(57)【要約】【課題】二酸化炭素排出削減効果が高く、低エネルギーで、二酸化炭素を含有する排ガス等のガスから二酸化炭素を除去できる小型で運転費の安価な装置とすることができる二酸化炭素分解燃料化装置及び二酸化炭素分解燃料化方法を提供する。【解決手段】反応器４の一酸化炭素生成反応室には、二酸化炭素分解装置１からの酸化鉄と粉コークスとを上記一酸化炭素生成反応室に供給する混合体供給装置５が接続されているとともに、上記一酸化炭素生成反応室内の上記酸化鉄及び上記粉コークスを衝撃圧縮する衝撃波を発生する衝撃波発生装置６が接続されて、該衝撃波発生装置６によって発生した衝撃波を上記一酸化炭素生成反応室内に伝播させて、該衝撃波により上記一酸化炭素生成反応室内の酸化鉄及び粉コークスを衝撃圧縮して高温にすることにより、上記粉コークスと上記酸化鉄とを反応させて、上記酸化鉄を還元し一酸化炭素を生成させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素を分解させ燃料化させる二酸化炭素分解燃料化装置において、二酸化炭素を含有するガスと金属粉とを分解反応室で反応させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させて金属酸化物を生成させる二酸化炭素分解手段と、該二酸化炭素分解手段から上記金属酸化物の供給を受けこれを炭素と反応させて一酸化炭素を生成させる一酸化炭素生成手段とを備え、該一酸化炭素生成手段は、金属酸化物供給手段と、一酸化炭素生成反応室と、反応性粒子供給手段と、衝撃波発生手段とを有し、上記金属酸化物供給手段は、上記二酸化炭素分解手段から金属酸化物を受けこれを上記一酸化炭素生成反応室に供給するように該一酸化炭素生成反応室に接続されており、上記一酸化炭素生成反応室には、炭素を含有する反応性粒子を該一酸化炭素生成反応室に供給する上記反応性粒子供給手段が接続されているとともに、上記一酸化炭素生成反応室内の上記金属酸化物及び上記反応性粒子を衝撃圧縮する衝撃波を発生する上記衝撃波発生手段が接続されて、上記衝撃波発生手段によって発生した衝撃波を上記一酸化炭素生成反応室内に伝播させて、該衝撃波により上記一酸化炭素生成反応室内の金属酸化物及び反応性粒子を衝撃圧縮して高温にすることにより、上記反応性粒子と上記金属酸化物とを反応させて、上記金属酸化物を還元し一酸化炭素を生成させることを特徴とする二酸化炭素分解燃料化装置。
【請求項２】
二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素を分解させ燃料化させる二酸化炭素分解燃料化装置において、二酸化炭素を含有するガスと金属粉とを分解反応室で反応させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させ金属酸化物及び炭素を生成させる二酸化炭素分解手段と、水と炭素を反応させて一酸化炭素及び水素を生成させるとともに該二酸化炭素分解手段から上記金属酸化物の供給を受けこれを上記水素と反応させて上記金属酸化物を還元させる一酸化炭素生成手段とを備え、該一酸化炭素生成手段は、金属酸化物供給手段と、水素生成反応室と、金属酸化物還元反応室と、反応性粒子供給手段と、水供給手段と、衝撃波発生手段とを有し、上記反応性粒子供給手段と上記水供給手段とは、それぞれ、炭素を含有する反応性粒子と水とを上記水素生成反応室に供給するように上記水素生成反応室に接続され、上記水素生成反応室は、上記衝撃波発生手段に接続されて上記衝撃波発生手段からの衝撃波によって上記水素生成反応室内の反応性粒子と水とを反応させて水素と一酸化炭素を生成させ、該水素を上記金属酸化物還元反応室内に供給するように上記金属酸化物還元反応室に接続され、上記金属酸化物供給手段は、上記二酸化炭素分解手段から金属酸化物を受けこれを上記金属酸化物還元反応室に供給するように該金属酸化物還元反応室に接続されており、上記金属酸化物還元反応室には、金属酸化物還元反応室内の上記水素及び上記金属酸化物を衝撃圧縮する衝撃波を発生する上記衝撃波発生手段が接続されて、上記衝撃波発生手段によって発生した衝撃波を上記金属酸化物還元反応室内に伝播させて、該衝撃波により上記金属酸化物還元反応室内の金属酸化物及び水素を衝撃圧縮して高温にすることにより、上記金属酸化物と上記水素とを反応させて、上記金属酸化物を還元させることを特徴とする二酸化炭素分解燃料化装置。
【請求項３】
二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素を分解させ燃料化させる二酸化炭素分解燃料化装置において、二酸化炭素を含有するガスと金属粉とを分解反応室で反応させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させ金属酸化物及び炭素を生成させる二酸化炭素分解手段と、該二酸化炭素分解手段から上記金属酸化物及び上記炭素の供給を受けこれらを反応させて二酸化炭素を生成しこれを炭化水素と反応させて一酸化炭素を生成させる一酸化炭素生成手段とを備え、該一酸化炭素生成手段は、金属酸化物供給手段と、二酸化炭素生成反応室と、一酸化炭素生成反応室と、反応性粒子供給手段と、衝撃波発生手段とを有し、上記金属酸化物供給手段は、上記二酸化炭素分解手段から金属酸化物及び炭素を受けこれらを上記二酸化炭素生成反応室に供給するように該二酸化炭素生成反応室に接続され、上記二酸化炭素生成反応室は、上記衝撃波発生手段に接続されて上記衝撃波発生手段からの衝撃波によって上記二酸化炭素生成反応室内の金属酸化物と炭素とを反応させて二酸化炭素を生成させこれを上記一酸化炭素生成反応室内に供給するように上記一酸化炭素生成反応室に接続されており、上記一酸化炭素生成反応室には、炭化水素を含有する反応性粒子を該一酸化炭素生成反応室に供給する上記反応性粒子供給手段が接続されているとともに、上記一酸化炭素生成反応室内の上記二酸化炭素及び上記反応性粒子を衝撃圧縮する衝撃波を発生する上記衝撃波発生手段が接続されて、上記衝撃波発生手段によって発生した衝撃波を上記一酸化炭素生成反応室内に伝播させて、該衝撃波により上記一酸化炭素生成反応室内の二酸化炭素及び反応性粒子を衝撃圧縮して高温にすることにより、上記二酸化炭素と上記反応性粒子とを反応させて、一酸化炭素を生成させることを特徴とする二酸化炭素分解燃料化装置。
【請求項４】
衝撃波発生手段は、高圧ガスを瞬間的に開放することにより衝撃波を発生させるようになっていることとする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の二酸化炭素分解燃料化装置。
【請求項５】
衝撃波発生手段は、燃料を燃焼させて生じた爆轟により衝撃波を発生させるようになっていることとする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の二酸化炭素分解燃料化装置。
【請求項６】
二酸化炭素分解手段は、二酸化炭素を含有するガスとして、熱プロセスから排出される排ガスの供給を受けるように、該熱プロセスに接続されていることとする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の二酸化炭素分解燃料化装置。
【請求項７】
二酸化炭素生成反応室と一酸化炭素生成反応室は共通の反応室として形成されていることとする請求項３に記載の二酸化炭素分解燃料化装置。
【請求項８】
二酸化炭素を含有するガスを金属粉と反応させて金属酸化物を生成させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させる二酸化炭素分解工程と、該二酸化炭素分解工程で得られた金属酸化物を反応室内へ供給する金属酸化物供給工程と、炭素を含有する反応性粒子を上記反応室内に供給する反応性粒子供給工程と、上記反応室内の金属酸化物及び反応性粒子を高温にすることにより上記反応性粒子と上記金属酸化物とを反応させて上記金属酸化物を還元し一酸化炭素を生成させる一酸化炭素生成反応工程とを有し、該一酸化炭素生成反応工程は、上記反応室内に衝撃波を伝播させて、上記反応室内の金属酸化物及び反応性粒子を衝撃圧縮して高温にすることにより、上記反応性粒子と上記金属酸化物とを反応させることを特徴とする二酸化炭素分解燃料化方法。
【請求項９】
