(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、更に二酸化炭素を分解しつつ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】一端部から他端部へ向け通路断面積が小さくなる燃焼室１と、燃料と酸化剤の供給を受ける着火室４と、該着火室４から分岐して延び上記燃焼室１の一端部へ連通する路程の等しい複数の誘導路２と、上記燃焼室１の最小通路断面積たる他端部１Ｂに接続され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１１と、二酸化炭素含有ガスを該反応室１１内に供給する二酸化炭素含有ガス供給装置１４と、上記反応室１１内に反応物質を供給する反応物質供給装置１５と、上記反応室１１内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段１６とを備える。【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、一端部から他端部へ向け通路断面積が小さくなる燃焼室と、燃料と酸化剤の供給を受ける着火室と、該着火室から分岐して延び上記燃焼室の一端部へ連通する路程の等しい複数の誘導路と、上記燃焼室の最小通路断面積たる他端部の開口に接続され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を備えていることを特徴とする収束衝撃波によ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、炭素を含む粒子、炭化水素を含む粒子、炭化水素を含むガス、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子のうち少なくとも一つからなるものを圧縮室内に供給するようになっていることとする請求項１に記載の収束衝撃波による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の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、一端部から他端部へ向け通路断面積が小さくなる燃焼室と、燃料と酸化剤の供給を受ける着火室と、該着火室から分岐して延び上記燃焼室の一端部へ連通する路程の等しい複数の誘導路と、上記燃焼室の最小通路断面積たる他端部の開口に接続され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を備えていることを特徴とする収束衝撃波によ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、炭素を含む粒子、炭化水素を含む粒子、炭化水素を含むガス、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子のうち少なくとも一つからなるものを圧縮室内に供給するようになっていることとする請求項３に記載の収束衝撃波による二酸化炭素分解装置。
【請求項５】
反応室と着火室は、反応室内で二酸化炭素と反応物質と水蒸気との反応により生成したガスの一部を着火室に供給して循環させる循環手段を介して接続されていることとする請求項３又は請求項４に記載の収束衝撃波による二酸化炭素分解装置。
【請求項６】
反応室内で二酸化炭素と反応物質と水蒸気との反応により生成したガスから水素を分離する水素分離手段が上記反応室に接続され、該分離手段によって上記ガスから分離された水素を外部に取り出すようになっていることとする請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の収束衝撃波による二酸化炭素分解装置。
【請求項７】
着火室と燃焼室を冷却させる冷却手段が設けられていることとする請求項３乃至請求項６のいずれか一項に記載の収束衝撃波による二酸化炭素分解装置。
【請求項８】
燃料と酸化剤を燃焼して発生した爆轟による衝撃波をその進行とともに収束し、収束衝撃波により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むガスとを衝撃圧縮して高温に加熱せしめて該ガスと該反応物質とを反応させて、該ガス中の二酸化炭素を分解することを特徴とする収束衝撃波による二酸化炭素分解方法。
【請求項９】
反応物質は、金属粉、酸化金属粉、炭素を含む粒子、炭化水素を含む粒子、炭化水素を含むガス、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子のうち少なくとも一つからなることとする請求項８に記載の収束衝撃波による二酸化炭素分解方法。
【請求項１０】
燃料と酸化剤を燃焼して発生した爆轟による衝撃波をその進行とともに収束し、収束衝撃波により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むガスと水蒸気とを衝撃圧縮して高温に加熱せしめて該ガスと該反応物質と該水蒸気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するとともに水素含有ガスを生成することを特徴とする収束衝撃波による二酸化炭素分解方法。
【請求項１１】
