成果報告書詳細
管理番号20160000000053
タイトル平成20年度ー平成26年度成果報告書 革新的ゼロエミッション石炭ガス化発電プロジェクト 革新的ガス化技術に関する基盤研究事業 CO2回収型次世代IGCC技術開発
公開日2016/3/23
報告書年度2008 - 2014
委託先名一般財団法人電力中央研究所 国立大学法人九州大学
プロジェクト番号P08020
部署名環境部
和文要約件名:平成20年度ー平成26年度成果報告書 革新的ゼロエミッション石炭ガス化発電プロジェクト 革新的ガス化技術に関する基盤研究事業 「CO2回収型次世代IGCC技術開発」

石炭は、埋蔵量が豊富で地域的な偏在も少ない安価な資源であり、エネルギー基本計画(2014年閣議決定)で「重要なベースロード電源の燃料」と位置づけられている。しかし、地球温暖化対策の観点からは石炭火力からのCO2削減が求められており、電気事業は発電効率向上やバイオマス混焼などの対策を進めてきた。一方、近年では欧米を中心にCCS技術開発が進んでおり、国内でも苫小牧で大規模実証試験が始まった。しかし、既存技術ではCO2回収に伴い発電効率が低下し発電コストが上昇することが課題となっている。そこでNEDOは、CO2回収後も高い発電効率を維持できるCO2回収技術の開発を公募研究として実施した。本事業の目的は、石炭ガス化複合発電システムの排ガス(主成分CO2)に必要なO2を加えてガス化剤やGT燃焼用空気を代替することにより、送電端効率を大幅に向上できるCO2回収型次世代IGCCシステム(High Efficiency Oxy-fuel IGCC)の実用基盤技術を開発することであり、本事業の目標は、「性状の異なる環太平洋地域の3種類以上の石炭を供試した際にCO2回収後において送電端効率42%(HHV基準)を実現させる基盤技術」を確立することであった。これに対し、以下1)~5)の研究を行い、その結果により実現性を向上させた最新システムに、性状の異なるインドネシア炭、中国炭、豪州炭をそれぞれ供試した場合の送電端効率が、いずれも目標の42%HHVを上回ることを示した。
1)基本コンセプトの確認:本システムの導入によりCO2回収後の送電端効率を高く維持できる要因を整理した。まず、セミクローズドGT導入による効率向上メカニズムを確認するとともに、排ガス循環でCO2が石炭ガス化炉に投入されることによるガス化反応促進効果を、石炭ガス化研究炉のCO2富化ガス化試験と熱天秤による基礎試験により検証した。
2)基盤技術の開発:実機規模ガス化炉の数値解析ツールを構築しO2/CO2ガス化時の炉内温度分布や反応状況、運転条件がそれらに及ぼす影響などを明らかとした。また、本システムでは乾式脱硫など低温域における炭素析出が懸念されるため、基礎試験により、送電端効率にほとんど影響しない炭素析出対策を見出した。さらに、瀝青炭に亜瀝青炭を加えた性状の異なる6炭種について、CO2富化による反応促進効果を確認した。
3)全体システム成立性の検討:当初提案していたシステムの課題を抽出し、その対策を施すことで実現性の高いシステムを構築した。また、空気分離装置と再生熱交換器について本システムにカスタマイズした試設計を行い、その結果を元にプラントレイアウトを検討するとともに、送電端効率、発電コストなどを試算した。
4)次フェイズの検討:本システムを商用化するまでのロードマップと各フェイズのマイルストーンを整理し、次フェイズの開発課題を明確化した。また、次フェイズの主要構成機器の試設計や単一バーナを用いた基礎燃焼試験による先行的な基盤データ取得を進めた。
5)本技術の普及に向けた検討: 種々の基礎試験を組合せてO2/CO2吹きガス化を想定したガス化反応モデルを構築し前述した実機規模ガス化炉の数値解析ツールの精度向上に反映した。また、石炭ガス化炉の安定運転確保上、重要なスラグ排出性評価技術の構築に向け、種々の基礎試験を通じ、炭種による溶融スラグ特性(高温粘度や結晶構造など)の類型化、スラグ排出現象のモデル化と評価指標の提案などの基盤技術を開発した。
英文要約Title: Innovative zero-emission IGCC project/Fundamental research on innovative gasification technology/Development of high efficiency oxy-fuel IGCC system. (FY2008-FY2014) Final Report

As Japan depend its energy mainly on imported fuel, coal is expected as important fuel for base-load power stations. To prevent global warming, Japanese utilities are making efforts to improve efficiency and to expand biomass co-firing. On the other hand, western countries are running numbers of CCS projects, and one Japanese large-scale CCS demonstration project at Tomakomai has started in 2012. Generally speaking, conventional CCS systems lose efficiency when they capture CO2. As a solution, NEDO has offered a project to develop fundamental technologies necessary for the Oxy-fuel IGCC system, which can keep high efficiency even after capturing CO2. The Oxy-fuel IGCC substitutes oxygen diluted by exhaust gas recirculated from gas turbine combustor for gasifying agent and combustion air. The target of this project was set as to achieve net thermal efficiency of 42% at HHV basis, considering 3 brands of imported coal from countries in pacific rim. Following 5 approaches were done, and it was clarified that high efficiency more than 43% will be achieved when 3 brands of coal are supplied individually, one Indonesian coal, one Chinese coal and one Australian coal. 1) The mechanism of Oxy-fuel IGCC which can keep high efficiency was examined by simplified heat and mass analysis, coal gasification tests and fundamental thermo-gravimetric experiments. 2) Following fundamental technologies necessary for the Oxy-fuel IGCC were established. (i) Numerical simulation method to evaluate performance of commercial scale coal gasifier, (ii) countermeasure for carbon deposition on low temperature area, such as hot-gas de-sulfurization, (iii) gasification test method to evaluate performance under CO2 enriched conditions. As a result, performance of commercial scale gasifier and effect of operating conditions were evaluated. Carbon deposition will be prevented with small efficiency penalty less than 0.2%. And it was confirmed that CO2 enrichment improve s gasification performance when 6 different brand of imported coal was fed individually. 3) Construction of feasible system. System configurations were examined and revised to improve its feasibility. Especially for ASU and Regenerative heat exchanger, customized units were designed for the Oxy-fuel IGCC. 4) Preliminary examination on the next phase. The approach to commercialize the oxy-fuel IGCC was examined, to clarify the target of the next phase. Bench scale gasifier and other components required at the next phase were designed. And fundamental combustion experiments using single burner were done to clarify combustion characteristics under O2/CO2 atmosphere. 5)To support this project, various fundamental approaches were done. Combination of fundamental experiments resulted in constructing gasification reaction model for O2/CO2 gasification reaction. And various tools were developed to evaluate behavior of molten slag discharged from the bottom of gasifier.
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