JP2015196619A - 二酸化炭素固定システム - Google Patents

Abstract

【課題】メタネーション反応器やメタン熱分解反応器で発生する排熱を有効利用する。
【解決手段】二酸化炭素固定システム１００は、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスと、メタネーション反応を活性化させる触媒とを接触させ、原料ガスからメタンおよび水を生成させるメタネーション反応器１２０と、加熱源を有し、メタネーション反応器で生成されたメタンを加熱して固体炭素および水素に分解させるメタン熱分解反応器１３０と、メタネーション反応器で発生する反応熱をメタン熱分解反応器に供給されるメタンで回収する、もしくは、メタン熱分解反応器の加熱源から放出された熱のうち、メタンに吸収されなかった熱としての排熱またはメタン熱分解反応器で分解された固体炭素および水素が有する熱で、メタネーション反応器に供給される原料ガスを予熱する熱交換部（第１熱交換部１６０、第２熱交換部１７０）とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、二酸化炭素を固体炭素として固定する二酸化炭素固定システムに関する。

今日、火力発電所、製鉄所、ボイラー等のプラントにおいては、大量の化石燃料（例えば、石炭、重油、超重質油）が燃焼されている。そして、それらの化石燃料の燃焼に伴って、二酸化炭素（ＣＯ_２）、硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を含む排気ガスがそれらのプラントから排出されている。そのような排気ガスに含まれる物質のうち、特に二酸化炭素は、地球温暖化の要因とされる温室効果ガスのひとつとして考えられており、気候変動に関する国際連合枠組条約等においても、大気中への二酸化炭素の排出量の規制が設けられている。

大気中への二酸化炭素の排出を抑制する手段として、化石燃料の燃焼や、その他の化学工業プロセスに伴って生じた二酸化炭素を含む排気ガスから二酸化炭素を分離させて回収し、回収された二酸化炭素を圧縮して地下に貯留する技術（ＣＣＳ：Carbon dioxide Capture and Storage）が開発されている。このＣＣＳを用いた場合、二酸化炭素が、その化学的組成が維持されたままの状態で貯留されることになるため、例えば、地殻変動などの影響によって貯留タンクが破損するような事態が起こると、高圧で貯留されていた大量の二酸化炭素が大気中に漏洩して拡散してしまうおそれがある。

一方で、二酸化炭素と水素をメタンと水に変換させ、さらに、当該メタンをカーボンヒータによる加熱で固体炭素と水素に熱分解させることによって、二酸化炭素から分離された固体炭素のみを固定するという技術もまた開発されている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−６０１３７号公報

上記の、二酸化炭素と水素をメタンに変換するメタネーション反応（サバティエ反応）は発熱反応である。そのため、メタネーション反応が進行するメタネーション反応器の内部で生じる反応熱のうち、その一部の熱はメタネーション反応器の内部の混合ガスや触媒の温度の維持に寄与するものの、その残りの熱はメタネーション反応器の内部の温度を制御するための冷媒やメタネーション反応器の構成部材を介して、メタネーション反応器の外部へと放出されて排熱となる。

一方、メタンを固体炭素と水素に分解させる熱分解反応は吸熱反応である。そのため、カーボンヒータ等の加熱源からメタネーション反応が進行するメタン熱分解反応器に負荷された熱のうち、メタンに吸収されることなくメタン熱分解反応器の構成部材などを介して、メタン熱分解反応器の外部へと放出される熱や、メタンに吸収されつつも結果として熱分解反応で生成された固体炭素や水素、その他の副生成ガスの顕熱として残る熱が、排熱となる。これらの排熱は、上記の２つの反応器（メタネーション反応器、メタン熱分解反応器）を組み合わせたシステムを駆動させるために投入される熱エネルギーの大部分を占めるにもかかわらず、それらの排熱を有効利用する技術は未だ提案されていない。

そこで本発明は、上記のような課題に鑑みて、メタネーション反応器やメタン熱分解反応器で発生する排熱を有効利用することが可能な二酸化炭素固定システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の二酸化炭素固定システムは、二酸化炭素から固体炭素を分離し、回収して二酸化炭素を固定する二酸化炭素固定システムであって、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスと、メタネーション反応を活性化させる触媒とを接触させ、原料ガスからメタンおよび水を生成するメタネーション反応器と、加熱源を有し、メタネーション反応器で生成されたメタンを加熱源で加熱して、メタンを固体炭素および水素に分解するメタン熱分解反応器と、メタネーション反応器においてメタネーション反応が進行することで生じた反応熱をメタン熱分解反応器に供給されるメタンで回収する、もしくは、メタン熱分解反応器の加熱源から放出された熱のうち、メタンに吸収されなかった熱としての排熱またはメタン熱分解反応器で分解された固体炭素および水素が有する熱で、メタネーション反応器に供給される原料ガスを予熱する熱交換部と、を備えたことを特徴とする。

