JP5872337B2 - ケミカルループ式燃焼装置およびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、ケミカルループ式燃焼装置とその運転方法に関する。

酸化塔と還元塔を備え、金属粒子が酸化塔内での酸化剤による酸化反応と還元塔内での還元剤による還元反応を受けながら循環するようにされたケミカルループ式燃焼装置は、非特許文献１に記載のように知られている。また、金属粒子が酸化反応するときに生じる反応熱を収集して工業用に用いることも、特許文献１などに記載されている。

ケミカルループ燃焼では、金属が酸化塔と還元塔との間を物理的に循環することにより、酸素を還元剤としての燃料へ供給する。したがって、酸素と燃料は直接的に混じることはない。上記の機能を果たす材料は、酸素キャリアと呼ばれており、本発明において、酸化塔と還元塔との間を物理的に循環して酸素を運搬する材料を「酸素キャリア」といっている。酸素キャリアとしては、［酸化反応を受けた金属／還元反応を受けた金属］の組み合わせとして、ＮｉＯ／Ｎｉ、Ｆｅ_２Ｏ_３／Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｍｎ_３Ｏ_４／ＭｎＯ、等が例示される。

ケミカルループ燃焼では、酸化塔内に空気を酸化剤として投入すると、空気中の酸素は酸素キャリアとの酸化反応により消費される（金属をＭとすると、例えば４Ｍ＋２Ｏ_２→４ＭＯ）ことから、酸化塔からは通常の空気よりもＮ_２濃度が高くなった排ガスが排出される。酸化塔内に水蒸気を酸化剤として投入すると、水蒸気中の酸素は酸素キャリアとの酸化反応により消費されることから、酸化塔からは、Ｈ_２とＨ_２Ｏが排ガスとして排出される。また、還元塔内に都市ガスのような燃料を還元剤として投入すると、燃料中の炭化水素は酸化した酸素キャリアを還元するのに消費される（例えば４Ｍ＋ＣＨ_４→４Ｍ＋ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ）ことから、高濃度のＣＯ_２とＨ_２Ｏが排ガスとして排出される。そして、そのような酸化塔からの排ガスからＮ_２またはＨ_２、また、還元塔からの排ガスからはＣＯ_２を工業用用途等として回収することも行われる。

特開２０００−３３７１６８号公報

藤峰智也、速川敦彦、『炎のない燃焼「ケミカルループ燃焼」について』、工業加熱、ｖｏｌ．４８、Ｎｏ．６、Ｐ１４〜１９（２０１１年）

ケミカルループ式燃焼装置を用いたケミカルループ燃焼において、酸素キャリアの酸化反応と還元反応を効率よく進行させるためには、酸素キャリアが酸化塔と還元塔の間で円滑に循環することが求められる。そのために、実際の運転に当たっては、酸化塔および還元塔内に所要のガス流速を確立することが必要であり、ケミカルループ式燃焼装置を設計するときも、所要のガス流速が確立されることを前提に、酸化塔および還元塔の断面積などの設計を行っており、設計の自由度は狭いものとなっている。

具体的には、酸化塔においては、所定の空気比（燃料が完全燃焼するのに必要な空気量に対する投入空気の割合）に保つために、空気等の酸化剤の流量を制御する必要がある。空気比は、排ガスの残存酸素濃度を測定することで、算出することができる（空気比が１．０より大きい場合）。仮に、設定した空気比に対して、高い空気比（残存酸素濃度が設定より高い）で運転されている場合、投入空気量を減らす必要がある。しかし、投入空気量を減らすと酸化塔内の流速が下がり、酸化塔内の粒子の流動状態が変化し、粒子の循環量が変化してしまう。

また、還元塔においては、投入した還元剤に対して、酸素キャリアが供給する酸素の割合が一定であることが望ましいが、酸素キャリアによる酸素の供給が少ない場合、還元剤を減少させる必要がある。この場合も、還元剤量を減らすと還元塔内の流速が下がり、還元塔内の粒子の流動状態が変化し、粒子の循環量が変化してしまう。

