(57)【要約】【課題】エネルギーロスの低減化を図り安価な運転費及び設備費により低コストで消化ガスから水素を製造することができ、又、小規模生産を可能とすることができる水素製造方法及び水素製造装置を提供する。【解決手段】消化ガスと水蒸気との混合気体を収容する反応器２０の反応室と、該反応室内へ消化ガスを供給する消化ガス供給装置３０と、上記反応室内へ高圧水蒸気を間欠的に供給して該高圧水蒸気の衝撃波を上記反応室内で発生させる衝撃波発生装置４０とを有し、該衝撃波発生装置４０は、上記反応室内に衝撃波を伝播させて上記反応室内の消化ガス及び水蒸気の混合気体を衝撃圧縮して高温に加熱することにより、該混合気体中のメタンと水蒸気とを反応させて、水素含有ガスを生成させ、上記反応室には、該水素含有ガスを該反応室の外部へ取り出す排出手段が設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン及び二酸化炭素を主として含有する消化ガス中のメタンを水蒸気と反応させて水素含有ガスを生成させる水素製造方法において、反応室内へ消化ガスと水蒸気とを同時もしくは別時期に供給し、しかる後に上記反応室内へ高圧ガスを間欠的に供給して該高圧ガスの衝撃波を上記反応室内で発生させ、上記反応室内に供給された消化ガス及び水蒸気で混合されて成る混合気体を上記衝撃波によって衝撃圧縮して該混合気体を高温に加熱して、該混合気体中のメタンと水蒸気とを反応させて、水素含有ガスを生成させ、該水素含有ガスを上記反応室の外部へ取り出すことを特徴とする水素製造方法。
【請求項２】
メタン及び二酸化炭素を主として含有する消化ガス中のメタンを水蒸気と反応させて水素含有ガスを生成させる水素製造方法において、反応室内へ消化ガスと水蒸気とを同時もしくは別時期に供給し、しかる後に上記反応室内へ高圧ガスを間欠的に供給して該高圧ガスの衝撃波を上記反応室内で発生させ、上記反応室内に供給された消化ガス及び水蒸気で混合されて成る混合気体を上記衝撃波によって衝撃圧縮して該混合気体を高温に加熱して、該混合気体中のメタンと水蒸気とを反応させるとともに該混合気体中のメタンと二酸化炭素とを反応させて、水素含有ガスを生成させ、該水素含有ガスを上記反応室の外部へ取り出すことを特徴とする水素製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の水素製造方法で反応室の外部へ水素含有ガスを取り出した後に、該水素含有ガスから水素を分離することを特徴とする水素製造方法。
【請求項４】
反応室内への高圧ガスの間欠的な供給は、燃料の間欠的な燃焼によって爆轟を生じた燃焼ガスを高圧ガスとして上記反応室内へ供給することにより行なわれ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水素製造方法。
【請求項５】
燃料は消化ガスであることとする請求項４に記載の水素製造方法。
【請求項６】
消化ガスが下水汚泥の発酵により生成したガスであることとする請求項１乃至請求項３に記載の水素製造方法。
【請求項７】
メタン及び二酸化炭素を主として含有する消化ガス中のメタンを水蒸気と反応させて水素含有ガスを生成させる水素製造装置において、消化ガスと水蒸気との混合気体を収容する反応室と、該反応室内へ消化ガスを供給する消化ガス供給手段と、上記反応室内へ水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、上記消化ガス供給手段及び上記水蒸気供給手段によって消化ガス及び水蒸気の供給を受けた上記反応室内へ高圧ガスを間欠的に供給して該高圧ガスの衝撃波を上記反応室内で発生させる衝撃波発生手段とを有し、該衝撃波発生手段は、上記反応室内に衝撃波を伝播させて上記反応室内の消化ガス及び水蒸気の混合気体を衝撃圧縮して高温に加熱することにより、該混合気体中のメタンと水蒸気とを反応させて、水素含有ガスを生成させ、上記反応室には、該水素含有ガスを該反応室の外部へ取り出す排出手段が設けられていることを特徴とする水素製造装置。
【請求項８】
メタン及び二酸化炭素を主として含有する消化ガス中のメタンを水蒸気と反応させて水素含有ガスを生成させる水素製造装置において、消化ガスと水蒸気との混合気体を収容する反応室と、該反応室内へ消化ガスを供給する消化ガス供給手段と、上記反応室内へ水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、上記消化ガス供給手段及び上記水蒸気供給手段によって消化ガス及び水蒸気の供給を受けた上記反応室内へ高圧ガスを間欠的に供給して該高圧ガスの衝撃波を上記反応室内で発生させる衝撃波発生手段とを有し、該衝撃波発生手段は、上記反応室内に衝撃波を伝播させて上記反応室内の消化ガス及び水蒸気の混合気体を衝撃圧縮して高温に加熱することにより、該混合気体中のメタンと水蒸気とを反応させるとともに該混合気体中のメタンと二酸化炭素とを反応させて、水素含有ガスを生成させ、上記反応室には、該水素含有ガスを該反応室の外部へ取り出す排出手段が設けられていることを特徴とする水素製造装置。
【請求項９】
反応室の排出手段は、水素含有ガスから水素を分離する水素分離手段に接続されていることとする請求項７又は請求項８に記載の水素製造装置。
【請求項１０】
消化ガスは汚泥の発酵により生成したガスであり、水素分離手段は、脱水された汚泥の乾燥、乾燥された汚泥の焼却、焼却された汚泥の灰の溶融のいずれかのために燃料を燃焼させる燃焼装置に接続されていて、水素含有ガスから水素を分離した後の残ガスを燃料として上記燃焼装置へ帰還させるようになっていることとする請求項７乃至請求項９のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項１１】
