特許 6892077 燃料反応塔及びこれを備えたケミカルルーピング燃焼システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6892077

(24)【登録日】2021年5月31日

(45)【発行日】2021年6月18日

(54)【発明の名称】燃料反応塔及びこれを備えたケミカルルーピング燃焼システム

(51)【国際特許分類】

   F23C 10/01 20060101AFI20210607BHJP

   C10J 3/54 20060101ALI20210607BHJP

   C10J 3/56 20060101ALI20210607BHJP

【ＦＩ】

   F23C10/01

   C10J3/54 M

   C10J3/56

【請求項の数】8

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-185415(P2017-185415)

(22)【出願日】2017年9月26日

(65)【公開番号】特開2019-60538(P2019-60538A)

(43)【公開日】2019年4月18日

【審査請求日】2020年8月18日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７〜２９年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構委託研究「ゼロエミッション石炭火力技術開発プロジェクト／ゼロエミッション石炭火力基盤技術開発／ＣＯ２分離型化学燃焼石炭利用技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱パワー株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】599011687

【氏名又は名称】学校法人 中央大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000442

【氏名又は名称】特許業務法人 武和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】武田 豊

(72)【発明者】

【氏名】山内 康弘

(72)【発明者】

【氏名】幡野 博之

【審査官】 西塚 祐斗

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１３−５３２２６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５４９６３２７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１４９６５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭５４−３６６３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１６１３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５５７０６４５（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｃ １０／０１

Ｃ１０Ｊ ３／５４

Ｃ１０Ｊ ３／５６

Ｆ２４Ｖ ３０／００

Ｆ２３Ｇ ５／０２７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化物の酸素キャリア粒子を供給しながら固体燃料とガス化剤を供給して前記固体燃料を熱分解させ、生成した気体成分を外部に排出し、生成した固体成分を酸化物の前記酸素キャリア粒子と酸化反応させ、還元された前記酸素キャリア粒子を外部に排出する燃料反応塔であって、
前記酸素キャリア粒子が流動する第１流動層が形成され、供給される前記固体燃料を前記第１流動層にて混合接触させて熱分解する混合室と、
前記混合室と隔壁を介して隔てられ、前記酸素キャリア粒子が流動する第２流動層が形成されて前記固体成分と前記酸素キャリア粒子とを分離すると共に、還元された前記酸素キャリア粒子を排出する分離室と、を備え、
前記混合室に供給される前記ガス化剤の空塔速度を前記分離室に供給される前記ガス化剤の空塔速度より大きくし、
前記第２流動層の層高を前記第１流動層の層高より高くし、
前記第２流動層にて浮遊分離した前記固体成分の少なくとも一部を前記第１流動層に戻す固体成分戻し構造を有することを特徴とする燃料反応塔。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料反応塔であって、
前記固体成分戻し構造は、前記隔壁の上部に設けられ、前記分離室から前記混合室に向かって下り傾斜する戻し流路であることを特徴とする燃料反応塔。

【請求項3】

請求項２に記載の燃料反応塔であって、
前記固体成分戻し構造は、前記分離室の上方に設けられ、前記分離室から前記混合室に向かって下り傾斜する金網フィルタであることを特徴とする燃料反応塔。

【請求項4】

請求項２に記載の燃料反応塔であって、
前記固体成分戻し構造は、前記分離室の上方に設けられ、前記分離室から前記混合室に向かって下り傾斜するエアーフィルタであることを特徴とする燃料反応塔。

【請求項5】

請求項１に記載の燃料反応塔であって、
前記第１流動層は、前記隔壁側が下降流になるように流動することを特徴とする燃料反応塔。

【請求項6】

請求項１に記載の燃料反応塔であって、
前記混合室と前記分離室のうち少なくとも一方は複数であり、かつ、前記混合室と前記分離室は交互に直列に設けられ、
前記混合室と前記分離室とは、前記隔壁の下部に設けられる連通孔を介して連通することを特徴とする燃料反応塔。

【請求項7】

請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料反応塔であって、
前記混合室の内部または外部に設けられ、前記第１流動層から飛散した前記固体成分を前記第１流動層に回収する固気分離器をさらに備えたことを特徴とする燃料反応塔。