さらに、装置を設計した際に想定した酸素キャリアから、別の酸素キャリアに代えた場合、その特徴（酸素運搬能力、粒径、密度、反応速度など）が変わるため、同じ空気比においても粒子の循環量を変える必要がある。このような場合においても、酸化塔内および還元塔内での粒子の流動状態が変化し、粒子の循環量が変化してしまう。

また、酸化塔からの排ガスの持つ熱エネルギーを使用する側が、異なった量の熱量を要望する場合にも、同じケミカルループ式燃焼装置を用いて、その要望に迅速に答えることは困難である。さらに、酸化塔から高濃度の窒素ガスを含む排ガスを得たい、あるいは還元塔から高濃度の二酸化炭素ガスを含む排ガスを得たいという要望がある場合でも、同じケミカルループ式燃焼装置を用いて、その要望に迅速に答えることは困難であった。

本発明は、従来のケミカルループ式燃焼装置が持つ上記のような不都合を解消することを課題としており、設計の自由度も大きくなり、ユーザー側の異なった要望にも、迅速に対応できるようにしたケミカルループ式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式燃焼装置は、酸化塔と還元塔を備え酸素キャリアが酸化塔内での酸化剤による酸化反応と還元塔内での還元剤による還元反応を受けながら循環するようにされたケミカルループ式燃焼装置であって、前記酸化塔および前記還元塔の双方に排ガス再循環ラインが備えられ、該排ガス再循環ラインにはそこを流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段が備えられ、前記酸化塔に備えられた排ガス再循環ラインには酸素センサーが、前記還元塔に備えられた排ガス再循環ラインには還元剤センサーが備えられていることを特徴とする。

また、本発明は、上記のケミカルループ式燃焼装置の運転方法として、運転状態にかかわらず前記酸化塔および前記還元塔内のガス流速が予め設定した範囲内となるようにそれぞれの排ガス再循環量を制御して運転を行うことを特徴とするケミカルループ式燃焼装置の運転方法をも開示する。

上記のケミカルループ式燃焼装置および運転方法では、酸化塔側では、酸化塔から排出される排ガスの一部を酸化塔に備えた排ガス再循環ライン（ＥＧＲライン）を経由して酸化塔の上流側に再循環させることで、酸化塔内に供給する酸化剤ガスの量に依存することなく、酸化塔内でのガス流速を予め設定した範囲内で運転することができる。また、還元塔側では、還元塔から排出される排ガスの一部を還元塔に備えた排ガス再循環ライン（ＥＧＲライン）を経由して還元塔の上流側に再循環させることで、還元塔内に供給する還元剤ガスの量に依存することなく、還元塔内でのガス流速を予め設定した範囲内で運転することができる。すなわち、ケミカルループ式燃焼装置では、その使用目的等に応じて、酸化剤ガスおよび還元剤ガスの理論量が設定されるが、実際に運転するケミカルループ式燃焼装置において、前記理論量では酸化塔あるいは還元塔内に酸素キャリアが酸化塔と還元塔の間で円滑に循環するだけのガス流速が得られない場合に、前記のように排ガスを再循環させることで所望のガス流速を確保できるようになるので、ケミカルループ式燃焼装置の設計の自由度、運転の自由度が向上する。

また、排ガス再循環ラインには酸素センサーが、前記還元塔に備えられた排ガス再循環ラインには還元剤センサーが備えられている態様のケミカルループ式燃焼装置では、酸化塔および還元塔内に所望のガス流速を確保した状態で、酸素センサーから得られる排ガス中の酸素濃度をパラメータとして、酸化塔に供給する酸化剤ガスの流量を制御し、その増減に応じて排ガスの再循環量を制御することで、所望の成分分布を持つ排ガス（例えば、残存酸素濃度が５％の排ガス）を得ることができる。また、還元剤センサーから得られる排ガス中の還元剤濃度をパラメータとして、還元塔に供給する還元剤ガスの流量を制御し、その増減に応じて排ガスの再循環量を制御することで、未燃成分がほぼゼロである排ガスを得ることができる。なお、本発明において「還元剤センサー」とは、排ガス中のメタン等である還元剤ガスそのものを検知するセンサーばかりでなく、排ガス中のＣＯを検知するセンサーをも意味している。

