1.要点

➢为应对全球变暖，需要降低大气中的二氧化碳（CO₂）浓度，并期望开发一种可减少CO₂集中排放源处能量消耗的CO₂回收技术。➢在一般用于从燃烧废气中回收CO₂的胺吸收法中，开发出一种通过向再生塔供给H₂以高效分离CO₂的“H₂汽提再生技术”，成功使再生塔温度大幅降低。 ➢通过组合使用该研究小组开发的“相分离型吸收剂”，实现了世界最高水平的节能化，所用能量仅为现有技术的四分之一。 ➢期望通过使用可再生能源产生的H₂，加速将燃烧废气中的CO₂再利用为各种碳化合物的技术开发，并为碳循环做出贡献。

在JST战略性创造研究推进事业的尖端低碳化技术开发（ALCA）中，名古屋大学的町田洋助教等人组成的研究小组开发了一种可以大幅降低从火力发电厂的废气等中回收并利用温室效应气体二氧化碳（CO₂）所需能量的技术。

以往，CO₂的回收需要超过100℃的热量和大量的能源（3～4GJ（千兆焦耳）/ton-CO₂），因此急需开发一种节能技术。

该研究小组开发了一种前所未有的CO₂回收技术，即向再生塔^注1）供给氢气（H₂）的H₂汽提再生技术^注2）。根据该技术，明确了可以在低于100℃温度（85℃）下将燃烧废气置换为CO₂／H₂气体。而且，通过结合使用废热利用技术和反应热回收技术，可以进一步减少能量。此外，通过结合使用该研究小组开发的相分离型吸收剂，得到了世界最高水平的节能效果，其中，再生塔温度为60℃，分离回收能量小于1GJ/ton-CO₂。

该技术有望对将燃烧废气中的CO₂和可再生能源产生的H₂合成甲烷、甲醇或汽油等的技术有所帮助，为碳循环做出贡献。

本研究成果已于2020年6月2日（美国东部夏令时）发表于美国化学会期刊《ACS ustainable Chemistry＆Engineering》的电子版。

本成果所涉及的项目、研究领域和研究课题如下：

战略性创造研究推进事业的尖端低碳化技术开发（ALCA）研究领域：碳循环化学系统的高效化（运行总结：辰巳敬产品评价技术基础机构理事长）研发课题名：相分离型节能CO2吸收剂的开发研发代表人：町田洋（名古屋大学大学院工学研究科助教）研发时间：2015年10月～2022年3月本项目中，JST为在中长期内持续稳定地推进温室效应气体的排放削减，以创建一种可实现突破并颠覆现有概念的“改变游戏规则的技术”为目标，在新的科学和技术知识的基础上进行研发以创建在减少温室效应气体方面具有巨大潜力的的技术。

2.研究背景和经过

为了在各国政府根据《巴黎协定》加强温室气体排放法规的过程中保持并增强产业竞争力，产业界期望开发一种低成本的CO₂减排技术。

CO₂捕集与封存（CO₂ Capture and Storage：CCS）^注３）技术被认为是一种有效手段，但所需成本和能源依然很高，而低成本化和节能化是技术能够在社会得以实施的关键。另外，近年来，对将回收的CO₂资源化并循环利用的CO₂捕集和利用（CO₂ Capture and Utilization：CCU）^注4）技术的开发已经超越了CCS。但是，同时也需要开发一种可减少分离和回收CO₂所需能量的技术。

3.研究内容

该研究小组在CO₂分离回收的节能化课题中，主要专注于材料开发和工艺开发这两个方面。本次，在工艺开发方面，该研究小组开发出一种向再生塔供给H₂的H₂汽提再生技术（图1）。

传统的CO₂回收利用工艺是从燃烧废气（CO₂、N₂、O₂等）中回收纯CO₂后，使其与H₂混合以进行CO₂还原反应。一般情况下，通用吸收剂Monoethannolamine：MEA）在约40℃下从燃烧废气中只吸收CO₂，在超过100℃的温度下再生纯CO₂，需要高达3-4GJ/ton-CO₂的能量。但是，在H₂汽提再生技术中，通过向再生塔供给H₂，使CO₂从吸收剂中汽提，塔内的CO₂分压下降，从而可以促进了CO₂从液相向气相的移动，并使其在低温（85℃）下再生（图2和图3）。从塔顶回收的CO₂和H₂的混合气体可作为CO₂还原反应的原料被直接利用。本技术通过利用100℃以下的低温废热和回收反应热等促进节能化。

