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革新的環境技術シンポジウム2017◆

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
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）

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COP21以降における国内の動き• パリ協定を踏まえた地球温暖化対策– 約束草案を踏まえた地球温暖化対策の取組み計画の策定• 2030年度中期目標の着実な達成（温室効果ガス2013年度比26％削減）• 長期的な目標を見据えた、地球温暖化対策と経済成長を両立させる革新的技術の開発を強化する取組みを進めていく必要性(2016年4⽉策定済み）• エネルギー環境イノベーション戦略（内閣府総合科学技術・イノベーション会議）• 2050年を見据えた革新的なエネルギー関連技術の研究開発体制• エネルギー⾰新戦略(METI )
• 2030年に向けたエネルギー政策(2017年9⽉とりまとめ）• エネルギー環境イノベーション戦略に関するロードマップ（ワーキンググループ）• 特定した分野の技術ロードマップの策定、効率的な研究開発体制の構築
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「エネルギー・環境イノベーション戦略」で推進する革新技術
有望分野の特定 ①非連続で大きいインパクト、②大きな排出削減ポテンシャル、③産学官の総力結集、④日本が先導し優位に立てる技術【5】二酸化炭素固定化・有効利用（抜粋）
本戦略におけるCO2分離・回収コストの低減に向けた取組としては、研究開発を加速し、複数の分離法の組み合わせも含め、最も効率の高いCO２分離・回収技術を追求する。
本技術は、CO2の大量処理が可能である
二酸化炭素分離回収貯留（CCS）技術のコスト低減にも大きく寄与するものである。
http://www8.cao.go.jp/cstp/tyousakai/juyoukadai/wg_enekan/4kai/shiryo1.pdf
http://www8.cao.go.jp/cstp/nesti/suishin/nestiroadmap.pdf

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発生源に適したCO2分離・回収技術
発生源の規模・CO2ガス圧により最適な回収技術の開発
火力発電所

国内CO2発生量(億トン/年）

製鉄所（高炉等）

セメント工場

製油所等

1.9

0.71.0

低圧

低圧

高圧、低圧

4.6

CO2ガス圧力 低圧、高圧（IGCC）

適用
方法

大規模低圧・高圧

中規模
低～高圧

大～中・小規模
中・高圧

化学吸収法

吸着法
固体吸収法

膜分離法

化学吸収・物理吸収

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RITEにおけるCO2分離・回収技術【 NEDO委託事業】
H25FY～H29FY・化学吸収法 COURSE50（高炉ガスからのCO2分離・回収）【 METI直轄委託事業】
H27FY～
・固体吸収法 先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発事業（石炭火力発電からのCO2分離・回収）
H27FY～・膜分離法 二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（IGCCガスからのCO2分離・回収）

6高性能化学吸収液の開発
アミン
アミノ基

新日鉄住金
エンジニアリング

水酸基（ex. Monoethanolamine）

プロジェクト

2005

2010

2015

2020

COCS
CO2分離回収エネルギー 半減

ESCAP®

対象ガス
高炉ガス（20%-CO2）

COURSE50* Step1（室蘭）

ESCAP®
（新居浜）

COURSE50* Step2“環境調和型製鉄プロセス技術開発(COURSE50*)”における回収技術
ESCAP®は、新日鉄住金エンジニアリング株式会社の省エネ型二酸化炭素回収設備の商業機RITEと新日鐵住金株式会社がCOURSE50*で共同開発した化学吸収液が採用されている。
環境調和型製鉄プロセス技術開発(COURSE50*):国立研究開発法人NEDO殿委託事業

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COURSE50 Step2 概要◎ 「環境調和型製鉄プロセス技術開発」第1段階第2ステップ（COURSE50 Phase1 Step2）を実施中（NEDO殿委託事業）⇒ Step1に引き続き、新日鐵住金株式会社殿との共同実施（平成25年～平成29年度）[目標] 高炉ガスからのCO2分離・回収コスト2,000円/t-CO2以下を確実なものとする新規高性能吸収液の開発[高性能吸収液の開発目標]◎ 分離・回収エネルギーの更なる低減◎ 再生温度の一層の低減◎ CAT-LAB性能評価
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高性能化学吸収液開発への挑戦

