Since unused heat and heat demand are also unevenly distributed, there is a spatiotemporal gap between unused heat and demand. So, emphasis is placed on heat interchange technology that can eliminate this gap. It is necessary to introduce the system from the area where the realizability is high. The purpose was to quantify and examine areas with high possibility of introduction. By the flow that adds temperature information to the energy flow at the basic municipality level and the efficiency of the heat storage transport system using zeolite whose basic design was completed by last year, heat recovery potential is quantified.
An energy flow at the basic municipality level was created from public information such as energy consumption statistics by prefecture and heat demand / waste heat temperature zone ratio for each industry. The heat storage potential was calculated by multiplying the waste heat estimated at the level of the basic municipality by the heat storage efficiency corresponding to the heat source temperature in each temperature zone. Assuming the use of cascade, the heat output potential was calculated by multiplying the heat storage potential by the heat output efficiency for each heat demand temperature.
When ranked by the amount of heat output, the basic municipalities where
large-scale petroleum, chemical, and steel industries are located are ranked
high in the energy-intensive industry. On the other hand, when organized
by heat output / heat storage, basic municipalities with low heat demand
temperatures and high energy consumption ratios in the agriculture, forestry
and food industries are ranked high. Compared to the heat recovery potential
calculated from the comprehensive energy statistics of the whole country,
the total value of the heat recovery potential for each basic municipality
decreased by about 50% due to the limitation of the carrying distance.
To recover it, it is necessary to extend the carrying distance.
Due to the serious expansion of damage caused by global warming, it is expected that the technology for separating and recovering CO2 from the atmosphere will spread at an early stage. As one of the separation and recovery methods, research is being conducted on a method using solid absorbents material in which an amine-based absorbent solution is supported on a porous support. Thermal energy is reduced. On the other hand, there is a problem in that the absorption performance of the supported amine is significantly reduced due to volatilization due to long-term operation. In this study, for the purpose of quantitative and qualitative evaluation of the volatilization behavior of amines from solid sorbents, Diethanolamine (DEA), which has low volatility among existing amines and is suitable for solid sorbents, and WK-2 newly developed in this study. Data were acquired through experiments based on actual machine conditions. From the test results, we compared the DEA material and the WK-2 material, verified the superiority of the WK-2 material, and aimed to predict and simulate the volatilization of amines from the solid absorbent material using numerical calculations.
Chemical absorption method using aqueous amine solution is applicable to large scale CO2 emission sources and has been demonstrated. However, a wide variety of degradation products due to a long period of continuous operation change in process operating characteristics. As a countermeasure against amine degradation, in addition to reclamation (removal of degradation products), it is desirable to set the operating conditions appropriately according to the degradation progress. Therefore, it is necessary to establish a methodology for constructing a kinetic model considering amine degradation using the commercially available process simulator Aspen Plus®. In this study, the transport properties and reaction rate constants based on the experimental data using a wetted wall column were reflected in the kinetic model to simulate CO2 absorption rate in degraded solution. Using a wetted wall column, the unknown reaction rate constants were obtained for the fresh solution, and the diffusion coefficients were obtained for the degraded solution, where the effect of viscosity increase was dominant. Also, the various products in degraded solution were interpreted as a hypothetical acidic substance, and the physical properties of the degraded solution were simulated by adjusting the transport properties parameters of a hypothetical substance in the model. The liquid mass transfer coefficient was verified using model simulating a wetted wall column, and the results were reasonable even for degraded solution in the temperature and CO2 loading regions of CO2 absorption column.
CO2 capture and sequestration as carbonates using alkaline earth metals is a promising carbon recycling technology that has the benefit of not requiring hydrogen. We designed, fabricated, and operated a system for continuous separation and recovery of high-purity MgCl2 solution from a highly concentrated brine composed primarily of Mg2+, Na+, K+, and Cl-. Super-azeotropic HCl gas, which comes from the cold and hot reactors, was captured by brine in HCl absorption towers and used to remove NaCl and KCl by precipitation. The super-azeotropic HCl gas was generated in reactors filled with an aqueous solution saturated with MgCl2 via addition of solid, hydrated MgCl2. HCl generation performance was evaluated by modelling the cold and hot HCl generation reactors.
