(57)【要約】      （修正有）【課題】かなりの量のＣＯ2を生成するのを避けるように調整することができ、かつ、ＣＯ2を使用して燃料変換工程におけるＣＯの生成を容易にすることができる方法及びシステムの提供。【解決手段】第１反応器内において炭素質燃料を本質的に並流のパターンで金属酸化物粒子と接触させ、ここで、該粒子は、第１の高い酸化状態から第２の低い酸化状態に還元され、それによってガス状生成物を与え、炭素質燃料を主要Ｃ含有生成物としてＣＯを含む生成物ガス流れに変換する。いくつかの実施形態では、これらの方法及びシステムは、別個の反応でＨ2を生成することもでき、該Ｈ2は、有利には、部分酸化プロセスからのＣＯと混合して合成ガスを与えることができ、続いて、これを使用して燃料及び化学物質を生成することができる。これらの方法及びシステムは、かなりの量のＣＯ2を生成せず、かつ、空気分離ユニットを必要としないように調節できる。【選択図】図３
2014181342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質燃料から主要炭素含有生成物としてＣＯを含むガス状生成物を与える方法であって、第１反応器内において該炭素質燃料を本質的に並流のパターンで金属酸化物粒子と接触させ、ここで、該粒子は、第１の高い酸化状態から第２の低い酸化状態に還元され、それによって該ガス状生成物を与えることを含む方法。
【請求項２】
前記第２の低い酸化状態の金属酸化物粒子を別個の床反応器に移して酸化させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記別個の床反応器に蒸気を導入してＨ2と、第３の中間酸化状態の金属酸化物粒子とを与える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記Ｈ2を前記第１反応器からの前記ガス状生成物中におけるＣＯと混合して合成ガスを与える、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第３の中間酸化状態の前記金属酸化物粒子を、酸素含有ガスとの反応のために第３反応器に移して前記第１の高い酸化状態の金属酸化物粒子を与えてから、前記第１反応器に再度導入する、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記ＣＯの一部に水性ガスシフト反応を施し、そして得られたＨ2と該ＣＯの別の部分とを混合して合成ガスを与えることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
合成ガスを、該合成ガスをその構成成分に分離するためのガス分離ユニットに移動させることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ＣＯ及び前記Ｈ2にフィッシャー・トロプシュプロセス反応を施して有機流体を生成することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
酸素含有ガス流れを前記第２反応器に導入して前記第１の高い酸化状態の金属酸化物粒子を与えてから、前記第１反応器に再度導入する、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１反応器にＣＯ2を導入してブードワ反応によるＣＯの生成を促進させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＣＯに水性ガスシフト反応を施し、そして得られた水素を回収することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＣＯの一部に水性ガスシフト反応を施し、そして得られた二酸化炭素に水素化反応を施すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ガス状生成物をガスタービンに送ることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記炭素質燃料が粒子状固体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記粒子状固体が粉炭を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記金属酸化物粒子が多孔質複合材料中の酸化鉄である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ガス状生成物のＣＯ：ＣＯ2比が少なくとも６０：４０である、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記ガス状生成物のＣＯ：ＣＯ2比が少なくとも６５：３５である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記金属酸化物粒子が移動充填床反応器内に存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記接触工程を移動充填床反応器内で行う、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記接触工程を流動床反応器内で行う、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素質燃料の部分酸化のための化学ループ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景情報
