JP5233237B2 - 酸素濃縮方法 - Google Patents
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Description
一つは、電力駆動方式である。これは、代表的な技術として特許文献1で開示されているように、酸化物イオン伝導性金属酸化物を挟んで陽極と陰極を形成し電圧をかけることによって、陰極側から陽極側へと酸化物イオンの形で電流として移動する。この場合、酸化物イオンの透過のしやすさは、酸化物の物性値の一つである「酸化物イオン導電率」でほぼ決まる。
(イ)酸素分離の駆動力となる酸素分圧比を大きくする
(ロ)分離温度を高温化する
(ハ)透過距離を小さくする(薄膜化する)
前記ガス供給側から分離膜を透過せずに排出されたガス(B)から、更に酸素を分離したガス(C)を前記酸素分離装置のガス供給側に供給してリサイクルすることを特徴とする酸素濃縮方法。
即ち、0.206×0.5=0.103(MPa)となり、透過の駆動力は事実上ないに等しい。従って、実用的な透過の駆動力を得るには、酸素含有ガス(A)として、酸素濃度が25%以上必要である。一方、酸素濃度が95%を越えると、既に酸素濃度が高いので、酸素濃縮の効果が小さく、実用的ではない。従って、前記酸素含有ガス(A)としては所謂、酸素濃度25%以上の酸素富化空気、又は酸素濃度95%以下の低純度酸素が用いられる。
図1に、酸化物イオン伝導性金属酸化物からなる分離膜を使い、低純度の酸素ガスを原料にして、酸化物イオンの形態で高選択的に分離膜内を透過させることによって酸素を濃縮する方法の具体的を示す。なお、ここでは分離膜の形状として片側が閉じられた円筒管を例示しているが、これは平板等その他の形状でも構わない。
燃焼器108は、上述したように燃焼によって直接加熱する方式の方が望ましいが、電気的な加熱手段を用いることも可能である。また、直接加熱方式でも、火炎を発するバーナー方式のものや燃料の酸化を促進する触媒を使った触媒燃焼器などを使っても良い。
なお、上記単位中のNm3は、標準状態(0℃、1atm=101.325kPa)におけるガス体積を示しており、以降も同様に表記する。
0.18MPaになるためには全圧を1MPaまで昇圧する必要がある。差圧は0.9MPa(900kPa)。
リーク速度は、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1×900kPa=7.2×10-5Nm3・s-1・m-2となり、リーク量の内18%は酸素が含まれているので、分離酸素純度は次のようになる。
分離酸素純度=(1.5×10-3+7.2×10-5×0.18)/(1.5×10-3+7.2×10-5)=96.24%
リーク速度は、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1×100kPa=8×10-6Nm3・s-1・m-2となり、リーク量の内90%は酸素が含まれているので、分離酸素純度は次のようになる。
分離酸素純度=(1.5×10-3+8×10-6×0.9)/(1.5×10-3+8×10-6)=99.95%
ここで、本方法で得られる濃縮された酸素の酸素濃度を計算する。第1の酸素分離装置本体201における分離条件を入側酸素分圧(ガス供給側)/出側酸素分圧(ガス透過側)=0.36MPa/0.2MPaとすると、透過の駆動力は前述の例と同じになるので、分離膜の酸素透過性能(速度)は1.5×10-3Nm3・s-1・m-2。分離管および接合部の全リーク速度(単位面積あたり)についても前述と同様、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1とする。
リーク速度は、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1×1800kPa=1.44×10-4Nm3・s-1・m-2となり、リーク量の内18%は酸素が含まれているので、分離酸素純度は次のようになる。
分離酸素純度=(1.5×10-3+1.44×10-4×0.18)/(1.5×10-3+1.44×10-4)=92.8%
リーク速度は、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1×94kPa=7.52×10-6Nm3・s-1・m-2となり、リーク量の内92.8%は酸素が含まれているので、分離酸素純度は次のようになる。
分離酸素純度=(1.5×10-3+7.52×10-6×0.928)/(1.5×10-3+7.52×10-6)=99.96%
となり、高純度に濃縮された酸素を得ることが可能になる。
図1で例示した酸素分離装置の内、ガスタービンを除くシステムを使って、原料に空気を用いた場合と低純度酸素を用いた場合を比較した。試験に供した分離管(10本)の総膜面積は0.2m2、10本の分離管の平均リーク速度は5×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1であった。これを酸素分離装置内に固定したところ、接合部において若干のリークが発生し、常温においてトータルのリーク速度は、次のようになる。
