(57)【要約】【課題】化石燃料の燃焼を回避し、あらたな二酸化炭素の発生を抑制して、酸素欠乏型マグネタイトを製造する。【解決手段】酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００は、窒素源１１０と、マグネタイトを収容可能なマグネタイト反応部１５０と、窒素源１１０から送出された窒素が流通するとともに、窒素をマグネタイト反応部１５０に供給する窒素供給路１２０と、窒素供給路１２０に設けられ、窒素源１１０から送出された窒素を加熱する加熱部（第１熱交換器１３０）と、を備える。【選択図】図１
2013010654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素源と、
マグネタイトを収容可能なマグネタイト反応部と、
前記窒素源から送出された窒素が流通するとともに、該窒素を前記マグネタイト反応部に供給する窒素供給路と、
前記窒素供給路に設けられ、前記窒素源から送出された窒素を加熱する加熱部と、
を備えたことを特徴とする酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【請求項２】
前記マグネタイト反応部から排出されるガスからＮＯｘを除去するＮＯｘ除去部と、
前記ＮＯｘ除去部によってＮＯｘが除去されたガスを前記窒素供給路における前記加熱部の上流に戻す窒素循環路と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【請求項３】
前記マグネタイト反応部から排出されるガスを、前記ＮＯｘ除去部を介さずに、前記窒素循環路、または、前記窒素供給路にバイパスするバイパス路を備えたことを特徴とする請求項２に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【請求項４】
前記マグネタイト反応部から排出されるガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出部と、
前記ＮＯｘ検出部による検出結果に応じて、前記マグネタイト反応部から排出されるガスの排出先を、前記ＮＯｘ除去部と、前記バイパス路とに切り換える流路切換部と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【請求項５】
前記加熱部は、前記窒素源から排出された窒素と熱媒体とで熱交換を行うことで、該窒素を加熱するとともに該熱媒体を冷却し、
前記酸素欠乏型マグネタイト製造装置は、
前記マグネタイト反応部から排出されたガスを前記ＮＯｘ除去部に供給するための排出路に設けられ、該排出されたガスと熱媒体とで熱交換を行うことで、該排出されたガスを冷却するとともに該熱媒体を加熱する熱交換器と、
前記加熱部と前記熱交換器とで熱媒体を循環させる媒体循環部と、
を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素を還元して炭素に変換する酸素欠乏型マグネタイト製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年問題となっている地球温暖化は、人間の産業活動に伴って大気中に排出される温室効果ガスによって引き起こされている。つまり、大気中の温室効果ガス量が増加することで、地球温暖化が促進してしまう。
【０００３】
温室効果ガスとして、特に量が多い二酸化炭素を大気中から除去する技術として、酸素欠乏型マグネタイトに二酸化炭素を接触させることにより、二酸化炭素を還元して炭素に変換する技術が知られている。このような、酸素欠乏型マグネタイトを製造する技術として、例えば、３５０℃の水素下でマグネタイトを保持しておく技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８３１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したような特許文献１の技術では、還元剤として水素を利用するため、水素を製造するためのコストを要し、酸素欠乏型マグネタイト自体がコスト高となってしまっていた。したがって、安価な還元剤の開発が希求されていた。また、水素を製造するために利用されるエネルギーを生成する際に化石燃料を燃焼させると、その燃焼にコストを要するばかりか、二酸化炭素が発生してしまい本末転倒となってしまう。
