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ＮＥＤＯ 省エネルギー技術フォーラム 2014
戦略的省エネルギー技術革新プログラム
実証開発フェーズ
高効率酸素製造装置(HT‐PSA*)の開発
* High Temperature – Pressure Swing Adsorption
東京ガス㈱
共同研究先：吸着技術工業㈱、東京ガスケミカル㈱
研究開発期間：平成26年9月～平成29年2月
１．１．背景、目的
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空気から分離され高濃度化された酸素は、製鉄プロセス、化学プラント、ごみ焼却炉、ガラス溶解炉、
石炭ガス化複合発電（IGCC）、非鉄金属精錬等、幅広い分野で使用され、酸素の国内生産量は113 億
m3/年(自家消費含まず)である。
また、コスト的な問題で使用量が制約されているユーザも多く、安価な酸素製造法の確立は産業界に
とって極めて重要な課題となっている。
１．２．目標(従来技術と本技術の比較)
* Pressure Swing Adsorption
深冷分離法
従来型PSA*
本技術(HT-PSA)
基本動作
気体の液化温度差を利用
圧力スイングによる吸脱着
圧力スイングによる吸脱着
酸素発生量
(単機)
5,000 ～ 20,000 m3N/h
100m3N/h ～ 8,000 m3N/h
100 ～ 10,000 m3N/h
吸着材
－
ゼオライト：N2吸着
ペロブスカイト型酸化物：O2吸着
作動温度
-183℃(O2液化温度)
常温
600℃前後
前処理
不要
必要
上限酸素濃度
99.99 %以上
93 %
99 %
電力原単位
0.32 kWh/m3N
0.40 kWh/m3N
0.20 kWh/m3N （加熱も含む）
備考
技術的に飽和状態、電力原単位の低減は難しい
従来技術より40 %以上省エネ
１．３ ． 技術開発成果の活用ｲﾒｰｼﾞ
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酸素
化学プラント
酸素
HT-PSAの製品イメージ
酸素
酸素
酸素
製鉄所
窒素
ごみ焼却場
IGCC
工業炉
２．１．本技術の概要
従来型吸着材とペロブスカイト型酸化物の
吸着性能の違い（イメージ図）
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HT-PSAの基本構成
(a) 従来型の酸素吸着材 (物理吸着)
窒素分子
大きさの近い酸素
分子・窒素分子を
物理的に100%選択
分離するのは困難。
吸着材
酸素分子
吸着材
(b) ペロブスカイト型酸化物 (化学吸着)
酸素分子
吸着材
化学的（酸化反応）
に取り込まれるため、
選択性100%
窒素分子
２．２．本技術の優位性
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本技術
0.20 kWh/m3N以下
選択性の高さから、従来技術より優れた電力原単位で分離が可能
２．３．研究開発体制
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実施者
東京ガス㈱
技術開発責任者 藤峰智也
・プロジェクトのとりまとめ
・プロトタイプ機の開発
・実証機の開発
・吸着材の低コスト化、量産化、耐久試験
・量産化
・耐久試験
共同研究先
吸着技術工業㈱
・実証機、吸着材の開発
・試験装置の開発
共同研究先
東京ガスケミカル㈱
・実証機エンジニアリング
・商品化に向けた検証
外注
吸着材量産化、実証試験装置製作
吸着材製造ﾒｰｶ
装置製造ﾒｰｶ
３．１．開発経緯
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事前研究→実用化開発フェーズを経て、商業化する前段階まで開発が進んでいる。
現時点
残る課題を解決するため、実証開発フェーズを選定した。
全体フロー
NEDO：事前研
究フェーズ
自主研究
NEDO：実用化開発フェーズ
NEDO：実証開発フェーズ
装置稼働年数
2009年～
2010年～
2011年～2013年
2014年～2016年
試験機名称
小型カラム試験機
小型試験装置
ベンチスケール機
パイロットスケール機
プロトタイプ機
実証機
吸着材量
