(57)【要約】【課題】ガス化システムおよび方法を提供する。【解決手段】システムがガス化器を含む。ガス化器は、チャンバと、第１のノズルと、第２のノズルとを含む。第１のノズルは、チャンバの燃焼−還元ゾーン内で燃焼する混合物を生成するために第１の燃料および第１の酸化剤を出力するように構成される。第２のノズルは、チャンバの燃焼−還元ゾーン内で燃焼生成物を還元するために燃焼−還元ゾーン内に還元促進剤を出力するように構成される。【選択図】図１
2014051660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバを有するガス化器と、
前記チャンバの燃焼−還元ゾーン内で燃焼する混合物を生成するために第１の燃料および第１の酸化剤を出力するように構成される第１のノズルと、
前記チャンバの前記燃焼−還元ゾーン内で燃焼生成物を還元するために前記燃焼−還元ゾーン内に還元促進剤を出力するように構成される第２のノズルと
を備えるシステム。
【請求項２】
前記燃焼−還元ゾーンが、前記混合物を燃焼させて前記燃焼生成物を生成させさらにそれと実質的に同時に前記燃焼生成物を還元するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記燃焼−還元ゾーンが、前記第１のノズルからの前記第１の燃料と前記第１の酸化剤との前記混合物の火炎領域を備え、前記第２のノズルが前記火炎領域に直接に到達するように前記促進剤を出力するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記燃焼−還元ゾーンが、前記第１のノズルからの前記第１の燃料と前記第１の酸化剤との前記混合物の火炎領域を備え、前記第２のノズルが前記火炎領域の周りに円周状に渦流れとして前記促進剤を出力するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記還元促進剤が、第２の燃料、蒸気、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記第１および第２のノズルが前記ガス化器の上側ドーム部分内に配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記第１のノズルが前記ガス化器の上側ドーム部分内に配置され、前記第２のノズルが前記ガス化器の中間部分内に配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記第１のノズルが、火炎領域内に火炎を生成するために第１の方向に前記第１の燃料および前記第１の酸化剤を出力するように構成され、前記第２のノズルが、前記火炎領域を急冷するために前記火炎領域内の第２の方向に前記還元促進剤を出力するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記第１および第２の方向が互いに一体に収束する、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１および第２の方向が約９０度の角度で互いに一体に収束する、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１のおよび第２の方向が鋭角で互いに一体に収束する、請求項９記載のシステム。
【請求項１２】
前記第２の燃料ノズルが前記ガス化器の前記チャンバ内に調整可能な深さを有する、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
前記第２の燃料ノズルが、前記ガス化器の内壁を基準として、突出位置と、同一面位置と、窪み位置との間で、選択的に移動される、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
システムであって、
ガス化制御装置であって、
ガス化器のチャンバの燃焼−還元ゾーン内で燃焼する混合物を生成するように構成される第１のノズルからの、第１の燃料および第１の酸化物の第１の出力と、
前記チャンバの前記燃焼−還元ゾーン内で燃焼生成物を還元するように構成される、前記燃焼−還元ゾーン内への第２のノズルからの還元促進剤の第２の出力と
を制御するように構成されるガス化制御装置
を備えるシステム。
【請求項１５】
前記ガス化制御装置が、前記混合物を燃焼させて前記燃焼生成物を生成させさらにそれと実質的に同時に前記燃焼生成物を還元するように前記第１出力および前記第２の出力を制御するように構成される、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記ガス化制御装置が、前記第１の燃料ノズルを通る前記第１の燃料と前記第２の燃料ノズルを通る第２の燃料との燃料比を制御するように構成され、前記還元促進剤が前記第２の燃料を含む、請求項１４記載のシステム。
【請求項１７】
前記ガス化制御装置が、前記ガス化器の前記チャンバ内での前記第２の燃料ノズルの調整可能な深さを制御するように構成される、請求項１４記載のシステム。
【請求項１８】
ガス化器のチャンバの燃焼−還元ゾーン内で燃焼する混合物を生成するための第１のノズルからの第１の燃料および第１の酸化剤の第１の出力を制御するステップと、
