(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路と、
前記流路に沿って配置され且つ供給原料（１０２）をシンガスに転換するように構成されたガス化セクション（１１２）と、
前記ガス化セクション（１１２）の直ぐ下流に配置され且つ前記シンガスを濾過するように構成されたスクラバー（１３０）と、
前記スクラバー（１３０）から下流の前記流路に沿って配置され且つ前記シンガス中の水素と一酸化炭素の比を調整する第１の水性ガスシフトシステム（１７６）と、
前記第１の水性ガスシフトシステム（１７６）の下流の前記流路に沿って配置され且つ前記シンガスを膨張させるように構成された第１のエキスパンダー（１３８）と、
前記第１のエキスパンダー（１３８）の下流の流路に沿って配置され、前記未処理シンガスを処理して酸性ガスを除去し、処理済みシンガスを生成するように構成されている、酸性ガス除去（ＡＧＲ）セクション（１６０）と、
前記ＡＧＲセクション（１６０）から下流の前記流路に沿って配置され且つ前記処理済みシンガス中の水素と一酸化炭素の比を調整する第２の水性ガスシフトシステム（１７６）と、
前記第２の水性ガスシフトシステム（１７６）から下流の流路に沿って配置され且つ前記処理済みシンガスを膨張させるように構成された第２のエキスパンダー（１３８）と、
を備え、前記シンガスが未処理シンガスを含む、システム。
【請求項２】
流路と、
前記流路に沿って配置され且つ供給原料（１０２）をシンガスに転換するように構成されたガス化セクション（１１２）と、
前記ガス化セクション（１１２）の直ぐ下流に配置され且つ前記シンガスを濾過するように構成されたスクラバー（１３０）と、
前記スクラバー（１３０）から下流の流路に沿って配置され、前記未処理シンガスを処理して酸性ガスを除去し、処理済みシンガスを生成するように構成されている、酸性ガス除去（ＡＧＲ）セクション（１６０）と、
前記ＡＧＲセクション（１６０）から下流の前記流路に沿って配置され且つ前記シンガス中の水素と一酸化炭素の比を調整する水性ガスシフトシステム（１７６）と、
前記水性ガスシフトシステム（１７６）から下流の流路に沿って配置され且つ前記処理済みシンガスを膨張させるように構成されたエキスパンダー（１３８）と、
を備え、前記シンガスが未処理シンガスを含む、システム。
【請求項３】
前記システムが、前記未処理シンガスに水塊を加えるように構成されている、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記システムが、前記第１のエキスパンダー（１３８）の上流の前記未処理シンガスに水塊を加えるように構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記水塊は、加熱された水塊を含む、請求項２乃至４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
前記未処理シンガスが、少なくとも約０．１％〜６５％のＨ2Ｏを有する湿潤シンガスを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記第１のエキスパンダー（１３８）は、機械エネルギー、電気エネルギー又はこれらの組合せを生成するように構成されたターボエキスパンダーを備える、請求項１または４に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１のエキスパンダー（１３８）は、前記未処理シンガスからの物質を凝縮させるように構成されている、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記物質が、前記未処理シンガスから凝縮される約０．１％〜６５％のＨ2Ｏを有する凝縮物を含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記ガス化セクション（１１２）が、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）ガス化セクションを含む、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。
【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、産業用途におけるエネルギーの回収に関し、より具体的には、シンガス用途におけるエネルギー回収に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭、石油コークス、バイオマス、木質系材料、農業廃棄物、タール、コークス炉ガス及びアスファルト、又は他の炭素含有物などの供給原料は、電気、化学物質、又は合成燃料の生成用、或いは、他の様々な用途のためにガス化することができる。ガス化には、シンガスすなわち一酸化炭素と水素を含有する燃料を生成するために、超高温での炭素質燃料と酸素の反応が必要となり、このシンガスは、本来の状態の燃料に比べて遙かに効率的でより清浄に燃焼する。シンガスは、発電、化学物質の製造、或いは他の何れかの好適な用途に利用することができる。しかしながら、シンガスの製造はある程度の非効率性をもたらし、従って、エネルギーの浪費を生じる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７７３９８７５号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