反応物質は、金属粉、酸化金属粉、炭素を含む粒子、炭化水素を含む粒子、炭化水素を含むガス、プラスチック粉、溶融プラスチックの噴霧粒子のうち少なくとも一つからなることとする請求項１０に記載の収束衝撃波による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、二酸化炭素を含有するガスと二酸化炭素に対して反応性を有する反応物質との混合体を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、一端部から他端部へ向け通路断面積が小さくなる燃焼室と、燃料と酸化剤の供給を受ける着火室と、該着火室から分岐して延び上記燃焼室の一端部へ連通する路程の等しい複数の誘導路と、上記燃焼室の最小通路断面積たる他端部の開口に接続され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を備え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あっては、着火室にて燃料及び酸化剤が着火されると、火炎は爆轟（デトネーション）により誘導路を経て燃焼室内を進行する。その際、各誘導路は等しい路程となっているので、燃焼室の一端部には各誘導路からの火炎が同時に到達する。該火炎は衝撃波となって上記燃焼室の他端部に向けて伝播するが、その通路断面積が他端部に向け減少するので、衝撃波は収束されて、衝撃波の圧力は次第に上昇する。そして、この収束衝撃波が、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。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、上記二酸化炭素が上記反応物質と反応して分解される。なお、ここで、爆轟とは、衝撃波を伴って火炎が超音速で伝播する現象をいう。
【００１７】
又、本発明は、方法に関しては、燃料と酸化剤を燃焼して発生した爆轟による衝撃波をその進行とともに収束し、収束衝撃波により二酸化炭素を含むガスと反応物質とを衝撃圧縮して高温に加熱せしめて該ガス中の二酸化炭素と該反応物質とを反応させて、該ガス中の二酸化炭素を分解することを特徴としている。
【００１８】
かかる本発明においては、反応物質は、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、コークス微粉、石炭粉等を使用でき、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】
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】
本発明装置においては、反応室内で二酸化炭素と反応物質と水蒸気との反応により生成したガスの一部を着火室に供給して循環させる循環手段を介して反応室と着火室を接続することができる。こうすることにより、上述したような反応室内の反応後のガスを本装置のための燃料として有効利用できるので、運転費が安価となる。
【００３３】
又、反応室内で二酸化炭素と反応物質と水蒸気との反応により生成したガスから水素を分離する水素分離手段を上記反応室に接続し、該分離手段によって上記ガスから分離された水素を外部に取り出すようにすることができる。こうすることにより、上記ガスから分離して取り出された水素を燃料電池自動車の燃料などに利用できる。上記ガスから水素を分離して取り出した後の残りのガスは、ＣＯが含まれているので、燃料ガスや化学合成原料として利用できる。
【００３４】
又、本発明装置では、着火室と燃焼室を冷却させる冷却手段を設けることができる。こうすることにより、着火室及び燃焼室の内壁の過昇温による着火室及び燃焼室での異常燃焼を防止できるので、着火室及び燃焼室の焼損を防止し、耐久性が向上する。
【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装置の概略構成を示す図である。
【００３７】
本実施形態装置は、図１に示すように、下方に向け円錐状をなす燃焼室１を有している。該燃焼室１は、通路断面積が上部１Ａで最大、下部１Ｂで最小となって収束部を形成するようになっており、下部１Ｂで収束度の異なる後述の反応室１１の上部と接続されている。
【００３８】
燃焼室１の上部１Ａの内壁はやや上方に湾曲形成され、ここに複数の孔状の誘導路２が連通している。該複数の誘導路２は上方にて、円盤空間状の分散室３に収束されている。各誘導路２は、分散室３から燃焼室１の内壁までの路程が等しくなっている。該分散室３には上方に延びる円筒状の着火室４が連通接続されている。そして、該着火室４の上部には、着火装置６により作動する点火栓５が設けられていると共に、流量計７，８を経て燃料供給源９、酸化剤供給源１０がそれぞれ接続されている。本実施形態では、燃料供給源からの燃料例えばプロパンガスと、酸化剤供給源から酸化剤例えば酸素とが着火室４に供給される。
【００３９】
燃焼室１の下部１Ｂには、二酸化炭素の分解及び水素含有ガス製造のための反応室１１が接続されている。該反応室１１は下流側に向けて通路断面積が小さくなるように形成されている。本実施形態では、着火室４及び燃焼室１の内壁を冷却して所定温度以下に維持するためのジャケット、例えば水冷ジャケット１２が形成されている。この水冷ジャケット１２は、着火室４及び燃焼室１の内壁の温度を、燃料と反応室１１内で製造される水素含有ガスとの着火温度以下に維持し、着火室４及び燃焼室１の内壁の過昇温による着火室４及び燃焼室１での異常燃焼を防止する。
【００４０】
