JP6152414B2 - 未燃物を処理する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ケミカルループ燃焼における不燃物の処理に関する。より具体的には、エネルギー消費やエネルギー損失を低減しながら未燃物を酸化させる効率的な方法および装置を対象とする。

背景技術
たとえば炭素含有燃料の燃焼等の特定のプロセスでは、二酸化炭素（ＣＯ_２）のエミッションガスが生成される。ＣＯ_２は「温室効果」ガスとして特定されており、地球温暖化に寄与していると考えられている。その「温室効果」ガスとしての位置づけにより、化石燃料を用いることにより大量のＣＯ_２が大気中に放出されるのを防止するための技術が開発されてきた。

ケミカルループ燃焼（ＣＬＣ）は、ＣＯ_２の有効な捕捉および処理を実現する燃焼技術である。ＣＬＣは、炭素含有燃料の酸化において生成されたＣＯ_２をＣＬＣ自体で分離することにより、より高濃度のＣＯ_２流を生成するものである。煙道流中のＣＯ_２の濃度の上昇が燃焼技術の一部として行われることにより、燃焼後のＣＯ_２を捕捉および貯蔵するために分離するのに必要なエネルギーおよび資金支出額は格段に削減される。

ＣＬＣ技術は一般的に、空気から燃料へ酸素を輸送する酸素キャリアを用いることにより、空気と燃料とが直接接触するのを回避する。上記プロセスでは、燃料反応器と空気反応器という、相互接続された２つの反応器を用いる。これらは典型的には流動床である。燃料は、たとえば金属酸化物ＭｅＯ等の酸素キャリアを含む燃料反応器内に導入される。燃料および金属酸化物に応じて、当該燃料および金属酸化物は以下の反応式にしたがい反応する：
(2n+m)MeO + C_nH_2m → (2n+m)Me + mH₂O + n CO₂ （燃料の酸化）
燃料反応器からの排出ガスは主に、燃料の酸化により生成される生成物であるＨ_２ＯおよびＣＯ_２を含む。このとき、高濃度のＣＯ_２を含む流れは、燃料反応器の排出ガス流中に含まれるＨ_２Ｏを凝縮することにより得ることができる。

酸化反応の一部として形成された、金属酸化物の還元物Ｍｅは、空気反応器へ輸送され、この空気反応器は以下の反応式にしたがって酸化を行う：
Me + 1/2O₂ → MeO (金属酸化物の酸化)
空気反応器内から出ていく煙道流は主に、空気の非反応性成分、たとえば窒素と、上述の金属酸化物と、幾らかの未使用の酸素とから成る。酸素を燃料反応器へ輸送するために酸素キャリアを用いることにより、空気反応器から出て行くときに、空気中の非反応性成分がシステムから放出され、燃料反応器内へ導入されることはない。それゆえ、主にＣＯ_２やＨ_２Ｏ等である燃焼生成物は、燃料反応器の煙道流中に含まれる空気の非反応性成分によって希釈されることはない。

状態および使用材料によっては、燃料反応器内における燃料の燃焼は不完全となる場合がある。不完全燃焼により、たとえば水素、メタン、一酸化炭素等の未燃物が、燃料反応器の煙道流中に含まれることがある。煙道流中の未燃物を低減または消失させるためには、燃料反応器における燃焼後に後燃焼ユニットにおいてこの未燃物を酸化させるのが典型的である。未燃物は、燃焼システム内において非反応性物質が蓄積する原因となるため、燃焼のための燃焼反応器へこの未燃物を完全に戻してはならない。

ＣＬＣの問題点の１つに、後燃焼ユニットは未燃物を酸化させるために、純粋または高濃度の酸素ガスを必要とするという問題がある。後燃焼酸化を行うために、燃料反応器から出た煙道流に空気を加えると、ＣＬＣの利点が損なわれてしまう。というのも、空気の非反応性成分が煙道流に加わってしまうからである。したがって、後燃焼酸化は純粋または酸素富化ガスを追加する必要があるが、このことは、エネルギー消費の観点と資金コストの観点という双方の観点で高コストである。さらに、酸化を必要とする未燃物量によっては、純粋または高濃度酸素ガスで燃焼を行うことにより、温度が大きく上昇してしまい、これにより冷却が必要となる。したがって、未燃物をより効率的に処理できる改善した方法および装置を実現する必要がある。

