◆革新的環境技術シンポジウム2018◆

高効率CO2分離回収技術の実用化に向けた取り組み(公財)地球環境産業技術研究機構（RITE）
化学研究グループ グループリーダー
中尾 真一

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CCSとCO2分離・回収技術「環境エネルギー技術革新計画（2013年9月）」における技術ロードマップ（CCS）

2

アミン化合物を中心としたCO2分離回収技術の研究開発
地球温暖化防止 → 発生源に適したCO2分離・回収技術
化学吸収液

低圧，高いCO2濃度

製鉄所

＜特徴＞
・COURSE50で新日鐡住金（株）と連携
・再生温度 ＜100℃
・分離回収エネルギー 2.0GJ/t-CO2

CO2
吸収分離
アミン構造の最適化＋水，有機溶媒

アミン化合物
アミン
アミノ基

固体吸収材
アミン構造の最適化＋多孔質固体

水酸基（ex. Monoethanolamine）

アミン構造の最適化
＋高分子膜

貯留

有効利用

情報交換によるシナジー効果

低圧，低いCO2濃度＜特徴＞
・KHI（株），東京農工大と連携
・再生温度 60℃
・分離回収エネルギー ＜1.5GJ/t-CO2

最適技術の提供
圧力濃度温度
ガス組成
他

セメント工場
石炭火力発電
IGCC

発電所

情報交換によるシナジー効果

分離膜

高圧，CO2・H2混合ガス

化学＜特徴＞
・MGM技術研究組合として活動
・高圧のCO2・水素混合ガスからの回収では、高いCO2選択透過性を示し、分離回収エネルギー ca.0.5GJ/t-CO2
天然ガス精製3

RITEにおけるCO2分離・回収技術【化学吸収法】 FY2008～（NEDO委託事業）
環境調和型プロセス技術の開発/水素還元等プロセス技術の開発（フェーズⅡ－STEP1）/CO2分離回収技術開発/高性能吸収液の開発（高炉ガスからのCO2分離・回収）
体制: 新日鐵住金㈱ →（共同実施）RITE（吸収液開発）【固体吸収法】 FY2015～2017（METI委託事業）、FY2018～（NEDO委託事業）
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発（石炭火力発電所からのCO2分離・回収）
体制：RITE→（再委託）川崎重工業（株）（移動層）、TUAT（シミュレーション）【膜分離法】 FY2015～2018（METI委託事業）、FY2018～(NEDO委託事業)
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発（IGCCガスからのCO2分離・回収）
体制：MGM技術研究組合

4吸収液の研究開発プロジェクト
アミン
新日鉄住金
エンジニアリング㈱アミノ基水酸基

2005（ex. Monoethanolamine）

2010

2015

（現在） 2020

COCSプロジェクト

CO2分離回収ｴﾈﾙｷﾞｰの半減

（新居浜）

（室蘭）

対象ガス
高炉ガス
（22%-CO2）ESCAP®

ESCAP®

Phase I STEP1
CO2分離回収ｺｽﾄ
2,000円/t-CO2を可能とする技術

Phase I STEP2
Phase II STEP1

環境調和型プロセス技術の開発(COURSE50*)*COURSE50： CO2 Ultimate Reduction System for Cool Earth 50 (COURSE50) Project※ESCAP®は、新日鉄住金エンジニアリング㈱の省エネ型二酸化炭素回収設備の商用機

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ＣＯＵＲＳＥ５０成果の産業利用
PhaseⅠにおいて開発した化学吸収液の一つは、新日鉄住金エンジニアリング㈱の省エネ型CO2回収設備（ESCAP®）に採用。
•1号機（120 t/day)

稼働中（製鉄所）•2号機（143 t/day)

2018年秋稼働予定（発電所）
 2号機は、化学吸収法による石炭火力発電所の燃焼排ガスからのCO2分離回収として、日本で初めての商業設備となる。
（住友共同電力株式会社
新居浜西火力発電所構内）

