(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する空気反応器と、
前記酸素キャリア粒子を燃料によって還元する燃料反応器と、
前記酸素キャリア粒子が前記空気反応器又は前記燃料反応器から供給され、前記酸素キャリア粒子のうち粗大粒子及び微小粒子を除去し、残りの酸素キャリア粒子を回収して前記空気反応器又は前記燃料反応器へ供給する粒子分離器と、
を備え、
前記粒子分離器は、
鉛直方向に延びるライザー型の重力分離部と、
前記重力分離部の上部と接続されたサイクロン部と、
前記サイクロン部の上部と接続された集塵部と、
を含み、
前記酸素キャリア粒子を前記空気反応器又は前記燃料反応器から前記重力分離部内へ供給し、前記粗大粒子を前記重力分離部の下部へ落下させ、前記粗大粒子以外の前記酸素キャリア粒子を搬送ガスと共に前記重力分離部の上部から前記サイクロン部へ供給し、
前記重力分離部から供給された前記酸素キャリア粒子のうち前記微小粒子を前記搬送ガスと共に前記サイクロン部の上部から前記集塵部へ供給し、前記残りの酸素キャリア粒子を前記サイクロン部の下部から回収して前記空気反応器又は前記燃料反応器へ供給し、
前記微小粒子を前記集塵部において前記搬送ガスから除去する、
ケミカルループ燃焼装置。
【請求項２】
前記空気反応器と前記燃料反応器との間を循環する前記酸素キャリア粒子の一部のみを前記粒子分離器へ供給するバイパスラインを備える、
請求項１に記載のケミカルループ燃焼装置。
【請求項３】
前記バイパスラインが、前記燃料反応器と前記粒子分離器とを接続する、
請求項２に記載のケミカルループ燃焼装置。
【請求項４】
前記空気反応器と前記燃料反応器との間を循環する前記酸素キャリア粒子の全部を前記粒子分離器へ供給する、
請求項１に記載のケミカルループ燃焼装置。
【請求項５】
前記燃料反応器において還元された前記酸素キャリア粒子の全部を、前記燃料反応器から前記粒子分離器へ供給し、
前記粒子分離器において回収された前記酸素キャリア粒子を、前記粒子分離器から前記空気反応器へ供給する、
請求項４に記載のケミカルループ燃焼装置。
【請求項６】
前記空気反応器において、前記酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する空気反応工程と、
前記燃料反応器において、前記酸素キャリア粒子を前記燃料によって還元する燃料反応工程と、
前記酸素キャリア粒子を前記空気反応器又は前記燃料反応器から前記粒子分離器へ供給し、前記酸素キャリア粒子のうち前記粗大粒子及び前記微小粒子を除去し、前記残りの酸素キャリア粒子を回収して前記空気反応器又は前記燃料反応器へ供給する分離工程と、
を備え、
前記分離工程は、
前記酸素キャリア粒子を前記空気反応器又は前記燃料反応器から前記重力分離部内へ供給し、前記粗大粒子を前記重力分離部の下部へ落下させ、前記粗大粒子以外の前記酸素キャリア粒子を前記搬送ガスと共に前記重力分離部の上部から前記サイクロン部へ供給する第一工程と、
前記重力分離部から供給された前記酸素キャリア粒子のうち前記微小粒子を前記搬送ガスと共に前記サイクロン部の上部から前記集塵部へ供給し、前記残りの酸素キャリア粒子を前記サイクロン部の下部から回収して前記空気反応器又は前記燃料反応器へ供給する第二工程と、
前記微小粒子を前記集塵部において前記搬送ガスから除去する第三工程と、
を含む、
請求項１に記載のケミカルループ燃焼装置を用いるケミカルループ燃焼方法。
【請求項７】
前記空気反応器と前記燃料反応器との間を循環する前記酸素キャリア粒子の一部のみを、前記バイパスラインを通じて前記粒子分離器へ供給する、
請求項２に記載のケミカルループ燃焼装置を用いるケミカルループ燃焼方法。
【請求項８】
前記酸素キャリア粒子の一部を、前記バイパスラインを通じて前記燃料反応器から前記粒子分離器へ供給する、
請求項３に記載のケミカルループ燃焼装置を用いるケミカルループ燃焼方法。
【請求項９】
前記空気反応器と前記燃料反応器との間を循環する前記酸素キャリア粒子の全部を前記粒子分離器へ供給する、
請求項４に記載のケミカルループ燃焼装置を用いるケミカルループ燃焼方法。
【請求項１０】
前記燃料反応器において還元された前記酸素キャリア粒子の全部を、前記燃料反応器から前記粒子分離器へ供給し、
前記粒子分離器において回収された前記酸素キャリア粒子を、前記粒子分離器から前記空気反応器へ供給する、
請求項５に記載のケミカルループ燃焼装置を用いるケミカルループ燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケミカルループ燃焼装置、及びケミカルループ燃焼方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球の温暖化を抑制するためには、化石燃料の燃焼に伴って生成する二酸化炭素を回収することが必要である。化石燃料の燃焼によって生成する排ガスは、二酸化炭素のみならず、空気に由来する酸素、窒素又は窒素酸化物等も含有する。したがって、二酸化炭素を回収するためには、二酸化炭素を排ガスから分離する工程が必要となる。しかし、分離工程では多大なエネルギーが消費されてしまう。例えば、二酸化炭素の吸脱着工程では、吸着剤の温度、又は吸着剤を取り巻く雰囲気の圧力を制御するために、多大なエネルギーが必要となる。
【０００３】
近年、化石燃料の燃焼に伴う排ガス中の二酸化炭素を容易に回収する方法として、ケミカルループ燃焼（化学燃焼）と呼ばれる方法が注目されている（下記特許文献１参照）。ケミカルループ燃焼を実施するための装置（ケミカルループ燃焼装置）は、空気反応器及び燃料反応器を備える。ケミカルループ燃焼方法では、空気反応器において金属を含む酸素キャリア粒子（粉体）を空気中の酸素で酸化する。空気反応器内では、燃料が存在しないので、二酸化炭素及び窒素酸化物が生成し難い。空気反応器内で酸化された酸素キャリア粒子を空気から分離した後、燃料反応器へ供給する。燃料反応器内では、酸素キャリア粒子を燃料で還元する。つまり、燃料を酸素キャリア粒子で酸化する。酸素キャリア粒子の還元（燃料の酸化）によって、燃料反応器内で二酸化炭素等が生成する。燃料反応器で還元された酸素キャリア粒子を空気反応器に戻して再び酸化して、再利用する。