【０００６】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、化石燃料の燃焼を回避し、あらたな二酸化炭素の発生を抑制して、酸素欠乏型マグネタイトを製造することが可能な酸素欠乏型マグネタイト製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の酸素欠乏型マグネタイト製造装置は、窒素源と、マグネタイトを収容可能なマグネタイト反応部と、窒素源から送出された窒素が流通するとともに、窒素をマグネタイト反応部に供給する窒素供給路と、窒素供給路に設けられ、窒素源から送出された窒素を加熱する加熱部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記マグネタイト反応部から排出されるガスからＮＯｘを除去するＮＯｘ除去部と、ＮＯｘ除去部によってＮＯｘが除去されたガスを窒素供給路における加熱部の上流に戻す窒素循環路と、を備えてもよい。
【０００９】
上記マグネタイト反応部から排出されるガスを、ＮＯｘ除去部を介さずに、窒素循環路または、窒素供給路にバイパスするバイパス路を備えてもよい。
【００１０】
上記マグネタイト反応部から排出されるガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出部と、ＮＯｘ検出部による検出結果に応じて、マグネタイト反応部から排出されるガスの排出先を、ＮＯｘ除去部と、バイパス路とに切り換える流路切換部と、を備えてもよい。
【００１１】
上記加熱部は、窒素源から排出された窒素と熱媒体とで熱交換を行うことで、窒素を加熱するとともに熱媒体を冷却し、当該酸素欠乏型マグネタイト製造装置は、マグネタイト反応部から排出されたガスをＮＯｘ除去部に供給するための排出路に設けられ、排出されたガスと熱媒体とで熱交換を行うことで、排出されたガスを冷却するとともに熱媒体を加熱する熱交換器と、加熱部と熱交換器とで熱媒体を循環させる媒体循環部と、を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、化石燃料の燃焼を回避し、あらたな二酸化炭素の発生を抑制して酸素欠乏型マグネタイトを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】酸素欠乏型マグネタイト製造装置の概略的な構造を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１５】
（酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００）
図１は、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００の概略的な構造を説明するための説明図である。図１に示すように、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００は、窒素源１１０と、窒素供給路１２０と、第１熱交換器（加熱部）１３０と、マグネタイト反応部１５０と、排出路１６０と、第２熱交換器（熱交換器）１７０と、ＮＯｘ検出部１８０と、ＮＯｘ除去部１９０と、窒素循環路２００と、バイパス路２１０と、流路切換部２２０と、媒体循環部２２２と、を含んで構成される。窒素の流れに着目すると、窒素源１１０から供給された窒素は、窒素供給路１２０、マグネタイト反応部１５０、排出路１６０、ＮＯｘ除去部１９０を通り、窒素供給路１２０に戻ることとなる。以下、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００を構成する各機能部について詳述する。
【００１６】
窒素源１１０は、例えば、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）方式の窒素発生装置１１２で構成される。窒素発生装置１１２は、タンク１１２ａとタンク１１２ａ内に充填されたＭＳＣ（Molecular Sieving Carbon：分子篩炭素）吸着剤とを含んで構成される。窒素発生装置１１２に空気を流通させると、空気中に含まれる窒素がＭＳＣ吸着剤に吸着される一方で、酸素はＭＳＣに吸着されずに通過する。そして、タンク１１２ａを減圧することで、ＭＳＣ吸着剤から窒素が脱着される。
【００１７】
