(57)【要約】【課題】人間のライフスタイルの高度化と共に地球のＣＯ２は増加の一途である。単なる代替や省エネ技術の改良、ＣＯ２の隔離、排出権取引等では問題の根本的解決にはならない。人工光合成などの科学技術のブレークスルーを待っている訳には行かない。そこで人間がこれまで開発し蓄積してきた化学技術を太陽光エネルギーのみを用いて展開して短、中期対策としての直接ＣＯ２リサイクルの開発を目指す。【解決手段】紫外部まで集光可能なフレネルレンズ群で集光した太陽光を全反射型の石英中空ファイバー及び石英管によりガス化炉へ伝送し、その周囲から炉壁を貫通してＣＯ２，Ｈ２Ｏ，石炭，バイオマス，廃プラスチック等からなる配合物を太陽光集光で直接照射することにより化学結合の分解、分子の励起状態を発生させると共に高温ガス化反応を促進し、触媒を使用せず、タールの生成もなく合成ガス（ＣＯ＋Ｈ２）を製造することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外部まで集光可能なポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂製のフレネルレンズ群による太陽光集光を各レンズ毎に円錐型受光部を有するフレキシブルな全反射型石英中空ファイバーからなる伝送ユニットに通し反応容器まで伝送し、これ等の集光を全反射型の石英管に集合し、この石英管までのセットを複数凖備し、その各石英伝送管終端を反応容器の周囲から器壁を貫通させ、反応容器内へ装入される二酸化炭素、水蒸気、石炭、バイオマス、廃プラスチック等の配合物へ前記石英伝送管終端から直接集合太陽光集光を照射して合成ガスを製造することを特徴とする太陽光集光を利用する二酸化炭素のリサイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は太陽光集光を反応の駆動エネルギーとして二酸化炭素（ＣＯ２），水蒸気（Ｈ２Ｏ），石炭，バイオマス，廃プラスチック等の配合物から合成ガスを製造するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】  太陽電池の増設、太陽光集光熱発電、各種の省エネ技術の開発などは確かにＣＯ２削減に寄与する手段であるが人間のライフスタイルの高度化につれて、これだけではＣＯ２削減の充分な決め手とはなり得ない。又、大量発生源においてＣＯ２を効率良く分離し、地下や海洋に隔離貯留するだけでは問題の根本的解決にはならない。いわんや排出権取引、カーボンオフセットの如き商取引による辻褄合わせは論外である。【０００３】  貴金属光触媒による水素製造やＣＯ２の直接還元プロセスなど人工光合成への基礎研究も盛んに行われているが、それらのブレークスルーを待っていては地球がもたない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  上述した従来のＣＯ２対策は代替的、置換的削減か隔離、貯留といった消極的な手段の改善、推進を目指しているが、近い将来、効率的なＣＯ２の分離技術が実現するのであれば、太陽光エネルギーのみを利用し、ＣＯ２を原料の一つとして燃料や基礎化学品へ再生する積極的な化学プロセスを開発して真の意味におけるＣＯ２リサイクルシステムの構築をしようとするのが本発明の目的である。【０００５】  本発明者は先に太陽光反射集光を反応炉の器壁に設けた石英ガラス窓を通して炉内へ導入し、炉内の反応物質を照射して合成ガスを製造する方法に関して特許文献１において提案したが、本発明において大幅な太陽光集光の高エネルギー密度化による反応の促進とエネルギー利用効率の向上手段を開発した。【０００６】
【特許文献１】  特願２００８−８１９０４
