切替式ケミカルループ燃焼器
【課題】１つの反応塔１だけを用い、その反応塔に酸化塔としての機能と還元塔としての機能の双方を持たせることで、全体の構成を簡素化しかつ耐久性も向上させた新しい形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａを提供する。
【解決手段】切替式ケミカルループ燃焼器Ａは、１つの反応塔１と、反応塔１内に酸化剤と還元剤とを交互に切り替えて供給するガス供給手段（空気供給系統５０、燃料供給系統６０）と、パージガス供給系統７０と、反応塔１内から排ガスを排気する排ガス排気手段（Ｎ２排気系統８０、ＣＯ２排気系統９０）とを備える。Ｎ２排気系統８０とＣＯ２排気系統９０はそれぞれにパージガス排気管１００を備える。反応塔１は内筒５を備える。制御手段は、空気と燃料ガスとを交互に内筒５内に供給するように、また、パージガスを反応塔１内に供給するように、それぞれに備えた遮断弁を切り替える。またそれに応じて、パージガス排気管１００に備えた遮断弁１０１も切り替える。
【解決手段】切替式ケミカルループ燃焼器Ａは、１つの反応塔１と、反応塔１内に酸化剤と還元剤とを交互に切り替えて供給するガス供給手段（空気供給系統５０、燃料供給系統６０）と、パージガス供給系統７０と、反応塔１内から排ガスを排気する排ガス排気手段（Ｎ２排気系統８０、ＣＯ２排気系統９０）とを備える。Ｎ２排気系統８０とＣＯ２排気系統９０はそれぞれにパージガス排気管１００を備える。反応塔１は内筒５を備える。制御手段は、空気と燃料ガスとを交互に内筒５内に供給するように、また、パージガスを反応塔１内に供給するように、それぞれに備えた遮断弁を切り替える。またそれに応じて、パージガス排気管１００に備えた遮断弁１０１も切り替える。
【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器に関する。
【背景技術】
【０００２】
流動性を持つ金属粒子が酸化剤と反応して酸化金属粒子となる酸化反応と、前記酸化金属粒子が還元剤による還元を受ける還元反応とを連続して進行させるようにした、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を実際に行い、そのときに金属粒子の酸化反応によって生じる反応熱を収集して工業用に用いることも、特許文献１などに記載されている。また、ケミカルループ燃焼を実施するための装置も、例えば非特許文献１および非特許文献２等に記載されている。
【０００３】
ケミカルループ燃焼では、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、「酸化した金属粒子の還元」という２つに分けることで、燃料（還元剤）と空気（酸化剤)の直接接触を行うことなく、金属粒子を媒体として純酸素のやり取りをしている。従来のケミカルループ燃焼装置は、非特許文献１に記載のように、酸化塔と還元塔と別個に設ける形態（外部循環式と呼ばれる）、または酸化塔の内部に還元塔を配置する形態（内部循環式と呼ばれる）であり、いずれの形態においても、酸化塔と還元塔とを物理的な金属粒子の循環で結ぶようにしている。
【０００４】
ケミカルループ燃焼では、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はほとんど生成しない。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ＣＯ２とＨ２Ｏだけとなる。そのために、排出される排ガスを冷却してＨ２Ｏを取り除けばほぼ純粋なＣＯ２を容易に収集可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３３７１６８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Use of NiO/NiAl2O4 Particles in a 10 kW Chemical-Looping Combustor Marcus Johansson, Tobias Mattisson, and Anders Lyngfelt Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 5911 5919（外部循環式）
【非特許文献２】Experimental results of chemical-looping combustion with NiO/NiAl2O4 particle circulation at 1200 degrees C Ishida M, Yamamoto M, Ohba T ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT 2002, 43,9-12,1469-1478（内部循環）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、現在、検討されているケミカルループ燃焼装置は、外部循環式と内部循環式の二つの方法があり、いずれも酸化塔と還元塔の間を媒体としての金属粒子が循環することによって酸素を運搬し、反応を継続している。しかし、金属粒子を循環させるためには、外部循環式の場合では酸化塔と還元塔を接続する管が必要であり、表面積が増えて放熱のロスが大きくなる。また、内部循環式では、酸化塔と還元塔を接続する管を省略できることで、装置の小型化が可能となるが、８００〜１２００℃程度の温度に長時間曝される酸化塔内部に、金属粒子とガス成分とを分離するための複雑な形状の固気分離装置を設置することが必要であり、耐久性に難がある。さらに、いずれの方式にしろ、粒子を連続的に循環させることが必要であるが、高温の粒子を安定的に循環させること、またその量を正確に把握することは難しく、装置設計上の課題となっている。
【０００８】
本発明は上記の事情を踏まえてなされたものであり、１つの反応塔だけを用い、その反応塔に酸化塔としての機能と還元塔としての機能の双方を持たせることで、酸化還元反応に寄与する媒体としての金属が循環するのを不要とし、それにより、全体の構成を簡素化しかつ耐久性も向上させた新しい形態のケミカルループ燃焼器、すなわち切替式ケミカルループ燃焼器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】
【０００９】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器は、基本的に、酸化還元反応に寄与する媒体としての金属（以下、「媒体としての金属」という）が酸化剤と反応して酸化金属となる酸化反応ステージと前記酸化金属が還元剤による還元を受ける還元反応ステージとを繰り返して進行させるケミカルループ燃焼を実施するためのケミカルループ燃焼器であって、前記媒体としての金属を収容する１つの反応塔と、前記反応塔内に酸化剤と還元剤とを交互に切り替えて供給するガス供給手段と、前記反応塔内から排ガスを排気する排ガス排気手段と、を少なくとも備えることを特徴とする。
【００１０】
上記の切替式ケミカルループ燃焼器は、１つの反応塔を備えるのみであり、反応塔内の前記媒体としての金属は、前記ガス供給手段が反応塔内に酸化剤を供給する酸化反応ステージでは、供給される酸化剤と反応して酸化金属となり、反応熱を発生する。反応後の高温のＮ２リッチの排ガスは、排ガス排気手段によって反応塔外に排気される。次のステージ、すなわちガス供給手段が塔内に酸化剤ではなく還元剤を供給する還元反応ステージでは、反応塔内の酸化金属は還元剤による還元を受ける。反応後のＣＯ２リッチな排ガスは排ガス排気手段によって反応塔外に排気される。次のステージでは、再度、ガス供給手段は反応塔内に酸化剤を供給し、反応塔内は酸化反応ステージとなる。以下、上記の還元反応ステージと酸化反応ステージとが反覆される。
【００１１】
上記のように、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器では、１つの反応塔を備えるだけで、ケミカルループ燃焼を継続して行うことが可能となる。また、従来知られた酸化塔と還元塔とを別個に備えたケミカルループ燃焼器のように、金属粒子の酸化塔と還元塔と間の循環を伴わないので、排ガスと金属粒子あるいは酸化した金属粒子とを分離する固気分離装置を反応塔内に設けることも要しない。そのために、燃焼器の構成を簡略化できるとともに、耐久性も向上する。また、装置設計も容易となる。
【００１２】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の一態様において、前記媒体としての金属は、反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物である。また、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の他の態様において、前記媒体としての金属は、前記反応塔に固定されたハニカム状の構造物、または前記反応塔に固定されたハニカム状をなす担体に担持された粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物である。
【００１３】
前者の態様では、前記媒体としての金属である粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物は、酸化あるいは還元反応時に反応塔内で流動することができるので、前記媒体としての金属の全体に対して均一に酸化と還元が進行する。後者の態様では、前記媒体としての金属は反応塔内に固定された状態にあり、金属粒子の場合のように外部に飛散することはない。さらに、前記媒体としての金属が、ハニカム状の構造物である場合も、ハニカム状をなす担体に担持された粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物である場合も、ガスの流れは均一な方向の流れとなり、逆混合の少ない流れの中で反応が得られる。
【００１４】
なお、本発明において「ハニカム状」とは、所定長さの複数個の連通孔が隙間なく同方向に配列している状態を総称しており、該連通孔の断面形状は正六角形であることが強度の点から好ましいが、これに限らない。そして、前記のように、前記媒体としての金属それ自体がハニカム状の構造物を構成していてもよく、セラミックス等からなるハニカム状の部材を担体とし、該担体の表面に、焼結のような手段によって、前記媒体としての金属である粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物を固定するようにしてもよい。
【００１５】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器において、前記反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物を前記媒体としての金属として用いる態様にあっては、前記反応塔内に前記媒体としての金属である粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物が循環移動することのできる内筒と該内筒内へガスを噴出するノズルとをさらに備えることは、好ましい態様である。
【００１６】
この態様では、前記媒体としての金属（粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物）は前記内筒内を下部から上部に向けて移動するようになり、結果として、反応塔内で前記媒体としての金属の全体を確実に循環させることができるようになり、前記媒体としての金属の酸化反応および還元反応の進行が円滑となる。
【００１７】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、前記反応塔の排ガス出口部に耐熱材料製のフィルターを備える。より好ましくは、サイクロンでは捕捉できないような直径が数μｍ程度の微粒子を捕捉できる形態の耐熱材料製のフィルターを備える。
【００１８】
この形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、前記耐熱材料製のフィルターが装置の系外に噴出しようとする固体粒子を捕捉することが可能となり、また、排ガス排気手段を構成する配管等に詰まりが生じる可能性を効果的に低減することができる。前記媒体としての金属が、反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物である場合に、それらは外部に飛散し易くなるが、上記形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、飛散する粒子を確実に捕捉できることから、特に有効である。
【００１９】
上記耐熱材料製のフィルターを備える形態の切替式ケミカルループ燃焼器において、より好ましくは、複数個の耐熱材料製のフィルターが備えられ、そこを通過する排ガスの通過方向を交番的に変えることのできるガス流路換え手段をさらに備える。この態様では、各耐熱材料製のフィルターの逆洗が可能となり、長時間にわたりフィルターとしての効果を維持できるようになる。
【００２０】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、前記反応塔内の前記媒体としての金属を予熱するための予熱用バーナを備える。予熱用バーナを備えることにより、運転開始時での前記媒体としての金属をバーナによって加熱することが可能となり、酸化あるいは還元反応が進行しやすくなる。
【００２１】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器において、酸化反応により生成された熱は被加熱流体と熱交換することで系外に取り出される。被加熱流体との熱交換は前記した各排気系統で行ってもよく、反応塔内部で行ってもよく、その双方で行ってもよい。一態様において、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器は、前記反応塔内に、被加熱流体が流れる伝熱管を有する熱交換手段を備える。
【００２２】
この形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、反応塔内において、前記媒体としての金属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、反応塔から排出されるＮ２リッチ排ガスの温度が大きく上がることがなく、反応塔を通過する気体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、反応塔の断面積を小さくでき、結果として、切替式ケミカルループ燃焼器の小型化が可能となり、燃焼量あたりの表面積も抑えることができて、放熱のロスも小さくできる。そのために、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器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。
【００２３】
上記の切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい態様において、前記熱交換手段は、前記反応塔内に収容される前記媒体としての金属の上面から上方に離れた位置に設置される。そして、前記した予熱用バーナを備える形態であって、前記媒体としての金属として粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物を用いる態様では、前記媒体としての金属の上面と前記熱交換手段の間における前記反応塔の壁面に、前記予熱用バーナが備えられる。この態様では、予熱用バーナとして、通常の空気燃焼用バーナを使用することができ、その燃焼熱により、前記媒体としての金属を直接加熱することが可能となる。同時に、予熱用バーナからの燃焼排ガスは前記熱交換手段を加熱することもでき、熱の有効利用が可能となる。さらに、この形態では、金属粒子溜まり内に予熱用バーナを設置しないため、予熱用バーナに係る諸装置のメンテナンスが容易となる。さらに、加熱された前記媒体としての金属が反応塔内を循環することで、反応塔全体の加熱も進行する。また、予熱用バーナとして空気燃焼用バーナを用いる場合には、該バーナの空気供給口を２次空気（未燃分を２次燃焼させる空気）の投入口として利用することもできるようになる。
