(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粒子が酸化剤を含むガスと反応して前記金属粒子の酸化物が成形される酸化塔と前記酸化塔で生成された金属粒子の酸化物が還元剤を含むガスと反応して前記金属粒子に還元される還元塔とを備え、前記金属粒子が酸化と還元を受けながら前記酸化塔と前記還元塔との間を循環するようにされているケミカルループ燃焼装置であって、
ケミカルループ燃焼装置内に供給される酸化剤を含むガスと還元剤を含むガスとが装置内で混合するのを防止するために、酸化塔内で金属粒子の酸化反応に寄与した後のガスに含まれる不活性ガスおよび還元塔内で酸化金属粒子の還元反応に寄与した後のガスに含まれる不活性ガスをセパレートガスとして供給する手段を備えることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不活性ガスをセパレートガスとして供給する手段を備えたケミカルループ燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粒子を酸化する酸化反応系と酸化金属粒子を還元する還元反応系との間で金属粒子および酸化金属粒子を循環させることで熱を得るようにしたケミカルループ燃焼法は、例えば非特許文献１に記載されるように、すでに知られている。ケミカルループ燃焼は、燃料を直接空気と燃焼させる代わりに、燃焼反応を「金属粒子の酸化」と、「酸化金属粒子の還元」という２つに分け、両者を物理的な粒子の循環で結ぶシステムである。燃料と空気は直接接触することがなく、金属を媒体として純酸素のやり取りをしている。
【０００３】
ケミカルループ燃焼では、メタンなどの炭化水素燃料は、還元反応系において、あくまで酸化金属の還元剤として働き、また酸化反応系には、酸化剤としての空気と金属粒子だけが供給され、金属粒子の酸化反応によって発熱する。通常、酸化反応で生じる温度は８００〜１２００℃程度であり、主にＮ２である排ガスは比較的低温であることからサーマルＮＯｘは殆ど生成しない。また、還元反応系では、燃料としての炭化水素と酸化金属から供給される酸素のみが存在し、そのため、排ガス成分はほぼ二酸化炭素と水だけとなる。そのために、排出されたガスを冷却して水を取り除けばほぼ純粋なＣＯ２を容易に回収可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】外部循環式：Use of NiO/NiAl2O4 Particles in a 10 kW Chemical-Looping Combustor Marcus Johansson, Tobias Mattisson, and Anders Lyngfelt‡Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 5911 5919   内部循環：Experimental results of chemical-looping combustion with NiO/NiAl2O4 particle circulation at 1200 degrees C  Ishida M, Yamamoto M, Ohba T  ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT    2002, 43,9-12,1469-1478
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在、実験的規模で運転されているケミカルループ燃焼では、金属粒子（金属キャリア）ＭにはＦｅが用いられている。しかし、Ｆｅは酸化反応速度および還元反応速度が遅く、実機としてケミカルループ燃焼装置を稼働させる場合での金属粒子（金属キャリア）としては課題を残している。
【０００６】
ＮｉやＣｕやＣｏは、Ｆｅと比較して、より多くの酸素と反応して酸化金属粒子ＭＯを形成しやすく、すなわち酸素運搬能力が高く、ケミカルループ燃焼法を効率よく実施するのに有効な金属であると考えられる。しかし、これらの金属粒子Ｍは高価であり、ケミカルループ燃焼装置を実機として稼働させる場合には、より少ない金属粒子Ｍの量でより高い酸化反応熱量が得られるようにすることが求められる。
【０００７】
上記の課題を解決する一つの解決方法として、金属粒子（金属キャリア）の循環量（すなわち、酸化塔と還元塔の行き来）を大きくすることで、酸素の運搬能力を上げる方法がある。しかし、金属粒子（酸素キャリア）の循環量を大きくすると、金属粒子あるいは酸化反応後の酸化金属粒子に引き込まれるようにして空気（酸化剤を含むガス）が還元塔内に入り込みやすくなく、また、還元塔内で還元した金属粒子の移動とともにそれに引き込まれるようにして燃料（還元剤を含むガス）が酸化塔内に入り込みやすくなる。それにより、金属粒子と、空気（酸化剤を含むガス）もしくは燃料（還元剤を含むガス）との分離効率、すなわち固気分離効率が低下するのを避けられず、排ガスのＮ２濃度あるいはＣＯ２濃度が低下してしまうと同時に、空気（酸化剤を含むガス）と燃料（還元剤を含むガス）とが酸化塔内であるいは還元塔内で直接接触して不必要に直接燃焼が生じる可能性が高くなる。そのために、ケミカルループ燃焼装置の利点である、排ガスから高濃度の不活性ガス（Ｎ２ガスあるいはＣＯ２ガス）が得られるという利点が十分に達成できなくなる。
【０００８】
上記の課題を解決する他の解決方法として、Ｆｅのような比較して安価な金属を有効な金属キャリアとして用いる方法がある。しかし、前記したように、Ｆｅは還元反応速度が遅く、高い金属粒子（金属キャリア）の循環量を得ることは困難である。また、主成分としてメタンを含む都市ガスを燃料ガスすなわち還元剤を含むガスとして用いることはケミカルループ燃焼装置を実機として稼働させる場合に不可欠な要素となるが、メタンなどの炭化水素は反応性が遅いことから、高い還元性能を達成するための何らかの手段が求められている。
【０００９】
本発明は、ケミカルループ燃焼装置を実機として稼働させる場合に求められる上記の課題を解決することを課題としており、より具体的には、好ましくは装置内で生成する不活性ガスをセパレートガスとして自給することで、金属粒子（酸素キャリア）の循環量を大きくしても、前記した固気分離効率の低下および酸化剤と還元剤との直接接触を回避できるようにした、不活性ガスをセパレートガスとして供給する手段を備えたケミカルループ燃焼装置を提供することを第１の課題とする。さらに、Ｆｅなどの比較的安価な金属粒子を金属キャリア）としいて用いる場合でも効率的に還元反応が得られるようにして運転コストを低減できるようにした、不活性ガスをセパレートガスとして供給する手段を備えたケミカルループ燃焼装置を提供することを第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるケミカルループ燃焼装置は、金属粒子が酸化剤を含むガスと反応して前記金属粒子の酸化物が成形される酸化塔と前記酸化塔で生成された金属粒子の酸化物が還元剤を含むガスと反応して前記金属粒子に還元される還元塔とを備え、前記金属粒子が酸化と還元を受けながら前記酸化塔と前記還元塔との間を循環するようにされているケミカルループ燃焼装置であって、ケミカルループ燃焼装置内に供給される酸化剤を含むガスと還元剤を含むガスとが装置内で混合するのを防止するために不活性ガスをセパレートガスとして供給する手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明によるケミカルループ燃焼装置では、不活性ガスをセパレートガスとして供給し、供給したセパレートガスによるバリアーを形成することで、酸化剤を含むガスと還元剤を含むガスとが装置内で混合するのを積極的に防止できる。そのために、酸化塔と還元塔との間での金属粒子（金属キャリア）の循環量を大きくしても、酸化剤を含むガスが還元塔内に引き込まれること、および還元剤を含むガスが酸化塔内に引き込まれること、さらに、装置内で空気（酸化剤を含むガス）と燃料（還元剤を含むガス）とが直接接触すること、をほぼ完全に抑制することができる。それにより、固気分離効率が低下するのを防止でき排ガスから高濃度の不活性ガス（Ｎ２ガスあるいはＣＯ２ガス）を得ることが可能となる。また、結果として、酸化反応熱の収量も大きなものとなる。
【００１２】
本発明によるケミカルループ燃焼装置の好ましい形態において、装置は、酸化塔内で金属粒子の酸化反応に寄与した後のガスに含まれる不活性ガスおよび還元塔内で酸化金属粒子の還元反応に寄与した後のガスに含まれる不活性ガスを前記セパレートガスとして用いることを特徴とする。この形態のケミカルループ燃焼装置では、セパレートガスとして用いる不活性ガスを自給することが可能であり、実機としてケミカルループ燃焼装置を運転するときの運転コストを節減することができる。
【００１３】
本発明によるケミカルループ燃焼装置の好ましい形態において、装置は、装置内で生成される水蒸気およびＣＯ２を含むガスを還元塔に供給される還元剤を含むガスに添加する手段をさらに備えることを特徴とする。この形態のケミカルループ燃焼装置では、水蒸気およびＣＯ２を還元剤を含むガスに添加することで還元反応性を良好にすることができる。そのためにＦｅのような比較して安価な金属を有効な金属キャリアとして用いることができ、またメタンなどの反応性が遅い炭化水素を含む都市ガスを高い反応性を持つ還元剤として有効に用いることができるようになる。これによっても、実機としてケミカルループ燃焼装置を運転するときの運転コストを節減することが可能となる。
【００１４】
