(57)【要約】【課題】【解決手段】  本発明は、合成ガス及びチャーを生成する内部循環流動床炭化器を含む、二酸化炭素放出低減及び効率上昇のためのハイブリッドガス化複合発電（ＩＧＣＣ）プラントを提供する。本発明はさらに、既存のＩＧＣＣプラントを改造して二酸化炭素放出を低減させ、効率を高め、装置サイズを小さくし、及び／又は水、石炭その他の資源の使用を減少させる方法及び装置も提供する。【選択図】  図５
2012513501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成ガス及びチャーを生成する内部循環流動床炭化器；
合成ガス冷却器；
温ガス浄化システム；及び
前記合成ガスを燃料とするガスタービン
を有する、既存の蒸気プラントを改造するためのハイブリッドガス化複合発電（ＩＧＣＣ）プラント。
【請求項２】
プラントが、
既存のボイラー及び場合により使用中止となっている１以上のスクラバー；
熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）；及び／又は
炭化器によって生じるチャーを燃焼させるための流動床燃焼器
のうちの少なくとも一つをさらに含む請求項１に記載のプラント。
【請求項３】
合成ガス冷却器が、流動床と接触している冷却剤管を有する流動床からなる請求項１に記載のプラント。
【請求項４】
流動床燃焼器が、加圧流動床燃焼器である請求項２又は３に記載のプラント。
【請求項５】
炭化器が、ワンススルーシステムのガス化の最大レベル又はその近くのレベルで運転される請求項１〜４のいずれかに記載のプラント。
【請求項６】
炭化器、温ガス浄化システム及び／又はガスタービンを、低い出力で既存のプラントを運転するよう改造蒸気プラントの出力を一致させるのに必要な能力より低い能力で定格する請求項１〜５のいずれかに記載のプラント。
【請求項７】
システムの炭化器によって生じるチャーからの炭素捕捉を行うための第２のＨＲＳＧ、第２のガスタービン及び煙道ガスＣＯ２スクラバーをさらに有する請求項１〜６のいずれかに記載のプラント。
【請求項８】
炭化器が、揮発分を部分的に燃焼させ、流入流のための熱を提供し、そしてチャーを蒸気でガス化するために、空気を炭化器に投入する構造を有するドラフト管をさらに有する請求項１〜７のいずれかに記載のプラント。
【請求項９】
炭化器が、外部バーナーを持たない請求項８に記載のプラント。
【請求項１０】
ガスタービンが航空転用ガスタービンであり、ＨＲＳＧによって生じる蒸気を過熱及び再加熱するように流動床燃焼器が調整されている請求項１〜９のいずれかに記載のプラント。
【請求項１１】
炭化器が、
ドラフト管を囲む流動化チャーの環状床；
ドラフト管の頂部を超えて延在する円錐形ホッパーによって画定され、ドラフト管から放出される揮発分の貫通を回避するのに十分に高い円柱状延長部を有する流動化チャーの床；及び
環状床で生成する合成ガスを逃がすための、炭化器の内壁と円錐形ホッパーの円柱状延長部の外壁とによって画定されるバイパス路、
そして場合により、環状床の表面を所望の高さに維持するために制御された量の空気を供給するための、円錐形ホッパーの底部と連通している下降管
を有する、請求項１〜１０のいずれかに記載のプラント。
【請求項１２】
温ガス浄化システムのハライドスクラバーが、キャンドルフィルターの下流に配置されている請求項１〜１１のいずれかに記載のプラント。
【請求項１３】
微粉を再循環させるか、炭化器のフリーボード体積より高い値までフリーボード体積を大きくすることで微粉のガス化を増加させる請求項１〜１２のいずれかに記載のプラント。
【請求項１４】
微粉のガス化を増加させて、プラント効率又は電気のコストに関してシステムを最適化する請求項１３に記載のプラント。
【請求項１５】
システムの炭化器によって生じるチャーからＣＯ２を除去するための加圧二酸化炭素吸着装置をさらに有する請求項１〜１４のいずれかに記載のプラント。
【請求項１６】
加圧二酸化炭素吸着装置がアミンシステムである請求項１５に記載のプラント。
【請求項１７】
炭化器のドラフト管の排出口の上にチャーデフレクターをさらに有し、前記チャーデフレクターが、表面に部分的に同伴されるようになる材料で前記デフレクターの表面を緩衝するポケットを含み、それによってチャーによる前記デフレクターの腐食を低減する請求項１〜１６のいずれかに記載のプラント。
【請求項１８】
合成ガス冷却器のディストリビュータプレートが、耐火材鋳造で生成される合成ガス用の通路を画定し、前記鋳造が構造的支持を提供する冷却剤配管を有し、前記冷却剤配管が前記耐火材での熱応力を最小限にする繊維断熱材によって少なくとも部分的に囲まれている請求項１〜１７のいずれかに記載のプラント。
【請求項１９】
プラントが、炭化器によって発生するチャーを燃焼させるための既存の蒸気プラントの炉と連通している請求項１〜１８のいずれかに記載のプラント。
【請求項２０】
キャンドルフィルター及びハライドスクラバーが、温ガス浄化システムの脱硫器の上流に設置されている請求項１〜１９のいずれかに記載のプラント。
【請求項２１】
炭化器がスプレイバーを有し、水を前記スプレイバーによって投入することで合成ガスを合成ガス浄化システムにとって望ましい温度まで冷却する請求項１〜２０のいずれかに記載のプラント。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれかに記載のハイブリッドＩＧＣＣプラントを含むように、既存の発電装置を改造する段階を有する、既存の発電装置の改造方法。
【請求項２３】
低定格のプラントを改造して、放出を低下させる請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
請求項１〜２１のいずれかに記載のハイブリッドＩＧＣＣプラントを含むように、既存の発電装置をアップグレード又は改造することで、ＣＯ２放出の低減を実現する方法。
【請求項２５】
少なくとも約２０％のＣＯ２放出低減を実現する請求項２２〜２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
石炭を用いて新たな発電力を生産する段階をさらに有する請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温和ガス化複合サイクル発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
クリーンな石炭発電装置に関係する現在の流れには二つあり、ハイブリッドガス化複合発電（ＩＧＣＣ）技術と、ＣＯ２放出低減のための既存の粉炭（ＰＣ）プラントの改造である。
【０００３】
ＩＧＣＣに関しては、第１世代ＩＧＣＣは酸素吹きガス化装置を用いるが、第２世代のＩＧＣＣは空気吹きガス化を用いる。これらのいずれのＩＧＣＣも、可能な限り多くの石炭をガス化し、実質的にほとんど又は全ての石炭をガス化しようとするものであった。「ハイブリッド」と称される第３世代のＩＧＣＣは、石炭の一部のみをガス化して、チャーの残留物を残すものである。その後、チャーは燃焼器で燃やして、追加の電力を得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＩＧＣＣを用いる既存の石炭火力発電所（例えば、粉炭蒸気プラント）の改造に関しては、米国政府の国立エネルギー管理システム（ＮＥＭＳ）による政策研究は、既存のＰＣプラント群からのＣＯ２放出低減の重要性とそれに固有の問題の両方についての意識が高くなっていることを反映している。石炭発電装置は、世界のＣＯ２放出の１／４を作り出していることから、世界の放出量を大幅に削減しようとするプログラムにおいて無視することはできない。風力及び原子力技術等の従来の低放出技術は新たな能力のみに影響するものであることから、既存のＣＰ放出にともなう問題はそのまま残る。プラントの解体は経済的には実行できないものであり、他の選択肢は、炭素の捕捉及び貯蔵（ＣＣＳ）も提供するＩＧＣＣでそのプラントを改造するというものであるが、それも経済的には実行できないものである。
【０００５】
ＮＥＭＳ研究の一つの結論は、米国でのＰＣプラントからのＣＯ２放出は、正当な財政的条件が満足されるのであれば８０％も低減することが可能であるというものである。しかしながら、それが経済的に実行可能となるためには、ＩＧＣＣのコストが大幅に低くなるべきであり、かなり費用のかかる炭素捕捉が課せられることになると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくとも部分的に、ハイブリッドＩＧＣＣ技術及び既存のＰＣプラントの改造の両方を単独もしくは組み合わせて用いるクリーンな石炭技術に基づいたものである（例えば図１を参照する）。
【０００７】
１態様において、本発明は、二酸化炭素放出低減及び効率向上のためのハイブリッドガス化複合発電（ＩＧＣＣ）プラントを提供する。ハイブリッドＩＧＣＣには、合成ガス及びチャーを生成する内部循環流動床炭化器、合成ガス冷却器、温ガス浄化システム及び前記合成ガスを燃料とするガスタービンがある。一部の実施形態において、ハイブリッドＩＧＣＣプラントは、合成ガス中の揮発性物質のタール凝縮温度より高い温度に合成ガスが維持されるように動作する。一部の実施形態において、前記合成ガスは、石炭等の固体燃料から生成される。さらにもしくは別形態として、バイオマスを用いることができる。
【０００８】
一部の実施形態において、前記炭化器は、少なくとも１個の外部バーナーを用いて流入材料流を加熱する。
【０００９】
一部の実施形態において、ハイブリッドプラントからのチャーを蒸気プラントで燃焼させる。さらに、一部の実施形態において、ガスタービンからの煙道ガスをダクトを通して蒸気プラントに送って、その熱を回収し、それを蒸気タービン発電機によって電力に変換する。一部の実施形態において、チャー及び合成ガスの一部の両方をダクトを通して既存の蒸気プラントに送る。一部の実施形態において、追加の空気を前記蒸気プラントの燃焼室に加える。熱回収蒸気発生器は、一部の実施形態での前記既存の蒸気プラントの熱回収を補うものである。
【００１０】
一部の実施形態において、炭化器は、チャーの環状床によって囲まれたドラフト管からなる圧力容器内の内部循環流動床（ＩＣＦＢ）反応器を有し、そのチャーは前記チャー床の底部で酸化剤及び蒸気を加えることで気化され、その底部では前記ＩＣＦＢへの石炭が前記ドラフト管中に投入される。
【００１１】
一部の実施形態において、前記ハイブリッドＩＧＣＣプラントは、炭素の捕捉及び貯蔵を行うように変えられており、そこでは温ガス浄化システムを出た合成ガスが部分酸化装置、合成ガス冷却器、シフト反応器及びガス燃料から二酸化炭素を分離するための吸収システムの順で有する加圧容器系統を順に通過し、それによって前記二酸化炭素は乾燥され、圧縮されてから隔離される。
【００１２】
一部の実施形態において、炭化器は圧力容器内に噴流流動床を有し、前記噴流床はドラフト管を組み込んでいる。さらに別の実施形態では、炭化器は、ドラフト管を囲む環状スペースに蒸気及び空気を送るディストリビュータプレート及び炭化器に石炭を送り、炭化器から過剰のチャーを除去する手段を有する。
【００１３】
一部の実施形態において、合成ガス冷却器は、冷却剤管を有する流動床を含む。一部の実施形態において、合成ガスは、炭化器の下流に投入される蒸気又は水によって冷却される。
【００１４】
一部の実施形態において、合成ガス冷却器からの廃熱を合成ガス、蒸気流又は合成ガスと蒸気流の両方に再度投入する。
【００１５】
石炭を用いる一部の実施形態において、従来の石炭乾燥機を用いてその石炭を乾燥させ、加熱してから、炭化器に投入する。石炭を用いる一部の実施形態において、石炭前燃焼熱処理（ＰＣＴＴＣ）システムを用いてその石炭を乾燥・加熱してから、炭化器に投入する。一部の実施形態において、大気圧二段流動床燃焼器を含む石炭乾燥機があり、そこでは下側流動床で燃焼が起こり、下側流動床には燃料中の灰の溶融温度より低い温度にそれを維持するための冷却剤管が組み込まれており、下側流動床からの１以上の燃焼生成物が上方にあるディストリビュータプレートを通って第２の流動床に入り、第２の流動床には乾燥させる石炭が入っている。一部の実施形態において、冷却剤管に入る冷却剤はＩＧＣＣプラントの酸プラントからのものであり、下側床冷却管から出てくる冷却剤の一部は蒸気タービンに向かい、冷却剤の残りはダクトを通してＰＣＴＴＣシステムの石炭ヒーターに送られ、石炭ヒーターから出てくる冷却剤は、燃焼器の下側流動床における冷却剤管の注入口にポンプで戻される。
【００１６】
一部の実施形態において、合成ガス冷却器は、ひれ付き管プレート組立物に取り付けられた複数の傾斜管を有するディストリビュータプレートを有し、その傾斜管はＩＧＣＣプラントが運転していない時の床材料の漏出物（weepage）を排除する上で十分な斜面に取り付けられている。流動床合成ガス冷却器を用いる一部の実施形態において、合成ガス冷却器は、複数の傾斜開口を有するディストリビュータプレートを有しており、その傾斜開口はＩＧＣＣプラントが運転していない時に床材料の漏出を排除する上で水平に十分近いものである。他の実施形態では、流動床ディストリビュータにおける開口が、支持された耐火材に形成されており、その材料からディストリビュータは構築されている。
【００１７】
一部の実施形態において、炭化器におけるチャーの流動床は、それぞれ独立に蒸気及び空気の混合物が送られる区画に分けられており、石炭供給の縮減時にチャーをガス化する別の区画を用いることで、石炭供給縮減時にＩＧＣＣプラント効率は維持される。
【００１８】
一部の実施形態において、炭酸カルシウムを含む微粒子を、炭化器における炭化器床に含まれるディストリビュータプレート上に投入する。
【００１９】
一部の実施形態において、チャー、例えば炭化器及び／又はチャー冷却器を出てくるチャーを粉砕し、その粉状チャーを分離器に通して、水銀も含む灰の微粒子を除去する。一部の実施形態において、その分離器は、磁力もしくは静電気力又はその両方を用いて、チャーから灰を分離する。
【００２０】
一部の実施形態において、ガス化レベルは好ましくは、１００％からチャー微粉をガス化することで得られると考えられるガス化レベルを引いたものである。
【００２１】
一部の実施形態において、ガス化レベルは少なくとも約７０％、好ましくは少なくとも約７５％、より好ましくは少なくとも約８０％、より好ましくは少なくとも約８５％、より好ましくは少なくとも約９０％、より好ましくは少なくとも約９５％である。一部の実施形態において、ガス化のレベルは、チャー微粉のかなりの量もしくは不経済な量をガス化させる必要なく用いることができる最大レベルである。一部の実施形態において、合成ガスは、約３００ＢＴＵ／ＳＣＦ以上の発熱量を有する。他では、合成ガスは約３５０ＢＴＵ／ＳＣＦ以上、約４００ＢＴＵ／ＳＣＦ以上、約４５０ＢＴＵ／ＳＣＦ以上又は約５００ＢＴＵ／ＳＣＦ以上の発熱量を有する。一部の実施形態において、合成ガスは約９００°Ｆ以上、約９５０°Ｆ以上、約約１０００°Ｆ以上、約１１００°Ｆ以上又は約１２００°Ｆの温度に維持される。一部の実施形態において、炭素転換率は約８０％以上である。
【００２２】
別の態様において、本発明は、既存のＩＧＣＣ又は石炭火力発電所の改造方法であって、本明細書に記載のいずれかの実施形態によるＩＧＣＣプラントを既存のプラントに設ける段階を有する方法を提供する。
【００２３】
さらに別の態様において、本発明は、本明細書に記載の段階を用いる、二酸化炭素放出の低減及び／又は効率向上及び／又は装置サイズの低減及び／又は水、石炭その他の資源の使用の削減（例えば、他の石炭火力発電所と比較して）方法を提供する。
【００２４】
さらに別の態様において、本発明は、既存の蒸気プラント改造のためのハイブリッドガス化複合発電（ＩＧＣＣ）プラントを提供し、その蒸気プラントには、合成ガス及びチャーを生成する内部循環流動床炭化器、合成ガス冷却器、温ガス浄化システム及び前記合成ガスを燃料とするガスタービンがある。そのような一部の実施形態では、プラントはさらに、使用中止となっている既存のボイラー及び適宜に１以上のスクラバー、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）、及び／又は炭化器によって発生したチャーを燃焼させる流動床燃焼器のうちの少なくとも一つを有する。
【００２５】
一部の実施形態において、ハイブリッドＩＧＣＣプラントは、合成ガスがガスタービン中で燃えるまで合成ガス中の揮発性物質のタール凝縮温度より高い温度に合成ガスが維持されるように動作する。
【００２６】
一部の実施形態において、流動床燃焼器は加圧される。
【００２７】
一部の実施形態において、炭化器は、ワンススルーシステムにおけるガス化の最大レベル又はその付近で運転される。
【００２８】
一部の実施形態において、炭化器、温ガス浄化システム及び／又はガスタービンは、低い出力で既存のものを運転する上で改造蒸気プラントの出力を一致させるのに必要な能力より低い能力で定格される。
【００２９】
一部の実施形態において、炭化器、温ガス浄化システム及びガスタービンは、全能力で運転する改造蒸気プラントの定格能力に一致させるのに必要なものより低い能力で定格する。
【００３０】
一部の実施形態において、炭化器、温ガス浄化システム及びガスタービンを改造蒸気プラントの定格能力に一致させるのに必要なものより低い能力に定格する場合、前記蒸気プラントもその定格能力より低く動作させることになろう。
【００３１】
一部の実施形態において、ＩＧＣＣはさらに、第２のＨＲＳＧ、第２のガスタービン及びシステムの炭化器によって発生するチャーからの炭素捕捉を行うための煙道ガスＣＯ２スクラバーを有する。
【００３２】
一部の実施形態において、前記炭化器はさらに、揮発分を部分的に燃焼させ、流入流のための熱を提供し、蒸気でチャーをガス化させるために炭化器に空気を投入するよう構成されたドラフト管を有する。
【００３３】
一部の実施形態において、炭化器が外部バーナーを持たない。
【００３４】
一部の実施形態において、ガスタービンは航空転用ガスタービンであり、流動床燃焼器はＨＲＳＧによって発生する蒸気を過熱及び再加熱するよう作られている。
【００３５】
一部の実施形態において、炭化器は、ドラフト管の頂部から延在する円錐形ホッパーによって画定され、ドラフト管から放出される揮発分の貫通を回避するのに十分な高さを有する円柱状延長部を持っていることで前記円錐形ホッパー及び円柱状延長部中のチャーの体積が前記ドラフト管で発生する揮発分中のタールを熱的に分解するのに十分となっている流動化チャーの内部循環流動床、並びに前記環状床で生成する合成ガスを逃がすための前記炭化器の内壁及び前記円錐形ホッパーの前記円柱状延長部の外壁によって画定されるバイパス路を有する。一部のそのような実施形態において、炭化器はさらに、ドラフト管を囲む流動化チャーの環状床及び適宜に環状床の表面を所望の高さに維持するために制御された量の空気を供給するための円錐形ホッパーの底部と連通している下降管を有する。一部のそのような実施形態において、円錐形ホッパー及び円柱状延長部は除外されている。
【００３６】
一部の実施形態において、温ガス浄化システムのハライドスクラバーが、キャンドルフィルターの下流に配置されている。
【００３７】
一部の実施形態において、微粉を再循環させるか炭化器のフリーボード体積より大きい値までフリーボード体積を増やすことで、微粉のガス化は増加させる。一部の実施形態において、微粉のガス化を増やすことで、プラント効率又は電気のコストに関してシステムを最適化する。
【００３８】
一部の実施形態において、ＩＧＣＣはさらに、システムの炭化器によって発生するチャーからＣＯ２を除去するための加圧二酸化炭素吸収装置を有する。
【００３９】
一部の実施形態において、加圧二酸化炭素吸着装置はアミンシステムである。
【００４０】
一部の実施形態において、ＩＧＣＣはさらに、炭化器のドラフト管の排出口の上方にチャーデフレクターを有しており、そのチャーデフレクターには、前記デフレクターの表面をその表面に部分的に取り込まれる材料で緩衝することで、チャーによるデフレクターの腐食を最小限とするポケットがある。
【００４１】
