富氧空气制造装置及富氧空气制造方法
【专利摘要】本发明的特征在于，在流路管的内部形成磁场，且该流路管通过如下这样的原材形成有管壁，该原材为非磁性体，且在该流路管的外部的压力比该流路管的内部的压力低时，使在所述内部流动的空气的一部分通过该管壁而向外部排出，以在流路管的内部形成至少以层流条件流动的区域的方式向该流路管内供给所述空气，将流路管的外部的压力减压到规定的压力。
【专利说明】富氧空气制造装置及富氧空气制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过从空气中将该空气所含有的氮的一部分除去来制造氧浓度比所述空气提闻的富氧空气的富氧空气制造装置以及富氧空气制造方法。
【背景技术】
[0002]煤及石油等矿物燃料的有效利用对低碳社会和能量确保的同时实现有效。例如，在成为比较大的CO2排出源的制铁高炉或煤发电中的煤的燃烧中，将氧(纯氧)或氧浓度比现状的大气(空气)提高的空气(富氧空气)代替所述大气来吹入。由此，使煤进行高卡路里燃烧，其结果是，热效率提高。
[0003]在专利文献I中记载有深冷分离方式作为在上述那样的矿物燃料的高卡路里燃烧中使用的纯氧的制造方法。在该方法中，在空气被冷却而液化后，利用氧和氮的沸点的不同，从所述空气中将氧分馏。
[0004]上述的深冷分离方式在被实用化的氧或富氧空气的制造方法中，能够制造出制造单价最低的氧等。但是，近些年，要求更廉价的氧或富氧空气。
[0005]但是，在上述的深冷分离方式中，由于空气被冷却到极低温而液化，因此在原理上不会超过卡诺制冷机的效率这样的理论界限。具体而言，深冷分离方式中的能量效率在理论值上较低，为34%以下。在深冷分离方式中，无法得到其以上的能量效率。
[0006]因此，以进一步降低制造单价的方式制造氧或富氧空气极为困难。
[0007]另外，在专利文献2中记载有从常温(300K左右)的空气来制造富氧空气的装置。
[0008]该装置利用构成空气的成分中仅氧为顺磁性体且其他的成分为非磁性体的情况，从空气中除去氮的一部分来制造富氧空气。
[0009]具体而言，如图14所示，该装置具备筒状的容器102和一对磁铁104、104。容器102使空气在内部流动且由非磁性体形成。一对磁铁104、104在容器102内形成与所述空气的流动正交的方向的磁场。在容器102内流动的所述空气从容器102的一方的端部102a供给。另外，2张分割板106、106配置在容器102的另一方的端部102b。这2张分割板106、106在通过一对磁铁104、104形成的磁场内具有始端部，且以与所述磁场正交且彼此平行的姿态的方式配置。由此，2张分割板106、106将容器102内的所述另一方的端部侧的区域在与所述磁场正交的方向上分割成三部分。第一通路管110与出口 108b连接。该出口108b向容器102中由2张分割板106、106夹着的中央流路108的端部开口。第二通路管114与各出口 112b分别连接。各出口 112b向容器102中夹着中央流路108而位于该中央流路108的两侧的两侧流路112、112的端部开口。
[0010]在以上的装置100中，从一方的端部102a供给的空气在容器102内朝向另一方的端部102b流动。当该空气进入到通过一对磁铁104、104形成的磁场中时,仅空气中的氧被磁化。由此，空气中的氧以外的成分不受磁场的影响，而朝向另一方的端部102b在容器102内笔直地前进。另一方面，被磁化后的氧在通过一对磁铁104、104形成的磁场的作用下行进路线弯曲。在图14中，被磁化后的氧向右侧或左侧弯曲而向两侧流路112、112进入。由此，较多地含有氧的空气(富氧空气)被向第二通路管114排出。若收集该排出的空气，则得到规定量的富氧空气。