【００２４】
前記媒体としての金属として、前記反応塔に固定されたハニカム状の構造物、または前記反応塔に固定されたハニカム状をなす担体に担持された粒子状の金属または該金属の酸化物を用いる場合には、前記予熱用バーナは、反応塔における前記ハニカム状部材の下方の領域に配置するのが好ましく、それによりハニカム状部材の予熱効率が向上する。
【００２５】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の一態様では、前記酸化反応ステージと還元反応ステージとの間および還元反応ステージと酸化反応ステージとの間に不活性ガスをパージガスとして前記反応塔内に供給するパージガス供給手段をさらに備える。
【００２６】
上記形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、酸化反応ステージと還元反応ステージとの間、および還元反応ステージと酸化反応ステージとの間に、反応塔内には不活性ガスが供給される。そのために、酸化反応ステージから還元反応ステージへの切り替え時、および還元反応ステージから酸化反応ステージへの切り替え時に、反応塔内で酸化剤と還元剤とが混合するのを確実に回避することができる。それにより、反応塔内で酸化剤と還元剤とが直接接触して燃焼が生じるのを阻止することができ、ケミカルループ燃焼の燃焼効率が向上する。
【００２７】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器において、反応塔と排ガス排気手段とを１本の排ガス排気管により接続する形態であってもよい。しかし、この形態では、酸化反応ステージに生じるＮ２リッチ排ガス、パージガス供給ステージに生じるパージガスを含む排ガス、および還元反応ステージに生じるＣＯ２リッチ排ガスを、それぞれ分離回収することは容易でない。
【００２８】
従って、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、前記排ガス排気手段は分離した３つの排気系統、すなわち、前記反応塔内での酸化反応ステージに生じるＮ２リッチ排ガスを排気するＮ２排気系統と、前記反応塔内での還元反応ステージに生じるＣＯ２リッチ排ガスを排気するＣＯ２排気系統と、前記反応塔内にパージガスが供給されているときに生じるパージガスを含む排ガスを排気するパージガス排気系統との３本の排気系統を備えることを特徴とする。そして、各排気系統には遮断弁が備えられ、制御手段は、いずれか１の排気系統に備えた遮断弁が「開」のときは、他の２つの排気系統に備えた遮断弁は「閉」となるように開閉制御する。上記形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、各ステージで生じる異なる成分からなる排ガスを、確実に分離して回収できるようになる。
【００２９】
また、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、前記ガス供給手段は、前記反応塔内に酸化剤を供給する酸化剤供給系統と前記反応塔内に還元剤を供給する還元剤供給系統とを備え、前記パージガス供給手段は前記反応塔内にパージガスを供給するパージガス供給系統を備える。そして、各供給系統には遮断弁が備えられ、制御手段は、いずれか１の供給系統に備えた遮断弁が「開」のときは、他の２つの供給系統に備えた遮断弁は「閉」となるように開閉制御する。また。各供給系統はそれぞれの供給配管を通して、反応塔内に、酸化剤、還元剤、パージガスを供給する。この形態では、反応塔への酸化剤、用いる場合でのパージガス、還元剤のそれぞれの供給を、互いに混合させることなく、確実に分離した状態で行うことができる。それにより、燃焼効率が向上する。
【００３０】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、還元反応ステージで生じるＣＯ２リッチ排ガスを還元剤供給系統に戻す配管系をさらに備える。ケミカルループ燃焼では、還元剤の供給量は酸化剤の供給量に比べて流量が少ないため、前記媒体としての金属が前記反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物である場合に、それを十分に流動化させられない可能性がある。上記形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、ＣＯ２リッチ排ガスに含まれるＣＯ２、Ｈ２Ｏを還元剤供給系統に再循環させることで、反応塔に投入する気体の流量を増やし、粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物の流動状態をよくすることができる。また、再循環させた水蒸気は、還元剤による還元反応を促進させる。さらに、ＣＯ２リッチ排ガスの再循環量を調整することで、還元剤の投入量を変えずに、流動化の状態を調整することもできる。
【００３１】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、酸化反応ステージで生じるＮ２リッチ排ガスに含まれるＮ２ガスを酸化剤供給系統に戻す配管系をさらに備える。上記形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、供給する酸化剤流量を小さくしたい場合でも、Ｎ２リッチ排ガスを再循環させることにより、反応塔への見かけの流量を増やすことができる。そのために、外部からの酸化剤投入量が小さくても、反応塔へ投入気体の流量を任意に変えることができる。
【００３２】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、Ｎ２リッチ排ガスに含まれるＮ２ガスおよびＣＯ２リッチ排ガスに含まれるＣＯ２ガスを前記パージガス供給手段に供給する配管系をさらに備える。反応塔内での酸化反応ステージおよび還元反応ステージで生じる排ガスには高濃度のＣＯ２ガスまたはＮ２ガスが不活性ガスとして含まれるが、上記の形態の切替式ケミカルループ燃焼器ではその不活性ガスをパージガスとして用いることができ、パージガスの自給が可能なことから、運転コストの低減を図ることができる。
【００３３】
なお、本発明において、酸化剤としては、空気、酸素リッチ空気、低窒素空気などを用いることができる。還元剤としては、天然ガス、石油、石炭、水素、一酸化炭素、副生ガスなどが利用できる。また、上記の説明からわかるように、前記媒体としての金属は、酸化剤と反応して酸化金属となりうる能力を備えた金属であればよく、金属そのものばかりでなく、さらに酸化する能力を備えた当該金属の酸化物も含まれる。前記媒体としての金属には、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅあるいはそれらの酸化物を例示できる。Ｆｅを例に取れば、その酸化物であるＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４も、依然としてさらに酸化物となり得る能力を備えているので、本発明でいう「媒体としての金属」に含まれる。
【００３４】
したがって、酸化還元の態様としては、例えば前記媒体としての金属がＦｅの場合、Ｆｅ→ＦｅＯ→Ｆｅ３Ｏ４→Ｆｅ２Ｏ３のように段階的に酸化が進行するときのいずれの段階の酸化反応も本発明でいう酸化反応ステージに含まれ、また、Ｆｅ２Ｏ３→Ｆｅ３Ｏ４→ＦｅＯ→Ｆｅのように段階的に還元が進行するときのいずれの段階の還元反応も発明でいう還元反応ステージに含まれる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、全体の構成を小型かつ簡素化しながら耐久性も向上させた新しい形態の切替式ケミカルループ燃焼器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第１の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図２】本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第２の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図３】本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第３の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図４】本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第４の形態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】
【００３７】
以下、図面を参照して、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器のいくつかの形態を説明する。
【００３８】
［第１の形態］
図１は、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第１の形態を付設する配管系とともに示している。第１の形態は、酸化還元反応に寄与する媒体としての金属として、反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物（以下では単に金属粒子という）を用いる形態であり、かつ内筒５を有する形態である。
【００３９】
図示の切替式ケミカルループ燃焼装置Ａは、１つの反応塔１を備える。反応塔１は鋼板と耐火煉瓦の積層体のような耐熱材料で作られる。反応塔１は、好ましくは円筒体であり、この例において、上端は開放しており、下端側は底板３により閉鎖されている。反応塔１の底板３から少し上方に離れた位置には、耐熱材からなる多孔性の分散板４が設置されている。また、図示しないが、反応塔１の周側壁には、金属粒子が酸化反応を開始する温度近くまで反応塔内を予熱するための電気ヒータ等の適宜の予熱手段が備えられている。
【００４０】
反応塔１内には、ステンレス鋼などの耐熱材からなる内筒５が、反応塔１と共通の中心軸線を持つようにして収容されている。内筒５は、その下端と前記分散板４との間に隙間６が形成されるようにして、適宜の留め具７により反応塔１内に固定されている。前記した底板３と分散板４とを貫通してノズル８が取り付けてあり、該ノズル８の先端は、固定された内筒５の下端側の内部に開放している。また、前記底板３と分散板４との間の空間には、ガス供給管９が取り付けてあり、前記分散板４の直上における反応塔１の側壁には、適宜の開閉手段を備えた金属粒子取り出し口１０が設けてある。
【００４１】
前記反応塔１の上端には第１の筒体２０がフランジ接合されている。第１の筒体２０は反応塔１と同じ材料で作られるとともに、切替式ケミカルループ燃焼器Ａにおける反応塔の一部を構成する。第１の筒体２０には、その側壁に貫通するようにして予熱用バーナ２１が取り付けてある。この例において、予熱用バーナ２１は空気燃焼用バーナであり、燃焼ガス供給ノズル２２と空気ノズル２３とを備える。さらに、第１の筒体２０には、検知部が前記反応塔１に達するようにして、測温計２４が取り付けられている。
【００４２】
前記第１の筒体２０の上端には、第２の筒体３０がフランジ接合されている。第２の筒体３０は反応塔１と同じ材料で作られるとともに、切替式ケミカルループ燃焼器Ａにおける反応塔の一部を構成する。第２の筒体３０内には、その全長にわたるようにして、被加熱流体（例えば水）が流れる多数本の伝熱管３１を備えた熱交換手段３２が取り付けてあり、熱交換手段３２の下端部には被加熱流体の流入口３３が、上端部には流出口３４が取り付けてある。
【００４３】
前記第２の筒体３０の上端には、反応塔内の空間を密封できる材料からなる閉鎖部材４０が、その開放している下端側が前記第２の筒体３０に連通するようにしてフランジ接合されている。閉鎖部材４０内には、その水平断面全体に亘るようにして適数の（この例では３つの）セラミックス製のフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃが備えられており、各フィルターの上方はそれぞれに区画された室４２ａ、４２ｂ、４２ｃとされている。また、閉鎖部材４０内のフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃより下方の空間には排ガス温度確認用のセンサー４０ａが取り付けてある。なお、フィルターは、例えばニッケルステンレス合金やクロムステンレス合金のような耐熱材料で作ることもできる。
【００４４】
次に、切替式ケミカルループ燃焼装置Ａに付設する配管系について説明する。前記したノズル８には、配管５１を介して空気供給系統５０と、配管６１を介して燃料供給系統６０が接続している。空気供給系統５０は、ブロワ５３、遮断弁５４、流量計５５、調圧弁５６および逆止弁５７等から構成され、酸化剤として機能する調圧されかつ定量された空気（酸化剤の一例であってこれに限らない）が配管５１およびノズル８を通して、前記した内筒５内に供給される。燃料供給系統６０は、遮断弁６４、流量計６５、調圧弁６６および逆止弁６７等から構成され、還元剤として機能する調圧されかつ定量された都市ガス等の燃料ガス（還元剤の一例であってこれに限らない）が配管６１およびノズル８を通して、前記した内筒５内に供給される。
【００４５】
空気供給系統５０は本発明でいう「酸化剤供給系統」に相当する。燃料供給系統６０は反応塔１に還元剤を供給するためのものであり、本発明でいう「還元剤供給系統」に相当する。還元剤としては、メタンガスのような材料が燃料ガスとして供給されるのが普通であることから「燃料供給系統６０」という。そして、前記「酸化剤供給系統」と「還元剤供給系統」が本発明でいう「ガス供給手段」を構成する。
【００４６】
前記したガス供給管９には、配管７１を介してパージガス供給系統７０が接続している。パージガス供給系統７０は反応塔１内に不活性ガスをパージガスとして供給するためのものであり、本発明でいう「パージガス供給手段」を構成する。パージガス供給系統７０は、パージガスタンク７３、遮断弁７４、流量計７５、調圧弁７６および逆止弁７７等から構成され、パージガスタンク７３内に貯蔵されたＣＯ２、Ｎ２等の不活性ガスが配管７１およびガス供給管９を通して反応塔１内に供給される。
【００４７】
前記した閉鎖部材４０の室４２ａ、４２ｂ、４２ｃの天板からは配管４３ａ、４３ｂ、４３ｃが延出しており、各配管４３ａ、４３ｂ、４３ｃには、第１入側ポートと出側ポートが接続するようにして、３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃが介装されている。各３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃの出側ポートはインバータ付きのブロワ４５の吸い込み口に接続しており、該ブロワ４５の噴き出し側の配管４６からの分岐管４７は各３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃの第２入り側ポートに接続している。そのために、図示しない制御装置によって各３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃを適宜制御することにより、例えば図１に示すように、２つのフィルター４１ａ、４１ｂを通過した排ガスを、２つの３方弁４４ａ、４４ｂの第１入側ポートおよび出側ポートを通してブロワ４５によって吸引し、残りのフィルター４１ｃには、ブロワ４５から吹き出される排ガスの一部を前記分岐管４７を通して３方弁４４ｃの第２入側ポートに導入して第１入り側ポートから排気するようにセットすることにより、当該フィルター４１ｃを逆洗するような処理が可能となる。これにより、フィルターが目詰まりするのを回避することができる。もちろん、３つのフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃの通過するすべての排ガスをブロワ４５によって吸引する操作も当然に可能である。なお、ブロワ４５の噴き出し側の配管４６には酸素や窒素や炭酸ガスの濃度を検出するガスセンサー４８が取り付けられている。
