JP5501029B2 - ケミカルループ反応システム及びこれを用いた発電システム - Google Patents

ケミカルループ反応システム及びこれを用いた発電システム Download PDF

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Description

本発明は、火力発電プラントで用いられる反応システム及び、発電システムに関する。
発電所等に設けられる燃焼プラントであるボイラ装置は、燃料と空気を燃焼して発生した熱により水を加熱して蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動して発電を行う。ボイラ装置は、多くの種類の燃料を使用することができる反面、ガスタービン・コンバインドサイクル発電装置に比べて効率が低く、二酸化炭素の排出量が多い。二酸化炭素は、地球温暖化の要因と考えられており、ボイラの燃焼により発生した二酸化炭素を分離・回収して、大気中に拡散しないように貯蔵することが求められている。
二酸化炭素を分離・回収する発電システムでは、燃料と空気を燃焼する空気燃焼方式と、燃料と空気中から分離した酸素を燃焼する酸素燃焼方式，ケミカルループ方式がある。
空気燃焼方式では燃焼後の排ガスの主成分が窒素と二酸化炭素であり、これから二酸化炭素を分離するため高いエネルギーが必要となる。これに対し、酸素燃焼方式では燃焼による生成ガスの大部分が二酸化炭素であるので、排ガスからの二酸化炭素の分離エネルギーは低くなる。ケミカルループ方式では、反応器の一つ（反応器１）で反応媒体を空気により酸化させ、別の反応器（反応器２）で酸化した反応媒体と燃料とを反応させる。燃料との反応により還元された反応媒体を再度反応器１に戻すことで、反応媒体を循環させる。
反応器２の主な生成物は、二酸化炭素である。ケミカルループは、酸素を使用せずに、排ガスからの二酸化炭素の分離エネルギーが低いので、効率の高い発電システムを実現できる可能性がある。
また、特許文献１に記載されているように、反応媒体として、金属酸化物を用いる方法が提案されている。
Yan Cao and Wei-Ping Pan，Investigation of Chemical Looping Combustion by Solid Fuels. 1. Process Analysis，Energy ＆ Fuels 2006，20，pp.1836-1844
ケミカルループを用いた二酸化炭素を分離・回収可能な発電システムでは、空気燃焼方式，酸素燃焼方式等の他の方法に比べて、反応器が多いために、効率的な熱回収が難しかった。また、反応器が２つあるが、夫々の排出するガスに対応した排気ガスの浄化方法は提案されていなかった。
本発明は、ケミカルループを用いた二酸化炭素を分離・回収可能な反応システム・発電システムにおいて、効率的に熱を回収し、効率的に排気ガスを浄化することを目的とする。
本発明は、酸素が存在する場において酸素と反応し酸化物を形成し、酸素がなく炭化水素化合物が存在する場においては還元され酸素を放出する酸化媒体を用い、前記酸素と前記酸化媒体とを反応させる酸化反応器と、酸化された前記酸化媒体と炭化水素を主成分とする燃料とを反応させる再生反応器とを有し、前記再生反応器を通過した前記酸化媒体の前記酸化反応器への戻り経路を有するケミカルループ反応システムにおいて、空気を前記酸化反応器へ供給し、前記酸化反応器から排出された酸素濃度の低下した空気ガスを熱交換器と排ガス処理装置へ供給することを特徴とする。
さらに上記のケミカルループ反応システムにおいて、前記熱交換器として、前記酸化反応器へ供給する前記空気と前記空気ガスとの間で熱交換する空気・空気ガス熱交換器を用いることを特徴とする。
さらに、上記のケミカルループ反応システムにおいて、前記酸化反応器から排出された空気ガスを、高温熱交換器，高温排ガス処理装置，前記空気・ガス熱交換器，低温排ガス処理装置の順に通過させる構造を有する。
また、前記酸化反応器の内部または、壁に伝熱管を設置することを特徴とする。
さらに、前記空気に水を噴霧することを特徴とする。
また、前記ケミカルループ反応システムにおいて、前記戻り経路の途中に、熱交換器と前記酸化媒体の洗浄装置を設置したことを特徴とする。
また、前記ケミカルループ反応システムにおいて、前記再生反応器から排出されるガスと酸素を排ガス処理反応器に供給し、ガスを完全燃焼することを特徴とする。
さらに、前記ケミカルループ反応システムを用い、蒸気発生用の伝熱管で発生させた蒸気を用いて蒸気タービンをと発電機を回転させ発電するケミカルループ発電システムにおいて、伝熱管を前記酸化反応器と前記再生反応器に設置したことを特徴とする。
