(57)【要約】所定レベルの酸素燃焼反応器内の局所酸素含有量の制御に関する、酸素燃焼流動床反応器での炭素系燃料を燃焼するための方法および機器。炭素系燃料および酸素含有ガスは流動床反応器に導入され、不活性材料、ドロマイトまたはその組み合わせの流動床を通じて溶離され、少なくともＣＯ２およびスチームを生成するため燃料および酸素を燃焼させる。酸素含有ガスは酸素、再利用されたＣＯ２とスチームの混合物で、７から２０モル％酸素を含有する混合物である、再利用されたＣＯ２とスチームに添加される十分な酸素を有する。炭素系燃料と酸素含有ガスは、十分に互いのすぐ近くの位置で、その場で還元雰囲気をもたらさないように流動床へと導入される。少なくとも生成されたＣＯ２の一部およびスチームは反応器に再利用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系燃料を燃焼する方法であって、前記方法は、多段式の流動床を持つ反応器へと炭素系燃料および酸素含有ガスを導入する導入工程であって、炭素系燃料および酸素含有ガスが、不活性材料、ドロマイト、またはその組み合わせを含む流動床を通じ溶離させられ、酸素含有ガスは、酸素、再利用されたＣＯ２、および再利用されたＣＯ２に加えられた十分な酸素を有するスチームの混合物と、各段での混合物が７-２０モル％の酸素を含有することを含み、そして炭素系燃料と酸素含有ガスは、その場所で還元雰囲気をもたらさないように、十分に互いのすぐ近くの位置で前記流動床へと導入される導入工程と炭素系燃料と、少なくともＣＯ２およびスチームを生産するために含まれる酸素の少なくとも一部を燃焼する燃焼工程と前記反応器に供給される酸素の合計量が２０%よりも大きいが、各段で供給される酸素の量が２０%以下であるように、前記流動床を持つ反応器に対して、生成されたＣＯ２の少なくとも一部、および酸素含有ガスの一部としてのスチームを再利用する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
炭素系燃料は、石炭、石油コークス、バイオマス、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される固形物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
炭素系燃料は、天然ガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
各段が、少なくとも７%から２０%までの酸素モルパーセント含有量を有する開始段を有し、最終段前の各段の終端で酸素含有量が３モル%以下を有し、最終段の終端で、０．７−１．０モル%以下の酸素含有量を有して成る、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記流動床を持つ反応器は、少なくとも１つの床熱交換器を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記流動床を持つ反応器は、複数の床熱交換器を含み、複数の床熱交換器が、流動床反応器の容量により２０から３５%を占める、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記流動床を持つ反応器は、複数の垂直に分割された段を含み、少なくとも１対の隣接する、垂直に分割された段は、熱交換器内壁面により分割される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記方法は、前記流動床を持つ反応器への炭素系燃料および酸素含有ガスの導入が、炭素系燃料と酸素の所望の混合を可能とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記方法は、前記流動床を持つ反応器への炭素系燃料および酸素含有ガスの導入工程が、燃料インジェクターおよび酸素含有ガスインジェクター、ここで酸素含有ガスインジェクターと燃料インジェクターが対を成し、同じでない二重吹き出しを経由して前記流動床を持つ反応器に炭素系燃料と酸素含有ガスを導入する工程を含み、燃料インジェクターおよび酸素含有ガスインジェクターが、一定混合のシートを形成するように相互作用する、調和された運動量の噴流および噴流を生じる工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法は、前記流動床を持つ反応器に炭素系燃料および