【００４８】
ブロワ４５の噴き出し側の配管４６における前記分岐管４７よりも下流には、Ｎ２排気系統８０が接続しており、また、それと平行にＣＯ２排気系統９０が接続している。そして、前記Ｎ２排気系統８０およびＣＯ２排気系統９０のそれぞれからはパージガス排気管１００が分岐している。Ｎ２排気系統８０、ＣＯ２排気系統９０、およびパージガス排気管１００が本発明でいう「排ガス排気手段」を構成する。
【００４９】
Ｎ２排気系統８０は、この例では、遮断弁８１、熱交換器８２、排ガスセンサー８３、調圧弁８４、逆止弁８５、Ｎ２用タンク８６を、上流側から下流側にこの順に備えている。ＣＯ２排気系統９０も同様に、この例では、遮断弁９１、熱交換器９２、排ガスセンサー９３、調圧弁９４、逆止弁９５、ＣＯ２用タンク９６を、上流側から下流側にこの順に備えている。パージガス排気管１００には、遮断弁１０１が取り付けてある。
【００５０】
図示の切替式ケミカルループ燃焼器Ａにおいて、ブロワ４５の噴き出し側の配管４６は、遮断弁１１０、調圧弁１１１、逆止弁１１２を介して、燃料供給系統６０の配管６１にも接続している。さらに、前記した熱交換手段３２の被加熱流体の流出口３４からの配管１２０からの分岐管１２１も、遮断弁１２２、調圧弁１２３、逆止弁１２４を介して、燃料供給系統６０の配管６１に接続している。
【００５１】
Ｎ２排気系統８０に配置した前記Ｎ２用タンク８６には配管８７が取り付けられており、該配管８７は遮断弁８８、逆止弁８９を介して、パージガス供給系統７０の配管７１に接続している。また、配管８７の分岐管８７ａは、空気供給系統５０の配管５１にも接続している。また、前記Ｎ２用タンク８６には、遮断弁を介してＮ２取り出し用配管も接続している。
【００５２】
ＣＯ２排気系統９０に配置した前記ＣＯ２用タンク９６にも配管９７が取り付けられており、該配管９７の出側は、遮断弁９８、逆止弁９９を介して、前記した配管８７に接続している。また、前記ＣＯ２用タンク９６には、遮断弁を介してＣＯ２取り出し用配管も接続している。
【００５３】
上記の切替式ケミカルループ燃焼器Ａにおいて、前記熱交換手段３２の下端部に設けた被加熱流体の流入口３３には、給水配管１３０を介して例えば水である被加熱流体が供給される。該給水配管１３０は、Ｎ２排気系統８０に設けた熱交換器８２、ＣＯ２排気系統９０に設けた熱交換器９２、および前記した閉鎖部材４０の室４２ａ、４２ｂ、４２ｃの天板から延出する排ガス配管である配管４３ａ、４３ｂ、４３ｃに設けた熱交換器４９を通るようにして設けてあり、それらの熱交換器と熱交換することで次第に昇温する。昇温した被加熱流体は、熱交換器３２の伝熱管３１内を流れることで、反応塔１からの排ガスとさらに熱交換してさらに昇温し、前記した流出口３４から配管１２０を介して、図示しない外部熱負荷の蒸気ヘッダーに送られる。そこで熱交換した後の被加熱流体は再度給水配管１３０に戻される。また、前記した熱交換器８２、９２において、熱交換の結果として生成された水は、配管１３１を通して給水タンク等へ戻される。
【００５４】
上記した切替式ケミカルループ燃焼器Ａの作動を説明する。事前に、反応塔１の内に、金属粒子Ｍを、前記した内筒５の上端を超えた位置まで充填する。金属粒子Ｍの好ましいものとしては、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅあるいはそれらの酸化物を例示できる。充填後、前記した予熱用バーナ２１を着火して、また図示しないは電気ヒータ等の予熱手段により反応塔１内を予熱して、金属粒子Ｍを酸化反応を開始できる温度近くまで加熱する。
【００５５】
図示しない制御手段は、ガス供給手段における燃料供給系統６０に設けた遮断弁６４、およびパージガス供給系統７０に設けた遮断弁７４を閉じ、空気供給系統５０の遮断弁５４を開とする。また、排ガス排気手段におけるＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１を閉じ、Ｎ２排気系統８０に設けた遮断弁８１を開とする。Ｎ２排気系統８０におけるパージガス排気管１００に設けた遮断弁１０１は閉じておく。そして、空気供給系統５０に設けたブロワ５３を稼働し、所定量の空気（環境温度の空気であってよい）をノズル８に送給する。送給された空気はノズル８から前記した内筒５内を上昇する。その上昇によって、反応塔１内に収容した金属粒子Ｍは、内筒５内を上昇し、内筒５の上端から反応塔１内に噴出し、反応塔１内を降下し、再び内筒５内に流入する循環移動を繰り返す。すなわち、金属粒子Ｍは内筒５と反応塔１との間で循環するようになる。その作業と並行して、給水配管１３０内に被加熱流体を送り込む。
【００５６】
内筒５内に供給された空気中の酸素が酸化剤として機能することで、内筒５内では酸化反応ステージが始まり、内筒５内の金属粒子Ｍは酸化金属粒子ＭＯとなる。その際に酸化反応による反応熱が発生し、その熱によって昇温した高温の排ガスは、熱交換器３２を通過する。そのときに、熱交換器３２の伝熱管３１内を流れる被加熱流体を加熱する。酸化反応に寄与した後の高温の排ガスは、次いで、閉鎖部材４０の室４２ａ、４２ｂ、４２ｃに設けたフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃを通過し、ブロワ４５によって、その噴き出し側の配管４６に送られる。フィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃを通過することで排ガス中に含まれる金属粒子等の固形分は直径が数μｍ程度の微粒子まで捕捉され、排出される排ガスは固形分を含まないものとなる。
【００５７】
次いで、排ガスは配管４６から、Ｎ２排気系統８０内を通過する。Ｏ２が酸化反応により除去された排ガスの主成分は高濃度のＮ２ガスであるが、Ｏ２が残存している場合もあるので、排ガスセンサー８３を通過させることで成分分析が行われる。その後、排ガスは、熱交換器８２内を通過することで、給水配管１３０内を流れる被加熱流体との熱交換を行うと共に、水蒸気を凝縮して水として分離する。熱交換後の排ガスは、Ｎ２用タンク８６内に送られて高濃度のＮ２ガスとして貯留される。反応熱と熱交換することで昇温した被加熱流体は前記のように適宜の蒸気ヘッダーに送られ、例えばオンサイトでのボイラや工業炉などの熱源として用いられる。
【００５８】
内筒５内への空気の供給を継続することで、金属粒子Ｍの酸化反応は連続して進行する。酸化反応ステージを所定時間にわたって継続した後、制御手段は、空気供給系統５０の遮断弁５４を閉じ、パージガス供給系統７０に設けた遮断弁７４を開く。その時点では、燃料供給系統６０に設けた遮断弁６４は閉じたままにおく。それにより、反応塔１内には、空気に代えて、パージガスタンク７３に貯留された不活性ガス（好ましくはＮ２ガス）がパージガスとして送給される。そのときに、排ガス排気手段におけるＮ２排気系統８０に設けたパージガス排気管１００に取り付けた遮断弁１０１を開くようにする。
【００５９】
パージガスの送給により、反応塔１内に残存している前記酸化反応ステージで生成された高濃度のＮ２を含む排ガス（前記したようにＯ２を含む場合がある）はパージガスとともに反応塔１から配管４６に向けて排出され、排ガスセンサー４８あるいは８３を通過することで成分分析が行われた後、Ｎ２排気系統８０に設けたパージガス排気管１００から系外に排出される。
【００６０】
排ガスセンサー８３が酸化反応ステージで生成された排ガス中のＯ２を検知しなくなった後に、制御手段は、ガス供給手段におけるパージガス供給系統７０に設けた遮断弁７４を閉じ、燃料供給系統６０に設けた遮断弁６４を開く。空気供給系統５０の遮断弁５４は閉じたままにおく。また、ＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１を開くとともに、そこに設けたパージガス排気管１００の遮断弁１０１は閉じておく。Ｎ２排気系統８０に設けた遮断弁８１は閉じる。
【００６１】
それにより、反応塔１内に収容された内筒５には、パージガスに代えて、還元剤として機能するメタン等の燃料ガスが送給される。送給された燃料ガスはノズル８から前記した内筒５内を上昇する。その上昇によって、反応塔１内に収容された酸化金属粒子ＭＯは、酸化反応ステージにおける金属粒子Ｍの場合と同様に、内筒５内を上昇し、内筒５の上端から反応塔１内に噴出し、反応塔１内を降下し、再び内筒５内に流入する移動を繰り返す。すなわち、酸化金属粒子ＭＯは内筒５と反応塔１との間で循環するようになる。その過程で、供給される燃料ガスと酸化金属粒子ＭＯとが還元反応する還元反応ステージが進行し、酸化金属粒子ＭＯを金属粒子Ｍに戻す（還元する）。なお、この段階では、前記パージガスの供給により、反応塔１内にＯ２は存在しない状態となっており、燃料ガスが空気と直接燃焼するのは回避される。
【００６２】
還元反応に寄与した後の排ガスは高濃度のＣＯ２ガスとＨ２Ｏ（水蒸気）であり、排ガスは前記配管４６からＣＯ２排気系統９０内を通過する。すなわち、排ガスは、フィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃを通過することで排ガス中に含まれる固形分は除去された後、排ガスセンサー４８、９３を通過することで成分分析が行われる。さらに、排ガスは、熱交換器９２内を通過することで、給水配管１３０内を流れる被加熱流体との熱交換を行うと共に、水蒸気を凝縮して水として分離する。分離後の高濃度のＣＯ２ガスとされた排ガスはＣＯ２用タンク９６内に送られて貯留される。
【００６３】
排ガスセンサー９３からの情報により、酸化金属粒子ＭＯの金属粒子Ｍへの還元がほぼ終了したことを検知したときに（酸化金属粒子ＭＯの金属粒子Ｍへの還元がほぼ終了したかどうかは、排ガス中に含まれる例えばメタンである還元剤の量を測定することで知ることができる）、制御手段は、ガス供給手段における燃料供給系統６０に設けた遮断弁６４を閉じ、パージガス供給系統７０に設けた遮断弁７４を再び開く。空気供給系統５０の遮断弁３４は閉じたままにおく。また、ＣＯ２排気系統９０に設けたパージガス排気管１００の遮断弁１０１を開く。
【００６４】
それにより、反応塔１内には、燃料ガスに代えて、パージガスタンク７３に貯留された不活性ガス（好ましくはＣＯ２ガス）がパージガスとして送給される。パージガスの送給により、反応塔１内に残存しているメタン等の燃料ガスはパージガスとともに反応塔１から配管４６に向けて排出され、排ガスセンサー４８あるいは９３を通過することで成分分析が行われた後、ＣＯ２排気系統９０に設けたパージガス排気管１００から大気に放出される。
【００６５】
排ガスセンサー９３がメタン等である還元剤を検知しなくなった後に、制御手段は、ガス供給手段におけるパージガス供給系統７０に設けた遮断弁７４を閉じ、空気供給系統５０の遮断弁５４を開く。燃料供給系統６０に設けた遮断弁６４は閉じたままにおく。また、ＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１を閉じ、Ｎ２排気系統８０に設けた遮断弁８１を開く。Ｎ２排気系統８０に取り付けたパージガス排気管１００に設けた遮断弁１０１は閉とする。この状態は、前記した酸化反応ステージ開始のときと同じ状態であり、以下、酸化反応ステージ、パージガス供給、還元反応ステージ、パージガス供給とを繰り返し進行させることで、ケミカルループ燃焼が１つの反応塔１内で継続する。
【００６６】
上記した配管系を持つ切替式ケミカルループ燃焼器Ａでは、熱交換手段３２の流出口３４から流出する被加熱流体の一部を、配管１２１、遮断弁１２２、調圧弁１２３、逆止弁１２４を介して、選択的に、燃料供給系統６０の配管６１内に供給できるようになっている。これにより、燃料ガス中の還元剤と酸化金属粒子ＭＯとの間の還元反応を促進させることができ、Ｆｅのような比較して安価な金属を、ケミカルループ燃焼に有効な金属粒子として用いることが可能となる。さらに、メタンなどの反応性が遅い炭化水素を含む都市ガスを高い反応性を持つ還元剤として有効に用いることもできるようになる。
【００６７】
さらに、図示の切替式ケミカルループ燃焼器Ａでは、配管４６を流れる排ガスの一部を、遮断弁１１０、調圧弁１１１、逆止弁１１２を介して、選択的に、燃料供給系統６０の配管６１内に供給できるようになっている。ケミカルループ燃焼では、一般に、還元剤である燃料ガスの供給量は酸化剤である空気の供給量に比べて流量が少ないので、還元反応ステージにおいて、酸化金属粒子ＭＯを十分に流動化させられない可能性があるが、上記の切替式ケミカルループ燃焼器Ａでは、排ガス（すなわち、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ）を燃料供給系統６０の配管６１を通して再循環させることで、反応塔１に投入する気体の流量を増やし、粒子の流動状態を改善することができる。また、再循環量を調整することで、燃料ガスの投入量を変えずに、流動化の状態を調整することもできる。
【００６８】
また、上記した配管系を持つ切替式ケミカルループ燃焼器Ａでは、Ｎ２排気系統８０に配置したＮ２用タンク８６には、貯留したＮ２を外部に取り出す配管とともに、貯留したＮ２の一部を、配管８７を介してパージガス供給系統７０と反応塔１とを接続する配管７１内に選択的に供給できるようになっている。さらに、分岐配管８７ａを介して、貯留したＮ２の一部を空気供給系統５０と反応塔１に取り付けたノズル８とを接続する配管５１内に選択的に供給できるようになっている。
【００６９】
さらに、ＣＯ２排気系統９０に設けたタンク９６にも、貯留したＣＯ２を外部に取り出す配管とともに、配管９７を介して、貯留したＣＯ２の一部をパージガス供給系統７０と反応塔１とを接続する配管７１内に選択的に供給できるようになっている。
【００７０】
前記したように、Ｎ２排気系統８０を流れるＮ２ガスを反応塔１（内筒５）内に供給する空気に添加することで、供給する空気流量を小さくしたい場合でも、反応塔１（内筒５）への見かけの流量を増やすことができ、外部からの空気投入量が小さくても、反応塔１（内筒５）へ投入気体の流量を任意に変えることが可能となる。さらに、Ｎ２排気系統８０を流れるＮ２ガスおよびＣＯ２排気系統９０を流れるＣＯ２ガスをパージガス用の配管７１内に供給することで、パージガスとしての不活性ガスの供給を自給することが可能となり、外部からの不活性ガスの供給を無くすことも可能となる。
【００７１】
なお、上記した切替式ケミカルループ燃焼器Ａの運転に際して、ＣＯ２排気系統９０からＣＯ２ガスをなるべく高濃度で取り出すために、燃料ガスを供給している時間（燃料ガスの供給開始から終了まで）の内、ＣＯ２濃度が高濃度になる時間だけＣＯ２排気系統９０から排気を行うように、ＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１の開タイミングを遅らせる運転方法、また、Ｎ２排気系統８０からＮ２ガスをなるべく高濃度に取り出すため、空気を供給している時間（空気供給開始から終了まで）の内、Ｎ２濃度が高濃度になる時間だけＮ２排気系統８０から排気を行うように、Ｎ２排気系統８０に設けた遮断弁８１の開タイミングを遅らせる運転方法、を採用することもできる。
【００７２】
なお、このような運転方法を採用するときには、酸化反応ステージでありながらＮ２排気系統８０に設けた遮断弁８１を閉じている間は、ＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１およびそこに設けたパージガス排気管１００に取り付けた遮断弁１０１を開とすることで、また、還元反応ステージでありながらＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１を閉じている間は、Ｎ２排気系統８０に設けた遮断弁８１およびそこにも受けたパージガス排気管１００に取り付けた遮断弁１０１を開とすることで、ケミカルループ燃焼を継続して行うことが可能となる。
【００７３】
