未来を拓く無機膜環境・エネルギー技術シンポジウム

製鉄所排出CO2を用いたCCUメタノール合成技術開発
2022年 11月 2日

JFEスチール株式会社
スチール研究所 環境プロセス研究部
紫垣 伸⾏
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Steel Research Laboratory本日の報告内容
鉄鋼業からのCO2排出量および鉄鋼製造プロセスにおけるCO2排出削減
製鉄所排出CO2を用いたCCUメタノール合成技術開発（FY2015〜）
・ 低コスト型CO2分離PSA開発
・ H2O膜分離型反応器（膜反応器）開発
CCUメタノール合成NEDOプロジェクト（FY2021〜）
CCUメタノール合成 技術開発ロードマップ

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Steel Research Laboratory2鉄鋼業からのCO2排出量
出典: 「トランジションファイナンス」に関する鉄鋼分野における技術ロードマップ（2021年10月 METI）

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Steel Research Laboratory

3

鉄鋼製造プロセス 原料から製品まで
出典: ⽣産量はWSA(世界鉄鋼協会)2019年統計データより

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12.8億t/年

13.5億t/年

1.1億t/年

5.2億t/年

全体の約7割は
高炉・転炉法18.7億t/年

Steel Research Laboratory4

カーボンニュートラル製鉄に向けた各プロセスの優位性と問題点
高炉法
焼結鉱

コークス

高品位ペレット

副⽣ガス

熱風
酸素

高炉

直接還元製鉄法

電気炉法
スクラップ

電⼒

Fe 1500℃

還元鉄

還元
炉

副⽣ガス
改質炉
CO,H2

電炉

溶銑

還元ペレット優位性

⽣産性が高い既存設備を使用可能
低品位鉱石使用可能
高級鋼⽣産可能

CO2排出量が少ない

問題点

・コークスをカーボンニュートラル還元材(水素、メタン等)に置換する必要あり
・CCUS※の活用が不可⽋
・水素還元時、炉内温度低下対策が必要・水素コストが高い

・⽣産性が低い・高級鋼の製造困難
・スクラップのみでは鉄源不⾜・カーボンニュートラル電源必要
・電⼒コストが高い(国内)

天然ガス

電炉

溶融

CO2排出量が少ない
100％水素還元が可能となればカーボンニュートラル実現可能・高品位鉱石のみ使用可能
・水素還元時、炉内温度低下対策が必要
・水素コストが高い
・設備投資⾦額が高い※CCUS：Carbon Capture, Utilization and Storage
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Steel Research Laboratory

5

各鉄鋼製造プロセスとCO2発⽣量
高炉・転炉法︓①鉄鉱石中の酸化鉄から酸素を取り除くためにカーボンを使用する（還元材）②鉄分を溶解するための熱エネルギーにカーボンの燃焼を利用する（熱源）→直接還元法や電炉法に比べてCO2発⽣量が多い※１︓JFEグループCSR報告書(2020)※２︓Ultra-Low CO2 Ironmaking: Transitioning to
the Hydrogen Economy - Midrex Technologies, Inc.など※３︓ふぇらむVol.3(1998)No.1など

CO2発⽣量

約2.0t-CO2/t※1

1.0〜1.5t-CO2/t※2

約0.5t-CO2/t※3

高炉・転炉法

直接還元法
天然ガス還元＋電炉溶解

電炉法

スクラップ溶解＋ペレット製造

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Steel Research Laboratory6

2050年カーボンニュートラルに向けたロードマップ

出典. JFEグループ環境経営ビジョン2050説明会資料（2021/5/25）• 2050年にカーボンニュートラルを実現する新技術の早期確⽴に向けた研究開発を加速• カーボンリサイクル高炉＋CCUや水素製鉄（直接還元）を主軸とし、様々な超革新的技術開発に複線的にアプローチ• 業界トップクラスの電気炉技術の最大活用

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Steel Research Laboratory

7

JFEグループ環境経営ビジョン2050説明会資料
カーボンリサイクル高炉とCO2有効利用（CCU） 出典.（2021/5/25）

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Steel Research Laboratory

8本日の報告内容
鉄鋼業からのCO2排出量および鉄鋼製造プロセスにおけるCO2排出削減
製鉄所排出CO2を用いたCCUメタノール合成技術開発（FY2015〜）
・ 低コスト型CO2分離PSA開発
・ H2O膜分離型反応器（膜反応器）開発
CCUメタノール合成NEDOプロジェクト（FY2021〜）
CCUメタノール合成 技術開発ロードマップ

