(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】
(24)【登録日】2022-12-14
(45)【発行日】2022-12-22
(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 10/01 20060101AFI20221215BHJP
【ＦＩ】
F23C10/01
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2017177585
(22)【出願日】2017-09-15
(65)【公開番号】P2019052805
(43)【公開日】2019-04-04
【審査請求日】2020-09-08
【審判番号】
【審判請求日】2022-03-28
(73)【特許権者】
【識別番号】000000974
【氏名又は名称】川崎重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000556
【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】戸田 信一
(72)【発明者】
【氏名】熊田 憲彦
(72)【発明者】
【氏名】細野 隆道
(72)【発明者】
【氏名】中島 隆博
(72)【発明者】
【氏名】中山 耕輔
(72)【発明者】
【氏名】清瀧 元
(72)【発明者】
【氏名】飯田 雄介
【合議体】
【審判長】松下 聡
【審判官】槙原 進
【審判官】マキロイ 寛済
(56)【参考文献】
【文献】特許第５８２０６６９（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００３０３０４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－２２９６０３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
F23C 10/01
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部に酸素キャリア粒子を含む流動層が配置された複数の反応室と、前記複数の反応室に個別に接続され、燃料が流通し且つ前記複数の反応室の各反応室に対する燃料流量を個別に調節可能な複数の第１供給装置が設けられた燃料供給路と、
前記複数の反応室に個別に接続され、酸化性ガスが流通し且つ前記各反応室に対する酸化性ガス流量を個別に調節可能な複数の第２供給装置が設けられた酸化性ガス供給路と、
前記複数の第１及び第２供給装置を制御する制御装置と、
前記複数の反応室の排出ガスから熱回収する熱回収装置と、を備え、
前記制御装置は、前記複数の第１及び第２供給装置を個別に制御することにより、
第１タイミングで、前記複数の反応室のうち特定数の反応室を、酸化されて流動化された前記酸素キャリア粒子により前記燃料を酸化させ且つ前記酸素キャリア粒子を還元させる還元室に設定すると共に、残りの反応室を、前記燃料の酸化に伴って還元された前記酸素キャリア粒子を酸化性ガスにより酸化する酸化室に設定し、
前記第１タイミング後の第２タイミングで、前記第１タイミングで前記還元室に設定した反応室を前記酸化室に設定すると共に、前記第１タイミングで前記酸化室に設定した反応室のうち前記特定数と同数の反応室を前記還元室に設定するように、前記複数の反応室を切り替える切替制御を、前記酸化室と還元室とを一定比率で存在させながら繰り返し実行し、
前記燃料が固体燃料であり、
各々の前記還元室において、酸化された酸素キャリア粒子と前記固体燃料とを含む流動層が前記複数の反応室間では流動しない状態で、酸化された酸素キャリア粒子と前記固体燃料とが、前記燃料をガス化させる燃料ガス化剤により流動化される、ケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項2】
前記複数の反応室は、少なくとも３つ以上の反応室を含み、前記制御装置は、前記複数の反応室のうち１つの反応室を前記還元室に設定し且つ前記還元室以外の反応室を前記酸化室に設定すると共に、前記各反応室を順次前記還元室に設定するように、前記切替制御を繰り返し実行する、請求項１に記載のケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項3】
前記複数の反応室に個別に接続され、燃料ガス化剤が流通し且つ前記各反応室に対する燃料ガス化剤流量を個別に調節可能な複数の第３供給装置が設けられた燃料ガス化剤供給路を更に備え、前記燃料は固体燃料であり、
前記制御装置は、前記複数の第１、第２、及び第３供給装置を個別に制御することにより、前記第１タイミングで、前記還元室において、酸化された前記酸素キャリア粒子と前記固体燃料とを燃料ガス化剤により流動化させて、酸化された前記酸素キャリア粒子により燃料ガス化剤でガス化した前記固体燃料を酸化させ且つ前記酸素キャリア粒子を還元させる、請求項１又は２に記載のケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項4】
前記複数の反応室の各内部には、前記流動層の上方で、前記流動層に含まれる前記酸素キャリア粒子とは別の酸素キャリア粒子を支持するガス透過性の支持部材が設けられている、請求項３に記載のケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項5】
