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研究 - 東京農工大学
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 㻺㼛 ᛂᘧ 㼀㼇䉝㼉 㻝 㻺㻞 㻗 㻤㻴㻵䊻㻟㻵㻞 㻗 㻞㻺㻴㻠㻵 㻝㻞㻜 㻞 㻞㻺㻴㻠㻵䊻㻞㻴㻵 㻗 㻞㻺㻴㻟 㻡㻜㻜 㻟 㻟㻿㻻㻞 㻗 㻢㻴㻞㻻 㻗㻌㻟㻵㻞 䊻㻟㻴㻞㻿㻻㻠㻌㻗㻌㻢㻴㻵 㻠 䠏㻴㻞㻿㻻㻠 䊻㻝㻚㻡㻻㻞 㻗㻌㻟㻴㻞㻻㻌㻗㻌㻟㻿㻻㻞 㻞㻡 㻣㻜㻜 4䛴䛾ᛂᘧ䜢ྜィ䛩䜛䛸䠖 N2 䠇 3 H2 O 2NH3 䠇 1.5O2 䐠㛫ఆᮦ䜢ཎᩱ䛻Ỉฎ⌮⏝䛾ά 䐡䝞䜲䜸䜶䝍䝜䞊䝹䜢ཎᩱ䛻䛧 䛶⇞ᩱ㟁ụ⏝䛾Ỉ⣲䜢స䜛 ᛶⅣ䜔䜺 ί⏝ ゐ፹䜢స ᛶⅣ䜔䜺䝇ί⏝䛾ゐ፹䜢స䜛 䡚 䜶䝍䝜䞊䝹⇞↝ᛂ 䜶䝍䝜䞊䝹⇞↝ᛂ Ptゐ፹ 䝅䝸䜹䝁䞊䝔䜱䞁䜾Niゐ፹ 䜶䝍䝜䞊䝹ỈẼᨵ㉁ᛂ 䠇CO2྾䞉ᨺฟᛂ CO2྾䝥䝺䞊䝖 Ptゐ፹ Ỉ ⣲ 䜶䝍䝜䞊䝹⇞↝ᛂ 䐢ⓑ㔠⏝䛧䛺䛔⮬ື㌴䜺 䝇ฎ⌮⏝䜹䞊䝪䞁䜰䝻䜲ゐ፹ ⮬ື㌴ฟᶍᨃ䜺䝇䛾ᡂศ㔞䜢༙ศపୗ䛥䛫䜛䛯䜑䛾 ᗘ䠄Υ䠅䛾ẚ㍑䛷䚸䜹䞊䝪䞁䜰䝻䜲ゐ፹䛿ⓑ㔠䜢⏝䛧䛯 䜺䝇ᶆ‽ゐ፹䛸䜋䜌ྠ䛨ゐ፹άᛶ䜢♧䛧䛶䛔䜛䚹 䝬䜲䜽䝻Ꮫ䝥䝻䝉䝇䛾㛤Ⓨ ᕤᏛ㒊Ꮫ䝅䝇䝔䝮ᕤᏛ⛉ ᱜ◊✲ᐊ ◊✲ᴫせ ᙜ◊✲ᐊ䛷䛿䚸䜶䝛䝹䜼䞊䛾᭷ຠ⏝䚸Ꮫ䝥䝻䝉䝇䛾㧗ຠ⋡➼䜢┠ᣦ䛧䛶䚸ᚤᑠ䛺✵㛫䠄䝬䜲䜽䝻✵㛫䠅䛻 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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) 水蒸気 輸 送 微粉砕 (おがくず) 貯留 チャー 媒体粒子 太陽エネルギー 破砕 (チップ) 集 輸 送 CO, CO2 +O2 チャー +媒体 光合成 収 輸 送 熱 未反応チャー 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 未反応チャー 燃焼炉（ライザー反応器） ガス化炉 空気or酸素 熱 CO, H2 +水蒸気 熱分解ガス CO,H2 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 イ オ マ ス 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 3 