JP2022529349A - 水素を生成するためのケミカルルーピングプロセス - Google Patents

Abstract

水素を生成し、二酸化炭素を共生成するためのケミカルルーピングプロセスであって、第１のレドックスループを含み、第１のレドックスループが、第１の炭素質燃料も供給される第１の反応ゾーン（Ｒ１）に第１の固体酸素キャリアを供給するステップであって、第１の炭素質燃料が、最大酸化状態（完全酸化形態）で供給される第１の固体酸素キャリアと反応し、燃焼生成物である二酸化炭素および水ならびにより低い酸化状態（還元形態）の固体酸素キャリアを形成する、ステップと、還元形態の第１の固体酸素キャリアを、空気も供給される第２の反応ゾーン（Ｒ２）に供給し、第１の固体酸素キャリアの酸化から、熱、および第１の反応ゾーン（Ｒ１）に再循環される完全酸化形態の固体酸素キャリアを得るステップとを含み、ケミカルルーピングプロセスが、第２のレドックスループをさらに含み、第２のレドックスループが、第２の炭素質燃料も供給される第３の反応ゾーン（Ｒ３）に第２の固体酸素キャリアを供給するステップであって、第２の炭素質燃料が、中間酸化状態（酸化形態）で供給される第２の固体酸素キャリアと反応し、燃焼生成物である二酸化炭素および水ならびにより低い酸化状態（還元形態）の固体酸素キャリアを形成する、ステップと、還元形態の第２の固体酸素キャリアを、蒸気も供給される第４の反応ゾーン（Ｒ４）に供給し、蒸気が、還元形態の固体酸素キャリアと反応し、水素、ならびに第３の反応ゾーン（Ｒ３）および／または第１の反応ゾーン（Ｒ１）に再循環される中間酸化状態（酸化形態）の固体酸素キャリアを生成するステップとを含み、第１の反応ゾーン（Ｒ１）および第３の反応ゾーン（Ｒ３）が相互接続され、第１の固体酸素キャリアの少なくとも一部を第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第３の反応ゾーン（Ｒ３）に移送するのを可能にするケミカルルーピングプロセス。

Description

優先権相互参照
本出願は、２０１９年４月１８日に出願されたＡｕｓｔｒａｌｉａｎ ｐｒｏｖｉｓｉｏｎａｌ ｐａｔｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．２０１９９０１３５４による優先権を主張し、Ａｕｓｔｒａｌｉａｎ ｐｒｏｖｉｓｉｏｎａｌ ｐａｔｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．２０１９９０１３５４の内容は、この参照によって本明細書に組み込まれると見なすべきである。

本発明は概して、固体酸素キャリア（一般には多価金属酸化物）を使用して炭素質燃料を変換して水素（Ｈ_２）を生成し、かつ別の流れにおいて二酸化炭素（ＣＯ_２）を共生成するためのケミカルルーピングプロセスに関する。

本発明の背景についての以下の説明の目的は、本発明の理解を容易にすることである。しかし、この説明が、参照される内容のいずれかが本出願の優先日の時点で公開されていたか、既知であったか、または共通の一般知識の一部であったことを肯定するものでもまたは認めるものでもないことを諒解されたい。

水素は、エネルギー効率が高くなる可能性があり発生する汚染物質が少ないので魅力的なエネルギーキャリアであり、移動および定置電力生成に使用することができる。しかし、水素は、十分な量を確保するのが容易ではなく、現行の水素生成プロセスの生成コストは高額である。水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）プロセスは、Ｈ_２生成のための広く使用されている商業的な技術である。しかし、このプロセスには、頑強な触媒と、二酸化炭素と水素を分離して高純度の水素を生成するための浄化プロセスが必要である。これに対して、ケミカルルーピング技術を使用する水素生成は、二酸化炭素に固有の分離を施して高純度の水素を生成することができるので有望な代替技術である。ケミカルルーピング技術はまた、場合によっては、ＳＭＲプロセスに必須の、高純度の水素を生成するための後浄化／分離プロセスを無くすので、簡略化されたプロセスを実現することができる。

ケミカルルーピング燃焼（ＣＬＣ）では、酸素キャリア粒子が、直接酸素供給源として（大気中の）気体酸素に置き換わり、燃料の燃焼を助ける。この手法は、大気からの窒素（Ｎ_２）による燃焼オフガスの希釈を回避する。燃焼オフガスの希釈は一般に、下流の二酸化炭素分離、回収および隔離を困難にする。基本ＣＬＣプロセスは、レドックスループを形成するように結合された燃料反応塔（ＦＲ）と空気反応塔（ＡＲ）を備え、酸素が固体酸素キャリア（通常は金属酸化物粒子）を使用して反応塔同士の間を循環する、２反応塔システムを使用して形成されることが多い。ＡＲおよびＦＲは、それぞれ異なる反応塔配置、たとえば、相互接続された層を用いた流動層技術を使用して酸化および還元条件下で動作する。

ＦＲでは、固体酸素キャリア粒子が燃料によって還元され、燃料が、反応１によってＣＯ_２およびＨ_２Ｏに酸化される。ＡＲでは、固体酸素キャリア粒子が気体Ｏ_２によって酸化され、反応２によって初期状態に戻る。燃料と空気が別々にＣＬＣに導入されるので、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏの燃焼生成物が窒素によって希釈されることはない。このことは、Ｈ_２Ｏを凝縮することによって、分離に必要な余計なエネルギーを消費せずにほぼ純粋なＣＯ_２を得ることが可能であることを意味する。
（２ｎ＋ｍ）Ｍ_ｘＯ_ｙ ＋ Ｃ_ｎＨ_２ｍ ＝ （２ｎ＋ｍ）Ｍ_ｘＯ_ｙ－１ ＋ ｍＨ_２Ｏ ＋ ｎＣＯ_２ （１）
Ｍ_ｘＯ_ｙ－１ ＋ １／２Ｏ_２ ＝ Ｍ_ｘＯ_ｙ （２）

これらのプロセスにおいて、供給気体酸素と炭化水素ベース燃料との間の反応は間接的である。その理由は、Ｃ_ｎＨ_２ｍ／ＣＯ_２対の還元電位とＯ_２／Ｈ_２Ｏ対の酸化電位との間の１つまたは複数の中間レドックス対（Ｍ_ｘＯ_ｙ／Ｍ_ｘＯ_ｙ－１； Ｍ_ｘＯ_ｙ－１／Ｍ_ｘＯ_ｙ）を生成することのできる固体酸素キャリアによって酸素交換が生じるからである。つまり、固体酸素キャリアは、炭化水素ベース燃料（還元剤）への酸素供与体および酸素（酸化剤）からの酸素受容体として働く。

電力生成に使用される典型的なＣＬＣ構成では、ＡＲ熱負荷を使用して蒸気タービンを介して蒸気を発生させて電気を生成する。システムを高圧で動作させる場合、ガスタービンを介してＡＲオフガスを膨張させてさらなる電気を生成することができる。

ＡＲを蒸気反応塔（ＳＲ）と置き換えることによってケミカルルーピング（ＣＬ）システムを使用して水素を生成することができる。この場合も、蒸気と炭化水素ベース燃料（たとえば、天然ガス（ＣＨ_４））との間の反応は間接的である。その理由は、ＣＨ_４／ＣＯ_２対の還元電位とＨ_２Ｏ／Ｈ_２対の酸化電位との間の１つまたは複数の中間レドックス対（Ｍ_ｘＯ_ｙ／Ｍ_ｘＯ_ｙ－１； Ｍ_ｘＯ_ｙ－１／Ｍ_ｘＯ_ｙ）を生成することのできる固体酸素キャリアによって酸素交換が生じるからである。この種の水素生成システムの一例には、米国特許第３４４２６２０号で教示されたような蒸気－鉄プロセスがある。しかし、このようなプロセスは、化学プロセス収量が低い（６５％程度）欠点があり、プロセス全体が吸熱反応を生じるので（反応はＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ_２）顕著なエネルギー入力を必要とする。

ＣＬ水素生成プロセス全体の熱平衡は、たとえば、図１に示すように、レドックスループ内のＡＲと直列にＳＲを使用することによって向上させることができる。そのようなケミカルルーピング水素生成プロセスでは、ＦＲは、酸素キャリアを部分的に還元するために使用され、還元された酸素キャリアは、蒸気反応塔（ＳＲ）内で蒸気によって酸化され、蒸気反応塔は、格子酸素を回収し、同時に水素を生成する。ＡＲは次いで、以下のように表すことができるように格子酸素を完全に回収するために使用される。
メタン還元： Ｍ_ｘＯ_ｙ ＋ （δ_１＋δ_２）ＣＨ_４ ＝ Ｍ_ｘＯ_{ｙ－δ１－δ２} ＋ （δ_１＋δ_２）（２Ｈ_２＋ＣＯ） （３）
蒸気酸化： Ｍ_ｘＯ_{ｙ－δ１－δ２} ＋ δ_２Ｈ_２Ｏ ＝ Ｍ_ｘＯ_ｙ－δ１ ＋ δ_２Ｈ_２ （４）
空気酸化： Ｍ_ｘＯ_ｙ－δ１ ＋ （δ_１／２）Ｏ_２ ＝ Ｍ_ｘＯ_ｙ （５）
上式において、ＣＨ_４は、燃料として使用され、Ｍ_ｘＯ_ｙは酸素キャリアであり、Ｍ_ｘＯ_ｙ－δ１およびＭ_ｘＯ_{ｙ－δ１－δ２}は、異なる還元度を有する対応する還元酸素キャリアである。

蒸気を冷却し凝縮することによって、さらなるガス処理なしにＳＲ排出口から純粋な水素を得ることができる。この形態のケミカルルーピング水素生成プロセスは、固体燃料の部分酸化および蒸気ガス化の結合プロセスとして説明することができる。プロセス全体が吸熱反応を生じる。

しかし、この種のいくつかの直列ケミカルルーピング水素生成プロセスは、直列ループ内の反応塔段階間のガスブリードによって燃料反応塔内で望ましくない混合ガス生成物を生成し、プロセスターンダウン比の範囲がより狭くなり、したがって、生成または供給条件の変更に対する融通性が低くなる傾向がある。さらに、水素生成の効率は、ループ内のＡＲプロセスステップとＦＲプロセスステップの両方のプロセスフローによって制限される。最後に、従来のケミカルルーピング水素生成構成のＦＲは、ガス燃料のみに制限される。

したがって、水素を生成するための代替ケミカルルーピングプロセスおよびシステムを提供することが望ましい。

米国特許第３４４２６２０号

本発明は、ケミカルルーピング技術に基づいて水素を生成するためのプロセスおよびシステムを提供する。この場合の水素は、ケミカルルーピング水素（ＣＬＨ２）とも呼ばれる。

本発明の第１の態様は、水素を生成し、二酸化炭素を共生成するためのケミカルルーピングプロセスであって、
第１のレドックスループを含み、第１のレドックスループが、
第１の炭素質燃料も供給される第１の反応ゾーン（Ｒ１）に第１の固体酸素キャリアを供給するステップであって、第１の炭素質燃料が、最大酸化状態（完全酸化形態）で供給される第１の固体酸素キャリアと反応し、燃焼生成物である二酸化炭素および水ならびにより低い酸化状態（還元形態）の固体酸素キャリアを形成する、ステップと、
還元形態の第１の固体酸素キャリアを、空気も供給される第２の反応ゾーン（Ｒ２）に供給し、第１の固体酸素キャリアの酸化から、熱、および第１の反応ゾーン（Ｒ１）に再循環される完全酸化形態の固体酸素キャリアを得るステップとを含み、
ケミカルルーピングプロセスが、第２のレドックスループをさらに含み、第２のレドックスループが、
第２の炭素質燃料も供給される第３の反応ゾーン（Ｒ３）に第２の固体酸素キャリアを供給するステップであって、第２の炭素質燃料が、中間酸化状態（酸化形態）で供給される第２の固体酸素キャリアと反応し、燃焼生成物である二酸化炭素および水ならびにより低い酸化状態（還元形態）の固体酸素キャリアを形成する、ステップと、
還元形態の第２の固体酸素キャリアを、（蒸気の形態の）水も供給される第４の反応ゾーン（Ｒ４）に供給し、水が、還元形態の固体酸素キャリアと反応し、水素、ならびに第３の反応ゾーン（Ｒ３）および／または第１の反応ゾーン（Ｒ１）に再循環される中間酸化状態（酸化形態）の固体酸素キャリアを生成するステップとを含み、
第１の反応ゾーン（Ｒ１）および第３の反応ゾーン（Ｒ３）が相互接続され、第１の固体酸素キャリアの少なくとも一部を第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第３の反応ゾーン（Ｒ３）に移送するのを可能にするケミカルルーピングプロセスを提供する。

本発明の第１の態様は、２つの並列レドックスループ、すなわち、第１のレドックスループ（空気反応塔（ＡＲ）ループとも呼ばれる）および第２のレドックスループ（蒸気反応塔（ＳＲ）ループとも呼ばれる）を含むケミカルルーピングプロセスを提供する。これらの並列レドックスループの各々は、燃料反応塔（燃焼還元）および酸化反応塔（第１のレドックスループ内の空気反応塔および第２のレドックスループ内の蒸気反応塔）を含む。本発明は、第１のレドックスループ（空気反応塔（ＡＲ）ループとも呼ばれる）からの第１の固体酸素キャリアの少なくとも一部が第２のレドックスループ（蒸気反応塔（ＳＲ）ループとも呼ばれる）に流入するのを可能にするそれぞれのレドックスループの第１の反応ゾーン（Ｒ１）と第３の反応ゾーン（Ｒ３）（それぞれのレドックスループの燃料反応塔に含まれる（以下参照））との相互接続部に関する。

