JP6300646B2 - ケミカルルーピング燃焼システム - Google Patents

Description

本発明は、地球温暖化問題となる二酸化炭素(以下、ＣＯ_２と略記することもある)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_２の分離回収技術に関するものである。

近年、主な産業用ＣＯ_２の供給源である製油所の統廃合が進み、ＣＯ_２販売業者は新たなＣＯ_２供給元を探索中である。その中で、石炭火力発電所から排出されるＣＯ_２が新たな産業用ＣＯ_２の供給元として注目されている。

石炭燃料を使用するボイラ設備に適用可能なＣＯ_２回収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 Combustion)などがある。

特に最近、ＣＬＣ技術が注目されている。ＣＬＣとは、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、還元された金属(Ｍｅ)は空気で酸化して再度金属酸化物(ＭｅＯ)として利用する技術である。結局、このシステムでの反応生成物はＣＯ_２と水分であり、ＣＯ_２の回収が容易となる技術である。
ＣＬＣの特長は、化学吸収システムで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、これらの技術に比べて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。

図４は、一般的な２塔式ＣＬＣの原理を説明するための図である。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。
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粒子(ＭｅＯ)４となる。

Ｍｅ_ｘＯ_ｙ−１＋０．５Ｏ_２→Ｍｅ_ｘＯ_ｙ （１)
酸化した金属粒子(ＭｅＯ)４はサイクロン(図示せず)でＮ_２やＯ_２などの反応後ガス３６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、空気反応器１へ戻る循環ループを形成する。

(２ｎ＋ｍ) Ｍｅ_ｘＯ_ｙ＋Ｃ_ｎＨ_２ｍ→
(２ｎ＋ｍ) Ｍｅ_ｘＯ_ｙ−１＋ｍＨ_２Ｏ＋ｎＣＯ_２ （２)
空気反応器１からは窒素や残存酸素を含んだ反応後ガス３６が放出され、燃料反応器２からはＣＯ_２ガス９やＨ_２Ｏ(水蒸気) １０などが排出される。これらのガスは高温のため、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)。
固定燃料である石炭は、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(水分と揮発分)と固体成分(固定炭素と灰分)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。

ＣＬＣシステムに関する先行技術として、例えば下記のような特許文献１〜４、非特許文献１，２などを挙げることができる。

図５は、本出願人が先に提案した３塔式ＣＬＣの基本構成を説明するための概念図である(特許文献４参照)。
この３塔式ＣＬＣでは、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４で示した燃料反応器を、燃料反応器２と揮発反応器３の２塔に分けたものである。この理由は、チャーのガス化反応阻害要因である揮発分を分離し、チャーのガス化反応を効率よく進行させるためである(非特許文献２参照)。

従って図５に示すように、固体燃料 (例えば石炭)７は、固体成分のチャーと揮発分からなる生成ガス１１に分離する。チャー(図示せず)はそのまま燃料反応器２の内部でガス化反応し、チャーのガス化反応阻害要因である揮発分主体の生成ガス１１は燃料反応器２の上部に配置されている揮発反応器３へ順次移動し、燃料反応器２内部から排除する。
図６は、この３塔式ＣＬＣの具体例を示す概略系統図である。

同図に示すように３塔式ＣＬＣは、空気反応器１と燃料反応器２と揮発反応器３の３塔を主体に構成されており、これらにサイクロン１３、熱交換器１５、空気予熱器１６、除塵装置１７、熱交換器１９、脱硝装置２０、除塵装置２１、脱硫装置２２、ＣＯ_２圧縮液化装置２３および空気ブロア３５などが図に示すように配置、接続されている。

この３塔式ＣＬＣでは、空気反応器１−サイクロン１３−揮発反応器３−燃料反応器２−空気反応器１の間は、金属粒子(ＭｅＯ)４と金属粒子(Ｍｅ)５が循環できるように、ガスシール機能を有するニューマチックバルブの種類であるＬバルブ２４，２５，２６と配管でループ状に連結されている。

特開２０１１−０１６８７３号公報 特開２０１１−１７８５７２号公報 米国特許第７７６７１９１号明細書 特開２０１３−１９４２１３号公報

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 ｖｏｌ３３，Ｎｏ．１，ｐｐ２９−３５，２０１０，４ 林：次世代高効率石炭ガス化技術の開発 ＣＣＴ Workshop ２００９