一部の実施形態において、合成ガス冷却器のディストリビュータプレートが、耐火材鋳造で生成する合成ガスの通路を画定しており、その鋳造物には構造的支持を提供する冷却剤配管があり、前記冷却剤配管は耐火材における熱応力を最小限にする繊維断熱材で少なくとも部分的に囲まれている。
【００４２】
一部の実施形態において、プラントは、炭化器によって発生するチャーを燃やす既存の蒸気プラントの炉と連通している。
【００４３】
一部の実施形態において、キャンドルフィルター及びハライドスクラバーが温ガス浄化システムの脱硫器の上流に設置されている。
【００４４】
一部の実施形態において、炭化器はスプレイバーを有する。一部のそのような実施形態において、水がスプレイバーによって注入されて、合成ガスを、合成ガス浄化システムに所望の温度まで冷却する。
【００４５】
さらに別の態様において、本発明は、本明細書のいずれかの記載によるハイブリッドＩＧＣＣプラントを含めるよう既存の発電装置を改造する段階（例えば、放出を低下させるよう改造された低定格のプラント）を有する、既存の発電装置の改造方法を提供する。
【００４６】
さらに別の態様において、本発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲のいずれかによるハイブリッドＩＧＣＣプラントを含めるように既存の発電装置をアップグレード又は改造することでＣＯ２放出の低減を実現する方法（例えば、少なくとも約２０％のＣＯ２放出の低減）を提供する。
【００４７】
さらに別の態様において、本発明は、ＣＯ２放出における低減が、再生可能又は他の低放出技術を利用する場合より迅速かつ広範囲に行われる、石炭を用いて新たな発電力を発生させる段階を有する、石炭プラントからのＣＯ２放出の低減を実現する方法を提供する（例えば、少なくとも約３０％のＣＯ２放出低減が実現される）。
【００４８】
開示の発明のさらに別の特徴、機能及び利点については、特に添付の図面と併せて読んだ場合に、下記の詳細な説明から明らかになろう。
【００４９】
開示の発明を当業者が構成し、それを用いるのを助けるため、添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】（Ａ）酸素吹きＩＧＣＣ及び他の空気吹きＩＧＣＣを有する本発明によるハイブリッドＩＧＣＣの例、（Ｂ）主要な種類のハイブリッドＩＧＣＣ、及び（Ｃ）主要な種類のハイブリッドＩＧＣＣの状態を比較する一連の表である。
【図２】本発明によるＩＧＣＣの構成例を描いたフローチャートである。
【図３】本発明によるＩＧＣＣの構成例を描いたフローチャートである。
【図４】本発明によるプロセスフローの例を描いた図である。
【図５】本発明による炭化器の例を描いた図である。
【図６Ａ】本発明による合成ガスの冷却又は脱硫のためのディストリビュータプレートの例の平面図を描いた図である。
【図６Ｂ】本発明による合成ガスの冷却又は脱硫のためのディストリビュータプレートの例の正面図を描いた図である。
【図６Ｃ】本発明による合成ガスの冷却又は脱硫のためのディストリビュータプレートの例の側断面図を描いた図である。
【図７Ａ】出力下げ用に改変された本発明による炭化器の一部の例の図である。
【図７Ｂ】環状床の例を描くための図７Ａの「Ａ」線でのそのような炭化器の断面図である。
【図８】本発明による選炭システムの一例の図である。
【図９】本発明によるチャー製造システムの一例の図である。
【図１０】本発明によるＩＧＣＣの構成例を描いたフローチャートである。
【図１１】本発明による床内脱硫器の一例の図である。
【図１２】ＣＣＳを含む本発明によるハイブリッドＩＧＣＣの一例の図である。
【図１３】本発明に従って使用されるガスタービンの一例における推定運転条件を説明する表である。
【図１４】本発明に従って使用される炭化器の一例における推定条件を説明する表である。
【図１５】他のＩＧＣＣと比較した本発明によるハイブリッドＩＧＣＣの一例の推定プラント効率を描いたグラフである。
【図１６】複合システムの効率に対する既存の蒸気プラントの効率の推定効果を描いたグラフである。
【図１７】同様に定格されたＩＧＣＣに合成ガスを供給するガス化装置又は炭化器の３種類の設計の推定サイズ及び運転パラメータを説明する表である。
【図１８】本発明の合成ガス冷却器の一例を含む２種類の冷却器の推定サイズ及び運転パラメータを説明する表である。
【図１９】プラントの代表的な汚染物、その推定される特徴及び本発明による汚染物除去方法の一例を説明する表である。
【図２０】本発明によるもの一つを含む４種類のプラント設計の推定効率を説明する表である。
【図２１】本発明によるもの２種類を含む７種類のプラント設計の推定水消費を描いたグラフである。
【図２２】本発明によるＩＧＣＣの構成例を描いたフローチャートである。
【図２３】本発明によるＩＧＣＣの構成例を描いたフローチャートである。
【図２４Ａ】本発明によるＩＧＣＣ例の各種部分における推定フロー、温度及び圧力を説明する表である。
【図２４Ｂ】本発明によるＩＧＣＣ例の各種部分における推定フロー、温度及び圧力を説明する表である。
【図２５】空気吹き炭化器、空気吹きガス化装置及び酸素吹きガス化装置の各種推定特性を比較する表である。
【図２６】ガス化装置への推定空気流及び本発明によるＩＧＣＣ例及び従来のＩＧＣＣの合成ガス流量を説明する表である。
【図２７】本発明によるＩＧＣＣの構成例を描いたフローチャートである。
【図２８】本発明による炭化器の例を描いた図である。
【図２９】当業界で公知の２種類の流動床ガス化装置と比較した本発明の流動床ガス化装置（ＭａＧＩＣ（商標名））の例の推定相対サイズを描いたグラフである。
【図３０】本発明による炭化器の例を描いた図である。
【図３１】本発明によるＩＧＣＣの構成例を描いたフローチャートである。
【図３２】本発明による炭化器の例を描いた図である。
【図３３】本発明の温ガス浄化システムの一例の模式図である。
【図３４】本発明の流動床燃焼器の一例の模式図である。
【図３５Ａ】多様なガス化パーセントレベルでの本発明のＩＧＣＣ（ＭａＧＩＣ（商標名））の例の推定高位発熱量（ＨＨＶ）効率を描いたグラフである。
【図３５Ｂ】多様なガス化パーセントレベルでの本発明のＩＧＣＣ（ＭａＧＩＣ（商標名））の例の推定高位発熱量（ＨＨＶ）効率を描いたグラフである。
【図３６】航空転用エンジンを含む本発明のＩＧＣＣの一例の推定効率を説明する表である。
【図３７】本発明のＩＧＣＣ（ＭａＧＩＣ（商標名））の一例及び改造天然ガス複合サイクルプラントにおけるＣＯ２放出に対する出力の推定効果を描いたグラフである。
【図３８】本発明のＩＧＣＣ（ＭａＧＩＣ（商標名））の二つの例及び天然ガス複合サイクルプラントにおけるＣＯ２放出に対する蒸気プラントの能力の推定効果を描いたグラフである。
【図３９】本発明のＩＧＣＣ（ＭａＧＩＣ（商標名））の１の例の推定総水要求量をプラント出力に対して描いたグラフである。
【図４０】既存の蒸気プラント使用を変えることのプラントの出力に対する推定効果を描いたグラフである。
【図４１】追加プラント能力の資本コストに対する推定効果を描いたグラフである。
【図４２】電気の平準化コストに対する追加プラント能力の推定効果を描いたグラフである。
【図４３】本発明のＩＧＣＣ（ＭａＧＩＣ（商標名））の例の推定下側発熱量（ＬＨＶ）効率を平均米国ＰＣプラントに対して描いたグラフである。
【図４４】温和ガス化ＩＧＣＣの一例から二酸化炭素を除去する方法の一例を描いたフローチャートである。
【図４５Ａ】本発明の実施形態の一例からの推定メタン放出を示す表である。
【図４５Ｂ】本発明によるドラフト管から生じるチャーについての低腐食デフレクターの例の模式図である。
【図４６】本発明による合成ガス冷却器及び石灰石脱硫器用のアップグレードされたディストリビュータプレートの一例の模式図である。
【図４７】本発明の温ガス浄化システムの別構成の一例の模式図である。
【図４８】本発明による炭化器の一例の模式図である。
【図４９】チャーの環状床を示す図である。
【図５０】オーバーヘッド流動床を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
本発明は、少なくとも部分的に、クリーンな石炭技術に基づいたものである。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、本発明が現行の技術より安価に新たな電力を発生させ、及び／又は新たな及び既存の両方の石炭火力発電装置からの二酸化炭素（ＣＯ２）放出を炭素捕捉及び貯蔵（ＣＣＳ）を行うことなく２０から３５％低減し、ＣＣＳを行った場合の９０％以上であると考えられている。一部の実施形態において、本発明を用いてあらゆる種類又は燃料の既存の発電装置をするか、独立型の新たなプラントとして用いる。一部の実施形態において、改造に用いる場合、本発明は、燃料とは無関係に、新たな独立のプラントの場合に考えられるよりかなり少ない冷却水を用いることになる。
【００５２】
一部の実施形態において、本発明は、ハイブリッドＩＧＣＣプラントを提供する。本明細書で用いられる場合、「ハイブリッドＩＧＣＣプラント」という用語は、「ハイブリッドプラント」及び「ハイブリッドＩＧＣＣ」と互換的に用いて、ガスタービンに火を付ける合成ガス及び既存の蒸気プラント又は流動床燃焼器等の他のボイラーに火を付けるチャーの両方を製造するプラントを指す。一部の実施形態では、チャーの一部又は全てを、例えばチャーブリケットの製造等の他の目的に用いる。
【００５３】
本発明のハイブリッドＩＧＣＣプラントは、燃料として石炭中の揮発分を保持することにより（例えば、石炭中の揮発分のほとんど又は全て）、他のハイブリッドＩＧＣＣとは異なる。本明細書で用いられる場合、「揮発分」及び「揮発性物質」という用語は互換的に用いられ、炭化水素ガス及び蒸気、並びに他の（非燃料性）ガス（例えば、石炭を十分に高い温度まで加熱した時に石炭から発生するガス）の混合物を指す。炭化水素蒸気の一部は、それが凝縮した時の外観に関連してタールと称される。
【００５４】
代表的には、合成ガスが例えば約９００°Ｆを超える最高凝縮温度より高く維持される限りにおいて、タールは気化状態にとどまる。以前のＩＧＣＣは、低温ガス浄化システムを用いており、それはタールの凝縮温度より低温で動作するものである。従って、そのガス化装置では、合成ガス浄化システムにおける汚染を回避するためにタールを壊す必要があった。一部の実施形態において、揮発分は中間ＢＴＵ燃料、例えば従来の空気吹きガス化装置から生じる合成ガスの発熱量の約４倍を有する約５００ＢＴＵ／ＳＣＦを指す。
【００５５】
以前のＩＧＣＣでは、その低温浄化システムが揮発分の凝縮温度より低温で動作することから、揮発分の除去が必要であった。石炭からの揮発分は代表的には約５００ＢＴＵ／ＳＣＦの密度を有するが、従来の空気吹きガス化装置からの合成ガスは代表的には約１３５ＢＴＵ／ＳＣＦの密度を有する。合成ガス用の温ガス浄化システムが最近開発されており、それは揮発分の凝縮温度より高い温度で動作する。いずれか特定の理論に拘束されることを望むものではないが、温ガス浄化システムによって、炭化器及びガス化装置系統の他の構成要素がタールが凝縮する温度より高い温度で動作することが可能となり、それによって揮発分の保存が可能となると考えられている。
【００５６】
本明細書で用いられる場合、「一つ」及び「一つの」という冠詞は、別段の断りがない限り、「１以上」又は「少なくとも一つ」を意味する。すなわち、不定冠詞「一つ」又は「一つの」によって本発明の構成要素に言及することは、複数のその要素が存在する可能性を排除するものではない。
【００５７】
本明細書で用いられる場合、「プラント」という用語及び「システム」という用語は互換的に使用される。
【００５８】
本明細書で用いられる場合、「改造する」という用語及び「アップグレードする」という用語は互換的に使用される。
【００５９】
本明細書で用いられる場合、「水性ガス」という用語は、ＣＯ及びＨ２の混合物を指す（例えば、チャーのガス化から製造されるガス）。本明細書で用いられる場合、「合成ガス」という用語は、水性ガス及び揮発分の混合物を指す。一部の実施形態において、本発明の合成ガスは、約３００ＢＴＵ／ＳＣＦ以上の発熱量を有する。他では、合成ガスは約３５０ＢＴＵ／ＳＣＦ以上、約４００ＢＴＵ／ＳＣＦ以上、約４５０ＢＴＵ／ＳＣＦ以上又は約５００ＢＴＵ／ＳＣＦ以上の発熱量を有する。一部の実施形態において、合成ガスは約９００°Ｆ以上、約９５０°Ｆ以上、約１０００°Ｆ以上、約１１００°Ｆ以上又は約１２００°Ｆ以上の温度に維持される。一部の実施形態において、炭素転換率は約８０％以上である。本発明の一部の実施形態の合成ガスの高位発熱量は、合成ガス中の揮発分の発熱量によるものである可能性があり、それは従来の空気吹き炭化器で認められる水ガスの数倍高いものである。本発明の一部の実施形態の合成ガスの高位発熱量も、炭化器が必要とする空気が相対的にかなり少ないという事実によるものでもあり得る。
【００６０】
一部の実施形態において、本発明のハイブリッドＩＧＣＣプラントは、最初に炭素捕捉及び貯蔵（ＣＣＳ）を行うことなく動作するよう設計されている。一部の実施形態において、本発明との関連でのＣＣＳの使用によって、石炭プラントからのＣＯ２放出が９０％以上低減され得る。一部の実施形態において、本発明のハイブリッドＩＧＣＣプラントは炭素用であり、従って燃焼後ガス洗浄と比較した場合に炭素捕捉のコストを低減することができる。一部の実施形態において、ＣＣＳに対するアップグレードに関しては、ほとんど又は完全に、次に最も安価な代替のプラントと比較したハイブリッドＩＧＣＣプラント例の節約によって弁済することができる。これによって、ＣＣＳの代価を支払う上での炭素の資本又は金利引き上げの影響を軽減又は排除することができる。そのような効果は、ＣＣＳに関する新たな技術を地球温暖化を懸念するがそれを軽減・防止するための経費のかかる努力に資金を出したくない社会でより受け入れられやすくするものと考えられる。
【００６１】
いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、改造用途において、先進国における既存の蒸気プラントの場合と比較してより高いプラント効率によって、ＣＯ２放出における２０から３５％の低減が実現され、発展途上国での既存の蒸気プラントと比較した場合は４５％という高い割合で実現されると考えられている。一部の実施形態において、本発明のハイブリッドＩＧＣＣのＣＯ２放出は、新たなガスタービン複合サイクルプラントが達成できたと考えられる場合のレベルより低いレベルまで低減することが可能であり、それにより、炭素隔離システムが利用可能となる前であっても、今後短期間で、これはガスプラントに代わる魅力的な代替手段となると考えられる。
【００６２】
概要
一部の実施形態において、本発明は、複合サイクルプラントに供給を行うガス化システムを含むものである。ガス化システムの例には、加圧炭化器、加圧合成ガス冷却器及び加圧合成ガス浄化システムを含む加圧ガス化系統等がある。複合サイクルプラントの例には、ガスタービン及び熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）等がある。ＨＲＳＧは、既存のＰＣプラント、新たに構築されるＨＲＳＧ又は場合によっては既存の蒸気プラントと新たなＨＲＳＧの組み合わせであることができる。一部の実施形態において、ハイブリッドＩＧＣＣプラントはチャーを生産し、それは既存のＰＣプラント又は流動床燃焼器に送られる。
【００６３】
本発明の一部の実施形態についての工程フローシートの一例を図４に示してある。炭化器５６に、石炭１、蒸気７及び空気８を送って、合成ガス１７を製造する。合成ガス１７は、例えば炭化器に圧力容器の上側領域に位置する流動床冷却器中の冷却剤管によって冷却される。
【００６４】
炭化器５６を出た合成ガス１７は、サイクロン７８を通過して流れ、そのサイクロンはチャー微粉５０を除去し、それを冷却し、それをＰＣプラント又は流動床燃焼器に運ぶ。次に、合成ガス１８は、ハライドスクラバー８２、脱硫器８４及び高温フィルター１０２を含む温ガス浄化システムを通って流れる。脱硫器８４には再生器８６があり、その排気流は酸プラント１００に送られて、硫酸３８を生じる。浄化された合成ガスはフィルター１０２を出て、ガスタービンの燃焼器１０４で燃やされる。燃焼器１０４で蒸気を加えて、出力を上げ、ＮＯｘ放出を低下させることができる。あるいは、蒸気（例えば、出力を上げるため）を合成ガスに投入して、それを冷却することができる。合成ガスの一部を、「リサイクルガス」として用いることができ、すなわち炭化器５６の外部バーナーに送って、高温フィルターにおける構成要素の浄化を行うことができる。
【００６５】
過剰のチャー１２は、炭化器５６から冷却器１２８及び空気ロック１２６を通って除去される。そこから、それは運搬されて（５０）改造ＰＣプラント又は流動床燃焼器に至り、粉砕され、適宜に浄化され、燃焼される。チャー１２がＰＣプラントで燃やされる一部の実施形態において、チャーを浄化してから燃焼を行う。既存の蒸気プラントのバーナーを、石炭ではなくチャーを燃やすように変えることができる。既存のボイラーをＨＲＳＧとして用いようとする場合、ガスタービンの煙道ガス中の過剰の空気を用いてチャーを燃やすことができる。煙道ガスはダクトを通って、必要もしくは所望に応じて冷却器を通過した後に断熱管から既存のボイラーに送られる。
【００６６】
外部バーナー及び脱硫器再生器を運転するガス化のための空気は、ガスタービンのコンプレッサーからのものである。ブーストコンプレッサーを用いて、リサイクルガス、ガス化装置、外部バーナー及び脱硫器への空気、そして一部の実施形態において空気圧式運搬に用いられる煙道ガスを加圧することができる。１以上の過熱器を、チャーをガス化するのに用いられる空気及び蒸気を予熱することもできる。
【００６７】
一部の実施形態において、新たな設備の炭化器で発生するチャーを、蒸気発電装置等の別の施設で燃料として用いることができる。あるいはそれを、粉炭プラント又は流動床燃焼器でチャーを燃やす蒸気プラントと統合することができる。流動床燃焼器は代表的には、加圧炭化器由来の低反応性チャー及び高灰分燃料等の難しい燃料について比較的高い耐容性を有する。一部の実施形態での炭化器からのチャーにおける灰濃度は、それが由来する石炭での濃度よりかなり高い。これは、石炭中の灰がチャー中に保持されているためであるが、発熱量のわずかな部分しか保持されていない。ガス化のレベルが高くなるほど、この問題は重大となり、石炭中の灰濃度が高くなるほどそれは重大となる。
【００６８】
一部の実施形態において、加圧流動床の方が、相対的にサイズが小さいために燃焼器のコストが小さいことから大気圧のものより好ましい。炭素捕捉を用いる本発明の一部の実施形態において、流動床燃焼器の煙道ガスの加圧によっても、二酸化炭素吸収装置のサイズ及びコストが小さくなり、隔離に必要な圧力まで二酸化炭素を加圧するのに要求される電力も小さくなる。
【００６９】
チャーを燃焼させる上で既存のボイラーに代えて流動床燃焼器を用いて既存の蒸気プラントを改造することの他の利点には、致命的なシステムであるボイラーがＰＦＢＣ（加圧流動床燃焼器）によって代える時に使用中止となっている場合に生じるプラントの寿命延長等がある。寿命延長は、既存の装置の価値を保全するだけでなく、運転するだけの寿命をなお有しているが改造に見合うほど十分ではない可能性がある改造プラントの経済性をも高めるものである。そのようなプラントは、その残った寿命の間、高レベルの二酸化炭素を放出し続ける可能性があると考えられる。他方、既存のボイラーでチャーを燃焼させることで、流動床燃焼器のコストがなくなる。
【００７０】
炭化器
一部の態様において、ハイブリッドＩＧＣＣは炭化器を利用する。一部の実施形態において、炭化器は合成ガスを生成する。一部の実施形態において、本発明で使用される炭化器は、石炭中の揮発性物質を破壊するのではなく保存するような形で設計及び運転される。一部の実施形態において、炭化器は、バーナー又はバーナー系統３１１及び二つのガス化装置３１２、３１３、例えば並列で動作するガス化装置（例えば図２８参照）という三つの反応器を含む。一方のガス化装置（例えば、熱分解装置３１３）は揮発分を生成し、他方のガス化装置３１２は例えば水性ガス反応によって二酸化炭素及び水素の混合物を生成する。
【００７１】
