特開 2024-102930 化学ループ燃焼システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024102930

(43)【公開日】2024-08-01

(54)【発明の名称】化学ループ燃焼システム

(51)【国際特許分類】

   F23C 10/04 20060101AFI20240725BHJP

【ＦＩ】

F23C10/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023007012

(22)【出願日】2023-01-20

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(74)【代理人】

【識別番号】100195659

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 祐介

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 秀明

(72)【発明者】

【氏名】佐山 勝悟

(72)【発明者】

【氏名】青木 正和

(72)【発明者】

【氏名】森 勇稀

【テーマコード（参考）】

3K064

【Ｆターム（参考）】

3K064AA04

3K064AA10

3K064AB07

3K064AC06

3K064AC07

3K064AD01

3K064AD04

3K064AE02

3K064AE04

(57)【要約】

【課題】空気塔から回収される熱量および燃料塔から回収される二酸化炭素の量を調整することができる技術を提供する。
【解決手段】化学ループ燃焼システムは、金属粒子とガスとを反応させて金属粒子を酸化させる空気塔と、酸化された金属粒子と燃料とを反応させて金属粒子を還元させる燃料塔と、空気塔と燃料塔との間で金属粒子を循環させる循環配管と、化学ループ燃焼システムを制御する制御部と、を備え、制御部は、酸化される金属粒子の量および還元される金属粒子の量を調整する調整制御を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

化学ループ燃焼システムであって、
金属粒子とガスとを反応させて前記金属粒子を酸化させる空気塔と、
酸化された前記金属粒子と燃料とを反応させて前記金属粒子を還元させる燃料塔と、
前記空気塔と前記燃料塔との間で前記金属粒子を循環させる循環配管と、
前記化学ループ燃焼システムを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、酸化される前記金属粒子の量および還元される前記金属粒子の量を調整する調整制御を行う、化学ループ燃焼システム。

【請求項2】

請求項１に記載の化学ループ燃焼システムであって、さらに、
前記空気塔に供給される前記ガスの量を調整するガス量調整部と、
前記燃料塔に供給される前記燃料の量を調整する燃料量調整部と、
前記金属粒子を貯留可能な貯留部と、
前記循環配管から分岐して前記貯留部に接続している分岐配管と、を備え、
前記分岐配管には、前記分岐配管内の流路を開閉する流路開閉弁が設けられ、
前記制御部は、前記調整制御として、前記流路開閉弁を開弁させた状態で前記循環配管から前記貯留部に前記金属粒子を貯留させること、もしくは、前記流路開閉弁を開弁させた状態で前記貯留部から前記循環配管に前記金属粒子を放出させること、によって前記化学ループ燃焼システム内を循環する前記金属粒子の循環量を増減させるとともに、前記循環量の増減に応じて前記ガスの量および前記燃料の量を増減させる、化学ループ燃焼システム。

【請求項3】

請求項１に記載の化学ループ燃焼システムであって、さらに、
複数の前記空気塔と、
複数の前記燃料塔と、
前記空気塔の各々に供給される前記ガスの量を調整する複数のガス量調整部と、
前記燃料塔の各々に供給される前記燃料の量を調整する複数の燃料量調整部と、
を備え、
前記循環配管は、前記燃料塔の各々へ前記金属粒子を流通可能な第１配管と、前記空気塔の各々へ前記金属粒子を流通可能な第２配管と、を含み、
前記第１配管には、前記燃料塔の各々へ前記金属粒子を流通させる第１個別流路の各々を開閉する複数の第１開閉弁が設けられ、
前記第２配管には、前記空気塔の各々へ前記金属粒子を流通させる第２個別流路の各々を開閉する複数の第２開閉弁が設けられ、
前記制御部は、前記調整制御として、開弁する前記第１開閉弁の数の調整および開弁する前記第２開閉弁の数の調整を行うとともに、前記第１開閉弁の開弁により前記金属粒子が流通可能になった前記燃料塔への前記燃料の供給および前記第２開閉弁の開弁により前記金属粒子が流通可能になった前記空気塔への前記ガスの供給を行わせる、化学ループ燃焼システム。

【請求項4】

請求項１に記載の化学ループ燃焼システムであって、さらに、
前記空気塔に供給される前記ガスの量を調整するガス量調整部と、
前記燃料塔に供給される前記燃料の量を調整する燃料量調整部と、
前記空気塔に供給される不活性ガスの量を調整する第１不活性ガス調整部と、
前記燃料塔に供給される不活性ガスの量を調整する第２不活性ガス調整部と、を備え、
前記制御部は、前記調整制御として、前記空気塔に供給される前記ガスの量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占める前記ガスの割合と不活性ガスの割合とを調整するとともに、前記燃料塔に供給される前記燃料の量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占める前記燃料の割合と不活性ガスの割合とを調整する、化学ループ燃焼システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、化学ループ燃焼システムに関する。

【背景技術】

【0002】

化学ループ燃焼システムは、金属粒子を酸化する空気塔と金属粒子を還元する燃料塔との間で金属粒子を循環流動させるシステムである。粉体や粒子の流動を伴う他の装置として、特許文献１には、現像剤のような粉体を搬送する粉体搬送装置が開示されている。また、特許文献２には、分割された各室間で粒子を流動する多室型流動層反応装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１５６９２９号公報

