(57)【要約】  本発明は、二酸化炭素転換システムに関するものであって、より詳細には、空気中の酸素を分離するイオン伝導性メンブレインと、前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼させる純酸素燃焼器と、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と外部から供給されるメタンガスとをドライ改質反応して、一酸化炭素と水素に転換させるドライリフォーマ（Ｄｒｙ−Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）とを含む二酸化炭素転換システムに関するものである。
2015536894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中の酸素を分離するイオン伝導性メンブレインと、
前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼させる純酸素燃焼器と、
前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と外部から供給されるメタンガスとをドライ改質反応して、一酸化炭素と水素に転換させるドライリフォーマ（Ｄｒｙ−Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）とを含むことを特徴とする、二酸化炭素転換システム。
【請求項２】
熱と電気エネルギーを加えて、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気を、一酸化炭素、水素、および酸素に転換する共電解器をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項３】
前記ドライリフォーマまたは前記共電解器で生成された一酸化炭素と水素を、メタノール、ケトンまたはカーボネートなどに変換させる合成器をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項４】
前記共電解器で生成された酸素と前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素とを混合する混合器をさらに含み、前記混合器から純酸素燃焼器に酸素を供給することを特徴とする、請求項２に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項５】
空気中の酸素を分離するイオン伝導性メンブレインと、
前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼させる純酸素燃焼器と、
前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気、外部から供給されるメタンガス、前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を三重改質反応して、一酸化炭素と水素に転換させるトリリフォーマ（Ｔｒｉ−Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）とを含むことを特徴とする、二酸化炭素転換システム。
【請求項６】
熱と電気エネルギーを加えて、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気を、一酸化炭素、水素、および酸素に転換する共電解器をさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項７】
前記トリリフォーマまたは前記共電解器で生成された一酸化炭素と水素を、メタノール、ケトンまたはカーボネートなどに変換させる合成器をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項８】
前記共電解器で生成された酸素と前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素とを混合する混合器と、
前記混合器から純酸素燃焼器またはトリリフォーマに酸素を供給するための三方バルブとをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項９】
前記純酸素燃焼器から排出される排気ガスを用いてタービンを回し、前記タービンに連結された発電機を通して電気を生産することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項１０】
前記純酸素燃焼器の後段に第１熱交換器を取り付け、循環する流体を昇温させることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項１１】
前記タービンを通過した排気ガスから水蒸気を分離して、前記純酸素燃焼器に供給することを特徴とする、請求項９に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項１２】
前記純酸素燃焼器から排出される排気ガスから水蒸気を分離して、前記トリリフォーマおよび前記純酸素燃焼器に供給することを特徴とする、請求項５〜８のいずれか１項に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項１３】
前記トリリフォーマおよび前記純酸素燃焼器に供給される水蒸気の流量を調節する三方バルブがさらに備えられることを特徴とする、請求項１２に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項１４】
空気中の酸素を分離するイオン伝導性メンブレインと、
純酸素燃焼器の外壁にドライリフォーマとを配置させた統合反応器を含み、
前記統合反応器の純酸素燃焼器では、前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼反応が起こり、
前記統合反応器のドライリフォーマでは、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と外部から供給されるメタンガスとをドライ改質反応して、一酸化炭素と水素に転換させることを特徴とする、二酸化炭素転換システム。
