JP6420613B2 - ケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置ならびにその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、ケミカルルーピング燃焼システムを用いて固体炭素質燃料、特に水分を多く含む褐炭などの低品位の固体炭素質燃料を改質するのに好適なケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置ならびにその運転方法に関するものである。

褐炭や亜瀝青炭などで代表される低品位炭は埋蔵量が多いものの、水分含有量および酸素含有量が多いため発熱量が低く、輸送効率が悪く、かつその自然発火性のため長距離輸送が不向きであるなどの技術的課題を有している。

このため、低品位炭を有効に利用するためには、低品位炭から水分を除去するとともに、低品位炭組成中の酸素を分解除去することが重要となる。このような背景から、低品位炭の改質方法に関する技術開発が世界的に進められている（非特許文献１参照）。

この低品位炭の改質に関する方法が、特公昭５７−１１５９６号公報（特許文献１）に開示されている。この改質方法は、流動層を使用し、石炭を３００〜５００℃まで急速に加熱し脱水するとともに、低品位炭組成中の含酸素官能基を分解させることを特徴としている。

この方法によれば、低品位炭を、その単位重量当たりの発熱量が高い石炭に改質でき、経済的に価値が高く、かつ長距離での安定輸送も可能となる。

ところで、石炭は発電用原料として非常に多く使用されている。このため、石炭を燃焼した際に発生する二酸化炭素（ＣＯ_２）の発生が地球温暖化の原因の一つとして問題視されており、その対策が急務な状況にある。

そのため、燃焼排ガスからのＣＯ_２を分離・回収して貯留する技術（ＣＣＳ：Carbon dioxide Capture and Storage）が、ＣＯ_２の排出削減に有効な手段として注目されている。

そして、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 Combustion）などの開発が進められている。

このうち、ケミカルルーピング燃焼システム（ＣＬＣ）とは、空気を燃料に直接接触させずに、酸素キャリア粒子である金属酸化物（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。

これによる反応生成物はＣＯ_２と水分であり、ＣＯ_２の回収が容易となる技術である。

このためＣＬＣシステムは、化学吸収システムにおける吸収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。そのため、ＣＬＣシステムの消費エネルギーを大幅に低減し、発電効率の低下を大幅に抑制できるという特長を有している。

図３は、一般的なＣＬＣシステムの概略系統図である。

ＣＬＣシステムは図３に示すように、空気反応塔１と燃料反応塔２の２つの塔から構成され、その間を金属酸化物（ＭｅＯ）である酸素キャリア粒子が酸化還元反応しながら循環流動するルーピングシステムである。

空気反応塔１では、酸素キャリア粒子（Ｍｅ）供給ライン４により供給される還元された酸素キャリア粒子、すなわち金属（Ｍｅ）が、下記（１）式のように、空気供給ライン６から供給された空気中の酸素と反応して酸化されて、金属酸化物（ＭｅＯ）となる。

Ｍｅ＋０．５Ｏ_２→ＭｅＯ （１）
排ガス（Ｎ_２，Ｏ_２など）とともに空気反応塔出口ライン５から出た酸化された酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）は、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３において排ガスと分離され、８００〜１０００℃程度の高温状態のままニューマティックバルブ１０により燃料反応塔２に送られる。

酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３で分離された排ガス（Ｎ_２，Ｏ_２など）は、空気反応塔排ガスライン８を通って、図示しない排熱回収ボイラに導入される。

燃料反応塔２では、酸化された酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）と、燃料供給ライン７から供給された低品位固体燃料（褐炭などの低品位炭）とが接触して、酸化された酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）中の酸素と固体燃料とが反応する。このとき、次式（２）で示すように、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）は酸素を奪われて、還元された酸素キャリア粒子（Ｍｅ）となる。

（２ｎ＋ｍ）ＭｅＯ＋Ｃ_ｎＨ_２ｍ→（２ｎ＋ｍ）Ｍｅ＋ｍＨ_２Ｏ＋ｎＣＯ_２ （２）
なお、燃料反応塔２は一般的に流動層を形成しており、その流動化気体として例えば燃料反応塔排ガスを再循環して利用する。

そのため、燃料反応塔２の上部から延びている燃料反応塔排ガスライン９の途中から燃料反応塔排ガス再循環ライン１２を分岐し、燃料反応塔排ガス再循環ライン１２の先端部を燃料反応塔２の下部に接続する。

燃料反応塔２で還元された酸素キャリア粒子（Ｍｅ）は、ニューマティックバルブ１１を介して酸素キャリア粒子（Ｍｅ）供給ライン４によって再び空気反応塔１に戻る循環ループを形成している。

このようにして、空気反応塔１からはＮ_２や残存Ｏ_２を含んだ排ガスが、燃料反応塔２からはＣＯ_２ガスやＨ_２Ｏが排出される。これらのガスは高温のため、図示されていない排熱回収ボイラで熱回収され、排熱回収ボイラで生成した過熱蒸気は発電に利用される。燃料反応塔２から排出されるガスにはＮ_２が含まれていないため、ガス中のＨ_２Ｏを除去するだけで、容易にＣＯ_２ガスを回収することができる（非特許文献２参照）。

