スライド 1

Size: px

Start display at page:

Download "スライド 1"

すずりこやぎ
2 years ago
Views:

1 革新的膜分離技術シンポジウム講演 5 次世代型膜モジュール技術の進捗について次世代型膜モジュール技術研究組合専務理事中尾真一 1

2 二酸化炭素回収貯留 (CCS, capture and storage) 分離回収輸送圧入海上施設より圧入地上施設より圧入パイプライン輸送分離回収パイプライン輸送不透水層 ( キャップロック ) 大規模排出源陸域帯水層 ( 地下深部塩水層 ) 不透水層 ( キャップロック ) 海域帯水層 ( 地下深部塩水層 ) 帯水層の顕微鏡写真空隙部分にを貯留 2

3 CCS と分離回収技術総合科学技術会議環境エネルギー技術革新計画 (2013 年 9 月 13 日 ) 別添 3: 各技術項目のロードマップ等について 3

4 CCS と CO2 分離回収技術技術ロードマップ ( 分離回収技術 ) 2010 年 2020 年 2030 年分離回収コスト 4,200 円 /t-co2 2,000 円台 /t-co2 ( 分離膜の実用化で ) 1,500 円台 /t-co2 1,000 円台 /t-co2 分離回収エネルギー 4.0GJ/t-CO2 2.5GJ/t-CO2 ( 最終目標 ) 1.5GJ/t-CO2 Today 総合科学技術会議環境エネルギー技術革新計画 (2013 年 9 月 13 日 ) 別添 3: 各技術項目のロードマップ等についてより編集 4

5 エネルギー基本計画 ( 抜粋 ) 第 5 節化石燃料の効率的安定的な利用のための環境の整備 1. 高効率石炭 LNG 火力発電の有効活用の促進加えて温室効果ガスの大気中への排出をさらに抑えるため IGCC 等の次世代高効率石炭火力発電技術等の開発実用化を推進するとともに 2020 年頃の二酸化炭素回収貯留 (CCS) 技術の実用化を目指した研究開発や CCS の商用化の目途等も考慮しつつできるだけ早期の CCS Ready 導入に向けた検討を行うなど環境負荷の一層の低減に配慮した石炭火力発電の導入を進めるエネルギー基本計画 (2014 年 4 月 )

次世代型膜モジュールの開発水性ガスシフト反応 CO + H 2 O H 2 + 200 ~ 400 C 2~4 MPa 石炭蒸気熱交換器 H 2 O 2 ガス化炉

6 次世代型膜モジュールの開発水性ガスシフト反応 CO + H 2 O H ~ 400 C 2~4 MPa 石炭蒸気熱交換器 H 2 O 2 ガス化炉水性ガスシフト反応炉水性ガスシフト反応生成物組成 : ca40 vol%/ H 2 / 微量成分温度 : 50 ~ 150 C 圧力 : 2 ~ 4 MPa 回収コスト :1,500 円 /t- 6

7 1,500 円 /t- を実現する要求膜性能の検討初期目標性能 : Q CO2 > 供給ガス ca. 40% H 2 ca. 60% [m 3 (STP)m -2 s -1 Pa -1 ] α CO2/H2 >30 非透過ガス透過ガス CO2 回収率 >90% 濃度 >95 vol% 1 段システム供給ガス非透過ガス透過ガス CO2 回収率 >90% 濃度 >95 vol% 分解ガスの圧力を利用し動力を使用しないために再設定した目標膜性能 Q CO2 > [m 3 (STP)m -2 s -1 Pa -1 ] a CO2/H2 > 125 7

8 分子ゲート膜モジュールの IGCC への適用従来の高圧用物理吸収法に比べ低エネルギー物理吸収法の 1/3~1/4 * 低コスト 1,500 円 /t- ( 目標 ) *: 次世代型膜モジュール技術研究組合 ( 富津研究室 ) の試算による 8

9 分子ゲート膜とは分子ゲート機能を有する革新的な分離膜 H 2 供給側高圧 H 2 D CO2 << D H2 圧力従来の分離膜低圧透過側 a CO2/H2 < 1 ( 分子ふるい性膜 ) ~10 ( 溶解選択性膜 ) 分子ゲート膜 a CO2 /H 2 >125 9