【請求項１５】
熱と電気エネルギーを加えて、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気を、一酸化炭素、水素、および酸素に転換する共電解器をさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項１６】
前記ドライリフォーマまたは前記共電解器で生成された一酸化炭素と水素を、メタノール、ケトンまたはカーボネートなどに変換させる合成器をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項１７】
前記共電解器で生成された酸素と前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素とを混合する混合器をさらに含み、前記混合器から純酸素燃焼器に酸素を供給することを特徴とする、請求項１５に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項１８】
空気中の酸素を分離するイオン伝導性メンブレインと、
純酸素燃焼器の外壁にトリリフォーマとを配置させた統合反応器を含み、
前記統合反応器の純酸素燃焼器では、前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼反応が起こり、
前記統合反応器のトリリフォーマでは、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気、外部から供給されるメタンガス、前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を三重改質反応して、一酸化炭素と水素に転換させることを特徴とする、二酸化炭素転換システム。
【請求項１９】
熱と電気エネルギーを加えて、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気を、一酸化炭素、水素、および酸素に転換する共電解器をさらに含むことを特徴とする、請求項１８に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項２０】
前記トリリフォーマまたは前記共電解器で生成された一酸化炭素と水素を、メタノール、ケトンまたはカーボネートなどに変換させる合成器をさらに含むことを特徴とする、請求項１９に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項２１】
前記共電解器で生成された酸素と前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素とを混合する混合器と、
前記混合器から純酸素燃焼器またはトリリフォーマに酸素を供給するための三方バルブとをさらに含むことを特徴とする、請求項１９に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項２２】
前記純酸素燃焼器から排出される排気ガスを用いてタービンを回し、前記タービンに連結された発電機を通して電気を生産することを特徴とする、請求項１４〜２１のいずれか１項に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項２３】
前記純酸素燃焼器から排出される排気ガスから水蒸気を分離して、前記純酸素燃焼器に供給し、前記水蒸気の流量を調節するために、三方バルブをさらに備えることを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項２４】
前記純酸素燃焼器から排出される排気ガスから水蒸気を分離して、前記トリリフォーマおよび前記純酸素燃焼器に供給することを特徴とする、請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の二酸化炭素転換システム。
【請求項２５】
前記トリリフォーマおよび前記純酸素燃焼器に供給される水蒸気の流量を調節する三方バルブがさらに備えられることを特徴とする、請求項２４に記載の二酸化炭素転換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素転換システムに関するものであって、より詳細には、純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
純酸素燃焼技術は、空気中の窒素および他の成分を除去せずに燃焼器に注入される既存の空気燃焼方式において、空気中に約７９％を占める窒素分を除去した純酸素を、既存の燃焼用空気の代わりに注入して燃焼させた後、二酸化炭素の捕集を容易にする純酸素燃焼技術である。純酸素燃焼を採用して二酸化炭素を回収する技術では、酸化剤を、空気の代わりに純度９５％以上の高濃度酸素を用いて燃焼させて熱を発生させる。純酸素燃焼によって発生する排気ガスの大部分は二酸化炭素と水蒸気で構成されており、発生する排気ガスの約７０〜８０％を再び燃焼室に再循環させて、最終的に排気ガスの二酸化炭素の濃度を８０％以上に濃縮させることができる。排出される排気ガスの主成分のうち水蒸気を凝縮させる場合、ほぼ全量の二酸化炭素を回収することができ、回収された二酸化炭素を貯蔵させて二酸化炭素と大気汚染物質の無排出を実現する技術である。
【０００３】
二酸化炭素転換システムは、上記で言及したように、高濃度の二酸化炭素を捕集するシステムである。しかし、純酸素燃焼を行うためには、高濃度の酸素が必要であり、この時、空気分離器（ＡＳＵ、Ａｉｒ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｕｎｉｔ）を用いて空気中の酸素を分離すれば、多くのエネルギーが消耗して、全体のシステム効率が低下する欠点がある。
【０００４】
また、従来のシステムでは、純酸素燃焼を経て出た高濃度の二酸化炭素を捕集および輸送して貯蔵するのに活用して、その効用価値が低下する問題がある。
【０００５】
