東京農工大学

工学部

化学システム工学科
研究紹介(2012)

Department of Chemical Engineering
Tokyo University of Agriculture and Technology䜾䝸䞊䞁䞉䜲䝜䝧䞊䝅䝵䞁䜢䜑䛦䛧䛶ᕤᏛ㒊໬Ꮫ䝅䝇䝔䝮ᕤᏛ⛉ டᒣ◊✲ᐊ◊✲ᴫせடᒣ◊✲ᐊ䛿䚸໬▼⇞ᩱ䛻౫Ꮡ䛧䛺䛔᪂䛧䛔䜶䝛䝹䜼䞊䝅䝇䝔䝮䛾ᵓ⠏䜢┠ᣦ䛧䛶䚸໬ᏛᕤᏛ䛾Ꮫၥ䜢ά⏝䛧䛶◊✲䜢⾜䛳䛶䛔䜎䛩䚹䛣䛣䛷䛿䚸䐟Ỉ䛸✵Ẽ䛛䜙䜰䞁䝰䝙䜰䜢ྜᡂ䛩䜛ክ䛾⇕໬Ꮫ䝃䜲䜽䝹䛾ᥦ᱌䚸䐠᳃ᯘ䛾⟶⌮䛷᤼ฟ䛥䜜䜛㛫ఆᮦ䜢ཎᩱ䛻Ỉฎ⌮⏝䛾άᛶⅣ䜔᭷ᶵ᤼䜺䝇ศゎ⏝䛾ゐ፹䜢స䜛䛣䛸䚸䐡✄䜟䜙䜢Ⓨ㓝䛥䛫䛶ᚓ䜙䜜䜛䝞䜲䜸䜶䝍䝜䞊䝹䜢ཎᩱ䛻䛧䛶⇞ᩱ㟁ụ⏝䛾Ỉ⣲䜢స䜛཯ᛂჾ䚸䐢ⓑ㔠䛾䜘䛖䛺㧗౯䛺㔠ᒓ䜢౑⏝䛧䛺䛔䛷⮬ື㌴᤼䜺䝇ฎ⌮䛜䛷䛝䜛᪂䛧䛔䜹䞊䝪䞁䜰䝻䜲ゐ፹䜢⤂௓䛧䜎䛩䚹ヲ䛧䛟䛿䚸http://www.tuat.ac.jp/~kameyama/䐟Ỉ䛸✵Ẽ䛛䜙䜰䞁䝰䝙䜰䜢ྜᡂ䛩䜛ክ䛾⇕໬Ꮫ䝃䜲䜽䝹䛾ᥦ᱌
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化学システム工学科 伏見研究室
Tel/Fax: 042‐388‐7062, e‐mail: cfushimi@cc.tuat.ac.jp
現代文明は大量の化石燃料の消費によって成り立っています。日本では1人1年当たりで、約600 kgの液化天然ガス、約2000 Lの石油、約1500 kgの石炭を消費しており、その結果約9.3 t/人/年もの二酸化炭素を排出しています(2008年度
統計)。資源の枯渇や地球温暖化の問題を考えると、今後の私たちにとって真に持続可能な社会実現のために、化石燃料利用の徹底した高効率化と再生可能エネルギーの大幅な利用拡大を図ることが必要不可欠です。そのために当研究室では、以下の研究課題について取り組んでいます。
1. 石炭火力発電の高効率化・CO2排出量削減
2. 再生可能エネルギーの利用拡大に向けたシステムの検討
3.自己熱再生方式による省エネルギー乾燥技術の開発
4. 微粉流動層による新規エネルギー材料製造法の開発
石炭火力発電の高効率化

燃焼ST
1300‐1400 ℃ 600 ℃

ガス化炉(H2, CO)石炭
ST:蒸気タービン
GT:ガスタービン

1100‐1800 ℃

媒体粒子

次世代石炭ガス化燃料電池複合発電(A‐IGFC)
次世代石炭ガス化複合発電(A‐IGCC)
送電端効率65‐70%
送電端効率最大55%排熱(見込み)(850‐950℃) (見込み)

石炭

GT

ガス化炉
(H2, CO)石炭

ST1500 ℃ 600 ℃

750‐900 ℃

燃料電池
850‐950 ℃

750‐900 ℃

熱分解ガス
CO,H2

GT
1500 ℃

ST
600 ℃

現在日本の石炭火力発電所の発電効率(送電端効率)は41‐42%と世界最高レベルですが、さらに発電効率を向上させる技術として、石炭をガス化してH2, COを中心したガスに変換し、さらにガスタービン・蒸気タービンで発電する石炭ガス化複合発電ガス化発電(IGCC)が商業化目前です。
当研究室ではIGCCの発電効率をさらに上げるため、ガス化炉の熱源として、ガスタービンや燃料電池の排熱を利用した発電システム(A‐IGCC/IGFC)の開発を行っています。

乾燥

≤ 5%

(1)現状、既存設備
輸
送

≥ 5%

微粉砕
(数十μm)

貯留

左に示した次世代型石炭ガス化複合発電システム(A‐IGCC/IGFC)実現のため、流動層型ガス化炉の開発を行っています。このガス化炉で必要とされる大量の熱媒体粒子の循環システムを、流動層コールドモデル装置により達成しました。今後は、石炭熱分解・ガス化反応速度の向上のために、ダウナー型熱分解炉での1)迅速な石炭と熱媒体粒子の混合と2)石炭熱分解の基礎研究を、流動工学と反応工学の両面から行います。