【０００４】
以上のように、ケミカルループ燃焼方法では、空気反応器及び燃料反応器の間を循環する酸素キャリア粒子が、空気から燃料へ酸素を媒介する。つまり、空気が燃料と直接反応しない。したがって、ケミカルループ燃焼方法では、燃料の酸化（燃焼）によって発生する排ガスが空気に由来する窒素を含まず、二酸化炭素を容易に回収することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−３８６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のケミカルループ燃焼装置は、空気反応器として、ライザーを備える。ライザーとは、鉛直方向に延びる管又は塔である。酸素キャリア粒子は、ライザーの下部からライザー内へ導入される。ライザー内の酸素キャリア粒子は、ライザーの下部から導入された空気によって吹き上げられ、ライザーの上部へ移動する。酸素キャリア粒子がライザーの上部へ移動する過程において、酸素キャリア粒子は空気中の酸素によって酸化される。酸化された酸素キャリア粒子は、残りの空気と共に、ライザーの上部から排出される。酸素キャリア粒子は、ライザーによって与えられた位置エネルギー及び運動エネルギーに駆動されて、ライザーの上部から燃料反応器へ移動し、燃料反応器から空気反応器へ戻ってくる。
【０００７】
酸素キャリア粒子をライザーの下部からライザーの上部へ移動させるためには、高圧又は高速の空気流をライザー内へ導入する必要がある。その結果、ライザー内での酸素キャリア粒子の移動速度は速くなり、ライザー内での酸素キャリア粒子の滞留時間は短くなる。滞留時間は、例えば数秒程度である。したがって、ライザー内での酸素キャリア粒子の酸化反応に許される時間は短く、酸素キャリア粒子が十分に酸化されないことがある。十分に酸化されていない酸素キャリア粒子が燃料反応器へ供給されると、酸素キャリア粒子が燃料反応器内で過度に還元されてしまう。
【０００８】
過度に還元された酸素キャリア粒子は、粘性を有する金属成分（例えば金属単体）を含むため、互いに凝着することがある。酸素キャリア粒子の金属成分の融点が、燃料に由来するアルカリ金属（ナトリウム又はカリウム等）によって低下して、酸素キャリア粒子の凝着が促進されることもある。ケミカルループ燃焼装置内の局所的な過昇温によって、酸素キャリア粒子の金属成分が凝着することもある。凝着した酸素キャリア粒子を、ケミカルループ燃焼装置内において再生することは困難である。以下では、凝着により粗大になった酸素キャリア粒子（つまり、比較的粒径が大きい酸素キャリア粒子）を、「粗大粒子」と記す。
【０００９】
粗大粒子は、ケミカルループ燃焼装置の局所に滞留し易いため、装置内における他の酸素キャリア粒子の循環を妨げることがある。粗大粒子が、空気反応器又は燃料反応器における気泡流動層の形成を妨げることもある。粗大粒子に起因するこれらの現象は、ケミカルループ燃焼装置の故障を引き起こす。
【００１０】
過度に還元された酸素キャリア粒子は、酸素の欠落により崩壊することもある。ライザー内を高速で移動する酸素キャリア粒子が、ライザーの内壁と衝突して崩壊することもある。酸素キャリア粒子同士の衝突により、酸素キャリア粒子が崩壊することもある。ケミカルループ燃焼装置内での酸素キャリア粒子の循環（つまり、酸化還元反応）が繰り返されるほど、酸素キャリア粒子は崩壊し易い。崩壊した酸素キャリア粒子を、ケミカルループ燃焼装置内において再生することは困難である。以下では、崩壊して微細になった酸素キャリア粒子（つまり、比較的粒径が小さい酸素キャリア粒子）を、「微小粒子」と記す。
【００１１】
微小粒子は、高温のガスに随伴して空気反応器又は燃料反応器から排出される。微小粒子は、従来のサイクロン（粉体分離器）を用いたとしても排ガスから分離され難い。微小粒子が残存する排ガスは、工業的に利用し難い。例えば、排ガスが微小粒子と共に熱交換器に供給されると、熱交換器が故障することがある。また、排ガスが微小粒子と共に発電用タービンに供給されると、微小粒子がタービン翼に堆積して、発電用タービンが故障することもある。排ガスを工業製品の原料として利用する場合、微小粒子は原料の品質又は純度を損なう。排ガス中の微小粒子が大気を汚染することもある。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、酸素キャリア粒子のうち粗大粒子及び微小粒子を除去することができるケミカルループ燃焼装置、及び当該ケミカルループ燃焼装置を用いるケミカルループ燃焼方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置は、酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する空気反応器と、酸素キャリア粒子を燃料によって還元する燃料反応器と、酸素キャリア粒子が空気反応器又は燃料反応器から供給され、酸素キャリア粒子のうち粗大粒子及び微小粒子を除去し、残りの酸素キャリア粒子を回収して空気反応器又は燃料反応器へ供給する粒子分離器と、を備え、粒子分離器は、鉛直方向に延びるライザー型の重力分離部と、重力分離部の上部と接続されたサイクロン部と、サイクロン部の上部と接続された集塵部と、を含み、酸素キャリア粒子を空気反応器又は燃料反応器から重力分離部内へ供給し、粗大粒子を重力分離部の下部へ落下させ、粗大粒子以外の酸素キャリア粒子を搬送ガスと共に重力分離部の上部からサイクロン部へ供給し、重力分離部から供給された酸素キャリア粒子のうち微小粒子を搬送ガスと共にサイクロン部の上部から集塵部へ供給し、残りの酸素キャリア粒子をサイクロン部の下部から回収して空気反応器又は燃料反応器へ供給し、微小粒子を集塵部において搬送ガスから除去する。
