吸着材の直接熱伝導加熱により低温度再生を可能とする革新的CO2資源化TSAの開発

开发创新型二氧化碳资源回收 TSA，通过吸附材料的直接热传导加热实现低温再生

基本信息

批准号：
21H03631
负责人：
児玉昭雄
金额：
$ 11.15万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H03631/
关键词：
吸着二酸化炭素廃熱利用水蒸気

项目摘要

吸着材の熱伝導加熱を可能とする内部熱交換型TSA操作を確立し，従来型のTSA操作では困難であった低温度再生による強吸着質CO2の濃縮回収の実現を目指す。そのため，１．内部熱交換型吸着塔内で生じる熱と物質の同時移動現象の可視化およびCO2と共存水蒸気の競合吸着現象の解明，２．吸着材充填層の伝熱性向上と最適な吸着材特性の検討を通じた内部熱交換型吸着塔の最適化，３．プロセス設計・操作指針の基盤構築に取り組んでいる。CO2と共存水蒸気の競合吸着現象の解明について，ゼオライトは水蒸気を強吸着し80℃程度の加熱では脱着することができず，温度スイング吸着操作が成立しない。よって，疎水性吸着材である分子ふるい炭素CMSを検討対象とした。吸着破過‐脱着実験において，分子ふるい炭素CMSは水蒸気吸着（脱着）量の増加によってCO2脱着速度が低下するが，水蒸気よりもCO2脱着の優先度が高く，CO2吸脱着量は原料ガスの湿度に依存しないことがわかった。この点で，CMSはゼオライトに代わるCO2吸着材になり得る。吸着材充填層の伝熱性向上に関して，CaA型ゼオライトの塗布を引き続き検討した。吸着材層厚みを変化することに加えてフィンピッチや熱交換器サイズを違えて吸着材表面積の影響についても検討した。吸着材は迅速に冷却・加熱されて吸脱着速度が大きくなり，短いサイクル時間で最大性能を示すことを確認した。一方で，吸着材搭載量が少ないために長時間のサイクル運転では性能低下が生じる。吸着材塗布厚みを増すこと，熱交換器容積を大きくすること，もしくはフィンピッチを狭めて吸着材塗布量を増加させることでCO2濃度，回収率ともに高い値となることを実験で示し，吸着材表面積が重要な要素の一つであることを見出した。一方で，吸着材塗布に代わる熱交換器への吸着材担持と熱交換器自体の熱容量の低減施策についても検討を開始した。

我们的目标是建立一种内部热交换型TSA操作，能够对吸附剂进行热传导加热，并通过低温再生实现强吸附CO2的浓缩回收，这是传统TSA操作难以做到的。因此，1。可视化内部换热吸附塔内同时发生的传热和传质，并阐明CO2和共存水蒸气的竞争吸附现象，2。通过改进吸附剂填充床传热性能优化内换热式吸附塔并研究最佳吸附剂性能；我们正在努力为流程设计和操作指南奠定基础。关于CO2和共存水蒸气之间的竞争吸附现象的阐明，沸石强烈吸附水蒸气，并且不能通过加热至80℃左右来解吸，使得变温吸附操作无法进行。因此，考虑使用疏水性吸附剂分子筛碳CMS。在吸附突破-解吸实验中，分子筛碳CMS的CO2解吸速率由于水蒸气吸附（解吸）量的增加而降低，但CO2解吸的优先级高于水蒸气，CO2吸附量和解吸取决于原料气体的湿度，发现它不取决于。在这方面，CMS可以成为沸石的替代CO2吸附剂。为了提高吸附剂填充床的传热性能，我们继续研究CaA型沸石的应用。除了改变吸附剂层厚度之外，我们还通过改变翅片间距和热交换器尺寸研究了吸附剂表面积的影响。经证实，吸附剂快速冷却和加热，提高了吸附和解吸速率，并在较短的循环时间内表现出最大性能。另一方面，由于吸附剂负载量小，在长周期运行期间性能会恶化。实验表明，增加吸附剂涂层厚度、增加热交换器体积或缩小翅片间距以增加吸附剂的用量，我们发现表面积是重要因素之一。另一方面，我们也开始考虑在换热器中支撑吸附剂而不是吸附剂涂层以及降低换热器本身热容量的措施。