(57)【要約】【課題】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装置を提供する。【解決手段】ケミカルループ燃焼装置１００は、鉛直方向に並んで互いに連通する反応室１０及び管状のライザー１２を含み、反応室１０及びライザー１２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器３０と、酸化された酸素キャリア粒子が空気反応器３０から供給され、酸素キャリア粒子及び燃料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３０へ供給する燃料反応器１４と、を備え、反応室１０の容積が、ライザー１２の容積よりも大きく、反応室１０の水平方向における断面積が、ライザー１２の水平方向における断面積よりも大きい。【選択図】図１
2016080240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に並んで互いに連通する反応室及び管状のライザーを含み、前記反応室及び前記ライザー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及び燃料を含む気泡流動層を形成し、前記気泡流動層において前記酸素キャリア粒子を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、
を備え、
前記反応室の容積が、前記ライザーの容積よりも大きく、
前記反応室の水平方向における断面積が、前記ライザーの水平方向における断面積よりも大きい、
ケミカルループ燃焼装置。
【請求項２】
前記反応室が、前記ライザーの上に位置し、且つ前記燃料反応器よりも上方に位置する、
請求項１に記載のケミカルループ燃焼装置。
【請求項３】
前記反応室内の前記酸素キャリア粒子を、前記反応室から前記燃料反応器へ直接供給するラインを更に備える、
請求項２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発生する排ガスは、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、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の燃焼ガスが生成する。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、二酸化炭素等の燃焼ガス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】特表２０１２−５２９６１４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たり、互いに凝着したりする。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備える従来のケミカルループ燃焼装置では、酸素キャリア粒子の過還元によっ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】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置は、鉛直方向に並んで互いに連通する反応室及び管状のライザーを含み、反応室及びライザー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、酸素キャリア粒子及び燃料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、を備え、反応室の容積が、ライザーの容積よりも大きく、反応室の水平方向における断面積が、ライザーの水平方向における断面積よりも大きい。
【００１１】
本発明の一側面では、従来のように、ライザーにおいて酸素キャリア粒子を酸化するだけではなく、反応室においても酸素キャリア粒子を酸化する。また、本発明の一側面では、反応室の容積がライザーの容積よりも大きく、且つ反応室の水平方向における断面積がライザーの水平方向における断面積よりも大きいので、反応室における酸素キャリア粒子の滞留時間が、ライザーにおける酸素キャリア粒子の滞留時間よりも長くなり易い。したがって、本発明の一側面によれば、反応室を備えない従来のライザー型空気反応器を用いる場合に比べて、空気反応器内での酸素キャリア粒子の滞留時間を、酸素キャリア粒子の酸化に十分な時間に制御することができる。換言すれば、本発明の一側面によれば、十分に酸化されずに短時間で空気反応器から排出される酸素キャリア粒子の量を、従来よりも低減することができる。
【００１２】
