JP6390334B2 - Chemical loop combustion apparatus and chemical loop combustion method - Google Patents
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Description
本発明は、ケミカルループ燃焼装置、及びケミカルループ燃焼方法に関する。 The present invention relates to a chemical loop combustion apparatus and a chemical loop combustion method.
地球の温暖化を抑制するためには、化石燃料の燃焼に伴って生成する二酸化炭素を回収することが必要である。化石燃料の燃焼によって発生する排ガスは、二酸化炭素のみならず、空気に由来する酸素、窒素又は窒素酸化物等も含有する。したがって、二酸化炭素を回収するためには、二酸化炭素を排ガスから分離する工程が必要となる。しかし、分離工程では多大なエネルギーが消費されてしまう。例えば、二酸化炭素の吸脱着工程では、吸着剤の温度、又は吸着剤を取り巻く雰囲気の圧力を制御するために、多大なエネルギーが必要となる。 In order to suppress global warming, it is necessary to recover the carbon dioxide produced with the combustion of fossil fuels. The exhaust gas generated by the combustion of fossil fuel contains not only carbon dioxide but also oxygen, nitrogen or nitrogen oxides derived from air. Therefore, in order to collect carbon dioxide, a process for separating carbon dioxide from exhaust gas is required. However, a great deal of energy is consumed in the separation process. For example, in the carbon dioxide adsorption / desorption process, a large amount of energy is required to control the temperature of the adsorbent or the pressure of the atmosphere surrounding the adsorbent.
近年、排ガス中の二酸化炭素を容易に回収する方法として、ケミカルループ燃焼(化学燃焼)と呼ばれる方法が注目されている(下記特許文献1参照)。ケミカルループ燃焼を実施するための装置(ケミカルループ燃焼装置)は、空気反応器及び燃料反応器を備える。ケミカルループ燃焼方法では、空気反応器において金属を含む酸素キャリア粒子(粉体)を空気中の酸素で酸化する。空気反応器内では、燃料が存在しないので、二酸化炭素及び窒素酸化物が生成し難い。空気反応器内で酸化された酸素キャリア粒子を空気から分離した後、燃料反応器へ供給する。燃料反応器内では、酸素キャリア粒子を燃料で還元する。つまり、燃料を酸素キャリア粒子で酸化する。酸素キャリア粒子の還元(燃料の酸化)によって、燃料反応器内で二酸化炭素等の燃焼ガスが生成する。燃料反応器で還元された酸素キャリア粒子を空気反応器に戻して再び酸化して、再利用する。 In recent years, a method called chemical loop combustion (chemical combustion) has attracted attention as a method for easily recovering carbon dioxide in exhaust gas (see Patent Document 1 below). An apparatus for performing chemical loop combustion (chemical loop combustion apparatus) includes an air reactor and a fuel reactor. In the chemical loop combustion method, oxygen carrier particles (powder) containing metal are oxidized with oxygen in the air in an air reactor. In the air reactor, since there is no fuel, carbon dioxide and nitrogen oxides are hardly generated. Oxygen carrier particles oxidized in the air reactor are separated from the air and then supplied to the fuel reactor. In the fuel reactor, oxygen carrier particles are reduced with fuel. That is, the fuel is oxidized with oxygen carrier particles. Combustion gas such as carbon dioxide is generated in the fuel reactor by reduction of oxygen carrier particles (oxidation of fuel). The oxygen carrier particles reduced in the fuel reactor are returned to the air reactor, oxidized again, and reused.
以上のように、ケミカルループ燃焼方法では、空気反応器及び燃料反応器の間を循環する酸素キャリア粒子が、空気から燃料へ酸素を媒介する。つまり、空気が燃料と直接反応しない。したがって、ケミカルループ燃焼方法では、燃料の酸化(燃焼)によって発生する排ガスが空気に由来する窒素を含まず、二酸化炭素等の燃焼ガスを容易に回収することができる。 As described above, in the chemical loop combustion method, oxygen carrier particles circulating between the air reactor and the fuel reactor mediate oxygen from the air to the fuel. That is, air does not react directly with fuel. Therefore, in the chemical loop combustion method, the exhaust gas generated by the oxidation (combustion) of the fuel does not contain nitrogen derived from air, and the combustion gas such as carbon dioxide can be easily recovered.
従来のケミカルループ燃焼装置は、空気反応器として、ライザーを備える。ライザーとは、鉛直方向に延びる管又は塔である。酸素キャリア粒子は、ライザーの下部からライザー内へ導入される。ライザー内の酸素キャリア粒子は、ライザーの下部から導入された空気によって吹き上げられ、ライザーの上部へ移動する。酸素キャリア粒子がライザーの上部へ移動する過程において、酸素キャリア粒子は空気中の酸素によって酸化される。酸化された酸素キャリア粒子は、残りの空気と共に、ライザーの上部から排出される。酸素キャリア粒子は、ライザーによって与えられた位置エネルギー及び運動エネルギーに駆動されて、ライザーの上部から燃料反応器へ移動し、燃料反応器から空気反応器へ戻ってくる。 A conventional chemical loop combustion apparatus includes a riser as an air reactor. A riser is a pipe or tower extending in the vertical direction. Oxygen carrier particles are introduced into the riser from the bottom of the riser. Oxygen carrier particles in the riser are blown up by the air introduced from the lower part of the riser and move to the upper part of the riser. In the process in which the oxygen carrier particles move to the top of the riser, the oxygen carrier particles are oxidized by oxygen in the air. Oxidized oxygen carrier particles are discharged from the top of the riser along with the remaining air. The oxygen carrier particles are driven by the potential energy and kinetic energy provided by the riser, move from the top of the riser to the fuel reactor, and return from the fuel reactor to the air reactor.
酸素キャリア粒子をライザーの下部からライザーの上部へ移動させるためには、高圧又は高速の空気流をライザー内へ導入する必要がある。その結果、ライザー内での酸素キャリア粒子の移動速度は速くなり、ライザー内での酸素キャリア粒子の滞留時間は短くなる。滞留時間は、例えば数秒程度である。したがって、ライザー内での酸素キャリア粒子の酸化反応に許される時間は短く、酸素キャリア粒子が十分に酸化されないことがある。十分に酸化されていない酸素キャリア粒子が燃料反応器へ供給されると、酸素キャリア粒子が燃料反応器内で過度に還元されてしまう。過度に還元された酸素キャリア粒子は崩壊したり、互いに凝着したりする。崩壊した酸素キャリア粒子、又は凝着した酸素キャリア粒子を、空気反応器における酸化によって再生することは困難である。 In order to move the oxygen carrier particles from the lower part of the riser to the upper part of the riser, it is necessary to introduce a high-pressure or high-speed air flow into the riser. As a result, the moving speed of the oxygen carrier particles in the riser is increased, and the residence time of the oxygen carrier particles in the riser is shortened. The residence time is, for example, about several seconds. Therefore, the time allowed for the oxidation reaction of the oxygen carrier particles in the riser is short, and the oxygen carrier particles may not be sufficiently oxidized. If oxygen carrier particles that are not sufficiently oxidized are supplied to the fuel reactor, the oxygen carrier particles are excessively reduced in the fuel reactor. Excessively reduced oxygen carrier particles collapse or adhere to each other. It is difficult to regenerate broken oxygen carrier particles or agglomerated oxygen carrier particles by oxidation in an air reactor.