During a preliminary test and a subsequent continuous 40-hour operation, the precipitation of NaCl and KCl occurred after the system approached the designed steady-state operating condition, which produced a concentrated brine with a low pH. All HCl gas was absorbed in the first stage of HCl absorption towers, indicating that HCl dissolution into concentrated brine is not significantly retarded by the high concentration of alkali cations. The molar cationic concentration of Mg increased from 74% to 99.6% due to precipitation of NaCl and KCl induced by the capture of HCl gas (HCl method) and the dehydration of other cations by Mg2+ (Co-saturation method).
The super-azeotropic HCl generation from the saturated MgCl2 solution was
modeled as a diffusion-limited reaction based on the two-film theory. The
simulated change in pH was compared with measurements from the 40-hour
continuous operation (105-hour cumulative operation) run. Continuous operation
closely matched predictions by the simulation result, which indicates that
96% of available HCl was generated at a concentration 54 wt% from the saturated
MgCl2 solution.
The iron and steelmaking industry (ISM) is a major source of CO2 emissions and is considered as one of hard-to-abate industries. While hydrogen-based iron ore reduction matched with electric arc furnaces has received much international attention lately as a means to decarbonize ISM, hydrogen cannot replace the chemical necessity for flux (i.e., CaCO3) and its direct CO2 emissions in the ironmaking and steelmaking processes (~10% of total emissions). We have previously proposed a method to undo the CO2 emissions from flux decomposition by reacting the solid by-product from ISM (i.e., slag) with the CO2 in untreated flue gas to form geochemically stable calcium carbonates. CO2 mineralization has major benefits of simplicity, cost, and CO2 accounting because the process involves only simple ultra-slow cooling of molten slag, grinding and conveying of solids But, CO2 mineralization historically has been considered ‘too slow' to be effective. In this work, we simulated different methods to speed up CO2 mineralization.
A solidification heat transfer model was constructed to simulate the temperature