上記の切替式ケミカルループ燃焼器Ａにおいて、継続して運転を行うことにより、セラミックス製のフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃに目詰まりが生じることが起こり得る。その際には、前記したように、制御装置によって各３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃの開閉を適宜制御して、目詰まりしたフィルター４１ａ、４１ｂ、４１における排ガスの流れ方向を逆転させることで、自動的に目詰まりを解消することができる。
【００７４】
［第２の形態］
図２は、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第２の形態を付設する配管系とともに示している。第２の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｂは、図１に示した第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａとは、その内筒５およびノズル８を備えない点で相違している。配管系は、一部を除き第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａの場合と同じであり、同じ符号を付すことで、同じ部分についての説明は省略する。
【００７５】
第２の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｂでは、内筒５を備えないことから、反応塔１内への酸化剤ガス（空気）、還元剤ガス（燃料ガス）、パージガス（Ｎ２、ＣＯ２）の供給は、すべて、反応塔１の底板３と分散板４との間の空間に出口部を持つ前記したガス供給管９を介して行われる。すなわち、第２の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｂでは、ガス供給管９に接続する配管９ａに対して、前記燃料供給系統６０の出口側配管６１、パージガス供給系統７０における出口側配管７１、および空気供給系統５０の出口側配管５１が接続している。なお、各ガスの供給開始および供給停止のタイミング等は、第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａの場合と同じである。
【００７６】
［第３の形態］
図３は、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第３の形態を付設する配管系とともに示している。第３の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｃは、第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａとは、閉鎖部材４０内にセラミックス製のフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃが備えられてなく、したがって、３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ等も備えない点で相違している。配管系は、前記３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ等に係る配管部分を除き第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａの場合と同じであり、同じ符号を付すことで、同じ部分についての説明は省略する。
【００７７】
第３の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｃでは、閉鎖部材４０は単に反応塔の上方端を閉鎖するだけのものであり、その天面から一本の配管４３だけが延出しており、該配管４３の他端は固気分離型サイクロン１４０の入口側に接続している。そして、固気分離型サイクロン１４０の排気側が前記したブロワ４５の吸い込み口に接続している。第３の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｃでは、セラミックス製のフィルター４１を有しないことから、反応塔から排出される排ガス中に金属粒子Ｍあるいは酸化金属粒子ＭＯ等の固形物が含まれる恐れがある。しかし、含まれる固形物は固気分離型サイクロン１４０によって除去されるので、配管に詰まりが生じることは回避できる。
【００７８】
［第４の形態］
図４は、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第４の形態を付設する配管系とともに示している。第４の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｄは、酸化還元反応に寄与する媒体としての金属Ｍが、反応塔１内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物ではなく、ハニカム状をなす担体に担持された粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物（以下、媒体金属粒子という）である点で、上記した切替式ケミカルループ燃焼器Ａ〜Ｃの場合と相違している。
【００７９】
担体となるハニカム状の構造物は、前記媒体金属粒子を担持できかつ耐熱性と所要の機械的強度を備えた材料であれば任意の材料で作ることができる。好適な材料としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミックスが挙げられる。これらの材料を、所定長さの複数個の連通孔が隙間なく同方向に配列するように押し出し成形し、それを焼成することで得ることができる。各連通孔の口径は、小さい方が全体の表面積（反応面積）が大きくなり好ましいが、反面、圧損が大きくなる不都合がある。切替式ケミカルループ燃焼器Ｄの設計出力にもよるが、６００〜１２００ｃｐｓｉ（１インチ角当たりのセル数）程度が好適である。
【００８０】
このようにハニカム状の構造物の例としては、自動車の排ガス処理に用いられている三元触媒用のハニカム状の構造物を挙げることができる。前記ハニカム状の構造物に媒体金属粒子を担持させる手法も従来知られた担持手法で行えばよく、例えば、目的の媒体金属粒子が含まれる溶液にハニカム状の構造物を浸して、媒体金属粒子を溶液と一緒に付着させ、その後、乾燥させた後に、焼成することで担持させることができる。
【００８１】
切替式ケミカルループ燃焼器Ｄでは、そのようにして製造した媒体金属粒子を担持したハニカム状の構造物１５０が反応塔１内に固定状態で配置される。図４に示す例では、反応塔１の水平断面をカバーできる平面積を持つ平板状の前記ハニカム状の構造物１５０が所要段数だけ積層されることで、「媒体としての金属Ｍ」が形成されている。なお、前記ハニカム状の構造物１５０多段に積層するときに、それぞれの連通孔がガスの流れ方向に連続した状態となるように配置することは必要である。
【００８２】
より詳細には、第４の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｄでは、反応塔１内への酸化剤ガス（空気）、還元剤ガス（燃料ガス）、パージガス（Ｎ２、ＣＯ２）の供給は、すべて、図２に示した第２の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｂと同様に、反応塔１の底板３と分散板４との間の空間に出口部を持つガス供給管９を介して行われる。そして、反応塔１内における前記分散板４から一定距離離れた上方位置に、前記したハニカム状の構造物１５０からなる媒体としての金属Ｍが固定される。また、前記分散板４と前記ハニカム状の構造物１５０からなる媒体としての金属Ｍの下端部との間における反応塔１の周壁には、前記したと同じ予熱用バーナ２１が取り付けられる。
【００８３】
また、第４の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｄでは、媒体としての金属として、反応塔１内で流動する粒子状の金属を用いないので、金属粒子が反応塔内に飛散することはない。そのために、図示のように、閉鎖部材４０は、図３に示した第３の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｃの場合のように、単に反応塔の上方端を閉鎖する機能を備えた部材であってよく、第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａあるいは第２の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｂのように、セラミックス製のフィルター４１を用いることを要しない。そして、閉鎖部材４０の天面から一本の配管４３を延出させ、それをブロワ４５の吸い込み口に接続するだけでよい。そのために、構成も簡素化される。もちろん、図示のように、前記配管４３の排気端を固気分離型サイクロン１４０に接続し、固気分離型サイクロン１４０の排気側が前記ブロワ４５の吸い込み口に接続させることで、配管に詰まりが生じるのを一層確実に回避することができる。
【００８４】
切替式ケミカルループ燃焼器Ｄの運転態様、各ガスの供給開始および供給停止のタイミング等は、第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａの場合と実質的に同じであり、同じ符号を付すことで、同じ部分についての説明は省略する。切替式ケミカルループ燃焼器Ｄでは、媒体金属粒子を担持したハニカム状の構造物１５０に形成されている貫通孔内を、ガス供給管９から供給される酸化剤ガス（空気）が通過するときに、そこに担持されている媒体金属粒子の酸化反応が進行し、還元剤ガス（燃料ガス）が通過するときに、酸化した媒体金属粒子の還元反応が進行する。また、パージガス（Ｎ２、ＣＯ２）が通過するときに、貫通孔内に残存する酸化剤ガスあるいは還元剤ガスのパージが進行する。それにより、反応塔１内で流動する粒子状の金属を媒体としての金属とて用いる場合と同様に、ケミカルループ燃焼を連続的に進行させることができる。
【００８５】
［第５の形態］
図示しないが、切替式ケミカルループ燃焼器Ｄの変形例として、「媒体としての金属」として、前記した反応塔内で流動可能な粒子状の金属と同種の金属または金属酸化物によって、ハニカム状の構造物を作り、それを前記した切替式ケミカルループ燃焼器Ｄにおける媒体金属収支を担持したハニカム状をなす担体の代わりに、反応塔１内に固定した形態も存在する。この場合でも、切替式ケミカルループ燃焼器Ｄと同様にして、切替式ケミカルループ燃焼器としての所期の目的を達成することができることは説明を要しない。
【００８６】
［第６の形態］
図示しないが、図２に示した切替式ケミカルループ燃焼器Ｂの変形例として、セラミックス製のフィルター４１とを備えない形態も挙げることができる。この形態であっても、所期の目的が達成可能であることは説明を要しない。
【００８７】
［第７の形態］
図示しないが、切替式ケミカルループ燃焼器Ａ〜Ｃの変形例として、熱交換器３２を反応塔１の金属粒子が存在しない上方空間に位置させる形態ではなく、非加熱流体の通過する伝熱管を金属粒子が存在する反応塔１内に配置するようにしてもよい。この態様でも、切替式ケミカルループ燃焼器としての所期の目的を達成することが可能であることは説明を要しない。
【００８８】
［第８の形態］
図示しないが、上記したすべての形態の切替式ケミカルループ燃焼器において、前記したパージガス供給手段を省略することもできる。その場合、燃焼効率の低下、排ガスからのＣＯ２ガス、Ｎ２ガスの分離回収効率の低下が起こるのは避けられないが、装置として簡素化できる利点がある。
【符号の説明】
【００８９】
Ａ〜Ｄ…切替式ケミカルループ燃焼器、
１…反応塔、
５…内筒、
８…ノズル、
９…ガス供給管、
１０…金属粒子取り出し口、
２１…予熱用バーナ、
３１…伝熱管、
３２…熱交換手段、
３３…被加熱流体の流入口、
３４…被加熱流体の流出口、
４０…閉鎖部材、
４１…セラミックス製のフィルター、
４４…３方弁、
４５…ブロワ、
５０…空気供給系統、
６０…燃料供給系統、
７０…パージガス供給系統、
８０…Ｎ２排気系統、
８６…Ｎ２用タンク、
９０…ＣＯ２排気系統、
９６…ＣＯ２用タンク、
１００…パージガス排気管、
１３０…給水配管、
１５０…粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物を担持したハニカム状をなす担体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケミカルループ燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
流動性を持つ金属粒子が酸化剤と反応して酸化金属粒子となる酸化反応と、前記酸化金属粒子が還元剤による還元を受ける還元反応とを連続して進行させるようにした、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を実際に行い、そのときに金属粒子の酸化反応によって生じる反応熱を収集して工業用に用いることも、特許文献１などに記載されている。また、ケミカルループ燃焼を実施するための装置も、例えば非特許文献１および非特許文献２等に記載されている。
【０００３】
ケミカルループ燃焼では、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、「酸化した金属粒子の還元」という２つに分けることで、燃料（還元剤）と空気（酸化剤)の直接接触を行うことなく、金属粒子を媒体として純酸素のやり取りをしている。従来のケミカルループ燃焼装置は、非特許文献１に記載のように、酸化塔と還元塔と別個に設ける形態（外部循環式と呼ばれる）、または酸化塔の内部に還元塔を配置する形態（内部循環式と呼ばれる）であり、いずれの形態においても、酸化塔と還元塔とを物理的な金属粒子の循環で結ぶようにしている。
【０００４】
ケミカルループ燃焼では、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はほとんど生成しない。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ＣＯ２とＨ２Ｏだけとなる。そのために、排出される排ガスを冷却してＨ２Ｏを取り除けばほぼ純粋なＣＯ２を容易に収集可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３３７１６８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Use of NiO/NiAl2O4 Particles in a 10 kW Chemical-Looping Combustor Marcus Johansson, Tobias Mattisson, and Anders Lyngfelt Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 5911 5919（外部循環式）
【非特許文献２】Experimental results of chemical-looping combustion with NiO/NiAl2O4 particle circulation at 1200 degrees C Ishida M, Yamamoto M, Ohba T ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT 2002, 43,9-12,1469-1478（内部循環）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、現在、検討されているケミカルループ燃焼装置は、外部循環式と内部循環式の二つの方法があり、いずれも酸化塔と還元塔の間を媒体としての金属粒子が循環することによって酸素を運搬し、反応を継続している。しかし、金属粒子を循環させるためには、外部循環式の場合では酸化塔と還元塔を接続する管が必要であり、表面積が増えて放熱のロスが大きくなる。また、内部循環式では、酸化塔と還元塔を接続する管を省略できることで、装置の小型化が可能となるが、８００〜１２００℃程度の温度に長時間曝される酸化塔内部に、金属粒子とガス成分とを分離するための複雑な形状の固気分離装置を設置することが必要であり、耐久性に難がある。さらに、いずれの方式にしろ、粒子を連続的に循環させることが必要であるが、高温の粒子を安定的に循環させること、またその量を正確に把握することは難しく、装置設計上の課題となっている。
