JP2012172891A - Chemical loop combustion equipment in which oxidizing agent and/or reducing agent are supplied from top face side of reaction tower - Google Patents

Chemical loop combustion equipment in which oxidizing agent and/or reducing agent are supplied from top face side of reaction tower Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide chemical loop combustion equipment A1 which enhances equipment maintenability and further evades a reverse flow of metal particles from a nozzle, thereby greatly enhancing workability in actual use when the equipment is actually operated as an industrial facility.SOLUTION: In the chemical loop combustion equipment A1, an oxidizing agent supply pipe 63 for supplying an oxidizing agent to the inside of an oxidation tower 1 is inserted from the top face 2 side of the oxidation tower 1 to the base side, and a reducing agent supply pipe 61 for supplying a reducing agent to the inside of a reduction tower 3 is inserted from the top face side of the reduction tower 3 to the base side. The oxidizing agent supply pipe 63 and the reducing agent supply pipe 61 are attached to a common attaching base 66, thereby simplifying the attachment and detachment thereof.

Description

本発明は、反応塔の天面側から酸化剤およびまたは還元剤が供給されるケミカルループ燃焼装置に関する。   The present invention relates to a chemical loop combustion apparatus in which an oxidizing agent and / or a reducing agent are supplied from the top side of a reaction tower.

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。   A chemical loop combustion method in which heat is obtained by circulating metal particles and metal oxide particles between an oxidation reaction system that oxidizes metal particles and a reduction reaction system that reduces metal oxide particles is known. In chemical loop combustion, instead of burning fuel directly with air, the combustion reaction is divided into two parts, "oxidation of metal particles" and "reduction of metal oxide particles", and the two are connected by physical particle circulation. It is. There is no direct contact between fuel and air, and pure oxygen is exchanged using metal as a medium.

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N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COを容易に回収可能となる。 In chemical loop combustion, hydrocarbon fuel such as methane functions as a reducing agent for metal oxide in the reduction reaction system, and only the air and metal particles as the oxidant are supplied to the oxidation reaction system. Heat is generated by the oxidation reaction. Usually, the temperature generated by the oxidation reaction is about 800 to 1200 ° C., and the exhaust gas, which is mainly N 2 , has a relatively low temperature, so thermal NOx is hardly generated. Further, in the reduction reaction system, there are only oxygen supplied from hydrocarbons and metal oxides as fuel, so that the exhaust gas components are substantially only carbon dioxide and water. Therefore, if the exhausted gas is cooled to remove water, almost pure CO 2 can be easily recovered.

ケミカルループ燃焼方式としては、非特許文献1に記載されるように、酸化塔の内部に還元塔が組み込まれている、いわゆる内部循環方式と、酸化塔と還元塔とが分離しており、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、いわゆる外部循環方式とが提案されている。酸化塔内への酸化剤の供給および還元塔内への還元剤の供給は、内部循環方式の形態では酸化塔の底部に設けた酸化剤ノズルおよび還元剤ノズルから上方に噴出するようにして行っており、また、外部循環方式の形態では酸化塔の底部に設けた酸化剤ノズルから酸化剤を上方に噴出させ、還元塔の底部に設けた還元剤ノズルから還元剤を上方に噴出させるようにしている。   As described in Non-Patent Document 1, as a chemical loop combustion system, a so-called internal circulation system in which a reduction tower is incorporated in an oxidation tower, and an oxidation tower and a reduction tower are separated. Has proposed a so-called external circulation system in which a channel of oxidized metal particles and a channel of reduced metal particles are connected. The supply of the oxidizing agent into the oxidation tower and the supply of the reducing agent into the reduction tower are carried out by jetting upward from the oxidizing agent nozzle and the reducing agent nozzle provided at the bottom of the oxidation tower in the form of the internal circulation system. In the external circulation system, the oxidant is jetted upward from the oxidant nozzle provided at the bottom of the oxidation tower, and the reducing agent is jetted upward from the reducing agent nozzle provided at the bottom of the reduction tower. ing.

外部循環:Use of NiO/NiAl2O4 Particles in a 10 kW Chemical-Looping CombustorMarcus 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, OhbaT ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT 2002, 43,9-12,1469-1478External circulation: 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 Internal circulation: Experimental results of chemical-looping combustion with NiO / NiAl2O4 particle circulation at 1200 degrees C Ishida M, Yamamoto M, OhbaT ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT 2002, 43,9-12,1469-1478

上記した非特許文献1に記載されるように、現在の提案されているケミカルループ燃焼装置は、還元剤である燃料と酸化剤は、還元塔および酸化塔に対して下部から供給する構成とされており、通常の工業用の設備として実利用する場合には、装置のメンテナンス性が非常に悪い。また、下部からノズルで燃料(還元剤)や空気(酸化剤)をする場合、気体の供給を止めたときに、ケミカルループ燃焼に使用される金属粒子は一例として直径が100μm程度の微粒子であるのために、金属粒子が上部に向いたノズルから逆流することが起こる。実際にケミカルループ燃焼装置を工業用の設備として用いる場合に、上記のことは無視できない不都合となる。   As described in Non-Patent Document 1 described above, the currently proposed chemical loop combustion apparatus is configured so that the fuel and the oxidant as the reducing agent are supplied to the reduction tower and the oxidation tower from below. Therefore, when actually used as normal industrial equipment, the maintainability of the apparatus is very poor. In addition, when fuel (reducing agent) or air (oxidant) is used with a nozzle from the bottom, the metal particles used for chemical loop combustion are fine particles having a diameter of about 100 μm as an example when the supply of gas is stopped. Because of this, the metal particles flow back from the nozzle facing upward. When the chemical loop combustion apparatus is actually used as industrial equipment, the above is a disadvantage that cannot be ignored.

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、実際に工業用の設備として稼働した場合でも、装置のメンテナンス性を向上させ、また金属粒子がノズルから逆流することを回避することで、実機としての稼働性を大きく向上させることを可能とした、反応塔の天面側から酸化剤およびまたは還元剤が供給されるケミカルループ燃焼装置を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and even when actually operating as industrial equipment, it improves the maintainability of the apparatus, and avoids backflow of metal particles from the nozzle. It is an object of the present invention to provide a chemical loop combustion apparatus in which oxidant and / or reducing agent is supplied from the top surface side of the reaction tower, which can greatly improve the operability as an actual machine.

本発明によるケミカルループ燃焼装置は、金属粒子が酸化剤と反応して前記金属粒子の酸化物が生成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と反応して前記金属粒子に還元される還元塔とを反応塔として備え、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、前記酸化塔内に酸化剤を供給する酸化剤供給管および前記還元塔内に還元剤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ことを特徴とする。   In the chemical loop combustion apparatus according to the present invention, an oxidation tower in which metal particles react with an oxidant to generate an oxide of the metal particles, and an oxide of metal particles generated in the oxidation tower react with a reducing agent. A chemical loop combustion apparatus comprising a reduction tower that is reduced to the metal particles as a reaction tower, wherein the metal particles are circulated between the oxidation tower and the reduction tower while undergoing oxidation and reduction. The oxidizing agent supply pipe for supplying the oxidizing agent into the oxidation tower and / or the reducing agent supply pipe for supplying the reducing agent into the reduction tower are arranged from the top side to the bottom side of the respective reaction towers. It is inserted in the direction.

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。   In the chemical loop combustion apparatus according to the present invention, both an oxidant supply pipe for supplying an oxidant (for example, air) into the oxidation tower and a reducing agent supply pipe for supplying a reducing agent (for example, a fuel gas such as methane) into the reduction tower. Or either one is a structure inserted from the top surface side to the bottom surface side of each reaction tower, and when assembling the chemical loop combustion apparatus, lift and assemble those members with a crane or the like It can be removed. Therefore, in addition to facilitating the production of the chemical loop combustion apparatus, maintenance after operation becomes extremely easy. Furthermore, the oxidizing agent supply pipe and / or the reducing agent supply pipe inserted from the top surface side to the bottom surface side of the reaction tower are attached with the opening end of the lower end portion directed downward, so that the oxidizing agent Alternatively, when the supply of the reducing agent is stopped, the metal particles used for the chemical loop combustion do not flow backward in the inside thereof. Even if it is compared with the chemical loop combustion apparatus of the form described in the nonpatent literature 1, the maintainability and operativity improve.

本発明によるケミカルループ燃焼装置において、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い。その場合、前記酸化塔の底面は下方に湾曲したすり鉢状面とされていることは金属粒子の移動を円滑にする観点から好ましい。   In the chemical loop combustion apparatus according to the present invention, one or more reduction towers may be incorporated in the oxidation tower. In that case, it is preferable that the bottom surface of the oxidation tower has a mortar-like surface curved downward from the viewpoint of smooth movement of the metal particles.

また、本発明によるケミカルループ燃焼装置において、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。この場合にも、前記還元塔の底面は下方に湾曲したすり鉢状面とされていることは金属粒子の移動を円滑にする観点から好ましい。   In the chemical loop combustion apparatus according to the present invention, one or more oxidation towers may be incorporated in the reduction tower. Also in this case, it is preferable from the viewpoint of smooth movement of the metal particles that the bottom surface of the reduction tower has a mortar-like surface curved downward.

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、前記酸化塔は複数本の酸化剤供給管を備えており、一部の酸化剤供給管は酸化剤と還元剤とが選択的に供給可能とされていることを特徴とする。この形態では、運転開始時に、複数本の酸化剤供給管の一部の還元剤(燃料ガス)を供給し、他の酸化剤供給管に酸化剤(空気)を供給することで、酸化塔内で酸化剤(空気)と還元剤(燃料ガス)の直接燃焼を生じさせることが可能となり、その熱を運転開始時での金属粒子の予熱に利用できる利点がある。所要の予熱が終了した時点で、還元剤の供給を停止して酸化剤の供給に切り替える。   In a preferred form of the chemical loop combustion apparatus according to the present invention, the oxidation tower includes a plurality of oxidant supply pipes, and a part of the oxidant supply pipes can selectively supply an oxidant and a reducing agent. It is characterized by. In this mode, at the start of operation, a part of the reducing agent (fuel gas) in the plurality of oxidant supply pipes is supplied, and the oxidant (air) is supplied to the other oxidant supply pipes. This makes it possible to cause direct combustion of the oxidizing agent (air) and the reducing agent (fuel gas), and has the advantage that the heat can be used for preheating the metal particles at the start of operation. When the required preheating is completed, the supply of the reducing agent is stopped and switched to the supply of the oxidizing agent.

本発明によるケミカルループ燃焼装置の全体形状は、酸化塔と還元塔が一体とされているいわゆる内部循環式のケミカルループ燃焼装置であってもよく、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のケミカルループ燃焼装置であってもよい。   The overall shape of the chemical loop combustion apparatus according to the present invention may be a so-called internal circulation type chemical loop combustion apparatus in which an oxidation tower and a reduction tower are integrated, and the oxidation tower and the reduction tower are separated from each other. May be a so-called external circulation type chemical loop combustion apparatus connected by a flow path of oxidized metal particles and a flow path of reduced metal particles.

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、前記酸化塔または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。   In a preferred embodiment of the chemical loop combustion apparatus according to the present invention, a heat transfer tube is disposed in the oxidation tower or reduction tower to contact the metal particles or oxide thereof and transfer reaction heat to the fluid to be heated. It is characterized by.

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N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。 In the chemical loop combustion apparatus of the above aspect, for example, in a mode in which the heat transfer tube is arranged in the oxidation tower, heat generated by the oxidation reaction of the metal particles is exchanged with the heated fluid flowing in the heat transfer pipe. Therefore, the temperature of the input air (exhaust gas), which is mainly N 2 , discharged from the oxidation tower does not increase greatly, and the average temperature of the gas input air passing through the oxidation tower also decreases. As a result, since the superficial velocity is suppressed, the cross-sectional area of the oxidation tower can be reduced. As a result, the chemical loop combustion apparatus can be reduced in size, the surface area per combustion amount can be suppressed, and the heat dissipation loss can be reduced. Furthermore, the above chemical loop combustion apparatus can be miniaturized as described above, and the heat of the heated fluid flowing in the heat transfer tube can also be used as a heat source for on-site steam utilization equipment or industrial furnaces. It becomes. Further, in the aspect in which the heat transfer tube is arranged in the reduction tower, the metal particles holding the heat generated by the exothermic reaction in the oxidation tower circulate to the reduction tower and come into contact with the heat transfer pipe to The heated fluid is heated.

