(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケミカルループ燃焼方法に用いられるケミカルループ燃焼装置であって、
前記ケミカルループ燃焼方法が、
酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する酸化工程と、
酸化された前記酸素キャリア粒子を燃料によって還元する還元工程と、
を備え、
前記酸素キャリア粒子は、酸化鉄と、酸化アルミニウムと、前記酸化鉄の一部及び前記酸化アルミニウムの一部から形成された固溶体と、を含み、
前記酸化工程では、前記酸素キャリア粒子の酸化により、前記酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３超３以下に調整し、
前記還元工程では、前記酸素キャリア粒子の還元により、前記酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整し、
前記ケミカルループ燃焼装置が、
前記酸素キャリア粒子を前記空気中の酸素によって酸化する空気反応器と、
酸化された前記酸素キャリア粒子が前記空気反応器から供給され、前記酸素キャリア粒子を搬送ガスによって鉛直下方から鉛直上方へ移動させるライザーと、
前記酸素キャリア粒子が前記ライザーから供給され、前記酸素キャリア粒子を前記燃料によって還元し、還元された前記酸素キャリア粒子を前記空気反応器へ供給する燃料反応器と、
前記ライザー内における前記酸素キャリア粒子及び前記搬送ガスの圧力損失を測定する測定装置と、
測定された前記圧力損失に基づいて前記ライザーへ供給する前記搬送ガスの流量を調整することにより、前記圧力損失を制御する制御装置と、
を備える、
ケミカルループ燃焼装置。
【請求項２】
ケミカルループ燃焼方法に用いられるケミカルループ燃焼装置であって、
前記ケミカルループ燃焼方法が、
酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する酸化工程と、
酸化された前記酸素キャリア粒子を燃料によって還元する還元工程と、
を備え、
前記酸素キャリア粒子は、酸化鉄と、酸化アルミニウムと、前記酸化鉄の一部及び前記酸化アルミニウムの一部から形成された固溶体と、を含み、
前記酸化工程では、前記酸素キャリア粒子の酸化により、前記酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３超３以下に調整し、
前記還元工程では、前記酸素キャリア粒子の還元により、前記酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整し、
前記ケミカルループ燃焼装置が、
前記酸素キャリア粒子を前記空気中の酸素によって酸化すると共に、前記酸素キャリア粒子を前記空気によって鉛直下方から鉛直上方へ移動させるライザー型の空気反応器と、
前記酸素キャリア粒子が前記空気反応器から供給され、前記酸素キャリア粒子を前記燃料によって還元し、還元された前記酸素キャリア粒子を前記空気反応器へ供給する燃料反応器と、
前記空気反応器内における前記酸素キャリア粒子及び前記空気の圧力損失を測定する測定装置と、
測定された前記圧力損失に基づいて前記空気反応器へ供給する前記空気の流量を調整することにより、前記圧力損失を制御する制御装置と、
を備える、
ケミカルループ燃焼装置。
【請求項３】
前記酸素キャリア粒子における前記酸化鉄の含有率は、三酸化二鉄の含有率に換算して２５質量％以上５０質量％未満である、
請求項１又は２に記載のケミカルループ燃焼装置。
【請求項４】
前記酸素キャリア粒子は、三酸化二鉄と酸化アルミニウムとを焼成することにより製造される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の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、ケミカルループ燃焼装置に関する。
【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。過度に還元された酸素キャリア粒子は崩壊し易い。また、過度に還元された酸素キャリア粒子（還元された金属成分）は互いに凝着し易い。崩壊した酸素キャリア粒子、又は凝着した酸素キャリア粒子を、空気反応器における酸化によって再生することは困難である。
【０００８】
以上のように、空気反応器としてライザーを用いる従来のケミカルループ燃焼方法では、酸素キャリア粒子の過還元に起因して酸素キャリア粒子が消耗してしまう。
【０００９】
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消耗を抑制することができるケミカルループ燃焼方法を実施するためのケミカルループ燃焼装置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】
【００１０】
本発明の第一の側面に係るケミカルループ燃焼装置は、本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼方法に用いられるケミカルループ燃焼装置であって、
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼方法は、酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する酸化工程と、酸化された酸素キャリア粒子を燃料によって還元する還元工程と、を備え、酸素キャリア粒子は、酸化鉄と、酸化アルミニウムと、酸化鉄の一部及び酸化アルミニウムの一部から形成された固溶体と、を含み、酸化工程では、酸素キャリア粒子の酸化により、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３超３以下に調整し、還元工程では、酸素キャリア粒子の還元により、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整し、
本発明の第一の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、酸化された酸素キャリア粒子が空気反応器から供給され、酸素キャリア粒子を搬送ガスによって鉛直下方から鉛直上方へ移動させるライザーと、酸素キャリア粒子がライザーから供給され、酸素キャリア粒子を燃料によって還元し、還元された酸素キャリア粒子を空気反応器へ供給する燃料反応器と、ライザー内における酸素キャリア粒子及び搬送ガスの圧力損失を測定する測定装置と、測定された圧力損失に基づいてライザーへ供給する搬送ガスの流量を調整することにより、圧力損失を制御する制御装置と、を備える。
