Among the Carbon Dioxide Capture and Storage (CCS) technologies that are expected to be used to address the increasingly serious problem of global warming, the chemical absorption method is attracting attention, and the development of new amine absorbents is being actively carried out. Therefore, it is important to establish a performance evaluation method common to all amine absorbents. This study aimed to establish an evaluation method for the separation performance of amine absorbents by means of tests and models.
In the establishment of the test evaluation method, the validity of the evaluation method was verified in detail using Lab-scale equipment owned on campus. As a result, it was found that the measurement of heat loss in the regeneration column and the flow rates of CO2 and water vapor generated from the stripper were important, and a test evaluation method for the CO2 separation performance was established.
To establish a model-based evaluation method, the chemical absorption plant
was divided into three blocks (absorber, heat exchanger, and stripper)
using spreadsheet, and a model was constructed by reflecting VLE (Vapor
Liquid Equilibrium) and other liquid properties in each mathematical model.
The validity of the simplified model was verified. As a result, it was
shown that the simplified model is effective in comparing the CO2 separation
performance of each amine absorption liquid.
The absorption of carbon dioxide by aqueous amine solutions is the most technically mature and advanced approach for practical application of CCS. However, the continuous operation over extended periods result in degradation of amine solution, causes problems such as decrease in the CO2 capture rate and equipment corrosion. The accelerated aging system stands as a critical technology in the development of new absorbent solutions, which have high degradation resistance. The accelerated aging system shortens the time needed to assess the durability of these solutions and enables the evaluation of operational characteristics post-degradation. The primary factors believed to influence the degradation of amine solution are the concentration of oxygen in exhaust gases, effect of temperature, CO2 loading, and the effect of metallic ion. Varying these conditions may accelerate the degradation.
In this study, an accelerated degradation test apparatus, which can test a wide range of amine types under the conditions described above, is designed. We also conducted test runs and acquired the data necessary for accelerated degradation. The accelerated degradation test apparatus can change the oxygen concentration of the supply gas by supplying oxygen from an O2 generator and has a function to switch between two different rich amine pathways in order to verify the effect of the residence time of CO2-rich amine in high-temperature areas on degradation. In addition, the system is equipped with a function which automatically controls pumps, blowers, heaters, etc. according to liquid level, flow rate, and temperature to enable continuous operation for long periods of time in unattended operation. This test apparatus also circulates and reuses gas discharged from the top of the absorption and stripper columns to reduce operating costs and CO2 emissions. Tests were conducted to verify that the expected specifications were met. As a result, it was found that the system can be operated in several hours of automation, at steady-state conditions, and at low flow rates. Although, at high flow rates, only about 40% of the assumed 90% of CO2 can be recovered. It is necessary to increase the gas residence time in the absorption column by increasing the column diameter while taking countermeasures against deflection.
Aste brine produced from the existing fleet of desalination facilities could remove and stabilize ~231 Mt-CO2/y as Mg-carbonate. The source carbon dioxide can range in concentration from the ambient atmosphere to 100% CO2, allowing for a range of applications, including as an alternative to underground storage for direct air capture and point source CO2 capture systems. To achieve rapid CO2 removal via mineralization into Mg-carbonate, it is necessary to establish a process for thermally decomposing hydrated Mg-chloride extracted from waste brine. When heated above 400 °C, hydrated Mg-chloride thermally decomposes into MgO. While this route is operated industrially using fossil fuel burners at >800 °C, we produced MgO from waste brine-derived Mg-chloride dihydrate in an electric, rotary kiln at temperatures <600 °C. In our process, thermal decomposition to MgO reached 96.7% when the kiln was operated at 600 °C (Powder temperature prediction: 520 °C). Subsequent gas-solid reaction of MgO with CO2 in a 30 °C incubator found that MgO produced in 500 °C yielded the fastest CO2 mineralization. To further accelerate the CO2 mineralization rate, the energy consumption of grinding the MgO to smaller particles sizes and increasing the concentration of CO2 were evaluated; grinding was found to be substantially less energy intensive than increasing the CO2 concentration. Optimizing CO2 mineralization using desalination brine can be achieved by a combination of low-temperature thermal decomposition of hydrated Mg-chloride and fine grinding of the generated MgO.