さらに、ケミカルループ反応システムを用い、蒸気発生用の伝熱管で発生させた蒸気を用いて蒸気タービンをと発電機を回転させ発電するケミカルループ発電システムにおいて、伝熱管を前記酸化反応器と前記再生反応器に設置したことを特徴とする。
さらに、前記ケミカルループ発電システムにおいて、かつ前記再生反応器から排出されるガスと酸素を排ガス処理反応器に供給し、ガスを完全燃焼し、燃焼後の排ガスと低温の二酸化炭素との間で熱交換させるための熱交換器を備え、温度の上昇した二酸化炭素を、前記再生反応器または、前記排ガス処理反応器へ供給する装置を備えたことを特徴とする。
さらに、ケミカルループ発電システムにおいて、低温の二酸化炭素と熱交換した後の排ガスの流路に排ガス処理装置を設置したことを特徴とする。
本発明によれば、ケミカルループを用いた二酸化炭素を分離・回収可能な反応システム・発電システムにおいて、酸化反応器の下流に熱交換器と排ガス処理装置を設置し、燃焼により発生する熱を効率的に回収することで発電効率を高め、かつ排ガスに含まれるＮＯｘ，ＳＯｘ，灰などを低減できる。
実施例１のケミカルループ反応システムのフロー図である。 実施例１のケミカルループ反応システムの別のフロー図である。 実施例１のケミカルループ反応システムの別のフロー図である。 実施例１のケミカルループ反応システムの別のフロー図である。 実施例１のケミカルループ反応システムの別のフロー図である。 実施例１のケミカルループ反応システムの別のフロー図である。 実施例２のケミカルループ発電システムのフロー図である。 実施例２のケミカルループ発電システムの別のフロー図である。 実施例２のケミカルループ発電システムの別のフロー図である。 実施例２のケミカルループ発電システムの別のフロー図である。
以下、本発明の実施例について図を参照しながら説明する。同じ符号のものは同じ機能を有するものとして説明を省略する。
図１はケミカルループを用いた反応システムの実施例１を示す。ケミカルループを用いた反応システム３３には、反応装置が２つ備えられている。酸化反応器１では、酸化媒体移送ライン１０から、酸化媒体３４が供給される。さらに、空気供給装置２から空気を供給する。酸化媒体３４の材質としては、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃｒを用いた金属材料を使用できる。酸化反応器１に供給される前には、酸化媒体３４は、還元されており酸素と反応しやすい状態となっている。酸化媒体３４と空気が混合されることで、酸素と酸化媒体が反応する。例えば、Ｎｉの場合には以下の反応（式１）を生じる。
反応（式１）： Ｎｉ＋０.５Ｏ2 → ＮｉＯ
一般に、温度が高いほど酸化反応速度は高くなる。反応による発熱をコントロールして、反応温度を制御することで、酸化反応器１の温度が、耐熱温度を超えて損傷する可能性を回避できる。特に、約１１００℃以上となると燃料中の灰が溶融し、冷却したときに塊を形成し反応器が閉塞する可能性も回避できる。温度の許容最大値は、灰の溶融温度と関連しており、使用する燃料に含まれる灰の性状で決まる。また、酸化反応器１の温度が低くなると、酸化反応量が少なくなり、後述する再生反応器６への酸素供給量が低下し、反応システムの出力が低下する可能性がある。以上のことから、酸化反応器１の温度を、１０００℃程度になるように、酸化媒体・空気の供給量や温度を制御すると良い。
酸化反応器１から排出された酸化媒体３４は、酸化媒体移送ライン７を通じて、再生反応器６に移動する。再生反応器６には、燃料供給装置８から燃料が供給される。燃料としては、炭化水素を主成分とした石炭，油，天然ガスなどの化石燃料や、バイオマス燃料を使用可能である。再生反応器６で、燃料と酸化媒体３４を反応させる。例えば、燃料がメタンで、酸化媒体がＮｉＯの場合は、以下のような反応（式２）が生じる。
反応（式２）： ４ＮｉＯ＋ＣＨ4 → ４Ｎｉ＋ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ
すなわち、反応後には、還元された酸化媒体３４とＣＯ2，Ｈ2Ｏが生成される。反応により生成した酸化媒体３４は固体で、ＣＯ2とＨ2Ｏは気体であり、分離は容易である。分離された後に酸化媒体３４は、酸化媒体移送ライン１０を通じて酸化反応器１に戻される。反応により生成されたガスは、排ガス移送ライン１１を通じてＣＯ2回収機能付き排ガス処理装置１２へ供給される。ガスの主成分は、ＣＯ2，Ｈ2Ｏであり、ガス温度の温度を１００℃以下にすれば、Ｈ2Ｏを液体として回収可能である。残りの気体のほとんどの成分がＣＯ2となるため、ＣＯ2の分離・回収が容易である。ガスには、微量ながら、Ｓ化合物，Ｎ化合物，炭化水素，すす，灰，重金属などが含まれている可能性がある。このため、ＣＯ2回収機能付き排ガス処理装置１２では、これらのガス成分を除去する機能を備えることが好ましい。また、ガス中にＣＯやチャー等の未燃成分が含まれていることがある。酸素不足の場合は、完全燃焼のための酸素を供給し、温度が低い場合は、燃焼温度を高めることで燃焼効率を高められる。