10 分子ゲート膜の分離機構 ( 推定 ) H O R N C H O R N C O HCO 3 H O R N C O H N R H H H N R H H HCO 3 HCO 3 R NH 2 HCO 3 O HCO 3 H 2 N R H N R H H HCO 3 カルバメートによる分子ゲート機能は重炭酸イオンとして膜中を移動加湿条件下で高い分離性能モジュール構造システム上の水蒸気供給手法の導入 10

11 次世代型膜モジュール実現に向けて経済産業省委託二酸化炭素回収技術高度化事業二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業実施体制経済産業省委託次世代型膜モジュール技術研究組合倉敷研究室 : クラレ内茨木研究室 : 日東電工内富津研究室 : 新日鉄住金エンジニアリング内京都研究室 : ( 公財 ) 地球環境産業技術研究機構内 H23-H24 基礎研究 H25-H26 実用化研究 H27 以降実用化研究 ( 実ガス試験 ) 予定 11

12 次世代型膜モジュール技術研究組合の概要設立 : 平成 23 年 2 月 17 日事業の概要 : 二酸化炭素回収コストが 1,500 円 /t- を実現する次世代型分子ゲート機能膜実用膜モジュール及び膜システムに関する基盤基礎応用技術開発を行い IGCC+CCS 実証プラント運転を実施してその事業化を目指す 12

13 実用化研究の体制理事会研究推進委員会フロシェクトリーター中尾専務理事技術部総務部京都研究室倉敷研究室茨木研究室富津研究室 (RITE) ( クラレ ) ( 日東電工 ) ( 新日鉄住金エンシ ) 膜素材開発プロセス適合性付与検討膜モジュール実用化膜システム開発大学等再委託

14 目次 1. 分離膜技術の開発 2. 実機膜モジュールの開発 3. 膜分離システムの開発 14

15 目次 1. 分離膜技術の開発 2. 実機膜モジュールの開発 3. 膜分離システムの開発 15

16 PVA 系分子ゲート膜 H 2 N N H HN H 2 N O O O PAMAM dendrimer NH 2 N N N H NH O NH 2 PVA + Ti crosslinker PVA Ti crosslinker Dendrimer 16

17 a ( /He) [-] 分子ゲート膜の分離性能 ( 平成 24 年度 ) 平成 24 年度目標値 Q CO₂ > [m 3 (STP)m -2 s -1 Pa -1 ] a CO₂/He > (1) 0 1.0E E E E-09 Q CO₂ [m 3 (STP)m -2 s -1 Pa -1 ] (1) H. Lin, B. Freeman et al., Science, 311, (2006) 17

18 分子ゲート膜の分離メカニズム ( 推定 ) ガス供給側 HCO 3- : 重炭酸イオン律速? H O H 2 R-NH 2 R N C O N R H H H O R N C O H O R N C O H N R H H H N R H H 平衡 H 2 O R-NH 2 HCO - 3 平衡 HCO - 3 HCO - 3 溶解拡散 H O R N C O H N R H H HCO 3 - 脱着分子ゲート機能ガス透過側律速? 主要透過機構 18

19 反応速度の増加 : 反応促進触媒 O = C = O H H O O = C = O H -O 炭酸脱水酵素 (Carbonic Anhydrase(CA)) 活性中心 -H N Zn N N N O Zn N N O O C O H O C O H H O H N Zn N N H 2 O N Zn N N cat + H 2 O HCO 3- + H + Zn-H 2 O Zn-OH - + H + Zn-OH - + Zn-HCO 3 - Zn-HCO 3- + H 2 O Zn-H 2 O + HCO 3 - HCO 3- + H + cat + H 2 O Zn-H 2 O + HCO - 3 Zn-HCO 3- + H 2 O Zn-HCO - 3 Zn-OH - + Zn-OH - + H + 配位した Zn がと H 2 O からの HCO 3 - 生成を促進する Zn-H 2 O 19

20 a ( /He) [-] 分子ゲート膜の分離性能の向上平成 25 年度平成 24 年度目標値 Q CO₂ > [m 3 (STP)m -2 s -1 Pa -1 ] a CO₂/He > (1) 0 1.0E E E E-09 Q CO₂ [m 3 (STP)m -2 s -1 Pa -1 ] ラボレベルで目標分離性能を達成世界最高レベルの分離性能を更新 (1) H. Lin, B. Freeman et al., Science, 311, (2006) 20

