ケミカルループ燃焼装置とそれを備えた熱利用システム
【課題】大型化することなく、その酸化反応熱をオンサイトでの産業用ボイラや工業炉で利用できるようにすることで、利便性を大きく向上させたケミカルループ燃焼装置を提供する。
【解決手段】ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａは、酸化塔１内に、少なくとも金属粒子（Ｍ）の酸化物（ＭＯ）と接触して、金属粒子（Ｍ）の酸化反応により発生する熱を、内部を流れる被加熱流体に伝熱する伝熱管２６を配置している。
【解決手段】ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａは、酸化塔１内に、少なくとも金属粒子（Ｍ）の酸化物（ＭＯ）と接触して、金属粒子（Ｍ）の酸化反応により発生する熱を、内部を流れる被加熱流体に伝熱する伝熱管２６を配置している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はケミカルループ燃焼装置および該ケミカルループ燃焼装置を備えた熱利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粒子を酸化する酸化反応系と酸化金属粒子を還元する還元反応系との間で金属粒子および酸化金属粒子を循環させることで熱を得るようにしたケミカルループ燃焼法は知られている。ケミカルループ燃焼は、燃料を直接空気と燃焼させる代わりに、燃焼反応を「金属粒子の酸化」と、「酸化金属粒子の還元」という２つに分け、両者を物理的な粒子の循環で結ぶシステムである。燃料と空気は直接接触することがなく、金属を媒体として純酸素のやり取りをしている。
【０００３】
ケミカルループ燃焼では、メタンなどの炭化水素燃料は、還元反応系において、あくまで酸化金属の還元剤として働き、また酸化反応系には、酸化剤としての空気と金属粒子だけが供給され、金属粒子の酸化反応によって発熱する。通常、酸化反応で生じる温度は８００〜１２００℃程度であり、主にＮ２である排ガスは比較的低温であることからサーマルＮＯｘは殆ど生成しない。また、還元反応系では、燃料としての炭化水素と酸化金属から供給される酸素のみが存在し、そのため、排ガス成分はほぼ二酸化炭素と水だけとなる。そのために、排出されたガスを冷却して水を取り除けばほぼ純粋なＣＯ２を容易に回収可能となる。
【０００４】
上記のような利点があることから、ケミカルループ燃焼を実際に実施するための装置がすでに提案されており、特許文献１あるいは２には、ケミカルループ燃焼方式による発電プラントシステムが記載されている。
【０００５】
また、ケミカルループ燃焼方式としては、非特許文献１に記載されるように、酸化塔の内部に還元塔が組み込まれている、いわゆる内部循環方式と、酸化塔と還元塔とが分離しており、両者は酸化した金属粒子の流路と還元した金属粒子の流路とによって接続されている、いわゆる外部循環方式とが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−３３２１６１号公報
【特許文献２】特開２０００−３３７１６８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】外部循環式：Use of NiO/NiAl2O4 Particles in a 10 kW Chemical-Looping CombustorMarcus Johansson, Tobias Mattisson, and Anders Lyngfelt‡Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 5911 5919 内部循環：Experimental results of chemical-looping combustion with NiO/NiAl2O4 particle circulation at 1200 degrees C Ishida M, Yamamoto M, OhbaTENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT 2002, 43,9-12,1469-1478
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１あるいは２に記載されるように、現在、ケミカルループ燃焼の実用化に向けての研究は主に発電用に向けて行われており、燃焼装置も外部循環式を採用したＣＯ２回収型の大型のものを想定して研究開発がなされているのが現状である。ケミカルループ燃焼装置で生成された熱を、オンサイトでの産業用ボイラや工業炉などで利用する技術はほとんど研究開発がされていない。
【０００９】
発電用として用いられるケミカルループ燃焼は、次の理由から大型化する傾向にある。すなわち、ケミカルループ燃焼では、金属の微粒子を安定的に流動化させることが求められ、そのため粒子量および粒径の大きさに応じて、反応塔内での空塔速度をある範囲内（例えば、０．１〜０．４ｍ／ｓ）に制御する必要があるところ、酸化塔から排出される排ガスの取り出す温度を上げようとすると、温度膨張により、温度に応じて気体（排ガス）の実流量が増え、空塔速度が大きくなる。そのために、反応塔（酸化塔）の断面積を大きくして空塔速度を抑える必要がある。一方、ケミカルループ燃焼装置からの排ガスを発電用として用いる場合では、ガスタービンの発電効率を向上させるために、排ガスの取り出し温度を高くすることが要請され、結果として、ケミカルループ燃焼装置は大型化する傾向になっている。
【００１０】
大型化する傾向にあるケミカルループ燃焼装置の多数を工場の近辺に、あるいは各工場に設置することは、通常容易でなく、そのために、前記したように、ケミカルループ燃焼装置から出る排ガスが持つ熱をオンサイトでのボイラや工業炉などの熱源として用いることについての研究開発、ひいてはケミカルループ燃焼装置の利便性を向上させることについての研究開発は十分には進んでいない。
【００１１】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ケミカルループ燃焼装置を大型化することなく、その酸化反応熱をオンサイトでの産業用ボイラや工業炉で利用できるようにすることで、利便性を大きく向上させたケミカルループ燃焼装置を提供することを課題とする。また、そのケミカルループ燃焼装置を備えた熱利用システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によるケミカルループ燃焼装置は、金属粒子が酸化剤と反応して前記金属粒子の酸化物が生成される酸化塔と前記酸化塔で生成された金属粒子の酸化物が還元剤と反応して前記金属粒子に還元される還元塔とを備え、前記金属粒子が酸化と還元を受けながら前記酸化塔と前記還元塔との間を循環するようにされているケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔内または還元塔内には前記金属粒子またはその酸化物と接触して反応熱を被加熱流体に伝熱する伝熱管が配置されていることを特徴とする（請求項１）。
【００１３】
本発明によるケミカルループ燃焼装置では、酸化塔内または還元塔内には伝熱管が配置されており、該伝熱管内を流れる被加熱流体は、金属粒子またはその酸化物と接触して反応熱を吸収して高温の液体となる。例えば伝熱管が酸化塔内に配置されている態様では、伝熱管は、酸化剤（投入空気）と酸化反応することで発熱した金属粒子および発熱した金属粒子によって加熱された空気と直接接触し、その熱を伝熱管内を流れる被加熱流体に伝熱する。すなわち、酸化塔内において、金属粒子の酸化反応で生じた熱は伝熱管内を流れる被加熱流体と熱交換される。そのために、酸化塔から排出される主にＮ２である投入空気（排ガス）の温度が大きく上がることがなく、酸化塔を通過する投入空気の平均温度も低くなる。その結果、空塔速度が抑えられるため、酸化塔の断面積を小さくできる。結果として、ケミカルループ燃焼装置の小型化が可能であり、燃焼量あたりの表面積も抑えることができ、放熱のロスも小さくできる。
【００１４】
また、伝熱管が還元塔内に配置されている態様では、酸化塔内での発熱反応により発生した熱を保有した金属粒子が還元塔へ循環して、伝熱管と接触することにより伝熱管内部の被加熱流体を加熱するようになる。
【００１５】
ケミカルループ燃焼は、主に金属の酸化反応により発熱するため、通常の燃焼器のように燃焼火炎が存在せず、１５００度以上の高温部分が形成されることがない。さらに、本発明では、発熱した金属粒子と伝熱管との間で直に伝熱させて金属粒子および燃焼ガスの温度を急冷している。この２つの効果を同時に行うことにより、本発明のよるケミカルループ燃焼装置では、ＮＯｘ排出量をほぼゼロにすることができる。
【００１６】
さらに、本発明によるケミカルループ燃焼装置は前記のよう小型化が可能であり、伝熱管内を流れる被加熱流体の持つ熱をオンサイトでのボイラや工業炉などの熱源として用いることも可能となる。
【００１７】
本発明によるケミカルループ燃焼装置の全体形状は、前記酸化塔の内部に前記還元塔が１つまたは１つ以上組み込まれている、または前記還元塔の内部に前記酸化塔が１つまたは１つ以上組み込まれている、いわゆる内部循環式でもよく（請求項２および請求項３）、酸化塔と還元塔とは分離していて両者は酸化した金属粒子の流路と還元した金属粒子の流路とによって接続されているいわゆる外部循環式でもよい（請求項４）。いずれの形式であっても、その酸化塔内に１本または複数本の伝熱管が配置される。複数本の伝熱管を配置する場合、各伝熱管は距離をおいて配置されていてもよく、壁をなすように密着して配置されていてもよい。いずれの形式においても、還元塔の形式は従来知られた形態の還元塔であってよい。
【００１８】
本発明によるケミカルループ燃焼装置の好ましい形態において、酸化塔の上部近傍と下部近傍にはヘッダーが備えられ、伝熱管は上部ヘッダーと下部ヘッダーとに連通するようにして酸化塔内に配置される（請求項５）。上部ヘッダーと下部ヘッダーを配置することにより、熱負荷側（例えば、蒸気利用設備等）とケミカルループ燃焼装置との間での被加熱流体の循環が円滑となり、熱の有効利用が一層確実となる。
【００１９】
上部ヘッダーと下部ヘッダーの間に中間ヘッダーを配置して、伝熱管を上部ヘッダーと中間ヘッダーと下部ヘッダーとに連通するようにして酸化塔内に配置するようにしてもよい（請求項６）。中間ヘッダーを設けることにより、粒子と直接伝熱する部分の伝熱管と加熱された気体と伝熱する部分の伝熱管の材質を変える場合に制作しやすい等の利点が得られる。
【００２０】
本発明は、さらに、上記したいずれかのケミカルループ燃焼装置とそのケミカルループ燃焼装置に配置した伝熱管を流れる被加熱流体の持つ熱エネルギーを消費する熱負荷部とで構成される熱利用システムも開示する（請求項７）。熱負荷部の具体例としては、蒸気利用設備等が挙げられる（請求項８）。
【００２１】
なお、本発明において、酸化剤は、空気に加えて、酸素富化空気、低窒素空気なども用いることができる。還元剤には、天然ガス、ＬＰＧガス、製鉄所の副製ガス、水素、石炭なども利用することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ケミカルループ燃焼装置を大型化することなく、その酸化反応熱をオンサイトでの産業用ボイラや工業炉で利用できるようにしたケミカルループ燃焼装置が提供される。また、ケミカルループ燃焼装置を備えた熱利用システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態である内部循環式かつ下部供給式の装置の第１の態様を付設する配管系とともに示す図。
【図２】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態である内部循環式かつ下部供給式の装置の第２の態様を付設する配管系とともに示す図。
【図３】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態である内部循環式かつ下部供給式の装置の第３の態様を付設する配管系とともに示す図。
【図４】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態である内部循環式かつ下部供給式の装置の第４の態様を付設する配管系とともに示す図。
【図５】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第２の形態である外部循環式かつ下部供給式の装置を付設する配管系とともに示す図。
【図６】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第３の形態である内部循環式かつ上部供給式の装置を付設する配管系とともに示す図。
【図７】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第４の形態である外部循環式かつ上部供給式の装置を付設する配管系とともに示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明によるケミカルループ燃焼装置のいくつかの形態を説明する。
【００２５】
〈第１の形態の第１の態様〉
図１は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態における第１の態様の概略断面を付設する配管系とともに示している。第１の形態は、基本的に、内部循環式かつ下部供給式のケミカルループ燃焼装置である。そして、図１に示す第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａは、酸化塔の内部に１個の還元塔が備えられている。以下、その詳細を説明する。
【００２６】
ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａは、鋼板のような耐熱材で作られた円塔形の外塔１を有し、外塔１の上端面はやはり鋼板のような耐熱材で作られた天板２で閉鎖されている。外塔１内には中心軸線を同じにして外塔１よりも小径の円塔体３が取り付けてある。円塔体３の上端は天板２を貫通して外塔１の外部に延出しており、下端は外塔１の下端近傍に達している。なお、以下の説明では、外塔１を酸化塔１と呼び、円塔体３を還元塔３と呼ぶこととする。
【００２７】
酸化塔１の下端部には、酸化塔１と同心円をなす円塔状の空気ヘッダー４が取り付けてあり、該空気ヘッダー４の上端は空気ノズル５とされている。空気ヘッダー４はブロワ６に接続しており、流量計７および調圧弁８を通して調圧された空気が空気ヘッダー４に送られて空気ノズル５から酸化塔１内に噴出する。後に説明するように、この空気は酸化剤として機能する。
【００２８】
空気ヘッダー４の中央部であって前記した還元塔３の下端部に対向する位置には、上下方向に所定の隙間を保つようにして、塔状をなす燃料ノズル９が配置されている。燃料ノズル９の内径は還元塔３の下端部の内径よりもやや小さい。燃料ノズル９には、遮断弁１０、調圧弁１１、逆止弁１２を通して、例えばメタンである調圧された燃料が送給され、還元塔３の下端開口部に向けて噴出する。後に説明するようにこの燃料は還元剤として機能する。
【００２９】
この例において、燃料ノズル９とその外側を包囲する空気ヘッダー４との間には隙間が設けられており、その隙間には塔状のセパレートガスノズル１３が配置されている。セパレートガスノズル１３には、配管１４を通して、例えばＮ２ガス、ＣＯ２ガス等である酸素が含まれない不活性ガスが供給される。
【００３０】
酸化塔１の底部であって前記した空気ヘッダー４の外側を包囲するようにして円塔状の下部ヘッダー１５が取り付けられている。下部ヘッダー１５の底面は水平面であるが、上面は円錐面１６となっていて、円錐面の下端が空気ノズル５とほぼ同一面となっている。下部ヘッダー１５の外周面は酸化塔１の内周面に接しており、酸化塔１の壁面に作られた孔１７を通して、被加熱流体が流れる第１の流体配管１８が下部ヘッダー１５の外周面に接続している。