distribution of molten slag during solidification. Based on the TTT diagram
estimated by DNN, the crystal structure was discriminated from the thermal
history and the thermophysical properties were updated. In order to simulate
the CO2 mineralization behavior, a reaction-diffusion model was constructed
considering the CO2 mineralization reaction rate. At sufficiently small
particle sizes, the effect of grinding on acceleration saturates because
the rate-limiting phenomenon switches from diffusion through product layer
to the reaction rate of the CO2 mineralization reaction. Further acceleration
of CO2 mineralization can be achieved by grinding of slag or increasing
the CO2 concentration of the gas stream, but grinding is by far the more
energy-efficient option.
深刻化する地球温暖化の緩和策として有望なCO2分離回収技術の中でも，アミン系水溶液を用いた化学吸収法は大規模なCO2排出源に適応可能であり，実証化済みである．吸収液の主要な液特性として気液平衡特性およびCO2吸収速度があり，前者は吸収液のCO2吸収容量を定め，後者は吸収塔のサイズに直結するため，いずれもコスト低減の観点で重要な評価指標である．昨年度までに当研究室で製作した濡れ壁塔試験装置は上述の両液特性を低温域で計測可能であるが，平衡CO2分圧30 Pa以下の低分圧域および平衡CO2分圧1 kPa以上の高分圧域において他の文献値と乖離が見られ，測定精度の向上が課題であった．本研究では，低および高分圧域それぞれにおける測定誤差要因を特定し，対応策を講じた．低分圧域における誤差の主要因として，CO2濃度分析計の筐体内のCO2分子の影響や実験開始前にドレンタンク内に残留していたCO2ガスの影響等に起因する分析計の応答性不良が挙げられる．そこで，CO2濃度測定中における分析計筐体内のN2パージやドレンタンクの縮小等の対策を実施した．高分圧域における誤差の主要因としては，本来は試験を通して一定であるべきアミン吸収液のCO2ローディングがCO2の放散あるいは吸収に伴い変化したことが挙げられる．そこで，測定時間を短縮し，かつ，供給ガスのCO2濃度調整により，ガス中CO2分圧と吸収液の平衡CO2分圧の差である濃度差駆動力を小さくしてCO2の放散および吸収量を抑えた．これらの対策を実施した結果，低分圧域および高分圧域において測定される気液平衡特性および吸収フラックスデータの文献値との乖離が大幅に改善された．以上を踏まえ，測定対象となる吸収液の平衡CO2分圧に応じた濡れ壁塔試験の手順を確立した．（齊藤 拓海）
昨今の地球温暖化対策として，CO2排出量削減のための大気からのCO2の除去技術の一つであるDirect Air Capture (DAC)技術が注目されている．DAC技術の実用化によって，小型ボイラや自動車などに代表される回収が困難な小規模分散のCO2排出源からの大気を介した回収が可能となる．DACに用いられる数種類の分離回収法のうち，本研究においては，アミン吸収液を多孔質体に担持させたアミンベースの固体吸収材を用いた方法を採用している．当該技術の懸念事項として，長時間の運転に伴い，固体吸収材に担持されているアミンが気化し，大気中に放散することで吸収性能が徐々に低下し，それに伴うCO2回収効率の悪化と大気放散したアミンのニトロソアミンなどへの変質も指摘されていることから，アミンエミッションの過程を解明することが求められる．
本研究では，既存アミンの中でも固体吸収材に適しているとされるdiethanolamine(DEA)担持材と本研究で新規に開発されたアミン種であるWK-2担持材の2種類の吸収材を用い，実機をダウンサイジングして製作した小規模試験装置を導入し，実機の運転に基づいた条件下でのサイクル試験を通してアミンの揮散量・速度について定量的・定性的に評価した．さらに，実機条件のサイクル試験だけでは困難な長時間のアミンの揮散挙動についての詳細なデータ取得を目的とした小型の試験装置を製作した．当該装置は純水を入れた洗浄瓶にガスを送気させ，揮散したアミンを全捕集し，一定時間ごとに捕集水のサンプルを採取・分析するバッチ式の試験装置である．サイクル試験と同様に2種類の吸収材で実施し，サイクル試験とバッチ式試験で取得したアミンの揮散量について比較することでサイクル試験の妥当性を確認した．（姥迫 廉）