【請求項8】

請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料反応塔と、前記燃料反応塔にて還元された前記酸素キャリア粒子を導入して酸化物の前記酸素キャリア粒子を生成する空気反応塔とを備えたケミカルルーピング燃焼システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料反応塔及びこれを備えたケミカルルーピング燃焼システムに関する。

【背景技術】

【0002】

火力発電プラント等に設置されるボイラの燃焼排ガスからＣＯ_２を分離・回収して貯留する技術（ＣＣＳ：Carbon dioxide Capture and Storage）として、ケミカルルーピング燃焼システム（ＣＬＣ：Chemical Looping Combustion System）が知られている。

【0003】

従来のケミカルルーピング燃焼システムは、例えば空気反応器と燃料反応器とを備え、両者間を金属粒子（酸素キャリア粒子）が循環流動する構成である（特許文献１参照）。空気反応器では、金属粒子が空気中の酸素と反応して金属酸化物となる。酸化した金属粒子は、排ガス（Ｎ_２など）と分離され、燃料反応器へ送られる。燃料反応器では高温の金属粒子と固体燃料（例えば石炭）が接触して、金属粒子の酸素と固体燃料が反応する。このとき、固体燃料を酸化した金属粒子は還元されて金属粒子となり、再び空気反応器へ戻る循環ループが形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−１９４２１３号公報（段落０００７，０００８等）

【特許文献2】特許第５４９６３２７号公報（図２等）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の従来技術において、酸素キャリア粒子と、石炭の熱分解により生成されるチャー（固体成分）の未反応分である未反応チャーを含む燃料との混合を良くするために燃料反応器内の流動化を促進すると、還元された酸素キャリア粒子に混ざって未反応チャーを含む燃料が燃料反応塔から排出され、空気反応器に導入される場合がある。そうすると、空気反応器内でＣＯ_２が発生してしまうため、ケミカルルーピング燃焼システムにおけるＣＯ_２回収率が低下するという課題がある。

【0006】

なお、特許文献２には、燃料炉と空気炉との間に別置きで炭素分離器（炭素ストリッパー）を備えたシステムが記載されているが、この特許文献２は、本願発明の特徴構成を開示するものではない。

【0007】

そこで、本開示の技術的課題は、還元された酸素キャリア粒子と一緒にチャーが排出されることを防止できる燃料反応塔、及びこれを備えたケミカルルーピング燃焼システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の幾つかの実施形態では、酸化物の酸素キャリア粒子を供給しながら固体燃料とガス化剤を供給して前記固体燃料を熱分解させ、生成した気体成分を外部に排出し、生成した固体成分を酸化物の前記酸素キャリア粒子と酸化反応させ、還元された前記酸素キャリア粒子を外部に排出する燃料反応塔であって、前記酸素キャリア粒子が流動する第１流動層が形成され、供給される前記固体燃料を前記第１流動層にて混合接触させて熱分解する混合室と、前記混合室と隔壁を介して隔てられ、前記酸素キャリア粒子が流動する第２流動層が形成されて前記固体成分と前記酸素キャリア粒子とを分離すると共に、還元された前記酸素キャリア粒子を排出する分離室と、を備え、前記混合室に供給される前記ガス化剤の空塔速度を前記分離室に供給される前記ガス化剤の空塔速度より大きくし、前記第２流動層の層高を前記第１流動層の層高より高くし、前記第２流動層にて浮遊分離した前記固体成分の少なくとも一部を前記第１流動層に戻す固体成分戻し構造を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の幾つかの実施形態によれば、還元された酸素キャリア粒子と一緒にチャーが排出されることを防止できることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】ケミカルルーピング燃焼システムの原理を示す図である。

【図2】ケミカルルーピング燃焼システムの全体構成図である。

【図3】第１実施形態に係る燃料反応塔の構造を示す図である。

【図4】第２実施形態に係る燃料反応塔の構造を示す図である。

【図5】第３実施形態に係る燃料反応塔の構造を示す図である。

【図6】第４実施形態に係る燃料反応塔の構造を示す図である。

【図7】第５実施形態に係る燃料反応塔の構造を示す図である。

【図8】第６実施形態に係る燃料反応塔の構造を示す図である。

【図9】変形例に係る燃料反応塔の構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の幾つかの実施形態に係る燃料反応塔及びケミカルルーピング燃焼システムについて、図面を参照して説明する。図１はケミカルルーピング燃焼システムの原理を示す図である。図１に示すように、ケミカルルーピング燃焼システムは、空気反応塔１と、燃料反応塔２とから主に構成されており、これらの間を酸素キャリア粒子４，５が循環流動するシステムになっている。

