JP7336433B2 - 固体燃料の燃焼及び二酸化炭素の回収を伴う発電のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、二酸化炭素の回収を伴う発電のためのシステム及び方法を提供する。特に、このシステム及び方法は、燃焼に無関係な、随意的な付加的な超臨界ＣＯ_２閉サイクルと共に、開又は半閉サイクルの固体燃料の直接燃焼を提供することができる。

二酸化炭素（ＣＯ_２）は、炭素質燃料の燃焼の公知の生成物であり、炭素質燃料の燃焼を用いる発電システムは、発生したＣＯ_２を回収する必要がある。同時に二酸化炭素を回収しながら、固体燃料、特に石炭の燃焼を通じて効率的な発電をもたらすことは特に難しい。二酸化炭素回収・隔離（ＣＣＳ）を伴う超臨界微粉炭（ＳＣＰＣ）に関連して又はＣＣＳを伴う石炭ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）に関連して、二酸化炭素の回収を伴う石炭火力発電システムが提案されている。しかしながら、このようなシステムは、高い費用と低い効率（例えば、低位発熱量基準で３０％に近い）に悩まされる。１つの代替として、Ａｌｌａｍらの米国特許第８，５９６，０７５号は、ＣＯ_２リサイクル圧縮器及び最終ＣＯ_２ポンプの入口圧及び出口圧に対応する圧力で燃焼から発生したＣＯ_２を取り出すことができる、ＣＯ_２作動ストリームを用いる発電システムを説明している。石炭の燃焼は、このようなシステムではより高い効率とより低いコストを有する可能性があると考えられるが、発電用に燃焼させる石炭合成ガスを発生させるために完全な石炭ガス化システムが設置されなければならない。ガス化システムと発電システムとの一体化は、発電所の設計及び操業の複雑さを増すことになる。さらに、石炭ガス化及び合成ガス浄化プロセスに起因する効率の損失を回避することはできない。したがって、当業分野では、固体燃料の直接燃焼及び二酸化炭素の回収を伴う発電のためのさらなるシステム及び方法が依然として必要とされている。

本開示は、固体燃料の直接燃焼を発電に用いることができるシステム及び方法に関する。直接燃焼を用いることにより、他の方法では必要とされることになる完全な石炭ガス化、合成ガス浄化、及び酸性ガス除去システムを、本開示によれば排除することができる。これは、例えば、ＣＯ_２リサイクル及び（随意的に）その場での硫黄除去を伴う酸素燃焼式の石炭燃焼を用いることにより達成することができる。燃焼排ガス（好ましくは硫黄及び灰を含まない）を、発電用のＣＯ_２タービンを駆動するのに用いることができる。石炭の燃焼により生じた熱は、固体－気体熱交換器によって、さらなる発電のために閉ループの超臨界ＣＯ_２サイクルに伝達することができる。このようなシステム及び方法は、最大限の二酸化炭素の回収も達成しながら、実質的に簡単な設計とし、比較的低コストで実装し、且つ比較的高効率を呈することができる。

１つ以上の実施形態において、固体燃料は、リサイクルされたＣＯ_２が存在する高圧燃焼器内で、酸素で十分に酸化させることができる。燃焼温度は、（一例では）約９００℃の範囲とすることができ、リサイクルされたＣＯ_２の流れ及び（随意的に）リサイクルされた固体の流れにより実質的に制御することができる。いくつかの実施形態において、石灰石（ＣａＳＯ_４）又は同様の材料を、排気ガスからの硫黄種、特にＳＯ_２及びＳＯ_３の少なくとも一部（好ましくは実質的にすべて）と反応させ除去することができるように、燃焼器に及び／又は燃焼器の下流に直接添加することができる。したがって、硫黄の燃焼及び石灰石の反応の熱を回収し、発電のために十分に用いることができる。

排気ガスは、排気ガスからバルクの固体粒子（例えば、燃料灰及びＣａＳＯ_４）の大半を除去するべく、フィルタユニット（例えば、サイクロン及び／又はキャンドルフィルタ）に通すことができる。サイクロンから除去された固体粒子は、燃焼温度に実質的に近い温度（例えば、例示される実施形態では９００℃付近）であろう。固体は、より低い温度に冷却される（例えば、約６００℃に下がる）ように固体冷却器に通すことができ、次いで、燃焼器の温度減衰のために燃焼器に戻してリサイクルすることができる。

固体冷却器は、閉ループのＣＯ_２発電サイクルでさらに使用することができ、比較的高圧（例えば、約２５０バール）の実質的に純粋なＣＯ_２ストリームを、固体冷却器に入る固体の温度に実質的に近い温度（例えば、例示される実施形態では約６００℃）に固体冷却器内で加熱することができる。加熱されたＣＯ_２は、発電用のタービンに通すことができる（例えば、約２５０バールの圧力から約３０バールの圧力に膨張する）。膨張したＣＯ_２ストリームは、熱交換器に通され、次いで、再圧縮され、随意的に再び熱交換器を通ることにより再加熱され、その後、閉ループを完成させるべく固体冷却器に戻してリサイクルすることができる。

加えて、約３０バール（又はそれ以上）の圧力の実質的に純粋なＣＯ_２のストリームを、およそ２６０℃（又はそれ以上）の温度に加熱し、電力サイクルの熱交換器プロフィールの最適化のために低品位熱を提供し得るように、タービンを出る燃焼器排気ガスと連通する熱交換器に通すことができる。

いくつかの実施形態において、すべての残留Ｏ_２を十分に除去するべく、サイクロンフィルタからの燃焼排ガスに、リサイクルされたＣＯ_２と共に比較的少量のメタン又は天然ガスを添加することができる。存在し得る微粉の灰及びアルカリ金属固体の実質的にすべてを除去するべく、排ガスを（例えば、約７００℃の温度で）、キャンドルフィルタに送ることができる。実質的に灰を含まない排ガス（例示される実施形態では）は、フィルタを去るときに６５バール（又はそれ以上）の圧力及び約７００℃（又はそれ以上）の温度となることができ、発電用の冷却されないＣＯ_２タービンを駆動するのに用いることができる。この時点で、排ガスは好ましくは実質的にＣＯ_２と水のみを含むが、比較的少量の他の汚染物質が存在し得る）。タービン排気ガスを（例えば、例示される実施形態では約４００℃の温度で）、低品位熱の再生利用のために熱交換器に送ることができる。液体の水は、ＣＯ_２から分離することができ、分離されたＣＯ_２は、必要な圧力（例えば、約９０～１００バール以上）に圧縮／ポンプで加圧され、温度調節剤及びエアレーションガスとして酸素・石炭燃焼器に戻してリサイクルすることができる。

本発明のシステム及び方法は、それらが動作できる異なる条件に関連して特に有用である。いくつかの実施形態において、固体燃料の直接燃焼は、燃焼器内に存在するＣＯ_２（例えばリサイクルＣＯ_２）並びに燃焼により発生するＣＯ_２のいずれも超臨界状態にならない条件下で実施することができる。特に、燃焼器内の圧力（したがって、リサイクルされたＣＯ_２のいずれも圧縮／ポンプで加圧される圧力）は、ＣＯ_２臨界圧よりも低く（例えば、７３．９バール未満に）維持することができる。例えば、燃焼圧は、ほぼ周囲圧力よりも高く、最高７３バール又は最高７０バール又は最高６５バールであってよい。特に、燃焼圧は、約１０バール～約７０バール又は約１５バール～約６０バールであってよい。いくつかの実施形態において、固体燃料の直接燃焼は、燃焼器に入るＣＯ_２及び／又は燃焼器を出る燃焼生成物のいずれもＣＯ_２が超臨界状態になるような圧力となることを可能にする条件下とすることができる。例えば、リサイクルされたＣＯ_２は、このような実施形態では、７３．９バールを超える、好ましくは８０バールを超える（例えば、最高約５００バールまでの）圧力に圧縮することができる。同様に、燃焼は、このような実施形態では、実質的に同じ圧力範囲で実施することができる。したがって、いくつかの実施形態において、本開示は、半閉の超臨界ＣＯ_２サイクルの固体燃料の直接燃焼を伴う発電に関係し、一方、他の実施形態では、本開示は、半閉の非超臨界ＣＯ_２サイクルの固体燃料の直接燃焼を伴う発電に関係し得る。