即ち、1.6×10-8Nm3・s-1・kPa-1(分離膜面積当たりでは、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1)であることがわかった。
高純度酸素の分離が可能であることが固体電解質酸化物の大きなメリットと一般に言われる中、実際には高純度を実現するには極めて高度な低リーク対策を打つ必要があるが、本発明により、容易に酸素の濃縮が行われ高純度酸素製造が実現できることが確認できた。
リーク速度の大きな分離管を使い、実施例1と同様の試験を行った。使用した酸素分離管の総面積は0.2m2、平均リーク速度は1.9×10-6Nm3・s-1・m-2・kPa-1であった。これを酸素分離装置内に固定したところ、最終的に接合部リークを含めたトータルのリーク速度は4×10-7Nm3・s-1・kPa-1(分離膜面積当たりでは、2×10-6Nm3・s-1・m-2・kPa-1)となった。
1.9×10-6Nm3・s-1・m-2・kPa-1程度のリークを示す酸素分離管は比較的容易に製造できること、また接合部におけるリーク速度も実施例1と比較して大きくこのレベルであれば高い確率で接合することができることを考慮すると、本発明による酸素の濃縮方法が十分有効であると言える。
102 酸素分離管外面と酸素分離装置本体の間の空間
103 酸素分離管内面と酸素分離装置本体の間の空間
104 酸素分離管
105 濃縮された高純度酸素
106 低純度酸素
107 燃料
108 燃焼器
109 熱交換器
110 燃焼器
111 ガスタービン
112 圧縮部
113 膨張タービン
114 排出口
201 第1の酸素分離装置本体
202 酸素分離管外面と第1の酸素分離装置本体の間の空間
203 酸素分離管内面と第1の酸素分離装置本体の間の空間
204 酸素分離管
205 低純度酸素
206 第2の酸素分離装置本体
207 酸素分離管外面と第2の酸素分離装置本体の間の空間
208 酸素分離管内面と第2の酸素分離装置本体の間の空間
209 酸素分離管
210 濃縮された高純度酸素
211 原料空気
212 燃料
213 燃焼器
214 熱交換器
215 燃焼器
216 ガスタービン
217 圧縮部
218 膨張タービン
219 排出口
220 圧力調整弁
221 分離されずに排出されるガス(B)
301 酸素分離装置本体
302 酸素分離管外面と酸素分離装置本体の間の空間
303 酸素分離管内面と酸素分離装置本体の間の空間
304 酸素分離管
305 濃縮された高純度酸素
306 吸着・脱離現象によって分離された低純度酸素
307 圧縮機
308 熱交換器
309 燃料
310 燃焼器
311 PSA装置
312 空気
313 圧力調整弁
314 排出弁
315 逆止弁
Claims (6)
- 酸化物イオン伝導性金属酸化物からなる分離膜で圧力駆動方式とした、ガス供給側からガス透過側にリークがある酸素分離装置を使用し、常圧を越え0.5MPa未満の圧力を有し、酸素濃度が25〜95%の酸素含有ガス(A)を前記ガス供給側とし、前記ガス透過側を常圧とすることを特徴とする酸素濃縮方法。
- 前記ガス供給側に供給する前記酸素含有ガス(A)が、前記酸化物イオン伝導性金属酸化物からなる分離膜を使って得られたことを特徴とする請求項1記載の酸素濃縮方法。
- 酸化物イオン伝導性金属酸化物からなる分離膜で圧力駆動方式とした、ガス供給側からガス透過側にリークがある酸素分離装置を使用し、常圧を越え0.5MPa未満の圧力を有し、酸素濃度が25〜95%の酸素含有ガス(A)を前記ガス供給側とし、前記ガス透過側を常圧として酸素濃縮し、
前記ガス供給側から前記分離膜を透過せずに排出されたガス(B)から、更に酸素を分離したガス(C)を前記酸素分離装置のガス供給側に供給してリサイクルすることを特徴とする酸素濃縮方法。 - 前記リークが、1×10-6〜1×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1であることを特徴とする請求項1又は3記載の酸素濃縮方法。
- 前記ガス供給側から前記分離膜を透過せずに排出されたガス(B)から、更に酸素を分離したガス(C)とする手段が、吸着及び脱離により行われる分離方法であることを特徴とする請求項3記載の酸素濃縮方法。
- 前記酸化物イオン伝導性金属酸化物が、立方晶ペロブスカイト型であることを特徴とする請求項1又は3記載の酸素濃縮方法。
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JP2007268303A JP5233237B2 (ja) | 2007-10-15 | 2007-10-15 | 酸素濃縮方法 |
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