WO2024122225A1 - Chemical looping combustion system - Google Patents

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WO2024122225A1
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勝悟 佐山
秀明 鈴木
正和 青木
直樹 馬場
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株式会社豊田中央研究所
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Abstract

This chemical looping combustion system comprises: an air column that uses air to oxidize metal particles; a fuel tower that is supplied with a hydrocarbon as a fuel and supplied with a gas which contains oxidized metal particles and nitrogen from the air column and that uses the fuel to reduce the metal particles and discharge a mixed gas which contains carbon dioxide; and a separator that separates carbon dioxide and nitrogen which are contained in the mixed gas to extract the carbon dioxide.

Description

ケミカルルーピング燃焼システムChemical Looping Combustion System
　本発明は、ケミカルルーピング燃焼システムに関する。 The present invention relates to a chemical looping combustion system.
　二酸化炭素を本質的に分離可能なケミカルルーピング燃焼システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたシステムでは、固体酸素キャリアとしての金属が空気反応器で空気中の酸素と反応して酸化され、酸化された金属が燃料反応器で燃料により還元された後、再び空気反応器で酸化される。燃料反応器からは、二酸化炭素および水蒸気を含む煙道ガスが排出される。煙道ガス中の水蒸気は冷却や凝縮によって二酸化炭素から分離される。分離された二酸化炭素に対して、液化または圧縮が行われる。非特許文献１には、混合ガス中の二酸化炭素を吸着して、二酸化炭素を分離する吸着材としてのゼオライトについて開示されている。 A chemical looping combustion system capable of essentially separating carbon dioxide is known (see, for example, Patent Document 1). In the system described in Patent Document 1, a metal as a solid oxygen carrier is oxidized by reacting with oxygen in the air in an air reactor, and the oxidized metal is reduced by fuel in a fuel reactor, and then oxidized again in the air reactor. Flue gas containing carbon dioxide and water vapor is discharged from the fuel reactor. The water vapor in the flue gas is separated from the carbon dioxide by cooling or condensation. The separated carbon dioxide is liquefied or compressed. Non-Patent Document 1 discloses zeolite as an adsorbent that adsorbs carbon dioxide in a mixed gas and separates it.
特表２０１３－５２２１４９号公報JP 2013-522149 A
　特許文献１に記載されたシステムでは、燃料反応器から排出された煙道ガス中に含まれる硫黄酸化物や窒素酸化物などは、煙道ガスが汚染物質除去装置に供給することにより除去されている。しかしながら、特許文献１には、空気反応器で供給される空気中に含まれる窒素の除去については何ら言及されていない。一方で、空気反応器から燃料反応器への流入する窒素を抑制して、燃料反応器から排出される煙道ガス中に含まれる二酸化炭素の濃度を向上させるために、空気反応器と燃料反応器との間にループシールを備えるケミカルルーピング燃焼システムが知られている。しかしながら、ループシールによる完全なガスシールは困難である。燃料反応器への窒素の漏れ出しを最小限に防ぐためには、ループシール内の金属粒子を増加させる必要がある。しかしながら、ループシールを増加させるためにループシールを大型化すると、空気反応器で昇温した金属粒子が燃料反応器まで移動に要する時間が長くなる。この結果、システム内を移動中の金属粒子の放熱損失が増加し、失った分の熱量を燃料反応器内で加熱する必要があるため、ケミカルルーピング燃焼システムのエネルギ効率が低下する。非特許文献１には、ゼオライトの吸着性能について開示されているが、ケミカルルーピング燃焼システムについては言及されていない。 In the system described in Patent Document 1, sulfur oxides and nitrogen oxides contained in the flue gas discharged from the fuel reactor are removed by supplying the flue gas to a pollutant removal device. However, Patent Document 1 does not mention anything about removing nitrogen contained in the air supplied by the air reactor. On the other hand, a chemical looping combustion system is known that has a loop seal between the air reactor and the fuel reactor to suppress the nitrogen flowing from the air reactor to the fuel reactor and improve the concentration of carbon dioxide contained in the flue gas discharged from the fuel reactor. However, it is difficult to completely seal the gas with the loop seal. In order to minimize the leakage of nitrogen into the fuel reactor, it is necessary to increase the number of metal particles in the loop seal. However, if the loop seal is enlarged to increase the number of loop seals, it takes longer for the metal particles heated in the air reactor to move to the fuel reactor. As a result, the heat dissipation loss of the metal particles moving in the system increases, and the lost heat must be heated in the fuel reactor, which reduces the energy efficiency of the chemical looping combustion system. Non-Patent Document 1 discloses the adsorption performance of zeolite, but does not mention chemical looping combustion systems.
　本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、ケミカルルーピング燃焼システム全体のエネルギ効率を向上させることを目的とする。 The present invention has been made to solve at least some of the above problems, and aims to improve the energy efficiency of the entire chemical looping combustion system.
　本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。 The present invention has been made to solve at least some of the above problems, and can be realized in the following form.
（１）本発明の一形態によれば、ケミカルルーピング燃焼システムが提供される。このケミカルルーピング燃焼システムは、空気を用いて、金属粒子を酸化させる空気塔と、炭化水素が燃料として供給されると共に、前記空気塔から酸化された金属粒子および窒素を含むガスが供給され、前記燃料を用いて金属粒子を還元して二酸化炭素を含む混合ガスを排出する燃料塔と、前記混合ガスに含まれる二酸化炭素と窒素とを分離して、二酸化炭素を取り出す分離器と、を備える。 (1) According to one aspect of the present invention, a chemical looping combustion system is provided. The chemical looping combustion system includes an air tower that uses air to oxidize metal particles, a fuel tower that receives a hydrocarbon as fuel and a gas containing the oxidized metal particles and nitrogen from the air tower, reduces the metal particles using the fuel, and discharges a mixed gas containing carbon dioxide, and a separator that separates the carbon dioxide and nitrogen contained in the mixed gas and extracts the carbon dioxide.
　この構成によれば、分離器により燃料塔から排出される混合ガス中の二酸化炭素と窒素とが分離されるため、燃料塔に窒素が流入することを抑制する装置（例えば、大型化したループシールなど）を備えなくてもよい。この結果、これらの装置を通過することにより発生する金属粒子の熱損失を抑制できるため、本構成では、システム全体のエネルギ効率が向上する。 With this configuration, the separator separates the carbon dioxide and nitrogen in the mixed gas discharged from the fuel tower, so there is no need to provide a device (such as a large loop seal) to prevent nitrogen from entering the fuel tower. As a result, the heat loss of metal particles that occurs when passing through these devices can be suppressed, and this configuration improves the energy efficiency of the entire system.
（２）上記態様のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、さらに、前記燃料塔から排出される前記混合ガスが供給され、前記混合ガスを介して、前記燃料塔内で発生する熱を回収する熱交換器を備え、前記分離器は、前記熱交換器により回収された熱を利用して、前記混合ガスに含まれる二酸化炭素と窒素とを分離してもよい。
　混合ガス中の水を除去するために、燃料塔から排出される混合ガスが冷却される。その結果、混合ガスの顕熱が廃熱として捨てられていた。本構成では、熱交換器により混合ガスの廃熱が分離器による二酸化炭素と窒素との分離に利用されるため、システム全体のエネルギ効率が向上する。 (2) The chemical looping combustion system of the above aspect may further include a heat exchanger to which the mixed gas discharged from the fuel tower is supplied and which recovers heat generated in the fuel tower via the mixed gas, and the separator may separate carbon dioxide and nitrogen contained in the mixed gas by utilizing the heat recovered by the heat exchanger.
In order to remove water from the mixed gas, the mixed gas discharged from the fuel tower is cooled. As a result, the sensible heat of the mixed gas is discarded as waste heat. In this configuration, the heat exchanger uses the waste heat of the mixed gas to separate carbon dioxide and nitrogen in the separator, improving the energy efficiency of the entire system.
（３）上記態様のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、前記燃料塔には、前記燃料に加えてさらに酸素を含むガスが供給されてもよい。
　燃料塔における金属粒子の還元反応は、吸熱反応または発生する熱量が小さい発熱反応である。この構成によれば、燃料塔に酸素を含むガスが供給されることにより、供給された酸素と、還元済の金属粒子とが酸化反応し、燃料塔内の温度が上昇する。これにより、燃料塔内の温度が還元反応に適した温度まで上昇し、還元反応が促進される。さらに、燃料塔内の金属粒子と酸素との反応熱は、直接燃料塔内の昇温に利用される。そのため、燃料塔を外部から加熱する場合と比較して、少ないエネルギで燃料塔を加熱できる。 (3) In the chemical looping combustion system of the above aspect, a gas containing oxygen may be supplied to the fuel tower in addition to the fuel.
The reduction reaction of the metal particles in the fuel tower is an endothermic reaction or an exothermic reaction that generates a small amount of heat. With this configuration, when a gas containing oxygen is supplied to the fuel tower, the supplied oxygen and the reduced metal particles undergo an oxidation reaction, and the temperature inside the fuel tower rises. This raises the temperature inside the fuel tower to a temperature suitable for the reduction reaction, accelerating the reduction reaction. Furthermore, the heat of reaction between the metal particles and oxygen in the fuel tower is directly used to raise the temperature inside the fuel tower. Therefore, the fuel tower can be heated with less energy than when the fuel tower is heated from the outside.
（４）上記態様のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、さらに、前記空気塔の下流側、かつ、前記燃料塔の上流側に配置されたループシールであって、前記空気塔から前記燃料塔への窒素の流入を抑制し、酸素を含むガスが供給されるループシールを備えていてもよい。
　この構成によれば、空気塔と燃料塔との間に配置されたループシールに酸素を含むガスが供給される。ループシールに供給された酸素は、空気塔と燃料塔との両方に流入する。この結果、空気塔に流入する酸素が、空気塔からループシールに流入しようとする窒素を抑制するため、燃料塔に窒素が流入することを抑制できる。また、ループシールから燃料塔へと流入した酸素は、還元された金属原子と酸化反応することにより発熱する。これにより、分離器によるＮ2を分離するためのエネルギが減少し、かつ、少ないエネルギで燃料塔内を加熱できるため、システム全体のエネルギ効率をさらに向上させることができる。 (4) The chemical looping combustion system of the above aspect may further include a loop seal disposed downstream of the air tower and upstream of the fuel tower, the loop seal suppressing the inflow of nitrogen from the air tower to the fuel tower and through which a gas containing oxygen is supplied.
According to this configuration, a gas containing oxygen is supplied to the loop seal disposed between the air tower and the fuel tower. The oxygen supplied to the loop seal flows into both the air tower and the fuel tower. As a result, the oxygen flowing into the air tower suppresses the nitrogen flowing from the air tower into the loop seal, so that the flow of nitrogen into the fuel tower can be suppressed. In addition, the oxygen flowing into the fuel tower from the loop seal generates heat by undergoing an oxidation reaction with the reduced metal atoms. This reduces the energy required to separate N2 by the separator, and also allows the fuel tower to be heated with less energy, thereby further improving the energy efficiency of the entire system.
（５）上記態様のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、さらに、温度スイング式であり、前記熱交換器により回収された熱を利用して、前記混合ガスに含まれる水を除去する脱水器を備えていてもよい。
　この構成によれば、分離器に加えて脱水器も熱交換器により回収された熱を利用可能である。そのため、分離器と脱水器とのそれぞれで利用される熱を制御することにより、システム全体のエネルギ効率をさらに向上させることができる。 (5) The chemical looping combustion system according to the above aspect may further include a dehydrator that is of a temperature swing type and removes water contained in the mixed gas by utilizing the heat recovered by the heat exchanger.
According to this configuration, the dehydrator can use the heat recovered by the heat exchanger in addition to the separator, and therefore the energy efficiency of the entire system can be further improved by controlling the heat used by each of the separator and the dehydrator.
（６）上記態様のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、さらに、前記空気塔に要求される要求発熱量を取得し、前記要求発熱量を取得すると、前記燃料塔に供給される酸素を含むガスとしての空気の流量を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記要求発熱量がＷAR（ｋＷ）であり、前記燃料の低位発熱量がＬＨＶfuel（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、前記空気塔における酸化反応時の酸素１ｍｏｌ当たりの発熱量がΔｈAR（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、前記燃料塔における還元反応時の前記燃料１ｍｏｌ当たりの吸熱量がΔｈFR（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、空気中の酸素濃度がＸO2である場合に、前記燃料塔に供給される酸素を含むガスの流量を、下記式（１）で算出される流量Ｑair_FRの３０％以上３００％以下になるように制御してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　この構成によれば、燃料塔に供給される酸素を含む空気の流量が流量Ｑair_FRの３０％以上３００％以下である。空気の流量Ｑair_FRの上限値が３００％であるため、燃料塔から排出される混合ガス中の二酸化濃度が３０％未満になることを抑制できる。分離器は、混合ガス中の二酸化濃度が低下するほど、窒素を分離するために必要なエネルギが急増する。本構成では、混合ガス中の二酸化濃度が３０％以上であるため、分離に必要なエネルギを抑制できる。また、本構成では、燃料塔に供給される酸素の流量が過小であると、燃料塔内における酸素と金属粒子との酸化反応による効果が抑制される。しかしながら、燃料塔に供給される空気の流量の下限値が流量Ｑair_FRの３０％として制御されることにより、燃料塔内における酸化反応による反応熱を十分に得られる。 (6) The chemical looping combustion system of the above aspect may further include a control unit that acquires a required calorific value required for the air tower and controls a flow rate of air as the oxygen-containing gas supplied to the fuel tower upon acquiring the required calorific value, wherein the control unit may control the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the fuel tower to be 30 % or more and 300% or less of a flow rate Q air_FR calculated by the following formula (1), when the required calorific value is W AR (kW), the lower heating value of the fuel is LHV fuel (kJ/mol), the heat value per 1 mol of oxygen during the oxidation reaction in the air tower is Δh AR (kJ/mol), the endothermic heat per 1 mol of fuel during the reduction reaction in the fuel tower is Δh FR (kJ/mol), and the oxygen concentration in the air is X O2 :
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 According to this configuration, the flow rate of the air containing oxygen supplied to the fuel tower is 30% or more and 300% or less of the flow rate Q air_FR . Since the upper limit value of the air flow rate Q air_FR is 300%, it is possible to prevent the nitrogen dioxide concentration in the mixed gas discharged from the fuel tower from becoming less than 30%. In the separator, the energy required to separate nitrogen increases rapidly as the nitrogen dioxide concentration in the mixed gas decreases. In this configuration, since the nitrogen dioxide concentration in the mixed gas is 30% or more, it is possible to suppress the energy required for separation. Furthermore, in this configuration, if the flow rate of oxygen supplied to the fuel tower is too small, the effect of the oxidation reaction between oxygen and metal particles in the fuel tower is suppressed. However, since the lower limit value of the flow rate of air supplied to the fuel tower is controlled to 30% of the flow rate Q air_FR , it is possible to obtain sufficient reaction heat due to the oxidation reaction in the fuel tower.