【0012】

空気反応塔１には、酸素キャリア粒子５（Ｍｅ）と空気６とが供給される。空気反応塔１では、酸素キャリア粒子５（Ｍｅ）が空気６中の酸素と反応して酸化物の酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）となり、生成した酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）は、排気ガス８（Ｎ_２）と分離されて、燃料反応塔２へ送られる。

【0013】

燃料反応塔２には、酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）と固体燃料７（例えば石炭）とが供給される。燃料反応塔２では、固体燃料７が固体成分のチャーと気体成分の揮発分とに熱分解され、チャーは燃料反応塔２の内部で酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）と反応する。その結果、酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）は酸素キャリア粒子５（Ｍｅ）に還元される。一方、揮発分は高温の酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）と接触して反応し、ＣＯ_２ガス９やＨ_２Ｏ（水蒸気）１０を生成し、それらは燃料反応塔２から外部に送り出される。

【0014】

このように、空気反応塔１にて酸化された酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）は、燃料反応塔２内での固体燃料７の酸化により還元されて酸素キャリア粒子５（Ｍｅ）となり、再び空気反応塔１へ戻る循環ループを形成する。

【0015】

次に、幾つかの実施形態に係る燃料反応塔を適用したケミカルルーピング燃焼システムについて説明する。図２は幾つかの実施形態に係るケミカルルーピング燃焼システムの全体構成図である。図２に示すように、ケミカルルーピング燃焼システムは、空気反応塔１、燃料反応塔２、サイクロン１２、排ガス浄化装置１４、熱交換器１５、空気予熱器１６、熱交換器１７などを備える。

【0016】

固体燃料７（石炭）とガス化剤１９（例えばＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ）が燃料反応塔２に供給される。この燃料反応塔２には、詳細は後述するが、高温の酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）と酸素キャリア粒子５（Ｍｅ）が混在した流動層が形成されている。また、燃料反応塔２からは、還元された酸素キャリア粒子５（Ｍｅ）が適量排出される。

【0017】

排出された酸素キャリア粒子５（Ｍｅ）は、シールポット２０を通過して、空気反応塔１へ移送される。空気反応塔１には、空気予熱器１６を通過した高温の空気６が導入されており、空気反応塔１の内部では空気６と酸素キャリア粒子５（Ｍｅ）が反応して、酸化した酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）を生成する。この酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）は排気ガス８（Ｎ_２、残留Ｏ_２、ＮＯｘ、飛灰など）と共にサイクロン１２に移動され、比重差により固体の酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）と気体の排気ガス８に分離される。

【0018】

酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）は、重力でサイクロン１２の下部に落下し、シールポット２０を通過して、燃料反応塔２へ移動する。この燃料反応塔２の内部では、揮発分が、酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）を浮遊流動させながら酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）と反応してＣＯ_２ガス９とＨ_２Ｏ（水蒸気）１０が生成される。

【0019】

このようにケミカルルーピング燃焼システムでは、酸素キャリア粒子４，５が燃料反応塔２→空気反応塔１→燃料反応塔２→・・・を循環流動しながら固体燃料７と反応している。また、酸素キャリア粒子４，５を搬送する配管に使用する搬送用流体として、系内で生成したＣＯ_２ガス９及び／あるいはＨ_２Ｏ（水蒸気）１０、または排気ガス８が利用される。

【0020】

燃料反応塔２内で生成したＣＯ_２ガス９とＨ_２Ｏ（水蒸気）１０は熱交換器１７に送られて冷却され、熱交換器１７で得られた蒸気は図示しない発電設備に送られる。

【0021】

サイクロン１２で分離されたＮ２、残留Ｏ２、ＮＯｘ、飛灰などの排気ガス８は熱交換器１５で冷却され、さらに空気予熱器１６で空気６と熱交換し、最後に排ガス浄化装置１４で無害化されて大気へ放出される。熱交換器１５で得られた蒸気は図示しない発電設備に送られる。

【0022】

酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）としては、例えばニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ），銅（Ｃｕ），カルシウム（Ｃａ）などの酸化物が使用される。特に酸化鉄は無公害で安価なためケミカルルーピング燃焼システムに好適である。酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）として酸化鉄を使用した場合の還元、酸化反応式を下記に示す。

