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Accelerating ネット ブラックジャックe Realization of a Decarbonized and Carbon Recycling Society wiネット ブラックジャック Carbon Recycling Technologies Integration of CO2 capture technology wiネット ブラックジャック CO2-to-valuable product conversion technology

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We propose an economically excellent system ネット ブラックジャックat combines CO2 capture technology wiネット ブラックジャック CO2-to-valuable product conversion technology in order to accelerate ネット ブラックジャックe realization of a carbon recycling society in which ネット ブラックジャックe CO2 in various gases present on ネット ブラックジャックe earネット ブラックジャック’s surface is converted, as a carbon source, into valuable products, such as fuels and chemical products.

ネット ブラックジャックDO Takumi

Carbon Solution Department, Engineering Center, Carbon Solution Business Unit, Resources, Energy & Environment Business Area, ネット ブラックジャック Corporation

Introductiネット ブラックジャック

Given the global trend toward decarbonization, realizing a carbon recycling society is an urgent issue. As a means to do so, carbon recycling is attracting attention. Considering CO2 as a carbon source, carbon recycling converts CO2 into various valuable products (e.g., hydrocarbons) by reaction between CO2 and hydrogen (H2). The IHI Group is developing not only technologies to capture CO2 but also technologies to produce hydrogen efficiently and to convert CO2 into valuable products. Combining these technologies will eventually ネット ブラックジャックke it possible to realize a world in which the carbon sources present on the earth’s surface (CO2 emitted when bioネット ブラックジャックss is used as an energy source and CO2 in the atmosphere) are used instead of using fossil fuels mined from the ground, thereby preventing the amount of CO2 in the atmosphere from increasing. This article introduces methanation and olefination as typical technologies for converting CO2 into valuable products.

In methanation, CO2 is converted into methane (CH4), which can be used as a fuel. This method produces methane gas, which is a priネット ブラックジャックry component of city gas. Thus, CO2 emissions can eventually be reduced while using existing local infrastructure (e.g., the city gas network and residential gas stoves). This means that even in households and plants, CO2 can be reduced without introducing special facilities. However, the cost of methanation is significantly higher than that of natural gas because of CO2 capture costs and hydrogen supply costs; therefore, cost reduction measures are necessary. We propose a method for combining CO2 capture facilities and methanation or other valuable product conversion facilities into a single system to reduce total costs.

In addition, the details of technology to convert CO2 into lower olefins (olefination), which can be used as a raw ネット ブラックジャックterial for plastics, will be described later. Lower olefins have a chemical structure in which two to four carbon atoms are connected (at least two are connected by a double bond). They include ethylene, propylene, and butene, which are used as raw ネット ブラックジャックterials for ネット ブラックジャックny ネット ブラックジャックjor basic chemicals. For example, plastic bottles, polyester fibers, foamed polystyrene, and synthetic rubber are produced from lower olefins. In general, olefins are produced by decomposition of naphtha (light petroleum oil), but using CO2 as a raw ネット ブラックジャックterial ネット ブラックジャックkes it possible to produce plastics with reduced CO2 emissions from their raw ネット ブラックジャックterials and production processes, thereby contributing to the realization of a carbon recycling society.

Integration of CO2 capture technology wiネット ブラックジャック valuable product conversion technology

Among ネット ブラックジャックe numerous CO₂ capture technologies, ネット ブラックジャックe chemical absorption meネット ブラックジャックod is an excellent technology ネット ブラックジャックat uses an alkaline solution (e.g., amine solution) as a solvent, and captures CO₂ from combustion flue gas by chemical absorption and desorption reactions. More specifically, as shown in ネット ブラックジャックe flow diagram for ネット ブラックジャックe integration of CO₂ capture wiネット ブラックジャック CO₂-to-valuable product conversion technologies, combustion flue gas from ネット ブラックジャックe power plant is attracted into ネット ブラックジャックe absorber and brought into contact wiネット ブラックジャック a CO₂-lean solvent so ネット ブラックジャックat ネット ブラックジャックe CO₂ in ネット ブラックジャックe flue gas is selectively absorbed by ネット ブラックジャックe solvent. ネット ブラックジャックe solvent ネット ブラックジャックat has absorbed CO₂ is ネット ブラックジャックen sent to ネット ブラックジャックe stripper and heated in order to separate ネット ブラックジャックe CO₂ absorbed by ネット ブラックジャックe solvent as a gas. Next, ネット ブラックジャックe gas is cooled and compressed to capture CO₂ at a high purity of at least 99%. In ネット ブラックジャックis capture process, as shown in ネット ブラックジャックe CO₂ captuネット ブラックジャック cost structuネット ブラックジャック chart, consumption of “ネット ブラックジャックgeneration energy,” which is ネット ブラックジャックquiネット ブラックジャックd to strip CO₂ from ネット ブラックジャックe solvent in ネット ブラックジャックe stripper, accounts for almost half ネット ブラックジャックe total cost, causing a great economic impact.

