he iron and steel making (ISM) industry is one of the largest CO2 emitters in the world. One area of the ISM process that still contains a large potential for CO2 reduction is the utilization of slag. Roughly half of ISM slag in Japan is used as an additive (termed ‘ggbfs’) to reduce the CO2 emissions associated with cement production. However, substantial energy is expended to grind slag prior to usage, reducing the net CO2 offset of this process. We demonstrated through simulation and experiment that quenching high temperature, solid slag in a water bath dramatically reduces the subsequent grinding energy via thermally-induced, microscale fractures. Quenching of solid slag can be achieved by minor adjustments to the methods currently used to cool molten slag in the ISM industry.
For the roughly half of ISM slag that is not utilized as ggbfs, we simulated
a molten centrifugal separation process that generates pure oxide layers
based on density differences (e.g., SiO2, CaO, FeO). Recovered (Ca,Mg)O
can be used to directly capture CO2 and recovered (Fe)O can recycled to
the ISM process as a high quality feedstock, decreasing the CO2 emissions
from iron reduction. The separation of slag into the component oxides causes
changes to the local properties such as the liquidus temperature and viscosity.
We modeled these compositionally-dependent properties using deep neural
networks, achieving prediction accuracy exceeding the gold-standard ‘Calculation
by Phase Diagram’ method at orders of magnitude less computational expense.
The centrifugal simulation showed that separation of a slag melt into compositionally-distinct
layers causes a concurrent solidification of the layers. This solidification
prevents the remixing of slag upon deceleration of the centrifuge. Simulations
suggest that the vast majority of Ca, Mg, and Fe can be recovered as high
purity compounds, distinct from gangue materials such as SiO2 and Al2O3.
Solid oxide fuel cells (SOFC) are high-efficiency power generation systems, that are expected to be an important power source in the coming years. To increase the adoption of SOFC it is important to increase the power density and power generation efficiency while reducing the operating and materials costs. To achieve these aims it is necessary to optimize the fine structure of the electrode. The SOFC electrode used in this work is composed of an electron-transporting path made of Nickel, an oxide ion transport path made of GDC (Gadolinia Doped Ceria), and voids for gas diffusion. This Triple Phase Boundary (TPB) is the only reaction area. As it stands now, SOFC's contain a large number of TPBs that are functionally useless.
For the ideal reactions to occur, each phase of the TPB structure must
have an unbroken network. For that purpose, we establish a method using
a 3D printer as a new manufacturing method. Therefore, necessary items
for achieving effective TPB were examined. We also listed issues, causes,
and countermeasures, and established their respective evaluation methods.
Furthermore, we aimed at achieving the goal by linking the relationship
between operable parameters and dependent parameters.
The iron and steel industry accounts for approximately 45% of the CO2 emissions in the Japanese industrial sector, and is promoting improvements to reduce CO2 emissions in the steelmaking process. As a method for low-carbon iron making process, Packed bed type Partial Smelting Reduction process (PSR) was proposed. This process uses scrap for iron making and requires lower exergy to reduce the ore than the blast furnace due to high exergy from the scrap. We performed a feasibility study of the SMART (Sustainable Iron and Steel Making System based on Material Recycling Technologies) steelmaking system, which reduces CO2 in exhaust gas and recycles it to the PSR process. We modeled the process using Aspen Plus and performed a sensitivity analysis of operating conditions (e.g. CO input conditions, scrap ratio) on CO2 emissions and exergy.
We found that the temperature increase of the reducing gas can functionally
replace solid carbon as a heat source, thus by raising the temperature
of the CO gas by 100K, the carbon requirement was reduced by 0.49kg/THM.
Likewise, by increasing the input of CO by 1kg/THM, the carbon requirement
was reduced by 0.24kg/THM. As the CO input increased, the power required
for gas separation and CO2 reduction increased, so the input exergy increased
and the output exergy decreased due to the reduction of the top gas to
the outside of the furnace. As the input of iron ore increased the carbon
requirement increased. Due to input carbon increase both input exergy and
output exergy increased.
In the state-of-the-art natural gas-fired combined cycle gas turbine, the
inlet temperature of the first stage blade reaches 1500 ° C or more, and
the power generation efficiency based on LHV is also close to 60%.However,
the combustion temperature is also high, so even with the low NOx burner
of Premix there is a limit to the reduction of NOx concentration at the
turbine outlet. The introduction of renewable energy is increasing, and
the turning point of gas turbine combined cycle with shorter startup time
is increasing for adjustment. As a result, in the future gas turbine combined
cycle, in addition to frequent Start & Shutdown, the proportion of
partial load operation increases rather than constant rated operation.