【0023】

還元反応：Ｃ（石炭）＋６Ｆｅ_２Ｏ_３⇒４Ｆｅ_３Ｏ_４＋ＣＯ_２−吸熱・・・（１）
酸化反応：４Ｆｅ_３Ｏ_４＋Ｏ_２（空気）⇒６Ｆｅ_２Ｏ_３＋発熱 ・・・（２）
酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）として酸化鉄を使用した場合、酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）はＦｅ_２Ｏ_３、酸素キャリア粒子５（Ｍｅ）はＦｅ_３Ｏ_４に相当する。そして空気反応塔１では式（２）に示すＦｅ_３Ｏ_４と空気の酸化反応が生じ、燃料反応塔２では式（１）に示すＦｅ_２Ｏ_３の還元反応が生じる。

【0024】

揮発分の主成分はＣＨ_４とＣＯとＨ_２であり、燃料反応塔２では揮発分と酸素キャリア粒子４（ＭｅＯ）であるＦｅ_２Ｏ_３の間で下記の式（３）〜（５）の反応が生じる。

【0025】

ＣＨ_４＋６Ｆｅ_２Ｏ_３⇒ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ＋４Ｆｅ_３Ｏ_４ ・・・（３）
ＣＯ＋３Ｆｅ_２Ｏ_３⇒ＣＯ_２＋２Ｆｅ_３Ｏ_４ ・・・（４）
Ｈ_２＋３Ｆｅ_２Ｏ_３⇒Ｈ_２Ｏ＋２Ｆｅ_３Ｏ_４ ・・・（５）

【0026】

（燃料反応塔２：第１実施形態）
次に、幾つかの実施形態に係る燃料反応塔の詳細について説明する。図３は第１実施形態に係る燃料反応塔２の構造を示す図である。図３に示すように、燃料反応塔２は、周壁４０で囲われた内部空間の略下半分を隔壁４３で仕切ることにより、２つの空間が形成されている。２つの空間のうち、一方の空間が混合室４１、他方の空間が分離室４２である。混合室４１の上部空間と分離室４２の上部空間とは隔壁４３の上方で連通しており、隔壁４３の高さは内部空間を完全に仕切らない程度で好適な高さに設定すれば良い。

【0027】

混合室４１は、酸素キャリア粒子４が流動する第１流動層６１が形成されている。混合室４１は、第１流動層６１に酸素キャリア粒子４を供給する酸素キャリア粒子供給口４５と、固体燃料７である石炭を供給する石炭供給口（固体燃料供給口）４６と、燃料反応塔２の底部に設けられ、例えば炭酸ガス等のガス化剤１９を供給する第１ガス化剤供給口４７と、燃料反応塔２の上部に設けられ、気体成分である生成ガス９，１０を外部に排出するガス排出口（気体成分排出口）４９とを有する。

【0028】

一方、分離室４２は、隔壁４３によって混合室４１と隔てられ、酸素キャリア粒子５が流動する第２流動層６２が形成されている。分離室４２は、燃料反応塔２の底部に設けられ、第２流動層６２にガス化剤１９を供給する第２ガス化剤供給口４８と、燃料反応塔２の下部に設けられ、還元された酸素キャリア粒子５を排出する酸素キャリア粒子排出口５０とを有する。

【0029】

図３から明らかなように、第１流動層６１の層高Ｈ１より第２流動層６２の層高Ｈ２の方が高くなるように、第１流動層６１と第２流動層６２の層高が予め設定されている。隔壁４３は、第２流動層６２の層高Ｈ２より若干高い位置まで立設されており、その上部に、分離室４２から混合室４１に向かって下り傾斜する戻し流路４４が設けられている。なお、戻し流路４４の混合室４１側の端部（終端）の高さは、第１流動層６１の層高Ｈ１と同一かそれより若干高い位置である。この戻し流路４４は、例えば、管状部材や樋状部材から成るが、その形状は問わない。戻し流路４４は、詳しくは後述する粗粒子チャーを第２流動層６２から第１流動層６１に戻す役割を果たす。よって、戻し流路４４は、本発明の「固体成分戻し構造」に相当する。