前記複数の反応室と、前記複数の反応室を個別に仕切る仕切壁とが内部に形成された単一の炉体を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載のケミカルルーピング燃焼システム。
【請求項6】
前記制御装置は、１回の前記切替制御により、前記酸化室において酸化性ガスにより酸化される酸素キャリア粒子量が、前記還元室において前記燃料の酸化により還元される酸素キャリア粒子量よりも多くなるように、前記切替制御を実行する、請求項１～５のいずれか１項に記載の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】
ケミカルルーピング燃焼（CLC : Chemical Looping Combustion）システム（以下、ＣＬＣシステムとも称する。）の形式として、例えば、循環式と切替式とが挙げられる。循環式ＣＬＣシステムは、燃料を酸素キャリア粒子により酸化し且つ酸素キャリア粒子を還元する還元反応室と、還元された酸素キャリア粒子を酸化性ガスにより酸化する酸化反応室とを有する。循環式ＣＬＣシステムの運転時には、酸素キャリア粒子は、各反応室間を配管により循環される。
【0003】
切替式ＣＬＣシステムは、特許文献１に開示されるように、酸化性ガスと燃料とが交互に供給される反応室を有する。切替式ＣＬＣシステムの運転時には、燃料を酸化させて還元された酸素キャリア粒子を酸化性ガスにより酸化する酸化反応と、酸素キャリア粒子により燃料を酸化させ且つ酸素キャリア粒子を還元させる還元反応とが、同一の反応室内で切り替えられながら交互に繰り返し行われる。
【0004】
ＣＬＣシステムの反応室から排出されるガスは、所定の熱回収装置により熱回収される。ＣＬＣシステムでは、燃料が空気に直接接触することなく酸化されるため、各反応室からの排ガスの成分は、ほぼ二酸化炭素（ＣＯ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）のみとなる。従ってＣＬＣシステムでは、燃料の酸化に伴って窒素酸化物（ＮＯｘ）が生じるのを防止できると共に、排ガスから二酸化炭素を低コスト且つ容易に分離・回収できる。ＣＬＣシステムは、火力発電所等の設備の排ガスから二酸化炭素を分離・回収するためのＣＣＳ技術の有力候補とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許第５８２０６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
運転中の切替式ＣＬＣシステムの反応室内では、異なる反応が交互に繰り返し行われるため、反応室から排出される排出ガスの排熱量は、例えば、循環式ＣＬＣシステムの運転中に反応室から排出される排出ガスの排熱量に比べて大きく変動する。このため切替式ＣＬＣシステムでは、熱回収装置により排出ガスから回収可能な回収熱量も大きく変動する。
【0007】
また一般に、切替式ＣＬＣシステムでは、所定のタイミング毎に反応室内に酸化性ガス又は燃料を供給するため、例えば、循環式ＣＬＣシステムに比べて、反応室に酸化性ガス又は燃料を供給する際の単位時間当たりの供給量が大きい。これにより切替式ＣＬＣシステムでは、反応室に酸化性ガスと燃料とを供給するための付帯設備が大型化するおそれがある。
【0008】
そこで本発明は、切替式ＣＬＣシステムにおいて、付帯設備の大型化を防止しながら、熱回収装置における回収熱量の変動を抑制可能にすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るケミカルルーピング燃焼システムは、内部に酸素キャリア粒子を含む流動層が配置された複数の反応室と、前記複数の反応室に個別に接続され、燃料が流通し且つ前記複数の反応室の各反応室に対する燃料流量を個別に調節可能な複数の第１供給装置が設けられた燃料供給路と、前記複数の反応室に個別に接続され、酸化性ガスが流通し且つ前記各反応室に対する酸化性ガス流量を個別に調節可能な複数の第２供給装置が設けられた酸化性ガス供給路と、前記複数の第１及び第２供給装置を制御する制御装置と、前記複数の反応室の排出ガスから熱回収する熱回収装置と、を備え、前記制御装置は、前記複数の第１及び第２供給装置を個別に制御することにより、第１タイミングで、前記複数の反応室のうち特定数の反応室を、酸化されて流動化された前記酸素キャリア粒子により前記燃料を酸化させ且つ前記酸素キャリア粒子を還元させる還元室に設定すると共に、残りの反応室を、前記燃料の酸化に伴って還元された前記酸素キャリア粒子を酸化性ガスにより酸化する酸化室に設定し、前記第１タイミング後の第２タイミングで、前記第１タイミングで前記還元室に設定した反応室を前記酸化室に設定すると共に、前記第１タイミングで前記酸化室に設定した反応室のうち前記特定数と同数の反応室を前記還元室に設定するように、前記複数の反応室を切り替える切替制御を、繰り返し実行する。
【0010】
上記構成によれば、制御装置による切替制御が、酸化室と還元室とを一定比率で存在させながら繰り返し実行される。これにより、複数の反応室全体では、酸素キャリア粒子の酸化反応と還元反応とを一定の割合で行えるため、各反応室の排出ガスにより熱回収する熱回収装置の熱回収量を一定にできる。よって、システム運転時に熱回収量が大きく変動するのを防止できる。また、複数の反応室全体では、燃料と酸化性ガスとの供給量の変動を抑制できるため、本システムの複数の反応室に燃料と酸化性ガスとを供給するための供給設備の大型化を抑制できる。
【0011】
