JP2016055209A

JP2016055209A - 熱分解装置

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Publication number: JP2016055209A
Application number: JP2014180743A
Authority: JP
Inventors: 博幸木村; Hiroyuki Kimura
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-09-05
Also published as: JP6379888B2

Abstract

【課題】熱分解プロセスの進行を継続したまま、管内から固体生成物を除去する。【解決手段】原料流体を、固体生成物と流体生成物とに熱分解させる熱分解装置は、原料流体が流通し熱分解を進行させる管であって、管軸方向の一端側に形成された第１通過部１３２と、他端側に形成された第２通過部１３４とを有し、第１通過部の径は、第２通過部の径よりも小さく、管の流路断面積が第１通過部から第２通過部に向かうに従って漸増する反応管１３０と、反応管の内部で熱分解が進行することで生じた固体生成物と、反応管の内壁との付着力を低下させる付着力低下手段と、反応管の内壁に付着した固体生成物であって、付着力低下手段によって付着力が低下された固体生成物を、管軸方向の第２通過部側に移動させる移動手段とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、原料流体を、固体生成物と流体生成物とに熱分解させる熱分解装置に関する。

従来、原料流体を、固体生成物と流体生成物とに熱分解させる熱分解装置として、管の内部に原料流体を流通させるとともに、管を外部から加熱することで、管の内部で原料流体を熱分解させる方法が利用されている。このような熱分解装置では、管の内壁に固体生成物が析出する場合があり、そのような場合に熱分解プロセスを継続させると、管の内部が固体生成物で閉塞してしまうことがある。

そこで、従来は、管の内壁に固体生成物が析出する場合には、熱分解プロセスを一旦停止させて、管を冷却した後に、新たな管と交換する必要があった。

また、内壁に固体生成物が析出した管に機械的な衝撃を与えた後に、固体生成物を拭い取る方法が開示されている（例えば、特許文献１）。

さらに、原料流体に代えて、管の内部に空気、酸素、または、水蒸気などを流通させて加熱を継続することで、管の内壁に析出した固体生成物を燃焼（酸化）させて、流体生成物とは異なる気体生成物に変換させた上で、その気体生成物を管の内部から排出させるという方法も開示されている（例えば、特許文献２）。

特公平０３−５５４０５号公報特許第３８５４４０３号公報

しかし、上記特許文献１、２のいずれの方法を適用した場合であっても、熱分解プロセスを一時的に停止させない限り、管の内部から固体生成物を除去することはできない。この場合、管の内部から固体生成物を除去する工程のみならず、熱分解プロセスを停止させてから管を冷却する工程や、管の加熱を開始してから熱分解プロセスを再開させるまでの工程に少なくない時間を費やしてしまうこととなる。このため、熱分解プロセスの進行を継続したまま、管の内部から固体生成物を除去することを可能にする技術の開発が希求されている。

そこで本発明は、上記のような課題に鑑み、熱分解プロセスの進行を継続したまま、管の内部から固体生成物を除去することが可能な熱分解装置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、本発明の熱分解装置は、原料流体を、固体生成物と流体生成物とに熱分解させる熱分解装置であって、原料流体が流通し熱分解を進行させる管であって、管軸方向の一端側に形成された第１通過部と、他端側に形成された第２通過部とを有し、第１通過部の径は、第２通過部の径よりも小さく、管の流路断面積が第１通過部から第２通過部に向かうに従って漸増する反応管と、反応管の内部で熱分解が進行することで生じた固体生成物と、反応管の内壁との付着力を低下させる付着力低下手段と、反応管の内壁に付着した固体生成物であって、付着力低下手段によって付着力が低下された固体生成物を、管軸方向の第２通過部側に移動させる移動手段と、を備えたことを特徴とする。

また、反応管と、固体生成物とは、それぞれ線膨張係数が異なる物質で構成されるとしてもよい。

また、付着力低下手段は、反応管の温度を変化させることで、固体生成物と、反応管の内壁との付着力を低下させるとしてもよい。

また、移動手段は、第１通過部が第２通過部の鉛直上方に配されるように反応管を維持することによって固体生成物に作用する重力で、固体生成物を管軸方向の第２通過部側に移動させるとしてもよい。

