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(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】P2024148424
(43)【公開日】2024-10-18
(54)【発明の名称】ケミカルルーピング燃焼システム
(51)【国際特許分類】
F23C 10/10 20060101AFI20241010BHJP
C01B 3/02 20060101ALI20241010BHJP
C01B 32/50 20170101ALI20241010BHJP
F23G 7/06 20060101ALI20241010BHJP
F23J 15/00 20060101ALI20241010BHJP
F23C 9/00 20060101ALI20241010BHJP
【ＦＩ】
F23C10/10
C01B3/02 H
C01B32/50
F23G7/06 M
F23J15/00 Z
F23C9/00
【審査請求】有
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023061538
(22)【出願日】2023-04-05
(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】100182718
【弁理士】
【氏名又は名称】木崎 誠司
(72)【発明者】
【氏名】佐山 勝悟
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 秀明
(72)【発明者】
【氏名】森 勇稀
(72)【発明者】
【氏名】青木 正和
【テーマコード（参考）】
3K064
3K070
3K078
3K091
4G146
【Ｆターム（参考）】
3K064AB03
3K064AB07
3K064AD04
3K064AD05
3K064AF02
3K064BA07
3K070DA29
3K070DA52
3K078AA06
3K078BA02
3K078CA02
3K078CA11
3K091AA20
3K091GA12
3K091GA36
4G146JA02
4G146JB02
4G146JC03
4G146JC36
4G146JC40
4G146JD06
(57)【要約】
【課題】、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。
【解決手段】ケミカルルーピング燃焼システムは、金属粒子を酸化させる酸化塔と、水素と、炭素を含む化合物とが燃料として供給されると共に、酸化塔から酸化された金属粒子が供給され、燃料を用いて金属粒子を還元して二酸化炭素を含むガスを排出する燃料塔と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】ケミカルルーピング燃焼システムは、金属粒子を酸化させる酸化塔と、水素と、炭素を含む化合物とが燃料として供給されると共に、酸化塔から酸化された金属粒子が供給され、燃料を用いて金属粒子を還元して二酸化炭素を含むガスを排出する燃料塔と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ケミカルルーピング燃焼システムであって、
金属粒子を酸化させる酸化塔と、
水素と、炭素を含む化合物とが燃料として供給されると共に、前記酸化塔から酸化された金属粒子が供給され、前記燃料を用いて金属粒子を還元する燃料塔と、
を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
金属粒子を酸化させる酸化塔と、
水素と、炭素を含む化合物とが燃料として供給されると共に、前記酸化塔から酸化された金属粒子が供給され、前記燃料を用いて金属粒子を還元する燃料塔と、
を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項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、
前記燃料塔内の温度を取得する温度取得部と、
前記温度取得部により取得された温度と、所定の温度との差を用いて、前記燃料塔に供給する水素および炭素を含む化合物の流量を決定する制御部と、
を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
前記燃料塔内の温度を取得する温度取得部と、
前記温度取得部により取得された温度と、所定の温度との差を用いて、前記燃料塔に供給する水素および炭素を含む化合物の流量を決定する制御部と、
を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項3】
請求項１または請求項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、
水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解部を備え、
前記水電解部は、生成された水素および酸素を前記燃料塔に供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解部を備え、
前記水電解部は、生成された水素および酸素を前記燃料塔に供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項4】
請求項３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、
前記酸化塔の下流側、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、前記酸化塔から前記燃料塔へのガスの流入を抑制するループシールを備え、
前記水電解部は、
生成された水素を前記燃料塔に供給し、
生成された酸素を、前記燃料塔の代わりに前記ループシールに供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
前記酸化塔の下流側、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、前記酸化塔から前記燃料塔へのガスの流入を抑制するループシールを備え、
前記水電解部は、
生成された水素を前記燃料塔に供給し、
生成された酸素を、前記燃料塔の代わりに前記ループシールに供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項5】
請求項４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、
前記水電解部により生成された水素を貯蔵する水素タンクを備え、
前記制御部は、
前記水電解部による水素と酸素との生成がある場合に、生成された酸素を前記燃料塔に供給し、かつ、生成された水素の少なくとも一部を前記水素タンクで貯蔵し、
前記水電解部による水素と酸素との生成がない場合に、前記水素タンクで貯蔵された水素を前記燃料塔に供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
前記水電解部により生成された水素を貯蔵する水素タンクを備え、
前記制御部は、
前記水電解部による水素と酸素との生成がある場合に、生成された酸素を前記燃料塔に供給し、かつ、生成された水素の少なくとも一部を前記水素タンクで貯蔵し、
前記水電解部による水素と酸素との生成がない場合に、前記水素タンクで貯蔵された水素を前記燃料塔に供給する、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、ケミカルルーピング燃焼システムに関する。
【背景技術】
【0002】
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および非特許文献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。燃料反応器の下流側に設置された酸化触媒は、燃料反応器から排出される未燃の一酸化炭素を燃焼して、二酸化炭素へと変化させている。
