(57)【要約】【課題】安定運転ができるケミカルルーピング燃焼システムを提供する。【解決手段】燃料反応器２、揮発分反応器３、空気反応器１、サイクロン１２を有し、酸素キャリア粒子４，５が燃料反応器２−空気反応器１−サイクロン１２−揮発分反応器３−燃料反応器２の間を循環流動し、燃料反応器２内の酸素キャリア粒子４，５の量の変動を検知する粒子層高差圧計２３と、粒子層高差圧計２３の測定結果から酸素キャリア粒子４，５の循環量の変動が少なくなるように酸素キャリア粒子４，５の循環量を制御する流量制御器２４を設けたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素キャリア粒子を供給しながら形成した第１の反応層に固体燃料とガス化剤を供給して前記固体燃料を熱分解させて、生成した固体成分をそのまま残して前記第１の反応層で酸化反応を行う燃料反応器と、
前記燃料反応器で生成した気体成分を取り出して、酸素キャリア粒子を供給しながら形成した第２の反応層に導入して気体成分の酸化反応を行う揮発分反応器と、
前記燃料反応器によって還元された前記酸素キャリア粒子を燃料反応器から取り出して、空気で酸化して酸素キャリア粒子とする空気反応器と、
前記空気反応器で生成した酸素キャリア粒子と排気ガスを分離して、分離された前記酸素キャリア粒子を前記揮発分反応器に供給する固体・気体分離器を備え、
前記酸素キャリア粒子が前記燃料反応器−空気反応器−固体・気体分離器−揮発分反応器−燃料反応器の間を循環流動するように構成されており、
さらに、前記燃料反応器内における前記酸素キャリア粒子の量の変動を検知する粒子量変動検知手段と、
前記粒子量変動検知手段の検知結果から前記酸素キャリア粒子の循環量の変動が少なくなるように前記酸素キャリア粒子の循環量を制御する粒子循環量制御手段を備えたことを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項２】
請求項１に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記粒子量変動検知手段が、前記第１の反応層の層高を差圧によって測定する層高測定手段、または前記第１の反応層の重量を測定する重量測定手段であることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項３】
請求項１に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記燃料反応器内に形成される前記第１の反応層が、前記酸素キャリア粒子がゆっくりと移動して、前記ガス化剤が前記酸素キャリア粒子の隙間を流れる移動層であり、
前記揮発分反応器内に形成される前記第２の反応層が、前記酸素キャリア粒子が浮遊流動する流動層であって、
前記流動層を形成するための流動化ガスとして前記燃料反応器で生成した気体成分を利用する構成になっていることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項４】
請求項１に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記燃料反応器へ供給するガス化剤として、前記揮発分反応器から排出される排ガスを利用する構成になっていることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項５】
請求項１に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記燃料反応器と前記空気反応器の間が第１のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第１のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第１の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記固体・気体分離器と前記揮発分反応器の間が第２のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第２のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第２の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記揮発分反応器と前記燃料反応器の間が第３のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第３のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第３の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記粒子量変動検知手段の検知結果に基づいて、前記第１の搬送ガス供給手段の搬送ガス供給量を制御する構成になっていることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項６】
請求項１に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記燃料反応器と前記空気反応器の間が第１のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第１のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第１の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記固体・気体分離器と前記揮発分反応器の間が第２のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第２のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第２の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記揮発分反応器と前記燃料反応器の間が第３のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第３のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第３の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記粒子量変動検知手段の検知結果に基づいて、前記第１、第２ならびに第３の搬送ガス供給手段の搬送ガス供給量を制御する構成になっていることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項７】
請求項５または６に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記固体・気体分離器から排出される排気ガスを浄化する排ガス浄化手段を備え、
前記排ガス浄化手段から得られた窒素ガスを前記搬送ガス供給手段の粒子搬送ガスとして利用する構成になっていることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項８】
