| 研究課題/領域番号 |
17K00626
|
|---|
| 研究機関 | 豊橋技術科学大学 |
|---|
研究代表者 |
松本 明彦 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90239088)
|
|---|
| 研究分担者 |
伊藤 博光 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00780579)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| キーワード | 吸着 / 吸着熱 / 真空圧力スイング吸着 / VPSA / ゼオライト / 二酸化炭素 / CO2 / 消化ガス |
|---|
| 研究実績の概要 |
アルミノシリケートゼオライトは，結晶中の陽イオンが形成する電場勾配が二酸化炭素（CO2)の四重極子と相互作用するため，CO2を強く吸着する。これに着目し，消化ガス（バイオガス）から二酸化炭素（CO2）の効率よい吸着分離装置の構築を目指している。本研究では，まず現有の真空圧力スイング吸着（VPSA）装置を用いて，窒素N2-CO2混合ガス（60v/v%）を消化ガスのモデルガスとして，各種ゼオライトのCO2吸着分離能を調べた。その結果，ナトリウムイオン型低シリカXゼオライト（LSX）が吸着剤として最適であることが分かった。
熱力学的に吸着は発熱過程であり，脱着は吸熱過程である。従って吸着過程で生じた熱を回収し，脱着過程に供給できれば，エネルギー効率の良いCO2の吸着と脱着が可能なVPSAシステムを構築できる。本研究では，こうした吸着熱の利用を視野に入れて，ベンチスケールの吸着熱回収システム付き2塔式VPSA（吸着塔長さ280㎜，直径70㎜）の試作を行い，熱回収の可能性について検討した。その結果，CO2吸着に伴い吸着塔内のゼオライトの温度は，16℃から最高62.6℃まで上昇し，CO2吸着量が2.18 mmol/gで破過した。この吸着量に対応する発熱量は57.2 kJであり，本装置では，吸着に伴い発生した熱の26.0%を回収することができた。時間当たりに回収した吸着熱量は最大0.93 kJ/minであった。熱の回収は吸着破過に到達以降も可能であるが，効率的な回収は比較的吸着能に余裕がある10%破過までであることを明らかにした。これらの熱回収効率は，装置の改良によって改善できると考えており，今後のVPSA装置の改良に生かしてゆく予定である。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
吸着剤として有効な各種ゼオライトについて予備的にCO2吸着実験を実施した結果，CO2のVPSA吸着分離に最適なゼオライトが選定できた。また，吸着熱を回収できる流通法VPSAシステムをベンチスケールであるが自作できた。予定していた形状の熱交換器を吸着塔に装着することができなかったが，今後の改良の基礎となる吸着熱のデータ（温度変化），熱交換効率が見積れた。この知見を今後の装置製作に生かすことで，効率よい吸着・脱着が可能なVPSAシステムの構築を目指すことができる。
|
| 今後の研究の推進方策 |
H30 年度も前年度に引き続きVPSA実験を継続する。前年度に試作したベンチスケールのVPSA装置で得られた実験結果を活用して，10L/min程度のN2-CO2混合ガスを処理できる吸着塔を持つ吸着熱回収システム付き2塔式VPSA装置を作成し，CO2 の吸着・分離挙動を調べる。装置は吸着塔以外の部分については，現有の1塔式VPSA装置を改造して用いる。VPSA装置は流通吸着系であり，平衡吸着系と異なるため，CO2 の線流速が細孔内への拡散速度や吸着速度に影響する。このため，平衡吸着法でCO2の吸着を測定して飽和吸着量を求め，流通吸着系で破過した時の吸着量（積算吸着量）と比較して，CO2 の線流速，ゼオライトビーズ径などが，積算吸着量に与える影響を調べる。これにより，吸着熱の回収も視野に入れた流通法吸着の最適条件を見積もる。
吸着熱回収流通法吸着システム自体の熱容量を見積もり，吸着に伴う吸着塔の熱交換用媒質液体の温度変化から回収した吸着熱量を求めて，平衡吸着時の吸着熱との相関関係を明らかにする。これにより，平衡吸着における吸着熱から流通法で回収できる熱量の推算を試みる。吸着熱回収流通法吸着システム自体の熱容量は，装置に一定のジュール熱を加えたときの温度変化から見積もる。
回収した吸着熱をCO2 が吸着したゼオライトの脱気再生プロセスに活用することを目的として，現有の圧力スイング装置の吸着塔部分を改造する。回収した熱の空調への応用を視野に入れる。試行を繰り返しながら，混合ガスの線流速，熱交換用の媒質などを検討しながら，運転条件の最適化を図ってゆく予定である。
|