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Steel Research Laboratory9CO2分離プロセス 化学吸収法と物理吸着法
化学吸収法

物理吸着法

Chemical absorption
オフガス

吸収塔

Physical adsorption
回収CO2

再⽣塔

オフガス

吸着塔
ACO2
不純物ガス (N2, CO等)

吸着塔
B

吸着塔
C
回収CO2

原料ガス

【原理】 CO2吸収（アミン系吸収液）→ CO2放散（吸収液再⽣）

分離エネルギー 熱（再⽣塔）＋電気（液循環）回収CO2濃度 ＞99％（高純度回収）

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原料ガス

洗浄ガス

真空ポンプ

【原理】 CO2吸着（ゼオライト）→ CO2脱着（真空ポンプ）

分離エネルギー 電気（真空ポンプ，ブロワ）
回収CO2濃度 90〜99％（回収濃度制御可）
Steel Research Laboratory10物理吸着法による高炉ガスCO2分離
物理吸着法 → 圧⼒スイング吸着法（Pressure Swing Adsorption︓PSA）※吸着剤に必要な性能
CO2有効吸着量 ① 大CO2選択性 ①/② 大(ZeolumF-9HA, TOSOH)

CO2吸着

ΔqCO

2

不純物ガス
追い出し

CO2脱着
回収ガス

原料ガス
（高炉ガス）

洗浄ガス

吸着工程（100sec）

洗浄工程（100sec）

真空ポンプ
脱着工程（100sec）

サイクルタイム

不純物ガス(N2 ,CO)②Δq ImpΔPCO2ΔPImp
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Ａ塔
Ｂ塔
Ｃ塔

Ａ塔の圧⼒変化

原料ガス
脱着(CO2回収)
待機
降圧 洗浄ガスPressure

ガス吸着量

CO2
不純物ガス (N2, CO等)

洗浄オフガス

吸着剤 13Xゼオライト

CO2①

吸着オフガス

151kPa

降圧 洗浄ガス
待機
原料ガス
昇圧

脱着(CO2回収)

脱着(CO2回収)
待機
降圧 洗浄ガス
原料ガス
昇圧

昇圧
降圧

108kPa6kPa
Steel Research Laboratorytime11

低コスト型CO2分離PSA開発
オフガス

低コスト型CO2分離PSA（ガス分取型2塔式）

従来型CO2分離PSA■CO2■不純物ガス（N2 CO等）

CO2吸着

原料ガス
（高炉ガス）
吸着工程

CO2吸着

CO2脱着

不純物追い出し

原料ガス（高炉ガス）

時間差分離（新⽅式）
不純物ガス（初期脱着）

CCU用プロセス改良回収ガス

オフガス
洗浄ガス
洗浄工程

CO2脱着

真空ポンプ
脱着工程

回収CO2濃度 〜99％
CO2貯留（CCS）向け高純度CO2分離用
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吸着工程

真空ポンプ
脱着工程

回収CO2濃度
回収ガス 90〜98％（後期脱着）

従来型CO2分離PSAを更に低廉化
吸着塔削減（3塔→2塔）→ 建設コスト削減
⼯程省略（洗浄レス）→ 電⼒コスト削減
Steel Research Laboratory12

脱着ガスの組成変動を利用したPSAガス分離
Ref. Shigaki, N., et al. International Journal of Greenhouse Gas Control 120 (2022) 103763, 1-14

ガス分子の極性に依存する吸着挙動の差→ 吸着等温線の線形性・非線形性の差
e.g. 13Xゼオライトの場合
N2･･･弱吸着, Henry型（線形）CO2･･･強吸着, Langmuir型（非線形）(a)(3) (2)

Adsorbed gas [NmL/g-ads]

140(1)

PSA脱着⼯程において脱着ガス組成が変動
N2･･･先に脱着
CO2･･･遅れて脱着（一部はN2と共に脱着）⇒ 初期脱着ガスと後期脱着ガスを時間差で分取
Flowrate ofdesorbed gas

N2120100

Gas desorption step

CO2(Strongly adsorbed)

80
6040CO2N220Product gas (CO2-rich)(Weakly adsorbed)

00

20406080Gas partial pressure [kPa]