近年加速する温暖化を食い止めるべく，国内のCO₂排出量の10％を占める鉄鋼業では，高炉ガス中のCO₂を非化石燃料由来のエクセルギーで還元し，炭素を再利用する炭素循環製鉄の開発が進められている．本研究ではCO₂と製鉄所内の副生成物であるH₂から合成したCH₄を利用する炭素循環製鉄を想定している．炭素循環製鉄用のCO₂分離回収システムは吸収塔と再生塔の2塔切り替え式を想定し，吸収材としてリチウムシリケート（Li₄SiO₄，LS）の使用を検討している．LSは400～650 ℃でCO₂を吸収し，700～850 ℃で再生する繰り返し使用可能な多孔質体である．従来研究より，LSの吸収容量と吸収速度・圧力損失にはトレードオフの関係があることが分かっている．昨年度から矩形断面格子のハニカム成形体の研究が進められている．本年度はハニカム成形体のCO₂吸収・再生試験に向けた反応器の設計に加え，成形体の性能評価を実施した．反応器の試験結果を容易に模擬できる境界条件として，ハニカムの各チャンネルを周期境界とみなし，周囲を断熱境界として反応器を設計した．具体的にはハニカム成形体を対象とした2次元数値計算モデルを構築し，半径方向の温度分布を10℃以内とする反応器の直径を求めた．また，ハニカム成形体の吸収性能を評価するため，一部をサンプルとして熱重量測定を実施した結果，拡散律速となる反応終期における吸収速度の低下を確認した．反応の進行に伴い細孔径が縮小し，多孔質体内のCO2拡散抵抗の増大にもつながるため，水銀圧入法・SEM画像を用いて細孔径分布を測定した．従来の成形体と比較して細孔径は変化しなかったものの，空隙率が大幅に低下したため，製粉・成形過程がLSの吸収性能に及ぼす影響について検討した．（清水 愛莉）
地球温暖化抑制のため，主要因であるCO2の削減は急務である．2050年カーボンニュートラル実現のため，CO2を資源化するカーボンリサイクル技術が注目されている．その中でも造水プラント由来の廃かん水を用いたCO2固定化技術は，世界の淡水需要の増加によりCO2削減の量的寄与が増大することに加え，水素が不要かつ有価物を多数併産できることから早期普及が見込まれる．本技術は，廃かん水由来の塩化マグネシウムの熱分解により生成したMgOをCO2と気固接触反応させて最終的に骨材として利用可能な炭酸マグネシウムを生成する一連のプロセスで構成される．これまでの研究で，異なる温度条件下における塩化マグネシウムの熱分解では，CO2鉱物化速度の異なるMgOの生成が示唆された．そこで本研究ではMgOのCO2鉱物化速度向上を目的に，小型スクリューコンベア炉により塩化マグネシウムから熱分解したMgOの生成条件に対するCO2鉱物化速度への影響について研究した．
MgOの生成条件を評価するために，炉内温度を試算する定常一次元の伝熱モデルを構築した．また，これまでの研究では定性的に評価されていた塩化マグネシウムの熱分解率および塩化マグネシウム由来MgOによるCO2鉱物化率の評価をTG-DTAにより可能とした．MgOの生成条件を対照としたところ，加熱温度の上昇（設定温度500~600
°C）および炉内空気流量の低減による炉内温度の上昇に伴い，熱分解率およびCO2鉱物化率が向上する傾向が得られた．一方で，炉内温度のさらなる上昇により，
MgOの結晶構造が変化し，CO2鉱物化速度が低下することが実験的に確認された．そこで，生成条件と結晶構造の関係を調査したうえで，CO2鉱物化速度が最大となる生成条件を探索した．（大島 光太郎）
2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略において，カーボンリサイクル技術が期待されている．中でも，造水プラント由来の廃かん水を用いたCO2固定化技術は，大気中のCO2を削減するだけでなく，骨材として利用可能な炭酸マグネシウムを始め様々な有価物を併産可能なため，早期普及が期待されている．本プロセスでは，廃かん水中からNa+，K+，Ca2+およびSO42-を分離することで高純度の塩化マグネシウム(MgCl2･6H2O)を回収した後，脱水・熱分解操作によりCO2と反応可能な酸化マグネシウムを生成する．高純度のMgCl2･6H2Oを回収するためには，廃かん水中のCa2+およびSO42-を石膏および芒硝として析出分離する技術の確立が必要である．しかし，廃かん水中に含まれるSO42-の物質量はCa2+よりも多量であるため，従来の蒸発濃縮晶析操作のみではSO42-を完全に分離することができず，廃かん水中への残存が懸念される．残存SO42-はMg2+と結合するため，MgOの生成量減少に直結する．よって本研究では，廃かん水への塩化カルシウム(CaCl2)添加によってCa2+とSO42-のモルバランスをとり，全てのSO42-を石膏として分離することで損失Mgを減らし，MgCl2･6H2O回収量を増大させる方法について検討した．一般的に，CaCl2は炭酸カルシウムと塩酸の反応により生成されるが，同時にCO2が発生する．したがって，石炭ガス化複合発電により排出される石炭スラグ中の酸化カルシウムと本プロセスで併産される塩酸との反応により，CO2を発生させずにCaCl2を生成する手法を採用した．廃かん水への石炭スラグ由来CaCl2の添加をラボスケールで実施した結果，白色固体が析出した．固体析出後の廃かん水をICP分析により測定した結果，約77 mol%のSO42-の分離を確認した．（渡邊 悠斗）
