JP2022110310A - 燃焼器システム並びにその起動方法及び停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素の回収をするための装置及びエネルギーを不要とし、かつ、窒素酸化物を生成しない、二酸化炭素の排出量が少ない燃焼器システムを提供する。【解決手段】燃焼器と、二酸化炭素燃料化装置と、燃焼器から二酸化炭素燃料化装置に燃焼生成ガスを送る燃焼生成ガス流路と、二酸化炭素燃料化装置から燃焼器に変換ガスを送る変換ガス流路と、二酸化炭素燃料化装置から燃焼器に酸素ガスを送る酸素ガス流路と、を備えた燃焼器システムであって、燃焼器は、変換ガスを酸素ガスにより酸化して燃焼生成ガスを生成し、二酸化炭素燃料化装置は、燃焼生成ガスを還元し、変換ガスと酸素ガスとに分離する構成を有し、燃焼生成ガス、変換ガス及び酸素ガスは、燃焼器、二酸化炭素燃料化装置、燃焼生成ガス流路、変換ガス流路及び酸素ガス流路で構成される閉ループを循環する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼器システム並びにその起動方法及び停止方法に関する。

地球温暖化防止のため、二酸化炭素（以下「ＣＯ_２」と表記する。）の排出を削減する技術の開発が進められている。その技術としては、ＣＯ_２を回収する技術、ＣＯ_２を貯留する技術、ＣＯ_２を変換して有効活用する技術等がある。

ＣＯ_２を回収する技術としては、化学吸収法がある。アミン水溶液を用いて、排ガス中のＣＯ_２を吸収し、吸収したＣＯ_２をこの水溶液から放出させ、タンクなどにＣＯ_２を回収する。アミン水溶液は、ＣＯ_２を吸収する際に発熱し、ＣＯ_２を放出する際には加熱が必要となる。このため、アミン水溶液の冷却及び加熱をするためのエネルギーが必要であり、それらのエネルギーを削減することが課題である。

また、回収したＣＯ_２を貯蔵する技術がある。回収したＣＯ_２を貯蔵箇所まで輸送し、地下深くに貯蔵用の穴を設け、ＣＯ_２を圧縮して貯蔵する。コスト低減、貯蔵した後の貯蔵状態の保持及び安全性等が課題である。

ＣＣＳ（Carbon dioxide Capture and Storage）は、ＣＯ_２を回収する技術と回収したＣＯ_２を貯蔵する技術とを合わせたものである。ＣＣＳにおいては、上記課題があるため、回収したＣＯ_２を変換して有効活用する技術であるＣＣＵ（Carbon Capture and Utilization）の開発が進められている。

例えば、ＣＯ_２をメタン（以下「ＣＨ_４」と表記する。）に変換する方法がある。この場合の化学反応は、次の反応式（１）で表される。

ＣＯ_２＋４Ｈ_２ → ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ …反応式（１）
上記反応式（１）で必要になる水素（以下「Ｈ_２」と表記する。）は、次の反応式（２）で表される水の電気分解反応により得ることができる。

２Ｈ_２Ｏ → ２Ｈ_２＋Ｏ_２ …反応式（２）
ＣＨ_４は、液化天然ガス（以下「ＬＮＧ」と表記する。）の主成分であり、ＬＮＧの代替として有効利用することができる。上記反応式（１）及び（２）で表される反応によって得られるＣＨ_４については、低コスト化が課題であり、ＬＮＧと同等程度にすることが求められている。

電力分野では、化石燃料を燃焼する火力発電の比率を減らし、太陽光発電や風力発電の再生可能エネルギーの比率を増やすことでＣＯ_２を削減する取組みも進められている。

近年、太陽光発電や風力発電の再生可能エネルギーの導入が増加し、発電量が日によっても時間帯によっても異なり、電力の供給過多が予測される場合、事前に再生可能エネルギーの受入れを抑制する事態が発生している。

再生可能エネルギーの受入れ停止の間に発電をすると、余剰電力になるため、その活用方法の一つとして、上記反応式（２）で表される水の電気分解反応によるＨ_２の製造が考えられている。Ｈ_２を製造することができれば、上記反応式（１）で表されるようにＣＯ_２をＣＨ_４に変換し、燃料として再利用することができる。

特許文献１には、炭化水素化合物を生成するための電解槽、逆水性ガスシフト反応器、およびフィッシャー・トロプシュ反応器で構成される、システムおよび方法が開示されている。

ここで、逆水性ガスシフト反応器における反応は、ＣＯ_２をＣＯ（一酸化炭素）に変換する反応であり、下記反応式（３）で表される。

ＣＯ_２＋Ｈ_２ → ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ …反応式（３）
また、フィッシャー・トロプシュ反応器における反応は、ＣＨ_４のような炭化水素を生成する反応であり、下記反応式（４）で表される。なお、この反応は、フィッシャー・トロプシュ法（Fischer-Tropsch process）として知られている。

ｎＣＯ＋（２ｎ＋１）Ｈ_２ → Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２＋ｎＨ_２Ｏ …反応式（４）
ＣＯ_２の回収方法には、化石燃料の燃焼ガスから高圧でＣＯ_２を吸収しその後低圧にしてＣＯ_２を放出させて回収する圧力スウィング法、ＣＯ_２だけを膜に透過させて回収する膜分離法、アミン水溶液を用いてＣＯ_２を吸収しその後放出して回収するプロセス等がある。Ｈ_２は、再生可能エネルギーあるいは核燃料で得られる電気エネルギーを使用して水を電気分解することで製造する。