酸素含有ガスを導入する工程であり、ここで、同軸羽根プレートインジェクターを経由して前記流動床を持つ反応器へと炭素系燃料と酸素含有ガスを導入する工程を含み、ここで炭素系燃料が、第１の羽根を密着し、通常は外側に中心管に対して垂直に流れを向け直されるように中心管を通じて供給される工程と、酸素含有ガスが、第２の羽根を密着し、通常は外側に中心管に対して垂直に流れを向け直し、炭素系燃料の最初の流入に平行に向け直されるように、中心管について配置された環状流路を通って供給される工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法は、前記流動床を持つ反応器に炭素系燃料および酸素含有ガスの導入する工程であり、同軸配置を経由して前記流動床を持つ反応器に炭素系燃料及び酸素含有ガスを導入する工程を含み、炭素系燃料は中心管を通じて、そして酸素含有ガスは、中心管に中心側面が、酸素含有ガスの環状噴流で炭素系燃料の一部を放出する複数の横吐出口をさらに含む同軸配置を配された環状流路を通って供給される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法は、前記流動床を持つ反応器へ炭素系燃料および酸素含有ガスを導入する工程が、並行し垂直に離れて配置された前記流動床を持つ反応器へ炭素系燃料と酸素含有ガスを導入する工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
酸素燃焼反応器で炭素系燃料を燃焼するプロセスであって、その変更箇所は、酸素燃焼反応器内で２０モル%よりも小さく局所的な酸素含有量を制御することを特徴とする変更。
【請求項１４】
生産システムであって、当該生産システムは、多段式の流動床を持つ反応器を備え、炭素系燃料および酸素含有ガスが、不活性材料、ドロマイトまたはその組み合わせを含む流動床を通じて溶離され、前記酸素含有ガスは、酸素、再利用されたＣＯ２、および再利用されたＣＯ２に加えられた十分な酸素を有するスチームの混合物と、各段での混合物が７−２０モル％の酸素を含有する混合物を含み、更にその場で還元雰囲気をもたらさないようにするために、炭素系燃料および酸素含有は十分に互いのすぐ近くに接触して流動床に導入されていることを特徴とする生産システム。
【請求項１５】
各段は、入口で少なくとも７%から２０%までの酸素モルパーセント含有量を有し、最終段に先立ち、各段の終端は、３モル%以下の酸素含有量を有し、最終段の終端で０．７-１．０モル%以下の酸素含有量を有する、請求項１４に記載の生産システム。
【請求項１６】
炭素系燃料は、石炭、石油コークス、バイオマス、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される固形物を含む、請求項１４に記載の生産システム。
【請求項１７】
炭素系燃料は、天然ガスを含む請求項１４に記載の生産システム。
【請求項１８】
前記流動床を持つ反応器は、少なくとも１つの床熱交換器を含む、請求項１４に記載の生産システム。
【請求項１９】
前記流動床を持つ反応器は、複数の床熱交換器を含み、および複数の熱交換器は、前記流動床を持つ反応器の容量により２０から３５%を占める、請求項１８の生産システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に炭素系燃料の燃焼に関し、とりわけ流動床を持つ反応器中の、またはその反応器内での、もしくは反応器を経由するそのような燃焼処理に関する。
【０００２】
＜関連技術の議論＞
近年、地球の気候変化に関連する懸念などのせいで、ＣＯ２の大量の放出が徐々に減り、また、ＣＯ２排出量を削減する新規のエネルギー源が求められてきた。酸素燃焼と呼ばれる有望な技術が１０年以上にわたって多くの国々で開発されてきた。
【０００３】
そのようなプロセス技術は一般に、不活性材料またはドロマイト、あるいは両方の組み合わせから構成される流動床を持つ反応器を使用する。固形炭素系の、可能であれば硫黄を含有する燃料は、反応器内に導入されて酸素または空気で焼成される。主として二酸化炭素とスチームから構成される再利用された流動ガスは、床を流動化するために使用される。ＣＯ２は、床に対し流動化するガスの６５−９９％を構成し、またスチームが剰余を補充することもある。従来の酸素燃焼反応器は、全ての再利用された煙道ガスを、２０−３０％または５０％の酸素（モル百分率）と予備混合する。これは、石炭、石油コークス、およびバイオマス燃焼から電力生産用に最適化された高炭素取り込み系システムに対して提案された、酸素燃焼方式の一般的に総称される製法である。