化学ループ方法は、炭素質燃料に保存されるエネルギーを金属酸化物粒子に移し、その後、このエネルギーを別個の反応で放出させるように設計されている。発電のための化学ループ燃焼方法は、過去２０年にわたって興味を持たれている。というのは、生じる二酸化炭素（ＣＯ2）を、空気分離ユニット（ＡＳＵ）の必要なしに隔離することができるからである。
【０００３】
様々なシステム設計及び流動様式、例えば、移動床、流動床及びバブリング床を採用する化学ループ方法がメタン（ＣＨ4）をＣＯ2に変換するために設計されている。
【０００４】
石炭などの固形燃料を移動充填床反応器の中間点に導入して向流パターン（ガスを上方に流し、粒子を下方に流す）を設定し、それにより炭素質燃料を直ちに隔離ＣＯ2及び水（Ｈ2Ｏ）に実質的に完全に転化させることを可能にする移動充填床反応器が米国特許第７，７６7，１９１号及び米国特許出願公開第２００９／００００１９４号に記載されている。酸化鉄（III）（Ｆｅ2Ｏ3）などの金属酸化物が石炭を酸化し、金属酸化物をそれよりも低い酸化状態（例えば、ＦｅＯ）又はさらに遊離金属（Ｆｅ）に還元する反応を行う。還元鉄含有粒子を別の反応器（充填又は流動床反応器を使用する）で酸化させ、該反応器は、元の金属酸化物を完全に再生させ、そして電力用の蒸気を生じさせるために使用できる十分な量の熱を発生させる。
【０００５】
ウエスタンケンタッキー大学の研究者は、移動床とバブリング流動床（ＢＦＢ）との組み合わせを使用して石炭のような固形燃料を完全に酸化させる化学ループ方法を開発した。
【０００６】
化学ループガス化方法は、ＣＯ2の他に水素ガス（Ｈ2）を生成するように設計されている。例えば、例えば、Ｃａｒｂｏｑｕｉｍｉｃａ研究所の研究者は、流動床中における酸化ニッケル粒子がＣＨ4及びＨ2Ｏを主要生成物として合成ガス、すなわちＨ2と一酸化炭素(ＣＯ)との混合物に変換するガス化方法について記載した。燃料の流れはＨ2Ｏを含む。というのは、Ｈ2の生成は、設備及びプロセスの目的産出生成物だからである。
【０００７】
炭素質燃料、特に石炭などの固体を、ＣＯ2が主要Ｃ含有生成物でなく、またＡＳＵを備えることを必要としないガス状生成物に変換することができる化学ループ方法は、重要な商業的関心ごとであることに変わりない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，７６7，１９１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／００００１９４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで説明する方法、システム及び設備は、炭素質燃料を、燃料変換方法の主要Ｃ含有生成物としてのＣＯに変換するために使用できる。有利には、ＡＳＵを、方法、システム及び設備に含める必要はない。
【００１０】
いくつかの実施形態では、方法及びシステムは、別々の工程又は反応でＨ2を生成することができ、このＨ2を燃料変換方法からのＣＯと一緒にして合成ガスを与え、次に、この合成ガスは、フィッシャー・トロプシュ（Ｆ−Ｔ）方法などの技術を使用して有機流体(例えば、燃料及び化学物質)を生成するために使用できる。
【００１１】
これらの方法及びシステムは、かなりの量のＣＯ2を生成するのを避けるように調整することができ、かつ、少なくともいくつかの実施形態では、ＣＯ2を使用して燃料変換工程におけるＣＯの生成を容易にすることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一態様では、炭素質燃料の部分酸化が主要転化生成物としてＣＯをもたらす化学ループ方法を提供する。この転化は、金属酸化物粒子の存在下で実行でき、次に、これを別の容器内で再生(酸化)した後に燃料転化容器に戻すことができる。好ましくは、転化は、炭素質燃料と金属酸化物粒子が同じ方向、すなわち、並流パターンで移動する間に生じる。
【００１３】
非常に発熱性の再生工程によって発生した熱を容器に移すことができ、そこで吸熱燃料転化工程が実行される。このような熱伝達は、粒子運動、反応槽の適切な配置（すなわち近接)及び循環熱転移流体のいずれか一つ以上を通して生じ得る。
【００１４】
また、上記方法の再生部分は、Ｈ2を発生させるように適合させることもできる。このシナリオでは、全化学ループ方法の２つの主要生成物が合成ガスの主要成分であり、このことは、該方法を、さまざまな他の合成及び／又は発電方法に適合し、かつ、それらと統合することを可能にする。
【００１５】