前記チャンバの前記燃焼−還元ゾーン内で燃焼生成物を還元するための、前記燃焼−還元ゾーン内への第２のノズルからの還元促進剤の第２の出力を制御するステップと
を含む方法。
【請求項１９】
前記混合物を燃焼させて前記燃焼生成物を生成させさらにそれと実質的に同時に前記燃焼生成物を還元するように前記第１出力および前記第２の出力を制御するステップを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の燃料ノズルを通る前記第１の燃料と前記第２の燃料ノズルを通る第２の燃料との燃料比を制御するステップを含み、前記還元促進剤が前記第２の燃料を含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
チャンバを有するガス化器と、
前記ガス化器内に物質を出力するように構成されるノズルであって、前記ノズルが、前記ガス化器の前記チャンバ内に調整可能な深さを有し、前記調整可能な深さが、前記ガス化器の内壁を基準として、突出位置と、同一面位置と、窪み位置とを含む、ノズルと
を備えるシステム。
【請求項２２】
前記ノズルに結合され、前記突出位置と、前記同一面位置と、前記窪み位置との間で前記ノズルを移動させるように構成される駆動装置を含む、請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
前記駆動装置に結合される制御装置を備え、前記制御装置が、前記ガス化器が運転されるときに前記ノズルの前記調整可能な深さを制御するように前記駆動装置を動作させるように構成される、請求項２２記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題はガス化器に関し、より詳細には、ガス化器の効率および運転性を向上させるシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス化器は、炭質材料を、合成用ガスまたは合成ガスと称される一酸化炭素と水素との高温混合物に変換する。合成ガスは、発電システムまたは化学物質生成システムなどの１つまたは複数の下流側の用途設備を経由する。不都合には、合成ガスの組成が下流側の用途に適合しないかまたはそれらの用途に最適でない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０１８２７７８号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
当初に特許請求された本発明の範囲に相応する特定の実施形態を以下で概説する。これらの実施形態は、特許請求される本発明の範囲を限定することを意図されず、むしろ、これらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な概要を提供することのみを意図される。実際には、本発明は、以下に記載される形態と同様であってよくまたは異なっていてもよい種々の形態を包含することができる。
【０００５】
第１の実施形態では、システムがガス化器を含む。ガス化器は、チャンバと、第１のノズルと、第２のノズルとを含む。第１のノズルは、チャンバの燃焼−還元ゾーン内で燃焼する混合物を生成するために第１の燃料および第１の酸化剤を出力（ｏｕｔｐｕｔ）するように構成される。第２のノズルは、チャンバの燃焼−還元ゾーン内で燃焼生成物を還元するために燃焼−還元ゾーン内に還元促進剤（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｐｒｏｍｏｔｅｒ）を出力するように構成される。
【０００６】
第２の実施形態では、システムがガス化制御装置（ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）を含む。ガス化制御装置は、ガス化器のチャンバの燃焼−還元ゾーン内への第１の出力および第２の出力を制御するように構成される。第１の出力は、燃焼−還元ゾーン内で燃焼する混合物を生成するように構成される第１のノズルからの第１の燃料および第１の酸化剤を含む。第２の出力は、燃焼−還元ゾーン内で燃焼生成物を還元するように構成される第２のノズルからの還元促進剤を含む。
【０００７】
第３の実施形態では、一方法が、ガス化器のチャンバの燃焼−還元ゾーンへの第１の出力および第２の出力を制御することを含む。第１の出力は、燃焼−還元ゾーン内で燃焼する混合物を生成するための第１のノズルからの第１の燃料および第１の酸化剤を含む。第２の出力は、燃焼−還元ゾーン内で燃焼生成物を還元するための第２のノズルからの還元促進剤を含む。
【０００８】
第４の実施形態では、システムが、チャンバを有するガス化器を含む。ガス化器はガス化器内へ物質を出力するように構成されるノズルを有し、ここでは、このノズルがガス化器のチャンバ内に調整可能な深さを有し、この調整可能な深さが、ガス化器の内壁を基準とした、突出位置と、同一面位置と、窪み位置とを含む。
【０００９】
本発明のこれらのおよび別の特徴、態様および利点は、複数の図面を通して同様の符号が同様の部品を示している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、より良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガス化器を含むガス化システムの一実施形態を示す概略図である。
