JP6021371B2 - Chemical looping combustion system - Google Patents

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Description

本発明は、地球温暖化問題となる二酸化炭素(CO)の排出削減技術に係り、特に化石燃料ボイラ発電などで使用する化石燃料を燃焼することによって発生するCOの分離回収技術に関するものである。 The present invention relates to a carbon dioxide (CO 2 ) emission reduction technique that causes global warming, and more particularly to a technique for separating and recovering CO 2 generated by burning fossil fuel used in fossil fuel boiler power generation. is there.

近年、地球温暖化の原因の一つとして、大規模火力発電設備からのCO排出が問題視され、燃焼排ガスからのCOを分離・回収して貯留する技術(CCS:Carbon dioxide Capture and Storage)が、COの排出削減に有効な手段として世界的に注目されている。 In recent years, CO 2 emissions from large-scale thermal power generation facilities have become a problem as one of the causes of global warming, and technology for separating and collecting CO 2 from combustion exhaust gas (CCS: Carbon dioxide Capture and Storage) ) Is attracting worldwide attention as an effective means for reducing CO 2 emissions.

化石燃料を使用するボイラ設備に適用可能なCCS技術として、化学吸収システム、酸素燃焼システム、ケミカルルーピング燃焼システム(CLC:Chemical Looping Combustino Systm)などがある。   CCS technologies applicable to boiler facilities that use fossil fuels include chemical absorption systems, oxyfuel combustion systems, and chemical looping combustion systems (CLC).

しかしながら、前記化学吸収システムは、COを吸着した液を再生するために多くのエネルギーが必要であり、また、前記酸素燃焼システムでは、酸素製造装置を駆動するために多くの動力が必要であり、これらのCCS技術では消費エネルギーの低減が望まれている。 However, the chemical absorption system requires a lot of energy to regenerate the liquid adsorbed with CO 2 , and the oxyfuel combustion system needs a lot of power to drive the oxygen production apparatus. In these CCS technologies, reduction of energy consumption is desired.

これに対して前記CLCは、化学吸収システムの液再生エネルギーや酸素燃焼システムにおける酸素製造装置の駆動エネルギーが不要であるため、CCS技術の消費エネルギーを大幅に低減し、発電効率の低下を抑制できる可能性があるという特長を有している。   On the other hand, since the CLC does not require liquid regeneration energy of the chemical absorption system or driving energy of the oxygen production apparatus in the oxygen combustion system, it can greatly reduce the energy consumption of the CCS technology and suppress the decrease in power generation efficiency. It has the feature that there is a possibility.

CLCは、空気を燃料に直接接触させずに、酸素キャリアである金属酸化物(MeO)で燃料を酸化反応させ、その酸化反応によって還元された金属(Me)は空気で酸化して金属酸化物(MeO)として、再利用する技術である。これによって反応生成物は、COと水分となり、COの回収が容易となる技術である。 CLC oxidizes a fuel with metal oxide (MeO), which is an oxygen carrier, without directly contacting the air with the fuel, and the metal (Me) reduced by the oxidation reaction is oxidized with air to form a metal oxide. (MeO) is a technology for reuse. As a result, the reaction product becomes CO 2 and moisture, and CO 2 is easily recovered.

図8は、従来のCLCの原理を説明するための図である。従来のCLCは、同図に示すように、空気反応器1と燃料反応器2で構成され、その間を金属粒子(MeO)4と金属粒子(Me)5が循環流動するシステムになっている。   FIG. 8 is a diagram for explaining the principle of the conventional CLC. As shown in the figure, the conventional CLC is composed of an air reactor 1 and a fuel reactor 2, and metal particles (MeO) 4 and metal particles (Me) 5 circulate and flow between them.

空気反応器1では、金属粒子(Me)5が空気6中の酸素と反応して金属酸化物(MeO)となる。
Mexy-1+0.5O2→Mexy・・・(1)
酸化した金属粒子(MeO)4は、サイクロン(図示せず)で排ガス(N2,O2など)8と分離され、燃料反応器2へ送られる。燃料反応器2では高温の金属粒子(MeO)4と固体燃料(例えば石炭)7が接触して、金属粒子(MeO)4の酸素と固体燃料7が反応する。このとき、固体燃料7を酸化した金属粒子(MeO)4は還元されて金属粒子(Me)5となり、再び空気反応器1へ戻る循環ループを形成する。
In the air reactor 1, the metal particles (Me) 5 react with oxygen in the air 6 to become metal oxide (MeO).
Me x O y-1 + 0.5O 2 → Me x O y ··· (1)
Oxidized metal particles (MeO) 4 are separated from exhaust gas (N 2 , O 2, etc.) 8 by a cyclone (not shown) and sent to the fuel reactor 2. In the fuel reactor 2, high-temperature metal particles (MeO) 4 and solid fuel (for example, coal) 7 come into contact with each other, and oxygen of the metal particles (MeO) 4 and the solid fuel 7 react. At this time, the metal particles (MeO) 4 obtained by oxidizing the solid fuel 7 are reduced to become metal particles (Me) 5 and form a circulation loop that returns to the air reactor 1 again.

(2n+m)Mexy+C2m→(2n+m)Mexy-1+mH2O+nCO2・・・(2)
空気反応器1からは窒素や残存酸素を含んだ排ガス8が排出され、燃料反応器2からはCO2ガス9やH2O10(水蒸気)などが排出される。これらのガスは高温であるため、排熱回収ボイラ(図示せず)で熱回収して、発電に利用する(非特許文献1参照)。
(2n + m) Me x O y + C n H 2m → (2n + m) Me x O y-1 + mH 2 O + nCO 2 ··· (2)
Exhaust gas 8 containing nitrogen and residual oxygen is discharged from the air reactor 1, and CO 2 gas 9 and H 2 O 10 (water vapor) are discharged from the fuel reactor 2. Since these gases are high temperature, heat is recovered by an exhaust heat recovery boiler (not shown) and used for power generation (see Non-Patent Document 1).

現在では、諸外国、特に欧州や北米を中心に大学や公的研究機関、民間企業などで研究、開発が進められている。以前はメタンや天然ガスなどの気体燃料が中心であったが、CO削減効果の大きい石炭などの固体燃料に対象が移りつつある。例えば固体燃料を使用したものに、Chalmers大学の10kWthベンチ装置、Ohio州立大学の150kWthベンチ装置、Alstom社の65kWthベンチ装置などがある(非特許文献2参照)。 Currently, research and development are underway in universities, public research institutes, and private companies mainly in other countries, especially in Europe and North America. In the past, gas fuels such as methane and natural gas were the focus, but the target is shifting to solid fuels such as coal, which have a large CO 2 reduction effect. For example, there are a 10 kWth bench device from Chalmers University, a 150 kWth bench device from Ohio State University, a 65 kWth bench device from Alstom, etc. (see Non-Patent Document 2).

固体燃料である石炭は、水分、灰分、揮発分ならびに固定炭素などの成分から構成されており、800℃以上の高温場に石炭が投入されると、熱分解し、気体成分(揮発分+水分)と固体成分(固定炭素+灰分)に瞬時に分離される。一般に、気体成分を揮発分、固体成分をチャーと呼んでいる。   Coal, which is a solid fuel, is composed of components such as moisture, ash, volatiles, and fixed carbon. When coal is introduced into a high-temperature field of 800 ° C or higher, it is pyrolyzed and gas components (volatile matter + moisture) ) And solid components (fixed carbon + ash). In general, a gas component is called a volatile component, and a solid component is called a char.

図9は、従来のCLCの具体例を示す概略系統図である。
同図に示すようにCLCは、空気反応器1、燃料反応器2、サイクロン12、排ガス浄化装置14、熱交換器15、空気予熱器16、熱交換器17、CO浄化装置18、CO圧縮液化装置30ならびにCO貯留装置31などを備えている。前記空気反応器1−サイクロン12−燃料反応器2−空気反応器1の間は、金属粒子4,5が循環できるように太い実線で示されている配管でエンドレス状に連結されている。
FIG. 9 is a schematic system diagram showing a specific example of a conventional CLC.
As shown in the figure, the CLC includes an air reactor 1, a fuel reactor 2, a cyclone 12, an exhaust gas purification device 14, a heat exchanger 15, an air preheater 16, a heat exchanger 17, a CO 2 purification device 18, and a CO 2. A compression liquefaction device 30 and a CO 2 storage device 31 are provided. Between the air reactor 1, the cyclone 12, the fuel reactor 2, and the air reactor 1, the metal particles 4 and 5 are connected in an endless manner by pipes indicated by thick solid lines.

