JPH05332161A - 化学ループ燃焼方式発電プラントシステム - Google Patents
化学ループ燃焼方式発電プラントシステムInfo
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- JPH05332161A JPH05332161A JP4142363A JP14236392A JPH05332161A JP H05332161 A JPH05332161 A JP H05332161A JP 4142363 A JP4142363 A JP 4142363A JP 14236392 A JP14236392 A JP 14236392A JP H05332161 A JPH05332161 A JP H05332161A
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- water
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- gas
- metal oxide
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- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
- F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
- F23C2900/99008—Unmixed combustion, i.e. without direct mixing of oxygen gas and fuel, but using the oxygen from a metal oxide, e.g. FeO
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 加湿化空気利用の新化学ループ燃焼法によ
り、発電効率向上、ＣＯ2と水を回収してコスト低減を
可能にしたガスタービン発電プラントシステムの提供。 【構成】 Ｏ2キャリヤーとして金属酸化物（ＭＯ）を
用いる化学ループ燃焼法により、反応器１で燃料（Ｒ
Ｈ）はＭＯの低温で還元され（式（１））、還元体
（Ｍ）は反応器２で加湿化した空気中の酸素により高温
領域で酸化され（式（２））、式（２）で生成されるＭ
Ｏは式（１）に循環利用される。これらの反応で得られ
る熱エネルギーをガスタービン３、４に利用する。 ＲＨ＋ＭＯ→ｍＣＯ２＋ｎＨ2Ｏ＋Ｍ （１） Ｍ＋０．５Ｏ２→ＭＯ （２）
り、発電効率向上、ＣＯ2と水を回収してコスト低減を
可能にしたガスタービン発電プラントシステムの提供。 【構成】 Ｏ2キャリヤーとして金属酸化物（ＭＯ）を
用いる化学ループ燃焼法により、反応器１で燃料（Ｒ
Ｈ）はＭＯの低温で還元され（式（１））、還元体
（Ｍ）は反応器２で加湿化した空気中の酸素により高温
領域で酸化され（式（２））、式（２）で生成されるＭ
Ｏは式（１）に循環利用される。これらの反応で得られ
る熱エネルギーをガスタービン３、４に利用する。 ＲＨ＋ＭＯ→ｍＣＯ２＋ｎＨ2Ｏ＋Ｍ （１） Ｍ＋０．５Ｏ２→ＭＯ （２）
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は化学ループ燃焼法を用い
るガスタービン発電プラントシステムおよび該発電プラ
ントシステムで副生する炭酸ガスを回収・利用し、地球
規模の環境問題を解決する技術に関する。
るガスタービン発電プラントシステムおよび該発電プラ
ントシステムで副生する炭酸ガスを回収・利用し、地球
規模の環境問題を解決する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンサイクルを用いる発電プラ
ントはスチームを利用する蒸気タービンサイクルのもの
より高温で作動できるので有利である。しかし、高温空
気を作動媒体として用いるガスタービンサイクルはシン
プルな構造を持つが、中温度域の排ガスを無駄に費し、
熱効率が良くないことが問題である。そこで、限られた
燃料資源の節約のため発電効率の向上を図った燃焼方法
の改良のための研究が行われている。そのなかで、燃料
の燃焼用空気を加湿して直接燃焼させ、排ガスをタービ
ンに供給するガスタービンサイクルが知られている（A
highly efficientregenerative gas turbine system by
new method of heat recovery withwater injection,
Y.Mori et.al, 1983 Tokyo International Gas Turbine
Congress p297：ＵＳＰ４，５３７，０２３号）。この
空気加湿直接燃焼方法によると熱交換系の与熱流体と受
熱流体の温度差の平均値を小さくし、エネルギー変換の
質の損失を小さくすることが可能となり、熱効率が向上
すると言うものであるが、この方法による発電効率は約
５２．８％であると前記論文には報告されている。
ントはスチームを利用する蒸気タービンサイクルのもの
より高温で作動できるので有利である。しかし、高温空
気を作動媒体として用いるガスタービンサイクルはシン
プルな構造を持つが、中温度域の排ガスを無駄に費し、
熱効率が良くないことが問題である。そこで、限られた
燃料資源の節約のため発電効率の向上を図った燃焼方法
の改良のための研究が行われている。そのなかで、燃料
の燃焼用空気を加湿して直接燃焼させ、排ガスをタービ
ンに供給するガスタービンサイクルが知られている（A