このプロセスは、高い純度を有するＨ_２およびＣＯ_２の別々の流れを同時に、連続的に生成するのを可能にし、固体酸素キャリアを２つの別々のＦＲ反応ゾーン（第１の反応ゾーン（Ｒ１）および第３の反応ゾーン（Ｒ３））から移送することによる熱の選択的交換によって良好な熱効率を得る。本発明のＣＬＨ２プロセスは一般に、後浄化ステップを必要とせず、投入燃料に対して融通を利かせることができ、簡素で多目的な水素生成プロセスを実現する。このプロセスは、実験台およびパイロット規模から大規模、すなわち、工業規模まで適用することができる。

本発明のプロセスは、Ｒ１からＲ３への酸素キャリアの移送を調整することによってＳＲループを駆動するのに必要な熱の調整を可能にする。内部燃料反応塔隔離の設計および操作は、物質移動（固体の形態－固体酸素キャリア内容物の一部）および熱伝達を可能にするように構成されることが好ましい。実施形態では、第１の反応ゾーン（Ｒ１）と第３の反応ゾーン（Ｒ３）との相互接続部は、第１の固体酸素キャリア（質量流）の少なくとも一部を第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第３の反応ゾーン（Ｒ３）に選択的に移送するのを可能にする。第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第３の反応ゾーン（Ｒ３）に選択的に移送される第１の固体酸素キャリア（質量流）の量を、第３の反応ゾーン（Ｒ３）に必要な熱負荷を供給するように相関付けることができる。必要な熱負荷は、第１の反応ゾーン（Ｒ１）と第３の反応ゾーン（Ｒ３）との熱的不均衡に基づいて選択される。必要な熱負荷はまた、熱および質量を第１の反応ゾーン（Ｒ１）の選択領域から第３の反応ゾーン（Ｒ３）の選択領域に移送する必要に基づいて選択される（以下参照）。反応ゾーン内の固体循環速度をさらなる重要なパラメータとすることができることを諒解されたい。

第１の固体酸素キャリア（高温の固体）の移送は、第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第３の反応ゾーン（Ｒ３）への熱伝達を制御して２つの並列レドックスループ間で熱を統合するように制御される。この目的は、第２のレドックスループ（ＳＲループ）、具体的には第３の反応ゾーン（Ｒ３）の熱要件を満たすのに十分な熱を供給することである。熱伝達は、固体酸素キャリア循環、供給材料タイプ、供給材料組成、供給材料導入点、および熱平衡などの因子に基づいて最適化される。ここで、第１のレドックスループ（ＡＲループ）は、第２のレドックスループ（ＳＲループ）と比較してより大きい熱を発生させる（発熱性の高い反応塔である）。その理由は、第１のレドックスループの発熱性の程度が第２のレドックスループよりも高いからである。これに対して、２つのレドックスループが熱的に統合されない（すなわち、第１のレドックスループと第２のレドックスループが別々のレドックスループである）場合、第２のレドックスループは顕著な外部熱負荷を必要とし、一方、第１のレドックスループからの熱を他の目的、たとえば電力生成に利用しなければならない。つまり、熱伝達面などの従来の方法を介して必要な熱を第３の反応ゾーン（Ｒ３）に供給するのは困難である。その理由は、この熱交換領域は通常、必要な熱伝達の大きさに対して小さすぎるからである。

一方で、第１のレドックスループと第２のレドックスループが、全体にわたって隔離されない固体酸素キャリア流を有する単一の燃料反応塔を共有する。ここで、第１のレドックスループおよび第２のレドックスループに流入し第２のレドックスループから流出する固体酸素キャリアは、第１のレドックスループと第２のレドックスループの両方に共通する単一の燃料反応塔内で密に混合する（共通の反応ゾーン内でＲ１とＲ３を組み合わせる）ことができる。そのような配置は、ループを直接熱的に統合するが、第１のレドックスループから第２のレドックスループへの熱伝達を制御せず、各ループ内で生じる反応に対するエネルギーまたは熱および制御問題が生じる。詳細には、他の用途（電力生成など）に有用な第１のレドックスループからのさらなる（熱の形態の）熱エネルギーを利用するのは困難である場合がある。

対象となる用途が水素生成である場合、必要な電力生成量が少ないことを諒解されたい。そのような用途では、すべての熱容量を最大にして水素生成量を最大にすることが望ましい。なお、２つのレドックスループの並列設計は、熱と水素の生成を優先順位付けるかまたは平衡化するうえで有利である。この優先順位付けまたは平衡化は従来の直列設計では不可能である（たとえば、図１を参照されたい）。しかし、本発明の並列設計は、（生成物としての）水素の生成と熱の生成を分離するのを可能にし、すなわち、需要の変化に応じて、第２のレドックスループからの水素生成量を増減させることができ、それに応じて、第１のレドックスループから生成されるプロセス加熱の量を一定にするか、または増減させることができる。

様々な相互接続構成を使用して第１の固体酸素キャリアを第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第３の反応ゾーン（Ｒ３）に選択的に移送することができる。いくつかの実施形態では、第１の反応ゾーン（Ｒ１）と第３の反応ゾーン（Ｒ３）との相互接続部は、少なくとも１つの制御固体切換弁を備える。反応塔のサイズおよび必要な物質移動の量に応じて任意の数の制御固体切換弁を使用することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの制御固体切換弁が使用される。固体切換弁同士が、それぞれの反応ゾーン（Ｒ１、Ｒ３）の幅に対して離隔されることが好ましい。

第１の反応ゾーン（Ｒ１）と第３の反応ゾーン（Ｒ３）を相互接続することのできる様々な固体切換弁が利用可能である。好ましい実施形態では、固体切換弁は、少なくとも１つの非機械弁を備え、少なくとも１つのループシールゲートを備えることがより好ましい。ループシールゲートは、非機械ゲートであり、堰によって分離される少なくとも２つの流動層部分を含む。１つの流動部分は、固体を堰を越えて他方の部分へ移送するように通気される。このようにして、固体をループシールゲートを通して単一の方向に（Ｒ１からＲ３に）移送することができる。固体移送は、ループシールゲートの各部分における固体の通気量を選択的に制御することによりゲートによって停止させることができる。したがって、ループシールゲートは、流動層型配置において固体移送の良好な制御を行う。したがって、本発明では、ループシールゲートは、「高温の固体」のＲ１からＲ３への移送を制御することによって熱伝達の良好な制御を行い、したがって、全体的なプロセス熱平衡を維持することができる。

それにもかかわらず、（限定はしないが）Ｌ字形弁、Ｊ字形弁、Ｖ字形弁、リバースシール弁、およびシールポット弁を含む、非常に一般的な非機械弁を使用できることを諒解されたい。これらの弁の各々は、通気された気体を使用して弁構成を介した固体流を可能にする。弁を介した流れは、通気気体の供給を停止させることによって停止させることができる。

他の実施形態では、第１の反応ゾーン（Ｒ１）と第３の反応ゾーン（Ｒ３）との相互接続部は、孔または開口を備える。これらの実施形態では、孔または開口は、第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第３の反応ゾーン（Ｒ３）への流量を制限するようなサイズにされる。第１の固体酸素キャリアの第１のレドックスループ（ＡＲループ）内への流れを可能にし、また、第１の固体酸素キャリアを選択的に第３の反応ゾーン（Ｒ３）に移送し、したがって、熱も伝達して第２のレドックスループにおいて必要な熱を維持する（ＳＲループ）うえで、孔または開口の位置も重要である。したがって、孔または開口は、還元した第１の固体酸素キャリアが第１の反応ゾーン（Ｒ１）から出るときに通過する排出口接続部に近接させるかまたは排出口接続部の近くに位置することが好ましい。

いくつかの実施形態では、第１の反応ゾーン（Ｒ１）および第３の反応ゾーン（Ｒ３）は、単一の反応塔（単一の全体的な燃料反応塔）に収容される。その全体的な燃料反応塔は、並列レドックスループの固体酸素キャリア流を少なくとも部分的に隔離／分離するように構成することができる。この隔離は、各反応ゾーン（Ｒ１、Ｒ３）間に仕切りまたは隔壁を使用して実施することができる。ここで、第１の反応ゾーン（Ｒ１）と第３の反応ゾーン（Ｒ３）は、隔壁によって実質的に分離され、それによって、それぞれの反応ゾーン（Ｒ１、Ｒ３）内のそれぞれの固体酸素キャリアの流れが隔離される。隔壁は、第１の反応ゾーン（Ｒ１）と第３の反応ゾーン（Ｒ３）との相互接続部を含むように構成される。

最も単純な形態（たとえば、小規模反応塔）では、隔壁は、反応塔内の中央仕切りを備え、この仕切りは、Ｒ１とＲ３との間の内部混合を低減させ、その反応塔内に流路を形成する。この相互接続部は、反応ゾーン（Ｒ１およびＲ３）同士の間に開口または孔を備えることができ、または反応ゾーン（Ｒ１およびＲ３）同士をリンクする固体切換弁を備えることができる。

より大きい形態では、隔壁は、固体切換弁、たとえば内部ループシールゲートによって接続される中央仕切りを反応塔内に備えてもよく、内部ループシールゲートは、単一／共有燃料反応塔の第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第３の反応ゾーン（Ｒ３）への第１の固体酸素キャリアの制御された単方向の固体流を可能にする。それらの実施形態では、第１の反応ゾーンと第３の反応ゾーンとの相互接続部は、少なくとも２つの制御固体切換弁を備え、固体切換弁同士が隔壁の幅に沿って離隔されることが好ましい。

単一の分割燃料反応塔を使用すると、水素を連続的に生成するように並べられたコンパートメント型配置として反応塔を構成することができる。この小型コンパートメント型配置は、第３の反応ゾーン（Ｒ３）の吸熱反応を推進するように高温の固体（固体酸素キャリア）の交換を調整する１つまたは複数の固体切換弁を介して熱伝達の制御を可能にする。この配置は、酸素キャリアによる反応塔システムの様々な部分への熱流を効果的に管理するのを可能にし、第４の反応ゾーン（Ｒ４）内の水素の生成の制御を実現することができる。

燃料反応塔は、固体酸素キャリアおよび燃料の融合／反応を助け最適化するようにそれぞれの反応ゾーン内に配置された１つまたは複数の隔離板を含んでもよい。実施形態では、第１の反応ゾーン（Ｒ１）は、第１の固体酸素キャリアの第１の反応ゾーン（Ｒ１）内への供給点と第２の反応ゾーン（Ｒ２）への排出口との間の少なくとも２つの部分として第１の反応ゾーン（Ｒ１）を分割するための少なくとも１つの隔離板を含むことができる。同様に、第３の反応ゾーン（Ｒ３）は、第２の固体酸素キャリアの第３の反応ゾーン（Ｒ３）内への供給点と第４の反応ゾーン（Ｒ４）への排出口との間の少なくとも２つの部分として第３の反応ゾーン（Ｒ３）を分割するための少なくとも１つの隔離板を含むことができる。実施形態では、少なくとも１つの仕切りは１つまたは複数のバッフルを備える。仕切りは、それぞれの固体酸素キャリアの供給点と排出点との間の平均粒子経路長を延ばし、したがって、各反応ゾーン（Ｒ１、Ｒ３）内の固体酸素キャリアの滞留時間を延長し、反応物質の変換を向上させる。

第１の反応ゾーン内への第２の固体酸素キャリア再循環吸入口の位置は、その固体酸素キャリアを、第２の反応ゾーン（Ｒ２）に至る第１の反応ゾーン（Ｒ１）の流出ゾーンに直接送るかまたは流出ゾーンの非常に近くに送るような位置であることが好ましい。第４の反応ゾーン（Ｒ４）から生成される中間酸化状態（酸化形態）の第２の固体酸素キャリアは、固体酸素キャリアの位置の近くまたは固体酸素キャリアの位置に近接した第１の反応ゾーン（Ｒ１）に再循環され、第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第２の反応ゾーン（Ｒ２）に移送されることが好ましい。これによって、第２の固体酸素キャリアは、第１の固体酸素キャリアが同じ酸化状態（すなわち、中間酸化状態（酸化形態））である第１の反応ゾーン（Ｒ１）内のゾーン内に供給される。

完全酸化形態が最大酸化状態における第１の固体酸素キャリアを指すことを諒解されたい。これは一般に、第１の固体酸素キャリアが完全酸化形態に近づいているかまたは完全酸化形態であることを示す。第１の固体酸素キャリアおよび第２の固体酸素キャリアの酸化形態は、これらの固体酸素キャリアが完全酸化形態へのそれぞれに異なる酸化状態にあり、すなわち、関連する固体酸素キャリアの中間酸化／酸化状態にあることを示す。これは一般に、部分酸化状態である。同様に、第１の固体酸素キャリアまたは第２の酸素キャリアの還元形態は、その固体酸素キャリアが酸化形態および完全酸化形態への異なる酸化状態であることを示す。これは、それぞれの固体酸素キャリアの還元形態または部分還元形態であってもよい。