固体燃料(例えば石炭)7とガス化剤(例えばCO、HO)19が燃料反応器2に供給される。この燃料反応器2の内部には、金属粒子(MeO)4が浮遊流動する流動層を形成している。燃料反応器2で還元された金属粒子(Me)5はLバルブ20を通過して、空気反応器1へ移送される。 A solid fuel (for example, coal) 7 and a gasifying agent (for example, CO 2 , H 2 O) 19 are supplied to the fuel reactor 2. Inside the fuel reactor 2, a fluidized bed in which metal particles (MeO) 4 float and flow is formed. The metal particles (Me) 5 reduced in the fuel reactor 2 pass through the L valve 20 and are transferred to the air reactor 1.

空気反応器1には、空気予熱器16を通過した高温の空気6が導入されており、空気反応器1の内部では空気6と金属粒子(Me)5が反応して、金属粒子(MeO)4を生成する。この金属粒子(MeO)4は排気ガス(N、残留O、NOx、飛灰など)8と共にサイクロン12に移動され、固体の金属粒子(MeO)4と気体の排気ガス8に分離される。 Hot air 6 that has passed through the air preheater 16 is introduced into the air reactor 1, and inside the air reactor 1, the air 6 reacts with metal particles (Me) 5 to form metal particles (MeO). 4 is generated. The metal particles (MeO) 4 are moved to the cyclone 12 together with exhaust gas (N 2 , residual O 2 , NOx, fly ash, etc.) 8 and separated into solid metal particles (MeO) 4 and gaseous exhaust gas 8. .

金属粒子(MeO)4は重力でサイクロン12の下部に落下し、Lバルブ20により流量制御されて、燃料反応器2へ移動する。燃料反応器2から排出されたCO2ガス9ガスとH2O(水蒸気)10は熱交換器17に送られて冷却され、CO2浄化装置18で脱水ならびに不純物が除去され、さらにCO2の圧縮液化がCO圧縮液化装置30で行われて、得られた液化CO2がCO貯留装置31に 貯留される。 The metal particles (MeO) 4 fall to the lower part of the cyclone 12 due to gravity, the flow rate is controlled by the L valve 20, and the metal particles (MeO) 4 move to the fuel reactor 2. CO 2 gas 9 gas and H 2 O (steam) 10 discharged from the fuel reactor 2 is cooled is sent to the heat exchanger 17, dehydrated and impurities in CO 2 purification apparatus 18 is removed, further the CO 2 The compressed liquefaction is performed in the CO 2 compression liquefaction device 30, and the obtained liquefied CO 2 is stored in the CO 2 storage device 31.

一方、前記サイクロン12で分離されたN、残留O、NOx、飛灰などの排気ガス8は熱交換器15で冷却され、さらに空気予熱器16で空気6と熱交換し、最後に排ガス浄化装置14で無害化されて大気へ放出されるシステムになっている。 On the other hand, the exhaust gas 8 such as N 2 , residual O 2 , NOx, fly ash and the like separated by the cyclone 12 is cooled by a heat exchanger 15, further heat-exchanged with air 6 by an air preheater 16, and finally exhaust gas. The system is made harmless by the purification device 14 and released to the atmosphere.

特開2011−16873号公報JP 2011-16873 A 特開2011−178572号公報JP 2011-178572 A

吉田、小野崎:ケミカルルーピング燃焼技術:季報 エネルギー総合工学研究所、Vol.33,No.1,pp29-35,2010,4Yoshida, Onosaki: Chemical looping combustion technology: Seasonal report Energy Research Institute, Vol. 33, No. 1, pp 29-35, 2010, 4 L.S.Fan: Chemical looping systems for fossil energy conversions:AIChE,2010L.S.Fan: Chemical looping systems for fossil energy conversions: AIChE, 2010 電中研レビュー第44号 石炭ガス化複合発電の実現に向けて ―実証機開発の支援と将来への研究展開―Denchu Review No. 44 Toward the Realization of Coal Gasification Combined Cycle Power Generation-Support for Demonstration Machine Development and Future Research Development-

従来技術では石炭から生成する気体成分の揮発分と固体成分のチャーの2つの反応速度の差異について十分に考慮されていなかった。
図10は、従来技術の課題を説明するための図である。同図に示すように、石炭が熱分解すると気体成分の揮発分と固体成分のチャーが生成する。揮発分は、金属粒子(MeO)と数秒オーダで迅速に反応して、CO2ガスとH2O(水蒸気)が生成する。これに対してチャーは、一般に反応性が低く、数分オーダの反応時間が必要となる。
The prior art has not fully considered the difference between the two reaction rates of the volatile component of the gas component produced from coal and the char component of the solid component.
FIG. 10 is a diagram for explaining the problems of the prior art. As shown in the figure, when coal is thermally decomposed, volatile components of gas components and char of solid components are generated. Volatile components react rapidly with metal particles (MeO) in the order of a few seconds to produce CO 2 gas and H 2 O (water vapor). In contrast, char is generally less reactive and requires a reaction time on the order of several minutes.

そのため、揮発分の反応速度を基準に1つの燃焼反応器を設計すると、チャーの方が燃焼反応器内部で反応時間を確保できず、チャーが未反応のままで排出されたり、もしくは未反応のチャーが反応器内に堆積するという問題がある。
一方、チャーの反応速度を基準に1つの燃焼反応器を設計すると、揮発分の滞留時間が長くなり、そのために反応容積が巨大化し、コストアップとなる。
Therefore, if one combustion reactor is designed based on the reaction rate of volatile matter, the char cannot secure the reaction time inside the combustion reactor, and the char is discharged without being reacted or unreacted. There is a problem that char accumulates in the reactor.
On the other hand, if one combustion reactor is designed on the basis of the reaction rate of char, the residence time of volatile components becomes longer, which increases the reaction volume and costs.

本発明の目的は、固体成分(チャー)と気体成分(揮発分)の酸化反応を2塔に分けて行うことで、揮発分反応器の容積を巨大化する必要がなく、チャーの未反応率が低減でき、システムの高効率化が図れるケミカルルーピング燃焼システムを提供することにある。   The object of the present invention is to perform the oxidation reaction of the solid component (char) and the gas component (volatile component) in two towers, so that it is not necessary to enlarge the volume of the volatile reactor, and the unreacted rate of char It is an object of the present invention to provide a chemical looping combustion system that can reduce the amount of gas and increase the efficiency of the system.

前記目的を達成するため、本発明の第1の手段は、
例えば後述するような金属粒子(MeO)などの酸化物の酸素キャリア粒子を供給しながら形成した反応層に固体燃料とガス化剤を供給して前記固体燃料を熱分解させて、生成した固体成分をそのまま残して前記反応層で酸化反応を行う燃料反応器と、
前記燃料反応器で生成した気体成分を取り出して、酸化物の酸素キャリア粒子を供給しながら形成した反応層に導入して気体成分の酸化反応を行う揮発分反応器と、
前記燃料反応器によって還元された例えば後述するような金属粒子(Me)などの前記酸素キャリア粒子を燃料反応器から取り出して、空気で酸化して酸化物の酸素キャリア粒子とする空気反応器を備え、
前記酸素キャリア粒子が前記揮発分反応器と燃料反応器と空気反応器を循環流動するように構成され、前記燃料反応器内に形成される反応層が、前記酸素キャリア粒子移動して、前記ガス化剤が前記酸素キャリア粒子の隙間を流れる移動層であり、当該移動層は、前記ガス化剤の流速が前記酸素キャリア粒子の流動化開始速度より遅い速度で前記燃料反応器に供給されることにより形成され、前記揮発分反応器内に形成される反応層が、前記酸素キャリア粒子が浮遊流動する流動層であって、前記流動層を形成するための流動化ガスとして前記燃料反応器で生成した気体成分を利用する構成になっていることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the first means of the present invention comprises:
For example, a solid component generated by thermally decomposing the solid fuel by supplying a solid fuel and a gasifying agent to a reaction layer formed while supplying oxygen carrier particles of oxide such as metal particles (MeO) as described later A fuel reactor for performing an oxidation reaction in the reaction layer,
A volatile reactor that takes out a gas component generated in the fuel reactor and introduces it into a reaction layer formed while supplying oxygen carrier particles of an oxide to perform an oxidation reaction of the gas component;
For example, an air reactor is provided which takes out the oxygen carrier particles such as metal particles (Me) as described below, which are reduced by the fuel reactor, from the fuel reactor and oxidizes them with air to form oxide oxygen carrier particles. ,
The oxygen carrier particles are configured to circulating fluidized the volatiles reactor fuel reactor and air reactor, the reaction layer formed on the fuel within the reactor, to move the oxygen carrier particles, wherein A gasifying agent is a moving bed that flows through the gaps between the oxygen carrier particles, and the moving bed is supplied to the fuel reactor at a flow rate of the gasifying agent that is slower than a fluidization start speed of the oxygen carrier particles. The reaction layer formed in the volatile content reactor is a fluidized bed in which the oxygen carrier particles float and flow, and the fuel reactor serves as a fluidized gas for forming the fluidized bed. It has the structure which utilizes the produced | generated gas component.