STEP1 STEP2

2030

2050

9Thermal energy consumption[GJ/t-CO2]

エネルギー消費低減への取組み
アミン系吸収液の高性能化：
・新規アミン開発
・新規組成検討、等

COCS

Step 1

革新技術の研究開発：
・新規溶媒検討、・反応促進触媒開発、・相変化現象利用、等

Step 210

ＣＯＵＲＳＥ５０成果の産業利用
COURSE50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CO2回収設備（ESCAP®）*に採用。
• 1号機
• 2号機

稼働中（製鉄所）
2018年稼働予定（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。
* ESCAP®： 新日鉄住金エンジニアリング㈱において開発された省エネ型二酸化炭素回収設備

商業化1号機（新日鐵室蘭製鉄所）
www.eng.nssmc.com

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RITEにおけるCO2分離・回収技術【 NEDO委託事業】
H25FY～
・化学吸収法 COURSE50（高炉ガスからのCO2分離・回収）【 METI直轄委託事業】
H27FY～
・固体吸収法 先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発事業（石炭火力発電からのCO2分離・回収）
H27FY～
・膜分離法 二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（IGCCガスからのCO2分離・回収）

12先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発事業
実用化研究フェーズ（H27年度～）
対象：石炭火力発電所 目標：分離回収エネルギー：< 1.5 GJ/t‐CO2
アミン化合物
アミノ基

担体（多孔質材料）

溶媒（水）

化学吸収液

固体吸収材

アミン化合物

アミン化合物＋＋溶媒（水）担体（多孔質材料）【海外の動向】RTI（米国事業）
・PEI（市販アミン）／シリカ
・ベンチ試験を実施
・再生温度：>110C・約2.5 GJ/t-CO2
KEPCO（韓国事業）
・K2CO3／担体・パイロット試験実施中
・再生温度：120-140C・約5 GJ/t-CO2①固体吸収材は化学吸収液に比べ比熱が小さい②RITE開発アミンは低温再生が可能（60C）
RITE（本事業）→分離回収エネルギーを大幅に低減可能

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ラボスケールCO2分離回収試験
ラボスケール連続試験装置（固定層3塔切替仕様）で目標性能（≦1.5 GJ/t-CO2）を達成
吸着カラム（3塔切替式）

Step
12１サ
イ
ク
ル

3
456操作
カラム1（昇圧）

9脱着

吸着洗浄

時間

3 or 4min

（昇圧）

（待機）

脱着

カラム3（待機）洗浄

78カラム2

吸着洗浄
（待機）

脱着

3 or 4min（昇圧）
吸着

3 or 4min

100サイクル後試験終了

吸収材
H28ベンチ試験用（市販アミンブレンド）

H29ベンチ試験用（RITEアミン）

運転温度

cycle時間

洗浄時間

回収率

回収純度

消費E

80 ℃

9 min

10 sec92.8 %

88.3 %

1.47 GJ/t

94.7 %＞ 99 %

1.41 GJ/t99.0 %＞ 99 %

1.38 GJ/t

60 ℃

9 min
12 min30 sec※ 圧力スイング再生：脱着時減圧（約15 kPa） 14

固体吸収材のスケールアップ合成技術開発
アミン合成設備

RNHHNnN
H

担体

R

RITE開発アミン
置換基Rの効果でCO2吸収脱離性能向上

ベンチ試験用RITEアミン

固体吸収材製造

H28 0.5tを合成（ベンチ試験用に市販アミンとブレンド）

担持に有機溶媒を使用処理量に課題（バッチあたり< 102 m3）

H29 3.5tを合成（RITEアミンのみを使用してベンチ試験材を製造）

水を溶媒として使用処理量を大幅増大（バッチあたり～10m3）

10m3規模の合成技術を確立◎中間目標達成
 更なるスケールアップへ15

ベンチスケール燃焼排ガス試験＜試験目的＞
・吸収材の移動特性及びCO2回収性能の把握
・要素機器改善による回収CO2純度の向上
・ガス中水分の計測機器選定
・実ガス試験に向けた課題抽出＜ベンチ試験装置の概観＞（川崎重工業 明石工場内に設置）
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
16固体吸収材：研究開発ロードマップ
基盤技術研究
フェーズ

