ＩＧＣＣシステムにおけるガス化リアクターおよびガスタービンサイクル
【課題】小型で炭素変換効率の良い統合型ガス化組み合わせサイクルシステムを提供する。
【解決手段】統合型ガス化組み合わせサイクルシステムであって、ガス化リアクターおよび上記ガス化リアクターに連結されたガスタービンを備え、上記ガス化リアクターが、還元反応チャンバー、上記還元反応チャンバー中に供給原料を導入するための供給原料入口、上記ガスタービンによって生成される排気ガスを上記還元反応チャンバー中に導入するためのガス入口、および上記還元反応チャンバー中の上記供給原料と上記排気ガスとの反応によって発生される合成ガスを放出するためのガス出口を備える。
【解決手段】統合型ガス化組み合わせサイクルシステムであって、ガス化リアクターおよび上記ガス化リアクターに連結されたガスタービンを備え、上記ガス化リアクターが、還元反応チャンバー、上記還元反応チャンバー中に供給原料を導入するための供給原料入口、上記ガスタービンによって生成される排気ガスを上記還元反応チャンバー中に導入するためのガス入口、および上記還元反応チャンバー中の上記供給原料と上記排気ガスとの反応によって発生される合成ガスを放出するためのガス出口を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２００６年９月１１日に出願された大韓民国出願第１０−２００６−００８７４４７、および２００７年３月２６日に出願された米国出願第１１／６９１，４０１号の利益を主張する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、統合型ガス化組み合わせサイクルシステム、そしてより詳細には、タービンエンジンがガス化反応を駆動する統合型ガス化組み合わせサイクルシステムを扱う。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
従来の統合型ガス化組み合わせサイクル（「ＩＧＣＣ」）電力プラントは、先行技術で周知である。従来のＩＧＣＣ電力プラントの例の部分は、例示の目的のために図１に示される。一般に、ＩＧＣＣでは、石炭が、従来のガス化装置１０中でガス化され、そして冷却かつ洗浄された得られる合成ガスは、燃焼タービン１６を駆動し、電気を生成する。詳細には、合成ガスがタービン１６中で燃焼されるとき、その産物であるスチームと二酸化炭素ガスは約２０００℃の温度に到達し、そして排気ガスが冷却するとき、熱エネルギーが、電気を発生するタービン１６を通じて仕事に変換される。燃焼タービン１６の排気ガスはまた、ボイラー１８を加熱するために用いられ得、スチームエンジン２０を動作し、これが電気をさらに生成する。このシステムの排気スチームおよび排熱の残りは、石炭エネルギーのそのガス化からの最も効率的な使用を行うために、スペース加熱のために用いられるべき熱水タンク中に回収される。
【０００４】
今日知られるような従来の石炭ガス化技術は、１９３４年のＬｕｒｇｉ石炭ガス化装置からの起源をもつ。このガス化装置では、スチーム改質反応および乾燥改質反応としてもまたそれぞれ知れられる、以下の石炭ガス反応が生じる：
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２
Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ
ここで、炭素（Ｃ）は合成ガスに改質され、これは、一酸化炭素（ＣＯ）および水素ガス（Ｈ２）を含む。これらの反応は、化学的には還元的および吸熱的である。従って、これらの改質反応が進行するために、炭素の燃焼反応（すなわち、Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２）に匹敵する熱エネルギーが吸収される必要がある。
【０００５】
この必要な熱は、以下の様式で提供される。ガス化装置は、供給原料の石炭の一部を空気または酸素ガスで燃焼し、そしてこの燃焼の得られる熱を用いて、ガス化装置温度を改質反応が生じるために十分高く維持する。石炭の粉末化形態は、空気または酸素（Ｏ２）ガスで燃焼され、そしてガス化装置温度は約１０００℃まで高められ、そして次に、空気またはＯ２ガスは遮断され、そして超高温のスチームがガス化装置中に注入される。しかし、いくつかの改質反応が進行するにつれて、このガス化装置の温度は低下する。空気または酸素ガスは、この温度を開始レベルまで戻して高めるために再び入れられなければならない。このプロセスは、必要な温度を維持するために繰り返されることが必要である。このシステムは、長年に亘りいくつかの小さな改変とともに石炭を合成ガスに改質するある程度の成功を収めたが、これはむしろ扱いにくいシステムであり、そしてＬｕｒｇｉのガス化装置に固有のいくつかの制限がある。
【０００６】
第１に、ガス化装置中で到達される温度は石炭燃焼反応によって制限され、すなわち、石炭が空気で燃焼されるとき、それは９００℃までに制限され、そしてＯ２ガスが用いられるとき１２００℃よりわずかに低い。出願人は、しかし、大部分の炭素改質が、以下に論議されるように、温度が１２００℃を超えるまで生じないことを観察した。
【０００７】
第２に、市販の石炭は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯなどの種々の混合物から作製される相当量のスラグを含む。これら混合物は、室温では固体形態であるが、約１０００℃では柔らかくなり、そして約１３００〜１４００℃で流体になる。この流体、非流体点は、しかし、石炭の性質およびそれが採掘される場所に基づき多いに変動する。石炭流体温度を超える温度では、流体石炭スラグは、ガス化装置の内側に集まる。この流体スラグは、ガス化装置の内壁を構成するキャスタブルを急速に腐食し、これは、キャスタブルの頻繁なスケーリングを必要とし、ガス化装置のより長い停止時間を生じる。さらに、キャスタブルのむらのある腐食した内壁は、このガス化装置内の不均一温度分布を付加する。
【０００８】
第１の制限は、大熱容量のガス化装置に有利に働き、そして第２の制限は、ガス化装置が大きいことを要求し、その結果、大量のスラグがスケーリングの間に蓄積され得、スケーリングの量および必要な停止時間を減少する。従って、長年に亘り、従来のガス化装置のサイズは、より大きくなってきている。ここで、国際石油資本によって商業的に市販されているガス化装置は、３階建てビルほどの高さで立つ。最近、いくつかの従来の石炭ガス化装置は、操作温度を１４５０℃まで高めるために、圧縮Ｏ２ガスとともに加熱オイルの高圧噴霧により改修されている。しかし、このシステムで均一温度分布および温度制御を達成することは困難である。このような不均一温度分布の下では、２つの競合する反応である燃焼および改質は、同じスペースで同時に進行する。それ故、改質効率を最大にするあらゆる努力は、非常に骨の折れる課題である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これらの理由のため、ＩＧＣＣで用いられる従来のＬｕｒｇｉガス化装置では、ガス化装置リアクター内の石炭の部分的燃焼は、このリアクター温度を、改質反応が進行するために必要なレベルまでもたらすには十分ではない。加熱オイルのような、さらなる燃料が、この操作温度を高めるために必要であり得る。しかし、上記で論議されたように、このようなリアクター内で均一温度分布を制御および維持することは困難である。
【００１０】
本発明はこれらの欠陥およびその他の欠陥を取り扱う。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（発明の簡単な要旨）
１つの局面では、本発明は、統合型ガス化組み合わせサイクルシステムであることを特徴とし、これは、ガス化リアクター、およびこのガス化リアクターに連結されたガスタービンを含む。このガス化リアクターは、還元反応チャンバー、この還元反応チャンバー中に供給原料を導入するための供給原料入口、上記ガスタービンによって生成される排気ガスをこの還元反応チャンバー中に導入するためのガス入口、およびこの還元反応チャンバー中の供給原料と排気ガスとの反応によって生成セされる合成ガスを放出するためのガス出口を備える。例えば、上記排気ガスを放出するためのガスタービンの排気パイプが、上記還元反応チャンバーの下部セクションに連結され得る。
【００１２】
上記ガスタービンによって生成される排気ガスはスチームであり、ここで、水素ガスおよび酸素ガスがこのガスタービンに提供される。ガスタービンによって発生される排気ガスはスチームおよび二酸化炭素であり、ここで、合成ガスおよび酸素ガスがガスタービンに提供される。この排気ガスは、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供する。
【００１３】
１つの実施形態では、上記ガス化リアクターは、酸化反応リアクターをさらに含む。この酸化反応チャンバーでは、水素ガスおよび酸素ガスが反応し得、スチームを生成する。あるいは、上記酸化反応チャンバーは、合成ガスバーナーであり得、ここで、合成ガスおよび酸素ガスが反応し、スチームおよび二酸化炭素を生成する。合成ガスバーナーのような酸化反応チャンバーによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供する。好ましい実施形態では、上記ガスタービンからのこのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、上記還元反応チャンバーのための熱エネルギーの第１の供給源を提供し、そして上記合成ガスバーナーからのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、上記還元反応チャンバーのための熱エネルギーの第２の供給源を提供する。
【００１４】
１つの実施形態では、上記酸化反応チャンバーまたは合成ガスバーナーは、上記還元反応チャンバーに実質的に直交して位置決めされ、未反応酸素が還元反応チャンバー中に入ることを最小にする。
【００１５】
１つの実施形態では、合成ガスバーナーのような酸化反応チャンバーは、上記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、この供給原料を、スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝し、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する。
【００１６】
別の局面では、本発明は、ガス化の方法であることを特徴にする。この方法によれば、ガス化リアクターおよびこのガス化リアクターに連結されたガスタービンが提供される。炭素材料を含む供給原料が、ガス化リアクターの還元反応チャンバー中に導入される。１つの実施形態では、酸素および水素ガスが上記ガスタービン中に導入され、そしてこのガスタービンによって発生されたスチームが、上記還元反応チャンバーに入り、炭素材料と反応し、合成ガスを生成する。別の実施形態では、酸素および合成ガスが上記ガスタービン中に導入され、そしてこのガスタービンによって発生されるスチームおよび二酸化炭素が還元反応チャンバーに入り、炭素材料と反応し、合成ガスを生成する。このガスタービンによって発生されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、約１５００℃と約１７００℃との間の温度で還元反応チャンバーに入り得る。このガスタービンによって発生されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供する。
【００１７】
１つの実施形態では、上記ガス化リアクターはまた、酸化反応チャンバーを含む。酸素および水素ガスは、この酸化反応チャンバー中で反応しスチームを生成し、これは、還元反応チャンバーに入り、この還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供し、そして炭素材料と反応し、合成ガスを生成する。別の実施形態では、上記酸化反応チャンバーは合成ガスバーナーであり、ここで、酸素および合成ガスが反応し、スチームおよび二酸化炭素を生成し、これらは還元反応チャンバーに入り、この還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供し、そして炭素材料と反応して合成ガスを生成する。
【００１８】
好ましい実施形態では、酸素は、合成ガスバーナーのような酸化反応チャンバー中で実質的に完全に消費され、そして酸素は、上記ガスタービン中で実質的に完全に消費される。
【００１９】
別の実施形態では、上記供給原料入口を通って導入された供給原料材料は、合成ガスバーナーのような酸化反応チャンバーによって発生されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝され、この供給原料材料が、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成することを可能にする。
【００２０】
上記供給原料材料がまた非炭素成分を含む１つの実施形態では、上記還元反応チャンバーの温度は、約１２００℃とこの非炭素成分の非流体点との間に維持される。例えば、この供給原料材料が、スラグである非炭素成分を含む石炭である場合、このスラグの非流体点は、約１３００℃と１４００℃との間である。従って、上記還元反応チャンバーの温度は、１２００℃と１３００℃との間に維持されるべきである。
【００２１】
別の実施形態では、上記石炭中のスラグは、還元反応チャンバーの下部セクション近傍に提供される非流体スラグコレクターを通じて回収される。
【００２２】
なお、別の実施形態では、上記供給原料材料は石炭粉末であり、これは、上記還元反応チャンバー中に噴霧される。例えば、この石炭粉末は、約９００℃の温度で圧縮二酸化炭素を用いて上記還元反応チャンバー中に噴霧され得る。
【００２３】
別の実施形態では、上記還元反応チャンバーによって生成される合成ガスの少なくとも一部分は、上記ガスタービンおよび／または合成ガスバーナーのような酸化反応チャンバー中にリサイクルされる。
【００２４】
より特定すれば、本発明は、以下の項目に関し得る。
（項目１）統合型ガス化組み合わせサイクルシステムであって：
（ｉ）ガス化リアクター；および
（ｉｉ）上記ガス化リアクターに連結されたガスタービン、を備え、
ここで、上記ガス化リアクターが、還元反応チャンバー、上記還元反応チャンバー中に供給原料を導入するための供給原料入口、上記ガスタービンによって生成される排気ガスを上記還元反応チャンバー中に導入するためのガス入口、および上記還元反応チャンバー中の上記供給原料と上記排気ガスとの反応によって発生される合成ガスを放出するためのガス出口を備える、システム。
（項目２）上記排気ガスが、スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を含む、項目１に記載のスチーム。
（項目３）上記排気ガスが、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供する、項目２に記載のシステム。
（項目４）上記ガス化リアクターが、水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換し、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供する酸化反応チャンバーをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目５）上記酸化反応チャンバーが合成ガスバーナーを備え、そして上記ガスタービンからのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーの一次供給源を提供し、そして上記合成ガスバーナーからのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーの二次供給源を提供する、項目４に記載のシステム。