請求項６に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記第２ならびに第３の搬送ガス供給手段により供給される粒子搬送ガスとして、前記揮発分反応器から排出される排気ガスを利用する構成になっていることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項９】
請求項２に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記燃料反応器内の第１の反応層に前記ガス化剤を供給する散気管が備えられて、
前記層高測定手段が前記散気管とは別に設置されていることを特徴とす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、地球温暖化問題となる二酸化炭素（ＣＯ２）の排出削減技術に係り、特に化石燃料ボイラ発電などで使用する化石燃料を燃焼することによって発生するＣＯ２の分離回収技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の原因の一つとして、大規模火力発電設備からのＣＯ２排出が問題視され、燃焼排ガスからのＣＯ２を分離・回収して貯留する技術（ＣＣＳ：Carbon dioxide Capture and Storage）が、ＣＯ２の排出削減に有効な手段として世界的に注目されている。
【０００３】
化石燃料を使用するボイラ設備に適用可能なＣＣＳ技術として、化学吸収システム、酸素燃焼システム、ケミカルルーピング燃焼（ＣＬＣ：Chemical Looping Combustino）システムなどがある。
【０００４】
しかしながら、前記化学吸収システムは、ＣＯ２を吸着した液を再生するために多くのエネルギーが必要であり、また、前記酸素燃焼システムでは、酸素製造装置を駆動するために多くの動力が必要であり、これらのＣＣＳ技術では消費エネルギーの低減が望まれている。
【０００５】
これに対して前記ＣＬＣシステムは、化学吸収システムの液再生エネルギーや酸素燃焼システムにおける酸素製造装置の駆動エネルギーが不要であるため、ＣＣＳ技術の消費エネルギーを大幅に低減し、発電効率の低下を抑制できる可能性があるという特長を有している。
【０００６】
ＣＬＣとは、空気を燃料に直接接触させずに、酸素キャリア粒子である金属酸化物（ＭｅＯ）で燃料を酸化反応させ、その酸化反応によって還元された金属（Ｍｅ）は空気で酸化して金属酸化物（ＭｅＯ）として、再利用する技術である。これによって反応生成物は、ＣＯ２と水分となり、ＣＯ２の回収が容易となる技術である。
【０００７】
図１５は、従来のＣＬＣシステムの原理を説明するための図である。  
従来のＣＬＣシステムは、同図に示すように、空気反応器１と燃料反応器２で構成され、その間を金属粒子（ＭｅＯ）４と金属粒子（Ｍｅ）５が循環流動するシステムになっている。
【０００８】
空気反応器１では、金属粒子（Ｍｅ）５が空気６中の酸素と反応して金属酸化物（ＭｅＯ）となる。  
ＭｅxＯy-1＋０．５Ｏ2→ＭｅxＯy・・・（１）
酸化した金属粒子（ＭｅＯ）４は、サイクロン（図示せず）で排ガス（Ｎ2，Ｏ2など）８と分離され、燃料反応器２へ送られる。燃料反応器２では高温の金属粒子（ＭｅＯ）４と固体燃料（例えば石炭）７が接触して、金属粒子（ＭｅＯ）４の酸素と固体燃料７が反応する。このとき、固体燃料７を酸化した金属粒子（ＭｅＯ）４は還元されて金属粒子（Ｍｅ）５となり、再び空気反応器１へ戻る循環ループを形成する。
【０００９】
（２ｎ＋ｍ）ＭｅxＯy＋ＣｎＨ２ｍ→（２ｎ＋ｍ）ＭｅxＯy-1＋ｍＨ2Ｏ＋ｎＣＯ2・・・（２）
空気反応器１からは窒素や残存酸素を含んだ排ガス８が排出され、燃料反応器２からはＣＯ2ガス９やＨ2Ｏ１０（水蒸気）などが排出される。これらのガスは高温であるため、排熱回収ボイラ（図示せず）で熱回収して、発電に利用する（非特許文献１参照）。
【００１０】
固体燃料である石炭は、水分、灰分、揮発分ならびに固定炭素などの成分から構成されており、８００℃以上の高温場に石炭が投入されると、熱分解し、気体成分（揮発分＋水分）と固体成分（固定炭素＋灰分）に瞬時に分離される。一般に、気体成分を揮発分、固体成分をチャーと呼んでいる。
【００１１】
図１６は、従来のＣＬＣシステムの具体例を示す概略系統図である。  
同図に示すようにＣＬＣシステムは、空気反応器１、燃料反応器２、サイクロン１２、排ガス浄化装置１４、熱交換器１５、空気予熱器１６、熱交換器１７、ＣＯ２浄化装置１８、ＣＯ２圧縮液化装置３０ならびにＣＯ２貯留装置３１などを備えている。
【００１２】
前記空気反応器１−サイクロン１２−燃料反応器２−空気反応器１の間は、金属粒子４，５が循環できるように太い実線で示されている配管でエンドレス状に連結されている。
【００１３】
固体燃料（例えば石炭）７とガス化剤（例えばＣＯ２、Ｈ２Ｏ）１９が燃料反応器２に供給される。この燃料反応器２の内部には、金属粒子（ＭｅＯ）４が浮遊流動する流動層を形成している。燃料反応器２で還元された金属粒子（Ｍｅ）５はＬバルブ２０を通過して、空気反応器１へ移送される。
【００１４】
空気反応器１には、空気予熱器１６を通過した高温の空気６が導入されており、空気反応器１の内部では空気６と金属粒子（Ｍｅ）５が反応して、金属粒子（ＭｅＯ）４を生成する。この金属粒子（ＭｅＯ）４は排気ガス（Ｎ２、残留Ｏ２、ＮＯｘ、飛灰など）８と共にサイクロン１２に移動され、固体の金属粒子（ＭｅＯ）４と気体の排気ガス８に分離される。
【００１５】
金属粒子（ＭｅＯ）４は重力でサイクロン１２の下部に落下し、Ｌバルブ２０により流量制御されて、燃料反応器２へ移動する。燃料反応器２から排出されたＣＯ2ガス９とＨ2Ｏ（水蒸気）１０は熱交換器１７に送られて冷却され、ＣＯ2浄化装置１８で脱水ならびに不純物が除去され、さらにＣＯ2の圧縮液化がＣＯ２圧縮液化装置３０で行われて、得られた液化ＣＯ2がＣＯ２貯留装置３１に貯留される。
【００１６】
一方、前記サイクロン１２で分離されたＮ２、残留Ｏ２、ＮＯｘ、飛灰などの排気ガス８は熱交換器１５で冷却され、さらに空気予熱器１６で空気６と熱交換し、最後に排ガス浄化装置１４で無害化されて大気へ放出されるシステムになっている。
【００１７】
ＣＬＣシステムに関する先行技術文献としては、下記の特許文献１〜３ならびに非特許文献１などがある。
【００１８】
ところで、ＣＬＣシステムは金属粒子４，５の循環系統が主体となっているため、それらの粒子循環量を適正に制御する必要がある。粒子循環量を連続的に測定する従来技術としては、例えば反応器とサイクロンとを連結した水平管の差圧を測定するもの（特許文献４参照）、循環粒子と温度が異なるトレーサ粒子を供給し、粒子上昇移動間の温度変化のピーク時間差を測定するもの（特許文献５参照）、粒子下降移動管内に冷熱源プローブを設置し、冷却された粒子の温度変化のピーク時間差を測定するもの（特許文献６参照）、カメラ撮影による画像処理から粒子循環量を算出するもの（特許文献７参照）など、種々の方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２０１１−１６８７３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７８５７２号公報
【特許文献３】米国特許明細書第７７６７１９１号