【００３１】
酸化塔１の上方には、天板２に接するようにして円塔状の上部ヘッダー１９が取り付けてある。上部ヘッダー１９の内径と外径は下部ヘッダー１５の内径と外径とほぼ同じである。上部ヘッダー１９には酸化塔１の天板２に形成した孔２０を通して被加熱流体の第２の流体配管２１が接続している。この例において、第２の流体配管２１はオンサイトでの蒸気利用設備や工業炉などの熱負荷部１００に連通している。
【００３２】
酸化塔１の内壁に沿うようにして、前記下部ヘッダー１５の上部円錐面１６から適宜上方位置まで、耐熱瓦や耐熱セラミックファイバーなどの耐熱材からなる適宜厚さの耐熱壁２２が形成されており、該耐熱壁２２の上端面は円錐壁２３とされている。耐熱壁２２の前記上端円錐壁２３に下端面を沿わせるようにして、全体として斜板形状をなす中間ヘッダー２４が取り付けられており、該中間ヘッダー２４の内径と外径は下部ヘッダー１５と内径と外径とほぼ等しくされている。そして、前記中間ヘッダー２４が取り付けられている位置よりもやや上方位置において、前記した還元塔３には、固気分離装置２５が取り付けられている。
【００３３】
下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９の内部空間を相互に連通するようにして、複数本の伝熱管２６が酸化塔１の中心軸線と平行に取り付けられている。複数本の伝熱管２６は、図では、半径方向に複数列、かつ各例が複数本の伝熱管で構成されるようにして配置されているが、酸化塔１内での伝熱管２６の配置は任意であり、後に記載するように、酸化塔１内に収容される金属粒子の流動を妨げないことを条件に適宜配置すればよい。
【００３４】
なお、下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９は耐熱性に優れた材料で作られ、また特に伝熱管２６は耐熱性と熱伝導性に優れた材料・形状で作られる。さらに、後に説明するように、伝熱管２６は、下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４の間に位置する部分と、中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９の間に位置する部分とを、異なった材料で作ることが望ましい。
【００３５】
酸化塔１の上部には排気口２７が設けてあり、排気口２７からの排ガス（後に記載するように、Ｎ２が主であり、Ｏ２が少量含まれる）は固気分離装置２８を通して外気に排気される。
【００３６】
以上の構成は、本発明による内部循環式かつ下部供給式の第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａが作動するために必要な構成であるが、より効率的な運転を行うために、ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａはさらに次の配管系を備える。
【００３７】
前記した排気口２７からの排ガスは固気分離装置２８を通過した後、さらに熱交換器２９を通過する。そして熱交換器２９を通過したＮ２ガスは図示しない貯蔵タンク内に貯蔵される。必要時に、Ｎ２とＯ２の混合ガスの一部は、ブロワ３０によって昇圧され、遮断弁３１と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。
【００３８】
還元塔３の上部から排出される排ガス（後に記載するようにＣＯ２とＨ２Ｏ蒸気である）は、外部からの冷却水が循環している気水分離装置３３に流入し、蒸気を液化して分離した後、９０％以上のＣＯ２を含む排ガスとして外部に排出され、図示しない貯蔵タンク内に貯蔵される。必要時に、９０％以上のＣＯ２を含む排ガスの一部は、ブロワ３４によって昇圧され、遮断弁３５と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。
【００３９】
気水分離装置３３で生成された水は、遮断弁３６、ポンプ３７を介して熱交換器２９に至り、そこで熱交換した後、必要に応じて、調圧弁３８および逆止弁３９を通って、燃料ノズル９への燃料供給管路内に水蒸気として供給される。
【００４０】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの作動を説明する。事前に、酸化塔１の内部空間に金属粒子Ｍを充填する。充填量は、金属粒子Ｍが還元塔３に取り付けた固気分離装置２５までは達しない量とする。なお、金属粒子Ｍは金属のみでなく酸化金属粒子が含まれていてもよい。金属粒子Ｍの好ましいものとしては、鉄（Ｆｅ）または酸化鉄（ＦｅＯ,Ｆｅ２Ｏ３，Ｆｅ３Ｏ４）を例示できる。充填後、図示しないは酸化塔内に配置した予熱バーナあるいは酸化塔１の周壁に取り付けた電気ヒータ等の予熱手段により金属粒子Ｍを６００℃程度まで予熱する。また、下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９、すべての伝熱管２６、および第１の流体配管１８と第２の流体配管２１を、例えば水である被加熱溶液で満す。
【００４１】
予熱後あるいは予熱の途中から、空気ヘッダー４に酸化剤として機能する所定量の空気（環境温度の空気であってよい）を供給して空気ノズル５から酸化塔１内に噴出させる。また、燃料ノズル９からは還元剤として機能する所定量のメタン等の燃料ガスを還元塔３に向けて噴出させる。さらに、セパレータガスノズル１３からＮ２、ＣＯ２等の不活性ガスを酸化塔１内に向けて噴出させる。なお、運転開始当初は、不活性ガスは外部の不活性ガス源から供給するか、あるいは前回の運転時に系内の貯蔵タンクに貯蔵しておいた不活性ガス源から供給する。
【００４２】
空気ノズル５からの噴出空気は酸化塔１内に流入し、燃料ノズル９からの燃料ガスは還元塔３内に流入する。その際に、上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１では、空気ノズル５と燃料ノズル９間にセパレートガスノズル１３が位置し、そこから不活性ガスが噴出しているので、噴出後の空気と燃料ガスが混合するのを回避できる。
【００４３】
酸化塔１では反応温度にまで予熱された金属粒子Ｍと、供給された空気内の酸素が反応して酸化金属粒子ＭＯが生成される。その際に、金属の酸化反応によって発熱し、金属粒子Ｍ、酸化金属粒子ＭＯおよび酸化塔１内を流れる空気は昇温する。しかし、金属の酸化反応によって発熱であり、１５００度以上の高温部分が形成されることがなく、前記したようにサーマルＮＯｘは生成されない。なお、金属粒子Ｍが酸化金属粒子ＭＯを含む場合には、酸化金属粒子ＭＯは前記酸化金属粒子がさらに酸化した形態の酸化金属粒子が該当する。例えば、金属粒子ＭがＦｅ３Ｏ４の場合、酸化金属粒子ＭＯはＦｅ２Ｏ３等となる。
【００４４】
酸化金属粒子ＭＯおよび残存する場合での金属粒子Ｍは酸化塔１内を流下して還元塔３内に流入した後、還元塔３内を上昇する。還元塔３内を上昇する過程で、酸化金属粒子ＭＯは燃料ガスによる還元作用を受けて金属粒子Ｍに戻る。上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１では、下部ヘッダー１５の上面１６は、中央に向けて低位となる円錐面となっているので、酸化塔１の底部から還元塔３への酸化金属粒子ＭＯの移動は円滑に進行する。また、還元塔３内を上昇する固体成分とガス成分は、上昇の過程で固気分離装置２５の作用を受けて、固体と気体に分離され、気体はさらに上昇して還元塔３の上部から排気される。固体、すなわち金属粒子Ｍと残存する場合での酸化金属粒子ＭＯは、酸化塔１内に戻される。
【００４５】
酸化塔１内で、金属粒子Ｍは空気ノズル５からの噴出空気の作用を受けて流動化状態となることから、金属粒子Ｍあるいはその酸化物ＭＯの一部は当初貯留されていたときよりも上方に舞い上がることが起こり得る。上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１では、酸化塔１の下方の内壁面に前記耐熱壁２２を形成したことにより、耐熱壁２２が形成されている領域の水平断面積よりも、その上の耐熱壁２２が形成されていない領域の水平断面積が大きくなっている。そのために、固気分離装置２５近傍よりも上位の空間に舞い上がった金属粒子Ｍあるいはその酸化物ＭＯは、その空塔速度が小さくなって下方に落下しやすくなる。さらに、中間ヘッダー２４の上面に落下した金属粒子Ｍあるいはその酸化物ＭＯは、中間ヘッダー２４の上面が円錐面となっているので、その面に沿って確実に下方に落下する。そのために、金属粒子Ｍの酸化作用を円滑化するとともに、酸化塔１上部の排気口２７から金属粒子が排出されるのを抑制することができる。なお、図示しないが、酸化塔１上部の排気口２７から排出される金属粒子は固気分離装置２８により分離されて、必要時に、酸化塔１内に戻される。
【００４６】
一方、酸化塔１内で金属粒子Ｍが酸化することにより発生した熱は、伝熱管２６の壁面を介して伝熱管２６内を流れる被加熱流体を伝えられ、被加熱流体を加熱する。すなわち、本発明によるケミカルループ燃焼装置では、酸化反応により発熱した金属粒子Ｍの熱はガス（投入空気）に伝熱すると同時に、金属粒子Ｍ内に位置する伝熱管２６にも直接熱交換するために、排ガス温度が大きく上がることがない。そのために、ＮＯｘの生成をさらに抑制することができる。また、酸化塔１内のガス（投入空気）の平均温度も低くなり、それにより空塔速度が抑えられるため、酸化塔１の断面積を小さくすることができる。結果として、装置の小型化が可能となり、燃焼量当たりの表面積も抑えることができ、放熱のロスも小さくすることができる。
【００４７】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａでは、中間ヘッダー２４より下位の領域は金属粒子が貯留されている領域であり、その領域では伝熱管２６は金属粒子と接触することで多くの摩擦損耗を受ける。一方、中間ヘッダー２４より上位の領域は主にガスが存在する領域であり、伝熱管２６の摩擦損耗は少ない。そのことから、伝熱管２６の材料は、下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４の間に位置する部分では耐摩耗性に優れた材料とし、中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９の間に位置する部では比較して耐摩耗性に小さい材料とすることができる。そのように異なった材料を用いることで低コスト化が可能となる。
【００４８】
酸化塔１内での熱交換により加熱された被加熱流体は、例えば、上部ヘッダー１９から第２流体配管２１、熱負荷部１００、第１の流体配管１８を循環し、下部ヘッダー１５に戻ってくる。加熱された被加熱流体の循環は逆回りであってもよい。
【００４９】
酸化塔１内での酸化反応に寄与することにより、投入空気は高温の排ガスとなり排気口２７から排出される。排ガスは、空気の供給量に応じて、Ｏ２を含まない高濃度のＮ２ガスか、残存Ｏ２とＮ２を含むガスとなる。前記したように排ガスは固気分離装置２８および熱交換器２９を通った後、図示しないＮ２貯蔵タンク塔へ送られて貯蔵されるが、一部のＮ２はブロワ３０で昇圧され遮断弁３１と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。
【００５０】
一方、還元塔３からの排ガスは還元反応により生成されたＣＯ２とＨ２Ｏからなっており、高温ガスであることからＨ２Ｏは水蒸気となっている。還元塔３からの排ガスは冷却水が循環している気水分離装置３３で凝縮されて水と高濃度（９０％以上）のＣＯ２を含むガスに分離される。得られたＣＯ２ガスは、必要な場合には適宜の手段でさらに濃縮した後に、そのままあるいは液化ＣＯ２として貯蔵される。ＣＯ２ガスの一部は、必要時に、ブロワ３４で昇圧され遮断弁３５と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。そのために、図１に記される態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａでは、初期の運転時を除き、空気ノズル５から供給される空気と燃料ノズルから供給される燃料ガスとを分離する目的で、セパレートガスノズル１３から供給すべき不活性ガス（Ｎ２またはＣＯ２）を自給することが可能となる。
【００５１】
気水分離装置３３で生成された水は、酸化塔１からの高温排ガスと熱交換器２９において熱交換して水蒸気となり、必要時にその水蒸気は調圧弁３８と逆止弁３９を通り燃料ガスに混入される。水蒸気の供給を必要とすることにより、Ｆｅのような比較的安価な金属粒子材料を用いる場合でも、効率的に還元反応を進行させることが可能となる。また、反応性の遅いメタンなどの炭化水素でも効率的に酸化金属の還元反応を進行させることが可能となる。
【００５２】
なお、上記の例では、第１の流体管路１８と第２の流体管路２１は非連続のものとして説明したが、熱負荷部１００の種類や形態によっては、第１の流体管路１８と熱負荷部１００と第２の流体管路２１との間で、連続した循環路を構成するようにしてもよい。いずれの場合にも、第２の流体管路２１を流入側とし、第１の流体管路１８を流出側として全体の管路系を構成しても、同じ作用効果が得られることは説明を要しない。
【００５３】
〈第１の形態の第２の態様〉
図２は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態における第２の態様の概略断面を付設する配管系とともに示している。図２に示す第２の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ｂは、酸化塔１の内部に複数個（図示の例では２個）の還元塔３，３が備えられている点と、各還元塔３，３に対応するようにして、酸化塔１の下端部に、空気ヘッダー４、空気ノズル５、燃料ノズル９、およびセパレートガスノズル１３等が配置されている点で、図１に示した第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと構成が相違する。配管系の構成、伝熱管２６と下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９等に係る構成、およびそれらが奏する作用効果は基本的に第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合と同じであり、同じ符号を付すことで、説明は省略する。
【００５４】
図示の例において、２個の還元塔３，３は酸化塔１の軸心線と平行な姿勢で酸化塔１内に配置されており、各還元塔３，３の下端部位置に対応するようにして、酸化塔１の下端部に、空気ヘッダー４、空気ノズル５、燃料ノズル９、およびセパレートガスノズル１３等が配置されている。そして、各空気ヘッダー４、４には、ブロワ６からの調圧された空気が供給され、各燃料ノズル９、９には、遮断弁１０、調圧弁１１、逆止弁１２を通して調圧された燃料が送給される。また、各セパレートガスノズル１３、１３には、配管１４を通して酸素が含まれない不活性ガスが供給される。各還元塔３，３の上部から排出される排ガスは、合流した後に、外部からの冷却水が循環している気水分離装置３３に流入する。
【００５５】
〈第１の形態の第３の態様〉