実用化研究
フェーズ

実証・商用化フェーズ(先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発事業）

2010 ～ 2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020 ～
大規模CCS
石炭火力プラント＋制度的仕組みの導入

ラボ試験（数kg/day)
RITE
CO2連続回収試験装置

ベンチ試験(数t/day)
川崎重工業㈱KCC移動層ベンチ試験装置

実ガス試験(40 t/day)
関西電力舞鶴発電所内
で実施予定（2017/9/19プレスリリース）

石炭火力発電所等（3,000t/day)17成果まとめと今後の予定
成果■ ラボレベルの小型連続回収試験装置を用いたCO2連続回収試験において、優れたCO2分離回収性能を有することを実証し、再生エネルギー<1.5 GJ/tCO2を達成した。
■10m3規模での新規固体吸収材合成を可能とするスケールアップ合成技術を確立した。
■川崎重工業（株）明石工場に設置されている移動層システムの試験装置を利用して、CO2回収量3～5 t-CO2/day規模のベンチスケール燃焼排ガス試験を開始した。
今後の予定■実ガス試験に向けた材料最適化、要素技術完成■関西電力舞鶴発電所内で40 t-CO2/day規模の実ガス試験を実施予定
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RITEにおけるCO2分離・回収技術【 NEDO委託事業】
H25FY～
・化学吸収法 COURSE50（高炉ガスからのCO2分離・回収）【 METI直轄委託事業】
H27FY～
・固体吸収法 先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発事業（石炭火力発電からのCO2分離・回収）
H27FY～
・膜分離法 二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（IGCCガスからのCO2分離・回収）19次世代型分離膜モジュールの開発

水性ガスシフト反応

CO + H2O ⇔ H2 + CO2200 ~ 400 C 2~4 MPa
蒸気CO2CCS
回収・貯留

熱交換器

H2石炭発電O2ガス化炉

水性ガスシフト
反応炉

組成: CO2 /H2=40/60
50 ~ 150 C
2 ~ 4 MPa

CO2選択透過膜モジュール20

CO2分離膜モジュール研究開発事業
研究開発体制次世代型膜モジュール技術研究組合～H28年3月
H28年4月～㈱クラレ、日東電工㈱、新日鉄住金エンジニアリング㈱、住友化学㈱、RITE
住友化学㈱、RITE

二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業（METI）＊二酸化炭素回収技術高度化事業(H23FY～H26FY)
目標 回収コスト 1,500円/t-CO2を実現する
CO2選択透過(分子ゲート)膜モジュールの基礎研究
二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（METI）＊二酸化炭素回収技術実用化研究事業(H27FY～H28FY）＊ CO2分離回収技術の研究開発事業（H29FY～H31FY予定）
目標 石炭ガス化炉からの実ガスを用いた検証試験
21CO2分子ゲート膜とはH2NH 2, N 2

供給側

N
H
HN

高圧

H2NOO
NONON
HNH

NH2NH2圧力
透過側

低圧
PVA
Crosslinker
Dendrimer
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CO2分離膜エレメント

膜エレメントスパイラル膜エレメントの構造

スパイラル膜エレメント
左: 直径2inch, 右: 直径4inch;
長さ=200mm
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分離係数

透過速度

分子ゲート膜のCO2分離性能

模擬ガス、ラボスケールで、目標性能を達成→ 実用化に向けた膜エレメント開発と実ガス等の実用化試験*操作条件: 85℃, 供給ガス: 0.7～2.4MPaA； 透過側: 大気圧(Ar sweep gas).