空気供給装置２から供給した空気は、酸化反応器１で反応後に、ガス排出ライン３から排出される。空気中の酸素と酸化媒体３４が反応するため、排出されるガスの酸素濃度が減少する。この排出されるガスのことを空気ガスと呼ぶ。空気ガスの主な成分は、窒素と、酸化媒体３４と反応しなかった酸素である。再生反応器６において、酸化媒体３４とガスを分離するが、酸化媒体３４だけを１００％分離することが難しいことがわかった。再生反応器６は酸素不足状態なので、すすが発生する。酸化媒体３４に付着したすすを分離するのは難しい。このために、酸化媒体３４と共に、すすが酸化反応器１に供給される。
このすすが、酸化反応器１において酸化し、ＣＯ2やＣＯを発生する。また、石炭などの固体燃料を使用した場合は、すすだけでなくチャー等の燃料の燃え残りも、酸化媒体３４に付着して酸化反応器１に供給される可能性がある。チャーの成分は、Ｃ（炭素），Ｈ（水素），Ｏ（酸素），Ｎ（窒素），Ｓ（硫黄）なので、酸化反応器１で酸化すると、ＮＯｘ，ＳＯｘ，Ｈ2Ｏ，ＣＯ2，ＣＯ，ＶＯＣ等の環境負荷物質が生成される。さらに、チャーには灰が含まれており、灰も空気ガスに含まれる。
本実施例の反応システムを実用的に動作させるには、空気ガスに含まれるＮＯｘ，ＳＯｘ，Ｈ2Ｏ，ＣＯ2，ＣＯ，ＶＯＣ，灰を除去し、環境規制値以下まで低減する必要がある。酸化反応器１の温度は１０００℃程度であるので、酸化反応器１から出た空気ガスの温度も同程度に高くなる。温度が高い状態でガスを浄化するよりも、温度が低い状態で浄化する方が効率がよく、装置を簡略化できる。しかし、各組成に応じて最適な浄化温度が存在するので、温度が低すぎると効率よく浄化できない可能性がある。ガス排出ライン３の下流に熱交換器４を設置し、温度を適切に制御して、熱交換器４の下流に排ガス処理装置１６を設置すると良い。例えば、ＣＯを低減するには、ＣＯと酸素を反応させる触媒を使用できる。熱交換器４の出口ガス温度に応じて触媒の種類を適切に選択すると良い。排ガス処理装置として、脱硝装置，脱硫装置，ＣＯ除去装置，灰除去用の電気集塵機またはフィルターを設置すると良い。
熱交換器４には、熱交換媒体供給装置９から熱交換媒体を供給し熱を回収する。熱交換媒体としては、空気，蒸気，水，排ガスなどが適している。排ガス処理装置１６を通過したガスの下流に煙突などの排気装置５を設置する。
図２は実施例１の別の例を示す。この実施例では、図１の熱交換媒体供給装置９からの媒体として空気供給装置２からの空気を用いた例を示す。同じ符号の構成は前述した内容と同じである。これにより、酸化反応器の空気入口温度を効率的に高めることができる。そして酸化反応器の温度を高くすることができる。空気供給装置２により熱交換器４に供給した空気と、酸化反応器１から排出される空気ガスとの間で熱交換をすることで、熱を回収する。例えば、空気と空気ガスの比熱は同じと仮定するとガス温度は以下の関係を満たす。
ｍa／ｍag＝（Ｔag,in−Ｔag,out）／（Ｔa,out−Ｔa,in）
ここで、ｍa，ｍag，Ｔa,out，Ｔa,in，Ｔag,in，Ｔag,outは各々、空気の質量流量，空気ガスの質量流量，空気の熱交換器４の出口温度，空気の入口温度，空気ガスの入口温度，空気ガスの熱交換器４の出口温度である。ｍa／ｍagは、空気と空気ガスの比率であり、酸化反応器１で空気中の酸素が反応しないと１になり、空気中の全ての酸素が反応すると１／０.７６８＝１.３程度になる。例えば、ｍa／ｍagを１.２、Ｔa,inを３０℃、Ｔag,inを１０００℃と仮定し、向流式熱交換器の伝熱面をＴa,outを８００℃となるように設計すると、Ｔag,outは７６℃となる。このように、空気ガスの出口温度を低くすることができ、熱の回収効率を高めることができる。
空気ガスには、ＮＯｘ，ＳＯｘ，Ｈ2Ｏ，ＣＯ2，ＣＯ，ＶＯＣ，灰などの環境負荷物質が含まれており、熱交換器４の空気ガス系の下流に排ガス処理装置１６を設けると良い。
ガス温度が低いので、効率的に環境負荷物質を除去できる。
