化学ループ燃焼
図1. CLCリアクターシステムの図
図2. （左）ダルムシュタット化学ループ燃焼パイロットプラントの二重流動床設計[ 1 ]と（右）オハイオ州立大学石炭直接化学ループ燃焼パイロットプラントの相互接続された移動床流動床設計[ 2 ]

化学ループ燃焼（CLC ）は、通常、二重流動床システムを採用する技術プロセスです。相互接続された移動床と流動床システムで運転されるCLCも、技術プロセスとして採用されてきました。CLCでは、燃料反応器での燃焼用の酸素を供給する床材料として金属酸化物が使用されます。次に、還元された金属は第2の床（空気反応器）に移され、再酸化されてから燃料反応器に再導入され、ループを完了します。図1は、CLCプロセスの簡略図を示しています。図2は、二重流動床循環反応器システムと移動床-流動床循環反応器システムの例を示しています。

燃料を空気から分離することで、燃焼における化学反応の数が少なくなります。空気中の窒素や微量ガスを含まずに酸素のみを使用することで、窒素酸化物（NO x ）の生成源が排除され、主に二酸化炭素と水蒸気からなる排気ガスが生成されます。その他の微量汚染物質は、選択した燃料によって異なります。

説明

化学ループ燃焼（CLC）は、2つ以上の反応を用いて炭化水素系燃料の酸化反応を行います。最も単純な形態では、酸素運搬種（通常は金属）がまず空気中で酸化され、酸化物を形成します。次に、この酸化物は第二反応で炭化水素を還元剤として還元されます。例えば、鉄系で純粋な炭素を燃焼させる場合、以下の2つの酸化還元反応が関与します。

（１）と（２）を一緒に加えると、反応セットは直接炭素酸化に還元される。

CLCは最初、相互接続された2つの流動床を用いて化石燃料からCO2を生成する方法として研究されました。 [ 3 ]その後、発電所の効率を高めるシステムとして提案されました。[ 4 ]効率の向上は、2つの酸化還元反応の可逆性の向上によって可能になります。従来の単段燃焼では、燃料のエネルギーの放出は極めて不可逆的な方法で起こり、平衡から大きく逸脱します。CLCでは、適切な酸素キャリアを選択すると、両方の酸化還元反応をほぼ可逆的に、比較的低温で起こすことができます。理論的には、これによりCLCを使用する発電所は、部品を過度の動作温度にさらすことなく、内燃機関の理想的な作業出力に近づくことができます。

熱力学

図 3. 可逆 CLC システムにおけるエネルギー流束のサンキー図。

図 3 は CLC システムでのエネルギー交換を図式的に示し、可逆 CLC ベースのエンジンで発生するエネルギー フラックスのサンキー図を示しています。図 1 を見ると、熱エンジンは発熱酸化反応から高温の​​熱を受け取るように配置されています。このエネルギーの一部を仕事に変換した後、熱エンジンは残りのエネルギーを熱として放出します。この放出される熱のほぼすべては、還元剤で発生する吸熱還元反応によって吸収されます。この配置では、酸化還元反応がそれぞれ発熱と吸熱である必要がありますが、これは通常ほとんどの金属に当てはまります。[ 5 ]環境との追加の熱交換が第2 法則を満たすために必要です。理論的には、可逆プロセスの場合、熱交換は主要な炭化水素酸化反応の標準状態エントロピー変化 ΔS oと次のように関係しています。

Q o = T o ΔS o

しかし、ほとんどの炭化水素ではΔS0は小さな値であり、その結果、高い全体効率のエンジンが理論的に可能である。[ 6 ]

CO2回収​

効率を上げる手段として提案されているが、近年では炭素回収技術としてのCLCに関心が集まっている。[ 7 ] [ 8 ] CLCによって炭素回収が促進されるのは、2つの酸化還元反応によって2つの本質的に分離された排気ガス流が生成されるからである。1つは空気反応器からの流れで、大気中のN2残留O2、しかしCO 2は実質的に含まれていない。燃料炉からの流れは主にCO 2とHを含む。2O は、希釈窒素をほとんど含まない。空気反応器の排気ガスは大気中に放出することができ、CO 2汚染は最小限に抑えられる。還元装置の出口ガスには、システムで生成された CO 2のほぼすべてが含まれるため、CLC は「固有の炭素回収」を示していると言える。これは、水蒸気が凝縮によって第 2 の排気ガスから容易に除去され、ほぼ純粋な CO 2の流れをもたらすためである。これは、競合する炭素回収技術と比較して CLC に明らかな利点をもたらす。競合する炭素回収技術は一般に、燃焼後洗浄システムまたは空気分離プラントに必要な作業入力に関連する大きなエネルギーペナルティを伴う。このため、CLC はエネルギー効率の高い炭素回収技術として提案されており、[ 9 ] [ 10 ]たとえば、石炭直接化学ループ (CDCL) プラントからほぼすべての CO 2を回収することができる。 [ 11 ] [ 12 ] 25kWのCDCLサブパイロットユニットによる200時間連続実証試験の結果、空気反応器への炭素の持ち越しなく、ほぼ100%の石炭からCO2への変換が示された。 [ 13 ] [ 14 ]

