特開 2024-101219 炭素固定装置の気体導入機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024101219

(43)【公開日】2024-07-29

(54)【発明の名称】炭素固定装置の気体導入機構

(51)【国際特許分類】

   C01B 32/05 20170101AFI20240722BHJP

【ＦＩ】

C01B32/05

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023005086

(22)【出願日】2023-01-17

(71)【出願人】

【識別番号】506213382

【氏名又は名称】アンヴァール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098729

【弁理士】

【氏名又は名称】重信 和男

(74)【代理人】

【識別番号】100204467

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 好文

(74)【代理人】

【識別番号】100148161

【弁理士】

【氏名又は名称】秋庭 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100195833

【弁理士】

【氏名又は名称】林 道広

(72)【発明者】

【氏名】櫻井 重利

【テーマコード（参考）】

4G146

【Ｆターム（参考）】

4G146AA01

4G146AB01

4G146BA09

4G146BA48

4G146BC02

4G146BC03

4G146BC35B

4G146BC36B

4G146DA02

4G146DA38

(57)【要約】

【課題】二酸化炭素を残しつつ、水分を除去した導入気体を燃焼反応室に導入することができる炭素固定装置の気体導入機構を提供する。
【解決手段】導入気体Ａ３に含まれる二酸化炭素をマグネシウムと反応させる燃焼反応室３０と、燃焼反応室３０の廃熱を燃焼反応室３０に導入される前の導入気体Ａ０に伝える伝熱手段１０１と、伝熱手段１０１により加熱された導入気体Ａ１から水分を回収する水回収手段２３，２５と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

導入気体に含まれる二酸化炭素をマグネシウムと反応させる燃焼反応室と、
前記燃焼反応室の廃熱を前記燃焼反応室に導入される前の導入気体に伝える伝熱手段と、
前記伝熱手段により加熱された導入気体から水分を回収する水回収手段と、
を備えることを特徴とする炭素固定装置の気体導入機構。

【請求項2】

前記伝熱手段は、前記燃焼反応室内に設けられ前記燃焼反応室に導入される前の導入気体が流れる流路であることを特徴とする請求項１に記載の炭素固定装置の気体導入機構。

【請求項3】

前記伝熱手段は、前記燃焼反応室内に設けられる流路と接続され、該流路を流れる熱媒と前記燃焼反応室に導入される前の導入気体との熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の炭素固定装置の気体導入機構。

【請求項4】

前記伝熱手段は、前記燃焼反応室の外周に設けられ前記燃焼反応室に導入される前の導入気体が流れる流路であることを特徴とする請求項１に記載の炭素固定装置の気体導入機構。

【請求項5】

前記伝熱手段は、前記燃焼反応室の外周に設けられる流路と接続され、該流路を流れる熱媒と前記燃焼反応室に導入される前の導入気体との熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の炭素固定装置の気体導入機構。

【請求項6】

前記伝熱手段は、前記燃焼反応室から排出された高温の気体が流れる流路と接続され、該流路を流れる高温の気体と前記燃焼反応室に導入される前の導入気体との間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の炭素固定装置の気体導入機構。

【請求項7】

前記水回収手段は、前記伝熱手段により加熱された導入気体を加圧する圧縮機であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の炭素固定装置の気体導入機構。

【請求項8】

前記水回収手段は、前記伝熱手段により加熱された導入気体と熱媒との間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の炭素固定装置の気体導入機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭素固定装置の気体導入機構に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、火力発電、ガスフレアリング等で化石燃料の燃焼に伴って発生した二酸化炭素を低減するために、炭素固定を行う技術が知られている。このような技術には、化学反応を利用して二酸化炭素を捕集し、炭素固定を行うものがある。

【0003】

特許文献１の炭素固定装置は、二酸化炭素とマグネシウムを反応室に導入し、燃焼させることにより炭素固定を行い、主に酸化マグネシウムと炭素からなる混合物を生成する。また、特許文献１においては、二酸化炭素とマグネシウムの燃焼反応により発生する約１５００℃～約３０００℃の高温高圧の気体を利用してガスタービン発電装置により発電を行うことで、二酸化炭素を発生させることなくクリーンエネルギを創出できるようになっている。

【0004】

また、特許文献１の炭素固定装置は、還元装置において生成される二酸化炭素をマグネシウムと燃焼反応させることにより炭素固定を行っているが、還元装置で得られる導入気体には、二酸化炭素の他に窒素、水素、酸素、水蒸気等の不純物が含まれているため、パルスストリーマ放電によって発生する非熱平衡プラズマにより、これらの不純物を反応させ、ある程度の量まで減らしたものを燃焼反応に利用している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２２－８４２３７号公報（第５頁～第９頁、第２図）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１の炭素固定装置にあっては、パルスストリーマ放電による処理によって導入気体から不純物をある程度の量まで減らすことは可能であるが、水分を完全に除去することが難しく、導入気体に水分が残っていると、反応室における二酸化炭素とマグネシウムによる燃焼反応による高熱（２０００℃以上）により水が分解して酸素と水素を発生させてしまい、所定濃度の酸素と水素が混合された状態となると水素爆発を起こす虞があるため、常時、反応室内の酸素と水素の濃度を適正に管理して安全性を確保しなければならないという問題があった。

