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JP2024148424A - Chemical Looping Combustion System - Google Patents

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JP2024148424A
JP2024148424A JP2023061538A JP2023061538A JP2024148424A JP 2024148424 A JP2024148424 A JP 2024148424A JP 2023061538 A JP2023061538 A JP 2023061538A JP 2023061538 A JP2023061538 A JP 2023061538A JP 2024148424 A JP2024148424 A JP 2024148424A
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JP
Japan
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tower
fuel
supplied
combustion system
hydrogen
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JP2023061538A
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Japanese (ja)
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勝悟 佐山
Shogo Sayama
秀明 鈴木
Hideaki Suzuki
勇稀 森
Yuki Mori
正和 青木
Masakazu Aoki
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

To improve an energy efficiency of an entire chemical looping combustion system.SOLUTION: A chemical looping combustion system includes an oxidation tower which oxidizes metal particles, and a fuel tower to which hydrogen and a chemical compound containing carbon are supplied as a fuel and the oxidized metal particles are supplied from the oxidation tower, and which reduces the metal particle by means of the fuel and discharges gas containing carbon dioxide.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ケミカルルーピング燃焼システムに関する。 The present invention relates to a chemical looping combustion system.

二酸化炭素を本質的に分離可能なケミカルルーピング燃焼システムが知られている(例えば、特許文献1および非特許文献1参照)。特許文献1に記載されたシステムでは、固体酸素キャリアとしての金属が空気反応器で空気中の酸素と反応して酸化され、酸化された金属が燃料反応器で燃料により還元された後、再び空気反応器で酸化される。燃料反応器の下流側に設置された酸化触媒は、燃料反応器から排出される未燃の一酸化炭素を燃焼して、二酸化炭素へと変化させている。 A chemical looping combustion system capable of essentially separating carbon dioxide is known (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). In the system described in Patent Document 1, a metal as a solid oxygen carrier is oxidized by reacting with oxygen in the air in an air reactor, and the oxidized metal is reduced by fuel in a fuel reactor, and then oxidized again in the air reactor. An oxidation catalyst installed downstream of the fuel reactor burns unburned carbon monoxide discharged from the fuel reactor and converts it to carbon dioxide.

非特許文献1に記載された技術では、燃料塔で発生する金属の還元反応が吸熱反応であり、吸熱反応によって失われる熱量を燃料塔の外部ヒータで補っている。また、金属を酸化させる酸化塔から燃料塔までの間と、燃料塔から酸化塔までの間とに、ループシールが配置されている。ループシール内には、金属粒子の流動化のために水蒸気が供給されている。 In the technology described in Non-Patent Document 1, the metal reduction reaction that occurs in the fuel tower is an endothermic reaction, and the heat lost by the endothermic reaction is compensated for by an external heater in the fuel tower. In addition, loop seals are placed between the oxidation tower, which oxidizes the metal, and the fuel tower, and between the fuel tower and the oxidation tower. Steam is supplied into the loop seal to fluidize the metal particles.

特表2013-522149号公報Special Publication No. 2013-522149

Carl Linderholm, et al. "160h of chemical-looping combustion in a 10kW reactor system with a NiO-based oxygen carrier." International Journal of Greenhouse Gas Control Volume 2, issue 4, October 2008, Pages 520-530Carl Linderholm, et al. "160h of chemical-looping combustion in a 10kW reactor system with a NiO-based oxygen carrier." International Journal of Greenhouse Gas Control Volume 2, issue 4, October 2008, Pages 520-530

非特許文献1に記載された技術では、燃料塔内の吸熱反応で失われる熱量を外部ヒータの加熱で補っているため、放熱損失が大きい。また、ループシール内に供給する水蒸気の生成にエネルギを要する。そのため、ケミカルルーピング燃焼システムの全体のエネルギ効率をさらに向上させたいという要望があった。なお、特許文献1には、燃料反応器内で失われる熱量の補填やループシールについて言及されていない。 In the technology described in Non-Patent Document 1, the heat lost in the endothermic reaction in the fuel tower is compensated for by heating with an external heater, resulting in a large heat radiation loss. In addition, energy is required to generate the steam to be supplied into the loop seal. For this reason, there has been a demand to further improve the overall energy efficiency of the chemical looping combustion system. However, Patent Document 1 does not mention compensation for the heat lost in the fuel reactor or loop seals.

本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、ケミカルルーピング燃焼システム全体のエネルギ効率を向上させることを目的とする。 The present invention has been made to solve at least some of the above problems, and aims to improve the energy efficiency of the entire chemical looping combustion system.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。 The present invention has been made to solve at least some of the above problems, and can be realized in the following form.

(1)本発明の一形態によれば、ケミカルルーピング燃焼システムが提供される。このケミカルルーピング燃焼システムは、金属粒子を酸化させる酸化塔と、水素と、炭素を含む化合物とが燃料として供給されると共に、前記酸化塔から酸化された金属粒子が供給され、前記燃料を用いて金属粒子を還元する燃料塔と、を備える。 (1) According to one aspect of the present invention, a chemical looping combustion system is provided. The chemical looping combustion system includes an oxidation tower that oxidizes metal particles, and a fuel tower that is supplied with hydrogen and a compound containing carbon as fuel, and that receives the oxidized metal particles from the oxidation tower and reduces the metal particles using the fuel.

この構成によれば、燃料塔内では、酸化した金属粒子を、燃料としての炭素を含む化合物が還元することにより吸熱反応が発生する。一方で、炭素を含む化合物に加えて燃料塔に供給される水素が、酸化した金属粒子を還元することにより弱発熱反応が発生する。そのため、炭素を含む化合物が金属粒子を還元することによる吸熱反応により失う熱量の全てまたは一部を、水素が金属粒子を還元することによる弱発熱反応の熱量で補うことができる。本構成では、燃料塔内を弱発熱反応により直接加熱するため、例えば、外部からヒータなどで燃料塔内を加熱する場合と比較して放熱損失が少ない。この結果、燃料として炭素を含む化合物のみが燃料塔に供給された場合よりも、システム全体のエネルギ効率が向上する。 According to this configuration, an endothermic reaction occurs in the fuel tower as the oxidized metal particles are reduced by the carbon-containing compound as fuel. Meanwhile, a weakly exothermic reaction occurs as the hydrogen supplied to the fuel tower in addition to the carbon-containing compound reduces the oxidized metal particles. Therefore, all or part of the heat lost in the endothermic reaction caused by the carbon-containing compound reducing the metal particles can be compensated for by the heat of the weakly exothermic reaction caused by hydrogen reducing the metal particles. In this configuration, the inside of the fuel tower is directly heated by the weakly exothermic reaction, so there is less heat loss compared to, for example, heating the inside of the fuel tower from the outside with a heater or the like. As a result, the energy efficiency of the entire system is improved compared to when only the carbon-containing compound is supplied to the fuel tower as fuel.

(2)上記態様のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、さらに、前記燃料塔内の温度を取得する温度取得部と、前記温度取得部により取得された温度と、所定の温度との差を用いて、前記燃料塔に供給する水素および炭素を含む化合物の流量を決定する制御部と、を備えていてもよい。
この構成によれば、燃料塔内の温度が取得される。燃料塔内の温度と所定の温度との差に応じて燃料の水素と、炭素を含む化合物との流量割合が制御される。これにより、燃料塔内の温度に応じて金属粒子が水素に還元されることによる弱発熱反応を用いた燃料塔内の加熱が制御され、かつ、還元される金属粒子の量が制御される。この結果、燃料塔内の温度を所望の温度に制御した上で、酸化された金属粒子を還元できる。
(2) The chemical looping combustion system of the above aspect may further include a temperature acquisition unit that acquires a temperature inside the fuel tower, and a control unit that determines a flow rate of a compound containing hydrogen and carbon to be supplied to the fuel tower, using a difference between the temperature acquired by the temperature acquisition unit and a predetermined temperature.
According to this configuration, the temperature inside the fuel tower is acquired. The flow rate ratio of fuel hydrogen and carbon-containing compounds is controlled according to the difference between the temperature inside the fuel tower and a predetermined temperature. This controls the heating inside the fuel tower using a weak exothermic reaction in which metal particles are reduced to hydrogen according to the temperature inside the fuel tower, and controls the amount of metal particles to be reduced. As a result, the temperature inside the fuel tower can be controlled to a desired temperature, and the oxidized metal particles can be reduced.

(3)上記態様のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、さらに、水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解部を備え、前記水電解部は、生成された水素および酸素を前記燃料塔に供給してもよい。
この構成によれば、水電解部により生成された水素および酸素が燃料塔に供給される。燃料塔に流入した酸素は、燃料塔内で燃料により還元された金属粒子を再酸化する。酸素が金属粒子を酸化することによる発熱反応によって燃料塔内が加熱される。水電解により生成される酸素は、空気中の酸素と異なり、窒素などの不純物を含んでいないため、燃料塔から高純度の二酸化炭素を回収できる。さらに、酸素は、水電解により生成される水素の副産物であるため、システム全体のエネルギ効率が向上する。
(3) The chemical looping combustion system of the above aspect may further include a water electrolysis unit that electrolyzes water to generate hydrogen and oxygen, and the water electrolysis unit may supply the generated hydrogen and oxygen to the fuel tower.
According to this configuration, hydrogen and oxygen generated by the water electrolysis unit are supplied to the fuel tower. The oxygen that flows into the fuel tower reoxidizes metal particles that have been reduced by the fuel in the fuel tower. The fuel tower is heated by an exothermic reaction caused by the oxygen oxidizing the metal particles. Unlike the oxygen in the air, the oxygen generated by water electrolysis does not contain impurities such as nitrogen, so high-purity carbon dioxide can be recovered from the fuel tower. Furthermore, because oxygen is a by-product of the hydrogen generated by water electrolysis, the energy efficiency of the entire system is improved.

(4)上記態様のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、さらに、前記酸化塔の下流側、かつ、前記燃料塔の上流側に配置されたループシールであって、前記酸化塔から前記燃料塔へのガスの流入を抑制するループシールを備え、前記水電解部は、生成された水素を前記燃料塔に供給し、生成された酸素を、前記燃料塔の代わりに前記ループシールに供給してもよい。
この構成によれば、ループシール内には、水電解部により水素の副産物として生成された酸素が供給される。ループシール内では、金属粒子の流動を促進して、金属粒子同士の凝縮および固着を防止するためにガスが供給されることが好ましい。さらに、ループシール内に供給されるガスは、燃料塔へと流入する可能性があるため、窒素などの不純物を含んでいないことが好ましい。ループシール内に供給された酸素は、酸化塔からループシール内に流入しようとする窒素などの不純物の流入を抑制する。また、ループシール内に酸素が供給されることにより、不純物の流入を防ぐために他のガス(例えば、水蒸気)などを供給しなくても済む。すなわち、ループシール内に供給される酸素は、水電解により生成される水素の副産物であり、燃料塔内で金属粒子を再酸化させて燃料塔内を加熱するため、本構成のシステム全体のエネルギ効率が向上する。
(4) The chemical looping combustion system of the above aspect may further include a loop seal disposed downstream of the oxidation tower and upstream of the fuel tower, the loop seal suppressing inflow of gas from the oxidation tower to the fuel tower, and the water electrolysis unit may supply generated hydrogen to the fuel tower and supply generated oxygen to the loop seal instead of the fuel tower.
According to this configuration, oxygen generated as a by-product of hydrogen by the water electrolysis unit is supplied into the loop seal. It is preferable that a gas is supplied into the loop seal to promote the flow of metal particles and prevent condensation and adhesion between the metal particles. Furthermore, it is preferable that the gas supplied into the loop seal does not contain impurities such as nitrogen, since it may flow into the fuel tower. The oxygen supplied into the loop seal suppresses the inflow of impurities such as nitrogen that flow from the oxidation tower into the loop seal. Furthermore, by supplying oxygen into the loop seal, it is not necessary to supply other gases (e.g., water vapor) to prevent the inflow of impurities. In other words, the oxygen supplied into the loop seal is a by-product of hydrogen generated by water electrolysis, and reoxidizes metal particles in the fuel tower to heat the fuel tower, thereby improving the energy efficiency of the entire system of this configuration.

