(57)【要約】【課題】固体燃料を燃焼するＣＬＣシステムにおいて、設備の大型化を防止すると共に、設備構造の簡素化を図ることで動作信頼性を向上させる。【解決手段】ＣＬＣ炉は、酸化室と、還元室と、流動床と、循環部と、酸化室内の上方空間と還元室内の上方空間とを仕切り且つ下端が流動床内に配置された仕切壁とが内部に形成された単一の炉体を備える。酸化室では、酸化性の第１供給ガスで酸素キャリア粒子を流動させながら酸化する。還元室では、非酸化性の第２供給ガスにより、酸素キャリア粒子を流動させながら固体燃料と混合して、固体燃料を燃焼すると共に、酸素キャリア粒子を還元する。循環部は、第２供給ガスにより、酸化室で酸化された酸素キャリア粒子を還元室へ流通させる第１流路と、第２供給ガスにより、還元室で還元された酸素キャリア粒子を酸化室へ流通させる第２流路とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化室と、還元室と、前記酸化室内の下方と前記還元室内の下方とにわたって流動し且つ酸素キャリア粒子を含む流動床と、前記酸化室内と前記還元室内とにわたって前記酸素キャリア粒子を循環させる循環部と、前記酸化室内の上方空間と前記還元室内の上方空間とを仕切り且つ下端が前記流動床内に配置された仕切壁とが内部に形成された単一の炉体を備え、
前記酸化室では、外部から供給される酸化性の第１供給ガスにより前記酸素キャリア粒子を流動させながら、第１供給ガスと前記酸素キャリア粒子とを混合して、第１供給ガスにより前記酸素キャリア粒子を酸化し、
前記還元室では、外部から供給され且つ非酸化性の第２供給ガスにより、前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子を流動させながら固体燃料と混合して、前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子により前記固体燃料を燃焼すると共に、前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子を還元し、
前記循環部は、外部から供給される第２供給ガスにより、前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子を前記還元室へ流通させる第１流路と、外部から供給される第２供給ガスにより、前記還元室で還元された前記酸素キャリア粒子を前記酸化室へ流通させる第２流路とを有する、内部循環型のケミカルルーピング燃焼炉。
【請求項２】
前記循環部が、前記酸化室と隣接し且つ前記還元室内に配置され、
前記流動床の下方から上方に向けて、第２供給ガスが前記循環部内に供給される、請求項１に記載のケミカルルーピング燃焼炉。
【請求項３】
前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子が、前記第１流路を通じて、第２供給ガスにより、前記還元室内の前記流動床の上方から前記還元室内に供給され、
前記固体燃料が、前記流動床の底部から前記還元室内に供給される、請求項１又は２に記載のケミカルルーピング燃焼炉。
【請求項４】
前記第１流路は、前記流動床の内部で上下方向に延び、前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子が、第２供給ガスにより、前記流動床の下方から上方に向けて前記第１流路を流通する、請求項３に記載のケミカルルーピング燃焼炉。
【請求項５】
前記還元室で還元された前記酸素キャリア粒子が、前記第２流路を通じて、第２供給ガスにより、前記酸化室内の前記流動床中に供給され、第１供給ガスが、前記酸化室の下方から前記酸化室内に供給される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のケミカルルーピング燃焼炉。
【請求項６】
前記第２流路は、前記第１流路の下方で水平方向に形成され、前記還元室で還元された前記酸素キャリア粒子が、第２供給ガスにより、前記還元室内の前記流動床中から水平方向に前記第２流路を流通する、請求項５に記載のケミカルルーピング燃焼炉。
【請求項７】
前記第２流路は、前記還元室側から前記酸化室側に向けて、上方に延びた後に下方に延びるように屈曲する屈曲部を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のケミカルルーピング燃焼炉。
【請求項８】
前記第１流路及び前記第２流路は、互いに区画されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のケミカルルーピング燃焼炉。
【請求項９】
第１供給ガスが、空気もしくは酸素富化空気であり、第２供給ガスが、水蒸気もしくは二酸化炭素ガス、あるいは水蒸気と二酸化炭素ガスとの混合気である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のケミカルルーピング燃焼炉。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のケミカルルーピング燃焼炉と、
前記酸化室内に第１供給ガスを供給する第１供給路と、
前記還元室内に第２供給ガスを供給する第２供給路と、
