【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地球温暖化の原因となっている温室効果ガスである二酸化炭素の排出を抑制するために二酸化炭素を分解する二酸化炭素分解装置およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化の原因となっている大気中の温室効果ガスの濃度を低減するためには、その代表的なガスである二酸化炭素の排出自体を抑えることが不可欠である。そのため、近年、二酸化炭素の排出削減のために、様々な方法が研究されている。
【０００３】
火力発電所等の熱プロセスから排出される排ガスから二酸化炭素を除去する方法としては、物理的に二酸化炭素を分離・除去する方法と、化学反応により他の物質に転化して分解する化学的な処理方法とがあるが、二酸化炭素は燃焼、すなわち化学反応により大量に生じるので、地球の物質環境を考慮した場合は化学的な処理を行うことが望ましい。
【０００４】
二酸化炭素の化学的な分解処理方法としては、電気化学的な方法、生化学的な方法、触媒化学的な方法に大別できる。
【０００５】
電気化学的な方法は、大規模な反応槽が必要であり、二酸化炭素の分解反応を促進させるためには大量の電気エネルギーを供給する必要がある。又、生化学的な方法は、二酸化炭素の分解反応速度が遅く、大量の排ガスを処理するためには広大な地表面積が必要になるため、現実的でない。
【０００６】
一方、触媒化学的な方法は、二酸化炭素の分解反応速度が速く、水素を用いて気相で二酸化炭素を還元する方法を用いれば、火力発電所等から排出される大量の二酸化炭素を短時間に処理することができると考えられている。二酸化炭素を水素を用いて気相で還元する方法としては、様々な方法が考えられるが、常圧下で二酸化炭素の分解反応が促進するのは、逆水性ガスシフト反応と呼ばれる、
ＣＯ2＋Ｈ2→ＣＯ＋Ｈ2Ｏ
の反応式に示す反応が知られている。
【０００７】
この反応は、排ガス中の二酸化炭素を水素により還元して一酸化炭素に転化するものであり、吸熱反応であるため、一般には高温になればなるほど平衡が右側にシフトして、二酸化炭素が一酸化炭素に転化する比率が増加する。しかし、高温を維持するためには、多量のエネルギーを投入する必要があり、このエネルギー源として新たに化石燃料を使用すれば、二酸化炭素の排出量を低減したことにならなくなってしまう。
【０００８】
従来では、二酸化炭素の排出量を低減するものとして、火力発電所、製鉄所、セメント工場などから大量に排出される二酸化炭素を排出源で分解処理する方法が知られている（例えば特許文献１）。かかる方法においては、化石燃料の燃焼により生じた排ガスの通路にＣｕ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれかの元素を１種類以上含む還元触媒を設け、排ガスに水素ガスを添加し、化石燃料の燃焼により生じた熱エネルギー、またはその排ガスに含まれる熱エネルギーを活用して排ガス中の二酸化炭素を一酸化炭素に転化することが示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−１３６４６２号公報（図１、図３）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に示されるような従来の二酸化炭素の分解方法では、排ガスに添加する水素ガスとして天然ガス改質や水蒸気改質等により別途製造された水素を利用しなければならないので、改質炉での水素製造のために多くの熱エネルギーが必要となってしまう。
【００１１】
従来の水素製造にあっては、水素製造の反応前に予め改質炉内を高温状態としなければならないため、装置の立ち上げ工程や立ち下げ工程等でのエネルギーロスが大きくなってしまい、装置の運転費が高くなってしまう。又、このように装置の立ち上げから立ち下げまでの間の長時間に亘り改質炉内が高温状態に維持されることとなってしまうため、耐火物を多用して装置を構成する必要があり、設備費が高くなってしまう。
【００１２】
その結果、上述のようにして得られた水素は高価であるため、二酸化炭素の分解のためのコストが高くなってしまう。
【００１３】
又、従来では、水素製造のためだけにエネルギー源として多量の化石燃料が使用されるので、二酸化炭素の排出量を低減したことにならない。
【００１４】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、エネルギーロスを低減しつつ安価に二酸化炭素を分解することができ、更に水素を製造することができる二酸化炭素分解装置及び二酸化炭素分解方法の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、装置に関しては、二酸化炭素を含有するガスと二酸化炭素に対して反応性を有する反応物質との混合体を高温にすることにより、上記ガス中の二酸化炭素を上記反応物質と反応させて分解させる二酸化炭素分解装置において、一端部から他端部へ向け通路断面積が小さくなる燃焼室と、燃料と酸化剤の供給を受ける着火室と、該着火室から分岐して延び上記燃焼室の一端部へ連通する路程の等しい複数の誘導路と、上記燃焼室の最小通路断面積たる他端部の開口に接続され二酸化炭素含有ガスと反応物質との混合体を衝撃圧縮するべく該混合体を収容する反応室と、二酸化炭素含有ガスを該反応室内に供給する二酸化炭素含有ガス供給手段と、上記反応室内に反応物質を供給する反応物質供給手段とを備えていることを特徴としている。
【００１６】
このような構成の本発明装置にあっては、着火室にて燃料及び酸化剤が着火されると、火炎は爆轟（デトネーション）により誘導路を経て燃焼室内を進行する。その際、各誘導路は等しい路程となっているので、燃焼室の一端部には各誘導路からの火炎が同時に到達する。該火炎は衝撃波となって上記燃焼室の他端部に向けて伝播するが、その通路断面積が他端部に向け減少するので、衝撃波は収束されて、衝撃波の圧力は次第に上昇する。そして、この収束衝撃波が、二酸化炭素含有ガスと反応物質との混合体を収容する反応室内に伝播して該混合体を衝撃圧縮する。急激に圧縮された上記混合体は、温度が上昇して高温となって、上記二酸化炭素が上記反応物質と反応して分解される。なお、ここで、爆轟とは、衝撃波を伴って火炎が超音速で伝播する現象をいう。
【００１７】
又、本発明は、方法に関しては、燃料と酸化剤を燃焼して発生した爆轟による衝撃波をその進行とともに収束し、収束衝撃波により二酸化炭素を含むガスと反応物質とを衝撃圧縮して高温に加熱せしめて該ガス中の二酸化炭素と該反応物質とを反応させて、該ガス中の二酸化炭素を分解することを特徴としている。
【００１８】
かかる本発明においては、反応物質は、金属粉、酸化金属粉、炭素を含む粒子、炭化水素を含む粒子、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子、炭化水素を含むガスのうち少なくとも一つからなるものとすることができる。