二酸化炭素を含有するガスを金属粉と反応させて金属酸化物を生成させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させる二酸化炭素分解工程と、炭素を含有する反応性粒子を水素生成反応室内へ供給する反応性粒子供給工程と、水を上記水素生成反応室内へ供給する水供給工程と、上記水素生成反応室内に衝撃波を伝播させて、上記反応性粒子供給工程及び上記水供給工程によって上記水素生成反応室内に供給された反応性粒子及び水を衝撃圧縮して高温にすることにより上記反応性粒子と上記水とを反応させて水素及び一酸化炭素を生成させる水素生成反応工程と、上記二酸化炭素分解工程で得られた金属酸化物を金属酸化物還元反応室内へ供給する金属酸化物供給工程と、該水素生成反応工程で生成した水素を上記金属酸化物還元反応室内へ供給する水素供給工程と、上記金属酸化物還元反応室内に衝撃波を伝播させて、該水素供給工程及び上記金属酸化物供給工程によって上記金属酸化物還元反応室内に供給された水素及び金属酸化物を衝撃圧縮して高温にすることにより上記金属酸化物を上記水素と反応させて還元させる金属酸化物還元工程とを有することを特徴とする二酸化炭素分解燃料化方法。
【請求項１０】
二酸化炭素を含有するガスを金属粉と反応させて金属酸化物及び炭素を生成させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させる二酸化炭素分解工程と、該二酸化炭素分解工程で得られた金属酸化物及び炭素を二酸化炭素生成反応室内へ供給する金属酸化物供給工程と、上記二酸化炭素生成反応室内に衝撃波を伝播させて、該金属酸化物供給工程によって上記二酸化炭素生成反応室内に供給された金属酸化物及び炭素を衝撃圧縮して高温にすることにより上記金属酸化物と上記炭素とを反応させて二酸化炭素を生成させる二酸化炭素生成反応工程と、該二酸化炭素生成反応工程で生成した二酸化炭素を一酸化炭素生成反応室内に供給する二酸化炭素供給工程と、炭化水素を含有する反応性粒子を該一酸化炭素生成反応室内へ供給する反応性粒子供給工程と、上記一酸化炭素生成反応室内に衝撃波を伝播させて、上記二酸化炭素供給工程及び該反応性粒子供給工程によって上記一酸化炭素生成反応室内へ供給された二酸化炭素及び反応性粒子を衝撃圧縮して高温にすることにより該二酸化炭素と該反応性粒子を反応させて一酸化炭素を生成させる一酸化炭素生成工程とを有することを特徴とする二酸化炭素分解燃料化方法。
【請求項１１】
衝撃波は、反応器内に高圧ガスを瞬間的に開放することにより発生させることとする請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載の二酸化炭素分解燃料化方法。
【請求項１２】
衝撃波は、燃料を燃焼させて生じた爆轟により衝撃波を発生させることとする請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載の二酸化炭素分解燃料化方法。
【請求項１３】
二酸化炭素分解工程は、二酸化炭素を含有するガスとして、熱プロセスから排出される排ガスを用いることとする請求項８乃至請求項１２のいずれか一項に記載の二酸化炭素分解燃料化方法。
【請求項１４】
二酸化炭素分解工程で用いられる金属粉は鉄粉であることとする請求項８乃至請求項１３のいずれか一項に記載の二酸化炭素分解燃料化方法。
【請求項１５】
二酸化炭素分解工程で用いられる二酸化炭素を含有するガスは、５％以下の酸素濃度であることとする請求項８乃至請求項１４のいずれか一項に記載の二酸化炭素分解燃料化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地球温暖化の原因となっている温室効果ガスである二酸化炭素の排出を抑制するために二酸化炭素を分解そして燃料として有効利用可能な一酸化炭素に転化する二酸化炭素分解燃料化装置およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化の原因となっている大気中の温室効果ガスの濃度を低減するためには、その代表的なガスである二酸化炭素の排出自体を抑えることが不可欠である。そのため、近年、二酸化炭素の排出削減のために、様々な方法が研究されている。
【０００３】
従来、発電所、製鉄所、廃棄物焼却炉、化学工場等の熱プロセスから排出される排ガスから二酸化炭素を除去する方法としては、吸着法、膜分離法などが広く知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、吸着法と膜分離法を組み合わせて採用し、二酸化炭素を選択的に透過させる性質をもつポリイミドやポリスルホン等のガス分離膜を用いた膜分離法により排ガスから二酸化炭素濃度の濃縮された一次濃縮ガスを得た後に、更にゼオライト系や炭素系等の吸着剤を用いた吸着法により一次濃縮ガスを二次濃縮することにより、排ガスから二酸化炭素を分離させて除去する方法が開示されている。
【０００５】
上記一次濃縮時には、膜分離法を用い、上記ガス分離膜に対して両側に圧力差をつけることによって、低圧側から一次濃縮ガスを得る。そして、上記二次濃縮時には、吸着法を用い、上記一次濃縮ガスから二酸化炭素を上記吸着剤に吸着させて分離した後、二酸化炭素を吸着した吸着剤を減圧状態又は加熱状態のもとで再生するとともに、上記一次濃縮時よりも更に二酸化炭素濃度の濃縮されたガスを得る。該ガスは、濃縮された二酸化炭素含有ガスとなっているので、排気ガスから有害ガスとして除去されるだけでなく、積極的に原料等として利用することができるものである。例えば、上記濃縮された二酸化炭素含有ガスは、別途他の手段によって更に二酸化炭素濃度が高められることにより、化学合成原料として利用可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−９９０３５号公報（図１〜図３）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１に示されるような従来方法は、膜分離法と吸着法とを組み合わせ吸着法を用いているので、二酸化炭素を吸着した吸着剤から二酸化炭素を減圧状態又は加熱状態のもとで脱着させなければならないため、この減圧状態又は加圧状態を得るためのエネルギーとして膨大な電力が必要となり、運転費が高くなってしまう。
【０００８】
又、かかる従来方法は、膜分離法も用いているので、ガス分離膜に対して両側に圧力差をつけることによって、低圧側にて排ガスから二酸化炭素を分離しなければならないため、この圧力差を設けるためのエネルギーとしても膨大な電力が必要となり、この点でも、運転費が高くなってしまう。
【０００９】
吸着法や膜分離法は、吸着剤やガス分離膜がその量や大きさに応じて排ガスから二酸化炭素を物理的に分離するため、熱プロセスからの大量の排ガスを処理するには大量の吸着剤や大きなガス分離膜が必要となり、上述した吸着法や膜分離法に必要なエネルギーは、排ガスの処理量が大きくなるほど膨大となってしまう。上記エネルギーとして、二酸化炭素を排出してしまう火力発電所等による発電で得られた電力が用いられたのでは、ＬＣＡ評価法に基づく正味の二酸化炭素排出削減効果が小さい。
【００１０】
更に、かかる従来方法では、熱プロセスからの大量の排ガスを処理するには大量の吸着剤や大きなガス分離膜が必要となるため、装置が大型化してしまう。したがって、かかる従来方法による設備は、設置面積が大きいため、既設の発電所等に後から設置することが困難である。
【００１１】
又、かかる従来方法では、排ガス中から二酸化炭素を分離して回収するのみであるため、分離された二酸化炭素を利用するためにはこれを一旦貯蔵する設備が必要となり、この点でも、設備の大型化を招く。かかる従来方法で分離された二酸化炭素を原料等として利用するためには、更に別途貯蔵したり輸送したりしなければならないので、費用がかかる。又、かかる従来方法で分離回収した二酸化炭素は、そのままではあまり純度が高くないため、化学合成原料として用いることができず、利用価値があまりない。一方で、一酸化炭素は、化学合成原料としてだけでなく、熱プロセス等の燃料としても利用できる。
【００１２】
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、二酸化炭素排出削減効果が高く、低エネルギーで、二酸化炭素を含有する排ガス等のガスから二酸化炭素を分離除去できる小型で運転費の安価な装置とすることができ、燃料として有効利用可能な一酸化炭素に転化できる二酸化炭素分解燃料化装置及び二酸化炭素分解燃料化方法の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本出願によれば、上記目的を達成する手段として、二酸化炭素を含有するガスと金属粉とを反応させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させて金属酸化物を生成させ、上記金属酸化物を炭素と反応させて一酸化炭素を生成させて該一酸化炭素を燃料として有効利用できるようにするために、装置に関しては第一発明、方法に関しては第二発明を提案する。
【００１４】
