JP5849669B2

JP5849669B2 - ケミカルループ燃焼システム

Info

Publication number: JP5849669B2
Application number: JP2011269038A
Authority: JP
Inventors: 俊之須田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: JP2013119507A

Description

本発明は、ケミカルループ燃焼システムに関するものである。

近年、金属粒子を酸素キャリヤとして用いて酸化・還元反応を行うことにより、純酸素を使用することなく高い濃度のＣＯ_２（二酸化炭素）を回収することができるケミカルループ燃焼方式が注目されている。

酸素燃焼方式を用いれば、高い濃度のＣＯ_２を回収できることが知られているが、酸素燃焼方式の場合には、高価な酸素分離装置を備える必要があるため経済的な負担が大きいという問題がある。

これに対し、前記ケミカルループ燃焼方式によれば、空気燃焼を用いてＣＯ_２の濃度を有効に高めて回収することができるため、ＣＯ_２の回収・貯留（CCS：Carbon Dioxide Capture and Storage）に有効な手法として種々の研究が進められている（例えば、特許文献１、２等参照）。

特許文献１では、酸化反応器と還元反応器の間を移送系装置を用いて酸素キャリヤとしての金属粒子を移送するようにしており、又、特許文献２では、反応器（Reactor）と再生器（Regenerator）を有し、流動層方式によって反応器と再生器の間に酸素キャリヤとしての金属粒子を循環移送するようにしている。

特開２０１１−１７９７７３号公報米国特許第６５７２７６１号明細書

しかし、特許文献１においては、酸化反応器及び還元反応器間に移送系装置を用いて金属粒子を移送しているために、金属粒子の移送作業に多大な動力が必要になると共に、作業が非能率的であるという問題がある。

又、特許文献２においては、反応器と再生器との間を流動層方式によって金属粒子を循環移送する構成であるため、反応器及び再生器の内部や循環流路が適切な対応策をとらない場合は金属粒子によって摩耗する問題があり、このために、比較的短期間でのメンテナンスが必要であり、又、金属粒子は粉化によりロスが生じるために常に補給する必要がある。更に、金属粒子を安定的に循環させるためには、流動層の速度などを適切に制御する必要がある。

本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、移送系装置による金属粒子の輸送や流動層による金属粒子の移送を省略することができるケミカルループ燃焼システムを提供することにある。

本発明は、酸素と反応することで酸化物を形成し、酸素がなく原料ガスが存在する場においては酸化物を還元して酸素を放出しＣＯ_２主体ガスを生成させる酸素キャリヤを用いたケミカルループ燃焼システムであって、
筒形を有して軸線方向にガスが流通する流通口を備えた充填材と、空気と原料ガスを区画して前記充填材の流通口に流通させる空気流路及び原料ガス流路を形成するための仕切壁とを備え、
前記充填材と前記仕切壁の一方を前記充填材の軸中心を中心に回転可能に支持し、且つ、前記充填材に酸素キャリヤを担持し、
前記仕切壁は、空気流路と原料ガス流路の流路断面積を変更できるよう可変に構成したことを特徴とするケミカルループ燃焼システム、に係るものである。

又、上記ケミカルループ燃焼システムにおいて、前記酸素キャリヤは、金属とすることができる。

又、上記ケミカルループ燃焼システムにおいて、前記仕切壁は回転が固定され、前記充填材が回転してもよい。

又、上記ケミカルループ燃焼システムにおいて、前記充填材は回転が固定され、前記仕切壁が回転してもよい。

本発明によれば、従来のような金属粒子の輸送を行うことなしに、酸素キャリヤによる酸化反応と還元反応を連続して効果的に行えるという優れた効果を奏し得る。

（ａ）は本発明のケミカルループ燃焼システムの基本的構成の一例を示す概略側面図、（ｂ）は（ａ）の充填材に酸素キャリヤを担持させた状態を示す断面図である。本発明のケミカルループ燃焼システムの具体例を示す第１の実施例の斜視図である。（ａ）は図２のシステムにおいて空気流路と原料ガス流路の流路断面積を変更するようにした本発明の第２の実施例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）とは異なる本発明の第３の実施例を示す平面図である。（ａ）は本発明のケミカルループ燃焼システムの具体例を示す第４の実施例の側面図、（ｂ）は（ａ）をＩＶＢ−ＩＶＢ方向から見た平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１（ａ）は本発明のケミカルループ燃焼システムの基本的構成の一例を示すもので、図中、１は、筒形を有してその軸中心Ｏを中心に回転する充填材２を内蔵した反応器であり、前記充填材２には軸線方向にガスが流通できる升目或いはハニカム等からなる多数の流通口３が形成されている。そして、前記充填材２には酸素キャリヤを担持している。

酸素キャリヤとしては、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ等、若しくはこれらの混合物からなる金属を用いることができ、図１（ｂ）に示す如く、前記充填材２における流通口３の壁面に、前記金属による金属粒子４（Ｍｅ）を焼付け等の手法によって一体に固定している。ここで、酸素キャリヤとは、還元（燃料と反応して酸素が減少する作用）と酸化（空気と反応して酸素が増加する作用）を繰り返すことによって酸素を運ぶ働きを示すものを言う。