【０００４】
もし、プロセスが高圧において実施され、より多くの電力が高品質スチームを用いて生産されることを可能にし、流動ガスの凝縮液とともにボイラー給水が予備加熱することができる場合、相当の熱量を削減することができる。それ故、系統効率を改善するために、高圧での酸素燃焼を実施する方法が非常に望まれている。
【０００５】
上述される従来方法での酸素燃焼を高圧以外に実施する意味は、高酸素含有量が、炭素系燃料（石炭、亜炭、石油コークス、またはバイオマスなど）がオーバーヒートを防ぐため大きな粒径で導入され、従って、完全燃焼を確実にするために固形物がサイクロンを経由して床外で循環しなければならないことを必要とする（米国特許出願公開第２０１４／００６５５５９号公報）。
【０００６】
特許出願公開第２０１０／０３０７３８９号公報に記載されたような、床へ微粉炭を導入する方法は、非常に短い時間での完全燃焼を可能とするだろう。そのような固形物は床外で循環する必要はない。しかしながら、このことは、石炭粒子が熱より速く焼成し、また伝熱面への床を通って拡散するという危険性を有し、これはスラグを形成する凝集を通じて損傷をもたらしかねない。燃料中の水分は、ある程度効力を緩和するだけの制限を有する。また、水分を含む燃料の使用は、操作コストに悪影響を及ぼす（より多くの酸素が生成されるであろうし、乾かない場合、固形物が従来の方式で扱うことができない）。
【発明の概要】
【０００７】
一態様または実施形態によれば、炭素系燃料を燃焼する方法が提供される。当該方法は、流動床を持つ反応器へと炭素系燃料と酸素含有ガスを導入する導入工程を含む。流動床を持つ反応器内で、炭素系燃料と酸素含有ガスは、不活性材料、ドロマイトもしくはその組み合わせの流動床を介して溶離される。流動床を持つ反応器は、多段式であり得る。酸素含有ガスは、酸素、再利用されたＣＯ２およびスチームの混合物であり、当該混合物は、再利用されたＣＯ２とスチームに加えられた十分な酸素を含んでおり、７−２０モル％の酸素を含有し、一段目で予備混合されうる。後段では、炭素系燃料と酸素含有ガスは、十分に密接した位置で流動床へと導入され還元雰囲気を回避する。炭素系燃料は、酸素含有ガスの少なくとも一部と反応することでＣＯ２およびスチームを生成する為、少なくとも含有する酸素の一部と反応する。生成されたＣＯ２およびスチームの少なくとも一部が流動床へと再利用され、一部の酸素生成ガスが７−２０モル％の酸素を含有する混合物を形成し、それに対し十分な酸素が加えられ、７−２０モル％の酸素を含有する混合物を形成する。これは、反応機内で追加のあるいは様々な段階で繰り返されてもよく、それにより、より多くのあるいは追加のＣＯ２とスチームを生成し、その結果、再利用されたＣＯ２とスチームと配合もしくは混ぜ合わせられる酸素の総量は、恐らく実質的に２０％より大幅に多いが、各工程で、７−２０モル％の酸素を含有する混合物を形成するために加えられた酸素量は、２０％以下である。
【０００８】
本発明は、酸素燃焼反応器内で炭素系燃料を燃焼するための改善されたプロセスを提供するものであり、その改善は、酸素燃焼反応器内で局所的な酸素含有量を、最大で２０ｖｏｌ．％まで制御するが、合計で、２０％を超えるシステムレベルまでの酸素量を達成する。これは、反応器の後段中の燃料インジェクターの非常に近い位置での酸素の注入により、少なくとも部分的には可能となる。例えば、そのような非常に近い位置は、概して燃料インジェクター直径の約１ｘ−２０ｘの距離に相当しうる。
【０００９】
更に他の態様もしくは実施形態によれば、流動床を持つ反応器を含む生成システムが提供され、ここで、不活性材料、ドロマイトまたはその組み合わせを含む流動床を介して、炭素系燃料と酸素含有ガスが溶離され、一部の酸素生成ガスが７−２０モル％の酸素を含有する混合物を形成し、それに対し十分な酸素が加えられ、７−２０モル％の酸素を含有する混合物を形成する。さらに、そのシステムにおいて、炭素系燃料および酸素含有ガスは、互いの十分な位置で流動床に導入され、その場で還元雰囲気（例えば０％の酸素）の生成を回避する。
【００１０】
本明細書において使用されているように、酸素含有量、環境等への言及に使用された時「局所的」への言及は、概して反応器の段階に言及していると理解されるべきである。それは、燃料および酸素導入径のほぼ４０Ｘ−６０Ｘの距離を含むであろう。