【0003】
非特許文献１に記載された技術では、燃料塔で発生する金属の還元反応が吸熱反応であり、吸熱反応によって失われる熱量を燃料塔の外部ヒータで補っている。また、金属を酸化させる酸化塔から燃料塔までの間と、燃料塔から酸化塔までの間とに、ループシールが配置されている。ループシール内には、金属粒子の流動化のために水蒸気が供給されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特表２０１３－５２２１４９号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Carl Linderholm, et al. "160h of chemical-looping combustion in a 10kW reactor system with a NiO-based oxygen carrier." International Journal of Greenhouse Gas Control Volume 2, issue 4, October 2008, Pages 520-530
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
非特許文献１に記載された技術では、燃料塔内の吸熱反応で失われる熱量を外部ヒータの加熱で補っているため、放熱損失が大きい。また、ループシール内に供給する水蒸気の生成にエネルギを要する。そのため、ケミカルルーピング燃焼システムの全体のエネルギ効率をさらに向上させたいという要望があった。なお、特許文献１には、燃料反応器内で失われる熱量の補填やループシールについて言及されていない。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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。
【0009】
（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、金属粒子を酸化させる酸化塔と、水素と、炭素を含む化合物とが燃料として供給されると共に、前記酸化塔から酸化された金属粒子が供給され、前記燃料を用いて金属粒子を還元する燃料塔と、を備える。
【0010】
この構成によれば、燃料塔内では、酸化した金属粒子を、燃料としての炭素を含む化合物が還元することにより吸熱反応が発生する。一方で、炭素を含む化合物に加えて燃料塔に供給される水素が、酸化した金属粒子を還元することにより弱発熱反応が発生する。そのため、炭素を含む化合物が金属粒子を還元することによる吸熱反応により失う熱量の全てまたは一部を、水素が金属粒子を還元することによる弱発熱反応の熱量で補うことができる。本構成では、燃料塔内を弱発熱反応により直接加熱するため、例えば、外部からヒータなどで燃料塔内を加熱する場合と比較して放熱損失が少ない。この結果、燃料として炭素を含む化合物のみが燃料塔に供給された場合よりも、システム全体のエネルギ効率が向上する。
【0011】
（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、前記燃料塔内の温度を取得する温度取得部と、前記温度取得部により取得された温度と、所定の温度との差を用いて、前記燃料塔に供給する水素および炭素を含む化合物の流量を決定する制御部と、を備えていてもよい。
この構成によれば、燃料塔内の温度が取得される。燃料塔内の温度と所定の温度との差に応じて燃料の水素と、炭素を含む化合物との流量割合が制御される。これにより、燃料塔内の温度に応じて金属粒子が水素に還元されることによる弱発熱反応を用いた燃料塔内の加熱が制御され、かつ、還元される金属粒子の量が制御される。この結果、燃料塔内の温度を所望の温度に制御した上で、酸化された金属粒子を還元できる。
この構成によれば、燃料塔内の温度が取得される。燃料塔内の温度と所定の温度との差に応じて燃料の水素と、炭素を含む化合物との流量割合が制御される。これにより、燃料塔内の温度に応じて金属粒子が水素に還元されることによる弱発熱反応を用いた燃料塔内の加熱が制御され、かつ、還元される金属粒子の量が制御される。この結果、燃料塔内の温度を所望の温度に制御した上で、酸化された金属粒子を還元できる。
【0012】
（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、さらに、水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解部を備え、前記水電解部は、生成された水素および酸素を前記燃料塔に供給してもよい。
この構成によれば、水電解部により生成された水素および酸素が燃料塔に供給される。燃料塔に流入した酸素は、燃料塔内で燃料により還元された金属粒子を再酸化する。酸素が金属粒子を酸化することによる発熱反応によって燃料塔内が加熱される。水電解により生成される酸素は、空気中の酸素と異なり、窒素などの不純物を含んでいないため、燃料塔から高純度の二酸化炭素を回収できる。さらに、酸素は、水電解により生成される水素の副産物であるため、システム全体のエネルギ効率が向上する。
この構成によれば、水電解部により生成された水素および酸素が燃料塔に供給される。燃料塔に流入した酸素は、燃料塔内で燃料により還元された金属粒子を再酸化する。酸素が金属粒子を酸化することによる発熱反応によって燃料塔内が加熱される。水電解により生成される酸素は、空気中の酸素と異なり、窒素などの不純物を含んでいないため、燃料塔から高純度の二酸化炭素を回収できる。さらに、酸素は、水電解により生成される水素の副産物であるため、システム全体のエネルギ効率が向上する。
【0013】
（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、前記酸化塔の下流側、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、前記酸化塔から前記燃料塔へのガスの流入を抑制するループシールを備え、前記水電解部は、生成された水素を前記燃料塔に供給し、生成された酸素を、前記燃料塔の代わりに前記ループシールに供給してもよい。
この構成によれば、ループシール内には、水電解部により水素の副産物として生成された酸素が供給される。ループシール内では、金属粒子の流動を促進して、金属粒子同士の凝縮および固着を防止するためにガスが供給されることが好ましい。さらに、ループシール内に供給されるガスは、燃料塔へと流入する可能性があるため、窒素などの不純物を含んでいないことが好ましい。ループシール内に供給された酸素は、酸化塔からループシール内に流入しようとする窒素などの不純物の流入を抑制する。また、ループシール内に酸素が供給されることにより、不純物の流入を防ぐために他のガス（例えば、水蒸気）などを供給しなくても済む。すなわち、ループシール内に供給される酸素は、水電解により生成される水素の副産物であり、燃料塔内で金属粒子を再酸化させて燃料塔内を加熱するため、本構成のシステム全体のエネルギ効率が向上する。
この構成によれば、ループシール内には、水電解部により水素の副産物として生成された酸素が供給される。ループシール内では、金属粒子の流動を促進して、金属粒子同士の凝縮および固着を防止するためにガスが供給されることが好ましい。さらに、ループシール内に供給されるガスは、燃料塔へと流入する可能性があるため、窒素などの不純物を含んでいないことが好ましい。ループシール内に供給された酸素は、酸化塔からループシール内に流入しようとする窒素などの不純物の流入を抑制する。また、ループシール内に酸素が供給されることにより、不純物の流入を防ぐために他のガス（例えば、水蒸気）などを供給しなくても済む。すなわち、ループシール内に供給される酸素は、水電解により生成される水素の副産物であり、燃料塔内で金属粒子を再酸化させて燃料塔内を加熱するため、本構成のシステム全体のエネルギ効率が向上する。
