(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界水と燃料を格納して反応させ熱と炭酸ガスを生成する燃焼部を有する燃焼装置において、前記燃焼部内に、前記炭酸ガスとの反応によって金属炭酸塩を生成する化学吸収材を具備することを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
前記金属炭酸塩は、炭酸リチウムであり、前記超臨界水は、２００気圧以上、４００℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記化学吸収材から炭酸ガスを除去する再生部と、その再生された化学吸収材を前記燃焼部に戻す添加部を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記化学吸収材は、鉄、ニッケル、ジルコニアから選ばれる金属の酸化物を主体とするリチウム化合物であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項５】
燃焼部において超臨界水と燃料の混合物から反応熱と炭酸ガスを形成する工程と、前記燃焼部において前記炭酸ガスを化学吸収材と反応させて金属炭酸塩に生成する工程とを具備することを特徴とする燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気汚染物質になりうる物質を比較的多く含有する石炭・重油などの燃料を、高効率かつ汚染物質を発散することなく燃焼させ、その熱を利用する燃焼装置及び燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
200 気圧、400 ℃以上の高温・高圧水と石炭などの燃料を反応させて、発生する熱で蒸気を生成して発電を行うプラントは、いわゆる超臨界水の応用技術として研究が進められている。これらのプラントは、燃料中に含まれる不純物質にも関わらず、硫化物などの有害物を大気中に発散せずに酸化反応を実行し、その反応熱を取り出すことができる点で、大きな期待を集めている。しかしながら、地球温暖化の主たる原因物質とされている炭酸ガスの排出については、分離・回収の手だてがなく、また、反応容器が高圧で逐次容器を密閉して酸化反応を進行させることから反応容器内に炭酸ガスが蓄積して反応を阻害するいう問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃焼装置は、反応容器が高圧で逐次容器を密閉して酸化反応を進行させることから反応容器内に炭酸ガスが蓄積して反応を阻害するいう問題があった。さらには、地球温暖化の主たる原因物質とされている炭酸ガスの排出量が多いという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、炭酸ガスを200 気圧、400 ℃以上の高温・高圧水の中から直接回収することによって、燃焼部内の炭酸ガス蓄積を防ぐと共に、炭酸ガスの排出をも抑制する高効率な燃焼装置を提供する事を目的とする。
【０００５】
本発明の燃焼装置は、超臨界水と燃料を格納して反応させ熱と炭酸ガスを生成する燃焼部を有する燃焼装置において、前記燃焼部内に、前記炭酸ガスとの反応によって金属炭酸塩を生成する化学吸収材を具備することを特徴とする。
【０００６】
前記金属炭酸塩は、炭酸リチウムであり、前記超臨界水は、２００気圧以上、４００℃以上とすることができる。
【０００７】
さらに、前記化学吸収材から炭酸ガスを除去する再生部と、その再生された化学吸収材を前記燃焼部に戻す添加部を備えることができる。
【０００８】
前記化学吸収材は、鉄、ニッケル、ジルコニアから選ばれる金属の酸化物を主体とするリチウム化合物を使用することができる。
【０００９】
本発明の燃焼方法は、燃焼部において超臨界水と燃料の混合物から反応熱と炭酸ガスを形成する工程と、前記燃焼部において前記炭酸ガスを化学吸収材と反応させて金属炭酸塩に生成する工程とを具備することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関わる燃焼装置を詳細に説明する。
