(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタンと二酸化炭素を反応ガス源として二酸化炭素を固定化する二酸化炭素固定化装置において、二酸化炭素固定化用の反応槽を水素ガスに対して透過性の良いパラジウム管を内部に用い、前記パラジウム管またはパラジウム管と反応槽壁間に触媒を充填した２重管型構造を形成したことを特徴とする二酸化炭素固定化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はメタンと二酸化炭素をガス源とする二酸化炭素固定化装置に係わり、特に、反応槽で触媒反応によって余剰に発生する水素の除去に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中の温室効果ガス濃度を低減するためには、その排出自体を抑えることが不可欠である。その排出削減のために、いろいろな方法が研究されている。大気中の二酸化炭素（ＣＯ２）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ＣＯ２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（Ｈ２）雰囲気下でＣＯ２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ＣＯ２を分離するＣ０２分離装置や、その分離されたＣＯ２を濃縮するＣＯ２濃縮装置、ＣＯ２とＨ２を触媒存在下で反応させて微粉状炭素を生成するＣＯ２／Ｈ２反応装置などから構成されている。
【０００３】
ここではＣＯ２と、ＣＨ４を分解してできるＨ２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装置について図２、図３により説明する。図２は反応ガス４としてＣＯ２とＣＨ４を用い、ガス反応系としてメタン分解部５は水素燃焼部６と二酸化炭素固定部７に接続されている。熱交換系として水素燃焼部６がメタン分解部５に接続されている。
メタン分解部５は、例えば、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３を担体とするＮｉ、Ｃｏなどの触媒を備え、系外から導入したメタンを連続的に炭素と水素に分解する。水素燃焼部６は、メタン分解部５で生成した水素の一部を取り込み、燃焼させて、そこで得られた燃焼熱をメタン分解部５に供給する。二酸化炭素固定部７は、例えばＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３を担体とするＮｉ、Ｃｏなどの触媒を備え、メタン分解部５で生成した水素の一部と固定化するためのＣＯ２とを取り込み、反応させて連続的に炭素と水を生成する。また、二酸化炭素固定部７で生成した水蒸気（Ｈ２Ｏ）を凝縮する凝縮部（図示していない）が設けられている。
【０００４】
図３は、図２のメタン分解部５と二酸化炭素固定部７を一つにして二酸化炭素固定部８としたガス反応系と熱交換系を形成したシステムである。この二酸化炭素固定部８の内部に、メタンと二酸化炭素をガス源とする反応槽が設けられ、その反応槽は単管型反応器で形成され、内部に触媒として、例えば、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３を担体とするＮｉ、Ｃｏなどが充填されている。この反応槽で反応して発生した炭素は、触媒表面に付着し、余剰に発生した水素は外部の水素燃焼部６に送られる。そして、この水素が水素燃焼部６で燃焼され、そこで得られた燃焼熱は二酸化炭素固定部８に供給される。二酸化炭素固定部８および水素燃焼部６で生成した水蒸気（Ｈ２Ｏ）は凝縮部（図示していない）で凝縮される。
【０００５】
図４は、図３の二酸化炭素固定化装置の具体的なガス配管を示す図である。反応槽９の内部には複数段に設けられた枠上に触媒３が置かれ、その外側には触媒反応を促進するための加熱用ヒータ１１がセットされ、さらに、外部の水素燃焼部６からの熱供給管１０が接続されている。反応槽９の下部から反応ガス（メタン、二酸化炭素）４が導入され、立ち上げ時には反応槽９がヒータ１１で加熱される。触媒３の温度は上昇し、メタンガスは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。炭素は触媒表面に固定化され、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９の上部の排出口から出て分離装置１１に入る。分離装置１１は水素と、その他のガスである水蒸気、二酸化炭素、メタンガスとを分離して、別の配管からそれぞれ排出する。水素は水素燃焼部６に入り燃焼して、その燃焼熱は熱供給管１０により反応槽９に送られる。
【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装置は以上のように構成されているが、反応槽９内で発生する水素の除去を反応槽９の外部の分離装置１１で行っているため、分離用の配管系等が複雑になっている。さらに、反応による余剰の水素を外部の水素燃焼部６で燃焼させ、そこで発生する燃焼熱を反応槽の熱源として利用しているため、その熱供給用の配管等がなされ、分離用配管系及び熱供給用配管系が複雑になっていた。このように余剰の水素を反応槽９の系外で分離するために、分離装置を必要とし、配管系が多くなりメンテナンスも困難であった。