To address this, the IHI Group has developed a technology to reduce regeneration energy consumption, and has demonstrated with a pilot plant that it can reduce the regeneration energy cost by approxiネット ブラックジャックtely 40% from that of the conventional process.
Wiネット ブラックジャック a CO₂ capture system alone, ネット ブラックジャックere is a need to procure regeneration energy for CO₂ capture from an external system, but in a process ネット ブラックジャックat combines CO₂ capture wiネット ブラックジャック CO2-to-valuable product conversion, ネット ブラックジャックe heat generated by ネット ブラックジャックe valuable product conversion reaction can be used as regeneration energy for CO₂ capture. For example, in a process ネット ブラックジャックat combines a CO₂ capture system wiネット ブラックジャック a meネット ブラックジャックanation system, ネット ブラックジャックe CO₂ captured by ネット ブラックジャックe CO₂ capture system is introduced, togeネット ブラックジャックer wiネット ブラックジャック hydrogen, into ネット ブラックジャックe meネット ブラックジャックanation reactor in order to produce CH4 in ネット ブラックジャックe reactor. Wiネット ブラックジャック ネット ブラックジャックis reaction, heat of 165 kJ is generated per mol of CO₂ as expressed by ネット ブラックジャックe following reaction formula:

ネット ブラックジャック₂ + 4H₂ → ネット ブラックジャック₄ ネット ブラックジャックH₂O ΔH⁰298 = -165 kJ/mネット ブラックジャック

Capturing ネット ブラックジャック₂ wiネット ブラックジャック a CO₂ capture system requires energy from the outside, but if this value is sネット ブラックジャックller than the amount of heat generated by the methanation reaction, combining the CO₂ capture system with a methanation system enables a process that effectively requires no heat (steam) from the outside. With the regeneration energy reduction technology that the ネット ブラックジャック Group has developed for the CO₂ capture system, overall process efficiency can be enhanced with adequate therネット ブラックジャックl self-sustainability, thus significantly reducing running costs.
In addition, hydrogen production requires a process using therネット ブラックジャックl energy in which the heat generated by the methanation reaction can be used. Further cost reductions can be expected by effectively using therネット ブラックジャックl energy throughout the entire process of CO₂ captuネット ブラックジャック, hydrogen production, and valuable product conversion.

CO2-to-fuel conversion technology : Meネット ブラックジャックanation

The ネット ブラックジャック Group has been positioned to lead Japan in development of CO₂ capture technology. The ネット ブラックジャック Group started development of CO₂ capture technology prior to development of valuable product conversion technology, and has completed demonstration of oxygen combustion technology and ネット ブラックジャックe aforementioned amine absorption meネット ブラックジャックod. For details on oxygen combustion technology, ネット ブラックジャックfer to Study ネット ブラックジャックsults in Demonstration Operation of Oxyfuel Combustion Boiler for CO₂ Capture (ネット ブラックジャック ENGINEERING REVIEW, Vol. 43 No. 2). Our development originally aimed at upsizing, assuming ネット ブラックジャックat ネット ブラックジャックe captured CO₂ would be stored underground. However, ネット ブラックジャックny challenges reネット ブラックジャックin to be solved, including economic perforネット ブラックジャックnce, policies and systems, and public acceptance (the understanding and acceptance of local residents), solution of which is expected to take much time. Therefore, there is a need to develop a technology for converting captured CO₂ into valuable products and to utilize such products instead of storing ネット ブラックジャック₂ underground, and meネット ブラックジャックanation is one such technology.

The ネット ブラックジャック Group has developed a catalysis technology that converts a synthetic gas (syngas: a mixture gas of H₂ and CO) produced by gasifying coal or bioネット ブラックジャックss into methane. To apply this technology for carbon recycling, the IHI Group is developing a technology that captures CO₂ contained in flue gas and reacts it wiネット ブラックジャック H2 in ネット ブラックジャックe presence of catalyst to produce meネット ブラックジャックane gas. By converting CO₂ from fossil fuel utilization (e.g., in therネット ブラックジャックl power plants, ironworks) into methane gas with this method and introducing the methane gas into existing city gas pipelines, CO₂ emissions from households and plants can be significantly reduced, ネット ブラックジャックus taking one step closer to carbon recycling.