【０００８】
本発明は上記の事情を踏まえてなされたものであり、１つの反応塔だけを用い、その反応塔に酸化塔としての機能と還元塔としての機能の双方を持たせることで、酸化還元反応に寄与する媒体としての金属が循環するのを不要とし、それにより、全体の構成を簡素化しかつ耐久性も向上させた新しい形態のケミカルループ燃焼器、すなわち切替式ケミカルループ燃焼器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】
【０００９】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器は、基本的に、酸化還元反応に寄与する媒体としての金属（以下、「媒体としての金属」という）が酸化剤と反応して酸化金属となる酸化反応ステージと前記酸化金属が還元剤による還元を受ける還元反応ステージとを繰り返して進行させるケミカルループ燃焼を実施するためのケミカルループ燃焼器であって、前記媒体としての金属を収容する１つの反応塔と、前記反応塔内に酸化剤と還元剤とを交互に切り替えて供給するガス供給手段と、前記反応塔内から排ガスを排気する排ガス排気手段と、を少なくとも備えることを特徴とする。
【００１０】
上記の切替式ケミカルループ燃焼器は、１つの反応塔を備えるのみであり、反応塔内の前記媒体としての金属は、前記ガス供給手段が反応塔内に酸化剤を供給する酸化反応ステージでは、供給される酸化剤と反応して酸化金属となり、反応熱を発生する。反応後の高温のＮ２リッチの排ガスは、排ガス排気手段によって反応塔外に排気される。次のステージ、すなわちガス供給手段が塔内に酸化剤ではなく還元剤を供給する還元反応ステージでは、反応塔内の酸化金属は還元剤による還元を受ける。反応後のＣＯ２リッチな排ガスは排ガス排気手段によって反応塔外に排気される。次のステージでは、再度、ガス供給手段は反応塔内に酸化剤を供給し、反応塔内は酸化反応ステージとなる。以下、上記の還元反応ステージと酸化反応ステージとが反覆される。
【００１１】
上記のように、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器では、１つの反応塔を備えるだけで、ケミカルループ燃焼を継続して行うことが可能となる。また、従来知られた酸化塔と還元塔とを別個に備えたケミカルループ燃焼器のように、金属粒子の酸化塔と還元塔と間の循環を伴わないので、排ガスと金属粒子あるいは酸化した金属粒子とを分離する固気分離装置を反応塔内に設けることも要しない。そのために、燃焼器の構成を簡略化できるとともに、耐久性も向上する。また、装置設計も容易となる。
【００１２】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の一態様において、前記媒体としての金属は、反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物である。また、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の他の態様において、前記媒体としての金属は、前記反応塔に固定されたハニカム状の構造物、または前記反応塔に固定されたハニカム状をなす担体に担持された粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物である。
【００１３】
前者の態様では、前記媒体としての金属である粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物は、酸化あるいは還元反応時に反応塔内で流動することができるので、前記媒体としての金属の全体に対して均一に酸化と還元が進行する。後者の態様では、前記媒体としての金属は反応塔内に固定された状態にあり、金属粒子の場合のように外部に飛散することはない。さらに、前記媒体としての金属が、ハニカム状の構造物である場合も、ハニカム状をなす担体に担持された粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物である場合も、ガスの流れは均一な方向の流れとなり、逆混合の少ない流れの中で反応が得られる。
【００１４】
なお、本発明において「ハニカム状」とは、所定長さの複数個の連通孔が隙間なく同方向に配列している状態を総称しており、該連通孔の断面形状は正六角形であることが強度の点から好ましいが、これに限らない。そして、前記のように、前記媒体としての金属それ自体がハニカム状の構造物を構成していてもよく、セラミックス等からなるハニカム状の部材を担体とし、該担体の表面に、焼結のような手段によって、前記媒体としての金属である粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物を固定するようにしてもよい。
【００１５】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器において、前記反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物を前記媒体としての金属として用いる態様にあっては、前記反応塔内に前記媒体としての金属である粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物が循環移動することのできる内筒と該内筒内へガスを噴出するノズルとをさらに備えることは、好ましい態様である。
【００１６】
この態様では、前記媒体としての金属（粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物）は前記内筒内を下部から上部に向けて移動するようになり、結果として、反応塔内で前記媒体としての金属の全体を確実に循環させることができるようになり、前記媒体としての金属の酸化反応および還元反応の進行が円滑となる。
【００１７】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、前記反応塔の排ガス出口部に耐熱材料製のフィルターを備える。より好ましくは、サイクロンでは捕捉できないような直径が数μｍ程度の微粒子を捕捉できる形態の耐熱材料製のフィルターを備える。
【００１８】
この形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、前記耐熱材料製のフィルターが装置の系外に噴出しようとする固体粒子を捕捉することが可能となり、また、排ガス排気手段を構成する配管等に詰まりが生じる可能性を効果的に低減することができる。前記媒体としての金属が、反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物である場合に、それらは外部に飛散し易くなるが、上記形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、飛散する粒子を確実に捕捉できることから、特に有効である。
【００１９】
上記耐熱材料製のフィルターを備える形態の切替式ケミカルループ燃焼器において、より好ましくは、複数個の耐熱材料製のフィルターが備えられ、そこを通過する排ガスの通過方向を交番的に変えることのできるガス流路換え手段をさらに備える。この態様では、各耐熱材料製のフィルターの逆洗が可能となり、長時間にわたりフィルターとしての効果を維持できるようになる。
【００２０】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、前記反応塔内の前記媒体としての金属を予熱するための予熱用バーナを備える。予熱用バーナを備えることにより、運転開始時での前記媒体としての金属をバーナによって加熱することが可能となり、酸化あるいは還元反応が進行しやすくなる。
【００２１】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器において、酸化反応により生成された熱は被加熱流体と熱交換することで系外に取り出される。被加熱流体との熱交換は前記した各排気系統で行ってもよく、反応塔内部で行ってもよく、その双方で行ってもよい。一態様において、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器は、前記反応塔内に、被加熱流体が流れる伝熱管を有する熱交換手段を備える。
【００２２】
この形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、反応塔内において、前記媒体としての金属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、反応塔から排出されるＮ２リッチ排ガスの温度が大きく上がることがなく、反応塔を通過する気体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、反応塔の断面積を小さくでき、結果として、切替式ケミカルループ燃焼器の小型化が可能となり、燃焼量あたりの表面積も抑えることができて、放熱のロスも小さくできる。そのために、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器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。
【００２３】
上記の切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい態様において、前記熱交換手段は、前記反応塔内に収容される前記媒体としての金属の上面から上方に離れた位置に設置される。そして、前記した予熱用バーナを備える形態であって、前記媒体としての金属として粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物を用いる態様では、前記媒体としての金属の上面と前記熱交換手段の間における前記反応塔の壁面に、前記予熱用バーナが備えられる。この態様では、予熱用バーナとして、通常の空気燃焼用バーナを使用することができ、その燃焼熱により、前記媒体としての金属を直接加熱することが可能となる。同時に、予熱用バーナからの燃焼排ガスは前記熱交換手段を加熱することもでき、熱の有効利用が可能となる。さらに、この形態では、金属粒子溜まり内に予熱用バーナを設置しないため、予熱用バーナに係る諸装置のメンテナンスが容易となる。さらに、加熱された前記媒体としての金属が反応塔内を循環することで、反応塔全体の加熱も進行する。また、予熱用バーナとして空気燃焼用バーナを用いる場合には、該バーナの空気供給口を２次空気（未燃分を２次燃焼させる空気）の投入口として利用することもできるようになる。
【００２４】
前記媒体としての金属として、前記反応塔に固定されたハニカム状の構造物、または前記反応塔に固定されたハニカム状をなす担体に担持された粒子状の金属または該金属の酸化物を用いる場合には、前記予熱用バーナは、反応塔における前記ハニカム状部材の下方の領域に配置するのが好ましく、それによりハニカム状部材の予熱効率が向上する。
【００２５】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の一態様では、前記酸化反応ステージと還元反応ステージとの間および還元反応ステージと酸化反応ステージとの間に不活性ガスをパージガスとして前記反応塔内に供給するパージガス供給手段をさらに備える。
【００２６】
上記形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、酸化反応ステージと還元反応ステージとの間、および還元反応ステージと酸化反応ステージとの間に、反応塔内には不活性ガスが供給される。そのために、酸化反応ステージから還元反応ステージへの切り替え時、および還元反応ステージから酸化反応ステージへの切り替え時に、反応塔内で酸化剤と還元剤とが混合するのを確実に回避することができる。それにより、反応塔内で酸化剤と還元剤とが直接接触して燃焼が生じるのを阻止することができ、ケミカルループ燃焼の燃焼効率が向上する。
【００２７】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器において、反応塔と排ガス排気手段とを１本の排ガス排気管により接続する形態であってもよい。しかし、この形態では、酸化反応ステージに生じるＮ２リッチ排ガス、パージガス供給ステージに生じるパージガスを含む排ガス、および還元反応ステージに生じるＣＯ２リッチ排ガスを、それぞれ分離回収することは容易でない。
【００２８】
従って、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、前記排ガス排気手段は分離した３つの排気系統、すなわち、前記反応塔内での酸化反応ステージに生じるＮ２リッチ排ガスを排気するＮ２排気系統と、前記反応塔内での還元反応ステージに生じるＣＯ２リッチ排ガスを排気するＣＯ２排気系統と、前記反応塔内にパージガスが供給されているときに生じるパージガスを含む排ガスを排気するパージガス排気系統との３本の排気系統を備えることを特徴とする。そして、各排気系統には遮断弁が備えられ、制御手段は、いずれか１の排気系統に備えた遮断弁が「開」のときは、他の２つの排気系統に備えた遮断弁は「閉」となるように開閉制御する。上記形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、各ステージで生じる異なる成分からなる排ガスを、確実に分離して回収できるようになる。
【００２９】
また、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、前記ガス供給手段は、前記反応塔内に酸化剤を供給する酸化剤供給系統と前記反応塔内に還元剤を供給する還元剤供給系統とを備え、前記パージガス供給手段は前記反応塔内にパージガスを供給するパージガス供給系統を備える。そして、各供給系統には遮断弁が備えられ、制御手段は、いずれか１の供給系統に備えた遮断弁が「開」のときは、他の２つの供給系統に備えた遮断弁は「閉」となるように開閉制御する。また。各供給系統はそれぞれの供給配管を通して、反応塔内に、酸化剤、還元剤、パージガスを供給する。この形態では、反応塔への酸化剤、用いる場合でのパージガス、還元剤のそれぞれの供給を、互いに混合させることなく、確実に分離した状態で行うことができる。それにより、燃焼効率が向上する。
【００３０】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、還元反応ステージで生じるＣＯ２リッチ排ガスを還元剤供給系統に戻す配管系をさらに備える。ケミカルループ燃焼では、還元剤の供給量は酸化剤の供給量に比べて流量が少ないため、前記媒体としての金属が前記反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物である場合に、それを十分に流動化させられない可能性がある。上記形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、ＣＯ２リッチ排ガスに含まれるＣＯ２、Ｈ２Ｏを還元剤供給系統に再循環させることで、反応塔に投入する気体の流量を増やし、粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物の流動状態をよくすることができる。また、再循環させた水蒸気は、還元剤による還元反応を促進させる。さらに、ＣＯ２リッチ排ガスの再循環量を調整することで、還元剤の投入量を変えずに、流動化の状態を調整することもできる。
【００３１】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、酸化反応ステージで生じるＮ２リッチ排ガスに含まれるＮ２ガスを酸化剤供給系統に戻す配管系をさらに備える。上記形態の切替式ケミカルループ燃焼器では、供給する酸化剤流量を小さくしたい場合でも、Ｎ２リッチ排ガスを再循環させることにより、反応塔への見かけの流量を増やすことができる。そのために、外部からの酸化剤投入量が小さくても、反応塔へ投入気体の流量を任意に変えることができる。