特公昭５７−１１５９６号公報

山口他６人：低品位炭改質技術の国内外の開発動向調査 電力中央研究所報告 Ｍ１１０２１ ２０１２年５月 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年４月

石炭を使用する限りにおいては、前述のように低品位炭の有効利用技術の活用とともに、発生するＣＯ_２についても地球温暖化防止の観点から何らかの対策を講じる必要がある。

ところが、先に説明した低品位炭の改質方法においては、改質の過程で低品位炭中の揮発分が放出されるので、揮発分中に含まれている炭素分がＣＯ_２となって系外に放出されるという課題があるが、この課題に対して何ら解決方法は示されていない。

本発明の目的は、このような従来技術の課題を解消し、低品位固体炭素質燃料を改質する過程において発生する二酸化炭素を効率的に分離回収することができ、改質に伴う低品位固体炭素質燃料の有効活用と、二酸化炭素排出抑制を同時に達成することが可能なケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置ならびにその運転方法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、
空気反応塔と、燃料反応塔と、前記空気反応塔ならびに燃料反応塔の間を酸素キャリア粒子が循環するループ状流路を備えて、
前記空気反応塔内では前記酸素キャリア粒子が酸素含有気体により酸化され、
酸化された前記酸素キャリア粒子は、前記空気反応塔から前記燃料反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記燃料反応塔に供給され、
前記燃料反応塔内では前記酸素キャリア粒子が還元剤として使用される固体炭素質燃料により還元され、
還元された前記酸素キャリア粒子は、前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記空気反応塔に供給されるケミカルルーピング燃焼システムが構成されたケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置であって、
高温場に改質前の固体炭素質燃料を供給して、前記改質前の固体炭素質燃料の脱水ならびに熱分解により未反応固体炭素質燃料を生成する流動層式の未反応固体炭素質燃料生成手段と、
前記未反応固体炭素質燃料生成手段によって生成された前記未反応固体炭素質燃料を改質燃料として回収する改質燃料回収手段と、
前記未反応固体炭素質燃料生成手段から排出される排ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収手段と、を備え、
前記燃料反応塔が前記未反応固体炭素質燃料生成手段を兼ねて流動層により前記高温場を形成し、前記燃料反応塔に前記改質前の固体炭素質燃料を供給して前記未反応固体炭素質燃料を生成し、
前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路上に、前記燃料反応塔から排出される未反応固体炭素質燃料と前記酸素キャリア粒子とを流動化気体により流動化して分離する流動層式分離装置を設け、
前記流動層式分離装置の未反応固体炭素質燃料排出ライン上に、前記改質燃料回収手段を設けた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、
前記燃料反応塔に、生成した排ガスを排出する燃料反応塔排ガスラインと、その燃料反応塔排ガスラインから分岐して、前記排ガスの一部を前記流動化気体として前記流動層式分離装置に供給する燃料反応塔排ガス再循環ラインを設けた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２の手段において、
前記二酸化炭素回収手段が、前記燃料反応塔排ガスラインならびに前記燃料反応塔排ガ
ス再循環ラインからの排ガス中の二酸化炭素を分離回収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４の手段は、
空気反応塔と、燃料反応塔と、前記空気反応塔ならびに燃料反応塔の間を酸素キャリア粒子が循環するループ状流路を備えて、
前記空気反応塔内では前記酸素キャリア粒子が酸素含有気体により酸化され、
酸化された前記酸素キャリア粒子は、前記空気反応塔から前記燃料反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記燃料反応塔に供給され、
前記燃料反応塔内では前記酸素キャリア粒子が還元剤として使用される固体炭素質燃料により還元され、
還元された前記酸素キャリア粒子は、前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記空気反応塔に供給されるケミカルルーピング燃焼システムが構成されたケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置であって、
高温場に改質前の固体炭素質燃料を供給して、前記改質前の固体炭素質燃料の脱水ならびに熱分解により未反応固体炭素質燃料を生成する流動層式の未反応固体炭素質燃料生成手段と、
前記未反応固体炭素質燃料生成手段によって生成された前記未反応固体炭素質燃料を改質燃料として回収する改質燃料回収手段と、
前記未反応固体炭素質燃料生成手段から排出される排ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収手段と、を備え、
前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路上に設けられた前記未反応固体炭素質燃料生成手段が流動層により前記高温場を形成し、前記未反応固体炭素質燃料生成手段に前記改質前の固体炭素質燃料を供給して前記未反応固体炭素質燃料を生成し、
前記未反応固体炭素質燃料生成手段内の前記固体炭素質燃料および前記未反応固体炭素質燃料を流動化気体により前記燃料反応塔に搬送して、
前記燃料反応塔から排ガスを排出する燃料反応塔排ガスライン上に前記改質燃料回収手段を設けた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４の手段において、
前記未反応固体炭素質燃料生成手段は、生成された前記未反応固体炭素質燃料と前記酸素キャリア粒子とを流動化気体により流動化して分離する流動層式分離装置であり、前記流動層式分離装置に、前記流動化気体により浮遊する前記固体炭素質燃料および前記未反応固体炭素質燃料を前記燃料反応塔に搬送する分離装置出口ラインを設け、
前記燃料反応塔から排ガスを排出する燃料反応塔排ガスラインと、
その燃料反応塔排ガスラインから分岐して、前記排ガスの一部を前記流動化気体として前記流動層式分離装置に供給する燃料反応塔排ガス再循環ラインを設けた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５の手段において、
前記二酸化炭素回収手段が、前記燃料反応塔排ガスラインならびに前記燃料反応塔排ガス再循環ラインからの排ガス中の二酸化炭素を分離回収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、
空気反応塔と、燃料反応塔と、前記空気反応塔ならびに燃料反応塔の間を酸素キャリア粒子が循環するループ状流路を備えて、
前記空気反応塔内では前記酸素キャリア粒子が酸素含有気体により酸化され、
酸化された前記酸素キャリア粒子は、前記空気反応塔から前記燃料反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記燃料反応塔に供給され、
前記燃料反応塔内では前記酸素キャリア粒子が還元剤として使用される固体炭素質燃料により還元され、
還元された前記酸素キャリア粒子は、前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記空気反応塔に供給されるケミカルルーピング燃焼システムが構成されたケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法であって、
前記燃料反応塔の流動層により高温場を形成し、その流動層に改質前の固体炭素質燃料を供給して、前記改質前の固体炭素質燃料の脱水ならびに熱分解により未反応固体炭素質燃料を生成する工程と、
前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路上に設けた流動層式分離装置に、前記燃料反応塔から排出された前記未反応固体炭素質燃料と前記酸素キャリア粒子を供給して流動化気体により流動化させながら前記未反応固体炭素質燃料と前記酸素キャリア粒子を分離する工程と、
前記流動層式分離装置の未反応固体炭素質燃料排出ライン上に設けられた改質燃料回収手段に、前記流動層式分離装置から排出された前記未反応固体炭素質燃料を流動化気体により流動化させながら供給して、前記未反応固体炭素質燃料を改質燃料として回収する工程と、
前記未反応固体炭素質燃料を生成する工程で排出された排ガス中の二酸化炭素を分離回収する工程と、を備え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、
前記燃料反応塔から排出される排ガスの一部を流動化気体として前記流動層式分離装置に供給す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８の手段において、
前記燃料反応塔ならびに前記流動層式分離装置から排出される排ガスから二酸化炭素を分離回収することを特徴とするものである。