発明の概要
本願にて開示する発明は、ケミカルループ燃焼システムにおいて未燃物を酸化させる方法であって、燃料反応器の煙道流をガス処理ユニットへ送るステップと、当該ガス処理ユニットにおいて当該煙道流からＣＯ_２を除去するステップと、当該ガス処理ユニットの煙道流の一部を空気反応器へ送るステップと、当該空気反応器において空気を用いて、当該ガス処理ユニットの煙道流の当該一部に含まれる未燃物を酸化させるステップと、を含む方法を開示するものである。

また、本願にて開示する発明は、未燃物を含む煙道流を酸化させる方法であって、当該未燃物を含む煙道流をケミカルループ燃焼システムの空気反応器へ送るステップと、当該空気反応器内において空気の存在下で当該未燃物を酸化させるステップと、を含む方法も対象とする。

本願にて開示する発明はさらに、未燃物を酸化させるための装置であって、空気反応器と、当該空気反応器に接続された燃料反応器と、当該燃料反応器に接続されたガス処理ユニットと、を含む装置も対象とする。燃料反応器の煙道流は前記ガス処理ユニットへ送られ、ガス処理ユニットの煙道流中には未燃物が含まれる。このガス処理ユニットの煙道流の一部が、前記空気反応器内へ注入される。

図面に本発明の実施例を示しており、同様の構成要素には同様の符号を付している。

典型的なケミカルループ燃焼システムの概略的な流れ図である。 本発明の１実施例の概略的な流れ図である。 本発明の他の１実施例の概略的な流れ図である。 本発明の他の１実施例の概略的な流れ図である。

詳細な説明
本発明の１つの実施例では、ケミカルループ燃焼（ＣＬＣ）システムにおける未燃物を処理するための有効な方法を提供し、煙道ガスを大気中へ排出する前に行われる未燃物の酸化の所要エネルギーを低減する方法を提供する。ＣＬＣは、燃料反応器において燃料を酸化させるために用いられる。燃料の酸化は、空気反応器において形成された金属酸化物に燃料を接触させることにより行われる。燃料反応器において燃料の酸化を行うと、酸化が不完全な燃料の一部が残り、これにより、燃料反応器の煙道流中に未燃物が残る。ガス処理ユニット（ＧＰＵ）において煙道流からＣＯ_２を除去し、その後に、未燃物と空気の非反応性成分（不活性成分）とを含む当該煙道流の少なくとも一部を空気反応器へ送ることにより、極低温法で製造された酸素を必要とすることなく、未燃物を有効的に酸化させることができ、これにより、ＣＬＣシステムからの未燃物の除去に必要なエネルギーを格段に削減することができる。

本発明の一実施例では、煙道流中の未燃物の酸化方法を提供する。未燃物を含む煙道流は、ＣＬＣシステムの空気反応器へ送ることができる。未燃物の酸化は空気反応器内において、空気の存在下で行われる。空気反応器において未燃物を酸化させることにより、ＣＯ_２の捕捉に関するＣＬＣの利点を大幅に維持しながら、純粋または富化酸素ガスを生成するのに必要なエネルギーを回避することができ、これによりシステムの効率を上昇させることができる。

本発明の一実施例では、未燃物の酸化を行うための装置を提供する。この装置は、空気反応器と、当該空気反応器に接続された燃料反応器と、当該空気反応器に接続されたガス処理ユニットとを有し、当該燃料反応器の煙道ガスは、その一部が空気反応器へ送られる前に、ＣＯ_２除去のための前記ガス処理ユニットへ送られるように構成されている。未燃物の酸化は一部、空気反応器内において空気の存在下で行われる。

