酸素欠乏型マグネタイト製造装置
【課題】反応後のガスに対する処理を工夫することで、水素を有効利用しつつ、マグネタイトの還元効率を維持するとともに、マグネタイト反応部から酸素欠乏型マグネタイトを容易に抜き出すことが可能となる。
【解決手段】酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００は、水素源１１０と、マグネタイトを収容可能なマグネタイト反応部１５０と、水素源１１０から送出された水素が流通するとともに、水素をマグネタイト反応部１５０に供給する水素供給路１２０と、マグネタイト反応部１５０から排出されたガスから水を除去する水除去部１９０と、水除去部１９０により水が除去されたガスを水素供給路１２０に戻す水素循環路２００と、を備える。
【解決手段】酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００は、水素源１１０と、マグネタイトを収容可能なマグネタイト反応部１５０と、水素源１１０から送出された水素が流通するとともに、水素をマグネタイト反応部１５０に供給する水素供給路１２０と、マグネタイト反応部１５０から排出されたガスから水を除去する水除去部１９０と、水除去部１９０により水が除去されたガスを水素供給路１２０に戻す水素循環路２００と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素を還元して炭素に変換する酸素欠乏型マグネタイト製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年問題となっている地球温暖化は、人間の産業活動に伴って大気中に排出される温室効果ガスによって引き起こされている。つまり、大気中の温室効果ガス量が増加することで、地球温暖化が促進してしまう。
【０００３】
温室効果ガスとして、特に量が多い二酸化炭素を大気中から除去する技術として、酸素欠乏型マグネタイトに二酸化炭素を接触させることにより、二酸化炭素を還元して炭素に変換する技術が知られている。このような、酸素欠乏型マグネタイトを製造する技術として、例えば、３５０℃の水素下でマグネタイトを保持しておく技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
また、水素を利用した酸素欠乏型マグネタイトの製造技術において、マグネタイトを収容した再生塔に水素を導入し、再生塔を通過したガスをそのまま再生塔に再導入することで水素を有効利用する技術も開示されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−８３１５９号公報
【特許文献２】特開２００９−２４９２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したような特許文献２の技術において、再生塔を通過したガスには、水素がマグネタイトを還元した結果生じる水が含まれている。したがって、再生塔を通過したガスをそのまま再生塔に再導入する工程を繰り返すと、再生塔内における水の濃度が徐々に上昇することになる。そうすると、再生塔内のマグネタイトが水によって固着し、再生塔内における水素の圧力損失が上がってしまう、すなわち、圧力損失の分、再生塔内への水素の導入量が相対的に減少し、マグネタイトの還元効率が低下してしまい、酸素欠乏型マグネタイトの生産量が低減してしまう。
【０００７】
また特許文献２には、還元後の酸素欠乏型マグネタイトを抜き出す抜出管の底面に凝縮した水を排出する排出管が記載されているが、このような構成では、凝縮した水によって抜出管内に酸素欠乏型マグネタイトが固着し抜出管を閉塞してしまう。そうすると、再生塔自体から水を抜き出すことができないばかりか、抜出管から酸素欠乏型マグネタイトをスムーズに抜き出すことができなくなり、ユーザは、抜出管に対してハンマリングを行ったり、別途の装置を用いて抜出管から酸素欠乏型マグネタイトを掻き出したりする作業が必要となり、ユーザに煩雑な作業を強いることになっていた。また、水で固着した酸素欠乏型マグネタイトを抜出管から抜き出す際に抜出管や再生塔が損傷してしまうおそれもあった。
【０００８】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、反応後のガスに対する処理を工夫することで、水素を有効利用しつつ、マグネタイトの還元効率を維持するとともに、マグネタイト反応部から酸素欠乏型マグネタイトを容易に抜き出すことが可能な酸素欠乏型マグネタイト製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の酸素欠乏型マグネタイト製造装置は、水素源と、マグネタイトを収容可能なマグネタイト反応部と、水素源から送出された水素が流通するとともに、水素をマグネタイト反応部に供給する水素供給路と、マグネタイト反応部から排出されたガスから水を除去する水除去部と、水除去部により水が除去されたガスを水素供給路に戻す水素循環路と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記マグネタイト反応部から排出されるガスを、水除去部を介さずに水素循環路、または、水素供給路にバイパスするバイパス管を備えてもよい。
