特許 7696588 炭素固定装置及び炭素固定システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-06-13

(45)【発行日】2025-06-23

(54)【発明の名称】炭素固定装置及び炭素固定システム

(51)【国際特許分類】

   C01B 32/942 20170101AFI20250616BHJP

   B01D 53/62 20060101ALI20250616BHJP

   B01D 53/75 20060101ALI20250616BHJP

   B01D 53/81 20060101ALI20250616BHJP

   C25B 1/18 20060101ALI20250616BHJP

   C25B 1/20 20060101ALI20250616BHJP

【ＦＩ】

C01B32/942

B01D53/62

B01D53/75

B01D53/81

C25B1/18

C25B1/20

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020195971

(22)【出願日】2020-11-26

(65)【公開番号】P2022084237

(43)【公開日】2022-06-07

【審査請求日】2023-11-16

(73)【特許権者】

【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】

【氏名又は名称】溝渕 良一

(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】

【氏名又は名称】堅田 多恵子

(74)【代理人】

【識別番号】100195833

【弁理士】

【氏名又は名称】林 道広

(74)【代理人】

【識別番号】100206656

【弁理士】

【氏名又は名称】林 修身

(72)【発明者】

【氏名】櫻井 重利

【審査官】三村 潤一郎

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１１／００３３３５５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭５７－１８５９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－０８８０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５４２９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１１４２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－１５９３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－０１４４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０５７２３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ ３２／９４２

Ｂ０１Ｄ ５３／６２

Ｂ０１Ｄ ５３／７４ － ５３／９０

Ｃ２５Ｂ １／１８ － １／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素をマグネシウムと反応させる第１反応室の反応熱を利用して酸化カルシウムと前記反応熱によって加熱された状態の前記第１反応室における反応生成物である炭素を反応させる第２反応室を備え、
前記第２反応室における排熱を利用して炭酸カルシウムを酸化カルシウムと二酸化炭素に熱分解する第３反応室をさらに備え、
前記第３反応室における反応生成物である二酸化炭素を前記第１反応室における反応に利用することを特徴とする炭素固定装置。

【請求項2】

前記反応熱の温度が２０００度～３０００度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。

【請求項3】

前記第３反応室は、前記第２反応室の下流に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素固定装置。

【請求項4】

海水を電解して炭酸カルシウムと水酸化マグネシウムを得る電解装置と、前記水酸化マグネシウムまたは酸化マグネシウムを炭化カルシウムにより還元してマグネシウムを得る還元装置と、前記還元装置で得られた前記マグネシウムに二酸化炭素を反応させる第１反応室の反応熱を利用して酸化カルシウムと前記第１反応室の反応により得られた炭素を反応させる第２反応室を備える炭素固定装置と、を有することを特徴とする炭素固定システム。

【請求項5】

前記炭素固定装置は、前記電解装置で得られた炭酸カルシウムを熱分解して前記第２反応室で反応させる酸化カルシウムを得る第３反応室を備えることを特徴とする請求項４に記載の炭素固定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭素固定装置及び炭素固定システムに関する。

【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高温反応器に導入し、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。二酸化炭素とマグネシウムを反応させるためには、トリガーとして高いエネルギが必要である。生成された酸化マグネシウムと炭素は、廃棄物として処理せず、分離処理が行われる。分離処理により分離された酸化マグネシウムは、還元により上述した炭素固定の反応に使用するマグネシウムにリサイクルされ、炭素は純度を高めた炭素材料としてリサイクルされる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特表２０１３－５４２９０７号公報（第８頁～第１０頁、第１図）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１にあっては、化石燃料の燃焼に伴って発生した排気ガス中の二酸化炭素から炭素を固定化しており、排気ガス中には二酸化炭素以外の不純物が多く、特に炭素を純度の高い炭素材料としてリサイクルするためには、脱イオン水処理、塩酸処理、超音波処理、濾過、乾燥及び加熱処理のサイクルを所望の純度レベルに到達するまで繰り返し行う必要があり、コストと手間がかかるという問題があった。

【0006】

発明者らは、マグネシウムと二酸化炭素を燃焼させる炭素固定により生成される酸化マグネシウムからマグネシウムに還元するために用いる還元剤として炭化カルシウムが好ましく、さらに炭化カルシウムの生成に炭素を用いることが好ましく、加えて炭化カルシウムの生成に必要な約２０００度の高温を実現するためのエネルギをマグネシウムと二酸化炭素の燃焼反応により生じる反応熱により得られることを見出した。