(5)上記態様のケミカルルーピング燃焼システムにおいて、さらに、前記水電解部により生成された水素を貯蔵する水素タンクを備え、前記制御部は、前記水電解部による水素と酸素との生成がある場合に、生成された酸素を前記燃料塔に供給し、かつ、生成された水素の少なくとも一部を前記水素タンクで貯蔵し、前記水電解部による水素と酸素との生成がない場合に、前記水素タンクで貯蔵された水素を前記燃料塔に供給してもよい。
この構成によれば、水電解部に水電解のための電力を供給する電力供給源からの電力供給が変動する場合に、電力供給量に応じて、水電解部からの水素と酸素の供給が制御されている。電力が供給されて水電解部が水素と酸素とを生成する場合に、生成された水素は水素タンクに貯蔵される。一方で、生成された酸素は、燃料塔に供給されて金属粒子を酸化して発熱反応を生じさせる。この結果、燃料塔内の炭素を含む化合物の還元反応によって失われる熱量が発熱反応により補われる。電力が供給されずに水電解部が水電解を行わない場合には、水素タンクに貯蔵された水素を燃料塔に供給することにより、炭素を含む化合物の還元反応によって失われた熱量が弱発熱反応により補われる。すなわち、本構成によれば、水電解部に供給される電力量に応じて、水電解による副産物の酸素を有効利用しつつ、電力供給がない場合には、水素タンクに貯蔵された水素が燃料塔内の加熱に利用される。この結果、システム全体のエネルギ効率が向上する。
(5) The chemical looping combustion system of the above aspect may further include a hydrogen tank for storing hydrogen generated by the water electrolysis unit, and the control unit may supply the generated oxygen to the fuel tower when hydrogen and oxygen are generated by the water electrolysis unit and store at least a portion of the generated hydrogen in the hydrogen tank, and supply the hydrogen stored in the hydrogen tank to the fuel tower when hydrogen and oxygen are not generated by the water electrolysis unit.
According to this configuration, when the power supply from the power supply source that supplies power for water electrolysis to the water electrolysis unit fluctuates, the supply of hydrogen and oxygen from the water electrolysis unit is controlled according to the amount of power supply. When power is supplied and the water electrolysis unit generates hydrogen and oxygen, the generated hydrogen is stored in the hydrogen tank. Meanwhile, the generated oxygen is supplied to the fuel tower to oxidize metal particles and cause an exothermic reaction. As a result, the amount of heat lost due to the reduction reaction of the carbon-containing compound in the fuel tower is compensated for by the exothermic reaction. When power is not supplied and the water electrolysis unit does not perform water electrolysis, the hydrogen stored in the hydrogen tank is supplied to the fuel tower, and the amount of heat lost due to the reduction reaction of the carbon-containing compound is compensated for by the weak exothermic reaction. That is, according to this configuration, oxygen, a by-product of water electrolysis, is effectively used according to the amount of power supplied to the water electrolysis unit, and when power is not supplied, the hydrogen stored in the hydrogen tank is used to heat the inside of the fuel tower. As a result, the energy efficiency of the entire system is improved.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ケミカルルーピング燃焼システム、ケミカルルーピング燃焼装置、ケミカルルーピング燃焼方法、およびこれらの装置を備えるシステム、これら装置を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a chemical looping combustion system, a chemical looping combustion device, a chemical looping combustion method, a system including these devices, a computer program for executing these devices, a server device for distributing this computer program, a non-transitory storage medium that stores the computer program, etc.

本発明の一実施形態としてのケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 1 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to one embodiment of the present invention. ケミカルループ燃焼の原理の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle of chemical looping combustion. 比較例のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 2 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system of a comparative example. 第2実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 5 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to a second embodiment. 第3実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 11 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to a third embodiment. 第4実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 13 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to a fourth embodiment. 第4実施形態の燃料の流量制御方法のフローチャートである。13 is a flowchart of a fuel flow rate control method according to a fourth embodiment. 第5実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 13 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to a fifth embodiment. 第5実施形態の燃料の流量制御方法のフローチャートである。13 is a flowchart of a fuel flow rate control method according to a fifth embodiment. 第6実施形態のケミカルルーピング燃焼システムの概略ブロック図である。FIG. 13 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system according to a sixth embodiment.

<第1実施形態>
図1は、本発明の一実施形態としてのケミカルルーピング燃焼システム(以降、単に、「燃焼システム」とも言う)100の概略ブロック図である。燃焼システム100では、金属粒子mgを酸化させる酸化塔10と、金属粒子mgを還元する燃料塔20との間に配置された空気塔側ループシール部(ループシール)60により酸化塔10から燃料塔20へと流入する窒素を抑制して、燃料塔20から高純度の二酸化炭素(CO2)が回収される。従来のケミカルルーピング燃焼システムでは、燃料塔20における金属粒子mgと炭化水素(炭素を含む化合物)との還元による吸熱反応により燃料塔20内の温度が低下するため、外部ヒータによって燃料塔20内を加熱していた。それに対して、本実施形態では、燃料塔20内に燃料として炭化水素に加えて水素(H2)が供給される。H2と金属粒子mgとの還元反応は弱発熱反応であるため、当該反応により燃料塔20内の温度低下が抑制される。H2を用いた弱発熱反応は、直接燃料塔20内を加熱するため、外部ヒータよりも放熱損失が少ない。この結果、本実施形態の燃焼システム100全体のエネルギ効率を向上させることができる。
First Embodiment
FIG. 1 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (hereinafter, simply referred to as a "combustion system") 100 according to an embodiment of the present invention. In the combustion system 100, an air tower side loop seal (loop seal) 60 arranged between an oxidation tower 10 for oxidizing metal particles mg and a fuel tower 20 for reducing metal particles mg suppresses nitrogen flowing from the oxidation tower 10 to the fuel tower 20, and high-purity carbon dioxide (CO 2 ) is recovered from the fuel tower 20. In a conventional chemical looping combustion system, the temperature in the fuel tower 20 is lowered by an endothermic reaction caused by the reduction of metal particles mg and hydrocarbons (compounds containing carbon) in the fuel tower 20, so the inside of the fuel tower 20 is heated by an external heater. In contrast, in this embodiment, hydrogen (H 2 ) is supplied as fuel to the fuel tower 20 in addition to hydrocarbons. Since the reduction reaction between H 2 and metal particles mg is a weakly exothermic reaction, the reaction suppresses the temperature drop in the fuel tower 20. The weakly exothermic reaction using H2 directly heats the inside of the fuel tower 20, and therefore the heat loss is smaller than that of an external heater. As a result, the energy efficiency of the entire combustion system 100 of this embodiment can be improved.

燃焼システム100内には、酸化塔10内での酸化と、燃料塔20内での還元とを繰り返して、空気中の酸素(O2)を酸化塔10から燃料塔20へと運ぶ金属粒子mgが循環している。本実施形態では、金属粒子mgとしてFe34の酸化反応を用いた例について説明する。金属粒子mgの粒径は、50mm以上250mm以下である。図1に示されるように、第1実施形態の燃焼システム100は、酸化塔10と、燃料塔20と、空気塔側ループシール部60と、燃料塔側ループシール部70と、サイクロン15と、脱水器40と、を備えている。 In the combustion system 100, metal particles (mg) are circulated to carry oxygen ( O2 ) in the air from the oxidation tower 10 to the fuel tower 20 by repeating oxidation in the oxidation tower 10 and reduction in the fuel tower 20. In this embodiment, an example in which an oxidation reaction of Fe3O4 is used as the metal particles (mg ) is described. The particle size of the metal particles (mg) is 50 mm or more and 250 mm or less. As shown in FIG. 1, the combustion system 100 of the first embodiment includes an oxidation tower 10, a fuel tower 20, an air tower side loop seal unit 60, a fuel tower side loop seal unit 70, a cyclone 15, and a dehydrator 40.

酸化塔10は、O2を含む空気を用いて、下記式(1)に示される反応を生じさせてFe3O4を酸化させる。式(1)の酸化反応は発熱反応である。そのため、式(1)の反応が発生することにより熱が生じて、酸化塔10内のガスが暖められ、酸化塔10内はおよそ摂氏1000度(℃)まで加熱される。

Figure 2024148424000002
The oxidation tower 10 uses air containing O2 to oxidize Fe3O4 by causing the reaction shown in the following formula (1). The oxidation reaction of formula (1) is an exothermic reaction. Therefore, the reaction of formula (1) generates heat, which warms the gas in the oxidation tower 10, and the inside of the oxidation tower 10 is heated to approximately 1000 degrees Celsius (°C).
Figure 2024148424000002

酸化塔10は、図1に示されるように、鉛直方向に延びる筒状の形状を有している。酸化塔10内の鉛直下方には、シール10Sが設けられている。シール10Sは、複数の細かい穴が開いた部材である。シール10Sにより、酸化塔10の鉛直下方から供給される空気が酸化塔10内に流入して金属粒子mgを鉛直上方に運ぶ。一方で、シール10Sに設けられた穴の大きさは金属粒子mgよりも小さいため、金属粒子mgがシール10Sを通過して酸化塔10から漏れ出すことを防止する。なお、酸化塔10内の鉛直上方へと向かうガス流速は、重力とガス流れによる抗力が釣り合う終端速度、または、終端速度以上の速度に設定されている。 As shown in FIG. 1, the oxidation tower 10 has a cylindrical shape extending vertically. A seal 10S is provided vertically below the oxidation tower 10. The seal 10S is a member with multiple small holes. The seal 10S allows air supplied from vertically below the oxidation tower 10 to flow into the oxidation tower 10 and carry the metal particles mg vertically upward. On the other hand, the size of the holes provided in the seal 10S is smaller than the metal particles mg, so that the metal particles mg are prevented from passing through the seal 10S and leaking out of the oxidation tower 10. The gas flow velocity moving vertically upward in the oxidation tower 10 is set to a terminal velocity at which the resistance of gravity and the gas flow are balanced, or a velocity greater than the terminal velocity.

酸化塔10内で酸化された金属粒子mgは、配管を介して接続されているサイクロン15内に流入する。サイクロン15は、遠心力を利用して金属粒子mgと、加熱されたガスとを分離する。図1に示されるように酸化塔10内で加熱されたガスは、サイクロン15の鉛直上方から流出して熱利用先へと供給される。熱利用先に供給されるガスの組成は、酸化塔10内における金属粒子mgの酸化によりO2が減少しているため、ほとんどがN2で構成されている。サイクロン15内でガスと分離された金属粒子mgは、図1に示されるように、サイクロン15の中心部分に設けられた鉛直下方に延びる配管内を通って、空気塔側ループシール部60へと移動する。 The metal particles mg oxidized in the oxidation tower 10 flow into the cyclone 15 connected via a pipe. The cyclone 15 separates the metal particles mg from the heated gas by using centrifugal force. As shown in FIG. 1, the gas heated in the oxidation tower 10 flows out from the vertically upper part of the cyclone 15 and is supplied to the heat utilization destination. The composition of the gas supplied to the heat utilization destination is mostly composed of N 2 because O 2 has been reduced due to the oxidation of the metal particles mg in the oxidation tower 10. The metal particles mg separated from the gas in the cyclone 15 move to the air tower side loop seal section 60 through a pipe extending vertically downward provided in the center part of the cyclone 15 as shown in FIG. 1.