本発明の第二の側面に係るケミカルループ燃焼装置は、本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼方法に用いられるケミカルループ燃焼装置であって、
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼方法は、酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する酸化工程と、酸化された酸素キャリア粒子を燃料によって還元する還元工程と、を備え、酸素キャリア粒子は、酸化鉄と、酸化アルミニウムと、酸化鉄の一部及び酸化アルミニウムの一部から形成された固溶体と、を含み、酸化工程では、酸素キャリア粒子の酸化により、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３超３以下に調整し、還元工程では、酸素キャリア粒子の還元により、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整し、
本発明の第二の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と共に、酸素キャリア粒子を空気によって鉛直下方から鉛直上方へ移動させるライザー型の空気反応器と、酸素キャリア粒子が空気反応器から供給され、酸素キャリア粒子を燃料によって還元し、還元された酸素キャリア粒子を空気反応器へ供給する燃料反応器と、空気反応器内における酸素キャリア粒子及び空気の圧力損失を測定する測定装置と、測定された圧力損失に基づいて空気反応器へ供給する空気の流量を調整することにより、圧力損失を制御する制御装置と、を備える。
【００１１】
本発明の一側面においては、酸素キャリア粒子に含まれる酸化鉄及び酸化アルミニウムが、固溶体を介して強固に結合している。したがって、本発明の一側面において用いる酸素キャリア粒子の機械的強度は、固溶体を含まない従来の酸素キャリア粒子の機械的強度よりも高い。したがって、本発明の一側面において用いる酸素キャリア粒子は従来の酸素キャリア粒子よりも消耗し難い。しかし、酸素キャリア粒子が過度に還元され、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値が８／３を下回ると、固溶体が減少して酸化鉄及び酸化アルミニウムが互いに分離し易い。つまり、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値が８／３を下回ると、酸素キャリア粒子が崩壊し易い。また、酸素キャリア粒子が過度に還元されると、還元された鉄の粘性により酸素キャリア粒子が互いに凝着し易い。このような酸素キャリア粒子の崩壊及び凝着は、酸化工程において酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３超３以下に調整し、且つ還元工程において酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整することにより抑制される。つまり、本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼方法では、空気反応器において酸素キャリア粒子を十分に酸化すると共に、燃料反応器における酸素キャリア粒子の過還元を抑制することにより、酸素キャリア粒子の消耗を抑制することができる。
【００１２】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼方法では、酸素キャリア粒子における酸化鉄の含有率は、三酸化二鉄の含有率に換算して２５質量％以上５０質量％未満であってよい。
【００１３】
酸素キャリア粒子に含まれる酸化鉄は、酸化工程において空気から酸素を受け、還元工程において酸素を燃料へ供与する機能（酸化還元能）を担う。したがって、酸素キャリア粒子における酸化鉄の含有率が高いほど、酸素キャリア粒子の酸化還元能が向上し、ケミカルループ燃焼方法の実施に必要な酸素キャリア粒子の総量を低減し易い。一方、酸素キャリア粒子における酸化鉄の含有率が高いほど、鉄の粘性により酸素キャリア粒子が互いに凝着し易く、酸素キャリア粒子の流動性が低下し易い。酸素キャリア粒子の流動性が低いほど、ケミカルループ燃焼装置内における酸素キャリア粒子の搬送に要するエネルギーが増加する。酸化鉄の含有率が２５質量％以上５０質量％未満である場合、酸素キャリア粒子の酸化還元能と流動性とが両立し易い。換言すれば、酸化鉄の含有率が２５質量％以上５０質量％未満である場合、酸素キャリア粒子の比較的高い流動性を維持しながら、比較的少量の酸素キャリア粒子を用いて、ケミカルループ燃焼方法を実施し易い。ただし、酸素キャリア粒子における酸化鉄の含有率が２５質量％未満又は５０質量％以上である場合であっても、本発明の一側面に係る効果を得ることは可能である。
【００１４】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼方法では、酸素キャリア粒子は、三酸化二鉄と酸化アルミニウムとを焼成することにより製造されてよい。
【００１５】
三酸化二鉄と酸化アルミニウムとを焼成することにより、酸化鉄と、酸化アルミニウムと、酸化鉄の一部及び酸化アルミニウムの一部から形成された固溶体と、を含む酸素キャリア粒子を得ることができる。
【００１７】
本発明の第一の側面に係るケミカルループ燃焼装置では、ライザーへ供給する搬送ガスの流量の調整及び圧力損失の制御により、単位時間当たりに燃料反応器へ供給する酸素キャリア粒子の量（粒子循環量）を自在に制御することができる。粒子循環量の制御により、単位時間当たりに燃料反応器へ供給する酸素キャリア粒子と燃料との化学量論比、及び燃料反応器における酸素キャリア粒子の滞留時間を自在に制御することができる。その結果、燃料反応器において酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整することが可能になる。
【００１９】