固体燃料の導入は、どのような方法で行われてもよい。例えば、固体燃料粒子を、５０バールを下回る圧力で動作する燃焼システムへロックホッパ型システムで導入することが一般的である。より高い圧力には、スラリー注入システム及び先進の高圧固体ポンプシステムが使用されてよい。結果的に得られる注入システムは、燃料とキャリア／溶媒との比及び化学的性質の変動を仮定してリサイクルＣＯ_２及び灰の流量を本質的に決めることになる。

１つ以上の実施形態において、本開示は、具体的には、発電システムに関係し得る。例えば、このような発電システムは、開ループ又は半閉ループサイクルである第１の発電サイクルであって、第１の発電サイクルは、リサイクルＣＯ_２ストリームの存在下で固体燃料を酸化剤と共に燃焼させ、燃焼器排気ストリームを出すように構成された、燃焼器と、燃焼器排気ストリームの少なくとも一部を受け入れ、出力を発生させ、タービン排気ストリームを出すように構成された、少なくとも１つの出力発生部材と、燃焼器排気ストリームの少なくとも一部を燃焼器に戻してリサイクルするように構成された、１つ以上の要素と、を備える第１の発電サイクルと、作動流体としてＣＯ_２を用いる閉ループサイクルである第２の発電サイクルであって、第２の発電サイクルは、ＣＯ_２作動流体を受け入れ、出力を発生させるように構成された、少なくとも１つの出力発生部材、を備える第２の発電サイクルと、を備えることができ、その発電システムは、第２の発電サイクルからＣＯ_２作動流体を受け入れ、それに第１の発電サイクルから生成されたストリームからの熱を伝達するように構成された、少なくとも１つの加熱部材を含む。１つ以上のさらなる実施形態において、発電システムは、任意の数又は順序で組み合わせることができる以下の文のうちの１つ以上に関連して定義することができる。

第１の発電サイクルは、燃焼器排気ストリームの中に存在する固体の少なくとも一部を除去するように構成されたフィルタユニットを含むことができる。

フィルタユニットは、サイクロンフィルタ及びキャンドルフィルタのうちの一方又は両方を含むことができる。

フィルタユニットは、少なくとも燃料灰を含む固体ストリーム及び少なくともＣＯ_２を含む燃焼排ガスストリームを出すように構成することができる。

第１の発電サイクルの少なくとも１つの出力発生部材は、フィルタユニットから燃焼排ガスストリームを受け入れるように構成することができる。

第１の発電サイクルは、タービン排気ストリームから熱を取り出すように構成された第１の熱交換器を備えることができる。

発電システムは、第１の熱交換器を出るタービン排気ストリームを受け入れ、水ストリーム及びＣＯ_２ストリームを出すように構成された水分離器をさらに備えることができる。

発電システムは、ＣＯ_２ストリームを加圧するように構成された圧縮器及びポンプのうちの一方又は両方をさらに備えることができる。

第１の熱交換器は、タービン排気ストリームを受け入れるように構成された高温入口、タービン排気ストリームを出すように構成された低温出口、ＣＯ_２ストリームを受け入れるように構成された低温入口、及び燃焼器に戻してリサイクルするべくＣＯ_２ストリームを出すように構成された高温出口を備えることができる。

第２の発電サイクルからＣＯ_２作動流体を受け入れ、それに第１の発電サイクルから生成されたストリームからの熱を伝達するように構成することができる少なくとも１つの加熱部材は、フィルタユニットから固体ストリームを受け入れるように構成された固体冷却器である。

発電システムは、固体冷却器から第１の発電サイクルの燃焼器に固体をリサイクルするように構成されたリサイクルラインをさらに備えることができる。

燃焼器は、固体燃料を酸化剤と共に燃焼させるように構成された火炎区域と、硫黄洗浄成分を受け入れるように構成された下流の洗浄区域を備えることができる。

燃焼器は、固体燃料入口、酸化剤入口、及び硫黄洗浄成分入口を備えることができる。

燃焼器は、リサイクルＣＯ_２入口及びリサイクル固体入口のうちの一方又は両方をさらに備えることができる。

発電システムは、燃焼器から下流の洗浄反応器をさらに備えることができ、洗浄反応器は、燃焼器排気ストリームの少なくとも一部及び硫黄洗浄成分を受け入れるように構成される。

特定の実施形態において、本開示に係る発電システムは、少なくとも：燃焼器排気出口、固体燃料入口、酸化剤入口、及び随意的に、リサイクルＣＯ_２入口、リサイクル固体入口、及び硫黄洗浄成分入口のうちの１つ以上を有する燃焼器と、燃焼器排気出口から受け入れるように構成された入口、固体出口、及び燃焼器排ガスストリームを提供するためのガス出口を有するフィルタユニットと、燃焼器排ガスストリームを受け入れるように構成された入口及びタービン排気を提供するように構成された出口を備えるタービンと、タービン排気を受け入れるように構成された高温入口、冷却されたタービン排気を出すように構成された低温出口、圧縮されたリサイクルＣＯ_２ストリームを受け入れるように構成された低温入口、及び加熱された圧縮されたリサイクルＣＯ_２ストリームを出すように構成された高温出口を有する熱交換器と、少なくとも水を出すように構成された底部出口及びリサイクルＣＯ_２ストリームとして（好ましくは実質的に純粋な）ＣＯ_２ガスを出すように構成された頂部出口を備える水分離器と、比較的より低圧のリサイクルＣＯ_２ストリームを受け入れるように構成された入口及び比較的より高圧のリサイクルＣＯ_２ストリームを出すように構成された出口を有する少なくとも１つの圧縮器又はポンプ（入口及び出口のうちの一方での圧力は、入口及び出口のうちの他方に対してのものである）と、フィルタユニットから固体のストリームを受け入れるように構成された高温入口、固体の冷却されたストリームを出すように構成された低温出口、作動流体を受け入れるための低温入口、及びより高い温度で作動流体を出すための高温出口を有するヒータコンポーネントと、ヒータコンポーネントの高温出口からの作動流体を受け入れるように構成された入口及びより低圧のタービン排気を出すように構成された出口を備えるタービンと、比較的より低圧の作動流体を受け入れるように構成された入口及び比較的より高圧の作動流体を出すように構成された出口を有する少なくとも１つの圧縮器又はポンプ（入口及び出口のうちの一方での圧力は、入口及び出口のうちの他方に対してのものである）と、タービン出口から作動流体を受け入れるように構成された高温入口、冷却された作動流体ストリームを出すように構成された低温出口、圧縮された作動流体ストリームを受け入れるように構成された低温入口、及びヒータコンポーネントの低温入口に通すべく加熱された圧縮された作動流体ストリームを出すように構成された高温出口を有する熱交換器と、システムの上記の構成要素間でのストリームの通過に適した複数のパイプ、チューブ、又は他のラインと、を備えることができる。加えて、１つ以上のストリームを分離する又は組み合わせるべく、１つ以上のスプリッタ及び／又はミキサが含まれてよい。加えて、硫黄洗浄反応器が、燃焼器とフィルタユニットとの間に配置されてよく、燃焼器排気ストリームを受け入れるための入口、硫黄洗浄成分を受け入れるための入口、及び洗浄した燃焼器排気を出してフィルタユニットに通すための出口を含んでよい。上記に列挙した２つの熱交換器は、列挙した入口及び出口を有する単一の統一された熱交換器に置き換えられてよい。

