(57)【要約】【課題】公知の燃焼および汚染制御システムを利用し、低減された汚染物質生成および生み出される残留汚染物質の捕捉と共に、燃費の良いエネルギー生成を提供する。【解決手段】酸素燃料統合型汚染物質除去及び燃焼システムは、燃焼システム及び統合型汚染物質除去システムを含む。燃焼システムはバーナーを有する炉を含む。酸素供給は２１％よりも高い純度で酸素を供給し、炭素ベース燃料供給は炭素ベース燃料を供給する。酸素および燃料は互いに制御された比率で炉の中に供給され、燃焼は３０００度Ｆ（1648.889℃）を超える火炎温度および煙道ガスストリームを生み出すように制御される。統合型汚染物質除去システムは、煙道ガスを冷却液と密接に接触させ汚染物質に満ちた液体ストリームおよびストリッピングされた煙道ガスストリームを生み出す直接接触熱交換器と、ストリッピングされた煙道ガスストリームを受取り圧縮するコンプレッサとを含む。【選択図】図１
2014176851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本願明細書に記載された発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、統合型酸素燃料燃焼および汚染制御システムに関する。さらに詳細には、本発明は、燃焼源からの排出量をゼロ近くにまで効果的に低減するための統合型汚染制御を有する酸素燃料燃焼システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素燃料燃焼システムは、当技術分野で公知である。そのようなシステムは、高い効率エネルギー生成のため、ほぼ化学量論的比率での燃料による、かつ高い火炎温度での燃焼に対して本質的に純粋な酸素を使用する。酸素燃料システムは、発電のための蒸気を生み出すためのボイラーにおいて、および改鋳のためにアルミニウムを溶解するアルミニウムリサイクルのような産業上の背景において使用される。酸素燃料燃焼は、廃棄物焼却および他の産業上、かつ環境上の用途に対して使用され得ることが考えられる。酸素燃料技術およびこの技術に対する使用は、Ｇｒｏｓｓの特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４において開示され、それらのすべては、本出願と共有に係り、本明細書において参考として援用されている。
【０００３】
有利にも、酸素燃料燃焼は、酸素の供給源として、空気よりもむしろ酸素を使用するので、生み出される煙道ガスの付随的な減少がある。さらに、燃焼は、ＮＯｘ燃焼生成物がほぼゼロであるように実行され、これはほとんど独占的に、燃料由来の窒素が原因であるように実行される。つまり、酸素の供給源として、空気よりも酸素が使用されるので、体積流がより少なくなり、かつＮＯｘの形成に寄与する窒素もない。
【０００４】
酸素燃料燃焼は、燃費の良い、排出量が低減されたエネルギー生成を提供するが、燃焼プロセスの間に生み出されるかなり実質的な排出量がなおも存在する。さらに、空気の代わりに酸素を使用することにより、気体の体積はより小さいので、他の汚染物質の濃度はより高い。例えば、ＳＯｘおよび微粒子物質の質量は変化しないが、低減された全体的な体積のために、濃度が高くなる。
【０００５】
汚染制御または除去システムは、当技術分野において公知である。これらのシステムは、例えば、煙道ガスと沈殿槽およびガス洗浄装置のような下流プロセス機器との間での密接な接触を使用し、微粒子物質、硫黄含有化合物および水銀含有化合物を除去する。他のシステムは連続する汚染物質の圧縮ストリッピングを使用して、汚染物質を除去し、煙道ガスストリームからエネルギーを回復する。そのようなシステムは、本明細書に参考として援用されたＯｃｈｓの特許文献５に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，４３６，３３７号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５９６，２２０号明細書
【特許文献３】米国特許第６，７９７，２２８号明細書
【特許文献４】米国特許第６，８１８，１７６号明細書
【特許文献５】米国特許第６，８９８，９３６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、統合型汚染除去によって小さい煙道ガス体積を生み出す燃焼システムの必要がある。望ましくは、そのようなシステムは、公知の燃焼および汚染制御システムを利用し、低減された汚染物質生成および生み出される残留汚染物質の捕捉と共に、燃費の良いエネルギー生成を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（本発明の簡潔な概要）