（項目６）上記合成ガスバーナーが、上記還元反応チャンバーと実質的に直交して位置決めされる、項目５に記載のシステム。
（項目７）上記合成ガスバーナーが、上記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、上記供給原料を、スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝し、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、項目５に記載のシステム。
（項目８）上記供給原料入口が、石炭粉末入口を備える、項目１に記載のシステム。
（項目９）上記還元反応チャンバーが、上記還元反応チャンバーの下側端部に配置された非流体スラグコレクターをさらに備える、項目７に記載のシステム。
（項目１０）上記ガスタービンが、上記排気ガスを放出するための排気ガス出口を備え、そして上記排気ガス出口が上記還元反応チャンバーの下部セクションに連結される、項目１に記載のシステム。
（項目１１）上記供給原料入口および上記酸化反応チャンバーが、上記還元反応チャンバーの上部セクションの近傍に配置される、項目１０に記載のシステム。
（項目１２）ガス化の方法であって：
（ｉ）ガス化リアクターおよび上記ガス化リアクターに連結されたガスタービンを提供する工程；
（ｉｉ）炭素材料を含む供給原料を、上記ガス化リアクターの還元反応チャンバー中に導入する工程；
（ｉｉｉ）酸素および水素ガス、または合成ガスを上記ガスタービン中に導入する工程；および
（ｉｖ）上記ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を上記還元反応チャンバーに侵入させ、上記炭素材料と反応させ、合成ガスを生成する工程、を包含する、方法。
（項目１３）上記ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、約１５００℃と約１７００℃との間の温度で上記還元反応チャンバーに入る、項目１２に記載の方法。
（項目１４）上記ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、上記還元反応チャンバーに入り、そして上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして上記炭素材料と反応し合成ガスを生成する、項目１２に記載の方法。
（項目１５）上記ガス化リアクターが酸化反応チャンバーを備え、そしてさらに：
（ｖ）上記酸化反応チャンバー中で酸素および水素ガスを反応させ、それによってスチームを生成する工程；および
（ｖｉ）上記酸化反応チャンバーによって発生されたスチームを、上記還元反応チャンバーに侵入させ、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして上記炭素材料と反応し、合成ガスを生成する工程、を包含する、項目１２に記載の方法。
（項目１６）上記酸化反応チャンバーが合成ガスバーナーを備え、上記工程（ｖ）が上記酸化反応チャンバー中で酸素および合成ガスを反応させ、それによって、スチームおよび二酸化炭素を生成することを包含し、そして上記工程（ｖｉ）が上記酸化反応チャンバーによって発生されるスチームおよび二酸化炭素を上記還元反応チャンバーに侵入させ、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして上記炭素材料と反応し、合成ガスを生成することを包含する、項目１５に記載の方法。
（項目１７）酸素が、上記工程（ｖ）で実質的に完全に消費される、項目１５に記載の方法。
（項目１８）酸素が、上記工程（ｉｉｉ）で実質的に完全に消費される、項目１２に記載の方法。
（項目１９）上記合成ガスバーナーが上記ガス化リアクターの供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、そしてさらに、上記供給原料入口を通って導入された供給原料を、上記合成ガスバーナーによって発生されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝す工程を包含し、上記供給原料が、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成することを可能にする、項目１６に記載の方法。
（項目２０）上記供給原料が非炭素成分をさらに含み、そしてさらに、上記還元反応チャンバーの温度を約１２００℃と上記非炭素成分の非流体点との間に維持する工程を包含する、項目１２に記載の方法。
（項目２１）上記供給原料が石炭を含み、ここで、上記非炭素成分がスラグであり、そして上記スラグの非流体点が約１３００℃と１４００℃との間である、項目２０に記載の方法。
（項目２２）上記供給原料が石炭粉末を含み、そして上記工程（ｉｉ）が上記石炭粉末を上記還元反応チャンバー中に噴霧することを包含する、項目１２に記載の方法。
（項目２３）上記石炭粉末が、約９００℃の温度で圧縮二酸化炭素を用いて上記還元反応チャンバー中に噴霧される、項目２２に記載の方法。
（項目２４）上記還元反応チャンバーの下部セクションの近傍に提供された非流体スラグコレクターを通じて上記スラグを回収する工程をさらに包含する、項目２１に記載の方法。
（項目２５）上記還元反応チャンバーによって生成される合成ガスの少なくとも一部分が、上記ガスタービン中にリサイクルされる、項目１２に記載の方法。
（項目２６）上記還元反応チャンバーによって生成される合成ガスの少なくとも一部分が、上記合成ガスバーナー中にリサイクルされる、項目１６に記載の方法。
（項目２７）炭素材料をガス化する方法であって、上記炭素材料が炭素成分および固体の非炭素成分を含み：
（ｉ）上記炭素材料をガス化リアクターの還元反応チャンバー中に導入する工程であって、ここで、上記還元反応チャンバーが約１２００℃から上記固体の非炭素成分の流体点未満の温度まで維持される工程；
（ｉｉ）上記ガス化リアクターの酸化反応チャンバー中で酸素ガスと水素ガスまたは合成ガスとを反応し、それによってスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を生成する工程；および
（ｉｉｉ）上記スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を上記還元反応チャンバーに侵入させる工程であって、そして少なくとも１２００℃の上記還元反応チャンバーの温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして上記炭素成分と反応し、合成ガスを生成する工程、を包含する、方法。
（項目２８）上記炭素材料が石炭であり、そして上記固体の非炭素成分が石炭スラグである、項目２７に記載の方法。
（項目２９）上記固体の非炭素成分が、約１３００℃を超える流体点を有する、項目２８に記載の方法。
（項目３０）上記スラグが、非流体スラグコレクター中に非流体として回収される、項目２８に記載の方法。
（項目３１）ガス化リアクターであって：
（ｉ）上部セクションおよび下部セクションを有する還元反応チャンバー；
（ｉｉ）供給原料を上記還元反応チャンバー中に導入するための上記上部セクションの近傍に提供される供給原料入口；
（ｉｉｉ）各々が、水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換するため、ならびにスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を上記還元反応チャンバーに提供するための第１の酸化反応チャンバーおよび第２の酸化反応チャンバー；および
（ｉｖ）上記還元反応チャンバー中の上記供給原料と、上記スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素との反応により生成される合成ガスを放出するためのガス出口、を備える、ガス化リアクター。
（項目３２）上記第１の酸化反応チャンバーが、上記第１の酸化反応チャンバーによって提供されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素のための上記還元反応チャンバーに対して位置決めされ、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして上記第２の酸化反応チャンバーが上記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、上記供給原料を、上記第２の酸化反応チャンバーによって提供されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に曝し、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、項目３１に記載のガス化リアクター。
（項目３３）上記供給原料が石炭であり、そして上記還元反応チャンバーの下部セクションの近傍に配置された非流体スラグコレクターをさらに備える、項目３１に記載のガス化リアクター。
（項目３４）上記第１の酸化反応チャンバーが第１の合成ガスバーナーであり、そして上記第２の酸化反応チャンバーが第２の合成ガスバーナーである、項目３１に記載のガス化リアクター。
（項目３５）上記第１の酸化反応チャンバーおよび上記第２の酸化反応チャンバーが、上記還元反応チャンバーに実質的に直交している、項目３１に記載のガス化リアクター。
（項目３６）ガス化リアクターであって：
（ｉ）還元反応チャンバー；
（ｉｉ）供給原料を上記還元反応チャンバー中に導入するための供給原料入口；
（ｉｉｉ）水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換するため、およびスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を上記還元反応チャンバーに提供するための酸化反応チャンバー；ならびに
（ｉｖ）上記還元反応チャンバー中の上記供給原料と、上記スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素との反応により生成される合成ガスを放出するためのガス出口を備え、
ここで、上記酸化反応チャンバーが、上記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、上記供給原料を、上記酸化反応チャンバー内で変換されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝し、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、ガス化リアクター。
【発明の効果】
【００２５】
（要約）
本発明は、ＩＧＣＣにおけるガス化リアクターおよびガスタービンサイクルを特徴とする。ガスタービンはガス化リアクターに連結され、そしてガス化反応を駆動する。このガス化リアクターは、還元反応チャンバー、供給原料をこの還元反応チャンバー中に導入するための供給原料入口、上記タービンによって発生された排気ガスを上記還元反応チャンバー中に導入するためのガス入口、および上記還元反応チャンバー中の上記供給原料と排気ガスとの還元反応によって生成された合成ガスを放出するためのガス出口を含む。上記還元反応チャンバー中の温度は、１２００℃を超え、かつ上記供給原料中に含まれる石炭中のスラグのような非炭素成分の非流体点未満に維持される。ガス化装置内の円滑かつ均一な温度制御は、高効率の炭素改質および高品質の合成ガスを提供する。本発明のガス化装置は、従来のガス化装置のほんの１／１０のサイズであり得、そして本発明のガス化装置の建築および運転のコストもまた、実質的により低いであろう。本発明のガス化装置は、例えば、約５００ｍｍの内径および約２０００ｍｍの高さを有し得る。本発明はまた、１２００℃でほぼ１００％の炭素変換効率に接近する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（発明の詳細な説明）
以下の説明は、本発明の特定の実施形態を示すことを意味し、そして本発明の範囲を制限することは意味しない。
【００２７】
本出願人は、９００℃の温度を生じる空気との、または１２００℃よりわずかに低い温度を生じる酸素との石炭の部分的燃焼は、石炭の改質のためには不十分であることを観察した。図２に示されるように、出願人はリアクター温度に対する合成ガス生成量を測定し、そして炭素改質は１２００℃を超える温度で生じ、そして１２００℃未満では改質がほとんど生じないことを学んだ。従来のＬｕｒｇｉガス化装置は、Ｏ２ガスが石炭粉末を燃焼するために用いられるときでさえ、１２００℃の温度に到達し得ない。散発的なスポット温度は１２００℃に到達し得るが、このガス化装置は全体として到達しない。本発明は、１２００℃を超える温度で作動する、ＩＧＣＣシステム中のガス化リアクターおよびガスタービンであることを特徴とする。
【００２８】
図３を参照して、本発明は、ＩＧＣＣにおける使用のための、ガス化リアクター１００、およびこのガス化リアクター１００に連結されたカズタービン１０６を特徴とする。
【００２９】
このガス化リアクター１００は、還元反応チャンバー１０２、供給原料材料をこの還元反応チャンバー１０２中に導入するための供給原料入口１１４、ガスタービン１０６によって発生された排気ガスを還元反応チャンバー１０２中に導入するためのガス入口１０３、および上記還元反応チャンバー１０２中の上記供給原料材料と排気ガスの反応によって生成される合成ガスの放出のためのガス出口１１６を備える。
【００３０】
本発明の特定の実施形態では、このガス化リアクター１００は、内側ライニング１０８および外側ケーシング１１２を含む。この内側ライニング１０８は、１２００℃を超える温度で実質的に物理的かつ化学的に安定である任意の材料から構築され得る。この内側ライニング１０８は、例えば、セラミックであり得る。より詳細な実施形態では、この内側ライニング１０８は、酸化アルミニウムから作製され得る。上記外側ケーシング１１２は、金属、または類似の強度および熱耐性性質をもつ任意のその他の材料から作製され得る。特定の実施形態では、この外側ケーシング１１２は、低炭素スチールから作製される。このガス化リアクター１００は、内側ライニング１０８と外側ケーシング１１２との間に配置される隔離層１１０をさらに含む。この隔離層１１０は、キャスタブルから作製され得る。特定の実施形態では、この隔離層１１０は、キャスタブルとロックウールとのコンポジットから作製される。別の実施形態では、この隔離層１１０は、約１００℃より低く、リアクター１００の外壁の温度を維持するに十分な厚みを有する。例えば、この隔離層１１０の厚みは、約１００ｍｍから約１５０ｍｍまでの範囲であり得る。上記に提供される例にかかわらず、当業者は、材料選択および詳細な寸法を含む、ガス化リアクター１００の詳細な構成が変動し得ることを認識する。
【００３１】
供給原料入口１１４は、還元反応チャンバー１０２の上部セクションの近傍に、この還元反応チャンバー１０２中に導入された供給原料材料がこのチャンバー１０２内に入るとき、それが改質するために十分な時間を有するように位置決めされる。１つの実施形態では、この供給原料入口１１４は、上記供給原料材料を還元反応チャンバー１０２中に噴霧し得る噴霧器である。例えば、圧縮された、予備加熱ＣＯ２が石炭粉末をこの還元反応チャンバー１０２中に噴霧するために用いられ得る。ガス出口１１６は、還元反応チャンバー１０２の上部端部の近傍に、この還元反応チャンバー１０２内で生成された合成ガスが、この還元反応チャンバー１０２から最適に放出されるように位置決めされる。