以上のように、空気反応器としてライザーを備える従来のケミカルループ燃焼装置では、酸素キャリア粒子の過還元によって酸素キャリア粒子が消耗してしまう。 As described above, in a conventional chemical loop combustion apparatus including a riser as an air reactor, oxygen carrier particles are consumed due to excessive reduction of oxygen carrier particles.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、酸素キャリア粒子の消耗を抑制することができるケミカルループ燃焼装置、及び当該ケミカルループ燃焼装置を用いたケミカルループ燃焼方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a chemical loop combustion apparatus capable of suppressing consumption of oxygen carrier particles and a chemical loop combustion method using the chemical loop combustion apparatus. And
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置は、酸素キャリア粒子及び空気を含む第一気泡流動層を形成し、第一気泡流動層において酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する空気反応器と、酸化された酸素キャリア粒子が空気反応器から供給され、酸素キャリア粒子を搬送ガスによって鉛直上方へ移動させるライザーと、酸素キャリア粒子がライザーから供給され、酸素キャリア粒子及び燃料を含む第二気泡流動層を形成し、第二気泡流動層において酸素キャリア粒子を燃料によって還元し、還元された酸素キャリア粒子を空気反応器へ供給する燃料反応器と、空気反応器内の空気を、搬送ガスとしてライザーの下部へ供給する空気移送ラインと、を備える。 A chemical loop combustion apparatus according to one aspect of the present invention includes an air reactor that forms a first bubble fluidized bed containing oxygen carrier particles and air, and oxidizes the oxygen carrier particles with oxygen in the air in the first bubble fluidized bed. A riser in which oxidized oxygen carrier particles are supplied from an air reactor, and the oxygen carrier particles are moved vertically upward by a carrier gas; and a second bubble flow in which oxygen carrier particles are supplied from the riser and contain oxygen carrier particles and fuel A fuel reactor for reducing oxygen carrier particles with fuel in the second bubble fluidized bed and supplying the reduced oxygen carrier particles to the air reactor; and air in the air reactor as a carrier gas An air transfer line for supplying to the lower part of the air .
本発明の一側面においては、ライザーにおいて酸素キャリア粒子を酸化するだけではなく、ライザーとは異なる空気反応器においても酸素キャリア粒子を酸化する。また、空気反応器内で第一気泡流動層を形成するので、空気反応器内での酸素キャリア粒子の滞留時間は、従来の空気反応器(ライザー)内での酸素キャリア粒子の滞留時間に比べて、制御し易い。したがって、空気反応器内での酸素キャリア粒子の滞留時間を、酸素キャリア粒子の酸化に十分な時間に制御することができる。換言すれば、本発明の一側面によれば、十分に酸化されずに短時間で空気反応器から排出される酸素キャリア粒子の量を、従来よりも低減することができる。さらに、燃料反応器内で第二気泡流動層を形成するので、燃料反応器内での酸素キャリア粒子の滞留時間は、従来の燃料反応器(例えば、移動層式燃料反応器)内での酸素キャリア粒子の滞留時間に比べて、制御し易い。したがって、燃料反応器内での酸素キャリア粒子の滞留時間を、酸素キャリア粒子の還元に必要であって且つ酸素キャリア粒子の過還元が抑制される時間に制御することができる。換言すれば、本発明の一側面によれば、燃料反応器内に長時間滞留して過度に還元される酸素キャリア粒子の量を、従来よりも低減することができる。以上の理由から、本発明の一側面においては、酸素キャリア粒子の過還元が抑制され、過還元に因る酸素キャリア粒子の消耗も抑制される。換言すれば、本発明の一側面においては、空気反応器及びライザーにおける酸素キャリア粒子の滞留時間と、燃料反応器における酸素キャリア粒子の滞留時間とをバランスさせることが容易であり、その結果、酸素キャリア粒子の過還元が抑制される。 In one aspect of the invention, the oxygen carrier particles are not only oxidized in the riser, but are also oxidized in an air reactor different from the riser. Moreover, since the first bubble fluidized bed is formed in the air reactor, the residence time of the oxygen carrier particles in the air reactor is compared with the residence time of the oxygen carrier particles in the conventional air reactor (riser). Easy to control. Therefore, the residence time of the oxygen carrier particles in the air reactor can be controlled to a time sufficient for the oxidation of the oxygen carrier particles. In other words, according to one aspect of the present invention, it is possible to reduce the amount of oxygen carrier particles discharged from the air reactor in a short time without being sufficiently oxidized. Further, since the second bubble fluidized bed is formed in the fuel reactor, the residence time of the oxygen carrier particles in the fuel reactor is the oxygen in the conventional fuel reactor (for example, moving bed type fuel reactor). It is easier to control than the residence time of the carrier particles. Therefore, the residence time of the oxygen carrier particles in the fuel reactor can be controlled to a time that is necessary for the reduction of the oxygen carrier particles and over-reduction of the oxygen carrier particles is suppressed. In other words, according to one aspect of the present invention, the amount of oxygen carrier particles that stay in the fuel reactor for a long time and are excessively reduced can be reduced as compared with the conventional case. For the above reasons, in one aspect of the present invention, the oxygen carrier particles are prevented from being overreduced, and consumption of oxygen carrier particles due to overreduction is also suppressed. In other words, in one aspect of the present invention, it is easy to balance the residence time of oxygen carrier particles in the air reactor and riser and the residence time of oxygen carrier particles in the fuel reactor. Over-reduction of carrier particles is suppressed.
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置は、酸素キャリア粒子及び搬送ガスがライザーから供給され、酸素キャリア粒子を搬送ガスから分離し、分離された酸素キャリア粒子を燃料反応器へ供給するサイクロン(粉体分離器)を更に備えてよい。 A chemical loop combustion apparatus according to one aspect of the present invention is provided with a cyclone in which oxygen carrier particles and a carrier gas are supplied from a riser, the oxygen carrier particles are separated from the carrier gas, and the separated oxygen carrier particles are supplied to a fuel reactor. A powder separator).
酸素キャリア粒子と共にライザーから排出される搬送ガスは、少なくとも空気に由来する窒素を含む。サイクロンを用いて酸素キャリア粒子を搬送ガスから分離することにより、搬送ガス中の窒素が酸素キャリア粒子と共に燃料反応器へ供給されることが抑制される。したがって、燃料反応器内で生成する燃焼ガス(例えば、二酸化炭素)が窒素と混合することも抑制される。 The carrier gas discharged from the riser together with the oxygen carrier particles contains at least nitrogen derived from air. By separating the oxygen carrier particles from the carrier gas using a cyclone, nitrogen in the carrier gas is suppressed from being supplied to the fuel reactor together with the oxygen carrier particles. Therefore, mixing of combustion gas (for example, carbon dioxide) generated in the fuel reactor with nitrogen is also suppressed.