【００１９】
▲１▼ 反応物質としての金属粉には、鉄、アルミニウム、マグネシウム等を使用できる。例えば、反応物質として鉄粒子を用いた場合、鉄粒子は、
３ＣＯ2＋４Fe→３Ｃ＋２Fe2Ｏ3
２ＣＯ2＋３Fe→２Ｃ＋Fe3Ｏ4
の反応により、二酸化炭素を還元し、酸化物を生成する。
【００２０】
鉄粒子は製鉄所の転炉ダスト等の鉄粉として容易に入手することができ、比較的低温（約６００℃以下）で二酸化炭素と反応する。よって、反応温度を高くする必要が無く、エネルギーコストが低くて済むばかりでなく、装置に特殊な耐火物を用いる必要が無いので設備コストが低くて済み、また装置の寿命を長くすることができる。また、鉄粒子はアルミニウム等に比べて酸化物の還元が容易であり、回収した酸化鉄を還元する酸化物還元装置の設備コストや運転コストを低くすることができる。さらに、鉄粒子は比重が重く磁性を有するので、上記反応式による反応によって生成された炭素と酸化物を分離する場合に風力選別や磁力選別を有効に利用できる。
【００２１】
▲２▼ 反応物質としての酸化金属粉には、酸化鉄等を使用できる。例えば、酸化鉄として、酸素欠損マグネタイト又はストロンチウムフェライトを用いた場合、
ＣＯ2→Ｃ＋Ｏ2
ＣＯ2→ＣＯ＋1／2Ｏ2
の反応により、二酸化炭素を炭素と酸素に分解させる。
【００２２】
▲３▼ 反応物質としての炭素を含む粒子には、コークス微粉、石炭粉等を使用でき、炭素を含む粒子と二酸化炭素は、
ＣＯ2＋Ｃ→２ＣＯ
の反応により、二酸化炭素が分解される。
【００２３】
▲４▼ 反応物質としての炭化水素を含む粒子、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子は、主成分が炭化水素であるので、加熱されると、
ＣmＨn→ｍＣ＋（ｎ/2）Ｈ2 ＜熱分解反応＞
ＣmＨn＋（ｍ/2）Ｏ2→ｍＣＯ＋（ｎ/2）Ｈ2 ＜部分酸化反応＞
の熱分解反応や部分酸化反応により、一酸化炭素や水素を発生させる。反応室内への溶融プラスチックの供給は溶融プラスチックの噴霧により行うことができる。
【００２４】
上記熱分解反応及び部分酸化反応により生成した水素や炭素によって二酸化炭素が、
ＣＯ2＋Ｈ2→ＣＯ＋Ｈ2Ｏ
ＣＯ2＋２Ｈ2→Ｃ＋２Ｈ2Ｏ
ＣＯ2＋Ｃ→２ＣＯ
の反応により、還元されて分解される。
【００２５】
この場合、酸素欠損マグネタイト、Ｎi，Ｃo，Ｃo−Ｍo，Ｆe−Ｃr，Ｃu-Ｚn等の金属をＡl2Ｏ3やＳiＯ2の担体に担持させたもの、ＴiＯ2、ＭoＳ2等の触媒を反応物質に添加すると反応効率が向上する。
【００２６】
▲５▼ 反応物質としての炭化水素を含むガスには、例えば天然ガスの主成分であるメタンガスを使用できる。反応物質としてのメタンは、
ＣＯ2＋ＣＨ4→２ＣＯ＋２Ｈ2
の反応により、二酸化炭素と反応する。
【００２７】
上述の▲４▼及び▲５▼に示すように、反応物質として、炭化水素を含む粒子、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子、炭化水素を含むガスを使用する場合には、二酸化炭素が分解されるとともに、水素を含有するガスが製造される。
【００２８】
又、本発明においては、反応室内に二酸化炭素含有ガス及び反応物質に加えて更に水蒸気を供給し、これらを上述の衝撃圧縮により反応させると、二酸化炭素が分解されるとともに、水素を含有するガスが製造される。
【００２９】
特に、反応物質として、炭化水素を含む粒子、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子、炭化水素を含むガスを使用する場合には、
ＣmＨn＋ｍＨ2Ｏ→ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ/2）Ｈ2
の反応により、水素含有ガスを多量に得ることができる。
【００３０】
又、反応物質として炭素を含む粒子を使用する場合も、
Ｃ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋Ｈ2
の反応により、水素含有ガスを多量に得ることができる。
【００３１】
上述のようにして得られた水素含有ガスは、水素、ＣＯを含んでいるので、燃料ガスとして利用できる。
【００３２】
本発明装置においては、反応室内で二酸化炭素と反応物質と水蒸気との反応により生成したガスの一部を着火室に供給して循環させる循環手段を介して反応室と着火室を接続することができる。こうすることにより、上述したような反応室内の反応後のガスを本装置のための燃料として有効利用できるので、運転費が安価となる。
【００３３】
又、反応室内で二酸化炭素と反応物質と水蒸気との反応により生成したガスから水素を分離する水素分離手段を上記反応室に接続し、該分離手段によって上記ガスから分離された水素を外部に取り出すようにすることができる。こうすることにより、上記ガスから分離して取り出された水素を燃料電池自動車の燃料などに利用できる。上記ガスから水素を分離して取り出した後の残りのガスは、ＣＯが含まれているので、燃料ガスや化学合成原料として利用できる。
【００３４】
又、本発明装置では、着火室と燃焼室を冷却させる冷却手段を設けることができる。こうすることにより、着火室及び燃焼室の内壁の過昇温による着火室及び燃焼室での異常燃焼を防止できるので、着火室及び燃焼室の焼損を防止し、耐久性が向上する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に関して、添付図面に基づき説明する。
【００３６】
図１は、本実施形態にかかる装置の概略構成を示す図である。
【００３７】
本実施形態装置は、図１に示すように、下方に向け円錐状をなす燃焼室１を有している。該燃焼室１は、通路断面積が上部１Ａで最大、下部１Ｂで最小となって収束部を形成するようになっており、下部１Ｂで収束度の異なる後述の反応室１１の上部と接続されている。
【００３８】
燃焼室１の上部１Ａの内壁はやや上方に湾曲形成され、ここに複数の孔状の誘導路２が連通している。該複数の誘導路２は上方にて、円盤空間状の分散室３に収束されている。各誘導路２は、分散室３から燃焼室１の内壁までの路程が等しくなっている。該分散室３には上方に延びる円筒状の着火室４が連通接続されている。そして、該着火室４の上部には、着火装置６により作動する点火栓５が設けられていると共に、流量計７，８を経て燃料供給源９、酸化剤供給源１０がそれぞれ接続されている。本実施形態では、燃料供給源からの燃料例えばプロパンガスと、酸化剤供給源から酸化剤例えば酸素とが着火室４に供給される。
【００３９】
燃焼室１の下部１Ｂには、二酸化炭素の分解及び水素含有ガス製造のための反応室１１が接続されている。該反応室１１は下流側に向けて通路断面積が小さくなるように形成されている。本実施形態では、着火室４及び燃焼室１の内壁を冷却して所定温度以下に維持するためのジャケット、例えば水冷ジャケット１２が形成されている。この水冷ジャケット１２は、着火室４及び燃焼室１の内壁の温度を、燃料と反応室１１内で製造される水素含有ガスとの着火温度以下に維持し、着火室４及び燃焼室１の内壁の過昇温による着火室４及び燃焼室１での異常燃焼を防止する。