【特許文献2】特開昭６１－１０２１４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

化学ループ燃焼システムにおいては、空気塔からは主に熱エネルギーを回収することができ、燃料塔からは主に二酸化炭素を回収することができる。この回収される熱量や二酸化炭素の量は必要に応じて調整できるのが好ましく、そのような調整を可能とする技術が要望されていた。なお、特許文献１，２に開示された装置では、そのような調整については何ら考慮されていない。

【0005】

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、空気塔から回収される熱量および燃料塔から回収される二酸化炭素の量を調整することができる化学ループ燃焼システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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することが可能である。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、化学ループ燃焼システムが提供される。この化学ループ燃焼システムは、金属粒子とガスとを反応させて前記金属粒子を酸化させる空気塔と、酸化された前記金属粒子と燃料とを反応させて前記金属粒子を還元させる燃料塔と、前記空気塔と前記燃料塔との間で前記金属粒子を循環させる循環配管と、前記化学ループ燃焼システムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、酸化される前記金属粒子の量および還元される前記金属粒子の量を調整する調整制御を行う。

【0008】

この構成によれば、酸化される金属粒子の量および還元される金属粒子の量を調整することができる。したがって、空気塔から回収される熱量および燃料塔から回収される二酸化炭素の量を調整することができる。

【0009】

（２）上記形態の化学ループ燃焼システムにおいて、さらに、前記空気塔に供給される前記ガスの量を調整するガス量調整部と、前記燃料塔に供給される前記燃料の量を調整する燃料量調整部と、前記金属粒子を貯留可能な貯留部と、前記循環配管から分岐して前記貯留部に接続している分岐配管と、を備え、前記分岐配管には、前記分岐配管内の流路を開閉する流路開閉弁が設けられ、前記制御部は、前記調整制御として、前記流路開閉弁を開弁させた状態で前記循環配管から前記貯留部に前記金属粒子を貯留させること、もしくは、前記流路開閉弁を開弁させた状態で前記貯留部から前記循環配管に前記金属粒子を放出させること、によって前記化学ループ燃焼システム内を循環する前記金属粒子の循環量を増減させるとともに、前記循環量の増減に応じて前記ガスの量および前記燃料の量を増減させてもよい。
この構成によれば、貯留部による金属粒子の貯留および貯留部からの金属粒子の放出によって金属粒子の循環量を増減させつつ、その循環量の増減に応じて空気塔に供給されるガスの量および燃料塔に供給される燃料の量を増減させる。このため、循環量の増減後においても金属粒子の適切な循環を維持しつつ、酸化反応に適切な量のガスおよび還元反応に適切な量の燃料を空気塔および燃料塔に供給することができる。したがって、循環量の増減に比例して酸化される金属粒子の量および還元される金属粒子の量を増減させることができるため、化学ループ燃焼システムから回収される熱量および二酸化炭素の量を精度良く調整することができる。

【0010】

（３）上記形態の化学ループ燃焼システムにおいて、さらに、複数の前記空気塔と、複数の前記燃料塔と、前記空気塔の各々に供給される前記ガスの量を調整する複数のガス量調整部と、前記燃料塔の各々に供給される前記燃料の量を調整する複数の燃料量調整部と、を備え、前記循環配管は、前記燃料塔の各々へ前記金属粒子を流通可能な第１配管と、前記空気塔の各々へ前記金属粒子を流通可能な第２配管と、を含み、前記第１配管には、前記燃料塔の各々へ前記金属粒子を流通させる第１個別流路の各々を開閉する複数の第１開閉弁が設けられ、前記第２配管には、前記空気塔の各々へ前記金属粒子を流通させる第２個別流路の各々を開閉する複数の第２開閉弁が設けられ、前記制御部は、前記調整制御として、開弁する前記第１開閉弁の数の調整および開弁する前記第２開閉弁の数の調整を行うとともに、前記第１開閉弁の開弁により前記金属粒子が流通可能になった前記燃料塔への前記燃料の供給および前記第２開閉弁の開弁により前記金属粒子が流通可能になった前記空気塔への前記ガスの供給を行わせてもよい。
この構成によれば、開弁する第１開閉弁の数および開弁する第２開閉弁の数を調整して金属粒子が流通可能な空気塔の数および燃料塔の数を調整することによって、金属粒子の循環量を増減させる。また、第１開閉弁の開弁により金属粒子が流通可能になった燃料塔への燃料の供給および第２開閉弁の開弁により金属粒子が流通可能になった空気塔へのガスの供給を行わせる。このため、循環量の増減後においても金属粒子の適切な循環を維持しつつ、酸化反応に適切な量のガスおよび還元反応に適切な量の燃料を空気塔および燃料塔に供給することができる。したがって、循環量の増減に比例して酸化される金属粒子の量および還元される金属粒子の量を増減させることができるため、空気塔から回収される熱量および燃料塔から回収される二酸化炭素の量を精度良く調整することができる。

【0011】

（４）上記形態の化学ループ燃焼システムにおいて、さらに、前記空気塔に供給される前記ガスの量を調整するガス量調整部と、前記燃料塔に供給される前記燃料の量を調整する燃料量調整部と、前記空気塔に供給される不活性ガスの量を調整する第１不活性ガス調整部と、前記燃料塔に供給される不活性ガスの量を調整する第２不活性ガス調整部と、を備え、前記制御部は、前記調整制御として、前記空気塔に供給される前記ガスの量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占める前記ガスの割合と不活性ガスの割合とを調整するとともに、前記燃料塔に供給される前記燃料の量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占める前記燃料の割合と不活性ガスの割合とを調整させてもよい。
この構成によれば、空気塔に供給される気体（ガスと不活性ガス）の合計量および燃料塔に供給される気体（燃料と不活性ガス）の合計量を変更することなく、酸化される金属粒子の量および還元される金属粒子の量を増減させることができる。このため、金属粒子の適切な循環を維持しつつ、空気塔から回収される熱量および燃料塔から回収される二酸化炭素の量を精度良く調整することができる。

