成果報告書詳細
管理番号20140000000075
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 実用化開発 高効率PSA酸素製造装置の研究開発
公開日2014/6/21
報告書年度2013 - 2015
委託先名東京瓦斯株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約酸素は産業上の基礎物質であり、ごみ焼却炉、ガラス溶解炉、石炭ガス化複合発電(IGCC)、部分酸化法、鉄・非鉄金属精錬等、幅広い分野で使用されている。酸素の国内生産量は、113億m3/年(経済産業省、H24年度化学工業統計年報、但しユーザ自己消費分は含まない)に上り、安価な酸素製造法の確立は産業界にとって極めて重要な課題となっている。本研究開発では、ペロブスカイト型酸化物を酸素吸着材として用いたPSA(圧力スウィング吸着法)酸素製造装置の実用化開発を目的とする。本技術が実用化できれば、酸素製造の電力原単位を0.32 kWh/m3Nから0.2 kWh/m3Nに低減させることが可能となり、広範な産業分野で大幅な省エネルギー効果が期待できるとともに、CO2の低減に寄与し、新規市場の創出が期待できる。平成24年度においては、前年度に仕様検討したベンチスケール機(酸素発生量350 LN/h)を製造し、吸着材の耐久試験を9ヵ月間行った。その結果、酸素濃度、酸素発生量ともに低減は確認されなかった。さらに、ベンチスケール機以外には熱利用型試験機の製作をし、吸着塔の加熱源として、工業炉の燃焼ガスの熱を適用できることを確認した。平成25年度においては、パイロットスケール機(酸素発生量5 m3N/h)の製作を行い、各種パラメータを変化させた際の運転データを収集し評価を行った。運転の最適化により、酸素発生量4.3 m3N/h(酸素濃度80vol%)、実測電力原単位1.46 kWh/m3Nを達成し、酸素発生量を1,000 m3N/hにスケールアップした際の電力原単位が0.2 kWh/m3N以下になることが見込まれた。吸着材については、全年度にわたって、新規吸着材の開発及び吸着材の成型・量産化の検討を行った。新規吸着材に関しては、事前研究から用いられてきたLSCF1991以外に、性能評価やコスト試算の結果、2つの有望な吸着材を選定した。成型・量産化に関しては、蒸発乾固法によるペロブスカイト型酸化物の焼成から、押出し機によるペレット型の吸着材の成型までの一連のプロセスを確立し、数100 kg程度の吸着材の製造が可能であることを実証した。
英文要約Oxygen is one of the essential substances in industry. It is utilized in various fields, such as incinerator, glass furnace, integrated coal gasification combined cycle (IGCC), partial oxidation, and ferrous and nonferrous metal refining. Domestic production of oxygen is 11.4 billion m3 per year (METI, 2010 Yearbook of Chemical Industry Statistics). Clearly, the establishment of an oxygen production method with lower cost is hugely in need. The objective of this project is the development and commercialization of the high temperature (HT)-Pressure Swing Adsorption method, using perovskite-type oxides as oxygen adsorbent. This method can possibly lower the electric power consumption rate from 0.32 kWh/ m3N under conventional operation to 0.2 kWh/m3N. We aspire to realize further energy conservation in various oxygen-consuming industries, contribute to CO2 reduction, and create a new market. The year of 2013 and 2012 was mainly dedicated to the experiments of the bench-scale apparatus (oxygen production at the rate of 350 LN/h). The result of the nine-month-long durability test for the adsorbent showed that the values of the O2 concentration and the amount of O2 generated are nearly constant for the entire period. These results demonstrate the long-time durability of the adsorbent. Other than the bench-scale apparatus, we have also developed a heat regenerative experimental apparatus. It demonstrated the usability of exhaust heat from industrial furnaces as a source of heat for the adsorbent tower. In 2013, the project proceeded to the development of the pilot-scale apparatus (oxygen production at the rate of 5m3/h). We collected and evaluated operation data with different parameters. Under the optimal operation, it achieved oxygen production at the rate of 3.2 m3N/h (oxygen concentration 80 vol%) with the measured electric power consumption rate of 1.46 kWh/m3N. We estimate that the electric power consumption rate will be lower than 0.2 kWh/m3N when the pilot-scale apparatus is scaled up to a 1000 m3/h device.Throughout the research period, we continued to search for sorbents other than LSCF1991, which has been regularly used since preliminary research, as well as methods for molding and mass production. For the adsorbents, after the performance test and cost calculation, we selected 2 prospective adsorbents. In terms of molding and mass production of adsorbents, we developed a sequence of manufacturing method. Perovskite-type oxides are baked after evaporation drying, and then formed to pellet-type using an extruder. We verified that commensurable performance is attainable with this method.
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