本発明のケミカルルーピングプロセスは一般に、燃料反応塔（第１の反応ゾーンおよび／または第２の反応ゾーン）内で１つまたは複数の燃料（気体、液体、または固体ベース）を同時に使用するように構成される。それぞれに異なる燃料は、相互交換可能にならびに／または組み合わせて使用されるようになっている。上記で指摘したように、キャリア活動はその酸化状態に応じて異なり、したがって、それぞれに異なる燃料は、特定の酸化状態に使用され、供給燃料（第１および第２の炭素質燃料）のより的を絞った使用が可能になる。第１の反応ゾーン内の固体酸素キャリアのレドックス電位は一般に、様々な炭素質燃料を使用するのを可能にする。第１の炭素質燃料は、固体、液体、または気体の炭素質燃料を含むことが好ましい。実施形態では、第１の炭素質燃料は、石炭、バイオマス、石油、または液体炭化水素もしくは気体炭化水素（たとえば、メタン、天然ガス、またはバイオガス、コーク炉ガスのような工業廃ガス）のうちの少なくとも１つから選択される。任意の気体燃料／炭化水素が他の還元ガス、たとえば、Ｈ_２、ＣＯ、合成ガスなどを含んでもよいことを諒解されたい。第３の反応ゾーン内に供給される燃料は一般に、上記よりも少し制限される。第２の炭素質燃料は、液体または気体の炭素質燃料を含むことが好ましい。実施形態では、第２の炭素質燃料は、液体（好ましくは液体）炭化水素または気体炭化水素（たとえば、Ｃ６よりも低い気体炭化水素、メタン、天然ガス、またはバイオガス、合成ガス、熱分解ガス、クラッカーガス、またはコーク炉ガスのような工業廃ガス）を含む。この場合も、任意の気体燃料／炭化水素が他の還元ガス、たとえば、Ｈ_２、ＣＯ、合成ガスなどを含んでもよいことを諒解されたい。

その場合、酸素キャリア還元のための最適燃料添加位置は、燃料タイプ、すなわち、気体、液体、もしくは固体、または組合せに基づく位置とすることができる。さらに、最適供給材料導入点は、供給材料タイプ（気体、液体、または固体）および供給材料組成（化学組成）－最適供給材料利用率、層内混入率、滞留時間に基づく点とすることができる。この設定では、第１の炭素質燃料および第２の炭素質燃料は、固体酸素キャリアのそれぞれの状態を有する並流で供給されることが好ましい。

第２のレドックスループ（ＳＲループ）からの水素生成および第１のレドックスループ（ＡＲループ）から生成されるプロセス熱の量の制御に他のプロセス要件が重要になることもある。

プロセスは加圧システムに拡張可能である。加圧は、同じ反応塔設置面積に対してプロセスの処理能力を高めるのを助ける。典型的なプロセス圧力は約２０バール～２５バールである。他の実施形態では、プロセス圧力は１０バール未満である。動作温度は、７５０℃よりも高く、好ましくは７５０～１０００℃の範囲であり、より好ましくは７５０～９５０℃の範囲であることが予想される。

上述のように、第１および第２の固体酸素キャリアは、炭素質燃料への酸素供与体（還元剤）および第４の反応ゾーン（Ｒ４）内の酸化剤または第２の反応ゾーン（Ｒ２）内の空気からの酸素からの酸素受容体（一般に蒸気の形態の水）として働く。固体を通じて交換される酸素は、化学的には「可逆的酸素」として定義され、以下では、放出されたときにはＣ．Ｏ．Ａ．（利用可能化学的酸素量）と示され、固体酸素キャリアによって得られたときはＣ．Ｏ．Ｄ．（化学的酸素要求量）と示される。本発明のケミカルルーピングプロセスにおいて利用できる固体酸素キャリアは、プロセスを実施可能にするためにいくつかの特性を満たすことが好ましい。これらの特性には、
（ｉ）炭化水素燃料などの炭素質燃料に対する高い反応性およびＣＯ_２への燃料変換に関する好ましい熱力学特性、
（ｉｉ）好ましい経済性を実現するためのレドックスサイクル中の高いレドックス安定性、
（ｉｉｉ）凝集および焼結に対する高い耐性、
（ｉｖ）Ｏ_２および蒸気に対する高い反応性、
（ｖ）流動条件の下での高い機械強度、
（ｖｉ）広いレドックス窓、
（ｖｉｉ）摩耗に対する高い機械強度および耐性、
（ｖｉｉｉ）より大きいＨ_２生成量に対する高い酸素貯蔵容量（または可逆的酸素量）、および
（ｉｘ）高いコークス耐性が含まれ得る。

プロセスは、互いに異なる第１の固体酸素キャリアと第２の固体酸素キャリアを用いて動作してもよいが、第１の固体酸素キャリアは第２の固体酸素キャリアと同じであることが好ましい。第１および第２の固体酸素キャリアは、好ましくは、少なくとも１つの多価金属ベース酸化物を含み、より好ましくは、少なくとも１つの多価金属酸化物または金属酸化物誘導体を含む。

第１の固体酸素キャリアおよび第２の固体酸素キャリアは、少なくとも１つのレドックス対を生成する少なくとも２つの異なる酸化状態を生じさせることができる任意の適切な元素を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の固体酸素キャリアおよび第２の固体酸素キャリアは、金属状態に加えて、少なくとも３つの異なる酸化状態を有し、したがって、少なくとも２つのレドックス対を酸化状態の順序に生成することができる元素からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。

少なくとも３つの異なる酸化状態を有するいくつかの金属酸化物および金属酸化物誘導体を選択することができる。実施形態では、第１および第２の固体酸素キャリアは、少なくとも１つのＦｅベース、Ｎｉベース、Ｗベース、Ｃｕベース、Ｃｅベース、またはＭｎベースの酸化物から選択される金属酸化物を含む。実施形態では、第１および第２の固体酸素キャリアは、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、ＳｎＯ_２、Ｎｉフェライト、（Ｚｎ， Ｍｎ）フェライト、およびＣｕフェライトから選択される金属酸化物を含む。他の例には、ペロブスカイト、合成酸化物、およびイルメナイトなどの自然発生鉱物が含まれる。鉄ベース酸化物固体酸素キャリアは一般的な活性金属酸化物である。好ましい実施形態では、固体酸素キャリアに含まれる金属元素は鉄である。鉄は、二元形態Ｆｅ_ｘＯ_ｙおよび／または三元形態Ｆｅ_ｘＺ_ｚＯ_ｙの固体酸素キャリアに存在することが好ましく、ここでｘ≧１、ｙ≧０、ｚ≧１であり、Ｚは、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｖ、およびＭｏからなる群から選択される少なくとも１つの元素である。それにもかかわらず、好ましい実施形態では、鉄酸化物が水素生成のためのプロセスで使用される固体酸素キャリアであることを諒解されたい。鉄ベース酸素キャリアは、水素生成用の最も一般的で、毒性が低く、低コストの候補であることがわかっている。

本発明の第２の態様は、水素を生成し二酸化炭素を共生成するためのケミカルルーピングシステムであって、
第１のレドックスループを備え、第１のレドックスループが、
最大酸化状態（完全酸化形態）の第１の固体酸素キャリアおよび第１の炭素質燃料が供給され、第１の固体酸素キャリアと第１の炭素質燃料が反応して燃焼生成物である二酸化炭素および水ならびにより低い酸化状態（還元形態）の第１の固体酸素キャリアを形成する第１の燃料反応塔と、
還元形態の第１の固体酸素キャリアおよび空気が供給され、第１の固体酸素キャリアの酸化から、熱、および第１の燃料反応塔（Ｒ１）に再循環される完全酸化形態の第１の固体酸素キャリアを得る空気反応塔とを備え、
ケミカルルーピングシステムが、第２のレドックスループをさらに備え、第２のレドックスループが、
中間酸化状態（酸化形態）の第２の固体酸素キャリアおよび第２の炭素質燃料が供給され、第２の固体酸素キャリアと第２の炭素質燃料が反応して燃焼生成物である二酸化炭素および水ならびにより低い酸化状態（還元形態）の第２の固体酸素キャリアを形成する第２の燃料反応塔と、
還元形態の第２の固体酸素キャリアおよび蒸気が供給され、第２の固体酸素キャリアと蒸気が反応して水素、および第２の燃料反応塔および／または第１の燃料反応塔に再循環される中間酸化状態（酸化形態）の第２の固体酸素キャリアを生成する蒸気反応塔とを備え、
第１の燃料反応塔および第２の燃料反応塔が、相互接続され、第１の固体酸素キャリアの少なくとも一部を第１の燃料反応塔から第２の燃料反応塔に移送するのを可能にするケミカルルーピングシステムを提供する。

この第２の態様は、２つの並列作動レドックスループを含むケミカルルーピングシステムを提供する。第１の態様と同様に、並列レドックスループは、２つの相互接続された燃料反応塔と２つの分離された酸化反応塔（空気反応塔および蒸気反応塔）を含む。各レドックスループの燃料反応塔間の相互接続部は、第１のレドックスループ（空気反応塔（ＡＲ）ループとも呼ばれる）からの少なくとも何らかの金属酸化物が第２のレドックスループ（蒸気反応塔（ＳＲ）ループとも呼ばれる）に流入するのを可能にする。この相互接続部は、第１の燃料反応塔（第１の反応ゾーン（Ｒ１）を含む）からの第１の固体酸素キャリアの一部を選択的に第２の燃料反応塔（第３の反応ゾーン（Ｒ３）を含む）に移送するように構成されることが好ましい。

第１の態様と同様に、空気反応塔は、第２の反応ゾーン（Ｒ２）を含み、蒸気反応塔は、第４の反応ゾーン（Ｒ４）を含む。固体酸素キャリア流の燃料反応塔（ならびに第１および第２の燃料反応塔のそれぞれの反応ゾーンＲ１およびＲ３）同士の相互接続および隔離を設計し操作することによって、供給材料タイプ、固体酸素キャリア循環、供給材料組成、および供給材料導入点に基づいて最適化された固体の選択的な移送および熱の選択的な伝達が可能になる。これによって、上記で第１の態様に関して説明したようにシステムを熱力学的に平衡させることが可能になる。

様々な相互接続構成を使用して第１の固体酸素キャリアを選択的に第１の燃料反応塔から第２の燃料反応塔に移送することができる。いくつかの実施形態では、第１の燃料反応塔と第２の燃料反応塔との相互接続部は、少なくとも１つの制御固体切換弁を備える。少なくとも２つの制御固体切換弁がある場合、各燃料反応塔内のそれぞれの反応ゾーンの幅に対して固体切換弁同士を離隔することができる。１つの固体切換弁は、少なくとも１つの非機械弁を備え、好ましくは、少なくとも１つのループシールゲートを備えてもよい。（限定はしないが）Ｌ字形弁、Ｊ字形弁、Ｖ字形弁、リバースシール弁、およびシールポット弁を含む、他の非機械弁も使用できることを諒解されたい。これらの弁の各々は、通気気体を使用して弁構成を介した固体流を可能にする。弁を介した流れは、通気気体の供給を停止させることによって停止させることができる。

他の実施形態では、第１の燃料反応塔と第２の燃料反応塔との相互接続部は、孔または開口を備える。

第１の燃料反応塔および第２の燃料反応塔は、物理的相互接続部、たとえば、固体流導管などを通してリンクされた２つの別個の反応塔として構成することができる。しかし、単一の共通の反応塔槽内に２つの反応塔（ならびに反応ゾーンＲ１およびＲ３）を形成することによって反応塔コスト（ＣＡＰＥＸ）を削減することができる。これらの実施形態では、第１の燃料反応塔および第２の燃料反応塔は、隔壁によって実質的に分離された単一の反応塔を備えてもよく、隔壁は、各燃料反応塔内のそれぞれの固体酸素キャリアの流れを隔離し、隔壁は、第１の燃料反応塔と第２の燃料反応塔との相互接続部を含む。上記のように、その相互接続部は、少なくとも１つの固体切換弁または少なくとも１つの開口もしくは孔であってもよい。第１の燃料反応塔と第２の燃料反応塔との相互接続部が少なくとも２つの制御固体切換弁を備える場合、固体切換弁同士が隔壁の幅に沿って離隔される。

上記で指摘したように、各燃料反応塔は、固体酸素キャリアおよび燃料の融合／反応を助け最適化するように反応塔内のそれぞれの反応ゾーン（Ｒ１およびＲ３）内に配置された１つまたは複数の隔離板を含んでもよい。実施形態では、第１の燃料反応塔は、反応ゾーンを含むことができ、この反応ゾーンは、第１の固体酸素キャリアの反応ゾーン内への供給点と空気反応塔への排出口との間の少なくとも２つの部分として反応ゾーンを分割するための少なくとも１つの隔離板を含むことができる。同様に、実施形態では、第２の燃料反応塔は、反応ゾーンを含むことができ、この反応ゾーンは、第２の固体酸素キャリアの反応ゾーン内への供給点と蒸気反応塔への排出口との間の少なくとも２つの部分として反応ゾーンを分割するための少なくとも１つの仕切りを含むことができる。少なくとも１つの仕切りは１つまたは複数のバッフルを備えることが好ましい。

隔離板またはバッフルの配置は、金属酸化物と適切な酸化状態の燃料との混合および接触時間／滞留時間を最大にするように設計されることが好ましい。いくつかの実施形態では、バッフルは、反応ゾーンの外周から、内側に反応ゾーンの反対側に向かって、反応ゾーンの幅の少なくとも１／３、好ましくは少なくとも１／２まで延びる少なくとも１つの分割部材を備える。バッフルは、第１の分割部材からある角度に、反応ゾーン内の固体酸素キャリアの粒子流方向に実質的に沿って延びる第２の分割部材を含むことができる。バッフルは、反応ゾーンの外周から反応ゾーン内に延びる実質的にＬ字形のバリアを備える。しかし、他の隔離板配置を使用できることを諒解されたい。

