に導かれる。
【００７９】
ＣＯ２捕捉モードにおいて構成され且つ動作する場合、作動流体出力及び温度を非ＣＯ２捕捉モードにおける動作中に得られたものよりも相応に増大させるために、ＣＦＢ熱発生器１１０及び熱交換器１３６への空気の量により、ＣＦＢ熱発生システム１００全体の速度が、非ＣＯ２捕捉モードにおける動作中の速度よりも約１０から１５パーセント（１０〜１５％）大きくなるように、送風機１７６及び１８０を調整することが好ましい。
【００８０】
従って、上述の本発明の実施形態は、既知の手法よりも低費用及び/又は高効率で、発生したＣＯ２の捕捉を可能にする空気燃焼ＣＦＢ熱発生システムの変換を容易にする手法を提供する。説明された手法により、ＣＯ２捕捉のためのあらゆるエネルギー損失は最少化又は解消さえする。実際に、ＣＯ２捕捉用に構成された後は、ＣＯ２捕捉用に構成されるか否かに関わらず、ほぼ同じ正味電気出力を得ることができる。説明された手法を使用すれば、ＣＯ２捕捉への変換は、空気燃焼ＣＦＢ蒸気発生器の圧力部品、又は空気燃焼ＣＦＢ熱発生システムの他の構成要素への変更を必要としないことに留意されたい。
【００８１】
本発明の実施形態が説明されたが、その一部が先に言及された実施形態の変更は、当業者によってやはり容易に行うことができることを理解されたい。従って、添付の特許請求の範囲によって、本明細書に言及された変更、並びに本発明の真の趣旨及び範囲内に収まる全ての他の変更を含むことが企図されている。
【図１】
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