統合型酸素燃料燃焼システムおよび汚染物質除去システムは、煙道ガス体積を低減し、ＮＯｘをなくし、凝結性の気体を捕捉する。システムは、空気の導入を実質的に妨げ得るように構成された少なくとも１つのバーナーを備えている炉を有する燃焼システムを含む。酸素供給は、２１パーセントよりも高い所定の純度で酸素を供給し、炭素ベース燃料供給は、炭素ベース燃料を供給する。酸素および燃料は、互いに制御された比率で炉の中に供給される。燃焼は、３０００度Ｆを超える火炎温度を生み出すように制御され、ＣＯ２および他の気体を含む煙道ガスストリームは、燃焼によって生み出された気体化合物を含む燃料に由来しない窒素を実質的に欠いている。
【０００９】
汚染物質除去システムは、煙道ガスを冷却液、好ましくは水と密接に接触させ、汚染物質に満ちた液体ストリームおよびストリッピングされた煙道ガスストリームを生み出す少なくとも１つの直接接触熱交換器を含む。システムは、ストリッピングされた煙道ガスストリームを受取り、圧縮する少なくとも１つのコンプレッサを含む。
【００１０】
好ましくは、システムは、煙道ガスを冷却し圧縮するための一連の熱交換器とコンプレッサとを含む。煙道ガスは、冷却、圧縮され得、ストリッピングされた煙道ガスストリームは、非凝結性の気体および凝結性の気体に分離され得る。凝結性の気体は、大部分がＣＯ２であり、実質的に液体状態に凝結され、かつ隔離され得る。ＣＯ２は、一部分、再循環され得、石炭のような固体燃料を炉の中に搬送する。
【００１１】
汚染物質除去と統合された酸素燃料燃焼方法は、少なくとも１つのバーナーを有し、空気の導入を実質的に妨げるように構成された炉を提供することと、２１パーセントよりも高い所定の純度で酸素を供給する酸素供給を提供することと、炭素ベース燃料を供給する炭素ベース燃料供給を提供することとを包含する。
【００１２】
酸素と炭素ベース燃料のうちのいずれかまたは両方は、化学量論的比率を５パーセント未満だけ超えるように制限され、燃焼は、３０００度Ｆを超える火炎温度、ならびにＣＯ２および他の気体を含み、燃焼によって生み出された気体化合物を含む燃料に由来しない窒素を実質的に欠く煙道ガスストリームを生み出すように制御される。
【００１３】
コンプレッサと直列配列された直接接触熱交換器を含む汚染物質除去システムが、提供される。煙道ガスは、熱交換器の中で、冷却液、好ましくは水と密接に接触させられ、汚染物質に満ちた液体ストリームおよびストリッピングされた煙道ガスストリームを生み出す。ストリッピングされた煙道ガスストリームは、コンプレッサの中に供給され、ストリッピングされた煙道ガスストリームを圧縮する。
【００１４】
好ましい方法において、ストリッピングされた煙道ガスストリームを冷却するステップ、および冷却され、ストリッピングされた煙道ガスストリームを圧縮するステップが実行され、圧縮され、冷却され、ストリッピングされた煙道ガスストリームを隔離する。
【００１５】
本発明は、以下を特徴とする。
（項目１）
酸素燃料統合型汚染物質除去および燃焼システムであって、
燃焼システムであって、少なくとも１つのバーナーを有し、かつ空気の導入を実質的に妨げるように構成された炉と、２１パーセントよりも高い所定の純度で酸素を供給する酸素供給と、炭素ベース燃料を供給する炭素ベース燃料供給と、該酸素および該炭素ベース燃料を互いに制御された比率で炉の中に供給する手段と、該炭素ベース燃料の燃焼を制御して、３０００度Ｆ（1648.889℃）を超える火炎温度、ならびにＣＯ２および他の気体を含み、燃焼によって生み出された気体化合物を含むが燃料に由来しない窒素を実質的に欠く煙道ガスストリームを生み出す手段とを含む、燃焼システムと、
汚染物質除去システムであって、該煙道ガスを冷却液と密接に接触させて、汚染物質に満ちた液体ストリームおよびストリッピングされた煙道ガスストリームを生み出す少なくとも１つの直接接触熱交換器と、該ストリッピングされた煙道ガスストリームを受取り、圧縮する少なくとも１つのコンプレッサとを含む、汚染物質除去システムと
を備えている、システム。
（項目２）
前記冷却液は水である、項目１に記載の統合型燃焼システム。
（項目３）
少なくとも２つのコンプレッサを含む、項目１に記載の統合型燃焼システム。
（項目４）
前記ストリッピングされた煙道ガスストリームは、非凝結性気体および凝結性気体に分離される、項目１に記載の統合型燃焼システム。
（項目５）
前記凝結性の気体は、実質的に液体状態に凝結される、項目４に記載の統合型燃焼システム。
（項目６）
前記実質的に液体状態に凝結された気体は隔離される、項目５に記載の統合型燃焼システム。
（項目７）
前記実質的に液体状態に凝結された気体は、大部分ＣＯ２である、項目６に記載の統合型燃焼システム。
（項目８）
前記炭素ベース燃料は固体燃料であり、前記ストリッピングされた煙道ガスストリームは、一部分再循環され、該炭素ベース燃料を前記炉の中に搬送する、項目１に記載の統合型燃焼システム。
（項目９）
前記ストリッピングされた煙道ガスストリームは、実質的にＣＯ２である、項目８に記載の統合型燃焼システム。
（項目１０）