【００４０】
反応室１１には、二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気とを混合して供給する混合体供給装置１３が接続されている。混合体供給装置１３には、二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気をそれぞれ供給量を調整して供給する二酸化炭素含有ガス供給装置１４と反応物質供給装置１５と水蒸気供給装置１６が接続されている。本実施形態では、二酸化炭素含有ガス供給装置１４は、火力発電所、製鉄所、廃棄物焼却炉、セメント工場等の燃焼設備から排出される排ガス、または排ガスから分離した二酸化炭素を反応室１１内に供給するようになっている。又、反応物質供給装置１５は、反応物質として、廃プラスチック等を粉砕して得られたプラスチック粉を反応室１１内に供給するようになっている。なお、廃プラスチックを反応物質として用いる場合には、廃プラスチックを溶融したものを反応室内に噴霧して供給するようにしてもよい。こうすることにより、廃プラスチックと水蒸気及び二酸化炭素との反応性がよくなる。更に、水蒸気供給装置１６は、廃熱ボイラ等の水蒸気を反応室１６内に供給するようになっている。なお、反応室１１へ水蒸気を供給しなくても、二酸化炭素の分解と水素含有ガスの製造とが可能であるが、反応室１１へ水蒸気を供給すると、これらの反応効率が向上するので、好ましい。そして、二酸化炭素含有ガス供給装置１４、反応物質供給装置１５、水蒸気供給装置１６は、それぞれ混合体供給装置１３との間に設けられた制御弁（図示せず）の開閉制御により、混合体供給装置１３に対する二酸化炭素含有ガス、反応物質、水蒸気の供給量が所定量に制御される。
【００４１】
反応室１１の下部には、反応室１１で製造されたガスを抜き出して一旦貯蔵するためのタンク１７が接続されている。タンク１７は、断続的に製造されたガス流れを緩和するバッファタンクの機能を有する。また、製造されたガスをタンク１７内で断熱膨張させて温度低下させることにより水分を凝縮させて分離する。そのため、タンク１７には凝縮した水分を抜くための配管が接続されている。このタンク１７には、該タンク１７内を減圧せしめる減圧ポンプ１８を介して、上記ガスを水素と他のガス（ＣＯ等）とに分離するための分離装置１９が接続されている。分離装置１９は、分離装置１９にて上記ガスから水素を分離された後の残りのガス（ＣＯ等）を燃料として再利用すべく、増圧ポンプ２０を介して燃料供給源９の燃料供給経路に接続されている。分離装置１９にて上記ガスから分離された水素は、燃料電池のための燃料等として利用される。
【００４２】
本実施形態では、着火室４には、着火室４と分散室３と接続部位近傍にて、燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排出装置２１が接続されている。この燃焼排ガス排出装置２１は、真空ポンプ装置であり、衝撃波による圧縮比向上のため、着火室４への燃料及び酸化剤の供給前に着火室４、分散室３、誘導路２、燃焼室１、反応室１１の真空引きも行う。
【００４３】
次に、上記装置での運転方法及び作用について詳細に説明する。
【００４４】
▲１▼ 先ず、燃焼排ガス排出装置２１によって、着火室４、分散室３、誘導路２、燃焼室１、反応室１１の内部が所定の真空度にされる。ただし、次の工程で、大気圧以上の燃料と酸化剤を充填するのであれば、真空引きは省略してもよい。
【００４５】
▲２▼ 次に、着火室４、分散室３、誘導路２、そして燃焼室１内に、ほぼ理論混合比の燃料と酸化剤が、燃料供給源９、酸化剤供給源１０により充填される。これとほぼ同時に、反応室１１内に二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気を混合した混合体が混合体供給装置１３によって充填される。なお、その際、反応室１１内には、この他に二酸化炭素の分解を促進させる触媒や、水素含有ガスの合成を促進させる触媒を添加してもよい。
【００４６】
▲３▼ 次いで、着火装置６により点火栓５を作動させる。着火室４内では、着火により爆轟が起こり、その火炎が分散室３そして誘導路２を経て燃焼室１の上部１Ａに伝達される。その際、複数の誘導路２の路程はそれぞれ等しく設定されているので、複数の誘導路２の火炎は同時に燃焼室１の上部１Ａに達することとなる。
【００４７】
燃焼室１内では火炎は上部１Ａから下部１Ｂへと進行するが、燃焼室１の断面積は下方に向け次第に小さくなっているため、爆轟波が互いに干渉し合い収束されて、下流側に伝播するにつれて温度及び圧力が上昇する。
【００４８】
燃焼室１の下部１Ｂには反応室１１が接続されていて、上記温度及び圧力は反応室内の混合体に伝達される。その際、燃焼室１内での収束爆轟現象による高温高圧の収束爆轟波の運動エネルギー及び熱エネルギーは、燃焼室１と反応室１１との界面で衝撃波に変換され、反応室１１内に伝播する。
【００４９】
ところで、反応室１１は下流に向けて通路断面積が減少するように配設されているため、ここで収束衝撃波が発生する。そして、この収束衝撃波が反応室１１内の混合体を衝撃圧縮して高温に加熱せしめて、反応室１１内の二酸化炭素と反応物質と水蒸気との反応が行われる。この際、反応室１１の通路断面積の減少に伴い、上記混合体にかかる圧力はきわめて高くなり、上記混合体はきわめて高温となる。このとき、反応室１１内では、二酸化炭素と反応物質と水蒸気との反応により、二酸化炭素が分解され、一酸化炭素及び水素を含有する水素含有ガスが製造される。本実施形態では、反応物質が主成分を炭化水素とする廃プラスチック粉であるため、加熱されると、
ＣmＨn→ｍＣ＋（ｎ/2）Ｈ2 ＜熱分解反応＞
ＣmＨn＋（ｍ/2）Ｏ2→ｍＣＯ＋（ｎ/2）Ｈ2 ＜部分酸化反応＞
の熱分解反応や部分酸化反応により、一酸化炭素や水素を発生させる。また、廃プラスチック粉と水蒸気から、
ＣmＨn＋ｍＨ2Ｏ→ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ/2）Ｈ2
の反応により、一酸化炭素と水素を発生させる。
【００５０】
上記の反応や熱分解反応や部分酸化反応により生成した水素や炭素によって、
ＣＯ2＋Ｈ2→ＣＯ＋Ｈ2Ｏ
ＣＯ2＋２Ｈ2→Ｃ＋２Ｈ2Ｏ
ＣＯ2＋Ｃ→２ＣＯ
の反応により、二酸化炭素が還元されて分解される。
【００５１】
その後、収束衝撃波が反応室１１の底面（最終収束部）に到達し、ここで反射衝撃波が形成され、これまで進行してきた経路を逆にたどり、燃焼室１内壁又は着火室４上壁にて反射し、再度進行波となって反応室１１内を透過する。これらの現象は、複数回繰返される過程で運動エネルギーを失って、ついには消滅する。これらの過程で、反応室１１内の混合体は、複数回高温高圧にさらされると共に、反応室１１内で攪拌され、反応が促進される。