また、本出願によれば、上記目的を達成する手段として、二酸化炭素を含有するガスと金属粉とを反応させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させ金属酸化物及び炭素を生成させ、水と炭素を反応させて一酸化炭素及び水素を生成させるとともに上記金属酸化物を上記水素と反応させて上記金属酸化物を還元させて上記一酸化炭素を燃料として有効利用できるようにするために、装置に関しては第三発明、方法に関しては第四発明を提案する。
【００１５】
更に、本出願によれば、上記目的を達成する手段として、二酸化炭素を含有するガスと金属粉とを反応させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させ金属酸化物及び炭素を生成させ、該金属酸化物及び該炭素を反応させて二酸化炭素を生成しこれを炭化水素と反応させて一酸化炭素を生成させて該一酸化炭素を燃料として有効利用できるようにするために、装置に関しては第五発明、方法に関しては第六発明を提案する。
【００１６】
＜第一発明、第二発明＞
上記第一発明にかかる装置は、二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素を分解させ燃料化させるようになっている。
【００１７】
かかる装置において、第一発明は、二酸化炭素を含有するガスと金属粉とを分解反応室で反応させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させて金属酸化物を生成させる二酸化炭素分解手段と、該二酸化炭素分解手段から上記金属酸化物の供給を受けこれを炭素と反応させて一酸化炭素を生成させる一酸化炭素生成手段とを備えている。
【００１８】
そして、上記一酸化炭素生成手段は、金属酸化物供給手段と、一酸化炭素生成反応室と、反応性粒子供給手段と、衝撃波発生手段とを有している。上記金属酸化物供給手段は、上記二酸化炭素分解手段から金属酸化物を受けこれを上記一酸化炭素生成反応室に供給するように該一酸化炭素生成反応室に接続されている。上記一酸化炭素生成反応室には、炭素を含有する反応性粒子を該一酸化炭素生成反応室に供給する上記反応性粒子供給手段が接続されているとともに、上記一酸化炭素生成反応室内の上記金属酸化物及び上記反応性粒子を衝撃圧縮する衝撃波を発生する上記衝撃波発生手段が接続されて、上記衝撃波発生手段によって発生した衝撃波を上記一酸化炭素生成反応室内に伝播させて、該衝撃波により上記一酸化炭素生成反応室内の金属酸化物及び反応性粒子を衝撃圧縮して高温にすることにより、上記反応性粒子と上記金属酸化物とを反応させて、上記金属酸化物を還元し一酸化炭素を生成させる。
【００１９】
また、上記第二発明にかかる方法は、二酸化炭素分解工程で、二酸化炭素を含有するガスを金属粉と反応させて金属酸化物を生成させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させる。次に、金属酸化物供給工程で、該二酸化炭素分解工程で得られた金属酸化物を反応室内へ供給する。一方、反応性粒子供給工程で、炭素を含有する反応性粒子を上記反応室内に供給する。上記金属酸化物供給工程及び上記反応性粒子供給工程の後、一酸化炭素生成反応工程で、上記反応室内の金属酸化物及び反応性粒子を高温にすることにより上記反応性粒子と上記金属酸化物とを反応させて上記金属酸化物を還元し一酸化炭素を生成させる。この際、上記一酸化炭素生成反応工程では、上記反応室内に衝撃波を伝播させて、上記反応室内の金属酸化物及び反応性粒子を衝撃圧縮して高温にすることにより、上記反応性粒子と上記金属酸化物とを反応させる。
【００２０】
かかる第一発明及び第二発明にあっては、二酸化炭素を含有するガスと金属粉とが分解反応室内で反応して、該ガス中の二酸化炭素が分解されて金属酸化物が生成される。そして、衝撃波が、炭素を含有する反応性粒子と上記金属酸化物との混合体を収容する一酸化炭素生成反応室内に伝播して上記混合体を衝撃圧縮する。急激に圧縮された上記混合体は温度が上昇して高温となって、上記反応性粒子が上記金属酸化物と反応して、上記金属酸化物が還元されるとともに一酸化炭素が生成される。
【００２１】
ここで、第一発明及び第二発明において、上述の、金属粉、炭素を含有する反応性粒子、衝撃波、二酸化炭素を含有するガスについて説明する。
【００２２】
（金属粉）
本発明においては、二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素と反応させる金属粉として、二酸化炭素と反応して酸化物となり二酸化炭素を還元する鉄、アルミニウム、マグネシウム等を使用できる。例えば、金属粉として鉄粉を用いた場合、鉄粉は、
３ＣＯ２＋４Ｆｅ→３Ｃ＋２Ｆｅ２Ｏ３
２ＣＯ２＋３Ｆｅ→２Ｃ＋Ｆｅ３Ｏ４
の反応により、二酸化炭素を還元し、酸化鉄を生成させる。この際、Ｆｅ３Ｏ４を生成する反応が主に進行する。
【００２３】
更に、酸化鉄は、
Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｃ→３Ｆｅ＋４ＣＯ
の反応により、炭素を含有する反応性粒子と反応して、鉄粉に還元されるとともに、一酸化炭素を生成させる。この鉄粉は、二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素を還元させる反応に再利用できる。
【００２４】
（炭素を含有する反応性粒子）
本発明においては、炭素を含有する反応性粒子として粉コークスや微粉炭を用いることができる。粉コークスは製鉄所のコークス製造工程から、また微粉炭は製鉄所や石炭火力発電所から容易に入手できる。
【００２５】
（衝撃波）
本発明においては、上述の金属酸化物及び反応性粒子等を衝撃圧縮する衝撃波は、高圧ガスを瞬間的に開放することにより、或いは、燃料を燃焼させて生じた爆轟により、発生させることができる。
【００２６】
（二酸化炭素を含有するガス）
分解処理する対象としての二酸化炭素を含有するガスとしては、例えば熱プロセスから排出される排ガスを用いることができる。上記ガスの酸素濃度は５％よりも高いと、金属粉表面に酸化皮膜が形成され、二酸化炭素と金属粉との反応が阻害される。したがって、上記ガスの酸素濃度を５％以下とすることにより、二酸化炭素の分解反応の反応効率を高くできる。上記ガス中の酸素濃度を低くするには、例えば、二酸化炭素と金属粉との反応を行う二酸化炭素分解装置のガス導入側に燃料を燃焼させる装置を設け、上記ガス中の酸素を消費するようにする。
【００２７】
＜第三発明、第四発明＞
上記第三の発明にかかる装置は、二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素を分解させ燃料化させるようになっている。
【００２８】
かかる装置において、第三発明は、二酸化炭素を含有するガスと金属粉とを分解反応室で反応させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させ金属酸化物及び炭素を生成させる二酸化炭素分解手段と、水と炭素を反応させて一酸化炭素及び水素を生成させるとともに該二酸化炭素分解手段から上記金属酸化物の供給を受けこれを上記水素と反応させて上記金属酸化物を還元させる一酸化炭素生成手段とを備えている。
【００２９】
そして、上記一酸化炭素生成手段は、金属酸化物供給手段と、水素生成反応室と、金属酸化物還元反応室と、反応性粒子供給手段と、水供給手段と、衝撃波発生手段とを有している。上記反応性粒子供給手段と上記水供給手段とは、それぞれ、炭素を含有する反応性粒子と水とを上記水素生成反応室に供給するように上記水素生成反応室に接続されている。上記水素生成反応室は、上記衝撃波発生手段に接続されて上記衝撃波発生手段からの衝撃波によって上記水素生成反応室内の反応性粒子と水とを反応させて水素と一酸化炭素を生成させ、該水素を上記金属酸化物還元反応室内に供給するように上記金属酸化物還元反応室に接続されている。上記金属酸化物供給手段は、上記二酸化炭素分解手段から金属酸化物を受けこれを上記金属酸化物還元反応室に供給するように該金属酸化物還元反応室に接続されている。上記金属酸化物還元反応室には、金属酸化物還元反応室内の上記水素及び上記金属酸化物を衝撃圧縮する衝撃波を発生する上記衝撃波発生手段が接続されて、上記衝撃波発生手段によって発生した衝撃波を上記金属酸化物還元反応室内に伝播させて、該衝撃波により上記金属酸化物還元反応室内の金属酸化物及び水素を衝撃圧縮して高温にすることにより、上記金属酸化物と上記水素とを反応させて、上記金属酸化物を還元させる。
【００３０】
