(57)【要約】【課題】エネルギーロスを低減しつつ安価に二酸化炭素を分解することができ、更に水素を含有するガスを製造することができる二酸化炭素分解装置及び二酸化炭素分解方法を提供する。【解決手段】二酸化炭素に対して反応性を有する反応物質と二酸化炭素含有ガスと水蒸気との混合体を衝撃圧縮するべく該混合体を収容する反応器１の反応室と、二酸化炭素含有ガスを該反応室内に供給する二酸化炭素含有ガス供給装置２Ｂと、上記反応室内に反応物質を供給する反応物質供給装置２Ａと、上記反応室内に供給された二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気とで混合されて成る混合体を衝撃圧縮する衝撃波を発生させる衝撃波発生装置３とを備え、該衝撃波発生装置３は、高圧水蒸気を収容し上記反応室に連通可能なガス収容室と、該ガス収容室と上記反応室とを連通そして遮断させる開閉手段とを有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素に対して反応性を有する反応物質と二酸化炭素を含有するガスとの混合体を加熱して高温にすることにより、上記ガス中の二酸化炭素を上記反応物質と反応させて分解させる二酸化炭素分解装置において、二酸化炭素含有ガスと反応物質との混合体を衝撃圧縮するべく該混合体を収容する反応室と、二酸化炭素含有ガスを該反応室内に供給する二酸化炭素含有ガス供給手段と、上記反応室内に反応物質を供給する反応物質供給手段と、上記反応室内に供給された二酸化炭素含有ガスと反応物質との混合体を衝撃圧縮する衝撃波を発生させる衝撃波発生手段とを備え、該衝撃波発生手段は、高圧ガスを収容し上記反応室に連通可能なガス収容室と、該ガス収容室と上記反応室とを連通そして遮断させる開閉手段とを有し、該開閉手段が上記ガス収容室内の高圧ガスを間欠的に供給することによって衝撃波を発生するものであり、上記反応室内に該衝撃波を伝播させて、上記反応室内の混合体を衝撃圧縮して高温に加熱することにより、該混合体中の二酸化炭素を反応物質と反応させて分解させるようになっていることを特徴とする二酸化炭素分解装置。
【請求項２】
反応物質供給手段は、反応物質として、金属粉、酸化金属粉、炭化水素を含む粒子、炭化水素を含むガス、炭素を含む粒子、溶融プラスチックの噴霧粒子、プラスチック粉のうち少なくとも１つからなるものを反応室内に供給するようになっていることとする請求項１に記載の二酸化炭素分解装置。
【請求項３】
二酸化炭素及び水蒸気のうち少なくとも一方に対して反応性を有する反応物質と二酸化炭素を含有するガスと水蒸気との混合体を加熱して高温にすることにより上記ガス中の二酸化炭素と上記反応物質と上記水蒸気とを反応させて上記ガス中の二酸化炭素を分解させる二酸化炭素分解装置において、二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気との混合体を衝撃圧縮するべく該混合体を収容する反応室と、二酸化炭素含有ガスを該反応室内に供給する二酸化炭素含有ガス供給手段と、上記反応室内に反応物質を供給する反応物質供給手段と、上記反応室内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、上記反応室内に供給された二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気との混合体を衝撃圧縮する衝撃波を発生させる衝撃波発生手段とを備え、該衝撃波発生手段は、高圧ガスを収容し上記反応室に連通可能なガス収容室と、該ガス収容室と上記反応室とを連通そして遮断させる開閉手段とを有し、該開閉手段が上記ガス収容室内の高圧ガスを間欠的に供給することによって衝撃波を発生するものであり、上記反応室内に該衝撃波を伝播させて、上記反応室内の混合体を衝撃圧縮して高温に加熱することにより、該混合体中の二酸化炭素と反応物質と水蒸気とを反応させて上記混合体中の二酸化炭素を分解させるとともに、水素含有ガスを生成させるようになっていることを特徴とする二酸化炭素分解装置。
【請求項４】
反応物質供給手段は、反応物質として、金属粉、酸化金属粉、炭化水素を含む粒子、炭化水素を含むガス、炭素を含む粒子、溶融プラスチックの噴霧粒子、プラスチック粉のうち少なくとも１つからなるものを反応室内に供給するようになっていることとする請求項３に記載の二酸化炭素分解装置。
【請求項５】
ガス収容室と反応室は、開閉手段から該反応室へ向け通路断面積が小さくなる収束管を介して連通していることとする請求項３又は請求項４に記載の二酸化炭素分解装置。
【請求項６】
収束管の通路断面積は開閉手段から反応室へ向けて１０分の１以下の収縮比で収束していることとする請求項５に記載の二酸化炭素分解装置。
【請求項７】
衝撃波発生手段は、ガス収容室内に高圧ガスとして水蒸気が収容されていて、水蒸気供給手段を兼ねていることとする請求項３に記載の二酸化炭素分解装置。
【請求項８】
