(57)【要約】【課題】炭素含有物質が燃料反応器から空気反応器へ供給されることを抑制す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１０ａは、金属を含む固体状の還元剤を空気中の酸素で酸化して、金属及び酸素を含む固体状の酸化剤を生成させる空気反応器５、炭素を含む燃料を酸化剤で酸化して、二酸化炭素を含むガスと還元剤とを生成させる燃料反応器６、燃料に由来する炭素含有物質と還元剤とが燃料反応器６から供給され、炭素含有物質を酸化して二酸化炭素を含むガスを生成させ、ガスを還元剤から分離する炭素分離器７、及び、空気反応器５で生成した酸化剤を炭素分離器７へ供給する第四ライン４を備え、炭素分離器７において、第四ライン４を通して供給される酸化剤により炭素含有物質を酸化して、ガスを生成させる。【選択図】図１
2016038186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属を含む固体状の還元剤を空気中の酸素で酸化して、前記金属及び酸素を含む固体状の酸化剤を生成させる空気反応器と、
炭素を含む燃料を前記酸化剤で酸化して、二酸化炭素を含むガスと、前記還元剤とを生成させる燃料反応器と、
前記燃料に由来する炭素含有物質と、前記還元剤とが、前記燃料反応器から供給され、前記炭素含有物質を酸化して、二酸化炭素を含むガスを生成させ、前記ガスを前記還元剤から分離する炭素分離器と、
前記空気反応器で生成した前記酸化剤を、前記燃料反応器へ供給する第一ラインと、
前記炭素含有物質及び前記還元剤を、前記燃料反応器から前記炭素分離器へ供給する第二ラインと、
前記還元剤を、前記炭素分離器から前記空気反応器へ供給する第三ラインと、
前記空気反応器で生成した前記酸化剤を、前記炭素分離器へ供給する第四ラインと、
を備え、
前記炭素分離器において、前記第四ラインを通して供給される前記酸化剤により、前記炭素含有物質を酸化して、前記ガスを生成させる、
ケミカルループ燃焼装置。
【請求項２】
前記空気反応器から排出される気体中の二酸化炭素の含有量を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された前記二酸化炭素の含有量に基づいて、前記空気反応器から前記第四ラインを通して前記炭素分離器へ供給する前記酸化剤の量を制御する制御装置と、
を更に備える、
請求項１に記載のケミカルループ燃焼装置。
【請求項３】
前記第二ライン又は前記第三ラインの途中に設けられ、前記還元剤の少なくとも一部を水蒸気により部分的に酸化して、少なくとも水素を生成させる水素生成器を更に備える、
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】
前記第一ラインの途中に設けられ、前記空気反応器から供給される前記酸化剤と気体とを分離し、分離された前記酸化剤を前記燃料反応器及び前記炭素分離器のうち少なくとも一方へ供給する粉体分離器を更に備える、
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。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のケミカルループ燃焼装置と、
前記ケミカルループ燃焼装置から供給されるガスによって駆動されるタービン発電機と、
を備える、
発電装置。
【請求項６】
空気反応器において、金属を含む固体状の還元剤を空気中の酸素で酸化して、前記金属及び酸素を含む固体状の酸化剤を生成させる工程と、
前記酸化剤を、前記空気反応器から燃料反応器へ供給する工程と、
前記燃料反応器において、炭素を含む燃料を前記酸化剤で酸化して、二酸化炭素を含むガスと、前記還元剤とを生成させる工程と、
前記燃料に由来する炭素含有物質と、前記還元剤とを、前記燃料反応器から炭素分離器へ供給する工程と、
前記酸化剤を、前記空気反応器から前記炭素分離器へ供給する工程と、
前記炭素分離器において、前記空気反応器から供給される前記酸化剤により、前記炭素含有物質を酸化して、二酸化炭素を含むガスを生成させ、前記ガスを前記還元剤から分離する工程と、
前記還元剤を、前記炭素分離器から前記空気反応器へ供給する工程と、
を備える、
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、発電装置、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用の反応装置（ケミカルループ燃焼装置）は、主に空気反応器及び燃料反応器の組合せから構成されている。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還元剤（いわゆる酸素キャリア）を空気中の酸素で酸化して、金属及び酸素を含む酸化剤を生成させる。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。空気反応器内で生成した酸化剤を燃料反応器へ供給する。燃料反応器において炭素を含む燃料を酸化剤で酸化して、二酸化炭素を含むガスと、還元剤とを、生成させる。燃料反応器で生成した還元剤を空気反応器に戻して再び酸化して、酸化剤として再利用する。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】