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼装置は、酸素キャリア粒子及び搬送ガスがライザーから供給され、酸素キャリア粒子の一部を搬送ガスから分離し、分離された酸素キャリア粒子を燃料反応器へ供給するドラムと、酸素キャリア粒子の残部及び搬送ガスがドラムから供給され、酸素キャリア粒子の残部を搬送ガスから分離し、分離された酸素キャリア粒子を燃料反応器へ供給するサイクロンと、を更に備えてよい。 In the chemical loop combustion apparatus according to one aspect of the present invention, oxygen carrier particles and a carrier gas are supplied from a riser, a part of the oxygen carrier particles is separated from the carrier gas, and the separated oxygen carrier particles are supplied to the fuel reactor. And a cyclone in which the remainder of the oxygen carrier particles and the carrier gas are supplied from the drum, the remainder of the oxygen carrier particles are separated from the carrier gas, and the separated oxygen carrier particles are supplied to the fuel reactor. Good.
ケミカルループ燃焼装置内を循環する酸素キャリア粒子が多いほど、サイクロンへの負荷が大きくなる。サイクロンへの負荷が大き過ぎる場合、一部の酸素キャリア粒子が、搬送ガスから分離されず、搬送ガスと共にサイクロン外へ飛散して、燃料反応器へ供給されない。つまり、サイクロンへの負荷が大き過ぎる場合、サイクロンにおいて酸素キャリア粒子が消耗する。しかし、酸素キャリア粒子の一部をドラムにおいて搬送ガスから分離した後、酸素キャリア粒子の残部をサイクロンにおいて搬送ガスから分離することにより、サイクロンへの負荷が低減し、サイクロンにおける酸素キャリア粒子の飛散及び消耗が抑制される。つまりドラムとは、サイクロンへの負荷を低減するための粉体分離器といえる。 The more oxygen carrier particles that circulate in the chemical loop combustion device, the greater the load on the cyclone. When the load on the cyclone is too large, some oxygen carrier particles are not separated from the carrier gas, and are scattered outside the cyclone together with the carrier gas and are not supplied to the fuel reactor. That is, when the load on the cyclone is too large, oxygen carrier particles are consumed in the cyclone. However, by separating some of the oxygen carrier particles from the carrier gas in the drum and then separating the remainder of the oxygen carrier particles from the carrier gas in the cyclone, the load on the cyclone is reduced, and the scattering of oxygen carrier particles in the cyclone and Consumption is suppressed. That is, the drum can be said to be a powder separator for reducing the load on the cyclone.
本発明の一側面に係るケミカルループ燃焼方法は、上記空気移送ラインを備えるケミカルループ燃焼装置を用いたケミカルループ燃焼方法であってよく、空気反応器において、酸素キャリア粒子及び空気を含む第一気泡流動層を形成し、第一気泡流動層において酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する工程と、酸化された酸素キャリア粒子を、空気反応器からライザーの下部へ供給する工程と、空気反応器内の空気を、搬送ガスとして空気移送ラインを通じてライザーの下部へ供給する工程と、酸素キャリア粒子を空気によってライザーの下部からライザーの上部へ移動させると共に、酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって更に酸化する工程と、更に酸化された酸素キャリア粒子を、ライザーの上部から燃料反応器へ供給する工程と、燃料反応器において、酸素キャリア粒子及び燃料を含む第二気泡流動層を形成し、第二気泡流動層において酸素キャリア粒子を燃料によって還元する工程と、還元された酸素キャリア粒子を、燃料反応器から空気反応器へ供給する工程と、を備えてよい。 A chemical loop combustion method according to an aspect of the present invention may be a chemical loop combustion method using a chemical loop combustion apparatus including the air transfer line, and the first bubble containing oxygen carrier particles and air in an air reactor. Forming a fluidized bed, oxidizing the oxygen carrier particles with oxygen in the air in the first bubble fluidized bed, supplying the oxidized oxygen carrier particles from the air reactor to the lower part of the riser, and the air reactor Supplying the air inside as a carrier gas to the lower part of the riser through the air transfer line, moving oxygen carrier particles from the lower part of the riser to the upper part of the riser by air, and further oxidizing the oxygen carrier particles by oxygen in the air And supplying further oxidized oxygen carrier particles to the fuel reactor from the top of the riser And forming a second bubble fluidized bed containing oxygen carrier particles and fuel in the fuel reactor, reducing the oxygen carrier particles with the fuel in the second bubble fluidized bed, and reducing the oxygen carrier particles into the fuel. Supplying from the reactor to the air reactor.
空気反応器内で加熱された空気をライザー用の搬送ガスとして再利用することにより、搬送ガスの予熱に要するエネルギー及び搬送ガスに掛かるコストが節約される。 By reusing the air heated in the air reactor as the carrier gas for the riser, energy required for preheating the carrier gas and costs for the carrier gas can be saved.
本発明によれば、酸素キャリア粒子の消耗を抑制することができるケミカルループ燃焼装置、及び当該ケミカルループ燃焼装置を用いたケミカルループ燃焼方法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the chemical loop combustion apparatus which can suppress exhaustion of oxygen carrier particle, and the chemical loop combustion method using the said chemical loop combustion apparatus are provided.
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。図面において、同等の構成要素には同等の符号を付す。本発明は下記実施形態に限定されるものではない。各図に示すX,Y及びZは、互いに直交する3つの座標軸を意味する。Y軸は鉛直上方を向く。X軸及びZ軸は水平である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals. The present invention is not limited to the following embodiment. X, Y, and Z shown in each figure mean three coordinate axes orthogonal to each other. The Y axis faces vertically upward. The X axis and the Z axis are horizontal.