【００３２】
１つの実施形態では、この還元反応チャンバー１０２は、酸化反応チャンバーまたは合成ガスバーナー１０４をさらに含む。この合成ガスバーナー１０４は、酸素のための１つ以上の入口１２２、１２４、および水素ガスまたは水素ガスおよび一酸化炭素を含む合成ガスのための入口１２０を含む。以下により詳細に記載されるように、この合成ガスバーナー１０４は、少なくとも１２００℃の還元反応チャンバー１０２の温度を維持するために必要な熱エネルギーを運ぶために十分なスチーム、またはスチームおよびＣＯ２を生成する。本発明の好ましい実施形態では、酸素ガス入口１２２、１２４は、合成ガス入口１２０の各々の側に提供される。別の実施形態では、これら酸素ガス入口１２２、１２４は、合成ガス入口１２０に対して所定の角度で位置決めされ、酸素ガスを合成ガスバーナー１０４中に、合成ガス入口１２０を通って導入された水素または合成ガスに対して所定の角度で導入する。これは、酸素ガスと、水素または合成ガスとを合流させ、そしてより効率的に反応することを可能にする。パイロット灯または点火プラグが、点火穴１２６を通って導入され、合成ガスバーナー１０４内の酸素と水素または合成ガスとを点火し、還元反応チャンバー１０２を充填する超高温のスチームおよび二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを生成する。
【００３３】
好ましい実施形態では、合成ガスバーナー１０４は、還元反応チャンバー１０２に対して実質的に直交して位置決めされ、以下にさらに論議されるように、未反応酸素の還元反応チャンバー中への侵入を防ぐ。好ましい実施形態では、この合成ガスバーナー１０４はまた、上記供給原料入口１１４の十分近傍、そして特にこの供給原料入口１１４の真下に位置決めされる。供給原料入口１１４に対する合成ガスバーナー１０４のこの位置は、合成ガスバーナー１０４の排気ガスが噴霧された供給原料材料を所望の１２００℃の反応温度まで即座に加熱することを可能にする。この温度では、新たに噴霧された供給原料材料は、還元反応チャンバー１０２中の排気ガスと迅速に反応し、高い反応効率を維持する。供給原料入口１１４に対する合成ガスバーナー１０４の正確な位置は、ガス化リアクター１００中で用いられる特定のタイプの供給原料材料、および合成ガスバーナー１０４の操作温度に基づいて変動する。一般に、合成ガスバーナー１０４は、供給原料入口１１４に実施可能である限りできるだけ緊密に位置決めされ炭素材料の最適還元を可能にすることが好ましい。
【００３４】
還元反応チャンバー１０３は、還元反応チャンバー１０２の底部に配置された非流体スラグコレクター１１８をさらに含む。この非流体スラグコレクター１１８は、ガス化プロセスの間に還元反応チャンバー１０２中に蓄積する供給原料中に含まれる非炭素成分の非流体形態を収集する。以下に詳細に論議されるように、本発明のガス化リアクター１００は、この非炭素成分の流体点未満の温度で作動し、このような成分の非流体形態の回収を増大する。
【００３５】
還元反応チャンバー１０２は、ガスタービン１０６に連結され、スチーム、またはスチームおよびＣＯ２を含む排気ガスを還元反応チャンバー１０２中に導入する。ガスタービンの構造および構成要素、そして特にＩＧＣＣで用いられるそれらは、当業者に周知である。このガスタービン１０６は、還元反応チャンバー１０２の下部セクションに、例えば、このタービン１０６の排気ガス出口を還元反応チャンバーのガス入口１００に連結することによって連結され得る。
【００３６】
本発明のＩＧＣＣは、以下の様式で作動する。
【００３７】
酸素および水素ガス、または合成ガスのような水素を含むガスのその他の混合物が、ガスタービン１０６を稼動するために提供され、その作動は当業者に周知である。合成ガスが用いられるとき、この合成ガスは、ガス化リアクター１００からの合成ガス生成量の少なくとも一部分をリサイクルすることにより得られ得る。ガスタービン１０６は、酸素入口１２８を経由して酸素を受容し、そして合成ガス入口１３０を経由して、水素または合成ガスのような水素ガス混合物を受容する。この酸素は水素と反応しスチームを生成するか、またはこの酸素は合成ガスと反応し、以下のようにスチームと二酸化炭素を生成する：
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２
これらは発熱反応であり、１８００℃〜２０００℃の範囲の温度でスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を含む超高温ガスを生成する。このガスが冷えるとき、熱エネルギーは、電気を生成するタービンを通じて仕事に転換されるが、この排気ガスのある部分は還元反応チャンバー１０２中に導入される。還元反応チャンバー１０２中に導入された排気ガスは、約１５００℃〜１７００℃の温度であり得る。還元反応チャンバー１０２中に導入されたこの排気ガスは、還元反応が生じるために１２００℃であるべき還元反応チャンバーの温度を維持するために必要な熱エネルギーを輸送する。これは、還元反応チャンバー１０２のための熱エネルギーの第１の供給源である。この排気ガスはまた、供給原料中の炭素材料をガス化する。還元反応チャンバー中に導入される排気ガスの温度は、ガスタービン１０６によって実施される仕事およびそれによって生成される電気の量に比例し、生成される仕事および電気が多いほど、より低い温度の排気ガスを生じる。現在の実施形態では、生成する最大の電気の必要性を、ガス化反応が生じることを可能にするのに十分な高温に還元反応チャンバーの温度を維持する必要性とバランスすることが重要である。ガスタービン１０６中に導入される水素または合成ガスに対する酸素ガスの比率を制御することによって、還元反応チャンバー１０２中への任意の未反応酸素の侵入を防ぐこともまた重要である。
【００３８】
合成ガスバーナー１０４はまた、超高温スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を提供し、還元反応チャンバー１０２中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供する。これは、代表的には、還元反応チャンバー１０２のための熱エネルギーの第２の供給源である。
【００３９】
最初に、合成ガスバーナー１０４は、いかなる予備加熱も必要としない。水素ガスまたは合成ガスは、合成ガス入口１２０を通って合成ガスバーナー１０４中に導入される。この合成ガス中の水素および一酸化炭素の混合の比率は、１．０〜０で変動し得る。この混合比は、合成ガスのメタノールまたはジメチルエーテル（ＤＭＥ）への液化のプロセスにとって重要な因子である。合成ガスバーナー１０４およびガスタービン１０６中にフィードバックされる、合成ガス中の水素／一酸化炭素ガス濃度の比率における小さな変化は、還元反応チャンバー１０２における還元反応、および生成される合成ガスの組成に反映される。最初、水素ガスまたは合成ガスは、貯蔵タンクからであり得る。あるいは、この合成ガスは、ガス化リアクター１００によって生成される合成ガスの少なくとも一部分をリサイクルすることによって得られ得る。石炭ガス化のいくつかの実施形態では、ガス化リアクター１００によって生成される合成ガスのほぼ３０％が、合成ガスバーナー１０４を通ってリサイクルされ得、ガス化リアクター１００の温度を維持し、そしてその作動を継続する。酸素は、１つ以上の酸素入口１２２、１２４を通って合成ガスバーナー１０４中に導入される。合成ガスは、点火穴１２６を通ってパイロット灯を導入することにより点火される。ガス化リアクター１００の温度は、合成ガスの点火とともに突然上昇する。ガス化リアクター１００の温度は、このステージで過剰の酸素が検出されないことを確実にするために、合成ガス出口１１６で酸素検出器をモニターしながら、酸素取り込みを調節することによって制御される。スチームおよびＣＯ２の温度は、１８００℃〜２０００℃の範囲であり得る。還元反応チャンバー１０２は、１０〜１５分以内に約１０００℃の温度まで上昇される。このようにして、ガス化リアクター１００の温度が１２００℃に到達するとき、ガス化リアクター１００は、合成ガスと酸素との反応から生成されるＣＯ２とスチームで充填されるようになる。加熱の終わりに、酸素ガスはまず遮断され、そして次に合成ガスが遮断され、温度を低下させる。
【００４０】
合成ガスバーナー１０４は還元反応チャンバー２０２に実質的に直交し、そして高度に効率的であり、そして合成ガスバーナー１０４中に導入されるＯ２の量は制御可能であるので、合成ガスバーナー１０４中に導入されたＯ２のすべては、合成ガスバーナー１０４内で完全に消費され得る。それ故、いくつかの実施形態では、還元反応チャンバー１０２に入るＯ２は実質的にない。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態によれば、合成ガスバーナー２０４およびガスタービン１０６中に導入されるＯ２ガスの量を変動することにより、ガス化リアクター１００の温度を制御することは、Ｏ２ガスが還元反応チャンバー中に直接導入される従来のガス化リアクターに対していくつかのさらなる利点を有する。第１に、燃焼は酸化反応であるため、還元反応チャンバー中にＯ２を導入すること、およびそれを消費することは、炭素ガス化／改質の還元反応と直接競合する。従って、炭素ガス化／改質は中和される。この問題は、還元反応チャンバー中よりはむしろ、合成ガスバーナー１０４およびガスタービン１０６中のＯ２を点火することによって避けられる。さらに、主要な酸素添加汚染物質は、Ｏ２が標準的な還元反応チャンバー１０２で反応されるときに生成される。これらの汚染物質は、合成ガスバーナー１０４およびガスタービン１０６中でＯ２を完全に反応することによってなくされる。最後に、従来のガス化リアクターで見出される炭素燃焼の散発的な突発および生じる不均一なリアクター温度は、還元反応チャンバーではなく、合成ガスバーナー１０４およびガスタービン１０６中にＯ２が導入され、そして完全に消費されるときなくされる。
【００４２】
還元反応チャンバー１０２の温度が１２００℃を超えて維持される間に、炭素材料を含む供給原料材料が供給原料入口１１４を通って還元反応チャンバー１０２中に導入される。本明細書で用いられるとき、炭素材料は、１２００℃を超える温度で合成ガスに改質する炭素元素または炭素原子を含む材料を意味する。炭素材料は、いくつかの事例では、炭素成分および非炭素成分からなる。例えば、上記供給原料材料は、非炭素成分が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯなどの種々の混合物を含むスラグである石炭であり得る。あるいは、上記供給原料材料は、オイル、オイルエマルジョン、オイルおよび砂混合物、およびタイヤ、プラスチック、病院廃棄物、および毒性産業廃棄物のような廃棄産物のようなその他のタイプの材料を含み得る。この事実に基づいて、本発明の方法は、この供給原料材料として石炭粉末に関して説明され得る。しかし、本発明は、その他のタイプの炭素材料の改質に適用可能である。
【００４３】
供給原料入口１１４は、石炭粉末を、圧縮および予備加熱されたＣＯ２ガスを用いて還元反応チャンバー１０２中に噴霧する。１つの実施形態では、このＣＯ２ガスは、粉末化石炭を噴霧する前に約９００℃の温度に予備加熱される。好ましい実施形態では、合成ガスバーナー１０４は、供給原料入口１１４の真下に、上記供給原料材料が合成ガスバーナー１０４によって生成される超高温のスチーム、またはスチームおよびＣＯ２に迅速に曝されるように位置され、その結果、炭素材料の温度は、１２００℃まで迅速にもたらされる。
【００４４】
しかし、最初に、還元反応チャンバー１０２の温度が１２００℃に到達する前に、多くのブラックスモーク（遊離の炭素）が観察され始める。最終的に、合成ガスバーナー１０４およびガスタービン１０６は、還元反応チャンバー１０２の温度を少なくとも１２００℃に維持するに十分な熱エネルギーを輸送するスチームおよびＣＯ２を提供する。この温度が１２００℃に到達するとき、突然ブラックスモークが消え、そしてガス出口１１９で一酸化炭素が検出され始める。
【００４５】
石炭、または化石燃料（−ＣＨ２−）のような炭素材料の炭素原子は、還元反応チャンバー１０２中で以下のガス化反応を受ける：
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→Ｃ＋Ｈ２
Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ
（−ＣＨ２−）＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋２Ｈ２
（−ＣＨ２−）＋ＣＯ２→２ＣＯ＋Ｈ２
還元反応チャンバー１０２中の高温は、これらの反応が触媒を使用せずに起こることを許容する。これらの反応によって生成された合成ガスは、合成ガス出口１１６を経由して還元反応チャンバー１０２を出る。合成ガス生成量は加速され、そして再生し、これは、図２に示される。この合成ガスは、上記のように、ガスタービン１０６または合成ガスバーナー１０４に再び向けられ得る。
【００４６】
本発明では、還元反応チャンバー１０２の温度が供給原料材料中に含まれる非炭素材料の流体温度を超えて上昇しないことを確実にするのがまた重要である。石炭については、スラグの流体温度は約１３００℃と１４００℃との間である。従って、反応温度が１２００℃を超え、かつ約１３００℃未満で均一に維持される場合、固形スラグは、還元反応チャンバー１０２の内部表面に固着するよりはむしろ、非流体スラグコレクター１１８中にこの還元反応チャンバー１０２の底部で蓄積する。この流体温度は、材料に特異的であり、そしてそれ故、この反応に対する上限温度は、供給原料材料中に存在する非炭素成分のタイプに基づき調節される必要がある。一般に、しかし、石炭ガス化リアクター１００の温度は、少なくとも１２００℃でかつ１３００℃より低くあるべきである。
【００４７】
本発明は、ＩＧＣＣのための統合型の効率的なガス化装置を提供し、ここで、合成ガスタービンエンジンの排気ガスが、石炭ガス化の還元反応を駆動する。ガス化装置内の円滑かつ均一な温度制御は、高効率の炭素改質および高品質の合成ガスを提供する。本発明のガス化装置は、従来のガス化装置のほんの１／１０のサイズであり得、そして本発明のガス化装置の建築および運転のコストもまた、実質的により低いであろう。本発明のガス化装置は、例えば、約５００ｍｍの内径および約２０００ｍｍの高さを有し得る。本発明はまた、１２００℃でほぼ１００％の炭素変換効率に接近する。
【００４８】
図４は、本発明のガス化リアクターの別の実施形態を示す。このガス化リアクター２００は、図３に示されるガス化リアクター１００と類似するが、ガス化リアクター１００のガスタービン１０６が、合成ガスバーナーのような別の酸化反応チャンバー２０６で置換されている。この酸化反応チャンバー２０６は、１８００℃〜２０００℃の範囲の温度で、酸素を水素ガスまたは合成ガスと反応させ、熱スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を生成する。合成ガスバーナー２０６によって生成されたこのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、還元反応のための熱の第１の供給源を提供し、そして合成ガスバーナー２０４によって生成されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、還元反応のための熱の第２の供給源を提供する。ガス化リアクター２００によって生成された合成ガスはリサイクルされ得、そして両方の合成ガスバーナー２０４、２０６に提供される。ガス化リアクター２００のその他の特徴は、ガス化リアクター１００の特徴と類似している。