また、第四発明にかかる方法は、二酸化炭素分解工程で、二酸化炭素を含有するガスを金属粉と反応させて金属酸化物を生成させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させる。一方、反応性粒子供給工程で、炭素を含有する反応性粒子を水素生成反応室内へ供給し、水供給工程で、水を上記水素生成反応室内へ供給する。上記反応性粒子供給工程及び水供給工程の後、水素生成反応工程で、上記水素生成反応室内に衝撃波を伝播させて、上記反応性粒子供給工程及び上記水供給工程によって上記水素生成反応室内に供給された反応性粒子及び水を衝撃圧縮して高温にすることにより上記反応性粒子と上記水とを反応させて水素及び一酸化炭素を生成させる。上記二酸化炭素分解工程の後、金属酸化物供給工程で、上記二酸化炭素分解工程で得られた金属酸化物を金属酸化物還元反応室内へ供するとともに、上記水素生成反応工程で生成した水素を水素供給工程で金属酸化物還元反応室内へ供給する。次に、金属酸化物還元工程で、上記金属酸化物還元反応室内に衝撃波を伝播させて、該水素供給工程及び上記金属酸化物供給工程によって上記金属酸化物還元反応室内に供給された水素及び金属酸化物を衝撃圧縮して高温にすることにより上記金属酸化物を上記水素と反応させて還元させる。
【００３１】
上記第三発明及び第四発明においては、金属粉、炭素を含有する反応性粒子、衝撃波、二酸化炭素を含有するガスとして、上記第一発明及び第二発明に用いられるものと同様のものを用いることができる。
【００３２】
ここで、上記第三発明及び第四発明において、金属粉として例えば鉄粉を用いた場合、鉄粉は主に、
２ＣＯ２＋３Ｆｅ→２Ｃ＋Ｆｅ３Ｏ４
の反応により、二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素を還元して、酸化鉄を生成させる。
【００３３】
更に、酸化鉄は、
Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２→３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ
の反応により、後述する反応によって生成された水素と反応して、鉄粉に還元されるとともに、水を生成させる。この鉄粉は、二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素を還元させる反応に再利用できる。一方、炭素を含有する反応性粒子と水蒸気は、
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２
の反応により、一酸化炭素及び水素が生成される。この生成された水素は上述の酸化鉄の還元反応に用いられる。
【００３４】
＜第五発明、第六発明＞
上記第五発明にかかる装置は、二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素を分解させ燃料化させるようになっている。
【００３５】
かかる装置において、第五発明は、二酸化炭素を含有するガスと金属粉とを分解反応室で反応させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させ金属酸化物及び炭素を生成させる二酸化炭素分解手段と、該二酸化炭素分解手段から上記金属酸化物及び上記炭素の供給を受けこれらを反応させて二酸化炭素を生成しこれを炭化水素と反応させて一酸化炭素を生成させる一酸化炭素生成手段とを備えている。
【００３６】
そして、上記一酸化炭素生成手段は、金属酸化物供給手段と、二酸化炭素生成反応室と、一酸化炭素生成反応室と、反応性粒子供給手段と、衝撃波発生手段とを有している。上記金属酸化物供給手段は、上記二酸化炭素分解手段から金属酸化物及び炭素を受けこれらを上記二酸化炭素生成反応室に供給するように該二酸化炭素生成反応室に接続されている。上記二酸化炭素生成反応室は、上記衝撃波発生手段に接続されて上記衝撃波発生手段からの衝撃波によって上記二酸化炭素生成反応室内の金属酸化物と炭素とを反応させて二酸化炭素を生成させこれを上記一酸化炭素生成反応室内に供給するように上記一酸化炭素生成反応室に接続されている。上記一酸化炭素生成反応室には、炭化水素を含有する反応性粒子を該一酸化炭素生成反応室に供給する上記反応性粒子供給手段が接続されているとともに、上記一酸化炭素生成反応室内の上記二酸化炭素及び上記反応性粒子を衝撃圧縮する衝撃波を発生する上記衝撃波発生手段が接続されて、上記衝撃波発生手段によって発生した衝撃波を上記一酸化炭素生成反応室内に伝播させて、該衝撃波により上記一酸化炭素生成反応室内の二酸化炭素及び反応性粒子を衝撃圧縮して高温にすることにより、上記二酸化炭素と上記反応性粒子とを反応させて、一酸化炭素を生成させる。
【００３７】
また、上記第六発明にかかる方法は、二酸化炭素分解工程で、二酸化炭素を含有するガスを金属粉と反応させて金属酸化物及び炭素を生成させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させる。次に、金属酸化物供給工程で、該二酸化炭素分解工程で得られた金属酸化物及び炭素を二酸化炭素生成反応室内へ供給する。次いで、二酸化炭素生成反応工程で、上記二酸化炭素生成反応室内に衝撃波を伝播させて、上記金属酸化物供給工程によって上記二酸化炭素生成反応室内に供給された金属酸化物及び炭素を衝撃圧縮して高温にすることにより上記金属酸化物と上記炭素とを反応させて二酸化炭素を生成させる。上記二酸化炭素生成反応工程で生成した二酸化炭素を二酸化炭素供給工程で一酸化炭素生成反応室内に供給し、一方、反応性粒子供給工程で、炭化水素を含有する反応性粒子を該一酸化炭素生成反応室内へ供給する。その後、一酸化炭素生成工程で、上記一酸化炭素生成反応室内に衝撃波を伝播させて、上記二酸化炭素供給工程及び該反応性粒子供給工程によって上記一酸化炭素生成反応室内へ供給された二酸化炭素及び反応性粒子を衝撃圧縮して高温にすることにより該二酸化炭素と該反応性粒子を反応させて一酸化炭素を生成させる。
【００３８】
上記第五発明及び第六発明においては、金属粉、衝撃波、二酸化炭素を含有するガスとして、上記第一発明及び第二発明に用いられるものと同様のものを用いることができる。
【００３９】
ここで、上記第五発明及び上記第六発明において、金属粉として例えば鉄粉を用いた場合、鉄粉は主に、
２ＣＯ２＋３Ｆｅ→２Ｃ＋ＦｅＯ４
の反応により、二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素を還元して、酸化鉄と炭素を生成させる。
【００４０】
さらに、酸化鉄と炭素は、
Ｆｅ３Ｏ４＋２Ｃ→３Ｆｅ＋２ＣＯ２
の反応により、鉄粉に還元されるとともに、二酸化炭素を生成させる。この鉄粉は、二酸化炭素を含有するガス中の二酸化炭素を還元させる反応に再利用できる。
【００４１】
更に、二酸化炭素は、炭化水素を含有する反応性粒子と、
ＣｎＨ２ｎ＋ｎＣＯ２→２ｎＣＯ＋ｎＨ２
の総括的な反応により一酸化炭素及び水素を生成させる。この総括的な反応は、下記のように、炭化水素を含有する反応性粒子を熱分解及び部分酸化させて水素を生成させる反応と、該反応により生成した水素を二酸化炭素と反応させて一酸化炭素を生成させる反応とが段階的に進行するものである。先ず、
ＣｍＨｎ→ｍＣ＋（ｎ／２）Ｈ２  ＜熱分解反応＞
ＣｍＨｎ＋（ｍ／２）Ｏ２→ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ２  ＜部分酸化反応＞
の熱分解反応や部分酸化反応により、一酸化炭素や水素を発生させる。
【００４２】
次に、上記熱分解反応及び部分酸化反応により生成した水素や炭素と二酸化炭素とは、
ＣＯ２＋Ｈ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ
ＣＯ２＋２Ｈ２→Ｃ＋２Ｈ２Ｏ
ＣＯ２＋Ｃ→２ＣＯ
の反応により、二酸化炭素が還元されて分解され、一酸化炭素を生成させる。
【００４３】
この場合、酸素欠損マグネタイト、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｏ−Ｍｏ，Ｆｅ−Ｃｒ，Ｃｕ−Ｚｎ等の金属をＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２の担体に担持させたもの、ＴｉＯ２、ＭｏＳ２等の触媒を反応物質に添加すると反応効率が向上する。
【００４４】
炭化水素を含む反応性粒子としては、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子を使用することができる。
【００４５】
又、本発明においては、一酸化炭素生成反応室内に二酸化炭素と炭化水素を含有する反応性粒子とに加えて更に水蒸気を供給し、これらを上述の衝撃圧縮により反応させると、二酸化炭素が分解されるとともに、一酸化炭素と水素を含有するガスが製造される。
【００４６】
この場合において、特に、炭化水素を含む反応性粒子として、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子を使用する場合には、
ＣｍＨｎ＋ｍＨ２Ｏ→ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ／２）Ｈ２