【特許文献４】特開平６−１７４３７８号公報
【特許文献５】特開平６−３０４６３３号公報
【特許文献６】特開２００５−２３３４６０号公報
【特許文献７】特開２００８−１４５１１７号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】吉田、小野崎:ケミカルルーピング燃焼技術:季報  エネルギー総合工学研究所、Vol.33,No.1,pp29-35,2010,4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
前記特許文献１〜３ならびに非特許文献１などでは、石炭から生成する気体成分の揮発分と固体成分のチャーの２つの反応速度の差異について十分に考慮されていなかった。
【００２２】
図１７は、従来技術の課題を説明するための図である。同図に示すように、石炭が熱分解すると気体成分の揮発分と固体成分のチャーが生成する。揮発分は、金属粒子（ＭｅＯ）と数秒オーダで迅速に反応して、ＣＯ2ガスとＨ2Ｏ（水蒸気）が生成する。これに対してチャーは、一般に反応性が低く、数分オーダの反応時間が必要となる。
【００２３】
そのため、揮発分の反応速度を基準に１つの燃焼反応器を設計すると、チャーの方が燃焼反応器内部で反応時間を確保できず、チャーが未反応のままで排出されたり、もしくは未反応のチャーが反応器内に堆積するという問題がある。  
一方、チャーの反応速度を基準に１つの燃焼反応器を設計すると、揮発分の滞留時間が長くなり、そのために反応容積が巨大化し、コストアップとなる。
【００２４】
また、ＣＬＣシステムは、金属粒子の循環流動層を採用しているが、システムの運転中に粒子循環量が変動すると、圧力バランスが崩れ、その結果、排気ラインへの粒子の放出、あるいはガス逆流などの問題が生じる（詳細は後から説明する）。このためＣＬＣシステムの安定運転には、粒子循環量の制御が必要である。
【００２５】
しかしながら、高温場における粒子循環量を測定する手法として前記特許文献４〜７のように種々の方法が提案されているが、高温場で信頼性のある粒子循環量の測定方法は未だ確立されておらず、粒子循環量を制御することが困難であった。  
そのため前述のような、排気ラインへの粒子の放出、あるいはガス逆流などの諸問題が生じていた。
【００２６】
本発明の目的は、揮発分反応器の容積を巨大化する必要がなく、チャーの未反応率が低減でき、システムの高効率化が図れるとともに、高温場での粒子循環量の測定が可能となり、粒子循環量の変動を検知して、粒子循環量を制御することにより、安定運転ができるケミカルルーピング燃焼システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
例えばイルメナイト（ＦｅＴｉＯ３）などの酸素キャリア粒子を供給しながら形成した第１の反応層に例えば石炭などの固体燃料と、例えばＣＯ2やＨ2Ｏ（水蒸気）などのガス化剤を供給して前記固体燃料を熱分解させて、生成した固体成分をそのまま残して前記第１の反応層で酸化反応を行う燃料反応器と、
前記燃料反応器で生成した気体成分を取り出して、酸素キャリア粒子を供給しながら形成した第２の反応層に導入して気体成分の酸化反応を行う揮発分反応器と、
前記燃料反応器によって還元された前記酸素キャリア粒子を燃料反応器から取り出して、空気で酸化して酸素キャリア粒子とする空気反応器と、
前記空気反応器で生成した酸素キャリア粒子と排気ガスを分離して、分離された前記酸素キャリア粒子を前記揮発分反応器に供給する例えばサイクロンなどの固体・気体分離器を備え、
前記酸素キャリア粒子が前記燃料反応器−空気反応器−固体・気体分離器−揮発分反応器−燃料反応器の間を循環流動するように構成されている。
【００２８】
さらに、前記燃料反応器内における前記酸素キャリア粒子の量の変動を検知する例えば後述する粒子層高差圧計などの粒子量変動検知手段と、
前記粒子量変動検知手段の検知結果から前記酸素キャリア粒子の循環量の変動が少なくなるように前記酸素キャリア粒子の循環量を制御する例えば後述する流量制御器と弁からなる粒子循環量制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２９】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記粒子量変動検知手段が、前記第１の反応層の層高を差圧によって測定する層高測定手段、または前記第１の反応層の重量を測定する重量測定手段であることを特徴とするものである。
【００３０】
本発明の第３の手段は前記第１の手段において、
前記燃料反応器内に形成される前記第１の反応層が、前記酸素キャリア粒子がゆっくりと移動して、前記ガス化剤が前記酸素キャリア粒子の隙間を流れる移動層であり、
前記揮発分反応器内に形成される前記第２の反応層が、前記酸素キャリア粒子が浮遊流動する流動層であって、
前記流動層を形成するための流動化ガスとして前記燃料反応器で生成した気体成分を利用する構成になっていることを特徴とするものである。
【００３１】
本発明の第４の手段は前記第１の手段において、
前記燃料反応器へ供給するガス化剤として、前記揮発分反応器から排出される排ガスを利用する構成になっていることを特徴とするものである。
【００３２】
本発明の第５の手段は前記第１の手段において、
前記燃料反応器と前記空気反応器の間が第１のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第１のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第１の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記固体・気体分離器と前記揮発分反応器の間が第２のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第２のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第２の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記揮発分反応器と前記燃料反応器の間が第３のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第３のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第３の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記粒子量変動検知手段の検知結果に基づいて、前記第１の搬送ガス供給手段の搬送ガス供給量を制御する構成になっていることを特徴とするものである。
【００３３】
本発明の第６の手段は前記第１の手段において、