【００１４】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼方法は、空気反応器において、酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する空気反応工程と、燃料反応器において、酸素キャリア粒子を燃料によって還元する燃料反応工程と、酸素キャリア粒子を空気反応器又は燃料反応器から粒子分離器へ供給し、酸素キャリア粒子のうち粗大粒子及び微小粒子を除去し、残りの酸素キャリア粒子を回収して空気反応器又は燃料反応器へ供給する分離工程と、を備え、分離工程は、酸素キャリア粒子を空気反応器又は燃料反応器から重力分離部内へ供給し、粗大粒子を重力によって重力分離部の下部へ落下させ、粗大粒子以外の酸素キャリア粒子を搬送ガスと共に重力分離部の上部からサイクロン部へ供給する第一工程と、重力分離部から供給された酸素キャリア粒子のうち微小粒子を搬送ガスと共にサイクロン部の上部から集塵部へ供給し、残りの酸素キャリア粒子をサイクロン部の下部から回収して空気反応器又は燃料反応器へ供給する第二工程と、微小粒子を集塵部において搬送ガスから除去する第三工程と、を含み、上記ケミカルループ燃焼装置を用いる。
【００１５】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置は、空気反応器と燃料反応器との間を循環する酸素キャリア粒子の一部のみを粒子分離器へ供給するバイパスラインを備えてよい。
【００１６】
換言すると、本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼方法では、空気反応器と燃料反応器との間を循環する酸素キャリア粒子の一部のみを、バイパスラインを通じて粒子分離器へ供給してよい。
【００１７】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置では、バイパスラインが、燃料反応器と粒子分離器とを接続してよい。
【００１８】
換言すると、本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼方法では、酸素キャリア粒子の一部を、バイパスラインを通じて燃料反応器から粒子分離器へ供給してよい。
【００１９】
本発明の他の側面に係るケミカルループ燃焼装置では、空気反応器と燃料反応器との間を循環する酸素キャリア粒子の全部を粒子分離器へ供給してもよい。
【００２０】
換言すると、本発明の他の側面に係るケミカルループ燃焼方法では、空気反応器と燃料反応器との間を循環する酸素キャリア粒子の全部を粒子分離器へ供給してもよい。
【００２１】
本発明の他の側面に係るケミカルループ燃焼装置では、燃料反応器において還元された酸素キャリア粒子の全部を、燃料反応器から粒子分離器へ供給し、粒子分離器において回収された酸素キャリア粒子を、粒子分離器から空気反応器へ供給してもよい。
【００２２】
換言すると、本発明の他の側面に係るケミカルループ燃焼方法では、燃料反応器において還元された酸素キャリア粒子の全部を粒子分離器へ供給し、粒子分離器において回収された酸素キャリア粒子を空気反応器へ供給してもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、酸素キャリア粒子のうち粗大粒子及び微小粒子を除去することができるケミカルループ燃焼装置、及び当該ケミカルループ燃焼装置を用いるケミカルループ燃焼方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係るケミカルループ燃焼装置の模式図である。
【図２】図２は、本発明の第二実施形態に係るケミカルループ燃焼装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。図面において、同等の構成要素には同等の符号を付す。本発明は下記実施形態に限定されるものではない。各図に示すＸ，Ｙ及びＺは、互いに直交する３つの座標軸を意味する。Ｙ軸は鉛直上方を向く。Ｘ軸及びＺ軸は水平である。
【００２６】
（第一実施形態）
図１に示すように、本発明の第一実施形態に係るケミカルループ燃焼装置１００は、空気反応器１０、第一ライン１、ライザー１２、第二ライン２、サイクロン１８（粉体分離器）、第三ライン３、燃料反応器１４、第四ライン４、粒子分離器３６、バイパスライン５、第六ライン６、第七ライン７、第八ライン８、第一シールポット２０ａ、第二シールポット２０ｂ、第三シールポット２０ｃ、第四シールポット２０ｄ、及び第五シールポット２０ｅを備える。「ライン」とは、物質を移送する管を意味する。
【００２７】
粒子分離器３６は、鉛直方向に延びるライザー型の重力分離部３０と、重力分離部３０の上部３０ａと接続されたサイクロン部３２（別の粉体分離器）と、サイクロン部３２の上部３２ａと接続された集塵部３４と、を含む。
【００２８】
ケミカルループ燃焼装置１００が備える上記の構成要素の位置関係は、図１に示す通りである。つまり、空気反応器１０は、ライザー１２の下部１２ｂよりも上方に位置する。燃料反応器１４は、空気反応器１０よりも上方に位置する。ライザー１２の上部１２ａは、燃料反応器１４よりも上方に位置する。サイクロン１８は、燃料反応器１４よりも上方に位置する。粒子分離器３６は、燃料反応器１４の隣に位置する。第一シールポット２０ａは、第一ライン１の中途に設置されている。第二シールポット２０ｂは、第四ライン４の中途に設置されている。第三シールポット２０ｃは、第三ライン３の中途に設置されている。第四シールポット２０ｄは、バイパスライン５の中途に設置されている。第五シールポット２０ｅは、第七ライン７の中途に設置されている。
【００２９】