なお、本発明において、酸化剤は、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。   In the present invention, as the oxidizing agent, oxygen-enriched air, low nitrogen air, or the like can be used in addition to air. Natural gas, LPG gas, by-product gas from steelworks, hydrogen, coal, and the like can also be used as the reducing agent.

本発明によれば、実際に工業用の設備として稼働した場合でも、装置のメンテナンス性が良く、また金属粒子がノズルから逆流することを回避することで、実機のとしての稼働性を大きく向上させた、反応塔の天面側から酸化剤およびまたは還元剤が供給されるケミカルループ燃焼装置が得られる。   According to the present invention, even when the system is actually operated as an industrial facility, the maintainability of the apparatus is good, and the operability as an actual machine is greatly improved by avoiding the backflow of metal particles from the nozzle. In addition, a chemical loop combustion apparatus in which an oxidizing agent and / or a reducing agent is supplied from the top surface side of the reaction tower can be obtained.

本発明によるケミカルループ燃焼装置の第1の形態である内部循環式の装置を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the internal circulation type apparatus which is the 1st form of the chemical loop combustion apparatus by this invention. 本発明によるケミカルループ燃焼装置の第2の形態である外部循環式の装置を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the external circulation type apparatus which is the 2nd form of the chemical loop combustion apparatus by this invention. 本発明によるケミカルループ燃焼装置の第3の形態である内部循環式でありかつ伝熱管を備えた形態の装置を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the apparatus of the form which is the internal circulation type which is the 3rd form of the chemical loop combustion apparatus by this invention, and was provided with the heat exchanger tube. 本発明によるケミカルループ燃焼装置の第4の形態である外部循環式でありかつ伝熱管を備えた形態の装置を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the apparatus of the form which is the external circulation type which is the 4th form of the chemical loop combustion apparatus by this invention, and was equipped with the heat exchanger tube. 第3の形態であるケミカルループ燃焼装置の第1の変形例を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the 1st modification of the chemical loop combustion apparatus which is a 3rd form. 第3の形態であるケミカルループ燃焼装置の第2の変形例を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the 2nd modification of the chemical loop combustion apparatus which is a 3rd form. 第3の形態であるケミカルループ燃焼装置の第3の変形例を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the 3rd modification of the chemical loop combustion apparatus which is a 3rd form. 第3の形態であるケミカルループ燃焼装置の第4の変形例を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the 4th modification of the chemical loop combustion apparatus which is a 3rd form. 第3の形態であるケミカルループ燃焼装置の第5の変形例を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the 5th modification of the chemical loop combustion apparatus which is a 3rd form. 第3の形態であるケミカルループ燃焼装置の第6の変形例を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the 6th modification of the chemical loop combustion apparatus which is a 3rd form. 第3の形態であるケミカルループ燃焼装置の第7の変形例を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the 7th modification of the chemical loop combustion apparatus which is a 3rd form. 第4の形態であるケミカルループ燃焼装置の第1の変形例を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the 1st modification of the chemical loop combustion apparatus which is a 4th form. 第4の形態であるケミカルループ燃焼装置の第2の変形例を付設する配管系とともに示す図。The figure shown with the piping system which attaches the 2nd modification of the chemical loop combustion apparatus which is a 4th form.

以下、図面を参照して、本発明によるケミカルループ燃焼装置のいくつかの形態を説明する。
〈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の形態である内部循環式の装置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。
Hereinafter, several forms of a chemical loop combustion apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
<First embodiment>
FIG. 1 shows a piping system to which an internal circulation type apparatus as a first form of a chemical loop combustion apparatus according to the present invention is attached. The illustrated chemical loop combustion apparatus A1 has a circular tower-shaped outer tower 1 made of a heat-resistant material such as a steel plate, and the top surface of the outer tower 1 is also made of a heat-resistant material such as a steel plate. Closed at 2. A circular tower 3 having a smaller diameter than that of the outer tower 1 is attached in the outer tower 1 with the same central axis. The upper end of the circular tower 3 passes through the top plate 2 and extends to the outside of the outer tower 1, and the lower end reaches the vicinity of the lower end of the outer tower 1. In the following description, the outer tower 1 is called an oxidation tower 1 and the circular tower body 3 is called a reduction tower 3.

酸化塔1の底面は耐熱材からなる底部材により閉鎖されており、耐熱底部の上面16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1の内周面および天面は耐熱瓦や耐熱セラミックファイバーなどの耐熱材が貼り付けられている。酸化塔1の内周面における下から2/3程度の領域は肉厚領域22a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、肉厚領域22aの上端面は円錐壁22bとされるとともに、肉厚領域22aの上端面近傍における還元塔3の部分には固気分離装置25が取り付けられている。   The bottom surface of the oxidation tower 1 is closed by a bottom member made of a heat-resistant material, and the upper surface 16 of the heat-resistant bottom portion has a mortar-like surface curved downward. Specific examples of the mortar-shaped surface include a conical surface or a parabolic surface. A heat-resistant material such as a heat-resistant roof tile or a heat-resistant ceramic fiber is attached to the inner peripheral surface and the top surface of the oxidation tower 1. A region of about 2/3 from the bottom on the inner peripheral surface of the oxidation tower 1 is a thick region 22a, so that the horizontal cross-sectional area is narrower than the region above it. The upper end surface of the thick region 22a is a conical wall 22b, and a solid-gas separation device 25 is attached to the portion of the reduction tower 3 in the vicinity of the upper end surface of the thick region 22a.

還元塔3の中心部には燃料ガス供給管61が挿入されている。燃料ガス供給管61は還元塔3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9とされている。還元塔3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62が取り付けてあり、その先端は還元塔3の下端まで達していて、先端部はセパレートガスノズル13とされている。   A fuel gas supply pipe 61 is inserted in the center of the reduction tower 3. The fuel gas supply pipe 61 reaches a position directly above the lower end portion of the reduction tower 3, and the tip portion is a fuel nozzle 9. A required number of separate gas supply pipes 62 are attached along the inner peripheral wall surface of the reduction tower 3, the tip of which reaches the lower end of the reduction tower 3, and the tip is a separate gas nozzle 13.

還元塔3の径方向外側には、還元塔3とほぼ平行にかつ還元塔3の軸芯線から同心円状に、所要本数の空気供給管63が取り付けてある。空気供給管63の上端側は天板2を貫通しており、下端側は酸化塔1の底部に取り付けた底部材の上面16の近くまで達している。各空気供給管63の下端部は空気ノズル5とされている。   A required number of air supply pipes 63 are attached to the outside in the radial direction of the reduction tower 3 so as to be substantially parallel to the reduction tower 3 and concentrically from the axial center line of the reduction tower 3. The upper end side of the air supply pipe 63 passes through the top plate 2, and the lower end side reaches the vicinity of the upper surface 16 of the bottom member attached to the bottom of the oxidation tower 1. The lower end portion of each air supply pipe 63 is an air nozzle 5.

燃料ガス供給管61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の下端開口部である燃料ノズル9から還元塔3内に噴出する。後に説明するようにこの燃料は還元剤として機能する。空気供給管63には、ブロワ6、流量計7、調圧弁8を通して調圧された空気(環境温度の空気であってよい)が供給され、下端部の空気ノズル5から酸化塔1内に噴出する。前記した燃料ガスの一部は、管路64と遮断弁65を通って、必要時に空気供給管63のいずれかに供給され、下端部の空気ノズル5から酸化塔1内に噴出する。セパレートガス供給管62には配管14を通して、例えばNガス、CO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13から酸化塔1の底面に向けて噴出する。 The fuel gas supply pipe 61 is supplied with regulated fuel such as methane through the shutoff valve 10, the pressure regulating valve 11 and the check valve 12, and is reduced from the fuel nozzle 9 which is the lower end opening of the reduction tower 3. It spouts into the tower 3. As will be described later, this fuel functions as a reducing agent. The air supply pipe 63 is supplied with pressure-adjusted air (which may be air at ambient temperature) through the blower 6, the flow meter 7, and the pressure control valve 8, and is ejected into the oxidation tower 1 from the air nozzle 5 at the lower end. To do. A part of the fuel gas described above passes through the pipe 64 and the shutoff valve 65 and is supplied to any of the air supply pipes 63 when necessary, and is jetted into the oxidation tower 1 from the air nozzle 5 at the lower end. An inert gas such as N 2 gas or CO 2 gas is supplied to the separate gas supply pipe 62 through the pipe 14. The supplied inert gas is ejected from the separate gas nozzle 13 at the tip toward the bottom surface of the oxidation tower 1.

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、Nが主であり、O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。 An exhaust port 27 is provided at the upper portion of the oxidation tower 1, and exhaust gas from the exhaust port 27 (as will be described later, mainly N 2 and contains a small amount of O 2 ) passes through the solid-gas separation device 28 to the outside air. Exhausted.

以上の構成は、第1の形態である内部循環式のケミカルループ燃焼装置A1が作動するために必要な構成であるが、より効率的な運転を行うために、ケミカルループ燃焼装置A1はさらに次の配管系を備える。   The above configuration is a configuration necessary for the operation of the internal circulation type chemical loop combustion apparatus A1 according to the first embodiment. However, in order to perform more efficient operation, the chemical loop combustion apparatus A1 is further configured as follows. The piping system is provided.

前記した排気口27からの排ガスは固気分離装置28を通過した後、さらに熱交換器29および29aを通過する。そして熱交換器29、29a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、NとO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からセパレートガス供給管62に送られる。 The exhaust gas from the exhaust port 27 passes through the solid-gas separator 28 and then passes through the heat exchangers 29 and 29a. The N2 gas that has passed through the heat exchangers 29 and 29a is stored in a storage tank (not shown). When necessary, a part of the mixed gas of N 2 and O 2 is pressurized by the blower 30 and sent from the pipe 14 to the separate gas supply pipe 62 through the shutoff valve 31 and the pressure regulating valve 32.

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COとHO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CO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CO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からセパレートガス供給管62に送られる。 The exhaust gas discharged from the upper part of the reduction tower 3 (which is CO 2 and H 2 O vapor as described later) flows into the steam separator 33 in which cooling water from the outside circulates and liquefies the vapor. After being separated, the exhaust gas containing 90% or more of CO 2 is discharged to the outside and stored in a storage tank (not shown). When necessary, a part of the exhaust gas containing 90% or more of CO 2 is pressurized by the blower 34 and sent from the pipe 14 to the separate gas supply pipe 62 through the shutoff valve 35 and the pressure regulating valve 32.

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29a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、燃料ガス供給管61への燃料ガス供給管路内に水蒸気として供給される。   The water generated in the steam separator 33 reaches the heat exchanger 29a via the shutoff valve 36 and the pump 37, and after heat exchange there, passes through the pressure regulating valve 38 and the check valve 39 as necessary. The water vapor is supplied into the fuel gas supply pipe to the fuel gas supply pipe 61 as water vapor.

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、鉄(Fe)または酸化鉄(FeO、Fe,Fe)を例示できる。充填後、空気供給管63の一部の空気供給管63aに遮断弁65を通して燃料ガスを供給し、他の空気供給管63に酸化剤としての空気を供給して、酸化塔1内で燃料ガスと空気とを直接燃焼させる。その燃焼熱によって金属粒子Mを酸化反応が可能な温度である600℃程度まで予熱する。この状態では、前記空気供給管63aは金属粒子を予熱するための昇温用バーナ63aとして機能している。なお、金属粒子の予熱は酸化塔1に取り付けた電気ヒータ等で行うこともできる。 The operation of the chemical loop combustion apparatus A1 will be described. The metal particles M are filled in the internal space of the oxidation tower 1 in advance. The filling amount is such that the metal particles M do not reach the solid-gas separation device 25 attached to the reduction tower 3. The metal particles M may contain not only metals but also metal oxide particles. Preferable examples of the metal particles M include iron (Fe) or iron oxide (FeO, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 ). After the filling, fuel gas is supplied to a part of the air supply pipe 63a of the air supply pipe 63 through the shut-off valve 65, and air as an oxidant is supplied to the other air supply pipe 63, so And air are burned directly. The metal particles M are preheated to about 600 ° C., which is a temperature at which the oxidation reaction is possible, by the combustion heat. In this state, the air supply pipe 63a functions as a temperature raising burner 63a for preheating the metal particles. The preheating of the metal particles can also be performed with an electric heater attached to the oxidation tower 1 or the like.