従来の炭化器では、空気をガス化装置に投入して、不完全燃焼によって流入流を過熱する。揮発分はこの空気によって大部分燃焼するが、残りのタールはその熱分解を行う上で十分な高温でガス化装置を運転することで除去される。一部の実施形態において、揮発分の分解を回避するため、本発明で使用される炭化器で外部バーナーを用いて流入流を過熱して、ある種の実施形態ではその燃焼生成物が酸素を含まないようにする。チャーをガス化するために本発明の一部の実施形態で使用される炭化器に投入される空気は、内部分離器又はドラフト管３５０によって揮発分から分離される。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、三つの反応器を用いることの結果として、流入流をガス化及び加熱するのに必要な空気硫が約２／３減り、合成ガスの体積流量が約１／２減ると考えられている。従って、それによってガス化系統における装置のサイズ及びコストが低くなる。
【００７２】
一部の実施形態において、本発明には流動床炭化器がある（すなわち、流動床を含む炭化器）。流動床炭化器５６の一例を図５に示してある。炭化器５６の一例は、外部燃焼器１４４から生じるガスの流れ（例えばジェット）によって供給されるドラフト管１５０によって画定される内部領域を有する圧力容器１３９（ドラフト管１５０を通過する流れは上方向である）及び熱流動化チャーの外側環状部１４０（固体の流れは通常は下方向である）からなる。やはりチャーをガス化する環状部底部でディストリビュータプレート１４２から投入される蒸気８及び空気７によって流動化が引き起こされて、例えば水性ガス反応によって一酸化炭素及び水素の混合物が生じる。床周囲での固体の流れがドラフト管でのガスによるチャーの同伴によって始まり、環状部と背中合わせのデフレクター１５２による曲がりによって続き、環状部を通る下降流で終わってループが完結する。
【００７３】
流入流（石炭６、空気７及び蒸気８の流入流）を外部燃焼１４４によって加熱することができる。一部の実施形態ではこれは、炭化器５６の周囲に放射状に取り付けられた外部バーナー系統１４４として提供される。バーナー１４４は、バーナー１４４からの流れによってチャー粒子が同伴された時にその粒子を加熱することで、炭化器５６をその設計温度に維持するのに用いられる。中央の配管又はドラフト管１５０が上方流動を促進する。バーナーの頂部は、ドラフト管１５０における開口の直下にある。あるいは、ドラフト管の投入口下の制御された距離で、単一の垂直型燃焼器を設けることができると考えられる。
【００７４】
一部の実施形態において、外部バーナーへの空気及び／又はリサイクルガスの流れを制御して、リサイクルガスを完全に燃焼させて、ＣＯ２及び水蒸気を生成する。炭素を完全に燃焼させるには、ＣＯを生じる従来の空気吹きガス化装置で必要な量のわずか半量の空気を用いる。熱分解がガス化よりエネルギー集約性が低いことから、揮発分の保持によっても、合成ガスの製造に必要なエネルギーが低減される。総合すると、本発明の一部の実施形態の炭化器５６への空気流は、従来の空気吹きガス化装置の場合のわずか３０％である（例えば図２６参照）。
【００７５】
一部の実施形態において、本発明には噴流床流動床炭化器がある。循環を促進するための中央ジェットを有する流動床ガス化装置は、中央ジェットが表面を貫通している場合は「噴流床」と称され、中央ジェットが表面を貫通していない場合は「噴射床」と称される。一部の実施形態において、噴流反応器は、それが反応器中の全体積を混合状態に維持する上で優れていることから本発明との関連で使用される（「全体混合」と称される性質）。例えば、全体混合は直径約４．５７ｍ（１５フィート）の大きさの反応器で行うことができ、その反応器に大きさは、本発明の一部の実施形態との環形で、例えば単一容器から４００−ＭＷ発電装置に供給するのに用いることができる。
【００７６】
一部の実施形態において、噴流床流動床炭化器にはドラフト管がある。噴流床でのドラフト管の使用は珍しいが、それらについてはフルスケール（低温モデル）炭化器で試験が行われて良好であった。これら実施形態でのドラフト管は循環を促進し、環状部で空気から揮発分を単離することで揮発分を保存する。ドラフト管を通る流れは希薄相であることから、その圧力降下は、流動床底部での圧力と比較して低い。これによってチャー循環が促進され、それが次に、炭化器全体を通じてチャー温度を均一に維持する上で役立つ。その混合によって、灰が硬質レンガとなり得るホットスポット又はガス化が非常に遅くなり得る低温領域の発生が回避される。
【００７７】
一部の実施形態では、環状部の底部に投入される蒸気及び空気の流量を計量して、所望の量の水性ガスを提供する。その発熱反応（チャーとの空気の反応によるもの、一酸化炭素を形成）によって生じる熱は、それが吸熱反応（水素を形成する蒸気＋チャー）によって必要とされる熱と等しくなるように調節又は制御することができる。水性ガスはチャーを通過し、炭化器の頂部から出てくることで（例えば、ドラフト管から生じる揮発分とともに）、合成ガスを形成することができる。一部の実施形態において、空気（例えば、空気流８及び１０）からの窒素は合成ガスと混合されたままで残る。
【００７８】
一部の実施形態において、空気及び蒸気がチャー床１４０底部にあるプレナム１４８に投入され、プレナムの頂部表面にあるバブル・キャップ１７０を通って床に入る（例えば図７Ａ参照）。
【００７９】
一部の実施形態において、過剰のチャーは、底部にあるホッパーを介して、制御弁によって決定される速度で炭化器から除去することができる。制御弁の一例には、蒸気流１１の圧力を用いて弁１４６を通過するチャー流を調節する「Ｌ」型弁１４６である。チャー流量は、床の頂部が所望の箇所にあることから、例えば炭化器５６側のレベルセンサーによって制御することができる。一部の実施形態において、その所望の箇所は、ドラフト管１５０の頂部と同じ高さにある。チャーの底部除去が好ましいと考えられ、その理由としては、例えば別の方法を用いると床が脱流動化する可能性があるチャー床１４０での過大径の粒子蓄積の可能性が低下又は排除されるからである。次に、「Ｌ」型弁１４６から、チャーはチャー冷却器１２８を通過することができ、それが蒸気管によって冷却されてから、空気ロックで圧抜きされ、ＰＣプラント又は流動床燃焼器に輸送され得る。
【００８０】
一部の実施形態において、炭化器を運転するため、外部バーナー１４４を点火し、流れを流動化することにより、チャーで満たされた環状部でユニットを始動する。循環並びにチャーの加熱は直ちに始まり得る。床がその運転温度に達した時点で、石炭６を石炭供給配管１４７からドラフト管１５０の底部に送ることができる。高流量の循環チャーによって石炭粒子を被覆し、迅速に加熱することができる。次に、揮発分は、加熱によって放出され、循環するチャー及び新たに揮発分除去された石炭とともにドラフト管１５０の頂部から流れ出ることができる。
【００８１】
一部の実施形態において、粒子がドラフト管を出る時点までに、石炭の熱分解はほぼ完了している。より長い反応時間が必要な限りにおいて、チャー床の上側領域で熱分解をさらに行い、完了させることができる。
【００８２】
図３２について説明すると、一部の実施形態において、本発明の炭化器５５６には、ドラフト管５５０を囲む流動化チャーの環状床；ドラフト管５５０の頂部を超えて延在し、ドラフト管１５０から放出される揮発分の貫通を回避するだけの高さがある円柱状延長部を有する円錐形ホッパー５６１によって画定される流動化チャーの床；及び環状床で生成する合成ガス５１７を逃がすための炭化器５５６の内壁と円錐形ホッパー５６１の円柱状延長部の外壁によって画定されるバイパス路５６２がある。適宜に、炭化器５５６にはさらに、環状床の表面を所望の高さに維持するために制御された量の空気５６４を供給するために円錐形ホッパー５６１の底部と連通している下降管５６３がさらにあっても良い。一部の実施形態において、チャー床５４０は深くなっていることで、それがドラフト管５５０から放出されるジェット５６０の排出口上に延在するようになっている。これによって、例えば腐食が許容できない速度で生じる場合にドラフト管上にデフレクターを設ける必要性をなくすことができる。これは、揮発分中のタールを熱的に分解する上でも役立ち得る。ドラフト管５５０上の円錐形排出口によって、チャー床からの合成ガス５１７を加速することが可能となり、ドラフト管５５０の排出口上の燃焼生成物の表面速度は低下する。一部の実施形態において、この円錐形排出口がないと、炭化器の直径をかなり大きくしなければならないと考えられる。
【００８３】
一部の実施形態において、合成ガスが炭化器を出て、冷却された後、十分に小さいパーセントの蒸気が温ガス浄化システムで業種する温度以上であるが（その場合に十分に小さいパーセントとは下流の構成要素の運転に障害を起こさない程度のタール含有用である）、温ガス浄化システムの最高運転温度以下にそれを維持する。代表的には、これらの条件を満足する温度範囲は、１０００°Ｆから１２００°Ｆである。
【００８４】
一部の実施形態において、炭化器の運転温度は、フェノール類が圧倒的に生成するのを回避するのに十分高いが、多環式芳香族炭化水素等の高分子量化合物の圧倒的生成を回避するのに十分低いものである。一部の実施形態において、この至適運転温度は、１６００°Ｆから１７００°Ｆである。過剰濃度のこれら化合物によって、合成ガス冷却器の下流のガス化装置系統の構成要素における汚れが生じる可能性がある。
【００８５】
上記のように、一部の実施形態において、流動床はドラフト管より上にある。一部のそのような実施形態において、揮発分中のタールの熱的分解は、ドラフト管延長によって行われる。以前は、揮発分中のタールは温ガス浄化システムの温度で蒸発状態に維持可能であると考えられていた。この考え方は、大気圧での揮発分の沸点に関するデータを考えると妥当である。しかしながら、それ以降、揮発分の沸点が圧力によって上昇することが発見された。従って、本発明の一部の実施形態において、タールが炭化器を出る前に、それを熱的に分解して汚染を回避する。
【００８６】
本発明のそのような一実施形態では、ドラフト管１０５０周囲に延在し、タール分解流動床１００４の下に配置されたチャーの環状床１００６を含む炭化器１０５６によって熱的分解が提供される。一部の実施形態において、ジェット１００２がドラフト管１０５０の先端に設けられ、タール分解流動床１００４内に延在している。一部の実施形態において、流動床１００４の深さは、チャー床１００６の深さより十分に小さく、例えばチャー床１００６の約１／３であることで、図４９に示したようにチャーの十分な循環が確保される。
【００８７】
一部のそのような実施形態において、揮発分中のタールの熱分解を、図５０に示したオーバーヘッド流動床で行う。一部の実施形態において、炭化器１１５６は、実質的にドラフト管１１５０の排出口上に位置するデフレクター１１５２を有しており、粗チャーの方向を変えて環状床１１０６に戻す。一部のそのような実施形態において、ほとんどが床１１０６で形成されていると考えられているチャー微粉は、ディストリビュータプレート１１４２を通過し、流動床１１０４に入る合成ガスに同伴されるようになり得る。一部の実施形態において、好ましい流動床１１０４材料はドロマイトであり、それはタールの熱分解を触媒的に促進するものであり、それにより、必要な床深さが小さくなる。一部のそのような実施形態において、ドロマイト粒子は、流動床１１０４での表面速度を従来技術の実施形態で考えられるものより高くできるだけの粗さとすることで、反応器の直径はそのような従来技術の実施形態のものより小さくなる。一部の実施形態において、流動床１１０４中のドロマイトを用いて床を脱硫することも可能であると考えられる。
【００８８】
特定の理論に限定されるものではないが、図５０に示した設計は、それによってドラフト管１１５０でのスラグ床流がなくなり、代わりに希相流がそれに置き換わることから有利である。この置き換えにより、ドラフト管１１５０及び周囲の構造の両方でのスラグ流によって生じる応力が低減し、及び／又は循環チャーと入ってくる石炭との間の混合が改善されて、その脱揮発分が促進され得る。
【００８９】
一部の実施形態において、デフレクター１１５２の形状には、図５０で示した深いポケットがある。使用に際しては、その深いポケットは、材料で充填された行き止まりの通路である。その深いポケットが材料で満たされると、それ以上入ってくる材料は、デフレクター１１５２の表面ではなく、深いポケットに捕捉された材料によって向きを変える。特定の理論に限定されるものではないが、このデフレクター１１５２設計は、デフレクター１１５２の腐食速度を低下させると予想される。
【００９０】
一部の実施形態において、流動床１１０４の深さを制御するためにオーバーフローが提供される。そのようなオーバーフローは、炭化器１１５６からのチャー微粉の放出によって提供されるより、設定温度に床温度を維持するのに多くの石炭が必要な場合に、流動床１１０４の深さを制御することができる。一部の実施形態において、オーバーフローは提供されないが、代わりにセンサーが設けられていることで、チャーの流動床１１０４の深さを測定し、一定レベルで底部円錐体にある開口からの過剰のチャー除去を開始する。
【００９１】
過剰の空気を用いる外部バーナー
間接ガス化は、外部バーナー等の外部エネルギー源を用いて、流入流をガス化装置温度まで加熱する。そのガス化装置はアロサーマル（allothermal）と称され、流入流を加熱するためのエネルギーがガス化装置内の不完全燃焼によって提供されるオートサーマル（autothermal）と称される従来の空気吹き又は酸素吹きガス化装置とは対照的である。一部の実施形態において、アロサーマルガス化装置の方がオートサーマルガス化装置より高い発熱量を有する揮発分を製造することから好ましい。一部の実施形態において、オートサーマルガス化装置が、低温合成ガス冷却器で沈澱する傾向があるタールを通常は破壊することから好ましい。
【００９２】
一部の実施形態において、温和なガス化が、チャー微粉を処理するのに用いられ、その用語が本明細書で使用される場合、チャー微粉の燃焼を指し、そのガス化とは対照的である。チャー微粉は、ガス化装置中の合成ガスの速度によって同伴されるだけの小さいチャー粒子である。一部の実施形態において、そのガス化装置は、チャーの流動床によって囲まれたドラフト管からなる内部循環流動床である。一部の実施形態において、比較的粗い石炭をシステム中に送り、チャーのほとんどがガス化されるまで床に留まる程度に粗い。一部のそのような実施形態において、チャー微粉として床から吹き上げられるだけの微細のものになるチャーは約１０から２０％のみである。従って、本発明の一部の実施形態は、床は完全に反応固体で構成されていることから、ほとんどのチャーをガス化する、非常に高密度の反応器を提供する。
【００９３】
一部の実施形態において、例えば炭素捕捉のために本発明の方法及びシステムを用いる場合、燃焼させるのに外部燃焼器に十分過剰な空気を加える（例えば、ドラフト管で）ことで、揮発分中のタール及び／又は炭化水素蒸気が排除される。タール及び／又は炭化水素蒸気は、シフト反応器で炭素をＣＯ２に変換すべき場合は、一酸化炭素及び水素に変換しなければならない。そのシステムは、凝縮温度が温ガス浄化システムの運転温度を超えるタールが形成される可能性を低下又は排除することもできる。
【００９４】
１９７０年代後半におけるＷａｌｔｚ  Ｍｉｌｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙでの加圧ガス化石炭火力パイロットプラントにおける試験で、空気：石炭の比率を５％まで低くして空気を加えると揮発分にタールが含まれないようにすることが可能であることが示されている。これらの試験によれば、一部の実施形態において、炭化器のその好ましい実施形態により、従来の空気吹きガス化装置のようにメタンの製造を少なくすることもできる。メタン濃度を低下させることで、合成ガスから除去することができるＣＯ２のレベルが高くなる（例えば図４５Ａ参照）。
【００９５】
最も一般的な間接ガス化装置は、二つの相互接続された反応器を用いるものであり（例えばJose Corella et al., Ind. Eng. Chem Res. 2007, 46, 6831-6839参照）、一つは燃料をガス化するためのものであり、他方はチャーを燃やして熱を提供するものである。循環固体、代表的には不活性床材料がそれら二つの間で熱を伝達するが、ガスは別個の導路を通って各反応器を出る。他の設計は、単一容器内に二つの反応器を組み込むが、やはり燃焼生成物と合成ガスには別個の排出口を用いる。外部排気口を使用すると加圧ガス化装置を有する別個の浄化システムが必要となり、加圧煙道ガスに含まれる多くのエネルギーを浪費することになると考えられる。従って、本発明の一部の実施形態において、燃焼生成物をガス化装置中に混合する。
【００９６】
従って、一部の実施形態において、過剰の空気を用いる外部バーナーが本発明のＩＧＣＣプラントで使用される。そのような外部バーナーは、空気を提供して揮発分中のタールを燃焼させることができる。一部の実施形態において、バーナーの排出口はドラフト管の入口に対向している。一部の実施形態において、バーナーの排出口は、完全燃焼リサイクルガスを含む。リサイクルガスを使用することで、石炭又はチャーを用いた場合に生じると考えられるスラグ形成を排除することができ、バーナーによって燃料を完全に燃焼させることができることから、合成ガス中の炭素はＣＯ２に変換される。完全燃焼する炭素は、燃焼してＣＯを生成する場合（例えば、オートサーマルガス化装置で）に考えられる燃焼空気／ＢＴＵの約半量を必要とするのみである。
【００９７】
一部の実施形態において、約５％より高いレベルで（例えば、５％よりかなり高い、例えば約７％、約１０％、約１５％、約２０％）でも過剰の空気を用いる外部バーナーの使用が、合成ガス中のタールを除外して、それを炭素捕捉に好適なものとする上で必要となり得る。一部の実施形態において、過剰の空気が十分に揮発性物質を燃焼させて炭化水素蒸気を排除し、チャー床での水性ガス反応用の熱の一部を提供する。従って、一部の実施形態において、過剰の空気を用いる外部バーナーを使用することで、チャー床面積が小さくなる（例えば、チャー床を通る体積流量を低下させることで）。過剰の空気を用いる外部バーナーを用いることで、チャーが不完全燃焼によってガス化されることがなくなることから、タール床への蒸気流の必要量が増えることにより炭化器が要求する空気流も増える可能性がある。過剰の空気を用いる外部バーナーを用いることで、より多くの水素（例えば、水性ガス反応への熱が全てチャー床に投入される空気によって提供される場合に製造されると考えられる水素より多い）も製造され得る。より多くの水素を有するということは、シフト反応器で変換されるべきものが少ないことを意味し、それはユニットをＣＣＳに改良する際の効率損失を低くするものである。水性ガスシフト反応器でのエネルギー損失は、炭素捕捉を提供するための本発明の一部の実施形態の改良の最大効率損失を表す可能性がある。
【００９８】
過剰の空気を用いる外部バーナーを用いることで、急速冷却を行うこともできる。ＣＣＳの改良において、シフト反応器で必要とされるこの上記に要求されるボイラー能力が低減又は除外されることから、炭化器のフリーボードに水を直接吹き付けることで生じる急速冷却に、合成ガス冷却器を代えることができる。過剰の空気を用いる外部バーナーを用いることは、合成ガスの発熱量に対して無視できる程度の効果しか持たない可能性もある。代表的には、ドラフト管に加えられる空気が多いほど、合成ガスの発熱量が低くなり、温ガス浄化システムにおける装置の大きさは大きくなる。タールを排除するのに必要と予想される過剰空気が比較的低量であると、この効果は小さいものになると考えられる。
【００９９】
合成ガス冷却器
一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣには、合成ガス冷却器１３８がある（例えば、図５参照）。合成ガス冷却器１３８は、例えば炭化器圧力容器の上部領域に配置された埋め込み冷却剤管を有する流動床１５６であることができる。冷却剤１５は冷却剤管に入り、蒸気１６として出ることができる。流動床は、合成ガスを通過させることができるディストリビュータ１５４に取り付けることができる。流動床１５６は例えば、低シリカ顆粒で構成することができる。一部の実施形態において、自由流動材料の一定の在庫を維持するのに時々必要となり得る材料（例えば、低シリカ顆粒）以外の床への又は床からの供給はない。一部の実施形態において、合成ガス冷却器１３８は、炭化器容器内に配置（例えば、搭載）されており、それによって、他の形態では必要になると考えられる炭化器と冷却器の間の維持費のかかる高温導路の必要性がなくなる。
