酸素燃焼プロセス
酸素燃焼CCS発電所の運転

酸素燃焼は、空気の代わりに純酸素、または酸素と再循環排ガスの混合物を用いて燃料を燃焼させるプロセスです。空気中の窒素成分は加熱されないため、燃料消費量が削減され、より高い炎温度を実現できます。歴史的に、酸素燃焼は主に金属、特に鋼鉄の溶接と切断に使用されてきました。これは、酸素燃焼は空気燃料炎よりも高い炎温度を実現できるためです。[ 1 ]また、近年では、潜在的な炭素回収・貯留技術としても大きな注目を集めています。[ 2 ]

現在、化石燃料発電所で空気の代わりに酸素濃縮ガスを燃焼させる研究が行われています。入力空気から窒素がほぼ除去され、約95%の酸素を含む気流が生成されます。[ 3 ]純酸素で燃焼させると炎の温度が高くなりすぎるため、混合ガスはリサイクルされた排気ガスと混合して希釈されます（段階燃焼）。リサイクルされた排気ガスはボイラーに燃料を送り込み、ボイラー全域に十分な対流熱伝達を確保するためにも使用できます。酸素燃焼では、空気燃焼に比べて排気ガスが約75%少なく、主にCO2とH2Oからなる排気ガスが発生します（図を参照）。

経済性と効率性

酸素燃焼を使用する正当な理由は、二酸化炭素を豊富に含む排ガスを生成し、それを貯留できるようにするためです。酸素燃焼は、従来の空気燃焼プラントに比べて大きな利点があります。その利点には以下が含まれます

  • 排気ガスの質量と容積は約 75% 削減されます。
  • 排気ガスの容積が減少するため、排気ガス中の熱損失が少なくなります。
  • 排ガス処理装置のサイズを75％削減できます。
  • 排気ガスは主に CO 2であり、隔離に適しています。
  • 排気ガス中の汚染物質の濃度が高くなり、分離が容易になります。
  • 排気ガスのほとんどは凝縮可能であるため、圧縮分離が可能になります。
  • 凝縮熱は、排気ガス中に失われるのではなく、捕捉して再利用することができます。
  • 空気中の窒素が存在しないため、窒素酸化物の生成が大幅に減少します。
  • 燃料に硫黄が含まれている場合、硫酸は危険な環境汚染物質として放出されたり、排ガス脱硫で「失われる」のではなく、回収される可能性があります。

経済的に言えば、この方法は従来の空気燃焼プラントよりもコストがかかります。主な問題は、空気から酸素を分離することです。このプロセスには多くのエネルギーが必要であり、石炭火力発電所の生産量の約15%がこのプロセスに消費されます。しかし、まだ実用化されていない化学ループ燃焼[ 4 ]と呼ばれる新しい技術を用いることで、このコストを削減することができます。化学ループ燃焼では、石炭を燃焼させるために必要な酸素は、空気から酸素を分離して生成するより高価な方法ではなく、酸化還元反応によって石炭内部で生成されます。[ 5 ]

現時点ではCO2排出量削減の必要性がないため、酸素燃焼は競争力がありません。しかしながら、酸素燃焼は従来の空気燃焼式化石燃料プラントの排ガスからCO2を除去するための現実的な代替手段となります。ただし、酸素濃縮器は窒素を除去するだけなので、役立つ可能性があります。

発電以外の産業では、酸素燃焼は顕熱利用率が高いため、競争力を持つ可能性があります。酸素燃焼は金属生産の様々な分野で広く利用されています。

ガラス産業は 1990 年代初頭から酸素燃料への転換を進めてきました。これはガラス炉で約 1500 度の温度が必要であり、煙道と入ってくる空気流の間で熱が再生されない限り、空気燃料燃焼の断熱炎温度では経済的に達成できないためです。19 世紀半ばに開発されたガラス炉再生装置は、炉から出る煙の熱を捕捉するために格子模様に並べられたレンガを詰めた、大きくて高価な高温レンガ製ダクトです。煙道ダクトが十分に加熱されると、空気の流れが逆転して煙道ダクトが空気の入口となり、その熱を入ってくる空気に放出します。これにより、空気燃料のみで達成できるよりも高い炉温度を実現できます。2 組の再生煙道ダクトにより、空気の流れを一定間隔で逆転させることができ、入ってくる空気の温度を高く維持できます。酸素燃焼は、再生炉の費用をかけずに新しい炉を建設できることに加え、特に窒素酸化物の削減という利点によりガラス工場が排出規制を満たすことができるため、 CO2排出量を削減する必要がなく、費用対効果に優れています。酸素燃焼はガラス工場の敷地内におけるCO2排出量も削減しますが、燃焼プロセスに必要な酸素を生成するために必要な発電によるCO2排出量 によって相殺される可能性があります。

酸素燃焼は、BTU値の低い有害廃棄物燃料の焼却においても費用対効果が高い場合があります。純酸素は炎の燃焼特性を安定させることができるため、 窒素酸化物の削減のために段階燃焼と組み合わせられることがよくあります。

パイロットプラント

商業プラントへのスケールアップに向けた技術を評価するための初期概念実証試験を実施しているパイロットプラントがあり、その中には

白いバラの植物

酸素燃焼のケーススタディの一つとして、英国ノースヨークシャー州で計画中のホワイトローズ発電所が挙げられる。計画されていたプロジェクトは、空気分離機能を備えた酸素燃焼発電所で、年間200万トンの二酸化炭素を回収するというものだった。回収された二酸化炭素はパイプラインで北海の塩水帯水層に貯留される予定だった。 [ 9 ]しかし、2015年末から2016年初頭にかけて、ドラックス・グループと英国政府による資金援助が打ち切られたため、建設は中止された。[ 10 ]英国政府のCCS商業化プログラムからの予期せぬ資金援助の喪失と再生可能エネルギーへの補助金削減により、ホワイトローズ発電所は開発を継続するための資金が不足する事態に陥った。[ 9 ]