本発明によるケミカルループ燃焼装置の全体形状は、酸化塔の内部に還元塔が組み込まれているいわゆる内部循環式でもよく、酸化塔と還元塔とは分離していて両者は酸化した金属粒子の流路と還元した金属粒子の流路とによって接続されているいわゆる外部循環式でもよい。
【００１５】
酸化塔の内部に還元塔が組み込まれている内部循環式のケミカルループ燃焼装置の場合には、前記酸化塔の内部に前記還元塔が１つまたは１つ以上組み込まれている形態でもよく、前記還元塔の内部に前記酸化塔が１つまたは１つ以上組み込まれている形態でもよい。いずれの場合も、好ましくは、還元剤を含むガスを供給する還元剤ノズルと酸化剤を含むガスを供給する酸化剤ノズルとは一方を他方が取り囲むようにして設けられ、還元剤ノズルと酸化剤ノズルとの間に前記したセパレートガスを供給するセパレートガスノズルがさらに配置される。この形態では、セパレートガスノズルから噴出する不活性ガスが、還元剤ノズルから噴出する還元剤を含むガスと酸化剤ノズルから噴出する酸化剤を含むガスとの間に、バリアーとして存在することとなり、それにより還元剤を含むガスと酸化剤を含むガスとが混合するのを回避する。
【００１６】
また、酸化塔と還元塔とは分離していて両者は酸化した金属粒子の流路と還元した金属粒子の流路とによって接続されている外部循環式のケミカルループ燃焼装置の場合には、酸化した金属粒子の流路と還元した金属粒子の流路の双方またはいずれか一方に粒子の溜まり部が設けられ、前記セパレートガスは前記粒子溜まりに供給される。この形態では、粒子溜まりに供給された不活性ガスがバリアーとなり、粒子溜まり内において還元剤を含むガスと酸化剤を含むガスとが混合するのを回避する。
【００１７】
上記形態の本発明によるケミカルループ燃焼装置では、酸化塔内に酸化剤（例えば空気）を供給する酸化剤供給管および還元塔内に還元剤（例えばメタン等の燃料ガス）を供給する還元剤供給管の双方またはいずれか一方は、それぞれの反応塔の天面側から底面側に向けて挿入されている構成であり、ケミカルループ燃焼装置を組み立てるときに、クレーン等でそれらの部材を持ちあげて組み付けることあるいは取り外すことが可能となる。そのために、ケミカルループ燃焼装置の製造が容易となることに加え、稼働後でのメンテナンスもきわめて容易となる。さらに、反応塔の天面側から底面側に向けて挿入されている酸化剤供給管およびまたは還元剤供給管は、下端部の開口端を下方に向けた姿勢で取り付けられているので、酸化剤あるいは還元剤の供給を停止したときに、その内部にケミカルループ燃焼に使用される金属粒子が逆流することはない。それによっても、非特許文献１に記載される形態のケミカルループ燃焼装置と比較して、そのメンテナンス性および稼働性は向上する。
【００１８】
本発明によるケミカルループ燃焼装置の一形態において、前記酸化塔内または前記還元塔内には前記金属粒子またはその酸化物と接触して反応熱を被加熱流体に伝熱する伝熱管が配置されていることを特徴とする。
【００１９】
上記形態のケミカルループ燃焼装置では、例えば酸化塔内に伝熱管を配置する態様では酸化塔内において、金属粒子の酸化反応で生じた熱は伝熱管内を流れる被加熱流体と熱交換される。そのために、酸化塔から排出される主にＮ２である投入空気（排ガス）の温度が大きく上がることがなく、酸化塔を通過するガス投入空気の平均温度も低くなる。その結果、空塔速度が抑えられるため、酸化塔の断面積を小さくすることができる。結果として、ケミカルループ燃焼装置の小型化が可能であり、燃焼量あたりの表面積も抑えることができ、放熱のロスも小さくできる。さらに、上記のケミカルループ燃焼装置では前記のように小型化が可能であり、伝熱管内を流れる被加熱流体の持つ熱をオンサイトでの蒸気利用設備や工業炉などの熱源として用いることも可能となる。また、伝熱管が還元塔内に配置されている態様では、酸化塔内での発熱反応により発生した熱を保有した金属粒子が還元塔へ循環して、伝熱管と接触することにより伝熱管内部の被加熱流体を加熱するようになる。
【００２０】
なお、本発明において、酸化剤を含むガスは、空気に加えて、酸素富化空気、低窒素空気なども用いることができる。還元剤を含むガスには、天然ガス、ＬＰＧガス、製鉄所の副製ガス、水素、石炭なども利用することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、不活性ガスをセパレートガスとして用いることで、金属粒子（酸素キャリア）の循環量を大きくしても、固気分離効率の低下および酸化剤と還元剤との直接接触を回避できるようにした、不活性ガスをセパレートガスとして供給する手段を備えたケミカルループ燃焼装置が得られる。また、セパレートガスとして装置内で生成される不活性ガスを用いることで、運転コストを低減したケミカルループ燃焼装置が得られる。さらに、Ｆｅなどの比較的安価な金属粒子を金属キャリアとして用いてもいて高い還元性能を達成できる、不活性ガスをセパレートガスとして供給する手段を備えたケミカルループ燃焼装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図２】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第２の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図３】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第３の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図４】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第４の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図５】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第５の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図６】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第６の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図７】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第７の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図８】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第８の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図９】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第９の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図１０】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１０の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図１１】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１１の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図１２】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１２の形態を付設する配管系とともに示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明による不活性ガスをセパレートガスとして供給する手段を備えたケミカルループ燃焼装置のいくつかの形態を説明する。
【００２４】
〈第１の形態〉
図１は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態を付設する配管系とともに示している。図示のケミカルループ燃焼装置Ａ１は、鋼板のような耐熱材で作られた円塔形の外塔１を有し、外塔１の上端面はやはり鋼板のような耐熱材で作られた天板２で閉鎖されている。外塔１内には中心軸線を同じにして外塔１よりも小径の円塔体３が取り付けてある。円塔体３の上端は天板２を貫通して外塔１の外部に延出しており、下端は外塔１の下端近傍に達している。なお、以下の説明では、外塔１を酸化塔１と呼び、円塔体３を還元塔３と呼ぶこととする。
【００２５】
酸化塔１の下端部には、酸化塔１と同心円をなす円塔状の空気ヘッダー４が取り付けてあり、該空気ヘッダー４の上端は空気ノズル５とされている。空気ヘッダー４はブロワ６に接続しており、流量計７および調圧弁８を通して調圧された空気が空気ヘッダー４に送られて空気ノズル５から酸化塔１内に噴出する。後に説明するように、この空気は酸化剤として機能するものであり、本発明でいう「酸化剤を含むガス」の一例である。また、空気ノズル５は本発明でいう「酸化剤ノズル」に相当する。
【００２６】
空気ヘッダー４の中央部であって前記した還元塔３の下端部に対向する位置には、上下方向に所定の隙間を保つようにして、塔状をなす燃料ノズル９が配置されている。燃料ノズル９の内径は還元塔３の下端部の内径よりもやや小さい。燃料ノズル９には、遮断弁１０、調圧弁１１、逆止弁１２を通して、例えばメタンである調圧された燃料が送給され、還元塔３の下端開口部に向けて噴出する。後に説明するようにこの燃料は還元剤として機能ものであり、本発明でいう「還元剤を含むガス」の一例である。また、燃料ノズル９は本発明でいう「還元剤ノズル」に相当する。好ましくは、空気ノズル５と燃料ノズル９の吹き出し口の高さはほぼ同一面とされている。