予熱終了後、調圧弁を操作してすべての空気供給管63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、燃料ガス供給管61に還元剤として機能する所定量のメタン等の燃料ガスを供給し燃料ノズル9からから噴出させる。さらに、セパレートガスノズル13からN、CO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。 After the preheating is completed, the pressure regulating valve is operated to supply a predetermined amount of air (which may be air having an environmental temperature) to all the air supply pipes 63 and ejected from the air nozzle 5 into the oxidation tower 1. Let Further, a predetermined amount of fuel gas such as methane that functions as a reducing agent is supplied to the fuel gas supply pipe 61 and ejected from the fuel nozzle 9. Further, an inert gas such as N 2 or CO 2 is ejected from the separate gas nozzle 13 toward the oxidation tower 1. At the beginning of operation, the inert gas is supplied from an external inert gas source, or is supplied from an inert gas source stored in a storage tank in the system during the previous operation.

空気ノズル5から酸化塔1内に噴出された空気は上昇する過程で、金属粒子Mとの間での酸化反応に寄与する。酸化反応熱により昇温した空気すなわちNリッチの高温空気は、前記したように酸化塔1上部の排気口27から排ガスとして排出され、熱交換器29において、被加熱流体との間に熱交換を行う。熱交換により昇温した被加熱流体は図示しない熱負荷部(例えば、蒸気利用設備など)に送られる。 The air jetted into the oxidation tower 1 from the air nozzle 5 contributes to the oxidation reaction with the metal particles M in the process of rising. The air heated by the oxidation reaction heat, that is, N 2 -rich high-temperature air is discharged as exhaust gas from the exhaust port 27 at the top of the oxidation tower 1 as described above, and exchanges heat with the fluid to be heated in the heat exchanger 29. I do. The heated fluid heated by heat exchange is sent to a heat load section (not shown) (for example, a steam utilization facility).

燃料ノズル9からの燃料ガスは還元塔3内に流入するが、運転時には、セパレートガス供給管62の上端部からCOまたはN等の不活性ガスが供給され、セパレートガスノズル13から酸化塔1内に噴出する。噴出する不活性ガスにより、空気ノズル5から噴出する空気と、燃料ガス供給管61の下端の燃料ノズル9から噴出する燃料ガスとが混合するのは回避され、燃料ガスが直接燃焼するのは阻止される。 The fuel gas from the fuel nozzle 9 flows into the reduction tower 3, but during operation, an inert gas such as CO 2 or N 2 is supplied from the upper end of the separate gas supply pipe 62, and the oxidation tower 1 is supplied from the separate gas nozzle 13. Erupts inside. Mixing of the air ejected from the air nozzle 5 and the fuel gas ejected from the fuel nozzle 9 at the lower end of the fuel gas supply pipe 61 is avoided and the direct combustion of the fuel gas is prevented by the ejected inert gas. Is done.

酸化塔1内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。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Feの場合、酸化金属粒子MOはFe34等となる。 In the oxidation tower 1, the metal particles M preheated to the reaction temperature and oxygen in the supplied air react to generate metal oxide particles MO. When the metal particles M include the metal oxide particles MO, the metal oxide particles MO correspond to metal oxide particles in a form in which the metal oxide particles are further oxidized. For example, when the metal particle M is Fe 2 O 3 , the metal oxide particle MO is Fe 3 O 4 or the like.

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、酸化塔1の底部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。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。   The metal oxide particles MO and the remaining metal particles M flow down in the oxidation tower 1 and flow into the reduction tower 3 and then rise in the reduction tower 3. In the process of rising in the reduction tower 3, the metal oxide particles MO are returned to the metal particles M by being reduced by the fuel gas. In the above chemical loop combustion apparatus A1, the bottom of the oxidation tower 1 has a conical surface that becomes lower toward the center, so that the movement of the metal oxide particles MO from the bottom of the oxidation tower 1 to the reduction tower 3 is smooth. proceed. The solid component and the gas component rising in the reduction tower 3 are separated into solid and gas by the action of the solid-gas separation device 25 in the process of rising, and the gas is further raised and exhausted from the upper part of the reduction tower 3. The The solid, that is, the metal particles M and the remaining metal oxide particles MO are returned to the oxidation tower 1.

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の内壁面の一部に肉厚領域22aを形成したことで、前記したように、肉厚領域22a領域よりもその上の領域での水平断面積が大きくなっており、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、肉厚領域22aの上端面は円錐壁22bとなっているので、そこに落下した金属粒子Mあるいはその酸化物MOは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の酸化作用は円滑化とともに、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、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。   In the oxidation tower 1, the metal particles M are fluidized under the action of the air ejected from the air nozzle 5, so that the metal particles M or a part of the oxide MO are initially stored. It can happen that it soars upward. In the above chemical loop combustion apparatus A1, since the thick region 22a is formed on a part of the inner wall surface of the oxidation tower 1, the horizontal cross-sectional area in the region above the thick region 22a region as described above. The metal particles M or their oxides MO that have soared into the upper space have a low superficial velocity and are likely to fall downward. Furthermore, since the upper end surface of the thick region 22a is a conical wall 22b, the metal particle M or its oxide MO that has fallen there reliably falls downward along that surface. Therefore, the oxidation action of the metal particles M can be smoothed and the metal particles can be prevented from being discharged from the exhaust port 27 at the top of the oxidation tower 1. The metal particles discharged from the exhaust port 27 at the top of the oxidation tower 1 are separated by the solid-gas separation device 28 and returned to the oxidation tower 1 when necessary.

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、前記したように空気の供給量に応じて、Oを含まない高濃度のNガスか、残存OとNを含むガスとなる。前記したように排ガスのNの一部はブロワ30で昇圧され遮断弁31と調圧弁32を通って配管11からセパレートガスノズル13に送られる。 By contributing to the oxidation reaction in the oxidation tower 1, the input air becomes high-temperature exhaust gas and is discharged from the exhaust port 27. Exhaust gas, depending on the supply amount of air as described above, high concentrations of N 2 Gasuka containing no O 2, a gas containing residual O 2 and N 2. As described above, a part of the N 2 in the exhaust gas is increased in pressure by the blower 30 and sent from the pipe 11 to the separate gas nozzle 13 through the shutoff valve 31 and the pressure regulating valve 32.

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COとHOからなっており、高温ガスであることからHO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COを含むガスに分離される。得られたCO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COとして貯蔵される。CO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11からセパレートガス供給管62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(NOまたはCO)を自給することが可能となる。 On the other hand, the exhaust gas from the reduction tower 3 consists of CO 2 and H 2 O produced by a reduction reaction, and since it is a high-temperature gas, H 2 O is steam. The exhaust gas from the reduction tower 3 is condensed by an air / water separator 33 in which cooling water circulates and separated into water and a gas containing CO 2 having a high concentration (90% or more). The obtained CO 2 gas is stored as it is or as liquefied CO 2 after further concentration by an appropriate means if necessary. A part of the CO 2 gas is boosted by the blower 34 when necessary, and sent from the pipe 11 to the separate gas supply pipe 62 through the shutoff valve 35 and the pressure regulating valve 32. Therefore, in the chemical loop combustion apparatus A1 of the form shown in the figure, except for the initial operation time, from the separate gas nozzle 13 for the purpose of separating the air supplied from the air nozzle 5 and the fuel gas supplied from the fuel nozzle. It becomes possible to supply the inert gas (NO 2 or CO 2 ) to be supplied.

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29a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できる。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。   The water generated by the steam separator 33 exchanges heat with the high-temperature exhaust gas from the oxidation tower 1 in the heat exchanger 29a to become steam, and when necessary, the steam passes through the pressure regulating valve 38 and the check valve 39 to become fuel gas. It is mixed. By requiring the supply of water vapor, the reduction reaction can proceed efficiently even when a relatively inexpensive metal particle material such as Fe is used. In addition, it is possible to efficiently proceed the reduction reaction even with a hydrocarbon such as methane having a low reactivity.

上記のケミカルループ燃焼装置A1では、酸化塔1内に空気を供給する空気供給管63と還元塔3内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管61およびセパレートガス供給管13とを、酸化塔1の上部から、すなわち酸化塔1の天面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A1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製造が容易となる。また、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66を用い、そこに前記した空気供給管63と燃料ガス供給管61とセパレートガス供給管13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。   In the above chemical loop combustion apparatus A1, the air supply pipe 63 for supplying air into the oxidation tower 1, the fuel gas supply pipe 61 for supplying fuel gas into the reduction tower 3 and the separate gas supply pipe 13 are connected to the oxidation tower 1 Since it is attached so as to drop from an opening formed on the top surface of the oxidation tower 1, that is, when assembling the chemical loop combustion apparatus A1, it is possible to lift and assemble those members with a crane or the like. It becomes possible and manufacture becomes easy. In addition, maintenance after operation is extremely easy. In particular, as shown in the drawing, a common mounting substrate 66 is used, and the air supply pipe 63, the fuel gas supply pipe 61, and the separate gas supply pipe 13 are attached thereto so that they are integrated during assembly or maintenance. It becomes possible to handle it as a product, and workability is further improved.

〈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の形態の概略断面を付設する配管系とともに示している。第2の形態のケミカルループ燃焼装置A2は、酸化塔201と還元塔203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250と還元した金属粒子Mが移動する流路260とによって接続されている点で、図1に示した第1の形態であるケミカルループ燃焼装置A1と相違する。他の構成は実質的にケミカルループ燃焼装置A1と同じであり、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。
<Second form>
FIG. 2 shows a chemical loop combustion apparatus according to the present invention together with a piping system provided with a schematic cross section of a second embodiment of the chemical loop combustion apparatus. In the chemical loop combustion apparatus A2 of the second embodiment, the oxidation tower 201 and the reduction tower 203 are separated, and both of them are a flow path 250 in which the oxidized metal particles MO move and a flow path 260 in which the reduced metal particles M move. Are different from the chemical loop combustion apparatus A1 of the first embodiment shown in FIG. Other configurations are substantially the same as those of the chemical loop combustion apparatus A1, and in the following description, members having substantially the same functions as those in the chemical loop combustion apparatus A1 as the first embodiment are denoted by the same reference numerals. A detailed description will be omitted except for a case where the reference numeral is assigned as a reference numeral and the specific configuration is different.

ケミカルループ燃焼装置A2は、前記のように酸化塔201と還元塔203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250と金属粒子流路260とで接続されている。すなわち、酸化塔201内には、還元塔に相当する手段は存在しない。そのために、酸化塔201の直径をより小さなものとすることができる。   In the chemical loop combustion apparatus A2, the oxidation tower 201 and the reduction tower 203 are separated as described above, and both are connected by the metal oxide flow path 250 and the metal particle flow path 260 that are provided with heat insulating means. That is, there is no means corresponding to the reduction tower in the oxidation tower 201. Therefore, the diameter of the oxidation tower 201 can be made smaller.

酸化塔201の中央部には、酸化塔201の軸芯方向に延びる所要本数の空気供給管263が挿入されており、その下端部は酸化塔201の底面近傍にまで達している。空気供給管263の下端先端部は空気ノズル205とされている。   A required number of air supply pipes 263 extending in the axial direction of the oxidation tower 201 are inserted in the central portion of the oxidation tower 201, and the lower end thereof reaches the vicinity of the bottom surface of the oxidation tower 201. The lower end tip of the air supply pipe 263 is an air nozzle 205.

また、前記のように、酸化金属粒子MOは酸化金属流路250を通って還元塔203に移動する形式であり、そのために、酸化塔201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267が配置され、その中央部に第1の固気分離装置270を配置している。そして、第1の固気分離装置270の固体排出口側に前記した酸化金属流路250の一方端が接続している。また、浮揚防止板267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201の内周面には耐熱壁222が貼り付けられている。酸化塔201の底部の構成は図1に示したケミカルループ燃焼装置A1の酸化塔1と同じである。また、前記した空気供給管263は第1の固気分離装置270内を通過している。   Further, as described above, the metal oxide particles MO are moved to the reduction tower 203 through the metal oxide flow path 250, and for this reason, the storage upper end position of the metal particles M stored in the oxidation tower 201 is slightly. A plate-like levitation prevention plate 267 is disposed at an upper position, and a first solid-gas separation device 270 is disposed at the center thereof. One end of the metal oxide flow path 250 is connected to the solid discharge port side of the first solid-gas separation device 270. In addition, a heat-resistant wall 222 is attached to the inner peripheral surface of the oxidation tower 201 so that the upper horizontal cross-sectional area is larger than the lower horizontal cross-sectional area below the levitation prevention plate 267. The structure of the bottom of the oxidation tower 201 is the same as that of the oxidation tower 1 of the chemical loop combustion apparatus A1 shown in FIG. Further, the air supply pipe 263 described above passes through the first solid-gas separation device 270.