本発明の第の手段は前記第1の手段において、
前記燃料反応器へ供給するガス化剤として、前記揮発分反応器で生成した二酸化炭素および/あるいは水蒸気を利用する構成になっていることを特徴とするものである。
According to a second means of the present invention, in the first means,
The gasification agent supplied to the fuel reactor is configured to use carbon dioxide and / or water vapor generated in the volatile content reactor.

本発明の第の手段は、
酸化物の酸素キャリア粒子を供給しながら形成した反応層に固体燃料とガス化剤を供給して前記固体燃料を熱分解させて、生成した気体成分の酸化反応を行う揮発分反応器と、
前記揮発分反応器で生成した固体成分と酸素キャリア粒子の一部を取り出して導入し、前記固体成分の酸化反応を行う燃料反応器と、
前記燃料反応器によって還元された前記酸素キャリア粒子を燃料反応器から取り出して、空気で酸化して酸化物の酸素キャリア粒子とする空気反応器を備え、
前記酸素キャリア粒子が前記揮発分反応器と燃料反応器と空気反応器を循環流動するように構成され、
前記燃料反応器内に形成される反応層前記固体成分の酸化反応が完了するまでの分単位の時間に亘って前記固体成分が前記反応層にて滞留できるように前記酸素キャリア粒子が所定速度で移動する移動層であり、
前記揮発分反応器内に形成される反応層、前記酸素キャリア粒子が浮遊流動する流動層であることを特徴とするものである。
The third means of the present invention is:
A volatile reactor that supplies a solid fuel and a gasifying agent to a reaction layer formed while supplying oxygen carrier particles of oxide to thermally decompose the solid fuel and oxidize the generated gas component;
A fuel reactor that takes out and introduces a part of the solid component and oxygen carrier particles generated in the volatile reactor, and performs an oxidation reaction of the solid component;
The oxygen carrier particles reduced by the fuel reactor are removed from the fuel reactor, and the air reactor is oxidized with air to form oxygen carrier particles of oxide,
The oxygen carrier particles are configured to circulate and flow through the volatile reactor, the fuel reactor, and the air reactor;
Said fuel reactor reaction layer formed in, the oxygen carrier particles as the solid component in the course of minutes of time until the oxidation reaction is complete can be retained in said reaction layer of said solid component is predetermined A moving layer that moves at a speed ,
The volatiles reactor reaction layer formed on is characterized in that the oxygen carrier particles are fluidized layer floating flow.

本発明の第の手段は前記第の手段において、
前記燃料反応器で生成した二酸化炭素および/あるいは水蒸気を前記揮発分反応器に導入しないで排出する構成になっていることを特徴とするものである。
According to a fourth means of the present invention, in the third means,
Carbon dioxide and / or water vapor generated in the fuel reactor is discharged without being introduced into the volatile reactor.

本発明の第の手段は前記第の手段において、
前記揮発分反応器のガス流れ方向後流側に熱交換器が設置されており、前記燃料反応器で生成した二酸化炭素および/あるいは水蒸気と、前記燃料反応器で生成した二酸化炭素および/あるいは水蒸気がともに前記熱交換器に導入される構成になっていることを特徴とするものである。
According to a fifth means of the present invention, in the fourth means,
A heat exchanger is installed on the downstream side in the gas flow direction of the volatile content reactor, and carbon dioxide and / or steam generated in the fuel reactor and carbon dioxide and / or steam generated in the fuel reactor. Are both introduced into the heat exchanger.

本発明の第の手段は前記第1または第の手段において、
前記酸素キャリア粒子を配管で搬送するために使用する搬送用流体として、前記酸化反応で生成した二酸化炭素および/あるいは水蒸気を利用する構成になっていることを特徴とするものである。
A sixth means of the present invention is the first or third means,
The carrier fluid used for transporting the oxygen carrier particles by piping is configured to utilize carbon dioxide and / or water vapor generated by the oxidation reaction.

本発明は前述のような構成になっており、固体成分(チャー)と気体成分(揮発分)の酸化反応を2塔に分けて行うことで、揮発分反応器の容積を巨大化する必要がなく、チャーの未反応率が低減でき、システムの高効率化が図れるケミカルルーピング燃焼システムを提供することができる。   The present invention is configured as described above, and it is necessary to enlarge the volume of the volatile reactor by performing the oxidation reaction of the solid component (char) and the gas component (volatile component) in two towers. Therefore, it is possible to provide a chemical looping combustion system in which the unreacted rate of char can be reduced and the efficiency of the system can be improved.

本発明の実施例1に係るケミカルルーピング燃焼システムの具体例を示す概略系統図である。It is a schematic system diagram which shows the specific example of the chemical looping combustion system which concerns on Example 1 of this invention. そのケミカルルーピング燃焼システムの原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the chemical looping combustion system. 適切なチャーの反応時間を把握するために実施した要素試験装置(a)ならびに試験仕様(b)を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the element test apparatus (a) implemented in order to grasp | ascertain the reaction time of a suitable char, and a test specification (b). その要素試験の結果を示すチャー未反応率特性図である。It is a char unreacted rate characteristic figure which shows the result of the element test. 本実施例1に係るCLC系統のヒートバランスの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the heat balance of the CLC system which concerns on the present Example 1. FIG. 本発明の実施例2に係るケミカルルーピング燃焼システムの具体例を示す概略系統図である。It is a schematic system diagram which shows the specific example of the chemical looping combustion system which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例3に係るケミカルルーピング燃焼システムの具体例を示す概略系統図である。It is a schematic system diagram which shows the specific example of the chemical looping combustion system which concerns on Example 3 of this invention. 従来のCLCの原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the conventional CLC. 従来のケミカルルーピング燃焼システムの具体例を示す概略系統図である。It is a schematic system diagram which shows the specific example of the conventional chemical looping combustion system. 従来技術の課題を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the subject of a prior art.

次に本発明の実施例を図面と共に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の実施例1に係るにケミカルルーピング燃焼システム(CLC)の具体例を示す概略系統図、図2はそのCLCの原理を説明するための図である。
まず、図2を用いて本実施例に係るCLCの原理について説明する。
本発明の基本的な特徴点は、本来の燃焼反応器を別個に独立した燃料反応器2と揮発分反応器3の2塔に分けたことである。従ってCLCは図2に示すように、空気反応器1と燃料反応器2と揮発分反応器3から主に構成されており、これらの間を金属粒子(MeO)4と金属粒子(Me)5が循環流動するシステムになっている。
FIG. 1 is a schematic system diagram showing a specific example of a chemical looping combustion system (CLC) according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the CLC.
First, the principle of CLC according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
The basic feature of the present invention is that the original combustion reactor is divided into two towers, a fuel reactor 2 and a volatile reactor 3, which are separately independent. Therefore, as shown in FIG. 2, the CLC is mainly composed of an air reactor 1, a fuel reactor 2, and a volatile content reactor 3. Between these, metal particles (MeO) 4 and metal particles (Me) 5 are formed. Is a system that circulates and flows.

燃料反応器2の内部には、高温の金属粒子(MeO)4と金属粒子(Me)5が混在しており、そこに固体燃料(石炭)7が供給されて、固体燃料(石炭)7は固体成分のチャーと気体成分11の揮発分13に分離する。チャーはそのまま燃料反応器2の内部で反応し、チャーの反応阻害要因である揮発分13は順次揮発分反応器3へ送られて、燃料反応器2内から排除される。   Inside the fuel reactor 2, high-temperature metal particles (MeO) 4 and metal particles (Me) 5 are mixed, and solid fuel (coal) 7 is supplied to the solid fuel (coal) 7. The solid component char is separated into the volatile component 13 of the gas component 11. The char reacts as it is inside the fuel reactor 2, and the volatile matter 13 that is a reaction inhibition factor of the char is sequentially sent to the volatile matter reactor 3 and is removed from the fuel reactor 2.

なお、予備実験として、揮発分を分離したチャー単独の場合のチャーのガス化率と、揮発分を分離しない場合のチャーのガス化率を調べたところ、揮発分を分離した方がチャーのガス化率は増加していることを確認している。これは、揮発分とチャー反応生成物とのガス分圧差の影響や、揮発分がチャーの反応表面に吸着するなどが考えられる。このことからも、揮発分はチャーの反応阻害要因であることが分かり、チャーの反応を効率よく進めるには、揮発分とチャーの分離が必要である。   As a preliminary experiment, the char gasification rate when the volatile matter was separated alone and the char gasification rate when the volatile matter was not separated were examined. It has been confirmed that the conversion rate has increased. This may be due to the effect of the gas partial pressure difference between the volatile matter and the char reaction product, or the volatile matter adsorbed on the reaction surface of the char. From this, it can be seen that the volatile matter is a factor that inhibits the reaction of char, and separation of the volatile matter and char is necessary for the efficient reaction of char.