【0012】

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、化学ループ燃焼システム、化学ループ燃焼プラント、化学ループ燃焼装置、これらを備える装置およびシステム、二酸化炭素の製造方法、二酸化炭素の合成方法、これら装置や方法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、および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。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態の化学ループ燃焼システムの構成を例示した説明図である。

【図2】第２実施形態の化学ループ燃焼システムの構成を例示した説明図である。

【図3】第３実施形態の化学ループ燃焼システムの構成を例示した説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態としての化学ループ燃焼システム１の構成を例示した説明図である。化学ループ燃焼システム１は、同システム内を循環する金属粒子ＭＰを用いた酸化反応および還元反応によって、熱エネルギーおよび二酸化炭素等を回収するシステムである。酸素キャリアである金属粒子ＭＰには、ニッケル、鉄、銅、マンガン等の酸化物が例示される。化学ループ燃焼システム１は、ガス開閉弁１０Ｖと、空気塔１０と、サイクロン２０と、第１ループシール部３０と、燃料開閉弁４０Ｖと、燃料塔４０と、第２ループシール部５０と、循環配管６０と、制御部７０と、を備える。

【0015】

ガス開閉弁１０Ｖは、後述する制御部７０からの制御信号に従って開度を変更することが可能な電動弁や電磁弁である。ガス開閉弁１０Ｖは、空気塔１０にガスを供給する配管（不図示）に設けられている。ガス開閉弁１０Ｖは、ガス量調整部に相当し、空気塔１０に供給されるガスの量を調整する。空気塔１０に供給されるガスは、酸素を含んだガスであり、本実施形態では空気である。空気塔１０は、金属粒子ＭＰとガスとを反応させて金属粒子ＭＰを酸化させる塔である。空気塔１０内では、金属粒子ＭＰの酸化により酸化熱が発生する。

【0016】

サイクロン２０は、空気塔１０のうち重力方向上側の部分に接続され、空気塔１０から送られてくる金属粒子ＭＰと排ガスとを比重の差によって分離する。この排ガスは、金属粒子ＭＰとの酸化反応によってガスから酸素が奪われたものであり、本実施形態のガスは空気であることから高濃度の窒素を含んでいる。この排ガスは、サイクロン２０の重力方向上側の部分からサイクロン２０の外部へ送り出される。また、この排ガスに含まれる熱エネルギーは、熱交換器（不図示）によって回収される。

【0017】

第１ループシール部３０は、サイクロン２０の重力方向下側の部分に接続され、サイクロン２０にて排ガスから分離された金属粒子ＭＰを受け入れる。第１ループシール部３０内では、シールガスとして水蒸気が適宜送り込まれることによって、空気塔１０に供給されるガスと後述する燃料塔４０に供給される燃料とが接触しないようにシールされている。また、このシールガスは、第１ループシール部３０内の金属粒子ＭＰの流動の補助も行っている。

【0018】

燃料開閉弁４０Ｖは、ガス開閉弁１０Ｖと同様に、後述する制御部７０からの制御信号に従って開度を変更することが可能な電動弁や電磁弁である。燃料開閉弁４０Ｖは、燃料塔４０に燃料を供給する配管（不図示）に設けられている。燃料開閉弁４０Ｖは、燃料量調整部に相当し、燃料塔４０に供給される燃料の量を調整する。ここでいう燃料とは、メタンなどの炭化水素のことである。燃料塔４０は、酸化された金属粒子ＭＰと燃料とを反応させて金属粒子ＭＰを還元させる塔である。燃料塔４０内では、金属粒子ＭＰの還元により二酸化炭素や水から構成される排ガスが発生する。この排ガスは、燃料塔４０の重力方向上側の部分から燃料塔４０の外部へ送り出される。この排ガスに含まれる熱エネルギーは、熱交換器（不図示）によって回収される。また、この排ガスを脱水装置で処理することによって二酸化炭素が回収される。燃料塔４０は、燃料塔４０内での金属粒子ＭＰの還元を促進するために燃料塔４０内を加熱する電気ヒータ４０Ｈを有する。

【0019】

第２ループシール部５０は、燃料塔４０の重力方向下側の部分に接続され、燃料塔４０にて排ガスから分離された金属粒子ＭＰを受け入れる。第２ループシール部５０内では、第１ループシール部３０と同様に、シールガスが適宜送り込まれることによって、ガスと燃料との接触防止および第２ループシール部５０内の金属粒子ＭＰの流動の補助が行われている。

【0020】

循環配管６０は、空気塔１０と燃料塔４０との間で金属粒子ＭＰを循環させる配管である。循環配管６０は、第１配管６１と、第２配管６２と、を含む。第１配管６１は、第１ループシール部３０と燃料塔４０とを接続する配管であり、第１ループシール部３０から燃料塔４０へ金属粒子ＭＰを流通させる流路を画定している。燃料塔４０での還元反応に用いられる金属粒子ＭＰは、第１ループシール部３０から第１配管６１を介して燃料塔４０に送られる。一方、第２配管６２は、第２ループシール部５０と空気塔１０とを接続する配管であり、第２ループシール部５０から空気塔１０へ金属粒子ＭＰを流通させる流路を画定している。空気塔１０での酸化反応に用いられる金属粒子ＭＰは、第２ループシール部５０から第２配管６２を介して空気塔１０に送られる。