国内産業用ＣＯ_２は主に溶接用シールガスや冷却用ドライアイスに使用するため、製造業の景気や夏場の気温で、ＣＯ_２の需要が変動する。従って、石炭火力発電所から排出されるＣＯ_２を利用する場合、産業用ＣＯ_２の需要に合わせる必要がある。

しかし、石炭火力発電所からＣＯ_２回収を行う従来の酸素燃焼法やＣＬＣ法では、ＣＯ_２回収率の変更に伴って石炭投入熱負荷を変更する必要があり、その結果、蒸気量と発電量も変化するといった課題がある。

化学吸収法ではＣＯ_２回収率の変更は可能であるが、吸収液の再生熱にシステム内蒸気を使用するため、他の技術と同様に発電量が変化するといった課題がある。

このように従来のＣＯ_２回収技術では、産業用ＣＯ_２の需要変動に合わせたＣＯ_２回収率の変更ができなかった。なお、前記特許文献４には、ＣＯ_２の需要変動に合わせてＣＯ_２の回収率を変更するという技術については開示されていない。

本発明の目的は、このような背景においてなされたものであり、産業用などのＣＯ_２の需要変動に合わせたＣＯ_２回収率の変更が可能な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。

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
固体燃料をガス化させる移動層式燃料反応器と、
前記燃料反応器から生成したガス成分を金属粒子で酸化する流動層式揮発分反応器と、
前記ガス成分の酸化により還元された前記金属粒子を空気により酸化する流動層式空気反応器と、
前記空気反応器から排出される前記金属粒子と前記ガス成分を分離するサイクロンと、
前記揮発分反応器から排出される二酸化炭素を分離・回収する例えば二酸化炭素圧縮液化装置などの二酸化炭素回収手段を備えて、
前記金属粒子が循環するように、前記燃料反応器と前記揮発分反応器と前記空気反応器と前記サイクロンをニューマティックバルブと配管でループ状に接続したケミカルルーピング燃焼システムを対象とするものである。
そして本発明の第１の手段は、
前記燃料反応器に供給する二酸化炭素もしくは水蒸気、あるいは二酸化炭素と水蒸気の両方を成分とするガス化剤の供給量の調整により、前記二酸化炭素回収手段での二酸化炭素の回収率を制御する構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記固体燃料が例えば石炭の単独、あるいは石炭と植物由来バイオマスの併用など石炭を含む固体燃料であって、
前記固体燃料の固定炭素モル量に対する前記ガス化剤モル量の比(ガス化剤モル量／固定炭素モル量)αと、前記燃料反応器で生成するチャーのガス化率との関係を予め求めておき、
前記制御する二酸化炭素の回収率に対応した前記チャーのガス化率と前記(ガス化剤モル量／固定炭素モル量)αの関係に基づいて、前記ガス化剤の供給量を調整することを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、
前記ガス化剤の供給量の調整により二酸化炭素の回収率を制御する構成が、
前記燃料反応器に前記ガス化剤を供給するガス化剤供給管と、
前記ガス化剤供給管に付設された弁と、
前記二酸化炭素の回収率に応じて前記弁の開度調整を指示する二酸化炭素回収率変更指示手段を備えていることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第１ないし第３の手段いずれかの手段において、
前記燃料反応器に供給するガス化剤として、前記揮発分反応器からの排気ガスの一部を使用する構成になっていることを特徴とするものである。
本発明の第５の手段は前記第１ないし第３の手段いずれかの手段において、
前記燃料反応器に供給するガス化剤として、前記二酸化炭素回収手段で回収した二酸化炭素の一部を使用する構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第１ないし第３の手段いずれかの手段において、
前記揮発分反応器の排気ガス出口側に設けた熱交換器または／および前記サイクロンの排気ガス出口側に設けた熱交換器で生成した水蒸気の一部を、前記燃料反応器に供給するガス化剤として使用する構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は前記第１ないし第６の手段いずれかの手段において、
前記燃料反応器とその燃料反応器の上に設けられた前記揮発分反応器の間に、前記揮発分反応器内の前記金属粒子の流動化を促進するための二酸化炭素もしくは水蒸気、あるいは二酸化炭素と水蒸気の両方を成分とするアシスタントガスを供給する例えばアシスタントガス供給配管と弁からなるアシスタントガス供給手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明の第８の手段は前記第７の手段において、
前記燃料反応器に供給する前記ガス化剤の一部を前記アシスタントガスとして前記揮発分反応器に供給する構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第９の手段は前記第７の手段において、
前記揮発分反応器に供給する前記アシスタントガスとして、前記二酸化炭素回収手段で回収した二酸化炭素の一部を使用する構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第１０の手段は前記第７の手段において、
前記揮発分反応器の排気ガス出口側に設けた熱交換器または／および前記サイクロンの排気ガス出口側に設けた熱交換器で生成した水蒸気の一部を、前記揮発分反応器に供給する前記アシスタントガスとして使用する構成になっていることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、産業用などのＣＯ_２の需要変動に合わせたＣＯ_２回収率の変更が可能な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。

