(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径０．１〜１０μｍの一般式Ｌｉ４ＳｉＯ４で示されるリチウムシリケートを含有することを特徴とする炭酸ガス吸収材。
【請求項２】
リチウム、ナトリウムおよびカリウムから選ばれた少なくとも１種のアルカリの炭酸塩が添加され、
添加量は前記リチウムシリケートに対して５〜３０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１記載の炭酸ガス吸収材。
【請求項３】
炭化水素を主成分とする燃料を燃焼させる燃焼装置において、
炭化水素を燃焼することで発生する炭酸ガスの排出流路に平均粒径０．１〜１０μｍの一般式Ｌｉ４ＳｉＯ４で示されるリチウムシリケートを配置したこと
を特徴とする燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭酸ガス吸収材および燃焼装置に係り、燃焼装置などで排出された高温の炭酸ガス吸収に優れた炭酸ガス吸収材、およびこの炭酸ガス吸収材を具備する燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、発動機などの炭化水素を主成分とする燃料を燃焼させる燃焼装置において、排気ガス中の炭酸ガスを回収するためには、炭酸ガス濃度の高い燃焼室近傍で炭酸ガス回収を行うことが効率的である。そのためには一般に炭酸ガスの吸収を３００℃以上の環境下で行わなければならない。
【０００３】
ところで、炭酸ガスの分離方法としては従来より酢酸セルロースを用いる方法、アルカノールアミン系溶媒による化学吸収法等が知られているが、これらの分離方法はいずれも導入ガス温度を２００℃以下に押さえる必要がある。したがって、高温度でのリサイクルを要する燃焼装置からの排気ガスである炭酸ガスを高濃度な状態で回収するためには、排気ガスを一度、熱交換器等により２００℃以下に冷却する必要がある。そのため、結果的に炭酸ガス分離のためのエネルギー消費量が多くなるという問題があった。
【０００４】
一方、特開平９−９９２１４号公報にはリチウム化ジルコニアからなる炭酸ガス吸収材が開示されている。このリチウムジルコネートは約５００℃を超える温度域において炭酸ガスの回収が可能なため、必ずしも全ての温度の排気ガスから炭酸ガスの吸収・回収を実施することは困難である。また、特開平１１−９０２１９号公報には４５０℃以下の温度で炭酸ガスと反応して炭酸リチウムを生成する炭酸ガス吸収材として、アルミニウム、チタン、鉄およびニッケルから選ばれる少なくとも1種を含むリチウム化酸化物が開示されているが、これらの炭酸ガス吸収材を用いても、２５０℃程度での炭酸ガス吸収率は未だ十分なものではなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の炭酸ガス吸収剤においては、２５０℃近傍の温度域での炭酸ガス吸収効率の高い材料が見出されていなかった。
【０００６】
本発明は、２５０℃近傍の温度域においても炭酸ガス吸収能の高い炭酸ガス吸収材を提供すること、およびこの炭酸ガス吸収材を具備することで、燃焼室から排気される燃焼ガス中の炭酸ガス量を少なくさせる燃焼装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平均粒径０．１〜１０μmの一般式Ｌｉ４ＳｉＯ４で示されるリチウムシリケートを含有することを特徴とする炭酸ガス吸収材である。
【０００９】
すなわち、本発明者らは、リチウムシリケートが、例えば、
Ｌｉ4ＳｉＯ4（ｓ）＋２ＣＯ2（ｇ）→ＳｉＯ2（ｓ）＋２Ｌｉ2ＣＯ3（ｌ）
なる反応が２５０℃程度の温度域で生じることを発見し、この温度域で炭酸ガス吸収材として使用可能な材料として有用であることを見出し本発明に至った。
【００１０】