【００２７】
この例において、燃料ノズル９とその外側を包囲する空気ヘッダー４との間には隙間が設けられており、その隙間には塔状のセパレートガスノズル１３が配置されている。セパレートガスノズル１３には、配管１４を通して、例えばＮ２ガス、ＣＯ２ガス等である不活性ガスが供給される。
【００２８】
酸化塔１の底部であって前記した空気ヘッダー４の外側を包囲するようにして円塔状の下部ヘッダー１５が取り付けられている。下部ヘッダー１５の底面は水平面であるが、上面は円錐面１６となっていて、円錐面の下端が空気ノズル５とほぼ同一面となっている。下部ヘッダー１５の外周面は酸化塔１の内周面に接しており、酸化塔１の壁面に作られた孔１７を通して、被加熱流体が流れる第１の流体配管１８が下部ヘッダー１４の外周面に接続している。
【００２９】
酸化塔１の上方には、天板２に接するようにして円塔状の上部ヘッダー１９が取り付けてある。上部ヘッダー１９の内径と外径は下部ヘッダー１５の内径と外径とほぼ同じである。上部ヘッダー１９には酸化塔１の天板２に形成した孔２０を通して被加熱流体の第２の流体配管２１が接続している。この例において、第２の流体配管２１はオンサイトでのボイラや工業炉などの熱負荷１００に連通している。
【００３０】
酸化塔１の内壁に沿うようにして、前記下部ヘッダー１５の上部円錐面１６から適宜上方位置まで、耐熱瓦や耐熱セラミックファイバーなどの耐熱材からなる適宜厚さの耐熱壁２２が形成されており、該耐熱壁２２の上端面は円錐壁２３とされている。耐熱壁２２の前記上端円錐壁２３に下端面を沿わせるようにして、全体として斜板形状をなす中間ヘッダー２４が取り付けられており、該中間ヘッダー２４の内径と外径は下部ヘッダー１５と内径と外径とほぼ等しくされている。そして、前記中間ヘッダー２４が取り付けられている位置よりもやや上方位置において、前記した還元塔３には、固気分離装置２５が取り付けられている。
【００３１】
下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９の内部空間を相互に連通するようにして、複数本の伝熱管２６が酸化塔１の中心軸線と平行に取り付けられている。複数本の伝熱管２６は、図では、半径方向に複数列、かつ各例が複数本の伝熱管で構成されるようにして配置されているが、酸化塔１内での伝熱管２６の配置は任意であり、後に記載するように、酸化塔１内に収容される金属粒子の流動を妨げないことを条件に適宜配置すればよい。
【００３２】
なお、下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９は耐熱性に優れた材料で作られ、また特に伝熱管２６は耐熱性と熱伝導性に優れた材料・形状で作られる。さらに、後に説明するように、伝熱管２６は、下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４の間に位置する部分と、中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９の間に位置する部分とを、異なった材料で作ることが望ましい。
【００３３】
酸化塔１の上部には排気口２７が設けてあり、排気口２７からの排ガス（後に記載するように、Ｎ２が主であり、Ｏ２が少量含まれる）は固気分離装置２８を通して外気に排気される。
【００３４】
さらに、ケミカルループ燃焼装置Ａ１は次の配管系を備える。前記排気口２７からの排ガスは固気分離装置２８を通過した後、熱交換器２９を通過する。そして熱交換器２９を通過したＮ２ガスは図示しない貯蔵タンク内に貯蔵される。必要時に、Ｎ２とＯ２の混合ガスの一部は、ブロワ３０によって昇圧され、遮断弁３１と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。また、必要時には、配管１４には図示しない貯蔵タンクから遮断弁３２ａを通して不活性ガスが送られる。
【００３５】
還元塔３の上部から排出される排ガス（後に記載するようにＣＯ２とＨ２Ｏ蒸気である）は、外部からの冷却水が循環している気水分離装置３３に流入し、蒸気を液化して分離した後、９０％以上のＣＯ２を含む排ガスとして外部に排出され、図示しない貯蔵タンク内に貯蔵される。必要時に、９０％以上のＣＯ２を含む排ガスの一部は、ブロワ３４によって昇圧され、遮断弁３５と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。
【００３６】
気水分離装置３３で生成された水は、遮断弁３６、ポンプ３７を介して熱交換器２９に至り、そこで熱交換した後、必要に応じて、調圧弁３８および逆止弁３９を通って、燃料ノズル９への燃料供給管路内に水蒸気として供給される。
【００３７】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１の作動を説明する。事前に、酸化塔１の内部空間に金属粒子Ｍを充填する。充填量は、金属粒子Ｍが還元塔３に取り付けた固気分離装置２５までは達しない量とする。なお、金属粒子Ｍは金属のみでなく酸化金属粒子が含まれていてもよい。金属粒子Ｍの好ましいものとしては、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅあるいはそれらの酸化物を例示できる。充填後、図示しないは酸化塔内に配置した予熱バーナあるいは酸化塔１の周壁に取り付けた電気ヒータ等の予熱手段により金属粒子Ｍを６００℃程度まで予熱する。また、下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９、すべての伝熱管２６、および第１の流体配管１８と第２の流体配管２１を、例えば水である被加熱溶液で満す。
【００３８】
予熱後あるいは予熱の途中から、空気ヘッダー４に酸化剤として機能する所定量の空気（環境温度の空気であってよい）を供給して空気ノズル５から酸化塔１内に噴出させる。また、燃料ノズル９からは還元剤として機能する所定量のメタン等の燃料ガスを還元塔３に向けて噴出させる。さらに、セパレータガスノズル１３からＮ２、ＣＯ２等の不活性ガスを酸化塔１内に向けて噴出させる。なお、運転開始当初は、不活性ガスは、遮断弁３２ａを開として外部の不活性ガス源から供給するか、あるいは前回の運転時に系内の貯蔵タンクに貯蔵しておいた不活性ガス源から供給する。
【００３９】
空気ノズル５からの噴出空気は酸化塔１内に流入し、燃料ノズル９からの燃料ガスは還元塔３内に流入する。その際に、上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１では、空気ノズル５と燃料ノズル９間にセパレートガスノズル１３が位置し、そこから不活性ガスが噴出しているので、その噴出ガスが噴出する空気と燃料ガスとの間でバリアーとして機能する。それにより空気と燃料ガスが混合するのを回避できる。また、噴出する空気と燃料ガスとの間に不活性ガスがバリアーとして介在することで、金属粒子の循環量（すなわち、酸化塔と還元塔の行き来）を大きくした場合でも、金属粒子の引き込みによって空気と燃料ガスとが混合する割合を大きく低減することができる。そのために、少量の金属粒子を大きな循環量のもので用いることが可能となり、より少ない金属粒子の量でより高い酸化反応熱量を得ることができる。すなわち、実機として低コストでの運転が可能となる。
【００４０】
酸化塔１では反応温度にまで予熱された金属粒子Ｍと、供給された空気内の酸素が反応して酸化金属粒子ＭＯが生成される。その際に、金属の酸化反応によって発熱し、金属粒子Ｍ、酸化金属粒子ＭＯおよび酸化塔１内を流れる空気は昇温する。しかし、金属の酸化反応によっての発熱であり、１５００度以上の高温部分が形成されることがなく、前記したようにサーマルＮＯｘは生成されない。なお、金属粒子Ｍが酸化金属粒子ＭＯを含む場合には、酸化金属粒子ＭＯは前記酸化金属粒子がさらに酸化した形態の酸化金属粒子が該当する。例えば、金属粒子ＭがＦｅ3Ｏ4の場合、酸化金属粒子ＭＯはＦｅ２Ｏ３等となる。
【００４１】
酸化金属粒子ＭＯおよび残存する場合での金属粒子Ｍは酸化塔１内を流下して還元塔３内に流入した後、還元塔３内を上昇する。還元塔３内を上昇する過程で、酸化金属粒子ＭＯは燃料ガスによる還元作用を受けて金属粒子Ｍに戻る。上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１では、下部ヘッダー１５の上面１６は、中央に向けて低位となる円錐面となっているので、酸化塔１の底部から還元塔３への酸化金属粒子ＭＯの移動は円滑に進行する。また、還元塔３内を上昇する固体成分とガス成分は、上昇の過程で固気分離装置２５の作用を受けて、固体と気体に分離され、気体はさらに上昇して還元塔３の上部から排気される。固体、すなわち金属粒子Ｍと残存する場合での酸化金属粒子ＭＯは、酸化塔１内に戻される。
【００４２】
酸化塔１内で、金属粒子Ｍは空気ノズル５からの噴出空気の作用を受けて流動化状態となることから、金属粒子Ｍあるいはその酸化物ＭＯの一部は当初貯留されていたときよりも上方に舞い上がることが起こり得る。上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１では、酸化塔１の下方の内壁面に前記耐熱壁２２を形成したことにより、耐熱壁２２が形成されている領域の水平断面積よりも、その上の耐熱壁２２が形成されていない領域の水平断面積が大きくなっている。そのために、固気分離装置２５近傍よりも上位の空間に舞い上がった金属粒子Ｍあるいはその酸化物ＭＯは、その空塔速度が小さくなって下方に落下しやすくなる。さらに、中間ヘッダー２４の上面に落下した金属粒子Ｍあるいはその酸化物ＭＯは、中間ヘッダー２４の上面が円錐面となっているので、その面に沿って確実に下方に落下する。そのために、金属粒子Ｍの酸化作用を円滑化するとともに、酸化塔１上部の排気口２７から金属粒子が排出されるのを抑制することができる。なお、図示しないが、酸化塔１上部の排気口２７から排出される金属粒子は固気分離装置２８により分離されて、必要時に、酸化塔１内に戻される。
