(57)【要約】      （修正有）【課題】非混合式燃料プロセッサを使用するシステムおよび方法を提供する。【解決手段】非混合式燃料プロセッサを使用するシステム（８０）は、非混合式燃料プロセッサ（８０）および発電ユニット（１００）を含む。非混合式燃料プロセッサ（８０）は、ガス化反応炉（２８）、酸化反応炉（３２）および再生反応炉（３０）を含む。ガス化反応炉（２８）はＣＯ２吸収剤材料を含む。酸化反応炉（３２）は酸素移転材料を含む。再生反応炉（３０）は、消費したＣＯ２吸収剤材料をガス化反応炉（２８）から受け入れて、再生したＣＯ２吸収剤材料をガス化反応炉（２８）に戻すべく構成され、更には、酸化した酸素移転材料を酸化反応炉（３２）から受け入れて、還元した酸素移転材料を酸化反応炉（３２）に戻すべく構成される。発電ユニット（１００）は、酸素減損流を酸化反応炉（３２）から受け入れて、電気を発生させるべく構成したものである。【選択図】図３
2008144136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非混合式燃料プロセッサ（８０）を使用するシステムであって、
前記非混合式燃料プロセッサ（８０）が、
固体炭化水素燃料入口、水入口および水素出口を備えて、ＣＯ２吸収剤材料をも含んでいるガス化反応炉（２８）と；
空気入口および廃棄物出口を備えて、酸素移転材料をも含んでいる酸化反応炉（３２）と；
水入口およびＣＯ２流出口を備えた再生反応炉（３０）であって、消費したＣＯ２吸収剤材料をガス化反応炉（２８）から受け入れ、再生したＣＯ２吸収剤材料をガス化反応炉（２８）に戻すべく構成し、更に、酸化した酸素移転材料を酸化反応炉（３２）から受け入れ、還元した酸素移転材料を酸化反応炉（３２）に戻すべく構成した、再生反応炉（３０）と
を含み、
酸素減損流を酸化反応炉（３２）から受け入れて、電気を発生させるべく構成した発電ユニット（１００）を含むシステム。
【請求項２】
発電ユニット（１００）が、
酸素減損流の圧力を低減して、低下した圧力流を生成すべく構成したエキスパンダー（２０）と；
低下した圧力流から水流に熱を移転させて、蒸気を生成すべく構成した第１熱回収蒸気発生機（２２）と；
蒸気から電気を発生させるべく構成した蒸気タービン（２４）とを含む、
請求項１記載のシステム。
【請求項３】
水素流をガス化反応炉（２８）から受け入れるべく構成した第２熱回収蒸気発生機（３４）と；
水素流を第２熱回収蒸気発生機（３４）から受け入れて、水素流内のＣＯをＣＯ２に転換すべく構成したシフト反応炉（８）と；
水素流をシフト反応炉（８）から受け入れて、水素流内の不純物の濃度を低下させるべく構成したガス浄化ユニットと；
水素流をガス浄化ユニットから受け入れて、水素流内の水素をその他の流れ成分から分離して、浄化した水素流およびＰＳＡオフガスを生成すべく構成した圧力揺れ吸収ユニット（１４）と；
ＰＳＡオフガスを受け入れて圧縮し、圧縮したＰＳＡオフガスを形成すべく構成した圧縮機（１８，３８，４０）とを更に含み；
酸化反応炉（３２）および／または燃焼室（１６）が、圧縮したＰＳＡオフガスを受け入れるべく構成した、
請求項１−２の何れかに記載のシステム。
【請求項４】
水素流をガス化反応炉（２８）から受け入れるべく構成した第２熱回収蒸気発生機（３４）と；
水素流を第２熱回収蒸気発生機（３４）から受け入れて、その流れの中におけるＣＯをＣＯ２に転換すべく構成したシフト反応炉（８）と；
水素流をシフト反応炉（８）から受け入れて、水素流から除去すべく構成したガス浄化ユニットと；
水素流をガス浄化ユニットから受け入れて、電気および副産物流を生成すべく構成した燃料電池とを更に含み；
圧縮機（１８，３８，４０）が、副産物流を燃料電池から受け入れるべく構成した、
請求項１−２の何れかに記載のシステム。
【請求項５】
再生反応炉（３０）が、再循環したＣＯ２流を受け入れるべく構成した、
請求項１−４の何れかに記載のシステム。
【請求項６】
電気を発生させる方法であって：
水を使用して石炭をガス化することと；
ＣＯ２吸着材料を使用してＣＯ２を吸着させて、消費したＣＯ２吸収剤材料および水素を含む水素流を生成することと；
酸素移転材料を酸化させて、酸化反応炉（３２）内において酸素減損流を生成することと；
消費したＣＯ２吸着材料および酸化した酸素移転材料を再生して、ＣＯ２流を生成することと；