衝撃波発生手段は、高圧ガスを収容し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て高圧ガスを間欠的に上記反応室内へ供給させる開閉手段とを有していることとする請求項７乃至請求項９のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項１２】
反応室は回転可能な回転体の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せる中空室として形成され、衝撃波発生手段はガス収容室から受けた高圧ガスを噴射するガス噴射口を有し、該ガス噴射口は軸線方向で上記端面に近接して対向する固定位置に配されており、該回転体は、上記回転体の回転に伴って、上記ガス噴射口を上記反応室の開口に連通させる連通位置と、周方向で隣接せる二つの開口の間で上記ガス噴射口を遮断させる遮断位置とに交互にもたらされるようになっていて、上記回転体の上記端面と上記ガス噴射口とがこれらの協働により上記ガス収容室と上記反応室とを連通そして実質的に遮断することを交互に繰り返す構成により開閉手段を形成していることとする請求項１１に記載の水素製造装置。
【請求項１３】
ガス収容室が外部のボイラに接続され該ボイラから受ける水蒸気を高圧ガスとして収容し、衝撃波発生手段は反応室内へ高圧ガスとして水蒸気を供給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請求項１１に記載の水素製造装置。
【請求項１４】
衝撃波発生手段は、燃料及び酸化剤の供給を受ける着火室と、該着火室で着火した燃料を燃焼させる燃焼室とを有し、該燃焼室は、反応室に接続されていて、燃料の瞬間的な燃焼によって爆轟を生じた燃焼ガスを高圧ガスとして上記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７乃至請求項９のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項１５】
着火室は、反応室へ消化ガスを供給するための消化ガス供給手段からの消化ガスの一部を受けるように該消化ガス供給手段に接続され、もしくは、上記反応室への消化ガス供給のための上記消化ガス供給手段とは別途設けられた他の消化ガス供給手段に接続されていて、消化ガスが上記着火室にて燃料として用いられることとする請求項１４に記載の水素製造装置。
【請求項１６】
着火室と燃焼室とは、該着火室から分岐して延び該燃焼室へ連通する路程の等しい複数の誘導路を介して接続され、上記燃焼室は、反応室へ向け通路断面積が小さくなっていることとする請求項１４に記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタン及び二酸化炭素を主として含有する消化ガス中のメタンを水蒸気と反応させて水素含有ガスを生成させる水素製造方法及び水素製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の装置では、消化ガスとして、下水汚泥等の処理施設で下水汚泥等の発酵により生成したガスを用いることができる（例えば、特許文献１）。このような消化ガスは上記処理施設で副産物として大量に発生するが、例えば、特許文献１には、消化ガス中のメタンを水蒸気と反応させることにより水素含有ガスを生成させて、消化ガスの有効利用を図ることが記載されている。
【０００３】
特許文献１では、消化ガスからメタンを分離して高濃度のメタンガスを得た後、このメタンガスをスチームリフォーマによって水蒸気と反応させて、水素含有ガスを生成させる。
【０００４】
スチームリフォーマでは、一般に、反応室内で予め高温状態に維持された高温状態の改質触媒にメタン等の炭化水素と水蒸気との混合気体を接触させることにより、該炭化水素と該水蒸気との反応を起こさせる。この反応により、水素と一酸化炭素を含有する水素含有ガスが生成される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−３１６５７１号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献１に記載された水素製造の装置にあっては、スチームリフォーマを用いているので、水素製造の反応前に反応室内で予め改質触媒を高温状態としなければならない。その結果、かかる装置は、本来の水素製造反応工程に当てられる時間長に対してその前後での立ち上げ工程や立ち下げ工程の時間長が占める割合が大きくなるので、エネルギーロスそして時間的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。
【０００７】
このようなエネルギーロスや時間的ロスを低減するためには、一般にこのような装置では一旦装置を立ち上げて反応室内を高温状態とした後は長時間連続して水素製造が行われるので、小規模生産、特に所望時の短時間生産には向かない。したがって、消化ガスの発生量が必要量以上安定して得られないときには、短時間操業とならざる得ず、上述のエネルギーロスや時間的ロスは顕著となる。
【０００８】
さらに、上記スチームリフォーマでは、反応器内の高温維持状態の時間が装置の立ち上げから反応工程を経て立ち下げまでの間に亘り長時間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。
【０００９】
