This study aimed to clarify carbon accounting in enhanced rock weathering (ERW), focusing on gas-solid contact-type ERW, which allows for easier quantification of CO2 fixation due to its closed-system reaction. To establish an MRV (Monitoring, Reporting, and Verification) process for accurate CO2 fixation assessment, we developed a CO2 mineralization prediction model to estimate mineralization behavior under atmospheric conditions. SEM observations and elemental analysis confirmed that CO2 was primarily mineralized on particle surfaces, leading to the construction of a surface mineral dissolution-precipitation model. This model considered magnesium dissolution, CO2 dissolution and dissociation, and the precipitation of carbonates and magnesium silicate hydrate (M-S-H). The model's predictions showed good agreement with experimental results. However, in gas-solid contact-type ERW, a decline in CO2 mineralization rate in the later stages of the reaction was identified as a challenge, preventing full utilization of the rock’s high CO2 fixation potential. This slowdown was attributed to an increase in the pH of the surface liquid phase due to mineral dissolution, which reduced the dissolution rate. To address this issue, we used the developed model to simulate conditions where the surface liquid phase pH was artificially lowered. The results confirmed that this approach successfully mitigated the decline in CO2 mineralization rate.
The iron and steelmaking industry is a major source of CO2 emissions. We proposed a process to mineralize CO2 in steel mill exhaust using steel slag through gas-solid contact reactions. This process does not require hydrogen and allows for the reuse of carbonation products as aggregates, making it a promising technology for the early adoption of carbon recycling. This study focused on electric furnace slag, which is generated during the production of steel from scrap iron and has limited reuse methods due to the variety of elements it contains.
Thermal treatment tests of slag under different atmospheric conditions showed that the mineral phases produced were different. Under an inert gas atmosphere, the rate of CO2 mineralization was high, and γ-Ca2SiO4 (γ-C2S), which contributes to CO2 fixation as a concrete admixture, was particularly abundant.
In thermal treatment experiments using a larger slag pot, differences in
the molecular structure of C2S formed at the top and the shrinkage cavity-like
central region of the sample were observed. Based on heat transfer calculations
that considered the volume changes in the slag, it was inferred that shrinkage
cavities were formed due to a decrease in internal pressure after the top
solidification. This phenomenon was speculated to be related to the volume
expansion properties of C2S.
In the Carbon Recycling Blast Furnace (CR Blast Furnace), which is expected to be a technology for reducing CO2 emissions in the steel industry, it is necessary to select an absorbent material for CO2 capture. In this study, lithium silicate (Li4SiO4, LS) was considered as a candidate material for the CR Blast Furnace and its practical application was investigated from the system and material points of view.
From the material point of view, the cycle characteristics of porous LS in a high CO2 concentration atmosphere were evaluated, and it was found that the absorption capacity of LS did not significantly decrease after about 50 h of CO2 absorption/desorption cycle, but the pore structure tended to disperse and expand at high regeneration temperature. The results indicate that shape retention and mechanical strength should be considered in the production of the compacts.
From a system perspective, we formulated a regeneration reaction kinetic
equation and investigated the operating conditions for a three-vessel system.
The reaction kinetic equation based on the Avrami-Erofeev model was found
to be generally capable of simulating the regeneration curve obtained from
TG-DTA experiments. Based on this equation, which is seamlessly linked
to that of absorption, a reactor model was developed assuming the actual
scale and the operating conditions of three vessels (absorption, regeneration
and cooling) were selected. As a result, it was found that up to 33.1%
of CO2 could be captured from the existing blast furnace gas within realistic
pressure drop and footprint constraints.
Among the carbon dioxide capture and storage (CCS), the chemical absorption discussed in this study is expected to play a central role in the full-scale implementation of CCS. However, there is no standardized method for evaluating the performance of amine-based chemical absorption liquids used in chemical absorption, making it difficult to make a neutral and fair comparison between absorption liquids. Therefore, a common basis for evaluating the standards of CO2 separation materials is important. In this study, we aim to create a common basis for evaluating the standards of specific heat and heat of absorption by introducing a reaction calorimeter that can measure these and verifying the validity and reproducibility of the measured values.
We introduced a Mettler Toledo heat flow reaction calorimeter as a device to measure the specific heat and heat of absorption up to 120 °C, which is a common temperature range for the regeneration tower of the chemical absorption method and performed measurements.