【００４３】
一方、酸化塔１内で金属粒子Ｍが酸化することにより発生した熱は、伝熱管２６の壁面を介して伝熱管２６内を流れる被加熱流体を伝えられ、被加熱流体を加熱する。すなわち、上記のケミカルループ燃焼装置では、酸化反応により発熱した金属粒子Ｍの熱はガス（投入空気）に伝熱すると同時に、金属粒子Ｍ内に位置する伝熱管２６にも直接熱交換するために、排ガス温度が大きく上がることがない。そのために、ＮＯｘの生成をさらに抑制することができる。また、酸化塔１内のガス（投入空気）の平均温度も低くなり、それにより空塔速度が抑えられるため、酸化塔１の断面積を小さくすることができる。結果として、装置の小型化が可能となり、燃焼量当たりの表面積も抑えることができ、放熱のロスも小さくすることができる。
【００４４】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１では、中間ヘッダー２４より下位の領域は金属粒子が貯留されている領域であり、その領域では伝熱管２６は金属粒子と接触することで多くの摩擦損耗を受ける。一方、中間ヘッダー２４より上位の領域は主にガスが存在する領域であり、伝熱管２６の摩擦損耗は少ない。そのことから、伝熱管２６の材料は、下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４の間に位置する部分では耐摩耗性に優れた材料とし、中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９の間に位置する部では比較して耐摩耗性に小さい材料とすることができる。そのように異なった材料を用いることで低コスト化が可能となる。
【００４５】
酸化塔１内での熱交換により加熱された被加熱流体は、例えば、上部ヘッダー１９から第２流体配管２１、熱負荷部１００、第１の流体配管１８を循環し、下部ヘッダー１５に戻ってくる。加熱された被加熱流体の循環は逆回りであってもよい。
【００４６】
酸化塔１内での酸化反応に寄与することにより、投入空気は高温の排ガスとなり排気口２７から排出される。排ガスは、空気の供給量に応じて、Ｏ２を含まない高濃度のＮ２ガスか、残存Ｏ２とＮ２を含むガスとなる。前記したように排ガスは固気分離装置２８および熱交換器２９を通った後、図示しないＮ２貯蔵タンク塔へ送られて貯蔵されるが、一部のＮ２はブロワ３０で昇圧され遮断弁３１と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。
【００４７】
一方、還元塔３からの排ガスは還元反応により生成されたＣＯ２とＨ２Ｏからなっており、高温ガスであることからＨ２Ｏは水蒸気となっている。還元塔３からの排ガスは冷却水が循環している気水分離装置３３で凝縮されて水と高濃度（９０％以上）のＣＯ２を含むガスに分離される。得られたＣＯ２ガスは、必要な場合には適宜の手段でさらに濃縮した後に、そのままあるいは液化ＣＯ２として貯蔵される。ＣＯ２ガスの一部は、必要時に、ブロワ３４で昇圧され遮断弁３５と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。そのために、図示される形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１では、初期の運転時を除き、空気ノズル５から供給される空気と燃料ノズルから供給される燃料ガスとを分離する目的で、セパレートガスノズル１３から供給すべき不活性ガス（ＮＯ２またはＣＯ２）を自給することが可能となる。
【００４８】
気水分離装置３３で生成された水は、酸化塔１からの高温排ガスと熱交換器２９において熱交換して水蒸気となり、必要時にその水蒸気は調圧弁３８と逆止弁３９を通り燃料ガスに混入される。水蒸気の供給を必要とすることにより、Ｆｅのような比較的安価な金属粒子材料を用いる場合でも、効率的に還元反応を進行させることが可能となる。また、反応性の遅いメタンなどの炭化水素でも効率的に還元反応を進行させることが可能となる。
【００４９】
なお、上記の例では、第１の流体管路１８と第２の流体管路２１は非連続のものとして説明したが、熱負荷部１００の種類や形態によっては、第１の流体管路１８と熱負荷部１００と第２の流体管路２１との間で、連続した循環路を構成するようにしてもよい。いずれの場合にも、第２の流体管路２１を流入側とし、第１の流体管路１８を流出側として全体の管路系を構成しても、同じ作用効果が得られることは説明を要しない。
【００５０】
〈第２の形態〉
図２は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第２の形態を付設する配管系とともに示している。図示のケミカルループ燃焼装置Ａ２は、図１に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１における被加熱流体の熱交換に必要な手段、すなわち下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９、伝熱管２６等の手段を備えない点で、構成を異にする。他の構成および配管系は、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１と基本的に同じであり、以下の説明では、ケミカルループ燃焼装置Ａ１におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を２００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００５１】
ケミカルループ燃焼装置Ａ２では、酸化塔２０１の底面は耐熱材からなる円塔形の底部材２１５により閉鎖されており、底部材２１５の上面２１６は円錐面とされている。底部材２１５の中央部には、第１の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１と同様にして、空気ヘッダー２０４と空気ノズル２０５、セパレートガスノズル２１３、燃料ノズル２０９が取り付けられている。
【００５２】
酸化塔２０１の内周面および天面は耐熱瓦や耐熱グラスファイバーなどの耐熱材２２２が貼り付けられている。酸化塔２０１の内周面における下から２／３程度の領域は耐熱材肉厚領域２２２ａとされており、それにより、それより上部の領域と比較して水平断面積が狭くなっている。そして、耐熱材肉厚領域２２２ａの上端面は円錐壁２２２ｂとされるとともに、肉厚領域２２２ａの上端面近傍における還元塔２０３の部分には固気分離装置２２５が取り付けられている。
【００５３】
ケミカルループ燃焼装置Ａ２において、配管系はケミカルループ燃焼装置Ａ１の場合とほぼ同じである。ただし、前記したように、酸化塔２０１内に被加熱流体の熱交換に必要な手段を備えないので、ケミカルループ燃焼装置Ａ２においては、酸化塔２０１の上部の排気口２２７からの排ガスは固気分離装置２２８を通過した後、第１の熱交換器２２９と第２の熱交換器２２９ａを通って外気に排気される。そして、第１の熱交換器２２９において、外部の熱負荷（不図示）に熱を供給する被加熱流体との間で熱交換が行われる。
【００５４】
ケミカルループ燃焼装置Ａ２においても、セパレートガスノズル２１３に不活性ガスを供給するための配管系とその作用、燃料ガスに水蒸気を供給するための配管系とその作用はケミカルループ燃焼装置Ａ１と同じであり、説明は省略する。
【００５５】
〈第３の形態〉
図３は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第３の形態を付設する配管系とともに示している。第３の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ３は、空気（酸化剤を含むガス）、燃料ガス（還元剤を含むガス）、セパレートガス（不活性ガス）が酸化塔３０１および還元塔３０３の上部から供給される形式である点で第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１と相違しており、その点を除き第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１と同じである。以下の説明では、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を３００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００５６】
ケミカルループ燃焼装置Ａ３において、酸化塔３０１、および、被加熱流体の熱交換に必要な手段である下部ヘッダー３１５、中間ヘッダー３２４、上部ヘッダー３１９、伝熱管３２６等の手段は第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１と実質的に同じである。ただし、下部ヘッダー３１５の中央部分は円錐面３１６である上面に連続する凹状のコーン部材３６０により閉鎖されている。
【００５７】