【０００５】
第１の実施形態では、システムは、流路と、流路に沿って配置されたガス化セクションとを含む。ガス化セクションは、供給原料をシンガスに転換するように構成される。本システムはまた、ガス化セクションの直ぐ下流に配置されシンガスを濾過するように構成されたスクラバーを含む。本システムはまた、スクラバーから直ぐ下流の流路に沿って配置されシンガスを膨張させるように構成された第１のエキスパンダー（１３８）を含む。シンガスは未処理シンガスを含む。
【０００６】
第２の実施形態では、システムは、流路と、酸性ガス除去（ＡＧＲ）セクションから下流の流路に沿って配置された第１の流体源とを含む。流体源は、加圧流体を含む。流体源は加圧流体を含む。システムはまた、第２の流体を第１の流体と混合して流体混合物を生じるように構成された第２の流体源を含む。エキスパンダーはまた、ＡＧＲから上流の流路に沿って配置される。エキスパンダーは、流体混合物を膨張及び凝縮させ、機械エネルギー、電力又はこれらの組合せを生成するように構成されている。
【０００７】
第３の実施形態では、システムは、流路と、該流路に沿って配置されたガス化セクションとを含む。ガス化セクションは、供給原料をシンガスに転換するように構成されている。本システムはまた、ガス化セクションから下流の流路に沿って配置されシンガスを濾過するように構成されたスクラバーを含む。本システムは、さらに、スクラバーの下流の流路に沿って配置されたエキスパンダーを含む。エキスパンダーは、濾過したシンガスを膨張するように構成される。本システムはまた、エキスパンダーから下流の流路に沿って配置され、濾過シンガスから酸を除去するように構成されているＡＧＲセクションを含む。
【０００８】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】エキスパンダーを含むガス化システムの一実施形態を示す図。
【図２】エキスパンダーと水性ガスシフトシステムとを含むガス化システムの一実施形態を示す図。
【図３】複数のエキスパンダーを含むガス化システムの一実施形態を示す図。
【図４】統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム及びエキスパンダーを含むポリジェネレーションシステムの一実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
【００１２】
本開示の実施形態は、ガス化プロセスを用いて炭素質燃料から電力及び／又は化学物質を生成するプロセスを含み、「廃」エネルギーを捕集して追加の電力を供給するのに利用される。ガス化プロセスでは、炭素質燃料は、酸素（又は酸素含有ガス）の添加によって部分的に酸化され、図１に関して以下でより詳細に説明するように、一酸化炭素及び水素を含むシンガス流を生成する。シンガス流はさらに、スクラバーによって濾過又は「スクラビング処理」され、例えば、粒子状物質及び同伴固体物を除去することができる。本明細書で説明されるある実施形態では、シンガス流は次いで、スクラバーの直ぐ下流のエキスパンダーに流入することができる。エキスパンダーに流入するシンガス流は、酸性ガス除去プロセスを受けていないので、「未処理」シンガスと呼ぶことができる。エキスパンダーは、他の方法では再捕集されないシンガス流のエネルギー捕集を可能にする。より具体的には、シンガス流は通常は再捕集されない、シンガスの質量流中に存在している熱エネルギー及び運動エネルギーを含む。運動エネルギーは、シンガスの質量効果（及び流れ）並びにシンガスの圧力に起因したエネルギーを含む点は理解されたい。例えば、シンガスは、冷却されて熱エネルギーの大部分を失い、シンガスの流れを減速又は停止させる可能性がある。シンガスの冷却及び／又は減速はまた、流れ中の圧力を低下させる可能性がある。本開示の実施形態はまた、シンガスを膨張させる前にシンガスに水を添加し、シンガス流の質量流量をさらに増大させると共に、これに対応して再捕集される電力を増大させることができる。実際には、エキスパンダー入口においておよそ０．１体積％〜６５体積％の水濃度を含有する「湿潤」シンガスをエキスパンダーにおいて用いることができる。
【００１３】