の反応により、水素含有ガスを多量に得ることができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に関して、添付図面に基づき説明する。
【００４８】
図１は本実施形態にかかる二酸化炭素分解燃料化装置の概略構成を示す図である。
【００４９】
本実施形態にかかる二酸化炭素分解燃料化装置は、火力発電所、製鉄所、廃棄物焼却炉、セメント工場等の既設の熱プロセス装置３から排出される排ガス中の二酸化炭素を分解し燃料化する装置である。
【００５０】
かかる本実施形態装置は、図１に示すように、大別して、二酸化炭素分解装置１と、一酸化炭素生成装置２とを備えている。上記二酸化炭素分解装置１は、熱プロセス装置３から排出される排ガス中の二酸化炭素を鉄粉と反応させて酸化鉄粉及び炭素を生成させるようになっている。上記一酸化炭素生成装置２は、上記二酸化炭素分解装置１から酸化鉄及び炭素の供給を受け、炭素を含有する反応性粒子（例えば粉コークス、微粉炭）と酸化鉄との反応により一酸化炭素を生成させるようになっている。以下、二酸化炭素分解装置１、一酸化炭素生成装置２について順に説明する。
【００５１】
＜二酸化炭素分解装置＞
先ず、図１及び図２に基づき、二酸化炭素分解装置１について詳細に説明する。
【００５２】
図２は、流動床型の二酸化炭素分解装置の一例を示す図である。
【００５３】
二酸化炭素分解装置１は、図２に示すように、筒状の分解反応室を形成する流動床装置１Ａを主たる構成要素として構成される。
【００５４】
上記流動床装置１Ａは、熱プロセス装置３に接続され、熱プロセス装置３からの処理前の二酸化炭素を含有する排ガスは、流動床装置１Ａの分散板１Ｂを通って流動床装置１Ａ内に導かれる。流動床装置１Ａの分散板１Ｂの上には、鉄粉がフィーダー１Ｃにより供給されており、分散板１Ｂを通して流入する排ガスにより巻き上げられて、流動床を形成している。そして、排ガスが巻き上げられた鉄粉と接触して、次の反応により、排ガス中の二酸化炭素（ＣＯ２）が還元されて炭素（Ｃ）となる。
【００５５】
２ＣＯ２＋３Ｆｅ→２Ｃ＋Ｆｅ３Ｏ４
３ＣＯ２＋４Ｆｅ→３Ｃ＋２Ｆｅ２Ｏ３
Ｆｅ３Ｏ４生成反応においては、温度が７３０℃以上となると、また、Ｆｅ２Ｏ３生成反応においては、温度が６００℃以上となると、ＦｅとＣＯ２からＣが生成する反応に対するＧｉｂｂｓの自由エネルギーが、正の値となるため、ＣＯ２からＣへの分解が起こらなくなる。また温度が６００℃以下となると、ＦｅとＨ２Ｏの反応性が、ＦｅとＣＯ２との反応性より低くなって、ＣＯ２の反応効率が向上する。本実施形態においては、二酸化炭素分解装置１の流動床装置１Ａ内の温度が６００℃以下となるようにするので、Ｈ２Ｏが存在する雰囲気の中でも、ＣＯ２の分解反応の効率を高めることができる。また、温度が５００℃未満となると反応速度が低下する。
【００５６】
上記のＦｅ３Ｏ４生成反応は、５００〜６００℃で起き、Ｆｅ２Ｏ３生成反応よりも起こりやすいので、二酸化炭素分解反応の開始時にヒーター等で流動床装置１Ａを加温しておくと反応が円滑に進行する。また、この反応は発熱反応であるので、反応が連続して行われるような状態に達すると、流動床装置１Ａを加温する必要はない。なお、上記反応によって生じる熱量は、１１１．３ｋＪ／ｇである。
【００５７】
上記の反応により生成された炭素と酸化鉄粉（通常、炭素は酸化鉄粉の表層部に析出したり付着した状態となっている）は、鉄粉より密度が大きいので、流動床の下層に移行し、分散板１Ｂの孔１Ｄから下方に落下する。このように落下した酸化鉄粉は、二重ダンパー１Ｅにより外部へ抜き出される。一方、酸化鉄の生成反応により二酸化炭素の分解除去された排ガスは二酸化炭素濃度の低い低ＣＯ２排ガスとして熱プロセス装置３に帰還される。
【００５８】
このような二酸化炭素分解装置に使用する鉄粉の粒径は、流動のし易さ（細かいほど流動しやすい）、価格（細かいほど高価）、反応のし易さ（細かいほど反応しやすい）等を考慮すると、２０〜５０μｍ程度であることが好ましい。なお、粒径の大きい鉄粉を使用した場合であっても、反応を繰り返す過程で鉄粉が微細化していくため、粒径の大きい鉄粉を使用することもできる。
【００５９】
鉄粉は容易に入手することができ、比較的低温（約６００℃以下）で二酸化炭素と発熱を伴って反応する。よって、反応温度を高くする必要が無く、エネルギーコストが低くて済むばかりでなく、反応装置に特殊な耐火物を用いる必要が無いので設備コストが低くて済み、また反応装置の寿命を長くすることができる。また、鉄粉はアルミニウム等に比べて酸化物の還元が容易であり、回収した酸化鉄を還元する装置の設備コストや運転コストを低くすることができる。さらに、鉄粉は比重が重く磁性を有するので、上記反応式による反応によって生成された炭素と酸化物を分離する場合に風力選別や磁力選別を有効に利用できる。
【００６０】
また、鉄粉としては、製鋼ダストを用いることができる。製鋼ダストは、製鉄過程で発生するダストであって、例えば、製鉄所内の転炉や電気炉の製鋼工程で発生・捕集したダスト、高炉から発生・捕集した高炉ダスト、高炉排ガス中の高炉灰をセパレーターで除去した後の集塵ダストなど、製鉄過程で二次的に発生する副産物をリサイクル使用するものである。
【００６１】
製鋼ダストは、その成分の大部分が鉄であるので、有効な金属粉として用いることができる。また製鉄所内で副産物として発生するダストという極めて安価な材料であるので、二酸化炭素を分解する装置の運転コストを低くできる。
【００６２】
ここで、製鋼ダストの一例として転炉の製鋼工程で捕集したダストについて説明する。該転炉の製鋼工程とは、溶銑に酸素を吹き込み溶銑中のカーボンを酸化除去して溶鋼にする工程である。この工程では、溶銑や溶鋼の一部が細かなミストとして大気中に放散される。このミストとして放散された溶銑又は溶鋼は大気中で急冷され固化するが、このとき表面張力の影響で、固化したダストの形状は略球形となる。ダストの粒子形状が略球形となることで流動性が高まり、流動床型の二酸化炭素分解装置での二酸化炭素の分解性が向上する効果を有する。
【００６３】
又、二酸化炭素を含有するガスとして、例えば熱プロセスから排出される排ガスを処理することができる。上記ガスの酸素濃度は５％よりも高いと、金属粉表面に酸化皮膜が形成され、二酸化炭素と金属粉との反応が阻害される。したがって、上記ガスの酸素濃度を５％以下とすることにより、二酸化炭素の分解反応の反応効率を高くできる。
【００６４】
本発明により処理可能な排ガスを排出する上記熱プロセスとしては、例えば、廃棄物焼却炉、廃棄物ガス化溶融炉、廃棄物焼却灰の溶融炉、高炉、転炉、火力発電用ボイラ等が挙げられる。これらの各熱プロセスの排ガスの概略組成についての一例は、次のとおりである。
【００６５】
（廃棄物焼却炉）
・低空気比燃焼を行う場合
ＣＯ２  １２〜１３％
Ｏ２    ５％
Ｈ２Ｏ  ２６％
Ｎ２    ５６〜５７％
・低空気比燃焼を行わない場合
ＣＯ２  １２〜１３％
Ｏ２    ８％
Ｈ２Ｏ  ２５％
Ｎ２    ５４〜５５％
この場合は、排ガス中の酸素濃度を低減する処理を行う
（例えば、燃料を燃焼させて排ガス中の酸素を消費させる）
（廃棄物ガス化溶融炉）
ＣＯ２  ２０％
Ｏ２    ５％
Ｈ２    ３０％
ＣＯ    ２０％
ＣＨ４  １５％
（廃棄物焼却灰の溶融炉）
ＣＯ２  １５％
Ｏ２    １％以下
Ｈ２Ｏ  １０％
（高炉）
ＣＯ  ２１％
Ｈ２    ４％
ＣＯ２  ２０％
Ｎ２    ５５％
（転炉）
ＣＯ  ７０％
Ｈ２    ２％
ＣＯ２  １５％
Ｎ２    １３％
（火力発電用ボイラ、石炭焚ボイラ）
ＣＯ２  １４％
Ｏ２    ３％
Ｈ２Ｏ  １３％
Ｎ２    ７０％
上記のような熱プロセスから排出される排ガス中の二酸化炭素を分解処理することにより、二酸化炭素の排出を大幅に低減することができる。また、排ガス中の二酸化炭素を低減することにより、排ガス中のＣＯやＨ２等の可燃ガスの比率を高めることができるので、燃料ガスとしてのカロリーを向上できる。
【００６６】
＜一酸化炭素生成装置＞
次に、一酸化炭素生成装置２について図１、図３及び図４に基づき説明する。
【００６７】
上記一酸化炭素生成装置２は、図１に示すように、炭素を含有する反応性粒子と酸化鉄粉と炭素との混合体を反応させるための反応器４を備えている。
【００６８】
上記反応器４には、反応性粒子供給手段及び金属酸化物供給手段として、反応性粒子と酸化鉄粉と炭素との混合体を上記反応器４に供給する混合体供給装置５が接続されている。この混合体供給装置５は、上記二酸化炭素分解装置１に接続されて上記二酸化炭素分解装置１から抜き出された酸化鉄と炭素との供給を受けるようになっている。
【００６９】