【００４９】
特許法令に従って、種々の実施形態および実施例の説明を提供してきたが、本発明の範囲は、それらに、またはそれによって制限されるべきではない。本発明の改変および変更は、本発明の範囲および思想から逸脱することなく当業者に明らかである。
【００５０】
従って、本発明の範囲は、例示によって提示された特定の例によるよりむしろ、添付の請求項によって規定されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
統合型ガス化組み合わせサイクルシステム、例えば、タービンエンジンがガス化反応を駆動する統合型ガス化組み合わせサイクルシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
本発明、その目的および利点のより完全な理解のために、添付の図面と組み合わせて上記の説明への参照がなされる。
【図１】図１は、従来の統合型ガス化組み合わせサイクルの部分を示す。
【図２】図２は、ガス化リアクター温度に対する合成ガス生成速度のグラフである。
【図３】図３は、本発明の実施形態による改良された統合型ガス化組み合わせサイクルを示す。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態によるガス化リアクターを示す。
【符号の説明】
【００５３】
１０ ガス化装置
１６、１０６ ガスタービン
１８ ボイラー
２０ スチームエンジン
１００、２００ ガス化リアクター
１０２、２０２ 還元反応チャンバー
１０３ ガス入口
１０４、２０４ ガスバーナー
１０８、２０８ 内側ライニング
１１０、２１０ 隔離層
１１４、２１４ 供給原料入口
１１６、２１６ ガス出口
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２００６年９月１１日に出願された大韓民国出願第１０−２００６−００８７４４７、および２００７年３月２６日に出願された米国出願第１１／６９１，４０１号の利益を主張する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、統合型ガス化組み合わせサイクルシステム、そしてより詳細には、タービンエンジンがガス化反応を駆動する統合型ガス化組み合わせサイクルシステムを扱う。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
従来の統合型ガス化組み合わせサイクル（「ＩＧＣＣ」）電力プラントは、先行技術で周知である。従来のＩＧＣＣ電力プラントの例の部分は、例示の目的のために図１に示される。一般に、ＩＧＣＣでは、石炭が、従来のガス化装置１０中でガス化され、そして冷却かつ洗浄された得られる合成ガスは、燃焼タービン１６を駆動し、電気を生成する。詳細には、合成ガスがタービン１６中で燃焼されるとき、その産物であるスチームと二酸化炭素ガスは約２０００℃の温度に到達し、そして排気ガスが冷却するとき、熱エネルギーが、電気を発生するタービン１６を通じて仕事に変換される。燃焼タービン１６の排気ガスはまた、ボイラー１８を加熱するために用いられ得、スチームエンジン２０を動作し、これが電気をさらに生成する。このシステムの排気スチームおよび排熱の残りは、石炭エネルギーのそのガス化からの最も効率的な使用を行うために、スペース加熱のために用いられるべき熱水タンク中に回収される。
【０００４】
今日知られるような従来の石炭ガス化技術は、１９３４年のＬｕｒｇｉ石炭ガス化装置からの起源をもつ。このガス化装置では、スチーム改質反応および乾燥改質反応としてもまたそれぞれ知れられる、以下の石炭ガス反応が生じる：
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２
Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ
ここで、炭素（Ｃ）は合成ガスに改質され、これは、一酸化炭素（ＣＯ）および水素ガス（Ｈ２）を含む。これらの反応は、化学的には還元的および吸熱的である。従って、これらの改質反応が進行するために、炭素の燃焼反応（すなわち、Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２）に匹敵する熱エネルギーが吸収される必要がある。
【０００５】
この必要な熱は、以下の様式で提供される。ガス化装置は、供給原料の石炭の一部を空気または酸素ガスで燃焼し、そしてこの燃焼の得られる熱を用いて、ガス化装置温度を改質反応が生じるために十分高く維持する。石炭の粉末化形態は、空気または酸素（Ｏ２）ガスで燃焼され、そしてガス化装置温度は約１０００℃まで高められ、そして次に、空気またはＯ２ガスは遮断され、そして超高温のスチームがガス化装置中に注入される。しかし、いくつかの改質反応が進行するにつれて、このガス化装置の温度は低下する。空気または酸素ガスは、この温度を開始レベルまで戻して高めるために再び入れられなければならない。このプロセスは、必要な温度を維持するために繰り返されることが必要である。このシステムは、長年に亘りいくつかの小さな改変とともに石炭を合成ガスに改質するある程度の成功を収めたが、これはむしろ扱いにくいシステムであり、そしてＬｕｒｇｉのガス化装置に固有のいくつかの制限がある。
【０００６】
第１に、ガス化装置中で到達される温度は石炭燃焼反応によって制限され、すなわち、石炭が空気で燃焼されるとき、それは９００℃までに制限され、そしてＯ２ガスが用いられるとき１２００℃よりわずかに低い。出願人は、しかし、大部分の炭素改質が、以下に論議されるように、温度が１２００℃を超えるまで生じないことを観察した。
【０００７】
第２に、市販の石炭は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯなどの種々の混合物から作製される相当量のスラグを含む。これら混合物は、室温では固体形態であるが、約１０００℃では柔らかくなり、そして約１３００〜１４００℃で流体になる。この流体、非流体点は、しかし、石炭の性質およびそれが採掘される場所に基づき多いに変動する。石炭流体温度を超える温度では、流体石炭スラグは、ガス化装置の内側に集まる。この流体スラグは、ガス化装置の内壁を構成するキャスタブルを急速に腐食し、これは、キャスタブルの頻繁なスケーリングを必要とし、ガス化装置のより長い停止時間を生じる。さらに、キャスタブルのむらのある腐食した内壁は、このガス化装置内の不均一温度分布を付加する。
【０００８】
第１の制限は、大熱容量のガス化装置に有利に働き、そして第２の制限は、ガス化装置が大きいことを要求し、その結果、大量のスラグがスケーリングの間に蓄積され得、スケーリングの量および必要な停止時間を減少する。従って、長年に亘り、従来のガス化装置のサイズは、より大きくなってきている。ここで、国際石油資本によって商業的に市販されているガス化装置は、３階建てビルほどの高さで立つ。最近、いくつかの従来の石炭ガス化装置は、操作温度を１４５０℃まで高めるために、圧縮Ｏ２ガスとともに加熱オイルの高圧噴霧により改修されている。しかし、このシステムで均一温度分布および温度制御を達成することは困難である。このような不均一温度分布の下では、２つの競合する反応である燃焼および改質は、同じスペースで同時に進行する。それ故、改質効率を最大にするあらゆる努力は、非常に骨の折れる課題である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これらの理由のため、ＩＧＣＣで用いられる従来のＬｕｒｇｉガス化装置では、ガス化装置リアクター内の石炭の部分的燃焼は、このリアクター温度を、改質反応が進行するために必要なレベルまでもたらすには十分ではない。加熱オイルのような、さらなる燃料が、この操作温度を高めるために必要であり得る。しかし、上記で論議されたように、このようなリアクター内で均一温度分布を制御および維持することは困難である。
【００１０】
本発明はこれらの欠陥およびその他の欠陥を取り扱う。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（発明の簡単な要旨）
１つの局面では、本発明は、統合型ガス化組み合わせサイクルシステムであることを特徴とし、これは、ガス化リアクター、およびこのガス化リアクターに連結されたガスタービンを含む。このガス化リアクターは、還元反応チャンバー、この還元反応チャンバー中に供給原料を導入するための供給原料入口、上記ガスタービンによって生成される排気ガスをこの還元反応チャンバー中に導入するためのガス入口、およびこの還元反応チャンバー中の供給原料と排気ガスとの反応によって生成セされる合成ガスを放出するためのガス出口を備える。例えば、上記排気ガスを放出するためのガスタービンの排気パイプが、上記還元反応チャンバーの下部セクションに連結され得る。
【００１２】
上記ガスタービンによって生成される排気ガスはスチームであり、ここで、水素ガスおよび酸素ガスがこのガスタービンに提供される。ガスタービンによって発生される排気ガスはスチームおよび二酸化炭素であり、ここで、合成ガスおよび酸素ガスがガスタービンに提供される。この排気ガスは、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供する。
【００１３】
１つの実施形態では、上記ガス化リアクターは、酸化反応リアクターをさらに含む。この酸化反応チャンバーでは、水素ガスおよび酸素ガスが反応し得、スチームを生成する。あるいは、上記酸化反応チャンバーは、合成ガスバーナーであり得、ここで、合成ガスおよび酸素ガスが反応し、スチームおよび二酸化炭素を生成する。合成ガスバーナーのような酸化反応チャンバーによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供する。好ましい実施形態では、上記ガスタービンからのこのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、上記還元反応チャンバーのための熱エネルギーの第１の供給源を提供し、そして上記合成ガスバーナーからのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、上記還元反応チャンバーのための熱エネルギーの第２の供給源を提供する。
【００１４】
１つの実施形態では、上記酸化反応チャンバーまたは合成ガスバーナーは、上記還元反応チャンバーに実質的に直交して位置決めされ、未反応酸素が還元反応チャンバー中に入ることを最小にする。
【００１５】
１つの実施形態では、合成ガスバーナーのような酸化反応チャンバーは、上記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、この供給原料を、スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝し、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する。
【００１６】
別の局面では、本発明は、ガス化の方法であることを特徴にする。この方法によれば、ガス化リアクターおよびこのガス化リアクターに連結されたガスタービンが提供される。炭素材料を含む供給原料が、ガス化リアクターの還元反応チャンバー中に導入される。１つの実施形態では、酸素および水素ガスが上記ガスタービン中に導入され、そしてこのガスタービンによって発生されたスチームが、上記還元反応チャンバーに入り、炭素材料と反応し、合成ガスを生成する。別の実施形態では、酸素および合成ガスが上記ガスタービン中に導入され、そしてこのガスタービンによって発生されるスチームおよび二酸化炭素が還元反応チャンバーに入り、炭素材料と反応し、合成ガスを生成する。このガスタービンによって発生されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、約１５００℃と約１７００℃との間の温度で還元反応チャンバーに入り得る。このガスタービンによって発生されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供する。
【００１７】
１つの実施形態では、上記ガス化リアクターはまた、酸化反応チャンバーを含む。酸素および水素ガスは、この酸化反応チャンバー中で反応しスチームを生成し、これは、還元反応チャンバーに入り、この還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供し、そして炭素材料と反応し、合成ガスを生成する。別の実施形態では、上記酸化反応チャンバーは合成ガスバーナーであり、ここで、酸素および合成ガスが反応し、スチームおよび二酸化炭素を生成し、これらは還元反応チャンバーに入り、この還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供し、そして炭素材料と反応して合成ガスを生成する。
【００１８】
好ましい実施形態では、酸素は、合成ガスバーナーのような酸化反応チャンバー中で実質的に完全に消費され、そして酸素は、上記ガスタービン中で実質的に完全に消費される。
【００１９】
別の実施形態では、上記供給原料入口を通って導入された供給原料材料は、合成ガスバーナーのような酸化反応チャンバーによって発生されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝され、この供給原料材料が、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成することを可能にする。
【００２０】
上記供給原料材料がまた非炭素成分を含む１つの実施形態では、上記還元反応チャンバーの温度は、約１２００℃とこの非炭素成分の非流体点との間に維持される。例えば、この供給原料材料が、スラグである非炭素成分を含む石炭である場合、このスラグの非流体点は、約１３００℃と１４００℃との間である。従って、上記還元反応チャンバーの温度は、１２００℃と１３００℃との間に維持されるべきである。
【００２１】
別の実施形態では、上記石炭中のスラグは、還元反応チャンバーの下部セクション近傍に提供される非流体スラグコレクターを通じて回収される。
【００２２】
なお、別の実施形態では、上記供給原料材料は石炭粉末であり、これは、上記還元反応チャンバー中に噴霧される。例えば、この石炭粉末は、約９００℃の温度で圧縮二酸化炭素を用いて上記還元反応チャンバー中に噴霧され得る。
【００２３】
別の実施形態では、上記還元反応チャンバーによって生成される合成ガスの少なくとも一部分は、上記ガスタービンおよび／または合成ガスバーナーのような酸化反応チャンバー中にリサイクルされる。
【００２４】
より特定すれば、本発明は、以下の項目に関し得る。
（項目１）統合型ガス化組み合わせサイクルシステムであって：
（ｉ）ガス化リアクター；および
（ｉｉ）上記ガス化リアクターに連結されたガスタービン、を備え、
ここで、上記ガス化リアクターが、還元反応チャンバー、上記還元反応チャンバー中に供給原料を導入するための供給原料入口、上記ガスタービンによって生成される排気ガスを上記還元反応チャンバー中に導入するためのガス入口、および上記還元反応チャンバー中の上記供給原料と上記排気ガスとの反応によって発生される合成ガスを放出するためのガス出口を備える、システム。
（項目２）上記排気ガスが、スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を含む、項目１に記載のスチーム。
