(57)【要約】  電力を発生する方法であって、ガス化炉で発生した合成ガスストリームが、ボイラーの酸素輸送膜システム内で燃焼される、電力を発生する方法。燃焼は、蒸気を起こすための熱を発生し、それにより、次に、蒸気タービンに連結した発電機によって電気を発生する。得られる煙道ガスは、二酸化炭素製品を生成するために純化され得る。
2010521944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を発生する方法であって、
ガス化炉内で合成ガスストリームを発生させること、
熱及び煙道ガスを発生させるために前記合成ガスストリームを燃焼させることであって、前記合成ガスストリームは高温にある間に燃焼され、
前記煙道ガスは二酸化炭素を含有し、
前記合成ガスストリームの前記燃焼は、ボイラーに動作可能に連結される酸素輸送膜システム内で酸素含有ストリームから酸素を分離することによって維持される燃焼させること、
前記熱をボイラー給水に間接的に伝達することによって前記ボイラー内で蒸気を生成すること、
前記酸素輸送膜ボイラーに動作可能に連結され、蒸気サイクルの蒸気タービンシステムによって前記蒸気からエネルギーを抽出し、前記蒸気タービンシステムに連結される発電機によって前記エネルギーを電力に変換すること、及び、
二酸化炭素リッチストリームを生成するために前記煙道ガスストリームを純化することを含む方法。
【請求項２】
前記合成ガスストリームの揮発性内容物を酸化し、前記合成ガスストリームを加熱するために、前記合成ガスストリームを燃焼させる前に少なくとも１つの膨張ステージの膨張器内で前記合成ガスストリームを膨張させ、前記合成ガスストリームを膨張させる前に、少なくとも１つの部分酸化ステージ内で前記合成ガスストリームを部分酸化させることをさらに含み、前記膨張器は、別の発電機に連結されて、さらなる電力を発生し、前記部分酸化ステージは、前記合成ガスストリームの部分酸化を維持するために酸素を発生する酸素輸送膜反応器によって形成される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの膨張ステージ及び前記少なくとも１つの部分酸化ステージは、第１部分酸化ステージとそれに続く第１膨張ステージ、第２部分酸化ステージとそれに続く前記第１膨張ステージ及び第２膨張ステージとそれに続く第２部分酸化ステージである請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記合成ガスストリームの前記燃焼は不完全であり、前記煙道ガスストリーム内に燃料種が存在することをもたらし、
前記燃料種は、前記煙道ガスストリームから分離され、前記少なくとも１つの部分酸化ステージに対して再利用される請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記二酸化炭素は、
前記煙道ガスストリームを冷却して、冷却済み煙道ガスストリームを生成し、
前記冷却済み煙道ガスストリームから二酸化硫黄を除去し、
前記煙道ガスストリームから前記二酸化硫黄を除去した後、前記煙道ガスストリームを圧縮し、次に、前記煙道ガスストリームを乾燥器内で乾燥させて、約９０容積％もの純度を有する二酸化炭素含有ストリームを生成し、
前記二酸化炭素含有ストリームをさらに圧縮して、二酸化炭素製品ストリームを生成することによって純化される請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記合成ガスストリームの前記燃焼は不完全であり、前記煙道ガスストリーム内に燃料種が存在することをもたらし、
前記二酸化炭素は、
前記煙道ガスストリームを冷却して、冷却済み煙道ガスストリームを生成し、
前記冷却済み煙道ガスストリームから二酸化硫黄を除去し、
前記煙道ガスストリームから前記二酸化硫黄を除去した後、前記煙道ガスストリームを圧縮し、次に、前記煙道ガスストリームを乾燥器内で乾燥させて、約９０容積％もの純度を有する二酸化炭素含有ストリームを生成し、
前記二酸化炭素含有ストリームをさらに圧縮して、二酸化炭素製品ストリームを生成することによって純化され、
前記燃料種は、乾燥された後で、且つ、さらに圧縮される前に前記煙道ガスストリームから分離され、前記少なくとも１つの部分酸化ステージに対して再利用される請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記ガス化炉は、酸素によって維持される石炭のガス化によって前記合成ガスストリームを発生する請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記石炭の前記ガス化は、前記蒸気サイクルによって発生した蒸気を利用する移動床ガス化炉において行われる請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記蒸気サイクルは、極超臨界蒸気サイクルである請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記ガス化炉は、酸素によって維持される石炭のガス化によって前記合成ガスストリームを発生する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記石炭の前記ガス化は、前記蒸気サイクルによって発生した蒸気を利用する移動床ガス化炉において行われる請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記蒸気サイクルは、極超臨界蒸気サイクルである請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ガス化炉は噴流床ガス化炉であり、
前記合成ガスストリームは、加熱されたボイラー給水ストリームとの間接的熱交換によって冷却されて、蒸気ストリームを生成し、
前記蒸気ストリームは、前記ボイラー内で生成される蒸気と結合される請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
酸素輸送膜システム内の酸素含有ストリームから酸素を分離することによって維持される前記合成ガスストリームの前記燃焼は完全ではなく、
前記合成ガスストリームの前記燃焼は、酸素含有ストリームの添加によって完全にされる請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力を発生する方法であって、ガス化炉で生成される合成ガスストリームが燃焼して、熱を発生し、その熱が、蒸気を起こすために使用され、次に、電力を発生するための蒸気タービンで使用される、電力を発生する方法に関する。より詳細には、本発明は、合成ガスストリームがボイラー内で燃焼する方法に関するもので、ボイラーは、酸素輸送膜を使用して、酸素を供給し、それにより、燃焼を維持し、また、さらなる利用又は隔離のための二酸化炭素リッチストリームを生成するために、得られる煙道ガスの純化のための装備を有する。
