JP3696465B2

JP3696465B2 - 二酸化炭素固定化反応装置

Info

Publication number: JP3696465B2
Application number: JP2000019768A
Authority: JP
Inventors: 成樹尾野
Original assignee: Shimadzu Corp; Research Institute of Innovative Technology for Earth
Current assignee: Shimadzu Corp; Research Institute of Innovative Technology for Earth
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: JP2001205074A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素固定化反応装置に係わり、特に、二酸化炭素と水素もしくはメタンを混合させた反応ガスを、触媒を用いた高温の反応槽で反応させる場合、反応ガスの供給量により、その流動層のレベルを所定のレベルに保ち、固定化炭素の生成を制御する制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中の二酸化炭素（ＣＯ_２）や、発電所、製鉄所、セメント工場などから大量に排出されるＣＯ_２を排出源で固定して再資源化する方法の一つに、例えば、水素（Ｈ_２）雰囲気下でＣＯ_２を還元し、微粉状炭素に変換する方法が考案されている。その変換方式は、大気や排ガスからＣＯ_２を分離するＣ０_２分離装置や、その分離されたＣＯ_２を濃縮するＣＯ_２濃縮装置、ＣＯ_２とＨ_２を触媒存在下で反応させて微粉状炭素を生成するＣＯ_２／Ｈ_２反応装置などから構成されている。
【０００３】
図２に、ＣＯ_２と、ＣＨ_４を分解してできるＨ_２を触媒存在下で反応させて微粉状炭素を生成する二酸化炭素固定化反応装置を示す。
反応槽６の内部には、最下部に導入空間が設けられ、下方からの反応ガスが一様に流入するような空間を形成している。そして、その空間に温度計５ａと圧力計１２ａのセンサーがセットされている。導入空間の上部に円筒状の一つのトレイ７が設けられ、トレイ７の底部の棚上にフィルタがセットされ、トレイ７内に触媒８が一様に充填され、反応ガスが上方に流れるように、流動層１９を形成している。反応後の排出ガスは反応槽６の上部排出空間に出て、排出口１３から外部に排出される。その排出空間には温度計５ｂのセンサーがセットされている。反応槽６の外側の加熱炉１１には、触媒反応を促進するための遠赤外線ヒータ等がセットされ、加熱用ヒータとして働く。
【０００４】
そして、採集した固定化すべき二酸化炭素とメタンを、混合タンク１に所定の割合で混合する。混合タンク１から導入ポンプ１５によって調整弁３を介して、二酸化炭素・メタン反応ガスが、反応槽６の下部に設けられた導入口４から導入される。反応立ち上げ時には、反応槽６が加熱炉１１の遠赤外線ヒータで加熱される。これにより、トレイ７中の触媒８の温度は上昇し、メタンは触媒反応により炭素と水素に分解する。そして二酸化炭素はその水素と反応して、炭素と水（水蒸気）になる。炭素は触媒８の表面に固定化炭素９として固定化され、水蒸気と余剰の水素と未反応のメタン、未反応の二酸化炭素のガスが反応槽６の上部に設けられた排出口１３から外部に排出ガスとして出る。
【０００５】
上下に設けられた温度計５ａ、５ｂからの信号が制御器１６に入力され、その信号によって制御器１６が加熱炉１１を制御し、反応槽６は温度制御される。また、反応槽６に導入される反応ガスの圧力を圧力計１２ａで検出し、その信号によって制御器１６が、導入ポンプ１５と調節弁３とを制御し、反応ガスの供給量を制御している。