As a result of validity verification of the measured values, consistency
was obtained in the superposition of the measured values and literature
values at 40 °C, and it was determined that the measured values of specific
heat and heat of absorption were valid. However, the measured values of
specific heat and heat of absorption at 120 °C are still not consistent
with the literature values, and a valid test method has not been established.
Furthermore, the reproducibility verification at 40 °C revealed that the
reproducibility of the specific heat and heat of absorption was a maximum
of 0.43 % and 7.1 %, respectively.
Currently, most of the final energy consumption in Japan is accounted for heat utilization, so it is important to enhance heat utilization efficiency by recycling unused heat. To promote the use of unused heat in the region, heat utilization technology that bridges the gap between unused heat generation and demand is necessary. The objective of this research is to eliminate the spatiotemporal gap between heat supply and demand by charging unused heat to zeolite and regenerating it as industrial process steam at distant heat demand sites. The following two measures were devised to address the issues in the heat storage process of this system, which are the power reduction for heat storage and lower temperature of heat source.(1) Adoption of an indirect heat exchange type heat charger(HC) with heat transfer oil circulation that can significantly reduce the loss of blower power, and (2) Adoption desiccant type HC which can reduce the heat transfer area required for heat collection and expand the system application range by using waste hot water as a heat storage source. The results of the economic evaluation of the system showed that the indirect type of HC was superior to the direct type in that the indirect type significantly reduces operating costs, has less sensitivity of the levelized cost of heat to installation conditions, and has superior retrofit performance. The feasibility of using steam from a low-temperature heat storage source was investigated, and it was found that a heat storage temperature of about 125 °C is necessary to reduce greenhouse gas emissions by introducing the system.
Carbon recycling is being considered as one of the effective ways to reduce CO₂ emissions in steelworks. By-product gases from steelworks, such as blast furnace gas (BFG), have high calorific value and are valuable as raw material for fuel synthesis from an exergy perspective. In the industrial sector, the chemical industry—another "hard-to-abate" sector—faces an urgent need to reduce the use of fossil resources as raw materials and the associated CO₂ emissions. Along the Tokyo Bay coastal region, the carbon input of the steel and chemical industries is approximately equal.
This study examines the synthesis of methanol using BFG and other by-product gases from steelworks, utilizing it as a raw material in the chemical industry. A thermodynamic and material flow analysis was conducted using the process simulator Aspen Plus®, quantifying key process parameters and performing a cost evaluation based on the analysis results.
In the thermodynamic and material flow analysis, it was estimated that
over 53% of CO2 could be reduced by coupling the steel and chemical industry.
However, this would require an additional 13.4 TWh/year of electricity
and around 1 million tons of hydrogen annually, suggesting that the method
of supplying these green energies is a critical issue. Additionally, the
cost evaluation showed that the CO2 avoided cost between industries would
be approximately 20,000 JPY/t-CO2, while applying an oxygen blast furnace
could reduce the cost to around 12,500 JPY/t-CO2, which is like the CO2
avoided cost of existing technologies.