前記循環部内に第２供給ガスを供給する第３供給路と、
前記第１供給路を流通する第１供給ガスの流量と、前記第２供給路を流通する第２供給ガスの流量とは独立して、前記第３供給路を流通する第２供給ガスの流量を調節可能な流量調節バルブとを備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケミカルルーピング燃焼炉及びケミカルルーピング燃焼システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ケミカルルーピング燃焼（ＣＬＣ  : Chemical Looping Combustion）システム（以下、ＣＬＣシステムと称する。）は、例えば特許文献１に開示されるように、空気反応室と、燃焼反応室と、空気反応室と燃焼反応室とを接続する２本の配管と、前記２本の配管を流通し、空気反応室及び燃焼反応室の間で循環される酸素キャリア粒子とを備える。
【０００３】
空気反応室と燃焼反応室の内部には、流動層が形成される。空気反応室では、流動層中で、酸素キャリア粒子を空気と反応させて酸化且つ発熱させる。燃焼反応室では、流動層中で、空気反応室で酸化された高温の酸素キャリア粒子により、石炭等の固体燃料を燃焼すると共に酸素キャリア粒子を還元する。これにより固体燃料は、空気に直接接触することなく燃焼されるため、燃焼反応室からの排ガスの成分が、ほぼ二酸化炭素（ＣＯ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）のみとなる。
【０００４】
従ってＣＬＣシステムでは、固体燃料の燃焼に伴って窒素酸化物（ＮＯｘ）が生じるのを防止できると共に、排ガスから二酸化炭素を容易に分離・回収できる。ＣＬＣシステムは、火力発電所等の設備の排ガスから二酸化炭素を分離・回収するためのＣＣＳ技術の有力候補とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９４２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されるＣＬＣシステムでは、その構造上、設備が大型化するおそれがある。また、空気反応室と燃焼反応室とを２本の配管で接続し、各配管内に酸素キャリア粒子を所定の流速で流通させる必要があるため、設備構造が複雑になり、動作信頼性が低下するおそれがある。
【０００７】
そこで本発明は、固体燃料を燃焼するＣＬＣシステムにおいて、設備の大型化を防止すると共に、設備構造の簡素化を図ることで動作信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るケミカルルーピング燃焼炉は、内部循環型であって、酸化室と、還元室と、前記酸化室内の下方と前記還元室内の下方とにわたって流動し且つ酸素キャリア粒子を含む流動床と、前記酸化室内と前記還元室内とにわたって前記酸素キャリア粒子を循環させる循環部と、前記酸化室内の上方空間と前記還元室内の上方空間とを仕切り且つ下端が前記流動床内に配置された仕切壁とが内部に形成された単一の炉体を備え、前記酸化室では、外部から供給される酸化性の第１供給ガスにより前記酸素キャリア粒子を流動させながら、第１供給ガスと前記酸素キャリア粒子とを混合して、第１供給ガスにより前記酸素キャリア粒子を酸化し、前記還元室では、外部から供給され且つ非酸化性の第２供給ガスにより、前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子を流動させながら固体燃料と混合して、前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子により前記固体燃料を燃焼すると共に、前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子を還元し、前記循環部は、外部から供給される第２供給ガスにより、前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子を前記還元室へ流通させる第１流路と、外部から供給される第２供給ガスにより、前記還元室で還元された前記酸素キャリア粒子を前記酸化室へ流通させる第２流路とを有する。
【０００９】
上記構成によれば、単一の炉体の内部に酸化室、還元室、流動床、循環部、及び仕切壁を形成したことにより、酸化室と還元室とを接続するための配管を省略でき、酸素キャリア粒子量を低減できると共に、酸化室及び還元室をコンパクトに構成できる。また、固体燃料と酸化室で酸化された酸素キャリア粒子とを還元室で混合するための非酸化性の第２供給ガスと同じガスを用いて、循環部に酸素キャリア粒子を流通させるので、酸化室又は還元室から排出される排出ガスの組成に不要な成分が含まれるのを防止できる。よって、固体燃料を燃焼するＣＬＣ炉を備えるＣＬＣシステムにおいて、設備の大型化を防止できると共に、設備構造を簡素化し、動作信頼性の低下を防止できる。
【００１０】
前記循環部が、前記酸化室と隣接し且つ前記還元室内に配置され、前記流動床の下方から上方に向けて、第２供給ガスが前記循環部内に供給されてもよい。これにより、還元室内の固体燃料の炭素成分が循環部を介して酸化室内に侵入するのが、循環部内に供給される第２供給ガスの流れにより防止され、酸化室から排出される排出ガスの組成に炭素成分が混入するのが防止される。