反応室は回転可能な回転体に周方向の複数位置で軸線方向に延び該回転体の軸線方向の少なくとも一方の端面に開口して形成され、各反応室に対して、二酸化炭素含有ガス及び反応物質の供給、衝撃波の伝播、水素含有ガスの排出、水蒸気の排出が順次行われるように、二酸化炭素含有ガス供給手段及び反応物質供給手段、開閉手段、水素含有ガス排出口、水蒸気排出口が、上記反応室の開口と略同一半径方向位置で周方向に順次配設されて、上記回転体の回転により上記反応室の開口に断続的に順次接続されるようになっていることとする請求項３に記載の二酸化炭素分解装置。
【請求項９】
二酸化炭素含有ガスを反応室内に供給する二酸化炭素含有ガス供給工程と、二酸化炭素に対して反応性を有する反応物質を上記反応室内に供給する反応物質供給工程と、上記反応室内に供給された二酸化炭素含有ガスと反応物質との混合体を加熱して高温にすることにより該混合体中の二酸化炭素を該反応物質と反応させて分解させる反応工程とを有し、該反応工程は、高圧ガスを噴出することにより生じた衝撃波によって反応室内の混合体を衝撃圧縮して該混合体を高温にして反応させることを特徴とする二酸化炭素分解方法。
【請求項１０】
二酸化炭素含有ガスを反応室内に供給する二酸化炭素含有ガス供給工程と、二酸化炭素及び水蒸気のうち少なくとも一方に対して反応性を有する反応物質を上記反応室内に供給する反応物質供給工程と、水蒸気を上記反応室に供給する水蒸気供給工程と、上記反応室内に供給された二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気との混合体を加熱して高温にすることにより該混合体中の二酸化炭素と該反応物質と該水蒸気とを反応させ二酸化炭素を分解するとともに水素含有ガスを生成させる反応工程とを有し、該反応工程は、高圧ガスを噴出することにより生じた衝撃波によって反応室内の混合体を衝撃圧縮して該混合体を高温にして反応させることを特徴とする二酸化炭素分解方法。
【請求項１１】
反応工程は、高圧ガスとして水蒸気が用いられて、水蒸気供給工程を兼ねていることとする請求項１０の記載の二酸化炭素分解方法。
【請求項１２】
反応物質が、金属粉、酸化金属粉、炭化水素を含む粒子、炭化水素を含むガス、炭素を含む粒子、溶融プラスチックの噴霧粒子、プラスチック粉のうち少なくとも１つからなることとする請求項１０に記載の二酸化炭素分解方法。
【請求項１３】
衝撃圧縮前の反応室内の圧力に対するガス収容室内の高圧ガスの圧力の比が５倍以上であることとする請求項１０に記載の二酸化炭素分解方法。
【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する二酸化炭素分解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】
火力発電所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、物理的に二酸化炭素を分離・除去する方法と、化学反応により他の物質に転化して分解する化学的な処理方法とがあるが、二酸化炭素は燃焼、すなわち化学反応により大量に生じるので、地球の物質環境を考慮した場合は化学的な処理を行うことが望ましい。
【０００４】
二酸化炭素の化学的な分解処理方法としては、電気化学的な方法、生化学的な方法、触媒化学的な方法に大別できる。
【０００５】
電気化学的な方法は、大規模な反応槽が必要であり、二酸化炭素の分解反応を促進させるためには大量の電気エネルギーを供給する必要がある。又、生化学的な方法は、二酸化炭素の分解反応速度が遅く、大量の排ガスを処理するためには広大な地表面積が必要になるため、現実的でない。
【０００６】
一方、触媒化学的な方法は、二酸化炭素の分解反応速度が速く、水素を用いて気相で二酸化炭素を還元する方法を用いれば、火力発電所等から排出される大量の二酸化炭素を短時間に処理することができると考えられている。二酸化炭素を水素を用いて気相で還元する方法としては、様々な方法が考えられるが、常圧下で二酸化炭素の分解反応が促進するのは、逆水性ガスシフト反応と呼ばれる、
ＣＯ2＋Ｈ2→ＣＯ＋Ｈ2Ｏ
の反応式に示す反応が知られている。
【０００７】
この反応は、排ガス中の二酸化炭素を水素により還元して一酸化炭素に転化するものであり、吸熱反応であるため、一般には高温になればなるほど平衡が右側にシフトして、二酸化炭素が一酸化炭素に転化する比率が増加する。しかし、高温を維持するためには、多量のエネルギーを投入する必要があり、このエネルギー源として新たに化石燃料を使用すれば、二酸化炭素の排出量を低減したことにならなくなってしまう。
【０００８】