また、消化ガスは主としてメタンと二酸化炭素とを含有しているので、これらを反応させれば水素と一酸化炭素とを生成させることができるが、この反応に必要な温度は上述の特許文献１による水素製造時のメタンと水蒸気との反応よりも高くなってしまう。これは、改質装置でメタンと二酸化炭素とを反応させようとすると、反応室が特許文献１でのメタンと水蒸気との反応時よりもさらに高温状態となることになり上述の問題を悪化させることを意味する。したがって、上述の特許文献１では、反応室内での二酸化炭素の存在が該反応室内でのメタンと水蒸気との濃度を低下させてこれらを反応しづらくさせるので、消化ガスから二酸化炭素を取り除いて得た高濃度のメタンガスを反応室内へ供給しなければならない。その結果、消化ガスから二酸化炭素を取り除くための装置が別途必要となるので、設備費が高くなる。
【００１０】
そこで、本発明は、メタン及び二酸化炭素を主として含有する消化ガスから水素を製造するに際し、エネルギーロスの低減化を図って安価な運転費及び設備費により低コストとすることができ、又、小規模生産を可能とすることができる水素製造方法及び水素製造装置の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本出願は、上記目的を達成する手段として、メタン及び二酸化炭素を主として含有する消化ガス中のメタンを水蒸気と反応させて水素含有ガスを生成させるために、方法に関しては第一の発明、装置に関しては第二の発明を提案する。
【００１２】
＜第一の発明＞
第一の発明は、メタン及び二酸化炭素を主として含有する消化ガス中のメタンを水蒸気と反応させて水素含有ガスを生成させる水素製造方法である。
【００１３】
第一の発明に係る水素製造方法では、先ず、反応室内へ消化ガスと水蒸気とを同時もしくは別時期に供給する。しかる後に上記反応室内へ高圧ガスを間欠的に供給して該高圧ガスの衝撃波を上記反応室内で発生させ、上記反応室内に供給された消化ガス及び水蒸気で混合されて成る混合気体を上記衝撃波によって衝撃圧縮して該混合気体を高温に加熱して、該混合気体中のメタンと水蒸気とを反応させて、水素含有ガスを生成させる。そして、該水素含有ガスを上記反応室の外部へ取り出す。
【００１４】
かかる水素製造方法によれば、反応室内へ高圧ガスを間欠的に供給することにより生じた衝撃波が、消化ガスと水蒸気とが混合されてなる混合気体を収容する反応室内に伝播して該混合気体を衝撃圧縮する。反応室内で急激に圧縮された上記混合気体は温度が上昇して８００℃以上の高温となって、上記混合気体中のメタンと水蒸気とが反応して、水素及び一酸化炭素を含有する水素含有ガスを生成させる。このとき、上記混合気体を上記衝撃圧縮により１０００℃以上に加熱することとすれば、上記混合気体中のメタンと水蒸気とが反応するとともに該混合気体中のメタンと二酸化炭素とが反応して、水素含有ガスを生成させる。
【００１５】
第一の発明において、上記水素含有ガスを取り出した後には、該水素含有ガスから水素を分離することが可能である。
【００１６】
また、反応室内への高圧ガスの間欠的な供給は、例えば、燃料の間欠的な燃焼によって爆轟を生じた燃焼ガスを高圧ガスとして上記反応室内へ供給することにより行なうことが可能である。上記消化ガスを反応ガスとしてのみならず、上記燃料として用いることもできる。
【００１７】
さらに、消化ガスとしては例えば下水汚泥の発酵により生成したガスを用いることができる。
【００１８】
＜第二発明＞
第二の発明は、メタン及び二酸化炭素を主として含有する消化ガス中のメタンを水蒸気と反応させて水素含有ガスを生成させる水素製造装置である。
【００１９】
第二の発明に係る水素製造装置は、消化ガスと水蒸気との混合気体を収容する反応室と、該反応室内へ消化ガスを供給する消化ガス供給手段と、上記反応室内へ水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、上記消化ガス供給手段及び上記水蒸気供給手段によって消化ガス及び水蒸気の供給を受けた上記反応室内へ高圧ガスを間欠的に供給して該高圧ガスの衝撃波を上記反応室内で発生させる衝撃波発生手段とを有している。該衝撃波発生手段は、上記反応室内に衝撃波を伝播させて上記反応室内の消化ガス及び水蒸気の混合気体を衝撃圧縮して高温に加熱することにより、該混合気体中のメタンと水蒸気とを反応させて、水素含有ガスを生成させる。そして、上記反応室には、該水素含有ガスを該反応室の外部へ取り出す排出手段が設けられている。
【００２０】
かかる水素製造装置によれば、上述の第一の発明と同様に、消化ガスと水蒸気とが混合されてなる混合気体が反応室内で衝撃波によって衝撃圧縮されて、メタンと水蒸気とが反応、もしくは、メタンと水蒸気とが反応するとともにメタンと二酸化炭素とが反応して、水素含有ガスを生成させる。
【００２１】
第二の発明において、反応室の排出手段は、水素含有ガスから水素を分離する水素分離手段に接続されているようにすると、第一の発明と同様に、上記水素含有ガスから水素のみを取り出すことができる。
【００２２】
また、消化ガスとして汚泥の発酵により生成したガスを用いる場合には、水素分離手段は、脱水された汚泥の乾燥、乾燥された汚泥の焼却、焼却された汚泥の灰の溶融のいずれかの加熱処理のために燃料を燃焼させる燃焼装置に接続することができる。その結果、この燃焼装置には、水素含有ガスから水素を分離した後の残ガスを燃料として帰還させて燃焼させることができ、上記残ガスが有効利用されて、上記燃焼装置の燃料費が安価となる。
【００２３】