【００１１】
上記マグネタイト反応部から排出されるガスの水分濃度を検出する水検出部と、水検出部による検出結果に応じて、マグネタイト反応部から排出されるガスの排出先を、水除去装置と、バイパス管とに切り換える流路切換部と、を備えてもよい。
【００１２】
上記水素供給路に設けられ、水素源から送出された水素と熱媒体とで熱交換を行い、水素を加熱すると共に熱媒体を冷却する第１熱交換器と、マグネタイト反応部から排出されたガスを水除去部に供給するための排出路に設けられ、排出されたガスと熱媒体とで熱交換を行い、排出されたガスを冷却するとともに熱媒体を加熱する第２熱交換器と、第１熱交換器と第２熱交換器とで熱媒体を循環させる媒体循環部と、を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、反応後のガスに対する処理を工夫することで、水素を有効利用しつつ、マグネタイトの還元効率を維持するとともに、マグネタイト反応部から酸素欠乏型マグネタイトを容易に抜き出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】酸素欠乏型マグネタイト製造装置の概略的な構造を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００）
図１は、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００の概略的な構造を説明するための説明図である。図１に示すように、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００は、水素源１１０と、水素供給路１２０と、第１熱交換器１３０と、マグネタイト反応部１５０と、排出路１６０と、第２熱交換器１７０と、水検出部１８０と、水除去部１９０と、水素循環路２００と、バイパス路２１０と、流路切換部２２０と、媒体循環部２２２と、を含んで構成される。水素の流れに着目すると、水素源１１０から供給された水素は、水素供給路１２０、マグネタイト反応部１５０、排出路１６０、水除去部１９０を通り、水素供給路１２０に戻ることとなる。以下、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００を構成する各機能部について詳述する。
【００１７】
水素源１１０は、例えば、石炭のガス化炉（例えば、二塔式ガス化炉）等の、製造物の一部として水素を製造可能な装置で構成される。水素供給路１２０は、水素源１１０から送出された水素が流通するとともに、後述するマグネタイト反応部１５０に水素を供給する。
【００１８】
第１熱交換器１３０は、水素供給路１２０に設けられ、水素源１１０から送出された水素と熱媒体とで熱交換を行うことで、水素を２７０℃以上まで加熱するとともに熱媒体を冷却する。つまり、マグネタイト反応部１５０には、第１熱交換器１３０で加熱された水素が導入されることになる。
【００１９】
ここで第１熱交換器１３０は、火力発電のボイラから排出される排ガスや、原子力発電で発生する水蒸気等の二酸化炭素の発生を伴わない熱源を、熱媒体を加熱する熱源として利用すれば、さらなる二酸化炭素の発生を回避することが可能となる。
【００２０】
マグネタイト反応部１５０は、反応室１５２と、水素貯留部１５４と、連通部１５６と、抜出管１５８とを含んで構成される。
【００２１】
反応室１５２には、マグネタイトが収容される。具体的に説明すると、反応室１５２において、後述する水素貯留部１５４から導入された水素によってマグネタイトが流動床（流動層）化する。ここで、反応室１５２には、第１熱交換器１３０で加熱された高温の水素が導入されるため、この水素が還元剤として機能し、以下の式（１）に示すように、反応室１５２に収容されたマグネタイトが酸素欠乏型マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４-ｎ）に変換される。
Ｆｅ３Ｏ４＋ｎＨ２→Ｆｅ３Ｏ（４−ｎ）＋ｎＨ２Ｏ
…式（１）
【００２２】
なお、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）は、磁鉄鉱とも呼ばれる化合物である。また、酸素欠乏型マグネタイトは、酸素不足型マグネタイト、酸素欠陥型マグネタイト、酸素欠損型マグネタイト、または、金属過剰型マグネタイトと呼ばれることもある。
【００２３】
水素貯留部１５４は、反応室１５２の鉛直下方に配され、第１熱交換器１３０で加熱された高温の水素を一時的に貯留する。連通部１５６は、反応室１５２と水素貯留部１５４とを連通し、水素貯留部１５４に貯留された高温（２７０℃程度）の水素を反応室１５２に導入する。抜出管１５８は、反応室１５２から鉛直下方向に延伸して水素貯留部１５４を貫通し、反応室１５２内の酸素欠乏型マグネタイトを流通させることが可能な管である。したがって、反応室１５２で生成された酸素欠乏型マグネタイトは、抜出管１５８を通じて外部に抜出される。
【００２４】
排出路１６０は、マグネタイト反応部１５０から排出されたガスＸ１が流通するとともに、ガスＸ１を後述する水除去部１９０に供給する。つまり、第１熱交換器１３０で加熱された水素は、水素貯留部１５４で一時貯留された後に、反応室１５２に導入され、マグネタイトを還元してガスＸ１となり、反応室１５２から排出され、排出路１６０を流通することになる。