【0030】

第１ガス化剤供給口４７から混合室４１に供給されるガス化剤１９の空塔速度（空塔速度＝体積流量／断面積）は、第２ガス化剤供給口４８から分離室４２に供給されるガス化剤１９の空塔速度より大となるように設定されている。具体的には、第１ガス化剤供給口４７に供給されるガス化剤１９の空塔速度は、密度差が３〜５倍ある石炭と酸素キャリア粒子４とが第１流動層６１にて混合接触できる程度の空塔速度に設定されている。

【0031】

一方、第２ガス化剤供給口４８から分離室４２に供給されるガス化剤１９の空塔速度は、第２流動層６２にてチャーが浮遊分離できる程度の空塔速度に設定されている。よって、分離室４２では第２流動層６２が気泡流動化状態となっている。このように、本実施形態では、第１流動層６１の方が第２流動層６２より空塔速度が高くなっている。なお、ガス化剤１９の空塔速度は、第１ガス化剤供給口４７及び第２ガス化剤供給口４８に、例えば、ダンパ、ゲート弁、オリフィスなどの流量調整手段をそれぞれ設け、各流量調整手段により制御すれば良い。

【0032】

混合室４１に酸化物（反応前）の酸素キャリア粒子４を供給しながら、石炭の粗粒子とガス化剤１９とを供給すると、第１流動層６１にて石炭が熱分解する。揮発分である生成ガス９，１０は生成ガス排出口４９から外部に排出され、固体成分であるチャーは、第１流動層６１にて酸素キャリア粒子４と酸化反応する。第１流動層６１は、ガス化剤１９が高速で供給されるため、チャーと酸素キャリア粒子４との密度差が３〜５倍あっても第１流動層６１で両者は混合接触する。

【0033】

ところが、反応が進むに連れて微小粒径となったチャーは、いったん第１流動層６１から層外に飛出すと、第１流動層６１に戻れない。そこで、本実施形態に係る燃料反応塔２は、固気分離器の一例である塔外サイクロン５５を混合室４１の外部に設けている。この塔外サイクロン５５は、第１流動層６１から飛出したチャーの微粒子を図中の矢印Ｘに示すように取り込んで、第１流動層６１に戻す役割を果たしている。これにより、微小粒径のチャーと第１流動層６１との混合接触が可能となり、チャーガス化反応率の低下が防止される。なお、本実施形態において、塔外サイクロン５５以外にも、微小粒径のチャー（固体）と気体とを分離できる構成であれば適宜用いることができる。

【0034】

一方、第１流動層６１から飛出した比較的粗い粒子のチャーは、塔外サイクロン５５に取り込まれずに、図中の矢印Ｙに示すように分離室４２に飛散する。また、混合室４１から分離室４２に酸素キャリア粒子５がキャリーオーバーして移動してくる場合もある。第２流動層６２は気泡流動化状態となっているから、第２流動層６２に含まれる粗粒子チャーは第２流動層６２の上層に浮遊分離する。第２流動層６２の層高Ｈ２は第１流動層６１の層高Ｈ１より高いため、第２流動層６２の上層に浮上した、あるいは堆積した粗粒子チャーは隔壁４３の上部に設けられた戻し流路４４から第１流動層６１へと戻される。これにより、分離室４２にて粗粒子チャーと還元された酸素キャリア粒子５とは分離され、還元された酸素キャリア粒子５のみを酸素キャリア粒子排出口５０から外部に排出することができる。

【0035】

このように、第１実施形態によれば、混合室４１にてチャーと酸素キャリア粒子４とを混合接触できるため、チャーのガス化反応を促進できる。しかも、分離室４２から粗粒子チャーを混合室４１に戻すことができるため、粗粒子チャーの反応率を高めることができる。加えて、分離室４２にて粗粒子チャーを浮遊分離して、還元された酸素キャリア粒子５のみを空気反応塔１に戻すことができるから、ケミカルルーピング燃焼システムのＣＯ_２回収率が向上する。

【0036】

（燃料反応塔１０２：第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る燃料反応塔１０２について説明する。上記の燃料反応塔２と重複する説明は省略する。図４は第２実施形態に係る燃料反応塔１０２の構造を示す図である。

【0037】

図４では、ガス化剤１９を混合室４１の周壁４０側に偏って供給している。具体的には、混合室４１の底部に設けられたガス化剤導入孔の開口率あるいは個数を隔壁４３側から周壁４０側にかけて増加させることで、ガス化剤１９が周壁４０側に偏るようにしている。これにより、ガス化剤１９の流れが周壁４０に近い側では矢印Ａに向かう上昇流、隔壁４３に近い側では矢印Ｂの方向に向かう下降流が形成されている。この点が第２実施形態の主な特徴である。