発電ユニット（１００）内において酸素減損流を使用して電気を発生させることと
を含む電気を発生させる方法。
【請求項７】
電気を発生させることが、
燃料電池内の水素を使用して電気を発生させることと；
酸素減損流から熱を移動させることによって蒸気を生成することと；
その蒸気を蒸気タービン（２４）に通して、追加の電気を発生させることと
を更に含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
水素を反応させて、尿素（４２）、アンモニア（４２）および前記材料のうちの少なくとも１つを含む組合せによって構成されるグループから選択される材料を生成することを更に含む、
請求項６−７の何れかに記載の方法。
【請求項９】
水素流から熱を回収することと；
水素流内のＣＯをＣＯ２に転換することと；
水素流内の不純物の濃度を削減することと；
水素に富んだ合成ガス流の中における水素をその他の流れ成分から分離して、浄化した水素流およびＰＳＡオフガスを形成することと
を更に含み；
ＰＳＡオフガスを圧縮することを含む、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
圧縮したＰＳＡオフガスを燃焼させて、燃焼流を発生させ、燃焼流を使用して電気を発生させること；および／または
圧縮したＰＳＡオフガスを酸化反応炉（３２）に対して導入すること
を更に含む、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件出願は、概ね、非混合式燃料プロセッサに関し、より詳細には、非混合式燃料プロセッサを使用する電気および／または水素を生成するシステムおよび方法に関する。本発明は、米国エネルギー省によって裁定された契約番号ＤＯＥ  ＮＥＴＬ  ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４０９７４の下において、政府の支援を受けて作成された。米国政府は、本発明において所定の権利を有し得る。
【背景技術】
【０００２】
その豊富な国内供給量の故に、石炭は、今日のアメリカにとって最も安全で、信頼可能且つ入手可能なエネルギー供給源のうちの１つであり、発電用の石炭のガス化が、ガス化複合（ＩＧＣＣ）発電プラントとして商業的に導入されている。しかし、現代の産業界における重大な問題のうちの１つが、化石燃料に基づく従来の燃焼システムによる大気汚染である。最も古くから認識されている大気汚染の問題は、煤煙の排出である。最新型のボイラーおよび炉では、煤煙排出は、オーバーファイヤエア（「ＯＦＡ」）技術の使用によって、取り除かれるかまたは少なくとも大きく削減され得ることになった。燃焼によって発生するその他のタイプの大気汚染は、微紛炭燃焼からの灰微粒子、硫黄酸化物（ＳＯ２およびＳＯ３）、一酸化炭素排出物、揮発性炭化水素排出物、ＮＯおよびＮＯ２の２つの窒素酸化物排出のような微粒子排出物を包含する。最近では、発電所およびその他の燃焼システムからのＣＯ２の温室効果ガス排出による地球温暖化の問題が、重大な環境懸念事項になっている。
【０００３】
もう１つの重大な技術的問題は、ガスタービンに動力を供給する燃料としての石炭の使用に関連する。ガスタービンは、電力を生成するために利用可能である資本コストが最も低いシステムである。ガスタービンの熱力学的効率は、タービン入口温度を上昇させることによって増大するので、タービン効率を向上させる努力は、概ね、タービン入口温度をより高いレベルにまで上昇させることに関わっている。その結果、タービンブレードおよびその他のコンポーネントは、高い入口温度を上昇させることを許容すべく設計されてきた。石炭の燃焼によって生じる高温ガスは、フライアッシュ（タービンブレードの侵食を招く）を含有することが周知である。この侵食性フライアッシュの存在の故に、タービンブレードが作動し得る最大運転温度は、それが無い場合よりも低くなる。この制限事項は、全体的なプロセス効率を実質的に低下させ、ガスタービン燃料としての石炭の競争力を低下させる。これらおよびその他の不都合は、更には、低コストの（且つ豊富な）石炭が魅力的なガスタービン燃料として考慮されることをも妨げた。石炭が侵食性または腐食性ではない高温ガスを生成するような様式で燃焼され得るプロセスが開発されたならば、温度低下の必要性は排除され、石炭は、遥かに経済的な見込みのあるガスタービン燃料となる。