（項目３）上記排気ガスが、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供する、項目２に記載のシステム。
（項目４）上記ガス化リアクターが、水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換し、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供する酸化反応チャンバーをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目５）上記酸化反応チャンバーが合成ガスバーナーを備え、そして上記ガスタービンからのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーの一次供給源を提供し、そして上記合成ガスバーナーからのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーの二次供給源を提供する、項目４に記載のシステム。
（項目６）上記合成ガスバーナーが、上記還元反応チャンバーと実質的に直交して位置決めされる、項目５に記載のシステム。
（項目７）上記合成ガスバーナーが、上記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、上記供給原料を、スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝し、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、項目５に記載のシステム。
（項目８）上記供給原料入口が、石炭粉末入口を備える、項目１に記載のシステム。
（項目９）上記還元反応チャンバーが、上記還元反応チャンバーの下側端部に配置された非流体スラグコレクターをさらに備える、項目７に記載のシステム。
（項目１０）上記ガスタービンが、上記排気ガスを放出するための排気ガス出口を備え、そして上記排気ガス出口が上記還元反応チャンバーの下部セクションに連結される、項目１に記載のシステム。
（項目１１）上記供給原料入口および上記酸化反応チャンバーが、上記還元反応チャンバーの上部セクションの近傍に配置される、項目１０に記載のシステム。
（項目１２）ガス化の方法であって：
（ｉ）ガス化リアクターおよび上記ガス化リアクターに連結されたガスタービンを提供する工程；
（ｉｉ）炭素材料を含む供給原料を、上記ガス化リアクターの還元反応チャンバー中に導入する工程；
（ｉｉｉ）酸素および水素ガス、または合成ガスを上記ガスタービン中に導入する工程；および
（ｉｖ）上記ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を上記還元反応チャンバーに侵入させ、上記炭素材料と反応させ、合成ガスを生成する工程、を包含する、方法。
（項目１３）上記ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、約１５００℃と約１７００℃との間の温度で上記還元反応チャンバーに入る、項目１２に記載の方法。
（項目１４）上記ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、上記還元反応チャンバーに入り、そして上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして上記炭素材料と反応し合成ガスを生成する、項目１２に記載の方法。
（項目１５）上記ガス化リアクターが酸化反応チャンバーを備え、そしてさらに：
（ｖ）上記酸化反応チャンバー中で酸素および水素ガスを反応させ、それによってスチームを生成する工程；および
（ｖｉ）上記酸化反応チャンバーによって発生されたスチームを、上記還元反応チャンバーに侵入させ、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして上記炭素材料と反応し、合成ガスを生成する工程、を包含する、項目１２に記載の方法。
（項目１６）上記酸化反応チャンバーが合成ガスバーナーを備え、上記工程（ｖ）が上記酸化反応チャンバー中で酸素および合成ガスを反応させ、それによって、スチームおよび二酸化炭素を生成することを包含し、そして上記工程（ｖｉ）が上記酸化反応チャンバーによって発生されるスチームおよび二酸化炭素を上記還元反応チャンバーに侵入させ、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして上記炭素材料と反応し、合成ガスを生成することを包含する、項目１５に記載の方法。
（項目１７）酸素が、上記工程（ｖ）で実質的に完全に消費される、項目１５に記載の方法。
（項目１８）酸素が、上記工程（ｉｉｉ）で実質的に完全に消費される、項目１２に記載の方法。
（項目１９）上記合成ガスバーナーが上記ガス化リアクターの供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、そしてさらに、上記供給原料入口を通って導入された供給原料を、上記合成ガスバーナーによって発生されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝す工程を包含し、上記供給原料が、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成することを可能にする、項目１６に記載の方法。
（項目２０）上記供給原料が非炭素成分をさらに含み、そしてさらに、上記還元反応チャンバーの温度を約１２００℃と上記非炭素成分の非流体点との間に維持する工程を包含する、項目１２に記載の方法。
（項目２１）上記供給原料が石炭を含み、ここで、上記非炭素成分がスラグであり、そして上記スラグの非流体点が約１３００℃と１４００℃との間である、項目２０に記載の方法。
（項目２２）上記供給原料が石炭粉末を含み、そして上記工程（ｉｉ）が上記石炭粉末を上記還元反応チャンバー中に噴霧することを包含する、項目１２に記載の方法。
（項目２３）上記石炭粉末が、約９００℃の温度で圧縮二酸化炭素を用いて上記還元反応チャンバー中に噴霧される、項目２２に記載の方法。
（項目２４）上記還元反応チャンバーの下部セクションの近傍に提供された非流体スラグコレクターを通じて上記スラグを回収する工程をさらに包含する、項目２１に記載の方法。
（項目２５）上記還元反応チャンバーによって生成される合成ガスの少なくとも一部分が、上記ガスタービン中にリサイクルされる、項目１２に記載の方法。
（項目２６）上記還元反応チャンバーによって生成される合成ガスの少なくとも一部分が、上記合成ガスバーナー中にリサイクルされる、項目１６に記載の方法。
（項目２７）炭素材料をガス化する方法であって、上記炭素材料が炭素成分および固体の非炭素成分を含み：
（ｉ）上記炭素材料をガス化リアクターの還元反応チャンバー中に導入する工程であって、ここで、上記還元反応チャンバーが約１２００℃から上記固体の非炭素成分の流体点未満の温度まで維持される工程；
（ｉｉ）上記ガス化リアクターの酸化反応チャンバー中で酸素ガスと水素ガスまたは合成ガスとを反応し、それによってスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を生成する工程；および
（ｉｉｉ）上記スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を上記還元反応チャンバーに侵入させる工程であって、そして少なくとも１２００℃の上記還元反応チャンバーの温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして上記炭素成分と反応し、合成ガスを生成する工程、を包含する、方法。
（項目２８）上記炭素材料が石炭であり、そして上記固体の非炭素成分が石炭スラグである、項目２７に記載の方法。
（項目２９）上記固体の非炭素成分が、約１３００℃を超える流体点を有する、項目２８に記載の方法。
（項目３０）上記スラグが、非流体スラグコレクター中に非流体として回収される、項目２８に記載の方法。
（項目３１）ガス化リアクターであって：
（ｉ）上部セクションおよび下部セクションを有する還元反応チャンバー；
（ｉｉ）供給原料を上記還元反応チャンバー中に導入するための上記上部セクションの近傍に提供される供給原料入口；
（ｉｉｉ）各々が、水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換するため、ならびにスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を上記還元反応チャンバーに提供するための第１の酸化反応チャンバーおよび第２の酸化反応チャンバー；および
（ｉｖ）上記還元反応チャンバー中の上記供給原料と、上記スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素との反応により生成される合成ガスを放出するためのガス出口、を備える、ガス化リアクター。
（項目３２）上記第１の酸化反応チャンバーが、上記第１の酸化反応チャンバーによって提供されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素のための上記還元反応チャンバーに対して位置決めされ、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして上記第２の酸化反応チャンバーが上記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、上記供給原料を、上記第２の酸化反応チャンバーによって提供されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に曝し、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、項目３１に記載のガス化リアクター。
（項目３３）上記供給原料が石炭であり、そして上記還元反応チャンバーの下部セクションの近傍に配置された非流体スラグコレクターをさらに備える、項目３１に記載のガス化リアクター。
（項目３４）上記第１の酸化反応チャンバーが第１の合成ガスバーナーであり、そして上記第２の酸化反応チャンバーが第２の合成ガスバーナーである、項目３１に記載のガス化リアクター。
（項目３５）上記第１の酸化反応チャンバーおよび上記第２の酸化反応チャンバーが、上記還元反応チャンバーに実質的に直交している、項目３１に記載のガス化リアクター。
（項目３６）ガス化リアクターであって：
（ｉ）還元反応チャンバー；
（ｉｉ）供給原料を上記還元反応チャンバー中に導入するための供給原料入口；
（ｉｉｉ）水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換するため、およびスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を上記還元反応チャンバーに提供するための酸化反応チャンバー；ならびに
（ｉｖ）上記還元反応チャンバー中の上記供給原料と、上記スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素との反応により生成される合成ガスを放出するためのガス出口を備え、
ここで、上記酸化反応チャンバーが、上記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、上記供給原料を、上記酸化反応チャンバー内で変換されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝し、上記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、ガス化リアクター。
【発明の効果】
【００２５】
（要約）
本発明は、ＩＧＣＣにおけるガス化リアクターおよびガスタービンサイクルを特徴とする。ガスタービンはガス化リアクターに連結され、そしてガス化反応を駆動する。このガス化リアクターは、還元反応チャンバー、供給原料をこの還元反応チャンバー中に導入するための供給原料入口、上記タービンによって発生された排気ガスを上記還元反応チャンバー中に導入するためのガス入口、および上記還元反応チャンバー中の上記供給原料と排気ガスとの還元反応によって生成された合成ガスを放出するためのガス出口を含む。上記還元反応チャンバー中の温度は、１２００℃を超え、かつ上記供給原料中に含まれる石炭中のスラグのような非炭素成分の非流体点未満に維持される。ガス化装置内の円滑かつ均一な温度制御は、高効率の炭素改質および高品質の合成ガスを提供する。本発明のガス化装置は、従来のガス化装置のほんの１／１０のサイズであり得、そして本発明のガス化装置の建築および運転のコストもまた、実質的により低いであろう。本発明のガス化装置は、例えば、約５００ｍｍの内径および約２０００ｍｍの高さを有し得る。本発明はまた、１２００℃でほぼ１００％の炭素変換効率に接近する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（発明の詳細な説明）
以下の説明は、本発明の特定の実施形態を示すことを意味し、そして本発明の範囲を制限することは意味しない。
【００２７】
本出願人は、９００℃の温度を生じる空気との、または１２００℃よりわずかに低い温度を生じる酸素との石炭の部分的燃焼は、石炭の改質のためには不十分であることを観察した。図２に示されるように、出願人はリアクター温度に対する合成ガス生成量を測定し、そして炭素改質は１２００℃を超える温度で生じ、そして１２００℃未満では改質がほとんど生じないことを学んだ。従来のＬｕｒｇｉガス化装置は、Ｏ２ガスが石炭粉末を燃焼するために用いられるときでさえ、１２００℃の温度に到達し得ない。散発的なスポット温度は１２００℃に到達し得るが、このガス化装置は全体として到達しない。本発明は、１２００℃を超える温度で作動する、ＩＧＣＣシステム中のガス化リアクターおよびガスタービンであることを特徴とする。
【００２８】
図３を参照して、本発明は、ＩＧＣＣにおける使用のための、ガス化リアクター１００、およびこのガス化リアクター１００に連結されたカズタービン１０６を特徴とする。
【００２９】
このガス化リアクター１００は、還元反応チャンバー１０２、供給原料材料をこの還元反応チャンバー１０２中に導入するための供給原料入口１１４、ガスタービン１０６によって発生された排気ガスを還元反応チャンバー１０２中に導入するためのガス入口１０３、および上記還元反応チャンバー１０２中の上記供給原料材料と排気ガスの反応によって生成される合成ガスの放出のためのガス出口１１６を備える。
【００３０】
本発明の特定の実施形態では、このガス化リアクター１００は、内側ライニング１０８および外側ケーシング１１２を含む。この内側ライニング１０８は、１２００℃を超える温度で実質的に物理的かつ化学的に安定である任意の材料から構築され得る。この内側ライニング１０８は、例えば、セラミックであり得る。より詳細な実施形態では、この内側ライニング１０８は、酸化アルミニウムから作製され得る。上記外側ケーシング１１２は、金属、または類似の強度および熱耐性性質をもつ任意のその他の材料から作製され得る。特定の実施形態では、この外側ケーシング１１２は、低炭素スチールから作製される。このガス化リアクター１００は、内側ライニング１０８と外側ケーシング１１２との間に配置される隔離層１１０をさらに含む。この隔離層１１０は、キャスタブルから作製され得る。特定の実施形態では、この隔離層１１０は、キャスタブルとロックウールとのコンポジットから作製される。別の実施形態では、この隔離層１１０は、約１００℃より低く、リアクター１００の外壁の温度を維持するに十分な厚みを有する。例えば、この隔離層１１０の厚みは、約１００ｍｍから約１５０ｍｍまでの範囲であり得る。上記に提供される例にかかわらず、当業者は、材料選択および詳細な寸法を含む、ガス化リアクター１００の詳細な構成が変動し得ることを認識する。