highly efficientregenerative gas turbine system by
new method of heat recovery withwater injection,
Y.Mori et.al, 1983 Tokyo International Gas Turbine
Congress p297：ＵＳＰ４，５３７，０２３号）。この
空気加湿直接燃焼方法によると熱交換系の与熱流体と受
熱流体の温度差の平均値を小さくし、エネルギー変換の
質の損失を小さくすることが可能となり、熱効率が向上
すると言うものであるが、この方法による発電効率は約
５２．８％であると前記論文には報告されている。
【０００３】しかし、前記空気加湿直接燃焼方式の発電
プラントシステムは発電効率が高く、エネルギー資源節
約に一定の成果を上げているが、高温度燃料の燃焼によ
り発生する炭酸ガスについての配慮はされてなく、ま
た、多量の清浄水を必要とし、水資源を無駄にしてい
る。この水は排ガス中に水蒸気として含まれるが、燃料
中の不純物などによって汚され、低温まで冷却すると熱
交換器等を腐食させるため、この水蒸気を凝縮させて水
を回収することができなかったためである。したがっ
て、十分な水資源が無い限り、従来の水を利用する発電
プラントシステムは実用化されないおそれがある。ま
た、燃料の直接燃焼で生成する炭酸ガスは多量のガスで
希釈されているので、その回収は行われていない。
プラントシステムは発電効率が高く、エネルギー資源節
約に一定の成果を上げているが、高温度燃料の燃焼によ
り発生する炭酸ガスについての配慮はされてなく、ま
た、多量の清浄水を必要とし、水資源を無駄にしてい
る。この水は排ガス中に水蒸気として含まれるが、燃料
中の不純物などによって汚され、低温まで冷却すると熱
交換器等を腐食させるため、この水蒸気を凝縮させて水
を回収することができなかったためである。したがっ
て、十分な水資源が無い限り、従来の水を利用する発電
プラントシステムは実用化されないおそれがある。ま
た、燃料の直接燃焼で生成する炭酸ガスは多量のガスで
希釈されているので、その回収は行われていない。
【０００４】一方、本発明者は先に化学ループ燃焼法に
よるガスタービン発電プラントシステムを開発し、この
システムによると発電効率が向上することを報告してい
る（Evaluation of a chemical-looping-combustion po
wer-generation system bygraphic energy analysis,
M.Ishida et.al, Energy vol.12 No.2 pp.147198
7）。この化学ループ燃焼法とは次式（１）、（２）に
示すように二段の連続反応で行われ、式（１）で得られ
る金属酸化物（ＭＯ）の還元体（Ｍ）を式（２）の酸化
反応に利用するもので、ＭＯを酸素キャリヤとする化学
ループ反応である。ここで、式（１）の反応は低温領域
（約６００〜１０００Ｋ）での低レベルのエネルギー吸
収を伴うＭＯと燃料（ＲＨ）との吸熱反応であり、第二
段の反応は高温度域（約８００〜１７００Ｋ）での第一
段での反応生成物（Ｍ）の発熱酸化反応であるので、こ
の反応熱により高温排ガスを生成させて、これをガスタ
ービンの駆動に利用するものである。 ＲＨ＋ＭＯ→ｍＣＯ2＋ｎＨ2Ｏ＋Ｍ （１） Ｍ＋０．５Ｏ2→ＭＯ （２） ここで、ＭはＭＯの還元体を表し、金属としては、例え
ば、鉄（２価、３価）、ニッケル、銅、マンガン等が用
いられる。
よるガスタービン発電プラントシステムを開発し、この
システムによると発電効率が向上することを報告してい
る（Evaluation of a chemical-looping-combustion po
wer-generation system bygraphic energy analysis,
M.Ishida et.al, Energy vol.12 No.2 pp.147198
7）。この化学ループ燃焼法とは次式（１）、（２）に
示すように二段の連続反応で行われ、式（１）で得られ
る金属酸化物（ＭＯ）の還元体（Ｍ）を式（２）の酸化
反応に利用するもので、ＭＯを酸素キャリヤとする化学
ループ反応である。ここで、式（１）の反応は低温領域
（約６００〜１０００Ｋ）での低レベルのエネルギー吸
収を伴うＭＯと燃料（ＲＨ）との吸熱反応であり、第二
段の反応は高温度域（約８００〜１７００Ｋ）での第一
段での反応生成物（Ｍ）の発熱酸化反応であるので、こ
の反応熱により高温排ガスを生成させて、これをガスタ
ービンの駆動に利用するものである。 ＲＨ＋ＭＯ→ｍＣＯ2＋ｎＨ2Ｏ＋Ｍ （１） Ｍ＋０．５Ｏ2→ＭＯ （２） ここで、ＭはＭＯの還元体を表し、金属としては、例え
ば、鉄（２価、３価）、ニッケル、銅、マンガン等が用
いられる。
【０００５】しかし、この化学ループ燃焼法による発電
プラントシステムは化学ループ燃焼法にのみ注目したた
め、高・中温度領域（約７００〜１２００Ｋ）でのエネ
ルギー変換の質の損失は少ないが、低温度領域（約４０
０〜６００Ｋ）の熱が多量に放出されるにもかかわら
ず、それを受け取る側が少量の水の加熱にその熱を利用
するのみなので、多量の低温熱が利用されずに余り、発
電効率は５０．２％に留まっている。
プラントシステムは化学ループ燃焼法にのみ注目したた
め、高・中温度領域（約７００〜１２００Ｋ）でのエネ
ルギー変換の質の損失は少ないが、低温度領域（約４０
０〜６００Ｋ）の熱が多量に放出されるにもかかわら
ず、それを受け取る側が少量の水の加熱にその熱を利用