本技术通过应用节能化作用更为显著的最新吸收液来进一步发挥作用。该研究小组开发的相分离型吸收剂^注5）具有可使CO₂在90℃的低温下再生的特征，并且通过与H₂汽提再生技术组合使用，可在H₂/CO₂的比值为4（甲烷合成条件）的情况下达到世界最高节能水平，即可在吸收塔温度为50℃、再生塔温度为60℃的条件下回收CO₂（图4），所需能量不满1GJ/ton－CO₂。在其他方面（甲醇合成：H₂/CO₂的比值为3，CO合成：H₂/CO₂的比值为1），再生塔温度的低温化和节能化也已成为可能。

4.未来展望

本研究成果与CCU工艺中CO₂回收工艺的节能化有关。今后，通过与CO₂转换工艺的研究人员合作，并推进整个CCU工艺的最优化，以期加速CO₂回收技术的社会事实，例如，从火力发电站等废气中高效回收利用CO₂等。

5.附记

本研究由名古屋大学的江崎丈裕研究员（现福冈大学助教）、山口毅助教、则永行庸教授等共同完成。

6.参考图

图1 利用“H₂汽提再生技术”的工艺概要

通过向再生塔底部供给H₂，并将CO₂从吸收液（液相）剥离到气相，可以实现分离。由于塔内的CO₂分压下降，促进了CO₂从液相向气相的移动，可以在低温（85℃）下进行再生。从塔顶回收的CO₂和H₂的混合气体可以直接作为CO₂还原反应的原料进行利用。如该图所示，利用发电站等废气中的CO₂和可再生能源（太阳能发电等）电解生成的H₂，可以使不依赖石油原料的燃料以及化学产品的制造过程成为可能。

图2 常规技术与本次所开发的技术之间的工艺比较

在现有CO₂回收和利用过程中，在吸收塔中从发电站等排出的燃烧废气（CO₂、N₂、O₂等）中回收纯CO₂后与H₂混合来进行CO₂还原反应。多数情况下，通用吸收液（Monoethannolamine：MEA）在40℃左右从燃烧废气中只吸收CO₂，在超过100℃的温度下再生纯CO₂，需要大量能量。本次所开发的技术通过将H₂直接投入再生塔，可以在低温（85℃）下回收CO₂。

图3 再生塔的内部情况

进行H₂汽提后，气相中存在H₂，CO₂比例下降，由此促进CO₂从液相向气相的移动。

图4 回收气体中的H₂/CO₂比和再生塔温度降低效果的比较

当H₂/CO₂比变大时，再生塔底部的温度进一步降低。在甲烷合成中，H₂/CO₂比为4时在化学计量上为最优，在甲醇合成中，H₂/CO₂比3时最优（图中椭圆的部分）。相分离型吸收剂的原本特征是在低温下再生，而且通过H₂汽提可以在更低温度下进行再生。

7. 术语说明

注1）再生塔

从发电站等中分离回收CO₂的胺吸收法由CO₂吸收塔和再生塔构成。发电站等的燃烧废气除CO₂外还包括N₂、O₂等，从再生塔中可回收纯CO₂，在吸收塔中仅从混合气体中吸收CO₂，在再生塔中通过加热只再生纯CO₂，因此可从混合气体中仅提取出CO₂。

注2）H₂汽提再生技术

CO₂和可再生能源H₂合成燃料和化学产品的过程（CCU技术之一）中，通常是在回收纯CO₂之后与H₂混合，并供应到还原反应器中。在H₂汽提再生技术中，向再生塔下部供给H₂气体。由此，塔内的CO₂分压降低，促进再生，从而降低再生温度并节省能量。从塔顶回收的CO₂/H₂混合气体直接供给至反应器。

注3）CO₂捕集与封存（CO₂ Capture and Storage：CCS）

从发电站等的废气中分离回收温室效应气体CO₂，并将其注入地下进行封存。

注4）CO₂捕集与利用（CO₂ Capture and Utilization：CCU）

将回收的CO₂转换为利用价值高的物质（燃料、化学产品、建材等）。

注5）相分离型吸收剂

在吸收CO₂之前具有均相，但在吸收CO₂时会分成两个液相。可以通过适当组合胺、有机溶剂和水来获得这种性能。当吸收CO₂之前的胺与CO₂结合时，极性会发生很大变化并分离。

8.论文信息

题目：“Energy-saving CO₂ capture by H₂ gas stripping for integrating CO₂ separation and conversion processes”

DOI：10.1021/acssuschemeng.0c02459

利用氢气的节能型CO2回收技术的开发！将火力发电站等的废气混合气化，直接用作燃料和化学产品原料