従来では、二酸化炭素の排出量を低減するものとして、火力発電所、製鉄所、セメント工場などから大量に排出される二酸化炭素を排出源で分解処理する方法が知られている（例えば特許文献１）。かかる方法においては、化石燃料の燃焼により生じた排ガスの通路にＣｕ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれかの元素を１種類以上含む還元触媒を設け、排ガスに水素ガスを添加し、化石燃料の燃焼により生じた熱エネルギー、またはその排ガスに含まれる熱エネルギーを活用して排ガス中の二酸化炭素を一酸化炭素に転化することが示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−１３６４６２号公報（図１、図３）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に示されるような従来の二酸化炭素の分解方法では、排ガスに添加する水素ガスとして天然ガス改質や水蒸気改質等により別途製造された水素を利用しなければならないので、改質炉での水素製造のために多くの熱エネルギーが必要となってしまう。
【００１１】
従来の水素製造にあっては、水素製造の反応前に予め改質炉内を高温状態としなければならないため、装置の立ち上げ工程や立ち下げ工程等でのエネルギーロスが大きくなってしまい、装置の運転費が高くなってしまう。又、このように装置の立ち上げから立ち下げまでの間の長時間に亘り改質炉内が高温状態に維持されることとなってしまうため、耐火物を多用して装置を構成する必要があり、設備費が高くなってしまう。
【００１２】
その結果、上述のようにして得られた水素は高価であるため、二酸化炭素の分解のためのコストが高くなってしまう。
【００１３】
又、従来では、水素製造のためだけにエネルギー源として多量の化石燃料が使用されるので、二酸化炭素の排出量を低減したことにならない。
【００１４】
そこで、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、エネルギーロスを低減しつつ安価に二酸化炭素を分解することができ、更に水素を製造することができる二酸化炭素分解装置及び二酸化炭素分解方法の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、装置に関しては、二酸化炭素に対して反応性を有する反応物質と二酸化炭素を含有するガスとの混合体を加熱して高温にすることにより、上記ガス中の二酸化炭素を上記反応物質と反応させて分解させる二酸化炭素分解装置において、二酸化炭素含有ガスと反応物質との混合体を衝撃圧縮するべく該混合体を収容する反応室と、二酸化炭素含有ガスを該反応室内に供給する二酸化炭素含有ガス供給手段と、上記反応室内に反応物質を供給する反応物質供給手段と、上記反応室内に供給された二酸化炭素含有ガスと反応物質との混合体を衝撃圧縮する衝撃波を発生させる衝撃波発生手段とを備え、該衝撃波発生手段は、高圧ガスを収容し上記反応室に連通可能なガス収容室と、該ガス収容室と上記反応室とを連通そして遮断させる開閉手段とを有し、該開閉手段が上記ガス収容室内の高圧ガスを間欠的に供給することによって衝撃波を発生するものであり、上記反応室内に該衝撃波を伝播させて、上記反応室内の混合体を衝撃圧縮して高温に加熱することにより、該混合体中の二酸化炭素を反応物質と反応させて分解させるようになっていることを特徴としている。
【００１６】
このような構成の本発明装置においては、高圧ガスを噴出することにより生じた衝撃波が、二酸化炭素含有ガスと反応物質との混合体を収容する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、上記二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素が上記反応物質と反応して分解される。
【００１７】
又、本発明は、方法に関しては、二酸化炭素含有ガスを反応室内に供給する二酸化炭素含有ガス供給工程と、二酸化炭素に対して反応性を有する反応物質を上記反応室内に供給する反応物質供給工程と、上記反応室内に供給された二酸化炭素含有ガスと反応物質との混合体を加熱して高温にすることにより該混合体中の二酸化炭素を該反応物質と反応させて分解させる反応工程とを有し、該反応工程は、高圧ガスを噴出することにより生じた衝撃波によって反応室内の混合体を衝撃圧縮して該混合体を高温にして反応させることを特徴としている。
【００１８】
本発明においては、反応物質は、金属粉、酸化金属粉、炭化水素を含む粒子、炭化水素を含むガス、炭素を含む粒子、溶融プラスチックの噴霧粒子、プラスチック粉のうち少なくとも１つからなるものとすることができる。
【００１９】
▲１▼  反応物質としての金属粉には、鉄、アルミニウム、マグネシウム等を使用できる。例えば、反応物質として鉄粒子を用いた場合、鉄粒子は、
３ＣＯ2＋４Fe→３Ｃ＋２Fe2Ｏ3
２ＣＯ2＋３Fe→２Ｃ＋Fe3Ｏ4
の反応により、二酸化炭素を還元し、酸化物を生成する。
【００２０】