また本発明の一側面では、燃料反応器内で気泡流動層を形成するので、燃料反応器内での酸素キャリア粒子の滞留時間は、従来の燃料反応器（例えば、移動層式燃料反応器）内での酸素キャリア粒子の滞留時間に比べて、制御し易い。したがって、燃料反応器内での酸素キャリア粒子の滞留時間を、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することができる。換言すれば、本発明の一側面によれば、燃料反応器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、従来よりも低減することができる。
【００１３】
以上の理由から、本発明の一側面によれば、酸素キャリア粒子の過還元が抑制され、過還元に因る酸素キャリア粒子の消耗も抑制される。換言すれば、本発明の一側面においては、空気反応器における酸素キャリア粒子の滞留時間と、燃料反応器における酸素キャリア粒子の滞留時間とをバランスさせることが容易であり、その結果、酸素キャリア粒子の過還元が抑制される。
【００１４】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置では、反応室が、ライザーの上に位置し、且つ燃料反応器よりも上方に位置してよい。この場合、ケミカルループ燃焼装置は、反応室内の酸素キャリア粒子を反応室から燃料反応器へ直接供給するラインを更に備えてよい。
【００１５】
酸素キャリア粒子は空気よりも重いので、酸素キャリア粒子は反応室の下部側に存在し易く、空気は反応室の上部側に存在し易い。したがって、反応室内の空気の空塔速度の調整により、反応室内で酸化された酸素キャリア粒子を空気から容易に分離することができる。反応室が、ライザーの上に位置し、且つ燃料反応器よりも上方に位置する場合、酸素キャリア粒子をライザーから反応室内へ供給し、反応室内で空気から分離された酸素キャリア粒子を、ラインを通じて反応室から燃料反応器へ直接供給することができる。
【発明の効果】
【００１６】
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装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１ａ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り、図１ｂは、図１ａに示されたｂ−ｂ線におけるライザー及び反応室其々の模式的断面図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料反応器及び燃料反応器内で形成される矩形の気泡流動層の模式的斜視図である。
【図３】図３ａ及び図３ｂ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が備える空気反応器の他の態様の模式図である。
【図４】図４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】
【００１８】
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。
【００１９】
（第一実施形態）
図１ａ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３０、第一ライン１、燃料反応器１４、第二ライン２、第三ライン３、サイクロン１８、第四ライン４、第一シールポット２０ａ、及び第二シールポット２０ｂを備える。「ライン」とは、物質を移送する管を意味する。
【００２０】
空気反応器３０は、反応室１０と、鉛直方向に延びる管状のライザー１２とを備える。ライザー１２及び反応室１０は、鉛直方向に並んでおり、互いに連通している。反応室１０は、ライザー１２の上に位置する。反応室１０の容積は、ライザー１２の容積よりも大きい。ライザー１２の下部は燃料反応器１４よりも下方に位置し、反応室１０は燃料反応器１４よりも上方に位置する。換言すれば、空気反応器３０の下側は燃料反応器１４よりも下方に位置し、空気反応器３０の上側は燃料反応器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、第二ライン２の中途に設置されている。
【００２１】
第一ライン１は、反応室１０の側面（空気反応器３０の側面）と燃料反応器１４の側面とを接続する。第二ライン２は、燃料反応器１４の側面とライザー１２の下部（空気反応器３０の下部３０ｂ）とを接続する。第三ライン３は、反応室１０の上部（空気反応器３０の上部３０ａ）とサイクロン１８の側面とを接続する。第四ライン４は、サイクロン１８の下部と、反応室１０（空気反応器３０）及び第一シールポット２０ａの間に位置する第一ライン１とを接続する。
【００２２】
第一シールポット２０ａは、燃料反応器１４から反応室１０（空気反応器３０）及びサイクロン１８への気体の逆流を抑制する。第二シールポット２０ｂは、ライザー１２（空気反応器３０）から燃料反応器１４への気体の逆流を抑制する。
【００２３】
第一実施形態に係るケミカルループ燃焼装置１００を用いて、以下のケミカルループ燃焼方法を実施する。