廃棄物未利用熱は，統廃合こそあるものの将来的にも分散的に存在し続ける地域資源であり，有効活用が期待される．しかしながら，未利用熱発生と熱需要の間には時空間的なギャップが存在しており，解消手段の1つとしてゼオライトの水蒸気吸脱着サイクルを用いた蓄熱輸送技術を考案している．昨年度までに，既設ボイラとの協調運転により産業用プロセス蒸気の連続生成を可能とする出熱装置ゼオライトエコボイラ（以下ZeB）の提案と種子島におけるゼオライト流量15 kg/h程度の小規模な実証試験によるフィージビリティスタディは完了している．実用化に向けては，専門の運転員を必要としない自動化された制御システムの構築を含めた技術成熟度の向上が必須であり，本研究では商用化を見据え，従来規模の10倍以上のパイロットスケール試験設備の数値解析に基づく設計と制御システム構築による技術成熟度レベルの引き上げを目的とした．ZeBの運転においては給水・蒸気系，ゼオライト系および吸着発熱用噴射蒸気系の3つの供給系を制御する必要がある．比較対象として化石燃料焚きボイラの制御を参考に給水・蒸気系の制御を決定した．一方，発熱を制御するゼオライトと噴射蒸気系はプロセスフローの構築を基に，商用機において必要な計測項目を抽出し，制御システムを設計した．制御システムにおいて重要な規模依存の起動時間は，昨年度までに小規模実証実験において妥当性が確認された，熱・物質移動を連成した非定常一次元数値解析により予測した．その結果，本スケールでの試験におけるゼオライト流量200 kg/hの定常運転条件では，試験開始1時間のみ2倍の400 kg/hに増大させることで，起動時間を約4.7時間短縮できると予測し，制御システムに反映させた．（青木 温哉）
電力とともに熱の脱炭素が急がれる産業部門においては，プロセス起動時に熱負荷がピークとなり，その後の定常稼働時には負荷率が低下する．再生可能エネルギー（再エネ）電源とヒートポンプを組み合わせた熱の電化は有力な代替策であるが，低負荷運転時には効率が大幅に低下する．そこで，産業の熱利用プロセスの起動時における熱供給の補助装置として，蓄熱技術の導入を検討している．再エネ電源の余剰時間帯に電気ヒーターで蓄熱し，熱利用プロセスの起動時に蒸気を補助的に出力することで，定常稼働時のヒートポンプの負荷率を高め，高いCOP領域で運転することが可能となる．蓄熱装置のPoCとしてこれまでの研究で実績のあるゼオライトの水蒸気吸脱着サイクルを採用し，短時間で蒸気を生成可能なエコスチームブースター（ESB）を考案した．ESBでは多段式の間接熱交換方式を採用し，ゼオライトに水蒸気を各熱交換器の上部から噴射，発生した吸着熱を熱交換器内の給水に伝熱することで噴射量以上の加圧蒸気を生成する．ゼオライトのフローとしては固定床と移動床の2通りを候補として考え，短時間での蒸気生成に適したプロセスを検討するために二段式の熱交換器を格納するプロトタイプ機を製作して実験した．その結果，いずれも多段噴射プロセスによる蒸気の生成と増熱効果は確認できたものの，固定床では発熱領域が噴射点付近に限定され，熱交換器全体での熱流束確保が困難であるのに対し，移動床では対流により効率的に吸着熱を給水に伝熱可能であることが実験的に示された．そして微分吸着熱が高い低吸着領域で吸着と脱着を繰り返すことで，増熱効果を高めるプロセスの有効性を確認する．（向 拓海）
Electrochemical Partial Oxidation using Solid Oxide Fuel Cells have attracted attention as a low-cost, highly efficient syngas/electricity co-generation reactor to solve the spatiotemporal electricity supply-demand mismatch caused by renewable energy. This study focuses on coin-type SOFCs, suitable for mass production and catalyst applications due to their flexibility of design and high strength by compression molding. However, a coin-type SOFC by compression molding could not generate proper Open Circuit Voltage around 1.0 V. This year, that cause was investigated in the manufacturing process and configuration of the power generation test of the coin-type SOFC, and improvement of power generation performance was experimentally examined.