また、メタン熱分解反応器の加熱源は、太陽光を集光して太陽熱を発生させる集光装置であるとしてもよい。

また、メタネーション反応器で生成された水から水素を生成する水素生成装置をさらに備え、メタネーション反応器は、少なくとも水素生成装置で生成された水素を含む原料ガスからメタンおよび水を生成するとしてもよい。

また、水素生成装置は、水と、塩化ナトリウムとの混合液を電気分解して、水酸化ナトリウム、水素、および、塩素を生成する塩化ナトリウム水溶液電解器と、塩化ナトリウム水溶液電解器において生成された水酸化ナトリウムと、塩素との混合物を加熱し電気分解して、塩化ナトリウム、酸素、および、水素を生成する水酸化ナトリウム電解器と、を備え、塩化ナトリウム水溶液電解器で用いられる塩化ナトリウムは、水酸化ナトリウム電解器で生成された塩化ナトリウムであるとしてもよい。

また、塩化ナトリウム水溶液電解器において生成された水酸化ナトリウムは、流動性をもたない固体の状態で水酸化ナトリウム電解器に移動させられて供給され、水酸化ナトリウム電解器において生成された塩化ナトリウムは、流動性をもたない固体の状態で塩化ナトリウム水溶液電解器に移動させられて供給されるとしてもよい。

また、塩化ナトリウム水溶液電解器は、太陽光を集光する集光装置と、集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱で発電する太陽熱発電機と、をさらに備え、太陽熱発電機が発電した電力で、メタネーション反応器で生成された水と、塩化ナトリウムとの混合液を電気分解するとしてもよい。

また、水酸化ナトリウム電解器は、太陽光を集光する集光装置と、集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱で発電する太陽熱発電機と、をさらに備え、太陽熱発電機が発電した電力で、塩化ナトリウム水溶液電解器において生成された水酸化ナトリウムと、塩素との混合物を電気分解するとしてもよい。

また、水素生成装置は、メタネーション反応器で生成された水を電気分解して、水素および酸素を生成する水電解器であるとしてもよい。

また、水電解器は、太陽光を集光する集光装置と、集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱で発電する太陽熱発電機と、をさらに備え、太陽熱発電機が発電した電力で、メタネーション反応器で生成された水を電気分解するとしてもよい。

また、メタネーション反応器は、太陽光を集光する集光装置をさらに備え、集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱で、メタネーション反応が進行を開始させる温度まで、原料ガスおよび触媒を加熱するとしてもよい。

本発明によれば、メタネーション反応器やメタン熱分解反応器で発生する排熱を有効利用することが可能となる。

第１の実施形態にかかる二酸化炭素固定システムの概略的な構成を説明するための図である。 二酸化炭素固定装置の具体的な構成を説明するための図である。 メタン熱分解反応器の具体的な構成を説明するための図である。 二酸化炭素固定システムにおける各装置の位置関係を説明するための図である。 第２の実施形態にかかる二酸化炭素固定システムの概略的な構成を説明するための図である。 変形例にかかる加熱器の一部を切り欠いた斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１の実施形態：二酸化炭素固定システム１００）
図１は、第１の実施形態にかかる二酸化炭素固定システム１００の概略的な構成を説明するための図である。図１中、物質の流れを矢印で、物質が気体であることを（ｇ）で、物質が液体であることを（ｌ）で、物質が固体であることを（ｓ）で、水溶液であることを（ａｑ）で示す。なお、理解を容易にするために、図１中、後述する熱交換部の記載を省略する。

図１に示すように、二酸化炭素固定システム１００は、二酸化炭素固定装置１１０と、水素生成装置２１０とを含んで構成される。二酸化炭素固定装置１１０は、二酸化炭素（ＣＯ_２）から固体炭素（Ｃ）を分離して固定する。水素生成装置２１０は、二酸化炭素固定装置１１０で消費される水素（Ｈ_２）を生成する。以下、二酸化炭素固定装置１１０および水素生成装置２１０の具体的な構成について詳述する。

二酸化炭素固定装置１１０は、メタネーション反応器（サバティエ反応器）１２０と、メタン熱分解反応器１３０とを含んで構成される。メタネーション反応器１２０は、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスからメタン（ＣＨ_４）および水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。