【背景技術】
【０００２】
石炭燃焼発電プラントは、電気を生成するために世界中で利用されている。通常、石炭は、粉砕形態か又はスラリー内にあり、燃焼して、ボイラー内で熱を発生し、それにより、蒸気を起こす。蒸気は、蒸気タービンに流されて、電力を発生する。
【０００３】
石炭、及び、アスファルト、重油、石油コークス、バイオマス又は天然ガスなどの他の炭素質原料を使用する発電プラントから二酸化炭素を捕捉することに、最近、関心が向けられてきた。二酸化炭素捕捉が必要とされるときの好ましい発電方法として、石炭ガス化複合発電（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｍｂｉｎｅｄ  ｃｙｃｌｅ）（ＩＧＣＣ）が提案されている。ＩＧＣＣでは、燃料のガス化は、不純物を含有するある量のメタンと硫黄と塩化物と共に、主に水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含有する合成ガスを生成する。通常のガス化炉では、炭素質フィードは、蒸気及び酸素と反応して、合成ガスを生成する。通常、酸素は、極低温精留プラントによってガス化炉に供給され、極低温精留プラントでは、空気が、低温の蒸留カラム内で精留されて、酸素が生成される。
【０００４】
石炭ガス化複合発電では、ガス化の結果として生成されたる合成ガスは、水−ガスシフト反応器内で、さらなる処理に適した温度まで冷却されて、合成ガス内の水素及び二酸化炭素含量を増加させる。水−ガスシフト反応器はまた、硫化カルボニルのほとんどを硫化水素に加水分解する。合成ガスは、その後さらに、合成ガスから二酸化炭素と硫化水素と硫化カルボニルを分離するために物理的又は化学的吸収を使用する溶剤スクラビングプラント内で、二酸化炭素及び硫化水素の分離のために冷却される。これは、合成ガス内に存在する二酸化炭素の捕捉及び隔離を可能にする。結果得られる水素リッチガスは、その後、電気を発生する発電機に連結されるガスタービンに送給される。熱は、未処理合成ガスストリームの冷却によって、水−ガスシフト反応器からの加熱された放出物を冷却することによって、また、ガスタービンからの排気を冷却することによって回収されて、蒸気を起こし、蒸気タービンからさらなる電力を発生させる。
【０００５】
ありがたいことに、石炭ガス化複合発電は、清浄な燃焼用合成ガスストリームが使用されて、ガスタービンに動力供給し、一方、同時に、ガス化によって生成される二酸化炭素が、石油増進回収又は隔離のための他の工業用プロセスで使用するために捕捉され得、環境に非常に有利である。こうした発電の欠点は、空気分離及び溶媒スクラビングプラントに関連する高いエネルギー不利益である。さらに、いくつかのステージにおける熱エネルギーの回収は、こうした熱回収が常に損失を伴い、いずれにしても、熱が低温で回収される点で本質的に非効率的である。最後に、溶媒スクラビングプラント、水−ガスシフト反応器及びガスタービンの使用は、取得原価に費用がかかる。
【０００６】
酸素輸送膜の使用によって、極低温空気分離プラントの代わりに、ガス化プロセスに酸素を供給することが提案されている。こうした膜では、高い温度での酸素イオンの輸送が可能であるセラミック材料で形成された気密膜の使用によって、酸素が空気から分離される。酸素は、電子を獲得することによって膜の一方の表面上でイオン化して、酸素イオンを形成する。分圧差の駆動力下で、酸素イオンは膜を通して流れ、燃料と反応するか、又は、再結合して酸素元素になり、酸素のイオン化で使用される電子を放出する。
【０００７】
膜材料が混合伝導体である場合、電子は膜を通して輸送される。イオン伝導体を使用する、すなわち、酸素イオンを伝導することだけが可能である膜では、外部電気回路の使用によって電子が輸送される。
【０００８】
蒸気タービンを組込む複合発電と対照的に、精製所又は水蒸気メタン改質器に対するフィードとして価値を有する製品蒸気を発生するために、ボイラーに関連して、セラミック膜システムの使用も考えられてきた。こうしたボイラーでは、天然ガスなどの燃料の燃焼は、膜システム内で分離された酸素によって維持される。こうした燃焼は、二酸化炭素及び水に富む煙道ガスを生成することになるため、二酸化炭素リッチストリームの生成は、煙道ガスから水を凝縮し、次に、ストリームを圧縮することによって達成され得る。
【０００９】
二酸化炭素捕捉を有するこうしたボイラーの調査の例は、Ｅｌｓｅｖｉｅｒによって出版された「ＣＯ２捕捉プロジェクトの精製シナリオのためのＰｒａｘａｉｒ社製高度ボイラーに関するコスト及び実行可能性調査（Ｃｏｓｔ  ａｎｄ  Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｐｒａｘａｉｒ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｂｏｉｌｅｒ  ｆｏｒ  ＣＯ２  Ｃａｐｔｕｒｅ  Ｐｒｏｊｅｃｔ’ｓ  Ｒｅｆｉｎｅｒｙ  Ｓｃｅｎａｒｉｏ）」Ｓｗｉｔｚｅｒ等（２００５）という名称の論文に載っている。この論文において、燃料及び再循環される煙道ガスが、熱回収蒸気発電機を有するハウジングを通して流されて、膜システムによって生成される保持液からの熱をボイラー給水と交換し、それにより、飽和蒸気を起こすボイラーが開示される。燃料及び煙道ガス混合物は、その後、煙道ガスの燃焼及び生成のために膜システムに流れる。膜システムには、飽和蒸気を過熱し、それにより、製品蒸気を生成するための別の熱回収蒸気発電機が含まれる。熱は、煙道ガスから回収されて、空気及びボイラー給水を予熱する。酸素輸送膜を組込み、また、製品蒸気を生成することが可能な他のボイラー設計は、米国特許第６，３９４，０４３号、第６，３８２，９５８号及び第６，５６２，１０４号に開示される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
説明されるように、本発明は、電力を発生する方法であって、合成ガスストリームが、ガス化によって生成され、次に、酸素輸送膜内で燃焼して、熱を発生し、次に蒸気タービン用の蒸気を起こす、電力を発生する方法を提供する。明らかになるように、本発明の方法は、二酸化炭素捕捉を有する石炭ガス化複合発電に比べて熱的に効率の高い方法で電力を発生し、二酸化炭素捕捉のための、高価なガスタービン、水−ガスシフト反応器及び溶媒回収ユニットの使用を必要としない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電力を発生する方法であって、合成ガスストリームがガス化炉内で発生する、電力を発生する方法を提供する。合成ガスストリームは、燃焼して、熱及び煙道ガスを発生する。合成ガスストリームは、高温にある間に燃焼され、煙道ガスは二酸化炭素を含有する。本明細書でまた特許請求の範囲で使用されるように、「高温（ｅｌｅｖａｔｅｄ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」という用語は、合成ガスストリームの露点を超える少なくとも約５０°Ｆの温度を意味する。この点で、低温では、燃焼のために過剰の燃料が必要とされることになり、いずれにしても、当業者によって理解される得る潜在的な機械的及びコロージョン問題のため、水凝縮が回避される。合成ガスストリームの燃焼は、ボイラーに動作可能に連結する酸素輸送膜システム内の酸素含有ストリームから酸素を分離することによって維持される。蒸気は、熱をボイラー給水に間接的に伝達することによってボイラー内で生成される。エネルギーは、酸素輸送膜ボイラーに動作可能に連結する、蒸気サイクルの蒸気タービンシステムによって蒸気から抽出される。エネルギーは、蒸気タービンシステムに連結する発電機によって電力に変換される。煙道ガスストリームは、その後、純化されて、二酸化炭素リッチストリームを生成する。
