JP6185936B2 - 閉鎖型サイクル急冷を伴う部分酸化反応 - Google Patents

Description

本発明は、固体燃料の高効率燃焼を達成するために部分酸化反応器を利用する出力、例えば電力の発生方法に関する。特に、当該系および方法は、固体燃料として石炭を用い得る。

燃料の燃焼からの出力発生の慣用的手段は、典型的には、高効率出力発生ならびに炭素回収および隔離（ＣＣＳ）をともに同時に達成する能力を欠く。この制限は、燃焼反応において固体燃料を用いる場合、拡大されるが、それは、燃焼生成物流中に残存する固体および不活性窒素ガス内容物のためである。したがって、ＣＯ_２放出の低減および／または生成されたものの隔離の容易性改良を生じさせる高効率出力発生のための系および方法に関する必要性が、当該技術分野においては依然として増大している。

ＣＣＳを伴う高効率出力発生の分野における一出版物である米国特許出願公開番号２０１１／０１７９７９９（Ａｌｌａｍ等）は、燃焼由来不純物、例えばＨ_２Ｓ、ＣＳ_２、ＣＯＳ、ＨＣＮおよびＮＨ_３と一緒に、燃焼構成成分として主に一酸化炭素および水素を含む気体燃料への固体燃料の実質的に完全な変換を可能にするのに十分高い圧力および温度で操作する部分酸化反応器中の酸素および任意に流体との反応により、固体燃料、例えば石炭、褐炭、石油コークスまたはバイオマスがガス化される一解決策を提供する。部分酸化正味生成物ガスは冷却され、灰分は分離されて、それは任意に圧縮されて、それを燃料として出力発生系の燃焼小室中に導入させられる。部分酸化系および出力発生系の操作圧は、燃料ガスの圧縮が必要とされないようなものであり得る。出力発生系燃焼器は、燃焼後に存在する過剰量のＯ_２を伴って操作し、これが、燃料および燃焼由来不純物が還元形態から、主にＳＯ_２およびＮＯを含む酸化形態に変換される、ということを保証する。部分酸化反応器は、約８００℃の温度レベルでの灰分除去前に、部分酸化生成物ガスを冷却する高圧再循環ＣＯ_２流を伴って、発散冷却壁を有して提供される。すべての微細灰分粒子が、固化揮発性無機構成成分と一緒に凝縮され、濾過されて、固体沈澱、腐食および下流設備の遮断を防止する、ということを保証するために、約４００℃への部分酸化ガスのさらなる冷却が必要とされる。８００℃から４００℃への部分酸化ガスの冷却は、ブードワ炭素生成反応のためのメタルダスティング腐食に耐性である高圧部分酸化ガス、ならびに部分酸化ガスにおける高ＣＯ分圧のための管を有する熱交換器中で行われなければならない。これは、式（１）で以下に示される。

ＣＯ＋ＣＯ＝Ｃ＋ＣＯ_２ （１）

当該管は、石炭および褐炭のような固体燃料中に存在する揮発性無機構成成分の凝縮に由来する固体析出物が、定期的水洗浄により除去されるよう設計されなければならない。

上記の出版物の事前通知にもかかわらず、そこに記載された系および方法は、出力発生燃焼燃料として固体燃料を用いる場合に生じる問題の最も有益な解決をいまだに提供していない。したがって、ＣＣＳを伴う固体燃料の高効率燃焼のためのさらなる系および方法が依然として必要とされている。

本発明の開示は、固体燃料を利用し、同時炭素回収を達成する高効率出力発生のための系および方法を提供する。特に、開示される系および方法は、固体燃料が燃焼されて、部分酸化生成物を含むＰＯＸ流を生じる部分酸化（ＰＯＸ）反応器を利用し得る。ＰＯＸ流は、燃焼器に向けられ得るが、ここで、部分酸化生成物のうちの少なくともいくつかは実質的に完全に酸化されて、燃焼生成物流を生じる。ある実施形態では、ＰＯＸ反応器は、燃焼器中の圧力より低い圧力で操作され得る。

具体的実施形態では、ＰＯＸ反応器は、急冷流体を利用するよう適応され得る。例えば、急冷冷却流体は、ＰＯＸ反応温度から急冷ＰＯＸ流温度にＰＯＸ流を冷却するために導入され得る。例示的実施形態では、ＰＯＸ反応温度対急冷ＰＯＸ流温度の比は、約３．２５以上（例えば、約３．５：１または約４：１）であり得る。非限定例として、ＰＯＸ反応温度は、約１３００℃以上（例えば、約１３００℃〜約１６００℃）であり、そして急冷ＰＯＸ流温度は約２００℃〜約４００℃の温度であり得る。急冷冷却は、ＰＯＸ反応器または別個の容器中でＰＯＸ流と直接混合することにより実行され得る。

他の実施形態では、一次ＰＯＸ燃料の部分酸化中に生成される固体（例えば、固体灰分粒子）は、気体燃料ガス＋蒸発急冷流体からの分離により除去され得る。代替的には、急冷流体は、付加的液相として、ならびに気相中に存在し得るし、灰分粒子の大部分を除去するための洗浄流体として作用し得る。固体点素がＣＯ分子の反応から生成されるブードワ反応を遅くすることによりメタルダスティングを防止するためには、約４００℃以下の急冷温度が有用であり得る。さらに、伴出灰分粒子を伴う単一相気体ＰＯＸ生成物がサイクロンおよびフィルター系に通されて、灰分粒子を除去し得るよう、急冷系を操作することが好ましい。

さらなる実施形態では、ＰＯＸ流および急冷流体蒸気の混合物は、例えば約１００℃以下の温度に付加的に冷却されて、冷却ＰＯＸ流を提供する。ＰＯＸ流の急冷および／または冷却は、好ましくは、ＰＯＸ反応温度で急冷ＰＯＸ流ガス中に存在する有用な熱の大多数が回収されるというようなやり方で実行される。回収熱は、例えば、出力発生系に移されて、出力発生系の効率を最大にし得る低温加熱を提供し得るが、これは、本明細書中でさらに記載される。いくつかの実施形態では、急冷流体の一部または全部が、冷却ＰＯＸ流から分離され得る。回収急冷流体は、ＰＯＸ反応器に再循環され得る。

開示される系および方法は、市販のＰＯＸ反応器を、出力発生系との効率的統合に適応させ得る。さらに、開示される系および方法は、気体生成物の分離に適応され得る。例えば、実質的に純粋なＨ_２、ＣＯまたはその混合物は、冷却ＰＯＸ流から分離され得る。開示される系および方法は、さらに、ＰＯＸ流中に存在する燃料およびＰＯＸ由来不純物の一部または全部が、出力発生系の燃焼器中で酸化され得る、という点で有益である。その後、このような不純物は、例えば凝縮水流を用いて（例えば、酸および塩として）除去され得る。

いくつかの実施形態では、本開示は、ＰＯＸ反応器中での酸素との併合による炭素系または炭化水素燃料の部分酸化を包含する工程に関する。燃料は、少なくともイオウ化合物を含み得る。ＰＯＸ反応は、少なくともＨ_２、ＣＯおよびＨ_２Ｓを含む燃料ガス混合物を生じ得る。ＰＯＸ反応は、さらに、少なくともＨ_２、ＣＯ、Ｈ_２Ｓ、ＮＨ_３およびＨＣＮを含む燃料ガス混合物を生じ得る。ＰＯＸ系は、出力発生系（ＰＰＳ）と連結され得るが、ここでは、燃料ガスは酸素で燃焼され得るし、燃焼により生成される熱エネルギーは、出力に変換され得る。統合ＰＯＸ系およびＰＰＳを利用する方法は、種々の実施形態により明示され得る。例示的実施形態を以下に提示する。
・ 急冷、固体灰分除去およびＰＰＳからの再循環高圧ＣＯ_２を伴う熱交換による冷却後のＰＯＸ系からのＰＯＸ燃料ガス中に存在する炭素系または炭化水素燃料、ＰＯＸ工程、および酸素プラント（例えば空気分離ユニット）から得られる酸素に由来するすべての不純物が、ＰＰＳ中で燃焼される。例示的不純物は、過剰量のＨ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２およびＡｒ中に存在する不純物であり得る。
・ ＰＯＸ燃料ガス中に存在するすべての酸化可能不純物は、ＰＰＳ燃焼により酸化され得る。
・ ＰＯＸ燃料ガス中に存在するイオウ化合物、例えばＨ_２Ｓ、ＣＯＳおよびＣＳ_２は、ＳＯ_２、ＳＯ_３、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２に酸化され得る。ＰＯＸ燃料ガス中に存在する任意のＮＨ_３およびＨＣＮは、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２に酸化され得る。
・ ＰＯＸ工程は、好ましくは、約２ＭＰａ以上の圧力で操作する。
・ ＰＰＳは、約１０ＭＰａ以上の入口圧を有するタービンを利用する出力の発生により明示され得る。
・ ＰＰＳは、約１２以下の圧力比（入口対出口）を有するタービンを利用する出力の発生により明示される。
・ ＰＯＸ反応は、約１３００℃〜約１６００℃の断熱火炎温度で実行され得る。
・ ＰＯＸ反応器への供給物は、水、ＣＯ_２またはその組合せ中の粉末化固体燃料でスラリー化され得る。
・ ＰＯＸ反応器への供給物は、粉末化固体燃料の伴出流を含むと定義され得る。
・ ＰＯＸ反応器への供給物は、ビチューメンの加熱流のような液体を含むと定義され得る。
・ ＰＯＸ反応器は、約２５０℃以上の温度でＰＰＳから獲得され、そしてＰＰＳレキュペレータ熱交換器を出る高圧再循環流の出口温度より低い温度でＰＰＳに戻される高圧再循環流の一部分に輻射熱を伝達する内部伝熱セクションを包含するよう適応され得る。
・ ＰＯＸ反応の直接生成物は、急冷ＰＯＸ燃料ガスの再循環部分と、急冷ＰＯＸ燃料ガスから凝縮される液体水の一部分と、ＰＰＳから再循環されるＣＯ_２と、あるいはこれら３つの組合せと直接混合することにより急冷され得る。
・ ＰＯＸ工程に用いられる燃料から生じる灰分は、ＰＯＸ生成物の急冷後、そしてＰＯＸ燃料ガスのさらなる冷却前に、除去され得る。
・ ＰＯＸ流の急冷において達成される温度は、炭素沈着またはメタルダスティング腐食がＰＯＸ系またはＰＰＳにおける任意の下流設備で起きないよう、約４００℃またはそれより低い温度、あるいはブードワ反応の速度が十分に低い温度であり得る。
・ 急冷および灰分除去後のＰＯＸ生成物は、ＰＰＳから獲得され、そして戻される高圧再循環流体流を加熱することを用いることにより、約１００℃以下の温度に冷却され得る。
・ ＰＰＳは、ＰＰＳ燃焼器中の燃焼生成物を加圧再循環流と混合し、そして全体流を出力発生のために適応される少なくとも１つのＰＰＳタービンに通すことにより、明確にされ得る。
・ ＰＰＳは、約０．１ＭＰａ以上、他の実施形態では、約１ＭＰａ以上の最終放出圧での単数または複数のタービンの操作により明確にされ得る。
・ ＰＰＳは、少なくとも全タービン排気流（単数または複数）に対して予め圧縮された高圧再循環流を加熱する１つ以上のレキュペレータ熱交換器の使用により明確にされ得る。
・ ＰＰＳは、Ｏ_２、液体Ｈ_２Ｏ、ＮＯ_２およびＮＯとの反応により、ＳＯ_２およびＳＯ_３をＨ_２ＳＯ_４に変換することにより明確にされ得る。
・ ＰＰＳは、ＮＯ、ＮＯ_２および液体Ｈ_２ＯをＨＮＯ_３に変換することにより明確にされ得る。
・ ＰＰＳ酸変換は、レキュペレータ熱交換器の冷却終了時に水および酸が冷却タービン排気ガスから分離される温度より低い、水が凝縮する点に対応する操作温度で実行され得る。
・ 酸＋酸との反応により生成され、任意にＰＰＳ燃焼器からの凝縮水で希釈される可溶性無機構成成分は、さらなる処理のために除去され得る。
・ 高圧ＣＯ_２再循環流体流（単数または複数）は、灰分除去後に急冷ＰＯＸ生成物ガスを冷却するために用いられ得る。
・ 高圧ＣＯ_２再循環流体流は、任意に、１つより多い温度レベルで、ＰＰＳから獲得される１つより多い流体流を含み得る。
・ １つより多い高圧ＣＯ_２再循環流体流は、１つより多い温度レベルでＰＰＳに戻され得る。
・ 一流体流は、ＰＰＳから獲得され、１つより多い温度レベルで、１つより多い流れとしてＰＰＳに戻され得る。
・ １つより多い流体流は、ＰＰＳから獲得され、単一加熱流としてＰＰＳに戻され得る。
・ 冷却正味ＰＯＸ燃料ガス生成物は、ＰＯＸ急冷再循環流体の冷却および分離後、それがＰＯＸ系を出る圧力からＰＰＳ燃焼器の入口圧と実質的に同一の圧力に圧縮され得る。
・ 急冷ＰＯＸ生成物ガスを冷却するのに用いるためのＰＰＳから獲得される流体流は、ＰＰＳからの加圧再循環流の一部であり得る。
・ ＰＯＸ系に用いられる酸素は、９０モル％より高い、好ましくは９５モル％より高い純度を有し得る。
・ 部分酸化ガスは水で急冷されて、少なくともＨ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、１つ以上のイオウ化合物（例えばＨ_２Ｓ）およびＨ_２Ｏを含有するガス混合物を生じる。
・ 急冷ＰＯＸ燃料ガスの冷却は、ＰＰＳからの加圧再循環ガスの２つの流れを伴って実行され得る;ＰＯＸ熱変換器に進入する第一再循環流の入口温度は、ＰＰＳ再循環ＣＯ_２圧縮器の放出温度であり得る;そしてＰＯＸ熱交換器に進入する第二再循環ＣＯ_２流の入口温度は、ＰＰＳタービン排出流における水露点の２０℃以内であり得る。
・ 燃料ガスを含むＰＯＸ流は、水で急冷されて、存在する過剰な液体水を有する水蒸気で飽和されたＰＯＸガスを生成し;そしてＰＰＳからの加圧再循環ガス２つの入口流は、ＰＯＸガス露点温度の２０℃以内の温度で単一流としてＰＯＸ熱変換器を退出し得る。
・ ＰＯＸ流は、水で急冷されて、その露点温度を上回り、そして４００℃より低い急冷ＰＯＸ流を生じ得る;ＰＯＸ熱交換器に進入する２つの入口流は、加熱され、第二入口流温度に対応する温度点で併合され得る;第一出口加熱流体流は、ＰＯＸ流露点温度の２０℃以内の温度で除去され、そして残りの流れはさらに加熱され、約３８０℃〜３９９℃の温度でＰＯＸ熱交換器を出る。
・ 急冷後のＰＯＸ燃料ガスの一部分は、除去され、触媒シフト反応器に通されて、ＣＯおよびＨ_２ＯをＨ_２およびＣＯ_２に変換し得る。
・ シフト反応器からの出口ガスは、ＰＰＳから獲得され、そしてＰＰＳに戻される再循環ガスに対して急冷ＰＯＸ熱交換器中で冷却され得る。
・ シフト化ガスは、非シフト化ガスの一部分と混合され、さらに加工処理されて、水、ＣＯ_２、イオウ化合物、水銀およびその他の揮発性無機構成成分を分離して、Ｈ_２およびＣＯを０．８:１〜２．５:１の割合であとに残す。
・ シフト化ガス単独は、さらに加工処理されて、９９モル％より高い純度のＨ_２流を生じ得る。
・ Ｈ_２またはＨ_２およびＣＯ流中のイオウ化合物、ＮＨ_３、ＨＣＮおよび水の含量は、各々、１ｐｐｍモル未満であり得る。
・ 分離装置は、多床型圧力変動吸着（ＰＳＡ）系として明示され得る。
・ ＰＳＡ系からの吸着生成物を含む前記ＰＳＡからの低圧廃棄ガスは、ＰＰＳ燃焼器により必要とされる圧力に圧縮され、ＰＰＳ燃焼器への総ＰＯＸ燃料ガス流中に混合され得る。
・ 第一燃料のＰＯＸのために用いられる酸素は、ＰＯＸ熱変換器中で３５０℃までの温度に加熱され得る。
・ ＰＰＳ燃焼器中で用いられる酸素は、ＰＯＸ熱変換器中で３５０℃までの温度に加熱され得る。