一方、空気反応器1では、金属粒子(Me)5が空気6中の酸素と反応して金属酸化物(MeO)4となり、生成した金属粒子(MeO)4は、サイクロン12(図1参照)で排ガス(N2,O2)8と分離されて、揮発分反応器3へ送られる。揮発分13は高温の金属粒子(MeO)4と接触して反応し、CO29やH2O10を生成して、それらは揮発分反応器3から排出される。 On the other hand, in the air reactor 1, the metal particles (Me) 5 react with oxygen in the air 6 to be metal oxide (MeO) 4, and the generated metal particles (MeO) 4 are the cyclone 12 (see FIG. 1). Is separated from the exhaust gas (N 2 , O 2 ) 8 and sent to the volatile content reactor 3. The volatile matter 13 reacts by contacting with high-temperature metal particles (MeO) 4 to produce CO 2 9 and H 2 O 10, which are discharged from the volatile reactor 3.

燃料反応器2内での固体燃料7の酸化により、金属粒子(MeO)4は還元されて金属粒子(Me)5となり、再び空気反応器1へ戻る循環ループを形成する。   By the oxidation of the solid fuel 7 in the fuel reactor 2, the metal particles (MeO) 4 are reduced to metal particles (Me) 5 and form a circulation loop that returns to the air reactor 1 again.

次に図1を用いてCLCの概略について具体的に説明する。
同図に示すようにCLCは、空気反応器1、燃料反応器2、揮発分反応器3、サイクロン12、排ガス浄化装置14、熱交換器15、空気予熱器16、熱交換器17、CO浄化装置18、CO圧縮液化装置30ならびにCO貯留装置31などを備え、図に示すような接続関係になっている。
Next, the outline of CLC will be specifically described with reference to FIG.
As shown in the figure, the CLC includes an air reactor 1, a fuel reactor 2, a volatile content reactor 3, a cyclone 12, an exhaust gas purification device 14, a heat exchanger 15, an air preheater 16, a heat exchanger 17, and CO 2. The purification device 18, the CO 2 compression liquefaction device 30, the CO 2 storage device 31, and the like are provided, and are connected as shown in the figure.

前記空気反応器1−サイクロン12−揮発分反応器3−燃料反応器2−空気反応器1の間は、金属粒子4,5が循環できるように太い実線で示されている配管でエンドレス状に連結されている。   Between the air reactor 1, the cyclone 12, the volatile content reactor 3, the fuel reactor 2, and the air reactor 1, pipes shown by thick solid lines are endless so that the metal particles 4 and 5 can circulate. It is connected.

始めに、固体燃料(例えば石炭)7とガス化剤(例えばCO、HO)19が燃料反応器2に供給される。この燃料反応器2には、高温の金属粒子(MeO)4と金属粒子(Me)5が混在した移動層(図示せず)が形成されている。ここで、固体燃料(例えば石炭)7は熱分解し、固体成分のチャーと気体成分の揮発分13に分離し、チャーはそのまま燃料反応器2の内部に残って反応し、生成したガス状の揮発分13は揮発分反応器3へ移動する。また、燃料反応器2からは、還元された金属粒子(Me)5が適量排出される。 First, a solid fuel (for example, coal) 7 and a gasifying agent (for example, CO 2 , H 2 O) 19 are supplied to the fuel reactor 2. The fuel reactor 2 is formed with a moving bed (not shown) in which high-temperature metal particles (MeO) 4 and metal particles (Me) 5 are mixed. Here, the solid fuel (e.g., coal) 7 is thermally decomposed and separated into a solid component char and a gaseous component volatile matter 13, and the char remains in the fuel reactor 2 as it is and reacts to form a gaseous state. Volatile matter 13 moves to volatile reactor 3. Also, an appropriate amount of reduced metal particles (Me) 5 is discharged from the fuel reactor 2.

排出された金属粒子(Me)5は、粒子搬送量調整手段であるLバルブ20を通過して、空気反応器1へ移送される。空気反応器1には、空気予熱器16を通過した高温の空気6が導入されており、空気反応器1の内部では空気6と金属粒子(Me)5が反応して、酸化した金属粒子(MeO)4を生成する。この金属粒子(MeO)4は排気ガス(N、残留O、NOx、飛灰など)8と共にサイクロン12に移動され、比重差により固体の金属粒子(MeO)4と気体の排気ガス8に分離される。 The discharged metal particles (Me) 5 pass through the L valve 20 which is a particle conveyance amount adjusting means and are transferred to the air reactor 1. High-temperature air 6 that has passed through the air preheater 16 is introduced into the air reactor 1, and inside the air reactor 1, the air 6 reacts with metal particles (Me) 5 to generate oxidized metal particles ( MeO) 4. The metal particles (MeO) 4 are moved to the cyclone 12 together with the exhaust gas (N 2 , residual O 2 , NOx, fly ash, etc.) 8, and are converted into solid metal particles (MeO) 4 and gaseous exhaust gas 8 due to the difference in specific gravity. To be separated.

金属粒子(MeO)4は、重力でサイクロン12の下部に落下し、粒子搬送量調整手段であるLバルブ20を通過して、揮発分反応器3へ移動する。この揮発分反応器3の内部では、燃料反応器2から送られてきた揮発分13が、金属粒子(MeO)4を浮遊流動させながら金属粒子(MeO)4と反応してCO2ガスとガスH2O(水蒸気)が生成する。また、金属粒子(MeO)4は揮発分13との反応により還元されて金属粒子(Me)5となり、その金属粒子(Me)5と未反応の金属粒子(MeO)4は、粒子搬送量調整手段であるLバルブ20を通過して、燃料反応器2へ移動する。 The metal particles (MeO) 4 fall to the lower part of the cyclone 12 by gravity, pass through the L valve 20 which is a particle conveyance amount adjusting means, and move to the volatile content reactor 3. Inside the volatile content reactor 3, the volatile content 13 sent from the fuel reactor 2 reacts with the metal particles (MeO) 4 while the metal particles (MeO) 4 are suspended and flowed to react with CO 2 gas and gas. H 2 O (water vapor) is generated. Further, the metal particles (MeO) 4 are reduced by reaction with the volatile matter 13 to become metal particles (Me) 5, and the metal particles (Me) 5 and the unreacted metal particles (MeO) 4 are adjusted in the particle conveyance amount. It moves to the fuel reactor 2 through the L valve 20 as means.

このようにCLCでは、金属粒子4,5が燃料反応器2→空気反応器1→揮発分反応器3→燃料反応器2→・・・を循環流動しながら固体燃料7と反応している。また、金属粒子4,5を搬送する配管(図1において太い実線で示す部分)に使用する搬送用流体として、系内で生成したCO2ガスおよび/あるいはH2O(水蒸気)、または排ガス8が利用される。 Thus, in the CLC, the metal particles 4 and 5 react with the solid fuel 7 while circulating and flowing through the fuel reactor 2 → the air reactor 1 → the volatile content reactor 3 → the fuel reactor 2 →. Further, as a transporting fluid used for piping for transporting the metal particles 4 and 5 (portion shown by a thick solid line in FIG. 1), CO 2 gas and / or H 2 O (water vapor) generated in the system, or exhaust gas 8 is used. Is used.

揮発分反応器3内で生成した前記CO2ガス9とH2O(水蒸気)10は熱交換器17に送られて冷却され、熱交換器17で得られた蒸気は図示しない発電設備に送られる。その後、CO2ガス9とH2O(水蒸気)10はCO2浄化装置18で脱水と不純物の除去がなされ、CO圧縮液化装置30でCO2ガス9の圧縮液化が行われて、液化したCOがCO貯留装置31に貯留される。 The CO 2 gas 9 and H 2 O (steam) 10 produced in the volatile reactor 3 are sent to a heat exchanger 17 to be cooled, and the steam obtained by the heat exchanger 17 is sent to a power generation facility (not shown). It is done. Thereafter, the CO 2 gas 9 and H 2 O (water vapor) 10 are dehydrated and impurities are removed by the CO 2 purification device 18, and the CO 2 gas 9 is compressed and liquefied by the CO 2 compression liquefaction device 30 to be liquefied. CO 2 is stored in the CO 2 storage device 31.

前記サイクロン12で分離されたN、残留O、NOx、飛灰などの排気ガス8は熱交換器15で冷却され、さらに空気予熱器16で空気6と熱交換し、最後に排ガス浄化装置14で無害化されて大気へ放出される。前記熱交換器15で得られた蒸気は図示しない発電設備に送られる。 Exhaust gas 8 such as N 2 , residual O 2 , NOx, fly ash and the like separated by the cyclone 12 is cooled by a heat exchanger 15 and further heat exchanged with air 6 by an air preheater 16, and finally an exhaust gas purification device. 14 is detoxified and released to the atmosphere. The steam obtained by the heat exchanger 15 is sent to a power generation facility (not shown).