【００１２】
本発明の上記説明から明らかになるように、合成ガスストリームは、高温にある間に燃焼されるため、本発明の方法は、二酸化炭素捕捉を有する従来技術の石炭ガス化複合発電において見出され得る固有の熱的非効率を持たない。この熱的非効率は、二酸化炭素が溶媒システム内の合成ガスから除去されることによっており、そのことが、周囲温度近くまで合成ガスが冷却されること及び溶媒システムを動作させるのに必要とされるエネルギー入力を要求する。同様に説明されるように、煙道ガスストリームは、溶媒スクラビングユニットの使用を含まない、以下でより詳細に説明されることになる方法で直接純化され得る。
【００１３】
有利には、特に好ましい実施形態では、合成ガスストリームは、合成ガスストリームを燃焼させる前に少なくとも１つの膨張ステージを有する膨張器内で膨張し得、合成ガスストリームは、合成ガスストリームを膨張させる前に、少なくとも１つの部分酸化ステージ内で部分酸化され得る。部分酸化は、合成ガスストリームの揮発性内容物を酸化するように働くことになり、また、合成ガスストリームをさらに加熱することになる。膨張器は、別の発電機に連結されて、さらなる電力を発生し得る。
【００１４】
好ましくは、部分酸化ステージは、合成ガスストリームの酸化を維持するために酸素を発生する酸素輸送膜反応器によって形成される。本発明の代替の実施形態では、少なくとも１つの膨張ステージ及び少なくとも１つの部分酸化ステージは、第１部分酸化ステージとそれに続く第１膨張ステージ、第２部分酸化ステージとそれに続く第１膨張ステージ及び第２膨張ステージとそれに続く第２部分酸化ステージであり得る。
【００１５】
酸素輸送膜ボイラー内での合成ガスストリームの燃焼は不完全であり、煙道ガスストリーム内に燃料種が存在することをもたらし得る。こうした場合、燃料種は、煙道ガスストリームから分離され、少なくとも１つの部分酸化ステージに対して再利用され得る。別の変形は、酸素輸送膜システム内の酸素含有ストリームから酸素を分離することによって維持される合成ガスストリームの燃焼が完全ではないようにプロセスを行うことである。こうした場合、合成ガスストリームの燃焼は、酸素含有ストリームの添加によって完全になり得る。こうした実施形態の利点は、酸素輸送膜システム内で酸素輸送膜から使用される材料の量を保存することである。
【００１６】
有利には、二酸化炭素は、煙道ガスストリームを冷却して、冷却済み煙道ガスストリームを生成することによって純化され得る。二酸化硫黄を除去した後、煙道ガスストリームは圧縮され、次に、乾燥器内で乾燥されて、約９０容積％もの純度を有する二酸化炭素含有ストリームを生成し得る。二酸化炭素含有ストリームはさらに圧縮されて、二酸化炭素製品ストリームを生成し得る。二酸化炭素製品ストリームは、さらに、石油増進回収などの知られている工業用用途を有する。いずれにしても、二酸化炭素製品ストリームは、パイプラインによってさらに分配され得る。
【００１７】
合成ガスストリームの燃焼が、煙道ガスストリーム内に燃料種が存在することをもたらす場合、燃料種は、乾燥された後で、且つ、さらに圧縮される前に、煙道ガスストリームから分離され得る。
【００１８】
可能性がある種々の異なるガス化炉及び異なる原料が存在するが、ガス化炉は、石炭のガス化によって合成ガスストリームを生成することができる。この点で、石炭のガス化は、蒸気サイクルによって発生した蒸気を利用する移動床ガス化炉において行われ得る。本発明の任意の実施形態では、蒸気サイクルは、極超臨界蒸気サイクルであり得る。
【００１９】
ガス化炉は噴流床ガス化炉である。こうした場合、合成ガスストリームは、加熱されたボイラー給水ストリームとの間接的熱交換によって冷却されて、蒸気ストリームを生成する。蒸気ストリームは、その後、ボイラー内で生成される蒸気と結合され得る。
【００２０】
本明細書は、出願人が出願人の発明とみなす主題を明確に指摘する特許請求の範囲で終了するが、本発明は、添付図面に関連して考えられるとよりよく理解されるであろうと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による電力を発生する方法のプロセスフロー図である。
【００２２】
【図２】蒸気サイクルを集積化した酸素輸送膜システムを組込むボイラーの図である。
【００２３】
【図３】図１の代替の実施形態の図である。
【００２４】
【図４】図３の代替の実施形態の部分図である。
【００２５】
【図５】図３の代替の実施形態の図である。
【００２６】
【図６】図３の代替の実施形態の図である。
【００２７】
【図７】図６で使用される純化ユニットの実施形態の図である
【００２８】
【図８】図７の代替の実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１を参照すると、本発明は、石炭がガス化される、本発明による方法を実行する装置１を示す。先に示したように、ガス化される原料が、石炭、アスファルト、重油、石油コークス、バイオマス又は天然ガスなどの他の物質であることができるため、図１は例示のためのものである。
【００３０】
図１によれば、調製された石炭送給ストリーム１０は、酸素ストリーム１４などのガス化剤の添加によって、ガス化炉１２内でガス化される。酸素ストリーム１４は、極低温精留ユニット１６内における空気の極低温精留によって生成される。移動床ガス化炉などの一部のガス化炉では、蒸気ストリーム９１（説明される）のような高圧蒸気も、ガス化炉内に注入される。
【００３１】
極低温精留ユニット１６（「ＡＳＵ」）は、空気ストリーム１７を圧縮する圧縮器、並びに、二酸化炭素、水及び炭化水素などの高沸点汚染物質を除去する純化器からなる。戻りストリームが、空気の分留成分、すなわち、窒素及び酸素からなるのに対して、結果得られる純化され圧縮されたストリームは、その後、主熱交換器内で冷却される。酸素は、酸素ストリーム１４として放出され、窒素は、窒素ストリーム１８として放出される。必要ならば、酸素ストリーム１４は、ガス化炉１２へ注入するために適した圧力まで圧縮され得る。
【００３２】