[0011]进行了利用上述的磁场的装置100从常温(300K)的空气制造富氧空气的情况的模拟。常温的空气与从该空气制造的富氧空气的氧浓度之差为0.1%左右。并且，在上述的装置100中，在容器102内沿空气流动的方向必须形成100T/m那样的极其急剧的磁场梯度。因此，实现现实性且实用性的装置化极为困难。
[0012]在先技术文献
[0013]专利文献
[0014]专利文献1:日本特开平10-218603号公报
[0015]专利文献2:日本特开2004-49998号公报
【发明内容】
[0016]本发明的目的在于提供能够利用磁场从空气廉价地制造富氧空气的富氧空气制造装置及富氧空气制造方法。
[0017]本发明的富氧空气制造装置及富氧空气制造方法中，在流路管的内部形成磁场，该流路管的管壁由如下这样的原材形成，该原材为非磁性体，且在流路管的外部的压力比流路管的内部的压力低时，使在流路管的内部流动的空气的一部分通过管壁而向外部排出，且以在该流路管的内部形成至少以层流条件流动的区域的方式向该流路管内供给空气，将流路管的外部的压力减压到规定的压力。因此，根据本发明，能够提供一种可利用磁场从空气廉价地制造富氧空气的富氧空气制造装置及富氧空气制造方法。
[0018]上述以及其他的本发明的目的、特征及优点根据以下的详细的记载和附图变得清
λ.Μ
/E.ο
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是第一实施方式的富氧空气制造装置的简要结构图。
[0020]图2是用于说明所述富氧空气制造装置中的富氧空气的制造原理的示意图。
[0021]图3是表示所述富氧空气制造装置中的富氧空气的制造工序的流程的图。
[0022]图4是表示强磁场下的氧的磁化率与粘度变化率的图。
[0023]图5是表示具有流速梯度的流动的一部分中的氧分子模型的图。
[0024]图6是表不流路管的内部的空气的流速分布的图。
[0025]图7是用于确认是否产生粘性分离现象的实验装置的简要结构图。
[0026]图8是表示配管阻力与磁场强度的关系的图。
[0027]图9是用于说明配管的直径与表面积的关系的图。
[0028]图10是第二实施方式的富氧空气制造装置的简要结构图。
[0029]图11是另一实施方式的富氧空气制造装置的简要结构图。
[0030]图12是另一实施方式的富氧空气制造装置的简要结构图。
[0031]图13是用于说明使用多极螺线管作为磁场形成部的富氧制造装置的图。
[0032]图14是利用了现有的磁场的富氧空气制造装置的简要结构图。【具体实施方式】
[0033]以下，参照附图，对本发明的第一实施方式进行说明。
[0034]本实施方式的富氧空气制造装置(以下，也简称为“制造装置”。)制造氧浓度高的空气(富氧空气)，该氧浓度高的空气例如在制铁高炉或发电等中使煤及石油等矿物燃料燃烧时以热效率的提高及排出气体(C02气体等)的削减为目的而进行使用。需要说明的是，富氧空气是氧浓度比大气高的空气。
[0035]制造装置是制造氧浓度比投入空气高的富氧空气的富氧空气制造装置，其具备:以使规定的减压区域成为密闭状态的方式包围该减压区域的密闭容器部；以至少一部分在所述密闭容器部内通过的方式配置的流路管；向所述流路管的内部供给空气的空气供给部；以使所述密闭容器部内的压力比所述流路管的内部的压力低的方式进行减压的减压部；以及在所述流路管的内部形成磁场的磁场形成部。并且，在所述流路管的内部存在使通过所述空气供给部供给的空气至少以成为层流条件的方式流动的区域，所述流路管中的位于所述密闭容器部内的部位即透过部(减压区域部位)的管壁由如下这样的原材形成，该原材为非磁性体，且在所述密闭容器部内的压力比该减压区域部位的内部的压力低时，使在该透过部的内部流动的所述空气的一部分通过该管壁而向外部排出。