前記充填材２の外周を包囲する外壁５の内部における前記充填材２のガス流動方向前後（図１（ａ）では上下）には、酸化ガスとしての空気６を流通口３に流通させる空気流路７と、還元ガスとしての原料ガス８（炭化水素（Ｃ_ｍＨ_ｎ）等）を流通口３に流通させる原料ガス流路９とを左右に区画して形成するための仕切壁１０を設けている。図１（ａ）中、Ａは充填材２の酸化域、Ｂは充填材２の還元域、１２，１４はボイラ等の熱交換器である。

次に、図１に示す本発明の基本構成における作動を説明する。

前記空気流路７から充填材２の酸化域Ａに空気６が供給されると、還元域Ｂで還元されて移動してきた金属粒子４（Ｍｅ）と空気６との酸化反応（２Ｍｅ＋Ｏ_２→２ＭｅＯ）により、窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ_２）の燃焼排ガス１１が排出される。この時、高温の燃焼排ガス１１と熱交換するボイラ等の熱交換器１２によって排熱を回収することができる。

又、前記原料ガス流路９から充填材２の還元域Ｂに原料ガス８が供給されると、酸化域Ａで酸化されて移動してきた金属粒子（ＭｅＯ）と原料ガス８の炭化水素（Ｃ_ｍＨ_ｎ）により酸素（Ｏ_２）を放出する還元反応（Ｃ_ｍＨ_ｎ＋ＭｅＯ→ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋Ｍｅ）が行われて、ＣＯ_２主体ガス１３が生成される。このＣＯ_２主体ガス１３は、二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度が９５％以上の高濃度ＣＯ_２ガスとして取り出される。この時、高温のＣＯ_２主体ガス１３と熱交換するボイラ等の熱交換器１４によって排熱を回収することができる。

上記したように、空気６が存在する場である酸化域Ａにおいては還元した金属粒子（Ｍｅ）は酸素（Ｏ_２）と反応して金属酸化物（２ＭｅＯ）となり、又、酸素がなく炭化水素（Ｃ_ｍＨ_ｎ）が存在する場である還元域Ｂにおいては金属酸化物（２ＭｅＯ）は酸素（Ｏ_２）を放出し還元された金属粒子（Ｍｅ）となってＣＯ_２主体ガス１３を導出するようになるので、前記充填材２を回転させることにより、酸化域Ａでの酸化反応と還元域Ｂでの還元反応が連続して行われ、空気６を用いた燃焼によってＣＯ_２主体ガス１３を効果的に生成することができる。

従って、本発明によれば、従来のように、酸化反応器及び還元反応器間に金属粒子を移送するための作業を省略することができ、又、反応器と再生器との間に金属粒子を流動層方式によって循環移送させる際の摩耗の問題、金属粒子の粉化の問題及び金属粒子を循環するために必要な難しい制御の問題を解消することができる。

図２は本発明のケミカルループ燃焼システムの具体例を示す第１の実施例の斜視図であり、図２の反応器１は、円筒状の外壁５の内部に、筒形を有する所要長さの充填材２が回転軸１５により回転可能に支持されている。図２では充填材２を回転軸１５により吊り下げて支持した場合を示しているが、下部に備えた回転軸１５によって充填材２を支持するようにしてもよい。図２の充填材２は升目状の流通口３を有する場合を示している。

前記外壁５内部における前記充填材２の上下位置には、外壁５内部を左右に区画する仕切壁１０が設けてあり、前記回転軸１５部分に設けられる上部の仕切壁１０には回転軸１５の外部に嵌合した嵌合部１６が形成されている。

前記仕切壁１０の右側部には、上部の空気供給口１７と下部の排気ガス流出口１８に連通した空気流路７が形成されており、又、前記仕切壁１０の左側部には、下部の原料ガス供給口１９と上部のＣＯ_２主体ガス流出口２０に連通した原料ガス流路９が形成されている。

図２の実施例では、回転軸１５によって充填材２を回転することにより、仕切壁１０で区画された充填材２の酸化域Ａと還元域Ｂが順次変化して、空気流路７における酸化反応と原料ガス流路９における還元反応が連続して行われる。

図３（ａ）は図２のシステムにおいて空気流路７と原料ガス流路９の流路断面積を変更するようにした本発明の第２の実施例を示す平面図であり、図２に示したように、充填材２の上下に設けられる仕切壁１０を、半径方向一側（図３（ａ）では下側）の壁部は夫々外壁５に固定した固定壁１０ａとし、又、半径方向他側（図３（ａ）では上側）の壁部は嵌合部１６に継手２１を介して回動可能に取り付けた可動壁１０ｂとしている。そして、上下の可動壁１０ｂを継手２１を中心に同時に矢印方向Ｘへ回動させることで、前記空気流路７と原料ガス流路９の流路断面積を変更できるようにしている。図中２２は前記可動壁１０ｂに固定したレバーであり、該レバー２２は外壁５を貫通して外部に延長され且つ外壁５に設けた開口２３に沿って周方向に回動できるようになっており、２４は前記レバー２２が移動する範囲に設けた開口２３をシールするためのシール板である。