前記燃料反応器と前記空気反応器の間が第１のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第１のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第１の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記固体・気体分離器と前記揮発分反応器の間が第２のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第２のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第２の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記揮発分反応器と前記燃料反応器の間が第３のニューマティックバルブと配管で接続されて、前記第３のニューマティックバルブに粒子搬送ガスを供給する第３の搬送ガス供給手段が設けられ、
前記粒子量変動検知手段の検知結果に基づいて、前記第１、第２ならびに第３の搬送ガス供給手段の搬送ガス供給量を制御する構成になっていることを特徴とするものである。
【００３４】
本発明の第７の手段は前記第５または第６の手段において、
前記固体・気体分離器から排出される排気ガスを浄化する排ガス浄化手段を備え、
前記排ガス浄化手段から得られた窒素ガスを前記搬送ガス供給手段の粒子搬送ガスとして利用する構成になっていることを特徴とするものである。
【００３５】
本発明の第８の手段は前記第６の手段において、
前記第２ならびに第３の搬送ガス供給手段により供給される粒子搬送ガスとして、前記揮発分反応器から排出される排気ガスを利用する構成になっていることを特徴とするものである。
【００３６】
本発明の第９の手段は前記第２の手段において、
前記燃料反応器内の第１の反応層に前記ガス化剤を供給する散気管が備えられて、
前記層高測定手段が前記散気管とは別に設置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３７】
本発明は前述のような構成になっており、揮発分反応器の容積を巨大化する必要がなく、チャーの未反応率が低減でき、システムの高効率化が図れるとともに、高温場での粒子循環量の測定が可能となり、粒子循環量の変動を検知して、粒子循環量を制御することにより、安定運転ができるケミカルルーピング燃焼システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例１に係るケミカルルーピング燃焼システムの具体例を示す概略系統図である。
【図２】そのケミカルルーピング燃焼システムの原理を説明するための図である。
【図３】適切なチャーの反応時間を把握するために実施した要素試験装置（同図ａ）ならびに試験仕様（同図ｂ）を示す概要図である。
【図４】その要素試験の結果を示すチャー未反応率特性図である。
【図５】Ｌバルブ内での粒子の通過状態を模式的に示した図であり、同図（ａ）は粒子の流量が少ない状態、同図（ｂ）は粒子の流量が適当な状態、同図（ｃ）は粒子の流量が多い状態を示した図である。
【図６】同図（ａ）は試験装置に使用した燃料反応器−空気反応器−サイクロン−揮発分反応器の閉ループ系統図、同図（ｂ）は試験に使用した粒子循環流量制御用Ｌバルブの寸法を表示した図である。
【図７】この試験によって得られた粒子搬送ガス流量（横軸）と金属粒子循環流量（縦軸）との関係を示す特性図である。
【図８】燃料反応器内での金属粒子の不足領域、適正領域、過剰領域を示す説明図である。
【図９】燃料反応器内の金属粒子層の重量（横軸）と金属粒子層の差圧との関係を示す特性図である。
【図１０】循環流動化試験装置に使用した燃料反応器−空気反応器−サイクロン−揮発分反応器の閉ループ系統図である。
【図１１】循環流動化試験時の粒子搬送ガス流量（下段）と燃料反応器の粒子層差圧（上段）の関係を示す特性図である。
【図１２】本発明の実施例２に係るケミカルルーピング燃焼システムの具体例を示す概略系統図である。
【図１３】本発明の実施例３に係るケミカルルーピング燃焼システムの具体例を示す概略系統図である。
【図１４】本発明の実施例４に係るケミカルルーピング燃焼システムの具体例を示す概略系統図である。
【図１５】従来のケミカルルーピング燃焼システムの原理を説明するための図である。
【図１６】従来のケミカルルーピング燃焼システムの具体例を示す概略系統図である。
【図１７】従来技術の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
次に本発明の各実施例を図面と共に説明する。  
【実施例１】
【００４０】
図１は本発明の実施例１に係るにケミカルルーピング燃焼（ＣＬＣ）システムの具体例を示す概略系統図、図２はそのＣＬＣシステムの原理を説明するための図である。
【００４１】
まず、図２を用いて本実施例に係るＣＬＣシステムの原理について説明する。  
本発明の基本的な特徴点は、本来の燃焼反応器を別個に独立した燃料反応器２と揮発分反応器３の２塔に分けたことである。従ってＣＬＣシステムは図２に示すように、空気反応器１と燃料反応器２と揮発分反応器３から主に構成されており、これらの間を金属粒子（ＭｅＯ）４と金属粒子（Ｍｅ）５が循環流動するシステムになっている。なお、揮発分反応器３は、燃料反応器２よりも上方に配置されている。
【００４２】
燃料反応器２の内部には、高温の金属粒子（ＭｅＯ）４と金属粒子（Ｍｅ）５が混在しており、そこに固体燃料（石炭）７が供給されて、固体燃料（石炭）７は固体成分のチャーと気体成分１１の揮発分１３に分離する。チャーはそのまま燃料反応器２の内部で反応し、チャーの反応阻害要因である揮発分１３は直ちに揮発分反応器３へ送られて、燃料反応器２内から排除される。
【００４３】
なお、予備実験として、揮発分を分離したチャー単独の場合のチャーのガス化率と、揮発分を分離しない場合のチャーのガス化率を調べたところ、揮発分を分離した方がチャーのガス化率は増加していることを確認している。これは、揮発分とチャー反応生成物とのガス分圧差の影響や、揮発分がチャーの反応表面に吸着するなどが考えられる。このことからも、揮発分はチャーの反応阻害要因であることが分かり、チャーの反応を効率よく進めるには、揮発分とチャーの分離が必要である。
【００４４】
一方、空気反応器１では、金属粒子（Ｍｅ）５が空気６中の酸素と反応して金属酸化物（ＭｅＯ）４となる。酸化した金属粒子（ＭｅＯ）４は、サイクロン１２（図１参照）で排ガス（Ｎ2，Ｏ2）８と分離されて、揮発分反応器３へ送られる。揮発分１３は高温の金属粒子（ＭｅＯ）４と接触して反応し、ＣＯ2９やＨ2Ｏ（水蒸気）１０を生成して、それらは揮発分反応器３から排出される。
【００４５】
燃料反応器２内での固体燃料７の酸化により、金属粒子（ＭｅＯ）４は還元されて金属粒子（Ｍｅ）５となり、再び空気反応器１へ戻る循環ループを形成する。
【００４６】
次に図１を用いて本発明の実施例に係るＣＬＣシステムの概略系統について具体的に説明する。  
同図に示すようにＣＬＣシステムは、空気反応器１、燃料反応器２、揮発分反応器３、サイクロン１２、排ガス浄化装置１４、熱交換器１５、空気予熱器１６、熱交換器１７、ＣＯ２浄化装置１８、ＣＯ２圧縮液化装置３０ならびにＣＯ２貯留装置３１などを備え、図に示すような接続関係になっている。
【００４７】
前記空気反応器１−サイクロン１２−揮発分反応器３−燃料反応器２−空気反応器１の間は、金属粒子４，５が循環できるように太い実線で示されている配管でエンドレス状に連結されている。
【００４８】
始めに、固体燃料（石炭）７とガス化剤（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ）１９が燃料反応器２に供給される。この燃料反応器２には、高温の金属粒子（ＭｅＯ）４と金属粒子（Ｍｅ）５が混在した流動層（第１の反応層）３２が形成されている。