上記衝撃波発生手段は、例えば、高圧ガスを収容し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て高圧ガスを間欠的に上記反応室内へ供給させるために開閉手段とを有して構成される。かかる構成としては、一例として、上記反応室は回転可能な回転体の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せる中空室として形成され、上記衝撃波発生手段がガス収容室から受けた高圧ガスを噴射するガス噴射口を有し、該ガス噴射口が軸線方向で回転体の上記端面に近接して対向する固定位置に配されているようにすることができる。このような構成では、上記ガス噴射口は、上記回転体の回転に伴って、上記ガス噴射口を上記反応室の開口に連通させる連通位置と、周方向で隣接する二つの開口の間で上記ガス噴射口を遮断させる遮断位置とに交互にもたらされるようにすることが可能である。その結果、回転せる回転体と非回転のガス噴射口との間での開閉のために、相対回転を許容しなければならないような複雑な専用の開閉手段を追加的に用いることなく、上記回転体の端面と上記ガス噴射口とがこれら自体の協働により上記ガス収容室と上記反応室とを連通そして実質的に遮断することを交互に繰り返す構成により開閉手段を形成することができる。このような構成の開閉手段においては、上記専用の高速開閉弁を開閉手段として用いる必要がなく、構成がきわめて簡単で信頼性の高い開閉手段を実現できるので、装置の長寿命化と稼働率の向上を図ることができる。また、衝撃波を短時間間隔で断続的に発生できるため、短時間に大量に水素製造を行なうことが可能で、高能率化が図れ、装置を大型化することなく処理能力が高くでき小型化を図ることができ、その結果、設備費が安価となる。
【００２４】
また、衝撃波発生手段がガス収容室と開閉手段とを有する上述のような構成では、上記ガス収容室が、例えば汚泥の加熱処理のための上述の燃焼装置等に設けられたボイラ等、水素製造装置の外部のボイラに接続され該ボイラから受ける水蒸気を高圧ガスとして収容するようにすると、上記燃焼装置等の廃熱が有効利用されて、運転費の安価な装置となる。そして、衝撃波発生手段において衝撃波発生に用いられる高圧ガスが水蒸気であるため、該衝撃波発生手段が水蒸気供給手段を兼ねることととなり、衝撃波発生のための機構と水蒸気供給のための機構とが共通化され、その結果、装置の構成が簡略化される。
【００２５】
また、衝撃波発生手段は、上記ガス収容室と上記開閉手段とを有する構成に代えて、燃料及び酸化剤の供給を受ける着火室と、該着火室で着火した燃料を燃焼させる燃焼室とを有し、この燃焼室が、反応室に接続されていて、燃料の瞬間的な燃焼によって爆轟を生じた燃焼ガスを高圧ガスとして上記反応室内に供給する構成にすることができる。かかる構成は、燃料の燃焼により簡単に高圧ガスが得られる。また、かかる構成において、上記着火室は、反応室へ消化ガスを供給するための消化ガス供給手段からの消化ガスの一部を受けるように該消化ガス供給手段に接続されていることとすれば、上記消化ガスを反応ガスとしてのみならず、上記燃料として用いることもできる。こうすることにより、上記燃料として別途純燃料を必要とせず運転費が安価となる。また、上記反応室への消化ガス供給のための上記消化ガス供給手段とは別途設けられた他の消化ガス供給手段に上記着火室を接続して、上記燃料として消化ガスを用いてもよい。
【００２６】
また、衝撃波発生手段が着火室及び燃焼室を有する上記構成では、上記着火室と上記燃焼室とは、該着火室から分岐して延び該燃焼室へ連通する路程の等しい複数の誘導路を介して接続され、上記燃焼室が、反応室へ向け通路断面積が小さくなっていることが好ましい。こうすることにより、上記着火室で生じた火炎は複数の誘導路を経て同時に上記燃焼室に導入そして収束されて、爆轟波が合流して高温高圧となり、上記燃焼ガスの高圧化によって高圧ガスとして用いられる。その結果、爆轟を生じた燃焼ガスによって生じる衝撃波で消化ガス及び水蒸気の混合気体を衝撃圧縮した際の高温化が図れる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づき説明する。
【００２８】
（第一の実施形態）
先ず、本発明の第一の実施形態にかかる装置を図１ないし図４にもとづいて説明する。
【００２９】
図１は本実施形態装置の概略構成を示す図である。
【００３０】
本実施形態装置は、消化ガス中のメタンを水蒸気と反応させるとともに該消化ガス中のメタンを該消化ガス中の二酸化炭素と反応させて、水素及び一酸化炭素を含有する水素含有ガスを生成させるために、図１に示す下水汚泥等の汚泥処理施設１０で生じた消化ガスを用いる。
【００３１】
上記汚泥処理施設１０は、図１に示すように、下水汚泥等の汚泥を発酵させて消化処理を行なう消化槽１１と、該消化槽１１での消化処理後の汚泥等を熱処理する燃焼装置１２と、該燃焼装置１２の廃熱を利用するボイラ１３とを備えている。
【００３２】
上記消化槽１１は、下水汚泥等の汚泥を発酵させて処理するようになっている。この発酵処理時に、上記消化槽１１では、メタン及び二酸化炭素を主として含有する消化ガスが副産物として発生する。
【００３３】
上記燃焼装置１２は、図２に示すように、上記消化槽１１から受けた消化処理後の汚泥を脱水して脱水ケーキとする脱水装置１４と、該脱水ケーキを乾燥して乾燥汚泥とする乾燥機１５と、該乾燥汚泥を焼却して焼却灰とする焼却炉１６と、該焼却灰を溶融してスラグとする灰溶融炉１７とを有している。
【００３４】
上記乾燥機１５、上記焼却炉１６、上記灰溶融炉１７は、各処理に必要な熱を得るために、酸化剤としての酸素あるいは空気と燃料との供給を受け、燃料を燃焼させるようになっている。本実施形態では、上記乾燥機１５、上記焼却炉１６、上記灰溶融炉１７には、例えば、灯油が主燃料として、そして後述の分離装置６０から帰還される一酸化炭素（ＣＯ）、後述のバッファタンク５０から帰還される合成ガス（Ｈ２＋ＣＯ）が補助燃料として供給されるようになっている。