複数の熱交換器とコンプレッサとを含み、該熱交換器のうちの少なくとも２つは、冷却水を煙道ガスストリームと密接に接触させる直接接触熱交換器であり、少なくとも１つのコンプレッサは、該熱交換器の間で前記ストリッピングされた煙道ガスストリームを圧縮するために該熱交換器の間に配置される、項目１に記載の統合型燃焼システム。
（項目１１）
酸素燃料燃焼システムであって、
燃焼システムであって、外部環境から内部への漏れが実質的にない制御された環境を有し、空気の導入を実質的に妨げるように構成された炉と、所定の純度を有する酸素を供給する酸化剤供給と、炭素ベース燃料を供給し、該酸素または該炭素ベース燃料のいずれかが化学量論的比率を５パーセント未満だけ超える程度に制限された互いとの化学量論的比率で、該酸素および該炭素ベース燃料を該炉の中に供給する手段を含む炭素ベース燃料供給と、該炭素ベース燃料の燃焼を制御して、実質的に窒素を含まない、該酸化剤からの燃焼生成気体化合物を有する、該炉からの煙道ガスストリーム生み出す手段とを有する燃焼システムと、
汚染物質除去システムであって、該煙道ガスストリームを冷却水と密接に接触させ、汚染物質に満ちた液体ストリームおよびストリッピングされた該煙道ガスストリームを生み出す少なくとも１つの直接接触熱交換器と、該ストリッピングされた煙道ガスストリームを受取り、圧縮する少なくとも１つのコンプレッサとを含む、汚染物質除去システムと
を備えている、システム。
（項目１２）
少なくとも２つの熱交換器および少なくとも２つのコンプレッサを含む、項目１１に記載の統合型燃焼システム。
（項目１３）
前記ストリッピングされた煙道ガスストリームは、非凝結性気体および凝結性気体に分離される項目１１に記載の統合型燃焼システム。
（項目１４）
前記凝結性気体は、実質的に液体状態に凝結される、項目１３に記載の統合型燃焼システム。
（項目１５）
前記実質的に液体状態に凝結された気体は隔離される、項目１４に記載の統合型燃焼システム。
（項目１６）
前記実質的に液体状態に凝結された気体は、大部分ＣＯ２である、項目１５に記載の統合型燃焼システム。
（項目１７）
前記炭素ベース燃料は固体燃料であり、前記ストリッピングされた煙道ガスストリームは、一部分再循環され、該炭素ベース燃料を前記炉の中に搬送する、項目１に記載の統合型燃焼システム。
（項目１８）
前記炭素ベース燃料は、石炭ならびに／または石炭および別の個体燃料の混合物である、項目１７に記載の統合型燃焼システム。
（項目１９）
前記ストリッピングされた煙道ガスストリームは、実質的にＣＯ２である、項目１８に記載の統合型燃焼システム。
（項目２０）
複数の熱交換器およびコンプレッサを含む項目１１に記載の統合型燃焼システムであって、該熱交換器のうちの少なくとも２つは、冷却水を煙道ガスストリームと密接に接触させる直接接触熱交換器であり、少なくとも１つのコンプレッサは、該熱交換器の間で前記ストリッピングされた煙道ガスストリームを圧縮するために該熱交換器の間に配置される、項目１１に記載の統合型燃焼システム。
（項目２１）
燃焼および統合型汚染物質除去方法であって、
少なくとも１つのバーナーを有し、かつ空気の導入を実質的に妨げるように構成された炉を提供するステップと、
２１パーセントよりも高い所定の純度で酸素を供給する酸素供給を提供するステップと、
該酸素または炭素ベース燃料のいずれかが化学量論的比率を５パーセント未満だけ超える程度に制限するステップと、
該炭素ベース燃料の燃焼を制御して、３０００度Ｆを超える火炎温度、ならびにＣＯ２および他の気体を含み、燃焼によって生み出された気体化合物を含むが燃料に由来しない窒素を実質的に欠く煙道ガスストリームを生み出すステップと、
コンプレッサと直列配列された直接接触熱交換器を含む汚染物質除去システムを提供するステップと、
該煙道ガスを該熱交換器の中の冷却液と密接に接触させて、汚染物質に満ちた液体ストリームおよびストリッピングされた煙道ガスストリームを生み出し、該ストリッピングされた煙道ガスストリームを該コンプレッサの中に供給して該ストリッピングされた煙道ガスストリームを圧縮するステップと
を備えている、方法。
（項目２２）
前記ストリッピングされた煙道ガスストリームを冷却し、該冷却され、ストリッピングされた煙道ガスストリームを圧縮する、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
前記圧縮され、冷却され、ストリッピングされた煙道ガスストリームを隔離するステップを含む、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
酸素燃料統合型汚染物質除去燃焼システムであって、
燃焼システムであって、少なくとも１つのバーナーを有し、かつ空気の導入を実質的に妨げるように構成された炉と、２１パーセントよりも高い所定の純度で酸素を供給する酸素供給と、炭素ベース燃料を供給する炭素ベース燃料供給と、該酸素および該炭素ベース燃料を互いに制御された比率で炉の中に供給する手段と、該炭素ベース燃料の燃焼を制御して、所望の火炎温度、ならびにＣＯ２および他の気体を含み、燃焼によって生み出された気体化合物を含むが燃料に由来しない窒素を実質的に欠く煙道ガスストリームを生み出す手段とを含む、燃焼システムと、