第一ライン１は、空気反応器１０とライザー１２の下部１２ｂとを接続する。第二ライン２は、ライザー１２の上部１２ａとサイクロン１８とを接続する。第三ライン３は、サイクロン１８の下部と燃料反応器１４とを接続する。第四ライン４は、燃料反応器１４と空気反応器１０とを接続する。バイパスライン５は、燃料反応器１４と重力分離部３０とを接続する。第六ライン６は、重力分離部３０の上部３０ａとサイクロン部３２とを接続する。第七ライン７は、サイクロン部３２の下部３２ｂ（スロート部３２ｃ）と燃料反応器１４とを接続する。第八ライン８は、サイクロン部３２の上部３２ａと集塵部３４とを接続する。
【００３０】
第一シールポット２０ａは、ライザー１２から空気反応器１０への気体の逆流を抑制する。第二シールポット２０ｂは、空気反応器１０から燃料反応器１４への気体の逆流を抑制する。第三シールポット２０ｃは、燃料反応器１４からサイクロン１８への気体の逆流を抑制する。第四シールポット２０ｄは、重力分離部３０から燃料反応器１４への気体の逆流を抑制する。第五シールポット２０ｅは、燃料反応器１４からサイクロン部３２への気体の逆流を抑制する。パージガスを、第一シールポット２０ａ、第二シールポット２０ｂ、第三シールポット２０ｃ、第四シールポット２０ｄ又は第五シールポット２０ｅのいずれか又は全てに供給してよい。パージガスは、各シールポットにおいて酸素キャリア粒子から余分な気体（例えば、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素又は水蒸気等）を除去する。またパージガスは、酸素キャリア粒子に流動性を付与する。パージガスは、例えば、水蒸気又は窒素であってよい。
【００３１】
空気反応器１０及び燃料反応器１４其々の形状は、例えば、立方体、直方体、円柱又は角柱であってよい。
【００３２】
本発明の第一実施形態に係るケミカルループ燃焼方法は、以下に説明するように、ケミカルループ燃焼装置１００を用いて実施される。
【００３３】
酸素キャリア粒子は、空気反応器１０からライザー１２の下部１２ｂへ供給され、ライザー１２の下部１２ｂからライザー１２の上部１２ａへ移動し、ライザー１２の上部１２ａからサイクロン１８を経て燃料反応器１４へ供給され、燃料反応器１４から空気反応器１０へ供給される。酸素キャリア粒子は、上記の順序で、ケミカルループ燃焼装置１００内を循環する。
【００３４】
空気反応器１０では、酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する空気反応工程を実施する。燃料反応器１４では、酸化された酸素キャリア粒子を燃料によって還元する燃料反応工程を実施する。粒子分離器３６では、燃料反応器１４から供給された酸素キャリア粒子のうち粗大粒子及び微小粒子を除去し、残りの酸素キャリア粒子を回収して燃料反応器１４へ戻す分離工程を実施する。以下では、各工程を詳しく説明する。
【００３５】
酸素キャリア粒子は、金属単体又は金属の酸化物を含む粉体である。還元された状態にある酸素キャリア粒子の組成は、例えば、一般式ＭＯｘで表される。一般式中、Ｍは金属であり、ｘは０以上の実数である。酸化された状態にある酸素キャリア粒子の組成は、例えば、一般式ＭＯｘ＋ｙで表される。一般式中、ｙは正の実数である。金属Ｍは、特に限定されないが、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ及びＭｎからなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。酸素キャリア粒子は、複数の金属単体を含んでよい。酸素キャリア粒子は、複数の金属酸化物を含んでもよい。酸素キャリア粒子は、複数の金属を含有する複合酸化物（例えば、ペロブスカイト型酸化物）を含んでもよい。酸素キャリア粒子は、金属又は金属酸化物と、金属又は金属酸化物が担持された担体と、を備えてもよい。酸素キャリア粒子は、金属酸化物の一部と担体の一部とから形成された固溶体で含んでもよい。担体は、特に限定されないが、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＮｉＡｌ２Ｏ４、ＣｏＡｌ２Ｏ４、ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ−Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  Ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＣｕＡｌ２Ｏ４及びＡｌＰＯ４からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。酸素キャリア粒子は、複数種の担体を備えてもよい。金属又は金属酸化物を担体に担持する方法は、例えば、物理的混合法、共沈法、含浸法、焼成法又はこれらの方法の組み合わせであってよい。酸素キャリア粒子の粒径は、例えば、１０μｍ以上１０００μｍ以下、又は１００μｍ以上５００μｍ以下であってよい。
【００３６】
空気反応工程では、空気（Ａｉｒ）を空気反応器１０の底面から空気反応器１０内へ導入する。そして、空気反応器１０内において、酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する。酸素キャリア粒子の酸化は発熱反応であるので、酸素キャリア粒子の酸化によって空気反応器１０内の温度は高温に維持される。したがって、空気反応器１０内の酸素キャリア粒子及び空気は、高温で加熱される。空気反応器１０内の温度は、特に限定されないが、例えば、５００℃以上１２００℃以下であってよい。酸素キャリア粒子との反応後に残った空気（窒素及び酸素）は空気反応器１０の上部から排出される。空気反応器１０から排出される空気を、第一搬送ガスｇ１として、ライザー１２へ供給してもよい。
【００３７】
