(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料燃焼ゾーン（１ａ）ならびに蒸気を生成するための放射熱および対流熱の伝達ゾーン（２、３）を有するボイラー（１）と、
前記ボイラーからの排出ガス流が、それを通過して流れるように前記ボイラーと組み合わせた、断熱ガスプライマセクタ（ＧＰＳ）（４）であって、
前記排出ガス流から微粒子を除去する手段（２９）、および延長された滞留時間にわたり、前記排出ガス流との間接対向流熱交換によって燃焼ガス流に熱を伝達する手段（５）を含み、その熱伝達の結果として、前記排出ガス流の温度が、水分が凝縮する温度まで低下する、前記ＧＰＳと、
前記燃焼ガス流を、前記ＧＰＳに供給する手段（１２）であって、そこで前記燃焼ガス流が、少なくとも約５００°Ｆ（２６０℃）の温度に到達するように延長された滞留時間にわたって前記排出ガス流との間接対向流熱交換で加熱される、前記手段（１２）と、
前記ＧＰＳから出る前記加熱された燃焼ガス流を、その中で燃料燃焼させるために前記ボイラー燃焼ゾーン（１ａ）へ搬送する、断熱ダクト手段（６）と、
前記ＧＰＳから微粒子を除去する手段とを備え、
前記ＧＰＳ内で加熱される前記燃焼ガス流は、（ａ）酸素富化空気と再利用排出ガスとの混合物、または（ｂ）酸素と再利用排出ガスの混合物である
ことを特徴とするランキンサイクル蒸気発生器システム。
【請求項２】
前記ＧＰＳは、伸張した断熱外部ダクトを含み、該断熱外部ダクトは伸張した内部ダクト（５）を包囲し、該内部ダクト（５）中に前記燃焼ガス流が前記対向流のために供給されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記外部ダクトは、９０％を超える断熱効率を有することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記伸張した内部ダクトは、前記外部ダクトと概して同軸であるとともに、微粒子の蓄積を遅延させるための傾斜した上部表面を有することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記外部ダクトは、沈降した微粒子の通過を可能にする有孔の金属板でできた下端プレート（３０）を有することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＧＰＳから微粒子を除去する前記手段は、前記下端プレート（３０）の孔を通じて微粒子および高温ガスを吸引し、微粒子をフィルタ（３３）で収集し、高温ガスをＧＰＳの上部領域中へ吹き戻すことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記燃焼ガス流は、酸素富化空気と再利用排出ガスの混合物、またはＯ２と再利用排出ガスの混合物であるとともに、変速駆動（ＶＳＤ）送風装置を設け、それを使用して、混ぜ合わせて燃焼ガスを形成する構成成分のマスフローおよび比率を制御して、好ましいボイラー燃焼温度および燃焼ガス速度を維持することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
燃料燃焼ゾーン（１ａ）ならびに蒸気を生成するための放射熱および対流熱の伝達ゾーン（２、３）を有するボイラー（１）と、
前記ボイラーからの排出ガス流が、それを通過して流れるように前記ボイラーと組み合わせた、断熱ガスプライマセクタ（ＧＰＳ）（４）であって、
前記排出ガス流から微粒子を除去する手段（２９）、および延長された滞留時間にわたり、前記排出ガス流との間接対向流熱交換によって酸素および大部分のＣＯ２を含む燃焼ガス流に熱を伝達する手段（５）を含み、その熱伝達の結果として、前記排出ガス流の温度が、大気温度近くまたはそれ以下に低下することによって水分が凝縮する、前記ＧＰＳと、
前記排出ガス流を、約３２から５０°Ｆ（０〜１０℃）の間まで、さらに冷却する手段（１４）と、
前記さらに冷却された排出ガス流を、第１の主要部分と第２の部分に分離する手段（９、１７）と、
前記第１の部分とＯ２を混ぜ合わせて、燃焼ガス流を形成するとともに、それを前記ＧＰＳに供給する手段（８、１１、１２）であって、そこで、前記燃焼ガス流が、少なくとも約５００°Ｆ（２６０℃）の温度に到達するように、延長された滞留時間にわたって排出ガス流との間接対向流熱交換において加熱される、前記手段（８、１１、１２）と、
前記ＧＰＳから出る前記加熱された燃焼ガス流を、その中で燃料燃焼させるために前記ボイラー燃焼ゾーン（１ａ）へ搬送する、断熱ダクト手段（６）と、
前記ＧＰＳから微粒子を除去する手段（２９）とを備えることを特徴とするランキンサイクル蒸気発生器システム。
【請求項９】
前記ＧＰＳは、上流セクション、下方に延びる中間セクションおよび下方の下流セクションを含み、前記さらに冷却する手段は、前記下流セクションと関連付けられており、水分の冷却と凝縮の結果として、排出ガス流体積が減少し、その結果、その速度が、毎秒約１０フィート（３．０ｍｐｓ）以下にまで低下することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ＧＰＳは、断熱効率が９０％を超える、伸張した断熱外部ダクトを含み、該断熱外部ダクトは伸張した内部ダクトを包囲し、該内部ダクト中に前記燃焼ガス流が前記対向流のために供給されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記さらなる冷却手段は、前記排出ガス流を約４０°Ｆ（４℃）以下に冷却するように動作し、
前記ＧＰＳは、燃焼ガス流を少なくとも約７００°Ｆ（３７１℃）まで加熱するように設計されており、
前記燃焼ガス流における、マスフローと酸素および大部分のＣＯ２の割合とを連続的に制御して、ボイラー温度および燃焼ガス速度を最適化する手段が設けられ、
微粉化、粉砕または破砕された燃料を前記ボイラー中に吹き込むために、前記ＧＰＳを介してダクトで送られる、加熱されてほとんど水分のない排出ガスを供給する手段が設けられ、さらに
１％未満の水分を有する排出ガスを用いる温度調節によって、上部ボイラー温度を制御するための手段が設けられることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記燃焼ガス流内のマスフローと、Ｏ２および大部分のＣＯ２の割合とを、変速駆動（ＶＳＤ）送風装置によって連続的に制御して、ボイラー温度および速度を最適化する手段と、
微粉化、粉砕または破砕された燃料を、前記ボイラー燃焼ゾーンに吹き込むために、前記ＧＰＳを介してダクトで送られてきた概ね水分を含まない排出ガスを供給する手段と、
上部ボイラーゾーン温度を、大部分のＣＯ２、概して９５％より多いＣＯ２を含む排出ガスを使用して、ＶＳＤ送風装置による温度調節によって制御する手段とをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
ランキンサイクル蒸気発生器システムを動作させる方法であって、前記システムが、燃料燃焼ゾーン（１ａ）、ならびに蒸気を生成するための放射熱および対流熱の伝達ゾーン（２、３）を有するボイラー（１）と、
前記ボイラーからの排出ガス流が、前記ＧＰＳを通過して流れるように、前記ボイラーと組み合わせるとともに、燃焼ガス流がその中で対向流方向に流れる、断熱ガスプライマセクタ（ＧＰＳ）（４）とを含む方法であって、
前記ＧＰＳ内部で延長された滞留時間にわたって排出ガス流との間接対向流熱交換によって燃焼ガス流に熱を伝達し、その熱伝達の結果として、前記排出ガス流の温度が大気に近く、またはそれより低く低下して水分が凝縮すること、
前記ＧＰＳにおいて前記排出ガス流から微粒子を除去すること、
前記排出ガス流を、３２から５０°Ｆ（０〜１０℃）の間にさらに冷却して追加の水分を凝縮させること、
前記さらに冷却された排出ガス流を、第１の主要部分および第２の部分に分離すること、
第１の部分をＯ２と混ぜ合わせて、Ｏ２および大部分のＣＯ２を含む燃焼ガス流を形成して、それを前記ＧＰＳに供給し、そこで前記燃焼ガスが、延長された滞留時間にわたって前記排出ガス流との間接対向流熱交換において加熱されて、その結果、それが少なくとも約５００°Ｆ（２６０℃）の高温に到達すること、
前記高温燃焼ガス流を、前記ボイラー燃焼ゾーン（１ａ）へ、その中で燃料燃焼させるために、前記ＧＰＳから断熱ダクト（６）を通過して搬送するとともに、前記ＧＰＳから微粒子を除去することを含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記ＧＰＳは、伸張した断熱外部ダクトを含み、該外部ダクトは、沈降した微粒子の通過を可能にする有孔の金属板でできた下端プレート（３０）を有し、