前記複数の反応室は、少なくとも３つ以上の反応室を含み、前記制御装置は、前記複数の反応室のうち１つの反応室を前記還元室に設定し且つ前記還元室以外の反応室を前記酸化室に設定すると共に、前記各反応室を順次前記還元室に設定するように、前記切替制御を繰り返し実行してもよい。
【0012】
上記構成によれば、複数の反応室のうちの各反応室を順次還元室に設定するように切替制御が実行されることにより、複数の反応室全体において、酸素キャリア粒子の酸化反応と、燃料の酸化反応とを偏りなく行わせることができ、システム運転時に熱回収量が大きく変動するのを一層防止できる。
【0013】
前記複数の反応室に個別に接続され、燃料ガス化剤が流通し且つ前記各反応室に対する燃料ガス化剤流量を個別に調節可能な複数の第３供給装置が設けられた燃料ガス化剤供給路を更に備え、前記燃料は固体燃料であり、前記制御装置は、前記複数の第１、第２、及び第３供給装置を個別に制御することにより、前記第１タイミングで、前記還元室において、酸化された前記酸素キャリア粒子と前記固体燃料とを燃料ガス化剤により流動化させて、酸化された前記酸素キャリア粒子により燃料ガス化剤でガス化した前記固体燃料を酸化させ且つ前記酸素キャリア粒子を還元させてもよい。
【0014】
上記構成によれば、燃料ガス化剤を用いることで、還元室において、酸化された酸素キャリア粒子と固体燃料とを効率よく流動化させながら、酸化された酸素キャリア粒子により燃料ガス化剤でガス化した固体燃料を酸化させることができる。
【0015】
前記複数の反応室の各内部には、前記流動層の上方で前記酸素キャリア粒子を支持するガス透過性の支持部材が設けられていてもよい。これにより、固体燃料を酸化させる際、流動層において未反応ガスが発生した場合でも、ガス透過性の支持部材に支持された酸素キャリア粒子により、支持部材を通過した未反応ガスを効率よく酸化させることができる。従って、燃料の二酸化炭素転換率を向上できると共に、未反応ガスが反応室外に排出されるのを防止でき、環境負荷を低減できる。
【0016】
また、支持部材とこれに支持される酸素キャリア粒子により構成される流動層が、流動層の上方に設けられるので、複数の反応室の設置面積が増大するのを防止でき、比較的低コストでシステムを構成できる。
【0017】
前記燃料はガス燃料であり、前記制御装置は、前記第１のタイミングで、前記還元室において、酸化された前記酸素キャリア粒子を前記ガス燃料により流動化させて、酸化された前記酸素キャリア粒子により前記ガス燃料を酸化させ且つ前記酸素キャリア粒子を還元させてもよい。
【0018】
このように、燃料にガス燃料を用いる場合には、燃料ガス化剤及び燃料ガス化剤供給路を省略することができ、制御装置によって還元室が設定された際は、ガス燃料によって酸素キャリア粒子を流動化させることで、酸素キャリア粒子の還元反応を得ることができる。
【0019】
前記複数の反応室と、前記複数の反応室を個別に仕切る仕切壁とが内部に形成された単一の炉体を備えていてもよい。これにより炉をコンパクトに構成でき、複数の反応室の設置面積を低減してシステムの大型化を良好に抑制できると共に、複数の反応室を一カ所に配置できることで、各反応室の監視を比較的容易にできる。
【0020】
前記制御装置は、１回の前記切替制御により、前記酸化室において酸化性ガスにより酸化される酸素キャリア粒子量が、前記還元室において前記燃料の酸化により還元される酸素キャリア粒子量よりも多くなるように、前記切替制御を実行してもよい。
【0021】
これにより、酸化性ガスとして空気のような比較的低酸素濃度のガスを用いる場合でも、還元室で燃料の酸化に伴って還元された酸素キャリア粒子を、酸化室で酸化性ガスにより適切に酸化し易くすることができる。
【発明の効果】
【0022】
本発明の各態様によれば、切替式ＣＬＣシステムにおいて、付帯設備の大型化を防止しながら、熱回収装置における回収熱量の変動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】第１実施形態に係るＣＬＣシステムの概略図である。
【図2】第１実施形態の切替制御におけるタイムチャートを示す図である。
【図3】第２実施形態に係るＣＬＣシステムの概略図である。
【図4】第３実施形態に係るＣＬＣシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、各実施形態について、図を参照して説明する。
【0025】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るＣＬＣシステム１の概略図である。ＣＬＣシステム１は切替式であって、図１に示すように、ＣＬＣ炉２、制御装置３、第１熱交換器４、第２熱交換器５、第１集塵機６、第２集塵機７、脱水機８、複数の第１（燃料）供給装置９、複数の燃料供給路Ｒ１、酸化性ガス供給路Ｒ２、燃料ガス化剤供給路Ｒ３、第１排出ガス排出路Ｒ４、及び第２排出ガス排出路Ｒ５を備える。
図１は、第１実施形態に係るＣＬＣシステム１の概略図である。ＣＬＣシステム１は切替式であって、図１に示すように、ＣＬＣ炉２、制御装置３、第１熱交換器４、第２熱交換器５、第１集塵機６、第２集塵機７、脱水機８、複数の第１（燃料）供給装置９、複数の燃料供給路Ｒ１、酸化性ガス供給路Ｒ２、燃料ガス化剤供給路Ｒ３、第１排出ガス排出路Ｒ４、及び第２排出ガス排出路Ｒ５を備える。
【0026】
ＣＬＣ炉２は、複数の反応室２ａと、複数の反応室２ａを仕切る仕切壁２ｂとを有する。本実施形態の複数の反応室２ａには、少なくとも３つ以上（一例として４つ）の反応室２ａが含まれている。反応室２ａの形状は、適宜設定可能である。本実施形態では、複数の反応室２ａの形状は同様であり、上下方向に延びている。