メタン熱分解反応器１３０の具体的な構成については後に詳述するが、メタン熱分解反応器１３０は、メタネーション反応器１２０によって生成されたメタンを熱分解して、固体炭素と水素を生成する。そして、メタン熱分解反応器１３０によって生成された水素は、メタネーション反応器１２０に供給される。

上記メタン熱分解反応器１３０によって生成される水素のみでは、メタネーション反応器１２０で必要とされる分量の水素を確保することができないため、二酸化炭素固定システム１００では、水素生成装置２１０を設けることによって、メタネーション反応器１２０に供給される水素の生成を補っている。

本実施形態において、水素生成装置２１０は、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０および水酸化ナトリウム電解器２３０を含んで構成される。塩化ナトリウム水溶液電解器（クロルアルカリ電解器）２２０は、水と、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）との混合液、すなわち、塩化ナトリウム水溶液を電気分解して、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水素、および、塩素（Ｃｌ_２）を生成させる。

水酸化ナトリウム電解器（カストナー電解器）２３０は、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０において生成された水酸化ナトリウムを加熱溶融し、その加熱溶融された水酸化ナトリウムと、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０において生成された塩素との混合物を電気分解して、塩化ナトリウム、酸素（Ｏ_２）、および、水素を生成させる。

水酸化ナトリウム電解器２３０において生成された塩化ナトリウムは、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０に供給され、水素は、メタネーション反応器１２０に供給されることとなる。

また、水酸化ナトリウム電解器２３０において生成された酸素は、大気中に放出されたり、水酸化ナトリウム電解器２３０が配される設備で利用されたりするか、またはその他の用途に利用されたりする。また、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０において生成された水素は、メタネーション反応器１２０に供給されたり、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０が配される設備で利用されるか、またはその他の用途に利用されたりする。

以上説明したように、二酸化炭素固定システム１００では、メタネーション反応器１２０で二酸化炭素と水素からメタンを生成させ、メタン熱分解反応器１３０で当該メタンから炭素を分離して、固化させることによって、二酸化炭素を固体炭素として固定させる。

（二酸化炭素固定装置１１０）
続いて、二酸化炭素固定システム１００の二酸化炭素固定装置１１０に配される熱交換部について説明する。図２は、二酸化炭素固定装置１１０の具体的な構成を説明するための図である。図２中、物質の流れを実線の矢印で、熱交換部の接続関係を破線で示す。

図２に示すように、二酸化炭素固定装置１１０のメタネーション反応器１２０には、連通路１４０ａを通じて、原料ガス（二酸化炭素、水素）が供給される。メタネーション反応器１２０の内部には、メタネーション反応（下記式（１））を活性化させる触媒が収容されており、二酸化炭素と水素とを含む原料ガスと、その触媒とを接触させることで、原料ガスからメタンおよび水を生成する。
４Ｈ_２ ＋ ＣＯ_２ → ＣＨ_４ ＋ ２Ｈ_２Ｏ
…式（１）

ここで、メタネーション反応器１２０に収容される触媒としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）系触媒、ルテニウム（Ｒｕ）系触媒、白金（Ｐｔ）系触媒等を利用することができる。

また、メタネーション反応器１２０の出口と、メタン熱分解反応器１３０の入口は、連通路１４０ｂで接続されている。連通路１４０ｂには、水除去部１５０と、第１熱交換部１６０とが配される。

水除去部１５０は、凝縮部１５２と、気液分離部１５４とを含んで構成される。凝縮部１５２は、メタネーション反応器１２０で生成された生成ガス（メタンと水の混合ガス）を、水の凝縮温度（露点）以下まで冷却することによって水を凝縮（液化）させる。気液分離部１５４は、凝縮部１５２で冷却された生成ガスから凝縮された水を分離させる。

水除去部１５０を備える構成により、水除去部１５０の下流においてメタンのみを通過させることができる。

水除去部１５０の下流に配される第１熱交換部１６０は、水除去部１５０によって露点以下まで冷却されたメタンと、メタネーション反応器１２０の炉壁との間で熱交換を行うことにより、メタンを加熱（予熱）させるとともに、メタネーション反応器１２０の炉壁を冷却させることによって、メタネーション反応器１２０内の原料ガスや触媒を適切な温度に維持させる。