【００２４】
酸素キャリア粒子は、空気反応器３０の下側から空気反応器３０の上側へ移動し、空気反応器３０の上側から燃料反応器１４へ供給され、燃料反応器１４から空気反応器３０の下側へ供給される。換言すれば、酸素キャリア粒子は、ライザー１２の下部から、ライザー１２の上部を経て、反応室１０へ移動し、反応室１０から燃料反応器１４へ供給され、燃料反応器１４からライザー１２の下部へ供給される。酸素キャリア粒子の一部は、空気反応器３０の上側からサイクロン１８を経て燃料反応器１４へ供給される。換言すれば、酸素キャリア粒子の一部は、反応室１０からサイクロン１８を経て燃料反応器１４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。
【００２５】
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。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。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。
【００２６】
ケミカルループ燃焼方法では、空気反応器３０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。つまり、ライザー１２の内部及び反応室１０の内部において、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３０内の温度は高温に維持される。したがって、空気反応器３０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３０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。
【００２７】
第一実施形態では、ライザー１２において酸素キャリア粒子を酸化するだけではなく、反応室１０においても酸素キャリア粒子を酸化する。また第一実施形態では、反応室１０の容積がライザー１２の容積よりも大きく、且つ反応室１０の水平方向における断面積がライザー１２の水平方向における断面積よりも大きいので、反応室１０における酸素キャリア粒子の滞留時間は、ライザー１２における酸素キャリア粒子の滞留時間よりも長くなり易い。したがって、第一実施形態によれば、反応室１０を備えない従来のライザー型空気反応器を用いる場合に比べて、空気反応器３０内での酸素キャリア粒子の滞留時間を、酸素キャリア粒子の酸化に十分な時間に制御することができる。換言すれば、第一実施形態によれば、十分に酸化されずに短時間で空気反応器３０から排出される酸素キャリア粒子の量を、従来よりも低減することができる。
【００２８】
ライザー１２の内部及び反応室１０の内部において、酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する方法の詳細は、以下の通りである。
【００２９】
空気（Ａｉｒ）を、ライザー１２の下部（空気反応器３０の下部３０ｂ）からライザー１２内へ供給する。ライザー１２内の酸素キャリア粒子を、空気によって吹き飛ばすことにより、酸素キャリア粒子及び空気を、ライザー１２の下部から、ライザー１２の上部を経て、反応室１０内へ供給する。つまり、酸素キャリア粒子を空気の上昇流によって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が付与されるとともに、酸素キャリア粒子が空気中の酸素によって酸化される。
【００３０】
酸素キャリア粒子は空気よりも重いので、酸素キャリア粒子は反応室１０の下部側に存在し易く、空気は反応室１０の上部側に存在し易い。つまり、反応室１０内では、酸化された酸素キャリア粒子を空気から分離して反応室１０の下部側へ移動させ易い。したがって、反応室１０内で空気から分離された酸素キャリア粒子を、その位置エネルギーにより、第一ライン１を通じて反応室１０から燃料反応器１４へ直接供給することができる。酸素キャリア粒子から分離された空気は、第三ライン３を通じて反応室１０の上部（空気反応器３０の上部３０ａ）からサイクロン１８へ供給される。以上のように、反応室１０において酸素キャリア粒子が空気から分離されるので、空気中の窒素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窒素と混合することも抑制される。
【００３１】
ライザー１２内へ供給する空気の体積流量（ライザー１２内における空気の空塔速度）を調整することにより、ケミカルループ燃焼装置１００内における酸素キャリア粒子の循環速度（粒子循環量）を制御することができる。粒子循環量とは、単位時間当りに空気反応器３０から排出される酸素キャリア粒子の量（例えば、体積）、又は単位時間当りに空気反応器３０内へ供給される酸素キャリア粒子の量と言い換えられる。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。粒子循環量は略一定であってよい。