【００１１】
前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子が、前記第１流路を通じて、第２供給ガスにより、前記還元室内の前記流動床の上方から前記還元室内に供給され、前記固体燃料が、前記流動床の底部から前記還元室内に供給されてもよい。
【００１２】
これにより、酸化室で酸化された酸素キャリア粒子と固体燃料との接触時間を長く確保できるので、固体燃料の燃焼を促進でき、固体燃料が燃焼途中で生じる一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ２）等の未燃ガスが還元室から排出されるのを防止できる。よって、簡素化された設備構造のＣＬＣシステムにおいても、排出ガスから二酸化炭素を回収し易くできる。
【００１３】
前記第１流路は、前記流動床の内部で上下方向に延び、前記酸化室で酸化された前記酸素キャリア粒子が、第２供給ガスにより、前記流動床の下方から上方に向けて前記第１流路を流通してもよい。これにより、ＣＬＣ炉の水平方向寸法をコンパクト化し易くできると共に、酸化室で酸化された酸素キャリア粒子を、還元室内の流動床に上方から供給し易くできる。
【００１４】
前記還元室で還元された前記酸素キャリア粒子が、前記第２流路を通じて、第２供給ガスにより、前記酸化室内の前記流動床中に供給され、第１供給ガスが、前記酸化室の下方から前記酸化室内に供給されてもよい。
【００１５】
このように、第２流路を利用して、還元室で還元された酸素キャリア粒子を酸化室内の流動床中に供給し、第１供給ガスを酸化室の下方から酸化室内に供給することで、酸化室内において、酸素キャリア粒子と第１供給ガスとを混合し易くできる。
【００１６】
前記第２流路は、前記第１流路の下方で水平方向に形成され、前記還元室で還元された前記酸素キャリア粒子が、第２供給ガスにより、前記還元室内の前記流動床中から水平方向に前記第２流路を流通してもよい。これにより、還元室内の流動床中で固体燃料の燃焼と共に還元された酸素キャリア粒子を、酸化室側に供給し易くできる。
【００１７】
前記第２流路は、前記還元室側から前記酸化室側に向けて、上方に延びた後に下方に延びるように屈曲する屈曲部を有してもよい。これにより、第２流路の屈曲部を利用して、還元室側から酸化室側へ第２流路を通じて固体燃料が流入するのを防止し、酸化室側から排出される排出ガスに炭素成分が混入するのを良好に防止できる。
【００１８】
前記第１流路及び前記第２流路は、互いに区画されていてもよい。これにより、第１流路及び第２流路を物理的に分離でき、第１流路及び第２流路を流通する流動床同士が混合することで還元室側から酸化室側へ第２流路を通じて固体燃料が流入するのを良好に防止できる。
【００１９】
第１供給ガスが、空気もしくは酸素富化空気であり、第２供給ガスが、水蒸気もしくは二酸化炭素ガス、あるいは水蒸気と二酸化炭素ガスとの混合気であってもよい。これにより、第１供給ガスと第２供給ガスとを低コストで得ることができると共に、循環部内に酸素キャリア粒子を流通させるための第２供給ガスが還元室内に流れ込んでも、還元室側から排出される排出ガス組成が変化するのを防止でき、当該排出ガスからの二酸化炭素の分離・回収効率が低下するのを防止できる。
【００２０】
本発明の別の態様に係るケミカルルーピング燃焼システムは、上記したいずれかに記載のケミカルルーピング燃焼炉と、前記酸化室内に第１供給ガスを供給する第１供給路と、前記還元室内に第２供給ガスを供給する第２供給路と、前記循環部内に第２供給ガスを供給する第３供給路と、前記第１供給路を流通する第１供給ガスの流量と、前記第２供給路を流通する第２供給ガスの流量とは独立して、前記第３供給路を流通する第２供給ガスの流量を調節可能な流量調節バルブとを備える。
【００２１】
これにより、酸化室での酸素キャリア粒子の酸化反応と、還元室での固体燃料の燃焼反応の各反応条件を維持しながら、循環部を流通する酸素キャリア粒子の流量を調節し易くでき、固体燃料を燃焼する内部循環型のＣＬＣ炉を最適条件で駆動できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の各態様によれば、固体燃料を燃焼するＣＬＣシステムにおいて、設備の大型化を防止すると共に、設備構造の簡素化を図ることで動作信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係るＣＬＣシステムの概略図である。
【図２】第１実施形態の変形例に係るＣＬＣ炉の部分概略図である。
【図３】第２実施形態に係るＣＬＣシステムの概略図である。
【図４】第２実施形態の変形例に係るＣＬＣ炉の部分概略図である。
【図５】第３実施形態に係るＣＬＣ炉の内部構成を示す斜視図である。
【図６】第３実施形態の変形例に係るＣＬＣ炉の内部構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、各実施形態について、図を参照しながら説明する。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るＣＬＣシステム１の概略図である。図１に示すように、ＣＬＣシステム１は、ＣＬＣ炉２、制御装置３、第１熱交換器４、第２熱交換器５、脱水器６、固体燃料供給路Ｒ１、第１供給路Ｒ２、第２供給路Ｒ３、第３供給路Ｒ４、第１排出路Ｒ５、及び第２排出路Ｒ６を備える。
