化学ループ燃焼

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。流動床システムと相互接続された移動床で操作される CLC も、技術プロセスとして採用されています。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、ループが完了します。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と、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なしで酸素を使用すると、窒素酸化物( NO _x ) の形成の主な原因がなくなり、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。

化学ループ燃焼 (CLC) では、2 つ以上の反応を利用して炭化水素ベースの燃料の酸化を行います。最も単純な形式では、酸素を運ぶ種 (通常は金属) が最初に空気中で酸化され、酸化物を形成します。次に、この酸化物は 2 番目の反応で炭化水素を還元剤として使用して還元されます。たとえば、純粋な炭素を燃焼する鉄ベースのシステムでは、次の 2 つの酸化還元反応が行われます。

（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つの流動床を使用して化石燃料から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り可能になりました。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発生し、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、比較的低温で発生させることができます。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。

図 3 は CLC システムにおける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。この熱放出のほぼすべては、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]第二法則を満たすには、環境との追加の熱交換が必要です。理論的には、可逆プロセスの場合、熱交換は、一次炭化水素酸化反応の 標準状態エントロピー変化 ΔS ^{oと次のように関連しています。}

Q _o = T _o ΔS ^o

しかし、ほとんどの炭化水素ではΔS ^o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]

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への関心が高まっている。^{[7] [8]} CLCによる炭素回収は、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を生成するため、促進される。1つは空気反応器からの流れで、大気中のN
₂残留O
₂、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ます。これは、水蒸気が凝縮によって第 2 排気ガスから容易に除去され、ほぼ純粋な CO ₂の流れにつながるためです。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します。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幅なエネルギーペナルティを伴うためです。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) プラントからのCO _{2のほぼすべてを回収できます。} ^{[11] [12] 25kW}_のCDCLサブパイロットユニットによる200時間の連続実証結果では、空気反応器への炭素の持ち越しがなく、ほぼ100％の石炭からCO2への変換が示された。_[ ^{13] [14]}

ガス燃料による化学ループ燃焼の最初の運転は2003年に実証され、^[15]その後2006年に固体燃料で実証されました。 ^[16] 0.3〜3MWの34のパイロットでの合計運転経験は9000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、鉄の単一金属酸化物、およびマンガン酸化物を含むさまざまな複合酸化物、カルシウム、鉄、シリカと組み合わせた酸化物があります。 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。

_1000MWの発電所における固体燃料（石炭）の化学ループ燃焼の詳細な技術評価では、技術の類似性のため、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_。特定のCLC構成では、燃料反応器からの生成ガスを精製するために分子状酸素生成も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_、エネルギーペナルティは4％でした。^[20]

CLCの変種として、酸素分離化学ループ燃焼（CLOU）があり、ここでは酸素キャリアが使用され、燃料反応器内で気相酸素が放出される（例：CuO/ Cu）
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、炭化物のゆっくりとした蒸気ガス化を回避できます。固体燃料を使用したCLOU操作は高い性能を示しています^{[22] [23]}

化学ループは、化学ループ改質（CLR）プロセスで水素を生成するためにも使用できます。^{[24] [25]} CLRプロセスの1つの構成では、蒸気反応器と流動床空気反応器を統合した移動床燃料反応器を使用して、石炭および/または天然ガスから水素が生成されます。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を生成できます_。 [ ₁₉ ] ^{[ 26]}

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説明されている。^{[7] [27] [28]}

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の両方を同時に達成することができます。CLCの課題には、二重流動床の操作（キャリアの流動性を維持しながら粉砕と摩耗を回避すること^[29]）、および多くのサイクルにわたってキャリアの安定性を維持することが含まれます。

• 化学ループ改質とガス化
• 燃焼
• 酸素燃焼
• 酸化剤
• 酸化還元（酸化還元反応）
• 炭素回収と貯留
• レーン水素製造会社

• 「CO2回収 – ホームページ」。entek.chalmers.se。
• 化学ループ
• 「化学ループ」。ウェスタンケンタッキー大学燃焼科学研究所。2012年10月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• 「研究活動」。Instituto de Carboquímica。2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• 「インペリアル・カレッジ炭素回収・貯留センター（IC4S）」。炭素回収・貯留、インペリアル・カレッジ・ロンドン。2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• 「SP4: 化学ループ燃焼」。ENCAP。2008-04-21にオリジナルからアーカイブ。
• 「炭素回収と化学ループ技術 - 進捗状況の最新情報」ウェビナー録画、Carl Bozzuto および Global CCS Institute、2012 年 7 月 11 日。