【００３２】
反応室１０内では、酸素キャリア粒子及び空気を含む気泡流動層（第一気泡流動層）を形成してもよい。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。酸素キャリア粒子及び空気から第一気泡流動層を形成した場合、第一気泡流動層内の酸素キャリア粒子は、空気中に浮遊した状態で、均一な流体として挙動する。したがって、第一気泡流動層が形成された反応室１０内における酸素キャリア粒子の滞留時間は、一般的な移動層又は乱流が形成された反応室１０内における酸素キャリア粒子の滞留時間よりも制御し易い。つまり、第一気泡流動層が形成された反応室１０内における酸素キャリア粒子の滞留時間のばらつきは小さくなり易い。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反応室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、第一気泡流動層の内部は空気の気泡により攪乱されるので、第一気泡流動層の温度は均一に維持され易い。したがって、第一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。図１ｂに示すように、反応室１０の水平方向における断面１０ａは円形であるので、反応室１０内で形成される第一気泡流動層の水平方向における断面も円形である。
【００３３】
反応室１０内で第一気泡流動層を形成する場合、反応室１０における空気の空塔速度は、気泡流動化開始速度（気泡開始速度）より大きければよく、酸素キャリア粒子の終末速度未満であればよい。気泡流動化開始速度及び終末速度は、酸素キャリア粒子の形状、平均粒径及び粒径分布、並びに反応室１０の形状により異なるものであり、実験的に求められる。ケミカルループ燃焼装置１００に要求される運転条件において反応室１０内の最適な流動状態が得られるように、反応室１０及び酸素キャリア粒子を設計すればよい。反応室１０内の空気の空塔速度は、ライザー１２内へ供給する空気の体積流量によって制御してよい。
【００３４】
空気の空塔速度（単位：ｍ／ｓ）は、空気の体積流量（単位：ｍ３／ｓ）を空気の流路の断面積（単位：ｍ２）で除した値である。空気反応器３０内において鉛直方向（Ｙ軸方向）に流れる空気の流路の断面積は、空気反応器３０の水平方向における断面積といえる。したがって、空気反応器３０内では、空塔速度が、空気反応器３０の水平方向における断面積に反比例する。図１ｂに示すように、反応室１０の水平方向における断面１０ａの面積は、ライザー１２の水平方向における断面１２ａの面積よりも大きい。したがって、反応室１０における空気の空塔速度は、ライザー１２における空気の空塔速度よりも小さい傾向がある。以上のような断面積の大小関係に依る空気の空塔速度の大小関係に基づき、反応室１０及びライザー１２其々における空気の空塔速度及び酸素キャリア粒子の滞留時間を制御してよい。反応室１０内の空気の空塔速度をより精密に制御するために、ライザー１２から反応室１０へ供給される空気とは別の空気を、反応室１０内へ直接供給してもよい。
【００３５】
図１ｂに示すように、反応室１０の水平方向における断面１０ａは、円形である。図１ａに示すように、反応室１０の上部及び反応室１０の下部はそれぞれ曲面（例えば、球面）である。このように反応室１０の全体が曲面を備えることにより、反応室１０に耐圧性が付与される。また反応室１０の下部が曲面であることにより、反応室１０の下部に酸素キャリア粒子が停留し難く、酸素キャリア粒子が滞りなく第一ライン１を通じて反応室１０から燃料反応器１４へ供給され易い。
【００３６】
反応室１０の形状は、図１ａ及び図１ｂに示す形状に限定されない。例えば、図３ａに示すように、反応室１０Ａの下部が逆円錐状であってもよい。つまり、反応室１０Ａの下部が斜面を備えてもよい。反応室１０Ａの下部が斜面を備えることにより、酸素キャリア粒子が反応室１０Ａの下部に停留し難く、酸素キャリア粒子が滞りなく第一ライン１を通じて反応室１０Ａから燃料反応器１４へ供給され易い。反応室１０の水平方向における断面は円形に限定されず、多角形であってもよい。例えば、図３ｂに示すように、反応室１０Ｂが直方体状であってもよい。つまり、反応室１０Ｂの水平方向における断面１０Ｂａが矩形（四角形）であってよい。図１ｂ、図３ａ及び図３ｂに示すように、ライザー１２の水平方向における断面１２ａは円形である。ただし、ライザー１２の水平方向における断面は円形に限定されず、例えば多角形であってもよい。
【００３７】