さらに、従来の純酸素燃焼器は、酸化剤として酸素を利用するもので、空気を用いた時に比べて断熱火炎温度が高くて燃焼器の外壁の損傷をもたらすので、燃焼温度を減少させるために水蒸気（Ｓｔｅａｍ）を流入させた。この場合、水蒸気を生成させるための熱源がなければならない上に、水蒸気を駆動させるための別のポンプ仕事（Ｐｕｍｐ  Ｗｏｒｋ）も消耗する問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、空気中の酸素を分離するイオン伝導性メンブレイン（ＩＴＭ；Ｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）と、ＩＴＭから分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼させる純酸素燃焼器と、純酸素燃焼反応によって生成された高濃度の二酸化炭素を合成ガス（ＣＯ、Ｈ２）に変換させる改質器と、合成ガスをメタノールなどに変換させる合成器などとから構成された、純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システムを提供する。
【０００７】
また、熱と電気エネルギーを加えて、二酸化炭素と水蒸気を合成ガスに転換する共電解器をさらに含む、純酸素燃焼と新再生エネルギーを用いた共電解および触媒転換工程を連携した二酸化炭素転換システムを提供する。
【０００８】
さらに、捕集された二酸化炭素を新たな燃料や有用な化合物に転換させる二酸化炭素転換システムを提供する。
【０００９】
また、純酸素燃焼器の外壁に改質器を統合した統合反応器を提供することにより、純酸素燃焼器の寿命増大および改質反応の転換率を向上させられる二酸化炭素転換システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、空気中の酸素を分離するイオン伝導性メンブレインと、前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼させる純酸素燃焼器と、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と外部から供給されるメタンガスとをドライ改質反応して、一酸化炭素と水素に転換させるドライリフォーマ（Ｄｒｙ−Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）とを含む二酸化炭素転換システムを提供する。
【００１１】
また、熱と電気エネルギーを加えて、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気を、一酸化炭素、水素、および酸素に転換する共電解器をさらに含む二酸化炭素転換システムを提供する。
【００１２】
また、前記ドライリフォーマまたは前記共電解器で生成された一酸化炭素と水素を、メタノール、ケトンまたはカーボネートなどに変換させる合成器をさらに含むことを特徴とする。
【００１３】
また、前記共電解器で生成された酸素と前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素とを混合する混合器をさらに含み、前記混合器から純酸素燃焼器に酸素を供給することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、空気中の酸素を分離するイオン伝導性メンブレインと、前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼させる純酸素燃焼器と、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気、外部から供給されるメタンガス、前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を三重改質反応して、一酸化炭素と水素に転換させるトリリフォーマ（Ｔｒｉ−Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）とを含む二酸化炭素転換システムを提供する。
【００１５】
また、熱と電気エネルギーを加えて、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気を、一酸化炭素、水素、および酸素に転換する共電解器をさらに含む二酸化炭素転換システムを提供する。
【００１６】
また、前記トリリフォーマまたは前記共電解器で生成された一酸化炭素と水素をメタノール、ケトンまたはカーボネートなどに変換させる合成器をさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
また、前記共電解器で生成された酸素と前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素とを混合する混合器と、前記混合器から純酸素燃焼器またはトリリフォーマに酸素を供給するための三方バルブとをさらに含むことを特徴とする。
【００１８】
また、前記純酸素燃焼器から排出される排気ガスを用いてタービンを回し、前記タービンに連結された発電機を通して電気を生産することを特徴とする。
【００１９】
また、前記純酸素燃焼器の後段に第１熱交換器を取り付け、循環する流体を昇温させることを特徴とする。
【００２０】
また、前記タービンを通過した排気ガスから水蒸気を分離して、前記純酸素燃焼器に供給することを特徴とする。
【００２１】
また、前記純酸素燃焼器から排出される排気ガスから水蒸気を分離して、前記トリリフォーマおよび前記純酸素燃焼器に供給することを特徴とする。
【００２２】
また、前記トリリフォーマおよび前記純酸素燃焼器に供給される水蒸気の流量を調節する三方バルブがさらに備えられることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明は、空気中の酸素を分離するイオン伝導性メンブレインと、純酸素燃焼器の外壁にドライリフォーマとを配置させた統合反応器を含み、前記統合反応器の純酸素燃焼器では、前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼反応が起こり、前記統合反応器のドライリフォーマでは、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と外部から供給されるメタンガスとをドライ改質反応して、一酸化炭素と水素に転換させることを特徴とする、二酸化炭素転換システムを提供する。