したがって、ここでは、まず、第１ポンプ１１４ａを利用して、タンク１１２ａに空気（ＡＩＲ）を流通させて、タンク１１２ａに充填されたＭＳＣ吸着剤に窒素を吸着させる。続いて、第２ポンプ１１４ｂを利用して、タンク１１２ａを減圧することで、ＭＳＣ吸着剤から窒素を脱着させて、後述する窒素供給路１２０に送出する。こうして、窒素発生装置１１２は、空気から窒素を分離し、窒素発生装置１１２から窒素供給路１２０へ窒素が送出される。
【００１８】
本実施形態では、窒素源１１０として２台の窒素発生装置１１２を備える。これにより、一方の窒素発生装置１１２が空気中の窒素を吸着している間に、他方の窒素発生装置１１２が窒素を脱着させることができるため、連続的に窒素を窒素供給路１２０へ送出することが可能となる。
【００１９】
また、上述したように窒素発生装置１１２を利用して、空気中から窒素を分離することにより、必然的に酸素が生成される。こうして得られた酸素は、微粉炭焚ボイラ等における酸素富化燃焼等に有効利用することができる。
【００２０】
窒素供給路１２０は、窒素源１１０から送出された窒素が流通するとともに、後述するマグネタイト反応部１５０に窒素を供給する。
【００２１】
第１熱交換器（加熱部）１３０は、窒素供給路１２０に設けられ、窒素源１１０から送出された窒素と熱媒体とで熱交換を行うことで、窒素を加熱するとともに熱媒体を冷却する。つまり、マグネタイト反応部１５０には、第１熱交換器１３０で加熱された窒素が導入されることになる。
【００２２】
ここで第１熱交換器１３０は、火力発電のボイラから排出される排ガスや、原子力発電で発生する水蒸気等の二酸化炭素の発生を伴わない熱源を、熱媒体を加熱する熱源として利用すれば、さらなる二酸化炭素の発生を回避することが可能となる。
【００２３】
マグネタイト反応部１５０は、反応室１５２と、窒素貯留部１５４と、連通部１５６と、抜出管１５８とを含んで構成される。
【００２４】
反応室１５２には、マグネタイトが収容される。具体的に説明すると、反応室１５２において、後述する窒素貯留部１５４から導入された窒素によってマグネタイトが流動床（流動層）化する。ここで、反応室１５２には、第１熱交換器１３０で加熱された高温の窒素が導入されるため、この窒素が還元剤として機能し、以下の式（１）、式（２）に示すように、反応室１５２に収容されたマグネタイトが酸素欠乏型マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４-ｎ）に変換される。
Ｆｅ３Ｏ４＋ｎ／２Ｎ２→Ｆｅ３Ｏ（４−ｎ）＋ｎＮＯ
…式（１）
Ｆｅ３Ｏ４＋ｎＮＯ→Ｆｅ３Ｏ（４−ｎ）＋ｎＮＯ２
…式（２）
【００２５】
なお、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）は、磁鉄鉱とも呼ばれる化合物である。また、酸素欠乏型マグネタイトは、酸素不足型マグネタイト、酸素欠陥型マグネタイト、酸素欠損型マグネタイト、または、金属過剰型マグネタイトと呼ばれることもある。
【００２６】
窒素貯留部１５４は、反応室１５２の鉛直下方に配され、第１熱交換器１３０で加熱された高温の窒素を一時的に貯留する。連通部１５６は、反応室１５２と窒素貯留部１５４とを連通し、窒素貯留部１５４に貯留された高温の窒素を反応室１５２に導入する。抜出管１５８は、反応室１５２から鉛直下方向に延伸して窒素貯留部１５４を貫通し、反応室１５２内の酸素欠乏型マグネタイトを流通させることが可能な管である。したがって、反応室１５２で生成された酸素欠乏型マグネタイトは、抜出管１５８を通じて外部に抜出される。
【００２７】
上記窒素は、空気中の約８０％を占める気体であり、空気中から窒素を分離するために要するコストは、水素を製造するコストと比較して格段に低い。したがって、窒素を還元剤として利用することで、低コストで酸素欠乏型マグネタイトを製造することが可能となる。
【００２８】
また、従来、マグネタイトの還元剤として利用していた水素は、化石燃料を高温場で改質したり、部分酸化したりして、わざわざ製造しなければならず、その製造工程において二酸化炭素が発生してしまうこともあった。一方、窒素は、化石燃料の燃焼を伴わず、空気から分離するだけといった簡易な構成で得ることができるため、本実施形態の酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００によれば、窒素を還元剤として利用することで、化石燃料の燃焼を回避し、あらたな二酸化炭素の発生を抑制して、酸素欠乏型マグネタイトを製造することができる。