本発明の第二の側面に係るケミカルループ燃焼装置では、ライザー型の空気反応器へ供給する搬送ガスの流量の調整及び圧力損失の制御により、粒子循環量を自在に制御することができる。粒子循環量の制御により、単位時間当たりに燃料反応器へ供給する酸素キャリア粒子と燃料との化学量論比、及び燃料反応器における酸素キャリア粒子の滞留時間を自在に制御することができる。その結果、燃料反応器において酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整することが可能になる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、酸素キャリア粒子の消耗を抑制することができるケミカルループ燃焼方法を実施するためのケミカルループ燃焼装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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、本発明の第一実施形態に係るケミカルループ燃焼方法に用いる酸素キャリア粒子のＸ線回折パターンの一例である。
【図３】図３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】
【００２２】
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。
【００２３】
（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、第五ライン５、第一圧力計２２ａ、第二圧力計２２ｂ、制御装置２４、バルブ２６、第一シールポット２０ａ、第二シールポット２０ｂ、及び第三シールポット２０ｃを備える。「ライン」とは、物質を移送する管を意味する。
【００２４】
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。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。バルブ２６は第五ライン５に設置されている。第一圧力計２２ａは、ライザー１２の上部１２ａ側に位置する。第二圧力計２２ｂは、ライザー１２の下部１２ｂ側に位置する。
【００２５】
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と燃料反応器１４の側面とを接続する。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。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。パージガスを、第一シールポット２０ａ、第二シールポット２０ｂ又は第三シールポット２０ｃ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。
【００２６】
第一圧力計２２ａ及び第二圧力計２２ｂは、ライザー１２内における酸素キャリア粒子及び搬送ガスの圧力損失を測定する測定装置である。第一圧力計２２ａは、ライザー１２の上部１２ａ側における酸素キャリア粒子及び搬送ガスの圧力Ｐ１を測定する。第二圧力計２２ｂは、ライザー１２の下部１２ｂ側における酸素キャリア粒子及び搬送ガスの圧力Ｐ２を測定する。ライザー１２内における酸素キャリア粒子及び搬送ガスの圧力損失の測定値は、（Ｐ２−Ｐ１）と表される。制御装置２４は、第一圧力計２２ａから圧力Ｐ１に関する情報を取得し、第二圧力計２２ｂから圧力Ｐ２に関する情報を取得し、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）を計算する。制御装置２４は、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）に基づき、バルブ２６を開閉し、第五ライン５を通じてライザー１２内へ供給する搬送ガスｇの流量（流速）を調整する。搬送ガスｇの流量の調整により、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）を自在に制御することができる。例えば、制御装置２４によりバルブ２６を開き、搬送ガスｇの流速を増加させると、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）が増加する。制御装置２４によりバルブ２６を締め、搬送ガスｇの流速を減少させると、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）が減少する。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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酸化工程を実施する。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還元工程を実施する。以下では、各工程を詳しく説明する。
【００３１】
酸素キャリア粒子は、酸化鉄と、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と、酸化鉄の一部及び酸化アルミニウムの一部から形成された固溶体と、を含む。酸素キャリア粒子は、酸化鉄と、酸化アルミニウムと、固溶体と、からなっていてよい。固溶体は、酸化鉄及び酸化アルミニウムのみから形成されていてよい。換言すれば、固溶体は、鉄、アルミニウム及び酸素のみからなっていてよい。酸化鉄は酸化還元能を担い、酸化アルミニウムは酸化鉄の担体としての機能を担う。酸化鉄及び酸化アルミニウムは、固溶体を介して強固に結合している。したがって、第一実施形態において用いる酸素キャリア粒子の機械的強度は、固溶体を含まない従来の酸素キャリア粒子の機械的強度よりも高い。したがって、第一実施形態において用いる酸素キャリア粒子は従来の酸素キャリア粒子よりも消耗し難い。また、酸化鉄は、環境へ害を及ぼし難く安価である点において、有用である。
【００３２】
酸素キャリア粒子は、例えば、三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）と酸化アルミニウムとを焼成することにより製造されてよい。三酸化二鉄と酸化アルミニウムとを焼成することにより、三酸化二鉄の一部及び酸化アルミニウムの一部から固溶体が形成される。三酸化二鉄はヘマタイトであってよい。酸化アルミニウムはコランダムであってよい。三酸化二鉄及び酸化アルミニウムを焼成する雰囲気の温度は、例えば、１３００℃以上であってよく、三酸化二鉄の融点未満であってよい。三酸化二鉄の融点は１５６６℃程度である。１３００℃以上で三酸化二鉄と酸化アルミニウムとを焼成することにより、固溶体が形成され易い。また、四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）と酸化アルミニウムとを酸化的雰囲気下で焼成することにより、酸素キャリア粒子を製造してもよい。四酸化三鉄はマグネタイトであってよい。
【００３３】