【００１１】
他の目的および利点は、添付の特許請求の範囲および図面とともに記載された以下の詳細な説明から当業者には明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明の目的および特徴は、図面と共に記載された以下の説明から一層良く理解されるであろう。
【図１】本発明の一態様による生産システムの簡約化された概略図である；
【図２】本発明の一態様による流動床を持つ反応器へ炭素系燃料と酸素含有ガスを導入する構成の簡略化された概略図である；
【図３】本発明の他の態様による流動床を持つ反応器へ炭素系燃料と酸素含有ガスを導入する構成の簡略化された概略図である；
【図４】本発明の他の態様による流動床を持つ反応器へ炭素系燃料と酸素含有ガスを導入する構成の簡略化された概略図である；
【図５】図４に示された流動床を持つ反応器へと炭素系燃料と酸素含有ガスを導入するための構成の断面図である；
【図６】本発明の他の態様による流動床を持つ反応器へと炭素系燃料と酸素含有ガスを導入するための構成の簡略化された概略図である；
【図７】本発明の一態様による多段式の生産システムの簡略化された概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、酸素燃焼での当該技術分野の現状と異なる方法で、炭素系燃料を燃焼する方法を提供する。
【００１４】
図１は、本発明の一態様に従って、参照符号（１０）で一般的に示された処理システムの、簡略化された概略図である。示されたように、流路１２経由および流路１４経由で炭素系燃料と酸素が、それぞれ本発明の酸素燃焼器に注入され、本発明の態様の様相に従って、酸素燃焼器システム１６に噴射される。酸素燃焼器システム１６は、望ましくは、流路２０によって示されるように、動力を生成もしくは作り出し、および流路２２によって示されるようなＣＯ２、Ｈ２Ｏ（例えばスチーム）及びその他のものを生成することができる。流路２１によって示される反応器系統生成ガスの少なくとも一部が、流路２４によって示される物等の酸素燃焼反応器システム１６に戻って再利用されることができる。
【００１５】
本発明の一態様によれば、酸素は再利用されたＣＯ２およびスチームの混合物に注入され、その結果、酸素、ＣＯ２およびスチーム（例えば流路２６）の配合物は、７モル％酸素、およびわずかまたは、最大で２０モル％酸素、場合によっては最大１８モル％酸素の相対量、あるいは特定の好ましい実施形態に従って、より好ましくは少なくとも９モル％酸素および最大１２  モル％酸素で構成される。適正量の燃料が同様に注入され、それにより燃料が完全に燃焼することができ、例えば、そのプロセスは希薄燃料で実行される。当業者によって理解され、本明細書のもたらされた教示によって導かれるように、燃料と酸素は、互いに十分近くで密接し、液化燃焼（例えば、燃料の炭化水素含有量を指す）は、混合を介して酸素減損の前に生じることができ、その後還元雰囲気は、その位置で生成されないように有利に注入される。一実施形態において液化を達成するために必要とされる接近距離は、望ましくは５００ｍｍ未満であり、また好ましくは１５０ｍｍ未満でもよく、そして、いくつかの実施形態では、１００ｍｍより少なくてもよく、これは燃料の７０％の２００メッシュの標準産業用石炭研磨に微粉化され、これはトップサイズで１ミリメートル未満、好ましくは３００ミクロン未満に達成することができ、したがって、例えば、２０ｍｍの燃料供給路では、液化が行われるおよそ１５０−４００ｍｍの垂直の接近距離を有することができている。インジェクタジェットが水平噴射構成要素を包む場合、接近距離は水平方向でより長くなることもあり、それは分布の為におよび、インジェクターの数を少なく保ち、かつ垂直の接近距離を減らすことが望ましい場合がある。この水平接近距離は、１５０−６００ｍｍの範囲をカバーすることができ、好ましくは２５０−３００ｍｍの範囲で、これは燃料と酸素と注入のために適切な噴出口を選択することで制御されることもある。
【００１６】
還元雰囲気は腐食性が高く、典型的には燃焼反応器での金属製部品に対する、高価な合金、あるいは拡大しあるいはより「進入禁止（Ｋｅｅｐоｕｔ）」帯を組込みおよび使用を必要とする。その後で、（「チャー（Ｃｈａｒ）」と呼ばれる）炭素系フラクションの残りの燃焼は、拡散制限反応（酸素が粒子に拡散する二酸化炭素として、それを粒子の外向きの拡散として点で）において行うことができ、そこでは酸素が二酸化炭素粒子から外側に拡散したときに粒子へと拡散し、この拡散制限燃焼では、粒子は過熱されず溶解しない。「進入禁止（Ｋｅｅｐоｕｔ）」帯は、望ましくは比較的小さく維持することができるので、これらの測定値の正味の効果は、熱除去機によって均衡を保つことができる高速反応速度である。