リチウムシリケートは、内部からリチウム（Ｌｉ）が表面に拡散し、このＬｉが表面で炭酸ガスと反応することにより、炭酸ガスを吸収する。比較的低温下（２５０℃程度）においては、Ｌｉの拡散速度が低下する傾向にあるため、粉末粒径を小さくし、Ｌｉの拡散移動距離を小さくすることが望ましい。また、粉末の粒径が小さすぎると粉末の凝集が生じ、実効平均粒径が小さくならなかったり、新たに生じた界面の存在により、炭酸ガス吸収特性は逆に低下する恐れがある。このような理由から、リチウムシリケートの平均粒径はより好ましくは１〜５μｍである。
【００１１】
本発明の燃焼装置は、炭化水素を主成分とする燃料を燃焼させる燃焼装置であり、炭化水素を燃焼することで発生する炭酸ガスの排出流路に平均粒径０．１〜１０μｍの一般式Ｌｉ４ＳｉＯ４で示されるリチウムシリケートを配置したことを特徴とする燃焼装置である。
【００１２】
すなわち、エネルギープラントや、発動機など、炭化水素を主成分とする燃料を燃焼させる燃焼装置において、燃焼により発生する炭酸ガスの流路にリチウムシリケートを配置することで、燃焼排ガス中の炭酸ガスの大気中への放出量を低減させることが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明で用いられるリチウムシリケートは、一般式Ｌｉ４ＳｉＯ４で示されるリチウムシリケートである。
【００１４】
また、炭酸ガス吸収材として用いるリチウムシリケートは、通常粉体または、炭酸ガスがその内部を通過できる程度に圧縮したリチウムシリケート粉体からなる成形体が使用される。また、リチウムシリケート粉末からなる多孔質体を用いることも可能であり、この場合、気孔率を３０％〜６０％程度にすることが好ましい。
【００１５】
前述したように、１００〜７００℃の温度域で固体であるリチウムシリケートは炭酸ガスと反応し、固体である二酸化珪素と炭酸リチウムを生成することで、炭酸ガスを吸収する。また、前記反応は可逆性を持っており、二酸化珪素と炭酸リチウムとは、８００℃程度で反応し、リチウムシリケートと炭酸ガスに分離する。
【００１６】
このように、リチウムシリケートは、所望の場所で炭酸ガスを選択的に吸収し、吸収した炭酸ガスを再利用することが可能であり、さらに、炭酸ガスを放出した後に、炭酸ガス吸収材として再度使用することが可能な材料である。
【００１７】
また、炭酸ガス吸収材として用いられるリチウムシリケート粉体は、またはリチウムシリケートの成形体を形成するシリケート粉末は、平均粒径が０．１〜１０μｍであることが望ましい。なお、前記平均粒径はレーザー回折法で測定すればよい。
【００１８】
前記リチウムシリケートは内部からＬｉが表面に拡散し、表面で炭酸ガスと反応することにより炭酸ガスを吸収する。低温ではこのＬｉの拡散速度が小さく、また炭酸ガスとの反応速度も小さくなるため、炭酸ガス吸収特性が著しく低下する。粉末の平均粒径が小さくなると、Ｌｉの表面への拡散移動距離が小さくなるため、容易に炭酸ガスと反応するようになる。このような理由から平均粒径が小さいほど炭酸ガス吸収特性は向上することになる。ところが、或る値を下回ると粉末の凝集が起手るようになり、実効平均粒径が小さくならず、また、新たに生じた界面の存在により、炭酸ガス吸収特性は逆に低下する。したがって好ましい平均粒径は０．１〜１０μｍであり、より好ましくは１〜５μｍである。
【００１９】
前記リチウムシリケートには、さらにリチウム、ナトリウムおよびカリウムから選ばれるアルカリの炭酸塩が添加されることを許容する。このような炭酸塩を添加することによって、得られた吸収材の炭酸ガスの吸収・放出反応が促進される。
【００２０】
前記炭酸塩の添加量は、前記リチウムシリケートに対して５〜３０ｍｏｌ％にすることが好ましい。前記炭酸塩の添加重を５ｍｏｌ％未満にすると、炭酸ガスの吸収反応の促進効果を十分に発揮することが困難になる。一方、前記炭酸塩の添加重が３０ｍｏｌ％を超えると炭酸ガスの吸収反応の促進効果が飽和するばかりか、吸収材の容積当たりの炭酸ガス吸収量が低下する恐れがある。より好ましい前記炭酸塩の添加量は、前記リチウムシリケートに対して１０〜２０ｍｏｌ％である。