【0007】

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、二酸化炭素を残しつつ、水分を除去した導入気体を燃焼反応室に導入することができる炭素固定装置の気体導入機構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】

【0008】

前記課題を解決するために、本発明の炭素固定装置の気体導入機構は、
導入気体に含まれる二酸化炭素をマグネシウムと反応させる燃焼反応室と、
前記燃焼反応室の廃熱を前記燃焼反応室に導入される前の導入気体に伝える伝熱手段と、
前記伝熱手段により加熱された導入気体から水分を回収する水回収手段と、
を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、燃焼反応室に導入される前の導入気体に、伝熱手段によって燃焼反応室における二酸化炭素とマグネシウムの反応により得られる高温の廃熱を伝えることにより加熱し、該導入気体中の水分を水回収手段によって回収することにより、二酸化炭素を残しつつ、水分を除去した導入気体を燃焼反応室に導入することができる。

【0009】

前記伝熱手段は、前記燃焼反応室内に設けられ前記燃焼反応室に導入される前の導入気体が流れる流路であることを特徴としている。
この特徴によれば、燃焼反応室内の高温の廃熱により燃焼反応室内に設けられる流路内を流れる導入気体を効率よく高温に加熱することができる。

【0010】

前記伝熱手段は、前記燃焼反応室内に設けられる流路と接続され、該流路を流れる熱媒と前記燃焼反応室に導入される前の導入気体との熱交換を行う熱交換器であることを特徴としている。
この特徴によれば、熱交換器により燃焼反応室内の高温の廃熱により加熱された流路内の熱媒と導入気体との熱交換を行うことにより、導入気体の加熱温度の調整を行いやすい。

【0011】

前記伝熱手段は、前記燃焼反応室の外周に設けられ前記燃焼反応室に導入される前の導入気体が流れる流路であることを特徴としている。
この特徴によれば、燃焼反応室内の高温の廃熱により加熱された燃焼反応室の壁を介して流路内の導入気体に伝熱されるため、導入気体の過度な加熱を防止しやすくなるとともに、流路構成部材の耐熱強度を下げることができる。

【0012】

前記伝熱手段は、前記燃焼反応室の外周に設けられる流路と接続され、該流路を流れる熱媒と前記燃焼反応室に導入される前の導入気体との熱交換を行う熱交換器であることを特徴としている。
この特徴によれば、燃焼反応室内の高温の廃熱により加熱された燃焼反応室の壁を介して流路内を流れる熱媒に伝熱され、熱交換器により流路内の熱媒と導入気体との熱交換を行うことにより、導入気体の加熱温度の調整を行いやすい。

【0013】

前記伝熱手段は、前記燃焼反応室から排出された高温の気体が流れる流路と接続され、該流路を流れる高温の気体と前記燃焼反応室に導入される前の導入気体との間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴としている。
この特徴によれば、燃焼反応室から排出された高温の気体を熱媒として利用して導入気体との熱交換を行うことができるため、気体導入機構を簡素に構成することができる。

【0014】

前記水回収手段は、前記伝熱手段により加熱された導入気体を加圧する圧縮機であることを特徴としている。
この特徴によれば、圧縮機によって導入気体を圧縮し、水分を凝縮させて回収することにより、導入気体中の水分を略全て除去することができる。

【0015】

前記水回収手段は、前記伝熱手段により加熱された導入気体と熱媒との間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴としている。
この特徴によれば、熱交換器によって導入気体の温度を低下させ、水分を凝縮させて回収することにより、導入気体中の水分を略全て除去することができるとともに、導入気体から奪った熱を再利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施例における炭素固定装置の気体導入機構が適用される炭素固定システムを示す概要図である。

【図2】実施例１における炭素固定装置の気体導入機構を示す模式図である。

【図3】実施例１における炭素固定装置の気体導入機構が火力発電所に適用された変形例を示す模式図である。

【図4】（ａ）は、燃焼反応室内に設けられる流路（伝熱手段）を示す模式図であり、（ｂ）は、燃焼反応室の外周に設けられる流路（伝熱手段）を示す模式図である。

【図5】実施例２における炭素固定装置の気体導入機構を示す模式図である。

【図6】実施例３における炭素固定装置の気体導入機構を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明は、マグネシウム（Ｍｇ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）を混在させた状態で燃焼させる炭素固定装置の燃焼反応室に導入される前の導入気体（以下、「導入前気体」と表記する。）を、燃焼反応室における燃焼反応により得られる高温の廃熱により加熱し、加熱された導入気体中の水分を回収することによって、ＣＯ_２を残しつつ、水分を除去した導入気体を燃焼反応室に導入可能とし、炭素固定装置の燃焼反応室における安全性の確保と管理の簡略化を図ったものである。