前記ＧＰＳから微粒子を除去することは、断続的に、前記下端プレート（３０）の孔を通じて微粒子および高温ガスを吸引し、微粒子をフィルタ（３３）で収集し、高温ガスをＧＰＳへ吹き戻すことを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＧＰＳを通過する前記流出排出ガス流の滞留時間が、少なくとも１５秒であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記ＧＰＳは、上流セクション、下方に延びる中間セクションおよび下部下流セクションを含み、前記さらなる冷却が、前記下部下流セクションで行われ、そこで排出ガス速度が毎秒１０フィート（３．０ｍｐｓ）以下に低減されて、前記排出ガスの水分含有率が約１％以下に減少することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記ボイラー出口（３）で計測されるガスが、毎秒約３０フィート（９．１ｍｐｓ）以下の速度を有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記燃焼ガス流における酸素レベルを制御して、前記燃料燃焼ゾーンにおける酸素を、化学量論的燃料燃焼要求よりも３％以下の過剰に維持することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記燃焼ガス流内のマスフローおよび、酸素および大部分のＣＯ２の比率を、変速送風装置を使用して連続的に制御して、ボイラー温度および燃焼ガス速度を最適化し、
約１％以下の水分を有する、加熱された排出ガスの流れを、前記ＧＰＳを介して供給して、それを使用して、微粉化、粉砕または破砕された燃料を前記ボイラー燃焼ゾーンに吹き込み、さらに
上部ボイラー温度を、水分レベルが約１％以下である、排出ガスによる温度調節によって制御することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＧＰＳを通過する、前記流出排出ガス流の滞留時間が、約３０秒以上であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００２年１０月３０日に出願した米国仮出願第６０／４２２，６０１号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、燃料燃焼のための酸素を混合した冷却排出ガスとの熱交換において、高温排出ガスからの顕熱および潜熱を回収するためのボイラーに一体化される、方法および装置に関する。本方法は、実質的に任意の燃料を、酸素富化空気(oxygen-enriched air)または純粋酸素と大部分のＣＯ２の混合物を使用して燃焼させ、同時に燃料硫黄を液体ＳＯ２として回収する柔軟性を可能にする。最高の効率は、１００％Ｏ２／ＣＯ２燃焼において得られる。
【背景技術】
【０００３】
空気燃焼および酸素／二酸化炭素（Ｏ２／ＣＯ２）燃焼の酸素富化は、研究者によって、排出ガス中のＣＯ２の濃度を高める手段として研究されてきた。濃度が高くなれば、過剰ＣＯ２の蓄積による地球的な大気の温暖化によってＣＯ２を回収して隔離（ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ）することが必要になった場合に、このためのより経済的な方法が可能となる。特に、特許文献６、非特許文献２および非特許文献３、ならびに非特許文献６を参照されたい。石炭燃料発電プラントは危機に瀕していると考えられているが、その理由は、同等の効率、例えば電力出力の正味キロワット（ｋｗ）当り熱消費率１０，０００Ｂｔｕ（１０，５５０ｋＪ）、すなわち３４％の効率において比較するときに、ガス燃料発電の排出が約７％から８％ＣＯ２であるのに対して、石炭燃料発電プラントの排出は１２％から１５％ＣＯ２からなるためである。ほとんどの研究は、空気燃焼またはＯ２／ＣＯ２燃焼の酸素富化は、購入して配送する酸素が高コストであるために経済的ではないと結論している。代替案として、空気分離プラントを含めると、比較的高い資本コストを必要とするとともに、その電力負荷は、９７％から１００％純度の酸素を、再利用される大部分ＣＯ２の排出ガスを燃料燃焼の希釈剤として使用して、酸素１トン当り約２２５ｋｗの電力、または１０，０００Ｂｔｕ（１０，５５０ｋＪ）熱消費率プラントの全出力の約２０％である。その他の補助的電力要件を加えて、合計の寄生電力は、ＣＯ２と二酸化硫黄（ＳＯ２）が完全に分離されて、輸送または廃棄、例えばＣＯ２を地下保貯蔵庫に送るために液化される場合には、２５％となる可能性がある。
【０００４】
Ｏ２／ＣＯ２燃焼についての日本における研究では、図２に示すように、ボイラーを通過するＣＯ２−Ｈ２Ｏ富化排出ガスを希釈剤として湿式再利用して、窒素（Ｎ２）を除外することによって、４．５％の効率増加があることが明らかにされており、この改善はＮ２と比較してＣＯ２の密度が高いことによると考えられる。Ｎ２をＣＯ２で置換する場合には、必要となるＯ２用の希釈剤は少なくなる。しかしながら、この改善は、この技術を商業化することを正当化するには十分ではなかった。
【０００５】
「Method For Operating A Boiler Using Oxygen-Enriched Oxidants」という名称の特許文献５では、酸素富化による限定された効率改善を表すデータが示されている。この効率改善は、１９９２年にＮａｋａｙａｍａらにより見出された４．５％増加と同等である。この増加は、ボイラーを通過するガス速度を増大させるという悪影響のある、再循環煙道ガス（ｆｌｕｅ  ｇａｓ）における高い水分含有量によって限定されるとともに、ボイラーの対流セクタおよび空気加熱装置およびダクトを介してのシステム熱損失、灰除去および煙道ガス脱硫の工程における熱損失、また大気中に排出される煙道ガスの大きな顕熱および潜熱によっても限定される。
【０００６】
Ｍａｒｉｎらが主張する利点は、燃料と酸素の相対的コストに左右される。低コストの酸素富化によって節減される高コスト燃料は、経済的な便益をもたらす。低コスト燃料と高コスト酸素富化では、Ｍａｒｉｎにおける合計効率改善可能性は４から５％に過ぎないので、利点はほとんどないか、あるいはまったくない。
【０００７】
非特許文献２〜４および非特許文献７は、Ｏ２／ＣＯ２燃焼におけるＮＯｘの除去に有益であり、この場合には、ほとんどの窒素を燃料燃焼過程の外に保つために、ほとんどＮＯｘが生成されず、そしてさらに、これらの研究から、ＮＯおよびＮＯ２として形成されるＮＯｘのいずれも、ほとんどの排出ガスを酸素のための希釈剤として連続的に再循環させる間の、「再燃焼（ｒｅｂｕｒｎｉｎｇ）」の効果によるＮ２への還元によって約９０％が除去されることがわかる。本発明では、ガス冷却およびＮＯ２を希硝酸として凝縮することによって、さらに微量ＮＯｘが実質的に除去される。
【０００８】
特許文献３は、循環させる排出ガス量に関するＯ２／ＣＯ２燃焼に有益であり、「空気中の窒素の代替として使用される燃料ガスの約８０％が、排出ガスとして生成されることがなく」、したがって最新技術のプラントと比較して、「煙道ガスの体積を現在値の２０％まで低く、大幅な低減を達成することが可能である」ことを説明している。特許文献６も、このような８０％低減を開示している。本発明は、以後に開示する方法および装置を使用することによって、最終処理のための排出ガスの量を、さらに半減して１０％以下とし、プラント効率を約３４％から６８％以上へと倍増させる。
【０００９】
最新技術の空気燃焼式ボイラーの好ましい動作方法においては、燃料燃焼に対する化学量論的な空気必要量に対して１０％から２０％超の過剰空気が、温度制御と、良好な燃料の燃え切り（ｂｕｒｎｏｕｔ）を確実にするために使用される。過剰な空気加熱に対する燃料の代償は、Ｏ２／ＣＯ２燃焼においては、なくすることができる。約１％の過剰酸素投入が、過剰空気を代替する。燃焼ガス体積および空間速度の両方が減少し、これらの要因が効率の向上に寄与する。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４３５４９２５号明細書、Ｓｃｈｏｒｆｈｅｉｄｅ、１９８２年１０月
【特許文献２】米国特許第４５４２１１４号明細書、Ｈｅｇａｒｔｙ、１９８５年９月
【特許文献３】米国特許第５７３２５７１号明細書、Ｍａｅｒｚら、１９９８年３月