（７）上記態様のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、さらに、前記燃料塔内の温度を取得する温度取得部を備え、前記制御部は、前記温度取得部により取得された温度に応じて、前記燃料塔に供給される空気の流量Ｑair_FRを制御してもよい。
　この構成によれば、温度取得部により取得された温度を用いて、燃料塔に供給される空気の量が制御される。空気に含まれる酸素と金属粒子との酸化反応により燃料塔内の温度が上昇するため、供給される空気の流量が制御されることで、燃料塔内の温度を制御できる。燃料塔内の温度が還元反応および酸化反応に適した温度に制御されることにより、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。 (7) The chemical looping combustion system of the above aspect may further include a temperature acquisition unit that acquires a temperature inside the fuel tower, and the control unit may control a flow rate Q air_FR of air supplied to the fuel tower in accordance with the temperature acquired by the temperature acquisition unit.
According to this configuration, the amount of air supplied to the fuel tower is controlled using the temperature acquired by the temperature acquisition unit. Since the temperature inside the fuel tower rises due to an oxidation reaction between the oxygen contained in the air and the metal particles, the temperature inside the fuel tower can be controlled by controlling the flow rate of the air supplied. By controlling the temperature inside the fuel tower to a temperature suitable for the reduction reaction and the oxidation reaction, the energy efficiency of the entire system can be improved.
（８）上記態様のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、前記制御部は、前記燃料塔内の目標温度から、前記温度取得部により取得された温度を差し引いた差がゼロ以上の場合に、前記差に予め設定された定数を乗じた流量Ｑair_FRの空気を前記燃料塔に供給されるように制御し、前記差が負の場合には、前記燃料塔に酸素を含むガスが供給されないよう制御してよい。
　この構成によれば、目標温度よりも燃料塔内の温度が低い場合に、燃料塔に供給される空気の流量が増加する。この結果、燃料塔内の温度が目標温度よりも低い場合には、燃料塔内に増加して供給される空気中の酸素が金属粒子と酸化反応することにより、燃料塔内の温度が上昇する。一方で、燃料塔内の温度が目標温度よりも高い場合には、燃料塔内への空気の供給を停止する。この結果、燃料塔内での酸化反応が減少して燃料塔内の温度が低下する。すなわち、本構成では、目標温度に近づくように燃料塔内に供給される空気の流量が制御されるため、目標温度を基準として、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。 (8) In the chemical looping combustion system of the above aspect, the control unit may perform control so that air at a flow rate Q air_FR obtained by multiplying a difference obtained by subtracting the temperature acquired by the temperature acquisition unit from a target temperature in the fuel tower by a preset constant is supplied to the fuel tower when the difference is equal to or greater than zero, and may perform control so that no gas containing oxygen is supplied to the fuel tower when the difference is negative.
According to this configuration, when the temperature inside the fuel tower is lower than the target temperature, the flow rate of air supplied to the fuel tower is increased. As a result, when the temperature inside the fuel tower is lower than the target temperature, the oxygen in the air that is increased and supplied to the fuel tower reacts with the metal particles, causing the temperature inside the fuel tower to rise. On the other hand, when the temperature inside the fuel tower is higher than the target temperature, the supply of air into the fuel tower is stopped. As a result, the oxidation reaction inside the fuel tower decreases and the temperature inside the fuel tower drops. That is, in this configuration, the flow rate of air supplied into the fuel tower is controlled so as to approach the target temperature, so that the energy efficiency of the entire system can be improved based on the target temperature.
　なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ケミカルルーピング燃焼システム、ケミカルルーピング燃焼装置、ケミカルルーピング燃焼方法、およびこれらの装置を備えるシステム、これら装置を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a chemical looping combustion system, a chemical looping combustion device, a chemical looping combustion method, a system including these devices, a computer program for executing these devices, a server device for distributing this computer program, a non-transitory storage medium that stores the computer program, etc.
本発明の一実施形態としてのケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 1 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to one embodiment of the present invention. 混合ガス中のＣＯ2濃度に応じて変化するゼオライトのＣＯ2吸着量の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the amount of CO2 adsorption of zeolite which changes depending on the CO2 concentration in a mixed gas. ケミカルループ燃焼の原理の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle of chemical looping combustion. 比較例のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 2 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system of a comparative example. 第２実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 5 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to a second embodiment. 第３実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 11 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to a third embodiment. 第４実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 13 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to a fourth embodiment. 第６実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 13 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to a sixth embodiment. 第７実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 13 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to a seventh embodiment. 第８実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 13 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to an eighth embodiment. 第９実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 13 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to a ninth embodiment. 燃料塔に供給される空気の流量の制御のフローチャートである。4 is a flowchart of control of the flow rate of air supplied to the fuel tower.
＜第１実施形態＞
　図１は、本発明の一実施形態としてのケミカルルーピング燃焼システム（以降、単に、「燃焼システム」とも言う）１００の概略ブロック図である。従来のケミカルルーピング燃焼システムでは、金属粒子ｍｇを酸化させる空気塔１０と、金属粒子ｍｇを還元する燃料塔２０との間に配置された空気塔側ループシール部（ループシール）６０により空気塔１０から燃料塔２０へと流入する窒素を抑制して、燃料塔２０から高純度の二酸化炭素（ＣＯ2）が回収されていた。それに対して、本実施形態では、燃焼システム１００の最大のメリットは、熱の利用先に二酸化炭素を供給せずに済むことであり、高純度のＣＯ2が得られることを副次的効果としてとらえる。すなわち、空気塔１０にＣＯ2が含まれることは問題であるが、燃料塔２０に窒素（Ｎ2）が含まれることは本質的な問題ではないという考えから、燃焼システム１００全体のエネルギ効率を向上させる。 First Embodiment
FIG. 1 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (hereinafter, simply referred to as a "combustion system") 100 according to an embodiment of the present invention. In a conventional chemical looping combustion system, an air tower side loop seal unit (loop seal) 60 arranged between an air tower 10 that oxidizes metal particles (mg) and a fuel tower 20 that reduces metal particles (mg) suppresses nitrogen flowing from the air tower 10 to the fuel tower 20, and high-purity carbon dioxide (CO 2 ) is recovered from the fuel tower 20. On the other hand, in this embodiment, the greatest advantage of the combustion system 100 is that carbon dioxide does not need to be supplied to the heat utilization destination, and the fact that high-purity CO 2 can be obtained is considered as a secondary effect. In other words, the inclusion of CO 2 in the air tower 10 is a problem, but the inclusion of nitrogen (N 2 ) in the fuel tower 20 is not an essential problem, and the energy efficiency of the entire combustion system 100 is improved.
　本実施形態の燃焼システム１００は、空気塔１０から燃料塔２０への一定流量のＮ2の流入を許容し、燃料塔２０から得られるＣＯ2を含む混合ガスから分離器５０によってＮ2とＣＯ2とを分離する。分離器５０は、燃料塔２０の廃熱を利用して混合ガス中のＮ2とＣＯ2とを分離することにより、空気塔側ループシール部６０の大型化が抑制され、燃焼システム１００全体のエネルギ効率が向上する。 The combustion system 100 of this embodiment allows a constant flow rate of N2 to flow from the air tower 10 to the fuel tower 20, and separates N2 and CO2 from the mixed gas containing CO2 obtained from the fuel tower 20 by the separator 50. The separator 50 separates N2 and CO2 in the mixed gas by utilizing the waste heat of the fuel tower 20, thereby preventing the air tower side loop seal part 60 from becoming large, and improving the energy efficiency of the entire combustion system 100.
　燃焼システム１００内には、空気塔１０内での酸化と、燃料塔２０内での還元とを繰り返して、空気中の酸素（Ｏ2）を空気塔１０から燃料塔２０へと運ぶ金属粒子ｍｇが循環している。本実施形態では、金属粒子ｍｇとしてＦｅＴｉＯ3を用いた例について説明する。金属粒子ｍｇの粒径は、５０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下である。図１に示されるように、第１実施形態の燃焼システム１００は、空気塔１０と、燃料塔２０と、空気塔側ループシール部６０と、燃料塔側ループシール部７０と、サイクロン１５と、熱交換器３０と、脱水器４０と、分離器５０と、ヒータ２５と、を備えている。 In the combustion system 100, metal particles mg are circulated to carry oxygen (O 2 ) in the air from the air tower 10 to the fuel tower 20 by repeating oxidation in the air tower 10 and reduction in the fuel tower 20. In this embodiment, an example in which FeTiO 3 is used as the metal particles mg will be described. The particle size of the metal particles mg is 50 mm or more and 250 mm or less. As shown in FIG. 1, the combustion system 100 of the first embodiment includes an air tower 10, a fuel tower 20, an air tower side loop seal unit 60, a fuel tower side loop seal unit 70, a cyclone 15, a heat exchanger 30, a dehydrator 40, a separator 50, and a heater 25.
　空気塔１０は、Ｏ2を含む空気を用いて、下記式（２）に示される反応を生じさせてＦｅＴｉＯ3を酸化させる。式（２）の酸化反応により熱が生じて、空気塔１０内のガスが暖められ、空気塔１０内はおよそ摂氏１０００度（℃）まで加熱される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 The air tower 10 uses air containing O2 to oxidize FeTiO3 by causing the reaction shown in the following formula (2). The oxidation reaction of formula (2) generates heat, which warms the gas in the air tower 10, and the inside of the air tower 10 is heated to approximately 1000 degrees Celsius (°C).
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　空気塔１０は、図１に示されるように、鉛直方向に延びる筒状の形状を有している。空気塔１０内の鉛直下方には、シール１０Ｓが設けられている。シール１０Ｓは、複数の細かい穴が開いた部材である。シール１０Ｓにより、空気塔１０の鉛直下方から供給される空気が空気塔１０内に流入して金属粒子ｍｇを鉛直上方に運ぶ。一方で、シール１０Ｓに設けられた穴の大きさは金属粒子ｍｇよりも小さいため、金属粒子ｍｇがシール１０Ｓを通過して空気塔１０から漏れ出すことを防止する。なお、空気塔１０内の鉛直上方へと向かうガス流速は、重力とガス流れによる抗力が釣り合う終端速度、または、終端速度以上の速度に設定されている。 As shown in FIG. 1, the air tower 10 has a cylindrical shape that extends vertically. A seal 10S is provided vertically below the air tower 10. The seal 10S is a member with multiple small holes. The seal 10S allows air supplied from vertically below the air tower 10 to flow into the air tower 10 and carry the metal particles mg vertically upward. On the other hand, the size of the holes provided in the seal 10S is smaller than the metal particles mg, so that the metal particles mg are prevented from passing through the seal 10S and leaking out of the air tower 10. The gas flow velocity moving vertically upward within the air tower 10 is set to a terminal velocity at which the resistance of gravity and the gas flow are balanced, or to a velocity greater than the terminal velocity.
　空気塔１０内で酸化された金属粒子ｍｇは、配管を介して接続されているサイクロン１５内に流入する。サイクロン１５は、遠心力を利用して金属粒子ｍｇと、加熱されたガスとを分離する。図１に示されるように空気塔１０内で加熱されたガスは、サイクロン１５の鉛直上方から流出して熱利用先へと供給される。熱利用先に供給されるガスの組成は、空気塔１０内における金属粒子ｍｇの酸化によりＯ2が減少しているため、ほとんどがＮ2で構成されている。サイクロン１５内でガスと分離された金属粒子ｍｇは、図１に示されるように、サイクロン１５の中心部分に設けられた鉛直下方に延びる配管内を通って、空気塔側ループシール部６０へと移動する。 The metal particles mg oxidized in the air tower 10 flow into the cyclone 15 connected through a pipe. The cyclone 15 separates the metal particles mg from the heated gas by using centrifugal force. As shown in FIG. 1, the gas heated in the air tower 10 flows out from the vertically upper part of the cyclone 15 and is supplied to the heat utilization destination. The composition of the gas supplied to the heat utilization destination is mostly composed of N 2 because O 2 is reduced due to the oxidation of the metal particles mg in the air tower 10. The metal particles mg separated from the gas in the cyclone 15 move to the air tower side loop seal part 60 through a pipe extending vertically downward provided in the center part of the cyclone 15 as shown in FIG. 1.
　空気塔側ループシール部６０は、図１に示されるように、空気塔１０の下流側、かつ、燃料塔２０の上流側に配置されている。空気塔側ループシール部６０の鉛直下方には、シール６０Ｓが設けられている。シール６０Ｓは、複数の細かい穴が開いた部材である。シール６０Ｓに形成された細かい穴は、金属粒子ｍｇの粒径よりも小さい。そのため、図１に示されるように、シール６０Ｓの上面には複数の金属粒子ｍｇで形成された粒子層（ハッチングが施された部分）が形成されている。ここで水蒸気を用いるのは、水蒸気が燃料塔２０に流入しても、熱交換器３０と脱水器４０により除去できるためである。 As shown in FIG. 1, the air tower side loop seal section 60 is disposed downstream of the air tower 10 and upstream of the fuel tower 20. A seal 60S is provided vertically below the air tower side loop seal section 60. The seal 60S is a member with multiple small holes. The small holes formed in the seal 60S are smaller than the particle size of the metal particles mg. Therefore, as shown in FIG. 1, a particle layer (hatched area) made of multiple metal particles mg is formed on the upper surface of the seal 60S. Water vapor is used here because even if water vapor flows into the fuel tower 20, it can be removed by the heat exchanger 30 and the dehydrator 40.
