成果報告書詳細
管理番号20110000001539
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発 エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発 メンブレンを用いた省エネ型CO2分離・回収技術の研究開発
公開日2011/10/12
報告書年度2008 - 2010
委託先名株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ 株式会社ミクニ 国立大学法人神戸大学
プロジェクト番号P03033
部署名エネルギー対策推進部
和文要約本開発事業では、エネルギーの消費を極力抑えたCO2分離・回収技術の開発を目指し、高性能なCO2選択透過膜と高温でスチームの分離が可能なスチーム選択透過膜を開発し、それを発電分野、製鉄分野等大量CO2発生源からのCO2回収に適用する時のF/Sを行うと共に、原料ガス精製技術、モジュール化、CO2分離・回収システムの検討等を行った。
 CO2選択透過膜の開発においては、キャリアや添加剤の添加方法を最適化することによりCO2選択透過膜の性能を大幅に向上することに成功した。作製した膜の性能は、CO2透過速度が約1×10-3 mol/(m2skPa)、CO2/N2選択性が約300であり、本研究開発の目標を達成した。
 スチーム選択透過膜の開発においては、高分子膜および促進輸送膜を対象とする検討を行った。高分子膜の開発では、スチームを選択的に透過可能な高分子を見出すとともに、その高分子を最適化することで目標である1×10-3 mol/(m2skPa)のスチーム透過速度と20以上のスチーム/CO2選択性を達成した。一方、促進輸送膜の開発では、CO2選択透過膜の開発の過程で見出したキャリアを基に改良を進め、目標である1×10-3 mol/(m2skPa)のスチーム透過速度と20以上のスチーム/CO2選択性を兼ね備えたスチーム選択透過膜の開発に成功した。
 モジュール化の検討においては、支持体上に平膜を巻きつけることにより作製したスパイラル型円筒膜と多孔質支持体の内表面に促進輸送機能を有するゲル層を形成させる手法を新規に開発した。本手法を用いる事により内径2 mm~程度の比較的細い円筒支持体に対しても、内径9 mm~程度の比較的太い円筒支持体に対しても、内表面にゲル層を形成可能となった。また、支持体の材質はセラミックスでもポリマーでも製膜可能であった。さらに外径12 mm~円筒膜についてはモジュール化を想定した検討を行い、実機に適用可能な性能と加工性を有する円筒膜とモジュールの接続構造を開発した。
 被毒ガスの影響については、原料ガス中の被毒ガスがCO2透過性能に及ぼす影響および被毒により劣化した膜の再生手法の検討を行った。本研究開発で開発した高性能なCO2選択透過膜を対象に、被毒ガスとしてSO2、NO、NO2等の影響を調査した。SO2やNO2により性能が著しく劣化すること、SO2およびNO2の濃度をそれぞれあるレベル以下に低減しておく事により性能劣化が防止できることを確認した。また、被毒し性能が劣化した膜に被毒ガスを含まないガスを流通することで膜のCO2透過性能を回復できることが分かった。一方、NOについては、100ppm程度の高濃度においても被毒効果がほとんどない事が確認された。性能劣化したセラミックス多孔体を支持体とする促進輸送膜の再生についても検討し、ほぼ完全に再生できる再生手法を確立することができた。
 最後にメンブレン型CO2回収プロセスの省エネ性について、圧縮、減圧に要するエネルギーを考慮に入れた試算を行い,製鉄排ガスなどの圧力を持つ排ガスに対して約0.3MJ/Nm3-CO2程度,発電所排ガスなどの圧力を持たない排ガスに対しても約1.0 MJ/Nm3-CO2程度の所要エネルギーにて90%以上のCO2を除去可能であり、既存法(化学吸収法)に比べ、はるかにエネルギー消費を削減できることを確認した.
英文要約Title: Strategic Development of Energy Conservation Technology Project. Preparatory Research and Development for Efficient Energy Utilization. Research and Development of Energy Conservation System for Separation and Recovery of CO2 Utilizing Membrane Separation Technology (FY2008-FY2010) Final Report.
In this project, for the purpose of developing CO2 separation technologies with low energy consumption, we carried out the development of a high performance CO2 selective membrane and a steam selective membrane working at high temperature, made a feasibility study for CO2 separation from high CO2 exhaust fields such as power plants and steel plants, and made research and development of law gas purification, a membrane module and total CO2 separation system. In terms of the development of CO2 selective membrane, we successfully improved performance of it and achieved our target, which is CO2 permeance of 1x10^-3mol/(m^2skPa) and CO2/N2 selectivity of 300, by optimizing CO2 carrier and additive materials. As for the development of the steam selective membrane, we studied polymer membrane and facilitated transport membrane. In the development of the polymer membrane, we found steam selective polymer and by optimizing it we achieved our target, which is steam permeance of 1x10^-3mol/(m^2skPa) and Steam/CO2 selectivity of more than 20. As for the development of the facilitated transport membrane, we improved it based on CO2 carrier, which is found during developing CO2 selective membrane, and successfully developed a steam selective membrane with excellent performances exceeding our target of steam permeance of 1x10^-3mol/(m^2skPa) and Steam/CO2 selectivity of more than 20. As for membrane module, we newly developed a spiral type tube membrane by rolling a plate membrane on a tube, and a coating method of a gel layer on the inside of a porous tube. By using this method, we could coat the gel layer on the inside of a 2mm bore tube as well as a 9mm bore tube. The method worked for a ceramic tube and a polymer tube. In addition, we developed a membrane tube with appropriate performances and adjustability for actual equipment and a connecting method of the membrane tube with a module. As for effects by poisoning gases, we studied the effects on permeance and selectivity and regenerating methods of the membrane deteriorated by poisoning gases. We checked effects by SO2, NO and NO2 on a high performance membrane developed in this project. As a result, we confirmed that the membrane was greatly deteriorated by SO2 and NO2, and that we could prevent deterioration by lowering concentration of SO2 and NO2 to a certain degree. Also we found that we could recover permeance and selectivity of the deteriorated membrane by permeating gases without SO2 and NO2. As for NO, we found that the membrane was hardly affected by such a high concentration of NO as 100ppm. Furthermore, we studied regeneration of the deteriorated CO2 selective membrane with a ceramic porous tube, and could establish almost completely regenerating method. Finally, we tried to estimate energy consumption of the CO2 separation process with the CO2 selective membrane, taking into consideration of compressing/decompressing energy. As a result, we confirmed more than 90% CO2 removal in both cases of pressurized exhaust gas like from steel plants with energy consumption of 0.3MJ/Nm3-CO2, and low pressurized exhaust gas like from power plants with energy consumption of 1.0MJ/Nm3-CO2. These estimates show excellent energy consumption compared with existing other methods such as a chemical absorption method.
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