空気塔側ループシール部60は、図1に示されるように、酸化塔10の下流側、かつ、燃料塔20の上流側に配置されている。空気塔側ループシール部60の鉛直下方には、シール60Sが設けられている。シール60Sは、複数の細かい穴が開いた部材である。シール60Sに形成された細かい穴は、金属粒子mgの粒径よりも小さい。そのため、図1に示されるように、シール60Sの上面には複数の金属粒子mgで形成された粒子層(ハッチングが施された部分)が形成されている。ここで水蒸気を用いるのは、水蒸気が燃料塔20に流入しても、脱水器40により除去できるためである。 As shown in FIG. 1, the air tower side loop seal section 60 is disposed downstream of the oxidation tower 10 and upstream of the fuel tower 20. A seal 60S is provided vertically below the air tower side loop seal section 60. The seal 60S is a member with multiple small holes. The small holes formed in the seal 60S are smaller than the particle size of the metal particles mg. Therefore, as shown in FIG. 1, a particle layer (hatched portion) formed of multiple metal particles mg is formed on the upper surface of the seal 60S. The reason for using water vapor here is that even if water vapor flows into the fuel tower 20, it can be removed by the dehydrator 40.

空気塔側ループシール部60では、シール60Sの鉛直下方から水蒸気が供給される。供給された水蒸気は、シール60Sを通過して、空気塔側ループシール部60の下流側に接続されている燃料塔20に流入する。シール60Sの下方から空気塔側ループシール部60内に水蒸気が供給されるため、N2を主成分とするガスが、粒子層を通過してサイクロン15から燃料塔20へと流入することが抑制される。 In the air tower side loop seal section 60, water vapor is supplied from vertically below the seal 60S. The supplied water vapor passes through the seal 60S and flows into the fuel tower 20 connected to the downstream side of the air tower side loop seal section 60. Since water vapor is supplied into the air tower side loop seal section 60 from below the seal 60S, the gas mainly composed of N2 is prevented from passing through the particle layer and flowing from the cyclone 15 into the fuel tower 20.

空気塔側ループシール部60と燃料塔20とを接続する配管には、空気塔側ループシール部60から燃料塔20へと流動する流動床が配置されている。流動床の流動により、筒状の空気塔側ループシール部60から排出された金属粒子mgは、燃料塔20へと移動する。 A fluidized bed that flows from the air tower side loop seal part 60 to the fuel tower 20 is arranged in the piping that connects the air tower side loop seal part 60 and the fuel tower 20. Due to the flow of the fluidized bed, the metal particles mg discharged from the cylindrical air tower side loop seal part 60 move to the fuel tower 20.

本実施形態では、燃料塔20には、燃料としての水素(H2)およびメタン(CH4)が供給されると共に、酸化塔10から酸化された金属粒子mgおよび空気塔側ループシール部60に供給された水蒸気を含むガスが供給される。燃料塔20は、H2およびCH4を用いて金属粒子mgを還元する。CH4と金属粒子mgとの還元反応により発生したCO2を含む混合ガスは排出される。 In this embodiment, the fuel tower 20 is supplied with hydrogen ( H2 ) and methane ( CH4 ) as fuel, as well as with a gas containing the oxidized metal particles mg from the oxidation tower 10 and water vapor supplied to the air tower side loop seal unit 60. The fuel tower 20 reduces the metal particles mg using H2 and CH4 . A mixed gas containing CO2 generated by the reduction reaction between CH4 and the metal particles mg is discharged.

燃料塔20は、図1に示されるように、鉛直方向に延びる筒状の形状を有している。燃料塔20内の鉛直下方には、シール20Sが設けられている。シール20Sは、複数の細かい穴が開いた部材である。燃料塔20では、シール20Sの下方から気体の燃料が供給される。なお、燃料塔20内のガス流速は、終端速度よりも遅い速度に設定され、燃料塔20の情報から金属粒子mgが飛び出さないように制御されている。 As shown in FIG. 1, the fuel tower 20 has a cylindrical shape that extends vertically. A seal 20S is provided vertically below the fuel tower 20. The seal 20S is a member with multiple small holes. In the fuel tower 20, gaseous fuel is supplied from below the seal 20S. The gas flow rate within the fuel tower 20 is set to a rate slower than the terminal velocity, and is controlled based on information from the fuel tower 20 so that metal particles mg do not fly out.

燃料としてのCH4が供給された燃料塔20内では、上記式(1)で示される酸化塔10内で酸化された金属粒子mgであるFe23が、下記式(2)で示されるようにCH4により還元されてFe34に変化し、CO2を発生させる。下記式(3)で表される還元反応は、吸熱反応である。 In the fuel tower 20 to which CH4 is supplied as fuel, Fe2O3 , which is the metal particles mg oxidized in the oxidation tower 10 shown in the above formula ( 1 ), is reduced by CH4 to Fe3O4 as shown in the following formula (2), generating CO2 . The reduction reaction shown in the following formula (3) is an endothermic reaction.

Figure 2024148424000003
Figure 2024148424000003

また、CH4と共に燃料としてのH2が供給された燃料塔20内では、酸化された金属粒子mgであるFe23が、下記式(3)で示されるようにH2により還元されてFe34に変化する。下記式(3)で表される還元反応は、弱発熱反応である。そのため、下記式(3)の弱発熱反応が発生すると、燃料塔20内は加熱される。 In the fuel tower 20 to which H2 as fuel is supplied together with CH4 , Fe2O3 , which is oxidized metal particles mg, is reduced to Fe3O4 by H2 as shown in the following formula (3 ) . The reduction reaction shown in the following formula (3) is a weakly exothermic reaction. Therefore, when the weakly exothermic reaction of the following formula (3) occurs, the inside of the fuel tower 20 is heated.

Figure 2024148424000004
Figure 2024148424000004

上記式(1)で表される酸化塔10内の酸化反応と、上記式(2)で表される燃料塔20内のCH4の還元反応との和を取ると、燃料塔20内でのCH4による還元反応を含めた酸化塔10および燃料塔20の反応は、下記式(4)に示されるCH4の燃焼と同じ反応である。すなわち、金属粒子mgの酸化と、CH4による金属粒子mgの還元とで得られる熱の総量(酸化塔10の発熱と燃料塔20の吸熱との和)は、CH4の燃焼と同一である。

Figure 2024148424000005
When the oxidation reaction in the oxidation tower 10 represented by the above formula (1) and the reduction reaction of CH4 in the fuel tower 20 represented by the above formula (2) are taken as the sum, the reactions in the oxidation tower 10 and the fuel tower 20, including the reduction reaction by CH4 in the fuel tower 20, are the same as the combustion of CH4 represented by the following formula (4). In other words, the total amount of heat obtained by the oxidation of the metal particles mg and the reduction of the metal particles mg by CH4 (the sum of the heat generated by the oxidation tower 10 and the heat absorbed by the fuel tower 20) is the same as the combustion of CH4 .
Figure 2024148424000005

図1に示されるように、燃料塔20内における還元反応により生成されたCO2を含む混合ガスは、燃料塔20の鉛直上方から流出して脱水器40へと送られる。脱水器40により水蒸気が取り除かれた高純度のCO2は、CO2の利用先に送られる。CO2の利用先としては、例えば、CO2を液化または高圧化して貯蔵する貯蔵タンク等である。 1, the mixed gas containing CO2 produced by the reduction reaction in the fuel tower 20 flows out from the vertically upper part of the fuel tower 20 and is sent to the dehydrator 40. The high-purity CO2 from which water vapor has been removed by the dehydrator 40 is sent to a destination where the CO2 will be used. For example, the destination where the CO2 will be used is a storage tank where the CO2 is liquefied or pressurized and stored.

燃料塔20内における還元反応により還元された金属粒子mgは、図1に示されるように、燃料塔20の中心部分に設けられた鉛直下方に延びる配管内を通って、燃料塔側ループシール部70へと移動する。 The metal particles (mg) reduced by the reduction reaction in the fuel tower 20 move to the fuel tower side loop seal section 70 through a pipe extending vertically downward in the center of the fuel tower 20, as shown in FIG. 1.

燃料塔20内から金属粒子mgが供給される燃料塔側ループシール部70は、燃料塔20の下流側、かつ、酸化塔10の上流側に配置されている。燃料塔側ループシール部70は、空気塔側ループシール部60と同じ構成を有している。燃料塔側ループシール部70の鉛直下方には、シール70Sが設けられている。シール70Sは、複数の細かい穴が開いた部材である。燃料塔側ループシール部70では、シール70Sの鉛直下方から水蒸気が供給される。供給された水蒸気は、シール70Sを通過して、燃料塔側ループシール部70の下流側に接続されている酸化塔10に流入する。燃料塔側ループシール部70と酸化塔10とを接続する配管には、燃料塔側ループシール部70から酸化塔10へと流動する流動床が配置されている。流動床の流動により、筒状の燃料塔側ループシール部70内の金属粒子mgは、酸化塔10へと移動する。以上説明したように、金属粒子mgは、酸化塔10内で酸化され、燃料塔20内で還元され、酸化塔10と燃料塔20との間を循環する。 The fuel tower side loop seal section 70, to which the metal particles mg are supplied from the fuel tower 20, is arranged downstream of the fuel tower 20 and upstream of the oxidation tower 10. The fuel tower side loop seal section 70 has the same configuration as the air tower side loop seal section 60. A seal 70S is provided vertically below the fuel tower side loop seal section 70. The seal 70S is a member with multiple fine holes. In the fuel tower side loop seal section 70, water vapor is supplied from vertically below the seal 70S. The supplied water vapor passes through the seal 70S and flows into the oxidation tower 10 connected to the downstream side of the fuel tower side loop seal section 70. A fluidized bed that flows from the fuel tower side loop seal section 70 to the oxidation tower 10 is arranged in the piping connecting the fuel tower side loop seal section 70 and the oxidation tower 10. Due to the flow of the fluidized bed, the metal particles mg in the cylindrical fuel tower side loop seal section 70 move to the oxidation tower 10. As described above, the metal particles mg are oxidized in the oxidation tower 10, reduced in the fuel tower 20, and circulated between the oxidation tower 10 and the fuel tower 20.

図2は、ケミカルループ燃焼の原理の説明図である。図2には、燃焼システム100の概略ブロック図が示されている。なお、図2では、金属粒子mgとして用いられる金属の原子(または分子)を、Meとして表現している。 Figure 2 is an explanatory diagram of the principle of chemical looping combustion. Figure 2 shows a schematic block diagram of a combustion system 100. In Figure 2, the metal atoms (or molecules) used as the metal particles mg are represented as Me.