反応室１１には、二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気とを混合して供給する混合体供給装置１３が接続されている。混合体供給装置１３には、二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気をそれぞれ供給量を調整して供給する二酸化炭素含有ガス供給装置１４と反応物質供給装置１５と水蒸気供給装置１６が接続されている。本実施形態では、二酸化炭素含有ガス供給装置１４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室１１内に供給するようになっている。又、反応物質供給装置１５は、反応物質として、廃プラスチック等を粉砕して得られたプラスチック粉を反応室１１内に供給す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。更に、水蒸気供給装置１６は、廃熱ボイラ等の水蒸気を反応室１６内に供給するようになっている。なお、反応室１１へ水蒸気を供給しなくても、二酸化炭素の分解と水素含有ガスの製造とが可能であるが、反応室１１へ水蒸気を供給すると、これらの反応効率が向上するので、好ましい。そして、二酸化炭素含有ガス供給装置１４、反応物質供給装置１５、水蒸気供給装置１６は、それぞれ混合体供給装置１３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１３に対する二酸化炭素含有ガス、反応物質、水蒸気の供給量が所定量に制御される。
【００４１】
反応室１１の下部には、反応室１１で製造されたガスを抜き出して一旦貯蔵するためのタンク１７が接続されている。タンク１７は、断続的に製造されたガス流れを緩和するバッファタンクの機能を有する。また、製造されたガスをタンク１７内で断熱膨張させて温度低下させることにより水分を凝縮させて分離する。そのため、タンク１７には凝縮した水分を抜くための配管が接続されている。このタンク１７には、該タンク１７内を減圧せしめる減圧ポンプ１８を介して、上記ガスを水素と他のガス（ＣＯ等）とに分離するための分離装置１９が接続されている。分離装置１９は、分離装置１９にて上記ガスから水素を分離された後の残りのガス（ＣＯ等）を燃料として再利用すべく、増圧ポンプ２０を介して燃料供給源９の燃料供給経路に接続されている。分離装置１９にて上記ガスから分離された水素は、燃料電池のための燃料等として利用される。
【００４２】
本実施形態では、着火室４には、着火室４と分散室３と接続部位近傍にて、燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排出装置２１が接続されている。この燃焼排ガス排出装置２１は、真空ポンプ装置であり、衝撃波による圧縮比向上のため、着火室４への燃料及び酸化剤の供給前に着火室４、分散室３、誘導路２、燃焼室１、反応室１１の真空引きも行う。
【００４３】
次に、上記装置での運転方法及び作用について詳細に説明する。
【００４４】
▲１▼  先ず、燃焼排ガス排出装置２１によって、着火室４、分散室３、誘導路２、燃焼室１、反応室１１の内部が所定の真空度にされる。ただし、次の工程で、大気圧以上の燃料と酸化剤を充填するのであれば、真空引きは省略してもよい。
【００４５】
▲２▼  次に、着火室４、分散室３、誘導路２、そして燃焼室１内に、ほぼ理論混合比の燃料と酸化剤が、燃料供給源９、酸化剤供給源１０により充填される。これとほぼ同時に、反応室１１内に二酸化炭素含有ガスと反応物質と水蒸気を混合した混合体が混合体供給装置１３によって充填される。なお、その際、反応室１１内には、この他に二酸化炭素の分解を促進させる触媒や、水素含有ガスの合成を促進させる触媒を添加してもよい。
【００４６】
▲３▼  次いで、着火装置６により点火栓５を作動させる。着火室４内では、着火により爆轟が起こり、その火炎が分散室３そして誘導路２を経て燃焼室１の上部１Ａに伝達される。その際、複数の誘導路２の路程はそれぞれ等しく設定されているので、複数の誘導路２の火炎は同時に燃焼室１の上部１Ａに達することとなる。
【００４７】
燃焼室１内では火炎は上部１Ａから下部１Ｂへと進行するが、燃焼室１の断面積は下方に向け次第に小さくなっているため、爆轟波が互いに干渉し合い収束されて、下流側に伝播するにつれて温度及び圧力が上昇する。
【００４８】
燃焼室１の下部１Ｂには反応室１１が接続されていて、上記温度及び圧力は反応室内の混合体に伝達される。その際、燃焼室１内での収束爆轟現象による高温高圧の収束爆轟波の運動エネルギー及び熱エネルギーは、燃焼室１と反応室１１との界面で衝撃波に変換され、反応室１１内に伝播する。
【００４９】
ところで、反応室１１は下流に向けて通路断面積が減少するように配設されているため、ここで収束衝撃波が発生する。そして、この収束衝撃波が反応室１１内の混合体を衝撃圧縮して高温に加熱せしめて、反応室１１内の二酸化炭素と反応物質と水蒸気との反応が行われる。この際、反応室１１の通路断面積の減少に伴い、上記混合体にかかる圧力はきわめて高くなり、上記混合体はきわめて高温となる。このとき、反応室１１内では、二酸化炭素と反応物質と水蒸気との反応により、二酸化炭素が分解され、一酸化炭素及び水素を含有する水素含有ガスが製造される。本実施形態では、反応物質が主成分を炭化水素とする廃プラスチック粉であるため、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。また、廃プラスチック粉と水蒸気から、
ＣmＨn＋ｍＨ2Ｏ→ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ/2）Ｈ2
の反応により、一酸化炭素と水素を発生させる。
【００５０】
上記の反応や熱分解反応や部分酸化反応により生成した水素や炭素によって、
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る。
【００５１】