汚染物質除去システムであって、煙道ガスを冷却液と接触させ、汚染物質に満ちた液体ストリームおよびストリッピングされた煙道ガスストリームを生み出す少なくとも１つの熱交換器と、該ストリッピングされた煙道ガスストリームを受取り、圧縮する少なくとも１つのコンプレッサを含む、汚染物質除去システムと
を備えている、システム。
（項目２５）
前記冷却液は水である、項目２４に記載の統合型燃焼システム。
（項目２６）
１つ以上の熱交換器は、直接接触熱交換器である、項目２５に記載の統合型燃焼システム。
（項目２７）
ボイラーベースの燃焼システムにおいて、前記冷却液はボイラー給水である、項目２５に記載の統合型燃焼システム。
（項目２８）
前記冷却液は、プロセス加熱における使用のために循環させられる、項目２５に記載の統合型燃焼システム。
（項目２９）
前記所望の火炎温度は３，０００°Ｆを超える温度である、項目２４に記載の統合型燃焼システム。
（項目３０）
前記少なくとも１つコンプレッサは、気体を圧縮するために、気体圧縮ステージにおいて使用され、１つより多くの圧縮ステージがある、項目２４に記載の統合型燃焼システム。
（項目３１）
前記熱交換器は、凝結液ストリームを生み出すために、気体から液体への凝結ステージにおいて使用され、１つ以上の凝結ステージがある、項目２４に記載の統合型燃焼システム。
（項目３２）
前記ストリッピングされた煙道ガスは、圧縮され、冷却されて液体を生み出す、項目２４に記載の統合型燃焼システム。
（項目３３）
前記生み出された液体は大部分ＣＯ２である、項目３２に記載の統合型燃焼システム。
（項目３４）  前記ストリッピングされた煙道ガスは、臨界超過の流体にまで圧縮される、項目２４に記載の統合型燃焼システム。
（項目３５）
前記臨界超過の流体は大部分ＣＯ２を含む、項目３４に記載の統合型燃焼システム。
（項目３６）
炭素ベース燃料は固体燃料である、項目２４に記載の統合型燃焼システム。
（項目３７）
前記固体燃料は石炭である、項目３６に記載の統合型燃焼システム。
（項目３８）
前記固体燃料は、少なくとも一部分バイオマスである、項目３７に記載の統合型燃焼システム。
（項目３９）
煙道ガスストリームの一部分は、部分的に、再循環させられて、前記炭素ベース燃料を前記炉の中に搬送する、項目３７に記載の統合型燃焼システム。
（項目４０）
前記煙道ガスストリームの一部分は、部分的に、再循環させられて、対流熱伝導を向上させる、項目２４に記載の統合型燃焼システム。
（項目４１）
複数の熱交換器およびコンプレッサを含む項目２４に記載の統合型燃焼システムであって、該熱交換器のうちの少なくとも１つは、冷却水を前記煙道ガスストリームと密接に接触させ、かつ混合する直接接触熱交換器であり、少なくとも１つのコンプレッサは、該熱交換器の間で前記ストリッピングされた煙道ガスストリームを圧縮するために該熱交換器の間に配置される、項目２４に記載の統合型燃焼システム。
（項目４２）
酸素−化石燃料燃焼システムであって、
燃焼システムであって、外部環境から内部への漏れが実質的にない制御された環境を有し、空気の導入を実質的に妨げるように構成された炉と、所定の純度を有する酸素を供給する酸化剤供給と、炭素ベース燃料を供給し、該酸素または該炭素ベース燃料のいずれかが化学量論的比率を５パーセント未満だけ超える程度に制限された互いとの化学量論的比率で、該酸素および該炭素ベース燃料を該炉の中に供給する手段を含む炭素ベース燃料供給と、該炭素ベース燃料を供給することを助け、かつ熱伝導特性を向上させるための、燃焼生成物の再循環と、該炭素ベース燃料の燃焼を制御して、該酸化剤からの低窒素含有量の、燃焼生成気体化合物を有する、該炉からの煙道ガスストリームを生み出す手段とを有する、燃焼システムと、汚染物質除去システムであって、該燃焼生成物ストリームを冷却水と熱接触させて、汚染物質に満ちた液体ストリームならびに該燃焼生成物中の汚染物質および液体の一部分をストリッピングされた該煙道ガスストリームを生み出す少なくとも１つの熱交換器と、該ストリッピングされた煙道ガスストリームを受取り、圧縮する少なくとも１つのコンプレッサとを含む、汚染物質除去システムと
を備えている、システム。
（項目４３）
少なくとも２つの熱交換器および２つの圧縮ステージを備えている、項目４２に記載の統合型燃焼システム。
（項目４４）
前記煙道ガスストリームは、圧縮および冷却を使用して、２つの構成要素に分離され、そのうちの１つは実質的凝結性蒸気であり、他は実質的に非凝結性の気体である、項目４２に記載の統合型燃焼システム。
（項目４５）
前記凝結性蒸気は液体に凝結される、項目４４に記載の統合型燃焼システム。
（項目４６）