本発明の第１０の手段は、
空気反応塔と、燃料反応塔と、前記空気反応塔ならびに燃料反応塔の間を酸素キャリア粒子が循環するループ状流路を備えて、
前記空気反応塔内では前記酸素キャリア粒子が酸素含有気体により酸化され、
酸化された前記酸素キャリア粒子は、前記空気反応塔から前記燃料反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記燃料反応塔に供給され、
前記燃料反応塔内では前記酸素キャリア粒子が還元剤として使用される固体炭素質燃料により還元され、
還元された前記酸素キャリア粒子は、前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記空気反応塔に供給されるケミカルルーピング燃焼システムが構成されたケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法であって、
前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路上に設けられた未反応固体炭素質燃料生成手段が流動層により高温場を形成し、前記未反応固体炭素質燃料生成手段に改質前の固体炭素質燃料を供給して、前記改質前の固体炭素質燃料の脱水ならびに熱分解により未反応固体炭素質燃料を生成する工程と、
前記未反応固体炭素質燃料生成手段内の前記固体炭素質燃料および前記未反応固体炭素質燃料を流動化気体により前記燃料反応塔に搬送する工程と、
前記燃料反応塔から排出される排ガス中から改質燃料回収手段により前記未反応固体炭素質燃料を改質燃料として回収する工程と、
前記未反応固体炭素質燃料を生成する工程で排出された排ガス中の二酸化炭素を分離回収する工程と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明の第１１の手段は前記第１０の手段において、
前記改質燃料回収手段から排出される排ガスの一部を前記流動化気体として前記未反応固体炭素質燃料生成手段に再循環することを特徴とするものである。

本発明の第１２の手段は前記第１０の手段において、
前記未反応固体炭素質燃料を回収した後の排ガスから二酸化炭素を分離回収す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、低品位固体炭素質燃料を改質する過程において発生する二酸化炭素を効率的に分離回収することができ、改質に伴う低品位固体炭素質燃料の有効活用と、二酸化炭素排出抑制を同時に達成することが可能なケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置ならびに改質方法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を利用した低品位固体炭素質燃料改質装置の概略系統図である。 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を利用した低品位固体炭素質燃料改質装置の概略系統図である。 従来のケミカルルーピング燃焼システムを利用した低品位固体炭素質燃料改質装置の概略系統図である。