酸化塔10では、酸化ガスとしての空気が供給されて、金属粒子mgの酸化反応による反応熱がCO2を含まない高温のN2として熱利用先に供給される。燃料塔20では、酸化された金属粒子mgがH2およびCH4などの燃料に還元されて、還元反応により生成されたCO2を含む混合ガスが脱水器40に供給される。なお、H2により金属粒子mgが還元される場合にはCO2が発生しない。脱水器40で混合ガス中のH2Oが除去されて、高純度のCO2を含む混合ガスがCO2利用先に供給される。 In the oxidation tower 10, air is supplied as an oxidation gas, and the reaction heat from the oxidation reaction of the metal particles mg is supplied to the heat utilization destination as high-temperature N2 containing no CO2 . In the fuel tower 20 , the oxidized metal particles mg are reduced to fuels such as H2 and CH4 , and the mixed gas containing CO2 generated by the reduction reaction is supplied to the dehydrator 40. Note that when the metal particles mg are reduced by H2, no CO2 is generated. The dehydrator 40 removes H2O from the mixed gas, and the mixed gas containing high-purity CO2 is supplied to the CO2 utilization destination.

<比較例>
図3は、比較例のケミカルルーピング燃焼システム(燃焼システム)100xの概略ブロック図である。図3に示される比較例の燃焼システム100xでは、図1に示される燃焼システム100と比較して、燃料塔20x内に燃料としてCH4が供給され、H2が供給されない。そのため、比較例の燃料塔20x内では、H2による金属粒子mgの還元反応が発生しない、すなわち、H2と金属粒子mgとの弱発熱反応が発生しない。比較例では、弱発熱反応によって燃料塔20内が加熱されないため、燃焼システム100xは、燃料塔20内を加熱するヒータ25を備えている。
Comparative Example
3 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100x of a comparative example. In the combustion system 100x of the comparative example shown in FIG. 3, CH 4 is supplied as fuel into the fuel tower 20x, and H 2 is not supplied, as compared with the combustion system 100 shown in FIG. 1. Therefore, in the fuel tower 20x of the comparative example, a reduction reaction of metal particles mg by H 2 does not occur, that is, a weak exothermic reaction between H 2 and metal particles mg does not occur. In the comparative example, since the inside of the fuel tower 20 is not heated by the weak exothermic reaction, the combustion system 100x is provided with a heater 25 that heats the inside of the fuel tower 20.

それに対して、本実施形態の燃焼システム100では、燃料塔20には、燃料としての水素(H2)およびメタン(CH4)が供給される。燃料塔20では、燃料としてのH2およびCH4が、酸化塔10から酸化された金属粒子mgを還元する。本実施形態では、燃料塔20内では、酸化した金属粒子mgをCH4が還元することにより吸熱反応が発生する。一方で、CH4に加えて燃料塔20に供給されるH2が、酸化した金属粒子mgを還元することにより弱発熱反応が発生する。そのため、CH4が金属粒子mgを還元することによる吸熱反応により失う熱量の全てまたは一部を、H2が金属粒子mgを還元することによる弱発熱反応の熱量で補うことができる。燃料塔20内を弱発熱反応により直接加熱するため、本実施形態では、比較例のような外部からヒータ25を用いた加熱よりも放熱損失が少ない。この結果、燃料としてCH4のみが燃料塔20に供給された場合よりも、燃焼システム100全体のエネルギ効率が向上する。 In contrast, in the combustion system 100 of this embodiment, hydrogen (H 2 ) and methane (CH 4 ) are supplied to the fuel tower 20 as fuel. In the fuel tower 20, H 2 and CH 4 as fuels reduce the oxidized metal particles mg from the oxidation tower 10. In this embodiment, an endothermic reaction occurs in the fuel tower 20 as CH 4 reduces the oxidized metal particles mg. Meanwhile, H 2 supplied to the fuel tower 20 in addition to CH 4 reduces the oxidized metal particles mg, causing a weakly exothermic reaction. Therefore, all or part of the heat lost by the endothermic reaction caused by CH 4 reducing the metal particles mg can be compensated for by the heat of the weakly exothermic reaction caused by H 2 reducing the metal particles mg. Since the inside of the fuel tower 20 is directly heated by the weakly exothermic reaction, in this embodiment, the heat loss is smaller than that of heating using the heater 25 from the outside as in the comparative example. As a result, the energy efficiency of the entire combustion system 100 is improved compared to the case where only CH 4 is supplied to the fuel tower 20 as fuel.

<第2実施形態>
図4は、第2実施形態のケミカルルーピング燃焼システム(燃焼システム)100aの概略ブロック図である。第2実施形態の燃焼システム100aは、図4に示されるように、さらに、水の電気分解してH2とO2とを生成する水電解装置(水電解部)30を備えている。第2実施形態の燃焼システム100aでは、第1実施形態の燃焼システム100と比較して、燃料塔20に供給されるH2が水電解装置30の水電解により生成されたH2であること、および、水電解により生成されたO2が燃料塔20に供給されることが異なる。第2実施形態では、第1実施形態と異なる構成について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。
Second Embodiment
4 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100a of the second embodiment. As shown in FIG. 4, the combustion system 100a of the second embodiment further includes a water electrolysis device (water electrolysis unit) 30 that electrolyzes water to generate H 2 and O 2. The combustion system 100a of the second embodiment is different from the combustion system 100 of the first embodiment in that the H 2 supplied to the fuel tower 20 is H 2 generated by water electrolysis in the water electrolysis device 30, and O 2 generated by water electrolysis is supplied to the fuel tower 20. In the second embodiment, the configurations different from those of the first embodiment will be described, and the description of the same configurations will be omitted.

第2実施形態では、燃料塔20内にO2が供給されることにより、上記式(1)で表されるように、燃料塔20内で還元された金属粒子mgの再酸化の発熱反応が発生する。酸化による発熱反応により、燃料塔20内が加熱される。水電解により生成されたO2を燃料塔に供給する場合には、燃料塔20内を加熱するためのH2の供給を節約できる。燃料塔20内に供給されるO2は、空気とは異なりN2を含んでいない。そのため、水電解により生成されたO2が燃料塔20に供給されても、燃料塔20から排出される混合ガス中のCO2濃度の低下を抑制できる。 In the second embodiment, by supplying O2 into the fuel tower 20, an exothermic reaction of reoxidation of the metal particles mg reduced in the fuel tower 20 occurs as expressed by the above formula (1). The inside of the fuel tower 20 is heated by the exothermic reaction due to the oxidation. When O2 generated by water electrolysis is supplied to the fuel tower, it is possible to save on the supply of H2 for heating the inside of the fuel tower 20. Unlike air, O2 supplied into the fuel tower 20 does not contain N2 . Therefore, even if O2 generated by water electrolysis is supplied to the fuel tower 20, a decrease in the CO2 concentration in the mixed gas discharged from the fuel tower 20 can be suppressed.

以上のように、第2実施形態の水電解装置30は、水の電気分解してH2とO2とを生成する。生成されたH2およびO2は、燃料塔20に供給される。第2実施形態では、燃料塔20に流入したO2は、燃料塔20内でCH4またはH2により還元された金属粒子mgを再酸化する。O2が金属粒子mgを酸化することによる発熱反応によって燃料塔20内が加熱される。水電解により生成されるO2は、空気中のO2と異なり、N2などの不純物を含んでいないため、燃料塔20から高純度のCO2を回収できる。さらに、O2は、水電解により生成されるH2の副産物であるため、燃焼システム100a全体のエネルギ効率が向上する。 As described above, the water electrolysis device 30 of the second embodiment electrolyzes water to generate H 2 and O 2. The generated H 2 and O 2 are supplied to the fuel tower 20. In the second embodiment, the O 2 that flows into the fuel tower 20 reoxidizes the metal particles mg that have been reduced by CH 4 or H 2 in the fuel tower 20. The inside of the fuel tower 20 is heated by an exothermic reaction caused by the oxidation of the metal particles mg by O 2 . Unlike the O 2 in the air, the O 2 generated by water electrolysis does not contain impurities such as N 2 , so that high-purity CO 2 can be recovered from the fuel tower 20. Furthermore, since O 2 is a by-product of the H 2 generated by water electrolysis, the energy efficiency of the entire combustion system 100a is improved.

<第3実施形態>
図5は、第3実施形態のケミカルルーピング燃焼システム(燃焼システム)100bの概略ブロック図である。第3実施形態の燃焼システム100bでは、第2実施形態の燃焼システム100aと比較して、水電解装置30bで生成されたO2が燃料塔20の代わりに空気塔側ループシール部60に供給される点が異なる。第3実施形態では、第2実施形態と異なる構成について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。
Third Embodiment
5 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100b of the third embodiment. The combustion system 100b of the third embodiment is different from the combustion system 100a of the second embodiment in that O2 generated in the water electrolysis device 30b is supplied to the air tower side loop seal part 60 instead of the fuel tower 20. In the third embodiment, the configurations different from the second embodiment will be described, and the description of the same configurations will be omitted.

第3実施形態では、空気塔側ループシール部60のシール60Sの下方から水蒸気と共に、水電解装置30bで生成されたO2が供給される。空気塔側ループシール部60にO2が供給されると、一部のO2は燃料塔20へと流入し、残りのO2はサイクロン15へと流入する。燃料塔20へと流入するO2は、第2実施形態で燃料塔20に供給されるO2と同様に、燃料塔20内で還元された金属粒子mgと反応する。O2と金属粒子mgとの酸化反応の発熱により、燃料塔20内が加熱される。 In the third embodiment, O2 generated in the water electrolysis device 30b is supplied together with water vapor from below the seal 60S of the air tower side loop seal section 60. When O2 is supplied to the air tower side loop seal section 60, some of the O2 flows into the fuel tower 20, and the remaining O2 flows into the cyclone 15. The O2 flowing into the fuel tower 20 reacts with the reduced metal particles mg in the fuel tower 20, similar to the O2 supplied to the fuel tower 20 in the second embodiment. The inside of the fuel tower 20 is heated by heat generated by the oxidation reaction between O2 and the metal particles mg.

以上のように、第3実施形態では、水電解装置30bで生成されたO2が燃料塔20の代わりに空気塔側ループシール部60に供給される。空気塔側ループシール部60では、金属粒子mgの流動を促進して、金属粒子mg同士の凝縮および固着を防止するために水蒸気などのガスが供給されることが好ましい。さらに、空気塔側ループシール部60内に供給されるガスは、燃料塔20へと流入する可能性があるため、N2などの不純物を含んでいないことが好ましい。空気塔側ループシール部60に供給されたO2は、酸化塔10から空気塔側ループシール部60内に流入しようとするN2などの不純物の流入を抑制する。また、空気塔側ループシール部60内にO2が供給されることにより、不純物の流入を防ぐための水蒸気の流量を低減できる。すなわち、空気塔側ループシール部60内に供給されるO2は、水電解により生成されるH2の副産物であり、燃料塔20内で金属粒子mgを再酸化させて燃料塔20内を加熱するため、燃焼システム100b全体のエネルギ効率が向上する。 As described above, in the third embodiment, O 2 generated in the water electrolysis device 30b is supplied to the air tower side loop seal part 60 instead of the fuel tower 20. In the air tower side loop seal part 60, it is preferable to supply a gas such as water vapor to promote the flow of the metal particles mg and prevent the metal particles mg from condensing and adhering to each other. Furthermore, since the gas supplied to the air tower side loop seal part 60 may flow into the fuel tower 20, it is preferable that it does not contain impurities such as N 2. The O 2 supplied to the air tower side loop seal part 60 suppresses the inflow of impurities such as N 2 that are trying to flow from the oxidation tower 10 into the air tower side loop seal part 60. In addition, by supplying O 2 into the air tower side loop seal part 60, the flow rate of water vapor to prevent the inflow of impurities can be reduced. That is, the O 2 supplied to the air tower side loop seal part 60 is a by-product of H 2 generated by water electrolysis, and reoxidizes the metal particles mg in the fuel tower 20 to heat the inside of the fuel tower 20, thereby improving the energy efficiency of the entire combustion system 100b.