特許文献２には、二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素を二酸化炭素吸収液に吸収させる吸収塔と、吸収塔で二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収液であるリッチ液を二酸化炭素の含有量が少ないリーン液に変換し、リーン液を吸収塔に供給する二酸化炭素変換容器と、を備え、二酸化炭素変換容器は、一方の面で太陽光を受けてリッチ液から可燃ガスを生成するとともに、他方の面でリッチ液から酸素を生成する半導体素子を備え、可燃ガスは、水素、メタン、又はメタノールである、二酸化炭素の回収及び変換システムが開示されている。ここで、二酸化炭素吸収液としては、アミン水溶液が例示されている。また、この半導体素子においては、上記反応式（１）及び（２）で表される反応が生じていると考えられる。

非特許文献１には、固体酸化物形電気分解セル（SOEC：Solid Oxide Electrolysis Cell）を用いて、５００℃以上の高温下で二酸化炭素と水蒸気を同時に電気分解（共電解）し、水素と一酸化炭素に変換すること、この変換により得られたガス及び熱を利用してメタンを製造すること等が開示されている。

特表２００８－５３３２８７号公報 特開２０１９－８９６７５号公報

燃料電池，Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．４，ｐｐ．８１－８６（２０１５）

吸収液によるＣＯ_２の回収は、ＣＯ_２を吸収することで発熱し、加熱することで放出し、回収する。固体吸着材によるＣＯ_２の回収は、吸着することで発熱し、加熱することで脱着し、回収する。ＣＯ_２の吸収あるいは吸着には、冷却が必要であり、放出あるいは脱着には、加熱が必要である。

特許文献１及び特許文献２に記載の技術においてはいずれも、ＣＯ_２を回収するために冷却及び加熱のエネルギーが必要であり、そのエネルギーの削減が課題である。

非特許文献１においては、ＳＯＥＣに着目し、メタンの製造におけるエネルギー効率計算を行っている。しかしながら、ＳＯＥＣにおける反応の原料となるＣＯ_２の供給源や、製造したメタンをどのように使用するかについては、具体的には説明されていない。

本発明の目的は、二酸化炭素の回収をするための装置及びエネルギーを不要とし、かつ、窒素酸化物を生成しない、二酸化炭素の排出量が少ない燃焼器システムを提供することにある。

本発明の燃焼器システムは、燃焼器と、二酸化炭素燃料化装置と、燃焼器から二酸化炭素燃料化装置に燃焼生成ガスを送る燃焼生成ガス流路と、二酸化炭素燃料化装置から燃焼器に変換ガスを送る変換ガス流路と、二酸化炭素燃料化装置から燃焼器に酸素ガスを送る酸素ガス流路と、を備え、燃焼器は、変換ガスを酸素ガスにより酸化して燃焼生成ガスを生成し、二酸化炭素燃料化装置は、燃焼生成ガスを還元し、変換ガスと酸素ガスとに分離する構成を有し、燃焼生成ガス、変換ガス及び酸素ガスは、燃焼器、二酸化炭素燃料化装置、燃焼生成ガス流路、変換ガス流路及び酸素ガス流路で構成される閉ループを循環する。

本発明によれば、二酸化炭素の回収をするための装置及びエネルギーを不要とし、かつ、窒素酸化物を生成しない、二酸化炭素の排出量が少ない燃焼器システムを提供することができる。

実施形態に係る燃焼器システムを示す概略構成図である。 固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を示す概略構成図である。 実施例１の蒸気ボイラシステムを示す構成図である。 実施例２の蒸気ボイラシステムの起動方法を示すフロー図である。 実施例２の蒸気ボイラシステムの停止方法を示すフロー図である。

本開示は、燃焼器において発生する二酸化炭素を還元する装置を用いて、二酸化炭素の外部への排出量を低減する技術に関する。

以下、本開示の実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は、実施形態に係る燃焼器システムを示す概略構成図である。

本図において、燃焼器システム１０００は、燃焼器１と、二酸化炭素燃料化装置７と、燃焼生成ガス配管１６１と、変換ガス配管１６３ａと、酸素ガス配管１６３ｂと、を備えている。なお、燃焼生成ガス配管１６１、変換ガス配管１６３ａ及び酸素ガス配管１６３ｂは、管状のものに限定されるものではなく、区画された流路を構成したものであればよい。すなわち、燃焼生成ガス配管１６１、変換ガス配管１６３ａ及び酸素ガス配管１６３ｂはそれぞれ、燃焼生成ガス流路、変換ガス流路及び酸素ガス流路と呼ぶべき構成を有するものであってもよい。

燃焼器１は、二酸化炭素燃料化装置７から別々に供給されるガス燃料と酸素（Ｏ_２）とを燃焼させ、熱を発生させる装置である。この熱により水を加熱して水蒸気を発生させるボイラや、燃焼ガスを利用するガスタービンであってもよい。また、燃焼器１は、システムの外部からも燃料及び酸素を供給することができるように構成されている。

二酸化炭素燃料化装置７は、ＣＯ_２をＣＯに変換する装置である固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を含む。ＳＯＥＣは、後で説明するように、電力を供給することによりＣＯ_２及びＨ_２Ｏを原料物質としてＣＯ及びＨ_２を生成する装置である。