するのみなので、多量の低温熱が利用されずに余り、発
電効率は５０．２％に留まっている。
【０００６】また、実際に式（１）と（２）の反応を実
施してみると、金属酸化物の繰り返し利用回数が増すに
つれて、第二段の反応速度が小さくなってしまい、発電
効率は低下し、実用化には至らなかった。さらに、この
化学ループ燃焼法方式発電プラントシステムは燃料中の
水素分の酸化によって生じるわずかな量の水の回収はし
ているが、式（２）の反応用の反応器の排出ガスが清浄
であって低温まで冷却できることについては着目してな
く、また、空気の加湿化は考えていなかったために、主
要な水の回収は考えられていなかった。また、炭酸ガス
の回収とその利用についても全く考慮していなかったも
のである。
施してみると、金属酸化物の繰り返し利用回数が増すに
つれて、第二段の反応速度が小さくなってしまい、発電
効率は低下し、実用化には至らなかった。さらに、この
化学ループ燃焼法方式発電プラントシステムは燃料中の
水素分の酸化によって生じるわずかな量の水の回収はし
ているが、式（２）の反応用の反応器の排出ガスが清浄
であって低温まで冷却できることについては着目してな
く、また、空気の加湿化は考えていなかったために、主
要な水の回収は考えられていなかった。また、炭酸ガス
の回収とその利用についても全く考慮していなかったも
のである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、加湿空
気を用いた燃焼方法によるガスタービンシステムを用い
る発電プラントは化石燃料の燃焼により発生する炭酸ガ
スについての配慮はされてなく、水資源を無駄にしてい
る。また、前記空気加湿直接燃焼方式発電プラントシス
テムは前述のように低温度レベルでの熱交換では平均温
度差が小さくできるので、エネルギー変換の質の損失は
少ないが、高温度レベルでは燃焼のエネルギーの質の差
が大きく、エネルギー変換の質の損失が大きいことが問
題として残っている。
気を用いた燃焼方法によるガスタービンシステムを用い
る発電プラントは化石燃料の燃焼により発生する炭酸ガ
スについての配慮はされてなく、水資源を無駄にしてい
る。また、前記空気加湿直接燃焼方式発電プラントシス
テムは前述のように低温度レベルでの熱交換では平均温
度差が小さくできるので、エネルギー変換の質の損失は
少ないが、高温度レベルでは燃焼のエネルギーの質の差
が大きく、エネルギー変換の質の損失が大きいことが問
題として残っている。
【０００８】また、前記化学ループ燃焼方式発電プラン
トシステムは、高い発電効率が得られないばかりか、式
（２）に示す第二段の反応速度が遅く、実用化できなか
った。このように、化学ループ燃焼法または空気の加湿
化を行う直接燃焼法をそれぞれ単独に発電システムに取
り入れられた場合には、エネルギー的に無駄が多く、炭
酸ガスの回収や水の回収ができず、発電効率の十分な向
上はできなかった。
トシステムは、高い発電効率が得られないばかりか、式
（２）に示す第二段の反応速度が遅く、実用化できなか
った。このように、化学ループ燃焼法または空気の加湿
化を行う直接燃焼法をそれぞれ単独に発電システムに取
り入れられた場合には、エネルギー的に無駄が多く、炭
酸ガスの回収や水の回収ができず、発電効率の十分な向
上はできなかった。
【０００９】そこで、本発明の目的は、新しい化学ルー
プ燃焼法によって発電システムの効率を向上させ、しか
も炭酸ガスと水を回収したコストの低減を可能にした実
用化し得るガスタービン発電プラントシステムを提供す
ることである。
プ燃焼法によって発電システムの効率を向上させ、しか
も炭酸ガスと水を回収したコストの低減を可能にした実
用化し得るガスタービン発電プラントシステムを提供す
ることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成によって達成される。すなわち、燃料と金属酸化物
との反応用の第一反応器と該第一反応器で生成した金属
酸化物の還元体を酸化させて第一反応器で用いる金属酸
化物を生成させる第二反応器と各々の反応器から排出す
る気体をガスタービンに導入するガスタービン発電プラ
ントにおいて、第二反応器に導入する空気を加湿して使
用することを特徴とする化学ループ燃焼方式発電プラン
トシステムである。
構成によって達成される。すなわち、燃料と金属酸化物
との反応用の第一反応器と該第一反応器で生成した金属
酸化物の還元体を酸化させて第一反応器で用いる金属酸
化物を生成させる第二反応器と各々の反応器から排出す
る気体をガスタービンに導入するガスタービン発電プラ
ントにおいて、第二反応器に導入する空気を加湿して使
用することを特徴とする化学ループ燃焼方式発電プラン
トシステムである。
【００１１】ここで、第二反応器から排出する気体をガ
スタービンで利用した後に最終的に冷却し、水を回収す
ることができ、また、第一反応器から排出する気体をガ
スタービンで利用した後に最終的に冷却し、得られる濃
縮炭酸ガスを利用することができる。また、第一反応器
と第二反応器を循環する金属酸化物およびその還元体は
酸素透過性の媒体により安定化された粒状物として用い
ることができる。
スタービンで利用した後に最終的に冷却し、水を回収す
ることができ、また、第一反応器から排出する気体をガ
スタービンで利用した後に最終的に冷却し、得られる濃
縮炭酸ガスを利用することができる。また、第一反応器
と第二反応器を循環する金属酸化物およびその還元体は
酸素透過性の媒体により安定化された粒状物として用い