【0027】
反応室２ａの内部には、酸素キャリア粒子を含む流動層（流動床）２ｃが配置されている。流動層２ｃは、反応室２ａの内部において、反応室２ａの下側から外部より供給されるガスにより流動する。即ち流動層２ｃは、反応室２ａ内に封入されており、複数の反応室２ａ間では流動しない。
【0028】
本実施形態の酸素キャリア粒子は、鉄を含む。酸素キャリア粒子の主成分は、一例として、酸化された状態ではＦｅ２Ｏ３（酸化第二鉄（III））であり、還元された状態ではＦｅ３Ｏ４（四酸化三鉄（II,III））である。酸素キャリア粒子の材質は限定されない。酸素キャリア粒子は、例えばチタン、ニッケル、銅、マンガン、又はアルミニウム等の金属を含んでいてもよい。
【0029】
ＣＬＣシステム１の運転時には、各反応室２ａは、後述する制御装置３が実行する切替制御により、所定のタイミング毎に、還元室又は酸化室に交互に繰り返し切り替えられる。還元室に設定された反応室２ａは、酸化された酸素キャリア粒子と燃料とを燃料ガス化剤により流動化させて、酸化された酸素キャリア粒子により燃料ガス化剤でガス化した燃料を酸化させ且つ酸素キャリア粒子を還元させる。
【0030】
酸化室に設定された反応室２ａは、燃料の酸化に伴って還元された酸素キャリア粒子を酸化性ガスにより酸化する。本実施形態の酸化室は、燃料の酸化に伴って還元された酸素キャリア粒子を酸化性ガスである空気により酸化する空気反応室である。
【0031】
仕切壁２ｂは、複数の反応室２ａを個別に仕切る。仕切壁２ｂが設けられることで、各反応室２ａの流動層２ｃよりも上方に位置する上方空間（フリーボード）は、反応室２ａ毎に隔離されている。これによりＣＬＣ炉２の内部において、各反応室２ａの上方空間におけるガスが混合されることはない。
【0032】
このようにＣＬＣシステム１は、複数の反応室２ａと、複数の反応室２ａを個別に仕切る仕切壁２ｂとが内部に形成された単一の炉体として、ＣＬＣ炉２を備えている。本実施形態では、全ての反応室２ａの容積は同様であり、全ての反応室２ａ内に配置された酸素キャリア粒子量も同様である。
【0033】
複数の燃料供給路Ｒ１は、各反応室２ａに個別に接続され、燃料が流通し且つ複数の反応室２ａのうち各反応室２ａに対する燃料流量を個別に調節可能な複数の第１供給装置９が設けられている。本実施形態の燃料は、固体燃料であり、一例として石炭である。燃料供給路Ｒ１の上流端部は各第１供給装置９に接続され、燃料供給路Ｒ１の下流端部は各反応室２ａに接続されている。
【0034】
なお図１に示す構成では、燃料は反応室２ａの側方から流動層２ｃへ供給されるが、燃料の反応室２ａへの供給方法や供給位置は、これに限定されない。また、固体燃料としては、炭素成分を含む固体であればよく、例えばバイオマスでもよい。
【0035】
酸化性ガス供給路Ｒ２は、複数の反応室２ａに個別に接続され、酸化性ガスが流通し且つ各反応室２ａに対する酸化性ガス流量を個別に調節可能な複数の第２供給装置１３が設けられている。酸化性ガスは、一例として、空気もしくは酸素富化空気である。
【0036】
酸化性ガス供給路Ｒ２の上流端部は、外気を取り込むためのポンプ（不図示）に接続されている。酸化性ガス供給路Ｒ２の下流端部は分岐し、且つ、各分岐路が第２供給装置１３を介して各反応室２ａの下側に接続されている。
【0037】
燃料ガス化剤供給路Ｒ３は、複数の反応室２ａに個別に接続され、燃料ガス化剤が流通し且つ各反応室２ａに対する燃料ガス化剤流量を個別に調節可能な複数の第３供給装置１４が設けられている。燃料ガス化剤は、一例として、水蒸気もしくは二酸化炭素ガス、或いは水蒸気と二酸化炭素ガスとの混合気である。
【0038】
燃料ガス化剤供給路Ｒ３の上流端部は、燃料ガス化剤供給源から燃料ガス化剤を取り込むためのポンプ（不図示）に接続されている。燃料ガス化剤供給路Ｒ３の下流端部は分岐し、且つ、各分岐路が第３供給装置１４を介して各反応室２ａの下側に接続されている。
【0039】
酸化性ガス供給路Ｒ２及び燃料ガス化剤供給路Ｒ３における分岐路の末端は、更に複数に分岐されて各反応室２ａの下側に接続されている。これにより、反応室２ａの下側の複数の位置から、酸化性ガス及び燃料ガス化剤が、それぞれ所定のタイミング毎に反応室２ａに供給可能となっている。
【0040】
なお、複数の供給路Ｒ２,Ｒ３が、各反応室２ａに対して個別に設けられていてもよい。この場合、各第２供給装置１３は、各酸化性ガス供給路Ｒ２に対して個別に設けられてもよいし、各第３供給装置１４は、各燃料ガス化剤供給路Ｒ３に対して個別に設けられてもよい。
【0041】
第１排出ガス排出路Ｒ４は、酸化室に設定された反応室２ａから排出された第１排出ガスが流通する。第１排出ガスの主成分は、一例として窒素である。第１排出ガス排出路Ｒ４の上流端部は分岐し、且つ、分岐路が流路調節器１５を介して各反応室２ａの上側に接続されている。第１排出ガス排出路Ｒ４の下流端部は、その上流側から下流側に向けて、第１熱交換器４と第１集塵機６とを順に経た後、外部に開放されている。
【0042】
第２排出ガス排出路Ｒ５は、還元室に設定された反応室２ａから排出された第２排出ガスが流通する。第２排出ガスの主成分は、一例として二酸化炭素と水である。第２排出ガス排出路Ｒ５の上流端部は、流路調節器１５と第１排出ガス排出路Ｒ４の分岐路とを介して、各反応室２ａの上側に接続されている。第２排出ガス排出路Ｒ５の下流端部は、その上流側から下流側に向けて、第２熱交換器５、第２集塵機７、及び脱水機８を順に経た後、外部に開放されている。
