JP5682364B2

JP5682364B2 - 反応炉

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Publication number: JP5682364B2
Application number: JP2011032198A
Authority: JP
Inventors: 雄樹亀谷
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2031-02-17
Also published as: JP2012171978A

Description

本発明は、太陽熱を利用して燃料を生成する反応炉に関する。

近年、地球温暖化の原因となる温室効果ガスを抑制するため、化石燃料の代替エネルギーの研究が進められている。その一環として、太陽熱を利用して化学反応を起こし原料から燃料を生成することで、太陽熱エネルギーを化学エネルギーとして貯蔵する反応炉が提案されている。

このような反応炉において、太陽光を受光して加熱される熱媒体または原料として固体炭素の粉末である炭素粒子を用いる場合、太陽光を反応炉内に入射させる透明な入射窓に炭素粒子が付着し、太陽光の透過を妨げてしまう可能性がある。

そこで、入射窓に不活性ガスを吹き付けることで炭素粒子等の付着を防ぐ技術が公開されている（例えば、非特許文献１）。また、例えば、タワー上部に集光された太陽光を反射してタワーの下部に設けられた反応炉に導光する、所謂ビームダウン式の反応炉において、入射窓を用いず不透明な受光部が加熱されることで間接的に原料に熱を伝える技術も公開されている（例えば、非特許文献２）。ビームダウン式としては、さらに、集光した太陽光を蒸気ボイラの底の２次鏡で反射させ、２次鏡の鉛直下方に配された、石炭が充填された反応器に入射させて、可燃性ガスを発生させる技術も公開されている（例えば、特許文献１）。

Elsevier, International journal of hydrogen energy, 2009;34:7676-7685 ASME, Journal of Solar Energy Engineering, 2004;126:633-637 特開昭５５−１４４０９１号公報

しかし、上述の非特許文献１の技術を用いると、不活性ガスが燃料に混入してしまい、燃料使用時のエネルギー効率が落ちる可能性がある。また、非特許文献２の技術を用いた場合、熱媒体や原料に太陽光を照射して直接加熱する場合に比べ加熱効率が低くなる。特許文献１の技術では、気体の流出路は設けられているものの、例えば、反応器での反応で炭素粒子が生成される場合、反応を続けるとやがて反応器に炭素粒子が充満してしまうため、一旦反応を停止して反応器内の炭素粒子を取り除かなければならず、反応器の稼働率低下を招く。

本発明は、このような課題に鑑み、太陽光を入射させる入射窓の透過率の低下を回避し、稼働率の向上が可能な、反応炉を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の反応炉は、集光した太陽光を鉛直下方に導光するビームダウン方式の反応炉であって、予め固体炭素が充墳され、鉛直上方が開口された充填容器と、充填容器の鉛直上方に配され、導光された太陽光を充填容器内部に入射させる入射窓と、入射窓を介して入射する太陽光によって加熱された固体炭素の熱で吸熱反応を起こす原料ガスを、充填された固体炭素に向けて充填容器の鉛直上方から流入させる流入路と、吸熱反応によって生成ガスと炭素粒子が生成されると、生成ガスと、生成ガスによって押し出された炭素粒子が流出する流出路と、を備えることを特徴とする。

充填容器において、吸熱反応である、水素ガスと炭素粒子を生成する第１反応プロセスと、炭素粒子自体が反応して一酸化炭素を生成する第２反応プロセスとが、それぞれ排他的に行われてもよい。

本発明の反応炉によれば、太陽光を入射させる入射窓の透過率の低下を回避し、稼働率の向上が可能となる。

集光システムを構成する各装置の概略的な関係を示した説明図である。反応炉の鉛直方向に平行な断面図である。図２（ａ）のＡＡ断面図である。充填容器内部の吸熱反応を説明するための説明図である。複数の反応炉を用いた例を示した説明図である。

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。

（集光システム１００）
図１は、集光システム１００を構成する各装置の概略的な関係を示した説明図である。図１において、太陽光の照射の向きを破線矢印１０２で示す。本実施形態の集光システム１００は、ヘリオスタット１１０と、タワー１２０と、反応炉１３０とを含んで構成される。

ヘリオスタット１１０は、複数の平面鏡と駆動機構で構成され、太陽１４０の日周運動に合わせて平面鏡を駆動し、平面鏡で反射した太陽光をタワー１２０の上部へ導く。タワー１２０は、上部に反射鏡１２２を有し、その下部に反応炉１３０を併設する。ヘリオスタット１１０が反射鏡１２２に集光した太陽光は、反射鏡１２２によって鉛直下方の反応炉１３０に導光される。反応炉１３０は、導光された太陽光による太陽熱で原料ガスに吸熱反応を起こさせ燃料を生成する。このように、本実施形態においては、集光した太陽光を鉛直下方に導光するビームダウン方式の反応炉１３０を用いる。