本発明の実施により、ＣＬＣにおいて生じる可能性のある未燃物の酸化を効率的に行えるので、ＣＬＣのエネルギーおよび資本コストの削減が実現される。まず最初に、ＣＯ_２が貯蔵のために除去および捕捉され、その後に、純粋または富化した酸素ガスを添加することなく完全燃焼を行うために、ＣＯ_２が低減した煙道流を空気反応器へ送るように、燃料反応器の煙道流を送る。これに代えて択一的に、ＣＯ_２が低減した煙道流を後燃焼ユニットへ送る。この後燃焼ユニットには空気を供給することができる。当該ＣＯ_２低減した煙道流を空気反応器へ送る前に、この後燃焼ユニットにおいて未燃物の酸化を行うことができる。後燃焼ユニットにおいて生成された熱はすべて、空気反応器において回収することができる。他の１つの択一的実施形態では、ＣＯ_２が低減した煙道流の一部を燃料反応器へ送ることができる。この一部は、前記ＣＯ_２が低減した煙道流の１００％未満であり、当該ＣＯ_２が低減した煙道流の残りは空気反応器へ送られる。他の１つの実施形態では、前記ＣＯ_２低減した煙道流を２つの流れに分けるように処理し、１つは燃料反応器に入り、もう１つは空気反応器に入るようにすることができる。ＧＰＵ内から出た、ＣＯ_２低減した煙道流に与圧して、分離プロセスを容易にすることができる。たとえば膜を用いて、ＣＯ_２低減した煙道流を、未燃物の割合がより高い１つの流れと、不活性成分の割合がより高い１つの流れとに分け、前者の流れを燃料反応器へ送り、後者の流れを空気反応器へ送るようにすることが可能である。

図１を参照すると、ＣＬＣは典型的には空気反応器２と燃料反応器５とを有する。これらは流動床反応器とすることができ、燃料７は燃料反応器５内へ注入され、燃料反応器５にはさらに、空気反応器２内にて形成された金属酸化物３も注入される。燃料の一例には石炭がある。他の例としては、天然ガス、合成ガス（syngas）、石油精製ガスが含まれるが、これらに限定されない。用いられる金属酸化物は、たとえば酸化ニッケル、酸化カルシウム、酸化鉄、酸化銅、酸化マンガン、酸化コバルト、またはこれらの混合物等を含めた、ＣＬＣに用いられる典型的な金属酸化物のどれでもよい。

燃料反応器５内において燃料７が燃焼すると煙道流９が生成される。煙道流９は燃焼の生成物であるＣＯ_２およびＨ_２Ｏを含んでおり、また、一酸化炭素、水素またはメタン等の未燃物を含むこともある。この未燃物は、後燃焼ユニット１０において酸化させることができる。後燃焼ユニット１０はさらに、純粋または酸素富化ガス１１の流れを受け取ることもできる。煙道流がガス処理ユニット（ＧＰＵ）１３に達する前に当該煙道流９中のＣＯ_２濃度が希釈化するのを防止するため、空気の代わりに上述の純粋または酸素富化ガス流１１を後燃焼ユニット１０へ供給する。 後燃焼酸化の後、後燃焼ユニット１０の煙道流１２をＧＰＵ１３へ送ることができる。ＧＰＵ１３は、煙道流１２中に含まれるＣＯ_２を凝縮して液状化し、使用または貯蔵のためにこのＣＯ_２を送ることができる１４。このＣＯ_２除去後、排気筒を介して、ＣＯ_２が低減した煙道流１５を排出することができる。

図２に示された実施例を参照すると、先に後燃焼ユニット１０において未燃物を酸化させることなく、燃料反応器から出た煙道流９をＧＰＵへ直接送ることができる。ＧＰＵ１３は、煙道流９中に含まれるＣＯ_２を除去し、使用または貯蔵のためにこのＣＯ_２を送ることができる１４。ＧＰＵ１３においてＣＯ_２が捕集された後、ＣＯ_２が低減した、未燃物を含む場合もある煙道流１５を、空気反応器２へ送ることができる。この未燃物の酸化を空気反応器２内において行えるようにするため、空気反応器２にはさらに空気１も供給される。この未燃物の酸化により生成された熱は、発電に用いることができる。空気反応器２は、金属酸化物が還元したもの８も、燃料反応器５から受け取る。金属酸化物の還元物８を空気反応器２において空気１により酸化させて、金属酸化物３を形成することができる。この金属酸化物３を燃料反応器５へ送ることができ、燃料反応器５はさらに流れ６を受け取るか、または、流動化のための複数の異なる浄化段（９，１２，１４）にて一部再循環した煙道ガスを受け取ることができる。空気反応器２のオフガスには、未燃物の酸化により生成された酸化生成物が含まれることがあり、このオフガスを大気４中に排出することができる。