【００３１】
供給原料入口１１４は、還元反応チャンバー１０２の上部セクションの近傍に、この還元反応チャンバー１０２中に導入された供給原料材料がこのチャンバー１０２内に入るとき、それが改質するために十分な時間を有するように位置決めされる。１つの実施形態では、この供給原料入口１１４は、上記供給原料材料を還元反応チャンバー１０２中に噴霧し得る噴霧器である。例えば、圧縮された、予備加熱ＣＯ２が石炭粉末をこの還元反応チャンバー１０２中に噴霧するために用いられ得る。ガス出口１１６は、還元反応チャンバー１０２の上部端部の近傍に、この還元反応チャンバー１０２内で生成された合成ガスが、この還元反応チャンバー１０２から最適に放出されるように位置決めされる。
【００３２】
１つの実施形態では、この還元反応チャンバー１０２は、酸化反応チャンバーまたは合成ガスバーナー１０４をさらに含む。この合成ガスバーナー１０４は、酸素のための１つ以上の入口１２２、１２４、および水素ガスまたは水素ガスおよび一酸化炭素を含む合成ガスのための入口１２０を含む。以下により詳細に記載されるように、この合成ガスバーナー１０４は、少なくとも１２００℃の還元反応チャンバー１０２の温度を維持するために必要な熱エネルギーを運ぶために十分なスチーム、またはスチームおよびＣＯ２を生成する。本発明の好ましい実施形態では、酸素ガス入口１２２、１２４は、合成ガス入口１２０の各々の側に提供される。別の実施形態では、これら酸素ガス入口１２２、１２４は、合成ガス入口１２０に対して所定の角度で位置決めされ、酸素ガスを合成ガスバーナー１０４中に、合成ガス入口１２０を通って導入された水素または合成ガスに対して所定の角度で導入する。これは、酸素ガスと、水素または合成ガスとを合流させ、そしてより効率的に反応することを可能にする。パイロット灯または点火プラグが、点火穴１２６を通って導入され、合成ガスバーナー１０４内の酸素と水素または合成ガスとを点火し、還元反応チャンバー１０２を充填する超高温のスチームおよび二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを生成する。
【００３３】
好ましい実施形態では、合成ガスバーナー１０４は、還元反応チャンバー１０２に対して実質的に直交して位置決めされ、以下にさらに論議されるように、未反応酸素の還元反応チャンバー中への侵入を防ぐ。好ましい実施形態では、この合成ガスバーナー１０４はまた、上記供給原料入口１１４の十分近傍、そして特にこの供給原料入口１１４の真下に位置決めされる。供給原料入口１１４に対する合成ガスバーナー１０４のこの位置は、合成ガスバーナー１０４の排気ガスが噴霧された供給原料材料を所望の１２００℃の反応温度まで即座に加熱することを可能にする。この温度では、新たに噴霧された供給原料材料は、還元反応チャンバー１０２中の排気ガスと迅速に反応し、高い反応効率を維持する。供給原料入口１１４に対する合成ガスバーナー１０４の正確な位置は、ガス化リアクター１００中で用いられる特定のタイプの供給原料材料、および合成ガスバーナー１０４の操作温度に基づいて変動する。一般に、合成ガスバーナー１０４は、供給原料入口１１４に実施可能である限りできるだけ緊密に位置決めされ炭素材料の最適還元を可能にすることが好ましい。
【００３４】
還元反応チャンバー１０３は、還元反応チャンバー１０２の底部に配置された非流体スラグコレクター１１８をさらに含む。この非流体スラグコレクター１１８は、ガス化プロセスの間に還元反応チャンバー１０２中に蓄積する供給原料中に含まれる非炭素成分の非流体形態を収集する。以下に詳細に論議されるように、本発明のガス化リアクター１００は、この非炭素成分の流体点未満の温度で作動し、このような成分の非流体形態の回収を増大する。
【００３５】
還元反応チャンバー１０２は、ガスタービン１０６に連結され、スチーム、またはスチームおよびＣＯ２を含む排気ガスを還元反応チャンバー１０２中に導入する。ガスタービンの構造および構成要素、そして特にＩＧＣＣで用いられるそれらは、当業者に周知である。このガスタービン１０６は、還元反応チャンバー１０２の下部セクションに、例えば、このタービン１０６の排気ガス出口を還元反応チャンバーのガス入口１００に連結することによって連結され得る。
【００３６】
本発明のＩＧＣＣは、以下の様式で作動する。
【００３７】
酸素および水素ガス、または合成ガスのような水素を含むガスのその他の混合物が、ガスタービン１０６を稼動するために提供され、その作動は当業者に周知である。合成ガスが用いられるとき、この合成ガスは、ガス化リアクター１００からの合成ガス生成量の少なくとも一部分をリサイクルすることにより得られ得る。ガスタービン１０６は、酸素入口１２８を経由して酸素を受容し、そして合成ガス入口１３０を経由して、水素または合成ガスのような水素ガス混合物を受容する。この酸素は水素と反応しスチームを生成するか、またはこの酸素は合成ガスと反応し、以下のようにスチームと二酸化炭素を生成する：
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２
これらは発熱反応であり、１８００℃〜２０００℃の範囲の温度でスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を含む超高温ガスを生成する。このガスが冷えるとき、熱エネルギーは、電気を生成するタービンを通じて仕事に転換されるが、この排気ガスのある部分は還元反応チャンバー１０２中に導入される。還元反応チャンバー１０２中に導入された排気ガスは、約１５００℃〜１７００℃の温度であり得る。還元反応チャンバー１０２中に導入されたこの排気ガスは、還元反応が生じるために１２００℃であるべき還元反応チャンバーの温度を維持するために必要な熱エネルギーを輸送する。これは、還元反応チャンバー１０２のための熱エネルギーの第１の供給源である。この排気ガスはまた、供給原料中の炭素材料をガス化する。還元反応チャンバー中に導入される排気ガスの温度は、ガスタービン１０６によって実施される仕事およびそれによって生成される電気の量に比例し、生成される仕事および電気が多いほど、より低い温度の排気ガスを生じる。現在の実施形態では、生成する最大の電気の必要性を、ガス化反応が生じることを可能にするのに十分な高温に還元反応チャンバーの温度を維持する必要性とバランスすることが重要である。ガスタービン１０６中に導入される水素または合成ガスに対する酸素ガスの比率を制御することによって、還元反応チャンバー１０２中への任意の未反応酸素の侵入を防ぐこともまた重要である。
【００３８】
合成ガスバーナー１０４はまた、超高温スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を提供し、還元反応チャンバー１０２中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーを提供する。これは、代表的には、還元反応チャンバー１０２のための熱エネルギーの第２の供給源である。
【００３９】
最初に、合成ガスバーナー１０４は、いかなる予備加熱も必要としない。水素ガスまたは合成ガスは、合成ガス入口１２０を通って合成ガスバーナー１０４中に導入される。この合成ガス中の水素および一酸化炭素の混合の比率は、１．０〜０で変動し得る。この混合比は、合成ガスのメタノールまたはジメチルエーテル（ＤＭＥ）への液化のプロセスにとって重要な因子である。合成ガスバーナー１０４およびガスタービン１０６中にフィードバックされる、合成ガス中の水素／一酸化炭素ガス濃度の比率における小さな変化は、還元反応チャンバー１０２における還元反応、および生成される合成ガスの組成に反映される。最初、水素ガスまたは合成ガスは、貯蔵タンクからであり得る。あるいは、この合成ガスは、ガス化リアクター１００によって生成される合成ガスの少なくとも一部分をリサイクルすることによって得られ得る。石炭ガス化のいくつかの実施形態では、ガス化リアクター１００によって生成される合成ガスのほぼ３０％が、合成ガスバーナー１０４を通ってリサイクルされ得、ガス化リアクター１００の温度を維持し、そしてその作動を継続する。酸素は、１つ以上の酸素入口１２２、１２４を通って合成ガスバーナー１０４中に導入される。合成ガスは、点火穴１２６を通ってパイロット灯を導入することにより点火される。ガス化リアクター１００の温度は、合成ガスの点火とともに突然上昇する。ガス化リアクター１００の温度は、このステージで過剰の酸素が検出されないことを確実にするために、合成ガス出口１１６で酸素検出器をモニターしながら、酸素取り込みを調節することによって制御される。スチームおよびＣＯ２の温度は、１８００℃〜２０００℃の範囲であり得る。還元反応チャンバー１０２は、１０〜１５分以内に約１０００℃の温度まで上昇される。このようにして、ガス化リアクター１００の温度が１２００℃に到達するとき、ガス化リアクター１００は、合成ガスと酸素との反応から生成されるＣＯ２とスチームで充填されるようになる。加熱の終わりに、酸素ガスはまず遮断され、そして次に合成ガスが遮断され、温度を低下させる。
【００４０】
合成ガスバーナー１０４は還元反応チャンバー２０２に実質的に直交し、そして高度に効率的であり、そして合成ガスバーナー１０４中に導入されるＯ２の量は制御可能であるので、合成ガスバーナー１０４中に導入されたＯ２のすべては、合成ガスバーナー１０４内で完全に消費され得る。それ故、いくつかの実施形態では、還元反応チャンバー１０２に入るＯ２は実質的にない。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態によれば、合成ガスバーナー２０４およびガスタービン１０６中に導入されるＯ２ガスの量を変動することにより、ガス化リアクター１００の温度を制御することは、Ｏ２ガスが還元反応チャンバー中に直接導入される従来のガス化リアクターに対していくつかのさらなる利点を有する。第１に、燃焼は酸化反応であるため、還元反応チャンバー中にＯ２を導入すること、およびそれを消費することは、炭素ガス化／改質の還元反応と直接競合する。従って、炭素ガス化／改質は中和される。この問題は、還元反応チャンバー中よりはむしろ、合成ガスバーナー１０４およびガスタービン１０６中のＯ２を点火することによって避けられる。さらに、主要な酸素添加汚染物質は、Ｏ２が標準的な還元反応チャンバー１０２で反応されるときに生成される。これらの汚染物質は、合成ガスバーナー１０４およびガスタービン１０６中でＯ２を完全に反応することによってなくされる。最後に、従来のガス化リアクターで見出される炭素燃焼の散発的な突発および生じる不均一なリアクター温度は、還元反応チャンバーではなく、合成ガスバーナー１０４およびガスタービン１０６中にＯ２が導入され、そして完全に消費されるときなくされる。
【００４２】
還元反応チャンバー１０２の温度が１２００℃を超えて維持される間に、炭素材料を含む供給原料材料が供給原料入口１１４を通って還元反応チャンバー１０２中に導入される。本明細書で用いられるとき、炭素材料は、１２００℃を超える温度で合成ガスに改質する炭素元素または炭素原子を含む材料を意味する。炭素材料は、いくつかの事例では、炭素成分および非炭素成分からなる。例えば、上記供給原料材料は、非炭素成分が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯなどの種々の混合物を含むスラグである石炭であり得る。あるいは、上記供給原料材料は、オイル、オイルエマルジョン、オイルおよび砂混合物、およびタイヤ、プラスチック、病院廃棄物、および毒性産業廃棄物のような廃棄産物のようなその他のタイプの材料を含み得る。この事実に基づいて、本発明の方法は、この供給原料材料として石炭粉末に関して説明され得る。しかし、本発明は、その他のタイプの炭素材料の改質に適用可能である。
【００４３】
供給原料入口１１４は、石炭粉末を、圧縮および予備加熱されたＣＯ２ガスを用いて還元反応チャンバー１０２中に噴霧する。１つの実施形態では、このＣＯ２ガスは、粉末化石炭を噴霧する前に約９００℃の温度に予備加熱される。好ましい実施形態では、合成ガスバーナー１０４は、供給原料入口１１４の真下に、上記供給原料材料が合成ガスバーナー１０４によって生成される超高温のスチーム、またはスチームおよびＣＯ２に迅速に曝されるように位置され、その結果、炭素材料の温度は、１２００℃まで迅速にもたらされる。
【００４４】
しかし、最初に、還元反応チャンバー１０２の温度が１２００℃に到達する前に、多くのブラックスモーク（遊離の炭素）が観察され始める。最終的に、合成ガスバーナー１０４およびガスタービン１０６は、還元反応チャンバー１０２の温度を少なくとも１２００℃に維持するに十分な熱エネルギーを輸送するスチームおよびＣＯ２を提供する。この温度が１２００℃に到達するとき、突然ブラックスモークが消え、そしてガス出口１１９で一酸化炭素が検出され始める。
【００４５】
石炭、または化石燃料（−ＣＨ２−）のような炭素材料の炭素原子は、還元反応チャンバー１０２中で以下のガス化反応を受ける：
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→Ｃ＋Ｈ２
Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ
（−ＣＨ２−）＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋２Ｈ２
（−ＣＨ２−）＋ＣＯ２→２ＣＯ＋Ｈ２
還元反応チャンバー１０２中の高温は、これらの反応が触媒を使用せずに起こることを許容する。これらの反応によって生成された合成ガスは、合成ガス出口１１６を経由して還元反応チャンバー１０２を出る。合成ガス生成量は加速され、そして再生し、これは、図２に示される。この合成ガスは、上記のように、ガスタービン１０６または合成ガスバーナー１０４に再び向けられ得る。
【００４６】
本発明では、還元反応チャンバー１０２の温度が供給原料材料中に含まれる非炭素材料の流体温度を超えて上昇しないことを確実にするのがまた重要である。石炭については、スラグの流体温度は約１３００℃と１４００℃との間である。従って、反応温度が１２００℃を超え、かつ約１３００℃未満で均一に維持される場合、固形スラグは、還元反応チャンバー１０２の内部表面に固着するよりはむしろ、非流体スラグコレクター１１８中にこの還元反応チャンバー１０２の底部で蓄積する。この流体温度は、材料に特異的であり、そしてそれ故、この反応に対する上限温度は、供給原料材料中に存在する非炭素成分のタイプに基づき調節される必要がある。一般に、しかし、石炭ガス化リアクター１００の温度は、少なくとも１２００℃でかつ１３００℃より低くあるべきである。
【００４７】
本発明は、ＩＧＣＣのための統合型の効率的なガス化装置を提供し、ここで、合成ガスタービンエンジンの排気ガスが、石炭ガス化の還元反応を駆動する。ガス化装置内の円滑かつ均一な温度制御は、高効率の炭素改質および高品質の合成ガスを提供する。本発明のガス化装置は、従来のガス化装置のほんの１／１０のサイズであり得、そして本発明のガス化装置の建築および運転のコストもまた、実質的により低いであろう。本発明のガス化装置は、例えば、約５００ｍｍの内径および約２０００ｍｍの高さを有し得る。本発明はまた、１２００℃でほぼ１００％の炭素変換効率に接近する。
【００４８】