ることができる。
【００１２】
【作用】本発明は、酸素キャリヤーとして金属酸化物
（ＭＯ）を用いる化学ループ燃焼法により、燃料はＭＯ
の低温での還元反応（反応式（１））に利用し、還元体
（Ｍ）を酸素により高温度領域での酸化する（反応式
（２））ものである。反応式（２）で生成されるＭＯは
反応式（１）に利用される。そして、これらの反応で得
られる熱エネルギーをガスタービンに利用する。
（ＭＯ）を用いる化学ループ燃焼法により、燃料はＭＯ
の低温での還元反応（反応式（１））に利用し、還元体
（Ｍ）を酸素により高温度領域での酸化する（反応式
（２））ものである。反応式（２）で生成されるＭＯは
反応式（１）に利用される。そして、これらの反応で得
られる熱エネルギーをガスタービンに利用する。
【００１３】また、図２に中、低温領域での熱の利用状
況を示す（図２（ａ）は本発明の発電プラント、図２
（ｂ）は水蒸気利用の発電プラントシステム）が、本発
明によると、反応式（２）に利用する空気を加湿化する
ことで、水蒸気方式のものに比べ、熱交換系の与熱流体
と受熱流体の温度差の平均値を小さくし、エネルギー変
換の質の損失（図２（ａ）、（ｂ）で示す与熱流体側の
曲線と受熱流体側の曲線との間の斜線部分の面積に相当
する。）を小さくすることができる。
況を示す（図２（ａ）は本発明の発電プラント、図２
（ｂ）は水蒸気利用の発電プラントシステム）が、本発
明によると、反応式（２）に利用する空気を加湿化する
ことで、水蒸気方式のものに比べ、熱交換系の与熱流体
と受熱流体の温度差の平均値を小さくし、エネルギー変
換の質の損失（図２（ａ）、（ｂ）で示す与熱流体側の
曲線と受熱流体側の曲線との間の斜線部分の面積に相当
する。）を小さくすることができる。
【００１４】一方、図３に高温領域での熱の利用状況を
示すように（図３（ａ）は本発明の発電プラント、図３
（ｂ）は加湿空気を利用する直接燃焼法を利用する発電
プラント）、燃料の直接燃焼では１０，０００℃以上の
理論反応平衡温度となり、これを受熱側流体で利用され
る温度である１２００℃の熱として利用するには温度差
が大き過ぎて、やはり、エネルギー変換の質の損失が大
きくなる。ところが本発明の前記反応式（１）、（２）
を利用する化学ループ燃焼法を用いると、高温領域での
還元体（Ｍ）の酸化反応（反応式（２））の理論反応平
衡温度は３０００Ｋ（約２７００℃）と下がるため、受
熱側流体温度（１２００℃）との差が小さくなり、エネ
ルギー変換の質の損失が減少する。
示すように（図３（ａ）は本発明の発電プラント、図３
（ｂ）は加湿空気を利用する直接燃焼法を利用する発電
プラント）、燃料の直接燃焼では１０，０００℃以上の
理論反応平衡温度となり、これを受熱側流体で利用され
る温度である１２００℃の熱として利用するには温度差
が大き過ぎて、やはり、エネルギー変換の質の損失が大
きくなる。ところが本発明の前記反応式（１）、（２）
を利用する化学ループ燃焼法を用いると、高温領域での
還元体（Ｍ）の酸化反応（反応式（２））の理論反応平
衡温度は３０００Ｋ（約２７００℃）と下がるため、受
熱側流体温度（１２００℃）との差が小さくなり、エネ
ルギー変換の質の損失が減少する。
【００１５】空気を加湿化するシステムでは、中・低温
領域でのエネルギー変換の質の損失は小さいが、高温領
域では前記質の損失は大きい。一方、従来の化学ループ
燃焼法では高・中温領域でのエネルギー変換の質の損失
は小さいが、低温領域では前記質の損失は大きい。
領域でのエネルギー変換の質の損失は小さいが、高温領
域では前記質の損失は大きい。一方、従来の化学ループ
燃焼法では高・中温領域でのエネルギー変換の質の損失
は小さいが、低温領域では前記質の損失は大きい。
【００１６】本発明では、前記両者のシステムを有機的
に組み合わせることで、両者のシステムのそれぞれの欠
点を解消させ、高温領域から低温領域まで、全領域にわ
たって、エネルギー変換の質の損失を小さくすることが
できた。また、さらに、第一反応器と第二反応器を循環
する金属酸化物およびその還元体を酸素透過性の媒体に
より安定化された粒状物として用いることで、前記粒状
物の循環回数が増しても、第二段の反応速度を高く維持
することができた。
に組み合わせることで、両者のシステムのそれぞれの欠
点を解消させ、高温領域から低温領域まで、全領域にわ
たって、エネルギー変換の質の損失を小さくすることが
できた。また、さらに、第一反応器と第二反応器を循環
する金属酸化物およびその還元体を酸素透過性の媒体に
より安定化された粒状物として用いることで、前記粒状
物の循環回数が増しても、第二段の反応速度を高く維持
することができた。
【００１７】このように、上記した原因に基づき本発明
の発電効率の向上がなされるものと考えられる。本発明
では、化学ループ燃焼法と空気の加湿化を複合し、また
は、これに加えて酸素透過性の粒化媒体を利用すること
で、炭酸ガスの回収と水の回収が可能になったばかりで
なく、発電効率はそれぞれの個別システムで得られる効
率より大きく向上している。この複合による相乗効果
は、ガスタービンと水蒸気タービンを複合して、新しい
発電システムとしてコンバインドシステムが生じた状況
と類似している。
の発電効率の向上がなされるものと考えられる。本発明
では、化学ループ燃焼法と空気の加湿化を複合し、また
は、これに加えて酸素透過性の粒化媒体を利用すること
で、炭酸ガスの回収と水の回収が可能になったばかりで
なく、発電効率はそれぞれの個別システムで得られる効
率より大きく向上している。この複合による相乗効果