【図２】ガス化器の燃焼−還元ゾーン内に１つまたは複数のフィード（ｆｅｅｄ）を出力するように構成される一次ノズルまたは二次ノズルを示している、図１のガス化器の一実施形態を示す図である。
【図３】ガス化器の上側ドーム部分内に配置される一次ノズルと、ガス化器の中間部分に配置される複数の二次ノズルとを示している、図２のガス化器の一実施形態を示す図である。
【図４】ガス化器の上側ドーム部分内に配置される一次ノズルおよび二次ノズルを示している、図２のガス化器の一実施形態を示す図である。
【図５】多様な軸方向位置においてガス化器の周りに円周上に配置される複数の二次ノズルを示している、図１のガス化器の一実施形態を示す部分断面図である。
【図６】ガス化器の燃焼−還元ゾーン内への出力に渦を加えるように位置決めされる複数の二次ノズルを示している、図１のガス化器の一実施形態を示す部分断面図である。
【図７】ガス化器の内壁から燃焼−還元ゾーン内へ突出するノズルを示している、図２のガス化器の一実施形態を示す部分断面図である。
【図８】ガス化器の内壁と同一面のノズルを示している、図２のガス化器の一実施形態を示す部分断面図である。
【図９】燃焼−還元ゾーンから離れた、ガス化器の内壁から窪んだノズルを示している、図２のガス化器の一実施形態を示す部分断面図である。
【図１０】ガス化器の調整可能ノズルの位置を調整するための制御システムの一実施形態を示す概略図である。
【図１１】図１０の調整可能ノズルの一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下では、本発明の１つまたは複数の特定の実施形態を説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では実際の実装形態のすべての特徴が説明されなくてもよい。任意のこのような実際の実装形態を開発する際には、あらゆる工学的計画または設計計画と同様に、実装形態ごとに変化し得るシステム関連の制約および事業関連の制約の遵守などの開発者固有の目標を達成するために、実装形態に固有の多数の決定が行われなければならない。さらに、このような開発努力が複雑で時間を要するものである可能性があるが、これが、本開示の利益を享受する当業者にとっての設計、製作および製造の通常の仕事であることを認識すべきである。
【００１２】
本発明の種々の実施形態の要素を導入する際、冠詞「ひとつの（ａ）」、「ひとつの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」および「前記（ｓａｉｄ）」は、それらの要素が１つまたは複数存在することを意味することを意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は包含的であることを意図され、列記される要素以外に追加の要素が存在し得ることを意味することを意図される。
【００１３】
本開示は、ガス化器の生成物の予定リスト（ｐｒｏｄｕｃｔ  ｓｌａｔｅ）（例えば、メタンの生成量または合成ガスの組成）を調整するためのシステムおよび方法を対象とする。詳細には、ガス化器は、炭質フィードストック（ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ  ｆｅｅｄｓｔｏｃｋ）および酸化剤をガス化器内へ出力するための一次ノズルを含み、これらの炭質フィードストックおよび酸化剤が燃焼して火炎を生成する。火炎は、一般に、ガス化器内に火炎領域を画定する。本明細書で使用される「燃焼する（ｃｏｍｂｕｓｔ）」および「燃焼（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）」という用語は、反応剤が完全におよび／または部分的に燃焼すること（すなわち、反応剤が酸化すること）を意味する。例えば、燃料および酸素は、燃焼して（例えば、その後の酸化により熱分解することにより部分的に燃焼して）一酸化炭素および水素を生成することができる。詳細には、合成ガスの一部が酸化剤と反応して火炎および高温ゾーンを生成する。炭質フィードストックの一部が火炎から熱を吸収して酸化剤と反応する。酸化反応には、例えば反応１から３が含まれてよい：
ＣＯ＋０．５Ｏ2→ＣＯ2  （反応１）
Ｈ2＋０．５Ｏ2→Ｈ2Ｏ（反応２）
Ｃ＋０．５Ｏ2→ＣＯ  （反応３）
炭質フィードストック内の蒸発したチャーが火炎領域内の蒸気と反応して還元反応を介して合成ガスを生成する。これらの還元反応には例えば反応４〜６が含まれてよい：
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２  （反応４）
ＣnＨm＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ2  （反応５）
Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ  （反応６）
したがって、酸化および還元は燃焼−還元ゾーン内で同時に起こり得る。言い換えると、フィートストックの一部が酸化されて火炎を生成し、別の一部が還元されて合成ガスとなる。
【００１４】