【００３５】
かかる燃焼装置１２に接続された上記ボイラ１３は、この燃焼装置１２の上記焼却炉１６から廃熱を受けて高圧の水蒸気を発生させるようになっている。
【００３６】
上述の汚泥処理施設１０で生じた消化ガス中のメタン及び二酸化炭素と水蒸気とから水素を製造するために、本実施形態装置は、図１に示すように、これらの反応をさせるための反応器２０を備えている。該反応器２０では、上記汚泥処理施設１０から受けたメタンを水蒸気と反応させるとともにメタンと二酸化炭素とを反応させて、水素及び一酸化炭素を含有する水素含有ガスを生成させる。
【００３７】
上記反応器２０については後で詳述するが、上記反応器２０には、入口側に、上述の消化槽１１から受けた消化ガスを該反応器２０に供給する消化ガス供給装置３０と、上述のボイラ１３からの高圧水蒸気による衝撃波を発生させる衝撃波発生装置４０とが接続され、出口側には、上記反応器２０内から反応生成ガスを受けるバッファタンク５０が接続されている。
【００３８】
上記消化ガス供給装置３０は、上述の消化槽１１で発生した消化ガスを受けるようになっている。そして、上記消化ガス供給装置３０は、制御弁３１Ａを介して上記反応器２０と接続されていて、該制御弁３１Ａの開閉制御により上記反応器２０への消化ガスの供給量が所定量に制御される。
【００３９】
上記衝撃波発生装置４０は、図１に示すように、上述のボイラ１３から高圧水蒸気を受けこれを収容するガス収容室４１と、該ガス収容室４１に開閉手段たる制御弁４２を介して接続される収束管４３とを有している。
【００４０】
上記収束管４３は、図３に示すように、図３にて左側の大径一端側から右側の小径他端側に向けて次第に径を減ずる収束部４３Ａを有している。上記収束管４３は上記大径一端に半径方向に張り出すフランジ部４３Ｂを有し、ここにノズル取付体４４がボルト（図示せず）等により取り付けられている。上記の取付体４４には、複数のノズル４５が等しく分布するように設けられている。これらの複数のノズル４５は図１に示す上記ガス収容室４１に上記制御弁４２を介して一括して接続されている。該制御弁４２は、所定時間間隔で繰り返し瞬時に開動作を行なって、開動作時に、上記ガス収容室４１から受けた高圧水蒸気を上記ノズル４５を経て収束管４３内へ瞬間的に噴射せしめ、間欠的に衝撃波を発生させる。
【００４１】
上記収束管４３の上記小径他端部は、上記反応器２０に連通接続せる開口４６が形成されていて、上記衝撃波を該反応器２０の後述の反応室２１Ａへ伝播せしめるようになっている。また、上記収束管４３の上記小径他端部には排気口４７が形成されている。該排気口４７には所定時に開放される制御弁４８（図１にて図示）が接続されていて、上述の衝撃波発生後の収束管４３内の不要な低圧蒸気を排出可能となっている。
【００４２】
上述の衝撃波発生装置４０は、衝撃波発生のために用いられる高圧水蒸気が反応室２１Ａへ供給されてメタンとの反応にも用いられるので、水蒸気供給手段をも兼ねることになる。
【００４３】
次に、図４に基づき、本実施形態にかかる反応器２０を詳細に説明する。
【００４４】
図４（Ａ）は反応器２０の概略構成を示す図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００４５】
この反応器２０は、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、図４にて横方向に延びる軸線２１Ｘまわりに回転する回転体２１に、周方向の複数位置で、上記軸線２１Ｘに平行に延びて回転体２１の軸線方向両端にて開口する反応室２１Ａが形成されている。各反応室２１Ａは、上述の消化ガス供給装置３０から消化ガスの供給を受けた後に、これを上述の衝撃波発生装置４０から受ける高圧の水蒸気の噴射による衝撃波によって衝撃圧縮して高温としてメタンと水蒸気との反応そしてメタンと二酸化炭素との反応を起こすための空間である。すなわち、上記反応室２１Ａは、上記消化ガス中のメタンと上記水蒸気とを反応させるとともに、該消化ガス中のメタンと二酸化炭素とを反応させて、水素及び一酸化炭素を含有する水素含有ガスを生成させるための空間である。
【００４６】
この回転体２１の両端面に対向する位置には、それぞれ、回転体２１の回転を許容するよう該端面に対して微小間隙をもって蓋状の開閉部材２２，２３が非回転で配設されている。この開閉部材２２，２３と回転体２１の端部周面との間はこれらの相対回転を許容しつつシール部材２４によってシールされている。また、シールとしてはラビリンスシール、オイルシールまたは水封装置を用いてもよい。
【００４７】
供給側（図４にて左側）の開閉部材２２には、上記回転体２１の直径方向で互いに対向する位置に、上述の消化ガス供給装置３０に連通せる一つの供給開口２２Ａと、上述の衝撃波発生装置４０の収束管４３と連通せるガス噴射口たる一つの供給開口２２Ｂとが形成されている。
【００４８】
また、排出側（図４にて右側）の開閉部材２３には、上記バッファタンク５０に連通せる一つの排出口２３Ａが形成されていて、上記反応室２１Ａ内の反応生成ガスが該排出口２３Ａから排出されるようになっている。上記排出口２３Ａと、供給開口２２Ａ，２２Ｂとの位置関係を以下説明する。
【００４９】
上記回転体２１は、軸受等の支持部材２５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、各反応室２１Ａの開口が供給開口２２Ａに順次一致して連通するように、間欠的に回転されるようになっている。すなわち、本実施形態では、上記回転体２１には８つの反応室２１Ａが形成されているので、上記回転体２１が４５°ずつ間欠回転して、順次各反応室２１Ａの開口が上記供給開口２２Ａと一致する。