<第4実施形態>
図6は、第4実施形態のケミカルルーピング燃焼システム(燃焼システム)100cの概略ブロック図である。第4実施形態の燃焼システム100cは、第1実施形態の燃焼システム100と比較して、燃料塔20に供給される燃料としてのCH4およびH2の流量が制御される点が大きく異なる。第4実施形態では、第1実施形態と異なる構成および制御について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。
Fourth Embodiment
6 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100c of the fourth embodiment. The combustion system 100c of the fourth embodiment is significantly different from the combustion system 100 of the first embodiment in that the flow rates of CH4 and H2 as fuels supplied to the fuel tower 20 are controlled. In the fourth embodiment, the configuration and control different from those of the first embodiment will be described, and the description of the same configuration and the like will be omitted.

第4実施形態の燃焼システム100cは、図6に示されるように、さらに、燃料塔20内の温度TFRを検出する温度センサ(温度取得部)26と、検出された燃料塔20内の温度TFRを用いて燃料塔20に供給されるCH4とH2との流量を制御する制御部50とを備えている。本実施形態の温度センサ26は、燃料塔20に挿入された熱電対である。 6, the combustion system 100c of the fourth embodiment further includes a temperature sensor (temperature acquisition unit) 26 that detects the temperature TFR in the fuel tower 20, and a control unit 50 that controls the flow rates of CH4 and H2 supplied to the fuel tower 20 using the detected temperature TFR in the fuel tower 20. The temperature sensor 26 of this embodiment is a thermocouple inserted in the fuel tower 20.

図6には図示されていないが、燃焼システム100cは、燃料塔20に供給されるCH4およびH2の流量のそれぞれを制御するバルブを備えている。制御部50は、燃料塔20内の温度TFRと、所定の温度である目標温度TFR_tarとの差に応じて、燃料塔20に供給するH2の流量QFR_H2およびCH4の流量QFR_HCを決定する。 6, the combustion system 100c includes valves for controlling the flow rates of CH4 and H2 supplied to the fuel tower 20. The control unit 50 determines the flow rate QFR_H2 of H2 and the flow rate QFR_HC of CH4 supplied to the fuel tower 20 according to the difference between the temperature TFR in the fuel tower 20 and a target temperature TFR_tar , which is a predetermined temperature.

本実施形態の制御部50は、下記式(5)に温度センサ25により検出された燃料塔20内の温度TFRを代入することにより、現時点の時刻tからΔt秒後に、燃料塔20に供給するH2の流量QFR_H2を決定する。なお、式(5)におけるk1は、正の定数であり、ユーザが任意に設定できる。

Figure 2024148424000006
The control unit 50 of this embodiment determines the flow rate QFR_H2 of H2 to be supplied to the fuel tower 20 Δt seconds after the current time t by substituting the temperature TFR in the fuel tower 20 detected by the temperature sensor 25 into the following formula (5). Note that k1 in formula (5) is a positive constant and can be set arbitrarily by the user.
Figure 2024148424000006

ここで、燃料としてのCH4とH2とのいずれも、酸化された金属粒子mgと反応する。そのため、本実施形態の制御部50は、H2の流量QFR_H2を増加させた場合に、他方のCH4の流量QFR_HCを減少させる。一方で、制御部50は、H2の流量QFR_H2を減少させた場合に、他方のCH4の流量QFR_HCを増加させる。ここで、時刻tからΔt秒後のCH4の流量QFR_HC(t+Δt)は、下記式(6)のように表される。 Here, both CH4 and H2 as fuel react with the oxidized metal particles mg. Therefore, in this embodiment, when the flow rate QFR_H2 of H2 is increased, the control unit 50 decreases the flow rate QFR_HC of the other CH4 . On the other hand, when the flow rate QFR_H2 of H2 is decreased, the control unit 50 increases the flow rate QFR_HC of the other CH4 . Here, the flow rate QFR_HC (t+Δt) of CH4 Δt seconds after time t is expressed as in the following formula (6).

Figure 2024148424000007
1:1molのCH4で還元できる金属粒子量(mol(金属)/mol(CH4))
1:1molのH2で還元できる金属粒子量(mol(金属)/mol(H2))
本実施形態では、上記式(2),(3)の還元反応が発生するため、上記式(5)において、a1=12,b1=3である。
Figure 2024148424000007
a1 : Amount of metal particles that can be reduced by 1 mol of CH4 (mol (metal)/mol ( CH4 ))
b1 : Amount of metal particles that can be reduced by 1 mol of H2 (mol (metal)/mol ( H2 ))
In this embodiment, since the reduction reactions of the above formulas (2) and (3) occur, a 1 =12 and b 1 =3 in the above formula (5).

図7は、第4実施形態の燃料の流量制御方法のフローチャートである。図7に示される流量制御フローでは、初めに、燃焼システム100cの制御を開始する(ステップS1)。制御部50は、温度センサ26を介して、燃料塔20内の温度TFRを取得する(ステップS2)。制御部50は、上記式(5)に温度TFRを代入することにより、燃料塔20に供給するH2の流量QFR_H2を決定する(ステップS3)。決定された流量QFR_H2のH2が燃料塔20に供給される。 7 is a flowchart of the fuel flow rate control method of the fourth embodiment. In the flow rate control flow shown in FIG. 7, first, control of the combustion system 100c is started (step S1). The control unit 50 acquires the temperature TFR in the fuel tower 20 via the temperature sensor 26 (step S2). The control unit 50 determines the flow rate QFR_H2 of H2 to be supplied to the fuel tower 20 by substituting the temperature TFR into the above formula (5) (step S3). H2 at the determined flow rate QFR_H2 is supplied to the fuel tower 20.

制御部50は、決定されたH2の流量QFR_H2を上記式(6)に代入することにより、燃料塔20に供給するCH4の流量を決定する(ステップS4)。決定された流量QFR_HCのCH4が燃料塔20に供給される。制御部50は、CH4の流量QFR_HCを決定してから所定の時間Δtが経過したか否かを判定する(ステップS5)。所定の時間Δtが経過していないと判定された場合には(ステップS5:NO)、制御部50は、所定の時間Δtが経過するまで待機する。 The control unit 50 determines the flow rate of CH4 to be supplied to the fuel tower 20 by substituting the determined flow rate QFR_H2 of H2 into the above formula (6) (step S4). CH4 at the determined flow rate QFR_HC is supplied to the fuel tower 20. The control unit 50 determines whether or not a predetermined time Δt has elapsed since the determination of the flow rate QFR_HC of CH4 (step S5). If it is determined that the predetermined time Δt has not elapsed (step S5: NO), the control unit 50 waits until the predetermined time Δt has elapsed.

所定の時間Δtが経過したと判定された場合には(ステップS5:YES)、制御部50は、流量制御フローを終了するか否かを判定する(ステップS6)。制御部50は、例えば、ユーザから終了の操作を受け付けたか否かを判定することにより、流量制御フローを終了するか否かを判定する。流量制御フローを終了しないと判定された場合には(ステップS6:NO)、ステップS2以降の処理が繰り返される。流量制御フローを終了すると判定された場合には(ステップS6:YES)、流量制御フローが終了する。なお、流量制御フローを終了するか否かの判定は、他の処理が行われているときに割り込んで判定されてもよい。 When it is determined that a predetermined time Δt has elapsed (step S5: YES), the control unit 50 determines whether or not to end the flow control flow (step S6). The control unit 50 determines whether or not to end the flow control flow, for example, by determining whether or not an end operation has been received from the user. When it is determined that the flow control flow is not to be ended (step S6: NO), the processing from step S2 onwards is repeated. When it is determined that the flow control flow is to be ended (step S6: YES), the flow control flow is ended. Note that the determination of whether or not to end the flow control flow may be made by interrupting the processing while other processing is being performed.

以上のように、本実施形態の制御部50は、温度センサ26により検出された燃料塔20内の温度TFRと、目標温度TFR_tarとの差を用いて燃料塔20に供給されるCH4流量QFR_HCと、H2ノ流量QFR_H2とを決定する。燃料塔20内の温度TFRに応じて燃料のH2とCH4との流量割合が制御される。これにより、燃料塔20内の温度TFRに応じて金属粒子mgがH2に還元されることによる弱発熱反応を用いた燃料塔20内の加熱が制御され、かつ、還元される金属粒子mgの量が制御される。この結果、燃料塔20内の温度を目標温度TFR_tarに近づくように制御した上で、酸化された金属粒子mgを還元できる。 As described above, the control unit 50 of this embodiment determines the CH4 flow rate QFR_HC and the H2 flow rate QFR_H2 to be supplied to the fuel tower 20 using the difference between the temperature TFR in the fuel tower 20 detected by the temperature sensor 26 and the target temperature TFR_tar . The flow rate ratio of the fuel H2 and CH4 is controlled according to the temperature TFR in the fuel tower 20. This controls the heating in the fuel tower 20 using the weak exothermic reaction caused by the reduction of the metal particles mg to H2 according to the temperature TFR in the fuel tower 20, and controls the amount of the reduced metal particles mg. As a result, the temperature in the fuel tower 20 can be controlled to approach the target temperature TFR_tar , and the oxidized metal particles mg can be reduced.

<第4実施形態の変形例>
第4実施形態において、燃料塔20に供給されるH2の流量QFR_H2およびCH4の流量QFR_HCの決定方法は、一例であって変形可能である。例えば、制御部50は、下記式(7),(8)で決定されるH2の流量QFR_H2と、CH4の流量QFR_HCとを燃料塔20に供給してもよい。なお、式(7)におけるk2,b2および式(8)におけるQFR_HC_0は、任意に設定される定数である。
<Modification of the Fourth Embodiment>
In the fourth embodiment, the method of determining the flow rate QFR_H2 of H2 and the flow rate QFR_HC of CH4 supplied to the fuel tower 20 is one example and can be modified. For example, the control unit 50 may supply the flow rate QFR_H2 of H2 and the flow rate QFR_HC of CH4 determined by the following equations (7) and (8) to the fuel tower 20. Note that k2 and b2 in equation (7) and QFR_HC_0 in equation (8) are constants that are set arbitrarily.

Figure 2024148424000008
Figure 2024148424000008
Figure 2024148424000009
Figure 2024148424000009

<第5実施形態>
図8は、第5実施形態のケミカルルーピング燃焼システム(燃焼システム)100dの概略ブロック図である。第5実施形態の燃焼システム100dは、第2実施形態の燃焼システム100aと比較して、水電解装置30dにより生成されるH2およびO2の流量が変動し、制御部50dが変動するH2およびO2の流量に応じて、燃料塔20に供給するガスの流量を制御することが大きく異なる。第5実施形態では、第2実施形態と異なる構成および制御について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。
Fifth Embodiment
8 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100d of the fifth embodiment. The combustion system 100d of the fifth embodiment is significantly different from the combustion system 100a of the second embodiment in that the flow rates of H2 and O2 generated by the water electrolysis device 30d fluctuate, and the control unit 50d controls the flow rate of the gas supplied to the fuel tower 20 in response to the fluctuating flow rates of H2 and O2 . In the fifth embodiment, the configuration and control different from those of the second embodiment will be described, and the description of the same configuration and the like will be omitted.