【0014】
（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、前記水電解部により生成された水素を貯蔵する水素タンクを備え、前記制御部は、前記水電解部による水素と酸素との生成がある場合に、生成された酸素を前記燃料塔に供給し、かつ、生成された水素の少なくとも一部を前記水素タンクで貯蔵し、前記水電解部による水素と酸素との生成がない場合に、前記水素タンクで貯蔵された水素を前記燃料塔に供給してもよい。
この構成によれば、水電解部に水電解のための電力を供給する電力供給源からの電力供給が変動する場合に、電力供給量に応じて、水電解部からの水素と酸素の供給が制御されている。電力が供給されて水電解部が水素と酸素とを生成する場合に、生成された水素は水素タンクに貯蔵される。一方で、生成された酸素は、燃料塔に供給されて金属粒子を酸化して発熱反応を生じさせる。この結果、燃料塔内の炭素を含む化合物の還元反応によって失われる熱量が発熱反応により補われる。電力が供給されずに水電解部が水電解を行わない場合には、水素タンクに貯蔵された水素を燃料塔に供給することにより、炭素を含む化合物の還元反応によって失われた熱量が弱発熱反応により補われる。すなわち、本構成によれば、水電解部に供給される電力量に応じて、水電解による副産物の酸素を有効利用しつつ、電力供給がない場合には、水素タンクに貯蔵された水素が燃料塔内の加熱に利用される。この結果、システム全体のエネルギ効率が向上する。
この構成によれば、水電解部に水電解のための電力を供給する電力供給源からの電力供給が変動する場合に、電力供給量に応じて、水電解部からの水素と酸素の供給が制御されている。電力が供給されて水電解部が水素と酸素とを生成する場合に、生成された水素は水素タンクに貯蔵される。一方で、生成された酸素は、燃料塔に供給されて金属粒子を酸化して発熱反応を生じさせる。この結果、燃料塔内の炭素を含む化合物の還元反応によって失われる熱量が発熱反応により補われる。電力が供給されずに水電解部が水電解を行わない場合には、水素タンクに貯蔵された水素を燃料塔に供給することにより、炭素を含む化合物の還元反応によって失われた熱量が弱発熱反応により補われる。すなわち、本構成によれば、水電解部に供給される電力量に応じて、水電解による副産物の酸素を有効利用しつつ、電力供給がない場合には、水素タンクに貯蔵された水素が燃料塔内の加熱に利用される。この結果、システム全体のエネルギ効率が向上する。
【0015】
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。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】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。
【図2】ケミカルループ燃焼の原理の説明図である。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】第４実施形態の燃料の流量制御方法のフローチャートである。
【図8】第５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。
【図9】第５実施形態の燃料の流量制御方法のフローチャートである。
【図10】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。
【発明を実施するための形態】
【0017】
＜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。燃焼システム１００では、金属粒子ｍｇを酸化させる酸化塔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により酸化塔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）が回収される。従来のケミカルルーピング燃焼システムでは、燃料塔２０における金属粒子ｍｇと炭化水素（炭素を含む化合物）との還元による吸熱反応により燃料塔２０内の温度が低下するため、外部ヒータによって燃料塔２０内を加熱していた。それに対して、本実施形態では、燃料塔２０内に燃料として炭化水素に加えて水素（Ｈ2）が供給される。Ｈ2と金属粒子ｍｇとの還元反応は弱発熱反応であるため、当該反応により燃料塔２０内の温度低下が抑制される。Ｈ2を用いた弱発熱反応は、直接燃料塔２０内を加熱するため、外部ヒータよりも放熱損失が少ない。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。
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。燃焼システム１００では、金属粒子ｍｇを酸化させる酸化塔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により酸化塔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）が回収される。従来のケミカルルーピング燃焼システムでは、燃料塔２０における金属粒子ｍｇと炭化水素（炭素を含む化合物）との還元による吸熱反応により燃料塔２０内の温度が低下するため、外部ヒータによって燃料塔２０内を加熱していた。それに対して、本実施形態では、燃料塔２０内に燃料として炭化水素に加えて水素（Ｈ2）が供給される。Ｈ2と金属粒子ｍｇとの還元反応は弱発熱反応であるため、当該反応により燃料塔２０内の温度低下が抑制される。Ｈ2を用いた弱発熱反応は、直接燃料塔２０内を加熱するため、外部ヒータよりも放熱損失が少ない。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。
【0018】
燃焼システム１００内には、酸化塔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）を酸化塔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Ｆｅ3Ｏ4の酸化反応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、酸化塔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、脱水器４０と、を備えている。
【0019】
酸化塔１０は、Ｏ2を含む空気を用いて、下記式（１）に示される反応を生じさせてＦｅ３Ｏ4を酸化させる。式（１）の酸化反応は発熱反応である。そのため、式（１）の反応が発生することにより熱が生じて、酸化塔１０内のガスが暖められ、酸化塔１０内はおよそ摂氏１０００度（℃）まで加熱される。
【数1】
【0020】
酸化塔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。酸化塔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、酸化塔１０の鉛直下方から供給される空気が酸化塔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を通過して酸化塔１０から漏れ出すことを防止する。なお、酸化塔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。
【0021】
酸化塔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に示されるように酸化塔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、酸化塔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。
【0022】
空気塔側ループシール部６０は、図１に示されるように、酸化塔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、脱水器４０により除去できるためである。