図３は実施例１の別の例を示す。排ガス処理装置を複数段設置した例である。これにより温度別に排ガス処理装置を配置し効率的に排ガスを処理できる。この例では、酸化反応器１から排出される空気ガスを高温熱交換器１４に供給する。高温熱交換器１４では蒸気供給装置１７から供給される蒸気と空気ガスの間で熱交換する。発電用ボイラ設備では、６００℃程度の高温の蒸気を発生させる必要がある。高温熱交換器１４に供給される高温空気は、温度が高いので、この高温の蒸気を発生させるのに適している。
高温熱交換器１４を通過した空気ガスの温度は低下しており、空気ガスを排ガス処理装置１８ａに供給する。環境負荷物質の処理では、夫々の物質で処理に適した温度がある。
例えば、ＮＯｘを除去する方法に二種類の方法がある。一方は、触媒とアンモニアを用いた脱硝方法である。触媒の種類にもよるが、この方法の最適な温度は２００〜４００℃である。もう一方は、触媒を使用しないで、アンモニアをガスに噴霧する方法である。この方法の最適な温度は８００〜１０００℃程度である。ＮＯｘを除去する方法に適した温度範囲になるように高温熱交換器１４の伝熱量を調整すると良い。
酸素ガス中に含まれるＣＯ，ＶＯＣを低減する場合にも、高い温度での動作に適した触媒を使用する方法がある。触媒の種類、ＶＯＣに含まれるガスの種類にもよるが、１００℃〜４００℃の範囲に排ガス処理装置１８ａを設置すると良い。
また、それ以外にも、酸素ガス中に含まれるＳＯｘを除去するために、高い温度（例えば１５０から３００℃）で動作可能な乾式脱硫装置設置することができる。
次に、排ガス処理装置１８ａを通過した空気ガスは、低温熱交換器１５へ供給される。
この熱交換器で、空気供給装置２から供給される低温の空気と空気ガスとの間で熱交換をする。低温熱交換器１５を出た後の空気ガスの温度は、低くなる。この温度の低くなった空気ガスを、排ガス処理装置１８ｂに供給する。温度が低くなっているので、低温で動作する排ガス処理装置を設置すると良い。例えば、灰の捕集に使用する電気集塵機やフィルターは、低温でも性能が高いので、この場所に設置すると良い。その他には、低温で動作する湿式の脱硫装置を設置可能である。
空気ガスの温度を１００℃以下にすることで、水を液体として回収可能である。ガスに含まれるＣＯ2分離・回収するための、多くの方法が存在する。例えば、化学吸収法を使用できる。
図４は実施例１の別の例を示す。酸化反応器１で蒸気を用いて熱回収した例である。これにより、酸化反応器の温度を制御できる。また、伝熱管を用いて蒸気をえることができる。この例では、酸化反応器１に熱交換器１９を設置している。酸化媒体が酸素との反応は、発熱反応である。酸化反応器１の温度が高くなりすぎないように、熱交換器１９を使用する。熱交換器１９には、蒸気を供給すると良い。酸化反応器１の温度は、１０００℃程度であり、４００〜６００℃程度の蒸気を加熱するのに適している。熱交換器１９を酸化反応器１の内部に設置する場合、向流型と並流型を使用可能である。向流型の場合、伝熱効率を高めることができる。また、並流型の場合は、効率が悪いが蒸気の温度が高い位置において空気ガスの温度が低くなるので熱交換器１９の寿命を長くすることができる。また、酸化反応器１の外壁を熱交換器１９で構成すると放熱が少なくなり熱効率が高くなる。
図５は実施例１の別の例を示す。空気に予め水を混合し、酸化反応器１の温度をコントロールする例である。水供給装置２８から供給した水を水噴霧装置２５を用いて高温空気供給ライン１３に供給し、酸化反応器１の温度を制御する。水を多く入れれば、空気流量が増加し、比熱が上昇するので、酸化反応器１の温度は低下する。水噴霧装置２５は、３つの水噴霧ライン３５に水を供給する。水噴霧ライン３５の流量を調整することで、空気ガスの温度を制御できる。
例えば、以下では、水噴霧量を同じと仮定し、最も上流側から水噴霧ライン３５ａを使用した場合と最も下流の水噴霧ライン３５ｃを使用した場合を比較する。水噴霧ライン３５ａを使用すると、熱交換器１４，熱交換器１５における空気の温度が低くなるために、これらの伝熱量が増加する。酸化反応器１の温度を一定値に制御しているとすると、ガス排出ライン３の空気ガス温度は同じになる。この結果、排ガス処理装置２６ｂと排ガス処理装置２６ｃの温度を低下できる。逆に、水噴霧ライン３５ｃを使用すると、熱交換器１４，熱交換器１５の空気の温度が高くなるために、これらの熱交換器の伝熱量が低下する。この結果、排ガス処理装置、２６ｂと２６ｃの温度を上昇可能である。同様の方法で、水噴霧ライン３５ａ，水噴霧ライン３５ｂ，水噴霧ライン３５ｃの流量を調整することで、排ガス処理装置２６ｂと２６ｃの温度を制御可能である。排ガス処理装置２６ａの温度を制御するには、酸化反応装置１の温度を制御すればよい。