上記式（１）に示すメタネーション反応は発熱反応であるため、メタネーション反応器１２０内の原料ガスや触媒の温度を適切な温度に維持するためのメタネーション反応器１２０の炉壁の冷却が積極的に行われない場合、メタネーション反応の進行に応じて発生する反応熱によってメタネーション反応器１２０内の原料ガスや触媒が過剰に加熱され、それらの温度が高められれば高められるほど、メタンと二酸化炭素を水素と一酸化炭素（ＣＯ）に変換させるメタンの二酸化炭素改質反応の進行が促進され、メタネーション反応によって生成されたメタンの一部もしくはほとんどが消費されてしまうことになる。

したがって、第１熱交換部１６０を備えることにより、メタネーション反応器１２０の内部におけるメタネーション反応の進行に応じて発生する反応熱の一部を、メタン熱分解反応器１３０に供給されるメタンで回収する、言い換えると、メタネーション反応器１２０の内部の原料ガスや触媒に負荷される余剰の熱を当該メタンで取り除くことができ、メタネーション反応器１２０におけるメタンの生成ロスを低く抑えることが可能となる。

また、後述するメタン熱分解反応器１３０の内部で進行するメタンの熱分解反応は吸熱反応であるため、メタネーション反応器１２０で生じた余剰熱（排熱）を回収してメタン熱分解反応器１３０に供給される予熱されたメタンをさらに加熱（予熱）することによって、メタン熱分解反応器１３０の生成ガス中に含まれる未分解メタンの量を低く抑えることが可能となる。

メタン熱分解反応器１３０は、加熱源を有し、メタネーション反応器１２０で生成されたメタンを加熱源で加熱して、メタンを固体炭素および水素に分解する。

図３は、メタン熱分解反応器１３０の具体的な構成を説明するための図であり、図３（ａ）はメタン熱分解反応器１３０の全体構成を説明する図であり、図３（ｂ）はメタン熱分解反応器１３０を構成する加熱器１３４の一部を切り欠いた斜視図である。

図３（ａ）に示すように、メタン熱分解反応器１３０は、加熱源として機能する集光装置１３２と、加熱器１３４とを含んで構成される。集光装置１３２は、太陽光を集光する装置であって、ヘリオスタット（平面鏡）１３２ａと、ヘリオスタット１３２ａで反射された太陽光を集光して加熱器１３４の内部へと導く凹状の放物曲面鏡１３２ｂとを含んで構成される。したがって、太陽光は、ヘリオスタット１３２ａによって放物曲面鏡１３２ｂへと導かれ、さらに、放物曲面鏡１３２ｂによって、加熱器１３４の内部に導かれることとなる。

加熱器１３４は、図３（ｂ）に示すように、採光窓１３４ａと、炉室１３４ｂと、断熱材１３４ｃと、加熱管１３４ｄとを含んで構成される。図３（ａ）に示す集光装置１３２によって集光された太陽光は、採光窓１３４ａに導かれ、採光窓１３４ａを通過して、炉室１３４ｂに導かれる。炉室１３４ｂの内部に導かれた太陽光は炉室１３４ｂの内部で熱エネルギー（太陽熱）に変換され、炉室１３４ｂの炉壁やその内部に置かれた加熱管１３４ｄを加熱し、炉壁や加熱管１３４ｄを高温状態（例えば、１５００℃程度）に維持させる。また、炉室１３４ｂは、断熱材１３４ｃに囲繞されており、断熱材１３４ｃは、炉室１３４ｂから外部への熱の流出（放熱）を抑制している。

加熱管１３４ｄは、連通路１４０ｂが接続され、メタネーション反応器１２０によって生成されたメタンが通過する配管であって、炉室１３４ｂを貫通するように設けられる。したがって、加熱管１３４ｄを通過するメタンは、炉室１３４ｂを通過する際に、１５００℃程度まで加熱されて、固体炭素と水素とに分解されることとなる（熱分解反応（下記式（２）））。
ＣＨ_４ → Ｃ ＋ ２Ｈ_２
…式（２）

このように、集光装置１３２によって集光された太陽熱をメタン熱分解反応器１３０の加熱源として利用することにより、加熱源を得るために有価な化石資源を消費する必要がなくなり、加熱に要するコストを大きく抑えることができるため、低いコストで二酸化炭素を固体炭素として固定させることができる。また、加熱源を得るために化石資源の燃焼熱やそれに由来した電気エネルギーを利用する場合とは異なり、加熱源を得る過程で新たに二酸化炭素を発生させることがないため、高い二酸化炭素の削減効果を発揮させることができる。

図２に戻って説明すると、メタン熱分解反応器１３０の下流に配される連通路１４０ｃは、加熱管１３４ｄの下流に接続され、メタン熱分解反応器１３０によって生成された、固体炭素の一部と水素（ならびに未分解のメタンやその他の副生成物）との混合物が通過する。連通路１４０ｃには、第２熱交換部１７０が配される。