ガス化器の二次ノズルは火炎領域内に同様のまたは異なる炭質フィードストックを出力し、それにより火炎領域を急冷する。認識されるであろうが、火炎領域を急冷することにより、メタンを生成するのに好都合である強固な還元環境が生成される。本明細書で使用される「還元する」という用語は、ガス化器内で起こる還元反応を意味するものとする。例えば、合成ガスは、還元促進剤を使用することを介して、還元されてメタンとなることができる。一次ノズルおよび二次ノズルによって出力されるフィードストックの量は、火炎領域内でのメタンの生成量を調整するために制御され得る。概して、火炎領域はガス化器の燃焼−還元ゾーンを画定し、ここでは、燃焼反応（例えば、合成ガスを生成すること）および還元反応（例えば、メタンを生成すること）が同時に起こる。このように反応が同時に起こることによりガス化器の効率が向上する。詳細には、開示される実施形態は、共通の領域内または空間内で実質的に同時に燃焼反応および還元反応を促進するものであり、すなわち、１段階の燃焼−還元プロセスを促進するものであり、第１のタイミングおよび第１のロケーションにおいて第１の段階として燃焼反応を起こして次いで第２のタイミングおよび第２のロケーションにおいて第２の段階として還元反応を起こすようなことはしない。その結果、燃焼プロセスおよび還元プロセスが単一段階として組み合わされることにより、ガス化器の効率、性能および全体の出力（例えば、メタンの生成量）を大幅に向上させることができる。
【００１５】
次に図を参照すると、図１は、１つまたは複数の下流側の用途のための合成ガスおよびメタンを生成するように構成されるガス化器１２を備えるガス化システム１０の一実施形態を示す。例えば、下流側の用途は、発電システム１４、化学物質生成システム１６、または別の用途１８であってよい。特定の実施形態では、発電システム１４が、合成ガスを燃焼させ、タービンを使用して燃焼生成物から仕事を抽出することができ、または、化学物質生成システム１６が、合成ガスを反応させて追加のメタンを生成することができる（例えば、メタン化装置（ｍｅｔｈａｎａｔｏｒ））。
【００１６】
示されるように、ガス化器１２は供給システム２０から反応剤を受け取る。供給システム２０は、酸化剤２２（例えば、酸素および／または空気）、フィードストック２４（例えば、石炭、スラリー、石油、ガス）、および、任意選択の減速剤２６（例えば、蒸気）を含む。酸化剤２２、フィードストック２４および減速剤２６は、合成ガスの生成量および／またはメタンの生成量に適する比率でガス化器１２に入る。図２に示されるように、供給システム２０は、ガス化器１２内の複数のロケーションに、酸化剤２２、フィードストック２４および減速剤２６を供給することができる。後で考察するように、供給システム２０の実施形態は、酸化剤２２、フィードストック２４および減速剤２６を噴射するための噴射器を含むことができ、さらに、単一段階での燃焼−還元反応を促進するためにフィードストック２４および／または減速剤２６を噴射するための二次噴射器を有する。
【００１７】
図２は、ガス化器１２のチャンバ３１内に反応剤を出力するための複数のノズル（例えば、一次ノズル２８および二次ノズル３０）を備えるガス化器１２の一実施形態を示す。チャンバ３１は、概して、ガス化器１２の耐火ライニング３３によって画定される。示される実施形態は単一の一次ノズル２８および６つの二次ノズル３０を含むが、ノズルの数は多様であってよい。例えば、ガス化器は、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つまたはそれ以上の一次ノズル２８、および、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つまたはそれ以上の二次ノズル３０を含むことができる。
【００１８】
一次ノズル２８は供給システム３２（例えば、２０）に結合される。供給システム３２は図１の供給システム２０と同様であってもまたは異なってもよい。例えば、一次ノズル２８のための供給システム３２は、ガス化器１２内に、酸化剤２２、フィードストック２４および減速剤２６を出力することができる。別法として、供給システム３２は減速剤２６を含まなくてもよい。一般に、一次ノズル２８は、酸化剤２２とフィードストック２４との混合物を出力し、この混合物がガス化器１２内で燃焼してそれにより燃焼生成物を生成し、さらには火炎３６を生成する。
【００１９】
同様の形で、二次ノズル３０は各々が供給システム３４（例えば、２０）に結合される。供給システム３４は図１の供給システム２０と同様であってもまたは異なってもよい。しかし、特定の実施形態では、供給システム３４は酸化剤２２を含まなくてもよい。例えば、二次ノズル３０は、燃焼生成物をメタンに還元するために火炎領域３８内に還元促進剤（例えば、フィードストック２４および／または減速剤２６）を出力することができる。さらに、二次ノズル３０は、一次ノズル２８と比較して同様のまたは異なるフィードストック２４を出力することができる。例えば、一次ノズル２８は石炭またはコークススラリーを出力することができ、二次ノズル３０はオイルまたは別のドライフィードストックを出力することができる。特定の実施形態では、一次ノズル２８は、全フィードストックの約５０パーセントから約８０パーセントの間または約６０パーセントから約７０パーセントの間でフィードストックをチャンバ３１内に出力することができ、二次ノズル３０は全フィードストックの約２０パーセントから約５０パーセントの間または約３０パーセントから約４０パーセントの間でフィードストックをチャンバ３１内に出力することができる。
