JP2011513690A - 反応器サブシステムを用いた空気燃焼co2捕捉対応の循環流動層熱発生 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明による空気燃焼循環流動層(CFB)熱発生システム100の一例の概略図を示す。CFB熱発生システム100は、空気を使用して化石燃料を燃焼させる。
機能的に、非CO2捕捉モードとCO2捕捉モードの双方に使用されるCFB熱発生システム100の全ての構成要素は、動作の両モードにおいて全く同様に実行する。しかし、後述されるようにCO2捕捉モードで動作する場合、CFB熱発生システム100内で共通に利用される構成要素によって処理されねばならない流れの容量は、非CO2捕捉モードで動作するCFB熱発生システム100内の対応する構成要素によって処理される流れとは異なる。すなわち、流れの体積及び/又は温度などの属性が異なる。例えば、非CO2捕捉モードにおいて、CFB熱発生器110からの作動流体102の流れは、CO2捕捉モードにおけるCFB熱発生器110からの作動流体102の流れよりも体積が少ない。以下に強調されるように、これらの構成要素の幾つかの場合、非CO2捕捉モードにおける動作には構成要素自体が幾分大型である、すなわち必要とするよりも大きい必要がある。しかし、その他の構成要素の場合、構成要素の動作制御における調整だけが必要とされ、従って、構成要素は非CO2捕捉モードにおける動作のためにサイズ設定することができる。
CFB熱発生器110は、壁管によって画定される炉を含む。燃料は炉内で燃焼し、熱を発生させる。より詳細には、空気142が、CFB熱発生器110の炉の低部セグメントに供給される。そこで、空気は流動化して、CFB熱発生器110の炉の低部セグメントに供給された燃料と吸収剤との混合物114と反応し、こうして燃料の燃焼を助ける。
煙道ガス104は、導管によって、遠心式分離器として示された高温の固体−気体分離器118に搬送される。高温の固体−気体分離器118は、高温の固体の少なくとも一部を煙道ガスから分離させる。高温の固体−気体分離器118は、その壁構造に組み込まれる管を有し、本実施におけるこれらの管を通過する水又は水と蒸気の混合物である作動流体によって冷却されることが好ましい。
高温の固体のいかなる残余、例えば、所定のサイズ未満である高温の固体も、高温の固体−気体分離器118から後部煙道122までの導管によって導かれた分離された煙道ガス106内に同伴されたままで残る。後部煙道122は、その壁構造に組み込まれた管を有し、これらの管を流れる作動流体によって冷却される。説明されている例示の実施において、この作動流体は、水又は水と蒸気の混合物であるが、所望に応じて別の種類の作動流体が使用可能である。後部煙道122において、更なる熱伝導動作が実行され、煙道ガス及び全ての同伴された高温の残余固体が冷却される。更に、導管により、冷却された煙道ガス150が後部煙道から予熱器144に導かれ、予熱器は、CFB熱発生器110に供給されている流動化空気を予熱することができる。予熱器144は、無漏出の管状予熱器であることが好ましい。後部煙道から予熱器144に流れる煙道ガス150は、窒素に富むことが認識されよう。CO2捕捉用に構成された場合、流動化空気188又は188’は、CFB熱発生器110の炉に導入される前に、導管によって予熱器144に導かれることが好ましい。
静電集塵器システム(EPS)として示された微粒子除去構成要素152は、冷却された煙道ガス154内にまだ同伴されている比較的細かい固体を除去する。微粒子除去構成要素152を出た煙道ガス158は、誘引通風(ID)ファンとして示された送風機162に、更なる導管を介して搬送される。
上記を鑑みて、当業者には十分に理解されるように、CFB熱発生システム100が両方の動作モードでほぼ同量の電力を発生させる予定の場合は、CFB蒸気システム100の作動流体の配管(図示せず)、並びに空気及び煙道ガスの導管(図示せず)はまた、非CO2捕捉モードにおいて必要とされるよりも相応に大きな容量を有することになる。
CFB熱発生システム100は、任意の特定の時点で、CO2捕捉用に構成されてよく、又は構成されなくてよい。しばしば、初期動作は非CO2捕捉モードにおいてなされる。そのような場合、CFB熱発生システム100は、CO2捕捉モードでの動作用に後で容易に改造することができる。上記したように、CO2捕捉を容易にするために、図1で任意選択として示された様々な構成要素200がシステムに追加される。より詳細には、CFB熱発生システム100は、並列供給流体加熱器(PFFH)282、ガス冷却器260、送風機262、気体処理構成要素266、並びに反応器210、高温の固体−気体分離器218及び後部煙道222を含む追加された反応器サブシステムで構成される。CO2捕捉モードでのCFB熱発生システム100内の動作上の流れにおけるこれらの構成要素及び関連する変更は、以下に説明される。