図1に示すように、本実施形態に係るケミカルループ燃焼装置100は、空気反応器10、第一ライン1、空気移送ライン7、ライザー12、第二ライン2、ドラム16、第三ライン3、第四ライン4、サイクロン18、第五ライン5、燃料反応器14、第六ライン6、第一シールポット20a、第二シールポット20b、及び第三シールポット20cを備える。「ライン」とは、物質を移送する管を意味する。ケミカルループ燃焼装置100が備える上記の構成要素の位置関係は、図1に示す通りである。つまり、空気反応器10は、ライザー12の下部12bよりも上方に位置する。ライザー12の上部12aは、燃料反応器14よりも上方に位置する。燃料反応器14は、空気反応器10よりも上方に位置する。ドラム16及びサイクロン18は、燃料反応器14よりも上方に位置する。第一シールポット20aは、第一ライン1の中途に設置されている。第二シールポット20bは、第六ライン6の中途に設置されている。第三シールポット20cは、第三ライン3の中途に設置されている。
As shown in FIG. 1, a chemical
第一ライン1は、空気反応器10の下部とライザー12の下部12bとを接続する。空気移送ライン7は、空気反応器10の上部とライザー12の下部12bとを接続する。第二ライン2は、ライザー12の上部12aとドラム16の側面とを接続する。第三ライン3は、ドラム16の下部と燃料反応器14の側面とを接続する。第四ライン4は、ドラム16の上部とサイクロン18の側面とを接続する。第五ライン5は、サイクロン18の下部と、ドラム16及び第三シールポット20cの間に位置する第三ライン3とを接続する。第六ライン6は、燃料反応器14の側面と空気反応器10の側面とを接続する。第一シールポット20aは、ライザー12から空気反応器10への気体の逆流を抑制する。第二シールポット20bは、空気反応器10から燃料反応器14への気体の逆流を抑制する。第三シールポット20cは、燃料反応器14からドラム16及びサイクロン18への気体の逆流を抑制する。
The first line 1 connects the lower part of the
本実施形態に係るケミカルループ燃焼方法は、以下に説明するように、ケミカルループ燃焼装置100を用いて実施される。
The chemical loop combustion method according to the present embodiment is implemented using a chemical
酸素キャリア粒子は、空気反応器10からライザー12の下部12bへ供給され、ライザー12の下部12bからライザー12の上部12aへ移動し、ライザー12の上部12aからドラム16及びサイクロン18を経て燃料反応器14へ供給され、燃料反応器14から空気反応器10へ供給される。燃料反応器14から空気反応器10へ供給された酸素キャリア粒子は、上記の順序で、ケミカルループ燃焼装置100内を循環する。
Oxygen carrier particles are supplied from the
酸素キャリア粒子は、金属単体又は金属の酸化物を含む粉体である。還元された状態にある酸素キャリア粒子の組成は、例えば、一般式MOxで表される。一般式中、Mは金属であり、xは0以上の実数である。酸化された状態にある酸素キャリア粒子の組成は、例えば、一般式MOx+yで表される。一般式中、yは正の実数である。金属Mは、特に限定されないが、例えば、Fe、Ni、Cu、Co及びMnからなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。酸素キャリア粒子は、複数の金属単体を含んでよい。酸素キャリア粒子は、複数の金属酸化物を含んでもよい。酸素キャリア粒子は、複数の金属を含有する複合酸化物(例えば、ペロブスカイト型酸化物)を含んでもよい。酸素キャリア粒子は、金属又は金属酸化物と、金属又は金属酸化物が担持された担体と、を備えてもよい。担体は、特に限定されないが、例えば、Al2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、MgO、NiAl2O4、CoAl2O4、YSZ(Yttria−Stabilized Zirconia)、CuAl2O4及びAlPO4からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。酸素キャリア粒子は、複数種の担体を備えてもよい。酸素キャリア粒子の粒径は、特に限定されないが、例えば、50μm以上1000μm以下、又は100μm以上500μm以下であってよい。 The oxygen carrier particle is a powder containing a single metal or a metal oxide. The composition of the oxygen carrier particles in the reduced state, for example, represented by the general formula MO x. In the general formula, M is a metal, and x is a real number of 0 or more. The composition of oxygen carrier particles in an oxidized state is represented by, for example, the general formula MO x + y . In the general formula, y is a positive real number. The metal M is not particularly limited, but may be at least one selected from the group consisting of Fe, Ni, Cu, Co, and Mn, for example. The oxygen carrier particles may include a plurality of simple metals. The oxygen carrier particles may include a plurality of metal oxides. The oxygen carrier particles may include a complex oxide (for example, a perovskite oxide) containing a plurality of metals. The oxygen carrier particles may include a metal or metal oxide and a carrier on which the metal or metal oxide is supported. The support is not particularly limited, and examples thereof include Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 , MgO, NiAl 2 O 4 , CoAl 2 O 4 , YSZ (Ytria-Stabilized Zirconia), CuAl 2 O 4, and AlPO. It may be at least one selected from the group consisting of 4 . The oxygen carrier particles may include a plurality of types of carriers. The particle size of the oxygen carrier particles is not particularly limited, but may be, for example, 50 μm or more and 1000 μm or less, or 100 μm or more and 500 μm or less.
空気反応器10では、酸素キャリア粒子及び空気を含む第一気泡流動層を形成し、第一気泡流動層において酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって酸化する。酸素キャリア粒子の酸化は、発熱反応であるので、酸素キャリア粒子の酸化によって空気反応器10内の温度は高温に維持される。したがって、空気反応器10内の酸素キャリア粒子及び空気は、高温で加熱される。空気反応器10内の温度は、特に限定されないが、例えば、500℃以上1200℃以下であってよい。
In the
一般的に、「気泡流動層」とは、気体中に浮遊する粉体(多数の粒子)の全体が均一な流体として挙動する状態である。粒子の重力が、鉛直上方に流れる気体が粒子に及ぼす力と釣り合う場合、粉体が流動化して、気泡流動層が形成される。以下では、図2aに基づき、空気反応器10内で矩形の第一気泡流動層22を形成する方法を説明する。
In general, the “bubble fluidized bed” is a state in which the entire powder (a large number of particles) suspended in a gas behaves as a uniform fluid. When the gravity of the particles balances the force exerted on the particles by the gas flowing vertically upward, the powder is fluidized to form a bubble fluidized bed. Below, based on FIG. 2a, the method of forming the rectangular 1st
