(57)【要約】【課題】ランニングコストの安いＣＯ２分解装置を提供する。【解決手段】反応塔１の下方には分散板２が設けられ、分散板の下部から、ガス供給管３を通して、ＣＯ２を含有する気体が送り込まれている。反応塔１の反応部１ｂには、鉄粉が供給されている。この鉄粉はＣＯ２含有気体によって上部に吹き上げられ、その途中で反応部１ｂ中でＣＯ２含有気体と反応して、ＣＯ２をＣに分解し酸化鉄を生成する。反応塔１の上部から排出された気体とＣと酸化鉄は、サイクロン７に入り、ここで、比重の大きな酸化鉄が分離されて、還元塔８内に落下する。還元塔８の下部からは水素が吹き込まれており、酸化鉄が還元塔８の中で水素と反応することにより鉄に還元される。この水素として、衝撃波によって発生する衝撃高温を利用して炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と水蒸気とから水素を発生させる水素製造部で製造された水素が利用される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２を金属粒子と接触させることにより還元するＣＯ２還元部と、この還元反応により発生した金属酸化物を水素により還元する金属酸化物還元部と、衝撃波によって発生する高温を利用して、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と水蒸気とから、水素を発生させる水素製造部とを有することを特徴とするＣＯ２分解装置。
【請求項２】
前記ＣＯ２還元部と金属酸化物還元部が、循環流動床炉として一体化されていることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２分解装置。
【請求項３】
前記金属粒子が鉄粒子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＣＯ２分解装置。
【請求項４】
前記金属粒子又はその出発物質として、製鋼ダストと砂鉄及び鉄鉱石のうちのいずれかが使用されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＣＯ２分解装置。
【請求項５】
前記ＣＯ２が廃棄物焼却炉と高炉と焼結炉と転炉およびボイラのうちいずれかから排出される排ガス中のＣＯ２であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のＣＯ２分解装置
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載のＣＯ２分解装置であって、前記水素製造部が、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と水蒸気との混合体を加熱して高温にすることにより前記反応性粒子と前記水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させ、当該水素含有ガスから水素を分離して製造する水素製造装置であり、一端から他端に延びる管状に形成され前記反応性粒子及び水蒸気の混合体を衝撃圧縮するべく当該混合体を収容する圧縮室と、当該圧縮室内に反応性粒子を供給する反応性粒子供給手段と、前記圧縮室内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記圧縮室の一端から前記圧縮室内に高圧ガスを間欠的に供給することにより衝撃波を発生させる衝撃波発生手段とを備え、前記衝撃波発生手段が高圧ガスを瞬間的に前記圧縮室内に供給することによって発生させる衝撃波により、前記圧縮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、当該混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて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ＣＯ２分解装置。
【請求項７】
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載のＣＯ２分解装置であって、前記水素製造部が、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と水蒸気との混合体を加熱して高温にすることにより前記反応性粒子と前記水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させ、当該水素含有ガスから水素を分離して製造する水素製造装置であり、入口開口をなす一端から他端に延びる管状に形成され前記反応性粒子及び水蒸気の混合体を衝撃圧縮するべく当該混合体を収容する圧縮室と、当該圧縮室内に反応性粒子を供給する反応性粒子供給手段と、前記圧縮室内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記圧縮室の一端から前記圧縮室内に高圧ガスを間欠的に供給することにより衝撃波を発生させる衝撃波発生手段とを備え、前記圧縮室の入口開口をシリンダ内に配し、当該シリンダ内で当該圧縮室の入口開口と協働して当該圧縮室の入口開口を間欠的に開閉するピストンを前記シリンダ内に配することにより前記衝撃波発生手段を形成しており、前記シリンダには前記ピストンに対して前記圧縮室の開口入口側に高圧ガスが供給され、前記ピストンが前記圧縮室の入口開口を閉状態から開状態にすることにより高圧ガスを瞬間的に前記圧縮室内に供給することによって発生する衝撃波により、前記圧縮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、当該混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて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ＣＯ２分解装置。