CO2捕捉用に構成された場合、説明されている例示の実施において並列供給水加熱器(PFWH)であるPFFH282が、追加的な導管を介して予熱器144を出た冷却された気体254を受け取る。PFFH282は、本実施において液体状態でのH2O、すなわち、一般に給水と呼ばれるものである供給作動流体284に気体254から熱を伝導する。熱の伝導は、供給作動流体284が、所望の温度にまで加熱されるように、既知又は他の手法を使用して制御することができる。PFFH282において、供給作動流体の状態は、液体から気体、たとえば水から蒸気に変化することが好ましい。次いで、加熱された作動流体286の流れは、タービン190に導かれる。タービン190は、PFFH282からの低レベル熱回収のために装備され、圧縮機中間冷却器の設備を有することが好ましい。PFFH282を出た煙道ガス259は、導管によってガス冷却器260に導かれる。
ここで、CO2捕捉モードにおいて、追加された反応器サブシステムの後部煙道222を出る気体250の体積が最大の2つの構成要素は、システムが石炭燃焼の場合、CO2及びH2Oであることは留意するに値する。しかし、気体250はまた、一部のNOx、例えばNO2を含む傾向にある。以下に更に説明されるように、気体のこの組成は、追加された反応器サブシステムの反応器210内で生じる反応に起因する。
送風機262を出た気体264は、更に処理ができる位置に導かれる。より詳細には、気体264は、回収サブシステム266に導かれる。回収サブシステム266は、液体のCO2最終生成物が商業的な応用に適切となるように気体264内でCO2を液化する動作が可能な液体回収構成要素を含む。液体CO2生成物は、例えば、原油増進回収(EOR)のために使用する、又は分離することができる。
−システム構成要素及び関連する流れ−
上記のように、追加された反応器サブシステムは、反応器210、高温の固体−気体分離器218及び後部煙道222を含む。CO2捕捉モードで動作するとき、高温の固体の流れ112b’は、分離器118から反応器210まで、好ましくは重力によって導かれる。CFB熱発生器110内の燃焼によって生じた灰は、CaSO4及びCaOに富むことが認識されよう。破砕又は粉砕された石炭又は他の固体燃料などの燃料粒子を含む固体粒子と、破砕又は粉砕された石灰石、ドロマイト又は他のアルカリ土類材料などの吸収剤粒子とが、燃料と吸収剤の混合物114”を形成し、これも反応器210に供給される。一部の実施において、反応器210に炭酸カルシウムなどの吸収剤を個別に又は高温の固体112b’及び/又は燃料と吸収剤の混合物114”と共に注入することは有利であり得る。送風機180からの流動化空気142’の流れも反応器210の低部に導かれる。
CaO+CO2=>CaCO3
Claims (21)
- 非CO2捕捉モード又はCO2捕捉モードで動作可能な熱発生システムであって、
(i)化石燃料の流動層を燃焼させて作動流体を加熱し煙道ガスを発生させ、且つ(ii)前記加熱された作動流体及び前記発生した煙道ガスを排出するように構成された燃焼器と、
空気を予熱するように構成され、前記空気を予熱するために前記排出された煙道ガスを導くための第1の気体通路、及び前記燃焼器の外部での燃焼によって発生した捕捉されたCO2を伴う他の気体を導くための第2の気体通路を有する予熱器と、
を備え、
前記燃焼器が、前記予熱された空気で化石燃料の層を流動化するように更に構成され、
前記非CO2捕捉モードにおいて、(i)前記予熱器が、前記排出された煙道ガスを受け取るが前記他の気体は受け取らず、(ii)前記第1の通路が、前記空気を予熱するために前記受け取った煙道ガスを導き、これにより、前記導かれた煙道ガスを冷却する、熱発生システム。 - 前記CO2捕捉モードにおいて、
前記予熱器がまた、前記他の気体を受け取り、
前記第2の通路がまた、前記空気を予熱するために前記受け取った他の気体を導き、これにより、前記導かれた他の気体を冷却し、