【０１００】
例えば本発明の一部の実施形態の合成ガス冷却器１３８で使用されるディストリビュータプレート１５４の一例を図６Ａから６Ｃに示してある。ディストリビュータ１５４は、傾斜管又はノズルの列１６２からなり、それらの水平に対する角度は、床材料の床材料の安息角より小さい。そのような構成は、運転停止時にディストリビュータを通過する床材料の漏出を妨害又は防止することができる。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、ディストリビュータを通っての直接通過を用いることで、合成ガス中での微粒子による蓄積が妨害又は防止されると考えられている。そのような蓄積は、ガスの方向に変化がない従来のバブル・キャップでは起こり得る。管は、フィン１５８及び管１６４の溶接組立物であるひれ付き管列上に取り付けることができる。管を流れる冷却剤は、プレートを冷却状態に、そして構造的に無傷の状態に維持することができる。その管組立物は、絶縁体１６６によって床及び周囲のガスから絶縁することができる。管も、ひれ付き管組立物から絶縁して、タールの凝縮を回避することができる。一部の実施形態において、設計及び汚染回避での有効性は、二重床流動床燃焼器で記載のものと同一又は類似のものである。
【０１０１】
一部の実施形態において、流動床冷却器は、従来のシステムで使用される水−管熱交換器より高い熱伝達係数を有する。一部の実施形態において、流動床冷却器は、従来のシステムで使用される水−管熱交換器より低い合成ガス体積流量、従って低い熱伝達を有する。一部の実施形態において、流動床冷却器は、従来の空気吹きＩＧＣＣの場合より低い合成ガス温度差を有する。結果的に、一部の実施形態において、流動床冷却器は、従来のシステムで使用される水−管熱交換器の大きさの１／１０と小さい（例えば図１８を参照）。低温であることで、必要な冷却配管が少なくなることから、冷却剤としてボイラー供給水を蒸気の代わりに用いることができる。供給水は床内配管内で沸騰する可能性があり、供給水流量を調節することで、その排出口温度を制御することができる。
【０１０２】
一部の実施形態において、従来の合成ガス冷却器、例えば煙管ボイラーは、揮発分凝縮によってタールの蓄積が引き起こされる可能性があるために、本発明では用いられない。従って、一部の実施形態において、流動床の乱流により、蓄積が起こらないようにする。
【０１０３】
一部の実施形態において、図４６に示した別形態の流動床合成ガス冷却器を、本発明のＩＧＣＣとの関係で用いる。耐火材挿入物を用いて合成ガスの絶縁を行う代わりに、合成ガスが流れる開口１０２０を耐火材１０２１に成形する。耐火材組立物は、例えば埋め込み蒸気管１０２２によって支持することができ、それは繊維絶縁体１０２３によって囲むことで熱応力を回避することができる。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、その新たな設計は、これまでの設計と比較して、頑丈であり、高塩素石炭からの腐食による故障を起こし難く、支持冷却剤配管の冷却効果から投入口を絶縁する上で良好であると考えられている。
【０１０４】
別の実施形態では、合成ガスは、流動床冷却器によらずに合成ガス中への冷却剤の直接の投入によって冷却される。直接投入の使用によって、流動床冷却器のコストがかからないようにすることができ、それを囲む圧力容器の直径及び高さの両方を小さくすることができる。一般的には、高圧蒸気を空気吹きＩＧＣＣの燃焼器に注入して、その出力を上げる。代わりに冷却剤を炭化器の排出口に注入することは、合成ガスの冷却及び出力上昇という両方の目的に役立つ。
【０１０５】
さらに別の実施形態では、高温蒸気のジェットを炭化器を出る合成ガスに投入し、そのジェット流は蒸気と合成ガスとの混合度が高くなるように設計される。あるいは、噴霧バーを用いて冷却剤を投入することができ、水を蒸気の代わりに用いることができる。水を用いることで、投入される冷却剤用の脱塩装置とそれを加熱するボイラー表面が必要なくなるが、それによって複合サイクルプラントの出力が低下する。一部の実施形態において、合成ガス冷却器は、従来の煙管熱交換器と比較して約２０％の熱伝達配管しか使用しない。一部の実施形態において、その差の１／２以上が、煙管冷却器での対流熱交換と比較した流動床熱交換器の高い熱伝達速度によるものである。一部の実施形態において、熱伝達配管の減少は、流動床の洗浄作用により、煙管冷却器で起こる蓄積が除かれる流動床熱交換器で汚染がないためでもある。一部の実施形態において、熱伝達配管の減少はさらに、温ガス浄化によるものでもあり、それによって、低温ガス浄化システムで必要な冷却剤とほぼ同じ温度までガスを冷却する必要がなくなる。一部の実施形態において、熱伝達配管の減少によって、合成ガス冷却器の大幅なコスト削減となる。
【０１０６】
合成ガスサイクロン
一部の実施形態において、本発明は合成ガスサイクロンを含む（例えば図４参照）。特により高いレベルのガス化で、一部のチャーを炭化器から放出することができる。フライアッシュとは異なり、チャーのほとんどが、サイクロン７８で捕捉される程度の粗さを有する。サイクロン捕捉物４９を冷却器８０で冷却してから、チャー冷却器を出るチャー４７と合わせることができる。次に、その二つの流れを、運搬ライン５０によってＰＣプラント又は流動床燃焼器に運搬することができる。
【０１０７】
ハライドスクラバー
一部の実施形態において、本発明はハライドスクラバーを含む（例えば図４を参照）。ハライドスクラバー８２は、塩化水素及び他のハロゲン化物を除去することができる。一部の実施形態において、ハライドスクラバー８２は、二つの１００％能力圧力容器から構成され、それぞれナーコライト又はトロナ（有効成分が重炭酸ナトリウムである鉱物）のペブルベッドが充填されている。一方の容器は、吸着剤が飽和されるまで使用状態とすることができ、公称の使用期間は２ヶ月である。第２の容器は、パージし、冷却し、使用済み床材料を抜き取り、再充填することができる。それらの容器は、ハライドスクラバーに適した大きさであることができ、例えば直径約１．５、３．０、４．６又は６．１メートル（５、１０、１５又は２０フィート）及び高さ約３．０、６．１、９．１又は１２．２メートル（１０、２０、３０又は４０フィート）とする。一部の実施形態において、その容器は直径約４．０メートル（約１３フィート）及び高さ約７．６メートル（約２５フィート）である。それらの容器は、ハライドスクラバーに適した材料で製造されることができ、例えば安定化等級のステンレスの内側ライニング及び耐火材ライニングを有する炭素鋼である。
【０１０８】
輸送脱硫器
一部の実施形態において、本発明は輸送脱硫器を有する（例えば図４を参照する）。輸送脱硫器８４は、例えば石油精製所で通常使用される反応器設計を用いることができる。一部の実施形態において、輸送脱硫器８４は、合成ガス中の硫黄化合物が吸収される吸収装置ループ（例えば、亜鉛系吸着剤の粒子によって）及び吸着剤を再生させる再生器ループからなる。吸着剤の有効成分は、吸収装置中で硫化亜鉛に変換され、再生器で酸化亜鉛に戻ることができる。
【０１０９】
各ループは、ライザー（それぞれ９０及び９６）、サイクロン（それぞれ８６及び９２）、及びダイプレグ（dipleg）（それぞれ８８及び９４）からなるものであることができる。吸着剤は、サイクロン８６、９２で分離された各ライザー９０、９６の底部に入る流入ガスを投入され、ダイプレグ８８、９４底部で再投入を受け得る。ライザー９０、９６は、比較的希釈状態で運転することができ、空隙率は約９５％である。吸収装置を通って流れる吸着剤の約１０％は再生器を通って連続的に循環させることができ、一部の実施形態では、吸着剤粒子の有効成分の約１０％のみを反応させ、それからそれを再生する。一部の実施形態において、これらの条件の結果、捕捉効率は約９５％を超え、例えば約９６％、約９７％、約９８％、約９９％又は約９９．９５％より高い。一部の実施形態では、その条件によって約９９．９％を超える捕捉効率が得られる。
【０１１０】
一部の実施形態において、吸収はＷＧＣＵの残りとほぼ同じ温度で起こるが、再生での反応は発熱的である。従って、一部の実施形態において、ＷＧＣＵでのガスは約１３００°Ｆ、例えば約１４００°Ｆ又は約１５００°Ｆに達する。ある種の実施形態では、ＷＧＣＵでのガスは約１４００°Ｆに達する。再生器を出たガスは、二酸化硫黄を含み得る。一部の実施形態において、再生器を出たガスを冷却器９８で冷却してから、酸プラント１００に送る。あるいは、再生器を出たガスを、処理プラントで還元して元素状硫黄とすることができる。
【０１１１】
酸プラント
一部の実施形態において、本発明は酸プラントを含む（例えば図４を参照）。酸プラント１００は、再生器ガス中の二酸化硫黄を硫酸３８に変換する。元素状硫黄を作るプラントとは異なり、酸プラントは、かなりの量の蒸気を生じる。その蒸気は、二酸化硫黄が例えば約８００°ＦでＳＯ３に変換される際の一連の触媒反応で製造され得る。蒸気３７は捕捉及び再使用することができて、本発明の一部の実施形態の効率はさらに改善される。一部の実施形態において、硫酸ではなく元素状硫黄を生じる酸プラント１００の別形態であるクラウスユニットを本発明で用いる。
【０１１２】
金属キャンドルフィルター
一部の実施形態において、本発明は金属キャンドルフィルターを含む（例えば図４を参照）。金蔵キャンドルフィルター１０２は、フライアッシュ及び破砕吸着剤を除去するのに用いられる多孔性構造系統である。一部の実施形態において、個々のフィルターは、焼結されている合金篩の層から構築されている。得られる肉厚構築物によって、並外れて高い回収効率を得ることができる。バグハウス又は繊維フィルターのように動作させて、フィルターをリサイクルガス５５の高圧パルスによってクリーニングすることができ、そのパルスによって表面上のフィルターケーキが遊離し、ビンの中に落下して除去される。各フィルター要素上の自動弁が、漏れ出た場合にそれを自動的に単離することができる。弁は、起こる場合にはタービン羽根の損傷を回避する上で十分迅速に動作し得る。
【０１１３】
ガスタービン 
一部の実施形態において、本発明にはガスタービンがある（例えば図４を参照）。最初に天然ガス複合サイクル発電装置（ＮＧＣＣ）として使うために開発されたガスタービンをＩＧＣＣに用いることができる。ガスタービンが１９６０年代に導入されて以来、ガスタービンの能力及びタービン投入口温度は高くなり続けており、ｋＷ当たりコストを下げながらその効率は高くなってきた。本発明の一部の実施形態の性能を説明するのに用いられる計算で使用されるガスタービン６２は、シーメンスＳＧＴ６−６０００Ｇ型（以前はＳｉｅｍｅｎｓ−Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ  Ｗ５０１Ｇ）に基づいたものである。
【０１１４】
一部の実施形態において、本発明との関係で合成ガスで用いるガスタービンは変更せずに運転することができる。他の実施形態では、ガスタービンに変更を加える。例えば、ガスタービンについて、エキスパンダの入口羽根を通る流路を広げる変更を加えることで、合成ガスのより高い体積流量を処理できるようにする。これによって失速マージンを高くし、炎切れの危険性を低下させることができる。合成ガスで運転するガスタービンでは、天然ガスで運転するタービンと比較して流量及び出力を高くすることができる。一部の場合で、これがタービンシャフトのトルク限界に近づく可能性がある。
【０１１５】
合成ガスを用いる一部の実施形態において、通常は天然ガスとの予混合設計（ＮＯｘ放出を軽減するため）のものである燃焼器１０４を用いることができ、合成ガスとのノズル混合（又は拡散設計）であることで、合成ガス中の水素による後炎を回避するものでなければならない。一部の実施形態において、拡散バーナーであっても、ＩＧＣＣについて確立されているＮＯｘ基準（１５ｐｐｍｖ）を満足することができる。一部のガスタービンは、合成ガス中の水素によって生成する水分による高温腐食を受ける可能性がある。一部の実施形態において、使用されるガスタービンは、合成ガス中の水素によって生成する水分による高温腐食を受けないように作製する。
【０１１６】
合成ガスで運転するガスタービンは、その発熱量が低すぎると炎切れを起こす可能性があり、従来の空気吹きシステムからの合成ガスはこの限界に近づく場合がある。一部の実施形態において、生成される合成ガスは、炎切れを回避するのに十分高い発熱量を有する。一部の実施形態において、本発明によって生成する合成ガスは、約３００ＢＴＵ／ＳＣＦの発熱量を有する。
【０１１７】
流動床燃焼器
本発明の一部の実施形態において、炭化器からのチャーが、ＰＣプラントの既存の蒸気プラントに代えて加圧流動床燃焼器（ＦＢＣ）で燃やされる。一部の実施形態において、流動床燃焼器３０は、図３４に示した構成を有する。例えば、一部の実施形態において、バブリング床システムに代えて循環流動床を用いて、チャー微粉が床材料によって囲まれる時間を最大とし、それによって微粉の燃焼を促進する。一部の実施形態において、リターンループでの熱交換器は、大気ＦＢＣのものと同様である。一部の実施形態において、チャーを冷却・粉砕してから、それをＦＢＣに送ることで、炭素変換効率を最大とする。
【０１１８】
ハイブリッドＩＧＣＣには二つの主要な変形型があり、部分ガス化ＩＧＣＣ（最新型加圧流動床燃焼器ＩＧＧＣ又はＡＰＦＢＣとも称される）及び温和ガス化ＩＧＣＣである。ＡＰＦＢＣでは、石炭からの灰及び他の汚染物が流動床燃焼器から発生するガス流から除去され、ガス化装置はガスタービンによって必要とされる温度までガスを加熱することでこのガスを「仕上げる」ためのみに使用される。代表的には、大半の石炭が流動床燃焼器で消費されることから、ガス化のレベルは低い。効率的にするためには、合成ガス浄化システムの温度は高くなければならず、代表的には１６５０°Ｆとするが、長年の努力にも拘わらず、そのような高温で有効な信頼できるフィルターはこれまで開発されていない。
【０１１９】
温和ガス化ＩＧＣＣの変形型には、通常は大気圧ＦＢＣを用いる空気吹きガス化複合サイクル（ＡＢＧＣ）及び通常は加圧流動床燃焼器を用いるガス化流動床複合サイクル（ＧＦＢＣＣ）等がある。本発明の一部の実施形態では、ＧＦＢＣＣを用い、それにはチャー微粉を燃やす加圧流動床燃焼器等がある。ＧＢＦＢＣでは、灰及び他の不純物を合成ガスから除去する。ＧＦＢＣＣのガス化装置からの流量は代表的には、ＡＰＦＢＣからのものよりかなり小さいものであり、その理由としては、後者は燃焼に必要な空気を含むが、前者は含まないということである。次にそれによって、プラントの効率をほとんど低下させることなく、市販の合成ガス浄化システムを運転させる温度まで合成ガスの温度を下げることが可能となる。しかしながら、この利点は一般には認識されておらず、例えばthe 18th International Conference on Fluidized Bed Combustion, Paper No. FBC2-5-78088, May 2005からの予稿集を参照する。
【０１２０】
従って、一部の実施形態において、容器の大きさ及びコストを小さくするためには、大気圧流動床燃焼器（ＡＦＢＣ）より加圧ＦＢＣの方が好ましい。ＦＢＣの排気を蒸気発生にではなくガスタービンへの電力供給を助けるように使うことができる場合、プラント効率も、ＡＦＢＣシステムの場合より高くなる可能性がある。図３５Ａ及び３５Ｂでわかるように、ＦＢＣ中の過剰の空気の使用を増やすことでプラント効率はやや向上するが、理由としてはそれによって発生する蒸気の量が低下するからである。しかしながら、その過剰の空気によってＦＢＣの大きさ及びコストが大きくなることから、一部の実施形態において、中間レベルの過剰空気でシステムを最適化する。
【０１２１】
一部の実施形態において、内部循環流動床を温和ガス化と組み合わせる。一部のそのような実施形態において、チャーの燃焼は空気吹きガス化装置の温度でそれをガス化するより１００万倍以上速いことから、例えばボイラーと比較して必要な反応器体積がそれに応じて小さいため、内部循環流動床の利点を温和ガス化と組み合わせる。
【０１２２】
補助システム
一部の実施形態において、方法又はシステムは、１以上の補助コンプレッサーを含むことができる。一部の実施形態において、ブーストエアコンプレッサー１２０並びにリサイクルガスコンプレッサー１３０及び１３４を用いて、ガス化装置系統を通っての圧降下を克服する（例えば図４を参照）。コンプレッサーの上流にある冷却器１２０、１２２及び１３２を用いて、効率を高め、コストを低下させることができる。一部の実施形態において、第１のリサイクルガスコンプレッサーの前方では冷却器を用いずに、タール蓄積を回避する。煙道ガスコンプレッサー１１０を用いて、空気圧でチャーをＰＣプラント又は流動床燃焼器に運搬することもできる。煙道ガスは、例えばＨＲＳＧ又は蒸気プラントの煙突からのものであることができる。 
【０１２３】
本発明の一部の実施形態は、１以上の熱交換器を含むことができる。一部の実施形態において、主熱交換器１２８、１３８及び２４４がチャー及び合成ガスから熱を回収する。酸プラント１００では、かなりの量の熱交換も起こり得る。
【０１２４】
本発明の一部の実施形態は、１以上の冷却器を含むことができる。冷却器には、チャー冷却器１２８、チャー微粉冷却器８０及び再生器−排出口ガス冷却器９８等があるが、これらに限定されるものではない。冷却器からの蒸気を用いて、蒸気タービン用の蒸気を発生させ、合成ガスを冷却することができる。一部の実施形態において、廃熱を再循環して、例えば過熱器１１６によってガス化装置に入る流れを加熱する。一部の実施形態において、廃熱を用いて、蒸気流７及び空気流８を過熱し、それらの流れは炭化器５６に送られてチャーをガス化する。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、炭化器への流れを予熱するのに廃熱を利用することで変換効率は最も高くなり、外部バーナー燃料の必要性も低下し、従ってガス化装置への空気流及び相当する合成ガス流量が低くなると考えられている。一部の実施形態において、進入する石炭は、揮発分が放出される温度以下の温度まで加熱され、例えば約７００°Ｆより下、例えば約６５０°Ｆより下、約６００°Ｆより下、約５５０°Ｆより下、又は約５００°Ｆより下である。一部の実施形態において、進入する石炭は約５００°Ｆ以下の温度まで加熱される。
【０１２５】
一部の実施形態において、合成ガス冷却器２４４を用いて、ガスタービンからのコンプレッサー排気２７を過熱する。一部の実施形態において、例えば図８でわかるように、石炭を乾燥させ、予熱する。
【０１２６】
一部の実施形態において、外部バーナーへの空気流は過熱されないようにして、ＮＯｘ放出を最小とする。さらに別の実施形態では、流動床冷却器１３８では空気管用の十分なスペースが使えない場合があることから、合成ガス冷却器５８用の冷却剤は蒸気であり、空気ではない。
【０１２７】
本発明の一部の実施形態はチャー冷却器を含むことができる。一部の実施形態において、チャー冷却器１２８は、移動床熱交換器を有する圧力容器である。例えば、一部の実施形態において、チャー粒子は熱交換器の配管を通って落下し、送られるより急速に容器底部から材料を除去することで自由落下状態に維持されて、熱交換器の充満が回避される。一部の実施形態において、熱伝達は逆流式で行われ、水１３が冷却器の底部で進入し、過熱蒸気１４が頂部を出る。
【０１２８】
一部の実施形態において、例えば空気ロック、ポンプ等の追加の構成要素を本発明との関連で用いる（例えば、図４のフローチャート例との関連）。そのような構成要素を用いて、ガス、流体及び固体の流れを提供及び／又は制御することができる。本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、本発明の一部の実施形態のハイブリッドＩＧＣＣで別の構成要素を用いることができる。
【０１２９】
本発明の一部の実施形態の燃料の例