　空気塔側ループシール部６０では、シール６０Ｓの鉛直下方から水蒸気が供給される。供給された水蒸気は、シール６０Ｓを通過して、空気塔側ループシール部６０の下流側に接続されている燃料塔２０に流入する。シール６０Ｓの下方から空気塔側ループシール部６０内に水蒸気が供給されるため、図１中で矢印により流れの向きが示されるＮ2を主成分とするガスが、粒子層を通過して燃料塔２０に流入することが抑制される。しかしながら、一部のＮ2を含むガスは、図１に示されるように金属粒子ｍｇと共に、空気塔側ループシール部６０を通過して燃料塔２０に流入する。 In the air tower side loop seal section 60, water vapor is supplied from vertically below the seal 60S. The supplied water vapor passes through the seal 60S and flows into the fuel tower 20 connected to the downstream side of the air tower side loop seal section 60. Since water vapor is supplied into the air tower side loop seal section 60 from below the seal 60S, the gas mainly composed of N 2 , whose flow direction is indicated by the arrow in FIG. 1, is suppressed from passing through the particle layer and flowing into the fuel tower 20. However, some of the gas containing N 2 passes through the air tower side loop seal section 60 together with the metal particles mg as shown in FIG. 1 and flows into the fuel tower 20.
　空気塔側ループシール部６０と燃料塔２０とを接続する配管には、空気塔側ループシール部６０から燃料塔２０へと流動する流動床が配置されている。流動床の流動により、筒状の空気塔側ループシール部６０から排出された金属粒子ｍｇは、燃料塔２０へと移動する。 A fluidized bed that flows from the air tower side loop seal part 60 to the fuel tower 20 is arranged in the piping that connects the air tower side loop seal part 60 and the fuel tower 20. Due to the flow of the fluidized bed, the metal particles mg discharged from the cylindrical air tower side loop seal part 60 move to the fuel tower 20.
　燃料塔２０は、燃料としてのメタン（ＣＨ4）が供給されると共に、空気塔１０から酸化された金属粒子ｍｇおよびＮ2を含むガスが供給される。燃料塔２０は、メタンを用いて金属粒子ｍｇを還元してＣＯ2を含む混合ガスを排出する。燃料塔２０は、図１に示されるように、鉛直方向に延びる筒状の形状を有している。燃料塔２０内の鉛直下方には、シール２０Ｓが設けられている。シール２０Ｓは、複数の細かい穴が開いた部材である。燃料塔２０では、シール２０Ｓの下方から気体の燃料が供給される。なお、燃料塔２０内のガス流速は、終端速度よりも遅い速度に設定され、燃料塔２０の情報から金属粒子ｍｇが飛び出さないように制御されている。 The fuel tower 20 is supplied with methane ( CH4 ) as fuel, and is also supplied with gas containing oxidized metal particles mg and N2 from the air tower 10. The fuel tower 20 reduces the metal particles mg using methane and discharges a mixed gas containing CO2 . As shown in FIG. 1, the fuel tower 20 has a cylindrical shape extending vertically. A seal 20S is provided vertically below the fuel tower 20. The seal 20S is a member with a plurality of fine holes. In the fuel tower 20, gaseous fuel is supplied from below the seal 20S. The gas flow rate in the fuel tower 20 is set to a rate slower than the terminal velocity, and is controlled based on information from the fuel tower 20 so that the metal particles mg do not fly out.
　燃料としてのＣＨ4が供給された燃料塔２０内では、上記式（２）で示される空気塔１０内で酸化された金属粒子ｍｇである４Ｆｅ2ＴｉＯ5が、下記式（３）で示されるようにＣＨ4により還元されてＦｅＴｉＯ3に変化し、ＣＯ2を発生させる。下記式（３）で表される還元反応は、吸熱反応である。 In the fuel tower 20 to which CH4 is supplied as fuel, 4Fe2TiO5 , which is the metal particles mg oxidized in the air tower 10 shown in the above formula (2), is reduced by CH4 to FeTiO3 as shown in the following formula ( 3 ), generating CO2 . The reduction reaction shown in the following formula (3) is an endothermic reaction.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　上記式（２）で表される空気塔１０内の酸化反応と、上記式（３）で表される燃料塔２０内の還元反応との和を取ると、空気塔１０および燃料塔２０で行われる反応は、下記式（４）に示される燃料であるメタンの燃焼と同じ反応である。すなわち、燃焼システム１００で得られる熱の総量（空気塔１０の発熱と燃料塔２０の吸熱との和）は、燃料であるＣＨ4の燃焼と同一である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 When the oxidation reaction in the air tower 10 represented by the above formula (2) and the reduction reaction in the fuel tower 20 represented by the above formula (3) are taken as the sum, the reactions taking place in the air tower 10 and the fuel tower 20 are the same as the combustion of methane, which is the fuel, represented by the following formula (4). In other words, the total amount of heat obtained in the combustion system 100 (the sum of the heat generated by the air tower 10 and the heat absorbed by the fuel tower 20) is the same as the combustion of CH4 , which is the fuel.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図１に示されるように、燃料塔２０内における還元反応により生成されたＣＯ2を含む混合ガスは、燃料塔２０の鉛直上方から流出して熱交換器３０へと送られる。なお、熱交換器３０に供給される混合ガスの詳細については後述する。燃料塔２０内における還元反応により還元された金属粒子ｍｇは、図１に示されるように、燃料塔２０の中心部分に設けられた鉛直下方に延びる配管内を通って、燃料塔側ループシール部７０へと移動する。 As shown in Fig. 1, the mixed gas containing CO2 produced by the reduction reaction in the fuel tower 20 flows out from the vertically upper part of the fuel tower 20 and is sent to the heat exchanger 30. Details of the mixed gas supplied to the heat exchanger 30 will be described later. The metal particles mg reduced by the reduction reaction in the fuel tower 20 move to the fuel tower side loop seal part 70 through a pipe extending vertically downward provided in the center part of the fuel tower 20 as shown in Fig. 1.
　ヒータ２５は、燃料塔２０の筒状の外壁に取り付けられている。ヒータ２５は、外部電源から供給される電力により昇温して、燃料塔２０内を加熱する。上記式（３）で表される還元反応が吸熱反応であるため、ヒータ２５は、吸熱反応により降温した燃料塔２０内を昇温させる。 The heater 25 is attached to the cylindrical outer wall of the fuel tower 20. The heater 25 heats the inside of the fuel tower 20 by using power supplied from an external power source. Because the reduction reaction expressed by the above formula (3) is an endothermic reaction, the heater 25 raises the temperature inside the fuel tower 20, which has been cooled by the endothermic reaction.
　燃料塔２０内から金属粒子ｍｇが供給される燃料塔側ループシール部７０は、燃料塔２０の下流側、かつ、空気塔１０の上流側に配置されている。燃料塔側ループシール部７０は、空気塔側ループシール部６０と同じ構成を有している。燃料塔側ループシール部７０の鉛直下方には、シール７０Ｓが設けられている。シール７０Ｓは、複数の細かい穴が開いた部材である。燃料塔側ループシール部７０では、シール７０Ｓの鉛直下方から水蒸気が供給される。供給された水蒸気は、シール７０Ｓを通過して、燃料塔側ループシール部７０の下流側に接続されている空気塔１０に流入する。燃料塔側ループシール部７０と空気塔１０とを接続する配管には、燃料塔側ループシール部７０から空気塔１０へと流動する流動床が配置されている。流動床の流動により、筒状の燃料塔側ループシール部７０内の金属粒子ｍｇは、空気塔１０へと移動する。以上説明したように、金属粒子ｍｇは、空気塔１０内で酸化され、燃料塔２０内で還元され、空気塔１０と燃料塔２０との間を循環する。 The fuel tower side loop seal section 70, to which the metal particles mg are supplied from within the fuel tower 20, is located downstream of the fuel tower 20 and upstream of the air tower 10. The fuel tower side loop seal section 70 has the same configuration as the air tower side loop seal section 60. A seal 70S is provided vertically below the fuel tower side loop seal section 70. The seal 70S is a member with multiple fine holes. In the fuel tower side loop seal section 70, water vapor is supplied from vertically below the seal 70S. The supplied water vapor passes through the seal 70S and flows into the air tower 10 connected downstream of the fuel tower side loop seal section 70. A fluidized bed that flows from the fuel tower side loop seal section 70 to the air tower 10 is arranged in the piping connecting the fuel tower side loop seal section 70 and the air tower 10. Due to the flow of the fluidized bed, the metal particles mg in the cylindrical fuel tower side loop seal section 70 move to the air tower 10. As described above, the metal particles mg are oxidized in the air tower 10, reduced in the fuel tower 20, and circulated between the air tower 10 and the fuel tower 20.
　燃料塔２０の鉛直上方から排出される混合ガスは、上記式（３）で表される還元反応によって生じたＣＯ2および水蒸気（Ｈ2Ｏ）と、空気塔側ループシール部６０を介して燃料塔２０に流入したＮ2とを含んでいる。本実施形態の燃料塔２０内は、還元反応が促進するように約１０００℃になるように、ヒータ２５により制御されている。そのため、燃料塔２０から排出される混合ガスは、約１０００℃と高温である。 The mixed gas discharged from the vertically upper part of the fuel tower 20 contains CO2 and water vapor ( H2O ) generated by the reduction reaction represented by the above formula (3), and N2 that has flowed into the fuel tower 20 through the air tower side loop seal part 60. The inside of the fuel tower 20 in this embodiment is controlled by the heater 25 to be about 1000°C so as to promote the reduction reaction. Therefore, the mixed gas discharged from the fuel tower 20 is at a high temperature of about 1000°C.
　燃料塔２０から排出された混合ガスは、図１に示されるように、熱を回収する熱交換器３０へと供給される。熱交換器３０は、燃料塔２０から供給される混合ガスを介して、燃料塔２０内で発生する熱を回収する。熱交換器３０は、熱媒体として内部を流れる水を有しており、混合ガスと熱媒体とを熱交換させることにより混合ガスを介して熱を回収する。換言すると、熱交換器３０により混合ガスは除熱される。 As shown in FIG. 1, the mixed gas discharged from the fuel tower 20 is supplied to a heat exchanger 30 that recovers heat. The heat exchanger 30 recovers heat generated within the fuel tower 20 via the mixed gas supplied from the fuel tower 20. The heat exchanger 30 has water flowing inside as a heat medium, and recovers heat via the mixed gas by exchanging heat between the mixed gas and the heat medium. In other words, heat is removed from the mixed gas by the heat exchanger 30.
　熱交換器３０により熱が回収された混合ガスは、脱水器４０へと供給される。脱水器４０は、熱交換器３０により熱が回収された混合ガスに含まれるＨ2Ｏを除去する。そのため、脱水器４０から排出される混合ガスには、図１に示されるように、Ｈ2Ｏが除去された後のＣＯ2およびＮ2が含まれている。 The mixed gas from which heat has been recovered by the heat exchanger 30 is supplied to the dehydrator 40. The dehydrator 40 removes H 2 O contained in the mixed gas from which heat has been recovered by the heat exchanger 30. Therefore, the mixed gas discharged from the dehydrator 40 contains CO 2 and N 2 from which H 2 O has been removed, as shown in FIG.
　脱水器４０から排出された混合ガスは、分離器５０に供給される。分離器５０は、熱交換器３０により回収された熱を利用して、Ｈ2Ｏが除去された混合ガスに含まれるＣＯ2とＮ2とを分離して、ＣＯ2を取り出す温度スイング式の分離器である。分離器５０は、複数のシェルアンドチューブ吸着塔で構成されている。それぞれのシェルアンドチューブ吸着塔のチューブ側にはＣＯ2を着脱可能なゼオライトが充填されている。ＣＯ2吸着時にゼオライトが約２５℃の水で冷却され、ＣＯ2脱離時に熱交換器３０が回収した熱を用いて加熱する。分離器５０は、複数の吸着塔を、吸着を行う吸着塔と、脱離を行う吸着塔とで分けて制御することにより、連続的にＣＯ2とＮ2とを分離できる。なお、ゼオライトがＣＯ2だけでなく、Ｈ2Ｏも吸着してしまうため、分離器５０の上流側に脱水器４０が配置されている。 The mixed gas discharged from the dehydrator 40 is supplied to the separator 50. The separator 50 is a temperature swing type separator that uses the heat recovered by the heat exchanger 30 to separate CO 2 and N 2 contained in the mixed gas from which H 2 O has been removed, and extracts CO 2. The separator 50 is composed of multiple shell-and-tube adsorption towers. The tube side of each shell-and-tube adsorption tower is filled with zeolite capable of attaching and detaching CO 2. When CO 2 is adsorbed, the zeolite is cooled with water at about 25°C, and when CO 2 is desorbed, the zeolite is heated using the heat recovered by the heat exchanger 30. The separator 50 can continuously separate CO 2 and N 2 by controlling the multiple adsorption towers separately into an adsorption tower that performs adsorption and an adsorption tower that performs desorption. In addition, since zeolite adsorbs not only CO 2 but also H 2 O, the dehydrator 40 is arranged upstream of the separator 50.
　分離器５０から排出されるＮ2が分離された混合ガスは、高純度のＣＯ2である。この高温ガスはＣＯ2の利用先に送られる。ＣＯ2の利用先としては、例えば、ＣＯ2を液化または高圧化して貯蔵する貯蔵タンク等である。 The mixed gas from which N2 has been separated and discharged from the separator 50 is high-purity CO2 . This high-temperature gas is sent to a CO2 utilization destination, such as a storage tank that liquefies or pressurizes CO2 and stores it .