商業化1号機（新日鐵室蘭製鉄所）
www.eng.nssmc.com

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COURSE50の技術課題とCO2削減目標

水素還元⇒１０％削減

CO2分離･回収⇒２０％削減

出典） NEDO環境技術分野事業報告会（H開30.7.19開）資料に加筆

 RITEはCOURSE50におけるCO2分離・回収の技術開発を推進

7CO2分離・回収技術開発の成果（RITE）
2005

プロジェクト20102015（現在） 2020

Phase I STEP1

Phase I STEP2COCS
COURSE50

Phase II STEP1

Phase I STEP1
目標： 分離回収エネルギー2.0GJ/t-CO2以下
成果： ・高性能吸収剤を開発し、それを用いた吸収液が、平衡モデルによる分離回収エネルギー2.0GJ/t-CO2を達成。
・再生温度を従来よりも約30℃低温化できる吸収液を開発。
Phase I STEP2
目標： 分離回収エネルギーをより一層低減可能な吸収液の開発（努力目標：1.6GJ/t-CO2を設定）

成果： STEP1を凌駕するエネルギー性能の新規吸収液を開発。
（CAT-LAB試験で、新規吸収液の性能発現機構を解明。
1.69-1.78GJ/t-CO2確認）
CO2吸収・放散を促進可能な触媒を開発。
相変化エネルギーを活用した吸収液の基本技術を構築。

8

高性能吸収液開発の成果とPhase IIの目標
Phase 1 STEP1:・新規アミン開発
・新規組成開発
Phase 1 STEP2:（革新技術探索）・新規溶媒探索・相変化現象利用・反応促進触媒開発、等

Phase 2 :更に高性能な吸収液の開発を目指す⇒ RITEは吸収液の研究開発に優位性を持つ

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Phase IIの研究開発
高炉ガスからのＣＯ２分離回収技術開発
吸収形態改善と分極影響の緩和の両技術の改善に新規技術を見出し、その相乗効果発揮を狙い、量子化学計算および連続分離回収実験による対策の集積で開発目標到達に取り組む。
［開発目標： 分離回収エネルギー 1.6GJ/t-CO2］◎吸収形態改善
吸収熱低減に有利なバイカーボネート型のCO2吸収反応機構を指向しつつ、吸収速度がトレードオフ関係に陥らないアミン化合物および液組成の開発◎分極影響の緩和吸収剤であるアミン化合物や添加剤だけでなく、溶媒をも含めた総合的な組成検討による吸収液高性能化技術の開発

両技術により吸収熱寄与分の低減を期待

10

RITEにおけるCO2分離・回収技術【化学吸収法】 FY2008～（NEDO委託事業）
環境調和型プロセス技術の開発/水素還元等プロセス技術の開発（フェーズⅡ－STEP1）/CO2分離回収技術開発/高性能吸収液の開発（高炉ガスからのCO2分離・回収）
体制: 新日鐵住金㈱ →（共同実施）RITE（吸収液開発）【固体吸収法】 FY2015～2017（METI委託事業）、FY2018～（NEDO委託事業）
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発（石炭火力発電所からのCO2分離・回収）
体制：RITE→（再委託）川崎重工業（株）（移動層）、TUAT（シミュレーション）【膜分離法】 FY2015～2018（METI委託事業）、FY2018～(NEDO委託事業)
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発（IGCCガスからのCO2分離・回収）
体制：MGM技術研究組合

11固体吸収材＜対象＞石炭火力発電所（燃焼後回収）＜目標＞分離回収コスト2,000円台/t-CO2：、エネルギー< 1.5 GJ/t-CO2○固体吸収材とは○RITE固体吸収材の特徴（従来型）