【特許文献４】米国特許第６２０２５７４号明細書、Ｌｉｌｊｅｄａｈｌら、２００１年３月
【特許文献５】米国特許第６４１８８６５号明細書、Ｍａｒｉｎら、２００２年７月
【特許文献６】日本国特許第５０−１９０２６号、１９７３年６月
【非特許文献１】The Steam Engine, D. Lardner; A. Hart, Philadelphia 1852, pp. 73-79; First Edition London, 1827
【非特許文献２】Argonne National Laboratories: A. "Two-Dimensional Modeling of Fossil-Fueled Power Plant Behavior When Using CO2-O2 or CO2-H2O-O2 Mixtures, Instead of Air, to Support Combustion, "Richter et al, June 1987, ANL/CNSV-TM-187
【非特許文献３】Argonne National Laboratories: B. "An Experimental Program to Test the Feasibility of Obtaining Normal Performance from Combustion Using Oxygen and Recycled Gas Instead of Air," ANL/CNSV-TM-204, Abele et al, December 1987
【非特許文献４】Argonne National Laboratories: C. "Carbon Dioxide from Flue Gases for Enhanced Oil Recovery," ANL/CNSV-65, Sparrow and Wolsky et al, June 1988
【非特許文献５】"Final Report on C02 Recovery from Power Plants. " U. S. Department of Energy, DOE/ER 30194, July 1993
【非特許文献６】"Pulverized Coal Combustion in O2/CO2 Mixtures on a Power Plant for CO2 Recovery," Nakayama et al, Energy Conversion and Management, Vol. 33, pp. 379- 386, 1992
【非特許文献７】"Experimental Studies on Pulverized Coal Combustion with Oxygen/Flue Gas Recycle for CO2 Recovery," Kimura et al, JSME-ASME International Conference on Power Engineering, Vol. 1, pp. 487-492, Tokyo, September 1993
【非特許文献８】"The Characteristics of Pulverized Coal Combustion in O2/CO2 Mixtures for CO2 Recovery," Kimura et al, Energy Conversion and Management, Vol. 36, pp. 805-808, 1995
【非特許文献９】"Thermodynamic Availability Analysis for Maximizing a System's Efficiency," T. C. Vogler and W. Weissman, Chemical Engineering Progress, pp. 35-42, March 1988
【非特許文献１０】"Availability Analysis of Combustion Flue Gases-A Case Study," M. Abu-Arabi and A. Tamimi, Energy Conversion and Management, Vol. 36, pp. 1133-1137, 1995
【非特許文献１１】The Entropy Law and the Economic Process, N. Georgescu-Roegen, Harvard University Press, 1971
【非特許文献１２】"What Is Heat?" G. P. Beretta and E. P. Gyftopoulos, American Society of Mechanical Engineers, Vol. 20, pp. 33-41,1985
【非特許文献１３】"Fundamentals of Analyses of Processes," E. P. Gyftopoulos, Energy Conversion and Management, Vol. 38, pp. 1525-1533, 1997
【非特許文献１４】Compressed Air and Gas Handbook, 1988
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の基礎となる、経済的かつ効率的なＯ２／ＣＯ２燃焼方法を見出す研究では、合計可用度（ｔｏｔａｌ  ａｖｉｌａｂｉｌｉｔｙ）を計測すること、およびボイラーに既知の熱損失および予測される熱損失を返還して効率を改善する手段を決定する試みに注目し、次いで、理想的プラントにおいてすべての熱を再利用した後に、Ｏ２／ＣＯ２燃焼を使用して燃料燃焼および排出ガス分離工程を改善する試みに注目した。その結果は、寸法低減または拡大はないが、過熱器（ｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｒ）の後のほとんどの設備を取り除いた、最新技術ボイラーとなっており、これらの設備は、ガスプライマセクタ（ＧＰＳ：Ｇａｓ  Ｐｒｉｍｅｒ  Ｓｅｃｔｏｒ）と呼ばれる、ボイラーの拡張部によって置き換えられる。
【００１２】
顕熱損失：燃焼の顕熱の多くは、最新技術蒸気発電プラントにおいて、いくつかのプロセスポイントにおいて浪費されている。これらの損失は、全体燃料エネルギー投入の３０％から４５％となることがある。損失は、ボイラーの放射および対流熱伝達セクタを通過する、６０から７０フィート／秒（ｆｐｓ）（１８〜２１ｍｐｓ）という非常に高い排出ガス速度を含む、いくつかの要因によるとともに、空気漏れ、熱放射および断熱不良、さらに凝縮温度における腐食を避ける必要性によるものである。本発明を達成する上で、これらの問題に対処する。現在、浪費されている顕熱は、実質的にそのすべてが、燃焼ガス中で、ボイラーに回収されて戻される。
【００１３】
ボイラー水分および潜熱損失：１７６３年に、Ｊａｍｅｓ  Ｗａｔｔは２つの発見を行い、それが彼の、最初の効率的で経済的な蒸気機関の開発につながった。第１に彼は、２１２°Ｆ（１００°Ｃ）において蒸気に変換される水の膨張を計測して、１立方インチの水が、１立方フィートの蒸気に膨張すること、すなわち１７２８倍の膨張力であることを見出すとともに、第２に、ワットは、水の高い潜熱を発見して計測し、その力も、効率を改善するのに利用した。これらの力は、後に、蒸気タービン動力の開発において重要となった。これが、以下に開示する方法および装置を使用して解決する、非効率問題の根底をなす主要因である。水から蒸気への膨張は、ボイラー配管の蒸気側において重要であり、そこで圧力が発生してタービンを回転させて動力が供給される。しかしながら、ボイラー配管の燃焼および排出側においては、燃料水分および燃焼空気水分にＨ２Ｏに酸化された燃料水素が加わって、効率に対して致命的な状態を生じさせる。すなわち、第１には、ボイラーを通過するガスの速度を上げることにより、燃料燃焼のため、および配管を介する放射熱伝達のための、滞留時間を低減することによって、そして第２には、最新技術のボイラーは、凝縮温度において酸性ガス腐食を避けるために、煙道ガスを２１２°Ｆ（１００℃）を超える、より一般的には２４０〜４５０°Ｆ（１１６〜２３２℃）で排出するように運転されるためである。蒸発／凝縮のすべての潜熱は失われ、大気に廃棄される。燃焼させる燃料、すなわち天然ガス、油、石炭、石油コークス、亜炭（ｌｉｇｎｉｔｅ）または合成燃料であるかに応じて、そして空気水分含有量に応じて、潜熱損失は、燃料エネルギー投入の７〜１５％であると考えられる。本発明者の改良型の方法および装置は、潜熱のほとんどを回収して効率を増大させる手段を具現する。