第六次エネルギー基本計画では，2050年カーボンニュートラルに向けて電力部門の脱炭素化は大前提とされており，S+3Eを原則としつつ再生可能エネルギーの主力化を目指す方針が掲げられた．実用段階にある脱炭素電源の一つである原子力発電は優れた安定供給性と効率性を有する重要なベースロード電源であるため，これの再稼働・延命も重要となる．原子力発電の運用にあたっては安全性の確保が大前提であり，安全性の向上のためにリスクを減らし続ける必要がある．2011年の東日本大震災やこれに伴う津波により，福島第一原子力発電所では最終除熱機能を喪失し，水素爆発事故に至った．原子力規制委員会はこの教訓からシビアアクシデント時における水素処理システムの設置を求めており，深層防護の観点から複数の水素防爆対策の確保は重要な課題の一つである．有力な水素処理方式として金属酸化物による水素処理システムが検討されている．本研究では金属酸化物を用いた水素処理システムの根幹となる，酸化ニッケルと水素間での反応特性の取得を目指した．酸化ニッケル粒子による水素酸化反応では水蒸気雰囲気下で反応速度が低下することに加えて，比較的低温である175 °Cにおいて，反応初期に見かけ上反応の起こらない誘導期間が報告されており，これは酸化ニッケル表面固有の結晶構造に起因するものと考えられている．誘導期間と水蒸気による反応抑制メカニズムを模擬可能な反応モデルを文献値と反応速度式を生成項に組み込んだ0次元モデルの比較により構築した．酸化ニッケル処理材を充填したガス流通型反応器を用いた実験と補完的な数値計算によって，酸化ニッケル表面での水素酸化反応の反応特性を明らかにした．（久保田 純平）
SOFCの普及には，単セル出力密度向上による原材料費の削減が必要である．SOFCの電気化学反応では電極・電解質間でガス，酸化物イオン，電子が出会う領域である三相界面(TPB)が形成された反応場が重要となる．アノード・電解質間では，アノード材料と電解質材料からなる微細構造を介挿し，TPBのパスを３次元的に拡大することで単セルの出力密度の劇的な向上を確認している．昨年度までに，数値計算にて井桁の微細構造が部材径5 µm以下で有効となるが，特許登録されたネガポジ法の確立として，部材径500 µmの井桁構造の作製を完了している．この井桁構造の電解質材にはネガポジ法での充填性が良好なYSZを使用している．将来的にYSZ井桁構造介挿セルの評価を実施するにあたり，YSZ平板型セルが必要となるが，これまでにベンチマークとなるセルの標準的な作製法が確立しておらず，本年度はYSZ平板型セルの作製法を検討した．
YSZ平板型セルの作製にあたり，従来研究で使用されていたディップコーティング法では電解質膜が不均一であり，10 µm以下の膜の作製が困難であった．そこで本研究では電解質膜成形にスピンコーティング法を採用した．スピンコーティングにおいて基板上で回転する粘性流体モデルを考え，数値計算を実施した．数値計算を基に電解質スラリーの粘度を複数準備し，スピンコーティングの回転速度を変更することで，電解質膜厚を検討した．スラリーの高粘度化によってニュートン流体の仮定から外れ，電解質膜の不均一性の懸念があるため，高速化などの対策を講じた．膜の均一性を確保した上で，電解質濃度が5
vol%以下で10 µm以下の膜成形が可能であった．スピンコーティングを電解質膜成形法として，YSZ平板型単セルを作製した．（柳澤 拓真）
地域のカーボンニュートラルの達成には電力のみならず熱の脱炭素も重要であり，特にバイオマス由来や地域内で将来的に発生し続ける廃棄物処理施設由来の未利用熱は有効利用すべきである．しかしこれらの熱発生地および熱需要は面的に偏在しており．熱回生の拡大には時空間的なギャップを解消する必要がある．そこで熱可搬距離を拡大可能な蓄熱輸送技術の実装を検討している．これまでの研究ではゼオライトの水蒸気吸脱着サイクルを用いたシステムを検討しており，出熱装置“ゼオライトボイラ”はゼオライト層に既設ボイラ由来の高濃度蒸気を噴射し，発生した吸着熱を間接的に給水に伝熱し，噴射蒸気以上の蒸気量を生成することで既設ボイラの燃料を焚き減らす．蓄熱材として先行する欧州でも研究が進んでいる13X型ゼオライトや，より蓄熱密度が大きいLSX型は高温高湿環境下で水熱劣化により吸着量が低下することが報告されており，蒸気を噴射して層内温度が200 °Cに達するゼオライトボイラでの使用において劣化が生じる可能性がある．そこで本研究では充填層型試験装置を製作し，ゼオライトボイラの温湿度条件を模擬したガスを流通し，ゼオライトを高温高湿環境下に暴露する水熱劣化試験を実施した．13X，LSXに加え，劣化が生じないとされている4A型において75時間の劣化試験を実施した結果，4Aには吸着量の低下は生じなかったが，13X，LSXは未劣化時に対して約50 %までの吸着量の低下が確認された．次に得られた結果をゼオライトボイラの性能を予測する一次元数値解析モデルに反映させ，噴射蒸気に空気を混合し，層内最高温度を下げて劣化を回避する運転モードなど複数の運転条件を検討し，燃料削減効果が高い材料と運転条件の組合せを選定した．（齋藤 壮呉）