【0021】

制御部７０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）で構成されており、化学ループ燃焼システム１を制御する。本実施形態では、制御部７０は、少なくともガス開閉弁１０Ｖおよび燃料開閉弁４０Ｖの開度を制御する。

【0022】

化学ループ燃焼システム１は、さらに、ガス開閉弁８０Ｖと、リザーバタンク８０と、分岐配管８２と、流路開閉弁８２Ｖと、を備える。ガス開閉弁８０Ｖは、リザーバタンク８０にガスを供給する配管（不図示）に設けられ、リザーバタンク８０に供給されるガスの量を調整する。リザーバタンク８０に供給されるガスは、空気塔１０に供給されるガスと同様に、空気である。リザーバタンク８０は、貯留部に相当し、金属粒子ＭＰを貯留可能なタンクである。分岐配管８２は、循環配管６０から分岐してリザーバタンク８０に接続している配管であり、循環配管６０とリザーバタンク８０との間で金属粒子ＭＰを流通可能な流路を画定している。本実施形態では、分岐配管８２は、循環配管６０のうち第２配管６２から分岐してリザーバタンク８０に接続しており、第２配管６２とリザーバタンク８０との間で金属粒子ＭＰを流通可能な流路を画定している。分岐配管８２に設けられた流路開閉弁８２Ｖは、分岐配管８２内の当該流路を開閉する。本実施形態では、制御部７０は、ガス開閉弁１０Ｖおよび燃料開閉弁４０Ｖの開度に加えて、ガス開閉弁８０Ｖおよび流路開閉弁８２Ｖの開度も制御する。

【0023】

化学ループ燃焼システム１では、必要に応じて、空気塔１０から回収される熱エネルギーの量（熱量）や燃料塔４０から回収される二酸化炭素の量を調整するために、制御部７０は、空気塔１０にて酸化される金属粒子ＭＰの量および燃料塔４０にて還元される金属粒子ＭＰの量を調整する調整制御を行う。本実施形態では、空気塔１０にて酸化される金属粒子ＭＰの量および燃料塔４０にて還元される金属粒子ＭＰの量を調整するために、化学ループ燃焼システム１内を循環する金属粒子ＭＰの循環量を増減させる。ここでいう循環量とは、空気塔１０、サイクロン２０、第１ループシール部３０、第１配管６１、燃料塔４０、第２ループシール部５０、第２配管６２を循環する金属粒子ＭＰの量である。

【0024】

詳細には、制御部７０は、調整制御として、流路開閉弁８２Ｖを開弁させた状態で第２配管６２からリザーバタンク８０に金属粒子ＭＰを貯留させること（貯留制御）、もしくは、流路開閉弁８２Ｖを開弁させた状態でリザーバタンク８０から第２配管６２に金属粒子ＭＰを放出させること（放出制御）、によって化学ループ燃焼システム１内を循環する金属粒子ＭＰの循環量を増減させる。本実施形態では、リザーバタンク８０は、第２配管６２よりも重力方向下側に配置されていることから分岐配管８２も重力方向下側に向かって伸びている。このため、貯留制御では、制御部７０は、流路開閉弁８２Ｖを開弁（開度＞０）させることで分岐配管８２内を流通可能な状態とし、第２配管６２内の流路を流れる金属粒子ＭＰを分岐配管８２からリザーバタンク８０に落下させることによって、リザーバタンク８０に金属粒子ＭＰを貯留させる。なお、貯留制御時には、ガス開閉弁８０Ｖは閉弁しているものとする。一方、放出制御では、制御部７０は、ガス開閉弁８０Ｖおよび流路開閉弁８２Ｖをともに開弁（開度＞０）させることで分岐配管８２内を流通可能な状態としつつリザーバタンク８０にガスを供給することによって、リザーバタンク８０から第２配管６２に金属粒子ＭＰを放出させる。すなわち、本実施形態では、貯留制御と放出制御とは、流路開閉弁８２Ｖを開弁する点は共通するが、ガス開閉弁８０Ｖを開弁するか否かの点では異なる。このような貯留制御および放出制御によって化学ループ燃焼システム１内を循環する金属粒子ＭＰの循環量の増減が行われる。

【0025】

また、制御部７０は、金属粒子ＭＰの循環量の増減に応じて空気塔１０に供給されるガスの量および燃料塔４０に供給される燃料の量を増減させる。ここで、空気塔１０（もしくは燃料塔４０）に供給されるガス（もしくは燃料）の量とは、単位時間あたりに空気塔１０（もしくは燃料塔４０）に供給されるガス（もしくは燃料）の量のことである。例えば、制御部７０は、貯留制御によって金属粒子ＭＰの循環量が減少した場合、ガス開閉弁１０Ｖおよび燃料開閉弁４０Ｖの開度をともに減少させることで、空気塔１０に供給されるガスの量および燃料塔４０に供給される燃料の量をともに減少させる。一方、制御部７０は、放出制御によって金属粒子ＭＰの循環量が増加した場合、ガス開閉弁１０Ｖおよび燃料開閉弁４０Ｖの開度をともに増加させることで、空気塔１０に供給されるガスの量および燃料塔４０に供給される燃料の量をともに増加させる。なお、金属粒子ＭＰの循環量は、化学ループ燃焼システム１内の２つの位置間における圧力損失に基づいて推定される。本実施形態では、金属粒子ＭＰの循環量は、空気塔１０内の位置Ｐ１（空気塔１０内で重力方向下側に堆積している金属粒子ＭＰに対して、空気塔１０に供給されたガスが接触する前の位置）と、位置Ｐ２（空気塔１０内で金属粒子ＭＰが堆積している位置よりも重力方向上側の位置）と、の間における圧力損失に基づいて推定される。