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載のＣＯ２分解装置であって、衝撃波発生手段は、高圧ガスとして高圧水蒸気を圧縮室内に瞬間的に噴射することにより衝撃波を発生するようになっていて、水蒸気供給手段を兼ねていることとするＣＯ２分解装置。
【請求項９】
ＣＯ２を金属粒子と接触させることにより還元するＣＯ２還元部と、この還元反応により発生した金属酸化物を水素と接触させることにより還元する金属酸化物還元部とを有し、前記金属酸化物還元部には、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と、水又は蒸気が吹き込まれ、当該金属酸化物還元部内で衝撃波を発生させ、衝撃波によって発生する高温を利用して、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と水蒸気とから水素を発生させる機能を有することを特徴とするＣＯ２分解装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のうちいずれか１項に記載のＣＯ２分解装置であって、前記ＣＯ２還元部がＲｉｊｋｅ  Ｔｕｂｅとされていることを特徴とするＣＯ２分解装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のうちいずれか１項に記載のＣＯ２分解装置であって、前記ＣＯ２還元部の温度を、２００〜６００℃の範囲とする機能を有することを特徴とするＣＯ２分解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＣＯ２を分解するＣＯ２分解装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
廃棄物焼却設備、その他加熱炉等の工業炉等からは、多量のＣＯ２が排出されている。すなわち、これらの設備における燃料は主として炭化水素からなっており、燃焼排ガス中にはその燃焼生成物であるＣＯ２とＨ２Ｏが含まれる。このうち、Ｈ２Ｏは冷却することにより液体とすることができ、排水処理設備を通して放流できるが、ＣＯ２については、大気放散されている。しかるに、地球温暖化対策の必要性が高まるにつれ、ＣＯ２の排出が規制される動向にあり、何らかの対策が必要とされるようになってきている。
【０００３】
このような問題に対処する１方法として、廃棄物焼却設備の排ガス処理系統にＣＯ２固定化装置を設け、排ガスをほとんど排出しないようにする方法が、特開２００２−５５８１号公報（特許文献１）、特開２００２−２５７４８０号公報（特許文献２）等に記載されている。これらのＣＯ２固定化装置は、金属により、ＣＯ２を分解して固定化するものであり、本明細書においては、ＣＯ２分解装置と呼ぶ。
【０００４】
このようなＣＯ２分解装置のうち、燃焼炉の排ガス中のＣＯ２を分解するＣＯ２分解装置の例を図５に示す。このＣＯ２分解装置はＣＯ２還元装置である流動床炉、サイクロン、金属酸化物還元装置を主たる構成要素として構成される。ＣＯ２還元装置により金属とＣＯ２を反応させて金属酸化物と炭素を得てＣＯ２を分解し、そして、サイクロンにおいて得られた金属酸化物と炭素を分離し、分離された金属酸化物を金属酸化物還元装置により金属に還元し、ＣＯ２還元装置の原料として循環利用する。また、金属酸化物還元装置としてコークス炉ガスを部分燃焼させて還元性雰囲気を作り出し、金属酸化物を還元して金属を得ている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−５５８１号公報
【特許文献２】特開２００２−２５７４８０号公報
【特許文献３】ＵＳＰ２８３２６６６号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ＣＯ２分解装置においては、金属が酸化されて生成した金属酸化物を再使用するために、コークス炉ガスを部分燃焼して、金属酸化物を還元して金属を得ている。しかしながら、コークス炉ガスを部分燃焼することによりＣＯ２が生成される問題が生じる。また、金属酸化物を還元するために水素を用いることができるが、電気分解や天然ガス改質等で製造される水素は製造コストが高く、従ってＣＯ２分解装置のランニングコストも高くなる。本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ランニングコストの安いＣＯ２分解装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、ＣＯ２を金属粒子と接触させることにより還元するＣＯ２還元部と、この還元反応により発生した金属酸化物を水素により還元する金属酸化物還元部と、衝撃波によって発生する高温を利用して、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と水蒸気とから、水素を発生させる水素製造部とを有することを特徴とするＣＯ２分解装置（請求項１）である。