酸素キャリア粒子における固溶体の存在は、例えば、酸素キャリア粒子のＸ線回折パターンによって確認することができる。図２は、ヘマタイト及びコランダムを１３００℃以上で焼成することにより形成された酸素キャリア粒子のＸ線回折パターンＳＳを示す。図２の横軸は回折角２θであり、縦軸は回折Ｘ線の強度（単位時間当たりに検出された光子数）である。酸素キャリア粒子のＸ線回折パターンＳＳにおいては、ヘマタイトに固有の回折角Ｈとは異なる回折角において、固溶体を形成する三酸化二鉄に由来するピークＳＳ−Ｈがある。つまり、ピークＳＳ−Ｈは、固溶体に固有のものである。また、酸素キャリア粒子のＸ線回折パターンＳＳにおいては、コランダムに固有の回折角Ｃとは異なる回折角において、固溶体を形成する酸化アルミニウムに由来するピークＳＳ−Ｃがある。つまり、ピークＳＳ−Ｃも、固溶体に固有のものである。
【００３４】
ケミカルループ燃焼方法では、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値が、常に８／３以上３以下に維持される。換言すれば、ケミカルループ燃焼方法では、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の還元率の平均値が、常に０％以上（１００／９）％以下に維持される。鉄の還元率は、下記式Ａにより定義される。
Ｒ＝−（１００Ｖ／３）＋１００      （Ａ）
式Ａ中、Ｒは鉄の還元率であり、Ｖは鉄の価数である。
【００３５】
酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値とは、理論的には、全ての酸素キャリア粒子に含まれる全ての鉄の価数の平均値を意味する。酸素キャリア粒子に含まれる鉄の還元率の平均値とは、理論的には、全ての酸素キャリア粒子に含まれる全ての鉄の還元率の平均値を意味する。酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数又は還元率の平均値は、例えば、ケミカルループ燃焼装置１００内を循環する酸素キャリア粒子から採取した試料の熱重量分析（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）によって測定すればよい。酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値の下限値（８／３）は、Ｆｅ３Ｏ４を構成する鉄の価数の平均値に等しい。Ｆｅ３Ｏ４を構成する鉄の還元率は、式Ａより（１００／９）％（約１１．１％）と計算される。酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値の上限値（３）は、Ｆｅ２Ｏ３を構成する鉄の価数に等しい。Ｆｅ２Ｏ３を構成する鉄の還元率は、式Ａより０％と計算される。鉄単体（価数が０である鉄）の還元率は、式Ａより１００％と計算される。
【００３６】
酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値が８／３以上３以下である限り、酸素キャリア粒子に含まれる一部の鉄の価数８／３未満であってよい。例えば、酸素キャリア粒子に含まれる一部の鉄の価数が２であってよい。つまり、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値が８／３以上３以下である限り、酸素キャリア粒子に含まれる酸化鉄の一部が、酸化鉄（ＩＩ）（ＦｅＯ）であってよい。
【００３７】
酸素キャリア粒子における酸化鉄の含有率は、特に限定されない。例えば、酸素キャリア粒子における酸化鉄の含有率は、三酸化二鉄の含有率に換算して１質量％以上５０質量％未満であってよく、酸素キャリア粒子における酸化アルミニウムの含有率は、５０質量％以上９９質量％未満であってよい。酸素キャリア粒子における酸化鉄の含有率は、三酸化二鉄の含有率に換算して２５質量％以上５０質量％未満であってもよく、酸素キャリア粒子における酸化アルミニウムの含有率は、５０質量％以上７５質量％未満であってよい。
【００３８】
酸素キャリア粒子における酸化鉄の含有率が高いほど、酸素キャリア粒子の酸化還元能が向上し、ケミカルループ燃焼装置１００内を循環する酸素キャリア粒子の総量を低減し易い。一方、酸素キャリア粒子における酸化鉄の含有率が高いほど、鉄の粘性により酸素キャリア粒子が互いに凝着し易く、酸素キャリア粒子の流動性が低下し易い。酸素キャリア粒子の流動性の低下に伴い、酸素キャリア粒子がケミカルループ燃焼装置１００内を循環し難くなる。酸化鉄の含有率が２５質量％以上５０質量％未満である場合、酸素キャリア粒子の酸化還元能と流動性とが両立し易い。換言すれば、酸化鉄の含有率が２５質量％以上５０質量％未満である場合、酸素キャリア粒子の比較的高い流動性を維持しながら、比較的少量の酸素キャリア粒子を用いて、ケミカルループ燃焼方法を実施し易い。
【００３９】
酸素キャリア粒子は粉体である。酸素キャリア粒子の粒径は、特に限定されないが、例えば、５０μｍ以上１０００μｍ以下、又は１００μｍ以上５００μｍ以下であってよい。
【００４０】
酸化工程では、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、搬送ガスｇとして、ライザー１２へ供給してもよい。
【００４１】
酸化工程では、酸素キャリア粒子の酸化により、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３より大きく３以下である値に調整する。換言すれば、酸素キャリア粒子の酸化により、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の還元率の平均値を、０％以上（１００／９）％未満に調整する。酸化後の酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値が大きいほど、燃料反応器１４での還元工程において酸素キャリア粒子の過還元が抑制され易い。なお、価数が４であるＦｅ４＋の電子配置は、Ｆｅ２＋又はＦｅ３＋の電子配置に比べて著しく不安定であるので、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値が３より大きくなることは実質的にない。単位時間当たりに空気反応器１０内で反応する酸素キャリア粒子及び空気の化学量論比を制御することにより、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３超３以下の範囲に調整することができる。化学量論比は、単位時間当たりに空気反応器１０内へ供給される空気の流量（例えば、体積）、又は単位時間当りに空気反応器１０内へ供給される酸素キャリア粒子の量（例えば、体積）によって調整すればよい。ケミカルループ燃焼装置１００内における粒子循環量（酸素キャリア粒子の循環速度）は略一定であってよいので、単位時間当りに空気反応器１０内へ供給される酸素キャリア粒子の量は粒子循環量に等しいといえる。
