最新の二酸化炭素回収技術の研究

温室効果ガス（GHG）排出削減のための世界的な取り組みに呼応して、多くのプロセスメーカーが、さまざまな効率改善やグリーン電力の施策を事業活動に取り入れています。CO₂ を捕捉して貯留するCO₂ 回収技術は、有望な解決策を提供します。しかし、これが広く採用されるかどうかは、必要な技術の機能向上とコスト削減によって実現可能性を高まるかどうかにかかっています。

燃焼に関連する二酸化炭素回収には、燃焼前と燃焼後の2つのアプローチがあります。燃焼前回収では、ガス化や改質などの方法により、燃焼の前にCO₂ が捕捉されます。

一方、燃焼後回収は、一次プロセスにおける燃料燃焼の下流側で行われます。これは、溶剤やその他の方法を使用して、煙道ガスから直接二酸化炭素を回収します。このウェブページでは、燃焼後の回収に焦点を当てています。これは改造が可能であることや技術的な成熟度では有利ですが、燃焼前回収ほど効率的ではありません。

アミンガス処理は、産業環境で最も広く使用されている二酸化炭素回収方法です。この燃焼後技術は、二酸化炭素との結合に強い親和性を示すモノエタノールアミンなどのアミン溶液の化学的特性を活用したものです。プロセスの構成：

煙道ガスは、粉塵、粒子状物質、硫黄化合物、その他の汚染物質を除去するための浄化処理が行われます。この前処理により、アミン溶液および機器はファウリングや腐食から保護されます。その後、高温の煙道ガスは、アミン溶液による効率的な二酸化炭素吸収に最適な温度（約40～60 °C/104～140 °F）まで冷却されます。

冷却された煙道ガスは吸収塔の底部、通常は気液接触を促進するために充填材で満たされた円筒形容器に注入されます。アミン溶液の向流が塔の上部に投入されます。煙道ガスが塔を上昇する際、下降するアミン溶液に接触します。これにより、煙道ガス中のCO₂ がアミン分子と可逆的結合を形成し、ガスストリームから除去されます。

二酸化炭素リッチアミン溶液の移送：二酸化炭素リッチアミン溶液は、ディソーバーまたはリジェネレーターと呼ばれる別の処理塔にポンプ移送されます。このガスストリームは、その後の再生工程における効率を確保するために、ラマン分光計を使用して綿密に測定されます。

ディソーバーでは、二酸化炭素リッチアミン溶液が、通常は水蒸気圧入法により約110°C/230°Fまで加熱されます。この熱により、アミンと二酸化炭素の結合が断たれます。二酸化炭素が除去され、再生されたアミン溶液は、リジェネレーターの底部に向かって流れます。

アミン溶液の冷却と再循環：再生された高温のアミン溶液は、熱交換器を通って、その熱の一部を流入する二酸化炭素リッチ溶液に伝達してエネルギー効率を向上させます。さらに冷却すると、アミン溶液は二酸化炭素吸収に最適な温度に戻り、冷却されたアミン溶液はポンプで吸収塔の上部に戻され、このサイクルを繰り返します。

リジェネレーターの上部から放出される二酸化炭素は、輸送や貯留を容易にするため、圧縮して密度が高められます。この排出されるガスストリームは、多くの場合、TDLAS計装機器を使用して純度の分析が行われます。目的の用途に応じて、二酸化炭素は汚染物質を除去するために、さらに浄化工程を経ることもあります。

アミンガス処理のCO₂ 捕捉効率は、90%を超えています。ただし、再生には特にエネルギーが大量に消費され、プロセス全体で使用されるアミン溶液は時間とともに劣化するため、補充が必要となります。研究者たちは、工業プロセスからの排熱を利用するなど、よりエネルギー効率の優れた再生方法を検討することで、こうした課題に取り組んでいます。また、熱安定性が高く、劣化しにくい、より堅牢なアミン溶液の開発も進めています。