その後、収束衝撃波が反応室１１の底面（最終収束部）に到達し、ここで反射衝撃波が形成され、これまで進行してきた経路を逆にたどり、燃焼室１内壁又は着火室４上壁にて反射し、再度進行波となって反応室１１内を透過する。これらの現象は、複数回繰返される過程で運動エネルギーを失って、ついには消滅する。これらの過程で、反応室１１内の混合体は、複数回高温高圧にさらされると共に、反応室１１内で攪拌され、反応が促進される。
【００５２】
▲４▼こうして、混合体の反応が行われた後、反応室１１内の水素含有ガスは、減圧ポンプ１８によって減圧されたタンク１７に一旦収容された後に分離装置１９に送られる。この際、反応室１１で製造されたガスの抜き出しは、反応室１１とタンク１７との間に設けられた制御弁により、反応室１１内の下部に衝撃波が伝播して混合体が衝撃圧縮されるタイミングの直後に同期して行われる。なお、反応室１１内の水素含有ガスの大部分はその水素含有ガス自身の圧力で反応室１１外へ排出可能であるが、本実施形態では、減圧ポンプ１８を用いて、タンク１７内を減圧しておき、開閉弁を用いて、反応室１１内の排気を行う。タンク１７内に水素含有ガスを排出させ断熱膨張させて温度降下させることにより、水素含有ガス中の水分を凝縮させ分離させることができる。
【００５３】
分離装置１９に送られた水素含有ガスは、水素とそれ以外のガス（ＣＯ等）とに分離される。上記ガスから水素を分離して取り出した後の残りのガスは、ＣＯが含まれているので、燃料ガスや化学合成原料として利用できる。本実施形態では、循環手段としての増圧ポンプ２０によって、分離装置１９にて水素含有ガスから水素を分離した後のガスが着火室４に帰還されて燃料として再利用される。一方、上記水素含有ガスから分離して取り出された水素は、燃料電池自動車の燃料などに利用できる。なお、分離装置１９として、ＰＳＡ（圧力変動吸着）や膜分離などを用いる。
【００５４】
▲５▼反応室１１内での燃料及び酸化剤の燃焼後の燃焼排ガスは、燃焼ガス排出装置２１により、着火室４から反応室１１までの範囲から排出される。これにより、生成される水素含有ガスの水素や他の燃料ガスの濃度を高く保つことができる。
【００５５】
かくして、上記▲１▼〜▲５▼の工程を繰返すことによって、次々と二酸化炭素を分解すると共に、水素含有ガスを製造することができる。
【００５６】
なお、本発明にかかる二酸化炭素分解装置は上述の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、燃焼室は、本実施形態では上下に延びる形状をなしているが、図２に示すごとく水平方向に延びる形状としてもよい。燃焼室１´は下方に膨らむ略球面の一部をなす上壁面によって、中心に向かってその通路断面積が減ずる形状となっている。なお、図２において、図１に示す装置と同様の機能をもつ部分には同一符号を付してある。また、反応室は、本実施形態では下流側に向けて通路断面積が小さくなる形状をなしているが、反応室の衝撃波伝播方向の長さが短い場合には、衝撃波の距離減衰が小さいため、通路断面積を一定にした形状としてもよい。
【００５７】
又、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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
更に、反応物質として、炭素を含む粒子には、コークス微粉、石炭粉等を使用でき、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。
【００６１】
又、上述した反応物質に、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等の触媒を添加すると反応効率が向上する。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、爆轟による衝撃波が、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と反応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。又、二酸化炭素の分解によって得られたガスを二酸化炭素の分解のための燃料として有効利用できるので、更に二酸化炭素の分解のためのコストを低減できる。
【００６３】
又、本発明によれば、爆轟による衝撃波が、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、水素を安価に製造することが可能となる。
【００６４】
また、本発明によれば、収束衝撃波の衝撃圧縮によって断続的に高温状態とするため、装置が定常的に高温にさらされることがないので、安価な耐熱構造にすることができ、設備コストを低減できる。
【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装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の他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。
【符号の説明】
１  燃焼室
２  誘導路
４  着火室
１１  反応室
１２  水冷ジャケット（冷却手段）
１４  二酸化炭素含有ガス供給装置（二酸化炭素含有ガス供給手段）
１５  反応物質供給装置（反応物質供給手段）
１６  水蒸気供給装置（水蒸気供給手段）
２０  増圧ポンプ（循環手段）
１９  分離装置（分離手段）
【図１】
2004202420.tif 000003
【図２】
2004202420.tif 000004