21 目次 1. 分離膜技術の開発 2. 実機膜モジュールの開発 3. 膜分離システムの開発 21

22 膜モジュールの開発概略図写真 ( プロトタイプ ) 非透過カス原カス原カススヘーサー原カス集カス管分子ゲート平膜透過カススヘーサースパイラル型分離膜モジュール (4 インチ,20cm プロトタイプ ) >3MPa の耐圧性を確認スパイラル型分離膜モジュール 22

23 連続安定製膜について添加剤により膜性能バラツキを大幅に低減 23

24 モジュール効率の改善パーミアンス比 [%]=( モジュールのパーミアンス )/( 平膜のパーミアンス ) 100 モジュール構造の改良によりモジュール効率 70% 以上 24

25 モジュールサイズの影響 26

26 目次 1. 分離膜技術の開発 2. 実機膜モジュールの開発 3. 膜分離システムの開発 27

27 膜モジュール内部の計算モデル例 1m サイズリーフ有効膜面積 :0.8556m 2 供給ガス ( 接着部幅 :50) H 2 / =63.6/ ,000Nm3/Hr 2.4MPa ( 接着部幅 :25) 透過ガス大気圧 28

28 膜モジュール内部の濃度分布例 6 段直列に配置した場合濃度低濃度高高圧 ( 供給 ) 側高圧側と低圧側で範囲が異なる低圧 ( 透過 ) 側 29

29 回収率膜モジュール性能と膜面積膜面積大膜性能高膜面積小膜性能低濃度 (Dry) 膜モジュール性能と膜面積 ( 計算例 ) 30

30 シミュレーションによる目標分離性能の算出回収コスト円 /ton- 10,000 9,000 8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 /H 2 透過速度比 =125 回収濃度 : 95 mol% 回収率 :90% 目標値 1,500 円 /ton- 目標値 1,000 円 /ton- 0.E+00 2.E-10 4.E-10 6.E-10 8.E-10 1.E-09 透過速度 m 3 /(m 2 sec Pa) 31

31 石炭ガス化プロセスフロー水素燃料石炭ガス化炉熱回収脱塵脱硫ダスト類硫黄シフト反応膜分離 CO+H 2 O +H 2 回収 32

32 膜プラントの概念設計設備能力回収量 1,000,000 ton/ 年 (63,000 Nm 3 /h) 濃度 95 vol % 回収率 90 % 供給ガス圧力 2.4MPaA 温度 60 組成 36.4vol%(Dry) H vol%(Dry) ガス量 200,000 Nm 3 /h モジュール (20インチ) 長さ本数 1.6 m 1,800 本 33

33 設備イメージ図全景 1 ユニット ( 恒温室 ):5 10= モジュール 50 本 1 フロア :2 6=12 ユニット全体 :12 3 フロア =36 ユニット (=36 50= モジュール 1,800 本 ) 13m 24m 56m 34

34 まとめと今後の展開 1. 分離膜技術の開発膜材料の改良等により模擬ガスに関してラボレベルで目標性能を達成 2. 実機膜モジュールの開発モジュール構造の改良を行い単膜の性能を引き出すモジュールの開発に成功 3. 膜分離システムの開発シミュレーションによる目標性能の詳細検討膜プラントの概念設計等を実施今後 : 実ガス中の不純物耐性や長時間運転による耐久性等に関する評価を行い分子ゲート膜膜モジュール膜システムの実用化を目指す 35

35 謝辞本報告は経済産業省から次世代型膜モジュール技術研究組合が受託した平成 23~26 年度二酸化炭素膜モジュール研究開発事業の一環として行われたものである 36

36 ご清聴ありがとうございました 37

Microsoft PowerPoint - ä¸Łå°¾å–‹çflŁã••è¬łæ¼flPPT(HPæ”²è¼›çfl¨ï¼›

Microsoft PowerPoint - ä¸Łå°¾å–‹çflŁã••è¬łæ¼flPPT(HPæ”²è¼›çfl¨ï¼› 2019.1.18 16:05-16:35 第 8 回革新的 CO 2 膜分離技術シンポジウム活動報告 1 次世代型膜モジュール技術の進捗について次世代型膜モジュール技術研究組合専務理事中尾真一 1 目次 1.CCS に関する最近の動向 2. 次世代型膜モジュール技術開発の進捗 3. まとめと今後の展開 2 目次 1.CCS に関する最近の動向 2. 次世代型膜モジュール技術開発の進捗 3. まとめと今後の展開