【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、二酸化炭素固定化装置の反応槽で発生する余剰の水素を容易に取り出すことができる二酸化炭素固定化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装置は、メタンと二酸化炭素を反応ガス源として二酸化炭素を固定化する二酸化炭素固定化装置において、二酸化炭素固定化用の反応槽を水素ガスに対して透過性の良いパラジウム管を内部に用い、前記パラジウム管またはパラジウム管と反応槽壁間に触媒を充填した２重管型構造を形成するものである。
【０００９】
本発明の二酸化炭素固定化装置は上記のように構成されており、触媒を充填した反応槽を水素ガスに対して透過性の良いパラジウム管を用いて２重管型構造にすることで、触媒反応により発生した余剰の水素はパラジウム管を透過して系外に容易に除去することができ、配管系統が簡素化され、二酸化炭素固定化装置のコストを低減することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の二酸化炭素固定化装置の一実施例を図１を参照しながら説明する。図１は、二酸化炭素固定化装置の反応槽１の断面を示したものである。反応槽１の内部にパラジウム管２が設けられ、中央部と外周部の２つのガス流通路が形成され、２重管型構造を有する。パラジウム管２は水素の透過率が良い材料である。パラジウム管２には、内部に触媒３として、例えば、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３を担体とするＮｉ、Ｃｏなどが充填されている。下方に反応ガス４が導入される開口部が設けられ、上方に、反応してできた水蒸気や少量の余剰の水素の一部が放出される。反応過程で余剰の水素の大部分は、反応槽１の外壁とパラジウム管２で形成されるガス流路に拡散し、この流路から外部に送り出される。
図１ではパラジウム管２の内部に触媒３を充填した場合を示しているが、触媒３をパラジウム管内部に充填するのでなく、パラジウム管２と反応槽１の内壁との間に触媒３を充填しても良い。この場合、反応過程で発生する余剰の水素の大部分はパラジウム管２の内部流路に透過して、上方に送られる。
【００１１】
パラジウム金属は白金族遷移元素の１つであり、比重は１２．０で重いが、融点が１５５７℃と高く、室温で約６００倍の体積の水素を吸収する。そして、熱せられたパラジウム板は水素を良く通過させる。この性質を利用して反応槽１の反応管としてパラジウム管２を用いる。
【００１２】
次に、反応槽１の反応について説明する。まず、反応ガス４のＣＨ４ガスが触媒３（ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３を担体とするＮｉ、Ｃｏなどが充填されたもの）により、ＣＨ４＝Ｃ＋２Ｈ２＋９０．１ｋｊ／ｍｏｌの反応をする。そして、反応ガス４のＣＯ２ガスが触媒３（ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３を担体とするＮｉ、Ｃｏなどが充填されたもの）により、ＣＯ２＋２Ｈ２＝Ｃ＋２Ｈ２Ｏ−９６ｋｊ／ｍｏｌの反応をする。
上記の反応、ＣＨ４＝Ｃ＋２Ｈ２＋９０．１ｋｊ／ｍｏｌで発生する余剰の水素をパラジウム管２の外部に出す。
従って全体の反応は、ＣＨ４＋ＣＯ２＝２Ｃ＋２Ｈ２Ｏ−５．９ｋｊ／ｍｏｌとなる。
【００１３】
上記の反応式で、二酸化炭素が水素と反応して炭素と水になる過程で、消費される水素量が、メタンが触媒により反応して分解し、炭素と水素になる過程の水素の発生量より少なくなれば、余剰の水素が発生することになる。この余剰の水素がパラジウム管２の周囲に拡散しパラジウム管２の壁を透過して、反応槽１との間の流路を流れ外部に容易に除去される。そのためパラジウム管２内では、平衡した触媒反応が行われ反応効率が向上する。
また、各反応熱に関しては、メタンは９０．１ｋｊ／ｍｏｌの吸熱反応であるが、二酸化炭素は９６ｋｊ／ｍｏｌの発熱反応であり、全体として反応ガス系では５．９ｋｊ／ｍｏｌの発熱反応になる。従って、反応槽１に熱を供給する必要がなく、水素燃焼部６が不要になる。これにより水素燃焼部６からの熱供給管がなくなるので、配管系統が簡素化され、製造コストが削減できる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の二酸化炭素固定化装置は上記のように構成されており、反応槽内のパラジウム管で反応時に発生する余剰の水素を、反応中にパラジウム管の外部に出すため、メタンおよび二酸化炭素の分解反応が適切な平衡状態になり、反応効率が向上する。また、発熱反応により反応槽に外部から熱を供給する必要がなく、水素燃焼部が不要になり、熱供給のための配管が不要となる。そして余剰の水素を除くための流路が反応槽にできるので、配管系統が簡素化され、製造コストを低減することができる。
【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装置を示す図である。
【図３】従来の他の二酸化炭素固定化装置を示す図である。
【図４】従来の二酸化炭素固定化装置の配管を示す図である。
【符号の説明】
１…反応槽                          ２…パラジウム管
３…触媒                            ４…反応ガス
５…メタン分解部                    ６…水素燃焼部
７…二酸化炭素固定部                ８…二酸化炭素固定部
９…反応槽                        １０…熱供給管
１１…分離装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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