Along with this, NO 2 is increased in the exhaust gas in the partial load
operation. Since exhaust gas regulations of power plants are becoming increasingly
strict, exhaust post-processing systems and their control methods become
important.
For stationary sources such as boilers and gas turbines, Selective Catalytic Reduction (SCR) system with ammonia (NH 3) handled in this research is generally used.
In this study, we devised a test method for ammonia deNOx by a honeycomb type catalyst for gas turbine exhaust deNOx treatment, and determined the undetermined coefficients of elementary reaction from the obtained test results. We further constructed a reaction prediction model by integrating elementary reactions.
In order to combat global warming, CO2 emission reduction from the iron and steel making industry is necessary. The Active Carbon Recycling Energy System for the iron making process (iACRES) has been developed as a technical option for substantial CO2 reduction. Lithium ortho-silicate (Li4SiO4, LS), which can separate high purity CO2 at high temperatures, is a suitable solid sorbent to capture CO2 from the iACRES process.
In our previous studies, the diffusion resistance resulting from decreased porosity as CO2 absorption occurred was found to be the dominant factor inhibiting the CO2 absorption rate. So we chose the hollow cylinder as a sorbent geometry to increase the absorption rate.
In this study, the effect of a cylindrical LS pellet was analyzed using
commercial FEM software with diffusion resistance and chemical reaction
incorporated into the model. We conducted numerical analysis combined unsteady
mass and heat transfer equations applying the temperature-dependent parameters
in order to predict the absorption characteristics of the packed bed reactor.
The result of the numerical analysis showed a trade-off between CO2 loading
capacity and absorption rate.
Chemical absorption method which is one of CCS technologies is in stage of practical use, but it is important to establish the accurate measurement and evaluation technique for reducing regeneration heat duty. In this study, to improve the measurement accuracy of the amount of heat loss in stripper of the test equipment having capacity capability of 10kg-CO2/day which affects the measurement accuracy of regeneration heat duty, we added thermocouples for measuring stripper surface and quantified the amount of heat loss by predicting the internal condition of stripper from temperature distribution. As a result, the measurement accuracy improved up to about 20%. In addition, heat duty was calculated using a model simulating the test equipment in Aspen Plus is consistent with temperature sensitivity of the literature value. So, this measurement method is considered appropriate.
CO2 recovery from flue gas by amine absorption has been demonstrated in many projects of post combustion CO2 capture. This Process is composed of an absorber and a stripper. An amine absorbent circulates in these towers. But this technology still entails a high energy penalty. Generally, about 30% amine solution is used. If a higher concentration amine solution is used, the regeneration energy can be reduced. Furthermore 50% solution of AMP causes carbonate salt to precipitate. In our process, we sent only the CO2 rich solid phase to be regenerated in the stripper. Significant pressure loss in the absorber is not acceptable. Therefore, precipitation should not occur in the absorber.
In this study, we manufactured solid-liquid separator by centrifugation
and designing, manufacturing and assembling of the precipitation vessel
and added these to a small modification of 10 kg / day small scale CO 2
recovery test equipment. The carbonate obtained by absorption / cooling
precipitation / solid-liquid separation is redissolved , sent to a regeneration
tower, mixed with the CO 2 semi-lean solution and mixed again for a long
period of continuous and stable A successful loop test was successful.
In Tanegashima, cultivating and milling of sugarcane is a main industry. A sugar mill produces both raw sugar and a massive amount of bagasse, which is burned at a bagasse boiler of sugar mill as a biomass energy. However, more bagasse is burned than that is required for mill turbine and power generation because of perishability of bagasse due to high moisture content. Then the temperature of flue gas increases and a massive amount of unused heat approximately 200 ˚C is exhausted during the sugar mill operation. On the other hand, many other factories in Tanegashima use oil-fired package boilers to generate process steam at the temperature up to 120 ˚C all year around. Thermochemical energy storage and transport system using zeolite steam adsorption and regeneration cycle is one of possible solutions to make up for this spatial and seasonal mismatch. In this study, we focused on the heat release unit which is called “Zeolite boiler”. A moving bed with indirect heat exchangers was employed as a basic design of zeolite boiler. To evaluate the effect of this zeolite boiler experimentally, the small zeolite boiler with zeolite mass flow of 20 kg/h was designed using the simulation code and installed in our campus. Developed simulation code could simulate experimental result when injection steam mass flow is 1.7 kg/h, and 67% of heat recovery rate was expected when 4.0 kg/h of steam is injected.