【００２４】
また、熱と電気エネルギーを加えて、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気を、一酸化炭素、水素、および酸素に転換する共電解器をさらに含む二酸化炭素転換システムを提供する。
【００２５】
また、前記ドライリフォーマまたは前記共電解器で生成された一酸化炭素と水素を、メタノール、ケトンまたはカーボネートなどに変換させる合成器をさらに含むことを特徴とする。
【００２６】
また、前記共電解器で生成された酸素と前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素とを混合する混合器をさらに含み、前記混合器から純酸素燃焼器に酸素を供給することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明は、空気中の酸素を分離するイオン伝導性メンブレインと、純酸素燃焼器の外壁にトリリフォーマとを配置させた統合反応器を含み、前記統合反応器の純酸素燃焼器では、前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼反応が起こり、前記統合反応器のトリリフォーマでは、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気、外部から供給されるメタンガス、前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素を三重改質反応して、一酸化炭素と水素に転換させることを特徴とする、二酸化炭素転換システムを提供する。
【００２８】
また、熱と電気エネルギーを加えて、前記純酸素燃焼器の純酸素燃焼反応によって生成された二酸化炭素と水蒸気を、一酸化炭素、水素、および酸素に転換する共電解器をさらに含む二酸化炭素転換システムを提供する。
【００２９】
また、前記トリリフォーマまたは前記共電解器で生成された一酸化炭素と水素を、メタノール、ケトンまたはカーボネートなどに変換させる合成器をさらに含むことを特徴とする。
【００３０】
また、前記共電解器で生成された酸素と前記イオン伝導性メンブレインから分離された酸素とを混合する混合器と、前記混合器から純酸素燃焼器またはトリリフォーマに酸素を供給するための三方バルブとをさらに含むことを特徴とする。
【００３１】
また、前記純酸素燃焼器から排出される排気ガスを用いてタービンを回し、前記タービンに連結された発電機を通して電気を生産することを特徴とする。
【００３２】
また、前記純酸素燃焼器から排出される排気ガスから水蒸気を分離して、前記純酸素燃焼器に供給し、前記水蒸気の流量を調節するために、三方バルブをさらに備えることを特徴とする。
【００３３】
また、前記純酸素燃焼器から排出される排気ガスから水蒸気を分離して、前記トリリフォーマおよび前記純酸素燃焼器に供給することを特徴とする。
【００３４】
また、前記トリリフォーマおよび前記純酸素燃焼器に供給される水蒸気の流量を調節する三方バルブがさらに備えられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る二酸化炭素転換システムによれば、酸素生産の面で、ＩＴＭを用いることで、空気中の酸素を分離するＡＳＵに比べて酸素生産費が節減され、システム効率を向上させる効果がある。
【００３６】
改質器から変換された合成ガスを、付加的な工程を経て、メタノールやケトン、カーボネートなどのような新たな燃料や有用な化合物質に転換および合成を行うことができ、多様な用途への活用が可能であるという利点がある。
【００３７】
本発明に係る二酸化炭素転換システムにおいて、純酸素燃焼器の外壁にトリリフォーマまたはドライリフォーマを統合して作製することにより、純酸素燃焼器の外壁に損失となる熱をトリリフォーマまたはドライリフォーマに伝達させることができて、水蒸気の流入が不必要になったり、その量を低減可能で、水蒸気の生成および駆動のためのエネルギー消耗が少なくなる効果がある。
【００３８】
また、トリリフォーマまたはドライリフォーマに供給される熱伝達率も向上させ、合成ガス転換率を向上させられる効果もある。
【００３９】
さらに、深夜電力や新再生エネルギーから出る余剰電力および熱エネルギーを用いることで、合成ガスを新たな燃料や有用な化合物質に転換および合成を行うことができ、多様な用途への活用が可能であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、従来のＡＳＵを用いた純酸素燃焼システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明に係る純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した、または純酸素燃焼と新再生エネルギーを用いた共電解および触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システムの概略図である。
【図３】図３は、本発明に係る純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した、または純酸素燃焼と新再生エネルギーを用いた共電解および触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システムの概略図である。
【図４】図４は、本発明に係る純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した、または純酸素燃焼と新再生エネルギーを用いた共電解および触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システムの概略図である。
【図５】図５は、本発明に係る純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した、または純酸素燃焼と新再生エネルギーを用いた共電解および触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システムの概略図である。
