(57)【要約】本発明は、以下を有する還元領域の特定の構成を使用して、固体の炭化水素含有供給物のケミカルループ燃焼のための改良された方法に関する：高密度流動床貢献化で作動する第１の反応領域Ｒ１；第２の反応領域；領域Ｓ２からの混合物中から、未燃固体供給物粒子と、フライアッシュと、酸素保有材料粒子の分離を行う高速分離領域Ｓ３；蒸気取り出し領域Ｓ４；一部分は第１の反応領域Ｒ１へ直接再循環され、他の部分は、ライン１８を通過するアッシュを捕獲し、ライン２０を通過する高密度粒子を第１の反応領域Ｒ１に再循環するために、エルトリエーション分離領域Ｓ５へ送られる、粒子流れ分割領域Ｄ７。本発明は、該方法を行うことができるケミカルループ燃焼プラントにも関する。
2014526672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子の形態の酸素保有材料が循環する、固体粒子の炭化水素含有供給物のケミカルループ燃焼方法であって、
少なくとも：
−高密度流動床条件下で作動する第１の反応領域Ｒ１において、前記固体供給物粒子と前記酸素保有材料粒子とを接触させることと、
−第２の反応領域Ｒ２における前記酸素保有材料粒子の存在下で、前記第１の反応領域Ｒ１からのガス状排出物を燃焼させることと、
−燃焼蒸気（１３）とともに、未燃固体供給物粒子とフライアッシュの大部分を運び、前記酸素保有材料粒子の大部分を酸化領域Ｒ０に運ぶために、高速分離領域Ｓ３において、前記領域Ｓ２からの混合物中から、前記未燃固体供給物粒子と前記フライアッシュと前記酸素保有材料粒子とを分離することと、
−取り出されたガス流れ（１４）と、アッシュを含む粒子と主に前記酸素保有材料粒子及び前記未燃固体供給物粒子からなる高密度粒子とからなる流れ（１５）とを排出するために、蒸気取り出し領域Ｓ４において前記高速分離域Ｓ３からの蒸気（１３）を取り出すことと、
−流れ分割領域Ｄ７において、取り出し段階Ｓ４において２つの流れに分離された粒子の流れ（１５）を、一方は前記高密度流動床条件下で作動する前記第１の反応領域に再循環し、他方はエルトリエーション分離領域Ｓ５に送られるように分割することと、
−前記アッシュを回収し、前記高密度粒子を前記第１の反応領域に再循環するために、前記領域Ｓ５においてエルトリエーション分離をおこなうことと、
を含む、方法。
【請求項２】
−前記第１の反応領域Ｒ１の直下に配置された流動化領域Ｓ６において、前記第１の反応領域Ｒ１の底で凝集した加熱炉アッシュを堆積させることと、
−前記凝集した加熱炉アッシュの少なくとも１０質量％を有する粒子流れ（２４）を採取することと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記領域Ｓ６は、前記領域S６の流れの最も大きい断面において、前記酸素保有材料の流動化の最小速度の３倍を超えない流動化ガス速度で、ガスによって流動化されている、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記流動化領域Ｓ６において前記凝集されたアッシュの採取が、冷却されたスクリューを使用して行われる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記固体供給物は、石炭、コークス、石油コークス、バイオマス、瀝青砂、及び一般廃棄物から選択される、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記酸素保有材料は、粒度分布の９０％が１５０ミクロンから３００ミクロンの間の範囲の粒径の粉状の固体である、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記エルトリエーション分離領域Ｓ５内に供給される流動化ガスは、前記固体供給物の前記燃焼によって作られる前記蒸気の少なくとも一部からなる、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記エルトリエーション分離領域Ｓ５内に供給される流動化ガスの全ては、前記固体供給物の前記燃焼によって作られる前記蒸気からなる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記高密度流動床条件下で作動する第１の反応領域Ｒ１に直接再循環される前記流れは、前記流れ分割領域Ｄ７内に流れる流れの少なくとも５０％に相当する、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記高密度流動床条件下で作動する第１の反応領域Ｒ１に直接再循環される前記流れは、前記流れ分割領域Ｄ７内に流れる前記流れの少なくとも８０％に相当する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
燃焼領域内を循環する粒子混合物内における前記フライアッシュの濃度は、５ｗｔ．％未満である、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃焼領域内を再循環する前記粒子混合物内における前記フライアッシュの濃度は、１ｗｔ．％以下である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法による固体炭化水素供給物のケミカルループ酸化還元燃焼を行うためのプラントであって、
少なくとも：
−固体供給物供給ライン（１０）と、流動化ガス供給ライン（１１）と、酸化領域Ｒ０からの酸素保有粒子のための供給ライン（８）と、を有する第１の反応領域Ｒ１と、
−前記第１の反応領域Ｒ１からの粒子を含むガス状燃焼排出物を受け入れる第２の反応領域Ｒ２と、
−アッシュと、酸素保有材料粒子と、未燃固体供給物粒子とを含む、前記第２の反応領域Ｒ２からのガス状燃焼排出物を受け入れ、かつ、前記酸素保有材料粒子の大部分を酸化領域Ｒ０へ排出するための排出ライン（９）を有する高速固体粒子分離領域Ｓ３と、
−前記高速分離領域Ｓ３からの燃焼ガスによって同伴され、入口（１３）を通過する軽い粒子を受け入れる蒸気取り出し領域Ｓ４と、
−前記蒸気取り出し領域Ｓ４において蒸気から分離され、入口（１５）を通過し、前記アッシュと前記酸素保有材料粒子及び前記未燃固体供給物粒子から主に構成される高密度粒子とを含む粒子の流れを受け入れる流れ分割領域Ｄ７と、
−前記流れ分割領域Ｄ７で分割され、入口（１７）を通過する前記粒子の流れの少ない部分を受け入れ、かつ、流動化ガスを供給することができるライン（１９）とフライアッシュと酸素保有材料細粒とを基本的に含む軽い粒子を排出することができるライン（１８）とを有するエルトリエーション分離領域Ｓ５と、
−前記流れ分割領域Ｄ７で分割された前記粒子の流れの大部分を直接再循環するための、前記流れ分割領域Ｄ７から前記第１の反応領域までのライン（１６）と、
−エルトリエーションによって分離された高密度粒子を再循環するための、前記エルトリエーション分離領域Ｓ５から前記第１の反応領域Ｒ１までのライン（２０）と、