This investigation explores the innovative potential of Enhanced Rock Weathering (ERW) as a strategic and effective method for combating global warming. By leveraging the natural weathering process of specific rocks, this approach aims to capture atmospheric CO2, thereby reducing the greenhouse gas concentrations responsible for climate change. Our research particularly shines a light on the mineralization capabilities of serpentinite and olivine, with a special focus on serpentinite from Kochi and Nagano, which have demonstrated exceptional CO2 capture rates.
Detailed investigation under conditions optimized for humidity reveals
that serpentinite from Kochi exhibits a significant improvement in CO2
mineralization efficiency with an 80wt% water addition. In contrast, serpentinite
from Nagano reaches its peak efficiency with a 40wt% water addition. These
pivotal findings underscore the importance of careful selection of rock
types and the effective management of environmental conditions to significantly
enhance the efficiency of Enhanced Rock Weathering processes. By doing
so, the study not only contributes to the development of viable carbon
sequestration methods but also highlights the essential role of precision
in rock selection and environmental adjustments. In essence, we can harness
the earth's own mechanisms to combat the growing challenge of global warming,
thereby paving the way for a more sustainable future.
This study aims to explore the construction of a carbon value chain between the steel and chemical industries during the transition to carbon neutrality under restrictions on fossil fuel use, with a focus on sustainability and resource efficiency. Specific ally, it analyzes the carbon flow and the economic and environmental impacts of recycling waste plastics and by product gases in the Tokyo Bay industrial complex in Japan. The results show that utilizing all by product gases can achieve an annual productio n of monoethylene glycol (MEG) approximately 3.5 times the annual ethylene production capacity of the Tokyo Bay complex.
Variable Renewable Energy (VRE), which is expected to alternate fossil fuels, is being actively introduced in many countries toward the goal of carbon neutrality in 2050. The large introduction of VRE is expected to cause a mismatch in demand over time and space. Therefore, the development of energy storage technologies is necessary to realize a stable energy supply. In this study, we focus on the chemical energy storage technology of methane, which is expected as the core of carbon recycling, and propose the adoption of the electrochemical partial oxidation (EPOx) of methane by using solid oxide fuel cells (SOFC) as a technology for obtaining syngas from methane, which is a part of the storage process. In order to make it possible to install EPOx with low capital cost, a simple and compact system was designed to be operated thermally self-sustaining using the heat irreversibly generated in the SOFC and partial combustion of syngas. The syngas generation system using EPOx was built and thermally self-sustaining operation points were explored in consideration of the composition of the produced gas, power generation, and heat loss, and the performance of the system as a co-production system for syngas production and power generation was evaluated.
Decarbonation of heat supply is as important as that of electricity to achieve carbon neutrality in local communities by 2050 and to ensure a sustainable supply of energy thereafter. Especially, unused heat from waste incineration that will be inevitably exhausted in the region should be utilized locally. However, it is difficult to geographically and temporally match between heat demand and supply. Thermal energy storage and transport technology utilizing zeolite steam adsorption and desorption cycle can resolve this spatiotemporal mismatch. The system is divided into heat storage, transport, and heat discharging processes. In a heat discharging device called zeolite boiler, zeolite adsorbs steam derived from existing boilers to discharge their stored heat and the heat generates more steam than the zeolite adsorbed, thereby reducing the fuel used in existing boilers. The purpose of this research is to improve the performance of the heat discharging process. A new process was proposed in which adsorbed water is supplied as humidified air, aiming to increase the generated steam enthalpy by raising both the net steam flow rate and the pressure. Based on a system-level technical evaluation utilizing numerical analysis, it was found that the new process enables CO2 reduction even during steam generation at 0.4 MPa, which was previously deemed unachievable.