そして、所定の時間反応させた後、触媒８と固定化カーボン７を機械的な振動または攪拌により分離して、下部に設けられた取出口１８から外部に取り出す。そして、新しい触媒を上部の供給口１７から供給する。（ここでは機械的に固定化炭素７を分離する振動や攪拌の機構、及び触媒の追加、更新については図示していない）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の二酸化炭素固定化反応装置は以上のように構成されているが、触媒８の存在下で炭素を固定化する反応は、固定床で行なわれており、反応槽６内のトレイ７に触媒８を充填し、所定の時間、温度を上げて、反応槽内の入力部の圧力計１２ａからの圧力信号により、反応ガスの供給量を制御しても、固定化炭素９の生成量が増加するため、反応ガスの供給量で固定化炭素９の生成量は制御できないという問題があった。また、固定化炭素９の生成と共に反応槽６内の圧力が異常に高くなるという問題もある。
【０００７】
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、反応ガスの供給量を制御することにより、固定化炭素９の生成を制御し、反応槽内の圧力が異常に高くならない二酸化炭素固定化反応装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明の二酸化炭素固定化反応装置は、二酸化炭素と水素もしくはメタンを混合させた反応ガスを触媒を用いて高温の反応槽で反応させ、生成した炭素と水を系外に取り出す二酸化炭素固定化反応装置において、前記反応槽内に反応ガスを導入する導入空間と反応後のガスを排出する排出空間とに設けられた２個の圧力計と、その各圧力計の差圧が所定の範囲内に入るように反応ガスの供給量を制御する手段とを設けて、反応ガスの供給量を制御することによって流動層のレベルを所定のレベルに制御し、固定化炭素の生成量も制御するものである。
【０００９】
本発明の二酸化炭素固定化反応装置は上記のように構成されており、反応槽の入力部空間と出力部空間の圧力を検知する圧力計の信号によって、その差圧が所定の範囲内に入るように、反応ガスの供給量を制御することにより、流動層の高さを制御する。それによって、固定化炭素の生成量も制御することが出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の二酸化炭素固定化反応装置の一実施例を、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の二酸化炭素固定化反応装置の原理図を示す図である。本装置は、触媒８を充填するトレイ７を内部に設けた反応槽６と、その反応槽６の外周に設けられ反応槽６を加熱する加熱炉１１と、反応槽６の下部に設けられ反応ガスを導入する導入口４と、温度計５ａのセンサと、圧力計１２ａのセンサと、反応後の固定化炭素９／触媒８を取り出す取出口１８と、反応槽６の上部に設けられた反応後のガスを排出する排出口１３と、温度計５ｂのセンサと、圧力計１２ｂのセンサと、触媒８を供給する供給口１７と、反応槽６の温度と圧力を制御する制御器１０と、二酸化炭素とメタンの反応ガスを混合して貯蔵しておく混合タンク１と、その反応ガスを圧縮して反応槽６に送り込むコンプレッサ２と、その送り込む反応ガスの流量を調節する調節弁３と、排出口１３につながれ反応槽６の反応後のガスを排出する吸引ポンプ１４とから構成されている。
【００１１】
本装置は、反応槽６の上部に設けられた供給口１７から触媒８が内部のトレイ７に供給され、充填された状態にして、加熱炉１１の電源を入れ反応槽６を、５００〜７００℃に加熱する。温度計５ａ、５ｂは反応槽６の上下部に設けられ、その信号は制御器１０に入力され、その信号によって加熱炉１１が制御されて、反応槽６内が一様な温度になるように、加熱炉１１の下方部と上方部が個々に制御される。そして、二酸化炭素とメタンが所定の混合比で混合された混合タンク１の反応ガスが、コンプレッサ２で圧縮され、調節弁３で制御され、導入口４から反応槽６の下部に送り込まれる。その時、反応槽６の下部に設けられた圧力計１２ａのセンサからの信号Ｐ１と上部に設けられた圧力計１２ｂのセンサからの信号Ｐ２が、制御器１１に入力され、その差圧（Ｐ１−Ｐ２）により、反応ガスの供給量、すなわち、コンプレッサ２と調節弁３によって供給される反応ガス量が制御される。そして、触媒８による触媒反応が行なわれる。
【００１２】
反応ガスは、最初に、ＣＨ_４＝Ｃ＋２Ｈ_２＋９０．１ｋｊ／ｍｏｌの吸熱反応が行なわれ、水素が発生する。そして、その水素と二酸化炭素の固定化反応：ＣＯ_２＋２Ｈ_２＝Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ−９６ｋｊ／ｍｏｌが行われる。そして、反応が一定に進行している時、全体の反応は、ＣＨ_４＋ＣＯ_２＝２Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ−５．９ｋｊ／ｍｏｌとなり、少量の熱を外部から加えるだけでよい状態になる。