　図２は、混合ガス中のＣＯ2濃度に応じて変化するゼオライトのＣＯ2吸着量の説明図である。図２には、単位グラム当たりの１３型のゼオライトが、混合ガス中のＣＯ2濃度に応じて吸着するＣＯ2吸着量の変化が曲線Ｃ１として示されている。図２の横軸は、分離器５０の入口に流入する混合ガス中の濃度であり、縦軸は、１グラム当たりのゼオライトに吸着される吸着量（ｍｍｏｌ）である。また、図２には、比較として混合ガス中のＣＨ4濃度に応じてゼオライトが吸着するＣＨ4吸着量の変化が曲線Ｃ２として示されている。図２には、比較として混合ガス中のＮ2濃度に応じてゼオライトが吸着するＮ2吸着量の変化が曲線Ｃ３として示されている。 FIG. 2 is an explanatory diagram of the CO2 adsorption amount of zeolite that changes according to the CO2 concentration in the mixed gas. In FIG. 2, the change in the CO2 adsorption amount adsorbed by 13-type zeolite per unit gram according to the CO2 concentration in the mixed gas is shown as a curve C1. The horizontal axis of FIG. 2 is the concentration in the mixed gas flowing into the inlet of the separator 50, and the vertical axis is the adsorption amount (mmol) adsorbed by zeolite per gram. In addition, in FIG. 2, the change in the CH4 adsorption amount adsorbed by zeolite according to the CH4 concentration in the mixed gas is shown as a curve C2 for comparison. In FIG. 2, the change in the N2 adsorption amount adsorbed by zeolite according to the N2 concentration in the mixed gas is shown as a curve C3 for comparison.
　図２に示されるように、ＣＯ2，ＣＨ4，Ｎ2のいずれも混合ガス中の濃度が高いほど、ゼオライトの吸着量が増加する。同じ入口濃度におけるＣＯ2吸着量は、ＣＨ4吸着量とＮ2吸着量とのいずれよりもはるかに多い。ＣＨ4吸着量およびＮ2吸着量は、入口濃度の増加に伴い、直線的に吸着量が増加する。一方で、曲線Ｃ１で表されるＣＯ2吸着量は、入口濃度が１００％から徐々に減少するにつれて、入口濃度が３０％ぐらいまではほぼ直線的に減少する。入口濃度が３０％未満で、入口濃度の減少量に対するＣＯ2の吸着量の減少量は、大幅に低下する。このことから、分離器５０に供給される混合ガス中のＣＯ2濃度が３０％未満のように極端に小さくない限りは、ゼオライトに十分に吸着されると考えられる。 As shown in FIG. 2, the higher the concentration of CO 2 , CH 4 , and N 2 in the mixed gas, the greater the amount of adsorption of zeolite. The amount of CO 2 adsorption at the same inlet concentration is much greater than either the amount of CH 4 adsorption or the amount of N 2 adsorption. The amount of CH 4 adsorption and the amount of N 2 adsorption increase linearly with an increase in the inlet concentration. On the other hand, the amount of CO 2 adsorption represented by the curve C1 decreases almost linearly as the inlet concentration gradually decreases from 100% until the inlet concentration reaches about 30%. When the inlet concentration is less than 30%, the amount of decrease in the amount of CO 2 adsorption relative to the amount of decrease in the inlet concentration is significantly reduced. From this, it is considered that the CO 2 concentration in the mixed gas supplied to the separator 50 is sufficiently adsorbed by the zeolite unless it is extremely small, such as less than 30%.
　図３は、ケミカルループ燃焼の原理の説明図である。図３には、比較例の燃料システム１００ｘの概略ブロック図が示されている。比較例の燃料システム１００ｘは、金属粒子を酸化させる空気塔１０と、酸化した金属粒子を還元する燃料塔２０と、燃料塔２０から供給される混合ガス中のＨ2Ｏを除去する脱水器４０と、を備えている。なお、図３では、金属粒子ｍｇとして用いられる金属の原子（または分子）を、Ｍｅとして表現している。 Fig. 3 is an explanatory diagram of the principle of chemical looping combustion. Fig. 3 shows a schematic block diagram of a fuel system 100x of a comparative example. The fuel system 100x of the comparative example includes an air tower 10 that oxidizes metal particles, a fuel tower 20 that reduces the oxidized metal particles, and a dehydrator 40 that removes H2O from the mixed gas supplied from the fuel tower 20. In Fig. 3, the metal atoms (or molecules) used as the metal particles mg are represented as Me.
　空気塔１０では、空気が供給されて、金属粒子ｍｇの酸化反応による反応熱がＣＯ2を含まない高温のＮ2として熱利用先に供給される。燃料塔２０では、酸化された金属粒子ｍｇがＣＨ4などの燃料に還元されて、還元反応により生成されたＣＯ2を含む混合ガスが脱水器４０に供給される。脱水器４０で混合ガス中のＨ2Ｏが除去されて、高純度のＣＯ2を含む混合ガスがＣＯ2利用先に供給される。 In the air tower 10, air is supplied, and the reaction heat from the oxidation reaction of the metal particles (mg) is supplied to the heat utilization destination as high-temperature N2 that does not contain CO2 . In the fuel tower 20, the oxidized metal particles (mg) are reduced to fuel such as CH4 , and the mixed gas containing CO2 generated by the reduction reaction is supplied to the dehydrator 40. In the dehydrator 40, H2O in the mixed gas is removed, and the mixed gas containing high-purity CO2 is supplied to the CO2 utilization destination.
＜比較例＞
　図４は、比較例のケミカルルーピング燃焼システム（燃焼システム）１００ｘの概略ブロック図である。図４に示される比較例の燃焼システム１００ｘは、図１に示される燃焼システム１００と比較して、熱交換器３０および分離器５０を備えていない。その代わりに、比較例の燃焼システム１００ｘは、実施形態の空気塔側ループシール部６０よりも大型の空気塔側ループシール部６０ｘを備えている。 Comparative Example
Fig. 4 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100x of a comparative example. The combustion system 100x of the comparative example shown in Fig. 4 does not include the heat exchanger 30 and the separator 50, as compared with the combustion system 100 shown in Fig. 1. Instead, the combustion system 100x of the comparative example includes an air tower side loop seal part 60x that is larger than the air tower side loop seal part 60 of the embodiment.
　比較例の燃焼システム１００ｘでは、燃料塔２０から排出される混合ガス中のＮ2が分離器５０により分離されないため、燃料塔２０へのＮ2の流入を抑制する必要がある。そのために比較例の空気塔側ループシール部６０ｘが大型化している。空気塔側ループシール部６０ｘが大型化することにより、空気塔側ループシール部６０ｘ内に複数の金属粒子ｍｇにより形成される粒子層が増大する。この結果、増大した粒子層が燃料塔２０へと流入するＮ2を抑制できる。しかしながら、粒子層が増大することにより、サイクロン１５から排出された金属粒子ｍｇが燃料塔２０に流入するまでの時間は長くなる。そのため、空気塔１０の酸化反応により加熱された金属粒子ｍｇの温度は、燃料塔２０に流入するまでに下がってしまう。燃料塔２０では、金属粒子ｍｇの温度効果分をヒータ２５の加熱等により補う必要がある。ヒータ２５の加熱等に利用されるエネルギを抑制するため、空気塔側ループシール部６０ｘが小型化され、空気塔側ループシール部６０ｘ内に形成される粒子層が小さいことが好ましい。 In the combustion system 100x of the comparative example, since N2 in the mixed gas discharged from the fuel tower 20 is not separated by the separator 50, it is necessary to suppress the inflow of N2 into the fuel tower 20. For this reason, the air tower side loop seal part 60x of the comparative example is enlarged. By enlarging the air tower side loop seal part 60x, the particle layer formed by multiple metal particles mg in the air tower side loop seal part 60x increases. As a result, the enlarged particle layer can suppress N2 flowing into the fuel tower 20. However, as the particle layer increases, the time it takes for the metal particles mg discharged from the cyclone 15 to flow into the fuel tower 20 becomes longer. Therefore, the temperature of the metal particles mg heated by the oxidation reaction of the air tower 10 drops before they flow into the fuel tower 20. In the fuel tower 20, it is necessary to compensate for the temperature effect of the metal particles mg by heating the heater 25, etc. In order to reduce the energy used for heating the heater 25, etc., it is preferable that the air tower side loop seal portion 60x is made small and the particle layer formed in the air tower side loop seal portion 60x is small.
　それに対して本実施形態の燃焼システム１００は、混合ガスに含まれるＣＯ2とＮ2とを分離して、ＣＯ2を取り出す分離器５０を備えている。燃焼システム１００では、空気塔１０内における金属粒子ｍｇの酸化反応により発生する熱は、図１に示されるように、ＣＯ2を含まないＮ2を介して熱利用先に供給される。熱を供給するガスにＣＯ2が含まれないため、ＣＯ2が熱の供給先特有の不純物と混合することを抑制し、供給先から二酸化炭素を回収できなくなることを抑制できる。また、本実施形態では、燃料塔２０から排出される混合ガス中のＮ2が分離器５０により分離されるため、燃料塔２０に窒素が流入しても高純度のＣＯ2を回収できる。分離器５０により混合ガス中のＮ2が分離されるため、比較例の燃料システム１００ｘのように、空気塔側ループシール部６０ｘを大型化する必要がない。この結果、金属粒子ｍｇが空気塔側ループシール部６０に滞留する時間を短くでき、金属粒子ｍｇが空気塔１０から燃料塔２０へと移動する間の放熱損失を抑制できる。そのため、本実施形態の燃焼システム１００全体のエネルギ効率を向上させることができる。本実施形態の燃焼システム１００は、ケミカルルーピング燃焼システムの最大のメリットは熱供給先にＣＯ2を供給せずに済むことと考え、空気塔１０にＣＯ2が流入することは問題であるが、燃料塔２０にＮ2が流入すること自体は問題ではないとの着想から到達したシステムである。本実施形態の燃焼システム１００は、単に、Ｎ2を分離するための分離器５０を備えるだけではなく、燃料塔２０へのＮ2の流入を許容することにより、燃焼システム１００全体のエネルギ効率を向上させることができた。 In contrast, the combustion system 100 of this embodiment is equipped with a separator 50 that separates CO 2 and N 2 contained in the mixed gas and extracts CO 2. In the combustion system 100, the heat generated by the oxidation reaction of the metal particles mg in the air tower 10 is supplied to the heat utilization destination via N 2 that does not contain CO 2 , as shown in FIG. 1. Since the gas supplying heat does not contain CO 2 , it is possible to suppress mixing of CO 2 with impurities specific to the heat supply destination and suppress the inability to recover carbon dioxide from the supply destination. In addition, in this embodiment, since N 2 in the mixed gas discharged from the fuel tower 20 is separated by the separator 50, high-purity CO 2 can be recovered even if nitrogen flows into the fuel tower 20. Since the separator 50 separates N 2 in the mixed gas, it is not necessary to enlarge the air tower side loop seal portion 60x as in the fuel system 100x of the comparative example. As a result, the time that the metal particles mg remain in the air tower side loop seal portion 60 can be shortened, and the heat loss during the movement of the metal particles mg from the air tower 10 to the fuel tower 20 can be suppressed. Therefore, the energy efficiency of the entire combustion system 100 of this embodiment can be improved. The combustion system 100 of this embodiment is a system that was arrived at based on the idea that the greatest advantage of a chemical looping combustion system is that it is not necessary to supply CO2 to the heat supply destination, and that while the inflow of CO2 into the air tower 10 is a problem, the inflow of N2 into the fuel tower 20 itself is not a problem. The combustion system 100 of this embodiment is not only equipped with a separator 50 for separating N2 , but also allows the inflow of N2 into the fuel tower 20, thereby improving the energy efficiency of the entire combustion system 100.
　また、本実施形態の熱交換器３０は、燃料塔２０から供給される混合ガスを介して、燃料塔２０内で発生する熱を回収する。分離器５０は、熱交換器３０により回収された熱を利用して、混合ガスに含まれるＣＯ2とＮ2とを分離し、ＣＯ2を取り出す。比較例の燃料システム１００ｘでは、Ｈ2Ｏの除去のために、高温の混合ガスの熱が捨てられていたが、本実施形態では、熱交換器３０により混合ガスの廃熱が分離器５０のＮ2分離に利用されている。この結果、本実施形態の燃焼システム１００全体のエネルギ効率を向上させることができる。 Further, the heat exchanger 30 of this embodiment recovers heat generated in the fuel tower 20 through the mixed gas supplied from the fuel tower 20. The separator 50 separates CO2 and N2 contained in the mixed gas using the heat recovered by the heat exchanger 30, and extracts CO2 . In the fuel system 100x of the comparative example, the heat of the high-temperature mixed gas is discarded to remove H2O , but in this embodiment, the waste heat of the mixed gas is used by the heat exchanger 30 for N2 separation in the separator 50. As a result, the energy efficiency of the entire combustion system 100 of this embodiment can be improved.
＜第２実施形態＞
　図５は、第２実施形態のケミカルルーピング燃焼システム（燃焼システム）１００ａの概略ブロック図である。第２実施形態の燃料システム１００ａでは、第１実施形態の燃焼システム１００と比較して、燃料塔２０ａに燃料のＣＨ4に加えて更にＯ2を含むガスとしての空気が供給される点が異なる。第２実施形態では、第１実施形態と異なる構成について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。 Second Embodiment
5 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100a of the second embodiment. The fuel system 100a of the second embodiment is different from the combustion system 100 of the first embodiment in that air is supplied as a gas containing O2 to the fuel tower 20a in addition to the fuel CH4 . In the second embodiment, the configuration different from the first embodiment will be described, and the description of the same configuration will be omitted.
　第２実施形態では、燃料塔２０ａのシール２０Ｓの下方からＣＨ4と共に空気が供給される。空気が供給されることにより、空気に含まれるＯ2と、燃料のＣＨ4に還元された金属粒子ｍｇとの酸化反応により発熱する。燃料塔２０ａに供給される空気に含まれるＮ2は、空気塔１０から燃料塔２０ａへと流入するＮ2と同じように、分離器５０によりＣＯ2と分離される。 In the second embodiment, air is supplied together with CH4 from below the seal 20S of the fuel tower 20a. When air is supplied, heat is generated by an oxidation reaction between O2 contained in the air and the metal particles mg reduced to CH4 of the fuel. N2 contained in the air supplied to the fuel tower 20a is separated from CO2 by the separator 50 in the same manner as N2 flowing from the air tower 10 into the fuel tower 20a.