【0018】

尚、導入気体とは、燃焼反応室におけるＭｇとの燃焼反応に必要となるＣＯ_２を含む気体である。

【0019】

本発明に係る炭素固定装置の気体導入機構を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

【実施例0020】

実施例１における炭素固定システム１は、図１に示されるように、海水を電解して炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）と水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）を得る電解装置２と、電解装置２で得られたＭｇ（ＯＨ）_２または後述する炭素固定装置１０の燃焼反応室としての第１反応室３０で得られた酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を基に炭化カルシウム（ＣａＣ_２）を還元剤とする還元反応によりマグネシウム（Ｍｇ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）を得る還元装置３と、主に還元装置３で発生したＣＯ_２を同じく還元装置３で得られたＭｇと反応させる第１反応室３０、第１反応室３０の反応熱を利用して酸化カルシウム（ＣａＯ）と第１反応室３０の反応により得られた炭素（Ｃ）を反応させる第２反応室３２、電解装置２で得られたＣａＣＯ_３を熱分解して第２反応室３２で反応させるＣａＯを得る第３反応室３３を備える炭素固定装置１０と、を備えている。

【0021】

詳しくは、還元装置３においては、ＣａＣ_２を還元剤として下記反応式１により表されるＭｇＯの還元反応が行われ、炭素固定装置１０の第１反応室３０における反応に利用されるＭｇが生成される。尚、還元装置３において用いられる還元剤はＣａＣ_２に限らず、ＭｇＯを還元できるものであれば、他の還元剤であってもよい。
ＭｇＯ＋ＣａＣ_２→Ｍｇ＋ＣａＯ＋２Ｃ・・・（反応式１）

【0022】

ＭｇＯの還元反応に必要なエネルギは、例えばパルスパワー波によって与えることができ、不活性ガス及び還元性ガスの雰囲気下でパルスパワー波を照射することにより、ＭｇＯの還元効率を高めることができる。不活性ガスとしては、アルゴンガス、ネオンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等を挙げることができる。還元性ガスとしては、ＣａＣ_２との反応性が低い一酸化炭素（ＣＯ）が用いられることが好ましく、パルスパワー波の照射によりＭｇＯがプラズマ化して発生する副産物としての酸素（Ｏ_２）とＣＯが反応してＣＯ_２が発生する。尚、還元性ガスとしてのＣＯには、後述する炭素固定装置１０の第１反応室３０における反応（反応式３参照）や第２反応室３２における反応（反応式５参照）で生成されたＣＯを回収したものが利用されてもよい。また、ＭｇＯの還元反応に必要なエネルギは、パルスパワー波によって与えられるものに限らず、例えば高温に加熱することによって与えられてもよい。

【0023】

また、還元装置３においては、電解装置２で得られたＭｇ（ＯＨ）_２に熱を与えることにより、下記反応式２により表される熱分解が行われ、上記還元反応（反応式１参照）に利用されるＭｇＯが生成される。
Ｍｇ（ＯＨ）_２→ＭｇＯ＋Ｈ_２Ｏ・・・（反応式２）

【0024】

炭素固定装置１０の第１反応室３０においては、還元装置３で得られるＣＯ_２をＭｇと反応させ、下記反応式により表される炭素の固定が行われる。尚、第１反応室３０における反応は、発熱反応である。詳しくは、ＣＯ_２濃度を大気よりも比較的高くした状態でＣＯ_２をＭｇと反応させると、ＣＯ_２はＭｇとは完全に反応せず一酸化炭素（ＣＯ）が一部生じ、反応熱の温度が約１５００℃～約２０００℃となる（反応式３参照）。
Ｍｇ＋ＣＯ_２→ＭｇＯ＋ＣＯ ・・・（反応式３）

【0025】

また、ＣＯ_２濃度が高濃度、例えば９５％以上である場合には、ＣＯ_２はＭｇと略完全に反応し、ＭｇＯとＣとが生成されＣＯは生成されず、反応熱の温度が約３０００℃以上となる（反応式４参照）。ＣＯ_２とＭｇの反応の観点からはＣＯ_２濃度が１００％であることが好ましい。本実施例においては、第１反応室３０における反応熱の温度が約２０００℃～約３０００℃となるようにＣＯ_２濃度が調整されることが好ましい。
２Ｍｇ＋ＣＯ_２→２ＭｇＯ＋Ｃ・・・（反応式４）

【0026】

第２反応室３２においては、第１反応室３０で得られたＣを第３反応室３３で得られたＣａＯと反応させ、下記反応式５により表されるようにＣａＣ_２が生成され、Ｃのリサイクルが行われる。尚、第２反応室３２における反応は、約２０００℃の温度を必要とする吸熱反応である。
ＣａＯ＋３Ｃ→ＣａＣ_２＋ＣＯ・・・（反応式５）

【0027】

第３反応室３３においては、電解装置２で得られたＣａＣＯ_３に熱を与えることにより、下記反応式６により表される熱分解が行われ、第２反応室３２における反応に利用されるＣａＯが生成される。また、ＣａＯと共に生成されるＣＯ_２は、第１反応室３０における反応に利用可能である。尚、第３反応室３３における反応は、８００℃～９００℃程度の温度を必要とする吸熱反応である。
ＣａＣＯ_３→ＣａＯ＋ＣＯ_２・・・（反応式６）