【００１４】
洗浄（ｗｅｔ  ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ）工程が開発されており、これは、煙道ガスから硫酸およびほとんどのＳＯ２を除去することができる。排出のための風道ガス（ｓｔａｃｋ  ｇａｓ）温度は、耐蝕材料をダクト系統に使用するとともに煙突を内張りしてある場合には、２１２°Ｆ（１００℃）未満にすることができる。しかしながら、大量の顕熱および全潜熱はアルカリ性洗浄スラリーに吸収されて、燃焼効率を改善するために回収することができない。
【００１５】
複合サイクル（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ−ｃｙｃｌｅ）発電：水から蒸気への膨張は、複合サイクルシステムにおける航空機転用（ａｅｒｏｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）ガスタービンの効率を向上させる上で重要であったが、この場合には、タービンと熱回収蒸気発生装置（ＨＲＳＧ：ｈｅａｔ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｓｔｅａｍ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は、現在、５０％を超える効率を達成することができる。重要な効率増加は、水または蒸気を部分置換することによってタービンの約３００％の過剰空気要求を低減することからもたらされる。大きな膨張力がこの置換から生じるが、その理由は、水蒸気は空気よりも空間要求が約６０％大きいためである（表１を参照、Ｈ２Ｏ：空気、ｃｕ  ｆｔ／ｌｂ）。この＞５０％複合サイクル効率は、単一サイクルタービン単独発電に対しては、重要な改善である。しかしながら、多量の高純度水を必要とし、そのすべてが、すべての燃料燃焼凝縮物とともに大気中に失われる。また、ＨＲＳＧを通過して流れるタービン排出ガスの非常に高い速度によって、有用な熱回収が限定され、その結果、多量の顕熱およびすべての潜熱が大気に失われる。複合サイクル発電は、一般に、非常に運転コストの高いＮＯｘ還元触媒を必要とする。複合サイクル燃焼方法を、以下に記述する技術と比較すると、それは触媒の必要がなく、すべての凝縮物を回収することによって正味の水の生成装置であり、より高い効率を有する必要があり、また運転燃料として天然ガスまたは清浄合成ガスに制約されない。
【００１６】
本発明のための研究において見出された効率改善は、多くの因子によるものである。その鍵は、排出ガスからほとんどの水分を除去して、Ｏ２／ＣＯ２燃焼法の熱伝達利点を明白にすることを可能にする経済的な方法を見つけることであった。このことは、以下に示す表１を吟味すれば明白であろう。燃焼ガスおよび排出ガスの両方の、ガス速度が十分に低減される場合には、完全な燃料の燃え尽きを達成できるとともに、より良好な熱伝達が、より長いボイラー滞留時間で達成される。断熱されたＧＰＳをボイラーに付加することにより、１５から４５秒またはそれ以上の長い滞留時間の間に、流出する排出ガスと流入するＯ２／ＣＯ２燃焼ガスとの間接対向流熱交換によって、残りの顕熱およびほとんどの潜熱を回収する手段を得られる。燃料燃焼において、酸素の希釈剤として、ＣＯ２でＮ２を置換する場合には、Ｏ２濃度は、Ｎ２よりも６３％大きい比重および熱容量を有するＣＯ２のために、６０％を超えて増加させることができる。Ｓｃｈｏｒｆｈｅｉｄｅ（特許文献１）は、（触媒を再生するためにコークスを燃やすために）８００から９８０°Ｆ（４２７〜５２７℃）の温度範囲にわたって、「二酸化炭素は、窒素の熱容量よりも６３％多い平均熱容量を有し．．．二酸化炭素は、対応する温度において等価体積の窒素よりも、概して６３％多い熱を吸収することになる（ＣＯ２の１２．１Ｂｔｕ／１ｂｍｏｌ−°Ｆに対して窒素の７．４３Ｂｔｕ／ｌｂｍｏｌ−°Ｆ）」ことを説明している。また、「酸素の濃度は、完全二酸化炭素の場合には、約６３％多くすることが可能である」とともに、このＯ２／ＣＯ２混合物は「全３３％だけ燃焼時間を短縮する」。
【００１７】
排出ガスが、延長された滞留時間の間に、大気またはそれより下に冷却されると、酸化窒素（ＮＯ）は、わずかに過剰Ｏ２において、二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化して（特許文献２を参照）、硝酸（ＨＮＯ３）に変化して凝縮物として脱落する。三酸化硫黄（ＳＯ３）は、硫酸（Ｈ２／ＳＯ４）に変化して、凝縮物として脱落する。ほとんどの水分が凝縮されると、より乾燥した、低温の排出ガスを移動させる送風装置（ｂｌｏｗｅｒ）電力が減少する。低温の再生燃焼ガスを移動させる送風装置電力も減少する。次いで、比較的乾燥した＜１％水分含有量のＯ２／ＣＯ２燃焼ガスを、再加熱してボイラーに戻すと、ボイラーを通過する燃焼ガスの速度は急激に減少する。
【００１８】
ＣＯ２は、Ｈ２Ｏよりもはるかに大きな密度を有する。ＣＯ２：Ｈ２Ｏ＝４４：１８＝２．４４またはＣＯ２は水蒸気としてのＨ２Ｏのモル重量で２４４％の密度および顕熱容量を有する。湿式再利用Ｏ２／ＣＯ２−Ｈ２Ｏ法では、排出ガスは、水分低減なしにボイラーに戻され、これは熱容量を低減させ、速度を急激に上昇させる望ましくない効果がある。これによって燃焼ガス滞留時間が減少し、これがボイラー加熱表面を介しての放射熱伝達を損なう。湿式再利用方法における速度問題によって、希釈剤としてのＮ２をより密度の高いＣＯ２で置換することに関する、効率改善機会のほとんどがわかりにくくなる。
【００１９】
真空除去方法を使用して、低速非乱流の層流熱交換ダクトにおいて微粒子を取り出せることができる場合には、静電集塵装置（ＥＳＰ：ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ）またはバッグハウス（ｂａｇｈｏｕｓｅ）は必要ではない。厳重な断熱を経済的に使用して、混合Ｏ２およびＣＯ２の低速燃焼ガス流によるダクトシステム内で交換するための熱を保持できる場合には、最新技術燃焼システムにおいて失われる、いわゆる廃熱の実質的に１００％を、ボイラーに戻すことができる。ほとんどの顕熱および潜熱を再利用して燃料燃焼に役立てることができれば、プラント燃料要求、酸素要求、プラント寄生電力要求、およびＣＯ２出力のすべてを半減させることができ、そしてほとんどの最新技術の空気燃焼式蒸気発電プラントは、わずかに３３％から３５％の正味効率で稼動しているので、可能性としては半分以下にさせることができる。
【００２０】
Ｏ２／ＣＯ２燃焼過程の最終排出ガスが、大気温度またはそれより低く冷却されると、清浄化および分離すべき体積は、最新技術の空気燃焼式蒸気発電プラントからの高温煙道ガス生成の１０％未満である。ガス分離および構成成分の回収は、既知の手段を用いると経済的である。凝縮領域での腐食は、スーパーオーステナイト（ｓｕｐｅｒａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ）ステンレス鋼の開発と実績のある信頼性のために、使用不能になるような問題ではない。凝縮物は、回収して、ボイラー給水（ｆｅｅｄｗａｔｅｒ）品質または飲用水（ｐｏｔａｂｌｅ  ｗａｔｅｒ）品質まで処理することができる。微量の水銀ヒュームは、活性炭素またはその他の既知の吸収剤によってフィルタに捕捉される。ＳＯ２は、薬品生産用または硫酸プラントの原料用の冷凍等級液（ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ−ｇｒａｄｅ  ｌｉｑｕｉｄ）として回収される。硫酸プラントが付加される場合には、燃料燃焼から回収される微粒子を、酸溶出（ａｃｉｄ−ｌｅａｃｈｉｎｇ）処理において化学的処理して、金属を回収するとともに残余微粒子の品質を向上させることができる。
【００２１】
前述の考察は、９７％から１００％純酸素を用いるＯ２／ＣＯ２燃焼における効率を最大化するのに必要な変更のほとんどについて考慮したが、この変更は、以下に詳細に記述する好ましい実施形態に組み込まれている。
【００２２】
空気燃焼の部分酸素富化：ＧＰＳと組み合わせたボイラー中で、再利用排出ガスからほとんどの水分を除去しての、酸素富化による空気燃焼について研究した。３０％以上の富化は、完全空気燃焼と比較して良好な効率改善をもたらすが、純酸素によるよりも低い。これは、添加される窒素によるものであり、また大気状態とともに変化する数パーセントの空気水分にもよるものである。ボイラーへの排出ガスの再利用中にいて、ＣＯ２に代わる低密度窒素の量を増大させること、および空気水分を追加することによって、ガス流量および速度が増大し、したがって熱伝達のための滞留時間が減少して、効率が完全Ｏ２／ＣＯ２燃焼より低く下がる。