【０００４】
【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】
【０００５】
ケミカルループ燃焼方法では、過剰の燃料が燃料反応器へ供給されたり、燃料反応器内の温度が低かったりすると、燃料の一部が燃焼しない。未燃焼又は不完全燃焼の燃料に由来する炭素含有物質は、還元剤と共に、燃料反応器から空気反応器へ供給されてしまう。その結果、空気反応器内で炭素含有物質が酸化されて二酸化炭素が生成し、空気反応器の排ガスが、空気に由来する窒素及び酸素のみならず、二酸化炭素を含んでしまう。この排ガスから二酸化炭素を分離・回収するためには、余分なコスト及びエネルギーが必要となる。したがって、炭素含有物質が燃料反応器から空気反応器へ供給されることを抑制することが必要である。
【０００６】
上記特許文献１には、炭素分離器（カーボンストリッパー）を用いて、炭素含有物質を物理的に分離・回収する技術が開示されている。この技術では、炭素分離器を、燃料反応器と空気反応器との間に設置する。燃料反応器から排出される炭素含有物質（未燃焼の燃料粒子）及び還元剤（金属酸化物の粒子）を炭素分離器へ供給する。流動化ガスを炭素分離器内に供給し、炭素分離器内の炭素含有物質及び還元剤から、移動層を形成する。そして、炭素含有物質及び還元剤の密度及び粒径の差に基づく分級により、炭素含有物質を物理的に分離する。分離された炭素含有物質は、流動化ガスによって炭素分離器から排出され、燃料反応器へ回収される。炭素含有物質から分離された還元剤は、炭素分離器から空気反応器へ供給される。
【０００７】
しかし、上記特許文献１に記載の炭素分離器では、還元剤と同程度の密度及び粒径を有する炭素含有物質を還元剤から分離することは困難である。また、密度が高く粒径の大きい炭素含有物質は炭素分離器から排出され難い。さらに、還元剤に付着している炭素含有物質を還元剤から分離することも困難である。また、炭素含有物質が燃料反応器から炭素分離器へ供給される過程で、炭素含有物質の温度は低下する。したがって、炭素含有物質を炭素分離器から燃料反応器へ回収すると、燃料反応器内の温度が低下して、燃料の燃焼が阻害され得る。その結果、再び炭素含有物質が燃料反応器から炭素分離器へ供給される可能性がある。
【０００８】
上記特許文献１には、水蒸気を流動化ガスとして炭素分離器内へ供給することが開示されている。仮に炭素分離器内の温度が十分に高ければ、水蒸気による炭素含有物質の改質（酸化）により、炭素含有物質が化学的に還元剤から分離され得る。しかし、炭素含有物質及び還元剤が燃料反応器から炭素分離器へ供給される過程で、炭素含有物質及び還元剤の温度は低下する。したがって、炭素分離器内の温度は、炭素含有物質の改質が促進されるほど高くない。また、炭素分離器へ供給される還元剤は、燃料反応器において既に還元されているため、還元剤における酸素の含有量は少ない。したがって、炭素分離器へ供給される還元剤の酸化力は弱く、還元剤は炭素含有物質の改質を促進し難い。
【０００９】
上記の理由から、従来のケミカルループ燃焼装置では、炭素分離器において炭素含有物質の一部が還元剤から分離されず、空気反応器へ供給されてしまう。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、炭素含有物質が燃料反応器から空気反応器へ供給されることを抑制することができるケミカルループ燃焼装置、当該ケミカルループ燃焼装置を備える発電装置、及び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】
【００１１】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置は、金属を含む固体状の還元剤を空気中の酸素で酸化して、金属及び酸素を含む固体状の酸化剤を生成させる空気反応器と、炭素を含む燃料を酸化剤で酸化して、二酸化炭素を含むガスと、還元剤とを生成させる燃料反応器と、燃料に由来する炭素含有物質と、還元剤とが、燃料反応器から供給され、炭素含有物質を酸化して、二酸化炭素を含むガスを生成させ、ガスを還元剤から分離する炭素分離器と、空気反応器で生成した酸化剤を、燃料反応器へ供給する第一ラインと、炭素含有物質及び還元剤を、燃料反応器から炭素分離器へ供給する第二ラインと、還元剤を、炭素分離器から空気反応器へ供給する第三ラインと、空気反応器で生成した酸化剤を、炭素分離器へ供給する第四ラインと、を備え、炭素分離器において、第四ラインを通して供給される酸化剤により、炭素含有物質を酸化して、ガスを生成させる。