空気反応器１０では、酸素キャリア粒子及び空気を含む気泡流動層を形成し、気泡流動層において酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化してよい。一般的に、「気泡流動層」とは、気体中に浮遊する粉体（多数の粒子）の全体が均一な流体として挙動する状態である。粒子の重力が、鉛直上方に流れる気体が粒子に及ぼす力と釣り合う場合、粉体が流動化して、気泡流動層が形成される。したがって、酸素キャリア粒子の重力が、鉛直上方に流れる空気が酸素キャリア粒子に及ぼす力と釣り合う場合、気泡流動層が形成される。
【００３８】
空気反応器１０内で酸化された酸素キャリア粒子を、第一ライン１を通じて空気反応器１０からライザー１２の下部１２ｂへ供給する。第一搬送ガスｇ１を、ライザー１２の下部１２ｂへ供給する。空気反応器１０内の酸素キャリア粒子を、第一搬送ガスｇ１によって吹き飛ばして、ライザー１２の下部１２ｂからライザー１２の上部１２ａへ移動させる。つまり、酸素キャリア粒子を第一搬送ガスｇ１の上昇流によって鉛直下方から鉛直上方へ移動させる。その結果、酸素キャリア粒子に位置エネルギー及び運動エネルギーが付与される。酸素キャリア粒子は、ライザー１２において与えられたエネルギーに駆動されて、ケミカルループ燃焼装置１００内を循環する。ライザー１２内を高速で移動する酸素キャリア粒子は、ライザー１２の内壁と衝突して微小粒子になることがある。
【００３９】
第一搬送ガスｇ１は、還元能がないガスであればよい。第一搬送ガスｇ１は酸素を含んでよい。第一搬送ガスｇ１は、不活性ガス（例えば、窒素）であってもよい。第一搬送ガスｇ１は、酸素及び不活性ガスの混合物であってもよい。第一搬送ガスｇ１は空気であってよい。第一搬送ガスｇ１が酸素を含む場合、酸素キャリア粒子がライザー１２内を移動する過程において、酸素キャリア粒子が第一搬送ガスｇ１中の酸素で酸化される。つまり、第一搬送ガスｇ１が酸素を含む場合、空気反応器１０においてのみならず、ライザー１２においても空気反応工程を実施してよい。
【００４０】
ライザー１２の下部１２ｂから上部１２ａへ移動した酸素キャリア粒子を、第一搬送ガスｇ１と共に、第二ライン２を通じてサイクロン１８へ供給する。サイクロン１８では、酸素キャリア粒子を第一搬送ガスｇ１から分離する。分離された酸素キャリア粒子を、第三ライン３を通じて、サイクロン１８の下部から燃料反応器１４へ供給する。サイクロン１８において酸素キャリア粒子から分離された第一搬送ガスｇ１（例えば、窒素及び酸素）は、サイクロン１８の上部から排出される。
【００４１】
サイクロン１８を用いて酸素キャリア粒子を第一搬送ガスｇ１から分離することにより、搬送ガスが酸素キャリア粒子と共に燃料反応器１４へ供給されることが抑制される。したがって、燃料反応器１４内で生成するガスが第一搬送ガスｇ１中の窒素と混合することが抑制される。
【００４２】
燃料反応工程では、サイクロン１８から供給された酸素キャリア粒子を、燃料反応器１４内において燃料によって還元する。換言すれば、燃料を、酸素キャリア粒子に含まれる酸素で酸化する。燃料反応器１４内で還元された酸素キャリア粒子は、第四ライン４を通じて、燃料反応器１４から空気反応器１０へ供給される。空気反応器１０において再び酸素キャリア粒子を空気中の酸素で酸化する。
【００４３】
燃料反応器１４内の温度は、空気反応器１０における酸化反応によって加熱された酸素キャリア粒子の温度に依存する。また、燃料反応器１４内の温度は、燃料反応器１４内での酸素キャリア粒子の還元反応（燃料の酸化反応）の反応熱にも依存する。燃料反応器１４内の温度は、特に限定されないが、例えば、５００℃以上１２００℃以下であってよい。
【００４４】
燃料は元素として炭素を含む。燃料は炭化水素化合物であってよい。燃料は、固体燃料、液体燃料、及び気体燃料からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。固体燃料は、特に限定されないが、例えば、石炭、コークス（骸炭）、プラスチック及びバイオマス燃料からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。液体燃料は、特に限定さないが、例えば、軽油、重油、灯油及びガソリンからなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。気体燃料は、特に限定されないが、例えば、メタン、プロパン、ブタン、天然ガス、及び石炭のガス化ガスからなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。複数種の燃料を用いてもよい。燃料は粒子又は粉体であってよい。
【００４５】
燃料反応器１４では、酸素キャリア粒子、燃料及び流動化ガスＧから気泡流動層を形成し、気泡流動層において酸素キャリア粒子を燃料によって還元してよい。
【００４６】
流動化ガスＧは、窒素を含まない気体であればよい。流動化ガスＧは、例えば、水蒸気、二酸化炭素及び酸素からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。複数種の流動化ガスＧを用いてよい。流動化ガスＧは気体燃料を含んでもよい。流動化ガスＧが気体燃料のみからなっていてもよい。メタン等の炭化水素ガスと水蒸気とを含む流動化ガスＧを燃料反応器１４へ供給する場合、炭化水素ガスの部分酸化反応、水蒸気改質反応及び水性ガスシフト反応が進行し、一酸化炭素及び水素を含む合成ガスが生成する。燃料反応器１４内において燃料を完全に酸化する場合、二酸化炭素及び水を含むガスが生成する。燃料反応工程において生成させるガスの組成又は仕様に応じて、燃料又は流動化ガスＧを選定してよい。流動化ガスＧが燃料を含まない場合、流動化ガスＧとは別の燃料Ｆを燃料反応器１４へ供給すればよい。
【００４７】
燃料反応器１４内では、一部の酸素キャリア粒子が過還元によって粗大粒子及び微小粒子になることがある。空気反応器１０又はライザー１２において形成された粗大粒子及び微小粒子が、燃料反応器１４へ供給されることもある。粗大粒子及び微小粒子は、分離工程において除去される。分離工程は、下記の第一工程、第二工程及び第三工程を含む。