典型的な極低温精留ユニット１６では、一般に、凝縮器−リボイラーによって低圧カラムに動作可能に連結される高圧カラムを有する２重蒸留カラムにおいて、空気は、主熱交換器内で精留に適した温度まで冷却される。高圧カラムは、通常、約５バール絶対圧で動作して、窒素リッチのオーバヘッド及び酸素リッチのカラム底液を生成することになる。酸素リッチのカラム底液はさらに、約１．２バール絶対圧で一般に動作する低圧カラム内で精製される。低圧カラムのカラム底液は、酸素が豊富である。高圧カラム内で生成される窒素リッチ塔オーバヘッドを凝縮するのに対して、酸素が気化される。高圧カラムの結果得られる凝縮物は、弁膨張され、低圧カラムに還流するのに使用される。
【００３３】
酸素ストリーム１４を発生させる他の代替法が可能である。たとえば、酸素輸送膜反応器であって、当技術分野で知られている方法で酸素を分離するために、圧縮空気が、燃焼器内で部分的に燃焼され、酸素輸送膜反応器内に導入され得る、酸素輸送膜反応器である。
【００３４】
ガス化炉１２は、多くの商業的に入手可能なガス化技術のいずれをも組込む。たとえば、向流「固定（ｆｉｘｅｄ）」（又は移動）床タイプのガス化炉では、下方に流れる炭素質燃料床は、移動床の底部に入る、蒸気と酸素によって生成されるガス化製品に接触する。ガス化製品は、炭素質床に対して向流構成で流れる。スラグ又は灰１３は、全てのガス化炉で除去されることになる。たとえば、向流固定床ガス化炉では、参照数字１３は、除去用のスラグを指定するであろう。流動床ガス化炉では、燃料粒子は、床の底部での又は底部の近くでの酸素と蒸気の注入の結果として液状化される。噴流床ガス化炉では、粉砕石炭などの乾燥した粉砕固体又は燃料スラリーは、並流の流れにおいて酸素によってガス化される。
【００３５】
ガス化炉１２内で、石炭と酸素を含む、知られている反応が、水素、一酸化炭素、メタン、二酸化炭素、蒸気、硫黄化合物及び少量の大分子炭化水素を含有する合成ガスストリーム２０を生成する。合成ガスストリーム２０の温度は、使用されるガス化炉のタイプに依存することになる。ガス化炉１２の噴流床ガス化炉では、合成ガスは、約１６００°Ｆ（８７１．１℃）と約３５００°Ｆ（１９２７℃）との間の温度でプロセスのガス化セクションを出る。しかし、本発明による集積化において他のタイプのガス化炉が使用され得ることが留意され、したがって、他のタイプのガス化炉では、合成ガスストリームが他の温度範囲で生成されることになることを述べる価値がある。たとえば、固定床ガス化炉では、合成ガスは、約９００°Ｆ（４８２．２℃）と約１０００°Ｆ（５３７．８℃）との間の温度で生成されることになる。
【００３６】
合成ガスストリーム２０からの粒子除去は、サイクロン又はキャンドルフィルタ２２を含む、知られている技術によって実行され得る。キャンドルフィルタ２２は、合成ガスストリーム２０からこうした粒状物質を除去するのに使用されるセラミック又は金属のキャンドルフィルタであり得る。キャンドルフィルタ２２は、いずれにしても好ましくは、約７００°Ｆ（３７１．１℃）、より好ましくは、１０００°Ｆ（５３７．８℃）以上で動作すべきである。ろ過は、膨張器をエロージョンから保護するために一般に存在する点でオプションであることが留意される。一部のガス化炉では、ストリームは、炭素変換を改善するために、ガス化炉のフロントエンドに対して再利用される。
【００３７】
得られるろ過された合成ガスストリーム２４は、酸素輸送膜ボイラー２６にその後送出される合成ガスを含有する。好ましい特定の酸素輸送膜ボイラーは存在しないが、こうしたいずれのデバイスでも、ろ過された合成ガスストリーム２４は、上述したような、混合伝導体又は２相伝導体であり得るセラミック材料で作られた複数の管を備え得る酸素輸送膜システム２８内に導入される。酸素輸送膜システム２８は、管以外の形態の酸素輸送膜エレメント、たとえば、当技術分野で同様に知られている平面エレメントを使用し得ることが理解される。酸素含有ガス、たとえば、空気は、ブロワ３２の使用によって空気ストリーム３０として管内に導入される。空気ストリーム３０は、酸素輸送膜管内に導入される前に廃熱回収熱交換器３４によって予熱される。酸素イオンは、膜に浸透し、ろ過された合成ガスストリーム２４と即座に結合して、ろ過された合成ガスストリーム２４の燃焼を維持する。酸素欠乏保持液は、保持液ストリーム３５として、熱の回収及び放出のために廃熱回収熱交換器３４を通して流される。
【００３８】
例示された酸素輸送膜ボイラー２６では、ろ過された合成ガスストリーム２４の燃焼は、酸素輸送膜システム２８内での酸素分離用の駆動力を提供する。したがって、空気ストリーム３０は、それほど圧縮されない。しかし、本発明による、酸素含有ガスについて圧縮を実際に利用する酸素輸送膜ボイラーを集積化することが可能であるが、こうした集積化は、こうした圧縮において必要とされる電力ペナルティのために好ましくない。
【００３９】
好ましくは、ＯＴＭ管の表面温度は、酸素輸送膜ボイラー２６全体にわたって約１６００°Ｆ（８７１．１℃）と約２０００°Ｆ（１０９３℃）との間に維持される。煙道ガスストリーム３６は、好ましくは約１６００°Ｆ（８７１．１℃）と約２０００°Ｆ（１０９３℃）との間の温度で酸素輸送膜ボイラー２６から放出される。煙道ガスストリーム３６は、少量の窒素、アルゴン及び二酸化硫黄並びにおそらくは残留酸素と共に、主に水及び二酸化炭素からなる。
【００４０】
酸素輸送膜ボイラー２６内で起こる燃焼によって発生する熱は、全体が参照数字３８で示される熱交換ネットワークによって回収され、熱交換ネットワークでは、発電機４２を駆動するために適用できる動力を発生する蒸気タービンシステムを組込む、全体がブロック４０で示される蒸気サイクル（「ＳＴ」）において、蒸気が生成され利用される。本発明に関連して使用する可能性がある多くの蒸気サイクルが存在し、実際に、蒸気サイクルの設計は、こうした設計を作り出すことが特に可能なコンピュータプログラムによって実行されることが多い日常の仕事である。説明されるように、極超臨界蒸気サイクルが好ましい。しかし、亜臨界及び超臨界蒸気サイクルも可能である。さらに、酸素輸送膜ボイラー２６について考えられる多くの設計が存在する。こうしたことを述べたが、例として、酸素輸送膜ボイラー２６及び関連する蒸気サイクル４０に関連して使用され得る、適した設計のより詳細な説明が図２に示される。
【００４１】
ここで図２を特に参照すると、酸素輸送膜ボイラー２６は、以降で説明されることになる方法で改良された商業的に入手可能な従来のユニットに基づく。酸素輸送膜ボイラー２６は、一般に、輻射熱移動が支配的である輻射セクション４４及び熱移動が対流熱移動によって達成される対流セクション４６からなる。酸素輸送膜ボイラー２６は、蒸気サイクル４０と集積化される。
【００４２】