ここで説明する化学ループ部分酸化システム及び方法は、それ自体が他の方法でも役立つ主反応生成物を発生させる。これらの相違及び得られる利点は、従来利用可能な化学ループ燃焼及びガス化システムの簡単な説明並びに実施形態の図面及びこれらを説明する明細書に示された本発明のシステム及び方法の詳細な説明を参照することによってより完全に説明され、かつ、容易に理解される。
【００１６】
本明細書のこれら及び他の非限定的態様を以下で具体的に説明する。
【００１７】
ここで、周囲のテキストが明らかに反対の意図を示さない限り、ガスの流れ、流入物又は生成物に関してパーセンテージで与えられているいかなる値も容量パーセント（ｖ／ｖ)であると同時に、パーセンテージで与えられる他のすべての値は、重量パーセント(ｗ／ｗ)である。また、数に関して使用されるときの「〜」の記号は、周りの文脈によって決定される意味を有し、かつ、数それ自体のみならず、少なくとも問題の特定の量の測定値に一般的に関連する誤差の程度を含む。
【００１８】
具体的に参照された任意の特許及び／又は公開された特許出願の関連部分を引用によりここに含めるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、従来技術の化学ループ燃焼システムの略図である。
【図２】図２は、還元金属酸化物粒子を再酸化させるのに多段階プロセスを使用する従来技術の化学ループ燃焼システムの略図である。
【図３】図３は、望ましくは小量のＣＯ2を生成する本発明の化学ループ部分酸化システムの実施形態の略図である。
【図４】図４は、還元金属酸化物粒子を再酸化させるために多段階方法を使用する本発明の化学ループ部分酸化システムの実施形態の略図である。
【図５】図５は、化学ループ部分酸化システムの実施形態と一体化したＦ−Ｔプロセスにより有機流体を与えるためのシステムの略図である。
【図６ａ】図６aは、化学ループ部分酸化システムの実施形態と一体化した水性ガスシフト(ＷＧＳ)プロセスによりＨ2を与えるためのシステムの略図である。
【図６ｂ】図６ｂは、天然ガス(メタン)を燃料として使用する化学ループ部分酸化システムの実施形態と一体化したＷＧＳプロセスによりＨ2を与えるシステムの略図である。
【図７】図７は、ＷＧＳプロセス及び化学ループ部分酸化システムの実施形態と一体化したＦ−Ｔプロセスにより有機流体を与えるためのシステムの略図である。
【図８】図８は、化学ループ部分酸化システムの実施形態と一体化したＷＧＳ及びＣＯ2水素化プロセスにより有機流体を与えるためのシステムの略図である。
【図９】図９は、化学ループ部分酸化システムの実施形態と一体化したガス及び蒸気タービンを備える発電システムの略図である。
【図１０】図１０は、化学ループ部分酸化システムの実施形態と一体化した電力及びＨ2生成システムの略図である。
【図１１】図１１は、化学ループ部分酸化システムの実施形態と一体化した燃料電池の略図である。
【図１２ａ】図１２ａは、鉄がその様々な酸化状態で存在するときのＣＯ／ＣＯ2分圧平衡曲線のプロットである。
【図１２ｂ】図１２ｂは、鉄がその様々な酸化状態で存在するときのＨ2／Ｈ2Ｏ分圧平衡曲線のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
詳細な説明
既存の技術及び／又は本開発を図式的に表すため、その組立体又は部品の相対的サイズ及び寸法を示すことを意図しない添付図面を参照することにより、ここで説明する方法及び装置のより完全な理解を得ることができる。これらの図面及び以下の説明では、同様の数字表示は、同様の機能の部品を指す。該説明では明確にするために特定の用語を使用しているが、これらの用語は、図面における例示のために選択された実施形態の特定の構造のみに言及すること目的とするものではなく、また、本発明の範囲を定義又は限定することを目的とするものでもない。
【００２１】
図１は、従来技術の化学ループ燃焼システムについて図式的に示すものである。燃焼に必要な酸素がガス状Ｏ2の形態(そのまま又は空気の成分として)で供給される直接燃焼システムとは異なり、化学ループ燃焼システム１０は、酸素原子を、式ＣxＨyＸz（式中、ｘは正の整数であり、ｙ≦２ｘ＋２であり、ｚはゼロ又は正数であり、Ｘは、Ｃ及びＨ以外の１種以上の任意の元素(例えば、Ｏ、Ｓ、Ｈｇなど)を表す。）によって表すことのできる炭素質燃料に供給するために燃料転化反応器１１において金属酸化物の粒状物を使用する。この燃料は、固体、液体又は気体であることができ、或いは固体、液体又は気体を含むことができ、その例としては、石炭、原油又はその精製品、オイルリッチ固形物、例えばシェールサンド又はオイルサンド、バイオマス、炭化水素濃厚ガス(例えば、天然ガス)、ＣＯ、石油コークス、燃料電池からの廃ガスなどが挙げられるが、これらに限定されない。固体又は液体燃料は、金属酸化物によって与えられた酸素によって酸化される前に、任意にガス化できる（図１及びそれに続く図面における燃料転化反応器１１への燃料の入口点は、示される箇所に限定することを意図するものではない。略図は、単に、インプットとアウトプットを示すことを意図するにすぎず、添付したテキストが別のことを示さない限り、必ずしも位置的関係を示すものではない。）。
【００２２】