いくつかの実施形態では、本発明の開示は、ＰＯＸ系およびＰＰＳの組合せを用いる出力の発生のための方法であって、以下のステップ：
燃料を部分的に酸化して、燃料ガスを含むＰＯＸ流を生成するのに十分な条件下で、ＰＯＸ反応器中で固体または液体燃料および酸素を併合すること；
約４００℃以下の温度で急冷ＰＯＸ流を生成し、ＰＯＸ流中に存在する任意の溶融固体の少なくとも一部分を固化するのに十分な条件下で、急冷流体との組合せによりＰＯＸ流を急冷すること；
そこに存在する任意の固体の少なくとも一部分を除去するために、急冷ＰＯＸ流を処理すること；
急冷ＰＯＸ流をＰＯＸ熱交換器に送り、冷却流に対して急冷ＰＯＸ流を約１００℃以下の温度に冷却することにより急冷ＰＯＸ流からある量の熱を引き出して、ＰＯＸ燃料ガス流を生成すること；
ＰＯＸ燃料ガスを分離容器に通して、ＰＯＸ燃料ガス流中に存在する任意の水の少なくとも一部分を分離すること；
ＰＯＸ燃料ガス流を約１２ＭＰａ以上の圧力に圧縮すること；
少なくとも約１０ＭＰａの圧力で、少なくとも約８００℃の温度で、ＰＰＳ燃焼器中で（任意に過剰量酸素の一部分を伴って）ＰＯＸ燃料ガスを燃焼して、燃焼生成物流を形成すること；
ＰＰＳタービンを横断して燃焼生成物流を拡張して、粉末を生成し、拡張ＰＰＳ燃焼生成物流を形成すること
を包含する方法に関する。

具体的実施形態では、出力発生方法は、上記のような方法に独立して適用され得る種々の特質によりさらに明示され得る。例えば、固体または液体燃料は、炭素系燃料であり得る。ＰＯＸ反応器中で併合される燃料は、粉末化固体燃料の伴出流であり得る。炭素系燃料は、石炭であり得る。石炭は、水またはＣＯ_２でスラリー化され得る。急冷ＰＯＸ流は、灰分、スラグまたはその組合せを含み得るし、そして固体を除去するステップは、急冷ＰＯＸ流を水スクラバーユニットに通すことを包含し得る。固体を除去するステップは、急冷ＰＯＸ流中の燃料ガスのダスト負荷を、１平方メートル当たり約４ｍｇ以下に低減するよう、急冷ＰＯＸ流を濾過することを包含し得る。ＰＯＸ反応器はＰＯＸ温度で操作され、ＰＯＸ温度対急冷ＰＯＸ流の温度の比は約２：１以上であり得る。ＰＯＸ温度は、約１３００℃〜約１６００℃であり得る。ＰＯＸ反応器は、約２ＭＰａ以上の圧力で操作され得る。急冷することは、ＰＯＸ流を以下の：熱交換器を出る冷却ＰＯＸ燃料ガス流の再循環部分；冷却ＰＯＸ燃料ガス流から分離される水の一部分;ＰＰＳから再循環されるＣＯ_２、水またはその組合せと混合することを包含し得る。熱交換器中の冷却流は、ＰＰＳから引き出され、そして戻される高圧再循環流体流を含み得る。高圧再循環流体流は、再循環ＣＯ_２流体流であり得る。再循環ＣＯ_２流体流は、ＰＰＳ燃焼器中のＰＯＸ燃料ガスの燃焼で生成されるＣＯ_２を含み得る。ＰＯＸ反応器は、内部熱伝達構成要素を含み得る。内部熱変換構成要素は、約２５０℃以上の温度でＰＰＳの一構成要素から得られる高圧再循環流の一部分に輻射熱を伝達するために適応され得る。内部熱伝達構成要素は、ＰＰＳの構成要素に高圧再循環流を戻すために適応され得る。ＰＰＳタービンは、約１０ＭＰａ以上の入口圧力を有し得る。ＰＰＳタービンは、タービン入口対タービン出口の比として定義される出口圧を有し得る。例示的一実施形態では、比は約１０以下であり得る。

さらなる実施形態では、ＰＯＸ系およびＰＰＳの組合せを用いる出力発生方法は、さらにまた、以下の：
拡張ＰＰＳ燃焼生成物流をＰＰＳレキュペレータ熱交換器に通して、それによりＰＰＳ燃焼生成物流から熱を引き出して、冷却ＰＰＳ燃焼生成物流を形成すること；
任意に、冷却ＰＰＳ燃焼生成物流を冷水器に通すこと；
ＰＰＳ燃焼生成物流をＰＰＳ洗浄器中で処理して、Ｈ_２ＳＯ_４、ＨＮＯ_３または水溶解化Ｈｇ塩のうちの少なくとも１つを分離して、再循環ＣＯ_２流を形成すること；そして
再循環ＣＯ流をＰＰＳ圧縮器中で加圧して、圧縮再循環ＣＯ_２流を形成すること
を包含し得る。

具体的実施形態では、分離ステップは、ＳＯ_２、ＳＯ_３、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｈ_２ＯおよびＯ_２に＋凝縮水および溶解化Ｈｇ塩の反応により形成される変換生成物Ｈ_２ＳＯ_４およびＨＮＯ_３を分離することを包含し得る。拡張ＰＰＳ燃焼生成物流をＰＰＳレキュペレータ熱交換器に通すことは、ＰＰＳ燃焼生成物流を水の露点より低い温度に冷却し得る。ＰＰＳ燃焼器に進入するＰＯＸ燃料ガス流中の燃料ガスは、Ｈ_２、ＣＯおよびＣＨ_４から選択される少なくとも１つの燃料ガス構成成分を含み得る。ＰＰＳ燃焼室に進入するＰＯＸ燃料ガス流は、燃料ガスから分離され、固体または液体燃焼、その部分酸化および酸素に由来する１つ以上の不純物を含み得る。１つ以上の不純物は、イオウ化合物、ＮＨ_３およびＨＣＮのうちの少なくとも１つを含み得る。不純物の実質的にすべてが、ＰＯＸ燃料ガス流中に依然として存在し、ＰＰＳ燃焼器中で燃焼され得る。ＰＯＸ燃料ガス流中に存在する酸化可能不純物はすべて、ＰＰＳ燃焼器中での燃焼により酸化され得る。ＰＰＳ燃焼器からの燃焼生成物流は、燃焼生成物および圧縮再循環ＣＯ_２流の少なくとも一部分の混合物を含み得る。ＰＰＳ燃焼生成物流から引き出される熱は、圧縮再循環ＣＯ_２流の少なくとも一部分を加熱し得る。ＰＯＸ流は、水で急冷され得る。水急冷ＰＯＸ流は、少なくともＨ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２ＳおよびＨ_２Ｏを含み得る。ＰＯＸ熱交換器中の冷却流は、圧縮再循環ＣＯ_２の２つの流れを含み得る。ＰＯＸ熱交換器に進入する第一圧縮再循環ＣＯ_２の入口温度は、ＰＰＳ圧縮器から放出される圧縮再循環ＣＯ_２流の温度と実質的に同一であり得る。ＰＯＸ熱交換器に進入する第二圧縮再循環ＣＯ_２流の入口温度は、拡張ＰＰＳ燃焼工程流における水の露点の２０℃以内であり得る。水急冷ＰＯＸ流は、過剰液体水を含むよう水蒸気で飽和され得る。２つの圧縮再循環ＣＯ_２流は、ＰＯＸ熱交換器中で併合されて単一流を形成し得る。ＰＯＸ熱交換器を出る単一圧縮再循環ＣＯ_２流は、ＰＯＸ燃料ガス露点温度の約２０℃以内である温度であり得る。水急冷ＰＯＸ流は、その露点温度を上回り、約４００℃より低い温度を有し得る。２つの圧縮再循環ＣＯ_２流は加熱され、そして２つの圧縮再循環ＣＯ_２流が併合されて単一流を形成する点は、第二圧縮再循環ＣＯ_２流の入口温度に実質的に対応する温度であり得る。単一流は、以下の：ＰＯＸ流露点温度の約２０℃以内である温度でＰＯＸ熱交換器を出る第一流出加熱および圧縮再循環ＣＯ_２流；ならびに約３８０℃〜約３９９℃の温度でＰＯＸ熱交換器を出る第二流出加熱および圧縮再循環ＣＯ_２流に分割され得る。