本発明の燃焼装置は、例えば図１に示すように燃料１８と水１１を混合する混合部１、燃料と超臨界水の混合物を400 ℃以上、200 気圧以上の高温、高圧状態に保持する燃焼部２、燃焼後の水と燃焼生成物１３を分離する分離部３を中心構成要素とし、その周辺に炭酸ガス吸収材の添加部４、除去部５を付加し、さらに除去された炭酸ガス吸収材の再生部６とその再生された吸収材を添加部４に戻すための移送機構を備える。ここで超臨界水とは、例えば200 気圧、400 ℃以上の高温・高圧状態の環境に保持されて水の臨界点を越えた水のことである。
【００１１】
ここで、混合部１は微粉状石炭あるいは重油を水と空気と混合するものであればどのような形態であっても構わない。また、燃焼部２は燃料と水の混合物を400 ℃以上、200 気圧以上の高温、高圧状態に保持する容器であって、例えば入口側には昇圧ポンプが、出口側には減圧弁が備えられているような機構が必要となる。この容器の外面には例えば水のような熱媒体の流路７１、７２が設置され、発熱を除去するとともにその熱を蒸気に変換し、例えば発電などの用に供する。分離部３は、いわゆる気水分離器であって、減圧・降温された水中から固形物１３と窒素１０を分離し、水１１を混合部１に還流させる。この際、燃焼部２から出た高温水との間で熱交換をして熱の有効利用を図っても構わない。ここで、１４は吸収材、１５は炭酸ガス、１６、１７は高圧空気である。
【００１２】
炭酸ガス吸収材の添加部４では、燃焼装置の温度・圧力条件で炭酸リチウムを生成して炭酸ガスを選択的に吸収する物質を例えば高圧空気と共に添加する。この炭酸ガス吸収材は、選択的に炭酸ガスが吸収できる方法であればどのような物質でも良く、具体的には以下の方法が推奨される。すなわち、鉄、ニッケル、ジルコニアから選ばれる酸化物を主体とするリチウム化合物を化学吸収材として用いる方法であって、前記リチウム化合物が（１）〜（３）式によって炭酸ガスを吸収し、その逆反応によって炭酸ガスを放出する。これを数１として記す。
【００１３】
【数１】
0003929005.tif 000002
ここで（１）式は４２０℃以下の温度で特に起きやい。
【００１４】
（２）式は４５０℃以下の温度で特に起きやすい。
（３）式は５５０℃以下の温度で特に起きやすい。
すなわち、これらの炭酸ガス吸収材を燃焼部２に添加することによって、燃焼反応が進行している高温・高圧水中から炭酸ガスを吸収・除去することが出来き、結果的に燃焼反応を促進する事ができる。この超臨界水と燃料が反応ている液体から直接炭酸ガスを除去する事燃焼反応が促進される事は発明者らが新たに発見した事実であり、本発明に至ることができた。こうして反応が促進される事によって、排出される炭酸ガスの総量を、燃焼時に随時炭酸ガスを除去しない場合と比べて大幅に低減する事が出きる。
【００１５】
これらの材料は、30％以上50％以下の気孔率を有する多孔質体とすることが好ましく、その多孔質体の形態としては、直径10mm以上50mm以下のディスク状のもの、あるいは一辺の長さが10mm以上50mm以下の立方体に近い形態が挙げられる。除去部５では分離部３で回収した固形物の中から先述した炭酸ガス吸収材のみを回収するために、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３などの燃焼に伴う灰の成分を除去する。ここでは、前記炭酸ガス吸収材と灰の成分の比重差を利用しても良いし、形態の差を利用して分離してもよい。望ましくはあらかじめ前記炭酸ガス吸収材を、ディスク状の形態の場合は直径20mm以上50mm以下の大きさに成形し、また、立方体の形態の場合は一辺の長さが20mm以上50mm以下の大きさに成形しておくと、元々微粉状で供給される石炭の燃焼生成物との形態の違いを明確に得ることが出来、例えば前記20mmより小さい開口を有するステンレスの穴明き板の上を流動させるだけで容易に灰の成分だけを除去することが出来る。
【００１６】
再生部６は、前記炭酸ガス吸収材を加熱して炭酸ガスを放出させ、再度利用できるように再生させる。一気圧の純ガスとして炭酸ガスを回収することを想定すると、加熱温度としては、500 ℃以上900 ℃以下が望ましく、特に好ましくは700 ℃以上820 ℃以下である。
【００１７】
以上の構成によれば、炭酸ガスとの反応によって炭酸リチウムを生成する化合物が燃焼部に添加されていることにより、燃焼排出ガス中から炭酸ガスを効率よく除去することが可能となり、環境中への炭酸ガス放出を大幅に削減することができる。