金属粒子(MeO)4としては、例えばニッケル(Ni),鉄(Fe),銅(Cu),カルシウム(Ca)などの酸化物が使用される。特に酸化鉄は無公害で安価なためCLCに好適である。金属粒子(MeO)4としては酸化鉄を使用した場合の還元、酸化反応式を下記に示す。   As the metal particles (MeO) 4, for example, oxides such as nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), and calcium (Ca) are used. In particular, iron oxide is suitable for CLC because it is pollution-free and inexpensive. The reduction and oxidation reaction formulas when iron oxide is used as the metal particles (MeO) 4 are shown below.

還元反応: C(石炭)+6Fe⇒4Fe+CO−吸熱 ・・・(3)
酸化反応: 4Fe+O(空気)⇒6Fe+発熱 ・・・(4)
金属粒子(MeO)4として酸化鉄を使用した場合、金属粒子(MeO)4はFe、金属粒子(Me)5はFeに相当する。そして空気反応器1では前記式(4)に示すFeと空気の酸化反応が生じ、燃料反応器2と揮発分反応器3では前記式(3)に示すFeの還元反応が生じる。
Reduction reaction: C (coal) + 6Fe 2 O 3 ⇒4Fe 3 O 4 + CO 2 − endotherm (3)
Oxidation reaction: 4Fe 3 O 4 + O 2 (air) ⇒ 6Fe 2 O 3 + exotherm (4)
When iron oxide is used as the metal particles (MeO) 4, the metal particles (MeO) 4 correspond to Fe 2 O 3 , and the metal particles (Me) 5 correspond to Fe 3 O 4 . In the air reactor 1, an oxidation reaction between Fe 3 O 4 and air represented by the above formula (4) occurs, and in the fuel reactor 2 and the volatile content reactor 3, the reduction reaction of Fe 2 O 3 represented by the above formula (3). Occurs.

揮発分13の主成分はCHとCOとHであり、揮発分反応器3では揮発分13と金属粒子(MeO)4であるFeの間で下記の反応が生じる。 The main components of the volatile matter 13 are CH 4 , CO, and H 2 , and in the volatile matter reactor 3, the following reaction occurs between the volatile matter 13 and Fe 2 O 3 that is metal particles (MeO) 4.

CH+6Fe⇒CO+H2O+4Fe ・・・(5)
CO+3Fe⇒CO+2Fe ・・・(6)
+3Fe⇒H2O+2Fe ・・・(7)
次に本発明に至った経過について説明する。図10で説明したように、石炭が熱分解すると気体成分の揮発分と固体成分のチャーが生成する。揮発分は金属粒子(MeO)との固−気反応であるため反応時間は数秒オーダと速いが、一方のチャーは反応完了時間が遅い。従って、チャーの反応が律速反応となり、チャーの反応速度に適した反応器の設計が必要である。
CH 4 + 6Fe 2 O 3 ⇒CO + H 2 O + 4Fe 3 O 4 ··· (5)
CO + 3Fe 2 O 3 ⇒CO 2 + 2Fe 3 O 4 (6)
H 2 + 3Fe 2 O 3 ⇒H 2 O + 2Fe 3 O 4 (7)
Next, the process leading to the present invention will be described. As described with reference to FIG. 10, when coal is thermally decomposed, volatile components of gas components and char of solid components are generated. Since the volatile component is a solid-gas reaction with metal particles (MeO), the reaction time is as fast as several seconds, while one char has a slow reaction completion time. Therefore, the reaction of char becomes a rate-limiting reaction, and a reactor design suitable for the reaction rate of char is required.

そこで本発明者らは、適切なチャーの反応時間を把握するために、要素試験を実施した。図3はその要素試験装置(a)ならびに試験仕様(b)を示す概要図、図4その要素試験の結果を示すチャー未反応率特性図である。   Therefore, the present inventors conducted an element test in order to grasp an appropriate char reaction time. FIG. 3 is a schematic diagram showing the element test apparatus (a) and the test specification (b), and FIG. 4 is a char unreacted rate characteristic diagram showing the result of the element test.

この要素試験装置は図3に示すように、石英製サンプル容器51(内径13mm、外径16mm、高さ60mm)が石英製反応管52(内径17mm、外径20mm、高さ1000mm)内に挿入されており、その反応管52は電気炉53内に設置されている。反応管52の出口側には、CO/O/COモニタ55が接続されている。 In this element test apparatus, as shown in FIG. 3, a quartz sample container 51 (inner diameter 13 mm, outer diameter 16 mm, height 60 mm) is inserted into a quartz reaction tube 52 (inner diameter 17 mm, outer diameter 20 mm, height 1000 mm). The reaction tube 52 is installed in an electric furnace 53. A CO / O 2 / CO 2 monitor 55 is connected to the outlet side of the reaction tube 52.

要素試験は、サンプル容器51に石炭(アダロ炭)を1000℃で乾留したチャー54に金属粒子(MeO)4であるFeを添加したものと無添加のものを投入し、それを反応管52にそれぞれ挿入する。次にガス化剤9(反応ガス)としてCOガスを反応管52に通気しながら、1000℃で反応させる。 In the element test, char 54 obtained by dry distillation of coal (Adalo charcoal) at 1000 ° C. is added to the sample container 51 with and without addition of Fe 2 O 3 which is metal particles (MeO) 4, and the reaction is performed. Each is inserted into a tube 52. Next, the reaction is performed at 1000 ° C. while CO 2 gas is passed through the reaction tube 52 as the gasifying agent 9 (reaction gas).

C(チャー)+CO⇒2CO ・・・(8)
そして、この反応によって生成したCOガス濃度と残留チャー重量からチャー反応の経時変化を求め、時間とチャーの未反応率との関係をFeの有無別に図4にまとめた。
この図4の試験結果から明らかなように、時間の経過とともにチャーの未反応率は低下するが、Feを添加した方がFe無添加のものに比べてチャーの未反応率は極端に下がっている。これにより、Feが反応促進の要因となることが明らなになった。
C (Char) + CO 2 ⇒ 2CO (8)
Then, the time-dependent change of the char reaction was determined from the CO gas concentration generated by this reaction and the residual char weight, and the relationship between the time and the unreacted rate of char was summarized in FIG. 4 according to the presence or absence of Fe 2 O 3 .
As is apparent from the test results of FIG. 4, the unreacted rate of char decreases with time, but the unreacted char is more when Fe 2 O 3 is added than when Fe 2 O 3 is not added. The rate is extremely low. As a result, it became clear that Fe 2 O 3 is a factor for promoting the reaction.

しかしながら、チャーの反応完了には分オーダの反応時間が必要であることが明らかになった。すなわち、揮発分の数秒オーダの反応速度を基準に燃料反応器を設計すると、反応器内に未反応のチャーが堆積するという問題があることを確認した。   However, it was revealed that a reaction time of the order of minutes was required for the completion of the char reaction. In other words, it was confirmed that when a fuel reactor was designed based on a reaction rate on the order of several seconds of volatile matter, unreacted char was deposited in the reactor.

本発明は、石炭の酸化反応をチャー反応と揮発分反応に分割し、チャーの反応時間確保による未反応物を低減することを目的として、図1に示すように燃料反応器2とは別に揮発分反応器3を設けて、燃料反応器2で生成した揮発分13は直ちに揮発分反応器3に送ることによりチャーと分離し、チャーはそのまま燃料反応器2に残すようにした。このようにチャー反応と揮発分反応を器毎に分けることにより、揮発分反応器3は比較的容積の小さい反応器でよい。   The present invention divides the coal oxidation reaction into a char reaction and a volatile reaction, and reduces volatility separately from the fuel reactor 2 as shown in FIG. The fraction reactor 3 was provided, and the volatile matter 13 produced in the fuel reactor 2 was immediately sent to the volatile matter reactor 3 to be separated from char, and the char was left in the fuel reactor 2 as it was. Thus, by dividing the char reaction and the volatile reaction for each reactor, the volatile reactor 3 may be a reactor having a relatively small volume.