前記凝結性蒸気は臨界超過の流体状態にある、項目４４に記載の統合型燃焼システム。
（項目４７）
前記凝結性蒸気は実質的にＣＯ２である、項目４４に記載の統合型燃焼システム。
（項目４８）
前記煙道ガスストリームは、該ストリームを冷却するためのボイラー給水からの凝結液を使用して冷却されて、凝結が可能になる、項目４４に記載の統合型燃焼システム。
（項目４９）
前記煙道ガスストリームは化学試薬で処理されて、分離の前にＳＯ２を除去する、項目４４に記載の統合型燃焼システム。
（項目５０）
前記凝結性気体ストリームは、化学試薬で処理されて、分離の後にＳＯ２を除去する、項目４４に記載の統合型燃焼システム。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明のこれらの特徴および利点、ならびに他の特徴および利点は、添付の請求項と共に、以下の詳細な記述から明らかである。
【図１】図１は、本発明の原理をテストするために組み立てられた、統合型酸素燃料燃焼および汚染物質除去システムの流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の利益および利点は、以下の詳細な記述および添付の図面を精査した後、当業者にとってより容易に明らかとなる。
【００１８】
（発明の詳細な説明）
本発明は様々な形式での実施形態を許すが、本開示は本発明の例示と考えられ、例示された特定の実施形態に本発明を限定するようには意図されていないという理解によって、本好ましい実施形態が図面で示され、かつこれから記述される。この明細書のこのセクションのタイトル、すなわち「本発明の詳細な説明」は、米国特許庁の要件と関係し、本明細書に開示された主題を限定するようには意味せず、またそのように推論されるべきではないことがさらに理解されるべきである。
【００１９】
Ｇｒｏｓｓへの前述の特許において論じられたように、酸素燃料燃焼システムは、環境に対して悪影響を及ぼさない方法で、火炎の生成（すなわち燃焼）によって熱を生み出すために、燃料源との組み合わせにおいて、実質的に純粋な酸素を使用する。酸化剤によって供給される酸素は、約８５パーセント〜約９９＋パーセントの濃度で使用され得るが、酸素濃度（すなわち酸素供給純度）をできる限り高くすることが好ましい。
【００２０】
そのようなシステムにおいて、高純度酸素が化学量論的な比率で燃料源と共に、炉の中のバーナーの中に供給される。酸素および燃料は点火され、燃料に蓄えられたエネルギーを解放する。本開示の目的により、炉を指すものは、化石（炭素ベース）燃料を燃焼させる任意の産業用または商業用ヒートジェネレータを含むように広く解釈されるべきである。例えば、発電に対する水管壁ボイラー、および産業用の直火炉は、酸素燃料燃焼システムを使用するものと考えられる。好ましいシステムにおいて、酸素濃度または純度は、温室ガスの生成を低減するために実用的である限りできるだけ高くされる。
【００２１】
本質的にいかなる燃料源でも使用され得ることが考えられる。例えば、酸素は、炉における燃焼のために天然ガスと共に供給され得る。考えられる他の燃料源は、精油および廃油を含む油、木材、石炭、炭塵、廃物（生ごみ）、動物廃棄物および製品などを含む。当業者は、本酸素燃料システムに対して使用され得る無数の燃料源を認識する。
【００２２】
燃焼に対して酸素を供給するための酸化剤として、本質的に純粋な酸素ではなく、空気を使用する従来の燃焼プロセスと比較して、酸素燃料システムは、大きく低減された全体的な流れ通過量を有する。空気の酸素成分（約２１パーセント）は燃焼で使用され、一方、残りの成分（本質的に窒素）は、炉の中で加熱され、炉から排出される。さらに、本プロセスは、燃料に対する化学量論的な比率で、酸素を使用する。つまり、燃料に比例する充分な酸素しか供給されず、燃料の完全燃焼を確実にする。従って、「超過」酸素は、燃焼システムの中に供給されない。
【００２３】
酸素燃料燃焼システムを使用して多くの利点および利益が達成される。向上した効率（または逆に、同等な電力量を生み出すための低減された燃料消費）は別にして、気体の低減された入力により、煙道ガスの体積の劇的な減少がある。２１パーセントが酸素である空気を使用することと、純粋な酸素を使用することとの間の相違に基づいて、酸素燃料燃焼システムを使用する場合の体積流量は、従来の空気供給燃焼システムと比較して、約５分の１（１／５）である。さらに、不燃関連物質（例えば、超過酸素または窒素）によって吸収されるエネルギーがないので、基礎をなすプロセスに対して、より多くのエネルギーが利用可能である。
【００２４】
有利にも、低減された気体の体積（従って煙道ガス体積）は、炉またはボイラーにおける気体の滞留時間を増加させ、熱伝導に対するさらなる機会を提供する。
【００２５】
全体的な煙道ガス体積が極めて大きく低減されたことにおいて、別の方法では利用不可能であるか、または実用的ではない非常に効率的な下流プロセシングが今、大規模な産業および発電の環境において使用され得る。