【0023】
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、Ｎ2を主成分とするガスが、粒子層を通過してサイクロン１５から燃料塔２０へと流入することが抑制される。
【0024】
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。
【0025】
本実施形態では、燃料塔２０には、燃料としての水素（Ｈ2）およびメタン（ＣＨ4）が供給されると共に、酸化塔１０から酸化された金属粒子ｍｇおよび空気塔側ループシール部６０に供給された水蒸気を含むガスが供給される。燃料塔２０は、Ｈ2およびＣＨ4を用いて金属粒子ｍｇを還元する。ＣＨ4と金属粒子ｍｇとの還元反応により発生したＣＯ2を含む混合ガスは排出される。
【0026】
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。
【0027】
燃料としてのＣＨ4が供給された燃料塔２０内では、上記式（１）で示される酸化塔１０内で酸化された金属粒子ｍｇであるＦｅ2Ｏ3が、下記式（２）で示されるようにＣＨ4により還元されてＦｅ3Ｏ4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。
【0028】
【数2】
【0029】
また、ＣＨ4と共に燃料としてのＨ2が供給された燃料塔２０内では、酸化された金属粒子ｍｇであるＦｅ2Ｏ3が、下記式（３）で示されるようにＨ2により還元されてＦｅ3Ｏ4に変化する。下記式（３）で表される還元反応は、弱発熱反応である。そのため、下記式（３）の弱発熱反応が発生すると、燃料塔２０内は加熱される。
【0030】
【数3】
【0031】
上記式（１）で表される酸化塔１０内の酸化反応と、上記式（２）で表される燃料塔２０内のＣＨ4の還元反応との和を取ると、燃料塔２０内でのＣＨ4による還元反応を含めた酸化塔１０および燃料塔２０の反応は、下記式（４）に示されるＣＨ4の燃焼と同じ反応である。すなわち、金属粒子ｍｇの酸化と、ＣＨ4による金属粒子ｍｇの還元とで得られる熱の総量（酸化塔１０の発熱と燃料塔２０の吸熱との和）は、ＣＨ4の燃焼と同一である。
【数4】
【0032】
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脱水器４０へと送られる。脱水器４０により水蒸気が取り除かれた高純度のＣＯ2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。
【0033】
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。
【0034】
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、酸化塔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酸化塔１０に流入する。燃料塔側ループシール部７０と酸化塔１０とを接続する配管には、燃料塔側ループシール部７０から酸化塔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、酸化塔１０へと移動する。以上説明したように、金属粒子ｍｇは、酸化塔１０内で酸化され、燃料塔２０内で還元され、酸化塔１０と燃料塔２０との間を循環する。
【0035】
図２は、ケミカルループ燃焼の原理の説明図である。図２には、燃焼システム１００の概略ブロック図が示されている。なお、図２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。
【0036】
酸化塔１０では、酸化ガスとしての空気が供給されて、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Ｈ2および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。なお、Ｈ2により金属粒子ｍｇが還元される場合にはＣＯ2が発生しない。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。
【0037】
＜比較例＞
図３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３に示される比較例の燃焼システム１００ｘでは、図１に示される燃焼システム１００と比較して、燃料塔２０ｘ内に燃料としてＣＨ4が供給され、Ｈ2が供給されない。そのため、比較例の燃料塔２０ｘ内では、Ｈ2による金属粒子ｍｇの還元反応が発生しない、すなわち、Ｈ2と金属粒子ｍｇとの弱発熱反応が発生しない。比較例では、弱発熱反応によって燃料塔２０内が加熱されないため、燃焼システム１００ｘは、燃料塔２０内を加熱するヒータ２５を備えている。
図３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３に示される比較例の燃焼システム１００ｘでは、図１に示される燃焼システム１００と比較して、燃料塔２０ｘ内に燃料としてＣＨ4が供給され、Ｈ2が供給されない。そのため、比較例の燃料塔２０ｘ内では、Ｈ2による金属粒子ｍｇの還元反応が発生しない、すなわち、Ｈ2と金属粒子ｍｇとの弱発熱反応が発生しない。比較例では、弱発熱反応によって燃料塔２０内が加熱されないため、燃焼システム１００ｘは、燃料塔２０内を加熱するヒータ２５を備えている。
【0038】
それに対して、本実施形態の燃焼システム１００では、燃料塔２０には、燃料としての水素（Ｈ2）およびメタン（ＣＨ4）が供給される。燃料塔２０では、燃料としてのＨ2およびＣＨ4が、酸化塔１０から酸化された金属粒子ｍｇを還元する。本実施形態では、燃料塔２０内では、酸化した金属粒子ｍｇをＣＨ4が還元することにより吸熱反応が発生する。一方で、ＣＨ4に加えて燃料塔２０に供給されるＨ2が、酸化した金属粒子ｍｇを還元することにより弱発熱反応が発生する。そのため、ＣＨ4が金属粒子ｍｇを還元することによる吸熱反応により失う熱量の全てまたは一部を、Ｈ2が金属粒子ｍｇを還元することによる弱発熱反応の熱量で補うことができる。燃料塔２０内を弱発熱反応により直接加熱するため、本実施形態では、比較例のような外部からヒータ２５を用いた加熱よりも放熱損失が少ない。この結果、燃料としてＣＨ4のみが燃料塔２０に供給された場合よりも、燃焼システム１００全体のエネルギ効率が向上する。
【0039】
＜第２実施形態＞
図４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実施形態の燃焼システム１００ａは、図４に示されるように、さらに、水の電気分解してＨ2とＯ2とを生成する水電解装置（水電解部）３０を備えている。第２実施形態の燃焼システム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２０に供給されるＨ2が水電解装置３０の水電解により生成されたＨ2であること、および、水電解により生成されたＯ2が燃料塔２０に供給されることが異なる。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。
図４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実施形態の燃焼システム１００ａは、図４に示されるように、さらに、水の電気分解してＨ2とＯ2とを生成する水電解装置（水電解部）３０を備えている。第２実施形態の燃焼システム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２０に供給されるＨ2が水電解装置３０の水電解により生成されたＨ2であること、および、水電解により生成されたＯ2が燃料塔２０に供給されることが異なる。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。
【0040】