【００２６】
ＣＬＣ炉２は、酸化室２ａ、還元室２ｂ、流動床２ｆ、循環部２ｊ、及び仕切壁２ｃが内部に形成された単一の炉体を備える。ＣＬＣ炉２は内部循環型であり、流動床２ｆに含まれる酸素キャリア粒子（流動媒体）が、ＣＬＣ炉２の内部で酸化室２ａと還元室２ｂとを循環する。本実施形態のＣＬＣ炉２の内部には、更に炉床２ｄ、複数のノズル２ｅ、及び風箱２ｇ〜２ｉが形成されている。
【００２７】
酸化室２ａと還元室２ｂとは、ＣＬＣ炉２内で仕切壁２ｃを隔てて設けられている。酸化室２ａでは、外部から供給される酸化性の第１供給ガスにより酸素キャリア粒子を流動させながら、第１供給ガスと酸素キャリア粒子とを混合して、第１供給ガスにより酸素キャリア粒子を酸化する。第１供給ガスは、一例として、空気もしくは酸素富化空気である。本実施形態の第１供給ガスは空気であり、酸化室２ａは、酸素キャリア粒子が空気と反応する空気反応室である。
【００２８】
還元室２ｂでは、外部から供給され且つ非酸化性の第２供給ガスにより、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子を流動させながら固体燃料と混合して、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子により固体燃料を燃焼すると共に、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子を還元する。還元室２ｂは、固体燃料が燃焼反応する燃焼反応室である。固体燃料は、還元室２ｂに外部から供給される。固体燃料は、本実施形態では石炭であるが、これに限定されない。固体燃料は、例えばバイオマスでもよく、炭素成分を含む固体であればよい。第２供給ガスは、一例として、水蒸気もしくは二酸化炭素ガス、あるいは水蒸気と二酸化炭素ガスとの混合気である。本実施形態の第２供給ガスは、水蒸気である。
【００２９】
仕切壁２ｃは、酸化室２ａ内の上方空間７と還元室２ｂ内の上方空間８とを仕切っている。仕切壁２ｃの下端は、流動床２ｆ内に配置されている。これにより上方空間（フリーボード）７，８は、互いに隔離され、上方空間７，８間におけるガスの混合が抑制されている。酸化室２ａと還元室２ｂとの内壁、及び仕切壁２ｃは、一例として、耐火材あるいは耐熱性の金属材料で構成されている。
【００３０】
炉床２ｄは、酸化室２ａと還元室２ｂとの下方にわたって配置されている。複数のノズル２ｅは、炉床２ｄの上面に分散して配置されている。流動床２ｆは、炉床２ｄの上方に配置されている。流動床２ｆは、酸化室２ａ内の下方と還元室２ｂ内の下方とにわたって流動する。流動床２ｆに含まれる酸素キャリア粒子は、鉄を含む。酸素キャリア粒子の主成分は、一例として、酸化室２ａで酸化された状態ではＦｅ２Ｏ３（酸化第二鉄（III））であり、還元室２ｂで還元された状態ではＦｅ３Ｏ４（四酸化三鉄（II，III））である。酸素キャリア粒子の材質は限定されない。酸素キャリア粒子は、例えばニッケル、銅、マンガン、又はアルミニウム等の金属を含んでいてもよい。
【００３１】
循環部２ｊは、酸化室２ａ内と還元室２ｂ内とにわたって酸素キャリア粒子を循環させる。循環部２ｊは、第１流路２ｋと第２流路２ｌとを有する。第１流路２ｋと第２流路２ｌとの各両端は、酸化室２ａと還元室２ｂとにそれぞれ接続されている。循環部２ｊには、外部から第２供給ガスが供給される。
【００３２】
第１流路２ｋは、外部から循環部２ｊ内に供給される第２供給ガスにより、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子を還元室２ｂへ流通させる。第２流路２ｌは、外部から循環部２ｊ内に供給される第２供給ガスにより、還元室２ｂで還元された酸素キャリア粒子を酸化室２ａへ流通させる。
【００３３】
本実施形態では、循環部２ｊは、酸化室２ａと隣接し且つ還元室２ｂ内に配置される。循環部２ｊには、流動床２ｆの下方から上方に向けて、第２供給ガスが供給される。また、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子は、第１流路２ｋを通じて、還元室２ｂ内の流動床２ｆの上方から還元室２ｂ内に供給される。
【００３４】
具体的にＣＬＣ炉２の内部には、案内壁２ｍが形成されている。案内壁２ｍは、仕切壁２ｃに対して還元室２ｂ側に離隔した位置で、上下方向に延びている。案内壁２ｍは、仕切壁２ｃとの間で、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子を案内する。一例として案内壁２ｍの下端は、炉床２ｄと上方に離隔しながら、仕切壁２ｃの下端よりも下方に配置されている。第１流路２ｋは、仕切壁２ｃと案内壁２ｍとの間に形成されている。これにより第１流路２ｋは、流動床２ｆの内部で上下方向に延びている。酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子は、流動床２ｆの下方から上方に向けて第１流路２ｋを流通する。
【００３５】