本発明の一部の実施形態は、あらゆる等級の石炭並びにバイオマスに適している。しかしながら、一部の実施形態において、本発明は石油コークス（反応性が低すぎる場合がある）又は都市固形廃棄物（流動化させるには不均一すぎる場合がある）に用いるのに適さない場合がある。一部の実施形態において、本発明は、石油コークス又は都市固形廃棄物を石炭と一緒に燃焼させない限り、石油コークスや都市固形廃棄物の使用には適さない。
【０１３０】
本発明の一部の実施形態のハイブリッドＩＧＣＣが適している燃料には、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭、亜炭、クリンカー（clinkering）、高灰分石炭、バイオマス及び高水分石炭等があるが、これらに限定されるものではない。
【０１３１】
瀝青炭及び亜瀝青炭は、使用において特別な方法を必要としない。しかしながら、石炭の等級は装置の大きさ及び運転条件に影響する。石炭の反応性は等級が上がるにつれて低下することから、非常に高レベルのガス化が要求される場合は、比較的低い等級の石炭が好ましい。さらに、石炭の等級が高くなるに連れて、石炭の揮発分の含有率が低下し、それはより多くのガス化が必要であり、そしてそれによってチャー床の断面積が大きくなることを意味する。
【０１３２】
褐炭（又は亜炭）の高い含水量（６０重量％以上）及びナトリウム含有率のため、特別な処理が必要となる可能性がある。熱のみを用いる従来の乾燥機は、燃料集約型であるとともにコストが高いことから望ましくない。一部の実施形態において、１９８０年代にドイツの会社であるＲＷＥが開発した蒸気流動床乾燥（ＳＦＢＤ）が褐炭又は亜炭の処理に用いられる。ＳＦＢＤは、逆に熱ポンプとして記載されている。最も最近のバージョンは、「微粒子ＷＴＡ」と称される。ＷＴＡは石炭を比較的に低い水分レベルまで乾燥し（１２％という低値）、ほとんどエネルギーを使わない（１２．２ｋＷ／ｋｇ／ｓ原炭）。
【０１３３】
いずれも通常はナトリウム含量が高い亜炭及びバイオマスを燃やす流動床ガス化装置では、ナトリウムが灰中のケイ酸塩と結びついてクリンカーを形成する。これを避けるため、微粉砕カオリナイト及び／又は方解石粉末を炭化器のフリーボードに投入して、ナトリウムの「捕捉剤」として用いることができる。次に、その粉末をフィルターでフライアッシュとともに回収する。その粉末はワンススルー方式で用いなければ粘稠になる可能性があることから、その方式で用いることができる。
【０１３４】
酸素吹きＩＧＣＣの合成ガス冷却器では、冷却損失が非常に大きいことから、酸素吹きガス化装置は高灰分石炭には適さない。これに関して、本発明の一部の実施形態は、温度降下及び合成ガス冷却器を通るマスフローの両方を小さくすることができることから、高灰分石炭用のいずれのＩＧＣＣにも最適である。しかしながら、一部の実施形態において、チャーの発熱量の４０％以上がドラフト管で除去されていることから、既存のＰＣプラントに行くチャー中の灰の量は、それが取って代わる石炭よりかなり多い。
【０１３５】
木材又はスイッチグラス等の従来生産されるバイオマスは、石炭より数倍コストが高い。しかしながら、それを用いると隔離の必要がなくなることから、炭素捕捉が義務化されたら、それは現在より競争力が高くなるものと考えられる。バイオマスの重要な利点は、長期にわたり、又はバイオマスはあるが石炭がほとんどない国で、石炭に対する代替物を提供することができる可能性があるという点である。元来石炭を燃やすよう設計されたプラントでバイオマスを使用可能とするには、主として蒸気の燃料供給システム及びクリンカー防止手段に、ごくわずかな変更を加える必要があるだけであると考えられる。
【０１３６】
出力下げ
電気の蓄積が通常は実用的でない限りにおいて、出力下げはあらゆる種類の発電装置で主要な問題である。従来の蒸気プラントは、効率変化をほとんど伴わずに定格能力の２０％という低いレベルまで調節することができるが、複合サイクルプラントのガスタービンの効率はスループットの低下を伴って急速に低下する。そのために、ガスタービンピーキングプラントを用いる必要が生じるが、それはコストの高い燃料を用いるものであり、効率が低い。
【０１３７】
一部の実施形態において、本発明のハイブリッドＩＧＣＣは、石炭供給速度の低下とガス化速度の上昇を同時に行うことで出力下げを行い、なおも高い効率を維持することができる。従って、ガスタービンへの燃料エネルギーを一定としながら、ＰＣプラントに供給されるチャーとその電力生産が低下するようにすることができる。
【０１３８】
これを実施するため、本発明の一部の実施形態の炭化器における環状床は、図７Ｂに示したように、放射型分離器１７２によって形成される一連の分離された弧状区画からなるものであることができる。分離器１７２によって作られる区画は、所要電力に応じて個別に流動化させることができる。全負荷状態では、最大量の合成ガスがドラフト管での熱分解によって生じることから、一部の区画がスタンバイ状態のままとなり得る。負荷が低下するに連れて、スタンバイ区画でオンとなるものの数を増やすことができる。図７Ｂには、大きさが等しい区画を示してあるが、より細かな制御を行うため、それらを異なる大きさで作ることが可能である。スタンバイ状態の区画は、それに空気を短時間投入することで定期的にオンとすることで、区画温度を炭化器の設計点近くに維持することができる。
【０１３９】
水銀
合成ガスはタール凝縮温度以下とする必要があることから、本発明の一部の実施形態では使用できない低温プロセスが、従来のＩＧＣＣで使用される水銀除去の技術では用いられる。従って、一部の実施形態において、本発明は、選択的触媒反応器（ＳＣＲ）、ファブリックフィルター又は電気集塵装置（ＥＳＰ）、及び／又はＰＣプラントの煙突での煙道ガス脱硫器（ＦＧＤ）を用いる相乗効果的水銀捕捉を提供する（例えば図１２を参照）。一部の実施形態において、例えばＳＣＲ、ＥＳＰ及び／又はＦＧＤを用いる実施形態において、本発明の水銀捕捉によって、特別な処理や追加的な処理を行わずに約９０％の水銀が除去される。代替法又は追加処理は、煙突２５８の前にボイラーの煙道ガスに化学処理された活性炭を投入するというものである。多くの石炭プラントが年間でほんの数ポンドの水銀した生産しないことから、これは実行可能な選択肢となり得る。空気吹きガス化装置からのチャーは市販の活性炭で使用されるチャーと反応性がほとんど同じであることから、本発明の一部の実施形態によって製造されるチャーを用いることで、コストをさらに削減することができる。
【０１４０】
別の選択肢には、図８の選炭システム及び図９のチャー製造システム等があり、それらについてはいずれも後段のセクションで説明する。
【０１４１】
ガス化のレベル
一部の実施形態において、至適なガス化レベル（例えば改造装置で）は、石炭の火炎温度とほぼ同じ火炎温度を生じるガス化のレベルになると考えられる。代表的な用途では、これは約７０％のガス化レベルに匹敵する。本明細書で用いられる場合、「ガス化のレベル」という用語は、複合サイクルプラントに行く石炭におけるエネルギーのパーセントを指す。バランスは通常はチャーに行き、次にそれを燃焼させることができる（例えば、ボイラー／チャー燃焼器で）。ワンススルーガス化装置でガス化させることができるガス化の最大レベルは代表的には、石炭の反応性並びに石炭供給の粒度分布によって決まる。
【０１４２】
チャーを流動床燃焼器で燃焼させるＰＣプラントの改造型では、ガス化レベルを最大として（例えば図３５Ａ及び３５Ｂを参照）、改造プラントのプラント効率を最大とすることにより、ＣＯ２放出も最小とすることができる。原則的に、石炭が完全にガス化されると効率は最高となる。しかしながら、酸素に代えて空気を用いてチャーのガス化を行う炭化器（例えば、本発明の一部の実施形態の空気吹き炭化器）の温度ではチャー微粉のガス化は遅いことから、全てのチャー微粉をガス化しなければならない場合、ガス化装置はかなり大きなものとなり、それによって、炭化器の大きさ及びコストが大幅に大きいものとなる可能性がある。
【０１４３】
この効果の一例を図２９に示してある。温和ガス化によって燃焼器でのチャー微粉の変換が行われ、その反応速度は非常に大きいことから、反応器の体積はかなり小さいものとなる。そこで、微粉のガス化にほとんど追加の体積を用いず、微粉をリサイクルしない炭化器は、ワンススルー炭化器と称される。ワンススルー炭化器は、８０から９０％のガス化レベルで運転し、低等級石炭でより高い値となることができる（例えばChristopher John Mill, Pyrolysis of Fine Coal Particles at High Heating Rate and Pressure, Doctoral thesis, Univ. of New South Wales, Sep. 2000, p 34参照）。従って、現在の分析では、８５％のガス化レベルを用いる。従って、一部の実施形態において、温和ガス化複合サイクル発電装置でのガス化レベルは、７５％のガス化レベルで最大となる。一部の実施形態において、温和ガス化複合サイクル発電装置でのガス化レベルは、８０％のガス化レベルで最大となる。一部の実施形態において、温和ガス化複合サイクル発電装置でのガス化レベルは、８５％のガス化レベルで最大となる。一部の実施形態において、温和ガス化複合サイクル発電装置でのガス化レベルは、９０％のガス化レベルで最大となる。一部の実施形態において、温和ガス化複合サイクル発電装置でのガス化レベルは、９５％以上のガス化レベルで最大となる。
【０１４４】
プラント効率に対するガス化レベルの効果を図４３に示してある。高レベルのガス化の効果については議論が行われているが（例えば、Cai et al., Proceedings of the 1 MECH E Part A Journal of Power and Energy, v. 2 No. 4, 1 Aug 2001, 421-426を参照）、そのような議論は、各石炭についてのレベルを最適化しようとするのではなく国際的な石炭で楽に達成可能なガス化レベルを確認するものである。さらに、この文献でのプラント効率はわずか７０％にプロットされているが、本発明の一部の実施形態で記載のように、レベルが高くなるとより高い効率となっていたと考えられる。
【０１４５】
一部の実施形態において、チャーの再循環及び／又は炭化器のチャー床に対するフリーボード体積の増加等のガス化レベルを高めるような促進手段を加えることで、プラント効率又は電気のコスト等のある種の好ましい基準を満足する至適条件が得られるように、ガス化レベルを選択する。拡大フリーボード又はチャー再循環システム等の他の装置をワンススルーガス化装置に加えて、チャー微粉をさらにガス化することでガス化レベルを高めることができるが、それらを用いる程度は、効率と経済性の間のバランスによって決まるものである。
【０１４６】
温ガス浄化
一部の実施形態において、本発明は、合成ガス中の揮発分のタール凝縮温度より高い温度で運転する温ガス浄化システム（ＷＧＣＵ）を用いる。一部の実施形態において、本発明で用いられるガス化装置系統は、合成ガス温度を１０００°Ｆ以上に維持する。従って、これらの実施形態において、凝縮しないことから、揮発分を破壊するのではなく保存することが実行可能となる。揮発分維持の利点には、代表的には一酸化炭素、水素、窒素及び蒸気も含む従来の空気吹きガス化装置からの合成ガスに関して得られる合成ガスの密度等がある。一部の実施形態において、揮発分は、それがガスタービンで燃焼されるまで、ガス化システム全体でその凝縮温度より高く維持される。一部の実施形態において、本発明によって製造される合成ガスは約３００ＢＴＵ／ＳＣＦの密度を有する。例えば、合成ガスの密度がより高いということは、ガス化、冷却又は合成ガス浄化を行うのに必要な装置がより小さくなることになり得る。
【０１４７】
一部の実施形態において、本明細書で詳細に説明するように、本発明のＩＧＣＣは、石炭中の揮発分を保存し、例えば空気吹きガス化装置でのようなその燃焼や熱分解を行うのではなく、ガスタービンの燃焼器で燃料としてそれを用いる。熱分解装置で生じる揮発分の発熱量は、空気吹きガス化装置によって生じる合成ガスの場合の数倍である。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣの温度（例えば、１６５０°Ｆ）によって生じる揮発分は、４０００ＢＴＵ／ＳＣＦより大きい、例えば４５００ＢＴＵ／ＳＣＦより大きい、５０００ＢＴＵ／ＳＣＦより大きい、例えば約５３９０ＢＴＵ／ＳＣＦ（ナフタレンの発熱量）の発熱量を有する。これは、蒸気吹き熱分解装置について報告されている３６から４６０ＢＴＵ／ＳＣＦより高い。例えば、Jose Coretta, et al, A Review on Dual Fluidized-Bed Biomass Gasifiers, Ind. Eng. Chem. Res. 46 (21) September 11 2007を参照する。そしてこれは、空気吹きガス化装置からの合成ガスの１３５ＢＴＩ／ＳＣＦより高い。
【０１４８】
揮発分は、タールの凝縮温度より高く維持されていると直接燃やすことができる。これは代表的には、揮発分がボイラー又は炉で燃やされる場合に、バイオマス又は石炭をガス化するのに用いられる熱分解装置で実際に行われるものである（例えば、Y. G. Pan, et al、Removal of tar by secondary air in fluidized gasification of residual biomass and coal, Fuel, v. 78, issue 14, Nov. 1999, 1703-1709を参照）。合成ガス浄化システムで汚染物が除去されてしまったら、揮発分をガスタービンで直接燃やすこともできる。
【０１４９】
本発明者らは、最近開発された温ガス浄化システム（例えば、J. Schlather、Eastman Chemical Co., Syngas Desulfurization at Elevated Temperatures, 2006 Gasification Technologies Conference, Washington, D.C. October, 2006を参照）と揮発分の使用の間の関係を確認している。温ガス浄化システムにより、熱分解時に放出される揮発分を保存し、さらには合成ガス浄化システムでのタールの蓄積を回避することが新たに可能となる。従って、一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、上記で詳細に説明した揮発分中の蒸気の凝縮温度より高い温度で運転させることができる。
【０１５０】
上記で記載の利点に加えて、揮発分の保存により、ガス化エネルギーも低下させることができる。石炭を床温度まで過熱すると、揮発分の放出が自然に起こり、追加のエネルギーは必要ない。従来の（自己熱）ガス化装置では、ガス化装置中に投入された空気は優先的に揮発分を燃やす。この空気を代わりに用いてチャーのガス化も行いながらチャーを部分的に酸化して、水性ガス反応用の熱を提供することが可能であったと考えられる。さらに、追加の空気自体が、それを床温度とするのにさらなるエネルギーを必要とする。
【０１５１】
さらに、揮発分の保存によって、高位発熱量の合成ガスを提供することもできる。従って、従来の空気吹きガス化装置からの低ＢＴＵガスと比較した揮発分の高位発熱量によって、ガス化装置系統の大きさ及びコストをさらに小さくすることができる。
【０１５２】
一部の実施形態において、最高沸点揮発分が凝縮する温度が、温ガス浄化システムの温度より低く維持される。従って、一部の実施形態において、温ガス浄化システムは約１０００°Ｆで運転する。一部の実施形態において、温ガス浄化システムは１１００°Ｆ以下の温度で運転する。揮発分中の化学種の分子量がガス化装置温度とともに大きくなり得るものであり、これら化合物の凝縮温度もガス化装置圧力及び分子量の両方とともに上昇し得ることが観察されている。従って、一部の実施形態において、至適ガス化装置運転温度は約１６００°Ｆ、例えば約１６００°Ｆと約１７００°Ｆの間である。
【０１５３】
一部の実施形態では、少量の空気をドラフト管に加える。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、少量の空気をドラフト管に加えることでタールの発生がさらに減るものと考えられている。
【０１５４】
一部の実施形態において、温ガス浄化システムは、脱硫器６８４の前ではなくキャンドルフィルター６０２の下流に配置されたハライドフィルター６８２を有する。そのような実施形態の模式図の一例を、例えば図３３に示してある。チャー微粉がハライドを除去するために使用される固定床反応器を塞ぐ可能性があることが発見されている。フィルター６８２の前に合成ガスに吸着剤微粉を投入することでハライドを除去することが可能であると考えられるが、ハライドを洗うのに用いられるミネラルがＦＢＣの温度に曝露された時に粘稠となる可能性があることから、それは許容できないものである可能性もある。一部の実施形態において、ハライドスクラバーの下流のフィルターを用いて、吸着剤を剥ぎ取る可能性がある粒子を除去する。サイクロンがこの目的には十分であることから、第２のキャンドルフィルターの追加コストを回避すること可能であると予想される。
【０１５５】
図３３の温ガス浄化システムに代わるものを図４７に示してある。図４７で示されているように、キャンドルフィルター８０２を脱硫器８６４の上流に設置することができ、ハライドスクラバー８８２も脱硫器８６４の上流に設置することができる。しかしながら、フィルター８０２は硫黄及びハライドの両方による腐食を受ける可能性があり、そのことが耐久性を限定することになり得る（ただし、中には、予想される硫黄濃度であっても腐食を受けない合金も存在する）。図４７で示した構成は、脱硫器８６４をハライド攻撃から保護するものである。
【０１５６】
本発明の構成例
マーク１（例えば図２を参照）。マーク１は、新たな設備で用いることができる実施形態の例である。マーク１は、それ自体の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）６６を有するハイブリッドである。マーク１はグリーンフィールド用途で用いることができるが、それは既存のＰＣプラントの場所近くにあっても良い。近くにあることで、炭化器５６から蒸気プラント７１へのチャーの移動を簡便さを高めることができ、他のバランスオブプラン装置の共有が可能となる。一部の実施形態において、マーク１における電気コストは、本発明のあらゆる構成の中で最低であるが、それは他の構成と比較してＣＯ２放出が高く、多くの水を使う可能性もある。
【０１５７】
マーク２（例えば図３を参照）。本願のある種の実施形態において、本発明を用いて既存のＰＣプラントの改造を行う。ガスタービン６２からの煙道ガスと炭化器５６からのチャーの両方を、ダクトを通してＨＲＳＧとして働く既存の蒸気プラント７２に送ることができる。本発明の一部の実施形態のプラントの能力及びそのボイラーへのチャー流量はいずれも、改造前の既存の蒸気プラントの流れ及び温度と一致するよう設計することができる。
【０１５８】
一部の実施形態において、そのような設計は、約７０％のガス化レベルを利用する。ガス化レベルは、合成ガスの製造に使用される炭化器５６への石炭中のエネルギーのパーセントと定義される。石炭中の残りのエネルギーは、改造蒸気プラントに送られるチャーでのものとなり得る。一部の実施形態において、改造プラントの発電力は、既存の蒸気プラントの能力の約２６０％である。
【０１５９】
マーク３（例えば図１０を参照）。一部の実施形態において、例えばマーク３において、合成ガス及びチャーの両方が改造蒸気プラントで燃焼される。一部の実施形態において、そのような設計は石炭の等級に応じて８０から９０％という高いレベルまで高くなったガス化レベルを用いる。ガス化レベルが高くなるほど、最大ガス化レベルで過剰チャー流がゼロとなるまで、炭化器５６からのそのチャー流は小さくなる。相対的に高いガス化レベルの利点には、ボイラープラントでの灰濃度の低下；チャーの燃焼が少なく、合成ガスが燃焼効率を高めることによる改造ボイラーからの未燃焼炭素損失の低減；低負荷での火炎安定化のための補助燃料の合成ガスによる置き換え；及びＣＣＳ用途で後燃焼スクラバーによって除去されるべき二酸化炭素の量の最小化等がある。相対的に高いガス化レベルの唯一の欠点は、石炭ガス化装置系統の能力とコストの両方が高くなり得るという点である。