【００１７】
炭素系燃料は、ある実施形態に係る固形物である。例えば、そのような適切な炭素系燃料は、石炭、石油コークス、バイオマス、あるいはその組み合わせ等を含んでも良い。
【００１８】
炭素系燃料は特定の実施形態に係るガスである。そのような、適切な炭素系燃料は天然ガスを含む。
【００１９】
燃焼後であるが流動ガスが流動床を出る前に、反応器は段階分けされてもよく、結果としてスラグの形成をもたらすことができるなど、燃料粒子の過熱を回避または防ぐために連続して、これらの分子百分率を繰り返す。
【００２０】
図７は、本発明の一態様により、参照符号１０’によって概して示された多段式の処理システムの簡易化された概略図である。処理システム１０’は、上述している処理システム１０に多少類似しており、同様の項目を「’」の追加により同様の番号を付けられる。
【００２１】
示されるように、本主題の発明により、流路１２’  および流路１４’で炭素系燃料及び酸素が酸素燃焼反応器システム１６’に注入され、酸素燃焼反応器システム１６’は、１６’ａ、１６’ｂおよび１６’ｃで構成された多段式の燃焼反応器システムである。酸素燃焼反応器システム１６’は、望ましくは動力を生成もしくは作り出すことができ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ（例えばスチーム）およびその他のガスおよび流路２２’によって示される生成ガスである生成物を生成することができる。
【００２２】
図７で、酸素燃焼反応器システム１６’は、流路２１’ｂを経由して流れるように示された第一段１６’ａから第２段１６’ｂまでの生成ガス流路２１’ａを経由して流れるように示された、第二段１６’ｂから第三段１６’ｃまでの生成ガス、そして流路２１’ｃを経由して流すように示された第三段１６’ｃからの生成ガスと共に示されている。燃焼反応器系生成ガス２１’ｃの少なくとも一部は、流路２４’によって表わされたような酸素燃焼反応器システム１６’に戻って再利用することができる。
【００２３】
本発明の一態様によれば、十分な酸素（例えば１４’ａ、１４’ｂおよび１４’ｃ）は、各段の始めの酸素モル％が１８モル％もの高い２０モル％と同じくらい高く、あるいは１６〜１８モル％と同じくらい高くなりうるように添加される。添加された酸素および再利用されたＣＯ２およびスチームは、望ましくは、第一段で予備混合されることもある。本発明のある好ましい実施形態によれば、各段での始めの酸素モルパーセントは、少なくとも８モル％および最大１２モル％の範囲であってもよい。各段出口の残酸素含有量は、好ましくは約３モル％よりも小さく、そして、より好ましくは約１モル％である。
【００２４】
さらに、段数は２、３または４あるいは、それ以上であり得る。更により多い段数は、複雑さとコストを増やす。極限設計の複雑さおよびコストを制限する為、床流動ガス（例えば再利用された流動ガス）に対する圧力損失を最小化することとするために、２−３段が、好ましい典型的な段数である。実際に段数は、典型的に選択された液化と燃焼反応距離に依存して選択されるが、それは燃料型に依存し、燃料の対象を用いる実験を通して決定される。決定された段数は、床を流体化する流動ガスで行われるはずの圧縮操作を規定するだろう。
【００２５】
最終段の出口で組み合わさったガスは、好ましくは０．７モル％から１モル％酸素を保持するだろう。これは一酸化炭素形成を防ぐ間にガス浄化を単純化するが、酸素の過剰生成を最小化する。しかしながら各段間で、流動ガスは、内部への損傷を防止、回避、または最小化するには最大３から５モル％の酸素を含むこともある。
【００２６】
石炭のような炭素材を燃焼する酸素燃焼法は多くの難問に直面する。例えば、空気吹き燃焼器では、過剰酸素は多くの場合５％もあり、燃焼器中の還元雰囲気を回避する上で、一般的にそのように維持され、金属表面を損なうものである。高価である特定の高合金材料の使用、又は同様に高価である過度の酸素の噴射を通じて、この問題又は懸念に対処するよりはむしろ、本主題の発明は、そのような炭素材の比較的低い酸素濃度での急速燃焼を可能とする。燃焼速度は、流動床で非常に細かい微粉炭を利用するか、使用することにより、望ましく進行し得る。しかしながら、細かい微粉炭は、熱交換器床内でさえも非常に高い粒子温度をもたらし、結果としてスラグを形成し、上記床上面のファウリングをもたらしかねない。本発明の好ましい態様により、反応速度は、酸素モル百分率を制御することにより、局所的な酸素分圧を下げることで粒子温度を下げ、望ましいように有効に制御することができる。
