(57)【要約】【課題】簡易な流通系加熱反応装置でありながら、加熱・加圧が可能で、固定床触媒反応も可能な二酸化炭素固定化反応装置を提供する。【解決手段】二酸化炭素を、触媒（１１）を内設した高温の反応器（７）内で、水素と反応させて固定化する二酸化炭素固定化反応装置において、反応器（７）内部を、該反応器の外周に螺旋状に配置したヒータ（６）により加熱し、反応器内に二酸化炭素と水素の混合ガス（１２）を供給して反応させ、反応後のガス（１３）を連続的に取り出すことができるように構成した二酸化炭素固定化反応装置。【選択図】図２
2007145730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を、触媒を内設した高温の反応器内で、水素と反応させて固定化する二酸化炭素固定化反応装置において、
反応器内部を、該反応器の外周に螺旋状に配置したヒータにより加熱し、
二酸化炭素と水素の混合ガスを反応させ、
反応後のガスを連続的に取り出すことができるように構成したことを特徴とする二酸化炭素固定化反応装置。
【請求項２】
二酸化炭素を、触媒を内設した高温の反応器内で、水素と反応させて固定化する二酸化炭素固定化反応装置において、
前記反応器の複数を直列に配置し、
各反応器内部を、各反応器の外周に螺旋状に配置したヒータにより加熱し、
二酸化炭素と水素の混合ガスを反応させ、
反応後のガスを連続的に後流の反応器に導入し、
導入したガス中の未反応ガスを反応させ、
反応後のガスを連続的に取り出すことができるように構成したことを特徴とする二酸化炭素固定化反応装置。
【請求項３】
前記触媒は、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｚｒのいずれかの元素を１種類以上含むものである請求項１又は２に記載の二酸化炭素固定化反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電所、製鉄分野、石油化学産業分野、一般化学工業分野等において利用できる二酸化炭素（ＣＯ２）固定化反応装置に関し、詳細には、簡易な流通系加熱反応装置でありながら、加熱・加圧が可能な二酸化炭素固定化反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所、工場、自動車等の人間の社会的活動に伴って大気中に排出される二酸化炭素は地球温暖化の主たる原因であることが知られており、近年、この二酸化炭素の排出量を削減することが地球環境の保護の大きな課題となっている。これに対し、従来より、発電所等の排煙や大気中の二酸化炭素を固定化し除去するためのシステムが種々提案されている。
【０００３】
二酸化炭素の固定化方法は、概ね生物的方法、物理的方法、化学的方法の３種類に分けられる。光合成を利用する生物的方法はかなりの量のＣＯ２の固定が期待でき、しかも熱帯林の保護や砂漠化防止にも役立つので、現在広範な植樹と微細藻類の多量かつ連続的な培養、増殖を行う研究開発が行われている。しかし、微細藻類による固定化反応は、微細藻類の表面で進行するため、微細藻類でＣＯ２を固定化するためには広大な面積の微細藻類が必要となる問題がある。
【０００４】
物理的方法は、ＣＯ２の特殊な媒体への溶解、吸着を利用する分離・濃縮法であり、例えば、ＣＯ２をアルカリ溶液に溶解、反応後、炭酸塩として分離する方法、或いは、ＣＯ２をゼオライト媒体等に吸着させた後、脱着、濃縮する方法などが開発研究されている。しかし、吸着法ではＣＯ２の吸脱着に膨大なエネルギーを要する問題点がある。吸収法では大掛かりな装置が必要である。
【０００５】
３番目の化学的方法は、電気化学法（電気化学的還元、電気化学的固定）、触媒反応を利用する方法、光反応を利用する方法に分けられる。電気化学法によるＣＯ２の還元としては、特殊な電極を使用して電解溶液中のＣＯ２を分解し、ギ酸、メタン等を常温で生成する方法等が知られているが、大規模な反応槽が必要であり、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。
【０００６】
触媒反応を利用するＣＯ２の還元は、ＣＯ２を一酸化炭素、メタノール等に転化してそれを利用するという手段等が知られており、このような化学的方法は、生物的方法や物理的方法に比べて、エネルギーの低減が図れる可能性があるが、基礎研究の段階である。
【０００７】
例えば、特許文献１には、反応器内で二酸化炭素を触媒の存在下に水素と反応させて固定化する二酸化炭素固定化装置において、反応進行中に反応生成物である炭素を反応器から連続的に取り出すことで、大容量の二酸化炭素を連続して効率よく固定できる装置が提案されている。この装置は、二酸化炭素と水素の混合ガスを、コンプレッサの駆動により反応器の下方から供給し、反応器内において混合ガス中に触媒粒子を浮遊させて流動層を構成する。触媒流動層において二酸化炭素と水素とが反応することで水と炭素とが生成されると共に、熱が発生する。