また、二酸化炭素燃料化装置７は、ＳＯＥＣで生成したＣＯ及びＨ_２から触媒反応によりＣＨ_４等を生成する装置を含むものであってもよい。

さらに、二酸化炭素燃料化装置７は、ＣＯ_２を含むガスを原料として触媒反応等により直接ＣＨ_４等を生成する装置であってもよい。この場合は、二酸化炭素燃料化装置７は、ＳＯＥＣを含まなくてもよい。

よって、二酸化炭素燃料化装置７は、ＣＯ又はＣＨ_４等を含むガスを生成する装置である。

二酸化炭素燃料化装置７で生じるＣＯ及びＨ_２、又はＣＨ_４等（以下「変換ガス」という。）は、変換ガス配管１６３ａを介して燃焼器１に供給される。一方、二酸化炭素燃料化装置７で生じるＯ_２は、酸素ガス配管１６３ｂを介して燃焼器１に供給される。よって、二酸化炭素燃料化装置７で生じるＣＯ、Ｈ_２、ＣＨ_４等は、燃焼器１の燃料として再利用される。同様に、二酸化炭素燃料化装置７で生じるＯ_２は、燃焼器１の酸化剤として再利用される。

このほか、燃焼器システム１０００は、水タンク８及び気化器１０２を有する。水タンク８は、気化器１０２に水を供給するものである。気化器１０２は、燃焼生成ガス配管１６１に接続されている。気化器１０２は、ヒータを有し、燃焼器１から二酸化炭素燃料化装置７に供給されるＨ_２Ｏが少ない場合に、ヒータの熱で水タンク８から供給される水を加熱して水蒸気とし、この水蒸気を二酸化炭素燃料化装置７に供給するものである。

まとめると、燃焼器システム１０００においては、燃焼器１から燃焼生成ガス（ＣＯ_２及びＨ_２Ｏ）が燃焼生成ガス配管１６１を介して二酸化炭素燃料化装置７に送られ、二酸化炭素燃料化装置７で還元されて生成した変換ガスが変換ガス配管１６３ａを介して燃焼器１に還流する。また、二酸化炭素燃料化装置７で生じたＯ_２は、酸素ガス配管１６３ｂを介して燃焼器１に送られる。このように、燃焼器システム１０００においては、燃焼反応（酸化反応）及び還元反応に必要なガスが循環するようになっている。すなわち、燃焼器システム１０００は、閉ループを構成している。

二酸化炭素燃料化装置７においては、上記反応式（２）で表される水の電気分解反応と、上記反応式（３）で表される反応とが同時に生じる。上記反応式（２）で表される反応には、電気エネルギーが必要である。また、上記反応式（３）で表される反応は、吸熱反応であるため、二酸化炭素燃料化装置７を加熱するためのエネルギーが必要である。これらのエネルギーは、太陽光、風力等の再生可能エネルギーにより得られるものを用いるようになっている。なお、吸熱反応に対応する加熱の際に必要となるエネルギーは、電気エネルギーを用いてもよいし、燃焼器１等から得られる余熱を用いてもよい。

また、二酸化炭素燃料化装置７においては、変換ガスと酸素とが分離して生成される。これらの変換ガス及び酸素は、燃焼器１に供給し、燃焼するように構成している。燃焼器１の燃焼を安定させるため、酸素、変換ガス及びガス燃料のそれぞれの流量を調整する機能が設けられている。

図２は、ＳＯＥＣを示す概略構成図である。

本図において、二酸化炭素燃料化装置７のＳＯＥＣは、アノード２１１と、カソード２１３と、電解質２１５と、セパレータ２１７と、直流電源２１９と、を備えている。電解質２１５は、アノード２１１とカソード２１３との間に挟み込まれている。

カソード２１３とセパレータ２１７との間に設けられたガス流路には、燃焼生成ガスが供給され、直流電源２１９により負の電位が付与されているカソード２１３の表面に接触した燃焼生成ガスが還元反応により変換ガスに変化する。一方、アノード２１１とセパレータ２１７との間に設けられたガス流路には、当該還元反応によりカソード２１３に生じた酸素イオン（Ｏ^２－）が電解質２１５を透過し、アノード２１１において直流電源２１９により付与されている正の電位により酸化されて、酸素ガスが生じる。

そして、変換ガス及び酸素ガスは、それぞれのガス流路を通って、図１の燃焼器１に送られるようになっている。言い換えると、燃焼生成ガスは、還元され、変換ガスと酸素ガスとに分離される。

各構成要素の材料に関しては、次のとおりである。

アノード２１１には、La_1-xSr_xMnO₃（0.4≦x≦0.5）、La_1-xSr_xCoO₃、Sm_0.5Sr_0.5CoO₃等が用いられる。カソード２１３には、Ni-YSZ、Ni-Ce_1-xSm_xO_2-0.5x、Ni-Ce_1-xGd_xO_2-0.5x（0.1≦x≦0.2）等が用いられる。電解質２１５には、YSZ、SSZ、La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO₃等が用いられる。ここで、YSZは、イットリア安定化ジルコニア（Yttria Stabilized Zirconia）の略称である。また、SSZは、Sc₂O₃ stabilized ZrO₂の略称である。