【００２５】
第２熱交換器（熱交換器）１７０は、排出路１６０に設けられ、ガスＸ１と熱媒体とで熱交換を行うことで、ガスＸ１を冷却してガスＸ２とするとともに熱媒体を加熱する。
【００２６】
水検出部１８０は、ガスＸ２の水分濃度を検出して、検出結果を水除去部１９０および流路切換部２２０に伝達する。
【００２７】
水除去部１９０は、ガスＸ２から水（水蒸気）を除去する。具体的に説明すると、水除去部１９０は、例えば、活性炭吸着装置や凝縮器で構成される。ガスＸ２が水除去部１９０を通過することにより、ガスＸ２中の水が除去される。したがって、水除去部１９０から送出されるガスＸ３は水素ということになる。
【００２８】
水素循環路２００は、水除去部１９０によって水が除去されたガスＸ３を水素供給路１２０における第１熱交換器１３０の上流に戻す。これにより、マグネタイト反応部１５０から排出され、水除去部１９０で水が除去されたガスＸ３、すなわち水素を再度マグネタイト反応部１５０で利用することができる。したがって、製造コストがかかる水素を有効に利用することが可能となる。
【００２９】
また、水除去部１９０を備える構成により、マグネタイト反応部１５０に再導入されるガスＸ３に含まれる水分濃度を極めて低くすることができる。そうすると、マグネタイト反応部１５０において、水の濃度が上昇してしまう事態を回避することが可能となる。こうして、マグネタイト反応部１５０内でマグネタイトが固着してしまうことがなくなり、反応室１５２において圧力損失を生じる確率を低減でき、水素導入量を維持することが可能となる。したがって、水素によるマグネタイトの還元効率を維持することが可能となる。つまり、本実施形態にかかる酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００によれば、水素を有効利用しつつ、効率的に酸素欠乏型マグネタイトを製造することが可能となる。
【００３０】
さらに、マグネタイト反応部１５０における水分濃度を極めて低くすることができるため、反応室１５２や抜出管１５８内に水が凝縮してしまうことがなくなり、抜出管１５８内で酸素欠乏型マグネタイト（またはマグネタイト）が固着してしまう事態を回避することが可能となる。したがって、抜出管１５８からスムーズに酸素欠乏型マグネタイトを抜き出すことができる。
【００３１】
バイパス路２１０は、ガスＸ２を、水除去部１９０を介さずに水素循環路２００にバイパスする。
【００３２】
流路切換部２２０は、水検出部１８０による検出結果に応じて、マグネタイト反応部１５０から排出されるガスの排出先を、水除去部１９０と、バイパス路２１０とに切り換える。具体的に説明すると、流路切換部２２０は、水検出部１８０が検出した水分濃度が、再度マグネタイト反応部１５０に導入されたとしても、マグネタイト反応部１５０におけるマグネタイトの還元効率に支障のない程度の値である所定値未満であると、ガスＸ２の排出先を水除去部１９０からバイパス路２１０に切り換えて、水除去部１９０の動作を停止する。一方、流路切換部２２０は、水検出部１８０が検出した水分濃度が所定値以上であると、マグネタイト反応部１５０から排出されるガスＸ２の排出先を、バイパス路２１０から水除去部１９０に切り換える。
【００３３】
このように、流路切換部２２０が水検出部１８０による検出結果に応じて流路を切り換えることにより、水除去部１９０の不要な運転を抑制することができ、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００全体の運転コストを低減することが可能となる。
【００３４】
また、ガスＸ２における水分濃度はある程度高い方が、水除去部１９０における水の除去効率が高い。したがって、流路切換部２２０が水検出部１８０による検出結果に応じて流路を切り換えることにより、水除去部１９０において効率よく水を除去することが可能となる。
【００３５】
媒体循環部２２２は、第１熱交換器１３０と第２熱交換器１７０とで熱媒体を循環させる。上述したように第１熱交換器１３０では熱媒体が冷却され、第２熱交換器１７０では熱媒体が加熱されるため、媒体循環部２２２が熱媒体を循環させることにより、熱損失を抑制することが可能となる。したがって、熱源による第１熱交換器１３０における熱媒体の加熱量を削減することができる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態にかかる酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００によれば、マグネタイト反応部１５０において一旦マグネタイトを還元したことによって生じた水を含む水素（ガスＸ１、Ｘ２）から水を除去した後に、マグネタイト反応部１５０に戻すため、水素を有効利用しつつ、マグネタイトの還元効率を維持するとともに、マグネタイト反応部１５０から酸素欠乏型マグネタイトを容易に抜き出すことが可能となる。
【００３７】