ペレット化(2)要検討
ボイラー
（燃焼）

CO2

H2O

太陽光

太陽電池・
太陽熱・風力太陽熱

食糧→農業廃棄物
木質・草本バイオマス
H2
O
電気

N2

輸送
アンモニア(NH3)
水素吸蔵物質

水素

太陽光

発電

圧縮水素・液体水素

CO2
太陽熱

参照：先端エネルギー変換工学寄付研究部門 第3回技術フォーラム資料 (2010年6月11日) P24
火力原子力発電 2006年6月号 P116

発電、熱利用燃焼、バイオ燃料

太陽光

H2O

二酸化炭素
還元

石
炭

水蒸気

輸
送
微粉砕
(おがくず)

貯留

熱CO, CO2

G. Guan et al., Particuology 8, 602‐606, 2010
C. Fushimi et al., Powder Technology, 209, 1‐8, 2011
G. Guan et al., Chemical Engineering Science, 66, 4212‐4220, 2011
C. Fushimi et al., Powder Technology (in press)

水 分 解

破砕
(チップ)

集

未反応チャー

+O2

光合成

収

輸
送

+水蒸気

チャー
媒体粒子

太陽エネルギー

イ
オ
マ
ス

輸
送

熱

再生可能エネルギーの拡大に向けたシステム検討

石炭火力発電バイオマス混焼システム
輸送CO, H2

未反応チャーチャー+媒体

空気or酸素チャー

燃焼炉（ライザー反応器）

ガス化炉

堤敦司 化学工学, 70, 476‐480, 2006
G. Guan e t al. Particuology, 8(6), 602‐606, 2010,
堤敦司 化学工学, 75, 578‐581, 2011

木
質 輸
バ 送

チャー（固体残渣）
水蒸気ガス化炉（気泡流動層）

燃焼炉

排熱(< 750 ℃)

ガス化炉(H2, CO)

石炭，
バイオマス
触媒、
吸収剤

熱分解炉

GT
ST
1500 ℃ 600 ℃

熱分解炉（ダウナー反応器）
ガス (CO, H2, CH4etc.)+
石炭
タール

CO, CO2

熱媒体粒子

石炭

流動と反応速度に着目した新規石炭ガス化炉の開発

石炭ガス化複合発電(IGCC)
部分燃焼 送電端効率46‐48%（見込み）

超々臨界圧蒸気タービン発電(USC)
送電端効率41‐42%（世界最高レベル）

有機燃料

微粉流動層による新規エネルギー材料製造法の開発

COMPRESSOR：冷却エネルギ cooling energy

WATER

CYCLONE

流動層化開始

流体

流体

気泡流動層

CYCLONE
AIR

DRYER 3superheating
DRYER 2

evaporation

T0

DRYER 1Pre‐heating
温度 Temperature T

Ts

固定層
BIOMASS

熱量 Heat quantity Q

顕熱回収
sensible heatrecovery

潜熱回収
latent heatrecovery

常圧 normal pressure

自己熱再生方式による省エネルギー乾燥技術：コンプレッサ 動力
compressor power

地球の持続可能性を考えると、長期的には太陽エネルギーを効率よく変換・貯蔵するシステムの構築が必要です。現在は光合成によるバイオマス製造とその利用、太陽電池・太陽熱・風力による発電、水分解による水素製造、二酸化炭素還元による有機燃料の合成などの技術開発がおこなわれています。当研究室では、これらの技術について、化学システム工学の視点から物質・エネルギー収支に着目し、経済合理性のある技術・社会システムの検討を行います。

高圧 high pressure

石炭火力発電所に、木質を中心としたバイオマスを混焼するにより、石炭使用量とそれに伴うCO2排出量削減が可能になります。さらに、未利用バイオマスの利用拡大による森林事業の活性化にもつながります。現状は石炭火力発電所の設備上の理由で、バイオマス利用率が5%以下になっています。当研究室では、バイオマスの利用拡大を図るため、採取可能木材量と、前処理のエネルギー・費用を考慮した全体システムの検討を行うとともに、燃焼反応性に対する木質バイオマス混合の影響を実験的に明らかにします。

WATER

C. Fushimi,et al. Drying Technology 29, 105-110, 2011
M. Aziz et al. Chemical Engineering Technology, 24, 1095-1103, 2011
伏見千尋 他、分離技術, 41, 221-226, 2011

石炭やバイオマスは多くの水分を含むため、利用前に乾燥が必要です。乾燥工程では、水分を蒸発させるのに非常に多くのエネルギーが必要となるため、省エネルギー化が求められています。これまで、自己熱再生方式による乾燥の大幅なエネルギー消費量の削減につながることを提案してきました。今後は実用化に向けてさらに、理論的なエネルギー削減可能性や乾燥速度の検討、および装置開発を行います。

気体
参考: 流動層ハンドブック 日本粉体工業技術協会編 培風編

粉体を充填した層（固定層）に下方から流体を吹き込むと、ある流速以上で粉体の流動化が開始され、さらに流速を上げると気泡流動層などを形成します。この流動層技術は工業的に広く用いられています。一般に20‐30 μm以下の微粉体では、粒子間付着力が大きく流動化が難しいとされています。一方最近の研究で、微粉体を用いた新規エネルギー材料の開発が進んでいます。
そこで、当研究室では、音波・振動などによって微粉体を流動化することにより、微粉体の新規エネルギー材料の連続製造法の開発を行います。

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