本実施例では、燃料反応器2内でのチャー滞留時間を確保するために、燃料反応器2内は移動層とした。移動層とは、金属粒子が連続的に供給され、砂時計の如く、金属粒子が充填されたままゆっくりと下方へ移動し、ガス(ガス化剤19)は粒子の隙間を流れて上方へ移動し、チャーはその移動層内でゆっくりとガス化反応する。移動層は気泡流動層のようにガス流速が速くないため、チャーが飛散して、燃料反応器2の内面に固着するようなことはない。
一方、揮発分反応器3は流動層とし、流動化ガスとして燃料反応器2から発生した揮発分13を利用することで、揮発分13と酸素キャリアである金属粒子(MeO)4の接触を良好に行い、反応性を高める効果がある。
In this embodiment, in order to ensure the char residence time in the fuel reactor 2, the inside of the fuel reactor 2 is a moving bed. The moving layer is continuously supplied with metal particles, and slowly moves downward while filled with metal particles like an hourglass, and the gas (gasification agent 19) moves upward through the gaps between the particles. , Char slowly gasifies in its moving bed. Since the moving bed does not have a high gas flow rate unlike the bubble fluidized bed, the char does not scatter and adhere to the inner surface of the fuel reactor 2.
On the other hand, the volatile content reactor 3 is a fluidized bed, and the volatile content 13 generated from the fuel reactor 2 is used as a fluidizing gas, so that the volatile content 13 and the metal particles (MeO) 4 that are oxygen carriers are in good contact. To increase the reactivity.

次に各機器の設計について説明する。
空気反応器1は、導入した金属粒子(Me)5を空気6により上昇させるため、空気6の空塔速度が金属粒子(Me)5の終末速度1.3m/s(1000℃、粒径150μm、密度5.15g/cm)よりも速くなるように、空気反応器1の断面積を設計する。
Next, the design of each device will be described.
Since the air reactor 1 raises the introduced metal particles (Me) 5 by the air 6, the superficial velocity of the air 6 is 1.3 m / s (1000 ° C., particle size 150 μm). The cross-sectional area of the air reactor 1 is designed so as to be faster than the density of 5.15 g / cm 3 ).

燃料反応器2は、金属粒子4、5が移動層を形成するため、ガス化剤19の流速は金属粒子(MeO)4、5の流動化開始速度より遅い速度で供給する必要がある。例えばFe(粒径150μm、密度5.15g/cm)を使用した場合、CO雰囲気で1000℃の反応器内の流動化開始速度は0.015m/sであるから、燃料反応器2の空塔速度が0.015m/s未満になるように、ガス化剤19の流速調整、ならびに燃料反応器2の断面積を設計する。 In the fuel reactor 2, since the metal particles 4 and 5 form a moving bed, the flow rate of the gasifying agent 19 needs to be supplied at a speed slower than the fluidization start speed of the metal particles (MeO) 4 and 5. For example, when Fe 2 O 3 (particle size 150 μm, density 5.15 g / cm 3 ) is used, the fluidization start speed in a reactor at 1000 ° C. in a CO 2 atmosphere is 0.015 m / s. The flow rate adjustment of the gasifying agent 19 and the cross-sectional area of the fuel reactor 2 are designed so that the superficial velocity of the reactor 2 is less than 0.015 m / s.

揮発分反応器3は、金属粒子(MeO)4を揮発分13のガス量により流動化させるため、揮発分13の空塔速度が流動化開始速度0.015m/sよりも速くなるように、揮発分反応器3の断面積を設計する。   The volatile content reactor 3 fluidizes the metal particles (MeO) 4 with the gas amount of the volatile content 13, so that the superficial velocity of the volatile content 13 is faster than the fluidization start speed 0.015 m / s. The cross-sectional area of the volatile reactor 3 is designed.

また各反応器1,2,3の温度は高温ほど反応速度が速くなるものの、1100℃以上では灰が溶融し、冷却時に固化して、閉塞する可能性があるため、各反応器1,2,3の上限温度は1000℃付近が望ましい。本実施例では次の表1に示すように各反応器1,2,3での温度は、800〜1000℃の範囲に維持されている
次の表1は、各反応器1,2,3を設計する際の基準仕様を示すものである。

Figure 0006021371
Moreover, although the reaction rate becomes faster as the temperature of each reactor 1, 2, 3 increases, the ash melts at 1100 ° C. or higher, and solidifies during cooling, and may become clogged. , 3 is preferably around 1000 ° C. In this example, as shown in the following Table 1, the temperature in each reactor 1, 2, 3 is maintained in the range of 800-1000 ° C.
Table 1 below shows the standard specifications for designing the reactors 1, 2, and 3.
Figure 0006021371

図5は、この実施例1に係るCLC系統のヒートバランスの一例を示す図である。
この例の場合、空気反応器1から出た1000℃の金属粒子(MeO)4が、揮発分反応器3に導入される。揮発分13は944℃で揮発分反応器3に入り、金属粒子(MeO)4と流動層反応後、975℃になった金属粒子(MeO)4ならびにCOガス9,H2O(水蒸気)10が揮発分反応器3から排出される。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the heat balance of the CLC system according to the first embodiment.
In this example, 1000 ° C. metal particles (MeO) 4 exiting from the air reactor 1 are introduced into the volatile reactor 3. The volatile component 13 enters the volatile reactor 3 at 944 ° C., and after the fluidized bed reaction with the metal particles (MeO) 4, the metal particles (MeO) 4 and the CO 2 gas 9 and H 2 O (water vapor) which have reached 975 ° C. 10 is discharged from the volatile reactor 3.

975℃の金属粒子(MeO)4は燃料反応器2に入り、チャーと移動層反応を起こし、吸熱により944℃になった揮発分13と金属粒子(Me)5が燃料反応器2から排出される。944℃の金属粒子(Me)5は空気反応器1に入り、空気6と酸化反応を起こし、1000℃になった金属粒子(MeO)4と排気ガス8が空気反応器1から排出される。このようなCLCでは、1000℃前後の熱的平衡を維持することができる。   Metal particles (MeO) 4 at 975 ° C. enter the fuel reactor 2, cause a moving bed reaction with char, and volatile components 13 and metal particles (Me) 5 that have reached 944 ° C. due to endotherm are discharged from the fuel reactor 2. The The metal particles (Me) 5 at 944 ° C. enter the air reactor 1, undergo an oxidation reaction with the air 6, and the metal particles (MeO) 4 and the exhaust gas 8 that have reached 1000 ° C. are discharged from the air reactor 1. In such CLC, thermal equilibrium around 1000 ° C. can be maintained.

次にLバルブ20について説明する。本発明における金属粒子の流量制御には、機械バルブでは1000℃で可動部が故障するため使用できない。そこでニューマティックバルブが使用可能であり、ニューマティックバルブには、Lバルブ、Jバルブ、Nバルブなどがある。   Next, the L valve 20 will be described. In the present invention, the flow rate of the metal particles cannot be used with a mechanical valve because the movable part breaks down at 1000 ° C. Therefore, a pneumatic valve can be used, and examples of the pneumatic valve include an L valve, a J valve, and an N valve.

Lバルブは側面形状がL字型をした配管で構成されており、管内でエアレーションを行うことで、管内の金属粒子を流動化および搬送でき、循環流動層などの循環流量制御用バルブとして使用される。Lバルブの設計では、エアレーションガスの空塔速度が流動化開始速度0.015m/sになるように、配管の直径を設計し、また、Lバルブの垂直管部と水平管部の圧力損失が垂直管部の方が大きくなるように、長さを設計する。   The L valve is composed of a pipe with an L-shaped side surface. By performing aeration in the pipe, the metal particles in the pipe can be fluidized and transported and used as a circulating flow control valve for circulating fluidized beds. The In the L valve design, the pipe diameter is designed so that the superficial velocity of the aeration gas is 0.015 m / s, and the pressure loss of the vertical and horizontal pipes of the L valve is reduced. Design the length so that the vertical tube is larger.

Lバルブによる金属粒子の流量制御は、Lバルブの垂直管部に制御用ガスを供給して行う。制御用ガスの流量は、粒子流動化開始ガス速度以上とし、制御用ガス流量の増減により金属粒子の移動量、すなわち流量の制御ができる。制御用ガスの供給口は、Lバルブの水平管部の底部や垂直管部に設けられる。特に垂直管部の供給口高さは、一般に水平管部中心高さ(H)から水平管部直径(D)の2倍程度が経験として推奨されている。   The flow control of the metal particles by the L valve is performed by supplying a control gas to the vertical pipe portion of the L valve. The flow rate of the control gas is not less than the particle fluidization start gas velocity, and the amount of movement of the metal particles, that is, the flow rate can be controlled by increasing or decreasing the control gas flow rate. The control gas supply port is provided at the bottom of the horizontal tube portion of the L valve or at the vertical tube portion. In particular, the height of the supply port of the vertical pipe portion is generally recommended as an experience that is approximately twice the horizontal pipe portion diameter (D) from the horizontal pipe center height (H).

本実施例において、固体燃料7には、例えば石炭、バイオマスあるいは石炭とバイオマスの併用など、炭化水素を主成分とする固体燃料が用いられる。
ガス化剤19には、例えばCOガスやH2O(水蒸気)などが用いられる。このガス化剤19で粒子を搬送すると、不要な配管を減らして、効率的になる。
In the present embodiment, the solid fuel 7 is a solid fuel mainly composed of hydrocarbon such as coal, biomass, or a combination of coal and biomass.
For the gasifying agent 19, for example, CO 2 gas or H 2 O (water vapor) is used. When particles are transported by the gasifying agent 19, unnecessary piping is reduced and efficiency is increased.