【0026】

例えば、空気塔１０から回収される熱エネルギーの量（熱量）や燃料塔４０から回収される二酸化炭素の量を減少させるために、金属粒子ＭＰの循環量は増減させずに空気塔１０に供給されるガスの量および燃料塔４０に供給される燃料の量のみを減少させると、化学ループ燃焼システム１内を循環する金属粒子ＭＰの各々の循環速度の低下を招くことから、金属粒子ＭＰの滞留が発生しやすくなる。また、空気塔１０から回収される熱エネルギーの量（熱量）や燃料塔４０から回収される二酸化炭素の量を増加させるために、空気塔１０に供給されるガスの量および燃料塔４０に供給される燃料の量は変化させずに金属粒子ＭＰの循環量のみを増加させた場合にも同様に、金属粒子ＭＰの滞留が発生しやすくなる。このような滞留は、化学ループ燃焼システム１内の金属粒子ＭＰの循環の妨げとなり、ひいては、空気塔１０での酸化反応および燃料塔４０での還元反応が成立しなくなる虞がある。すなわち、化学ループ燃焼システム１では、金属粒子ＭＰの循環量と、空気塔１０に供給されるガスの量および燃料塔４０に供給される燃料の量と、を併せて増減させることによって、金属粒子ＭＰの滞留を抑制するのが好ましい。

【0027】

この点、第１実施形態の化学ループ燃焼システム１では、リザーバタンク８０による金属粒子ＭＰの貯留およびリザーバタンク８０からの金属粒子ＭＰの放出によって金属粒子ＭＰの循環量を増減させつつ、その循環量の増減に応じて空気塔１０に供給されるガスの量および燃料塔４０に供給される燃料の量を増減させる。このため、循環量の増減後においても金属粒子ＭＰの適切な循環を維持しつつ、酸化反応に適切な量のガスおよび還元反応に適切な量の燃料を空気塔１０および燃料塔４０に供給することができる。したがって、循環量の増減に比例して酸化される金属粒子の量および還元される金属粒子の量を増減させることができるため、空気塔１０から回収される熱量および燃料塔４０から回収される二酸化炭素の量を精度良く調整することができる。なお、上記の適切な量とは、空気塔１０および燃料塔４０に順次供給される金属粒子ＭＰの量に対して酸化反応および還元反応を行うのに十分なガスおよび燃料の量のことである。

【0028】

＜第２実施形態＞
図２は、本発明の第２実施形態としての化学ループ燃焼システム１ａの構成を例示した説明図である。第２実施形態の化学ループ燃焼システム１ａは、第１実施形態の化学ループ燃焼システム１と比べて、主に、ガス開閉弁８０Ｖ、リザーバタンク８０、分岐配管８２および流路開閉弁８２Ｖを備えていない点と、複数の空気塔１１～１３および複数の燃料塔４１～４３を備える点と、が異なる。

【0029】

空気塔１１～１３の各々は、第１実施形態の空気塔１０と同様に、金属粒子ＭＰとガスとを反応させて金属粒子ＭＰを酸化させる塔である。各々の空気塔１１～１３の重力方向上側の部分は、サイクロン２０に接続されている。ガス開閉弁１１Ｖ～１３Ｖの各々は、制御部７０からの制御信号に従って開度を変更することが可能な電動弁や電磁弁である。ガス開閉弁１１Ｖ～１３Ｖの各々は、空気塔１１～１３の各々にガスを供給する配管（不図示）に設けられ、空気塔１１～１３に供給されるガスの量を調整する。燃料塔４１～４３の各々は、第１実施形態の燃料塔４０と同様に、酸化された金属粒子ＭＰと燃料とを反応させて金属粒子ＭＰを還元させる塔である。各々の燃料塔４１～４３の重力方向下側の部分は、第２ループシール部５０に接続されている。なお、図２には図示されていないが、第１実施形態と同様に、燃料塔４１～４３の各々は、電気ヒータを有する。燃料開閉弁４１Ｖ～４３Ｖの各々は、制御部７０からの制御信号に従って開度を変更することが可能な電動弁や電磁弁である。燃料開閉弁４１Ｖ～４３Ｖの各々は、燃料塔４１～４３の各々にガスを供給する配管（不図示）に設けられ、燃料塔４１～４３に供給される燃料の量を調整する。

【0030】

第２実施形態の循環配管６０ａは、第１配管６１ａと、第２配管６２ａと、を含む。第２実施形態の第１配管６１ａは、第１ループシール部３０と燃料塔４１～４３の各々とを接続し、燃料塔４１～４３の各々へ金属粒子ＭＰを流通可能な配管である。第１配管６１ａは、第１ループシール部３０から燃料塔４１～４３の各々へ金属粒子ＭＰを流通させる複数の第１個別流路Ｆ１～Ｆ３を画定している。第１配管６１ａには、第１個別流路Ｆ１～Ｆ３の各々を開閉する複数の第１開閉弁Ｖ１～Ｖ３が設けられている。