【００２０】
二次ノズル３０の各々が火炎領域３８の方に（例えば、火炎３６の方に）方向付けられ、それにより、火炎３６を急冷することが補助され、それにより、燃焼反応によって生成される生成物が火炎３６付近で迅速に還元反応を受けるようになることに留意されたい。後でさらに考察するように、火炎領域３８は火炎３６を含み、概して、ガス化器１２の燃焼−還元ゾーンを画定する。すなわち、ガス化器１２の火炎領域３８（例えば、燃焼−還元ゾーン）内で燃焼反応および還元反応が同時に起こる。例えば、火炎領域３８は、火炎３６と、火炎３６に近接するおよび／または火炎３６の周りにある空間とを含むことができる。燃焼生成物が生成されると、燃焼生成物は火炎領域３８内で迅速に還元されてメタンになる（例えば、数秒またはコンマ数秒）。燃焼反応および還元反応が同時に起こることにより、ガス化器１２の効率が向上する。
【００２１】
火炎領域３８の幾何形状は実施形態ごとに多様であってよい。例えば、火炎３６は軸４１に沿ってガス化器１２内へと長さ４０で延在し、これは、一次ノズル２８から火炎３６の先端４２までで測定される。火炎領域３８は、ガス化器１２の上側ドーム４４から火炎の先端４２まで延在するチャンバ３１の一部分として画定され得る。別法として、火炎領域３８の幾何形状は火炎３６の長さ４０のうちの何パーセントかによって画定されてもよい。例えば、火炎領域３８は、火炎３６の長さ４０を基準として約５０パーセントから約４００パーセント、約１００パーセントから約３００パーセント、または、約１５０から約２００パーセントの長さ分だけ、およびこれらの間にある任意のサブレンジだけ、上側ドーム４４から延在することができる。
【００２２】
加えてまたは別法として、火炎領域３８は火炎３６からの径方向距離３９によって画定され得、これは火炎３６の先端４２または中心４６から測定される。例えば、ガス化器１２のチャンバ３１は半径４８を有する。火炎領域３８は、火炎３６から半径４８の何パーセントかの範囲内で、チャンバ３１の一部分として画定され得る。例えば、火炎領域３８は、火炎３６の中心４６から反対の径方向に径方向距離３９の分だけ延在してよく、この径方向距離３９は、チャンバ３１の半径４８を基準として約２０パーセントから約１５０パーセント、約５０パーセントから約１２０パーセントまたは約８０パーセントから約１００パーセント、およびこれらの間にある任意のサブレンジである。上で言及した幾何形状は例として与えられるものであり、限定することを意図されないことに留意されたい。例えば、火炎領域３８の幾何形状は、火炎３６の温度または圧力、チャンバ３１内の温度勾配、一次ノズル３２を通るフィードストック２４の量などの、追加のまたは別のファクタによって画定されてもよい。
【００２３】
認識されるであろうが、火炎領域３８の幾何形状は、一次ノズル２８および二次ノズル３０によって出力される反応剤の量に基づいて変更され得る。例えば、酸化剤２２およびフィードストック２４の量が増加すると一般には火炎３６の長さ４０は増大し、これは、上で考察したように火炎領域３８にそれに相応する作用をもたらすことができる。火炎領域３８の幾何形状は、メタンの生成量および合成ガスの組成（例えば、水素に対する一酸化炭素の比率）に影響する。したがって、メタンおよび／または合成ガスの生成量を増加または減少させるために一次ノズル２８および二次ノズル３０の出力を調整することが所望される場合がある。この目的のため、バルブ５０が、供給システム３２および３４（例えば、２０）とそれらのぞれぞれのノズル２８および３０との間に配置される。
【００２４】
制御装置５２がバルブ５０（例えば、制御バルブ）に通信可能に結合される。特定の実施形態では、制御装置５２は、プロセッサ５１と、メモリ５５と、メモリ５５上に記憶されて本明細書で説明されるような種々の監視機能および制御機能を実施するようにプロセッサ５１によって実行可能であるコードまたは命令と、を含む。すなわち、メモリ５５は有形の非一時的な機械可読媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ，  ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ，  ｍａｃｈｉｎｅ−ｒｅａｄａｂｌｅ  ｍｅｄｉｕｍ）である。制御装置５２は、センサ５３からの読取値に基づいて一次ノズル２８および二次ノズル３０の出力を調整するようにバルブ５０を絞るための命令を実行することができる。認識されるであろうが、制御装置５２は、温度、圧力、火炎の色、火炎の温度、および／または、ガス化生成物の組成などの、ガス化器１２の種々の運転パラメータ、さらには、供給システム、下流側のシステム（例えば、ガス処理システム）またはそれらの任意の組み合わせの運転パラメータを検出するための命令を実行することができる。例えば、制御装置５２は、フィードストック２４が変化することに反応してバルブ５０を絞るように命令を実行することができる。フィードストック２４の平均分子量を減少させることができ、それにより火炎３６の温度を低下させることができる。センサ５３は火炎の温度が低下することを検出することができ、制御装置５２はそれに反応してバルブ５０を絞ることができ、それにより、二次ノズル３０によって出力される還元促進剤の量を減少させることができる。還元促進剤の量が減少すると（例えば、二次ノズル３０を通るフィードストック２４の量が低下すると）、火炎領域３８が急冷されることが軽減され、それにより火炎領域３８が適切な温度となる。