は、ガスタービンと水蒸気タービンを複合して、新しい
発電システムとしてコンバインドシステムが生じた状況
と類似している。
【００１８】
【実施例】本発明の一実施例を図面とともに説明する。
本実施例の化学ループ燃焼法を用いたガスタービン発電
プラントの概略構成図を図１に示す。本実施例では燃料
としてメタン、金属酸化物として酸化ニッケルを用い
る。したがって、本実施例では次の二つの反応式
（３）、（４）の反応がそれぞれ反応器１、反応器２で
行われる。 ＣＨ4＋４ＮｉＯ→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ＋４Ｎｉ （３） ４Ｎｉ＋２Ｏ2→４ＮｉＯ （４） 反応器１では燃料であるメタンは、空気に含まれる酸素
と燃焼反応を起こす代わりに、酸化物（ＮｉＯ）と反応
する。また、反応器２では、還元体（Ｎｉ）が空気に含
まれる酸素と反応する。したがって、燃料（ＣＨ4）と
空気はそれぞれ異なる反応器１、２に入り、それぞれの
反応器１、２からはそれぞれの生成物が排出される。し
たがって、燃料が空気と直接反応しない点が従来技術と
は全く異なる。
本実施例の化学ループ燃焼法を用いたガスタービン発電
プラントの概略構成図を図１に示す。本実施例では燃料
としてメタン、金属酸化物として酸化ニッケルを用い
る。したがって、本実施例では次の二つの反応式
（３）、（４）の反応がそれぞれ反応器１、反応器２で
行われる。 ＣＨ4＋４ＮｉＯ→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ＋４Ｎｉ （３） ４Ｎｉ＋２Ｏ2→４ＮｉＯ （４） 反応器１では燃料であるメタンは、空気に含まれる酸素
と燃焼反応を起こす代わりに、酸化物（ＮｉＯ）と反応
する。また、反応器２では、還元体（Ｎｉ）が空気に含
まれる酸素と反応する。したがって、燃料（ＣＨ4）と
空気はそれぞれ異なる反応器１、２に入り、それぞれの
反応器１、２からはそれぞれの生成物が排出される。し
たがって、燃料が空気と直接反応しない点が従来技術と
は全く異なる。
【００１９】そして、各々の反応器１、２で得られたガ
スはそれぞれガスタービン３、４で利用される。ガスタ
ービン３、４から排出したガスは熱交換により冷却され
た後、炭酸ガスと水はそれぞれ回収・利用し、残りのガ
スは大気中に排出される。本実施例の特徴は反応器２に
予め加湿した空気を導入し、この空気が反応器２で一部
の酸素が金属の酸化に利用され、その反応熱で高温にな
り、ガスタービン４に送られた後に冷却されて水を凝縮
・回収することである。この反応器２を出たガスは燃焼
からくる不純物を含まないために装置を腐食させること
なく、水を凝縮・回収することができることも本実施例
の大きな特徴である。空気の加湿器６は導入空気と反応
器２の間にあり、加湿された空気は反応器２でのニッケ
ルの酸化反応に用いられる。
スはそれぞれガスタービン３、４で利用される。ガスタ
ービン３、４から排出したガスは熱交換により冷却され
た後、炭酸ガスと水はそれぞれ回収・利用し、残りのガ
スは大気中に排出される。本実施例の特徴は反応器２に
予め加湿した空気を導入し、この空気が反応器２で一部
の酸素が金属の酸化に利用され、その反応熱で高温にな
り、ガスタービン４に送られた後に冷却されて水を凝縮
・回収することである。この反応器２を出たガスは燃焼
からくる不純物を含まないために装置を腐食させること
なく、水を凝縮・回収することができることも本実施例
の大きな特徴である。空気の加湿器６は導入空気と反応
器２の間にあり、加湿された空気は反応器２でのニッケ
ルの酸化反応に用いられる。
【００２０】次に、図１のフローについて、順次説明す
る。まず、２５℃のメタンは２０気圧に加圧された状態
で導入され、熱交換器７でガスタービン３からの排ガス
と熱交換され、５３０℃、１９気圧に昇温され、反応器
１に導入される。反応器１には反応器２から１２００℃
の酸化ニッケルが循環供給されている（酸化ニッケルお
よびニッケルの流路は破線で示す。）ので、この酸化ニ
ッケルはメタンにより式（３）の吸熱反応に従ってニッ
ケルに還元され、このニッケルは反応器２に供給され
る。
る。まず、２５℃のメタンは２０気圧に加圧された状態
で導入され、熱交換器７でガスタービン３からの排ガス
と熱交換され、５３０℃、１９気圧に昇温され、反応器
１に導入される。反応器１には反応器２から１２００℃
の酸化ニッケルが循環供給されている（酸化ニッケルお
よびニッケルの流路は破線で示す。）ので、この酸化ニ
ッケルはメタンにより式（３）の吸熱反応に従ってニッ
ケルに還元され、このニッケルは反応器２に供給され
る。
【００２１】反応器１から排出する生成物は、炭酸ガ
ス、水蒸気および固体のニッケルである。固体のニッケ
ルは生成物から容易に分離できる。また、反応器１より
排出する排ガス（炭酸ガスと水蒸気）は１１００℃でガ
スタービン３で膨張・発電し、温度が下がるので、これ
をメタンとの熱交換、プロセス水との熱交換によりさら
に冷却し、コンデンサ８で水分を除き、７０℃、１．１
気圧の炭酸ガスを回収する。この炭酸ガスはその利用装
置１９により利用される。本プラントでは排ガス中の炭
酸ガスを回収するためのエネルギー源として格別のもの
は必要なく、反応器１より排出する高温排ガスの冷却の
際に得られる回収熱はプロセス水またはメタンの加熱に
有効に利用される。
ス、水蒸気および固体のニッケルである。固体のニッケ
ルは生成物から容易に分離できる。また、反応器１より
排出する排ガス（炭酸ガスと水蒸気）は１１００℃でガ