鉄粒子は製鉄所の転炉ダスト等の鉄粉として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、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、また装置の寿命を長くすることができる。また、鉄粒子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酸化物還元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、鉄粒子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。
【００２１】
▲２▼  反応物質としての酸化金属粉には、酸化鉄等を使用できる。例えば、酸化鉄として、酸素欠損マグネタイト又はストロンチウムフェライトを用いた場合、
ＣＯ2→Ｃ＋Ｏ2
ＣＯ2→ＣＯ＋1／2Ｏ2
の反応により、二酸化炭素を炭素と酸素に分解させる。
【００２２】
▲３▼  反応物質としての炭素を含む粒子には、粉コークス、微粉炭等を使用でき、炭素を含む粒子と二酸化炭素は、
ＣＯ2＋Ｃ→２ＣＯ
の反応により、二酸化炭素が分解される。
【００２３】
▲４▼  反応物質としての炭化水素を含む粒子、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子は、主成分が炭化水素であるので、加熱されると、
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。反応室内への溶融プラスチックの供給は溶融プラスチックの噴霧により行うことができる。
【００２４】
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によって二酸化炭素が、
ＣＯ2＋Ｈ2→ＣＯ＋Ｈ2Ｏ
ＣＯ2＋２Ｈ2→Ｃ＋２Ｈ2Ｏ
ＣＯ2＋Ｃ→２ＣＯ
の反応により、還元されて分解される。
【００２５】
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。
【００２６】
▲５▼  反応物質としての炭化水素を含むガスには、例えば天然ガスの主成分であるメタンガスを使用できる。反応物質としてのメタンは、
ＣＯ2＋ＣＨ4→２ＣＯ＋２Ｈ2
の反応により、二酸化炭素と反応する。
【００２７】
上述の▲４▼及び▲５▼に示すように、反応物質として、炭化水素を含む粒子、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子、炭化水素を含むガスを使用する場合には、二酸化炭素が分解されるとともに、水素を含有するガスが製造される。
【００２８】
又、本発明においては、反応室内に二酸化炭素含有ガス及び反応物質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、水素を含有するガスが製造される。
【００２９】
この場合において、特に、反応物質として、炭化水素を含む粒子、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子、炭化水素を含むガス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。
【００３０】
又、反応物質として炭素を含む粒子を使用する場合も、
Ｃ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋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。
【００３１】
上述のようにして得られた水素含有ガスは、水素、ＣＯを含んでいるので、燃料ガスとして利用できる。
【００３２】
又、本発明において、ガス収容室と反応室は、開閉手段から該反応室へ向け通路断面積が小さくなる収束管を介して連通していると、衝撃波が該収束部の通過に伴い収束されて次第に高圧となるので、低エネルギーで高温高圧の衝撃波を得ることができる。この際、収束管の通路断面積は開閉手段から反応室へ向けて１０分の１以下の収縮比で収束していると、衝撃波の収束密度が大きいため、二酸化炭素の分解反応や水素生成反応に必要な高温高圧の衝撃波を得ることができる。また、衝撃圧縮前の反応室内の圧力に対するガス収容室内の高圧ガスの圧力の比が５倍以上であると、衝撃波を確実に発生させることができ、より好ましくは、上記圧力の比が１０倍以上であると、衝撃波の安定性と衝撃圧縮による到達温度を向上させることができ、二酸化炭素の分解や水素生成に必要な高温高圧の衝撃波を比較的低いエネルギーから得ることができる。
【００３３】
更に、本発明において、衝撃波発生手段は、ガス収容室内に高圧ガスとして水蒸気が収容されていて、水蒸気供給手段を兼ねていると、装置を簡略化でき、設備費が安価となるので好ましい。又、水蒸気が廃熱ボイラにより生成されたものであることは、低運転費、省エネルギーとすることができるだけでなく、水蒸気を生成するために新たな二酸化炭素の排出が少ないため、好ましい。
【００３４】
