成果報告書詳細
管理番号20150000000739
タイトル平成26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 次世代高効率石炭ガス化技術の最適化に関する検討
公開日2015/12/2
報告書年度2014 - 2014
委託先名一般財団法人電力中央研究所
プロジェクト番号P07021
部署名環境部
和文要約件名:平成26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 「次世代高効率石炭ガス化技術の最適化に関する検討」

エネルギー基本計画(平成26年4月閣議決定)において、石炭火力発電は重要なベースロード電源として位置づけられており、温室効果ガスの大気中への排出をさらに抑えるため、石炭ガス化複合発電(IGCC)等の次世代高効率石炭火力発電技術の開発・実用化を推進することとされている。IGCCの熱効率向上のためにはガスタービンの高温化が想定されるが、さらなる高効率化の方法として、ガス化効率の向上と所内率の低減が考えられている。そこで、ガスタービン排熱で作る水蒸気を低温ガス化に利用しガス化効率の向上を図る次世代IGCCの概念に高温ガス化を適用したシステム、および所内動力の低減のため酸素製造の新技術を適用したシステムに対し、熱効率向上の可能性を評価することが求められた。
まず、ガス化反応速度と物質収支および熱収支を考慮した一次元数値解析手法を用い、酸素吹き二段噴流床方式のガス化炉に水蒸気を添加したときのガス化性能への影響を評価した。その結果、添加した水蒸気をガス化剤として有効に利用する条件を作ることにより、高温ガス化においても冷ガス効率が大幅に向上する可能性があることが確認された。次に、この結果を反映したIGCCシステム全体の熱効率解析を実施し、送電端効率を評価した結果、水蒸気を抽気するため蒸気タービン出力は低下するものの、冷ガス効率の向上によりガスタービン出力が増加することで発電出力は増加する可能性があることを確認し、水蒸気の添加により送電端効率が約2.4%(ポイント)向上すると試算された。一方、実機規模噴流床ガス化炉の三次元ガス化炉内数値解析を行ったところ、ガス化炉への水蒸気投入方法によってガス化炉内の流動状態が変わり、ガス化性能に影響を及ぼす可能性があることが分かり、水蒸気投入方法は慎重に設計する必要があるといえる。以上の検討をふまえて水蒸気を噴流床ガス化炉へ添加するIGCCシステムの技術課題を整理し、課題を解決する上で想定される今後の開発工程を提言した。
IGCCの所内動力の大半を占める酸素製造について、従来の深冷分離法よりも低い酸素製造動力原単位が期待される高温酸素透過膜を用いた米国の酸素製造技術を調査した。調査結果をもとに、噴流床ガス化炉に水蒸気を添加するIGCCシステムに高温酸素透過膜をインテグレートするシステムを構成し、熱効率解析を行った結果、送電端効率は深冷分離法を用いる上述のシステムからさらに最大1%(ポイント)程度向上する可能性があることが試算された。
以上のように、本調査研究において、水蒸気を噴流床ガス化炉へ添加するIGCCシステムの達成可能な送電端効率を試算するとともに、開発課題を整理して開発工程を提言した。さらに、高温酸素透過膜を用いた酸素製造技術を適用したときに見込める送電端効率を試算した。
英文要約Title: Research on optimization of advanced high efficiency coal gasification technology (FY2014); Final Report

In the Strategic Energy Plan formulated in April 2014, coal is positioned as base-load power source, and it is written that in order to reduce greenhouse gas emissions into the atmosphere, the development and practical application of next-generation high-efficiency coal thermal power generation technology (e.g., IGCC) will be promoted. The increase of gas turbine inlet temperature promises to improve the thermal efficiency of IGCC system. The improvement of gasification efficiency and the reduction in auxiliary power ratio should be also important for realizing much higher thermal efficiency of IGCC system. Therefore, the evaluation of the thermal efficiency of the IGCC system, in which the concept that steam generated by heat recovery of gas turbine exhaust was used for low-temperature gasification to improve gasification efficiency was applied to high-temperature gasification, and in which a new technology for oxygen production was installed to reduce auxiliary load, was required.
First, using the one-dimensional numerical-analysis technique with heat mass balance and gasification reaction kinetics, the influence of supplying steam on the performance of a two-stage oxygen-blown entrained-flow gasifier was predicted. As a result, it was found that the cold gas efficiency would be improved very much, when steam supplied to the gasifier worked effectively as a gasifying agent. Next, the system analysis of the IGCC systems was conducted combining with the gasification performance analysis. As a result, it was found that the power output would be improved and the net thermal efficiency would rise about 2.4% (points) at the feasible operating condition, because the gas turbine output increased with increasing the cold gas efficiency of the gasifier, even though the steam turbine output decreased by supplying steam to the gasifier. However, using three-dimensional numerical-analysis technique, it was found that the design of steam injection should be essential, because the way of injecting steam into a gasifier would affect the flowing state and so the gasification performance. From the above results, the technological subjects of future development of an IGCC system with steam bleeding for an entrained-flow gasifier were extracted, and the development process for the solution was proposed.
Regarding the air separation unit which required a large amount of auxiliary load in IGCC system, the high-temperature oxygen transport membrane (OTM) technology in US were investigated. The result of the system analysis of the IGCC system which had steam bleeding and was integrated with the OTM technology suggested that the net thermal efficiency would be about 1% (point) higher than that of the IGCC system with a conventional ASU.
In this study, the feasible net thermal efficiency of the IGCC system, in which steam was supplied to an entrained flow gasifier, was estimated by system analysis, and the subjects in future development of the system were extracted. And the feasible net thermal efficiency of the IGCC system integrated with the OTM technology was estimated.
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