【００２３】
クリーン燃料の空気燃焼：ＧＰＳとボイラーを組み合わせることによって、排出中に微量ＮＯｘだけを含む、クリーン燃料の空気燃焼が可能となる。効率は、最新技術の空気燃焼式蒸気発電プラントと比較して改善される。これは、排出ガス再利用を用いない、貫流プロセスであって、これはＧＰＳの熱交換方法および装置を使用して、ほとんどの水分を凝縮させて、廃棄熱回収を増大させる。排出ガス温度は、約４０°Ｆ（４℃）に減少する。このような低温度において、長い滞留時間過剰の酸素が存在することは、ＮＯをＮＯ２に変換する条件をもたらし、次いでＮＯ２が希硝酸（ＨＮＯ３）凝縮物として回収される。最終排出ガスは、大部分のＮ２、ＣＯ２およびＯ２の混合物内で、１％未満の水分を含むことになる。凝縮物は、ボイラー給水品質または飲用水品質まで処理することができる。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
ランキンサイクル（Ｒａｎｋｉｎｅ  ｃｙｃｌｅ）蒸気発電プラントは、過熱器の後のほとんどの設備を置き換えることによって、高効率で低排出燃焼法に適合させることができる。エコノマイザ（ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｒ）セクションは再構成される。除去されるのは、空気加熱装置、ＥＳＰまたはバッグハウス、および洗浄による煙道ガス脱硫（ＦＧＤ：Ｆｌｕｅ  Ｇａｓ  Ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ）であり、これらの３つのすべては熱を消散し、そのほとんどは以下に開示する改良型方法および装置によって回収される。
【００２５】
最高効率は、純酸素と二酸化炭素の概ね水分のない混合物の燃焼ガス雰囲気において達成されることになる。
【００２６】
ＧＰＳをボイラーと組み合わせて、排出ガス温度、速度、微粒子および水分を低減する。この排出ガス温度は、大気またはそれより低く低下し、一方で、戻り流の燃焼ガス温度は大気から上昇する。ＧＰＳとボイラーの一体化によって、Ｏ２およびＣＯ２燃焼ガスの最適に制御された混合物の最大予熱が可能となる。
【００２７】
この排出ガス流および燃焼ガス流は、耐食性の外側および内側スーパーオーステナイトステンレス鋼ダクトを通過する。排出ガス中のほとんどの微粒子は、真空除去のための、低速の非乱流の層流において脱落する。ダクトは、燃焼ガス流と排出ガス流の両方に、延長された滞留時間を提供するように寸法決めされる。排出ガスの低速層流は、微細粒子の合体（ｃｏａｌｅｓｃｉｎｇ）および集塊（ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ）である、ファンデルワールス（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ）力効果を促進するのに役立ち、遅いガス流は、重力による粒子沈降に役立つ。
【００２８】
炭化水素燃料は、数パーセントまでの硫黄および１％の窒素を含有することがある。これらの元素は燃焼中に酸化して、Ｈ２Ｏの存在下では、酸性水分の供給源である。ほとんどの酸性水分は凝縮する。すなわち、微量の三酸化硫黄（ＳＯ３）は希硫酸（Ｈ２ＳＯ４）として凝縮し、微量窒素酸化物（ＮＯ）は二酸化窒素（ＮＯ２）に変わり、希硝酸（ＨＮＯ３）として凝縮する。その他の微量の酸、塩酸（ＨＣｌ）およびフッ化水素酸（ＨＦ）も、燃料によっては存在することがあり、これらも凝縮する。
【００２９】
ほとんどの排出ガスは、顕熱の１００％に近い回収およびほとんどの潜熱の回収のために、断熱されたＧＰＳ内の１つまたは複数の戻りダクトを介して、ボイラーに再循環されて、酸素と混合されて燃料燃焼ガスを構成し、燃焼過程における燃料および酸素の消費を低減する。排出ガスはまた、温度調整動作のため、また微粉化、粉砕または破砕された燃料をボイラー中に搬送するために、ダクトでボイラーに戻して、ＧＰＳを介して再加熱してもよい。
【００３０】
過剰Ｏ２が低く（化学量論的に約３％過剰以下で、好ましくは約１％過剰以下で）、余熱された概ね無水分で、ほとんどがＯ２およびＣＯ２燃焼ガスによって、ボイラーを通過する２０から３０ｆｐｓ（６〜９ｍｐｓ）の低速度が可能となり、したがって通常は１０％から２０％またはそれ以上の過剰空気で運転される高速の６０から７０ｆｐｓ（１８〜２１ｍｐｓ）空気燃焼式ボイラーと比較してはるかに大きな熱伝導を伴う、長い燃料燃焼滞留時間が可能となる。比較的乾燥した（水分＜１％）Ｏ２／ＣＯ２燃焼ガスの、よく調節された混合物を用いる、２０ｆｐｓ（６ｍｐｓ）での、温度制御のためのボイラーの運転によって、開放サイクル空気燃焼のための６０ｆｐｓ（１８ｍｐｓ）に対して、燃料燃焼および熱伝達の時間が３倍になる。さらに、Ｏ２／ＣＯ２ガス混合物における燃焼によって、同じ温度での空気燃焼に対して、Ｎ２と比較してＣＯ２の密度および熱容量が大きいために、燃焼時間が３３％減少する。これら２つの利点の和によって、ボイラー内の正味有効放射熱伝達時間はほぼ４倍になる。これらの燃料燃焼状態は、ＧＰＳとボイラーを組み合わせることによって達成されるほぼ完全な熱回収とともに、このＯ２／ＣＯ２燃焼システムの以前には予測不可能であった高い効率のほとんどを説明する。
【００３１】
ボイラーに再循環されない残部の排出ガスは、大気温度においてダクトで送り、既知の手段でさらに処理して、すべての残留する酸性水分を凝縮させて除去する。弱い酸性の凝縮物は、既知の手段によって、ボイラー給水品質または飲用水品質にまで処理される。排出ガス中の残留微粒子は、乾燥フィルタリングされる。燃料から持ち越される水銀ヒュームは、活性炭素またはその他の既知の吸収剤によってフィルタ内に取り込まれる。排出ガスは、ＳＯ２を液化するためにさらに処理し、次いで、ＣＯ２を液化するために処理してもよく、微量のＮ２およびＯ２は大気中に逃がされる。無硫黄燃料は、必要とする処理ステップが比較的少ない。
【００３２】
ＧＰＳと一体化されたボイラーは、空気の部分酸素富化によって運転して、排出を低減した上で、効率の改善を得ることができる。３０％以上の富化が、窒素を程よいレベルに維持するためには好ましい。Ｎ２が多すぎると、燃焼ガスと排出ガスの両方の体積、速度、滞留時間、および熱伝達に悪影響を与える。
【００３３】
ＧＰＳと一体化されたボイラーは、天然ガスまたは無硫黄合成燃料を燃焼させるときには、空気の酸素富化を行うことなく運転して、排出中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を非常に低くした状態で、効率を向上させることができるが、この理由は、水分凝縮によって実質的にすべてのＮＯｘが回収凝縮物内に希薄ＨＮＯ３として捕捉されるためである。
【００３４】
Ｏ２／ＣＯ２または本発明の酸素富化方法および装置における燃焼に適格な燃料としては、ほとんどのごみ固形化燃料（ＲＤＦ：ｒｅｆｕｓｅ−ｄｅｒｉｖｅｄ  ｆｕｅｌ）、バイオマスおよびほとんどの燃焼可能な有害廃棄物があげられるが、放射性材料は除外される。限定要因としては、ボイラー温度を維持することがある。ＲＤＦおよびバイオマスなどの低熱量（Ｂｔｕ）燃料は、例えば、石炭、石油コークス、天然ガスまたは燃料重油と混合してもよく、ボイラー温度は、燃焼ガス中の希釈剤と酸素との割合を調節することによって制御される。スラグ発生する燃料は、ボイラー選択を限定する可能性がある。サイクロン炉を備えるボイラーは、スラグ回収を行うように設計されている。流動床（ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ  ｂｅｄ）ボイラーは、本発明の燃焼方法には適しているとは思われない。流動床燃焼においては、燃料硫黄が、粉砕石灰などの吸収剤によって概ね取り込まれる。大量の固体廃棄物が生成される。発明者の好ましい方法では、硫黄回収は、ＳＯ２、すなわち硫酸を含む多数の化学薬品を製造するための原料、を液化することによって達成される。流動床燃焼ボイラーの高い資本および稼動コストは、本発明の方法および装置を利用する、Ｏ２／ＣＯ２または酸素富化空気の実施形態のいずれにも不要である。
【００３５】