【００２７】
本発明によれば、１つ以上の様々な取り組みもしくは技術は、そのような燃焼炭および灰粒子の温度を緩和する為などに望まれることがあるように局所的な酸素モル百分率を制御する際に、２０％より小さく、望ましくは、１８％利用できることが望ましい。例えば、それぞれの段において、酸素導入装置は、石炭投入装置に近接して配置することが望ましい。その結果、それらの噴流は重複し、混合され、よく分配される。したがって、還元帯は排除される。
【００２８】
段数は、少なくて２〜４ほど、多くて１００または２００の極小段であっても良く、およそ２〜６立方フィートの小域的な環境を占めることもある。酸素と燃料の混合物は、水平に様々な導入構成またはスキームを通じて、適切に制御されることができる。例えば、一実施形態では、各段は熱交換器の内部表面で多くて断面積の５０％および多くてガス量の３５％も、または少なくて断面積の４０％および少なくてガス量の２０％ほどを占めるように垂直に分けることができる。
【００２９】
１つの好ましい実施形態において、床材（例えばドロマイト）、炭素材（例えば石炭固形微粒子））は、それらを流入させて（例えば、反応器から外れて吹き分けられることができる）、フィルター、サイクロンおよび他の流動ガス浄化装置に供給することができるように、それぞれ大きさが決められる。
【００３０】
当業者、また本明細書にもたらされた教示によって導かれる業者は、流体ガスの主成分として再利用された流動ガスを利用する酸素燃焼処理の操作の達成を可能にするモル百分率としての酸素流量の適切な制御により、多くの驚くべき有益な結果の実現を可能にすることを理解し評価するであろう。これらの内、最初に、酸素モル百分率と流動ガスの再利用質量流量との緊密な逆比例の関係があり、これは非常に重要である。二番目に床勾配の規模がある。第３の驚くべき成果は、様々なモル百分率での床内熱交換器と対流熱交換器から分離可能な熱の相対的な大きさである。これは、再利用されたガス温度に、このガス温度を下げるために要する、再利用されたガス流量およびエンタルピーの規模の直接的な結果として見られることもある。
【００３１】
１つの例として、いくつかの可能性のある公称上１ＧＷｔｈの石炭流量を満たすであろう、各々の操作条件は、以下の表１に示される。最終段は、典型的に流動ガス中の確定的な酸素モル比に整えるために、より少ない酸素を受け取ることになる：
【００３２】
【表１】
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【００３３】
本発明の一実施形態によれば、低い局所的なモル％で操作する流動床を持つ反応器は、段数の増加により、総系統で高いモル比を達成することができる。例えば、２８％の同じ全体の酸素システムバランスは、６段の使用で酸素を８または９％に制限するシステムと合致させることができる。
【００３４】
これらは異なる設計条件のように見えるが、単床設計は、比較的一定で予測可能な熱移動、バブリング活性、空隙率および低圧振幅の流体化状況を網羅し、様々な速度上で操作されることができる。その全部は流動床中の望ましい特性になりえる。さらに、これは、単に燃料流量が三段すべてに対して同じであると仮定する例示的な例である。それは一段目、二段目、三段目およびさらなる段目の間の燃料流量比を変更する設計は、そのような方法、単床径およびテーパーが、各段での燃料バランスの変更及び床面積の１平方メートル当たりの燃料濃度の変更により、様々な流量と酸素モルパーセントを管理することができるような方法で操作可能である。また、このように設計し操作される流動床は、結果として様々な操作や有利なパフォーマンスもしくは利点操作をもたらし、若しくは結論付けることができる。例えば、一度に酸素を導入し、且つ燃焼を段階分けしないように設計された酸素燃焼方式と比較して、もしくは増加させられた燃料可撓性、より高い折り返し機能、および様々な冷却液温度形態の１つ以上を含む利点や様々な操作及びパフォーマンスをもたらし、結論付けることができる。更に微粉炭のように、細かく微粉砕された炭素材と非常に高い、熱交換器表面積／カラム体積比率の使用により、ｍＷ／ｍ３で計測された反応器の実寸を数倍増加させることができる。