以下、燃焼器の例として、医薬器具や食品容器の蒸気殺菌に使用する蒸気ボイラに適用する場合について説明する。ただし、燃焼器の用途は、これに限定されるものではなく、発生する熱を熱交換することなく利用してもよい。なお、本開示の内容は、以下の実施例に限定されるものではない。

図３は、実施例１の蒸気ボイラシステム（燃焼器システム）を示す構成図である。

本図に示す蒸気ボイラシステムは、蒸気ボイラ３０１と、二酸化炭素燃料化装置７と、これらを接続する配管と、を備えている。これらの内部を流れる物質は、定常運転時においては、燃料を構成するＣＯ、Ｈ_２等、蒸気ボイラ３０１において燃料と反応させるＯ_２、燃焼に伴って発生するＣＯ_２及びＨ_２Ｏ、並びに発生したＣＯ_２及びＨ_２Ｏを二酸化炭素燃料化装置７において還元することにより発生するＣＯ、Ｈ_２、Ｏ_２等である。定常運転時においては、外部からの空気を用いない構成としている。言い換えると、定常運転時においては、システム内部のガスは、閉ループを循環する構成である。よって、システムの内部には、窒素（Ｎ_２）が存在しない状態で運転するようになっている。このため、不活性ガスによる拡散抵抗がなく、反応に寄与する分子の接触頻度が高くなり、酸化反応及び還元反応が大気中に比べて著しく促進される。

蒸気ボイラ３０１は、燃焼器を含み、燃料を燃焼させ、その燃焼熱により水を加熱する構造になっている。燃料を燃焼させるためには、酸素（空気）が必要であり、図示していないが、燃焼器としては、燃料及び酸素を用いて火炎を形成させるバーナが取り付けられている。

燃料は、ＣＯ及びＨ_２を含むガスではあるが、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏも含むガスであることが望ましい。これは、ＣＯ及びＨ_２を空気で燃焼する場合に比べ、Ｏ_２で燃焼する場合はＮ_２が無いことにより、燃焼ガス温度が高くなるためである。Ｎ_２の代わりにＣＯ_２及びＨ_２Ｏを含ませることにより、空気燃焼時と同程度の燃焼ガス温度にすることができる。二酸化炭素燃料化装置７では、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏの全量をＣＯ及びＨ_２に変換しないことになる。

蒸気ボイラ３０１で発生した蒸気３１は、熱交換器３２に供給される。熱交換器３２においては、蒸気殺菌槽４の水と蒸気３１とが熱交換され、蒸気殺菌槽４に蒸気６１を送るようになっている。蒸気殺菌槽４においては、例えば医薬器具や食品容器等を殺菌する。

熱交換器３２においては、蒸気３１の一部が凝縮する。凝縮した水は、気液分離器３３において分離する。凝縮した水だけは、バルブ３６を開とすることにより、フィルター３５を介して蒸気ボイラ３０１に戻すようになっている。気液分離器３３には、液位計３４を設けられ、液位が一定になるように制御される。蒸気供給制御装置４１は、これらの操作を制御する装置である。

なお、蒸気ボイラ３０１には、バルブ３８を開とすることにより、水３７を供給することができるようになっている。また、バルブ３９を開とすることにより、蒸気ボイラ３０１の水を外部に排出することができるようになっている。これらの操作も、蒸気供給制御装置４１により制御する。蒸気ボイラ３０１の水の量は、液位計４０により検出する。

蒸気殺菌槽４の起動は、膨張弁５３を閉、バルブ５２を開とし、バルブ５６を開として水５５を供給する。液位計５４を設けることにより、所定の位置まで供給することができる。なお、バルブ５７は、水を抜き出すために用いる。

次に、ポンプ５８を稼働し、流量調整バルブ５９で蒸気殺菌槽４の液位を調整し、水を熱交換器３２に送り、加熱する。温度計５１が所定の温度になった後、バルブ５２を閉とし、膨張弁５３を開き、蒸気６１を蒸気殺菌槽４に供給する。この際も、蒸気殺菌槽４の液位を流量調整バルブ５９で調整する。

停止は、蒸気ボイラ３０１が停止した後、バルブ５２を開とし、膨張弁５３を閉とする。

蒸気殺菌槽制御装置６２は、これらの操作を制御する装置である。

蒸気ボイラ３０１においては、Ｎ_２を含む空気ではなく、Ｎ_２を排除した状態でＯ_２を用いて燃焼するようにしている。これにより、ＮＯｘの発生を防止することができる。これにより、脱硝装置は不要になる。

また、蒸気ボイラ３０１においては、燃焼によってＣＯ_２が発生するが、Ｎ_２を含む空気を用いる場合は、燃焼により生成するガスに含まれるＣＯ_２濃度は数％から十数％であり、大部分はＮ_２である。このようなガスを二酸化炭素燃料化装置７に送った場合、不活性ガスであるＮ_２が還元反応を阻害してしまう。Ｎ_２を排除しＯ_２を用いて燃焼することにより、燃焼の反応（酸化反応）だけでなく、還元反応も促進することができる。