を含む、プラント。
【請求項１４】
前記第２の反応領域Ｒ２の流れの断面は、好ましくは前記第１の反応領域Ｒ１の流れの断面よりも小さい、請求項１３に記載のプラント。
【請求項１５】
前記第１の反応領域Ｒ１の直下に設けられ、凝集した加熱炉アッシュのための堆積領域を有し、
−凝集アッシュ供給ライン（２１）と、
−流動化領域Ｓ６と、
−流動化ガスを供給する１つ以上のライン（２２）と、
−前記酸素保有材料粒子を前記第１の反応領域に再循環するための排出ライン（２３）と、
−前記凝集した加熱炉アッシュの少なくとも１０質量％を含む粒子の流れを採取するための手段（２４）と、
を有する、請求項１３または１４に記載のプラント。
【請求項１６】
前記流動化領域Ｓ６は、垂直線に対して１５°以下の半角を有する頂部が断ち切られた領域である、請求項１５に記載のプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー、合成ガス、及び／または水素を作り出すために、固体の炭化水素含有供給物のケミカルループ酸化還元（ｒｅｄｏｘ）燃焼の分野に関する。
【０００２】
特に、本発明は、ケミカルループ燃焼プラントの還元反応器において生み出されたアッシュの除去に関する。
【０００３】
専門用語
ケミカルループ燃焼つまりＣＲＣ：以下の文章において、ＣＬＣ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｌｏｏｐｉｎｇ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）として言及されるものは、活物質のループ酸化還元プロセスである。一般に、酸化と還元という語句は、それぞれ活物質の酸化したまたは還元した状態に関して使用されていることを留意することができる。ケミカルループ燃焼プラントにおいて、酸化領域では酸化還元物質が酸化され、還元領域では酸化還元物質が還元される。
【０００４】
揮発分除去
熱処理中、有機化合物は揮発性物質、第１に水と二酸化炭素、次に液化及びガス状炭化水素、次に酸化炭素及びいずれは水素を失う。このプロセスは、揮発分除去と呼ばれている。揮発分除去温度と現象の規模は、最初の有機化合物に依存する。したがって、増加する石炭化度のために、揮発分除去はだんだんと高い温度で生じる。
【０００５】
流動床
残りの記述：
−高密度の流動床として言及されるものは、ガス留分（ｇａｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ）εgが０．９以下、好ましくは０．８以下である流動床であり、
−希薄な流動床として言及されるものは、金属酸化物粒子の体積分率（ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ）が１０ｖｏｌ．％である流動床である。
【背景技術】
【０００６】
アッシュ（ａｓｈ）問題
適切な作動条件下で、（「燃料反応器」と呼ばれる）還元領域において酸素を生じる金属酸化物などの酸素保有材料を使用するケミカルループ燃焼が行われる。還元するとすぐに、材料は、（「空気反応器」と呼ばれる）酸化領域に運ばれ、（例えば空気や水蒸気のような）酸化気体に触れて再酸化される。
【０００７】
より一般的に、ケミカルループ燃焼プロセスは、燃焼（つまり還元）領域に送り返される前に空気又は水蒸気と接触する少なくとも１つの酸化領域において、後に再酸化される酸素保有固体に接触することによって燃料（例えば炭化水素含有供給物）の燃焼が行われる１つ以上の反応領域を有している。ケミカルループ燃焼反応を行うことができる反応領域は、一般的に流動床つまり移送床を含む。
【０００８】
固体炭化水素のケミカルループ燃焼（ＣＬＣ）は、ＣＯ2に富んだ蒸気を生み出しながら、特に、エネルギー（蒸気、電気など）を燃焼反応によって放出される熱の回収によって生み出すことができる方法である。したがって、蒸気の凝縮及び圧縮の後、ＣＯ2捕獲を検討することができる。また、燃焼を制御すること及び燃焼プロセスの終了時点で要求された浄化を行うことで、合成ガスあるいはさらに水素の生成を検討することができる。
【０００９】
還元領域におけるケミカルループ燃焼に関連した反応機構において、固体燃料は、水蒸気あるいは二酸化炭素の存在によってかつ温度によって促進されるガス化段階を通過し、そして、ガス化段階によって生成されたガスは、酸素保有材料に接触して酸化されることが確立されている。固体燃料が揮発性物質を含む場合、後者は、高温の酸素保有材料に接触して部分的に液化し、それによって酸化される。また、酸素保有材料が作動条件により自然に酸素を放出する場合、燃料反応器内の材料によって放出されるガス状酸素によって、固体燃料を直接酸化させることが可能である。
【００１０】
固体供給物のケミカルループ燃焼は、いくつかのそして強制的な作動条件が燃焼反応を行うことができることを求める。燃料の好都合なガス化のために、一般的に８００℃〜１１００℃、好ましくは８５０℃〜１０００℃の範囲の高温が必要である。ガス化に必要な時間は、温度に応じて減少し、一般的に３０秒から３０分の間の範囲にわたる。したがって、それは、部分的なガス化を行うこと、排出物から非ガス化燃料残留物を分離すること、及びそれを再循環することに有利である。よって、１分から１０分の範囲、典型的には３分から５分の間の範囲の反応時間で、８５０℃から１０００℃の間の範囲の温度において、５０％から８０％の間の範囲の、通過ごとの（ガス化を通じた）変換率を達成することが可能である。ガス化時間は、部分的な酸化ガス（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2）圧の増加によって減少可能である。
【００１１】
固体供給物のケミカルループ燃焼に関する他の課題は、アッシュの構造に関する。実際には、固体燃料は無機物質のわずかな含有量を有しておらず、炭素及び水素の燃焼が完了すると、アッシュと呼ばれる固体残留物が形成される。表１は、例として２つの石炭Ａ、Ｂの分析を分類したものである。それにおいて、元の固体供給物に基づく石炭のアッシュの含有量を見ることができ、この含有量はわずかではない。それは、通常、乾燥石炭の質量の５％〜２０％を示している。石油コークスのようないくつかの固体燃料は、より少ないアッシュ含有量である。より高いアッシュ含有量を有する固体燃料もある。
【００１２】
これらのアッシュは、表１において例として示されているように、元来、シリコンとアルミニウムの酸化物からなるが、それらは他の成分も含んでいる。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