燃焼システム100dは、図8に示されるように、さらに、制御部50dと、水電解装置30dにより生成されるH2を貯蔵可能な水素タンク35と、水電解装置30dに水電解のための電力を供給する変動性電力供給装置(電力供給装置)PWとを備えている。電力供給装置PWは、いわゆる太陽電池である。そのため、電力供給装置PWは、日中に太陽光発電を行って水電解装置30dに電力を供給し、夜間には水電解装置30dに電力を供給しない。 8, the combustion system 100d further includes a control unit 50d, a hydrogen tank 35 capable of storing H2 generated by the water electrolysis device 30d, and a variable power supply device (power supply device) PW that supplies power for water electrolysis to the water electrolysis device 30d. The power supply device PW is a so-called solar cell. Therefore, the power supply device PW generates solar power during the day to supply power to the water electrolysis device 30d, and does not supply power to the water electrolysis device 30d at night.

本実施形態の制御部50dは、電力供給装置PWから水電解装置30dに電力の供給有無を検出する。また、制御部50dは、図8に図示されていない各種バルブの開閉を制御することにより、燃料塔20に供給されるCH4の流量QFR_HCと、O2の流量QFR_O2と、水素タンク35から燃料塔20に供給されるH2の流量QFR_H2とを制御する。制御部50dは、電力供給装置PWから電力が供給されて水電解装置30dが水電解を行ってH2およびO2を生成する場合に、生成されたO2をCH4と共に燃料塔20に供給し、生成されたH2を水素タンク35に貯蔵する。一方で、制御部50dは、電力供給装置PWから電力が供給されずに水電解装置30dが水電解を行わない場合に、水素タンク35に貯蔵されたH2をCH4と共に燃料塔20に供給する。なお、水電解時に生成されるH2の一部または全部が燃料塔20に供給されてもよい。 The control unit 50d of this embodiment detects whether or not power is being supplied from the power supply device PW to the water electrolysis device 30d. The control unit 50d also controls the flow rate QFR_HC of CH4 supplied to the fuel tower 20, the flow rate QFR_O2 of O2 , and the flow rate QFR_H2 of H2 supplied from the hydrogen tank 35 to the fuel tower 20 by controlling the opening and closing of various valves not shown in Fig. 8. When power is supplied from the power supply device PW and the water electrolysis device 30d performs water electrolysis to generate H2 and O2 , the control unit 50d supplies the generated O2 together with CH4 to the fuel tower 20 and stores the generated H2 in the hydrogen tank 35. On the other hand, when power is not supplied from the power supply device PW and the water electrolysis device 30d does not perform water electrolysis, the control unit 50d supplies the H2 stored in the hydrogen tank 35 together with CH4 to the fuel tower 20. In addition, a part or all of the H 2 produced during water electrolysis may be supplied to the fuel tower 20.

本実施形態の制御部50dは、下記式(9)により燃料塔20へ供給するO2の流量QFR_O2を決定する。なお、式(9)におけるQO2_WLは、時刻tにおける水電解装置30dのO2の生成量である。また、k3,b3は、ユーザが任意に設定してよい定数である。 The control unit 50d of this embodiment determines the flow rate QFR_O2 of O2 to be supplied to the fuel tower 20 by the following formula (9). Note that QO2_WL in formula (9) is the amount of O2 produced by the water electrolysis device 30d at time t. Also, k3 and b3 are constants that may be arbitrarily set by the user.

Figure 2024148424000010
Figure 2024148424000010

燃料塔20に供給されたO2は、燃料により還元された金属粒子mgを再度酸化させる。そのため、再度酸化した金属粒子mgを還元するために追加の燃料が必要になる。本実施形態では、制御部50dは、追加の燃料として、下記式(10)により決定する流量QFR_H2のH2を供給する。 The O2 supplied to the fuel tower 20 re-oxidizes the metal particles mg that have been reduced by the fuel. Therefore, additional fuel is required to reduce the re-oxidized metal particles mg. In this embodiment, the control unit 50d supplies H2 at a flow rate QFR_H2 determined by the following formula (10) as the additional fuel.

Figure 2024148424000011
c:1molのH2の完全燃焼に必要なO2のmol量(mol(O2)/mol(H2))
Figure 2024148424000011
c: The amount of moles of O2 required for complete combustion of 1 mol of H2 (mol( O2 )/mol( H2 ))

2の燃焼の化学式は下記式(11)により表されるため、式(10)のcは、0.5である。

Figure 2024148424000012
Since the chemical equation for H2 combustion is expressed by the following equation (11), c in equation (10) is 0.5.
Figure 2024148424000012

上記式(9)において、下記関係式(12)が成立する場合には、水電解により生成された流量QFR_O2のO2が燃料塔20に供給されるだけでは、燃料塔20内を十分に加熱できない。この場合には、水電解により生成されるH2による燃料塔20内の加熱が必要になる。この場合に、制御部50dは、燃料塔20に供給されるH2の流量QFR_H2を、上記式(10)の代わりに下記式(13)により決定する。さらに、制御部50dは、燃料塔20に供給されるCH4の流量QFR_HCを、下記式(14)により決定する。k4,b4は、ユーザが任意に設定してよい定数である。 In the above formula (9), if the following relational expression (12) holds, the inside of the fuel tower 20 cannot be heated sufficiently just by supplying O2 generated by water electrolysis at a flow rate QFR_O2 to the fuel tower 20. In this case, it is necessary to heat the inside of the fuel tower 20 with H2 generated by water electrolysis. In this case, the control unit 50d determines the flow rate QFR_H2 of H2 supplied to the fuel tower 20 by the following formula (13) instead of the above formula (10). Furthermore, the control unit 50d determines the flow rate QFR_HC of CH4 supplied to the fuel tower 20 by the following formula (14). k4 and b4 are constants that may be set arbitrarily by the user.

Figure 2024148424000013
Figure 2024148424000013
Figure 2024148424000014
Figure 2024148424000014
Figure 2024148424000015
Figure 2024148424000015

図9は、第5実施形態の燃料の流量制御方法のフローチャートである。図9に示される流量制御フローでは、初めに、燃焼システム100dの制御を開始する(ステップS11)。制御部50dは、温度センサ26を介して、燃料塔20内の温度TFRを取得する(ステップS12)。制御部50dは、電力供給装置PWから水電解装置30dへと電力が供給されているか否かを判定する(ステップS13)。水電解装置30dへと電力が供給されていないと判定された場合には(ステップS13:NO)、制御部50dは、燃料塔20に供給するO2の流量QFR_O2をゼロに決定する(ステップS15A)。この場合に、制御部50dは、第4実施形態と同じように、上記式(5)に温度TFRを代入することにより、燃料塔20に供給するH2の流量QFR_H2を決定する(ステップS16A)。決定された流量QFR_H2のH2が燃料塔20に供給される。また、制御部50dは、決定されたH2の流量QFR_H2を上記式(6)に代入することにより、燃料塔20に供給するCH4の流量を決定する(ステップS17A)。決定された流量QFR_HCのCH4が燃料塔20に供給される。 FIG. 9 is a flowchart of the fuel flow rate control method of the fifth embodiment. In the flow rate control flow shown in FIG. 9, first, control of the combustion system 100d is started (step S11). The control unit 50d acquires the temperature TFR in the fuel tower 20 via the temperature sensor 26 (step S12). The control unit 50d determines whether or not power is supplied from the power supply device PW to the water electrolysis device 30d (step S13). When it is determined that power is not supplied to the water electrolysis device 30d (step S13: NO), the control unit 50d determines the flow rate QFR_O2 of O2 supplied to the fuel tower 20 to be zero (step S15A). In this case, the control unit 50d determines the flow rate QFR_H2 of H2 supplied to the fuel tower 20 by substituting the temperature TFR into the above formula (5) in the same manner as in the fourth embodiment (step S16A). H2 at the determined flow rate QFR_H2 is supplied to the fuel tower 20. In addition, the control unit 50d determines the flow rate of CH4 to be supplied to the fuel tower 20 by substituting the determined flow rate QFR_H2 of H2 into the above formula (6) (step S17A). CH4 at the determined flow rate QFR_HC is supplied to the fuel tower 20.

ステップS13の処理において、水電解装置30dへと電力が供給されていると判定された場合には(ステップS13:YES)、制御部50dは、水電解により生成されるO2の流量QFR_O2を燃料塔20に供給するだけで燃料塔20内を十分に加熱できるか否かを判定する(ステップS14)。本実施形態では、制御部50dは、上記式(12)において左辺に表される、現時点で水電解により生成されるO2の流量QO2_WLが右辺以上か否かで判定する。すなわち、十分なO2が水電解により生成されているか否かが判定される。 When it is determined in the process of step S13 that power is being supplied to the water electrolysis device 30d (step S13: YES), the control unit 50d determines whether the inside of the fuel tower 20 can be sufficiently heated simply by supplying the flow rate QFR_O2 of O2 generated by water electrolysis to the fuel tower 20 (step S14). In this embodiment, the control unit 50d determines whether the flow rate QO2_WL of O2 currently generated by water electrolysis, which is expressed on the left side of the above equation (12), is equal to or greater than the right side. In other words, it is determined whether sufficient O2 is being generated by water electrolysis.

ステップS14の処理において、十分なO2が水電解により生成されており、燃料塔20内を十分に加熱できると判定された場合には(ステップS14:YES)、制御部50dは、CH4の流量QFR_HCを定数の流量QFR_HC_0に決定する(ステップS15B)。決定された流量QFR_HC_0のCH4が燃料塔20に供給される。制御部50dは、上記式(9)を用いて、燃料塔20に供給されるO2の流量QFR_O2を決定する(ステップS16B)。決定された流量QFR_O2のO2が燃料塔20に供給される。制御部50dは、上記式(9)により決定された流量QFR_O2を上記式(10)に代入することにより、燃料塔20に供給するH2の流量QFR_H2を決定する(ステップS17B)。決定された流量QFR_H2のH2が燃料塔に供給される。 In the process of step S14, when it is determined that sufficient O 2 is generated by water electrolysis and the inside of the fuel tower 20 can be sufficiently heated (step S14: YES), the control unit 50d determines the flow rate Q FR_HC of CH 4 to a constant flow rate Q FR_HC_0 (step S15B). CH 4 at the determined flow rate Q FR_HC_0 is supplied to the fuel tower 20. The control unit 50d determines the flow rate Q FR_O2 of O 2 supplied to the fuel tower 20 using the above formula (9) (step S16B). O 2 at the determined flow rate Q FR_O2 is supplied to the fuel tower 20. The control unit 50d determines the flow rate Q FR_H2 of H 2 supplied to the fuel tower 20 by substituting the flow rate Q FR_O2 determined by the above formula (9) into the above formula (10 ) (step S17B). H 2 at the determined flow rate Q FR_H2 is supplied to the fuel tower.

ステップS14の処理において、十分なO2が水電解により生成されずに、燃料塔20内を十分には加熱できないと判定された場合には(ステップS14:NO)、制御部50dは、上記式(9)を用いて燃料塔20に供給するO2の流量QFR_O2を決定する(ステップS15C)。供給された流量QFR_O2のO2が燃料塔20に供給される。制御部50dは、上記式(9)により決定されたO2の流量QFR_O2を上記式(13)に代入することにより、燃料塔20に供給するH2の流量QFR_H2を決定する(ステップS16C)。決定された流量QFR_H2の水素が燃料塔20に供給される。制御部50dは、上記式(14)を用いて燃料塔20に供給するCH4の流量QFR_HCを決定する(ステップS17C)。決定された流量QFR_HCのCH4が燃料塔20に供給される。 In the process of step S14, when it is determined that sufficient O 2 is not generated by water electrolysis and the inside of the fuel tower 20 cannot be sufficiently heated (step S14: NO), the control unit 50d determines the flow rate Q FR_O2 of O 2 to be supplied to the fuel tower 20 using the above formula (9) (step S15C). O 2 at the supplied flow rate Q FR_O2 is supplied to the fuel tower 20. The control unit 50d determines the flow rate Q FR_H2 of H 2 to be supplied to the fuel tower 20 by substituting the flow rate Q FR_O2 of O 2 determined by the above formula (9) into the above formula (13) (step S16C). Hydrogen at the determined flow rate Q FR_H2 is supplied to the fuel tower 20. The control unit 50d determines the flow rate Q FR_HC of CH 4 to be supplied to the fuel tower 20 using the above formula (14) (step S17C). CH 4 at the determined flow rate Q FR_HC is supplied to the fuel tower 20.