なお、酸素欠乏型マグネタイトは、以下の式（２）、（３）に示すように、二酸化炭素を還元して炭素に変換する機能を有する。したがって、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００を利用して、酸素欠乏型マグネタイトを製造することで、大気中の二酸化炭素を炭素に変換できる、すなわち、大気中の二酸化炭素を除去することができ、地球温暖化を抑制することが可能となる。
ＣＯ２＋Ｆｅ３Ｏ（４−ｎ）→ＣＯ＋Ｆｅ３Ｏ４
…式（２）
ＣＯ＋Ｆｅ３Ｏ（４−ｎ）→Ｃ＋Ｆｅ３Ｏ４
…式（３）
【００３８】
ここで、酸素欠乏型マグネタイトに二酸化炭素を接触させることで得られた炭素は、別途燃料として利用することができる。例えば、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００で製造した酸素欠乏型マグネタイトにそのまま二酸化炭素を接触させる場合、これによって得られた、炭素が析出したマグネタイトをそのまま燃料として利用することができる。
【００３９】
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。
【００４０】
例えば、上述した実施形態では、第１熱交換器１３０が水素を２７０℃以上に加熱する構成について記載したが、水素がマグネタイトを酸素欠乏型マグネタイトに還元することができれば、何℃（例えば、１００℃以上）でも構わない。また、上述した実施形態において、第１熱交換器１３０が熱交換器である例について説明したが、水素源１１０から供給された水素を加熱できればよく、ヒータ等であってもよい。
【００４１】
また、水素源１１０として、石炭のガス化炉等を採用し、送出される水素の温度が、マグネタイトを酸素欠乏型マグネタイトに還元することができる温度であれば、第１熱交換器１３０を省略することもできる。
【００４２】
さらに、水素源１１０として、ガス化炉を例に挙げて説明したが、水素を供給できればよく、水素ボンベを水素源１１０として利用することもできる。
【００４３】
また、上述した実施形態においてマグネタイト反応部１５０は、マグネタイトの流動床を形成しているが、マグネタイトの固定床（層）を形成しておき、この固定床に高温の水素を導入することでマグネタイトを還元して酸素欠乏型マグネタイトを製造することもできる。
【００４４】
さらに、上述した実施形態においてマグネタイト反応部１５０の抜出管１５８が、反応室１５２の底面から鉛直下方向に延伸する構成について説明したが、抜出管１５８の設置位置に限定はない。例えば、抜出管１５８は、反応室１５２の側面から水平方向に延伸する構成であってもよい。
【００４５】
また、上述した実施形態においてバイパス管２１０は、ガスＸ２を、水除去部１９０を介さずに水素循環路２００にバイパスするが、これに限らず、ガスＸ２を、水除去部１９０を介さずに水素供給路１２０にバイパスするとしてもよい。
【００４６】
さらに、上述した実施形態において、水検出部１８０は、ガスＸ２の水分濃度を検出しているが、ガスＸ１の水分濃度を検出してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、二酸化炭素を還元して炭素に変換する酸素欠乏型マグネタイト製造装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１００ …酸素欠乏型マグネタイト製造装置
１１０ …水素源
１２０ …水素供給路
１３０ …第１熱交換器
１５０ …マグネタイト反応部
１６０ …排出路
１７０ …第２熱交換器
１８０ …水検出部
１９０ …水除去部
２００ …水素循環路
２１０ …バイパス路
２２０ …流路切換部
２２２ …媒体循環部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素を還元して炭素に変換する酸素欠乏型マグネタイト製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年問題となっている地球温暖化は、人間の産業活動に伴って大気中に排出される温室効果ガスによって引き起こされている。つまり、大気中の温室効果ガス量が増加することで、地球温暖化が促進してしまう。
【０００３】
温室効果ガスとして、特に量が多い二酸化炭素を大気中から除去する技術として、酸素欠乏型マグネタイトに二酸化炭素を接触させることにより、二酸化炭素を還元して炭素に変換する技術が知られている。このような、酸素欠乏型マグネタイトを製造する技術として、例えば、３５０℃の水素下でマグネタイトを保持しておく技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
また、水素を利用した酸素欠乏型マグネタイトの製造技術において、マグネタイトを収容した再生塔に水素を導入し、再生塔を通過したガスをそのまま再生塔に再導入することで水素を有効利用する技術も開示されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−８３１５９号公報