ＣＯ２＋２Ｈ２＝２Ｈ２Ｏ＋Ｃ＋Ｈｅａｔ
【０００８】
生成された水は蒸気となり、未反応の二酸化炭素と水素と共に、反応器の上部から配管を介して熱交換器に送られる。その熱交換器において、反応発生熱により二酸化炭素と水素とが加熱され、二酸化炭素の固定化反応が促進される。水蒸気と未反応ガスは、熱交換器から配管を介して凝縮器に送られ、その凝縮器において水蒸気は凝縮されて系外に排出される。未反応ガスは、凝縮器から配管を介してコンプレッサの入口側に戻されて、再び反応器に供給される。
【特許文献１】特開平１０−１８２１２１号公報（段落番号００１４〜００１６等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１記載の二酸化炭素の固定化装置は、非加熱で二酸化炭素を固定化できる点において優れているが、高圧での反応を要するメタノール等の液状炭化水素への直接転化反応には適していない。
【００１０】
一方、気相で還元する方法を用いれば、火力発電所の煙道等から排出される大量の二酸化炭素を短時間で処理することも可能であるが、触媒化学的な方法は反応速度が遅く、しかも液状炭化水素に直接転化するためには高圧下での反応が必要である。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑み、簡易な流通系加熱反応装置でありながら、加熱・加圧が可能で、固定床触媒反応も可能な二酸化炭素固定化反応装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは鋭意検討した結果、下記構成により前記目的を達成できることを見出し、本発明に到達した。
【００１３】
すなわち、本発明は、二酸化炭素を、触媒を内設した高温の反応器内で、水素と反応させて固定化する二酸化炭素固定化反応装置において、
反応器内部を、該反応器の外周に螺旋状に配置したヒータにより加熱し、
二酸化炭素と水素の混合ガスを反応させ、
反応後のガスを連続的に取り出すことができるように構成したことを特徴とする二酸化炭素固定化反応装置を提供する。
【００１４】
また、本発明は、二酸化炭素を、触媒を内設した高温の反応器内で、水素と反応させて固定化する二酸化炭素固定化反応装置において、
前記反応器の複数を直列に配置し、
各反応器内部を、各反応器の外周に螺旋状に配置したヒータにより加熱し、
二酸化炭素と水素の混合ガスを反応させ、
反応後のガスを連続的に後流の反応器に導入し、
導入したガス中の未反応ガスを反応させ、
反応後のガスを連続的に取り出すことができるように構成したことを特徴とする二酸化炭素固定化反応装置を提供する。
【００１５】
上記本発明の二酸化炭素固定化反応装置においては、触媒は、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｚｒのいずれかの元素を１種類以上含むものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の請求項１に係る二酸化炭素固定化反応装置によれば、簡易で、加熱・加圧反応が可能で、温度制御も容易で、メタノールへの直接転化反応も可能な装置となる。ラボスケールでの固定床触媒評価装置として使用することもできる。
【００１７】
本発明の請求項２に係る二酸化炭素固定化反応装置によれば、反応器を直列に配置することにより多段反応が可能となるため、固定化反応を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態１に係る二酸化炭素固定化反応装置（ヒータ図示省略）１の概略構成を示す外観全体図であり、装置１を架台２０に設置した状態を示すものである。
【００２０】
図２は、同装置構成を示す正面断面図である。二酸化炭素固定化反応装置１は、反応器７の外周にヒータ６を備え、更に配管２と４、圧力計３、温度計５、コック８と９を備えている。反応器７は、ネジ部分７ａにより本体と蓋体とが一体化されている。コック８，９を調整することにより、反応装置内部は密閉系となりうる。
【００２１】
反応器７内には、触媒１１が内設されている。反応器７は、その外周に螺旋状に配置されたヒータ（リボンヒータ等）により内部が加熱されるが、加熱温度は温度調節器１０で制御することができる。また、非加熱状態を保持することもできる。加熱された反応器７内には、配管２を介して、二酸化炭素と水素の混合ガス１２が反応器７の下部に供給され、この混合ガスが加熱された触媒１１と接触することによって、二酸化炭素と水素とが反応してメタノールが生成する。その反応式は以下の通りである。
ＣＯ２  ＋  ３Ｈ２  →  ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ
【００２２】