[0036]该制造装置如以下这样从常温的投入空气(以下，也简称为“空气”。)中将该空气中含有的氮的一部分除去来制造富氧空气。
[0037]空气含有氧。该氧为顺磁性体，因此在规定的强度以上的磁场下进行磁化。另外，当分散有磁性粒子的流体磁化时，通过与外部磁场的相互作用和磁性粒子彼此的相互作用(例如凝聚力)，从而所述流体的粘度成为磁场的函数而增大。因此，通过空气在磁场中流动，从而该空气中含有的氧(详细而言，氧气)的粘度在流速的速度梯度大的部位显著增大。即，当空气在磁场中流动时，由于空气中的氧以外的成分为非磁性体，因此未被磁化，从而所述氧以外的成分的粘度被维持。另一方面，仅所述磁场中流动的空气所含有的氧被磁化，在流路的管壁附近流动的该氧的粘度增大。
[0038]氧和氮占空气的大部分(以体积比计为21%和约79%)。因此，空气可以看作氧和氮这两种成分混合流体。在此，当使单相粘度不同的两种成分混合流体以至少在与流路管的内周面相邻的区域中成为层流条件的方式在流路管的内部流动时，粘度大的成分向中心(管轴)侧移动，粘度小的成分留在管壁的内周面附近。此时，只要使空气以至少在与流路管的内周面相邻的区域成为层流条件的方式在流路管的内部流动，则就可以在流路管的中心部产生紊流。
[0039]由此，空气中的粘度大的成分向流路管的中心侧浓缩。另一方面，空气中的粘度小的成分向流路管的内周面附近浓缩。产生所谓的粘性分离(粘性偏析)。因此，当在流路管的内部形成磁场，且使空气以至少在与流路管的内周面相邻的区域成为层流条件的方式在所述流路管的内部流动时，粘度增大了的氧向流路管的中心(管轴)侧浓缩，并且氮向流路管的内周面附近浓缩。需要说明的是，即使所述两种成分混合流体以在流路管内整个区域成为层流条件的方式进行流动，当在流路管的内部形成磁场时，氧也向流路管的中心侧浓缩，且氮向流路管的内周面附近(管壁侧)浓缩。
[0040]在内部形成有磁场的流路管的管壁由如下这样的原材形成,该原材为非磁性体，且在该流路管的外部(周围)的压力比流路管的内部的压力低时，使在该流路管的内部流动的空气的一部分通过管壁而向外部排出。因此，当流路管的外部的压力比其内部的压力低时，在所述流路管的内周面附近浓缩后的氮(详细而言，氮被浓缩后的空气)通过管壁而被向流路管的外部排出。由此，在形成有磁场的流路管的内部流动的空气所含有的氮的比例减少，另一方面，与该氮的减少相伴而所述空气中含有的氧的比例增大。其结果是，能够得到富氧空气。
[0041]更具体而言，如图1及图2所示，制造装置具备密闭容器部12、流路部13、空气供给部14、减压部16、磁场形成部30及控制部35。
[0042]密闭容器部12以使规定的区域(减压区域/减压空间)S成为密闭状态的方式包围该区域S。具体而言，密闭容器部12由非磁性体形成，以使通过磁场形成部30形成磁场的区域(在本实施方式中，为超导电线圈32的孔腔内)成为密闭状态的方式包围该区域。优选该密闭容器部12例如由SUS316L不锈钢或铝合金形成，但没有限定为上述材料。
[0043]流路部13具有空气分配部19、多个流路管20、20、…和空气集合部21。
[0044]空气分配部19将从空气供给部14供给的空气(投入空气)向各流路管20分配。本实施方式的空气分配部19以使各流路管20中的空气的流量大致相等的方式将从空气供给部14供给的空气向各流路管20分配。
[0045]各流路管20是由非磁性体形成的中空筒状的构件。各流路管20以至少使其一部分在密闭容器部12内(减压区域S)通过的方式配置。在该流路管20的内部，空气以成为层流条件的方式流动。具体而言，各流路管20中，在管轴方向的各位置处与管轴正交的截面为圆形的筒状。各流路管20具有非透过部22和透过部(减压区域部位)24。需要说明的是，在本实施方式中，空气在流路管20内的大致整个区域以层流条件进行流动，但没有限定于此。即，空气在流路管20的内部只要至少在与流路管20的内周面相邻的区域以成为层流条件的方式流动即可，可以在流路管20的中心部(管轴附近)产生紊流。