反応塔は、それぞれに異なる燃料（固体、液体、気体）を使用するように構成されることが好ましく、これらは、反応塔のその部分における金属酸化物の還元電位に対応するそれぞれに異なる供給位置に供給される。それぞれに異なる燃料タイプ（固体、液体、または気体）は、流動層へのそれぞれに異なる導入／供給方法を必要とし、層に導入されるときに異なるように相互作用する。したがって、反応塔は、特定の燃料タイプを考慮して設計される。複数の供給材料タイプを供給し、供給材料タイプの組合せ（および供給材料組成）に基づいて供給位置を指定できることは、固体金属酸化物と燃料を効率的に相互作用させて反応効率を確保するうえでも、燃料反応塔およびＣＬＨ２システム全体の熱管理のうえでも重要である。いくつかの燃料供給点および好ましい異なる供給材料タイプがある場合、酸素キャリアの酸化状態およびそれぞれに異なる燃料の反応速度を考慮して燃料注入の重要な位置を判定することが好ましい。遷移金属酸化物は、異なる状態において異なる還元可能性を有する。それぞれに異なる燃料タイプを使用すると、還元度を最適化することができ、したがって、水素生成量が最大になる。たとえば、Ｆｅ_２Ｏ_３→Ｆｅ_３Ｏ_４は、Ｆｅ_３Ｏ_４ →ＦｅＯよりも容易である。より容易な還元ステップでは、固体燃料を使用することができるが、Ｆｅ_３Ｏ_４→ＦｅＯのようなより困難な還元ステップでは、固体燃料形態よりも強力な還元剤である気体燃料が使用される。

実施形態では、第１の炭素質燃料は、固体酸素キャリアが空気反応塔から第１の燃料反応塔内に供給される位置に近いかまたは近接した位置で第１の燃料反応塔内に供給される。実施形態では、第２の燃料反応塔は、第２の固体酸素キャリアが蒸気反応塔から第２の燃料反応塔内に供給される位置に近いかまたは近接した位置に液体燃料用の液体供給材料吸入口を含む。現在の燃料供給構成は以下のように（固体、液体、および気体）行われるが、理論上、気体燃料はすべてのゾーンにおいて固体から蒸気反応塔の直前に導入されることに留意されたい。

実施形態では、中間酸化状態（酸化形態）で蒸気反応塔に使用される第２の固体酸素キャリアは、固体酸素キャリアが第１の燃料反応塔から空気反応塔に移送される位置に近いかまたは近接する位置において第１の燃料反応塔に再循環されることが好ましい。

この場合も第１の固体酸素キャリアおよび第２の固体酸素キャリアは、少なくとも１つのレドックス対を生成する少なくとも２つの異なる酸化状態を生じさせることができる任意の適切な元素を含むことができる。第１および第２の固体酸素キャリアは、好ましくは、少なくとも１つの多価金属ベース酸化物を含み、より好ましくは、少なくとも１つの多価金属酸化物または金属酸化物誘導体を含むことが好ましい。第１の実施形態に関して教示したように、第１の固体酸素キャリアおよび第２の固体酸素キャリアは、金属状態に加えて、少なくとも３つの異なる酸化状態を有し、したがって、少なくとも２つのレドックス対を酸化状態の順序に生成することができる元素からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。少なくとも３つの異なる酸化状態を有するいくつかの金属酸化物および金属酸化物誘導体を選択することができる。実施形態では、第１および第２の固体酸素キャリアは、少なくとも１つのＦｅベース、Ｎｉベース、Ｗベース、Ｃｕベース、Ｃｅベース、またはＭｎベース酸化物から選択される金属酸化物を含む。いくつかの実施形態では、第１および第２の固体酸素キャリアは、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、ＳｎＯ_２、Ｎｉフェライト、（Ｚｎ， Ｍｎ）フェライト、Ｃｕフェライト、およびＣｅベース酸化物から選択される金属酸化物を含む。他の例には、ペロブスカイト、合成酸化物、およびイルメナイトなどの自然発生鉱物が含まれる。鉄ベース酸化物固体酸素キャリアは一般的な活性金属酸化物である。したがって、好ましい実施形態では、固体酸素キャリアに含まれる金属元素は鉄である。鉄は、二元形態Ｆｅ_ｘＯ_ｙおよび／または三元形態Ｆｅ_ｘＺ_ｚＯ_ｙの固体酸素キャリアに存在することが好ましく、ここでｘ≧１、ｙ≧０、ｚ≧１であり、Ｚは、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｖ、およびＭｏからなる群から選択される少なくとも１つの元素である。それにもかかわらず、鉄酸化物が、水素生成のための望ましい固体酸素キャリアであると判定されることを諒解されたい。鉄ベース酸素キャリアは、水素生成用の最も一般的で、低コストで、毒性が低い候補であることがわかっている。レドックスの間の反応性および安定性は、異なる反応塔タイプにおいて調査されている。システムは、互いに異なる第１の固体酸素キャリアと第２の固体酸素キャリアを用いて動作してもよいが、第１の固体酸素キャリアは第２の固体酸素キャリアと同じであることが好ましい。

本発明のシステムは、いくつかのさらなるプロセスステップまたは槽を含むことができる。実施形態では、システムは、完全酸化形態の第１の固体酸素キャリアが第１の燃料反応塔内に供給される前に第１の固体酸素キャリアから気体を分離するための少なくとも１つのサイクロンを空気反応塔と第１の燃料反応塔との間に含む。同様に、酸化形態の第２の固体酸素キャリアが第２の燃料反応塔または第１の燃料反応塔内に供給される前に第２の固体酸素キャリアから気体を分離するために少なくとも１つのサイクロンが蒸気反応塔と第１の燃料反応塔との間に含まれる。

様々な反応塔は、反応塔同士をリンクする流体接続部における１つまたは複数のさらなる非機械弁位置を使用して分離および／または隔絶されることが好ましい。いくつかの実施形態では、システムは、各々の第１の燃料反応塔と空気反応塔との間の吸入口および排出口接続部の各接続部上ならびに各々の第２の燃料反応塔と蒸気反応塔との間の吸入口および排出口接続部の各接続部上に少なくとも１つの非機械弁、好ましくは少なくとも１つのループシールゲートをさらに備える。非機械ゲートは、固体酸素キャリアが確実に反応塔同士の間を（たとえば、第１の燃料反応塔から空気反応塔に）一方向に移動するように設計され、逆方向への固体の移動を最小限に抑えるかまたは無くし、また、このような交差部における移送速度を制御するのに十分な設計が施される。非機械ゲートはまた、燃料の一方のセグメントから他方のセグメントへまたは一方の反応塔から別の反応塔へ、たとえば、第１の燃料反応塔から空気反応塔へのガス汚染を最小限に抑えるように設計することができる。

燃料反応塔、空気反応塔、および蒸気反応塔は、固体－気体、固体－液体、固体－固体混合および反応向けに構成された任意の適切な処理槽を備えることができる。実施形態では、第１の燃料反応塔および第２の燃料反応塔は流動層反応塔を備える。実施形態では、空気反応塔は、流動層反応塔または上昇管を備える。上昇管には、空気および酸化された固体酸素キャリアが並流で供給される。実施形態では、蒸気反応塔は流動層反応塔を備える。

本発明が、外部ループシールを使用して爆発性混合ガスを隔絶することによってプロセス安全性を向上させることも諒解されたい。

本発明のケミカルルーピングシステムは、特に以下の領域のうちの少なくとも１つに適用される。
－ 水素生成
－ 電力生成
－ 二酸化炭素生成
－ 窒素生成
－ アンモニア生成（触媒の存在下でのＮ_２とＨ_２の組合せ）

次に、本発明について添付の図面を参照しながら説明する。図面は、本発明の特定の好ましい実施形態を示す。

反応塔が直列配置で動作するように構成されたＨ_２生成のための従来技術のＣＬシステムのプロセスフロー図である。 反応塔が並列配置で動作するように構成された本発明によるＣＬＨ２システムの第１の実施装形態のプロセスフロー図である。 小規模用途向けの並列動作およびたとえば最大５バールの中動作圧における本発明によるＣＬＨ２システムの第２の実施形態のプロセス概略図である。 大規模処理向けに構成された並列動作およびたとえば最大２０バールの高動作圧における本発明によるＣＬＨ２システムの第３の実施形態を示す図であり、（ａ）は、プロセス概略平面図であり、（ｂ）はプロセス概略側面図である。 （ａ）ループシールゲート（ＬＳ）が２つの反応塔チャンバを分離する本発明の一実施形態によるケミカルルーピング燃料反応塔の概略図、（ｂ）２次元ＣＦＤモデリングにおいて調べられた（ａ）に示す燃料反応塔の寸法を示す図である。 図５に示すモデル化された燃料反応塔構成におけるシミュレートされた酸素キャリア移送現象の結果を示す図である。 図５に示すモデル化された燃料反応塔設計のループシールゲートに出入りする固体質量流束の１秒移動平均を示すプロットである。 ａ）平面図およびｂ）３Ｄ等角図（４分の１セグメント）を示す本発明の一実施形態による３次元反応塔モデルの配置および形状を示す図である。 図８に示すモデルによる提案された多重ループシール手法を介した酸素キャリアの移送および混合現象を示す図である。 酸素キャリアの流れ、供給材料および生成物流を示す本発明の一実施形態によるＣＬＨ２反応塔配置を示す図である。 ４つの選択されたシナリオに関して図１０に示す提案されたＣＬＨ２の温度プロファイルを示すプロットである。 シナリオ１に関してシミュレートされた図１０に示すＣＬＨ２反応塔の燃料反応塔における鉄種／相の変化を示すプロットである。

本発明は、具体的には複数の種類の燃料（相互交換可能または組合せ）から水素を生成し、一方、濃縮ＣＯ２流を生成することを目的とした反応塔構成を含むケミカルルーピング（ＣＬ）プロセスおよびシステムを提供する。本発明のプロセスおよびシステムは、ベンチ規模（たとえば、図３）から商業／工業規模運用（たとえば、図４）の用途を有する。

ケミカルルーピングシステム
水素を生成するためのＣＬＨ２システムは、水素および二酸化炭素／プロセス熱を生成するために使用される３つの基本反応塔、すなわち、
－ 還元条件下で動作する燃料反応塔（ＦＲ）、還元条件では、固体酸素キャリア粒子（一般に、上述のような金属酸化物）がＦＲ内に供給される燃料によって還元される。燃料は、酸化されてＣＯ_２およびＨ_２Ｏになる。
－ 酸化条件下で動作する空気反応塔（ＡＲ）、酸化条件では、固体酸素キャリア粒子が、大気からの気体酸素によって酸化される。この反応は発熱反応であり、したがって、熱を発生させる。余分なＡＲ熱負荷を使用して蒸気を発生させることができ、スチームタービンおよび／またはＡＲオフガスの膨張を介して電気を発生させることができる。
－ 同じく部分酸化条件下で動作する蒸気反応塔（ＳＲ）、部分酸化条件では、固体酸素キャリア粒子が蒸気（すなわち、蒸気の形態の水）によって酸化され、水素を生成する。

この３つの反応塔は、直列配置または並列配置に構成することができる。

直列ケミカルルーピングプロセス
直列配置の一例を図１に示す（従来技術配置）。この直列システム１００は、ＦＲ１１０、ＡＲ１２０、およびＳＲ１３０の各々を単一のレドックスループ内に配置している。「背景技術」において説明したように、ＦＲ１１０は、固体酸素キャリアを部分的に還元するために使用され、還元された固体酸素キャリアは、ＳＲ１３０内で蒸気によって酸化され、格子酸素を回収し、同時に水素１４０を生成する。ＡＲ１２０は次いで、格子酸素を完全に回収するために使用される。全体的なプロセスは発熱反応を生じる。

並列ＣＬＨ２プロセス
本発明のＣＬＨ２システムは並列プロセスである。図２に示すように、並列プロセス２００は、ＡＲ２２０に接続された第１のＦＲ２１０を含む第１のレドックスループ２０２と、ＳＲ２３０に接続された第２のＦＲ２１１を備える第２のレドックスループ２０４とを備える２つの並列レドックスループ２０２および２０４を含む。これらのレドックスループ２０２および２０４は、並列に動作し、各レドックスループ２０２、２０４のＦＲ２１０、２１１は、固体移送接続部２４０を通して相互作用する。図３～図５は、本発明による並列動作に基づくＣＬＨ２プロセスおよびシステムの他の例を示す。