【特許文献２】特開２００９−２４９２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したような特許文献２の技術において、再生塔を通過したガスには、水素がマグネタイトを還元した結果生じる水が含まれている。したがって、再生塔を通過したガスをそのまま再生塔に再導入する工程を繰り返すと、再生塔内における水の濃度が徐々に上昇することになる。そうすると、再生塔内のマグネタイトが水によって固着し、再生塔内における水素の圧力損失が上がってしまう、すなわち、圧力損失の分、再生塔内への水素の導入量が相対的に減少し、マグネタイトの還元効率が低下してしまい、酸素欠乏型マグネタイトの生産量が低減してしまう。
【０００７】
また特許文献２には、還元後の酸素欠乏型マグネタイトを抜き出す抜出管の底面に凝縮した水を排出する排出管が記載されているが、このような構成では、凝縮した水によって抜出管内に酸素欠乏型マグネタイトが固着し抜出管を閉塞してしまう。そうすると、再生塔自体から水を抜き出すことができないばかりか、抜出管から酸素欠乏型マグネタイトをスムーズに抜き出すことができなくなり、ユーザは、抜出管に対してハンマリングを行ったり、別途の装置を用いて抜出管から酸素欠乏型マグネタイトを掻き出したりする作業が必要となり、ユーザに煩雑な作業を強いることになっていた。また、水で固着した酸素欠乏型マグネタイトを抜出管から抜き出す際に抜出管や再生塔が損傷してしまうおそれもあった。
【０００８】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、反応後のガスに対する処理を工夫することで、水素を有効利用しつつ、マグネタイトの還元効率を維持するとともに、マグネタイト反応部から酸素欠乏型マグネタイトを容易に抜き出すことが可能な酸素欠乏型マグネタイト製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の酸素欠乏型マグネタイト製造装置は、水素源と、マグネタイトを収容可能なマグネタイト反応部と、水素源から送出された水素が流通するとともに、水素をマグネタイト反応部に供給する水素供給路と、マグネタイト反応部から排出されたガスから水を除去する水除去部と、水除去部により水が除去されたガスを水素供給路に戻す水素循環路と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記マグネタイト反応部から排出されるガスを、水除去部を介さずに水素循環路、または、水素供給路にバイパスするバイパス管を備えてもよい。
【００１１】
上記マグネタイト反応部から排出されるガスの水分濃度を検出する水検出部と、水検出部による検出結果に応じて、マグネタイト反応部から排出されるガスの排出先を、水除去装置と、バイパス管とに切り換える流路切換部と、を備えてもよい。
【００１２】
上記水素供給路に設けられ、水素源から送出された水素と熱媒体とで熱交換を行い、水素を加熱すると共に熱媒体を冷却する第１熱交換器と、マグネタイト反応部から排出されたガスを水除去部に供給するための排出路に設けられ、排出されたガスと熱媒体とで熱交換を行い、排出されたガスを冷却するとともに熱媒体を加熱する第２熱交換器と、第１熱交換器と第２熱交換器とで熱媒体を循環させる媒体循環部と、を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、反応後のガスに対する処理を工夫することで、水素を有効利用しつつ、マグネタイトの還元効率を維持するとともに、マグネタイト反応部から酸素欠乏型マグネタイトを容易に抜き出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】酸素欠乏型マグネタイト製造装置の概略的な構造を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００）
図１は、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００の概略的な構造を説明するための説明図である。図１に示すように、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００は、水素源１１０と、水素供給路１２０と、第１熱交換器１３０と、マグネタイト反応部１５０と、排出路１６０と、第２熱交換器１７０と、水検出部１８０と、水除去部１９０と、水素循環路２００と、バイパス路２１０と、流路切換部２２０と、媒体循環部２２２と、を含んで構成される。水素の流れに着目すると、水素源１１０から供給された水素は、水素供給路１２０、マグネタイト反応部１５０、排出路１６０、水除去部１９０を通り、水素供給路１２０に戻ることとなる。以下、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００を構成する各機能部について詳述する。
【００１７】
水素源１１０は、例えば、石炭のガス化炉（例えば、二塔式ガス化炉）等の、製造物の一部として水素を製造可能な装置で構成される。水素供給路１２０は、水素源１１０から送出された水素が流通するとともに、後述するマグネタイト反応部１５０に水素を供給する。
【００１８】
第１熱交換器１３０は、水素供給路１２０に設けられ、水素源１１０から送出された水素と熱媒体とで熱交換を行うことで、水素を２７０℃以上まで加熱するとともに熱媒体を冷却する。つまり、マグネタイト反応部１５０には、第１熱交換器１３０で加熱された水素が導入されることになる。