二酸化炭素燃料化装置７は、ＳＯＥＣを含む。言い換えると、本実施例においては、蒸気ボイラ３０１から送られるガスを還元する主たる構成要素は、ＳＯＥＣである。

ＳＯＥＣの電極材料は、Ｏ_２によって劣化するため、送られてくるガス中にＯ_２が残存する場合に備え、蒸気ボイラ３０１から二酸化炭素燃料化装置７に向かう配管に燃焼触媒（図示していない。）を設けることが望ましい。燃焼触媒の上流側に燃料を供給し、残存するＯ_２と反応させることにより、Ｏ_２を除去することができるからである。

また、二酸化炭素燃料化装置７には、温度計９４が設けられている。温度計９４は、二酸化炭素燃料化装置７のＳＯＥＣの温度を検出する。

ＳＯＥＣは、約９００℃の高温度で使用する装置である。したがって、二酸化炭素燃料化装置７は、事前に約９００℃に加熱する必要があり、蒸気ボイラ３０１から二酸化炭素燃料化装置７に送られる排ガス９１（燃焼生成ガス）の温度が９００℃より低い場合には、排ガス９１自体を加熱する必要がある。さらに、上記反応式（２）及び（３）で表される反応は、吸熱反応であるため、反応を進めるために加熱が必要になる。なお、ＳＯＥＣの加熱における設定温度は、この例においては約９００℃としているが、ＳＯＥＣを構成する電極材料等に応じて適切な温度に設定する。

また、ＳＯＥＣにおいて還元反応を生じさせるためには、電極間に電圧を印加する必要がある。

このため、二酸化炭素燃料化装置７は、加熱用の電力と、上記反応式（２）及び（３）で表される反応を生じさせるための電力とを供給できるような構成としている。

パワコン９９（パワーコンディショナ）は、ＳＯＥＣを加熱する電源である。パワコン１００は、還元反応のエネルギー源を供給する電源である。本実施例においては、ＣＯ_２を発生しない電力供給源である風力発電装置５及び太陽光発電装置６からの電力をそれぞれ、パワコン７１、７２により出力調整して使用する。風力発電装置５及び太陽光発電装置６は、電線１５１を介して二酸化炭素燃料化装置７等に接続されている。なお、パワコンは、電力変換器（インバータの一種）である。

風力発電装置５及び太陽光発電装置６により得られる電力は、気候の変化によって変動する。そこで、風力発電装置５及び太陽光発電装置６からの電力が必要量を超える場合は、蓄電池７４に充電する構成としている。電力が必要な場合には、蓄電池７４から放電する。蓄電池７４の充放電は、パワコン７３により制御される。

上記のような電源の構成により、必要な電力を安定して供給することができる。

二酸化炭素燃料化装置７に供給される燃焼生成ガスの主成分は、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ及びＯ_２である。このうち、Ｈ_２Ｏが少ないと、上記反応式（３）で表される反応に必要なＨ_２が不足することから、水タンク８の水を供給することができるように構成されている。この場合に、水を蒸気で供給するように気化器１０２が設けられている。気化器１０２は、ヒータを有する。ヒータは、風力発電装置５、太陽光発電装置６等から得られる電力を使用する。

二酸化炭素燃料化制御装置１０５は、二酸化炭素燃料化装置７の操作を制御する装置である。

水タンク８には、液位計１２０が設けられ、所定の液位Ｌより低い場合には、バルブ１２３を開として、システムの外部から水１２４を供給するようになっている。また、水タンク８には、バルブ１２１が設けられ、液位が所定値よりも高くなった場合には、バルブ１２１を開として水を放出することができるようになっている。

パワコン１０１は、気化器１０２の電源である。気化器１０２で発生した蒸気は、二酸化炭素燃料化装置７に供給される。

水タンク８と気化器１０２との間には、ポンプ１０４及び流量調整バルブ１０３が設けられている。

二酸化炭素燃料化装置７においては、ＣＯを主成分としＨ_２及びＨ_２Ｏ（蒸気）を含む変換ガス１７と、酸素９５とが別々に生成され、流出する。変換ガス１７は、冷却器９７で冷却され、圧縮機１１３で加圧され、さらに冷却器１１４で冷却され、変換ガスタンク２に送られ、貯蔵される。一方、酸素９５は、冷却器８３で冷却され、圧縮機７７で加圧され、さらに冷却器７９で冷却され、酸素タンク３に送られ、貯蔵される。

変換ガス貯蔵制御装置１２２は、変換ガスタンク２における変換ガスの貯蔵量を制御する装置である。

二酸化炭素燃料化装置７における変換ガス１７の流路圧力を安定させるため、圧力計８２を設け、圧縮機１１３の出力をパワコン８１で制御するようにしている。また、二酸化炭素燃料化装置７における酸素９５の流路圧力を安定させるため、圧力計７８を設け、圧縮機７７の出力をパワコン７６で制御するようにしている。

変換ガス１７には、水蒸気が含まれており、冷却器９７で冷却すると凝縮するため、気液分離器１１１で水を除去するようにしている。気液分離器１１１には、液位計１１２を設け、任意の液位以上となった場合には、ポンプ１１８により水を抜き出し、水タンク８に貯めるようにしている。この場合に、フィルター１１９により水に含まれる不純物を除去できるようになっている。

また、冷却器１１４でも水が凝縮するため、気液分離器１１５で水を除去するようにしている。気液分離器１１５には、液位計１１６を設け、任意の液位以上となった場合には、バルブ１１７を開として水を抜き出し、水タンク８に貯めるようにしている。水タンク８の水は、適宜二酸化炭素燃料化装置７に供給する水として再利用する。