石炭の燃焼によるアッシュは、未処理の細かな粒子で構成されている。それの融点は、その組成により変化し、一般的に１０００℃から１５００℃の間の範囲である。しかしながら、低温、例えば８００℃から１０００℃の間では、粘り気のある状態になるアッシュ粒子の凝集現象を観察することができる。したがって、それは、互いに凝集することができるか、酸素保有材料の粒子と凝集するかである。ケミカルループ燃焼プロセスにおける作動条件を考慮すると、２種類のアッシュに区別されることができる：
・フライアッシュ：それは、燃料反応器において燃焼ガスによって運ばれるアッシュに相当し、
・凝集アッシュ：それは、互いにまたは酸素保有材料と凝集し、燃料反応器において燃焼ガスによって運ばれるには重すぎるアッシュに相当する。
【００１５】
フライアッシュは、一般的に、形成されるアッシュの５０％から９９％、典型的には７０％から９０％である。フライアッシュの典型的な粒子サイズの区別が例示された図３に示されているように、それの粒子サイズは比較的細かく、１０ミクロン以下のサイズを有する、一般的に少なくとも２５％の細粒と、１００ミクロン以下のサイズを有する９０％の細粒とを備えている。ソーター（Ｓａｕｔｅｒ）は、フライアッシュの粒子サイズの代表的な直径が５ミクロンから３０ミクロンの間の範囲にわたり、典型的には１０ミクロンに近いことを意味する。そのアッシュの粒子密度は、一般的に、２０００ｋｇ／ｍ3から３０００ｋｇ／ｍ3の間の範囲であり、一般的には、２５００ｋｇ／ｍ3付近である。
【００１６】
方法の実行条件に基づいて推定しかつ方法の実行条件に基づいて決まるため、凝集したアッシュの粒子サイズは、非常に扱いにくい。大まかに言えば、そのアッシュの粒子サイズは、１００ミクロン以上と推定され、そのサイズは、数ミリメートルに達することができる。
【００１７】
フランス特許出願第２,８５０，１５６号は、燃料が循環流動床還元反応器に供給される前に粉砕されるケミカルループ燃焼方法を開示している。固体燃料粒子の減少したサイズによって、より完全でより速い燃焼を行うことができ、循環酸素から分離したほぼ１００％のフライアッシュを生成することができる。循環床から下流での分離は、第１にサイクロンによってもたらされ、次いで、金属酸化物粒子から未燃粒子を分離することができる装置によってもたらされる。したがって、酸化領域における未燃粒子の同伴（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ）と酸化反応器の排出物におけるＣＯ2の排出が避けられる。
【００１８】
分離装置は、炭素残留物のような細かく軽い粒子を分離し、後者を反応器内へ戻すように供給することができ、一方で、高密度で直径の大きい酸素粒子を酸化反応器へ移送する、水蒸気による流動床を有している。この装置は、２つの区画を含んでいる。
【００１９】
さらに、フランス特許出願第２,８５０,１５６号によれば、流動床分離器が分離を行う第２の回路において、フライアッシュは、酸化物粒子から分離され、流動されたフライアッシュは、空気運搬装置を介してサイロに送られ、金属酸化物は、移された後に流動床反応器の基部から取り出される。
【００２０】
さらに、循環流動床還元反応器において作動される高ガス率によって、固体燃料すべてのガス化のための、したがって、ガス化生成物の燃焼をおこなうための十分な粒子滞留時間を得ることができない。したがって、分離器を使った移動による未燃粒子の広範囲の再循環が必要である。今、エネルギーを消費する大量の追加のガス供給が必要なため、酸化物粒子からの未燃粒子の分離は難しい。
【００２１】
さらに、より短い滞留時間に起因して、全部の燃焼を行うことは難しく、ガスは大量のＣＯとＨ2を含んでおり、そのことは、プロセスの下流の燃焼後領域の存在を伴う。
【００２２】
Ｎ．Ｂｅｒｇｕｅｒａｎｄの論文「固体燃料のための１０ｋＷｔｈケミカルループ燃焼の設計と作動（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ １０ ｋＷｔｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｌｏｏｐｉｎｇ Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ ｆｏｒ Ｓｏｌｉｄ Ｆｕｅｌｓ）」,ＩＳＢＮ９７８−９１−７３８５−３２９−３は、ケミカルループを使用して石炭の燃焼を行うことができる装置について開示している。
【００２３】
この装置は、金属粒子を使用する酸化反応器と、粒子の分離と酸化後の枯渇した空気の分離をすることができるサイクロンと、サイクロンの下方に配置されたリターンレッグ（ｒｅｔｕｒｎ ｌｅｇ）を通じて酸化した金属酸化物が供給される流動床と、からなり、金属酸化物の還元は、石炭の燃焼によって行われる。石炭は、希薄相において、流動床の上部に供給される。還元反応器において、石炭の燃焼は、徐々に行われる：希薄相において、流動化ガスに逆流して、石炭の粒子はまず降下し液化し、金属酸化物はわずかな量だけ存在し；そして、高密度相において、それは流動する金属酸化物に接触する。長い滞留時間によって、石炭が気化し、希薄相に入る大量の一酸化炭素と水素を含む燃焼ガスを生成することができる。
【００２４】
反応器の高密度相において、流動化速度は低く、一般的に５ｃｍ/ｓから３０ｃｍ/ｓの間の範囲であり、それにより、希薄領域から放出されたＣＯ、Ｈ2または揮発した炭化水素のようなガスの燃焼を促進する希薄相に大量の金属酸化物を同伴させることができる。したがって、還元反応器の排出物におけるＣＯと炭化水素（ＨＣ）の量は多く、数体積パーセント以上である。したがって、燃焼収率はよくなく、燃焼を完了するためには燃焼後領域も必要となる。
【００２５】
さらに、この論文によれば、還元反応器は、分離のための追加のガスを必要とし、高密度相に統合された粒子分離器を備えている。
【００２６】
この装置において、固体供給物の燃焼中に形成されるアッシュの分離と放出を行うことができる特定の装置は設けられていない。
【００２７】
上述した２つの装置の欠点を克服するために、出願人たちは、粗い燃料粒子からでさえ、再循環される固体供給物の量を最小化する一方で、固体供給物のすべての燃焼を得ることができ、それによりエネルギー効率を最大化することができる、改良されたケミカルループ燃焼方法を開発した。本発明の燃焼方法は、直接燃焼反応器の出口において蒸気内で燃焼することによって放出される少なくとも９０％のＣＯ2を捕獲することができ、捕獲率は、燃焼反応器からの蒸気において放出されるＣＯ2の量の、ケミカルループ燃焼プロセスにおいて放出されるＣＯ2の量に対する比によって定まる。
【００２８】
燃焼反応器の出口で、サイクロンの下流のガスのＣＯ／ＣＯ2比は０．０５以下であり、Ｈ2／Ｈ2Ｏ比は０．０５以下である。これは、一方では、石炭のガス化反応を促進するための、酸素保有物質と固体燃料との間の初期接触の最適化を通じて、他方では、すべての燃焼（Ｈ2,ＣＯ及びＨＣ＜ガス中１ｖｏｌ.％）を行う排出物を生成するための、ガス化生成物と金属酸化物との間の接触の最適化を通じて達成される。
【００２９】