第２流路２ｌは、第１流路２ｋの下方で水平方向に形成されている。還元室２ｂで還元された酸素キャリア粒子は、還元室２ｂ内の流動床２ｆ中から水平方向に第２流路２ｌを流通する。
【００３６】
風箱２ｇは、炉床２ｄの酸化室２ａに対応する領域の下方に設けられている。風箱２ｈは、炉床２ｄの還元室２ｂに対応する領域の下方に設けられている。風箱２ｉは、炉床２ｄの循環部２ｊに対応する領域の下方に設けられている。
【００３７】
固体燃料供給路Ｒ１は、還元室２ｂ内に固体燃料を供給する。固体燃料供給路Ｒ１は、還元室２ｂの下側側部に接続されている。これにより固体燃料は、流動床２ｆの底部から還元室２ｂ内に供給される。ここで言う流動床２ｆの底部は、停止中のＣＬＣ炉２において、例えば、炉床２ｄの上面から還元室２ｂ側の流動床２ｆの層高の１／３までの領域であることが望ましく、炉床２ｄの上面から還元室２ｂ側の流動床２ｆの層高の１／５までの領域であることが更に望ましい。
【００３８】
第１供給路Ｒ２は、第１供給ガスを酸化室２ａ内に供給する。これにより第１供給ガスは、酸化室２ａの下方から酸化室２ａ内に供給される。第１供給路Ｒ２の下流端部は、風箱２ｇに接続されている。第２供給路Ｒ３は、第２供給ガスを還元室２ｂ内に供給する。第２供給路Ｒ３の下流端部は、風箱２ｈに接続されている。第３供給路Ｒ４は、第２供給ガスを循環部２ｊ内に供給する。第３供給路Ｒ４の下流端部は、風箱２ｉに接続されている。
【００３９】
第１供給路Ｒ２の途中には、第１供給路Ｒ２を流通する第１供給ガスの流量を調節可能な流量調節バルブＶ１が設けられている。第２供給路Ｒ３の途中には、第２供給路Ｒ３を流通する第２供給ガスの流量を調節可能な流量調節バルブＶ２が設けられている。第３供給路Ｒ４の途中には、第３供給路Ｒ４を流通する第２供給ガスの流量を調節可能な流量調節バルブＶ３が設けられている。
【００４０】
本実施形態では、流量調節バルブＶ３は、第１供給路Ｒ２を流通する第１供給ガスの流量と、第２供給路Ｒ３を流通する第２供給ガスの流量とは独立して、第３供給路Ｒ４を流通する第２供給ガスの流量を調節することが可能である。また第１供給路Ｒ２、第２供給路Ｒ３、及び第３供給路Ｒ４の各途中には、ガスを流通させるためのブロワ（不図示）が設けられている。
【００４１】
第１排出路Ｒ５は、酸素キャリア粒子の酸化により生じた第１排ガスを酸化室２ａ外に排出する。第１排出路Ｒ５の上流端部は、酸化室２ａに接続されている。第１熱交換器４は、第１排出路Ｒ５の途中に設けられている。第１熱交換器４は、第１排ガスから熱回収する。
【００４２】
第２排出路Ｒ６は、固体燃料の燃焼により生じた第２排ガスを還元室２ｂ外に排出する。第２排出路Ｒ６の上流端部は、還元室２ｂに接続されている。第２熱交換器５は、第２排出路Ｒ６の途中に設けられている。第２熱交換器５は、第２排ガスから熱回収する。
【００４３】
脱水器６は、第２排出路Ｒ６の第２熱交換器５よりも第２排ガスの流通方向下流側に設けられている。脱水器６は、第２排ガスを脱水する。第２排ガスの成分は、第２排ガスが脱水されることで、ほぼ二酸化炭素のみとなる。これにより脱水された第２排ガスは、二酸化炭素として回収される。
【００４４】
制御装置３は、流量調節バルブＶ１〜Ｖ３に接続されている。本実施形態では、制御装置３は、流量調節バルブＶ１〜Ｖ３を個別に制御する。制御装置３は、一例として、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを備えたコンピュータである。ＲＯＭには制御プログラムが格納されている。制御装置３は、制御プログラムに基づいて、流量調節バルブＶ１〜Ｖ３を制御する。
【００４５】
ＣＬＣシステム１の運転時には、第１供給路Ｒ２を通過した第１供給ガスが、風箱２ｇを経由し、酸化室２ａに対応して配置された複数のノズル２ｅから酸化室２ａ内に噴出する。第１供給ガスは、酸化室２ａ内の流動床２ｆに気泡として混入する。
【００４６】
酸化室２ａ内において複数のノズル２ｅから噴出する第１供給ガスにより、酸化室２ａ側の酸素キャリア粒子は、酸化されて発熱する。この酸素キャリア粒子の酸化により生じた第１排ガスは、上方空間７を通過して酸化室２ａ外へ排出される。第１供給ガスとして空気を用いた場合、第１排ガスの成分は、ほぼ窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）のみとなる。なお、酸素キャリア粒子の酸化温度はそれほど高くないため、窒素成分を含む第１供給ガスを用いても、酸素キャリア粒子の酸化によって窒素酸化物が生じるおそれは小さい。
【００４７】
また、第３供給路Ｒ４を通過した第２供給ガスは、風箱２ｉを経由し、循環部２ｊに対応して配置された複数のノズル２ｅから、第１流路２ｋと第２流路２ｌとに向けて噴出する。酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子は、仕切壁２ｃの下方を通って第１流路２ｋの下端まで移動する。そして、循環部２ｊ内に供給される第２供給ガスの勢いにより、循環部２ｊ内の流動床２ｆの下方から上方に向けて第１流路２ｋを流通し、還元室２ｂ内の流動床２ｆに上方から供給される。
【００４８】