典型的なＣＬＣシステムでは、ＣＬＣのＣＯ_２捕集の利点を維持するためには、ＣＬＣシステムの後燃焼ユニット１０に純粋または酸素富化ガス１１を供給しなければならないが、これにはエネルギーや資本コストが必要となる。完全燃焼を行うために後燃焼ユニットを用いる代わりに、空気反応器において未燃物の一部を酸化させることにより、本発明では、後燃焼ユニットを動作させるのに必要なコストおよび所要エネルギーを回避することができる。このようにして本発明では、ＣＬＣ技術と併用できる、未燃物の効率的な処理方法を実現することができる。

引き続き、図２に示された実施例を参照すると、ＣＯ_２低減した煙道流１５の一部１９を分流して燃料反応器５へ直接送り、この一部１９に含まれる未燃物の酸化を燃料反応器５において行うことができる。空気反応器を介してシステム内から不活性成分をパージできるようにするためには、前記一部１９は、煙道流１５の１００％未満でなければならない。前記一部１９を燃料反応器へ分流することにより、システムのＣＯ_２捕集効率を上昇させることができる。

図３に示された実施例を参照すると、ＣＯ_２低減した煙道流１５は未燃物を含むことがあり、この煙道流１５を後燃焼ユニット１０へ送ることができ、空気反応器２へ送られる前に空気の存在下で未燃物の酸化を行うため、この後燃焼ユニット１０には空気流１８が供給される。この実施例では、後燃焼ユニットにおいて純粋または富化酸素ガスを使用する必要がない。というのも、ＣＯ_２の捕集および除去は既にＧＰＵ１３において完了しているからである。後燃焼ユニット１０から出た煙道流１７は、空気反応器２へ送ることができる。これに代えて択一的に、後燃焼ユニット１０から出た煙道流１７の一部２３を大気中へ排出することができる。システムの温度をより高精度で維持し、また、後燃焼ユニット１０における未燃物の酸化により生成された熱を発電に利用できるようにするため、当該熱も空気反応器２へ送ることができ、または、間接的に燃料反応器５へ送ることができる。

図４に示された実施例を参照すると、ＣＯ_２低減した煙道流１５は未燃物を含むことがあり、この煙道流１５を処理システム２０へ送ることができる。この処理システム２０は、膜システムとすることができる。処理システム２０は２つの流れを生成することができ、処理システム２０の第１の流れ２２は、未燃物およびＣＯ_２を高濃度化したものとし、燃料反応器５へ送ることができる。処理システム２０の第２の流れ２１は、不活性成分（特に窒素）の濃度を比較的高くすることができ、空気反応器２へ送るか、または排出２３することができる。第１の流れ２２を燃料反応器へ送ることにより、未燃物を当該燃料反応器において酸化させ、ＧＰＵ１３においてＣＯ_２を回収することができる。第２の流れ２１を排出するか、または空気反応器２へ送ることにより、システムは不活性成分を排出することができる。双方の流れ２１および２２に含まれる未燃物は共に、熱を生じさせる酸化によってエネルギーを放出し、このエネルギーを発電のために回収することができる。

ＣＬＣ技術の燃料反応器の煙道流の少なくとも一部を空気反応器へ送ることにより、または、ＣＯ_２除去後に空気動作式の別個の後燃焼ユニットへ送ることにより、本発明では、未燃物の効率的な酸化方法を実現することができる。本発明の１つの対象では、未燃物の酸化を実現するために空気反応器を用いることにより、純粋または富化した酸素ガスが供給される後燃焼ユニットを不要とすることができる。本発明の他の１つの対象では、後燃焼ユニットにおける未燃物の酸化中に生成された熱を空気反応器のみに戻すことにより、または、空気反応器および燃料反応器の双方に戻すことにより、当該熱を回収する。本発明の他の１つの対象では、未燃物およびＣＯ_２を不活性成分（主に窒素）から分離して、当該未燃物およびＣＯ_２を燃料反応器へ送り、かつ、不活性成分を空気反応器へ送る。よって本発明の各対象は、未燃物の酸化に典型的に必要とされる純粋または酸素富化ガスの生成にかかる資金や所要エネルギーを削減することにより、ＣＯ_２捕集効率を上昇させることにより、または、未燃物の酸化により放出された熱を回収することにより、ＣＬＣ技術における未燃物の効率的な処理方法を実現するものである。