還元塔203には、その天面を通過するようにして燃料ガス供給管261が還元塔203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203の底面近傍にまで達していて、燃料ノズル209とされている。また、還元塔203は、その上方位置において酸化金属流路250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271を備えている。還元塔203の下方位置には金属粒子流路260の一方端が接続しており、金属粒子流路260の他方端は酸化塔201の下方部分に接続している。酸化金属流路250の途中には粒子溜め251が設けてあり、金属粒子流路260の途中にも粒子溜め262が設けてある。   A fuel gas supply pipe 261 is inserted into the reduction tower 203 in parallel with the axial direction of the reduction tower 203 so as to pass through its top surface, and its lower end reaches the vicinity of the bottom surface of the reduction tower 203. Thus, the fuel nozzle 209 is used. The reduction tower 203 is in contact with the other end of the metal oxide flow path 250 at an upper position thereof, and includes a second solid-gas separation device 271 between the connection portion and the top plate. One end of a metal particle flow path 260 is connected to a position below the reduction tower 203, and the other end of the metal particle flow path 260 is connected to a lower portion of the oxidation tower 201. A particle reservoir 251 is provided in the middle of the metal oxide channel 250, and a particle reservoir 262 is also provided in the middle of the metal particle channel 260.

酸化塔201に取り付けた第1の固気分離装置270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227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。   The gas (exhaust gas) after the solid component (mainly metal oxide particles MO) is separated by the first solid-gas separation device 270 attached to the oxidation tower 201 is exhausted from the exhaust port 227. Since almost no solid content is contained, the solid-gas separation device 28 in the chemical loop combustion apparatus A1 shown in FIG. 1 can be omitted.

ケミカルループ燃焼装置A2において、上方から供給される空気は空気供給管263を通過した後に、その下端部の空気ノズル205から酸化塔201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Nリッチの空気は第1の固気分離装置270を通って酸化塔201上部の排気口227から高温の排ガスとして排出される。高温の排ガスは、ケミカルループ燃焼装置A1の場合と同様、熱交換器229において被加熱流体との間に熱交換を行う。 In the chemical loop combustion apparatus A2, the air supplied from above passes through the air supply pipe 263, and then is ejected from the air nozzle 205 at the lower end thereof into the oxidation tower 201. It contributes to the oxidation reaction. The air after the oxidation reaction, that is, N 2 rich air is discharged as high-temperature exhaust gas from the exhaust port 227 at the top of the oxidation tower 201 through the first solid-gas separation device 270. As in the case of the chemical loop combustion apparatus A1, the high-temperature exhaust gas exchanges heat with the heated fluid in the heat exchanger 229.

第1の固気分離装置270で分離された固体(主に酸化金属粒子MO)は酸化金属流路250を通って還元塔203に移動し、そこで還元作用を受けて金属粒子Mとなり、還元後の金属粒子Mは金属粒子流路260を通って酸化塔201内に戻される。また、還元塔203に取り付けた第2の固気分離装置271は酸化金属流路250から流入してくる排ガス中の固体分(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23内に戻すとともに、気体(主にCOとHO)を還元塔203から排ガスとして排出する。第2の形態のケミカルループ燃焼装置A2では、還元塔203の天面から燃料ガス供給管261を還元塔203内に取り付けるようにしており、還元塔203の組み付けおよびメンテナンスがきわめて容易となる。 The solid (mainly metal oxide particles MO) separated by the first solid-gas separation device 270 moves to the reduction tower 203 through the metal oxide flow path 250, where it undergoes a reduction action to become metal particles M, after reduction. The metal particles M are returned to the oxidation tower 201 through the metal particle channel 260. The second solid-gas separation device 271 attached to the reduction tower 203 separates and reduces the solid content (mainly metal oxide particles MO before being reduced) in the exhaust gas flowing in from the metal oxide flow channel 250. While returning to the inside of the tower 23, gas (mainly CO 2 and H 2 O) is discharged from the reduction tower 203 as exhaust gas. In the chemical loop combustion apparatus A2 of the second embodiment, the fuel gas supply pipe 261 is attached in the reduction tower 203 from the top surface of the reduction tower 203, and the assembly and maintenance of the reduction tower 203 become extremely easy.

酸化塔201からの排ガスおよび還元塔203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での配管系とほぼ同じである。ただし、図2の管路図に示すように、双方の排ガスから生成されるNOおよびCOである不活性ガスは、セパレートガスノズル13にではなく、前記した粒子溜め251および262にパージガスとして供給される点で相違する。粒子溜め251および262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250および金属粒子流路260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。なお、2つの粒子溜め251、262、特に酸化金属流路250に設ける粒子溜め251は省略することもできる。省略してもケミカルループ燃焼装置A2の運転は可能である。 The piping system for the exhaust gas from the oxidation tower 201 and the exhaust gas from the reduction tower 203 is substantially the same as the piping system in the chemical loop combustion apparatus A1 shown in FIG. However, as shown in the pipeline diagram of FIG. 2 , the inert gas, which is NO 2 and CO 2 generated from both exhaust gases, is supplied not as a separate gas nozzle 13 but as a purge gas to the above-described particle reservoirs 251 and 262. Is different. By supplying an inert gas as a purge gas to the particle reservoirs 251 and 262, it is possible to reliably prevent air (oxidant) and fuel gas from mixing in the metal oxide channel 250 and the metal particle channel 260. Thus, direct combustion of fuel gas can be reliably avoided. Note that the two particle reservoirs 251 and 262, in particular, the particle reservoir 251 provided in the metal oxide channel 250 can be omitted. Even if omitted, the chemical loop combustion apparatus A2 can be operated.

〈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の形態の概略断面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、酸化塔301内に伝熱管326を配置して、酸化塔301内で発生する酸化反応熱と伝熱管326内を流れる被加熱流体との間の熱交換を酸化塔301内で行うようにした点で、図1に示したケミカルループ燃焼装置A1と相違する。その他の構成は第1の形態であるケミカルループ燃焼装置A1と同じであり、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。
<Third embodiment>
FIG. 3 shows a schematic cross section of a third embodiment of the chemical loop combustion apparatus according to the present invention together with a piping system. In the chemical loop combustion apparatus A3 of the third embodiment, a heat transfer tube 326 is disposed in the oxidation tower 301, and the heat between the oxidation reaction heat generated in the oxidation tower 301 and the fluid to be heated flowing in the heat transfer pipe 326 is obtained. This is different from the chemical loop combustion apparatus A1 shown in FIG. 1 in that the exchange is performed in the oxidation tower 301. The other configurations are the same as those of the chemical loop combustion apparatus A1 according to the first embodiment, and in the following description, members having substantially the same functions as those of the chemical loop combustion apparatus A1 according to the first embodiment are the same. The reference numerals are assigned as the reference numerals in the 300s, and detailed description is omitted unless the specific configuration is different.

ケミカルループ燃焼装置A3では、酸化塔301の底部には円塔状の下部ヘッダー315が取り付けられている。下部ヘッダー315の底面は水平面であるが、上面は円錐面316となっていて、円錐面の下端が空気ノズル305とほぼ同一面となっている。下部ヘッダー315の外周面は酸化塔301の内周面に接しており、酸化塔301の壁面に作られた孔317を通して、被加熱流体が流れる第1の流体配管318が下部ヘッダー314の外周面に接続している。また、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。   In the chemical loop combustion apparatus A3, a circular lower header 315 is attached to the bottom of the oxidation tower 301. The bottom surface of the lower header 315 is a horizontal plane, but the upper surface is a conical surface 316, and the lower end of the conical surface is substantially flush with the air nozzle 305. The outer peripheral surface of the lower header 315 is in contact with the inner peripheral surface of the oxidation tower 301, and a first fluid pipe 318 through which a fluid to be heated flows through a hole 317 formed in the wall surface of the oxidation tower 301 is an outer peripheral surface of the lower header 314. Connected to. The central portion of the lower header 315 is closed by a concave cone member 360 that is continuous with the upper surface, which is a conical surface 316.

酸化塔301の上方には、天板302に接するようにして円塔状の上部ヘッダー319が取り付けてある。上部ヘッダー319の内径と外径は下部ヘッダー315はほぼ同じである。上部ヘッダー319には酸化塔301の天板302に形成した孔320を通して被加熱流体の第2の流体配管321が接続している。この例において、第2の流体配管221はオンサイトでの蒸気利用設備や工業炉などの熱負荷300に連通している。   A tower-like upper header 319 is attached above the oxidation tower 301 so as to contact the top plate 302. The inner diameter and outer diameter of the upper header 319 are substantially the same as those of the lower header 315. A second fluid pipe 321 for a fluid to be heated is connected to the upper header 319 through a hole 320 formed in the top plate 302 of the oxidation tower 301. In this example, the second fluid pipe 221 communicates with a heat load 300 such as an on-site steam utilization facility or an industrial furnace.

酸化塔301の内壁に沿うようにして、前記下部ヘッダー315の上部円錐面316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322が形成されており、該耐熱壁322の上端面は円錐壁323とされている。耐熱壁322の前記上端円錐壁323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324が取り付けられており、該中間ヘッダー324の内径と外径は下部ヘッダー315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324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、還元塔303には、固気分離装置325が取り付けられている。   A heat-resistant wall 322 having an appropriate thickness made of a heat-resistant material such as a heat-resistant tile or a heat-resistant ceramic fiber is formed from the upper conical surface 316 of the lower header 315 to an appropriate upper position along the inner wall of the oxidation tower 301. The upper end surface of the heat-resistant wall 322 is a conical wall 323. An intermediate header 324 having a swash plate shape as a whole is attached so that the lower end surface is aligned with the upper end conical wall 323 of the heat-resistant wall 322. The inner and outer diameters of the intermediate header 324 are the same as those of the lower header 315 and the inner diameter. And is almost equal to the outer diameter. A solid-gas separation device 325 is attached to the reduction tower 303 at a position slightly above the position where the intermediate header 324 is attached.

下部ヘッダー315と中間ヘッダー324と上部ヘッダー319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326が酸化塔301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326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301内での伝熱管326の配置は任意であり、後に記載するように、酸化塔301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。   A plurality of heat transfer tubes 326 are attached in parallel to the central axis of the oxidation tower 301 so that the internal spaces of the lower header 315, the intermediate header 324, and the upper header 319 communicate with each other. In the drawing, the plurality of heat transfer tubes 326 are arranged in a plurality of rows in the radial direction, and each example is constituted by a plurality of heat transfer tubes, but the arrangement of the heat transfer tubes 326 in the oxidation tower 301 is arranged. Is optional, and may be appropriately arranged on condition that the flow of the metal particles accommodated in the oxidation tower 301 is not hindered, as will be described later.

なお、下部ヘッダー315、中間ヘッダー324、上部ヘッダー319は耐熱性に優れた材料で作られ、また特に伝熱管326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326は、下部ヘッダー315と中間ヘッダー324の間に位置する部分と、中間ヘッダー324と上部ヘッダー319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。   The lower header 315, the intermediate header 324, and the upper header 319 are made of a material having excellent heat resistance. In particular, the heat transfer tube 326 is made of a material and shape having excellent heat resistance and thermal conductivity. Further, as will be described later, the heat transfer tube 326 is made of a different material for a portion located between the lower header 315 and the middle header 324 and a portion located between the middle header 324 and the upper header 319. Is desirable.

酸化塔301からの排ガスおよび還元塔303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での配管系とほぼ同じであり、説明は省略する。   The piping system for the exhaust gas from the oxidation tower 301 and the exhaust gas from the reduction tower 303 is substantially the same as the piping system in the chemical loop combustion apparatus A1 shown in FIG.

上記のケミカルループ燃焼装置A3では、運転に際して、下部ヘッダー315と中間ヘッダー324と上部ヘッダー318、すべての伝熱管326、および第1の流体配管318と第2の流体配管321を、例えば水である被加熱溶液で満す。その後、ケミカルループ燃焼装置A1と同様にして、酸化塔301での酸化反応と還元塔303での還元反応とを進行させる。   In the above chemical loop combustion apparatus A3, during operation, the lower header 315, the intermediate header 324 and the upper header 318, all the heat transfer tubes 326, and the first fluid piping 318 and the second fluid piping 321 are, for example, water. Fill with heated solution. Thereafter, the oxidation reaction in the oxidation tower 301 and the reduction reaction in the reduction tower 303 are advanced in the same manner as in the chemical loop combustion apparatus A1.