図３は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態における第３の態様の概略断面を付設する配管系とともに示している。図３に示す第３の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃは、基本的に内部循環式かつ下部供給式のケミカルループ燃焼装置であるが、酸化塔の内部に還元塔が備えられるのではなく、還元塔と内部に１個の酸化塔が備えられている点で、図１に示した第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと構成が異なっている。
【００５６】
以下、ケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃの構成を、図１に示した第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと構成が相違する部分を主にして説明する。ケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃは、ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと同様の外塔１ａを有し、外塔１ａ内には中心軸線を同じにして円塔体３ａが取り付けてある。円塔体３ａの上端は天板２を貫通して外塔１ａの外部に延出しており、下端は外塔１ａの下端近傍に達している。なお、以下の説明では、外塔１ａを還元塔１ａと呼び、円塔体３ａを酸化塔３ａと呼ぶ。
【００５７】
還元塔１ａの下端部の中央には、酸化塔１ａと同心円をなす円塔状の空気ヘッダー４が取り付けてあり、該空気ヘッダー４の上端は空気ノズル５とされている。好ましくは空気ノズル５の内径は酸化塔３ａの下端部の内径よりもやや小さい。空気ヘッダー４を包囲するようにして塔状をなす燃料ノズル９が配置されており、燃料ノズル９には、遮断弁１０、調圧弁１１、逆止弁１２を通して、調圧された燃料が送給される。空気ヘッダー４とその外側を包囲する燃料ノズル９との間には隙間が設けられており、その隙間には塔状のセパレートガスノズル１３が配置されている。セパレートガスノズル１３には、酸素が含まれない不活性ガスが供給される。
【００５８】
図３に示すように、還元塔１ａの内部には、第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａにおける酸化塔１の場合と同様にして、耐熱壁２２、下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９、および伝熱管２６等が取り付けられている。還元塔１ａの上部には排気口２７が設けてあり、排気口２７からの排ガスは、第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと同様に、外部からの冷却水が循環している気水分離装置３３に流入する。また、酸化塔３ａからの排ガスは、第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと同様に、固気分離装置２８を通して外気に排気される。
【００５９】
ケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃ内での金属の酸化還元反応は、外塔１ａ内で金属の還元反応が進行し、円塔体３ａ内で金属の酸化反応が進行する点を除き、図１に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ１ａでの金属の酸化還元反応と基本的に同じである。すなわち、還元塔１ａの内部空間内で、酸化金属粒子ＭＯは燃料ノズル９から供給される燃料ガスと還元反応して金属粒子Ｍとなり酸化塔３ａ内を流入する。酸化塔３ａ内を通過する過程で、金属粒子Ｍは空気ノズル５から供給される空気中の酸素と酸化反応して酸化金属粒子ＭＯに戻される。そして、酸化金属粒子ＭＯは酸化塔３ａに取り付けた固気分離装置２５を通って還元塔１ａ内に戻される。
【００６０】
ケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃにおいて、配管系の構成、伝熱管２６と下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９等に係る構成、およびそれらが奏する作用効果は基本的に第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合と同じであり、同じ符号を付すことで、説明は省略する。
【００６１】
〈第１の形態の第４の態様〉
図４は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態における第４の態様の概略断面を付設する配管系とともに示している。図４に示す第４の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ｄは、還元塔１ａの内部に複数個（図示の例では２個）の酸化塔３ａ，３ａが備えられている点と、各酸化塔３ａ，３ａに対応するようにして、還元塔１ａの下端部に、空気ヘッダー４、空気ノズル５、燃料ノズル９、およびセパレートガスノズル１３等が配置されている点で、図３に示した第３の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃと構成が相違する。配管系の構成、伝熱管２６と下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９等に係る構成、およびそれらが奏する作用効果は基本的に第３の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃの場合と同じであり、同じ符号を付すことで、説明は省略する。
【００６２】
図示の例において、２個の酸化塔３ａ，３ａは還元塔１ａの軸心線と平行な姿勢で還元塔１ａ内に配置されており、各酸化塔３ａ，３ａの下端部位置に対応するようにして、還元塔１ａの下端部に、空気ヘッダー４、空気ノズル５、燃料ノズル９、およびセパレートガスノズル１３等が配置されている。そして、各空気ヘッダー４、４には、ブロワ６からの調圧された空気が供給され、各燃料ノズル９、９には、遮断弁１０、調圧弁１１、逆止弁１２を通して調圧された燃料が送給される。また、各セパレートガスノズル１３、１３には、配管１４を通して酸素が含まれない不活性ガスが供給される。
【００６３】
ケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃの場合と同様、還元塔１ａの上部に形成した排気口２７からの排ガスは、外部からの冷却水が循環している気水分離装置３３に流入する。また、酸化塔３ａ，３ａからの排ガスは、合流した後に固気分離装置２８を通して外気に排気される。
【００６４】
〈第２の形態〉
図５は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第２の形態の概略断面を付設する配管系とともに示している。第２の形態は、外部循環式かつ下部供給式のケミカルループ燃焼装置である。すなわち、第２の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ２は、酸化塔２０１と還元塔２０３は分離しており、両者は酸化した金属粒子ＭＯが移動する流路２５０と還元した金属粒子Ｍが移動する流路２６０とによって接続されていることを特徴とする。以下の説明では、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を２００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００６５】
ケミカルループ燃焼装置Ａ２は、前記のように酸化塔２０１と還元塔２０３は分離しており、両者は断熱手段が施された酸化金属流路２５０と金属粒子流路２６０とで接続されている。すなわち、酸化塔２０１内には、被加熱流体の熱交換に必要な手段である下部ヘッダー２１５、中間ヘッダー２２４、上部ヘッダー２１９、伝熱管２２６等の手段は存在するが、還元塔に相当する手段は存在しない。そのために、酸化塔２０１の底部には、空気ノズル２０５を備えた空気ヘッダー２０４のみが存在し、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）における燃料ノズル９とセパレートガスノズル１３は存在しない。それにより、酸化塔２０１の直径をより小さなものとすることができる。
【００６６】
また、前記のように、酸化金属粒子ＭＯは酸化金属流路２５０を通って還元塔２０３に移動する形式であり、そのために、酸化塔２０１内に貯留される金属粒子Ｍの貯留上端位置のやや上方位置に平板状の中間ヘッダー２２４が備えられ、中間ヘッダー２２４の中央空間領域には第１の固気分離装置２７０が配置されている。そして、第１の固気分離装置２７０の固体排出口側に前記した酸化金属流路２５０の一方端が接続している。
【００６７】
還元塔２０３は、その上方位置において酸化金属流路２５０の他方端と接しており、その接続部と天板との間に第２の固気分離装置２７１を備えている。還元塔２０３の下方位置には金属粒子流路２６０の一方端が接続しており、金属粒子流路２６０の他方端は酸化塔２０１の下方部分に接続している。酸化金属流路２５０の途中には粒子溜め２５１が設けてあり、金属粒子流路２６０の途中にも粒子溜め２６２が設けてある。また、還元塔２０３の底面には燃料ノズル２０９が取り付けてある。
【００６８】
酸化塔２０１に取り付けた第１の固気分離装置２７０で固体分（主に酸化金属粒子ＭＯ）を分離した後の気体（排ガス）は排気口２２７から排気されるが、この形態では排ガス中にほとんど固形分が含まれないので、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）での固気分離装置２８を省略することができる。第１の固気分離装置２７０で分離された固体分（主に酸化金属粒子ＭＯ）は酸化金属流路２５０を通って還元塔２０３内に流入し、そこを落下する過程で、燃料ノズル２０９から送給される燃料ガスによる還元作用を受け、還元後の金属粒子Ｍは金属粒子流路２６０を通って酸化塔２０１内に戻される。還元塔２０３に取り付けた第２の固気分離装置２７１は固体分（主に還元を受ける前の酸化金属粒子ＭＯ）を分離して還元塔２０３内に戻すとともに、気体（主にＣＯ２とＨ２Ｏ）を還元塔２０３から排ガスとして排出する。
【００６９】
酸化塔２０１からの排ガスおよび還元塔２０３からの排ガスのための配管系は第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）での配管系と同じである。ただし、双方の排ガスから生成されるＮＯ２およびＣＯ２である不活性ガスが、セパレートガスノズル１３にではなく、前記した粒子溜め２５１および２６２にパージガスとして供給される点で相違する。粒子溜め２５１および２６２に不活性ガスをパージガスとして供給することにより、酸化金属流路２５０および金属粒子流路２６０において、空気（酸化剤）と燃料ガスが混合するのを確実に阻止できるようになり、燃料ガスの直接燃焼を確実に回避できるようになる。なお、２つの粒子溜め２５１、２６２、特に酸化金属流路２５０に設ける粒子溜め２５１は省略することもできる。省略してもケミカルループ燃焼装置Ａ２の運転は可能である。
【００７０】
ケミカルループ燃焼装置Ａ２において、酸化塔２０１内に酸化反応熱を被加熱流体と熱交換するための手段（下部ヘッダー２１５、中間ヘッダー２２４、上部ヘッダー２１９、伝熱管２２６等）を設けたことによる達成される作用効果は、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）におけると同じであり、説明は省略する。また、各管路系での排ガス、空気、燃料ガス等の動きも第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）の場合と同じであり、説明は省略する。
【００７１】
〈第３の形態〉
図６は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第３の形態の概略断面を付設する配管系とともに示している。第３の形態は、内部循環式かつ上部供給式のケミカルループ燃焼装置である。すなわち、第３の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ３は、空気（酸化剤）、燃料ガス（還元剤）、セパレートガス（不活性ガス）が酸化塔３０１および還元塔３０３の上部から供給される形式である点で、図１に示した第１形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと相違しており、その点を除き第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと同じである。以下の説明では、ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａにおけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を３００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００７２】
ケミカルループ燃焼装置Ａ３において、酸化塔３０１、および、被加熱流体の熱交換に必要な手段である下部ヘッダー３１５、中間ヘッダー３２４、上部ヘッダー３１９、伝熱管３２６等の手段は第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと実質的に同じである。ただし、下部ヘッダー３１５の中央部分は円錐面３１６である上面に連続する凹状のコーン部材３６０により閉鎖されている。
【００７３】
酸化塔３０１の中心部には酸化塔３０１の軸芯方向に延びる還元塔３０３が取り付けてあり、その上端側は天板３０２を貫通し、下端側は前記したコーン部材３６０の近くまで達している。還元塔３０３の中心部には燃料ガス供給管３６１が挿入されている。燃料ガス供給管３６１は還元塔３０３の下端部の直上位置まで達しており、先端部は燃料ノズル３０９とされている。還元塔３０３の内周壁面に沿うようにして所要本数のセパレートガス供給管３６２が取り付けてあり、その先端は還元塔３０３の下端まで達していて、先端部はセパレートガスノズル３１３とされている。
【００７４】
還元塔３０３の径方向外側には、還元塔３０３とほぼ平行にかつ還元塔３０３の軸芯線から同心円状に、所要本数の空気供給管３６３が取り付けてある。空気供給管３６３の上端側は天板３０２を貫通しており、下端側は下部ヘッダー３１５の天面または前記したコーン部材３６０の近くまで達している。各空気供給管３６３の下端部は空気ノズル３０５とされている。
【００７５】
燃料ガス供給管３６１には、遮断弁３１０、調圧弁３１１、逆止弁３１２を通して調圧された燃料ガスが送給され、下端部の燃料ノズル３０９から還元塔３０３内に噴出する。空気供給管３６３には、ブロワ３０６、流量計３０７、調圧弁３０８を通して調圧された空気が供給され、下端部の空気ノズル３０５から酸化塔３０１内に噴出する。燃料ガスの一部は、管路３６４と遮断弁３６５を通って、必要時に空気供給管３６３のいずれかまたは全部に供給され、下端部の空気ノズル３０５から酸化塔３０１内に噴出する。セパレートガス供給管３６２には配管３１４を通して、例えばＮ２ガス、ＣＯ２ガス等である不活性ガスが供給され、供給された不活性ガスは先端のセパレートガスノズル３１３から還元塔３０３の底面（コーン部材３６０）に向けて噴出する。