付加的実施形態では、急冷ＰＯＸ燃料ガスの一部分は、ＰＯＸ触媒シフト反応器を通して向けられ得る。ＰＯＸ触媒シフト反応器は、ＣＯおよびＨ_２Ｏの混合物をＨ_２およびＣＯ_２の混合物を含むシフト反応器出口ガスに変換するよう適応され得る。シフト反応器出口ガスは、ＰＰＳから得られ、ＰＰＳに戻される再循環ガスに対してＰＯＸ熱交換器中で冷却され得る。シフト反応器出口ガスは、急冷ＰＯＸ流の一部分と混合され、さらに加工処理されて、水、ＣＯ_２、イオウ化合物、Ｈｇおよび揮発性無機化合物を分離して、したがって、Ｈ_２およびＣＯを約０．８:１〜約２．５:１の比で含む混合物を形成し得る。シフト反応器出口ガスはさらに加工処理されて、純Ｈ_２流を９９モル％より以上の純度で形成し得る。ＰＯＸ触媒プロセッサーは、多床型圧力変動吸着（ＰＳＡ）系であり得る。ＰＳＡ系からの吸着生成物を含むＰＳＡ系からの低圧廃棄ガスはＰＰＳ燃焼器圧に圧縮され、ＰＰＳ燃焼器に進入する総燃料ガス流中に混合され得る。ＰＯＸ反応器中で用いられる酸素は、ＰＯＸ熱変換器中で約３５０℃までの温度に加熱され得る。ＰＰＳ燃焼器中で用いられる酸素は、ＰＯＸ熱変換器中で約３５０℃の温度に加熱され得る。

他の実施形態では、本開示は、複合ＰＯＸ系およびＰＰＳを提供し得るし、複合系は、非気体である出発燃料から、電力のような出力を発生するために有用であり得る。いくつかの実施形態では、ＰＯＸ系およびＰＰＳは、以下の要素：
酸素の存在下で液体または固体燃料を部分的に酸化して、燃料ガスを含むＰＯＸ流を形成するよう適応されるＰＯＸ反応器；
ＰＯＸ流を急冷流体と接触するよう適応される１つ以上の構成要素；
ＰＯＸ燃料ガスからの急冷ＰＯＸ流中に存在する任意の固体を分離するよう適応される任意のＰＯＸ洗浄器；
圧縮再循環ＣＯ_２流の一部分に対してＰＯＸ燃料ガスから熱を引き出し、冷却ＰＯＸ燃料ガスを出すよう適応されるＰＯＸ熱交換器；
ＰＯＸ燃料ガスから任意の液体水を分離するよう適応される任意の分離器；
冷却ＰＯＸ燃料ガスを約１２ＭＰａ以上の圧力に圧縮するよう適応される圧縮器；
酸素および圧縮再循環ＣＯ_２流の一部分の存在下でＰＯＸ燃料ガスを燃焼して、約１２ＭＰａ以上の圧力でＰＰＳ燃焼生成物流を形成するよう適応されるＰＰＳ燃焼器；
ＰＰＳ燃焼生成物を拡張し、連結発生器中で出力を発生するよう適応されるタービン；
拡張ＰＰＳ燃焼生成物流から熱を引き出し、圧縮再循環ＣＯ_２流に熱を付加するよう適応されるレキュペレータ熱交換器；
拡張ＰＰＳ燃焼生成物流からの任意の酸化不純物を分離し、再循環ＣＯ_２流を出すよう適応されるＰＰＳ洗浄塔；
再循環ＣＯ_２流を約１２ＭＰａ以上の圧力に圧縮して、圧縮再循環ＣＯ_２流を形成するよう適応されるＰＰＳ圧縮器；
圧縮再循環ＣＯ_２流の一部分をＰＯＸ熱変換器に向けるよう適応される流動構成要素；
圧縮再循環ＣＯ_２流の一部分をＰＰＳレキュペレータ熱変換器に向けるよう適応される流動構成要素；ならびに
ＰＯＸ熱交換器からの圧縮再循環ＣＯ_２流をＰＰＳレキュペレータ熱変換器に向けるよう適応される流動構成要素
を含み得る。

このように本発明を一般的に説明してきたが、ここで添付の図面を参照する。図面は、必ずしも同一単位で測定されるわけではない。
本発明の開示による複合ＰＯＸ系およびＰＰＳの例示的一実施形態を示すシートであって、この場合、ＰＰＳは、ＰＯＸ系における液体または固体の炭化水素または炭素系燃料の部分酸化から得られる燃料ガスを用いて出力を発生する。 図１からの複合系の一部分を示すフローシートであって、この場合、例示部分は、特に、輸出Ｈ_２またはＨ_２＋ＣＯ混合物の生成のために有用な複合系の要素を示す。 急冷ＰＯＸ燃料ガスが水露点温度であるよう、過剰量の水を用いて操作する水急冷ＰＯＸ反応を伴いＣＯ_２石炭スラリーを用いる本発明の開示の例示的一実施形態による系のための燃料ガス熱交換器における温度対伝達される熱のプロットである。 ４００℃の急冷温度で操作する水急冷ＰＯＸ反応を伴いＣＯ_２石炭スラリーを用いる本発明の開示の例示的一実施形態による系のためのＰＯＸ熱交換器における温度対伝達される熱のプロットである。 本発明の開示の例示的一実施形態によるＰＯＸ系およびＰＰＳを組み合わせる出力系のＡＳＰＥＮシミュレーションからの質量および熱平衡を示し、この場合、シミュレーションは、ＰＯＸ反応器における石炭／ＣＯ_２スラリーの使用、ならびに急冷流体としての水の利用を包含した。 本発明の開示の例示的一実施形態によるＰＯＸ系およびＰＰＳを組み合わせる出力系のＡＳＰＥＮシミュレーションからの質量および熱平衡を示し、この場合、シミュレーションは、ＰＯＸ反応器における石炭／ＣＯ_２スラリーの使用、ならびに急冷流体としての水の利用を包含した。

ここで、種々の実施形態を参照することにより、本明細書中で以後、本発明をさらに詳細に記載する。これらの実施形態は、この開示が十分且つ完全であり、そして、本発明の範囲を当業者に詳細に伝えるよう、提供される。実際、本発明は、多数の異なる形態で具体化され、本明細書中に記述される実施形態に限定されるよう意図されるべきでない;むしろ、これらの実施形態は、この開示が適用可能な法的要件を満たすよう提供される。明細書中で、ならびに添付の特許請求の範囲で用いられる場合、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」という単数形は、そうでないと明らかに示されない限り、複数の指示対象を含む。

本発明の開示の系および方法は、炭素系燃料、特に固体燃料および／または液体燃料の部分酸化（ＰＯＸ）を達成するために適応される。本発明の開示により用いられ得る燃料の非限定例としては、石炭、褐炭、石油コークス、ビチューメン、バイオマス、藻類、木材、等級別可燃性固体廃棄物、アスファルト、使用済みタイヤ、原油、その他の灰分含有液体燃料等が挙げられる。

種々の実施形態では、本発明の開示の系および方法は、燃料ガスとして有用である流れを生成するために、酸素、好ましくは実質的に純粋なＯ_２を用いて燃料を部分的に酸化するよう適応される。部分酸化は、ＰＯＸ反応器中で実行され得る。特定の実施形態では、空気分離ユニットまたは他の酸素プラントが、本発明の開示の系および方法に利用され得る。プラントからの酸素は、ＰＯＸ反応器に向けられ得る。いくつかの実施形態では、酸素は、先ず、熱交換器に通されて、ＰＯＸ反応器に進入する酸素の温度を増大し得る。空気分離プラントからの窒素も、当該系および方法に組み入れられ得る。例えば、ドライＮ_２は、固体燃料を粒状化する破砕機に通されて、したがって粒子状燃料を部分的に乾燥し得る。粒子状燃料は、第二粉砕機中で、好ましくは約５００ミクロン以下、約２５０ミクロン以下または約１００ミクロン以下の粒子サイズにさらに粉砕され得る。小粒子燃料は、スラリー媒質でスラリーに形成されるべくミキサーに向けられる。スラリー媒質はＣＯ_２を含み、これは、好ましくは約３．５ＭＰａ以上、約５ＭＰａ以上、または約８．５ＭＰａ以上の圧力を有する。ＣＯ_２スラリー媒質中のＣＯ_２は、好ましくは、約５℃〜約４０℃、約１０℃〜約３０℃または約１２℃〜約２５℃の温度であり得る。ＣＯ_２スラリー媒質中のＣＯ_２は、約５００ｋｇ／ｍ^３〜約１０００ｋｇ／ｍ^３、約６００ｋｇ／ｍ^３〜約９００ｋｇ／ｍ^３または約７００ｋｇ／ｍ^３〜約８００ｋｇ／ｍ^３の密度を有し得る。スラリー媒質は、代替的には、水またはＣＯ_２と水の組合せを含み得る。ＰＯＸ反応器中に用いられる固体燃料スラリーは、約２５重量％〜約７５重量％、約３０重量％〜約７０重量％または約４０重量％〜約６０重量％の固体燃料を含み得る。粒子状燃料スラリーは、次に、ＰＯＸ反応器中で酸素と組み合わされ、これは、好ましくは約９０モル％以上、約９５モル％以上または約９７モル％以上の酸素を含む。ＰＯＸ反応器は、好ましくは、約４．５〜約８．５ＭＰａの圧力で、約１４５０℃の温度で操作する；しかしながら、温度および圧力は、ＰＯＸ反応器を出るＰＯＸ流の性質に関連して、本明細書中で別の状況で開示されるような温度および圧力範囲の任意の組合せであり得る。

ＰＯＸ反応器中の炭素系燃料の部分酸化はＰＯＸ流を形成し、これは、その構成成分に関して明示され得る。特に、ＰＯＸ流は、燃料ガスおよび１つ以上の不純物（酸化可能不純物および非酸化可能）を含み得る。燃料ガスは、水素、一酸化炭素またはその組合せを含み得る。元のＰＯＸ燃料（固体または液体炭化水素または炭素系材料）または部分酸化反応から得られる例示的不純物としては、例えばＨ_２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ_２、ＨＣＮ、ＮＨ_３およびＨｇが挙げられる。流れはＰＯＸ反応器から生じ、この場合、そこから生成されるＰＯＸ流は、冷却流体で急冷され得る。これは、冷却流体の部分気化を生じて、燃料ガスと混合される気化冷却流体を含む燃料ガスを生成し得る。過剰量の急冷流体を用いて、ＰＯＸ反応器からの生成物として、液体冷却流体および蒸気燃料ガス＋気化冷却流体の混合物を提供し得る。冷却ＰＯＸ流は分離を施され、したがって、固体（例えば固体灰分粒子）が除去され得る。固体は、特に、燃料ガス混合物から分離される液体冷却流体との混合物中で除去され得る。任意の残りの微細灰分粒子は、顆粒冷却流体洗浄カラムにより、その後、キャンドルフィルター等により、除去され得る。代替的には、急冷は、サイクロンおよびフィルターの組合せで除去される伴出灰分粒子を有する気相を生じ得る。冷却ＰＯＸ流は、その後、熱交換器中で冷却されて、急冷前にＰＯＸ流中に存在した有用な熱の少なくとも一部分を回収し得る。特に、燃料ガスと混合される気化冷却流体の大部分は凝縮され、熱は主に高圧再循環流に伝達されて、出力発生系におけるレキュペレータ熱交換器の熱端での温度差を低減し得る。これは、単独での、またはＰＯＸ系と組合せた出力発生系の全体的効率を増大するのに特に有益であり得る。ＰＯＸ流（すなわち、燃料ガス流）は、出力発生のための燃焼器中での燃料ガスのさらなる燃焼に必要とされる圧力より低いかまたは等しい圧力で生成され得る。例えば、本発明の開示の系および方法と組み合わせられ得る燃焼器および関連出力発生サイクルは、米国特許出願公開番号２０１１／０１７９７９９（この記載内容は参照により本明細書中で援用される）に記載されている。このような燃焼器および関連出力発生サイクルは、「ＮＥＴ出力系」として本明細書中で言及され得る。ＮＥＴ出力系の工程は、作業流体としてＣＯ_２を主に用いて、出力発生を達成する。特に、当該工程は、高圧再循環ＣＯ_２流と燃料の燃焼から生じる燃焼生成物との混合物を拡張する高圧／低圧比タービンを用いる。純酸素は、燃焼工程における酸化剤として用いられ得る。熱タービン排気を用いて、高圧再循環ＣＯ_２流を部分的に予熱する。ＮＥＴ出力系の再循環ＣＯ_２流は、Ｏ_２発生プラントの空気供給物の圧縮エネルギーから得られる熱を用いても加熱される。燃料および燃焼由来不純物、例えばイオウ化合物、ＮＯ、ＮＯ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｈｇ等はすべて、大気中への放出を伴わない処分のために分離される。