第２実施形態では、燃料塔２０内にＯ2が供給されることにより、上記式（１）で表されるように、燃料塔２０内で還元された金属粒子ｍｇの再酸化の発熱反応が発生する。酸化による発熱反応により、燃料塔２０内が加熱される。水電解により生成されたＯ2を燃料塔に供給する場合には、燃料塔２０内を加熱するためのＨ2の供給を節約できる。燃料塔２０内に供給されるＯ2は、空気とは異なりＮ2を含んでいない。そのため、水電解により生成されたＯ2が燃料塔２０に供給されても、燃料塔２０から排出される混合ガス中のＣＯ2濃度の低下を抑制できる。
【0041】
以上のように、第２実施形態の水電解装置３０は、水の電気分解してＨ2とＯ2とを生成する。生成されたＨ2およびＯ2は、燃料塔２０に供給される。第２実施形態では、燃料塔２０に流入したＯ2は、燃料塔２０内でＣＨ4またはＨ2により還元された金属粒子ｍｇを再酸化する。Ｏ2が金属粒子ｍｇを酸化することによる発熱反応によって燃料塔２０内が加熱される。水電解により生成されるＯ2は、空気中のＯ2と異なり、Ｎ2などの不純物を含んでいないため、燃料塔２０から高純度のＣＯ2を回収できる。さらに、Ｏ2は、水電解により生成されるＨ2の副産物であるため、燃焼システム１００ａ全体のエネルギ効率が向上する。
【0042】
＜第３実施形態＞
図５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実施形態の燃焼システム１００ｂでは、第２実施形態の燃焼システム１００ａと比較して、水電解装置３０ｂで生成されたＯ2が燃料塔２０の代わりに空気塔側ループシール部６０に供給される点が異なる。第３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。
図５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実施形態の燃焼システム１００ｂでは、第２実施形態の燃焼システム１００ａと比較して、水電解装置３０ｂで生成されたＯ2が燃料塔２０の代わりに空気塔側ループシール部６０に供給される点が異なる。第３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。
【0043】
第３実施形態では、空気塔側ループシール部６０のシール６０Ｓの下方から水蒸気と共に、水電解装置３０ｂで生成されたＯ2が供給される。空気塔側ループシール部６０にＯ2が供給されると、一部のＯ2は燃料塔２０へと流入し、残りのＯ2はサイクロン１５へと流入する。燃料塔２０へと流入するＯ2は、第２実施形態で燃料塔２０に供給される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内が加熱される。
【0044】
以上のように、第３実施形態では、水電解装置３０ｂで生成されたＯ2が燃料塔２０の代わりに空気塔側ループシール部６０に供給される。空気塔側ループシール部６０では、金属粒子ｍｇの流動を促進して、金属粒子ｍｇ同士の凝縮および固着を防止するために水蒸気などのガスが供給されることが好ましい。さらに、空気塔側ループシール部６０内に供給されるガスは、燃料塔２０へと流入する可能性があるため、Ｎ2などの不純物を含んでいないことが好ましい。空気塔側ループシール部６０に供給されたＯ2は、酸化塔１０から空気塔側ループシール部６０内に流入しようとするＮ2などの不純物の流入を抑制する。また、空気塔側ループシール部６０内にＯ2が供給されることにより、不純物の流入を防ぐための水蒸気の流量を低減できる。すなわち、空気塔側ループシール部６０内に供給されるＯ2は、水電解により生成されるＨ2の副産物であり、燃料塔２０内で金属粒子ｍｇを再酸化させて燃料塔２０内を加熱するため、燃焼システム１００ｂ全体のエネルギ効率が向上する。
【0045】
＜第４実施形態＞
図６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実施形態の燃焼システム１００ｃは、第１実施形態の燃焼システム１００と比較して、燃料塔２０に供給される燃料としてのＣＨ4およびＨ2の流量が制御される点が大きく異なる。第４実施形態では、第１実施形態と異なる構成および制御について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。
図６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実施形態の燃焼システム１００ｃは、第１実施形態の燃焼システム１００と比較して、燃料塔２０に供給される燃料としてのＣＨ4およびＨ2の流量が制御される点が大きく異なる。第４実施形態では、第１実施形態と異なる構成および制御について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。
【0046】
第４実施形態の燃焼システム１００ｃは、図６に示されるように、さらに、燃料塔２０内の温度ＴFRを検出する温度センサ（温度取得部）２６と、検出された燃料塔２０内の温度ＴFRを用いて燃料塔２０に供給されるＣＨ4とＨ2との流量を制御する制御部５０とを備えている。本実施形態の温度センサ２６は、燃料塔２０に挿入された熱電対である。
【0047】
図６には図示されていないが、燃焼システム１００ｃは、燃料塔２０に供給されるＣＨ4およびＨ2の流量のそれぞれを制御するバルブを備えている。制御部５０は、燃料塔２０内の温度ＴFRと、所定の温度である目標温度ＴFR_tarとの差に応じて、燃料塔２０に供給するＨ2の流量ＱFR_H2およびＣＨ4の流量ＱFR_HCを決定する。
【0048】
本実施形態の制御部５０は、下記式（５）に温度センサ２５により検出された燃料塔２０内の温度ＴFRを代入することにより、現時点の時刻ｔからΔｔ秒後に、燃料塔２０に供給するＨ2の流量ＱFR_H2を決定する。なお、式（５）におけるｋ1は、正の定数であり、ユーザが任意に設定できる。
【数5】
【0049】
ここで、燃料としてのＣＨ4とＨ2とのいずれも、酸化された金属粒子ｍｇと反応する。そのため、本実施形態の制御部５０は、Ｈ2の流量ＱFR_H2を増加させた場合に、他方のＣＨ4の流量ＱFR_HCを減少させる。一方で、制御部５０は、Ｈ2の流量ＱFR_H2を減少させた場合に、他方のＣＨ4の流量ＱFR_HCを増加させる。ここで、時刻ｔからΔｔ秒後のＣＨ4の流量ＱFR_HC（ｔ＋Δｔ）は、下記式（６）のように表される。
【0050】
【数6】
ｂ1：１ｍｏｌのＨ2で還元できる金属粒子量（ｍｏｌ（金属）／ｍｏｌ（Ｈ2））
本実施形態では、上記式（２），（３）の還元反応が発生するため、上記式（５）において、ａ1＝１２，ｂ1＝３である。
【0051】
図７は、第４実施形態の燃料の流量制御方法のフローチャートである。図７に示される流量制御フローでは、初めに、燃焼システム１００ｃの制御を開始する（ステップＳ１）。制御部５０は、温度センサ２６を介して、燃料塔２０内の温度ＴFRを取得する（ステップＳ２）。制御部５０は、上記式（５）に温度ＴFRを代入することにより、燃料塔２０に供給するＨ2の流量ＱFR_H2を決定する（ステップＳ３）。決定された流量ＱFR_H2のＨ2が燃料塔２０に供給される。
【0052】
制御部５０は、決定されたＨ2の流量ＱFR_H2を上記式（６）に代入することにより、燃料塔２０に供給するＣＨ4の流量を決定する（ステップＳ４）。決定された流量ＱFR_HCのＣＨ4が燃料塔２０に供給される。制御部５０は、ＣＨ4の流量ＱFR_HCを決定してから所定の時間Δｔが経過したか否かを判定する（ステップＳ５）。所定の時間Δｔが経過していないと判定された場合には（ステップＳ５：ＮＯ）、制御部５０は、所定の時間Δｔが経過するまで待機する。
【0053】
