水素化精製技術：石油精製での高品質製品の製造方法

水素化精製とは何か――「洗浄」ではなく「化学的変換」

水素化精製を「フィルタリング」のようなイメージで捉えると、実務判断を誤りやすい。正確には、高温・高圧下で原料油と水素を触媒上に通じることにより、硫黄・窒素・酸素・金属などの不純物を含む化合物を分解・除去し、さらに炭化水素自体を改質または分解する化学変換プロセスである^[1]。

生成物は硫化水素（H₂S）、アンモニア（NH₃）、水（H₂O）として炭化水素から分離され、製品の臭気・色相・貯蔵安定性・燃焼性が同時に改善される。つまり水素化精製は、不純物を「取り出す」だけでなく、原料油の分子構造そのものを作り変える操作だと理解する必要がある。

調達の現場で見落とされがちなのは、「水素化精製」という言葉が広義のカテゴリー名であり、その中に水素化脱硫（HDS）・水素化脱窒（HDN）・水素化脱酸（HDO）・水素化分解（Hydrocracking）・水素化仕上げ（Hydrofinshing）など複数のサブプロセスが含まれるという点だ。装置の設計圧力・触媒種・水素消費量はサブプロセスによって大きく異なる。

水素化精製の主要サブプロセスと反応条件

水素化精製には複数のサブプロセスが存在し、それぞれ目的・反応条件・触媒系が異なる。実務上の理解として、以下の整理が基本となる。

水素化脱硫（HDS）

石油留分中の硫黄化合物を水素と反応させて硫化水素に変換・除去するプロセスであり、水素化精製の中でも最も広範に適用される^[2]。有機硫黄化合物の反応性はチオール＞スルフィド＞二硫化物＞環式硫黄化合物＞チオフェン類の順に低下し、分子量が大きいほど反応しにくい。軽油の超深度脱硫（10ppm 以下）ではジベンゾチオフェン誘導体の除去が律速となり、単なる反応時間の延長では対応しきれないため、触媒活性点の設計が技術競争の本質となる。

水素化脱窒（HDN）・水素化脱酸（HDO）

窒素化合物はアンモニアとして、酸素化合物は水として除去される。特に HDN は触媒の HDS 活性を阻害する「窒素被毒」の観点からも管理が必要で、重質留分ほど影響が大きい。

水素化分解（Hydrocracking）

炭化水素を高温・高圧下で水素気流中に触媒を用いて分解し、より軽質の炭化水素に転化させる。高温（200〜430℃）・高圧（70〜210 kg/cm²）の厳しい条件を要し^[3]、原料油に対する液状製品の収率は 110〜120% 程度に達するが、多量の水素を消費するため水素製造装置の併設が前提となる。

水素化仕上げ（Hydrofinishing）

潤滑油基油の色相改善・硫黄分除去・不飽和成分の安定化を目的とした軽度な水素化処理であり、溶剤精製後の基油に適用される。経済産業省の資料では、石油留分または残油の水素化精製・分解によって得られる潤滑油基油について、化審法上の届出が必要な製品として位置づけられている^[4]。

触媒の役割と選定――「CoMo か NiMo か」が問いの始まり

水素化精製触媒の活性相は、コバルト・ニッケル・モリブデンから形成される Co-Mo-S 相および Ni-Mo-S 相であり、担体との相互作用の大きさにより「タイプ 1」と「タイプ 2」に分類される。タイプ 2 のほうが高い水素化脱硫活性を示すことが知られており、超深度脱硫向けの高活性触媒では活性相の 100% タイプ 2 化が追求されている。

触媒選定で重要になるのは、以下の三つの軸だ。

• 原料油の硫黄分・窒素分・金属含有量：重質油ほど脱メタル触媒との組み合わせが不可欠になる
• 目標脱硫率：10ppm 以下の超深度脱硫には、従来比 3 倍以上の活性を持つ触媒が必要とされた実績がある^[5]
• 触媒寿命と運転サイクル：実運転での触媒寿命は原料油の重質度・不純物濃度に左右され、廃触媒の処理コストと合わせた総コスト評価が必要