本発明の開示の系および方法は、具体的には、ＰＯＸ系および出力発生系（ＰＰＳ）の組合せであるとして特性化され得る。ＮＥＴ出力系は、本発明の開示に従って用いられ得るＰＰＳの一例である。特に、ＰＯＸ燃料ガス流は、燃焼器のための燃料流の一部または全部としてＰＰＳ燃焼器に導入され得る。高圧燃焼サイクルでは、ＰＯＸ流からの燃料ガスは、概して、出力発生系燃焼器において必要とされる高圧に圧縮されなければならない。例えば、ＰＯＸ燃料ガス流は、約１０ＭＰａ以上、約１５ＭＰａ以上、約２０ＭＰａ以上または約２５ＭＰａ以上の圧力に圧縮され得る。他の実施形態では、圧力は、約８ＭＰａ〜約５０ＭＰａ、約１５ＭＰａ〜約４５ＭＰａまたは約２０ＭＰａ〜約４０ＭＰａであり得る。

酸素と固体または液体燃料との反応から生じるＰＯＸ燃料ガスは、ＰＰＳ燃焼器中へのＰＯＸ燃料ガス流の導入前に除去されなければならない種々の量の固体および溶融固体を含み得る。具体的には、ＰＯＸ燃料ガスは、急冷され、必要に応じて、灰分およびその他の固体材料が除去され得る温度に冷却され得る。これは、ＰＯＸ系およびＰＰＳにおける設備の下流汚染を防止するために有益である。ＰＯＸ燃料ガス流の冷却中に放出される熱は、出力発生系に伝達されて、出力発生系の全体的効率を最大にし得る。特に、この熱は、燃焼生成物流の冷却後に、そして出力発生系の燃焼器中に再循環ＣＯ_２流体を戻し入れる前に、出力発生において循環する再循環ＣＯ_２流体の少なくとも一部分を部分的に加熱するために用いられ得る。特に、熱は、再循環ＣＯ_２流体の圧縮後に再循環ＣＯ_２流体に付加され得る。任意に、ＰＯＸ反応器および／または出力発生系燃焼器に必要とされる酸素も、同一または異なる熱変換器中で冷却ＰＯＸ流に対して加熱され得る。

ＰＯＸ反応器は、約１２００℃以上、約１３００℃以上または約１４００℃以上である温度を有する出口ＰＯＸ燃料ガス流を提供するよう適応され得る。さらに特定的には、温度は、約１０００℃〜約２０００℃、約１２００℃〜約１８００℃または約１３００℃〜約１６００℃であり得る。種々の実施形態では、１つ以上のステップを利用して、ＰＯＸ流（したがって、さらなる燃焼器への流入のための燃料ガス）を、好ましくはほぼ周囲温度に冷却し得る。

一ステップにおいて、上記のような温度でＰＯＸ反応器を出た直後のＰＯＸ流は、より低い温度に急冷され得る。急冷は、温度を好ましくは４００℃以下に低減するが、これは、炭素生成またはメタルダスティング腐食が起こらないほどブードワ反応の速度が遅い領域である。４００℃以下の温度に急冷することは、その後の除去のために揮発性金属塩を凝縮するのに役立つ。急冷ステップは、ＰＯＸ反応温度に関連して比により明示され得るより低い温度にＰＯＸ流の温度を低減するよう適応され得る。特定の実施形態では、ＰＯＸ反応温度対急冷ＰＯＸ流の温度の比は、約３．２５:１以上、約３．５:１以上または４:１以上であり得る。さらに特定的には、ＰＯＸ流対急冷ＰＯＸ流の温度比は、約３．２５：１〜約６：１、約３．７５:１〜約５．５:１または約４:１〜約５:１であり得る。特定の実施形態では、急冷ＰＯＸ流の温度は、約４００℃以下、約３５０℃以下または約３００℃以下であり得る。特定の実施形態では、当該温度は、約２００℃〜約４００℃、約２２５℃〜約３７５℃または約２５０℃〜約３５０℃であり得る。急冷は、ＰＯＸ流を１つ以上の急冷流体と混合することにより実行され得る。本発明の開示に従って用いられ得る急冷流体の非限定例としては、再循環ＰＯＸ生成物流（すなわち、急冷流体温度にすでに冷却されており、次いで、ＰＯＸガス熱変換器中で冷却され、その後、液体水分離されるＰＯＸ生成物の少なくとも一部分）、急冷流体温度での水、液体ＣＯ_２、その混合物等が挙げられる。有用な急冷流体温度は、約１５０℃以下、約１００℃以下、約７５℃以下または約６０℃以下であり得る。急冷流体温度は、特に、約１０℃〜約１５０℃、約１５℃〜約１００℃または約２０℃〜約７５℃であり得る。代替的には、急冷流体は、冷却急冷ＰＯＸガスに対して、あるいは他の手段により、典型的にはＰＯＸ急冷温度より約２０℃低い温度に近い温度に予熱され得る。水急冷を用いる実施形態では、水の一部分は気化され、したがって燃料ガス、上記および液体水部分の混合物を生じ、これは、大半の灰分粒子を洗い落とす。液体および蒸気の全体の温度は、ＰＯＸ反応に用いられる圧力、ならびに急冷のために用いられる液体水の量により決定される。

さらなるステップは、任意の液体水および大部分の任意の灰分粒子またはさらなる固体を急冷ＰＯＸ流蒸気から分離することを提供し得る。固体の除去は、任意の慣用的分離またはフィルター手段を用いて実行され得る。適切な固体除去構成要素の非限定例としては、サイクロンフィルター、沈澱槽、キャンドルフィルター、バグフィルター、液体洗浄塔等が挙げられる。いくつかの実施形態では、分離器は、ＰＯＸ反応器の下部に提供され得る。分離蒸気は、概して、逆流水洗浄カラムの基部に導入されて、粒状灰分のさらなる痕跡を除去し得る。次に、正常化ＰＯＸ燃料ガス＋上記は、任意に、ガスフィルター、例えば間ドルフィルターに通されて、燃料ガスを冷却するために用いられる熱交換器中または下流ＰＰＳ中に粒子の沈着が認められ得ないことを保証し得る。いくつかの実施形態では、液体ＣＯ_２流は、急冷流体として用いられ得る。この場合、急冷後の全体流は、伴出固体粒子を伴う単一気相で構成され得る。急冷に用いられる液体ＣＯ_２の量は、急冷流の温度が約２００℃〜約４００℃であるような量であり得る。灰分は、上記のような一連のフィルターで除去され得る。他の実施形態では、水分離後の冷却分離燃料ガス流は、急冷流体の一部または全部として用いられ得る。種々の実施形態では、急冷の好ましい方法は、水を用い得る。当該系は、水およびＣＯ_２の混合物も用い得るが、この場合、水の量は、急冷して灰分粒子の大部分を洗い落とした後に十分な液体水を生じるのに十分な量である。

さらに別のステップでは、急冷ＰＯＸ流（好ましくは固体の濾過後）は、周囲温度近くに冷却され得る。したがって、開示される系および方法は、熱変換器のために適応される１つ以上の構成要素を包含し得る。特に、熱交換器は、急冷ＰＯＸ流からの熱を、出力発生系で利用される高圧ＣＯ_２再循環流の１つ以上の部分に伝達するよう適応され得る。例えば、熱は、ＣＯ_２再循環圧縮機排気から得られる高圧ＣＯ_２再循環流に、および／または出力発生サイクルに用いられるレキュペレータ熱交換器における１つ以上の適切な点に伝達され得る。ＰＰＳレキュペレータ熱交換器への熱の注入のための温度の選択、ならびに急冷燃料ガス冷却器において加熱されるべきＰＰＳレキュペレータ熱交換器から得られる流れの数および入口温度は、熱回収が経済的熱交換器サイズと一致する最大温度レベルであることを保証するために、熱回収工程を変更することにより決定され得る。

ＰＯＸ反応器中で用いられる固体燃料は、種々の形態で提供され得る。上記の実施形態では、固体燃料は、粒子状形態、好ましくは微細粉末状態で提供され、スラリー媒質でスラリー化され得る。好ましい実施形態では、スラリー媒質は、例えば、水、液体ＣＯ_２およびその組合せを含み得る。液体ＣＯ_２は、少なくとも一部は、出力発生系からの再循環ＣＯ_２から生成され得る。スラリー化流体としてのＣＯ_２の使用は、異なるスラリー媒質、例えば水（例えば、出力発生系から凝縮され、分離される水）の使用と比較して、ＰＯＸ反応器範囲へのＰＯＸ燃料供給物の温度を上げるために必要とされる熱を低減するのに特に有用であり得る。ＣＯ_２は好ましいスラリー化媒質であり得るが、しかし他の材料、例えば水は、所望により依然として用いられ得るし、本発明の開示のある実施形態下での効率の許容可能な損失をもたらし得る。ＰＯＸ反応器中で用いられる炭素系燃料は、加熱ビチューメンのような液体であり得るし、この場合、スラリー流体は必要とされ得ない。

スラリー化媒質としてＣＯ_２または水を用いる場合、ＰＯＸ反応器を出るＰＯＸ流の組成物は、高い一酸化炭素（ＣＯ）濃度および分圧を有し得る。このような実施形態では、ＰＯＸ流の急冷が、当該流を冷却し、したがって４００℃未満の温度を有する急冷化ＰＯＸ流を形成するよう適応される、ということを保証することは特に望ましい。このような温度降下を提供することは、特に、炭素がＰＯＸ流熱交換器中に沈着され得ないよう、そして下流設備でメタルダスティング腐食が起こり得ないよう、ブードワ反応動力学を十分に低い状態に限定し得る。

特定の実施形態に関して、本開示の系および方法は、ＰＯＸ燃料供給物およびＰＯＸ熱交換器の組合せに関して、少なくとも以下の４組の操作条件を包含し得る:ＣＯ_２急冷を伴うＣＯ_２燃料スラリー；水急冷を伴うＣＯ_２燃料スラリー；水急冷を伴う水燃料スラリー;およびＣＯ_２急冷を伴う水燃料スラリー。しかしながら、さらなるスラリー化媒質および／またはさらなる急冷化流体の利用に基づいて他の組合せが生じ得る、と理解される。さらに、燃料スラリー媒質は、水およびＣＯ_２の組合せであり得る。同様に、急冷化流体は、水および冷却ＰＯＸ流の組合せであり得る。

灰分除去後に熱交換器中で急冷化ＰＯＸ流を冷却することにより放出される熱は、出力発生系から得られる高圧ＣＯ_２再循環流の１つ以上の部分に伝達され得る。急冷流体は、液体水分離後のＰＯＸ熱交換器の冷却端を出る再循環ＰＯＸ燃料ガスであり得るし、あるいはそれは、凝縮および分離水であり得る。それは、燃料ガスおよび水の組合せでもあり得る。さらに、それは、再循環ＣＯ_２であり得るし、あるいは燃料ガスまたは水の、あるいはともにＣＯ_２との組合せであり得る。いくつかの実施形態では、急冷流体の供給源は特に関連があり得る。ＣＯ_２スラリー化媒質を利用する実施形態は、固体燃料供給物（例えば、石炭）中に存在する水素および水に由来する水の正味産生を生じ得る。したがって、分離液体水は、水に溶解される可燃性構成成分を分離するよう処理され得る。これらの分離可燃性物質は、圧縮され、出力発生系燃焼器に戻され得る。清浄化水流は、次に、固体燃料スラリー化系またはＰＯＸ急冷系に再循環され得るし、任意の余分量の水は出力発生系に送られて、そこで、それを用いて、米国特許出願公開番号２０１１／０１７９７９９に記載されたように出力発生系において水分離段階で生成される任意のＨ_２ＳＯ_４／ＨＮＯ_３酸を希釈し得る。固体燃料が水でスラリー化される実施形態では、高温ＰＯＸ流中に存在する水は、固体燃料中の炭素の部分酸化により生成されるＣＯと反応して、水素ガスおよび一酸化炭素を生じ得る。これらは、約１:１のＨ_２およびＣＯ（体積）の比で存在し得る。