【００３２】
本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の好ましい形態では、Ｎ２リッチ排ガスに含まれるＮ２ガスおよびＣＯ２リッチ排ガスに含まれるＣＯ２ガスを前記パージガス供給手段に供給する配管系をさらに備える。反応塔内での酸化反応ステージおよび還元反応ステージで生じる排ガスには高濃度のＣＯ２ガスまたはＮ２ガスが不活性ガスとして含まれるが、上記の形態の切替式ケミカルループ燃焼器ではその不活性ガスをパージガスとして用いることができ、パージガスの自給が可能なことから、運転コストの低減を図ることができる。
【００３３】
なお、本発明において、酸化剤としては、空気、酸素リッチ空気、低窒素空気などを用いることができる。還元剤としては、天然ガス、石油、石炭、水素、一酸化炭素、副生ガスなどが利用できる。また、上記の説明からわかるように、前記媒体としての金属は、酸化剤と反応して酸化金属となりうる能力を備えた金属であればよく、金属そのものばかりでなく、さらに酸化する能力を備えた当該金属の酸化物も含まれる。前記媒体としての金属には、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅあるいはそれらの酸化物を例示できる。Ｆｅを例に取れば、その酸化物であるＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４も、依然としてさらに酸化物となり得る能力を備えているので、本発明でいう「媒体としての金属」に含まれる。
【００３４】
したがって、酸化還元の態様としては、例えば前記媒体としての金属がＦｅの場合、Ｆｅ→ＦｅＯ→Ｆｅ３Ｏ４→Ｆｅ２Ｏ３のように段階的に酸化が進行するときのいずれの段階の酸化反応も本発明でいう酸化反応ステージに含まれ、また、Ｆｅ２Ｏ３→Ｆｅ３Ｏ４→ＦｅＯ→Ｆｅのように段階的に還元が進行するときのいずれの段階の還元反応も発明でいう還元反応ステージに含まれる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、全体の構成を小型かつ簡素化しながら耐久性も向上させた新しい形態の切替式ケミカルループ燃焼器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第１の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図２】本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第２の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図３】本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第３の形態を付設する配管系とともに示す図。
【図４】本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第４の形態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】
【００３７】
以下、図面を参照して、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器のいくつかの形態を説明する。
【００３８】
［第１の形態］
図１は、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第１の形態を付設する配管系とともに示している。第１の形態は、酸化還元反応に寄与する媒体としての金属として、反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物（以下では単に金属粒子という）を用いる形態であり、かつ内筒５を有する形態である。
【００３９】
図示の切替式ケミカルループ燃焼装置Ａは、１つの反応塔１を備える。反応塔１は鋼板と耐火煉瓦の積層体のような耐熱材料で作られる。反応塔１は、好ましくは円筒体であり、この例において、上端は開放しており、下端側は底板３により閉鎖されている。反応塔１の底板３から少し上方に離れた位置には、耐熱材からなる多孔性の分散板４が設置されている。また、図示しないが、反応塔１の周側壁には、金属粒子が酸化反応を開始する温度近くまで反応塔内を予熱するための電気ヒータ等の適宜の予熱手段が備えられている。
【００４０】
反応塔１内には、ステンレス鋼などの耐熱材からなる内筒５が、反応塔１と共通の中心軸線を持つようにして収容されている。内筒５は、その下端と前記分散板４との間に隙間６が形成されるようにして、適宜の留め具７により反応塔１内に固定されている。前記した底板３と分散板４とを貫通してノズル８が取り付けてあり、該ノズル８の先端は、固定された内筒５の下端側の内部に開放している。また、前記底板３と分散板４との間の空間には、ガス供給管９が取り付けてあり、前記分散板４の直上における反応塔１の側壁には、適宜の開閉手段を備えた金属粒子取り出し口１０が設けてある。
【００４１】
前記反応塔１の上端には第１の筒体２０がフランジ接合されている。第１の筒体２０は反応塔１と同じ材料で作られるとともに、切替式ケミカルループ燃焼器Ａにおける反応塔の一部を構成する。第１の筒体２０には、その側壁に貫通するようにして予熱用バーナ２１が取り付けてある。この例において、予熱用バーナ２１は空気燃焼用バーナであり、燃焼ガス供給ノズル２２と空気ノズル２３とを備える。さらに、第１の筒体２０には、検知部が前記反応塔１に達するようにして、測温計２４が取り付けられている。
【００４２】
前記第１の筒体２０の上端には、第２の筒体３０がフランジ接合されている。第２の筒体３０は反応塔１と同じ材料で作られるとともに、切替式ケミカルループ燃焼器Ａにおける反応塔の一部を構成する。第２の筒体３０内には、その全長にわたるようにして、被加熱流体（例えば水）が流れる多数本の伝熱管３１を備えた熱交換手段３２が取り付けてあり、熱交換手段３２の下端部には被加熱流体の流入口３３が、上端部には流出口３４が取り付けてある。
【００４３】
前記第２の筒体３０の上端には、反応塔内の空間を密封できる材料からなる閉鎖部材４０が、その開放している下端側が前記第２の筒体３０に連通するようにしてフランジ接合されている。閉鎖部材４０内には、その水平断面全体に亘るようにして適数の（この例では３つの）セラミックス製のフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃが備えられており、各フィルターの上方はそれぞれに区画された室４２ａ、４２ｂ、４２ｃとされている。また、閉鎖部材４０内のフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃより下方の空間には排ガス温度確認用のセンサー４０ａが取り付けてある。なお、フィルターは、例えばニッケルステンレス合金やクロムステンレス合金のような耐熱材料で作ることもできる。
【００４４】
次に、切替式ケミカルループ燃焼装置Ａに付設する配管系について説明する。前記したノズル８には、配管５１を介して空気供給系統５０と、配管６１を介して燃料供給系統６０が接続している。空気供給系統５０は、ブロワ５３、遮断弁５４、流量計５５、調圧弁５６および逆止弁５７等から構成され、酸化剤として機能する調圧されかつ定量された空気（酸化剤の一例であってこれに限らない）が配管５１およびノズル８を通して、前記した内筒５内に供給される。燃料供給系統６０は、遮断弁６４、流量計６５、調圧弁６６および逆止弁６７等から構成され、還元剤として機能する調圧されかつ定量された都市ガス等の燃料ガス（還元剤の一例であってこれに限らない）が配管６１およびノズル８を通して、前記した内筒５内に供給される。
【００４５】
空気供給系統５０は本発明でいう「酸化剤供給系統」に相当する。燃料供給系統６０は反応塔１に還元剤を供給するためのものであり、本発明でいう「還元剤供給系統」に相当する。還元剤としては、メタンガスのような材料が燃料ガスとして供給されるのが普通であることから「燃料供給系統６０」という。そして、前記「酸化剤供給系統」と「還元剤供給系統」が本発明でいう「ガス供給手段」を構成する。
【００４６】
前記したガス供給管９には、配管７１を介してパージガス供給系統７０が接続している。パージガス供給系統７０は反応塔１内に不活性ガスをパージガスとして供給するためのものであり、本発明でいう「パージガス供給手段」を構成する。パージガス供給系統７０は、パージガスタンク７３、遮断弁７４、流量計７５、調圧弁７６および逆止弁７７等から構成され、パージガスタンク７３内に貯蔵されたＣＯ２、Ｎ２等の不活性ガスが配管７１およびガス供給管９を通して反応塔１内に供給される。
【００４７】
前記した閉鎖部材４０の室４２ａ、４２ｂ、４２ｃの天板からは配管４３ａ、４３ｂ、４３ｃが延出しており、各配管４３ａ、４３ｂ、４３ｃには、第１入側ポートと出側ポートが接続するようにして、３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃが介装されている。各３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃの出側ポートはインバータ付きのブロワ４５の吸い込み口に接続しており、該ブロワ４５の噴き出し側の配管４６からの分岐管４７は各３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃの第２入り側ポートに接続している。そのために、図示しない制御装置によって各３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃを適宜制御することにより、例えば図１に示すように、２つのフィルター４１ａ、４１ｂを通過した排ガスを、２つの３方弁４４ａ、４４ｂの第１入側ポートおよび出側ポートを通してブロワ４５によって吸引し、残りのフィルター４１ｃには、ブロワ４５から吹き出される排ガスの一部を前記分岐管４７を通して３方弁４４ｃの第２入側ポートに導入して第１入り側ポートから排気するようにセットすることにより、当該フィルター４１ｃを逆洗するような処理が可能となる。これにより、フィルターが目詰まりするのを回避することができる。もちろん、３つのフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃの通過するすべての排ガスをブロワ４５によって吸引する操作も当然に可能である。なお、ブロワ４５の噴き出し側の配管４６には酸素や窒素や炭酸ガスの濃度を検出するガスセンサー４８が取り付けられている。
【００４８】
ブロワ４５の噴き出し側の配管４６における前記分岐管４７よりも下流には、Ｎ２排気系統８０が接続しており、また、それと平行にＣＯ２排気系統９０が接続している。そして、前記Ｎ２排気系統８０およびＣＯ２排気系統９０のそれぞれからはパージガス排気管１００が分岐している。Ｎ２排気系統８０、ＣＯ２排気系統９０、およびパージガス排気管１００が本発明でいう「排ガス排気手段」を構成する。
【００４９】
Ｎ２排気系統８０は、この例では、遮断弁８１、熱交換器８２、排ガスセンサー８３、調圧弁８４、逆止弁８５、Ｎ２用タンク８６を、上流側から下流側にこの順に備えている。ＣＯ２排気系統９０も同様に、この例では、遮断弁９１、熱交換器９２、排ガスセンサー９３、調圧弁９４、逆止弁９５、ＣＯ２用タンク９６を、上流側から下流側にこの順に備えている。パージガス排気管１００には、遮断弁１０１が取り付けてある。
【００５０】
図示の切替式ケミカルループ燃焼器Ａにおいて、ブロワ４５の噴き出し側の配管４６は、遮断弁１１０、調圧弁１１１、逆止弁１１２を介して、燃料供給系統６０の配管６１にも接続している。さらに、前記した熱交換手段３２の被加熱流体の流出口３４からの配管１２０からの分岐管１２１も、遮断弁１２２、調圧弁１２３、逆止弁１２４を介して、燃料供給系統６０の配管６１に接続している。
【００５１】
Ｎ２排気系統８０に配置した前記Ｎ２用タンク８６には配管８７が取り付けられており、該配管８７は遮断弁８８、逆止弁８９を介して、パージガス供給系統７０の配管７１に接続している。また、配管８７の分岐管８７ａは、空気供給系統５０の配管５１にも接続している。また、前記Ｎ２用タンク８６には、遮断弁を介してＮ２取り出し用配管も接続している。
【００５２】
ＣＯ２排気系統９０に配置した前記ＣＯ２用タンク９６にも配管９７が取り付けられており、該配管９７の出側は、遮断弁９８、逆止弁９９を介して、前記した配管８７に接続している。また、前記ＣＯ２用タンク９６には、遮断弁を介してＣＯ２取り出し用配管も接続している。
【００５３】
上記の切替式ケミカルループ燃焼器Ａにおいて、前記熱交換手段３２の下端部に設けた被加熱流体の流入口３３には、給水配管１３０を介して例えば水である被加熱流体が供給される。該給水配管１３０は、Ｎ２排気系統８０に設けた熱交換器８２、ＣＯ２排気系統９０に設けた熱交換器９２、および前記した閉鎖部材４０の室４２ａ、４２ｂ、４２ｃの天板から延出する排ガス配管である配管４３ａ、４３ｂ、４３ｃに設けた熱交換器４９を通るようにして設けてあり、それらの熱交換器と熱交換することで次第に昇温する。昇温した被加熱流体は、熱交換器３２の伝熱管３１内を流れることで、反応塔１からの排ガスとさらに熱交換してさらに昇温し、前記した流出口３４から配管１２０を介して、図示しない外部熱負荷の蒸気ヘッダーに送られる。そこで熱交換した後の被加熱流体は再度給水配管１３０に戻される。また、前記した熱交換器８２、９２において、熱交換の結果として生成された水は、配管１３１を通して給水タンク等へ戻される。
【００５４】
上記した切替式ケミカルループ燃焼器Ａの作動を説明する。事前に、反応塔１の内に、金属粒子Ｍを、前記した内筒５の上端を超えた位置まで充填する。金属粒子Ｍの好ましいものとしては、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅあるいはそれらの酸化物を例示できる。充填後、前記した予熱用バーナ２１を着火して、また図示しないは電気ヒータ等の予熱手段により反応塔１内を予熱して、金属粒子Ｍを酸化反応を開始できる温度近くまで加熱する。
【００５５】
図示しない制御手段は、ガス供給手段における燃料供給系統６０に設けた遮断弁６４、およびパージガス供給系統７０に設けた遮断弁７４を閉じ、空気供給系統５０の遮断弁５４を開とする。また、排ガス排気手段におけるＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１を閉じ、Ｎ２排気系統８０に設けた遮断弁８１を開とする。Ｎ２排気系統８０におけるパージガス排気管１００に設けた遮断弁１０１は閉じておく。そして、空気供給系統５０に設けたブロワ５３を稼働し、所定量の空気（環境温度の空気であってよい）をノズル８に送給する。送給された空気はノズル８から前記した内筒５内を上昇する。その上昇によって、反応塔１内に収容した金属粒子Ｍは、内筒５内を上昇し、内筒５の上端から反応塔１内に噴出し、反応塔１内を降下し、再び内筒５内に流入する循環移動を繰り返す。すなわち、金属粒子Ｍは内筒５と反応塔１との間で循環するようになる。その作業と並行して、給水配管１３０内に被加熱流体を送り込む。
【００５６】
内筒５内に供給された空気中の酸素が酸化剤として機能することで、内筒５内では酸化反応ステージが始まり、内筒５内の金属粒子Ｍは酸化金属粒子ＭＯとなる。その際に酸化反応による反応熱が発生し、その熱によって昇温した高温の排ガスは、熱交換器３２を通過する。そのときに、熱交換器３２の伝熱管３１内を流れる被加熱流体を加熱する。酸化反応に寄与した後の高温の排ガスは、次いで、閉鎖部材４０の室４２ａ、４２ｂ、４２ｃに設けたフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃを通過し、ブロワ４５によって、その噴き出し側の配管４６に送られる。フィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃを通過することで排ガス中に含まれる金属粒子等の固形分は直径が数μｍ程度の微粒子まで捕捉され、排出される排ガスは固形分を含まないものとなる。