次に本発明の各実施例を図面とともに説明する。
（実施例１）
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を利用した低品位固体炭素質燃料改質装置ならびにその運転方法を示す概略系統図である。

この実施例１に係る固体炭素質燃料改質装置は、図１に示すように、空気反応塔１、燃料反応塔２、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３および流動層式チャー分離装置１３を備えている。空気反応塔１は高速流動層、燃料反応塔２とチャー分離装置１３は共に気泡流動層を形成している。

空気反応塔１と酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３は空気反応塔出口ライン５で接続され、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３の上部からは空気反応塔排ガスライン８が延びている。酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３と燃料反応塔２は、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）が良好に循環できるように、例えばＬバブルやＪバブルなどのニューマティックバルブ１０により連結されている。

また、燃料反応塔２には、低品位固体炭素質燃料（例えば褐炭などの低品位炭）を供給するための燃料供給ライン７が接続されている。

燃料反応塔２の上部からは、燃料反応塔排ガスライン９が延びており、その燃料反応塔排ガスライン９の途中からは燃料反応塔排ガス再循環ライン１２が分岐して設けられている。

さらに、燃料反応塔排ガス再循環ライン１２は途中で２つに分岐され、一方の燃料反応塔排ガス再循環ライン１２の先端部は燃料反応塔２の下部に接続され、他方の燃料反応塔排ガス再循環ライン１２の先端部はチャー分離装置１３の下部に接続されている。

この燃料反応塔排ガス再循環ライン１２の設置により、燃料反応塔２から排出される排ガスの一部を再循環して、燃料反応塔２とチャー分離装置１３の流動化気体として使用される。

また、燃料反応塔２とチャー分離装置１３は、酸素キャリア粒子（Ｍｅ）・未反応チャー供給ライン１９で連結されている。さらに、チャー分離装置１３は未反応チャー排出ライン１７を介して未反応チャー回収サイクロン１６と接続されている。

さらに、酸素キャリア粒子（Ｍｅ）を空気反応塔１へ再循環できるように、燃料反応塔２はニューマティックバルブ１１を介して酸素キャリア粒子（Ｍｅ）供給ライン４で空気反応塔１と連結されている。また、空気反応塔１には、空気を供給するための空気供給ライン６が接続されている。

未反応チャー回収サイクロン１６には、未反応チャー抜出ライン１４とサイクロン出口排ガスライン１８が接続されている。

このようにして、酸素を運搬する酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）、（Ｍｅ）は空気反応塔１、燃料反応塔２ならびにチャー分離装置１３を循環流動する。

酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）として使用される金属酸化物としては、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。

低品位固体燃料を燃料供給ライン７から８００〜１０００℃程度の高温の燃料反応塔２内に投入すると、直ちに脱水および熱分解反応を起こし、揮発分とチャー粒子に分解する。なお、揮発分のうち燃料成分である一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）およびメタン（ＣＨ_４）は、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３よりニューマティックバルブ１０を介して供給される酸化された酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）と下式（３）〜（５）のような反応を起こす。

ＣＯ＋ＭｅＯ→ＣＯ_２＋２Ｍｅ （３）
Ｈ_２＋ＭｅＯ→Ｈ_２Ｏ＋Ｍｅ （４）
ＣＨ_４＋３ＭｅＯ→ＣＯ＋２Ｈ_２Ｏ＋３Ｍｅ （５）
一方、固体炭素と灰分からなるチャー粒子は、揮発分のＣＯ_２やＨ_２Ｏとともに、下式（６）、（７）のようなガス化反応を起こす。

チャー（Ｃ）＋ＣＯ_２→２ＣＯ （６）
チャー（Ｃ）＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ （７）
（６）式、（７）式で生成したＨ_２やＣＯは再び（３）式および（４）に示した反応により最終的にＣＯ_２およびＨ_２Ｏに変換される。あるいは下式（８）に示す固体−固体反応によって直接ＣＯ_２を生成する。

チャー（Ｃ）＋２ＭｅＯ→ＣＯ_２＋２Ｍｅ （８）
ところで、（６）〜（８）式に示した反応は、固体であるチャー粒子の反応であり、（３）〜（５）式に示した気体燃料であるＣＯ、Ｈ_２およびＣＨ_４と酸素キャリア粒子との反応に比べて反応速度が非常に遅い。

このため、固体チャー粒子中に含まれている炭素分を全てガスに変換するためには、燃料反応塔２内で長時間チャー粒子を滞留させ必要がある。

逆に言えば、燃料反応塔２内でおいてチャー粒子を長時間滞留させないような反応塔サイズとすることにより、チャー粒子はガスに転換しなくなり、未反応の状態のまま、還元された酸素キャリア粒子（Ｍｅ）とともに酸素キャリア粒子（Ｍｅ）・未反応チャー供給ライン１９を通って燃料反応塔２から排出されて、流動層式チャー分離装置１３へ送られる。