【００７６】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ３において、酸化塔３０１内に酸化反応熱を被加熱流体と熱交換するための手段（下部ヘッダー３１５、中間ヘッダー３２４、上部ヘッダー３１９、伝熱管３２６等）を設けたことにより達成される作用効果は、図１に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ１ａにおけると同じであり、説明は省略する。ただし、ケミカルループ燃焼装置Ａ３では、酸化塔３０１内に空気を供給する空気供給管３６３と還元塔３０３内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管３６１およびセパレートガス供給管３６２とを、酸化塔３０１の上部から、すなわち酸化塔３０１の天板３０２に形成した開口部から落とし込むようにして取り付けるようにしたので、ケミカルループ燃焼装置Ａ３を組み立てるときに、クレーン等でそれらの部材を持ちあげて組み付けることが可能となり、図１に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと比較して製造が容易となることに加え、稼働後でのメンテナンスもきわめて容易となる。特に、図示されるように共通の取り付け用基板３６６を用い、そこに前記した空気供給管３６３と燃料ガス供給管３６１とセパレートガス供給管３６２とを取り付けることにより、組立時あるいはメンテナンス時にそれらを一体のものとして取り扱うことが可能となり、作業性が一層向上する。
【００７７】
また、上記のケミカルループ燃焼装置Ａ３において、各管路系での排ガス、空気、燃料ガス等の動きもケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合とほぼ同じである。しかし、前記したように、空気供給管３６３と燃料ガス供給管３６１とセパレートガス供給管３６２を酸化塔３０１の上部から差し込むようにして取り付けたことに起因して、ガスの動きに少しの違いが生じる。
【００７８】
すなわち、空気は空気供給管３６３を通過した後にその下端部の空気ノズル３０５から酸化塔３０１内に噴出され、その空気が上昇する過程で金属粒子Ｍとの間での酸化反応に寄与する。酸化反応をした後の空気すなわちＮ２リッチの空気が、酸化塔３０１上部の排気口３２７から排ガスとして排出されるのはケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合とほぼ同じである。また、図示のケミカルループ燃焼装置Ａ３においては、空気供給管３６３の一部の空気供給管３６３ａに遮断弁３６５を通して燃料ガスを供給できるようにしており、その空気供給管３６３ａを昇温用バーナ３６３ａとして用いることができる。
【００７９】
運転時に、燃料ガスは燃料ガス供給管３６１の上端から供給されて下端の燃料ノズル３０９から噴出する。噴出した燃料ガスは還元塔内壁と燃料ガス供給管３６１との間の空間領域を酸化金属粒子ＭＯとともに上昇する。上昇の過程で燃料ガスは酸化金属粒子ＭＯの還元に寄与し、酸化金属粒子ＭＯを金属粒子Ｍに還元する。還元された金属粒子Ｍは還元塔３０３に取り付けた固気分離装置３２５により分離されて酸化塔３０１内に戻される。ＣＯ２と水蒸気で構成される排ガスは、還元塔３０３の上端から排気される。その後の排ガスの挙動はケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合と同じである。
【００８０】
運転時に、セパレートガス供給管３６２にはその上端部からＣＯ２またはＮ２等の不活性ガスが供給され、セパレートガスノズル３１３から酸化塔３０１内に噴出する。噴出する不活性ガスにより、空気ノズル３０５から噴出する空気と、燃料ガス供給管３６１の下端の燃料ノズル３０９から噴出する燃料ガスとが混合するのを回避でき、燃料ガスが直接燃焼するのを阻止できる。このことも、ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合と同じである。
【００８１】
さらに、酸化塔３０１の底部における還元塔３０３の下端と対向する部分に、表面が滑らかな円錐面あるいは放物線面であるコーン部材３６０を取り付けたことで、酸化金属粒子ＭＯあるいは金属粒子Ｍの移動を円滑化することができ、酸化塔３０１の底部から還元塔３０３内に酸化金属粒子ＭＯあるいは金属粒子Ｍが流入するのを良好にしている。
【００８２】
なお、図示しないが、内部循環式かつ上部供給式のケミカルループ燃焼装置である第３の形態のケミカルループ燃焼装置においても、その変形した態様として、酸化塔３０１内に複数個の還元塔３０３を配置する態様（図２に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１ｂに相当する態様）、還元塔内に１個の酸化塔を配置する態様（図３に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃに相当する態様）、還元塔内に複数個の酸化塔を配置する態様（図４に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１ｄに相当する態様）とすることもできることは説明を要しない。
【００８３】
〈第４の形態〉
図７は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第４の形態の概略断面を付設する配管系とともに示している。第４の形態は、外部循環式かつ上部供給式のケミカルループ燃焼装置である。すなわち、第４の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ４は、空気（酸化剤）、燃料ガス（還元剤）、セパレートガス（不活性ガス）が酸化塔４０１および還元塔４０３の上部から供給される形式である点で第３の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ３と同じであり、酸化塔４０１と還元塔４０３が分離していて、両者は酸化した金属粒子ＭＯが移動する流路４５０と還元した金属粒子Ｍが移動する流路４６０とによって接続されている点で、第３の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ３と相違している。そして、酸化塔４０１と還元塔４０３が分離している構成は、図５に示した第２の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ２と実質的に同じである。以下の説明では、第３の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ３におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を４００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００８４】
ケミカルループ燃焼装置Ａ４は、ケミカルループ燃焼装置Ａ２と同様に、酸化塔４０１内には、被加熱流体の熱交換に必要な手段である下部ヘッダー４１５、中間ヘッダー４２４、上部ヘッダー４１９、伝熱管４２６等の手段は存在するが、還元塔に相当する手段は存在しない。そして、下部ヘッダー４１５の中央部分は円錐面４１６である上面に連続する凹状のコーン部材４６０により閉鎖されている。
【００８５】
酸化塔４０１の中央部には、酸化塔４０１の軸芯方向に延びる所要本数の空気供給管４６３が挿入されており、その下端部は酸化塔４０１の底面近傍にまで達している。空気供給管４６３の下端先端部は空気ノズル４０５とされている。また、前記のように酸化金属粒子ＭＯは酸化金属流路４５０を通って還元塔４０３に移動する形式であり、そのために、酸化塔４０１内に貯留される金属粒子Ｍの貯留上端位置のやや上方位置に平板状の中間ヘッダー４２４が備えられ、中間ヘッダー４２４の中央空間領域に第１の固気分離装置４７０が配置されている。そして、第１の固気分離装置４７０の固体排出口側に前記した酸化金属流路４５０の一方端が接続している。また、前記した空気供給管４６３は第１の固気分離装置４７０内を通過している。
【００８６】
還元塔４０３には、その天面を通過するようにして燃料ガス供給管４６１が還元塔４０３の軸芯線方向に平行に挿入されており、その下端部は還元塔４０３の底面近傍にまで達していて、燃料ノズル４０９とされている。また、還元塔４０３は、その上方位置において酸化金属流路４５０の他方端と接しており、その接続部と天板との間に第２の固気分離装置４７１を備えている。前記燃料ガス供給管４６１は第２の固気分離装置４７１内を通過している。還元塔４０３の下方位置には金属粒子流路４６０の一方端が接続しており、金属粒子流路４６０の他方端は酸化塔４０１の下方部分に接続している。酸化金属流路４５０の途中には粒子溜め４５１が設けてあり、金属粒子流路４６０の途中にも粒子溜め４６２が設けてある。
【００８７】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ４において、酸化塔４０１内に酸化反応熱を被加熱流体と熱交換するための手段（下部ヘッダー４１５、中間ヘッダー４２４、上部ヘッダー４１９、伝熱管４２６等）を設けたことによる達成される作用効果は、図１に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ１ａにおけると同じであり、また、酸化塔４０１の上方から空気供給管４６３を取り付けるようにしたことによる作用効果は、図６に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ３におけると同じである。さらに、複数本の空気供給管４６３の一部の空気供給管４６３ａに遮断弁４６５を通して燃料ガスを供給できるようにすることにより、その空気供給管４６３ａを昇温用バーナ４６３ａとして用いることができるのも、図６に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ３と同様である。
【００８８】
ケミカルループ燃焼装置Ａ４において、上方から供給される空気は空気供給管４６３を通過した後に、その下端部の空気ノズル４０５から酸化塔４０１内に噴出され、その空気が上昇する過程で金属粒子Ｍとの間での酸化反応に寄与する。酸化反応をした後の空気すなわちＮ２リッチの空気は第１の固気分離装置４７０を通って酸化塔４０１上部の排気口４２７から排ガスとして排出されるのはケミカルループ燃焼装置Ａ３の場合とほぼ同じである。
【００８９】
第１の固気分離装置４７０で分離された固体（主に酸化金属粒子ＭＯ）は酸化金属流路４５０を通って還元塔４０３に移動し、そこで還元作用を受けて金属粒子Ｍとなり、還元後の金属粒子Ｍは金属粒子流路４６０を通って酸化塔４０１内に戻されること、および、還元塔４０３に取り付けた第２の固気分離装置４７１は固体分（主に還元を受ける前の酸化金属粒子ＭＯ）を分離して還元塔４０３内に戻すとともに、気体（主にＣＯ２とＨ２Ｏ）を還元塔４０３から排ガスとして排出することは、図５に示した第２のケミカルループ燃焼装置Ａ２と同じであり。ただし、第４のケミカルループ燃焼装置Ａ４では、還元塔４０３の上方から燃料ガス供給管４６１を還元塔４０３内に取り付けるようにしており、還元塔４０３の組み付けおよびメンテナンスがきわめて容易となる。
【００９０】
その他の各管路系での排ガス、空気、燃料ガス等の動きはケミカルループ燃焼装置Ａ２の場合と同じであり説明は省略する。
【００９１】
なお、上記したいずれの形態のケミカルループ燃焼装置においても、前記したように、排ガスから高濃度のＣＯ２を分離できる。必要な場合には、濃度９０％以上で回収したＣＯ２を利用用途に応じて例えばＰＳＡ法などを用いてさらに濃縮することで、９９．９９９％濃度のＣＯ２が得られる。
【００９２】
また、本発明によるケミカルループ燃焼装置の運転において、系全体の金属粒子（Ｍ）と酸化金属粒子（ＭＯ）を常にある比率の範囲に保つために、燃料と酸化剤の瞬間値はもちろんのこと、積算投入量を管理することで、系全体が運転開始時から酸化側に寄ったのか、還元側に寄ったのかを判別してフィードバックをかけることもできる。また、燃料と酸化剤とが適正に金属を介して反応しているかどうかを判断するため、下記に示す「酸素有効利用率」を１．０付近で制御することが推奨される。
【００９３】
酸素有効利用率＝（外部酸素投入量−系外にでる酸素量)／（燃料の理論酸素量)
さらに、本発明によるケミカルループ燃焼装置において、酸化塔と還元塔の出口付近に圧力計を設置することもできる。そして、還元等からＣＯ２を高濃度で取り出したい場合には、還元塔側の圧力が酸化塔の圧力よりやや高くなるように排気ブロアをインバーターで制御する。
【００９４】
また、装置内での反応が継続していることを確認するために、酸化塔内に熱電対を２個挿入することもできる。一箇所は固気分離装置より下部の粒子面より下まで挿入し、もう一つは、固気分離装置の上部に設置する。そして、金属粒子内部の温度を還元剤の反応温度(例えば、天然ガスの場合７６０℃)以上に保つようにする。保てない場合には、燃料ガスの供給を遮断する。
【００９５】
さらに、上記したいずれのケミカルループ燃焼装置においても、図示したように、気水分離装置３３で生成された水から得られる水蒸気を調圧弁３８および逆止弁３９を通して燃料ノズル９への燃料供給管路内に供給するようにしたが、装置内で生成される水蒸気およびＣＯ２を含むガス（例えば、還元塔３からの排ガス）を還元塔に供給される還元剤を含むガス（燃料ガス）に添加するようにしても、同様な作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００９６】
Ａ１…ケミカルループ燃焼装置、
１…酸化塔、
３…還元塔、
４…空気ヘッダー、
５…空気ノズル、
９…燃料ノズル、
１３…セパレートガスノズル、
１５…下部ヘッダー、
１８…第１の流体配管、
１９…上部ヘッダー、
２１…第２の流体配管、
２２…耐熱壁、
２４…中間ヘッダー、
２５…固気分離装置、
２６…伝熱管、
２７…酸化塔の上部の排気口、
２８…固気分離装置、
２９…熱交換器、
３３…気水分離装置、
１００…熱負荷部、
Ｍ…金属粒子、
ＭＯ…酸化金属粒子。
【技術分野】
【０００１】
本発明はケミカルループ燃焼装置および該ケミカルループ燃焼装置を備えた熱利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粒子を酸化する酸化反応系と酸化金属粒子を還元する還元反応系との間で金属粒子および酸化金属粒子を循環させることで熱を得るようにしたケミカルループ燃焼法は知られている。ケミカルループ燃焼は、燃料を直接空気と燃焼させる代わりに、燃焼反応を「金属粒子の酸化」と、「酸化金属粒子の還元」という２つに分け、両者を物理的な粒子の循環で結ぶシステムである。燃料と空気は直接接触することがなく、金属を媒体として純酸素のやり取りをしている。
【０００３】
ケミカルループ燃焼では、メタンなどの炭化水素燃料は、還元反応系において、あくまで酸化金属の還元剤として働き、また酸化反応系には、酸化剤としての空気と金属粒子だけが供給され、金属粒子の酸化反応によって発熱する。通常、酸化反応で生じる温度は８００〜１２００℃程度であり、主にＮ２である排ガスは比較的低温であることからサーマルＮＯｘは殆ど生成しない。また、還元反応系では、燃料としての炭化水素と酸化金属から供給される酸素のみが存在し、そのため、排ガス成分はほぼ二酸化炭素と水だけとなる。そのために、排出されたガスを冷却して水を取り除けばほぼ純粋なＣＯ２を容易に回収可能となる。
【０００４】
上記のような利点があることから、ケミカルループ燃焼を実際に実施するための装置がすでに提案されており、特許文献１あるいは２には、ケミカルループ燃焼方式による発電プラントシステムが記載されている。
【０００５】
また、ケミカルループ燃焼方式としては、非特許文献１に記載されるように、酸化塔の内部に還元塔が組み込まれている、いわゆる内部循環方式と、酸化塔と還元塔とが分離しており、両者は酸化した金属粒子の流路と還元した金属粒子の流路とによって接続されている、いわゆる外部循環方式とが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−３３２１６１号公報
