炭化水素系燃料からのエクセルギー抽出

1995 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06246103
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 岡崎 健 東京工業大学, 炭素循環素材研究センター, 教授 (20124729)
• 研究分担者: 八木 順一郎 東北大学, 素材工学研究所, 教授 (20006050) ; 福谷 征史郎 岡山県立大学, 情報工学部, 教授 (40026208) ; 上野 晃史 静岡大学, 工学部, 教授 (30135420) ; 水野 彰 豊橋技術科学大学, 工学部, 教授 (20144199) ; 土方 邦夫 東京工業大学, 工学部, 教授 (60016582)
• キーワード: 炭化水素 / プラズマ化学反応 / 触媒化学反応 / エクセルギー / メタノール合成 / エネルギー有効利用 / 反応機構 / ラジカル反応

研究概要

炭化水素系燃料からの高効率なエクセルギー抽出を達成するために必要なさまざまな新しい物質変換、あるいは改質技術に関連する研究が主として基礎的な立場から行われた。特に、低質の低温熱源により水素に改質できるメタノールのメタンからの直接合成に関する研究に重点が置かれた。特殊な新しい低温プラズマ化学反応の創成と応用では、半導体電極による新しい電極系を用いた定常グローおよびスパーク放電や高電圧極短パルス放電を用いたプラズマ化学反応によるメタノール直接合成の実験的研究が行われ、電極形状や放電形態、原料ガス組成などの諸因子の影響と反応機構および電力効率について詳細な検討が行われた。特に、メタン/酸素を原料ガスとする部分酸化によるメタノール直接合成ではなく、化学熱力学的に見てはるかに困難なメタン/水からのメタノール直接合成で平衡値より4桁以上も高い1%程度の収率が得られ、これがプラズマ化学反応のみによって実現できる特有の反応機構によるものであることが明らかにされた。新しい触媒系の開発では、メタンからメタノールやアルデヒドを合成するのに有効な触媒成分とその反応条件について研究され、ゾル・ゲル法で調整したシリカ担持酸化モリブデン触媒では80%程度の水蒸気の存在下で600℃で反応を行うことによりメタノールとアルデヒドの収率が4%にも達した。また、非平衡低温プラズマ法によるメタンからメタノールの直接合成に関する速度論的検討により、反応条件としては反応温度460K、圧力1.2atm、混合気組成CH3:H:O=1:1:0.9が適していることが示され、メタノール直接合成の反応経路とその温度や圧力への依存性がかなり明らかになり、今後のメタノール直接合成の高効率化につなげる方向性が見えてきた。高炉への補助燃料吹き込みでは、エクセルギー消費と二酸化炭素排出の低減を促進し、Cu-ZnO-Ga2O3系触媒が高いメタノール合成活性を示した。システム評価としては、新しいエネルギーシステムに対するライフサイクルエネルギー分析が行われた。

研究成果

• [文献書誌] 岡崎、土方、ほか3名: "大気圧下非平衡プラズマ化学反応によるメタンからメタノールの直接合成と諸因子の影響" 日本機械学会論文集B編. 61,592. 4471-4476 (1995)
• [文献書誌] Rajanikannth, Mizuno, et al.: "Application of Pulsed Discharge Plasma for Methanol Synthesis" Ieee IAS Annual Meeting. 1. 1459-1464 (1995)
• [文献書誌] Kakuta, Ueno, et al.: "Preparation of Spherical and Porous Silica Particles by Fume Pyrolysis" Preparation of Catalysts. VI. 319-326 (1995)
• [文献書誌] 国吉、福谷: "メタン-空気ブンゼン火炎の数値解析I" 日本機械学会論文集B編. 61,592. 4492-4497 (1995)
• [文献書誌] 国吉、福谷: "メタン-空気ブンゼン火炎の数値解析II" 日本機械学会論文集B編. 62,593. 374-379 (1996)
• [文献書誌] Sato, Yagi, et al.: "Methanol Synthesis from Waste Gas of Ironmaking Blast Furrace with Natural Gas" CHEMECA95,23rd Australian Chemical Engg. Conf.2. 36-41 (1995)
• [文献書誌] 上野晃史: "化学工学の進歩29(分担)" 槇書店(化学工学会編), 310 (1995)