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Combustion reactivity of ilmenite with coal volatiles under steam gasification atmosphere

TSEDENBAL, BATTSETSEG ツェデンバル, バトツェツェグ 群馬大学

2020.09.30

概要

ケミカルルーピング石炭燃焼技術は、金属酸化物（酸素キャリア）の格子酸素で石炭を燃焼するため、従来の空気吹き石炭燃焼では不可避である、窒素による生成ガスの希釈が無く、分離装置の導入なしに燃焼炉出口で高濃度の CO2 が得られるため、発電効率を損なうことなく CO2 を高効率に分離・回収可能な発電技術として注目されている。

このプロセスは、主に石炭ガス化炉、揮発分燃焼炉、空気炉の 3 つから構成される。まず、石炭ガス化炉において石炭を熱分解・ガス化する。ガス化ガスと揮発分は、分散板を介してガス化炉上部に設置された揮発分燃焼炉に運ばれ、酸素キャリアにより燃焼され CO2 に転換する。これによって、燃焼炉からは、高濃度の水蒸気と CO2 が排出され、分離・回収される。また、揮発分燃焼炉からオーバーフローでガス化炉に落下したキャリアは空気炉に運ばれ、消費されたキャリアの格子酸素を回復させることにより再生される。ケミカルルーピング石炭燃焼技術では、これら一連の化学プロセスが繰り返される。

通常、石炭の熱分解・ガス化では、燃料ガスの他、高分子炭化水素（タール）や炭素析出物、硫黄ガスなどが発生する。これらの汚染物質が CO2 回収・貯留に悪影響を及ぼすことが懸念される。さらにケミカルルーピングプロセス運転障害や酸素キャリアの失活、大気汚染などの問題を起こす可能性がある。

本論文では主に石炭ケミカルルーピング燃焼プロセスの揮発分燃焼炉に着目し、酸素キャリア の酸化前処理、反応時の水蒸気濃度（Steam/Carbon(S/C) 比）、石炭の熱分解・ガス化により生成す る硫黄不純物が、酸素キャリアによる揮発分の燃焼に及ぼす影響を明らかにすることを目的として、天然鉄チタン鉱物であるイルメナイト(FeTiO3)を酸素キャリアとして、水蒸気改質条件及び硫黄ガ ス雰囲気下における酸素キャリアと石炭揮発分との燃焼反応性を詳細に評価した。また、比較試料 として、人工酸素キャリア Fe2O3/Al2O3 についても検討した。酸素キャリアによる石炭揮発分の水 蒸気改質実験は固定層流通式二段反応器を用いて、1173K で行った。

イルメナイトを酸化前処理することにより揮発分の CO2 転換率が著しく増加し、タールの生成がほとんど見られなくなることを見出した。イルメナイトは酸化前処理すると比較的緻密な微構造を形成するが、水蒸気改質実験後には、内部及び表面が多孔質化していた。また、イルメナイトは、広範な水蒸気濃度において高い反応性が維持され、S/C 比の増加に伴って炭素析出が大幅に減少することが明らかとなった。イルメナイトは、高 S/C 雰囲気下でも還元状態の FeTiO3 が比較的に安定であるのに対して、Fe2O3/Al2O3 の還元状態 FeAl2O4 は高 S/C 雰囲気下では再酸化され、水素ガス収量が大幅に増加した。