【００２１】
前述したように、リチウムシリケート粉末から形成された多孔質体を炭酸ガス吸収材として使用した場合、添加されるリチウム、ナトリウムおよびカリウムから選ばれるアルカリの炭酸塩はその細孔に保持される。このような多孔質体構造の炭酸ガス吸収材は、例えば次のような方法により作製される。まず、二酸化珪素および炭酸リチウムを所定量秤量し、メノウ乳鉢等で０．１〜１ｈ混合する。得られた混合粉末をアルミナるつぼに入れ、大気中、箱型電気炉等で０．５〜２０ｈ熱処理する。その後再び遊星ボールミルで平均粒径が０．１〜１０μｍとなるまで粉砕し、リチウムシリケート原料粉末を得る。平均粒径は粉砕時間で制御する。続いてこのリチウムシリケート粉末を所定量秤量し、金型に充填し、圧縮成形して気孔率４０％前後の成形体とすることにより多孔質体構造の炭酸ガス吸収材を作製する。
【００２２】
このようにすることで、２５０℃程度の比較的低温下で、効率よく炭酸ガスを吸収する炭酸ガス吸収材を得ることができる。
【００２３】
また、本発明の炭酸ガス吸収材の使用例を以下に挙げる。
【００２４】
図１は、本発明の炭酸ガス吸収材を具備した発動機の概念図である。
【００２５】
燃焼室１には、燃料供給口２および燃焼ガス排出口３と、燃料供給口２から導入されたガソリンなどの炭化水素系燃料を燃焼させるための点火手段７と、燃焼室１内の内圧に応じて駆動するピストン４が設けられている。燃料供給口２および燃焼ガス排出口３には、燃料を供給するタイミング、燃焼ガスを排出するタイミングが制御された弁３が配置されており、燃料供給、燃料の燃焼、燃焼ガスの排出の工程を繰返すことで、燃焼室１内の内圧を変化させて、ピストン４を駆動する。また、排出口３には、燃焼ガス排出路５が形成されており、燃焼ガスは燃焼ガス排出路５を通過して燃焼室１外部へ放出される。
【００２６】
図１においては、本発明の炭酸ガス吸収材６−１を燃焼ガス排出路５に充填しており、この炭酸ガス吸収材により、燃焼ガス中の炭酸ガスを一部吸収することで、放出される燃焼ガス中の炭酸ガス濃度を低減することができる。
【００２７】
また、燃焼ガス温度が高温の場合には、リチウム化ジルコニアなどのより高温で炭酸ガスを吸収する炭酸ガス吸収材６−２を排出口側に配置し、それぞれの炭酸ガス吸収材を所望の温度で機能させるように位置に配置することで、放出される燃焼ガス中の炭酸ガス濃度をより低減させることができる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
実施例１
平均粒径１μmの炭酸リチウム粉末と平均粒径O.8μmの二酸化珪素粉末をモル比で２：１となるように秤量し、メノウ乳鉢にて１０ｍｉｎ乾式混合した。得られた混合粉末を箱型電気炉にて、大気中１０００℃で８ｈ熱処理し、リチウムシリケート（Ｌｉ2ＳｉＯ3）粉末を得た。続いてこのリチウムシリケート粉末を遊星ボールミルにて１６ｈ粉砕し、リチウムシリケート粉末の平均粒径を３μｍとした。
【００３０】
平均粒径３μｍのリチウムシリケート粉末を直径１２ｍｍの金型内に充填し、加圧成形することにより気孔率４０％の成形体を作製した。
【００３１】
実施例２
炭酸リチウム粉末と二酸化珪素粉末の混合比をモル比で４：１としリチウムシリケートとしてＬｉ4ＳｉＯ4を用いたこと以外は、実施例１と同様の方法で成形体を作製した。
【００３２】
実施例３
炭酸リチウム粉末と二酸化珪素粉末の混合比をモル比で３：２としリチウムシリケートとしてＬｉ6Ｓｉ4Ｏ11を用いた以外は、実施例1と同様の方法で成形体を作製した。
【００３３】
実施例４
炭酸リチウム粉末と二酸化珪素粉末の混合比をモル比で１：１とした以外は、実施例1と同様の方法で成形体を作製した。
【００３４】
実施例５