【００１３】
ここでは、触媒８が充填され、反応ガスが流され、加熱されて、触媒反応が行なわれる層を流動層１９と呼ぶ。この流動層１９は、反応が一定に進行している時、固定化炭素９が触媒８の表面に析出するので、流動層１９の体積が膨れ上がり、流動層１９の高さ（レベル）が変化する。反応ガスの供給量、反応槽６の温度、触媒８の種類と量、反応槽６内の差圧（Ｐ１−Ｐ２）、反応槽６内の構造などにより、この流動層１９の高さが変化する。この流動層１９の高さ（レベル）の変化は、流動層１９内の固定化炭素９の生成率を示す。本装置は、反応槽６内の下部と上部の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）を検出して、その信号により、反応槽６の下部に供給する反応ガスの供給量を制御し、流動層１９の高さ（レベル）を制御して、固定化炭素の生成を制御するものである。
【００１４】
その制御基準は、反応槽６内の差圧（Ｐ１−Ｐ２）の上限値と下限値を過去のデータを参照して設定しておく。そして、反応槽６内の差圧（Ｐ１−Ｐ２）が上限値になれば、反応ガス供給量を減少させる。また、反応槽６内の差圧（Ｐ１−Ｐ２）が下限値になれば、反応ガス供給量を増加させる。反応槽６内の差圧（Ｐ１−Ｐ２）が上、下限値の範囲内であれば、現在の反応ガス供給量にしておく。この方法により、流動層１９の高さ（レベル）が制御される。
また、反応槽６内の圧力Ｐ１、Ｐ２が異常に高くなったとき、制御器１０により自動的に、加熱炉１１の電源がＯＦＦされ、コンプレッサ２が停止され、調節弁３が閉じられ、吸引ポンプ１４で反応槽６内の反応ガスが外部に排出される。
【００１５】
上記の実施例では、触媒８を反応槽６内のトレイ７に充填し、固定したたままの状態、すなわち、固定流動層１９で触媒反応を行なっているが、循環流動層、例えば、反応槽６の上部供給口１７から触媒８を連続して供給し、反応槽６の下部取出口１８から連続して固定化炭素と触媒を取り出し、流動層１９を循環させる装置にも適用できる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の二酸化炭素固定化反応装置は、上記のように構成されており、反応槽内の入力部と出力部の反応ガス圧力を検知し、その信号を制御部に入力し、予めその差圧の上限値と下限値が設定され、入力された反応ガスの差圧が、設定された上限値になれば、反応ガス供給量を減少させ、また、その差圧が下限値になれば、反応ガス供給量を増加させ、その差圧が上、下限値の範囲内であれば、現在の反応ガス供給量にして反応を行なわせるので、固定化炭素の生成による流動層の高さ（レベル）が、反応ガス供給量で制御され、所定の高さに管理することが出来る。それによって固定化炭素の生成量を制御することができる。また、反応槽内の圧力を入力部と出力部で検知し、反応槽を制御しているので安全に操作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二酸化炭素固定化反応装置の一実施例を示す図である。
【図２】従来の二酸化炭素固定化反応装置を示す図である。
【符号の説明】
１…混合タンク２…コンプレッサ
３…調節弁４…導入口
５ａ…温度計５ｂ…温度計
６…反応槽７…トレイ
８…触媒９…固定化炭素
１０…制御器１１…加熱炉
１２ａ…圧力計１２ｂ圧力計
１３…排出口１４…吸引ポンプ
１５…導入ポンプ１６…制御器
１７…供給口１８…取出口
１９…流動層

Claims

二酸化炭素と水素もしくはメタンを混合させた反応ガスを触媒を用いて高温の反応槽で反応させ、生成した炭素と水を系外に取り出す二酸化炭素固定化反応装置において、前記反応槽内に反応ガスを導入する導入空間と反応後のガスを排出する排出空間とに設けられた２個の圧力計と、その各圧力計の差圧が所定の範囲内に入るように反応ガスの供給量を制御する手段とを設けて、反応ガスの供給量を制御することによって流動層のレベルを所定のレベルに制御し、固定化炭素の生成量も制御することを特徴とする二酸化炭素固定化反応装置。