0.024 kg
2.0 kg
10 kg
226 kg
5t
20 t
酸素発生量
1 LN/h
70 LN/h
0.35 m3N/h
5.0 m3N/h
100 m3N/h
500 m3N/h
熱回収
ー
ー
両側蓄熱
熱回収
両側蓄熱
高効率熱回収
両側蓄熱
高効率熱回収
加熱源
加熱方式
電気
外熱式
電気
外熱式
電気
外熱式
電気
内熱式
電気／燃焼／排熱
成果
基本性能の確認
耐久試験：3ヶ月
酸素分離の確認
排熱回収なし
排熱回収方式
耐久試験：約9ヶ月
高効率回収方式
5.0 m3N/hまで
scale up
概観
３．２．ベンチスケール機概要
ベンチスケール機の仕様
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蓄熱体を両側に設置しガスを
分離する新方式を考案し、特
許出願済。
吸着材量 ： 5kg/塔
吸着塔
：φ 83mm, L=700mm
酸素発生量 ： 350L/h
ベンチスケール機本体
吸着剤(LSCF)
600℃
計測項目
吸着塔
項目
蓄熱体
アルミナボール
酸素
窒素
時間
吸着時間、脱着時間、均圧時
間、昇圧時間
圧力
吸着塔内（吸着、脱着、均圧）
温度
吸着塔内１０点、吸着塔出口２
点
流量
供給空気流量、発生酸素流量、
発生窒素流量
３．３．吸着材耐久試験
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1cycle = 136sec
ベンチスケール機による6ヶ月の耐久試験期間において、酸素濃度・発生量とも
にほぼ変化は見られなかった。また、耐久試験を継続したところ、40日後、80日
後の性能にも変化は見られなかった。これより、マクロ的な吸着性能は維持され
ることがわかった。
試験日数：260日、全吸脱着回数：16万5千回
３．４．吸着材耐久試験 TG試験結果
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9ヶ月耐久試験後の吸着材
Air-N2
耐久試験終了後のTG試験でも、性能劣化は見られなかった。
これより、吸着材ペレットのミクロ的な性能劣化もなく、9ヶ月程度の運転では連
続的に稼働できることが確認できた。
３．５．新規吸着材開発 コスト比較
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LSCF1991よりも低コストな吸着材を検討した結果、2つの有望な吸着材を選定し
た。それぞれ組成を示すと、SrFeO3-δ、SrCoFeO3-δである。さらにLSCFの最適組
成の検討も別途行い、La0.05Sr0.95Co0.9Fe0.1O3-δという組成を得た。
既存のLSCF1991に比べ最低でも40 %をこえるコスト削減となった。
酸化物のコスト比較
３．６．量産化、最適化
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蒸発乾固法の他、共沈法、固相法が製造方法として選択できることがわかった。
・蒸発乾固法
・共沈法
・固相法
蒸発乾固法で酸素吸着材
LSCF1991を総量250 kg製造し、50
kg/batchを確立した。
３．７．パイロットスケール機概要
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吸着材充填量
LSCF1991 : 226 kg
蓄熱体充填量
吸着塔内： 300 kg
吸着塔外：30 kg
吸着塔口径・長さ
Φ = 355 mm 、 L = 1,750mm
加熱方式
内熱式ヒーター
３．８ ．パイロットスケール機 試験結果と電力原単位
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試験条件
項目
単位
試験1
試験2
原料空気供給量
m3N/h
32.2
28.7
吸脱着時間
sec
65
30
均圧時間
sec
5
5
昇圧時間
sec
3
3
サイクルタイム
sec
146
76
設定温度
℃
850
850
吸着圧力
kPa-abs
脱着圧力
kPa-abs
3.93
6.49
酸素濃度
vol%
80.29
61.75
酸素発生量
m3N/h
4.251
7.091
合計原単位
kWh/m3N
1.461
1.282
電力原単位
119.92 117.21
試験1：通常運転、試験2：ラピッド運転