変速ドライブ（ＶＳＤ：ｖａｒｉａｂｌｅ  ｓｐｅｅｄ  ｄｒｉｖｅ）制御モータの適用が好ましく、これは３つのコスト低減機能を有する。すなわち（１）ＶＳＤは、どこに適用される場合も寄生電力要求を最小化する、（２）排出ガス流および燃焼ガス流の両方の処理ガス流を、連続的に最適化することができる、および（３）ＶＳＤをすべてのシステム可変（ｓｙｓｔｅｍ−ｖａｒｉａｂｌｅ）処理流に適用することによって、本発明の燃焼方法および装置のほとんど完全な自動化が可能となる、ことである。
【００３６】
１つの具体的な態様においては、本発明は、ランキンサイクル蒸気発生器システムを提供し、このシステムは、燃料燃焼ゾーン（１ａ）ならびに蒸気を生成するための放射熱および滞留熱の伝達ゾーン（２、３）を有するボイラー（１）と；前記ボイラーからの排出ガス流が、それを通過して流れるように前記ボイラーと組み合わせた、断熱ガスプライマセクタ（ＧＰＳ）（４）であって、前記排出ガス流から微粒子を除去する手段（２９）、および延長された滞留時間にわたり、前記排出ガス流との間接対向流熱交換によって燃焼ガス流に熱を伝達する手段（５）を含み、その熱伝達の結果として、前記排出ガス流の温度が、水分が凝縮する温度まで低下する、前記ＧＰＳと；前記燃焼ガス流を、前記ＧＰＳに供給する手段（１２）であって、そこで前記燃焼ガス流が、少なくとも約５００°Ｆ（２６０℃）の温度に到達するように、延長された滞留時間にわたって前記排出ガス流との間接対向流熱交換で加熱される、前記手段（１２）と；前記ＧＰＳから出る前記加熱された燃焼ガス流を、その中で燃焼させるために前記ボイラー燃焼ゾーン（１ａ）へ搬送する、断熱ダクト手段（６）と；前記ＧＰＳから微粒子を除去する手段とを備える。
【００３７】
別の具体的な態様においては、本発明はランキンサイクル蒸気発生器システムを提供し、このシステムは、燃料燃焼ゾーン（１ａ）ならびに蒸気を生成するための放射熱および対流熱の伝達ゾーン（２、３）を有するボイラー（１）と；前記ボイラーからの排出ガス流が、それを通過して流れるように前記ボイラーと組み合わせた、断熱ガスプライマセクタ（ＧＰＳ）（４）であって、前記排出ガス流から微粒子を除去する手段（２９）、および延長された滞留時間にわたり、前記排出ガス流との間接対向流熱交換によって酸素および大部分のＣＯ２を含む燃焼ガス流に熱を伝達する手段（５）を含み、その熱伝達の結果として、前記排出ガス流の温度が、大気温度近くまたはそれ以下に低下することによって水分が凝縮する、前記ＧＰＳと；前記排出ガス流を、約３２から５０°Ｆ（０〜１０℃）の間まで、さらに冷却する手段（１４）と；前記さらに冷却された排出ガス流を、第１の主要部分と第２の部分に分離する手段（９、１７）と；前記第１の部分とＯ２を混ぜ合わせて、燃焼ガス流を形成するとともに、それを前記ＧＰＳに供給する手段（８、１１、１２）であって、そこで、前記燃焼ガス流が、少なくとも約５００°Ｆ（２６０℃）の温度に到達するように、延長された滞留時間にわたって排出ガス流との間接対向流熱交換において加熱される、前記手段（８、１１、１２）と；前記ＧＰＳから出る前記加熱された燃焼ガス流を、その中で燃料燃焼させるために前記ボイラー燃焼ゾーン（１ａ）へ搬送する、断熱ダクト手段（６）と；前記ＧＰＳから微粒子を除去する手段（２９）とを備える。
【００３８】
さらに別の具体的な態様においては、本発明はランキンサイクル蒸気発生器システムを動作させるための方法を提供し、前記システムは、燃料燃焼ゾーン（１ａ）、ならびに蒸気を生成するための放射熱および対流熱の伝達ゾーン（２、３）を有するボイラー（１）と、前記ボイラーからの排出ガス流が、前記ＧＰＳを通過して流れるように、前記ボイラーと組み合わせるとともに、燃焼ガス流がその中で対向流方向に流れる、断熱ガスプライマセクタ（ＧＰＳ）（４）とを含み、前記方法は、前記ＧＰＳ内部で延長された滞留時間にわたって排出ガス流との間接対向流熱交換によって燃焼ガス流に熱を伝達し、その熱伝達の結果として、前記排出ガス流の温度が大気に近く、またはそれより低く低下して水分が凝縮すること；前記ＧＰＳにいて前記排出ガス流から微粒子を除去すること；前記排出ガス流を、３２から５０°Ｆ（０〜１０℃）の間にさらに冷却して追加の水分を凝縮させること；前記さらに冷却された排出ガス流を、第１の主要部分および第２の部分に分離すること；第１の部分をＯ２と混ぜ合わせて、Ｏ２および大部分のＣＯ２を含む燃焼ガス流を形成して、それを前記ＧＰＳに供給し、そこで前記燃焼ガスが、延長された滞留時間にわたって前記排出ガス流との間接対向流熱交換において加熱されて、その結果、それが少なくとも約５００°Ｆ（２６０℃）の高温に到達すること；前記高温燃焼ガス流を、前記ボイラー燃焼ゾーン（１ａ）へ、その中で燃料燃焼させるために、前記ＧＰＳから断熱ダクト（６）を通過して搬送するとともに、前記ＧＰＳから微粒子を除去することを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
図３は、ガスプライマセクタ（ＧＰＳ）４と組み合わせた、蒸気発生ボイラー１の横断面概略図を示す。ボイラー１は、燃料燃焼ゾーン１ａ、放射ゾーン２およびボイラー給水配管３の領域の対流ゾーンを含む。燃料は、ボイラーの放射ゾーン２の下部領域に供給され、燃料酸化剤は、断熱ダクト６を介して配送される。
【００４０】
ＧＰＳの全体寸法は、一般にボイラーの大きさに比例する。例えば、Ｂａｂｏｃｋ＆Ｗｉｌｃｏｘによる設計の、１００ＭＷ規模の最新技術ボイラーの場合には、ＧＰＳは、図３に示すように、ボイラーの頂部から水平に約１２５フィート（３８ｍ）延び、次いで下方に約１２５フィート（３８ｍ）延びて、さらに下部ガス冷却セクション内で再び水平に約７５フィート（２３ｍ）延びる。７５０ＭＷ容量の同様のボイラー設計では、高さは２５０フィート（７６ｍ）であり、ＧＰＳはボイラーの頂部から水平に約２５０フィート（７６ｍ）延び、次いで下方に約２５０フィート（７６ｍ）、そして再び水平に約１５０フィート（４６ｍ）延びる。
【００４１】
ボイラー始動酸化剤は、送風装置２５からダクト２６、１２を通過して進入する空気とすることができる。ボイラーの通常の密閉サイクル動作のための酸素供給が、必要な速度に達すると、空気供給ダクト２６が閉じられる。排出再利用がＯ２混合を続けるときに、完全Ｏ２／ＣＯ２燃焼が生じ、初期空気吸気からの窒素が、徐々に排気から風選（ｗｉｎｎｏｗ）される。
【００４２】
ボイラー始動燃料は、天然ガスまたは合成燃料として、開放サイクル動作からの排出を最小化するのが好ましい。この排出には、少量のＮＯｘが、Ｎ２Ｏ（亜酸化窒素）、ＮＯおよびＮＯ２として含まれることがある。ＧＰＳ４は、断熱された、伸張した外部ダクトおよび１つまたは複数の伸張した内部ダクト５を含む。図４で最もよくわかるように、延長内部ダクトは、一般に、外部ダクトと同軸であるとともに、微粒子の蓄積を遅延させるために傾斜上部表面を有する。酸化剤は、断熱されたガスプライマセクタ４内部のダクト５（単数または複数）を介して送入され、次いで、断熱ダクト６を通過して、下部ボイラー燃料燃焼ゾーンに至る。ダクト５（単数または複数）は、流出する排出ガスの流入する酸化剤燃焼ガスへの熱伝達を最大化するために、耐食性の薄肉スーパーオーステナイトステンレス鋼で構築されている。Ａｌｌｅｇｈｅｎｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手可能なＡＬ−２７６などのスーパーオーステナイトステンレスが好ましい。ＡＬ−２７６は、ＧＰＳ４の酸性の高温環境に対して耐食性がある。この金属の最高動作温度は１０００°Ｆ（５３８℃）であり、したがって、ボイラー給水加熱ゾーン３に続く、腐食性の流出排出ガス状態に適しており、ここの場所で温度は約８００°Ｆ（４２７℃）であり、ＧＰＳ４の垂直セクションの基部において７０から１２０°Ｆ（２１〜４９℃）まで低下する。ダクト５は、吊り下げた金属フレーム上に構築して、約１／６インチ（０．１５ｃｍ）厚さの溶接ステンレス鋼シートを位置決めして保持してもよい。確実に溶接が可能であって、内部ダクト５燃焼ガスから外部ダクト中への漏れを防止することのできる、最も薄いシート材が、流出排出ガスから低温の流入燃焼ガスへの熱伝達を最大化するために好ましい。ＡＬ−２７６熱伝導率は、８００°Ｆにおいて約９．８Ｂｔｕ’ｓ／ｆｔ２／ｈｒ／°Ｆ／ｆｔであり、２００°Ｆでは６．４、７０°Ｆでは５．９Ｂｔｕ’ｓに低下する（４２７℃で１７Ｗ／ｍ／°Ｋ、９３℃では１１、そして２１℃では１０．２である）。
【００４３】