リチウムイオン電池（LIB）を動力源としたEVが地球温暖化の主要因であるCO2の排出量を低減する効果があると期待されているが，航続距離がガソリン車に大きく劣ることに加え，冷間時には容量が低下するなどの課題がある．容量増加のために電極厚さや空孔率などの仕様を変更しても，リチウム（Li）イオン輸送抵抗に起因して期待通りの性能が得られないこともあり，非定常・不均質な輸送現象の解明が必要とされている．本研究では電極仕様の異なる5種類のラミネートセルを用い，電解液中のLiイオンの輸送現象について考察した．まず，各セルにおいて同一プロトコルで1～3Cの放電試験を実施したところ，電極の厚みが増大するにつれてCレートの増加に対する容量維持率が悪化した．この原因として，厚みとともにLiイオンの電解液内での輸送距離が増大し，過電圧を増大させたと考えられる．特定した正負極の使用域を用いたDualfoilによる数値計算の結果から，厚み方向の電解液中Liイオン輸送過程における過電圧を算出し，電極厚み増大による過電圧への影響として，濃度分布と輸送距離に起因する増分を求めたところ，実験で得られた上昇値の約10%程度であった．他の過電圧増大要因として，正極での反応抵抗の増大が考えられる．これは，放電時に時間経過とともに正極集電体側でのLiイオン濃度が低下しており，電極が厚いほど顕著になると予測されるためである．数値計算の結果から，放電時のLiイオンフラックスは時間経過とともに正極集電体近傍が減少する不均一な分布に発達するが，電極厚みの増大に伴いその分布が極端に大きくなった．過電圧は濃度低下に対して非線形に増大することから，実験で得られた上昇値の約80%を占めることが分かった．（本田 孟）
SOFCのさらなる普及には発電効率の向上による材料費の削減が重要である．本研究のSOFC燃料極の反応場は電子伝導のパスであるNi，酸化物イオン伝導パスであるGDC（Gadolinium Doped Ceria）の固体接触部に，反応ガスが到達できる空隙の三相の界面（TPB）でのみ反応が起きる．従来の製作法では，粒子や空隙がランダムに配置され，三相が存在していてもパスの断裂により有効なTPBが形成されず，平面的なTPBにとどまっていた．3Dプリンタを用いて積層し，立体的かつ有効率の高いTPBの微細構造を作成できれば，単位体積あたりの反応場が増加するため出力密度の大幅な向上が期待できる．本研究では，ピエゾ方式のインクジェットノズルをもつ3Dプリンタを用い，それに供するNiおよびGDCの微粒子が分散されたインクをノズルから良好に吐出されるように調整した．その結果，インクの粒子濃度が1.5％では安定して吐出可能であったが，焼結後のSEM画像によると粒子間ネットワークを維持するためには10回もの吐出が必要であり，全TPBの微細構造を作製するのは作業効率の観点から困難なためインクの高濃度化が必要であると判断した．安定吐出のためには低粘度かつ良分散であることが必要であるが，粒子配合増による単純なインクの高濃度化は低粘度とトレードオフになる．分散媒を変更すれば，高濃度でも低粘度化が可能であることから低揮発性を併せ持つベンジルアルコールを選定し，それに合わせバインダーをPolyvinyl Pyrrolidoneに変更，低粘度を維持できる最大量を添加した．さらに光学顕微鏡を用いた明度による分散性の評価から，極大値を取る分散剤の添加量を決定した．その結果，濃度を6.1％に増大させた安定吐出が可能なインクの調整に成功した．（藤田 大慧）
高いエネルギー効率を持つコージェネレーションシステムの原動機として利用されているSOFCは，更なる普及に向けてコスト削減が課題となっており，出力密度の向上が求められている．当研究室では，電解質に低温域で高イオン伝導性を示すGDC（Gadolinia Doped Ceria），アノードにNiを用いたSOFCについて研究しており，一昨年度までにGDCがNiに対してリッチに混合されたAFL（Anode Functional Layer）をアノードと電解質層の界面に介挿することで出力密度を大幅に向上させた．この結果を受け，有効な三相界面のみ形成するように界面の微細構造を3Dプリンタで作製する研究に取り組んでいる．