燃料転化反応器１１は、さまざまな設計のうち任意のものであることができ、その例としては、移動又は固定床反応器、1つ以上の流動床反応器、ロータリーキルンなどが挙げられるがこれらに限定されず、全て、〜１０００℃から〜１５００℃の動作温度に耐えることができる材料から構成され、好ましくは、例えば耐火ライニングを施すことによって熱損失を最低限に抑えるように設計及び構成される。燃料転化反応器１１は、典型的には、〜６００℃から〜１２００℃の温度及び〜０．１から〜２０ＭＰａの圧力で動作する。燃料転化反応器内における滞留時間は、例えば、〜０．１から〜２０時間、一般には〜０．２から〜１０時間、典型的には〜０．３から〜５時間まで広く変化する。
【００２３】
移動床反応器は、典型的には、下向きに移動する密に充填された固体金属酸化物粒子を使用すると同時に、燃料及び生成物ガスは上方向、すなわち、対向流接触パターンで移動する。上記米国特許第７，７６７，１９１号及び米国特許出願公開第２００９／００００１９４号は、この流れパターンを、燃料転化反応器１１の頂部付近に金属酸化物粒子を導入すると同時に、粉炭などの固形燃料をそこから幾分下流に導入することによって変更している（ここで、本明細書の残りの部分を通して、用語「下流」及び「上流」とは、金属酸化物粒子の全体的な移動に基づく空間関係をいい、必ずしも相対的な位置又は高さに基づくものではない。）。燃料は急速に脱揮して炭を形成し、その後下方向に流れる金属酸化物粒子と反応するところ、この反応は、移動床の底部付近に少量のＨ2を導入して、反応可能なＨ2Ｏを形成させることによって向上でき、それによって炭をガス化する（移動床の底部付近に少量のＣＯ2を導入することで、逆ブードワ反応により炭のガス化をさらに向上させることができる）。完全に酸化された金属酸化物粒子を大量に利用できることにより、炭化水素をＣＯ2及びＨ2Ｏに完全に又はほぼ完全に転化させることが可能になる。炭素質燃料によって生成されたガスは、金属酸化物粒子とは概して反対の方向に流れる。
【００２４】
熱い完全酸化金属酸化物（ＭＯs、ここで、ｓは、Ｍについての高い酸化状態を表す）粒子は、これらが燃料と反応して（燃焼して）一般的な燃焼生成物、主としてＣＯ2及びＨ2Ｏを生成するときに還元される。それによりも冷たい還元金属酸化物（ＭＯr、ここで、ｒは、Ｍについての、より低い酸化状態を表す、すなわち、ｒ＜ｓ）粒子は、粒子再生ユニット１２に運ばれ、そこでこれらが再度酸化される。図１及び他の図面において空気は酸化剤として示されているが、かなりの量のＯ2（例えば、少なくとも〜１容量％、一般には少なくとも〜５容量％、典型的には少なくとも〜１０容量％）を含有する任意のガスを使用することができる。空気を粒子再生ユニット１２に段階的に導入することは、反応性及び機械的完全性を維持する範囲内に粒子の温度を保持することに役立ち得る、解放された熱を制御するのに役立つことができる。
【００２５】
還元金属酸化物粒子の酸化は極めて発熱的であり、粒子再生ユニット１２は、典型的には〜１０００℃から〜１５００℃の温度及び〜０．１から〜２０ＭＰａの圧力で動作する。ＭＯr粒子は、ＭＯs粒子が燃料転化反応器１１に入る温度よりも数百℃まで低い温度で粒子再生ユニット１２に入る。図１には示されていないが、粒子再生ユニット１２内で生じる極めて発熱的な酸化プロセスによって生じた熱は、蒸気発生のために使用できる。
【００２６】
粒子再生ユニット１２は、ＭＯr粒子が底部付近で入り、空気が底部及び／又は側面から上の部分の付近で入るリフト容器の形態をとることができる。粒子再生ユニット１２は、耐熱ライナーが施されていてよく、或いは膜壁構成を有することができ、ここで、後者は、追加の蒸気発生の機会を提供する。
【００２７】
システム１０及び以下で説明する他のシステムにおいて、金属酸化物粒子は、空気コンベヤー、ベルトコンベヤー、バケットエレベーター、スクリューコンベヤー、移動床、流動床反応器などにより該システム全体にわたって輸送できる。
【００２８】
所定の実施形態では、再生されたＭＯs粒子は、分解されず、かつ、多数のサイクル全体を通じてそれらの機能性／活性のほぼ全てを維持する。
【００２９】
上記米国特許第７，７６７，１９１号には、多孔質複合材料に金属酸化物を含ませることによって高いエネルギー変換効率を達成し、酸化還元反応が生じる表面積を増加させ、しかも粒子が多数の処理工程を耐え抜くことができることを向上させるという改変を達成することが記載されている。多孔質複合材料は、〜２から〜２５ｎｍの孔径を有するメソ多孔性マトリックス又は〜０．０５から〜５０ｍｍの平均径を有する粒子の形態にあることができる。この複合材料のセラミック材料は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｉ、Ｌａ、Ｂａ若しくはＳｒの酸化物又はＳｉ、Ｔｉ若しくはＦｅの炭化物であることができる；金属酸化物の金属は、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｒｕ、Ｚｎ、Ｍｎ又はＭｏなどの遷移金属であり；また、随意の促進剤又は触媒は、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂ、Ｐ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｒｈ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｍｎ若しくはＣａ又はその酸化物若しくは硫化物であることができる。潜在的に有用な多孔質材料の例としては、ＴｉＯ2、ＴｉＯ2とＡｌ2Ｏ3との混合物又はＹ安定化Ｚｒ上に担持されたＦｅ2Ｏ3が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３０】