【0043】
第１熱交換器４及び第２熱交換器５は、各反応室２ａの排出ガス（第１排出ガス及び第２排出ガス）から熱回収する熱回収装置である。第１熱交換器４は、第１排出ガスから熱回収し、第２熱交換器５は、第２排出ガスから熱回収する。脱水機８は、第２排出ガスを脱水する。脱水機８により脱水されることで、第２排出ガスの成分は、ほぼ二酸化炭素のみとなる。
【0044】
制御装置３は、複数の供給装置９，１３，１４を個別に制御する。制御装置３は、複数の供給装置９，１３，１４に接続され、複数の供給装置９，１３，１４が設けられた流路を流通する流通物の流量を調節するように、複数の供給装置９，１３，１４を制御する。
【0045】
また制御装置３は、複数の流路調節器１５を個別に制御する。制御装置３は、複数の流路調節器１５に接続され、流路Ｒ４，Ｒ５のいずれかに流通物を流通させるように、複数の流路調節器１５を制御する。
【0046】
制御装置３は、一例として、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを備えたコンピュータである。ＲＯＭには、所定の制御プログラムが格納されている。制御装置３は、この制御プログラムに基づいて、各要素９，１３，１４，１５を制御する。
【0047】
ここで制御装置３は、所定のタイミングで供給装置９，１３，１４を個別に制御することにより、第１タイミングで、複数の反応室２ａのうち特定数の反応室２ａを還元室に設定すると共に、残りの反応室２ａを酸化室に設定し、第１タイミング後の第２タイミングで、第１タイミングで還元室に設定した反応室２ａを酸化室に設定すると共に、第１タイミングで酸化室に設定した反応室２ａのうち前記特定数と同数の反応室２ａを還元室に設定するように、複数の反応室２ａを切り替える切替制御を、繰り返し実行する。
【0048】
本実施形態の制御装置３は、この切替制御として、第１及び第２タイミングの各々で、ＣＬＣ炉２が有する４つの反応室２ａ（Ａ～Ｄ）のうち、３つを酸化室に設定し、１つを還元室に設定しながら（即ち、前記特定数を１としながら）、切替制御を繰り返し実行する。これにより制御装置３は、酸化室と還元室とを一定比率で存在させながら、切替制御を繰り返し実行する。
【0049】
なお図１に示す例では、制御装置３は、１つの反応室２ａ（Ａ）に対して、供給装置９，１４による供給を開放し且つ供給装置１３による供給を停止し、流路調節器１５を第２排出ガス排出路Ｒ５側にガスが流れるように調整している。また制御装置３は、前記１つの反応室２ａ（Ａ）以外の残余の反応室２ａ（Ｂ～Ｄ）に対して、供給装置９，１４による供給を停止し且つ供給装置１３による供給を開放し、流路調節器１５を第１排出ガス排出路Ｒ４側にガスが流れるように調整している。これにより図１では、制御装置３が、前記１つの反応室２ａ（Ａ）を還元室とし、残りの反応室２ａ（Ｂ～Ｄ）を酸化室とするように切替制御を実行した状態を示している。
【0050】
以下、本実施形態におけるＣＬＣシステム１の運転方法について具体的に説明する。ＣＬＣシステム１の運転時には、制御装置３は、特定数の反応室２ａに対して燃料及び燃料ガス化剤を供給すると共に、残りの反応室２ａに対して酸化性ガスを供給するように、供給装置９，１３，１４を制御する。また制御装置３は、前記特定数の反応室２ａから排出される第２排出ガスを第２排出ガス排出路Ｒ５に流通させると共に、前記残りの反応室２ａから排出される第１排出ガスを第１排出ガス排出路Ｒ４に流通させるように、流路調節器１５を制御する。これにより、制御装置３は、前記特定数の反応室２ａを還元室に設定し、前記残余の反応室２ａを酸化室に設定する。
【0051】
酸化室では、酸化性ガス供給路Ｒ２を通過した酸化性ガスが、酸化室の下側の複数位置から酸化室内に噴出する。酸化性ガスは、酸化室内の流動層２ｃに気泡として混入する。酸化室内に噴出する酸化性ガスにより、酸化室の酸素キャリア粒子は、酸化されて反応熱により発熱する。このとき発生する熱量は、酸化室の流動層２ｃに蓄熱される。この酸素キャリア粒子の酸化により第１排ガスが発生する。第１排ガスは、酸化室の上方空間を通過して第１排出ガス排出路Ｒ４の分岐路へ排出され、流路調節器１５を介して第１排出ガス排出路Ｒ４を下流側に向けて流通する。
【0052】
酸化性ガスとして空気を用いた場合、第１排ガスの成分は、ほぼ窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）のみとなる。なお、酸素キャリア粒子の酸化温度はそれほど高くないため、窒素成分を含む酸化性ガスを用いても、酸素キャリア粒子の酸化によって窒素酸化物が生じるおそれは小さい。
【0053】
還元室では、燃料供給路Ｒ１を通過した燃料が、還元室内に供給されると共に、燃料ガス化剤供給路Ｒ３を通過した燃料ガス化剤が、還元室の下側の複数位置から還元室内に噴出する。燃料ガス化剤は、還元室内の流動層２ｃに気泡として混入する。
【0054】
還元室内に噴出する燃料ガス化剤により、還元室の酸素キャリア粒子は、燃料と混合されて流動する。燃料は燃料ガス化剤によりガス化されて、酸素キャリア粒子の酸素により酸化されると共に、酸素キャリア粒子が還元される。
【0055】
この燃料の酸化及び酸素キャリア粒子の還元と、流動層２ｃを通過した燃料ガス化剤により、第２排ガスが発生する。第２排ガスは、還元室の上方空間を通過して第１排出ガス排出路Ｒ４の分岐路へ排出され、流路調節器１５を介して第２排出ガス排出路Ｒ５を下流側へ向けて流通する。燃料ガス化剤として水蒸気を用いた場合、第２排ガス成分は、ほぼ二酸化炭素と水蒸気のみとなる。