１つ以上の実施形態において、本開示はさらに、発電するための方法を提供することができる。例えば、発電するための方法は、燃焼器排気ストリームを生成するべく、圧縮されたリサイクルＣＯ_２ストリームの存在下で固体燃料を酸化剤と共に燃焼器内で燃焼させることと、燃焼器排気ストリームから固体を除去し、燃焼器排ガスストリームを提供するべく、燃焼器排気ストリームをフィルタユニットでフィルタすることと、タービン排気ストリームを提供するべく燃焼器排ガスストリームを発電用の第１のタービンに通すことと、燃焼器に圧縮されたリサイクルＣＯ_２ストリームを提供するべくタービン排気ストリームを処理することと、燃焼器排気ストリームから除去した固体を加熱部材に移動させることと、ＣＯ_２作動流体が圧縮され、加熱部材内で固体からの熱で加熱され、発電用の第２のタービンを通って膨張するように、閉ループサイクルを通じてＣＯ_２作動流体を循環させることとを含むことができる。１つ以上のさらなる実施形態において、発電方法は、任意の数及び順序で組み合わせることができる以下の文のうちの１つ以上に関連して定義することができる。

燃焼は、約６００℃～約１，２００℃の温度で実施することができる。

燃焼は、周囲圧よりも高い、最高約７０バールの圧力で実施することができる。

燃焼させることは、燃焼器内に存在するＣＯ_２のいずれも実質的に超臨界状態にならないように実施することができる。

燃焼は、約８０バール～約５００バールの圧力で実施することができる。

前記フィルタリングの前に、方法は、燃焼器排気ストリームに硫黄洗浄成分（例えば、ＣａＣＯ_３を含有する材料）を添加することをさらに含むことができる。

前記燃焼器排ガスストリームを第１のタービンに通す前に、方法は、燃焼器排ガスストリームに或る量の気体燃料を添加することをさらに含むことができる。

圧縮されたリサイクルＣＯ_２ストリームを提供するべくタービン排気ストリームを処理することは、タービン排気ストリームをレキュペレータ熱交換器内で冷却することと、水ストリーム及び実質的に純粋なＣＯ_２のストリームを生成するべく、レキュペレータ熱交換器からの冷却されたタービン排気ストリームを水分離器に通すことと、実質的に純粋なＣＯ_２のストリームを燃焼器に流入するのに適した圧力に圧縮することと、少なくとも冷却されたタービン排気から取り出された熱を用いてレキュペレータ熱交換器内で実質的に純粋なＣＯ_２のストリームを加熱することと、を含むことができる。

圧縮することは、圧縮器及びポンプのうちの一方又は両方を用いることを含むことができる。

タービン排気は、高温入口を通ってレキュペレータ熱交換器内に通すことができ、冷却されたタービン排気ストリームは、熱交換器から低温出口を通って出ることができ、実質的に純粋なＣＯ_２のストリームは、低温入口を通って再生式熱交換器に入ることができ、実質的に純粋なＣＯ_２のストリームは、燃焼器に戻してリサイクルするべく高温出口を通って再生式熱交換器を出ることができる。

フィルタユニットは、サイクロンフィルタ及びキャンドルフィルタのうちの一方又は両方を含むことができる。

燃焼器排気ストリームから除去され加熱部材に移送された固体は、燃焼器に少なくとも部分的に戻してリサイクルすることができる。

本開示の実施形態に係る発電方法を実施するように構成されたシステムの概略図である。 本開示の実施形態に係る発電方法を実施するように構成されたさらなるシステムの概略図である。

ここで本発明の主要部を、その例示的な実施形態を参照しながら以下により十分に説明する。これらの例示的な実施形態は、本開示が十分且つ完全となり、主要部の範囲が当業者に十分に伝わるように説明される。実際は、主要部は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載された実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすことになるように提供される。本明細書及び付属の請求項で用いられる場合の単数形（「一」、「一つ」、「その」）は、文脈上他の意味に明白に規定される場合を除き、複数の指示対象を含む。

本開示は、発電のためのシステム及び方法に関する。１つ以上の実施形態において、このようなシステム及び方法は、１つ以上のさらなる流入ストリームの存在下で固体燃料を酸化剤と共に加圧された燃焼器内で燃焼させることができるように構成することができる。固体燃料は、１つ以上の品位の石炭、ペットコーク、ビチューメン、バイオマスなどを含むがこれらに限定されない、発電サイクルでの燃焼に適した任意の固体材料とすることができる。酸化剤は、高い酸素分（例えば、周囲空気中の酸素分よりも多い）を含む任意の酸素源とすることができ、好ましくは実質的に純粋な酸素である（例えば、少なくとも９５ｍｏｌ％、少なくとも９８ｍｏｌ％、又は少なくとも９９ｍｏｌ％の酸素分を有する）。実質的に純粋な酸素は、空気分離ユニット又は他の酸素生成装置などを用いることにより現場で作製されてよく、又は実質的に純粋な酸素は、システムにパイプで送られてよい。酸化剤は、燃焼器に直接流入してよく、又は希釈剤ストリームの中で（例えば、約２０／８０の酸化剤／希釈剤から約６０／４０までの酸化剤／希釈剤、又は約３０／７０の酸化剤／希釈剤から約５０／５０までの酸化剤／希釈剤のモル比で）希釈されてよい。１つ以上のさらなる流入ストリームは、具体的には、少なくともリサイクルされたＣＯ_２のストリームを含むことができる。このようなリサイクルされたＣＯ_２は、同様に酸化剤の好ましい希釈剤とすることができる。いくつかの実施形態において、さらなる流入ストリームは、水（又は蒸気）のストリーム及び／又はリサイクルされた燃料灰のストリームを含んでよい。

様々な燃焼器が、本発明のシステム及び方法で使用されてよい。例えば、燃焼器は、乾燥灰燃焼器、スラッギング型燃焼器、流動床燃焼器、又はフィルム及び／又はトランスピレーション冷却される燃焼器とすることができる。燃焼器は、特に、高い灰分の燃料に適応するように構成されてよく、この場合、灰は本質的に冷却剤として機能する。同様に、燃焼器は、燃料、酸化剤、及び冷却剤として機能する１つ以上のリサイクルストリーム（例えば、リサイクルされたＣＯ_２、水、及び／又は灰）の流入に適応するように構成されてよい。さらなる実施形態では、燃焼器は、酸化剤と燃料を受け入れるように構成することができ、燃料は冷却剤（例えば、水、ＣＯ_２など）に同伴し、さらなる流入ストリームは必要とされない。このような実施形態では、燃料スラリーの固有の冷却剤分から見て、燃焼プロセスを急冷又は他の方法で冷却するためのさらなる流入ストリームは必要とされない。有用な燃焼器は、流入ストリームを受け入れるための少なくとも複数の入口、燃料の燃焼の大部分が実施される燃焼区域（又は火炎区域）、及び随意的に（例えば、燃焼器排気の温度を低下させるために、燃焼器排気の化学的性質を変えるなどのために）燃焼器排気生成物を改質するためのさらなる流入物が送達され得る燃焼後区域（又は火炎後区域）を含んでよい。好ましい実施形態において、燃焼器は、燃焼区域の下流に洗浄区域を有する流動床燃焼器とすることができ、洗浄区域は、特に、洗浄成分として石灰石を含むストリームを受け入れるように構成される。

燃焼圧は、周囲圧力よりも高く、したがって、例えば、約１０バール～約５００バール、約１０バール～約３００バール、又は約６０バール～約１５０バールとすることができる。いくつかの実施形態において、燃焼圧は、ほぼ周囲圧力よりも高く、最高７３バール、最高約７０バール、又は最高約６５バールであってよい。特に、燃焼圧は、約１０バール～約７０バール又は約１５バール～約６０バールであってよい。このような条件は、非超臨界燃焼条件（すなわち、システムに存在するＣＯ_２のいずれも超臨界状態にならないような条件）と呼ばれる場合がある。いくつかの実施形態において、固体燃料の直接燃焼は、燃焼器に入るＣＯ_２及び／又は燃焼器を出る燃焼生成物のいずれも、ＣＯ_２が超臨界状態になるような圧力となることを可能にする条件下とすることができる。例えば、燃焼は、約８０バール～約５００バール、約１００バール～約４５０バール、又は約１５０バール～約４００バールの範囲で実施することができる。このような条件は、超臨界燃焼条件（すなわち、システムに存在するＣＯ_２のいずれも超臨界状態になるような条件）と呼ばれる場合がある。より小さい装置サイズ及びより低い資本費用、並びに向上した性能を利用するべく、より高い圧力が用いられてよい。しかしながら、より低い圧力が用いられてもよい。

