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革新的環境技術シンポジウム2016◆

低炭素社会を目指す
化学研究グループの取り組み(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

1

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

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）• 50年の長期的観点で推進する革新技術の研究開発体制• エネルギー革新戦略(METI )
• 30年エネルギーミックス実現を見据えたもの

3

【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

4

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

1.8

0.5

0.1

低圧

低圧

高圧、低圧

3.7

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

5

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～・膜分離技術 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

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）

7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

8

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
9高性能化学吸収液開発への挑戦

STEP1 STEP2

2030

2050

10

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）

11先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発事業
目標（実用化研究フェーズH27～31年度）
石炭火力発電所の燃焼排ガスに対してCO2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）研究①：
ADA Environmental Solutions（US）
PEI

溶媒
（水）

水酸基

化学吸収液

固体吸収材

アミン化合物

アミン化合物

＋＋

溶媒

担体

（水）

（多孔質材料）
メソポーラスシリカ, カーボン, ポリマー, etc.

再生時に比熱の大きな水を加熱する必要が無い
ため、回収エネルギーの低減が可能

アミン含浸固体吸収材（PEI担持シリカ）
流動層-温度スイング（40C/120C）
回収エネルギー：2.8 GJ/t-CO2

研究②：KEPCO（韓国）
炭酸塩系固体吸収材
流動層-温度スイング（70C/140~200C）
回収エネルギー：
5 GJ/t-CO212固体吸収材：研究開発ロードマップ
実用化研究
フェーズ

基盤技術研究フェーズ(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

実証・商用化
フェーズ（補助事業）
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)

ベンチ試験(数t/day)

RITE
CO2連続回収試験装置

川崎重工業㈱KCC移動層ベンチ試験装置

燃焼排ガス実ガス試験(数十t/day)

石炭ボイラ
排ガスへ適用
（3,000t/day)13

ラボスケールCO2分離回収試験
回収試験装置外観

分離プロセス概要

真空ポンプ

1. 吸着

フィードガス（CO2, N2, H2O）

*赤字は回収性能に影響する操作因子
温度、時間

CO2気化器

オフガス

N2吸着カラム×3
φ43×500mm

CO2メーター

2. 洗浄

露点計
パージ

時間CO2オフガス
N2冷却器* 回収ガス・オフガス中の水蒸気凝縮用

原料ガス加湿/脱離スチーム

製品ガスの一部を利用
ガスメーター

3. 脱着

温度、時間

スチーム

CO2
製品ガス(CO2)

プロセス性能（回収純度・回収率）を評価し、操作条件を最適化→減圧再生（VSA）と蒸気再生（SA-VSA）プロセスの比較
1414

脱着工程におけるスチーム供給の効果
スチーム供給量VSの影響（Tad :60˚C, TC:9min, TR:40sec, RH50%）

CO2 Recovery & Purity [%]100Purity

Recovery

分離回収E：<1.5 GJ/t-CO2

806040200(VS)

VSA

SA-VSA

スチームの供給量と共に回収性能が向上→スチーム供給により脱着時のCO2分圧が減少したことに加え、水蒸気の吸着熱または水蒸気自体の熱エネルギーが供給されたことにより脱着が促進
回収純度>98%、回収率>93%で湿潤模擬ガス(11%CO2)からCO2を回収（VSAの2倍）→RITE固体吸収材が優れたCO2分離回収性能を有することを実証*J. Fujiki, et. al, Chem. Eng. J. 307 (2017) 273–282.

15

ベンチ試験に向けたＲＩＴＥアミンのスケールアップ合成

吸収量（13kPa,40℃）

脱離量（減圧）

CO2吸収・脱離量合成法
改良
ベンチ試験材
組成の検討
・
スケールアップ合成

市販アミン

RITEアミン

川崎重工業㈱KCC移動層ベンチ試験装置

ＲＩＴＥアミンのスケールアップ合成法を検討→今後ベンチ試験にて性能評価予定
16成果まとめと今後の予定
成果■ ラボ試験においてRITE固体吸収材をSA-VSAプロセスに適用し、高分離回収性能（純度>98%、回収率>93%）かつ低分離回収エネルギー（1.5GJ/t-CO2）が示された。また、高い水蒸気耐久性に関しても実証された。移動層プロセスに適用することで、更なる回収エネルギーの低減が期待される。
■民間企業と協力して、移動層システムの課題を抽出し、ベンチスケール燃焼排ガス試験方法を検討した。40 t-CO2/d規模のスケールアップ試験装置を概念設計した。
■ベンチ試験に向けてRITEアミンのスケールアップ合成手法を検討し，吸収脱離性能向上とベンチ試験用材料調製方法を確立した。
今後の予定■民間企業（KHI)と協力したベンチ試験の実施、課題抽出■実ガス試験に向けた材料最適化、要素技術完成

17

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）18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19

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研究事業(H23～H26)
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＊二酸化炭素回収技術実用化研究事業(H27～H32予定)
実用化研究（小型ガス化炉による実ガス試験）
目標 IGCC＋CO2回収プラント運転
20

CO2分子ゲート膜とはCO2分子ゲート機能を有する革新的なCO2分離膜
H2N

供給側

高圧

N
H
HN

H2NOONO

NON
H
NH

NH2NH2圧力
低圧透過側

CO2分子ゲート膜

PVA
Crosslinker
Dendrimer
21

CO2分離膜と膜エレメント
CO2分離膜

Membrane1(膜面積：1.2 cm2)

Membrane2(膜面積：58 cm2)

膜エレメントSpiral membrane elements(Left: 2inch, Right: 4inch;L=200mm)

22

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).

23耐圧性、耐久性の改良

耐圧性、耐久性向上のための高分子マトリクスの改良・耐加水分解性
・膜の機械的強度（硬さ）の制御
測定条件： 温度：85℃、供給側: 2.4 MPa、透過側大気圧（Arスウィープ）、供給ガス組成：CO2/He=40/60(vol./vol.)、湿度：60%RH

24耐久性を改良した膜の分離性能の膜厚依存性
目標膜厚25

CO2/N2分離性能とCO2/He分離性能の比較

QCO2 (CO2/N2)

α [-]QCO2 (CO2/He)

操作条件： 温度: 85℃, CO2/He=40/60~5/95%, 湿度: RH60%,供給側全圧:2.4 MPa； 透過側全圧: 大気圧(Ar sweep gas).

26

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

2011

15

H23FY

H26 H27 H28

H31

実証フェーズ

商用化フェーズ

20

25

30

35

H32

H37

H42

H47

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

27

まとめ
1. 化学吸収法 （高炉ガス）・熱移送の効率化と併せ1.6 GJ/t-CO2の達成と共に、目標である分離回収コスト2000円以下/t-CO2達成の目途を得た。

・今後は、液組成の最適化と最適プロセスの提案を行う。

2. 固体吸収法 （石炭火力ガス）
・低温（減圧）脱離性能に優れた固体吸収材を用いたラボスケール連続回収試験を実施し、再生エネルギー 1.5GJ/t-CO2を達成
・今後は、民間企業との連携によるスケールアップ、実ガス試験を行う。
28

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、実用化のために必要な、耐圧性、耐久性等のプロセス適合性、膜エレメント製作等に関する技術課題を抽出し、その解決を行っている。
・石炭ガス化実ガスによる試験に向け、エレメントの製作とモジュールの設計、製作準備を進めている。

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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 Earth30