さらに、固定層流通式二段反応器を用いて、水蒸気改質雰囲気下におけるイルメナイト及び Fe2O3/Al2O3 の石炭揮発分との反応性への H2S の影響について検討した。その結果、低濃度の H2S 存 在下では、イルメナイトによる揮発分の燃焼が著しく促進され、H2S なしと比べて CO2 への転換率 が向上することを見出した。さらに、様々な H2S 濃度下において、イルメナイトの 8 サイクル酸化 還元テストを行なった結果、低濃度の H2S 存在下においてイルメナイトの初期還元反応速度が著し く上昇することがわかった。この結果より、イルメナイトの鉄成分の内部から表面への移動を H2S が促すことで、イルメナイトの燃焼反応性が向上したと推定できる。一方、高濃度の H2S 存在下で は、還元さにより生成した金属鉄が硫化し、硫化鉄（Fe1-xS）が析出するため、イルメナイトの燃焼 反応性が低下するものの、析出した硫化物が次の酸化処理でほぼ完全に除去されることを確認した。 H2S とキャリアとの反応性は、キャリアの酸化状態（格子酸素）に大きく依存し、格子酸素が豊富 な条件では、ほとんどの H2S が酸素キャリアで酸化され SO2 ガスとして揮発分燃焼炉から排出され るが、格子酸素が乏しい条件では、イルメナイトの硫化反応が進行し、硫黄成分が空気炉に持ち込 まれるため、実際のプロセスでは、空気炉から SO2 として放出されることが懸念される。Fe2O3/Al2O3 酸素キャリアでは、イルメナイトと比べて硫黄析出量が遥かに多く、より硫化しやすい傾向があり、 H2S による鉄硫化物（Fe1-xS）の生成の影響により、水蒸気改質雰囲気下における石炭揮発分との燃 焼反応性が著しく低下した。

これらの結果より、ケミカルルーピング石炭燃焼プロセスにおいて、十分な量のイルメナイトを高酸化状態に保つことによって、石炭の熱分解・ガス化により生成した揮発分を完全に燃焼することができ、また、高い硫黄被毒耐性を持たせることが可能であることを明らかにした。また、イルメナイトは、人工キャリアと比較して水蒸気との反応性が低いため、高い S/C 比で炭素析出を抑制しながら、安定的な運転が可能であることが示唆された。

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参考文献

[1] J. Adanez, A. Abad, F. Garcia-Labiano, P. Gayan, L.F. De Diego, Progress in chemical-looping combustion and reforming technologies, Prog. Energy Combust. Sci. 38 (2012) 215–282.

[2] Y. Cao, W.P. Pan, Investigation of chemical looping combustion by solid fuels. 1. Process analysis, Energy and Fuels. 20 (2006) 1836–1844.

[3] H. Leion, T. Mattisson, A. Lyngfelt, The use of petroleum coke as fuel in chemical-looping combustion, Fuel. 86 (2007) 1947–1958.

[4] H. Leion, T. Mattisson, A. Lyngfelt, Solid fuels in chemical-looping combustion, Int. J. Greenh. Gas Control. 2 (2008) 180–193.

[5] T.A. Brown, J.S. Dennis, S.A. Scott, J.F. Davidson, A.N. Hayhurst, Gasification and chemical-looping combustion of a lignite char in a fluidized bed of iron oxide, Energy and Fuels. 24 (2010) 3034–3048.

[6] C. Linderholm, M. Schmitz, Chemical-looping combustion of solid fuels in a 100 kW dual circulating fluidized bed system using iron ore as oxygen carrier, J. Environ. Chem. Eng. 4 (2016) 1029–1039.

[7] J. Adánez, A. Abad, T. Mendiara, P. Gayán, L.F. de Diego, F. García-Labiano, Chemical looping combustion of solid fuels, Prog. Energy Combust. Sci. (2018).

[8] S.Y. Lin, T. Saito, K. Hashimoto, Development of the Three-Tower Chemical Looping Coal Combustion Technology, in: Energy Procedia, 2017.

[9] T. Saito, S. Lin, Coal Char Reaction with Oxygen Carrier in Chemical Looping Combustion, Energy and Fuels. (2019).

[10] B. Tsedenbal, N. Kannari, K. Sato, H. Abe, H. Shirai, T. Takarada, Reforming of coal volatiles over ilmenite ore, Fuel Process. Technol. (2019).

[11] E. Jerndal, T. Mattisson, A. Lyngfelt, C. Combustion, O. After, Chemical Engineering Research and Design 2006-Thermal Analysis of Chemical-Looping Combustion, (2006).

[12] B. Wang, R. Yan, D.H. Lee, D.T. Liang, Y. Zheng, H. Zhao, C. Zheng, Thermodynamic investigation of carbon deposition and sulfur evolution in chemical looping combustion with syngas, Energy and Fuels. 22 (2008) 1012– 1020.

[13] L.F. De Diego, F. García-Labiano, P. Gayán, A. Abad, A. Cabello, J. Adánez, G. Sprachmann, Performance of Cu- and Fe-based oxygen carriers in a 500 Wth CLC unit for sour gas combustion with high H2S content, Int. J. Greenh. Gas Control. 28 (2014) 168–179.