前記予熱器が、前記冷却された煙道ガスを第1の経路に導き、前記冷却された他の気体を前記第1の経路とは異なる第2の経路に導く、請求項1記載のシステム。 - 前記流動層の燃焼がまた、残留する第1の固体を発生させ、前記燃焼器が、前記発生した煙道ガスを前記発生した第1の固体を同伴させて排出するように更に構成され、前記システムは、
前記同伴された第1の固体を前記排出された煙道ガスから分離するように構成された分離器であって、前記予熱器によって受け取られた前記排出された煙道ガスが、前記分離された煙道ガスである分離器と、
固体から熱を伝導することによって、前記固体を冷却するように構成された熱交換器と、
を更に備え、
前記非CO2捕捉モードにおいてのみ、前記熱交換器が、前記分離された第1の固体から熱を伝導し、これにより、前記分離された第1の固体を冷却し、前記燃焼器が、前記冷却された第1の固体を燃焼させるように更に構成される、請求項1記載のシステム。 - 前記分離器は第1の分離器であり、前記システムは、前記CO2捕捉モードにおいて、
(i)前記分離された第1の固体を燃焼させて、前記他の気体及び残留する第2の固体を発生させ、且つ(iii)前記発生した第2の固体を同伴する前記発生した他の気体を排出するように構成された反応器と、
前記排出された他の気体から前記同伴された第2の固体を分離するように構成された第2の分離器と、
を更に備え、
前記熱交換器が、前記分離された第2の固体の少なくとも一部から熱を伝導し、これにより、これらの分離された第2の固体を冷却し、前記燃焼器が、前記冷却された第2の固体を燃焼させるように更に構成され、
前記予熱器がまた、前記分離された他の気体を受け取り、前記第2の通路がまた、前記空気を予熱するために前記受け取った他の気体を導くことによって、前記導かれた他の気体を冷却し、前記予熱器が、前記冷却された煙道ガスを第1の経路に導き、前記冷却された他の気体を前記第1の経路とは異なる第2の経路へ導く、請求項3記載のシステム。 - 前記反応器が、前記分離された他の固体の一部も燃焼させるように更に構成された、請求項4記載のシステム。
- 前記作動流体が第1の作動流体であり、前記システムは、
(i)前記第2の経路に導かれた前記冷却された他の気体から第2の作動流体へ熱を伝導し、且つ(ii)前記加熱された第2の作動流体を排出するように構成された作動流体加熱器と、
前記排出された第1の作動流体及び前記排出された第2の作動流体を受け取るように構成されたタービンと、
を更に備えた、請求項4記載のシステム。 - 前記第2の経路に導かれた前記冷却された他の気体から、捕捉されたCO2を除去するように構成されたCO2除去器を更に備えた、請求項4記載のシステム。
- 第1の気体通路及び第2の気体通路を含む、空気を予熱するための予熱器を有する熱発生システムを動作させる方法であって、
作動流体を加熱して第1の気体を発生させるために、化石燃料の流動層を燃焼させるステップと、
非CO2捕捉モードにおいて、前記空気を予熱するために前記第1の気体通路を介して前記発生した第1の気体のみを導くことによって、前記発生した第1の気体を冷却するステップと、
前記冷却された第1の気体を第1の経路に沿って導くステップと、
化石燃料の層を前記予熱された空気で流動化するステップと、
を含む、方法。 - 前記流動層を燃焼させるステップがまた、残留固体を発生し、前記方法は、前記CO2捕捉モードのみにおいて、
捕捉されたCO2を有する第2の気体を発生させるために前記発生した残留固体も燃焼させるステップと、
前記空気を予熱するために前記第2の気体通路を介して前記発生した第2の気体も導くことによって、前記発生した第2の気体を冷却するステップと、
前記冷却された第2の気体を前記第1の経路とは異なる第2の経路に沿って導くステップと、
前記第2の経路に沿って導かれた前記冷却された第2の気体から、捕捉されたCO2を除去するステップと、
を更に含む、請求項8記載の方法。 - 前記流動層を燃焼させるステップがまた、前記発生した第1の気体内に同伴された残留固体を発生し、前記方法は、
前記発生した第1の気体から前記同伴された固体を分離するステップであって、前記第1の通路を介して導かれた前記第1の気体が、前記分離された第1の気体であるステップと、
前記非CO2捕捉モードのみにおいて、前記分離された固体から熱を伝導して、前記分離された固体を冷却し、且つ前記作動流体を加熱するために前記冷却された固体を燃焼させるステップと、
を更に含む、請求項8記載の方法。 - 前記固体が第1の固体であり、前記方法は、前記CO2捕捉モードのみにおいて、
第2の気体を発生させるために前記分離された第1の固体も燃焼させるステップであって、捕捉されたCO2及び残留する第2の固体が前記発生した第2の気体内に同伴されたステップと、