【００１２】
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、金属を含む固体状の還元剤を空気中の酸素で酸化して、金属及び酸素を含む固体状の酸化剤を生成させる工程と、酸化剤を、空気反応器から燃料反応器へ供給する工程と、燃料反応器において、炭素を含む燃料を酸化剤で酸化して、二酸化炭素を含むガスと、還元剤とを生成させる工程と、燃料に由来する炭素含有物質と、還元剤とを、燃料反応器から炭素分離器へ供給する工程と、酸化剤を、空気反応器から炭素分離器へ供給する工程と、炭素分離器において、空気反応器から供給される酸化剤により、炭素含有物質を酸化して、二酸化炭素を含むガスを生成させ、ガスを還元剤から分離する工程と、還元剤を、炭素分離器から空気反応器へ供給する工程と、を備える。
【００１３】
空気反応器から炭素分離器へ供給される酸化剤は、燃料反応器を経由していないので、強い酸化力を保持する。また、空気反応器における還元剤の酸化は発熱反応であるので、空気反応器から炭素分離器へ供給される酸化剤の温度は、燃料反応器から炭素分離器へ供給される炭素含有物質及び還元剤よりも高い。このように、酸化力が強く高温の酸化剤を炭素分離器へ供給することにより、炭素分離器内での炭素含有物質の酸化（ガス化）が促進され、ガスは還元剤から分離される。その結果、炭素含有物質が燃料反応器から空気反応器へ供給されることが抑制され、空気反応器における二酸化炭素の生成が抑制される。
【００１４】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置は、空気反応器から排出される気体中の二酸化炭素の含有量を測定する測定手段と、測定手段により測定された二酸化炭素の含有量に基づいて、空気反応器から第四ラインを通して炭素分離器へ供給する酸化剤の量を制御する制御装置と、を更に備えてよい。
【００１５】
空気反応器から排出される気体中の二酸化炭素の含有量の増加に伴い、炭素分離器へ供給する酸化剤の量を増加させることにより、炭素分離器における炭素含有物質の酸化がより促進され、炭素含有物質が炭素分離器から空気反応器へ供給され難くなる。
【００１６】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置は、第二ライン又は第三ラインの途中に設けられ、還元剤の少なくとも一部を水蒸気により部分的に酸化して、少なくとも水素を生成させる水素生成器を更に備えてよい。
【００１７】
水素生成器を備えるケミカルループ燃焼装置によれば、水素を製造することができる。
【００１８】
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置は、第一ラインの途中に設けられ、空気反応器から供給される酸化剤と気体とを分離し、分離された酸化剤を燃料反応器及び炭素分離器のうち少なくとも一方へ供給する粉体分離器（サイクロン）を更に備えてよい。
【００１９】
空気反応器から粉体分離器へ供給される気体は、少なくとも空気に由来する窒素を含む。粉体分離器を用いて気体を酸化剤から分離することにより、窒素が酸化剤と共に燃料反応器又は炭素分離器へ供給されることが抑制される。その結果、燃料反応器又は炭素分離器における二酸化炭素と窒素との混合が抑制される。
【００２０】
本発明の一側面に係る発電装置は、上記のケミカルループ燃焼装置と、ケミカルループ燃焼装置から供給されるガスによって駆動されるタービン発電機と、を備える。
【００２１】
本発明の一側面に係る発電装置によれば、発電に伴って生成する二酸化炭素が容易に回収される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、炭素含有物質が燃料反応器から空気反応器へ供給されることを抑制することができるケミカルループ燃焼装置、当該ケミカルループ燃焼装置を備える発電装置、及び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】
【００２３】
【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及び発電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及び発電装置を備える発電装置の模式図である。
【図３】図３は、本発明の第三実施形態に係るケミカルループ燃焼装置及び発電装置の模式図である。
【図４】図４は、本発明の第四実施形態に係るケミカルループ燃焼装置及び発電装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
[第一実施形態]
（ケミカルループ燃焼装置、及びケミカルループ燃焼方法）