図2aに示すように、空気反応器10は、直方体状であり、空気反応器10内の空間も直方体状である。空気反応器10において互いに直交する第一辺10a、第二辺10b及び第三辺10cのうち、第一辺10aは、X軸に平行である。第二辺10bは、Y軸(鉛直方向)に平行である。第三辺10cは、Z軸に平行である。
As shown in FIG. 2a, the
燃料反応器14から延びる第六ライン6は、空気反応器10において第二辺10b及び第三辺10cが属する側面に接続されている。第六ライン6が接続された側面に対向する側面には、第一ライン1が接続されている。燃料反応器14において還元された酸素キャリア粒子を、第六ライン6を通じて空気反応器10内へ導入し、第一ライン1を通じて空気反応器10外へ排出する。したがって、酸素キャリア粒子は、X軸又は第一辺10aに沿って流れる。つまり、酸素キャリア粒子は、水平方向に沿って流れる。一方、空気(Air)を、空気反応器10の底面から空気反応器10内へ導入し、空気反応器10の上面に接続された空気移送ライン7を通じて空気反応器10外へ排出する。したがって、空気(Air)は、鉛直方向(Y軸)に沿って流れる。このように、空気反応器10内において、酸素キャリア粒子の流れを空気の流れと交差又は直交させることにより、矩形の第一気泡流動層22を形成する。「矩形」とは、酸素キャリア粒子の流れに垂直な方向における第一気泡流動層22の断面22aが矩形(四角形)であることを意味する。換言すれば、鉛直方向(Y軸方向)に平行である第一気泡流動層22の断面22aは矩形である。鉛直方向(Y軸方向)における第一気泡流動層22の高さは略一定である。
The
矩形の第一気泡流動層22の全体は、乱流ではなく層流として挙動する。したがって、矩形の第一気泡流動層22に含まれる個々の酸素キャリア粒子は揃って空気反応器10内を移動し易い。換言すれば、矩形の第一気泡流動層22に含まれる個々の酸素キャリア粒子は略同じ速度で略同じ方向へ移動し易い。したがって、空気反応器10内における酸素キャリア粒子の滞留時間を制御し易く、酸素キャリア粒子の滞留時間のばらつきが小さくなり易い。その結果、滞留時間を酸素キャリア粒子の酸化反応に十分な時間に制御し易い。つまり、十分に酸化されることなく短時間で空気反応器10から排出される酸素キャリア粒子の量を低減し易い。また、第一気泡流動層22の内部は空気の気泡により攪乱されるので、第一気泡流動層22の温度は均一に維持され易い。したがって、第一気泡流動層22内の酸素キャリア粒子は斑なく酸化され易い。
The entire rectangular first
仮に、酸素キャリア粒子を空気反応器10の上部から降下させ、空気を空気反応器10の下部から鉛直上方へ流し、且つ、酸素キャリア粒子の重力が、空気が酸素キャリア粒子に及ぼす力より大きい場合、空気反応器10内では、気泡流動層ではなく、移動層が形成され易い。また仮に、酸素キャリア粒子及び空気を空気反応器10の下部から鉛直上方へ流し、且つ、酸素キャリア粒子の重力が、空気が酸素キャリア粒子に及ぼす力より小さい場合、空気反応器10内では、矩形の気泡流動層(層流)ではなく、乱流が形成され易い。移動層又は乱流においては、酸素キャリア粒子が均一な流体として挙動し難い。したがって、移動層又は乱流に含まれる個々の酸素キャリア粒子は略同じ速度で略同じ方向へ移動し難い。換言すれば、移動層又は乱流に含まれる個々の酸素キャリア粒子は揃って空気反応器10内を移動し難い。したがって、空気反応器10内における酸素キャリア粒子の滞留時間を制御し難く、酸素キャリア粒子の滞留時間のばらつきが大きくなり易い。その結果、滞留時間を酸素キャリア粒子の酸化反応に十分な時間に制御し難い。つまり、十分に酸化されることなく短時間で空気反応器10から排出される酸素キャリア粒子の量を低減し難い。
If the oxygen carrier particles are lowered from the upper part of the
空気反応器10における空気(Air)の空塔速度は、気泡流動化開始速度(気泡開始速度)より大きければよく、酸素キャリア粒子の終末速度未満であればよい。気泡流動化開始速度及び終末速度は、酸素キャリア粒子の形状、平均粒径及び粒径分布、並びに空気反応器10の形状により異なるものであり、実験的に求められる。ケミカルループ燃焼装置100に要求される運転条件において空気反応器10内の最適な流動状態が得られるように、空気反応器10及び酸素キャリア粒子を設計すればよい。
The superficial velocity of air (Air) in the
空気反応器10内における酸素キャリア粒子の滞留時間の平均値は、例えば、空気反応器10の容積を粒子循環量で除することにより、概算される。または、空気反応器10内における酸素キャリア粒子の流路の容積を粒子循環量で除することにより、酸素キャリア粒子の滞留時間の平均値を算出してもよい。粒子循環量の調整により、空気反応器10内における酸素キャリア粒子の滞留時間を制御してよい。なお、粒子循環量とは、ケミカルループ燃焼装置100における酸素キャリア粒子の循環速度である。粒子循環量とは、単位時間当りに空気反応器10内へ供給される酸素キャリア粒子の量(例えば、体積)、又は単位時間当りに空気反応器10から排出される酸素キャリア粒子の量と言い換えられてよい。
The average value of the residence time of the oxygen carrier particles in the
空気反応器10内における第一気泡流動層22(酸素キャリア粒子)の移動速度は、例えば、粒子循環量を空気反応器10内における酸素キャリア粒子の流路の断面積で除することによって算出される。流路の断面積とは、例えば、酸素キャリア粒子の流れに垂直な方向における第一気泡流動層22の断面22aの面積と言い換えられる。流路の断面積は、空気反応器10の寸法に依る。例えば、流路の幅は、空気反応器10の第三辺10cの長さに依る。流路の高さは、空気反応器10の第二辺10bの長さ以下である。以上のことから、空気反応器10内における第一気泡流動層22の移動速度は、粒子循環量の調整、又は設計段階での空気反応器10の寸法の設定によって、所望の値に設定される。酸素キャリア粒子の種類に応じて、空気反応器10内における第一気泡流動層22の移動速度を適宜設定することにより、層流として挙動する矩形の第一気泡流動層22が形成され易い。
The moving speed of the first bubble fluidized bed 22 (oxygen carrier particles) in the
空気反応器10内で酸化された酸素キャリア粒子を、第一ライン1を通じて空気反応器10からライザー12の下部12bへ供給する。空気反応器10内の空気を、搬送ガスとして、空気移送ライン7を通じてライザー12の下部12bへ供給する。空気反応器10内の酸素キャリア粒子を、空気移送ライン7から供給される空気によって吹き飛ばして、ライザー12の下部12bからライザー12の上部12aへ移動させる。つまり、酸素キャリア粒子を空気の上昇流によって鉛直上方へ移動させる。その結果、酸素キャリア粒子に位置エネルギー及び運動エネルギーが付与される。酸素キャリア粒子は、ライザー12において与えられたエネルギーに駆動されて、ケミカルループ燃焼装置100内を循環する。ライザー12内へ供給する空気の体積流量(ライザー12内における搬送ガスの空塔速度)を調整することにより、粒子循環量を制御することができる。また、ケミカルループ燃焼装置100内を循環する酸素キャリア粒子の総量を調整することにより、粒子循環量を制御することもできる。ケミカルループ燃焼装置100内における粒子循環量は略一定であってよい。
Oxygen carrier particles oxidized in the
酸素キャリア粒子がライザー12の上部12aへ移動する過程において、酸素キャリア粒子を空気中の酸素によって更に酸化する。酸素キャリア粒子を、空気反応器10及びライザー12の両方において酸化することにより、燃料反応器14における酸素キャリア粒子の過還元が抑制される。空気反応器10内で加熱された空気をライザー12用の搬送ガスとして再利用することにより、搬送ガスの予熱に要するエネルギー及び搬送ガスに掛かるコストが節約される。
In the process in which the oxygen carrier particles move to the
ライザー12内で酸化された酸素キャリア粒子を、空気(搬送ガス)と共に、第二ライン2を通じてライザー12の上部12aからドラム16へ供給する。ドラム16は、酸素キャリア粒子及び空気が一時的に滞留する容器である。ドラム16の下部は、例えば、サイクロン18と同様に、逆円錐状であってよい。ドラム16の下部は、鏡板であってもよい。ドラム16は、サイクロン18と同様の原理(遠心分離)により、粉体を気体から分離する機能を備える。ドラム16では、酸素キャリア粒子の一部を空気から分離し、分離された酸素キャリア粒子を、第三ライン3を通じて燃料反応器14へ供給する。酸素キャリア粒子の残部及び空気を、ドラム16から排出し、第四ライン4を通じてサイクロン18へ供給する。サイクロン18では、酸素キャリア粒子の残部を空気から分離し、分離された酸素キャリア粒子を第五ライン5及び第三ライン3を通じて燃料反応器14へ供給する。サイクロン18において酸素キャリア粒子から分離された空気(窒素及び酸素)は、サイクロン18の上部から排出される。
Oxygen carrier particles oxidized in the