【００２６】
従って、本発明は、微粒子の飛沫同伴と統合されたＨ２ＯおよびＣＯ２の凝結、およびＳＯ２を含む他の汚染物質の溶解および凝結による複数の汚染物質の除去と共に、酸素燃料燃焼を使用する。そのような汚染物質除去のシステムおよび方法は、前述のＯｃｈｓらへの特許に開示されている。
【００２７】
汚染物質の除去を１つのプロセスに合体させることはコストを下げ、かつそのようなシステムの動作に対する電力の必要量を低減する可能性を有する。酸素およびアルゴンを含む非凝結性燃焼生成物が、燃焼生成物に存在し得る。酸素燃料燃焼システムは、化学量論でまたはこの近く（好ましくは、化学量論の５パーセント以内）で動作されるが、酸素が煙道ガスに存在し得る。アルゴンは、空気分離プロセス（生成された酸素に残る）から来ることもあり得る。幾らかの比較的少量の窒素も、燃料由来のものとして、または下にあるプロセス機器の中に漏れて入り込む空気として存在し得る。
【００２８】
Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、ＳＯｘ、および極微ではあるがＮＯｘのような凝縮可能な蒸気は、燃焼プロセスにおいて生み出され、凝縮の対象である。この発明における燃焼生成物を指すとき、これらの凝結可能な蒸気および非凝結性気体が、微粒子および他の汚染物質と共に存在すると考えられる。
【００２９】
システムの汚染物質制御部分は、化石燃料燃焼チャンバ（例えばボイラー、炉、燃焼タービンなど）、コンプレッサ、タービン、熱交換器、および酸素の供給源（これは空気分離ユニットであり得る）を有する化石燃料発電所からの燃焼生成物からのエネルギーの改良および回収も達成し得る。当業者は、例えばコンプレッサへの言及は、１つより多くのコンプレッサを含むことを了解し、理解する。
【００３０】
化石燃料発電所の燃焼生成物は、非凝結性気体、例えば酸素およびアルゴンと、凝結性蒸気、例えば水蒸気ならびにＳＯｘおよび（ここでもやはり極微であるが、ＮＯｘ）と、ＣＯ２および汚染物質、例えば微粒子および水銀とを含み得る。汚染物質除去および隔離のプロセスは、一部またはすべての凝結性蒸気の露点よりも低い温度／圧力の組み合わせにまで燃焼生成物を冷却かつ／または圧縮することによって、燃焼生成物の温度および／または圧力を変化させることを含む。
【００３１】
このプロセスは、酸性気体が溶解されかつ／または飛沫同伴された液体を圧縮し、かつ／または燃焼生成物からの酸性気体（例えばＣＯ２およびＳＯ２）を直接的に圧縮するために実行される。汚染物質の一部を溶解させ、このようにして燃焼生成物を回収することがさらに実行される。この開示の文脈において、溶解させるとは、飛沫同伴させることおよび／または溶解させることを意味する。
【００３２】
このプロセスは、凝結性蒸気および酸性気体の凝結および分離を有する１つ以上の冷却および／または圧縮ステップによって反復される。潜在的な熱および／または検知可能な熱のいずれかの形での熱の回収も達成され得る。凝結は、体積および温度を低減させることによって、継続される圧縮に対して必要とされるエネルギーを低減させ、そしてついに、部分的に改良された煙道ガスは、ＣＯ２、ＳＯ２、およびＨ２Ｏが乏しくなる。その後、残りの気体は排出口へ送られる。
【００３３】
化石燃料は、上に論じられたもののうちの任意のものであり得る。特定の例において、汚染物質は、細かな微粒子物質および／または重金属、例えば水銀、バナジウムのような他の金属を含む。
【００３４】
本発明は、煙道ガス再循環および汚染物質除去の間に、省エネルギー技術を適用し、それによって発電システムが効率において実質的に向上し得る方法にも関する。例えば、エネルギー回収のない臨界未満の微粉炭（ＰＣ）システムの場合、性能は、３８．３％の熱効率（ＣＯ２除去のない近代的なシステムに対して）から、２０．０％（ＣＯ２除去を有し、エネルギー回収のないシステムに対して）の低さにまで低下し得る。本発明の一実施形態によるシステムは、エネルギー回収がモデル設計に含まれている場合、２９．６％（ＣＯ２除去に対して）で実行し得る。より良い効率が達成されると予期されている。統合型汚染制御を備えている本酸素燃料燃焼は、新しい構造、電力の再供給、および改良装置に対して適用可能である。
【００３５】
本酸素燃料およびＩＰＲプロセスを使用する例示的なシステムにおいて、下の表に記述された煙道ガスが予測される。煙道ガスは、燃焼領域または炉エリアから出るが、煙道ガスは、そこで、全体的な微粒子除去のためのサイクロン／バッグハウスまたは電気集塵器の中を通る。燃焼気体は次に、直接接触熱交換器（ＤＣＨＸ）の中を通る。このユニットにおいて、煙道ガスはより冷えた液体と接触する。この冷却ステップは、蒸気が凝結することを可能にする。該ステップは、飛沫同伴された可溶性汚染物質および細かい微粒子を溶解させることも可能にし得る。
【００３６】