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100

tDE1(1)(2)

tDE2Time(3)Steel Research Laboratory

13

ラボPSA実験（従来型3塔式, ガス分取型2塔式）
従来型3塔式

ガス分取型2塔式

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Steel Research Laboratory

14

ラボPSA実験 CO2分離性能⽐較
90

従来型3塔式

80
CO2回収率 [%]CO2分離動⼒（推算値）[Wh/g-CO2]

1007060

ガス分取型2塔式

50403020

従来型3塔式

100

ガス分取型2塔式
2030

4050

60

70

8090100

原料ガス流量 [NL-feed/kg-adsorbent/cycle]

0.6

従来型3塔式
ガス分取型2塔式

0.50.4従来型3塔式

0.30.2

ガス分取型2塔式

0.10.085

9095

100

回収CO2濃度 [vol%]※CO2分離動⼒はラボPSA実験時の吸着剤温度変動から推定
実際のCO2分離動⼒は今後ベンチ試験にて評価※謝辞
本成果は、国⽴研究開発法⼈新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託業務「次世代⽕⼒発電等技術開発／次世代⽕⼒発電基盤技術開発／CO2有効利用技術開発」の結果得られたものです。
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Steel Research Laboratory

15

CO2-H2同時分離PSA（タンデム吸着塔）
低コスト型CO2分離PSA（ガス分取型2塔式）
原料ガス（高炉ガス）■CO2■不純物ガス（N2 COなど）

CO2吸着

吸着工程

原料ガス
（改質高炉ガス）
CO2吸着

CO2脱着

オフガス

CO2-H2同時分離PSA（タンデム吸着塔）

真空ポンプ
脱着工程

不純物ガス
（初期脱着）

H2同時分離機能追加

回収ガス（後期脱着）

シフト改質（CO+H2O→CO2+H2）により高炉ガス中のH2増幅可能 ⇒ 水素供給ポテンシャル拡大
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CO2脱着

N2吸着

N2脱着

回収ガス
（後期脱着）

不純物ガス（初期脱着）

H2-rich
オフガス
吸着工程

脱着工程
Steel Research Laboratory

16本日の報告内容
鉄鋼業からのCO2排出量および鉄鋼製造プロセスにおけるCO2排出削減
製鉄所排出CO2を用いたCCUメタノール合成技術開発（FY2015〜）
・ 低コスト型CO2分離PSA開発
・ H2O膜分離型反応器（膜反応器）開発
CCUメタノール合成NEDOプロジェクト（FY2021〜）
CCUメタノール合成 技術開発ロードマップ

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Steel Research Laboratory17膜反応器によるメタノール合成
膜反応器

従来型反応器
未利⽤ガス
リサイクル

CO2 H2
単通転化率
<20%

触媒

CO2H2
気液分離

スイープガスCO2 H2平衡シフト効果
単通転化率向上
低圧化

触媒

CH3OH
H2O

分離膜

スイープガス
出⼝

原料ガス出⼝

CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O
分離膜透過物
平衡シフト効果

H2O, CH3OH

分離膜選択性
蒸留塔簡略化
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H2OCH3OH

H2O膜分離型反応器
選定
Steel Research Laboratory18

H2O膜分離型反応器に適したゼオライト膜の選定
H2O膜分離型反応器用ゼオライト膜の選定
・高いH2O選択分離性
・高いH2O透過性→ これらを同時に達成可能なゼオライト膜が必要
細孔径制御（分子ふるい）
反応側

透過

透過側

細孔径
STT CHA LTA

SOD
0.26 0.296

0.33

H2O

CO2

H20.38 [nm]CH3OH

親和性制御（選択的吸着）
反応側

吸着  拡散透過側

６員環ゼオライト (小口径)

低シリカ含有ゼオライト (大口径)SOD

LTA / STT / CHA

H2O膜透過性能ラボ評価結果より、LTAゼオライト膜を選定
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Steel Research Laboratory19高効率メタノール合成反応器（H2O膜分離型反応器）
H2O膜分離型反応器（JFE-RITE）

従来反応器

Sweep CO2 H2CO2 H2

LTAゼオライト膜（内管表面）

支持体(多孔質アルミナ)

H2O

触媒CH3OH
H2O

CH3OH
CO2H2O

反応効率大幅UP

H2OCH3OH

H2

CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O

LTAゼオライトの親水性を利用したH2O選択分離

平衡シフト効果
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Steel Research Laboratory20

ラボ小型膜反応器 メタノール合成実験
ラボ小型膜反応器（JFE-RITE共研）

メタノール合成 ラボ実験結果
従来反応器
膜反応器（JFE-RITE）

100

H2/CO2=3 SV=200 h-1 Temp. 200℃

反応率 [%]