【０００８】
本手段においては、ＣＯ２還元部で金属粒子を、ＣＯ２と接触させることにより還元することと、還元反応により生じた金属酸化物を、金属酸化物還元部において水素と接触させることにより還元して再使用可能とするところは、従来の技術と変わらない。大きく異なるのは、従来技術においては、電気分解等により生成された水素を用いていたのに対し、本発明では、衝撃波によって発生する高温を利用して炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と水蒸気とから水素を発生させる水素製造部を設けて水素を発生させ、この水素を金属酸化物の還元に用いているところである。
【０００９】
所定の反応性物質を収容せる反応室たる管体内のガスを衝撃波で急激圧縮して高温として反応性物質とガスとを反応させて所望のガスを生成する装置が、米国特許第２８３２６６６号（特許文献３）に開示されている。この公知の装置は、反応器として回転軸に平行な複数の管体を有しており、一つの管体へ一端側から原料たる反応性物質が供給され、上記回転軸まわりに回転して上記管体が所定位置にくるとそこで管体内に反応性の高圧ガスが瞬間的に供給されて衝撃波を生じ、この衝撃波によってガスを急激圧縮して高温化せしめて反応性物質を反応させ、所望のガスが生成される。他の管体には、その間に、次のガス生成のために反応性物質が供給される。
【００１０】
このような、衝撃波によって発生する高温を利用する反応原理を用いた水素製造装置を使用すれば、安価に水素を製造することができ、ＣＯ２分解装置のランニングコストを安価とすることができる。
【００１１】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記ＣＯ２還元部と金属酸化物還元部が、循環流動床炉として一体化されていることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１２】
本手段においては、前記ＣＯ２還元部と金属酸化物還元部が、循環流動床炉として一体化されているので、熱ロスを低減させることができる。
【００１３】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記金属粒子が鉄粒子であることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１４】
ＣＯ２と反応して酸化物となり、ＣＯ２を還元する金属粒子としては、鉄、アルミニウム、マグネシウム等が使用できる。鉄粒子はＣＯ２と、以下のように反応してＣＯ２を還元し、酸化鉄が生成する。
３ＣＯ２＋４Ｆｅ→３Ｃ＋２Ｆｅ２Ｏ３
２ＣＯ２＋３Ｆｅ→２Ｃ＋Ｆｅ３Ｏ４
【００１５】
鉄粒子は鉄粉として容易に入手することができ、比較的低温（６００℃以下）でＣＯ２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、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、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、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。
【００１６】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記金属粒子又はその出発物質として、製鋼ダストと砂鉄及び鉄鉱石のうちのいずれかが使用されていることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００１７】
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、製鋼過程で二次的に発生する副生物をリサイクル使用するものである。
【００１８】
製鋼ダストは、その成分の大部分が鉄であるので、有効な金属粒子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、ＣＯ２分解装置の運転コストを低くできる。
【００１９】
砂鉄の主成分はマグネタイトであるので、これを還元して鉄として用いることにより、安価な金属粒子として使用できる。
【００２０】
鉄鉱石の主成分は酸化鉄であるので、これを還元して鉄として用いることにより、安価な金属粒子として使用できる。また鉄分の他に、Ｃａ，Ｋ，Ａｌ，Ｍｇ等の金属が含まれる。よって、これらの成分もＣＯ２の分解に使用することができる。
【００２１】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記ＣＯ２が廃棄物焼却炉と高炉と焼結炉と転炉およびボイラのうちいずれかから排出される排ガス中のＣＯ２であることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００２２】
本手段により、廃棄物焼却炉と高炉と焼結炉と転炉およびボイラから排出される排ガス中のＣＯ２を削減できるので、大規模施設から排出されるＣＯ２を削減でき、環境への負荷を低減できる。
【００２３】