また、移動手段は、第１通過部から第２通過部に向けて流体を流通させることによって固体生成物に作用する流体の抗力で、固体生成物を管軸方向の第２通過部側に移動させるとしてもよい。

本発明によれば、熱分解プロセスの進行を継続したまま、管の内部から固体生成物を除去することが可能となる。

熱分解装置の概略的な構成を説明するための図である。反応管の具体的な構成を説明するための図である。実施形態の反応管と、その比較対象としての反応管とを説明するための図である。

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、本明細書および図面において、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。

（熱分解装置１００）
図１は、熱分解装置１００の概略的な構成を説明するための図であり、図１（ａ）は熱分解装置１００の全体構成を説明するための図であり、図１（ｂ）は熱分解装置１００を構成する反応器１２０の一部を切り欠いた斜視図である。また、本実施形態の図１（ｂ）では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。なお、ここでは、原料流体としてメタン（ＣＨ_４）を、固体生成物として炭素（Ｃ）を、流体生成物として水素（Ｈ_２）を例に挙げて説明する。

図１（ａ）に示すように、熱分解装置１００は、加熱源として機能する集光装置１１０と、反応器１２０と、中央制御部１５０とを含んで構成される。

集光装置１１０は、太陽光を集光する装置であって、ヘリオスタット１１２と、放物曲面鏡１１４とを含んで構成される。ヘリオスタット１１２は、平面鏡で構成され、太陽光を反射させて放物曲面鏡１１４へと導く。放物曲面鏡１１４は、凹面鏡で構成され、ヘリオスタット１１２で反射された太陽光を集光して反応器１２０の内部へと導く。したがって、太陽光は、ヘリオスタット１１２によって放物曲面鏡１１４へと導かれ、さらに、放物曲面鏡１１４によって集光されて、反応器１２０の内部に導かれることとなる。

反応器１２０は、図１（ｂ）に示すように、採光窓１２２と、炉室１２４と、断熱材１２６と、反応管１３０とを含んで構成される。図１（ａ）に示す集光装置１１０によって集光された太陽光は、採光窓１２２に導かれ、採光窓１２２を通過して、炉室１２４に導かれる。炉室１２４の内部に導かれた太陽光は炉室１２４の内部で熱エネルギー（太陽熱）に変換され、炉室１２４の炉壁やその内部に置かれた反応管１３０を加熱し、炉壁や反応管１３０を高温状態（例えば、１，０００℃〜１，５００℃程度）に維持させる。また、炉室１２４は、断熱材１２６に囲繞されており、断熱材１２６は、炉室１２４から外部への熱の流出（放熱）を抑制している。

反応管１３０は、メタンが流通する管であって、管軸方向（図１中、Ｚ軸方向）の一端側に形成された第１通過部１３２（流体が通過する開口）と、他端側に形成された第２通過部１３４（流体が通過する開口）とを有する。また、反応管１３０は、不図示の維持機構（移動手段）によって、炉室１２４を貫通するように設けられる。本実施形態において、維持機構は、第１通過部１３２が第２通過部１３４の鉛直上方に配されるように反応管１３０を維持（支持）する。

ここで、メタンは、第１通過部１３２を通じて反応管１３０の内部に導入（供給）され、反応管１３０の内部を流通することとなる。こうして、反応管１３０の内部を流通するメタンは、炉室１２４を通過する際に、加熱されて、炭素（グラファイトなど）と水素とに熱分解されることとなる（熱分解反応（下記反応式（１）））。
ＣＨ_４ → Ｃ＋２Ｈ_２
…反応式（１）
そして、反応管１３０の内部において生成された炭素と水素は、第２通過部１３４を通じて、熱分解装置１００の下流側に設けられた装置に送出される。

続いて、反応管１３０の形状について、図２を用いて詳述する。図２は、反応管１３０の具体的な構成を説明するための図である。また、本実施形態の図２では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。なお、図２では、理解を容易にするために、反応管１３０の特徴部分（漸増傾斜）を強調させている。