又、本発明において、反応室は回転可能な回転体に周方向の複数位置で軸線方向に延び該回転体の軸線方向の少なくとも一方の端面に開口して形成されているようにすることができる。この際、各反応室に対して、二酸化炭素含有ガス及び反応物質の供給、衝撃波の伝播、水素含有ガスの排出、水蒸気の排出が順次行われるようにする。具体的には、二酸化炭素含有ガス供給手段及び反応物質供給手段、開閉手段、水素含有ガス排出口、水蒸気排出口が、上記反応室の開口と略同一半径方向位置で周方向に順次配設されて、上記回転体の回転により上記反応室の開口に断続的に順次接続されるようにする。こうすることにより、複数の反応室に対し順次断続的に反応室内の混合体が衝撃波によって衝撃圧縮されて加熱され、二酸化炭素が分解され、水素含有ガスが生成される。これにより、短時間で大量に二酸化炭素の分解処理をすることができ、高能力化、小型化を図ることができる。
【００３５】
【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。
【００３６】
図１は本実施形態にかかる二酸化炭素分解装置の概略構成を示す図である。
【００３７】
本実施形態にかかる二酸化炭素分解装置は、図１に示すように、二酸化炭素に対して反応性を有する反応物質として、廃棄物として収集されたプラスチック材（以下、廃プラスチックという）を破砕して得られた微粉状若しくは粉状の廃プラスチック（以下、廃プラスチック粉という）と二酸化炭素含有ガスとの混合体を反応させるための反応器１を備えている。
【００３８】
反応器１には、廃プラスチック粉と二酸化炭素含有ガスとの混合体を反応器１に供給する混合体供給装置２が接続されている。この混合体供給装置２には、廃プラスチックと二酸化炭素含有ガスとをそれぞれ供給量を調整して混合体供給装置２に供給する反応物質供給装置２Ａ、二酸化炭素含有ガス供給装置２Ｂが接続されている。二酸化炭素含有ガス供給装置２Ｂは、火力発電所、製鉄所、廃棄物焼却炉、セメント工場等の燃焼設備から排出される排ガスまたは排ガスから分離した二酸化炭素を反応器１内に供給するようになっている。又、反応物質供給装置２Ａは、破砕機等により破砕して得られた廃プラスチック粉がＮ2等の不活性ガスにより搬送されて供給されるようになっている。なお、廃プラスチックを反応物質として用いる場合には、廃プラスチックを溶融したものを反応室内に噴霧して供給するようにしてもよい。こうすることにより、廃プラスチックと水蒸気及び二酸化炭素との反応性がよくなる。そして、二酸化炭素含有ガス供給装置２Ｂ、反応物質供給装置２Ａは、それぞれ混合体供給装置２との間に設けられた制御弁（図示せず）の開閉制御により、混合体供給装置２に対する二酸化炭素含有ガス、反応物質の供給量が所定量に制御される。
【００３９】
又、反応器１には、高圧水蒸気を反応器１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３が接続されている。この衝撃波発生装置３は、焼結炉、加熱炉、ごみ焼却炉等の燃焼装置若しくは熱プロセス装置８からの廃熱を利用して高圧ガスとしての水蒸気を収容する廃熱ボイラ３Ａに弁１４Ａ，１５Ａ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３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１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おり、衝撃波発生装置３が水蒸気供給装置をも兼ねている。
【００４０】
更に、反応器１には、反応器１内で廃プラスチック粉と二酸化炭素含有ガスと水蒸気とが反応することによって生成された高圧の水素含有ガスを高速噴出するためのラバールノズル４が接続されている。又、本実施形態では、ラバールノズル４からの水素含有ガス排出後の反応器１内の水蒸気を排出するための水蒸気排出口１ｃ３が反応器１に接続されている。
【００４１】
ラバールノズル４には、ラバールノズル４から排出された水素含有ガスを圧力緩和のため一旦収容するガスタンク５が連通して接続されている。
【００４２】
ガスタンク５には、ガスタンク５内で圧力緩和された水素含有ガス中から未反応の反応物質を除去するバグフィルタ装置６が連通して接続されている。
【００４３】
バグフィルタ装置６には、バグフィルタ装置６によって未反応の反応物質を除去された水素含有ガスから水素を分離する圧力振動吸着（ＰＳＡ）装置７が接続されている。又、バグフィルタ６は、除去された未反応の反応物質を帰還させて再利用するため上述の反応物質供給装置２Ａに接続されている。
【００４４】
圧力振動吸着装置７は、分離工程後に残った一酸化炭素（ＣＯ）を燃料として帰還させて有効利用するため上述の燃焼装置若しくは熱プロセス装置８に接続されている。また、分離されたＣＯは純度が比較的高いため、化学合成原料として用いることもできる。
【００４５】
ここで、図１及び図２に基づき、衝撃波発生装置３について詳細に説明する。
【００４６】