80

H2O膜分離型反応器

6040200Copyright © 2022 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

従来反応器012345反応圧⼒ [MPa]Steel Research Laboratory621

膜反応器シミュレーションモデルを用いた反応器設計
スイープガス
原料ガス

触媒

H2 CO2COd2 d1H2O

L

H2O
H2O

r1i,j =r2i,j =H2O
H2

H2O分離膜50セルに分割 (1 ≦ j ≦ 50)

H2O
H2O

原料ガス: TjF

生成ガス(1) メタノール合成反応速度式

スイープガス: TjS

Fi,jF pi,jF
Fi,jS pi,jS[ºC] [mol/s] [Pa]CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O
CO2 + H2 ↔ CO + H2O
CO + 2H2 ↔ CH3OH
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r3i,j =G. H. Graaf et al., Chem. Eng. Sci., 43, 3185 (1988).

k’k2,jKCO2{fCO2,j fH2,j3/2 – fCH3OH,j fH2O,j/(fH2,j3/2K2º)}(1 + KCO fCO,j + KCO2 fCO2,j){fH2,j1/2 + (KH2O/KH21/2)fH2O,j}k’k3,jKCO2(fCO2,j fH2,j – fCO,j fH2O,j/K3º)(1 + KCO fCO,j + KCO2 fCO2,j){fH2,j1/2 + (KH2O/KH21/2)fH2O,j}k’k1,jKCO{fCO,j fH2,j3/2 – fCH3OH,j/(fH2,j1/2K1º)}(1 + KCO fCO,j + KCO2 fCO2,j){fH2,j1/2 + (KH2O/KH21/2)fH2O,j}(2) 膜透過速度式(3) 熱収支式

Ji,j = Di(pi,jF – pi,jS)

T0F = TjF

T51S = TjS(4) 物質収支式
Fi,jS = Fi,j+1S + Ji,j+1(0.084π/50)
Fi,jF = Fi,j-1F – Ji,j-1(0.084π/50) + Ri,j-1
Ri,j = πL{(d1/2)2 – (d2/2)2}(A1,ir1i,j + A2,ir2i,j + A3,ir3i,j)/50
Steel Research Laboratory22

膜反応器シミュレーション 精度検証（vs ラボ実験結果）
計算条件
H2/CO2: 3 SV: 200h-1 反応温度: 210℃ 触媒量: 0.12L
⻑さ: 0.12 m 外径d1: 41mm, 内径d2: 12mm
α(H2O/CH3OH): 2000

スイープガス
H2O

原料ガス

H2O

H2 CO2

d2
H2O

L

H2O
H2O

CH3OH

生成ガス

メタノール収率

d1

メタノール⽣成量

実験値
H2O
H24 MPaG

シミュレーション

膜反応器

H2O

従来型反応器2 MPaG
1 MPaG

CH3OH

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Steel Research Laboratory23

膜反応器シミュレーション 外径内径⽐の影響
スイープガス
原料ガス

CO2 + 3 H2 ⇔ CH3OH + H2O

H2O

H2 CO2

d2
H2O

1m

H2O
H2O

CH3OH

生成ガス

逆平衡シフト（メタノール分解）

平衡シフト（メタノール⽣成）

d1

H2O
H2
H2O

CH3OH

反応器⻑さと触媒量を固定してd1とd2を変化⇒ 外形内径比d2/d1影響評価
計算条件
H2/CO2: 3SVFeed: 2000 h-1
反応温度: 210℃
反応圧⼒: 5 MPaG
触媒量: 3 L
反応器⻑さ: 1 mα(H2O/CH3OH): 2000

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メタノール収率

H2O

CO2 + 3 H2 ⇔ CH3OH + H2O

大⼝径

小⼝径

0.8
外径内径⽐
01258.620

膜面積 Smembr／触媒量 Vcat 10-2[m2/L]
Steel Research Laboratory24

膜反応器シミュレーション 原料ガス空間速度の影響
スイープガス
原料ガス

H2O1m

H2O
H2O

CH3OH

1000
〜2000 hr-1

⇒ 原料ガス空間速度 SVFeed＊
メタノール収率影響評価

H2 CO2H2O

メタノール収率が大きいほど未反応ガスリサイクル小*原料ガス流量／触媒体積 [hr-1]
H2OH2未反応ガス
リサイクル

H2O

CH3OH

生成ガス
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計算条件
H2/CO2: 3
SVFeed: 200〜1000 h-1
反応温度: 200〜220℃
反応圧⼒: 5 MPaG
触媒量: 3 L
脱水膜⻑さ: 1 m
外管内径 70 mm
α(H2O/CH3OH): 2000