シフト反応における水のこの消費は水の欠乏を示し、出力発生系で生成される水は、次に、ＰＯＸ系に戻されて、固体燃料石炭スラリーを、したがってこの消費のための構成を生じ得る。正味の冷却ＰＯＸ流（すなわち、燃料ガス流）は、次に、出力発生燃焼器中での燃焼のための必要圧力に圧縮され得る。種々の実施形態において、本発明の開示の系および方法は、ＰＯＸ反応器を出る高温ＰＯＸ流を伴う使用のための内部急冷流体の生成のために適応され得る。これは、ＰＯＸ反応、固体除去、熱交換冷却および水分離の逐次的ステップから生じ得る。ＰＯＸ流からの燃料ガスの正味量は、圧縮され、相対的抗濃度の可燃性ガス（例えば、Ｈ_２およびＣＯ）を伴って、ならびに出力発生系燃焼器中の有用な燃焼条件を保証する熱量値で、出力発生系燃焼器に送達され得る。

いくつかの実施形態では、本開示によるＰＯＸ反応器は、出力発生系燃焼器における圧力より高い圧力で操作されるよう適応され得る。出力発生系燃焼器は、特に、系において連続的に再循環される作業流体としてＣＯ_２を用い得る。好ましくは、ＰＯＸ流は、急冷媒質としての冷却ＰＯＸ流または水を用いて本明細書中に記載されるように熱交換により急冷され、冷却され、そして冷却ＰＯＸ流（すなわち、燃料ガス）は、さらなる圧縮の必要なく、出力発生系で用いられ得る。ＰＯＸ反応器は炭素系燃料の燃焼のために適応される任意の反応器を含み得るが、特にこの場合、燃料は部分的にのみ酸化され、そして特にこの場合、反応器は、本明細書中に記載されるような出力発生系燃焼器の操作圧力より大きい圧力で機能するよう適応される。例示的非限定的実施形態では、ＰＯＸ燃焼器は蒸散冷却を利用し得るが、この場合、冷却流体、例えばＣＯ_２は、ＰＯＸ燃焼小室を取り囲む多孔性蒸散層に通され、これは、灰分衝突および凝集を防止するために特に有用であり得る。本発明の開示によりＰＯＸ反応器とともに用いられ得る蒸散冷却の例示的実施形態は、米国特許出願公開番号２０１０／０３０００６３（Ｐａｌｍｅｒ等）、米国特許出願公開番号２０１１／００８３４３５（Ｐａｌｍｅｒ等）および米国特許出願公開番号２０１２／００７３２６１（Ｐａｌｍｅｒ等）（これらの記載内容は参照により本明細書中で援用される）に記載されている。

さらなる実施形態では、本開示によるＰＯＸ反応器は、出力発生系燃焼器の圧力より低い圧力で操作するよう適応され得る。このような実施形態では、出力発生系燃焼器中で燃料として用いるためのＰＯＸ流は、出力発生系燃焼器に通される前に圧縮され得る。ＰＯＸ反応器は、任意の市販の系を含み得る。本発明の開示による有用な市販の系の非限定例としては、Ｓｈｅｌｌドライ粉末化石炭供給物伴出流反応器、ＧＥ／Ｔｅｘａｃｏ急冷反応器、Ｓｉｅｍｅｎｓ冷却スクリーン急冷反応器または類似の系が挙げられる。有用なＰＯＸ反応器は、ＰＯＸバーナーからの輻射熱を吸収する内部伝熱セクションを含み得る。このような実施形態では、出力発生系からの高圧再循環ＣＯ_２流の一部分は、より高い温度で加熱され、ＰＰＳ系に戻され得る。例えば、約４００℃以上の温度での再循環ＣＯ_２は、ＰＯＸ反応器内で約４５０℃〜約６００℃の温度に加熱されて、出力発生系におけるレキュペレータ熱交換器に戻され、そこで、同様の温度で高圧再循環ＣＯ_２流のさらなる部分と再混合され得る。

本発明の開示によるＰＯＸ反応器と出力発生系との組合せは、種々の有用な態様を提供し得る。一例として、組合せは、不純物（例えば、石炭または他の固体燃料から、ならびに燃料の部分酸化から）が、出力発生系燃焼器中に進入する冷却高圧ＰＯＸ流中に保持され得る、という点で限定され得る。このような不純物は、Ｈ_２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ_２、ＨＣＮ、ＮＨ_３、Ｈｇを含み得る。これらのおよびその他の不純物は、出力発生系において酸化されて、例えばＳＯ_２、ＣＯ_２、Ｎ_２、ＮＯおよびＨｇを生成し、これは次に、出力発生系から除去され得る。例えば、出力発生系燃焼器出口流から凝縮される水流は、米国特許出願公開番号２０１１／０１７９７９９に記載されているように、酸性で、ＨＮＯ、ＨＳＯおよび溶解無機塩のうちの１つ以上を含む。

出力発生系に直接通すというよりむしろＰＯＸ反応器に通す固体燃料の加工処理は、考え得る付着反応生成物を除去する能力の点からみて特に有用であり得る。例えば、ＰＯＸ反応器を出るＰＯＸ流は、約４００℃以下の温度、または石炭由来の灰分（あるいは石炭または他の固体燃料から生じるその他の溶融不純物）が除去され得る固体形態であることを保証するのに有用なさらなる温度に急冷され得る。好ましくは、固体不純物は、除去されて、熱交換器、タービン、圧縮機等のような出力発生系の構成要素の遮断および／または腐食を実質的に防止するために、非常に低い濃度に、そして十分に低い粒子サイズになされ得る。

前記のほかに、ＰＯＸ反応器からのＰＯＸ流の急冷は、本明細書中に記載されるような温度より低い急冷ＰＯＸ流を提供するよう適応され、固体燃料中の任意の無機構成成分の気相濃度が、同様に、出力発生系の１つ以上の構成要素における沈着を実質的に防止するのに十分に低い、ということを保証するために十分に低い。例えば、石炭の部分酸化は、１つ以上のアルカリ金属塩、例えばＮａＣｌ、ＣａＳＯ_４およびＫＣｌを生成し、これらは本明細書中で記載されるように除去され得る。さらにまた、出力発生系における任意の熱交換器またはその他の構成要素における炭素沈着および／またはメタルダスティング腐食を実質的に防止するためにブードワ反応が十分に遅いということを保証するよう、急冷ＰＯＸ流の上限温度が適応され得る。

本発明の開示の系および方法は、ＰＯＸ流の冷却中に放出される熱の実質的にすべての回収、好ましくはほぼ周囲温度への冷却中のそして出力発生系における再循環高圧ＣＯ_２流への熱の回収を提供するよう適応され得る。この付加的加熱は、特に、出力発生系のレキュペレータ熱交換器において低温レベルで提供され得る。このやり方での付加的熱の投入は、出力発生系の全体的効率に及ぼす有意の正の作用を提供し得る。この作用は、４００℃〜８００℃のより高い温度範囲と比較して、そして出力発生系のレキュペレータ熱交換器において冷却中であるタービン排気流のより低い比熱と比較した場合の、５０℃〜４００℃のより低い温度範囲での高圧再循環ＣＯ_２流のはるかに高い比熱のためである。この顕著な差異は、再循環ＣＯ_２流を加熱するために５０℃〜４００℃の温度範囲に亘ってレキュペレータ熱交換器において有意の付加的な余分の熱が必要とされる、ということを意味する。ＰＯＸ流熱交換器中の急冷ＰＯＸ流から得られる付加的熱は、燃料ガスそれ自体が燃焼される場合に放出される熱の量と実質的に等しい出力発生系燃焼器のための有効量の付加的熱を提供する。

再循環水流を用いて飽和までＰＯＸ反応器が急冷される種々の実施形態では、ほぼ周囲温度に冷却する急冷ＰＯＸ流に関する温度‐熱放出曲線は、急冷水の気化に由来する水蒸気が凝縮し始めると、大きな初期熱放出を示す。単位温度低下当たりのこの熱放出は、ＰＯＸ流が冷えると、漸進的に低減する。当該作用は、冷却急冷ＰＯＸ流から熱を回収するために用いられるべき出力発生系高圧再循環流から得られる２つの別個の高圧再循環ＣＯ_２流を要する。いくつかの実施形態では、第一の高圧再循環ＣＯ_２流は、約４５℃〜約７０℃の温度でのＣＯ再循環圧縮機放出物から得られる。第二の高圧再循環ＣＯ_２流は、タービン排気冷却流の露点への小温度接近が認められるレキュペレータ熱交換器における点で、高圧再循環流から獲得され得る。これら２つの流れは、一緒になって、その含水量が凝縮し始めると、冷却急冷ＰＯＸ流からの大きな初期熱放出を提供し得るが、これは、考え得る最高温度レベルで、高圧ＣＯ_２再循環流に効率的に移し戻され得る（図３参照）。ＰＯＸ流が初期に約４００℃に急冷される実施形態では、約４００℃と急冷ＰＯＸ流の水露点との間の冷却範囲が存在し、そして、ＰＯＸ流の水露点より低い温度範囲と比較した場合、急冷ＰＯＸ流から利用可能な熱のこの部分を効率的に除去するために、この範囲はより低い流量の再循環高圧ＣＯ_２を必要とし得る。これは、急冷ＰＯＸ流の水露点温度に近いか、今それより低い点での加熱高圧再循環ＣＯ_２流の一部分を除去することにより成し遂げられ得るが、一方、残りの部分は、急冷温度に近いか、および／またはそれより低い温度（例えば、約４００℃）で除去される（図４参照）。次に、加熱高圧再循環ＣＯ_２流は、レキュペレータ熱交換器中の高圧再循環ＣＯ_２のバルク流に対応する温度点でレキュペレータ熱交換器に戻され得る。種々の実施形態では、ＰＯＸ冷却熱交換器中で単一戻り流と併合するための２つの流れに関する選択肢が提供され得る。いくつかの実施形態では、高圧再循環流体の２つより多い流れが用いられ得る。

いくつかの実施形態では、急冷および灰分除去後にＰＯＸ反応器から獲得される燃料ガスは、約２５０℃〜約４００℃の温度で、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏをおもに含み得る。この燃料ガス流の一部分は、種々のＨ_２対ＣＯ比で、純Ｈ_２、ＣＯまたはその組合せの生成のために獲得され得る。大規模Ｈ_２生成のための典型的用途は、例えば精製における水素化脱硫および水素化分解であり、潜在的には自動車燃料としてであり得る。Ｈ_２およびＣＯ混合物に関する典型的用途は、例えばフィッシャー・トロプシュ炭化水素液体生成（例えば、約２．２ Ｈ_２対ＣＯ比）およびメタノール生成（例えば、約２．０ Ｈ_２対ＣＯ比）であり得る。各々の場合、Ｈ_２対ＣＯ比は、ＰＯＸ燃料ガス流中で約１未満の比から増大されなければならず、この場合、比は、固体燃料のためのスラリー化媒質としてのＣＯ_２または水の使用によって決まる。ＰＯＸ生成物ガス中により多くの水を有する水ベースのスラリーは、ＨおよびＣＯに変換されているＣＯを有意の割合で生じて、まさに１より低いＨ_２対ＣＯ比を得る。ＣＯ_２ベースのスラリーは、はるかに低いＨ_２対ＣＯ比を有する。分離急冷ＰＯＸ燃料ガス流の少なくとも一部を、触媒シフト反応器に通して、式（２）で以下に示されるように、流れとの反応によりＣＯをＨ_２に変換することは、有用であり得る：
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ＝Ｈ_２＋ＣＯ_２ （２）