又、反応器４には、高圧水蒸気を反応器４に間欠的に供給して衝撃波を発生させる衝撃波発生装置６が接続されている。この衝撃波発生装置６は、上述の熱プロセス装置３からの廃熱を利用して高圧ガスとしての水蒸気を供給を受けるように熱プロセス装置３の廃熱ボイラ３Ａに弁１７Ａ，１８Ａ，１９Ａを介して接続されている。本実施形態では、廃熱ボイラ３Ａからの高圧水蒸気が、衝撃波発生装置６に備えられた後述の開閉手段によって瞬間的に開放されることにより反応器４内の混合体を衝撃圧縮するための水蒸気による衝撃波を発生させるようになっている。
【００７０】
更に、反応器４には、反応器４内で酸化鉄粉と炭素とが反応することによって生成された高圧の一酸化炭素含有ガスを高速噴出するためのラバールノズル７が接続されている。又、本実施形態では、ラバールノズル７からの一酸化炭素含有ガス排出後の反応器４内の水蒸気を排出するための水蒸気排出口４Ｃ３が反応器４に接続されている。
【００７１】
ラバールノズル７には、ラバールノズル７から排出された一酸化炭素含有ガスを圧力緩和のため一旦収容するガスタンク８連通して接続されている。
【００７２】
ガスタンク８には、ガスタンク８内で圧力緩和された一酸化炭素含有ガス中から反応後の鉄粉と未反応の酸化鉄粉と粉コークスを除去する分離装置９（例えば、サイクロン）が連通して接続されている。
【００７３】
分離装置９は、除去された鉄粉、酸化鉄粉、粉コークスを帰還させて再利用するため粉砕機１０、磁選機１１を介して上述の二酸化炭素分解装置１及び混合体供給装置５に接続されている。この粉砕機１０は、鉄粉を二酸化炭素分解装置１へ、酸化鉄粉及び粉コークスを混合体供給装置５へ供給するようになっている。
【００７４】
また、分離装置９は、一酸化炭素（ＣＯ）を燃料として帰還させて有効利用するため上述の熱プロセス装置３に接続されている。
【００７５】
ここで、図１及び図３に基づき、衝撃波発生装置６について詳細に説明する。
【００７６】
図３において、軸線１２を中心とする円筒形状のシリンダ１３は密閉されており、内部にピストン１４が上記軸線方向に摺動自在に配されており、シリンダ１３内の空間を加圧空間Ｐと背圧空間Ｂとに区分している。本実施形態では、シリンダ１３の加圧空間Ｐがガス収容室を構成し、シリンダ１３とピストン１４とが開閉手段を構成している。
【００７７】
上記シリンダ１３内には加圧空間Ｐに収束管１５が取り付けられている。該収束管１５は上記シリンダ１３の一方の端壁１３Ａを貫通してシリンダ１３外へ延出している。この収束管１５はシリンダ１３内にある入口開口１５Ａが大径となっており、上記シリンダ１３外の部分１５Ｂが出口開口に向け小径となっている。上記入口開口１５Ａは次第にその内径が小さくなって上記部分１５Ｂへ移行している。入口開口１５Ａの部分はテーパ状となっている。
【００７８】
上記ピストン１４は、本実施形態では、金属板をプレス加工し一部切削加工して軽量に作られており、シリンダ１３に対し瞬時に移動するのに好都合な低質量となっている。このピストン１４は、シリンダ１３の内壁と摺接するスカート部１４Ａと、上記加圧空間Ｐと背圧空間Ｂを区分する部分にテーパ部１４Ｂとを有している。該テーパ部１４Ｂは収束管１５の入口開口１５Ａのテーパ部分と密に接するように好適なテーパとなっている。さらに、上記ピストン１４とシリンダ１３の他方の端壁１３Ｂとの間には、弾性体としてのコイルばね１６が配設されていて、ピストン１４に背圧を与え収束管１５の入口開口１５Ａに圧している。
【００７９】
さらに、シリンダ１３には、上記加圧空間Ｐに通ずる高圧水蒸気供給管１７が、背圧空間Ｂに通ずる背圧水蒸気供給管１８そして排気管１９がそれぞれ接続している。
【００８０】
上記シリンダ１３に接続されている高圧水蒸気供給管１７、背圧水蒸気供給管１８そして排気管１９には、それぞれ図１に示す弁１７Ａ，１８Ａそして１９Ａが設けられており、弁１７Ａは通常、開放されており、弁１８Ａ，１９Ａはシーケンスに則り設定時に開となる。本例では、背圧水蒸気として、高圧水蒸気供給管１７から供給される高圧水蒸気の一部を用いるようになっており、上記背圧水蒸気供給管１８は高圧水蒸気供給管１７から分岐して形成されている。また、排気管１９は、背圧空間Ｂからの低温となった排ガスを上述の廃熱ボイラ３Ａに帰還させるように廃熱ボイラ３Ａに弁１９Ａを介して接続されている。
【００８１】
衝撃波発生装置６の収束管１５は、その出口側で、反応器４に接続されている。この反応器４は、特にその形態に限定はなく、衝撃波発生装置６からの高圧水蒸気による衝撃波を受けて二酸化炭素分解装置１からの酸化鉄粉及び炭素と粉コークスとが瞬時に圧縮されるに適した反応室を有していればよい。
【００８２】
次に、図４に基づき、本実施形態にかかる反応器４について詳細に説明する。
【００８３】
図４（Ａ）は反応器４の概略構成を示す図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＩ−Ｉ線横断面図である。
【００８４】
この反応器１は、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、酸化鉄粉と炭素と粉コークスとの混合体を衝撃圧縮して高温にするべく該混合体を収容する反応室４Ａが、回転体４Ｂに周方向の複数位置に軸線方向に延びて回転体４Ｂの軸線方向両端にて開口して形成されている。
【００８５】
この回転体４Ｂの端面に対向する位置には、回転体４Ｂの軸線方向両端部のそれぞれにて、回転体４Ｂの回転を許容するよう該端面に対して所定の隙間をもって開閉部材４Ｃが配設されている。この開閉部材４Ｃと回転体４Ｂの周面との間はシール部材４Ｅによってシールされている。また、シールとしてラビリンスを用いてもよい。
【００８６】
酸化鉄粉、炭素、粉コークスが供給される側（以下、供給側という）の一方の開閉部材４Ｃには、反応室４Ａ内に酸化鉄粉、炭素、粉コークスを供給するため上述の混合体供給装置５と連通する開口４Ｃ１と、反応室４Ａ内に高圧水蒸気による衝撃波を伝播させるため上述の衝撃波発生装置６の収束管１５と連通する開口４Ｃ２との二つの開口が形成されている。一酸化炭素の生成反応後の一酸化炭素含有ガスが排出される側（以下、排出側という）の他方の開閉部材４Ｃには、上述のラバールノズル７が取り付けられ、又、反応室４Ａ内の水蒸気排出のための開口たる水蒸気排出口４Ｃ３が形成されている。
【００８７】
この回転体４Ｂは、軸受等の支持部材４Ｄによって回転自在に支持され、駆動手段（図示せず）によって回転駆動されるようになっている。そして、回転体４Ｂは、開口４Ｃ２が反応室４Ａの開口と略同一半径方向位置で反応室４Ａの開口と回転体４Ｂの端面とのいずれかに交互に断続的に対向するよう断続的または連続的に回転されるようになっている。
【００８８】
開口４Ｃ２は、回転体４Ｂの端面と対向するときに回転体４Ｂの端面に接触して収束管１２と反応室４Ａとの連通が遮断され、反応室４Ａの開口と対向するときに反応室４Ａの開口と接続されて反応室４Ａと衝撃波発生装置６とが連通されるようになっている。このように、本実施形態では、開口４Ｃ２と回転体４Ｂの端面とが協働して反応室４Ａと衝撃波発生装置６とを連通又は遮断させる。
【００８９】
一方、開口４Ｃ１も、開口４Ｃ２と反応室４Ａの開口との対向時に、開口４Ｃ２とは半径方向反対側の反応室４Ａの開口と接続されて反応室４Ａと混合体供給装置５とが連通されるようになっている。このように本実施形態では、開口４Ｃ１と回転体４Ｂの端面とが協働して反応室４Ａと混合体供給装置５とを連通又は遮断させる。
【００９０】
又、ラバールノズル７は、開口４Ｃ２と回転体４Ｂの端面との対向時に、排出側で反応室４Ａの開口と接続されて反応室４Ａとガスタンク８とが連通されるようになっている。又、水蒸気排出口４Ｃ３は、反応室４Ａがラバールノズル７と連通した後に開口４Ｃ１に再び連通する前の周方向位置で、該反応室４Ａの開口と接続されるようになっている。
【００９１】
このように、複数の反応室４Ａは、図４（Ｂ）に示すように、回転体４Ｂの回転中に、順次断続的または連続的に、開口４Ｃ１が反応室４Ａの開口と対向する位置にきたときに酸化鉄粉と炭素と粉コークスとの混合体が供給され、その混合体の供給を受けた反応室４Ａの開口が回転体４Ｂの１８０°回転後に開口４Ｃ２と対向する位置となったときに衝撃波発生装置６からの高圧水蒸気による衝撃波が反応室４Ａ内に伝播するようになっている。そして、反応室４Ａは、ラバールノズル７から一酸化炭素含有ガスの排出、水蒸気排出口４Ｃ３から水蒸気の排出が順になされる。
【００９２】
次に、本実施形態分解装置における一酸化炭素の生成の工程について説明する。
【００９３】
▲１▼  先ず、開口４Ｃ１と連通する反応室４Ａに酸化鉄粉と炭素と粉コークスとが混合体供給装置５によって供給される。
【００９４】