さらに、金属酸化物粒子からの未燃燃料粒子の分離は、２種類の粒子の分離のための蒸気の最大の運動エネルギーを最大限利用するために、還元反応器の蒸気の上流で行われる。
【００３０】
ケミカルループ方法は以下を含む：
−高密度の流動床条件下で作動する第１の反応領域Ｒ１において金属酸化物の存在下で固体供給物粒子と接触させることと、
−第２の反応領域Ｒ２において金属酸化物の存在下で、第１の反応領域からのガス状排出物を燃焼させることと、
−この領域からの混合物から、ガスつまり分離領域Ｒ３における未燃粒子と金属酸化物粒子とを分離することと、
−接触領域Ｒ１に金属酸化物粒子を送り返す前に、酸化領域で金属酸化物粒子を再酸化させること。
【００３１】
未燃粒子と金属酸化物粒子との分離領域の下流で、例えば、１つ以上のサイクロン段階を有する取り出し装置（ｄｅｄｕｓｔ ｓｙｓｔｅｍ）が、燃料反応器の燃焼領域の蒸気内で押し流される粒子の分離のために設けられることができる。フライアッシュは、未燃固体燃料粒子とともに、この取り出し装置に向けてガス内を押し流される。プラントのエネルギー効率を最大化するために、たくさんの取り出しを行い、未燃燃料粒子の大部分を回収する必要がある。そして、この取り出しによって、燃料反応器への再循環されるフライアッシュの大半と未燃粒子を回収することができる。
【００３２】
エルトリエーションを通じてフライアッシュを取り除くために、取り出し段階で分離された粒子を導くライン上に流動床を有する筐体を配置することができる。しかしながら、この方法は、アッシュのエルトリエーションと未燃粒子のエルトリエーションとを別々に制御することができない。実際、この場合、生成されるアッシュの優れた除去は、連続した未燃粒子の大部分の除去、したがって、エネルギー効率の減少あるいはＣＯ2捕獲率の減少になる。
【００３３】
さらに、酸素保有材料の粒子が取り出し領域に運ばれる場合、流動床におけるエルトリエーション分離のための十分な時間を持たせるために、大規模な流動床を形成する必要がある。
【００３４】
また、未燃粒子とアッシュの同時の除去に関する欠点を克服するために、燃焼領域（還元領域つまり「燃料反応器」）のための新たな構成が設けられ、以下のことを行うことができる：
−高密度の流動床条件下で作動する第１の反応領域において金属酸化物粒子の存在下で固体供給物粒子と接触させることと、
−好ましくは希薄な流動床条件下で作動する第２の反応領域Ｒ２において金属酸化物粒子の存在下で、第１の反応領域からのガス状排出物を希薄相において燃焼させることと、
−分離領域Ｒ３で、希薄相燃焼領域Ｒ２からの混合物から粒子を分離し、ガス中で未燃粒子の大部分を回収することができることと、
−ガス取り出し領域Ｓ４において分離領域Ｓ３からの蒸気を取り出すことと、
−取り出し段階において分離された流れを２つの流れ、１つ目は高密度相還元反応器の接触領域への再循環するながれ、２つ目は、流れ分割領域Ｄ７においてアッシュを捕獲することができるエルトリエーション分離領域Ｓ５へ送られる流れに分割すること。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
本発明は、還元領域を固体の炭化水素含有原料のケミカルループ燃焼のための改良された方法に関し、以下を備えた還元領域の特定の工程を使用する：高密度の流動床条件下で作動する第１の反応領域Ｒ１；第２の反応領域Ｒ２；反応領域Ｒ２からの混合物内での未燃固体供給物粒子とアッシュと酸素保有材料粒子の分離のための高速分離領域Ｓ３；蒸気取り出し領域Ｓ４；粒子流れ分割領域Ｄ７であり、ライン１８を通るアッシュを捕獲し、ライン２０を通って第１の反応領域Ｒ１に高密度の粒子を再循環するために、粒子の一部は直接第１の反応領域Ｒ１に循環され、他はエルトリエーション分離領域Ｓ５に送られる粒子流れ分割領域。
【００３６】
また、本発明は前記方法を実施することができるケミカルループ燃焼プラントに関する。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
本発明は、粒子の形態の酸素保有材料が循環する、固体粒子の炭化水素含有供給物のケミカルループ燃焼方法に関し、該方法は少なくとも以下を含む：
−高密度流動床条件下で作動する第１の反応領域Ｒ１において、固体供給物粒子と酸素保有材料粒子とを接触させることと、
−第２の反応領域Ｒ２における酸素保有材料粒子の存在下で、第１の反応領域Ｒ１からのガス状排出物を燃焼させることと、
−燃焼蒸気（１３）とともに、未燃固体供給物粒子と前記フライアッシュの大部分を運び、酸素保有材料粒子の大部分を酸化領域Ｒ０に運ぶために、高速分離領域Ｓ３において、領域Ｓ２からの混合物中から、未燃固体供給物粒子とフライアッシュと酸素保有材料粒子とを分離することと、
−取り出されたガス流れ（１４）と、アッシュを含む粒子と主に酸素保有材料粒子及び未燃固体供給物粒子からなる高密度粒子とからなる流れ（１５）とを排出するために、蒸気取り出し領域Ｓ４において高速分離域Ｓ３からの蒸気（１３）を取り出すことと、
−流れ分割領域Ｄ７において、取り出し段階Ｓ４において２つの流れに分離された粒子の流れ（１５）を、一方は高密度流動床条件下で作動する第１の反応領域に再循環し、他方はエルトリエーション分離領域Ｓ５に送られるように分割することと、
−アッシュを回収し、高密度粒子を第１の反応領域に再循環するために、領域Ｓ５においてエルトリエーション分離をおこなうこと。
【００３８】
一態様において、本方法は以下を含む：
−第１の反応領域Ｒ１の直下に配置された流動化領域Ｓ６において、第１の反応領域Ｒ１の底で凝集した加熱炉アッシュを堆積させることと、
−凝集した加熱炉アッシュの少なくとも１０質量％を有する粒子流れ（２４）を採取すること。
【００３９】
好ましくは、領域Ｓ６は、該領域Ｓ６の流れの最も大きい断面において、酸素保有材料の流動化の最小速度の３倍を超えない流動化ガス速度で、ガスによって流動化されている。
【００４０】
流動化領域Ｓ６において凝集されたアッシュの採取が、有利には、冷却されたスクリューを使用して行われる。
【００４１】
固体供給物は、石炭、コークス、石油コークス、バイオマス、瀝青砂、及び一般廃棄物から選択されることができる。
【００４２】
好ましくは、酸素保有材料は、粒度分布の９０％が１５０ミクロンから３００ミクロンの間の範囲の粒径の粉状の固体である。
【００４３】
エルトリエーション分離領域Ｓ５内に供給される流動化ガスは、好ましくは、固体供給物の燃焼によって作られる蒸気の少なくとも一部からなる。
【００４４】
より好ましくは、エルトリエーション分離領域Ｓ５内に供給される流動化ガスの全ては、固体供給物の燃焼によって作られる蒸気からなる。
【００４５】
有利には、高密度流動床条件下で作動する第１の反応領域Ｒ１に直接再循環される流れは、流れ分割領域Ｄ７内に流れる流れの少なくとも５０％に相当する。より有利には、高密度流動床条件下で作動する第１の反応領域Ｒ１に直接再循環される流れは、流れ分割領域Ｄ７内に流れる流れの少なくとも８０％に相当する。