[0046]非透过部22是流路管20中的位于密闭容器部12的外部的部位。非透过部22的管壁由使在该非透过部22的内部流动的空气不向外部漏出的原材形成。
[0047]透过部24是流路管20中的位于密闭容器部12的内部(减压区域S内)的部位。透过部24的管壁由如下这样的原材形成，该原材在透过部24的外部(减压区域S)的压力比透过部24的内部的压力低时，使在该透过部24的内部流动的空气的一部分通过该管壁。具体而言，透过部24的管壁由多孔质构件形成。由此，密闭容器部12内被进行负压排气，使减压区域S的压力比透过部24的内部的压力低，从而透过部24中的管壁的内周面附近的空气通过管壁的微细孔而向外部排出。本实施方式的透过部24的管壁由素烧的陶瓷形成，但没有限定于此。例如，透过部24的管壁可以通过将非磁性体金属烧结而得到，或者由具有多个微细孔(多孔)的高分子树脂等形成。另外，透过部24的管壁还可以由例如硅那样的氮的透过率比氧的透过率大的原材形成。
[0048]各流路管20的透过部24分别具有透过部24的内部的空气所流动的流路空间中的与所述管轴正交的截面的截面积朝向下游侧连续地减少的形状。
[0049]需要说明的是，图2是用于说明制造装置10的原理的示意图。因此，在图2中仅示出一个流路管20。
[0050]该流路管20中的入口部20a的开口面积与排气部20b的开口面积之比根据从排气部20b排出的富氧空气的氧浓度来设定。这是由于在密闭容器部12内的压力被充分减压而变得比流路管20 (透过部24)的内部的压力低时，随着空气在流路管20的透过部24中向下游侧前进而空气中的氮逐渐被除去(向流路管20的外部排出)，由此，在流路管20的内部流动的空气的流量随着向流路管20的下游侧前进而逐渐减少(参照图2)。需要说明的是，入口部20a是流路管20中的被供给空气的一侧的端部。另外，排气部20b是流路管20中的与入口部20a相反侧的端部。
[0051]具体而言，在得到氧浓度为X%的富氧空气时，将入口部20a的开口面积与排气部20b的开口面积的面积比设定为21/X。当该面积比通过入口部20a与排气部20b的内径比表示时，为
[0052]√21/x⑴
[0053]该式(I)中的“21”是空气中的氧的体积比(21%)的值。
[0054]需要说明的是，流路管20 (透过部24)没有限定为内径朝向流路管20的下游侧连续地或断续地减少的形状。即，流路管20 (透过部24)也可以为管轴方向上的各位置的内径固定的形状。换言之，在流路管20 (透过部24)中，流路管20的内部的空气所流动的流路空间中的与管轴正交的截面的截面积可以在管轴方向的各位置固定。
[0055]空气集合部21将从各流路管20排出的空气(富氧空气)合流(集合)而排出。
[0056]需要说明的是，在流路部13中，流路管20也可以仅由透过部24构成(即，可以没有非透过部22)。这种情况下，透过部24与空气分配部19和空气集合部21直接连接。
[0057]空气供给部14向流路管20的内部供给空气。该空气供给部14与控制部35连接，按照来自该控制部35的指令信号，来调整向流路管20的内部供给的空气的流量及流速等。空气供给部14将周围(或流路管20的入口部20a的周围)的空气在不进行压缩或加热等的情况下向流路管20的内部送入。本实施方式的空气供给部14是使风扇15旋转来送入空气的送风机。另外，空气供给部14具有在风扇15与空气分配部19之间设置的过滤器f。该过滤器f从向空气分配部19 (各流路管20内)供给的空气中除掉烟尘等。