【００５７】
次いで、排ガスは配管４６から、Ｎ２排気系統８０内を通過する。Ｏ２が酸化反応により除去された排ガスの主成分は高濃度のＮ２ガスであるが、Ｏ２が残存している場合もあるので、排ガスセンサー８３を通過させることで成分分析が行われる。その後、排ガスは、熱交換器８２内を通過することで、給水配管１３０内を流れる被加熱流体との熱交換を行うと共に、水蒸気を凝縮して水として分離する。熱交換後の排ガスは、Ｎ２用タンク８６内に送られて高濃度のＮ２ガスとして貯留される。反応熱と熱交換することで昇温した被加熱流体は前記のように適宜の蒸気ヘッダーに送られ、例えばオンサイトでのボイラや工業炉などの熱源として用いられる。
【００５８】
内筒５内への空気の供給を継続することで、金属粒子Ｍの酸化反応は連続して進行する。酸化反応ステージを所定時間にわたって継続した後、制御手段は、空気供給系統５０の遮断弁５４を閉じ、パージガス供給系統７０に設けた遮断弁７４を開く。その時点では、燃料供給系統６０に設けた遮断弁６４は閉じたままにおく。それにより、反応塔１内には、空気に代えて、パージガスタンク７３に貯留された不活性ガス（好ましくはＮ２ガス）がパージガスとして送給される。そのときに、排ガス排気手段におけるＮ２排気系統８０に設けたパージガス排気管１００に取り付けた遮断弁１０１を開くようにする。
【００５９】
パージガスの送給により、反応塔１内に残存している前記酸化反応ステージで生成された高濃度のＮ２を含む排ガス（前記したようにＯ２を含む場合がある）はパージガスとともに反応塔１から配管４６に向けて排出され、排ガスセンサー４８あるいは８３を通過することで成分分析が行われた後、Ｎ２排気系統８０に設けたパージガス排気管１００から系外に排出される。
【００６０】
排ガスセンサー８３が酸化反応ステージで生成された排ガス中のＯ２を検知しなくなった後に、制御手段は、ガス供給手段におけるパージガス供給系統７０に設けた遮断弁７４を閉じ、燃料供給系統６０に設けた遮断弁６４を開く。空気供給系統５０の遮断弁５４は閉じたままにおく。また、ＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１を開くとともに、そこに設けたパージガス排気管１００の遮断弁１０１は閉じておく。Ｎ２排気系統８０に設けた遮断弁８１は閉じる。
【００６１】
それにより、反応塔１内に収容された内筒５には、パージガスに代えて、還元剤として機能するメタン等の燃料ガスが送給される。送給された燃料ガスはノズル８から前記した内筒５内を上昇する。その上昇によって、反応塔１内に収容された酸化金属粒子ＭＯは、酸化反応ステージにおける金属粒子Ｍの場合と同様に、内筒５内を上昇し、内筒５の上端から反応塔１内に噴出し、反応塔１内を降下し、再び内筒５内に流入する移動を繰り返す。すなわち、酸化金属粒子ＭＯは内筒５と反応塔１との間で循環するようになる。その過程で、供給される燃料ガスと酸化金属粒子ＭＯとが還元反応する還元反応ステージが進行し、酸化金属粒子ＭＯを金属粒子Ｍに戻す（還元する）。なお、この段階では、前記パージガスの供給により、反応塔１内にＯ２は存在しない状態となっており、燃料ガスが空気と直接燃焼するのは回避される。
【００６２】
還元反応に寄与した後の排ガスは高濃度のＣＯ２ガスとＨ２Ｏ（水蒸気）であり、排ガスは前記配管４６からＣＯ２排気系統９０内を通過する。すなわち、排ガスは、フィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃを通過することで排ガス中に含まれる固形分は除去された後、排ガスセンサー４８、９３を通過することで成分分析が行われる。さらに、排ガスは、熱交換器９２内を通過することで、給水配管１３０内を流れる被加熱流体との熱交換を行うと共に、水蒸気を凝縮して水として分離する。分離後の高濃度のＣＯ２ガスとされた排ガスはＣＯ２用タンク９６内に送られて貯留される。
【００６３】
排ガスセンサー９３からの情報により、酸化金属粒子ＭＯの金属粒子Ｍへの還元がほぼ終了したことを検知したときに（酸化金属粒子ＭＯの金属粒子Ｍへの還元がほぼ終了したかどうかは、排ガス中に含まれる例えばメタンである還元剤の量を測定することで知ることができる）、制御手段は、ガス供給手段における燃料供給系統６０に設けた遮断弁６４を閉じ、パージガス供給系統７０に設けた遮断弁７４を再び開く。空気供給系統５０の遮断弁３４は閉じたままにおく。また、ＣＯ２排気系統９０に設けたパージガス排気管１００の遮断弁１０１を開く。
【００６４】
それにより、反応塔１内には、燃料ガスに代えて、パージガスタンク７３に貯留された不活性ガス（好ましくはＣＯ２ガス）がパージガスとして送給される。パージガスの送給により、反応塔１内に残存しているメタン等の燃料ガスはパージガスとともに反応塔１から配管４６に向けて排出され、排ガスセンサー４８あるいは９３を通過することで成分分析が行われた後、ＣＯ２排気系統９０に設けたパージガス排気管１００から大気に放出される。
【００６５】
排ガスセンサー９３がメタン等である還元剤を検知しなくなった後に、制御手段は、ガス供給手段におけるパージガス供給系統７０に設けた遮断弁７４を閉じ、空気供給系統５０の遮断弁５４を開く。燃料供給系統６０に設けた遮断弁６４は閉じたままにおく。また、ＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１を閉じ、Ｎ２排気系統８０に設けた遮断弁８１を開く。Ｎ２排気系統８０に取り付けたパージガス排気管１００に設けた遮断弁１０１は閉とする。この状態は、前記した酸化反応ステージ開始のときと同じ状態であり、以下、酸化反応ステージ、パージガス供給、還元反応ステージ、パージガス供給とを繰り返し進行させることで、ケミカルループ燃焼が１つの反応塔１内で継続する。
【００６６】
上記した配管系を持つ切替式ケミカルループ燃焼器Ａでは、熱交換手段３２の流出口３４から流出する被加熱流体の一部を、配管１２１、遮断弁１２２、調圧弁１２３、逆止弁１２４を介して、選択的に、燃料供給系統６０の配管６１内に供給できるようになっている。これにより、燃料ガス中の還元剤と酸化金属粒子ＭＯとの間の還元反応を促進させることができ、Ｆｅのような比較して安価な金属を、ケミカルループ燃焼に有効な金属粒子として用いることが可能となる。さらに、メタンなどの反応性が遅い炭化水素を含む都市ガスを高い反応性を持つ還元剤として有効に用いることもできるようになる。
【００６７】
さらに、図示の切替式ケミカルループ燃焼器Ａでは、配管４６を流れる排ガスの一部を、遮断弁１１０、調圧弁１１１、逆止弁１１２を介して、選択的に、燃料供給系統６０の配管６１内に供給できるようになっている。ケミカルループ燃焼では、一般に、還元剤である燃料ガスの供給量は酸化剤である空気の供給量に比べて流量が少ないので、還元反応ステージにおいて、酸化金属粒子ＭＯを十分に流動化させられない可能性があるが、上記の切替式ケミカルループ燃焼器Ａでは、排ガス（すなわち、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ）を燃料供給系統６０の配管６１を通して再循環させることで、反応塔１に投入する気体の流量を増やし、粒子の流動状態を改善することができる。また、再循環量を調整することで、燃料ガスの投入量を変えずに、流動化の状態を調整することもできる。
【００６８】
また、上記した配管系を持つ切替式ケミカルループ燃焼器Ａでは、Ｎ２排気系統８０に配置したＮ２用タンク８６には、貯留したＮ２を外部に取り出す配管とともに、貯留したＮ２の一部を、配管８７を介してパージガス供給系統７０と反応塔１とを接続する配管７１内に選択的に供給できるようになっている。さらに、分岐配管８７ａを介して、貯留したＮ２の一部を空気供給系統５０と反応塔１に取り付けたノズル８とを接続する配管５１内に選択的に供給できるようになっている。
【００６９】
さらに、ＣＯ２排気系統９０に設けたタンク９６にも、貯留したＣＯ２を外部に取り出す配管とともに、配管９７を介して、貯留したＣＯ２の一部をパージガス供給系統７０と反応塔１とを接続する配管７１内に選択的に供給できるようになっている。
【００７０】
前記したように、Ｎ２排気系統８０を流れるＮ２ガスを反応塔１（内筒５）内に供給する空気に添加することで、供給する空気流量を小さくしたい場合でも、反応塔１（内筒５）への見かけの流量を増やすことができ、外部からの空気投入量が小さくても、反応塔１（内筒５）へ投入気体の流量を任意に変えることが可能となる。さらに、Ｎ２排気系統８０を流れるＮ２ガスおよびＣＯ２排気系統９０を流れるＣＯ２ガスをパージガス用の配管７１内に供給することで、パージガスとしての不活性ガスの供給を自給することが可能となり、外部からの不活性ガスの供給を無くすことも可能となる。
【００７１】
なお、上記した切替式ケミカルループ燃焼器Ａの運転に際して、ＣＯ２排気系統９０からＣＯ２ガスをなるべく高濃度で取り出すために、燃料ガスを供給している時間（燃料ガスの供給開始から終了まで）の内、ＣＯ２濃度が高濃度になる時間だけＣＯ２排気系統９０から排気を行うように、ＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１の開タイミングを遅らせる運転方法、また、Ｎ２排気系統８０からＮ２ガスをなるべく高濃度に取り出すため、空気を供給している時間（空気供給開始から終了まで）の内、Ｎ２濃度が高濃度になる時間だけＮ２排気系統８０から排気を行うように、Ｎ２排気系統８０に設けた遮断弁８１の開タイミングを遅らせる運転方法、を採用することもできる。
【００７２】
なお、このような運転方法を採用するときには、酸化反応ステージでありながらＮ２排気系統８０に設けた遮断弁８１を閉じている間は、ＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１およびそこに設けたパージガス排気管１００に取り付けた遮断弁１０１を開とすることで、また、還元反応ステージでありながらＣＯ２排気系統９０に設けた遮断弁９１を閉じている間は、Ｎ２排気系統８０に設けた遮断弁８１およびそこにも受けたパージガス排気管１００に取り付けた遮断弁１０１を開とすることで、ケミカルループ燃焼を継続して行うことが可能となる。
【００７３】
上記の切替式ケミカルループ燃焼器Ａにおいて、継続して運転を行うことにより、セラミックス製のフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃに目詰まりが生じることが起こり得る。その際には、前記したように、制御装置によって各３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃの開閉を適宜制御して、目詰まりしたフィルター４１ａ、４１ｂ、４１における排ガスの流れ方向を逆転させることで、自動的に目詰まりを解消することができる。
【００７４】
［第２の形態］
図２は、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第２の形態を付設する配管系とともに示している。第２の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｂは、図１に示した第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａとは、その内筒５およびノズル８を備えない点で相違している。配管系は、一部を除き第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａの場合と同じであり、同じ符号を付すことで、同じ部分についての説明は省略する。
【００７５】
第２の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｂでは、内筒５を備えないことから、反応塔１内への酸化剤ガス（空気）、還元剤ガス（燃料ガス）、パージガス（Ｎ２、ＣＯ２）の供給は、すべて、反応塔１の底板３と分散板４との間の空間に出口部を持つ前記したガス供給管９を介して行われる。すなわち、第２の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｂでは、ガス供給管９に接続する配管９ａに対して、前記燃料供給系統６０の出口側配管６１、パージガス供給系統７０における出口側配管７１、および空気供給系統５０の出口側配管５１が接続している。なお、各ガスの供給開始および供給停止のタイミング等は、第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａの場合と同じである。
【００７６】
［第３の形態］
図３は、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第３の形態を付設する配管系とともに示している。第３の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｃは、第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａとは、閉鎖部材４０内にセラミックス製のフィルター４１ａ、４１ｂ、４１ｃが備えられてなく、したがって、３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ等も備えない点で相違している。配管系は、前記３方弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ等に係る配管部分を除き第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａの場合と同じであり、同じ符号を付すことで、同じ部分についての説明は省略する。
【００７７】
第３の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｃでは、閉鎖部材４０は単に反応塔の上方端を閉鎖するだけのものであり、その天面から一本の配管４３だけが延出しており、該配管４３の他端は固気分離型サイクロン１４０の入口側に接続している。そして、固気分離型サイクロン１４０の排気側が前記したブロワ４５の吸い込み口に接続している。第３の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｃでは、セラミックス製のフィルター４１を有しないことから、反応塔から排出される排ガス中に金属粒子Ｍあるいは酸化金属粒子ＭＯ等の固形物が含まれる恐れがある。しかし、含まれる固形物は固気分離型サイクロン１４０によって除去されるので、配管に詰まりが生じることは回避できる。
【００７８】
［第４の形態］
図４は、本発明による切替式ケミカルループ燃焼器の第４の形態を付設する配管系とともに示している。第４の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｄは、酸化還元反応に寄与する媒体としての金属Ｍが、反応塔１内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物ではなく、ハニカム状をなす担体に担持された粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物（以下、媒体金属粒子という）である点で、上記した切替式ケミカルループ燃焼器Ａ〜Ｃの場合と相違している。
【００７９】
担体となるハニカム状の構造物は、前記媒体金属粒子を担持できかつ耐熱性と所要の機械的強度を備えた材料であれば任意の材料で作ることができる。好適な材料としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミックスが挙げられる。これらの材料を、所定長さの複数個の連通孔が隙間なく同方向に配列するように押し出し成形し、それを焼成することで得ることができる。各連通孔の口径は、小さい方が全体の表面積（反応面積）が大きくなり好ましいが、反面、圧損が大きくなる不都合がある。切替式ケミカルループ燃焼器Ｄの設計出力にもよるが、６００〜１２００ｃｐｓｉ（１インチ角当たりのセル数）程度が好適である。
【００８０】