制御部50dは、ステップS17A~17Cのいずれかの処理が行われると、制御部50dは、流量制御フローを終了するか否かを判定する(ステップS18)。流量制御フローを終了しないと判定された場合には(ステップS18:NO)、ステップS12以降の処理が繰り返される。流量制御フローを終了すると判定された場合には(ステップS18:YES)、流量制御フローが終了する。なお、流量制御フローを終了するか否かの判定は、他の処理が行われているときに割り込んで判定されてもよい。 When any of steps S17A to S17C has been performed, the control unit 50d determines whether or not to end the flow control flow (step S18). If it is determined that the flow control flow should not be ended (step S18: NO), the processes from step S12 onwards are repeated. If it is determined that the flow control flow should be ended (step S18: YES), the flow control flow ends. Note that the determination of whether or not to end the flow control flow may be made by interrupting the execution of other processing.

以上のように、本実施形態の制御部50dは、水電解装置30dが水電解を行ってH2およびO2を生成する場合に、生成されたO2をCH4と共に燃料塔20に供給し、生成されたH2を水素タンク35に貯蔵する。一方で、制御部50dは、水電解装置30dが水電解を行わない場合に、水素タンク35に貯蔵されたH2をCH4と共に燃料塔20に供給する。すなわち、本実施形態では、水電解装置30dに電力供給装置PWからの電力供給が変動する場合に、電力供給量に応じて、水電解装置30dからのH2とO2の供給が制御されている。電力が供給されて水電解装置30dがH2とO2とを生成する場合に、生成されたH2は水素タンク35に貯蔵される。一方で、生成されたO2は、燃料塔20に供給されて金属粒子mgを酸化して発熱反応を生じさせる。この結果、燃料塔20内のCH4の還元反応によって失われる熱量が発熱反応により補われる。水電解装置30dが水電解を行わない場合には、水素タンク35に貯蔵されたH2を燃料塔20に供給することにより、CH4の還元反応によって失われた熱量が弱発熱反応により補われる。すなわち、本実施形態によれば、水電解装置30dに供給される電力量に応じて、水電解による副産物の酸素を有効利用しつつ、電力供給がない場合には、水素タンク35に貯蔵されたH2が燃料塔20内の加熱に利用される。この結果、燃焼システム100d全体のエネルギ効率が向上する。 As described above, when the water electrolysis device 30d performs water electrolysis to generate H 2 and O 2 , the control unit 50d of this embodiment supplies the generated O 2 together with CH 4 to the fuel tower 20 and stores the generated H 2 in the hydrogen tank 35. On the other hand, when the water electrolysis device 30d does not perform water electrolysis, the control unit 50d supplies the H 2 stored in the hydrogen tank 35 together with CH 4 to the fuel tower 20. That is, in this embodiment, when the power supply from the power supply device PW to the water electrolysis device 30d fluctuates, the supply of H 2 and O 2 from the water electrolysis device 30d is controlled according to the amount of power supply. When power is supplied and the water electrolysis device 30d generates H 2 and O 2 , the generated H 2 is stored in the hydrogen tank 35. On the other hand, the generated O 2 is supplied to the fuel tower 20 and oxidizes the metal particles mg to cause an exothermic reaction. As a result, the amount of heat lost by the reduction reaction of CH 4 in the fuel tower 20 is compensated for by the exothermic reaction. When the water electrolysis device 30d is not performing water electrolysis, H2 stored in the hydrogen tank 35 is supplied to the fuel tower 20, and the heat lost due to the reduction reaction of CH4 is compensated for by a weak exothermic reaction. That is, according to this embodiment, oxygen, a by-product of water electrolysis, is effectively utilized according to the amount of power supplied to the water electrolysis device 30d, and when there is no power supply, H2 stored in the hydrogen tank 35 is used to heat the inside of the fuel tower 20. As a result, the energy efficiency of the entire combustion system 100d is improved.

<第5実施形態の変形例>
第5実施形態では、電力供給装置PWから水電解装置30dに電力が供給されて水電解装置30dにより生成されたO2が燃料塔20に供給された。この際に、燃料塔20内でO2により再酸化された金属粒子mgを還元するための燃料として上記式(10)に示されるようにH2を用いたが、再酸化に用いられる燃料はCH4であってもよいし、H2とCH4との両方が用いられてもよい。
<Modification of the Fifth Embodiment>
In the fifth embodiment, power is supplied from the power supply device PW to the water electrolysis device 30d, and O2 generated by the water electrolysis device 30d is supplied to the fuel tower 20. At this time, as shown in the above formula (10), H2 is used as the fuel for reducing the metal particles mg reoxidized by O2 in the fuel tower 20, but the fuel used for reoxidation may be CH4 , or both H2 and CH4 may be used.

第5実施形態では、水電解装置30dがO2を生成している期間と同じ期間に、生成されたO2が燃料塔20に供給されたが、生成されたO2が燃料塔20に供給されない期間があってもよい。例えば、水素タンク35に貯蔵されたH2の量が所定値以下の場合に、制御部50dは、水電解により生成されたO2を大気に放出し、生成されたH2を水素タンク35に貯蔵する又は燃料塔20に供給してもよい。この場合に燃料塔20を加熱するヒータ25を、燃焼システム100dが備えていてもよい。制御部50dは、水電解装置30dが水電解を行っている場合に、生成されるH2の少なくとも一部を水素タンク35に供給することが好ましい。また、制御部50dは、水素タンク35の貯蔵量が設定された上限値を超えている場合に、H2の消費を促すために、燃料塔20にCH4を供給せずに、H2のみを供給してもよい。 In the fifth embodiment, the generated O 2 is supplied to the fuel tower 20 during the same period during which the water electrolysis device 30d generates O 2 , but there may be a period during which the generated O 2 is not supplied to the fuel tower 20. For example, when the amount of H 2 stored in the hydrogen tank 35 is equal to or less than a predetermined value, the control unit 50d may release the O 2 generated by water electrolysis to the atmosphere and store the generated H 2 in the hydrogen tank 35 or supply it to the fuel tower 20. In this case, the combustion system 100d may include a heater 25 for heating the fuel tower 20. When the water electrolysis device 30d is performing water electrolysis, the control unit 50d preferably supplies at least a portion of the generated H 2 to the hydrogen tank 35. Furthermore, when the amount of storage in the hydrogen tank 35 exceeds a set upper limit value, the control unit 50d may supply only H 2 to the fuel tower 20 without supplying CH 4 to promote consumption of H 2 .

<第6実施形態>
図10は、第6実施形態のケミカルルーピング燃焼システム(燃焼システム)100eの概略ブロック図である。第6実施形態の燃焼システム100eでは、第5実施形態の燃焼システム100dと比較して、水電解装置30で生成されたO2が、燃料塔20の代わりに空気塔側ループシール部60に供給される点が異なる。第6実施形態では、第5実施形態と異なる構成について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。
Sixth Embodiment
10 is a schematic block diagram of a chemical looping combustion system (combustion system) 100e of the sixth embodiment. The combustion system 100e of the sixth embodiment is different from the combustion system 100d of the fifth embodiment in that O2 generated in the water electrolysis device 30 is supplied to the air tower side loop seal part 60 instead of the fuel tower 20. In the sixth embodiment, the configurations different from those of the fifth embodiment will be described, and the description of the same configurations will be omitted.

第6実施形態の制御部50eは、水電解装置30eが水電解によりH2およびO2を生成している場合に、生成されたH2を水素タンク35に貯蔵し、生成されたO2を空気塔側ループシール部60に供給する。空気塔側ループシール部60に供給されたO2の流量をQULS_O2と定義すると、流量QULS_O2は、定数k5と、燃料塔20に流入するO2の流量QFR_O2とを用いて下記式(15)のように表される。なお、定数k5は、1以上である。 When the water electrolysis device 30e generates H2 and O2 by water electrolysis, the control unit 50e of the sixth embodiment stores the generated H2 in the hydrogen tank 35 and supplies the generated O2 to the air tower side loop seal unit 60. If the flow rate of O2 supplied to the air tower side loop seal unit 60 is defined as QULS_O2 , the flow rate QULS_O2 is expressed as shown in the following formula (15) using a constant k5 and the flow rate QFR_O2 of O2 flowing into the fuel tower 20. Note that the constant k5 is 1 or more.

Figure 2024148424000016
Figure 2024148424000016

上記式(15)において、空気塔側ループシール部60に供給されたO2の全てが燃料塔20に流入する場合には、k5が1である。一方、空気塔側ループシール部60に供給されたO2の全てが酸化塔10に流入する場合には、k5が無限大である。そのため、制御部50eは、式(15)から決定されるO2の流量QFR_O2を用いて、第5実施形態の図9に示される流量制御フローのように、燃料塔20に供給される各種流量を制御する。 In the above formula (15), when all of the O2 supplied to the air tower side loop seal unit 60 flows into the fuel tower 20, k5 is 1. On the other hand, when all of the O2 supplied to the air tower side loop seal unit 60 flows into the oxidation tower 10, k5 is infinity. Therefore, the control unit 50e uses the O2 flow rate QFR_O2 determined from formula (15) to control various flow rates supplied to the fuel tower 20, as in the flow rate control flow shown in Figure 9 of the fifth embodiment.

<実施形態の変形例>
本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
<Modifications of the embodiment>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied in various forms without departing from the spirit of the present invention, for example, the following modifications are possible: In the above-described embodiment, a part of the configuration realized by hardware may be replaced by software, and conversely, a part of the configuration realized by software may be replaced by hardware.

上記第1実施形態ないし第6実施形態では、ケミカルルーピング燃焼システムの一例について説明したが、ケミカルルーピング燃焼システムは、金属粒子mgを酸化する酸化塔10と、燃料として供給された炭素を含む化合物およびH2により金属粒子mgを還元する燃料塔20とを備える範囲で変形可能である。例えば、燃焼システム100は、空気塔側ループシール部60や燃料塔側ループシール部70を備えていなくてもよい。第2実施形態の燃焼システム100aでは、水電解装置30により生成されたH2およびO2が燃料塔20に供給されたが、供給されるH2およびO2は、水電解により生成されずに、他の装置やガスが貯蔵されたタンクから供給されてもよい。上記第5実施形態の燃焼システム100dが備える電力供給装置PWは、太陽電池であったが、電力供給が変動する電力源としては、再生エネルギを用いた電力源などの周知の装置を採用できる。電力供給装置PWは、燃焼システム100dに含まれない外部の電力源であってもよい。 In the above first to sixth embodiments, an example of a chemical looping combustion system has been described, but the chemical looping combustion system can be modified as long as it includes an oxidation tower 10 for oxidizing metal particles mg and a fuel tower 20 for reducing metal particles mg with a carbon-containing compound and H 2 supplied as fuel. For example, the combustion system 100 may not include the air tower side loop seal unit 60 or the fuel tower side loop seal unit 70. In the combustion system 100a of the second embodiment, H 2 and O 2 generated by the water electrolysis device 30 are supplied to the fuel tower 20, but the H 2 and O 2 supplied may not be generated by water electrolysis and may be supplied from other devices or tanks storing gas. The power supply device PW included in the combustion system 100d of the fifth embodiment is a solar cell, but a well-known device such as a power source using renewable energy can be adopted as a power source with a fluctuating power supply. The power supply device PW may be an external power source not included in the combustion system 100d.