スタービン３で膨張・発電し、温度が下がるので、これ
をメタンとの熱交換、プロセス水との熱交換によりさら
に冷却し、コンデンサ８で水分を除き、７０℃、１．１
気圧の炭酸ガスを回収する。この炭酸ガスはその利用装
置１９により利用される。本プラントでは排ガス中の炭
酸ガスを回収するためのエネルギー源として格別のもの
は必要なく、反応器１より排出する高温排ガスの冷却の
際に得られる回収熱はプロセス水またはメタンの加熱に
有効に利用される。
【００２２】また、本プラントで用いられる２５℃、１
気圧の空気は、まず、圧縮動力の低減と加湿器６で利用
する熱の需要を満足させるために、複数段のコンプレッ
サー１０〜１２で加圧され、また、加湿器６から排出す
る水およびプロセス水と順次熱交換して、１１２℃、２
０気圧に加圧、加熱されて加湿器６に供給される。加湿
器６には１８６℃、２１気圧の水が上部より供給されて
いるので、この水により空気は加湿され１４２℃、１９
気圧の加湿空気（水蒸気の体積分率約２５％）が得ら
れ、さらに反応器２からの排ガスとの熱交換により５３
０℃に加熱されて反応器２に導入される。反応器２では
反応器１から供給されるニッケルが加湿空気により酸化
される。反応器２での反応は発熱反応であるので、反応
器２からは１２００℃の排ガスが得られる。
気圧の空気は、まず、圧縮動力の低減と加湿器６で利用
する熱の需要を満足させるために、複数段のコンプレッ
サー１０〜１２で加圧され、また、加湿器６から排出す
る水およびプロセス水と順次熱交換して、１１２℃、２
０気圧に加圧、加熱されて加湿器６に供給される。加湿
器６には１８６℃、２１気圧の水が上部より供給されて
いるので、この水により空気は加湿され１４２℃、１９
気圧の加湿空気（水蒸気の体積分率約２５％）が得ら
れ、さらに反応器２からの排ガスとの熱交換により５３
０℃に加熱されて反応器２に導入される。反応器２では
反応器１から供給されるニッケルが加湿空気により酸化
される。反応器２での反応は発熱反応であるので、反応
器２からは１２００℃の排ガスが得られる。
【００２３】この排ガスは主成分が窒素であり、冷却し
ても腐食性はないため、反応器２の装置材料として安価
な材質を利用できる。従来の燃料を燃焼させるプロセス
を用いると燃焼排ガス中の硫黄酸化物が凝縮して腐食性
の流体を生成するため燃焼装置は腐食防止対策が必要で
あったが、本実施例では空気を用いる反応器２で生成す
る排ガスが窒素ガスを主成分とする非腐食性ガスである
ので、水を凝縮により回収できると共に、前述のように
反応器２およびその周辺の装置材料として安価な材質を
利用できる。
ても腐食性はないため、反応器２の装置材料として安価
な材質を利用できる。従来の燃料を燃焼させるプロセス
を用いると燃焼排ガス中の硫黄酸化物が凝縮して腐食性
の流体を生成するため燃焼装置は腐食防止対策が必要で
あったが、本実施例では空気を用いる反応器２で生成す
る排ガスが窒素ガスを主成分とする非腐食性ガスである
ので、水を凝縮により回収できると共に、前述のように
反応器２およびその周辺の装置材料として安価な材質を
利用できる。
【００２４】また、反応器２の１２００℃の排ガスはガ
スタービン４に利用される。ガスタービン４で利用され
た排ガスは導入空気の加熱に利用された後、プロセス水
で冷却され、コンデンサー１４で水分が凝縮され、回収
される。残りは４５℃、１．１気圧の窒素を主成分とす
るガスとして大気中に排出される。反応器２での反応で
得られる酸化ニッケルは固体であるので容易に排ガス成
分と分離できることも本実施例の特徴の一つである。ま
た、反応器２から排出する酸化ニッケルも１２００℃で
あり、重力落下によって反応器１に送られ、そこで熱を
放出する。
スタービン４に利用される。ガスタービン４で利用され
た排ガスは導入空気の加熱に利用された後、プロセス水
で冷却され、コンデンサー１４で水分が凝縮され、回収
される。残りは４５℃、１．１気圧の窒素を主成分とす
るガスとして大気中に排出される。反応器２での反応で
得られる酸化ニッケルは固体であるので容易に排ガス成
分と分離できることも本実施例の特徴の一つである。ま
た、反応器２から排出する酸化ニッケルも１２００℃で
あり、重力落下によって反応器１に送られ、そこで熱を
放出する。
【００２５】また、一点鎖線で示すプロセス水は反応器
１からの排ガスの冷却による水蒸気の凝縮、反応器２の
排ガスの冷却による水蒸気の凝縮、コンプレッサ１０〜
１２による加圧時に温度上昇した空気の冷却に利用され
る。コンデンサー８、１４で凝縮されたプロセス水は合
流点１５で合流して、５５℃となり、熱交換器１７で冷
却され、再度プロセス水として利用される。このように
本プラントでは水を回収、再利用するため、水資源を浪
費することがないことも大きな特徴である。
１からの排ガスの冷却による水蒸気の凝縮、反応器２の
排ガスの冷却による水蒸気の凝縮、コンプレッサ１０〜
１２による加圧時に温度上昇した空気の冷却に利用され
る。コンデンサー８、１４で凝縮されたプロセス水は合
流点１５で合流して、５５℃となり、熱交換器１７で冷
却され、再度プロセス水として利用される。このように
本プラントでは水を回収、再利用するため、水資源を浪
費することがないことも大きな特徴である。
【００２６】反応器１と反応器２間を循環するニッケル
または酸化ニッケルは循環回数が多くなると、粉体化し
て反応性が低下するとともに、酸化速度が低下するの
で、取り扱い性が悪くなる。そこで前記ニッケルまたは
酸化ニッケルに酸素透過体を媒体物質として添加して使
用することが好結果を示した。その一例として、酸化ニ