【0038】

少なくとも本実施形態では、第１流動層６１は、図４の反時計回りの方向に流動するため、分離室４２から混合室４１に戻された酸素キャリア粒子４をより確実に第１流動層６１内に取り込むことができる。これにより、第２実施形態に係る燃料反応塔１０２によれば、酸素キャリア粒子４と未反応チャーとの反応がより一層促進される。

【0039】

（燃料反応塔２０２：第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る燃料反応塔２０２について説明する。上記の燃料反応塔２，１０２と重複する説明は省略する。図５は第３実施形態に係る燃料反応塔２０２の構造を示す図である。

【0040】

図５に示すように、第３実施形態では、分離室４２の上方に固体成分戻し構造としての金網フィルタ５１を設けた点に主な特徴がある。この金網フィルタ５１は、一端が周壁４０に固定され、他端が隔壁４３の上部に固定され、全体として周壁４０側から隔壁４３側に下り傾斜して取り付けられる。この傾斜の角度は、少なくとも安息角よりも大きくするのが好ましい。粗粒子チャーが金網フィルタ５１に堆積するのを防止できるからである。また、金網フィルタ５１のメッシュサイズは、粗粒子チャーが通過しない程度のサイズとなっており、例えば１００ミクロン程度である。この金網フィルタ５１によって、粗粒子チャーとそれより粒子の細かい酸素キャリア粒子５とを物理的に分離する。

【0041】

なお、粗粒子チャーの粒径が金網フィルタ５１のメッシュサイズより小さい場合には、粗粒子チャーと酸素キャリア粒子５とは金網フィルタ５１を介して分離室４２に落下する。この場合には、粗粒子チャーは、第１実施形態と同様に、分離室４２にて酸素キャリア粒子５と分離され、戻し流路４４を介して混合室４１に戻される。

【0042】

第３実施形態に係る燃料反応塔２０２によれば、金網フィルタ５１によって、第２流動層６２内に粗粒子チャーが入り込む可能性が低くなるため、還元された酸素キャリア粒子５のみをより確実に空気反応塔１に戻すことができる。よって、ケミカルルーピング燃焼システムにおけるＣＯ_２回収率が向上する。

【0043】

（燃料反応塔３０２：第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る燃料反応塔３０２について説明するが、上記の燃料反応塔２，１０２，２０２と重複する説明は省略する。図６は第４実施形態に係る燃料反応塔３０２の構造を示す図である。図６に示すように、第４実施形態では、分離室４２の上部に固体成分戻し構造としてのエアーフィルタ５２を設けた点に主な特徴がある。このエアーフィルタ５２は、下方から空気を吹き込める構成となっており、周壁４０側から隔壁４３側に向かって下り傾斜する傾斜樋から成る。なお、この傾斜樋の傾斜角度も安息角より大きいのが好ましい。

【0044】

このエアーフィルタ５２は、いわゆるエアースライドと言われるものであって、下方から空気を吹き込むことにより、エアーフィルタ５２上に溜まった粗粒子チャーと酸素キャリア粒子５との層を、粗粒子チャーを上層に、酸素キャリア粒子５を下層にそれぞれ分離させ、粗粒子チャーを混合室４１へ、酸素キャリア粒子５を分離室４２へとスムーズに移動させる。

【0045】

第４実施形態に係る燃料反応塔３０２によれば、エアーフィルタ５２によって、第２流動層６２内に粗粒子チャーが入り込む可能性が低くなるため、還元された酸素キャリア粒子５のみをより確実に空気反応塔１に戻すことができる。よって、ケミカルルーピング燃焼システムにおけるＣＯ_２回収率が向上する。

【0046】

（燃料反応塔４０２：第５実施形態）
次に、第５実施形態に係る燃料反応塔４０２について説明する。図７は第５実施形態に係る燃料反応塔４０２の構造を示す図である。図７に示すように、第５実施形態に係る燃料反応塔４０２は、第１実施形態に係る燃料反応塔２を上流部と下流部とに２つ直列にして一体化した構造から成る。すなわち、混合室４１と分離室４２とが交互に同数並べられている。なお、符号のアルファベットは、“ａ”が上流部、“ｂ”が下流部であることを意味しており、上記した燃料反応塔２，１０２，２０２，３０２とアルファベットを除いて同一の数字は同一の構成である。