【００１９】
ここで第１熱交換器１３０は、火力発電のボイラから排出される排ガスや、原子力発電で発生する水蒸気等の二酸化炭素の発生を伴わない熱源を、熱媒体を加熱する熱源として利用すれば、さらなる二酸化炭素の発生を回避することが可能となる。
【００２０】
マグネタイト反応部１５０は、反応室１５２と、水素貯留部１５４と、連通部１５６と、抜出管１５８とを含んで構成される。
【００２１】
反応室１５２には、マグネタイトが収容される。具体的に説明すると、反応室１５２において、後述する水素貯留部１５４から導入された水素によってマグネタイトが流動床（流動層）化する。ここで、反応室１５２には、第１熱交換器１３０で加熱された高温の水素が導入されるため、この水素が還元剤として機能し、以下の式（１）に示すように、反応室１５２に収容されたマグネタイトが酸素欠乏型マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４-ｎ）に変換される。
Ｆｅ３Ｏ４＋ｎＨ２→Ｆｅ３Ｏ（４−ｎ）＋ｎＨ２Ｏ
…式（１）
【００２２】
なお、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）は、磁鉄鉱とも呼ばれる化合物である。また、酸素欠乏型マグネタイトは、酸素不足型マグネタイト、酸素欠陥型マグネタイト、酸素欠損型マグネタイト、または、金属過剰型マグネタイトと呼ばれることもある。
【００２３】
水素貯留部１５４は、反応室１５２の鉛直下方に配され、第１熱交換器１３０で加熱された高温の水素を一時的に貯留する。連通部１５６は、反応室１５２と水素貯留部１５４とを連通し、水素貯留部１５４に貯留された高温（２７０℃程度）の水素を反応室１５２に導入する。抜出管１５８は、反応室１５２から鉛直下方向に延伸して水素貯留部１５４を貫通し、反応室１５２内の酸素欠乏型マグネタイトを流通させることが可能な管である。したがって、反応室１５２で生成された酸素欠乏型マグネタイトは、抜出管１５８を通じて外部に抜出される。
【００２４】
排出路１６０は、マグネタイト反応部１５０から排出されたガスＸ１が流通するとともに、ガスＸ１を後述する水除去部１９０に供給する。つまり、第１熱交換器１３０で加熱された水素は、水素貯留部１５４で一時貯留された後に、反応室１５２に導入され、マグネタイトを還元してガスＸ１となり、反応室１５２から排出され、排出路１６０を流通することになる。
【００２５】
第２熱交換器（熱交換器）１７０は、排出路１６０に設けられ、ガスＸ１と熱媒体とで熱交換を行うことで、ガスＸ１を冷却してガスＸ２とするとともに熱媒体を加熱する。
【００２６】
水検出部１８０は、ガスＸ２の水分濃度を検出して、検出結果を水除去部１９０および流路切換部２２０に伝達する。
【００２７】
水除去部１９０は、ガスＸ２から水（水蒸気）を除去する。具体的に説明すると、水除去部１９０は、例えば、活性炭吸着装置や凝縮器で構成される。ガスＸ２が水除去部１９０を通過することにより、ガスＸ２中の水が除去される。したがって、水除去部１９０から送出されるガスＸ３は水素ということになる。
【００２８】
水素循環路２００は、水除去部１９０によって水が除去されたガスＸ３を水素供給路１２０における第１熱交換器１３０の上流に戻す。これにより、マグネタイト反応部１５０から排出され、水除去部１９０で水が除去されたガスＸ３、すなわち水素を再度マグネタイト反応部１５０で利用することができる。したがって、製造コストがかかる水素を有効に利用することが可能となる。
【００２９】
また、水除去部１９０を備える構成により、マグネタイト反応部１５０に再導入されるガスＸ３に含まれる水分濃度を極めて低くすることができる。そうすると、マグネタイト反応部１５０において、水の濃度が上昇してしまう事態を回避することが可能となる。こうして、マグネタイト反応部１５０内でマグネタイトが固着してしまうことがなくなり、反応室１５２において圧力損失を生じる確率を低減でき、水素導入量を維持することが可能となる。したがって、水素によるマグネタイトの還元効率を維持することが可能となる。つまり、本実施形態にかかる酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００によれば、水素を有効利用しつつ、効率的に酸素欠乏型マグネタイトを製造することが可能となる。
【００３０】
さらに、マグネタイト反応部１５０における水分濃度を極めて低くすることができるため、反応室１５２や抜出管１５８内に水が凝縮してしまうことがなくなり、抜出管１５８内で酸素欠乏型マグネタイト（またはマグネタイト）が固着してしまう事態を回避することが可能となる。したがって、抜出管１５８からスムーズに酸素欠乏型マグネタイトを抜き出すことができる。
【００３１】
バイパス路２１０は、ガスＸ２を、水除去部１９０を介さずに水素循環路２００にバイパスする。
【００３２】