【特許文献２】特開２０００−３３７１６８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】外部循環式：Use of NiO/NiAl2O4 Particles in a 10 kW Chemical-Looping CombustorMarcus Johansson, Tobias Mattisson, and Anders Lyngfelt‡Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 5911 5919 内部循環：Experimental results of chemical-looping combustion with NiO/NiAl2O4 particle circulation at 1200 degrees C Ishida M, Yamamoto M, OhbaTENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT 2002, 43,9-12,1469-1478
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１あるいは２に記載されるように、現在、ケミカルループ燃焼の実用化に向けての研究は主に発電用に向けて行われており、燃焼装置も外部循環式を採用したＣＯ２回収型の大型のものを想定して研究開発がなされているのが現状である。ケミカルループ燃焼装置で生成された熱を、オンサイトでの産業用ボイラや工業炉などで利用する技術はほとんど研究開発がされていない。
【０００９】
発電用として用いられるケミカルループ燃焼は、次の理由から大型化する傾向にある。すなわち、ケミカルループ燃焼では、金属の微粒子を安定的に流動化させることが求められ、そのため粒子量および粒径の大きさに応じて、反応塔内での空塔速度をある範囲内（例えば、０．１〜０．４ｍ／ｓ）に制御する必要があるところ、酸化塔から排出される排ガスの取り出す温度を上げようとすると、温度膨張により、温度に応じて気体（排ガス）の実流量が増え、空塔速度が大きくなる。そのために、反応塔（酸化塔）の断面積を大きくして空塔速度を抑える必要がある。一方、ケミカルループ燃焼装置からの排ガスを発電用として用いる場合では、ガスタービンの発電効率を向上させるために、排ガスの取り出し温度を高くすることが要請され、結果として、ケミカルループ燃焼装置は大型化する傾向になっている。
【００１０】
大型化する傾向にあるケミカルループ燃焼装置の多数を工場の近辺に、あるいは各工場に設置することは、通常容易でなく、そのために、前記したように、ケミカルループ燃焼装置から出る排ガスが持つ熱をオンサイトでのボイラや工業炉などの熱源として用いることについての研究開発、ひいてはケミカルループ燃焼装置の利便性を向上させることについての研究開発は十分には進んでいない。
【００１１】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ケミカルループ燃焼装置を大型化することなく、その酸化反応熱をオンサイトでの産業用ボイラや工業炉で利用できるようにすることで、利便性を大きく向上させたケミカルループ燃焼装置を提供することを課題とする。また、そのケミカルループ燃焼装置を備えた熱利用システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によるケミカルループ燃焼装置は、金属粒子が酸化剤と反応して前記金属粒子の酸化物が生成される酸化塔と前記酸化塔で生成された金属粒子の酸化物が還元剤と反応して前記金属粒子に還元される還元塔とを備え、前記金属粒子が酸化と還元を受けながら前記酸化塔と前記還元塔との間を循環するようにされているケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔内または還元塔内には前記金属粒子またはその酸化物と接触して反応熱を被加熱流体に伝熱する伝熱管が配置されていることを特徴とする（請求項１）。
【００１３】
本発明によるケミカルループ燃焼装置では、酸化塔内または還元塔内には伝熱管が配置されており、該伝熱管内を流れる被加熱流体は、金属粒子またはその酸化物と接触して反応熱を吸収して高温の液体となる。例えば伝熱管が酸化塔内に配置されている態様では、伝熱管は、酸化剤（投入空気）と酸化反応することで発熱した金属粒子および発熱した金属粒子によって加熱された空気と直接接触し、その熱を伝熱管内を流れる被加熱流体に伝熱する。すなわち、酸化塔内において、金属粒子の酸化反応で生じた熱は伝熱管内を流れる被加熱流体と熱交換される。そのために、酸化塔から排出される主にＮ２である投入空気（排ガス）の温度が大きく上がることがなく、酸化塔を通過する投入空気の平均温度も低くなる。その結果、空塔速度が抑えられるため、酸化塔の断面積を小さくできる。結果として、ケミカルループ燃焼装置の小型化が可能であり、燃焼量あたりの表面積も抑えることができ、放熱のロスも小さくできる。
【００１４】
また、伝熱管が還元塔内に配置されている態様では、酸化塔内での発熱反応により発生した熱を保有した金属粒子が還元塔へ循環して、伝熱管と接触することにより伝熱管内部の被加熱流体を加熱するようになる。
【００１５】
ケミカルループ燃焼は、主に金属の酸化反応により発熱するため、通常の燃焼器のように燃焼火炎が存在せず、１５００度以上の高温部分が形成されることがない。さらに、本発明では、発熱した金属粒子と伝熱管との間で直に伝熱させて金属粒子および燃焼ガスの温度を急冷している。この２つの効果を同時に行うことにより、本発明のよるケミカルループ燃焼装置では、ＮＯｘ排出量をほぼゼロにすることができる。
【００１６】
さらに、本発明によるケミカルループ燃焼装置は前記のよう小型化が可能であり、伝熱管内を流れる被加熱流体の持つ熱をオンサイトでのボイラや工業炉などの熱源として用いることも可能となる。
【００１７】
本発明によるケミカルループ燃焼装置の全体形状は、前記酸化塔の内部に前記還元塔が１つまたは１つ以上組み込まれている、または前記還元塔の内部に前記酸化塔が１つまたは１つ以上組み込まれている、いわゆる内部循環式でもよく（請求項２および請求項３）、酸化塔と還元塔とは分離していて両者は酸化した金属粒子の流路と還元した金属粒子の流路とによって接続されているいわゆる外部循環式でもよい（請求項４）。いずれの形式であっても、その酸化塔内に１本または複数本の伝熱管が配置される。複数本の伝熱管を配置する場合、各伝熱管は距離をおいて配置されていてもよく、壁をなすように密着して配置されていてもよい。いずれの形式においても、還元塔の形式は従来知られた形態の還元塔であってよい。
【００１８】
本発明によるケミカルループ燃焼装置の好ましい形態において、酸化塔の上部近傍と下部近傍にはヘッダーが備えられ、伝熱管は上部ヘッダーと下部ヘッダーとに連通するようにして酸化塔内に配置される（請求項５）。上部ヘッダーと下部ヘッダーを配置することにより、熱負荷側（例えば、蒸気利用設備等）とケミカルループ燃焼装置との間での被加熱流体の循環が円滑となり、熱の有効利用が一層確実となる。
【００１９】
上部ヘッダーと下部ヘッダーの間に中間ヘッダーを配置して、伝熱管を上部ヘッダーと中間ヘッダーと下部ヘッダーとに連通するようにして酸化塔内に配置するようにしてもよい（請求項６）。中間ヘッダーを設けることにより、粒子と直接伝熱する部分の伝熱管と加熱された気体と伝熱する部分の伝熱管の材質を変える場合に制作しやすい等の利点が得られる。
【００２０】
本発明は、さらに、上記したいずれかのケミカルループ燃焼装置とそのケミカルループ燃焼装置に配置した伝熱管を流れる被加熱流体の持つ熱エネルギーを消費する熱負荷部とで構成される熱利用システムも開示する（請求項７）。熱負荷部の具体例としては、蒸気利用設備等が挙げられる（請求項８）。
【００２１】
なお、本発明において、酸化剤は、空気に加えて、酸素富化空気、低窒素空気なども用いることができる。還元剤には、天然ガス、ＬＰＧガス、製鉄所の副製ガス、水素、石炭なども利用することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ケミカルループ燃焼装置を大型化することなく、その酸化反応熱をオンサイトでの産業用ボイラや工業炉で利用できるようにしたケミカルループ燃焼装置が提供される。また、ケミカルループ燃焼装置を備えた熱利用システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態である内部循環式かつ下部供給式の装置の第１の態様を付設する配管系とともに示す図。
【図２】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態である内部循環式かつ下部供給式の装置の第２の態様を付設する配管系とともに示す図。
【図３】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態である内部循環式かつ下部供給式の装置の第３の態様を付設する配管系とともに示す図。
【図４】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態である内部循環式かつ下部供給式の装置の第４の態様を付設する配管系とともに示す図。
【図５】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第２の形態である外部循環式かつ下部供給式の装置を付設する配管系とともに示す図。
【図６】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第３の形態である内部循環式かつ上部供給式の装置を付設する配管系とともに示す図。
【図７】本発明によるケミカルループ燃焼装置の第４の形態である外部循環式かつ上部供給式の装置を付設する配管系とともに示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明によるケミカルループ燃焼装置のいくつかの形態を説明する。
【００２５】
〈第１の形態の第１の態様〉
図１は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態における第１の態様の概略断面を付設する配管系とともに示している。第１の形態は、基本的に、内部循環式かつ下部供給式のケミカルループ燃焼装置である。そして、図１に示す第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａは、酸化塔の内部に１個の還元塔が備えられている。以下、その詳細を説明する。
【００２６】
ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａは、鋼板のような耐熱材で作られた円塔形の外塔１を有し、外塔１の上端面はやはり鋼板のような耐熱材で作られた天板２で閉鎖されている。外塔１内には中心軸線を同じにして外塔１よりも小径の円塔体３が取り付けてある。円塔体３の上端は天板２を貫通して外塔１の外部に延出しており、下端は外塔１の下端近傍に達している。なお、以下の説明では、外塔１を酸化塔１と呼び、円塔体３を還元塔３と呼ぶこととする。
【００２７】
酸化塔１の下端部には、酸化塔１と同心円をなす円塔状の空気ヘッダー４が取り付けてあり、該空気ヘッダー４の上端は空気ノズル５とされている。空気ヘッダー４はブロワ６に接続しており、流量計７および調圧弁８を通して調圧された空気が空気ヘッダー４に送られて空気ノズル５から酸化塔１内に噴出する。後に説明するように、この空気は酸化剤として機能する。
【００２８】
空気ヘッダー４の中央部であって前記した還元塔３の下端部に対向する位置には、上下方向に所定の隙間を保つようにして、塔状をなす燃料ノズル９が配置されている。燃料ノズル９の内径は還元塔３の下端部の内径よりもやや小さい。燃料ノズル９には、遮断弁１０、調圧弁１１、逆止弁１２を通して、例えばメタンである調圧された燃料が送給され、還元塔３の下端開口部に向けて噴出する。後に説明するようにこの燃料は還元剤として機能する。
【００２９】
この例において、燃料ノズル９とその外側を包囲する空気ヘッダー４との間には隙間が設けられており、その隙間には塔状のセパレートガスノズル１３が配置されている。セパレートガスノズル１３には、配管１４を通して、例えばＮ２ガス、ＣＯ２ガス等である酸素が含まれない不活性ガスが供給される。
【００３０】
酸化塔１の底部であって前記した空気ヘッダー４の外側を包囲するようにして円塔状の下部ヘッダー１５が取り付けられている。下部ヘッダー１５の底面は水平面であるが、上面は円錐面１６となっていて、円錐面の下端が空気ノズル５とほぼ同一面となっている。下部ヘッダー１５の外周面は酸化塔１の内周面に接しており、酸化塔１の壁面に作られた孔１７を通して、被加熱流体が流れる第１の流体配管１８が下部ヘッダー１５の外周面に接続している。
【００３１】
酸化塔１の上方には、天板２に接するようにして円塔状の上部ヘッダー１９が取り付けてある。上部ヘッダー１９の内径と外径は下部ヘッダー１５の内径と外径とほぼ同じである。上部ヘッダー１９には酸化塔１の天板２に形成した孔２０を通して被加熱流体の第２の流体配管２１が接続している。この例において、第２の流体配管２１はオンサイトでの蒸気利用設備や工業炉などの熱負荷部１００に連通している。
【００３２】
酸化塔１の内壁に沿うようにして、前記下部ヘッダー１５の上部円錐面１６から適宜上方位置まで、耐熱瓦や耐熱セラミックファイバーなどの耐熱材からなる適宜厚さの耐熱壁２２が形成されており、該耐熱壁２２の上端面は円錐壁２３とされている。耐熱壁２２の前記上端円錐壁２３に下端面を沿わせるようにして、全体として斜板形状をなす中間ヘッダー２４が取り付けられており、該中間ヘッダー２４の内径と外径は下部ヘッダー１５と内径と外径とほぼ等しくされている。そして、前記中間ヘッダー２４が取り付けられている位置よりもやや上方位置において、前記した還元塔３には、固気分離装置２５が取り付けられている。
【００３３】
下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９の内部空間を相互に連通するようにして、複数本の伝熱管２６が酸化塔１の中心軸線と平行に取り付けられている。複数本の伝熱管２６は、図では、半径方向に複数列、かつ各例が複数本の伝熱管で構成されるようにして配置されているが、酸化塔１内での伝熱管２６の配置は任意であり、後に記載するように、酸化塔１内に収容される金属粒子の流動を妨げないことを条件に適宜配置すればよい。
【００３４】
なお、下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９は耐熱性に優れた材料で作られ、また特に伝熱管２６は耐熱性と熱伝導性に優れた材料・形状で作られる。さらに、後に説明するように、伝熱管２６は、下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４の間に位置する部分と、中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９の間に位置する部分とを、異なった材料で作ることが望ましい。
【００３５】
酸化塔１の上部には排気口２７が設けてあり、排気口２７からの排ガス（後に記載するように、Ｎ２が主であり、Ｏ２が少量含まれる）は固気分離装置２８を通して外気に排気される。
【００３６】
以上の構成は、本発明による内部循環式かつ下部供給式の第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａが作動するために必要な構成であるが、より効率的な運転を行うために、ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａはさらに次の配管系を備える。