【００４２】
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。
【００４３】
気泡流動層は均一な流体であるため、空気反応器１０内の気泡流動層に含まれる個々の酸素キャリア粒子の速度はばらつき難い。したがって、空気反応器１０内における酸素キャリア粒子の滞留時間を制御し易く、酸素キャリア粒子の滞留時間のばらつきが小さくなり易い。その結果、滞留時間を酸素キャリア粒子の酸化反応に十分な時間に制御し易い。つまり、十分に酸化されることなく短時間で空気反応器１０から排出される酸素キャリア粒子の量を低減し易い。また、気泡流動層の内部は空気の気泡により攪乱されるので、気泡流動層の温度は均一に維持され易い。したがって、気泡流動層内の酸素キャリア粒子は斑なく酸化され易い。
【００４４】
空気反応器１０内における酸素キャリア粒子の滞留時間の平均値は、例えば、空気反応器１０の容積（空気反応器１０内の酸素キャリア粒子の流路の体積）を粒子循環量（単位：  体積／時間）で除することにより、計算される。粒子循環量の調整により、空気反応器１０内における酸素キャリア粒子の滞留時間を制御してよい。
【００４５】
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。搬送ガスｇを、第五ライン５を通じて、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、第五ライン５から供給される搬送ガスｇ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搬送ガスｇ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。制御装置２４により、単位時間当たりにライザー１２内へ供給する搬送ガスｇの流量（ライザー１２内における搬送ガスｇの空塔速度）を調整することにより、粒子循環量を制御することができる。また、ケミカルループ燃焼装置１００内を循環する酸素キャリア粒子の総量を調整することにより、粒子循環量を制御することもできる。粒子循環量の制御方法の詳細は後述する。
【００４６】
搬送ガスｇは、還元能がないガスであればよい。搬送ガスｇは酸素を含んでよい。搬送ガスｇは、不活性ガス（例えば、窒素）であってもよい。搬送ガスｇは、酸素及び不活性ガスの混合物であってもよい。搬送ガスｇは空気であってよい。搬送ガスｇ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搬送ガスｇ中の酸素で酸化される。つまり、搬送ガスｇ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においても酸化工程を実施してよい。その結果、ライザーのみにおいて酸素キャリア粒子を酸化する従来のケミカルループ燃焼方法に比べて、酸素キャリア粒子が十分に酸化され、燃料反応器１４における酸素キャリア粒子の過還元が抑制され易い。
【００４７】
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、搬送ガスｇ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搬送ガスｇ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搬送ガスｇ（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。
【００４８】
サイクロン１８を用いて酸素キャリア粒子を搬送ガスｇ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搬送ガスｇ中の窒素と混合することが抑制される。
【００４９】
燃料反応器１４内では、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を、第四ライン４を通じて、燃料反応器１４から空気反応器１０へ供給する。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。
【００５０】
燃料反応器１４内の温度は、空気反応器１０における酸化反応又は空気反応器１０及びライザー１２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。
【００５１】
燃料は炭素を含んでよい。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。
【００５２】
還元工程では、酸素キャリア粒子の還元により、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整する。言い換えると、還元工程では、酸素キャリア粒子の還元により、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の還元率の平均値を、０％超（１００／９）％以下に調整する。仮に酸素キャリア粒子が過度に還元され、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値が８／３を下回ると、固溶体が減少して酸化鉄及び酸化アルミニウムが互いに分離し、酸素キャリア粒子が崩壊し易い。例えば、還元後の酸素キャリア粒子に含まれる酸化鉄の平均的組成がＦｅＯである場合、固溶体がなくなり、酸化鉄及び酸化アルミニウムが互いに分離し、酸素キャリア粒子が崩壊してしまう。また、酸素キャリア粒子が過度に還元されると、還元された鉄の粘性により酸素キャリア粒子が互いに凝着し易い。このような酸素キャリア粒子の崩壊及び凝着は、還元工程において酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整することにより抑制される。つまり、還元工程にける酸素キャリア粒子の過還元を抑制することにより、酸素キャリア粒子の崩壊及び凝着を抑制する。
【００５３】