【0028】

尚、電解装置２において、電解によりＣａＣＯ_３とＭｇ（ＯＨ）_２が回収された海水には、炭酸ガス（重炭酸イオン）が含まれていないため、該海水に還元装置３で発生したＣＯ_２や炭素固定装置１０の第３反応室３３で生成されたＣＯ_２の一部を吸収させることにより、炭素を固定してもよい。

【0029】

次いで、炭素固定装置１０について図２を用いて詳しく説明する。図２に示されるように、本実施例１の炭素固定装置１０は、還元装置３において還元反応に必要なエネルギをパルスパワー波によって与えることで発生した二酸化炭素（ＣＯ_２）リッチな導入前気体Ａ０を気体導入機構１００に導入することにより、ＣＯ_２を残しつつ、水分を除去した導入気体Ａ３を用いて炭素固定及び発電が可能となっている。

【0030】

尚、本実施例１において、炭素固定装置１０の気体導入機構１００は、炭素固定システム１においてＭｇを生成する還元装置３に適用される形態について説明しているが、これに限らず、例えば図３に示されるように、火力発電所１０３に適用され、火力発電所１０３で発生したＣＯ_２リッチな排ガスが導入前気体Ａ０として気体導入機構１００に導入されてもよい。また、気体導入機構１００に導入される導入前気体Ａ０は、所定のＣＯ_２濃度となる気体であれば、各種発電所や工場等から排出される排ガス、バイオマス由来のバイオガス等であってもよく、これらの気体と還元装置３で発生した気体を混合したものであってもよい。

【0031】

炭素固定装置１０は、ＣＯ_２をマグネシウム（Ｍｇ）と反応させる第１反応室３０と、第１反応室３０で得られる炭素（Ｃ）を酸化カルシウム（ＣａＯ）と反応させる第２反応室３２と、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）を熱分解させる第３反応室３３と、ＣＯ_２リッチかつ水分を除去した導入気体Ａ３を第１反応室３０に導入する気体導入機構１００と、第１反応室３０内にパルスパワー波を照射する第２パルスパワー波照射器３１と、第１反応室３０から供給された気体Ａ４のエネルギを用いて発電する発電手段４０と、発電手段４０の下流側に配設されＣＯ_２と一酸化炭素（ＣＯ）を分離可能なセパレータ６０と、セパレータ６０によりＣＯが分離されたＣＯ_２を含む気体Ａ９を気体導入機構１００に供給する循環手段８０と、発電手段４０により発電にエネルギが使用された残気体Ａ１０を排出する排出手段９０と、を主に備えている。尚、以降の説明において、還元装置３側を上流側、排出手段９０の後述する第９連通路９１側を下流側として説明する。

【0032】

第１反応室３０は、高耐熱かつ高耐圧に形成されており、図示しない投入口からＭｇ粉末を投入可能となっている。尚、投入するＭｇは粉末以外の形状例えばフレーク状、バー状であってもよい。また、第１反応室３０内には、第２パルスパワー波照射器３１のプラグ３１ａが配置されており、第１反応室３０内で第２パルスストリーマ放電を実行可能となっている。また、第１反応室３０内の下流側には、ガスタービン発電装置４１のタービン４２が配置されている。本実施例では、第２パルスパワー波照射器３１は、半値幅４０ｎｓの高電圧を繰り返し動作で発生可能であり、充電電圧を１００ｋＶ、放電電流を１７０Ａとし、電源を１０ｐｐｓで運転させることで、第２パルスパワー波を照射し、第２パルスストリーマ放電を生じせしめる。このように、短パルス、高電圧小電流、短サイクルで運転させ、グロー放電やアーク放電とならないようにすることが肝要である。

【0033】

発電手段４０は、第１反応室３０内でＣＯ_２とＭｇとが反応することで発生した高温高圧の気体Ａ４を用いて発電可能なガスタービン発電装置４１を有している。ガスタービン発電装置４１は、高温高圧の気体Ａ４の圧力により回転されるタービン４２と、タービン４２の回転に応じて発電可能な発電装置４３と、から主に構成されている。

【0034】

第２反応室３２は、ガスタービン発電装置４１のタービン４２の下流側に配設され、タービン４２を通過して温度と圧力が低下した気体Ａ５が通過するとともに、図示しない投入口から第３反応室３３で得られたＣａＯ粉末を投入可能となっている。尚、投入するＣａＯは粉末以外の形状例えばフレーク状、バー状であってもよい。また、ＣａＯ粉末は、第３反応室３３で得られたものに限らず、例えば還元装置３におけるＣａＣ_２を還元剤としたＭｇＯの還元反応により得られるＣａＯであってもよい。

【0035】

第３反応室３３は、第２反応室３２の下流側に配設され、第２反応室３２を通過して温度と圧力がさらに低下した気体Ａ６が通過するとともに、図示しない投入口から電解装置２（図１参照）で得られたＣａＣＯ_３粉末を投入可能となっている。