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００８】  先ず化学反応の駆動エネルギーである太陽光の集光の仕組みについて述べる。太陽光の紫外部まで集光可能な特殊なＰＭＭＡ樹脂製の複数個のフレネルレンズを用いて一段目の集光を行い、各レンズの立体的焦点に集まる全ての光を円錐型の受光部を有する全反射型のフレキシブルな石英中空ファイバーによりこの太陽光集光を反応容器まで伝送し、これ等複数本のファイバーを集約し次段の全反射型石英管へ集光比１０００〜２０００の高強度、高エルギー密度の光として一つにまとめる。【０００９】  上記石英管の太陽光集光は反応容器の周囲から器壁を貫通して内部の反応物即ちＣＯ２，Ｈ２Ｏ，石炭，コークス，バイオマス，廃プラスチック等からなる配合物を直接照射する。石英管終端は石英ガラスで密封され、その形は必要に応じて平面（直進）、凸面（集中）、凹面（拡散）とし且つ照射方向が可変式で光エネルギー分布を調節可能とする。【００１０】  高強度、高エネルギー密度の太陽光集光の直接照射を受けた反応物はスポット的に瞬間的に１０００℃以上に加熱されると同時に光化学作用による反応物の化学結合の分解や分子励起と相俟って連鎖的にガス化反応が進行し最終的にはＣＯとＨ２とからなる合成ガスが生成する。【００１１】  反応過程の詳細は不明であるが、発生炉ガス反応、水性ガス反応、水蒸気の分解などの吸熱反応が瞬間的、スポット的に進行するものと推察される。太陽光集光照射パターンを調節して１０００℃以上の反応領域を広げると触媒なしでタール状物質の生成もなく順調なガス化反応が実現できる。反応は不活性なＣＯ２やＣＯ，Ｈ２などの還元性雰囲気で進行するのでＮＯｘやＳＯｘが生成せず合成ガスは乾式ガス精製工程によって高ポテンシャルを維持したまま浄化できる。【００１２】  太陽光集光操作において太陽光の僅か３％の紫外光を集光するのは高エネルギーの紫外光によりＣ−Ｈ，Ｃ−Ｎ，Ｃ−Ｃ，Ｃ−Ｏ，Ｈ−Ｎ，Ｈ−Ｈなどの化学結合の分解や電子の移動を伴う励起状態を瞬時に発生させることによりガス化反応の推進に寄与できるからである。【００１３】  太陽光集光エネルギーの工業的利用方式としては鏡などによる反射光を容器表面に集中照射し熱に変換するのが一般的であるが、この方式は容器表面からの反射、輻射ロスが大きいばかりでなく強烈な反射光による環境への悪影響を生ずることがある。本発明においては太陽光集光エネルギーは殆ど全て密閉容器内へ伝送、導入され、その大部分がガス化反応に消費され外部への損失が少ないのでエネルギーの利用効果が高い。反応容器内では太陽光集光は主として熱へ変換し、高温を発生してガス化吸熱反応を推進し、一部が反応物質の化学結合の分解や分子、原子の電子移動を伴った励起状態への移行の光化学作用に利用される。単に加熱するだけでは反応物質の分子の併進、回転、振動に影響を与えることはできても分子や原子の励起状態は決して起こらない点に注目すべきである。【００１４】  合成ガスのＨ／Ｃ比を大きくするにはＨ／Ｃ比の大きい廃プラスチックを適宜原料に配合することにより調整できるし又合成ガスの一部から水性ガス移動反応によりＨ２を得、副生するＣＯ２は合成ガス製造工程へ戻すこともできる。【００１５】  プラント運転動力その他��ユーティリティ電力は太陽は太陽電池によるか又は合成ガスの一部を使う発電システムと組み合わせてもよい。【００１６】  上記した様に太陽光集光高エネルギー密度の光のみを用いてＣＯ２，Ｈ２Ｏ，石炭，バイオマス廃プラスチック等から合成ガスを得、それを使ってＦＴ反応（フィッシャー・トロプシュ反応）により燃料やＣ１，Ｃ２化学品の合成或いは発電を実施することは真の意味でのＣＯ２のリサイクルシステムの完成といえる。【００１７】  尚、本発明の高エネルギー密度の太陽光集光を化学反応の駆動エネルギーとする方式は単にＣＯ２リサイクルシステムへの適用だけに限定されるものではなく、一般に大きな正のギブス自由エネルギー変化を伴うアップヒル反応へも適用できる。水の分解、無機、有機の有害物質の分解などは本発明の適用対象となる。極端に強度の大きな太陽光集光による光化学反応と熱化学反応との組み合わせが選択的励起や非線形の多光子吸収を起こすようになるから今後多方面への応用展開が期待される。
