低エミッションエネルギーシステムに適合した高効率酸素分離の研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12305014
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 圓山 重直 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (80173962)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 塚田 隆夫 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教授 (10171969) ; 小林 秀昭 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (30170343) ; 上條 謙二郎 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90282003) ; 藤間 克巳 株式会社前川製作所, 技術研究所, 次長(研究職) ; 尾池 守 石巻専修大学, 理工学部, 教授 (70292282)
• Keywords: 酸素分離 / 微細繊維 / 高効率熱交換器 / 複合伝熱 / 空気液化

Research Abstract

本研究は、研究代表者が考案している微細繊維構造体を用いた高効率熱交換器を、低温空気に適用した酸素分離技術に応用し、小型で高効率な酸素分離システムの構築を目指すものである。
研究最終年度として、まず、高効率熱交換器の伝熱性能評価を行った。その結果、繊維媒体熱交換器は、従来の蓄冷材と比較して、数分の1程度の大きさで、98%近い効率を得ることが可能となった。水蒸気の凝結による熱交換器流路の閉塞状態を定量的に予測し、1日1回の乾燥作業で霜の堆積を除去できることがわかった。本システムに空気蒸留塔を設置した場合の空気分離プロセスの高効率化を行った。
次に、熱流体機器システムのシミュレーションソフトウェアHYSYS Processを用いて、空気冷却システムに蒸留塔を設置した場合の酸素分離性能の予測を行った。その結果、従来の複式蒸留塔に替わり単式蒸留塔を用いることで、空気の圧縮機および熱交換器でのエクセルギー損失を低減でき、空気分離に必要な所要動力が14%削減可能であることがわかった。また、LNG火力発電所での空気分離を想定した場合、LNG冷熱を用いることにより、空気分離に必要な所要動力は、従来と仕較して40.7%削減可能である。さらに、本研究で提案した冷熱利用プロセスでは、水蒸気などの空気中の不純物は前段階の再生式熱交換器で処理されるため、これまで困難とされてきた低温圧縮が技術的に可能であると考えられる。
この酸素分離システムを燃焼エネルギーシステムに適用した場合の評価を行った結果、パイプラインでの二酸化炭素輸送を想定した場合、石炭ガス火力発電システムで0.9%、天然ガス火力複合発電システムで2.2%の正味効率向上の可能性がある。
以上の結果から、本年度の研究成果は100%以上の目標が達成された。

Research Products

• [Publications] 円山重直, 垣尾忠秀, 酒井清吾: "C_2/CO_2循環燃焼によるCO_2無放出発電システムの可能性の検討"日本機械学会熱工学講演会講演論文集. 469-470 (2002)
• [Publications] Shigenao MARUYAMA, Tadahide KAKIO, Seigo SAKAI: "Proposal and Heat Transfer Performances of Fibrous Media Regenerator"Thermal Science and Engineering. Vol.10, No.4. 15-16 (2002)
• [Publications] 円山重直, 垣尾忠秀, 酒井清吾: "繊維構造体を用いた蓄熱式熱交換器の提案と伝熱性能評価"第39回日本伝熱シンポジウム講演論文集. Vol.II. 427-428 (2002)