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した概略系統図である。 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した概略系統図である。 固定炭素モル量に対するガス化剤モル量の比(ガス化剤モル量／固定炭素モル量)αをパラメータとして、チャーのガス化率とαの関係を示した特性図である。 一般的な２塔式ＣＬＣの原理を説明するための図である。 本出願人が先に提案した３塔式ＣＬＣの基本構成を説明するための概念図である。 この３塔式ＣＬＣの具体例を示す概略系統図である。

本発明の各実施例を図面と共に説明する。

図１は、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した概略系統図である。
図１に示すように３塔式ＣＬＣは、空気反応器１と燃料反応器２と揮発反応器３の３塔を主体に構成されており、これらにサイクロン１３、熱交換器１５、空気予熱器１６、除塵装置１７、熱交換器１９、脱硝装置２０、除塵装置２１、脱硫装置２２、ＣＯ_２圧縮液化装置２３および空気ブロア３５などが図に示すように配置、接続されている。

この３塔式ＣＬＣでは、空気反応器１−サイクロン１３−揮発反応器３−燃料反応器２−空気反応器１の間は、金属粒子(ＭｅＯ)４と金属粒子(Ｍｅ)５が循環できるように、ガスシール機能を有するニューマチックバルブの種類であるＬバルブ２４，２５，２６と配管でループ状に連結されている。

燃料反応器２内には、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８００℃以上の高温場で熱分解し、固体成分のチャー１２と揮発分が主体の生成ガス１１に分離し、生成ガス１１は燃料反応器２の上部に配置された揮発反応器３へ即座に移動する。また、燃料反応器２からは、還元された金属粒子(Ｍｅ)５と生成したチャー１２が適量排出される。
排出されたチャー１２と金属粒子(Ｍｅ)５はＬバルブ２６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３０が導入されており、空気予熱器１６の内部では空気３０がチャー１２を燃焼する。

それと同時に、空気３０は金属粒子(Ｍｅ)５と酸化反応して、金属粒子(ＭｅＯ)４を生成する。この金属粒子(ＭｅＯ)４は燃焼排気ガス(Ｎ_２，Ｏ_２，ＣＯ_２，飛灰など)８と共にサイクロン１３に移動され、比重差により固体の金属粒子(ＭｅＯ)４と気体の燃焼排気ガス８に分離される。

金属粒子(ＭｅＯ)４は、重力でサイクロン１３の下部に落下し、Ｌバルブ２４を通過して、揮発反応器３へ移動する。燃料反応器２から送られてきた揮発分１３が、揮発反応器３内の金属粒子(ＭｅＯ)４を浮遊流動させながら金属粒子(ＭｅＯ)４と反応する。その結果、ＣＯ_２ガスとＨ_２Ｏ(水蒸気)が生成する。

また、金属粒子(ＭｅＯ)４は生成ガス１１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、Ｌバルブ２５通過して、燃料反応器２へ移動する。

このようにしてＣＬＣでは、金属粒子４，５が燃料反応器２→空気反応器１→揮発反応器３→燃料反応器２→・・・を循環流動しながら固体燃料(例えば石炭)７と反応する。金属粒子４，５を搬送するＬバルブ２４，２５，２６に使用する金属粒子搬送ガス２８，２９には、システム内で生成したＣＯ_２ガス、Ｈ_２Ｏ(水蒸気)あるいはＮ_２が使用される。

揮発反応器３内で生成したＣＯ_２ガス９とＨ_２Ｏ(水蒸気)１０は熱交換器１９に送られて冷却され、熱交換器１９で得られた水蒸気は図示しない発電設備に送られる。その後、ＣＯ_２ガス９とＨ_２Ｏ(水蒸気)１０は脱硝装置２０、除塵装置２１、脱硫装置２２などを経て脱水と不純物の除去がなされ、ＣＯ_２圧縮液化装置２３でＣＯ_２ガス９の圧縮液化による回収が行われる。