【図６】図６は、本発明に係る純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した、または純酸素燃焼と新再生エネルギーを用いた共電解および触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システムの概略図である。
【図７】図７は、本発明に係る純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した、または純酸素燃焼と新再生エネルギーを用いた共電解および触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システムの概略図である。
【図８】図８は、本発明に係る純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した、または純酸素燃焼と新再生エネルギーを用いた共電解および触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システムの概略図である。
【図９】図９は、本発明に係る純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した、または純酸素燃焼と新再生エネルギーを用いた共電解および触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、添付した図面を参照して、本発明に係る純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した、または純酸素燃焼と新再生エネルギーを用いた共電解および触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システムの好ましい実施例を詳細に説明する。まず、各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたり、同一の構成要素に対しては、たとえ他の図面上に表示されても、できるだけ同一の符号を有するようにしていることに留意しなければならない。
【００４２】
また、本発明を説明するにあたり、関連する公知の構成または機能に対する具体的な説明が本発明の要旨をあいまいにする可能性があると判断された場合には、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
図１は、従来のＡＳＵを用いた純酸素燃焼システムを示すもので、前記システムは、大きく、純酸素燃焼器１と、ＡＳＵ２と、タービン３と、熱交換器４と、ヒータ５と、送風機６と、発電機７とから構成される。
【００４４】
純酸素燃焼器１では、分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼反応が起こり、純酸素燃焼器１から排出される排気ガスは、主成分が二酸化炭素と水蒸気になる。前記排気ガスを用いてタービン３を駆動させ、前記タービン３と同一軸に連結された発電機７で電気を生産する。
【００４５】
タービン３を通過した排気ガスは、ヒータ５によって二酸化炭素と水蒸気に分離され、分離された水蒸気は、送風機６によって熱交換器４に送られる。熱交換器４を通過した高温の水蒸気は、再び純酸素燃焼器１に再循環する過程を経る。
【００４６】
上述した従来のシステムは、流入する空気中の酸素を分離させるＡＳＵ２を用いるが、酸素を分離する過程でエネルギーが消耗して、全体のシステム効率が低下する問題がある。
【００４７】
また、純酸素燃焼反応に、空気の代わりに酸素を酸化剤として用いることで、断熱火炎温度が高くて純酸素燃焼器１に水蒸気を供給しなければならない問題があり、純酸素燃焼器１の耐久性が低下する問題がある。
【００４８】
図２は、本発明に係る第１実施例のシステム構成図を示すものである。
【実施例１】
【００４９】
実施例１は、大きく、空気中の酸素を分離するＩＴＭ２０と、ＩＴＭ２０から分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼させる純酸素燃焼器１０と、純酸素燃焼反応によって生成された高濃度の二酸化炭素を合成ガス（ＣＯ、Ｈ２）に変換させるドライリフォーマ１５と、合成ガスをメタノールなどに変換させる合成器５０などとから構成される。
【００５０】
ＩＴＭ２０における酸素分離の反応温度は約８５０℃、作動圧力は約１ｂａｒであり、供給される空気の温度を別の熱交換器を通過させて昇温させるか、ＩＴＭ２０の外部にヒータ２１を設ける方法を使用することができる。
ＣＨ４＋２Ｏ２−＞ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ…………………………………………式（１）
【００５１】
純酸素燃焼反応は、上記式（１）のような反応をするが、純酸素燃焼器１０に外部から供給される天然ガス（ＣＨ４）と、ＩＴＭ２０から分離された酸素、純酸素燃焼器１０の排気ガスから分離されて循環する水蒸気（Ｈ２Ｏ）が投入されて燃焼反応をすれば、二酸化炭素と水蒸気が排気ガスとして生成される。
【００５２】
排出された排気ガスは、第１熱交換器１１を経てタービン１２を駆動させ、前記タービン１２と同一軸に連結された発電機１３が電気を生産する。タービン１２を通過した排気ガスは、第２熱交換器３０を通過し、前記第２熱交換器３０を通過した排気ガスの流れは、ヒータ３１によって二酸化炭素と水蒸気に分離される。
【００５３】
前記分離された二酸化炭素は、前記第１熱交換器１１で昇温してドライリフォーマ１５に供給される。また、前記分離された水蒸気は、送風機３２によって第２熱交換器３０に送られ、第２熱交換器３０で昇温して純酸素燃焼器１０に供給される。純酸素燃焼器１０に供給される水蒸気の量を調節するために、三方バルブ３４を取り付けてもよい。前記三方バルブ３４で純酸素燃焼器１０に流入する水蒸気の量を調節してシステム効率を調節する機能を果たす。
【００５４】
ドライリフォーマ１５は、作動温度が約７００℃、作動圧力が１ｂａｒであり、供給される二酸化炭素は、上記で言及したように、純酸素燃焼器１０から排出される排気ガス中から二酸化炭素を分離させて循環させた後、第１熱交換器１１で昇温させて前記ドライリフォーマ１５に供給する。