一実施形態では、スクラバーの下流から流出するシンガス流は、水性ガスシフト反応器に配向され、一酸化炭素及び水を追加の水素と二酸化炭素に転化することができる。この実施形態では、エキスパンダーは、スクラバーの直ぐ下流ではなく、シフト反応器の直ぐ下流に位置付けることができる。さらに別の実施形態では、シフト反応器は、エキスパンダーの直ぐ下流に位置付けることもできる。この実施形態では、シンガス流は、最初に、シフト反応を受ける前にエネルギー回収のため膨張される。実際には、以下でより詳細に説明する酸性ガス除去プロセスのように、スクラバーの下流又は他のガス化プラント構成要素の下流の種々の位置に１以上のエキスパンダーを位置付けることができる。湿潤シンガスの膨張により、例えば、シンガスの冷却によって失われたエネルギーの捕集が可能になる。実際には、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）のガス化プラントを含む、化学物質を形成するガス化プラントにおける発電は、本明細書で開示されるエキスパンダー技術を用いて改善することができる。さらに、湿潤シンガスの直接的膨張を通じた他の場合には廃棄されるエネルギーを回収することにより、低資本コスト、低運転コスト、及び高効率を達成することができる。
【００１４】
上記のことを念頭に置いて、図１は、合成ガスすなわちシンガスを生成及び／又は燃焼させて電気に転換させ、及び／又はシンガスの一部をシフトさせて化学物質を形成することができる、ガス化ポリジェネレーションプラント１００の一実施形態を示している。図示の実施形態は、電力アイランド１７４を用いることによる電気の生成に適応されているが、他の実施形態は、任意選択的に電力アイランド１７４を含まなくてもよい点は理解されたい。例えば、他のプラント１００の実施形態は、化学プラント、シンガス製造プラント、或いはシンガスベースの化学物質又は化学組成物の製造に好適な他の何れかの産業プラントを含むことができる。固体原料などの供給原料１０２は、ガス化発電プラント１００用のエネルギー源として利用することができる。供給原料１０２は、石炭、石油コークス、バイオマス、木質系材料、農業廃棄物、タール、コークス炉ガス及びアスファルト、又は他の炭素含有物を含むことができる。供給原料１０２及びフラックス１０４は、供給原料処理及び貯蔵ユニット１０６に通すことができる。フラックス１０４は、供給原料処理及び貯蔵ユニット１０６において供給原料１０２に添加され、供給原料１０２の融解挙動を調整することができる。フラックス１０４は、例えば、砂、岩石、石灰石、ボーキサイト、及び鉄鉱石を含むことができる。次いで、供給原料処理及び貯蔵ユニット１０６は、供給原料１０２及びフラックス１０４混合物を供給原料粉砕及びスラリー調製ユニット１０８に配向することができる。供給原料粉砕及びスラリー調製ユニット１０８は、例えば、供給原料１０２及びフラックス１０４混合物を細断、ミル加工、破砕、微粉砕、ブリケット、又はパレタイズすることにより供給原料１０２及びフラックス１０４混合物をサイズ変更又は形状変更し、ガス化燃料を生成することができる。加えて、水１１０又は他の好適な液体を供給原料粉砕及びスラリー調製ユニット１０８において供給原料１０２及びフラックス１０４混合物に添加し、スラリー燃料１１１を生成することができる。スラリー燃料１１１は、ガス化工程で用いるガス化装置１１２に搬送することができる。ガス化工程で用いる供給原料は、固体供給原料、液体供給原料、及び／又はガス供給原料を含むことができる点に留意されたい。
【００１５】
ガス化装置１１２は、シンガス、例えば、一酸化炭素と水素の組合せに燃料を転化することができる。この転化は、使用燃料のタイプに応じて、高圧（例えば、約４０ｂａｒ〜９０ｂａｒ）及び高温（例えば、約１２００℃〜１５００℃）において制御される量の何らかの調節剤及び限界酸素に燃料を曝すことによって達成することができる。熱分解プロセス中の燃料の加熱は、スラグ１１４及び残留ガス（例えば、一酸化炭素、水素、及び窒素）を発生させる場合がある。
【００１６】
次いで、ガス化装置１１２内で部分酸化プロセス（すなわち、ガス化）が生じることができる。このガス化プロセスを促進するために、酸素１１６を空気分離ユニット（ＡＳＵ）１１８からガス化装置１１２に供給することができる。ＡＳＵ１１８は、例えば、極低温にすることができ、或いは圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）を利用できる蒸溜技術により空気１２０を成分ガスに分離するよう作動することができる。ＡＳＵ１１８は、供給される空気１２０から酸素１１６を分離することができ、分離した酸素１１６をガス化装置１１２に移送することができる。加えて、ＡＳＵ１１８は、例えば、収集又は発電用に空気１２０から窒素１２２を分離することができる。
【００１７】
チャーガス及び残留ガスは、酸素１１６と反応して二酸化炭素及び一酸化炭素を形成することができ、これにより後続のガス化反応のための熱を提供することができる。ガス化プロセス中の温度は、約１２００℃〜約１５００℃の範囲に及ぶことができる。加えて、蒸気をガス化装置１１２に導入することができる。ガス化装置１１２は、蒸気及び限界酸素１１６を利用して供給原料の一部を燃焼させて一酸化炭素とエネルギーを生成することができ、これにより、さらに供給原料を水素と追加の二酸化炭素に転化する２次反応を開始させることができる。
【００１８】