図６は実施例１の別の例を示す。酸化媒体の温度を低下させ、洗浄後に移動させる例である。酸化媒体移送ライン１０を流れる酸化媒体３４を熱交換器３２で冷却する。酸化媒体の熱は、蒸気供給装置１７から供給される蒸気により回収される。さらに、熱交換器２９により空気と熱交換をし、冷却する。冷却した後に、洗浄装置３０により酸化媒体３４を洗浄する。高温で洗浄するよりも、冷却した後に洗浄した方が、洗浄装置のコストを低下させ、また、装置も簡単になる。
酸化媒体３４に付着する不純物として、チャー，灰，すすなどが考えられる。洗浄装置３０の温度を１００℃以下にすれば、水を用いて洗浄できる。洗浄装置３０の温度が１００℃以上ならば、蒸気や窒素を用いた不純物の除去方法を使用する。これらの場合に、噴流による不純物の分離方法，比重差による分別方法，磁力を用いた分別方法を使用可能である。窒素は、ガス排出ライン３の下流において酸素濃度の低くなり、窒素濃度が高くなった空気ガスを分岐して使用すると良い。
洗浄後に温度の低下した酸化媒体３４と熱交換器２９を通過した温度の高い空気を酸化反応器１で反応させる。酸化媒体３４を洗浄したが、少量の不純物が残っている可能性がある。このため空気ガスには、ＮＯｘ，ＳＯｘ，Ｈ2Ｏ，ＣＯ2，ＣＯ，ＶＯＣ，灰などの環境負荷物質が含まれている可能性がある。これらの環境負荷物質を除去するために、排ガス処理装置１６を設置すると良い。
図７は、実施例２に関するケミカルループ発電システム１４０の例を示す。これには、反応装置が２つ備えられている。酸化反応器１０１では、酸化媒体輸送ライン１１０から、酸化媒体１４１が供給される。さらに、空気供給装置１０２から高温空気供給ライン１１３を介して空気を供給する。酸化反応器１０１において、空気中の酸素と酸化媒体が反応する。このため空気ガス中の酸素濃度が低下する。
酸化反応器１０１からガス排出ライン１０３を介して排出された空気ガスの温度は、酸化反応器１０１と同程度になる。酸化反応速度をあげるために、酸化反応器１０１の温度を１０００℃程度にすると、空気ガスの温度も１０００℃程度に加熱される。この熱を回収するために熱交換器を２つ設置する。初めに、熱交換器１２１を用いて、空気ガスにより蒸気を加熱する。熱交換器内部には、隔壁１２２が設置されており、空気ガスは２つの系統に分割される。この２つの系統の配分を調整するために、パラレルダンパ１２３，１２４が設置されている。ダンパを閉めた方の系統の空気ガスの流量が少なくなる。各系統に、蒸気管１４２，１４３が設置されている。パラレルダンパにより、ガス量を調節することで、蒸気管１４２，１４３の伝熱量を調整可能である。例えば、パラレルダンパ１２３を開けて、パラレルダンパ１２４を閉めると、蒸気管１４２の伝熱量が増加し、逆に蒸気管１４３の伝熱量が低下する。
熱交換器１２１を通過して、温度の下がった空気ガスは、二番目の熱交換器１１４に供給される。ここで、空気と空気ガスで熱交換をする。熱交換器１１４から排出された空気ガスは排ガス処理装置１１６に供給される。ここで、ガスに含まれる環境負荷物質を取り除き、排気装置１０５から大気に排出される。
このようなシステムにおいて、熱回収と環境負荷物質の除去を考えて、以下に示すような温度に制御すると良い。熱交換器１２１の出口を３５０℃程度にして、熱交換器１２１と熱交換器１１４の間に、窒素酸化物除去装置（図示しない）を設置し、ＮＯｘを除去する。この温度で、脱硝触媒が効率よく動作する。次に、熱交換器１１４の出口温度を、１００℃から２００℃程度になるように制御する。この温度で、排ガス処理装置１１６に空気ガスを供給する。排ガス処理装置１１６には、電気集塵機，脱硫装置が設置されており、灰とＳＯｘを除去する。この後、排気装置１０５を用いて空気ガスを、大気に放出する。
酸化反応器１０１を通過した酸化媒体１４１は、酸化されて酸化媒体移送ライン１０７を通過して、再生反応器１０６へ供給される。ここで、酸化媒体１４１は、燃料供給装置１０８から供給された燃料と反応し、還元される。酸化媒体１４１は、酸化媒体移送ライン１１０を経由して、再度酸化反応器１０１に供給される。
再生反応器１０６で発生した、ガスは排ガス移送ライン１１１を経由して、排ガス処理反応器１１９へ供給される。ガスの主成分は、ＣＯ2，ＣＯ，Ｈ2Ｏである。しかし、燃料中のＮ，Ｓ分が反応して生成したＮＯｘ，ＳＯｘや、空気の漏れこみにより混入した窒素も含まれる。さらに、灰やすすなどの固体も含まれている。そこで、初めに排ガス処理反応器１１９に、酸素供給装置１２５を用いて酸素を供給することで可燃物を完全燃焼する。燃焼温度を１５００℃以下にすることで、サーマルＮＯｘの発生を低くすることができる。ガス温度が高すぎる場合は、二酸化炭素を混合して燃焼すると良い。