【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、炭素をリサイクルして廃棄物を減らすとともに、少ないエネルギで炭化カルシウムを得ることができる炭素固定装置及び炭素固定システム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は、
二酸化炭素をマグネシウムと反応させる第１反応室の反応熱を利用して酸化カルシウムと炭素を反応させる第２反応室を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、第１反応室における二酸化炭素とマグネシウムの反応で生じる炭素を第２反応室において酸化カルシウムと反応させて炭化カルシウムを生成することにより、炭素をリサイクルして廃棄物を減らすとともに、第１反応室の反応熱を利用して第２反応室における酸化カルシウムと炭素の反応に必要な高い温度を得ることができるため、少ないエネルギで炭化カルシウムを得ることができる。

【0009】

前記炭素は、前記反応熱によって加熱された状態の前記第１反応室における反応生成物であることを特徴としている。
この特徴によれば、第１反応室における反応生成物である炭素が高温状態で第２反応室の酸化カルシウムと混合されることにより、再加熱する必要なく炭化カルシウムをエネルギ効率よく得ることができる。

【0010】

前記反応熱の温度が２０００度～３０００度であることを特徴としている。
この特徴によれば、第１反応室における反応生成物である炭素が第２反応室における酸化カルシウムとの反応に必要な温度に保たれやすい。

【0011】

炭酸カルシウムを酸化カルシウムと二酸化炭素に熱分解する第３反応室を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、第３反応室で得られた二酸化炭素を第１反応室における反応に利用できるとともに、第３反応室で得られた酸化カルシウムを第２反応室における反応に利用できる。また、第３反応室で得られた二酸化炭素は、炭酸カルシウムの熱分解により得られているため、化石燃料を燃焼させた排気ガスよりも不純物が少ない。

【0012】

前記第３反応室は、前記第２反応室の下流に設けられ前記第２反応室における排熱を利用して炭酸カルシウムを酸化カルシウムと二酸化炭素に熱分解することを特徴としている。
この特徴によれば、第２反応室における排熱を利用して第３反応室における炭酸カルシウムの熱分解に必要な温度を得ることができるため、エネルギを有効活用できる。

【0013】

前記第３反応室における反応生成物である二酸化炭素を前記第１反応室における反応に利用することを特徴としている。
この特徴によれば、炭素固定装置における二酸化炭素の生成と炭素固定の循環サイクルにより二酸化炭素の排出を抑えることができる。

【0014】

本発明の炭素固定システムは、
海水を電解して炭酸カルシウムと水酸化マグネシウムを得る電解装置と、
前記水酸化マグネシウムまたは酸化マグネシウムを炭化カルシウムにより還元してマグネシウムと二酸化炭素を得る還元装置と、
前記還元装置で得られた二酸化炭素を前記マグネシウムと反応させる第１反応室の反応熱を利用して酸化カルシウムと前記第１反応室の反応により得られた炭素を反応させる第２反応室を備える炭素固定装置と、
を有することを特徴としている。
この特徴によれば、第１反応室において還元装置で得られた二酸化炭素とマグネシウムの反応で生じる炭素を第２反応室において酸化カルシウムと反応させて炭化カルシウムを生成することにより炭素をリサイクルして廃棄物を減らすとともに、第１反応室の反応熱を利用して第２反応室における酸化カルシウムと炭素の反応に必要な高い温度を得ることができるため、少ないエネルギで炭化カルシウムを得ることができる。

【0015】

前記炭素固定装置は、前記電解装置で得られた炭酸カルシウムを熱分解して前記第２反応室で反応させる酸化カルシウムを得る第３反応室を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、資源として豊富な海水を電解して得られた炭酸カルシウムを熱分解して、炭化カルシウムの原料となる酸化カルシウムを安価に得ることができるとともに、炭酸カルシウムの熱分解により生成される二酸化炭素を第１反応室における反応に利用することにより、炭化カルシウムの原料となる炭素を得ることができるため、二酸化炭素の生成と炭素固定の循環サイクルにより二酸化炭素の排出を抑えることができる。

【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システムを示す概要図である。

【図2】実施例における炭素固定装置を示す模式図である。

【図3】炭素固定装置の変形例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ことによりＭｇとＣＯ_２とを直接反応させて炭素を固定し、当該反応における反応熱の温度を利用して、当該反応により生成される酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を還元するために用いる還元剤としての炭化カルシウム（ＣａＣ_２）を生成する酸化カルシウム（ＣａＯ）と炭素（Ｃ）との反応に必要な約２０００度の温度を得ることが可能であることを見出し、これを契機として炭素の固定とマグネシウム及び炭素のリサイクルの両立を図ったものである。