このようにして、結果として得られるシンガス流１２４は、ガス化装置１１２により製造される。このシンガス流１２４は、約７３％の一酸化炭素と水素、並びにＣＯ2、Ｈ2Ｏ、ＣＨ4、ＨＣｌ、ＣＯＳ、ＮＨ3、ＨＣＮ、及びＨ2Ｓ（供給原料の硫黄分に基づく）を含むことができる。この結果として得られるガスは、例えば、Ｈ2Ｓを含有するので未処理のシンガス１２４と呼ぶことができる。ガス化装置１１２はまた、湿灰材料とすることができる、スラグ１１４のような廃棄物を生成する可能性がある。このスラグ１１４は、粗スラグ処理システム１２６に搬送することができる。粗スラグ処理システム１２６は、例えば、道路基礎部又は別の建材用として販売される粗スラグ１２８を生成することができる。
【００１９】
シンガス流１２４は、特定の粒子状物質及び他の汚染物質を除去又は「スクラビング処理」するのに好適なスクラバー１３０に流入することができる。幾つかの好適なスクラビング処理を用いることができる。例えば、スクラバー１３０は、凝縮物回収部１３２及び中水道戻り部１３４から水が供給される水噴霧を用いることができる。シンガス流１２４は、水噴霧と接触し、タール及び油などの特定の凝縮性有機物質を凝縮することができる。シンガス流１２４はまた、水ポンプに流入し、粒子状物質を除去することができる。すなわち、シンガス流１２４は、水サンプにおいてクエンチされ、結果としてシンガス流１２４の清浄化をもたらすことができる。シンガス流１２４は、スクラバー１３０において追加の水塊を収集することができる。実際には、シンガス流１２４の全質量流量は、スクラバー１３０における水塊の追加によって増大させることができる。一実施形態では、増大した水塊を有する「湿潤」シンガス１３６は、次に、シンガス流１３６の膨張によるエネルギー回収に好適なエキスパンダー１３８に配向することができる。特定の実施形態では、スクラバー１３０から出るシンガス流１３６は、約０．１〜６５体積％の水の水濃度、約１９０℃〜４００℃の温度、及び約４０ｂａｒと７０ｂａｒの間の圧力を含むことができる。別の実施形態では、水濃度は、ほぼゼロとすることができる。この実施形態では、流れは、膨張前に過熱することができる。実際には、水濃度は、０．１〜６５体積％水の範囲に及ぶことができる。
【００２０】
エキスパンダー１３８は、流体流（例えば、液体又はガス）を電力に転換するのに好適なターボエキスパンダー（すなわち、膨張タービン）とすることができる。より具体的には、エキスパンダー１３８は、シャフト上に円周方向に配置された複数のブレード又はベーンを用いることにより、シンガス流１３６の質量流量及び熱エネルギーを回転運動（すなわち、機械エネルギー）に転換することができる。次いで、シャフトの回転運動は、例えば、発電機を用いることにより電力に転換することができる。特定の実施形態では、発電機は、エキスパンダー１３８内に含めることができる。このようにして、湿潤（又は乾燥）シンガス流１３６は、スクラバー１３０の直ぐ下流で用いて追加の電力を生成することができる。膨張プロセスの追加の利点は、エキスパンダー１３８の下流で他のプロセスで用いるシンガス流１３６を冷却することである。さらに、エキスパンダー１３８は、シンガスから水などの凝縮物を凝縮することができる。実際に、特定の実施形態では、エキスパンダー１３８により凝縮された凝縮物は、シンガス流１３６中に存在する水の０．１％〜６５％を含むことができる。複数のエキスパンダー１３８を用いることができること、及びプラント１００の他の場所にエキスパンダー１３８を配置できることは理解されたい。実際には、以下で図２〜４に関して説明される他の実施形態では、ガス化装置１１２の下流の他の場所に１以上のエキスパンダー１３８を配置することができる。さらに、他の実施形態では、複数のガス化装置１１２をマニホルドで連結又は接続し、シンガスを一連の又は複数のエキスパンダー１３８に配向することができる。実際に、１以上のガス化装置１１２は、１以上のエキスパンダー１３８に「供給」することができる。
【００２１】
引き続き図１を参照すると、スクラバー１３０はまた、スクラビングプロセス中にシンガス流１２４から除去された粒子状物質を含有する水を生成することができる。次いで、水１４０は、さらに処理するために水フラッシュシステム１４２に配向することができる。水フラッシュシステム１４２は、フラッシュドラムに水１４０を露出させることができ、これにより水１４０が、「廃」水１４６を残して、高圧フラッシュガス１４４に噴出又は気化される。廃水１４６は、スクラビングプロセス中に除去された有意な量の粒子状物質及び同伴固体物を含む。次いで、この廃水１４６は、再利用するために微細スラグ及び中水道処理システム１４８に配向することができる。例えば、微細スラグ及び中水道処理システム１４８は、廃水１４８を処理し、追加のスラリー燃料１１１の調製において供給原料粉砕及びスラリー調製システム１０８により再利用するために固体物及び水１５０を回収することができる。微細スラグ及び中水道処理システム１４８はまた、スクラバー１３０のスクラビングプロセスで再利用するのに好適な中水道１３４を生成することができる。実際に、スクラビングプロセスにおいて水１３４を再利用することにより、並びに供給原料調製プロセスで固体物及び水１５０を再利用することにより、プラント効率がさらに改善される。過剰な水１５２は、中水道前処理システム１５３に配向されてさらに処理することができる。中水道前処理システム１５３は、水１５２を濾過して清浄化し、清浄化した水１５４をバイオポンドに配向してさらに濾過及び再利用することができる。また、微細スラグ及び中水道処理システム１４８により、粉末灰分のような再利用可能でない微細粒子を含むことができるフィルタケーキ１５５を生成することができる。