サイクロン１８では、反応室１０（空気反応器３０）から供給された空気中に残存する酸素キャリア粒子を空気から分離する。空気から分離された酸素キャリア粒子を、第四ライン４を通じてサイクロン１８の下部から第一ライン１へ供給する。空気中に残存する酸素キャリア粒子をサイクロン１８において回収することにより、酸素キャリア粒子の消耗が抑制される。酸素キャリア粒子から分離された空気（窒素及び酸素）は、サイクロン１８の上部から排出される。
【００３８】
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から第二気泡流動層を形成する。第二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する。つまり、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内の温度は、空気反応器３０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。
【００３９】
燃料は炭素を含む。燃料は、例えば、気体燃料又は固体燃料Ｓであってよい。気体燃料は、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。固体燃料Ｓは、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。固体燃料Ｓは粉体であってよい。複数種の燃料を用いてもよい。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。気体燃料を流動化ガスＧとして用いてよい。メタン等の炭化水素ガス及び水蒸気を含む流動化ガスＧを、燃料反応器１４へ供給し、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を進行させ、一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成させてよい。燃料反応器１４内において燃料を完全に酸化して、二酸化炭素及び水を含むガスを生成させてもよい。
【００４０】
以下では、図２に基づき、燃料反応器１４内で矩形の第二気泡流動層２４を形成する方法を説明する。説明の便宜のため、以下では、気体燃料を流動化ガスＧとして用いる場合について説明する。
【００４１】
図２に示すように、燃料反応器１４は、直方体状であり、燃料反応器１４内の空間も直方体状である。燃料反応器１４において互いに直交する第一辺１４ａ、第二辺１４ｂ及び第三辺１４ｃのうち、第一辺１４ａは、Ｘ軸に平行である。第二辺１４ｂは、Ｙ軸（鉛直方向）に平行である。第三辺１４ｃは、Ｚ軸に平行である。
【００４２】
反応室１０（空気反応器３０）から延びる第一ライン１は、燃料反応器１４において第二辺１４ｂ及び第三辺１４ｃが属する側面に接続されている。第一ライン１が接続された側面に対向する側面には、第二ライン２が接続されている。空気反応器３０において酸化された酸素キャリア粒子を、第一ライン１を通じて燃料反応器１４内へ導入し、第二ライン２を通じて燃料反応器１４外へ排出する。したがって、酸素キャリア粒子は、Ｘ軸又は第一辺１４ａに沿って流れる。つまり、酸素キャリア粒子は、水平方向に沿って流れる。一方、流動化ガスＧを、燃料反応器１４の底面から燃料反応器１４内へ導入し、燃料反応器１４の上面から燃料反応器１４外へ排出する。したがって、流動化ガスＧは、鉛直方向（Ｙ軸）に沿って流れる。このように、燃料反応器１４内において、酸素キャリア粒子の流れを流動化ガスＧの流れと交差又は直交させることにより、矩形の第二気泡流動層２４を形成する。「矩形」とは、酸素キャリア粒子の流れに垂直な方向における第二気泡流動層２４の断面２４ａが矩形（四角形）であることを意味する。換言すれば、鉛直方向（Ｙ軸方向）に平行である第二気泡流動層２４の断面２４ａは矩形である。鉛直方向（Ｙ軸方向）における第二気泡流動層２４の高さは略一定である。
【００４３】
矩形の第二気泡流動層２４の全体は、乱流ではなく層流として挙動する。したがって、矩形の第二気泡流動層２４に含まれる個々の酸素キャリア粒子は揃って燃料反応器１４内を移動し易い。換言すれば、矩形の第二気泡流動層２４に含まれる個々の酸素キャリア粒子は略同じ速度で略同じ方向へ移動し易い。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、燃料反応器１４内での酸素キャリア粒子の滞留時間を、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、第二気泡流動層２４の内部は流動化ガスＧの気泡により攪乱されるので、第二気泡流動層２４内の温度は均一に維持され易い。したがって、第二気泡流動層２４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。
【００４４】