圧縮機制御装置８４は、圧縮機７７、１１３の操作を制御する装置である。

変換ガスタンク２及び酸素タンク３の圧力はそれぞれ、圧力計８０、２４で計測するようにした。これらの圧力がそれぞれの上限値を超えた場合、圧縮機１１３、７７の出力を低下させ、圧力を調整する制御する。この制御をするためには、蒸気ボイラ３０１でのガス流量の調整が必要になる場合がある。

蒸気ボイラ３０１には、システムの外部からの酸素１１を流量計１３及び流量調整バルブ１２を用いて供給するガス配管、システムの外部からのガス燃料１４を流量計１６及び流量調整バルブ１５を用いて供給するガス配管、変換ガスタンク２から変換ガス１７を流量計１９及び流量調整バルブ１８を用いて供給するガス配管並びに酸素タンク３から酸素２０を流量計２２及び流量調整バルブ２１を用いて供給するガス配管が接続されている。

外部からの酸素１１及びガス燃料１４は、主に、起動時及び停止時、並びに変換ガスタンク２中の変換ガス１７や酸素タンク３中の酸素２０が不足するときに用いる。蒸気ボイラ３０１においては、安定した燃焼が必要であり、外部からのガス燃料１４及び酸素１１で燃焼するときは、それらの流量を調節し、変換ガスタンク２中の変換ガス１７及び酸素タンク３中の酸素２０で燃焼するときは、それらの流量を調節する。

外部からのガス燃料１４の組成は、予め分かっているが、変換ガス１７の組成は、二酸化炭素燃料化装置７の稼働状況によって変わる。そこで、変換ガスタンク２内のガス組成の分析計２３の計測値も用いて、変換ガス１７の流量を調節するようにしている。

外部からの酸素１１及びガス燃料１４を使用すると、蒸気ボイラ３０１から二酸化炭素燃料化装置７を経て再び蒸気ボイラ３０１に循環する経路内の物質量が増える。そこで、流量調整バルブ２８を設け、内部のガスを大気中に放出するようにしている。この場合に、圧力計２９の値が一定になるように流量調整バルブ２８を制御する。

ガス燃料１４及び変換ガス１７は、煤などの未燃分が発生しないように完全燃焼させることが望ましい。なお、ガス燃料１４は、完全燃焼が可能であれば、液体燃料であってもよく、粉末状の燃料であってもよい。よって、ガス燃料１４は、包括的な用語として、単に「燃料」と呼んでもよい。

以上のように、蒸気ボイラの燃焼器に供給する酸素、変換ガス及びガス燃料の割合を所定の範囲になるように、それぞれの流量を調整することにより、逆火や失火のない安定した燃焼が可能となり、安全性を向上することができる。

また、二酸化炭素燃料化装置７で生成した変換ガス及び酸素をそれぞれ、変換ガスタンク２、酸素タンク３に貯蔵することができるため、二酸化炭素燃料化装置７において使用する再生可能エネルギーによる電力が安定しない条件であっても、再生可能エネルギーを変換ガス及び酸素として蓄積することができる。これにより、発電量と電力消費量とのアンバランスを解消し、再生可能エネルギーを無駄なく利用することができる。

図４は、実施例２の蒸気ボイラシステムの起動方法を示すフロー図である。図中、機器の符号については、図３と同じ符号を用いている。

蒸気ボイラシステムの停止中は、システム内のガスにＨ_２やＣＯの可燃ガスが含まれない状態で放置している。ここでは、ＣＯ_２で満たされていることが好ましい。

図４に示すように、二酸化炭素燃料化制御装置１０５により、パワコン９９を起動し、二酸化炭素燃料化装置７のＳＯＥＣを加熱する（Ｓ１００）。ＳＯＥＣの設定温度を９００℃とした場合、その温度に達したかどうかを判定する（Ｓ１１０）。ＳＯＥＣの温度が９００℃に達したときは、分析計９２によるガス組成の分析を開始する（Ｓ１２０）。

これに伴い、水タンク８の液位計１２０が所定の液位Ｌより低い場合には、変換ガス貯蔵制御装置１２２からの信号により、バルブ１２３を開として水１２４を供給し、液位Ｌに到達した後は、この液位Ｌを維持する制御を開始する（Ｓ１３０）。

二酸化炭素燃料化装置７に蒸気を供給するため、パワコン１０１で気化器１０２を起動し、流量調整バルブ１０３を開として、水の供給を開始する。同時に、パワコン１００により二酸化炭素燃料化装置７で還元処理を開始する（Ｓ１４０）。

還元処理の一つである水電解反応（上記反応式（３）で表される。）は、吸熱反応であり、温度計９４により検出されるガス温度が低下しないように、パワコン９９でガス温度を約９００℃に維持する制御をする。また、水の供給は、酸素タンク３及び変換ガスタンク２の昇圧のためであり、流量は一定でよい。