燃焼プロセスを実施する際に、酸化剤は、好ましくは実質的にどのような窒素も含有しないような条件で燃焼器へ噴射され、それが実質的に純粋な酸素が好ましい理由である。固体燃料は、酸化剤とは別に燃焼器へ噴射され、スラリー媒体（例えば、ＣＯ_２、水、又はその混合物など）を伴うスラリーで、又は任意の他の流動可能な形態（フィードガスとしてリサイクルされたＣＯ_２を伴うドライフィード形態を含む）で提供されてよい。１つ以上のさらなるストリームは、燃焼器出口温度が下流の装置の容認できる動作条件を超えないように燃焼器の動作温度を所望の燃焼温度範囲に制御するために提供されてよい。例えば、リサイクルされたＣＯ_２、水、リサイクルされた燃料灰、及び石灰石のうちの１つ以上を、１つ以上のさらなる流入ストリームとして及び／又は燃料自体とのいくつかの組み合わせで燃焼器へ噴射することができる。燃焼温度は、好ましくは、約６００℃～約１，２００℃、約７００℃～約１，１００℃、又は約８００℃～約１，０００℃の範囲内に維持される。したがって、燃焼器排気ストリームの出口温度は、このような範囲内であろう。優先的に、燃焼は、燃焼器排気ストリームに存在する実質的にすべての灰が実質的に固体状態であるように、灰の溶融温度よりも低い温度で実施される。

元々存在していた（石炭でしばしば見られるような）硫黄種を洗い流すべく、石灰、石灰石などの硫黄洗浄成分を燃焼器の火炎後区域に噴射することができる。特に、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）を含有する材料が、多くの固体燃料材料（特に石炭）に存在する硫黄含有種（例えば、ＳＯ_２及びＳＯ_３）と反応し、燃焼器排気からフィルタすることができる固体硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_４）を形成するので有用である。燃焼器へ噴射される硫黄洗浄成分（石灰石など）は、フィードガスとしてのリサイクルされたＣＯ_２と共にドライフィードすることができ、若しくは、混合水、超臨界ＣＯ_２、又はその混合物と共にスラリーフィードすることができる。ドライ注入は、ロックホッパーシステム又は固体ポンプシステムを介することができ、スラリー化した固体（例えば、石灰石／水スラリー）を注入するのにスラリーポンプを用いることができる。いくつかの実施形態において、注入は燃焼器へ直接なされる必要はない。例えば、灰が少なくとも部分的に液体状態で存在することができるような高温燃焼（例えば、約１，０００℃を超える）が用いられる（例えば、スラッギング燃焼器の）とき、硫黄洗浄成分を導入する前に、燃焼器排気を最初に冷却することが有益であり得る。このような実施形態では、燃焼器排気を、液化した灰成分の固化温度よりも低く最初に急冷することができる。このような急冷は、例えば、燃焼器へのリサイクルされた固体及び／又はリサイクルされたＣＯ_２の流入を通じて達成することができる。燃焼器排気を、燃焼器とは別の急冷ユニット又は他の冷却器に通してもよい。代替的に、凝固は、燃焼器と二次反応器との間の移送ライン内で少なくとも部分的に行われてよく、硫黄洗浄成分を、冷却された燃焼器排気に添加することができる。好ましい実施形態では、硫黄種が燃焼器を出る前に燃焼器排気ガスから実質的に完全に除去されるように、硫黄洗浄成分は、火炎区域又は燃焼室から下流の燃焼器に直接添加される。

燃焼器は、好ましくは、化学量論的に完全な燃焼を保証するべく酸素リッチの条件で動作する。いくつかの実施形態において、燃焼温度を制御するべくクリーンなＣＯ_２を充填したメンブレン壁を燃焼器内に設置することができる。

燃焼器排気ストリームの中の燃料灰及び何らかの他の固体（例えば、石灰石と固体燃料中に存在する硫黄種との反応から存在するＣａＳＯ_４）の少なくとも一部、少なくとも大部分、又は実質的にすべてを除去するために、好ましくは、燃焼器から下流に少なくとも１つのフィルタ要素が含まれる。少なくとも１つのフィルタ要素は、好ましくは、燃焼器排気ストリームが発電システムの任意のさらなる構成要素に入る前に固体をフィルタされるように、燃焼器のすぐ下流にある。或る実施形態では、特に、バルクの燃料灰及びＣａＳＯ_４を除去するべく燃焼器の出口にサイクロンフィルタが設置される。少なくとも１つのフィルタ要素により捕捉された固体（例えば、燃料灰及びＣａＳＯ_４）は、通常、上記のように実質的に燃焼器排気ストリームの温度範囲内の温度であろう。

少なくとも１つのフィルタ要素で除去した固体を、さらなる発電のためにそこからの熱を再生利用するべく固体冷却器に通すことができる。例えば、固体粒子から高品位熱を取り出すための固体冷却器として固気熱交換器を用いることができ、その後、固体は、すべて又は一部が燃焼器に戻されてリサイクルされてよく、及び／又はすべて又は一部がシステムから除去されてよい。例えば、固気熱交換器は、内部にチューブを有する流動床又は移動床冷却器とすることができる。作動時に、電力サイクル全体の中で動作する閉ループのＣＯ_２発電サイクルを提供するべく、高圧（例えば、約１００バール～約４００バール又は約２００バール～約３００バール）の実質的に純粋なＣＯ_２のストリームを、固体ヒータ内で（燃焼器排気温度に応じて、例えば、最高約９００℃、最高約８００℃、又は最高約７００℃、より具体的には約５００℃～約９００℃、又は約６００℃～約８００℃の範囲内の温度に）加熱することができる。

上で述べたように、固体冷却器を出る固体（例えば、燃料灰及びＣａＳＯ_４）のすべて又は一部を、温度調節剤として燃焼器に戻してリサイクルすることができる。リサイクルされる固体の量は、燃焼温度と、使用されるリサイクルされたＣＯ_２の量によって決まる。リサイクルされた固体粒子と、リサイクルされたＣＯ_２との両方を、固体燃料の燃焼のための温度調節剤とすることができる。固体冷却器、したがって、閉ループの実質的に純粋なＣＯ_２発電トレイン（すなわち、純粋なＣＯ_２圧縮器、実質的に純粋なＣＯ_２ポンプ、及び実質的に純粋なＣＯ_２タービンで形成される）の大きさを増加させるために、より大量のリサイクルされた固体を用いることができる。他方では、より大量のリサイクルされた燃焼由来のＣＯ_２は、どの排ガス浄化システム（例えば、燃焼器、サイクロンフィルタ、及び／又はキャンドルフィルタ）及び開ループの燃焼由来のＣＯ_２発電トレイン（例えば、燃焼由来のＣＯ_２圧縮器、燃焼由来のＣＯ_２ポンプ、及び燃焼由来のＣＯ_２タービン）の大きさの増加にもつながる。リサイクルされた固体とリサイクルされたＣＯ_２との質量比は、電力システム全体の最適な均等化発電原価（ＬＣＯＥ）の数字により決定することができる。