【００４６】
燃焼領域内を循環する粒子混合物内におけるフライアッシュの濃度は、好ましくは５ｗｔ．％未満、より好ましくは１ｗｔ．％以下である。
【００４７】
本発明は、上記した方法による固体炭化水素供給物のケミカルループ酸化還元燃焼を行うためのプラントにも関し、該プラントは少なくとも以下を有する：
−固体供給物供給ライン（１０）と、流動化ガス供給ライン（１１）と、酸化領域Ｒ０からの酸素保有粒子のための供給ライン（８）と、を有する第１の反応領域Ｒ１と、
−第１の反応領域Ｒ１からの粒子を含むガス状燃焼排出物を受け入れる第２の反応領域Ｒ２と、
−アッシュと、酸素保有材料粒子と、未燃固体供給物粒子とを含む、第２の反応領域Ｒ２からのガス状燃焼排出物を受け入れ、かつ、酸素保有材料粒子の少ない部分を酸化領域Ｒ０へ排出するための排出ライン（９）を有する高速固体粒子分離領域Ｓ３と、
−高速分離領域Ｓ３からの燃焼ガスによって同伴され、入口（１３）を通過する軽い粒子を受け入れる蒸気取り出し領域Ｓ４と、
−蒸気取り出し領域Ｓ４において蒸気から分離され、入口（１５）を通過し、アッシュと酸素保有材料粒子及び未燃固体供給物粒子から主に構成される高密度粒子とを含む粒子の流れを受け入れる流れ分割領域Ｄ７と、
−流れ分割領域Ｄ７で分割され、入口（１７）を通過する粒子の流れの少ない部分を受け入れ、かつ、流動化ガスを供給することができるライン（１９）とフライアッシュと酸素保有材料細粒とを基本的に含む軽い粒子を排出することができるライン（１８）とを有するエルトリエーション分離領域Ｓ５と、
−流れ分割領域Ｄ７で分割された粒子の流れの大部分を直接再循環するための、流れ分割領域Ｄ７から第１の反応領域までのライン（１６）と、
−エルトリエーションによって分離された高密度粒子を再循環するための、エルトリエーション分離領域Ｓ５から第１の反応領域Ｒ１までのライン（２０）。
【００４８】
第２の反応領域Ｒ２の流れの断面は、好ましくは第１の反応領域Ｒ１の流れの断面よりも小さい。
【００４９】
一態様において、プラントは、第１の反応領域Ｒ１の直下に設けられ、凝集した加熱炉アッシュのための堆積領域と、以下を有する：
−凝集アッシュ供給ライン（２１）と、
−流動化領域Ｓ６と、
−流動化ガスを供給する１つ以上のライン（２２）と、
−酸素保有材料粒子を前記第１の反応領域に再循環するための排出ライン（２３）と、
−凝集した加熱炉アッシュの少なくとも１０質量％を含む粒子の流れを採取するための手段（２４）。
【００５０】
流動化領域Ｓ６は、好ましくは、垂直線に対して１５°以下の半角を有する頂部が断ち切られた領域である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】（凝集したアッシュの堆積とともに）好ましい実施形態における還元領域を有する本発明の一般原理を示している。
【図２】反応領域Ｒ1、Ｒ２と分離領域Ｓ３の特定の実施形態を示している。
【図３】フライアッシュの代表的な粒度分布の一例であり、累積重量パーセントは、粒子径（ミクロン単位のｄｐ）の関数として示されている。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
本発明のケミカルループ燃焼方法は以下のことを行うことができる還元領域を有する：
−高密度の流動床領域条件下で作動する第１の反応領域において金属酸化物粒子の存在下で固体供給物粒子と接触させることと、
−第２の反応領域において酸素保有材料粒子（例えば金属酸化物粒子）の存在下で第１の反応領域からのガス状排出物を、希薄相で燃焼させることと、
−希薄相燃焼領域からの混合物から粒子を分離し、ガスを含む未燃粒子の大部分を回収することができることと、
−分離領域からのガスを取り出すことと、
−取り出し段階中に分離された流れを２つの流れ、つまり、１つ目は高密度相燃焼反応器の接触領域への再循環する流れ、２つ目はアッシュを捕獲することができるエルトリエーション分離領域へ送られる流れに分割すること。
【００５３】
分離段階を通過することなく、直接高密度流動床条件下の第１の反応領域へ再循環される流れは、有利には、取り出し段階で回収された流れの大部分、すなわち、少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％に相当する。このような条件下で、未燃石炭の大部分は、還元反応器（燃料反応器）に再循環される。また、フライアッシュの一部も還元反応器に再循環されるが、再循環する粒子の流れにおけるフライアッシュの濃度は制限されたままである。還元領域の作動を最適化することによって、還元領域において循環する酸素保有材料の流れに対して５％以下、好ましくは１％以下のフライアッシュの濃度を得ることができる。
【００５４】
アッシュエルトリエーション分離領域へ送られる流れは、有利には、取り出し段階中に回収された流れの少ない部分、すなわち、還元領域を出る流れの５０％未満、好ましくは２０％未満に相当する。アッシュ分離領域は、細かな粒子、特に流動化ガスを含むアッシュの選択的な除去を行うために、例えば、流動化速度が注意深く選択される流動床からなる。必然的に、未燃石炭粒子と酸素保有材料の細かな粒子は、この分離領域からのアッシュによって同伴される。より重い粒子、すなわち、大きな未燃石炭粒子と酸素保有金属粒子の大部分は、流動床内に留まり、その後、燃料反応器に再循環される。
【００５５】
燃料反応器にアッシュの蓄積がないとき、プラントの作動は最適である。このような条件下で、エルトリエーション分離領域内で流動化ガスによって同伴された分離したアッシュの流れは、燃料反応器におけるケミカルループ石炭燃焼によって生み出されたフライアッシュの流れから燃焼蒸気中あるいは空気反応器の排出物中に排出されたアッシュの流れを引いた流れに相当する。エルトリエータへの酸化物の循環の増加により、排出されたアッシュの量は増加し、燃料反応器内を循環するアッシュの濃度は限定される。したがって、燃焼中のアッシュと金属酸化物との間の凝集のリスクは限定される。
【００５６】
さらに、酸素保有粒子が、細粒の生成を導く機械的分解を経る場合、燃焼フライアッシュのみならず消耗した酸素保有材料の細かな粒子もまた除去するために、分離領域の作動状態を調整することができる。それらの新しい条件下で、分離領域における流動化ガスによって同伴された分離したアッシュの流れが、燃焼蒸気中あるいは空気反応器の排出物中に排出される粒子の流れを引いた、少なくとも、燃料反応器におけるケミカルループ石炭燃焼によって生み出されたフライアッシュの流れと消耗した酸素保有材料の粒子の流れとに相当するとき、プラントの作動は最適である。
【００５７】