図２に示すように、反応管１３０の第１通過部１３２の径は、第２通過部１３４の径よりも小さく、管の流路断面積（図２中、ＸＹ断面積）が第１通過部１３２から第２通過部１３４に向かうに従って漸増する。

また、反応管１３０と固体生成物とは、それぞれ線膨張係数が異なる物質で構成される。例えば、固体生成物がグラファイトである場合、反応管１３０は、グラファイトとは線膨張係数が異なる材料で構成される。なお、この場合、反応管１３０の材料としては、例えば、想定される反応管１３０の使用温度が比較的低い場合には、ジュラルミン、ニッケル、ステンレスなどの金属材料や、石英ガラスが、想定される使用温度が比較的高い場合には、アルミナ、ステアライト、フォルステライト、ジルコニアなどのセラミックス材料が用いられるとよい。

中央制御部１５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して熱分解装置１００全体を管理および制御する。

このように、熱分解装置１００では、反応管１３０の内部で熱分解反応が進行することとなる。熱分解反応が進行した結果、炭素等の固体生成物が生成されると、反応場となる反応管１３０の内壁に固体生成物が析出するため、熱分解プロセスを継続すると、反応管１３０の内部が固体生成物で閉塞してしまうことがある。

そこで、本実施形態において、中央制御部１５０は、付着力低下手段として機能し、採光窓１２２の面積を変化させることにより、炉室１２４の内部に取り込まれる太陽光の量を変化させて、反応管１３０の温度を変化させる。

上述したように、反応管１３０と固体生成物とは、それぞれ線膨張係数が異なる物質で構成される。このため、中央制御部１５０が、反応管１３０内の温度を変化させることで、反応管１３０の熱膨張量と、反応管１３０に接する固体生成物の熱膨張量との間に差を生じさせることができる。それにより、反応管１３０の内部で固体生成物が析出していたとしても、すなわち、固体生成物が反応管１３０の内壁に付着していたとしても、それらの熱膨張量に差が生じることによって、反応管１３０と固体生成物との間の接触面に沿って剪断力を作用させることが可能となる。これにより、反応管１３０の内壁と固体生成物との付着力を低下させることができ、反応管１３０の内壁からの固体生成物の剥離を誘発させることが可能となる。

なお、中央制御部１５０は、反応管１３０と固体生成物との間の接触面に沿って剪断力を生じさせて、反応管１３０の内壁と固体生成物との付着力を低下させることができる程度に、反応管１３０の温度を変化させればよい。

また、維持機構が、第１通過部１３２が第２通過部１３４の鉛直上方に配されるように反応管１３０を維持（支持）することによって付着力が低下した固体生成物に作用した重力（自重）で、固体生成物を管軸方向の第２通過部１３４側に移動させることができる。

図３は、本実施形態の反応管１３０と、その比較対象としての反応管１０、２０とを説明するための図である。また、本実施形態の図３では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。なお、図３中、黒く塗りつぶされている部分は、固体生成物を示している。また、比較対象の反応管１０、２０と固体生成物とは、それぞれ線膨張係数が異なる物質で構成されるとする。

図３（ａ）に示すように、第１通過部１２の径と、第２通過部１４の径とが実質的に等しく、管の流路断面積が第１通過部１２から第２通過部１４にかけて実質的に一様である比較対象の反応管１０の内部において、固体生成物が析出したとする。この場合、反応管１０の温度を変化させることで、反応管１０の熱膨張量と、固体生成物の熱膨張量との間に差を生じさせると、反応管１０の内壁と固体生成物との付着力を低下させることはできる。しかし、管の流路断面積が第１通過部１２から第２通過部１４にかけて実質的に一様であるため、反応管１０の内壁と、固体生成物との間の接触面には摩擦抗力が作用してしまい、固体生成物に作用する重力（自重）で固体生成物を第２通過部１４まで移動させることはできない。