仮に、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より大きい場合、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。また仮に、酸素キャリア粒子及び流動化ガス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より小さい場合、燃料反応器１４内では、矩形の気泡流動層（層流）ではなく、乱流が形成され易い。移動層又は乱流においては、酸素キャリア粒子が均一な流体として挙動し難い。したがって、移動層又は乱流に含まれる個々の酸素キャリア粒子は略同じ速度で略同じ方向へ移動し難い。換言すれば、移動層又は乱流に含まれる個々の酸素キャリア粒子は揃って燃料反応器１４内を移動し難い。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難く、酸素キャリア粒子の滞留時間のばらつきが大きくなり易い。その結果、燃料反応器１４内での酸素キャリア粒子の滞留時間を、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難い。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難い。
【００４５】
燃料反応器１４における流動化ガスＧの空塔速度は、気泡流動化開始速度（気泡開始速度）より大きければよく、酸素キャリア粒子の終末速度未満であればよい。気泡流動化開始速度及び終末速度は、酸素キャリア粒子の形状、平均粒径及び粒径分布、並びに燃料反応器１４の形状により異なるものであり、実験的に求められる。ケミカルループ燃焼装置１００に要求される運転条件において燃料反応器１４内の最適な流動状態が得られるように、燃料反応器１４及び酸素キャリア粒子を設計すればよい。
【００４６】
燃料反応器１４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、燃料反応器１４の容積を粒子循環量で除することにより、概算される。または、燃料反応器１４内における酸素キャリア粒子の流路の容積を粒子循環量で除することにより、酸素キャリア粒子の滞留時間の平均値を算出してもよい。粒子循環量の調整により、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てよい。なお、粒子循環量とは、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（例えば、体積）、又は単位時間当りに燃料反応器１４から排出される酸素キャリア粒子の量と言い換えられてよい。
【００４７】
燃料反応器１４内における第二気泡流動層２４（酸素キャリア粒子）の移動速度は、例えば、粒子循環量を燃料反応器１４内における酸素キャリア粒子の流路の断面積で除することによって算出される。流路の断面積とは、例えば、酸素キャリア粒子の流れに垂直な方向における第二気泡流動層２４の断面２４ａの面積と言い換えられる。流路の断面積は、燃料反応器１４の寸法に依る。例えば、流路の幅は、燃料反応器１４の第三辺１４ｃの長さに依る。流路の高さは、燃料反応器１４の第二辺１４ｂの長さ以下である。以上のことから、燃料反応器１４内における第二気泡流動層２４の移動速度は、粒子循環量の調整、又は設計段階での燃料反応器１４の寸法の設定によって、所望の値に設定される。酸素キャリア粒子の種類に応じて、燃料反応器１４内における第二気泡流動層２４の移動速度を適宜設定することにより、層流として挙動する矩形の第二気泡流動層２４が形成され易い。
【００４８】
固体燃料Ｓを用いる場合、第一ライン１から供給される酸素キャリア粒子と同様に、固体燃料Ｓを、第二辺１４ｂ及び第三辺１４ｃが属する側面から燃料反応器１４内へ供給してよい。固体燃料Ｓを用いる場合、粒子循環量及び流動化ガスＧの空塔速度のみならず、燃料反応器１４への固体燃料Ｓの供給速度に基づいて、第二気泡流動層２４を制御すればよい。
【００４９】
燃料反応器１４内で還元された酸素キャリア粒子を、第二ライン２を通じて燃料反応器１４からライザー１２の下部（空気反応器３０の下部３０ｂ）へ供給する。空気反応器３０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】
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、ライザー１２（空気反応器３０）へ供給する前の空気、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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、ライザー１２（空気反応器３０）へ供給する前の空気、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。
【００５３】
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。
【００５４】