第２熱交換部１７０は、メタン熱分解反応器１３０で生成された高温の固体炭素や水素（ならびに未分解のメタンやその他の副生成物）と、メタネーション反応器１２０に供給される低温の原料ガス（二酸化炭素および水素生成装置２１０などから供給される水素）との間で熱交換を行わせることによって、原料ガスを加熱（予熱）させる。

上記式（１）に示されるメタネーション反応は一般に、原料ガスと触媒の温度がある特定の温度まで加熱されなければ、進行を開始させない。メタネーション反応が進行を開始させる温度は、メタネーション反応器１２０に収容される触媒の種類によっても異なるが、概ね２００℃前後である。言い換えると、原料ガスや触媒の温度がその温度を下回る場合にはメタネーション反応は進行を開始させない。そのため、メタネーション反応を進行させるためには、メタネーション反応器１２０に供給される原料ガスと触媒を、少なくともメタネーション反応が進行を開始させる下限の温度までに予熱する必要がある。

そこで、第２熱交換部１７０を設け、固体炭素および水素の混合物が有する（従来は系の外部に放出されていた）顕熱を原料ガスの加熱のために利用することによって、メタネーション反応が進行を開始させる温度まで原料ガスを予熱するための熱源の供給とそれに伴うコストを低減させることができる。

第３熱交換部１８０は、メタン熱分解反応器１３０で生成された高温の固体炭素や水素（ならびに未分解のメタンやその他の副生成物）と、メタン熱分解反応器１３０に供給される露点以下のメタンとの間で熱交換を行わせることによって、メタンを加熱（予熱）させる。

以上説明したように、本実施形態にかかる二酸化炭素固定システム１００によれば、メタネーション反応器１２０やメタン熱分解反応器１３０で発生する排熱を有効利用することが可能となる。

（二酸化炭素固定システム１００における各装置の位置関係）
続いて、二酸化炭素固定システム１００における、メタネーション反応器１２０、メタン熱分解反応器１３０、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０、水酸化ナトリウム電解器２３０の位置関係について説明する。図４は、二酸化炭素固定システム１００における各装置の位置関係を説明するための図である。

図４に示すように、メタネーション反応器１２０とメタン熱分解反応器１３０との間では、互いに気体状の物質（水素とメタン）を授受させる。メタネーション反応器１２０とメタン熱分解反応器１３０とを、配管で接続させることが困難になるほどの遠距離（以下、単に遠距離と称する）に配すると、気体の物質を移動させる（運搬する）必要が生じ、その運搬に要するコスト（気体状の物質を圧縮させるコスト、圧縮した物質を運搬するコストなど）が発生してしまう。

そこで、メタネーション反応器１２０とメタン熱分解反応器１３０とを、配管で接続させることが容易な近距離（以下、単に近距離と称する）に配することにより、配管を通して気体状の物質を移動させることが可能になり、運搬に要するコストを削減することができる。また、その配管の接続距離が短ければ短いほど、気体状の物質が配管内を流動する際の圧力損失や熱損失を最小限に抑えることができる。

同様に、メタネーション反応器１２０と水酸化ナトリウム電解器２３０との間では、互いに気体状の物質（水素）を授受させることから、近距離に配することが好ましい。

一方、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０と、水酸化ナトリウム電解器２３０との間では、互いに固体状の物質（塩化ナトリウム、水酸化ナトリウム）を授受する。そのため、ここで、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０と水酸化ナトリウム電解器２３０とを近距離に配したとしても、固体状の物質は配管内を流動することができないため、運搬する（移動させる）必要があるものの、気体状の物質を扱う場合とは異なり、圧縮させる過程や高圧の容器を必要としないことから、その運搬輸送は比較的容易でかつ低コストである。言い換えると、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０の設置場所は、水酸化ナトリウム電解器２３０の設置場所の近距離であるべきといった制約を受けることはなく、互いに遠隔地に設置させてもよい。

二酸化炭素の固定化に対する需要が見込まれる設備Ａとして、例えば、大量の二酸化炭素を発生させる火力発電所が挙げられる。この場合、メタネーション反応器１２０、メタン熱分解反応器１３０、水酸化ナトリウム電解器２３０を設備Ａ内、もしくは、設備Ａの近辺（設備Ａと近距離な場所）に設置させることで、二酸化炭素を効率的に固定化させることができる。