化学ループ燃焼システム１０内で生じる全体の反応は、より標準的な直接燃焼プロセスに関与するものに類似する、すなわち、炭化水素及びＯ2がＣＯ2及びＨ2Ｏに転化する。それにもかかわらず、直接燃焼プロセスによって生成したＣＯ2とは異なり、燃料転化反応器１１内で生成したＣＯ2は、濃縮され（少なくとも〜９０％純度）、そのため隔離するのがずっと簡単である。燃料転化反応器１１を加圧して、ＣＯ2生成物を隔離する方法を容易にすることができる。
【００３１】
図２は、第２の従来技術の化学ループ燃焼システムを概略的に示すものである。図１の燃焼システム１０で採用されている部品の他に、化学ループ燃焼システム２０は、燃料転化反応器１１と粒子再生ユニット１２との間にＨ2生成ユニット１３を介在させている。そのため、化学ループ燃焼システム２０は、図１からの化学ループ燃焼システム１０から生じる主要生成物（ＣＯ2及びＨ2Ｏ）の他に、Ｈ2を生成することができる。
【００３２】
生成ユニット１３は、典型的には、〜４００℃から〜１２００℃の温度及び〜０．１から〜１５ＭＰａの圧力で作動する。
【００３３】
図２に示すシステム及びプロセスでは、燃料を酸化してＣＯ2及びＨ2Ｏを生成するときに粒状物ＭＯs（ここで、ｓは、Ｍについての高い酸化状態を表す）がＭＯq（ここで、ｑは、Ｍについての低い酸化状態である）に還元される。この還元したＭＯq粒子は、Ｈ2ＯからＨ2への還元の間にＨ2生成ユニット１３内でＭＯr状態（ここで、ｒは、ｓよりも低いがｑよりも高い、Ｍについての酸化状態を表す、すなわち、ｑ＜ｒ＜ｓ。）にまで部分的に酸化されてから、粒子再生ユニット１２に送られ、そこで、これらのものは、ｓ酸化状態にまで完全酸化する。
【００３４】
Ｈ2が所望の生成物である追加工程のため、２よりも高い普通の酸化状態を有する金属（例えばＦｅ）をこのタイプのシステムで使用しなければならない。代表的な金属として鉄を使用すると、ＭＯsはＦｅ2Ｏ3（＋３酸化状態のＦｅを有する）であることができ、ＭＯqはＦｅＯ又はＦｅ（それぞれ＋２又は０酸化状態のＦｅを有する）であることができ、ＭＯrはＦｅ3Ｏ4（＋２／＋３酸化状態のＦｅを有する）であることができる。図１２ａ及び１２ｂは、それぞれ、ＣＯ／ＣＯ2及びＨ2／Ｈ2Ｏの存在下での鉄の様々な酸化状態についての分圧平衡曲線を示している。
【００３５】
図３における化学ループ部分酸化システム３０は、上記のタイプの炭素質燃料、典型的には炭素質固体を酸化させるために、燃料転化反応器１１において金属酸化物微粒子を使用するが、ただし、好ましくは、ＣＯは、所望の生成物であるので燃料としては使用しないことを条件とする。有利には、炭素質燃料は、１種類以上の粉炭であることができる。化学ループ燃焼システム１０に関連して上記した金属酸化物粒子の種類、設備及び条件の多くがここでも同様に適用できる。
【００３６】
燃料転化反応器１１は、単一の反応器床又は反応器床の組み合わせ若しくはスタックを備えることができ、例えば、複数の区域を含む設計を包含することができる。形状及び設備は、特に重要ではないが、ただし、金属酸化物粒子及び燃料を、概して並流パターン又は方式を達成するような方法で導入することを条件とし、これは、金属酸化物粒子が燃料を燃焼しない（すなわち、完全に酸化させない）ようにするのに役立つ。完全酸化金属酸化物（ＭＯs）粒子及び燃料を一緒に導入することや、燃料をＭＯs粒子が導入される箇所からさほど遠くない下流に導入することができ（又はその逆）、この場合、金属酸化物粒子の通常の流れは、典型的には垂直、すなわち頂部から底部である。また、並流は、流動床又はバブリング床によっても近似でき、その際、金属酸化物粒子及び燃料の両方の流れは、各区域における乱流（すなわち、線形ではない）により、互いに同じ方向に同伴することができる。というのは、これらは、区域から区域に本質的に並流態様で移動するからである。
【００３７】
上記のように、化学ループ部分酸化システム３０は、可能な限り多いＣＯ及び可能な限り少ないＣＯ2を生成させることを目的とするものである。言い換えれば、化学ループ部分酸化システム３０における燃料転化反応器１１の主要Ｃ含有生成物は、ＣＯであることを意図する。「主要」とは、少なくとも１個の炭素原子を含有する全てのガス状燃焼生成物の少なくとも５０％、一般には少なくとも５５％、より一般には少なくとも６０％、典型的には少なくとも６５％、好ましくは〜７０％を意味する。
【００３８】