図２において、軸線９を中心とする円筒形状のシリンダ１０は密閉されており、内部にピストン１１が上記軸線方向に摺動自在に配されており、シリンダ１０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１０の加圧空間Ｐがガス収容室を構成し、シリンダ１０とピストン１１とが開閉手段を構成している。
【００４７】
上記シリンダ１０内には加圧空間Ｐに収束管１２が取り付けられている。該収束管１２は上記シリンダ１０の一方の端壁１０Ａを貫通してシリンダ１０外へ延出している。この収束管１２はシリンダ１０内にある入口開口１２Ａが大径となっており、上記シリンダ１０外の部分１２Ｂが出口開口に向け小径となっている。上記入口開口１２Ａは次第にその内径が小さくなって上記部分１２Ｂへ移行している。入口開口１２Ａの部分はテーパ状となっている。
【００４８】
上記ピストン１１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１０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１１は、シリンダ１０の内壁と摺接するスカート部１１Ａ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１１Ｂとを有している。該テーパ部１１Ｂは収束管１２の入口開口１２Ａ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１１とシリンダ１０の他方の端壁１０Ｂとの間には、弾性体としてのコイルばね１３が配設されていて、ピストン１１に背圧を与え収束管１２の入口開口１２Ａに圧している。
【００４９】
さらに、シリンダ１０には、上記加圧空間Ｐに通ずる高圧水蒸気供給管１４が、背圧空間Ｂに通ずる背圧水蒸気供給管１５そして排気管１６がそれぞれ接続している。
【００５０】
上記シリンダ１０に接続されている高圧水蒸気供給管１４、背圧水蒸気供給管１５そして排気管１６には、それぞれ図１に示す弁１４Ａ，１５Ａそして１６Ａが設けられており、弁１４Ａは通常、開放されており、弁１５Ａ，１６Ａ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１４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１５は高圧水蒸気供給管１４から分岐して形成されている。
【００５１】
衝撃波発生装置３の収束管１２は、その出口側で、反応器１に接続されている。この反応器１は、特にその形態に限定はなく、衝撃波発生装置３からの高圧水蒸気による衝撃波を受けて二酸化炭素含有ガス及び反応物質と共に上記高圧水蒸気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。
【００５２】
次に、図３に基づき、本実施形態にかかる反応器１について詳細に説明する。
【００５３】
図３（ａ）は反応器１の概略構成を示す図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＩ−Ｉ線横断面図である。
【００５４】
この反応器１は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、二酸化炭素含有ガスと廃プラスチック粉と水蒸気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１ａが、回転体１ｂに周方向の複数位置に軸線方向に延びて回転体１ｂの軸線方向両端にて開口して形成されている。
【００５５】
この回転体１ｂの端面に対向する位置には、回転体１ｂの軸線方向両端部のそれぞれにて、回転体１ｂ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１ｃが配設されている。この開閉部材１ｃと回転体１ｂの周面との間はシール部材１ｅ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。
【００５６】
二酸化炭素含有ガス、廃プラスチック粉、水蒸気が供給される側（以下、供給側という）の一方の開閉部材１ｃには、反応室１ａ内に廃プラスチック粉及び二酸化炭素含有ガスを供給するため上述の混合体供給装置２と連通する開口１ｃ1と、反応室１ａ内に水蒸気を供給するため上述の衝撃波発生装置３の収束管１２と連通する開口１ｃ2との二つの開口が形成されている。二酸化炭素の分解反応後の水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１ｃには、上述のラバールノズル４が取り付けられ、又、反応室１ａ内の水蒸気排出のための開口たる水蒸気排出口１ｃ3が形成されている。
【００５７】
この回転体１ｂは、軸受等の支持部材１ｄ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１ｂは、開口１ｃ２が反応室１ａの開口と略同一半径方向位置で反応室１ａの開口と回転体１ｂ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に回転されるようになっている。