【0018】

本発明に係る炭素固定装置及び炭素固定システム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】

【0019】

本実施例の炭素固定システム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。

【0020】

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。
ＭｇＯ＋ＣａＣ_２→Ｍｇ＋ＣａＯ＋２Ｃ・・・（反応式１）

【0021】

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。

【0022】

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）

【0023】

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度～約２０００度となる（反応式３参照）。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度以上となる（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度～約３０００度となるようにＣＯ_２濃度が調整されることが好ましい。
Ｍｇ＋ＣＯ_２→ＭｇＯ＋ＣＯ ・・・（反応式３）
２Ｍｇ＋ＣＯ_２→２ＭｇＯ＋Ｃ・・・（反応式４）

【0024】

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度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）

【0025】

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度～９００度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）

【0026】

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。

【0027】

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）リッチな導入気体Ａ１を用いて炭素固定及び発電が可能となっている。

【0028】

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リッチな導入気体Ａ１を圧縮して第１反応室３０に供給する供給手段２０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を供給手段２０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８連通路９１側を下流側として説明する。

【0029】

まず、供給手段２０について説明する。供給手段２０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２１と、第１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１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２連通路２４と、第２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３連通路２６と、から主に構成されている。

【0030】

第１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１連通路２１内に気体Ａ９が流入可能となっている。

【0031】

第１パルスパワー波照射器２２は、第１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、パルスパワー波によって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気体Ａ１が用いられることから、第１パルスパワー波照射器２２は配設されなくてもよい。また、導入気体Ａ１の温度によっては、冷却器２３も配設されなくてもよい。

【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】

セパレータ６０は、第３反応室３３の下流側に連結された第４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５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７連通路７１がそれぞれ連結されている。また、第７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。

【0037】

循環手段８０は、上述した第５連通路７０と、第５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６連通路８１と、第６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。

【0038】

排出手段９０は、上述した第５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８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８連通路９１が連結されている弁が閉弁状態となっている。

【0039】

次に、動作について説明する。還元装置３で得られたＣＯ_２リッチな導入気体Ａ１は、第１連通路２１に流入される。導入気体Ａ１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、導入気体Ａ１の温度は、３００度程度であり、単位時間当たりの流量は、０．１×１０^－４ｍ^３／ｓである。

【0040】

矢印で示されるように、第１連通路２１内に導入された導入気体Ａ１は、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、導入気体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。

【0041】

導入気体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、約３０度程度の気体Ａ２となる。気体Ａ２は、矢印で示されるように、第２連通路２４を通過した後、圧縮機２５により圧縮される。

【0042】

矢印で示されるように、圧力約２．０ＭＰａ、単位時間当たり流量５．０×１０^－５ｍ^３／ｓの圧縮・加圧された気体Ａ３が第３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。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、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、気体Ａ３のＣＯ_２濃度が低減された。

【0043】

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度～約３０００度となった。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。

【0044】

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。

【0045】

また、ＣＯ_２とＭｇとの反応により、気体Ａ３の温度が急激に上昇することに伴って、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。

【0046】

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。

【0047】

第２反応室３２に流入した約２０００度～約３０００度の高温の気体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。

【0048】

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。

【0049】

第３反応室３３に流入した約１１００度の高温の気体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。

【0050】

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。

【0051】

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４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７連通路７１を通じて貯蔵タンク７２に封入される。

【0052】

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５連通路７０に導出される。第５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８連通路９１側が閉弁状態となり、第５連通路７０及び第６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６連通路８１及び逆止弁８２を通じて、第１連通路２１に導出され、導入気体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。

【0053】

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６連通路８１側が閉弁状態となり、第５連通路７０及び第８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８連通路９１を通じて外部に排出される。

【0054】

以上説明したように、本実施例の炭素固定装置１０では、加圧された二酸化炭素（ＣＯ_２）リッチな導入気体Ａ３に第２パルスパワー波照射器３１から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とで、ＣＯ_２をマグネシウム（Ｍｇ）と反応させることができた。これにより、少なくとも酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と炭素（Ｃ）とが生成されることで炭素固定がなされるとともに、この反応は約２０００度～約３０００度の高温となることから、高温高圧の気体Ａ４が発生するため、発電手段４０による発電効率が高い。