【００５２】
▲４▼こうして、混合体の反応が行われた後、反応室１１内の水素含有ガスは、減圧ポンプ１８によって減圧されたタンク１７に一旦収容された後に分離装置１９に送られる。この際、反応室１１で製造されたガスの抜き出しは、反応室１１とタンク１７との間に設けられた制御弁により、反応室１１内の下部に衝撃波が伝播して混合体が衝撃圧縮されるタイミングの直後に同期して行われる。なお、反応室１１内の水素含有ガスの大部分はその水素含有ガス自身の圧力で反応室１１外へ排出可能であるが、本実施形態では、減圧ポンプ１８を用いて、タンク１７内を減圧しておき、開閉弁を用いて、反応室１１内の排気を行う。タンク１７内に水素含有ガスを排出させ断熱膨張させて温度降下させることにより、水素含有ガス中の水分を凝縮させ分離させることができる。
【００５３】
分離装置１９に送られた水素含有ガスは、水素とそれ以外のガス（ＣＯ等）とに分離される。上記ガスから水素を分離して取り出した後の残りのガスは、ＣＯが含まれているので、燃料ガスや化学合成原料として利用できる。本実施形態では、循環手段としての増圧ポンプ２０によって、分離装置１９にて水素含有ガスから水素を分離した後のガスが着火室４に帰還されて燃料として再利用される。一方、上記水素含有ガスから分離して取り出された水素は、燃料電池自動車の燃料などに利用できる。なお、分離装置１９として、ＰＳＡ（圧力変動吸着）や膜分離などを用いる。
【００５４】
▲５▼反応室１１内での燃料及び酸化剤の燃焼後の燃焼排ガスは、燃焼ガス排出装置２１により、着火室４から反応室１１までの範囲から排出される。これにより、生成される水素含有ガスの水素や他の燃料ガスの濃度を高く保つことができる。
【００５５】
かくして、上記▲１▼〜▲５▼の工程を繰返すことによって、次々と二酸化炭素を分解すると共に、水素含有ガスを製造することができる。
【００５６】
なお、本発明にかかる二酸化炭素分解装置は上述の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、燃焼室は、本実施形態では上下に延びる形状をなしているが、図２に示すごとく水平方向に延びる形状としてもよい。燃焼室１´は下方に膨らむ略球面の一部をなす上壁面によって、中心に向かってその通路断面積が減ずる形状となっている。なお、図２において、図１に示す装置と同様の機能をもつ部分には同一符号を付してある。また、反応室は、本実施形態では下流側に向けて通路断面積が小さくなる形状をなしているが、反応室の衝撃波伝播方向の長さが短い場合には、衝撃波の距離減衰が小さいため、通路断面積を一定にした形状としてもよい。
【００５７】
又、反応物質としては、金属粉、酸化金属粉、炭素を含む粒子、炭化水素を含む粒子、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子、炭化水素を含むガスのうち少なくとも一つからなるものであればよいが、装置の設定条件等に応じて適宜選択して用いる。
【００５８】
反応物質としての金属粉には、鉄、アルミニウム、マグネシウム等を用いることができる。例えば、鉄粒子は、製鉄所の転炉ダスト等の鉄粉として容易に入手することができ、比較的低温（約６００℃以下）で二酸化炭素と反応するので、好ましい。反応物質として鉄粉を用いることによって、反応温度を高くする必要が無く、エネルギーコストが低くて済むばかりでなく、反応装置に特殊な耐火物を用いる必要が無いので設備コストが低くて済み、また反応装置の寿命を長くすることができる。また、鉄粒子はアルミニウム等に比べて酸化物の還元が容易であり、回収した酸化鉄を還元する酸化物還元装置の設備コストや運転コストを低くすることができる。さらに、比重が重く磁性を有するので、鉄粒子が二酸化炭素を還元することにより生成された炭素と酸化物を分離する場合に風力選別や磁力選別を有効に利用できる。
【００５９】
又、反応物質としての酸化金属粉には、酸化鉄等を使用できる。例えば、酸化鉄を反応物質として用いる場合には、酸素欠損マグネタイト又はストロンチウムフェライトを用いると、二酸化炭素を炭素と酸素に分解できる。
【００６０】
更に、反応物質として、炭素を含む粒子には、コークス微粉、石炭粉等を使用でき、炭化水素を含むガスには、例えば天然ガスの主成分であるメタンガス等を使用できる。
【００６１】
又、上述した反応物質に、酸素欠損マグネタイト、Ｎi，Ｃo，Ｃo−Ｍo，Ｆe−Ｃr，Ｃu−Ｚn等の金属をＡl2Ｏ3やＳiＯ2の担体に担持させたもの、ＴiＯ2、ＭoＳ2等の触媒を添加すると反応効率が向上する。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、爆轟による衝撃波が、二酸化炭素含有ガスと反応物質との混合体を収容する反応室内に伝播して該混合体を衝撃圧縮することにより、上記二酸化炭素を上記反応物質と反応させて分解するので、エネルギーロスを低減しつつ安価に二酸化炭素を分解できる。又、二酸化炭素の分解によって得られたガスを二酸化炭素の分解のための燃料として有効利用できるので、更に二酸化炭素の分解のためのコストを低減できる。
【００６３】
又、本発明によれば、爆轟による衝撃波が、二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気との混合体を収容する反応室内に伝播して該混合体を衝撃圧縮することにより、上記二酸化炭素と上記反応物質と上記水蒸気との反応により、二酸化炭素の分解のみならず、水素を安価に製造することが可能となる。
【００６４】
また、本発明によれば、収束衝撃波の衝撃圧縮によって断続的に高温状態とするため、装置が定常的に高温にさらされることがないので、安価な耐熱構造にすることができ、設備コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる二酸化炭素分解装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の他の実施形態にかかる二酸化炭素分解装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃焼室
２ 誘導路
４ 着火室
１１ 反応室
１２ 水冷ジャケット（冷却手段）
１４ 二酸化炭素含有ガス供給装置（二酸化炭素含有ガス供給手段）
１５ 反応物質供給装置（反応物質供給手段）
１６ 水蒸気供給装置（水蒸気供給手段）
２０ 増圧ポンプ（循環手段）
１９ 分離装置（分離手段）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon dioxide decomposing device and a method for decomposing carbon dioxide in order to suppress emission of carbon dioxide, which is a greenhouse gas causing global warming.