輻射セクション４４は、酸素輸送膜ボイラー２６の酸素輸送膜システム２８を形成する酸素輸送膜管５０を設けることによって変更される。酸素輸送膜管５０は、空気ストリーム３０を受取るために並列に接続され、蒸気を起こすため、また、蒸気サイクル４０のために、熱交換ネットワーク３８の一部を形成する一連の蒸気管５２、５４、５６及び５８と交互に並ぶ。例示される実施形態では、蒸気管５２、５４、５６及び５８は直列である。しかし、実際には、蒸気管は、輻射セクション４４が均一な温度を有する点で輻射セクション４４内のどこにでも配置され得る。特に示さないが、蒸気管５２、５４、５６及び５８はそれぞれ、大きな交互アレイの一部であることになり、アレイの全ての蒸気管、たとえば、蒸気管５２は並列に接続されることになる。さらに、同様に示さないが、蒸気管５２内で生成される飽和蒸気は、蒸気管５４内に導入される前に蒸気ドラム内に収集され得る。
【００４３】
蒸気サイクル４０に関して、極超臨界蒸気サイクルが好ましく、本明細書で使用されるように、また、特許請求の範囲では、少なくとも約１０００°Ｆ（５３７．８℃）の温度及び少なくとも４０００ｐｓｉａの圧力の蒸気を使用するサイクルを意味する。蒸気サイクル４０の以下の説明は、以下に説明する例１及び例２に適用可能な温度及び圧力を利用する。
【００４４】
蒸気サイクル４０によれば、ボイラー給水ストリーム６０は、ポンプ６２によって圧送されることによって加圧され、予熱器６４、６６、６８及び７０並びに対流セクション４６内の熱交換器７２及び７４内で予熱され、約６５０°Ｆ（３４３．３℃）の温度及び約４３６６ｐｓｉａの圧力になり、４３６６ｐｓｉａは、配管損失が小さい加圧によって与えられた。説明される熱交換器７２、７４及び１０９並びに蒸気管５２、５４、５６及び５８は、酸素輸送膜ボイラー２６の熱交換ネットワーク３８を形成することが留意される。
【００４５】
ボイラー給水ストリーム６０は、その後、蒸気発生器として働く蒸気管５２に入り、次に、発生した蒸気を過熱する蒸気管５４に入って、約１０８０°Ｆ（５８２．２℃）の温度及び約４０５０ｐｓｉａの圧力の蒸気ストリーム７６が生成される。蒸気ストリーム７６は、次に、高圧蒸気タービン７８（「ＨＰＴ」）内に導入され、膨張して１２２６ｐｓｉａになる。膨張ストリームの約２７２５ｋｌｂ／ｈｒ（ストリーム７６の約９０％を構成する）は、ストリーム８０として、再加熱器として役立つ蒸気管５６を通して流され、ストリーム８０は、約１１１１°Ｆ（５９９．４℃）の温度に再加熱されて、約１１７０ｐｓｉａの圧力を有するストリーム８２が生成される。残りの部分８４は、予熱器６８内に導入される。
【００４６】
再加熱されストリーム８２は、次に、主中間圧タービン８６（「ＰＩＰＴ」）内に導入されて、膨張して、約５０５ｐｓｉａ及び約８２２°Ｆ（４３８．９℃）の温度になる。このストリームの約２３２８ｋｌｂ／ｈｒ（ストリーム８０の約８５％を構成する）は、ストリーム８８として、第２再加熱器として役立つ蒸気管５８内に導入されて、約１１１１°Ｆ（５９９．４℃）の温度を有する再加熱されたストリーム９０が生成される。膨張した蒸気の残りは、ストリーム９２として予熱器６４内に導入される。
【００４７】
再加熱されたストリーム９０は、次に、中間圧蒸気タービン９４（「ＩＰＴ」）内に導入される。蒸気９６は、次に、低圧タービン９８（「ＬＰＴ」）内で膨張して、約０．７５ｐｓｉａの圧力になる。得られるストリーム１００は、次に、凝縮器１０２に流され、次に、ポンプ１０４によって一連の低圧ボイラー−給水加熱器１０６、１０８、１０９、１１０及び１１２に圧送されて、中間圧蒸気タービン９４及び低圧タービン９８から取得される抽出蒸気ストリーム１１４、１１６、１１８及び１２０を使用して約２１０°Ｆ（９８．８９℃）に加熱される。抽出ストリームは全て、結合され、ポンプ１０５によって所定圧で圧送され、ストリーム１００と結合される。結果得られる加熱された給水ストリーム１２２は、ストリーム１２８及び中間圧蒸気タービン９４から抽出されたストリーム１３０と共に、脱気装置１２６内で給水ストリーム１２４と混合され、水から揮発性ガスを取除くのに使用される。ストリーム１２８は、ストリーム９２、ストリーム８４及び主中間圧蒸気タービン８６から抽出されるストリーム１３２で構成さる。脱気装置１２６からのストリーム６０は、ポンプ６２によって約４４５２ｐｓｉａの圧力で圧送される。
【００４８】
再び図１を参照すると、煙道ガスストリーム３６は、次に、水−クーラ１３４内で約１６０°Ｆ（７１．１１℃）と約３００°Ｆ（１４８．９℃）との間の温度に最初に冷却されることによって純化される。冷却されたストリーム１３６は、次に、当技術分野でよく知られており、また、二酸化硫黄の約９８容積％超を除去することが可能な煙道ガス脱硫スクラバユニット１３８に送出される。煙道ガス脱硫スクラバユニット１３８は、種々の製造業者、たとえば、Ｂａｂｃｏｃｋ  ＆  Ｗｉｌｃｏｘ  Ｃｏｍｐａｎｙ，２０  Ｓ．Ｖａｎ  Ｂｕｒｅｎ  Ａｖｅｎｕｅ  Ｂａｒｂｅｒｔｏｎ，ＯＨ，Ｕ．Ｓ．Ａ  ４４２０３−０３５１から得られ得る、知られているシステムである。通常、煙道ガス脱硫スクラバユニット１３８は、３つの部分を備えることになる。すなわち、第１の部分は、ライムストーンが受取られ、貯蔵され、ボールミルで研磨されて、水性スラリーを調製するライムストーンハンドリング及び試薬調製である。第２の部分は、示す実施形態では、スプレイ塔カラム内で向流モードの冷却ストリーム１３６であることになる煙道ガスと、ライムストーンスラリーが接触するようになるスクラバである。この後に、煙道ガス脱硫吸収器からのブリードスラリーが脱水され、石膏が分離され貯蔵される副産物脱水が続く。結果得られる部分的に純化された煙道ガスストリーム１４０は、ある程度の残留アルゴン及び窒素、酸素並びに微量の二酸化硫黄と共に、主に二酸化炭素及び約１０〜１５モル％の水からなる。
【００４９】
部分的に純化された煙道ガスストリーム１４０は、次に、基底負荷圧縮器１４２内で約３００ｐｓｉａと約５００ｐｓｉａとの間の圧力に圧縮され、次に、水分を除去するために、乾燥ユニット１４８内で乾燥される。乾燥ユニットは、天然ガスを乾燥するのに通常使用される、知られているシステムであるグリコールシステムである。好ましくは、示さないが、部分的に純化された煙道ガスストリーム１４０は、こうした圧縮の前に、最初に約１１０°Ｆ（４３．３３℃）に冷却され、圧縮エネルギーを保存するために、凝縮物が除去される。基底負荷圧縮器１４２は、一般に、さらなる水を除去するために、ノックプットドラムを有する多段中間冷却圧縮システムであることも理解される。グリコールシステムは、ＮＡＴＣＯ  Ｇｒｏｕｐ  Ｉｎｃ．２９５０  Ｎｏｒｔｈ  Ｌｏｏｐ  Ｗｅｓｔ，Ｓｕｉｔｅ  ７５０  Ｈｏｕｓｔｏｎ，ＴＸ  ７７０９２を含む種々の製造元から得られ得る。典型的なグリコールシステムでは、圧縮後の部分的に純化された煙道ガスストリーム１４０は、吸収カラムのグリコール溶液内で向流で接触する。乾燥したガスは、吸収カラムの頂部を出る。吸収された水を含有するグリコール溶液は、接続された蒸留カラムに送出される。熱は、水を分離するために供給され、再生されたグリコール溶液は、ポンプを使用して吸収カラムに戻るように循環される。熱交換器を使用して、２つのカラム間を流れるグリコール溶液間で熱を交換する。水の除去は、パイプラインを腐食する可能性がある二酸化炭素製品内での炭酸の形成を防止する。通常、水位は、この目的のために、容積で約６００ｐｐｍ未満に減少されるべきである。