ＣＯ２再生時に比熱の大きい水を加熱する必要が無いため、ＣＯ２分離回収エネル
ギーの低減が可能

低温（60℃）でＣＯ２再生率に優れる固体吸収材を開発
RITE：特許取得（米国、日本）

12ラボスケール固定層試験
真空ポンプ

気化器

CO2メーター

1. 吸着

2. 洗浄

3. 脱着

オフガス

オフガス

低温スチーム吸着カラム×3
φ43×500mm

露点計
ラボスケール連続回収装置（1kg/d）

N2
N2
CO2冷却器* 回収ガス・オフガス中の水蒸気凝縮用

CO2
原料ガス加湿/脱離スチーム

CO2

ガスメーター
高純度
CO2

RITEのラボスケール固定層試験装置（～3kg/day)◎ 操作パラメータ
・ 運転温度（50～70 ℃）
・ 洗浄時間（10～40 sec）
・ サイクル時間（9～18 min）
・ 再生スチーム量（0.2～0.5 g/min）
・ 供給ガス湿度（50～100 %-RH）

フィードガス（CO2, N2, H2O）

製品ガスの一部を利用

製品ガス
(CO2)

RITE固体吸収材の性能ポテンシャルを最大限に引き出す最適運転条件を精査

13ラボスケール固定層試験
再生蒸気エネルギーの低減検討
2.00

110

再生蒸気エネルギー [GJ/ｔ-CO2]

105

Recovery [%], Purity [%]1009590858075

Recovery70

Purity (dry)

6560

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

1.50

1.00

0.50

0.00

0.600.00

Steam Supplying [g/min]

吸収材

RITEアミン担持
固体吸収材

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

Steam Supplying [g/min]

回収純度[%]

蒸気量[g/min]回収率[%]

wetdry

消費E[GJ/t]

0.50

98.2

98.2

≧ 99.91.68

0.41

99.097.3≧ 99.9

1.39

0.32

90.3

97.3

99.7

1.19

0.20

75.5

95.0

97.40.88◎ 回収率≧90%および純度≧99%を達成し得る
必要十分な蒸気量で再生することで再生蒸気E≦1.2 GJ/t-CO2を達成．

14固体吸収材のスケールアップ合成
担体

アミン合成設備

吸収材製造設備

ベンチ試験用材料搬入

RITEアミン合成

固体吸収材製造

H28

0.5t合成担持に有機溶媒を使用
処理量小（バッチあたり < 10−2 m3）

H29

3.5t合成水を溶媒として使用処理量を大幅増大（バッチあたり～10m3）
KHI明石工場内の吸収材製造設備を使用

H30

4.0tを合成（蒸留で低沸 10m3規模の合成技術を確立
点成分、不純物カット） → 更なるスケールアップ・低コスト化へ

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移動層ベンチスケール試験： 装置概要
（川崎重工業（株）への再委託）＜ベンチ試験装置の概観＞
設備仕様
吸収材循環量 4～12 m3/h
吸収塔：層高 0.4～1.8 m
再生塔：層高 0.4～1.8 m
蒸気量 ～500 kg/h
乾燥塔：乾燥ガス量 ～3,400 Nm3/h（川崎重工業（株） 明石工場内に設置）＜試験目的＞
・実ガス試験に向けた課題抽出
・要素機器改善および計測機器選定
・吸収材の移動特性とCO2回収性能の把握

16移動層ベンチスケール試験： 試験結果
（川崎重工業（株）への再委託）

CO2濃度[％]

CO2回収量[t/d]

回収CO2濃度

これまでの試験結果◎ 市販アミンと比較して回収量、回収率、消費E、共に大幅な性能向上を確認．
◎ 再生蒸気およびCO2の供給量を増加させることで回収量5.5 t/d、回収率92%を達成．
⇒ さらなる回収量の増大（目標: 6.5ｔ/d)と消費Eの性能を両立させるべく、ラボ試験の結果を参考に最適条件を検討中．

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目的達成までのロードマップ
基盤技術研究フェーズ
2010~2014

ラボスケール試験(～3 kg/day)

効率改善
用途展開

2030
大規模
CCS

2015～

ベンチスケール試験（～5ｔ/day)