変動性再生可能エネルギーの大量導入による電力の時空間的な需給ミスマッチを解消するため，安価かつ容易な輸送形態を考慮したエネルギー貯蔵媒体への変換，いわゆるPower
to X技術が必須となる．その例としてメタンを常温常圧で液体として貯蔵できるメタノールに変換・利用する方法が期待されているが，メタンからメタノールへの直接変換は難しく，Syngasを経由して発電しながら変換する電気化学的部分酸化の研究を進めている．この反応器として低温のイオン伝導性をもつGDCを電解質層としたSOFCを用い，発電とエネルギー貯蔵のコプロダクションを具現化すべく，今年度はCO選択率向上のため部分酸化触媒の機能層の積層方法を検討・開発した．
セル形状として作製の自由度が高いコイン型SOFCを選定し，触媒層積層法として電解質層と同様に，均一な薄膜化が期待できるスピンコート法を採用した．コスト削減のため担持層にγ-Al2O3を，機能層にNiを選定した．電解質と同様に，乾式混合＋湿式混合した後にアノード基板に積層し，1350
℃にて焼結した．電解質スラリーと同様の組成にてスラリーを試作した結果，触媒層の均一性やスラリー分散が不十分であったため，バインダーや分散剤の分量を適正化した結果，これらの課題は解消された．また，SOFC作製時間の短縮のため，触媒層と電解質層の同時焼結についても検討した．先に作製したスラリーを用いた結果，スラリーと基板の収縮率の差異に起因する膜剥離や基板の変形が顕著となった．そこで，フラットな反応界面確保のために実施するアノード基板の脱脂温度を1350
℃に変更した上で，収縮差の緩衝目的に触媒スラリーに電解質主成分のGDCを混合した結果，膜剥離と変形において大幅な改善が見られた．（池田 健輔）
近年，地球温暖化対策としてCO2排出量削減への取り組みが世界的に加速している．日本では鉄鋼業界のCO2排出量が全体の約13%を占め，製鉄所から排出されるCO2を分離・回収する技術が開発されている．リチウムシリケート（Li4SiO4，LS）は400～650 oCでCO2を吸収，700～850 oCで再生する固体吸収材であり，再生に必要なエネルギーを吸収時の反応熱から高いエクセルギー率で回収できるため，高温プロセスと組み合わせたCCUSに適している．これまでの研究により，LSによるCO2の吸収・放出反応は，吸収反応におけるCO2の固体内拡散が全体の律速となることがわかっており，過去には円筒ペレット形やストロー形等のLSについて形状設計がなされてきた．
本研究では吸収容量を低下させずに，反応器通過時の圧力損失を抑えることが可能なハニカム形状のLSを対象とした．しかしながら，従来の方法で作製した供試体では，焼成時の過度な焼結によるCO2の拡散阻害や，焼成前後の変形・亀裂が課題となっていた．種々の焼成条件について検討したところ，昇温中に700
oCの温度で一定時間保持することにより，焼成体の収縮が抑えられ，吸収容量の向上と変形の緩和に一定の効果が見られた．また，焼成過程で揮発させる添加物について，揮発速度の低減による亀裂の抑制効果が確認された．さらに，ハニカムから切り出した試験片を焼成したところ，断面内で異なる収縮率の分布が見られ，不均一な収縮により変形が生じていることがわかった．これは押出成形において，混練体の一部が金具により狭窄され，粉体の充填度に差が生じるためだとと考えられる．そのため，従来の押出成形に代わり，等方的な収縮が期待できるゲルキャスティング成形を実施し，その効果を確認した．（曾 泊軒）