廃棄物焼却炉から排出される排ガス中のＣＯ２を分解することができるので、廃棄物焼却炉から排出されるＣＯ２を削減できる。またＣＯ２分解反応は、金属粒子が鉄粒子である場合、５００〜６００℃の温度範囲で効率よく行われるので、廃棄物焼却炉からの排ガスがこの温度域になる位置にＣＯ２分解装置を設置することにより、省エネルギー化できる。さらに廃棄物焼却炉に設置された廃熱ボイラの蒸気を用いて衝撃波を発生させ水素を製造することができる。
【００２４】
また、高炉から排出される高炉ガスの概略組成の一例はＣＯ：２５％、Ｈ２：５％、ＣＯ２：２１％、Ｎ２４８％であるが、Ｏ２やＨ２Ｏ等ＣＯ２分解反応を阻害する成分が少ないため、効率的に高炉ガス中のＣＯ２を削減できる。さらに、ＣＯ２を削減できるので、高炉ガスの燃料としてのカロリー向上ができる。
【００２５】
また、製鉄用焼結炉から排出される焼結炉排ガスの概略組成の一例はＣＯ：１％、ＣＯ２：１５％、Ｏ２：５％、Ｈ２Ｏ：１４％、Ｎ２：６５％であるが、本手段により焼結炉から排出されるＣＯ２を削減できる。さらに、焼結炉排ガスの温度は２００〜３００℃程度であるので、有効な熱回収が行われていないが、焼結炉排ガスの顕熱を利用して蒸気を作り、これを用いて衝撃波を発生させ水素を製造することができるので、廃熱の有効利用が可能となる。
【００２６】
また、転炉から排出される転炉ガスの概略組成の一例はＣＯ：６８％、Ｈ２：２％、ＣＯ２：１３％、Ｎ２：１７％であるが、Ｏ２やＨ２Ｏ等ＣＯ２分解反応を阻害する成分が少ないため、効率的に転炉から排出されるＣＯ２を削減できる。その上にＣＯ２を削減できるので、転炉ガスの燃料としてのカロリー向上ができる。さらに、転炉ガスの温度は５００〜６００℃程度であるが、バッチ運転であるため、廃熱ボイラで蒸気を発生させ発電するような熱回収が行えなかったが、転炉ガスの顕熱を利用して蒸気を作り、これを用いて衝撃波を発生させ水素を製造することができるので、廃熱の有効利用が可能となる。
【００２７】
また、火力発電用ボイラのうち、石炭焚ボイラから排出される排ガスの概略組成の一例はＣＯ２：１４％、Ｏ２：３％、Ｈ２Ｏ：１３％、Ｎ２：７０％であるが、本手段によりボイラから排出されるＣＯ２を削減できる。さらに、ボイラ排ガスの温度は５００〜６００℃程度であるので、金属粒子が鉄粒子である場合のＣＯ２分解反応に適した５００〜６００℃の温度範囲にすることが容易に行えるので、効率的にボイラ排ガス中のＣＯ２を分解して削減できる。
【００２８】
その上に、これまで有効利用されていなかったボイラ排ガスの低温廃熱を利用して蒸気を作り、これを用いて衝撃波を発生させ水素を製造することができるので、エネルギー効率を向上させることができる。
【００２９】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記水素製造部が、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と水蒸気との混合体を加熱して高温にすることにより前記反応性粒子と前記水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させ、当該水素含有ガスから水素を分離して製造する水素製造装置であり、一端から他端に延びる管状に形成され前記反応性粒子及び水蒸気の混合体を衝撃圧縮するべく当該混合体を収容する圧縮室と、当該圧縮室内に反応性粒子を供給する反応性粒子供給手段と、前記圧縮室内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記圧縮室の一端から前記圧縮室内に高圧ガスを間欠的に供給することにより衝撃波を発生させる衝撃波発生手段とを備え、前記衝撃波発生手段が高圧ガスを瞬間的に前記圧縮室内に供給することによって発生させる衝撃波により、前記圧縮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、当該混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて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もの（請求項６）である。
【００３０】
本手段においては、衝撃波発生手段が高圧ガスを瞬間的に圧縮室内に供給することによって発生する衝撃波により、圧縮室内の混合体を衝撃圧縮して高温に加熱することによって、混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させる。
【００３１】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記水素製造部が、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と水蒸気との混合体を加熱して高温にすることにより前記反応性粒子と前記水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させ、当該水素含有ガスから水素を分離して製造する水素製造装置であり、入口開口をなす一端から他端に延びる管状に形成され前記反応性粒子及び水蒸気の混合体を衝撃圧縮するべく当該混合体を収容する圧縮室と、当該圧縮室内に反応性粒子を供給する反応性粒子供給手段と、前記圧縮室内