図２は、本発明の第１の実施形態による並列ＣＬＨ２プロセスおよびシステム２００の基本プロセスフロー図を示す。

まず、ＡＲループ（第１のレドックスループ）２０２を参照する。このループでは、ＦＲ１ ２１０は、第１の反応ゾーン（Ｒ１）を含み、第１の反応ゾーン（Ｒ１）には、炭素質燃料２５１（固体、液体、または気体）および第１の固体酸素キャリアがその最大酸化状態（完全酸化形態、すなわち、完全酸化形態に近づいているかまたは完全酸化形態である）で供給される。気体燃料はまた、一般に、ＦＲ１ ２１０の底部に位置する吸入口２５１Ａに供給され、ＦＲ１ ２１０内の固形分に対する流動ガスを供給する。気体燃料に加えて、ＦＲ１ ２１０内で再循環されるＣＯ_２およびＦＲ２ ２１１からのＣＯ_２によって流動化を助けることができる。燃焼生成物である二酸化炭素および水が形成され、反応塔の頂部の排出口２５３から流出する。第１の固体酸素キャリアは、より低い酸化状態（還元形態）に還元され、固体排出口２５４においてＦＲ１ ２１０から流出する。還元形態の第１の固体酸素キャリアは、固体搬送手段（コンベア、上昇管、流動システムなど）を使用してＡＲ２２０の第２の反応ゾーン（Ｒ２）内に供給される。第２の反応ゾーン（Ｒ２）には、吸入口２５６から空気も供給される。第２の反応ゾーン（Ｒ２）において、第１の固体酸素キャリアは完全酸化形態に酸化され、そこから吸入口２５２を介して第１の反応ゾーン（Ｒ１）に再循環される。ＡＲ２２０はまた、熱および低酸素気体流２６０（劣悪な空気）を生成し、低酸素気体流２６０は、サイクロンまたは他の分離機２５９を使用して第１の固体酸素キャリアから分離される。燃料源としてメタンを使用する場合、以下のようにレドックス反応を生じさせることができる（以下に固体酸素キャリアの節でさらに説明する）。
燃料反応塔還元： Ｍ_ｘＯ_ｙ ＋ （δ_１＋δ_２）ＣＨ_４ ＝ Ｍ_ｘＯ_{ｙ－δ１－δ２} ＋ （δ_１＋δ_２）（２Ｈ_２＋ＣＯ） （６）
空気反応塔還元： Ｍ_ｘＯ_{ｙ－δ１－δ２} ＋ （δ_１＋δ_２／２）Ｏ_２ ＝ Ｍ_ｘＯ_ｙ （７）

ＳＲループ（第２のレドックスループ）２０４では、中間酸化状態（酸化形態）の第２の固体酸素キャリアが、吸入口２６１を介して第３の反応ゾーン（Ｒ３）に供給される。第３の反応ゾーン（Ｒ３）には、第２の炭素質燃料も吸入口２６２（気体燃料）および／または吸入口２６３（軽液体燃料）も供給される。Ｒ３では、第２の炭素質燃料が第２の固体酸素キャリアと反応して燃焼生成物である二酸化炭素および水が形成され、燃焼生成物である二酸化炭素および水は、反応塔の頂部において排出口２５８から流出する。第２の固体酸素キャリアはより低い酸化状態（還元形態）に還元され、固体搬送手段（コンベア、上昇管、流動システムなど）を使用してＳＲ２３０の第４の反応ゾーン（Ｒ４）内に供給される。一般に蒸気の形態の水も吸入口２６６からＲ４内に供給される。蒸気は、還元形態の固体酸素キャリアと反応し、頂部排出口２４１から流出する水素と、吸入口２６１を介してＦＲ２（第３の反応ゾーン（Ｒ３））に再循環されるかまたは吸入口２６５を介してＦＲ１（第１の反応ゾーン（Ｒ１））に再循環される（ＦＲ１およびＦＲ２との［Ａ］接続によって示されるように再循環される）中間酸化状態（酸化形態）の固体酸素キャリアとを生成する。サイクロン２６９は、固体酸素キャリアと水素生成物を分離するために使用される（すべての蒸気が反応によって消費されると仮定する。したがって、サイクロンまたはその他の部分で流れが凝縮されることはない）。燃料源としてメタンなどの気体燃料を使用する場合、以下のようにレドックス反応を生じさせることができる（以下に固体酸素キャリアの節でさらに説明する）。
燃料反応塔還元： Ｍ_ｘＯ_ｙ－δ１ ＋δ_２ＣＨ_４ ＝ Ｍ_ｘＯ_{ｙ－δ１－δ２}＋δ_２（２Ｈ_２＋ＣＯ） （８）
蒸気反応塔酸化： Ｍ_ｘＯ_{ｙ－δ１－δ２} ＋δ_２Ｈ_２Ｏ ＝ Ｍ_ｘＯ_ｙ－δ１ ＋δ_２Ｈ_２ （９）

燃料反応塔ＦＲ１ ２１０およびＦＲ２ ２１１は、ＦＲ１ ２１０からの少なくとも一部の固体酸素キャリアがＦＲ２ ２１１に流入するのを可能にする相互接続部を含む。この相互接続部は、以下に詳細に説明するように様々な形態をとることができる。

図２に示すように、ＦＲ１ ２１０、ＦＲ２ ２１１、ＡＲ２２０、およびＳＲ２３０のそれぞれの反応ゾーンＲ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４における気体環境は、固体切換弁、好ましくはループシール構成２４０、２７０、２７１、および２７３を使用して隔絶される。

固体酸素キャリア
第１の固体酸素キャリアおよび第２の固体酸素キャリアは、少なくとも１つのレドックス対を生成する少なくとも２つの異なる酸化状態を生じさせることのできる任意の適切な元素を含むことができる。第１および第２の固体酸素キャリアは、好ましくは、少なくとも１つの多価金属ベース酸化物を含み、より好ましくは、少なくとも１つの多価金属酸化物または金属酸化物誘導体を含むことが好ましい。好ましい実施形態では、第１および第２の固体酸素キャリアとして使用することのできる固体は、少なくとも３つの異なる酸化状態を有する元素から選択される少なくとも１つの元素を含む固体であり、これらの固体は、反応条件下で安定し、酸素含有量と、循環的に最大還元形態から最大酸化形態に変化し、かつ最大酸化形態から最大還元形態に変化することができる点が異なる。必須ではないが、第１の固体酸素キャリアと第２の固体酸素キャリアが同じ金属酸化物または金属酸化物誘導体であることが好ましいことに留意されたい。

上記の特性を有し、すなわち、金属状態に加え、少なくとも３つの異なる酸化状態、好ましくは３つの状態を有し、酸化状態の順序で少なくとも２つのレドックス対、好ましくは２つの対を生成することのできる１つまたは複数の元素を含む固体を使用することができ、そのまま導入するか、またはレドックス反応が生じない他の元素と混合して導入することができ、このように得られた反応相は、そのまま使用するか、あるいは適切に分散させるかまたはシリカ、アルミナ、もしくはマグネシウム、カルシウム、セリウム、ジルコニウム、チタン、もしくはランタンの酸化物などの他の純粋な酸化物、さらにそれらの混合物などの化合物上に支持することができる。

少なくとも３つの異なる酸化状態を有する固体のうちで、鉄は、特に有利であることが証明されており、二元形態Ｆｅ_ｘＯ_ｙおよび／または三元形態Ｆｅ_ｘＺ_ｚＯ_ｙで固体中に存在することができ、ここでｘ≧１、ｙ≧０、ｚ≧１であり、Ｚは、少なくともＮｉ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｖ、およびＭｏからなる群から選択される元素である。好ましい形態では、固体酸素キャリアは鉄酸化物を含む。この実施形態では、各反応塔において、酸素キャリアは、たとえば、以下の平衡反応に表されるように燃料、空気、または蒸気と反応する。
燃料反応塔ＦＲ１ ２１０、ＦＲ２ ２１１
Ｃ_ｘＨ_ｙ ＋ ３Ｆｅ_２Ｏ_３ ＝ ｘＣＯ_２ ＋ ｙＨ_２Ｏ ＋ ２Ｆｅ_３Ｏ_４ （１０）
Ｃ_ｘＨ_ｙ ＋ Ｆｅ_３Ｏ_４ ＝ ｘＣＯ_２ ＋ ｙＨ_２Ｏ ＋ ３ＦｅＯ （１１）
Ｃ_ｘＨ_ｙ ＋ ＦｅＯ ＝ ｘＣＯ_２ ＋ ｙＨ_２Ｏ ＋ Ｆｅ （１２）
空気反応塔ＡＲ２２０
１／２Ｏ_２ ＋ Ｎ_２ ＋ ２Ｆｅ_３Ｏ_４ ＝ Ｎ_２ ＋ ３Ｆｅ_２Ｏ_３ （１３）
蒸気反応塔ＳＲ２３０
Ｈ_２Ｏ ＋ Ｆｅ ＝ Ｈ_２ ＋ ＦｅＯ （１４）
Ｈ_２Ｏ ＋ ３ＦｅＯ ＝ Ｈ_２ ＋ Ｆｅ_３Ｏ_４ （１５）
第３の反応ゾーン（Ｒ３）において、少なくとも３つの異なる酸化状態を有する元素から選択される元素は（すなわち、第２の固体酸素キャリアの元素）は任意に、Ｒ４における酸化ステップでは、熱力学的制限に起因して多数の三元形態の格子酸素を完全に回収することができず、それによって、元素の変換が不完全になることによる２つの相からなることがある。元素が鉄であるとき、２つの相は、ＦｅＯおよびＦｅ_３Ｏ_４である。したがって、反応（１１）および（１２）は一般に、ＦＲ２ ２１１の第３の反応ゾーン（Ｒ３）内で生じる（図２）。

反応１０は、ＦＲ１ ２１０の第１の反応ゾーン（Ｒ１）内で生じる。このことが、ＡＲループ２０２全体が発熱反応を生じることと相まって、このループは、固体酸素キャリアを使用してＦＲ反応ゾーン（Ｒ１～Ｒ３）間でエネルギー（熱エネルギー）を伝達することによって（吸熱反応を生じる）ＳＲループ２０４に熱的支援を施すことが可能になる。

反応塔の観点からすると、ＡＲループ２０２とＳＲループ２０４との間の熱的支援には、それぞれ、たとえばループシールゲートを使用してＦＲ１ ２１０およびＦＲ２ ２１１のそれぞれのＦＲ反応ゾーンＲ１およびＲ３からの固体酸素キャリアの選択的な物質移動によって影響を与えることができる（図４について説明するシステムに関しては以下を参照されたい）。移送される固体酸素キャリアの量は、ＡＲ反応塔２２０およびＳＲ反応塔２３０および様々な反応温度における反応システムの全体的な熱収支と、各反応塔２１０、２１１、２２０、および２３０上の熱平衡によって決定される。

固体（高温の金属酸化物）の移送は、第１の反応ゾーン（ＡＲループ上のＲ１）から第３の反応ゾーン（ＳＲループ上のＲ３）への熱伝達を制御して２つの並列レドックスループ２０２および２０４間の熱統合を実現するように制御される。この目的は、ＳＲループ２０４（ＳＲはわずかな発熱反応を生じ、ＦＲ２は吸熱反応－全体的な吸熱反応を生じる）、具体的にはＲ３（２１１）における吸熱性の熱要件を満たすのに十分なエネルギーを供給することである（反応（１１）および（１２）を参照）。ここで、ＡＲループ２０２は、ＳＲループ２０４と比較してはるかに多い熱を発生させる（高度な発熱反応を生じる反応塔である）。

本発明の並列設計は、（生成物としての）水素と熱の生成を分離するのを可能にし、すなわち、需要の変化に応じて、ＳＲループ２０４からの水素生成量を増減させることができ、それに応じて、ＡＲループ２０２から生成されるプロセス加熱の量を一定にするか、または増減させることができる。

第１および第３の反応ゾーン（Ｒ１、Ｒ３）を含む燃料反応塔２１０および２１１は、従来技術による流動層反応塔として実装することができる。他の実施形態では、第１および第３の反応ゾーン（それぞれＲ１およびＲ３）を含む燃料反応塔２１０および２１１は、従来技術による移動層反応塔として実装することができる。

第２の反応ゾーン（Ｒ２）を含む空気反応塔２２０は、気体および固体を上昇管への並流において供給し、その後、この固体をプロセスの第１の相に、好ましくは空気搬送により再投入することによって動作することができる。他の実施形態では、流動層反応塔または移送反応塔を従来技術に従って使用することができる。

第４の反応ゾーン（Ｒ４）を収容する蒸気反応塔２３０は、従来技術による流動層反応塔として実装することができる。他の実施形態では、蒸気反応塔２３０は、マルチステップ反応塔を備えることができ、温度が、反応の熱力学特性および動力学特性に基づいて選択され、蒸気（酸化剤）が連続的に上昇流で供給され、固体酸素キャリアＭｅ_ｘＺ_ｚＯ_ｙ（還元剤）が下降流で供給され、還元酸化物と蒸気のモル比が、反応の化学量論において１以下とし、好ましくは１未満とする（過剰酸化剤）ことができ、Ｈ_２および蒸気の流れが上から連続的に除去され、一方、Ｍｅ_ｘＺ_ｚＯ_{（ｙ＋１）}の流れが下から除去され、第３の反応ゾーン（Ｒ３）または第１の反応ゾーン（Ｒ１）に再循環させることができる。

流動層反応塔を従来技術に従って使用する場合、その流動層反応塔には、機能が固体の移動を案内し、したがって、固体と気体の間の酸素交換を向上させることである仕切りを備えることができる。気体および固体の流動特性に応じて様々な種類の仕切りを使用することができる（たとえば、多孔板、シェブロン）。

燃料反応塔設計
図２に示す燃料反応塔ＦＲ１およびＦＲ２は、いくつかの構成を有することができる。図２に示すように、それらの反応塔２１０および２１１を別々に組み立てることができる。しかし、図３および図４に示すように、燃料反応塔ＦＲ１およびＦＲ２の各々ならびにそれぞれの反応ゾーンＲ１およびＲ３を単一の燃料反応塔３１０、４１０全体に収容することもできる。その燃料反応塔３１０、４１０全体を並列レドックスループの金属酸化物流を少なくとも部分的に隔離／分離するように構成することができる。