本発明の他の目的は、凝集したアッシュの排出装置を設けるために、高密度相流動床条件下で作動する第１の反応領域のより少ない部分において、凝集したアッシュの堆積装置を結合することによって、上述の装置を補完することからなる。したがって、本装置は、還元領域（燃料反応器）内に形成される凝集したアッシュの全てを排出させる。本構成において、凝集したアッシュは、凝集されたアッシュの質量濃度が少なくとも１０％、好ましくは少なくとも５０％である高濃度の流れにおいて、還元領域から排出される。
【００５８】
本発明は、非限定的な例として図１、２、３に示されている。
【００５９】
図１
還元領域（燃焼反応器）は主に３つの領域からなる：
−高密度の流動床条件における金属酸化物粒子の存在下で、固体燃料粒子に接触させるための第１の領域Ｒ１、
−金属酸化物と領域Ｒ１からの固体供給物粒子との存在下で、好ましくは希薄な流動床条件下において、第１の反応領域からのガス状排出物を燃焼させるための燃焼領域（つまり第２の反応領域）Ｒ２、
−燃焼領域Ｒ２からの混合物中から、ガスと未燃固体燃料粒子と金属酸化物粒子とに分離するための高速分離領域Ｓ３。
【００６０】
さらに、プラントは、ガス取り出し領域Ｓ４と、エルトリエーション分離領域Ｓ５と、凝集アッシュ堆積領域Ｓ６と、流れ分割領域Ｄ７と、を有する。
【００６１】
単純化のために、ケミカルループの酸化領域は、図１において破線の領域（Ｒ０）で図示されている。
【００６２】
酸化領域Ｒ０からの酸素保有材料（不図示）は、好ましくはライン（８）を通って還元反応器の高密度流動床接触領域Ｒ１に供給される。ライン（９）を通って高速分離領域Ｓ３を出るより重い粒子は、酸化領域Ｒ０（空気反応器）に供給される。固体燃料は、１つ以上の燃料供給ライン（１０）を通って接触領域Ｒ１に供給される。接触領域Ｒ１は、一般的には、水蒸気やＣＯ2のような酸化ガスが単独あるいは混合物で導入される流動化ガス供給（１１）によって流動化される。
【００６３】
この第１の高密度相流動化領域Ｒ１において、酸化ガスの存在下で温度に曝された固体燃料は、揮発物が液化と部分的なガス化をする。形成されたガスのケミカルループ燃焼は、この領域で始まる。この第１の領域における粒子の滞留時間は一般的に０．２５分から２０分の範囲であり、好ましくは２分から１０分の間である。ガス空塔速度は、第の反応領域Ｒ１の出口で反応条件において、一般的に０．３ｍ／ｓから３ｍ／ｓの範囲である。
【００６４】
この領域では、金属酸化物濃度は少なくとも１０ｖｏｌ.％であり、温度は一般的に８００℃から１０００℃の間の範囲、好ましくは９００℃以上である。
【００６５】
液化ガス、ガス化ガス及び燃焼ガスは、好ましくは希薄流動化移送条件下で、第２の反応領域Ｒ２に粒子を運び、残りの液化ガスとガス化ガスの燃焼反応が基本的に行われる。この領域において、ガスの平均滞留時間は一般的に１秒から２０秒の間の範囲であり、固体の平均滞留時間は、２秒から１分の間の範囲である。ガスと金属酸化物粒子との間のよい接触を促進するために、この領領域におけるガスの速度は、好ましくは３ｍ／ｓから３０ｍ／ｓの間の範囲であり、より好ましくは５ｍ／ｓから１５ｍ／ｓであり、酸素保有固体流れは、２５ｋｇ／ｓ／ｍ2から５００ｋｇ／ｓ／ｍ2の範囲であり、好ましくは６０ｋｇ／ｓ／ｍ2から３００ｋｇ／ｓ／ｍ2の範囲である。このような条件下で、１０％以下、好ましくは５％以下の粒子の体積濃度が求められる。
【００６６】
そして、第２の反応領域Ｒ２からのガス粒子混合物は、分離領域Ｓ３に供給され、より軽い粒子からのより重い粒子（主に酸素保有材料粒子）の分離が行われる。より重い粒子は、排出ライン（９）を通って分離領域Ｓ３を出て、それは、酸化反応領域Ｒ０（酸素反応器）に向かって排出される。分離領域Ｓ３において軽い粒子からの高密度粒子の分離を促進するために、外部の追加ガス供給ライン（１２）は、第２の反応領域Ｒ２の排出ラインの周りの筐体の低い部分において、高密度粒子を流動化するために、筐体Ｓ３に設けられることができる。
【００６７】
未燃燃料粒子から基本的になる軽い粒子と、フライアッシュと、より軽い酸素保有材料粒子とは、ＣＯ2と水蒸気を基本的に有する燃焼ガスによって同伴され、それらは、排出ライン（１３）を通って燃料反応器を出る。燃焼蒸気の流れと外部ガスの任意の追加がもたらす、領域Ｓ３の希薄相におけるガス空塔速度は、酸素保有粒子の減少の平均端率の３０％から３００％の間、好ましくは５０％から１５０％の間の範囲の値に相当する。
【００６８】
ライン（９）は、領域Ｓ３において分離されることができないわずかな量のフライアッシュと未燃燃料とのみならず、領域Ｒ１と領域Ｒ２において炭素との接触後の減少した媒体、すなわち、大部分の金属酸化物粒子の高密度粒子を、酸化反応器（空気反応器、破線で示された領域（Ｒ０）で図示されている）へ排出させる。
【００６９】
そして、排出ライン（１３）を通って燃焼ガスとともに還元領域を出る軽い粒子は、１つか２つの分離段階からなる取り出し領域Ｓ４に送られる。分離は、例えば、当業者に知られている技術要素であるサイクロンで行われる。取り出しは、燃料反応器の出口で、燃焼蒸気中で同伴される粒子の少なくとも９９％、好ましくは、少なくとも９９．５％を回収することができる。回収されたガスは、排出ライン（１４）を通って取り出し領域Ｓ４を出て、反応領域から下流の以下のような任意の後処理部に送られる：熱交換を通じて蒸気を生成する間、露点付近へ蒸気温度を減少させる熱回収領域、汚染物質（ＳＯx、ＮＯxなど）除去領域、ＣＯ2圧縮を可能にする著しい濃度まで蒸気の粒子含有量を低くすることができる最後の取り出し領域、水蒸気凝縮領域、及び燃焼水の凝縮後の主にＣＯ2を含む蒸気のための圧縮領域。
【００７０】
蒸気から分離した粒子は、排出ライン（１５）を通って燃焼領域から排出され、いくつかの分離段階の場合、少なくとも第１の分離段階からの粒子は、粒子供給ライン（１５）と、好ましくは流動床（１６）、（１７）の高密度に配置された２つの粒子排出ラインあるいは例えばダブルサイフォンのような、当業者には公知の任意の他の手段に設けられた、例えば流動床からなる流れ分割領域Ｄ７とに送られる。これらの２つの流れ（１６）、（１７）は、類似した粒子組成を含む。
【００７１】
粒子流れ（１６）は、好ましくは、ライン（１３）内を運ばれた粒子流れの大部分、すなわち、少なくとも５０％、好ましくは８０％であり、第１の反応領域Ｒ１に直接再循環される。
【００７２】