従来は押出成形したアノードチューブにAFL，電解質層を逐次ディップコートし共焼結することで円筒型SOFCを作製していたが，3Dプリンタでの作製が容易な平板型SOFCに変更する必要がある．昨年度はアノードと電解質薄膜を共焼結させることで簡易的に平板型SOFCを作製した．しかし，共焼結過程での電解質層が剥離する場合や，電解質層表面にクラックが生じクロスリークの原因となる場合があった．そのため，今年度は電解質層の作製方法を従来の円筒型SOFCで実績のあるディップコート法に変更した．共焼結過程において，平板型セルは円筒型セルと比較して界面の応力分布に起因するクラックが生じやすいと考えられ，アノードスラリーをディップコートすることで4水準のアノード表面粗さのセルを作製し，SEM画像より観察視野に占めるクラックの割合を算出することで表面粗さとの関係を明らかにした．その結果，表面粗さが1.23µm以下でクラックフリーな電解質層が得られ，この電解質層を導入したセルを用いて発電試験を実施したところ最大出力密度が約10%向上した．（大森 一樹）
熱化学再生（Thermo Chemical Recuperation; TCR）は，未利用の炉体放射熱を用いてCH4を改質反応でH2･COリッチなガスへと変化させ，燃料として投入する方法であり，10%程度の燃料使用量およびCO2削減が期待できる．本研究では1000℃以上の未利用炉熱を想定し，改質器には固体酸が改質反応に有効な高純度アルミナ管のみで増熱率5～10%を目標としている．TCR反応器の設計には実験に基づく表面反応と気相反応を組み合わせたスキームを組み込んだ数値解析が必要だが，従来のスキームでは水蒸気改質およびH2O+CO2改質における実験値と計算値にそれぞれ14％および32％の乖離があった．その原因の一つとして，文献で報告されているアルミナ表面上でのCO2・COの吸着・分解等の反応の組み込みが挙げられる．本年度はまず，アルミナ管とアルミナ比表面積の少ないムライト管を用いた1100～1150℃でのドライCO2改質の比較実験からアルミナ管へのCO2の吸着等の有無を検証した．いずれの温度においてもムライト管の方が炭素析出，H2生成量が多く，CO生成量およびCO2反応量は少なかった．この結果からアルミナの固体酸の減少が，CO2改質よりもCH4の熱分解反応を優先的に進行させたと考えられ，CO2改質にアルミナ表面反応の関与があると判断した．本実験結果に基づいてChemkinパッケージのCreslafを用いたTCR解析コードの表面反応スキームに文献を基にCO2・COの吸着・分解に関する素反応を追加したところ，H2O+CO2改質における誤差は予想に反して2ポイント程の縮小に留まった．そこで表面反応のCO2の吸着の頻度因子の感度解析を実施したところ，文献値の1/50でH2O+CO2改質における誤差は従来のスキームから9ポイント程改善され最小となった．（渡邉 大智）
環境保護の観点から排ガス規制が厳しくなっている．その中でも，有害物質の１つである窒素酸化物（NOx）の排煙脱硝処理技術の性能向上が求められている．天然ガス焚きガスタービンコンバインドサイクルでは，部分負荷運転の増加に伴いガス中のNO2/NOx比が高くなってきており，従来の選択触媒還元（SCR：Selective Catalytic Reduction）システムでは，NO主成分の排ガスと比較して脱硝反応の速度が遅くなることが予見される．一方，環境・エネルギー分野では放電プラズマ技術が注目を集めており，これを脱硝技術に応用することで，イオンやラジカルなどのプラズマで生成される反応性の高い物質がNOx還元反応に寄与し，反応が進むことが知られている．本研究ではこの技術をガスタービン排気の脱硝処理へ応用し，SCR触媒とのハイブリッド脱硝システムを検討した．