また、上述したように塩化ナトリウム水溶液電解器２２０は、その設置場所について水酸化ナトリウム電解器２３０の近傍であるべきという制約を受けないことから、設備Ａと離隔した場所（設備Ａと遠距離な場所）とすることもできる。なお、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０は水素を生成させることから、その水素を活用することができるような設備Ｂがある場合には、設備Ｂが設備Ａに近接していなくとも、設備Ｂに塩化ナトリウム水溶液電解器２２０を設置させてもよい。

（第２の実施形態：二酸化炭素固定システム３００）
上記の第１の実施形態では、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０と、水酸化ナトリウム電解器２３０とで構成される水素生成装置２１０について説明した。しかし、水素を生成することができれば、その水素生成装置の構成を限定する必要はない。本実施形態では、水素生成装置の他の例について説明する。

図５は、第２の実施形態にかかる二酸化炭素固定システム３００の概略的な構成を説明するための図である。図５中、物質の流れを矢印で、物質が気体であることを（ｇ）で、物質が液体であることを（ｌ）で、物質が固体であることを（ｓ）で、水溶液であることを（ａｑ）で示す。

図５に示すように、二酸化炭素固定システム３００は、二酸化炭素固定装置１１０と、水素生成装置３１０とを含んで構成される。なお、上述した第１の実施形態の構成要素として既に述べた二酸化炭素固定装置１１０については、実質的に機能が等しいため、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、水素生成装置３１０について詳述する。

水素生成装置３１０は、主として塩化ナトリウム水溶液電解器２２０のように塩化ナトリウムを電解質として利用するか、もしくはその他の電解質を利用する水電解器で構成され、メタネーション反応器１２０で生成された水、もしくはその他の手段によって供給された水を電気分解して、水素および酸素を生成させる。

水素生成装置３１０を備えた構成を用いることにより、二酸化炭素固定装置１１０で不足する、メタネーション反応器１２０に供給するための水素を生成させることができる。

（変形例：加熱器４３４）
図６は、変形例にかかる加熱器４３４の一部を切り欠いた斜視図である。図６に示すように、加熱器４３４は、採光窓１３４ａと、炉室１３４ｂと、断熱材１３４ｃと、加熱管１３４ｄと、予熱配管４３６とを含んで構成される。なお、上述した第１の実施形態の構成要素として既に述べた採光窓１３４ａ、炉室１３４ｂ、断熱材１３４ｃ、加熱管１３４ｄは、実質的に機能が等しいため、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、予熱配管４３６について詳述する。

予熱配管４３６は、常温の原料ガスまたは露点以下まで冷却されたメタンが通過する配管であって、断熱材１３４ｃを貫通するように設けられ、その下流側は、原料ガスが通過する場合にはメタネーション反応器１２０に、メタンが通過する場合にはメタン熱分解反応器１３０に、連結される。つまり、予熱配管４３６を通過した原料ガスまたはメタンはそれぞれ、メタネーション反応器１２０またはメタン熱分解反応器１３０に供給される。

予熱配管４３６に原料ガスまたはメタンを通過させることにより、メタン熱分解反応器１３０の加熱源から放出された熱のうち、メタンに吸収されなかった熱としての排熱（ここでは、炉室１３４ｂからその外部に放出される排熱）で、原料ガスまたはメタンを予熱することができる。つまり、予熱配管４３６は、加熱源からメタン熱分解反応器１３０に供給された熱のうち、メタンの温度変化に寄与する熱（顕熱）としてもその熱分解に寄与する熱（化学反応熱）としても吸収されなかった熱と、常温の原料ガスまたは露点以下まで冷却されたメタンとの間で熱交換させる熱交換部として機能する。なお、炉室１３４ｂの炉壁と予熱配管４３６との間の熱交換を促進させるために，その両者の間に熱伝導性の良い固体を配置してもよい。

予熱配管４３６を備えた構成を用いることにより、従来メタン熱分解反応器１３０の外部に廃棄されていた排熱を利用して常温の原料ガスまたは露点以下まで冷却されたメタンを加熱することができ、原料ガスやメタンの加熱に要するエネルギーを節約することが可能になる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記第１の実施形態において、メタネーション反応器１２０に供給される水素を、水酸化ナトリウム電解器２３０が生成する構成を例に挙げて説明した。しかし、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０が生成した水素をメタネーション反応器１２０に供給するとしてもよい。

また、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０は、メタネーション反応器１２０において生成された水を利用して塩化ナトリウム水溶液を生成してもよい。