【０００４】
米国特許第５，３３９，７５４号、米国特許５，５０９，３６２号および米国特許５，８２７，４９６号は、酸化状態にあるときには容易に還元され、還元状態にあるときには容易に酸化される触媒を使用して、燃料および空気が交互に触媒に接触させられる燃料燃焼方法を開示している。燃料は、触媒を還元させ、二酸化炭素（ＣＯ２）および水蒸気になるべく酸化される。続いて、空気が、触媒を酸化させて酸素を減損させる。結果として、燃焼は、燃焼プロセスの間に或いはそれに先行して燃料および空気を混合させる必要なしに実行され得る。ＣＯ２、水蒸気および酸素減損空気が燃焼プロセスから出て行くときに異なった方向に案内され得る手段が設けられるならば、燃料および空気の混合は完全に回避され得ることになる。この特定の燃焼方法は、当該分野では「非混合燃焼」として知られていた。
【０００５】
それ故、より効率的で、環境にやさしく且つ信頼可能な発電プロセスが継続的に必要とされている。
【特許文献１】米国特許第５，３３９，７５４号
【特許文献２】米国特許第５，５０９，３６２号
【特許文献３】米国特許第５，８２７，４９６号
【特許文献４】米国特許第６，００７，６９９号
【特許文献５】米国特許第６，４９４，１５３号
【特許文献６】米国特許第６，５７２，７６１号
【特許文献７】米国特許第６，６６９，９１７号
【特許文献８】米国特許第６，９１１，０５７号
【特許文献９】米国特許出願公開第２００３−００２９０８８  Ａ１号
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００３−００３５７７０  Ａ１号
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００４−００６０２３７  Ａ１号
【非特許文献１】Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｋ．Ｌｙｏｎ  ｅｔ  ａｌ，  “Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ  Ｆｒｅｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｆｏｓｓｉｌ  Ｆｕｅｌｓ，”Ｐａｐｅｒ  ９８Ｆ−３６，  ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ  ａｔ  ｔｈｅ  Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９９８  ｍｅｅｔｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｗｅｓｔｅｒｎ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｓｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２６−２７，  １９９８，  １２  ｐａｇｅｓ
【非特許文献２】Ｐａｒａｇ  Ｐ．  Ｋｕｌｋａｒｎｉ  ｅｔ  ａｌ，  “Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｕｎｍｉｘｅｄ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ／Ｇａｓｆｉｃａｔｉｏｎ：  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  Ｌｏｎｇ  Ｔｅｒｍ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈ２  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ  ｆｒｏｍ  Ｃｏａｌ  ｗｉｔｈ  ＣＯ２  Ｃａｐｔｕｒｅ，”  Ｐａｐｅｒ  Ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ  ａｔ  ｔｈｅ  ２３ｒｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇ  Ｃｏａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  ２００６；  ２  ｐａｇｅｓ