上記のケミカルループ燃焼装置A3では、下部ヘッダー315の上面316は、中央に向けて低位となる円錐面となっており、さらに下部ヘッダー315の中央部分には上面316に連続するようにして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を取り付けているので、酸化塔301内での酸化金属粒子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。   In the above chemical loop combustion apparatus A3, the upper surface 316 of the lower header 315 is a conical surface that becomes lower toward the center, and the surface of the central portion of the lower header 315 is continuous with the upper surface 316. Since the cone member 360 which is a smooth conical surface or a parabolic surface is attached, the movement of the metal oxide particles MO or the metal particles M in the oxidation tower 301 can be facilitated, and the reduction tower is started from the bottom of the oxidation tower 301. The metal oxide particles MO or the metal particles M flow into the inside 303.

酸化塔301内で、金属粒子Mは空気ノズル305からの噴出空気の作用を受けて流動化状態となり金属粒子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A3では、酸化塔301の下方の内壁面に耐熱壁322を形成したことにより、耐熱壁322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322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325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324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324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301上部の排気口327から金属粒子が排出されるのを抑制することができる。   In the oxidation tower 301, the metal particles M are fluidized under the action of the air blown from the air nozzle 305, and the metal particles M or a part of the oxide MO soars upward than when initially stored. Can happen. In the above chemical loop combustion apparatus A3, the heat resistant wall 322 is formed on the inner wall surface below the oxidation tower 301, so that the heat resistant wall 322 above the horizontal cross sectional area of the region where the heat resistant wall 322 is formed is larger. The horizontal cross-sectional area of the area not formed is large. For this reason, the metal particles M or their oxides MO that have risen into the space above the vicinity of the solid-gas separation device 325 have a low superficial velocity and are likely to fall downward. Furthermore, since the upper surface of the intermediate header 324 is a conical surface, the metal particles M or their oxides MO dropped on the upper surface of the intermediate header 324 surely fall downward along the surface. Therefore, the oxidation action of the metal particles M can be smoothed and the discharge of the metal particles from the exhaust port 327 at the top of the oxidation tower 301 can be suppressed.

ケミカルループ燃焼装置A3において、酸化塔301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326の壁面を介して伝熱管326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、ケミカルループ燃焼装置A3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、酸化塔301内に位置する伝熱管322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301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301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。   In the chemical loop combustion apparatus A3, the heat generated by the oxidation of the metal particles M in the oxidation tower 301 is transmitted to the heated fluid flowing in the heat transfer tube 326 via the wall surface of the heat transfer tube 326, and the heated fluid is Heat. That is, in the chemical loop combustion apparatus A3, the heat of the metal particles M generated by the oxidation reaction is transferred to the gas (input air) and at the same time, directly exchanges heat with the heat transfer tube 322 located in the oxidation tower 301. The exhaust gas temperature does not rise greatly. Therefore, NOx generation can be further suppressed. Moreover, since the average temperature of the gas (input air) in the oxidation tower 301 is also lowered, thereby suppressing the superficial velocity, the cross-sectional area of the oxidation tower 301 can be reduced. As a result, the apparatus can be miniaturized, the surface area per combustion amount can be suppressed, and the heat dissipation loss can be reduced.

上記のケミカルループ燃焼装置A3では、中間ヘッダー324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326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324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326の摩擦損耗は少ない。そのことから、伝熱管326の材料は、下部ヘッダー315と中間ヘッダー324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324と上部ヘッダー319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。   In the above chemical loop combustion apparatus A3, the region below the intermediate header 324 is a region where metal particles are stored, and the heat transfer tube 326 receives a lot of frictional wear due to contact with the metal particles in that region. On the other hand, the region above the intermediate header 324 is a region where gas is mainly present, and the frictional wear of the heat transfer tube 326 is small. Therefore, the material of the heat transfer tube 326 is made of a material having excellent wear resistance in the portion located between the lower header 315 and the intermediate header 324, and compared in the portion located between the intermediate header 324 and the upper header 319. And can be made of a material with low wear resistance. Costs can be reduced by using such different materials.

酸化塔301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319から第2の流体配管321、熱負荷部300、第1の流体配管318を循環し、下部ヘッダー314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。   For example, the heated fluid heated by the heat exchange in the oxidation tower 301 circulates from the upper header 319 to the second fluid pipe 321, the heat load unit 300, and the first fluid pipe 318 and returns to the lower header 314. Come. Circulation of the heated fluid to be heated may be reversed.

なお、上記の例では、第1の流体管路318と第2の流体管路321は連続するものとして説明したが、熱負荷部300の種類や形態によっては、第1の流体管路318(および熱負荷部300)と第2の流体管路321は非連続であってもよい。   In the above example, the first fluid conduit 318 and the second fluid conduit 321 are described as being continuous. However, depending on the type and form of the thermal load unit 300, the first fluid conduit 318 ( And the thermal load 300) and the second fluid line 321 may be discontinuous.

上記のように、第3の形態であるケミカルループ燃焼装置A3では、酸化塔301内に、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315、中間ヘッダー324、上部ヘッダー319、伝熱管326等を配置したことで、その酸化反応熱をオンサイトでの産業用ボイラや工業炉で実際に利用することが可能となる。   As described above, in the chemical loop combustion apparatus A3 which is the third form, means necessary for heat exchange of the heated fluid, that is, the lower header 315, the intermediate header 324, the upper header 319, the transmission, are provided in the oxidation tower 301. By arranging the heat pipe 326 and the like, the oxidation reaction heat can actually be used in an on-site industrial boiler or industrial furnace.

〈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の形態の概略断面を付設する配管系とともに示している。第4の形態のケミカルループ燃焼装置A4は、酸化塔401内に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415、中間ヘッダー424、上部ヘッダー419、伝熱管426等を配置した点で、第3の形態であるケミカルループ燃焼装置A3と同じであり、酸化塔401と還元塔403が分離していて、両者は酸化した金属粒子MOが移動する流路450と還元した金属粒子Mが移動する流路460とによって接続されている点で、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3の形態であるケミカルループ燃焼装置A3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。
<4th form>
FIG. 4 shows a schematic cross section of a fourth embodiment of the chemical loop combustion apparatus according to the present invention together with a piping system. The chemical loop combustion apparatus A4 according to the fourth embodiment is provided with means necessary for heat exchange of the heated fluid in the oxidation tower 401, that is, a lower header 415, an intermediate header 424, an upper header 419, a heat transfer tube 426, and the like. In the same manner as the chemical loop combustion apparatus A3 of the third embodiment, the oxidation tower 401 and the reduction tower 403 are separated from each other, and both of them are a flow path 450 through which the oxidized metal particles MO move and the reduced metal particles M. Is the same as the chemical loop combustion apparatus A2 of the second embodiment in that it is connected by a flow path 460 that moves. In the following description, members having substantially the same function as those in the chemical loop combustion apparatus A3 that is the third embodiment are denoted by the same reference numerals as the 400s, and the specific configuration is different. Detailed description is omitted.

ケミカルループ燃焼装置A4は、ケミカルループ燃焼装置A3と同様、前記したように、酸化塔401内に、被加熱流体の熱交換に必要な手段である下部ヘッダー415、中間ヘッダー424、上部ヘッダー419、伝熱管426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。還元塔に相当する手段は存在しないことを除き、酸化塔401の構成はケミカルループ燃焼装置A3における酸化塔301と実質的に同じである。   Similarly to the chemical loop combustion apparatus A3, the chemical loop combustion apparatus A4 has a lower header 415, an intermediate header 424, an upper header 419, which are means necessary for heat exchange of the heated fluid in the oxidation tower 401, as described above. Although there are means such as the heat transfer tube 426, there is no means corresponding to the reduction tower. The structure of the oxidation tower 401 is substantially the same as that of the oxidation tower 301 in the chemical loop combustion apparatus A3 except that there is no means corresponding to the reduction tower.

すなわち、酸化塔401の中央部には、酸化塔401の軸芯方向に延びる所要本数の空気供給管463が挿入されており、その下端部は酸化塔401の底面近傍にまで達している。空気供給管463の下端先端部は空気ノズル405とされている。また、酸化金属粒子MOは酸化金属流路450を通って還元塔403に移動する形式であり、そのために、酸化塔401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424が備えられ、中間ヘッダー424の中央空間領域に第1の固気分離装置470が配置されている。そして、第1の固気分離装置470の固体排出口側に前記した酸化金属流路450の一方端が接続している。また、前記した空気供給管463は第1の固気分離装置470内を通過している。   That is, a required number of air supply pipes 463 extending in the axial direction of the oxidation tower 401 are inserted in the central portion of the oxidation tower 401, and the lower end thereof reaches the vicinity of the bottom surface of the oxidation tower 401. The lower end tip of the air supply pipe 463 is an air nozzle 405. In addition, the metal oxide particles MO are moved to the reduction tower 403 through the metal oxide flow channel 450. For this reason, the metal oxide particles MO are flat in a position slightly above the storage upper end position of the metal particles M stored in the oxidation tower 401. Intermediate header 424, and a first solid-gas separation device 470 is arranged in the central space region of the intermediate header 424. One end of the metal oxide flow channel 450 is connected to the solid discharge port side of the first solid-gas separation device 470. Further, the air supply pipe 463 described above passes through the first solid-gas separation device 470.

還元塔403には、その天面を通過するようにして燃料ガス供給管461が還元塔403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403の底面近傍にまで達していて、燃料ノズル409とされている。また、還元塔403は、その上方位置において酸化金属流路450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471を備えている。前記燃料ガス供給管461は第2の固気分離装置471内を通過している。還元塔403の下方位置には金属粒子流路460の一方端が接続しており、金属粒子流路460の他方端は酸化塔401の下方部分に接続している。酸化金属流路450の途中には粒子溜め451が設けてあり、金属粒子流路460の途中にも粒子溜め462が設けてある。   A fuel gas supply pipe 461 is inserted into the reduction tower 403 so as to pass through the top surface thereof in parallel with the axial line direction of the reduction tower 403, and the lower end thereof reaches the vicinity of the bottom surface of the reduction tower 403. The fuel nozzle 409 is used. The reduction tower 403 is in contact with the other end of the metal oxide flow channel 450 at an upper position thereof, and includes a second solid-gas separation device 471 between the connection portion and the top plate. The fuel gas supply pipe 461 passes through the second solid-gas separation device 471. One end of a metal particle flow path 460 is connected to a position below the reduction tower 403, and the other end of the metal particle flow path 460 is connected to a lower portion of the oxidation tower 401. A particle reservoir 451 is provided in the middle of the metal oxide channel 450, and a particle reservoir 462 is also provided in the middle of the metal particle channel 460.

上記のケミカルループ燃焼装置A4において、酸化塔401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415、中間ヘッダー424、上部ヘッダー419、伝熱管426等)を設けたことによる達成される作用効果は、図3に基づき説明したケミカルループ燃焼装置A3におけると同じであり、また、酸化塔401の上方から空気供給管463を取り付けるようにしたことによる作用効果も、図1たまは図3に基づき説明したケミカルループ燃焼装置A1、A3におけると同じである。さらに、複数本の空気供給管463の一部の空気供給管463aに遮断弁465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463aを昇温用バーナ463a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。   In the above chemical loop combustion apparatus A4, means for exchanging heat of oxidation reaction with the fluid to be heated (lower header 415, intermediate header 424, upper header 419, heat transfer tube 426, etc.) is provided in the oxidation tower 401. 1 is the same as that of the chemical loop combustion apparatus A3 described with reference to FIG. 3, and the effect obtained by attaching the air supply pipe 463 from above the oxidation tower 401 is also the same as that of FIG. Sometimes it is the same as in the chemical loop combustion apparatus A1, A3 described with reference to FIG. Further, by allowing fuel gas to be supplied to a part of the plurality of air supply pipes 463 through the shutoff valve 465, the air supply pipe 463a can be used as the temperature raising burner 463a. Is similar to the chemical loop combustion apparatus A3 described with reference to FIG.