【0031】

第２実施形態の第２配管６２ａは、第２ループシール部５０と空気塔１１～１３の各々とを接続し、空気塔１１～１３の各々へ金属粒子ＭＰを流通可能な配管である。第２配管６２ａは、第２ループシール部５０から空気塔１１～１３の各々へ金属粒子ＭＰを流通させる複数の第２個別流路Ｆ４～Ｆ６を画定している。第２配管６２ａには、第２個別流路Ｆ４～Ｆ６の各々を開閉する複数の第２開閉弁Ｖ４～Ｖ６が設けられている。

【0032】

第２実施形態では、酸化される金属粒子ＭＰの量および還元される金属粒子ＭＰの量を調整するために、制御部７０は、調整制御として、開弁する第１開閉弁Ｖ１～Ｖ３の数の調整および開弁する第２開閉弁Ｖ４～Ｖ６の数の調整を行うとともに、第１開閉弁Ｖ１～Ｖ３の開弁により金属粒子ＭＰが流通可能になった燃料塔への燃料の供給および第２開閉弁Ｖ４～Ｖ６の開弁により金属粒子ＭＰが流通可能になった空気塔へのガスの供給を行わせる。例えば、制御部７０は、第１開閉弁Ｖ１～Ｖ３のうち第１開閉弁Ｖ１，Ｖ２（２つの第１開閉弁）を開弁するとともに、第２開閉弁Ｖ４～Ｖ６のうち第２開閉弁Ｖ４，Ｖ５（２つの第２開閉弁）を開弁した（このとき第１開閉弁Ｖ３および第２開閉弁Ｖ６は閉弁している）場合、燃料開閉弁４１Ｖ，４２Ｖを開弁させて燃料塔４１，４２への燃料を供給させるとともに、ガス開閉弁１１Ｖ，１２Ｖを開弁させて空気塔１１，１２へのガスを供給させる。

【0033】

以上説明した第２実施形態の化学ループ燃焼システム１ａによれば、開弁する第１開閉弁Ｖ１～Ｖ３の数および開弁する第２開閉弁Ｖ４～Ｖ６の数を調整して金属粒子ＭＰが流通可能な空気塔の数および燃料塔の数を調整することによって、金属粒子ＭＰの循環量を増減させる。また、第１開閉弁Ｖ１～Ｖ３のうち少なくとも一部の開弁により金属粒子ＭＰが流通可能になった燃料塔への燃料の供給および第２開閉弁Ｖ４～Ｖ６のうち少なくとも一部の開弁により金属粒子ＭＰが流通可能になった空気塔へのガスの供給を行わせる。このため、循環量の増減後においても金属粒子ＭＰの適切な循環を維持しつつ、酸化反応に適切な量のガスおよび還元反応に適切な量の燃料を空気塔１１～１３および燃料塔４１～４３に供給することができる。したがって、循環量の増減に比例して酸化される金属粒子ＭＰの量および還元される金属粒子ＭＰの量を増減させることができるため、化学ループ燃焼システム１ａから回収される熱量および二酸化炭素の量を精度良く調整することができる。

【0034】

＜第３実施形態＞
図３は、本発明の第３実施形態としての化学ループ燃焼システム１ｂの構成を例示した説明図である。第３実施形態の化学ループ燃焼システム１ｂは、第１実施形態の化学ループ燃焼システム１と比べて、ガス開閉弁８０Ｖ、リザーバタンク８０、分岐配管８２および流路開閉弁８２Ｖを備えていない点と、不活性ガス開閉弁１０ＮＶおよび不活性ガス開閉弁４０ＮＶを備える点が異なる。

【0035】

不活性ガス開閉弁１０ＮＶは、制御部７０からの制御信号に従って開度を変更することが可能な電動弁や電磁弁である。不活性ガス開閉弁１０ＮＶは、空気塔１０に不活性ガスを供給する配管（不図示）に設けられている。不活性ガス開閉弁１０ＮＶは、第１不活性ガス調整部に相当し、空気塔１０に供給される不活性ガスの量を調整する。空気塔１０に供給される不活性ガスには、ヘリウムやネオン、アルゴンが例示される。

【0036】

不活性ガス開閉弁４０ＮＶは、不活性ガス開閉弁１０ＮＶと同様に、制御部７０からの制御信号に従って開度を変更することが可能な電動弁や電磁弁である。不活性ガス開閉弁４０ＮＶは、燃料塔４０に不活性ガスを供給する配管（不図示）に設けられている。不活性ガス開閉弁４０ＮＶは、第２不活性ガス調整部に相当し、燃料塔４０に供給される不活性ガスの量を調整する。燃料塔４０に供給される不活性ガスには、空気塔１０に供給される不活性ガスと同様に、ヘリウムやネオン、アルゴンが例示される。