220℃
210℃
200℃

80

メタノール収率 [%]

H2O

60
40
20002500 5000 7500 10000
SVFeed [hr-1]
Steel Research Laboratory25

膜反応器シミュレーション 原料ガス組成の影響
カーボンリサイクル高炉

通常高炉
CO

H2

CO2
コークス

N2コークス

高炉ガス
高炉送風条件（酸素富化率, メタン吹込み）により高炉ガス組成変化

熱風

H2

メタノール合成⇒ CCUメタノール合成における原料ガス組成影響評価
微粉炭空気

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メタノール
合成

CO2COCO2

高炉ガス

H2メタン合成

カーボンリサイクル
CH4H2OO2Steel Research Laboratory26高炉ガスからの膜反応器メタノール合成 ケーススタディー
外部水素（反応量論比）

通常高炉
4CO H222N2CO2 52
22

前処理
CO2,H2分離（シフト反応）

Case1
CO + H2O
CO2分離→ CO2 + H2 （低純度）

Case2

H2H2CO23564

H2CO2H275

CO26COCO2 9325

H274242CO

カーボンリサイクル高炉
H226
CO33

CO240

H2Case3Copyright © 2022 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

26 CO2CO 4033

CO2H2721513COｚ

メタノール合成
CO2 + 3 H2→ CH3OH + H2OCO + 2 H2→ CH3OH

Steel Research Laboratory27

膜反応器シミュレーション 原料ガス組成の影響
スイープガス
原料ガス

H2O

H2 CO2COH2Od2
H2O
H2O
H2O

Case2

Case3

Case1d1

主反応
CO2 + 3 H2 ↔ CH3OH + H2O

H2O
H2

CO + 2 H2 ↔ CH3OH1mH2O

計算条件
H2/CO2＝3 SV:2000 h-1
反応温度 210℃ 反応圧⼒ 5 MPaG
触媒量 3 L 脱水膜⻑さ 1 mα(H2O/CH3OH)＝2000 d2/d1＝0.8

熱⼒学的平衡値

副反応
CO2 + H2 ↔ CO + H2O
CO増︓副反応抑制

CH3OH

CH3OH

原料ガス出口Copyright © 2022 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

CO濃度
※謝辞
本成果は、国⽴研究開発法⼈新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託業務「「ゼロカーボン・スチール」の実現に向けた技術開発」 の結果得られたものです。
Steel Research Laboratory28本日の報告内容
鉄鋼業からのCO2排出量および鉄鋼製造プロセスにおけるCO2排出削減
製鉄所排出CO2を用いたCCUメタノール合成技術開発（FY2015〜）
・ 低コスト型CO2分離PSA開発
・ H2O膜分離型反応器（膜反応器）開発
CCUメタノール合成NEDOプロジェクト（FY2021〜）
CCUメタノール合成 技術開発ロードマップ

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CCUメタノール合成 NEDOプロジェクト

Ref. 2021/10/15 JFEスチール News Release「カーボンリサイクル・次世代⽕⼒発電等技術開発/CO2排出削減・有効利用実用化技術開発」 『1) 化学品への CO2利用技術開発』

開発テーマ 「CO2を用いたメタノール合成における最適システム開発」

事業期間 ’21下〜25年度【研究開発項目】 1 低コスト型 CO2 分離PSA開発 【JFEスチール】
2 高効率メタノール合成反応器（H2O膜分離型反応器）【JFEスチール】
3 実用的脱水膜開発 【RITE】
4 メタノール合成システム最適化 【JFEスチール】
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Steel Research Laboratory30本日の報告内容
鉄鋼業からのCO2排出量および鉄鋼製造プロセスにおけるCO2排出削減
製鉄所排出CO2を用いたCCUメタノール合成技術開発（FY2015〜）
・ 低コスト型CO2分離PSA開発
・ H2O膜分離型反応器（膜反応器）開発
CCUメタノール合成NEDOプロジェクト（FY2021〜）
CCUメタノール合成 技術開発ロードマップ

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製鉄所排出CO2を用いたCCUメタノール合成 開発ロードマップ
出典JFEグループ環境経営ビジョン2050
説明会資料（2021/5/25）

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Steel Research Laboratory

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Copyright © 2022 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.
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