The porous structure of the electrode is vital to its power generation
performance because it provides a gas supply pathway to the triple-phase
boundary, but the high molding pressure tends to make the denser structure,
especially on the surface. Pore-forming materials were modified to increase
porosity but were incompatible with sufficient durability. SEM observation
of the surface and cross-section of the electrode after compaction and
sintering showed that the particles were still densely arranged near both
planar surfaces. Shaving approximately 0.1 mm at both surfaces after compression
molding showed significant improvement in the device's voltage, leading
to OCV measurement.（Ryosei Ozawa）
日本全体のCO2排出量に対する鉄鋼業の割合は大きく，製鉄所におけるCO2排出量の削減が急務となっている．鉄鋼業におけるCO2削減には様々な方法が提案されているが，本研究室では酸素高炉を用いた炭素循環製鉄を研究しており，補助還元材としてメタンを合成して用いることでCO2排出量の削減を図っている．本研究では，還元材として用いるメタンの合成に必要な外部水素の最適な供給形態の選定を目的として，各供給形態のCO2排出量やエクセルギー有効率を比較し，製鉄所の運用に適する水素の供給・利用形態を検討した．
まず水素キャリアとして，液化水素，アンモニア，メチルシクロヘキサン(MCH)の3種類を対象として製造，輸送，貯蔵，水素抽出までの必要電力・熱の総和によって各キャリアのCO2排出量を算出した．その結果，液化水素，アンモニア，MCHのCO2排出量はそれぞれ0.94，1.78，1.14
t-CO2/THMと算出された．また，再エネ電力を用いれば，それぞれ0.79，0.91，0.93 t-CO2/THMまで低減される．アンモニアは製造に高温高圧が必要であり，その電力・熱量に由来してCO2排出量が多くなるが，再エネ電力を用いれば，排出量の半減が可能である．一方，MCHは原料のトルエンのCO2排出係数が高いため，再エネを用いたとしてもCO2排出量はそれほど下がらず高止まりした．次に，エクセルギー有効率を算出したところ，それぞれ81.4%，44.3%，82.8%であった．アンモニアは製造時の昇温昇圧工程で必要な電力・熱量が大きいため，エクセルギー損失が大きいが，MCHは製造・抽出時のエネルギー投入量が少ないため損失が小さい．これらの結果から，CO2排出量が最小であり，エクセルギー損失も小さい液化水素が製鉄所の運用に最適な水素キャリアであると言える．（北岡 昌浩）
地球温暖化対策の一つとしてCO2分離回収貯留技術が重要であり，中でもアミン系吸収液を用いた化学吸収法は，比較的技術成熟度が高く有望な分離回収技術である．一方，吸収液の再生エネルギーには課題が残るため，その低減に向け，気液平衡特性など吸収液の基礎特性を評価し，優れた性能をもつ吸収液をスクリーニングすることが有効である．しかしながら，国内外において基礎特性の中立かつ公正な評価法は未確立であり，吸収液の統一的な評価は難しいのが現状である．そこで本研究では，基礎特性のうち，気液平衡特性・液側物質移動係数・密度の標準的な測定試験方法の確立を目的として，各試験の標準評価法の原案を作成し，測定結果の再現性を検証した．まず，従来用いていたオートクレーブ装置で気液平衡特性の取得を試みたところ，低温かつ低CO2分圧条件では，平衡到達まで長時間に及ぶため，汎用の評価法としては不適であると判断した．そこで，高温条件における気液平衡特性はオートクレーブ試験で，低温条件における気液平衡特性および液側物質移動係数は濡れ壁塔試験で取得する案とした．また，密度は振動式密度計を用いると簡便に高精度で測定できる．いずれの試験においても3回測定し，各試験の1回目の結果で構築したモデル式にて，2・3回目の測定結果との相対誤差を再現性の評価指標とするほか，気液平衡特性試験における反応器入口・出口ガスCO2濃度の安定性の判断基準なども具体的な閾値として標準評価法に組み込んだ．標準評価法によるAMP/PZ標準液の高温/低温の気液平衡特性，液側物質移動係数および密度の再現性は，それぞれ4.4%/3.3%，8.3%および0.19%となり，目標値を達成したことで，原案作成は完了した ．（風間 政弥）