１つ以上の実施形態において、本明細書で開示される発電システム及び方法は、システム及び方法を開（又は半閉）ループの燃焼由来のＣＯ_２発電トレインと考えることができるような全体構成を有することができる。このような実施形態では、既に前述したように、固体燃料、酸化剤、及び任意のさらなるストリームが燃焼器に流入し、燃料が燃焼して燃焼器排気ストリームが生成される。次いで、燃焼器排気ストリームを１つ以上のフィルタ要素に通すことにより、燃焼器排気ストリームから固体が除去される。除去された固体は、別に前述したように使用され、燃焼排ガスは、フィルタから発電システムの残りの構成要素へ移動する。燃焼排ガスは、例えば、重量の少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも８５％、又は少なくとも９０％のＣＯ_２を含むことができ、より低い質量含有率の蒸気、酸素、及び随意的にさらなる汚染物質を含むことがある。フィルタを出る燃焼排ガスは、燃焼器排気ストリームの温度に実質的に近いままの温度（例えば、約６００℃～約１，１００℃、約８００℃～約１，０００℃、又は約８５０℃～約９５０℃の範囲）であり得る。

必要であれば、排ガス中に残っているどのような酸素も除去し、排ガス温度を低下させる（例えば、約１００℃～約３００℃又は約１５０℃～約２５０℃の温度低下の）ために、比較的少量の気体燃料（例えば、随意的にリサイクルされたＣＯ_２と混合される、天然ガス又はメタン）が、排ガスに混合されてよい。温度低下は、好ましくは、ＮａＳＯ_４、ＮａＣＯ_３、及びＭｅＳＯ_４などのアルカリ金属成分の大部分又は実質的にすべてが凝固することになるぐらいが効果的である。必要であれば、燃焼排ガスから実質的にすべての微粉灰及び微量アルカリ金属固体を除去するべく、さらなるフィルタ要素（例えば、サイクロンフィルタ及び／又はキャンドルフィルタ）を用いることができる。

固体及びその他の成分を除去するための燃焼器排気及び燃焼排ガスのすべての処理の後に、残りの燃焼排ガスが発電用のタービンに誘導される。タービンは、例えば、冷却されないタービンであってよいが、動作条件が必要とする場合、タービンは、リサイクルされたＣＯ_２のストリームを、タービンケーシングを通るように誘導することなどにより冷却されてよい。タービンは、特に電気エネルギーを発生させるために、発電機に結合される。

タービン排気ストリーム（このとき４００℃～約５００℃の範囲内などの約５００℃未満の温度とすることができる）は、熱交換器へ送られて、例えば約１００℃未満、約５０℃未満、又は約４０℃未満の温度に、好ましくは周囲温度付近に下がるように冷却される。冷却は、好ましくは、タービン排気の中に存在する液体の水並びに微量のＳＯｘ及び／又はＮＯｘが水分離器内のＣＯ_２から分離されるのに十分なだけなされる。したがって、水分離器は、液体の水及びそれに同伴する成分を除去するための底部出口と、リサイクルされたＣＯ_２を出すためのリサイクル出口を有することになる。ＣＯ_２ストリームから水銀などの重金属を除去するために、水分離器のリサイクル出口に活性炭床吸収器を設けることができる。水分離器を出るＣＯ_２は、好ましくは、実質的に純粋である（すなわち、９０ｍｏｌ％を超える、９５ｍｏｌ％を超える、９８ｍｏｌ％を超える、又は９９ｍｏｌ％を超える）。クリーンな実質的に純粋なＣＯ_２は、燃焼圧に圧縮及びポンプで加圧される。在庫管理及び二酸化炭素の回収のためにシステムからＣＯ_２の一部を取り出すことができる。高圧ＣＯ_２の残りは、固体燃料の燃焼器に戻されてリサイクルされる前に、熱交換器内のタービン排気ストリームにより予熱される。

電力サイクル全体に加えて、いくつかの実施形態において、本明細書で開示されるシステム及び方法は、閉ループのＣＯ_２発電トレインをさらに提供することができる。特に、本開示は、組み込みの閉ループのＣＯ_２発電トレインと共に、開ループ又は半閉ループのＣＯ_２発電トレインを提供することができる。上で述べたように、このような実施形態では、燃焼熱を除去し、動作温度を制御するべく、燃焼器排気ストリームから除去された固体（例えば、燃料灰／ＣａＳＯ_４）を石炭燃焼器に戻してリサイクルすることができる。燃焼器のすぐ下流に存在するフィルタで除去した固体に存在する燃焼熱が、前述の固気熱交換器の閉ループのＣＯ_２トレインに伝達される。実質的に純粋な高圧ＣＯ_２作動流体（どのような燃焼生成物によっても汚染されていないままの）が固体冷却器内で加熱される。必要に応じて、石炭燃焼器内に存在するメンブレン壁へＣＯ_２を誘導することにより、実質的に純粋なＣＯ_２ストリームの温度をさらに（例えば、約５０℃～約３００℃だけ又は約１００℃～約２００℃だけ）高めることができる。メンブレン壁は、メンブレン壁の周りを通るＣＯ_２ストリームに燃焼の熱を伝達することができるように、燃焼器の外ケーシングと内側の燃焼室との間に存在することができる。メンブレン壁を出る高温高圧ＣＯ_２が、閉ループの発電用のタービンに誘導される。タービンに入るＣＯ_２作動流体は、好ましくは、約４００℃～約１，０００℃、約５００℃～約９００℃、又は約６００℃～約８００℃の温度である。タービンの中で、ＣＯ_２作動流体は、高い入口圧（例えば、約１００バール～４００バール、約１５０バール～約３００バール、又は約２００バール～約３００バール）から低い出口圧（例えば、約５バール～約９０バール、約１０バール～約８０バール、又は約１５バール～約５０バール）へ膨張する。タービン排気ストリームは、タービン入口圧に戻るように圧縮及びポンプで加圧される前に、熱の再生利用のために熱交換器に誘導される。ポンプ出口でのＣＯ_２は、ＣＯ_２熱レキュペレータ、固体冷却器、及び／又は燃焼器メンブレン壁を通ることによりタービン入口温度に予熱される。閉ループトレインでの作動流体は、実質的に純粋なＣＯ_２、蒸気、又はＣＯ_２とＨ_２Ｏの混合物とすることができる。閉ループトレインでの作動流体は、好ましくは、汚染を回避するために開ループの燃焼由来のＣＯ_２と決して接触しない。

本開示に係る発電方法を実施するための例示的な発電システム１０が図１に例示される。そこに示されるように、固体燃料燃焼器１１０（ｏｘｙ－ｆｕｅｌ燃焼器として言及される場合がある）は、酸化剤供給源１０２からのライン１０３で酸化剤を受け入れ、固体燃料供給源１０４からのライン１０５で燃料を受け入れるように構成される。固体燃料供給源１０４は、固体燃料を粒子化するための１つ以上の粉砕機などの、例示していないが当業分野で理解される要素を含んでよい。随意的に、硫黄洗浄材料が、硫黄洗浄材料供給源１０６からのライン１０７を通じて燃焼器１１０に提供されてよい。また、硫黄洗浄材料供給源１０６は、石灰石などの固体材料を粒子化するための１つ以上の粉砕機などの、例示していないが当業分野で理解される要素を含んでよい。ライン１０５からの燃料は、ライン１０３からの酸化剤と共に燃焼器１１０内で燃焼して、ライン１１３で燃焼器を出る燃焼器排気を生成する。硫黄洗浄材料は、特に、燃焼室又は火炎区域から下流の燃焼器１１０内に存在する洗浄区域に添加することができる。したがって、燃料及び酸化剤は、燃焼器１１０内の上流の位置（洗浄区域に対して）で流入されてよく、硫黄洗浄材料は、燃焼器内の下流の位置（火炎区域又は燃焼室に対して）で流入することができる。代替的に、ライン１０７を通る硫黄洗浄材料は、下流の反応器に添加されてよく、ライン１１３の燃焼器排気は、後述するさらなる要素を通る前に反応器に通されてよい。