ケミカルループ燃焼装置A4において、上方から供給される空気は空気供給管463を通過した後に、その下端部の空気ノズル405から酸化塔401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Nリッチの空気は第1の固気分離装置470を通って酸化塔401上部の排気口427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A3の場合とほぼ同じである。 In the chemical loop combustion apparatus A4, the air supplied from above passes through the air supply pipe 463, and then is ejected from the air nozzle 405 at the lower end portion into the oxidation tower 401. It contributes to the oxidation reaction. The air after the oxidation reaction, that is, the N 2 rich air is discharged as exhaust gas from the exhaust port 427 at the top of the oxidation tower 401 through the first solid-gas separation device 470 as in the case of the chemical loop combustion device A3. It is almost the same.

第1の固気分離装置470で分離された固体(主に酸化金属粒子MO)は酸化金属流路450を通って還元塔403に移動し、そこで還元作用を受けて金属粒子Mとなり、還元後の金属粒子Mは金属粒子流路460を通って酸化塔401内に戻されること、および、還元塔403に取り付けた第2の固気分離装置471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403内に戻すとともに、気体(主にCOとHO)を還元塔403から排ガスとして排出することは、図2に示した第2のケミカルループ燃焼装置A2と同じである。そして、ケミカルループ燃焼装置A4でも、酸化塔401内に空気を供給する空気供給管463を酸化塔1の上部から、また還元塔403内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管461を還元塔403の上部から、それぞれ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A4を組み立ておよびメンテナンス時の作業が容易となる。特に、図示されるように共通の取り付け用基板466を用い、そこに前記した複数本の空気供給管463を取り付けることにより、作業性を一層向上させることができる。 The solid (mainly metal oxide particles MO) separated by the first solid-gas separation device 470 moves to the reduction tower 403 through the metal oxide flow channel 450, where it undergoes a reduction action to become metal particles M, and after reduction. The metal particles M are returned to the oxidation tower 401 through the metal particle flow path 460, and the second solid-gas separation device 471 attached to the reduction tower 403 has a solid content (mainly oxidation before being subjected to reduction). The metal particles MO) are separated and returned into the reduction tower 403, and the gases (mainly CO 2 and H 2 O) are discharged from the reduction tower 403 as exhaust gas in the second chemical loop combustion shown in FIG. It is the same as apparatus A2. Also in the chemical loop combustion apparatus A4, the air supply pipe 463 that supplies air into the oxidation tower 401 is provided from the upper part of the oxidation tower 1, and the fuel gas supply pipe 461 that supplies fuel gas into the reduction tower 403 is provided as the reduction tower 403. From the upper part, the chemical loop combustion apparatus A4 can be easily assembled and maintained. In particular, workability can be further improved by using a common mounting substrate 466 as shown in the figure and attaching the plurality of air supply pipes 463 to the same.

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COを分離できる。必要な場合には、濃度90%以上で回収したCO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COが得られる。 In any of the above-described chemical loop combustion apparatuses, as described above, high-concentration CO 2 can be separated from the exhaust gas. If necessary, CO 2 recovered at a concentration of 90% or more is further concentrated by using, for example, the PSA method or the like according to the intended use, whereby a 99.999% concentration of CO 2 is obtained.

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)
Further, in the operation of the chemical loop combustion apparatus according to the present invention, in order to keep the metal particles M and the metal oxide particles MO of the entire system within a certain range of the ratio, not only the instantaneous value of the fuel and the oxidant but also the accumulated input amount By managing the above, it is possible to determine whether the entire system has approached the oxidation side or the reduction side from the start of operation and to provide feedback. Further, in order to determine whether or not the fuel and the oxidant are properly reacting via the metal, it is recommended to control the “effective oxygen utilization rate” shown below at around 1.0.
Effective oxygen utilization rate = (External oxygen input-Oxygen amount out of system) / (Theoretical oxygen amount of fuel)

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、還元塔からCO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。 Furthermore, in the chemical loop combustion apparatus according to the present invention, a pressure gauge can be installed in the vicinity of the outlets of the oxidation tower and the reduction tower. When it is desired to extract CO 2 from the reduction tower at a high concentration, the exhaust blower is controlled by an inverter so that the pressure on the reduction tower side is slightly higher than the pressure of the oxidation tower.

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。   Further, two thermocouples can be inserted into the oxidation tower in order to confirm that the reaction in the apparatus continues. One part is inserted below the particle surface below the solid-gas separator, and the other is installed at the top of the solid-gas separator. Then, the temperature inside the metal particles is kept above the reaction temperature of the reducing agent (for example, 760 ° C. in the case of natural gas). If it cannot be maintained, the fuel gas supply is shut off.

次に、本発明による、反応塔の天面側から酸化剤およびまたは還元剤が供給されるケミカルループ燃焼装置のいくつかの変形例を説明する。   Next, several modifications of the chemical loop combustion apparatus according to the present invention in which an oxidizing agent and / or a reducing agent are supplied from the top surface side of the reaction tower will be described.

〈第3の形態の第1の変形例〉
図5は、図3に示した第3の形態のケミカルループ燃焼装置A3の第1の変形例の概略断面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A3aは、ケミカルループ燃焼装置A3が酸化塔301の内部に1つの還元塔303が組み込まれているのに対して、還元塔303の内部に1つの酸化塔301が組み込まれている点で、ケミカルループ燃焼装置A3と構成が相違する。すなわち、図3において酸化塔(外塔)301として表わされていたものが、ここでは還元塔303を構成する。そして、還元塔303の中央部に酸化塔301が取り付けられ、該酸化塔301の周囲を囲むようにして適数の燃料ガス供給管361が還元塔303の上部から落とし込むようにして取り付けられている。燃料ガス供給管361は還元塔303の底面近傍まで達しており、先端部は燃料ノズル309とされている。前記酸化塔301は、空気供給管363と、酸化塔301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362とで構成され、いずれも還元塔303の底面近傍まで達しており、空気供給管363の先端部は空気ノズル305とされ、セパレートガス供給管362の先端部はセパレートガスノズル313とされている。また、酸化塔301には、図3に示したケミカルループ燃焼装置A3での還元塔303におけると同様にして固気分離装置325が取り付けられている。
<First Modification of Third Embodiment>
FIG. 5 shows a piping system to which a schematic cross section of a first modification of the chemical loop combustion apparatus A3 of the third embodiment shown in FIG. 3 is attached. In the chemical loop combustion apparatus A3a, the chemical loop combustion apparatus A3 has one reduction tower 303 built in the oxidation tower 301, whereas one oxidation tower 301 is built in the reduction tower 303. The configuration is different from the chemical loop combustion apparatus A3. That is, what was represented as the oxidation tower (outer tower) 301 in FIG. 3 constitutes the reduction tower 303 here. An oxidation tower 301 is attached to the center of the reduction tower 303, and an appropriate number of fuel gas supply pipes 361 are attached so as to drop from the upper part of the reduction tower 303 so as to surround the oxidation tower 301. The fuel gas supply pipe 361 reaches the vicinity of the bottom surface of the reduction tower 303, and the tip part is a fuel nozzle 309. The oxidation tower 301 is composed of an air supply pipe 363 and a required number of separate gas supply pipes 362 arranged along the inner peripheral wall surface of the oxidation tower 301, all reaching the bottom surface of the reduction tower 303. The tip of the air supply pipe 363 is an air nozzle 305, and the tip of the separate gas supply pipe 362 is a separate gas nozzle 313. Further, a solid-gas separation device 325 is attached to the oxidation tower 301 in the same manner as in the reduction tower 303 in the chemical loop combustion apparatus A3 shown in FIG.

外塔を構成する還元塔303内には、図3に示したケミカルループ燃焼装置A3における酸化塔301におけると同様にして、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315、中間ヘッダー324、上部ヘッダー319、伝熱管326等が配置されている。また、燃料ガス供給管361に燃料ガスを供給する配管系、空気供給管363に空気(酸化剤)を送り込む配管系、セパレートガス供給管362に不活性ガスを送り込む配管系、還元塔303からの排ガスおよび酸化塔301からの排ガスを処理する配管系も、図3に示したケミカルループ燃焼装置A3におけると同じである。それらについては、図5では同じ符号を付し、説明は省略する。   In the reduction tower 303 constituting the outer tower, as in the oxidation tower 301 in the chemical loop combustion apparatus A3 shown in FIG. 3, means necessary for heat exchange of the heated fluid, that is, the lower header 315, the intermediate A header 324, an upper header 319, a heat transfer tube 326, and the like are disposed. Further, a piping system that supplies fuel gas to the fuel gas supply pipe 361, a piping system that sends air (oxidant) to the air supply pipe 363, a piping system that sends inert gas to the separate gas supply pipe 362, and a reduction tower 303 The piping system for treating the exhaust gas and the exhaust gas from the oxidation tower 301 is the same as that in the chemical loop combustion apparatus A3 shown in FIG. These are denoted by the same reference numerals in FIG.

〈第3の形態の第2の変形例〉
図6は、図3に示した第3の形態のケミカルループ燃焼装置A3の第2の変形例の概略断面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A3bは、還元塔303の内部に1つの酸化塔301が組み込まれている点、酸化塔301および燃料ガス供給管361が還元塔303の上部から落とし込むようにして取り付けられている点では、前記図5に基づき説明したケミカルループ燃焼装置A3aと同じであるが、空気ノズル305とセパレートガスノズル313が還元塔303の底部側に取り付けられている点で、相違している。
<Second Modification of Third Embodiment>
FIG. 6 shows a piping system to which a schematic cross section of a second modification of the chemical loop combustion apparatus A3 of the third embodiment shown in FIG. 3 is attached. This chemical loop combustion apparatus A3b is attached such that one oxidation tower 301 is incorporated in the reduction tower 303, and the oxidation tower 301 and the fuel gas supply pipe 361 are dropped from the upper part of the reduction tower 303. This is the same as the chemical loop combustion apparatus A3a described with reference to FIG. 5 except that the air nozzle 305 and the separate gas nozzle 313 are attached to the bottom side of the reduction tower 303.

すなわち、還元塔303の底部には空気ヘッダー304が取り付けられ、その先端が空気ノズル305とされている。空気ヘッダー304の外周はセパレートガス供給管362とされており、その先端部はセパレートガスノズル313とされている。空気ヘッダー304にはブロワ306からの調圧された空気が供給され、セパレートガス供給管362には不活性ガスが供給される。従って、ケミカルループ燃焼装置A3bでは、酸化塔303は単なる円塔体である。   That is, an air header 304 is attached to the bottom of the reduction tower 303, and the tip thereof is an air nozzle 305. The outer periphery of the air header 304 is a separate gas supply pipe 362, and the tip of the air header 304 is a separate gas nozzle 313. The air header 304 is supplied with regulated air from the blower 306, and the separate gas supply pipe 362 is supplied with an inert gas. Therefore, in the chemical loop combustion apparatus A3b, the oxidation tower 303 is a simple tower body.

燃料ガス供給管361に燃料ガスを供給する配管系、セパレートガス供給管362に不活性ガスを送り込む配管系、還元塔303からの排ガスおよび酸化塔301からの排ガスを処理する配管系は、図5に示したケミカルループ燃焼装置A3aにおけると実質的に同じであり、それらについては、図6では同じ符号を付し、説明は省略する。   A piping system for supplying fuel gas to the fuel gas supply pipe 361, a piping system for sending inert gas to the separate gas supply pipe 362, and a piping system for processing exhaust gas from the reduction tower 303 and exhaust gas from the oxidation tower 301 are shown in FIG. Are substantially the same as those in the chemical loop combustion apparatus A3a shown in FIG. 6, and the same reference numerals are given in FIG.

このケミカルループ燃焼装置A3bでは、空気ノズル305から噴出する空気(酸化剤)が酸化塔303内に流入して酸化塔内を移動する金属粒子の酸化反応を進行させる。また、空気ノズル305の周囲に設けたセパレートガスノズル313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、この態様でも、酸化塔301と燃料ガス供給管361は還元塔303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。   In this chemical loop combustion apparatus A3b, the air (oxidant) ejected from the air nozzle 305 flows into the oxidation tower 303 to advance the oxidation reaction of the metal particles moving in the oxidation tower. Further, mixing of the oxidizing agent and the reducing agent can be prevented by the inert gas ejected from the separate gas nozzle 313 provided around the air nozzle 305. Furthermore, also in this aspect, the oxidation tower 301 and the fuel gas supply pipe 361 are detachable from the top surface side of the reduction tower 303, and the ease of assembly and maintenance of the apparatus can be ensured.