次に、排ガスは排ガス移送ライン１１１を経由して熱交換器１２６に供給される。その後、排ガス処理装置１１６へ供給される。排ガス処理装置１１６において、環境負荷物質を取り除かれる。最後にＣＯ2回収装置１３９により、ＣＯ2を分離・回収される。排ガス処理装置１１６とＣＯ2回収装置１３９では、低温のほうが効率が高くなる場合があるので、熱交換器１２６を用いてガス温度を低下させる。熱交換媒体として、ＣＯ2供給装置１２０からＣＯ2を供給する。この例では、温度の上昇したＣＯ2は、再生反応器１０６に供給している。これにより熱を回収する。
次に蒸気系統の説明をする。１段再熱式，超臨界圧還流型ボイラの場合について説明するが、ドラムボイラ，亜臨界圧ボイラの場合であっても同様に実現できる。給水ポンプ１３０から供給された、高圧の水を熱交換器１２１の蒸気管１４２に供給する。空気ガスとの伝熱により、水を加熱する。伝熱量が多い場合は、水は途中で蒸気になる場合もある。
超臨界圧で運転している場合は、相変化はない。このシステムで使用する蒸気管は、向流型，並流型を使用可能である。伝熱効率を高めたい場合には向流型を使用し、信頼性を高めたい場合は、並流型を使用すると良い。
次に蒸気は、酸化反応器１０１の蒸気管１３６に供給される。加熱後に、再生反応器１０６の蒸気管１３７に供給される。蒸気管１３７から出た蒸気は、高圧タービン１２７へ供給される。高圧タービン入口温度は、性能及び信頼性を高めるために、ある温度範囲内に制御しなければならない。例えば、６００℃±５℃。高圧タービンから流出した圧力の低くなった蒸気は、熱交換器１２１の蒸気管１４３に供給される。さらに、排ガス処理反応器１１９で過熱され、中低圧タービン１２８へ供給される。中低圧タービンから出た蒸気は復水器１２９へ導かれ、再度給水ポンプ１３０に供給される。図示していないが、蒸気タービンには、発電機が備え付けられており、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。
蒸気タービンの入口蒸気温度を制御するために、以下のような方法を使用すると良い。
（高圧タービンの入口蒸気温度）
高圧タービンの入口蒸気温度が、指示値より高い場合は、途中に設置したスプレーを用いて低温の水を投入するか、蒸気管１４２，蒸気管１３６，蒸気管１３７の伝熱量を減少させると良い。蒸気管１４２と蒸気管１３６の間にスプレー１４４ａを設置する場合と蒸気管１３６と蒸気管１３７の間にスプレー１４４ｂを設置する場合が考えられる。蒸気温度が高い場合は、スプレーの流量を増やすと良い。
また、伝熱量を低下させるには、以下の方法が考えられる。
ａ）空気流量と燃料流量を低減し、酸化反応器１０１と再生反応器１０６の温度を低下させる。温度が低下することで伝熱量も低下する。
ｂ）酸化媒体１４１の循環速度を遅くする。再生反応器１０６に酸化剤が供給されなくなり、再生反応器の温度が低下し、この結果として伝熱量が低下する。
ｃ）ＣＯ2供給装置１２０から供給するＣＯ2の量を増加させ、再生反応器１０６の温度を低下させる。
ｄ）パラレルダンパ１２３を閉めることで、蒸気管１４２の伝熱量を低減する。
高圧タービンの入口蒸気温度を上昇させるためには、低下させるのと逆の操作をすればよい。
（中低圧タービンの入口蒸気温度）
中低圧タービンの入口蒸気温度が、指示値よりも高い場合は途中に設置したスプレーを用いて低温の水を投入するか、蒸気管１３８，蒸気管１４３の伝熱量を減少させると良い。例えば、伝熱管１４３と伝熱管１３８の間にスプレー１４４ｃを設置すると良い。また、伝熱量を減少させるために、以下の方法を用いると良い。
ａ）酸素供給装置１２５から供給する酸素量を調整し、排ガス処理反応器１１９の温度を低下させる。一般的に、酸素量を増加させると排ガス処理反応器１１９の温度が上昇し、蒸気管１３８の伝熱量が上昇する。
ｂ）ＣＯ2供給装置１２０から供給するＣＯ2量を減少させる。再生反応器１０６の温度が上昇し、排ガス処理反応器１１９へ流れる燃え残りの可燃物が減少する。この結果、排ガス処理反応器１１９のガス温度が低下し、蒸気管１３８の伝熱量が低下する。
ｃ）パラレルダンパ１２４を閉め、蒸気管１４３の伝熱量を低下させる。
以上の例で説明したケミカルループ発電システム１４０では、高圧タービンへ供給される蒸気は、熱交換器１２１，酸化反応器１０１，再生反応器１０６の順に流れるように、蒸気管が接続されているが、熱交換器１２１，再生反応器１０６，酸化反応器１０１の順番でも、酸化反応器１０１，再生反応器１０６，熱交換器１２１の順番でも良い。温度の低い順番に蒸気を流すと、伝熱効率が高くなる。また、負荷変化率を高くするには、伝熱量を容易に変化可能な、熱交換器１２１を蒸気タービンの直前に設置すると良い。