また、第２供給路Ｒ３を通過した第２供給ガスは、風箱２ｈを経由し、還元室２ｂに対応して配置された複数のノズル２ｅから還元室２ｂ内に噴出する。第２供給ガスは、還元室２ｂ内の流動床２ｆに気泡として混入する。また、固体燃料供給路Ｒ１を通過した固体燃料は、流動床２ｆの底部から還元室２ｂ内に供給される。
【００４９】
還元室２ｂ内において複数のノズル２ｅから噴出する第２供給ガスにより、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子と固体燃料とは混合される。これにより、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子により固体燃料が燃焼されると共に、当該酸素キャリア粒子が還元される。この固体燃料の燃焼と酸素キャリア粒子の還元により生じた第２排ガスは、上方空間８を通過して還元室２ｂ外へ排出される。第２供給ガスとして水蒸気を用いた場合、第２排ガス成分は、ほぼ二酸化炭素と水蒸気のみとなる。
【００５０】
還元室２ｂで還元された酸素キャリア粒子は、還元室２ｂ内の流動床２ｆを上方から下方に向けて流動する。そして、第１流路２ｋの下方に形成された第２流路２ｌを通じて、酸化室２ａ内の流動床２ｆ中に供給される。この酸素キャリア粒子は、酸化室２ａ内の流動床２ｆを下方から上方に向けて流動した後、仕切壁２ｃの下方を通って、再び第１流路２ｋを流通する。
【００５１】
このようにＣＬＣ炉２の内部では、循環部２ｊ内に供給される第２供給ガスにより、酸素キャリア粒子の流れが形成されるため、酸化室２ａ側と還元室２ｂ側とにわたって酸素キャリア粒子が効率よく循環され、固体燃料の燃焼と酸素キャリア粒子の酸化・還元が促進される。
【００５２】
また、循環部２ｊに対応して配置された複数のノズル２ｅから供給される第２供給ガスが、下方から上方に向けて噴出することで、当該第２供給ガスがセパレートガスとして機能し、還元室２ｂ内における未燃焼の炭素成分が酸化室２ａに侵入するのが防止される。よってＣＬＣ炉２では、酸化室２ａ内で炭素成分が燃焼して第１排ガスの組成に炭素成分が混入したり、還元室２ｂ内での固体燃料の燃焼率（炭素転換率）が低下するのが、比較的簡素な構成により防止される。このようにＣＬＣ炉２は、還元室２ｂ内における未燃焼の炭素成分が酸化室２ａに侵入するのを防止するためのセパレータ構造（カーボンセパレータ）を備えている。
【００５３】
以上に説明したようにＣＬＣ炉２では、単一の炉体の内部に酸化室２ａ、還元室２ｂ、流動床２ｆ、循環部２ｊ、及び仕切壁２ｃを形成したことにより、酸化室２ａと還元室２ｂとを接続するための配管を省略でき、酸素キャリア粒子量を低減できると共に、酸化室２ａ及び還元室２ｂをコンパクトに構成できる。また、固体燃料と酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子とを還元室２ｂで混合するための非酸化性の第２供給ガスと同じガスを用いて、循環部２ｊに酸素キャリア粒子を流通させるので、酸化室２ａ又は還元室２ｂから排出される排出ガスの組成に不要な窒素酸化物や炭素酸化物等の成分が含まれるのを防止できる。よって、固体燃料を燃焼するＣＬＣ炉２を備えるＣＬＣシステム１において、設備の大型化を防止できると共に、設備構造を簡素化し、動作信頼性の低下を防止できる。このためＣＬＣシステム１は、例えば、中小産業規模での産業用発電用の中小型炉や、ゴミ・バイオマスを燃焼するための燃焼炉として有効に利用できる。
【００５４】
また、酸化室２ａと還元室２ｂとを接続するための配管が不要であるため、例えば、配管に酸素キャリア粒子を高速で流通・搬送するために供給するガスや制御が不要になると共に、酸素キャリア粒子との接触によって配管が腐食や摩耗等の不具合を生じる問題を回避できる。これにより、ＣＬＣシステム１の制御を簡素化できると共に、ＣＬＣシステム１を経済的且つ安定して駆動できる。
【００５５】
また、ＣＬＣ炉２が内部循環型であるため、酸化室２ａと還元室２ｂとを２本の配管で接続して各配管内に酸素キャリア粒子を所定の流速で流通させた場合に比べて、酸素キャリア粒子の流速を低速に設定できる。よって、循環部２ｊへの第２供給ガスの供給量を抑えながらＣＬＣシステム１を運転することが可能である。
【００５６】
また、循環部２ｊが酸化室２ａと隣接し且つ還元室２ｂ内に配置され、流動床２ｆの下方から上方に向けて、循環部２ｊに第２供給ガスが供給されるので、還元室２ｂ内の固体燃料の炭素成分が循環部２ｊを介して酸化室２ａ内に侵入するのが、循環部２ｊ内に供給される第２供給ガスの流れにより防止され、酸化室２ａから排出される排出ガスの組成に炭素成分が混入するのが防止される。
【００５７】
また、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子が、第１流路２ｋを通じて、第２供給ガスにより、還元室２ｂ内の流動床２ｆの上方から還元室２ｂ内に供給され、固体燃料が、流動床２ｆの底部から還元室２ｂ内に供給されることにより、例えば、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子と固体燃料との両方を流動床２ｆの底部から還元室２ｂ内に供給した場合に比べて、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子と固体燃料との接触時間を長く確保できる。よって、固体燃料の燃焼を促進でき、固体燃料が燃焼途中で生じる一酸化炭素や水素等の未燃ガスが、還元室２ｂから排出されるのを防止できる。従って、簡素化された設備構造のＣＬＣシステム１においても、第２排ガスから二酸化炭素を回収し易くできる。