触媒の劣化は、コーキング（炭素析出）・金属被毒（バナジウム・ニッケルの触媒上への堆積）・焼結（活性金属の凝集）の 3 経路で進行する。J-STAGE に収録された石油学会誌の査読論文では、減圧軽油脱硫装置における触媒の活性劣化機構が詳細に分析されており、初期段階の急激な劣化と定常的な緩慢劣化の 2 段階モデルが提案されている^[6]。

NEDO のプロジェクトを通じて開発されたコスモ石油の新触媒（C-606A）は、「水素化ルート」による脱硫メカニズムを解明したうえで CoMo の活性点を増大させた設計で、従来品比 3 倍の活性を実現し、大規模設備投資なしにサルファーフリー軽油の商業生産を可能にした^[5]。このケースは「設備ではなく触媒で解決する」という調達判断の典型例として参照価値が高い。

製油所内の水素バランス――見えないコストの正体

水素化精製に必要な水素は、製油所内の接触改質装置から副生される水素と、水素製造装置（スチーム・リフォーミング法が主流）で製造する水素の 2 源泉から賄われる^[7]。灯油・軽油レベルの脱硫であれば副生水素で概ね対応できるが、重油の直接脱硫や水素化分解になると水素消費量が急増し、専用の水素製造装置が不可欠になる。

水素製造では CO₂ も併産されるため、製油所全体の CO₂ 排出量に直結する。経済産業省が 2023 年に公表した製油所脱炭素化に関する中間評価資料では、国内の製油所全体で年間 3,000 万トン以上の CO₂ を排出していることが示されており^[8]、水素化精製の水素需要削減または水素の脱炭素化が喫緊の課題として位置づけられている。

水素コストは水素化精製の運転コストに直接影響を与える変動費だ。石炭・ナフサ・天然ガス価格の変動を注視すると同時に、将来的には製油所が「グリーン水素の大規模需要家」として機能するシナリオも現実味を帯びている。

規制動向と超深度脱硫――「10ppm の壁」が変えた産業構造

日本の石油業界において水素化精製技術の高度化を最も強く後押ししたのは、環境省による燃料品質規制の強化だった。1997 年まで 500ppm 以下だった軽油の硫黄分規制は、その達成のために業界全体で約 2,000 億円の設備投資を要したが^[9]、さらに 2007 年から 10ppm 以下（サルファーフリー）への規制強化が実施された。

この規制変更は単なる仕様変更ではなく、触媒技術・プロセス設計・設備投資の判断軸を根本から書き換える変革だった。500ppm から 10ppm への引き下げは理論上「50 分の 1」への濃縮除去だが、ジベンゾチオフェン誘導体のような「難脱硫性硫黄化合物」の存在により、実際の触媒に求められる性能は単純比例ではなく、従来比 3 倍以上の向上が必要とされた^[5]。

この超深度脱硫の達成をめぐっては、「設備増強で解決する」か「触媒性能向上で解決する」かという調達意思決定が製油所ごとに問われた。前者は数百億円規模の設備投資を伴い^[10]、後者は触媒の抜本的な再設計が必要だった。結果として、高性能触媒の開発と実用化が競争優位の分水嶺となった。

主要プロセス別比較表――調達判断に使える対照軸

触媒劣化のメカニズムと調達計画への影響

触媒は消耗品である。水素化精製触媒の劣化は一様ではなく、運転初期の急速な活性低下フェーズと、定常的な緩慢劣化フェーズが重なり合って進行する。J-STAGE に収録された石油学会の研究では、水素化精製触媒の劣化要因として（1）コーク析出（炭素被覆による活性点閉塞）、（2）金属被毒（原料油中の V・Ni の触媒細孔内堆積）、（3）担体の結晶化による細孔構造変化の三経路が挙げられている^[6]。