【0036】

本実施例１における気体導入機構１００は、上流側から順に、還元装置３の下流側に連結された第１連通路２０と、第１反応室３０内に設けられ導入前気体Ａ０が流れる伝熱手段としての流路１０１（図４（ａ）参照）と、流路１０１を通過した後の高温導入前気体Ａ１が流れる第２連通路２１と、第２連通路２１内にパルスパワー波を照射する第１パルスパワー波照射器２２と、第２連通路２１の下流側に配設された水回収手段としての冷却器２３と、冷却器２３の下流側に配設された第３連通路２４と、第３連通路２４の下流側に連結された水回収手段としての軸流式の圧縮機２５と、圧縮機２５の下流側及び第１反応室３０の上流側に連結された第４連通路２６と、から主に構成されている。尚、第２連通路２１は、還元装置３ばかりでなく、後述する循環手段８０の逆止弁８２とも連結されており、逆止弁８２から第２連通路２１内に気体Ａ９が流入可能となっている。

【0037】

図４（ａ）に示されるように、本実施例１における流路１０１は、コイル形状に形成され、第１反応室３０内に一部を露出させた状態で、残りの部分が第１反応室３０を構成する壁３０ａの内部に埋設されている。尚、流路１０１は、第１反応室３０を構成する壁３０ａの内部に一部が埋設されることにより、第１反応室３０内における燃焼反応によって発生する高温高圧の気体Ａ４の影響による流路構成部材の変形や位置ずれが防止されている。

【0038】

また、伝熱手段としての流路は、上記した流路１０１のように第１反応室３０内に設けられるものに限らず、第１反応室３０の外周に設けられる流路であってもよい。詳しくは、図４（ｂ）に示される流路１０２のように、コイル形状に形成され、第１反応室３０内に露出せず、第１反応室３０を構成する壁３０ａの内部に全体が埋設された状態で、第１反応室３０の外周に設けられていてもよい。また、説明の便宜上、図示を省略するが、流路は、第１反応室３０を構成する壁３０ａの外部に一部あるいは全体を露出させた状態で、第１反応室３０の外周に設けられていてもよい。

【0039】

このように、本実施例１における伝熱手段としての流路は、第１反応室３０に対する配置を変更することにより、流路を流れる導入前気体Ａ０の加熱温度を調整することができる。また、伝熱手段としての流路は、流路の長さや径等の条件を変更することにより、流路を流れる導入前気体Ａ０の加熱温度を調整できることは言うまでもない。尚、導入前気体Ａ０は、下流側に設けられる水回収手段により水分を十分に除去できる温度まで伝熱手段により加熱されればよいが、導入前気体Ａ０に含まれるＣＯ_２の熱分解を防止する観点から、２０００℃以下に加熱されることが好ましく、さらに導入前気体Ａ０に含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物等の不純物を熱分解する観点から、９００℃以上２０００℃以下に加熱されることがさらに好ましい。

【0040】

また、伝熱手段としての流路には、熱交換の効率を高めるためのフィンが設けられていてもよい。詳しくは、流路を構成する配管の内周面から内径方向（配管内）に突出するフィンや、流路を構成する配管の外周面から外径方向（第１反応室３０内または壁３０ａの内部）に突出するフィンが設けられていてもよい。特に第１反応室３０内に設けられる流路１０１（図４（ａ）参照）の場合には、配管の内周面から内径方向に突出するフィンのみが設けられることが好ましく、第１反応室３０内の高温高圧の気体Ａ４による損傷や、ＭｇＯやＣ等の生成物の付着・堆積等による悪影響を受けることなく、流路内を流れる導入前気体Ａ０の加熱効率を高めることができる。

【0041】

本実施例において、第２連通路２１内に設けられる第１パルスパワー波照射器２２は、第２連通路２１内かつ後述する逆止弁８２との合流箇所よりも上流側に配置されたプラグ２２ａから第１パルスストリーマ放電を実行可能となっている。本実施例では、第１パルスパワー波照射器２２は、半値幅８０ｎｓの高電圧を繰り返し動作で発生可能であり、充電電圧を２０ｋＶ、放電電流を１７０Ａとし、電源を５ｐｐｓ（Ｐｕｌｓｅｓ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ）で運転させることで、第１パルスパワー波を照射し、第１パルスストリーマ放電を生じせしめる。このように、短パルス、高電圧小電流、短サイクルで運転させ、グロー放電やアーク放電とならないようにすることが肝要である。尚、本実施例においては、例えば還元装置３においてパルスパワー波を与えることで発生したＣＯ_２リッチかつ不純物が少ない導入前気体Ａ０が用いられる場合、第１パルスパワー波照射器２２は配設されなくてもよい。

【0042】

セパレータ６０は、第３反応室３３の下流側に連結された第５連通路５０の下流側に配設されている。また、セパレータ６０の下流側には、気体Ａ７からＣＯが回収された気体Ａ８が流入する第６連通路７０と、回収したＣＯによりＣＯ濃度が高い気体Ａ１１が流入する第８連通路７１がそれぞれ連結されている。また、第８連通路７１の下流側には、ＣＯの貯蔵タンク７２が連結されている。