種々の実施例を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を施したり、上記実施例の構成要素と同等のものに置き換えることが可能であることは明らかである。さらに、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、特定の状況や材料を本発明の思想に合わせて、種々の変更を施すことも可能である。したがって、本発明は、本発明の最良の実施形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に該当するすべての実施形態を含むものである。

Claims (14)

1. ケミカルループ燃焼システムにおいて未燃物を酸化させる方法であって、
   未燃物を含む、燃料反応器の煙道流を、ガス処理ユニットへ送るステップと、
   前記ガス処理ユニットにおいて前記煙道流からＣＯ２を除去するステップと、
   前記ガス処理ユニットの煙道流の一部を空気反応器へ送るステップと、
   前記空気反応器において空気を用いて、前記ガス処理ユニットの煙道流の前記一部に含まれる未燃物を酸化させるステップと
   を含み、
   前記方法がさらに、
   前記ガス処理ユニットの煙道流を、まず処理システムへ送るステップと、
   未燃物の濃度がより高い第１の流れと、不活性成分の濃度がより高い第２の流れの２つの流れに、前記ガス処理ユニットの煙道流を分離するステップと、
   を有する、方法。
2. さらに、
   前記ガス処理ユニットの煙道流の一部を前記燃料反応器へ送るステップ
   を有する、請求項１記載の方法。
3. さらに、
   前記ガス処理ユニットの煙道流を、後燃焼ユニットへ送るステップ
   を有する、請求項１または２に記載の方法。
4. さらに、
   未燃物を酸化させるため、前記後燃焼ユニット内に空気を送るステップ
   を有する、請求項３記載の方法。
5. 前記処理システムは膜システムである、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. さらに、
   前記処理システムから前記第１の流れを前記燃料反応器へ送るステップ
   を有する、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. さらに、
   前記処理システムから前記第２の流れを前記空気反応器へ送るステップ
   を有する、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 煙道流中の未燃物を酸化させる方法であって、
   前記未燃物を含む前記煙道流を、ケミカルループ燃焼システムの空気反応器へ送るステップと、
   前記空気反応器において空気の存在下で前記未燃物を酸化させるステップと
   を有し、
   前記方法がさらに、
   前記ガス処理ユニットの煙道流を、まず処理システムへ送るステップと、
   未燃物の濃度がより高い第１の流れと、不活性成分の濃度がより高い第２の流れの２つの流れに、前記ガス処理ユニットの煙道流を分離するステップと、
   を有する、方法。
9. さらに、
   前記煙道流を前記空気反応器へ送る前に、ガス処理ユニットにおいて、前記未燃物を含む当該煙道流からＣＯ２を除去するステップ
   を有する、請求項８記載の方法。
10. さらに、
    前記未燃物を含む前記煙道流の一部を、ケミカルループ燃焼システムの燃料反応器へ送るステップ
    を有する、請求項９記載の方法。
11. 未燃物を酸化させるための装置であって、
    空気反応器と、
    前記空気反応器に接続された燃料反応器と、
    前記燃料反応器に接続されたガス処理ユニットと
    を有し、
    前記燃料反応器の煙道流は前記ガス処理ユニットへ送られ、
    前記ガス処理ユニットの煙道流は、まず処理システムへ送られ、
    未燃物の濃度がより高い第１の流れと、不活性成分の濃度がより高い第２の流れの２つの流れに、前記ガス処理ユニットの煙道流が分離され、
    前記ガス処理ユニットの煙道流の一部は前記空気反応器内に送られ、
    前記未燃物は、前記ガス処理ユニットの煙道流に含まれたものである
    ことを特徴とする装置。
12. さらに、前記ガス処理ユニットの煙道流の一部が前記燃料反応器へ送られるように、当該ガス処理ユニットは当該燃料反応器に接続されている、
    請求項１１記載の装置。
13. 前記ガス処理ユニットは後燃焼ユニット、処理システム又は前記空気反応器に接続されている、
    請求項１１または１２に記載の装置。
14. 前記ガス処理ユニットは後燃焼ユニットに接続され、
    前記後燃焼ユニットは前記空気反応器に接続されている、
    請求項１３記載の装置。
    

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