サイクロン１３で分離された燃焼排気ガス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と熱交換されて、最後に除塵装置１７で飛灰が除去されて大気中へ排気１８される。

前記熱交換器１５で得られた水蒸気は、図示しない発電設備に送られる。また、空気予熱器１６で加熱された高温の空気３０は、空気ブロア３５によって昇圧され、弁３３で流量調整されて、空気反応器１の下部から供給される。なお、空気反応器１の内周部には水冷壁１４が設置されて、空気反応器１内での熱回収を行っている。

本発明の３塔式ＣＬＣでは、燃料反応器２内でのチャー１２の滞留時間を確保するために、燃料反応器２内は流動層を形成している。金属粒子(Ｍｅ)５が連続的に供給され、砂時計の如く、金属粒子(Ｍｅ)５は充填されたままゆっくりと下方へ移動する。一方、燃料反応器２の下部から供給されたガス化剤(ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ)２７は移動する金属粒子(Ｍｅ)５の隙間を通って上方へ移動し、チャー１２はその移動層内でガス化反応する。

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で生成した生成ガス１１を利用することで、酸素キャリアである金属粒子(ＭｅＯ)４との接触を良好に行い、反応性を高める効果がある。

次に、本発明の特徴である任意に変更できるＣＯ_２回収率の変更手段について詳細に説明する。
図３は、固定炭素モル量に対するガス化剤モル量の比(ガス化剤モル量／固定炭素モル量)αをパラメータとして、チャーのガス化率とαの関係を示した特性図である。
固定炭素とは、石炭の工業分析で得られる揮発分と水分と灰分を除いた固体の炭素分である。例えばガス化時間(チャー１２が燃料反応器２内に滞留する時間)が１５分に設計されている場合、図３に示すようにα＝１．２ではガス化率は約９８％、α＝０．５ではガス化率は３０％と、αが減少するのに伴いチャーのガス化率が低下する傾向にある。

この固定炭素モル量に対するガス化剤モル量の比であるαは、ガス化剤２７(図１参照)の供給量で変更できるため、チャー１２のガス化率の制御が可能となる。その結果、未反応のチャー１２を空気反応器１へ移動して燃焼することは、揮発分反応器３から排出されるＣＯ_２量は未反応チャー１２の量だけ減少することを意味している。すなわち、ガス化剤２７の供給量変更⇒チャー１２のガス化率変更⇒ＣＯ_２ガスの生成量変更⇒ＣＯ_２回収率の変更となる。

また、未反応のチャー１２は空気反応器１で燃焼するため、チャー１２の持つ熱量は空気反応器１で熱回収されるので、システム全体の回収熱は変化しない。
このように本発明では、ＣＯ_２回収率の調整をチャー１２のガス化剤２７の供給量の制御によって行うことを特徴としている。

次に図１を用いて、ＣＯ_２回収率の変更方法について説明する。
図１に示すように揮発分反応器３から排出されたＣＯ_２ガス９とＨ_２Ｏ(水蒸気)１０の高温混合ガスは、それを熱交換器１９に通すことにより低温化される。この混合ガスの一部をガス化剤２７として用いるため、熱交換器１９の出口側から燃料反応器２の下部側に延びたガス化剤供給配管４０を設け、そのガス化剤供給配管４０の途中に循環ブロア３４と弁３２を設ける。

また、弁３２の開度は、例えばキーボードなどで構成されているＣＯ_２回収率変更指示手段３１によってコントロールされるようになっている。
産業用ＣＯ_２の需要変化に伴ってＣＯ_２回収率を変更する場合、初めにＣＯ_２回収率変更指示手段３１に希望するＣＯ_２回収率を入力する。この入力に基づいて、弁３２の開度が調整され、循環ブロア３４によって送られてくるガス化剤２７の供給流量がコントロールされる。

そして未反応のチャー１２が金属粒子(Ｍｅ)５と共に空気反応器１へ移動する。この結果、燃焼排気ガス８中のＣＯ_２量が変化し、同時に揮発分反応器３から排出されるＣＯ_２ガス９とＨ_２Ｏ(水蒸気)１０の量も変化し、希望するＣＯ_２回収率に変更される。