【００２２】
引き続きシンガス処理では、エキスパンダー１３８の下流から流出するシンガス流１５６は、低温ガス冷却（ＬＴＧＣ）システム１５８によっておよそ５０℃〜１５０℃の温度までさらに冷却することができる。特定の実施形態では、他のシンガス処理はまた、硫化カルボニル（ＣＯＳ）加水分解及び水銀除去プロセスを含むことができる。例えば、シンガス流１５６は、凝縮熱交換器及び関連するノックアウトドラムを用いることにより周囲温度付近まで冷却することができる。次いで、シンガス流１５６は、ＣＯＳから硫化水素（Ｈ2Ｓ）への転化に好適な反応器に移り、酸性ガス除去システム（ＡＧＲ）１６０においてより完全な硫黄除去を可能にすることができる。加えて、シンガス流１５６は、例えば、シンガス流１５６中に存在する水銀を捕集するのに好適な炭素吸着ベッドに移送することができる。
【００２３】
加えて、或いは代替として、シンガス流１５６は、水性ガスシフトシステム１７６に移送され、化学物質の製造のためのシンガス流１５６を処理するようにすることができる。水性ガスシフトシステム１７６は、シンガス中の水素と一酸化炭素の比を調整することができる。より具体的には、水性ガスシフトシステム１７６は、一酸化炭素が水（例えば、蒸気）と反応して二酸化炭素と水素を形成する水性ガスシフト反応を実施するのに好適なシフト反応器を含むことができる。次に、シフトシンガスは、上述のような２次ＬＴＧＣシステム１５８によって冷却することができる。次いで、冷却されたシンガスは、酸性ガス除去のため第２のＡＧＲ１６０に移送され、次に、シンガスから１以上の化学物質を生成するのに好適な化学システム１７７に移送することができる。
【００２４】
低温ガス冷却システム１５８がシンガス流１５６を冷却すると、シンガス流１５６中の水蒸気の大部分が凝縮される。次に、この凝縮物１３２は、スクラビング工程中にスクラバー１３０による再利用のため転送することができる。過剰な凝縮物１６２は、凝縮物からアンモニア（ＮＨ3）を除去するのに好適な凝縮物アンモニア除去システム１６４によって処理するために移送することができる。次いで、実質的にアンモニアのない凝縮物１６６を微細スラグ及び中水道処理システム１４８に配向し、上述のように水１４６の処理に再利用することができる。加えて、アンモニア除去工程中に製造された硫黄含有ガス１６８は硫黄回収ユニット（ＳＲＵ）に配向され、さらに処理されて硫黄を除去することができる。
【００２５】
低温ガス冷却システム１５８による冷却後、冷却されたシンガス流１７０は、酸性ガス除去システム（ＡＧＲ）１６０に配向することができる。次に、ＡＧＲ１６０は、シンガス流１７０を処理し、Ｈ2Ｓ及びＣＯ2を除去することができる。例えば、Ｓｅｌｅｘｏｌ（商標）のような物理溶媒及び／又は水性メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）などの化学溶媒を用いてＨ2Ｓ及びＣＯ2を除去することができる。次に、処理済み又は「清浄な」シンガス流１７２は、発電システム（例えば、電力アイランド）１７４に配向され、発電及び／又は化学物質の製造で用いることができる。例えば、発電システム１７４は、シンガスを燃料として用いて該燃料を回転エネルギーに転換するのに好適なガスタービンを含むことができる。次いで、回転エネルギーは、発電機により電力に転換することができる。実際には、発電プラント１００は、スクラバー１３０の直ぐ下流でシンガス流の膨張によるエネルギー効率の改善をしながら、シンガスを電力に転換することができる。加えて、図２〜４に関して以下でより詳細に説明するように、エキスパンダー１３８を配置する他の場所を用いることもできる。
【００２６】
図２は、水性ガスシフトシステム１７６を有するガス化ポリジェネレーションプラント１００の特定の実施形態を示す。図示の実施形態では、図１に関して上記で詳細に説明した特定の実施形態は同じ要素符号で表示している。図１と同様に、図２の実施形態はまた、エネルギー回収を増強するためエキスパンダー１３８を用いることで恩恵を受けることができる。図示の実施形態では、エキスパンダー１３８は、水性ガスシフトシステム１７６の直ぐ下流か、又は水性ガスシフトシステム１７６の直ぐ上流に位置付けることができる。実際には、エキスパンダー１３８を水性ガスシフトシステム１７６と組合せて用いることにより、追加のエネルギーの捕集が可能となり、ポリジェネレーションプラント１００の電力生産が増強される。
【００２７】