【0056】
ここで、酸化室と還元室とは仕切壁２ｂにより仕切られているため、還元室内における未反応の炭素成分が酸化室に侵入するのが防止される。よってＣＬＣ炉２では、酸化室内で炭素成分が酸化して第１排ガスの組成に炭素成分が混入したり、還元室内での固体燃料の炭素転換率が低下するのが、比較的簡素な構成により防止される。このようにＣＬＣ炉２は、還元室内における未反応の炭素成分が酸化室に侵入するのを防止するためのセパレータ構造（カーボンセパレータ）を備えている。
【0057】
制御装置３は、還元室内における燃料の酸化が、予め定められた所定基準まで終了したと判定した場合、還元室に設定していた特定数（本実施形態では１つ）の反応室２ａを酸化室に設定すると共に、酸化室に設定していた前記残余（本実施形態では３つ）の反応室２ａのうち、前記判定直前に還元室に設定していた反応室２ａと同数の反応室２ａを還元室に設定する。制御装置３は、前記判定を行うたびに、この切替制御を所定のタイミングで繰り返し実行する。
【0058】
図２は、第１実施形態の切替制御におけるタイムチャートを示す図である。図２中、「ＡＲ」は、反応室２ａが、還元された酸素キャリア粒子と酸化性ガス（空気）との反応が行われる酸化室に設定されていることを表し、「ＦＲ」は、反応室２ａが、酸化された酸素キャリア粒子と燃料との反応が行われる還元室に設定されていることを表す。
【0059】
本実施形態の制御装置３は、後述する第１及び第２タイミングで、複数の反応室２ａのうち１つの反応室２ａを還元室に設定し且つ還元室以外の反応室２ａを酸化室に設定すると共に、複数の反応室２ａのうちの各反応室２ａを順次還元室に設定するように、切替制御を繰り返し実行する。
【0060】
具体的に図２に示す例では、制御装置３は、時刻ｔ１～ｔ８の各々を経過するたびに切替制御を実行する。一例として、時刻ｔ１（第１タイミング）の切替制御では、反応室Ａが還元室に設定され、反応室Ｂ～Ｄが酸化室に設定される。
【0061】
時刻ｔ２（第２タイミング）の切替制御では、反応室Ｂが還元室に設定され、反応室Ａ，Ｃ，及びＤが酸化室に設定される。時刻ｔ３（第１タイミング）の切替制御では、反応室Ｃが還元室に設定され、反応室Ａ，Ｂ，及びＤが酸化室に設定される。
【0062】
時刻ｔ４（第２タイミング）の切替制御では、反応室Ｄが還元室に設定され、反応室Ａ～Ｃが酸化室に設定される。以降、時刻ｔ５～ｔ８においては、制御装置３は、時刻ｔ１～ｔ４と同様の切替制御を順に実行する。
【0063】
このように、図２に示す例では、制御装置３は、切替制御を行うたび、一方向に並ぶ複数の反応室２ａの一方側から他方側に向けて（図１参照）、１つの反応室２ａを順に還元室に設定し、一方向の最も他方側の反応室２ａを還元室に設定した後は、一方向の最も一方側の反応室２ａを再び還元室に設定するように切替制御を行う。
【0064】
即ち制御装置３は、１回の切替制御により、酸化室において酸化性ガスにより酸化される酸素キャリア粒子量が、還元室において燃料の酸化により還元される酸素キャリア粒子量よりも多くなるように、切替制御を実行する。
【0065】
なお、図２に示すタイムチャートは例示に過ぎない。ＣＬＣ炉が３つ以上の反応室２ａを有する場合、制御装置３が所定のタイミングで実行する各切替制御において還元室とする反応室２ａの順は、適宜設定可能である。
【0066】
また制御装置３が、還元室内における燃料の酸化が終了したと判定するための所定基準は、燃料投入量から算出する所定の基準時間でもよいし、還元室内の温度を測定する温度計が示す所定の基準値や、還元室内で発生する第２排ガス中の二酸化炭素濃度を測定する濃度計が示す所定の基準値でもよい。
【0067】
また本実施形態では、１の切替制御後から還元室における燃料の酸化が実質的に終了するまでの燃料反応時間が、前記１の切替制御後から酸化室における酸素キャリア粒子の酸化が実質的に終了するまでの酸素キャリア酸化時間より長い。このため、切替制御を行うタイミング（ｔ１～ｔ８）は、燃料反応時間に合わせられている。しかしながら、酸素キャリア酸化時間が燃料反応時間よりも長い場合、切替制御を行うタイミングは、酸素キャリア酸化時間に合わせられてもよい。また、切替制御を行うタイミングは、燃料反応時間と酸素キャリア酸化時間とのうちいずれか長い方よりも更に長い時間に合わせられてもよい。
【0068】
また、図２に示す例では、各反応室２ａは連続する複数（ここでは３つ）の切替制御にわたって酸化室に設定されているが、反応室２ａが酸化室として維持される時間が、反応室２ａが還元室として維持される時間より長くても実質的な問題はない。
【0069】
以上に説明したように、ＣＬＣシステム１によれば、制御装置３による切替制御が、酸化室と還元室とを一定比率で存在させながら繰り返し実行される。これにより、複数の反応室２ａ全体では、酸素キャリア粒子の酸化反応と還元反応とを一定の割合で行えるため、各反応室２ａの排出ガスから熱回収する熱交換器４，５の熱回収量を一定にできる。よって、ＣＬＣシステム１運転時に熱回収量が大きく変動するのを防止できる。また、複数の反応室２ａ全体では、燃料と酸化性ガスとの供給量の変動を抑制できるため、本ＣＬＣシステム１の複数の反応室２ａに燃料と酸化性ガスとを供給するための供給設備の大型化を抑制できる。
【0070】
またＣＬＣシステム１は、制御装置３による切替制御が、酸化室と還元室とを一定比率で存在させながら繰り返し実行されることで、例えば上記した特許文献１に開示される従来の切替式ＣＬＣシステムに比べて、運転時の吸気系及び排気系の脈動を無くせる点で優れている。またＣＬＣシステム１は、ガス燃料だけでなく、固体燃料も酸化できる点においても優れている。