上述したように、再生反応器から排出されるガスと酸素を排ガス処理反応器に供給し、ガスを燃焼することにより、再生反応器から排出される空気ガス中の残存している可燃物を除去することができる。また、伝熱管を酸化反応器と再生反応器に設置することにより、伝熱管を用いて蒸気をえることができ、発電機で発電することができる。
図８は実施例２に関するケミカルループ発電システム１４０の別の例を示す。この発電システムは、図７で説明したケミカルループ発電システムと似ているが、排ガス・空気・空気ガスの熱回収及び排ガス処理方法を工夫している。ここでは、図７と異なる部分について詳しく説明する。
図７の例では、熱交換器１２６で排熱を全て回収するには、ＣＯ2供給装置１２０から多くのＣＯ2を供給しなければならない場合があることが分かった。熱交換器１２６に加えて、熱交換器１１４ｂを使用すると、熱交換器１２６で回収すべき熱量が減るので、ＣＯ2供給量も低減できる。排ガス処理反応器１１９を出た排ガスは、熱交換器１２６を通過し、温度が低下する。この後に排ガス処理装置１１２ａで、環境負荷物質を除去する。
例えば、排ガス処理装置１１２ａの温度を３００℃〜４００℃となるように熱交換器１２６を調整し、この温度でＮＯｘを効率的に除去できる脱硝装置を、排ガス処理装置１１２ａ内に設置すると良い。熱交換器１１４ｂを通過した排ガスは、空気供給装置１０２から供給した空気と熱交換をして、さらに温度が低下する。この後に、排ガス処理装置１１２ｂで、排ガス処理装置１１２ａで除去しなかった成分を除去する。ここでは、ガス温度が低くなっており、脱硫装置，電気集塵機，水分除去装置などを設置すると良い。最後に温水生成装置１１７で、水供給装置１１８から供給した水と排ガスとの間で熱交換をする。
この熱で水を加熱し、温水を作ることができる。
空気供給装置１０２から供給した空気は、熱交換器１１４ｂにおいて、空気ガスと熱交換し過熱される。空気は酸化反応器１０１において酸化媒体１４１と反応し、空気中の酸素濃度が低下する。酸化反応器１０１を出た空気ガスは、酸化反応器１０１の温度と同程度に加熱される。空気ガスと蒸気が熱交換器１１４ａで熱交換し、空気ガスの温度が低下する。次に、空気ガスは熱交換器１１４ｂで、空気と熱交換し温度が低下する。その後、排ガス処理装置１１６を経由して、排気装置１０５により大気に放出される。
図９は、本発明の実施例２に関するケミカルループ発電システム１４０の別の例を示す。この例では、排ガス処理装置１１６のガスの一部を、ＣＯ2戻りライン１３１を使って熱交換器１２６に供給して加熱し、ＣＯ2戻りライン１３２，１３３，１３４により再生反応器１０６と排ガス処理反応器１１９にＣＯ2を供給する。ＣＯ2戻りラインには、流量調整弁が設置されており再生反応器１０６と排ガス処理反応器１１９へ供給するＣＯ2量を調整可能である。図９では、ＣＯ2戻りライン１３４に流量調整弁１３５を設置しているが、ＣＯ2戻りライン１３３に設置しても同様の効果を得ることができる。このＣＯ2は熱交換器１２６において、熱を回収すると共に、再生反応器１０６に設置した蒸気管１３７と排ガス処理反応器１１９に設置した蒸気管１３８の伝熱量を制御する。例えば、ＣＯ2戻りライン１３４の流量を増加し、ＣＯ2戻りライン１３３の流量を減少させると、再生反応器１０６のガス温度が低下し、排ガス処理反応器１１９へ流れる未燃分の量が増加する。再生反応器１０６のガス温度が低下するため、蒸気管１０６の伝熱量は減少する。また、未燃分が増加するので、排ガス処理反応器１１９での燃焼量が増加し、蒸気管１３８の伝熱量が増加する。このように、ＣＯ2の投入場所を変化させることで、蒸気への伝熱量や蒸気温度を制御できる。また、上述したように、熱交換器１２６へＣＯ2を供給する戻り配管１３１を有することにより、熱交換器１２６の伝熱量と温度を制御することができる。
図１０は、実施例２に関するケミカルループ発電システム１４０の別の例を示す。この例では、再生反応器１０６に二つの蒸気管１３７ａ，１３８ｂを設置している。このようなシステムにすることで、図８に示した実施例よりも、中低圧タービンの入口温度を高くすることができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
尚、上述した例では、効率的に熱を回収し、効率的に排気ガスを浄化することを目的としていたが、それぞれ独立した目的として、目的とは関係なく不要なシステム構成を除いたシステムとすることができる。