ドラム16及びサイクロン18を用いて酸素キャリア粒子を空気から分離することにより、空気(搬送ガス)中の窒素が酸素キャリア粒子と共に燃料反応器14へ供給されることが抑制される。したがって、燃料反応器14内で生成するガスが窒素と混合することも抑制される。
By separating the oxygen carrier particles from the air using the
酸素キャリア粒子の一部をドラム16において空気から分離した後、酸素キャリア粒子の残部をサイクロン18において空気から分離することにより、サイクロン18への負荷が低減し、サイクロン18における酸素キャリア粒子の飛散及び消耗が抑制される。
After separating some of the oxygen carrier particles from the air in the
燃料反応器14では、酸素キャリア粒子、燃料及び流動化ガスGから第二気泡流動層を形成する。第二気泡流動層において、酸素キャリア粒子を燃料によって還元する。つまり、燃料を、酸素キャリア粒子に含まれる酸素で酸化する。燃料反応器14内の温度は、空気反応器10及びライザー12における酸化反応によって加熱された酸素キャリア粒子の温度に依存する。また、燃料反応器14内の温度は、燃料反応器14内での酸素キャリア粒子の還元反応(燃料の酸化反応)の反応熱にも依存する。燃料反応器14内の温度は、特に限定されないが、例えば、500℃以上1200℃以下であってよい。
In the
燃料は炭素を含む。燃料は、例えば、気体燃料又は固体燃料Sであってよい。気体燃料は、例えば、メタン、プロパン、ブタン、天然ガス、及び石炭のガス化ガスからなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。固体燃料Sは、例えば、石炭、コークス(骸炭)、プラスチック及びバイオマス燃料からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。固体燃料Sは粉体であってよい。複数種の燃料を用いてもよい。流動化ガスGは、窒素を含まない気体である。流動化ガスGは、例えば、水蒸気、二酸化炭素及び酸素からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。複数種の流動化ガスGを用いてよい。気体燃料を流動化ガスGとして用いてよい。メタン等の炭化水素ガス及び水蒸気を含む流動化ガスGを、燃料反応器14へ供給し、炭化水素ガスの部分酸化反応、水蒸気改質反応及び水性ガスシフト反応を進行させ、一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成させてよい。燃料反応器14内において燃料を完全に酸化して、二酸化炭素及び水を含むガスを生成させてもよい。
The fuel contains carbon. The fuel may be a gaseous fuel or a solid fuel S, for example. The gaseous fuel may be at least one selected from the group consisting of methane, propane, butane, natural gas, and coal gasification gas, for example. The solid fuel S may be at least one selected from the group consisting of coal, coke (hard coal), plastic, and biomass fuel, for example. The solid fuel S may be a powder. Multiple types of fuels may be used. The fluidizing gas G is a gas that does not contain nitrogen. The fluidizing gas G may be at least one selected from the group consisting of water vapor, carbon dioxide, and oxygen, for example. A plurality of types of fluidized gases G may be used. Gaseous fuel may be used as the fluidizing gas G. A fluidizing gas G containing a hydrocarbon gas such as methane and water vapor is supplied to the
以下では、図2bに基づき、燃料反応器14内で矩形の第二気泡流動層24を形成する方法を説明する。説明の便宜のため、以下では、気体燃料を流動化ガスGとして用いる場合について説明する。
Hereinafter, a method of forming the rectangular second
図2bに示すように、燃料反応器14は、直方体状であり、燃料反応器14内の空間も直方体状である。燃料反応器14において互いに直交する第一辺14a、第二辺14b及び第三辺14cのうち、第一辺14aは、X軸に平行である。第二辺14bは、Y軸(鉛直方向)に平行である。第三辺14cは、Z軸に平行である。
As shown in FIG. 2b, the
ドラム16から延びる第三ライン3は、燃料反応器14において第二辺14b及び第三辺14cが属する側面に接続されている。第三ライン3が接続された側面に対向する側面には、第六ライン6が接続されている。空気反応器10及びライザー12において酸化された酸素キャリア粒子を、第三ライン3を通じて燃料反応器14内へ導入し、第六ライン6を通じて燃料反応器14外へ排出する。したがって、酸素キャリア粒子は、X軸又は第一辺14aに沿って流れる。つまり、酸素キャリア粒子は、水平方向に沿って流れる。一方、流動化ガスGを、燃料反応器14の底面から燃料反応器14内へ導入し、燃料反応器14の上面から燃料反応器14外へ排出する。したがって、流動化ガスGは、鉛直方向(Y軸)に沿って流れる。このように、燃料反応器14内において、酸素キャリア粒子の流れを流動化ガスGの流れと交差又は直交させることにより、矩形の第二気泡流動層24を形成する。「矩形」とは、酸素キャリア粒子の流れに垂直な方向における第二気泡流動層24の断面24aが矩形(四角形)であることを意味する。換言すれば、鉛直方向(Y軸方向)に平行である第二気泡流動層24の断面24aは矩形である。鉛直方向(Y軸方向)における第二気泡流動層24の高さは略一定である。
The third line 3 extending from the
矩形の第二気泡流動層24の全体は、乱流ではなく層流として挙動する。したがって、矩形の第二気泡流動層24に含まれる個々の酸素キャリア粒子は揃って燃料反応器14内を移動し易い。換言すれば、矩形の第二気泡流動層24に含まれる個々の酸素キャリア粒子は略同じ速度で略同じ方向へ移動し易い。したがって、燃料反応器14内における酸素キャリア粒子の滞留時間を制御し易く、酸素キャリア粒子の滞留時間のばらつきが小さくなり易い。その結果、燃料反応器14内での酸素キャリア粒子の滞留時間を、酸素キャリア粒子の還元に必要であって且つ酸素キャリア粒子の過還元が抑制される時間に制御し易い。つまり、燃料反応器14内に長時間滞留して過度に還元される酸素キャリア粒子の量を低減し易い。また、第二気泡流動層24の内部は流動化ガスGの気泡により攪乱されるので、第二気泡流動層24内の温度は均一に維持され易い。したがって、第二気泡流動層24の温度は局所的に高くなり難く、高温の局所における酸素キャリア粒子の過還元が抑制され易い。
The entire rectangular second
仮に、酸素キャリア粒子を燃料反応器14の上部から降下させ、流動化ガスGを燃料反応器14の下部から鉛直上方へ流し、且つ、酸素キャリア粒子の重力が、流動化ガスGが酸素キャリア粒子に及ぼす力より大きい場合、燃料反応器14内では、気泡流動層ではなく、移動層が形成され易い。また仮に、酸素キャリア粒子及び流動化ガスGを燃料反応器14の下部から鉛直上方へ流し、且つ、酸素キャリア粒子の重力が、流動化ガスGが酸素キャリア粒子に及ぼす力より小さい場合、燃料反応器14内では、矩形の気泡流動層(層流)ではなく、乱流が形成され易い。移動層又は乱流においては、酸素キャリア粒子が均一な流体として挙動し難い。したがって、移動層又は乱流に含まれる個々の酸素キャリア粒子は略同じ速度で略同じ方向へ移動し難い。換言すれば、移動層又は乱流に含まれる個々の酸素キャリア粒子は揃って燃料反応器14内を移動し難い。したがって、燃料反応器14内における酸素キャリア粒子の滞留時間を制御し難く、酸素キャリア粒子の滞留時間のばらつきが大きくなり易い。その結果、燃料反応器14内での酸素キャリア粒子の滞留時間を、酸素キャリア粒子の還元に必要であって且つ酸素キャリア粒子の過還元が抑制される時間に制御し難い。つまり、燃料反応器14内に長時間滞留して過度に還元される酸素キャリア粒子の量を低減し難い。
Temporarily, the oxygen carrier particles are lowered from the upper part of the
燃料反応器14における流動化ガスGの空塔速度は、気泡流動化開始速度(気泡開始速度)より大きければよく、酸素キャリア粒子の終末速度未満であればよい。気泡流動化開始速度及び終末速度は、酸素キャリア粒子の形状、平均粒径及び粒径分布、並びに燃料反応器14の形状により異なるものであり、実験的に求められる。ケミカルループ燃焼装置100に要求される運転条件において燃料反応器14内の最適な流動状態が得られるように、燃料反応器14及び酸素キャリア粒子を設計すればよい。