▲２▼  次に、酸化鉄粉と炭素と粉コークスとの供給を受けた反応室４Ａは、上述の回転体４Ｂの回転により開口４Ｃ２に連通する。このとき、開口４Ｃ２が回転体４Ｂの端面との対向によって閉ざされて遮断された状態から瞬間的に反応室４Ａに連通した状態となることにより、これと同期して、衝撃波発生装置６が衝撃波を発生させ、この衝撃波が反応室４Ａ内を伝播する。本実施形態では、熱プロセス装置３の廃熱ボイラ３Ａ内の水蒸気は、例えば、温度が２００℃であり、圧力が１．６ＭＰａである。
【００９５】
▲３▼  酸化鉄粉と炭素と粉コークスとの供給を受けた反応室４Ａ内に高圧の水蒸気による衝撃波が伝播すると、反応室４Ａ内の酸化鉄粉と炭素と粉コークスとが水蒸気による衝撃波によって反応室４Ａの一方の端部に向けて衝撃圧縮されて高温となり、酸化鉄粉と炭素と粉コークスとが反応することにより、酸化鉄が鉄に還元されるとともに一酸化炭素含有ガスを生成する。このように回転体４Ｂを連続的に回転させることにより反応を連続して行い、次に示す反応により、酸化鉄が鉄に還元されるとともに一酸化炭素含有ガスを連続的に生成する。
【００９６】
Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｃ→３Ｆｅ＋４ＣＯ
この反応は、７３０℃以上の温度とすると、Ｆｅ３Ｏ４がＦｅに還元される反応に対するＧｉｂｂｓの自由エネルギーが負となり、上記反応が進行する。したがって、反応室４Ａ内の酸化鉄粉と炭素と粉コークスとが、衝撃波によって衝撃圧縮されて、温度が７３０℃以上、好ましくは１０００〜１３００℃となるように、高圧水蒸気を反応室４Ａ内に供給する。また、この温度が１３００℃以上になると、鉄と炭素の化合物が一部溶融して酸化鉄表面を覆ってしまい反応効率を低下させるため、好ましくない。なお、上記反応に要する熱量は、３．６７６ｋＪ／ｇである。
【００９７】
▲４▼  そして、反応室４Ａ内で生成された一酸化炭素含有ガスは、反応器４に取り付けられたラバールノズル７を経由してガスタンク８内に噴射されて一旦収容される。このとき、ラバールノズル７から高速噴出された高温の一酸化炭素含有ガスは断熱のもとで急冷却されるので、逆反応が抑制されるとともに、水蒸気が冷却され凝縮するので、水分を除去することができる。又、ガスタンク８は、比較的大容量になっているので、ラバールノズル７から噴射された高圧の一酸化炭素含有ガスが一旦収容されることにより該一酸化炭素含有ガスの圧力が緩和される。このように、本実施形態では、高温高圧の一酸化炭素含有ガスの圧力及び温度を低下させて、逆反応を防止して反応の高効率化が図られている。
【００９８】
一方、ラバールノズル７からの一酸化炭素含有ガス排出後の反応室４Ａ内の水蒸気は、回転体４Ｂの回転に伴う反応室４Ａの開口と水蒸気排出口４Ｃ３との接続により、水蒸気排出口４Ｃ３から排出される。
【００９９】
▲５▼  その後、ガスタンク８内の一酸化炭素含有ガスは、サイクロン装置等の分離装置９によって、鉄粉と未反応の酸化鉄粉と炭素と粉コークスとが除去される。この分離装置９によって捕集された、鉄粉と未反応の酸化鉄粉と炭素と粉コークスとは、上述の粉砕機１０により固着したものが粉砕され、磁選機１１により鉄粉が選別されて二酸化炭素分解装置１へ供給され、酸化鉄と炭素と粉コークスとが混合体供給装置５に戻されて再利用される。
【０１００】
▲６▼  分離装置９を通過した一酸化炭素含有ガスは、燃料として有効活用されるべく、上述の熱プロセス装置３に利用される。このように上記一酸化炭素含有ガスは化石燃料の代替となる。また、得られた一酸化炭素を化学合成原料として用いることもできる。
【０１０１】
（他の実施形態）
炭素を含有する反応性粒子を用いる他の実施形態について説明する。
【０１０２】
まず、二酸化炭素を含有するガスを鉄粉と反応させて酸化鉄粉及び炭素を生成させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させる。そして、
Ａ）上記炭素を含有する反応性粒子と水蒸気との反応
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２
により、一酸化炭素と水素を生成させ、
Ｂ）上記酸化鉄粉と上記水素との反応
Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２→３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ
により、金属酸化物を還元させる。例えば、上記Ａ），Ｂ）の反応は、次の（１）〜（１１）のような工程中で行われる。
【０１０３】
Ａ）Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２
（１）炭素を含有する反応性粒子を水素生成反応室としての反応室内に供給する。
【０１０４】
（２）高圧水蒸気を瞬間的に開放させて上記反応室内に供給することより、上記反応室内に衝撃波を伝播させる。この衝撃波により、上記反応室内の炭素を含有する反応性粒子及び水蒸気は衝撃圧縮されて高温に加熱にされて、上記Ａ）の反応により、一酸化炭素と水素が生成される。
【０１０５】
この反応は、６５０℃以上の温度とすると、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーが負となり、上記反応が進行する。したがって、反応室４Ａ内の反応性粒子及び水蒸気が、衝撃波によって衝撃圧縮されて温度が７００℃以上、好ましくは７００〜９００℃となるように高圧水蒸気を上記反応室内へ供給する。また、上記温度を９００℃以上にしなくても上記反応が進行するので、過剰な温度、圧力の高圧水蒸気を供給する必要はない。
【０１０６】
（３）  上記反応室から一酸化炭素と水素と未反応の反応性粒子を抜き出す。
【０１０７】
（４）  上記（３）での抜き出し後に上記反応室内に残存する水蒸気を上記反応室の外部へ排出する。
【０１０８】
（５）サイクロンやバクフィルタ等の分離装置で、上記（３）で抜き出された一酸化炭素と水素と未反応の反応性粒子とから反応性粒子を分離し再利用する。
【０１０９】
Ｂ）Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２→３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ
（６）二酸化炭素を含有するガスを鉄粉と反応させて酸化鉄粉及び炭素を生成させる流動床型等の二酸化炭素分解装置から抜き出された酸化鉄粉と炭素と、上記（３）で排出された一酸化炭素と水素を金属酸化物還元反応室としての他の反応室に供給する。
【０１１０】
（７）  高圧水蒸気を瞬間的に開放させて上記他の反応室内に供給することより、上記他の反応室内に衝撃波を伝播させる。この衝撃波により、上記他の反応室内の酸化鉄粉及び水素は衝撃圧縮されて高温に加熱にされて、該酸化鉄粉は還元され鉄粉が生成される。また、上記他の反応室内の炭素及び水蒸気は衝撃圧縮されて高温に加熱にされて、一酸化炭素と水素が生成される。
【０１１１】
この反応は、１０２０℃以上の温度とすると、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーが負となり、上記反応が進行する。したがって、上記他の反応室内の酸化鉄粉及び水素が衝撃波によって衝撃圧縮されて１１００〜１３００℃になるように高圧水蒸気を上記他の反応室へ供給する。また、この温度が１３００℃以上になると、鉄と炭素の化合物が一部溶融して、酸化鉄表面が覆われるので、反応効率が低下するため好ましくない。
【０１１２】
（８）  上記他の反応室から一酸化炭素と水素と鉄粉とを抜き出す。
【０１１３】
（９）  上記（８）の後、上記他の反応室内に残存する水蒸気を上記他の反応室の外部へ排出する。
【０１１４】
（１０）  サイクロンやバクフィルタ等の分離装置で、上記（８）で抜き出された一酸化炭素と水素と鉄粉とから鉄粉を分離し再利用する。
【０１１５】
（１１）  上記（８）での分離によって得られた一酸化炭素及び水素を燃料として熱プロセス装置等に供給する。
【０１１６】
（他の実施形態）
上述の実施形態では炭素を含有する反応性粒子を用いる例について説明したが、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子等の炭化水素を含有する反応性粒子を用いる他の実施形態について説明する。
【０１１７】
炭化水素を含有する反応性粒子を用いる場合には、先ず、二酸化炭素を含有するガスを鉄粉と反応させて酸化鉄粉及び炭素を生成させることにより該ガス中の二酸化炭素を分解させる。そして、
Ｃ）上記炭素と上記酸化鉄粉との反応
Ｆｅ３Ｏ４＋２Ｃ→３Ｆｅ＋２ＣＯ２
により、上記酸化鉄粉を還元し二酸化炭素を生成させ、
Ｄ）炭化水素を含有する反応性粒子と該二酸化炭素との反応
ＣｎＨ２ｎ＋ｎＣＯ２→２ｎＣＯ＋ｎＨ２
により、一酸化炭素及び水素を生成させる。例えば、上記Ｃ），Ｄ）の反応は、次の［１］〜［１１］のような工程中で行われる。