[0002]
[Prior art]
In order to reduce the concentration of greenhouse gases in the atmosphere that causes global warming, it is essential to suppress the emission of carbon dioxide, which is a typical gas. Therefore, in recent years, various methods have been studied to reduce carbon dioxide emissions.
[0003]
There are two methods to remove carbon dioxide from exhaust gas discharged from thermal processes such as thermal power plants.One is to physically separate and remove carbon dioxide, and the other is to use chemical reaction to convert and decompose to other substances by chemical reaction. Although there is a treatment method, carbon dioxide is generated in a large amount by combustion, that is, a chemical reaction. Therefore, it is desirable to perform a chemical treatment in consideration of the material environment of the earth.
[0004]
The method of chemically decomposing carbon dioxide can be roughly classified into an electrochemical method, a biochemical method, and a catalytic chemical method.
[0005]
The electrochemical method requires a large-scale reaction tank, and a large amount of electric energy needs to be supplied in order to promote the decomposition reaction of carbon dioxide. In addition, the biochemical method is not practical because the decomposition reaction rate of carbon dioxide is slow and a large ground surface area is required to process a large amount of exhaust gas.
[0006]
On the other hand, the catalytic chemical method has a high rate of decomposition reaction of carbon dioxide, and a method of reducing carbon dioxide in the gas phase using hydrogen can reduce a large amount of carbon dioxide discharged from a thermal power plant in a short time. It is believed that it can be processed. As a method of reducing carbon dioxide in the gas phase using hydrogen, various methods are conceivable, but the decomposition reaction of carbon dioxide under normal pressure is promoted, called a reverse water gas shift reaction,
CO 2 + H 2 → CO + H 2 O
Is known.
[0007]
This reaction is a reaction in which carbon dioxide in exhaust gas is reduced by hydrogen to convert it into carbon monoxide. Since this reaction is an endothermic reaction, generally, the higher the temperature, the more the equilibrium shifts to the right, and the more the carbon dioxide is reduced. The rate of conversion to carbon oxide increases. However, in order to maintain a high temperature, it is necessary to input a large amount of energy, and if a new fossil fuel is used as this energy source, the emission of carbon dioxide will not be reduced.
[0008]
Conventionally, as a method for reducing carbon dioxide emissions, a method is known in which a large amount of carbon dioxide emitted from a thermal power plant, a steelworks, a cement plant, or the like is decomposed at an emission source (for example, Patent Document 1). ). In such a method, a reduction catalyst containing at least one of Cu, Zn, Fe, and Cr is provided in a passage of exhaust gas generated by burning fossil fuel, and hydrogen gas is added to the exhaust gas to burn fossil fuel. It is disclosed that carbon dioxide in exhaust gas is converted to carbon monoxide by utilizing the heat energy generated by the heat treatment or the heat energy contained in the exhaust gas.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-7-136462 (FIGS. 1 and 3)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional method for decomposing carbon dioxide as disclosed in Patent Document 1, since hydrogen produced separately by natural gas reforming or steam reforming must be used as hydrogen gas to be added to exhaust gas, reforming is required. A large amount of heat energy is required for hydrogen production in a furnace.
[0011]
In conventional hydrogen production, since the inside of the reforming furnace must be brought to a high temperature state before the reaction of hydrogen production, energy loss in the start-up process and the shutdown process of the device increases, and the Driving costs will increase. In addition, since the inside of the reforming furnace is maintained at a high temperature for a long time from the start-up of the apparatus to the shutdown, it is necessary to configure the apparatus using a lot of refractories. Yes, equipment costs are high.
[0012]
As a result, since the hydrogen obtained as described above is expensive, the cost for decomposing carbon dioxide increases.
[0013]
Further, conventionally, since a large amount of fossil fuel is used as an energy source only for hydrogen production, the emission of carbon dioxide is not reduced.
[0014]
Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to inexpensively decompose carbon dioxide while reducing energy loss, and to further produce hydrogen, and a carbon dioxide decomposer. The purpose is to provide a method for decomposing carbon dioxide.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to an apparatus, by raising the temperature of a mixture of a gas containing carbon dioxide and a reactant having reactivity to carbon dioxide, thereby causing carbon dioxide in the gas to react with the reactant. In the carbon dioxide decomposer, the combustion chamber has a passage cross-sectional area decreasing from one end to the other end, an ignition chamber for receiving a supply of fuel and an oxidant, and a branch extending from the ignition chamber and extending from the combustion chamber. And a plurality of guide paths having the same path communicating with one end of the combustion chamber, and an opening at the other end having the smallest passage cross-sectional area of the combustion chamber. A reaction chamber accommodating a body, a carbon dioxide-containing gas supply means for supplying a carbon dioxide-containing gas into the reaction chamber, and a reactant supply means for supplying a reactant into the reaction chamber. That.
[0016]
In the device according to the present invention having such a configuration, when the fuel and the oxidant are ignited in the ignition chamber, the flame advances in the combustion chamber through the guide path by detonation. At this time, since the respective guide paths have the same path, the flames from the respective guide paths simultaneously reach one end of the combustion chamber. The flame becomes a shock wave and propagates toward the other end of the combustion chamber. However, since the cross-sectional area of the passage decreases toward the other end, the shock wave converges and the pressure of the shock wave gradually increases. Then, the convergent shock wave propagates into the reaction chamber containing the mixture of the carbon dioxide-containing gas and the reactant and shock-compresses the mixture. The temperature of the rapidly compressed mixture increases as the temperature increases, and the carbon dioxide reacts with the reactants to be decomposed. Here, the detonation refers to a phenomenon in which a flame propagates at a supersonic speed with a shock wave.
[0017]
Further, the present invention relates to a method, wherein a shock wave due to detonation generated by burning fuel and an oxidant is converged with its progress, and a gas containing carbon dioxide and a reactant are shock-compressed to a high temperature by the converged shock wave. The method is characterized in that carbon dioxide in the gas is reacted with the reactant by heating to decompose the carbon dioxide in the gas.
[0018]
In the present invention, the reactant is at least one of metal powder, metal oxide powder, particles containing carbon, particles containing hydrocarbon, plastic powder, sprayed particles of molten plastic, and gas containing hydrocarbon. It can be.
[0019]
{Circle around (1)} Iron, aluminum, magnesium and the like can be used as the metal powder as the reactant. For example, when iron particles are used as a reactant, the iron particles
3CO 2 + 4Fe → 3C + 2Fe 2 O 3
2CO 2 + 3Fe → 2C + Fe 3 O 4
The reaction reduces carbon dioxide and produces an oxide.