同様に、図３（ｂ）に示すように、管の流路断面積が第１通過部２２から第２通過部２４にかけて漸減する比較対象の反応管２０においても、反応管２０の内壁と、固体生成物との間の接触面には反応管２０の内壁から垂直抗力の一部が作用してしまい、固体生成物に作用する重力（自重）で固体生成物を第２通過部２４まで移動させることはできない。

一方、図３（ｃ）に示すように、本実施形態にかかる反応管１３０は、管の流路断面積が第１通過部１３２から第２通過部１３４にかけて漸増する構成であるため、反応管１３０の内壁と、その内壁から一度剥離させられた（付着力が低下した）固体生成物との間に摩擦抗力や垂直抗力が作用することはなく、固体生成物に作用する重力（自重）で固体生成物を第２通過部１３４側に移動させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態にかかる熱分解装置１００によれば、反応管１３０の形状、反応管１３０の姿勢、反応管１３０の材料を適切に選択し、かつ、反応管１３０の温度を適度に調節させる（反応管１３０に負荷される熱流束を変化させる）ことで、反応管１３０の内部から固体生成物を除去することが可能となる。また、反応管１３０と固体生成物との間の接触面に剪断力を作用させる上では、熱分解プロセスの進行を妨げるほど極端な温度変化を要しないため、中央制御部１５０は、熱分解プロセスの進行を維持したまま、反応管１３０の温度を変化させて反応管１３０の内壁と固体生成物との付着力を低下させることができる。つまり、熱分解装置１００は、熱分解プロセスの進行を維持したまま、反応管１３０の内部から固体生成物を除去することが可能となる。

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。

例えば、上記実施形態において、付着力低下手段として、反応管１３０の温度を変化させるように採光窓１２２の面積を変化させる中央制御部１５０を例に挙げて説明した。しかし、付着力低下手段は、反応管１３０と固体生成物との間の接触面に剪断力を作用させ、固体生成物と、反応管１３０の内壁との付着力を低下させることができれば、例えば、反応管１３０に振動を加え剪断する構造等、構成に限定はない。

また、上記実施形態において、付着力低下手段として機能する中央制御部１５０が、採光窓１２２の面積を変化させることにより、炉室１２４の内部に取り込まれる太陽光の量を変化させて、反応管１３０の温度を変化させる構成について説明した。しかし、中央制御部１５０は、反応管１３０の温度を変化させることができれば、構成に限定はない。例えば、中央制御部１５０は、反応管１３０の内部を流通する原料流体の流量を制御することで、反応管１３０の温度を変化させてもよい。具体的には、原料流体の流量を増加させ、反応管１３０から原料流体への熱の伝達速度（熱交換速度）を増大させて反応管１３０の温度を降下させたり、原料流体の流量を低減させ、反応管１３０から原料流体への熱の伝達速度を低下させて反応管１３０の温度を上昇させたりすることで、反応管１３０の温度を変化させてもよい。また、別途の冷却手段や、加熱手段を備えることで、反応管１３０内の温度を変化させてもよい。

また、上記実施形態において、移動手段として、第１通過部１３２が第２通過部１３４の鉛直上方に配されるように反応管１３０を維持（支持）する維持機構を例に挙げて説明した。しかし、移動手段は、付着力低下手段によって付着力が低下された固体生成物を、管軸方向の第２通過部１３４側に移動させることができれば、すなわち、付着力低下手段によって付着力が低下された固体生成物の外部への排出を誘導できれば、構成に限定はない。例えば、移動手段は、第１通過部１３２から第２通過部１３４に向けて、通常の熱分解プロセス時の流量よりも大きな流量で流体（例えば、原料流体や、流体生成物）を流通させることで、付着力が低下された固体生成物を、流量の増加に応じて増大する流体の抗力で、管軸方向の第２通過部１３４側に移動させるとしてもよい。なお、この場合、第１通過部１３２が第２通過部１３４の鉛直上方に配されるように反応管１３０を維持（支持）する必要はなく、例えば管軸の向きが鉛直方向から傾斜していても、水平であってもよい。また、管軸の向きが水平である場合、固体生成物を除去するタイミングを制御することも可能となる。