還元工程前の酸素キャリア粒子に含まれる酸化鉄の平均的組成がＦｅ２Ｏ３である場合、還元工程では、酸素キャリア粒子に含まれるＦｅ２Ｏ３のモル数の１／６倍以下のモル数の酸素分子を消費する燃料を燃料反応器１４へ供給してよい。これにより、酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に容易に調整することができる。例えば、還元工程において酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を３から８／３へ減少させる場合（つまり、還元前の酸素キャリア粒子に含まれる酸化鉄の平均的組成がＦｅ２Ｏ３であり、還元後の酸素キャリア粒子に含まれる酸化鉄の平均的組成がＦｅ３Ｏ４である場合）、還元前の酸素キャリア粒子に含まれるＦｅ２Ｏ３のモル数の１／６倍のモル数の酸素分子を消費する燃料を燃料反応器へ供給すればよい。燃料によるＦｅ２Ｏ３の還元は、例えば、以下の化学反応式１及び２の組合せ、又は化学反応式１及び３の組合せで表される。
ｎＦｅ２Ｏ３  →  （２ｎ／３）Ｆｅ３Ｏ４＋（ｎ／６）Ｏ２      （１）
（ｎ／６）Ｏ２＋（１／３）ＣｎＨｍ  →  （ｎ／３）ＣＯ＋（ｍ／６）Ｈ２      （２）
（ｎ／６）Ｏ２＋（１／３）ＣｎＨｍ＋｛（ｎ／４）−（ｍ／２４）｝Ｈ２Ｏ  →  ｛（ｎ／１２）＋（ｍ／２４）｝ＣＯ＋｛（ｎ／４）＋（ｍ／８）｝Ｈ２＋｛（ｎ／４）−（ｍ／２４）｝ＣＯ２      （３）
化学反応式１〜３中、ｎ及びｍはそれぞれ正の実数である。化学反応式２及び３中、ＣｎＨｍは燃料である炭化水素の一般的な組成式である。
【００５４】
還元工程において、燃料であるメタンから、一酸化炭素及び水素のモル比が１：２である合成ガスを製造する場合、上記化学反応式１は、例えば下記化学反応式１ａに具体化され、上記化学反応式２は、例えば下記化学反応式２ａに具体化される。
Ｆｅ２Ｏ３  →  （２／３）Ｆｅ３Ｏ４＋（１／６）Ｏ２      （１ａ）
（１／６）Ｏ２＋（１／３）ＣＨ４  →  （１／３）ＣＯ＋（２／３）Ｈ２      （２ａ）
【００５５】
還元工程において、メタンの水蒸気による改質により、一酸化炭素及び水素のモル比が１：３である合成ガスを製造する場合、上記化学反応式３は、例えば下記化学反応式３ａに具体化される。
（１／６）Ｏ２＋（１／３）ＣＨ４＋（１／１２）Ｈ２Ｏ  →  （１／４）ＣＯ＋（３／４）Ｈ２＋（１／１２）ＣＯ２      （３ａ）
【００５６】
還元後の酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値は、燃料反応器１４内へ供給される燃料と酸素キャリア粒子中の酸化鉄との化学量論比に依る。燃料が多いほど、酸素キャリア粒子が還元され易く、還元後の酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値が小さくなり易い。単位時間当りに燃料反応器１４内へ供給される酸素キャリア粒子の量（酸素キャリア粒子の供給速度）は、粒子循環量に等しいといえる。したがって、粒子循環量に応じて、単位時間当りに燃料反応器１４内へ供給される燃料の量（燃料の供給速度）を調整することにより、化学量論比を自在に制御することができる。化学量論比の制御により、還元工程において酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整することができる。
【００５７】
還元後の酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値は、燃料反応器１４内で酸化鉄の還元が進行する時間（還元反応時間）、及び還元工程における酸化鉄の還元の速度（還元反応速度）にも依る。還元反応時間が長く還元反応速度が高いほど、酸素キャリア粒子が還元され易く、還元後の酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値が小さくなり易い。還元反応時間及び還元反応速度其々を好適な目標値に制御することにより、還元工程において酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整することができる。還元反応時間及び還元反応速度は、酸素キャリア粒子の組成、燃料の組成、及び反応温度等に依る。還元反応時間及び還元反応速度其々の目標値は、ケミカルループ燃焼方法を実施する前に、予備的な実験に基づいて決定することができる。予備的な実験は、還元前の酸素キャリア粒子の組成、燃料の組成、及び反応温度等の条件を設定した上で行う。例えば、９３６℃の反応温度でＦｅ２Ｏ３を水素で３３秒間還元すると、Ｆｅ２Ｏ４が生成する。つまり、Ｆｅ２Ｏ３を水素で還元することにより鉄の還元率を約１１．１％に調整するためには、３３秒の還元反応時間を要する。したがって、鉄の還元率を約１１．１％以下に調整する場合、還元反応時間を３３秒以下に制御すればよい。反応温度（燃料反応器１４内の温度）は容易に制御することができる。
【００５８】
還元反応時間は、特に限定されないが、例えば３３〜３００秒程度であってよい。例えば燃料が水素である場合、還元反応時間は３３秒程度であってよい。例えば燃料がメタンである場合、還元反応時間は１８０秒程度であってよい。
【００５９】
還元反応時間は、燃料反応器１４内における酸素キャリア粒子の滞留時間に等しいといえる。酸素キャリア粒子の滞留時間は、燃料反応器１４の容積（燃料反応器１４内の酸素キャリア粒子の流路の体積）を粒子循環量で除することにより、計算される。したがって、粒子循環量の調整により、還元反応時間を制御することができる。粒子循環量は、ライザー１２内へ供給する搬送ガスｇの流量、及びライザー１２内における酸素キャリア粒子の濃度（粒子濃度）から計算される。粒子濃度は、圧力損失、ケミカルループ燃焼装置１００内を循環する酸素キャリア粒子の総量（粒子総量）、酸素キャリア粒子の特性値、及び搬送ガスｇの特性値から計算される。粒子濃度の計算の基礎となる圧力損失は、酸素キャリア粒子及び搬送ガスｇの粘性に起因する値であり、ライザー１２において測定される圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）そのものとは異なる。粒子濃度の計算の基礎となる圧力損失は、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）、搬送ガスｇとライザー１２の内壁等との摩擦に起因する圧力損失、ライザー１２内における酸素キャリア粒子の加速度、及び重力抵抗から計算される。粒子濃度の計算の基礎となる酸素キャリア粒子の特性値とは、酸素キャリア粒子の密度及び直径（粒径）等である。粒子濃度の計算の基礎となる搬送ガスｇの特性値とは、搬送ガスｇの流速及び組成に応じた搬送ガスｇの粘度及び密度等である。
【００６０】