【０１６０】
マーク４（例えば図２２を参照）。一部の実施形態において、例えばマーク４において、既存のボイラー７２に空気を加えて、チャーを燃やすためにガスタービン６２からの煙道ガスに空気を補う。一部の実施形態において、そのような設計は、マーク２によって提供されるプラント出力である定格プラント出力より本発明の一部の実施形態の追加発電力が低い場合に用いられる低いガス化レベルを利用する。
【０１６１】
マーク５（例えば図２３を参照）。一部の実施形態において、例えばマーク５において、ＨＲＳＧ６６をシステムに加えて、改造蒸気プラント７２の熱回収を補う。マーク５等の実施形態は、例えば本発明の発電装置によって要求される追加の電力がマーク２のものより大きい場合に用いることができる。
【０１６２】
別の実施形態。別途工程フローチャートの実施形態を図２７に示してある。これからわかるように、一部の実施形態において、本発明の一部の態様では、チャーの燃焼を、既存の蒸気プラントではなく加圧流動床燃焼器（ＦＢＣ）３０で行う。ＦＢＣ３０用の空気流は、ガスタービンのコンプレッサーからのものである。ＦＢＣからの煙道ガスは冷却され、濾過され、ガスタービンの燃焼器１０４の前で合成ガスに再投入される。煙道ガス冷却器３１は、その温度を金属キャンドルフィルター３２による処理に適したレベルとする。
【０１６３】
炭素捕捉及び貯蔵（ＣＣＳ）におけるアップグレード
一部の実施形態において、本発明のハイブリッドＩＧＣＣプラントは炭素用であり、それは変更を加えることでＣＣＳを提供し得ることを意味する。アップグレードの目標は、改造蒸気プラントのＣＯ２放出を減らすことにある。一部の実施形態において、改造蒸気プラントのＣＯ２放出は、５０％超、例えば６０％超、７０％超、８０％超又は９０％超減らすことができる。ある種の実施形態において、改造蒸気プラントのＣＯ２放出は９０％超減る。その低減は、本発明の一部の実施形態によって提供される効率向上及びそのＣＣＳの両方からのものであることができる。
【０１６４】
一部の実施形態において、ハイブリッドＩＧＣＣプラントの前燃焼炭素捕捉システムは、煙道ガスシステムより安価にＣＯ２を除去する。これは例えば、スクラバーでの高圧力及び高濃度によるものである可能性がある。一部の実施形態では、本発明のハイブリッドＩＧＣＣプラントは、７０から９０％のＣＯ２を除去するために前燃焼炭素捕捉を用いる。残りは既存の蒸気プラントでの煙道ガススクラバーによって除去する。
【０１６５】
多くの構成選択肢があり、それらの中で選択するのに用いられるいくつかの基準には、アップグレード時に必要な装置変更を最小限とすること、炭素用とするのに必要な予備投資を最小限とすること、技術の非ＣＣＳ版の最初の利点を保持すること、及び要求されるＣＯ２低減レベルと調和するレベルまで合成ガス中のメタンを低減すること等があるが、これらに限定されるものではない。
【０１６６】
図１２は、ＣＣＳを含むハイブリッドＩＧＣＣプラント構成の一例の模式図である。アップグレードされた発電装置は、最初に合成ガスを水素、二酸化炭素及び窒素の混合物に変換するのに、成熟した技術（シフト反応器２４６及び吸収システム２４８）を用いることができる。次に、吸収装置２４８がＣＯ２を水素／窒素混合物から分離することができる。その水素／窒素混合物をガスタービン６２用の燃料として用いることができ、ＣＯ２は乾燥、加圧及び地質学的貯蔵でのように隔離する。純粋な水素が必要とされる場合、第２の分離器を用いて窒素を除去することができる。
【０１６７】
アップグレードの際に、ＣＣＳシステムに必要なものを超えて唯一追加される装置は、部分酸化装置２４２及びその合成ガス冷却器２４４であることができる。部分酸化装置は加圧炉として動作し、合成ガス冷却器は加圧熱交換器である。
【０１６８】
一部の実施形態において、部分酸化装置２４２はタールをチャーとガスの混合物に変換し、メタンの一部を一酸化炭素と水蒸気に変換する。その運転温度は、流入する空気流によって制御することができる。その温度は、タールとメタンの両方を許容されるレベルまで低下させるのに必要なものに基づいて選択することができる。部分酸化装置２４２の下流の合成ガス冷却器２４４は、合成ガスをシフト反応器によって必要とされる温度まで戻すことができる。この熱はガスタービンの排出空気中にリサイクルすることができることから、不完全燃焼は、プラント効率に対してごく小さい効果しかないはずである。
【０１６９】
合成ガスの炭素捕捉では代表的には、水素及びＣＯ２に転化し得る前に揮発分中の炭化水素蒸気をＣＯ及び水素に変換することが要求される。これを行う一つの方途としては、上記で詳細に説明した温ガス浄化システム６０の下流に配置された部分酸化反応器２４２を用いるというものである。他の実施形態では、ドラフト管で部分酸化を行うことで、揮発分中の炭化水素蒸気をＣＯ及び水素に変換する。これは、例えば外部バーナーに十分過剰な空気を加えて炭化水素蒸気を排除することで行うことができる。一部の実施形態において、ドラフト管での部分酸化によって、部分酸化反応器２４２及びその熱交換器２４４の必要性がなくなる。
【０１７０】
合成ガス中の水素と混合された窒素により、酸素吹き炭化器と比較して、シフト反応器２４２及び吸収ユニット２４８の大きさ及びコストが大きくなり得る。従って、一部の実施形態において、本発明で利用される炭化器５６は酸素で運転して、窒素によって生じる複雑な事態を回避する。他方、合成ガス中の窒素はガスタービン６２の電力スループットを高くすることで、蒸気がエキスパンダを充填する必要性が低くなり、ＮＯｘ放出も低下する。従って、一部の実施形態において、本発明の酸素吹きＩＧＣＣは、窒素をガスタービン６２に投入し戻す。空気を用いることで、酸素プラントのコスト及び効率に関する欠点を排除することもできる。
【０１７１】
別途構成は、燃焼されたリサイクルガスからの燃焼生成物ではなく、炭化器外部バーナーを通っての空気のみの投入を行う。これによってすでに揮発分の一部は燃えてなくなっていると考えられ、部分酸化装置で必要な空気及び熱が少なくなる。これを相殺するため、温ガス浄化システムの貫流能力は大きくすることができる。
【０１７２】
図１２には、本発明の一部の実施形態で用いることができる、既存の蒸気プラント７２の下流のスクラバー系統２５４も描いている。それらは本発明がＣＯ２放出を減らす上で必要ではないが、それらが存在することで、放出（既存のプラントでのような）がさらに低減され得る。
【０１７３】
一部の実施形態において、流動床燃焼器からの二酸化炭素の捕捉は、従来の大気圧煙道ガススクラバーを用いて行われる。しかしながら、これには第２のガスタービン及び流動床煙道ガスのみを供給するＨＲＳＧが必要となり得る（そうしなければ、大きいコストをかけて、全煙道ガスの脱炭酸を行わなければならないと考えられる）。第２のガスタービン及びＨＲＳＧを加えることで、システムの複雑さ及びコストが高くなる。他の実施形態では、チャー微粉は完全にガス化される。しかしながら、これは、第２のガスタービン及びＨＲＳＧを加えるよりさらにコストの高いものとなり得る。粒子表面上のタールのためにチャー微粉が有害廃棄物となる可能性が高いことから、埋立地にチャー微粉を廃棄することも許容できる選択肢にならない可能性がある。
【０１７４】
従って、他の実施形態において、ＣＯ２は吸収装置でＰＦＢＣの煙道ガスから除去される。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、これによって、追加のガスタービン及びＨＲＳＧの必要性がなくなるだけでなく、大気圧システムと比較してＣＯ２吸収装置の大きさ及びコストが大幅に低下するものと考えられている。そのプロセスによって、大気圧ＣＯ２スクラバーと比較して、ＣＯ２圧縮電力必要量が数倍削減されるとも考えられている。
【０１７５】
一部の実施形態において、本発明のドラフト管組立物（例えば、揮発分を合成ガスの残りの部分から分離された状態に保つ組立物）によって生じるメタンのため、従来のガス化装置の場合と比較してメタン濃度が低くなる。熱分解装置で生じるメタンはわずか２．２％であり、従来の空気吹きガス化装置において予想されるもののわずか半分ないし１／３であった（例えばNeville Holt, EPRI, Gasification Process Selection-Trade-offs and Ironies, Gasifiscation Technologies Conference 2004, Washington, DCを参照）。メタン濃度が相対的に低いということは、ＣＯ２除去効率が相対的に高いことを意味する。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣのＣＯ２除去効率は約９０％より高い。
【０１７６】
図３１は、ＣＣＳを含むハイブリッドＩＧＣＣプラント構成の別の例の模式図である。図１２にあるように、部分ガス化装置２４２、冷却器２４４及びシフト反応器２４６を用いて、合成ガスを水素とＣＯ２に変換する。
【０１７７】
チャー微粉をガス化し、それを合成ガスに含めることは可能であると考えられるが、それによって、大型でコストのかかる装置が必要となってくる。代わりに一部の実施形態では、既存のＦＢＣ３０を用いてチャー微粉を燃焼させ、ＦＢＣの煙道ガスからのＣＯ２を後燃焼スクラバー６７によって除去する。後燃焼スクラバーは前燃焼システムよりコストが高いが、ＦＢＣ流の流量が比較的低いことで、一部のそのような実施形態が最もコスト効果の高い構成となることが期待される。
【０１７８】
図３１でわかるように、ＦＢＣ排気について別個のガスタービン６４及びＨＲＳＧ６５を用いる。これは、ガス化装置のガスタービンからの煙道ガスがＣＯ２で汚染されることを回避するためである。そのような汚染は、複合サイクルプラントからのガス流全体を後燃焼スクラバーによって処理する必要があり、それが長年にわたるそのコスト上昇につながる可能性があることを意味するものと考えられる。
【０１７９】
別の実施形態において、図３０に示したように、外部燃焼器を炭化器４５６から外し、空気をドラフト管４５０に投入して、揮発分の燃焼による熱を提供する。さらに他の実施形態では、チャーガス化用の熱も揮発分の燃焼からのものであり、それが次に循環するチャーに伝達されることから、蒸気のみをチャー床４４０の底部に加える。
【０１８０】
ドラフト管を有する空気吹き熱分解装置
一部の実施形態において、本願のＩＧＣＣには、ドラフト管４５０を有する空気吹き熱分解装置等がある（例えば図３０を参照）。図３０でわかるように、高温再循環チャー４４０によって流入する石炭から揮発分が放出されることから、ドラフト管４５０に送られた空気４１０はその揮発分を燃焼させる。一部の実施形態において、ドラフト管４５０への空気流は、流入流を加熱し、チャー床での水ガス反応のために熱を抵抗する上で必要なものに制限される。一部の実施形態において、蒸気によって達成可能な炭素捕捉レベルを低下させる可能性があるメタンが生成するものと考えられることから、ドラフト管４５０に蒸気は投入しない。
【０１８１】
図３０の炭化器と同様の炭化器については、１９７０年代にＷｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ  Ｗａｌｔｚ  Ｍｉｌｌｓ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの加圧−石炭ガス化装置パイロットプラントで試験が行われた。そのＷａｌｔｚ  Ｍｉｌｌｓのシステムは、チャーのガス化を第２の反応器で実施する限りにおいて図３０の炭化器とは異なる。十分な空気流のみを第１の反応器のチャー床の底部に加えてチャー流動化を維持し、第１の反応器のチャー床の底部に蒸気は加えなかった。
【０１８２】
これら二つのシステムの目的も異なっている。Ｗａｌｔｚ  Ｍｉｌｌｓシステムでは、熱分解ユニットを用いて、流動床ガス化装置でまだガス化されていなかった高度に粘結性の石炭をガス化した。その石炭が単一容器でガス化可能であることが発見された時、その二つのユニットを組み合わせて単一ユニットとし、ドラフト管と熱分解機能の両方を除外した。
【０１８３】
Ｗａｌｔｚ  Ｍｉｌｌシステムでは、十分な空気のみをドラフト管に加えて、炭化器の床温度を所望の温度に維持する上で必要な量の熱を提供した。そのシステムには、水冷サイクロンがあり、それによってチャーを熱分解装置にリサイクルした。サイクロンによってかなりの量の熱が抽出されたことから、床温度を維持するのにかなりの量の空気が必要であった。
【０１８４】
主要な知見は、ガス化装置を出る合成ガス中にタールがないということであった。従って、そのシステムによって、水転化反応を妨害すると考えられる炭化水素蒸気が良好に除外されたように思われる。これは、その構成が図３０の比較的高温の部分酸化に代わるものを提供することを意味している。これによって、不完全燃焼器とその熱交換器の両方が必要なくなる。他方、一部の実施形態において、改変されたシステムによって生成される合成ガスの発熱量は元来の発明のものより低いことから、ガス化装置系統の大きさは大きくする必要がある。さらに、温ガス浄化はもはや必要ないように思われた。代わりに、揮発分又は炭化器からの全ての合成ガスは、従来のシステムで浄化できる。これによって効率は低下し、システムのコストが上昇するが、その手法は本発明の実施形態の他の利点を保持している。
【０１８５】
一部の実施形態において、ＣＯ２をチャーから除去するシステムは、加圧ＣＯ２吸収装置１０１０を有する加圧流動床燃焼器３０を利用する（例えば図４４を参照）。吸収装置は、加圧下にある以外は、アミンシステム等の従来の煙道ガススクラバーであることができる。加圧によって、システムの大きさ及びコストが一桁小さくなり、隔離のためにＣＯ２を圧縮するのに必要なエネルギーが小さくなる。加圧することで、ＦＢＣで放出される熱の一部をシステムの複合サイクル部分に投入することにより、プラント効率も上昇する。そのシステムでは、前述の実施形態におけるように、チャー燃焼流のための別個のガスタービン及びＨＲＳＧのコスト及び複雑さや、チャーを完全にガス化する必要性もなくすことができる。
【０１８６】
一部の実施形態では、本発明の空気吹き熱分解装置には外部バーナーがない。外部バーナーがなくなると、ガス化装置用の熱源は例えば揮発分の不完全燃焼であることができる。ちょうど十分な揮発分を加えて、流入流をガス化装置温度まで加熱し、チャー床での水性ガス反応用の熱を提供する。
【０１８７】
蒸気プラントにおける灰濃度
改造蒸気プラントに供給されるチャー中の灰濃度は代表的には、それが取って代わる石炭より４０％大きい。わずか１％の灰を含むオーストラリア亜炭等の低灰分石炭では、運転に対する効果は無視できる。それとは正反対に、インド及び中国での一部のような高灰分石炭では、チャー中の灰が高くなると、粉炭ボイラーでチャーが燃焼しなくなる可能性がある。中等度のレベルの灰であっても、灰濃度が高くなると、灰廃棄システム及び煙道ガス微粒子捕集器の両方を大型化する必要がある。
【０１８８】
利用可能であれば簡単な解決法には、石炭の洗浄、その石炭のより低い灰含有率を有する石炭との混合又はより低灰分石炭の使用等がある。従って、一部の実施形態において、本発明で用いられる石炭は洗浄されるか、より低い灰分含有率を有する石炭と混合する。他の実施形態では、低灰分石炭を本発明で用いる。別の部分的解決法は、選炭システムでの石炭治具１８４（図８）又は分離器並びにチャー製造システムでの分離器２２８（図９）であり、これらについてはいずれも下記で説明する。
【０１８９】
一部の実施形態において、チャーからの灰のさらなる分離が、粉砕機２２６の上流の分級機２５２によって、又は好ましくは粉砕機の下流の分離器２２８によって行われ得る。完全な解決は、マーク３を用い（図１０）、ガス化レベルを上げ、及び十分な合成ガスを送って、ＰＣプラントを通過する燃料を最初の灰濃度に戻すことである。
【０１９０】
おそらく、最もコストが低い解決法は、これら方法の複数の組み合わせであろう。
【０１９１】
選炭システム
一部の実施形態において、本発明のハイブリッドＩＧＣＣには選炭システムがある。例えば図８を参照する。図８に描いた選炭システムは、石炭前燃焼熱処理（ＰＣＴＴＣ）と称されるＷｅｓｔｅｒｎ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（ＷＲＩ）が開発しているプロセスを用いる。ＰＣＴＴＣの利点には、石炭の種類に応じて最初に段階で石炭中の水銀の５０から８０％の除去と、そして恐らく残りの半分のヒーター２０４の下流の石炭ジグ１８４での除去等がある。水銀除去が、ＰＣＴＴＣシステムの当初の目的であった。ＰＣＴＴＣの利点には、ボイラープラントに行く灰の量の低減及び炭化器外部バーナーの加熱要件の低減等も可能であり、それによって合成ガスの体積流量、装置コストの低下及びプラント効率の上昇が得られる。ＰＣＴＴＣは、高温フィルター１０２と既存のボイラープラントの両方のＥＳＰ２６０からの流出物中のフライアッシュにおける未燃焼炭素を燃やすための簡便なシステム並びに酸プラント１００で発生する低温蒸気のための簡便な過熱源をも提供できる。
【０１９２】
運転に際して、ＰＣＴＴＣシステムは、大気乾燥機２１０において２５０°Ｆから３００°Ｆの温度で石炭を乾燥させ、流動床ヒーター１９６でそれを過熱して５５０°Ｆとして、石炭の有機部分から水銀を放出させる。石炭ヒーターを出る循環「スイープ」空気は第２の床１８８を通過することができ、そこで高温吸着剤は水銀を除去して、ヒーターにリサイクルされる。
【０１９３】
流動床燃焼器用の主たる燃料は、ＩＧＣＣプラントのガス化装置系統フィルター１０２並びにボイラープラントの電気集塵装置２６０の両方から回収されるフライアッシュ中の炭素であることができる。一部の実施形態において、石炭を用いて、この主要燃料を補う。従って、流動床燃焼器はプラントの炭素利用を高め、一方でセメント製造用の売れる低炭素補給にフライアッシュを送ることができる。
【０１９４】
チャー製造プラント
一部の実施形態において、本発明のハイブリッドＩＧＣＣには、チャー製造システムがある。例えば図９を参照する。一部の実施形態において、灰除去の最終段階は、改造蒸気プラントにおける粉砕機２２６の下流の分離器２２８である。磁気分離器２２８もしくは静電分離器２２８のいずれか又はその両方を用いて、灰を除去することができる。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、微細に埋め込まれた灰を含む高灰分石炭の場合、石炭がシステムの他のいずれかの箇所より微細に粉砕されている限りにおいて、回収効率はこの場合で最も高いものと考えられている。
【０１９５】
一部の実施形態において、電磁分離器２２８は、炭化器の加熱によって石炭中の非磁性黄鉄鉱から変換された常磁性鉱物である磁硫鉄鉱（ＦｅＳｘ）に作用する。一部の実施形態において、残りの水銀の多くが黄鉄鉱に含まれていることから、その水銀もその分離器で分離できる可能性がある。
【０１９６】
チャー製造プラントにおける粉砕機２２６を用いて、粒径を最小化することにより、ボイラーでの炭素利用を最大とすることができる。ハイブリッドＩＧＣＣで起こる圧力下に生成するチャーは、粉炭プラントで生成するチャーより反応性が低いことがあり、それによって改造ボイラープラントでの炭素利用が低くなる。他方、チャーが不活性（すなわち非酸化性）雰囲気で形成される場合、圧力下であっても、その反応性はＰＣボイラーの場合とほぼ同等である。一部の実施形態において、熱分解が起こる領域（例えば、ドラフト管１５０）を空気のない状態に維持することで、熱分解は不活性雰囲気で起こる。
【０１９７】
チャーは石炭よりもろいことから、粉砕機２２６から生じる粒子は相対的に小さい。従って、一部の実施形態において、チャー製造プラントを用いることで、炭素の燃え尽きが促進される。ボイラープラントを出るフライアッシュ中に残っている炭素は、選炭プラントに含まれる流動床燃焼器１７４の下側床で燃やすことができる。
【０１９８】
床内脱硫器