灰分除去後に約２５０℃〜約４００℃の温度で得られる燃料ガスの一部分を用いて、そしてイオウ耐容性ＣＯシフト触媒、例えばシフト反応器中のコバルトをベースにしたものを用いることにより、これは成し遂げられ得る。Ｈ_２を濃化された燃料ガスの部分は、次に、ＰＯＸ熱交換器を別個に通過することにより冷却され得る。放熱シフト反応において放出される熱は、ＰＰＳに伝達され得る。次に、出口シフト化ガスが残りの冷却ＰＯＸ流の一部分と混合され、併合流は、単一非吸着構成成分として必要とされるＨ_２対ＣＯ比でＨ_２およびＣＯを分離するよう意図された多床型圧力変動吸着器に通され、一方、吸着構成成分は、イオウ化合物、ＨＣＮ、ＮＨ_３、Ｈｇ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏおよび大半のＣＨ_４のすべてを含有し得る。この非吸着分画は、石炭（あるいは他の固体または液体燃料）に由来する多少のＮ_２およびＡｒ、ならびにＰＯＸ反応器中で用いられる酸素も含有し得る。これらの不活性構成成分は、好ましくは、総濃度の５％より低く、これは、フィッシャー・トロプシュおよびメタノール反応器の両方へのガス供給のために許容可能である。純Ｈ_２生成が必要とされる場合、シフト化冷却ガスのみがＰＳＡに供給される。還元形態での石炭およびＰＯＸ由来不純物のすべてを伴うＰＳＡからのほぼ大気圧の廃棄ガスは、圧縮され、ＰＰＳ燃焼のために残留ＰＯＸ燃料ガスに戻される。

固体燃料の部分酸化を伴う出力発生系の一実施形態を、図１を参照しながら記載するが、この場合、固体燃料は、ＰＯＸ反応器４中で部分酸化されるべき石炭供給流２１の形態で提供される。石炭流２１は、空気取り込み流６２から酸素流３２および６０ならびに窒素流２３を生じる空気分離ユニット６から得られる約８２℃（１８０°Ｆ）の温度でＮ_２を含むドライ窒素流２３を供給される大型粒子破砕機１中で破砕され、部分的に乾燥される。好ましくは、ドライ窒素流２３は、ＰＰＳにおいてレキュペレータ熱交換器を出るＣＯ_２濃化タービン排気の高温流に対して加熱され得る。石炭は、小型粒子破砕機２中で好ましくは約２５０ミクロン以下の粒子サイズにさらに破砕されて、粒状化石炭流２５を提供し、これは、スラリーミキサー３に向けられる。スラリーミキサー３では、粒状化石炭はＣＯ_２スラリー媒質流２９と混合され、これは、好ましくは、約８．５ＭＰａ以上の圧力を有する。ＣＯ_２スラリー媒質流２９中のＣＯ_２は、約８６５ｋｇ／ｍ^３の密度を有する。粉末化石炭は、圧力を、ロックホッパー・システムで、または他の手段により、８．５ＭＰａの圧力に増大された後、ＣＯ_２と混合される。石炭／ＣＯ_２スラリー流２６はスラリーミキサー３を出て、好ましくは、約４５重量％の石炭を含む。代替的には、スラリー媒質は、水流であり得る。粉末化加圧石炭は、窒素流中で伴出されて、ＰＯＸバーナーに供給される。次に、スラリー流２６はＰＯＸ反応器中にポンプ輸送されて、そこで酸素流５６と併合され、これは、好ましくは、９７モル％以上の酸素濃度を含む。ＰＯＸ反応器４は、好ましくは、約８．５ＭＰａの圧力で、約１４００℃の温度で操作する;しかしながら、温度および圧力は、ＰＯＸ反応器を出るＰＯＸ流の性質に関連して本明細書中に別様に開示されるような温度および圧力範囲の任意の組合せであり得る。石炭スラリーの調製のための条件は、それ相当に調整され得る。

ＰＯＸ反応器４は、石炭を部分酸化して、ＰＯＸ流を形成するよう適応され、ＰＯＸ流は、ＰＯＸ反応器を出て、急冷小室に入り得る（図示されていない）、あるいは図１に示したようにＰＯＸ反応器内で急冷され得る。ＰＯＸ流は、１つ以上の燃焼可能な（すなわち、酸化可能な）材料、例えばＨ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ_２、ＨＣＮ、ＮＨ_３（これらに限定されない）を含み得る。さらに、ＰＯＸ流は、Ｈｇおよび石炭（または他の固体燃料）に由来するその他の不純物、ならびに酸素流５６に由来するような不活性材料（例えば、Ｎ_２およびＡｒ）＋その他の微量構成成分を含み得る。ＰＯＸ流は、１つ以上の非燃焼可能材料、例えば灰分またはスラグも含み得るし、これらは、所望によりＰＯＸ流から濾過され得る。

ＰＯＸ流（ＰＯＸ反応器に対して内側または別個の構成要素中）は、急冷流体（本発明の実施形態における液体水流５７）と混合することにより急冷される。図示したように、液体水流５７は、制限ノズルにおける基部近くのＰＯＸ反応器に進入する。急冷流の付加は、好ましくは約３０４℃（より高い温度も包含されるが）の水飽和温度より低い温度にＰＯＸ流構成成分を冷却する。急冷温度は、好ましくは、非燃焼可能物質、例えば灰分およびスラグが固体形態である温度でもあり得る。余分量の急冷水は、ＰＯＸ反応容器（または別個の急冷容器）の排水受けにスラグおよび大部分の微細灰分とともに集合して、そこで、さらなる処理のために除去される。急冷ＰＯＸ流５８は、洗浄器ユニット５に進むが、これは、水洗浄塔とその後の微細カートリッジフィルターを含み、これは、ダスト負荷を約４ｍｇ／ｍ^３以下の燃料ガス、約３ｍｇ／ｍ^３以下の燃料ガス、または約２ｍｇ／ｍ^３以下の燃料ガスに低減するよう適応される。洗浄器ユニット５は、スクラブ水を再循環するために、そして処分のために灰分流６６を処理するためにも必要とされるすべての設備およびポンプも包含し得る。ＰＯＸ反応器灰分処理およびガス清浄化のために有用な系の例示的一実施形態は、石炭／水スラリーバーナーを有するＧＥ／Ｔｅｘａｃｏ ＰＯＸ系であって、これは、代替的には、石炭／ＣＯ_２スラリーを許容するよう修正され得る。

清浄化燃料ガス＋蒸気流５５は、熱交換器７中で冷却される。出口流５９は、熱交換器９中の冷却水に対してさらに冷却される。液体水４６は、分離容器８中で入口流６１から分離され、流れ３８からＰＯＸ反応器急冷および多少の付加補給水にポンプ１１で送り戻されて、急冷水流５７を生じる。正味燃料ガス流４７は、出力発生系燃焼器１４への流れ４８としての流入に適した圧力に、多段階遠心分離圧縮機１０中で圧縮される。一例として、燃料ガス流４７は、約３０．５ＭＰａの圧力に圧縮され得る。圧縮燃料ガス流４８は、レキュペレータ熱交換器中で、出力発生系燃焼器１４への投入に適した温度に加熱される。一例として、圧縮燃料ガス流４８は、約７４６℃の温度に加熱され得る。加熱燃料ガス流６４は、出力発生系燃焼器１４中で燃焼されるが、そこで、酸素およびＣＯ_２と併合される。図示実施例において、併合Ｏ_２／ＣＯ_２流５１は、３０％Ｏ_２および７０％ＣＯ_２（モルベースで）を含む。併合Ｏ_２／ＣＯ_２流５１は、好ましくは、出力発生系燃焼器１４への投入に適した温度に加熱される。一例として、併合Ｏ_２／ＣＯ_２流５１は、レキュペレータ熱交換器１２中で約７４６℃の温度に加熱される。熱再循環ＣＯ_２流５２は、レキュペレータ熱交換器１２から送られて、出力発生系燃焼器１４への投入に適した温度である。一例として、再循環ＣＯ_２流５２は、約７４６℃に加熱され得る。

出力発生系燃焼器中では、燃料ガスの燃焼からの燃焼ガスは、再循環ＣＯ_２流５２で冷却されて、図示実施形態において、約１１５０℃の温度および約３０ＭＰａの圧力で、併合燃焼生成物流５０を生じる。これは、発電機６５と連結されるタービン１３において約３ＭＰａの圧力に拡張されて、出力電力６３を生じる。タービン出口流４９は、レキュペレータ熱交換器１２中で冷却されて、図示実施形態においては、約６４℃の温度で冷却生成物流５３として出る。当該流５３は、水冷器１６中で約１７℃の温度に冷却される。さらに冷却されたタービン出口流５４はスクラブ塔１７に進入するが、これは、さらに冷却されたタービン流５４を受容する塔の詰込区分の上のスクラブ塔液体入口４１に、循環ポンプ１８を介して大いに再循環される。流れ４０の一部分は、さらなる処理のために流れ３９として分割される。タービン排気ガスがレキュペレータ熱交換器１２中で水露点より低い温度に冷却すると、以下の反応が起こる：

ＮＯ＋１／２Ｏ_２＝ＮＯ （３）
ＮＯ_２＋ＳＯ_２＝ＳＯ_３＋ＮＯ （４）
ＳＯ_３＋Ｈ_２Ｏ＝Ｈ_２ＳＯ_４ （５）

上記の反応は、液体水、窒素酸化物、ＳＯ_２／ＳＯ_３および余分量の酸素の存在下で進行する。式（３）で示される限定反応は３ＭＰａで迅速に進行し、式（４）および式（５）の反応は非常に速いため、ＳＯ_２／ＳＯ_３濃度は極低いレベルに低減される。イオウ酸化物のすべてが硫酸に転化されると、窒素酸化物は、約９５％の転化率／１回通過で、以下の反応式で転化される：

２ＮＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＝ＨＮＯ_２＋ＨＮＯ_３ （６）
３ＨＮＯ_２＝ＨＮＯ_３＋２ＮＯ＋Ｈ_２Ｏ （７）
ＮＯ＋１／２Ｏ_２＝ＮＯ_２ （８）

図１において、正味液体酸生成物流３９中に存在する消散は、存在する任意の水銀を水銀塩化物に転化する。スクラブ塔１７は、好ましくは、効率的希釈酸除去装置として機能し得る付加的水洗浄および酸ミスト除去区分を装備されるが、それは事実上すべての蒸気反応がスクラ塔１７の上流で起きたためである。混合酸は、ミキサー１５中で石灰石スラリー流３６（または他の適切な基剤）で処理されて、石膏および硝酸カルシウム流３７を生じる。他の微量金属塩も分離され得る。硝酸カルシウムおよび溶解塩除去後の残留水流３８は、冷却塔またはＰＯＸ急冷系への補給として、あるいはスクラブ塔１７中のスクラブ水として用いられ得る。

約２．９ＭＰａの圧力でスクラブ塔１７を出る主にＣＯ_２流４２は、多段階中間冷却圧縮器１９で、その後、濃厚流体多段階ポンプで、出力発生系燃焼器への投入に適した圧力、例えば約３０．５ＭＰａに圧縮される。圧縮ＣＯ_２放出流３５は、約５４℃の温度でポンプ１９の最終段階を出て、この流動の部分である流れ７０は、レキュペレータ熱交換器１２中で７４６℃の温度に加熱されて、ＣＯ_２流５２として出る。

この実施形態における空気分離プラント６は、約８．６ＭＰＡの圧力で９９．５モル％の酸素純度生成物流を生じ、これは、２つの別個の流れに分かれる。酸素流６０は、熱交換器７中で約２９４℃の温度に加熱されて、石炭の部分酸化のためにＰＯＸ反応器４中で用いるために流れ５６として出ていく。残りの酸素流３２は、約８．６ＭＰＡの圧力でＣＯ_２と混合される。具体的には、ＣＯ_２は、圧縮機１９の中間段階から流れ３０として獲得され、そして部分流３１は酸素流３２と混合して、約３０％Ｏ_２および７０％ＣＯ_２モルの組成物を生じる。この希釈Ｏ_２流３３は、多段階中間冷却圧縮器２０中で約３０．５ＭＰａの圧力に圧縮され、放出流３４は、レキュペレータ熱交換器１２中で約７４６℃の温度に加熱され、出力発生系燃焼器１４中に流れ５１として進入する。純Ｏ_２流３２の希釈は、耐酸化性物質を必要とせずに、出力発生系燃焼器１４中での燃焼のために必要とされる酸素を加熱させるのに有益である。これは、出力発生系の安全操作を保証する。３０％Ｏ_２流は、出力発生系１４中での断熱燃焼温度を約２４００℃の値に加減するために有用である。ＣＯ_２流３０の残りの部分はＣＯ_２流２９で、これは、粉末化石炭をスラリー化するためのＣＯ_２を提供し、スラリーミキサー３に送られる。

