化学ループ法による水素生成・二酸化炭素分離システムの開発

化学循环法制氢及二氧化碳分离系统的开发

基本信息

批准号：
16F16765
负责人：
大友順一郎
金额：
$ 0.64万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-11-07 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16F16765/
关键词：
低炭素社会水素生成二酸化炭素利用化学ループ

项目摘要

化学ループ法と再生可能エネルギーを融合させた新規なシステムの提案として、二酸化炭素の有効利用を指向し、メタン酸化あるいは熱分解とカップリングさせた二酸化炭素の還元反応による一酸化炭素生成システムの検討を行った。このシステムは2つの反応器から構成され、その反応器内部を酸素キャリア粒子である酸化鉄/鉄粒子が循環する（化学ループ法）。その際、メタンの熱分解による炭素粒子の析出が酸素キャリア粒子上で生じる。この反応は吸熱反応であり、以下の反応式で表される。CH4 + 3CO2 → 4CO+2H2O △H (800℃) = 346 kJ (1)この吸熱反応の熱は太陽熱によって供給されることを想定した。高温の熱が利用できない場合は、メタンの熱分解反応から生成した水素の一部を燃焼させ、得られた高品位熱を用いることを想定した（式2）。CH4 + 1.8CO2 + 0.6O2 → 2.8CO+2H2O △H (800℃) = -11 kJ (2)平衡計算により、反応器内で燃料気体と酸素キャリア粒子の向流で反応を行った場合に、一酸化炭素の収量が最も高くなることが明らかになった。この反応システムは、2つの流動層と1つのライザーから構成されることを想定した。このシステムにおいて、850℃で水蒸気をライザーに導入することで、1 molのメタン消費に対し2.7 molの CO を純度 84% で得られることがわかった。さらに、メタンの熱分解を加速する酸素キャリア粒子の開発も行った。プロトン伝導体であるBaZr0.9Y0.1O3 (BZY)を用いたFe/BZY複合粒子を用いることで、メタン熱分解の反応速度が向上することが明らかになった。開発した粒子を提案システムに導入することで、高効率な化学ループシステムの構築が可能になる。

作为结合化学循环方法和可再生能源的新系统的提案，我们的目标是有效利用二氧化碳，并研究了利用二氧化碳的还原反应与甲烷氧化或热分解相结合的一氧化碳生成系统。该系统由两个反应器组成，载氧体颗粒、氧化铁/铁颗粒在反应器内循环（化学循环法）。在这种情况下，由于甲烷的热分解，在氧载体颗粒上发生碳颗粒的沉淀。该反应是吸热反应，由以下反应式表示。 CH4 + 3CO2 → 4CO+2H2O △H (800℃) = 346 kJ (1) 假设该吸热反应的热量由太阳热提供。如果无法获得高温热量，我们假设甲烷热分解反应产生的部分氢气将被燃烧，并使用由此产生的高品位热量（公式 2）。 CH4 + 1.8CO2 + 0.6O2 → 2.8CO+2H2O △H (800℃) = -11 kJ (2) 根据平衡计算，反应器内燃料气体与载氧体颗粒逆流进行反应时，发现一氧化碳的产率最高。假设该反应系统由两个流化床和一个提升管组成。在该系统中，发现通过在850℃下将水蒸气引入提升管，每消耗1摩尔甲烷，可以获得2.7摩尔纯度为84%的CO。此外，他们还开发了可以加速甲烷热分解的载氧体颗粒。研究表明，通过使用使用质子导体BaZr0.9Y0.1O3（BZY）的Fe/BZY复合颗粒，可以提高甲烷热分解的反应速率。通过将开发的颗粒引入所提出的系统中，可以构建高效的化学循环系统。