【００４８】
第一工程では、燃料反応器１４内の酸素キャリア粒子の一部を、バイパスライン５を通じて、燃料反応器１４から重力分離部３０へ供給する。換言すると、空気反応器１０と燃料反応器１４との間を循環する全ての酸素キャリア粒子のうち一部のみを、バイパスライン５を通じて、燃料反応器１４から重力分離部３０へ供給する。全ての酸素キャリア粒子のうち除去されるべき粗大粒子及び微小粒子の割合はわずかである。したがって、酸素キャリア粒子の一部のみを重力分離部３０へ供給することにより、全部を供給する場合に比べて、ケミカルループ燃焼の効率が向上する。
【００４９】
重力分離部３０の内部には、分散板３０ｄが設置されている。酸素キャリア粒子は、分散板３０ｄの上方から重力分離部３０内へ導入される。第一工程では、第二搬送ガスｇ２を、分散板３０ｄの下方から重力分離部３０内へ導入する。第二搬送ガスｇ２は、分散板３０ｄの開口部を通過することにより分散して、上昇流を形成する。重力分離部３０内へ導入された酸素キャリア粒子のうち、粗大粒子は第二搬送ガスｇ２の上昇流に抗して、重力により落下する。したがって、粗大粒子は、分散板３０ｄの開口部を通じて重力分離部３０の下部３０ｂ（風箱）へ移動する。下部３０ｂに堆積した粗大粒子（ｐ１）は、重力分離部３０の下端にあるスロート部３０ｃを通じて、ケミカルループ燃焼装置１００から除去される。一方、粗大粒子以外の酸素キャリア粒子は、第二搬送ガスｇ２の上昇流によって重力分離部３０の上部３０ａへ搬送される。粗大粒子以外の酸素キャリア粒子は、第六ライン６を通じて、重力分離部３０の上部３０ａからサイクロン部３２へ供給される。
【００５０】
以下では、重力分離部３０内において、酸素キャリア粒子が、粗大粒子とそれ以外の粒子に分離されるメカニズムについて詳しく説明する。
【００５１】
重力分離部３０内における酸素キャリア粒子の終末速度が、重力分離部３０内での第二搬送ガスｇ２の空塔速度（気流速度）よりも大きい場合、酸素キャリア粒子は重力によって落下する。一方、酸素キャリア粒子の終末速度が第二搬送ガスｇ２の空塔速度以下である場合、酸素キャリア粒子は第二搬送ガスｇ２の上昇流によって鉛直上方へ搬送される。ここで、重力分離部３０内における酸素キャリア粒子の終末速度ｕｔは、例えば、下記の式１で表されてよい。
ｕｔ＝｛４ｇ（ρｐ―ρｆ）ｄｐ÷３ρｆＣＤ｝１／２      （１）
式１中のｇは、重力加速度である。ρｐは、酸素キャリア粒子の嵩密度である。ρｆは、第二搬送ガスｇ２の密度である。ｄｐは、酸素キャリア粒子の粒径である。式１中のＣＤは、例えば、下記の式２ａ又は式２ｂで表されてよい。
ＣＤ＝２４／Ｒｅｐ      （２ａ）
Ｒｅｐ＜１
ＣＤ＝（２４／Ｒｅｐ）×（１＋０．１２５Ｒｅｐ０．７２）      （２ｂ）
０．５＜Ｒｅｐ＜１０３
式２ａ又は式２ｂにおけるＲｅｐは、粒子レイノルズ数である。
【００５２】
上記式１は、酸素キャリア粒子の粒径ｄｐが大きいほど酸素キャリア粒子の終末速度ｕｔが大きいことを示している。換言すると、上記式１は、全酸素キャリア粒子のうち粗大粒子の終末速度は比較的大きいことを示している。ケミカルループ燃焼装置１００における諸問題の原因となる粗大粒子の粒径は、予め実験的に把握することができるので、予め粗大粒子の終末速度を粗大粒子の粒径から算出することもできる。また、第二搬送ガスｇ２の空塔速度は、バルブ等によって自在に調整することができる。したがって、第二搬送ガスｇ２の空塔速度を粗大粒子の終末速度よりも小さい値に制御することにより、重力分離部３０内において粗大粒子のみを選択的に落下させて、他の酸素キャリア粒子から分離することできる。換言すると、第二搬送ガスｇ２の空塔速度を、粗大粒子以外の酸素キャリア粒子の終末速度以上であり粗大粒子の終末速度未満である範囲に制御することにより、粗大粒子以外の酸素キャリア粒子を選択的に重力分離部３０の上部３０ａへ搬送し、粗大粒子から分離することできる。重力分離部３０内の第二搬送ガスｇ２の空塔速度の下限値は、サイクロン部３２の下部３２ｂから回収する酸素キャリア粒子の粒径の下限値から算出される終末速度に等しくてよい。重力分離部３０内の第二搬送ガスｇ２の空塔速度の上限値は、サイクロン部３２の下部３２ｂから回収する酸素キャリア粒子の粒径の上限値から算出される終末速度に等しくてよい。
【００５３】
以上のように、第一工程では、酸素キャリア粒子の粒径及び終末速度と第二搬送ガスｇ２の空塔速度との関係に基づき、粗大粒子をそれ以外の酸素キャリア粒子から分離することができる。
【００５４】
上記のメカニズムに基づく第一工程を、重力分離部３０ではなく、ライザー１２を用いて行うことは困難である。ライザー１２は、ケミカルループ燃焼装置１００内を循環するためのエネルギーを酸素キャリア粒子に付与することを目的とする。したがって、ライザー１２内の第一搬送ガスｇ１の空塔速度を、重力分離部３０内における第二搬送ガス２ｇの空塔速度よりもはるかに大きい値に制御する必要がある。例えば、ライザー１２内の第一搬送ガスｇ１の空塔速度は、酸素キャリア粒子の平均粒径から算出される終末速度の２倍を上回る。第一搬送ガスｇ１の空塔速度が大きいため、ライザー１２内の粗大粒子は、他の酸素キャリア粒子から分離されることなく、第一搬送ガスｇ１によってライザー１２の上部１２ａへ搬送されてしまう。仮にライザー１２を空気反応器として用いる場合、粗大粒子の分離のために第一搬送ガスｇ１（空気）の空塔速度を低減すると、ライザー１２内で酸素キャリア粒子が十分に酸化されず、燃料反応器１４において酸素キャリア粒子が過度に還元されてしまう。過還元の結果、粗大粒子及び微小粒子が増加してしまう。
【００５５】