図１に示すように、第一実施形態に係るケミカルループ燃焼装置１０ａは、空気反応器５、第一ライン１、第一粉体分離器８ａ、燃料反応器６、第二ライン２、炭素分離器７、第三ライン３、第四ライン４、測定手段９、制御装置１１、バルブ１２、第二粉体分離器８ｂ、第一熱交換器１４ａ及び第二熱交換器１４ｂを備える。これらのケミカルループ燃焼装置１０ａの構成要素の位置関係は、図１に示す通りであってよい。「ライン」とは、物質を輸送する管を意味する。第一ライン１は、空気反応器５と燃料反応器６とを接続する。第二ライン２は、燃料反応器６と炭素分離器７とを接続する。第三ライン３は、炭素分離器７と空気反応器５とを接続する。
【００２６】
空気反応器５の上部と第一粉体分離器８ａとを接続するラインは、第一ライン１及び第四ライン４に共通する部分である。第一粉体分離器８ａの下部において分枝する一方のラインは、第一ライン１の一部であり、燃料反応器６に接続される。第一粉体分離器８ａの下部において分枝する他方のラインは、第四ライン４の一部であり、炭素分離器７に接続される。このように、第一粉体分離器８ａは、第一ライン１及び第四ライン４の途中に設けられている。
【００２７】
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１０ａを用いて実施される。
【００２８】
金属を含む固体状の還元剤を、空気反応器５内へ供給する。空気Ａを、空気反応器５の下部から空気反応器５内へ供給する。空気反応器５内では、還元剤と空気Ａとから、移動層又は流動層を形成する。つまり、空気反応器５は、移動層式反応器又は流動層式反応器であってよい。移動層又は流動層において還元剤を空気Ａ中の酸素で酸化して、金属及び酸素を含む固体状の酸化剤を生成させる。還元剤の酸化は、発熱反応であるので、還元剤の酸化によって空気反応器５内の温度は高温に維持される。したがって、空気反応器５内の酸化剤及び気体は、高温で加熱される。空気反応器５内の気体は、空気Ａに由来する窒素及び酸素を含む。空気反応器５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。第一実施形態では、空気反応器５内の酸化剤は、空気反応器５の下部から供給される空気Ａによって空気反応器５の上部へ吹き飛ばされ、気体と共に空気反応器５の上部から排出される。空気反応器５は、酸素キャリア（還元剤又は酸化剤）を空気Ａの上昇流によって鉛直上方へ移動させて酸素キャリアに位置エネルギー又は運動エネルギーを付与するライザーであってよい。このエネルギーによって酸素キャリアが駆動される結果、酸素キャリアがケミカルループ燃焼装置１０ａ内を循環してよい。空気Ａと共に水を空気反応器５内へ供給して、水蒸気を生成させ、空気反応器５の上部から排出させてもよい。
【００２９】
還元剤は、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。つまり還元剤は、金属単体であってよく、金属酸化物であってもよい。金属Ｍは、特に限定されないが、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、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。複数の金属単体を還元剤として用いてよい。複数の金属酸化物を還元剤として用いてもよい。複数の金属を含む複合酸化物（例えば、ペロブスカイト型酸化物）を還元剤として用いてもよい。還元剤は、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。還元剤が、複数種の担体を備えてもよい。還元剤の粒径は、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。酸化剤は、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。還元剤及び酸化剤は、粉体であってよい。
【００３０】
空気反応器５内の酸化剤及び気体を、第一ライン１及び第四ライン４に共通するラインを通じて、第一粉体分離器８ａへ供給する。第一粉体分離器８ａにより、酸化剤を高温の気体ｇ３から分離する。分離された酸化剤を、第一粉体分離器８ａの下部から延びる第一ライン１を通じて、燃料反応器６へ供給する。また分離された酸化剤を、第一粉体分離器８ａの下部から延びる第四ライン４を通じて、炭素分離器７に供給する。分離された高温の気体ｇ３を、第一粉体分離器８ａから第一熱交換器１４ａへ供給する。
【００３１】
第一粉体分離器８ａの下部から延びる第四ライン４は、鉛直方向に対して傾斜している。第四ライン４が傾斜していることにより、第四ライン４内における酸化剤の堆積、及び酸化剤による第四ライン４の詰まりが抑制される。
【００３２】
第一ライン１から供給された酸化剤を、燃料反応器６の上部から、燃料反応器６内へ投下する。第一流動化ガスＧ１を、燃料反応器６の下部から、燃料反応器６内へ供給する。燃料反応器６内では、炭素を含む燃料Ｆと酸化剤とを第一流動化ガスＧ１で流動化して、流動層を形成する。流動層において燃料Ｆを酸化剤により酸化して、二酸化炭素を含む高温の第一ガスｇ１と、還元剤とを生成させる。