パイロットスケール機にて目標にする電力原単位
を達成した。
３．９．1,000 m3N/h時の想定電力原単位
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パイロットスケール機の運転から想定される酸素濃度別の電力原単位
を以下に示す。
酸素発生量1,000 m3N/hとした時、電力原単位0.2 kWh/m3N以下と推算できた。
３．１０．研究開発内容
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（1）構成機器としての従来型PSA式酸素製造装置との相違点
従来型PSAとの違い①
吸着材は選択性の高い
ペロブスカイト型酸化物
ペロブスカイト型酸化物の特徴
600℃以上の高温場において、
化学的 かつ 可逆的に酸素を吸脱着
（温度一定で、分圧を変化させる）
断熱材
吸脱着
ヒーター
熱交換機
蓄熱体
従来型PSAとの違い②
高温を保持するための
加熱および熱回収装置
：Aサイト
：Bサイト
：O (酸素)
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（２）本技術の課題と目標値
・正味酸素発生量 ：
装置
5 m3N/h
・電力原単位 ：
 スケールアップにより
電力原単位の実証
吸着材
50 kg
・生産能力 ：
250 kg
・耐久試験 ：
約9ヶ月劣化なし
(LSCF1991)
・電力原単位 ：
・加熱方式 ：
・加熱方式 ：
・吸着材使用量
(1 m3N/h あたり) ：
500 m3N/h以上
0.25 kWh/m3N-O2以下
1.5 kWh/m3N-O2
電気加熱
・正味酸素発生量 ：
 大容量化に伴い燃焼
加熱・排熱利用の検討
 吸着材の組成、ミクロ、
マクロ形状の最適化
 最適化された吸着材の
商用レベルの量産化
電気加熱・燃焼加熱・
排熱利用
・吸着材使用量
(1 m3N/h あたり)：
25 kg
・生産能力 ：
20 t
・耐久試験：
 年単位の長期耐久試験
2年間で性能劣化3%以内
（３）発生量における推算電力原単位
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従来法の原単位以下となる装置の開発を行う
（４）吸着材の最適化
組成
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マクロ形状
ミクロ形状
昨年度までの
プロジェクト
 La0.1Sr0.9Co0.9Fe0.1O3-δ
 ペレット
 数µm
 SrFeO3-δ
LSCF1991より安価、
２成分で取扱いやすい
 中空ペレット
 最適な細孔形状
・細孔径
・比表面積
（LSCF1991）
 SrCoFeO3-δ
LSCF1991より、大きな吸着容
量があるが耐久性が未確認
etc
 球状
 La0.05Sr0.95Co0.9Fe0.1O3-δ
LSCF1991と同等の性能で、や
や安価
etc
組成、マクロ形状、ミクロ形状を最適化し、
吸着材使用量の大幅な低減を図る
 ハニカム
量産化技術確立へ
250 kg → 5 t、20 t
etc
(5)開発スケジュール
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３．１１．省エネルギー効果
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①酸素製造装置：既存装置のリプレース効果
②酸素富化燃焼：酸素燃焼による燃料削減の効果
2020年
2030年
国内
国内
酸素製造装置
0.9万
8.3万
酸素富化燃焼
1.7万
4.4万
省エネルギー効果量（kL/
年）
2.6万
12.7万
応用分野
備考：原油換算による
３．１２．今後の展望
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HT-PSAの実用化・スケールアップで、
幅広い分野への省エネに貢献
海外
10,000m3/h
大型機
→石炭ガス化（IGCC）
→製鉄（高炉用）
→化学プラント
大型
2,000m3/h
中型機
→ガラス溶解炉
→電炉
中型
国内
500m3/h
実証試験機
→中小型工業炉
小型
5m3/h
パイロットスケール機
2016年
2018年
2020年
22
実用化時期