【００３７】
前記した排気口２７からの排ガスは固気分離装置２８を通過した後、さらに熱交換器２９を通過する。そして熱交換器２９を通過したＮ２ガスは図示しない貯蔵タンク内に貯蔵される。必要時に、Ｎ２とＯ２の混合ガスの一部は、ブロワ３０によって昇圧され、遮断弁３１と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。
【００３８】
還元塔３の上部から排出される排ガス（後に記載するようにＣＯ２とＨ２Ｏ蒸気である）は、外部からの冷却水が循環している気水分離装置３３に流入し、蒸気を液化して分離した後、９０％以上のＣＯ２を含む排ガスとして外部に排出され、図示しない貯蔵タンク内に貯蔵される。必要時に、９０％以上のＣＯ２を含む排ガスの一部は、ブロワ３４によって昇圧され、遮断弁３５と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。
【００３９】
気水分離装置３３で生成された水は、遮断弁３６、ポンプ３７を介して熱交換器２９に至り、そこで熱交換した後、必要に応じて、調圧弁３８および逆止弁３９を通って、燃料ノズル９への燃料供給管路内に水蒸気として供給される。
【００４０】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの作動を説明する。事前に、酸化塔１の内部空間に金属粒子Ｍを充填する。充填量は、金属粒子Ｍが還元塔３に取り付けた固気分離装置２５までは達しない量とする。なお、金属粒子Ｍは金属のみでなく酸化金属粒子が含まれていてもよい。金属粒子Ｍの好ましいものとしては、鉄（Ｆｅ）または酸化鉄（ＦｅＯ,Ｆｅ２Ｏ３，Ｆｅ３Ｏ４）を例示できる。充填後、図示しないは酸化塔内に配置した予熱バーナあるいは酸化塔１の周壁に取り付けた電気ヒータ等の予熱手段により金属粒子Ｍを６００℃程度まで予熱する。また、下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９、すべての伝熱管２６、および第１の流体配管１８と第２の流体配管２１を、例えば水である被加熱溶液で満す。
【００４１】
予熱後あるいは予熱の途中から、空気ヘッダー４に酸化剤として機能する所定量の空気（環境温度の空気であってよい）を供給して空気ノズル５から酸化塔１内に噴出させる。また、燃料ノズル９からは還元剤として機能する所定量のメタン等の燃料ガスを還元塔３に向けて噴出させる。さらに、セパレータガスノズル１３からＮ２、ＣＯ２等の不活性ガスを酸化塔１内に向けて噴出させる。なお、運転開始当初は、不活性ガスは外部の不活性ガス源から供給するか、あるいは前回の運転時に系内の貯蔵タンクに貯蔵しておいた不活性ガス源から供給する。
【００４２】
空気ノズル５からの噴出空気は酸化塔１内に流入し、燃料ノズル９からの燃料ガスは還元塔３内に流入する。その際に、上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１では、空気ノズル５と燃料ノズル９間にセパレートガスノズル１３が位置し、そこから不活性ガスが噴出しているので、噴出後の空気と燃料ガスが混合するのを回避できる。
【００４３】
酸化塔１では反応温度にまで予熱された金属粒子Ｍと、供給された空気内の酸素が反応して酸化金属粒子ＭＯが生成される。その際に、金属の酸化反応によって発熱し、金属粒子Ｍ、酸化金属粒子ＭＯおよび酸化塔１内を流れる空気は昇温する。しかし、金属の酸化反応によって発熱であり、１５００度以上の高温部分が形成されることがなく、前記したようにサーマルＮＯｘは生成されない。なお、金属粒子Ｍが酸化金属粒子ＭＯを含む場合には、酸化金属粒子ＭＯは前記酸化金属粒子がさらに酸化した形態の酸化金属粒子が該当する。例えば、金属粒子ＭがＦｅ３Ｏ４の場合、酸化金属粒子ＭＯはＦｅ２Ｏ３等となる。
【００４４】
酸化金属粒子ＭＯおよび残存する場合での金属粒子Ｍは酸化塔１内を流下して還元塔３内に流入した後、還元塔３内を上昇する。還元塔３内を上昇する過程で、酸化金属粒子ＭＯは燃料ガスによる還元作用を受けて金属粒子Ｍに戻る。上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１では、下部ヘッダー１５の上面１６は、中央に向けて低位となる円錐面となっているので、酸化塔１の底部から還元塔３への酸化金属粒子ＭＯの移動は円滑に進行する。また、還元塔３内を上昇する固体成分とガス成分は、上昇の過程で固気分離装置２５の作用を受けて、固体と気体に分離され、気体はさらに上昇して還元塔３の上部から排気される。固体、すなわち金属粒子Ｍと残存する場合での酸化金属粒子ＭＯは、酸化塔１内に戻される。
【００４５】
酸化塔１内で、金属粒子Ｍは空気ノズル５からの噴出空気の作用を受けて流動化状態となることから、金属粒子Ｍあるいはその酸化物ＭＯの一部は当初貯留されていたときよりも上方に舞い上がることが起こり得る。上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１では、酸化塔１の下方の内壁面に前記耐熱壁２２を形成したことにより、耐熱壁２２が形成されている領域の水平断面積よりも、その上の耐熱壁２２が形成されていない領域の水平断面積が大きくなっている。そのために、固気分離装置２５近傍よりも上位の空間に舞い上がった金属粒子Ｍあるいはその酸化物ＭＯは、その空塔速度が小さくなって下方に落下しやすくなる。さらに、中間ヘッダー２４の上面に落下した金属粒子Ｍあるいはその酸化物ＭＯは、中間ヘッダー２４の上面が円錐面となっているので、その面に沿って確実に下方に落下する。そのために、金属粒子Ｍの酸化作用を円滑化するとともに、酸化塔１上部の排気口２７から金属粒子が排出されるのを抑制することができる。なお、図示しないが、酸化塔１上部の排気口２７から排出される金属粒子は固気分離装置２８により分離されて、必要時に、酸化塔１内に戻される。
【００４６】
一方、酸化塔１内で金属粒子Ｍが酸化することにより発生した熱は、伝熱管２６の壁面を介して伝熱管２６内を流れる被加熱流体を伝えられ、被加熱流体を加熱する。すなわち、本発明によるケミカルループ燃焼装置では、酸化反応により発熱した金属粒子Ｍの熱はガス（投入空気）に伝熱すると同時に、金属粒子Ｍ内に位置する伝熱管２６にも直接熱交換するために、排ガス温度が大きく上がることがない。そのために、ＮＯｘの生成をさらに抑制することができる。また、酸化塔１内のガス（投入空気）の平均温度も低くなり、それにより空塔速度が抑えられるため、酸化塔１の断面積を小さくすることができる。結果として、装置の小型化が可能となり、燃焼量当たりの表面積も抑えることができ、放熱のロスも小さくすることができる。
【００４７】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａでは、中間ヘッダー２４より下位の領域は金属粒子が貯留されている領域であり、その領域では伝熱管２６は金属粒子と接触することで多くの摩擦損耗を受ける。一方、中間ヘッダー２４より上位の領域は主にガスが存在する領域であり、伝熱管２６の摩擦損耗は少ない。そのことから、伝熱管２６の材料は、下部ヘッダー１５と中間ヘッダー２４の間に位置する部分では耐摩耗性に優れた材料とし、中間ヘッダー２４と上部ヘッダー１９の間に位置する部では比較して耐摩耗性に小さい材料とすることができる。そのように異なった材料を用いることで低コスト化が可能となる。
【００４８】
酸化塔１内での熱交換により加熱された被加熱流体は、例えば、上部ヘッダー１９から第２流体配管２１、熱負荷部１００、第１の流体配管１８を循環し、下部ヘッダー１５に戻ってくる。加熱された被加熱流体の循環は逆回りであってもよい。
【００４９】
酸化塔１内での酸化反応に寄与することにより、投入空気は高温の排ガスとなり排気口２７から排出される。排ガスは、空気の供給量に応じて、Ｏ２を含まない高濃度のＮ２ガスか、残存Ｏ２とＮ２を含むガスとなる。前記したように排ガスは固気分離装置２８および熱交換器２９を通った後、図示しないＮ２貯蔵タンク塔へ送られて貯蔵されるが、一部のＮ２はブロワ３０で昇圧され遮断弁３１と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。
【００５０】
一方、還元塔３からの排ガスは還元反応により生成されたＣＯ２とＨ２Ｏからなっており、高温ガスであることからＨ２Ｏは水蒸気となっている。還元塔３からの排ガスは冷却水が循環している気水分離装置３３で凝縮されて水と高濃度（９０％以上）のＣＯ２を含むガスに分離される。得られたＣＯ２ガスは、必要な場合には適宜の手段でさらに濃縮した後に、そのままあるいは液化ＣＯ２として貯蔵される。ＣＯ２ガスの一部は、必要時に、ブロワ３４で昇圧され遮断弁３５と調圧弁３２を通って配管１４からセパレータガスノズル１３に送られる。そのために、図１に記される態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａでは、初期の運転時を除き、空気ノズル５から供給される空気と燃料ノズルから供給される燃料ガスとを分離する目的で、セパレートガスノズル１３から供給すべき不活性ガス（Ｎ２またはＣＯ２）を自給することが可能となる。
【００５１】
気水分離装置３３で生成された水は、酸化塔１からの高温排ガスと熱交換器２９において熱交換して水蒸気となり、必要時にその水蒸気は調圧弁３８と逆止弁３９を通り燃料ガスに混入される。水蒸気の供給を必要とすることにより、Ｆｅのような比較的安価な金属粒子材料を用いる場合でも、効率的に還元反応を進行させることが可能となる。また、反応性の遅いメタンなどの炭化水素でも効率的に酸化金属の還元反応を進行させることが可能となる。
【００５２】
なお、上記の例では、第１の流体管路１８と第２の流体管路２１は非連続のものとして説明したが、熱負荷部１００の種類や形態によっては、第１の流体管路１８と熱負荷部１００と第２の流体管路２１との間で、連続した循環路を構成するようにしてもよい。いずれの場合にも、第２の流体管路２１を流入側とし、第１の流体管路１８を流出側として全体の管路系を構成しても、同じ作用効果が得られることは説明を要しない。
【００５３】
〈第１の形態の第２の態様〉
図２は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態における第２の態様の概略断面を付設する配管系とともに示している。図２に示す第２の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ｂは、酸化塔１の内部に複数個（図示の例では２個）の還元塔３，３が備えられている点と、各還元塔３，３に対応するようにして、酸化塔１の下端部に、空気ヘッダー４、空気ノズル５、燃料ノズル９、およびセパレートガスノズル１３等が配置されている点で、図１に示した第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと構成が相違する。配管系の構成、伝熱管２６と下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９等に係る構成、およびそれらが奏する作用効果は基本的に第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合と同じであり、同じ符号を付すことで、説明は省略する。
【００５４】
図示の例において、２個の還元塔３，３は酸化塔１の軸心線と平行な姿勢で酸化塔１内に配置されており、各還元塔３，３の下端部位置に対応するようにして、酸化塔１の下端部に、空気ヘッダー４、空気ノズル５、燃料ノズル９、およびセパレートガスノズル１３等が配置されている。そして、各空気ヘッダー４、４には、ブロワ６からの調圧された空気が供給され、各燃料ノズル９、９には、遮断弁１０、調圧弁１１、逆止弁１２を通して調圧された燃料が送給される。また、各セパレートガスノズル１３、１３には、配管１４を通して酸素が含まれない不活性ガスが供給される。各還元塔３，３の上部から排出される排ガスは、合流した後に、外部からの冷却水が循環している気水分離装置３３に流入する。
【００５５】
〈第１の形態の第３の態様〉
図３は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態における第３の態様の概略断面を付設する配管系とともに示している。図３に示す第３の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃは、基本的に内部循環式かつ下部供給式のケミカルループ燃焼装置であるが、酸化塔の内部に還元塔が備えられるのではなく、還元塔と内部に１個の酸化塔が備えられている点で、図１に示した第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと構成が異なっている。
【００５６】
以下、ケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃの構成を、図１に示した第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと構成が相違する部分を主にして説明する。ケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃは、ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと同様の外塔１ａを有し、外塔１ａ内には中心軸線を同じにして円塔体３ａが取り付けてある。円塔体３ａの上端は天板２を貫通して外塔１ａの外部に延出しており、下端は外塔１ａの下端近傍に達している。なお、以下の説明では、外塔１ａを還元塔１ａと呼び、円塔体３ａを酸化塔３ａと呼ぶ。
【００５７】
還元塔１ａの下端部の中央には、酸化塔１ａと同心円をなす円塔状の空気ヘッダー４が取り付けてあり、該空気ヘッダー４の上端は空気ノズル５とされている。好ましくは空気ノズル５の内径は酸化塔３ａの下端部の内径よりもやや小さい。空気ヘッダー４を包囲するようにして塔状をなす燃料ノズル９が配置されており、燃料ノズル９には、遮断弁１０、調圧弁１１、逆止弁１２を通して、調圧された燃料が送給される。空気ヘッダー４とその外側を包囲する燃料ノズル９との間には隙間が設けられており、その隙間には塔状のセパレートガスノズル１３が配置されている。セパレートガスノズル１３には、酸素が含まれない不活性ガスが供給される。
【００５８】
図３に示すように、還元塔１ａの内部には、第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａにおける酸化塔１の場合と同様にして、耐熱壁２２、下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９、および伝熱管２６等が取り付けられている。還元塔１ａの上部には排気口２７が設けてあり、排気口２７からの排ガスは、第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと同様に、外部からの冷却水が循環している気水分離装置３３に流入する。また、酸化塔３ａからの排ガスは、第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと同様に、固気分離装置２８を通して外気に排気される。
【００５９】
ケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃ内での金属の酸化還元反応は、外塔１ａ内で金属の還元反応が進行し、円塔体３ａ内で金属の酸化反応が進行する点を除き、図１に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ１ａでの金属の酸化還元反応と基本的に同じである。すなわち、還元塔１ａの内部空間内で、酸化金属粒子ＭＯは燃料ノズル９から供給される燃料ガスと還元反応して金属粒子Ｍとなり酸化塔３ａ内を流入する。酸化塔３ａ内を通過する過程で、金属粒子Ｍは空気ノズル５から供給される空気中の酸素と酸化反応して酸化金属粒子ＭＯに戻される。そして、酸化金属粒子ＭＯは酸化塔３ａに取り付けた固気分離装置２５を通って還元塔１ａ内に戻される。
【００６０】
ケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃにおいて、配管系の構成、伝熱管２６と下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９等に係る構成、およびそれらが奏する作用効果は基本的に第１の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合と同じであり、同じ符号を付すことで、説明は省略する。
【００６１】
〈第１の形態の第４の態様〉
図４は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第１の形態における第４の態様の概略断面を付設する配管系とともに示している。図４に示す第４の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ｄは、還元塔１ａの内部に複数個（図示の例では２個）の酸化塔３ａ，３ａが備えられている点と、各酸化塔３ａ，３ａに対応するようにして、還元塔１ａの下端部に、空気ヘッダー４、空気ノズル５、燃料ノズル９、およびセパレートガスノズル１３等が配置されている点で、図３に示した第３の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃと構成が相違する。配管系の構成、伝熱管２６と下部ヘッダー１５、中間ヘッダー２４、上部ヘッダー１９等に係る構成、およびそれらが奏する作用効果は基本的に第３の態様のケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃの場合と同じであり、同じ符号を付すことで、説明は省略する。
【００６２】
図示の例において、２個の酸化塔３ａ，３ａは還元塔１ａの軸心線と平行な姿勢で還元塔１ａ内に配置されており、各酸化塔３ａ，３ａの下端部位置に対応するようにして、還元塔１ａの下端部に、空気ヘッダー４、空気ノズル５、燃料ノズル９、およびセパレートガスノズル１３等が配置されている。そして、各空気ヘッダー４、４には、ブロワ６からの調圧された空気が供給され、各燃料ノズル９、９には、遮断弁１０、調圧弁１１、逆止弁１２を通して調圧された燃料が送給される。また、各セパレートガスノズル１３、１３には、配管１４を通して酸素が含まれない不活性ガスが供給される。
【００６３】
ケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃの場合と同様、還元塔１ａの上部に形成した排気口２７からの排ガスは、外部からの冷却水が循環している気水分離装置３３に流入する。また、酸化塔３ａ，３ａからの排ガスは、合流した後に固気分離装置２８を通して外気に排気される。
【００６４】
〈第２の形態〉
図５は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第２の形態の概略断面を付設する配管系とともに示している。第２の形態は、外部循環式かつ下部供給式のケミカルループ燃焼装置である。すなわち、第２の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ２は、酸化塔２０１と還元塔２０３は分離しており、両者は酸化した金属粒子ＭＯが移動する流路２５０と還元した金属粒子Ｍが移動する流路２６０とによって接続されていることを特徴とする。以下の説明では、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を２００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００６５】
ケミカルループ燃焼装置Ａ２は、前記のように酸化塔２０１と還元塔２０３は分離しており、両者は断熱手段が施された酸化金属流路２５０と金属粒子流路２６０とで接続されている。すなわち、酸化塔２０１内には、被加熱流体の熱交換に必要な手段である下部ヘッダー２１５、中間ヘッダー２２４、上部ヘッダー２１９、伝熱管２２６等の手段は存在するが、還元塔に相当する手段は存在しない。そのために、酸化塔２０１の底部には、空気ノズル２０５を備えた空気ヘッダー２０４のみが存在し、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）における燃料ノズル９とセパレートガスノズル１３は存在しない。それにより、酸化塔２０１の直径をより小さなものとすることができる。
【００６６】
また、前記のように、酸化金属粒子ＭＯは酸化金属流路２５０を通って還元塔２０３に移動する形式であり、そのために、酸化塔２０１内に貯留される金属粒子Ｍの貯留上端位置のやや上方位置に平板状の中間ヘッダー２２４が備えられ、中間ヘッダー２２４の中央空間領域には第１の固気分離装置２７０が配置されている。そして、第１の固気分離装置２７０の固体排出口側に前記した酸化金属流路２５０の一方端が接続している。
【００６７】
還元塔２０３は、その上方位置において酸化金属流路２５０の他方端と接しており、その接続部と天板との間に第２の固気分離装置２７１を備えている。還元塔２０３の下方位置には金属粒子流路２６０の一方端が接続しており、金属粒子流路２６０の他方端は酸化塔２０１の下方部分に接続している。酸化金属流路２５０の途中には粒子溜め２５１が設けてあり、金属粒子流路２６０の途中にも粒子溜め２６２が設けてある。また、還元塔２０３の底面には燃料ノズル２０９が取り付けてある。
【００６８】
酸化塔２０１に取り付けた第１の固気分離装置２７０で固体分（主に酸化金属粒子ＭＯ）を分離した後の気体（排ガス）は排気口２２７から排気されるが、この形態では排ガス中にほとんど固形分が含まれないので、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）での固気分離装置２８を省略することができる。第１の固気分離装置２７０で分離された固体分（主に酸化金属粒子ＭＯ）は酸化金属流路２５０を通って還元塔２０３内に流入し、そこを落下する過程で、燃料ノズル２０９から送給される燃料ガスによる還元作用を受け、還元後の金属粒子Ｍは金属粒子流路２６０を通って酸化塔２０１内に戻される。還元塔２０３に取り付けた第２の固気分離装置２７１は固体分（主に還元を受ける前の酸化金属粒子ＭＯ）を分離して還元塔２０３内に戻すとともに、気体（主にＣＯ２とＨ２Ｏ）を還元塔２０３から排ガスとして排出する。
【００６９】
酸化塔２０１からの排ガスおよび還元塔２０３からの排ガスのための配管系は第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）での配管系と同じである。ただし、双方の排ガスから生成されるＮＯ２およびＣＯ２である不活性ガスが、セパレートガスノズル１３にではなく、前記した粒子溜め２５１および２６２にパージガスとして供給される点で相違する。粒子溜め２５１および２６２に不活性ガスをパージガスとして供給することにより、酸化金属流路２５０および金属粒子流路２６０において、空気（酸化剤）と燃料ガスが混合するのを確実に阻止できるようになり、燃料ガスの直接燃焼を確実に回避できるようになる。なお、２つの粒子溜め２５１、２６２、特に酸化金属流路２５０に設ける粒子溜め２５１は省略することもできる。省略してもケミカルループ燃焼装置Ａ２の運転は可能である。
【００７０】
ケミカルループ燃焼装置Ａ２において、酸化塔２０１内に酸化反応熱を被加熱流体と熱交換するための手段（下部ヘッダー２１５、中間ヘッダー２２４、上部ヘッダー２１９、伝熱管２２６等）を設けたことによる達成される作用効果は、第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）におけると同じであり、説明は省略する。また、各管路系での排ガス、空気、燃料ガス等の動きも第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１（Ａ１ａ〜Ａ１ｄ）の場合と同じであり、説明は省略する。
【００７１】
〈第３の形態〉
図６は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第３の形態の概略断面を付設する配管系とともに示している。第３の形態は、内部循環式かつ上部供給式のケミカルループ燃焼装置である。すなわち、第３の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ３は、空気（酸化剤）、燃料ガス（還元剤）、セパレートガス（不活性ガス）が酸化塔３０１および還元塔３０３の上部から供給される形式である点で、図１に示した第１形態のケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと相違しており、その点を除き第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと同じである。以下の説明では、ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａにおけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を３００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００７２】
ケミカルループ燃焼装置Ａ３において、酸化塔３０１、および、被加熱流体の熱交換に必要な手段である下部ヘッダー３１５、中間ヘッダー３２４、上部ヘッダー３１９、伝熱管３２６等の手段は第１の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと実質的に同じである。ただし、下部ヘッダー３１５の中央部分は円錐面３１６である上面に連続する凹状のコーン部材３６０により閉鎖されている。
【００７３】
酸化塔３０１の中心部には酸化塔３０１の軸芯方向に延びる還元塔３０３が取り付けてあり、その上端側は天板３０２を貫通し、下端側は前記したコーン部材３６０の近くまで達している。還元塔３０３の中心部には燃料ガス供給管３６１が挿入されている。燃料ガス供給管３６１は還元塔３０３の下端部の直上位置まで達しており、先端部は燃料ノズル３０９とされている。還元塔３０３の内周壁面に沿うようにして所要本数のセパレートガス供給管３６２が取り付けてあり、その先端は還元塔３０３の下端まで達していて、先端部はセパレートガスノズル３１３とされている。
【００７４】
還元塔３０３の径方向外側には、還元塔３０３とほぼ平行にかつ還元塔３０３の軸芯線から同心円状に、所要本数の空気供給管３６３が取り付けてある。空気供給管３６３の上端側は天板３０２を貫通しており、下端側は下部ヘッダー３１５の天面または前記したコーン部材３６０の近くまで達している。各空気供給管３６３の下端部は空気ノズル３０５とされている。
【００７５】
燃料ガス供給管３６１には、遮断弁３１０、調圧弁３１１、逆止弁３１２を通して調圧された燃料ガスが送給され、下端部の燃料ノズル３０９から還元塔３０３内に噴出する。空気供給管３６３には、ブロワ３０６、流量計３０７、調圧弁３０８を通して調圧された空気が供給され、下端部の空気ノズル３０５から酸化塔３０１内に噴出する。燃料ガスの一部は、管路３６４と遮断弁３６５を通って、必要時に空気供給管３６３のいずれかまたは全部に供給され、下端部の空気ノズル３０５から酸化塔３０１内に噴出する。セパレートガス供給管３６２には配管３１４を通して、例えばＮ２ガス、ＣＯ２ガス等である不活性ガスが供給され、供給された不活性ガスは先端のセパレートガスノズル３１３から還元塔３０３の底面（コーン部材３６０）に向けて噴出する。
【００７６】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ３において、酸化塔３０１内に酸化反応熱を被加熱流体と熱交換するための手段（下部ヘッダー３１５、中間ヘッダー３２４、上部ヘッダー３１９、伝熱管３２６等）を設けたことにより達成される作用効果は、図１に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ１ａにおけると同じであり、説明は省略する。ただし、ケミカルループ燃焼装置Ａ３では、酸化塔３０１内に空気を供給する空気供給管３６３と還元塔３０３内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管３６１およびセパレートガス供給管３６２とを、酸化塔３０１の上部から、すなわち酸化塔３０１の天板３０２に形成した開口部から落とし込むようにして取り付けるようにしたので、ケミカルループ燃焼装置Ａ３を組み立てるときに、クレーン等でそれらの部材を持ちあげて組み付けることが可能となり、図１に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１ａと比較して製造が容易となることに加え、稼働後でのメンテナンスもきわめて容易となる。特に、図示されるように共通の取り付け用基板３６６を用い、そこに前記した空気供給管３６３と燃料ガス供給管３６１とセパレートガス供給管３６２とを取り付けることにより、組立時あるいはメンテナンス時にそれらを一体のものとして取り扱うことが可能となり、作業性が一層向上する。
【００７７】
また、上記のケミカルループ燃焼装置Ａ３において、各管路系での排ガス、空気、燃料ガス等の動きもケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合とほぼ同じである。しかし、前記したように、空気供給管３６３と燃料ガス供給管３６１とセパレートガス供給管３６２を酸化塔３０１の上部から差し込むようにして取り付けたことに起因して、ガスの動きに少しの違いが生じる。
【００７８】
すなわち、空気は空気供給管３６３を通過した後にその下端部の空気ノズル３０５から酸化塔３０１内に噴出され、その空気が上昇する過程で金属粒子Ｍとの間での酸化反応に寄与する。酸化反応をした後の空気すなわちＮ２リッチの空気が、酸化塔３０１上部の排気口３２７から排ガスとして排出されるのはケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合とほぼ同じである。また、図示のケミカルループ燃焼装置Ａ３においては、空気供給管３６３の一部の空気供給管３６３ａに遮断弁３６５を通して燃料ガスを供給できるようにしており、その空気供給管３６３ａを昇温用バーナ３６３ａとして用いることができる。
【００７９】
運転時に、燃料ガスは燃料ガス供給管３６１の上端から供給されて下端の燃料ノズル３０９から噴出する。噴出した燃料ガスは還元塔内壁と燃料ガス供給管３６１との間の空間領域を酸化金属粒子ＭＯとともに上昇する。上昇の過程で燃料ガスは酸化金属粒子ＭＯの還元に寄与し、酸化金属粒子ＭＯを金属粒子Ｍに還元する。還元された金属粒子Ｍは還元塔３０３に取り付けた固気分離装置３２５により分離されて酸化塔３０１内に戻される。ＣＯ２と水蒸気で構成される排ガスは、還元塔３０３の上端から排気される。その後の排ガスの挙動はケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合と同じである。
【００８０】