【非特許文献３】Ｐａｒａｇ  Ｐ．  Ｋｕｌｋａｒｎｉ  ｅｔ  ａｌ，  Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｎｏ．  １１／６０９，  １２４，  Ｆｉｌｅｄ  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １１  ２００６，  “Ｕｎｍｉｘｅｄ  Ｆｕｅｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ，”  Ａｖａｉｌａｂｌｅ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｆｉｌｅ  Ｗｒａｐｐｅｒ  （ＩＦＷ）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本文では、非混合式燃料プロセッサを使用するシステムおよび方法を開示する。１つの実施例では、非混合式燃料プロセッサを使用するシステムは：  非混合式燃料プロセッサおよび発電ユニットを含む。非混合式燃料プロセッサは：  ガス化反応炉、酸化反応炉および再生反応炉を含む。ガス化反応炉は、固体炭化水素燃料入口、水入口及び水素出口を有し、ＣＯ２吸収剤材料をも含む。酸化反応炉は、空気入口および廃棄物出口を有し、酸素移転材料をも含む。再生反応炉は、ＣＯ２流出口を有し、消費したＣＯ２吸収剤材料をガス化反応炉から受け入れて、再生したＣＯ２吸収剤材料をガス化反応炉に戻すべく構成され、更には、酸化した酸素移転材料を酸化反応炉から受け入れて、還元した酸素移転材料を酸化反応炉に戻すべく構成される。発電ユニットは、酸素減損流を酸化反応炉から受け入れて、電気を発生させるべく構成されるものである。
【０００７】
１つの実施例では、非混合式燃料プロセッサを使用する方法は：  水を使用して固体炭化水素燃料をガス化することと、ＣＯ２吸収剤材料によってＣＯ２を捕捉して消費したＣＯ２吸収剤材料と水素を含む水素流とを生成することと、酸素移転材料を酸化させて酸化反応炉内において酸素減損流を生成することと、消費したＣＯ２吸収剤材料および酸化した酸素移転材料を再生してＣＯ２流を生成することと、酸素減損流を使用して発電ユニット内において電気を発生させることとを含む。
【０００８】
上述およびその他の特徴は、添付の図面および詳細な説明によって例証される。
【０００９】
ガス化複合（ＩＧＣＣ）技術は、他の技術よりもクリーンに石炭からの発電の需要により良く応えるものとして十分に適している。更に、それは、カーボン隔離および水素燃料の生産とも両立可能である。また、非混合式燃料プロセッサ（ＵＦＰ）技術が、その他のガス化および燃焼のシステムに対して削減したコスト、増大したプロセス効率、および／またはより少ない排出量の可能性を提示するので、複合サイクル（ＣＣ）およびＵＦＰ技術の組合せは、環境にやさしい様式で効率を改善し得るものでもある。この複合技術は、ＣＯ２隔離の準備が整った流れをも生成しつつ、電気、尿素および／またはアンモニアを生産するために、燃料電池および／または補足的なプラント（例えば尿素および／またはアンモニアを生産するプラント）と組み合せて採用されても良い。
【００１０】
ここで、数個の図面における類似の要素が図面の簡便さおよび明快さのために同様に番号付けされているが、各々の図面に関して議論されるものではない図面を参照する。図１は、非混合式燃料プロセッサ８０およびその中における流れを概略的に示している。非混合式燃料プロセッサ技術では、固体炭化水素燃料（例えば、石炭、バイオマス等）、水（例えば蒸気）および空気が、ガス化反応炉２８内の水素に富んだガスと、再生反応炉３０内の隔離のために送付され得る二酸化炭素に富んだガスと、例えばガスタービンエキスパンダー内において電気を発生させるために使用され得る酸化反応炉３２（高温（例えば約１，１００°Ｃから約１，３００°Ｃ）および圧力（例えば約１大気圧（気圧）から約６０気圧）において）内の酸素減損（削減）空気とから成る別個の流れに転換される。ＵＦＰ技術は、ＣＯ２吸収剤材料を使用して、高温（約６００°Ｃから約１，２００°Ｃ、或いはより詳細には約７５０°Ｃから約１，１００°Ｃ）および高圧（約１大気圧（気圧）から約６０気圧、或いはより詳細には約２０気圧）においてＣＯ２を捕捉する。更に、燃料および空気が互いに混合されないので、更には、より低いガスタービン入口温度（例えばその他のガスタービンシステムの場合の約１，４００°Ｃに対して約１，３００°Ｃ以下である温度）の故に、ＵＦＰプロセスは、非ＵＦＰプロセスに比較してＮＯｘのような汚染物質を少ない量しか発生させ得ないことになる。