環境への影響

化石燃料の燃焼による主要な環境影響の一つは、気候変動に寄与する二酸化炭素の排出です。酸素燃焼では、すでに高濃度の二酸化炭素を含む排ガスが生成されるため、大気中に放出するよりも、二酸化炭素を精製して貯留することが容易になります。 [ 2 ]

石炭やオイルシェールなどの化石燃料の多くは、燃焼の結果として灰を生成します。この灰も処分する必要があり、環境に影響を及ぼす可能性があります。これまでの研究によると、一般に酸素燃焼は生成される灰の組成に大きな影響を与えません。測定値は、空気または酸素燃焼環境のどちらが使用されたかに関係なく、同様のミネラルと重金属の濃度を示しています。[ 11 ] [ 12 ]ただし、注目すべき例外が 1 つあります。酸素燃焼灰は、酸化カルシウムまたは水酸化カルシウム(遊離石灰)の濃度が低い場合が多いです。遊離石灰は、石炭やオイルシェールなどの燃料内の炭酸塩鉱物が燃焼中に発生する高温で分解するときに生成されます(焼成)。焼成は平衡反応であり、 CO2の部分圧が高いと、平衡はそれぞれCaCO 3とMgCO 3に有利になるようにシフトします。遊離石灰は反応性が高く、たとえば灰のアルカリ度を高めることによって環境に影響を及ぼす可能性があります。酸素燃焼は二酸化炭素を多く含む大気中で行われるため、分解が抑制され、灰に含まれる遊離石灰の量は一般的に少なくなります。[ 11 ] [ 12 ]排ガス脱硫は、通常、排ガスまたはその生成物が大気中の水分（酸性雨）と反応してpHを上げるために用いられます。硫黄とその酸化物に加えて、水と反応して一酸化窒素と亜酸化窒素が生成され、酸性雨の原因となる可能性のある別の成分が生成されます。燃焼から窒素を除去することで、この要因も完全に減少します。

参照

参考文献

  1. ^ Markewitz, Peter; Leitner, Walter; Linssen, Jochen; Zapp, Petra; Müller, Thomas; Schreiber, Andrea (2012-03-01). 「炭素回収技術の開発とCO2利用における世界的なイノベーション」(PDF) . Energy & Environmental Science . 5 (6): 7281– 7385. doi : 10.1039/C2EE03403D .
  2. ^ a b Bui, Mai; Adjiman, Claire S.; Bardow, André; Anthony, Edward J.; Boston, Andy; Brown, Solomon; Fennell, Paul S.; Fuss, Sabine; Galindo, Amparo; Hackett, Leigh A.; Hallett, Jason P. (2018). 「炭素回収・貯留（CCS）：今後の展望」 . Energy & Environmental Science . 11 (5): 1062– 1176. doi : 10.1039/C7EE02342A . hdl : 10044/1/55714 . ISSN 1754-5692 . 
  3. ^ DILLON, D; PANESAR, R; WALL, R; ALLAM, R; WHITE, V; GIBBINS, J; HAINES, M (2005) 「先進的超臨界PFおよびNGCC発電所からのCO2回収のための酸素燃焼プロセス」、温室効果ガス制御技術7、エルゼビア、pp.  211– 220、ISBN 978-0-08-044704-92021年8月2日閲覧{{citation}}: CS1 maint: ISBNによる作業パラメータ（リンク）
  4. ^ 「酸素燃料CO2炭素回収・貯留技術 - 発電所CCS」www.powerplantccs.com。2013年9月5日時点のオリジナルからアーカイブ。2010年10月19日閲覧
  5. ^ "chemical-looping-combustion | netl.doe.gov" . www.netl.doe.gov . 2017年5月5日閲覧。
  6. ^ kgi-admin (2021年12月24日). 「発電所概要：オーストラリア、カリデB発電所」 . Power Technology . 2024年10月27日閲覧。
  7. ^ “シウダー・デ・ラ・エネルヒア” . www.ciuden.es。エネルギー財団。2017 年5 月 5 日に取得。
  8. ^ 「NET Powerホームページ」 。 2019年7月24日閲覧。
  9. ^ a b「White Rose CCSプロジェクト | Global Carbon Capture and Storage Institute」www.globalccsinstitute.com。2016年3月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2024年3月14日閲覧。
  10. ^ 「MITにおける炭素回収・隔離技術」sequestration.mit.edu . 2017年5月5日閲覧。
  11. ^ a b Konist, Alar; Neshumayev, Dmitri; Baird, Zachariah S.; Anthony, Edward J.; Maasikmets, Marek; Järvik, Oliver (2020-12-11). 「酸素燃焼によるオイルシェール灰の鉱物および重金属組成」 . ACS Omega . 5 (50): 32498– 32506. doi : 10.1021/acsomega.0c04466 . ISSN 2470-1343 . PMC 7758964. PMID 33376887 .   
  12. ^ a b Loo, Lauri; Konist, Alar; Neshumayev, Dmitri; Pihu, Tõnu; Maaten, Birgit; Siirde, Andres (2018年5月). 「オイルシェール酸素燃料循環流動床燃焼からの灰と燃焼ガス」 .エネルギー. 11 (5): 1218. doi : 10.3390/en11051218 .
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