ライン１１３の燃焼器排気は、単一のフィルタ又は複数の異なるフィルタ（例えば、サイクロンフィルタ及びキャンドルフィルタのうちの一方又は両方）で構成することができる、フィルタユニット１１５に通される。燃焼器排気の中に存在する固体（例えば、燃料灰及びＣａＳＯ_４）がフィルタユニット１１５で除去され、残りの燃焼排ガスがライン１１７でフィルタユニットを出る。ライン１１７の燃焼器排ガスは、タービン１２０に通されて発電機１２５で発電し、膨張した燃焼器排ガスが、タービン排気としてライン１２３でタービンを出る。タービン１２０は、第１のタービン、一次タービン、又は開ループタービンとして言及される場合がある。タービンを通過する前に、燃焼器排ガスは、燃焼器排ガスの中のすべての反応種の完全な反応を確実なものにするべく、さらなる酸素分と組み合わされてよく、このような反応は、ライン内で及び／又はさらなる反応チャンバ内で行われてよい。

ライン１２３で第１のタービン１２０を出る膨張したタービン排気は、タービン排気を冷却するため及び１つ以上のさらなるストリームに熱を提供するために、レキュペレータ熱交換器１３０を通過する。レキュペレータ熱交換器１３０は、第１の熱交換器、一次熱交換器、又は開ループ熱交換器として言及される場合がある。冷却されたタービン排気は、第１の熱交換器１３０をライン１３３で出て、タービン排気ストリームのＣＯ_２を精製するために水分離器１３５へ移動する。水及び任意の同伴元素（例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘ、及び／又は金属）がライン１３７を通じて取り出され、実質的に純粋なＣＯ_２がライン１３９で水分離器１３５を出る。ライン１３９の実質的に純粋なＣＯ_２は、第１の圧縮器１４０（開又は半閉ループ圧縮器として言及される場合がある）で最初に圧縮され、その後、ライン１４１を通って第１のポンプ１４５（開又は半閉ループポンプとして言及される場合がある）へ移動して、燃焼器１１０に戻すのに適した圧力のライン１４７のリサイクルＣＯ_２ストリームを形成する。ライン１４７のリサイクルＣＯ_２のうちのいくらかが、ＣＯ_２生成物ライン１４９を通じてシステムから取り出されてよい。加えて又は代替的に、ＣＯ_２生成物は、ライン１３９及び／又はライン１４１から異なる圧力で取り出されてよい。ライン１４７のリサイクルＣＯ_２は、再び第１の熱交換器１３０を通過することにより加熱され、ライン１５１を通じて燃焼器１１０に戻してリサイクルされる。必要に応じて、ライン１５１及び／又はライン１４７及び／又はライン１４１のリサイクルＣＯ_２の一部は、燃焼器１１０へのライン１０５の固体燃料の流れ及び／又はライン１０７の硫黄洗浄材料の流れを促進する移動媒体として用いるために取り出され、ライン１０５及び／又はライン１０７に添加されてよい。同様に、必要に応じて、ライン１５１及び／又はライン１４７及び／又はライン１４１のリサイクルＣＯ_２の一部は、ライン１０３の酸化剤の希釈剤として用いるために取り出され、ライン１０３に添加されてよい。

ライン１１３の燃焼器排気の中に存在する固体（例えば、燃料灰及びＣａＳＯ_４）は、フィルタユニット１１５で除去され、ライン１１９を通じて固体冷却器１６０へ移動される。固体は、固体冷却器１６０からライン１６１を通じて燃焼器１１０に戻してリサイクルされてよい。ライン１６１の固体のすべて又は一部は、固体生成物ライン１６２を通じて取り出されてよい。

固体冷却器１６０で取り出された熱は、閉ループの発電トレイン１５（図１の破線ボックス内に示される）での加熱に用いられる。作動流体がライン１６３、１６７、１７１、１７７、１８１、及び１８３を通じて循環され、作動流体は、ライン１１９からの固体冷却器１６０を通過する固体との物理的接触から分離されたままである。特に、ライン１８３の加熱された圧縮された作動流体（例えば、実質的に純粋なＣＯ_２、水、又はＣＯ_２と水の混合物）は、ライン１１９からの固体から取り出された熱でさらに加熱するために固体冷却器１６０を通過する。過熱作動流体ストリームは、ライン１６３を通り、タービン１６５を通じて発電機１８５で発電する。タービン１６５は、第２のタービン、二次タービン、又は閉ループタービンとして言及される場合がある。作動流体は、ライン１６７を通じて第２のタービン１６５を出て、熱交換器１７０内で冷却される。熱交換器１７０は、第２の熱交換器、二次熱交換器、又は閉ループ熱交換器として言及される場合がある。冷却された作動流体が、第２の熱交換器１７０をライン１７１で出て、第２の圧縮器１７５（閉ループ圧縮器として言及される場合がある）へ移動して中間圧力に圧縮され、その後、ライン１７７を通って第２のポンプ（閉ループポンプとして言及される場合がある）へ移動する。このときポンプで所望の圧力にされた作動流体は、ライン１８１を通って第２の熱交換器１７０に戻り、加熱された圧縮された作動流体が、ライン１８３を通って再び固体冷却器１６０を通過する。第２の熱交換器１７０が図１に示されているが、加熱は、第１の熱交換器１３０を追加で又は代替的に用いて実施することができることが理解される。

本開示の実施形態に係る発電方法を実施するのに適した例示的な発電システム２０が図２に例示される。図２に関連して後述する特定の反応パラメータは、例示的なものと理解され、限定するものとして考えられるべきではない。むしろ、反応パラメータは、他の点では本明細書に別に記載される範囲内であってよい。図２に示される例示的な実施形態では、固体燃料燃焼器２１０は、酸化剤供給源２０２（例えば、空気分離ユニット、又は他の供給源）からライン２０３で約１８℃の温度及び約１００バールの圧力の酸化剤を受け入れ、固体燃料供給源２０４からライン２０５で約３４℃の温度及び約１００バールの圧力の燃料を受け入れるように構成される。固体燃料供給源２０４は、固体燃料を粒子化するための１つ以上の粉砕機などの、例示していないが当業分野で理解される要素を含んでよい。ライン２０５からの燃料がライン２０３からの酸化剤と共に燃焼器２１０内で燃焼して、約９０９℃の温度及び６８バールの圧力で燃焼器をライン２１１で出る燃焼器排気を生成する。

ライン２１１の燃焼器排気は、石灰石供給源２０６からライン２０７を通じて約３８℃の温度及び約１００バールの圧力の石灰石（又は他の硫黄洗浄材料）のストリームが提供される、ミキサ／反応器２０８に通される。また、石灰石供給源２０６は、石灰石を粒子化するための１つ以上の粉砕機などの、例示していないが当業分野で理解される要素を含んでよい。したがって、ミキサ／反応器２０８（洗浄反応器として説明される場合がある）は、燃焼器２１０から下流に配置され、洗浄反応器は、燃焼器排気ストリームの少なくとも一部及び硫黄洗浄成分を受け入れるように構成される。

約９０９℃の温度及び６８バールの圧力で石灰石ミキサ／反応器２０８をライン２１３で出る燃焼器排気は、単一のフィルタ又は複数の異なるフィルタ（例えば、サイクロンフィルタ及びキャンドルフィルタのうちの一方又は両方）で構成することができる、フィルタユニット２１５に通される。燃焼器排気の中に存在する固体（例えば、燃料灰及びＣａＳＯ_４）がフィルタユニット２１５で除去され、残りの燃焼排ガスが約９０９℃の温度及び約６６バールの圧力でフィルタユニットをライン２１７で出る。ライン２１７の燃焼器排ガスは、ミキサ２１８を通過し、ミキサ２１８で、ライン２５３からの約４２７℃の温度及び９７バールの圧力のリサイクルＣＯ_２、及び気体燃料供給源２９０からのライン２０１を通る約３８℃の温度及び８７バールの圧力の或る量の気体燃料（例えば、メタン又は天然ガス）と組み合わされる。添加される気体燃料は、燃焼器排ガスの中の残りの酸化剤の完全な反応を確実なものにするのに有用であり得る。このような反応は、ミキサ２１８の中で及び／又はライン２１９の中で行われてよい。例示したように、約６８０℃の温度及び約６６バールの圧力のライン２１９の燃焼器排ガス、気体燃料、及びリサイクルＣＯ_２の混合物が酸化反応器２２２に通され、燃焼器排ガスが酸化反応器を出る前に、残りの酸化剤によって添加された気体燃料の酸化が実質的に完全に行われ得る。