【0055】

また、炭素固定装置１０の第１反応室３０におけるＭｇとＣＯ_２の反応で生じるＣを第２反応室３２において酸化カルシウム（ＣａＯ）と反応させて炭化カルシウム（ＣａＣ_２）を生成することにより、第１反応室３０における反応により生成されるＣをリサイクルして廃棄物を減らすとともに、第１反応室３０の反応熱を利用して第２反応室３２におけるＣａＯとＣの反応に必要な高い温度（約２０００度）を得ることができるため、少ないエネルギでＣａＣ_２を得ることができる。詳しくは、第１反応室３０における反応生成物である高温状態（約２０００度～約３０００度）のＣが第２反応室３２に投入されているＣａＯと反応することにより、第２反応室３２を再加熱する必要なくエネルギ効率よくＣａＣ_２を得ることができる。

【0056】

また、第１反応室３０におけるＭｇとＣＯ_２の反応による反応熱の温度が約２０００度～約３０００度であるため、第１反応室３０における反応生成物であるＣが第２反応室３２におけるＣａＯとの反応に必要な温度に保たれやすい。

【0057】

また、炭素固定装置１０は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）をＣａＯとＣＯ_２に熱分解する第３反応室３３を備えることにより、第３反応室３３で得られたＣＯ_２を第１反応室３０におけるＭｇとの反応により炭素固定できるとともに、第３反応室３３で得られたＣａＯを第２反応室３２におけるＣａＣ_２の生成の材料として利用できる。また、第３反応室３３で得られたＣＯ_２は、化石燃料を燃焼させた排気ガスよりも不純物が少ないため、ＭｇとＣＯ_２の反応効率を向上させることができる。

【0058】

また、第３反応室３３は、第２反応室３２の下流に配設され、第２反応室３２における排熱を利用して第３反応室３３におけるＣａＣＯ_３の熱分解に必要な温度を得ることができるため、エネルギを有効活用できる。

【0059】

また、第３反応室３３における反応生成物であるＣＯ_２を第１反応室３０におけるＭｇとの反応により炭素固定することができるため、炭素固定装置１０におけるＣＯ_２の生成と炭素固定の循環サイクルによりＣＯ_２の排出を抑えることができる。

【0060】

また、本実施例の炭素固定システム１は、海水を電解して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または炭素固定装置１０の第１反応室３０で得られたＭｇＯを基にＣａＣ_２により還元してＭｇとＣＯ_２を得る還元装置３と、還元装置３で発生したＣＯ_２をＭｇと反応させる第１反応室３０の反応熱を利用してＣａＯと第１反応室３０の反応により得られたＣを反応させる第２反応室３２と、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を有するものであることから、資源として豊富な海水を電解して得られたＣａＣＯ_３を熱分解して、ＣａＣ_２の原料となるＣａＯを安価に得ることができるとともに、ＣａＣＯ_３の熱分解により生成されるＣＯ_２を第１反応室３０におけるＭｇとの反応に利用することにより、ＣａＣ_２の原料となるＣを得ることができるため、ＣＯ_２の生成と炭素固定の循環サイクルによりＣＯ_２の排出を抑えることができる。また、ＣａＣ_２の原料となるＣａＯに限らず、炭素固定システム１を構成する還元装置３及び炭素固定装置１０の各反応室における反応に必要なＭｇ及びＣａを安価に得ることができる。

【0061】

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

【0062】

例えば、前記実施例では、炭素固定装置１０が還元装置３に適用されている構成として説明したが、これに限らず、所定のＣＯ_２濃度となる気体が発生する施設であれば、例えば火力発電所等の他の施設にも適用することが可能である。また、還元装置３で得られたＣＯ_２と図示しない化石燃料を燃焼させたＣＯ_２を含む排気ガスを混合した気体が炭素固定装置１０に導入されてもよい。

【0063】

また、第１パルスパワー波照射器２２によるパルスストリーマ放電が第１連通路２１内で行われる構成として説明したが、これに限らず、冷却器２３による冷却後の第２連通路２４内で行われてもよく、圧縮機２５による圧縮後の第３連通路２６内で行われてもよく、第１反応室３０に導入されるまでの範囲であれば限定されるものではない。

【0064】

また、圧縮機２５は、ガスタービン発電装置４１とは別置である構成として説明したが、これに限らず、気体Ａ４によって回転されるガスタービン発電装置４１のタービン４２の回転力を利用して気体を圧縮する構成としてもよい。