【００４９】
ここで、固体燃料（石炭）７は熱分解し、固体成分のチャーと気体成分の揮発分１３に分離し、チャーはそのまま燃料反応器２の内部に残って反応し、生成したガス状の揮発分１３は気体成分１１として揮発分反応器３へ移動する。また、燃料反応器２からは、還元された金属粒子（Ｍｅ）５が適量排出される。
【００５０】
排出された金属粒子（Ｍｅ）５は、粒子搬送量調整手段である粒子循環量制御用Ｌバルブ（第１のバルブ）２２を通過して、空気反応器１へ移送される。空気反応器１には、空気予熱器１６を通過した高温の空気６が導入されており、空気反応器１の内部では空気６と金属粒子（Ｍｅ）５が反応して、酸化した金属粒子（ＭｅＯ）４を生成する。
【００５１】
この金属粒子（ＭｅＯ）４は排気ガス（Ｎ２、残留Ｏ２、ＮＯｘ、飛灰など）８と共にサイクロン１２に移動され、比重差により固体の金属粒子（ＭｅＯ）４と気体の排気ガス８に分離される。
【００５２】
金属粒子（ＭｅＯ）４は、重力でサイクロン１２の下部に落下し、粒子搬送手段であるＬバルブ（第２のバルブ）２０ａを通過して、揮発分反応器３へ移動する。この揮発分反応器３の内部では、燃料反応器２から送られてきた揮発分１３が、金属粒子（ＭｅＯ）４を浮遊流動させながら金属粒子（ＭｅＯ）４と反応して、ＣＯ2ガスとＨ2Ｏ（水蒸気）が生成する。
【００５３】
また、金属粒子（ＭｅＯ）４は揮発分１３との反応により還元されて金属粒子（Ｍｅ）５となり、その金属粒子（Ｍｅ）５と未反応の金属粒子（ＭｅＯ）４は、粒子搬送手段であるＬバルブ（第３のバルブ）２０ｂを通過して、燃料反応器２へ移動する。
【００５４】
このようにＣＬＣシステムでは、金属粒子４，５が燃料反応器２→空気反応器１→サイクロン１２→揮発分反応器３→燃料反応器２→・・・を循環流動しながら、固体燃料７と反応している。また、金属粒子４，５を搬送する配管（図１において太い実線で示す部分）に使用する搬送用流体として、系内で生成したＣＯ2ガスおよび／あるいはＨ2Ｏ（水蒸気）、または排ガス８が利用される。
【００５５】
揮発分反応器３内で生成した前記ＣＯ2ガス９とＨ2Ｏ（水蒸気）１０は熱交換器１７に送られて冷却され、熱交換器１７で得られた蒸気は図示しない発電設備に送られる。
【００５６】
その後、ＣＯ2ガス９とＨ2Ｏ（水蒸気）１０はＣＯ2浄化装置１８で脱水と不純物の除去がなされ、ＣＯ２圧縮液化装置３０でＣＯ2ガス９の圧縮液化が行われて、液化したＣＯ２がＣＯ２貯留装置３１に貯留される。
【００５７】
前記サイクロン１２で分離されたＮ２、残留Ｏ２、ＮＯｘ、飛灰などの排気ガス８は熱交換器１５で冷却され、さらに空気予熱器１６で空気６と熱交換し、最後に排ガス浄化装置１４で無害化されて大気へ放出される。前記熱交換器１５で得られた蒸気は図示しない発電設備に送られる。
【００５８】
このＣＬＣシステムでは、燃料反応器２内でのチャー滞留時間を確保するために、燃料反応器２内は移動層３２とした。移動層とは、金属粒子が連続的に供給され、砂時計の如く、金属粒子が充填されたままゆっくりと下方へ移動し、ガス（ガス化剤１９）は粒子の隙間を流れて上方へ移動し、チャーはその移動層内でゆっくりとガス化反応する。移動層３２は気泡流動層のようにガス流速が速くないため、チャーが飛散して、燃料反応器２の内面に固着するようなことはない。
【００５９】
一方、揮発分反応器３は流動層（第２の反応層）３３とし、流動化ガスとして燃料反応器２から発生した揮発分１３を利用することで、揮発分１３と酸素キャリア粒子である金属粒子（ＭｅＯ）４の接触を良好に行い、反応性を高める効果がある。
【００６０】
金属粒子（ＭｅＯ）４としては、例えばニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ），銅（Ｃｕ），カルシウム（Ｃａ）などの酸化物が使用される。特に酸化鉄は無公害で安価なためＣＬＣシステムに好適である。金属粒子（ＭｅＯ）４としては酸化鉄を使用した場合の還元、酸化反応式を下記に示す。
【００６１】
還元反応：  Ｃ（石炭）＋６Ｆｅ２Ｏ３⇒４Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ２−吸熱  ・・・（３）
酸化反応：  ４Ｆｅ３Ｏ４＋Ｏ２（空気）⇒６Ｆｅ２Ｏ３＋発熱      ・・・（４）
金属粒子（ＭｅＯ）４として酸化鉄を使用した場合、金属粒子（ＭｅＯ）４はＦｅ２Ｏ３、金属粒子（Ｍｅ）５はＦｅ３Ｏ４に相当する。そして空気反応器１では前記式（４）に示すＦｅ３Ｏ４と空気の酸化反応が生じ、燃料反応器２と揮発分反応器３では前記式（３）に示すＦｅ２Ｏ３の還元反応が生じる。
【００６２】
揮発分１３の主成分はＣＨ４とＣＯとＨ２であり、揮発分反応器３では揮発分１３と金属粒子（ＭｅＯ）４であるＦｅ２Ｏ３の間で下記の反応が生じる。
【００６３】
ＣＨ４＋６Ｆｅ２Ｏ３⇒ＣＯ＋Ｈ2Ｏ＋４Ｆｅ３Ｏ４  ・・・（５）
ＣＯ＋３Ｆｅ２Ｏ３⇒ＣＯ２＋２Ｆｅ３Ｏ４          ・・ （６）
Ｈ２＋３Ｆｅ２Ｏ３⇒Ｈ2Ｏ＋２Ｆｅ３Ｏ４            ・・ （７）
次に本発明に至った経過について説明する。図１７で説明したように、石炭が熱分解すると気体成分の揮発分と固体成分のチャーが生成する。揮発分は金属粒子（ＭｅＯ）との固−気反応であるため反応時間は数秒オーダと速いが、一方のチャーは反応完了時間が遅い。従って、チャーの反応が律速反応となり、チャーの反応速度に適した反応器の設計が必要である。
【００６４】
そこで本発明者らは、適切なチャーの反応時間を把握するために、要素試験を実施した。図３はその要素試験装置（ａ）ならびに試験仕様（ｂ）を示す概要図、図４その要素試験の結果を示すチャー未反応率特性図である。
【００６５】
この要素試験装置は図３に示すように、石英製サンプル容器５１（内径１３ｍｍ、外径１６ｍｍ、高さ６０ｍｍ）が石英製反応管５２（内径１７ｍｍ、外径２０ｍｍ、高さ１０００ｍｍ）内に挿入されており、その反応管５２は電気炉５３内に設置されている。反応管５２の出口側には、ＣＯ／Ｏ２／ＣＯ２モニタ５５が接続されている。
【００６６】
要素試験は、サンプル容器５１に石炭（アダロ炭）を１０００℃で乾留したチャー５４に金属粒子（ＭｅＯ）４であるＦｅ２Ｏ３を添加したものと無添加のものを投入し、それを反応管５２にそれぞれ挿入する。次にガス化剤９（反応ガス）としてＣＯ２ガスを反応管５２に通気しながら、１０００℃で反応させる。
【００６７】
Ｃ（チャー）＋ＣＯ２⇒２ＣＯ  ・・・（８）
そして、この反応によって生成したＣＯガス濃度と残留チャー重量からチャー反応の経時変化を求め、時間とチャーの未反応率との関係をＦｅ２Ｏ３の有無別に図４にまとめた。  
この図４の試験結果から明らかなように、時間の経過とともにチャーの未反応率は低下するが、Ｆｅ２Ｏ３を添加した方がＦｅ２Ｏ３無添加のものに比べてチャーの未反応率は極端に下がっている。これにより、Ｆｅ２Ｏ３が反応促進の要因となることが明らなになった。
【００６８】
しかしながら、チャーの反応完了には分オーダの反応時間が必要であることが明らかになった。すなわち、揮発分の数秒オーダの反応速度を基準に燃料反応器を設計すると、反応器内に未反応のチャーが堆積するという問題があることを確認した。