また、上述した例の中で、制御について、人がバルブを操作することにより制御を行っても良いし、ＣＰＵおよびメモリを有する制御装置を備え、計測対象から情報を入力し、バルブなどに対して指令を出力することで制御することもできる。制御装置の有する機能としての処理手段はプログラムモジュールであり、モジュールを読み込んでコンピュータに実行させることで各機能を実施することができる。また、プログラムモジュールを記録した記録媒体をコンピュータに読み込ませることにより各機能を実施可能である。
１，１０１ 酸化反応器
２，１０２ 空気供給装置
３，１０３ ガス排出ライン
４，１９，２１，２９，３２，１１４，１２１，１２６ 熱交換器
５，１０５ 排気装置
６，１０６ 再生反応器
７，１０，３１，１０７，１１０ 酸化媒体移送ライン
８，１０８ 燃料供給装置
９ 熱交換媒体供給装置
１１，１１１ 排ガス移送ライン
１２ ＣＯ2回収機能付き排ガス処理装置
１３，１１３ 高温空気供給ライン
１４ 高温熱交換器
１５ 低温熱交換器
１６，１８，２６，１１２，１１６ 排ガス処理装置
１７ 蒸気供給装置
２０ ＣＯ2
２２，１２２ 隔壁
２３，２４，１２３，１２４ パラレルダンパ
２５ 水噴霧装置
２７ 水供給ライン
２８，１１８ 水供給装置
３０ 洗浄装置
３３ ケミカルループ反応システム
３４，１４１ 酸化媒体
３５ 水噴霧ライン
１１７ 温水生成装置
１１９ 排ガス処理反応器
１２０ ＣＯ2供給装置
１２５ 酸素供給装置
１２７ 高圧タービン
１２８ 中低圧タービン
１２９ 復水器
１３０ 給水ポンプ
１３１，１３２，１３３，１３４ ＣＯ2戻りライン
１３５ 流量調整弁
１３６，１３７，１３８，１４２，１４３ 蒸気管
１３９ ＣＯ2回収装置
１４０ ケミカルループ発電システム
１４４ スプレー

Claims (10)

  1. 酸素が存在する場において酸素と反応し酸化物を形成し、酸素がなく炭化水素化合物が存在する場においては還元され酸素を放出する酸化媒体を用い、前記酸素と前記酸化媒体とを反応させる酸化反応器と、酸化された前記酸化媒体と炭化水素を主成分とする燃料とを反応させる再生反応器とを有し、前記再生反応器を通過した前記酸化媒体の前記酸化反応器への戻り経路を有するケミカルループ反応システムにおいて、
    空気を前記酸化反応器へ供給し、前記酸化反応器から排出された酸素濃度の低下した空気ガスを熱交換器と排ガス処理装置へ供給することを特徴とするケミカルループ反応システム。
  2. 請求項１のケミカルループ反応システムにおいて、前記熱交換器として、前記酸化反応器へ供給する前記空気と前記空気ガスとの間で熱交換する空気・空気ガス熱交換器を用いることを特徴とするケミカルループ反応システム。
  3. 請求項２のケミカルループ反応システムにおいて、前記酸化反応器から排出された空気ガスを、高温熱交換器，高温排ガス処理装置，低温熱交換器，低温排ガス処理装置の順に通過させることを特徴とするケミカルループ反応システム。
  4. 請求項１のケミカルループ反応システムにおいて、前記酸化反応器の内部または、壁に伝熱管を設置することを特徴とするケミカルループ反応システム。
  5. 請求項２のケミカルループ反応システムにおいて、前記空気に水を噴霧することを特徴とするケミカルループ反応システム。
  6. 請求項１のケミカルループ反応システムにおいて、前記戻り経路の途中に、熱交換器と前記酸化媒体の洗浄装置を設置したことを特徴とするケミカルループ反応システム。
  7. 請求項１のケミカルループ反応システムにおいて、前記再生反応器から排出されるガスと酸素を排ガス処理反応器に供給し、ガスを燃焼することを特徴とするケミカルループ反応システム。
  8. 請求項１のケミカルループ反応システムを用い、蒸気発生用の伝熱管で発生させた蒸気を用いて蒸気タービンと発電機を回転させ発電するケミカルループ発電システムにおいて、伝熱管を前記酸化反応器と前記再生反応器に設置したことを特徴とするケミカルループ発電システム。
  9. 請求項８のケミカルループ発電システムにおいて、かつ前記再生反応器から排出されるガスと酸素を排ガス処理反応器に供給し、ガスを燃焼し、燃焼後の排ガスと低温の二酸化炭素との間で熱交換させるための熱交換器を備え、温度の上昇した二酸化炭素を、前記再生反応器または、前記排ガス処理反応器へ供給する装置を備えたことを特徴とするケミカルループ発電システム。
  10. 請求項９のケミカルループ発電システムにおいて、低温の二酸化炭素と熱交換した後の排ガスの流路に排ガス処理装置を設置し、前記排ガス処理装置から排出される二酸化炭素を前記低温の二酸化炭素として前記熱交換器に供給する戻り配管を有することを特徴とするケミカルループ発電システム。
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