酸化塔３０１の中心部には酸化塔３０１の軸芯方向に延びる還元塔３０３が取り付けてあり、その上端側は天面３０２を貫通し、下端側は前記したコーン部材３６０の近くまで達している。還元塔３０３の中心部には燃料ガス供給管３６１が挿入されている。燃料ガス供給管３６１は還元塔３０３の下端部の直上位置まで達しており、先端部は燃料ノズル３０９とされている。還元塔３０３の内周壁面に沿うようにして所要本数のセパレートガス供給管３６２が取り付けてあり、その先端は還元塔３０３の下端まで達していて、先端部はセパレートガスノズル３１３とされている。
【００５８】
還元塔３０３の径方向外側には、還元塔３０３とほぼ平行にかつ還元塔３０３の軸芯線から同心円状に、所要本数の空気供給管３６３が取り付けてある。空気供給管３６３の上端側は天面３０２を貫通しており、下端側は下部ヘッダー３１５の天面または前記したコーン部材３６０の近くまで達している。各空気供給管３６３の下端部は空気ノズル３０５とされている。
【００５９】
燃料ガス供給管３６１には、遮断弁３１０、調圧弁３１１、逆止弁３１２を通して調圧された燃料ガスが送給され、下端部の燃料ノズル３０９から還元塔３０３内に噴出する。空気供給管３６３には、ブロワ３０６、流量計３０７、調圧弁３０８を通して調圧された空気が供給され、下端部の空気ノズル３０５から酸化塔３０１内に噴出する。燃料ガスの一部は、管路３６４と遮断弁３６５を通って、必要時に空気供給管３６３のいずれかまたは全部に供給され、下端部の空気ノズル３０５から酸化塔３０１内に噴出する。セパレートガス供給管３６２には配管３１４を通して、例えばＮ２ガス、ＣＯ２ガス等である不活性ガスが供給され、供給された不活性ガスは先端のセパレートガスノズル３１３から還元塔３０３の底面（コーン部材３６０）に向けて噴出する。
【００６０】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ３において、酸化塔３０１内に酸化反応熱を被加熱流体と熱交換するための手段（下部ヘッダー３１５、中間ヘッダー３２４、上部ヘッダー３１９、伝熱管３２６等）を設けたことによる達成される作用効果は、図１に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ１におけると同じであり、説明は省略する。ただし、ケミカルループ燃焼装置Ａ３では、酸化塔３０１内に空気を供給する空気供給管３６３と還元塔３０３内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管３６１およびセパレートガス供給管３６２とを、酸化塔３０１の上部から、すなわち酸化塔３０１の天面３０２に形成した開口部から落とし込むようにして取り付けるようにしたので、ケミカルループ燃焼装置Ａ３を組み立てるときに、クレーン等でそれらの部材を持ちあげて組み付けることが可能となり、図１に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１と比較して製造が容易となることに加え、稼働後でのメンテナンスもきわめて容易となる。特に、図示されるように共通の取り付け用基板３６６を用い、そこに前記した空気供給管３６３と燃料ガス供給管３６１とセパレートガス供給管３６２とを取り付けることにより、組立時あるいはメンテナンス時にそれらを一体のものとして取り扱うことが可能となり、作業性が一層向上する。
【００６１】
また、上記のケミカルループ燃焼装置Ａ３において、各管路系での排ガス、空気、燃料ガス等の動きもケミカルループ燃焼装置Ａ１の場合とほぼ同じである。しかし、前記したように、空気供給管３６３と燃料ガス供給管３６１とセパレートガス供給管３６２を酸化塔３０１の上部から差し込むようにして取り付けたことに起因して、ガスの動きに少しの違いが生じる。
【００６２】
すなわち、空気は空気供給管３６３を通過した後にその下端部の空気ノズル３０５から酸化塔３０１内に噴出され、その空気が上昇する過程で金属粒子Ｍとの間での酸化反応に寄与する。酸化反応をした後の空気すなわちＮ２リッチの空気が、酸化塔３０１上部の排気口３２７から排ガスとして排出されるのはケミカルループ燃焼装置Ａ１の場合とほぼ同じである。また、図示のケミカルループ燃焼装置Ａ３においては、空気供給管３６３の一部の空気供給管３６３ａに遮断弁３６５を通して燃料ガスを供給できるようにしており、その空気供給管３６３ａを昇温用バーナ３６３ａとして用いることができる。
【００６３】
運転時に、燃料ガスは燃料ガス供給管３６１の上端から供給されて下端の燃料ノズル３０９から噴出する。噴出した燃料ガスは還元塔内壁と燃料ガス供給管３６１との間の空間領域を酸化金属粒子ＭＯとともに上昇する。上昇の過程で燃料ガスは酸化金属粒子ＭＯの還元に寄与し、酸化金属粒子ＭＯを金属粒子Ｍに還元する。還元された金属粒子Ｍは還元塔３０３に取り付けた固気分離装置３２５により分離されて酸化塔３０１内に戻される。ＣＯ２と水蒸気で構成される排ガスは、還元塔３０３の上端から排気される。その後の排ガスの挙動はケミカルループ燃焼装置Ａ１の場合と同じである。
【００６４】
運転時に、セパレートガス供給管３６２にはその上端部からＣＯ２またはＮ２等の不活性ガスが供給され、セパレートガスノズル３１３から酸化塔３０１内に噴出する。噴出する不活性ガスにより、空気ノズル３０５から噴出する空気と、燃料ガス供給管３６１の下端の燃料ノズル３０９から噴出する燃料ガスとが混合するのを回避でき、燃料ガスが直接燃焼するのを阻止できる。このことも、ケミカルループ燃焼装置Ａ１の場合と同じである。
【００６５】
さらに、酸化塔３０１の底部における還元塔３０３の下端と対向する部分に、表面が滑らかな円錐面あるいは放物線面であるコーン部材３６０を取り付けたことで、酸化金属粒子ＭＯあるいは金属粒子Ｍの移動を円滑化することができ、酸化塔３０１の底部から還元塔３０３内に酸化金属粒子ＭＯあるいは金属粒子Ｍが流入するのを良好にしている。
【００６６】
ケミカルループ燃焼装置Ａ３においても、セパレートガスノズル３１３に不活性ガスを供給するための配管系とその作用、燃料ガスに水蒸気を供給するための配管系とその作用はケミカルループ燃焼装置Ａ１と同じであり、説明は省略する。
【００６７】
〈第４の形態〉
図４は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第４の形態を付設する配管系とともに示している。図示のケミカルループ燃焼装置Ａ４は、空気（酸化剤を含むガス）、燃料ガス（還元剤を含むガス）、セパレートガス（不活性ガス）が酸化塔４０１および還元塔４０３の上部から供給される形式である点で第２の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ２と相違しており、その点を除き第２の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ２と同じである。以下の説明では、第２の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ２におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を４００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００６８】
ケミカルループ燃焼装置Ａ４において、酸化塔４０１の底面は耐熱材からなる底部材４１５により閉鎖されており、耐熱底部の上面４１６は下方に湾曲したすり鉢状面とされている。すり鉢状面の具体例としては、円錐面あるいは放物線面などが挙げられる。酸化塔４０１の内周面および天面の形状はケミカルループ燃焼装置Ａ２と同様である。
【００６９】
還元塔４０３の中心部には燃料ガス供給管４６１が挿入されている。燃料ガス供給管４６１は還元塔４０３の下端部の直上位置まで達しており、先端部は燃料ノズル４０９とされている。還元塔４０３の内周壁面に沿うようにして所要本数のセパレートガス供給管４６２が取り付けてあり、その先端は還元塔４０３の下端まで達していて、先端部はセパレートガスノズル４１３とされている。
【００７０】
還元塔４０３の径方向外側には、還元塔４０３とほぼ平行にかつ還元塔４０３の軸芯線から同心円状に、所要本数の空気供給管４６３が取り付けてある。空気供給管４６３の上端側は天面４０２を貫通しており、下端側は酸化塔４０１の底部に取り付けた底部材４１５の上面４１６の近くまで達している。各空気供給管４６３の下端部は空気ノズル４０５とされている。この構成は、図３に示したケミカルループ燃焼装置Ａ３と同じである。
【００７１】
燃料ガス供給管４６１には、遮断弁４１０、調圧弁４１１、逆止弁４１２を通して、燃料ガスが送給され、還元塔４０３の下端開口部である燃料ノズル４０９から還元塔４０３内に噴出する。空気供給管４６３には、ブロワ４０６、流量計４０７、調圧弁４０８を通して調圧された空気が供給され、下端部の空気ノズル４０５から酸化塔４０１内に噴出する。前記した燃料ガスの一部は、管路４６４と遮断弁４６５を通って、必要時に空気供給管４６３のいずれかに供給され、下端部の空気ノズル４０５から酸化塔４０１内に噴出する。セパレートガス供給管４６２には遮断弁４３２および配管４１４を通して、例えばＮ２ガス、ＣＯ２ガス等である不活性ガスが供給される。供給された不活性ガスは先端のセパレートガスノズル４１３から酸化塔４０１の底面に向けて噴出する。この構成も、図３に示したケミカルループ燃焼装置Ａ３と同じである。
【００７２】
酸化塔４０１の上部の排気口４２７からの排ガスは、第２のミカルループ燃焼装置Ａ２と同じように、固気分離装置４２８を通過した後、第１の熱交換器４２９と第２の熱交換器４２９ａを通って外気に排気される。そして、第１の熱交換器４２９において、外部の熱負荷（不図示）に熱を供給する被加熱流体との間で熱交換が行われる。
【００７３】