排ガス浄化装置14には、排気ガス8にNOx、飛灰、微粉化金属粒子などが含まれることがあり、必要に応じて脱硝装置や除塵装置などを設けることもできる。
CO浄化装置18には、ガス中にCO以外に水分、灰、硫黄化合物、微量重金属などが含まれることがあり、必要に応じて脱水装置、除塵装置、脱硫装置、重金属回収装置などを設けることもできる。
In the exhaust gas purification device 14, the exhaust gas 8 may contain NOx, fly ash, finely pulverized metal particles, and the like, and a denitration device, a dust removal device, and the like may be provided as necessary.
The CO 2 purification device 18 may contain moisture, ash, sulfur compounds, trace heavy metals, etc. in addition to CO 2 in the gas. If necessary, a dehydration device, a dust removal device, a desulfurization device, a heavy metal recovery device, etc. It can also be provided.

次に本実施例の効果について説明する。
(1).燃料反応器2に移動層を採用することで、反応器内でのチャーの滞留時間を分オーダで確保できるため、チャーの未反応率が低減でき、CLCでのCO回収効率を向上することができる。さらに、本システムを発電システムに利用する場合は発電効率を向上することができる。
Next, the effect of the present embodiment will be described.
(1). By adopting a moving bed in the fuel reactor 2, the char residence time in the reactor can be secured on the order of minutes, so that the unreacted rate of char can be reduced and the CO 2 recovery efficiency in CLC can be improved. Can do. Furthermore, when this system is used for a power generation system, power generation efficiency can be improved.

(2).燃料反応器2から揮発分13を即座に揮発分反応器3に移動できるため、燃料反応器2の内部でのチャーの反応を揮発分13により阻害することが防止できる。
(3).揮発分反応器3の流動化ガスに揮発分13を流用するため、金属粒子との接触効率が高く、反応効率の向上に寄与できる。また、外部からの流動化ガスが不要なため、揮発分反応器3の容積を小さくして、システムのコンパクト化が図れる。
(2). Since the volatile component 13 can be immediately moved from the fuel reactor 2 to the volatile component reactor 3, it is possible to prevent the volatile component 13 from inhibiting the char reaction inside the fuel reactor 2.
(3). Since the volatile component 13 is diverted to the fluidized gas of the volatile reactor 3, the contact efficiency with the metal particles is high, which can contribute to the improvement of the reaction efficiency. Further, since no fluidizing gas is required from the outside, the volume of the volatile content reactor 3 can be reduced and the system can be made compact.

(4).未反応チャーが存在せず排ガスにCOが含まれないため、CO回収効率の低下が防止できる。
以上のように、チャーの反応律速の問題において、チャーと揮発分の酸化反応を2塔に分けて行うことで、チャーの未反応率が低減でき、CLCの高効率化が図れる。
(4). Since there is no unreacted char and CO 2 is not contained in the exhaust gas, it is possible to prevent a reduction in CO 2 recovery efficiency.
As described above, in the problem of the rate-determination of char, by performing the oxidation reaction of char and volatile components in two towers, the unreacted rate of char can be reduced, and the efficiency of CLC can be improved.

図6は、本発明の実施例2に係るケミカルルーピング燃焼システムの具体例を示す概略系統図である。 FIG. 6 is a schematic system diagram showing a specific example of the chemical looping combustion system according to the second embodiment of the present invention.

本実施例において、図1に示す実施例1と相違する点は、図6に示すように、揮発分反応器3と熱交換器17の間の排気ラインから燃料反応器2に延びたCO戻しライン32を設け、そのCO戻しライン32上に弁21とフローメータ22を付設し、揮発分反応器3から排出される高温のCOガス9やH2O(水蒸気)10をガス化剤19として利用した点である。 In this embodiment, the difference from the first embodiment shown in FIG. 1 is that, as shown in FIG. 6, CO 2 extending from the exhaust line between the volatile content reactor 3 and the heat exchanger 17 to the fuel reactor 2. A return line 32 is provided, and a valve 21 and a flow meter 22 are provided on the CO 2 return line 32 to gasify the high-temperature CO 2 gas 9 and H 2 O (water vapor) 10 discharged from the volatile reactor 3. This is the point used as the agent 19.

通常、燃料反応器2が冷えないようにするのに、ガス化剤19を400〜1000℃程度まで加熱する必要があり、そのために消費エネルギーが大きいという問題を有していた。本実施例では、揮発分反応器3から排出されるCOガス9やH2O(水蒸気)10の温度が約1000℃であるため(図5参照)、それをそのままガス化剤19として利用するから、加熱が不要となり、消費エネルギーの低減が可能となる。
Usually, in order to prevent the fuel reactor 2 from cooling, it is necessary to heat the gasifying agent 19 to about 400 to 1000 ° C., which causes a problem that energy consumption is large. In this embodiment, since the temperature of the CO 2 gas 9 and H 2 O (water vapor) 10 discharged from the volatile reactor 3 is about 1000 ° C. (see FIG. 5), it is used as it is as the gasifying agent 19. Therefore, heating is not necessary, and energy consumption can be reduced.

図7は、本発明の実施例3に係るケミカルルーピング燃焼システムの具体例を示す概略系統図である。
本実施例において、図1に示す実施例1と相違する点は図7に示すように、
(1).空気反応器1で酸化された金属粒子(MeO)4を燃料反応器2と揮発分反応器3にそれぞれ独立して供給し、
(2).固体燃料7とガス化剤19(CO、H2O)を燃料反応器2に供給しないで揮発分反応器3に供給して、
(3).揮発分反応器3で生成した固体成分(チャー)25と金属粒子(Me)26を共に抜き出して、燃料反応器2に搬送する固体成分・金属粒子搬送管27を設け、
(4).燃料反応器2で固体成分(チャー)25の酸化によって発生したCOガス23とH2O(水蒸気)24を、揮発分反応器3に通気させずに、揮発分反応器3で発生したCOガス9とH2O(水蒸気)10とともに熱交換器17に送り込むパイパス管28を設けた点である。
FIG. 7 is a schematic system diagram showing a specific example of the chemical looping combustion system according to the third embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the difference from the first embodiment shown in FIG.
(1). Metal particles (MeO) 4 oxidized in the air reactor 1 are supplied independently to the fuel reactor 2 and the volatile content reactor 3, respectively.
(2). The solid fuel 7 and the gasifying agent 19 (CO 2 , H 2 O) are supplied to the volatile reactor 3 without being supplied to the fuel reactor 2,
(3). A solid component / metal particle transport pipe 27 for extracting both the solid component (char) 25 and the metal particles (Me) 26 generated in the volatile reactor 3 and transporting them to the fuel reactor 2 is provided.
(4). The CO 2 gas 23 and H 2 O (water vapor) 24 generated by the oxidation of the solid component (char) 25 in the fuel reactor 2 are not passed through the volatile reactor 3, and the CO generated in the volatile reactor 3 This is the point that a bypass pipe 28 that is fed into the heat exchanger 17 together with the two gases 9 and H 2 O (water vapor) 10 is provided.

空気反応器1で酸化された金属粒子(MeO)4は、Lバルブ20によって燃料反応器2と揮発分反応器3にそれぞれ独立して供給される。また、固体燃料7とガス化剤19(CO、H2O)は、燃料反応器2に供給しないで揮発分反応器3に供給される。固体燃料7は揮発分反応器3の内部で即座にチャーと揮発分に分解し、金属粒子(MeO)4は金属粒子(Me)26に還元され、チャー25と金属粒子(Me)26は固体成分・金属粒子搬送管27を通って燃料反応器2へ移動する。 Metal particles (MeO) 4 oxidized in the air reactor 1 are independently supplied to the fuel reactor 2 and the volatile content reactor 3 by the L valve 20. The solid fuel 7 and the gasifying agent 19 (CO 2 , H 2 O) are supplied to the volatile content reactor 3 without being supplied to the fuel reactor 2. The solid fuel 7 is immediately decomposed into char and volatile matter inside the volatile reactor 3, the metal particles (MeO) 4 are reduced to metal particles (Me) 26, and the char 25 and metal particles (Me) 26 are solid. It moves to the fuel reactor 2 through the component / metal particle transport pipe 27.