このチャー分離装置１３は流動層を形成しており、燃料反応塔２の排ガスの一部を燃料反応塔排ガス再循環ライン１２により再循環させたガスを用いて流動化されているため、酸素キャリア粒子（Ｍｅ）と未反応チャー粒子との比重や粒度の差によって分離され、還元された酸素キャリア粒子（Ｍｅ）はニューマティックバルブ１１を介して酸素キャリア（Ｍｅ）供給ライン４より再び空気反応塔１へ供給される。
一方、未反応チャー粒子は再循環ガスとともに未反応チャー排出ライン１７を通って後続の未反応チャー回収サイクロン１６へ送られ、再循環ガスと固気分離され、未反応チャー粒子は未反応チャー抜出ライン１４より抜き出されて回収される。

図示されていないが、未反応チャー回収サイクロン１６に設けられているサイクロン出口排ガスライン１８は、燃料反応塔排ガス循環ライン１２に接続されている。そして、未反応チャー回収サイクロン１６で固気分離された再循環ガスは、サイクロン出口排ガスライン１８を通って燃料反応塔排ガス循環ライン１２に戻される。

空気反応塔１へ供給された酸素キャリア粒子（Ｍｅ）は、空気供給ライン６より供給される空気中のＯ_２と下式（９）のように反応して酸化されて酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）となり、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３およびニューマティックバルブ１１を介して燃料反応塔２へ再循環される。

２Ｍｅ＋Ｏ_２→２ＭｅＯ＋発熱 （９）
酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３で酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）から固気分離された排ガスは高温のため、排熱回収ボイラ２３で熱回収され、排熱回収ボイラ２３により生成された過熱蒸気は発電に利用される。

また、燃料反応塔２から排出された排ガスも高温のため、排熱回収ボイラ２３で熱回収され、排熱回収ボイラ２３により生成された過熱蒸気は発電に利用される。

さらに、燃料反応塔２内においてはＮ_２ガスが含まれていない雰囲気下で低品位炭の改質を行うことができるため、排熱回収ボイラ２３を通して低温になった排ガス（ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ）をＣＯ_２分離回収装置２４に通して、排ガス中のＣＯ_２を分離回収する。このＣＯ_２の分離回収は、排ガス中のＨ_２Ｏを除去するだけで、ＣＯ_２ガスを容易かつ効率的に回収することができる。

前述のように石炭は水分、揮発分、固定炭素分ならびに灰分から構成されており、ＣＬＣシステムにおいて燃料反応塔に低品炭が投入されると、８００℃以上の高温場に石炭が曝されるので、直ちに脱水および脱揮発反応が進行し、揮発分と、固定炭素および灰分からなるチャー粒子に分離される。

ＣＬＣシステムでは、酸素キャリア粒子が搬送する酸素と燃料が反応するため、燃料反応塔内では揮発分と酸素キャリア粒子との反応とともに、チャー粒子と酸素キャリア粒子との反応も生じる。

しかし、燃料反応塔内におけるチャー粒子のガスへの反応は揮発分の反応に比べて非常に遅いため、燃料反応塔でのチャー粒子の滞留時間を短縮し、燃料反応塔からチャー粒子を未反応のまま酸素キャリア粒子とともに排出して、かつ、空気反応塔の前流で酸素キャリア粒子と分離して、未反応チャー粒子を回収する。

このことにより、低品位炭を燃料反応塔２内で脱水、脱揮発させることができ、単位重量当たりの発熱量の高い改質燃料として未反応チャー粒子を回収することができる。

また、低品位炭を改質するために必要な熱源を酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）の持ち込み熱（前記（９）参照）により確保できるため、効率的に低品位炭を改質することができる。

さらに、燃料反応塔２内においてＮ_２ガスが含まれていない雰囲気下で改質を行うことができるため、低品位炭の改質に伴って発生するＣＯ_２を燃料反応塔２の排ガスから容易に回収することができる。
（実施例２）
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を利用した低品位の固体炭素質装置ならびに改質方法を示す概略系統図である。

この実施例２に係る固体炭素質装置も図１に示す実施例１と同様に、空気反応塔１、燃料反応塔２、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３およびチャー分離装置１３を備えている。空気反応塔１は高速流動層、燃料反応塔２とチャー分離装置１３はともに気泡流動層を形成している。

空気反応塔１と酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３は空気反応塔出口ライン５で接続され、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３の上部からは空気反応塔排ガスライン８が延びている。酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３と燃料反応塔２は、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）が良好に循環できるように、例えばＬバブルやＪバブルなどのニューマティックバルブ１０により連結されている。

燃料反応塔２には、チャー分離装置１３で発生する揮発分ガスなどの熱分解ガスおよび未反応チャー粒子などを供給するチャー分離装置出口ライン２０と、燃料反応塔２で還元された酸素キャリア粒子（Ｍｅ）をチャー分離装置１３に循環供給するためのニューマティックバルブ２１が接続されている。