第一工程で用いる第二搬送ガスｇ２は、第一搬送ガスｇ１と同じであってよい。第二搬送ガスｇ２は、流動化ガスＧと同じであってもよい。重力分離部３０内では、酸素キャリア粒子が第二搬送ガスｇ２によって酸化されてよい。重力分離部３０内では、酸素キャリア粒子が第二搬送ガスｇ２によって還元されてもよい。
【００５６】
第二工程では、重力分離部３０から供給された酸素キャリア粒子のうち微小粒子のみを第二搬送ガスｇ２と共にサイクロン部３２の上部３２ａから排出する。微小粒子は、第二搬送ガスｇ２により、第八ライン８を通じて、サイクロン部３２の上部３２ａから集塵部３４へ供給する。微小粒子以外の残りの酸素キャリア粒子は、サイクロン部３２の下部３２ｂ（スロート部３２ｃ）から回収され、第七ライン７を通じて、燃料反応器１４へ戻される。サイクロン部３２の設計、又は第二搬送ガスｇ２の進入速度の制御により、所望の粒径を有する酸素キャリア粒子のみを選択的にサイクロン部３２の下部３２ｂから回収することができる。言うまでもなく、サイクロン部３２において回収される酸素キャリア粒子の粒径は、粗大粒子の粒径よりも小さく、微小粒子の粒径よりも大きい。
【００５７】
第三工程では、集塵部３４において微小粒子ｐ２を第二搬送ガスｇ２から除去する。集塵部３４は、例えば、バグフィルタ又はスクラバであってよい。第二搬送ガスｇ２が集塵部３４に至る過程において酸素キャリア粒子と反応した場合、集塵部３４から排出される第二搬送ガスｇ２’の組成は、重力分離部３０へ導入される第二搬送ガスｇ２と異なっていてもよい。
【００５８】
重力分離部３０内の酸素キャリア粒子の終末速度は、粒子の粒径及び嵩密度、並びに第二搬送ガスｇ２の密度等に依るものであり、限定されない。したがって、酸素キャリア粒子の終末速度に応じて制御される第二搬送ガスｇ２の空塔速度も限定されない。除去すべき粗大粒子及び微小粒子それぞれの粒径は、ケミカルループ燃焼装置１００の耐久性、又はケミカルループ燃焼方法の用途に依るものであり、限定されない。例えば、酸素キャリア粒子は、酸化鉄が担持された酸化アルミニウム（酸化鉄／アルミナ粒子）であってよい。酸化鉄／アルミナ粒子の平均粒径は２００μｍであってよい。酸化鉄／アルミナ粒子の嵩密度は４０００ｋｇ／ｍ３であってよい。このような酸化鉄／アルミナ粒子を用いる場合、粗大粒子の粒径は４００μｍよりも大きくてよい。微小粒子の粒径は１０μｍ未満であってよい。回収される酸化鉄／アルミナ粒子の粒径は１０μｍ以上４００μｍ以下であってよい。２００μｍの平均粒径から算出される酸化鉄／アルミナ粒子の終末速度は、２．４ｍ／ｓである。４００μｍの粒径から算出される粗大粒子の終末速度は、４．８ｍ／ｓである。したがって、粗大粒子を酸化鉄／アルミナ粒子から分離する場合、重力分離部３０内における第二搬送ガスｇ２の空塔速度は２．４ｍ／ｓから４．８ｍ／ｓの間の値に制御すればよい。重力分離部３０からサイクロン部３２へ供給される第二搬送ガスｇ２の進入速度は、基本的運転条件下において、１０±５ｍ／ｓであればよい。
【００５９】
以上の分離工程により、ケミカルループ燃焼装置１００内の粗大粒子の量が減少し、粗大粒子に起因するケミカルループ燃焼装置の故障が抑制される、また、分離工程により、ケミカルループ燃焼装置１００から排出されるガス中に残存する微小粒子の量が減少する。
【００６０】
サイクロン１８において酸素キャリア粒子から分離された高温・高圧の空気を、ガスタービンへ供給し、空気でガスタービンを駆動し、ガスタービンで発電機を駆動することにより、電力を発生させてよい。サイクロン１８において分離された空気を熱交換器へ供給し、熱交換器において水を空気で加熱して、高温・高圧の水蒸気を発生させてもよい。この水蒸気を水蒸気タービンへ供給し、水蒸気で水蒸気タービンを駆動し、水蒸気タービンで発電機を駆動することにより、電力を発生させてもよい。サイクロン１８において分離された空気を熱交換器へ供給し、熱交換器において、空気反応器１０へ供給する前の空気、ライザー１２へ供給する前の第一搬送ガスｇ１、重力分離部３０へ供給する前の第二搬送ガスｇ２、又は燃料反応器１４へ供給する前の流動化ガスＧを予熱してもよい。サイクロン１８から排出される空気を、第一搬送ガスｇ１又は第二搬送ガスｇ２として再利用してもよい。
【００６１】
サイクロン１８において分離された空気から窒素以外の成分を分離・除去することにより、高純度の窒素を精製してよい。高純度の窒素は、例えば、化学産業、電気機械産業、又は鉄鋼業において利用される。
【００６２】
燃料反応器１４内の生成ガスを熱交換器へ供給し、熱交換器において水を生成ガスで加熱して、高温・高圧の水蒸気を発生させてもよい。この水蒸気を水蒸気タービンへ供給し、水蒸気で水蒸気タービンを駆動し、水蒸気タービンで発電機を駆動することにより、電力を発生させてよい。燃料反応器１４内の生成ガスを熱交換器へ供給し、熱交換器において、空気反応器１０へ供給する前の空気、ライザー１２へ供給する前の第一搬送ガスｇ１、重力分離部３０へ供給する前の第二搬送ガスｇ２、又は燃料反応器１４へ供給する前の流動化ガスＧを予熱してもよい。
【００６３】
燃料反応器１４内で合成ガスを生成させた場合、合成ガスは、例えば、化学プラント用の原料として利用される。燃料反応器１４内の生成ガスが主成分として二酸化炭素を含む場合、生成ガスから二酸化炭素以外の成分（例えば、水）を分離・除去することにより、高純度の二酸化炭素を精製してよい。高純度の二酸化炭素は、例えば、アーク溶接用ガス、炭酸飲料の原料、冷却剤、工業プロセス用の超臨界流体、又は化学品の原料として利用される。
【００６４】
第一実施形態では分離工程により微小粒子が除去されるので、微小粒子に起因する熱交換器、ガスタービン及び水蒸気タービンの故障が抑制される。また分離工程により微小粒子が除去されるので、再利用される各ガス中に微小粒子が残存し難く、各ガスの品質又は純度が向上する。
【００６５】
（第二実施形態）