また、上記した本発明によるケミカルループ式燃焼装置では、ケミカルループ式燃焼装置が生成する熱量（酸素キャリアが酸化するときに発生する熱量）を、熱消費側のロードに応じて、容易に変更することも可能となる。すなわち、ある発生熱量でケミカルループ式燃焼装置を運転している状態で、熱消費側のロードが低減したときに、それに迅速に対応するためには、酸化塔への酸化剤ガスの供給量を低減して出力を低減することが必要となる。単に酸化剤ガスの供給量を低減するのみでは、酸化塔内でのガス流速が低下して酸素キャリアの循環が不十分となるが、その低減分を前記のように酸化塔からの排ガスを酸化塔に再循環させることでカバーすることで、酸化塔内での所定のガス流速を維持した状態で運転を継続することが可能となる。出力が低減した分だけ、還元塔に供給する還元剤ガスの流量も低減することが求められるが、この低減に対しても、還元塔からの排ガスの対応した量を還元塔に再循環させることでカバーすることで、還元塔内での所定のガス流速も維持される。

なお、本発明によるケミカルループ式燃焼装置において、酸化塔および還元塔の双方に排ガス再循環ラインが備えられ、該排ガス再循環ラインにはそこを流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段が備えられている態様は、多くの運転環境に対処できることから、好ましい態様である。しかし、酸化塔の運転状態の制御を主目的とする場合には、酸化塔にのみ前記排ガス再循環ラインを設けるようにしてもよい。還元塔の運転状態の制御を主目的とする場合には、還元塔にのみ前記排ガス再循環ラインを設けるようにしてもよい。そのような態様での酸化塔または還元塔での挙動は、前記したとおりである。また、酸化塔および還元塔の双方に排ガス再循環ラインを設ける場合でも、いずれか一方の使用を行わないで運転することで、いずれか一方にのみ排ガス再循環ラインを設けた場合と同様な運転を行うことが可能となる。

本発明によれば、酸化塔および還元塔の双方またはいずれか一方に、排ガス再循環ラインを設けたことにより、酸化塔および還元塔内での酸素キャリアの円滑な流動状態を保持したままで、種々の運転態様に容易に対処することが可能となり、それにより、実機として用いるときの利便性が大きく向上したケミカルループ式燃焼装置が提供される。

本発明によるケミカルループ式燃焼装置の一実施の形態を説明する図。 酸化塔側での制御の一例を説明するフロー図。 還元塔側での制御の一例を説明するフロー図。 ロード制御する場合での一例を説明するフロー図。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は、本発明によるケミカルループ式燃焼装置の一実施の形態を説明するためのブロック図である。

図１に示すケミカルループ式燃焼装置Ａは、酸化塔１０、還元塔２０を備える。還元塔２０は、酸素（Ｏ）を伴って流入する酸素キャリアから酸素を奪う場、すなわち酸化した酸素キャリア（ＭＯ）に還元作用を施す場であり、還元剤ガスとしてのメタン等を含む燃料ガス（都市ガス、ＬＰＧガス、副生ガス、石炭、水素等）が流入する。還元塔２０内では、例えば、４ＭＯ＋ＣＨ_４→４Ｍ＋ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏの反応が進行し、還元塔２０からは、排ガスとして二酸化炭素と水（水蒸気）が排出される。還元された酸素キャリア（Ｍ）は、酸化塔１０に流入する。酸化塔１０には、酸化剤ガスとして空気あるいは酸素富化空気、窒素富化空気等が送り込まれており、流入した酸素キャリア（Ｍ）は酸化反応を受けて酸化した酸素キャリア（ＭＯ）となり、酸化した酸素キャリア（ＭＯ）は還元塔２０に再循環する。

