JPH08133200A - 連続炭素除去システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、触媒を用いないで、連続的な析出炭
素の回収・除去が可能な酸素回収装置における連続炭素
除去システムを提供することを目的とする。 【構成】本発明の連続炭素除去システムは閉鎖した空間
内で人間が発生する炭酸ガスを除去して酸素を回収する
装置において、 ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ →ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ
（１） ＣＨ₄ →Ｃ（固体）＋２Ｈ₂
（２） なる反応式により回収した炭酸ガスを固体炭素に分解す
る場合に、（Ａ）反応式（２）の反応において、触媒を
使用せずに、（Ｂ）１２００℃以上の温度条件でメタン
を分解することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、宇宙ステーション、潜
水艦等の閉鎖空間において人間の居住空間内の炭酸ガス
を炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ₂ ）に分解し、この炭素を連続
的に除去し、酸素を回収するシステムに関する。本発明
は、宇宙ステーション、潜水艦、地下都市等の外界から
の空気循環のない閉鎖環境にも利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】従来の研究では、閉鎖空間からの炭酸ガ
スの回収に当たっては、（１）式の反応に基づき、炭酸
ガスを先ずメタン化し、引き続き（２）式の反応に基づ
き生成させたメタンを分解させていた。

【０００３】 ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ →ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ （１） ＣＨ₄ →Ｃ（固体）＋２Ｈ₂ （２） 上記（１）式の反応では、Ｒｕ系の触媒を用いて３００
℃前後の温度条件で連続的にメタン化が可能である。

【０００４】また、（２）式の反応では１０００℃前後
の温度条件でＦｅ触媒等にて分解し固体炭素を水素を得
るという研究が多い。しかし、上記のメタンの分解反応
では、分解によって生成・析出した固体炭素が触媒表面
上に析出するため、触媒表面を被覆し、メタンの分解性
能の低下、引いては、析出炭素の増加による触媒層の目
詰まりに起因する圧力損失の増大等の問題を有してい
た。

【０００５】このため、上記（２）式の反応を行なわせ
る際には、一定時間（数時間程度）毎に反応器の触媒部
を交換する必要があった。この反応器の触媒部の交換に
おいては、その反応が１０００℃程度の高温で進行する
ために、予めこの温度まで予熱した反応器を１ないしそ
れ以上、余分に準備する必要があり、また、反応器の切
替え等を考慮する必要があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、 ＣＨ₄ →Ｃ（固体炭素）＋２Ｈ₂ の反応においては、反応により生成する析出炭素のため
に、以下の問題が生じている。 （１）反応により生成する固体炭素が触媒上に析出し
て、触媒上に炭素が固着し触媒機能を失活する。 （２）運転時間の経過と共に析出炭素量が増大し、この
析出炭素により反応器触媒部に目詰まりを生ずる。その
ため圧力損失が増大する。

【０００７】上記の問題に対処するため、従来の装置で
は運転の継続が困難となる前に、予め予熱した１ないし
２以上の予備反応器と交換・切り換えることにより対応
していた。

【０００８】なお、予備の反応器と切り換えるに当たっ
ては、予め予備反応器をメタンの分解が可能な操作温度
条件（概略１０００℃）まで予熱しておく必要があっ
た。また、予備の反応器と切り換えるタイミングに関し
ても、反応使用中の反応器の圧力損失を管理することに
より、交換・切替え時期を決定するための制御系統が必
要であった。

【０００９】これらの問題を解決するためには、複雑な
制御系統および１ないし２以上の予備反応器を必要とす
ることから、実用に供されていないのが現状である。本
発明はこれらの問題を解決することができるシステムを
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

（第１の手段）本発明に係る連続炭素除去システムは、
閉鎖した空間内で人間が発生する炭酸ガスを除去して酸
素を回収する装置において、 ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ →ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ （１） ＣＨ₄ →Ｃ（固体）＋２Ｈ₂ （２） なる反応式により回収した炭酸ガスを固体炭素に分解す
る場合に、（Ａ）反応式（２）の反応において、触媒を
使用せずに、（Ｂ）１２００℃以上の温度条件でメタン
を分解することを特徴とする。 （第２の手段）本発明に係る連続炭素除去システムは、
閉鎖した空間内で人間が発生する炭酸ガスを除去して酸
素を回収する装置において、 ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ →ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ （１） ＣＨ₄ →Ｃ（固体）＋２Ｈ₂ （２） なる反応式により回収した炭酸ガスを固体炭素に分解す
る場合に、（Ａ）閉鎖環境から排出された炭酸ガスと、
バグフィルタおよび水電解装置からの回収装置とを導入
する混合タンクと、（Ｂ）前記混合タンクから導入した
混合ガスから、前記（１）式の反応によりメタンと水蒸
気を生成する第１反応器と、（Ｃ）前記第１反応器で生
成した水蒸気を冷却して凝縮する冷却器と、（Ｄ）前記
冷却器で凝縮した水分を分解して水素と酸素を生成し、
生成した水素を閉鎖環境へ戻す水電解装置と、（Ｅ）前
記第１反応器で生成したメタンを導入し、前記（２）式
の反応式により、メタンの分解反応を行なう第２反応器
と、（Ｆ）前記第２反応器で折出した炭素の粉体を分離
するバグフィルタと、（Ｇ）前記バグフィルタからの炭
素の粉体を貯蔵する粉体ホッパを具備することを特徴と
する。

【００１１】

【作用】本発明システムにより、無触媒条件にて１３０
０℃前後の反応温度にて（２）式の反応を進行させ、粉
体状の析出炭素を得ることができる。この析出炭素を反
応管内に堆積しないように、垂直に設置した反応管の上
部から下部に向かって、反応ガスを流通させることによ
り、反応管の下部から粉体状の析出炭素を反応管外に流
出させることができる。引き続き、ＥＰ（荷電粉体捕集
機）あるいはバグフィルタ等で捕集することにより粉体
状の炭素を連続的に系外へと除去・回収することができ
る。