【0037】

第３実施形態では、空気塔１０にて酸化される金属粒子ＭＰの量および燃料塔４０にて還元される金属粒子ＭＰの量を調整するために、制御部７０は、調整制御として、空気塔１０に供給されるガスの量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占めるガスの割合と不活性ガスの割合とを調整する。また、制御部７０は、燃料塔４０に供給される燃料の量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占める燃料の割合と不活性ガスの割合とを調整する。前述したように、空気塔１０（もしくは燃料塔４０）に供給されるガス（もしくは燃料、不活性ガス）の量とは、単位時間あたりに空気塔１０（もしくは燃料塔４０）に供給されるガス（もしくは燃料、不活性ガス）の量のことである。また、ガスの割合、燃料ガスの割合および不活性ガスの割合の調整は、ガス開閉弁１０Ｖ、燃料開閉弁４０Ｖ、不活性ガス開閉弁１０ＮＶおよび不活性ガス開閉弁４０ＮＶの開度調整によって行われる。

【0038】

例えば、制御部７０は、空気塔１０にて酸化される金属粒子ＭＰの量および燃料塔４０にて還元される金属粒子ＭＰの量を増加させる場合には、空気塔１０に供給されるガスの量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占めるガスの割合を増加させるとともに不活性ガスの割合を減少させる。それと同時に、制御部７０は、燃料塔４０に供給される燃料の量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占める燃料の割合を増加させるとともに不活性ガスの割合を減少させる。また、制御部７０は、空気塔１０にて酸化される金属粒子ＭＰの量および燃料塔４０にて還元される金属粒子ＭＰの量を減少させる場合には、空気塔１０に供給されるガスの量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占めるガスの割合を減少させるとともに不活性ガスの割合を増加させる。それと同時に、制御部７０は、燃料塔４０に供給される燃料の量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占める燃料の割合を減少させるとともに不活性ガスの割合を増加させる。

【0039】

以上説明した第３実施形態の化学ループ燃焼システム１ｂによれば、単位時間あたりに空気塔１０に供給される気体（ガスと不活性ガス）の合計量および単位時間あたりに燃料塔４０に供給される気体（燃料と不活性ガス）の合計量を変更することなく、酸化される金属粒子ＭＰの量および還元される金属粒子ＭＰの量を増減させることができる。このため、金属粒子ＭＰの適切な循環を維持しつつ、空気塔１０から回収される熱量および燃料塔４０から回収される二酸化炭素の量を精度良く調整することができる。

【0040】

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の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。

【0041】

第１実施形態では、分岐配管８２は、循環配管６０のうち第２配管６２から分岐してリザーバタンク８０に接続していたが、これに限られない。分岐配管８２は、循環配管６０のうち第１配管６１から分岐してリザーバタンク８０に接続していてもよい。また、第１実施形態では、リザーバタンク８０は、第２配管６２より重力方向下側に配置されていたが、これに限られない。リザーバタンク８０は、第２配管６２（もしくは第１配管６１）より重力方向上側に配置されていてもよい。この場合、制御部７０は、貯留制御において、流路開閉弁８２Ｖを開弁させつつ真空ポンプ等でリザーバタンク８０内を陰圧にし、第２配管６２（もしくは第１配管６１）内の流路を流れる金属粒子ＭＰを分岐配管８２からリザーバタンク８０に吸引することによって、リザーバタンク８０に金属粒子ＭＰを貯留させてもよい。また、制御部７０は、放出制御において、流路開閉弁８２Ｖを開弁させて、リザーバタンク８０に貯留された金属粒子ＭＰを第２配管６２（もしくは第１配管６１）に落下させることによって、リザーバタンク８０から第２配管６２に金属粒子ＭＰを放出させてもよい。

【0042】

第２実施形態の説明に用いた図２では、空気塔１１～１３の各々および燃料塔４１～４３の各々は、互いに同じサイズの空気塔および燃料塔として図示されていたが、これに限られない。化学ループ燃焼システムが備える複数の空気塔および複数の燃料塔は、互いに異なるサイズの空気塔および燃料塔であってもよい。なお、サイズが大きいほど、その空気塔内および燃料塔内に堆積する金属粒子ＭＰの量は多くなる傾向にあり、サイズが小さいほど、その空気塔内および燃料塔内に堆積する金属粒子ＭＰの量は少なくなる傾向にある。このため、異なるサイズの空気塔の数および燃料塔の数を多くするほど、酸化される金属粒子ＭＰの量および還元される金属粒子ＭＰの量を調整する際に、いずれの空気塔および燃料塔を金属粒子ＭＰの流通が可能な空気塔および燃料塔とするかによって、細やかな調整が可能となる。

【0043】

第２実施形態では、第１個別流路Ｆ１～Ｆ３は、１本の第１配管６１ａによって画定されるとともに、第２個別流路Ｆ４～Ｆ６は、１本の第２配管６２ａによって画定されていたが、これに限られない。例えば、第１個別流路Ｆ１～Ｆ３は、３本の第１配管６１ａの各々によって画定されるとともに、第２個別流路Ｆ４～Ｆ６は、３本の第２配管６２ａの各々によって画定されていてもよい。この場合、第１配管６１ａの各々が、第１ループシール部３０と燃料塔４１～４３とを接続するとともに、第２配管６２ａの各々が、第２ループシール部５０と空気塔１１～１３とを接続する。

【0044】

第２実施形態では、金属粒子ＭＰが流通可能になった燃料塔への燃料供給および金属粒子ＭＰが流通可能になった空気塔へのガス供給によって、金属粒子ＭＰの適切な循環を維持していたが、これに限られない。例えば、金属粒子ＭＰの適切な循環を維持するために、燃料塔への燃料供給および空気塔へのガス供給に加えて、第１ループシール部３０および第２ループシール部５０に送り込まれるシールガスの量を増加させてもよい。このシールガスの量は、金属粒子ＭＰが流通可能になった燃料塔の数および空気塔の数が多いほど増加させるものとする。