より具体的には、図１に示すケミカルループ式燃焼装置Ａにおいて、還元塔２０には、配管２１から、制御弁２２によって所定量に制御されたメタンガスあるいは都市ガス等の炭化水素である燃料が還元剤ガスとして供給される。還元塔２０内には、酸化した酸素キャリア（ＭＯ、例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３）が存在しており、酸化した酸素キャリア（ＭＯ）は還元剤ガスによる還元反応を受けて還元した酸素キャリア（Ｍ、例えば、Ｆｅ_３Ｏ_４）となる。還元塔２０からの排ガスはサイクロンのような固気分離器２３によって固気分離された後、配管２４を通って排気される。燃料ガス中の炭化水素は還元反応により消費されており、還元塔２０からの排ガスは、ＣＯ_２と水蒸気である。この例において、配管２４には熱交換器２５が備えてあり、後記する酸化塔１０内に備えた熱交換器１７への給水を予熱することで熱交換して気水分離され、ＣＯ_２は分離回収される。

配管２４には、還元剤ガスセンサーとしてのＣＯセンサー２６が取り付けられており、該ＣＯセンサー２６と前記熱交換器２５との間から、排ガス再循環ライン４０が分岐している。分岐した排ガス再循環ライン（ＥＧＲライン）４０はブロア４１を有しており、ブロア４１で吸引された排ガスは制御弁４２と逆流防止弁４３を通って、還元塔２０の上流側、図示の例では還元塔２０直下の管路２１に流入するようにされている。

還元塔２０で還元作用を受けた酸素キャリアは、ループシール１１を通過して、酸化塔１０の下端部に流入する。酸化塔１０には、コンプレッサー１２からの空気（酸化剤ガスの一例である）が、制御弁１４によって制御された量だけ配管１３を通して供給される。酸化塔１０内に流入してくる酸素キャリアは、酸化塔１０内を透過する過程で、空気中の酸素と酸化反応して酸化された酸素キャリア（ＭＯ）となる。供給された空気は酸化塔１０内で酸素キャリア（Ｍ）の酸化反応に寄与して酸素を消費した後、配管１５から窒素と残存酸素である排ガスとして排気される。配管１５には酸素センサー１６が取り付けられており、排ガス中の酸素の濃度が継続的に測定される。

この例において、酸化塔１０内には熱交換器１７が備えてあり、前記した熱交換器２５で予熱された給水が流入し、酸化熱と熱交換して蒸気となり、熱利用部に排出される。酸化された酸素キャリア（ＭＯ）と排ガスは、サイクロンのような固気分離器１８によって固気分離され、酸化された酸素キャリア（ＭＯ）は配管１９を通って、前記した還元塔２０に戻される。なお、配管１９にもループシール１１が配置されている。

固気分離器１８によって分離された酸化塔１０からの排ガスは、前記した酸素センサー１６を通って配管１５から排気される。配管１５における前記酸素センサー１６より下流位置から排ガス再循環ライン（ＥＧＲライン）３０が分岐している。分岐した排ガス再循環ライン３０はブロア３１を有しており、ブロア３１で吸引された排ガスは制御弁３２と逆流防止弁３３を通って、酸化塔１０の上流側、図示の例では酸化塔１０直下の管路１３に流入するようにされている。

なお、上記したループシール１１は、酸化塔１０に供給される酸化剤ガスが還元塔２０に供給される還元剤ガスと直接接触して燃焼反応を起こすのをシールするためのものであり、図示されないが適宜の不活性ガスがシールガスとして送り込まれる。不活性ガスとして、酸化塔１０からの排ガスを用いることもできる。また、前記熱交換器１７は、酸化塔１０内ではなく、排ガス配管１５内を流れる高温の排ガスと熱交換できる位置に設けてもよい。