第１のカラムを出る気体は今、より清浄であり、実質的に汚染物質がない。これらの気体は圧縮され、連続するＤＣＨＸおよび圧縮ステップの中に進み得る。最終的な圧縮、および熱交換ステップが、酸素、アルゴン、および窒素（極微）をＣＯ２から分離するために使用される。さらに、水銀トラップ（ｔｒａｐ）が、ガス状水銀を、大気に放出される前に除去するために使用される。
【００３７】
下の表は、本酸素燃料燃焼およびＩＰＲシステムと、空気を燃料とする従来の燃焼プロセスとの比較として、予期される結果を示す。結果が示すように、開始時における煙道ガスの体積は、入力気流から窒素をなくしたことによって、酸素燃料燃焼システムにおいては少ない。本システムにおいて、ＩＰＲは、連続する圧縮および冷却ステージによって体積および気体の流れを低減させることに役立つ。煙道ガスが、組み合わされたプロセスを前進するにつれて、最終的な生成物は、隔離するために捕捉されたＣＯ２である。
【００３８】
【表１】
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表１のデータから見られ得るように、燃焼生成物の体積は、連続する圧縮および冷却ステージの結果として、有意に低下している。結果は、ＣＯ２の捕捉および次の隔離であり、次の隔離が最終的な目標である。このようにして生じるＣＯ２は、例えば商業用または産業用の用途に蓄えられ得るか、または使用され得る。
【００３９】
テストシステム１０は、ＣＯ２隔離および汚染物質除去を伴う酸素燃料燃焼に対する実際の結果を決定するために構成された。テストシステムの概略が、図１に例示されている。システム１０は、石炭フィード１４（ＣＯ２をキャリアー気体１６とする）、および酸素フィード１８を有する酸素燃料燃焼器１２を含む。石炭は、４０ｐｐｈの速度のＣＯ２と、５２ｐｐｈの速度の酸素によって、毎時２７ｌｂの速度（ｐｐｈ）で供給された。システム１０は、商業用または産業用のシステム（例えば、発電に対する商業用のボイラー）ではなく、テストシステムであったということにおいて、燃焼器１２は冷却水で冷却され、エネルギー／ヒートシンクとして役立った。
【００４０】
燃焼器排気ガス２０は、サイクロン／バッグハウス２２に流れ、そこで灰燼は（２４におけるように）約１ｐｐｈの速度で除去された。灰燼除去２４の後、約１１８ｐｐｈの燃焼気体が、約３００°Ｆ未満であった出口温度で、煙道ガスストリーム２６の中に残った。
【００４１】
残留する煙道ガス２６は次に、直接接触熱交換器２８（第１の熱交換器）に供給された。水（３０で示されている）が、高温の煙道ガスストリーム２６の中に直接的にスプレーされた。冷却水が、一部の熱い水蒸気を凝結させ、可溶性の汚染物質をさらに除去し、微粒子物質を飛沫同伴させた（３２における排出を参照）。約１３ｐｐｈの水蒸気が、第１の熱交換器２８において凝結された−残留する気体３４は、約１０５ｐｐｈの速度で存在した。
【００４２】
第１の熱交換器２８から出た後、残留する気体３４は、第１の、低圧コンプレッサ３６の中に供給（約大気圧の入り口圧力で）され、１平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）につき約１７５ｌｂの圧力で、コンプレッサ３６を出た。圧縮ステージの結果として、気体３８の温度が上昇した。残留する煙道ガスは次に、第２の直接接触熱交換器４０の中に供給され、そこで、残留する煙道ガスは、４２におけるように、冷却水ストリームと密接に接触させられた。退出ストリーム４４は、さらなる約４ｐｐｈの水を放出し、このようにして、約１０１ｐｐｈの退出排気／煙道ガス４４流量を有した。
【００４３】
第２の熱交換器４０の後、気体４４は、第２のコンプレッサ４６において、約２５０ｐｓｉｇにさらに圧縮された。第２の圧縮ステージは温度上昇を生じたが、第３の熱交換ステップは必要ないと、テスト中に決定された。しかし、大規模な動作においては、そのようなさらなる熱交換／冷却ステージは必要であり得ることが理解される。
【００４４】
第３のコンプレッサ４８における第３の圧縮ステージが、次に残留する煙道ガス５０に対して実行され、退出気体ストリーム５２の圧力を約６８０ｐｓｉｇにまで増加させた。気体を搬送する配管システムを介しての周囲への損失は、気体の温度を下げるために十分であるので、ここでもやはり、気体の温度が増加したが、積極的、または直接的な冷却は、必要ではないと決定された。
【００４５】
最終コンプレッサ５２における、気体の最終圧縮が実行され、約２０００ｐｓｉｇにまで気体の圧力を高めた。最終圧縮ステージの後、残留する気体５６は、最終熱交換器である熱交換器５８の中に供給され、そこでストリーム５６の温度は、気体の露点、結果として気体の凝結が始まる点よりも低くされた。主に液化されたＣＯ２（８０ｐｐｈの速度で）である凝結液（６０におけるような）が、抽出され隔離された。本ケースにおいては、ＣＯ２は瓶に詰められ、保持された。
【００４６】