技術開発

化学ループ燃焼のガス燃料による最初の運転は2003年に実証され、[ 15 ]、その後2006年に固体燃料による運転が実証されました。 [ 16 ] 0.3～3MWのパイロットプラント49基における総運転時間は11,000時間を超えています。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]運転中に使用される酸素キャリア材料には、ニッケル、銅、マンガン、鉄の単金属酸化物、およびマンガン酸化物とカルシウム、鉄、シリカを組み合わせた様々な複合酸化物が含まれます。また、特に固体燃料には、鉄鉱石、マンガン鉱石、イルメナイトなどの天然鉱石も使用されています。

コストとエネルギーのペナルティ

1000MW級発電所における固体燃料（石炭）の化学ループ燃焼に関する詳細な技術評価では、技術の類似性から、通常の循環流動床ボイラーと比較して、CLC反応器の追加コストは小さいことが示されています。主なコストは、すべてのCO2回収技術に必要なCO2圧縮と酸素生成です。また、特定のCLC構成では、燃料反応器から生成したガスを精製するために分子状酸素生成が必要になる場合があります。全体として、追加コストはCO21トンあたり20ユーロと推定されましたが、エネルギーペナルティは4%でした。[ 20 ]

CLCの変種として、酸素分離を伴う化学ループ燃焼（CLOU）があり、ここでは、燃料反応器内で気相酸素を放出する酸素キャリア（例えばCuO/ Cu）が使用される。2O. [ 21 ]これは高いガス変換率を達成するのに役立ち、特に固体燃料を使用する場合、炭化物の緩やかな蒸気ガス化を回避できます。固体燃料を使用したCLOU運転は高い性能を示しています[ 22 ] [ 23 ]

ケミカルループは、ケミカルループ改質（CLR）プロセスにおける水素製造にも用いられる。[ 24 ] [ 25 ] CLRプロセスの一つの構成では、移動床燃料反応器、蒸気反応器、流動床空気反応器を統合し、石炭および／または天然ガスから水素を製造する。このCLR構成では、CO2分離を必要とせずに99%以上の純度のH2を製造できる。[ 19 ] [ 26 ]

もう一つのCLRプロセスは、従来の水蒸気メタン改質（SMR）をベースとし、改質炉の代わりに化学ループ燃焼を採用しています。改質のための熱は、空気反応器に接続された流動床熱交換器（FBHE）で伝達され、燃料として改質後の排ガスと追加のメタンが使用されます。この構成は、炉の温度を下げることができるため、従来のSMRよりも高いエネルギー効率を実現します。結果として、CO2回収コストをマイナスにすることが可能になります。 [ 27 ] FBHEにおける低温とより効率的な熱伝達は、改質管をより細く短くすることを可能にし、触媒の必要性を減らす可能性があります。 [ 28 ]

この分野の包括的な概要は、化学ループ技術に関する最近のレビューで示されています。[ 29 ]

要約すると、CLCは発電所の効率向上と低エネルギーペナルティの炭素回収を同時に達成できる。CLCの課題としては、二重流動床の運用（担体の流動性を維持しながら、破砕と摩耗を回避すること[ 30 ]）と、複数サイクルにわたる担体の安定性の維持が挙げられる。