【0045】

上記第１～３実施形態の化学ループ燃焼システム１，１ａ、１ｂの構成、及び上記変形例の各構成は、適宜組み合わせてもよい。例えば、第１実施形態の化学ループ燃焼システム１では、さらに、第２実施形態で説明したように、複数の空気塔および複数の燃料塔を備えていてもよいし、第３実施形態で説明したように、空気塔や燃料塔に対して不活性ガス開閉弁が備えられていてもよい。また、第２実施形態の化学ループ燃焼システム１ａでは、さらに、第３実施形態で説明したように、空気塔の各々や燃料塔の各々に対して不活性ガス開閉弁が備えられていてもよい。

【0046】

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。

【0047】

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］
化学ループ燃焼システムであって、
金属粒子とガスとを反応させて前記金属粒子を酸化させる空気塔と、
酸化された前記金属粒子と燃料とを反応させて前記金属粒子を還元させる燃料塔と、
前記空気塔と前記燃料塔との間で前記金属粒子を循環させる循環配管と、
前記化学ループ燃焼システムを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、酸化される前記金属粒子の量および還元される前記金属粒子の量を調整する調整制御を行う、化学ループ燃焼システム。
［適用例２］
適用例１に記載の化学ループ燃焼システムであって、さらに、
前記空気塔に供給される前記ガスの量を調整するガス量調整部と、
前記燃料塔に供給される前記燃料の量を調整する燃料量調整部と、
前記金属粒子を貯留可能な貯留部と、
前記循環配管から分岐して前記貯留部に接続している分岐配管と、を備え、
前記分岐配管には、前記分岐配管内の流路を開閉する流路開閉弁が設けられ、
前記制御部は、前記調整制御として、前記流路開閉弁を開弁させた状態で前記循環配管から前記貯留部に前記金属粒子を貯留させること、もしくは、前記流路開閉弁を開弁させた状態で前記貯留部から前記循環配管に前記金属粒子を放出させること、によって前記化学ループ燃焼システム内を循環する前記金属粒子の循環量を増減させるとともに、前記循環量の増減に応じて前記ガスの量および前記燃料の量を増減させる、化学ループ燃焼システム。
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の化学ループ燃焼システムであって、さらに、
複数の前記空気塔と、
複数の前記燃料塔と、
前記空気塔の各々に供給される前記ガスの量を調整する複数のガス量調整部と、
前記燃料塔の各々に供給される前記燃料の量を調整する複数の燃料量調整部と、
を備え、
前記循環配管は、前記燃料塔の各々へ前記金属粒子を流通可能な第１配管と、前記空気塔の各々へ前記金属粒子を流通可能な第２配管と、を含み、
前記第１配管には、前記燃料塔の各々へ前記金属粒子を流通させる第１個別流路の各々を開閉する複数の第１開閉弁が設けられ、
前記第２配管には、前記空気塔の各々へ前記金属粒子を流通させる第２個別流路の各々を開閉する複数の第２開閉弁が設けられ、
前記制御部は、前記調整制御として、開弁する前記第１開閉弁の数の調整および開弁する前記第２開閉弁の数の調整を行うとともに、前記第１開閉弁の開弁により前記金属粒子が流通可能になった前記燃料塔への前記燃料の供給および前記第２開閉弁の開弁により前記金属粒子が流通可能になった前記空気塔への前記ガスの供給を行わせる、化学ループ燃焼システム。
［適用例４］
適用例１から適用例３までのいずれかに記載の化学ループ燃焼システムであって、さらに、
前記空気塔に供給される前記ガスの量を調整するガス量調整部と、
前記燃料塔に供給される前記燃料の量を調整する燃料量調整部と、
前記空気塔に供給される不活性ガスの量を調整する第１不活性ガス調整部と、
前記燃料塔に供給される不活性ガスの量を調整する第２不活性ガス調整部と、を備え、
前記制御部は、前記調整制御として、前記空気塔に供給される前記ガスの量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占める前記ガスの割合と不活性ガスの割合とを調整するとともに、前記燃料塔に供給される前記燃料の量と不活性ガスの量との合計量を変えることなく当該合計量に占める前記燃料の割合と不活性ガスの割合とを調整する、化学ループ燃焼システム。

【符号の説明】

【0048】

１，１ａ，１ｂ…化学ループ燃焼システム
１０，１１～１３…空気塔
１０ＮＶ…不活性ガス開閉弁
１０Ｖ，１１Ｖ～１３Ｖ…ガス開閉弁
２０…サイクロン
３０…第１ループシール部
４０，４１～４３…燃料塔
４０Ｈ…電気ヒータ
４０ＮＶ…不活性ガス開閉弁
４０Ｖ，４１Ｖ～４３Ｖ…燃料開閉弁
５０…第２ループシール部
６０，６０ａ…循環配管
６１，６１ａ…第１配管
６２，６２ａ…第２配管
７０…制御部
８０…リザーバタンク
８０Ｖ…ガス開閉弁
８２…分岐配管
８２Ｖ…流路開閉弁
Ｆ１～Ｆ３…第１個別流路
Ｆ４～Ｆ６…第２個別流路
Ｖ１～Ｖ３…第１開閉弁
Ｖ４～Ｖ６…第２開閉弁

【図1】

【図2】

【図3】