The superficial velocity of the fluidizing gas G in the
燃料反応器14内における酸素キャリア粒子の滞留時間の平均値は、例えば、燃料反応器14の容積を粒子循環量で除することにより、概算される。または、燃料反応器14内における酸素キャリア粒子の流路の容積を粒子循環量で除することにより、酸素キャリア粒子の滞留時間の平均値を算出してもよい。粒子循環量の調整により、燃料反応器14内における酸素キャリア粒子の滞留時間を制御してよい。なお、粒子循環量とは、単位時間当りに燃料反応器14内へ供給される酸素キャリア粒子の量(例えば、体積)、又は単位時間当りに燃料反応器14から排出される酸素キャリア粒子の量と言い換えられてよい。
The average value of the residence time of the oxygen carrier particles in the
燃料反応器14内における第二気泡流動層24(酸素キャリア粒子)の移動速度は、例えば、粒子循環量を燃料反応器14内における酸素キャリア粒子の流路の断面積で除することによって算出される。流路の断面積とは、例えば、酸素キャリア粒子の流れに垂直な方向における第二気泡流動層24の断面24aの面積と言い換えられる。流路の断面積は、燃料反応器14の寸法に依る。例えば、流路の幅は、燃料反応器14の第三辺14cの長さに依る。流路の高さは、燃料反応器14の第二辺14bの長さ以下である。以上のことから、燃料反応器14内における第二気泡流動層24の移動速度は、粒子循環量の調整、又は設計段階での燃料反応器14の寸法の設定によって、所望の値に設定される。酸素キャリア粒子の種類に応じて、燃料反応器14内における第二気泡流動層24の移動速度を適宜設定することにより、層流として挙動する矩形の第二気泡流動層24が形成され易い。
The moving speed of the second bubble fluidized bed 24 (oxygen carrier particles) in the
固体燃料Sを用いる場合、第三ライン3から供給される酸素キャリア粒子と同様に、固体燃料Sを、第二辺14b及び第三辺14cが属する側面から燃料反応器14内へ供給してよい。固体燃料Sを用いる場合、粒子循環量及び流動化ガスGの空塔速度のみならず、燃料反応器14への固体燃料Sの供給速度に基づいて、第二気泡流動層24を制御すればよい。
When the solid fuel S is used, the solid fuel S may be supplied into the
燃料反応器14内で還元された酸素キャリア粒子を、第六ライン6を通じて燃料反応器14から空気反応器10へ供給する。空気反応器10において再び酸素キャリア粒子を空気中の酸素で酸化する。
The oxygen carrier particles reduced in the
サイクロン18において酸素キャリア粒子から分離された高温・高圧の空気を、ガスタービンへ供給し、空気でガスタービンを駆動し、ガスタービンで発電機を駆動することにより、電力を発生させてよい。サイクロン18において分離された空気を熱交換器へ供給し、熱交換器において水を空気で加熱して、高温・高圧の水蒸気を発生させてもよい。この水蒸気を水蒸気タービンへ供給し、水蒸気で水蒸気タービンを駆動し、水蒸気タービンで発電機を駆動することにより、電力を発生させてもよい。サイクロン18において分離された空気を熱交換器へ供給し、熱交換器において、空気反応器10へ供給する前の空気、又は燃料反応器14へ供給する前の流動化ガスGを予熱してもよい。
Electric power may be generated by supplying high-temperature and high-pressure air separated from oxygen carrier particles in the
サイクロン18において分離された空気から窒素以外の成分を分離・除去することにより、高純度の窒素を精製してよい。高純度の窒素は、例えば、化学産業、電気機械産業、又は鉄鋼業において利用される。
High purity nitrogen may be purified by separating and removing components other than nitrogen from the air separated in the
燃料反応器14内の生成ガスを熱交換器へ供給し、熱交換器において水を生成ガスで加熱して、高温・高圧の水蒸気を発生させてもよい。この水蒸気を水蒸気タービンへ供給し、水蒸気で水蒸気タービンを駆動し、水蒸気タービンで発電機を駆動することにより、電力を発生させてよい。燃料反応器14内の生成ガスを熱交換器へ供給し、熱交換器において、空気反応器10へ供給する前の空気、又は燃料反応器14へ供給する前の流動化ガスGを予熱してもよい。
The product gas in the
燃料反応器14内で合成ガスを生成させた場合、合成ガスは、例えば、化学プラント用の原料として利用される。燃料反応器14内の生成ガスが主成分として二酸化炭素を含む場合、生成ガスから二酸化炭素以外の成分(例えば、水)を分離・除去することにより、高純度の二酸化炭素を精製してよい。高純度の二酸化炭素は、例えば、アーク溶接用ガス、炭酸飲料の原料、冷却剤、工業プロセス用の超臨界流体、又は化学品の原料として利用される。
When synthesis gas is generated in the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to said embodiment.
例えば、ケミカルループ燃焼装置100は、空気移送ライン7を備えなくてもよい。空気移送ライン7がない場合、酸素を含む搬送ガスを、ライザー12の下部12bからライザー12内へ供給する。酸素を含む搬送ガスは、例えば、空気反応器10へ供給する空気とは別の空気であってよい。酸素を含む搬送ガスは、酸素及び不活性ガスの混合物であってもよい。サイクロン18から排出される空気を、搬送ガスとして、ライザー12へ供給してもよい。空気移送ライン7がない場合、空気反応器10内の空気を空気反応器10の上部から排出してよい。
For example, the chemical
ケミカルループ燃焼装置100は、ドラム16を備えなくてもよい。この場合、ライザー12内の酸素キャリア粒子及び空気(搬送ガス)をサイクロン18へ直接供給する。サイクロン18で空気(搬送ガス)から分離された酸素キャリア粒子を燃料反応器14へ直接供給する。
The chemical
ケミカルループ燃焼装置100がドラム16を備えない場合、ケミカルループ燃焼装置100は、複数のサイクロンを備えてもよい。この場合、酸素キャリア粒子及び空気(搬送ガス)をライザー12の上部12aからサイクロン18へ直接供給する。サイクロン18において、酸素キャリア粒子の一部を空気(搬送ガス)から分離し、分離された酸素キャリア粒子を燃料反応器14へ供給する。酸素キャリア粒子の残部及び空気(搬送ガス)をサイクロン18から別のサイクロンへ供給する。別のサイクロンにおいて酸素キャリア粒子の残部を空気(搬送ガス)から分離し、分離された酸素キャリア粒子を燃料反応器14へ供給する。
When the chemical
空気反応器10の形状は直方体に限定されない。矩形の第一気泡流動層22を形成するためには、空気反応器10が、酸素キャリア粒子の流れに垂直な方向における断面が矩形である流路(空間)を内包していればよい。燃料反応器14の形状は直方体に限定されない。矩形の第二気泡流動層24を形成するためには、燃料反応器14が、酸素キャリア粒子の流れに垂直な方向における断面が矩形である流路(空間)を内包していればよい。空気反応器10又は燃料反応器14における酸素キャリア粒子の流路は、直線状でなくてもよく、折れたり、曲がったりしていてよい。例えば、鉛直上方から見た流路の形状が、C字型、J字型、L字型、M字型、N字型、S字型、T字型、U字型、V字型、W字型、又はZ字型であってよい。
The shape of the
第一気泡流動層は矩形でなくてもよい。例えば、空気反応器10が鉛直方向に延びる管状又は塔状であり、空気反応器10において円形の第一気泡流動層を形成してもよい。第二気泡流動層は矩形でなくてもよい。例えば、燃料反応器14が鉛直方向に延びる管状又は塔状であり、燃料反応器14において円形の第二気泡流動層を形成してもよい。「円形」とは、酸素キャリア粒子の流れに垂直な方向における気泡流動層の断面が円形であることを意味する。ただし、円形の気泡流動層の流動状態は、矩形の気泡流動層に比べて複雑である。したがって、矩形の気泡流動層を形成する反応器内における酸素キャリア粒子の滞留時間は、円形の気泡流動層を形成する反応器内における酸素キャリア粒子の滞留時間よりも制御し易い。
The first bubble fluidized bed may not be rectangular. For example, the
本発明に係るケミカルループ燃焼装置及びケミカルループ燃焼方法は、例えば、化石燃料を用いた合成ガスの製造、又は化石燃料を用いた発電に適用される。 The chemical loop combustion apparatus and the chemical loop combustion method according to the present invention are applied to, for example, production of synthesis gas using fossil fuel or power generation using fossil fuel.