【００２９】
排出路１６０は、マグネタイト反応部１５０から排出されたガスＸ１が流通するとともに、ガスＸ１を後述するＮＯｘ除去部１９０に供給する。つまり、第１熱交換器１３０で加熱された窒素は、窒素貯留部１５４で一時貯留された後に、反応室１５２に導入され、マグネタイトを還元してガスＸ１となり、反応室１５２から排出され、排出路１６０を流通することになる。
【００３０】
第２熱交換器（熱交換器）１７０は、排出路１６０に設けられ、ガスＸ１と熱媒体とで熱交換を行うことで、ガスＸ１を冷却してガスＸ２とするとともに熱媒体を加熱する。
【００３１】
ＮＯｘ検出部１８０は、ガスＸ２のＮＯｘ濃度を検出して、検出結果をＮＯｘ除去部１９０および流路切換部２２０に伝達する。
【００３２】
ＮＯｘ除去部１９０は、ガスＸ２からＮＯｘ（窒素酸化物）を除去する。具体的に説明すると、ＮＯｘ除去部１９０は、例えば、選択式触媒還元（Selective Catalytic Reduction）脱硝装置であり、ＮＯｘの還元を促進する脱硝触媒（不図示）と、ＮＯｘを還元するための尿素水を導入（噴霧）する尿素導入部（不図示）と、尿素量調整部（不図示）とを含んで構成される。
【００３３】
ＮＯｘ除去部１９０の尿素量調整部は、ＮＯｘ検出部１８０が検出したＮＯｘの濃度に基づいて、尿素導入部が導入する尿素水の量を調整する。脱硝触媒は、バナジウム、タングステン、モリブデン等の金属またはその酸化物と酸化チタン等で構成される。尿素導入部によって脱硝触媒に導入された尿素水は、分解してアンモニアに変換される。そして、脱硝触媒において、ガスＸ２に含まれるＮＯｘがアンモニアによって還元されて窒素に変換される。つまり、ガスＸ２がＮＯｘ除去部１９０を通過することにより、ガスＸ２中のＮＯｘは、窒素に変換される。したがって、ＮＯｘ除去部１９０から送出されるガスＸ３は窒素ということになる。
【００３４】
窒素循環路２００は、ＮＯｘ除去部１９０によってＮＯｘが除去されたガスＸ３を窒素供給路１２０における第１熱交換器１３０の上流に戻す。これにより、マグネタイト反応部１５０から排出され、ＮＯｘ除去部１９０でＮＯｘが除去されたガスＸ３、すなわち窒素を再度マグネタイト反応部１５０で利用することができる。
【００３５】
バイパス路２１０は、ガスＸ２を、ＮＯｘ除去部１９０を介さずに窒素循環路２００にバイパスする。
【００３６】
流路切換部２２０は、ＮＯｘ検出部１８０による検出結果に応じて、マグネタイト反応部１５０から排出されるガスの排出先を、ＮＯｘ除去部１９０と、バイパス路２１０とに切り換える。具体的に説明すると、流路切換部２２０は、ＮＯｘ検出部１８０が検出したＮＯｘの濃度が、再度マグネタイト反応部１５０に導入されたとしても、窒素によるマグネタイトの還元に支障のない程度の値である所定値未満であると、ガスＸ２の排出先をＮＯｘ除去部１９０からバイパス路２１０に切り換えて、ＮＯｘ除去部１９０の動作を停止する。一方、流路切換部２２０は、ＮＯｘ検出部１８０が検出したＮＯｘの濃度が所定値以上であると、マグネタイト反応部１５０から排出されるガスＸ２の排出先を、バイパス路２１０からＮＯｘ除去部１９０に切り換える。
【００３７】
ガスＸ１に含まれるＮＯｘは、ＮＯ（一酸化窒素）が大部分である。ＮＯは還元剤としての機能を有するため、流路切換部２２０がＮＯｘ検出部１８０による検出結果に応じて流路を切り換えることにより、ＮＯｘ除去部１９０の不要な運転を抑制することができ、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００全体の運転コストを低減することが可能となる。また、ガスＸ２におけるＮＯｘ濃度は高い方が、ＮＯｘ除去部１９０におけるＮＯｘの除去効率が高い。したがって、流路切換部２２０がＮＯｘ検出部１８０による検出結果に応じて流路を切り換えることにより、ＮＯｘ除去部１９０において効率よくＮＯｘを除去することが可能となる。
【００３８】