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記圧縮室の一端から前記圧縮室内に高圧ガスを間欠的に供給することにより衝撃波を発生させる衝撃波発生手段とを備え、前記圧縮室の入口開口をシリンダ内に配し、当該シリンダ内で当該圧縮室の入口開口と協働して当該圧縮室の入口開口を間欠的に開閉するピストンを前記シリンダ内に配することにより前記衝撃波発生手段を形成しており、前記シリンダには前記ピストンに対して前記圧縮室の開口入口側に高圧ガスが供給され、前記ピストンが前記圧縮室の入口開口を閉状態から開状態にすることにより高圧ガスを瞬間的に前記圧縮室内に供給することによって発生する衝撃波により、前記圧縮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、当該混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて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もの（請求項７）である。
【００３２】
本手段における水素製造部の基本的な構成は、前記第６の手段と同じであるが、圧縮室の一端が入口開口をなし、圧縮室の入口開口をシリンダ内に配し、そのシリンダ内で圧縮室の入口開口と協働して圧縮室の入口開口を間欠的に開閉するピストンをシリンダ内に配している。このようにすることにより、装置構成がさらに簡単となる。その際、シリンダはピストンに対して圧縮室の開口入口側のシリンダ内部に高圧ガスが供給されるようにする。こうすることにより、ピストンが上記圧縮室の入口開口を間欠的に閉状態から開状態へとすることにより高圧ガスを瞬間的に噴出させることによって衝撃波を発生する。
【００３３】
前記課題を解決するための第８の手段は、前記第６の手段又は第７の手段であって、衝撃波発生手段は、高圧ガスとして高圧水蒸気を圧縮室内に瞬間的に噴射することにより衝撃波を発生するようになっていて、水蒸気供給手段を兼ねていることとするもの（請求項８）である。
【００３４】
本手段においては、衝撃波発生手段が水蒸気供給手段を兼ねているので、設備費が安価となって、好ましい。
【００３５】
前記課題を解決するための第９の手段は、ＣＯ２を金属粒子と接触させることにより還元するＣＯ２還元部と、この還元反応により発生した金属酸化物を水素と接触させることにより還元する金属酸化物還元部とを有し、前記金属酸化物還元部には、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と、水又は蒸気が吹き込まれ、当該金属酸化物還元部内で衝撃波を発生させ、衝撃波によって発生する高温を利用して、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と水蒸気とから水素を発生させる機能を有することを特徴とするＣＯ２分解装置（請求項９）である。
【００３６】
本手段においては、前記第１の手段が有する水素製造部の機能を金属酸化物還元部に持たせている。すなわち、金属酸化物還元部は、金属酸化物と水素を反応させて金属酸化物を還元すると同時に、その還元に必要な水素を発生させる機能を有している。よって、設備を単純化することができる。
【００３７】
前記課題を解決するための第１０の手段は、前記第１の手段から第９の手段のいずれかであって、前記ＣＯ２還元部がＲｉｊｋｅ  Ｔｕｂｅとされていることを特徴とするもの（請求項１０）である。
【００３８】
Ｒｉｊｋｅ  Ｔｕｂｅとは１／４波長管とも呼ばれるが、管の１端部からその管の１／４の長さのところを加熱し、他端部からその管の１／４の長さのところを冷却することによって、その管内に継続的な気柱振動を起こさせるようにしたものである。ＣＯ２還元部を管状とし、それをＲｉｊｋｅ  Ｔｕｂｅとすることにより、ＣＯ２還元部に振動が発生し、それにより、流動媒体である金属酸化物が管壁に付着するのを防止し、その結果、装置内の清掃、捕集の頻度を低減することができる。
【００３９】
前記課題を解決するための第１１の手段は、前記第１の手段から第１０の手段のいずれかであって、前記ＣＯ２還元部の温度を、２００〜６００℃の範囲とする機能を有することを特徴とするもの（請求項１１）である。
【００４０】
金属粒子として鉄粒子を用いる場合、以下の反応によりＣＯ２が還元される。
３ＣＯ２＋４Ｆｅ→３Ｃ＋２Ｆｅ２Ｏ３
２ＣＯ２＋３Ｆｅ→２Ｃ＋Ｆｅ３Ｏ４
Ｆｅ３Ｏ４生成反応においても、Ｆｅ２Ｏ３生成反応においても、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のフリーエネルギーが、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℃以上では、ＦｅとＨ２Ｏの反応性の方が、ＦｅとＣＯ２との反応性より高くなって、ＣＯ２の反応効率が低下する。本手段においては、ＣＯ２還元部の温度が６００℃以下となるので、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２００℃未満となると反応速度が低下するので、本手段においてはＣＯ２還元部の温度を２００℃以上に限定している。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例であるＣＯ２分解装置のうち、ＣＯ２還元部と金属酸化物還元部を示す概要図である。これら、ＣＯ２還元部と金属酸化物還元部は、循環式流動床炉として一体化されている。反応塔１がＣＯ２還元部に相当し、還元塔８が金属酸化物還元部に相当する。反応塔１の下方には分散板２が設けられ、分散板２の下部から、ガス供給管３を通して、ＣＯ２を含有する気体が送り込まれている。ガス供給管３と反応塔１と還元塔８が、廃棄物焼却炉など、燃焼炉からの排ガスが流通する煙道４内に設けられており、分散板２の上部である反応部１ｂの温度が２００〜６００℃に保持されている。煙道４内に反応塔１などを設ける代わりに、電気炉や熱交換器を用いて反応部１ｂを加熱してもよい。