（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。第二実施形態によれば、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。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。
【００５５】
図４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、反応室１０及びライザー１２を含む空気反応器３０Ｃ、第五ライン５、ドラム１６、第三ライン３、サイクロン１８、第四ライン４、第一ライン１、燃料反応器１４、第二ライン２、第一シールポット２０ａ及び第二シールポット２０ｂを備える。
【００５６】
反応室１０は、ライザー１２の下に位置する。反応室１０の下部は燃料反応器１４よりも下方に位置し、ライザー１２の上部は燃料反応器１４よりも上方に位置する。ドラム１６及びサイクロン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、第二ライン２の中途に設置されている。
【００５７】
第五ライン５は、ライザー１２の上部（空気反応器３０Ｃの上部３０Ｃａ）とドラム１６の側面とを接続する。第一ライン１は、ドラム１６の下部と燃料反応器１４の側面とを接続する。第三ライン３は、ドラム１６の上部とサイクロン１８の側面とを接続する。第四ライン４は、サイクロン１８の下部と、ドラム１６及び第一シールポット２０ａの間に位置する第一ライン１とを接続する。第二ライン２は、燃料反応器１４の側面と反応室１０の下部（空気反応器３０Ｃの下部３０Ｃｂ）とを接続する。
【００５８】
第一シールポット２０ａは、燃料反応器１４からドラム１６及びサイクロン１８への気体の逆流を抑制する。第二シールポット２０ｂは、反応室１０（空気反応器３０Ｃ）から燃料反応器１４への気体の逆流を抑制する。
【００５９】
第二実施形態に係るケミカルループ燃焼装置２００を用いたケミカルループ燃焼方法では、酸素キャリア粒子は、空気反応器３０Ｃの下部３０Ｃｂから、空気反応器３０Ｃの上部３０Ｃａへ移動する。つまり、酸素キャリア粒子は、反応室１０から、ライザー１２の下部を経て、ライザー１２の上部へ移動する。そして、酸素キャリア粒子は、ライザー１２の上部からドラム１６及びサイクロン１８へ供給経て燃料反応器１４へ供給され、燃料反応器１４から反応室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２００内を循環する。
【００６０】
第二実施形態では、空気（Ａｉｒ）を、反応室１０の下部（空気反応器３０の下部３０ｂ）から反応室１０内へ供給する。この空気によって反応室１０内の酸素キャリア粒子を酸化すると共に、酸素キャリア粒子を空気の上昇流によって反応室１０からライザー１２へ供給する。そして、酸素キャリア粒子を空気の上昇流によってライザー１２の下部からライザー１２の上部（空気反応器３０の上部３０ａ）へ移動させる。酸素キャリア粒子がライザー内を移動する過程では、酸素キャリア粒子に位置エネルギーが付与されるとともに、酸素キャリア粒子が空気中の酸素によって更に酸化される。
【００６１】
第二実施形態において反応室１０内へ供給する空気の体積流量は、第一実施形態においてライザー１２内へ供給する体積流量よりも多くてよい。第二実施形態において反応室１０内へ供給する空気の体積流量が多いほど、反応室１０内における酸素キャリア粒子の停留が抑制され易く、酸素キャリア粒子が滞りなく反応室１０からライザー１２へ供給され易い。ただし、反応室１０内へ供給する空気の体積流量と酸素キャリア粒子の挙動との関係は、上記の関係に限定されるものではない。
【００６２】
第二実施形態では、反応室１０がライザー１２の下に位置し、且つ燃料反応器１４の下方に位置するため、反応室１０内で空気から分離された酸素キャリア粒子を燃料反応器１４へ直接供給することはできない。つまり、第二実施形態では、酸化された酸素キャリア粒子が空気と混合した状態でライザー１２の上部（空気反応器３０Ｃの上部３０Ｃａ）から排出される。したがって、第二実施形態では、以下に説明するように、ドラム１６及びサイクロン１８において酸素キャリア粒子を空気から分離する。
【００６３】
酸化された酸素キャリア粒子を、空気と共に、第五ライン５を通じてライザー１２の上部（空気反応器３０Ｃの上部３０Ｃａ）からドラム１６へ供給する。ドラム１６は、酸素キャリア粒子及び空気が一時的に滞留する容器である。ドラム１６の下部は、例えば、サイクロン１８と同様に、逆円錐状であってよい。ドラム１６の下部は、鏡板であってもよい。ドラム１６は、サイクロン１８と同様の原理（遠心分離）により、粉体を気体から分離する機能を備える。ドラム１６では、酸素キャリア粒子の一部を空気から分離し、分離された酸素キャリア粒子を、第一ライン１を通じて燃料反応器１４へ供給する。酸素キャリア粒子の残部及び空気を、ドラム１６から排出し、第三ライン３を通じてサイクロン１８へ供給する。サイクロン１８では、酸素キャリア粒子の残部を空気から分離し、分離された酸素キャリア粒子を第四ライン４及び第一ライン１を通じて燃料反応器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空気（窒素及び酸素）は、サイクロン１８の上部から排出される。