【0043】

循環手段８０は、上述した第６連通路７０と、第６連通路７０の下流側に連結された三方向弁Ｖと、三方向弁Ｖの一方の下流側に連結された第７連通路８１と、第７連通路８１の下流側に連結された逆止弁８２と、から主に構成されている。

【0044】

排出手段９０は、上述した第６連通路７０と、三方向弁Ｖと、三方向弁Ｖの他方の下流側に連結され、炭素固定装置１０の外部に連通する第９連通路９１と、から主に構成されている。尚、図２では、三方向弁Ｖの第９連通路９１が連結されている弁が閉弁状態となっている。

【0045】

次に、動作について説明する。本実施例において、還元装置３で得られたＣＯ_２リッチな導入前気体Ａ０は、第１連通路２０に流入される。導入前気体Ａ０は、ＣＯ_２濃度が約７０％以上であり、ＣＯ_２以外にも、窒素（Ｎ_２）、水素（Ｈ_２）、酸素（Ｏ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）等が含まれている。また、導入前気体Ａ０の温度は、３００℃程度であり、単位時間当たりの流量は、０．１×１０^－４ｍ^３／ｓである。

【0046】

矢印で示されるように、第１連通路２０から流路１０１に導入された導入前気体Ａ０は、第１反応室３０における燃焼反応によって得られる高温の廃熱が伝熱されることにより加熱され、加熱された高温導入前気体Ａ１が第２連通路２１に導出される。

【0047】

第２連通路２１内に導入された高温導入前気体Ａ１は、矢印で示されるように、第１パルスパワー波照射器２２のプラグ２２ａから連続的に照射され続けている第１パルスストリーマ放電により発生している非熱平衡プラズマにより、高温導入前気体Ａ１に含まれるＨ_２、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ等の反応が促進され不純物がさらに少なくなる。

【0048】

そして、高温導入前気体Ａ１は、矢印で示されるように、冷却器２３に導出されて冷却されることにより水分が回収され、約３０℃～１００℃程度の低温導入前気体Ａ２となる。尚、本実施例における冷却器２３は、高温導入前気体Ａ１と熱媒との間で熱交換を行う熱交換器である。

【0049】

低温導入前気体Ａ２は、矢印で示されるように、第３連通路２４を通過した後、圧縮機２５により圧縮される。

【0050】

矢印で示されるように、圧縮機２５において圧力約２．０ＭＰａ、単位時間当たり流量５．０×１０^－５ｍ^３／ｓに圧縮・加圧されることにより、水分が略全てに回収され乾燥した導入気体Ａ３が第４連通路２６を通過してＭｇ粉末が投入されている第１反応室３０に流入する。尚、水分が略全てに回収され乾燥した導入気体Ａ３とは、常温での相対湿度が３％以下、好ましくは１％以下のものである。

【0051】

第１反応室３０内では第２パルスパワー波照射器３１のプラグ３１ａから短時間の第２パルスストリーマ放電が行われ、第１反応室３０内に非熱平衡プラズマが発生する。この非熱平衡プラズマにより、導入気体Ａ３に含まれるＣＯ_２とＭｇが直接反応し、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、炭素（Ｃ）、一酸化炭素（ＣＯ）等が生成されることを確認した。すなわち、ＣＯ_２の炭素固定がなされ、導入気体Ａ３のＣＯ_２濃度が低減された。

【0052】

この反応により、反応熱が発生し、第１反応室３０内の温度が約２０００℃～約３０００℃となった。第２パルスパワー波照射を停止した以降にも、第１反応室３０内に導入気体Ａ３が流入することで、ＣＯ_２とＭｇとが連続的に反応することが観察された。

【0053】

このように、ＭｇとＣＯ_２とがまだ反応していない状態では、第２パルスストリーマ放電をトリガーとしてＭｇとＣＯ_２とを反応させることが可能であり、ＭｇとＣＯ_２との反応が開始して以降の反応については、発生する高温の反応熱により連続的に反応させ続けることができる。

【0054】

また、ＣＯ_２とＭｇとの反応により、導入気体Ａ３の温度が急激に上昇することに伴って、導入気体Ａ３が急激に膨張するため、高温高圧の気体Ａ４となり、下流側に噴出される。

【0055】

気体Ａ４は、矢印で示されるように、第１反応室３０の下流側から第２反応室３２に流入しようとする。このとき、気体Ａ４は、第１反応室３０と第２反応室３２との間に配設されているガスタービン発電装置４１のタービン４２を回転させる。この気体Ａ４の通過に伴いタービン４２が回転されることにより、ガスタービン発電装置４１の発電装置４３による発電が行われる。

【0056】

第２反応室３２に流入した約２０００℃～約３０００℃の高温の気体Ａ５には、第１反応室３０における反応により生成され主にＭｇＯとＣからなる混合物の粒子が含まれており、気体Ａ５中のＣが第２反応室３２に投入されているＣａＯ粉末と反応し、炭化カルシウム（ＣａＣ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）等が生成されることを確認した。

