酸素燃焼プロセス

酸素燃焼は、空気の代わりに純酸素、または酸素と再循環された排気ガスの混合物を使用し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、より高い炎温度が可能になります。歴史的に、酸素燃焼の主な用途は金属、特に鋼の溶接と切断でした。酸素燃料は空気燃料炎で達成できるよりも高い炎温度を可能にするためです。^{[1]また、ここ数十年、潜在的な}炭素回収・貯留技術として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を多く含む混合ガスを燃焼させる研究が行われています。入力空気から窒素のほぼすべてが除去され、約95％の酸素の流れが生成されます。^[3]純酸素で燃焼すると炎の温度が高くなりすぎるため、混合物をリサイクルされた排気ガスと混合して希釈するか、段階燃焼します。リサイクルされた排気ガスは、ボイラーに燃料を運び、ボイラーのすべての領域に適切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、空気燃料燃焼よりも約75％少ない排気ガスが生成され、主にCO ₂とH ₂ Oからなる排気が生成されます（図を参照）。

酸素燃焼を使用する理由は、隔離可能な CO _{2 を}多く含む排気ガスを生成するためです。酸素燃焼には、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。その利点は次のとおりです。

• 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。ただし、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使用すると、このコストを削減できます。化学ループ燃焼では、石炭を燃焼す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を使用するのではなく、酸化還元反応によって内部で生成されます。^[5]

_{現在、 CO2}排出量を削減する必要がないため、酸素燃焼は競争力がありません。しかし、酸素燃焼は、従来の空気燃焼式化石燃料プラントの排気ガスから_{CO2 を除去するための実行可能な代替手段です。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、酸素燃焼は顕熱の利用可能性が高いため競争力があります。酸素燃焼は金属生産のさまざまな側面で一般的です。

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、ガラス炉には約 1500 度 C の温度が必要であり、煙道流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器は、炉から出る煙道ガスの熱を捕捉するために格子縞のパターンに配置されたレンガで満たされた、大きくて高価な高温レンガ製ダクトです。煙道ダクトが完全に加熱されると、空気の流れが逆転して煙道ダクトが空気入口となり、その熱が入ってくる空気に放出されるため、空気燃料のみで達成できるよりも高い炉温度が可能になります。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。再生器の費用をかけずに新しい炉を建設でき、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、酸素燃焼は CO2 排出量を削減する必要なくコスト効率に優れています_{。酸素燃焼はガラス工場の所在地での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 生成 _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的燃焼と組み合わせられることがよくあります。

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、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る。

• オーストラリア・クイーンズランド州のカリデA発電所^[6]
• ドイツ、シュプレンベルクのシュヴァルツェ・プンペ発電所
• スペイン、クビジョス・デル・シルのCIUDEN ^[7]
• NET電力実証施設^[8]

酸素燃焼のケーススタディの1つは、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である。計画されていたプロジェクトは、年間200万トンの二酸化炭素を回収するために、空気分離機能を備えた酸素燃焼発電所だった。二酸化炭素はパイプラインで輸送され、北海の地下の塩水帯水層に隔離される予定だった。^[9]しかし、2015年後半から2016年初めにかけて、ドラックスグループと英国政府による資金援助が撤回されたため、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の削減により、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した。^[9]

化石燃料の燃焼による環境への大きな影響の一つは、気候変動の一因となる_{二酸化炭素}の放出です。酸素燃焼では、すでに_{二酸化炭素}濃度が高い排気ガスが発生するため、大気中に放出するよりも_{二酸化炭素を}浄化して貯蔵する方が簡単です。^[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。これまでの研究では、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ないことが示されています。測定では、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が示されています。^{[11] [12]}ただし、注目すべき例外が1つあり、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）の濃度が低いことがよくあります。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形成されます（焼成）。焼成は平衡反応であり、CO _2の部分圧が高いと、平衡がそれぞれCaCO ₃とMgCO ₃に有利にシフトします。遊離石灰は反応性があり、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、分解が減り、灰に含まれる遊離石灰が少なくなります。^{[11] [12]排ガス脱硫は通常、大気中の水分（}酸性雨）と反応して排ガスまたはその生成物のpHを上げるために使用されます。硫黄とその酸化物の他に、水と反応して窒素と亜酸化窒素から酸性雨の潜在的な成分が形成されます。燃焼から窒素を除去すると、この要因が完全に減少します。

• 空気分離
• 極低温エネルギー貯蔵
• 予混合炎
• 化学ループ燃焼
• 炭素回収と貯留