【0071】
また、複数の反応室２ａは、少なくとも３つ以上の反応室２ａを含み、制御装置３は、複数の反応室２ａのうち１つの反応室２ａを還元室に設定し且つ還元室以外の反応室２ａを酸化室に設定すると共に、複数の反応室２ａのうちの各反応室２ａを順次還元室に設定するように、切替制御を繰り返し実行する。
【0072】
これにより、複数の反応室２ａ全体において、酸素キャリア粒子の酸化反応と、燃料の酸化反応とを偏りなく行わせることができ、ＣＬＣシステム１運転時に熱回収量が大きく変動するのを一層防止できる。
【0073】
またＣＬＣシステム１は、複数の第３供給装置１４が設けられた燃料ガス化剤供給路Ｒ３を備え、一例として、燃料が固体燃料であり、制御装置３は、複数の供給装置９，１３，１４を個別に制御することにより、第１タイミングで、還元室において、酸化された酸素キャリア粒子と固体燃料とを燃料ガス化剤により流動化させて、酸化された酸素キャリア粒子により燃料ガス化剤でガス化した固体燃料を酸化させ且つ酸素キャリア粒子を還元させる。
【0074】
このように、燃料ガス化剤を用いることで、還元室において、酸化された酸素キャリア粒子と固体燃料とを効率よく流動化させながら、酸化された酸素キャリア粒子により燃料ガス化剤でガス化した固体燃料を酸化させることができる。
【0075】
またＣＬＣシステム１は、複数の反応室２ａと、複数の反応室２ａを個別に仕切る仕切壁２ｂとが内部に形成された単一のＣＬＣ炉２（炉体）を備えているので、これによりＣＬＣ炉２をコンパクトに構成でき、複数の反応室２ａの設置面積を低減してＣＬＣシステム１の大型化を良好に抑制できると共に、複数の反応室２ａを一カ所に配置できることで、各反応室２ａの監視を比較的容易にできる。
【0076】
また制御装置３は、１回の切替制御により、酸化室において酸化性ガスにより酸化される酸素キャリア粒子量が、還元室において燃料の酸化により還元される酸素キャリア粒子量よりも多くなるように、切替制御を実行するので、酸化性ガスとして空気のような比較的低酸素濃度のガスを用いる場合でも、還元室で燃料の酸化に伴って還元された酸素キャリア粒子を、酸化室で酸化性ガスにより適切に酸化し易くすることができる。
【0077】
また、単一の炉体であるＣＬＣ炉２の内部に複数の反応室２ａを形成したことにより、各反応室２ａを接続するための配管を省略できる。よって、酸素キャリア粒子量を低減できると共に、複数の反応室２ａをコンパクトに構成して、ＣＬＣシステム１の設置面積を抑制できる。よって、固体燃料を酸化するＣＬＣ炉２を備えるＣＬＣシステム１において、設備の大型化を防止できると共に、設備構造を簡素化し、動作信頼性の低下を防止できる。このためＣＬＣシステム１は、例えば、中小産業規模での産業用発電用の中小型炉や、ゴミ・バイオマスを燃焼するための燃焼炉として有効に利用できる。
【0078】
また、各反応室２ａを接続するための配管を省略できることにより、例えば、配管に酸素キャリア粒子を高速で流通・搬送するために供給するガスや制御が不要になると共に、酸素キャリア粒子と配管との接触によって、配管が腐食や摩耗等の不具合を生じたり酸素キャリア粒子が粉化する問題を回避できる。これにより、ＣＬＣシステム１の制御を簡素化できると共に、ＣＬＣシステム１を経済的且つ安定して駆動できる。以下、第２実施形態について、第１実施形態との差異を中心に説明する。
【0079】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係るＣＬＣシステム１１の概略図である。図３に示すように、第２実施形態のＣＬＣ炉１２は、複数の反応室２ａの各内部に、流動層２ｃの上方で酸素キャリア粒子を支持するガス透過性の支持部材２ｄが設けられている。
図３は、第２実施形態に係るＣＬＣシステム１１の概略図である。図３に示すように、第２実施形態のＣＬＣ炉１２は、複数の反応室２ａの各内部に、流動層２ｃの上方で酸素キャリア粒子を支持するガス透過性の支持部材２ｄが設けられている。
【0080】
支持部材２ｄは、一例として多孔性の板状に形成され、反応室２ａの径方向に延びて、反応室２ａの内面に対して反応室２ａの全周で接している。支持部材２ｄの上方には、酸素キャリア粒子を含む補助流動層２ｅが、流動層２ｃとは別に設けられている。
【0081】
一例として、補助流動層２ｅの底面は、反応室２ａの上下方向中央よりも上方に配置されている。補助流動層２ｅの上面は、反応室２ａの上端よりも下方に配置されている。補助流動層２ｅの最大深さ寸法は、流動層２ｃの最大深さ寸法よりも小さい値に設定されている。
【0082】
ＣＬＣシステム１１の運転時において、支持部材２ｄが設けられた反応室２ａが還元室に設定されたとき、流動層２ｃで酸化される燃料（固体燃料）の揮発分中に、一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ２）等の未反応ガスが生じると、未反応ガスは支持部材２ｄを通過して補助流動層２ｅ内に入り込む。その後、未反応ガスは、補助流動層２ｅの酸素キャリア粒子により酸化される。
【0083】
このように第２実施形態では、還元室において、流動層２ｃで燃料の固形分が酸化され、更に補助流動層２ｅで燃料の未反応ガスが酸化されることにより、燃料の二段階の酸化反応が行われる。即ち、補助流動層２ｅは、揮発分反応器として機能する。
【0084】