【００５５】
本実施例では、式（２）のようなドライ改質反応（Ｄｒｙ−Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）が起こる。
ＣＨ４＋ＣＯ２−＞２ＣＯ＋２Ｈ２…………………………………………式（２）
【００５６】
上記式（２）のようなドライ改質反応は、１モルのメタンと１モルの二酸化炭素とを受けて改質反応後に、２モルの一酸化炭素と２モルの水素を生成する反応である。ドライリフォーマ１５は、外部からの天然ガスと純酸素燃焼反応で生成される二酸化炭素とを用いて、一酸化炭素と水素を生成する。
【００５７】
ドライリフォーマ１５で生成された一酸化炭素と水素は、合成器５０を経て、メタノール（Ｍｅｔｈａｎｏｌ）またはケトン（Ｋｅｔｏｎｅ）またはカーボネート（Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）などのような新たな燃料や有用な化学物質に転換および合成できる。
【００５８】
合成器５０は、ドライリフォーマ１５の後段に設けられてもよい。
【００５９】
図３は、本発明に係る第２実施例のシステム構成図を示すものである。
【実施例２】
【００６０】
実施例２は、先に説明した実施例１において、熱と電気エネルギーを加えて、二酸化炭素と水蒸気を合成ガスと酸素に転換する共電解器６０をさらに含む。
【００６１】
純酸素燃焼器１０から排出された二酸化炭素と水蒸気で構成された排気ガスは、第１熱交換器１１を経てタービン１２を駆動させ、前記タービン１２と同一軸に連結された発電機１３が電気を生産する。タービン１２を通過した排気ガスは、三方バルブ６１で第２熱交換器３０へ向かう流れと共電解器６０へ向かう流れとに分岐される。
【００６２】
共電解器６０へ向かう流れは、排気ガス中の二酸化炭素と水蒸気が共に電解して、合成ガスと酸素に転換される共電解（Ｃｏｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）工程を経る。共電解工程は、熱と電気エネルギーを加えて、合成ガスと酸素に転換する工程をいう。上述のように、共電解工程には熱および電気エネルギーが必要であるので、深夜電力や新再生エネルギーから出る余剰電力および熱エネルギーを用いることもできる。
【００６３】
深夜電力を用いる場合、昼間にはドライ改質反応または三重改質反応のような触媒化学工程だけで二酸化炭素を転換させ、夜間に余剰電力が発生する時、余剰電力の量に相当する分だけ二酸化炭素と水蒸気を共電解器６０に供給して、合成ガスと酸素を生産する。
【００６４】
風力、太陽熱などの新再生エネルギーから出る電力も、深夜電力を用いる方法と同様の方法で共電解工程を行うことができる。このように共電解器６０を利用すれば、捨てられる電力を用いることができ、生成物として、合成ガスのほか、酸素が付加的に生産され、ＩＴＭ２０で生産されるべき酸素の量も低減可能で、相対的にＩＴＭ２０で消耗するエネルギーも減少させることができる。
【００６５】
共電解器６０で生産される酸素は混合器６２で、ＩＴＭ２０から分離された酸素と混合され、純酸素燃焼器１０に供給される。
【００６６】
一方、ドライリフォーマ１５または共電解器６０で生成された一酸化炭素と水素は、合成器５０を経て、メタノール（Ｍｅｔｈａｎｏｌ）またはケトン（Ｋｅｔｏｎｅ）またはカーボネート（Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）などのような新たな燃料や有用な化学物質に転換および合成できる。
【００６７】
合成器５０は、ドライリフォーマ１５または共電解器６０の後段に設けられてもよい。
【００６８】
図４は、本発明に係る第３実施例のシステム構成図を示すものである。
【実施例３】
【００６９】
実施例３は、大きく、空気中の酸素を分離するＩＴＭ２０と、ＩＴＭ２０から分離された酸素を酸化剤として用いて燃焼させる純酸素燃焼器１０と、純酸素燃焼反応によって生成された高濃度の二酸化炭素と水蒸気、外部から供給される天然ガス、ＩＴＭ２０から分離された酸素を合成ガス（ＣＯ、Ｈ２）に変換させるトリリフォーマ１６と、合成ガスをメタノールなどに変換させる合成器５０などとから構成される。
【００７０】
実施例１および２とは異なり、実施例３では、三重改質反応（Ｔｒｉ−Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）をする場合であるが、三重改質反応は、式（３）のような反応式を示す。
４ＣＨ４＋２．５Ｏ２＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ−＞４ＣＯ＋ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋７Ｈ２…式（３）
【００７１】
三重改質反応は、二酸化炭素と天然ガスだけを流入させるドライ改質反応とは異なり、付加的に酸素と水蒸気を流入させなければならない。
【００７２】
したがって、酸素を流入させるために、ＩＴＭ２０から分離された酸素は、三方バルブ３５によって純酸素燃焼器１０またはトリリフォーマ１６に流入可能に調節される。
【００７３】
純酸素燃焼器１０で式（１）のような純酸素燃焼反応をして排出される排気ガスは、第１熱交換器１１に移動する。前記第１熱交換器１１を通過した排気ガスはタービン１２を駆動させ、前記タービン１２と同一軸に連結された発電機１３で電気を生産する。
【００７４】
前記タービン１２を通過した排気ガスは、再び第２熱交換器３０を通過し、前記第２熱交換器３０を通過した排気ガスの流れは、ヒータ３１によって二酸化炭素と水蒸気に分離される。分離された水蒸気は、送風機３２によって第２熱交換器３０に流入し、ここで昇温した後、三方バルブ３４で純酸素燃焼器１０の方向またはトリリフォーマ１６の方向に流れが調節される。
【００７５】
前記三方バルブ３４からトリリフォーマ１６の方向に流れる流れは、再び混合器１４に流入するが、前記混合器１４は、前記ヒータ３１から分離された二酸化炭素と混合され、第１熱交換器１１で昇温した後、トリリフォーマ１６に供給される。
【００７６】