所定の時間Δｔが経過したと判定された場合には（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御部５０は、流量制御フローを終了するか否かを判定する（ステップＳ６）。制御部５０は、例えば、ユーザから終了の操作を受け付けたか否かを判定することにより、流量制御フローを終了するか否かを判定する。流量制御フローを終了しないと判定された場合には（ステップＳ６：ＮＯ）、ステップＳ２以降の処理が繰り返される。流量制御フローを終了すると判定された場合には（ステップＳ６：ＹＥＳ）、流量制御フローが終了する。なお、流量制御フローを終了するか否かの判定は、他の処理が行われているときに割り込んで判定されてもよい。
【0054】
以上のように、本実施形態の制御部５０は、温度センサ２６により検出された燃料塔２０内の温度ＴFRと、目標温度ＴFR_tarとの差を用いて燃料塔２０に供給されるＣＨ4流量ＱFR_HCと、Ｈ2ノ流量ＱFR_H2とを決定する。燃料塔２０内の温度ＴFRに応じて燃料のＨ2とＣＨ4との流量割合が制御される。これにより、燃料塔２０内の温度ＴFRに応じて金属粒子ｍｇがＨ2に還元されることによる弱発熱反応を用いた燃料塔２０内の加熱が制御され、かつ、還元される金属粒子ｍｇの量が制御される。この結果、燃料塔２０内の温度を目標温度ＴFR_tarに近づくように制御した上で、酸化された金属粒子ｍｇを還元できる。
【0055】
＜第４実施形態の変形例＞
第４実施形態において、燃料塔２０に供給されるＨ2の流量ＱFR_H2およびＣＨ4の流量ＱFR_HCの決定方法は、一例であって変形可能である。例えば、制御部５０は、下記式（７），（８）で決定されるＨ2の流量ＱFR_H2と、ＣＨ4の流量ＱFR_HCとを燃料塔２０に供給してもよい。なお、式（７）におけるｋ2，ｂ2および式（８）におけるＱFR_HC_0は、任意に設定される定数である。
第４実施形態において、燃料塔２０に供給されるＨ2の流量ＱFR_H2およびＣＨ4の流量ＱFR_HCの決定方法は、一例であって変形可能である。例えば、制御部５０は、下記式（７），（８）で決定されるＨ2の流量ＱFR_H2と、ＣＨ4の流量ＱFR_HCとを燃料塔２０に供給してもよい。なお、式（７）におけるｋ2，ｂ2および式（８）におけるＱFR_HC_0は、任意に設定される定数である。
【0056】
【数7】
【数8】
【0057】
＜第５実施形態＞
図８は、第５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５実施形態の燃焼システム１００ｄは、第２実施形態の燃焼システム１００ａと比較して、水電解装置３０ｄにより生成されるＨ2およびＯ2の流量が変動し、制御部５０ｄが変動するＨ2およびＯ2の流量に応じて、燃料塔２０に供給するガスの流量を制御することが大きく異なる。第５実施形態では、第２実施形態と異なる構成および制御について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。
図８は、第５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５実施形態の燃焼システム１００ｄは、第２実施形態の燃焼システム１００ａと比較して、水電解装置３０ｄにより生成されるＨ2およびＯ2の流量が変動し、制御部５０ｄが変動するＨ2およびＯ2の流量に応じて、燃料塔２０に供給するガスの流量を制御することが大きく異なる。第５実施形態では、第２実施形態と異なる構成および制御について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。
【0058】
燃焼システム１００ｄは、図８に示されるように、さらに、制御部５０ｄと、水電解装置３０ｄにより生成されるＨ2を貯蔵可能な水素タンク３５と、水電解装置３０ｄに水電解のための電力を供給する変動性電力供給装置（電力供給装置）ＰＷとを備えている。電力供給装置ＰＷは、いわゆる太陽電池である。そのため、電力供給装置ＰＷは、日中に太陽光発電を行って水電解装置３０ｄに電力を供給し、夜間には水電解装置３０ｄに電力を供給しない。
【0059】
本実施形態の制御部５０ｄは、電力供給装置ＰＷから水電解装置３０ｄに電力の供給有無を検出する。また、制御部５０ｄは、図８に図示されていない各種バルブの開閉を制御することにより、燃料塔２０に供給されるＣＨ4の流量ＱFR_HCと、Ｏ2の流量ＱFR_O2と、水素タンク３５から燃料塔２０に供給されるＨ2の流量ＱFR_H2とを制御する。制御部５０ｄは、電力供給装置ＰＷから電力が供給されて水電解装置３０ｄが水電解を行ってＨ2およびＯ2を生成する場合に、生成されたＯ2をＣＨ4と共に燃料塔２０に供給し、生成されたＨ2を水素タンク３５に貯蔵する。一方で、制御部５０ｄは、電力供給装置ＰＷから電力が供給されずに水電解装置３０ｄが水電解を行わない場合に、水素タンク３５に貯蔵されたＨ2をＣＨ4と共に燃料塔２０に供給する。なお、水電解時に生成されるＨ2の一部または全部が燃料塔２０に供給されてもよい。
【0060】
本実施形態の制御部５０ｄは、下記式（９）により燃料塔２０へ供給するＯ2の流量ＱFR_O2を決定する。なお、式（９）におけるＱO2_WLは、時刻ｔにおける水電解装置３０ｄのＯ2の生成量である。また、ｋ3，ｂ3は、ユーザが任意に設定してよい定数である。
【0061】
【数9】
【0062】
燃料塔２０に供給されたＯ2は、燃料により還元された金属粒子ｍｇを再度酸化させる。そのため、再度酸化した金属粒子ｍｇを還元するために追加の燃料が必要になる。本実施形態では、制御部５０ｄは、追加の燃料として、下記式（１０）により決定する流量ＱFR_H2のＨ2を供給する。
【0063】
【数10】
【0064】
Ｈ2の燃焼の化学式は下記式（１１）により表されるため、式（１０）のｃは、０．５である。
【数11】
【0065】
上記式（９）において、下記関係式（１２）が成立する場合には、水電解により生成された流量ＱFR_O2のＯ2が燃料塔２０に供給されるだけでは、燃料塔２０内を十分に加熱できない。この場合には、水電解により生成されるＨ2による燃料塔２０内の加熱が必要になる。この場合に、制御部５０ｄは、燃料塔２０に供給されるＨ2の流量ＱFR_H2を、上記式（１０）の代わりに下記式（１３）により決定する。さらに、制御部５０ｄは、燃料塔２０に供給されるＣＨ4の流量ＱFR_HCを、下記式（１４）により決定する。ｋ4，ｂ4は、ユーザが任意に設定してよい定数である。
【0066】
【数12】
【数13】
【数14】
【0067】
図９は、第５実施形態の燃料の流量制御方法のフローチャートである。図９に示される流量制御フローでは、初めに、燃焼システム１００ｄの制御を開始する（ステップＳ１１）。制御部５０ｄは、温度センサ２６を介して、燃料塔２０内の温度ＴFRを取得する（ステップＳ１２）。制御部５０ｄは、電力供給装置ＰＷから水電解装置３０ｄへと電力が供給されているか否かを判定する（ステップＳ１３）。水電解装置３０ｄへと電力が供給されていないと判定された場合には（ステップＳ１３：ＮＯ）、制御部５０ｄは、燃料塔２０に供給するＯ2の流量ＱFR_O2をゼロに決定する（ステップＳ１５Ａ）。この場合に、制御部５０ｄは、第４実施形態と同じように、上記式（５）に温度ＴFRを代入することにより、燃料塔２０に供給するＨ2の流量ＱFR_H2を決定する（ステップＳ１６Ａ）。決定された流量ＱFR_H2のＨ2が燃料塔２０に供給される。また、制御部５０ｄは、決定されたＨ2の流量ＱFR_H2を上記式（６）に代入することにより、燃料塔２０に供給するＣＨ4の流量を決定する（ステップＳ１７Ａ）。決定された流量ＱFR_HCのＣＨ4が燃料塔２０に供給される。
【0068】
ステップＳ１３の処理において、水電解装置３０ｄへと電力が供給されていると判定された場合には（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、制御部５０ｄは、水電解により生成されるＯ2の流量ＱFR_O2を燃料塔２０に供給するだけで燃料塔２０内を十分に加熱できるか否かを判定する（ステップＳ１４）。本実施形態では、制御部５０ｄは、上記式（１２）において左辺に表される、現時点で水電解により生成されるＯ2の流量ＱO2_WLが右辺以上か否かで判定する。すなわち、十分なＯ2が水電解により生成されているか否かが判定される。
【0069】