上記のように、ケミカルループ式燃焼装置Ａは、還元塔２０に投入した還元剤ガスの炭化水素の持つ熱量と等しいエネルギーを、ボイラ用の給水を蒸気化するエネルギーとして、酸化塔１０からの排ガスから取り出すことができるばかりでなく、運転環境を適宜制御することにより、酸化塔１０からの排ガスからは高濃度の窒素ガスを得ることができ、還元塔２０からの排ガスからは高濃度の二酸化炭素ガスを得ることができる。一方において、ケミカルループ式燃焼装置では、酸素キャリア（Ｍ）の酸化反応と還元反応を効率よく進行させるためには、酸素キャリア（Ｍ）が酸化塔１０および還元塔２０で円滑に循環することが必要であり、そのために、実際の運転に当たっては、酸化塔１０および還元塔２０内に所要のガス流速を確立することが必要である。

そこで、ケミカルループ式燃焼装置において、酸素キャリア（Ｍ）が酸化塔１０と還元塔２０の間で円滑に循環するのに必要なガス流速を酸化塔１０内に確立するときのガス流量をＱ１、還元塔２０内に確立するときのガス流量をＲ１とし、酸素キャリア（Ｍ）の酸化反応に必要な酸化剤ガスの量をＱ（＜Ｑ１）、酸化した酸素キャリア（ＭＯ）の還元反応に必要な還元剤ガスの量をＲ（＜Ｒ１）としたときに、従来のケミカルループ式燃焼装置のように酸化塔１０内に酸化剤ガスのみを供給する態様では、酸化塔１０内に、酸化剤側から見れば、ｍ（＝Ｑ１−Ｑ）だけ余分な量の酸化剤ガスを供給していることとなる。量ｍの酸化剤ガスは酸素キャリア（Ｍ）の酸化には寄与せずに、そのまま排ガスとして酸化塔１０から排出される。酸化剤ガスが空気の場合には、コスト的には問題はないが、酸化塔１０の排ガスから高濃度の窒素ガスを得ることを目的としてケミカルループ式燃焼装置を運転するような場合には、排ガスには量ｍの空気に含まれる酸素（０．２１ｍ）が含まれることとなり、高濃度の窒素ガスを得ることが困難となる。

それを解決するために、上記した本発明によるケミカルループ式燃焼装置Ａでは、量Ｑの酸化剤ガス（空気）を酸化塔１０内に供給すると共に、酸化塔１０から排出される排ガスの一部を排ガス再循環ライン３０を通して酸化塔１０内に再循環させる。それにより、量ｍに相当するガス量が酸化塔１０内に補充されることとなり、酸化塔１０内には、Ｑ１（＝Ｑ＋ｍ）のガス流量によって、予め設定した範囲のガス流速が確立され、酸素キャリア（Ｍ）の円滑な循環は確保される。一方、酸化剤ガス（空気）は量Ｑであり、酸化剤（空気中の酸素）は酸素キャリア（Ｍ）の酸化にほぼ使用されてしまっているので、排ガスに含まれる酸素量はゼロか極少量であり、高濃度の窒素ガスを酸化塔１０の排ガスとして得ることができる。また、酸素キャリア（Ｍ）の酸化反応による所望量の熱も得ることができる。

一方、従来のケミカルループ式燃焼装置のように還元塔２０内に還元剤ガスのみを供給する態様では、還元塔２０内に、量Ｒの還元剤ガスを投入して、酸素キャリア（ＭＯ）と反応させる。還元剤ガスの流量Ｒにより、還元塔内の流速が決まり、粒子の流動状態が決定される。この場合、所定の流速になるように、設計時に反応塔の断面積を決定する必要があり、反応塔の形状に制限がかかる。

そこで、本発明によるケミカルループ式燃焼装置Ａでは、量Ｒの還元剤ガス（例えば、都市ガス）を還元塔２０内に供給すると共に、還元塔２０から排出される排ガスの一部を排ガス再循環ライン４０を通して還元塔２０内に再循環させることで、量ｎに相当するガス量を補充する。それにより、還元塔２０内には、Ｒ１（＝Ｒ＋ｎ）のガス流量が存在することになり、ｎの量を調整することにより、Ｒ１の流量を調整することができる。