【００５０】
さらに、水含量を減少させることは、大気温度以下の純化プロセスなどの下流処理で使用されるときの凍結を防止することになる。示さないが、こうした目的のための乾燥器は、分子篩を使用する吸収に基づくことができる。こうした場合、乾燥器は、複数床分子篩乾燥器システムを備えることができ、床の半分は乾燥されるようにフィードを処理し、他の半分は再生を受ける。製品ガスの製品部分は、再生ガスとして使用され、再生ガスは、加熱器によって約４５０°Ｆ（２３２．２℃）に加熱されて、床から水分を除去する。床に水分が無くなった後、大気温度に近い再生ガスは、床を通って流されて、床を冷却する。再生ガスは、次に、こうした目的に利用される最後のステージの上流の適切な地点において、基底負荷二酸化炭素圧縮器１４２に対して再利用され得る。
【００５１】
乾燥ユニット１４８からの乾燥ストリーム１５０は、次に、パイプラインに対して流され得る製品ストリーム１５４を生成するため、或いは、石油増進回収又は隔離のためにブースター圧縮器１５２に流される。ブースター圧縮器１５２は、多段中間冷却機である。製品ストリーム１５４は、好ましくは、少なくとも約９０容積％の二酸化炭素含量を有し、例に示すように、二酸化炭素含量は、約９２容積％又は約９５容積％であり得る。
【００５２】
図３を参照すると、酸素輸送膜部分酸化反応器１６０を利用する別の実施形態が示される。この機構は、他のタイプのガス化炉に比べて少ない酸素を利用する移動床ガス化炉において石炭がガス化される場合に特定の適用性を有する。こうした実施形態では、合成ガスストリーム２０は、９００°Ｆ（４８２．２℃）と約１０００°Ｆ（５３７．８℃）との間の温度で移動床ガス化炉１２’によって生成され、タール及び石油などの揮発性物質を含有する。蒸気は、また、こうしたガス化炉において利用され、図２に示すように、中間圧蒸気タービン９４の中間ステージ又はおそらくは他の図示しない供給源から抽出されるストリーム９１によって得られる。部分酸化反応器１６０は、合成ガスを部分酸化して、その温度を、約１６００°Ｆ（８７１．１℃）と約１８００°Ｆ（９８２．２℃）との間まで上げ、それにより、酸化して水素、一酸化炭素、メタン及び二酸化炭素になるタール、石油及びフェノールなどの揮発性物質を除去する。部分酸化反応器１６０は、通常、管状形態の混合伝導体である１つ又は複数の酸素輸送膜エレメントを使用する。約１８００°Ｆ（９８２．２℃）にて、部分酸化反応は、触媒が無い状態で進行することになる。この点で、合成ガスストリーム２０は、しばしば、知られている触媒毒である硫黄を含有することになり、触媒反応器が使用される場合、上流の処理又は耐硫黄性触媒が必要とされるであろう。部分酸化反応器の典型的な例は、よく知られており、米国特許第５，８２０，６５４号、第５，８２０，６５５号及び第６，１３９，８１０号に示される。
【００５３】
こうした実施形態では、図３に示すように、空気ストリーム３０は、第１及び第２の副酸素含有ストリーム１６２及び１６４に分割される。第１副酸素含有ストリーム１６２は、酸素輸送膜ボイラー２６に送給される。第２副酸素含有ストリーム１６４は、部分酸化反応器１６０の酸素輸送膜エレメントの内部に供給される。ろ過された合成ガスストリーム２４は、こうした反応器のシェルの外側に供給され、酸素イオンは、揮発性成分と反応して、上述した反応製品を生成する。或いは、ユニット３２及び３４と類似のブロワ及び熱交換器と一緒の別個の空気供給が使用されて、ユニット２６及び１６０に対する酸化体を供給し得る。
【００５４】
揮発性成分が酸素輸送膜部分酸化反応器１６０内で反応した後の、得られた合成ガスストリーム１６６は、約３００ｐｓｉａと約１２００ｐｓｉａとの間の圧力を有する。合成ガスストリームは、次に、さらなる電力を発生する発電機１７０に連結された膨張器１６８内で膨張する。装置１についての約６０％と約８０％との間の総酸素要求は、通常、酸素輸送膜部分酸化反応器１６０及び酸素輸送膜ボイラー２６内に収容される酸素輸送膜によって供給されることになる。残りは、極低温空気分離ユニット１６によって、ガス化炉１２’に供給される。保持液ストリーム１７２は、保持液ストリーム３５に合流し、結合ストリームは、熱回収熱交換器３４に送給される。
【００５５】
図４を手短に参照すると、噴流床又は流動床タイプのガス化炉１２”を利用する図３の代替の実施形態が示される。こうしたガス化炉によって生成される合成ガスストリーム２０’の温度は約１８００°Ｆ（９８２．２℃）であるため、非常に熱い給水ストリーム１５５から蒸気ストリーム１５８を生成するために、高圧蒸気ボイラー１５６が設けられる。蒸気ストリーム１５８は、酸素輸送膜ボイラー２６内に位置し、且つ、図２により詳細に示される蒸気管５４に入る蒸気と結合され得る。ボイラー１５６は、ストリーム２０’の温度を減少させて、約１０００°Ｆ（５３７．８℃）未満の動作温度に現在のところ制限される高温フィルタの使用を容易にする。これらのフィルタが使用されて、先に述べたホットガス膨張器内のエロージョンを最小にする。
【００５６】
図５を参照すると、部分酸化ステージ及び膨張ステージが示され、そこで、ろ過された合成ガスストリーム２４は、第１部分酸化反応器１８０によって作られる第１部分酸化ステージ内に導入され、それに続いて、さらなる電気を発生する発電機１８４に連結した膨張器１８２によって設けられる膨張ステージ内の膨張によって導入される。その後、膨張器１８２後の処理されたろ過済み合成ガスストリーム２４は、次に、第２部分酸化反応器１８６によって設けられる第２部分酸化ステージ内に導入され、それに続いて、さらなる電力を発生するさらなる発電機１９０に連結した第２膨張器１８８によって設けられる第２膨張ステージ内に導入される。こうした実施形態では、第２副酸素含有ストリーム１６４は、第１部分酸化反応器１８０及び第２部分酸化反応器１８６内に送給される部分１６４ａ及び１６４ｂに分割される。得られる酸素欠乏保持液ストリーム１７２ａ及び１７２ｂは、結合されて、結合ストリーム１７２ｃを生成し、結合ストリーム１７２ｃは、さらに、保持液ストリーム３５と結合され、熱回収熱交換器３４を通して流される。やはり、先に説明したように、独立した空気供給システムも可能である。
【００５７】
図６を参照すると、ボイラー２６の酸素輸送膜システム２８内で燃焼が終了しない実施形態が示される。通常、完全燃焼に必要であることになる、酸素輸送に要求される面積は非常に大きいであろう。過剰のコストを回避するために、燃焼は、合成ガスストリーム２０内に含有される燃料種の約８０％と約９０％との間の程度だけで終了してもよい。こうした状況では、煙道ガスストリーム３６は、水素及び一酸化炭素などの少量の燃料種を含有することになる。二酸化炭素ストリームは、その後さらに、極低温蒸留を組込む純化ユニット２００内で純化され得る。外部冷却による蒸留プロセスを含む代替の純化方法を使用して、純化ユニット２００を形成してもよい。よく知られている純化プロセスは、米国特許第５，９２７，１０３号、第６，０３５，６６２号及び第６，０７０，４７１号に示される。
