2023-02-15 オークリッジ国立研究所(ORNL)
◆今回、エネルギー省オークリッジ国立研究所の科学者たちは、酸性ガスやその他の排出物を99.9％以上除去し、超クリーンな天然ガス炉を実現する、安価なアドオン技術を開発しました。この酸性ガス削減技術（AGR）は、給湯器、業務用ボイラー、工業炉など、天然ガスで駆動する他の機器にも追加することが可能です。
◆ORNLエネルギー科学技術本部のZhiming Gao研究員は、「新しいAGR技術は、現在の新築および既存の家庭用ガス炉から発生する問題のある温室効果ガスや酸性凝縮物をほぼ除去できる」と述べています。”環境に優しい凝縮水で、炉の熱交換器に耐腐食性のステンレス鋼材を使用する必要がなくなり、製造コストを削減することができます。”
◆炉内での酸性ガス削減効果を実証するため、研究者はAGR触媒を作製し、金属製ハウジングに封入して、市販の標準的な高効率凝縮炉に装置を設置しました。400時間の耐久性試験の結果、AGRは排ガスから有害物質をほぼ完全に除去し、pHが中性の非酸性凝縮水を生成することが確認されました。
◆試験後のAGRの内部状態と煤煙分布を、装置のガス流路を損傷することなく調べるため、研究者はORNLの高流動同位体炉（HFIR）で中性子CT（コンピュータ断層撮影）を使用しました。X線とは異なり、中性子は金属製の筐体を透過して画像を記録し、その画像を用いて使用中の装置の2Dおよび3D画像を作成することができるのです。
◆AGR技術によって、炉メーカーはほとんどの熱交換器に使われているステンレス鋼よりも手頃な価格の材料を使うことができるようになります。このように価格が下がることで、炉メーカーは、カリフォルニア州が提案する住宅用・商業用炉の新しい排出基準を満たした高効率炉をより多く販売できるようになります。
◆この研究は、DOE建築技術オフィスがスポンサーとなり、ORNLの建築技術研究統合センター（HFIR）とナノフェーズ材料科学センター（CNMS）の設備を使用しました。
＜関連情報＞
- https://www.ornl.gov/news/add-device-makes-home-furnaces-cleaner-safer-and-longer-lasting-0
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722055796?via%3Dihub
天然ガス炉で400時間使用した酸性ガス還元触媒の非破壊中性子イメージング診断 Nondestructive neutron imaging diagnosis of acidic gas reduction catalyst after 400-Hour operation in natural gas furnace
Zhiming Gao, Yuxuan Zhang, Shuo Qian, Weiwei Yang, Zili Wu, Kyle Gluesenkamp, Kashif Nawaz, Anthony Gehl
Chemical Engineering Journal Available online: 2 November 2022
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140099
Abstract
Residential natural gas furnaces are the primary space-heating devices in US homes, leading to substantial environmental impact caused by the acidic components in the furnace combustion gases. To experimentally demonstrate acidic gas reduction in a furnace, a monolithic catalyst was fabricated and was called the AGR. A commercially-available condensing furnace was retrofitted with the AGR, and a 400-hour reliability and durability test was conducted. The results showed that the AGR significantly reduced acidic gases in the flue gas and produced condensate with neutral pH. Challenges were also revealed: inappropriate condensate drainage caused incomplete combustion and amorphous carbon deposits. To nondestructively survey the internal state of the AGR, neutron computed tomography (NCT) was employed to produce spatially resolved 2D and 3D representations of the 2-L, aged AGR component. The NCT results confirm the integrity of the AGR component, which consists of two blocks, without deformation or damage to AGR channels. The distribution of the particle accumulation in the middle of the top block was visibly heavier than the entrance and exit of the top block. The representative cross-section views revealed significant aggregation in the central region but not at the rim. The spatially resolved details provide in-depth diagnosis, evaluation, and understanding of the AGR. The insights can enable new AGR designs that realize a uniform and self-cleaning flow pattern, alleviate significant particle aggregation, and thus enhance AGR-enabled furnace performance. The neutron imaging method demonstrates the good potential that can diagnose faults and improve the design, optimization, and production processes of novel catalysts and other components or systems with heavy metal shell.