【００６９】
本発明は、石炭の酸化反応をチャー反応と揮発分反応に分けて、チャーの反応時間確保による未反応物を低減することを目的として、図１に示すように燃料反応器２とは別に揮発分反応器３を設けて、燃料反応器２で生成した揮発分１３は直ちに揮発分反応器３に送ることによりチャーと分離し、チャーはそのまま燃料反応器２に残すようにした。このようにチャー反応と揮発分反応を器毎に分けることにより、揮発分反応器３は比較的容積の小さい反応器でよい。
【００７０】
一般に循環流動層では粒子搬送用ガスシールバルブとして、メカニカルバルブまたはＬバルブなどのニューマティックバルブが用いられる。メカニカルバルブでは６００℃以上でシール部が破損するため、高温場ではＬバルブなどのニューマティックバルブが採用される。Ｌバルブとは図５に示すようなＬ字型配管３５で構成されており、エアレーション３６を行うことで、粒子層を流動化して駆動し、粒子搬送流量を制御するものである。図中の符号３７は粒子の滞留部を示している。
【００７１】
同図（ａ）は粒子の流量が少ない状態、同図（ｂ）は粒子の流量が適当な状態、同図（ｃ）は粒子の流量が多い状態を示しており、各状態において粒子の滞留部３７の大きさが異なっている。
【００７２】
再び図１に戻って、燃料反応器２にガス化剤１９を供給する供給ラインの先端部に設けられた散気管３４は、燃料反応器２の移動層３２に埋設されている。燃料反応器２の空塔部と散気管３４の間には粒子層高差圧計２３が設置されており、燃料反応器２の粒子層による差圧を測定している。
【００７３】
粒子層高差圧計２３からの差圧信号は流量制御器２４に伝送され、弁２６で粒子搬送ガス（Ｎ２）の流量が調節され、フローメータ２７を介して、粒子循環量制御用Ｌバルブ２２へ供給される。
【００７４】
次に各機器の具体的な機器寸法などについて説明する。  
空気反応器１は、導入した金属粒子（Ｍｅ）５を空気６により上昇させるため、空気６の空塔速度が金属粒子（Ｍｅ）５の終末速度１．３ｍ／ｓ（１０００℃、粒径１５０μｍ、密度５．１５ｇ／ｃｍ３）よりも速くなるように、空気反応器１の断面積を設計する。
【００７５】
燃料反応器２は、金属粒子４、５が移動層３２を形成するため、ガス化剤１９の流速は金属粒子４、５の流動化開始速度より遅い速度で供給する必要がある。例えばＦｅ２Ｏ３（粒径１５０μｍ、密度５．１５ｇ／ｃｍ３）を使用した場合、ＣＯ２雰囲気で１０００℃の反応器内の流動化開始速度は０．０１５ｍ／ｓであるから、燃料反応器２の空塔速度が０．０１５ｍ／ｓ未満になるように、ガス化剤１９の流速調整ならびに燃料反応器２の断面積を設計する。
【００７６】
揮発分反応器３は、金属粒子（ＭｅＯ）４を揮発分１３のガス量により流動化させるため、揮発分１３の空塔速度が流動化開始速度よりも速くなるように、揮発分反応器３の断面積を設計する。
【００７７】
また各反応器１，２，３の温度は高温ほど反応速度が速くなるものの、１１００℃以上では灰が溶融し、冷却時に固化して、閉塞する可能性があるため、各反応器１，２，３の上限温度は１０００℃付近が望ましい。本実施例では次の表１に示すように各反応器１，２，３での温度は、８００〜１０００℃の範囲に維持されている  
次の表１は、各反応器１，２，３を設計する際の基準仕様を示すものである。
【表１】
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【００７８】
次にＬバルブについて説明する。本発明では金属粒子の流量制御に、ニューマティックバルブが使用している。このニューマティックバルブには、Ｌバルブの他に例えばＪバルブやＮバルブなどがある。
【００７９】
図５で説明したように、Ｌバルブの管内でエアレーション３６を行うことで、管内の金属粒子を流動化および搬送でき、循環流動層などの循環流量制御用バルブとして使用される。Ｌバルブの設計では、エアレーションガスの空塔速度が流動化開始速度になるように、配管の直径を設計し、また、Ｌバルブの垂直管部と水平管部の圧力損失が垂直管部の方が大きくなるように、垂直管部ならびに水平管部の長さを設計する。
【００８０】
Ｌバルブによる金属粒子の流量制御は、Ｌバルブの垂直管部に制御用ガス（粒子搬送ガス２５）を供給して行う。制御用ガスの流量は、粒子流動化開始ガス速度以上とし、制御用ガス流量の増減により金属粒子の移動量、すなわち流量の制御ができる。制御用ガスの供給口は、Ｌバルブの水平管部の底部や垂直管部に設けられる。特に垂直管部の供給口高さは、一般に水平管部中心高さ（Ｈ）から水平管部直径（Ｄ）の２倍程度が経験として推奨されている。
【００８１】
本実施例において、固体燃料７には、例えば石炭、バイオマスあるいは石炭とバイオマスの併用など、炭化水素を主成分とする固体燃料が用いられる。  
ガス化剤１９には、例えばＣＯ２ガスやＨ2Ｏ（水蒸気）などが用いられる。また、揮発分反応器３で生成したＣＯ２ガスやＨ2Ｏ（水蒸気）をガス化剤１９として利用すると、コスト低減になる。
【００８２】
排気ガス８にはＮＯｘ、飛灰、微粉化金属粒子などが含まれることがあり、それらを除去するために排ガス浄化装置１４として脱硝装置や除塵装置などを設けることもできる。  
ガス中にＣＯ２以外に水分、灰、硫黄化合物、微量重金属などが含まれることがあり、それらを除去するためにＣＯ２浄化装置１８として脱水装置、除塵装置、脱硫装置、重金属回収装置などを設けることもできる。
【００８３】
次に本実施例において、燃料反応器２と揮発分反応器３に分離した作用効果について簡単にまとめて説明する。  
（１）．燃料反応器２に移動層３２を採用することで、反応器内でのチャーの滞留時間を分オーダで確保できるため、チャーの未反応率が低減でき、ＣＬＣシステムでのＣＯ２回収効率を向上することができる。さらに、本システムを発電システムに利用する場合には、発電効率を向上することができる。
【００８４】
（２）．燃料反応器２から揮発分１３を即座に揮発分反応器３に移動できるため、燃料反応器２の内部でのチャーの反応を揮発分１３により阻害することが防止できる。  
（３）．揮発分反応器３の流動化ガスに揮発分１３を流用するため、金属粒子との接触効率が高く、反応効率の向上に寄与できる。また、外部からの流動化ガスが不要なため、揮発分反応器３の容積を小さくして、システムのコンパクト化が図れる。
【００８５】
（４）．未反応チャーが存在せず排ガスにＣＯ２が含まれないため、ＣＯ２回収効率の低下が防止できる。  
以上のように、チャーの反応律速の問題において、チャーと揮発分の酸化反応を２塔に分けて行うことで、チャーの未反応率が低減でき、ＣＬＣシステムの高効率化が図れる。
【００８６】
前述のようにＣＬＣシステムを安定して運転するためには、粒子循環量の変動を制御することが不可欠である。  
例えば図１において、粒子循環量が急激に低下した場合は、燃料反応器２は粒子量が増加して圧力損失が増加→Ｌバルブ２２の粒子搬送量が低下→揮発分反応器３の粒子量が増加して圧力損失の増加→Ｌバルブ２０ａの粒子搬送量が低下→サイクロン１２の排ガス出口から粒子が放出するといった危険がある。
【００８７】
一方、粒子循環量が急激に増加した場合は、燃料反応器２は粒子量が減少して圧力損失が減少→揮発分反応器３は粒子量が増加して圧力損失の増加→揮発分１３と固体燃料７が燃料反応器２から空気反応器１に逆流→空気反応器１で空気６と揮発分１３ならびに固体燃料７が高温燃焼→空気反応器１が破損するといった危険がある。