遊星ボールミルの粉砕時間を６４ｈとし、平均粒径０．1μｍのリチウムシリケート粉末を用いて成形したこと以外は、実施例１と同様の方法で成形体を作製した。
【００３５】
実施例６
遊星ボールミルの粉砕時間を３２ｈとし、平均粒径１μｍのリチウムシリケート粉末を用いて成形したこと以外は、実施例1と同様の方法で成形体を作製した。
【００３６】
実施例７
遊星ボールミルの粉砕時間を８ｈとし、平均粒径５μｍのリチウムシリケート粉末を用いて成形したこと以外は、実施例１と同様の方法で成形体を作製した。
【００３７】
実施例８
遊星ボールミルの粉砕時間を２ｈとし、平均粒径９μｍのリチウムシリケート粉末を用いて成形したこと以外は、実施例１と同様の方法で成形体を作製した。
【００３８】
実施例９
遊星ボールミルの粉砕時間を９６ｈとし、平均粒径０．０５μｍのリチウムシリケート粉末を用いて成形したこと以外は、実施例１と同様の方法で成形体を作製した。
【００３９】
実施例１０
遊星ボールミルによる粉砕処理を施さず、平均粒径３０μｍのリチウムシリケート粉末をそのまま成形したこと以外は、実施例１と同様の方法で成形体を作製した。
【００４０】
比較例１
平均粒径１μｍの炭酸リチウム粉末と、平均粒径１μｍの酸化鉄とをモル比で１：１となるように秤量し、メノウ乳鉢にて１０ｍｉｎ乾式混合した。得られた混合粉末を実施例１と同様に熱処理しＬｉＦｅＯ２粉末を得た。この粉末を実施例１と同様に粉砕して平均粒径３μｍとし、この粉末を用いて実施例１と同様に気孔率４０％の成形体を得た。
【００４１】
得られた実施例１〜１０および比較例１の炭酸ガス吸収材を箱型電気炉に設置し、この電気炉内に炭酸ガス２０ｖｏｌ％および窒素ガス８０ｖｏｌ％からなる混合ガスを流通させながら２５０℃および４５０℃の温度で６ｈ保持し、その前後の吸収材の重量増加を調べることにより、炭酸ガスの吸収量を測定した。その結果を表１に示す。
【００４２】
なお、本測定において前記吸収材が設置された電気炉内に窒素ガスのみを供給して同様な実験を行なったところ、吸収材の重量増加が全く認められないことを確認した。
【００４３】
また、実施例１〜８の吸収材を炭酸ガス２０ｖｏｌ％および窒素ガス８０ｖｏｌ％からなる混合ガスを流通させながら２５０℃に６ｈ保持し、一旦室温に戻して重量を測定し、同様なガス条件で８００℃に１ｈ保持して重量減少を測定して、炭酸ガスの放出量を測定した。その結果を表１に合わせて示す。
【表１】
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前記表1より、実施例１〜８で得られたリチウムシリケートからなる吸収材は、実施例９あるいは１０の吸収材に比べて炭酸ガスの吸収量が著しく大きく、優れた炭酸ガス吸収特性を有することが明らかになった。すなわち平均粒径０．１〜１０μｍのリチウムシリケートの炭酸ガス吸収能が高いことが分る。実施例１、５より、より好ましい平均粒径は１〜５μｍであることが明らかになった。
【００４４】
また、炭酸ガス放出量は吸収量とほぼ同一であり、吸収・放出が可能な材料であることも確認された。
【００４５】
さらに、粒径の効果は２５０℃以下での低温域で顕著であることが判明した。
【００４６】
【発明の効果】
２５０℃以下での比較的低温度域で、炭酸ガス吸収能の高い炭酸ガス吸収材を得ることができる。また、この炭酸ガス吸収材を燃焼装置の燃焼ガス排出流路に配置することで、燃焼ガス中の炭酸ガス濃度を低減させた状態で排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の燃焼装置の概念図。
【符号の説明】
１・・・燃焼室
２・・・燃料供給口
３・・・燃焼ガス排出口
４・・・ピストン
５・・・燃焼ガス排出路
６・・・炭酸ガス吸収材
７・・・点火手段
【図１】
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