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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】P2024082531
(43)【公開日】2024-06-20
(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】
C01B 32/50 20170101AFI20240613BHJP
B01D 53/04 20060101ALI20240613BHJP
【ＦＩ】
C01B32/50
B01D53/04
【審査請求】有
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022196445
(22)【出願日】2022-12-08
(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】青木 正和
(72)【発明者】
【氏名】馬場 直樹
【テーマコード（参考）】
4D012
4G146
【Ｆターム（参考）】
4D012BA02
4D012CA01
4D012CA20
4D012CB16
4D012CD04
4D012CD07
4D012CG01
4D012CK01
4G146JA02
4G146JB02
4G146JC03
4G146JC07
4G146JC08
4G146JC14
4G146JC27
4G146JC36
4G146JD03
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、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、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、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、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。
【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、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、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、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、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。
【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、
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。
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。
【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と、
前記熱交換器により熱が回収された前記混合ガスに含まれる水を除去する脱水器と、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、前記脱水器により水が除去された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。
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と、
前記熱交換器により熱が回収された前記混合ガスに含まれる水を除去する脱水器と、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、前記脱水器により水が除去された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。
【請求項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。
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。
【請求項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。
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。
【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、
前記脱水器は、
温度スイング式の脱水器であり、
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、ケミカルルーピング燃焼システム。
前記脱水器は、
温度スイング式の脱水器であり、
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、ケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項6】
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。
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。
【数11】
【請求項7】
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。
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。
【請求項8】
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。
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。
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表２０１３－５２２１４９号公報
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Joe McEwen, Jim-Dario Hayman, and A. Ozgur Yazaydin. "A comparative study of CO2, CH4 and N2 adsorption in ZIF-8, Zeolite-13X and BPL activated carbon." Chemical Physics volume 412, 1 February 2013, Pages 72-76
【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。
【0006】
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】
【0007】
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。
【0008】
（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。
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。
【0009】
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。
【0010】
（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と、前記熱交換器により熱が回収された前記混合ガスに含まれる水を除去する脱水器と、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、前記脱水器により水が除去された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。
脱水器により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、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。
脱水器により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、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。
【0011】
（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。
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。
【0012】
（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。
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。
【0013】
（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、前記脱水器は、温度スイング式の脱水器であり、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してもよい。
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。
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。
【0014】
（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。
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。
【数1】
【0015】
（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。
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。
【0016】
（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。
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。
【0017】
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。
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】
【0018】
【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】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3】ケミカルループ燃焼の原理の説明図である。
【図4】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5】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6】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7】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8】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。
【図9】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。
【図10】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。
【図11】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。
【図12】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。
【発明を実施するための形態】
【0019】
＜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。
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【数2】
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
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。
【0029】
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。
【0030】
【数3】
【0031】
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。
【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。
【0033】
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体２０内を昇温させる。
【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、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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
＜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。
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
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。
【0047】
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、脱水器４０によるＨ2Ｏの除去のために、脱水器４０に供給される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、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。
【0048】
＜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。
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
＜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。
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。
【0052】
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。
）を低減できる。
【0053】
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、還元された金属原子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。
【0054】
＜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。
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
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。
【0059】
＜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。
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
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）
【数5】
【数6】
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）
【0062】
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。
【0063】
＜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。
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
＜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。
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
＜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。
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。
【0070】
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。
【0071】
＜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。
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。
【0072】
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。
【数7】
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
＜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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【数8】
【数9】
【0081】
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。
【0082】
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。
【0083】
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と、
前記熱交換器により熱が回収された前記混合ガスに含まれる水を除去する脱水器と、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、前記脱水器により水が除去された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、
前記脱水器は、
温度スイング式の脱水器であり、
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、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。
［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。
［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と、
前記熱交換器により熱が回収された前記混合ガスに含まれる水を除去する脱水器と、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、前記脱水器により水が除去された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、
前記脱水器は、
温度スイング式の脱水器であり、
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、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。
【数10】
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。
【符号の説明】
【0084】
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_FR…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
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_FR…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
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【手続補正書】
【提出日】2023-10-30
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、
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。
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。
【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。
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。
【請求項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。
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。
【請求項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。
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。
【請求項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。
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。
【請求項6】
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。
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。
【数11】
【請求項7】
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。
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。
【請求項8】
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。
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。