〈第3の形態の第3の変形例〉
図7は、図3に示した第3の形態のケミカルループ燃焼装置A3の第3の変形例の概略断面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A3cは、還元塔303の内部に1つの酸化塔301が組み込まれている点、酸化塔301は空気供給管363と酸化塔301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362とで構成され、それらは、還元塔303の上部から落とし込むようにして取り付けられているとともに、酸化剤は空気供給管363の下端部の空気ノズル305から酸化塔301内に供給される点では、前記図5に基づき説明したケミカルループ燃焼装置A3aと同じであるが、還元塔303の底部に燃料ガス供給管361および燃料ノズル309が取り付けられており、そのために還元塔303内には燃料ガス供給管361が備えられていない点で、ケミカルループ燃焼装置A3aと相違している。
<Third Modification of Third Embodiment>
FIG. 7 shows a piping system to which a schematic cross section of a third modification of the chemical loop combustion apparatus A3 of the third embodiment shown in FIG. 3 is attached. In this chemical loop combustion apparatus A3c, one oxidation tower 301 is incorporated in the reduction tower 303, and the oxidation tower 301 is disposed along the inner peripheral wall surface of the air supply pipe 363 and the oxidation tower 301. The required number of separate gas supply pipes 362 are installed so as to drop from the upper part of the reduction tower 303, and the oxidizing agent is supplied from the air nozzle 305 at the lower end of the air supply pipe 363 to the oxidation tower 301. However, the fuel gas supply pipe 361 and the fuel nozzle 309 are attached to the bottom of the reduction tower 303 for the purpose of reduction. The tower 303 is different from the chemical loop combustion apparatus A3a in that the fuel gas supply pipe 361 is not provided in the tower 303.

燃料ガス供給管361に燃料ガスを供給する配管系、還元塔303からの排ガスおよび酸化塔301からの排ガスを処理する配管系は、図5に示したケミカルループ燃焼装置A3aにおけると実質的に同じであり、それらについては、図6では同じ符号を付し、説明は省略する。   The piping system for supplying the fuel gas to the fuel gas supply pipe 361 and the piping system for processing the exhaust gas from the reduction tower 303 and the exhaust gas from the oxidation tower 301 are substantially the same as those in the chemical loop combustion apparatus A3a shown in FIG. These are denoted by the same reference numerals in FIG. 6 and description thereof is omitted.

このケミカルループ燃焼装置A3cでは、還元塔303の底部の燃料ノズル309から噴出する燃料ガスが還元塔303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301の下端に設けたセパレートガスノズル313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、この態様でも、酸化塔301は還元塔303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。   In this chemical loop combustion apparatus A3c, the fuel gas ejected from the fuel nozzle 309 at the bottom of the reduction tower 303 advances the reduction reaction of the metal oxide particles in the reduction tower 303. Moreover, mixing of the oxidizing agent and the reducing agent can be prevented by the inert gas ejected from the separate gas nozzle 313 provided at the lower end of the oxidation tower 301. Furthermore, also in this aspect, the oxidation tower 301 is detachable from the top surface side of the reduction tower 303, and the ease of assembly and maintenance of the apparatus can be ensured.

〈第3の形態の第4の変形例〉
図8は、図3に示した第3の形態のケミカルループ燃焼装置A3の第4の変形例の概略断面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A3dは、還元塔303の内部に複数個(図示の例では2個)の酸化塔301,301が備えられている点のみで、図5に示したケミカルループ燃焼装置A3aと構成が相違する。他の構成は基本的にケミカルループ燃焼装置A3a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。
<Fourth Modification of Third Embodiment>
FIG. 8 shows a piping system to which a schematic cross section of a fourth modification of the chemical loop combustion apparatus A3 of the third embodiment shown in FIG. 3 is attached. This chemical loop combustion apparatus A3d is different from the chemical loop combustion apparatus A3a shown in FIG. 5 only in that a plurality of (two in the illustrated example) oxidation towers 301, 301 are provided inside the reduction tower 303. The configuration is different. Other configurations are basically the same as those in the case of the chemical loop combustion apparatus A3a.

ケミカルループ燃焼装置A3dにおいて、2つの酸化塔301、301は還元塔303の軸心線と平行な姿勢で還元塔303内に配置されており、各酸化塔301、301には、ブロワ306からの調圧された空気が供給され、また、各セパレートガスノズル313、313には、配管314を通して不活性ガスが供給される。   In the chemical loop combustion apparatus A3d, the two oxidation towers 301 and 301 are disposed in the reduction tower 303 in a posture parallel to the axial center line of the reduction tower 303. The conditioned air is supplied, and an inert gas is supplied to the separate gas nozzles 313 and 313 through the pipe 314.

図示および説明は省略するが、図8に示すような、還元塔の内部に複数個の酸化塔が備えられている形態のケミカルループ燃焼装置においても、図6に示したように空気ノズル305とセパレートガスノズル313とを還元塔303の底部に配置する構成とすること、図7に示したように燃料ノズル309を還元塔303の底部に配置する構成とすることも、ともに可能である。   Although not shown and described, in the chemical loop combustion apparatus in which a plurality of oxidation towers are provided inside the reduction tower as shown in FIG. It is possible to adopt a configuration in which the separate gas nozzle 313 is disposed at the bottom of the reduction tower 303, or a configuration in which the fuel nozzle 309 is disposed at the bottom of the reduction tower 303 as shown in FIG.

〈第3の形態の第5の変形例〉
図9は、図3に示した第3の形態のケミカルループ燃焼装置A3の第5の変形例の概略断面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A3eは、酸化塔301の内部に1つではなく複数個(図示の例では2個)の還元塔303,303が備えられている点と、それに従い配管系に必要な変更が行われている点でのみ、図3に示したケミカルループ燃焼装置A3と構成が相違する。他の構成は、基本的に図3に示したケミカルループ燃焼装置A3の場合と同じであり、同じ符号を付すことで、構成および作用の説明は省略する。
<Fifth Modification of Third Embodiment>
FIG. 9 shows a piping system to which a schematic cross section of a fifth modification of the chemical loop combustion apparatus A3 of the third embodiment shown in FIG. 3 is attached. This chemical loop combustion apparatus A3e is provided with a plurality of (two in the illustrated example) reduction towers 303, 303 in the oxidation tower 301 instead of one, and a change necessary for the piping system accordingly. The configuration is different from the chemical loop combustion apparatus A3 shown in FIG. The other configuration is basically the same as that of the chemical loop combustion apparatus A3 shown in FIG. 3, and the description of the configuration and operation is omitted by giving the same reference numerals.

〈第3の形態の第6の変形例〉
図10は、図3に示した第3の形態のケミカルループ燃焼装置A3の第6の変形例の概略断面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A3fは、酸化塔301の内部に2つの還元塔303が組み込まれている点、該還元塔303を構成する燃料ガス供給管361およびセパレートガス供給管362が酸化塔301の上部から落とし込むようにして取り付けられている点では、前記図9に基づき説明したケミカルループ燃焼装置A3eと同じであるが、適数の空気ノズル305が酸化塔301の底部に取り付けられており、そのために酸化塔301内には空気供給管363が備えられていない点で、図9に示したケミカルループ燃焼装置A3eと相違している。
<Sixth Modification of Third Embodiment>
FIG. 10 shows a piping system to which a schematic cross section of a sixth modification of the chemical loop combustion apparatus A3 of the third embodiment shown in FIG. 3 is attached. This chemical loop combustion apparatus A3f includes two reduction towers 303 incorporated in the oxidation tower 301, and a fuel gas supply pipe 361 and a separate gas supply pipe 362 constituting the reduction tower 303 are provided above the oxidation tower 301. 9 is the same as the chemical loop combustion apparatus A3e described with reference to FIG. 9 except that an appropriate number of air nozzles 305 are attached to the bottom of the oxidation tower 301. 9 is different from the chemical loop combustion apparatus A3e shown in FIG. 9 in that the air supply pipe 363 is not provided in the oxidation tower 301.

すなわち、酸化塔301の底部には空気ヘッダー304が取り付けられ、その先端が空気ノズル305とされている。他の構成は、基本的に図9に示したケミカルループ燃焼装置A3eの場合と同じであり、同じ符号を付している。このケミカルループ燃焼装置A3fでは、空気ノズル305から噴出する空気(酸化剤)が酸化塔303内に流入して酸化塔内を移動する金属粒子の酸化反応を進行させ、酸化した金属粒子は2つの還元塔303内に流入する。また、各還元塔303の周囲に設けたセパレートガスノズル313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。この態様でも、還元塔303、燃料ガス供給管361、セパレートガス供給管362は、酸化塔301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。   That is, an air header 304 is attached to the bottom of the oxidation tower 301, and the tip thereof is an air nozzle 305. The other configurations are basically the same as those in the case of the chemical loop combustion apparatus A3e shown in FIG. In this chemical loop combustion apparatus A3f, the air (oxidant) ejected from the air nozzle 305 flows into the oxidation tower 303 to advance the oxidation reaction of the metal particles moving in the oxidation tower. It flows into the reduction tower 303. Further, mixing of the oxidizing agent and the reducing agent can be prevented by the inert gas ejected from the separate gas nozzle 313 provided around each reducing tower 303. Also in this aspect, the reduction tower 303, the fuel gas supply pipe 361, and the separate gas supply pipe 362 are detachable from the top surface side of the oxidation tower 301, and the ease of assembly and maintenance of the apparatus can be ensured.

〈第3の形態の第7の変形例〉
図11は、図3に示した第3の形態のケミカルループ燃焼装置A3の第7の変形例の概略断面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A3gは、酸化塔301の内部に2つの還元塔303が組み込まれている点、空気供給管363および還元塔303が酸化塔301の上部から落とし込むようにして取り付けられている点では、前記図9に基づき説明したケミカルループ燃焼装置A3eと同じであるが、酸化塔301の底部における還元塔303に対向する位置に、燃料ガス供給管361およびセパレートガスノズル313が取り付けられていて、それらの先端化が燃料ノズル309およびセパレートガスノズル313とされており、そのために2つの還元塔303内には単なる空洞となっている点で、図9に基づき説明したケミカルループ燃焼装置A3eと相違している。
<Seventh Modification of Third Embodiment>
FIG. 11 shows a piping system to which a schematic cross section of a seventh modification of the chemical loop combustion apparatus A3 of the third embodiment shown in FIG. 3 is attached. This chemical loop combustion apparatus A3g has a point in which two reduction towers 303 are incorporated in the oxidation tower 301, and an air supply pipe 363 and a reduction tower 303 are attached so as to drop from the upper part of the oxidation tower 301. 9 is the same as the chemical loop combustion apparatus A3e described with reference to FIG. 9 except that a fuel gas supply pipe 361 and a separate gas nozzle 313 are attached to a position facing the reduction tower 303 at the bottom of the oxidation tower 301. The leading ends thereof are a fuel nozzle 309 and a separate gas nozzle 313, and therefore, the two reduction towers 303 are merely cavities, and are different from the chemical loop combustion apparatus A3e described with reference to FIG. ing.

燃料ガス供給管361に燃料ガスを供給する配管系、還元塔303からの排ガスおよび酸化塔301からの排ガスを処理する配管系は、図3に示したケミカルループ燃焼装置A3におけると実質的に同じであり、それらについては、図11では同じ符号を付し、説明は省略する。   The piping system for supplying the fuel gas to the fuel gas supply pipe 361 and the piping system for processing the exhaust gas from the reduction tower 303 and the exhaust gas from the oxidation tower 301 are substantially the same as those in the chemical loop combustion apparatus A3 shown in FIG. These are denoted by the same reference numerals in FIG. 11 and description thereof is omitted.

このケミカルループ燃焼装置A3gでは、酸化塔301の底部の燃料ノズル309から噴出する燃料ガスによって2つの還元塔303内での金属酸化物粒子の還元反応が進行する。また、燃料ノズル309の周囲に設けたセパレートガスノズル313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、この態様でも、空気供給管363と還元塔303は酸化塔301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。   In the chemical loop combustion apparatus A3g, the reduction reaction of the metal oxide particles in the two reduction towers 303 proceeds by the fuel gas ejected from the fuel nozzle 309 at the bottom of the oxidation tower 301. Further, mixing of the oxidant and the reducing agent can be prevented by the inert gas ejected from the separate gas nozzle 313 provided around the fuel nozzle 309. Furthermore, also in this aspect, the air supply pipe 363 and the reduction tower 303 are detachable from the top surface side of the oxidation tower 301, and the ease of assembly and maintenance of the apparatus can be ensured.