一部の実施形態において、本発明のハイブリッドＩＧＣＣには、床内脱硫器がある。例えば図１１を参照する。別途脱硫法は、石灰石又は苦灰岩等の炭酸カルシウム鉱物の流動床２３２の使用であることができる。そのような方法では、炭酸カルシウムを床温度によって焼成して、酸化カルシウム及び二酸化炭素とすることができる。
【０１９９】
流動床２３２は輸送脱硫器ほど効率ではない可能性があることから、輸送脱硫器も用いることができる。しかしながら、流動床２３２を用いることで、脱硫空気流３５がかなり減る。そしてそれにより、エキスパンダを満たすのに必要な蒸気が減り、全体的にプラント効率は１から２％上昇する。使用済み吸着剤は硫酸化装置によって処理され、そこで吸着剤（ＣａＳとして）は酸化的雰囲気で硫酸カルシウムに変換される。硫酸化装置を出る吸着剤は埋め立てに好適であり、コンクリート中の成分として用いることもできる。
【０２００】
例えば、一部の実施形態において、方解石（石灰石又は苦灰石）のガス化装置への投入を用いて、合成ガスから硫黄化合物を減らすが、輸送脱硫器は洗浄スクラバーとして有用なものとして残る。次に、ガス化装置で石灰石をＣａＳ（硫化カルシウム）に変換し、それを次に流動床燃焼器でＣａＳＯ４（硫酸カルシウム）に変換し、それは石膏ボード製造者に販売することができる。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、石灰石はガスタービンのコンプレッサーから排出される空気流を減らすことから、石灰石を用いることで効率が若干高くなると考えられている（例えば、Process Engineering Division, NETL/DOE, KRW Gasoifoer OGCC Base Cases PED-OGCC-98=005. Cases 1 and 3を参照）。
【０２０１】
一部の実施形態において、方解石を上側流動床に入れる。例えば、一部の実施形態において、吸着剤の連続流をスプレッダーによって上側床に送り、使用済み材料をドレーンで除去する。上側流動床に方解石を入れることで、必要な吸着剤の量を減らしながら、硫黄除去効率を高めることができると考えられている。一部の実施形態では、方解石をチャーに直接投入するが、方解石をチャーに間接的に投入する場合、ドラフト管での揮発分の短い滞留時間及び薄い濃度により、方解石との接触は少なくなり、硫黄化合物と吸着剤の間の反応は少なくなる。
【０２０２】
噴霧冷却器
流動床合成ガス冷却器１３８に代わるものに噴霧冷却器があり、それによって合成ガスは、水が噴霧されているチャンバで冷却される。ガスタービン６２の水要件に応じて、これはプラント効率を低下させる可能性がある。
【０２０３】
使用中止となっているボイラー
一部の実施形態において、蒸気プラントにおける既存のボイラーが使用中止とし、新たな熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を設置して、ガスタービンから熱を回収する。本発明のある種の実施形態では、既存のボイラー及びそのスクラバーが使用中止となっており、既存の蒸気プラントの残りは使用状態のままである。一部の実施形態において、ガスタービンの排気中の熱をＨＲＳＧによって回収する。
【０２０４】
いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、既存のボイラーの熱伝達セクションを用いることが技術的に可能であると考えられるが、必要な変更の程度のためにそれが実行できなくなると考えられている。代わりに、ある種の実施形態では、新たなＨＲＳＧを提供して、ガスタービンの排気から熱を回収する。ボイラーを使用中止とすることの他の利点には、例えば熱効率、プラント寿命の延長、放出減少（粉炭プラントは、石炭ガス化プラントより一桁多い汚染放出物を出す）及び改造の容易さ等があり得る。すなわち、一部の実施形態において、ＨＲＳＧは、以前のプラントと適合性であり、ないしはそれと比較して高い温度及び圧力用に設計されていることから、これらの条件は以前の蒸気プラントの効率によってもはや制限されないためにプラント効率が高くなる。さらに、一部の実施形態において、例えば代表的には、ボイラーが古くなりすぎて修理できない場合に蒸気プラントが運転するのに不経済となることから、ボイラーを使用中止とすることで、プラントの耐容年数が大幅に長くなる。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、プラントの耐容年数の延長によって改造物の経済的実用性が改善されるだけでなく、ＣＣＳ（比較的古い蒸気プラントへの適用は、残りの寿命が短いことで制限される場合が多い）も実行性が高まると考えられている。さらに、一部の実施形態において、ボイラーを修正する必要性がなくなることで、新たな改造プラントを連結させる時間及びコストが小さくなる。別の実施形態では、既存のボイラー及びそれに付随するスクラバーを解体して、新たなシステムの構成要素に必要な空間を提供することができる。
【０２０５】
航空転用エンジン
最近、ジェネラル・エレクトリック（General Electric）が、実用規模の運転用の航空転用ガスタービンを開発した（ＬＭＳ１００ガスタービン、ＧＥ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）。このエンジンは、中間冷却に加えて高圧力比ガスタービン（すなわち、かなり高い圧縮比）を用いて、ガスタービンの効率を高めるものである。１００ＭＷｅとして、単純サイクルＨＨＶ効率は４６％であり、それに対してその他の実用規模ガスタービンでは３６％である。例えば、http://ge-energy.com/prod_serv/products/ aero_turbines/en/downloads/lms100_brochure.pdfを参照する。しかしながら、ガスタービンの排出口温度が低いことで、それは複合サイクル熱回収には比較的適さなくなる。例えば、ガスタービンの効率は高いにも拘わらず、高圧力比サイクルガスタービンに関連してガスタービン排気温度が比較的低いことから、この装置を用いる天然ガス燃焼複合サイクル（ＮＧＣＣ）の効率は、ごくわずかに高いだけである（約５４％の効率）。
【０２０６】
一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは航空転用ガスタービンを利用する。例えば、一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは温和ガス化を用いて、低ガスタービン排気温度の問題を克服する。そのようなガスタービンに取り付けられたＨＲＳＧによって発生する蒸気の温度は低すぎて、従来のシステムで効率的ではなくなるが、本発明の一部の実施形態のＩＧＣＣによって、ＰＦＢＣで蒸気を過熱（及び／又は再加熱）して、この欠陥を克服することができる。一部の実施形態において、航空転用ガスタービンを使用することで、従来のタービン（例えば、非航空転用タービン又は「Ｇ」シリーズタービン）と比較して、プラントのＨＨＶ効率が２から６％、例えば約４％高くなる。例えば、航空転用ガスタービンを用いることで、プラントのＨＨＶ効率が「Ｇ」シリーズガスタービンでの５０％から５４％（例えば図３５Ａ及び３５Ｂを参照）に上昇し得る。これは、現在利用可能なガスタービンを用いるＩＧＣＣの中で最高の効率である（例えば図３６を参照）。この最高効率は航空転用エンジンを用いると、その排出口温度が低いために従来のガスタービンより低いプラント効率となるという従来の見解とは対照的である。
【０２０７】
一部の実施形態において、ＩＧＣＣのガスタービンにおける燃焼生成物を再加熱する。ＩＧＣＣのガスタービンでの燃焼生成物を再加熱することで、ＩＧＣＣ発電装置の効率を高めることもできることが認められている。一部の実施形態において、燃焼生成物の再加熱を、上記で記載の航空転用ガスタービンの使用と組み合わせる。現在までのところ、これら機能の両方を行うこのガスタービンについてはまだ報告されていない（例えば、R. Giglio, Partial Gasiification Combined cycle Technology, DOE Combustion Workshop, Jan 2001を参照する）。
【０２０８】
プラントの大きさ決定及び蒸気プラントの負担軽減
一部の実施形態において、ガスタービンによる発電の蒸気タービンによる発電に対する比が元の蒸気プラントと実質的に同じになるように本発明のＩＧＣＣの大きさを決定する。
【０２０９】
複合サイクルプラントの大きさを選択して既存の蒸気プラントを改造する上で、一つの検討事項は必要な追加電力量がどの程度必要であるかであり、別の検討事項はＣＯ２放出である。図３７に示したように、石炭流又はＣＯ２放出を増加させることなく、改造によって出力を６０％増加させることが可能である（図の左下隅の「ＭａＧＩＣ」曲線を参照）。低放出量は、元の蒸気プラントと比較して改造物の効率が高いことの結果である。比較すると、既存の蒸気プラントを所定の場所に残し、新たなＮＧＣＣを構築して追加の電力を提供したとしたら、ＣＯ２放出は３０％上昇するものと考えられる。図３７の残りのものは、多様な電力追加レベルで放出を比較する方法を示している。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、上記の比率が維持されるように改造物の大きさを決定することで、新たなＮＧＣＣを構築するより環境的に受け入れやすいような形で、既存の蒸気プラント群からのＣＯ２放出を経済的に低減できると考えられている。
【０２１０】
代表的には、ガスタービンによって発生させることができる電力が大きいほど（蒸気タービンと比較して）、プラント効率は高くなり、その理由としては、後者による熱によって複合サイクル効率（例えば約５０％）が達成される一方、後者による熱は蒸気−タービン効率（例えば．約３０％）のみを達成するからである。ガスタービンによる廃熱のリサイクルにより、ガスタービン／蒸気タービン比が高くなる。従って、一部の実施形態において、蒸気タービンは部分負荷で運転される（例えば、既存の蒸気プラントの能力によって許容されると考えられる最大評定よりガスタービンを小さい大きさとする場合）。図４０には、改造物によって提供される多様な電力容量追加量で蒸気プラントの出力レベルをどの程度下げるべきかの決定の一例を示してある。
【０２１１】
上記で説明したように、一部の実施形態において、既存の蒸気プラントでこの比率が画定したら、既存の蒸気システムに対してＩＧＣＣプラントの大きさを適切に決定することで、それを維持する（改造物で）。例えば、一部の実施形態において、ＩＧＣＣプラントを加えることで必要となる追加電力量が、蒸気プラントが対処可能なものより低い場合、最大効率を維持したければ、その蒸気プラントは、レベルを下げた能力で運転しなければならない。
【０２１２】
いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、低下させた能力で蒸気プラントを運転する一つの効果は、出力レベルを下げた蒸気プラントによって失われる電力も新たな装置が補うものでなければならないことから、追加電力の資本コストが上がることになると考えられている。＄／ｋＷでの改造物の資本コストに対する出力レベル下げの効果を図４１に示してある。そうではあっても、より低い出力での効率改善により、より高い資本コストを大幅に補う形で燃料コスト及び他の可変コストが下がることから、出力レベル下げによって電気コストはあまり上がらない。例えば図４２を参照する。
【０２１３】
改造物の低い効率成績は、改造物で実際に利用される蒸気能力とこの比を用いて計算される蒸気能力の間の不一致が原因となっている場合があり得る。
【０２１４】
一部の実施形態において、上記で提供された比を維持することで、その技術が示されたら、既存の石炭プラントを炭素捕捉及び隔離（ＣＣＳ）でアップグレードすることが可能となる。ＩＧＣＣにおけるＣＣＳ関連のコストのほとんどが、実際にはＩＧＣＣ自体のコストに由来するものである。ＣＣＳによるアップグレードのコストは、改造プラントのコストをわずか１０％上げるだけである。従って、本発明の方法及びＩＧＣＣの利用は、一部の実施形態では、特に次に最もコストの低い新たな電力源と比較して、ＣＣＳに対するアップグレードのコストを大幅又は完全に補填するものとなろう（例えば００４−１における図１６を参照）。従って、それによって、ＣＣＳに対する主要な異論は解消される。Carbon Capture and Storage: Assessing the Economics, McKinsey and Co., 2007; http://www.mckinsey.com/clientservice/ccsi/pdf/CCS_Assessing_the_Economics.pdfを参照する。
【０２１５】
ＣＯ２放出
一部の実施形態において、本発明は、本明細書の内容に従って既存のＩＧＣＣプラントをアップグレード又は改造することでＣＯ２放出の低減を実現する方法を提供する。上記で論じたように、図３７には、改造が原因の各種能力付加でのＣＯ２放出を示している。具体的には、図３７には蒸気プラントの３３％ＨＨＶ効率、複合サイクルプラントでの「Ｆ」ガスタービンの使用及び臨界前−圧力−ＨＲＳＧという代表的な米国の条件を示してある。図３８には、欧州蒸気プラントの代表的なより高い蒸気条件を示してあり、より効率的な「Ｇ」シリーズのガスタービンを用いている。図３８の一番上の線は、８５％ガス化レベル及び「Ｇ」シリーズガスタービンでの本発明の実施形態の一部の成績を示している。一番下の線は、本明細書に記載のＬＭＳ１００航空転用エンジンの使用を示している。
【０２１６】
図からわかるように、図３８における交差点は相対的に低く（既存の蒸気プラントの能力の８０から１１０％）、それに対して図３７では１４３％である。その差は、電力付加のレベルが各種システムの効率によって決まることを示している。注目すべき点として、本発明のＩＧＣＣの例の放出は、欧州議会によって確立された最近発表の欧州連合基準下での新たな石炭燃焼能力の最大許容値である５００ｋｇ／ＭＷｈを下回っている。現在までのところ、改造物を利用しない技術で、この基準を達成可能なものはない。"Dirty Coal Hit by Euro Vote", Guardian.co.uk （http://www.guardian.co.uk/ environment/2008/oct/07/carboncapturestorage.carbonemissions）を参照する。
【０２１７】
耐腐食性チャーデフレクター
一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣには、耐腐食性チャーデフレクター７５２がある（例えば図４５Ｂを参照）。そして、流入するチャー７４０はドラフト管７５０ではなくチャーデフレクター７５２に当たる。さらに、一部の実施形態において、チャーデフレクター７５２には、デフレクター表面を腐食から保護する材料を含むポケットその他の貯蔵部がある。そのポケットは、デフレクター７５２の表面を、その表面に部分的に同伴されるようになる材料で緩衝する。次に、流入するチャー７４０はチャーデフレクター７５２の表面ではなくポケットからの材料に当たる。例えばドラフト管７５０の排出口の上のそのようなチャーデフレクター７５２が図４５Ｂにある。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、そのようなデフレクターは、システムの信頼性を低下させるほど急速に腐食するデフレクターの必要性又はより深いチャー床を用いることによる飛出し（elutriation）の防止の必要性を小さくするものであると考えられている。
【０２１８】
クエンチ冷却
一部の実施形態において、本発明で用いられる炭化器９５２は、スプレイバー９１２を有し、そこでは流動床冷却器ではなくスプレイバー９１２によって水又は蒸気が投入されて、合成ガスを合成ガス浄化システムによって要求される温度まで冷却する（例えば図４８を参照）。いずれか特定の理論によって拘束されることを望むものではないが、放射冷却器又は対流冷却器ではなく水クエンチングを用いて直接接触によって合成ガスを冷却することで、ＩＧＣＣの効率は低下し得ると考えられている。これは、合成ガス中の熱が回収されるのではなく失われるからである。空気吹きガス化装置は通常、対流冷却器を用いて熱を回収するが、そうではあっても通常は蒸気をガスタービンの燃焼器に投入することで、エキスパンダを通る流れを増やし、その出力を高める。蒸気ではなく水を噴霧し、温ガス浄化システムの上流でそれを行うことで、脱塩装置の必要性がなくなることで、プラントのコストを大幅に低減することができる。さらに、噴霧冷却により、流動床冷却器のコストがかからなくなり、ガス化装置反応器容器の直径及び高さのいずれも大幅に小さくすることができる。上記の利点があいまって、温ガス浄化を用いる空気吹きガス化装置ＩＧＣＣでの噴霧冷却によって生じる比較的小さい効率損失を超えることができる。
【０２１９】
マイクロプロセッサ
一部の実施形態において、本発明には、ハイブリッドＩＧＣＣの１以上の機能を動作させるようプログラムされたマイクロプロセッサがある。従って、一部の実施形態において、マイクロプロセッサは、合成ガスがガスタービンで燃やされるまで合成ガス中の揮発性物質のタール凝縮温度より高い温度に合成ガスを維持するようプログラムされている。一部の実施形態において、本発明は、合成ガスがガスタービンで燃やされるまで合成ガス中の揮発性物質のタール凝縮温度より高い温度に合成ガスを維持するようプログラムされたマイクロプロセッサを含むプラントに関するものである。
【０２２０】
性能
図１３にはガスタービンの一例の運転条件を記載したものであり、図１４は本発明の一部の実施形態による炭化器の一例の条件を記載したものである。
【０２２１】
一部の実施形態において、ハイブリッドＩＧＣＣの効率は、現行の他のいずれの技術の効率よりかなり高い。本発明の一部の実施形態のプラント効率（例えば図１５を参照）は、他の空気吹きシステムの場合より若干高いものであることができる。一部の実施形態において、本発明ではその炭化器への空気流の必要量が少なく、それが、合成ガス冷却器並びにコンプレッサーに必要な補助電力に関連する損失を低減する。
【０２２２】
一部の実施形態において、例えば改造用途では、既存の蒸気プラントの効率が、複合システムの効率に影響する（例えば図１６を参照）。ＨＨＶ効率が３６．８％である図１６における基本事例の蒸気プラントは、３段のタービンを用いる臨界前蒸気サイクルを用いる。ＨＰ、ＩＰ及びＬＰタービンについての投入口条件はそれぞれ、１８００ｐｓｉａ×１０５０°Ｆ；３４２ｐｓｉａ×１０５０°Ｆ；３４２ｐｓｉａ／４８５°Ｆである。
【０２２３】
一部の実施形態において、本発明は低資本コストを達成するものである。本発明の一部の実施形態のガス化システムは、例えば、発電ブロックとほぼ程度のコストを要し得るものであり、それによってその総資本コストは新たな粉炭プラントの場合以下となる。図２５でわかるように、従来のＩＧＣＣのコストでは、従来のＰＣプラントと競合できるものとはならない。一部の実施形態において、本発明は、石炭の高効率及び低コストと組み合わせて低資本コストを提供する。この組み合わせにより、本発明の一部の実施形態に従って作られる電気のコストは次に最も安価な発電源であるＰＣプラントより２５から３０％低くなる。
【０２２４】
一部の実施形態において、他のＩＧＣＣと比較して本発明によって実現されるコスト削減のかなりの部分（例えば、半分超）がガス化装置（図１７）及び合成ガス冷却器（図１８）の両方の大きさが小さくなることによるものである。図１７には、同様に定格されたＩＧＣＣに合成ガスを供給する三つの設計又はガス化装置又は炭化器の大きさ及び運転パラメータについて記載している。
【０２２５】
一部の実施形態において、ハイブリッドＩＧＣＣによる大きさ低減のかなり部分が、ガス化装置と炭化器の間の大きさの差によるものである。これは前者でチャー微粉をガス化する必要があるが後者ではないためである可能性がある。従来の炭化器（中央の欄）は、二つの理由のため本発明の一部の実施形態（右側の欄）の炭化器より大きくなる場合がある。従来の炭化器は代表的には、揮発分を熱的に分解するためにより深いチャー床を必要とする（図１７列３参照）。さらに、本発明の一部の実施形態の炭化器のドラフト管における速度（図１７列８参照）は、流動床での表面速度よりかなり速いことで、本発明の炭化器を通過する平均速度の二倍となる場合がある（図１７列９参照）。従って、一部の実施形態において、従来の空気吹きガス化装置の大きさの１０％未満である炭化器である。