燃料反応器2の内部には金属粒子(MeO)4が供給されて、移動層が形成され、揮発分反応器3では流動層が形成されている。ここでチャー25と金属粒子(MeO)4が反応し、それによって生成したCOガス23とH2O(水蒸気)24は、揮発分反応器3に通気させずに、直接パイパス管28を通り熱交換器17に送り込まれる。 Metal particles (MeO) 4 are supplied into the fuel reactor 2 to form a moving bed, and in the volatile content reactor 3, a fluidized bed is formed. Here, the char 25 and the metal particles (MeO) 4 react with each other, and the CO 2 gas 23 and H 2 O (water vapor) 24 produced thereby pass directly through the bypass pipe 28 without passing through the volatile reactor 3. It is sent to the heat exchanger 17.

燃料反応器2では石炭を供給していないため、チャーのみが金属粒子(MeO)4と反応し、COガス9とH2O(水蒸気)10しか生成しない。このため揮発分が生成しないことから、燃料反応器2から揮発分反応器3に移動するガス量が減少し、揮発分反応器3のコンパクト化と配管の径縮少などで、コストの低減が図れる。 Since coal is not supplied in the fuel reactor 2, only char reacts with the metal particles (MeO) 4 and produces only CO 2 gas 9 and H 2 O (water vapor) 10. For this reason, since no volatile matter is generated, the amount of gas transferred from the fuel reactor 2 to the volatile matter reactor 3 is reduced, and the cost can be reduced by making the volatile matter reactor 3 compact and reducing the diameter of the piping. I can plan.

このようにすれば、揮発分反応器3への移動ガス量が減少し、揮発分反応器3のさらなるコンパクト化とコストの低減が図れる。   In this way, the amount of gas transferred to the volatile reactor 3 is reduced, and the volatile reactor 3 can be further reduced in size and cost.

1:空気反応器、
2:燃料反応器、
3:揮発分反応器、
4:金属粒子(MeO)、
5:金属粒子(Me)、
6:空気、
7:固体燃料、
9:COガス、
10:H2O(水蒸気)
11:気体成分、
13:揮発分、
17:熱交換器、
19:ガス化剤、
23:COガス、
24:H2O(水蒸気)、
25:チャー、
26:金属粒子(Me)、
27:固体成分・金属粒子搬送管、
28:バイパス管、
32:CO戻し管。
1: air reactor,
2: Fuel reactor,
3: volatile reactor,
4: Metal particles (MeO),
5: Metal particles (Me),
6: Air,
7: Solid fuel,
9: CO 2 gas,
10: H 2 O (water vapor)
11: Gas component,
13: Volatile content,
17: heat exchanger,
19: Gasifying agent,
23: CO 2 gas,
24: H 2 O (water vapor),
25: Char,
26: Metal particles (Me),
27: Solid component / metal particle transport pipe,
28: Bypass pipe,
32: CO 2 return pipe.

Claims (6)

酸化物の酸素キャリア粒子を供給しながら形成した反応層に固体燃料とガス化剤を供給して前記固体燃料を熱分解させて、生成した固体成分をそのまま残して前記反応層で酸化反応を行う燃料反応器と、
前記燃料反応器で生成した気体成分を取り出して、酸化物の酸素キャリア粒子を供給しながら形成した反応層に導入して気体成分の酸化反応を行う揮発分反応器と、
前記燃料反応器によって還元された前記酸素キャリア粒子を燃料反応器から取り出して、空気で酸化して酸化物の酸素キャリア粒子とする空気反応器を備え、
前記酸素キャリア粒子が前記揮発分反応器と燃料反応器と空気反応器を循環流動するように構成され、
前記燃料反応器内に形成される反応層、前記酸素キャリア粒子移動して、前記ガス化剤が前記酸素キャリア粒子の隙間を流れる移動層であり、当該移動層は、前記ガス化剤の流速が前記酸素キャリア粒子の流動化開始速度より遅い速度で前記燃料反応器に供給されることにより形成され、
前記揮発分反応器内に形成される反応層、前記酸素キャリア粒子が浮遊流動する流動層であって、
前記流動層を形成するための流動化ガスとして前記燃料反応器で生成した気体成分を利用する構成になっていることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
A solid fuel and a gasifying agent are supplied to a reaction layer formed while supplying oxygen carrier particles of oxide to thermally decompose the solid fuel, and an oxidation reaction is performed in the reaction layer while leaving the generated solid component as it is. A fuel reactor;
A volatile reactor that takes out a gas component generated in the fuel reactor and introduces it into a reaction layer formed while supplying oxygen carrier particles of an oxide to perform an oxidation reaction of the gas component;
The oxygen carrier particles reduced by the fuel reactor are removed from the fuel reactor, and the air reactor is oxidized with air to form oxygen carrier particles of oxide,
The oxygen carrier particles are configured to circulate and flow through the volatile reactor, the fuel reactor, and the air reactor;
The reaction layer formed in the fuel reactor is a moving layer in which the oxygen carrier particles move and the gasifying agent flows through the gaps between the oxygen carrier particles . Formed by supplying a flow rate to the fuel reactor at a rate slower than the fluidization start rate of the oxygen carrier particles;
The volatiles reactor reaction layer formed in, the oxygen carrier particles a fluidized bed floating flowing,
A chemical looping combustion system configured to utilize a gas component generated in the fuel reactor as a fluidizing gas for forming the fluidized bed.
請求項1に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記燃料反応器へ供給するガス化剤として、前記揮発分反応器で生成した二酸化炭素および/あるいは水蒸気を利用する構成になっていることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
The chemical looping combustion system of claim 1,
A chemical looping combustion system characterized in that carbon dioxide and / or water vapor generated in the volatile content reactor is used as a gasifying agent supplied to the fuel reactor.
酸化物の酸素キャリア粒子を供給しながら形成した反応層に固体燃料とガス化剤を供給して前記固体燃料を熱分解させて、生成した気体成分の酸化反応を行う揮発分反応器と、
前記揮発分反応器で生成した固体成分と酸素キャリア粒子の一部を取り出して導入し、前記固体成分の酸化反応を行う燃料反応器と、
前記燃料反応器によって還元された前記酸素キャリア粒子を燃料反応器から取り出して、空気で酸化して酸化物の酸素キャリア粒子とする空気反応器を備え、
前記酸素キャリア粒子が前記揮発分反応器と燃料反応器と空気反応器を循環流動するように構成され、
前記燃料反応器内に形成される反応層前記固体成分の酸化反応が完了するまでの分単位の時間に亘って前記固体成分が前記反応層にて滞留できるように前記酸素キャリア粒子が所定速度で移動する移動層であり、
前記揮発分反応器内に形成される反応層、前記酸素キャリア粒子が浮遊流動する流動層であることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
A volatile reactor that supplies a solid fuel and a gasifying agent to a reaction layer formed while supplying oxygen carrier particles of oxide to thermally decompose the solid fuel and oxidize the generated gas component;
A fuel reactor that takes out and introduces a part of the solid component and oxygen carrier particles generated in the volatile reactor, and performs an oxidation reaction of the solid component;
The oxygen carrier particles reduced by the fuel reactor are removed from the fuel reactor, and the air reactor is oxidized with air to form oxygen carrier particles of oxide,
The oxygen carrier particles are configured to circulate and flow through the volatile reactor, the fuel reactor, and the air reactor;
Said fuel reactor reaction layer formed in, the oxygen carrier particles as the solid component in the course of minutes of time until the oxidation reaction is complete can be retained in said reaction layer of said solid component is predetermined A moving layer that moves at a speed ,
The volatiles reactor reaction layer formed in the, the chemical looping combustion system, wherein the oxygen carrier particles are fluidized layer floating flow.
請求項3に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記燃料反応器で生成した二酸化炭素および/あるいは水蒸気を前記揮発分反応器に導入しないで排出する構成になっていることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
The chemical looping combustion system of claim 3,
A chemical looping combustion system characterized in that carbon dioxide and / or water vapor generated in the fuel reactor is discharged without being introduced into the volatile content reactor.
請求項4に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記揮発分反応器のガス流れ方向後流側に熱交換器が設置されており、前記燃料反応器で生成した二酸化炭素および/あるいは水蒸気と、前記燃料反応器で生成した二酸化炭素および/あるいは水蒸気がともに前記熱交換器に導入される構成になっていることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
The chemical looping combustion system of claim 4,
A heat exchanger is installed on the downstream side in the gas flow direction of the volatile content reactor, and carbon dioxide and / or steam generated in the fuel reactor and carbon dioxide and / or steam generated in the fuel reactor. A chemical looping combustion system characterized in that both are introduced into the heat exchanger.
請求項1または3に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
前記酸素キャリア粒子を配管で搬送するために使用する搬送用流体として、前記酸化反応で生成した二酸化炭素および/あるいは水蒸気を利用する構成になっていることを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
The chemical looping combustion system according to claim 1 or 3,
A chemical looping combustion system characterized in that carbon dioxide and / or water vapor generated by the oxidation reaction is used as a transport fluid used for transporting the oxygen carrier particles by piping.
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