（反応炉１３０）
図２は、反応炉１３０の鉛直方向に平行な断面図である。図２（ａ）から（ｆ）の順に反応炉１３０における状態遷移を時系列に示す。図２では、太陽光の照射の向きを破線矢印１０２で、ガスの流れを実線矢印１４２で示す。本実施形態の反応炉１３０は、充填容器２００と、入射窓２０２と、流入路２０４と、流出路２０６とを含んで構成される。

充填容器２００は、予め固体炭素２２０が充墳されており、鉛直上方が開口されている。入射窓２０２は、充填容器２００の鉛直上方に配され、流入路２０４の外壁となると共に、導光された太陽光を充填容器２００内部に入射させる。

流入路２０４は、入射窓２０２が設けられ、入射窓２０２を介して入射する太陽光によって加熱された固体炭素２２０の熱で吸熱反応を起こす原料ガスを、充填された固体炭素２２０に向けて充填容器２００の鉛直上方から流入させる経路である。

流出路２０６は、吸熱反応によって生成ガスと炭素粒子が生成されると、生成ガスと、生成ガスによって押し出された炭素粒子が流出する経路である。ここで、炭素粒子は粉末、固体炭素２２０は粉末または塊状であって、いずれも組成は同じ炭素である。

図３は、図２（ａ）のＡＡ断面図である。反応炉１３０は、ＡＡ断面において、経路を形成する壁や充填容器２００が、図３（ａ）に示すように円形となるように形成されている。また、反応炉１３０は、かかる形状に限らず、ＡＡ断面において、経路を形成する壁や充填容器２００が、図３（ｂ）に示すように矩形の入れ子構造となるように形成されてもよい。いずれの場合も、原料ガスは、反応炉１３０の流入路２０４上部において外縁から中央に向かって流動する。さらに、反応炉１３０は、ＡＡ断面において、経路を形成する壁や充填容器２００が、図３（ｃ）に示すように矩形が並列に並び、原料ガスが反応炉１３０の流入路２０４上部において図３（ｃ）における左右両端側から中央に向かって平行に流動するように形成されてもよい。

（原料ガスおよび生成物の流れ）
続いて、反応炉１３０の状態遷移を説明する。ここでは、原料ガスとしてメタンガスを例に挙げ、吸熱反応の結果、炭素粒子と、水素ガスとが生成される（生成ガスが水素ガスである）と仮定する。

予め、図２（ａ）に示す充填容器２００の内部には図２（ｂ）のように固体炭素２２０が充填されている。燃料の生成が開始されると、図２（ｃ）の実線矢印１４２に示すように、流入路２０４から流入したメタンガスが、流入口２０４ａを通じて鉛直上方から充填容器２００に向かって流れる。そして、メタンガスは、図２（ｄ）に示すように、充填容器２００内部の固体炭素２２０に吹き付けられた後、流出路２０６を通じて流出する。

充填容器２００内部の固体炭素２２０が入射窓２０２から入射した太陽光によって加熱されると、メタンガスがその加熱された固体炭素２２０を通じて吸熱反応を起こし、炭素粒子２３０と水素ガスが生成される。生成された炭素粒子２３０は、固体炭素２２０の上に堆積し、水素ガスは、未反応のメタンガスと共に流出路２０６に流れ出る。また、炭素粒子２３０の一部が未反応のメタンガスや生成された水素ガスの流れに巻き込まれ、図２（ｅ）に示すように、流出路２０６に吹き出す。

そして吸熱反応が進むと、図２（ｆ）に示すように、固体炭素２２０の上に堆積しきれなくなった炭素粒子２３０も、充填容器２００の上部２００ａから溢れ、未反応のメタンガスや生成された水素ガスによって流出路２０６に押し出される。

上述したように、本実施形態の反応炉１３０は、充填容器２００の鉛直上方から固体炭素２２０に向けて原料ガスが吹き付けられる構成となっている。原料ガスは、入射窓２０２から遠ざかる方向に流れ、生成ガスは、炭素粒子２３０を巻き込んで、入射窓２０２に向かうことなく流出路２０６から流出する。そのため、入射窓２０２に接触するのは、入射窓２０２に何ら成分が付着しない原料ガスであり、入射窓２０２に炭素粒子２３０が付着することがないため、反応炉１３０では、入射窓２０２の透過率が低下する事態を回避できる。

また、炭素粒子２３０が流出路２０６に押し出される構成により、堆積した炭素粒子２３０を反応炉１３０から除去するためのメンテナンス作業が不要となり、反応炉１３０は、作業コストを低減し、連続稼働時間を長くすることが可能となる。