【０２２６】
一部の実施形態において、本発明の合成ガス冷却器も、従来の冷却器より小さい（例えば、１／１０の大きさ）。冷却管への熱伝達係数は例えば、従来の冷却器の煙管熱交換器の対流の場合より流動床においてかなり高くなる可能性がある。さらに、本発明の一部の実施形態に関係する合成ガス流量は、従来の空気吹きガス化装置ＩＧＣＣの値より小さい、例えばわずか半分であることができる。さらに、床温度が従来のガス化装置において相対的に高いことで、揮発分を熱的に分解することができ、それによって熱交換器が大きくなる。
【０２２７】
一部の実施形態において、本発明は外部燃焼を利用する。外部燃焼の使用により、従来の空気吹きＩＧＣＣと比較して炭化器への空気流を７０％、合成ガス体積を半分に減らすことができる（例えば図２６を参照）。そこでそれによって、温ガス浄化システム等のガス化装置系統の大きさを同じ量だけ小さくすることができる。総合して、本発明の一部の実施形態に関係する資本のコスト並びに電気のコストは、空気吹きＩＧＣＣの場合より３０から４０％低く、従来のＰＣプラントの場合より２５から３０％低くすることができる。
【０２２８】
空気放出に関して、本発明の一部の実施形態によるＩＧＣＣの煙突における微粒子の濃度は、最も厳しい環境大気汚染基準（３０μｇ／ｃｕＭ）とほぼ同じである。例えば図１９を参照する。一部の実施形態において、二酸化硫黄放出も、硫黄スクラバーを取り付けた場合、従来の石炭燃焼発電装置のものより１から２桁低い。
【０２２９】
一部の実施形態において、本発明は既存のＮＯｘ大気汚染基準を満足する。一部の実施形態において、改善された燃焼器設計は、ＮＯｘ放出をさらに下げることができ、又は図１２におけるような選択的触媒反応器（ＳＣＲ）を用いて、さらに８０％までのＮＯｘ放出低減を行うことができる。
【０２３０】
一部の実施形態において、本発明のハイブリッドＩＧＣＣは、従来の発電装置より高い効率を提供する。図２０には、他のプラントと比較した本発明のＩＧＣＣの例の効率を記載している。図２０でわかるように、本発明の１実施形態に従ってハイブリッドＩＧＣＣで改造した蒸気プラントは、あたかも代わりに新たな石炭プラントを建設したかのように１／２の量の追加ＣＯ２しか放出しない（７２％の放出増加で、一方は１４１％）。しかしながら、改造プラントからの放出は、天然ガス燃焼複合サイクルプラントを代わりに建設した場合より約１０％多いと推定される。本発明のその実施形態を用いる新たなプラントからの放出は、設備を出力低下させることで１０％量（又はそれ以上）減少させることができる。これは、フルスケールのプラントを建設してそれを全能力の９０％で運転するか、若干小さいユニットを建設して蒸気プラントを能力の９０％で運転することで行うことができる。従って、一部の実施形態において、これによって新たな石炭プラントは、先進国での一般的な要件、すなわち同等の能力の天然ガスプラントの量を超えないＣＯ２放出を満足することができる。
【０２３１】
ＣＣＳが利用できる前であっても、ガスプラントに対して石炭プラントが有利な点には、天然ガス燃焼発電と比較した石炭燃焼電気のコスト及び天然ガスプラントと比較したＩＧＣＣ改造物での潜在力のあるＣＣＳシステムの値ごろ感等がある。天然ガス燃焼複合サイクルプラントはまだ、本発明の１実施形態を用いる新たなＩＧＣＣ（マーク１）の６０％の量のＣＯ２を放出する。本発明の一部の実施形態を用いると、節約分はＣＣＳを補償するものであるが、ＮＧＣＣプラントでは、そのような節約はない。従って、これらのプラントは、ＣＯ２に関してより長時間にわたって制御されない状態に留まる可能性が高い。
【０２３２】
蒸気プラントは、使用済み蒸気を凝縮させるのに多量の冷却剤を必要とするが、ＩＧＣＣのガスタービンは、冷却水を用いない（例えば図２１を参照）。一部の実施形態において、本発明のハイブリッドＩＧＣＣはなお、主としてガス化のためとエキスパンダに加えるために若干の水を必要とするが、水消費における正味増加は代替の技術の場合よりかなり小さい。
【０２３３】
一部の実施形態において、本発明は、本明細書に挙げられた少なくとも一つの実施形態を利用して既存の発電装置を改造する方法に関するものである。
【０２３４】
一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは上記で挙げた少なくとも一つの実施形態を含む。例えば、一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣには、下記の属性のうちの少なくとも一つがある。
【０２３５】
（ａ）ガス化流動床複合サイクル（ＧＦＢＣＣ）；
（ｂ）温ガス浄化システム（例えば、揮発分を保存するため）；
（ｃ）７０％より大きい、例えば８０％より大きいガス化レベル；
（ｄ）炭化器におけるドラフト管（例えば、揮発分を単離するため）；
（ｅ）ガス化装置への熱と改造される発電装置と同じである蒸気プラントへの熱の比；
（ｆ）システムの炭化器によって発生するチャーを用いるための流動床燃焼器（例えば、加圧流動床燃焼器）；
（ｇ）炭化器上の外部バーナー（例えば、流入する空気流を加熱し、及び／又はその生成物を合成ガスと混合できるようにすることで炭素器に対する空気流要件を低下させるため）；
（ｈ）ＣＣＳ用のシステム；
（ｉ）方解石（例えば、硫黄化合物を除去するために、炭化器の上側流動床への連続流に加えるもの）；
（ｊ）航空転用エンジン；
（ｋ）流動床合成ガス冷却器；
（ｌ）使用中止となっているボイラー及び場合により１以上のスクラバー及び場合によってではあるが既存のプラントの残りのものを使用状態に維持すること；及び／又は
（ｍ）ＨＲＳＧ（例えば、ガスタービンから熱を回収するため）。
【０２３６】
一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち少なくとも２個がある。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち少なくとも３個がある。本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち少なくとも４個がある。本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち少なくとも５個がある。本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち少なくとも６個がある。本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち少なくとも７個がある。本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち少なくとも８個がある。本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち少なくとも９個がある。本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち少なくとも１０個がある。本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち少なくとも１１個がある。本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち少なくとも１２個がある。本発明のＩＧＣＣには、上記の属性のうち全てがある。
【０２３７】
例えば、一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ａ）及び（ｂ）；又は（ａ）及び（ｃ）；又は（ａ）及び（ｄ）；又は（ａ）及び（ｅ）；又は（ａ）及び（ｆ）；又は（ａ）及び（ｇ）；又は（ａ）及び（ｈ）；又は（ａ）及び（ｉ）；又は（ａ）及び（ｊ）；又は（ａ）及び（ｋ）；又は（ａ）及び（ｌ）；又は（ａ）及び（ｍ）を有する。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ｂ）及び（ｃ）；又は（ｂ）及び（ｄ）；又は（ｂ）及び（ｅ）；又は（ｂ）及び（ｆ）；又は（ｂ）及び（ｇ）；又は（ｂ）及び（ｈ）；又は（ｂ）及び（ｉ）；又は（ｂ）及び（ｊ）；又は（ｂ）及び（ｋ）；又は（ｂ）及び（ｌ）；又は（ｂ）及び（ｍ）を有する。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ｃ）及び（ｄ）；又は（ｃ）及び（ｅ）；又は（ｃ）及び（ｆ）；又は（ｃ）及び（ｇ）；又は（ｃ）及び（ｈ）；又は（ｃ）及び（ｉ）；又は（ｃ）及び（ｊ）；又は（ｃ）及び（ｋ）；又は（ｃ）及び（ｌ）；又は（ｃ）及び（ｍ）を有する。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ｄ）及び（ｅ）；又は（ｄ）及び（ｆ）；又は（ｄ）及び（ｇ）；又は（ｄ）及び（ｈ）；又は（ｄ）及び（ｉ）；又は（ｄ）及び（ｊ）；又は（ｄ）及び（ｋ）；又は（ｄ）及び（ｌ）；又は（ｄ）及び（ｍ）を有する。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ｅ）及び（ｆ）；又は（ｅ）及び（ｇ）；又は（ｅ）及び（ｈ）；又は（ｅ）及び（ｉ）；又は（ｅ）及び（ｊ）；又は（ｅ）及び（ｋ）；又は（ｅ）及び（ｌ）；又は（ｅ）及び（ｍ）を有する。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ｆ）及び（ｇ）；又は（ｆ）及び（ｈ）；又は（ｆ）及び（ｉ）；又は（ｆ）及び（ｊ）；又は（ｆ）及び（ｋ）；又は（ｆ）及び（ｌ）；又は（ｆ）及び（ｍ）を有する。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ｇ）及び（ｈ）；又は（ｇ）及び（ｉ）；又は（ｇ）及び（ｊ）；又は（ｇ）及び（ｋ）；又は（ｇ）及び（ｌ）；又は（ｇ）及び（ｍ）を有する。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ｈ）及び（ｉ）；又は（ｈ）及び（ｊ）；又は（ｈ）及び（ｋ）；又は（ｈ）及び（ｌ）；又は（ｈ）及び（ｍ）を有する。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ｉ）及び（ｊ）；又は（ｉ）及び（ｋ）；又は（ｉ）及び（ｌ）；又は（ｉ）及び（ｍ）を有する。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ｊ）及び（ｋ）；又は（ｊ）及び（ｌ）；又は（ｊ）及び（ｍ）を有する。一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ｋ）及び（ｌ）；又は（ｋ）及び（ｍ）；又は（ｌ）及び（ｍ）を有する。
【０２３８】
一部の実施形態において、本発明のＩＧＣＣは、（ａ）及び／又は（ｂ）及び／又は（ｃ）及び／又は（ｄ）及び／又は（ｅ）及び／又は（ｆ）及び／又は（ｇ）及び／又は（ｈ）及び／又は（ｉ）及び／又は（ｊ）及び／又は（ｋ）及び／又は（ｌ）及び／又は（ｍ）を有する。理解すべき点として、上記で確認したリストのありとあらゆる副結合は本発明によって包含されるものであり、例えば（ａ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｇ）、（ｊ）、（ｌ）及び（ｍ）；又は（ａ）、（ｂ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｈ）、（ｋ）及び（ｍ）；又は（ｂ）、（ｃ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｉ）及び（ｊ）；又は（ｃ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）、（ｊ）、（ｋ）、（ｌ）及び（ｍ）がある。
【０２３９】
一部の実施形態において、本発明のプラントは、下記の構成要素のうちの少なくとも一つを含む。
【０２４０】
（ａ）システムの炭化器によって発生するチャーを使用するための流動床燃焼器（例えば、加圧流動床燃焼器）；
（ｂ）使用中止となっているボイラー及び適宜に１以上のスクラバー及び適宜に既存のプラントの残りを使用状態に維持すること；及び／又は
（ｃ）ＨＲＳＧ（例えば、ガスタービンから熱を回収するため）。
【０２４１】
一部の実施形態において、本発明は、新たな発電能力が必要とされる場合は必ず、新たな技術で新たな及び既存の粉炭プラントを改造することにより、石炭燃焼発電装置からの世界の二酸化炭素放出を、他のいずれのシステムと比較してもより迅速かつ大規模に低減するためのシステムに関するものである。一部の実施形態において、そのような改造は、他のいずれの技術より低いコストで新たな電気を提供することにより、その新たな技術の広範囲での採用が促進される。一部の実施形態において、隔離ができるようになったら、そのような改造物をアップグレードして、炭素捕捉及び貯蔵を提供することができる。一部の実施形態において、そのようなアップグレードは、炭素捕捉用の他のシステムでかかるコストのほんの一部のコストしか要しないことから、地球温暖化への取り組みに投資することに現在は消極的な国であってもそれを採用する機会が高められる。一部のそのような実施形態において、その組み合わせは、石炭燃焼発電装置からの炭素放出を、予測できるほど近い将来に放出量の９０％以上を削減可能な唯一のシステムであるように思われる。一部のそのような実施形態において、短期的な新たな発電能力のニーズで、気候学者達のタイムテーブルを満足する時間内に全ての石炭プラントを低放出のものに変えるには十分である。
【０２４２】
別の実施形態及び本発明の一部の実施形態の組み合わせには、下記のうちの１以上を含むことができるＩＧＣＣ等がある。
【０２４３】
（Ａ）蒸気回路で蒸気タービン、ガス化装置及び他の蒸気使用箇所用に蒸気を発生させるのに用いられ、下記のうちの一つからなるチャー燃焼器。 
１．加圧流動床燃焼器、
２．石炭を一旦燃焼させる炉でチャーを燃焼させる蒸気プラントボイラー、
３．大気圧流動床燃焼器、
４．チャーを副産物として用いて、家庭加熱用のチャーブリケット、活性化チャー石炭を製造し、又は施設外の蒸気プラント又は炉を燃やすことができる。
【０２４４】
（Ｂ）本発明のガス化のレベルは下記のように制御される。 
１．チャーバーナーが既存のボイラーの場合、ガス化のレベルを制御して、石炭を用いた場合と同様の火炎温度を維持し、代表的には６５から７０％とする。 
２．チャーバーナーが流動床である場合、ガス化のレベルを、ワンススルーガス化装置が可能な最大ガス化レベル、代表的には８０から９０％に設計する。
【０２４５】
（Ｃ）下記のいずれかのものからなる合成ガス冷却器。 
１．ディストリビュータプレート上に取り付けられた流動床内にある導路で合成ガスを冷却する流動床合成ガス冷却器、又は
２．炭化器の頂部からオーバーヘッドでのフリーボードへの冷却剤の直接投入（それにより、冷却剤は蒸気又は水である）。
【０２４６】
（Ｄ）下記のいずれかのものからなる炭素捕捉システム。 
１．加圧流動床燃焼器では、流動床燃焼器から放出される煙道ガスを処理するフィルター及び冷却器の下流にある加圧吸着剤、
２．大気圧チャーバーナーでは、別のガスタービン、ＨＲＳＧ及び煙道ガスＣＯ２吸着装置を用いて、チャーバーナーから発生するガスを処理して、ＣＯ２を除去する。 
３．第３の選択肢は、チャー微粉を完全にガス化し、それらの合成ガスを主ガス化装置を出る合成ガスと混合するというものである。
【０２４７】
（Ｅ）例えば、
１．方解石の流動床を用いてカルシウム／硫黄比を最小とし、又は
２．方解石をチャーと混合して、方解石の流動床の必要性をなくすことによる方解石脱硫の使用によって、輸送脱硫器への空気流を低減することで、プラント出力及び効率を高めること。
【０２４８】
（Ｆ）改造物が必要とする追加能力が改造された蒸気タービンシステムの定格能力より小さい場合に、蒸気タービンによって生産される電力を比例して低下させることによるプラント効率の最大化。
【０２４９】
（Ｇ）蒸気ＦＢＣを用いてＨＲＳＧによって生じる蒸気を過熱又は再加熱することによる、効率を最大とするための航空転用エンジンの使用。
【０２５０】
（Ｈ）脱硫再生器から放出される酸性ガスを硫酸に変換して、そこで発生する蒸気を用いて、プラントの出力及び効率を高めること。
【０２５１】
（Ｉ）合成ガス冷却器及び／又は方解石脱硫器用のディストリビュータが、耐火材絶縁材によって囲まれた冷却された導路の組立物からなり、
１．導路の組立物は、絶縁材が頂部及び底部に置かれたひれ付き管及び合成ガスが流れるひれ付き管組立物のひれに取り付けられた金属導路からなり、
２．ディストリビュータの組立物が、流動床の長さ方向に並んだ穴を通って耐火材の組立物を支持し、合成ガスがディストリビュータを通って流れるための開口が耐火材に形成されている、ひれを持たない冷却剤導路からなり、
３．合成ガス用のディストリビュータを通る通路が、ディストリビュータの形成に用いられる支持耐火材に形成されている。
【０２５２】
（Ｊ）
１．外部バーナーに過剰の空気を加えるか、
２．外部バーナーを空気導路で置き換え、それによって、ドラフト管中で揮発分を燃やすことにより、流入する石炭を加熱して炭化器床温度とすることによるドラフト管中への空気の投入。
【０２５３】
（Ｋ）
１．チャー粒子をチャー床に戻すドラフト管の排出口の上でデフレクターを用い、
２．開口が底部にあることでその表面を緩衝し、ドラフト管を出るチャーによる腐食を低減する耐火材料の密閉されたカップからなるデフレクターを使用し、
３．漏斗型容器をドラフト管の頂部に取り付けることにより、チャー床の表面をドラフト管の排出口の頂部の上方に制御することで
［（ａ）漏斗の直径の大きい方が頂部にあり、
（ｂ）その最大箇所での外径が加圧容器の内径より小さいことで、チャー床からの合成ガスをオーバーヘッドで通過させることができ、
（ｃ）ドラフト管を囲む環状物におけるチャー床の高さがドラフト管の頂部より下にあり、
（ｄ）その漏斗が制御された高さまでチャーで満たされており、
（ｅ）漏斗中の過剰のチャーは、弁を取り付けた下降管を通ってドラフト管を囲むチャーの環状床に戻る。］、
圧力容器からの粒子の損失を低減するために必要等ラフト管上のフリーボードの高さを最小化すること。
【０２５４】
留意すべき点として、本明細書に記載の本発明の実施形態は類似の特徴、要素、配置、構成、段階等を含み得るものである。従って、明瞭を期すため、本明細書に添付され、本明細書で言及された図の中には、共通の参照数字を含むものもある。しかしながら、共通の参照数字は決して共通に言及されている特徴が同一であるかかなり類似していることを示すものではなく、それらが同じ特徴であることを示すというものである。例えば、図４に示した実施形態は数字「５６」で参照した炭化器を含み、図４に示した実施形態とは別個で異なる実施形態である図３０に示した実施形態も、数字「５６」で参照される炭化器を含む。図４及び３０において炭化器を「５６」と参照することは、図４及び３０に示した実施形態を限定して同一又はかなり類似した炭化器を含めるものではなく、それらが炭化器というものを含むことを示すことのみを目的として使用される。従って、まとめると、本明細書で使用される共通の参照数字は、参照された特徴をあるいずれかの特定の実施形態に限定するものではなく、単に、その特徴が類似していることを示すものである（同様の機能を行う特徴等）。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
2012513501.tif 000009
【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５Ａ】
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【図４５Ｂ】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【国際調査報告】
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