調達計画の観点で重要なのは、「触媒の理論寿命」と「実際のランレングス」が乖離しやすい点だ。原料油の産地変更・硫黄分増加・金属分増加があるたびに触媒の実寿命は短くなる。特に中東系原油は重質で硫黄分が高く、より高度な脱硫が必要になる傾向が当社の調達支援実績からも確認されている。

廃触媒の処理コストも見落とせない変数だ。特に重油・残油処理で使用した触媒はバナジウム・ニッケルが堆積しており、有価金属として回収できるかどうかが廃触媒処理の経済性を大きく左右する。有価回収の可否は触媒メーカー・廃触媒処理業者との三者間での長期契約で確保するのが現実的だ。

水素化精製の環境貢献と CO₂ 問題の二面性

水素化精製は大気汚染対策の最前線技術だ。軽油中の硫黄分を 10ppm 以下に削減することで、燃焼時の SOx 排出が大幅に削減されるとともに、排気ガス後処理装置（DPF・DeNOx 触媒）の効率・寿命が飛躍的に向上する。これがディーゼル車の排ガス規制と超低硫黄軽油の普及をセットで実現した仕組みだ。

一方で、水素化精製プロセス自体が CO₂ を排出するという二面性がある。製油所全体では年間 3,000 万トン超の CO₂ が排出されており^[8]、経産省は製油所の脱炭素化を政策課題として位置づけている。特に水素製造装置（スチーム・リフォーミング）が CO₂ の主要な排出源となっており、将来的にはグリーン水素への転換・CCS の組み合わせが議論されている。

石油精製プロセスは「ハード・トゥ・アベイト（Hard-to-abate）産業」の一つとして電化が困難な分野に該当し、CCS による脱炭素化が現実的な選択肢として検討されている^[11]。製油所の調達部門としては、将来の炭素コストを踏まえた触媒・設備の更新投資計画が求められる局面に入っている。

次世代技術の潮流――バイオ共処理・SAF と水素化精製の交差点

水素化精製装置の次なる役割として急速に注目されているのが、バイオマスや廃食油との「共処理（Co-Processing）」だ。経済産業省の 2023 年中間評価資料では、「石油精製と廃プラスチック・バイオマス等の共処理技術の向上による CO₂ 低減」が製油所脱炭素化の柱の一つとして明記されており^[8]、EU では約 40 か所の製油所がすでに共処理技術を活用したバイオディーゼル生産を行っている。

また、持続可能な航空燃料（SAF）の製造においても水素化精製技術が直接活用される。廃食油・植物油などの油脂原料を水素化処理することで、完全な炭化水素燃料として SAF を製造できるのが HEFA（Hydroprocessed Esters and Fatty Acids）ルートであり、既存の水素化精製装置を改造転用できる点が製油所にとっての優位性だ^[12]。国内では複数の製油所が SAF 製造計画を発表しており、2026〜2027 年にかけて本格稼働が予定されている。

これらの動向は、水素化精製装置が「原油処理専用設備」から「マルチ原料対応のエネルギー変換拠点」へと役割を拡張しつつあることを示している。調達部門の観点からは、触媒・設備の対応範囲（バイオ原料の脂肪酸・不純物への耐性）を事前に確認した上で、改造投資の仕様を決める必要がある。

産総研・NEDO の研究成果が示す触媒開発の方向性

産総研の公式技術レポート（Synthesiology）では、輸送用クリーン燃料製造触媒の研究開発において、脱硫触媒の構造制御（活性相のナノレベルでの高分散化）と社会実装までの経緯が詳述されている^[13]。このレポートが示しているのは、「基礎研究の成果を産業規模に移植する際の設計論理」であり、触媒を調達する立場からも、スペック選定の根拠として参照できる内容だ。

経産省の革新的次世代石油精製技術開発に関する評価資料では、水素化精製触媒（軽油・重質油処理）と水素化分解技術の研究開発実績が体系的に示されており^[14]、技術トレンドの公式一次情報として参照できる。触媒の高活性化・長寿命化・バイオ原料対応の 3 方向が引き続き開発の主軸であることを確認できる。