参照

参考文献

  1. ^ Ströhle, Jochen; Orth, Matthias; Epple, Bernd (2014年1月). 「1MWth化学ループプラントの設計と運用」. Applied Energy . 113 : 1490–1495 . doi : 10.1016/j.apenergy.2013.09.008 . ISSN  0306-2619 .
  2. ^ Liang-Shih, Fan.化学ループ部分酸化：ガス化、改質、化学合成. Cambridge. ISBN 9781108157841. OCLC  1011516037 .
  3. ^ Lewis, W., Gilliland, E. and Sweeney, M. (1951). 「炭素のガス化」. Chemical Engineering Progress . 47 : 251–256 .{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  4. ^ Richter, HJ; Knoche, KF (1983). 「燃焼プロセスの可逆性」『効率とコスト計算 - プロセス第二法則分析』ACSシンポジウムシリーズ (235): 71–85 .{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  5. ^ Jerndal, E., Mattisson, T. and Lyngfelt, A. (2006). 「化学ループ燃焼の熱解析」.化学工学研究設計. 84 (9): 795– 806. Bibcode : 2006CERD...84..795J . doi : 10.1205/cherd05020 .{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  6. ^ McGlashan, NR (2008). 「化学ループ燃焼 - 熱力学的研究」Proc. Inst. Mech. Eng. C. 222 ( 6): 1005–1019 . CiteSeerX 10.1.1.482.5166 . doi : 10.1243/09544062JMES790 . S2CID 14865943 .  
  7. ^ Liang-Shih., Fan (2010).化石燃料エネルギー変換のための化学ループシステム. ホーボーケン, ニュージャージー: Wiley-AIChE. ISBN 9780470872888. OCLC  663464865 .
  8. ^ Fan, Liang-Shih; Zeng, Liang; Wang, William; Luo, Siwei (2012). 「CO2回収および炭素質燃料転換のための化学ループプロセス―展望と機会」. Energy & Environmental Science . 5 (6): 7254. Bibcode : 2012EnEnS...5.7254F . doi : 10.1039/c2ee03198a . ISSN 1754-5692 . 
  9. ^石田正之; 金 浩 (1997). 「化学ループ燃焼による発電所におけるCO2回収」.エネルギー変換MGMT . 38 : S187– S192. doi : 10.1016/S0196-8904(96)00267-1 .
  10. ^ Brandvoll, Ø.; Bolland, O. (2004). 「天然ガス火力発電サイクルにおける化学ループ燃焼を用いたCO2回収」. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power . 126 (2): 316– 321. doi : 10.1115/1.1615251 .
  11. ^ Gorder, Pam (2013年2月5日). 「新たな石炭技術、燃焼なしでエネルギーを利用、パイロット規模の開発に近づく」 researchnews.osu.edu . 2016年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年11月4日閲覧。
  12. ^ Bayham, Samuel; McGiveron, Omar; Tong, Andrew; Chung, Elena; Kathe, Mandar; Wang, Dawei; Zeng, Liang; Fan, Liang-Shih (2015年5月). 「亜瀝青炭を用いた鉄系25kW石炭直接化学ループユニットのパラメトリックおよび動的研究」 . Applied Energy . 145 : 354–363 . doi : 10.1016/j.apenergy.2015.02.026 . ISSN 0306-2619 . 
  13. ^ Bayham, Samuel C.; Kim, Hyung R.; Wang, Dawei; Tong, Andrew; Zeng, Liang; McGiveron, Omar; Kathe, Mandar V.; Chung, Elena; Wang, William (2013-03-08). 「鉄系石炭直接化学ループ燃焼プロセス：25kWthサブパイロットユニットの200時間連続運転」. Energy & Fuels . 27 (3): 1347– 1356. Bibcode : 2013EnFue..27.1347B . doi : 10.1021/ef400010s . ISSN 0887-0624 . 
  14. ^ Chung, Cheng; Pottimurthy, Yaswanth; Xu, Mingyuan; Hsieh, Tien-Lin; Xu, Dikai; Zhang, Yitao; Chen, Yu-Yen; He, Pengfei; Pickarts, Marshall (2017年12月). 「石炭直接化学ループシステムにおける硫黄の運命」. Applied Energy . 208 : 678– 690. Bibcode : 2017ApEn..208..678C . doi : 10.1016/j.apenergy.2017.09.079 . ISSN 0306-2619 . 
  15. ^ Lyngfelt, A. (2004). 「新しい燃焼技術」.温室効果ガス問題. 73 : 2–3 .
  16. ^ Lyngfelt, A. (2007). 「固体燃料の化学ループ燃焼」.温室効果ガス問題. 85 : 9–10 .
  17. ^ Lyngfelt, A. (2020). 「化学ループ燃焼 – 現状と開発課題」 . Energy & Fuels . 32 (8): 9077–9093 . Bibcode : 2020EnFue..34.9077L . doi : 10.1021/acs.energyfuels.0c01454 .