【００１１】
ＵＦＰ技術のコンセプトは、概ね、ＣＯ２吸収剤材料および酸素移転材料（ＯＴＭ）を収容している３機の循環流動床反応炉を使用する。ＣＯ２吸収剤材料（例えば、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、シリコン（Ｓｉ）のような元素だけでなく、上述のうちの少なくとも１つを含む組合せにも基づいた金属酸化物および／または金属炭酸塩系の材料）は、ＣＯ２を吸収および／または吸着して、炭酸塩を形成する（吸収剤−ＣＯ２）。ＯＴＭは、金属酸化物（例えば、鉄、ニッケル、銅、マンガン等だけでなく、上述のうちの少なくとも１つを含む組合せから成る酸化物）であり、酸化されて金属酸化物を形成し得るものである（ＯＴＭ−Ｏ）。各流動床材料の混合物が各々の反応炉内に存在し、１つの反応炉から他のものへと移動するとき、各流動床材料は様々な変化および反応を経験する。各々の反応炉は、異なった重要な目的を果す：  ガス化、ＣＯ２放出または酸化である。
【００１２】
ガス化反応炉２８は、先ず第１に固体炭化水素燃料（例えば、石炭および／または元素Ｃ，Ｈ，Ｏを含有するその他の化石燃料だけでなく、上述のうちの少なくとも１つを含む組合せ）をガス化するものであり；  これに対して供給される石炭（例えば微紛炭）は、水（例えば過熱水蒸気）を使用して部分的にガス化され、Ｈ２，ＣＯおよびＣＯ２を生成する。ガス化反応炉内の状況（例えば、約６００°Ｃから約９００°Ｃであり、或いはより詳細には約７５０°Ｃから約８５０°Ｃである温度；  および、約１気圧から約６０気圧であり、或いはより詳細には約１５気圧から約２０気圧である圧力）は、ＣＯ２吸収剤材料によるＣＯ２吸収を容易にする。気相ＣＯ２濃度の低下は、水・ガスシフト反応の平衡をシフトさせて、気相からＣＯを減少させる（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２）。ガス化反応炉２８の中におけるＣＯおよびＣＯ２の両者の除去は、水素に富んだ生成物の流れを結果として生じる。流動床材料の循環は、再生反応炉３０からの新鮮なＣＯ２吸収剤材料の連続的な供給を提示し、消費したＣＯ２吸収剤材料をそれに対して移送するものでもある。
【００１３】
再生反応炉３０は、消費したＣＯ２吸収剤材料からのＣＯ２放出の位置でもあり（吸収剤ＣＯ２＋熱→吸収剤＋ＣＯ２）、その結果として、ＣＯ２吸収剤を再生させる。再生は、酸化反応炉３２から移送される高温流動床材料（例えば、約１，１００から約１，３００°Ｃの温度の酸素移転材料）が再生反応炉３０を加熱するときに行われ、流動床の温度を例えば約９００°Ｃから約１，１００°Ｃの温度（例えば、約１気圧から約２０気圧の圧力では）であるＣＯ２放出のための十分なレベルにまで上昇させる。ＣＯ２放出は、隔離のために適した二酸化炭素に富んだ生成物の流れを発生させる。それに加えて、酸化反応炉３２からの酸化した酸素移転材料は、それがＣＯをＣＯ２に酸化し且つＨ２をＨ２Ｏに酸化するために必要な酸素を提供するので、チャーのガス化から発生する合成ガスによって還元される。
【００１４】
ＯＴＭ-Ｏ＋ＣＯ→ＯＴＭ＋ＣＯ２
ＯＴＭ-Ｏ＋Ｈ２→ＯＴＭ＋Ｈ２Ｏ
還元した酸素移転材料は、酸化反応炉３２内において酸化される：
ＯＴＭ＋１／２Ｏ２→ＯＴＭ-Ｏ＋熱