図３は、最も単純な形態（たとえば、小規模反応塔）の本発明のシステム３００を示し、この場合、すべての４つの反応ゾーンＲ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４が小型反応塔内に収容される。このシステムが、図２に示すシステム２００と同様な構成要素を有し、したがって、同じ構成要素用の参照番号が、システム２００と同じ参照番号に１００を足した番号であることを諒解されたい。この実施形態では、中央燃料反応塔３１０は、反応ゾーンＲ１と反応ゾーンＲ３を分離する中央隔壁３１２を有する分割チャンバを備える。隔壁３１２は、第１の反応ゾーンＲ１に進入する固体酸素キャリア用の再循環吸入口３５２と、第３の反応ゾーンＲ３の固体酸素キャリア排出口との間に配置される。隔壁３１２は、両方の反応ゾーン内の固体流量ＳＦ１を最大にするように配置される。隔壁は、逆流および迂回流を低減させ、ＦＲ３１０内に示す矢印の方向に燃料反応塔３１０内の固体酸素キャリア用の流路を形成する。したがって、燃料反応塔３１０および隔壁３１２は、反応ゾーンＲ１～Ｒ２内の流路ＳＦ１に沿った反応物質の内部循環を容易にする内部構成を形成する。この実施形態では、反応ゾーンＲ１と反応ゾーンＲ３との相互接続部は、開口または孔３１５を備える。反応ゾーンＲ１およびＲ３における気体環境は、固体切換弁、好ましくはループシール（ＬＳ）構成３７０、３７１、３７２、および２７３を使用して反応ゾーンＲ２およびＲ４から隔絶される。全体的な配置は、ＦＲ３１０、ＡＲ３２０、およびＳＲ３３０を単一の小型反応塔ハウジング内に収容するのを可能にする。

図４は、大規模プロセス用のシステム４００の構成を提示する。このシステムが、図２に示すシステム２００と同様な構成要素を有し、したがって、同じ構成要素用の参照番号が、システム２００と同じ参照番号に２００を足した番号であることを諒解されたい。この実施形態では、中央隔壁４１２が、隔壁４１２の幅に沿って離隔されたいくつかの固体切換弁４１８を含む単一の燃料反応塔４１０内に位置する。隔壁４１２は、単一の燃料反応塔（ＦＲ）４１０を２つの隔離された燃料反応塔、すなわち、第１の反応ゾーン（Ｒ１）を含む燃料反応塔ＦＲ１ ４１０Ａおよび第３の反応ゾーン（Ｒ３）を含む燃料反応塔ＦＲ２ ４１１として分割する。図示の実施形態では、固体切換弁４１８は、単一の燃料反応塔４１０の第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第３の反応ゾーン（Ｒ３）への第１の固体酸素キャリアの制御された単方向固体流を可能にする内部ループシールゲートを備える。上述のように、固体切換弁４１８を介した固体（高温の固体酸素キャリア）の移送は、第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第３の反応ゾーン（Ｒ３）への熱伝達を制御して２つの並列レドックスループ間の熱統合を実現するように制御される。この目的は、ＳＲループ、具体的にはＲ３の吸熱反応の熱要件を満たすのに十分なエネルギーを供給することである。

図示の燃料反応塔４１０は、各反応ゾーンＲ１、Ｒ３内に概ねＬ字形の２つの隔離板またはバッフル４２５を含む。バッフル４２５は第１の分割部材４２６を備え、第１の分割部材４２６は、反応ゾーンＲ１またはＲ３の外周から内側に反応ゾーンＲ１またはＲ３の反対側に向かって反応ゾーンＲ１またはＲ３の幅の少なくとも１／３、好ましくは少なくとも１／２まで延びる。バッフル４２５は、第１の分割部材４２６からある角度に、反応ゾーン内の固体酸素キャリアの粒子流方向に実質的に沿って延びる第２の分割部材４２７を含むことができる。他の隔離板配置を使用できることを諒解されたい。

バッフル４２５は、反応ゾーンＲ１、Ｒ３内への固体酸素キャリアの供給点とそれぞれのＡＲ４２０またはＳＲ４３０への流出点との間の少なくとも２つの部分に反応ゾーンを分割し、点線の流路Ｐ１およびＰ２によって示すように反応ゾーンＲ１およびＲ３内の反応物質の流れの方向を定める。バッフル４２５は、供給点（Ｒ１の４５１、４５２、４６５およびＲ３の４６１、４６２、４６３）とそれぞれの固体酸素キャリアの排出口（Ｒ１の４５４およびＲ３の４６４）との間の平均粒子経路長を大きくし、したがって、各反応ゾーンＲ１、Ｒ３内の固体酸素キャリアの滞留時間を延ばし、反応物質の変換を向上させることによって、固体酸素キャリアおよび燃料の融合／反応を助け最適化する。

炭素質燃料
本発明のケミカルルーピング水素プロセスの燃料反応塔２１０、２１１、３１０、４１０は、１つまたは複数の種類の燃料（気体、液体、または固体ベース）を組み合わせるかまたは交換可能に使用するように構成される。図２に示すように、第１の炭素質燃料は、固体、液体、または気体の炭素質燃料、たとえば、石炭、バイオマス、石油、または液体もしくは気体の炭化水素（任意の気体または気化燃料、たとえば、メタンまたは天然ガス、ＬＰＧ、もしくは（廃棄）燃料ガス）を含むことが好ましい。第３の反応ゾーンＲ３内に供給される燃料は一般に、上記よりも少し制限される。第２の炭素質燃料は、液体炭化水素または気体炭化水素（この場合も、任意の気体または気化燃料、たとえば、メタンまたは天然ガス、ＬＰＧ、もしくは（廃棄）燃料ガス）などの液体または気体の炭素質燃料を含むことが好ましい。任意の気体燃料／炭化水素は、他の還元性ガス、たとえばＨ_２、ＣＯ、合成ガスなどを含んでもよいことを諒解されたい。

それぞれに異なる燃料タイプ（固体、液体、または気体）は、流動層へのそれぞれに異なる導入／供給方法を必要とし、層に導入されるときにそれぞれに異なるように相互作用する。

図４に示すように、第１の炭素質燃料（固体、液体、または気体）は、固体酸素キャリアが空気反応塔（ＡＲ）４２０から第１の反応ゾーン（Ｒ１）内に供給される位置４５２に近いかまたは近接する位置４５１において第１の燃料反応塔ＦＲ１の第１の反応ゾーン（Ｒ１）内に供給される。同様に、第２の燃料反応塔ＦＲ２は、固体酸素キャリアが蒸気反応塔（ＳＲ）４３０から第２の燃料反応塔（ＦＲ２）内に供給される位置４６１に近いかまたは近接する位置に液体燃料用の液体供給材料吸入口４６３を含む。第２の燃料反応塔ＦＲ２はまた、燃料反応塔の基部に位置する気体燃料用の気体供給材料吸入口４６２を含む（図４（ｂ））。

最後に、図４から、第１の反応ゾーン（Ｒ１）への第２の固体酸素キャリア再循環吸入口４６５の位置が、第１の反応ゾーン（Ｒ１）から第２の反応ゾーン（Ｒ２）に移送される固体酸素キャリアの排出口４５４のすぐ近くまたは非常に近くにその固体酸素キャリアを供給するように配置されることがわかる。これによって、供給された第２の固体酸素キャリアは、第１の固体酸素キャリアが同じ酸化状態（すなわち、中間酸化状態（酸化形態））にある第１の反応ゾーン（Ｒ１）内のゾーンに送り込まれる。

利点
本発明の範囲を制限することを望むものではないが、発明者は、本発明を流体力学の専門知識（気体粒子と固体粒子の間の相互作用）と組み合わせ、燃料反応塔内だけでなく、３つの内部流動チャンバ間を移送することができる反応塔構成を作り出すことができると考える。このことは、以下の改善を可能にする。
－ 供給材料タイプ（気体、液体、または固体）および供給材料組成（化学組成）に基づくＦＲにそれぞれに異なる燃料供給材料を導入するための最適点を利用する。
－ （十分な変換のための）反応ゾーンを（酸素キャリアを空気反応塔または燃料反応塔に送るための）離脱ゾーンから分離する。
－ 固体酸素キャリア循環速度、供給材料タイプ、供給材料組成、および供給材料導入点に基づいて最適化された、選択的な固体移送および熱伝達を可能にするための内部燃料反応塔隔離の設計および操作を実現する。
－ 一方向において金属酸化物を確実に内部燃料反応塔ゲートを通過させるかまたは一方の反応塔から他方の反応塔へ（たとえば、燃料反応塔から空気反応塔へ）移動させ、逆方向において固体の移動を最小限に抑えるかまたは無くし、かつこのような交差部における移送速度を制御するのに十分な設計を実現する。
－ 燃料の一方のセグメントから他方のセグメントへ、またはある反応塔から別の反応塔、たとえば、燃料反応塔から空気反応塔へ、および空気反応塔と蒸気反応塔の間のガス汚染を確実に最小限に抑える。
－ 所与の並列設計についての熱生成と水素生成の優先順位付け／平衡化を実現する。（生成物としての）水素の生成と熱の生成を分断することができ、すなわち、需要の変化に応じて水素生成量を増減させることができ、それに応じて生成するプロセス熱の量を一定にすることも、または増減させることもできる。
－ それぞれに異なる燃料混合物に応じた全体的なプロセスの融通性を向上する。

設計に流体力学を組み込むと、特定の設計が、金属酸化物の実現可能な選択、熱力学特性、および反応速度特性に基づくものになるだけでなく、ユニットの工学的実用性および実施可能性が実現され、たとえば、燃料反応塔における固体の混合および移送を実現し、燃料反応塔ゲートを介した固体移送速度、ループシール内の固体移送速度、実際的な反応塔寸法を確保するのに十分な設計態様が得られる。

（実施例）
以下の実施例は、コンピュータによる流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションおよび工学計算を使用して本発明の重要な特徴を例示し、特に以下のことの検証を重視するように準備されている。
１． ケミカルルーピング燃料反応塔において酸素キャリアを一方のチャンバから他方のチャンバに移送し、そのような機構からの固体流束を定量するためのループシールゲートの機能。
２． 固体の混合を考慮して酸素キャリアを別の反応塔チャンバ内に分散させるための多重ループシールゲートの機能。
３． ケミカルルーピング反応を維持し最適化することを目的として燃料反応塔内の温度プロファイルを管理するためにループシールゲートを介して固体を分散させる機能。
４． 燃料反応塔内の温度プロファイルを調整するための多重燃料注入機能。

（実施例１）
コンピュータによる流体力学（ＣＦＤ）モデル
この実施例に関して２種類のモデルを開発した。第１のモデルは、ループシールゲート動作が、燃料反応塔の一方の側から別の側への酸素キャリアの移送をどのように助けることができるかを示す２次元モデルを基にした。第２のモデルは、提案されたループシールゲート構成を介した酸素キャリアの固体移送現象と固体混合現象の両方を実証する３次元モデルを基にした。

１．１ モデル１－２次元固体移送および流束
１．１．１ 目的
このモデルの目的は、以下の通りである。
－ 燃料反応塔の一方の側から別の側に固体酸素キャリアを移送するためのループシールゲートの機能を示す。
－ ループシールゲートを介した燃料反応塔の一方の側から別の側への固体酸素キャリアの質量流束を定量する。

１．１．２ 手法およびモデルの説明
ケミカルルーピングプロセスの提案された燃料反応塔構成における燃料反応塔の一方の側から別の側に固体酸素キャリア（ＯＣ）を移送し、固体酸素キャリアの質量流束を推定するための提案されたループシールゲート（ＬＳ）の機能を実証する２次元ＣＦＤモデルを開発した。図５は、２次元モデルにおいて使用された（ａ）概略構成および（ｂ）形状を示す。このモデルでは、酸素キャリアの直径および密度をそれぞれ、１５０μｍおよび４４００ｋｇ／ｍ^３に設定した。酸素キャリアは、燃料反応塔の一方のチャンバ（図５ａに示す反応塔の右側（ＦＲ－Ｒ））から進入し、アンダーフロースロットを介して他方の燃料反応塔チャンバ（たとえば、図５ａに示す反応塔の左側（ＦＲ－Ｌ））に排出された。燃料反応塔の左右のチャンバの初期酸素キャリア層高さをそれぞれ、１．６ｍおよび１．４ｍに設定した（図５ｂ）。燃料反応塔の全径は４ｍであり、燃料反応塔の中央にループシールゲート（０．４ｍ×０．４ｍ）を配置した。ループシールゲートには、酸素キャリアが燃料反応塔の一方のチャンバ（右側）から他方のチャンバ（左側）に移動するための０．２ｍ×０．２ｍのアンダーフロースロットを設けた。右側燃料反応塔用の流動ガスは、９５０℃においてガス速度０．３ｍ／ｓで底部から進入し、一方、左側燃料反応塔についてはガス速度を９００℃で０．２ｍ／ｓに設定した。ループシールゲートをそれぞれ第１のコンパートメントおよび第２のコンパートメントにおいてガス速度０．６ｍ／ｓおよび０．４ｍ／ｓで流動化した。反応塔動作圧を２０バールとしてシミュレーションを行った。

１．１．３ 結果
図６は、酸素キャリアがループシールゲート構成を介して燃料反応塔の一方のチャンバから他方のチャンバに移動する（または遊動する）時系列フローパターンを示す。色のグラデーションは、最初は左側反応塔チャンバに存在する固体種の濃度を示す。シミュレーションを２１秒まで行ったときに、擬似定常状態流動条件に達することが示された。３秒後までに、酸素キャリアが、ループシールゲートの吸入口に流入し、ループシールゲートの排出口に移送されることがわかる。