ッケルとイットリアスタビライズトジルコニア（ＹＳ
Ｚ）（８％のＹ2Ｏ3を添加して安定化させたＺｒＯ2）
を３：２（重量比）の混合割合で調整し、粒状に高温焼
成した物質を用いる。このように酸素透過性の媒体物質
を用いると、形状が安定して、二つの反応器１、２を循
環するのに十分な強度を有し、使用期間を伸ばすことが
できるばかりでなく、通常、酸化被膜に覆われるために
遅いニッケルの酸化反応に対して、酸素透過性のあるＹ
ＳＺを通して酸素が供給されるので、十分な反応速度が
得られ、ニッケルの酸化反応を完結させることができ
る。
または酸化ニッケルは循環回数が多くなると、粉体化し
て反応性が低下するとともに、酸化速度が低下するの
で、取り扱い性が悪くなる。そこで前記ニッケルまたは
酸化ニッケルに酸素透過体を媒体物質として添加して使
用することが好結果を示した。その一例として、酸化ニ
ッケルとイットリアスタビライズトジルコニア（ＹＳ
Ｚ）（８％のＹ2Ｏ3を添加して安定化させたＺｒＯ2）
を３：２（重量比）の混合割合で調整し、粒状に高温焼
成した物質を用いる。このように酸素透過性の媒体物質
を用いると、形状が安定して、二つの反応器１、２を循
環するのに十分な強度を有し、使用期間を伸ばすことが
できるばかりでなく、通常、酸化被膜に覆われるために
遅いニッケルの酸化反応に対して、酸素透過性のあるＹ
ＳＺを通して酸素が供給されるので、十分な反応速度が
得られ、ニッケルの酸化反応を完結させることができ
る。
【００２７】また、本実施例では金属酸化物としてニッ
ケル酸化物を用いたが、その他に鉄（２価、３価）、
銅、マンガン等の酸化物を用いることができる。本実施
例では反応器２からの排気ガスを冷却することで、供給
水量のほぼ全量を回収できるが、この水の回収を行った
場合、本実施例のシステムでは、５５．１％の高い発電
効率が得られ、また、水の回収を行わなければ、５６．
７％の発電効率が得られた。これらの発電効率は、前記
従来技術に関する報告で開示されている発電プラントの
効率に比べ、約２〜５％高い発電効率である。
ケル酸化物を用いたが、その他に鉄（２価、３価）、
銅、マンガン等の酸化物を用いることができる。本実施
例では反応器２からの排気ガスを冷却することで、供給
水量のほぼ全量を回収できるが、この水の回収を行った
場合、本実施例のシステムでは、５５．１％の高い発電
効率が得られ、また、水の回収を行わなければ、５６．
７％の発電効率が得られた。これらの発電効率は、前記
従来技術に関する報告で開示されている発電プラントの
効率に比べ、約２〜５％高い発電効率である。
【００２８】また、本実施例で用いる化学ループ燃焼法
は燃料を直接燃焼させないので、排ガスが冷却しても装
置材料を腐食させるおそれがない。また、燃料の直接燃
焼法で用いる空気を加湿する従来方法は発電効率は向上
するが、多量の清浄水を必要とする。この水は、燃料中
の不純物などによって汚され、低温まで冷却すると熱交
換器を腐食させるため、水を凝縮させ回収することがで
きなかった。したがって、十分な水資源が無い限り、従
来の水を利用するシステムは実用化できず、水の回収が
不可能であるが、本実施例では水は閉鎖系で循環使用す
るだけであるため水資源の乏しい立地でも利用できる。
は燃料を直接燃焼させないので、排ガスが冷却しても装
置材料を腐食させるおそれがない。また、燃料の直接燃
焼法で用いる空気を加湿する従来方法は発電効率は向上
するが、多量の清浄水を必要とする。この水は、燃料中
の不純物などによって汚され、低温まで冷却すると熱交
換器を腐食させるため、水を凝縮させ回収することがで
きなかった。したがって、十分な水資源が無い限り、従
来の水を利用するシステムは実用化できず、水の回収が
不可能であるが、本実施例では水は閉鎖系で循環使用す
るだけであるため水資源の乏しい立地でも利用できる。
【００２９】また、燃料の直接燃焼法では排ガスの炭酸
ガスは空気の主成分の窒素によって希釈されているの
で、技術上の点でも経済性の点でも、希釈された炭酸ガ
スを濃縮分離することはできなかったが、本実施例では
反応式（３）は炭酸ガスと水蒸気を排出するのみである
ので、冷却によって水分を除去して炭酸ガスを容易に回
収できる。
ガスは空気の主成分の窒素によって希釈されているの
で、技術上の点でも経済性の点でも、希釈された炭酸ガ
スを濃縮分離することはできなかったが、本実施例では
反応式（３）は炭酸ガスと水蒸気を排出するのみである
ので、冷却によって水分を除去して炭酸ガスを容易に回
収できる。
【００３０】
【発明の効果】本発明では、化学ループ燃焼法と空気の
加湿化を複合し、炭酸ガスの回収と水の回収が可能にな
ったばかりでなく、発電効率はそれぞれの個別システム
で得られる効率より大きく向上させることができる。ま
た、本発明では、酸素透過性のある媒体を利用した金属
酸化物の粒化によって、強度並びに反応速度を向上させ
ることができる。
加湿化を複合し、炭酸ガスの回収と水の回収が可能にな
ったばかりでなく、発電効率はそれぞれの個別システム
で得られる効率より大きく向上させることができる。ま
た、本発明では、酸素透過性のある媒体を利用した金属
酸化物の粒化によって、強度並びに反応速度を向上させ
ることができる。
【図１】 本発明の一実施例の発電プラントの概略図で
ある。
ある。
【図２】 本発明と従来技術の中、低温領域での熱の利
用状況を示す図である。
用状況を示す図である。
【図３】 本発明と従来技術の高温領域での熱の利用状
況を示す図である。
況を示す図である。
１…反応器（第一反応器）、２…反応器（第二反応