熱交換器７中での急冷ＰＯＸガスの冷却は、最大量の熱を出力発生系に伝達して、全体的効率を最大にするのに有用である。出力発生系は、ほぼ周囲温度から約４００℃までの温度範囲で外部供給源からの有意量の熱を必要とする。これは、空気分離プラント６中の断熱空気圧縮機を用いることにより、そして圧縮の熱を高圧再循環ＣＯ_２流の一部に伝達することにより提供され得る。本発明の実施形態では、必要とされる外部加熱負荷は、熱交換器７中で急冷ＰＯＸガスを冷却し、そして２つの高圧再循環流を加熱することにより提供される。約５４℃の温度での高圧再循環ＣＯ_２流２８および約１２０℃の温度での高圧再循環ＣＯ_２流４３（レキュペレータ熱交換器１２における中間温度点から得られる）は、加熱されて、約２９４℃の温度で併合加熱出口流４４を提供し、これは、レキュペレータ熱交換器１２中の対応する温度点で主再循環ＣＯ_２流と混合するために戻される。任意に、出口流６７も対応する温度点でレキュペレータ熱交換器に戻されて、同様に、主再循環ＣＯ_２流と混合し得る。

図３は、図１のレキュペレータ熱交換器７における熱放出パーセンテージに対する温度のプロット（線図）であって、複合系の効率的操作を保証するための高圧再循環ＣＯ_２の２つの別個の入口流の利益を示す。流れ４３入口の１２０℃温度レベルは、レキュペレータ熱交換器１２におけるタービン排気流の水露点に近い温度に対応する。急冷ＰＯＸ燃料ガスは、３０４℃の水飽和温度で熱交換器に進入し、総加熱高圧再循環流は、２９４℃の温度で出る。

図４は、急冷水流がＰＯＸガス温度を約４００℃に低減する操作の代替的方法を示す。急冷ＰＯＸ燃料ガス温度が約３００℃というその露点に低下する熱交換器の付加的区分が存在する。熱交換器７における温度差を最小にすることにより総出力発生系の効率を最大にするために、高圧加熱ＣＯ_２流が熱交換器から２つの別個の流れとして除去される。流れ４４は約２９０℃の温度、そして流６７は約３９０℃の温度である。これらの流れは、別々に、レキュペレータ熱交換器１２に戻され、そこで、それらは、適切な対応する温度で主高圧再循環ＣＯ_２流と再結合する。

例示的実施形態では、熱交換器７は、高圧蝋付けまたは拡散接合マルチチャネルユニットであり得る。構築の材料は、好ましくは、ＰＯＸガス＋液体水中に存在する不純物の存在下で耐食性である。レキュペレータ熱交換器１２は、好ましくは、拡散接合マルチチャネルユニットである。このユニットは、好ましくは、約８００℃までの温度での操作のために適応され、そして約２００℃より低い温度で酸腐食に耐性である。適切な材料の一例は、特殊金属合金７４０である。いくつかの実施形態では、熱交換器１２のホットエンドでの平均温度は７５０℃より低く低減され、このような場合、合金６１７が適切であり得る。任意に、２００℃および５４０℃間の中間区分は、ステンレススチールから加工され得る。２００℃より低い温度で潜在的酸腐食に付される区分は、間を置いての取り替えを可能にするよう構築され得る。

さらなる実施形態では、ＰＯＸ流を加工処理するための要素の択一的配列が用いられ得る。例示的一実施形態において、図２は、出力発生系のための燃料ガスの産生のために、ならびにＨ_２およびＣＯの分離および精製混合物の産生のために、ＰＯＸ生成物が用いられる任意の配列を示す。副次流６６は、灰分除去後の急冷ＰＯＸガス流５５から得られ、そしてイオウ耐性コバルト系シフト触媒（または他の適切な材料）を有する触媒的シフトコンバータ６７に通される。より高温の出口ガス流７０は熱交換器７中で約６０℃の温度に冷却されて、流れ７３として出て、熱交換器７４中で冷却水により流れ７５として約２０℃の温度にさらに冷却される。凝縮水は分離器７７で分離され、冷却ガス流７６は多床型圧力変動吸着ユニット７９に進入する。分離器７７で分離された水は、液体水流４６に付加される。圧力変動吸着ユニット（ＰＳＡ）７９は、入口ガス流７６を純Ｈ_２または純Ｈ_２およびＣＯ流８０（約８ＭＰａの圧力でユニットを出る）、そして不純物（例えば、Ｈ_２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ_２、ＨＣＮ、ＮＨ_３、Ｈｇおよびその他の微量構成成分）ならびにＨ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、ＣＨ_４およびＨ_２Ｏのいくつかの組合せのすべてを含有する廃棄ガス流７１に分離するよう意図される。不純物の分離は、Ｈ_２またはＨ_２およびＣＯ生成物流８０中のこれらの構成成分の濃度が１ｐｐｍより低いようなものである。この配列は、高濃度のＣＯを含有する冷却ＰＯＸガスの流れ８３を用いて、シフト化冷却ガス流７６と配合して、流れ７２を生成し、これは、ＰＳＡユニット７９に通されると、８ＭＰａ生成物流８０において必要とされる流量および必要とされるＨ_２対ＣＯ比を生じる。純Ｈ_２が必要とされる場合には、流れ８３はゼロである。０．１２ＭＰａ圧力でのＰＳＡ７９からの廃棄ガス流７１は、多段階中間冷却圧縮器８１中で約８ＭＰａの圧力に圧縮され、放出流８２が出力発生系燃料ガス流４７に付加される。総燃料ガス流は、圧縮機１０中で約３０．５ＭＰａの圧力に圧縮され、その結果生じる高圧燃料ガス流４８は、レキュペレータ熱交換器１２を介して出力発生系燃焼器１４に送られる（図１参照）。この配列は、すべての石炭およびＰＯＸ由来不純物の出力発生系への移動を保証し、底で、それらは出力発生系燃焼器１４中で酸化される。種々の実施形態において、シフト反応器中の付加的水の消費は式（９）に従って進行し、少量の付加的補給流量を必要とし得る：

Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ＝ＣＯ_２＋Ｈ_２ （９）

本明細書中に記載される系および方法の要素を包含する種々の実施形態において、開示される系および方法の全体的効率は、５０％より大きい（代表的タービンおよび圧縮器効率ならびに熱交換器温度差および圧力降下を伴うより低い加熱値（ＬＨＶ）を基礎として）。さらに、ＣＣＳは、すべての他の燃料、ＰＯＸおよび燃焼由来不純物の実質的に完全な除去と一緒に、同時的に提供される。燃料流２１中の炭素由来の過剰量のＣＯ_２は、３０．５ＭＰａで流れ７１として、循環ＣＯ_２系から除去される。これは、当該系および方法が、約１５ＭＰａ以上、約２０ＭＰａ以上、約２５ＭＰａ以上または約３０ＭＰａ以上の圧力で燃料由来ＣＯ_２の実質的にすべてを提供するよう適応され得る、という点で助長され得る。この高効率は、市販のＰＯＸ反応器系、ならびに米国特許出願公開番号２０１１／０１７９７９９（この記載内容は参照により本明細書中で援用される）に記載されたような高圧ＣＯ_２作業流体出力サイクルを用いるといったような低コスト系を伴って有益に達成され得る。比較例として、現行の商業的石炭ガス化複合コンバインドサイクル（ＩＧＣＣ）発電系（ＣＯ_２回収およびパイプライン圧への圧縮を伴う）は、比較して３４％〜３９％に過ぎない効率を有し、はるかに高い資本コストを有することが示されている。
実験

商業設備性能に関する実際的見積もりを用いて種々の条件下での広範なＡＳＰＥＮシミュレーションにより、本発明に開示される方法および系の上記の利点を立証した。ＰＯＸ燃焼器に導入される固体燃料としてイリノイ＃６石炭を用いて、２組のシミュレーションを実行した。各々の場合、データは、石炭スラリー媒質としてのＣＯ_２の使用に基づいている。第一シミュレーション（図５参照）は急冷流体としての水の使用を基礎にしており、第二シミュレーション（図６参照）は急冷流体としてのＣＯ_２の使用を基礎にしている、という点でシミュレーションは異なった。

第一シミュレーションからの質量および熱平衡の詳細は、図５に示した表で提示されている。示された条件下で、典型的には０．４１対１のＨ_２対ＣＯ比で、燃料ガスを生成した。より低い加熱値（ＬＨＶ）を基礎にしたこの実施形態に関する算定効率は、５１．４４％であった。

第二シミュレーションからの質量および熱平衡の詳細は、図６に示した表で提示されている。示された条件下で、典型的には０．１７対１のＨ_２対ＣＯ比で、燃料ガスを生成した。ＬＨＶを基礎にしたこの実施形態に関する算定効率は、５１．４３％であった。

前記の説明および関連する図面に提示される教示の利益を有することに関する本発明に開示される対象物の多数の修正およびその他の実施形態を当業者は思いつくであろう。したがって、本発明の開示は、本明細書中に記載される特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内で修正およびその他の実施形態が含まれるよう意図される、と理解されるべきである。特殊な用語が本明細書中で用いられているが、それらは一般的な且つ説明的な意味でのみ用いられ、本発明を限定するものではない。

Claims (54)