【００２５】
また、合成ガスおよび／またはメタンの生成量を増加または減少させるために火炎領域３８の温度を制御することが所望される場合がある。詳細には、火炎領域３８の温度は、二次ノズル３０によって出力されるフィードストック２４に対する、一次ノズル２８によって出力されるフィードストック２４の比率（例えば、燃料比）の影響を受ける。例えば、二次ノズル３０を通るフィードストック２４の量が増加することにより火炎領域３８がさらに急冷され、それにより、火炎領域３８の温度が低下する。制御装置５２は、センサ５３によって検出される火炎領域３８の温度に基づいて燃料比を制御するための命令を実行することができる。特定の実施形態では、燃料比は、約０．５から５、約１から４、または、約１．５から２．３、およびこれらの間にある任意のサブレンジの範囲内で制御され得る。
【００２６】
火炎領域３８の幾何形状は、ガス化器１２内での一次ノズル２８および二次ノズル３０のロケーションの影響もうけてよい。図３〜７はノズル２８よび３０の種々の位置を示す。図３〜７に示される実施形態は例として与えられものであり、限定することを意図されないことに留意されたい。例えば、図３〜７のノズルの示される位置および向きは互いに組み合わされてよい。すなわち、ガス化器１２の一実施形態は、図３のノズルを、図４〜７のノズルと完全に組み合わせてまたは部分的に組み合わせて含むことができる。言い換えると、図１〜７の特徴は種々の構成で共に使用されることを意図され、互いに排他的であることを意図されない。
【００２７】
図３は、軸方向において互いにずれている二次ノズル３０を備えるガス化器１２の一実施形態を示す。示されるように、一次ノズル２８は上側ドーム部分４４内に配置される。二次ノズル５４、５６、５８および６０（例えば、３０）はガス化器１２の中間部分６２内に配置される。二次ノズル５４、５６、５８および６０は一次ノズル２８を基準として対応する高さ６４、６６、６８および７０を有する。高さ６４、６６、６８および７０は互いに異なっていてよく、それにより、二次ノズル５４、５６、５８および６０の軸方向において互いにずれる構成が画定される。このように軸方向において互いにずれる構成により、多様な高さにおいて二次ノズル５４、５６、５８、６０が還元促進剤（例えば、フィードストック２４および／または減速剤２６）を火炎領域３８内に出力することができるようになり、それにより、火炎領域３８内の温度をより一様にすることができる（例えば、領域３８内で行われる急冷がより一様になり、また、促進される還元反応もより一様となる）。
【００２８】
さらに、二次ノズル５４、５６、５８および６０は、火炎３６の軸４１を基準として直角７１（例えば、９０度の角度）で還元促進剤を出力することができる。すなわち、一次ノズル２８は第１の方向（例えば、軸４１に沿うかまたは軸４１に平行）に可燃性混合物を出力し、二次ノズル３０は、第１の方向に交差する（例えば、第１の方向に対して垂直な）第２の方向に還元促進剤を出力する。特定の実施形態では、火炎３６の方向および還元促進剤の方向は、図４に関連させて後で考察するように、複数の異なる角度に収束してよい。
【００２９】
図４はガス化器１２の一実施形態を示し、ここでは、一次ノズル２８および二次ノズル７２、７４、７６および７８（例えば、３０）がガス化器１２の上側ドーム４４内に配置される。さらに、二次ノズル８０および８１（例えば、３０）がガス化器１２の中間部分６２内に配置される。示されるように、二次ノズル７２、７４、７６、７８、８０および８１が、火炎３６の軸４１を基準として鋭角８２、８４および８６で還元促進剤を出力する。例えば、鋭角８２、８４および８６は、約０度から約８９度、約１０度から約８０度、約２０度から約７０度、約３０度から約６０度、約４０度から約５０度の間のであってよく、または、還元促進剤を火炎領域３８内に誘導するのに適切な任意の角度であってよい。例えば、鋭角８２および８４は、火炎３６を基準として約０度から約４５度、約５度から約４０度、または、約１０度から約３０度だけ下流方向を向いてよく、角度８６は、火炎３６に逆らってドーム４４の方を向くように約２０度から約７０度、約３０度から約６０、または、約４０度から約５０だけ、上流方向を向いてよい。鋭角８２、８４、８６は、示されるように、二次ノズル７２、７４、７６、７８、８０および８１の間で多様であってよい。鋭角８２、８４および８６で還元促進剤を出力することにより、ガス化器１２内での滞留時間を短縮することができ、それによりガス化器１２の効率または運転性を向上させることができる。さらに、火炎３６に向かう促進剤を、火炎を基準として、上流方向、下流方向、交差方向および／または平行方向に誘導することにより、火炎領域３８内で燃焼反応および還元反応が同時に起こるのを促進することができる。