【００３３】
燃料反応器６内の温度は、空気反応器５から供給される高温の酸化剤の温度と反応率に依存する。燃料反応器６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。
【００３４】
第一流動化ガスＧ１は、空気以外の気体である。第一流動化ガスＧ１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。複数種の第一流動化ガスＧ１を用いてよい。第一流動化ガスＧ１が水蒸気である場合、燃料反応器６内において、水蒸気改質反応又は水性ガスシフト反応が進行し、燃料Ｆの酸化が促進される。
【００３５】
燃料Ｆ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Ｆは粒子であってよい。第一流動化ガスＧ１が気体燃料を含んでもよい。つまり、第一流動化ガスＧ１として気体燃料を用いてもよい。この場合、燃料反応器６内で酸化剤及び第一流動化ガスＧ１から流動層を形成し、流動層において第一流動化ガスＧ１に含まれる気体燃料を酸化剤により酸化すればよい。
【００３６】
第一ガスｇ１は、二酸化炭素に加えて、例えば、一酸化炭素、水素又は水を含んでよい。
【００３７】
燃料反応器６内には、燃料に由来する炭素含有物質が残存する。炭素含有物質は、燃料に由来する固体又は液体であってよい。炭素含有物質は、例えば、酸化されなかった燃料の一部であってよい。炭素含有物質は、例えば、燃料の不完全な酸化によって生成した有機化合物であってよい。炭素含有物質は、例えば、石炭チャー等の無機化合物であってよい。炭素含有物質は、例えば、水素又はヘテロ元素（例えば、酸素、硫黄又は窒素）を含んでいてよい。炭素含有物質は粒子であってよい。固体状の炭素含有物質が、還元剤に付着していてよい。液状の炭素含有物質が、固体状の炭素含有物質又は還元剤に付着していてよい。液状の炭素含有物質は、例えば、タールであってよい。特に固体燃料を用いた場合、固体燃料に由来する炭素含有物質が燃料反応器６内に残存し易い。
【００３８】
炭素含有物質及び還元剤を、第二ライン２を通じて、燃料反応器６の下部から炭素分離器７へ供給する。また、炭素含有物質及び還元剤から分離された第一ガスｇ１を、燃料反応器６の上部から排出し、第二粉体分離器８ｂへ供給する。
【００３９】
第四ライン４を通じて空気反応器５から供給された酸化剤を、炭素分離器７の上部から炭素分離器７内へ投下する。第二流動化ガスＧ２を、炭素分離器７の下部から、炭素分離器７内へ供給する。炭素分離器７内では、炭素含有物質、酸化剤及び還元剤を第二流動化ガスＧ２で流動化して、流動層を形成する。流動層において炭素含有物質を酸化剤により酸化して、二酸化炭素を含む第二ガスｇ２と、還元剤とを生成させる。第二ガスｇ２を、炭素分離器７の上部から排出して、第二ガスｇ２を還元剤から分離する。炭素分離器７の上部から排出された第二ガスｇ２を、第二粉体分離器８ｂへ供給する。炭素分離器７内に残存する還元剤は、第四ライン４から供給された酸化剤に由来する還元剤と、第二ラインから供給された還元剤とを、含む。
【００４０】
第二流動化ガスＧ２は、空気以外の気体である。第二流動化ガスＧ２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。複数種の第二流動化ガスＧ２を用いてよい。第二流動化ガスＧ２が水蒸気である場合、炭素分離器７内において、水蒸気改質反応及び水性ガスシフト反応が進行し、炭素含有物質の反応（酸化によるガス化）が促進される。
【００４１】
第二ガスｇ２は、二酸化炭素に加えて、例えば、一酸化炭素、水素又は水を含んでよい。
【００４２】
第一実施形態では、酸化力が強く高温の酸化剤によって炭素含有物質を酸化（ガス化）するので、従来の物理的方法では除去することが困難な炭素含有物質を還元剤から除去することができる。つまり、第一実施形態では、還元剤と同程度の密度及び粒径を有する炭素含有物質を除去することができる。また、密度が高く粒径の大きい炭素含有物質を除去することもできる。さらに、還元剤に付着している炭素含有物質を還元剤から除去することができる。第一実施形態では、炭素含有物質を物理的に還元剤から分離する必要がなく、炭素含有物質を炭素分離器７から燃料反応器６へ回収する必要がない。特に固体燃料を用いた場合、固体燃料に由来する炭素含有物質が燃料反応器６内に残存し易いが、第一実施形態によれば、固体燃料に由来する炭素含有物質を炭素分離器７において還元剤から容易に除去することができる。
【００４３】
第一実施形態では、酸化力が強く高温の酸化剤を空気反応器５から炭素分離器７へ供給するので、水蒸気のみを炭素分離器へ供給する従来の方法に比べて、炭素分離器７における炭素含有物質の反応（酸化によるガス化）が促進され易い。
【００４４】