図３（ａ）の実施例によれば、レバー２２によって上下の可動壁１０ｂを矢印方向Ｘへ同時に回動させることにより、前記空気流路７と原料ガス流路９の流路断面積を容易に変更することができる。

図３（ｂ）は図３（ａ）とは異なる本発明の第３の実施例を示す平面図であり、図３（ｂ）では、前記充填材２の上下に該充填材２よりも大きな矩形の空間を有する矩形室２５が形成してあり、前記充填材２の上下の端部に位置する外壁５と前記矩形室２５の内側とに間に生じる隙間を閉塞板２６によって閉塞している。そして、上下の前記矩形室２５の内部に、該矩形室２５の内部を左右に区画する仕切壁２７を設けることにより空気流路７と原料ガス流路９を形成している。この時、前記仕切壁２７における前記回転軸１５の部分には、前記回転軸１５を避ける湾曲部２８が形成されている。そして、上下に設けた前記仕切壁２７は図示しない任意の駆動手段によって左右方向Ｙへ同時に移動できるようにしている。

図３（ｂ）の実施例によれば、上下の仕切壁２７を左右方向Ｙへ同時に移動させることにより、前記空気流路７と原料ガス流路９の流路断面積を容易に変更することができる。

ケミカルループ燃焼システムにおいては、酸化反応の反応時間に対して還元反応の反応時間が長いことが知られているので、図３（ａ）、図３（ｂ）に示した構成によって、前記原料ガス流路９に対して空気流路７の流路断面積が大きくなるように変更すると、酸化反応と還元反応の両方が充填材２の内部で同程度に進行或いは完了するように調節することができる。

図４は本発明のケミカルループ燃焼システムの第４の実施例を示すもので、この実施例では、固定された充填材２の上下に、図４（ｂ）に示すように、軸中心Ｏから左右に所要の角度で広がる２枚の半径方向仕切壁２９ａ，２９ｂと外周壁３０とによって左右対称に形成された入口フード３１と出口フード３２が軸３３により連結され図示しない駆動装置によって回転駆動されるようになっている。そして、前記入口フード３１には回転継手３４を介して空気供給口１７が接続され、出口フード３２には回転継手３４を介して排気ガス流出口１８が接続されて空気流路７を形成している。そして、前記入口フード３１及び出口フード３２による空気流路７の外部は原料ガス流路９となっていて、該原料ガス流路９には下部の原料ガス供給口１９と上部のＣＯ_２主体ガス流出口２０が接続されている。図４（ｂ）の充填材２は放射状に区画された流通口３を有する場合を示している。

図４の実施例では、入口フード３１と出口フード３２を回転させて半径方向仕切壁２９ａ，２９ｂの位置を変化させることにより、酸化域Ａでの酸化反応と還元域Ｂでの還元反応が連続して行われ、空気６を用いた燃焼によってＣＯ_２主体ガス１３を効果的に生成することができる。

図４の実施例においても、図４（ｂ）の半径方向仕切壁２９ａ，２９ｂの挟み角αを変更可能な構成とすることにより、空気流路７と原料ガス流路９の流路断面積を変えることができる。

上記実施例においては、空気６と原料ガス８を対向流とした場合について例示したが、空気６と原料ガス８が同一方向へ流動する平行流としてもよい。

尚、本発明のケミカルループ燃焼システムは、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

２充填材
３流通口
４金属粒子（酸素キャリヤ）
６空気
７空気流路（酸化域Ａ）
８原料ガス
９原料ガス流路（還元域Ｂ）
１０仕切壁
１０ｂ可動壁
１３ＣＯ_２主体ガス
２７仕切壁
２９ａ，２９ｂ半径方向仕切壁（仕切壁）
Ｏ軸中心

Claims

酸素と反応することで酸化物を形成し、酸素がなく原料ガスが存在する場においては酸化物を還元して酸素を放出しＣＯ_２主体ガスを生成させる酸素キャリヤを用いたケミカルループ燃焼システムであって、
筒形を有して軸線方向にガスが流通する流通口を備えた充填材と、空気と原料ガスを区画して前記充填材の流通口に流通させる空気流路及び原料ガス流路を形成するための仕切壁とを備え、
前記充填材と前記仕切壁の一方を前記充填材の軸中心を中心に回転可能に支持し、且つ、前記充填材に酸素キャリヤを担持し、
前記仕切壁は、空気流路と原料ガス流路の流路断面積を変更できるよう可変に構成したことを特徴とするケミカルループ燃焼システム。
前記酸素キャリヤは、金属であることを特徴とする請求項１に記載のケミカルループ燃焼システム。
前記仕切壁は回転が固定され、前記充填材が回転することを特徴とする請求項１又は２に記載のケミカルループ燃焼システム。
前記充填材は回転が固定され、前記仕切壁が回転することを特徴とする請求項１又は２に記載のケミカルループ燃焼システム。