近年，地球温暖化が一因と考えられる異常気象が各地で発生しており，世界全体で気候変動の緩和策が喫緊の課題となっている．中でも地球温暖化の主要因である温室効果ガスの約90%を占めるCO2の削減が急務となっており，脱炭素困難部門で排出されたCO2を大気から吸収・固定化するネガティブエミッション技術が必要不可欠と考えられている．同技術の一つである岩石風化促進は，岩石を研削して風化を人工的に加速させ，大気中のCO2を半永久的に固定化する技術であり，自然現象の加速で必要な土地や水も少ないことから早期普及が見込まれる技術である．一方で，実用化に向けて炭素会計が不確実で，耕作地散布に向かない超塩基性苦鉄質岩の方がCO2吸収量も多い．これらの岩石に適した工業的な気固接触での風化促進技術を開発すべく本研究では，気固接触型岩石風化促進におけるCO2鉱物化速度向上要因として支配的な湿分と温度の影響について調査した．橄欖岩および蛇紋岩に純水を添加し，その水溶液のpH とCO2拡散係数の関係を調査したところ，pH の上昇に伴うCO2鉱物化速度の向上が確認された．したがって，同一岩石であっても異なる pH 条件下ではCO2鉱物化量も異なると予測し，蛇紋岩に酸および塩基性の水溶液としてHClおよびNaOHを噴霧してCO2鉱物化試験を実施したところ，HCl噴霧時に反応速度の向上が確認された．また，異なる温度条件下でCaSiO3および蛇紋岩のCO2鉱物化試験を実施したところ，反応初期においてCO2 鉱物化量の増加が確認された．既往研究においてCO2鉱物化に対する湿度の影響が報告されていることから，アレニウス則だけでなく温度上昇に伴う絶対湿度増によっても，反応速度が増加したと考えられる．（松谷 和真）
2050年までのカーボンニュートラル達成のため，カーボンリサイクル技術の早期普及が求められている．中でもCO2鉱物化によるカーボンリサイクルは水素が不要であるため早期の社会実装が見込まれる．海水を基にしたCO2鉱物化技術は，高純度なMgOを生産し，炭酸マグネシウムとしてCO2を半永久的に固定化する一連のプロセスで構成される．本プロセスには系外からの化学的添加物が不要である．得られた炭酸マグネシウムは人工細骨材や石膏ボードの代替素材として利用を検討しており，CCUの実現による利益の創出ができる．炭酸マグネシウムを安定的に回収するためには，高純度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とCO2の気固接触反応に要する時間を低減するため，ラボスケールの粉体微細化装置を使用しCO2鉱物化とMgOの研削を並行化する方法が確立された．本研究では，プロセスの大規模実装を見据え，パイロットスケールでの粉体微細化装置の操作方法を試験的に検討した．試験では調湿器の温度とCO2流量を操作し湿度条件を調査した．その結果，大規模な粉体微細化装置では，高速なCO2鉱物化のために高湿度ガスを流入させる必要があった．一方で，粉体微細化装置内のサンプル固着量が増加して運転が不安定となった．そこで粉体微細化装置と併用するCO2鉱物化装置として加圧式の反応容器を製作した．本装置では耐圧容器に化学量論の水とCO2ガスを圧入して室温で放置する．得られた炭酸マグネシウムを熱天秤とXRDを用いて分析した結果，石膏ボード材への利用に適したNesquehoniteが主生成物であった．したがって粉体微細化装置と加圧式反応容器の併用が，本プロセスのCO2鉱物化操作の大規模化に適していることが分かった．（大石 彰英）
日本では供給される１次エネルギーのうち約６割が未利用熱で，これらの大半を200℃未満の低温熱が占めている．そのため，低温の未利用熱を活用する技術の早急な技術の普及が脱炭素には不可欠である．アミン‐CO2ランキンサイクルは作動流体に用いるアミン溶液のCO2吸収作用を活用した発電技術であり，蒸発時のCO2放散，凝縮時の吸収によるサイクル内圧力差の拡大と沸点の変化により，効率的な熱回収を可能にしている．本研究では，サイクルの効率化へ向けて最重要機器となる凝縮吸収器を対象に，アミン溶液の基礎物性と凝縮吸収挙動の試験データの取得，それらを用いた1Dモデルによる予測を目的として，昨年度成果からの精度改善を目指した．基礎物性については，濡れ壁塔の改良と試験条件の見直しによって精度向上を図り，文献値の豊富な溶液を用いて複数条件においてそれらの妥当性を確認した上で，気液平衡と物質移動係数を取得した．凝縮吸収器については，圧力と凝縮器内アミン溶液噴射量を変更して凝縮吸収挙動のデータを取得した．これらの結果を反映して凝縮吸収器の1Dモデルを改良した．既存のモデルではCO2吸収量を10倍ほど過大評価しており，この誤差の原因として凝縮吸収器内での凝縮量分布の差，水蒸気凝縮による凝縮水のCO2吸収阻害効果が推測された．そのため、平行平板凝縮吸収器に合わせ凝縮量の計算方法を変更，凝縮水の影響は拡散による吸収阻害およびアミン溶液の希薄化のいずれかで反映したところ，いずれの場合においても計算結果が試験結果に近づいた．特に，後者の場合には吸収量に補正係数を考慮せずとも±25%での再現が可能となり，実際の物理現象を的確に捉えたモデル化であると考えられる．（佐藤 結斗）