燃焼器排ガスは、約７１４℃の温度及び約６６バールの圧力で酸化反応器２２２をライン２２１で出て、タービン２２０に通されて発電機２２５で発電し、膨張した燃焼器排ガスが、約４５３℃の温度及び１５バールの圧力のタービン排気としてライン２２３でタービンを出る。タービン２２０は、第１のタービン、一次タービン、又は開ループタービンとして言及される場合がある。

ライン２２３で第１のタービン２２０を出る膨張したタービン排気は、タービン排気を冷却するため及び１つ以上のさらなるストリームに熱を提供するために、レキュペレータ熱交換器２３０を通過する。冷却されたタービン排気は、約４３℃の温度及び１２バールの圧力でレキュペレータ熱交換器２３０をライン２３３で出て、タービン排気ストリームのＣＯ_２を精製するために水分離器２３５へ移動する。水及び任意の同伴元素（例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘ、及び／又は金属）が約１８℃の温度及び約１１．５バールの圧力でライン２３７を通じて取り出され、実質的に純粋なＣＯ_２は、約１８℃の温度及び約１１．５バールの圧力で水分離器２３５をライン２３９で出る。ライン２３９の実質的に純粋なＣＯ_２は、第１の圧縮器２４０（開又は半閉ループ圧縮器として言及される場合がある）で圧縮され、約９４℃の温度及び約１００バールの圧力でライン２４３を出る。第１の圧縮器２４０は、例えば、中間冷却されても又はされなくてもよい多段圧縮器（例えば、少なくとも圧縮段を有する）であってよい。ライン２３９の実質的に純粋なＣＯ_２は、第１のスプリッタ２４２を通過して、約９４℃の温度及び約１００バールの圧力のライン２４９のベントストリームを提供し、且つ約９４℃の温度及び約１００バールの圧力のライン２４７のリサイクルＣＯ_２のストリームをもたらす。

ライン２４７のリサイクルＣＯ_２は、再びレキュペレータ熱交換器２３０を通過することにより加熱され、約４２７℃の温度及び９７バールの圧力でライン２４８として出る。ライン２４７のリサイクルＣＯ_２は、第２のスプリッタ２８５を通過して、ミキサ２１８に流入するためのライン２５３のＣＯ_２ストリームをもたらす。約４２７℃の温度及び９７バールの圧力のライン２５１の残りのリサイクルＣＯ_２は、燃焼器２１０へ戻してリサイクルされる。必要に応じて、ライン２５１及び／又はライン２４８及び／又はライン２４７及び／又はライン２４３のリサイクルＣＯ_２の一部は、ミキサ／反応器２０８へのライン２０５の固体燃料の流れ及び／又はライン２０７の石灰石の流れを促進する移動媒体として用いるために取り出され、ライン２０５及び／又はライン２０７に添加されてよい。同様に、必要に応じて、ライン２５１及び／又はライン２４８及び／又はライン２４７及び／又はライン２４３のリサイクルＣＯ_２の一部は、酸化剤の希釈剤として用いるために取り出され、ライン２０３及び／又はライン２０１に添加されてよい。

ライン２１３の燃焼器排気の中に存在する固体（例えば、燃料灰及びＣａＳＯ_４）は、フィルタユニット２１５で除去され、約９０９℃の温度及び９７バールの圧力でライン２１９を通じて固体冷却器２６０へ移動される。固体は、約６４９℃の温度及び約６５．５バールの圧力で固体冷却器２６０を出てライン２６１ａに入り、そこを通って燃焼器２１０に戻してリサイクルされてよい。例示したように、ライン２６１ａの固体は、第２のスプリッタ２６４を通過して、約６４９℃の温度及び約６５．５バールの圧力の固体生成物ライン２６２のベント固体ストリームをもたらし、且つライン２６１ｂを通って燃焼器２１０へ戻る約６４９℃の温度及び約６５．５バールの圧力のリサイクル固体ストリームをもたらす。ライン２６１ａの固体のすべて又は一部は、固体生成物ライン２６２を通じて取り出されてよい。同様に、ライン２６１ａの固体のすべて又は一部は、ライン２６１ｂで燃焼器に戻してリサイクルされてよい。

固体冷却器２６０で取り出された熱は、閉ループの発電トレインでの加熱に用いられる。作動流体がライン２６３、２６７、２７１、２８１、及び２８３を通じて循環され、作動流体は、ライン２１９からの固体冷却器２６０を通過する固体との物理的接触から分離されたままである。特に、約３１６℃の温度及び２４７バールの圧力のライン２８３の加熱された圧縮された作動流体（例えば、実質的に純粋なＣＯ_２、水、又はＣＯ_２と水の混合物）は、ライン２１９からの固体から取り出された熱でさらに加熱するために固体冷却器２６０を通過する。過熱作動流体ストリームは、約７１４℃の温度及び約２４４バールの圧力でライン２６３を通って、発電機２８５での発電のためにタービン２６５へ通る。タービン２６５は、第２のタービン、二次タービン、又は閉ループタービンとして言及される場合がある。作動流体は、約３７８℃の温度及び約３０バールの圧力でライン２６７を通って第２のタービン２６５を出て、レキュペレータ熱交換器２３０内で冷却される。代替的に、第２の別個の熱交換器が、閉ループ熱交換器として専用に用いられてよい。冷却された作動流体が、約４３℃の温度及び約２７バールの圧力でレキュペレータ熱交換器２３０をライン２７１で出て、第２の圧縮器２７５（閉ループ圧縮器として言及される場合がある）へ移動して圧縮される。第２の圧縮器２７０は、例えば、中間冷却されても又はされなくてもよい多段圧縮器（例えば、少なくとも圧縮段を有する）であってよい。

このとき所望の圧力に圧縮された作動流体は、約３９℃の温度及び約２５０バールの圧力でライン２８１を通ってレキュペレータ熱交換器２３０に戻り、加熱された圧縮された作動流体が、ライン２８３を通って再び固体冷却器２６０を通過する。

実施例：プロセス効率を評価するべく本明細書で説明されるシステムを用いて発電サイクルをモデル化した。モデリングは、以下のパラメータを考慮し、後の表に示すような動作値をもたらした。

２つのサイクロンを有する流動床燃焼器（１１０、２１０）は、６８バールの圧力及び約９００℃の温度で動作する。

固体冷却器（１６０、２６０）は、約３１５～約６５０℃の温度範囲から約２５０バールの圧力（４．６ｍ^３／ｓの実際の入口流量）の閉ループの電力サイクルトレインのＣＯ_２作動流体を予熱するべく、約９００℃から約６５０℃への冷却範囲で動作する。

キャンドルフィルタ（１１５、２１５）は、約７００℃の温度及び約６６バールの圧力（１１ｍ^３／ｓの実際の流量）で動作する。

冷却されないターボ膨張機（１２０、２２０）は、約７００℃の温度で動作し、約６６バールから約１５バールへの圧力範囲（３５４ｋｇ／ｓの流量）で燃焼器排ガスを膨張させる。

レキュペレータ熱交換器は、５９，９７６，７６３．５ｂｔｕ／ｈｒ－ＲのＵＡ及び３４．２のＬＭＴＤで、約４５６℃及び約２５０バールの圧力で動作する。

ＣＯ_２作動流体圧縮器／ポンプは、２１２ｋｇ／ｓの流量で、約１１．５バールから約１００バールへの圧縮範囲で動作する。

閉ループのＣＯ_２作動流体膨張機は、１０３３ｋｇ／ｓの流量で、約２４６バールから約３０バールへの圧力範囲で、約７００℃の温度で動作する。

本明細書で開示された主要部の多くの修正及び他の実施形態が、上記の説明及び関連する図面で提示される教示の利益を有するこの主要部が属する技術分野の当業者に発想されるであろう。したがって、本開示は、本明細書で説明される特定の実施形態に限定されるものではないことと、修正及び他の実施形態が付属の請求項の範囲内に含まれることを意図されることが理解される。特定の用語が本明細書で採用されるが、それらは、限定する目的ではなく、単に一般的且つ記述的意味で用いられる。