前記発生した第2の気体から前記同伴された第2の固体を分離するステップと、
前記分離された第2の固体の少なくとも一部から熱を伝導して、前記分離された第2の固体を冷却し、且つ前記作動流体を加熱するために前記冷却された第2の固体を燃焼させるステップと、
前記空気を予熱するために前記第2の通路を介して前記発生した第2の気体も導くことによって、前記導かれた第2の気体を冷却するステップと、
前記冷却された第2の気体を前記第1の経路とは異なる第2の経路に沿って導くステップと、
を更に含む、請求項10記載の方法。 - 捕捉されたCO2を含む第2の気体を発生させるために、前記分離された第2の固体の一部を燃焼させる、請求項11記載の方法。
- 前記作動流体が第1の作動流体であり、前記方法は、
前記冷却された第2の気体から第2の作動流体に熱を伝導するステップと、
前記加熱された第1の作動流体及び前記加熱された第2の作動流体でタービンを駆動するステップと、
を更に含む、請求項11記載の方法。 - 前記第2の経路に沿って導かれた前記冷却された第2の気体から、捕捉CO2を除去するステップを更に含む、請求項11記載の方法。
- CO2を捕捉するための熱発生システムであって、
化石燃料の流動層を燃焼させて作動流体を加熱し、第1の気体及び残留する第1の固体を発生させるように構成された燃焼器と、
前記発生した第1の固体を燃焼させて、第2の気体及び残留する第2の固体を発生させるように構成された反応器と、
空気を予熱するために、前記発生した第1の気体を導くように構成された第1の気体通路、及び前記発生した第2の気体を導くように構成された第2の気体通路を有し、これにより、前記導かれた第1の気体及び前記導かれた第2の気体を冷却する予熱器と、
を備え、
前記燃焼器が、前記予熱された空気を供給して、化石燃料の層を流動化するように更に構成された、熱発生システム。 - 前記空気予熱器が、前記冷却された第1の気体を第1の経路に導き、前記冷却された第2の気体を前記第1の経路とは異なる第2の経路に導くように更に構成された、請求項15記載のシステム。
- 前記燃焼器が、前記発生した残留する第1の固体を同伴する前記発生した第1の気体を排出するように更に構成され、前記反応器が、前記発生した残留する第2の固体を同伴する前記発生した第2の気体を排出するように更に構成され、前記システムは、
前記排出された第1の気体から、前記同伴された第1の固体を分離するように構成された第1の分離器であって、前記第1の気体通路によって導かれた前記発生した第1の気体が、前記分離された第1の気体であり、前記反応器によって燃焼された前記発生した第1の固体が、前記分離された第1の固体である、第1の分離器と、
前記排出された第2の気体から前記同伴された第2の固体を分離するように構成された第2の分離器であって、前記第2の気体通路によって導かれた前記発生した第2の気体が、前記分離された第2の気体である、第2の分離器と、
を更に備えた、請求項15記載のシステム。 - 前記分離された第2の固体の少なくとも一部から熱を伝導することによって、これらの分離された高温の他の固体を冷却するように構成された熱交換器を更に備え、
前記燃焼器が、前記冷却された第2の固体を燃焼させるように更に構成される、請求項17記載のシステム。 - 前記反応器が、前記分離された第2の固体の一部も燃焼するように更に構成された、請求項18記載のシステム。
- (i)前記空気予熱器が、前記冷却された第1の気体を第1の経路に導き、前記冷却された第2の気体を前記第1の経路とは異なる第2の経路に導くように更に構成され、(ii)前記作動流体が、第1の作動流体、前記冷却された第1の気体であり、前記システムは、
前記第2の経路に導かれた前記冷却された第2の気体から第2の作動流体に熱を伝導するように構成された作動流体加熱器と、
前記加熱された第1の作動流体及び前記加熱された第2の作動流体を受け取るように構成されたタービンと、
を更に備えた、請求項17記載のシステム。 - 前記空気予熱器が、前記冷却された第1の気体を第1の経路に導き、且つ前記冷却された第2の気体を前記第1の経路とは異なる第2の経路に導くように更に構成され、前記システムは、
前記第2の経路に導かれた前記冷却された第2の気体から、捕捉CO2を除去するように構成されたCO2除去器を更に備えた、請求項17記載のシステム。
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