【００５８】
また、第１流路２ｋが流動床２ｆの内部で上下方向に延び、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子が、第２供給ガスにより、酸化室２ａ内の流動床２ｆの下方から上方に向けて第１流路２ｋを流通するので、ＣＬＣ炉２の水平方向寸法をコンパクト化し易くできると共に、酸化室２ａで酸化された酸素キャリア粒子を、還元室２ｂ内の流動床２ｆに上方から供給し易くできる。
【００５９】
また、還元室２ｂで還元された酸素キャリア粒子が、第２流路２ｌを通じて、第２供給ガスにより、酸化室２ａ内の流動床２ｆ中に供給され、第１供給ガスが、酸化室２ａの下方から酸化室２ａ内に供給されるので、第２流路２ｌを利用して、還元室２ｂで還元された酸素キャリア粒子を酸化室２ａ内の流動床２ｆ中に供給し、第１供給ガスを酸化室２ａの下方から酸化室２ａ内に供給することで、酸化室２ａ内において、酸素キャリア粒子と第１供給ガスとを混合し易くできる。
【００６０】
また、第２流路２ｌは、第１流路２ｋの下方で水平方向に形成され、還元室２ｂで還元された酸素キャリア粒子が、第２供給ガスにより、還元室２ｂ内の流動床２ｆ中から水平方向に第２流路２ｌを流通するので、還元室２ｂ内の流動床２ｆ中で固体燃料の燃焼と共に還元された酸素キャリア粒子を、酸化室２ａ側に供給し易くできる。
【００６１】
また、第１供給ガスが空気であり、第２供給ガスが水蒸気であるため、第１供給ガスと第２供給ガスとを低コストで得ることができると共に、循環部２ｊ内に酸素キャリア粒子を流通させるための第２供給ガスが還元室２ｂ内に流れ込んでも、還元室２ｂ側から排出される第２排ガス組成が変化するのを防止でき、第２排ガスからの二酸化炭素の分離・回収効率が低下するのを防止できる。
【００６２】
また、ＣＬＣシステム１は、第１供給路Ｒ２を流通する第１供給ガスの流量と、第２供給路Ｒ３を流通する第２供給ガスの流量とは独立して、第３供給路Ｒ４を流通する第２供給ガスの流量を調節可能な流量調節バルブＶ３を備えるので、酸化室２ａでの酸素キャリア粒子の酸化反応と、還元室２ｂでの固体燃料の燃焼反応の各反応条件を維持しながら、循環部２ｊを流通する酸素キャリア粒子の流量を調節し易くでき、固体燃料を燃焼する内部循環型のＣＬＣ炉２を最適条件で駆動できる。
【００６３】
（第１実施形態の変形例）
図２は、第１実施形態の変形例に係るＣＬＣ炉１２の部分概略図である。図２に示すように、ＣＬＣ炉１２の内部には、補助案内壁２ｐ，２ｎが形成されている。補助案内壁２ｐは、案内壁２ｍに対して、酸化室２ａ側とは反対側に離隔した位置で、炉床２ｄから上方に延びている。補助案内壁２ｐの上端位置は、案内壁２ｍの下端よりも上方で且つ案内壁２ｍの上端よりも下方に位置している。
【００６４】
補助案内壁２ｎは、補助案内壁２ｐの上端よりも上方で、案内壁２ｍの酸化室２ａ側とは反対側の壁面から水平方向に延びた後、補助案内壁２ｐに対して、酸化室２ａ側とは反対側に離隔した位置で、下方に向けて延びている。補助案内壁２ｎの下端は、炉床２ｄの上方に位置している。
【００６５】
第２流路２ｌは、補助案内壁２ｐ、２ｎの間を通って延びている。これにより第２流路２ｌは、還元室２ｂ側から酸化室２ａ側に向けて、上方に延びた後に下方に延びるように屈曲する屈曲部２ｑを有する。
【００６６】
ＣＬＣ炉１２では、屈曲部２ｑが、更なる炭素成分侵入防止用のセパレータ構造として機能する。すなわち、第２流路２ｌが屈曲部２ｑを有することで、屈曲部２ｑを利用して、還元室２ｂ側から酸化室２ａ側へ第２流路２ｌを通じて固体燃料が流入するのを防止し、酸化室２ａ側から排出される排出ガス組成に炭素成分が混入するのを一層良好に防止できる。
【００６７】
（第２実施形態）
第２実施形態について、第１実施形態との差異を中心に説明する。図３は、第２実施形態に係るＣＬＣシステム２１の概略図である。図３に示すように、ＣＬＣシステム２１が備えるＣＬＣ炉２２の内部には、単一の還元室２ｂの水平方向両側に、２つの酸化室２ａと２つの循環部２ｊとが配置されている。
【００６８】
各酸化室２ａには、第１供給路Ｒ２と流量調節バルブＶ１とが設けられる。また各循環部２ｊには、第３供給路Ｒ４と流量調節バルブＶ３とが設けられる。制御装置３は、全ての流量調節バルブＶ１〜Ｖ３を個別に制御する。以上の構成を有するＣＬＣシステム２１においても、第１実施形態のＣＬＣシステム１と同様の効果を期待できる。
【００６９】
（第２実施形態の変形例）
図４は、第２実施形態の変形例に係るＣＬＣ炉３２の部分概略図である。図４に示すように、ＣＬＣ炉３２は、ＣＬＣ炉２２を基本構造にしつつ、２つの第２流路２ｌが屈曲部２ｑをそれぞれ有する。このような構成を有するＣＬＣ炉３２においても、第１実施形態の変形例と同様に、酸化室２ａ側から排出される排出ガスに炭素成分が混入するのを良好に防止できる。