それと同時に、燃焼排気ガス８のガス温度が変化するため、所定のガス温度になるように、熱交換器１５に流す水量を変更し、蒸気としての排気ガス顕熱を回収する。同様に揮発分反応器３から排出されるガス温度も変化するため、所定のガス温度になるように、熱交換器１９に流す水量を変え、蒸気としての排気ガス顕熱を回収する。これにより、ＣＯ_２回収率を変更しても、蒸気流量は変わらない。

ガス化剤２７の供給量を調整するには、図３の(ガス化剤モル量／固定炭素モル量)αとチャーのガス化率の関係を利用して、弁３２の開度を調整する。
例えば、燃料反応器２をチャー１２の滞留する時間が１５分になるように設計していた場合、ＣＯ_２回収率を９８％から３０％に変更するには、図３よりガス化時間１５分におけるチャーガス化率９８％から３０％に変更したときの、(ガス化剤モル量／固定炭素モル量)αに設定する。この場合、αが１．２から０．５へ変更することになる。

そこで、弁３２の開度を広げ、循環ブロア３４からガス化剤２７の供給量を前記αの値が０．５になるように増加させる。その結果、チャーは３０％がガス化して揮発分反応器３へ移動して産業用ＣＯ_２として回収され、残りの未反応のチャー１２は空気反応器１で燃焼する。

ガス化剤としては、ＣＯ_２ガスあるいはＨ_２Ｏ(水蒸気)、もしくはＣＯ_２ガスとＨ_２Ｏ(水蒸気)の両方を使用することができる。また、ＣＯ_２ガスあるいはＨ_２Ｏ(水蒸気)、もしくはＣＯ_２ガスとＨ_２Ｏ(水蒸気)の両方を、図１に示す実施例よりも別の系統から供給することもできる。

ＣＯ_２ガスの供給元として、図１に示すＣＯ_２圧縮液化装置２３で回収したＣＯ_２の再利用でもよい。
また，水蒸気の供給元として、図１に示す熱交換器１５，１９から生成した水蒸気を利用してもよい。

さらに、ガス化剤としてＣＯ_２ガスとＨ_２Ｏ(水蒸気)の混合ガスを使用する場合は、本実施例のように揮発分反応器３から排出される混合ガスの一部を循環ブロア３４で再循環して使用すれば、ランニングコストを低く抑えることが可能である。

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として酸化鉄を使用した場合の、還元／酸化反応式を下記に示す。

還元反応：Ｃ(例えば石炭)＋６Ｆｅ_２Ｏ_３⇒４Ｆｅ_３Ｏ_４＋ＣＯ_２−吸熱 (３)
酸化反応：４Ｆｅ_３Ｏ_４＋Ｏ_２(空気)⇒６Ｆｅ_２Ｏ_３＋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_２Ｏ_３、金属粒子(Ｍｅ)５はＦｅ_３Ｏ_４に相当する。そして空気反応器１では前記式(４)で示すＦｅ_３Ｏ_４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)で示すＦｅ_２Ｏ_３の還元反応が生じる。

図１に示す生成ガス１１の主成分はＣＨ_４とＣＯとＨ_２であり、揮発分反応器３では生成ガス１１と金属粒子(ＭｅＯ)４であるＦｅ_２Ｏ_３の間で下記の反応が生じる
ＣＨ_４＋６Ｆｅ_２Ｏ_３⇒ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ＋４Ｆｅ_３Ｏ_４ (５)
ＣＯ＋３Ｆｅ_２Ｏ_３⇒ＣＯ_２＋２Ｆｅ_３Ｏ_４ (６)
Ｈ_２＋３Ｆｅ_２Ｏ_３⇒Ｈ_２Ｏ＋２Ｆｅ_３Ｏ_４ (７)

また、一般に循環流動層では粒子搬送用ガスシールバルブとしてメカニカルバルブまたはＬバルブなどのニューマティックバルブが用いられている。メカニカルバルブでは６００℃以上でシール部が破損するため、Ｌバルブなどのニューマティックバルブを採用する。ＬバルブとはＬ字型配管で、エアーレーションを行うことで粒子層を流動化して駆動し、粒子搬送流量を制御するものである。