媒体循環部２２２は、第１熱交換器１３０と第２熱交換器１７０とで熱媒体を循環させる。上述したように第１熱交換器１３０では熱媒体が冷却され、第２熱交換器１７０では熱媒体が加熱されるため、媒体循環部２２２が熱媒体を循環させることにより、熱損失を抑制することが可能となる。したがって、熱源による第１熱交換器１３０における熱媒体の加熱量を削減することができる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態にかかる酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００によれば、空気中に大量に存在し、空気から分離するだけといった容易に得ることができる窒素を還元剤として利用するため、低コストで、酸素欠乏型マグネタイトを製造することが可能となる。また、このように酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００は、水素を利用せずに窒素を還元剤として利用するため、化石燃料を燃焼させる必要がなく、さらなる二酸化炭素の発生を抑制することが可能となる。
【００４０】
なお、酸素欠乏型マグネタイトは、以下の式（３）、（４）に示すように、二酸化炭素を還元して炭素に変換する機能を有する。したがって、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００を利用して、酸素欠乏型マグネタイトを製造することで、大気中の二酸化炭素を炭素に変換できる、すなわち、大気中の二酸化炭素を除去することができ、地球温暖化を抑制することが可能となる。
ＣＯ２＋Ｆｅ３Ｏ（４−ｎ）→ＣＯ＋Ｆｅ３Ｏ４
…式（３）
ＣＯ＋Ｆｅ３Ｏ（４−ｎ）→Ｃ＋Ｆｅ３Ｏ４
…式（４）
【００４１】
ここで、酸素欠乏型マグネタイトに二酸化炭素を接触させることで得られた炭素は、別途燃料として利用することができる。例えば、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００で製造した酸素欠乏型マグネタイトにそのまま二酸化炭素を接触させる場合、これによって得られた、炭素が析出したマグネタイトをそのまま燃料として利用することができる。
【００４２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４３】
例えば、上述した実施形態では、窒素源１１０として、ＰＳＡ方式の窒素発生装置１１２を例に挙げて説明したが、窒素を供給できればよい。例えば、空気を冷却することで液体窒素として分離したりしてもよい。また窒素ボンベを窒素源１１０として利用することもできる。
【００４４】
また、上述した実施形態においてマグネタイト反応部１５０は、マグネタイトの流動床を形成しているが、マグネタイトの固定床（層）を形成しておき、この固定床に高温の窒素を導入することでマグネタイトを還元して酸素欠乏型マグネタイトを製造することもできる。
【００４５】
さらに、上述した実施形態においてマグネタイト反応部１５０の抜出管１５８が、反応室１５２の底面から鉛直下方向に延伸する構成について説明したが、抜出管１５８の設置位置に限定はない。例えば、抜出管１５８は、反応室１５２の側面から水平方向に延伸する構成であってもよい。
【００４６】
また、上述した実施形態において、加熱部が熱交換器（第１熱交換器１３０）である例について説明したが、窒素源１１０から供給された窒素を加熱できればよく、ヒータ等であってもよい。
【００４７】
さらに、上述した実施形態においてバイパス管２１０は、ガスＸ２を、ＮＯｘ除去部１９０を介さずに窒素循環路２００にバイパスするが、これに限らず、ガスＸ２を、ＮＯｘ除去部１９０を介さずに窒素供給路１２０にバイパスするとしてもよい。
【００４８】
また、上述した実施形態において、ＮＯｘ検出部１８０は、ガスＸ２のＮＯｘ濃度を検出しているが、ガスＸ１のＮＯｘ濃度を検出してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、二酸化炭素を還元して炭素に変換する酸素欠乏型マグネタイト製造装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１００  …酸素欠乏型マグネタイト製造装置
１１０  …窒素源
１２０  …窒素供給路
１３０  …第１熱交換器（加熱部）
１５０  …マグネタイト反応部
１６０  …排出路
１７０  …第２熱交換器（熱交換器）
１８０  …ＮＯｘ検出部
１９０  …ＮＯｘ除去部
２００  …窒素循環路
２１０  …バイパス路
２２０  …流路切換部
２２２  …媒体循環部
【図１】
2013010654.tif 000003