放電方法は，大気圧以上でも非平衡熱プラズマを安定的に得ることができる誘電体バリア放電を選定した．脱硝システムのガスタービン排気ダクトへの実装を考慮し，背圧の上昇をできるだけ抑えるためにプラズマ空間を平板電極間に生じさせ，その中に排ガスを全量通過させた後にハニカム触媒へ送る構成で圧力損失を試算した．その結果，35万kW級ガスタービンでは出力の0.9%のエネルギー損失に相当し，実用化が困難であると判断した．NOxの還元を誘発するNHラジカルをプラズマ空間で生成させて排ガスに投入するラジカルインジェクション方式とすれば，投入するNH3ガスのみを平板電極間に通すため圧力損失をほぼ無視することができる．SCR触媒とラジカルインジェクションのハイブリッド脱硝により，ガスタービン排ガスの脱硝システムへの放電プラズマ技術適用の有効性を検討した．（中村 浩太郎）
種子島では主要産業としてサトウキビの製糖があり，製糖工場における圧搾工程の残渣であるバガスが大量に発生している．バガスはバイオマス燃料として製糖工場内で再利用されているが，保存が困難であるため製糖期間の冬から春にかけて必要以上にバガスボイラに投入され，200℃程度の未利用熱が大量に発生している．一方，種子島内では通年稼働している焼酎工場や澱粉工場などが100℃程度の蒸気を必要としており，現在は島外から購入した石油をボイラで焚くことで賄っている．このバガス由来の未利用熱発生と化石燃料による熱需要の時空間的なミスマッチを解消するため，ゼオライトの水蒸気吸着・再生サイクルを用いた未利用熱蓄熱輸送システムを検討している．今年度は出熱側に着目し，出熱装置としてパッケージボイラとの協調運転により燃料削減を目指すゼオライトボイラを考案した．ゼオライトボイラは移動床・間接熱交換方式を採用し，ゼオライト流量20kg/h，最大噴射蒸気量4.0kg/hの実験設備を設計・製作した．投入されたゼオライトは流量制御可能なディスチャージャーにより底部から排出した．吸着用蒸気はボイラの代替として電気ヒーターとSUS管で製作した蒸発器で生成し，ゼオライト層の上部から噴射した．ゼオライトボイラ内部に伝熱面積1.0m2で設計・製作したスパイラル多管式熱交換器を設置し，発生したゼオライトの吸着熱を管内に伝熱することで蒸気を生成した．予備試験として，ゼオライト移動床での水蒸気凝縮を避けるため噴射蒸気量を定格の40%として運転し，1.8kg/hの過熱蒸気が1時間にわたって安定的に生成された．熱物質収支を計算した結果，ゼオライトの吸着熱に対し約60％が蒸気のエンタルピーとして回収されたことがわかった．（中居林 昂）
種子島島内の熱需要と未利用熱発生の時空間的ギャップを埋めるため，ゼオライトによる未利用熱蓄熱輸送システムが検討されており，出熱装置としてゼオライトの水蒸気吸着熱を利用した蒸気発生器であるゼオライトボイラが考案されている．ゼオライトボイラはゼオライト充填層と管群による熱交換器で構成され，ゼオライトに過熱蒸気を吸着させ，発生した吸着熱を熱交換器に伝熱することで熱交換器内部の給水を沸騰させる．ゼオライトボイラ内の伝熱過程において管壁への熱伝達が律速すると考えられ，伝熱現象の解明および熱伝達の向上が求められる．定常時の非発熱体充填層内の壁面熱伝達に関しては，粒子径と反応器径の比や粒子周りのレイノルズ数Rep（10～10000）を含む実験式が数多く報告されている．しかしゼオライトボイラの場合，非定常的な発熱現象に加え，Rep が最大3程度であり，報告されてきた実験式では適応範囲外である．そこで本研究ではゼオライトボイラを模擬した発熱粒子充填層反応器を設計・製作し，非定常時における壁面熱伝達を実験的に考察することを目的とする．文献を参考に，充填層は静定区間，ゼオライト層および断熱区間で構成し，ゼオライト層の半径方向温度分布および外壁温度を測定した．まず予備実験として定常時の非発熱体充填層内の温度分布を測定した．また，境界条件に測定した外壁温度を与えて数値解析し，実測とのフィッティングにより得られた有効熱伝導率および壁面熱伝達率を文献の実験式と比較することで，実験装置および方法の妥当性を確認した．次に本実験として，充填層内に湿り空気を流入させて発熱により生じた温度分布を測定し，発熱時の壁面熱伝達を求め，非発熱体における熱伝達と比較検討した．（堀江 直之）