superheating DRYER 2 evaporation T0 DRYER 1 Pre‐heating 温度 Temperature T Ts 固定層 BIOMASS 熱量 Heat quantity Q 顕熱回収 sensible heat recovery 潜熱回収 latent heat recovery 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。 ᾮ┦ᛂὶ䛾ᇶ♏◊✲䛸⎔ቃ䜶䝛䝹䜼䞊ศ㔝䜈䛾ᛂ⏝◊✲ ᕤᏛ㒊 Ꮫ䝅䝇䝔䝮ᕤᏛ⛉ 㛗ὠ◊✲ᐊ ὶయ㛫䛾Ꮫᛂ䜢Ꮫᛂ㐣⛬䛾䜏䜢⪃䛘䜛䛰䛡䛷䛺䛟䚸ὶయ䛾ὶ䜜䞉ΰྜ䚸⇕䞉≀㉁䛾㍺㏦䛺 䛹䛾≀⌮㐣⛬䛸䛸䜒䛻ྲྀ䜚ᢅ䛖᪉ἲ䛾య⣔䜢┠ᣦ䛩Ꮫၥศ㔝䛿ᛂ⣔ὶయຊᏛ䜎䛯䛿ᛂὶ䛸 䜀䜜䛶䛔䜎䛩䚹ᛂὶ䛿⇞↝䛻௦⾲䛥䜜䜛Ẽ┦ᛂὶ䛸ᾮ┦ᛂὶ䛻ู䛷䛝䚸ᾮ┦䛾ሙྜ 䛿Ẽ┦䛾ሙྜ䛻ẚ䜉䛭䛾◊✲䛜ᑡ䛺䛔䛾䛜⌧≧䛷䛩䚹ᾮ┦ᛂὶ䛿䝶䞊䝻䝑䝟䛷䛿㏆ᖺ䚸 Chemohydrodynamics䛸䜀䜜䚸䛣䜜䛻㛵䛩䜛ᅜ㝿㆟䛜ึ䜑䛶㛤ദ䛥䜜䛯䛾䛜2009ᖺ䛸䛔䛖㠀 ᖖ䛻᪂䛧䛔Ꮫၥ㡿ᇦ䛷䛩䚹㛗ὠ䛿1998ᖺ䛾Ꮫ㝔ಟኈㄢ⛬䛛䜙䛣䛾ᾮ┦ᛂὶ䛾ᇶ♏◊✲䜢㛤 ጞ䛧䚸䛣䜜䜎䛷䛻Viscousfingering(VF)䠄ᅗ1䠅䛸䜀䜜䜛⌧㇟䜢ᑐ㇟䛻䚸⏕ᡂ≀ศᕸ䛜ᛂ≀⃰ᗘ䛻 䛝䛟౫Ꮡ䛩䜛ᾮ┦ᛂὶ䠄ᅗ2䠅䠄2009ᖺᗘᏛᕤᏛዡບ㈹ཷ㈹ᑐ㇟◊✲䠅䜔Ꮫᛂ䛻䜘䜛 ⢓ᗘኚ䜢⏝䛔䛯ὶ䜜䛾ไᚚ䠄ᅗ3䠅 䠄2009ᖺᗘ᪥ᮏὶయຊᏛ❳㛛㈹ཷ㈹ᑐ㇟◊✲䠅䛾䜢 ୡ⏺䛷ึ䜑䛶ሗ࿌䛧䛶䛝䜎䛧䛯䚹 ᅗ1 ࣭࣊ࣞࢩࣙ࢘ࢭࣝෆᙧ ᡂࡉࢀࡿVF 㧗⢓ᛶᾮయࢆ‶ ࡓࡋࡓࢭࣝప⢓ᛶᾮయࢆὀධ ࡍࡿࠊࡑࢀࡽࡢቃ⏺ࡣᙧ ᗈࡀࡽࡎࠊᣦ≧ࡢᙧ≧࡞ࡿࠋ ᅗ2 VF࠾ࡅࡿ⏕ᡂ≀ศᕸ ࡢᛂ≀ึᮇ⃰ᗘ౫Ꮡᛶ ⏕ᡂ ≀ ࡀ (a)Finger ෆ 㒊 , (b)Fingerඛ➃㢧ⴭᏑᅾࡍ ࡿሙྜࠋ⾑㉥Ⰽ㡿ᇦ⏕ᡂ≀ ࡀᏑᅾࡋࠊࡑࡢ⃰ࡉࡣ⏕ᡂ≀ ⃰ᗘᑐᛂࡍࡿࠋ ᅗ3 VFཬࡰࡍ▐㛫ᛂࡼࡿ ⢓ᗘቑຍࡢᙳ㡪 (a)ᛂ↓, (b) ᛂ᭷ࠋప⢓ᛶᾮయࢆᰁᩱ࡛㟷Ⰽ ╔Ⰽࡋ࡚࠶ࡿࠋ 㛗ὠ◊✲ᐊ䛷䛿䚸ᚋ䚸ᾮ┦ᛂὶ䛾䛣䜜䜎䛷䛾䜘䛖䛻ୡ⏺䜢ඛᑟ䛩䜛ᡂᯝ䜢┠ᣦ䛧䛯ᇶ♏◊✲䠄1䡚 3䠅䛸䚸ᾮ┦ᛂὶ䛾⎔ቃ䜶䝛䝹䜼䞊ศ㔝䜈㈉⊩䜢┠ᣦ䛧䛯ᛂ⏝◊✲䠄4䠅䛻ྲྀ䜚⤌䜣䛷䜖䛝䜎䛩䚹 国立大学法人 東京農工大学 工学部 化学システム工学科 〒184-8588 東京都小金井市中町 2-24-16 http://www.tuat.ac.jp/~doce/