図２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した概略系統図である。

ケミカルルーピング燃焼システムの起動時や低負荷運転時では、燃料反応器２からの生成ガス１１の量が少ないため、揮発分反応器３内の金属粒子４，５の良好な流動化ができないことがある。流動化しないと金属粒子４，５がＬバルブ２５にオーバーフローして移動できないため、揮発分反応器３内に金属粒子４，５が溜まり、揮発分反応器３の圧力損失が増加する。

この揮発分反応器３の粒子層圧がＬバルブ２５の圧力よりも大きくなると、ガスシールができなくなる。この結果、燃料反応器２からの生成ガス１１はＬバルブ２５から流れ、揮発分反応器３の循環流動化が停止するという課題がある。
また、金属粒子(ＭｅＯ)４が撹拌されないため、生成ガス１１との反応性が低下する。

この対策として本実施例では、図２に示されているように、燃料反応器２と揮発分反応器３の間、すなわち揮発分反応器３の下部に流動化用のアシストガス３７を供給するアシストガス供給管４１を接続して、アシストガス供給管４１に弁３８を付設している。

そしてシステムの起動時や低負荷運転時などのように、燃料反応器２から所定の生成ガス１１の量が得られないときには、アシストガス供給管４１から流動化用のアシストガス３７を供給して、揮発分反応器３内の金属粒子４，５の流動化をアシストガス３７で促進する。

アシストガス３７には、ＣＯ_２ガスやＨ_２Ｏ(水蒸気)、もしくはＣＯ_２ガスとＨ_２Ｏ(水蒸気)の混合ガスを使用することができる。
本実施例では図２に示すように、ガス化剤供給配管４０上の循環ブロア３４と弁３２の間から揮発分反応器３の下部に向けてアシストガス供給管４１を分岐し、そのアシストガス供給管４１上に弁３８を付設して、弁３８に例えばキーボードなどで構成されているアシストガス供給指示手段４２を接続している。

システムの起動時や低負荷運転時などのように、燃料反応器２から所定の生成ガス１１の量が得られないときには、アシストガス供給指示手段４２からの指示により弁３８を開いて、所定量のアシストガス３７を揮発分反応器３の下部から供給して、揮発分反応器３内の金属粒子４，５の流動化を促進する。

揮発分反応器３内の金属粒子４，５の流動化がスムーズに行われるようになると、アシストガス供給指示手段４２からの指示により弁３８を閉じる。
本実施例のように、揮発分反応器３から排出されるＣＯ_２ガスやＨ_２Ｏ(水蒸気)をガス化剤供給配管４０から分岐してアシストガス３７として供給すれば、ランニングコストを低く抑えることができる。

また、ＣＯ_２ガスやＨ_２Ｏ(水蒸気)を別系統から供給することもできる。
さらにＣＯ_２ガスの供給元として、ＣＯ_２圧縮液化装置２３で回収したＣＯ_２を再利用しても良い。さらにまた、Ｈ_２Ｏ(水蒸気)の供給元として、熱交換器１５，１９から生成した水蒸気を利用しても良い。

この実施例のようにアシストガス３７を利用すれば、ケミカルルーピング燃焼システムの起動時や低負荷運転時でも金属粒子４，５が移動できるため、システム内の圧力バランスが維持でき、良好な循環流動状態が保たれる。

図２では説明上、ＣＯ_２回収率変更指示手段３１とアシストガス供給指示手段４２を別々に設けた構成になっているが、実際には１つの指示手段でＣＯ_２回収率変更ならびにアシストガス供給の指示を行うことになる。

この実施例におけるＣＬＣの他の構成や機能などは図１に示す実施例１と同様であるので、重複する説明は省略する。

産業用ＣＯ_２の需要に合わせたＣＯ_２回収率は化学吸収法でも可能であるが、エネルギー損失が大きく、蒸気量が変動し、安定した発電量が得られないという課題がある。

これに対して本発明のケミカルルーピング燃焼システムは、産業用ＣＯ_２の需要に対応したＣＯ_２回収率を任意に選択でき、その際、システム全体で得られる熱は略同じであるため、必要な蒸気量が得られ、発電量は低下しないことを特長としている。

また、石炭火力発電所から回収した多量のＣＯ_２の処分方法は解決されておらず、実用化が困難であると見られている。一方、国内外では天然ガス火力発電所並みのＣＯ_２発生レベルであれば、許容される見通しである。石炭火力発電所からのＣＯ_２回収率を１００％から５０％にすることで、天然ガス火力発電所並みのＣＯ_２排出量に抑制でき、石炭火力発電所でも燃焼排気ガスからのＣＯ_２を分離・回収して貯留する技術(ＣＣＳ：Carbon dioxide Capture and Storage)に十分対応可能である。