器）、３、４…ガスタービン、６…加湿器、７…熱交換
器、８、１４…コンデンサー、 １０〜１２…コンプレ
ッサー、１５…合流点、１７…熱交換器
器）、３、４…ガスタービン、６…加湿器、７…熱交換
器、８、１４…コンデンサー、 １０〜１２…コンプレ
ッサー、１５…合流点、１７…熱交換器
Claims (4)
- 【請求項１】 燃料と金属酸化物との反応用の第一反応
器と該第一反応器で生成した金属酸化物の還元体を酸化
させて第一反応器で用いる金属酸化物を生成させる第二
反応器と各々の反応器から排出する気体をガスタービン
に導入するガスタービン発電プラントにおいて、第二反
応器に導入する空気を加湿して使用することを特徴とす
る化学ループ燃焼方式発電プラントシステム。 - 【請求項２】 第二反応器から排出する気体をガスター
ビンで利用した後に最終的に冷却し、水を回収すること
を特徴とする請求項１記載の化学ループ燃焼方式発電プ
ラントシステム。 - 【請求項３】 第一反応器から排出する気体をガスター
ビンで利用した後に最終的に冷却し、得られる濃縮炭酸
ガスを利用することを特徴とする請求項１記載の化学ル
ープ燃焼方式発電プラントシステム。 - 【請求項４】 第一反応器と第二反応器を循環する金属
酸化物およびその還元体は酸素透過性の媒体により安定
化された粒状物として用いることを特徴とする請求項１
記載の化学ループ燃焼方式発電プラントシステム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14236392A JP3315719B2 (ja) | 1992-06-03 | 1992-06-03 | 化学ループ燃焼方式発電プラントシステム |
| US08/336,092 US5447024A (en) | 1992-06-03 | 1994-11-07 | Chemical-looping combustion power generation plant system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14236392A JP3315719B2 (ja) | 1992-06-03 | 1992-06-03 | 化学ループ燃焼方式発電プラントシステム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05332161A true JPH05332161A (ja) | 1993-12-14 |
| JP3315719B2 JP3315719B2 (ja) | 2002-08-19 |
Family
ID=15313647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14236392A Expired - Fee Related JP3315719B2 (ja) | 1992-06-03 | 1992-06-03 | 化学ループ燃焼方式発電プラントシステム |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5447024A (ja) |
| JP (1) | JP3315719B2 (ja) |
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| CN109718724A (zh) * | 2017-10-31 | 2019-05-07 | 东方电气集团东方锅炉股份有限公司 | 一种具有碳分离功能的化学链反应器系统 |
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| FR2889248B1 (fr) * | 2005-07-29 | 2007-09-07 | Inst Francais Du Petrole | Nouvelle masse active oxydo-reductrice pour un procede d'oxydo-reduction en boucle |
| CN104694169A (zh) * | 2006-01-12 | 2015-06-10 | 俄亥俄州立大学 | 转化燃料的体系和方法 |
| GB0605762D0 (en) * | 2006-03-22 | 2006-05-03 | Univ Cambridge Tech | Solid fuel combustion method and apparatus |
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| US8555652B1 (en) * | 2008-06-13 | 2013-10-15 | Zere Energy and Biofuels, Inc. | Air-independent internal oxidation |
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| FR2937648B1 (fr) * | 2008-10-24 | 2010-11-19 | Inst Francais Du Petrole | Enchainement integre de procedes d'extraction et de traitement d'un brut extra lourd ou bitumeux avec captage de co2 |
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