続いて、充填容器２００の内部で起きる反応を利用した２通りの処理について、図４を用いて詳述する。

図４は、充填容器２００内部の吸熱反応を説明するための説明図である。特に図４（ａ）は、二酸化炭素のドライ改質反応の化学式を示し、図４（ｂ）は、金属酸化物の還元反応の化学式を示す。

（二酸化炭素のドライ改質処理）
二酸化炭素のドライ改質処理は、２つの反応プロセスに分けられる。１つ目の反応プロセスである第１反応プロセスでは、原料ガスであるメタンガス（ＣＨ_４）が吸熱し炭素粒子２３０と水素ガス（Ｈ_２）に分解される。以下にその化学式（１）を示す。本実施形態において、Ｃ（ｓ）は、固体の炭素を示す。
ＣＨ_４→Ｃ（ｓ）＋２Ｈ_２ ΔＨ＝７５ｋＪ／ｍｏｌ …（１）

第１反応プロセスにおいて生成された水素ガスは、分解しきれなかったメタンガスおよびアセチレンガス（Ｃ_２Ｈ_２）等の副生成物と共に、さらに天然ガスと混合して既存のガスインフラ等で利用される。また、ガス分離処理によって、水素ガスのみを抽出して純度を高めることもできる。この場合、分解しきれなかったメタンガスおよびアセチレンガス（Ｃ_２Ｈ_２）等の副生成物は、原料ガスとして再利用される。

２つ目の反応プロセスである第２反応プロセスでは、原料ガスである二酸化炭素ガスと第１反応プロセスで生成された炭素粒子２３０の吸熱反応により、一酸化炭素ガス（ＣＯ）が生成される。以下にその化学式（２）を示す。
Ｃ（ｓ）＋ＣＯ_２→２ＣＯ ΔＨ＝１７２ｋＪ／ｍｏｌ …（２）

生成された一酸化炭素ガスは、ガス分離処理によって未反応の二酸化炭素ガスと分離することで純度を高めることもできる。この場合、未反応の二酸化炭素ガスは原料ガスとして再利用される。

このように、図４（ａ）の枠２５０に示す第１反応プロセスおよび第２反応プロセスは吸熱反応であり、本実施形態では、充填容器２００の内部において、太陽光により加熱された炭素粒子２３０から熱を奪いながら反応が進むこととなる。そして、第１反応プロセスで生成された炭素粒子２３０は、第１反応プロセスにおける熱化学反応媒体（太陽光を受光して反応場へ熱を供給する媒体）として再利用される他、第２反応プロセスにおける原料として用いられる。

（金属酸化物の還元処理）
充填容器２００で行う、吸熱反応を用いたもう一方の処理は、図４（ｂ）に示す、金属酸化物の還元処理である。ここでは、金属酸化物として酸化亜鉛を例に挙げて説明するが、他の金属酸化物であってもよいことは言うまでもない。

金属酸化物の還元処理は、３つの反応プロセスに分けられる。第１反応プロセスでは、二酸化炭素のドライ改質処理の第１反応プロセスと同様、原料ガスであるメタンガスが炭素粒子２３０と水素ガスに分解される。化学式は上述した化学式（１）と同じである。
ＣＨ_４→Ｃ（ｓ）＋２Ｈ_２ ΔＨ＝７５ｋＪ／ｍｏｌ …（１）

第２反応プロセスでは、原料である酸化亜鉛が炭素粒子２３０存在下で還元され、一酸化炭素ガスが生成される。以下にその化学式（３）を示す。
Ｃ（ｓ）＋ＺｎＯ→ＣＯ＋Ｚｎ ΔＨ＝２３８ｋＪ／ｍｏｌ …（３）

第３反応プロセスでは、亜鉛と水が反応し、水素ガスが生成する。以下にその化学式（４）を示す。
Ｚｎ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＺｎＯ ΔＨ＝−６２ｋＪ／ｍｏｌ …（４）

二酸化炭素のドライ改質処理と同様、図４（ｂ）の枠２５０に示す第１反応プロセスおよび第２反応プロセスは吸熱反応であり、本実施形態では、充填容器２００の内部において、太陽光により加熱された炭素粒子２３０から熱を奪いながら反応が進む。

また、第２反応プロセスでは、充填容器２００に炭素粒子２３０と酸化亜鉛に加え、キャリアガスが投入される。キャリアガスは、炭素粒子２３０および酸化亜鉛に対して不活性なガスであり、例えば、窒素ガスやアルゴンガスが用いられる。

金属酸化物の還元処理においては、二酸化炭素のドライ改質処理と異なり第２反応プロセスの原料として、気体である二酸化炭素ガスではなく固体である酸化亜鉛の粉末を用いる。流入路２０４を通じて酸化亜鉛を投入すると、入射窓２０２にその粉末が吹き付けられて付着してしまう恐れがある。そのため、金属酸化物の還元処理の第２反応プロセスでは、酸化亜鉛は、固体炭素２２０と共に、予め充填容器２００に投入しておくこととする。