それ故、酸化反応炉３２に供給される空気は、その空気供給量における大部分の酸素を消費する高温発熱反応を介して酸素移転材料を再度酸化させる。その結果、酸化反応炉３２は、固相転移を介して、ガスタービンエキスパンダーにおいて使用される高温（約１，１００°Ｃから約１，３００°Ｃの温度）、高圧（例えば、約１５気圧以上、或いはより詳細には約１５気圧から約２０気圧の圧力）の酸素減損（削減）空気を生成するだけでなく、ガス化反応炉２８および再生反応炉３０に移送される熱をも生成する。本質的に、再生反応炉３０は、ガス化反応炉から酸化反応炉への直接的な移送なしに、流動床材料をガス化反応炉２８および酸化反応炉３２の両者と交換し、その結果として、ＣＯ２吸収剤材料および酸素移転材料の両者の再生および再循環を許容する。ＣＯ２吸収剤材料は、ガス化反応炉２８内においてＣＯ２を捕捉し、再生反応炉３０内においてそれを放出し、その一方で、酸素移転材料は、酸化反応炉３２内において酸化され、再生反応炉３０内において還元される。本文において開示されるシステムにおいて使用され得るその他の例示的なＵＦＰユニットは、本件と並行して同時に出願されている代理人登録番号２１７３２３−１号（ＧＥ３−０１８０）のクルカルニその他（Ｋｕｌｋａｒｎｉ  ｅｔ  ａｌ）の米国特許出願１１／６０９，１２４号に開示されている。
【００１５】
ここで、固体炭化水素燃料（例えば石炭）からの発電のための例示的なガス化複合発電（ＩＧＣＣ）ポリジェネレーションプラントの概略的図面である図２を参照する。当該プラントは、空気を受け入れて酸素および窒素を分離する空気分離ユニット２を包含する。酸素は、石炭と共に合成ガス発生機４に入る。発生機４からは、合成ガスが、その流れの中における一酸化炭素が二酸化炭素に転換される水ガスシフト反応炉（シフト反応炉）８に入る前に熱交換器６の中において冷却される。シフト反応炉からは、続いて、その流れが、硫黄を除去するガス浄化ユニット（例えば、合成ガス浄化ユニット、酸性ガス回収（ＡＧＲ）ユニット等）１０と、二酸化炭素（ＣＯ２）を除去する二酸化炭素洗浄機１２と、水素（Ｈ２）の流れから不純物を分離する圧力揺れ吸収（ＰＳＡ）ユニット１４とを通過する。不純物は、空気分離ユニットからの窒素流および圧縮機１８からの圧縮空気と共に燃焼室１６の中において燃焼させられる。燃焼流は、任意選択的なエキスパンダー２０（例えばタービン）、熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）２２、蒸気タービン２４および発電機２６を含む発電ユニット１００に入る。
【００１６】
図３は、ＣＯ２捕捉と共に水素および／または電気を発生させることができるポリジェネレーションプラントに対して統合される、図１において説明したようなＵＦＰプロセスを示している。図３では、空気分離ユニットは、多くのポリジェネレーションプラントの場合と同様に要求されず（図示せず）、ＣＯ２分離は、反応炉１（Ｒ１），２（Ｒ２）および３（Ｒ３）を含む非混合式燃料プロセッサ（ＵＦＰ）８０では本質的であり、熱交換損失は、エキスパンダー２０の中における酸素減損空気（削減した流れ）の使用の故に削減され或いは排除される。この構成では、空気は、ＵＦＰ８０に入る前に、圧縮機４０の中に直接に導入される。圧縮機は、約２気圧から約６０気圧、或いはより詳細には１５気圧から約２０気圧の圧力まで空気を圧縮できる。ＵＦＰ８０では、空気およびＰＳＡユニット１４からの圧縮したＰＳＡオフガスは、酸素移転材料がＣＯ２放出反応炉３０（再生反応炉）に入る前に酸化される酸化反応炉３２に入る。
【００１７】
ＣＯ２放出反応炉３０からは、還元した酸素移転材料が酸化反応炉３２に戻り、再生したＣＯ２吸収剤材料がガス化反応炉２８に至り、その一方で、二酸化炭素に富んだ流れは、隔離の前に、熱回収蒸気発生機およびコンデンサ３６を通過し、および／または圧縮機３８を通過することができる。ＣＯ２流は、その後、隔離され得ることになる。高圧ＣＯ２流の一部は、ＣＯ２放出反応炉３０に再循環されても良い。ＣＯ２の再循環は、流動化のための蒸気要求事項を減少させ、結果として、プロセスの全体的な効率を増大させる（例えば、０．５％以上、或いは約２％以上もの効率の増大）。
【００１８】
ガス化反応炉２８では、石炭がガス化され、ＣＯ２吸収剤材料は、ＣＯ２を捕捉して、吸着のために補足的なＣＯをＣＯ２に転換する水ガスシフト反応を促進し、合成ガス流において約６０容積パーセント（ｖｏｌ％）以上のＨ２を含んでいるか、或いはより詳細には合成ガスにおいて約６０ｖｏｌ％から約９０ｖｏｌ％のＨ２を含んでいる水素に富んだ流れを生成する。ＣＯ２吸収剤材料は、ＣＯ２放出反応炉３０に戻り、その一方で、ガス化反応炉の廃棄物（ＣＯ２減損流）は、ガス化反応炉２８から、熱回収蒸気発生機３４、シフト反応炉８、ガス浄化（例えば酸性ガス回収（ＡＧＲ））ユニット１０および圧力揺れ吸収ユニット１４を通過する。シフト反応炉８は、約１０ｖｏｌ％から約３０ｖｏｌ％までのＣＯ２減損流の中におけるＣＯの濃度を約１ｖｏｌ％以下まで削減し得るものであり、その一方で、より多くのＨ２を生成する。酸性ガス回収ユニット１０は、その流れから（例えば、石炭由来の合成ガスから）、塩素、硫黄およびアンモニアのような不純物を除去する。圧力揺れ吸収装置１４は、更に、シフト反応炉からの流れを浄化して、例えば、燃料電池ベースの用途のためにも採用され得る純粋なＨ２流（例えば、純度９９．９９％）を生成する。