【００４２】
反応塔１の反応部１ｂには、スクリューフィーダ５により鉄粉が供給されている。この鉄粉は反応塔１の下部１ａから分散板２を通って吹き上げられるＣＯ２含有気体によって上部に吹き上げられ、その途中で反応部１ｂ中でＣＯ２含有気体と反応して、ＣＯ２をＣに分解し、同時に酸化鉄を生成する。分散板２の上には、吹出ノズル６が設けられ、ＣＯ２含有気体の流速を早めて、鉄粉や酸化鉄、Ｃが分散板２の下に落下しないようにしている。
【００４３】
反応塔１の上部から排出された気体とＣと酸化鉄は、サイクロン７に入り、ここで、比重の大きな酸化鉄が分離されて、還元塔８内に落下する。還元塔８が金属酸化物還元部に相当する。還元塔８の下部からは水素が吹き込まれており、酸化鉄が還元塔８の中で水素と反応することにより鉄に還元される。還元された鉄粉は、スクリューフィーダ５内に入り再び反応塔１内に供給されて循環使用される。
【００４４】
反応塔１の上部から排出された気体とＣは、サイクロン７で酸化鉄が分離されて、排出配管９から排出される。排出配管９の下流側にはバグフィルタ（図示せず）が設けられており、Ｃが捕集される。反応塔１の上部から排出された酸化鉄のうち、微細化されているものは気体と共に排出配管９から排出される。
【００４５】
このように、本実施の形態においては、循環流動床炉を使用しているので、鉄粉の大部分を循環使用することができ、排出配管９から排出される微量の微細化した酸化鉄に相当する分の鉄粉を新しく補ってやればよい。しかし、本発明はこのようなものに限られるものではなく、ＣＯ２還元部と金属酸化物還元部とを独立して設けたものをも含むものである。
【００４６】
以下、本発明に用いる水素製造部の実施の形態の例を説明する。図２は、このような水素製造部である水素発生装置の概要を示す図である。図２の反応装置２１において、軸線ａを中心とする円筒形状のシリンダ２２は密閉されており、内部にピストン２３が前記軸線ａ方向に摺動自在に配されており、シリンダ２２内の空間を加圧空間Ｐと背圧空間Ｂとに区分している。
【００４７】
前記シリンダ２２内には加圧空間Ｐに圧縮室たる収束管２４が取り付けられている。当該収束管２４は前記シリンダ２２の一方の端壁２２Ａを貫通してシリンダ２２外へ延出している。この収束管２４は、シリンダ２２内にある入口開口２４Ａから図２右方に同一断面で延びる誘導部２４Ｂと、同方向で漸次断面を小さくして延びる収束部２４Ｃとを有している。誘導部２４Ｂは、入口開口２４Ａの内径の０．５倍以上５倍以下の範囲内の長さ（軸線ａ方向の長さ）に設定されている。
【００４８】
一方、収束部２４Ｃの内壁には、本実施形態では、収束管２４内の気流を旋回させるように、旋回羽根２４Ｄが設けられている。又、前記収束部２４Ｃには、当該収束管２４内への反応性粒子供給のための供給口２５、生成ガス取出口２６、排気口２７が形成されており、所定時に開閉する制御弁２５Ａ，２６Ａ，２７Ａを備えている。入口開口２４Ａの部分はテーパ状になっている。
【００４９】
前記ピストン２３は、本実施の形態では、金属板をプレス加工して軽量に作られており、シリンダ２２に対し瞬時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２３は、シリンダ２２の内壁と摺接するスカート部２３Ａと、前記加圧空間Ｐと背圧空間Ｂを区分する部分にテーパ部２３Ｂとを有している。当該テーパ部２３Ｂは収束管２４の入口開口２４Ａ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、前記ピストン２３とシリンダ２２の他方の端壁２２Ｂとの間には、弾性体としてのコイルばね２８が配設されていて、ピストン２３に背圧を与え収束管２４の入口開口２４Ａに圧している。
【００５０】
さらに、シリンダ２２には、前記加圧空間Ｐに通ずる高圧ガス供給口２９が、背圧空間Ｂに通ずる背圧ガス供給口３０がそれぞれ形成されている。高圧ガス供給口２９には弁２９Ａが設けられている。
【００５１】
かかる本実施の形態の反応装置２１は水素ガスの製造のための他の諸装置と図３のごとく接続されている。反応装置２１に廃熱ボイラ３１からの水蒸気が、前出の開閉手段によって瞬間的に開放されることにより、衝撃波を発生させるようになっている。この衝撃波により、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子と水蒸気とを衝撃圧縮して高温加熱し、水素含有ガスを生成する。そして、この水素含有ガスから水素を分離することにより水素を製造する。ここで、衝撃波発生手段が水蒸気供給手段を兼ねている。
【００５２】
炭化水素を含有する反応性粒子として廃プラスチック粉（Ｃ２ｎＨ４ｎ）を用いた場合には、反応装置２１内で生じる反応は、