ステップＳ１４の処理において、十分なＯ2が水電解により生成されており、燃料塔２０内を十分に加熱できると判定された場合には（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、制御部５０ｄは、ＣＨ4の流量ＱFR_HCを定数の流量ＱFR_HC_0に決定する（ステップＳ１５Ｂ）。決定された流量ＱFR_HC_0のＣＨ4が燃料塔２０に供給される。制御部５０ｄは、上記式（９）を用いて、燃料塔２０に供給されるＯ2の流量ＱFR_O2を決定する（ステップＳ１６Ｂ）。決定された流量ＱFR_O2のＯ2が燃料塔２０に供給される。制御部５０ｄは、上記式（９）により決定された流量ＱFR_O2を上記式（１０）に代入することにより、燃料塔２０に供給するＨ2の流量ＱFR_H2を決定する（ステップＳ１７Ｂ）。決定された流量ＱFR_H2のＨ2が燃料塔に供給される。
【0070】
ステップＳ１４の処理において、十分なＯ2が水電解により生成されずに、燃料塔２０内を十分には加熱できないと判定された場合には（ステップＳ１４：ＮＯ）、制御部５０ｄは、上記式（９）を用いて燃料塔２０に供給するＯ2の流量ＱFR_O2を決定する（ステップＳ１５Ｃ）。供給された流量ＱFR_O2のＯ2が燃料塔２０に供給される。制御部５０ｄは、上記式（９）により決定されたＯ2の流量ＱFR_O2を上記式（１３）に代入することにより、燃料塔２０に供給するＨ2の流量ＱFR_H2を決定する（ステップＳ１６Ｃ）。決定された流量ＱFR_H2の水素が燃料塔２０に供給される。制御部５０ｄは、上記式（１４）を用いて燃料塔２０に供給するＣＨ4の流量ＱFR_HCを決定する（ステップＳ１７Ｃ）。決定された流量ＱFR_HCのＣＨ4が燃料塔２０に供給される。
【0071】
制御部５０ｄは、ステップＳ１７Ａ～１７Ｃのいずれかの処理が行われると、制御部５０ｄは、流量制御フローを終了するか否かを判定する（ステップＳ１８）。流量制御フローを終了しないと判定された場合には（ステップＳ１８：ＮＯ）、ステップＳ１２以降の処理が繰り返される。流量制御フローを終了すると判定された場合には（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、流量制御フローが終了する。なお、流量制御フローを終了するか否かの判定は、他の処理が行われているときに割り込んで判定されてもよい。
【0072】
以上のように、本実施形態の制御部５０ｄは、水電解装置３０ｄが水電解を行ってＨ2およびＯ2を生成する場合に、生成されたＯ2をＣＨ4と共に燃料塔２０に供給し、生成されたＨ2を水素タンク３５に貯蔵する。一方で、制御部５０ｄは、水電解装置３０ｄが水電解を行わない場合に、水素タンク３５に貯蔵されたＨ2をＣＨ4と共に燃料塔２０に供給する。すなわち、本実施形態では、水電解装置３０ｄに電力供給装置ＰＷからの電力供給が変動する場合に、電力供給量に応じて、水電解装置３０ｄからのＨ2とＯ2の供給が制御されている。電力が供給されて水電解装置３０ｄがＨ2とＯ2とを生成する場合に、生成されたＨ2は水素タンク３５に貯蔵される。一方で、生成されたＯ2は、燃料塔２０に供給されて金属粒子ｍｇを酸化して発熱反応を生じさせる。この結果、燃料塔２０内のＣＨ4の還元反応によって失われる熱量が発熱反応により補われる。水電解装置３０ｄが水電解を行わない場合には、水素タンク３５に貯蔵されたＨ2を燃料塔２０に供給することにより、ＣＨ4の還元反応によって失われた熱量が弱発熱反応により補われる。すなわち、本実施形態によれば、水電解装置３０ｄに供給される電力量に応じて、水電解による副産物の酸素を有効利用しつつ、電力供給がない場合には、水素タンク３５に貯蔵されたＨ2が燃料塔２０内の加熱に利用される。この結果、燃焼システム１００ｄ全体のエネルギ効率が向上する。
【0073】
＜第５実施形態の変形例＞
第５実施形態では、電力供給装置ＰＷから水電解装置３０ｄに電力が供給されて水電解装置３０ｄにより生成されたＯ2が燃料塔２０に供給された。この際に、燃料塔２０内でＯ2により再酸化された金属粒子ｍｇを還元するための燃料として上記式（１０）に示されるようにＨ2を用いたが、再酸化に用いられる燃料はＣＨ4であってもよいし、Ｈ2とＣＨ4との両方が用いられてもよい。
第５実施形態では、電力供給装置ＰＷから水電解装置３０ｄに電力が供給されて水電解装置３０ｄにより生成されたＯ2が燃料塔２０に供給された。この際に、燃料塔２０内でＯ2により再酸化された金属粒子ｍｇを還元するための燃料として上記式（１０）に示されるようにＨ2を用いたが、再酸化に用いられる燃料はＣＨ4であってもよいし、Ｈ2とＣＨ4との両方が用いられてもよい。
【0074】
第５実施形態では、水電解装置３０ｄがＯ2を生成している期間と同じ期間に、生成されたＯ2が燃料塔２０に供給されたが、生成されたＯ2が燃料塔２０に供給されない期間があってもよい。例えば、水素タンク３５に貯蔵されたＨ2の量が所定値以下の場合に、制御部５０ｄは、水電解により生成されたＯ2を大気に放出し、生成されたＨ2を水素タンク３５に貯蔵する又は燃料塔２０に供給してもよい。この場合に燃料塔２０を加熱するヒータ２５を、燃焼システム１００ｄが備えていてもよい。制御部５０ｄは、水電解装置３０ｄが水電解を行っている場合に、生成されるＨ2の少なくとも一部を水素タンク３５に供給することが好ましい。また、制御部５０ｄは、水素タンク３５の貯蔵量が設定された上限値を超えている場合に、Ｈ2の消費を促すために、燃料塔２０にＣＨ4を供給せずに、Ｈ2のみを供給してもよい。
【0075】
＜第６実施形態＞
図１０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）１００ｅの概略ブロック図である。第６実施形態の燃焼システム１００ｅでは、第５実施形態の燃焼システム１００ｄと比較して、水電解装置３０で生成されたＯ2が、燃料塔２０の代わりに空気塔側ループシール部６０に供給される点が異なる。第６実施形態では、第５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。
図１０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）１００ｅの概略ブロック図である。第６実施形態の燃焼システム１００ｅでは、第５実施形態の燃焼システム１００ｄと比較して、水電解装置３０で生成されたＯ2が、燃料塔２０の代わりに空気塔側ループシール部６０に供給される点が異なる。第６実施形態では、第５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。
【0076】
第６実施形態の制御部５０ｅは、水電解装置３０ｅが水電解によりＨ2およびＯ2を生成している場合に、生成されたＨ2を水素タンク３５に貯蔵し、生成されたＯ2を空気塔側ループシール部６０に供給する。空気塔側ループシール部６０に供給されたＯ2の流量をＱULS_O2と定義すると、流量ＱULS_O2は、定数ｋ5と、燃料塔２０に流入するＯ2の流量ＱFR_O2とを用いて下記式（１５）のように表される。なお、定数ｋ5は、１以上である。
【0077】
【数15】
【0078】
上記式（１５）において、空気塔側ループシール部６０に供給されたＯ2の全てが燃料塔２０に流入する場合には、ｋ5が１である。一方、空気塔側ループシール部６０に供給されたＯ2の全てが酸化塔１０に流入する場合には、ｋ5が無限大である。そのため、制御部５０ｅは、式（１５）から決定されるＯ2の流量ＱFR_O2を用いて、第５実施形態の図９に示される流量制御フローのように、燃料塔２０に供給される各種流量を制御する。
【0079】
＜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。
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。
【0080】