さらに本発明は、産業用ＣＯ_２のだけでなく、事業用ＣＣＳ分野へも適用可能である。

前記実施例では固体燃料として石炭を使用したが、例えば石炭と植物系由来のバイオマスを併用する固定燃料でも適用可能である。

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、
８：燃焼排気ガス、
９：ＣＯ_２ガス、
１０：Ｈ_２Ｏ(水蒸気)、
１１：生成ガス、
１２：チャー、
１３：サイクロン、
１５，１９：熱交換器、
２３：ＣＯ_２圧縮液化装置、
２４，２５，２６：Ｌバルブ、
２７：ガス化剤、
３０：空気、
３１：ＣＯ_２回収率変更指示手段、
３２，３８：弁、
３７：アシストガス、
４０：ガス化剤供給配管、
４１：アシストガス供給配管、
４２：アシストガス供給指示手段。

Claims (10)

1. 固体燃料をガス化させる移動層式燃料反応器と、
   前記燃料反応器から生成したガス成分を金属粒子で酸化する流動層式揮発分反応器と、
   前記ガス成分の酸化により還元された前記金属粒子を空気により酸化する流動層式空気反応器と、
   前記空気反応器から排出される前記金属粒子と前記ガス成分を分離するサイクロンと、
   前記揮発分反応器から排出される二酸化炭素を分離・回収する二酸化炭素回収手段を備えて、
   前記金属粒子が循環するように、前記燃料反応器と前記揮発分反応器と前記空気反応器と前記サイクロンをニューマティックバルブと配管でループ状に接続したケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
   前記燃料反応器に供給する二酸化炭素もしくは水蒸気、あるいは二酸化炭素と水蒸気の両方を成分とするガス化剤の供給量の調整により、前記二酸化炭素回収手段での二酸化炭素の回収率を制御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。
2. 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、
   前記固体燃料が石炭を含む固体燃料であって、
   前記固体燃料の固定炭素モル量に対する前記ガス化剤モル量の比(ガス化剤モル量／固定炭素モル量)αと、前記燃料反応器で生成するチャーのガス化率との関係を予め求めておき、
   前記制御する二酸化炭素の回収率に対応した前記チャーのガス化率と前記(ガス化剤モル量／固定炭素モル量)αの関係に基づいて、前記ガス化剤の供給量を調整することを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
3. 請求項１または２に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
   前記ガス化剤の供給量の調整により二酸化炭素の回収率を制御する構成が、
   前記燃料反応器に前記ガス化剤を供給するガス化剤供給管と、
   前記ガス化剤供給管に付設された弁と、
   前記二酸化炭素の回収率に応じて前記弁の開度調整を指示する二酸化炭素回収率変更指示手段を備え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。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
   前記燃料反応器に供給するガス化剤として、前記揮発分反応器からの排気ガスの一部を使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。
5. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
   前記燃料反応器に供給するガス化剤として、前記二酸化炭素回収手段で回収した二酸化炭素の一部を使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。
6. 請求項１ないし３のいずれか１項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排気ガス出口側に設けた熱交換器または／および前記サイクロンの排気ガス出口側に設けた熱交換器で生成した水蒸気の一部を、前記燃料反応器に供給するガス化剤として使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。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
   前記燃料反応器とその燃料反応器の上に設けられた前記揮発分反応器の間に、前記揮発分反応器内の前記金属粒子の流動化を促進するための二酸化炭素もしくは水蒸気、あるいは二酸化炭素と水蒸気の両方を成分とするアシスタントガスを供給するアシスタントガス供給手段を設けたことを特徴とするケミカルルーピング燃焼システム。
8. 請求項７に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
   前記燃料反応器に供給する前記ガス化剤の一部を前記アシスタントガスとして前記揮発分反応器に供給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。
9. 請求項７に記載のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、
   前記揮発分反応器に供給する前記アシスタントガスとして、前記二酸化炭素回収手段で回収した二酸化炭素の一部を使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。
10. 請求項７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排気ガス出口側に設けた熱交換器または／および前記サイクロンの排気ガス出口側に設けた熱交換器で生成した水蒸気の一部を、前記揮発分反応器に供給する前記アシスタントガスとして使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。