産業界におけるCO2排出量の40％を占めるとされる鉄鋼業で検討されている炭素循環製鉄に用いるべく，高温となる高炉ガスの一時貯留体として，CO2を高温で分離回収できるリチウムシリケート（Li4SiO4，以下LS）を用いたCO2分離回収システムの実現を目指している．これまで用いてきた球状LSは未反応核モデルで近似され，吸収反応の進行とともに未反応核の表面積が縮小し，拡散距離も長くなることに起因して吸収速度が急速に下がる課題があった．この対策として数値計算による円筒状LSの形状設計と粉体からの内製化を含む実験的評価を行っている．
本年度は，バッチ式のLS充填層反応器を想定し，ペレット単体のみならず充填層においても高いCO2吸収速度を維持し，吸収完了時間を短縮することを目的とした．まず，熱分析試験によって円筒状ペレットの形状変更による単粒子の吸収特性を評価したところ，最大CO2吸収フラックスおよび単位体積当たりのCO2吸収量はいずれもほぼ一定となったことから，いずれのペレットも内部が均質とみなせる同一条件で形状効果のみ評価できると判断した．その結果，吸収完了時間は拡散距離に比例して単調に増加した．また外形5mm，内径2mm，高さ5mmの円筒状ペレットの気相境膜の物質移動係数kfを導出したところ，球状ペレットに対してRe数の影響を2倍程度受けることが分かった．さらに，同形状ペレットの充填層によるCO2吸収試験を実施し，球状ペレットと比較したところ，最大CO2吸収速度は1.4倍程度に向上，CO2吸収速度が20%に低下するまでの時間の吸収完了時間に対する割合は1.5倍程度向上した．これらのことから，円筒形状のLSペレットは目標とする高いCO2吸収速度の維持特性を達成した．（若狭 弘隆）
地球温暖化対策の切り札として火力発電所等の集中排出源を対象とするCO2分離回収・貯留技術に期待が高まっている．CO2分離・回収には主にアミン系水溶液による化学吸収法を用いるが，アミン液の再生時に多量の熱量が必要となるため新規吸収液の探索やプロセスの改善が進められている．高濃度のAMPは，CO2吸収反応に伴い炭酸塩を析出することから，炭酸塩のみを分離して再生塔へ送ることで液昇温熱を大幅に削減し，再生熱量の低減が見込める．昨年度までに析出境界を実験的に取得し，運転条件の最適化と平衡論による再生熱量の予測等を完了した．今年度は内製した析出容器と遠心分離機を小規模CO2回収試験装置の吸収塔下部に設置し，吸収・冷却・析出・分離された炭酸塩を再溶解させ，スラリーポンプで再生塔へ送液・加熱再生されたCO2リーン液と分離されたセミリーン液を吸収塔へ戻す連続的なCO2分離回収のループ試験に挑戦した．40℃における示差型反応熱測定試験から90kJ/mol＋析出熱として25kJ/molが得られており，小規模CO2回収試験装置による再生熱量の直接計測とその内訳の算出結果と併せて本プロセスの優位性を検討した．試験条件を液ガス比5と6，入熱量200～300Wと設定して実施したところ，全ての温度とガス流量が一定でCO2の物質収支が取れたことから高い信頼性を確保した上で連続運転に成功した．入熱量250W，液ガス比6の再生熱量は3.24GJ/ton-CO2と得られ，CO2リッチ液の高ローディング化を狙って液ガス比を5へ低下させたが，ローディングに顕著な変化は見られなかった．一方，入熱量は等しいことから余剰熱は蒸発潜熱として消費され，蒸気流量の増大に寄与したことから液ガス比5の再生熱量は3.77GJ/ton-CO2へ増加した．（荻山 直也）
地球温暖化の対策として各国がCCSの導入に取り組んでいる．石炭火力発電の燃焼後分離としてアミン吸収液を用いた化学吸収法が実用的であるが，吸収液の再生熱量に起因する運転コストの削減が課題となっている．アミン吸収液の再生熱量の構成要素のうち，CO2解離熱および液昇温熱にはCO2吸収反応熱および比熱が必要であるが，現在は40℃の示差型反応熱量計測（DRC）によって得られた値を代用している．しかし実際の再生条件は温度域が約80～120℃であり，従来のDRCの温度と異なる．そこで，本研究ではDRCを高温化させる改造を施し，これを用いて高温域のCO2吸収反応熱および比熱のデータを取得する．また，溶液の濃度がCO2吸収反応熱に与える影響についても調査した．
