相分離型省エネルギーCO2吸収剤の高圧領域への応用研究

名古屋大学 大学院工学研究科

化学システム工学専攻

助教 町田 洋

平成30年10月4日

研究背景 CCSに関して

• Carbon dioxide Capture and Storage process• 温室効果ガスCO2の排出抑制技術

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排ガスCO

CaptureCO2

CaptureCO

StorageCO2

Storage

Transportation

CO2ガス

処理済みガス

出典：RITE HP

研究対象

発電所など

世界のCCSプロジェクト

3出典：Japan CCS Co., Ltd

苫小牧CCSプロジェクト

出典：RITE システム研究G世界のCO2排出削減シナリオの分析（2011） 4

CCSの役割

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実証されているCCS

出典：Global CCS Institute 世界のCCSの動向:2014 サマリーレポート

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今後検討されているCCS

出典： Global CCS Institute 世界のCCSの動向:2014 サマリーレポート

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EORと純粋な貯留

原油の回収量向上技術

井戸掘り（一次回収） → 25%EOR（二次、三次回収）→ 60%

出典：JX HP知っておきたい基礎知識

EOR（Enhanced Oil Recovery） 純粋な貯留(帯水層貯留)

ガスを通さない不透水層の下にある帯水層に圧入世界全体での貯留可能量は少なくとも2兆トン（世界総排出量約100年分に相当）兆トン＝1000Gトン

出典：RITECO2地中貯留の概要

CCS実用化に向け重要な点CO2の分離回収のコストが高い（全体プロセスの約6割）

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排ガスCO2N2など

処理ガスN2など CO2

吸収塔

再生塔

吸収したアミン

再生アミン

CO2分離エネルギー*=

*K. Goto et al. / Energy Procedia 1 (2009) 1083–1089

40℃ 120℃⊿T 80℃

2RNH + CO2⇔ RNH2+ RNCOO-

吸収

再生

従来MEA法： 4 GJ/ton-CO2

従来技術

これまでの取り組み（名大）相分離型省エネルギーCO2吸収剤の開発

反応熱回収型新プロセス

CO2分離回収エネルギー

1.5 GJ/ton-CO2

CO2吸収 再生

⊿T40℃

CO2吸収時に相分離する吸収剤の設計

相分離吸収剤の物性を活用できるプロセスの開発

Material Design

Process Design

9対象ガス：燃焼排ガス(CO2濃度10-20%)

相分離型CO2吸収剤の探索試験

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Amine Before absorption

After absorption

2-(Butylamino)ethanol 1 phase 1 phase

2-(Ethylamino)ethanol 1 phase 2 phase

Monoethanolamine 2 phase 2 phase

Table 相分離試験結果Amine 30 wt%, DEGDEE* 60 wt% and water 10 wt%

疎水性

＊Diethylene Glycol Diethyl Ether 40℃ PCO2=1 atm

従来：water 70 wt%

R-NH3+R-NCO2

－

CO2

CO2を吸収した相が分離する 再生アミンがエーテル相に抽出重液相中にエーテルが溶解

エーテル相が再生をアシスト

DEGDEE

相分離型

R-NH2

R-NH2

DEGDEE

CO2CO2CO2

R-NH2

R-NH2

DEGDEE

CO2CO2

CO2

DEGDEE:Diethylene Glycol Diethyl Ether

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R-NH2 CO2

CO2

R-NH2CO2

R-NH3+R-NCO2

－

R-NH2CO2

R-NH2 R-NH3+R-NCO2

－

極性

DEGDEE

ΔT=40℃

吸収工程（50℃） 再生工程（90℃）

図 相分離型吸収剤を利用したプロセスa) 相分離後、CO2濃縮相を再生工程に送るプロセスb) 両相を再生塔に供給し、吸収⇔再生温度差を低減するプロセス（ヒートポンプによる反応熱回収）

a) b)

⊿T=40℃⊿T=80℃

循環液量削減

相分離液を用いたCO2回収プロセス

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50℃ 90℃

40℃ 100℃

CO2分離回収エネルギー

ヒートポンプ（HP）による反応熱回収を組み合わせることで1.5 GJ/ton-CO2以下を達成

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00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

MEA法 相分離液法 HP⊿T=40℃

分離

エネ

ルギ

ー[G

J/to

n-CO

2] 圧縮機動力

反応熱

液昇温熱

蒸気損失熱

連携産総研化学プロセス研究部門金久保先生と連携することで高圧領域へ展開

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CO2発生源に関して（分圧が違う）

出典：環境省報告書平成 25 年度シャトルシップによる CCS を活用した二国間クレジット制度実現可能性調査委託業務

これまで

本取り組み

名大 産総研• 高圧エンジニアリングデータ• 新規吸収液の分子デザイン

• 高圧ガス流を含めた幅広いガス源を対象とした相分離型CO2吸収剤とプロセス技術の開発

• CO2分離回収貯留(CCS)からCO2有効利用・資源化(CCUS)までの包括プロセスの提案

現在の対象

本研究の対象

• 相分離型省エネ吸収剤• プロセス条件の最適化

本研究のアプローチ法

本研究の目的

バブルポイント 高圧DSC 計算機実験

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08/10/2018

高圧CO2溶解度測定装置

高圧体積膨張率、相分離挙動観察装置 CO2

均一相 相分離

産総研所有設備

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熱力学物性推算ソフトウェアCOSMOtherm

１.量子化学計算分子の構造・電荷

２.分子間相互作用化学ポテンシャルの算出

３.物性値の算出液液平衡関係

量子化学計算による相分離推算

相分離液の設計が量子化学計算で可能精度80%以上

CO2吸収前後の相変化

〇：１相⇒２相 ×：１相⇒１相 ××：２相⇒２相18

高圧用相分離CO2吸収剤の開発

• 物理吸収＋化学吸収＋相分離

• 高圧ではCO2吸収形態が2種あり、両形態を考慮した分子設計

物性推算 物性実測シミュレータによるエネルギー推算

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エネルギー目標値

常圧領域 高圧領域

4

1.51.5 ~ 2

< 1

CO2分

離回

収エ

ネル

ギー

[GJ/t

on-C

O2]

既存 相分離 既存 相分離

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想定される用途

• 天然ガス精製、IGCC(石炭ガス化複合発電)など高圧CO2排出源からのCO2分離回収、CO2資源化

• 相分離を利用した分離技術への応用

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実用化に向けた課題

• 高圧吸収用の分子構造最適化

• 実ガスでの性能調査

• ラボ試験

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企業への期待

• 高圧用相分離液は開発途中であるが、これまでにない吸収剤である。社会実装に向け連携いただくことで、課題を抽出しプロセス設計に生かしたい。

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産学連携の経歴

• 2015年- 鉄鋼ﾒｰｶｰと共同研究実施(対象ガス：低圧)• 2015年- JST-ALCA事業に採択 (対象ガス：低圧)

• 2017年- 産業技術総合研究所と共同研究実施

(対象ガス：高圧)

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お問い合わせ先

名古屋大学 学術研究・産学官連携推進本部

プロジェクト推進グループ

主任リサーチ・アドミニストレーター

原田千夏子

ＴＥＬ ０５２－７４７－６７８４

ＦＡＸ ０５２－７４７－６７９６

e-mail halada@aip.nagoya-u.ac.jp

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