【発明の効果】
【００１８】  鏡による反射集光を目標容器表面へ照射して加熱する方式は反射、輻射ロスが大きく太陽光エネルギーの利用効率は概ね３０％代に止まる。太陽光発電においても現在のレベルで２０％をやや越える程度である。これに対して本発明の集光方式はフレネルレンズによる一段目の集光の効率が約９０％、伝送ロスを含めても全工程のエネルギー利用効率は３０〜５０％を期待できる。【００１９】  鏡による集光方式は一方向から照射加熱に制約されるが、本発明ではフレキシブルな石英中空ファイバーを用いて意のままに集光を伝送できるので反応容器のどの位置からも照射可能であり、照射パターンの自由度は格段に広がる。特に集光を容器内へ導入してしまうので容器表面反射はなく、又容器全体の断熱が行いやすくなる。【００２０】  本発明を工業的に実施するに当たっては、これまで開発され、改良されてきた各種の石炭ガス化炉例えばサソール・ルルギ固定床石炭ガス化炉、ＧＥやＳＨＥＬＬの噴流床石炭ガス化炉、流動床炉その他何れも略そのままの形で利用可能である。酸素や空気の吹き込みに代えてＣＯ２やＨ２Ｏをそして太陽光集光の炉内照射パターンを工夫する必要があるのは当然である。【００２１】  高エネルギーの紫外部の集光をガス化反応に採り入れることにより、その光化学作用の結果、反応物質の化学結合の分解や分子や原子の電子移動を伴う励起状態を発生させ合成ガスの円滑な生成、促進に寄与できる。【００２２】  炉内における集光伝送端直前の部位は１５００〜１６００℃に達しているので照射と同時にスボット的に分解が始まる。その周辺が１０００℃以上になる様に照射パターンを調整すると連鎖的にガス化反応領域が拡大する。このためタールの生成はないので触媒を必要としない。又反応は還元性雰囲気中で進行するのでＮＯｘ，ＳＯｘの生成もない。したがって生成する合成ガスは乾式ガス精製によって高ポテンシャルを維持したまま浄化される。【００２３】  合成ガスのＨ／Ｃ比を大きくする手段としてＨ／Ｃ比の大きい廃プラスチックを適宜原料に配合することにより調整できる。廃プラスチクの有効利用の一つである。又、合成ガスの一部を水性ガス移動反応させてＨ２を得、副生するＣＯ２は最初のガス化工程へ戻す方法もあり、これはＣＯ２ゼロエミッションである。【００２４】  本発明のガス化反応は光照射によるという特性から反応ゾーンは原料層に平面的な薄い層を形成しながら進行する。光の照射を止めれば反応は直ちに停止し、その時点での炉内状況が略そのまま維持されるので操業の再開、停止の繰り返しにとって好都合で正に太陽エネルギー利用向け技術ということができる。【００２５】  上述した発明の効果を総合すると、太陽エネルギーの利用技術として従来着目されてこなかった石英中空ファイバーによるエネルギーの伝送手段を開発したことにより、現行の石炭ガス化炉に僅かな手を加えるだけで本発明のＣＯ２リサイクルプロセスを適用できることのメリットは大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】  本発明を工業的に実施するに当たって基本的には各種の石炭ガス化炉が適用できる。塊粒状原料が取り扱えるサソール・ルルギ固定床石炭ガス化炉は有力な候補の一つである。