粒子流れ（１７）は、好ましくは、最初の流れの少ない部分であり、例えばより軽い粒子が排出ライン（１８）を通って流出し、供給ライン（１９）を通って供給される流動化ガスとともに運ばれる流動床からなるエルトリエーション分離領域Ｓ５に送られる高密度粒子、すなわち、大きな未燃石炭粒子と、酸素保有材料粒子の大部分は、流動床の高密度相内に残り、その後、ライン（２０）を通って第１の反応領域Ｒ１に再循環される。エルトリエーション分離領域Ｓ５を構成する流動床において、同伴による燃焼によって生じるアッシュの流れに相当するフライアッシュの流れを除去するため、速度は調整される。アッシュが除去される筐体Ｓ５の直径は、アッシュの計画量により調整される。実際は、流動床からの粒子の同伴は、流動床における同伴可能な粒子の濃度とエルトリエータの空床とに依存する。また、ガス速度は、分離要件によって調節される。また、ガス速度は、同伴可能な材料の量への影響を有するが、同伴した材料の特性に影響を及ぼす。速度が大きくなればなるほど、より重い粒子を同伴することができる。０．０１ｇ／ｓ／ｍ2と５ｋｇ／ｓ／ｍ2との間の範囲、好ましくは０．０５ｋｇ／ｓ／ｍ2と０．５ｋｇ／ｓ／ｍ2との間の範囲である同伴粒子の流れに達するために、大抵、ガス速度は０．３ｍ／ｓと１．５ｍ／ｓとの間の範囲、好ましくは０．４ｍ／ｓと１ｍ／ｓとの間の範囲である。速度が大きくなればなるほど、燃料反応器に再循環される残りの流れ（２０）におけるアッシュの濃度は少なくなる。
【００７３】
エルトリエーション分離領域Ｓ５は、プロセス要件によって注意深く選択されたガスとともに流動化される。エルトリエーションは、空気からなるキャリアガスとともに行われる。このような条件下で、流動化ガスは、少なくとも部分的に酸素保有材料粒子と未燃固体燃料粒子とを再酸化させる。そして、このような条件下で、流動床及び／またはガス状排出物を冷却するための領域内で熱を取り出すことができる手段を有することが可能である。このような条件下では、エルトエーション分離領域からのガス（１８）は、排出ライン（１４）から来る還元領域のガスと混ざらないが、例えば、空気反応器のガス状排出物と混ざり合うことができ、あるいは別々に扱うことができる。
【００７４】
また、流動床においてエルトリエーション分離のためのＣＯ2のようなガスを使うことができる。このような条件下では、ライン（１８）を通って出るエルトリエータ排出物は、例えば、石炭粒子燃焼領域のような、石炭粒子を取り除くことができる後処理後に、排出ライン（１４）を通って出る燃料反応器からの蒸気と混ざり合うことができる。
【００７５】
水蒸気のような他のガスは、エルトリエーションのために考慮することもできる。
【００７６】
好ましくは、流れ分割器Ｄ７と第１の反応領域Ｒ１との間、分割器Ｄ７とエルトリエータ分離器Ｓ５との間、エルトリエータ分離器Ｓ５と還元反応器の領域Ｒ１との間の粒子の流れは、Ｌ形バルブのような非機械的なバルブによって制御される。
【００７７】
エルトリエーション分離領域Ｓ５は、アッシュ粒子を排出することができる。エルトリエーション分離はまた、プロセス中の減少によって生じる細かな金属酸化物粒子を排出することができる。したがって、高エルトリエーション速度の選択は、空気反応器（酸化領域）と燃焼反応器（還元領域）との間の粒子の循環によって劣化した酸素保有金属酸化物粒子を排出することができる。
【００７８】
好ましい実施形態では、アッシュが加熱炉から排出されるようにするため、酸素保有材料と固体燃料粒子に関してとても大きなサイズの加熱炉アッシュを堆積することができる流動化領域Ｓ６が接触領域Ｒ１の真下に配置される。この領域は、凝集したアッシュと金属酸化物と、ライン（２１）を通過する少量のフライアッシュの燃料とを含む本質的に粒子の混合物を供給される。分離領域Ｓ６は、１つ以上のライン（２２）を通って供給されるＨ2ＯあるいはＣＯ2を単独でまたは混合させたもののような、できれば酸化ガスによって、酸素保有材料粒子の最小流動化速度の１から１０倍に相当する低流動化速度で流動化される。より軽い粒子（非凝集酸素キャリア、フライアッシュ、未燃石炭）はよく流動化され、ライン（２３）によって領域Ｒ１に再循環される一方で、より高密度の凝集した粒子は、領域Ｓ６の底に沈みがちである。
【００７９】
領域Ｓ６の基部において、冷却された無端スクリューのような採取手段は、少なくとも１０％の加熱炉アッシュの質量濃度を含む粒子流れ（２４）を排出することができる。
【００８０】
図２
図２は、本発明の方法による還元領域の特定の実施形態について示している。単純化の理由から、ケミカルループの酸化領域は図２に示されていない。
【００８１】
図２において、３つの領域（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）の還元領域は、希薄流動床流れを行うことができる移送管Ｒ２内に開口している加速錐体によって蓋をかぶせられた高密度流動床Ｒ１と、より軽い粒子（蒸気ライン内の（１３）で排出された、未燃燃料、フライアッシュ、酸素保有罪障の細粒）から（９）で主に排出された酸素保有粒子を分離させるためにガス速度が調整される大きな直径の筐体からなる分離領域Ｓ３内に開口する移送管Ｒ２と、からなる。蒸気ライン（１３）における取り出し手段は、連続したＳ４の２つの段階のサイクロンからなる。これらのサイクロンＳ４によって分離された粒子は、流動化ガスを伴った粒子同伴を妨げるために、最小流動化速度に近い流動化速度で作動され、流動床Ｄ７の高密度相に接続された２つのライン（１６）、（１７）によって、２つの分離した粒子流れに分子することができる流動床Ｄ７内に吹き込まれる。流れ（１６）は、還元反応器に再循環され、流れ（１７）は流動床Ｓ５へ送られる。流動床Ｓ５において、流動化ガスに与えられる速度は大きく、ライン（１８）を通って流動化ガスとともに流れ出るより軽い粒子（フライアッシュ、場合により未燃燃料と酸素保有材料の細粒）の同伴を促進する。粒子の残りは、還元反応器Ｒ１の第１の接触領域へ再循環される。
【００８２】
高密度相燃焼領域Ｒ１の底からつながる部分において、頂部が断ち切られた部分Ｓ６は、頂部が断ち切られた部分Ｓ６の底に向かって次第に移動する凝集アッシュの堆積を行うことができる。頂部が断ち切られた部分Ｓ６に沿って与えられる流動化速度は、酸素保有材料よりもはるかに大きい凝集アッシュの堆積を促進するために、好ましくは、酸素保有材料粒子の最小流動化速度の１倍から３倍の間の範囲である。このような条件下で、非凝集酸化物粒子、フライアッシュ及び燃料は、領域Ｓ６と領域Ｓ１との間を行き来することができる。垂線に対して錐体の半角は、５°から３０°の間、好ましくは、１５°付近である。錐体の基部では、冷却された無端スクリューが、酸素保有材料粒子の一部との混合物中において凝集アッシュの排出を行うことができる。頂部が断ち切られた部分は、錐体の底からつながる段階的な通気孔を有する。
【００８３】
錐体の基部で、第１のレベルで、通気孔を通過して吹き込まれる流れは、例えば、錐体のさらに上の第２のレベルでの酸素保有材料の最小の流動化速度の１倍から３倍を生み出す流量に相当する。第２のレベルでは、吹き込まれた流れは、錐体のさらに上の第３のレベルでの酸素保有材料の最小流動化速度の１倍から３倍を生み出す所要の通気補完物に相当し、そして、流れは燃料反応器の底に達するまで流れる。錐体の高さにより、およそ１メートル毎に、吹き込みポートを有するようにするため、通気孔の数は調節される。吹き込まれるガスは、好ましくはＣＯ2あるいは水蒸気である。
【００８４】