炭素含有物質が除去された還元剤を、炭素分離器７の下部から空気反応器５の下部へ供給する。炭素分離器７内で酸化剤の一部が炭素含有物質を酸化せずに残存する場合、酸化剤も還元剤と共に空気反応器５へ供給する。空気反応器５内では、還元剤を空気Ａ中の酸素で再び酸化して、酸化剤を再生する。再生された酸化剤を燃料反応器６及び炭素分離器７へ再び供給する。
【００４５】
測定手段９は、例えば、空気反応器５の上部の近傍（空気反応器５における酸化剤及び気体の排出口の近傍）に設置されてよい。測定手段９は、例えば、空気反応器５と第一粉体分離器８ａとの間に位置する第一ライン１の途中に設置されてもよい。
【００４６】
測定手段９は、例えば、ガスセンサであってよい。測定手段９より、空気反応器５の上部から酸化剤と共に排出される気体中の二酸化炭素の含有量を測定する。炭素含有物質が炭素分離器７から空気反応器５へ供給されると、二酸化炭素が測定手段９によって検出される。
【００４７】
バルブ１２は、例えば、第四ライン４が第一粉体分離器８ａに連結する部分の近傍に設置されていてよい。バルブ１２は、例えば、第四ライン４の途中に設置されてもよい。バルブ１２の開閉により、第四ライン４内の酸化剤の流量を調整する。
【００４８】
制御装置１１は、測定手段９により測定された二酸化炭素の含有量のデータを取得し、二酸化炭素の含有量に基づいてバルブ１２を開閉し、空気反応器５から第四ライン４を通して炭素分離器７へ供給する酸化剤の量（例えば、供給速度）を制御する。例えば、測定手段９により測定された二酸化炭素の含有量の増加に伴い、制御装置１１によりバルブ１２を開き、炭素分離器７へ供給する酸化剤の量を増加させる。その結果、炭素分離器７における炭素含有物質の酸化がより促進され、炭素含有物質が炭素分離器７から空気反応器５へ供給され難くなる。
【００４９】
測定手段９により連続的に測定される二酸化炭素の含有量の変化に応じて、制御装置１１により、炭素分離器７へ供給する酸化剤の量を連続的に変化させてよい。測定手段９により測定される二酸化炭素の含有量が所定の許容値（閾値）を超えた場合、制御装置１１によりバルブ１２を開き、炭素分離器７への酸化剤の供給を開始したり、炭素分離器７への酸化剤の供給量を増加させたりしてよい。測定される二酸化炭素の含有量が所定の許容値以下になった場合、制御装置１１によりバルブ１２を締めて、炭素分離器７への酸化剤の供給を停止したり、炭素分離器７への酸化剤の供給量を減少させたりしてよい。
【００５０】
制御装置１１により、炭素分離器７へ供給する酸化剤の量を増加させると、空気反応器５から第一ライン１を通して燃料反応器６へ供給する酸化剤の量が減少する。燃料反応器６へ供給する酸化剤の量が減少すると、燃料Ｆの一部が酸化せず、炭素含有物質が燃料反応器６から炭素分離器７へ供給されることがある。したがって、制御装置１１により、燃料反応器６への燃料Ｆの供給量を制御してよい。例えば、炭素分離器７へ供給する酸化剤の量の増加に伴い、燃料反応器６への燃料Ｆの供給を停止したり、燃料反応器６への燃料Ｆの供給量を減少させたりしてよい。また、制御装置１１により、燃料反応器６への酸化剤の供給量を制御してもよい。
【００５１】
ケミカルループ燃焼装置１０ａは、炭素分離器７を加熱する補助的なヒーターを備えてもよい。補助的なヒーターで炭素分離器７内を加熱することで、炭素分離器７内での炭素含有物質の酸化が促進される。ただし、第一実施形態では、酸化力が強く高温の酸化剤を空気反応器５から炭素分離器７へ供給するので、補助的なヒーターがなくとも、炭素分離器７における炭素含有物質の酸化を促進することができる。
【００５２】
第一熱交換器１４ａでは、水を、第一粉体分離器８ａから供給された高温の気体ｇ３で加熱して、高温の水蒸気を発生させる。つまり、気体ｇ３を水で冷却する。
【００５３】
冷却された気体ｇ３を回収する。回収された気体ｇ３中に残存する微小な固形分（例えば、灰）を集塵器で除去してよい。回収された気体ｇ３は、主成分として、窒素を含有する。回収された気体ｇ３は、副成分として、酸素を含有してよい。回収された気体ｇ３から窒素以外の成分を分離・除去することにより、高純度の窒素が得られる。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。
【００５４】
第二粉体分離器８ｂでは、第一ガスｇ１及び第二ガスｇ２に混在する固形分を分離する。分離された固形分を第二粉体分離器８ｂの下部から排出する。固形分は、例えば、還元剤、酸化剤、又は燃料Ｆの酸化によって生じた灰を含んでよい。
【００５５】
固形分から分離された第一ガスｇ１及び第二ガスｇ２を、第二粉体分離器８ｂから第二熱交換器１４ｂへ供給する。第二熱交換器１４ｂにおいて、水を第一ガスｇ１及び第二ガスｇ２で加熱して、高温の水蒸気を発生させる。つまり、第一ガスｇ１及び第二ガスｇ２を水で冷却する。
【００５６】