　以上のように、第２実施形態の燃焼システム１００ａでは、燃料塔２０ａに燃料のＣＨ4に加えて更に酸素を含むガスとしての空気が供給される。燃料塔２０ａにおける金属粒子ｍｇとＣＨ4との還元反応は、吸熱反応である。本実施形態の燃焼システム１００ａによれば、燃料塔２０ａにＯ2を含む空気が供給されることにより、供給された空気中のＯ2と、還元済の金属粒子ｍｇとが酸化反応し、燃料塔２０ａ内の温度が上昇する。これにより、燃料塔２０ａ内の温度が還元反応に適した温度まで上昇し、還元反応が促進される。さらに、燃料塔２０ａ内の金属粒子ｍｇとＯ2との反応熱は、直接燃料塔２０ａ内の昇温に利用される。そのため、燃料塔２０ａをヒータ２５により加熱する場合と比較して、少ないエネルギで燃料塔２０ａを加熱できる。 As described above, in the combustion system 100a of the second embodiment, air is supplied to the fuel tower 20a as a gas containing oxygen in addition to the fuel CH 4. The reduction reaction between the metal particles mg and CH 4 in the fuel tower 20a is an endothermic reaction. According to the combustion system 100a of this embodiment, air containing O 2 is supplied to the fuel tower 20a, so that the O 2 in the supplied air and the reduced metal particles mg undergo an oxidation reaction, and the temperature in the fuel tower 20a increases. As a result, the temperature in the fuel tower 20a increases to a temperature suitable for the reduction reaction, and the reduction reaction is promoted. Furthermore, the reaction heat between the metal particles mg and O 2 in the fuel tower 20a is directly used to increase the temperature in the fuel tower 20a. Therefore, the fuel tower 20a can be heated with less energy than when the fuel tower 20a is heated by the heater 25.
＜第３実施形態＞
　図６は、第３実施形態のケミカルルーピング燃焼システム（燃焼システム）１００ｂの概略ブロック図である。第３実施形態の燃料システム１００ｂでは、第１実施形態の燃焼システム１００と比較して、空気塔側ループシール部６０ｂにＯ2を含むガスとしての空気が供給される点が異なる。第３実施形態では、第１実施形態と異なる構成について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。 Third Embodiment
6 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100b of the third embodiment. The fuel system 100b of the third embodiment is different from the combustion system 100 of the first embodiment in that air is supplied as a gas containing O2 to the air tower side loop seal part 60b. In the third embodiment, the configuration different from the first embodiment will be described, and the description of the same configuration will be omitted.
　第３実施形態では、空気塔側ループシール部６０ｂのシール６０Ｓの下方から水蒸気と共に空気が供給される。空気塔側ループシール部６０ｂに空気が供給されると、一部の空気は燃料塔２０へと流入し、残りの空気はサイクロン１５へと流入する。燃料塔２０へと流入する空気中のＯ2は、第２実施形態で燃料塔２０ａに供給される空気中のＯ2と同様に、燃料塔２０内で還元された金属粒子ｍｇと反応する。Ｏ2と金属粒子ｍｇとの酸化反応の発熱により、燃料塔２０内が昇温する。また、このシール６０Ｓの下方から供給された空気は、水蒸気と同じように空気塔１０から空気塔側ループシール部６０ｂに流入しようとするＮ2を抑制するため、燃料塔２０にＮ2が流入することを抑制する。結果として、ここで必要な水蒸気流量を低減でき、水蒸気生成に必要なエネルギ（水を加熱するエネルギ）を低減できる。 In the third embodiment, air is supplied together with water vapor from below the seal 60S of the air tower side loop seal part 60b. When air is supplied to the air tower side loop seal part 60b, a part of the air flows into the fuel tower 20, and the remaining part flows into the cyclone 15. O 2 in the air flowing into the fuel tower 20 reacts with the metal particles mg reduced in the fuel tower 20, similar to O 2 in the air supplied to the fuel tower 20a in the second embodiment. The heat generated by the oxidation reaction between O 2 and the metal particles mg raises the temperature inside the fuel tower 20. In addition, the air supplied from below the seal 60S suppresses N 2 that tries to flow from the air tower 10 to the air tower side loop seal part 60b in the same way as water vapor, thereby suppressing the flow of N 2 into the fuel tower 20. As a result, the flow rate of water vapor required here can be reduced, and the energy required for water vapor generation (energy for heating water) can be reduced.
　以上のように、第３実施形態の燃焼システム１００ｂでは、空気塔側ループシール部６０ｂにＯ2を含むガスとしての空気が供給される。第３実施形態では、空気塔１０と燃料塔２０との間に配置された空気塔側ループシール部６０ｂにＯ2を含む空気が供給される。空気塔側ループシール部６０ｂに供給された空気は、空気塔１０と燃料塔２０との両方に流入する。この結果、空気塔１０に流入する空気が、空気塔１０から空気塔側ループシール部６０ｂに流入しようとするＮ2を抑制するため、燃料塔２０にＮ2が流入することをより少ない水蒸気流量で抑制できる。また、空気塔側ループシール部６０ｂから燃料塔２０へと流入した酸素は、還元された金属粒子ｍｇと酸化反応することにより発熱する。これにより、分離器５０によるＮ2を分離するためのエネルギが減少し、かつ、水蒸気生成に要するエネルギが減少し、更に、少ないエネルギで燃料塔２０内を加熱できるため、燃焼システム１００ｂ全体のエネルギ効率をさらに向上させることができる。 As described above, in the combustion system 100b of the third embodiment, air as a gas containing O 2 is supplied to the air tower side loop seal part 60b. In the third embodiment, air containing O 2 is supplied to the air tower side loop seal part 60b arranged between the air tower 10 and the fuel tower 20. The air supplied to the air tower side loop seal part 60b flows into both the air tower 10 and the fuel tower 20. As a result, the air flowing into the air tower 10 suppresses N 2 that tries to flow from the air tower 10 to the air tower side loop seal part 60b, so that the flow of N 2 into the fuel tower 20 can be suppressed with a smaller steam flow rate. In addition, the oxygen that flows into the fuel tower 20 from the air tower side loop seal part 60b generates heat by undergoing an oxidation reaction with the reduced metal particles mg. As a result, the energy required for separating N 2 by the separator 50 is reduced, and the energy required for generating steam is reduced, and further, the inside of the fuel tower 20 can be heated with less energy, so that the energy efficiency of the entire combustion system 100b can be further improved.
＜第４実施形態＞
　図７は、第４実施形態のケミカルルーピング燃焼システム（燃焼システム）１００ｃの概略ブロック図である。第４実施形態の燃料システム１００ｃは、第２実施形態の燃焼システム１００ａと比較して、ヒータ２５を備えず、熱交換器３０により回収された熱が脱水器４０ｃおよび分離器５０ｃに利用され、燃料塔２０ａに供給される空気および燃料の流量が制御される点が異なる。第４実施形態では、燃料塔２０ａに供給される空気および燃料の流量を制御することにより、ヒータ２５による加熱分を燃料塔２０ａ内の金属粒子ｍｇの酸化反応の発熱により補う。なお、第４実施形態では、第２実施形態と異なる構成について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。 Fourth Embodiment
7 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100c of the fourth embodiment. The fuel system 100c of the fourth embodiment is different from the combustion system 100a of the second embodiment in that it does not include a heater 25, the heat recovered by the heat exchanger 30 is used for the dehydrator 40c and the separator 50c, and the flow rate of the air and fuel supplied to the fuel tower 20a is controlled. In the fourth embodiment, the flow rate of the air and fuel supplied to the fuel tower 20a is controlled to compensate for the heating by the heater 25 by the heat generated by the oxidation reaction of the metal particles mg in the fuel tower 20a. In the fourth embodiment, the configuration different from the second embodiment will be described, and the description of the same configuration will be omitted.
　第４実施形態の燃焼システム１００ｃは、燃料塔２０ａに供給される空気と燃料としてのＣＨ4との各流量を制御する制御部８０を備えている。制御部８０は、マスフローコントローラなどの周知の装置で構成されている。制御部８０は、ヒータ２５等の外部熱源による燃料塔２０ａの加熱分を補う熱量を、燃料塔２０ａ内の金属粒子ｍｇの酸化反応の発熱で補う。 The combustion system 100c of the fourth embodiment includes a control unit 80 that controls the flow rates of air and CH4 as fuel supplied to the fuel tower 20a. The control unit 80 is configured with a known device such as a mass flow controller. The control unit 80 compensates for the amount of heat required to heat the fuel tower 20a by an external heat source such as the heater 25 with heat generated by the oxidation reaction of the metal particles mg in the fuel tower 20a.
　ここで、空気塔１０で１ｋＷの発熱を連続的に得ることを想定する。この場合、燃料塔２０でＣＨ4の流量１．５ｓｌｍでの金属粒子ｍｇの還元が必要となる。当該流量の還元反応による吸熱量は、０．１１６ｋＷである。この吸熱量を、燃料塔２０ａ内の金属粒子ｍｇの再酸化により補うためには、流量１．９ｓｌｍの空気と、流量０．２ｓｌｍのＣＨ4とが必要である。燃料塔２０ａ内における具体的な発熱量としては、流量１．９ｓｌｍの空気による発熱が０．１３２ｋＷであり、流量０．２ｓｌｍのＣＨ4による吸熱が０．０１６ｋＷであり、差し引き０．１１６ｋＷの発熱となる。燃料塔２０ａに、流量１．９ｓｌｍの空気と、流量０．２ｓｌｍのＣＨ4とが供給される場合に、分離器５０ｃに供給されるＨ2Ｏ除去後の混合ガスの組成は、５３％のＣＯ2と、４７％のＮ2とで構成される。図２に示されるゼオライトのＣＯ2吸着量の曲線Ｃ１から、混合ガス中のＣＯ2の入口濃度が５３％であっても、ゼオライトは混合ガス中のＣＯ2を十分に吸着できることがわかる。すなわち、ヒータ２５により燃料塔２０ａを加熱しなくても、燃料塔２０ａにおける還元後の金属粒子ｍｇの再酸化を利用することにより、燃料塔２０ａ内の温度を還元反応が発生する温度に制御できる。 Here, it is assumed that 1 kW of heat is continuously generated in the air tower 10. In this case, it is necessary to reduce the metal particles mg in the fuel tower 20 with CH4 at a flow rate of 1.5 slm. The amount of heat absorbed by the reduction reaction at this flow rate is 0.116 kW. In order to compensate for this amount of heat absorption by reoxidizing the metal particles mg in the fuel tower 20a, air at a flow rate of 1.9 slm and CH4 at a flow rate of 0.2 slm are required. The specific amounts of heat generated in the fuel tower 20a are 0.132 kW heat generated by air at a flow rate of 1.9 slm and 0.016 kW heat absorbed by CH4 at a flow rate of 0.2 slm, resulting in a net heat generation of 0.116 kW. When air at a flow rate of 1.9 slm and CH4 at a flow rate of 0.2 slm are supplied to the fuel tower 20a, the composition of the mixed gas after H2O removal supplied to the separator 50c is composed of 53% CO2 and 47% N2 . From the curve C1 of the CO2 adsorption amount of zeolite shown in Figure 2, it can be seen that even if the inlet concentration of CO2 in the mixed gas is 53%, the zeolite can sufficiently adsorb CO2 in the mixed gas. In other words, even if the fuel tower 20a is not heated by the heater 25, the temperature in the fuel tower 20a can be controlled to a temperature at which the reduction reaction occurs by utilizing the reoxidation of the metal particles mg after reduction in the fuel tower 20a.
　第４実施形態の脱水器４０ｃは、温度スイング式の脱水器である。また、第４実施形態の分離器５０ｃは、温度スイング式の分離器である。第４実施形態の脱水器４０ｃは、熱交換器３０により回収された混合ガスの熱を利用して、混合ガス中のＨ2Ｏを除去する。 The dehydrator 40c of the fourth embodiment is a temperature swing type dehydrator. Also, the separator 50c of the fourth embodiment is a temperature swing type separator. The dehydrator 40c of the fourth embodiment removes H2O from the mixed gas by utilizing the heat of the mixed gas recovered by the heat exchanger 30.
　以上のように、第４実施形態では、燃料塔２０ａを加熱するヒータ２５が不要となり、燃料塔２０ａ内の金属粒子ｍｇの再酸化の発熱により燃料塔２０ａ内が加熱される。さらに、分離器５０ｃに加えて脱水器４０ｃも熱交換器３０により回収された熱を利用可能である。そのため、分離器５０ｃと脱水器４０ｃとのそれぞれで利用される熱を制御することにより、燃焼システム１００ｃ全体のエネルギ効率をさらに向上させることができる。 As described above, in the fourth embodiment, the heater 25 for heating the fuel tower 20a is not necessary, and the inside of the fuel tower 20a is heated by the heat generated by the reoxidation of the metal particles mg in the fuel tower 20a. Furthermore, in addition to the separator 50c, the dehydrator 40c can also use the heat recovered by the heat exchanger 30. Therefore, by controlling the heat used by each of the separator 50c and the dehydrator 40c, the energy efficiency of the entire combustion system 100c can be further improved.
＜第５実施形態＞
　第５実施形態のケミカルルーピング燃焼システムは、第４実施形態の燃料システム１００ｃと同じ構成を有し、制御部８０による制御内容が異なる。そのため、第５実施形態では、第４実施形態と異なる制御部８０の制御内容について説明し、その他の構成等の説明を省略する。 Fifth Embodiment
The chemical looping combustion system of the fifth embodiment has the same configuration as the fuel system 100c of the fourth embodiment, but is different in the content of control by the control unit 80. Therefore, in the fifth embodiment, only the content of control by the control unit 80 that is different from that in the fourth embodiment will be described, and a description of the other configurations will be omitted.
　第５実施形態の制御部８０は、熱利用先で必要とされる要求発熱量、すなわち、空気塔１０内の金属粒子ｍｇの酸化反応の発熱量ＷAR（ｋＷ）を取得すると、発熱量ＷARに応じて、Ｏ2を含む空気の流量Ｑair_FR（ｓｌｍ）と、燃料としてのＣＨ4の流量Ｑfuel_add_AR（ｓｌｍ）とを算出する。制御部８０は、算出された空気の流量Ｑair_FRと、燃料の流量Ｑfuel_add_ARとのそれぞれの３０％以上３００％以下の流量を、燃料塔２０ａに供給するように制御する。 The control unit 80 of the fifth embodiment acquires the required calorific value required by the heat user, i.e., the calorific value W AR (kW) of the oxidation reaction of the metal particles mg in the air tower 10, and calculates the flow rate Q air_FR (slm) of air containing O 2 and the flow rate Q fuel_add_AR (slm) of CH 4 as fuel according to the calorific value W AR . The control unit 80 controls the flow rates of the calculated air flow rate Q air_FR and fuel flow rate Q fuel_add_AR to be 30% or more and 300% or less, respectively, supplied to the fuel tower 20a.