[0020]
Iron particles can be easily obtained as iron powder such as converter dust in steelworks, and react with carbon dioxide at a relatively low temperature (about 600 ° C. or lower). Therefore, it is not necessary to raise the reaction temperature, thereby lowering the energy cost. In addition, since there is no need to use a special refractory for the apparatus, the equipment cost can be reduced, and the life of the apparatus can be extended. . In addition, iron particles are easier to reduce oxides than aluminum or the like, and can reduce equipment costs and operating costs of an oxide reduction device that reduces collected iron oxide. Further, since iron particles have a high specific gravity and are magnetic, when separating carbon and oxide generated by the reaction according to the above reaction formula, wind separation and magnetic separation can be effectively used.
[0021]
(2) Iron oxide or the like can be used as the metal oxide powder as a reactant. For example, when using oxygen-deficient magnetite or strontium ferrite as iron oxide,
CO 2 → C + O 2
CO 2 → CO + 1/2 O 2
Decomposes carbon dioxide into carbon and oxygen.
[0022]
{Circle around (3)} Coke fine powder, coal powder and the like can be used as particles containing carbon as a reactant.
CO 2 + C → 2CO
, Carbon dioxide is decomposed.
[0023]
(4) Particles containing hydrocarbons as a reactant, plastic powder, and spray particles of molten plastic are mainly composed of hydrocarbons.
C m H n → mC + (n / 2) H 2 <Thermal decomposition reaction>
C m H n + (m / 2) O 2 → mCO + (n / 2) H 2 <Partial oxidation reaction>
Generates carbon monoxide and hydrogen by a thermal decomposition reaction and a partial oxidation reaction of. The supply of the molten plastic into the reaction chamber can be performed by spraying the molten plastic.
[0024]
Carbon dioxide by hydrogen and carbon generated by the thermal decomposition reaction and partial oxidation reaction,
CO 2 + H 2 → CO + H 2 O
CO 2 + 2H 2 → C + 2H 2 O
CO 2 + C → 2CO
Is reduced and decomposed.
[0025]
In this case, a metal such as oxygen-deficient magnetite, Ni, Co, Co-Mo, Fe-Cr, or Cu-Zn supported on a carrier such as Al 2 O 3 or SiO 2 , or a catalyst such as TiO 2 or MoS 2 is used. When added to the reactants, the reaction efficiency is improved.
[0026]
{Circle over (5)} As a gas containing a hydrocarbon as a reactant, for example, methane gas which is a main component of natural gas can be used. Methane as a reactant is
CO 2 + CH 4 → 2CO + 2H 2
Reacts with carbon dioxide.
[0027]
As shown in (4) and (5) above, when using hydrocarbon-containing particles, plastic powder, sprayed particles of molten plastic, or gas containing hydrocarbons as the reactant, carbon dioxide is decomposed. At the same time, a gas containing hydrogen is produced.
[0028]
Further, in the present invention, in addition to the carbon dioxide-containing gas and the reactant, steam is further supplied into the reaction chamber, and when these are reacted by the above-described shock compression, the carbon dioxide is decomposed and the hydrogen-containing gas is decomposed. Is manufactured.
[0029]
In particular, when using hydrocarbon-containing particles, plastic powder, sprayed particles of molten plastic, and hydrocarbon-containing gas as a reactant,
C m H n + mH 2 O → mCO + (m + n / 2) H 2
By the above reaction, a large amount of hydrogen-containing gas can be obtained.
[0030]
Also, when using particles containing carbon as a reactant,
C + H 2 O → CO + H 2
By the above reaction, a large amount of hydrogen-containing gas can be obtained.
[0031]
Since the hydrogen-containing gas obtained as described above contains hydrogen and CO, it can be used as a fuel gas.
[0032]
In the device of the present invention, it is possible to connect the reaction chamber and the ignition chamber via a circulating means for supplying and circulating a part of the gas generated by the reaction between the carbon dioxide, the reactant, and the water vapor in the reaction chamber to the ignition chamber. it can. By doing so, the gas after the reaction in the reaction chamber as described above can be effectively used as fuel for the present apparatus, so that the operating cost is reduced.
[0033]
In addition, a hydrogen separation means for separating hydrogen from a gas generated by a reaction between carbon dioxide, a reactant and water vapor in the reaction chamber is connected to the reaction chamber, and hydrogen separated from the gas by the separation means is taken out. You can do so. By doing so, the hydrogen separated and extracted from the gas can be used as fuel for a fuel cell vehicle. The remaining gas after separating and extracting hydrogen from the above gas contains CO, so that it can be used as a fuel gas or a chemical synthesis raw material.
[0034]
Further, in the device of the present invention, cooling means for cooling the ignition chamber and the combustion chamber can be provided. By doing so, it is possible to prevent abnormal combustion in the ignition chamber and the combustion chamber due to excessive temperature rise in the inner walls of the ignition chamber and the combustion chamber, thereby preventing burning of the ignition chamber and the combustion chamber and improving durability.
[0035]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0036]
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an apparatus according to the present embodiment.
[0037]
As shown in FIG. 1, the apparatus of this embodiment has a combustion chamber 1 having a downwardly conical shape. The combustion chamber 1 has a passage cross-sectional area that is maximum at the upper portion 1A and minimum at the lower portion 1B to form a converging portion, and is connected to an upper portion of a reaction chamber 11 described later having a different convergence degree at the lower portion 1B. ing.
[0038]
The inner wall of the upper portion 1A of the combustion chamber 1 is curved slightly upward, and a plurality of hole-shaped guide paths 2 communicate with the inner wall. The plurality of guide paths 2 are converged on the upper side into a disk-shaped dispersion chamber 3. Each guide path 2 has the same path from the dispersion chamber 3 to the inner wall of the combustion chamber 1. An upwardly extending cylindrical ignition chamber 4 is connected to the dispersion chamber 3. An ignition plug 5 operated by an ignition device 6 is provided at an upper portion of the ignition chamber 4, and a fuel supply source 9 and an oxidant supply source 10 are connected via flow meters 7 and 8, respectively. . In the present embodiment, a fuel such as propane gas from a fuel supply source and an oxidant such as oxygen from an oxidant supply source are supplied to the ignition chamber 4.
[0039]
A reaction chamber 11 for decomposition of carbon dioxide and production of a hydrogen-containing gas is connected to a lower portion 1B of the combustion chamber 1. The reaction chamber 11 is formed so that the cross-sectional area of the passage decreases toward the downstream side. In the present embodiment, a jacket for cooling the inner wall of the ignition chamber 4 and the inner wall of the combustion chamber 1 to maintain it at a predetermined temperature or lower, for example, a water cooling jacket 12 is formed. The water-cooled jacket 12 maintains the temperatures of the inner walls of the ignition chamber 4 and the combustion chamber 1 at or below the ignition temperature of the fuel and the hydrogen-containing gas produced in the reaction chamber 11. This prevents abnormal combustion in the ignition chamber 4 and the combustion chamber 1 due to excessive heating.