流路切換部２２０は、水検出部１８０による検出結果に応じて、マグネタイト反応部１５０から排出されるガスの排出先を、水除去部１９０と、バイパス路２１０とに切り換える。具体的に説明すると、流路切換部２２０は、水検出部１８０が検出した水分濃度が、再度マグネタイト反応部１５０に導入されたとしても、マグネタイト反応部１５０におけるマグネタイトの還元効率に支障のない程度の値である所定値未満であると、ガスＸ２の排出先を水除去部１９０からバイパス路２１０に切り換えて、水除去部１９０の動作を停止する。一方、流路切換部２２０は、水検出部１８０が検出した水分濃度が所定値以上であると、マグネタイト反応部１５０から排出されるガスＸ２の排出先を、バイパス路２１０から水除去部１９０に切り換える。
【００３３】
このように、流路切換部２２０が水検出部１８０による検出結果に応じて流路を切り換えることにより、水除去部１９０の不要な運転を抑制することができ、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００全体の運転コストを低減することが可能となる。
【００３４】
また、ガスＸ２における水分濃度はある程度高い方が、水除去部１９０における水の除去効率が高い。したがって、流路切換部２２０が水検出部１８０による検出結果に応じて流路を切り換えることにより、水除去部１９０において効率よく水を除去することが可能となる。
【００３５】
媒体循環部２２２は、第１熱交換器１３０と第２熱交換器１７０とで熱媒体を循環させる。上述したように第１熱交換器１３０では熱媒体が冷却され、第２熱交換器１７０では熱媒体が加熱されるため、媒体循環部２２２が熱媒体を循環させることにより、熱損失を抑制することが可能となる。したがって、熱源による第１熱交換器１３０における熱媒体の加熱量を削減することができる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態にかかる酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００によれば、マグネタイト反応部１５０において一旦マグネタイトを還元したことによって生じた水を含む水素（ガスＸ１、Ｘ２）から水を除去した後に、マグネタイト反応部１５０に戻すため、水素を有効利用しつつ、マグネタイトの還元効率を維持するとともに、マグネタイト反応部１５０から酸素欠乏型マグネタイトを容易に抜き出すことが可能となる。
【００３７】
なお、酸素欠乏型マグネタイトは、以下の式（２）、（３）に示すように、二酸化炭素を還元して炭素に変換する機能を有する。したがって、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００を利用して、酸素欠乏型マグネタイトを製造することで、大気中の二酸化炭素を炭素に変換できる、すなわち、大気中の二酸化炭素を除去することができ、地球温暖化を抑制することが可能となる。
ＣＯ２＋Ｆｅ３Ｏ（４−ｎ）→ＣＯ＋Ｆｅ３Ｏ４
…式（２）
ＣＯ＋Ｆｅ３Ｏ（４−ｎ）→Ｃ＋Ｆｅ３Ｏ４
…式（３）
【００３８】
ここで、酸素欠乏型マグネタイトに二酸化炭素を接触させることで得られた炭素は、別途燃料として利用することができる。例えば、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００で製造した酸素欠乏型マグネタイトにそのまま二酸化炭素を接触させる場合、これによって得られた、炭素が析出したマグネタイトをそのまま燃料として利用することができる。
【００３９】
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。
【００４０】
例えば、上述した実施形態では、第１熱交換器１３０が水素を２７０℃以上に加熱する構成について記載したが、水素がマグネタイトを酸素欠乏型マグネタイトに還元することができれば、何℃（例えば、１００℃以上）でも構わない。また、上述した実施形態において、第１熱交換器１３０が熱交換器である例について説明したが、水素源１１０から供給された水素を加熱できればよく、ヒータ等であってもよい。
【００４１】
また、水素源１１０として、石炭のガス化炉等を採用し、送出される水素の温度が、マグネタイトを酸素欠乏型マグネタイトに還元することができる温度であれば、第１熱交換器１３０を省略することもできる。
【００４２】
さらに、水素源１１０として、ガス化炉を例に挙げて説明したが、水素を供給できればよく、水素ボンベを水素源１１０として利用することもできる。
【００４３】
また、上述した実施形態においてマグネタイト反応部１５０は、マグネタイトの流動床を形成しているが、マグネタイトの固定床（層）を形成しておき、この固定床に高温の水素を導入することでマグネタイトを還元して酸素欠乏型マグネタイトを製造することもできる。
【００４４】
さらに、上述した実施形態においてマグネタイト反応部１５０の抜出管１５８が、反応室１５２の底面から鉛直下方向に延伸する構成について説明したが、抜出管１５８の設置位置に限定はない。例えば、抜出管１５８は、反応室１５２の側面から水平方向に延伸する構成であってもよい。
【００４５】
また、上述した実施形態においてバイパス管２１０は、ガスＸ２を、水除去部１９０を介さずに水素循環路２００にバイパスするが、これに限らず、ガスＸ２を、水除去部１９０を介さずに水素供給路１２０にバイパスするとしてもよい。
【００４６】