　空気の流量Ｑair_FRおよび燃料の流量Ｑfuel_add_ARは、下記式（１），（５）のように表される。なお、下記式（１），（５）では、発熱量ＬＨＶfuel（ｋＪ／ｍｏｌ）、発熱量ΔｈAR（ｋＪ／ｍｏｌ）、吸熱量ΔｈFR（ｋＪ／ｍｏｌ）、酸素濃度ＸO2、およびモル量ｂ（ｍｏｌ／ｍｏｌ）のそれぞれは、下記のように定義されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ＬＨＶfuel：燃料の１ｍｏｌ当たりの発熱量（ｋＪ／ｍｏｌ）
ΔｈAR：空気塔１０内のＯ2１ｍｏｌ当たりの酸化反応の発熱量（ｋＪ／ｍｏｌ）
ΔｈFR：燃料塔２０ａ内の燃料１ｍｏｌ当たりの還元反応の吸熱量（ｋＪ／ｍｏｌ）
ＸO2：空気中の酸素濃度
ｂ：燃料１ｍｏｌを完全燃焼させる際に必要なＯ2のモル量（ｍｏｌ／ｍｏｌ） The air flow rate Q air_FR and the fuel flow rate Q fuel_add_AR are expressed by the following equations (1) and (5). In the following equations (1) and (5), the calorific value LHV fuel (kJ/mol), the calorific value Δh AR (kJ/mol), the endothermic value Δh FR (kJ/mol), the oxygen concentration X O2 , and the molar amount b (mol/mol) are defined as follows:
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 LHV fuel : Heat value per 1 mol of fuel (kJ/mol)
Δh AR : Heat generated by the oxidation reaction per 1 mol of O 2 in the air tower 10 (kJ/mol)
Δh FR : Amount of heat absorbed by the reduction reaction per 1 mol of fuel in the fuel tower 20a (kJ/mol)
X O2 : Oxygen concentration in the air b: Molar amount of O2 required to completely combust 1 mol of fuel (mol/mol)
　以上のように、第５実施形態では、燃料塔２０に供給されるＯ2を含む空気の流量が流量Ｑair_FRの３０％以上３００％以下である。燃料がＣＨ4である場合に、空気の流量Ｑair_FRの上限値が３００％であるため、燃料塔２０から排出される混合ガス中のＣＯ2が３０％未満になることを抑制できる。分離器５０ｃに用いられるゼオライトは、混合ガス中のＣＯ2が３０％未満から低下するほど、図２に示されるように、Ｎ2を分離するために必要なエネルギが急増する。本実施形態では、混合ガス中のＣＯ2が３０％以上であるため、分離に必要なエネルギを抑制できる。また、燃料塔２０に供給されるＯ2の流量が過小であると、燃料塔２０内におけるＯ2と金属粒子ｍｇとの酸化反応による効果が抑制される。しかしながら、燃料塔２０に供給される空気の流量の下限値が流量Ｑair_FRの３０％として制御されることにより、燃料塔２０内における酸化反応による反応熱を十分に得られる。 As described above, in the fifth embodiment, the flow rate of the air containing O 2 supplied to the fuel tower 20 is 30% or more and 300% or less of the flow rate Q air_FR . When the fuel is CH 4 , the upper limit value of the air flow rate Q air_FR is 300%, so that it is possible to prevent the CO 2 in the mixed gas discharged from the fuel tower 20 from becoming less than 30%. As shown in FIG. 2, the zeolite used in the separator 50c increases the energy required to separate N 2 rapidly as the CO 2 in the mixed gas decreases from less than 30%. In this embodiment, the CO 2 in the mixed gas is 30% or more, so that it is possible to suppress the energy required for separation. In addition, if the flow rate of O 2 supplied to the fuel tower 20 is too small, the effect of the oxidation reaction between O 2 and the metal particles mg in the fuel tower 20 is suppressed. However, the lower limit value of the flow rate of the air supplied to the fuel tower 20 is controlled to 30% of the flow rate Q air_FR , so that the reaction heat due to the oxidation reaction in the fuel tower 20 can be sufficiently obtained.
＜第６実施形態＞
　図８は、第６実施形態のケミカルルーピング燃焼システム（燃焼システム）１００ｄの概略ブロック図である。第６実施形態の燃料システム１００ｄは、第４実施形態の燃焼システム１００ｃと比較して、熱交換器３５と、真空ポンプ５５とを備えている点が異なる。第６実施形態では、第４実施形態と異なる構成について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。 Sixth Embodiment
8 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100d of the sixth embodiment. The fuel system 100d of the sixth embodiment is different from the combustion system 100c of the fourth embodiment in that it includes a heat exchanger 35 and a vacuum pump 55. In the sixth embodiment, the configurations different from those of the fourth embodiment will be described, and the description of the same configurations will be omitted.
　第６実施形態の燃料システム１００ｄは、図８に示されるように、サイクロン１５から排出された高温Ｎ2から熱を回収する熱交換器３５と、分離器５０ｃの下流側に配置された真空ポンプ５５と、を備えている。本実施形態では、燃料塔２０ａから混合ガスが供給される熱交換器３０が混合ガスから回収する熱が、脱水器４０ｃおよび分離器５０ｃの稼働に必要なエネルギに満たない場合に、熱交換器３５が熱利用先に供給される熱の一部を回収して、脱水器４０ｃと分離器５０ｃとの少なくとも一方に供給する。分離器５０ｃのうちの脱離中のゼオライトの脱離速度が不足する場合に、真空ポンプ５５による圧力スイングを、温度スイングに併用することにより脱離速度を向上させる。 As shown in Fig. 8, the fuel system 100d of the sixth embodiment includes a heat exchanger 35 that recovers heat from the high-temperature N2 discharged from the cyclone 15, and a vacuum pump 55 arranged downstream of the separator 50c. In this embodiment, when the heat recovered from the mixed gas by the heat exchanger 30 to which the mixed gas is supplied from the fuel tower 20a is not enough to operate the dehydrator 40c and the separator 50c, the heat exchanger 35 recovers a part of the heat supplied to the heat utilization destination and supplies it to at least one of the dehydrator 40c and the separator 50c. When the desorption speed of the zeolite during desorption in the separator 50c is insufficient, the desorption speed is improved by using the pressure swing by the vacuum pump 55 in combination with the temperature swing.
　以上のように、第６実施形態の燃焼システム１００ｄでは、熱交換器３５による熱利用先に供給される一部の熱の回収および利用と、真空ポンプ５５による圧力スイングを併用したＮ2とＣＯ2との分離とが行われる。これにより、燃焼システム１００ｄ全体のエネルギ効率が向上する。なお、他の実施形態の燃料システムは、熱交換器３５と、真空ポンプ５５との一方を備えていなくてもよい。 As described above, in the combustion system 100d of the sixth embodiment, the heat exchanger 35 recovers and utilizes a portion of the heat supplied to the heat utilization destination, and the vacuum pump 55 separates N2 and CO2 using a pressure swing. This improves the energy efficiency of the entire combustion system 100d. Note that the fuel systems of the other embodiments do not necessarily need to include either the heat exchanger 35 or the vacuum pump 55.
　＜第７実施形態＞
　図９は、第７実施形態のケミカルルーピング燃焼システム（燃焼システム）１００ｅの概略ブロック図である。第７実施形態の燃料システム１００ｅは、第６実施形態の燃焼システム１００ｄと比較して、熱交換器３５を備えていない点と、脱水器４０ｅおよび分離器５０ｅが圧力スイング式である点とが異なる。脱水器４０ｅが圧力スイング式であるため、燃焼システム１００ｅは、脱水器４０ｅに接続されている真空ポンプ４５を備えている。第７実施形態では、第６実施形態と異なる構成について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。 Seventh Embodiment
9 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100e of the seventh embodiment. The fuel system 100e of the seventh embodiment is different from the combustion system 100d of the sixth embodiment in that it does not include a heat exchanger 35 and that the dehydrator 40e and the separator 50e are pressure swing types. Since the dehydrator 40e is of the pressure swing type, the combustion system 100e includes a vacuum pump 45 connected to the dehydrator 40e. In the seventh embodiment, the configurations different from those of the sixth embodiment will be described, and the description of the same configurations and the like will be omitted.
　第７実施形態の脱水器４０ｅは、外部から供給されるエネルギを用いて稼働する真空ポンプ４５による圧力スイング式により、混合ガス中のＨ2Ｏを除去している。分離器５０ｅは、圧力スイング式であり、第６実施形態における温度スイング式と圧力スイング式とを併用している分離器とは異なる。第７実施形態の熱交換器３０ｅは、燃料塔２０ａから供給される混合ガスの熱を回収して、廃熱として燃焼システム１００ｅの外部に捨てている。 The dehydrator 40e of the seventh embodiment removes H2O from the mixed gas by a pressure swing system using a vacuum pump 45 that is operated using energy supplied from the outside. The separator 50e is a pressure swing type, which differs from the separator in the sixth embodiment that uses both a temperature swing type and a pressure swing type. The heat exchanger 30e of the seventh embodiment recovers heat from the mixed gas supplied from the fuel tower 20a and discards it as waste heat outside the combustion system 100e.
　以上のように、第７実施形態の燃焼システム１００ｅであっても、燃料塔２０ａから排出される混合ガスの顕熱分のエネルギ損失が、空気塔側ループシール部６０の大型化による放熱損失や、ヒータ２５の加熱によるエネルギロスよりも小さければ、燃焼システム１００ｅ全体のエネルギ効率を向上させることができる。 As described above, even in the seventh embodiment of the combustion system 100e, if the energy loss due to the sensible heat of the mixed gas discharged from the fuel tower 20a is smaller than the heat dissipation loss due to the enlargement of the air tower side loop seal section 60 and the energy loss due to heating by the heater 25, the energy efficiency of the entire combustion system 100e can be improved.
＜第８実施形態＞
　図１０は、第８実施形態のケミカルルーピング燃焼システム（燃焼システム）１００ｆの概略ブロック図である。第８実施形態の燃料システム１００ｆは、第７実施形態の燃焼システム１００ｅと比較して、ヒータ２５を備える点と、燃料塔２０に空気が供給されずに燃料のみが供給される点とが異なる。第８実施形態では、第７実施形態と異なる構成について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。 Eighth Embodiment
10 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100f of the eighth embodiment. The fuel system 100f of the eighth embodiment is different from the combustion system 100e of the seventh embodiment in that it includes a heater 25 and that only fuel is supplied to the fuel tower 20 without supplying air. In the eighth embodiment, only the configurations different from those of the seventh embodiment will be described, and the description of the same configurations and the like will be omitted.
　第８実施形態の燃料塔２０には、Ｏ2を含む空気が供給されないため、燃料塔２０内で還元された金属粒子ｍｇの再酸化反応が発生しない。その代わりに、外部のエネルギにより昇温するヒータ２５によって燃料塔２０が加熱される。第８実施形態の燃焼システム１００ｆであっても、燃料塔２０ａから排出される混合ガスの顕熱分のエネルギ損失と、ヒータ２５による加熱に必要なエネルギとの合計が、空気塔側ループシール部６０の大型化による放熱損失よりも小さければ、燃焼システム１００ｆ全体のエネルギ効率を向上させることができる。 Since the fuel tower 20 of the eighth embodiment is not supplied with air containing O2 , the reoxidation reaction of the reduced metal particles mg in the fuel tower 20 does not occur. Instead, the fuel tower 20 is heated by the heater 25, which is heated by external energy. Even in the combustion system 100f of the eighth embodiment, if the sum of the energy loss of the sensible heat of the mixed gas discharged from the fuel tower 20a and the energy required for heating by the heater 25 is smaller than the heat radiation loss due to the enlargement of the air tower side loop seal part 60, the energy efficiency of the entire combustion system 100f can be improved.
＜第９実施形態＞
　図１１は、第９実施形態のケミカルルーピング燃焼システム（燃焼システム）１００ｇの概略ブロック図である。第９実施形態のケミカルルーピング燃焼システムでは、第４実施形態の燃料システム１００ｃ（図７）に対して、燃料塔２０ａ内の温度を検出する温度センサ（温度取得部）９０を備える点と、制御部８０ｇによる制御内容とが異なる。そのため、第９実施形態では、第４実施形態と異なる構成および制御内容について説明し、その他の構成等の説明を省略する。 Ninth embodiment
Fig. 11 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100g of the ninth embodiment. The chemical looping combustion system of the ninth embodiment is different from the fuel system 100c (Fig. 7) of the fourth embodiment in that it includes a temperature sensor (temperature acquisition unit) 90 that detects the temperature inside the fuel tower 20a and in the control contents by the control unit 80g. Therefore, in the ninth embodiment, the configuration and control contents that are different from the fourth embodiment will be described, and descriptions of other configurations, etc. will be omitted.
　第９実施形態の制御部８０ｇは、温度センサ９０により取得された温度に応じて、燃料塔２０ａに供給される空気の流量Ｑair_FRを制御する。具体的には、制御部８０ｇは、燃料塔２０ａ内の目標温度がＴtarである場合に、目標温度Ｔtarから温度センサ９０により検出された検出温度Ｔ1を差し引いた温度差ΔＴに応じて、空気の流量Ｑair_FRを制御する。温度差ΔＴがゼロ以上の場合には、下記式（６）で示される流量Ｑair_FRの空気を燃料塔２０ａに供給する。なお、下記式（６）におけるｋは、予め設定された比例定数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 The control unit 80g of the ninth embodiment controls the flow rate Q air_FR of air supplied to the fuel tower 20a in accordance with the temperature acquired by the temperature sensor 90. Specifically, when the target temperature in the fuel tower 20a is T tar, the control unit 80g controls the flow rate Q air_FR of air in accordance with the temperature difference ΔT obtained by subtracting the detected temperature T 1 detected by the temperature sensor 90 from the target temperature T tar . When the temperature difference ΔT is equal to or greater than zero, air is supplied to the fuel tower 20a at a flow rate Q air_FR as shown in the following formula (6). Note that k in the following formula (6) is a preset proportionality constant.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　温度差ΔＴが負の場合には、制御部８０ｇは、燃料塔２０ａに供給する空気の流量Ｑair_FRをゼロに設定する。すなわち、燃料塔２０ａ内の温度が目標温度よりも高い場合には、燃料塔２０ａに空気が供給されない。 When the temperature difference ΔT is negative, the control unit 80g sets the flow rate Q air_FR of the air supplied to the fuel tower 20a to zero. In other words, when the temperature in the fuel tower 20a is higher than the target temperature, air is not supplied to the fuel tower 20a.
