成果報告書詳細
管理番号20110000001236
タイトル平成22年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究(事前研究)無機系酸素吸着剤を利用した高効率酸素製造装置の開発の事前研究
公開日2011/9/28
報告書年度2010 - 2010
委託先名吸着技術工業株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名エネルギー対策推進部
和文要約 省エネルギー、省資源の観点から、産業上の基礎物質の一つである酸素の安価な製造法の確立は極めて重要である。本提案は、ペロブスカイト系無機多孔質体を酸素吸着剤に用いた、独自の革新的なPSA(圧力スイング吸着法)による酸素製造装置を開発することを目的とする。本提案者らは、ペロブスカイト系(La-Sr-Co-Fe) の無機多孔質体が400℃以上の高温において多量の酸素を選択的かつ可逆的に吸着すること(窒素は殆ど吸着しない)を報告している。酸素分離係数αO2をパラメータとしてPSAによる空気からの酸素分離の電力原単位を試算すると、酸素分離係数の上昇に伴い電力原単位は急速に減少し、αO2が3を越えると深冷法の電力原単位0.32 kWh/m3Nを下回る。提案者らが採用したペロブスカイトの酸素分離係数αO2は10を越えている。さらに、提案者らが提案する独自のPSA技術では、PSAの吸着工程においては流過する高温排窒素と室温原料を熱交換し、再生工程においては回収する高温製品酸素と原料空気を熱交換して、高温での温度維持に使用する高温熱源からの供給熱の80%以上の熱を回収することにより、極めて低い動力原単位で高濃度の酸素を容易に製造することができる。本提案の独自の酸素吸着剤を使用したPSA装置が開発できれば、提案者のPSAシミュレーションによると、酸素製造の電力原単位は0.2 kWh/m3Nとなり、大幅な電力原単位の低減が期待できることとなる。本事前研究では、ペロブスカイト(LSCF)の成形条件を検討し、PSA用酸素吸着剤として使用可能な成形法を確立した。成形したペレット吸着剤の酸素吸着量が590℃で12 mlN/g/100kPaに達し、酸素吸着速度定数が34 1/secを超えており、小規模PSA試験装置による良好な酸素/窒素分離性能を示した。同じく、小規模PSA試験装置による吸着剤成形体の酸素/窒素分離性能の長期安定性を確認するため、3ヶ月連続運転を実施した。酸素の吸着量と分離係数とも初期値の100%を維持でき、優れた安定性が見られた。得られた基礎データを解析し、PSA酸素(酸素吸着剤)の物質収支、熱収支を計算し、PSA酸素製造コストを推算した結果、0.2 kWh/m3Nの電力原単位で酸素を製造する可能性を確認できた。また、安価な元素を材料として用いたペロブスカイト型酸化物として、室温において六方晶ペロブスカイト型の結晶構造を示すBaFeO3-δおよび正方晶ペロブスカイト型の結晶構造を示すSrFeO3-δに着目し、酸素収着破過曲線、熱重量分析、ヨードメトリによる酸素収着特性をそれぞれ調べた。その結果、BaFeO3-δは300℃の低温域において約6 cm3/g程度の酸素収着量が、また、SrFeO3-δは700℃の高温域において、約11 cm3/gの酸素収着量を示すことが分り、酸素吸着剤の大幅なコストダウンが期待できる。提案者の試算によると、当提案装置は、全ての既存酸素製造装置(大型主力装置である深冷法を含む)よりも酸素製造所要電力原単位、初期コスト、ランニングコストが低くなることが分かった。また、酸素のみを選択的に吸着するため、酸素と(窒素+アルゴン)の分離が可能となり、99 vol%以上の高濃度酸素製造が可能となる。
英文要約Title: Research and Development Program for Innovative Energy Efficiency Technology, Exploratory research phase (Preliminary research), "Preliminary research on development of a highly-efficient oxygen production instrument using perovskite-type oxygen sorbents", (FY2010) Final Report.
  It is very important to develop highly-efficient production processes for oxygen, which needs to be produced in large volumes for many applications. We report here a novel high-temperature PSA (pressure swing adsorption) process for oxygen production, using perovskite-type oxygen sorbents. These adsorbents can selectively and reversibly adsorb a considerable amount of oxygen at high temperature (>400℃). The oxygen to nitrogen selectivity is infinitely high, and therefore the electrical power consumption rate of oxygen production will be much lower than that of cryogenic distillation. The pelletized perovskite-type oxygen sorbent was packed into a small column, which was installed into a small-scale PSA instrument. A good air separation performance (infinite oxygen to nitrogen selectivity, large oxygen adsorption capacity, fast adsorption-desorption kinetics) was observed. The good performance was kept well after a 3 months continuous operation with more than 60,000 times adsorption-desorption cycles. Mass balance, heat balance, oxygen production cost have been calculated and it is verified that a low electrical power consumption rate about 0.2 kWh/m3N for oxygen production can be obtained using this new process. The combination of perovskite-type oxygen sorbents and heat-recovery PSA technique will produce a highly-efficient oxygen production instrument, which has a lowest oxygen production cost among all other air separation processes. We have also investigated the oxygen sorption/desorption properties of perovskite type oxides which are composed of very cheap elements. The oxygen sorption properties of the samples were evaluated based on the breakthrough curves, thermogravimetry analysis and iodometry. As a result, the BaFeO3-δ sample showed appreciable oxygen sorption only in the lower temperature range and gave a maximum value (6 cm3/g)of oxygen sorption at 300℃. On the other hand, the SrFeO3-δ sample showed a relatively high amount of sorbed oxygen in the wide temperature range and gives the highest value (11 cm3/g) at 700℃. The sorptive capacity in repeated oxygen sorption/desorption cycles was examined at 700℃ for the SrFeO3-δ sample, and the stable performance showed it potential use for practical oxygen production PSA processes.
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