試験溶液として30wt%MEAの標準液をCO2 Loading=0.1mol-CO2/mol-amineに調整し，温度を40および75℃に設定して実施した．まず，75℃におけるDRC容器固有の熱容量は319J/Kと計測され，40℃の+36J/Kとなった．40および75℃のCO2吸収反応熱はそれぞれ83.1および92.3kJ/mol-CO2，比熱はそれぞれ3.79および3.92J/g/Kであった．小規模CO2回収試験装置にて再生熱量から得られた120℃，CO2
Loading=0.1～0.5mol-CO2/mol-amineのCO2解離熱は90kJ/mol-CO2であり，75℃の本計測結果との差は約2.5%となった．温度およびCO2
Loadingの差を考慮すると高温化したDRCにおいても吸収反応熱を精確に測定できていると判断した．次に，温度40℃，CO2 Loading=0.0の10，30，70wt%のMEAに入れ替えて試験を実施したところ，CO2吸収反応熱は81.8から90.3kJ/mol-CO2に増大し，比熱は4.02から2.99J/g/Kに減少した．高濃度では約8%の差があるものの，低濃度の場合は文献値とほぼ一致した．（吉留 大樹）
地球温暖化対策としてCCS技術が注目されており，CO2分離回収法の一つである化学吸収法では吸収液再生時に必要な再生熱量を低減する溶液の開発が進められている．昨年度までに，小規模CO2回収試験装置を用い，正確なロギングが可能な入熱量から再生塔固有の熱損失量，温度などの計測データを用いて定量化した液昇温熱および蒸発潜熱を差し引くことでCO2解離熱を求める方法を確立した．標準的な30wt%のモノエタノールアミン（MEA）を用いてCO2解離熱を求めたところ，入熱量が少ない場合にCO2解離熱が見かけ上減少し，定量確度に課題があった．この原因としてCO2分離回収なしの試験で測定した熱損失量を過大に見積もっていることが考えられる．そこで本研究では，入熱量に依存する再生塔内部の伝熱現象を再生塔表面温度から推測することで熱損失量の高精度な推定法を検討した．
30wt%のMEAを用いて再生塔上部・下部温度をそれぞれ80℃，120℃，L/G=4.0で固定し，入熱量を350，400，450Wと変化させてCO2回収試験を実施した．昨年度までに確立した再生塔上部，下部温度を変数とする回帰式を使用してCO2解離熱を算出したところ，約20kJ/mol-CO2の差が生じた．入熱量の変化に伴い，再生塔中央部1点での表面温度の時間変化が異なったため，新たに4点の熱電対を追加し，再生塔を6つのブロックに分けることで熱損失定量化の精度向上を試みた．再生塔上部温度80℃，下部温度100，110，120℃と変化させた入熱量350Wの熱損失量測定試験と再生塔上部温度を70，80，90℃と変化させた入熱なしの熱損失量測定試験を実施した．各ブロックで再生塔表面温度分布を比較し，温度分布が近い条件の熱損失量を用いたところ，CO2解離熱は約5kJ/mol-CO2の差に縮小した．（冨田 大貴）
日本の産業部門のCO2排出量は国内で33%を占めており，その中でも鉄鋼業は183Mt/yと産業部門最大の43%であるため，温暖化対策の観点から，鉄鋼業のCO2排出削減は日本全体に大きな影響を与える．日本の製鋼プロセスは世界最高水準のエネルギー効率であることを背景に，近年では鉄鋼製造の副産物であるスラグのリサイクルが注目されている．現在のスラグリサイクルでは，溶融状態のスラグを冷却し，固体となったスラグを研削・磁気分離することで粒鉄を回収，残りは主に建設材料としてリサイクルされている．しかし，固体スラグから鉄を高効率で回収することは困難であり，鉄回収によるCO2排出削減量は0.3Mt/yに留まっている．本研究では，製鋼プロセスの溶融スラグから比重の異なる鉄，アルミナ，石灰，シリカを遠心分離することで，鉄およびその他の有価物に短時間かつ高効率で分離する新たなスラグ処理法を提案した．回収した鉄のリサイクルで，日本の鉄鋼業のCO2排出量を7.1Mt/y削減可能と試算した．遠心分離では停止までの減速過程において同心円筒状の分離層が水平分離層へ移動するときに，重力と速度差によりケルビン・ヘルムホルツ不安定性（KHI）に起因してスラグ内各成分の再混合の懸念があるため，再混合回避のため回転速度の減速を適正に管理する必要がある．本研究では比重の異なる2種類の液体を横長の矩形容器に封入し，水平軸回りにスイングさせることで分離機内での層の動きを2次元系で実験的に再現した．KHIの発生原因は境界面の動きに関係していることから，遠心分離機内での境界面の動きをモデル化し，数値解析によって境界面付近におけるエネルギー変化から回転速度の変化を求めることで再混合を回避可能な減速管理法を考案した．（濵田 崇平）