【００１９】
ＰＳＡユニット１４から出てくる水素流は、所望の通り（例えば液化、燃料電池、タービン等）に使用され得るが、一方で、ＰＳＡオフガスは、圧縮機１８の中において圧縮され、酸化反応炉３２に戻されおよび／または燃焼されても良い。言い換えれば、ＰＳＡオフガスの全てが酸化反応炉３２に再循環されても良く、或いはＰＳＡオフガスの全てが燃焼されても良く、或いはＰＳＡオフガスの一部が酸化反応炉３２に再循環されて、その一方でＰＳＡオフガスの他の部分が燃焼されても良いのである。再生反応炉３０に対してＣＯ２を再循環させれば、反応炉に対する蒸気流は削減され得ることになり、それ故、運転コストもまた削減され得る。酸化反応炉３２および／または燃焼室からの廃棄物流（図４を参照）は、その後、発電ユニット１００において使用されても良い。
【００２０】
上述のように、且つ図４に示すように、ＰＳＡオフガスは、酸化反応炉３２および／または燃焼室１６に案内されても良い。ＰＳＡオフガスの全てまたは一部が燃焼するとき、その燃焼流は発電ユニット１００のエキスパンダー２０に案内されても良い。ＰＳＡオフガスの燃焼は、エキスパンダー２０に対するより高い温度のガス（約１，３００°Ｃから約１，４００°Ｃ）の導入の故に、システム効率を向上させる。燃焼室１６内においてＰＳＡオフガスを使用することに対して補足的に或いは選択的に、ＰＳＡユニット１４からの水素流の全てまたは一部が様々なプラント４２において使用されても良い。（例えば図５のように）実行可能なプラント４２は、尿素、アンモニア等だけでなく、これらのプラントのうちの少なくとも１つを含む組合せをも包含する。
【００２１】
図６では、ＰＳＡユニットが、燃料電池４４に代替された。この実施例では、圧縮機４０およびエキスパンダー２０が取り除かれて、圧縮機１８および酸化反応炉３２の間と酸化反応炉３２および熱回収蒸気発生機２２の間における直接的な流体連通を許容している。（例えば図３のような）圧縮機４０およびエキスパンダー２０の任意選択的な除去は、低圧発電を可能にする。その結果、資本的な支出は、電気の低圧、低温の生成の故に最小化され得ることになる。
【００２２】
本文において開示したような非混合式燃料プロセッサ（ＵＦＰ）による発電を採用するこれらのシステムは、ＵＦＰを採用していないシステムに勝る複数の利点を可能にする。例えば、（ｉ）燃料電池がシステムに追加され得て、更なる発電を可能にしおよび／または発電をバックアップし、空気分離装置が多くの発電システムの場合のようには必要とされない；（ｉｉ）ＣＯ２分離は、開示したＵＦＰシステムにおいて本質的であり；（ｉｉｉ）ＵＦＰからの水素が実質的に豊富であり（例えば約８０ｖｏｌ％以上）、その結果、圧力揺れ吸収装置における負荷を削減し；（ｉｖ）高温の酸素減損流が直接に発電ユニットに送付され得るので、熱交換損失が除去され；（ｖ）再生反応炉に対するＣＯ２の再循環が当該反応炉において必要とされる蒸気の量を削減し、その結果、システム効率を向上させ；（ｖｉ）ＰＳＡオフガスの幾分かまたは全てを燃焼させる燃焼室の使用がエキスパンダーに対する入口温度を上昇させ、ここでもまた、システム効率を改善し；（ｖｉｉ）システムにおいて生成される水素および窒素が、尿素および／またはアンモニアを生産するために使用され得る状態にある。
【００２３】