さらに、ある発生熱量でケミカルループ式燃焼装置Ａを運転している状態で、熱消費側のロードが低減したときに、酸化塔１０への酸化剤ガスの供給量を低減して出力を低減することが必要となるが、単に酸化剤ガスの供給量を低減するのみでは、酸化塔１０内でのガス流速が低下して酸素キャリア（Ｍ）の循環が不十分となる。本発明によるケミカルループ式燃焼装置Ａでは、酸化剤ガスの低減分を前記のように酸化塔１０からの排ガスの一部を排ガス再循環ライン３０を通して酸化塔１０に再循環させることでカバーすることができるので、酸化塔１０内での所定のガス流速を維持した状態で、より低出力での運転を継続することができる。出力が低減した分だけ、還元塔２０に供給する還元剤ガスの流量も低減することが求められるが、この低減に対しても、還元塔２０からの排ガスに対応した量を、排ガス再循環ライン４０を通して還元塔２０に再循環させてカバーすることで、還元塔２０内での所定のガス流速も維持することができる。

酸化塔１０に設けた排ガス再循環ライン３０のみを稼働させ、還元塔２０に設けた排ガス再循環ライン４０は稼働させない運転方法を採ることが可能であり、また、排ガス再循環ライン４０を備えないケミカルループ式燃焼装置Ａを用いることも可能である。逆に、還元塔２０に設けた排ガス再循環ライン４０のみを稼働させ、酸化塔１０に設けた排ガス再循環ライン３０は稼働させない運転方法を採ることが可能であり、また、排ガス再循環ライン３０を備えないケミカルループ式燃焼装置Ａを用いることも可能である。

次に、酸化塔１０側での制御の一例を図２のフロー図に沿って説明する。ケミカルループ式燃焼装置Ａは酸化塔１０内でのガス流量が前記したＱ１（酸素キャリア（Ｍ）が円滑に循環するのに必要なガス流速を酸化塔１０内に確立するときのガス流量）で運転されているとする。また、その運転状態での酸化塔１０からの排ガスに含まれる酸素（Ｏ_２）量は予め設定した値（ＳＶ値）とする。運転中に、図示しない制御部は、管路１５に取り付けた酸素センサー１６からの排ガス中のＯ_２濃度の実測値（ＰＶ値）を継続的に読み込む。そして、設定値（ＳＶ値）と実測値（ＰＶ値）を比較する（Ｓ１０）。ＳＶ値＞ＰＶ値の場合（ＹＥＳの場合）には、予定量の空気が酸化塔１０に供給されていないことを意味するので、管路１３に設けた制御弁１４を調整して、空気流量を増量するとともに、排ガス再循環ライン３０に設けた制御弁３２を調整して、それと同量だけ排ガス再循環ライン３０を流れる排ガス量（ＥＧＲ流量）を低減する（Ｓ１１）。それにより、酸化塔１０内でのガス流速を変えることなく、必要な空気を酸化塔１０内に供給することができる。

ＳＶ値＞ＰＶ値でない場合（Ｓ１０でＮＯの場合）には、制御部は、ＳＶ値＜ＰＶ値かどうかを判断する（Ｓ１２）。ＹＥＳの場合には、予定量以上の空気が酸化塔１０に供給されており、酸化塔１０からの排ガスには予定量以上の酸素が含まれていることを意味する。その場合には、管路１３に設けた制御弁１４を調整して、酸化塔１０への空気流量を減量するとともに、排ガス再循環ライン３０に設けた制御弁３２を調整して、それと同量だけ排ガス再循環ライン３０を流れる排ガス量（ＥＧＲ流量）を増量する（Ｓ１３）。それにより、酸化塔１０内でのガス流速を変えることなく、必要な空気を酸化塔１０内に供給することができる。なお、ＳＶ値＝ＰＶ値の場合は、そのまま運転を継続すればよい。