様々な酸化状態の鉄が金属酸化物粒子のＭを構成する図１２ａを再度参照すると、燃料転化反応を〜１１００℃で実施すると（これは、この温度又は好ましくはさらに幾分高い温度で燃料転化反応器１１に導入されるＭＯs粒子に関連する）、〜７０％のＣＯ及び〜３０％のＣＯ2である生成物の混合物が得られる。多くの金属は、この高い比率を可能にしない平衡曲線を有するが、Ｃｏといったいくつかの金属は、さらに高い比率、例えば、〜８５％、〜９０％又は〜９５％までのＣＯを可能にする場合がある。
【００３９】
化学ループ部分酸化システム３０の燃料転化反応器１１内で生じる酸化プロセスは、炭化水素及びＯ2からＣＯ及びＨ2Ｏへの転化を伴う（このＨ2Ｏ副生成物は、ＣＯが望ましい主生成物であることを強調するために図３からは省かれている）。この反応は、１種以上の促進剤ガス、すなわち、燃料とＭＯs粒子との反応を促進させるように設計されたガスを使用することによって促進できる。潜在的に有用な促進剤ガスの例としては、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ（すなわち、蒸気）、ＣＯ及びＨ2が挙げられるが、これらに限定されない。促進剤ガスは、燃料転化反応器１１の近くの上流部分、典型的には、燃料が導入される箇所若しくはその付近、又は燃料転化反応器１１が流動床条件で作動する場合には、そのかなり下流部分で導入される。
【００４０】
特に燃料が粉炭などの個体である状況で促進剤ガスとして特に興味があるのは、ＣＯ2である。というのは、このものは、ブードワ反応：
Ｃ  ＋  ＣＯ2  →  ２ＣＯ
で沈殿することができるためである（この反応の可逆性は、ここで示した方向が燃料転化反応器１１に存在する温度では優勢であるため省く）。
【００４１】
燃料転化反応器１１の上流部分でブードワ反応により生成したＣＯのいくらか（実質的には全てまで）は、ＭＯs粒子との反応に利用でき、多くのＣＯ2を生成させ、それによって連鎖反応を達成することができる。
【００４２】
燃料転化反応器１１のかなり上流部分でのこの固形物Ｃからガス状ＣＯへの転化が有益である。というのは、全体的な反応（すなわち、炭化水素からＣＯ）の効率が有意に増加するからである。特に、固体−固体反応は、緩やかであることで有名であり、これらの２種の粒子を長時間にわたり実際に接触させることを要するのに対し、気体−固体反応の反応速度は非常に良好である。
【００４３】
燃料転化反応器１１の上流部分でのＭＯs粒子は、ＣＯからＣＯ2への転化により部分的に還元されるので、［ＣＯ］：［ＣＯ2］の見込まれる最大限の比率が増加する、すなわち、再度図１２ａを参照すると、異なる並行曲線が達成される。
【００４４】
部分酸化システム３０により生成されたＣＯを捕捉することができ、或いは、所定の実施形態では、以下に説明する方法の一つ以上でその場で使用することができる。燃料中に存在する微量元素（例えば、Ｈｇ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓなど）は、金属酸化物粒子とは反応しない場合があり、もしそうなら、特定の純ＣＯ流れが望まれる場合にはガス状産出物から除去することが必要かもしれない。当業者であれば、多数の種類のスクラビング、分離、吸着及び洗浄ユニットと、このようなユニットを部分酸化システム３０に導入する（又は導入するよう構成する）方法とが想起できる。
【００４５】
還元ＭＯr粒子（ここでｒ及びｓは、先の図１の説明と同じ意味を有する）は、粒子再生ユニット１２に運ばれてＭＯs粒子に再度酸化される。いくつかの実施形態では、ＭＯr粒子を高速流動床（再生ユニット１２と同様）で再生し、そして別のサイクルのために燃料転化反応器１１に戻すことができる。再生ユニット１２で生じる反応によって生じたエネルギーを、好ましくは燃料転化反応器１１に向けて、そこでは支配的な吸熱反応を支援する。
【００４６】
図４は、Ｈ2も生成する能力を備える本発明の化学ループ部分酸化システムを概略的に示している。図２に示した従来技術のシステムと同様に、化学ループ部分酸化システム４０は、炭素質燃料（好ましくは粉炭などの固体）を酸化させるための燃料転化反応器１１、Ｈ2生成ユニット１３及び粒子再生ユニット１２において金属酸化物微粒子を使用する。図２における従来技術のシステムと同様に、化学ループ部分酸化システム４０は、燃料の燃焼の間に粒状物ＭＯsからＭＯq状態への還元と、Ｈ2ＯからＨ2への還元の間にＨ2生成ユニット１３内でのＭＯq状態からＭＯr状態への部分酸化とを伴う；ＭＯs金属酸化物粒子は、粒子再生ユニット１２内で再度形成されてから、燃料転化反応器１１に運ばれる。
【００４７】
燃料転化反応器１１から出るＭＯq粒子は、Ｈ2生成ユニット１３に典型的には直接導入できると共に、ユニット１３の底部付近で導入された蒸気は、移動しているＭＯq粒子を酸化し、かつ、ユニット１３から頂部により近いところで出るＨ2を形成する。Ｈ2に存在する任意の蒸気は、例えば凝縮により分離できる。また、適宜、Ｈ2の少なくともいくらかを、燃料転化反応器１１で使用するために再循環させることや、その他のところに移動させることができる。
【００４８】