本文において開示した範囲は、包括的且つ結合可能なものである（例えば、「約２５ｗｔ％まで、或いはより詳細には約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％まで」の範囲は、「約５ｗｔ％から約２５ｗｔ％」までの範囲の終点および全ての中間数値を包括する）。「組合せ」は、混和物、混合物、合金、反応生成物等を包括する。更にまた、「第１」、「第２」等の用語は、本文では、何らかの順位、数量または重要性を意味するものではなく、むしろ、１つの要素を他のものと区別するために使用され、本文において数詞があること或いは無いことは数量の限定を意味するのではなく、むしろ、言及された品目の少なくとも１つの存在を意味する。数量に関連して使用される「約」の修飾成句は、公式の数値を包括し、文脈によって示される意味をも有する（例えば、特定の数量の測定値に関する誤差の程度をも包含する）。本文において明示の複数形が使用される場合は、それが修飾する用語の単数および複数の両方を包含するものと意図され、結果として、その用語の１つまたはそれ以上を包含する（例えば、複数の着色剤は１つまたはそれ以上の着色剤を包含する）。本件明細書の全体を通じた「１つの実施例」、「もう１つの実施例」、「或る実施例」等の言及は、当該実施例に関連して説明される特定の要素（例えば、特徴、構造および／または特性）が、本文において説明した少なくとも１つの実施例に包含されていて、その他の実施例においても存在し得るか或いはそこには存在しないかもしれないということを意味する。それに加えて、説明された要素は、様々な実施例においても任意の適当な様式で組み込まれ得ると理解すべきである。
【００２４】
引用された全ての特許、特許出願およびその他の引例は、その全体が参考として本文に組み込まれるものとする。しかし、本件出願における用語が組み込まれた引例における用語と矛盾し或いは衝突する場合には、本件出願からの用語が組み込まれた引例からの矛盾する用語に対して優先するものとする。
【００２５】
本発明は、好適な実施例に関連して説明されたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が為されるものであり、更には、同等物がその各要素に代えて採用され得るものでもあると、当業者には理解されるであろう。それに加えて、多くの修正案が、その本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況または材料を本発明の教示内容に適応させて形成され得ることになる。従って、本発明は、本発明を実行するために企図されている最適な態様として開示された特定の実施例に限定されるものではなく、添付請求項の範囲内に納まる全ての実施例を包含すると意図されるのである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
ここでは、例示的であり、限定的ではなく、類似の参照番号が同様に番号付けされている図面を参照する。
【図１】非混合式燃料プロセッサ（ＵＦＰ）システムの例示的な実施例の概略図である。
【図２】ＣＯ２の捕捉を包含するガス化複合発電（ＩＧＣＣ）ポリジェネレーションプラントの例示的な実施例の概略的図面である。
【図３】ＣＯ２分離を備えた非混合式燃料プロセッサポリジェネレーションシステムの例示的な実施例の概略的図面である。
【図４】ＰＳＡオフガスの燃焼を備えた非混合式燃料プロセッサポリジェネレーションシステムの例示的な実施例の概略的図面である。
【図５】Ｈ２およびＣＯ２および／またはＮ２を使用する非混合式燃料プロセッサポリジェネレーションシステムの例示的な実施例の概略的図面である
【図６】低圧における発電のためのＣＯ２分離を備えた非混合式燃料プロセッサポリジェネレーションシステムの例示的な実施例の概略的図面である。
【符号の説明】
【００２７】
２  空気分離ユニット（ＡＳＵ）
４  合成ガス発生機
６  熱交換器（合成ガス冷却）
８  シフト反応炉
１０  酸性ガス回収ユニット（ＡＧＲ）
１２  ＣＯ２洗浄機
１４  圧力揺れ吸収ユニット（ＰＳＡ）
１６  燃焼室
１８，３８，４０  圧縮機
２０  エキスパンダー
２２，３４，３６  熱回収蒸気発生機
２４  蒸気タービン
２６  発電機
２８  反応炉１（石炭ガス化反応炉）
３０  反応炉２（ＣＯ２放出反応炉／再生反応炉）
３２  反応炉３（酸化反応炉）
４２  プラント（尿素／アンモニア）
４４  燃料電池
８０  非混合式燃料プロセッサ（ＵＦＰ）
１００  発電ユニット
【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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