さらに、上述した実施形態において、水検出部１８０は、ガスＸ２の水分濃度を検出しているが、ガスＸ１の水分濃度を検出してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、二酸化炭素を還元して炭素に変換する酸素欠乏型マグネタイト製造装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１００ …酸素欠乏型マグネタイト製造装置
１１０ …水素源
１２０ …水素供給路
１３０ …第１熱交換器
１５０ …マグネタイト反応部
１６０ …排出路
１７０ …第２熱交換器
１８０ …水検出部
１９０ …水除去部
２００ …水素循環路
２１０ …バイパス路
２２０ …流路切換部
２２２ …媒体循環部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素源と、
マグネタイトを収容可能なマグネタイト反応部と、
前記水素源から送出された水素が流通するとともに、該水素を前記マグネタイト反応部に供給する水素供給路と、
前記マグネタイト反応部から排出されたガスから水を除去する水除去部と、
前記水除去部により水が除去されたガスを前記水素供給路に戻す水素循環路と、
を備えたことを特徴とする酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【請求項２】
前記マグネタイト反応部から排出されるガスを、前記水除去部を介さずに前記水素循環路、または、前記水素供給路にバイパスするバイパス管を備えたことを特徴とする請求項１に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【請求項３】
前記マグネタイト反応部から排出されるガスの水分濃度を検出する水検出部と、
前記水検出部による検出結果に応じて、前記マグネタイト反応部から排出されるガスの排出先を、前記水除去装置と、前記バイパス管とに切り換える流路切換部と、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【請求項４】
前記水素供給路に設けられ、前記水素源から送出された水素と熱媒体とで熱交換を行い、該水素を加熱すると共に該熱媒体を冷却する第１熱交換器と、
前記マグネタイト反応部から排出されたガスを前記水除去部に供給するための排出路に設けられ、該排出されたガスと熱媒体とで熱交換を行い、該排出されたガスを冷却するとともに該熱媒体を加熱する第２熱交換器と、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とで熱媒体を循環させる媒体循環部と、
を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【請求項１】
水素源と、
マグネタイトを収容可能なマグネタイト反応部と、
前記水素源から送出された水素が流通するとともに、該水素を前記マグネタイト反応部に供給する水素供給路と、
前記マグネタイト反応部から排出されたガスから水を除去する水除去部と、
前記水除去部により水が除去されたガスを前記水素供給路に戻す水素循環路と、
を備えたことを特徴とする酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【請求項２】
前記マグネタイト反応部から排出されるガスを、前記水除去部を介さずに前記水素循環路、または、前記水素供給路にバイパスするバイパス管を備えたことを特徴とする請求項１に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【請求項３】
前記マグネタイト反応部から排出されるガスの水分濃度を検出する水検出部と、
前記水検出部による検出結果に応じて、前記マグネタイト反応部から排出されるガスの排出先を、前記水除去装置と、前記バイパス管とに切り換える流路切換部と、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【請求項４】
前記水素供給路に設けられ、前記水素源から送出された水素と熱媒体とで熱交換を行い、該水素を加熱すると共に該熱媒体を冷却する第１熱交換器と、
前記マグネタイト反応部から排出されたガスを前記水除去部に供給するための排出路に設けられ、該排出されたガスと熱媒体とで熱交換を行い、該排出されたガスを冷却するとともに該熱媒体を加熱する第２熱交換器と、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とで熱媒体を循環させる媒体循環部と、
を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
【図１】
【公開番号】特開２０１３−１０６５５（Ｐ２０１３−１０６５５Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４３５３６（Ｐ２０１１−１４３５３６）
【出願日】平成２３年６月２８日（２０１１．６．２８）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２８日（２０１１．６．２８）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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