生成されたメタノールは、未反応の二酸化炭素と水素及び場合により副生する少量の一酸化炭素と共に、反応器７の上部から配管４を介して、排出ガス１３として装置外部に排出される。図２において、矢印はガスの流れを示している。排出されたメタノールと未反応ガスは、排出配管４に接続された配管を介して冷却器で冷却された後、気液分離器に送られる。気液分離器において、凝縮されたメタノールが回収される。一方、分離された未反応ガスは、リサイクルガスとして、再び二酸化炭素固定化反応装置に供給される。
【００２３】
本発明において使用される二酸化炭素は、二酸化炭素を含むガスであれば良いので、二酸化炭素は勿論のこと、石炭、石油、ＬＮＧ及びプラスチックの燃焼排ガスや、熱風炉排ガス、高炉排ガス、転炉排ガス及び燃焼排ガス等の製鉄所副生ガス等、二酸化炭素を１〜４０容量％含有する排ガスであっても良い。或いは、自動車のエンジンの排気ガス等であっても良い。
【００２４】
二酸化炭素と水素の比率は任意であり、二酸化炭素に対する水素の混合比が高いほど、メタノール生成量が多くなるが、二酸化炭素の固定化効率を考慮すると、二酸化炭素／水素＝５０／５０〜５／９５（モル比）の範囲が好ましい。
【００２５】
反応器に内設する触媒としては、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｚｒのいずれかの元素を１種類以上含む触媒を使用することが好ましく、該触媒と酸化チタンなどを担体とするパラジウム触媒等を併用しても良い。前記触媒の具体例としては、ＣｕＯ−ＺｎＯ、ＣｕＯ−ＺｎＯ−Ｃｒ２Ｏ３、或いは、これらの触媒をＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯなどの担体に担持したもの等が挙げられる。
【００２６】
触媒の形状は、球状、顆粒状、サイコロ状、粉末状、ペレット状、ビーズ状、ハニカム状、格子状、スパイラル状またはシート状などの形状であってもよく、形状に限定されない。触媒を反応器内に充填しても良いし、触媒を成形したものを反応器内に設置しても良い。
【００２７】
固定化反応における反応温度は、使用する触媒の種類によっても異なるため限定されないが、１２０〜３００℃が好ましい。固定化反応における反応圧力は、常圧、加圧の何れでもかまわないが、通常、０．１ＭＰａ（常圧）〜３０ＭＰａ、好ましくは０．１ＭＰａ（常圧）〜２０ＭＰａである。固定化反応における反応時間は、触媒量と反応温度に左右されて一定しないが、通常は反応進行状況を見ながら適宜に決定すれば良い。
【００２８】
図３は、本発明の実施形態２に係る二酸化炭素固定化反応装置１’の概略構成を示す正面断面図である。当該装置は、実施形態１に係る二酸化炭素固定化反応装置を直列に複数配置したものである。
【００２９】
本構成においては、二酸化炭素と水素の混合ガス１２を反応器７内に供給し、この反応器において二酸化炭素と水素の混合ガスを反応させ、反応後のガスを連続的に後流の反応器に導入する。後流の反応器において、未反応の二酸化炭素と水素を反応させ、二酸化炭素の固定化反応を促進させる。この反応を順に繰り返し行い、最後の反応器において反応後のガス１３を連続的に取り出し、実施形態１と同様にしてメタノールを回収する。
【００３０】
この装置構成によれば、前流の反応装置における未反応ガスを後流の反応装置において触媒の存在下に加熱するので、二酸化炭素固定化反応を促進することができる。
【００３１】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上説明したように、本発明の二酸化炭素固定化反応装置は、装置構成が簡単で、原料ガスを内部に注入することが可能で、反応ガスを取り出すことが可能で、加熱（もしくは非加熱）・加圧が可能であることから、小規模の二酸化炭素固定化反応装置として利用することができる。更に、ラボスケールで固定床触媒評価が可能であることから、試験装置として利用することもできる。また、多段反応装置として使用することにより、発電所の燃焼排ガス等の固定化反応装置として利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態１に係る二酸化炭素固定化反応装置（ヒータ省略）の外観全体図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る二酸化炭素固定化反応装置の正面断面図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る二酸化炭素固定化反応装置の正面断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１，１’  二酸化炭素固定化反応装置
２，４  配管
３  圧力計
５  温度計
６  ヒータ
７  反応器
８，９  コック
１０  温度調節器
１１  触媒
１２  二酸化炭素と水素との混合ガス
１３  排出ガス
【図１】
2007145730.tif 000003
【図２】
2007145730.tif 000004
【図３】
2007145730.tif 000005