このようにハニカム状の構造物の例としては、自動車の排ガス処理に用いられている三元触媒用のハニカム状の構造物を挙げることができる。前記ハニカム状の構造物に媒体金属粒子を担持させる手法も従来知られた担持手法で行えばよく、例えば、目的の媒体金属粒子が含まれる溶液にハニカム状の構造物を浸して、媒体金属粒子を溶液と一緒に付着させ、その後、乾燥させた後に、焼成することで担持させることができる。
【００８１】
切替式ケミカルループ燃焼器Ｄでは、そのようにして製造した媒体金属粒子を担持したハニカム状の構造物１５０が反応塔１内に固定状態で配置される。図４に示す例では、反応塔１の水平断面をカバーできる平面積を持つ平板状の前記ハニカム状の構造物１５０が所要段数だけ積層されることで、「媒体としての金属Ｍ」が形成されている。なお、前記ハニカム状の構造物１５０多段に積層するときに、それぞれの連通孔がガスの流れ方向に連続した状態となるように配置することは必要である。
【００８２】
より詳細には、第４の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｄでは、反応塔１内への酸化剤ガス（空気）、還元剤ガス（燃料ガス）、パージガス（Ｎ２、ＣＯ２）の供給は、すべて、図２に示した第２の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｂと同様に、反応塔１の底板３と分散板４との間の空間に出口部を持つガス供給管９を介して行われる。そして、反応塔１内における前記分散板４から一定距離離れた上方位置に、前記したハニカム状の構造物１５０からなる媒体としての金属Ｍが固定される。また、前記分散板４と前記ハニカム状の構造物１５０からなる媒体としての金属Ｍの下端部との間における反応塔１の周壁には、前記したと同じ予熱用バーナ２１が取り付けられる。
【００８３】
また、第４の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｄでは、媒体としての金属として、反応塔１内で流動する粒子状の金属を用いないので、金属粒子が反応塔内に飛散することはない。そのために、図示のように、閉鎖部材４０は、図３に示した第３の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｃの場合のように、単に反応塔の上方端を閉鎖する機能を備えた部材であってよく、第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａあるいは第２の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ｂのように、セラミックス製のフィルター４１を用いることを要しない。そして、閉鎖部材４０の天面から一本の配管４３を延出させ、それをブロワ４５の吸い込み口に接続するだけでよい。そのために、構成も簡素化される。もちろん、図示のように、前記配管４３の排気端を固気分離型サイクロン１４０に接続し、固気分離型サイクロン１４０の排気側が前記ブロワ４５の吸い込み口に接続させることで、配管に詰まりが生じるのを一層確実に回避することができる。
【００８４】
切替式ケミカルループ燃焼器Ｄの運転態様、各ガスの供給開始および供給停止のタイミング等は、第１の形態の切替式ケミカルループ燃焼器Ａの場合と実質的に同じであり、同じ符号を付すことで、同じ部分についての説明は省略する。切替式ケミカルループ燃焼器Ｄでは、媒体金属粒子を担持したハニカム状の構造物１５０に形成されている貫通孔内を、ガス供給管９から供給される酸化剤ガス（空気）が通過するときに、そこに担持されている媒体金属粒子の酸化反応が進行し、還元剤ガス（燃料ガス）が通過するときに、酸化した媒体金属粒子の還元反応が進行する。また、パージガス（Ｎ２、ＣＯ２）が通過するときに、貫通孔内に残存する酸化剤ガスあるいは還元剤ガスのパージが進行する。それにより、反応塔１内で流動する粒子状の金属を媒体としての金属とて用いる場合と同様に、ケミカルループ燃焼を連続的に進行させることができる。
【００８５】
［第５の形態］
図示しないが、切替式ケミカルループ燃焼器Ｄの変形例として、「媒体としての金属」として、前記した反応塔内で流動可能な粒子状の金属と同種の金属または金属酸化物によって、ハニカム状の構造物を作り、それを前記した切替式ケミカルループ燃焼器Ｄにおける媒体金属収支を担持したハニカム状をなす担体の代わりに、反応塔１内に固定した形態も存在する。この場合でも、切替式ケミカルループ燃焼器Ｄと同様にして、切替式ケミカルループ燃焼器としての所期の目的を達成することができることは説明を要しない。
【００８６】
［第６の形態］
図示しないが、図２に示した切替式ケミカルループ燃焼器Ｂの変形例として、セラミックス製のフィルター４１とを備えない形態も挙げることができる。この形態であっても、所期の目的が達成可能であることは説明を要しない。
【００８７】
［第７の形態］
図示しないが、切替式ケミカルループ燃焼器Ａ〜Ｃの変形例として、熱交換器３２を反応塔１の金属粒子が存在しない上方空間に位置させる形態ではなく、非加熱流体の通過する伝熱管を金属粒子が存在する反応塔１内に配置するようにしてもよい。この態様でも、切替式ケミカルループ燃焼器としての所期の目的を達成することが可能であることは説明を要しない。
【００８８】
［第８の形態］
図示しないが、上記したすべての形態の切替式ケミカルループ燃焼器において、前記したパージガス供給手段を省略することもできる。その場合、燃焼効率の低下、排ガスからのＣＯ２ガス、Ｎ２ガスの分離回収効率の低下が起こるのは避けられないが、装置として簡素化できる利点がある。
【符号の説明】
【００８９】
Ａ〜Ｄ…切替式ケミカルループ燃焼器、
１…反応塔、
５…内筒、
８…ノズル、
９…ガス供給管、
１０…金属粒子取り出し口、
２１…予熱用バーナ、
３１…伝熱管、
３２…熱交換手段、
３３…被加熱流体の流入口、
３４…被加熱流体の流出口、
４０…閉鎖部材、
４１…セラミックス製のフィルター、
４４…３方弁、
４５…ブロワ、
５０…空気供給系統、
６０…燃料供給系統、
７０…パージガス供給系統、
８０…Ｎ２排気系統、
８６…Ｎ２用タンク、
９０…ＣＯ２排気系統、
９６…ＣＯ２用タンク、
１００…パージガス排気管、
１３０…給水配管、
１５０…粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物を担持したハニカム状をなす担体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化還元反応に寄与する媒体としての金属が酸化剤と反応して酸化金属となる酸化反応ステージと前記酸化金属が還元剤による還元を受ける還元反応ステージとを繰り返して進行させるケミカルループ燃焼を実施するためのケミカルループ燃焼器であって、
前記媒体としての金属を収容する１つの反応塔と、
前記反応塔内に酸化剤と還元剤とを交互に切り替えて供給するガス供給手段と、
前記反応塔内から排ガスを排気する排ガス排気手段と、
を少なくとも備えることを特徴とする切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項２】
前記媒体としての金属は、前記反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項３】
前記反応塔内に前記媒体としての金属である粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物が循環移動することのできる内筒と該内筒内へガスを噴出するノズルとをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項４】
前記媒体としての金属は、前記反応塔に固定されたハニカム状の構造物、または前記反応塔に固定されたハニカム状をなす担体に担持された粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物であることを特徴とする請求項３に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項５】
前記反応塔の排ガス出口部に耐熱材料製のフィルターを備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項６】
前記反応塔内の前記媒体としての金属を予熱するための予熱用バーナを備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項７】
前記反応塔内に被加熱流体が流れる伝熱管を有する熱交換手段を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項８】
前記熱交換手段は、前記反応塔内に収容される前記媒体としての金属の上面から上方に離れた位置に設置されていることを特徴とする請求項７に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項９】
前記酸化反応ステージと還元反応ステージとの間および還元反応ステージと酸化反応ステージとの間に不活性ガスをパージガスとして前記反応塔内に供給するパージガス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項１０】
前記排ガス排気手段は、前記反応塔内での酸化反応ステージに生じるＮ２リッチ排ガスを排気するＮ２排気系統と、前記反応塔内での還元反応ステージに生じるＣＯ２リッチ排ガスを排気するＣＯ２排気系統と、前記反応塔内にパージガスが供給されているときに生じるパージガスを含む排ガスを排気するパージガス排気系統との３つの排気系統を備えることを特徴とする請求項９に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項１１】
前記ガス供給手段は、前記反応塔内に酸化剤を供給する酸化剤供給系統と前記反応塔内に還元剤を供給する還元剤供給系統とを備え、前記パージガス供給手段は前記反応塔内にパージガスを供給するパージガス供給系統を備えることを特徴とする請求項９または１０に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項１２】
還元反応ステージで生じるＣＯ２リッチ排ガスを還元剤供給系統に戻す配管系をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項１３】
酸化反応ステージで生じるＮ２リッチ排ガスに含まれるＮ２ガスを酸化剤供給系統に戻す配管系をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項１４】
Ｎ２リッチ排ガスに含まれるＮ２ガスおよびＣＯ２リッチ排ガスに含まれるＣＯガスを前記パージガス供給手段に供給する配管系をさらに備えることを特徴とする請求項９ないし１３のいずれか一項に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項１】
酸化還元反応に寄与する媒体としての金属が酸化剤と反応して酸化金属となる酸化反応ステージと前記酸化金属が還元剤による還元を受ける還元反応ステージとを繰り返して進行させるケミカルループ燃焼を実施するためのケミカルループ燃焼器であって、
前記媒体としての金属を収容する１つの反応塔と、
前記反応塔内に酸化剤と還元剤とを交互に切り替えて供給するガス供給手段と、
前記反応塔内から排ガスを排気する排ガス排気手段と、
を少なくとも備えることを特徴とする切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項２】
前記媒体としての金属は、前記反応塔内で流動可能な粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項３】
前記反応塔内に前記媒体としての金属である粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物が循環移動することのできる内筒と該内筒内へガスを噴出するノズルとをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項４】
前記媒体としての金属は、前記反応塔に固定されたハニカム状の構造物、または前記反応塔に固定されたハニカム状をなす担体に担持された粒子状の金属または該粒子状の金属の酸化物であることを特徴とする請求項３に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項５】
前記反応塔の排ガス出口部に耐熱材料製のフィルターを備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項６】
前記反応塔内の前記媒体としての金属を予熱するための予熱用バーナを備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項７】
前記反応塔内に被加熱流体が流れる伝熱管を有する熱交換手段を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項８】
前記熱交換手段は、前記反応塔内に収容される前記媒体としての金属の上面から上方に離れた位置に設置されていることを特徴とする請求項７に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項９】
前記酸化反応ステージと還元反応ステージとの間および還元反応ステージと酸化反応ステージとの間に不活性ガスをパージガスとして前記反応塔内に供給するパージガス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項１０】
前記排ガス排気手段は、前記反応塔内での酸化反応ステージに生じるＮ２リッチ排ガスを排気するＮ２排気系統と、前記反応塔内での還元反応ステージに生じるＣＯ２リッチ排ガスを排気するＣＯ２排気系統と、前記反応塔内にパージガスが供給されているときに生じるパージガスを含む排ガスを排気するパージガス排気系統との３つの排気系統を備えることを特徴とする請求項９に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項１１】
前記ガス供給手段は、前記反応塔内に酸化剤を供給する酸化剤供給系統と前記反応塔内に還元剤を供給する還元剤供給系統とを備え、前記パージガス供給手段は前記反応塔内にパージガスを供給するパージガス供給系統を備えることを特徴とする請求項９または１０に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項１２】
還元反応ステージで生じるＣＯ２リッチ排ガスを還元剤供給系統に戻す配管系をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項１３】
酸化反応ステージで生じるＮ２リッチ排ガスに含まれるＮ２ガスを酸化剤供給系統に戻す配管系をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【請求項１４】
Ｎ２リッチ排ガスに含まれるＮ２ガスおよびＣＯ２リッチ排ガスに含まれるＣＯガスを前記パージガス供給手段に供給する配管系をさらに備えることを特徴とする請求項９ないし１３のいずれか一項に記載の切替式ケミカルループ燃焼器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−５３８０３（Ｐ２０１３−５３８０３Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９１９２１（Ｐ２０１１−１９１９２１）
【出願日】平成２３年９月２日（２０１１．９．２）
【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２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２日（２０１１．９．２）
【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)
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