【００３０】
図５は、軸４１の周りで円周状構成となるように配置される二次ノズル３０を有するガス化器１２の一実施形態を示す。示されるように、二次ノズル３０の１つのサブセットが共通の１つの高さを有し、これは実線のノズル８８で示される。二次ノズル３０の別のサブセットが別の１つの高さ（例えば、軸４１に沿う軸方向位置）を共有し、これは破線のノズル９０で示される。二次ノズル８８および９０の各々は、それらのそれぞれの高さにおいて、軸４１（すなわち、径方向において軸４１に収束する）および火炎３６に直接に到達するように還元促進剤を出力する。上で述べたように、ノズル８８および９０は多様な高さのところにおいて還元促進剤を出力し、それにより、火炎３６の温度をより一様にすることができ（例えば、還元反応を急冷および促進することをより一様にすることができ）、さらには、合成ガスおよび／またはメタンの生成量を制御することを強化することができる。
【００３１】
図６は、領域３８内に火炎３６を中心とした還元促進剤の渦流れを作るように位置決めされる二次ノズル３０を備えるガス化器１２の一実施形態を示す。ここでもやはり、実線のノズル９２は共通の１つの高さ（例えば、軸４１に沿った軸方向位置）を共有し、破線のノズル９４は別の１つの高さ（例えば、軸４１に沿った軸方向位置）を共有する。示されるように、実線のノズル９２は、火炎３６の軸４１からのオフセット位置（ｏｆｆｓｅｔ）９６のところに還元促進剤を誘導するように角度が付けられる。したがって、実線のノズル９２は、軸４１および火炎３６を中心として反時計回りの円周方向の渦９８を有して還元促進剤を出力する。同様の形で、破線のノズル９４は、領域３８内で火炎３６を中心として反時計回りの渦１００を作るようにオフセット位置９６にところに還元促進剤を誘導する。反対の渦方向９８および１００により、還元促進剤をより一様に分散させることができ、それにより火炎領域３８内での動力学を向上させることができる。
【００３２】
図７、図８、図９は、ガス化器１２の内壁（例えば、耐火ライニング３３）を基準とした、二次ノズル３０のそれぞれ突出位置と、同一面位置と、窪み位置とを示す。示されるように、二次ノズル３０はフランジ１０２を介してガス化器１２に結合される。耐火ライニング３３はガス化器１２内を深さ１０３だけ延在する。さらに、図７の突出する二次ノズル１０１（例えば、３０）がガス化器１２内を深さ１０５だけ径方向に延在する。二次ノズルの深さ１０５と耐火ライニング３３の深さ１０３との間の差により、耐火ライニング３３を径方向に通過して延在する突出部分１０４が画定される。突出部分１０４があることにより、燃料が耐火ライニング３３に接触する可能性が低減され、さらには、火炎領域３８を貫通する燃料が増加し、また、耐火ライニング３３に沿うスラグ流れからノズル１０１が保護される。
【００３３】
図８は、ガス化器１２内を径方向に深さ１０９だけ延在する同一面上の二次ノズル１０７（例えば、３０）を示す。二次ノズル１０７の深さ１０９と耐火ライニング３３の深さ１０３はほぼ等しく、したがって、耐火ライニング３３とノズル１０７との接合点のところに概して平滑な表面１０６（すなわち、同一面の接合点）が作られる。この平滑な表面１０６により、二次ノズル１０７が浸食される可能性が低減され、それによりノズル１０７の運転性および／または寿命が向上する。ここでもやはり、深さ１０９は、燃焼−還元プロセスを促進することを目的として促進剤が領域３８の適切なロケーションまで到達するのを容易にするように、選択され得る。
【００３４】
同様に、図９は、ガス化器１２内を径方向に深さ１１２だけ延在する窪んだ二次ノズル１１０（例えば、３０）を示す。示されるように、二次ノズル１１０の深さ１１２は耐火ライニングの深さ１０３より浅く、したがって、耐火ライニング３３内に開口部または凹部１０８が画定される。開口部１０８は二次ノズル１１０を火炎領域１０８の高い温度から遮蔽しており、それにより、二次ノズル１１０の運転性が向上し、燃焼−還元プロセスが促進される。
【００３５】
後でさらに説明するように、ガス化器１２が運転されるときに、突出位置と、同一面位置と、窪み位置との間で二次ノズル３０の深さを調整することが所望される場合がある。例えば、ガス化器１２が起動運転されるとき、二次ノズル３０は液体のフィードストック２４を出力することができる。二次ノズル３０の深さを増大させることにより、突出構成を形成することができ（例えば、突出する二次ノズル１０１）、それにより、液体のフィードストック２４が耐火ライニングに接触する可能性を低減することができる。ガス化器１２が運転温度に達すると、二次ノズル３０の深さを窪み構成まで減少させることができ（例えば、窪んだ二次ノズル１１０）、それにより、二次ノズル３０を火炎領域３８の高い温度から遮蔽することができ、および／または、二次ノズル３０をスラグ流れから保護することができる。
【００３６】