ケミカルループ燃焼装置Ａ４においても、セパレートガスノズル４１３に不活性ガスを供給するための配管系とその作用、燃料ガスに水蒸気を供給するための配管系とその作用はケミカルループ燃焼装置Ａ２と同じであり、説明は省略する。
【００７４】
〈第５の形態〉
図５は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第５の形態を付設する配管系とともに示している。このケミカルループ燃焼装置Ａ５は、酸化塔５０１と還元塔５０３は分離しており、両者は酸化した金属粒子ＭＯが移動する流路５５０と還元した金属粒子Ｍが移動する流路５６０とによって接続されていることを特徴とする。以下の説明では、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を５００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００７５】
ケミカルループ燃焼装置Ａ５は、前記のように酸化塔５０１と還元塔５０３は分離しており、両者は断熱手段が施された酸化金属流路５５０と金属粒子流路５６０とで接続されている。すなわち、酸化塔５０１内には、被加熱流体の熱交換に必要な手段である下部ヘッダー５１５、中間ヘッダー５２４、上部ヘッダー５１９、伝熱管５２６等の手段は存在するが、還元塔に相当する手段は存在しない。そのために、酸化塔５０１の底部には、空気ノズル５０５を備えた空気ヘッダー５０４のみが存在し、図１に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１における燃料ノズル９とセパレートガスノズル１３は存在しない。それにより、酸化塔５０１の直径をより小さなものとすることができる。
【００７６】
また、前記のように、酸化金属粒子ＭＯは酸化金属流路５５０を通って還元塔５０３に移動する形式であり、そのために、酸化塔５０１内に貯留される金属粒子Ｍの貯留上端位置のやや上方位置に平板状の中間ヘッダー５２４が備えられ、中間ヘッダー５２４の中央空間領域には第１の固気分離装置５７０が配置されている。そして、第１の固気分離装置５７０の固体排出口側に前記した酸化金属流路５５０の一方端が接続している。
【００７７】
還元塔５０３は、その上方位置において酸化金属流路５５０の他方端と接しており、その接続部と天板との間に第２の固気分離装置５７１を備えている。還元塔５０３の下方位置には金属粒子流路５６０の一方端が接続しており、金属粒子流路５６０の他方端は酸化塔５０１の下方部分に接続している。酸化金属流路５５０の途中には粒子溜め５５１が設けてあり、金属粒子流路５６０の途中にも粒子溜め５６２が設けてある。また、還元塔５０３の底面には燃料ノズル５０９が取り付けてある。
【００７８】
酸化塔５０１に取り付けた第１の固気分離装置５７０で固体分（主に酸化金属粒子ＭＯ）を分離した後の気体（排ガス）は排気口５２７から排気されるが、この形態では排ガス中にほとんど固形分が含まれないので、図１に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１での固気分離装置２８を省略することができる。第１の固気分離装置５７０で分離された固体分（主に酸化金属粒子ＭＯ）は酸化金属流路５５０を通って還元塔５０３内に流入し、そこを落下する過程で、燃料ノズル５０９から送給される燃料ガスによる還元作用を受け、還元後の金属粒子Ｍは金属粒子流路５６０を通って酸化塔５０１内に戻される。還元塔５０３に取り付けた第２の固気分離装置５７１は固体分（主に還元を受ける前の酸化金属粒子ＭＯ）を分離して還元塔５０３内に戻すとともに、気体（主にＣＯ２とＨ２Ｏ）を還元塔５０３から排ガスとして排出する。
【００７９】
酸化塔５０１からの排ガスおよび還元塔５０３からの排ガスのための配管系は図１に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１での配管系と同じである。ただし、双方の排ガスから生成されるＮＯ２およびＣＯ２である不活性ガスが、セパレートガスノズル１３にではなく、前記した粒子溜め５５１および５６２にパージガスとして供給される点で相違する。粒子溜め５５１および５６２に不活性ガスをパージガスとして供給することにより、酸化金属流路５５０および金属粒子流路５６０において、空気（酸化剤）と燃料ガスが混合するのを確実に阻止できるようになり、燃料ガスの直接燃焼を確実に回避できるようになる。また、酸化金属流路５５０および金属粒子流路５６０を移動する金属粒子の移動量が大きくなっても、金属粒子に引き込まれて、酸化金属流路５５０では酸化剤を含むガス（空気）が還元塔５０３内に流入するのを、金属粒子流路５６０では還元剤を含むガス（燃料ガス）が酸化塔５０１内に流入するのを確実に阻止することができ、固気分離効率の低下を招かない。それにより、排ガス中のＮ２濃度あるいはＣＯ２濃度が低下するのも回避できる。
【００８０】
ケミカルループ燃焼装置Ａ５において、酸化塔５０１内に酸化反応熱を被加熱流体と熱交換するための手段（下部ヘッダー５１５、中間ヘッダー５２４、上部ヘッダー５１９、伝熱管５２６等）を設けたことによる達成される作用効果は、図１に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ１におけると同じであり、説明は省略する。また、各管路系での排ガス、空気、燃料ガス等の動きもケミカルループ燃焼装置Ａ１の場合と同じであり、説明は省略する。
【００８１】
〈第６の形態〉
図６は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第６の形態を付設する配管系とともに示している。図示のケミカルループ燃焼装置Ａ６は、図５に示したケミカルループ燃焼装置Ａ５における被加熱流体の熱交換に必要な手段、すなわち下部ヘッダー５１５、中間ヘッダー５２４、上部ヘッダー６１９、伝熱管６２６等の手段を備えない点で、構成を異にする。他の構成および配管系は、第５の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ５と基本的に同じであり、以下の説明では、ケミカルループ燃焼装置Ａ５におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を６００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００８２】
ケミカルループ燃焼装置Ａ６では、酸化塔６０１の底面は耐熱材からなる円塔形の底部材６１５により閉鎖されており、底部材６１５の上面６１６は円錐面とされている。底部材６１５の中央部には、第５の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ５と同様にして、空気ヘッダー６０４と空気ノズル６０５が取り付けられている。
【００８３】
酸化塔６０１の内周面および天面は耐熱瓦や耐熱グラスファイバーなどの耐熱材６２２が貼り付けられている。また、酸化塔６０１内に貯留される金属粒子Ｍの貯留上端位置のやや上方位置に平板状の浮揚防止板６６７が配置され、その中央部に第１の固気分離装置６７０を配置している。そして、浮揚防止板６６７より下位の水平断面積よりも上位の水平断面積が大きくなるように、酸化塔６０１の内周面には耐熱壁６２２が貼り付けられている。還元塔６０３および酸化金属流路６５０、金属粒子流路６６０等の構成は、図５に示したケミカルループ燃焼装置Ａ５と同じである。
【００８４】
酸化塔６０１に取り付けた第１の固気分離装置６７０で固体分（主に酸化金属粒子ＭＯ）を分離した後の気体（排ガス）は排気口６２７から排気されるが、この形態では排ガス中にほとんど固形分が含まれないので、図１に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１での固気分離装置２８を省略することができる。
【００８５】
ケミカルループ燃焼装置Ａ６において、配管系はケミカルループ燃焼装置Ａ５の場合とほぼ同じである。ただし、前記したように、酸化塔６０１内に被加熱流体の熱交換に必要な手段を備えないので、ケミカルループ燃焼装置Ａ６においては、酸化塔６０１の上部の排気口６２７からの排ガスは固気分離装置６２７を通過した後、第１の熱交換器６２９と第２の熱交換器６２９ａを通って外気に排気される。そして、第１の熱交換器６２９において、外部の熱負荷（不図示）に熱を供給する被加熱流体との間で熱交換が行われる。
【００８６】
また、酸化塔６０１からの排ガスおよび還元塔６０３の双方からの排ガスから生成されるＮＯ２およびＣＯ２である不活性ガスは、粒子溜め６５１および６６２にパージガスとして供給される点も、ケミカルループ燃焼装置Ａ５の場合と同じである。燃料ガスに表に応じて水蒸気を添加する配管系もケミカルループ燃焼装置Ａ５の場合と同じである。
【００８７】
〈第７の形態〉
図７は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第７の形態を付設する配管系とともに示している。このケミカルループ燃焼装置Ａ７は、空気（酸化剤を含むガス）、燃料ガス（還元剤を含むガス）、セパレートガス（不活性ガス）が酸化塔７０１および還元塔７０３の上部から供給される形式である点で、図５に示した第５の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ５と相違しており、その点を除き第５の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ５と同じである。以下の説明では、第５の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ５におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を７００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００８８】