少量のＣＯ２を含んだ非凝結性の気体（６２におけるような）は、水銀フィルタ６４を通され、その後アキュムレータ６６の中に供給された。アキュムレータ６６は、システムの流量の制御における柔軟性を提供した。アキュムレータ６６からの排気ガス６８は、大気に排出された。全体的なシステムからの定常状態に正常化された、アキュムレータ６６からの流量は、約２１ｐｐｈであった。
【００４７】
上に提示された例示的なシステム１０は、テストおよび立証の目的のためであり、圧縮および冷却ステージの数および位置は、特定の所望の設計および／または結果に適するように変えられ、かつその可能性があることは、当業者によって理解される。さらに、様々な化学薬品注入点７０、フィルタ７２、バイパス７４などもシステム１０の中に組み込まれ得、従ってすべてのそのような変化は、本発明の範囲および精神内にある。
【００４８】
ＩＰＲを伴う本酸素燃料燃焼システムの考案された省燃料および他の高められた効率はこのようなものであるので、この組み合わされたプロセスのコストは、現在の燃焼技術に対して競争力があるものと期待されている。さらに、新しい規則上の要件が予想されることにより、発電所の設計者は、アプローチの背後にある経済性を向上させるだけに役立つような、汚染物質除去のために使用される従来のアプローチを再検討することになった。
【００４９】
ＩＰＲを伴う酸素燃料燃焼システムの使用は、多くの産業用および発電用の適用において、同等な電力の出力または熱の生成に対して低減された燃料の消費を提供し得ることが理解される。燃料の効率的な使用（すなわち効率的な燃焼）、および統合型ＩＰＲを伴う、低減された燃料消費は、全体的な動作コストの有意な低減、および他の排気／煙道ガスの低減、隔離された排出を提供する。
【００５０】
酸素を生成する現在のかつ提案された様々な方法と共に、使用し得る様々な産業用燃料、例えば石炭、天然ガス、様々な石油（加熱用油および廃油）、木材、および他のリサイクルされた廃棄物により、当業者は、商業および産業上の適用性に対する本燃焼システムの巨大な可能性を認識する。燃料の選択は、利用可能性、経済的要因および環境上の懸念に基づいてなされ得る。従って、１つの燃料が特定されるのではなく、むしろ無数の、事実炭素ベースのすべての燃料が、本システムに対して適合性がある。従って、統合型ＩＰＲシステムの微粒子除去ステージは、変化し得る。
【００５１】
酸素燃料バーナー（燃焼システム）に対する酸素の供給に関して、例えば低温工学、薄膜システム、吸収ユニット、加水分解など、高純度レベルで酸素を生み出す多くの受容可能な技術がある。すべてのそのような燃料使用、および酸素供給は、本発明の範囲内である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
一般的に、酸素燃料発火燃焼の使用は、現在のまたは伝統的な空気燃料システムに対して、多くの領域で有意な利点を提供する。第１は、燃焼外囲器の中で窒素の妨害を受けることなく、正確な化学量論的レベルで運転する能力である。これは、燃焼用途においてＮＯｘレベルを大きく低減しながら、燃料使用のより高い効率を可能にする。有意にも、同じレベルのエネルギー出力を達成するために、より少ない燃料が必要とされ、これが、全体的な動作コストを低減する。より少ない燃料を使用して同じ電力出力を可能にする際に、当然ながら排出量の低減が生じる。燃料の節約およびより少ない排出量は、本システムによって提供される利益のうちのわずか２つに過ぎない。統合型汚染物質除去（ＩＰＲ）システムと共に、本酸素燃料ＩＰＲシステムは、公知のシステムよりもはるかに高いレベルの効率および汚染制御を提供する。
【００５３】
燃焼器（例えばボイラー）は、統合型ＩＰＲを備えた酸素燃料燃焼システムに関連して設計され、これらのシステムの利益を十分に利用することが期待されている。既存の機器に対する改良または変更も、運営者（例えば公益事業）および環境の両方に、これらの利益のうちの多くを提供することが期待されている。
【００５４】
本開示において、語「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」は、単数と複数の両方を含むものとして解釈されるべきである。逆に、複数の項目への任意の言及は、適切な場合、単数を含むものとする。
【００５５】
本発明の新規な概念の真の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更例および変形例がもたらされ得ることが、前述から認められる。例示された特定の実施形態に関して、限定は意図されておらず、そのように推論されるべきでもないことは理解されるべきである。本開示は、請求項の範囲内に該当するようなすべての変更例を、添付された請求項によってカバーするように意図されている。
【図１】
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【外国語明細書】
2014176851000001.pdf