また、上記第１の実施形態の加熱器１３４では、炉室１３４ｂに加熱管１３４ｄが配され、加熱管１３４ｄを通過するメタンが間接的に加熱される様式を例に挙げて説明した。しかし、採光窓１３４ａに気密性を維持させて、炉室１３４ｂの内部にメタンを供給させることによって、炉室１３４ｂを通過するメタンが直接的に加熱される様式を用いてもよい。また、上記第１の実施形態では、炉室１３４ｂに１本の加熱管１３４ｄが配される構成を例に挙げて説明したが、加熱管１３４ｄの数に限定はなく、２本以上であってもよい。

また、上記第１の実施形態において、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０を、設備Ａと離隔した場所（配管で接続することが困難になるほどの遠距離）に設置する構成について説明した。この際、水酸化ナトリウム電解器２３０で利用される塩素は、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０（設備Ｂ）から移動させられて供給されるものとしてもよいし、設備Ａにおいて別途供給されるものとしてもよい。

また、上記実施形態において、集光装置１３２で太陽光を集光させることによって得られる太陽熱を加熱源とするメタン熱分解反応器１３０を例に挙げて説明した。しかし、メタネーション反応器１２０で生成されたメタンを加熱して、そのメタンを固体炭素および水素に分解することが可能でさえあれば、そのメタン熱分解反応器１３０の加熱源の種類や構成は特に限定されることはなく、燃焼装置や、電気ヒータ等が用いられてもよい。

また、上記実施形態において、ヘリオスタット１３２ａと、放物曲面鏡１３２ｂとを備える集光装置１３２を例に挙げて説明した。しかし、集光装置１３２は、太陽光を集光させて太陽熱を発生させることが可能でさえあれば、その種類や構成は特に限定されることはなく、タワー型の集光装置などが用いられてもよい。

また、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０が、太陽光を集光する集光装置と、集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱を利用して発電する太陽熱発電機と、をさらに備え、太陽熱発電機が発電した電力で、メタネーション反応器１２０で生成された水と、塩化ナトリウムとの混合液を電気分解するとしてもよい。かかる構成により、電気分解に要する電力エネルギーの消費量を低減させることが可能になり、より効率的に電気分解を進行させることができる。また、火力発電に由来した電力を消費する必要がなくなるために、副次的に二酸化炭素を発生させるという事態を回避させることもできる。

また、水酸化ナトリウム電解器２３０が、太陽光を集光する集光装置と、集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱を利用して発電する太陽熱発電機と、をさらに備え、太陽熱発電機が発電した電力で、塩化ナトリウム水溶液電解器２２０において生成された水酸化ナトリウムと、塩素との混合物を電気分解するとしてもよい。また、その太陽熱の一部を利用して、その混合物を所定の温度まで加熱するとしてもよい。かかる構成により、電気分解に要する電力エネルギーの消費量を低減させることが可能となり、より効率的に電気分解を進行させることができる。また、火力発電に由来した電力を消費する必要がなくなるために、副次的に二酸化炭素を発生させるという事態を回避させることもできる。

また、水電解器（水素生成装置３１０）が、太陽光を集光する集光装置と、集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱を利用して発電する太陽熱発電機と、をさらに備え、太陽熱発電機が発電した電力で、メタネーション反応器１２０で生成された水を電気分解するとしてもよい。かかる構成により、電気分解に要する電力エネルギーの消費量を低減させることが可能となり、より効率的に電気分解を進行させることができる。また、火力発電に由来した電力を消費する必要がなくなるために、副次的に二酸化炭素を発生させるという事態を回避させることもできる。

また、メタネーション反応器１２０は、太陽光を集光する集光装置をさらに備え、集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱を利用して、メタネーション反応が進行を開始させる温度まで原料ガスや触媒を予熱するとしてもよい。これにより、メタンの生成効率を向上させることが可能となる。

また、メタネーション反応器１２０から放出される排熱を利用して常温の原料ガスまたは露点以下まで冷却されたメタンを予熱したあと、メタン熱分解反応器１３０から放出される排熱を利用して原料ガスまたはメタンをさらに予熱するとしてもよい。

また、上記実施形態において、凝縮部１５２と気液分離部１５４とで構成される水除去部１５０について説明したが、生成ガスから水を除去することさえ可能であれば、その水除去部の構成は特に限定されることはない。例えば、水除去部が水分離膜等で構成されているとしてもよい。

