【技术应用】CO2回收技术在制造业和能源相关设施中的应用
摘 要：日本三菱重工（以下简称“三菱重工”）集团旗下的三菱重工工程株式会社拥有一项利用吸收液的CO2回收技术，其正在美国建设世界最大规模的CO2回收设施（约5000t/天）。但迄今为止，该技术仅应用于吸收燃煤发电的废气和化工厂内的废气。为满足近年来抑制CO2排放的社会需求，三菱重工正在着手研究将该技术应用于回收此前未涉足的产业领域的废气。本报告将介绍此前的讨论案例与今后的措施。
关键字：CO2回收技术、CO2回收装置、胺吸收液、CCS和CCU技术、生物质发电
1、引言
为削减全球CO2排放量，设定了到2040年人为CO2排放量比2014年减少1/3，到2060年实现碳中和的目标。2014年的CO2排放量为34.3Gt，其中，火力发电等发电部门约占40%；汽车、船舶等交通部门约占30%；钢铁、水泥等产业部门约占25%（图1）。
化石燃料的使用是上述部门产生CO2的主要原因，目前正在研究向氢和氨等燃料的转换以及太阳能、风能等可再生能源的利用。但是，这样的举措需要更新现有设备或装置、投入巨额资金完善社会基础设施以及更换系统等。按照社会要求的速度完成改造是非常困难的。另外，电和氢燃料的能量密度小，在应用于需要高温的大规模设备时存在诸多课题，因此在一些领域仍旧不得不依赖于化石燃料。
为在尽可能保留现有设备的情况下实现CO2减排，CO2回收技术应运而生。通过运用该技术，可以从燃烧化石燃料而产生的废气中去除并回收CO2。因此，通过在现有燃烧设备的后段废气处理工序中增设CO2回收装置，可以实现CO2减排。
图1. 各部门能源利用产生的CO2排放量（2014年）
2、CO2回收技术与现有的应用领域
图2示出三菱重工使用胺吸收液KS-1TM/KS-21TM的CO2回收技术。回收装置由废气冷却塔、吸收塔和再生塔组成。通过冷却塔将废气冷却到规定温度，再输送到吸收塔；吸收塔内部设置有使气体和液体接触的填充材料，废气在填充材料内部上升；从吸收塔的上部喷洒胺吸收液KS-1TM/KS-21TM，胺吸收液KS-1TM/KS-21TM在通过填充材料的同时吸收废气中的CO2；CO2被吸收后的废气从吸收塔的上部排出。另一方面，溶解了CO2的吸收液被输送到再生塔；在再生塔中加热吸收液，从吸收液中分离出CO2气体并回收。从再生塔的塔顶可以得到纯度99.9%的CO2。排出CO2后的吸收液再次被输送到吸收塔进行循环利用。
图2. CO2回收工艺示意图
三菱重工于1990年开始研发该项技术，1999年向马来西亚的化工厂交付了首台机器。自运行以来，已在化工厂和燃煤发电厂中取得了商用成果（图3）。此后，三菱重工通过改进工艺，提高了回收率并实现了节能，克服了长期运行过程中遇到的问题，从而提高了可靠性。2016年，三菱重工向美国德克萨斯州的燃煤发电厂交付了全球最大规模的CO2回收装置（4776吨/天），市场占有率居世界首位。
图3. CO2回收装置的交付业绩
3、新型应用领域的探讨
如上所述，为满足抑制CO2排放的社会需求，除现有的燃煤发电厂和化工厂外，三菱重工正在着手研究将CO2回收装置应用于其他新型产业领域。
3.1 船舶用发动机
作为日本国土交通省资助项目“海洋资源开发相关技术高度化研究开发项目”的一部分，三菱重工在燃煤运输船上安装了小型移动式CO2回收装置，并在海上开展了从重油锅炉废气中回收CO2的实证试验（图4）。该移动试验装置是一种可携带的小型装置，采用了图2所示的利用胺吸收液KS-1TM的CO2回收技术。重油锅炉的废气从烟囱的前面分支，一部分进入移动试验装置，用于CO2回收试验。
在船舶往返日本与澳大利亚的约40天期间，评价了航行时的晃动和振动对胺吸收液的CO2回收性能的影响，结果实现了规定的CO2去除率和回收纯度。面临的课题包括如何去除废气中的灰尘和酸性成分，以及为实现实用化需要设置适当的前处理装置。
图4. 船舶用发动机的应用案例
3.2 生物质火力发电
三菱重工与英国大型电力公司Drax公司合作，在英国BECCS（生物质能和碳捕获与封存，Bio Energy with Carbon Dioxide Capture and Storage）项目中开展从生物质发电的废气中回收CO2的试验。在该试验中，在英国北约克郡的生物质发电厂（图5）中安装了与船舶用发动机相同的移动式试验装置。
在本次试验中，进行了约4000小时的不间断运行，在确认规定性能的同时，还对生物质燃烧废气中所含杂质（碱金属、氯、硫等）的影响进行了评估。从目前得到的数据来看，这些杂质的影响很小，使用现有的设计方法即可解决。另外，该试验是在新冠疫情的背景下进行的，无法驻留在当地，因此利用远程监视系统（用于监视燃气轮机运转的TOMONI系统）来掌握运转状态并取得数据。目前正在进行改良型吸收液KS-21TM的试验。
生物质发电使用来自植物的燃料，从废气中回收CO2，可以实现“负排放（CO2净排放量为负值）”。通过该技术的实用化，计划在世界上率先实现商用规模的负排放发电。
图5. DRAX公司的生物质发电设施
4、今后的措施与课题
为扩大CO2回收装置的应用范围，也在讨论其在燃气轮机、炼铁厂、水泥窑、垃圾焚烧设备以及燃气发动机中的应用。根据CO2回收规模以及以废气中回收的难度，对新型应用领域进行了整理，如图6所示。列举了以下两点作为今后的课题。
（1）废气中共存物质的影响评价
船舶用发动机和生物质废气中的共存物质包括尘埃、碱金属、氯成分、硫成分等。水泥窑、炼铁设备和垃圾焚烧设备也需要进行同样的共存物质影响评估。
（2）能够应对不同设备规模的产品阵容
与以往应用较多的燃煤火力发电厂和化工厂相比，燃气轮机的废气排放量更多，需要回收的CO2也更多；而燃气发动机和垃圾焚烧设备的废气排放量少，需要小型、紧凑的产品。
另外，所回收的CO2的用途和处理也是一项重大课题。在世界最大规模的美国工厂中，回收的CO2被用于强化采油（EOR: Enhanced Oil Recovery）。另外，英国也正在推进将回收的CO2注入北海油田的计划。在CO2的利用方面，虽然根据利用规模各有不同，但地区差异大也是一大特征，因此还需开发CCS（Carbon Capture Storage）与CCU（Carbon Capture Utilization）技术。
图6. CO2回收装置的适用领域
5、总结
本文介绍了三菱重工利用胺吸收液KS-1TM/KS-21TM的CO2回收技术在船舶用发动机和生物质发电中应用时的对策——
（1）均采用小型移动式试验装置，在实际气体中进行了CO2回收试验，获得了真实环境下的重要技术经验和数据。
（2）今后，将在燃气轮机、炼铁设备、水泥窑、垃圾焚烧设备、燃气发动机等领域开展同样的研究。
今后的课题是评估气体中共存物质的影响以及开发能够应对不同CO2回收规模的产品。另外，在开发回收技术的同时，需要同步开发CO2的利用和CCS、CCU技术。