図４は、本発明のガス化リアクターの別の実施形態を示す。このガス化リアクター２００は、図３に示されるガス化リアクター１００と類似するが、ガス化リアクター１００のガスタービン１０６が、合成ガスバーナーのような別の酸化反応チャンバー２０６で置換されている。この酸化反応チャンバー２０６は、１８００℃〜２０００℃の範囲の温度で、酸素を水素ガスまたは合成ガスと反応させ、熱スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を生成する。合成ガスバーナー２０６によって生成されたこのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、還元反応のための熱の第１の供給源を提供し、そして合成ガスバーナー２０４によって生成されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素は、還元反応のための熱の第２の供給源を提供する。ガス化リアクター２００によって生成された合成ガスはリサイクルされ得、そして両方の合成ガスバーナー２０４、２０６に提供される。ガス化リアクター２００のその他の特徴は、ガス化リアクター１００の特徴と類似している。
【００４９】
特許法令に従って、種々の実施形態および実施例の説明を提供してきたが、本発明の範囲は、それらに、またはそれによって制限されるべきではない。本発明の改変および変更は、本発明の範囲および思想から逸脱することなく当業者に明らかである。
【００５０】
従って、本発明の範囲は、例示によって提示された特定の例によるよりむしろ、添付の請求項によって規定されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
統合型ガス化組み合わせサイクルシステム、例えば、タービンエンジンがガス化反応を駆動する統合型ガス化組み合わせサイクルシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
本発明、その目的および利点のより完全な理解のために、添付の図面と組み合わせて上記の説明への参照がなされる。
【図１】図１は、従来の統合型ガス化組み合わせサイクルの部分を示す。
【図２】図２は、ガス化リアクター温度に対する合成ガス生成速度のグラフである。
【図３】図３は、本発明の実施形態による改良された統合型ガス化組み合わせサイクルを示す。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態によるガス化リアクターを示す。
【符号の説明】
【００５３】
１０ ガス化装置
１６、１０６ ガスタービン
１８ ボイラー
２０ スチームエンジン
１００、２００ ガス化リアクター
１０２、２０２ 還元反応チャンバー
１０３ ガス入口
１０４、２０４ ガスバーナー
１０８、２０８ 内側ライニング
１１０、２１０ 隔離層
１１４、２１４ 供給原料入口
１１６、２１６ ガス出口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
統合型ガス化組み合わせサイクルシステムであって：
（ｉ）ガス化リアクター；および
（ｉｉ）該ガス化リアクターに連結されたガスタービン、を備え、
ここで、該ガス化リアクターが、還元反応チャンバー、該還元反応チャンバー中に供給原料を導入するための供給原料入口、該ガスタービンによって生成される排気ガスを該還元反応チャンバー中に導入するためのガス入口、および該還元反応チャンバー中の該供給原料と該排気ガスとの反応によって発生される合成ガスを放出するためのガス出口を備える、システム。
【請求項２】
前記排気ガスが、スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を含む、請求項１に記載のスチーム。
【請求項３】
前記排気ガスが、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ガス化リアクターが、水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換し、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供する酸化反応チャンバーをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記酸化反応チャンバーが合成ガスバーナーを備え、そして前記ガスタービンからのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーの一次供給源を提供し、そして該合成ガスバーナーからのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーの二次供給源を提供する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記合成ガスバーナーが、前記還元反応チャンバーと実質的に直交して位置決めされる、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記合成ガスバーナーが、前記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、該供給原料を、スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝し、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記供給原料入口が、石炭粉末入口を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記還元反応チャンバーが、該還元反応チャンバーの下側端部に配置された非流体スラグコレクターをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ガスタービンが、前記排気ガスを放出するための排気ガス出口を備え、そして該排気ガス出口が前記還元反応チャンバーの下部セクションに連結される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記供給原料入口および前記酸化反応チャンバーが、前記還元反応チャンバーの上部セクションの近傍に配置される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
ガス化の方法であって：
（ｉ）ガス化リアクターおよび該ガス化リアクターに連結されたガスタービンを提供する工程；
（ｉｉ）炭素材料を含む供給原料を、該ガス化リアクターの還元反応チャンバー中に導入する工程；
（ｉｉｉ）酸素および水素ガス、または合成ガスを該ガスタービン中に導入する工程；および
（ｉｖ）該ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を該還元反応チャンバーに侵入させ、該炭素材料と反応させ、合成ガスを生成する工程、を包含する、方法。
【請求項１３】
前記ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、約１５００℃と約１７００℃との間の温度で前記還元反応チャンバーに入る、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、前記還元反応チャンバーに入り、そして該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして該炭素材料と反応し合成ガスを生成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ガス化リアクターが酸化反応チャンバーを備え、そしてさらに：
（ｖ）該酸化反応チャンバー中で酸素および水素ガスを反応させ、それによってスチームを生成する工程；および
（ｖｉ）該酸化反応チャンバーによって発生されたスチームを、前記還元反応チャンバーに侵入させ、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして前記炭素材料と反応し、合成ガスを生成する工程、を包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記酸化反応チャンバーが合成ガスバーナーを備え、前記工程（ｖ）が前記酸化反応チャンバー中で酸素および合成ガスを反応させ、それによって、スチームおよび二酸化炭素を生成することを包含し、そして前記工程（ｖｉ）が該酸化反応チャンバーによって発生されるスチームおよび二酸化炭素を前記還元反応チャンバーに侵入させ、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして前記炭素材料と反応し、合成ガスを生成することを包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
酸素が、前記工程（ｖ）で実質的に完全に消費される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
酸素が、前記工程（ｉｉｉ）で実質的に完全に消費される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記合成ガスバーナーが前記ガス化リアクターの供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、そしてさらに、該供給原料入口を通って導入された供給原料を、前記合成ガスバーナーによって発生されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝す工程を包含し、該供給原料が、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成することを可能にする、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記供給原料が非炭素成分をさらに含み、そしてさらに、前記還元反応チャンバーの温度を約１２００℃と該非炭素成分の非流体点との間に維持する工程を包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記供給原料が石炭を含み、ここで、前記非炭素成分がスラグであり、そして該スラグの非流体点が約１３００℃と１４００℃との間である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記供給原料が石炭粉末を含み、そして前記工程（ｉｉ）が該石炭粉末を前記還元反応チャンバー中に噴霧することを包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
前記石炭粉末が、約９００℃の温度で圧縮二酸化炭素を用いて前記還元反応チャンバー中に噴霧される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記還元反応チャンバーの下部セクションの近傍に提供された非流体スラグコレクターを通じて前記スラグを回収する工程をさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記還元反応チャンバーによって生成される合成ガスの少なくとも一部分が、前記ガスタービン中にリサイクルされる、請求項１２に記載の方法。
【請求項２６】
前記還元反応チャンバーによって生成される合成ガスの少なくとも一部分が、前記合成ガスバーナー中にリサイクルされる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
炭素材料をガス化する方法であって、該炭素材料が炭素成分および固体の非炭素成分を含み：
（ｉ）該炭素材料をガス化リアクターの還元反応チャンバー中に導入する工程であって、ここで、該還元反応チャンバーが約１２００℃から該固体の非炭素成分の流体点未満の温度まで維持される工程；
（ｉｉ）該ガス化リアクターの酸化反応チャンバー中で酸素ガスと水素ガスまたは合成ガスとを反応し、それによってスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を生成する工程；および
（ｉｉｉ）該スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を該還元反応チャンバーに侵入させる工程であって、そして少なくとも１２００℃の該還元反応チャンバーの温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして該炭素成分と反応し、合成ガスを生成する工程、を包含する、方法。
【請求項２８】
前記炭素材料が石炭であり、そして前記固体の非炭素成分が石炭スラグである、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記固体の非炭素成分が、約１３００℃を超える流体点を有する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記スラグが、非流体スラグコレクター中に非流体として回収される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
ガス化リアクターであって：
（ｉ）上部セクションおよび下部セクションを有する還元反応チャンバー；
（ｉｉ）供給原料を該還元反応チャンバー中に導入するための該上部セクションの近傍に提供される供給原料入口；
（ｉｉｉ）各々が、水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換するため、ならびにスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を該還元反応チャンバーに提供するための第１の酸化反応チャンバーおよび第２の酸化反応チャンバー；および
（ｉｖ）該還元反応チャンバー中の該供給原料と、該スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素との反応により生成される合成ガスを放出するためのガス出口、を備える、ガス化リアクター。
【請求項３２】
前記第１の酸化反応チャンバーが、該第１の酸化反応チャンバーによって提供されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素のための前記還元反応チャンバーに対して位置決めされ、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして前記第２の酸化反応チャンバーが前記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、該供給原料を、該第２の酸化反応チャンバーによって提供されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に曝し、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、請求項３１に記載のガス化リアクター。
【請求項３３】
前記供給原料が石炭であり、そして前記還元反応チャンバーの下部セクションの近傍に配置された非流体スラグコレクターをさらに備える、請求項３１に記載のガス化リアクター。
【請求項３４】
前記第１の酸化反応チャンバーが第１の合成ガスバーナーであり、そして前記第２の酸化反応チャンバーが第２の合成ガスバーナーである、請求項３１に記載のガス化リアクター。
【請求項３５】
前記第１の酸化反応チャンバーおよび前記第２の酸化反応チャンバーが、前記還元反応チャンバーに実質的に直交している、請求項３１に記載のガス化リアクター。
【請求項３６】
ガス化リアクターであって：
（ｉ）還元反応チャンバー；
（ｉｉ）供給原料を該還元反応チャンバー中に導入するための供給原料入口；