パワコン８１により圧縮機１１３を起動し、負荷調整制御を開始する。

まず、圧力計８２の圧力が所定の値になるようにする。次に、変換ガスタンク２の圧力計８０の圧力が所定の値になるように制御する。

変換ガスタンク２の圧力計８０の圧力Ｐ_{Ｆ，ＭＡＸ}は、蒸気ボイラ３０１に変換ガス１７を供給するのに必要な圧力である。この圧力Ｐ_{Ｆ，ＭＡＸ}に到達したら、ガス供給制御装置２７より蒸気ボイラ３０１にガス燃料１４及び酸素１１の供給を開始し、点火する。ガス燃料１４及び酸素１１は、外部から供給するガスであり、これらを供給する間は、システム内部に物質が蓄積される。このため、蒸気ボイラ３０１の下流の圧力計２９の圧力が所定の圧力で一定になるように、流量調整バルブ２８を調節する。このようにして、必要以上にガスが蓄積されないように、ガスを大気に放出する制御をする。なお、この段階に至る過程において、変換ガスタンク２内のガス組成の分析計２３の計測を開始する。

流量調整バルブ１５により、ガス燃料１４の流量を減らしながら、流量調整バルブ１８で変換ガス１７の流量を増加させ、ガス燃料１４から変換ガス１７に切り換える。

その間、酸素タンク３の圧力計２４の圧力Ｐ_{Ｏ，ＭＡＸ}は、蒸気ボイラに変換ガス１７を供給するのに必要な圧力である。この圧力Ｐ_{Ｏ，ＭＡＸ}に到達したら、流量調整バルブ１２により、酸素１１の流量を減らしながら、流量調整バルブ２１で酸素２０の流量を増加させ、酸素１１からで酸素２０に切り換える。切り換え後は、変換ガスタンク２内の分析計２３及び二酸化炭素燃料化装置７の供給ガスの分析計９２が定格運転のガス組成を示すことになる。

図５は、実施例２の蒸気ボイラシステムの停止方法を示すフロー図である。

本図に示すように、二酸化炭素燃料化制御装置１０５により、パワコン９９で二酸化炭素燃料化装置７の加熱を停止し、パワコン１００で二酸化炭素燃料化装置７の還元処理を停止する（Ｓ２００）。その後も、蒸気ボイラ３０１の燃焼器において変換ガスの燃焼を継続する。

ガス供給制御装置２７により、流量調整バルブ１８で変換ガス１７の流量を減少させ、流量調整バルブ１５でガス燃料１４の流量を増加させる。また、流量調整バルブ２１で酸素２０の流量を減少させ、流量調整バルブ１２で酸素１１の流量を増加させる。この操作で、変換ガス１７からガス燃料１４に切り換え、酸素２０から酸素１１に切り換える（Ｓ２１０）。その後は、蒸気ボイラ３０１の燃焼器においては、主として、ガス燃料１４の燃焼を継続する。

システムの外部からの酸素１１及びガス燃料１４の供給となるため、圧力計２９の圧力を維持するには、流量調整バルブ２８で排ガスの大気放出を調整する制御が必要である。この制御は、起動時から継続しておけばよい。

酸素タンク３の圧力計２４の圧力がＰ_{Ｏ，ＭＩＮ}より小さくなったら（Ｓ２２０）、酸素２０の供給を停止し、酸素１１を流量調整して供給する（Ｓ２３０）。変換ガスの圧力計８０の圧力がＰ_{Ｆ，ＭＩＮ}より小さくなったら（Ｓ２４０）、変換ガス１７の供給を停止し、ガス燃料１４の流量調整をして供給する（Ｓ２５０）。

さらに、二酸化炭素燃料化装置７に供給するガス組成を分析する分析計９２でＨ_２及びＣＯの濃度がほぼ０（すなわち、所定値以下）、変換ガスタンク２内のガス組成を分析する分析計２３でＨ_２及びＣＯの濃度がほぼ０（すなわち、所定値以下）になったら（Ｓ２６０）、酸素２０の停止、ガス燃料１４の停止、さらに大気放出を停止する（Ｓ２７０）。蒸気ボイラ３０１の排ガス９１、二酸化炭素燃料化装置７の変換ガス１７、及び気化器１０２からの水蒸気並びにＨ_２、ＣＯ等の可燃ガスが配管等の内部に残らないようにすることが望ましいからである。これにより、蒸気ボイラ３０１、二酸化炭素燃料化装置７及び変換ガスタンク２内のガスがＣＯ_２に置換された状態となる。

これにより、配管や各装置のＨ_２による脆化、Ｏ_２による腐食、停止中における予想外の燃焼や爆発等を防止することができる。

１：燃焼器、２：変換ガスタンク、３：酸素タンク、４：蒸気殺菌槽、５：風力発電装置、６：太陽光発電装置、７：二酸化炭素燃料化装置、８：水タンク、１１、２０、９５：酸素、１２、１５、１８、２１、２８、５９、１０３：流量調整バルブ、１３、１６、１９、２２：流量計、１４：ガス燃料、１７：変換ガス、２３、９２：分析計、２７：ガス供給制御装置、３１、６１：蒸気、３２：熱交換器、３３、１１１、１１５：気液分離器、３４、４０、５４、１１２、１１６、１２０：液位計、３５、１１９：フィルター、３６、３８、３９、５２、５６、５７、１１７、１２１、１２３：バルブ、３７、５５、１２４：水、４１：蒸気供給制御装置、５１、９４：温度計、５３：膨張弁、５８、１０４、１１８：ポンプ、６２：蒸気殺菌槽制御装置、７１、７２、７３、７６、８１、９９、１００、１０１：パワコン、７４：蓄電池、７７、１１３：圧縮機、７８、８０、８２：圧力計、７９、８３、９７、１１４：冷却器、８４：圧縮機制御装置、９１：排ガス、１０２：気化器、１０５：二酸化炭素燃料化制御装置、１２２：変換ガス貯蔵制御装置、１６１：燃焼生成ガス配管、１６３ａ：変換ガス配管、１６３ｂ：酸素ガス配管、３０１：蒸気ボイラ、１０００：燃焼器システム。