【０１１８】
Ｃ）Ｆｅ３Ｏ４＋２Ｃ→３Ｆｅ＋２ＣＯ２
［１］  二酸化炭素を含有するガスを鉄粉と反応させて金属酸化物及び炭素を生成させる流動床型等の二酸化炭素分解装置から抜き出された酸化鉄粉と炭素を二酸化炭素生成反応室としての反応室内に供給する。
【０１１９】
［２］  高圧水蒸気を瞬間的に開放させて上記反応室内に供給することより、上記反応室内に衝撃波を伝播させる。この衝撃波により、上記反応室内の酸化鉄粉及び炭素は衝撃圧縮されて高温に加熱にされて、上記Ｃ）の反応により、該酸化鉄粉は鉄粉に還元されるとともに二酸化炭素が生成される。
【０１２０】
この反応は、７３０℃以上の温度とすると、Ｆｅ３Ｏ４がＦｅに還元される反応に対するＧｉｂｂｓの自由エネルギーが負となり、上記反応が進行する。したがって、反応室４Ａ内の酸化鉄粉と炭素が衝撃波によって衝撃圧縮されて、温度が７３０℃以上、好ましくは８００〜１０００℃となるように、高圧水蒸気を上記反応室内へ供給する。また、上記温度を１０００℃以上とすると、
ＣＯ２→ＣＯ＋（１／２）Ｏ２
の反応を生じるので好ましくない。
【０１２１】
［３］  上記反応室から鉄粉と二酸化炭素を抜き出す。
【０１２２】
［４］  上記［３］での抜き出し後に上記反応室内に残存する水蒸気を上記反応室の外部へ排出する。
【０１２３】
［５］  上記［３］で抜き出された鉄粉と二酸化炭素をサイクロン等で分離する。この分離によって得られた鉄粉は二酸化炭素分解装置に供給されて再利用される。
【０１２４】
Ｄ）ＣｎＨ２ｎ＋ｎＣＯ２→２ｎＣＯ＋ｎＨ２
［６］  上記［３］で排出された二酸化炭素と、プラスチック粉等の炭化水素を含有する反応性粒子とを一酸化炭素生成反応室としての他の反応室に供給する。
【０１２５】
［７］  高圧水蒸気を瞬間的に開放させて上記他の反応室内に供給することより、上記他の反応室内に衝撃波を伝播させる。この衝撃波により、上記他の反応室内の反応性粒子及び二酸化炭素は衝撃圧縮されて高温に加熱にされて、該二酸化炭素は分解され、一酸化炭素と水素が生成される。この反応は温度が７３０℃以上、好ましくは１０００℃以上で、反応が進行するので、衝撃波で反応性粒子及び二酸化炭素を衝撃圧縮して、この温度に達するように、高圧水蒸気を上記他の反応室内に供給する。
【０１２６】
［８］  上記他の反応室から一酸化炭素と水素と未反応の反応性粒子とを抜き出す。
【０１２７】
［９］  上記［８］の後、上記他の反応室内に残存する水蒸気を上記他の反応室の外部へ排出する。
【０１２８】
［１０］  サイクロンやバクフィルタ等の分離装置で、上記［８］で抜き出された一酸化炭素と水素と未反応の反応性粒子とから反応性粒子を分離し再利用する。
【０１２９】
［１１］  上記［１０］での分離によって得られた一酸化炭素及び水素を燃料として熱プロセス装置等に供給する。
【０１３０】
なお、二酸化炭素生成反応室と一酸化炭素生成反応室を共通の反応室としてもよい。この場合、上記Ｃ），Ｄ）の反応を同時に行ってもよい。ただし、上記実施形態の如く上記Ｃ），Ｄ）の反応を段階的に行った方が、反応効率が向上するので好ましい。
【０１３１】
上記の実施形態では、高圧水蒸気を瞬間的に開放させて反応室内等に供給することにより、衝撃波を発生させるが、燃料と酸化剤を燃焼させて生じた爆轟により衝撃波を発生させてもよい。
【０１３２】
次に、更なる他の実施形態について図５に基づき説明する。なお、図５において、図１と同一構成のものには同じ符号を付している。
【０１３３】
上述の二つの実施形態では高圧水蒸気を瞬間的に開放することのみによって衝撃波を発生させていたが、廃熱ボイラからの水蒸気の温度、圧力が低い場合（例えば数気圧程度）には、反応前の反応室内の圧力に対する上記水蒸気の圧力比が小さくなり、衝撃波による衝撃圧縮によって到達する温度が不十分となってしまう。そこで、図５に示すように、上記廃熱ボイラからの蒸気による衝撃波だけでなく、この衝撃波に爆轟による衝撃波を加えて、上記圧力比を大きくし、衝撃波による衝撃圧縮によって到達する温度を高くし、反応効率を向上させる。
【０１３４】
図５に示す実施形態では、衝撃波発生装置６の加圧空間Ｐに点火栓２１Ａを有する爆轟室２１が接続されている。この爆轟室２１には、一酸化炭素及び酸素を受け、燃料として一酸化炭素と酸化剤としての酸素（空気）とを混合して上記爆轟室２１に供給する混合器２２が接続されている。この混合器２２は、分離装置９から燃料として一酸化炭素の供給を受けるように、流量計２４を介して分離装置９に接続されている。また、上記混合器２２は、酸化剤としての酸素（空気）の供給を受けるように酸化剤供給装置２３に接続されている。
【０１３５】
図５に示す装置にあっては、爆轟室２１に混合器２２から一酸化炭素及び酸素の混合体が供給され、点火栓２１Ａにより該混合体が点火されて爆轟を発生させ衝撃波を発生させる。この爆轟による衝撃波の発生に同期させて、衝撃波発生装置６にて高圧の水蒸気を開放して衝撃波を発生させて、圧力比の大きい衝撃波を得ることができる。
【０１３６】
【発明の効果】
以上説明したように、第一発明又は第二発明によれば、二酸化炭素を含有するガスと金属粉との反応により金属酸化物を生成させ、衝撃波が、炭素を含有する反応性粒子と上記金属酸化物との混合体を収容する一酸化炭素生成反応室内に伝播して上記混合体を衝撃圧縮することにより、上記反応性粒子が上記金属酸化物と反応して、上記金属酸化物が還元されるとともに一酸化炭素が生成されるので、上記一酸化炭素の生成の反応に必要十分な熱は衝撃波による衝撃圧縮により短時間で効率よく供給でき、熱プロセスからの二酸化炭素排出削減効果が高く、低エネルギーで、二酸化炭素を含有する排ガス等のガスから二酸化炭素を除去できる。
【０１３７】
又、第三発明又は第四発明によれば、二酸化炭素を含有するガスと金属粉との反応により金属酸化物を生成させ、衝撃波が、炭素を含有する反応性粒子と水とを衝撃圧縮して反応させて一酸化炭素及び水素を生成させ、また上記金属酸化物を上記水素とを衝撃圧縮して反応させて上記金属酸化物を還元させるので、上記一酸化炭素の生成の反応に必要十分な熱は衝撃波による衝撃圧縮により短時間で効率よく供給でき、熱プロセスからの二酸化炭素排出削減効果が高く、低エネルギーで、二酸化炭素を含有する排ガス等のガスから二酸化炭素を除去できる。
【０１３８】
更に、第五発明又は第六発明によれば、二酸化炭素を含有するガスと金属粉との反応により金属酸化物を生成させ、衝撃波が、上記金属酸化物及び上記炭素を衝撃圧縮して反応させて二酸化炭素を生成させ、また該二酸化炭素と炭化水素とを衝撃圧縮して反応させて一酸化炭素を生成させるので、上記一酸化炭素の生成の反応に必要十分な熱は衝撃波による衝撃圧縮により短時間で効率よく供給でき、熱プロセスからの二酸化炭素排出削減効果が高く、低エネルギーで、二酸化炭素を含有する排ガス等のガスから二酸化炭素を除去できる。
【０１３９】
又、第一発明乃至第六発明によれば、上記ガス中の二酸化炭素を分解するだけでなく一酸化炭素に転化するので、この一酸化炭素を燃料や化学合成原料として有効利用でき、また廃熱ボイラの水蒸気などを有効利用して衝撃波を発生させることができる。
【０１４０】
更に、第一発明、第三発明、第五発明によれば、従来の吸着法や膜分離法のように吸着剤等を用いて物理的に除去するのではなく二酸化炭素を分解させるので、小型で設備費及び運転費の安価な装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる二酸化炭素分解燃料化装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１の装置に備えられた流動床型の二酸化炭素分解装置の概略構成を示す図である。
【図３】図１の装置に備えられた衝撃波発生装置の概略構成を示す図である。
【図４】図１の装置に備えられ反応室をなす反応器の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態にかかる二酸化炭素分解燃料化装置に備えられた一酸化炭素生成装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１  二酸化炭素分解装置（二酸化炭素分解手段）
２  一酸化炭素生成装置（一酸化炭素生成手段）
３  熱プロセス
４Ａ  反応室（一酸化炭素生成反応室）
５  混合体供給装置（反応性粒子供給手段、金属酸化物供給手段）
６  衝撃波発生装置（衝撃波発生手段）
【図１】
2004231481.tif 000003
【図２】
2004231481.tif 000004
【図３】
2004231481.tif 000005
【図４】
2004231481.tif 000006
【図５】
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