冷却された第一ガスｇ１及び第二ガスｇ２を回収する。回収された第一ガスｇ１及び第二ガスｇ２は、主成分として、二酸化炭素を含む。第一ガスｇ１及び第二ガスｇ２に残存する微小な固形分（たとえば、灰）を集塵器で除去してよい。続いて、第一ガスｇ１及び第二ガスｇ２に含まれる水を脱水器で除去してよい。第一ガスｇ１及び第二ガスｇ２に含まれる水を除去することにより、高純度の二酸化炭素が得られる。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。
【００５７】
（発電装置）
第一実施形態に係る発電装置１００ａは、ケミカルループ燃焼装置１０ａと、タービン発電機２０と、を備える。タービン発電機２０は、タービン２０ａと、タービン２０ａによって駆動される発電機２０ｂと、を備える。タービン２０ａは水蒸気タービンである。高温の水蒸気を、第一熱交換器１４ａ及び第二熱交換器１４ｂからタービン２０ａに供給する。水蒸気でタービン２０ａを駆動し、タービン２０ａで発電機２０ｂを駆動することにより、電力を発生させる。
【００５８】
［第二実施形態］
本発明の第二実施形態は、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、炭素含有物質が燃料反応器６から空気反応器５へ供給されることを抑制することができる。
【００５９】
図２に示すように、第二実施形態に係る発電装置１００ｂは、ケミカルループ燃焼装置１０ｂとタービン発電機２０とを備える。第二実施形態に係るケミカルループ燃焼装置１０ｂでは、第四ライン４が、第一粉体分離器８ａを経由することなく、空気反応器５の上部と炭素分離器７とを直接接続する。したがって、第二実施形態では、酸化剤のみならず、窒素及び酸素を含む高温の気体も、第四ライン４を通じて、空気反応器５から炭素分離器７へ供給される。空気反応器５から供給された酸化剤及び酸素は、炭素分離器７内において炭素含有物質を酸化する。空気反応器５から供給される窒素は炭素含有物質の酸化に関与しない。炭素分離器７の上部から排出される第二ガスｇ２は、少なくとも二酸化炭素及び窒素を含む。したがって、第二実施形態では、第二ガスｇ２中の二酸化炭素及び窒素を互いに分離する工程を行ってよい。
【００６０】
［第三実施形態］
本発明の第三実施形態は、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。第三実施形態によれば、第一実施形態と同様に、炭素含有物質が燃料反応器６から空気反応器５へ供給されることを抑制することができる。
【００６１】
図３に示すように、第三実施形態に係る発電装置１００ｃは、ケミカルループ燃焼装置１０ｃとタービン発電機２０とを備える。第三実施形態に係るケミカルループ燃焼装置１０ｃは、水素生成器１３と、第三粉体分離器８ｃと、第三熱交換器１４ｃと、を更に備える。水素生成器１３は、第二ライン２の途中に設けられている。第二ライン２を通じて、炭素含有物質及び還元剤を、燃料反応器６から水素生成器１３へ供給する。
【００６２】
空気反応器５から供給された炭素含有物質及び酸化剤を、水素生成器１３の上部から水素生成器１３内へ投下する。水蒸気を、水素生成器１３の下部から水素生成器１３内へ供給する。水素生成器１３内では、炭素含有物質及び還元剤を水蒸気で流動化して、流動層を形成する。流動層において、還元剤の少なくとも一部を水蒸気により部分的に酸化して、水素を含むガス（水素含有ガスｈ）を生成させる。つまり、水蒸気を還元剤で還元して、水素含有ガスｈを生成させる。還元剤の一部が完全に酸化され、一般式ＭＯｘ＋ｙで表される酸化剤が生成されてもよい。蒸気により部分的に酸化された還元剤は、例えば、一般式ＭＯｘ＋ｚで表される。一般式中、ｚはｙよりも小さい正の実数である。水素生成器１３内では、炭素含有物質の一部を水蒸気により酸化して、水素と、二酸化炭素又は一酸化炭素とを生成させてもよい。つまり、水素含有ガスｈは、二酸化炭素又は一酸化炭素を含有してよい。水素含有ガスｈは、例えば、硫化水素又は水を更に含有してよい。
【００６３】
水素生成器１３内に残存する炭素含有物質、還元剤、及び部分的に酸化された還元剤を、第二ライン２を通じて、水素生成器１３の下部から炭素分離器７の上部へ供給する。水素生成器１３内で酸化剤が生成した場合、酸化剤も、第二ライン２を通じて、水素生成器１３から炭素分離器７へ供給する。第三実施形態では、還元剤の少なくとも一部が炭素分離器７へ供給される前に水素生成器１３において部分的に酸化され、還元剤の少なくとも一部の酸化力が回復する。したがって、第三実施形態では、水素生成器１３を用いない第一実施形態及び第二実施形態に比べて、炭素分離器７における炭素含有物質の酸化が促進され易い。
【００６４】
水素生成器１３内の水素含有ガスｈを、水素生成器１３の上部から排出する。水素生成器１３の上部から排出された水素含有ガスｈを、第三粉体分離器８ｃへ供給する。第三粉体分離器８ｃにおいて、水素含有ガスｈ中に残存する固形分を分離する。分離された固形分を第三粉体分離器８ｃの下部から排出する。固形分は、例えば、還元剤、酸化剤、は炭素含有物質、又は灰を含んでよい。
【００６５】