ケミカルループ燃焼装置Ａ７は、ケミカルループ燃焼装置Ａ５と同様に、酸化塔７０１内には、被加熱流体の熱交換に必要な手段である下部ヘッダー７１５、中間ヘッダー７２４、上部ヘッダー７１９、伝熱管７２６等の手段は存在するが、還元塔に相当する手段は存在しない。そして、下部ヘッダー７１５の中央部分は円錐面７１６である上面に連続する凹状のコーン部材７６０により閉鎖されている。
【００８９】
酸化塔７０１の中央部には、酸化塔７０１の軸芯方向に延びる所要本数の空気供給管７６３が天面側から挿入されており、その下端部は酸化塔７０１の底面近傍にまで達している。空気供給管７６３の下端先端部は空気ノズル７０５とされている。また、前記のように酸化金属粒子ＭＯは酸化金属流路７５０を通って還元塔７０３に移動する形式であり、そのために、酸化塔７０１内に貯留される金属粒子Ｍの貯留上端位置のやや上方位置に平板状の中間ヘッダー７２４が備えられ、中間ヘッダー７２４の中央空間領域に第１の固気分離装置７７０が配置されている。そして、第１の固気分離装置７７０の固体排出口側に前記した酸化金属流路７５０の一方端が接続している。また、前記した空気供給管７６３は第１の固気分離装置７７０内を通過している。
【００９０】
還元塔７０３には、その天面を通過するようにして燃料ガス供給管７６１が還元塔７０３の軸芯線方向に平行に挿入されており、その下端部は還元塔７０３の底面近傍にまで達していて、燃料ノズル７０９とされている。還元塔７０３のその他の構成、および金属粒子流路７６０と酸化金属流路７５０の構成、粒子溜め７５１および粒子溜め７６２の構成は図５に示したケミカルループ燃焼装置Ａ５と同じである。
【００９１】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ７において、酸化塔７０１内に酸化反応熱を被加熱流体と熱交換するための手段（下部ヘッダー７１５、中間ヘッダー７２４、上部ヘッダー７１９、伝熱管７２６等）を設けたことによる達成される作用効果は、図５に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ５におけると同じであり、また、酸化塔７０１の上方から空気供給管７６３を取り付けるようにしたことによる作用効果および還元塔７０３の上方から燃料供給管７６１を取り付けるようにしたことによる作用効果は、図３に示した第１の形態の第３の形態によるケミカルループ燃焼装置Ａ３と同様である。
【００９２】
さらに、複数本の空気供給管７６３の一部の空気供給管７６３ａに調圧弁７６５を通して燃料ガスを供給できるようにすることにより、その空気供給管７６３ａを昇温用バーナ７６３ａとして用いることができるのも、図３に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ３と同様である。
【００９３】
その他の各管路系での排ガス、空気、燃料ガス等の動きはケミカルループ燃焼装置Ａ５の場合と同じであり、特に、酸化塔７０１からの排ガスおよび還元塔７０３からの排ガスの、双方の排ガスから生成されるＮＯ２およびＣＯ２である不活性ガスが、粒子溜め７５１および７６２にパージガスとして供給されることにより、酸化金属流路７５０および金属粒子流路７６０において、空気（酸化剤）と燃料ガスが混合するのを確実に阻止するためのできる配管系とその作用効果、燃料ガスに水蒸気を供給するための配管系とその作用効果はケミカルループ燃焼装置Ａ５と同じである。
【００９４】
〈第８の形態〉
図８は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第８の形態を付設する配管系とともに示している。図示のケミカルループ燃焼装置Ａ８は、空気（酸化剤を含むガス）と燃料ガス（還元剤を含むガス）が酸化塔８０１および還元塔８０３の上部から供給される形式である点で、図６に示したケミカルループ燃焼装置Ａ６と相違しており、その点を除く酸化塔８０１の構成、還元塔８０３の構成、および配管系の構成は図６に示したケミカルループ燃焼装置Ａ６と同じである。以下の説明では、図６に示したケミカルループ燃焼装置Ａ６におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を８００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００９５】
ケミカルループ燃焼装置Ａ８において、酸化塔８０１の底面は耐熱材からなる底部材８１５により閉鎖されており、耐熱底部の上面８１６は下方に湾曲したすり鉢状面とされている。すり鉢状面の具体例としては、円錐面あるいは放物線面などが挙げられる。酸化塔８０１の内周面および天面の形状はケミカルループ燃焼装置Ａ６と同様である。
【００９６】
酸化塔８０１の中央部には、酸化塔８０１の軸芯方向に延びる所要本数の空気供給管８６３が天面側から挿入されており、その下端部は酸化塔８０１の底面近傍にまで達している。空気供給管８６３の下端先端部は空気ノズル８０５とされている。また、酸化金属粒子ＭＯは酸化金属流路８５０を通って還元塔８０３に移動する形式であり、そのために、酸化塔８０１内に貯留される金属粒子Ｍの貯留上端位置のやや上方位置に平板状の浮揚防止板８６７が配置され、その中央部に第１の固気分離装置８７０を配置している。そして、浮揚防止板８６７より下位の水平断面積よりも上位の水平断面積が大きくなるように、酸化塔８０１の内周面には耐熱壁８２２が貼り付けられている。
【００９７】
還元塔８０３には、その天面を通過するようにして燃料ガス供給管８６１が還元塔８０３の軸芯線方向に平行に挿入されており、その下端部は還元塔８０３の底面近傍にまで達していて、燃料ノズル８０９とされている構成は、図７に示したケミカルループ燃焼装置Ａ７と同じである。さらに、還元塔８０３のその他の構成、および金属粒子流路８６０と酸化金属流路８５０の構成、粒子溜め８５１および粒子溜め８６２の構成も、図７に示したケミカルループ燃焼装置Ａ７と同じである。
【００９８】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ８において、酸化塔８０１の上方から空気供給管８６３を取り付けるようにしたことによる作用効果および還元塔８０３の上方から燃料供給管８６１を取り付けるようにしたことによる作用効果は、図７に示した第３の形態によるケミカルループ燃焼装置Ａ７と同様である。
【００９９】
その他の各管路系での排ガス、空気、燃料ガス等の動きはケミカルループ燃焼装置Ａ６の場合と同じであり、特に、酸化塔８０１からの排ガスおよび還元塔８０３からの排ガスの、双方の排ガスから生成されるＮＯ２およびＣＯ２である不活性ガスが、粒子溜め８５１および８６２にパージガスとして供給されることにより、酸化金属流路８５０および金属粒子流路８６０において、空気（酸化剤）と燃料ガスが混合するのを確実に阻止するためのできる配管系とその作用効果、燃料ガスに水蒸気を供給するための配管系とその作用効果はケミカルループ燃焼装置Ａ５と同じである。
【０１００】
〈第９の形態〉
図９は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第９の形態を付設する配管系とともに示している。図示のケミカルループ燃焼装置Ａ９は、酸化塔１の内部に複数個（図示の例では２個）の還元塔３，３が備えられている点と、各還元塔３，３に対応するようにして、酸化塔１の下端部に、空気ヘッダー４、空気ノズル５、燃料ノズル９、およびセパレートガスノズル１３等が配置されている点で、図１に示した第１の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１と構成が相違する。他の構成および配管系は、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１と基本的に同じであり、ケミカルループ燃焼装置Ａ１におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を付し説明は省略する。
【０１０１】
図９に示すケミカルループ燃焼装置Ａ９では、２個の還元塔３，３は酸化塔１の軸心線と平行な姿勢で酸化塔１内に配置されており、各還元塔３，３の下端部位置に対応するようにして、酸化塔１の下端部に、空気ヘッダー４、空気ノズル５、燃料ノズル９、およびセパレートガスノズル１３等が配置されている。そして、各空気ヘッダー４、４には、ブロワ６からの調圧された空気が供給され、各燃料ノズル９、９には、遮断弁１０、調圧弁１１、逆止弁１２を通して調圧された燃料が送給される。また、各セパレートガスノズル１３、１３には、配管１４を通して酸素が含まれない不活性ガスが供給される。各還元塔３，３の上部から排出される排ガスは、合流した後に、外部からの冷却水が循環している気水分離装置３３に流入する。
【０１０２】
なお、特に図示しないが、酸化塔１内に複数個（図示の例では２個）の還元塔３，３を備える形態は、前記した図２，図３，図４に示した第２，第３形態のケミカルループ燃焼装置Ａ２，Ａ３、Ａ４にも適用できることは勿論である。
【０１０３】
〈第１０の形態〉