【００８８】
これらの危険を回避するためには、Ｌバルブによる粒子循環量を適切に制御する必要がある。図１に示したＣＬＣシステムでは、金属粒子４，５の循環系統内にＬバルブを３個所設置しているが、Ｌバルブは流入して来た粒子量以上は搬送できないため、１個所のＬバルブの粒子搬送量を制御するだけで、他のＬバルブの粒子搬送量も自動的に決まる。
【００８９】
仮に、粒子循環量制御にサイクロン１２の下部に設置されているＬバルブ２０ａを用いた場合、粒子循環量を低下させるとサイクロン１２の排ガス出口から粒子が放出するリスクがある。
【００９０】
一方、粒子循環量制御に揮発分反応器３と燃料反応器２の間に設置されているＬバルブ２０ｂを用いた場合、揮発分反応器３の粒子出口がオーバーフロー式のため、粒子循環量の増加に制限がある。また、揮発分反応器３内の粒子が全て喪失することはなく、他のＬバルブに比べて技術的重要性は低い。
【００９１】
以上の理由から本実施例では、粒子循環量の急激な変動リスクを回避するための粒子循環量を制御するＬバルブの位置としては、燃料反応器２の下部に設置されているＬバルブ２２が最適であると判断した。
【００９２】
このＣＬＣシステムにおいて、粒子循環量の変動が最も早く現れるのが燃料反応器２であるため、燃料反応器２の下部に設置されているＬバルブ２２であれば粒子循環量制御の応答性が速く、サイクロン１２の排ガス出口からの粒子の放出や、固体燃料７や揮発分１３の空気反応器１への逆流に伴う空気反応器１の破損といった危険が回避できる。
【００９３】
また、粒子循環量の変動は燃料反応器２に滞留する粒子量の変動に現れ、その粒子量は粒子層高差圧計２３による燃料反応器２の空塔部の内圧とガス化剤１９の圧力の差圧で容易に検出可能である。  
さらに固定燃料のガス化反応を維持するための燃料反応器２内の粒子滞留時間も同時に制御できるといった効果もある。
【００９４】
一方、粒子循環量の制御には粒子流量の測定が必要であるが、高温場での測定方法は確立されていなかった。このため本実施例では、燃料反応器２内の粒子層の差圧の変動に基づいて、粒子循環量の変動を検知する手法を確立した。但し、その差圧から粒子循環量を検知するには、事前に粒子循環量と粒子層差圧の関係を測定（把握）しておくことが必要である。このことについて、事前に検討した結果を次に説明する。
【００９５】
図６（ａ）は試験装置に使用した燃料反応器２−空気反応器１−サイクロン１２−揮発分反応器３の閉ループ系統図、図６（ｂ）はこの試験装置に使用した粒子循環流量制御用Ｌバルブの寸法を表示した図である。
【００９６】
図６（ａ）に示すように、粒子循環流量は粒子循環流量制御用Ｌバルブ２２に供給する粒子搬送ガス（Ｎ２）２５の流量を調整して、金属粒子を矢印で示すように循環し、サイクロン１２の下部で分離された粒子を捕集し、単位時間当たりの粒子重量を測定した。
【００９７】
試験に使用した粒子循環流量制御用Ｌバルブ２２の寸法は図６（ｂ）に示すように、内径２０ｍｍ、垂直管部長さ３００ｍｍ、水平管部長さ１５０ｍｍである。
【００９８】
また、試験では酸素キャリア粒子として天然鉱石のイルメナイト（ＦｅＴｉＯ３）を使用した。イルメナイトは鉄とチタンの複合酸化物で、鉄が酸素キャリアの役割を果たしている。イルメナイトは自然界に大量に存在するため、安価で、且つ人体にも無害であり、ＣＬＣ用酸素キャリア粒子として賞用できる。
【００９９】
イルメナイトには、ＴｉＯ２が４６ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３が４９ｗｔ％含まれており、平均粒子径が１２３μｍ、真比重が４．２．〜４．３、嵩比重が２．４〜２．７である。
【０１００】
図７は、この試験によって得られた粒子搬送ガス流量（横軸）と金属粒子循環流量（縦軸）との関係を示す特性図である。
【０１０１】
この図７から明らかなように、粒子搬送ガス流量（エアレーションガス流量）の増加に伴い、金属粒子循環流量が増加する。しかし、粒子搬送ガス流量（エアレーションガス流量）がある値以上では、粒子搬送ガス（エアレーションガス）は粒子循環流量制御用Ｌバルブ２２の垂直管部側へ流れ、そのために金属粒子循環流量が低下することが分かった。
【０１０２】
この試験結果から、例えば固体燃料７が１０ｋＷｔｈ（１０ｋＷサーマル）相当の石炭の場合、必要な金属粒子循環流量は数１０ｇ／ｓであり、そのときの粒子搬送ガス流量（エアレーションガス流量）は数ＬＮ／ｍｉｎであることが分かった。
【０１０３】
なお、前記「ｋＷｔｈ」は、石炭の総熱量を表す単位である。例えば出力１００ｋＷｅ発電プラントに必要な石炭量は、その約３倍の３００ｋＷｔｈ（１Ｗ＝１Ｊ／ｓ）の熱を供給できる量となる。これは、発熱量が異なる石炭でも、熱量を同じになるように石炭量を調整すれば、一定の性能が得られるため、発電プラントの性能規模を示すのに、熱量で換算した単位が採用されている。
【０１０４】
図８は燃料反応器２内での金属粒子の不足領域、適正領域、過剰領域を示す説明図、図９は燃料反応器２内の金属粒子層の重量（横軸）と金属粒子層の差圧との関係を示す特性図である。
【０１０５】
この試験でも酸素キャリア粒子として天然鉱石のイルメナイト（ＦｅＴｉＯ３）を使用した。燃料反応容器２として内径２００ｍｍ、高さ６００ｍｍのものを使用した。また、ガス化剤１９の流量は、移動層３２を形成するために粒子流動化開始速度（１ｍ／ｓ）より遅いガス流速とし、２Ｌ／ｍｉｎ（図９で◇印表示）および４Ｌ／ｍｉｎ（図９で▲印表示）の両方で試験を行った。燃料反応器２の内圧とガス化剤１９の圧力の差圧は、粒子層高差圧計２３によって測定した。
【０１０６】
図９から明らかなように、ガス化剤１９の流速が２Ｌ／ｍｉｎ（◇印参照）でも４Ｌ／ｍｉｎ（▲印参照）でも、燃料反応器２内の粒子層重量（粒子充填量）が増加すると、それに応じて粒子層差圧は増加する傾向にある。
【０１０７】
図８に示す粒子不足の領域では、粒子層重量（粒子充填量）が少なく、粒子循環速度が速いことを意味し、燃料反応容器２内で十分な粒子滞留時間が維持できない。また、粒子循環流量制御用Ｌバルブ２２に十分な圧力が加わらないので、滞留粒子による燃料反応容器２内のガスシール性が決壊して、ガスが空気反応器１側に逆流する。
【０１０８】
一方、図８に示す粒子過剰の領域では、粒子層重量（粒子充填量）が過剰で、粒子循環速度が遅いことを意味し、反応に必要な揮発分１３を揮発分反応器３へ供給できなくなり、未酸化物が放出される。また、燃料反応容器２の粒子流入口やガス出口が金属粒子で閉塞されるなどのリスクがある。
【０１０９】
そこで、燃料反応容器２内の粒子量を適正に維持するには、燃料反応容器２の粒子層差圧を図９において斜線で示した数１００Ｐａの範囲に維持する必要があることが判明した。
【０１１０】
前記図７ならびに図９の試験結果を基にして、さらに循環流動化試験を行った。図１０は循環流動化試験装置に使用した燃料反応器２−空気反応器１−サイクロン１２−揮発分反応器３の閉ループ系統図、図１１は循環流動化試験時の粒子搬送ガス流量（下段）と燃料反応器２の粒子層差圧（上段）の関係を示す特性図である。
【０１１１】