さらに、燃料反応塔２は、燃料反応塔出口ライン２２を介して未反応チャー回収サイクロン１６とも連結されている。

流動層式チャー分離装置１３には低品位の固体炭素質燃料を供給するための燃料供給ライン７が設置されているとともに、燃料反応塔２から排出される排ガスの一部を再循環し、流動化気体として供給する排ガス再循環ライン１５が、燃料反応塔排ガスライン９から分岐して接続されている。

また、流動層式チャー分離装置１３は、酸素キャリア粒子（Ｍｅ）を空気反応塔１へ循環供給できるように、ニューマティックバルブ１１を介して空気反応塔１と連結されている。

低品位固体燃料を燃料供給ライン７から８００〜１０００℃程度の高温の流動層式チャー分離装置１３に供給すると、低品位固体燃料は直ちに脱水と熱分解を起こし、揮発分と未反応チャー粒子が生成される。

チャー分離装置１３は流動層を形成しており、流動媒体である酸素キャリア粒子（Ｍｅ）はニューマティックバルブ２１を介して燃料反応塔２から供給され、また流動化気体は排ガス再循環ライン１５によりチャー分離装置１３内に供給される。

そして燃料反応塔２から供給された酸素キャリア粒子（Ｍｅ）と、チャー分離装置１３内で生成した未反応チャー粒子との比重や粒度の差によって分離され、還元された酸素キャリア粒子（Ｍｅ）はニューマティックバルブ１１を介して酸素キャリア粒子（Ｍｅ）供給ライン４を通って、再び空気反応塔１へ循環供給される。

一方、未反応チャー粒子は、低品位固体炭素質燃料の脱水ならびに熱分解により生成した揮発分ガスと同伴して、チャー分離装置出口ライン２０により燃料反応塔２へ送られ、揮発分ガスは燃料反応塔２で流動層を形成させる流動化気体として使用される。

燃料反応塔２では、揮発分のうち燃料成分であるＣＯ、Ｈ_２およびＣＨ_４と、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３によりニューマティックバルブ１０を介して供給される酸化された酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）とを反応させて、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏを発生する。

なお、燃料反応塔２において流動層が形成されているため、固形分である未反応チャー粒子は酸素キャリア粒子との比重や粒度の差によって分離され、燃料反応塔２内で反応することなく、発生ガス（排ガス）とともに燃料反応塔出口ライン２２からチャー回収サイクロン１６へ送られる。

チャー回収サイクロン１６では、未反応チャー粒子と排ガスの固気分離がなされ、未反応チャー粒子が未反応チャー抜出ライン１４から抜き出されて回収される。

本実施例でも、酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン３で酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）から固気分離された排ガスは高温のため、排熱回収ボイラ２３で熱回収され、排熱回収ボイラ２３により生成された過熱蒸気は発電に利用される。

また、チャー回収サイクロン１６から排出された排ガスも高温のため、排熱回収ボイラ２３で熱回収され、排熱回収ボイラ２３により生成された過熱蒸気は発電に利用される。

さらに、チャー分離装置１３内においてはＮ_２ガスが含まれていない雰囲気下で低品位炭の改質を行うことができるため、排熱回収ボイラ２３を通して低温になった排ガス（ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ）をＣＯ_２分離回収装置２４に通して、排ガス中のＣＯ_２を分離回収する。このＣＯ_２の分離回収は、排ガス中のＨ_２Ｏを除去するだけで、ＣＯ_２ガスを容易に回収することができる。

石炭は水分、揮発分、固定炭素分ならびに灰分から構成されており、ＣＬＣシステムにおいて燃料反応塔に低品炭が投入されると、８００℃以上の高温場に石炭が曝されるので、直ちに脱水および脱揮発反応が進行し、揮発分と、固定炭素および灰分からなるチャー粒子に分離される。

ＣＬＣシステムでは、酸素キャリア粒子が搬送する酸素と燃料が反応するため、燃料反応塔内では揮発分と酸素キャリア粒子との反応とともに、チャー粒子と酸素キャリア粒子との反応も生じる。

しかし、燃料反応塔内におけるチャー粒子のガスへの反応は揮発分の反応に比べて非常に遅いため、燃料反応塔でのチャー粒子の滞留時間を短縮し、燃料反応塔からチャー粒子を未反応のまま酸素キャリア粒子とともに排出して、かつ、空気反応塔の前流で酸素キャリア粒子と分離して、未反応チャー粒子を回収する。

本実施例によれば、チャー分離装置１３から排出されるガスを燃料反応塔２の流動化気体として使用できるため、その流動化気体中に含まれているＣＯ_２も燃料反応塔２の排ガスとして容易に回収することができる。

さらに、燃料反応塔２において流動層を形成するための排ガス再循環ラインを設ける必要がなくなる。そのため、再循環ファンの動力が大幅に削減でき、低品位炭の改質と、それに伴い発生するＣＯ_２の分離回収が効率的に行われる。