また、金属酸化物の還元処理においては、二酸化炭素のドライ改質処理と異なり第３反応プロセスがあるが、この反応は吸熱を伴わないため充填容器２００内部の太陽熱を利用する必要はなく、他の発熱可能な領域において進められる。第３反応プロセスで生成された酸化亜鉛は第２反応プロセスの原料として再利用される。

（複数の反応炉１３０ａ、１３０ｂを用いた例）
図５は、複数の反応炉１３０ａ、１３０ｂを用いた例を示した説明図である。ここでは、反応炉１３０ａに二酸化炭素のドライ改質処理の第１反応プロセスを行わせ、反応炉１３０ｂに二酸化炭素のドライ改質処理の第２反応プロセスを行わせる例を示す。

反応炉１３０ａには、図２を用いて説明した通り、原料ガスとしてメタンガスを投入し、炭素粒子２３０と水素ガスが生成される。他の反応炉１３０ｂには、固体炭素２２０および反応炉１３０ａにおける第１反応プロセスで生成された炭素粒子２３０を予め充填容器２００に充填させておく。そして、反応炉１３０ｂに原料ガスとして二酸化炭素ガスを投入し、固体炭素２２０および炭素粒子２３０が消耗され、一酸化炭素ガスが生成される。

このように、投入する原料ガスを反応炉１３０ａではメタンガス、反応炉１３０ｂでは二酸化炭素ガスというように分けることにより、上述した二酸化炭素のドライ改質処理の第１反応プロセスと第２反応プロセスとをそれぞれ排他的に行うことができる。

同様に、投入する原料をある反応炉１３０ではメタンガス、他の反応炉１３０では酸化亜鉛というように分けることにより、上述した金属酸化物の還元処理の第１反応プロセスと第２反応プロセスとをそれぞれ排他的に行うことが可能となる。

ここで、「排他的に行う」は、第１反応プロセスと第２反応プロセスとを同一の充填容器２００で同時に進行させないことを意味し、図５に示すように反応炉１３０を複数設ける他、例えば、同じ充填容器２００で、第１反応プロセスと第２反応プロセスとを時間を異ならせて交互に行うことを含む。

生成した水素ガスを、例えば、燃料電池で利用する場合、一酸化炭素が混入していると触媒を被毒してしまう場合がある。従来では、水素ガスと一酸化炭素ガスとが混合した状態で生成されていたため、両者をガス分離処理によって分離しなければならなかった。本実施形態では、第１反応プロセスと第２反応プロセスとがそれぞれ排他的に行われ、ある反応炉１３０では水素ガスが生成され、他の反応炉１３０では一酸化炭素ガスが生成されるため、それぞれが分離して生成されることとなり、両ガスは混合しない。そのため、反応炉１３０は、両ガスの分離処理にかかるコストを削減することが可能となる。

また、反応炉１３０は、第２反応プロセスにおいて、熱化学反応媒体として、第２反応プロセスの生成物と同じ炭素である固体炭素２２０が用いられているため、反応後に、固体炭素２２０と炭素粒子２３０とを分離する必要がなくコストを低減できる。

さらに、反応炉１３０は、第２反応プロセスにおいて、太陽光を受光して発熱する固体炭素２２０や炭素粒子２３０自体を反応させて一酸化炭素ガスを得るため、第１反応プロセスと第２反応プロセスを合わせると、従来のメタンガスの改質反応に比べ、同じｍｏｌ数に対して約３倍程度、太陽熱エネルギーを吸熱して化学エネルギーに変換できる。

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。

本発明は、太陽熱を利用して燃料を生成する反応炉に利用することができる。

１３０ …反応炉
２００ …充填容器
２０２ …入射窓
２０４ …流入路
２０６ …流出路
２２０ …固体炭素
２３０ …炭素粒子

Claims

集光した太陽光を鉛直下方に導光するビームダウン方式の反応炉であって、
予め固体炭素が充墳され、鉛直上方が開口された充填容器と、
前記充填容器の鉛直上方に配され、導光された前記太陽光を該充填容器内部に入射させる入射窓と、
前記入射窓を介して入射する前記太陽光によって加熱された前記固体炭素の熱で吸熱反応を起こす原料ガスを、充填された該固体炭素に向けて前記充填容器の鉛直上方から流入させる流入路と、
前記吸熱反応によって生成ガスと炭素粒子が生成されると、該生成ガスと、該生成ガスによって押し出された該炭素粒子が流出する流出路と、
を備えることを特徴とする反応炉。
前記充填容器において、前記吸熱反応である、水素ガスと炭素粒子を生成する第１反応プロセスと、炭素粒子自体が反応して一酸化炭素を生成する第２反応プロセスとが、それぞれ排他的に行われることを特徴とする請求項１に記載の反応炉。