水性ガスシフトシステム１７６は、シンガス中の水素と一酸化炭素の比を調整可能にする。より具体的には、水性ガスシフトシステム１７６は、一酸化炭素が水（例えば、蒸気）と反応して二酸化炭素と水素を形成する水性ガスシフト反応を実行するのに好適なシフト反応器を含むことができる。このプロセスは、シンガス中の水素と一酸化炭素の比を約１：１〜約３：１の比を含むシフトシンガスに調整することができる。図示の実施形態では、水性ガスシフトシステム１７６は、酸性の水性ガスシフトシステム１７６である点に留意されたい。すなわち、硫黄は、水性ガスシフト反応中に水性ガスシフトシステム１７６に送給されるシンガス中に存在する可能性がある。
【００２８】
一実施形態では、シンガス流１３６は、水性ガスシフトシステム１７６に直接移送される。次いで、水性ガスシフトシステム１７６は、シフト反応器を用いて、シンガス流１３６の組成を水素と一酸化炭素の比が約３：１であるように再調整可能にすることができる。シフト反応は発熱反応であり、水性ガスシフトシステム１７６から流出する水性ガスシフトシステム１７６は、シンガス流１３６の温度よりも高温になることができる。例えば、温度は、約５０℃、１００℃、４００℃だけ上昇することができる。次いで、エキスパンダー１３８は、高温シンガス流１７８を膨張させ、シンガス流１７８の流れ及び熱エネルギーを機械エネルギーに転換することができる。さらに、機械エネルギーは、発電機を使用することにより電力に転換することができる。実際には、エキスパンダー１３８は、水性ガスシフトシステム１７６から得られる追加の熱エネルギーを捕集して追加の電力を生成することによって、ポリジェネレーションプラント１００においてエネルギーの生成全体を改善することができる。
【００２９】
別の実施形態では、水性ガスシフトシステム１７６は、エキスパンダー１３８の下流に位置付けることができる。この実施形態では、エキスパンダー１３８は、上述のように、膨張シンガス流１５６を水性ガスシフトシステム１７６内に配向する前に、最初にシンガス流１３６を膨張させることができる。次に、水性ガスシフトシステム１７６は、シフト反応を利用して、水素と一酸化炭素の比を約３：１に修正することができる。次いで、シフトされたシンガス流１８０は、上述のように、低温ガス冷却システム１５８により処理され、冷却シンガス流１８２としてＡＧＲ１６０に移送することができる。ＡＧＲ１６０は、冷却シフトシンガス流１８２からＨ2Ｓ及び／又はＣＯ2を除去することにより該シンガス流１８２を処理し、次いで、処理したシンガス流１８４を発電システム１７４に配向することができる。水性ガスシフトシステム１７６を含む実施形態では、発電システム１７４は、シンガス流１８４の水素と一酸化炭素の比を活用するよう修正することができる。例えば、発電システム１７４は、高水素含有のシンガスを用いるのに好適なガスタービンを含むことができる。次いで、発電システム１７４は、シフトされたシンガス流１８４を電力に転換することができる。これに加えて、又は代替として、化学システム１７７は、化学物質の製造のためにシンガスを処理することができる。これに応じて、ポリジェネレーションプラント１００は、シンガスのシフトの前又は後にシンガスを膨張することにより電力生成を増大させることができる。
【００３０】
図３は、ＡＧＲ１６０の下流に位置付けられたエキスパンダー１３８の使用を含む、ポリジェネレーションプラント１００の特定の実施形態を示している。図示の実施形態では、図１を参照して上記で詳細に説明した特定の構成要素が同じ参照符号で示されている。実際には、エキスパンダー１３８は、ＡＧＲ１６０の上流及び／又はＡＧＲ１６０の下流のシンガスを膨張させるのに好適である。ＡＧＲ１６０の上流及び／又は下流でエキスパンダー１３８を使用することによりエネルギーを再捕集することにより、ポリジェネレーションプラント１００は、効率を改善し、追加の電力出力を得ることができる。ＡＧＲ１６０の上流でエキスパンダー１３８を使用することは、図１〜２に関して上述している。ＡＧＲ１６０の下流でエキスパンダー１３８を使用することは、以下でより詳細に説明する。
【００３１】
一実施形態では、シンガス流１８４は、ＡＧＲ１６０の直ぐ下流から流出する。シンガス流１８４は、希薄シンガス流であり、すなわち、ＡＧＲ１６０によりシンガス流１８４から硫黄が除去されている。この実施形態では、シンガス流１８４は、水性ガスシフトシステム１８６に配向することができる。水性ガスシフトシステム１８６は、硫黄含有量が低減されたシンガス中の水素と一酸化炭素の比を調整するのに好適とすることができる。例えば、一酸化炭素と水を水素と二酸化炭素に転換可能にするのに好適なクロム又は銅系触媒を用いることができる。水性ガスシフトシステム１８６により可能にされるシフト反応は、シンガス１８４中の硫黄含有が低減されていることにより「スイート」（硫黄分の少ない）なシフト反応である。スイートシフト反応は発熱性であり、反応により生じる熱エネルギーは、例えば、水性ガスシフトシステム１８６の直ぐ下流にエキスパンダー１３８を配置することにより捕集することができる。この実施形態では、シンガス流１８８の質量流量に加わった熱は、水性ガスシフトシステム１８６の直ぐ下流に位置付けられたエキスパンダー１３８により電気エネルギーに転換することができる。上述のように、エキスパンダー１３８は、シンガス１８８の質量流量中に存在するエネルギーを回転運動に転換し、次いで、これを用いて追加の電力の生成に好適な発電機を駆動することができる。