運転時に、セパレートガス供給管３６２にはその上端部からＣＯ２またはＮ２等の不活性ガスが供給され、セパレートガスノズル３１３から酸化塔３０１内に噴出する。噴出する不活性ガスにより、空気ノズル３０５から噴出する空気と、燃料ガス供給管３６１の下端の燃料ノズル３０９から噴出する燃料ガスとが混合するのを回避でき、燃料ガスが直接燃焼するのを阻止できる。このことも、ケミカルループ燃焼装置Ａ１ａの場合と同じである。
【００８１】
さらに、酸化塔３０１の底部における還元塔３０３の下端と対向する部分に、表面が滑らかな円錐面あるいは放物線面であるコーン部材３６０を取り付けたことで、酸化金属粒子ＭＯあるいは金属粒子Ｍの移動を円滑化することができ、酸化塔３０１の底部から還元塔３０３内に酸化金属粒子ＭＯあるいは金属粒子Ｍが流入するのを良好にしている。
【００８２】
なお、図示しないが、内部循環式かつ上部供給式のケミカルループ燃焼装置である第３の形態のケミカルループ燃焼装置においても、その変形した態様として、酸化塔３０１内に複数個の還元塔３０３を配置する態様（図２に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１ｂに相当する態様）、還元塔内に１個の酸化塔を配置する態様（図３に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１ｃに相当する態様）、還元塔内に複数個の酸化塔を配置する態様（図４に示したケミカルループ燃焼装置Ａ１ｄに相当する態様）とすることもできることは説明を要しない。
【００８３】
〈第４の形態〉
図７は、本発明によるケミカルループ燃焼装置の第４の形態の概略断面を付設する配管系とともに示している。第４の形態は、外部循環式かつ上部供給式のケミカルループ燃焼装置である。すなわち、第４の形態のケミカルループ燃焼装置Ａ４は、空気（酸化剤）、燃料ガス（還元剤）、セパレートガス（不活性ガス）が酸化塔４０１および還元塔４０３の上部から供給される形式である点で第３の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ３と同じであり、酸化塔４０１と還元塔４０３が分離していて、両者は酸化した金属粒子ＭＯが移動する流路４５０と還元した金属粒子Ｍが移動する流路４６０とによって接続されている点で、第３の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ３と相違している。そして、酸化塔４０１と還元塔４０３が分離している構成は、図５に示した第２の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ２と実質的に同じである。以下の説明では、第３の形態であるケミカルループ燃焼装置Ａ３におけると実質的に同じ機能を奏する部材には、同じ符号を４００番台の符号として付し、具体的な構成が異なる場合を除き、詳細な説明は省略する。
【００８４】
ケミカルループ燃焼装置Ａ４は、ケミカルループ燃焼装置Ａ２と同様に、酸化塔４０１内には、被加熱流体の熱交換に必要な手段である下部ヘッダー４１５、中間ヘッダー４２４、上部ヘッダー４１９、伝熱管４２６等の手段は存在するが、還元塔に相当する手段は存在しない。そして、下部ヘッダー４１５の中央部分は円錐面４１６である上面に連続する凹状のコーン部材４６０により閉鎖されている。
【００８５】
酸化塔４０１の中央部には、酸化塔４０１の軸芯方向に延びる所要本数の空気供給管４６３が挿入されており、その下端部は酸化塔４０１の底面近傍にまで達している。空気供給管４６３の下端先端部は空気ノズル４０５とされている。また、前記のように酸化金属粒子ＭＯは酸化金属流路４５０を通って還元塔４０３に移動する形式であり、そのために、酸化塔４０１内に貯留される金属粒子Ｍの貯留上端位置のやや上方位置に平板状の中間ヘッダー４２４が備えられ、中間ヘッダー４２４の中央空間領域に第１の固気分離装置４７０が配置されている。そして、第１の固気分離装置４７０の固体排出口側に前記した酸化金属流路４５０の一方端が接続している。また、前記した空気供給管４６３は第１の固気分離装置４７０内を通過している。
【００８６】
還元塔４０３には、その天面を通過するようにして燃料ガス供給管４６１が還元塔４０３の軸芯線方向に平行に挿入されており、その下端部は還元塔４０３の底面近傍にまで達していて、燃料ノズル４０９とされている。また、還元塔４０３は、その上方位置において酸化金属流路４５０の他方端と接しており、その接続部と天板との間に第２の固気分離装置４７１を備えている。前記燃料ガス供給管４６１は第２の固気分離装置４７１内を通過している。還元塔４０３の下方位置には金属粒子流路４６０の一方端が接続しており、金属粒子流路４６０の他方端は酸化塔４０１の下方部分に接続している。酸化金属流路４５０の途中には粒子溜め４５１が設けてあり、金属粒子流路４６０の途中にも粒子溜め４６２が設けてある。
【００８７】
上記のケミカルループ燃焼装置Ａ４において、酸化塔４０１内に酸化反応熱を被加熱流体と熱交換するための手段（下部ヘッダー４１５、中間ヘッダー４２４、上部ヘッダー４１９、伝熱管４２６等）を設けたことによる達成される作用効果は、図１に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ１ａにおけると同じであり、また、酸化塔４０１の上方から空気供給管４６３を取り付けるようにしたことによる作用効果は、図６に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ３におけると同じである。さらに、複数本の空気供給管４６３の一部の空気供給管４６３ａに遮断弁４６５を通して燃料ガスを供給できるようにすることにより、その空気供給管４６３ａを昇温用バーナ４６３ａとして用いることができるのも、図６に基づき説明したケミカルループ燃焼装置Ａ３と同様である。
【００８８】
ケミカルループ燃焼装置Ａ４において、上方から供給される空気は空気供給管４６３を通過した後に、その下端部の空気ノズル４０５から酸化塔４０１内に噴出され、その空気が上昇する過程で金属粒子Ｍとの間での酸化反応に寄与する。酸化反応をした後の空気すなわちＮ２リッチの空気は第１の固気分離装置４７０を通って酸化塔４０１上部の排気口４２７から排ガスとして排出されるのはケミカルループ燃焼装置Ａ３の場合とほぼ同じである。
【００８９】
第１の固気分離装置４７０で分離された固体（主に酸化金属粒子ＭＯ）は酸化金属流路４５０を通って還元塔４０３に移動し、そこで還元作用を受けて金属粒子Ｍとなり、還元後の金属粒子Ｍは金属粒子流路４６０を通って酸化塔４０１内に戻されること、および、還元塔４０３に取り付けた第２の固気分離装置４７１は固体分（主に還元を受ける前の酸化金属粒子ＭＯ）を分離して還元塔４０３内に戻すとともに、気体（主にＣＯ２とＨ２Ｏ）を還元塔４０３から排ガスとして排出することは、図５に示した第２のケミカルループ燃焼装置Ａ２と同じであり。ただし、第４のケミカルループ燃焼装置Ａ４では、還元塔４０３の上方から燃料ガス供給管４６１を還元塔４０３内に取り付けるようにしており、還元塔４０３の組み付けおよびメンテナンスがきわめて容易となる。
【００９０】
その他の各管路系での排ガス、空気、燃料ガス等の動きはケミカルループ燃焼装置Ａ２の場合と同じであり説明は省略する。
【００９１】
なお、上記したいずれの形態のケミカルループ燃焼装置においても、前記したように、排ガスから高濃度のＣＯ２を分離できる。必要な場合には、濃度９０％以上で回収したＣＯ２を利用用途に応じて例えばＰＳＡ法などを用いてさらに濃縮することで、９９．９９９％濃度のＣＯ２が得られる。
【００９２】
また、本発明によるケミカルループ燃焼装置の運転において、系全体の金属粒子（Ｍ）と酸化金属粒子（ＭＯ）を常にある比率の範囲に保つために、燃料と酸化剤の瞬間値はもちろんのこと、積算投入量を管理することで、系全体が運転開始時から酸化側に寄ったのか、還元側に寄ったのかを判別してフィードバックをかけることもできる。また、燃料と酸化剤とが適正に金属を介して反応しているかどうかを判断するため、下記に示す「酸素有効利用率」を１．０付近で制御することが推奨される。
【００９３】
酸素有効利用率＝（外部酸素投入量−系外にでる酸素量)／（燃料の理論酸素量)
さらに、本発明によるケミカルループ燃焼装置において、酸化塔と還元塔の出口付近に圧力計を設置することもできる。そして、還元等からＣＯ２を高濃度で取り出したい場合には、還元塔側の圧力が酸化塔の圧力よりやや高くなるように排気ブロアをインバーターで制御する。
【００９４】
また、装置内での反応が継続していることを確認するために、酸化塔内に熱電対を２個挿入することもできる。一箇所は固気分離装置より下部の粒子面より下まで挿入し、もう一つは、固気分離装置の上部に設置する。そして、金属粒子内部の温度を還元剤の反応温度(例えば、天然ガスの場合７６０℃)以上に保つようにする。保てない場合には、燃料ガスの供給を遮断する。
【００９５】
さらに、上記したいずれのケミカルループ燃焼装置においても、図示したように、気水分離装置３３で生成された水から得られる水蒸気を調圧弁３８および逆止弁３９を通して燃料ノズル９への燃料供給管路内に供給するようにしたが、装置内で生成される水蒸気およびＣＯ２を含むガス（例えば、還元塔３からの排ガス）を還元塔に供給される還元剤を含むガス（燃料ガス）に添加するようにしても、同様な作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００９６】
Ａ１…ケミカルループ燃焼装置、
１…酸化塔、
３…還元塔、
４…空気ヘッダー、
５…空気ノズル、
９…燃料ノズル、
１３…セパレートガスノズル、
１５…下部ヘッダー、
１８…第１の流体配管、
１９…上部ヘッダー、
２１…第２の流体配管、
２２…耐熱壁、
２４…中間ヘッダー、
２５…固気分離装置、
２６…伝熱管、
２７…酸化塔の上部の排気口、
２８…固気分離装置、
２９…熱交換器、
３３…気水分離装置、
１００…熱負荷部、
Ｍ…金属粒子、
ＭＯ…酸化金属粒子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粒子が酸化剤と反応して前記金属粒子の酸化物が生成される酸化塔と前記酸化塔で生成された金属粒子の酸化物が還元剤と反応して前記金属粒子に還元される還元塔とを備え、前記金属粒子が酸化と還元を受けながら前記酸化塔と前記還元塔との間を循環するようにされているケミカルループ燃焼装置であって、
前記ケミカルループ燃焼装置の前記酸化塔内または還元塔内には前記金属粒子またはその酸化物と接触して反応熱を被加熱流体に伝熱する伝熱管が配置されていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔の内部に前記還元塔が１つまたは１つ以上組み込まれていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項３】
請求項１に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記還元塔の内部に前記酸化塔が１つまたは１つ以上組み込まれていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項４】
請求項１に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔と前記還元塔とは分離しており、両者は酸化した金属粒子の流路と還元した金属粒子の流路とによって接続されていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔または還元塔の上部近傍と下部近傍にはヘッダーが備えられており、前記伝熱管は前記上部ヘッダーと前記下部ヘッダーとに連通するようにして配置されていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項６】
請求項５に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔または還元塔は前記上部近傍と前記下部近傍との間に中間ヘッダーをさらに備えており、前記伝熱管は前記上部ヘッダーと前記中間ヘッダーと前記下部ヘッダーとに連通するようにして配置されていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のケミカルループ燃焼装置と前記ケミカルループ燃焼装置に配置した前記伝熱管を流れる被加熱流体の持つ熱エネルギーを消費する熱負荷部とで構成される熱利用システム。
【請求項８】
請求項７に記載の熱利用システムであって、前記熱負荷部が蒸気利用設備である熱利用システム。
【請求項１】
金属粒子が酸化剤と反応して前記金属粒子の酸化物が生成される酸化塔と前記酸化塔で生成された金属粒子の酸化物が還元剤と反応して前記金属粒子に還元される還元塔とを備え、前記金属粒子が酸化と還元を受けながら前記酸化塔と前記還元塔との間を循環するようにされているケミカルループ燃焼装置であって、
前記ケミカルループ燃焼装置の前記酸化塔内または還元塔内には前記金属粒子またはその酸化物と接触して反応熱を被加熱流体に伝熱する伝熱管が配置されていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔の内部に前記還元塔が１つまたは１つ以上組み込まれていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項３】
請求項１に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記還元塔の内部に前記酸化塔が１つまたは１つ以上組み込まれていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項４】
請求項１に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔と前記還元塔とは分離しており、両者は酸化した金属粒子の流路と還元した金属粒子の流路とによって接続されていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔または還元塔の上部近傍と下部近傍にはヘッダーが備えられており、前記伝熱管は前記上部ヘッダーと前記下部ヘッダーとに連通するようにして配置されていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項６】
請求項５に記載のケミカルループ燃焼装置であって、前記酸化塔または還元塔は前記上部近傍と前記下部近傍との間に中間ヘッダーをさらに備えており、前記伝熱管は前記上部ヘッダーと前記中間ヘッダーと前記下部ヘッダーとに連通するようにして配置されていることを特徴とするケミカルループ燃焼装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のケミカルループ燃焼装置と前記ケミカルループ燃焼装置に配置した前記伝熱管を流れる被加熱流体の持つ熱エネルギーを消費する熱負荷部とで構成される熱利用システム。
【請求項８】
請求項７に記載の熱利用システムであって、前記熱負荷部が蒸気利用設備である熱利用システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１７２８８９（Ｐ２０１２−１７２８８９Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３４６５４（Ｐ２０１１−３４６５４）
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（３９１０２２６１４）学校法人幾徳学園 (19)
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（３９１０２２６１４）学校法人幾徳学園 (19)
[ Back to top ]