【００５８】
開口１ｃ2は、回転体１ｂの端面と対向するときに回転体１ｂの端面に接触して収束管１２と反応室１ａとの連通が遮断され、反応室１ａの開口と対向するときに反応室１ａの開口と接続されて反応室１ａと衝撃波発生装置３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１ｃ2と回転体１ｂの端面とが協働して反応室１ａと衝撃波発生装置３とを連通又は遮断させる。
【００５９】
一方、開口１ｃ1も、開口１ｃ2と反応室１ａの開口との対向時に、開口１ｃ2とは半径方向反対側の反応室１ａの開口と接続されて反応室１ａと混合体供給装置２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１ｃ1と回転体１ｂの端面とが協働して反応室１ａと混合体供給装置２とを連通又は遮断させる。
【００６０】
又、ラバールノズル４は、開口１ｃ2と回転体１ｂの端面との対向時に、排出側で反応室１ａの開口と接続されて反応室１ａとガスタンク５とが連通されるようになっている。又、水蒸気排出口１ｃ3は、反応室１ａがラバールノズル４と連通した後に開口１ｃ1に再び連通する前の周方向位置で、該反応室１ａの開口と接続されるようになっている。
【００６１】
このように、複数の反応室１ａは、図３（ｂ）に示すように、回転体１ｂの回転中に、順次断続的に、開口１ｃ1が反応室１ａの開口と対向する位置にきたときに廃プラスチック粉と二酸化炭素含有ガ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１ａの開口が回転体１ｂの１８０°回転後に開口１ｃ2と対向する位置となったときに衝撃波発生装置３からの高圧水蒸気による衝撃波が反応室１ａ内に伝播するようになっている。そして、反応室１ａは、ラバールノズル４から水素含有ガスの排出、水蒸気排出口１ｃ３から水蒸気の排出が順になされる。
【００６２】
次に、本実施形態の二酸化炭素分解装置における二酸化炭素の分解の工程について説明する。
【００６３】
▲１▼  先ず、開口１ｃ1と連通する反応室１ａに廃プラスチック粉及び二酸化炭素含有ガスが混合体供給装置２によって供給される。
【００６４】
▲２▼  次に、廃プラスチック粉及び二酸化炭素含有ガスの供給を受けた反応室１ａは、上述の回転体１ｂの回転により開口１ｃ2に連通する。このとき、開口１ｃ2が回転体１ｂ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１ａ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３が衝撃波を発生させ、この衝撃波が反応室１ａ内を伝播する。本実施形態では、廃熱ボイラ３Ａ内の水蒸気は、例えば、温度が３００℃であり、圧力が３ＭＰａである。
【００６５】
▲３▼  廃プラスチック粉及び二酸化炭素含有ガスの供給を受けた反応室１ａ内に高圧の水蒸気による衝撃波が伝播すると、反応室１ａ内の廃プラスチック粉及び二酸化炭素含有ガスが水蒸気による衝撃波によって反応室１ａの一方の端部に向けて衝撃圧縮されて高温となり、二酸化炭素含有ガスと廃プラスチック粉と水蒸気が反応することにより、二酸化炭素が分解されると共に水素含有ガスを生成する。このとき、本実施形態では、反応室１ａ内の混合体は温度１０００℃、圧力３ＭＰａとなる。又、廃プラスチック粉は一般に化学式Ｃ2nＨ4nで表され、このときの反応室１ａ内で生じる水素製造の主反応はＣ2nＨ4n＋２ｎＨ2Ｏ→２ｎＣＯ＋４ｎＨ2である。このように回転体１ｂを連続的に回転させることにより反応を連続して行い、二酸化炭素を分解すると共に水素含有ガスを連続的に生成する。
【００６６】
▲４▼  そして、二酸化炭素の分解反応により反応室１ａ内で生成された水素含有ガスは、水素の有効利用のため、反応器１に取り付けられたラバールノズル４を経由してガスタンク５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４から高速噴出された高温の水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５は、比較的大容量になっているので、ラバールノズル４から噴射された高圧の水素含有ガスが一旦収容されることにより該水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、高温高圧の水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。
【００６７】
一方、ラバールノズル４からの水素含有ガス排出後の反応室１ａ内の水蒸気は、回転体１ｂの回転に伴う反応室１ａの開口と水蒸気排出口１ｃ3との接続により、水蒸気排出口１ｃ3から排出される。
【００６８】