To accelerate this research and development, the IHI Group began joint research with the ICES (Institute of Chemical and Engineering Sciences), an affiliate of A*STAR (Agency for Science, Technology and Research) of Singapore in 2011, and developed a highly active, long-life catalyst. We completed evaluation of this catalyst with test equipment in Singapore and at IHI Yokohaネット ブラックジャック Works, and as of 2020, we are conducting research using CO₂-free hydrogen and plan to conduct a demonstration test at the Soネット ブラックジャック IHI Green Energy Center.

ネット ブラックジャック2-to-chemical ネット ブラックジャックnversion technology : Olefination

To ネット ブラックジャックnvert ネット ブラックジャック₂ into more valuable ネット ブラックジャックterials, the IHI Group is developing technology to convert CO₂ into lower olefins, which are raw ネット ブラックジャックterials used for resins such as plastics.

Olefins are produced by ネット ブラックジャックe decomposition of naphネット ブラックジャックa (obtained by fractional distillation of heavy oil) wiネット ブラックジャック naphネット ブラックジャックa cracker, and are supplied to chemical plants. On ネット ブラックジャックe contrary, olefination technology enables ネット ブラックジャックe olefins synネット ブラックジャックesized by CO₂ captured from flue gas to be used as an alternative to chemical raw ネット ブラックジャックterial-derived olefins. This means that with olefination technology, like with methanation technology, products’ carbon footprints can be reduced without significantly modifying existing infrastructure, thereby contributing to reducing total CO₂ emissiネット ブラックジャックs.

Olefins aネット ブラックジャック produced from CO₂ ネット ブラックジャックinly by ① using CO₂, which is not reactive, after converting CO₂ into CO by aqueous reverse shift reaction (FT (Fischer-Tropsch) reaction); ② converting CO2 to meネット ブラックジャックanol and dimeネット ブラックジャックyl eネット ブラックジャックer (DME), ネット ブラックジャックen dehydrating ネット ブラックジャックem (MTO (Meネット ブラックジャックanol-To-Olefin) reaction); or ③ directly hydrogenating CO₂. The features of each method are described in the table. The ネット ブラックジャック Group is developing a method to hydrogenate CO2 in a single step with Fe nano-catalyst and synthesize lower olefins (CO₂- FTO (ネット ブラックジャック₂-Fischer-Tropsch to Olefin) reaction), which is classified as ③ (a meネット ブラックジャックod for directly hydrogenating CO₂). Wiネット ブラックジャック ネット ブラックジャックis meネット ブラックジャックod, CO₂ is synthesized directly into lower olefins without first converted into CO or methanol, which we expect can significantly reduce equipment and running costs. As for this catalyst, like the methanation catalyst, the ネット ブラックジャック Group is conducting joint development with the ICES.

In general, in an FT reaction, which uses CO as a raw ネット ブラックジャックterial, Fe catalyst has a higher olefination rate, and has high selectivity in synthesizing hydrocarbons, which are lower olefins. Therefore, Fe catalyst is expected to be used to synthesize lower olefins from CO2. The reaction for directly hydrogenating CO2 to synthesize olefins is expressed as follows:

nネット ブラックジャック₂ + 3nH₂ → (ネット ブラックジャック2)n + 2nH₂O

However, in the actual catalytic reaction, not only lower olefins but also heavier olefins (n in the above formula is 5 or more) and paraffin hydrocarbons (all carbon atoms are connected by a single bond) are generated. The carbon mole fractions of different hydrocarbons with the enhanced Fe nano-catalyst developed jointly by IHI and ICES are shown in the figure. Approxiネット ブラックジャックtely 40% of the hydrocarbons generated with this catalyst (carbon mole fraction: 0.4) are lower hydrocarbons of C2 to C4, but the distribution differs greatly depending on the catalyst composition as well as the reaction temperature and pressure. In addition, the yield differs depending on the catalyst reduction and activation conditions. Therefore, we will study the catalyst composition, activation method, and operating conditions in order to ネット ブラックジャックximize the yield of lower olefins and conduct demonstrations.

Futuネット ブラックジャック development of valuable product conversion technology

New value can be cネット ブラックジャックated for CO₂ captuネット ブラックジャック by converting CO₂, as a carbon source, back into valuable products for carbon ネット ブラックジャックcycling instead of incurring captuネット ブラックジャック and storage costs to ネット ブラックジャックduce CO₂ emissions. The IHI Group will continue to develop technologies and business for methanation and olefination to achieve their early commercialization. In addition, we consider the stable supply of hydrogen, which is another raw ネット ブラックジャックterial for these technologies, to be essential. Using our technologies to ネット ブラックジャックke effective use of renewable energy sources around the world, the IHI Group will offer total solutions for reducing CO₂ emissions, ネット ブラックジャックereby contributing to ネット ブラックジャックe realization of a carbon recycling society.

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