Ｃ２ｎＨ４ｎ＋２ｎＨ２Ｏ→２ｎＣＯ＋４ｎＨ２
であり、水素とＣＯが生成する。
【００５３】
反応装置２１の高圧ガス供給口２９は、例えばごみ焼却炉等の大型熱プロセス設備からの廃熱を利用する廃熱ボイラ３１に接続されている。本実施の形態では、廃熱ボイラ３１が背圧ガス供給口３０にも切換弁３０Ａを介して接続され、背圧ガスとして、廃熱ボイラ３１からの高圧水蒸気の一部を用いるようになっている。高圧ガス供給口２９のための弁２９Ａは、通常、開放されており、切換弁３０Ａはシーケンスに則り設定時に開となる。
【００５４】
次に、反応性粒子の供給口２５には、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子としての廃プラスチックを他物質と分離後に破砕そして粉砕して廃プラスチック粉とした後に、これを所定時に制御弁２５Ａを介して供給する微粉化装置３２が接続されている。
【００５５】
一方、ガス取出口２６は制御弁２６Ａを介してバッファタンク３３、バグフィルタ３４、そして分離装置３５に接続されている。バッファタンク３３は反応装置２１からの高圧な水素含有ガスを一旦収容して圧力緩和するためのものである。バグフィルタ３４は水素含有ガスから未反応の反応性粒子等を除去するものであり、除去された未反応の反応性粒子を帰還させて再利用するため、上述の微粉化装置３２に接続されている。分離装置３５は水素含有ガスを水素ガスとＣＯガスとに分離してそれぞれ取り出すためのものであり、圧力振動吸着（ＰＳＡ）装置が用いられている。又、水素の分離は圧力振動吸着法にかぎらず膜分離等の他の方法を用いてもよい。
【００５６】
又、排気口２７は制御弁２７Ａを介してバッファタンク３６、排ガス処理装置３７が接続されている。バッファタンク３６は反応装置２１の反応後に残留した水蒸気等の排ガスを一旦収容して圧力緩和するためのものである。排ガス処理装置３７はこの排ガスを大気放出する前に可燃成分追い焚き、ダスト除去等の所定の処理をするようになっている。
【００５７】
次に、衝撃波を用いて水蒸気と反応性粒子としての廃プラスチック粉とを反応させて、所望ガスとして水素ガスを生成する例について、本実施の形態の作動を説明する。
【００５８】
図２において、高圧ガス供給口２９からは、開状態の弁２９Ａを経てシリンダ２２の加圧空間Ｐ内に反応性の高圧ガスとしての高圧水蒸気が供給されている。前記弁２９Ａは、通常、開のままとなっている。又、図３に示す開状態の切換弁３０Ａを経て前記高圧水蒸気は背圧ガス供給口３０へも供給されている。
【００５９】
▲１▼かかる状態で、シリンダ２２の加圧空間Ｐそして背圧空間Ｂは前記高圧水蒸気で充満しており、ピストン２３はコイルばね２８の付勢力によって収束管２４の入口開口２４Ａに圧せられていて、この入口開口２４Ａはピストン２３によって閉じられている。
【００６０】
▲２▼次に、収束管２４へ供給口２５から原料たる反応性粒子としての廃プラスチンク粉を供給充填する。
【００６１】
▲３▼しかる後、切換弁３０Ａを瞬間的に開放し背圧空間Ｂを減圧する。したがって、加圧空間Ｐの圧力が背圧空間Ｂの圧力及びばね２８の付勢力に勝って、ピストン２３は背圧に抗して後退し、収束管２４の入口開口２４Ａとの間に隙間が形成される。この隙間から高圧水蒸気が収束管２４内に流入する。この瞬時の高圧水蒸気の流入によって収束管２４内では衝撃波が発生する。この衝撃波は収束管２４の誘導部２４Ｂで波面を平面化され収束部２４Ｃで収束される。このとき収束部２４Ｃでは旋回羽根２４Ｄによる気流の旋回によって衝撃波の波面の平面化及び圧力の平均化がさらに図られる。このようにして収束管２４内を伝播された衝撃波が、収束管２４内へ入った水蒸気を廃プラスチック粉と共に瞬時に圧縮して昇温せしめ、この瞬時に反応が行なわれ、水素ガスが生成される。
【００６２】
▲４▼水素含有ガスが、次の瞬間に生成ガス取出口２６から取り出されると共に、背圧として高圧水蒸気が再び背圧空間Ｂへ供給され、ピストン２３は再び収束管２４の入口開口２４Ａを閉じる。又、反応装置２１では、収束管２４内の水蒸気等の排ガスが排気口２７から排出される。ガス取出口２６からの水素含有ガスは、バッファタンク３３で圧力緩和された後にバグフィルタ３４で未反応の反応性粒子等を除去され、そして分離装置３５で水素ガスとＣＯガスとに分離される。このときバグフィルタ３４で除去された反応性粒子は微粉化装置３２に帰還されて再利用される。一方、排気口２７から排出されたガスは、バッファタンク３６で圧力緩和された後に排ガス処理装置３７で所定の処理をされ、大気放出される。
【００６３】
炭化水素又は炭素を含有する粒子として、廃プラスチックを破砕した微粉状又は粉状の廃プラスチック粉の他に、粉コークス、微粉炭を用いてもよい。また、図１に示すような装置により回収された炭素粒子を使用するようにしてもよい。
【００６４】
以上の実施の形態においては、金属粒子として鉄粉（鉄粒子）を使用していたが、製鋼ダストを利用したり、金属粒子の出発物質として砂鉄、鉄鉱石等を使用することができ、これらを用いた場合、発明を解決するための手段で述べたような効果が得られる。
【００６５】
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記載する。ここで、前記転炉の製鋼工程とは、溶銑に酸素を吹き込み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、循環流動床型ＣＯ２分解装置でのＣＯ２分解性が向上する効果を有する。