【００１２】

【実施例】

（第１実施例）図１は、本発明の第１実施例としての酸
素回収装置における連続炭素除去システムの構成を示
す。

【００１３】図１において、閉鎖環境から排出され、分
離濃縮された炭酸ガス１は、酸素回収システム入口の混
合タンク２へと導かれる。ここで系内を循環するガスと
混合された後、第１反応器に導かれ前述の（１）式の
反応により、循環ガス中の水素と反応し全量メタンへと
反応させる。

【００１４】なお、同時に（１）式の反応により水蒸気
が生成するため、４の冷却器にて冷却することにより、
水分を凝縮・除去する。凝縮した水分は水電解装置８に
導かれ、ここで水素９と酸素１０に分解される。 生成
した酸素１０は、再び閉鎖環境へと戻され、一方の生成
した水素９は循環ガスとして再び第１反応器３で反応に
消費される。

【００１５】生成したメタンは、第２反応器５に導か
れ、前述のメタンの分解反応を行なわさせる。生成した
水素は、循環ガスとして再び第１反応器３での反応に消
費される。

【００１６】反応析出した炭素はバグフィルタ６等にて
粉体を分離し、粉体ホッパ７に貯蔵する。 （第２実施例）（２）式で記述したメタンの分解反応に
より生成する固体炭素の析出に係わる触媒反応の失活防
止、および連続的な析出炭素の除去システムを提供する
ために、発明者は、種々の試験と検討を実施した結果、
次式の反応を１２００℃以上（望むべく１３００℃以
上）で実施することにより、触媒部を必要とせず（２）
式の反応が高効率で進行することを見いだした。

【００１７】 ＣＨ₄ →Ｃ（固体）＋２Ｈ₂ （２） すなわち、図２に示す通り、ガス流量２５０Ｎｃｃ／ｍ
ｉｎ（反応器内での滞留時間としては数秒程度）、反応
温度１２００℃ではメタンの分解率９０％程度、また反
応温度１３００℃ではメタンの分解率としてほぼ１００
％前後を得るに至った。

【００１８】また、この反応条件で反応生成した析出炭
素は、数μｍの粉体状であり、反応ガスに同伴されて反
応器外に流出することが可能となった。従って、この反
応方法をメタンの分解、炭素化の反応に適用することに
より、連続的な析出炭素の除去が可能となる。また、触
媒部を使用しないために、触媒の失活あるいは圧力損失
の増大等の問題も発生しない。

【００１９】

【発明の効果】本発明により以下の効果を得るに至っ
た。 （１）連続的な析出炭素の回収・除去が可能となるた
め、長期間（数１０時間以上）に渡って安定な酸素回収
が可能となった。 （２）反応器において触媒を用いないために、触媒の失
活がない。その結果、長期間の運転が可能になった。 （３）初期倍を用いないために、反応器内における析出
炭素による閉鎖、圧力損失の増大を防止することが可能
になった。 （４）交換すべき予備の反応器も不要となるとともに、
複雑な切替え機構も不要になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係わるシステムの概略フ
ロー図。

【図２】反応温度とメタン分解率の関係を示す図。

【符号の説明】 １…炭酸ガス、 ２…混合タンク、 ３…第１反応器、 ４…冷却器、 ５…第２反応器、 ６…バグフィルタ、 ７…粉体ホッパ、 ８…水電解装置、 ９…回収水素、 １０…回収酸素。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柏井 俊彦 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 松本 浩明 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 閉鎖した空間内で人間が発生する炭酸ガ
   スを除去して酸素を回収する装置において、 ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ →ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ （１） ＣＨ₄ →Ｃ（固体）＋２Ｈ₂ （２） なる反応式により回収した炭酸ガスを固体炭素に分解す
   る場合に、（Ａ）反応式（２）の反応において、触媒を
   使用せずに、（Ｂ）１２００℃以上の温度条件でメタン
   を分解することを特徴とする酸素回収装置における連続
   炭素除去システム。
2. 【請求項２】 閉鎖した空間内で人間が発生する炭酸ガ
   スを除去して酸素を回収する装置において、 ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ →ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ （１） ＣＨ₄ →Ｃ（固体）＋２Ｈ₂ （２） なる反応式により回収した炭酸ガスを固体炭素に分解す
   る場合に、（Ａ）閉鎖環境から排出された炭酸ガス
   （１）と、バグフィルタ（６）および水電解装置（８）
   からの回収水素（９）とを導入する混合タンク（２）
   と、（Ｂ）前記混合タンク（２）から導入した混合ガス
   から、前記（１）式の反応によりメタンと水蒸気を生成
   する第１反応器（３）と、（Ｃ）前記第１反応器（３）
   で生成した水蒸気を冷却して凝縮する冷却器（４）と、
   （Ｄ）前記冷却器（４）で凝縮した水分を分解して水素
   （９）と酸素（１０）を生成し、生成した水素を閉鎖環
   境へ戻す水電解装置（８）と、（Ｅ）前記第１反応器
   （３）で生成したメタンを導入し、前記（２）式の反応
   式により、メタンの分解反応を行なう第２反応器（５）
   と、（Ｆ）前記第２反応器（５）で折出した炭素の粉体
   を分離するバグフィルタ（６）と、（Ｇ）前記バグフィ
   ルタ（６）からの炭素の粉体を貯蔵する粉体ホッパ
   （７）を具備することを特徴とする、酸素回収装置にお
   ける連続炭素除去システム。