近年，地球温暖化が深刻化しているが，その緩和策の一つとしてCCS(Carbon dioxide Capture and Storage)技術が注目されている．CCS技術のうちのアミン系水溶液を用いた吸収法は，化石燃料を用いる火力発電所などの大規模CO2排出源に適応でき，既に実用化済みの技術である．しかし，アミン溶液の劣化には時間を要するため，劣化の評価に長時間かかるという課題がある．そこで，短時間で同じ劣化モードを発現させるアミン溶液の加速劣化が可能であれば，劣化評価の時間を短縮可能となる．本研究では，アミン溶液の劣化因子の一つとされる接液部からの溶出金属イオンの劣化促進効果を次世代標準液であるAMP(2-amino-2-methyl-1-propanol)とPZ(piperazine)の混合液を対象に調査した．試験ではFe,Mn,Cr,Niを添加し，Mnの添加量を変化させ，金属イオン濃度・ギ酸濃度・密度・粘度・気液平衡特性を測定した．
金属イオン濃度について，既往研究では，Feイオン濃度は時間に対して2次の多項式で近似できるとの報告がある．しかしながら，予備試験の測定結果ではMnの添加量の大小にかかわらずほぼ一定であった．また，既往研究よりも添加量に対して溶解濃度が高いことが確認された．Mnは添加量を増加させた場合でも，一定以上添加すると溶解度の限界から，時間経過に伴うアミン分解でpHが中性に近づかない限り液中のイオン濃度が増加しなかった．
ギ酸濃度について，金属塩を添加した場合の方が無添加の場合よりもギ酸生成速度は大きくなった．また，金属塩を添加した場合でもMnイオンの量に比例したギ酸生成速度となるわけではなく，FeイオンとMnイオンのモル比により，ギ酸生成速度が最大化される点があることが確認された．（松澤 孝一）
深刻化する地球温暖化の主な原因の一つである人為的CO2排出抑制のためCO2分離回収技術が注目されている．その中でもアミン吸収液を用いた化学吸収法はすでに実用化段階だが，高い再生熱量などの課題がある．当該課題解消に向け新たに開発された吸収液に対し，気液平衡特性などの基礎特性から簡易的に吸収液の性能予測が可能であるが，吸収液基礎特性の評価方法は標準化されておらず，異なる吸収液の中立な性能比較が困難である．そこで，本研究では吸収液の基礎特性として重要な気液平衡特性・液側物質移動係数・密度の各測定試験結果の妥当性と再現性の検証を通して，標準的な測定方法の確立し，その精度を評価した．検証対象の試験方法は当研究室の既往研究で実施されている高温条件における気液平衡特性を取得するオートクレーブ試験，低温条件における気液平衡特性と液側物質移動係数を取得する濡れ壁塔試験，密度を測定する振動式密度試験とした．妥当性は当研究室の試験結果と文献値の直接比較だけでなく，両者の測定機器の精度を基に定量化した測定の不確かさも考慮した真値の存在しうる範囲を図示し，それらが重なれば妥当と判断した．再現性は同じ試験条件の複数の試験結果が各試験の真値の存在範囲内に収まることを基準として判断した．試験の装置と方法を改良し，上述の各検証を実施した結果，オートクレーブ試験，濡れ壁塔試験および振動式密度試験にて化学吸収法の一般的な運転条件において妥当性および再現性が確認され，標準評価法を確立した．また，不確かさの成分を分離して各測定項目の不確かさの支配度を考察したところ，気液平衡特性では圧力およびCO2濃度が支配的で測定機材の選定が重要であることがわかった．（宮下 友）