[14] H. Tian, T. Simonyi, J. Poston, R. Siriwardane, Effect of hydrogen sulfide on chemical looping combustion of coal-derived synthesis gas over bentonite- supported metal-oxide oxygen carriers, Ind. Eng. Chem. Res. (2009).

[15] H. Gu, L. Shen, J. Xiao, S. Zhang, T. Song, D. Chen, Evaluation of the effect of sulfur on iron-ore oxygen carrier in chemical-looping combustion, Ind. Eng. Chem. Res. 52 (2013) 1795–1805.

[16] E. Ksepko, R. V. Siriwardane, H. Tian, T. Simonyi, M. Sciazko, Effect of H 2S on chemical looping combustion of coal-derived synthesis gas over Fe-Mn oxides supported on sepiolite, ZrO 2, and Al 2O 3, Energy and Fuels. 26 (2012)

[17] C. Chung, Y. Pottimurthy, M. Xu, T.L. Hsieh, D. Xu, Y. Zhang, Y.Y. Chen, P. He,

M. Pickarts, L.S. Fan, A. Tong, Fate of sulfur in coal-direct chemical looping systems, Appl. Energy. 208 (2017) 678–690.

[18] C. Linderholm, M. Schmitz, P. Knutsson, A. Lyngfelt, Chemical-looping combustion in a 100-kW unit using a mixture of ilmenite and manganese ore as oxygen carrier, Fuel. 166 (2016) 533–542.

[19] P. Moldenhauer, M. Rydén, T. Mattisson, M. Younes, A. Lyngfelt, The use of ilmenite as oxygen carrier with kerosene in a 300W CLC laboratory reactor with continuous circulation, Appl. Energy. 113 (2014) 1846–1854.

[20] Y. Tan, Z. Sun, A. Cabello, D.Y. Lu, R.W. Hughes, Effects of H 2 S on the Reactivity of Ilmenite Ore as Chemical Looping Combustion Oxygen Carrier with Methane as Fuel, Energy and Fuels. 33 (2019) 585–594.

[21] N. Tsubouchi, Y. Mochizuki, Y. Ono, K. Uebo, Functional Forms of Nitrogen and Sulfur in Coals and Fate of Heteroatoms during Coal Carbonization, Tetsu-to- Hagane. 98 (2012) 161–169.

[22] D. Mandrino, XPS and SEM of Unpolished and Polished FeS Surface. Mater. Tehnol. 45 (2011) 325–328.

[23] M. Y. Morales-Gallardo, A. M. Ayala, M. Pal, M. A. Cortes Jacome, J. A. Toledo Antonio, N. R. Mathews, Synthesis of Pyrite FeS2 Nanorods by Simple Hydrothermal Method and Its Photocatalytic Activity. Chem. Phys. Lett. 660 (2016) 93–98.

[24] Y. Ku, Y.C. Liu, P.C. Chiu, Y.L. Kuo, Y.H. Tseng, Mechanism of Fe2TiO5 as oxygen carrier for chemical looping process and evaluation for hydrogen generation, Ceram. Int. (2014).

[25] J. Adánez, A. Cuadrat, A. Abad, P. Gayán, L.F.D. Diego, F. García-Labiano, Ilmenite activation during consecutive redox cycles in chemical-looping combustion, Energy and Fuels. 24 (2010) 1402–1413.

[26] L. Zeng, F. He, F. Li, L.S. Fan, Coal-direct chemical looping gasification for hydrogen production: Reactor modeling and process simulation, in: Energy and Fuels, 2012.

[27] M. Pujara, M. Sheth, N. Rachchh, R. Bhoraniya, Chemical Looping Reforming (CLR) System for H 2 Production — A Review, (2020).

[28] Y. Zhongliang, Y. Yanyan, Y. Song, Z. Qian, Z. Jiantao, F. Yitian, H. Xiaogang, G. Guoqing, Iron-based oxygen carriers in chemical looping conversions: A review, Carbon Resour. Convers. 2 (2019) 23-34.

[29] D. Heift, Iron sulfide materials: Catalysts for electrochemical hydrogen evolution, Inorganics. (2019).

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