次に、還元塔２０側での制御の一例を図３のフロー図に沿って説明する。ここでも、ケミカルループ式燃焼装置Ａは還元塔２０内でのガス流量が前記したＲ１（酸化した酸素キャリア（ＭＯ）が円滑に循環するのに必要なガス流速を還元塔２０内に確立するときのガス流量）で運転されているとする。また、その運転状態での還元塔２０からの排ガスに含まれるＣＯなどの未燃成分量は予め設定した値（ＳＶ値）とする。運転中に、図示しない制御部は、管路２４に取り付けたＣＯセンサー２６からの排ガス中の未燃成分濃度の実測値（ＰＶ値）を継続的に読み込む。そして、設定値（ＳＶ値）と実測値（ＰＶ値）を比較する（Ｓ２０）。ＳＶ値＞ＰＶ値の場合（ＹＥＳの場合）には、予定量の燃料ガスが還元塔２０に供給されていないことを意味するので、管路２１に設けた制御弁２２調整して、燃料ガス量を増量するとともに、排ガス再循環ライン４０に設けた制御弁４２を調整して、それと同量だけ排ガス再循環ライン４０を流れる排ガス量（ＥＧＲ流量）を低減する（Ｓ２１）。それにより、還元塔２０内でのガス流速を変えることなく、必要な量の燃料ガスを還元塔２０内に供給することができる。

ＳＶ値＞ＰＶ値でない場合（Ｓ２０でＮＯの場合）には、制御部は、ＳＶ値＜ＰＶ値かどうかを判断する（Ｓ２２）。ＹＥＳの場合には、予定量以上の燃料ガスが還元塔２０に供給されており、還元塔２０からの排ガスには予定量以上の未燃成分が含まれていることを意味する。その場合には、管路２１に設けた制御弁２２を調整して、還元塔２０への燃料ガス流量を減量するとともに、排ガス再循環ライン４０に設けた制御弁４２を調整して、それと同量だけ排ガス再循環ライン４２を流れる排ガス量（ＥＧＲ流量）を増量する（Ｓ２３）。それにより、還元塔２０内でのガス流速を変えることなく、必要な量の燃料ガスを還元塔２０内に供給することができる。ここでも、ＳＶ値＝ＰＶ値の場合はそのまま運転を継続すればよい。

図４は、熱消費側でのロードが変化した場合での、ターンダウン制御（ロード制御）について説明する。ここでも、ケミカルループ式燃焼装置Ａは、酸化塔１０内でのガス流量が前記したＱ１（酸素キャリア（Ｍ）が円滑に循環するのに必要なガス流速を酸化塔１０内に確立するときのガス流量）、および、還元塔２０内でのガス流量が前記したＲ１（酸素キャリア（ＭＯ）が円滑に循環するのに必要なガス流速を還元塔２０内に確立するときのガス流量）で運転されているとする。運転中に、図示しない制御部は、燃料（還元剤ガス）流量計、生成蒸気流量計等からの情報を得て、制御ロードの設定値（ＳＶ値）と実測値（ＰＶ値）を比較する（Ｓ３０）。ＳＶ値＞ＰＶ値の場合（ＹＥＳの場合）には、予定量の酸化反応が酸化塔１０内で進行していないことを意味するので、酸化反応による熱量を上げるために、管路１３に設けた制御弁１４を調整して、酸化塔１０へ供給する空気流量を増量するとともに、排ガス再循環ライン３０に設けた制御弁３２を調整して、それと同量だけ排ガス再循環ライン３０を流れる排ガス量（ＥＧＲ流量）を低減する。それにより、酸化塔１０内でのガス流速を変えることなく、設定したロードを満たすだけの空気量を酸化塔１０内に供給することができる。それと同時に、酸化反応で得られる熱エネルギーと当量となるように、管路２１に設けた制御弁２２調整して、燃料ガス量を増量するとともに、排ガス再循環ライン４０に設けた制御弁４２を調整して、それと同量だけ排ガス再循環ライン４０を流れる排ガス量（ＥＧＲ流量）を低減する（Ｓ３１）。