地球温暖化防止のためには， CO2貯留だけではなく，実質的にCO2を削減できる固定化技術が必要である．アルカリ土類金属を用いてCO2を炭酸塩として固定化する研究は多くあるが，マグネシウム（Mg）とカルシウム（Ca）を含む鉱石等と反応させる場合，反応速度が著しく小さいため，多くのコストとエネルギーが必要とされる．本研究では，利益を生む原材料として，脱塩プラントのかん水廃液中に含まれるMgとCO2で炭酸マグネシウム（MgCO3) を生成し，正味のCO2排出削減を狙うCO2回収利用システムの構築を目指す．かん水中のMgCO3の生成過程では，他のイオンとの副反応やMgイオンの水和殻が生成を阻害するため，多大なエネルギーを要していた．本研究では，低エネルギーで回収可能な溶媒を添加して，かん水中からMgを選択的に分離する方法を模索した．まず，溶解度と比誘電率・pH等との関係調査のため，エタノール，アセトン，塩酸，酢酸，アンモニア水等の水溶性溶媒を用いた塩化マグネシウム（MgCl2・xH2O）と塩化ナトリウム（NaCl）の溶解度実験から溶液中のMg，Na濃度をXRFで分析した．その結果，Mg分離にはアンモニア水によるpH調整，または塩酸による共通イオン効果のいずれかが効果的であると判断した．かん水には数種のイオンを含むため，シミュレーションソフト｢PHREEQC｣を用いて，アンモニア水および塩酸を添加した場合のMg，Na等の溶解反応を計算したところ，アンモニア水では実験結果をほぼ模擬したが，塩酸では大きな乖離があり修正が必要である．アンモニア水の回収は困難なため，循環再利用しないと仮定すると，正味CO2排出量は増加した．一方，塩酸の場合では，ほぼ全量の塩酸を再利用すれば正味CO2排出量が削減できることがわかった．（津布久 陽平）
製鉄所では多量の石炭が消費されているが，温暖化防止の観点から消費量の削減が望まれている．これまでに石炭の削減策として，高炉ガス（BFG）から分離したCOあるいはCO2を低炭素なエクセルギーにより還元したCOを還元剤として再利用する炭素循環プロセスを研究し，炉内にて不活性ガスであるN2を減らすことで熱源となる石炭の削減が期待できることなどを明らかにしてきた．本研究ではプロセスシミュレータAspenPlusを用い，N2を分離した純酸素を吹込む酸素高炉に炭素循環プロセスを適用した場合の炭素削減効果を定量的に評価し，低炭素製鉄の実現に向けた提案を目的とする．
酸素高炉には炉下部の火炎温度過上昇や熱流比の上昇に伴うシャフト部のガス顕熱不足などの懸念がある．この点に配慮しながら低炭素を実現する2種類のモデルを検討した．まず，CO2を分離したBFGを炉下部およびシャフト部にそれぞれ25℃および1000℃で吹込むモデルを検討したところ，高炉外で利用できるBFGのエクセルギーは減少するが，炭素投入量の削減は可能であった．次に，BFGの一部を完全燃焼させて得られたCO2を固体酸化物形電解セルを用いて再生可能エネルギー由来の電力エクセルギーでCOに高温で還元してシャフト部に吹込み，さらに炉下部にはCH4を吹込むモデルを検討したところ，CH4の還元剤およびエネルギー源としての効果により炉外へのエクセルギー供給を維持したまま炭素投入量の削減が可能であった．従来，高炉外で発電等に利用されていたBFGを最大限高炉プロセスで利用した場合の炭素削減量を計算したところ，従来の高炉と比較し，前者ではBFG循環率65%で6.2%の炭素削減，後者ではBFG循環率45%，CH4投入120kg/THMで14%の炭素削減が可能であることが分かった．（久繁 進之介）