【００３２】
別の実施形態では、ＡＧＲ１６０の下流から流出するシンガス流１８４は、エキスパンダー１３８に直接移送することができる。この実施形態では、エキスパンダー１３８は、シンガス流１８４を膨張させ、膨張シンガス流１９０を水性ガスシフトシステム１８６に配向する。エキスパンダー１３８における膨張中、シンガスは、熱エネルギーを機械エネルギーに変換することができる。従って、シンガス流１９０は、シンガス流１８８よりも低温にすることができる。次いで、低温のシンガス流１９０は、更なる処理のため水性ガスシフトシステム１８６に配向することができる。この実施形態では、水性ガスシフトシステム１８６は、有利には、銅亜鉛アルミニウム触媒組成を組み込むシフト反応などの、低温シフト反応を用いることにより低温シンガスを使用することができる。上記で述べたように、シフト反応は、高い水素比を有するシンガスをもたらす。従って、シンガス流１９２（又はシンガス流１９０）は、燃料として使用するため発電システム１７４に搬送することができる。これに加えて、或いは代替として、シンガス流１９２は、化学物質の製造のため化学システム１７７に配向することができる。ＡＧＲ１６０の下流でのエキスパンダー１３８の使用により、それ以外の方法では使用されないエネルギーの再捕集が可能になる。例えば、エキスパンダー１３８が水性ガスシフトシステム１８６から生じた追加の熱を用いて、電気を生成することができる。実際には、図４において以下でより詳細に説明する統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）のようなポリジェネレーションプラント１００の他の実施形態は、エキスパンダー１３８を用いてプラント効率を改善し、追加の電力の生成を可能にすることができる。
【００３３】
図４は、電力の生成の改善に好適な１以上のエキスパンダー１３８による化学物質の製造を含むことができるＩＧＣＣ発電プラント２００（ポリジェネレーションプラント）の一実施形態を示している。図示の実施形態では、図１に関して上記で詳細に説明された特定の構成要素は同じ要素の参照符号で示されている。図１〜３に関して上記で述べたように、エキスパンダー１３８は、シンガスの流れ中に存在するエネルギーを電力に転換する。さらに、図示の実施形態は、窒素加熱及び抽出空気冷却システム２０２、及びエキスパンダー１３８の使用によりＩＧＣＣ技術を導入するのに好適な脱気装置２０４のような特定のシステムを含む。ＩＧＣＣ発電プラント２００のような複合サイクル発電プラントにおいて、例えば、以下で説明するような低温ガス冷却システム１５８により生成される飽和蒸気を再利用することにより、追加のエネルギー効率を得ることができる。
【００３４】
一実施形態では、エキスパンダー１３８は、スクラバー１３０の直ぐ下流に配置され、シンガス流１３６を追加の電力に転換するのに使用される。別の実施形態では、水性ガスシフトシステム１７６は、スクラバー１３０の直ぐ下流に配置され、エキスパンダー１３８は、水性ガスシフトシステム１７６の直ぐ下流に配置される。この実施形態では、シフトされたシンガス流１７８は、膨張されて電力に転換される。次いで、膨張シンガス流１５６（又は膨張シンガス流１８０）は、低温ガス冷却システム１５８に配向することができる。これに加えて、或いは代替として、エキスパンダー１３８は、図示のように水性ガスシフトシステム１８６の下流に配置することができる。実際には、エキスパンダー１３８は、ＡＧＲ１６０の上流及び／又は下流に配置され、シンガス流１８４（又はシンガス流１８８）中に存在する質量流量エネルギーを用いて追加の電力を生成することができる。
【００３５】
化学物質の生成も含むことができる図示のＩＧＣＣ実施形態では、低温ガス冷却システム１５８は、冷却プロセス中にシンガスを冷却し、飽和蒸気２０６を生成することができる。次いで、この飽和蒸気２０６は、さらに再利用するため発電システム１７４に配向することができる。実際には、発電システム１７４は、例えば、ガスタービン２０８、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）２１０、及び蒸気タービン２１２を含むことができる。ガスタービン２０８は、シンガスを燃料として使用し、電力を生成するのに好適な発電機などの第１の負荷を駆動することができる。次いで、蒸気タービンエンジン２１２は、第２の発電機などの第２の負荷を駆動することができる。加えて、ガスタービン２０８及び蒸気タービン２１２は、別個の負荷を駆動することができるが、ガスタービン２０８及び蒸気タービン２１２を縦一列の形態で利用して単一のシャフトを介して単一の負荷を駆動してもよい。蒸気タービンエンジン２１２並びにガスタービンエンジン２０８の特定の構成は、実装時固有とすることができ、セクションのあらゆる組合せを含むことができる。
【００３６】