図１１から明らかなように、燃料反応容器２の粒子層差圧を数１００Ｐａ付近に維持するように、燃料反応容器２の下部に設置してある粒子循環量制御用Ｌバルブ２２に供給する粒子搬送ガス量を制御すると、粒子層差圧をほぼ一定に維持することができ、そのためにサイクロン１２（図１０参照）からの金属粒子の放出が無く、安定した循環流動ができる。
【０１１２】
次にこれらの作用効果を簡単にまとめて説明する。  
（１）本実施例によれば、ＣＬＣシステム内の金属粒子循環量の変動を、燃料反応容器２内の粒子層差圧を測定することで、容易に検知することできる。そして金属粒子循環量の変動を制御できるため、燃料反応容器２や揮発分反応器３内の粒子量の過不足、サイクロン１２からの粒子の放出、固体燃料７や生成ガスの空気反応器１への逆流といったリスクが回避でき、ＣＬＣシステムの安定した運転が可能となる。
【０１１３】
（２）金属粒子循環量の変動の検出には、安価で簡便な差圧計を利用するため、設備費やメンテナンス費の低減が可能となる。
【０１１４】
（３）金属粒子循環量の制御は、燃料反応容器２の下部に設置したニューマティックバルブ（Ｌバルブ２２）のエアレーション量（粒子搬送ガス量）で実施できるため、金属粒子循環量制御の応答性が速く、さらに、固体燃料のガス化反応を維持するための燃料反応容器２内の金属粒子滞留時間も同時に制御できる。
【０１１５】
本実施例では金属粒子循環量の変動を制御するために、燃料反応容器２内の粒子層差圧を測定したが、他の手段として、燃料反応容器内の粒子層の重量変化を測定する手段もある。粒子層の重量を測定する手段として、粒子を有する燃料反応容器自体の重量をロードセルで測定する手段や、燃料反応容器の粒子入口にシーソー式の測量カップを設置する手段などがある。  
【実施例２】
【０１１６】
図１２は、本発明の実施例２に係るＣＬＣシステムの具体例を示す概略系統図である。
【０１１７】
本実施例において、図１に示す実施例１と相違する点は、図１２に示すように、揮発分反応器３と熱交換器１７の間の排気ラインから燃料反応器２に延びたＣＯ２戻しライン３９を設け、そのＣＯ２戻しライン３９上に弁４０とフローメータ４１を付設して、揮発分反応器３から排出される高温のＣＯ２ガス９やＨ2Ｏ（水蒸気）１０をガス化剤１９として利用した点である。
【０１１８】
通常、燃料反応器２が冷えないようにするのに、ガス化剤１９を４００〜１０００℃程度まで加熱する必要があり、そのために消費エネルギーが大きいという問題を有していた。本実施例では、揮発分反応器３から排出されるＣＯ２ガス９やＨ2Ｏ（水蒸気）１０の温度が約１０００℃であるため、それをそのままガス化剤１９として利用するから、加熱が不要となり、消費エネルギーの低減が可能となる。
【０１１９】
本実施例では図１２に示すように、揮発分反応器３と熱交換器１７の間の排気ラインから燃料反応器２に延びたＣＯ２戻しライン３９を設けたが、熱交換器１７とＣＯ２浄化装置１８の間の排気ラインから燃料反応器２に延びたＣＯ２戻しライン３９を設けることも可能である。
【実施例３】
【０１２０】
図１３は、本発明の実施例３に係るＣＬＣシステムの具体例を示す概略系統図である。  
実施例１では図１に示すように、１個所のＬバルブ２２に供給する粒子搬送ガス２５で、システム全体の金属粒子循環量を制御していた。
【０１２１】
これに対して本実施例では、図１３に示すように、サイクロン１２の下部に設けたＬバルブ２０ａ、揮発分反応器３と燃料反応器２の間に設けたＬバルブ２０ｂならびに散気管３４に、熱交換器１７とＣＯ２浄化装置１８の間の排気ラインから延びたＣＯ２戻しライン３９をそれぞれ接続する。
【０１２２】
このＣＯ２戻しライン３９のＬバルブ２０ａ、２０ｂならびに散気管３４のガス流れ方向上流側には、弁４０とフローメータ４１がそれぞれ付設されている。
【０１２３】
揮発分反応器３から排出されるＣＯ２ガス９やＨ2Ｏ（水蒸気）１０は、Ｌバルブ２０ａ、２０ｂに粒子搬送ガス２１として供給され、散気管３４にはガス化剤１９として供給される。
【０１２４】
また、排ガス浄化装置１４から延びた排ガス戻しライン４２を設け、それを粒子循環量制御用Ｌバルブ２２に接続し、排ガス戻しライン４２の途中には弁２６とフローメータ２７が付設されている。排ガス浄化装置１４からの排気Ｎ２ガスは、粒子搬送ガス２５として粒子循環量制御用Ｌバルブ２２に供給される。
【０１２５】
流量制御器２４は、ＣＯ２戻しライン３９上の弁４０と、排ガス戻しライン４２上の弁２６に、それぞれ接続されている。
【０１２６】
本実施例では、Ｌバルブ２０ａ、２０ｂならびにＬバルブ２２において粒子搬送量の制御が個別にできることから、各反応器１、２、３での閉塞や粒子循環量変動のリスクに対応できる。
【０１２７】
また、揮発分反応器３から排出されるＣＯ２ガス、排ガス浄化装置１４から排出されるＮ２ガスを利用することから、ＣＯ２やＮ２の購入が不要であり、材料費の低減が図れる。さらに、前記排ガスは約４００〜１０００℃と高温であるから、加熱が不要で、消費エネルギーの低減も図れる。
【０１２８】
本実施例では図１３に示すように、熱交換器１７とＣＯ２浄化装置１８の間の排気ラインからＣＯ２戻しライン３９を延ばしたが、揮発分反応器３と熱交換器１７の間の排気ラインからＣＯ２戻しライン３９を延ばすことも可能である。
【実施例４】
【０１２９】
図１４は、本発明の実施例４に係るＣＬＣシステムの具体例を示す概略系統図である。  
図１４に示すように、Ｌ字型の単管からなる粒子層高測定用単管４３の垂直管部を燃料反応器２の移動層３２中に所定深さ差し込み、粒子層高測定用単管４３にＣＯ２ガスからなる粒子層高測定用ガス４４を供給する。そして、燃料反応器２の空塔部と粒子層高測定用単管４３の間に粒子層高差圧計２３が設置されて、粒子層の差圧を検知している。
【０１３０】
なお、燃料反応器２へガス化剤１９(ＣＯ2、Ｈ2Ｏ)を供給する散気管３４は、粒子層高測定用単管４３とは別個に設けられている。
【０１３１】
このように散気管３４と粒子層高測定用単管４３を分けることにより、ガス化剤１９の供給流量が変動した場合でも、それに影響することなく粒子層高の測定が可能である。
【０１３２】
前記各実施例では固体燃料として石炭を用いた場合について説明したが、本発明はバイオマスあるいは石炭−バイオマスなど石炭単独以外の固定燃料を用いる場合にも適用でき、ＣＯ2削減にも寄与することができる。
【符号の説明】
【０１３３】
１：空気反応器、
２：燃料反応器、
３：揮発分反応器、
４：金属粒子（ＭｅＯ）、
５：金属粒子（Ｍｅ）、
６：空気、
７：固体燃料、
９：ＣＯ2ガス、
１０：Ｈ2Ｏ（水蒸気）、
１１：気体成分、
１２：サイクロン、
１３：揮発分、
１４：排ガス浄化装置、
１９：ガス化剤、
２０ａ：Ｌバルブ（第２のＬバルブ）、
２０ｂ：Ｌバルブ（第３のＬバルブ）、
２１：粒子搬送ガス、
２２：粒子循環量制御用Ｌバルブ（第１のＬバルブ）、
２３：粒子層高差圧計、
２４：流量制御器、
２５：粒子搬送ガス、
２６：弁、
２７：フローメータ、
３２：移動層（第１の反応層）、
３３：流動層（第２の反応層）、
３４：散気管、
３９：ＣＯ２戻しライン、
４０：弁、
４１：フローメータ、
４２：排ガス戻しライン。 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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