[0040]
The reaction chamber 11 is connected to a mixture supplying device 13 for mixing and supplying a carbon dioxide-containing gas, a reactant, and water vapor. The mixture supply device 13 is connected to a carbon dioxide-containing gas supply device 14, a reactant supply device 15, and a water vapor supply device 16 that supply the carbon dioxide-containing gas, the reactant, and the steam while adjusting the supply amounts thereof. . In the present embodiment, the carbon dioxide-containing gas supply device 14 converts the exhaust gas discharged from combustion equipment such as a thermal power plant, an ironworks, a waste incinerator, a cement plant, or the carbon dioxide separated from the exhaust gas into the reaction chamber 11. To be supplied. The reactant supply device 15 supplies plastic powder obtained by pulverizing waste plastic or the like into the reaction chamber 11 as a reactant. When waste plastic is used as the reactant, the melted waste plastic may be supplied by spraying it into the reaction chamber. By doing so, the reactivity between the waste plastic and steam and carbon dioxide is improved. Further, the steam supply device 16 supplies steam from a waste heat boiler or the like into the reaction chamber 16. Although the decomposition of carbon dioxide and the production of a hydrogen-containing gas can be performed without supplying steam to the reaction chamber 11, the supply of steam to the reaction chamber 11 improves the reaction efficiency, and is therefore preferable. . The carbon dioxide-containing gas supply device 14, the reactant supply device 15, and the steam supply device 16 supply the mixture by controlling the opening and closing of a control valve (not shown) provided between the supply device 13 and the mixture supply device 13. The supply amounts of the carbon dioxide-containing gas, the reactants, and the water vapor to the device 13 are controlled to predetermined amounts.
[0041]
A tank 17 for extracting and temporarily storing the gas produced in the reaction chamber 11 is connected to a lower portion of the reaction chamber 11. The tank 17 has a function of a buffer tank for mitigating intermittently produced gas flows. Further, the produced gas is adiabatically expanded in the tank 17 to lower the temperature, thereby condensing and separating moisture. Therefore, a pipe for removing condensed water is connected to the tank 17. The tank 17 is connected to a separator 19 for separating the gas into hydrogen and another gas (such as CO) via a pressure reducing pump 18 for reducing the pressure in the tank 17. The separation device 19 is provided with a fuel supply path of the fuel supply source 9 via a pressure-intensifying pump 20 in order to reuse the remaining gas (such as CO) after the hydrogen is separated from the gas by the separation device 19 as a fuel. It is connected to the. The hydrogen separated from the gas by the separator 19 is used as fuel for a fuel cell or the like.
[0042]
In the present embodiment, the combustion chamber 4 is connected to a combustion exhaust gas discharge device 21 that discharges combustion exhaust gas in the vicinity of a connection portion between the ignition chamber 4 and the dispersion chamber 3. The combustion exhaust gas discharge device 21 is a vacuum pump device, and in order to improve the compression ratio by a shock wave, before supplying the fuel and the oxidant to the ignition chamber 4, the ignition chamber 4, the dispersion chamber 3, the induction path 2, the combustion chamber 1 The reaction chamber 11 is also evacuated.
[0043]
Next, the operation method and operation of the above device will be described in detail.
[0044]
{Circle around (1)} First, the interior of the ignition chamber 4, the dispersion chamber 3, the guide path 2, the combustion chamber 1, and the reaction chamber 11 is set to a predetermined degree of vacuum by the flue gas discharge device 21. However, in the next step, if the fuel and the oxidizing agent are filled at atmospheric pressure or higher, the evacuation may be omitted.
[0045]
{Circle over (2)} Next, the fuel supply source 9 and the oxidant supply source 10 fill the ignition chamber 4, the dispersion chamber 3, the guide path 2, and the combustion chamber 1 with a fuel and an oxidant having a substantially stoichiometric mixture ratio. . At about the same time, a mixture obtained by mixing the carbon dioxide-containing gas, the reactant, and the steam is filled in the reaction chamber 11 by the mixture supply device 13. At this time, a catalyst that promotes the decomposition of carbon dioxide or a catalyst that promotes the synthesis of a hydrogen-containing gas may be added into the reaction chamber 11.
[0046]
(3) Next, the ignition plug 6 is operated by the ignition device 6. In the ignition chamber 4, detonation occurs due to ignition, and the flame is transmitted to the upper portion 1A of the combustion chamber 1 via the dispersion chamber 3 and the guide path 2. At this time, since the paths of the plurality of guide paths 2 are set to be equal to each other, the flames of the plurality of guide paths 2 reach the upper portion 1A of the combustion chamber 1 at the same time.
[0047]
In the combustion chamber 1, the flame proceeds from the upper portion 1A to the lower portion 1B, but since the cross-sectional area of the combustion chamber 1 is gradually reduced downward, detonation waves interfere with each other and converge, and are downstream. As it propagates, the temperature and pressure increase.
[0048]
A reaction chamber 11 is connected to a lower portion 1B of the combustion chamber 1, and the temperature and the pressure are transmitted to a mixture in the reaction chamber. At that time, the kinetic energy and heat energy of the convergent detonation wave of high temperature and high pressure due to the convergent detonation phenomenon in the combustion chamber 1 are converted into shock waves at the interface between the combustion chamber 1 and the reaction chamber 11, and Propagate.
[0049]
By the way, since the reaction chamber 11 is arranged so that the cross-sectional area of the passage decreases toward the downstream, a convergent shock wave is generated here. Then, the convergent shock wave shock-compresses the mixture in the reaction chamber 11 and heats the mixture to a high temperature, so that the reaction between the carbon dioxide, the reactant, and the water vapor in the reaction chamber 11 is performed. At this time, as the cross-sectional area of the passage in the reaction chamber 11 decreases, the pressure applied to the mixture becomes extremely high, and the mixture becomes extremely hot. At this time, in the reaction chamber 11, the carbon dioxide is decomposed by the reaction between the carbon dioxide, the reactant, and the water vapor, and a hydrogen-containing gas containing carbon monoxide and hydrogen is produced. In this embodiment, since the reactant is waste plastic powder whose main component is hydrocarbon, when heated,
C m H n → mC + (n / 2) H 2 <Thermal decomposition reaction>
C m H n + (m / 2) O 2 → mCO + (n / 2) H 2 <Partial oxidation reaction>
Generates carbon monoxide and hydrogen by a thermal decomposition reaction and a partial oxidation reaction of. Also, from waste plastic powder and steam,
C m H n + mH 2 O → mCO + (m + n / 2) H 2
Produces carbon monoxide and hydrogen.