1. 部分酸化（ＰＯＸ）系および出力発生系（ＰＰＳ）を備えるシステムの組合せを用いる出力発生方法であって、以下の：
   燃料を部分的に酸化して、燃料ガスを含むＰＯＸ流を生成するのに十分な条件下で、ＰＯＸ反応器中で固体または液体燃料および酸素を併合すること；
   ４００℃以下の温度で急冷ＰＯＸ流を生成し、ＰＯＸ流中に存在する任意の溶融固体の少なくとも一部分を固化するのに十分な条件下で急冷流体との組合せによりＰＯＸ流を急冷すること；
   そこに存在する任意の固体の少なくとも一部分を除去するために、急冷ＰＯＸ流を処理すること；
   急冷ＰＯＸ流をＰＯＸ熱交換器に送り、冷却流に対して急冷ＰＯＸ流を１００℃以下の温度に冷却することにより急冷ＰＯＸ流からある量の熱を引き出して、ＰＯＸ燃料ガス流を生成すること；
   ＰＯＸ燃料ガスを分離容器に通して、ＰＯＸ燃料ガス流中に存在する任意の水の少なくとも一部分を分離すること；
   ＰＯＸ燃料ガス流を１２ＭＰａ以上の圧力に圧縮すること；
   少なくとも１０ＭＰａの圧力で、少なくとも８００℃の温度で、ＰＰＳ燃焼器中でＰＯＸ燃料ガスを燃焼して、燃焼生成物流を形成すること；
   ＰＰＳタービンを横断して燃焼生成物流を拡張して、粉末を生成し、拡張ＰＰＳ燃焼生成物流を形成すること
   を包含する方法。
2. 前記固体または液体燃料が炭素系燃料である請求項１記載の方法。
3. 前記ＰＯＸ反応器中で併合される燃料が、粉末化固体燃料の伴出流である請求項２記載の方法。
4. 前記炭素系燃料が石炭である請求項２記載の方法。
5. 前記石炭が水またはＣＯ_２でスラリー化される請求項４記載の方法。
6. 前記急冷ＰＯＸ流が、灰分、スラグまたはその組合せを含み、そして前記急冷ＰＯＸ流を処理して少なくとも一部の固体を除去することが急冷ＰＯＸ流を水スクラバーユニットに通すことを包含する請求項４記載の方法。
7. 前記急冷ＰＯＸ流を処理して少なくとも一部の固体を除去することは、急冷ＰＯＸ流中の燃料ガスのダスト負荷を、１平方メートル当たり４ｍｇ以下に低減するよう、急冷ＰＯＸ流を濾過することを包含する請求項４記載の方法。
8. 前記ＰＯＸ反応器がＰＯＸ温度で操作され、ＰＯＸ温度対急冷ＰＯＸ流の温度の比が３．２５以上である請求項１記載の方法。
9. 前記ＰＯＸ温度が１３００℃〜１６００℃である請求項８記載の方法。
10. 前記ＰＯＸ反応器が２ＭＰａ以上の圧力で操作される請求項１記載の方法。
11. 急冷することが、前記ＰＯＸ流を以下の：熱交換器を出る冷却ＰＯＸ燃料ガス流の再循環部分；冷却ＰＯＸ燃料ガス流から分離される水の一部分;ＰＰＳからのＣＯ_２再循環流の一部分；またはその組合せと混合することを包含する請求項１記載の方法。
12. 前記熱交換器中の冷却流がＰＰＳから引き出され、そして戻される高圧再循環流体流を含む請求項１記載の方法。
13. 前記高圧再循環流体流が再循環ＣＯ_２流体流である請求項１２記載の方法。
14. 前記再循環ＣＯ_２流体流がＰＰＳ燃焼器中のＰＯＸ燃料ガスの燃焼で生成されるＣＯ_２を含む請求項１３記載の方法。
15. 前記ＰＯＸ反応器が内部熱伝達構成成分を含む請求項１記載の方法。
16. 前記内部熱伝達構成成分が、２５０℃以上の温度でＰＰＳの一構成成分から得られる高圧再循環流の一部分に輻射熱を伝達するために適応される請求項１５記載の方法。
17. 前記内部熱伝達構成成分が、ＰＰＳの構成成分に高圧再循環流を戻すために適応される請求項１６記載の方法。
18. 前記タービンが１０ＭＰａ以上の入口圧力を有する請求項１記載の方法。
19. 前記タービンが、タービン入口対タービン出口の比と定義される出口圧を有し、前記比が１２以下である請求項１８記載の方法。
20. 前記ＰＯＸ反応器中で用いられる酸素が９０モル％以上の純度を有する請求項１記載の方法。
21. 前記ＰＯＸ反応器中で用いられる酸素が９５モル％以上の純度を有する請求項２０記載の方法。
22. 以下の：
    前記拡張ＰＰＳ燃焼生成物流をＰＰＳレキュペレータ熱交換器に通して、それによりＰＰＳ燃焼生成物流から熱を引き出して、冷却ＰＰＳ燃焼生成物流を形成すること；
    任意に、前記冷却ＰＰＳ燃焼生成物流を冷水器に通すこと；
    前記ＰＰＳ燃焼生成物流をＰＰＳ洗浄器中で処理して、少なくともＨ_２ＳＯ_４、ＨＮＯ_３またはＨｇを分離して、再循環ＣＯ_２流を形成すること；そして
    前記再循環ＣＯ _２ 流をＰＰＳ圧縮器中で加圧して、圧縮再循環ＣＯ_２流を形成すること
    をさらに包含する請求項１記載の方法。
23. 前記拡張ＰＰＳ燃焼生成物流をＰＰＳレキュペレータ熱交換器に通すことが、ＰＰＳ燃焼生成物流を水の露点より低い温度に冷却する請求項２２記載の方法。
24. 前記ＰＰＳ燃焼器に進入する前記ＰＯＸ燃料ガス流中の燃料ガスが、Ｈ_２、ＣＯおよびＣＨ_４から選択される少なくとも１つの燃料ガス構成成分を含む請求項２２記載の方法。
25. 前記ＰＰＳ燃焼器に進入する前記ＰＯＸ燃料ガス流が、前記燃料ガスから分離され、前記固体または液体燃焼、その部分酸化および酸素に由来する１つ以上の不純物を含む請求項２４記載の方法。
26. 前記１つ以上の不純物が、イオウ化合物、ＮＨ_３およびＨＣＮのうちの少なくとも１つを含む請求項２４記載の方法。
27. 前記不純物の実質的にすべてが、前記ＰＯＸ燃料ガス流中に依然として存在し、前記ＰＰＳ燃焼器中で燃焼される請求項２５記載の方法。
28. 前記ＰＯＸ燃料ガス流中に存在するすべての酸化可能不純物が、前記ＰＰＳ燃焼器中での燃焼により酸化される請求項２６記載の方法。
29. 前記ＰＰＳ燃焼器からの前記燃焼生成物流が、燃焼生成物および圧縮再循環ＣＯ_２流の少なくとも一部分の混合物を含む請求項２２記載の方法。
30. 前記ＰＰＳ燃焼生成物流から引き出された熱が、前記圧縮再循環ＣＯ_２流の少なくとも一部分を加熱する請求項２２記載の方法。
31. 前記ＰＯＸ流が水で急冷されて水急冷ＰＯＸ流を形成する請求項２２記載の方法。
32. 前記水急冷ＰＯＸ流が、少なくともＨ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２ＳおよびＨ_２Ｏを含む請求項３１記載の方法。
33. 前記ＰＯＸ熱交換器中の冷却流が、第一圧縮再循環ＣＯ _２ 流及び第二圧縮再循環ＣＯ_２ 流を含む請求項３２記載の方法。
34. 前記ＰＯＸ熱交換器に進入する前記第一圧縮再循環ＣＯ_２ 流の入口温度が、前記ＰＰＳ圧縮器から放出される前記圧縮再循環ＣＯ_２流の温度と実質的に同一である請求項３３記載の方法。
35. 前記ＰＯＸ熱交換器に進入する前記第二圧縮再循環ＣＯ_２流の入口温度が、前記拡張ＰＰＳ燃焼生成物流の水の露点の２０℃以内である請求項３３記載の方法。
36. 前記水急冷ＰＯＸ流が、過剰液体水を含むよう水蒸気で飽和される請求項３５記載の方法。
37. 前記第一圧縮再循環ＣＯ_２流及び前記第二圧縮再循環ＣＯ _２ 流が、前記ＰＯＸ熱交換器中で併合されて単一圧縮再循環ＣＯ _２ 流を形成する請求項３６記載の方法。
38. 前記ＰＯＸ熱交換器を出る前記単一圧縮再循環ＣＯ_２流が、前記ＰＯＸ燃料ガスの露点温度の２０℃以内である温度である請求項３７記載の方法。
39. 前記水急冷ＰＯＸ流が、露点温度を有し、前記水急冷ＰＯＸ流の前記温度が前記露点温度を上回り、且つ４００℃より低い、請求項３７記載の方法。
40. 前記第一圧縮再循環ＣＯ_２流及び第二圧縮再循環ＣＯ _２ 流が加熱され、そして前記２つの圧縮再循環ＣＯ_２流が併合されて単一流を形成する点が、前記第二圧縮再循環ＣＯ_２流の入口温度に実質的に対応する温度である請求項３９記載の方法。
41. 前記単一流が、以下の：
    前記ＰＯＸ流の露点温度の２０℃以内である温度で前記ＰＯＸ熱交換器を出る第一流出加熱および圧縮再循環ＣＯ_２流；ならびに
    ３８０℃〜３９９℃の温度で前記ＰＯＸ熱交換器を出る第二流出加熱および圧縮再循環ＣＯ_２流
    に分割される請求項４０記載の方法。
42. 前記ＰＯＸ流がＣＯ_２および任意に前記燃料ガスの一部分で急冷されてＣＯ _２ 急冷ＰＯＸ流を形成する請求項２２記載の方法。
43. 前記ＣＯ_２急冷ＰＯＸ流が、少なくともＨ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２ＳおよびＨ_２Ｏを含む請求項４２記載の方法。
44. 前記ＰＯＸ熱交換器中の冷却流が前記圧縮再循環ＣＯ_２の１つの流れを含む請求項４３記載の方法。
45. 前記ＰＯＸ熱交換器に進入する前記圧縮再循環ＣＯ_２の入口温度が、前記ＰＰＳ圧縮器から放出される前記圧縮再循環ＣＯ_２流の温度と実質的に同一であり、前記ＰＯＸ熱交換器を出る前記圧縮再循環ＣＯ_２ の１つの流れが、前記ＰＯＸ燃料ガスの露点温度の２０℃以内である温度である請求項４４記載の方法。
46. 前記ＰＯＸ燃料ガス流の少なくとも一部分が、ＣＯおよびＨ_２Ｏの混合物をＨ_２およびＣＯ_２の混合物を含むシフト反応器出口ガスに変換するよう適応される触媒シフト反応器に進入する請求項２２記載の方法。
47. 前記シフト反応器出口ガスが、ＰＰＳから得られ、ＰＰＳに戻される高圧再循環ＣＯ_２ガスに対してＰＯＸ熱交換器中で冷却される請求項４６記載の方法。
48. 前記シフト反応器出口ガスが前記ＰＯＸ熱交換器中で冷却され、そして熱交換器中で冷却された前記急冷ＰＯＸ流の一部分と混合され、さらに加工処理されて、水、ＣＯ_２、イオウ化合物、窒素化合物およびＨｇを分離して、したがって、Ｈ_２およびＣＯを０．８:１〜２．５:１の比で含む混合物を形成する請求項４７記載の方法。
49. Ｈ _２ およびＣＯを０．８:１〜２．５:１の比で含む前記混合物がさらに加工処理されて、純Ｈ_２流を９９モル％より以上の純度で形成する請求項４８記載の方法。
50. 前記触媒シフト反応器が、多床型圧力変動吸着（ＰＳＡ）系を備えるシステムである請求項４８記載の方法。
51. 前記多床型圧力変動吸着（ＰＳＡ）系を備えるシステムからの吸着生成物を含む前記多床型圧力変動吸着（ＰＳＡ）系を備えるシステムからの低圧廃棄ガスがＰＰＳ燃焼器圧に圧縮され、ＰＰＳ燃焼器に進入する総燃料ガス流中に混合される請求項５０記載の方法。
52. 前記ＰＯＸ反応器中で用いられる酸素が、前記ＰＯＸ熱交換器中で３５０℃までの温度に加熱される請求項２２記載の方法。
53. 前記ＰＰＳ燃焼器中で用いられる酸素が、前記ＰＯＸ熱交換器中で３５０℃の温度に加熱される請求項２２記載の方法。
54. 以下の：
    酸素の存在下で液体または固体燃料を部分的に酸化して、燃料ガスを含むＰＯＸ流を形成するよう適応されるＰＯＸ反応器；
    燃料ガスを含む前記ＰＯＸ流を急冷流体と接触させて燃料ガスを含む急冷ＰＯＸ流を形成するよう適応される１つ以上の構成要素；
    燃料ガスを含有する前記急冷ＰＯＸ流中に存在する任意の固体を分離するよう適応される任意のＰＯＸ洗浄器；
    燃料ガスを含有する単一相急冷ＰＯＸ流からの固化灰分粒子を分離するよう適応される任意の濾過装置；
    圧縮再循環ＣＯ_２流の一部分に対して燃料ガスを含有する前記急冷ＰＯＸ流から熱を引き出し、冷却ＰＯＸ燃料ガスを出すよう適応されるＰＯＸ熱交換器；
    前記冷却ＰＯＸ燃料ガスから任意の液体水を分離するよう適応される任意の分離器；
    前記冷却ＰＯＸ燃料ガスを１０ＭＰａ以上の圧力に圧縮するよう適応される圧縮器；
    酸素および前記圧縮再循環ＣＯ_２流の一部分の存在下で前記ＰＯＸ燃料ガスを燃焼して、１０ＭＰａ以上の圧力でＰＰＳ燃焼生成物流を形成するよう適応されるＰＰＳ燃焼器；
    前記ＰＰＳ燃焼生成物流を拡張して拡張ＰＰＳ燃焼生成物流を形成し、連結発生器中で出力を発生するよう適応されるＰＰＳタービン；
    前記拡張ＰＰＳ燃焼生成物流から熱を引き出し、前記圧縮再循環ＣＯ_２流に熱を付加するよう適応されるＰＰＳレキュペレータ熱交換器；
    拡張ＰＰＳ燃焼生成物流からのＨ_２ＳＯ_４、ＨＮＯ_３および水溶解Ｈｇ塩のうちの１つ以上を分離し、再循環ＣＯ_２流を出すよう適応されるＰＰＳ洗浄塔；
    前記再循環ＣＯ_２流を１０ＭＰａ以上の圧力に圧縮して、圧縮再循環ＣＯ_２流を形成するよう適応されるＰＰＳ圧縮器；
    前記圧縮再循環ＣＯ_２流の一部分を前記ＰＯＸ熱交換器に向けるよう適応される流動構成要素；
    前記圧縮再循環ＣＯ_２流の一部分を前記ＰＰＳレキュペレータ熱変換器に向けるよう適応される流動構成要素；ならびに
    前記ＰＯＸ熱交換器からの前記圧縮再循環ＣＯ_２流を前記ＰＰＳレキュペレータ熱変換器に向けるよう適応される流動構成要素
    を含む複合部分酸化（ＰＯＸ）系および出力発生系（ＰＰＳ）を備えるシステム。
    

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