資源利用プロセス学
資源利用プロセス学
資源利用プロセス学

資源利用プロセス学分野

教授
村上太一

素材産業のエネルギーと資源の問題を環境科学で切り拓く
製鉄プロセスにおけるゼロカーボン化を推進

 

鉄鋼業界のカーボンニュートラルは国家プロジェクト
世界中でカーボンニュートラルの必要性が叫ばれている現在、鉄鋼業界における製錬プロセスには大きな変革が求められています。人類の文明と産業を支える鋼を作るための製鉄法は、数千年の歴史のなかでそのプロセスも変遷してきましたが、効率重視の観点からこの200年弱は石炭由来のエネルギーを多量に使用し、二酸化炭素を大量に排出する高炉法が採用されています。
日本の製鉄技術は、世界でも高水準のエネルギー効率を達成しているものの、地球規模でさらなるCO2削減を目指すために、日本では2050年までにカーボンニュートラルを可能にする技術革新を推進する産学連携の大型国家プロジェクト(グリーンイノベーション基金事業)が動いています。これは2030年ごろまでにそれらの技術を確立し、2050年に実用化を目指すものです。
村上研究室は、このナショナルプロジェクトにも参画し、製鉄における新たなプロセスを提案できるよう日々、知恵をしぼっています。

世界をリードする超効率的な製造プロセスの研究
現状の鉄鋼材料の製造プロセスでは、原料となる鉄鉱石を還元して鉄にするために石炭を蒸し焼きにしたコークスが使われており、これによってCO2が大量に発生します。私たちはこのCO2の排出をゼロ(ゼロカーボン化)にするための、2つの取り組みを研究しています。
ひとつは水素を鉄鉱石の還元材として使う方法、もうひとつは鉄を作った後にできたCO2を回収し、そこから取り出した炭素を固体化し、もう一度製造プロセスで利用するというアプローチです。
どちらがより現実的かはこれから分かってくることですが、ゼロカーボン化の実現に向けて最適な方策を探っているところです。

あらゆる方法で環境負荷を低減する
村上研究室では、素材製造過程やリサイクルプロセスをさらに効率化させ、かつ環境負荷を減らし、さらには鉄の新しい有効利用法を開発するために、「製錬プロセスのゼロカーボン化」「金属資源の高度有効利用」「多孔質材料の製造と利用方法開発」などをテーマに学理形成と産学連携による実用化研究を行っています。
素材産業界への貢献がミッションのひとつであるため、産学連携のプロジェクトが活発であるのも私たちの研究室の大きな特徴です。社会実装を目指す研究のため、素材メーカーの方々と一緒に仕事することも多く、彼らの問題意識を共有し、それを解決するアイデアを提案することが重要です。鉄鋼をはじめとする素材産業界の問題やニーズをわれわれのシーズで解決していくことが、この研究の醍醐味ともいえます。

Projects

水素製鉄実現に向けた原料設計に関する研究

カーボンニュートラルを実現するための水素製鉄に用いる原料の炉内での劣化メカニズムの解明とその抑制手段の開発研究を行っています。具体的には、製鉄原料をどのような複合塊成原料(焼結鉱やペレット)にするか、そして水素を用いていかに安定的・効率的な製錬プロセスを開発するか、ということに挑戦しています。
水素製鉄には、炉内で原料の粉化・固着化が進んでしまうという課題があるため、それを抑制できる新しい原料(塊成鉱)の開発が必要です。より高速で効率的、かつCO2削減に資することが条件です。波及効果の高い鉄鋼産業でこれらを実現することで大きな効果が期待できます。

新規炭素循環製鉄に関する研究

製鉄プロセスで排出されるガスを回収し、固体の炭素まで改質し再利用する炭素循環製鉄法の開発や、高炉原料の塊成化プロセスである焼結機の低炭素操業法の開発や製品品質改善などを研究しています。
また、今後使用が求められているリン濃度の高い鉄鉱石の有効利用法の開発なども実施しているところです。
さらに近年は、独自に開発した多孔質金属材料の製造と利用方法開発も進めています。これは繊維状の鉄を発熱材や水素貯留、炭素回収触媒として利用しようとするものです。この繊維状の鉄は、気孔率が95%以上ととても軽く、数マイクロメートルの細さの鉄が紐のように入り組んだ構造になっています。これを粉末にすると発熱材にも使えるなど、さまざま用途が期待されており、各用途に応じた形状制御方法の検討を進めています。

Topics

多様性・自由と自立が共存する研究室です

夏の恒例の研究室旅行。昨夏は室蘭の製鉄所を訪問しました。仙台からフェリーを使ってのんびりと海の旅を楽しみましたが、この旅路のひとときがメンバ―同士、村上先生との貴重なコミュニケーションの時間でもあります。訪問先では、巨大な製鉄所を目の当たりにしつつ、鉄鋼業界のもつエネルギー・資源問題と自分たちの研究とのつながりを実感するときでもあります。ゼロカーボンの実現に向けて意気が揚がりました。
ところで、村上研究室には研究のコアタイムがありません。各々が自分のやりやすい時間に研究に没頭しています。人に合わせるのではなく、自分に合った効率的な研究スタイルで取り組み、互いにそれを認めながら切磋琢磨するのも村上研究室らしさ。自由でありながらそれぞれが自立しています。
エネルギーや資源など、まさに環境問題の緩和にチャレンジしたいという人、世の中を変えてみたいという野望・野心のある人が集まっています。

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