【００７０】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係るＣＬＣ炉４２の内部構造を示す斜視図である。図５に示すように、ＣＬＣ炉４２は、ＣＬＣ炉１２を基本構造にしつつ、循環部２ｊに設けられた複数の流通管１５を有する。流通管１５は、水平方向に間隔をおいて配置され、仕切壁２ｃの板厚方向に延びて案内壁２ｍを貫通している。案内壁２ｍの下端は、炉床２ｄに接続されている。第１流路２ｋは、隣接する流通管１５の間を通るように形成されている。第２流路２ｌは、流通管１５の内部を通るように形成されている。これによりＣＬＣ炉４２では、第１流路２ｋ及び第２流路２ｌが、互いに区画されている。
【００７１】
よってＣＬＣ炉４２では、第１流路２ｋ及び第２流路２ｌを物理的に分離でき、第１流路２ｋ及び第２流路２ｌを流通する流動床２ｆ同士が混合することで酸化室２ａ側から還元室２ｂ側に移動する酸素キャリア粒子に還元室２ｂ側から酸化室２ａ側に移動しようとする酸素キャリア粒子が混入するのを良好に防止できる。
【００７２】
また、第１流路２ｋ及び第２流路２ｌを互いに区画することで、第１流路２ｋ及び第２流路２ｌを流通する酸素キャリア粒子の流速を個別に制御し易くできる。例えば、第１流路２ｋと第２流路２ｌとに供給する第２供給ガス量を異ならせることで、第１流路２ｋを流通する酸素キャリア粒子の流速と、第２流路２ｌを流通する酸素キャリア粒子の流速とを異ならせることができる。一例として、第１流路２ｋを流通する酸素キャリア粒子の流速を、第２流路２ｌを流通する酸素キャリア粒子の流速よりも高速に設定することができるが、これに限定されない。これにより、ＣＬＣ炉４２内における流動床２ｆの循環の設計自由度を高めることができる。
【００７３】
（第３実施形態の変形例）
図６は、第３実施形態の変形例に係るＣＬＣ炉５２の内部構造を示す斜視図である。図６に示すように、ＣＬＣ炉５２は、ＣＬＣ炉１２を基本構造にしつつ、循環部２ｊに設けられた分離壁２ｒを有する。案内壁２ｍの下端は、炉床２ｄの上方に位置している。分離壁２ｒは、循環部２ｊの内部で水平方向に延び、その一端が案内壁２ｍの下端に接続されている。仕切壁２ｃの下端は、分離壁２ｒの上面よりも上方に位置している。これにより、第１流路２ｋが分離壁２ｒよりも上方に位置し、第２流路２ｌが分離壁２ｒよりも下方に位置するように、第１流路２ｋと第２流路２ｌとが、分離壁２ｒにより分離されている。従ってＣＬＣ炉５２では、ＣＬＣ炉４２と同様に、第１流路２ｋ及び第２流路２ｌが互いに区画されている。
【００７４】
なお図示しないが、分離壁２ｒの上面と、分離壁２ｒの下方の炉床２ｄの上面には、散気管が設けられている。この散気管には、第２供給ガスが供給される。散気管の側面には、複数のノズルが形成されている。散気管に供給された第２供給ガスは、散気管の複数のノズルから循環部２ｊに供給される。このような構成のＣＬＣ炉５２においても、ＣＬＣ炉４２と同様の効果を期待できる。
【００７５】
なお本発明は、各実施形態及び各変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、本発明の構成及び方法を変更、追加、又は削除できる。各実施形態及び各変形例は、互いに任意に組み合わせてもよく、例えば１実施形態中の一部構成を、いずれかの実施形態や変形例に適用してもよい。また燃料としては、固体燃料と共に、気体燃料や液体燃料を併用してもよい。
【００７６】
また、上記した第１〜第３実施形態と、第１及び第２実施形態の変形例では、循環部２ｊにおいて、同じノズル２ｅから噴出させた第２供給ガスにより、第１流路２ｋ及び第２流路２ｌに酸素キャリア粒子を流通させると共に、還元室２ｂ内の未燃焼の炭素成分が酸化室２ａ側に侵入するのを防止するものとしたが、第１流路２ｋ及び第２流路２ｌに酸素キャリア粒子を流通させるための第２供給ガスと、還元室２ｂ内の未燃焼の炭素成分が酸化室２ａ側に侵入するのを防止するための第２供給ガスとは、別々のノズル２ｅから噴出させてもよい。
【００７７】
また、ＣＬＣ炉の内部中央に単一の還元室２ｂを配置し、還元室２ｂを取り囲むように単一の酸化室２ａを配置し、還元室２ｂ内に筒状の案内壁２ｍを配置し、酸化室２ａと還元室２ｂとの間に筒状の仕切壁２ｃを配置してもよい。案内壁２ｍは、例えば、部分的に炉床２ｄに支持されるように配置することができる。この場合、当該ＣＬＣ炉の鉛直方向断面は、図３に示すＣＬＣ炉２２の構造とほぼ同様となる。
【符号の説明】
【００７８】
Ｒ２    第１供給路
Ｒ３    第２供給路
Ｒ４    第３供給路
Ｖ３    流量調節バルブ
１，２１    ＣＬＣシステム
２，１２，２２，３２、４２、５２    ＣＬＣ炉
２ａ    酸化室
２ｂ    還元室
２ｃ    仕切壁
２ｆ    流動床
２ｊ    循環部
２ｋ    第１流路
２ｌ    第２流路
２ｑ    屈曲部
７    酸化室内の上方空間
８    還元室内の上方空間
【図１】
2018155467.tif 000003
【図２】
2018155467.tif 000004
【図３】
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【図４】
2018155467.tif 000006
【図５】
2018155467.tif 000007
【図６】
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