その他何れの形式の炉であれ酸素や空気の吹き込みに代えて予熱したＣＯ２，Ｈ２Ｏを吹き込み同時に炉の周囲から炉内へ向けて高エネルギー密度の太陽光集光を適正な照射パターンをもって炉内へ装入される石炭、バイオマス、廃プラスチック等からなる配合原料へ照射するとその照射面が瞬時に分解を始めると共に連鎖的に反応領域が広がりつつ合成ガスが生成する。この合成ガスは還元性雰囲気の中で生成するのでＳＯｘ，ＮＯｘの生成を伴わず乾式ガス精製工程において高いポテンシャルを保持したまま浄化される。【００２７】  石炭ガス化炉という大きな反応炉を利用する以上それに見合って太陽光集光装備も巨大な規模となるのは当然であり、プラントの立地条件は自ずから絞られる。即ち太陽光エネルギーの大規模利用に関して従来から提案されてきたとおり所謂サンベルト地帯でしかも港湾設備が整っている地域が好ましいのは云うまでもないが、一定条件さえ揃えば内陸地域でも成り立つ。【００２８】  集光設備の一例について述べる。一辺１ｍの正方形の２８０ｎｍまでの紫外光をパスするＰＭＭＡ板を３列×３行に配置して９ｍ２の１枚のフレネルレンズを組み立てる。これは既に日本特殊光学樹脂（株）において制作技術が完成しているので、これを集光の１ユニットとする。この１ユニットの集光能力は６〜７Ｋｗ、集光比  １０００〜２０００である。【００２９】  ２０ユニットを１グループとして太陽光追尾機能を備えたフレームに組み込み、１集光セットとし、各ユニットが形成する立体焦点を取り込む円錐型受光部を経てフレキシブルな全反射型石英中空ファイバーによってガス化炉周辺まで伝送し、この２０ユニットの集光を次段の全反射型の石英管にまとめ、これをガス化炉の炉壁を貫通して炉内へ伝送、導入する。１００集光セットの合計ポテンシャルは、１２，０００〜１４，０００Ｋｗに相当する。【００３０】  前記石英管のガス化炉内の終端は石英ガラスで密封され終端の形状によって集光は直進光、集中光、拡散光となり、適正な照射パターンを選択して反応物質へ照射される。この様な高エネルギー密度の集光によって引き起こされる反応は通常の熱伝導に基づくシーケンス的な反応進行とは異なり、反応表面においては熱伝導よりも集光によるガス化反応速度が速いので薄い層状の反応ゾーンを形成しながら進行する。特に集中光、直進光の場合は反応がスポット的、局所的となるので拡散光を併用して反応ゾーンを拡大させるのが効率的である。適正な照射パターンと原料のトラベリング関連を解明していくのが今後の操業技術の開発の目標である。【００３１】  太陽光エネルギー利用の宿命として本発明のガス化炉は夜間の中断を伴う。石炭ガス化炉のように幾層もの反応ゾーンが連続的に且つ安定的に形成されている場合は操業の突然の中断は再スタートが困難であったり、場合によっては致命的な事故に繋がることさえある。これに対して本発明のプロセスは光照射という特性から反応ゾーンは常に薄い層に限定されており、光の照射を止めれば直ちに反応が停止し、そ��時点における炉内状況がほぼそのまま保持されるので再スタート後、短時間で正常操業に復帰できる。【００３２】  その他、操業中断時炉底部に凝固するスラグを再溶融する集光照射装置や円滑なＦＴ反応操業を継続するための合成ガスタンクの設置が必要である。【００３３】  本発明のＣＯ２リサイクルシステムが実働開始できるのは、大量のＣＯ２発生事業所におけるＣＯ２分離回収技術の完成が前提であるがその目途は既についたといえる。本発明のＣＯ２リサイクルシステムにおける新規開発技術は太陽光集光の伝送とガス化炉内における直接照射であり、その他従来開発され実施されてきた化学技術との組み合わせから本システムは成り立っている。したがって真の意味におけるＣＯ２の削減の短期、中期対策技術として大規模実施に最も近いＣＯ２リサイクルシステムである。