ＧＰＳ４の外部ダクトは、断熱性がよい。断熱効率は、９０％を超えるのが好ましく、最も好ましくは、９８から９９％の効率である。構築材料は、熱保持を最大化するために、最大３フィート厚さの断熱等級のコンクリートと、それに加えて、腐食を防止するためにスーパーオーステナイトステンレス鋼の内張り（ｉｎｎｅｒ  ｌｉｎｅｒ）を含めることができる。
【００４４】
ボイラー始動に続いて、排出ガスが、上方向にボイラー放射熱ゾーン２を通過して、熱をボイラー配管に移動させて蒸気を生成する。排出ガスは、次いで、対流ゾーン３を通過して、熱をボイラー給水加熱用の配管を介してさらに移動させ、それによって排出ガス温度を約１８００〜２０００°Ｆ（９８２〜１０９３℃）から、ＧＰＳ４への進入位置近くでの８００°Ｆ（４２７℃）まで低下させる。ＧＰＳ４は、上部の概して水平のセクション、中間の概して垂直のセクション、および上部セクションの下方に整列させることのできる、下部の概して水平のセクションからなる。流出排出ガス温度は、水平上部ダクトセクションの端部において、好ましくは約２００°Ｆ（９３℃）以下にまで徐々に低下し、次いで、垂直ダクトセクションの基部において、好ましくは約７０〜１２０°Ｆ（２１〜４９℃）、さらに好ましくは約７０°Ｆ（２１℃）まで低下する。弱い酸性の水分は凝縮して、収集液溜り（ｂａｓｉｎ）および管路１６を通過して気密性のＧＰＳから出る。排出ガスは、好ましくは冷媒冷却コイル（ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ  ｃｏｏｌｉｎｇ  ｃｏｉｌ）１４を装備するＧＰＳのゾーン１３においてさらに冷却される。排出ガス温度は、５０°Ｆ（１０℃）より下、好ましくは少なくとも約４０°Ｆ（４℃）に低下し、酸性の水分をさらに凝縮させ、それが管路１５を介してシステムから出る。ほとんどの残留微粒子は、冷却ゾーン１３の低速層状ガス流内の凝縮物内に析出する。
【００４５】
ボイラー始動中の短い時間の間、この冷却された、ほぼ水分のない排出ガスの主要部分は、ダクト９および送風装置１０を介して送られて、次いでダクト１１を通過して、空気と、および空気分離ユニット７からの酸素の一部と混合し、その進入流は、Ｏ２をダクト８から送り出す変速駆動（ＶＳＤ）モータを有する、送風装置３８によって制御される。燃焼システムが動作を開始すると、ダクト１１および８からの流れと一部の空気との、そのような混合が発生し、この合成ガス混合物は、ダクト１２を介してＧＰＳに戻るように経路誘導される。過剰排出ガスの小流が、ダクト１７および送風装置１８を通過して、管路２３を通過してスタック２４へと経路誘導される。
【００４６】
ボイラー燃料が無硫黄天然ガスまたは合成燃料であると仮定すると、開放サイクル空気燃焼は、ＮＯはＮＯ２に酸化されて、これが冷えて、微量酸素の存在において、延長された滞留時間内にＨＮＯ３として凝縮する、ＧＰＳの排出冷却方法のために、最少のＮＯｘ放出で継続することができる。効率は、ＧＰＳの熱回収方法によって、最新技術の開放サイクル空気燃焼に対して改善される。
【００４７】
最も好ましい動作方法において、かつ燃料に関係なく、ＧＰＳと組み合わせたボイラーは、表１（５）に示すように、完全Ｏ２／ＣＯ２燃焼によって最大効率に到達し、再利用希釈物が＞９５％ＣＯ２となる。空気は除外されて、燃料に存在する可能性のある窒素だけが、システムを通過している。ＮＯｘへの窒素変換は、極めて低く、冷却領域１３でのＨＮＯ３凝縮の後には、ＮＯｘは検出不能である場合がある。
【００４８】
【表１】
0004416661.tif 000002
【００４９】
ボイラーの放射熱ゾーンにおける燃料燃焼の後に、高温排出ガスが、微粒子を上方に、そしてＧＰＳの水平領域中へと運ぶ。ボイラーを出るガス流は、好ましくは約３０ｆｐｓ（９ｍｐｓ）以下の速度であり、より好ましくは、約２０ｆｐｓ（６ｍｐｓ）以下である。ここで、高温の流出排出ガスが、ダクト５内の対向流のＯ２／ＣＯ２燃焼ガスとの間接熱交換によって冷えるときに、低速で長滞留時間の層流ガス流において、ほとんどの微粒子は脱落する。流出するガスは、下方に通過するときに冷え続けるとともに、水分が凝縮して、凝集物内の微粒子をさらに除去する。ほとんどの残留微粒子は、排出ガスが冷却ゾーン１３を通過するときに、凝縮物内に捕捉され、このゾーンでは、最終排出ガス温度は、約３２から５０°Ｆ（０〜１０℃）以下、好ましくは約４０°Ｆ（４℃）に低下し、その速度は、約１０ｆｐｓ（３．３ｍｐｓ）以下に低下する。冷却された排出ガス（その水分が＜１％に低下）の主要部分は、ダクト９、送風装置１０およびダクト１１を通過してＯ２と混合される。この混合流は、ほぼ大気温度で、ダクト１２を通過して流れ、ＧＰＳ内部の内部ダクトまたはダクト５に進入する。混合Ｏ２／ＣＯ２燃焼ガスは、流出排出ガスとの間接対向流における、低速で長滞留時間の熱交換において、５００〜７５０°Ｆ（２６０〜３９９℃）、好ましくは約７００°Ｆ（３８２℃）に加熱される。
【００５０】
ＧＰＳ４を通過する流出排出ガス滞留時間は、好ましくは１５から４５秒、より好ましくは少なくとも約３０秒である。ＧＰＳ４およびダクト６およびボイラー１を通過する流入燃焼ガス滞留時間は、好ましくは１５から４５秒、より好ましくは少なくとも３０秒である。
【００５１】
本発明の方法および装置の、この最も好ましい実施形態においては、ボイラーに再利用されない過剰排出ガスは、ダクト１７および送風装置１８を通され、次いでダクト１９を通されてガス仕上げ（ｇａｓ  ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ）工程に導かれ、この工程は、既知の手段によって実行される。好ましい手段としては、現時点では大気温度の排出ガスを圧縮機および冷却装置に通して、残りの水分をすべて除去し；次いで、望ましい場合には、その乾燥ガスをフィルタに通して、残りの微粒子すべてを粒子寸法１ミクロン未満に低減し；次いで、ガスを活性炭素などの吸収フィルタに通して、それが存在する場合には水銀ヒュームを除去し；次いで、熱交換器を含むユニット２０において、ガス温度を少なくとも約７０°Ｆ（２１℃）に下げて、その中に凝縮することになる液体ＳＯ２を回収し；そして最終的に、残部をダクト２１に通して、既知の手段、好ましくはガス／液体熱交換機２２でさらに冷却して、ＣＯ２を液化するか、または別法として、ガス状ＣＯ２を管路２３に通してスタック２４に送って、大気に開放することを含む。
【００５２】
最も好ましい工程においては、ユニット２０および２２内で、排出ガスは１００〜４５０ｐｓｉ（６．９〜３１バール）に圧縮されるとともに冷却されてＳＯ２を凝縮する。次いで、さらに約−３０°Ｆ（−３４℃）まで冷却されて貯蔵され、そこでＣＯ２中に含有されるＮ２またはＯ２はすべて沸騰して排気される。貯蔵された液体ＣＯ２および液体ＳＯ２も、中間冷媒を冷却する、冷凍デューティに利用可能であり、これをプラント圧縮装置および熱交換器を冷却するのに使用することができる。
【００５３】
送風装置１８および圧縮装置を含む排出ガスポリッシング（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）ステップは、次の要因のために、同等寸法の空気燃焼式ボイラーのマスフロー容量の１０％未満を有する必要がある。すなわち、２００〜４５０°Ｆ（９３〜２３２℃）の高温煙道ガスに対して、大幅に低減された量の低温ガスを大気温度において処理すること；低下した燃料消費によって、燃焼ガスおよび排出ガスの両方がさらに減少すること；約１％の過剰Ｏ２で１５〜２０％以上の過剰空気を置換すること；および高密度／高熱容量のＣＯ２で、Ｎ２および水蒸気を燃焼ガス中の再利用される希釈物として置換して、処理すべき最終生成物が＞９５％ＣＯ２となるようにすることである。
【００５４】
この実施形態のＯ２／ＣＯ２燃焼方法および装置には、ボイラー燃料および好ましい作動技法の選択に応じて、追加のダクトおよび送風装置を組み入れることができる。固体燃料は、好ましくは微粉化、粉砕または破砕される。この密閉サイクルシステムでは、望ましくは、再利用ガスを使用して燃料をボイラーに吹き込み、その窒素成分でボイラー効率を低減させることになる、空気による吹き込みを除外する。図３には、送風装置２７を示してあり、この装置は、図示していないダクトに連結し、制御された量の排出ガスを、５００〜７５０°Ｆ（２６０〜３９９℃）まで加熱するために、ダクト３６（図４を参照）を介してＧＰＳを通過して、次いで、燃焼ガスダクト６と平行する、図示していない断熱ダクトを通過して、図示していない微粉化装置または粉砕装置または破砕装置の位置まで搬送して、その場所から、その高温ガスが加熱された燃料をボイラー中に吹き込む。
【００５５】