▲５▼  その後、ガスタンク５内の水素含有ガスは、フィルタ装置たるバグフィルタ装置６によって、反応せずに水素含有ガス中に残った反応物質が除去される。このバグフィルタ装置６によって捕集された反応物質は、上述の混合体供給装置２に戻されて再利用される。
【００６９】
▲６▼  バグフィルタ装置６を通過した水素含有ガスは、圧力振動吸着装置７により水素と一酸化炭素（ＣＯ）とに分離され、水素を得る。ここで、水素含有ガスから分離されたＣＯは、燃料として有効活用されるべく、上述の燃焼装置若しくは熱プロセス装置８に利用される。また、得られたＣＯを化学合成原料として用いることもできる。
【００７０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲で様々な変更が可能である。例えば、廃熱ボイラ３Ａの高圧水蒸気によって衝撃波を発生させる方法としては、上述の他、反応室１ａの開口と開閉部材との協働によっても可能である。
【００７１】
又、反応物質としては、廃プラスチック粉の他、粉コークス、微粉炭も利用可能である。また、反応物質として用いる微粉状の廃プラスチック粉や粉コークスの粒径は１００μｍ以下とすると反応が確実に行われるので好ましい。
【００７２】
更に、反応物質としては、金属粉、酸化金属粉、炭素を含む粒子、炭化水素を含む粒子、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子、炭化水素を含むガスのうち少なくとも一つからなるものであればよいが、装置の設定条件等に応じて適宜選択して用いる。
【００７３】
反応物質としての金属粉には、鉄、アルミニウム、マグネシウム等を用いることができる。例えば、鉄粒子は、製鉄所の転炉ダスト等の鉄粉として容易に入手することができ、比較的低温（約６００℃以下）で二酸化炭素と反応するので、好ましい。反応物質として鉄粉を用いることによって、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、鉄粒子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酸化物還元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、比重が重く磁性を有するので、鉄粒子が二酸化炭素を還元することにより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。
【００７４】
又、反応物質としての酸化金属粉には、酸化鉄等を使用できる。例えば、酸化鉄を反応物質として用いる場合には、酸素欠損マグネタイト又はストロンチウムフェライトを用いると、二酸化炭素を炭素と酸素に分解できる。
【００７５】
更に、反応物質として、炭素を含む粒子には、粉コークス、微粉炭等を使用でき、炭化水素を含むガスには、例えば天然ガスの主成分であるメタンガス等を使用できる。
【００７６】
又、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。
【００７７】
又、温度、圧力等の条件については、本実施形態に説明したものに限るものではなく、反応室内で二酸化炭素と反応物質と水蒸気とが反応して二酸化炭素を分解するとともに水素含有ガスが生成される条件であればよい。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高圧ガスの噴射による衝撃波が、二酸化炭素含有ガスと反応物質との混合体を収容する反応室内に伝播して該混合体を衝撃圧縮することにより、上記二酸化炭素を上記反応物質させて分解するので、エネルギーロスを低減しつつ安価に二酸化炭素を分解できる。
【００７９】
又、本発明によれば、高圧ガスの噴射による衝撃波が、二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気との混合体を収容する反応室内に伝播して該混合体を衝撃圧縮することにより、上記二酸化炭素と上記反応物質と上記水蒸気との反応により、二酸化炭素の分解のみならず、水素を含有するガスを安価に製造することが可能となる。
【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衝撃波発生装置の概略構成を示す図である。
【図３】図１の装置に備えられ反応室をなす反応器の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１  反応器
１ａ  反応室
１ｃ3  水蒸気排出口
２Ａ  反応物質供給装置（反応物質供給手段）
２Ｂ  二酸化炭素含有ガス供給装置（二酸化炭素供給手段）
３  衝撃波発生装置（衝撃波発生手段，水蒸気供給手段）
４  ラバールノズル（水素含有ガス排出口）
Ｐ  加圧空間（ガス収容室）
【図１】
2004202418.tif 000003
【図２】
2004202418.tif 000004
【図３】
2004202418.tif 000005