図１０は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１０の形態を付設する配管系とともに示している。図１０に示す第１０の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１０は、酸化塔の内部に還元塔が備えられるのではなく、還元塔３の内部に酸化塔１が備えられている点で、図１に示した第１の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１と構成が異なっている。このケミカルループ燃焼装置Ａ１０は、ケミカルループ燃焼装置Ａ１と同様の外塔を還元塔１として有し、その内には中心軸線を同じにして円塔体である酸化塔１が取り付けてある。酸化塔１の上端は天板２を貫通して還元塔３の外部に延出しており、下端は還元塔３の下端近傍に達している。
【０１０４】
還元塔３の下端部の中央には、酸化塔１と同心円をなす円塔状の空気ヘッダー４が取り付けてあり、該空気ヘッダー４の上端は空気ノズル５とされている。好ましくは空気ノズル５の内径は酸化塔１の下端部の内径よりもやや小さい。空気ヘッダー４を包囲するようにして塔状をなす燃料ノズル９が配置されており、燃料ノズル９には、遮断弁１０、調圧弁１１、逆止弁１２を通して、調圧された燃料が送給される。空気ヘッダー４とその外側を包囲する燃料ノズル９との間には隙間が設けられており、その隙間には塔状のセパレートガスノズル１３が配置されている。セパレートガスノズル１３には、図１に示す第１の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１と同様にして酸素が含まれない不活性ガスが供給される。
【０１０５】
ケミカルループ燃焼装置Ａ１０内での金属の酸化還元反応は、図１に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ１での金属の酸化還元反応と基本的に同じである。すなわち、還元塔３の内部空間内で、酸化金属粒子ＭＯは燃料ノズル９から供給される燃料ガスと還元反応して金属粒子Ｍとなり酸化塔１内を流入する。酸化塔１内を通過する過程で、金属粒子Ｍは空気ノズル５から供給される空気中の酸素と酸化反応して酸化金属粒子ＭＯに戻される。そして、酸化金属粒子ＭＯは酸化塔１に取り付けた固気分離装置２５を通って還元塔３内に戻される。
【０１０６】
ケミカルループ燃焼装置Ａ１０において、配管系の構成、伝熱管２６と下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９等に係る構成、およびそれらが奏する作用効果は基本的に第１の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１の場合と同じであり、同じ符号を付すことで、説明は省略する。
【０１０７】
なお、特に図示しないが、上記した還元塔３内に酸化塔１を備える形態は、必要な配管系を代えることで、前記した図１〜図４および図９に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１〜Ａ４，Ａ９にも適用できることは勿論である。
【０１０８】
〈第１１の形態〉
図１１は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１１の形態を付設する配管系とともに示している。図１１に示す第１１の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１１は、図１０に示した第１０の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１０とは、空気（酸化剤を含むガス）とセパレートガス（不活性ガス）が還元塔３の上部から供給される形式である点で第１０の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１０と相違しており、その点を除き第１０の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１０と同じである。以下の説明では、第１０の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１０におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【０１０９】
このケミカルループ燃焼装置Ａ１１は、還元塔３の内部に１つの酸化塔１が組み込まれており、酸化塔１は空気供給管６３と酸化塔１の内周壁面に沿うようにして配置された所要本数のセパレートガス供給管６２とで構成され、それらは、還元塔３の上部から落とし込むようにして取り付けられている。
【０１１０】
燃料ガス供給管６１に燃料ガスを供給する配管系、還元塔３からの排ガスおよび酸化塔１からの排ガスを処理する配管系は、図１０に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１０におけると実質的に同じであり、それらについては、図１０では同じ符号を付し、説明は省略する。
【０１１１】
このケミカルループ燃焼装置Ａ１１では、還元塔３の底部の燃料ノズル９から噴出する燃料ガスが還元塔３内の金属酸化物粒子の還元反応を進行させる。また、酸化塔１の下端に設けたセパレートガスノズル１３から噴出する不活性ガスによって、酸化剤と還元剤とが混合するのを阻止することができる。さらに、酸化塔１は還元塔３の天面側から着脱自在とされており、装置の組み立てやメンテナンスの容易性は確保できる。
【０１１２】
なお、特に図示しないが、配管系を適宜変更することにより、燃料ガス供給管６１も還元塔３の天面側から着脱自在に取り付けて、燃料ガスを還元塔３の上方から底面側向けて吹き出すようにすることもできる。さらに、図３，図４に示した形態のケミカルループ燃焼装置においても、配管系を適宜変更することにより、酸化剤供給管、還元剤供給管、セパレートガス供給管のいずれかを選択して、装置（酸化塔または還元塔である反応塔）の下方から酸化剤、還元剤、たまはセパレートガスを供給するようにしてもよい。
【０１１３】
〈第１２の形態〉
図１２は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１２の形態を付設する配管系とともに示している。図１２に示す第１２の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１２は、図１に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１の変形例であり、ここでは、装置Ａ１２内で生成される水蒸気およびＣＯ２を含むガスをそのまま還元塔３に供給される還元剤を含むガス（燃料ガス）に添加するようにしている。すなわち、還元塔３からの排ガス管路に分岐管を設けて、還元塔３からの排ガスの一部を、ポンプ３７ａ、遮断弁３６、調圧弁３８および逆止弁３９を通って、燃料ノズル９への燃料供給管路内に供給するようにしている。この形態では、熱交換器２９および場合によっては気水分離装置３３を省略することが可能であり、構成の簡素化が図られる。
【０１１４】
なお、上記したいずれの形態のケミカルループ燃焼装置においても、前記したように、排ガスから高濃度のＣＯ２を分離できる。必要な場合には、濃度９０％以上で回収したＣＯ２を利用用途に応じて例えばＰＳＡ法などを用いてさらに濃縮することで、９９．９９９％濃度のＣＯ２が得られる。
【０１１５】
また、本発明によるケミカルループ燃焼装置の運転において、系全体の金属粒子（Ｍ）と酸化金属粒子（ＭＯ）を常にある比率の範囲に保つために、燃料と酸化剤の瞬間値はもちろんのこと、積算投入量を管理することで、系全体が運転開始時から酸化側に寄ったのか、還元側に寄ったのかを判別してフィードバックをかけることもできる。また、燃料と酸化剤とが適正に金属を介して反応しているかどうかを判断するため、下記に示す「酸素有効利用率」を１．０付近で制御することが推奨される。
酸素有効利用率＝（外部酸素投入量−系外にでる酸素量)／（燃料の理論酸素量)
【０１１６】
さらに、本発明によるケミカルループ燃焼装置において、酸化塔と還元塔の出口付近に圧力計を設置することもできる。そして、還元等からＣＯ２を高濃度で取り出したい場合には、還元塔側の圧力が酸化塔の圧力よりやや高くなるように排気ブロアをインバーターで制御する。
【０１１７】
また、装置内での反応が継続していることを確認するために、酸化塔内に熱電対を２個挿入することもできる。一箇所は固気分離装置より下部の粒子面より下まで挿入し、もう一つは、固気分離装置の上部に設置する。そして、金属粒子内部の温度を還元剤の反応温度(例えば、天然ガスの場合７６０℃)以上に保つようにする。保てない場合には、燃料ガスの供給を遮断する。
【符号の説明】
【０１１８】
Ａ１…ケミカルループ燃焼装置、
１…酸化塔、
３…還元塔、
４…空気ヘッダー、
５…空気ノズル、
９…燃料ノズル、
１３…セパレートガスノズル、
１４…Ｎ２ガス、ＣＯ２ガス等である不活性ガス供給用の配管、
１５…下部ヘッダー、
１８…第１の流体配管、
１９…上部ヘッダー、
２１…第２の流体配管、
２２…耐熱壁、
２４…中間ヘッダー、
２５…固気分離装置、
２６…伝熱管、
２７…酸化塔の上部の排気口、
２８…固気分離装置、
２９…熱交換器、
３３…気水分離装置、
１００…熱負荷部、
Ｍ…金属粒子、
ＭＯ…酸化金属粒子。
【図１】
0005707167.tif 000002
【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】
0005707167.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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