1 第一ライン
2 第二ライン
3 第三ライン
4 第四ライン
5 第五ライン
6 第六ライン
7 空気移送ライン
10 空気反応器
10a 空気反応器の第一辺
10b 空気反応器の第二辺
10c 空気反応器の第三辺
12 ライザー
12a ライザーの上部
12b ライザーの下部
14 燃料反応器
14a 燃料反応器の第一辺
14b 燃料反応器の第二辺
14c 燃料反応器の第三辺
16 ドラム
18 サイクロン
20a 第一シールポット
20b 第二シールポット
20c 第三シールポット
22 第一気泡流動層
22a 第一気泡流動層の断面
24 第二気泡流動層
24a 第二気泡流動層の断面
100 ケミカルループ燃焼装置
Air 空気
G 流動化ガス
S 固体燃料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
酸化された前記酸素キャリア粒子が前記空気反応器から供給され、前記酸素キャリア粒子を搬送ガスによって鉛直上方へ移動させるライザーと、
前記酸素キャリア粒子が前記ライザーから供給され、前記酸素キャリア粒子及び燃料を含む第二気泡流動層を形成し、前記第二気泡流動層において前記酸素キャリア粒子を前記燃料によって還元し、還元された前記酸素キャリア粒子を前記空気反応器へ供給する燃料反応器と、
前記空気反応器内の前記空気を、前記搬送ガスとして前記ライザーの下部へ供給する空気移送ラインと、
を備える、
ケミカルループ燃焼装置。 Forming an air bubble fluidized bed containing oxygen carrier particles and air, and oxidizing the oxygen carrier particles with oxygen in the air in the air bubble fluidized bed;
A riser for supplying the oxidized oxygen carrier particles from the air reactor, and moving the oxygen carrier particles vertically upward by a carrier gas;
The oxygen carrier particles are supplied from the riser to form a second bubble fluidized bed containing the oxygen carrier particles and fuel, and the oxygen carrier particles are reduced by the fuel in the second bubble fluidized bed and reduced. A fuel reactor for supplying oxygen carrier particles to the air reactor;
An air transfer line for supplying the air in the air reactor to the lower part of the riser as the carrier gas;
Comprising
Chemical loop combustion device.
請求項1に記載のケミカルループ燃焼装置。 The apparatus further comprises a cyclone in which the oxygen carrier particles and the carrier gas are supplied from the riser, the oxygen carrier particles are separated from the carrier gas, and the separated oxygen carrier particles are supplied to the fuel reactor.
The chemical loop combustion apparatus according to claim 1.
前記酸素キャリア粒子の残部及び前記搬送ガスが前記ドラムから供給され、前記酸素キャリア粒子の残部を前記搬送ガスから分離し、分離された前記酸素キャリア粒子を前記燃料反応器へ供給するサイクロンと、
を更に備える、
請求項1に記載のケミカルループ燃焼装置。 A drum in which the oxygen carrier particles and the carrier gas are supplied from the riser, a part of the oxygen carrier particles is separated from the carrier gas, and the separated oxygen carrier particles are supplied to the fuel reactor;
A cyclone in which the remainder of the oxygen carrier particles and the carrier gas are supplied from the drum, the remainder of the oxygen carrier particles are separated from the carrier gas, and the separated oxygen carrier particles are supplied to the fuel reactor;
Further comprising
The chemical loop combustion apparatus according to claim 1.
前記空気反応器において、前記酸素キャリア粒子及び前記空気を含む前記第一気泡流動層を形成し、前記第一気泡流動層において前記酸素キャリア粒子を前記空気中の前記酸素によって酸化する工程と、
酸化された前記酸素キャリア粒子を、前記空気反応器から前記ライザーの下部へ供給する工程と、
前記空気反応器内の前記空気を、前記搬送ガスとして前記空気移送ラインを通じて前記ライザーの下部へ供給する工程と、
前記酸素キャリア粒子を前記空気によって前記ライザーの下部から前記ライザーの上部へ移動させると共に、前記酸素キャリア粒子を前記空気中の酸素によって更に酸化する工程と、
更に酸化された前記酸素キャリア粒子を、前記ライザーの上部から前記燃料反応器へ供給する工程と、
前記燃料反応器において、前記酸素キャリア粒子及び前記燃料を含む前記第二気泡流動層を形成し、前記第二気泡流動層において前記酸素キャリア粒子を前記燃料によって還元する工程と、
還元された前記酸素キャリア粒子を、前記燃料反応器から前記空気反応器へ供給する工程と、
を備える、
ケミカルループ燃焼方法。 A chemical loop combustion method using the chemical loop combustion apparatus according to any one of claims 1 to 3 ,
Forming the first bubble fluidized bed containing the oxygen carrier particles and the air in the air reactor, and oxidizing the oxygen carrier particles with the oxygen in the air in the first bubble fluidized bed;
Supplying the oxidized oxygen carrier particles from the air reactor to a lower portion of the riser;
Supplying the air in the air reactor as the carrier gas to the lower part of the riser through the air transfer line;
Moving the oxygen carrier particles from the lower part of the riser to the upper part of the riser by the air, and further oxidizing the oxygen carrier particles by oxygen in the air;
Further supplying the oxidized oxygen carrier particles from the top of the riser to the fuel reactor;
Forming the second bubble fluidized bed containing the oxygen carrier particles and the fuel in the fuel reactor, and reducing the oxygen carrier particles with the fuel in the second bubble fluidized bed;
Supplying the reduced oxygen carrier particles from the fuel reactor to the air reactor;
Comprising
Chemical loop combustion method.
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