【0057】

また、吸熱反応であるＭｇＯとＣとの反応により、気体Ａ５の温度が急激に低下することに伴って、気体Ａ５が急激に収縮するため、温度と圧力が低下した気体Ａ６となり、下流側に噴出される。

【0058】

第３反応室３３に流入した約１１００℃の高温の気体Ａ６は、第３反応室３３に投入されているＣａＣＯ_３粉末と反応し、酸化カルシウム（ＣａＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）等が生成されることを確認した。

【0059】

また、吸熱反応であるＣａＣＯ_３の熱分解反応により、気体Ａ６の温度が急激に低下することに伴って、気体Ａ６が急激に収縮するため、温度と圧力がさらに低下した気体Ａ７となり、下流側に噴出される。

【0060】

第３反応室３３から流出した気体Ａ７は、矢印で示されるように、第５連通路５０を通じてセパレータ６０に導出される。セパレータ６０では、気体Ａ７に含まれるＣＯが分離されるため、高濃度のＣＯが含まれる気体Ａ１１と、ＣＯが分離された残りの気体である気体Ａ８に分離される。高濃度のＣＯが含まれる気体Ａ１１は、矢印で示されるように、第８連通路７１を通じて貯蔵タンク７２に封入される。

【0061】

一方、ＣＯが分離された残りの気体である気体Ａ８は、矢印で示されるように、第６連通路７０に導出される。第６連通路７０には、気体Ａ８に含まれるＣＯ_２濃度を測定可能な図示しない濃度センサが設けられており、ＣＯ_２濃度が一定（本実施例では、１０ｖｏｌ％）以上である気体Ａ９の場合には、三方向弁Ｖの第９連通路９１側が閉弁状態となり、第６連通路７０及び第７連通路８１側が開弁状態となる。これにより、気体Ａ９は、矢印で示されるように、三方向弁Ｖ、第７連通路８１及び逆止弁８２を通じて、第２連通路２１に導出され、高温導入前気体Ａ１と共に上述したサイクルが繰り返し行われることとなる。すなわち、第３反応室３３におけるＣａＣＯ_３の熱分解反応により生成されたＣＯ_２の一部は、第１反応室３０におけるＭｇとの反応により炭素固定される。

【0062】

また、ＣＯ_２濃度が一定（本実施例では、１０ｖｏｌ％）未満である残気体Ａ１０の場合には、三方向弁Ｖの第７連通路８１側が閉弁状態となり、第６連通路７０及び第９連通路９１側が開弁状態となる。これにより、残気体Ａ１０は、点線矢印で示されるように、三方向弁Ｖ及び第９連通路９１を通じて外部に排出される。

【0063】

以上説明したように、本実施例１の炭素固定装置１０の気体導入機構１００では、第１反応室３０に導入される前の導入気体（導入前気体Ａ０）に、伝熱手段である流路１０１によって第１反応室３０の燃焼反応により得られる高温の廃熱を伝えることにより導入前気体Ａ０を加熱し、水回収手段である冷却器２３及び圧縮機２５によって導入前気体（高温導入前気体Ａ１，低温導入前気体Ａ２）中の水分を回収することにより、ＣＯ_２を残しつつ、水分を除去した導入気体Ａ３を第１反応室３０に導入することができるため、炭素固定装置１０の第１反応室３０において水が分解して酸素と水素が発生することによる水素爆発の危険性がなくなり、安全性の確保と管理の簡略化を実現することができる。

【0064】

また、本実施例１において、気体導入機構１００を構成する伝熱手段は、第１反応室３０内に設けられ第１反応室３０に導入される前の導入前気体Ａ０が流れる流路１０１（図４（ａ）参照）であることにより、第１反応室３０内の高温の廃熱により流路１０１内の導入前気体Ａ０を効率よく高温に加熱することができる。

【0065】

尚、本実施例１において、気体導入機構１００を構成する伝熱手段は、例えば第１反応室３０の外周に設けられ第１反応室３０に導入される前の導入前気体Ａ０が流れる流路１０２（図４（ｂ）参照）である場合には、第１反応室３０内の高温の廃熱により加熱された壁３０ａを介して流路１０２内の導入前気体Ａ０に伝熱されるため、導入前気体Ａ０の過度な加熱を防止しやすくなるとともに、流路１０２を構成する流路構成部材の耐熱強度を下げることができる。

【0066】

また、本実施例１においては、導入前気体Ａ０を第１反応室３０に導入するまでの流路の一部を形成する流路１０１，１０２を利用して第１反応室３０との間で伝熱することができるため、気体導入機構１００の構成を簡素化することができる。

【0067】

尚、本実施例１においては、伝熱手段としての流路１０１，１０２がコイル形状に形成されるものとして説明したが、これに限らず、流路の形状は自由に変更されてよく、例えば分岐した複数の流路が第１反応室３０に沿って並行して延びて再び合流する多管式等の形状であってもよい。