　図１２は、燃料塔２０ａに供給される空気の流量Ｑair_FRの制御のフローチャートである。図１２に示される制御フローでは、制御部８０ｇは、予め設定された初期流量Ｑair_0の空気を燃料塔２０に供給する（ステップＳ１）。制御部８０ｇは、温度センサ９０により検出された燃料塔２０ａ内の検出温度Ｔ1を取得する（ステップＳ２）。制御部８０ｇは、目標温度Ｔtarから検出温度Ｔ1を差し引いた温度差ΔＴがゼロ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。温度差ΔＴがゼロ未満であると判定された場合には（ステップＳ３：ＮＯ）、ステップＳ２以降の処理が繰り返される。 Fig. 12 is a flow chart of the control of the flow rate Q air_FR of air supplied to the fuel tower 20a. In the control flow shown in Fig. 12, the control unit 80g supplies air at a preset initial flow rate Q air_0 to the fuel tower 20 (step S1). The control unit 80g acquires the detected temperature T 1 in the fuel tower 20a detected by the temperature sensor 90 (step S2). The control unit 80g judges whether the temperature difference ΔT obtained by subtracting the detected temperature T 1 from the target temperature T tar is equal to or greater than zero (step S3). If it is judged that the temperature difference ΔT is less than zero (step S3: NO), the processing from step S2 onwards is repeated.
　温度差ΔＴがゼロ以上と判定された場合には（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御部８０ｇは、上記式（６）で算出される流量Ｑair_FRの空気を供給するように、燃料塔２０ａへの供給流量を制御する（ステップＳ４）。その後、ケミカルルーピング燃焼システムの制御を終了するか否かが判定される（ステップＳ５）。制御の終了判定は、例えば、外部からの制御終了の入力を受け付ける等などにより行われる。制御を終了しないと判定された場合には（ステップＳ５：ＮＯ）、ステップＳ２以降の処理が繰り返される。制御を終了すると判定された場合には（ステップＳ５：ＹＥＳ）、ケミカルルーピング燃焼システムの制御が終了する。なお、制御の終了判定は、図１２に示されるいずれかの処理が行われている途中で判定されてもよい。 When it is determined that the temperature difference ΔT is equal to or greater than zero (step S3: YES), the control unit 80g controls the supply flow rate to the fuel tower 20a so as to supply air at the flow rate Q air_FR calculated by the above formula (6) (step S4). Then, it is determined whether or not to end the control of the chemical looping combustion system (step S5). The control end determination is performed, for example, by receiving an input of control end from the outside. When it is determined that the control is not to be ended (step S5: NO), the processing from step S2 onward is repeated. When it is determined that the control is to be ended (step S5: YES), the control of the chemical looping combustion system is ended. The control end determination may be made during the execution of any of the processing shown in FIG. 12.
　以上のように、第９実施形態の制御部８０ｇは、温度センサ９０により取得された温度に応じて、燃料塔２０ａに供給される空気の流量Ｑair_FRを制御する。燃料塔２０ａ内では、空気に含まれるＯ2と金属粒子ｍｇとの酸化反応により燃料塔２０ａ内の温度が上昇する。そのため、供給される空気の流量Ｑair_FRが制御されることで、燃料塔２０ａ内の温度を制御できる。燃料塔２０ａ内の温度が還元反応および再酸化反応に適した温度に制御されることにより、燃焼システム１００ｇ全体のエネルギ効率を向上させることができる。 As described above, the control unit 80g of the ninth embodiment controls the flow rate Q air_FR of air supplied to the fuel tower 20a in accordance with the temperature acquired by the temperature sensor 90. In the fuel tower 20a, the temperature in the fuel tower 20a rises due to an oxidation reaction between O 2 contained in the air and the metal particles mg. Therefore, by controlling the flow rate Q air_FR of the supplied air, the temperature in the fuel tower 20a can be controlled. By controlling the temperature in the fuel tower 20a to a temperature suitable for the reduction reaction and the reoxidation reaction, the energy efficiency of the entire combustion system 100g can be improved.
　また、第９実施形態の制御部８０ｇは、燃料塔２０ａ内の目標温度Ｔtarから温度センサ９０により検出された検出温度Ｔ1を差し引いた温度差ΔＴがゼロ以上の場合には、下記式（１）で示される流量Ｑair_FRの空気を燃料塔２０ａに供給する。一方で、制御部８０ｇは、温度差ΔＴが負の場合には、燃料塔２０ａに供給する空気の流量Ｑair_FRをゼロに設定する。本実施形態の燃焼システム１００ｇによれば、目標温度Ｔtarよりも燃料塔２０ａ内の検出温度Ｔ1が低い場合に、燃料塔２０ａに供給される空気の流量Ｑair_FRが増加する。この結果、検出温度Ｔ1が目標温度Ｔtarよりも低い場合には、燃料塔２０ａ内に増加して供給される空気中のＯ2が金属粒子ｍｇと酸化反応することにより、燃料塔２０ａ内の温度が上昇する。一方で、検出温度Ｔ1が目標温度Ｔtarよりも高い場合には、燃料塔２０ａ内への空気の供給を停止する。この結果、燃料塔２０ａ内での酸化反応が減少して燃料塔２０ａ内の温度が低下する。すなわち、本実施形態の燃焼システム１００ｇでは、目標温度Ｔtarに近づくように燃料塔２０ａ内に供給される空気の流量Ｑair_FRが制御されるため、目標温度Ｔtarを基準として、燃焼システム１００ｇ全体のエネルギ効率を向上させることができる。 In addition, the control unit 80g of the ninth embodiment supplies air at a flow rate Q air_FR shown in the following formula (1) to the fuel tower 20a when the temperature difference ΔT obtained by subtracting the detected temperature T 1 detected by the temperature sensor 90 from the target temperature T tar in the fuel tower 20a is equal to or greater than zero. On the other hand, when the temperature difference ΔT is negative, the control unit 80g sets the flow rate Q air_FR of the air supplied to the fuel tower 20a to zero. According to the combustion system 100g of this embodiment, when the detected temperature T 1 in the fuel tower 20a is lower than the target temperature T tar , the flow rate Q air_FR of the air supplied to the fuel tower 20a increases. As a result, when the detected temperature T 1 is lower than the target temperature T tar , the O 2 in the air that is increased and supplied to the fuel tower 20a reacts with the metal particles mg to cause an oxidation reaction, thereby increasing the temperature in the fuel tower 20a. On the other hand, when the detected temperature T 1 is higher than the target temperature T tar , the supply of air to the fuel tower 20a is stopped. As a result, the oxidation reaction in the fuel tower 20a decreases, and the temperature in the fuel tower 20a decreases. That is, in the combustion system 100g of the present embodiment, the flow rate Q air_FR of the air supplied to the fuel tower 20a is controlled so as to approach the target temperature T tar , so that the energy efficiency of the entire combustion system 100g can be improved based on the target temperature T tar .
＜実施形態の変形例＞
　本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。また
、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。 <Modifications of the embodiment>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied in various forms without departing from the spirit of the present invention, for example, the following modifications are possible: In the above-described embodiment, a part of the configuration realized by hardware may be replaced by software, and conversely, a part of the configuration realized by software may be replaced by hardware.
　上記第１実施形態ないし第９実施形態では、ケミカルルーピング燃焼システムの一例について説明したが、ケミカルルーピング燃焼システムは、空気塔１０と、燃料塔２０と、分離器５０とを備える範囲で変形可能である。例えば、燃焼システム１００は、空気塔側ループシール部６０や燃料塔側ループシール部７０を備えていなくてもよい。空気塔１０、空気塔側ループシール部６０ｂ（図６）、および燃料塔２０ａ（図５）に供給される酸素を含むガスは、酸素を含んでいれば空気以外であってもよい。空気以外が供給される場合に、上記式（１）で示される酸素濃度ＸO2が適宜変更されて流量Ｑair_FRとしての酸素を含むガスが、空気の代わりに計算されてもよい。空気塔１０は、酸素を含むガスが供給されて、金属粒子ｍｇを酸化させる酸化塔とも換言できる。分離器５０に供給される熱は、熱交換器３０（図８）が燃料塔２０ａから排出される混合ガスから回収した熱ではなく、熱交換器３５がサイクロン１５から排出された高温Ｎ2ガスから回収した熱だけであってもよい。 In the above first to ninth embodiments, an example of a chemical looping combustion system has been described, but the chemical looping combustion system can be modified as long as it includes the air tower 10, the fuel tower 20, and the separator 50. For example, the combustion system 100 does not need to include the air tower side loop seal unit 60 and the fuel tower side loop seal unit 70. The oxygen-containing gas supplied to the air tower 10, the air tower side loop seal unit 60b (FIG. 6), and the fuel tower 20a (FIG. 5) may be other than air as long as it contains oxygen. When something other than air is supplied, the oxygen concentration X O2 shown in the above formula (1) may be appropriately changed and the oxygen-containing gas as the flow rate Q air_FR may be calculated instead of air. The air tower 10 can also be said to be an oxidation tower to which the oxygen-containing gas is supplied and the metal particles mg are oxidized. The heat supplied to the separator 50 may be only the heat recovered by the heat exchanger 35 from the high-temperature N2 gas discharged from the cyclone 15, not the heat recovered by the heat exchanger 30 (FIG. 8) from the mixed gas discharged from the fuel tower 20a.
　燃焼システム１００を循環する金属粒子ｍｇは、ＦｅＴｉＯ3以外の周知の材料を採用できる。同じように、燃料塔２０に供給される燃料は、ＣＨ4以外のＣ2Ｈ6やＣ3Ｈ8などでもよく、周知の材料を採用できる。例えば、金属粒子ｍｇとしてニッケル（Ｎｉ）や銅（Ｃｕ）を採用し、燃料としてＣ2Ｈ6を採用してもよい。この場合に、燃料塔２０内で発生する還元反応は、下記式（７），（８）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 The metal particles mg circulating through the combustion system 100 may be any known material other than FeTiO3 . Similarly, the fuel supplied to the fuel tower 20 may be any known material other than CH4 , such as C2H6 or C3H8 . For example, nickel (Ni) or copper (Cu) may be used as the metal particles mg, and C2H6 may be used as the fuel. In this case, the reduction reaction occurring in the fuel tower 20 is expressed by the following formulas (7) and (8).
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　また、分離器５０に充填されたＣＯ2を着脱可能な材料としてのゼオライトは、活性炭等の周知の他の材料を採用できる。上記第５実施形態の式（１）で示される流量Ｑair_FRの空気は、酸素を含むガスの範囲で変形可能である。同じように、上記式（５）で示される流量Ｑfuel_add_ARの燃料は、燃料塔２０で金属粒子ｍｇを還元可能な燃料の範囲で変形可能である。上記式（１），（５）における各パラメータは、酸素を含むガスおよび燃料に応じて変更されればよい。 Further, instead of zeolite as a material capable of adsorbing and desorbing CO2 filled in the separator 50, other well-known materials such as activated carbon can be adopted. The air at the flow rate Q air_FR shown in the formula (1) of the above fifth embodiment can be changed within the range of gas containing oxygen. Similarly, the fuel at the flow rate Q fuel_add_AR shown in the above formula (5) can be changed within the range of fuel capable of reducing the metal particles mg in the fuel tower 20. Each parameter in the above formulas (1) and (5) can be changed according to the gas and fuel containing oxygen.
　上記第１実施形態の燃焼システム１００は脱水器４０を備えていたが、他の実施形態の燃焼システムは脱水器４０を備えていなくてもよい。第１実施形態では、分離器５０が有するゼオライトがＨ2Ｏも吸着するため、分離器５０の上流側に脱水器４０が配置された。しかし、例えば、分離器５０がＨ2Ｏを吸着せずに、ＣＯ2とＮ2とを分離できる吸着剤で構成されることで、燃焼システムが脱水器４０を備えなくてもよい。また、分離器５０が有するゼオライトの量を増やすことにより、ゼオライトにＣＯ2に加えてＨ2Ｏも吸着させてもよい。 Although the combustion system 100 of the first embodiment includes the dehydrator 40, the combustion systems of the other embodiments may not include the dehydrator 40. In the first embodiment, the zeolite in the separator 50 also adsorbs H2O , so the dehydrator 40 is disposed upstream of the separator 50. However, for example, the separator 50 may be configured with an adsorbent that does not adsorb H2O but can separate CO2 and N2 , so that the combustion system does not need to include the dehydrator 40. Also, by increasing the amount of zeolite in the separator 50, the zeolite may adsorb H2O in addition to CO2 .
　以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 　Although the present aspect has been described above based on the embodiment and modified examples, the embodiment of the above-mentioned aspect is intended to facilitate understanding of the present aspect and does not limit the present aspect. The present aspect may be modified or improved without departing from the spirit and scope of the claims, and equivalents are included in the present aspect. Furthermore, if a technical feature is not described as essential in this specification, it may be deleted as appropriate.