2050年までのカーボンニュートラルの実現を目指し，鉄鋼業においてはプロセス中のCO2排出量を削減する技術開発が進められている．一方，低炭素製鉄技術実現後も鉄鉱石中の不純物の除去に用いられる石灰石の熱分解由来CO2などの排出は不可避である．プロセスの副産物であるスラグを用いたCO2鉱物化であれば残余排出量も削減可能となり，骨材等有価物の生成による利益創出から早期普及が期待される．本研究ではCO2鉱物化率の向上を目的に，溶融状態のスラグでの前処理プロセス設計において重要な熱物性値推算の高精度化と，CO2鉱物化挙動に対する鉱物相・粒子膨張等の影響調査を実施した．
溶融スラグに対する超徐冷，比重分離や遠心分離などの前処理により，CO2鉱物化の対象となる鉱物のMineral Lockingの解消および分離・抽出が容易となる．これらのプロセス設計ではスラグの凝固過程の挙動予測が重要であり，実測困難な温度と組成に対応したスラグの熱物性値が必要となる．本研究室では既往文献から取得した溶融スラグの実測熱物性値を学習させたDeep
Neural Network（DNN）を用いて熱物性値を予測しており，本年度は学習に用いるデータの拡充による推算精度向上を目指した．学習に用いるデータ数は1500を超えると精度が一定となることが確認され，データ拡充だけでの推算精度向上には限界があると考えられる．次に，転炉スラグを対象とし，CO2鉱物化挙動におけるf-CaOの影響を実験的に調査したところ，CO2鉱物化率においてf-CaO除去の有無の影響が粒径の大小によって異なっていた．CO2鉱物化速度が大きいf-CaOには，吸湿に伴う膨張性と生成炭酸化層の難水溶性の特徴があり，これらがCO2の拡散を阻害しているとすれば実験結果を説明可能である．（伊東 愛実）
地球温暖化はCO2をはじめとした温室効果ガスの増加が主要因とされており，世界全体で2050年までに温室効果ガスの排出量をゼロにするカーボンニュートラルの実現が目指されている．脱炭素化が困難な部門における排出量と同量のCO2の大気中からの回収で，正味のCO2排出量をゼロにする炭素除去技術が必要不可欠とされている．その一つである風化促進は，CO2を吸収する岩石が露頭で容易に入手可能な日本においても期待されている．粉砕岩石の開放地散布による風化促進は，低コストな反面，自然循環を含む複雑な炭素収支の正確な定量化が困難であり，計測・報告・検証（MRV）の点でクレジット化に課題がある．そこで，閉鎖系でCO2固定化が可能な気固接触型岩石風化促進を開発すべく，CO2鉱物化速度に影響を与える鉱物特性を調査した．CO2鉱物化試験とリートベルト解析による含有化合物の定量化の結果を用いてCO2鉱物化率と含有化合物の関係を整理したところ，ブルーサイトを多く含み，蛇紋石の含有量が25～40%の岩石のCO2鉱物化率が高い傾向が確認された．さらにSEM-EDSの元素分析結果より，橄欖石のMg/Fe比とCO2鉱物化率に正の相関が確認された．これらの事実から，CO2鉱物化速度に影響を与える鉱物特性としてブルーサイトの含有量，橄欖石のMg/Fe比を抽出した．次に，MRVでは炭素量の正確な測定が重要であるため，CO2固定量評価法について検討した．炭素・硫黄分析装置および塩酸法，TOC固体試料測定システムを用いてCO2固定量を算出したところ，精度よく一致した．簡易的に測定可能であり，原理が異なる炭素・硫黄分析装置とTOC固体試料測定システムを併用することで信頼性が確保できるため，MRVにも有効であると考えられる．（杉浦 孝太）
温室効果ガス排出量削減の重要性が高まっており，カーボンニュートラル達成に向けてカーボンリサイクル技術の開発が求められている．海水を用いたCO2鉱物化プロセスは，水素利用を前提とせず，副生有価物の併産による早期普及が期待できる．本プロセスでは，高純度のMgOを生産し，CO2と反応させることで炭酸マグネシウムを生成する．CO2を固定化した炭酸マグネシウムはコンクリートや石膏ボードへの利用を検討している．本プロセスにおいて安定的に炭酸塩を生成するため，MgOを用いたCO2鉱物化の操作方法の確立が必要である．既往研究では，MgOの継続的な粉砕およびCO2の圧入による雰囲気形成によりMgOのCO2鉱物化反応に要する時間を短縮可能であることが示された．本研究では，ボールミル形式で加圧したCO2による鉱物化の操作方法を実験的に検討した．実験では，粉体MgOと液体H2O，粉砕用ボールを投入し，CO2を圧入し続けながら反応器を回転させ粉砕する．その結果，CO2鉱物化反応完了に必要な時間を24時間から5時間に短縮できたが，反応器内壁に粉体固着層形成の課題が顕在化した．そこで反応器内壁にイットリア安定化ジルコニアの溶射コーティングをしたところ，固着層の離型性が向上した．また，水の過剰添加による湿式条件運転に変更することで，固着層の形成は解消された．湿式条件で生成した炭酸マグネシウムをXRDにより分析したところ，Nesquehoniteが主成分として得られた．CO2鉱物化操作後の反応器の加熱により，容器内においてHydromagnesiteへの転換も可能であり，組成変化によるCO2ロスを低減可能であった．湿式条件運転と操作後の加熱により，利用法に応じた炭酸マグネシウム結晶を安定して生産可能であることがわかった．（板鼻 竜之介）