図１０は、ガス化器１２の調整可能な二次ノズル１１６（例えば、３０）の深さ１１５を選択的に調整するための実行可能な命令を有する制御システム１１４の一実施形態を示す。例えば、深さ１１５は矢印１１８および１２０に沿ってそれぞれ増加または減少され得、それにより、突出構成（例えば、突出する二次ノズル１０１）、同一面構成（同一面の二次ノズル１０７）、または、窪み構成（例えば、窪んだ二次ノズル１１０）が得られる。ここでもやはり、制御システム１１４は制御装置５２を含み、制御装置５２はプロセッサ５１およびメモリ５５を含む。命令はメモリ５５上に記憶され、本明細書で説明されるような種々の監視機能および制御機能を実行するためにプロセッサ５１によって実行可能である。
【００３７】
示されるように、制御装置５２は駆動装置１２０に結合され得る。駆動装置１２０は、突出構成と、同一面構成と、窪み構成との間で、調整可能な二次ノズル１１６を移動させる。制御装置５２は、フィードバック１２６によって示されるセンサ１２２および１２４からの入力に基づいて駆動装置１２０の動作を制御するための命令を実行することができる。センサ１２２は調整可能な二次ノズル１１６の位置を検出し、制御装置５２は検出される位置に基づいて駆動装置１２０を調整することができる。同様の形で、センサ１２４は耐火ライニング３３の温度を検出する。制御装置５２は、センサ１２２および１２４を監視するための、センサ１２２および１２４から信号を受け取るための、および、ノズル１１６の位置を調整することを目的として駆動装置１２０を適切に制御するように（例えば、フィルタなどを適用することによって）信号を処理するための、命令を実行することができる。
【００３８】
図１１は、ノズル１１６の深さ１１５を調整するためのねじ山１２８およびＯリング１３０を有する調整可能な二次ノズル１１６の一実施形態を示す。例えば、ねじ切りされる結合部１３２が矢印１３４および１３６に沿って回転され得、それによりそれぞれ、矢印１１８および１２０に沿わせて深さ１１５を増加および減少させることができる。Ｏリング１３０は、ねじ切りされる結合部１３２とノズル１１６との間に気密シールを形成する。調整可能なノズル１１６は、図１０の駆動装置１２０によって手動で作動され得るかまたは自動で作動され得る。
【００３９】
開示される実施形態の技術的効果は、ガス化器１２の火炎領域３８内で燃焼反応および還元反応を同時またはほぼ同時に起こすための調整可能なノズル（例えば、１１６）を含む。このように同時に反応が起こることにより、ガス化器１２の効率が向上する。さらに、ガス化器１２の一次ノズル２８と二次ノズル３０との間の燃料比を調整することにより、ガス化器１２内での合成ガスの生成量および／またはメタンの生成量を調整することができる。
【００４０】
ここに記載される説明は、最良の形態を含めた本発明を開示するために、さらには、任意のデバイスまたはシステムを製造および使用することならびに採用される任意の方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施するのを可能にするために、複数の例を使用する。特許を受けることができる本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者には思い付く別の例を含むことができる。このような別の例は、特許請求の範囲の文字通りの意味と違わない構造的要素を含む場合には、または、特許請求の範囲の文字通りの意味とほぼ違わない等価の構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。
【符号の説明】
【００４１】
１０  ガス化システム
１２  ガス化器
１４  発電システム
１６  化学物質生成システム
１８  別の用途
２０  供給システム
２２  酸化剤
２４  フィードストック
２６  減速剤
２８  一次ノズル
３０  二次ノズル
３１  チャンバ
３２  供給システム
３３  耐火ライニング
３４  供給システム
３６  火炎
３８  火炎領域
３９  径方向距離
４０  長さ
４１  軸
４２  先端
４４  上側ドーム
４６  中心
４８  半径
５０  バルブ
５１  プロセッサ
５２  制御装置
５３  センサ
５４  二次ノズル
５５  メモリ
５６  二次ノズル
５８  二次ノズル
６０  二次ノズル
６２  中間部分
６４  高さ
６６  高さ
６８  高さ
７０  高さ
７１  直角
７２  二次ノズル
７４  二次ノズル
７６  二次ノズル
７８  二次ノズル
８０  二次ノズル
８１  二次ノズル
８２  鋭角
８４  鋭角
８６  鋭角
８８  実線のノズル
９０  破線のノズル
９２  実線のノズル
９４  破線のノズル
９６  オフセット位置
９８  渦方向
１００  渦（方向）
１０１  二次ノズル
１０２  フランジ
１０３  深さ
１０４  突出部分
１０５  深さ
１０６  平滑な表面
１０７  二次ノズル
１０８  凹部
１０９  深さ
１１０  二次ノズル
１１２  深さ
１１４  制御システム
１１５  深さ
１１６  二次ノズル
１１８  矢印
１２０  矢印（駆動装置）
１２２  センサ
１２４  センサ
１２６  フィードバック
１２８  ねじ山
１３０  Ｏリング
１３２  ねじ切りされる結合部
１３４  矢印
１３６  矢印
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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