[0058]减压部16以使密闭容器部12内(减压区域S)的压力比流路管20 (详细而言为透过部24)的内部的压力低的方式对密闭容器部12内进行减压。具体而言，减压部16通过将密闭容器部12内的空气排出而对密闭容器部12内进行减压。另外，减压部16与控制部35连接，按照来自该控制部35的指令信号来调整排气量。本实施方式的减压部16为排气泵，但没有限定于此。减压部只要能够将密闭容器部12内减压到规定的压力并维持该压力即可，也可以为其他的装置。
[0059]磁场形成部30在各流路管20的内部形成磁场。本实施方式的磁场形成部30为具有超导电线圈32的超导电电磁铁。该磁场形成部30在配置于超导电线圈32的孔腔内的密闭容器部12内存在的各流路管20 (在本实施方式中为透过部24)的内部形成磁场。具体而言，磁场形成部30在孔腔内(详细而言，流路管20中的配置在孔腔内的部位的内部)形成3T以上的均匀(或者大致均匀)的磁场。该磁场形成部30在流路管20的各直管部(透过部24)的内部形成沿着该直管部的管轴方向的磁场。
[0060]需要说明的是，在流路管20的内部形成的磁场的朝向没有限定。本实施方式的磁场形成部30在 直管部(透过部24)的内部形成沿着该直管部的管轴方向的磁场，但磁场形成部例如也可以形成相对于流路管20正交的方向的磁场，还可以形成相对于流路管20倾斜(交叉)的方向的磁场(参照图10)。并且，磁场形成部30所形成的磁场也可以不均匀。另外，磁场形成部30没有限定为具有超导电线圈32的超导电电磁铁，也可以为一对磁铁等，这一对磁铁对置配置，且在它们之间形成磁力线从一方朝向另一方那样的磁场。
[0061]控制部35对空气供给部14和减压部16进行控制。具体而言，控制部35以使透过部24中与透过部24的内周面相邻的区域(内周面附近)的空气通过管壁而向外部排出的方式对减压部16进行控制，来调整密闭容器部12内(减压区域S)的压力。另一方面，控制部35以在流路管20的管轴方向整个区域使在该流路管20的内部流动的空气满足层流条件，且使流路管20的内周面附近的所述空气的流速梯度固定的方式对空气供给部14进行控制，来对向流路管20的内部供给的空气的流量等进行调整。
[0062]需要说明的是，控制部35以使空气至少在流路管20的内周面附近(与内周面相邻的区域)成为层流条件而流动，且使该流路管20的内周面附近的所述空气的流速梯度固定的方式，对空气供给部14进行控制，来调整向流 路管20的内部供给的空气的流量等即可。
[0063]根据这样的制造装置10，如图3及以下这样制造富氧空气。
[0064]首先，磁场形成部30 (在本实施方式中为超导电电磁铁)在密闭容器部12内(减压区域S)形成磁场(步骤SI)。在该状态下，控制部35通过空气供给部14经由空气分配部19而从各流路管20的入口部20a向流路管20的内部供给空气(步骤S2)。此时，空气供给部14以使在流路管20的内部流动的空气成为层流的方式向该流路管20的内部供给空气。由此，通过空气供给部14供给的空气在各流路管20的内部从入口部20a朝向排气部20b满足层流条件的同时进行流动。即，流路管20的内部的空气的流动在该流路管20的管轴方向整个区域成为层流。该空气主要由非磁性体的氮和顺磁性体的氧构成。具体而言，在体积比中，氮为约79%，氧为21%。因此，空气可以看作氮和氧这两种成分流体。
[0065]当该空气侵入到通过磁场形成部30形成的磁场内时，顺磁性体的氧被磁化。在本实施方式中，空气的温度例如为300K，磁场的强度例如为10T。因此，如图4所示，所述空气中含有的氧的磁化率为约2%。该图4所示的磁化曲线与磁场成比例而增加，在几百特斯拉以上成为50%，几乎达到饱和曲线。
[0066]当分散有磁性粒子的流体磁化时，通过与外部磁场的相互作用和磁性粒子彼此的相互作用(凝聚力等)，从而所述流体的粘度成为磁场的函数而增大。因此，在流路管20的内部流动的空气中，当该空气所含有的氧磁化时，氧(详细而言，空气中的氧气)的粘度增大。