生成ユニット１３内でＭＯsの直接形成が可能であるが、より典型的な結果は、中間（部分的に酸化された）ＭＯr形態である。この場合には、ＭＯr粒子は、粒子再生ユニット１２に運ばれ、そこで完全酸化ＭＯs粒子が様々な酸化性ガスのいずれか、典型的には空気による酸化によって形成できる。
【００４９】
化学ループ部分酸化システム４０では、ＣＯ2を生成する図２のシステム２０とは異なり、炭化水素及びＯ2がＣＯ及びＨ2に転化される。そのため、この方法は、２種の有用な生成物であるＣＯ及びＨ2をもたらし、これらは、後の使用のために捕捉でき、或いは、より一般には、以下で説明する方法の一つ以上で直ちに使用できる。
【００５０】
図５〜１１は、上記化学ループ部分酸化システムを様々な設定で示している。これらは、既存のシステム及び設備に使用する又はこれらと共に使用するために本発明のシステムの柔軟性を与えることのみならず、一体化した合成又は生成システムを設計することを望む当業者に数種の代表的実施形態を提供することを目的とする。
【００５１】
図５は、一体化有機流体生成システムを概略的に示しており、そこでは、合成に使用する合成ガスの主要成分のそれぞれは、図４に関連して説明したものなどの化学ループ部分酸化システムから与えられる。用語「有機流体」は、典型的な石油精製品のいくつかのための代替物として使用できるガス状及び液体炭化水素、すなわち、燃料及び比較的短鎖の化学物質を含むことを意味し、これには、ガソリン及びディーゼル燃料が含まれるが、これらに限定されない。単一のシステムで合成ガスの成分を生成しかつ一緒にすることができることを通じてかなりのコスト及び処理の利点が容易に想定される。例えば、有機流体生成システム５０によって生成された合成ガスの水素対炭素比は、他の化学ループシステムでは可能ではない方法で、すなわち、ユニット１３で生成されたＨ2の量を変更することによって調節できるところ、これは、Ｆ−Ｔプロセス反応器１４によって生成できる有機流体の範囲に柔軟性を与える特徴である。
【００５２】
有機流体生成システム５０は、Ｆ−Ｔプロセス反応器１４と一体化した図４に関連して記載したものに類似する部分酸化システムを有する。ここで使用するＦ−Ｔプロセス及び装置は、当業者によく知られているものであるため、ここでは完全には説明しない。追加情報について、興味のある読者は、米国特許第１，７４６，４６４号及びこれを引用する特許並びにＥｍｅｒｇｉｎｇ  Ｆｕｅｌｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙが主催するＦｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈアーカイブのウェブサイト及びそこから入手可能な印刷物（ｆｉｓｃｈｅｒ−ｔｒｏｐｓｃｈ．ｏｒｇへの提出時点で設置された）を含めた様々な情報源のいずれかを参照されたい。
【００５３】
Ｆ−Ｔプロセス反応器１４で使用するタイプの触媒の失活を防ぐために、燃料転化反応器１１からのＣＯ燃焼生成物に随伴する任意の酸性ガスは、好ましくは、それが反応器１４に達する前に、不純物を取り除かれ、又はそうでなければ蒸気から除去される。
【００５４】
図６ａ及び６ｂ（後者は、前者で示した広い種類の特定の実施形態である）は、ＣＯをＣＯ2に転化させ、このプロセスで多くのＨ2を解放するＷＧＳ反応を使用するＨ2生成システムを概略的に示している（ＷＧＳ反応は、合成ガスから比較的高純度のＨ2を与えることができるが、このものは、他の生成物及び副生成物ガスから分離されなければならない；例えば、石灰石と酸化鉄との混合物を使用して合成ガスを湿潤Ｈ2及びＣＯ／ＣＯ2の別個の流れに分離する化学ループ方法について米国特許第５，８２７，４９６号、同６，００７，６９９号、同６，６６７，０２２号及び同６，６６９，９１７号を参照。）。
【００５５】
これらの図において、Ｈ2生成システム６０は、ＷＧＳ反応器１５及びガス分離ユニット１６と一体化した、図３に示す部分酸化システム３０などの化学ループ部分酸化システムを備える。燃料転化反応器１１で生成したＣＯはＷＧＳ反応器１５に運ばれ、そこで、このものと投入された蒸気とが反応してＣＯ2及びＨ2の混合蒸気が生じ、そのガス分離ユニット１６がその構成成分に分離する。得られたＨ2生成物は、燃料として使用でき（直接若しくは燃料電池用の原料として）又は例えば合成ガスの製造といった様々な産業プロセスでの原料として使用できる。
【００５６】
図６ｂにおけるＨ2生成システム６０は、ＣＨ4（その使用を図６ｂに示す）、Ｃ2Ｈ6、Ｃ2Ｈ4、Ｃ3Ｈ8、Ｃ3Ｈ6、Ｃ4Ｈ10などのガス状又は気化炭化水素に特有のものである。このＨ2生成システムの実施形態は、実質的に、水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）に代わるものであり、そこでは、原料（典型的には天然ガス）が蒸気と反応して合成ガスを形成し、その効率は、ＣＯ2をＨ2から分離しなければならないという事実によって大きく減少する。
【００５７】