第一実施形態では、以上の計算に基づき、還元反応時間の目標値から粒子循環量の目標値を決定し、粒子循環量の目標値から圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）の目標値を決定する。そして、制御装置２４を用いて上記計算に基づくシーケンス制御を行う。つまり、制御装置２４を用いてライザー１２内へ供給する搬送ガスｇの流量を調整することにより、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）を目標値に制御する。圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）が目標値に制御されると、粒子循環量及び還元反応時間も目標値になる。なお、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）は、搬送ガスｇの流量のみならず、粒子総量にも依る値である。したがって、ケミカルループ燃焼方法の開始時における粒子総量（初期粒子投入量）を調整するにより、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）を制御してよい。つまり、搬送ガスｇの流量のみならず初期粒子投入量を調整することにより、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）を制御してよい。ケミカルループ燃焼方法の実施中に、搬送ガスｇの流量及び粒子総量を調整することにより、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）を制御してもよい。
【００６１】
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。
【００６２】
気泡流動層は均一な流体であるため、燃料反応器１４内の気泡流動層に含まれる個々の酸素キャリア粒子の速度はばらつき難い。したがって、燃料反応器１４内における酸素キャリア粒子の滞留時間を制御し易く、酸素キャリア粒子の滞留時間のばらつきが小さくなり易い。その結果、滞留時間を、酸素キャリア粒子の還元に必要であって且つ酸素キャリア粒子の過還元が抑制される時間に制御し易い。つまり、燃料反応器１４内に長時間滞留して過度に還元される酸素キャリア粒子の量を低減し易い。また、気泡流動層の内部は流動化ガスＧの気泡により攪乱されるので、気泡流動層内の温度は均一に維持され易い。したがって、気泡流動層の温度は局所的に高くなり難く、高温の局所における酸素キャリア粒子の過還元が抑制され易い。
【００６３】
流動化ガスＧは、窒素を含まない気体である。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（上記化学反応式２、２ａ、３及び３ａ参照。）。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。還元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を選定したり、燃料と酸素キャリア粒子中の酸化鉄との化学量論比を調整したりしてよい。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。
【００６４】
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へ供給する前の搬送ガスｇ、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、搬送ガスｇとしてライザー１２へ供給してもよい。
【００６５】
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。
【００６６】
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へ供給する前の搬送ガスｇ、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。
【００６７】
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。
【００６８】
（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。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。
【００６９】
第二実施形態に係るケミカルループ燃焼装置は、第一実施形態におけるライザー１２を空気反応器として備える。つまり、図３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、ライザー１２（ライザー型の空気反応器）、第二ライン２、サイクロン１８、第三ライン３、燃料反応器１４、第四ライン４、第五ライン５、第一圧力計２２ａ、第二圧力計２２ｂ、制御装置２４、バルブ２６、第二シールポット２０ｂ、及び第三シールポット２０ｃを備える。
【００７０】
燃料反応器１４は、ライザー１２の下部１２ｂよりも上方に位置し、ライザー１２の上部１２ａよりも下方に位置する。第四ライン４は、燃料反応器１４とライザー１２の下部１２ｂとを接続する。第二シールポット２０ｂは、ライザー１２から燃料反応器１４への気体の逆流を抑制する。
【００７１】
第二実施形態に係るケミカルループ燃焼方法は、上記のケミカルループ燃焼装置２００を用いて実施される。
【００７２】
第二実施形態では、酸素キャリア粒子は、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からライザー１２の下部１２ｂ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２００内を循環する。
【００７３】
第二実施形態に係るケミカルループ燃焼方法では、ライザー１２に供給する搬送ガスｇとして空気（Ａｉｒ）を用いる。つまり、空気（Ａｉｒ）を、第五ライン５を通じてライザー１２の下部１２ｂへ供給する。ライザー１２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と共に、酸素キャリア粒子を空気によってライザー１２の下部１２ｂからライザー１２の上部１２ａへ移動させる。燃料反応器１４では、ライザー１２から供給された酸素キャリア粒子を燃料によって還元する。還元された酸素キャリア粒子を燃料反応器１４からライザー１２へ供給する。
【００７４】