【0068】

また、気体導入機構１００を構成する水回収手段は、伝熱手段により加熱された高温導入前気体Ａ１と熱媒との間で熱交換を行う熱交換器である冷却器２３であり、冷却器２３によって高温導入前気体Ａ１の温度を低下させ、水分を凝縮させて回収することにより、高温導入前気体Ａ１中の水分を除去することができる。また、冷却器２３における熱交換により熱媒が高温導入前気体Ａ１から奪った熱は、例えば還元装置３におけるＭｇＯの還元反応に必要なエネルギや第３反応室３３におけるＣａＣＯ_３の熱分解に必要なエネルギとして再利用することができる。

【0069】

また、本実施例において、気体導入機構１００を構成する水回収手段は、上記冷却器２３の下流側にさらに圧縮機２５が設けられることにより、圧縮機２５によって低温導入前気体Ａ２を圧縮し、冷却器２３において回収しきれなかった水分を凝縮させて回収することにより、低温導入前気体Ａ２中の水分を略全て除去することができる。すなわち、導入気体Ａ３を水分が略全て除去された乾燥気体とすることができる。

【0070】

尚、本実施例においては、水回収手段として冷却器２３、圧縮機２５の順に導入前気体から水分を回収する形態について説明したが、これに限らず、圧縮機、冷却器の順に導入前気体から水分を回収する形態であってもよい。また、水回収手段は、導入前気体から略全ての水分を回収することができれば、冷却器（熱交換器）と圧縮機のいずれか一方だけを利用してもよい。

【0071】

また、本実施例において、循環手段８０は、水回収手段である冷却器２３、圧縮機２５よりも上流側の第２連通路２１にセパレータ６０によりＣＯが分離されたＣＯ_２を含む気体Ａ９を供給するため、気体Ａ９に水分が混入した場合であっても、水分を確実に回収することができる。

【実施例0072】

次に、実施例２に係る炭素固定装置の気体導入機構につき、図５を参照して説明する。尚、前記実施例１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

【0073】

本実施例２の炭素固定装置１０の気体導入機構２００は、図５に示されるように、伝熱手段が第１反応室３０内に設けられる流路１０１（図４（ａ）参照）と接続され、該流路１０１を流れる熱媒Ｂ１と第１反応室３０に導入される前の導入前気体Ａ０との熱交換を行う熱交換器２０１である点で前記実施例１と異なる。

【0074】

図５に示されるように、本実施例２の気体導入機構２００は、上流側から順に、還元装置３の下流側に連結された第１連通路２０と、伝熱手段としての熱交換器２０１と、熱交換器２０１で加熱された高温導入前気体Ａ１が流れる第２連通路２１と、第２連通路２１内にパルスパワー波を照射する第１パルスパワー波照射器２２と、第２連通路２１の下流側に配設された冷却器２３と、冷却器２３の下流側に配設された第３連通路２４と、第３連通路２４の下流側に連結された軸流式の圧縮機２５と、圧縮機２５の下流側及び第１反応室３０の上流側に連結された第４連通路２６と、から主に構成されている。

【0075】

熱交換器２０１は、熱媒Ｂ０が流れる第１熱媒流路２０２と、熱媒Ｂ１が流れる第２熱媒流路２０３を備え、第１熱媒流路２０２と第２熱媒流路２０３が第１反応室３０内に設けられる流路１０１（図４（ａ）参照）の両端にそれぞれ接続されることにより、環状の流路を形成している。

【0076】

詳しくは、第１熱媒流路２０２を流れる熱媒Ｂ０は、熱交換器２０１において第１連通路２０から導入された導入前気体Ａ０との間で熱交換を行った後の相対的に低温となった熱媒である。また、第２熱媒流路２０３を流れる熱媒Ｂ１は、第１熱媒流路２０２から流路１０１に流入した熱媒Ｂ０が炭素固定装置１０の第１反応室３０における燃焼反応によって得られる廃熱（高温の気体Ａ４）との間で熱交換を行った後の高温の熱媒である。

【0077】

尚、第１熱媒流路２０２と第２熱媒流路２０３が接続されるのは、第１反応室３０内に設けられる流路１０１に限らず、前記実施例１と同様に、例えば図４（ｂ）に示される流路１０２のような第１反応室３０の外周に設けられる流路であってもよい。

【0078】

これによれば、本実施例２の気体導入機構２００を構成する伝熱手段は、第１反応室３０に設けられる流路（例えば流路１０１）と接続される熱交換器２０１であることにより、第１反応室３０内の高温の廃熱により加熱された熱媒Ｂ１と導入前気体Ａ０との熱交換を行うことができるため、導入前気体Ａ０の加熱温度の調整を行いやすい。

【0079】

また、熱交換器２０１における熱媒Ｂ１と導入前気体Ａ０との熱交換により相対的に低温となった熱媒Ｂ０に残された熱エネルギは、例えば還元装置３におけるＭｇＯの還元反応に必要なエネルギや第３反応室３３におけるＣａＣＯ_３の熱分解に必要なエネルギとして再利用することが可能である。