２１秒後までに、実質的な量の酸素キャリアが、ループシールゲート内の流れの助けを得て反応塔チャンバを横切って他方の側に移送されることがわかる。

このモデルはまた、ループシールゲートを横切って移動する固体質量流束の定量を可能にする（図７）。（動的モデル化条件に起因する）初期サージに続いて、平均固体質量流束が擬似状態条件に達する。ループシールゲートに流入する流束およびループシールゲートから流出する流束はそれぞれ、約３７０ｋｇ／ｍ^２ｓおよび３００ｋｇ／ｍ^２ｓと推定された（図７における破線を参照されたい）。この計算は、酸素キャリア速度がケミカルルーピングプロセスを助けるのに十分な速度であったことを示す。

１．２ モデル－３次元ＣＦＤモデル
１．２．１ 目的
このモデルの目的は以下の通りである。
－ 酸素および熱キャリアとしての固体を一方の反応塔チャンバから他方の反応塔チャンバに分散させる際の多重ループシールゲートの機能および効果を実証する。

１．２．２ モデルの説明および想定
燃料反応塔内の提案された多重ループシールゲート手法を介した酸素キャリアの移送および混合パターンを実証するための３次元ＣＦＤモデルを開発した。ａ）反応塔の平面図およびｂ）モデルの３Ｄ等角図を含む図８に示すような反応塔の４分の１セグメントに関してシミュレーションを行った。２次元モデルと同様に、酸素キャリアの粒径および密度をそれぞれ１５０μｍおよび４４００ｋｇ／ｍ_３に設定した。酸素キャリアは、図８ａに示すようにループシールゲートを介した一方の機構および反応塔内の他方の反応ゾーンからの別の機構の２つの機構を介して目標反応ゾーンに流入する。

図８ｂに示すように、初期酸素キャリア層高さを１．５ｍに設定した。全体的な燃料反応塔の直径は４ｍであり、一方、各ループシールゲートの寸法は高さ０．２ｍ、幅０．２ｍである。ただし、ＬＳ１は、高さ０．２ｍ、幅０．１ｍである（モデル境界条件に起因する）。

目標の反応ゾーンに流入する全体的な固体流量を３２０．５ｋｇ／ｓに設定した。各ループシールゲート内の流量を１５ｋｇ／ｓに設定した。ただし、ループシールゲート１（ＬＳ１）については、モデル境界条件を考慮するとゲート面積が他方のループシールゲートと比較して（ＬＳ２、ＬＳ３、およびＬＳ４） ２分の１であることに起因して７．５ｋｇ／ｓに設定した。この流量は、２次元ＣＦＤモデルから推定される平均質量流束に基づいて決定された。２６８ｋｇ／ｓの残りの固体流を燃料反応塔ゾーンの別の４分の１から供給した。流動ガス（分子量２９ｇ／モル）は、目標反応ゾーンの底部からガス速度０．４ｍ／ｓで流入した。流体および層粒子温度およびシステム圧力をそれぞれ９００℃および２０バールに維持した。

１．２．３ 結果
図９は、酸素キャリアが多重ループシールゲート構成を介して目標反応ゾーン内に流入し混合される時系列フローパターンを示す。酸素キャリアにそれぞれに異なる陰影でタグ付けし、粒子の移動の容易な視覚化および追跡を可能にした。固体の混合パターンについて、固体トレーサをループシールゲートを通して初めて解放してから５．３秒後、６．５秒後、９．０秒後、および１１．５秒後の状態を予測した。酸素キャリアは、目標反応ゾーン内で短時間の内に漸進的に分散され混合されることが示され、所期の層領域全体にわたって酸素（および熱）キャリアを移送するためのこの手法の効果が実証された。

この結果は、本発明が、酸素キャリアを熱伝達媒体として使用して、効果的に熱を供給し、目標反応ゾーン内の層温度を調整することができることの確証となる。

（実施例２）
工学計算（熱伝達およびＯＣスペシエーション）
以下の実施例は、固体の移送および混合によって反応塔の他方のゾーン内の層温度を制御するためのこの機構の効果を示す。

２．１ 目的
この工学計算の目的は以下の通りである。
－ 多重ループシールゲート内の固体流を調整し、ならびに燃料の選択および注入位置を変更することによって目標の反応ゾーン内の温度プロファイルを制御する能力を実証する。
－ 燃料反応塔内の酸素キャリアスペシーションのプロファイルを予測する。

２．２ モデルの説明および想定
燃料反応塔のそれぞれに異なる領域（ゾーン）全体にわたる温度プロファイルの予測を可能にし、一方、プロファイルを調整する際のループシールゲートの効果を実証するための工学熱および質量平衡モデルを開発した。ケミカルルーピング手法を使用して水素を生成するための全体的な反応塔構成を図１０に示す。この構成では、燃料反応塔を一連のループシールゲートによって分離された２つのメインチャンバ［左側（ＦＲ－Ｌ）および右側（ＦＲ－Ｒ）］に分割した。

この工学モデルでは、各燃料反応塔をさらにより小さい反応ゾーン（この場合は１０個）に分割した。燃料反応塔には様々な燃料（気体、液体、または固体）を供給してもよい。図１０はまた、一方のゾーンから他方のゾーンへの酸素キャリアの大部分の流れ方向を示す。各ゾーンについて、酸素キャリアを多数のループシールのうちの１つを介して隣接する反応ゾーンに迂回させるための構成がある。流体および固体の反応および対流を含む質量およびエネルギーの平衡化が行われ、各反応ゾーン内の層の結果的な温度が決定される。それぞれに異なる反応ゾーン全体にわたる全体的な温度プロファイルを評価するためにそれぞれに異なるシナリオが提案され、この評価は、それぞれに異なるループシール動作または燃料および燃料注入位置の選択によって容易にすることができる。

工学計算には以下の想定を使用した。
－ 基本的にＨ_２生成量（８３．３３ｋｇ／ｈ）は１日当たり２トンである。
－ Ｆｅ_２Ｏ_３を酸素キャリアとして使用し、完全酸化後状態として定義した。
－ それぞれ蒸気反応塔（ＳＲ）および空気反応塔（ＡＲ）からの酸素キャリア（ＭｅＯ_ｘ）を反応チャンバ（ＦＲ－ＬおよびＦＲ－Ｒ）内のいずれかのゾーン（セル）に再循環することができる。
－ ＦＲ－Ｒゾーンから隣接するＦＲ－Ｌゾーンに送られるＭｅＯ_ｘの量に基づいて、ＦＲ－Ｌに送られるＭｅＯ_ｘの画分を調節した。
－ ＦＲチャンバに供給されるＭｅＯ_ｘの総量にかかわらず、各ゾーン内の酸素を同様に変換した（すなわち、一回通過当たり１０％酸素変換を想定した）。
－ 酸素キャリアの還元は、Ｆｅ_２Ｏ_３からＦｅ_３Ｏ_４、ＦｅＯに至り、最終的にＦｅになるように想定された。酸化反応にはこの逆が当てはまる。層材料は、鉄酸化物に加え、熱キャリアとして働く不活性材料も含むことが想定された。最大で７０％の不活性含有量を検討した。
－ それぞれＦＲ－ＬおよびＦＲ－Ｒ内のゾーン（またはセル）のいずれかに液体燃料（Ｃ_６Ｈ_６）および固体燃料（石炭）を導入することができる。
－ 反応チャンバ内の各セルに一様に気体燃料（ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、およびＣ_３Ｈ_８を選択した場合はそれらの混合物）を供給した。
－ 燃料反応塔に固体燃料を供給した場合に流動ガスとしてＣＯ_２を選択し、反応チャンバ内の各セルに一様に供給した。
－ 反応塔に供給される蒸気または燃料（気体、液体、または固体）は、化学量論比で想定される（すなわち、超過なし）
－ しかし、空気反応塔への供給については１０％超過空気を許容した。
－ 空気反応塔および蒸気反応塔をそれぞれ１０５０℃および８００℃で動作させた。
－ ＦＲ－ＬおよびＦＲ－Ｒ内の各ゾーンは、断熱条件（ゼロ示差熱）にあり、２つのチャンバに沿った温度分布をもたらすと想定される。
－ 各反応は大気圧または大気圧（４０ｋＰａ，ｇ）よりも少し高い圧力で生じた。
－ 各反応チャンバにおいて固定範囲の反応変換を使用した。
－ 供給材料流は、以下の温度であり、すなわち、予熱条件の後であると想定される。
－ 蒸気については８００℃および１バール
－ 燃料反応塔への気体燃料（またはＦＲ－Ｒへの固体燃料およびＣＯ_２）については７５０℃
－ ＦＲ－Ｌへの液体燃料については２５０℃
－ 空気反応塔への空気については１０５０℃

２．３ 結果
図１１は、４つの異なる反応塔動作シナリオについての工学モデルから算出された温度プロファイルを示す。
－ シナリオ１： 気体燃料を使用して、どのループシールゲートも開放せずに燃料反応塔内のすべてのゾーンに注入した基本ケース設定。
－ シナリオ２： 気体燃料を使用して燃料反応塔内のすべてのゾーン内に注入し、反応ゾーン１および２内のループシールゲートを開放し、反応ゾーン１および２内の酸素キャリアのうちの１０％をそれぞれ反応ゾーン２０および１９に移送するのを可能にする第２のケース（ケース２）。
－ シナリオ３： 気体燃料を使用して燃料反応塔内のすべてのゾーン内に注入し、すべてのループシールゲートを開放し、反応ゾーン（１～１０）内の酸素キャリアのうちの５％をそれぞれ反応ゾーン１１～２０に移送するのを可能にする第３のケース（ケース３）。
－ シナリオ４： ２つの燃料（気体燃料および液体燃料）の注入を使用し、液体燃料を反応ゾーン１７に注入し、一方、他の構成はケース３と同じである第４のケース（ケース４）。

シミュレーション結果は、固体移送のためのループシールゲート動作が、層温度プロファイルに顕著な影響を及ぼし、このループシールゲート動作の制御可能性および効果を裏付けることを示す（図１１参照）。前節において３Ｄ ＣＦＤモデルを使用して例示した高速混合挙動を前提とすると、優れた熱伝達および混合を期待することができ、各反応ゾーン内で比較的一様な温度が得られる。

結果はまた、所与のゾーンに異なる燃料が注入されたときの温度プロファイルに対する顕著な影響を示す。シナリオ４では、反応ゾーン１７に液体燃料を注入した。これによって、反応熱が高くなったことに起因して反応ゾーン１７から反応ゾーン２０内で温度が大幅に上昇した。このことは、燃料反応塔内の熱流および温度プロファイルを管理するうえでの提案された反応塔設計の融通性および利点を実証する。

本反応塔配置はまた、反応塔のそれぞれに異なるゾーンにおいて金属酸化物の酸化状態を良好に制御するのを可能にする。図１２は、基本ケースシナリオについてのそれぞれに異なる反応ゾーン全体にわたる酸素キャリア酸化状態の変化を示す。様々な酸化鉄種（すなわち、Ｆｅ_２Ｏ_３からＦｅ_３Ｏ_４、ＦｅＯ、およびＦｅ）の濃度プロファイルが、反応ゾーン１から反応ゾーン２０まで漸進的に変化するように示されている。プロファイルは、燃料タイプおよび燃料比、還元の範囲、再循環流における固体流束および量などのいくつかの因子の影響を受ける。

本反応塔配置に基づいて、金属スペシエーションを最適化して蒸気反応塔内のＨ_２の生成率を最大にすることが理論的に可能であった。

当業者には、本明細書で説明する発明には、具体的に説明した以外の変形および修正が可能であることが諒解されよう。本発明が、本発明の趣旨および範囲内のすべてのそのような変形および修正を含むことを理解されたい。

本明細書（特許請求の範囲を含む）において「備える（「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ」または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」）」という用語が使用される場合、これらの語は、記載される特徴、完全体、ステップ、または構成要素の存在を指定するものとして解釈されるべきであるが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、構成要素、またはそれらのグループの存在を除外するものではない。

１～２０ 反応ゾーン
１００ 直列システム
１１０ ＦＲ（燃料反応塔）
１２０、４２０ ＡＲ（空気反応塔）
１３０、４３０ ＳＲ（蒸気反応塔）
１４０ 水素
２００ 並列プロセス
２０２ 第１のレドックスループ
２０４ 第２のレドックスループ
２１０、２１１ ＦＲ
２２０ ＡＲ
２３０ ＳＲ
２４０、２７０、２７１、２７２、２７３、３７０、３７１、３７２、３７２ ループシール構成
２４１ 頂部排出口
２５１ 炭素質燃料
２５１Ａ、２５２、２６１、２６２、２６３、２６６ 吸入口
２５３、２５４、２５８ 排出口
２５９ サイクロンまたは他の分離機
２６０ 低酸素気体流
３１０、４１０ 燃料反応塔
３１２、４１２ 中央隔壁
３１５ 開口または孔
３５２ 再循環吸入口
３６４ 固体酸素キャリア排出口
４００ システム
４１０Ａ ＦＲ１
４１１ ＦＲ２
４１８ 固体切換弁
４１２ 中央隔壁
４２５ 隔離板またはバッフル
４２６ 第１の分割部材
４２７ 第２の分割部材
４５１、４５２、４６５、４６１、４６２、４６３ 供給点
４５４、４６４ 固体酸素キャリア
Ｐ１、Ｐ２ 流路
Ｒ１ 第１の反応ゾーン
Ｒ２ 第２の反応ゾーン
Ｒ３ 第３の反応ゾーン
Ｒ４ 第４の反応ゾーン
ＳＦ１ 固体流