【００３５】
例えば、従来の空気吹き出しにより加圧された、流動床燃焼装置用の従来の市販スケールでの熱交換器は、流動床の５％から１４％の体積分率を用いる熱交換器を使用した。一つの好ましい実施形態に従って、本発明は、少なくとも２０体積％または２４体積％および最大で３２体積％もしくは３５体積％の熱交換器と小径管を有するように設計され、これは１メガワット当たりの床内体積をさらに減らすことになる。
【００３６】
本発明は、導入及び床のバッフルの１つ以上の制御によって、床あるいは炭素焼損に影響することなく少なくとも部分的に悪影響を与えることなく、酸素の細かい制御を可能にする。例えば、流動床は、１つ以上またはいくつかの非常に重要な機能を果たす、１以上か複数の熱交換器を有することができる。熱交換器は、例えば燃焼プロセスから熱を取り除き、かつ冷却材（スチームか超臨界のＣＯ２のように液体として機能する）にそれを移動する役目を果たすこともある。滑らかで、振動のない遊離流動化を保証するために、熱交換器は気泡破壊装置として機能することもある。熱交換器は、過剰のバックミキシングを防ぐための段バッフルとして機能することができるが、結果として、固体の過剰な質量移動および不十分な固体／ガス混合、並びに滞留時間を引き起こし、これは低い炭素未燃焼および非効率的な操作をもたらすことが知られている。
【００３７】
ここで図２−６を参照する。これらは望んだ炭素系燃料と酸素の混合を達成できる、上記に言及された構成、設計または技術のいくつかを例示している。これらの全てには、構成、設計または技術の全てにおいて、「選択的レーザ溶解」と呼ばれる比較的新規な付加的な製造法の使用あるいは、従来の機械加工および溶接のコストの数分の１で形成される複雑な形状を可能にするような他の類似の付加的技術の使用を通じて、低費用で作り上げられ得るという付加価値がある。
【００３８】
最初に図２に向けると、参照符号２１０によって通常特定された構成、設計または技術が例示され、および異なる二重線として指す。異なる二重線２１０とは異なり、各々の燃料導入装置２１２は酸素導入装置２１４とペアになっており、その結果、燃料噴射器の噴出口２１６および酸素導入装置噴出口２１８は、推進力を調和させている。噴出口２１６および２１８はシート２２０の一定の混合を形成するように相互作用する。そのような構成、設計または技術は、流動床中で燃料を水平方向（流動床が概して不利と知られている混合方向）拡散を結果としてもたらす。
【００３９】
図３は、参照符号２３０によって一般的に特定され、及びしばしば共軸スプラッシュプレート・インジェクター２３０と呼ばれる構成、設計または技術を明示している。
【００４０】
共軸スプラッシュプレート・インジェクター２３０では、炭素系燃料が中心管２３２を介して供給されることで、第１のスプラッシュプレート２３４に突き当り、矢印２３６によって表わされるページ面内などで、中心管２３２の３６０度方向に外向で当初流れるように方向を変えられる。酸素含有ガスは、中心管２３２の周りに配置された環状流路２３８を通って供給されることで、第２のスプラッシュプレート２４０に突き当たり、矢印２４２によって示されるページ面内などの中心管２３２に概して垂直に（および炭素系燃料の方向を変えられた当初の流れに平行に）３６０度方向で外向に流れるように当初の流れに方向を変えられる。
【００４１】
このように、例えば石炭のような炭素系燃料、および酸素は両方とも、剪断層で混合する平行シートへと方向付けられる。これらの流れの運動量は、図２に示されるおよび上記の異なる上記の二重線での構成が一致するような同じ方法では一致しない。代わりに、１枚のシートの速度が、別のシートのおよそ２倍の速度であるように、これらの流れが設計されている。この設計は、中心管２３２を経由して伝達された炭素系燃料が、環状領域２３８に流れる、より低温の酸素ガスによる燃焼熱から、保護されるか隔離されるという利点を持つ。
【００４２】
図４および５は、参照符号２５０によって概して指定されるように流動床反応器へと炭素系燃料と酸素含有ガスを導入するための、代替的な同軸配置を示している。構成２５０では、炭素系燃料は中心管２５２を通して供給され、酸素含有ガスは、中心管２５２の周りに配された、環状流路２５４を通って供給される。同軸構成２５０は、環状噴流２５４を経由して酸素含有ガスを放出する間に、中心の横吐出口が出口２６２を経由して炭素系燃料の一部を放出する、さらなる複数の横吐出口２５６をさらに含む。