Claims (23)

1. 発電システムであって、
   開ループ又は半閉ループサイクルである第１の発電サイクルであって、前記第１の発電サイクルが、
   圧縮されたリサイクルＣＯ_２ストリームの存在下で固体燃料を酸化剤と共に燃焼させ、燃焼器排気ストリームを出すように構成された、燃焼器と、
   前記燃焼器排気ストリームの少なくとも一部を前記燃焼器に戻してリサイクルするように構成された１つ以上の要素と、
   前記燃焼器排気ストリームの中に存在する固体の少なくとも一部を除去するべく前記燃焼器排気ストリームをフィルタし、燃焼器排ガスストリームを提供するように構成されたフィルタユニットであって、前記フィルタユニットが、少なくとも燃料灰を含む固体ストリームを出すように構成され、前記燃焼器排ガスストリームが少なくともＣＯ _２ を含む、フィルタユニットと、
   タービン排気ストリームを提供するべく発電のために前記燃焼器排ガスストリームを全体に通すように構成された第１のタービンであって、前記第１のタービンが、前記圧縮されたリサイクルＣＯ_２ストリームを前記燃焼器に提供するように処理される、第１のタービンと、
   を備える、第１の発電サイクルと、
   作動流体としてＣＯ_２を用いる閉ループサイクルである第２の発電サイクルであって、前記第２の発電サイクルが、
   ＣＯ_２作動流体を受け入れ、出力を発生させるように構成された、少なくとも１つの出力発生部材
   を備える、第２の発電サイクルと、
   を備える、発電システムであり、
   前記発電システムが、前記第２の発電サイクルからＣＯ_２作動流体を受け入れ、それに前記第１の発電サイクルから生成されたストリームからの熱を伝達するように構成された、少なくとも１つの加熱部材を含み、且つ
   前記第２の発電サイクルからＣＯ _２ 作動流体を受け入れ、それに前記第１の発電サイクルから生成されたストリームからの熱を伝達するように構成された少なくとも１つの加熱部材が、前記フィルタユニットから固体ストリームを受け入れるように構成された固体冷却器である、発電システム。
2. 前記フィルタユニットが、サイクロンフィルタ及びキャンドルフィルタのうちの一方又は両方を含む、請求項１に記載の発電システム。
3. 前記第１の発電サイクルが、前記タービン排気ストリームから熱を取り出すように構成された第１の熱交換器を備える、請求項１又は請求項２に記載の発電システム。
4. 前記第１の熱交換器を出るタービン排気ストリームを受け入れ、水ストリーム及びＣＯ_２ストリームを出すように構成された水分離器をさらに備える、請求項３に記載の発電システム。
5. 前記ＣＯ_２ストリームを加圧するように構成された圧縮器及びポンプのうちの一方又は両方をさらに備える、請求項４に記載の発電システム。
6. 前記第１の熱交換器が、前記タービン排気ストリームを受け入れるように構成された高温入口、前記タービン排気ストリームを出すように構成された低温出口、前記ＣＯ_２ストリームを受け入れるように構成された低温入口、及び前記燃焼器に戻してリサイクルするべく前記ＣＯ_２ストリームを出すように構成された高温出口を備える、請求項５に記載の発電システム。
7. 前記固体冷却器から前記第１の発電サイクルの燃焼器に固体をリサイクルするように構成されたリサイクルラインをさらに備える、請求項１に記載の発電システム。
8. 前記燃焼器が、前記固体燃料を前記酸化剤と共に燃焼させるように構成された火炎区域と、硫黄洗浄成分を受け入れるように構成された下流の洗浄区域を備える、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発電システム。
9. 前記燃焼器が、固体燃料入口、酸化剤入口、及び硫黄洗浄成分入口を備える、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発電システム。
10. 前記燃焼器が、リサイクルＣＯ_２入口及びリサイクル固体入口のうちの一方又は両方をさらに備える、請求項９に記載の発電システム。
11. 前記発電システムが、前記燃焼器から下流の洗浄反応器をさらに備え、前記洗浄反応器が、前記燃焼器排気ストリームの少なくとも一部及び硫黄洗浄成分を受け入れるように構成される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発電システム。
12. 発電するための方法であって、
    燃焼器排気ストリームを生成するべく、圧縮されたリサイクルＣＯ_２ストリームの存在下で固体燃料を酸化剤と共に燃焼器内で燃焼させることと、
    前記燃焼器排気ストリームから固体を除去し、燃焼器排ガスストリームを提供するべく、前記燃焼器排気ストリームをフィルタユニットでフィルタすることと、
    タービン排気ストリームを提供するべく前記燃焼器排ガスストリームを発電用の第１のタービンに通すことと、
    前記燃焼器に前記圧縮されたリサイクルＣＯ_２ストリームを提供するべく前記タービン排気ストリームを処理することと、
    前記燃焼器排気ストリームから除去された固体を加熱部材に移動させることと、
    ＣＯ_２作動流体が圧縮され、前記加熱部材内で前記固体からの熱で加熱され、発電用の第２のタービンを通って膨張するように、閉ループサイクルを通じて前記ＣＯ_２作動流体を循環させることと、
    を含む、方法。
13. 前記燃焼が、約６００℃～約１，２００℃の温度で実施される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記燃焼が、周囲圧よりも高い、最高約７０バールの圧力で実施される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記燃焼が、前記燃焼器内に存在するＣＯ_２のいずれも実質的に超臨界状態にならないように実施される、請求項１２に記載の方法。
16. 前記燃焼が、約８０バール～約５００バールの圧力で実施される、請求項１２に記載の方法。
17. 前記燃焼器排気ストリームをフィルタユニットでフィルタする前に、前記燃焼器排気ストリームに硫黄洗浄成分を添加することをさらに含む、請求項１２乃至１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記燃焼器排ガスストリームを前記第１のタービンに通す前に、前記燃焼器排ガスストリームに或る量の気体燃料を添加することをさらに含む、請求項１２乃至１６のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記圧縮されたリサイクルＣＯ_２ストリームを提供するべく前記タービン排気ストリームを処理することが、
    前記タービン排気ストリームをレキュペレータ熱交換器内で冷却することと、
    水ストリーム及び実質的に純粋なＣＯ_２のストリームを生成するべく、前記レキュペレータ熱交換器からの冷却されたタービン排気ストリームを水分離器に通すことと、
    前記実質的に純粋なＣＯ_２のストリームを前記燃焼器に流入するのに適した圧力に圧縮することと、
    少なくとも冷却されたタービン排気から取り出された熱を用いて前記レキュペレータ熱交換器内で前記実質的に純粋なＣＯ_２のストリームを加熱することと、
    を含む、請求項１２乃至１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記圧縮することが、圧縮器及びポンプのうちの一方又は両方を用いることを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記タービン排気が、高温入口を通って前記レキュペレータ熱交換器内に通され、前記冷却されたタービン排気ストリームが、前記熱交換器から低温出口を通って出ていき、前記実質的に純粋なＣＯ_２のストリームが、低温入口を通って前記レキュペレータ熱交換器に入り、前記実質的に純粋なＣＯ_２のストリームが、前記燃焼器に戻してリサイクルするべく高温出口を通って前記レキュペレータ熱交換器を出る、請求項１９に記載の方法。
22. 前記フィルタユニットが、サイクロンフィルタ及びキャンドルフィルタのうちの一方又は両方を含む、請求項１２乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記燃焼器排気ストリームから除去され前記加熱部材に移送された固体が、前記燃焼器に少なくとも部分的に戻してリサイクルされる、請求項１２乃至２２のいずれか一項に記載の方法。

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