【００１８】
またさらに、前記反応装置内部で炭酸ガスが直ちに除去されることにより、前記反応装置内部での炭酸ガスの蓄積を防ぐことが出来、結果として燃焼反応そのものの進行を促進することが可能となる。
【００１９】
【実施例】
（実施例１〜３）
図１に示す構成の燃焼装置を作成した。混合部１での給炭量を毎時２７０Ｋｇとし、燃焼部２の温度・圧力条件は550 ℃、230 気圧に設定し、表１に示す時間だけ燃料を保持する間欠燃焼とした。保持時間を１分、３分、８分と変えて夫々を実施例１〜３とした。ここで、この温度条件を維持するために燃焼部２の周囲を流通させた冷却水７の流量から蒸気ドラムに提供した熱量を算出し、各実施例の熱出力として表１に示した。添加部４では、気孔率42％、直径25mm、厚さ10mmのディスク状に成形したリチウムジルコネートを炭酸ガスの吸収材として毎時３．２トン添加した。除去部５ではステンレスメッシュによって吸収材と灰分を分離し、分離された灰分については熱重量分析により未反応の燃料成分を定量し表１に併記した。
【００２０】
【表１】
0003929005.tif 000003
【００２１】
再生部６では、分離回収した前記炭酸ガス吸収材を810 ℃に昇温し、１気圧の純炭酸ガスとして回収した。分離部３の排気中の炭酸ガス量と再生部６で回収された炭酸ガス量を定量して同じく表１に併記した。
【００２２】
（比較例１〜３）
図２に示す構成の燃焼装置を作成した。以下の装置の説明は、図1 と同一部分は同一番号を付しその詳細を省略した。
【００２３】
この図２の燃焼装置は、図１で示した燃焼装置とは炭酸ガス吸収材を燃焼部に添加しない構造になっている点が異なる。この燃焼装置を使用して実施例１〜３と同一の保持時間を設定した例を比較例１〜３とした。
【００２４】
即ち、混合部１での給炭量を毎時２７０Ｋｇとし、燃焼部２の温度・圧力条件は550 ℃、230 気圧に設定し、表１に示す時間だけ燃料を保持する間欠燃焼とした。ここで、この温度条件を維持するために燃焼部２の周囲を流通させた冷却水７の流量から蒸気ドラムに提供した熱量を算出し、実施例の熱出力として表１に示した。分離部３では戻り水と灰分を分離し、分離された灰分については熱重量分析により未反応の燃料成分を定量し表１に併記した。分離部３の排気中の炭酸ガス量を定量して同じく表１に併記した。
【００２５】
（比較例４）
図３に示す構成の燃焼装置を作成した。混合部１での給炭量を毎時２７０Ｋｇとし、燃焼部２の温度・圧力条件は550 ℃、230 気圧に設定し、表１に示す時間だけ燃料を保持する間欠燃焼とした。ここで、この温度条件を維持するために燃焼部２の周囲を流通させた冷却水７の流量から蒸気ドラムに提供した熱量を算出し、実施例の熱出力として表１に示した。分離部３では戻り水と灰分を分離し、分離された灰分については熱重量分析により未反応の燃料成分を定量し表１に併記した。アルカノールアミンをもちいる炭酸ガス回収部８を分離部３の排気系に接続して、排気中の炭酸ガスを選択吸収し大気中に放出される炭酸ガス量と回収部８で回収される炭酸ガスを定量して同じく表１に併記した。
【００２６】
表１に示すように実施例１〜３の燃焼装置は、比較例１〜４の燃焼装置に比べ、燃料の燃焼部２における滞在時間に相当する燃焼部２における保持時間が短い条件でも未反応の燃料成分が大幅に低減され、燃焼反応の確実な進行が確保され発熱を最大限に回収できることが判る。また、同時に大気中に排出される炭酸ガスの量も大幅に抑制されている事も分かる。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば炭酸ガス蓄積を防いで超臨界水と燃料との燃焼反応を促進する事によって、炭酸ガスの総排出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１〜３に用いた燃焼装置のブロック図
【図２】本発明の比較例１〜３に用いた燃焼装置のブロック図
【図３】本発明の比較例４に用いた燃焼装置のブロック図
【符号の説明】
１…混合部
２…燃焼部
３…分解部
４…添加部
５…除去部
６…再生部
７…冷却水
【図１】
0003929005.tif 000004
【図２】
0003929005.tif 000005
【図３】
0003929005.tif 000006