（ｉｉｉ）水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換するため、およびスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を該還元反応チャンバーに提供するための酸化反応チャンバー；ならびに
（ｉｖ）該還元反応チャンバー中の該供給原料と、該スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素との反応により生成される合成ガスを放出するためのガス出口を備え、
ここで、該酸化反応チャンバーが、該供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、該供給原料を、該酸化反応チャンバー内で変換されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝し、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、ガス化リアクター。
【請求項１】
統合型ガス化組み合わせサイクルシステムであって：
（ｉ）ガス化リアクター；および
（ｉｉ）該ガス化リアクターに連結されたガスタービン、を備え、
ここで、該ガス化リアクターが、還元反応チャンバー、該還元反応チャンバー中に供給原料を導入するための供給原料入口、該ガスタービンによって生成される排気ガスを該還元反応チャンバー中に導入するためのガス入口、および該還元反応チャンバー中の該供給原料と該排気ガスとの反応によって発生される合成ガスを放出するためのガス出口を備える、システム。
【請求項２】
前記排気ガスが、スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を含む、請求項１に記載のスチーム。
【請求項３】
前記排気ガスが、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ガス化リアクターが、水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換し、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供する酸化反応チャンバーをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記酸化反応チャンバーが合成ガスバーナーを備え、そして前記ガスタービンからのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するに十分な熱エネルギーの一次供給源を提供し、そして該合成ガスバーナーからのスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーの二次供給源を提供する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記合成ガスバーナーが、前記還元反応チャンバーと実質的に直交して位置決めされる、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記合成ガスバーナーが、前記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、該供給原料を、スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝し、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記供給原料入口が、石炭粉末入口を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記還元反応チャンバーが、該還元反応チャンバーの下側端部に配置された非流体スラグコレクターをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ガスタービンが、前記排気ガスを放出するための排気ガス出口を備え、そして該排気ガス出口が前記還元反応チャンバーの下部セクションに連結される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記供給原料入口および前記酸化反応チャンバーが、前記還元反応チャンバーの上部セクションの近傍に配置される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
ガス化の方法であって：
（ｉ）ガス化リアクターおよび該ガス化リアクターに連結されたガスタービンを提供する工程；
（ｉｉ）炭素材料を含む供給原料を、該ガス化リアクターの還元反応チャンバー中に導入する工程；
（ｉｉｉ）酸素および水素ガス、または合成ガスを該ガスタービン中に導入する工程；および
（ｉｖ）該ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を該還元反応チャンバーに侵入させ、該炭素材料と反応させ、合成ガスを生成する工程、を包含する、方法。
【請求項１３】
前記ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、約１５００℃と約１７００℃との間の温度で前記還元反応チャンバーに入る、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ガスタービンによって発生されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素が、前記還元反応チャンバーに入り、そして該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして該炭素材料と反応し合成ガスを生成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ガス化リアクターが酸化反応チャンバーを備え、そしてさらに：
（ｖ）該酸化反応チャンバー中で酸素および水素ガスを反応させ、それによってスチームを生成する工程；および
（ｖｉ）該酸化反応チャンバーによって発生されたスチームを、前記還元反応チャンバーに侵入させ、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして前記炭素材料と反応し、合成ガスを生成する工程、を包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記酸化反応チャンバーが合成ガスバーナーを備え、前記工程（ｖ）が前記酸化反応チャンバー中で酸素および合成ガスを反応させ、それによって、スチームおよび二酸化炭素を生成することを包含し、そして前記工程（ｖｉ）が該酸化反応チャンバーによって発生されるスチームおよび二酸化炭素を前記還元反応チャンバーに侵入させ、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして前記炭素材料と反応し、合成ガスを生成することを包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
酸素が、前記工程（ｖ）で実質的に完全に消費される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
酸素が、前記工程（ｉｉｉ）で実質的に完全に消費される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記合成ガスバーナーが前記ガス化リアクターの供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、そしてさらに、該供給原料入口を通って導入された供給原料を、前記合成ガスバーナーによって発生されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝す工程を包含し、該供給原料が、前記還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成することを可能にする、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記供給原料が非炭素成分をさらに含み、そしてさらに、前記還元反応チャンバーの温度を約１２００℃と該非炭素成分の非流体点との間に維持する工程を包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記供給原料が石炭を含み、ここで、前記非炭素成分がスラグであり、そして該スラグの非流体点が約１３００℃と１４００℃との間である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記供給原料が石炭粉末を含み、そして前記工程（ｉｉ）が該石炭粉末を前記還元反応チャンバー中に噴霧することを包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
前記石炭粉末が、約９００℃の温度で圧縮二酸化炭素を用いて前記還元反応チャンバー中に噴霧される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記還元反応チャンバーの下部セクションの近傍に提供された非流体スラグコレクターを通じて前記スラグを回収する工程をさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記還元反応チャンバーによって生成される合成ガスの少なくとも一部分が、前記ガスタービン中にリサイクルされる、請求項１２に記載の方法。
【請求項２６】
前記還元反応チャンバーによって生成される合成ガスの少なくとも一部分が、前記合成ガスバーナー中にリサイクルされる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
炭素材料をガス化する方法であって、該炭素材料が炭素成分および固体の非炭素成分を含み：
（ｉ）該炭素材料をガス化リアクターの還元反応チャンバー中に導入する工程であって、ここで、該還元反応チャンバーが約１２００℃から該固体の非炭素成分の流体点未満の温度まで維持される工程；
（ｉｉ）該ガス化リアクターの酸化反応チャンバー中で酸素ガスと水素ガスまたは合成ガスとを反応し、それによってスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を生成する工程；および
（ｉｉｉ）該スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を該還元反応チャンバーに侵入させる工程であって、そして少なくとも１２００℃の該還元反応チャンバーの温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして該炭素成分と反応し、合成ガスを生成する工程、を包含する、方法。
【請求項２８】
前記炭素材料が石炭であり、そして前記固体の非炭素成分が石炭スラグである、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記固体の非炭素成分が、約１３００℃を超える流体点を有する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記スラグが、非流体スラグコレクター中に非流体として回収される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
ガス化リアクターであって：
（ｉ）上部セクションおよび下部セクションを有する還元反応チャンバー；
（ｉｉ）供給原料を該還元反応チャンバー中に導入するための該上部セクションの近傍に提供される供給原料入口；
（ｉｉｉ）各々が、水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換するため、ならびにスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を該還元反応チャンバーに提供するための第１の酸化反応チャンバーおよび第２の酸化反応チャンバー；および
（ｉｖ）該還元反応チャンバー中の該供給原料と、該スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素との反応により生成される合成ガスを放出するためのガス出口、を備える、ガス化リアクター。
【請求項３２】
前記第１の酸化反応チャンバーが、該第１の酸化反応チャンバーによって提供されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素のための前記還元反応チャンバーに対して位置決めされ、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を維持するのに十分な熱エネルギーを提供し、そして前記第２の酸化反応チャンバーが前記供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、該供給原料を、該第２の酸化反応チャンバーによって提供されるスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に曝し、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、請求項３１に記載のガス化リアクター。
【請求項３３】
前記供給原料が石炭であり、そして前記還元反応チャンバーの下部セクションの近傍に配置された非流体スラグコレクターをさらに備える、請求項３１に記載のガス化リアクター。
【請求項３４】
前記第１の酸化反応チャンバーが第１の合成ガスバーナーであり、そして前記第２の酸化反応チャンバーが第２の合成ガスバーナーである、請求項３１に記載のガス化リアクター。
【請求項３５】
前記第１の酸化反応チャンバーおよび前記第２の酸化反応チャンバーが、前記還元反応チャンバーに実質的に直交している、請求項３１に記載のガス化リアクター。
【請求項３６】
ガス化リアクターであって：
（ｉ）還元反応チャンバー；
（ｉｉ）供給原料を該還元反応チャンバー中に導入するための供給原料入口；
（ｉｉｉ）水素ガスをスチームに、または合成ガスをスチームおよび二酸化炭素に変換するため、およびスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素を該還元反応チャンバーに提供するための酸化反応チャンバー；ならびに
（ｉｖ）該還元反応チャンバー中の該供給原料と、該スチーム、またはスチームおよび二酸化炭素との反応により生成される合成ガスを放出するためのガス出口を備え、
ここで、該酸化反応チャンバーが、該供給原料入口の十分近傍に位置決めされ、該供給原料を、該酸化反応チャンバー内で変換されたスチーム、またはスチームおよび二酸化炭素に迅速に曝し、該還元反応チャンバー中で少なくとも１２００℃の温度を迅速に達成する、ガス化リアクター。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−６９７６８（Ｐ２００８−６９７６８Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４３７７６（Ｐ２００７−１４３７７６）
【出願日】平成１９年５月３０日（２００７．５．３０）
【出願人】（５０５１３１４６３）
【氏名又は名称原語表記】ＫＩＭ Ｈｙｕｎ Ｙｏｎｇ
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月３０日（２００７．５．３０）
【出願人】（５０５１３１４６３）
【氏名又は名称原語表記】ＫＩＭ Ｈｙｕｎ Ｙｏｎｇ
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