Claims (45)

1. 水素を生成し、二酸化炭素を共生成するためのケミカルルーピングプロセスであって、
   第１のレドックスループを含み、前記第１のレドックスループが、
   第１の炭素質燃料も供給される第１の反応ゾーン（Ｒ１）に第１の固体酸素キャリアを供給するステップであって、前記第１の炭素質燃料が、最大酸化状態（完全酸化形態）で供給される前記第１の固体酸素キャリアと反応し、燃焼生成物である二酸化炭素および水ならびにより低い酸化状態（還元形態）の前記固体酸素キャリアを形成する、ステップと、
   還元形態の前記第１の固体酸素キャリアを、空気も供給される第２の反応ゾーン（Ｒ２）に供給し、前記第１の固体酸素キャリアの酸化から、熱、および前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）に再循環される完全酸化形態の前記固体酸素キャリアを得るステップとを含み、
   前記ケミカルルーピングプロセスが、第２のレドックスループをさらに含み、前記第２のレドックスループが、
   第２の炭素質燃料も供給される第３の反応ゾーン（Ｒ３）に第２の固体酸素キャリアを供給するステップであって、前記第２の炭素質燃料が、中間酸化状態（酸化形態）で供給される前記第２の固体酸素キャリアと反応し、燃焼生成物である二酸化炭素および水ならびにより低い酸化状態（還元形態）の前記固体酸素キャリアを形成する、ステップと、
   還元形態の前記第２の固体酸素キャリアを、蒸気も供給される第４の反応ゾーン（Ｒ４）に供給し、前記蒸気が、前記還元形態の前記固体酸素キャリアと反応し、水素、ならびに前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）および／または前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）に再循環される中間酸化状態（酸化形態）の前記固体酸素キャリアを生成するステップとを含み、
   前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）および前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）が相互接続され、前記第１の固体酸素キャリアの少なくとも一部を前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）から前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）に移送するのを可能にするケミカルルーピングプロセス。
2. 前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）と前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）との前記相互接続部は、前記第１の固体酸素キャリアの少なくとも一部を前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）から前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）に選択的に移送するのを可能にする、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記第１の固体酸素キャリアの少なくとも一部は、前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）から前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）に選択的に移送され、前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）に必要な熱負荷を与える、請求項２に記載のプロセス。
4. 前記必要な熱負荷は、前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）と前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）との間の熱不均衡に基づいて選択される、請求項３に記載のプロセス。
5. 前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）と前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）との前記相互接続部は、少なくとも１つの制御固体切換弁を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
6. 前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）と前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）との前記相互接続部は、少なくとも２つの制御固体切換弁を備え、前記固体切換弁は、それぞれの前記反応ゾーンの幅に対して離隔される、請求項１から５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. 前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）と前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）との前記相互接続部は、少なくとも１つの非機械弁、好ましくは少なくとも１つのループシールゲートを備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
8. 前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）と前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）との前記相互接続部は、孔または開口を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
9. 前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）および第３の反応ゾーン（Ｒ３）は、単一の反応塔内に収容される、請求項１から８のいずれか一項に記載のプロセス。
10. 前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）および前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）は、隔壁によって実質的に分離され、前記隔壁は、それぞれのゾーン内のそれぞれの固体酸素キャリアの流れを隔離し、前記隔壁は、前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）と前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）との前記相互接続部を含む、請求項９に記載のプロセス。
11. 前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）と前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）との前記相互接続部は、少なくとも２つの制御固体切換弁を備え、前記固体切換弁同士が、前記隔壁の幅に沿って離隔される、請求項１０に記載のプロセス。
12. 前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）は、前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）内への前記第１の固体酸素キャリアの供給点と前記第２の反応ゾーン（Ｒ２）への流出点との間の少なくとも２つの部分として前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）を分割するための少なくとも１つの隔離板を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載のプロセス。
13. 前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）は、前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）内への前記第２の固体酸素キャリアの供給点と前記第４の反応ゾーン（Ｒ４）への排出口との間の少なくとも２つの部分として前記第３の反応ゾーン（Ｒ３）を分割するための少なくとも１つの隔離板を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載のプロセス。
14. 前記少なくとも１つの仕切りは、１つまたは複数のバッフル備える、請求項１２または１３に記載のプロセス。
15. 前記第４の反応ゾーン（Ｒ４）からの中間酸化状態（酸化形態）の前記固体酸素キャリアは、前記固体酸素キャリアが前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）から前記第２の反応ゾーン（Ｒ２）に移送される位置に近いかまたは近接した位置において前記第１の反応ゾーン（Ｒ１）に再循環される、請求項１から１４のいずれか一項に記載のプロセス。
16. 前記第１の炭素質燃料は、固体、液体、または気体の炭素質燃料を含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載のプロセス。
17. 前記第１の炭素質燃料は、石炭、バイオマス、石油、または液体炭化水素もしくは気体炭化水素のうちの少なくとも１つから選択される、請求項１６に記載のプロセス。
18. 前記第２の炭素質燃料は、液体または気体の炭素質燃料を含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載のプロセス。
19. 前記第２の炭素質燃料は、液体炭化水素または気体炭化水素を含む、請求項１８に記載のプロセス。
20. 前記第１の炭素質燃料および第２の炭素質燃料は、それぞれの前記固体酸素キャリアとともに並流において供給される、請求項１から１９のいずれか一項に記載のプロセス。
21. 前記第１の固体酸素キャリアおよび前記第２の固体酸素キャリアは、金属状態に加えて、少なくとも３つの異なる酸化状態を有し、したがって、前記酸化状態の順序に少なくとも２つのレドックス対を生成することができる元素からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む、請求項１から２０のいずれか一項に記載のプロセス。
22. 前記第１および第２の固体酸素キャリアは、少なくとも１つのＦｅベース、Ｎｉベース、Ｗベース、Ｃｕベース、Ｃｅベース、Ｍｎベースの酸化物を含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載のプロセス。
23. 前記第１および第２の固体酸素キャリアは、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、ＳｎＯ_２、Ｎｉフェライト、（Ｚｎ，Ｍｎ）フェライト、およびＣｕフェライトから選択される金属酸化物を含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載のプロセス。
24. 前記固体酸素キャリアに含まれる元素は鉄である、請求項１から２３のいずれか一項に記載のプロセス。
25. 前記鉄は、前記固体酸素キャリア中に二元形態Ｆｅ_ｘＯ_ｙおよび／または三元形態Ｆｅ_ｘＺ_ｚＯ_ｙで存在し、ここでｘ≧１、ｙ≧０、ｚ≧１であり、Ｚは、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｖ、およびＭｏからなる群から選択される少なくとも１つの元素である、請求項２４に記載のプロセス。
26. 水素を生成し二酸化炭素を共生成するためのケミカルルーピングシステムであって、
    第１のレドックスループを備え、前記第１のレドックスループが、
    最大酸化状態（完全酸化形態）の第１の固体酸素キャリアおよび第１の炭素質燃料が供給され、前記第１の固体酸素キャリアと前記第１の炭素質燃料が反応して燃焼生成物である二酸化炭素および水ならびにより低い酸化状態（還元形態）の前記固体酸素キャリアを形成する第１の燃料反応塔と、
    還元形態の前記第１の固体酸素キャリアおよび空気が供給され、前記第１の固体酸素キャリアの酸化から、熱、および前記第１の燃料反応塔に再循環される完全酸化形態の前記第１の固体酸素キャリアを得る空気反応塔とを備え、
    前記ケミカルルーピングシステムが、第２のレドックスループをさらに備え、前記第２のレドックスループが、
    中間酸化状態（酸化形態）の第２の固体酸素キャリアおよび第２の炭素質燃料が供給され、前記第２の固体酸素キャリアと前記第２の炭素質燃料が反応して燃焼生成物である二酸化炭素および水ならびにより低い酸化状態（還元形態）の前記第２の固体酸素キャリアを形成する第２の燃料反応塔と、
    還元形態の前記第２の固体酸素キャリアおよび蒸気が供給され、前記第２の固体酸素キャリアと前記蒸気が反応して水素、および前記第２の燃料反応塔および／または前記第１の燃料反応塔に再循環される中間酸化状態（酸化形態）の前記第２の固体酸素キャリアを生成する蒸気反応塔とを備え、
    前記第１の燃料反応塔および前記第２の燃料反応塔は、相互接続され、前記第１の固体酸素キャリアの少なくとも一部を前記第１の燃料反応塔から前記第２の燃料反応塔に移送するのを可能にするケミカルルーピングシステム。
27. 前記第１の燃料反応塔と前記第２の燃料反応塔との前記相互接続部は、前記第１の固体酸素キャリアの一部を前記第１の燃料反応塔から前記第２の燃料反応塔に選択的に移送するように構成される、請求項２６に記載のシステム。
28. 前記第１の燃料反応塔と前記第２の燃料反応塔との前記相互接続部は、少なくとも１つの制御固体切換弁を備える、請求項２６または２７に記載のシステム。
29. 前記少なくとも１つの固体切換弁は、少なくとも１つの非機械弁、好ましくは少なくとも１つのループシールゲートを備える、請求項２８に記載のシステム。
30. 前記第１の燃料反応塔と前記第２の燃料反応塔との前記相互接続部は、孔または開口を備える、請求項２６に記載のシステム。
31. 前記第１の燃料反応塔および前記第２の燃料反応塔は、隔壁によって実質的に分離された単一の反応塔を備え、前記隔壁は、各燃料反応塔内のそれぞれの固体酸素キャリアの流れを隔離し、前記隔壁は、前記第１の燃料反応塔と前記第２の燃料反応塔との前記相互接続部を含む、請求項２６から３０のいずれか一項に記載のシステム。
32. 前記第１の燃料反応塔と前記第２の燃料反応塔との前記相互接続部は、少なくとも２つの制御固体切換弁を備え、前記固体切換弁同士が、前記隔壁の幅に沿って離隔される、請求項３１に記載のシステム。
33. 前記第１の燃料反応塔は、反応ゾーンを含み、前記反応ゾーンは、前記反応ゾーン内への前記第１の固体酸素キャリアの供給点と前記空気反応塔への排出口との間の少なくとも２つの部分として前記反応ゾーンを分割するための少なくとも１つの隔離板を含む、請求項２６から３２のいずれか一項に記載のシステム。
34. 前記第２の燃料反応塔は、反応ゾーンを含み、前記反応ゾーンは、前記反応ゾーン内への前記第２の固体酸素キャリアの供給点と前記蒸気反応塔への排出口との間の少なくとも２つの部分として前記反応ゾーンを分割するための少なくとも１つの仕切りを備える、請求項２６から３３のいずれか一項に記載のシステム。
35. 前記少なくとも１つの仕切りは、１つまたは複数のバッフルを備える、請求項３３または３４に記載のシステム。
36. 前記蒸気反応塔から中間酸化状態（酸化形態）で生成された前記固体酸素キャリアは、前記固体酸素キャリアが前記第１の燃料反応塔から前記空気反応塔に移送される位置に近いかまたは近接した位置において前記第１の燃料反応塔に再循環される、請求項２６から３５のいずれか一項に記載のシステム。
37. 前記第１の炭素質燃料は、前記固体酸素キャリアが前記空気反応塔から前記第１の燃料反応塔内に供給される位置に近いかまたは近接した位置において前記第１の燃料反応塔内に供給される、請求項２６から３６のいずれか一項に記載のシステム。
38. 前記第２の燃料反応塔は、前記第２の固体酸素キャリアが前記蒸気反応塔から前記第２の燃料反応塔内に供給される位置に近いかまたは近接した位置に液体燃料用の液体供給材料吸入口を含む、請求項２６から３７のいずれか一項に記載のシステム。
39. 完全酸化形態の前記第１の固体酸素キャリアが前記第１の燃料反応塔内に供給される前に前記第１の固体酸素キャリアから気体を分離するための少なくとも１つのサイクロンを前記空気反応塔と第１の燃料反応塔との間にさらに含む、請求項２６から３８のいずれか一項に記載のシステム。
40. 酸化形態の前記第２の固体酸素キャリアが前記第２の燃料反応塔および／または第１の燃料反応塔内に供給される前に前記第２の固体酸素キャリアから気体を分離するための少なくとも１つのサイクロンを前記蒸気反応塔と第１の燃料反応塔との間にさらに含む、請求項２６から３９のいずれか一項に記載のシステム。
41. 各々の前記第１の燃料反応塔と前記空気反応塔との間の吸入口および排出口接続部の各接続部上ならびに各々の前記第２の燃料反応塔と前記蒸気反応塔との間の吸入口および排出口接続部の各接続部上に少なくとも１つの非機械弁、好ましくは少なくとも１つのループシールゲートをさらに備える、請求項２６から４０のいずれか一項に記載のシステム。
42. 前記第１の燃料反応塔および前記第２の燃料反応塔は、流動層反応塔を備える、請求項２６から４１のいずれか一項に記載のシステム。
43. 前記空気反応塔は、少なくとも１つの流動層反応塔または少なくとも１つの上昇管を備える、請求項２６から４２のいずれか一項に記載のシステム。
44. 前記蒸気反応塔は、流動層反応塔を備える、請求項２６から４３のいずれか一項に記載のシステム。
45. 前記第１の固体酸素キャリアおよび前記第２の固体酸素キャリアは、金属状態に加えて、少なくとも３つの異なる酸化状態を有し、したがって、前記酸化状態の順序に少なくとも２つのレドックス対を生成することができる元素からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む、請求項２６から４４のいずれか一項に記載のシステム。

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