また、送風装置２８を設けて、排出ガスを、ＧＰＳ４につながる、図示していないダクトを通過して移動させて、約２２００°Ｆ（１２０４℃）より高い灰溶融（ａｓｈ  ｆｕｓｉｏｎ）温度を避ける手段として、上部ボイラー排出ガス温度調節（ａｔｔｅｍｐｅｒａｔｉｏｎ）を行ってもよい。この手段によって、上部ボイラーおよび滞留ゾーン温度を、約２０００°Ｆ（１０９３℃）に維持して、放射および対流熱伝達配管表面上での、効率を制限する微粒子蓄積を防止することができる。このダクトはまた、大部分ＣＯ２の高温排出ガスを５００〜７５０°Ｆ（２６０〜３９９℃）での温度調節に使用するのが好ましい場合には、ＧＰＳを通過するように経路設定することもできる（図４のダクト３７を参照）。あるいは別法として、大気温度の排出ガスを、上部ボイラー領域に注入するために、余熱することなく、図示していないダクトを介して送風装置２８を通過するように経路設定することができる。どちらの場合にも、この温度調節ガス流は、好ましくは、１％未満の水分を含有する。好ましくは、温度調節は、大部分がＣＯ２、通常は９５％を超えるＣＯ２を含む排出ガスを使用して、ＶＳＤ送風装置で制御する。
【００５６】
本発明の、Ｏ２／ＣＯ２燃焼過程を稼動させる柔軟性があり、かつ容易に変更可能な方法は、システムの主要送風装置、すなわち送風装置１０、１８、２７、２８および３８用の変速駆動（ＶＳＤ）モータを使用する、簡略化した、好ましい動作方式を利用して、単一の制御位置からの正確な管理を達成する。先に示したように、燃焼ガス流の全体管理は、好ましくは、ボイラーを通過する、比較的低速の排出ガス流、例えば２０から３０ｆｐｓを達成する。微粒子真空ポンプ、水ポンプおよびその他のポンプは別個に制御される。
【００５７】
本発明の好ましい動作方法ためのシステム圧力は低く、流出排出ガスが冷えて、水分が凝縮するときに、数ポンドからボイラー放射熱ゾーン２を通過して、ＧＰＳの冷却ゾーン１３内のわずかに真空まで徐々に減少する。ボイラー放射ゾーン２圧力は、２から５０ｐｓｉ（０．１３から３．３バール）とすることができるが、好ましくは５から１５ｐｓｉ（０．３から１．０バール）の範囲に維持する。圧力は、送風装置１０および１８の速度を調節することによって制御する。
【００５８】
図４は、例えば、図３における点ＡにおけるＧＰＳ４の上部断面におけるダクトの横断面を示す。この横断面図は、燃焼ガスをボイラーに移送するための大型ダクトを示している。小型ダクト３６、３７については上記で論述した。外部ダクト内の下端プレート３０は、有孔スーパーオーステナイトステンレス鋼でできており、沈降した微粒子の通過を可能にする。真空ポンプ／送風装置３１が起動されると、微粒子はダクト２９を通過してＧＰＳから出る。動作は、必要な場合には、断続的にすることもできる。そのような微粒子および高温ガスは、分離ユニット３２に入り、このユニットは、ＧＰＳ４の水平上部ゾーンに沿って約１０から１５フィート（３．３〜４．６ｍ）毎に設置することができる。フィルタ３３は微粒子を収集し、高温排出ガスは、管路３４を介して吹き戻される。この吹き戻しガス力は、ダクト５上およびボイラー給水加熱配管３上に蓄積する可能性のある微粒子を取り除く。送風装置／ポンプ３１の逆脈動（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｐｕｌｓｅ）動作によって、フィルタ３３が清浄化されるとともに、微粒子が管路３５から落下して回収される。
【００５９】
表１は、ランキンサイクル空気燃焼式燃焼システムにおける低い効率の根底にある原因に関係するデータを示しており、この問題は、密閉単一サイクルＯ２／ＣＯ２燃焼方法（５）においては概ね克服される。水蒸気は、ＣＯ２と比較して低比重／低密度である。ＣＯ２の熱容量は、分子量で水蒸気としてのＨ２Ｏの顕熱容量の２．４４倍である。（３）および（４）における高い水蒸気によって、温度が通常は３００°Ｆ（１４９℃）以上である空気加熱装置出口における排出ガスマスフローを計測することによってわかる顕熱損失に加えて、９７０Ｂｔｕ／ｌｂ（５４０ｃａｌ／ｇ）Ｈ２Ｏの大きな潜熱損失を生じる。顕熱損失は、表１の分子量および比重によれば、大気圧およびシステム最低温度において、Ｈ２Ｏに対して１．０Ｂｔｕ／ｌｂ−°Ｆ、Ｎ２に対して１．５６Ｂｔｕ／ｌｂ−°ＦおよびＣＯ２に対して２．４４Ｂｔｕ／ｌｂ−°Ｆ（Ｈ２Ｏに対して４．１５ｋＪ／ｋｇ−℃、Ｎ２に対して６．４８ｋＪ／ｋｇ−℃、およびＣＯ２に対して１０．１４ｋＪ／ｋｇ−℃）である。潜熱および顕熱は、（３）における蒸気生成には利用不能である。潜熱は、（４）において回収されないが、顕熱は部分的に回収される。潜熱および顕熱の両方が、（５）において概ね回収可能である。水蒸気は低密度であるために、高速を発生し、したがって熱伝達は少ない。ＣＯ２と比較した水蒸気のガス空間要求は、ＣＯ２の２１÷８．５９（１）または２．４４倍である。（３）におけるＮ２は、（４）および（５）と比較して、速度に悪影響を与える。（５）における最少水蒸気およびＮ２での、ＣＯ２を最大使用することによって、排出ガスおよび回収燃焼ガスの両方において、最善の熱伝達結を得るための、体積速度および空間速度（ｓｐａｃｅ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が最小化する。
【００６０】
ユニット２０内でのＳＯ２凝縮に対する硫黄除去の代替方法は、水に溶解させたカルシウム酸化物（ＣａＯ）またはその他のアルカリ性吸収剤を注入してＳＯ２と反応させて塩を形成する方法であり、これはよく知られている煙道ガス洗浄方法である。注入は垂直セクションの上端部で、ＧＰＳ４中に溶液を噴霧することによってもよい。落下するアルカリ性ミストが、上端部での約２００°Ｆ（９３℃）から下端部での約７０°Ｆ（４℃）まで低下する排出ガス温度において、１０から１５ｆｐｓ（３．３〜４．６ｍｐｓ）の低い排出ガス速度において、塩を吸収して析出させる。さらなる凝縮は冷却領域１３で発生し、ここでは排出ガス温度は、水分含有率＜１％で、約４０°Ｆ（４℃）まで低下する。最終排出ガスは、微量のＳＯ２と形成された酸だけを含むことになる。したがって、排出ガスは、ユニット２０の圧縮および清浄化の方法を使用することなく、安全に排気することができる。この代替方法は、ユニット２０内のプロセスの中断中にいつでも、使用することができる。また、低硫黄燃料を燃やしているときに、連続的に使用することもできる。例えば、米国西部のモンタナおよびワイオミングにおけるほとんどの石炭、および多くの亜炭（ｌｉｇｎｉｔｅｓ）は、天然のＳＯ２吸収剤とわずかに０．２５％から０．５０％の硫黄を含んでおり、この方法は、ＳＯ２含有量が低いときにはユニット２０を十分に置換することが可能であり、その回収の商業的な価値は重要ではない。この除去方法の欠点は、顕熱回収を大幅に低下させるとともに潜熱回収の可能性をほとんどなくしてしまう、注入される水噴霧による低い効率性である。また排気すべき固体廃棄物の量も増加する。
【００６１】
本明細書においては、ボイラーを、ボイラーと一体化された装置と一緒に動作させて、排出を低減して、大幅な効率改善を達成する方法を開示した。本発明は、具体的な実施形態によって記述して示したが、それに限定されるものではない。当業者は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更および修正を加えることが可能であることを理解するとともに、そのような変更および修正は、添付のクレームとその均等物の範囲に入るものと考えることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】煙道ガス清浄化プロセスを備える最新技術の空気燃焼式ボイラーシステムの概略図である。
【図２】１９９２年のＮａｋａｙａｍａらによる、排出ガス清浄化プロセスとＳＯ２およびＣＯ２液体回収を備えるＯ２／ＣＯ２−Ｈ２Ｏ燃焼式ボイラーシステムの概略図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態に記載した、ＳＯ２おおびＣＯ２液体回収を備える、ガスプライマセクタ（ＧＰＳ）と組み合わせたＯ２／ＣＯ２燃焼式ボイラーの概略図である。
【図４】真空吹き戻しフィルタによる微粒子回収を示す、図３の位置Ａにおける、ＧＰＳの上部ダクトの横断面の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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