移動層への適用検討

固体吸収材
基本データの取得

実証・商用化
フェーズ

実用化研究フェーズ

スケールアップ試験（30～40t/day)

石炭火力プラント＋制度的仕組みの導入

スケールアップ（～8倍規模）課題点の整理試験計画・準備川崎重工業(株)KCC移動層ベンチ試験装置
他分野への適用（他の固定発生源、室内、閉鎖空間等）

実施に向けて検討中

石炭ボイラ
排ガスへ適用（3000t/day)

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RITEにおけるCO2分離・回収技術【化学吸収法】 FY2008～（NEDO委託事業）
環境調和型プロセス技術の開発/水素還元等プロセス技術開発（フェーズⅡ－STEP1）/CO2分離回収技術開発/高性能吸収液の開発（高炉ガスからのCO2分離・回収）
体制: 新日鐵住金㈱ →（共同実施）RITE（吸収液開発）【固体吸収法】 FY2015～2017（METI委託事業）、FY2018～（NEDO委託事業）
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発（石炭火力発電からのCO2分離・回収）
体制：RITE→（再委託）川崎重工業（株）（移動層）、TUAT（シミュレーション）【膜分離法】 FY2015～2018（METI委託事業）、FY2018～(NEDO委託事業)
CCS研究開発・実証関連事業/CO2分離回収技術の研究開発/二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発（IGCCガスからのCO2分離・回収）
体制：MGM技術研究組合

19二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発＜対象＞高圧の燃料ガスから省エネルギー、低コストでCO2を分離回収しうる高性能CO2選択透過膜（分子ゲート膜）技術の実用化研究（燃焼前回収）＜目標＞ CO2分離・回収コスト： ≦1,500円/t- CO2
CO2分離・回収エネルギー ： ≦0.5 GJ/t- CO2

石炭ガス化ガスからの膜分離によるCO2回収

分子ゲート膜のCO2透過機構
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分離膜の開発段階のイメージ
名称
概要（基盤技術開発）
単膜（実用化研究）
膜エレメント

（実機）
膜モジュール

ラボスケールの平膜（膜面積：1.2～58cm2程度）

大面積の膜を用いた構造体
膜・支持体・流路材などを一体化したもの

膜エレメントとそれを収納する容器（ハウジング）を組み合わせたもの(膜面積：1.2 cm2)

（2～4inch、長さ 200mm）

サイズ、
外観

（8 inch、長さ 1,000mm程度）(膜面積：58 cm2)

課題等

膜素材開発
（分離性能向上、耐圧性・耐久性等向上）

製膜法、エレメント部材
開発（連続製膜、大面積化、シール技術等）

実機モジュール開発（容器形状、量産化、システム化）
21

連続製膜技術の開発
実機適用を念頭に、大面積塗布が可能で生産性も高い連続製膜法を開発
方式

枚葉製膜

連続製膜
乾燥機

装置

送液
卓上コーター

卓上乾燥機

スロットダイ

基材

長尺生産不可

可

生産性

低

高溶液粘度

広範囲の塗布可能

枚葉製膜よりは範囲限定

基材固定

可

完全固定は難22

連続製膜に適した製膜条件の設定
１）スロットダイ塗布に適した粘度を設定し、塗布条件を確定
塗布液の粘度が低いと下方に垂れる
送液 スロットダイ
塗布処理の間溶液の粘度変化がないことを確認

乾燥機へ

基材

塗布条件の確定
ダイの配置
圧力
基材搬送速度溶液

２）生産性と良好な膜外観を両立する乾燥温度の設定

連続製膜を用いた4インチ試作エレメント（4inch、長さ 200mm）

23連続製膜法による薄膜化と性能評価
10-9

分離性能の経時変化

60αQCO25010-10403010-1120

αCO2/He [-]QCO2 [m3(STP) m-2 s-1 Pa-1]

膜厚比と分離性能との関係

1010-1200.20.40.60.8101.2

膜厚比 [-]