上記第１実施形態ないし第６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、金属粒子ｍｇを酸化する酸化塔１０と、燃料として供給された炭素を含む化合物およびＨ2により金属粒子ｍｇを還元する燃料塔２０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。第２実施形態の燃焼システム１００ａでは、水電解装置３０により生成されたＨ2およびＯ2が燃料塔２０に供給されたが、供給されるＨ2およびＯ2は、水電解により生成されずに、他の装置やガスが貯蔵されたタンクから供給されてもよい。上記第５実施形態の燃焼システム１００ｄが備える電力供給装置ＰＷは、太陽電池であったが、電力供給が変動する電力源としては、再生エネルギを用いた電力源などの周知の装置を採用できる。電力供給装置ＰＷは、燃焼システム１００ｄに含まれない外部の電力源であってもよい。
【0081】
酸化塔１０に供給されるＯ2を含むガスは、空気以外であってもよい。酸化塔１０は、酸素を含む空気が供給される空気塔とも換言できる。燃焼システム１００は、ヒータ２５（図３）を備えていてもよく、燃料塔２０内において、Ｈ2による金属粒子ｍｇの還元反応やＯ2による金属粒子ｍｇの酸化反応を用いた加熱に加えて、ヒータ２５の加熱を利用してもよい。
【0082】
燃焼システム１００を循環する金属粒子ｍｇとして、Ｆｅ3Ｏ4以外の周知の材料が用いられてもよい。例えば、酸化された金属粒子ｍｇをＨ2で還元する場合の反応式として、下記反応式（１６），（１７）に示されるＮｉやＦｅＴｉＯ３が金属粒子ｍｇとして用いられてもよい。
【0083】
【数16】
【数17】
【0084】
また、燃料塔２０に供給される燃料としての炭素を含む化合物は、炭化水素であるＣＨ4以外のＣ2Ｈ6やＣ3Ｈ8などでもよく、炭化水素以外の化合物でもよく、周知の材料を採用できる。例えば、炭素を含む化合物としてＣ2Ｈ6を用いた場合に、酸化後の金属粒子ｍｇとしてのＦｅ2Ｏ3が還元される反応式は、下記式（１８）のように表される。
【0085】
【数18】
【0086】
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。
【0087】
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、
金属粒子を酸化させる酸化塔と、
水素と、炭素を含む化合物とが燃料として供給されると共に、前記酸化塔から酸化された金属粒子が供給され、前記燃料を用いて金属粒子を還元する燃料塔と、
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、
前記燃料塔内の温度を取得する温度取得部と、
前記温度取得部により取得された温度と、所定の温度との差を用いて、前記燃料塔に供給する水素および炭素を含む化合物の流量を決定する制御部と、
を備える、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、さらに、
水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解部を備え、
前記水電解部は、生成された水素および酸素を前記燃料塔に供給する、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、
前記酸化塔の下流側、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、前記酸化塔から前記燃料塔へのガスの流入を抑制するループシールを備え、
前記水電解部は、
生成された水素を前記燃料塔に供給し、
生成された酸素を、前記燃料塔の代わりに前記ループシールに供給する、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、
前記水電解部により生成された水素を貯蔵する水素タンクを備え、
前記制御部は、
前記水電解部による水素と酸素との生成がある場合に、生成された酸素を前記燃料塔に供給し、かつ、生成された水素の少なくとも一部を前記水素タンクで貯蔵し、
前記水電解部による水素と酸素との生成がない場合に、前記水素タンクで貯蔵された水素を前記燃料塔に供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
［適用例１］
ケミカルルーピング燃焼システムであって、
金属粒子を酸化させる酸化塔と、
水素と、炭素を含む化合物とが燃料として供給されると共に、前記酸化塔から酸化された金属粒子が供給され、前記燃料を用いて金属粒子を還元する燃料塔と、
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、
前記燃料塔内の温度を取得する温度取得部と、
前記温度取得部により取得された温度と、所定の温度との差を用いて、前記燃料塔に供給する水素および炭素を含む化合物の流量を決定する制御部と、
を備える、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、さらに、
水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解部を備え、
前記水電解部は、生成された水素および酸素を前記燃料塔に供給する、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、
前記酸化塔の下流側、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、前記酸化塔から前記燃料塔へのガスの流入を抑制するループシールを備え、
前記水電解部は、
生成された水素を前記燃料塔に供給し、
生成された酸素を、前記燃料塔の代わりに前記ループシールに供給する、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、
前記水電解部により生成された水素を貯蔵する水素タンクを備え、
前記制御部は、
前記水電解部による水素と酸素との生成がある場合に、生成された酸素を前記燃料塔に供給し、かつ、生成された水素の少なくとも一部を前記水素タンクで貯蔵し、
前記水電解部による水素と酸素との生成がない場合に、前記水素タンクで貯蔵された水素を前記燃料塔に供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
【符号の説明】
【0088】
１０…酸化塔
１０Ｓ…酸化塔のシール
１５…サイクロン
２０…燃料塔
２０Ｓ…燃料塔のシール
２６…温度センサ
２５…ヒータ
３０，３０ｄ，３０ｅ…水電解装置（水電解部）
３５…水素タンク
４０…脱水器
５０，５０ｄ，５０ｅ…制御部
６０…空気塔側ループシール部（ループシール）
６０Ｓ…空気塔側ループシール部のシール
７０…燃料塔側ループシール部
７０Ｓ…燃料塔ループシール部のシール
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ…燃焼システム
１００ｘ…比較例の燃焼システム
ＰＷ…変動性電力供給装置
ＱFR_H2…水素の流量
ＱFR_O2…酸素の流量
ＱFR_HC…メタンの流量
ＴFR…燃料塔内の温度
ＴFR_tar…目標温度
ｍｇ…金属粒子
１０Ｓ…酸化塔のシール
１５…サイクロン
２０…燃料塔
２０Ｓ…燃料塔のシール
２６…温度センサ
２５…ヒータ
３０，３０ｄ，３０ｅ…水電解装置（水電解部）
３５…水素タンク
４０…脱水器
５０，５０ｄ，５０ｅ…制御部
６０…空気塔側ループシール部（ループシール）
６０Ｓ…空気塔側ループシール部のシール
７０…燃料塔側ループシール部
７０Ｓ…燃料塔ループシール部のシール
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ…燃焼システム
１００ｘ…比較例の燃焼システム
ＰＷ…変動性電力供給装置
ＱFR_H2…水素の流量
ＱFR_O2…酸素の流量
ＱFR_HC…メタンの流量
ＴFR…燃料塔内の温度
ＴFR_tar…目標温度
ｍｇ…金属粒子
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】