本発明は、二酸化炭素から固体炭素を分離し、回収して固定化させる二酸化炭素固定システムに利用することができる。

１００、３００ 二酸化炭素固定システム
１１０ 二酸化炭素固定装置
１２０ メタネーション反応器
１３０ メタン熱分解反応器
１３２ 集光装置
１３４ 加熱器
１６０ 第１熱交換部（熱交換部）
１７０ 第２熱交換部（熱交換部）
２１０ 水素生成装置
２２０ 塩化ナトリウム水溶液電解器
２３０ 水酸化ナトリウム電解器
３１０ 水素生成装置
４３６ 予熱配管（熱交換部）

Claims (10)

1. 二酸化炭素から固体炭素を分離し、回収して該二酸化炭素を固定する二酸化炭素固定システムであって、
   二酸化炭素と水素とを含む原料ガスと、メタネーション反応を活性化させる触媒とを接触させ、該原料ガスからメタンおよび水を生成するメタネーション反応器と、
   加熱源を有し、前記メタネーション反応器で生成されたメタンを該加熱源で加熱して、該メタンを固体炭素および水素に分解するメタン熱分解反応器と、
   前記メタネーション反応器において前記メタネーション反応が進行することで生じた反応熱を前記メタン熱分解反応器に供給されるメタンで回収する、もしくは、前記メタン熱分解反応器の加熱源から放出された熱のうち、前記メタンに吸収されなかった熱としての排熱または該メタン熱分解反応器で分解された前記固体炭素および水素が有する熱で、該メタネーション反応器に供給される原料ガスを予熱する熱交換部と、
   を備えたことを特徴とする二酸化炭素固定システム。
2. 前記メタン熱分解反応器の加熱源は、太陽光を集光して太陽熱を発生させる集光装置であることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素固定システム。
3. 前記メタネーション反応器で生成された水から水素を生成する水素生成装置をさらに備え、
   前記メタネーション反応器は、少なくとも前記水素生成装置で生成された水素を含む原料ガスからメタンおよび水を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の二酸化炭素固定システム。
4. 前記水素生成装置は、
   水と、塩化ナトリウムとの混合液を電気分解して、水酸化ナトリウム、水素、および、塩素を生成する塩化ナトリウム水溶液電解器と、
   前記塩化ナトリウム水溶液電解器において生成された前記水酸化ナトリウムと、塩素との混合物を加熱し電気分解して、塩化ナトリウム、酸素、および、水素を生成する水酸化ナトリウム電解器と、
   を備え、
   前記塩化ナトリウム水溶液電解器で用いられる塩化ナトリウムは、前記水酸化ナトリウム電解器で生成された塩化ナトリウムであることを特徴とする請求項３に記載の二酸化炭素固定システム。
5. 前記塩化ナトリウム水溶液電解器において生成された前記水酸化ナトリウムは、流動性をもたない固体の状態で前記水酸化ナトリウム電解器に移動させられて供給され、
   前記水酸化ナトリウム電解器において生成された前記塩化ナトリウムは、流動性をもたない固体の状態で前記塩化ナトリウム水溶液電解器に移動させられて供給されることを特徴とする請求項４に記載の二酸化炭素固定システム。
6. 前記塩化ナトリウム水溶液電解器は、
   太陽光を集光する集光装置と、
   前記集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱で発電する太陽熱発電機と、
   をさらに備え、
   前記太陽熱発電機が発電した電力で、前記メタネーション反応器で生成された水と、塩化ナトリウムとの混合液を電気分解することを特徴とする請求項４または５に記載の二酸化炭素固定システム。
7. 前記水酸化ナトリウム電解器は、
   太陽光を集光する集光装置と、
   前記集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱で発電する太陽熱発電機と、
   をさらに備え、
   前記太陽熱発電機が発電した電力で、前記塩化ナトリウム水溶液電解器において生成された前記水酸化ナトリウムと、塩素との混合物を電気分解することを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の二酸化炭素固定システム。
8. 前記水素生成装置は、前記メタネーション反応器で生成された水を電気分解して、水素および酸素を生成する水電解器であることを特徴とする請求項３に記載の二酸化炭素固定システム。
9. 前記水電解器は、
   太陽光を集光する集光装置と、
   前記集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱で発電する太陽熱発電機と、
   をさらに備え、
   前記太陽熱発電機が発電した電力で、前記メタネーション反応器で生成された水を電気分解することを特徴とする請求項８に記載の二酸化炭素固定システム。
10. 前記メタネーション反応器は、太陽光を集光する集光装置をさらに備え、
    前記集光装置が集光した太陽光に由来して発生する太陽熱で、前記メタネーション反応が進行を開始させる温度まで、前記原料ガスおよび前記触媒を加熱することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の二酸化炭素固定システム。

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