酸化塔10に供給されるO2を含むガスは、空気以外であってもよい。酸化塔10は、酸素を含む空気が供給される空気塔とも換言できる。燃焼システム100は、ヒータ25(図3)を備えていてもよく、燃料塔20内において、H2による金属粒子mgの還元反応やO2による金属粒子mgの酸化反応を用いた加熱に加えて、ヒータ25の加熱を利用してもよい。 The O2- containing gas supplied to the oxidation tower 10 may be other than air. The oxidation tower 10 can also be described as an air tower to which air containing oxygen is supplied. The combustion system 100 may be equipped with a heater 25 (FIG. 3), and in addition to heating using the reduction reaction of metal particles mg by H2 and the oxidation reaction of metal particles mg by O2 in the fuel tower 20, the heating of the heater 25 may be utilized.

燃焼システム100を循環する金属粒子mgとして、Fe34以外の周知の材料が用いられてもよい。例えば、酸化された金属粒子mgをH2で還元する場合の反応式として、下記反応式(16),(17)に示されるNiやFeTiO3が金属粒子mgとして用いられてもよい。 A known material other than Fe3O4 may be used as the metal particles mg circulating through the combustion system 100. For example, Ni or FeTiO3 shown in the following reaction formulas (16) and (17) as a reaction formula for reducing the oxidized metal particles mg with H2 may be used as the metal particles mg.

Figure 2024148424000017
Figure 2024148424000017
Figure 2024148424000018
Figure 2024148424000018

また、燃料塔20に供給される燃料としての炭素を含む化合物は、炭化水素であるCH4以外のC26やC38などでもよく、炭化水素以外の化合物でもよく、周知の材料を採用できる。例えば、炭素を含む化合物としてC26を用いた場合に、酸化後の金属粒子mgとしてのFe23が還元される反応式は、下記式(18)のように表される。 The carbon-containing compound as fuel supplied to the fuel tower 20 may be C2H6 or C3H8 other than CH4, which is a hydrocarbon, or may be a compound other than a hydrocarbon, and known materials can be used. For example, when C2H6 is used as the carbon- containing compound, the reaction formula for reducing Fe2O3 as the oxidized metal particles mg is expressed as the following formula (18).

Figure 2024148424000019
Figure 2024148424000019

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 Although this aspect has been described above based on the embodiment and modified examples, the embodiment of the above-mentioned aspect is intended to facilitate understanding of this aspect and does not limit this aspect. This aspect may be modified or improved without departing from the spirit and scope of the claims, and equivalents are included in this aspect. Furthermore, if a technical feature is not described as essential in this specification, it may be deleted as appropriate.

本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。
[適用例1]
ケミカルルーピング燃焼システムであって、
金属粒子を酸化させる酸化塔と、
水素と、炭素を含む化合物とが燃料として供給されると共に、前記酸化塔から酸化された金属粒子が供給され、前記燃料を用いて金属粒子を還元する燃料塔と、
を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
[適用例2]
適用例1に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
前記燃料塔内の温度を取得する温度取得部と、
前記温度取得部により取得された温度と、所定の温度との差を用いて、前記燃料塔に供給する水素および炭素を含む化合物の流量を決定する制御部と、
を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
[適用例3]
適用例1または適用例2に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解部を備え、
前記水電解部は、生成された水素および酸素を前記燃料塔に供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
[適用例4]
適用例1から適用例3までのいずれか一項に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
前記酸化塔の下流側、かつ、前記燃料塔の上流側に配置されたループシールであって、前記酸化塔から前記燃料塔へのガスの流入を抑制するループシールを備え、
前記水電解部は、
生成された水素を前記燃料塔に供給し、
生成された酸素を、前記燃料塔の代わりに前記ループシールに供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
[適用例5]
適用例1から適用例4までのいずれか一項に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
前記水電解部により生成された水素を貯蔵する水素タンクを備え、
前記制御部は、
前記水電解部による水素と酸素との生成がある場合に、生成された酸素を前記燃料塔に供給し、かつ、生成された水素の少なくとも一部を前記水素タンクで貯蔵し、
前記水電解部による水素と酸素との生成がない場合に、前記水素タンクで貯蔵された水素を前記燃料塔に供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
The present invention can also be realized in the following forms.
[Application Example 1]
1. A chemical looping combustion system comprising:
an oxidation tower for oxidizing metal particles;
a fuel tower to which hydrogen and a compound containing carbon are supplied as fuel, and to which the oxidized metal particles are supplied from the oxidation tower, and which reduces the metal particles using the fuel;
A chemical looping combustion system comprising:
[Application Example 2]
The chemical looping combustion system according to Application Example 1, further comprising:
A temperature acquisition unit that acquires a temperature inside the fuel tower;
a control unit that determines a flow rate of a compound containing hydrogen and carbon to be supplied to the fuel tower using a difference between the temperature acquired by the temperature acquisition unit and a predetermined temperature;
A chemical looping combustion system comprising:
[Application Example 3]
The chemical looping combustion system according to Application Example 1 or Application Example 2, further comprising:
Equipped with a water electrolysis unit that electrolyzes water to produce hydrogen and oxygen,
The water electrolysis unit supplies generated hydrogen and oxygen to the fuel tower, thereby forming a chemical looping combustion system.
[Application Example 4]
The chemical looping combustion system according to any one of Application Examples 1 to 3, further comprising:
a loop seal disposed downstream of the oxidation tower and upstream of the fuel tower, the loop seal suppressing an inflow of gas from the oxidation tower to the fuel tower;
The water electrolysis unit includes:
Supplying the produced hydrogen to the fuel tower;
A chemical looping combustion system that supplies generated oxygen to the loop seal instead of to the fuel tower.
[Application Example 5]
The chemical looping combustion system according to any one of Application Examples 1 to 4, further comprising:
A hydrogen tank for storing hydrogen generated by the water electrolysis unit,
The control unit is
When hydrogen and oxygen are generated by the water electrolysis unit, the generated oxygen is supplied to the fuel tower, and at least a portion of the generated hydrogen is stored in the hydrogen tank;
A chemical looping combustion system that supplies hydrogen stored in the hydrogen tank to the fuel tower when hydrogen and oxygen are not produced by the water electrolysis unit.

10…酸化塔
10S…酸化塔のシール
15…サイクロン
20…燃料塔
20S…燃料塔のシール
26…温度センサ
25…ヒータ
30,30d,30e…水電解装置(水電解部)
35…水素タンク
40…脱水器
50,50d,50e…制御部
60…空気塔側ループシール部(ループシール)
60S…空気塔側ループシール部のシール
70…燃料塔側ループシール部
70S…燃料塔ループシール部のシール
100,100a,100b,100c,100d,100e…燃焼システム
100x…比較例の燃焼システム
PW…変動性電力供給装置
FR_H2…水素の流量
FR_O2…酸素の流量
FR_HC…メタンの流量
FR…燃料塔内の温度
FR_tar…目標温度
mg…金属粒子
10: Oxidation tower 10S: Oxidation tower seal 15: Cyclone 20: Fuel tower 20S: Fuel tower seal 26: Temperature sensor 25: Heater 30, 30d, 30e: Water electrolysis device (water electrolysis section)
35... Hydrogen tank 40... Dehydrator 50, 50d, 50e... Control unit 60... Air tower side loop seal unit (loop seal)
60S...Seal of air tower side loop seal section 70...Fuel tower side loop seal section 70S...Seal of fuel tower loop seal section 100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e...Combustion system 100x...Combustion system of comparative example PW...Variable power supply device Q FR_H2 ...Flow rate of hydrogen Q FR_O2 ...Flow rate of oxygen Q FR_HC ...Flow rate of methane T FR ...Temperature in fuel tower T FR_tar ...Target temperature mg...Metal particles

Claims (5)

ケミカルルーピング燃焼システムであって、
金属粒子を酸化させる酸化塔と、
水素と、炭素を含む化合物とが燃料として供給されると共に、前記酸化塔から酸化された金属粒子が供給され、前記燃料を用いて金属粒子を還元する燃料塔と、
を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
1. A chemical looping combustion system comprising:
an oxidation tower for oxidizing metal particles;
a fuel tower to which hydrogen and a compound containing carbon are supplied as fuel, and to which the oxidized metal particles are supplied from the oxidation tower, and which reduces the metal particles using the fuel;
A chemical looping combustion system comprising:
請求項1に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
前記燃料塔内の温度を取得する温度取得部と、
前記温度取得部により取得された温度と、所定の温度との差を用いて、前記燃料塔に供給する水素および炭素を含む化合物の流量を決定する制御部と、
を備える、ケミカルルーピング燃焼システム。
10. The chemical looping combustion system of claim 1, further comprising:
A temperature acquisition unit that acquires a temperature inside the fuel tower;
a control unit that determines a flow rate of a compound containing hydrogen and carbon to be supplied to the fuel tower using a difference between the temperature acquired by the temperature acquisition unit and a predetermined temperature;
A chemical looping combustion system comprising:
請求項1または請求項2に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解部を備え、
前記水電解部は、生成された水素および酸素を前記燃料塔に供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
The chemical looping combustion system according to claim 1 or 2, further comprising:
Equipped with a water electrolysis unit that electrolyzes water to produce hydrogen and oxygen,
The water electrolysis unit supplies generated hydrogen and oxygen to the fuel tower, thereby forming a chemical looping combustion system.
請求項3に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
前記酸化塔の下流側、かつ、前記燃料塔の上流側に配置されたループシールであって、前記酸化塔から前記燃料塔へのガスの流入を抑制するループシールを備え、
前記水電解部は、
生成された水素を前記燃料塔に供給し、
生成された酸素を、前記燃料塔の代わりに前記ループシールに供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
4. The chemical looping combustion system of claim 3, further comprising:
a loop seal disposed downstream of the oxidation tower and upstream of the fuel tower, the loop seal suppressing an inflow of gas from the oxidation tower to the fuel tower;
The water electrolysis unit includes:
Supplying the produced hydrogen to the fuel tower;
A chemical looping combustion system that supplies generated oxygen to the loop seal instead of to the fuel tower.
請求項4に記載のケミカルルーピング燃焼システムであって、さらに、
前記水電解部により生成された水素を貯蔵する水素タンクを備え、
前記制御部は、
前記水電解部による水素と酸素との生成がある場合に、生成された酸素を前記燃料塔に供給し、かつ、生成された水素の少なくとも一部を前記水素タンクで貯蔵し、
前記水電解部による水素と酸素との生成がない場合に、前記水素タンクで貯蔵された水素を前記燃料塔に供給する、ケミカルルーピング燃焼システム。
5. The chemical looping combustion system of claim 4, further comprising:
A hydrogen tank for storing hydrogen generated by the water electrolysis unit,
The control unit is
When hydrogen and oxygen are generated by the water electrolysis unit, the generated oxygen is supplied to the fuel tower, and at least a portion of the generated hydrogen is stored in the hydrogen tank;
A chemical looping combustion system that supplies hydrogen stored in the hydrogen tank to the fuel tower when hydrogen and oxygen are not produced by the water electrolysis unit.
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