窒素加熱及び抽出空気冷却システム２０２からの加熱窒素は、発電システム１７４に配向され、ガスタービン２０８における燃焼希釈剤として使用し、これによりガスタービン効率を向上させることができる。ガスタービンエンジン２０８からの加熱排出ガスは、ＨＲＳＧ２１０に移送し、水を加熱して蒸気タービンを駆動するのに使用される蒸気を生成するのに用いることができる。ＨＲＳＧ２１０中の水の一部は、脱気装置２０４が提供することができる。すなわち、脱気装置２０４は、低温ガス冷却システム１５８から流出する加熱凝縮物２１４から特定のガス（例えば、酸素）を除去し、発電システム１７４に水を提供することができる。加えて、低温ガス冷却システム１５８からの飽和蒸気２０６を用いて、ＨＲＳＧ２１０において過熱された後に蒸気タービンを駆動することができる。
【００３７】
実際には、ＩＧＣＣ発電プラント２００のような複合サイクル発電プラントにおいて、高温排出ガスは、ガスタービンエンジン２０８から流れてＨＲＳＧ２１０に移動し、ここでこれを用いて高圧高温の蒸気を生成することができる。次に、ＨＲＳＧ２１０により生成された蒸気は、発電用に蒸気タービンエンジン２１２に移動することができる。加えて、生成蒸気はまた、他の何れかのプロセスに供給され、ここでガス化装置１１２などに用いることができる。発電システム１７４の運転により生じる凝縮物２１６の再利用など、再利用効率の追加が可能である。凝縮物２１６は、冷却工程で使用するため低温ガス冷却システム１５８に配向することができる。同様に、ガスタービン運転中に抽出される空気２１８は、システム２０２により処理され、ＡＳＵ１１８に配向されて窒素と酸素に分離することができる。ガスタービンエンジン２０８の生成サイクルは、「トッピングサイクル」と呼ばれることが多く、蒸気タービンエンジン２１２の生成サイクルは、「ボトミングサイクル」と呼ばれることが多い。これら２つのサイクルをエキスパンダー１３８の使用と組合せることにより、ＩＧＣＣ発電プラント２００は、両方のサイクルにおいてより優れた効率をもたらすことができる。
【００３８】
本発明の技術的効果は、シンガス流を電力に転換するのに好適な１以上のエキスパンダーを使用することにより、ガス化効率及び電力生成を改善することを含む。エキスパンダーは、スクラバーの直ぐ下流の場所を含む、ガス化プラント内の種々の場所に位置付けることができる。さらに、エキスパンダーは、ＩＧＣＣ発電プラントを含む、ガス化ポリジェネレーションプラントの種々のタイプで用いることができる。加えて、シンガス流は、「湿潤」シンガス流を含むことができる。実際には、シンガス流は、酸性ガスの除去の前にシンガスに添加される水を含むことができる。他の場合には使用されることのなかったエネルギーを捕集するために１以上のエキスパンダーを使用することによって、本開示の実施形態は、増大した電力を有するより効率的なガス化プラントをもたらすことができる。
【００３９】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００４０】
１００  ガス化ポリジェネレーションプラント
１０２  供給原料
１０４  フラックス
１０６  貯蔵ユニット
１０８  スラリー調製ユニット
１１０  水
１１１  スラリー燃料
１１２  ガス化装置
１１４  スラグ
１１６  酸素
１１８  空気分離ユニット（ＡＳＵ）
１２０  空気
１２２  窒素
１２４  シンガス流
１２６  粗スラグ処理システム
１２８  粗スラグ
１３０  スクラバー
１３２  凝縮物回収部
１３４  中水道戻り部
１３６  湿潤シンガス
１３８  エキスパンダー
１４０  水
１４２  水フラッシュシステム
１４４  高圧フラッシュガス
１４６  廃水
１４８  中道水処理システム
１５０  水
１５２  過剰水
１５３  中道水前処理システム
１５４  清浄水
１５５  フィルタケーキ
１５６  シンガス流
１５８  低温ガス冷却（ＬＴＧＣ）システム
１７４  電力アイランド
１７６  水性ガスシフトシステム
１６０  酸性ガス除去（ＡＧＲ）システム
１６２  過剰凝縮物
１６４  凝縮物アンモニア除去システム
１６６  アンモニアのない凝縮物
１６８  硫黄含有ガス
１７０  冷却シンガス流
１７２  シンガス流
１７７  化学システム
１７８  シンガス流
１８０  シフトしたシンガス流
１８２  冷却シンガス流
１８４  処理されたシンガス流
１８６  水性ガスシフトシステム
１８８  シンガス流
１９０  膨張シンガス流
１９２  シフトしたシンガス流
２００  統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電プラント
２０２  抽出空気冷却システム
２０４  脱気装置
２０６  飽和蒸気
２０８  ガスタービン
２１０  排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システム
２１２  蒸気タービン
２１４  加熱凝縮物
２１６  凝縮物
２１８  空気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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