あまり使われていない方法ですが、分離膜式二酸化炭素回収は、特殊な膜の選択的透過性を利用して煙道ガスストリームから二酸化炭素を除去します。これらの膜は、しばしばポリマーやセラミック材料から成り、分子のゲートキーパーとして機能します。CO₂ は通過させますが、他のガスは遮断します。この方法の主な利点は、高温のアミンガス再生と比べて、必要なエネルギーが少ないことです。

主な工程：

1. 煙道ガスの前処理：煙道ガスは、通常、ろ過やスクラビングなどの浄化プロセスを経てから分離膜システムに流入します。この工程により、繊細な膜の細孔を詰まらせたり傷つけたりする可能性のある粉塵、粒子状物質、その他の不純物が除去されます。煙道ガスは、多くの場合は冷却され、使用される特定の膜材質に最適なレベルに湿度が調整されます。これにより、効率的な二酸化炭素分離が保証され、膜システム内の結露が防止されます。
2. 膜分離：前処理された煙道ガスは、選択的バリアとして機能する膜を通過します。分子サイズ、構造、膜素材への親和性の違いにより、二酸化炭素分子は、窒素など、ガスストリーム中の他のガスよりも速く膜を通過します。その結果、透過物と未透過物の2つの生成ガスストリームが生じます。二酸化炭素が豊富に含まれる透過物は膜を通過し、さらなる処理のために回収されます。CO₂ が除去された未透過物には、残りのガスが含まれています。これは大気中に放出されるか、一次工業プロセスに戻されます。
3. 二酸化炭素の圧縮と調整：二酸化炭素を多く含む透過ガスストリームは、輸送や貯留を容易にするため、圧縮して密度が高められます。目的の用途に応じて、二酸化炭素は汚染物質を除去するために、さらに浄化工程を経ることもあります。

少ないエネルギー必要量に加えて、膜システムは設置面積が小さいため、スペースが限られた環境での配置に最適です。しかし、分離膜式回収はアミン処理よりも効率が悪く、ガスストリームの組成、圧力、温度のわずかな変動が性能に悪影響を及ぼす可能性があります。

アミン処理と分離膜技術は、現在、大規模に使用されている唯一の燃焼後の二酸化炭素回収方法ですが、研究者たちは他のアプローチも検討しています。

その1つが、周囲空気から直接二酸化炭素を除去する直接空気回収（DAC）です。これは、二酸化炭素と化学的に結合する固体アミンや水酸化物溶液などの特殊な吸着材に空気を吸入させる高出力のファンを使用して行われます。吸着材が飽和すると、捕捉した二酸化炭素を放出するために加熱され、その後、有効利用または貯留のために回収されます。

DACは、自動車やその他の排出源から排出ガスを捕捉するための可能性を提供します。しかし、吸着材が壊れやすく、点源回収技術と比べて高いエネルギー必要量とコスト、有意の二酸化炭素回収を実現するためには大規模な配置が必要であることなどから、大きな導入障壁に直面しています。

バイオマスを燃料源として利用する研究が進められています。樹木などのバイオマスは、成長するにつれて大気中の二酸化炭素を吸収します。燃焼中に放出される二酸化炭素を後で回収することで、ユーザーは効果的にネガティブエミッションを達成することができます。しかし、バイオマスの成長には、広大な土地と水資源、そして持続可能な調達方法を慎重に検討する必要があります。

燃焼後二酸化炭素回収の普及は、回収だけでなく、有効利用や貯留に関する技術的・経済的障害の克服にもかかっています。アミンガス処理は非常に効率的ですが、多大なエネルギー投入と、使用する溶剤の定期的なメンテナンスが必要となります。これに対して、分離膜式回収は、エネルギー必要量が少ない一方で、効率は低くなります。どちらのプロセスもコストがかかります。

業界が実質ゼロ目標を達成するためには、戦略的な多様化が不可欠です。これらの目標を達成するには、プロセスの最適化、全体的なエネルギー効率の改善、再生可能資源の採用、二酸化炭素回収への取り組みなどを組み合わせる必要があります。それぞれの戦略における環境、技術、経済の妥協点をうまく調整することは、将来的に産業全体の持続可能性を高めるために極めて重要です。