前記酸素含有気体として、実用上は主に空気が用いられるが、空気に排ガス等を混合したものでも良い。

１：空気反応塔、
２：燃料反応塔、
３：酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）回収サイクロン、
４：酸素キャリア粒子（Ｍｅ）供給ライン、
６：空気供給ライン、
７：燃料供給ライン、
１０：酸素キャリア粒子（ＭｅＯ）供給用ニューマティックバルブ、
１１：酸素キャリア粒子（Ｍｅ）供給用ニューマティックバルブ、
１２、１５：燃料反応塔排ガス再循環ライン、
１３：流動層式チャー分離装置、
１４：未反応チャー抜出ライン、
１６：未反応チャー回収サイクロン、
１７：未反応チャー排出ライン、
１９：酸素キャリア粒子（Ｍｅ）・未反応チャー供給ライン、
２０：チャー分離装置出口ライン、
２１：酸素キャリア粒子（Ｍｅ）供給用ニューマティックバルブ、
２２：燃料反応塔出口ライン、
２４：ＣＯ_２分離回収装置。

Claims (12)

1. 空気反応塔と、燃料反応塔と、前記空気反応塔ならびに燃料反応塔の間を酸素キャリア粒子が循環するループ状流路を備えて、
   前記空気反応塔内では前記酸素キャリア粒子が酸素含有気体により酸化され、
   酸化された前記酸素キャリア粒子は、前記空気反応塔から前記燃料反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記燃料反応塔に供給され、
   前記燃料反応塔内では前記酸素キャリア粒子が還元剤として使用される固体炭素質燃料により還元され、
   還元された前記酸素キャリア粒子は、前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記空気反応塔に供給されるケミカルルーピング燃焼システムが構成されたケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置であって、
   高温場に改質前の固体炭素質燃料を供給して、前記改質前の固体炭素質燃料の脱水ならびに熱分解により未反応固体炭素質燃料を生成する流動層式の未反応固体炭素質燃料生成手段と、
   前記未反応固体炭素質燃料生成手段によって生成された前記未反応固体炭素質燃料を改質燃料として回収する改質燃料回収手段と、
   前記未反応固体炭素質燃料生成手段から排出される排ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収手段と、を備え、
   前記燃料反応塔が前記未反応固体炭素質燃料生成手段を兼ねて流動層により前記高温場を形成し、前記燃料反応塔に前記改質前の固体炭素質燃料を供給して前記未反応固体炭素質燃料を生成し、
   前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路上に、前記燃料反応塔から排出される未反応固体炭素質燃料と前記酸素キャリア粒子とを流動化気体により流動化して分離する流動層式分離装置を設け、
   前記流動層式分離装置の未反応固体炭素質燃料排出ライン上に、前記改質燃料回収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式固体炭素質燃料改質装置。
2. 請求項１に記載のケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置において、
   前記燃料反応塔に、生成した排ガスを排出する燃料反応塔排ガスラインと、その燃料反応塔排ガスラインから分岐して、前記排ガスの一部を前記流動化気体として前記流動層式分離装置に供給する燃料反応塔排ガス再循環ラインを設けたことを特徴とするケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置。
3. 請求項２に記載のケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置において、
   前記二酸化炭素回収手段が、前記燃料反応塔排ガスラインならびに前記燃料反応塔排ガス再循環ラインからの排ガス中の二酸化炭素を分離回収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式固体炭素質燃料改質装置。
4. 空気反応塔と、燃料反応塔と、前記空気反応塔ならびに燃料反応塔の間を酸素キャリア粒子が循環するループ状流路を備えて、
   前記空気反応塔内では前記酸素キャリア粒子が酸素含有気体により酸化され、
   酸化された前記酸素キャリア粒子は、前記空気反応塔から前記燃料反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記燃料反応塔に供給され、
   前記燃料反応塔内では前記酸素キャリア粒子が還元剤として使用される固体炭素質燃料により還元され、
   還元された前記酸素キャリア粒子は、前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記空気反応塔に供給されるケミカルルーピング燃焼システムが構成されたケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置であって、
   高温場に改質前の固体炭素質燃料を供給して、前記改質前の固体炭素質燃料の脱水ならびに熱分解により未反応固体炭素質燃料を生成する流動層式の未反応固体炭素質燃料生成手段と、
   前記未反応固体炭素質燃料生成手段によって生成された前記未反応固体炭素質燃料を改質燃料として回収する改質燃料回収手段と、
   前記未反応固体炭素質燃料生成手段から排出される排ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収手段と、を備え、
   前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路上に設けられた前記未反応固体炭素質燃料生成手段が流動層により前記高温場を形成し、前記未反応固体炭素質燃料生成手段に前記改質前の固体炭素質燃料を供給して前記未反応固体炭素質燃料を生成し、
   前記未反応固体炭素質燃料生成手段内の前記固体炭素質燃料および前記未反応固体炭素質燃料を流動化気体により前記燃料反応塔に搬送して、
   前記燃料反応塔から排ガスを排出する燃料反応塔排ガスライン上に前記改質燃料回収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式固体炭素質燃料改質装置。
5. 請求項４に記載のケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置において、