【００５８】
図７を参照すると、部分的に純化された煙道ガスストリーム１４０を純化する純化ユニット２００の特定の実施形態が示される。部分的に純化された煙道ガスストリーム１４０は、圧縮器２０２内で圧縮され、約１５０ｐｓｉａと約１０００ｐｓｉａとの間の圧力になる。回収され得る二酸化炭素の量は、コールドボックスに供給される送給圧の関数である。理解され得るように、二酸化炭素回収は、この圧力を増すことによって増加し得る。しかし、こうした圧力増加は、生産コストの増加をもたらすことになる。水冷式チラー２０４内で冷却された後、部分的に純化された煙道ガスストリーム１４０は、次に、水冷式チラー２０４内で冷却されたために部分的に純化された煙道ガスストリーム１４０内に凝縮された水を分離するために相分離器２０５内に導入される。
【００５９】
部分的に純化された煙道ガスストリーム１４０は、次に、乾燥器２０６内に導入される。乾燥器２０６は、好ましくは、水分、及び、部分的に純化された煙道ガスストリーム１４０より高温で沸騰することになる重質炭化水素などの他の不純物を吸収するために、ある相から出て動作する分子篩吸収剤の床を収容し得る吸収システムである。分子篩吸収剤の床は、ある相から出て動作するため、１つの床がこうした高沸点不純物を吸収するにつれて、他の床は再生される。また２より大きい番号の付いた偶数の床が、大きな流れに使用され得、床の半分は吸収を実施し、一方、床の他の半分は再生を受ける。床は、吸収された成分を脱着するために、その圧力を下げ、且つ／又は、その温度を上げ、次に、吸収成分が少ないストリームで床をパージングすることによって再生される。温度変動を使用するシステムでは、床は、吸収成分が少ないストリームを加熱し、次に、再生される床内にストリームを導入して、脱着を引き起こし、また、脱着された成分を除去することによって再生される。これらのシステムは多岐に亘るが、当技術分野でよく知られている同システムの多くの例が存在する。この点で、蒸留技術でよく知られている可逆熱交換器の使用などによる非吸収ベースシステムが可能である。
【００６０】
結果得られる乾燥した送給ストリーム２０８（圧縮器２０２によって圧縮され、乾燥された後の、部分的に純化された煙道ガスストリーム１４０からなる）は、次に、ストリーム２０８が部分的に冷却される主熱交換器２１０内に導入され、次に、ストリッピングカラム２１４内で沸騰を生成するか、又は、上行蒸気相を始動するのに役立つリボイラー２１２内に導入される。乾燥した送給ストリーム２０８は、次に、ストリーム２０８が完全に冷却される主熱交換器２１０内に再び導入されて、乾燥した送給ストリーム２０８を少なくとも部分的に液化する。乾燥した送給ストリーム２０８は、次に、膨張弁２１６を通してストリッピングカラム２１４内に導入されて、ストリッピングカラム２１４内で下行液相を始動する。
【００６１】
当技術分野でよく知られているように、ストリッピングカラム２１４は、好ましくは、規則充填物であって、充填物を通して上に流れる上行蒸気相を、液相の下行液膜と接触させる、規則充填物を有する。篩トレイなどの当技術分野で知られている他の蒸気−液体接触エレメントが使用され得る。接触の結果として、下行液相は、二酸化炭素が益々豊富になり、揮発性の低い成分及び上行蒸気相は、二酸化炭素より高い揮発性を有する不純物が益々豊富になる。ストリッピングカラム２１４内で、ろ過された合成ガスストリーム２４の残りの未燃焼成分、すなわち、水素、一酸化炭素及びメタン、並びに、燃焼ゾーン内への空気流入によって生じる可能性がある任意の不活性成分、すなわち、窒素及びアルゴン（全て、二酸化炭素より揮発性が高い）は、下行液から取除かれて、二酸化炭素リーンカラムオーバヘッド及び二酸化炭素リッチ液体カラム底液を生成する。
【００６２】
二酸化炭素リーンカラムオーバヘッドからなるカラムオーバヘッドストリーム２１８は、ストリッピングカラム２１４から抽出され、次に、補助熱交換器２２０内に導入され、その結果、二酸化炭素オーバヘッドストリーム２１８は、少なくとも部分的に液化される。二酸化炭素オーバヘッドストリーム２１８は、次に、相分離器２２４内に導入されて、二酸化炭素欠乏蒸気ストリーム２２６及び二酸化炭素リッチ液体ストリーム２２８を生成する。二酸化炭素リッチ液体ストリーム２２８は、膨張弁２３０内で膨張し、次に、二酸化炭素欠乏蒸気ストリーム２２６と一緒に、補助熱交換器２２０内に流される。膨張弁２３０は、二酸化炭素オーバヘッドストリーム２１８の部分的液化のための冷却を提供する。
【００６３】
二酸化炭素欠乏蒸気ストリーム２２６は、主熱交換器２１０内に流され、次に、再利用され、ろ過された合成ガスストリーム２４と結合して、酸素輸送膜部分酸化反応器１６０へ合成ガス送給ストリーム２４’を供給する。当業者によって理解されることになるように、使用されるガス化炉が、二酸化炭素欠乏蒸気ストリーム２２６より高圧で動作する場合、再利用を達成するために、再利用圧縮器が設けられなければならないことになる。少量のストリーム２２６は、燃料ストリームとしてプロセスからパージングされて、ループ内での窒素及びアルゴンなどの不活性ガスの蓄積が回避され得る。パージガスは、一酸化炭素、メタン又は他の排気物を管理するために、焼却又は触媒酸化又は他の処理を必要とする場合がある。
【００６４】
主熱交換器２１０を通して流された後の二酸化炭素リッチ液体ストリーム２２８は、気化され、したがって、乾燥器２０６を再生するのに使用され得る。たとえば、こうしたストリームは、加熱され、次に、再生のために吸収床内に導入され、その後、圧縮器２０２の適切なステージ内に再利用ストリーム２３６として再導入されて、二酸化炭素回収を高める。
【００６５】
二酸化炭素リッチ液体カラム底液からなる、液体としての二酸化炭素製品ストリーム２４０は、ストリッピングカラム２１４から抽出され得る。二酸化炭素製品ストリームは、次に、膨張弁内で膨張して、プロセス用の冷却を生成し得る。有利には、二酸化炭素製品ストリーム２４０は、副ストリーム２４２及び２４４に分割され、少なくとも副ストリーム２４４は、膨張弁２４６の使用によって膨張して低圧になり、任意選択で、ストリーム２４２及び２４４は共に、それぞれ、膨張弁２４６及び２４８の使用によって同時に膨張して低圧及び高圧になる。副ストリーム２４２及び２４４は共に、次に、主熱交換器２１０内で気化される。得られる低圧副ストリーム２４２は、製品圧縮器２５０の入口に導入される。低圧副ストリーム２４４は、製品圧縮器２５０の中間ステージ内に導入される。製品圧縮器２５０は、段間冷却を有する多段圧縮器であり得る。示さないが、二酸化炭素製品の一部は、二酸化炭素製品ストリームから液体として取得され得ることが留意される。
【００６６】