ＳＶ値＞ＰＶ値でない場合（Ｓ３０でＮＯの場合）には、制御部は、ＳＶ値＜ＰＶ値かどうかを判断する（Ｓ３２）。ＹＥＳの場合には、必要量以上の燃料ガスが還元塔２０に供給されており、還元塔２０からの排ガスには設定量以上の未燃成分が含まれているので、管路２１に設けた制御弁２２を調整して、還元塔２０への燃料ガス流量を減量するとともに、排ガス再循環ライン４０に設けた制御弁４２を調整して、それと同量だけ排ガス再循環ライン４２を流れる排ガス量（ＥＧＲ流量）を増量する。それにより、還元塔２０内でのガス流速を変えることなく、必要な量の燃料ガスを還元塔２０内に供給することができる。一方、酸化塔１０側でも、必要量以上の空気が酸化塔１０に供給されており、酸化塔１０からの排ガスには設定量以上の酸素が含まれていることを意味するので、還元塔２０側の制御と同時に、管路１３に設けた制御弁１４を調整して、酸化塔１０への空気流量を減量するとともに、排ガス再循環ライン３０に設けた制御弁３２を調整して、それと同量だけ排ガス再循環ライン３０を流れる排ガス量（ＥＧＲ流量）を増量する（Ｓ３３）。それにより、酸化塔１０内でのガス流速を変えることなく、必要な空気を酸化塔１０内に供給することができる。なお、ＳＶ値＝ＰＶ値の場合は、そのまま運転を継続すればよい。

上記したように、本発明によるケミカルループ式燃焼装置Ａでは、酸化塔１０および還元塔２０の双方またはいずれか一方に、排ガス再循環ライン３０、４０を設けたことにより、酸化塔１０および還元塔２０内での酸素キャリアの円滑な流動状態を保持したままで、種々の運転態様に容易に対処することが可能となり、ケミカルループ式燃焼装置Ａを実機として用いるときの利便性が大きく向上する。

Ａ…ケミカルループ式燃焼装置、
１０…酸化塔、
２０…還元塔、
３０…酸化塔に設けた排ガス再循環ライン、
４０…還元塔に設けた排ガス再循環ライン

Claims (4)

1. 酸化塔と還元塔を備え酸素キャリアが酸化塔内での酸化剤による酸化反応と還元塔内での還元剤による還元反応を受けながら循環するようにされたケミカルループ式燃焼装置であって、
   前記酸化塔および前記還元塔の双方に排ガス再循環ラインが備えられ、該排ガス再循環ラインにはそこを流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段が備えられ、前記酸化塔に備えられた排ガス再循環ラインには酸素センサーが、前記還元塔に備えられた排ガス再循環ラインには還元剤センサーが備えられていることを特徴とするケミカルループ式燃焼装置。
2. 請求項１に記載のケミカルループ式燃焼装置の運転方法であって、運転状態にかかわらず前記酸化塔および前記還元塔内のガス流速が予め設定した範囲内となるようにそれぞれの排ガス再循環量を制御して運転を行うことを特徴とするケミカルループ式燃焼装置の運転方法。
3. 酸化塔と還元塔を備え酸素キャリアが酸化塔内での酸化剤による酸化反応と還元塔内での還元剤による還元反応を受けながら循環するようにされたケミカルループ式燃焼装置であって、
   前記還元塔には排ガス再循環ラインが備えられ、該排ガス再循環ラインにはそこを流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段が備えられ、さらに、前記還元塔の排ガス再循環ラインには還元剤センサーが備えられていることを特徴とするケミカルループ式燃焼装置。
4. 請求項３に記載のケミカルループ式燃焼装置の運転方法であって、運転状態にかかわらず前記還元塔内のガス流速が予定した範囲内となるように排ガス再循環量を制御して運転を行うことを特徴とするケミカルループ式燃焼装置の運転方法。

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