連続製膜法での薄膜化によりIGCC想定圧（2.4MPa）において・CO2の透過性能が向上（選択性は維持）
・約600時間の耐久性を確認（QCO2低下率： 25％／2年（16,000h））
測定条件： 温度：85℃； 供給側：全圧2.4MPa, 混合ガス組成CO2/He=40/60 vol./vol., 湿度60%RH； 透過側：大気圧24

膜エレメントの実ガス試験
米国ケンタッキー大学応用エネルギー研究センター（UK-CAER）※で石炭ガス化炉からの実ガスを用いた検証試験を開始（10月～）※University of Kentucky – Center for Applied Energy Research
ケンタッキー大学（UK-CAER）

MGM技術研究組合
供給ガス組成（例）

石炭ガス化炉（酸素吹き）＋シフト反応器＋ガス精製
石炭使用量
1Ton/Day

ガス流量
80Nm3/h
単膜
シフト反応↓
ガス
精製

https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Events/2015/gas-ccbtl-proceedings/
Gasification-and-CTL-Workshop-Presentation-2015-UKCAER.pdf

加湿器

膜エレメント単膜
膜エレメントCO2CO
H2N2, Ar
CH4
H2S
COS

36.4%
2.9%
53.3%
7%
0.4%
30ppm
10ppm

非透過ガス

透過ガス

石炭ガス化ガスによる検証試験：⇒ IGCCへの適用性確認および製膜技術の確立

各種ガスの定量分析25

今後の予定と実用化に向けたロードマップ【現行事業における課題と今後の予定 】• 実ガス等の実用化試験による技術課題の抽出、解決（耐不純物性、分離性能低下等）• 製膜法・エレメント部材の最適化、実機膜モジュールシステムの開発⇒ これらを解決、検証後、実機膜モジュールによる大規模実証へ（商業生産プロセスの検討、膜大面積化、量産体制の構築）
FY2011

2015

基盤技術研究フェーズ

2018 2020実用化研究フェーズ

2025
実証フェーズ

2030
商用化フェーズ

研究・開発体制

次世代型膜モジュール
技術研究組合＋ IGCC関係企業との連携（電力会社、エンジニアリング会社等）
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CO2分離回収技術の早期実用化に向けた
国内外のネットワーク作り
COURSE50_PJ
新日鉄住金（株）

化学吸収液
先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発

二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発（MGM技術研究組合）

アミン

固体吸収材

分離膜
組合活動に協力 ケンタッキー大学

次のPhaseに向けて

関西電力（株）（協力）

RITE 化学研究G
次のPhaseに向けて

IGCCプラント（協力体制を調整中）

川崎重工業（株）
東京農工大

国際連携の推進（ITCNへ加入）
ITCNの有効利用

RITE加入が正式に承認（2017.9）

International Test Center Network (ITCN)
CO2分離回収技術の研究開発を推進する世界各地の施設のグローバル連合（2012年設立）

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まとめ
1. 化学吸収法 （高炉ガス）

・開発液を実用化・稼働中。2018年に商業化2号機へ適用予定。
・分離回収エネルギー1.6GJ/t-CO2に向けてさらに高性能化を目指す。

2. 固体吸収法 （石炭火力ガス）

・ラボスケール試験で再生蒸気エネルギー~1.2 GJ/t-CO2を達成。
・移動層ベンチ試験評価で回収量5.5 t/d、回収率92%を達成。
・要素技術完成、パイロット試験を経て2,000円台/t-CO2を目指す。

3. 膜分離法 （IGCCガス）

・実機適用を念頭に、大面積塗布が可能な連続製膜法を開発。
・米国UK-CAERの石炭ガス化炉で実ガスを用いた検証試験を開始。
・膜材料・膜エレメント部材の最適化により1,500円台/t-CO2を目指す。
28

謝辞：本研究開発は、METI委託事業
ならびにNEDO委託事業の一環として実施しました。

ご清聴ありがとうございました。

Research Instituteof
Innovative Technology for the Earth29