第三粉体分離器８ｃにおいて固形分から分離された水素含有ガスｈを、第三熱交換器１４ｃへ供給する。第三熱交換器１４ｃにおいて、水を水素含有ガスｈで加熱して、高温の水蒸気を発生させる。この水蒸気をタービン２０ａへ供給する。
【００６６】
第三熱交換器１４ｃで冷却された水素含有ガスｈを回収する。回収された水素含有ガスｈに残存する微小な固形分（例えば、灰）を集塵器で除去してよい。続いて、水素含有ガスｈに含まれる水素以外の成分（例えば、硫化水素）を除去してもよい。水素以外の成分を水素含有ガスｈから除去することにより、高純度の水素が得られる。高純度の水素は、例えば、化学品の製造、石油の精製、又は製鉄に利用される。
【００６７】
［第四実施形態］
本発明の第四実施形態は、以下に記載する事項を除いて、第三実施形態と同じである。第四実施形態によれば、第三実施形態と同様に、炭素含有物質が燃料反応器６から空気反応器５へ供給されることを抑制することができる。
【００６８】
図４に示すように、第四実施形態に係る発電装置１００ｄは、ケミカルループ燃焼装置１０ｄとタービン発電機２０とを備える。第四実施形態に係るケミカルループ燃焼装置１０ｄでは、水素生成器１３は、第三ライン３の途中に設けられている。第四実施形態では、炭素分離器７において既に炭素含有物質が除去された還元剤を、第三ライン３を通じて、水素生成器１３へ供給する。したがって、水素生成器１３内では、還元剤の少なくとも一部が水蒸気により部分的に酸化されて水素が生成するが、炭素含有物質の酸化は起き難い。つまり、水素生成器１３内で生成する水素含有ガスｈは、二酸化炭素及び一酸化炭素を含有し難い。したがって、第四実施形態において最終的に得られる水素の純度は、第三実施形態において得られる水素の純度よりも高くなり易い。
【００６９】
水素生成器１３内の還元剤、及び部分的に酸化された還元剤を、第三ライン３を通じて、水素生成器１３の下部から空気反応器５の下部へ供給する。水素生成器１３内で酸化剤が生成した場合、酸化剤も、第三ライン３を通じて、水素生成器１３のから空気反応器５へ供給する。
【００７０】
［他の実施形態］
以上、本発明の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。
【００７１】
例えば、上記実施形態に係るケミカルループ燃焼装置のいずれかが、第四ライン４から分枝して第二ライン２へ接続される第五ラインを更に具備してよい。酸化剤を、第五ラインを通じて、空気反応器５から第二ライン２へ供給してよい。その結果、第二ライン２内の炭素含有物質が炭素分離器７へ供給される前の時点から、酸化剤による炭素含有物質の酸化（ガス化）が始まり、炭素分離器７において炭素含有物質が還元剤から除去され易くなる。
【００７２】
第一粉体分離器８ａにおいて酸化剤から分離された高温の気体ｇ３を、第一熱交換器１４ａに供給せず、タービン２０ａに直接供給してよい。この場合、タービン２０ａは、水蒸気タービンではなく、ガスタービンであればよい。
【００７３】
空気Ａを、空気反応器５へ供給する前に、第一熱交換器１４ａ、第二熱交換器１４ｂ又は第三熱交換器１４ｃにおいて加熱してよい。第一熱交換器１４ａ、第二熱交換器１４ｂ又は第三熱交換器１４ｃで発生させた水蒸気の一部を、燃料反応器６、炭素分離器７、又は水素生成器１３のいずれかに供給してよい。
【００７４】
燃料反応器６、炭素分離器７、又は水素生成器１３は、移動層式反応器であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明に係るケミカルループ燃焼装置、発電装置及びケミカルループ燃焼方法によれば、例えば、石炭の燃焼、又は石炭を用いた発電において生成する二酸化炭素を容易に回収することができる。
【符号の説明】
【００７６】
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  空気反応器
６  燃料反応器
７  炭素分離器
８ａ  第一粉体分離器
８ｂ  第二粉体分離器
８ｃ  第三粉体分離器
９  測定手段
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  ケミカルループ燃焼装置
１１  制御装置
１２  バルブ
１３  水素生成器
１４ａ  第一熱交換器
１４ｂ  第二熱交換器
１４ｃ  第三熱交換器
２０  タービン発電機
２０ａ  タービン
２０ｂ  発電機
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ  発電装置
Ａ  空気
Ｆ  燃料
ｇ１  第一ガス
Ｇ１  第一流動化ガス
ｇ２  第二ガス
Ｇ２  第二流動化ガス
ｇ３  気体
ｈ  水素含有ガス
【図１】
2016038186.tif 000003
【図２】
2016038186.tif 000004
【図３】
2016038186.tif 000005
【図４】
2016038186.tif 000006