成果報告書詳細
管理番号20140000000823
タイトル平成25年度成果報告書 「ゼロエミッション石炭火力技術開発プロジェクト ゼロエミッション石炭火力基盤技術開発 次世代高効率石炭ガス化技術最適化調査研究 CO2分離型化学燃焼石炭利用技術に関する検討」
公開日2015/5/1
報告書年度2013 - 2013
委託先名バブコック日立株式会社 一般財団法人石炭エネルギーセンター 一般財団法人エネルギー総合工学研究所
プロジェクト番号P07021
部署名環境部
和文要約件名:平成25年度成果報告書 ゼロエミッション石炭火力技術開発プロジェクト/ゼロエミッション石炭火力基盤技術開発/次世代高効率石炭ガス化技術最適化調査研究/「 CO2分離型化学燃焼石炭利用技術に関する検討」
 本調査研究ではマーケティング調査を行い、有識者検討委員会を設置して、CLC技術開発の指針となるロードマップを作成した。また、ロードマップ作成に必要なプロセス高効率検討及びプロセス構成仕様を調査し、開発課題を抽出して解決方法を策定した。
(1) 市場調査
マーケット調査ではCLC導入当初のユーザーを、製紙工場やセメント工場などの産業用ボイラとし、CLCの構成技術である循環流動床などのメーカやエンジニアリング会社の両面から、CLC開発の必要性、CLC導入のインセンティブ、現状のCO2削減策、要求事項・課題などをヒアリング調査した。CO2の分離回収にエネルギーを必要としないCLCは、将来的に有望な技術であるが、発電用として導入する場合の安全性・運用性の確立などが求められた。また、委員会の答申などから、電力自由化後のIPP、PPSへのCLC適用について文献ベースの市場調査を行い、CLC導入の可能性を見いだした。
 既存産業用ボイラにCO2分離回収を付保するケースと経済性を比較し、建設費の低減やキャリア粒子の補充量など、設定目標をクリアーすることで経済性も見込める。
(2) 技術調査
 小型反応装置を用いて石炭と酸素キャリアとの直接反応及びCOガスによるキャリア還元反応の挙動を検討した。キャリア中の鉄含有量が増加すると、石炭の転換率が向上すること、キャリア中の酸素利用がFe2O3→Fe3O4の範囲を超えると未反応のCOガスが増加すること、950℃以下では粒子循環を阻害する顕著な表面溶融は無いことがわかった。
 AspenPlusを用いて、CLCプロセスの基本モデルを作成し、250MWth実機規模ベースのプロセスを解析した。CLCのキャリア循環量は通常のCFBCの媒体循環量とほぼ同レベルであること、炉内脱硫及び超低NOX燃焼が可能であることを確認した。
 既往文献データとプロセス解析データを用いて、空気反応塔AR、チャー反応塔CR、および揮発分反応塔VRを基本構成とするプロセスを選択し、反応器の構造と技術条件を概念設計した。CO2を98%回収する場合には、CLCはポスト処理を備えたCFBと同サイズとなるが、50%回収(天然ガス燃焼相当)の場合にはよりコンパクトになることを見出した。
(3) 実用化に向けた技術開発ロードマップの作成
 技術的観点から開発課題の抽出と解決方法の策定を行い、開発すべきプラント概略仕様を求めた。一方、ユーザー、メーカ、大学・エンジニアリングによる検討委員会を開催し、ユーザーヒアリング結果を勘案して期待する仕様を明確化し、設計仕様と要求仕様のギャップを埋めることで、開発課題及びその優先度を明確化した。さらに石炭火力発電技術の進展やCO2分離回収社会の進展など背景事象も考慮してロードマップを策定した。
 その結果、CO2分離回収が可能な100MW級発電技術を2028年ころに実用化することを目標に、[1]2017年までにキャリア開発及び基本プロセス開発、[2]2024年までに実用化プロセス開発、[3]2028年までに経済性、とするクリティカルパスを設定した。同時に産業用ボイラ向けにCO2、スラグ等の副生物の外販を念頭に、2023年までに副生品品質を向上させるプロセス開発も目標に含めた。
英文要約Title: Study of Technologies for Coal Utilization Using Chemical Looping Combustion with CO2 Separation
 This study consisted of market research, the establishment of a committee of experts, and the preparation of a roadmap laying out the strategy for chemical looping combustion (CLC) technology development. A review of process high efficiency studies and process configuration specifications was conducted because it was needed to help prepare the roadmap. The development challenges were identified and solutions formulated.
(1) Market research
From the perspectives of both engineering companies and suppliers of fluidized beds and other technologies used in CLC, the market research surveyed paper, cement, and other plants that use industrial boilers and would likely be early adopters of CLC about the need for CLC development. Based on the findings of the committee, a literature survey was also conducted on the use of CLC by IPPs and PPSs after electricity market deregulation to assess the potential for CLC adoption.
(2) Technology review
 A small-scale reactor was used to study the behaviors of the direct reaction of coal with an oxygen carrier and carrier reduction by CO gas. It was found that the coal conversion efficiency increases with increasing iron level in the carrier.
 A basic model of the CLC process was produced using the AspenPlus software and used to analyze the process under the conditions of a 250MWth plant. Using the existing literature and process analysis data, a process that consists primarily of an air reaction tower (AR), char reaction tower (CR), and volatiles reaction tower (VR) was selected, and an conceptual design was produced for the reactor configuration and technical parameters.
(3) Preparation of a technology development roadmap for achieving commercialization
 Development challenges were identified from a technical perspective and solutions formulated to obtain overall specifications for the plants to be developed. A committee made up of people from users, suppliers, universities, and engineering companies was established to consider the information gathered from consultation with users and to clarify their requirements, so that the development challenges could be identified and prioritized by looking at the gap between what users want and what the designs provide. From this, a roadmap was prepared that also took into account background considerations such as advances in technologies for coal-fired power generation and progress toward widespread use of CO2 separation and recovery.
 As a result of this work, the critical path for commercializing technology capable of performing CO2 separation and recovery in 100MW-class power plants by around 2028 was determined, consisting of work on: [1] carrier development and basic process development up until 2017, [2] development of a commercially viable process up to 2024, and [3] economics up until 2028.
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