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連続製膜機を用いた製膜
実用化に向け、一定長さ以上の大面積塗布が可能で生産性も高い連続製膜での分離膜の製膜技術を開発

枚葉製膜

連続製膜
乾燥機

送液
卓上コーター

卓上乾燥機

スロットダイ

基材

⻑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25

連続製膜技術の開発と膜の分離性能
 連続製膜技術の開発
・塗布液粘度の調整
・乾燥時間の検討
・塗布厚みの検討

 連続製膜した膜の単膜及び作製した膜エレメントの分離性能
・試作エレメント
直径 2inch、長さ 220㎜のエレメントを試作
単膜(連続製膜）
膜エレメントQCO2[m3(STP)/m2/s/Pa]
1.94E-11
1.83E-11

QHe[m3(STP)/m2/s/Pa]
1.18E-12
1.54E-12α16.511.9

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70%RH；
透過側：大気圧（スイープなし）→ 薄膜化および薄膜を用いたエレメント化を検討中
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海外実ガス試験についての検討
国内での実ガス試験には、水性ガスシフト反応器、各種前処理設備の製造、設置を含む費用と準備期間が必要→水性ガスシフト反応器、各種前処理設備を保有する試験サイトとして、ケンタッキー大学※が有望な候補地と判明。現在、調整中。
※University of Kentucky – Center for Applied Energy Research (UK-CAER)＜ガス化炉：Gasification＞
・ 石炭専焼 (石炭＋バイオマス混焼も可能）
・ 酸素吹きプラント
・ 石炭使用量：1ton/day
・ Syngas流量：72.6kg/h＜水性ガスシフト反応器：WGS＞
・ H2/CO 比
反応前0.7 ⇒反応後2.0
・ Co、Fe触媒＜酸性ガス処理設備＞
・ アミン吸収液による回収法
・ 昇圧設備： 2.76MPa
・ 脱硫設備 (処理ガスS分<1ppm)

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

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CO2分離膜実用化に向けたロードマップ
基盤技術研究

実用化研究フェーズ

201115H23FY

H26 H27 H28

H31

実証フェーズ

商用化フェーズ

20253035H32H37H42H47

二酸化炭素分離膜 二酸化炭素分離膜
ﾓｼﾞｭｰﾙ研究開発 ﾓｼﾞｭｰﾙ実用化研究
事業
開発事業

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）

2) 二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業（H27FY～）(計画・課題）• 実ガス等の実用化試験による技術課題の抽出、解決• 実用化段階の分離・回収コスト1,500円/t- CO2以下の達成• 実機膜モジュールシステムの開発
実証フェーズ・商用化フェーズにおける課題• IGCC実ガス、実機での長期試験、大規模な実証試験による実績の蓄積• 膜、モジュールの商業生産プロセスの検討、膜大面積化、量産体制の構築• CO2分離膜プロセス採用に向けた活動

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まとめ
1. 化学吸収法 （高炉ガス）
・COURSE50の開発液が民間企業の省エネ型CO2回収設備に採用され、2018年に商業化2号機へ適用予定。
・次年度以降、新規継続プロジェクトにおいて、エネルギー消費が更に削減可能な新規吸収液の実用化技術確立を目指す。

2. 固体吸収法 （石炭火力ガス）
・ラボレベルの小型連続回収試験装置を用いたCO2連続回収試験において、再生エネルギー＜1.5 GJ/t-CO2を達成した。
・今後は、実試験を関西電力（株）舞鶴発電所内で行う予定。
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まとめ
3. CO2分離膜 （IGCCガス）

・前プロジェクトで確立した基盤技術を元に、実用化試験による技術課題を抽出し、その解決を行っており、CO2分離膜の量産化に向けた連続製膜技術を確立した。
・石炭ガス化実ガスによる試験に向け、国内外のIGCC実ガス試験サイトを選定し、実ガス試験準備を進めている。

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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。

ご清聴をありがとうございました。
Research Instituteof
Innovative Technology for the Earth31