【００４３】
上述している共軸スプラッシュプレート・インジェクター２３０と同様に構成２５０は、環状流路２５４で流れる冷めた酸素ガスによる燃焼熱から中心管２５２を経由して伝えられた炭素系燃料を保護するか絶縁する役目を有利に果たすことができる。
【００４４】
構成２５０により、横吐出口２５６は流動床中で増加する減衰力を生成するか、結果としてもたらすために利用可能である。分かるように、流動床は、減衰力を回避または防ぐように典型的に設計されている。しかしながら、実施形態では、炭素系燃料の残渣（例えば石炭灰）および／または、床材（例えばドロマイト）は、吹き込みにより流動床の外に優先的に送られるもしくは搬送することができる。硫黄取り込み能力を増加もしくは最大限にするために、床材であるドロマイトまたは石灰石粒子は、最大限浮遊させることができる粒子よりも大きいサイズで優先的に導入される。しかしながら、もしこれらの粒子がそのとき浮遊させて運ぶことができるサイズに摩滅されれば、物質は温床灰分分離システムを介して除去される必要がないが、その代り、対流熱交換器を用いて熱交換した後など、分離系統によって分離することができる。これは、大規模な床灰分分離システムの資本コストをおよびこれらの固形物ハンドリング・バルブのメンテナンスを削減できる利点を持つ。また、ドロマイトの浮遊性が、対流熱交換器の表面を清浄にするために作用することができるように、そうでなければ飛灰を用いる間に汚れるようになる。
【００４５】
この共軸の設計において、図は、より長い散布グリッド・パイプ列に溶接される前のような予め組み立てられた状態での単一要素を示す。
【００４６】
図６は、参照符号２７０で概示され、流動床反応器へと炭素系燃料と酸素含有ガスを導入する別の実施形態に係る構成を示している。構成２７０では、炭素系燃料は導管２７２を通って送られ、燃料噴流２７６を形成するような出口２７４経由で放出され、その一方で酸素含有ガスは、導管２８２を通って伝えられ、酸素含有ガス噴流２８６を形成するように出口２８４を経由で放出される。示されるように導管２７２および２８２は、通常は並列であるが、様々な濃度または鉛直高さであり、酸素は燃料以下に導入される。このように、酸素噴流は従来の多孔分散管方法で流動床へと導かれ、酸素は燃料以下に導入される。
他の設計と同様に、これらの多孔分散管は酸素および燃料出口もしくは、オリフィスを１対１の比率に有利にできる。
【００４７】
したがって、一つの態様によれば、本発明は、酸素と炭素系燃料を噴射する方法及びシステムを提供し、それは、酸素燃焼処理における混合を改善及び／または良好に制御する。
【００４８】
別の態様により、本主題の発明は、比較的低コストでＣＯ２取り込みを改善もしくは最適化し、かつ少なくとも部分的に多段燃焼を利用して高効率を達成するシステムおよび方法を提供する。
【００４９】
本発明の別の態様により、本主題の発明は、反応器サイズの減少を可能とし、かつ完全な燃焼、適度な床温度、資本コストの削減、排出物の削減、目的を達成するためなどに、稠密化した熱交換器表面の改善使用を可能にする。
【００５０】
特許請求の範囲は、もし、「〜の手段」「〜のステップ」というそれぞれの言い回しを用いて、そのような制限が所定の請求項にて明示的に詳述されなければ、手段プラス又はステッププラスまたは機能の制限を包含することを意図しておらず、且つ包含することと解釈されてはならない。
【００５１】
本明細書において例示的に開示されて発明は、本明細書に具体的に開示されていない要素、ステップ、構成要素、または材料のない状態で適切に実施され得る。
【００５２】
前述の詳細な記載において、本発明は、特定の好ましい実施形態、に関連して記載されており且つ、例示目的のために多くの詳細が記述されているが、本発明が更なる実施形態に受け入れる余地があり、且つ本明細書に記載された詳細の一部は、本発明の基本原理から逸脱することなく、大幅変更され得ることは、当業者に明白だろう。
【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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【国際調査報告】
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