調達部門が押さえるべき実務チェックリスト

金属加工・樹脂成形・化学・電気電子・組立完成品の 5 ジャンル横断で製造業の調達を見てきた立場から、石油精製向け設備・触媒調達で特に見落とされがちなポイントをまとめる。

1. サブプロセスと原料油性状の確定：「水素化精製一式」の丸投げ発注は見積乖離を生む。HDS・HDN・Hydrocracking・Hydrofinishing のどれかを明記し、原料油の硫黄分・金属分・密度の最大値（ワーストケース）を仕様書に明記する。
2. 触媒の TCO 評価：触媒単価ではなく、触媒充填量×ランレングス×再生回数×廃触媒処理費の 5 年 TCO で比較する。
3. 水素バランスの確認：プロセス変更・原料変更があると水素消費量が変わる。水素製造コストの変動が運転コストに与える影響を定量的に把握する。
4. 廃触媒処理業者の事前確保：重質油・残油処理触媒は金属堆積量が多く、廃触媒の引き取り価格と有価回収の条件交渉は、触媒購入と並行して進める。
5. バイオ原料対応の確認：将来の SAF・バイオ共処理への転換を見据えて、触媒のバイオ原料耐性（リン・Ca・Cl の許容レベル）を RFQ で明示確認する。
6. 脱炭素コストの織り込み：製油所が CCS・水素転換を実施する場合の設備改造コストと運転コスト変動を、中長期の調達計画に織り込む。

まとめ――水素化精製は「設備問題」ではなく「戦略問題」

水素化精製技術は、石油精製の中核プロセスであるとともに、環境規制・エネルギー安全保障・脱炭素化の三つの政策課題が交わる戦略的な技術領域だ。日本の石油業界が 1997 年から 2007 年の 10 年間で 500ppm から 10ppm への超深度脱硫を達成できたのは、NEDO・産総研・産業界の三位一体の研究開発と、設備投資か触媒革新かを見極めた調達判断があったからだ。

今後は、バイオ共処理・SAF・合成燃料という新原料への対応と、グリーン水素へのシフトが水素化精製装置の価値を再定義する。調達購買部門が担うべき役割は、単なる触媒・設備の買い付けではなく、技術動向を読んで「次の設備投資・触媒選定をどの仕様で・いつ・誰から調達するか」を先読みして計画することにある。

出典

1. [1] JOGMEC 石油・天然ガス資源情報 用語辞典 — 水素化精製
2. [2] コトバンク 日本大百科全書・化学辞典 — 水素化脱硫
3. [3] JOGMEC 石油・天然ガス資源情報 用語辞典 — 水素化分解
4. [4] 経済産業省 — 石油留分又は残油の水素化精製又は分解により得られる潤滑油基油の届出について
5. [5] NEDO 実用化ドキュメント — 軽油を極限までクリーンにする触媒（水素化精製グループ・コスモ石油）
6. [6] J-STAGE 石油学会誌 — 留出油処理時における水素化精製触媒の劣化について（第1報）
7. [7] J-STAGE 水素エネルギーシステム誌 — 製油所での水素の製造と利用
8. [8] 経済産業省 — 製油所の脱炭素化研究開発 中間評価 評価用資料（2023年）
9. [9] NEDO 実用化ドキュメント（上記 [5] に同じ） — 1997年規制と約2,000億円の設備投資に関する記述を含む
10. [10] 環境省報道発表資料 — 自動車の燃料の性状に関する許容限度の改正（硫黄分 10ppm化）
11. [11] 経済産業省 — Hard-to-abate産業である石油精製業のCCSに関する要望（2025年3月）
12. [12] 資源エネルギー庁 — SAF製造に向けて国内外の企業がいよいよ本格始動
13. [13] 産総研 Synthesiology — 輸送用クリーン燃料の製造触媒の研究と開発
14. [14] 経済産業省 — 革新的次世代石油精製等技術開発 評価用資料（水素化精製触媒・水素化分解含む）

※ 出典リンクは 2026 年 5 月 16 日時点でリンク到達性を確認しています。