【００５０】
具体的には、上記回転体２１の回転により、複数の反応室のうち一つの反応室２１Ａの開口が供給開口２２Ａと一致するときには、該一つの反応室２１Ａと消化ガス供給装置３０とが上記供給開口２２Ａを介して連通される。このとき、該供給開口２２Ａと半径方向で対向する供給開口２２Ｂには、上記一つの反応室２１Ａと半径方向反対側の他の反応室２１Ａの開口が一致する。その後、上記回転体２１が４５°ずつ４度、すなわち１８０°回転したときに、上記供給開口２２Ｂと上記一つの反応室２１Ａが一致して、該一つの反応室２１Ａと衝撃波発生装置４０の収束管４３とが上記供給開口２２Ｂを介して連通される。上記１８０°回転の間に上記一つの反応室２１Ａの開口が上記供給開口２２Ａ及び上記供給開口２２Ｂと一致せずに開閉部材２２の蓋面に対面するときには、該蓋面によって上記一つの反応室２１Ａの左端開口が閉ざされる。その結果、該一つの反応室２１Ａと上記消化ガス供給装置３０及び上記収束管４３との連通が実質的に遮断される。
【００５１】
また、上述のごとく上記一つの反応室２１Ａの左端開口が供給開口２２Ｂと一致するときには、該一つの反応室２１Ａは排出側で排出開口２３Ａと一致し、図１に示す制御弁２６を介して上記バッファタンク５０と連通可能な状態となる。また、上記一つの反応室２１Ａが排出開口２３Ａと一致せずに開閉部材２３の蓋面に対面するときには、該蓋面によって該反応室２１Ａの右端開口が実質的に閉ざされる。
【００５２】
このように、複数の反応室２１Ａは、図４からも判るように、回転体２１の間欠回転によって、供給側で供給開口２２Ａと一致しかつ排出側で開閉部材２３の蓋面に対面したときの一つの反応室２１Ａが消化ガスの供給を順次断続的に受ける。そして、消化ガスの供給を受けたその反応室２１Ａの開口が回転体２１の１８０°回転後に供給開口２２Ｂと一致する位置にきたときに、上記図１の制御弁２６が閉状態のままで、衝撃波発生装置４０からの衝撃波を伴う高圧の水蒸気が反応室２１Ａ内に供給されるようになっている。上記衝撃波により上記反応室２１Ａ内で上記消化ガスと上記水蒸気との混合気体が衝撃圧縮されて高温となって、該混合気体中のメタンと水蒸気、そしてメタンと二酸化炭素が反応し、一酸化炭素及び水素を含有する水素含有ガスを生成する。その後、上記制御弁２６が開状態とされて、該反応室２１Ａから開閉部材２３の排出開口２３Ａを経て上記水素含有ガスが排出され、バッファタンク５０へ収容される。なお、本実施形態では反応器２０は上述のごとく構成されているが、特にその形態に限定はない。例えば、反応器は上述のような回転する形式でなくとも非回転であってもよく、このとき反応室とガス収容室とが高速開閉弁等の別途の開閉手段を介して常時接続されているように構成する。このような構成では、反応室の数や形状も任意であり、衝撃波発生装置４０からの高圧水蒸気の噴射による衝撃波を受けて消化ガス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。
【００５３】
上記バッファタンク５０には、図１にみられるように、バッファタンク５０内で圧力変動が緩和された水素含有ガスを水素と一酸化炭素とに分離する分離装置６０（例えば、ＰＳＡ）が接続されている。
【００５４】
上記分離装置６０で分離された水素は、それぞれ適した用途に用いることができる。本実施形態では、上記分離装置６０は、上記水素含有ガスから水素を分離した後の残ガス（主として一酸化炭素）を燃料として上述の燃焼装置１２に帰還させて有効利用するため、該燃焼装置１２に接続されている。
【００５５】
なお、図１にて破線で示すように、上記バッファタンク５０から上記分離装置６０へ水素含有ガス（Ｈ２＋ＣＯ）が供給されて該分離装置６０で水素が分離される前に、上記バッファタンク５０からの水素含有ガスの一部を燃料として、該分離装置６０を経由せずに上記燃焼装置１２に帰還させてもよい。
【００５６】
次に、本実施形態装置の動作を図１ないし図４にもとづいて説明する。
【００５７】
▲１▼  先ず、回転体２１の間欠回転に伴って、図４に示す一つの反応室２１Ａが供給開口２２Ａと連通すると、図１に示す消化ガス供給装置３０から消化ガスが上記反応室２１Ａに供給される。
【００５８】
▲２▼  上記消化ガスの供給を受けた上記一つの反応室２１Ａは、その後に、上述の回転体２１の１８０°回転により供給開口２２Ｂに連通する。また、この連通と同期して、衝撃波発生装置４０では、図１に示す弁４２が瞬間的に開放され、ガス収容室４１からの高圧水蒸気を図３に示す複数のノズル４５からパルス状ジェットとして噴射する。複数ノズル４５から高圧水蒸気が噴射されると、収束管４３内に水蒸気の衝撃波が発生する。この衝撃波は収束管４３の他端（図１及び図３にて右側）へ向け進行して、収束部４３Ａで収束しさらに高圧となる。この収束衝撃波は、収束管４３の開口４６を経由して反応室２１Ａ内へ至る。
【００５９】
▲３▼  すでに消化ガスの供給を受けている反応室２１Ａ内に、供給開口２２Ｂから高圧の水蒸気の上記衝撃波が伝播されると、反応室２１Ａ内の上記消化ガスがこの衝撃波によって反応室２１Ａの排出側の端部（図４にて右端部）に向けて衝撃圧縮されて高温となる。この高温状態のもと、上記消化ガス中のメタンと上記衝撃波の水蒸気とが反応するとともに、該消化ガス中のメタンと該消化ガス中の二酸化炭素とが反応し、その結果、水素及び一酸化炭素を含有する水素含有ガスを得る。本実施形態では、ガス収容室４１内の水蒸気は、例えば、温度が２００℃であり、圧力が１．５ＭＰａである。そして、上記消化ガスの上記衝撃圧縮によって反応室２１Ａ内の温度は、例えば、１０００℃、圧力は３ＭＰａとなる。このような温度そして圧力の状態のもとで、メタンと水蒸気との反応、そしてメタンと二酸化炭素との反応は、それぞれ、