【００６４】
ケミカルループ燃焼装置２００内を循環する酸素キャリア粒子が多いほど、サイクロン１８への負荷が大きくなる。サイクロン１８への負荷が大き過ぎる場合、一部の酸素キャリア粒子が、空気から分離されず、空気と共にサイクロン１８外へ飛散して、燃料反応器１４へ供給されない。つまり、サイクロン１８への負荷が大き過ぎる場合、サイクロン１８において酸素キャリア粒子が消耗する。しかし、酸素キャリア粒子の一部をドラム１６において空気から分離した後、酸素キャリア粒子の残部をサイクロン１８において空気から分離することにより、サイクロン１８への負荷が低減し、サイクロン１８における酸素キャリア粒子の飛散及び消耗が抑制される。
【００６５】
ただし、ケミカルループ燃焼装置２００は、必ずしもドラム１６を備えなくてもよい。この場合、酸素キャリア粒子及び空気をライザー１２の上部からサイクロン１８へ直接供給する。サイクロン１８で空気から分離された酸素キャリア粒子を燃料反応器１４へ直接供給する。ケミカルループ燃焼装置２００がドラム１６を備えない場合、ケミカルループ燃焼装置２００は、複数のサイクロンを備えてもよい。この場合、酸素キャリア粒子及び空気をライザー１２の上部からサイクロン１８へ直接供給する。サイクロン１８において、酸素キャリア粒子の一部を空気から分離し、分離された酸素キャリア粒子を燃料反応器１４へ供給する。酸素キャリア粒子の残部及び空気をサイクロン１８から別のサイクロンへ供給する。別のサイクロンにおいて酸素キャリア粒子の残部を空気（搬送ガス）から分離し、分離された酸素キャリア粒子を燃料反応器１４へ供給する。
【００６６】
（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。
【００６７】
例えば、燃料反応器１４の形状は直方体に限定されない。矩形の第二気泡流動層２４を形成するためには、燃料反応器１４が、酸素キャリア粒子の流れに垂直な方向における断面が矩形である流路（空間）を内包していればよい。燃料反応器１４における酸素キャリア粒子の流路は、直線状でなくてもよく、折れたり、曲がったりしていてよい。例えば、鉛直上方から見た流路の形状が、Ｃ字型、Ｊ字型、Ｌ字型、Ｍ字型、Ｎ字型、Ｓ字型、Ｔ字型、Ｕ字型、Ｖ字型、Ｗ字型、又はＺ字型であってよい。
【００６８】
第二気泡流動層は矩形でなくてもよい。例えば、燃料反応器が鉛直方向に延びる管状又は塔状であり、燃料反応器１４において円形の第二気泡流動層を形成してもよい。「円形」とは、酸素キャリア粒子の流れに垂直な方向における第二気泡流動層の断面が円形であることを意味する。ただし、円形の第二気泡流動層の流動状態は、矩形の第二気泡流動層に比べて複雑である。したがって、矩形の第二気泡流動層を形成する燃料反応器内における酸素キャリア粒子の滞留時間は、円形の第二気泡流動層を形成する燃料反応器内における酸素キャリア粒子の滞留時間よりも制御し易い。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明に係る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】
【００７０】
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、１０Ａ、１０Ｂ  反応室
１０ａ  反応室１０の水平方向における断面
１０Ａａ  反応室１０Ａの水平方向における断面
１０Ｂａ  反応室１０Ｂの水平方向における断面
１２  ライザー
１２ａ  ライザーの断面
１４  燃料反応器
１４ａ  燃料反応器の第一辺
１４ｂ  燃料反応器の第二辺
１４ｃ  燃料反応器の第三辺
１６  ドラム
１８  サイクロン
２０ａ  第一シールポット
２０ｂ  第二シールポット
２４  第二気泡流動層
２４ａ  第二気泡流動層の断面
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ  空気反応器
３０ａ  空気反応器３０の上部
３０ｂ  空気反応器３０の下部
３０Ｃａ  空気反応器３０Ｃの上部
３０Ｃｂ  空気反応器３０Ｃの下部
１００、２００  ケミカルループ燃焼装置
Ｇ  流動化ガス
Ｓ  固体燃料
【図１】
2016080240.tif 000003
【図２】
2016080240.tif 000004
【図３】
2016080240.tif 000005
【図４】
2016080240.tif 000006