第二実施形では、ライザー１２内における酸素キャリア粒子及び空気の圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）を、第一圧力計２２ａ及び第二圧力計２２ｂによって測定する。制御装置２４は、測定された圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）に基づき、バルブ２６を開閉し、第五ライン５を通じてライザー１２内へ供給する空気の流量（流速）を調整する。空気の流量の調整により、圧力損失（Ｐ２−Ｐ１）を自在に制御することができる。
【００７５】
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消耗を抑制することができる。
【００７６】
（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。
【００７７】
第一実施形態の空気反応器１０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１０の上部から降下させ、空気を空気反応器１０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１０内では、気泡流動層ではなく移動層が形成され易い。移動層では、酸素キャリア粒子の移動方向と空気の流れる方向とが対向するため、酸素キャリア粒子の流れが乱れ易い。したがって、移動層中の酸素キャリア粒子の速度は、気泡流動層中の酸素キャリア粒子の速度に比べて、ばらつき易い。つまり、空気反応器１０内で移動層を形成する場合、空気反応器１０内における酸素キャリア粒子の滞留時間は制御し難く、酸素キャリア粒子の滞留時間がばらつき易い。したがって、空気反応器１０において酸素キャリア粒子を十分且つ均一に酸化するためには、移動層よりも気泡流動層を形成したほうがよい。ただし、空気反応器１０で移動層を形成した場合であっても、本発明に係る効果を得ることは可能である。
【００７８】
第一実施形態又は第二実施形態の燃料反応器１４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１４の上部から降下させ、流動化ガスＧを燃料反応器１４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Ｇ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１４内では、気泡流動層ではなく移動層が形成され易い。移動層では、酸素キャリア粒子の移動方向と流動化ガスＧの流れる方向とが対向するため、酸素キャリア粒子の流れが乱れ易い。したがって、移動層中の酸素キャリア粒子の速度は、気泡流動層中の酸素キャリア粒子の速度よりもばらつき易い。その結果、燃料反応器１４内における酸素キャリア粒子の滞留時間を制御し難く、酸素キャリア粒子の滞留時間がばらつき易い。酸素キャリア粒子の滞留時間がばらつくほど、還元後の酸素キャリア粒子中の鉄の価数もばらつき易い。したがって、燃料反応器１４において酸素キャリア粒子に含まれる鉄の価数の平均値を８／３以上３未満に調整するためには、移動層よりも気泡流動層を形成したほうがよい。ただし、燃料反応器１４で移動層を形成した場合であっても、本発明に係る効果を得ることは可能である。
【００７９】
本発明に係るケミカルループ燃焼方法は、上記の実施形態以外のケミカルループ燃焼装置を用いて実施することも可能である。
【００８０】
例えば、第一実施形態に係るケミカルループ燃焼装置１００において、空気反応器１０及び燃料反応器１４の位置を入れ替えてもよい。
【００８１】
ケミカルループ燃焼装置が、複数のライザーを備え、複数のライザーのうち少なくとも一つのライザーにおける圧力損失を、第一実施形態又は第二実施形態と同様の方法で制御してよい。例えば、第一実施形態において、空気反応器１０及び燃料反応器１４が互いに離れている場合、燃料反応器１４から空気反応器１０への酸素キャリア粒子の移送のために、空気反応器１０及び燃料反応器１４の間において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を付与しなければならないことがある。この場合、ライザー１２と同様の第二のライザーを第四ライン４の中途に設置してもよい。ライザー１２と同様の方法で、第二のライザーにおける酸素キャリア粒子及び搬送ガスの圧力損失を一対の圧力計により測定してよい。測定された圧力損失に基づき、制御装置により、第二のライザーへ供給する搬送ガスの流量を調整し、第二のライザーにおける圧力損失を制御してよい。燃料反応器１４と第二のライザーとの間にシールポットを設置してもよい。第二のライザーと空気反応器１０との間に第二のサイクロンを設置してよい。第二のサイクロンにより、第二のライザーの上部から排出される酸素キャリア粒子を搬送ガスから分離することができる。第二のサイクロンと空気反応器１０との間にシールポットを設置してもよい。
【００８２】
ケミカルループ燃焼装置が備える燃料反応器がライザーであってもよい。燃料反応器がライザーである場合、ライザーへ供給する搬送ガスが気体燃料を含んでよい。ライザー型の燃料反応器における酸素キャリア粒子及び搬送ガスの圧力損失を一対の圧力計により測定してよい。測定された圧力損失に基づき、制御装置により、燃料反応器へ供給する搬送ガスの流量を調整することにより、燃料反応器における圧力損失を制御してよい。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係るケミカルループ燃焼方法及びケミカルループ燃焼装置は、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】
【００８４】
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  第五ライン
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
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
２２ａ  第一圧力計
２２ｂ  第二圧力計
２４  制御装置
２６  バルブ
１００、２００  ケミカルループ燃焼装置
Ｆ  燃料
ｇ  搬送ガス
Ｇ  流動化ガス
Ｃ  コランダムに固有の回折角
Ｈ  ヘマタイトに固有の回折角
ＳＳ−Ｃ  固溶体を形成する酸化アルミニウムに由来するピーク
ＳＳ−Ｈ  固溶体を形成する三酸化二鉄に由来するピーク
ＳＳ  酸素キャリア粒子のＸ線回折パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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