トリリフォーマ１６は、作動温度が約８００〜９００℃、作動圧力が５ｂａｒで、実施例１および２で言及したドライリフォーマ１５よりも高い温度および圧力で作動することから、第１熱交換器１１で水蒸気および二酸化炭素が十分に昇温した後、トリリフォーマ１６に供給されなければならない。
【００７７】
ＩＴＭ２０から分離された酸素の温度は、トリリフォーミングの反応温度の８５０℃に略に符合して、熱交換器を経ることなく供給できる。
【００７８】
トリリフォーマ１６で生成された一酸化炭素と水素は、合成器５０を経て、メタノール（Ｍｅｔｈａｎｏｌ）またはケトン（Ｋｅｔｏｎｅ）またはカーボネート（Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）などのような新たな燃料や有用な化学物質に転換および合成できる。
【００７９】
図５は、本発明に係る第４実施例のシステム構成図を示すものである。
【実施例４】
【００８０】
実施例４は、先に説明した実施例３において、熱と電気エネルギーを加えて、二酸化炭素と水蒸気を合成ガスと酸素に転換する共電解器６０をさらに含む。
【００８１】
タービン１２を通過した排気ガスは、三方バルブ６１で第２熱交換器３０へ向かう流れと共電解器６０へ向かう流れとに分岐される。
【００８２】
共電解器６０へ向かう流れは、排気ガス中の二酸化炭素と水蒸気が共に電解して、合成ガスと酸素に転換される共電解（Ｃｏｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）工程を経る。
【００８３】
共電解器６０で生産される酸素は混合器６２で、ＩＴＭ２０から分離された酸素と混合され、三方バルブ３５によって純酸素燃焼器１０またはトリリフォーマ１６に供給される。
【００８４】
トリリフォーマ１６または共電解器６０で生成された一酸化炭素と水素は、合成器５０を経て、メタノール（Ｍｅｔｈａｎｏｌ）またはケトン（Ｋｅｔｏｎｅ）またはカーボネート（Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）などのような新たな燃料や有用な化学物質に転換および合成できる。
【００８５】
図６は、本発明に係る第５実施例のシステム構成図を示すものである。
【実施例５】
【００８６】
実施例５は、大きく、空気中の酸素を分離するＩＴＭ２０と、純酸素燃焼器１０の外壁に純酸素燃焼反応によって生成された高濃度の二酸化炭素を合成ガス（ＣＯ、Ｈ２）に変換させるドライリフォーマ４１とを配置させた統合反応器４０と、合成ガスをメタノールなどに変換させる合成器５０などとから構成される。
【００８７】
従来の純酸素燃焼器は、酸素を酸化剤として用いることで、断熱火炎温度が高くて燃焼器の外壁の損傷をもたらすので、これを防止するために、水蒸気を流入させて燃焼温度を低下させる形態で反応を進行させた。この場合、水蒸気を生成させるための熱源がなければならない上に、水蒸気を駆動させるための別のポンプ動力を必要としてシステム構成が複雑になり、全体的なシステム効率が低下する問題があった。
【００８８】
そこで、本実施例５では、円筒形の純酸素燃焼器１０の外壁にドライリフォーマ４１を統合して統合反応器４０を本システムに導入した。これによって、純酸素燃焼器１０で生成される熱がドライリフォーマ４１に伝達されて、純酸素燃焼器１０の断熱火炎温度を低下させることができ、既存の純酸素燃焼器に比べて流入する水蒸気の量が減少して、水蒸気を生成させるための熱およびポンプの消耗動力を減少させることができ、システム構成を簡略にすることもできる。
【００８９】
純酸素燃焼器１０では、式（１）のような反応後に、排気ガスとして二酸化炭素と水蒸気（または酸素）を排出する。排出された排気ガスはタービン１２を駆動させ、タービン１２と同一軸に連結された発電機１３で電気を生産する。
【００９０】
タービン１２を通過した排気ガスは、第２熱交換器３０を通過し、ヒータ３１によって二酸化炭素と水蒸気に分離される。分離された水蒸気は、送風機３２によって再び第２熱交換器３０に流入し、昇温した後、再び純酸素燃焼器１０に循環する。純酸素燃焼器１０に流入する前に、三方バルブ３４で流量を調節することもできる。
【００９１】
分離された二酸化炭素はドライリフォーマ４１に供給されるが、供給された二酸化炭素と外部から流入する天然ガスとが、式（２）のドライ改質反応によって合成ガス（一酸化炭素、水素）を生成する。
【００９２】
ドライリフォーマ４１で生成された一酸化炭素と水素は、合成器５０を経て、メタノール（Ｍｅｔｈａｎｏｌ）またはケトン（Ｋｅｔｏｎｅ）またはカーボネート（Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）などのような新たな燃料や有用な化学物質に転換および合成できる。
【００９３】
純酸素燃焼器１０とドライリフォーマ４１とを統合させた統合反応器４０の導入により、システム構成がより簡単になる効果を得ることができる。
【００９４】
図７は、本発明に係る第６実施例のシステム構成図を示すものである。
【実施例６】
【００９５】
実施例６は、先に説明した本実施例５において、熱と電気エネルギーを加えて、二酸化炭素と水蒸気を合成ガスと酸素に転換する共電解器６０をさらに含む。
【００９６】
タービン１２を通過した排気ガスは、三方バルブ６１によって共電解器６０へ向かう流れと第２熱交換器３０へ向かう流れとに分岐される。
【００９７】
共電解器６０へ向かう流れは、排気ガス中の二酸化炭素と水蒸気が共に電解して、合成ガスと酸素に転換される共電解（Ｃｏｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）工程を経る。
【００９８】
共電解器６０で生産される酸素は混合器６２で、ＩＴＭ２０から分離された酸素と混合され、純酸素燃焼器１０に供給される。
【００９９】
ドライリフォーマ４１または共電解器６０で生成された一酸化炭素と水素は、合成器５０を経て、メタノール（Ｍｅｔｈａｎｏｌ）またはケトン（Ｋｅｔｏｎｅ）またはカーボネート（Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）などのような新たな燃料や有用な化学物質に転換および合成できる。