また、上記実施形態において、第１通過部１３２から第２通過部１３４に向かって原料流体が流通する構成を例に挙げて説明した。しかし、移動手段として、第１通過部１３２が第２通過部１３４の鉛直上方に配されるように反応管１３０を維持（支持）する維持機構を採用する場合、第２通過部１３４から第１通過部１３２に向かって原料流体を流通させてもよい。

また、上記実施形態において、反応管１３０の第１通過部１３２および第２通過部１３４が断熱材１２６の外側に配される構成を例に挙げて説明した。しかし、反応管１３０の第１通過部１３２および第２通過部１３４は、断熱材１２６の内側に配されてもよいし、断熱材１２６と炉室１２４との境界面に沿って配されてもよい。第１通過部１３２が第２通過部１３４の鉛直上方に配されるように反応管１３０が維持（支持）される場合、少なくとも、炉室１２４に配される反応管１３０の流路断面積が、鉛直上方から鉛直下方に向かうに従って漸増すればよい。また、移動手段として、第１通過部１３２から流体を導入（供給）する場合、少なくとも、炉室１２４に配される反応管１３０の流路断面積が、流体の流れ方向上流側から下流側に向かうに従って漸増すればよい。

また、上記実施形態において、反応管１３０の加熱源として、集光装置１１０を例に挙げて説明した。しかし、反応管１３０を加熱することができれば、加熱源の種類に限定はない。例えば、加熱源として電気ヒータを利用するとしてもよい。また、この場合、付着力低下手段として機能する中央制御部１５０は、電気ヒータに負荷される電力を変化させることで、反応管１３０の温度を変化させてもよい。

また、上記実施形態において、流路断面の形状が円形である反応管１３０を例に挙げて説明した。しかし、反応管１３０の流路断面の形状に限定はなく、楕円形であってもよいし、多角形であってもよい。さらに、流路断面が、軸対称形状や線対称形状をなしていなくてもよい。

また、反応管１３０の内部を流通する原料流体の圧力は、亜臨界圧であってもよいし、超臨界圧であってもよい。さらに、臨界圧近傍であってもよい。

また、第２通過部１３４側に、固体生成物を捕捉する捕捉機構（網、トレイ等）を備えるとしてもよい。

本発明は、原料流体を、固体生成物と流体生成物とに熱分解させる熱分解装置に利用することができる。

１００熱分解装置
１３０反応管
１３２第１通過部
１３４第２通過部
１５０中央制御部（付着力低下手段）

Claims

原料流体を、固体生成物と流体生成物とに熱分解させる熱分解装置であって、
前記原料流体が流通し前記熱分解を進行させる管であって、管軸方向の一端側に形成された第１通過部と、他端側に形成された第２通過部とを有し、該第１通過部の径は、該第２通過部の径よりも小さく、該管の流路断面積が該第１通過部から該第２通過部に向かうに従って漸増する反応管と、
前記反応管の内部で熱分解が進行することで生じた前記固体生成物と、該反応管の内壁との付着力を低下させる付着力低下手段と、
前記反応管の内壁に付着した前記固体生成物であって、前記付着力低下手段によって付着力が低下された固体生成物を、前記管軸方向の前記第２通過部側に移動させる移動手段と、
を備えたことを特徴とする熱分解装置。
前記反応管と、前記固体生成物とは、それぞれ線膨張係数が異なる物質で構成されることを特徴とする請求項１に記載の熱分解装置。
前記付着力低下手段は、前記反応管の温度を変化させることで、前記固体生成物と、該反応管の内壁との付着力を低下させることを特徴とする請求項１または２に記載の熱分解装置。
前記移動手段は、前記第１通過部が前記第２通過部の鉛直上方に配されるように前記反応管を維持することによって前記固体生成物に作用する重力で、該固体生成物を前記管軸方向の該第２通過部側に移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱分解装置。
前記移動手段は、前記第１通過部から前記第２通過部に向けて流体を流通させることによって前記固体生成物に作用する流体の抗力で、該固体生成物を前記管軸方向の該第２通過部側に移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱分解装置。