【0065】

また、ＭｇとＣＯ_２とを反応させるためのトリガーとして、短時間の第２パルスストリーマ放電を照射する構成として説明したが、これに限らず、第１反応室３０内に温度センサを配置し、温度センサにより測定された温度が２０００度以下となった場合に、都度第２パルスストリーマ放電を照射する構成としてもよい。さらに、ＭｇとＣＯ_２とを連続的に反応させている期間に亘って、第２パルスストリーマ放電を連続的に照射する構成としてもよい。

【0066】

また、前記実施例では、ＣＯ_２濃度が約７０％以上の導入気体Ａ１を第１反応室３０に導入し、Ｍｇとの反応により２０００度～３０００度の反応熱を得ることにより、これを利用して第１反応室３０の下流側に配設される第２反応室３２及び第３反応室３３における反応に必要な温度を得る態様について説明したが、これに限らず、例えば導入気体Ａ１のＣＯ_２濃度を約５５％以上とすることにより、第１反応室３０における反応熱を約１５００度～約２０００度の範囲としてもよい。これによれば、第１反応室３０における反応熱を前記実施例と比べて相対的に低温とすることにより、炭素固定装置１０の第１反応室３０や発電手段４０を構成する構造体の選択の範囲が広くなり、これらの構造を簡素化することができる。また、この場合、第１反応室３０の下流側に配設される第２反応室３２及び第３反応室３３における反応に必要な温度を得るために、例えば各反応室内の温度をパルスストリーマ放電により高められるようになっていてもよい。

【0067】

また、ＣＯ_２とＭｇとの反応による２０００度～３０００度の反応熱を、第２反応室３２にてＣとＣａＯとの反応に利用する例について説明したが、この反応熱を他の反応に利用することも可能である。例えば、この反応熱を利用しメタン等の炭化水素から、水素とアセチレンを得るものや水素と炭素、特にカーボンブラックを得るものが挙げられる。

【0068】

また、第３反応室３３が第２反応室３２の下流に配設される態様について説明したが、これに限らず、第３反応室を第２反応室の上流に配設し、第３反応室で得られたＣａＯを第２反応室におけるＣａＣ_２の生成の反応に直接利用できるようにしてもよい。

【0069】

また、図３の変形例に示されるように、第１反応室３０の下流側にガスタービン発電装置１４１のタービン１４２と第２反応室１３２が並列に配設され、タービン１４２の下流側には第３反応室１３３が配設され、第２反応室１３２と第３反応室１３３の下流側で第４連通路１５０において気体の流れが合流するように構成されていてもよい。また、第１反応室の下流側でタービン、第２反応室、第３反応室が並列に配設されていてもよい。

【0070】

また、ガスタービン発電装置のタービンは、第１反応室の下流側に配設される構成に限らず、気体の温度や圧力等の条件に応じて第２反応室や第３反応室の下流側に選択的に配設されてもよい。

【0071】

また、還元装置３における還元反応で得られるＣａＯやＣを第２反応室３２におけるＣａＣ_２の生成の反応に利用してもよい。このように、炭素固定システム１における各種反応に用いられる原料は、炭素固定システム１内の他の反応から得ることが好ましいが、炭素固定システム１の外部から得た原料を用いてもよい。

【0072】

また、第３反応室３３から導出される気体Ａ７の温度が十分に高温であれば、例えば第３反応室３３の下流側に高温の気体Ａ７を冷却する冷却器を配設し、冷却器による気体Ａ７の冷却の際に発生した水蒸気によりタービンを回転させる蒸気タービン発電装置によって発電を行うようにしてもよい。この場合、導入気体Ａ１の熱によって昇温された冷却器２３を流れる水または水蒸気を蒸気タービン発電装置による発電に用いてもよい。

【0073】

また、第３反応室におけるＣａＣＯ_３の熱分解反応は、第１反応室における反応熱または第２反応室における排熱を利用して行われるものであればよく、第３反応室が第１反応室または第２反応室と連続する流路を構成していなくてもよい。この場合、図示しない連通路により第３反応室と第１反応室を連通させ、第３反応室で得られたＣＯ_２を第１反応室における反応に直接利用できるようにしてもよい。

【0074】

加えて、第１反応室において反応に用いられるＣＯ_２は、還元装置３で得られたＣＯ_２や第３反応室で得られたＣＯ_２に限られず、他の手段によって得られたＣＯ_２であってもよい。

【符号の説明】

【0075】

１ 炭素固定システム
２ 電解装置
３ 還元装置
１０ 炭素固定装置
３０ 第１反応室
３２ 第２反応室
３３ 第３反応室

【図1】

【図2】

【図3】