図８を参照すると、図６の別の変形は、燃料の燃焼を終了させるために、酸素輸送膜ボイラー２６の輻射セクション４４内に補助酸素含有ストリーム２５４を注入することである。補助酸素ストリーム２５４は、捕捉される二酸化炭素内での窒素の蓄積を防止するために、少なくとも約４０％酸素を含有する酸素含有ストリームである。こうしたプロセスの欠点は、不活性ガスが煙道ガスストリーム３６内に導入され、それにより、二酸化炭素の純度が低下することになることである。こうした実施形態では、成分の特性に応じて単に処理されるか、又は、排気されることになる、部分的に純化された煙道ガスストリームの揮発性の高い成分を含有するストリーム２２６’が生成され得る。ストリーム２２６’はまた、酸素を含有し得る。したがって、示さないが、触媒酸化は、酸素輸送膜ボイラー２６の輻射セクション又は対流セクションの終わりに組込まれ得る。これはまた、完全燃焼を達成するのに必要とされる酸素量を減少させる。この点で、本発明の任意の実施形態において過剰の酸素が存在する程度まで、こうした触媒酸化が、純化と一緒に組込まれ得る。
【００６７】
図３、４及び５に示す装置は、こうした示される実施形態の予測性能を評価するために、コンピュータプログラムを使用してモデル化された。「炭素捕捉及び隔離システム解析指針（Ｃａｒｂｏｎ  Ｃａｐｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ）」米国エネルギー省（Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ）、化石燃料局（Ｏｆｆｉｃｅ  ｏｆ  Ｆｏｓｓｉｌ  Ｅｎｅｒｇｙ）、国立エネルギー技術研究所（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）、２００５年４月に述べられた指針は、ＥＰＲＩ報告書、Ｈｏｌｔ，Ｎ．著「ＣＯ２除去を有する化石燃料発電プラントについてのコスト及び性能評価の更新（Ｕｐｄａｔｅｄ  Ｃｏｓｔ  ａｎｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｅｓｔｉｍａｔｅｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｓｓｉｌ  Ｆｕｅｌ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｌａｎｔｓ  ｗｉｔｈ  ＣＯ２  Ｒｅｍｏｖａｌ）」ＥＰＲＩ  Ｒｅｐｏｒｔ  ｔｏ  ＤＯＥ−ＮＥＴＬ  Ｎｏ．１００４４８３，１２月（２００２年）、Ｕ．Ｓ．ＤＯＥ／ＮＥＴＬ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ及びＨｏｌｔ，Ｎ．著「ＣＯ２除去を有する革新的な化石燃料発電プラントの評価（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ  Ｆｏｓｓｉｌ  Ｆｕｅｌ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｌａｎｔｓ  ｗｉｔｈ  ＣＯ２  Ｒｅｍｏｖａｌ）」ＥＰＲＩ  Ｒｅｐｏｒｔ  ｔｏ  ＤＯＥ−ＮＥＴＬ  Ｎｏ．１０００３１６、１２月（２０００年）、Ｕ．Ｓ．ＤＯＥ／ＮＥＴＬ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡに含まれる仮定と一緒に使用された。表１に列挙する特定の仮定が、例において使用され、また、これらの指針と異なる場合がある。
【００６８】
表４、５及び６は、それぞれ、図３、５及び４に示すプロセスについての重要なストリームを提供する。３つの場合についての性能比較は、表７に要約される。
【表１】
2010521944.tif 000003
【００６９】
酸素輸送膜ボイラー２６内の酸素輸送膜システム２８の設計に関して、所与のサイズのボイラーについて、必要とされることになる図２の酸素輸送膜管５０などの酸素輸送膜管の表面積及び数は、管の単位面積当たりの酸素フラックス並びに単一管の長さ及び直径に依存する。例を挙げると、約５００ＭＷｅの正味の電力を生成する酸素輸送膜ボイラー２６を設計するために、石炭の量が計算される。５００ＭＷｅの場合、Ｉｌｌｉｎｏｉｓ  Ｎｏ．６石炭の４８３８ｔｐｄが必要とされることになる。こうして、ガス化炉の動作をシミュレートすることになる、いくつかの知られているプログラムのうちの任意のプログラムを使用して、生成されることになる合成ガスの量も、必要とされることになる酸素の量と共に計算され得る。ガス化炉から生成される合成ガスの量がわかると、完全燃焼に必要とされる酸素の量に関する計算が行われ得る。送給空気内の酸素の７０％だけが酸素輸送膜管を通して移動することになると仮定し、またさらに、煙道ガス内に約０．２から約０．４モルパーセントの酸素が残っていると仮定する。このことから、必要とされることになる、実際の酸素の量及び送給空気の量も計算され得る。酸素輸送膜管を通して移動するのに必要とされる酸素の量がわかると、酸素輸送膜管の必要とされる表面積が計算され得る。ただし、酸素輸送膜管を通る酸素フラックスの量がわかっている場合に限る。例示のための仮定される酸素フラックスは、約２０ｓｃｆ／ｆｔ２／ｈｒである。もちろん、正確な酸素フラックスは、膜材料の性能に依存するであろう。そのため、酸素フラックスが低いシステムの場合、以下に述べる例示的な結果を達成するために、より大きな膜面積が必要とされることになる。これは、効率を減少させないが、投資コストを増加させるであろう。このフラックスを使用して、表面積要求が計算され得、こうした計算のサンプルが以下の表２に示される。
【表２】
2010521944.tif 000004
【００７０】
酸素輸送膜管の実際の数は、管の外径及び長さに依存することになる。２つの異なる管の長さに基づいて、３の例について必要とされる管の数は、表３に与えられる。
【表３】
2010521944.tif 000005
【表４】
2010521944.tif 000006
【表５】
2010521944.tif 000007
【表６】
2010521944.tif 000008
【表７】
2010521944.tif 000009
【００７１】
表７から明らかであるように、図５の実施形態は、最も大きな正味電力を供給し、同様に最も効率的であった。
【００７２】
本発明は、好ましい実施形態に対して述べられたが、当業者によって理解されることになるように、現在係属中の特許請求の範囲に述べられる本発明の精神及び範囲から逸脱することなく多数の変更及び省略が行われ得る。
【図１】
2010521944.tif 000010
【図２】
2010521944.tif 000011
【図３】
2010521944.tif 000012
【図４】
2010521944.tif 000013
【図５】
2010521944.tif 000014
【図６】
2010521944.tif 000015
【図７】
2010521944.tif 000016
【図８】
2010521944.tif 000017