記載されたプロセスの作動は、その粒度構成と粒子密度がフライアッシュと未燃燃料粒子と凝集アッシュ粒子を伴う分離を促進する酸素保有物質の使用によって有利に働く。したがって、酸素キャリアの粒度構成は、９０ｗｔ％の粒子が１００ミクロンから５００ミクロンの間の範囲の粒を有し、より好ましくは、９０％が１５０ミクロンから３００ミクロンの間、さらに好ましくは９５％が１５０ミクロンから３００ミクロンの間であることが好ましい。
【００８５】
さらに、酸素保有粒子の粒子密度は、好ましくは２５００ｋｇ／ｍ3以上、より好ましくは３４００ｋｇ／ｍ3以上、さらに好ましくは４０００ｋｇ／ｍ3以上である。
【００８６】
図３
図３は、以下の一例による、石炭のケミカルループ燃焼によって生じたフライアッシュの粒度分布を示している。
【００８７】
例
以下の例は、３ＭＷｔｈプラントの作動シミュレーションに基づいて、発明を示している。
【００８８】
このプラントは、石炭が４２０ｋｇ／ｈの流量で供給され、１３．９ｗｔ．％のアッシュ含有量と２９．９％の揮発性物質含有量によって特徴づけられている。
【００８９】
石炭は、燃料反応器において、２％未満の石炭は２００ミクロン以上の粒径を有することによって特徴づけられた粒度構成で供給される。
【００９０】
酸素保有材料の粒度構成は、９０％を超える粒が１５０ミクロンと３００ミクロンとの間の範囲であり、酸素保有材料の密度は４０００ｋｇ／ｍ3付近である。
【００９１】
フライアッシュの粒度分布は、図３の例によって示されている。
【００９２】
燃料反応器は以下の３つの領域から作られる：
−高密度流動床条件下における金属酸化物粒子の存在下で、固体供給物粒子と接触させる第１の反応領域Ｒ１；
−金属酸化物粒子の存在下で、第１の反応領域からのガス状排出物のための希薄相燃焼領域（第２の反応領域Ｒ２）；
−希薄相燃焼領域からの混合物中から、未燃粒子の大部分を蒸気とともに回収する、粒子分離領域Ｓ３。
【００９３】
燃焼は、１．９ｗｔ．％の酸素を移送する金属酸化物との接触によって、空気反応器からの流量が約３５,５００ｋｇ／ｈと推定される状態で、燃料反応器内で行われる。
【００９４】
高速分離領域Ｓ３の出口において同伴される流れ（１３）は、細かな金属酸化物粒子と、フライアッシュと、未燃石炭粒子とで構成される。この流れの組成は以下のとおりである：
−金属酸化物：６０００ｋｇ／ｈ
−アッシュ：３４０ｋｇ／ｈ
−未燃石炭：１００．５ｋｇ／ｈ
取り出し後、ライン（１５）を通って流出し、分割流動床Ｄ７に向かって運ばれた分離した粒子は、以下のような組成を有する。
−金属酸化物：５９９０ｋｇ／ｈ
−アッシュ：３３３ｋｇ／ｈ
−未燃石炭：１００ｋｇ／ｈ。
【００９５】
流動床Ｄ７は、流れ（１５）を、流れ（１５）の８５％と１５％とをそれぞれ含む同質の２つの流れ（１６）、（１７）に分離する。流動床Ｄ７は、８ｃｍ／ｓの流動化速度で作動された６０ｃｍの直径の流動床である。エルトリエータ流動床に供給される流れ（２２）の組成は以下のとおりである：
−金属酸化物：８９９ｋｇ／ｈ
−アッシュ：５０ｋｇ／ｈ
−未燃石炭：１５ｋｇ／ｈ。
【００９６】
燃料反応器に送り返される流れ（１６）の組成は以下のとおりである：
−金属酸化物：５０９１ｋｇ／ｈ
−アッシュ：２８３ｋｇ／ｈ
−未燃石炭：８５ｋｇ／ｈ。
【００９７】
エルトリエータは、約８０％のアッシュを流れ（１７）から取り除くことができる。エルトリエータは、ここでは、０．７５ｍ／ｓの流動化速度で作動する０．８ｍの直径の流動床である。エルトリエータは、ここでは、ライン（１９）を通過するＣＯ2によって流動化される。ライン（１８）を通ってエルトリエータに運ばれた流れの組成は、以下のとおりである：
−金属酸化物：２９ｋｇ／ｈ
−アッシュ：４０ｋｇ／ｈ
−未燃石炭：１２ｋｇ／ｈ。
【００９８】
エルトリエータに運ばれない粒子を燃料反応器に再循環させるライン（２０）を通って出る流れの組成は、以下のとおりである：
−金属酸化物：８７０ｋｇ／ｈ
−アッシュ：１０ｋｇ／ｈ
−未燃石炭：３ｋｇ／ｈ。
【００９９】
燃料反応器の接触領域Ｒ１の、直径９１７ｍｍの底は、垂直線に対して半角１５°であり、一方が錐体の基部で７ｋｍ／ｈの蒸気が送られることができ、他方が錐体の半ばで２０ｋｇ／ｈの蒸気が送られることができる、２つの通気レベルが設けられた、高さが１７１１ｍｍの錐体によって、底部に（真下に）延びている。このような条件下で、金属酸化物の平均流動化速度は、金属酸化物の最小流動化速度の約２倍から３倍であり、３０ｋｇ／ｈの金属酸化物との混合物内で、冷却された採取スクリューを有する採取手段（２４）を通り、錐体の基部で平均粒径が０．５ｍｍから５ｍｍの間の範囲である約９ｋｇ／ｈの凝集アッシュを取り戻すことができる。
【０１００】
Ｓ３において分離された粒子を空気反応器Ｒ０へ運ぶ流れ（９）は以下の組成を有する。
−金属酸化物：３５，４４１ｋｇ／ｈ
−アッシュ：２ｋｇ／ｈ
−未燃石炭：８ｋｇ／ｈ。
【０１０１】
空気反応器に送られるアッシュと石炭は、金属酸化物の再酸化中に除去される。石炭は、空気と接触して空気反応器内で燃焼し、アッシュは、サイクロンを通過することで除去される。エルトリエーション中の酸化物損失に対する補完のための補給金属酸化物が空気反応器に間欠的に供給される。
【０１０２】
上記の例は、連続的にアッシュを除去することができる、ケミカルループ石炭燃焼方法の働きを明瞭に示している。
【０１０３】
したがって、石炭の燃焼は、５８ｋｇ／ｈのアッシュ流量を生み出す。それは、以下のフローにおけるプロセスから除去される：
−高速分離領域Ｓ３で、酸素保有材料との混合物内において、堆積後に流れ（９）によって空気反応器（酸化領域Ｒ０）に運ばれるフライアッシュ＝２ｋｇ／ｈ、
−採取スクリューによって採取された凝集加熱炉アッシュ＝９ｋｇ／ｈ、
−流れ（１４）内の燃料反応器蒸気とともにサイクロンＳ４の下流に同伴されるフライアッシュ＝７ｋｇ／ｈ、
−ライン（１８）を通ってエルトリエータＳ５を出るガス状排出物内において同伴されるフライアッシュ＝４０ｋｇ／ｈ。
【０１０４】
この連続的な除去は、プラント内のアッシュの蓄積を制限しておくことができる（３５，５００ｋｇ／ｈの酸化物循環に対して燃料反応器において３５０ｋｇ／ｈのアッシュ循環、すなわち、約１％の濃度）。
【０１０５】
さらに、石炭は金属酸化物と接触して燃焼反応器内で原則的に燃焼し、９０％以上の捕獲率と考えることができる。実際に、４２０ｋｇ／ｈの石炭が燃料反応器内に供給される。
【０１０６】
ライン（９）を通って空気反応器Ｒ０に運ばれる未燃石炭は、８ｋｇ／ｈの流量を示す。
【０１０７】
ライン（１８）を通ってエルトリエータＳ５に運ばれた未燃石炭は、１２ｋｇ／ｈの流量を示す。
【０１０８】
蒸気取り出し領域Ｓ４の出口でライン（１４）を通って運ばれた未燃石炭は、０．５ｋｇ／ｈの流量を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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