Claims (11)

1. 燃焼器と、
   二酸化炭素燃料化装置と、
   前記燃焼器から前記二酸化炭素燃料化装置に燃焼生成ガスを送る燃焼生成ガス流路と、
   前記二酸化炭素燃料化装置から前記燃焼器に変換ガスを送る変換ガス流路と、
   前記二酸化炭素燃料化装置から前記燃焼器に酸素ガスを送る酸素ガス流路と、を備え、
   前記燃焼器は、前記変換ガスを前記酸素ガスにより酸化して前記燃焼生成ガスを生成し、
   前記二酸化炭素燃料化装置は、前記燃焼生成ガスを還元し、前記変換ガスと前記酸素ガスとに分離する構成を有し、
   前記燃焼生成ガス、前記変換ガス及び前記酸素ガスは、前記燃焼器、前記二酸化炭素燃料化装置、前記燃焼生成ガス流路、前記変換ガス流路及び前記酸素ガス流路で構成される閉ループを循環する、燃焼器システム。
2. 前記二酸化炭素燃料化装置は、固体酸化物形電解セルを含む、請求項１記載の燃焼器システム。
3. 前記変換ガスは、一酸化炭素又はメタンを含む、請求項１記載の燃焼器システム。
4. 前記燃焼生成ガスは、二酸化炭素及び水蒸気を含む、請求項１記載の燃焼器システム。
5. 前記燃焼器は、ボイラの構成要素である、請求項１記載の燃焼器システム。
6. 前記酸素ガスを貯蔵する酸素タンクと、
   前記変換ガスを貯蔵する変換ガスタンクと、を更に備え、
   前記燃焼器には、前記酸素タンクから前記酸素ガスを供給し、前記変換ガスタンクから前記変換ガスを供給する、請求項１記載の燃焼器システム。
7. 外部から前記燃焼器に酸素及び燃料を供給する構成を有する、請求項１記載の燃焼器システム。
8. 前記二酸化炭素燃料化装置は、電気エネルギーを使用する、請求項１記載の燃焼器システム。
9. 前記電気エネルギーは、再生可能エネルギーによるものを含む、請求項８記載の燃焼器システム。
10. 燃焼器システムの起動方法であって、
    前記燃焼器システムは、
    燃焼器と、
    二酸化炭素燃料化装置と、
    前記燃焼器から前記二酸化炭素燃料化装置に燃焼生成ガスを送る燃焼生成ガス流路と、
    前記二酸化炭素燃料化装置から前記燃焼器に変換ガスを送る変換ガス流路と、
    前記二酸化炭素燃料化装置から前記燃焼器に酸素ガスを送る酸素ガス流路と、を備え、
    前記燃焼器は、前記変換ガスを前記酸素ガスにより酸化して前記燃焼生成ガスを生成し、
    前記二酸化炭素燃料化装置は、前記燃焼生成ガスを還元し、前記変換ガスと前記酸素ガスとに分離する構成を有し、
    前記燃焼生成ガス、前記変換ガス及び前記酸素ガスは、前記燃焼器、前記二酸化炭素燃料化装置、前記燃焼生成ガス流路、前記変換ガス流路及び前記酸素ガス流路で構成される閉ループを循環するものであり、
    前記二酸化炭素燃料化装置を所定の温度に達するまで加熱し、
    その後、前記二酸化炭素燃料化装置による還元処理を行う、燃焼器システムの起動方法。
11. 燃焼器システムの停止方法であって、
    前記燃焼器システムは、
    燃焼器と、
    二酸化炭素燃料化装置と、
    前記燃焼器から前記二酸化炭素燃料化装置に燃焼生成ガスを送る燃焼生成ガス流路と、
    前記二酸化炭素燃料化装置から前記燃焼器に変換ガスを送る変換ガス流路と、
    前記二酸化炭素燃料化装置から前記燃焼器に酸素ガスを送る酸素ガス流路と、を備え、
    前記燃焼器システムの外部から前記燃焼器に酸素及び燃料を供給する構成を有し、
    前記燃焼器は、前記変換ガスを前記酸素ガスにより酸化して前記燃焼生成ガスを生成し、
    前記二酸化炭素燃料化装置は、前記燃焼生成ガスを還元し、前記変換ガスと前記酸素ガスとに分離する構成を有し、
    前記燃焼生成ガス、前記変換ガス及び前記酸素ガスは、前記燃焼器、前記二酸化炭素燃料化装置、前記燃焼生成ガス流路、前記変換ガス流路及び前記酸素ガス流路で構成される閉ループを循環するものであり、
    前記二酸化炭素燃料化装置の加熱を停止し、
    その後、前記燃焼器システムの内部の水素及び一酸化炭素の濃度が所定値以下となったとき、前記燃焼器への前記酸素及び前記燃料の供給を停止する、燃焼器システムの停止方法。

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