図７は、流体合成に使用される合成ガスの主要成分が図３に関連して上記したものなどの化学ループ部分酸化システム及びＷＧＳプロセスから与えられる一体化有機流体生成システムを概略的に示している。特に、有機流体生成システム７０は、Ｆ−Ｔプロセス反応器１４と一体化した図６ａのシステム６０などのＨ2生成システムを含む。その全体的な要旨は、図５の有機流体生成システム５０と同じ結果を効果的に達成するシステムであるが、ただしＨ2生成ユニットの代わりにＷＧＳ反応器１５とガス分離ユニット１６との組み合わせを使用する。これは、例えば、既存のＷＧＳ／分離装置が定位置にあり、しかも設備が化学ループ燃焼システムの導入を受け入れる状況では望ましいかもいれない。
【００５８】
図８は、別の一体化有機流体生成システムを概略的に示しており、そこでは、流体合成に使用される合成ガスの主要成分が化学ループ部分酸化システム及び同時ＷＧＳ／ＣＯ2水素化プロセスから与えられる。特に、有機流体生成システム８０は、主要Ｃ含有燃焼生成物としてＣＯを生成するように設計された化学ループ部分酸化システム（図３からの部分酸化システム３０など）と、ＷＧＳ反応器１５と、ＣＯ2水素化反応器１７とを備える。燃料転化反応器１１により生成されたＣＯはＷＧＳ反応器１５に運ばれ、そこで、このものと投入した蒸気とが反応してＣＯ2及びＨ2の混合蒸気が生じ、そのＣＯ2水素化反応器１７が１種以上の有機流体に変換する。その全体的な要旨は、図５の有機流体生成システム５０と同じ結果を効果的に達成するシステムであるが、ただし、Ｈ2生成ユニットの代わりにＷＧＳ反応器１５及びＣＯ2水素化反応器１７の組み合わせを使用する。これは、例えば、既存のＷＧＳ／水素化装置が定位置にあり、しかも設備が化学ループ燃焼システムの導入を受け入れる状況では望ましいかもしれない。
【００５９】
図９及び１０は、化学ループ部分酸化システムに基づく発電又は該システムを備えるように改変された発電を示す。
【００６０】
図９は、化学ループ部分酸化システムを取り入れた複合サイクル発電システムを概略的に示している。発電システム９０は、図３に関連して上記したものなどの化学ループ部分酸化システムによって生成されたＣＯを使用してガスタービン１８及び、最終的には、蒸気タービン２１を作動させる。ガスタービン１８からの流出物は蒸気発生ユニット１９に入り、そこで、熱が投入水を蒸発させ、得られた蒸気が蒸気タービン２１を作動させる。別の実施形態では、ガスタービン１８及び蒸気発生ユニット１９の代わりにボイラーを使用することができる（発電システム９０の小さな不利益は、ＣＯ2生成物それ自体が隔離の準備には役立たないことである）。
【００６１】
図１０は、化学ループ部分酸化システムを取り入れた別の発電システムを概略的に示すものである。発電システム１００は、図６ａに関連して上記したシステム６０などのＨ2生成システムを使用し、ガス分離ユニット１６を出るＨ2蒸気はガスタービン１８に向かい、そしてこれを作動させる。ガスタービン１８から蒸気タービン２１まで、このシステムは、図９に関して上記したものと同じである。ただし、投入物のため、システム１００の燃料転化部は、いかなるＣＯ2も生成しないが、ガス分離ユニット１６を出るＣＯ2は容易に隔離することができる。
【００６２】
図１１は、燃料電池発電システムを概略的に示している。発電システム１１０は、図６ａに関して上で説明したシステム６０などのＨ2生成システムを使用し、ガス分離ユニットを出るＨ2蒸気が燃料電池２２、例えば固体酸化物燃料電池に向かい、そしてこれを使用して該電池を作動させる。燃料電池技術における継続的な開発により、ＣＯによって発電する燃料電池が得られるかもしれず、これによってＷＧＳ反応器１５及びガス分離ユニット１６をシステム１１０から省くことが可能になると考えられる。
【００６３】
図５〜１１で示されたシステムは、主要Ｃ含有燃焼生成物としてＣＯを与える化学ループ部分酸化システムの潜在的適用の広がりと範囲を、当業者に非限定的な方法で例示することを目的とする。これらの図に含まれるサブシステムの多くは、幾分モジュール式であり又はモジュール式となるように構成でき、そのため、当業者であれば、プロセス又はシステムの別のもので使用するために上記略図の１以上の部分を適合させることができる。したがって、サブシステムの他の組み合わせが想定される。
【００６４】
本発明を代表的な実施形態を参照しつつ説明してきた。明らかに、先の詳細な説明を読みかつ理解した者であれば改変及び変更を行うであろう。本発明は、添付した特許請求の範囲又はその均等の範囲内にある限りにおいて、このような改変及び変更の全てを含むものと解釈すべきである。
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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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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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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