　本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。
［適用例１］
　ケミカルルーピング燃焼システムであって、
　空気を用いて、金属粒子を酸化させる空気塔と、
　炭化水素が燃料として供給されると共に、前記空気塔から酸化された金属粒子および窒素を含むガスが供給され、前記燃料を用いて金属粒子を還元して二酸化炭素を含む混合ガスを排出する燃料塔と、
　前記混合ガスに含まれる二酸化炭素と窒素とを分離して、二酸化炭素を取り出す分離器と、
を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
［適用例２］
　適用例１に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
　前記燃料塔から排出される前記混合ガスが供給され、前記混合ガスを介して、前記燃料塔内で発生する熱を回収する熱交換器を備え、
　前記分離器は、前記熱交換器により回収された熱を利用して、前記混合ガスに含まれる二酸化炭素と窒素とを分離する、ケミカルルーピング燃焼システム。
［適用例３］
　適用例１または適用例２に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、
　前記燃料塔には、前記燃料に加えてさらに酸素を含むガスが供給される、ケミカルルーピング燃焼システム。
［適用例４］
　適用例１から適用例３までのいずれか一項に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
　前記空気塔の下流側、かつ、前記燃料塔の上流側に配置されたループシールであって、前記空気塔から前記燃料塔への窒素の流入を抑制し、酸素を含むガスが供給されるループシールを備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
［適用例５］
　適用例１から適用例４までのいずれか一項に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
　温度スイング式であり、前記熱交換器により回収された熱を利用して、前記混合ガスに含まれる水を除去する脱水器を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
［適用例６］
　適用例１または適用例５までのいずれか一項に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
　前記空気塔に要求される要求発熱量を取得し、前記要求発熱量を取得すると、前記燃料塔に供給される酸素を含むガスとしての空気の流量を制御する制御部を備え、
　前記制御部は、前記要求発熱量がＷAR（ｋＷ）であり、前記燃料の低位発熱量がＬＨＶfuel（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、前記空気塔における酸化反応時の酸素１ｍｏｌ当たりの発熱量がΔｈAR（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、前記燃料塔における還元反応時の前記燃料１ｍｏｌ当たりの吸熱量がΔｈFR（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、空気中の酸素濃度がＸO2である場合に、前記燃料塔に供給される酸素を含むガスの流量を、下記式（１）で算出される流量Ｑair_FRの３０％以上３００％以下になるように制御する、ケミカルルーピング燃焼システム。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 ［適用例７］
　適用例１または適用例６までのいずれか一項に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
　前記燃料塔内の温度を取得する温度取得部を備え、
　前記制御部は、前記温度取得部により取得された温度に応じて、前記燃料塔に供給される空気の流量Ｑair_FRを制御する、ケミカルルーピング燃焼システム。
［適用例８］
　適用例１または適用例７までのいずれか一項に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、
　前記制御部は、
　　前記燃料塔内の目標温度から、前記温度取得部により取得された温度を差し引いた差がゼロ以上の場合に、前記差に予め設定された定数を乗じた流量Ｑair_FRの空気を前記燃料塔に供給されるように制御し、
　　前記差が負の場合には、前記燃料塔に酸素を含むガスが供給されないよう制御する、ケミカルルーピング燃焼システム。 The present invention can also be realized in the following forms.
[Application Example 1]
1. A chemical looping combustion system comprising:
an air tower for oxidizing metal particles using air;
a fuel tower to which a hydrocarbon is supplied as a fuel and a gas containing oxidized metal particles and nitrogen is supplied from the air tower, the fuel is used to reduce the metal particles, and a mixed gas containing carbon dioxide is discharged;
A separator that separates carbon dioxide and nitrogen contained in the mixed gas and extracts carbon dioxide;
A chemical looping combustion system comprising:
[Application Example 2]
The chemical looping combustion system according to Application Example 1, further comprising:
a heat exchanger to which the mixed gas discharged from the fuel tower is supplied and which recovers heat generated in the fuel tower via the mixed gas,
The separator separates the carbon dioxide and nitrogen contained in the mixed gas by utilizing the heat recovered by the heat exchanger.
[Application Example 3]
The chemical looping combustion system according to Application Example 1 or Application Example 2,
A chemical looping combustion system, wherein the fuel tower is supplied with a gas containing oxygen in addition to the fuel.
[Application Example 4]
The chemical looping combustion system according to any one of Application Examples 1 to 3, further comprising:
A chemical looping combustion system comprising a loop seal disposed downstream of the air tower and upstream of the fuel tower, the loop seal suppressing the inflow of nitrogen from the air tower to the fuel tower and receiving a gas containing oxygen.
[Application Example 5]
The chemical looping combustion system according to any one of Application Examples 1 to 4, further comprising:
A chemical looping combustion system of a temperature swing type, comprising a dehydrator that removes water contained in the mixed gas by utilizing the heat recovered by the heat exchanger.
[Application Example 6]
The chemical looping combustion system according to any one of Application Example 1 to Application Example 5, further comprising:
a control unit that acquires a required calorific value required for the air tower and controls a flow rate of air as the oxygen-containing gas to be supplied to the fuel tower when the required calorific value is acquired;
the control unit controls the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the fuel tower to be 30 % or more and 300% or less of a flow rate Q air_FR calculated by the following formula (1), when the required heating value is W AR (kW), the lower heating value of the fuel is LHV fuel (kJ/mol), the heating value per 1 mol of oxygen during the oxidation reaction in the air tower is Δh AR (kJ/mol), the endothermic heat per 1 mol of fuel during the reduction reaction in the fuel tower is Δh FR (kJ/mol), and the oxygen concentration in the air is X O2:
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 [Application Example 7]
The chemical looping combustion system according to any one of Application Example 1 to Application Example 6, further comprising:
A temperature acquisition unit for acquiring a temperature inside the fuel tower,
The control unit controls a flow rate Q air_FR of air supplied to the fuel tower in accordance with the temperature acquired by the temperature acquisition unit.
[Application Example 8]
The chemical looping combustion system according to any one of Application Example 1 to Application Example 7,
The control unit is
When a difference obtained by subtracting the temperature acquired by the temperature acquisition unit from the target temperature in the fuel tower is equal to or greater than zero, control is performed so that air is supplied to the fuel tower at a flow rate Q air_FR obtained by multiplying the difference by a preset constant,
When the difference is negative, the chemical looping combustion system controls so that no oxygen-containing gas is supplied to the fuel tower.
　　１０…空気塔
　　１０Ｓ…シール
　　１５…サイクロン
　　２０，２０ａ…燃料塔
　　２０Ｓ…シール
　　２５…ヒータ
　　３０，３０ｅ，３５…熱交換器
　　４０，４０ｃ，４０ｅ…脱水器
　　４５，５５…真空ポンプ
　　５０，５０ｃ，５０ｅ…分離器
　　６０，６０ｂ，６０ｘ…空気塔側ループシール部
　　６０Ｓ…シール
　　７０…燃料塔側ループシール部
　　７０Ｓ…シール
　　８０，８０ｇ…制御部
　　９０…温度センサ
　　１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ，１００ｇ
，１００ｘ…燃料システム
　　ｂ…燃料１ｍｏｌを完全燃焼させるために必要なＯ2のモル量
　　Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…ＣＯ2吸着量の曲線
　　ＬＨＶfuel…燃料１ｍｏｌあたりの発熱量
　　ｍｇ…金属粒子
　　Ｑair_FR…空気の流量
　　Ｑair_0…空気の初期流量
　　Ｑfuel_add_AR…燃料の流量
　　ΔＴ…温度差
　　Ｔ1…検出温度
　　Ｔtar…目標温度
　　ＷAR…酸化反応時の発熱量
　　ＸO2…酸素濃度
　　ΔｈAR…Ｏ2１ｍｏｌ当たりの酸化反応の発熱量
　　ΔｈFR…燃料１ｍｏｌ当たりの還元反応の吸熱量 10...Air tower 10S...Seal 15... Cyclone 20, 20a...Fuel tower 20S...Seal 25... Heater 30, 30e, 35... Heat exchanger 40, 40c, 40e... Dehydrator 45, 55... Vacuum pump 50, 50c, 50e... Separator 60, 60b, 60x...Air tower side loop seal part 60S...Seal 70...Fuel tower side loop seal part 70S... Seal 80, 80g...Control part 90... Temperature sensor 100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g
, 100x...Fuel system b...Amount of moles of O2 required to completely combust 1 mol of fuel C1, C2, C3...Curve of CO2 adsorption amount LHV fuel ...Amount of heat generated per 1 mol of fuel mg...Metal particles Q air_FR ...Air flow rate Q air_0 ...Initial air flow rate Q fuel_add_AR ...Fuel flow rate ΔT...Temperature difference T 1 ...Detected temperature T tar ...Target temperature W AR ...Amount of heat generated during oxidation reaction X O2 ...Oxygen concentration Δh AR ...Amount of heat generated by oxidation reaction per 1 mol of O2 Δh FR ...Amount of heat absorbed by reduction reaction per 1 mol of fuel

Claims (8)

  1. 　ケミカルルーピング燃焼システムであって、
    　空気を用いて、金属粒子を酸化させる空気塔と、
    　炭化水素が燃料として供給されると共に、前記空気塔から酸化された金属粒子および窒素を含むガスが供給され、前記燃料を用いて金属粒子を還元して二酸化炭素を含む混合ガスを排出する燃料塔と、
    　前記混合ガスに含まれる二酸化炭素と窒素とを分離して、二酸化炭素を取り出す分離器と、
    を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。     1. A chemical looping combustion system comprising:
    an air tower for oxidizing metal particles using air;
    a fuel tower to which a hydrocarbon is supplied as a fuel and a gas containing oxidized metal particles and nitrogen is supplied from the air tower, the fuel is used to reduce the metal particles, and a mixed gas containing carbon dioxide is discharged;
    A separator that separates carbon dioxide and nitrogen contained in the mixed gas to extract carbon dioxide;
    A chemical looping combustion system comprising:
  2. 　請求項１に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
    　前記燃料塔から排出される前記混合ガスが供給され、前記混合ガスを介して、前記燃料塔内で発生する熱を回収する熱交換器を備え、
    　前記分離器は、前記熱交換器により回収された熱を利用して、前記混合ガスに含まれる二酸化炭素と窒素とを分離する、ケミカルルーピング燃焼システム。     10. The chemical looping combustion system of claim 1, further comprising:
    a heat exchanger to which the mixed gas discharged from the fuel tower is supplied and which recovers heat generated in the fuel tower via the mixed gas,
    The separator separates the carbon dioxide and nitrogen contained in the mixed gas by utilizing the heat recovered by the heat exchanger.
  3. 　請求項２に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、
    　前記燃料塔には、前記燃料に加えてさらに酸素を含むガスが供給される、ケミカルルーピング燃焼システム。     3. The chemical looping combustion system of claim 2, comprising:
    A chemical looping combustion system, wherein the fuel tower is supplied with a gas containing oxygen in addition to the fuel.
  4. 　請求項２に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
    　前記空気塔の下流側、かつ、前記燃料塔の上流側に配置されたループシールであって、前記空気塔から前記燃料塔への窒素の流入を抑制し、酸素を含むガスが供給されるループシールを備える、ケミカルルーピング燃焼システム。     3. The chemical looping combustion system of claim 2, further comprising:
    A chemical looping combustion system comprising a loop seal disposed downstream of the air tower and upstream of the fuel tower, the loop seal suppressing the inflow of nitrogen from the air tower to the fuel tower and receiving a gas containing oxygen.
  5. 　請求項２に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
    　温度スイング式であり、前記熱交換器により回収された熱を利用して、前記混合ガスに含まれる水を除去する脱水器を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。     3. The chemical looping combustion system of claim 2, further comprising:
    A chemical looping combustion system of a temperature swing type, comprising a dehydrator that removes water contained in the mixed gas by utilizing the heat recovered by the heat exchanger.
  6. [規則91に基づく訂正 01.11.2023]
    　請求項３から請求項５までのいずれか一項に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
    　前記空気塔に要求される要求発熱量を取得し、前記要求発熱量を取得すると、前記燃料塔に供給される酸素を含むガスとしての空気の流量を制御する制御部を備え、
    　前記制御部は、前記要求発熱量がＷAR（ｋＷ）であり、前記燃料の低位発熱量がＬＨＶfuel（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、前記空気塔における酸化反応時の酸素１ｍｏｌ当たりの発熱量がΔｈAR（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、前記燃料塔における還元反応時の前記燃料１ｍｏｌ当たりの吸熱量がΔｈFR（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、空気中の酸素濃度がＸO2である場合に、前記燃料塔に供給される酸素を含むガスの流量を、下記式（１）で算出される流量Ｑair_FRの３０％以上３００％以下になるように制御する、ケミカルルーピング燃焼システム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
         [Correction under Rule 91 01.11.2023]
    The chemical looping combustion system according to any one of claims 3 to 5, further comprising:
    a control unit that acquires a required calorific value required for the air tower, and controls a flow rate of air as the oxygen-containing gas to be supplied to the fuel tower when the required calorific value is acquired;
    a lower heating value of the fuel is LHV (kJ/mol), a heat value per 1 mol of oxygen during the oxidation reaction in the air tower is Δh (kJ/mol), a heat absorption value per 1 mol of fuel during the reduction reaction in the fuel tower is Δh (kJ/mol), and an oxygen concentration in the air is XO2 , the control unit controls a flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the fuel tower to be 30% or more and 300% or less of a flow rate Q air_FR calculated by the following formula (1) :
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  7. [規則91に基づく訂正 01.11.2023]
    　請求項６に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
    　前記燃料塔内の温度を取得する温度取得部を備え、
    　前記制御部は、前記温度取得部により取得された温度に応じて、前記燃料塔に供給される空気の流量Ｑair_FRを制御する、ケミカルルーピング燃焼システム。     [Correction under Rule 91 01.11.2023]
    7. The chemical looping combustion system of claim 6, further comprising:
    A temperature acquisition unit for acquiring a temperature inside the fuel tower,
    The control unit controls a flow rate Q air_FR of air supplied to the fuel tower in accordance with the temperature acquired by the temperature acquisition unit.
  8. [規則91に基づく訂正 01.11.2023]
    　請求項７に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、
    　前記制御部は、
    　　前記燃料塔内の目標温度から、前記温度取得部により取得された温度を差し引いた差がゼロ以上の場合に、前記差に予め設定された定数を乗じた流量Ｑair_FRの空気を前記燃料塔に供給されるように制御し、
    　　前記差が負の場合には、前記燃料塔に酸素を含むガスが供給されないよう制御する、ケミカルルーピング燃焼システム。     [Correction under Rule 91 01.11.2023]
    8. The chemical looping combustion system of claim 7, comprising:
    The control unit is
    When a difference obtained by subtracting the temperature acquired by the temperature acquisition unit from the target temperature in the fuel tower is equal to or greater than zero, control is performed so that air is supplied to the fuel tower at a flow rate Q air_FR obtained by multiplying the difference by a preset constant,
    When the difference is negative, the chemical looping combustion system controls so that no oxygen-containing gas is supplied to the fuel tower.
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