[0050]
By hydrogen and carbon generated by the above reaction, thermal decomposition reaction and partial oxidation reaction,
CO 2 + H 2 → CO + H 2 O
CO 2 + 2H 2 → C + 2H 2 O
CO 2 + C → 2CO
By the reaction, carbon dioxide is reduced and decomposed.
[0051]
Thereafter, the convergent shock wave reaches the bottom surface (final converging portion) of the reaction chamber 11, where a reflected shock wave is formed. The light is reflected, becomes a traveling wave again, and passes through the reaction chamber 11. These phenomena lose kinetic energy in the process of being repeated several times and eventually disappear. In these processes, the mixture in the reaction chamber 11 is exposed to high temperature and pressure a plurality of times, and is stirred in the reaction chamber 11 to promote the reaction.
[0052]
{Circle over (4)} After the reaction of the mixture is performed, the hydrogen-containing gas in the reaction chamber 11 is once stored in the tank 17 depressurized by the depressurizing pump 18 and then sent to the separation device 19. At this time, the gas produced in the reaction chamber 11 is extracted by a control valve provided between the reaction chamber 11 and the tank 17 so that a shock wave propagates to a lower portion in the reaction chamber 11 and the mixture is shock-compressed. The synchronization is performed immediately after the timing. Although most of the hydrogen-containing gas in the reaction chamber 11 can be discharged to the outside of the reaction chamber 11 by the pressure of the hydrogen-containing gas itself, in this embodiment, the inside of the tank 17 is depressurized using the decompression pump 18. The reaction chamber 11 is evacuated using an on-off valve. By discharging the hydrogen-containing gas into the tank 17 and adiabatically expanding it to lower the temperature, the water in the hydrogen-containing gas can be condensed and separated.
[0053]
The hydrogen-containing gas sent to the separation device 19 is separated into hydrogen and other gases (such as CO). The remaining gas after separating and extracting hydrogen from the above gas contains CO, so that it can be used as a fuel gas or a chemical synthesis raw material. In the present embodiment, the gas from which the hydrogen has been separated from the hydrogen-containing gas in the separation device 19 is returned to the ignition chamber 4 by the pressure-intensifying pump 20 as the circulation means, and is reused as fuel. On the other hand, hydrogen separated and extracted from the hydrogen-containing gas can be used as fuel for fuel cell vehicles. Note that, as the separation device 19, PSA (pressure fluctuation adsorption), membrane separation, or the like is used.
[0054]
(5) The combustion exhaust gas after the combustion of the fuel and the oxidant in the reaction chamber 11 is discharged from the ignition chamber 4 to the reaction chamber 11 by the combustion gas discharge device 21. Thereby, the concentration of hydrogen and other fuel gas in the generated hydrogen-containing gas can be kept high.
[0055]
Thus, by repeating the above steps (1) to (5), carbon dioxide can be decomposed one after another and a hydrogen-containing gas can be produced.
[0056]
Note that the carbon dioxide decomposing device according to the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, the combustion chamber has a shape extending vertically in the present embodiment, but may have a shape extending horizontally as shown in FIG. The combustion chamber 1 'has a shape in which the cross-sectional area of the passage is reduced toward the center by an upper wall surface which forms a part of a substantially spherical surface which expands downward. In FIG. 2, parts having the same functions as those of the apparatus shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In addition, the reaction chamber has a shape in which the passage cross-sectional area decreases toward the downstream side in the present embodiment, but when the length of the reaction chamber in the direction of propagation of the shock wave is short, the distance attenuation of the shock wave is small. Alternatively, the passage may have a constant cross-sectional area.
[0057]
Further, the reactant may be at least one of metal powder, metal oxide powder, particles containing carbon, particles containing hydrocarbon, plastic powder, sprayed particles of molten plastic, and gas containing hydrocarbon. Although it is good, it is appropriately selected and used according to the setting conditions of the apparatus.
[0058]
Iron, aluminum, magnesium or the like can be used as the metal powder as the reactant. For example, iron particles are preferable because they can be easily obtained as iron powder such as converter dust of an ironworks and react with carbon dioxide at a relatively low temperature (about 600 ° C. or lower). By using iron powder as a reactant, it is not necessary to raise the reaction temperature and lower the energy cost, and also it is not necessary to use a special refractory for the reaction apparatus, so that the equipment cost can be reduced. The life of the reactor can be extended. In addition, iron particles are easier to reduce oxides than aluminum or the like, and can reduce equipment costs and operating costs of an oxide reduction device that reduces collected iron oxide. Furthermore, since the specific gravity is heavy and has magnetism, when the iron particles separate carbon and oxide generated by reducing carbon dioxide, wind separation and magnetic separation can be effectively used.
[0059]
Further, iron oxide or the like can be used as the metal oxide powder as a reactant. For example, when iron oxide is used as a reactant, carbon dioxide can be decomposed into carbon and oxygen by using oxygen-deficient magnetite or strontium ferrite.
[0060]
Further, as a reactant, fine particles of coke, coal powder, and the like can be used for particles containing carbon, and a gas containing hydrocarbons can be, for example, methane gas, which is a main component of natural gas, for example.
[0061]
Further, the reactants described above, that oxygen deficient magnetite, is supported Ni, Co, Co-Mo, Fe-Cr, a metal such as Cu-Zn on a carrier as Al 2 O 3 or SiO 2, TiO 2, MoS Addition of a catalyst such as 2 improves the reaction efficiency.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the shock wave due to the detonation propagates into the reaction chamber accommodating the mixture of the carbon dioxide-containing gas and the reactant and shock-compresses the mixture, thereby producing the carbon dioxide. Since carbon is decomposed by reacting with the above reactant, carbon dioxide can be decomposed at low cost while reducing energy loss. Further, since the gas obtained by the decomposition of carbon dioxide can be effectively used as a fuel for decomposing carbon dioxide, the cost for decomposing carbon dioxide can be further reduced.
[0063]
Further, according to the present invention, the shock wave due to the detonation propagates into a reaction chamber containing a mixture of a carbon dioxide-containing gas, a reactant, and water vapor and shock-compresses the mixture, thereby producing a carbon dioxide-containing gas. The reaction between the reactant and the water vapor allows not only decomposition of carbon dioxide but also production of hydrogen at low cost.
[0064]
Further, according to the present invention, since the high-temperature state is intermittently generated by the impact compression of the convergent shock wave, the apparatus is not constantly exposed to the high temperature. Can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a carbon dioxide decomposing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a carbon dioxide decomposer according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Combustion chamber 2 Guideway 4 Ignition chamber 11 Reaction chamber 12 Water cooling jacket (cooling means)
14 Carbon dioxide-containing gas supply device (carbon dioxide-containing gas supply means)
15 Reactant supply device (reactant supply means)
16 Steam supply device (steam supply means)
20 Booster pump (circulation means)
19 Separation device (separation means)