また、支持部材２ｄが設けられた反応室２ａが酸化室に設定されたとき、酸化室に供給される酸化性ガスにより、流動層２ｃと補助流動層２ｅとの酸化キャリア粒子は共に酸化される。酸化室の下側から酸化室に酸化性ガスを供給することで、下方から上方に向けて酸化室を流通する酸化性ガスにより、流動層２ｃと補助流動層２ｅとの酸化キャリア粒子が一度のプロセスで効率よく酸化される。
【0085】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が奏される。また第２実施形態では、複数の反応室２ａの各内部に、流動層２ｃの上方で酸素キャリア粒子を支持するガス透過性の支持部材２ｄが設けられているので、固体燃料を酸化させる際、流動層２ｃにおいて未反応ガスが発生した場合でも、ガス透過性の支持部材２ｄに支持された酸素キャリア粒子により、支持部材２ｄを通過した未反応ガスを効率よく酸化させることができる。従って、燃料の二酸化炭素転換率を向上できると共に、未反応ガスが反応室２ａ外に排出されるのを防止でき、環境負荷を低減できる。
【0086】
また、支持部材２ｄとこれに支持される酸素キャリア粒子により構成される補助流動層２ｅが、流動層２ｃの上方に設けられるので、複数の反応室２ａの設置面積が増大するのを防止でき、比較的低コストでＣＬＣシステム１１を構成できる。
【0087】
なお第２実施形態では、複数の補助流動層２ｅを上下方向に間隔をおいて設けてもよい。また補助流動層２ｅは、流動層２ｃの酸素キャリア粒子とは異なる酸素キャリア粒子を含んでいてもよい。この場合、補助流動層２ｅが含む酸素キャリア粒子と、流動層２ｃが含む酸素キャリア粒子とは、粒径、形状、サイズ、及び材質の少なくともいずれかが異なっていてもよい。
【0088】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係るＣＬＣシステム２１の概略図である。ＣＬＣシステム２１は、燃料がガス燃料である。この場合、燃料ガス化剤は不要であるため、ＣＬＣシステム２１では、燃料ガス化剤供給路Ｒ３及び供給装置１４が省略されている。
図４は、第３実施形態に係るＣＬＣシステム２１の概略図である。ＣＬＣシステム２１は、燃料がガス燃料である。この場合、燃料ガス化剤は不要であるため、ＣＬＣシステム２１では、燃料ガス化剤供給路Ｒ３及び供給装置１４が省略されている。
【0089】
ＣＬＣシステム２１は、ガス燃料供給路Ｒ６を備える。ガス燃料供給路Ｒ６は、複数の反応室２ａに個別に接続され、ガス燃料が流通し且つ各反応室２ａに対するガス燃料流量を個別に調節可能な複数の第４供給装置１６が設けられている。第４供給装置１６は制御装置３に接続され、制御装置３に制御される。
【0090】
ガス燃料供給路Ｒ６の上流端部は、ガス燃料供給源からガス燃料を取り込むためのポンプ（不図示）に接続されている。ガス燃料供給路Ｒ６の下流端部は分岐し、且つ、各分岐路が第４供給装置１６を介して各反応室２ａの下側に接続されている。
【0091】
ガス燃料供給路Ｒ６における分岐路の末端は、更に複数に分岐されて各反応室２ａの下側に接続されている。これにより、反応室２ａの下側の複数の位置から、ガス燃料が、それぞれ所定のタイミング毎に反応室２ａに供給可能となっている。
【0092】
制御装置３は、第１のタイミングで、還元室において、酸化された酸素キャリア粒子をガス燃料により流動化させて、酸化された酸素キャリア粒子によりガス燃料を酸化させ且つ酸素キャリア粒子を還元させる。即ち、第３実施形態では、ガス燃料を用いることで、燃料ガス化剤の代りにガス燃料により酸素キャリア粒子を流動化させる。
【0093】
このように、燃料にガス燃料を用いる場合には、燃料ガス化剤及び燃料ガス化剤供給路Ｒ３を省略することができ、制御装置３によって還元室が設定された際は、ガス燃料によって酸素キャリア粒子を流動化させることで、酸素キャリア粒子の還元反応を得ることができる。
【0094】
本発明は、各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、本発明の構成及び方法を変更、追加、又は削除できる。各実施形態は、互いに任意に組み合わせてもよく、例えば１実施形態中の一部構成を、他の実施形態に適用してもよい。また燃料として固体燃料を用いる場合、固体燃料と共にガス燃料や液体燃料を併用してもよい。
【0095】
また、上記各実施形態では、単一の炉体（ＣＬＣ炉２）内を分割することで複数の反応室２ａを設ける構成例を示したが、少なくとも１つの反応室２ａは、残余の反応室２ａと離隔した位置に設けられていてもよい。この場合、例えば、複数の反応室２ａの各々が離隔した位置に並設されていてもよい。
【符号の説明】
【0096】
Ｒ１ 燃料供給路
Ｒ２ 酸化性ガス供給路
Ｒ３ 燃料ガス化剤供給路
１，１１，２１ ケミカルルーピング燃焼システム
２，１２ ＣＬＣ炉（炉体）
２ａ，Ａ～Ｄ 反応室
２ｂ 仕切壁
２ｃ 流動層
２ｄ 支持部材
３ 制御装置
４ 第１熱交換器（熱回収装置）
５ 第２熱交換器（熱回収装置）
９ 第１供給装置
１３ 第２供給装置
１４ 第３供給装置
Ｒ２ 酸化性ガス供給路
Ｒ３ 燃料ガス化剤供給路
１，１１，２１ ケミカルルーピング燃焼システム
２，１２ ＣＬＣ炉（炉体）
２ａ，Ａ～Ｄ 反応室
２ｂ 仕切壁
２ｃ 流動層
２ｄ 支持部材
３ 制御装置
４ 第１熱交換器（熱回収装置）
５ 第２熱交換器（熱回収装置）
９ 第１供給装置
１３ 第２供給装置
１４ 第３供給装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】