[0067]具体而言，氧的粘度通过以下的式(2)表示。
[0068]
【权利要求】
1.一种富氧空气制造装置，其制造氧浓度比投入空气高的富氧空气，所述富氧空气制造装置具备: 将规定的减压区域以密闭状态包围的密闭容器部； 以至少一部分在所述密闭容器部内通过的方式配置的流路管； 向所述流路管的内部供给空气的空气供给部； 以使所述密闭容器部内的压力比所述流路管的内部的压力低的方式进行减压的减压部；以及 在所述流路管的内部形成磁场的磁场形成部， 在所述流路管的内部存在使通过所述空气供给部供给的空气至少以层流条件流动的区域， 所述流路管中的位于所述密闭容器部内的部位即减压区域部位的管壁由如下这样的原材形成，该原材为非磁性体，且在所述密闭容器部内的压力比该减压区域部位的内部的压力低时，使在该减压区域部位的内部流动的所述空气的一部分通过该管壁而向外部排出。
2.根据权利要求1所述的富氧空气制造装置，其中， 所述流路管具有其内部的所述空气所流动的流路空间中的与该流路管的管轴正交的截面的截面积朝向下游侧阶段地或连续地减少的形状。
3.根据权利要求1所述的富氧空气制造装置，其中， 在所述流路管中，被供给所述空气的一侧的端部即入口部的开口面积与该入口部的相反侧的端部即排气部的开口面积之比是基于从所述排气部排出的所述富氧空气的氧浓度的值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的富氧空气制造装置，其中， 所述富氧空气制造装置具备多个所述流路管，各流路管彼此平行地配置。
5.根据权利要求1所述的富氧空气制造装置，其中， 所述流路管以螺旋状或蜿蜒前进的方式配置，且至少所述流路管的一部分在所述密闭容器部内通过。
6.根据权利要求1所述的富氧空气制造装置，其中， 所述富氧空气制造装置具备对所述空气供给部和所述减压部进行控制的控制部， 所述控制部以在所述流路管的内部形成使所述空气至少以层流条件流动的区域，且使与所述流路管的内周面相邻的区域中的所述空气的流速梯度固定的方式，通过所述空气供给部和所述减压部对向所述流路管的内部供给的空气的流量和所述密闭容器部内的压力分别进行调整。
7.根据权利要求1所述的富氧空气制造装置，其中， 所述磁场形成部在所述减压区域部位的内部形成3T以上的磁场。
8.根据权利要求1所述的富氧空气制造装置，其中， 所述磁场形成部具有多个螺线管， 所述多个螺线管以各螺线管的中心轴彼此平行且该中心轴在规定的圆周上排列的方式配置，并且以相邻的螺线管的磁极的朝向彼此相反的方式配置， 所述流路管在所述螺线管内穿过。
9.根据权利要求1所述的富氧空气制造装置，其中， 所述减压区域部位的管壁通过氮的透过率比氧的透过率大的原材形成。
10.根据权利要求1所述的富氧空气制造装置，其中， 所述流路管具有对在其内部流动的空气的流动进行整流的整流构件。
11.一种富氧空气制造方法，其为制造氧浓度比投入空气高的富氧空气的方法，所述富氧空气制造方法包括: 在流路管的内部形成磁场的磁场形成工序，其中，该流路管具有管壁，且该流路管通过如下这样的原材形成有该管壁，该原材为非磁性体，且在该流路管的外部的压力比该流路管的内部的压力低时，使在所述内部流动的空气的一部分通过所述管壁而向外部排出；以在所述流路管的内部形成至少以层流条件流动的区域的方式向该流路管内供给所述空气的空气供给工序；以及 将所述外部的压力减压到规定的压力的减压工序。
【文档编号】B01J19/08GK103547359SQ201280023922
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年5月8日 优先权日:2011年5月19日
【发明者】井上宪一, 长谷隆司, 笠井信吾 申请人:株式会社神户制钢所