   前記未反応固体炭素質燃料生成手段は、生成された前記未反応固体炭素質燃料と前記酸素キャリア粒子とを流動化気体により流動化して分離する流動層式分離装置であり、前記流動層式分離装置に、前記流動化気体により浮遊する前記固体炭素質燃料および前記未反応固体炭素質燃料を前記燃料反応塔に搬送する分離装置出口ラインを設け、
   前記燃料反応塔から排ガスを排出する燃料反応塔排ガスラインと、
   その燃料反応塔排ガスラインから分岐して、前記排ガスの一部を前記流動化気体として前記流動層式分離装置に供給する燃料反応塔排ガス再循環ラインを設けたことを特徴とするケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置。
6. 請求項５に記載のケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置において、
   前記二酸化炭素回収手段が、前記燃料反応塔排ガスラインならびに前記燃料反応塔排ガス再循環ラインからの排ガス中の二酸化炭素を分離回収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式固体炭素質燃料改質装置。
7. 空気反応塔と、燃料反応塔と、前記空気反応塔ならびに燃料反応塔の間を酸素キャリア粒子が循環するループ状流路を備えて、
   前記空気反応塔内では前記酸素キャリア粒子が酸素含有気体により酸化され、
   酸化された前記酸素キャリア粒子は、前記空気反応塔から前記燃料反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記燃料反応塔に供給され、
   前記燃料反応塔内では前記酸素キャリア粒子が還元剤として使用される固体炭素質燃料により還元され、
   還元された前記酸素キャリア粒子は、前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記空気反応塔に供給されるケミカルルーピング燃焼システムが構成されたケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法であって、
   前記燃料反応塔の流動層により高温場を形成し、その流動層に改質前の固体炭素質燃料を供給して、前記改質前の固体炭素質燃料の脱水ならびに熱分解により未反応固体炭素質燃料を生成する工程と、
   前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路上に設けた流動層式分離装置に、前記燃料反応塔から排出された前記未反応固体炭素質燃料と前記酸素キャリア粒子を供給して流動化気体により流動化させながら前記未反応固体炭素質燃料と前記酸素キャリア粒子を分離する工程と、
   前記流動層式分離装置の未反応固体炭素質燃料排出ライン上に設けられた改質燃料回収手段に、前記流動層式分離装置から排出された前記未反応固体炭素質燃料を流動化気体により流動化させながら供給して、前記未反応固体炭素質燃料を改質燃料として回収する工程と、
   前記未反応固体炭素質燃料を生成する工程で排出された排ガス中の二酸化炭素を分離回収する工程と、を備えたことを特徴とするケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法。
8. 請求項７に記載のケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法において、
   前記燃料反応塔から排出される排ガスの一部を流動化気体として前記流動層式分離装置に供給することを特徴とするケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法。
9. 請求項８に記載のケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法において、
   前記燃料反応塔ならびに前記流動層式分離装置から排出される排ガスから二酸化炭素を分離回収することを特徴とするケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法。
10. 空気反応塔と、燃料反応塔と、前記空気反応塔ならびに燃料反応塔の間を酸素キャリア粒子が循環するループ状流路を備えて、
    前記空気反応塔内では前記酸素キャリア粒子が酸素含有気体により酸化され、
    酸化された前記酸素キャリア粒子は、前記空気反応塔から前記燃料反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記燃料反応塔に供給され、
    前記燃料反応塔内では前記酸素キャリア粒子が還元剤として使用される固体炭素質燃料により還元され、
    還元された前記酸素キャリア粒子は、前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路を介して前記空気反応塔に供給されるケミカルルーピング燃焼システムが構成されたケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法であって、
    前記燃料反応塔から前記空気反応塔に至る前記ループ状流路上に設けられた未反応固体炭素質燃料生成手段が流動層により高温場を形成し、前記未反応固体炭素質燃料生成手段に改質前の固体炭素質燃料を供給して、前記改質前の固体炭素質燃料の脱水ならびに熱分解により未反応固体炭素質燃料を生成する工程と、
    前記未反応固体炭素質燃料生成手段内の前記固体炭素質燃料および前記未反応固体炭素質燃料を流動化気体により前記燃料反応塔に搬送する工程と、
    前記燃料反応塔から排出される排ガス中から改質燃料回収手段により前記未反応固体炭素質燃料を改質燃料として回収する工程と、
    前記未反応固体炭素質燃料を生成する工程で排出された排ガス中の二酸化炭素を分離回収する工程と、を備えたことを特徴とするケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法。
11. 請求項１０に記載のケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法において、
    前記改質燃料回収手段から排出される排ガスの一部を前記流動化気体として前記未反応固体炭素質燃料生成手段に再循環することを特徴とするケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法。
12. 請求項１０に記載のケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法において、
    前記未反応固体炭素質燃料を回収した後の排ガスから二酸化炭素を分離回収することを特徴とするケミカルルーピング燃焼式固体炭素質燃料改質装置の運転方法。