なお、上記した第3の形態のケミカルループ燃焼装置A3における第1から第7の変形例において、図3に示す第3の形態のケミカルループ燃焼装置A3に備えられ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315、中間ヘッダー324、上部ヘッダー319、伝熱管326等の構成は、各変形例に共通に適用されるものであり、各変形例の構成に直接影響を与えるものではない。このことは、被加熱流体の熱交換に必要な手段を備えないケミカルループ燃焼装置、すなわち図1に示す内部循環型のケミカルループ燃焼装置A1においても、前記した第1から第7の変形例はすべて適用できることを意味しており、図示せずかつ詳細な説明は省略するが、図1に示す内部循環型のケミカルループ燃焼装置A1をベースとするそれらの変形例もすべて本発明の範囲内のものである。   In the first to seventh modifications of the chemical loop combustion apparatus A3 of the third embodiment described above, it is necessary for heat exchange of the heated fluid provided in the chemical loop combustion apparatus A3 of the third embodiment shown in FIG. In other words, the configuration of the lower header 315, the intermediate header 324, the upper header 319, the heat transfer tube 326, etc. is commonly applied to each modification, and does not directly affect the configuration of each modification. Absent. This also applies to the chemical loop combustion apparatus that does not include means necessary for heat exchange of the heated fluid, that is, the internal circulation type chemical loop combustion apparatus A1 shown in FIG. This means that all of them can be applied, and a detailed description thereof is omitted. Although not shown in the drawings, all of the modifications based on the internal circulation type chemical loop combustion apparatus A1 shown in FIG. 1 are also within the scope of the present invention. Is.

〈第4の形態の第1の変形例〉
図12は、図4に示した第4の形態である被加熱流体の熱交換に必要な手段を備えた外部循環式ケミカルループ燃焼装置の第1の変形例を付設する配管系とともに示している。この外部循環式ケミカルループ燃焼装置A4aは、還元塔403の底面側から燃料ガスが供給されるようになっている点で、図4に示したケミカルループ燃焼装置A4と相違する。他の構成は同じであり、同じ符号を付すことで説明は省略する。
<First Modification of Fourth Embodiment>
FIG. 12 shows a piping system to which a first modification of the external circulation type chemical loop combustion apparatus having means necessary for heat exchange of the heated fluid according to the fourth embodiment shown in FIG. 4 is provided. . This external circulation type chemical loop combustion apparatus A4a is different from the chemical loop combustion apparatus A4 shown in FIG. 4 in that fuel gas is supplied from the bottom surface side of the reduction tower 403. Other configurations are the same, and the description is omitted by giving the same reference numerals.

すなわち、外部循環式ケミカルループ燃焼装置A4aでは、還元塔403の底部に燃料ガス供給管461が取り付けられ、その先端が燃料ノズル409として還元塔403内に開放している。燃料ガス供給管461へ燃料を供する配管系はケミカルループ燃焼装置A4と同様であり、説明は省略する。この態様のケミカルループ燃焼装置A4aにおいても、空気供給管463は酸化塔401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。   That is, in the external circulation type chemical loop combustion apparatus A4a, the fuel gas supply pipe 461 is attached to the bottom of the reduction tower 403, and the tip thereof is opened as a fuel nozzle 409 in the reduction tower 403. The piping system for supplying fuel to the fuel gas supply pipe 461 is the same as that of the chemical loop combustion apparatus A4, and the description thereof is omitted. Also in the chemical loop combustion apparatus A4a of this aspect, the air supply pipe 463 is detachable from the top surface side of the oxidation tower 401, and the ease of assembly and maintenance of the apparatus can be ensured.

〈第4の形態の第2の変形例〉
図13は、図4に示した第4の形態の外部循環式ケミカルループ燃焼装置の第2の変形例を付設する配管系とともに示している。この外部循環式ケミカルループ燃焼装置A4bは、酸化塔401の底面側から空気(酸化剤)が供給されるようになっている点で、図4に示したケミカルループ燃焼装置A4と相違する。他の構成は同じであり、同じ符号を付すことで説明は省略する。
<Second Modification of Fourth Embodiment>
FIG. 13 shows a piping system to which a second modification of the external circulation type chemical loop combustion apparatus of the fourth embodiment shown in FIG. 4 is attached. This external circulation type chemical loop combustion apparatus A4b is different from the chemical loop combustion apparatus A4 shown in FIG. 4 in that air (oxidant) is supplied from the bottom side of the oxidation tower 401. Other configurations are the same, and the description is omitted by giving the same reference numerals.

すなわち、外部循環式ケミカルループ燃焼装置A4bでは、酸化塔401の底部に空気ヘッダー404が取り付けられ、その先端が空気ズル405として酸化塔401内に開放している。酸化塔401内に空気供給管463は存在しない。そして、空気ヘッダー404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、空気ノズル5から酸化塔1内に噴出する。   That is, in the external circulation type chemical loop combustion apparatus A4b, the air header 404 is attached to the bottom of the oxidation tower 401, and the tip of the air header 404 opens into the oxidation tower 401 as an air squeal 405. There is no air supply pipe 463 in the oxidation tower 401. The air header 404 is supplied with pressure-regulated air through a blower 406, a flow meter 407, and a pressure regulating valve 408, and is ejected from the air nozzle 5 into the oxidation tower 1.

この態様のケミカルループ燃焼装置A4bにおいても、燃料ガス供給管461は還元塔403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。   Also in the chemical loop combustion apparatus A4b of this aspect, the fuel gas supply pipe 461 is detachable from the top surface side of the reduction tower 403, and the ease of assembly and maintenance of the apparatus can be ensured.

なお、上記した第4の形態のケミカルループ燃焼装置A4における第1および第2の変形例においても、図4に示す第4の形態のケミカルループ燃焼装置A4に備えられ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415、中間ヘッダー424、上部ヘッダー419、伝熱管426等の構成は、各変形例に共通に適用されるものであり、各変形例の構成に直接影響を与えるものではない。このことは、被加熱流体の熱交換に必要な手段を備えないケミカルループ燃焼装置、すなわち図2に示す外部循環型のケミカルループ燃焼装置A2においても、前記した第1および第2の変形例は適用できることを意味しており、図示せずかつ詳細な説明は省略するが、図2に示す外部循環型のケミカルループ燃焼装置A2をベースとするそれらの変形例もすべて本発明の範囲内のものである。   In the first and second modified examples of the chemical loop combustion apparatus A4 of the fourth embodiment described above, the heat exchange of the heated fluid provided in the chemical loop combustion apparatus A4 of the fourth embodiment shown in FIG. Necessary means, that is, the configuration of the lower header 415, the intermediate header 424, the upper header 419, the heat transfer tube 426, etc. is commonly applied to each modification, and directly affects the configuration of each modification. is not. This also applies to the chemical loop combustion apparatus that does not include means necessary for heat exchange of the heated fluid, that is, the external circulation type chemical loop combustion apparatus A2 shown in FIG. This means that the present invention can be applied, and a detailed description thereof is omitted. Although not shown in the drawings, all of the modifications based on the external circulation type chemical loop combustion apparatus A2 shown in FIG. 2 are also within the scope of the present invention. It is.

さらに、上記したいずれのケミカルループ燃焼装置においても、図示したように、気水分離装置33で生成された水から得られる水蒸気を調圧弁38および逆止弁39を通して燃料ノズル9への燃料供給管路内に供給するようにしたが、装置内で生成される水蒸気およびCOを含むガス(例えば、還元塔3からの排ガス)を還元塔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も、同様な作用効果を得ることができる。 Further, in any of the above chemical loop combustion apparatuses, as shown in the drawing, water vapor obtained from the water generated by the steam separator 33 is supplied to the fuel nozzle 9 through the pressure regulating valve 38 and the check valve 39. It was to be supplied into the road, a gas containing water vapor and CO 2 is produced within the device (e.g., exhaust gas from the reducing tower 3) to the gas containing the reducing agent supplied to the reduction column (fuel gas) Even if it is added, the same effect can be obtained.

A1…ケミカルループ燃焼装置、
1…酸化塔、
2…酸化塔の天板(天面)、
3…還元塔、
5…空気ノズル、
9…燃料ノズル、
13…セパレートガスノズル、
16…酸化塔の耐熱底部の上面、
22a…酸化塔の内周面の肉厚領域、
22b…肉厚領域の上端面の円錐壁、
25…固気分離装置、
27…酸化塔の上部の排気口、
28…固気分離装置、
29…熱交換器、
29a…熱交換器、
33…気水分離装置、
61…燃料ガス供給管、
62…セパレートガス供給管、
63…空気供給管、
63a…昇温用バーナとしても機能する空気供給管、
66…共通の取り付け用基板、
M…金属粒子、
MO…酸化金属粒子。
A1 ... Chemical loop combustion device,
1 ... oxidation tower,
2 ... The top plate (top) of the oxidation tower,
3 ... reduction tower,
5 ... Air nozzle,
9 ... Fuel nozzle,
13 ... Separate gas nozzle,
16 ... the upper surface of the heat-resistant bottom of the oxidation tower,
22a: Thickness region on the inner peripheral surface of the oxidation tower,
22b ... Conical wall at the upper end surface of the thick region,
25. Solid-gas separation device,
27 ... The exhaust port at the top of the oxidation tower,
28 ... Solid-gas separation device,
29 ... heat exchanger,
29a ... heat exchanger,
33. Steam-water separator,
61 ... Fuel gas supply pipe,
62 ... Separate gas supply pipe,
63 ... Air supply pipe,
63a ... an air supply pipe that also functions as a temperature raising burner,
66 ... Common mounting board,
M ... metal particles,
MO: Metal oxide particles.

Claims (8)

金属粒子が酸化剤と反応して前記金属粒子の酸化物が生成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と反応して前記金属粒子に還元される還元塔とを反応塔として備え、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、
前記酸化塔内に酸化剤を供給する酸化剤供給管および前記還元塔内に還元剤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ことを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
An oxidation tower in which metal particles react with an oxidant to generate oxides of the metal particles, and a reduction tower in which oxides of metal particles generated in the oxidation towers react with a reducing agent to be reduced to the metal particles And a chemical loop combustion apparatus in which the metal particles are circulated between the oxidation tower and the reduction tower while undergoing oxidation and reduction,
Either or both of the oxidizing agent supply pipe for supplying the oxidizing agent into the oxidizing tower and the reducing agent supply pipe for supplying the reducing agent into the reducing tower are directed from the top side to the bottom side of the respective reaction towers. A chemical loop combustion apparatus, wherein the chemical loop combustion apparatus is inserted.
請求項1に記載のケミカルループ燃焼装置であって、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ことを特徴とするケミカルループ燃焼装置。   2. The chemical loop combustion apparatus according to claim 1, wherein one or more of the reduction towers are incorporated in the oxidation tower. 3. 請求項2に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔の底面は下方に湾曲したすり鉢状面とされていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。   3. The chemical loop combustion apparatus according to claim 2, wherein a bottom surface of the oxidation tower has a mortar-like surface curved downward. 4. 請求項1に記載のケミカルループ燃焼装置であって、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ことを特徴とするケミカルループ燃焼装置。   2. The chemical loop combustion apparatus according to claim 1, wherein one or more of the oxidation towers are incorporated in the reduction tower. 請求項3に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記還元塔の底面は下方に湾曲したすり鉢状面とされていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。   4. The chemical loop combustion apparatus according to claim 3, wherein a bottom surface of the reduction tower has a mortar-like surface curved downward. 5. 請求項1ないし5のいずれか一項に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔は複数本の酸化剤供給管を備えており、一部の酸化剤供給管は酸化剤と還元剤とが選択的に供給可能とされていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。   6. The chemical loop combustion apparatus according to claim 1, wherein the oxidation tower includes a plurality of oxidant supply pipes, and some of the oxidant supply pipes include an oxidant and a reducing agent. And a chemical loop combustion apparatus characterized by being capable of being selectively supplied. 請求項1に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔と前記還元塔とは分離しており、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ことを特徴とするケミカルループ燃焼装置。   2. The chemical loop combustion apparatus according to claim 1, wherein the oxidation tower and the reduction tower are separated, and both are connected by a flow path of oxidized metal particles and a flow path of reduced metal particles. A chemical loop combustion apparatus characterized by comprising: 請求項1ないし7のいずれか一項に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔または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ケミカルループ燃焼装置。   8. The chemical loop combustion apparatus according to claim 1, wherein reaction heat is transferred to a fluid to be heated in contact with the metal particles or oxide thereof in the oxidation tower or reduction tower. A chemical loop combustion apparatus in which a heat transfer tube is disposed.
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