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２
である。このような反応を回転体２１の間欠的な回転により次々供給開口２２Ｂに連通した各反応室２１Ａ内で行い、その都度、水素含有ガスを生成する。
【００６０】
▲４▼  次に、反応室２１Ａ内で生成された水素含有ガスは、制御弁２６の開放によりバッファタンク５０内に噴出されて一旦収容される。このとき、上記バッファタンク５０内に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、逆反応が阻止されるとともに、水蒸気が冷却され凝縮するので、ガス中の水分を分離除去することができる。又、バッファタンク５０は、通常大容量とされるので、バッファタンク５０内へ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変動が緩和されて低圧となる。このように、本実施形態では、生成時には高温高圧であった水素含有ガスの圧力及び温度をバッファタンク５０にて低下させて、逆反応を阻止して反応室内での消化ガス及び水蒸気の供給量に対する水素含有ガスの生成量の比を高めている。
【００６１】
一方、上記制御弁２６の開放により上記バッファタンク５０内へ水素含有ガスが噴出された後に反応室２１Ａ内に残留せる低圧水蒸気は、収束管４３の排気口４７から排出され、例えば、ボイラ１３に帰還させて再利用される。
【００６２】
▲５▼  その後、バッファタンク５０内の水素含有ガスは、分離装置６０に供給され、該分離装置６０によって水素が分離され、水素ガスを得る。上記分離装置６０で水素含有ガスから水素を分離した後の残ガスとしてのＣＯは、燃焼装置１２、例えば乾燥機１５、焼却炉１６、灰溶融炉１７に補助燃料として帰還されて有効利用される。
【００６３】
また、本実施形態では、上記消化ガス供給装置３０から上記反応器２０への消化ガス供給経路に助剤として廃プラスチック、廃油等が供給されるようにしてもよい。廃プラスチックは溶融して噴霧するか、破砕して微粉状にして供給される。廃油は噴霧して供給される。上記反応室２１Ａ内で、廃プラスチック、廃油等の助剤と水蒸気とが、そして該助剤と消化ガス中の二酸化炭素とが、
ＣｎＨ２ｎ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋２ｎＨ２
ＣｎＨ２ｎ＋ｎＣＯ２→２ｎＣＯ＋ｎＨ２
の反応により、水素及び一酸化炭素を生成させる。消化ガスと水蒸気との反応により水素含有ガスを生成させることに、助剤と水蒸気との反応と、助剤と二酸化炭素との反応とにより水素含有ガスを生成させることを加えることにより、水素含有ガスの製造量を増大させることができる。また、廃棄物である廃プラスチックと廃油を有効利用することができる。
【００６４】
（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態にかかる装置を図５及び図６に基づき説明する。なお、図１乃至図４に示すものと同一構成のものには同一符号を付してある。
【００６５】
第二の実施形態では、図５に示すように、図１の衝撃波発生装置４０に代えて、燃料の間欠的な燃焼により爆轟を生じた燃焼ガスによって衝撃波を発生させる爆轟発生装置７０が衝撃波発生手段として反応器２０に接続されている点で、上述の第一の実施形態と異なっている。
【００６６】
本実施形態では、消化ガス供給装置３０から反応器２０への消化ガス供給経路３１に、上記爆轟発生装置７０の接続のための分岐経路３２が設けられている。
【００６７】
上記爆轟発生装置７０は、この分岐経路３２を通じて上記消化ガス供給装置３０に制御弁３２Ａを介して接続されていて、燃料として消化ガスを受けるようになっている。また、上記爆轟発生装置７０は、図示しない外部の供給手段から、上記燃料を燃焼させる際に必要となる酸化剤として空気の供給を受けるようになっている。
【００６８】
また、消化ガス供給装置３０から反応器２０への消化ガス供給経路３１には、上記分岐経路３２の分岐点よりも下流で水蒸気供給装置８０が接続されていて、メタンとの反応のための水蒸気が混入されるようになっている。本実施形態では、この水蒸気として廃水が有効利用されていて、この廃水は水蒸気化した後に上記消化ガス供給経路へ供給される。すなわち、上記消化ガス供給経路を経て上記反応器２０内に消化ガスと水蒸気との混合気体が供給される。
【００６９】
上記爆轟発生装置７０は、図６に示すように、燃料及び酸化剤の供給を受ける着火室７１と、該着火室７１から分岐して延びる路程の等しい複数の誘導路７２と、該誘導路７２に連通された燃焼室７３とを有している。
【００７０】
上記着火室７１は円筒状に形成され、上記着火室７１の端部には、着火装置としての点火栓７４が設けられている。
【００７１】
上記着火室７１の他端部は、円盤空間状の分散室７５に連通されている。この分散室７５から路程の等しい複数の孔状の誘導路７２が延びて、燃焼室７３にやや湾曲形成された導入側端部７３Ａに連通している。
【００７２】
上記燃焼室７３は、図６にて右方に向け通路断面積が小さくなる円錐状をなしていて、上記導入側端部７３Ａで最大、図６にて右側端部の出口開口端部７３Ｂで最小となる収束部を形成するようになっている。そして、上記燃焼室７３は、図５に示す反応器２０と出口開口端部７３Ｂで接続されている。
【００７３】