【０１００】
図８は、本発明に係る第７実施例のシステム構成図を示すものである。
【実施例７】
【０１０１】
実施例７は、大きく、空気中の酸素を分離するＩＴＭ２０と、純酸素燃焼器１０の外壁にトリリフォーマ４２とを配置させた統合反応器４０と、合成ガスをメタノールなどに変換させる合成器５０などとから構成される。
【０１０２】
ＩＴＭ２０から分離された酸素は、三方バルブ２２によって純酸素燃焼器１０またはトリリフォーマ４２に供給される。ＩＴＭ２０から分離された酸素を酸化剤として純酸素燃焼器１０で純酸素燃焼反応をし、二酸化炭素と水蒸気（または酸素）を排気ガスとして排出する。
【０１０３】
排出された排気ガスはタービン１２を駆動させ、前記タービン１２と同一軸にある発電機１３によって電気を生産することもできる。
【０１０４】
前記タービン１２を通過した排気ガスは、第２熱交換器３０を通過し、前記第２熱交換器３０を通過した排気ガスの流れは、ヒータ３１によって二酸化炭素と水蒸気に分離される。
【０１０５】
分離された二酸化炭素はトリリフォーマ４２に供給され、式（３）に示された三重改質反応をする。
【０１０６】
分離された水蒸気は、送風機３２によって再び第２熱交換器３０に流入し、第２熱交換器３０で昇温した水蒸気は、トリリフォーマ４２または純酸素燃焼器１０の方向に流れるようになる。前記流れを調節する三方バルブ３４がさらに備えられてもよい。
【０１０７】
トリリフォーマ４２では三重改質反応が起こるが、外部から供給される天然ガスとヒータ３１から分離された二酸化炭素、第１熱交換器を通過した水蒸気、ＩＴＭ２０から分離された酸素を受けて改質反応が行われる。実施例５および６に示されたドライ改質反応とは異なり、三重改質反応は、水蒸気と酸素の供給を付加的に必要とし、本システムのように流れを構成した。
【０１０８】
トリリフォーマ４２で生成された一酸化炭素と水素は、合成器５０を経て、メタノール（Ｍｅｔｈａｎｏｌ）またはケトン（Ｋｅｔｏｎｅ）またはカーボネート（Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）などのような新たな燃料や有用な化学物質に転換および合成できる。
【０１０９】
図９は、本発明に係る第８実施例のシステム構成図を示すものである。
【実施例８】
【０１１０】
実施例８は、先に説明した本実施例７において、熱と電気エネルギーを加えて、二酸化炭素と水蒸気を合成ガスと酸素に転換する共電解器６０をさらに含む。
【０１１１】
タービン１２を通過した排気ガスは、三方バルブ６１で第２熱交換器３０へ向かう流れと共電解器６０へ向かう流れとに分岐される。
【０１１２】
共電解器６０へ向かう流れは、排気ガス中の二酸化炭素と水蒸気が共に電解して、合成ガスと酸素に転換される共電解（Ｃｏｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）工程を経る。
【０１１３】
共電解器６０で生産される酸素は混合器６２で、ＩＴＭ２０から分離された酸素と混合され、三方バルブ３５によって純酸素燃焼器１０またはトリリフォーマ４２に供給される。
【０１１４】
トリリフォーマ４２または共電解器６０で生成された一酸化炭素と水素は、合成器５０を経て、メタノール（Ｍｅｔｈａｎｏｌ）またはケトン（Ｋｅｔｏｎｅ）またはカーボネート（Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）などのような新たな燃料や有用な化学物質に転換および合成できる。
【０１１５】
以上の説明は、本発明の技術思想を例として説明したものに過ぎず、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲で多様な修正および変形が可能である。したがって、本発明に開示された実施例は、本発明の技術思想を限定するためでなく説明するためであり、このような実施例によって本発明の技術思想の範囲が限定されるわけではない。本発明の保護範囲は、以下の請求の範囲によって解釈されなければならず、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は本発明の権利範囲に含まれると解釈されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明に係る二酸化炭素転換システムによれば、酸素生産の面で、ＩＴＭを用いることで、空気中の酸素を分離するＡＳＵに比べて酸素生産費が節減され、システム効率を向上させる効果がある。
【０１１７】
改質器から変換された合成ガスを、付加的な工程を経て、メタノールやケトン、カーボネートなどのような新たな燃料や有用な化合物質に転換および合成を行うことができ、多様な用途への活用が可能であるという利点がある。
【０１１８】
本発明に係る二酸化炭素転換システムにおいて、純酸素燃焼器の外壁にトリリフォーマまたはドライリフォーマを統合して作製することにより、純酸素燃焼器の外壁に損失となる熱をトリリフォーマまたはドライリフォーマに伝達させることができて、水蒸気の流入が不必要になったり、その量を低減可能で、水蒸気の生成および駆動のためのエネルギー消耗が少なくなる効果がある。
【０１１９】
また、トリリフォーマまたはドライリフォーマに供給される熱伝達率も向上させ、合成ガス転換率を向上させられる効果もある。
【０１２０】
さらに、深夜電力や新再生エネルギーから出る余剰電力および熱エネルギーを用いることで、合成ガスを新たな燃料や有用な化合物質に転換および合成を行うことができ、多様な用途への活用が可能であるという利点がある。
【図１】
2015536894.tif 000003
【図２】
2015536894.tif 000004
【図３】
2015536894.tif 000005
【図４】
2015536894.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2015536894.tif 000009
【図８】
2015536894.tif 000010
【図９】
2015536894.tif 000011
【国際調査報告】
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