【００６６】
以下、他の実施形態について図４にもとづき説明する。図４に示すように、ピストンは、ピストンから収束管４４の収束部４４Ｃに当該収束管４４の中央部を通って突出する棒状の突起部が形成されているピストン４３としてもよい。こうすることにより、収束管の入口開口の縁部とピストンとの間から収束管内へ高圧水蒸気が噴射されて供給される際に、その噴射による衝撃波同士の衝突を防止できるので、衝撃波の波面の平面化が容易となる。尚、本例では、収束管４４の収束部４４Ｃの内壁形状を図４で実線に示す如くテーパ状としたが、内径が他端に向けて小さくなっていればこれに限らず、他の形状例えば図４で二点鎖線で示す如くラッパ状４４Ｃ１又はログスパイラル状４４Ｃ２であってもよい。又、本発明装置では、旋回羽根は、収束管内の気流を旋回できれば、誘導部及び収束部の少なくとも一方の内壁に設けることができる。
【００６７】
なお、水素発生部として図２〜図４を使用して説明したようなものを用いると、発生する水素の圧力が大きく変動し、これをそのまま金属酸化物還元部に入れると、金属酸化物還元部や、サイクロン、ＣＯ２還元部の圧力も変動し、ガスの逆流が発生する恐れもあって好ましくない。よって、水素発生部と金属酸化物還元部の間に、機械的なＣＲ回路となる抵抗とタンクを入れて、この圧力変動をなまらせてから金属酸化物還元部に供給するようにすることが好ましい。
【００６８】
以上の実施の形態においては、水素発生部と、ＣＯ２還元部・金属酸化物還元部が分離されていたが、金属酸化物還元部そのものを、水素発生部として使用することもできる。これは、例えば図１において、還元塔８の温度を反応塔１の温度と別々に制御するようにして、還元塔８の温度を８００℃以上とするようにし、そこに、簡潔的に水を吹き込むことによって実現できる。
【００６９】
吹き込まれた水は、還元塔８の内壁にぶつかって核沸騰し、急激に膨張して衝撃波を発生させる。水と同時に炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子を吹き込むことにより、水蒸気と、炭化水素又は炭素を含有する反応性粒子が反応して水素が発生し、この水素が金属酸化物の還元に使用される。水を吹き込んで核沸騰により衝撃波を発生させる代わりに、高圧の蒸気を吹き込んで衝撃波を発生させてもよい。
【００７０】
これらの場合も、還元塔８内部の圧力変動がサイクロン７や反応塔１に伝わると好ましくないので、サイクロン７や反応塔１と還元塔８の間に機械的ＣＲ回路を設けることにより、この圧力変動の伝搬を緩和することが好ましい。
【００７１】
また、図１に示したような反応塔１をＲｉｊｋｅ  Ｔｕｂｅとすることにより、反応塔１に振動が発生し、それにより、流動媒体である金属粒子が管壁に付着するのを防止することができる。そのためには、反応塔１の１端部からその管の１／４の長さのところを他の部分よりよけいに加熱し、他端部からその管の１／４の長さのところを他の部分より冷却するようにすればよい。
【００７２】
また、道路トンネル内の空気は車両からの排気ガス中のＣＯ２により、１％程度ＣＯ２が含まれる。トンネル内空気を導きＣＯ２濃縮装置によりＣＯ２を濃縮し、上述したＣＯ２分解装置によりＣＯ２を分解してトンネル内に戻すことにより、道路トンネルの換気を効率的に行うことができる。ＣＯ２濃縮装置として膜分離やＰＳＡ等の方式を用いることができる
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ランニングコストの安いＣＯ２分解装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例であるＣＯ２分解装置のうち、ＣＯ２還元部と金属酸化物還元部を示す概要図である。
【図２】本発明に用いる水素製造部の実施の形態の例である水素発生装置の概要を示す図である。
【図３】反応装置と水素ガスの製造のための他の諸装置との結合状態を示す図である。
【図４】本発明に用いる水素製造部の実施の他の形態の例である水素発生装置の概要を示す図である。
【図５】従来の循環流動床型ＣＯ２分解装置の例を示す概要図である。
【符号の説明】
１：反応塔、１ａ：反応塔の下部、１ｂ：反応部、２：分散板、３：ガス供給管：４：煙道、５：スクリューフィーダ、６：吹出ノズル、７：サイクロン、８：還元塔、９：排出配管、２１：反応装置、２２：シリンダ、２２Ａ：端壁、２３：ピストン、２３Ａ：スカート部、２３Ｂ：テーパ部、２４：収束管、２４Ａ：入口開口、２４Ｂ：誘導部、２４Ｃ：収束部、２４Ｄ：旋回羽根、２５：供給口、２５Ａ：制御弁、２６：生成ガス取出口、２６Ａ：制御弁、２７：排気口、２７Ａ：制御弁、２８：コイルばね、２９：高圧ガス供給口、２９Ａ：弁、３０：背圧ガス供給口、３０Ａ：切替弁、３１：廃熱ボイラ、３２：微粉化装置、３３：バッファタンク、３４：バグフィルタ、３５：分離装置、３６：バッファタンク、３７：排ガス処理装置、４３：ピストン、４４：収束管、４４Ｃ：収束部、４４Ｃ１：ラッパ状収束部、４４Ｃ２：ログスパイラル状収束部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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