燃焼室７３の出口開口端部７３Ｂには、本実施形態では、着火室７１及び燃焼室７３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７６（７６Ａ及び７６Ｂ）が形成されている。この水冷ジャケット７６は、着火室７１及び燃焼室７３の内壁の温度を上記燃料の着火温度以下に維持し、着火室７１及び燃焼室７３の内壁の過昇温による着火室７１及び燃焼室７３での異常燃焼を防止する。
【００７４】
また、燃焼室７３の出口開口端部７３Ｂ近傍には、燃焼室７３内での燃焼排ガスを排出する排出口７７が形成されている。この排出口７７は、図５に示す制御弁７８を介して、反応器２０の周囲に環状空間を形成して配設されこの環状空間内に該反応器２０の加熱用の高温ガスを収容する加熱器２７に接続されている。この加熱器２７は、上記排出口７７から上記環状空間内に高温の上記燃焼排ガスを受け、反応器２０に上記燃焼排ガスの熱を伝達せしめて、上述の爆轟発生装置７０からの衝撃波による加熱に加えて上記反応器２０の反応室内のガスを補助的に加熱するようになっている。そして、上記加熱器２７で上記反応器２０との熱交換により該反応器２０を加熱した後に、該加熱器２７の上記環状空間内で降温した燃焼排ガスは、燃焼装置１２の燃料燃焼空間（図示せず）へ導入されて、その後該燃焼装置１２の排ガスとともに外部へ排出される。
【００７５】
上述のごとく構成された爆轟発生装置７０は、次のように作動する。
【００７６】
先ず、着火室７１、分散室７５、誘導路７２、そして燃焼室７３内に、ほぼ理論混合比の燃料と酸化剤が上記着火室７１から充填される。
【００７７】
次いで、点火栓７４を作動させると、着火室７１内では、着火により爆轟が起こり、その火炎が分散室７５そして誘導路７２を経て燃焼室７３の導入側端部７３Ａに伝播される。その際、複数の誘導路７２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７２の火炎は同時に燃焼室７３の導入側端部７３Ａに達することとなる。
【００７８】
燃焼室７３内では火炎は導入側端部７３Ａから出口開口端部７３Ｂへと進行するが、燃焼室７３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。
【００７９】
燃焼室７３の出口開口端部７３Ｂには反応器２０が接続されていて、高温高圧の衝撃波が該反応器２０の反応室内に伝播する。
【００８０】
また、本実施形態では、図５に示すように、廃プラスチック、廃油等の助剤が爆轟発生装置７０に供給されるようにしてもよい。廃プラスチックは溶融して噴霧するか破砕して微紛状にして供給される。廃油は噴霧して供給される。反応器２０において、助剤と水蒸気または消化ガス中の二酸化炭素との反応により水素含有ガスを生成させることを加えることにより、水素含有ガスの製造量を増大させることができる。また、廃棄物である廃プラスチックと廃油を有効利用することができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、第一の発明及び第二の発明によれば、高圧ガスによる衝撃波によって消化ガス中のメタン及び二酸化炭素と水蒸気との混合気体を衝撃圧縮して高温にすることにより該混合気体中のメタンと水蒸気とを反応させて、水素含有ガスを生成させるようになっているので、短時間で反応室内の混合気体を高温にすることができるため、装置に耐火物を多用することなく装置を構成でき、装置の立ち上げそして立ち下げ時に反応室を高温とする際に生じるエネルギーロスの低減化を図って安価な運転費及び設備費により低コストで、消化ガスを有効利用して水素を製造できる。また、このように短時間で反応室内の混合気体を高温にすることは、立ち上げそして立ち下げの時間が短いので時間的ロスも少なく所望時に素早く高温状態を得るので、少量ずつ小規模生産を行なっても、エネルギーロスが増大することはない。さらに、消化ガス中のメタンと水蒸気との反応のみならずメタンと二酸化炭素との反応も反応室内で行なわれ、そして該反応では主に水素及び一酸化炭素を含有する水素含有ガスが生成することができるので、水素製造に先立って消化ガスから二酸化炭素を取り除く必要がなく、そのための費用もかからず、安価に水素製造を行なえる。このように生じた水素含有ガスは、そのまま燃料ガスとして利用することができるし、水素が分離された場合には、その残ガス（主に一酸化炭素）を燃料等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示された汚泥処理施設を説明するための図である。
【図３】図１の装置に備えられた衝撃波発生手段を説明するための図である。
【図４】図１の装置に備えられた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装置の概略構成を示す図である。
【図６】図５の装置に備えられた爆轟発生装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  燃焼装置
１３  ボイラ
２１  回転体
２１Ａ  反応室
２２Ｂ  供給開口（ガス噴射口）
２３Ａ  排出口（排出手段）
３０  消化ガス供給装置（消化ガス供給手段）
４０  衝撃波発生装置（衝撃波発生手段、水蒸気供給手段）
４１  ガス収容室
４２  制御弁（開閉手段）
６０  分離装置（分離手段）
７０  爆轟波発生装置（衝撃波発生手段）
７１  着火室
７２  誘導路
７３  燃焼室
８０  水蒸気供給装置（水蒸気供給手段）
【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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【図６】
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