本発明の第二実施形態に係るケミカルループ燃焼装置、及び当該装置を用いた第二実施形態に係るケミカルループ燃焼方法は、以下に記載する事項を除いて、第一実施形態と同じである。第二実施形態においても、第一実施形態と同様に、酸素キャリア粒子のうち粗大粒子及び微小粒子を除去することができる。以下では、第一実施形態及び第二実施形態に共通する事項の説明を省略する。
【００６６】
図２に示すように、第二実施形態に係るケミカルループ燃焼装置２００は、空気反応器１０、第一ライン１、ライザー１２、第二ライン２、サイクロン１８、第三ライン３、燃料反応器１４、第五ライン１５、粒子分離器３６、第六ライン６、第七ライン１７、第八ライン８、第一シールポット２０ａ、第三シールポット２０ｃ、第四シールポット２０ｄ、及び第五シールポット２０ｅを備える。
【００６７】
図２に示すように、第二実施形態に係るケミカルループ燃焼装置２００は、空気反応器１０と燃料反応器１４とを直接接続する第四ライン４を備えない。また、ケミカルループ燃焼装置２００は、バイパスライン５も備えない。ケミカルループ燃焼装置２００は、空気反応器１０と燃料反応器１４との間に配置された粒子分離器３６を備える。第五ライン１５は、燃料反応器１４と粒子分離器３６の重力分離部３０とを接続する。第七ライン１７は、粒子分離器３６のサイクロン部３２と空気反応器１０とを接続する。第四シールポット２０ｄは、重力分離部３０から燃料反応器１４への気体の逆流を抑制する。第五シールポット２０ｅは、空気反応器１０からサイクロン部３２への気体の逆流を抑制する。
【００６８】
第二実施形態の分離工程では、燃料反応器１４において還元された酸素キャリア粒子の全部を粒子分離器３６へ供給し、粒子分離器３６のサイクロン部３２において回収された酸素キャリア粒子を空気反応器１０へ供給する。つまり第二実施形態では、粒子分離器３６を酸素キャリア粒子の循環ライン内に配置し、空気反応器１０と燃料反応器１４との間を循環する酸素キャリア粒子の全部を粒子分離器３６へ供給する。循環ラインとは、酸素キャリア粒子の経路であり、空気反応器１０と燃料反応器１４とを直接的又は間接的に接続する複数のラインから構成される閉じた経路と言い換えてよい。
【００６９】
（他の実施形態）
以上、本発明の第一実施形態及び第二実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。例えば、上記の第一実施形態又は第二実施形態を以下のように変更してもよい。
【００７０】
空気反応器では、気泡流動層の代わりに移動層を形成し、移動層において酸素キャリア粒子を酸素で酸化してもよい。例えば、酸素キャリア粒子を空気反応器の上部から降下させ、空気を空気反応器の下部から鉛直上方へ流し、且つ、酸素キャリア粒子の重力が、空気が酸素キャリア粒子に及ぼす力と釣り合わない場合、空気反応器内では、気泡流動層ではなく移動層が形成される。
【００７１】
燃料反応器においても、気泡流動層の代わりに移動層を形成し、移動層において酸素キャリア粒子を燃料で還元してもよい。例えば、酸素キャリア粒子を燃料反応器の上部から降下させ、流動化ガスを燃料反応器の下部から鉛直上方へ流し、且つ、酸素キャリア粒子の重力が、流動化ガスが酸素キャリア粒子に及ぼす力と釣り合わない場合、燃料反応器内では、気泡流動層ではなく移動層が形成され易い。
【００７２】
粒子分離器を空気反応器の隣に配置して、バイパスラインが空気反応器と粒子分離器とを接続してもよい。この場合、酸素キャリア粒子の一部を、バイパスラインを通じて空気反応器から粒子分離器へ供給してよい。粒子分離器において回収された酸素キャリア粒子を空気反応器へ戻してよく、燃料反応器へ供給してもよい。
【００７３】
第一実施形態の分離工程で回収された酸素キャリア粒子を、燃料反応器へ戻す代わりに、空気反応器又は第四ラインへ供給してもよい。粒子分離器（サイクロン部）において回収された酸素キャリア粒子を、循環ラインの何処へ戻してもよい。回収された酸素キャリア粒子を循環ラインの何処に戻した場合であっても、酸素キャリア粒子は結果的に循環ラインを通じて空気反応器又は燃料反応器へ供給される。粒子分離器において回収された酸素キャリア粒子を、循環ライン内の複数の箇所へ戻してもよい。
【００７４】
粒子分離器が空気反応器とライザーとの間に配置されてもよい。粒子分離器がライザーとサイクロンとの間に配置されてもよい。粒子分離器がサイクロンと燃料反応器との間に配置されてもよい。
【００７５】
空気反応器及び燃料反応器それぞれの位置を入れ替えてもよい。ケミカルループ燃焼装置が、複数のライザーを備えてよい。ライザーを空気反応器として用いてよく、ライザーとは別の空気反応器はなくてもよい。燃料反応器がライザーであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明に係るケミカルループ燃焼装置及びケミカルループ燃焼方法は、例えば、化石燃料を用いた合成ガスの製造、又は化石燃料を用いた発電に適用される。
【符号の説明】
【００７７】
１  第一ライン
２  第二ライン
３  第三ライン
４  第四ライン
５  バイパスライン
６  第六ライン
７、１７  第七ライン
１０  空気反応器
１２  ライザー
１２ａ  ライザーの上部
１２ｂ  ライザーの下部
１４  燃料反応器
１５  第五ライン
１８  サイクロン
２０ａ  第一シールポット
２０ｂ  第二シールポット
２０ｃ  第三シールポット
２０ｄ  第四シールポット
２０ｅ  第五シールポット
３０  重力分離部
３０ａ  重力分離部の上部
３０ｂ  重力分離部の下部
３０ｃ  重力分離器のスロート部
３０ｄ  分散板
３２  サイクロン部
３２ａ  サイクロン部の上部
３２ｂ  サイクロン部の下部
３２ｃ  サイクロン部のスロート部
３４  集塵部
３６  粒子分離器
１００、２００  ケミカルループ燃焼装置
Ｆ  燃料
ｇ１  第一搬送ガス
ｇ２、ｇ２’  第二搬送ガス
Ｇ  流動化ガス
ｐ１  粗大粒子
ｐ２  微小粒子
【図１】
0006455290.tif 000002
【図２】
0006455290.tif 000003