  18. ^ Lyngfelt, A; Linderholm, C (2017). 「固体燃料の化学ループ燃焼 – 現状と最近の進歩」 . Energy Procedia . 114 : 371. Bibcode : 2017EnPro.114..371L . doi : 10.1016/j.egypro.2017.03.1179 .
  19. ^ a b Tong, Andrew; Bayham, Samuel; Kathe, Mandar V.; Zeng, Liang; Luo, Siwei; Fan, Liang-Shih (2014年1月). 「オハイオ州立大学における鉄系合成ガス化学ループプロセスおよび石炭直接化学ループプロセスの開発」. Applied Energy . 113 : 1836– 1845. Bibcode : 2014ApEn..113.1836T . doi : 10.1016/j.apenergy.2013.05.024 . ISSN 0306-2619 . 
  20. ^ Lyngfelt, Anders; Leckner, Bo (2015年11月1日). 「固体燃料の化学ループ燃焼用1000MWthボイラー ― 設計とコストに関する考察」 . Applied Energy . 157 : 475–487 . doi : 10.1016/j.apenergy.2015.04.057 .
  21. ^ Mattisson, T., Lyngfelt, A. and Leion, H. (2009). 「固体燃料の燃焼における酸素分離を伴う化学ループ」.国際温室効果ガス制御ジャーナル. 3 (1): 11– 19. Bibcode : 2009IJGGC...3...11M . doi : 10.1016/j.ijggc.2008.06.002 .{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  22. ^ Abad, A., Adánez-Rubio, I. Gayán, P. García-Labiano, F. de Diego LF and Adánez, J. (2012). 「Cuベースの酸素キャリアを用いた1.5kW連続運転ユニットにおける酸素分離を伴う化学ループ（CLOU）プロセスの実証」. International Journal of Greenhouse Gas Control . 6 : 189– 200. doi : 10.1016/j.ijggc.2011.10.016 . hdl : 10261/75134 .{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  23. ^ Zhou, Zhiquan; Han, Lu; Nordness, Oscar; Bollas, George M. (2015-05-01). 「CuO酸素キャリアにおける化学ループ燃焼（CLC）と化学ループ酸素分離（CLOU）反応の連続レジーム」. Applied Catalysis B: Environmental . 166– 167: 132– 144. Bibcode : 2015AppCB.166..132Z . doi : 10.1016/j.apcatb.2014.10.067 .
  24. ^ Rydén, M.; Lyngfelt, A. (2006). 「水蒸気改質を用いた化学ループ燃焼による水素製造と二酸化炭素回収」 . Journal of Hydrogen Energy . 31 (10): 1631– 1641. Bibcode : 2006IJHE...31.1271R . doi : 10.1016/j.ijhydene.2005.12.003 .
  25. ^ Rydén, M.; Lyngfelt, A. & Mattisson, T. (2006). 「連続運転実験室反応器における化学ループ改質による合成ガス生成」 . Fuel . 85 ( 12–13 ): 1631–1641 . Bibcode : 2006Fuel...85.1631R . doi : 10.1016/j.fuel.2006.02.004 .
  26. ^ Tong, Andrew; Sridhar, Deepak; Sun, Zhenchao; Kim, Hyung R.; Zeng, Liang; Wang, Fei; Wang, Dawei; Kathe, Mandar V.; Luo, Siwei (2013年1月). 「100%の炭素回収率を備えた合成ガス化学ループ式25kWthサブパイロットユニットからの高純度水素連続生成」. Fuel . 103 : 495–505 . Bibcode : 2013Fuel..103..495T . doi : 10.1016/j.fuel.2012.06.088 . ISSN 0016-2361 . 
  27. ^ Stenberg, V; Spallina, V; Mattisson, T; Rydén, M (2021). 「流動床熱交換器と水蒸気改質を用いた水素製造プロセスの技術経済分析 – パート2：化学ループ燃焼」 . International Journal of Hydrogen Energy . 46 : 25355–25375 . doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.04.170 .
  28. ^ Pröll, T; Lyngfelt, A (2022). 「化学ループ燃焼による水蒸気メタン改質 - 流動床加熱改質器チューブのスケーリング」 . Energy & Fuels . 36 (17): 9502– 9647. Bibcode : 2022EnFue..36.9502P . doi : 10.1021/acs.energyfuels.2c01086 .
  29. ^ Adánez, J.; Abad, A. Garcia-Labiano; F. Gayan P. & de Diego, L. (2012). 「化学ループ燃焼および改質技術の進歩」「エネルギーと燃焼科学の進歩.38 ( 2 ) : 215–282.Bibcode : 2012PECS ... 38..215A.doi : 10.1016 / j.pecs.2011.09.001.hdl : 10261/78793 .
  30. ^ Kim, JY, Ellis, N., Lim, CJ, Grace, JR (2019). 「ジェットアトリションユニットにおける固体二成分混合物のアトリション」. Powder Technology . 352 : 445–452 . doi : 10.1016/j.powtec.2019.05.010 . S2CID 164585879 . {{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Chemical_looping_combustion&oldid=1318374632」より取得