JP5759746B2

JP5759746B2 - 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

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Publication number: JP5759746B2
Application number: JP2011034746A
Authority: JP
Inventors: 智也藤峰; 良文中島; 和也竹村; 敦彦速川; 武泰大庭; 石田　愈; 愈石田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd; Ikutoku Gakuen School Corp
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd; Ikutoku Gakuen School Corp
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2031-02-21
Also published as: JP2012172891A

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。

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。

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_２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_２を容易に回収可能となる。

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。

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, 43,9-12,1469-1478

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_２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。

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。

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。

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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。

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。

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。

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。

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。

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_２ガス、ＣＯ_２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。

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_２が主であり、Ｏ_２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。

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。

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_２とＯ_２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。

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_２とＨ_２Ｏ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_２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_２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。

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。

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_３Ｏ_４，Ｆｅ_２Ｏ_３）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。

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_２、ＣＯ_２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。

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_２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。

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_２またはＮ_２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。

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_２Ｏ_３の場合、酸化金属粒子ＭＯはＦｅ₃Ｏ₄等となる。

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。

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。

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_２を含まない高濃度のＮ_２ガスか、残存Ｏ_２とＮ_２を含むガスとなる。前記したように排ガスのＮ_２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。

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_２とＨ_２Ｏからなっており、高温ガスであることからＨ_２Ｏ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_２を含むガスに分離される。得られたＣＯ_２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_２として貯蔵される。ＣＯ_２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_２またはＣＯ_２）を自給することが可能となる。

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。

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。

〈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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_２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。

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_２とＨ_２Ｏ）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。

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_２およびＣＯ_２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。

〈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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〈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。

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。

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。

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。

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。

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_２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。

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_２とＨ_２Ｏ）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。

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_２を分離できる。必要な場合には、濃度９０％以上で回収したＣＯ_２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_２が得られる。

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)

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_２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。

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。

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。

〈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。

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。

〈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。

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。

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。

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。

〈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。

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。

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。

〈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。

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。

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。

〈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。

〈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。

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。

〈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。

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。

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。

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。

〈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。

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。

〈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。

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。

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。

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。

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_２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。

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。

Claims

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おり、
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。
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。
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おり、
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。
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。
請求項１ないし４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。
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。