【0047】

第５実施形態に係る燃料反応塔４０２は、隔壁４３ａ，４３ｂの下部、及び上流部と下流部とを仕切る仕切壁５６の下部に連通孔５７ａ，５７ｂ，５７ｃが設けられている。これら連通孔５７ａ，５７ｂ，５７ｃを介して流動層が図中の矢印Ｃ方向に向かって移動可能に形成される。

【0048】

また、ガス化剤１９の空塔速度は、第１ガス化剤供給口４７ａ＞第１ガス化剤供給口４７ｂ＞第２ガス化剤供給口４８ａ＞第２ガス化剤供給口４８ｂの順となるよう予め設定されている。このような空塔速度の関係にすることで、流動層の矢印Ｃ方向への移動がスムーズに行われる。

【0049】

第５実施形態によれば、上流部から下流部に２段階で酸素キャリア粒子５と粗粒子チャーとを分離できるため、酸素キャリア粒子排出口５０から排出される還元された酸素キャリア粒子５と一緒に粗粒子チャーが排出される可能性はより一層低くなる。そのため、ケミカルルーピング燃焼システムにおけるＣＯ_２回収率はさらに向上する。

【0050】

（燃料反応塔５０２：第６実施形態）
次に、第６実施形態に係る燃料反応塔５０２について説明するが、上記の燃料反応塔２と重複する説明は省略する。図８は第６実施形態に係る燃料反応塔５０２の構造を示す図である。

【0051】

図８に示すように、第６実施形態に係る燃料反応塔５０２は、隔壁４３の上端部４３−１が、幾つかの実施形態に係る「固体成分戻し構造」として機能する構成である点に特徴がある。すなわち、第６実施形態では、隔壁４３に戻し流路４４を設けることなく、分離室４２の第２流動層６２から溢れたチャーを、隔壁４３の上端部４３−１から混合室４１に戻す構成としている。第６実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができることに加えて、戻し流路４４を設けていないため、製造コストを抑えることができる。

【0052】

（その他の実施形態についての言及）
上記した幾つかの実施形態に係る燃料反応塔は、次に述べる実施形態に変形することができる。例えば、塔外サイクロン５５の代わりに、図９に示すように、燃料反応塔６０２の混合室４１の内部に塔内サイクロン１５５を設ける構成としても良い。この構成によれば、燃料反応塔６０２を小型化できる。また、第５実施形態における連通孔５７ａを第１〜第４実施形態に係る隔壁４３に設ける構成としても良い。また、空気反応塔１と燃料反応塔２からなる２塔式ケミカルルーピング燃焼システムの実施形態を開示したが、例えば、空気反応塔、揮発分反応塔、及び燃料反応塔から成る３塔式ケミカルルーピング燃焼システムに本発明を適用しても良い。

【0053】

また、図７に示す混合室４１と分離室４２の数は任意に設定することができる。例えば、混合室４１ａ、分離室４２ａ、混合室４１ｂを直列に接続した３分割の構成とすることや、分離室４２ａ、混合室４１ｂ、分離室４２ｂを直列に接続した３分割の構成とすることもできる。また、混合室と分離室の組を３つ以上（すなわち、６分割以上）、かつ混合室と分離室とが交互になるように直列に接続した構成にすることもできる。また、分離室４２から排出される酸素キャリア粒子５の流量は、酸素キャリア粒子排出口５０の前後の差圧で制御することができる。

【0054】

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0055】

１ 空気反応塔
２ 燃料反応塔
４ 酸化物の酸素キャリア粒子
５ 還元された酸素キャリア粒子
４１ 混合室
４２ 分離室
４３ 隔壁
４３−１ 隔壁の上端部（固体成分戻し構造）
４４ 戻し流路（固体成分戻し構造）
５１ 金網フィルタ（固体成分戻し構造）
５２ エアーフィルタ（固体成分戻し構造）
５５ 塔外サイクロン（固気分離器）
５７ａ，５７ｂ，５７ｃ 連通孔
６１ 第１流動層
６２ 第２流動層
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２ 燃料反応塔
１５５ 塔内サイクロン（固気分離器）
Ｈ１ 第１流動層の層高
Ｈ２ 第２流動層の層高

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】