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成果報告書詳細
管理番号20170000000452
タイトル平成28年度成果報告書 情報収集事業 低コスト石炭発電 石炭への燃料電池利用可能性調査
公開日2017/7/6
報告書年度2016 - 2016
委託先名学校法人常翔学園大阪工業大学
プロジェクト番号P09018
部署名環境部
和文要約わが国の優れた製鉄技術を支えているコークス炉の技術を生かし、低コストで石炭(一般炭)を乾留し、発生したガス及び乾留物のガス化により得られるガスを、高効率で発電する技術についての可能性調査を行い、技術課題の抽出と社会実装の可能性を調査した。
石炭についての組成、価格動向などの調査から、一般炭を選定し、コールバレー炭を選んだ。本炭種は成分も明確であり、成分としては亜歴青炭に近い歴青炭に分類されている。
既存の製鉄所のコークス炉を参考として、年産100万トンの設備容量とした。乾留炉、改質炉、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、排熱回収、燃焼炉からなるシステムの概要を決定した。
乾留炉、改質炉の物質・熱収支を検討し、全体システムの物質・熱収支表を完成させた。乾留ガスは改質ガスの1/4程度の量しか発生しないが、高い水素濃度を与えるとともに、硫化水素などの不純物を多く含む。一方、改質ガスは一酸化炭素主体のガスである。
燃料電池を調査し、対象とする燃料電池をSOFCとした。SOFCにはさまざまな形があるが発電面積700CM2を発電単位とする仮想電池を設定し、形に関係しない条件で性能計算を実施した。水素分を多く含む乾留ガスは性能が高く、逆に一酸化炭素が主体の改質ガスは、理論起電力については水素とほぼ同じであるものの、計算では性能は劣る結果となった。
特に乾留ガスについてはH2S、COS、NH3などの不純物を含むため、あらかじめガス精製が必要であり、これは既存のコークス炉の精製性能を参考にして設定した。燃料電池温度領域においてこれらの不純物ガス成分の挙動を見るため、熱力学平衡計算ソフトウェアFactSageを用いて300ー1100℃の範囲で平衡計算を実施し、平衡図を示した。精製済の乾留ガスと改質ガスは混合してSOFCに通気することとした。
100万トン/年の石炭に対して、SOFCでは発電端出力212MWを得た。発電と同時に発生する熱を排熱回収ボイラ・タービンにより熱回収発電を試算したところ約123MWの出力を得た。これらを総合して電力335MWを得たが、投入石炭の高位発熱量(HV)との比は40.7%となり、初期の想定以下であった。システムを構成する設備毎の投資金額を推算したところ、初期コストは約33万円/KWと、既存の大型石炭火力発電所の25万円/KWと比較すると1.3倍となった。石炭火力と同等となる投資回収年は約45年を要することが判明した。
SOFCの動作温度とマッチングする温度で石炭の乾留改質を行うシステムでは改質率が約60%にとどまったため、改質率の向上が課題として挙げられる。また、効率の向上のためにはSOFCの一酸化炭素に対する分極を抑える必要があり、一酸化炭素による発電に適した電極材料の開発が必要である。また、本システムにおける改質炉の具体的な構造検討も課題である。
英文要約 The technology of the coking furnace which supported the excellent steel manufacturing fields in our country may be applicable for a highly effective power generation device. In this study, the coal for power generation uses low-cost steam coal instead of coking coal.
The gas obtained by carbonization process and succeeding reforming gasification process gas are mixed and supplied to the solid oxide fuel cells system.
The possibility of the technology, which generates electricity highly and effectively at low cost, was investigated, and the problems to be solved and applicability to the society was examined.
Coal composition, properties and the price trend etc. were investigated through literature and webs of trading companies. Low cost steam coal was selected, and the Canadian Coal Valley coal was chosen as a result. This coal is classified into bituminous coal while the composition falls within sub-bituminous coal.
The capacity of the plant is assumed to 1,000,000 tons in the annual output which is referred to the coke oven of existing ironworks.
The outline of the system is composed of the carbonization furnace, the reforming furnace, SOFC (Solid Oxide Fuel Cells), and the waste heat recovery and the combustion furnace.
The mass and the heat balance of the process was examined, and initial cost of a whole system were completed. The carbonization gas has high hydrogen concentration but contains a lot of impurities such as hydrogen sulfides though total amount of gas is generated only about 1/4 of the reforming gases.
On the other hand, the reforming gas has high carbon monoxide concentration.
The fuel cell was investigated, and the targeted fuel cell was assumed to be SOFC. The performance of SOFC fed with carbonization gas, which is hydrogen rich, gives higher value compared with SOFC fed with coke reforming gas, which is carbon monoxide enriched gas.
Impurities such as H2S, COS, and NH3 are contained in the carbonization gas. Therefore, the gas purification is necessary beforehand with the SOFC. The purification device was set referring to the refinement performance of an existing coking furnace.
The equilibrium calculation was executed within the range of 300-1100 centigrade with thermodynamics equilibrium calculation software FactSage to see the behavior of these impurity gas elements, and the equilibrium charts were presented. The maximum power generation of SOFC outputs 212MW and succeeding heat recovery steam generator and turbine system gives the output of about 123MW, thus is 335MW isn obtained in total.
The ratio to higher heating value of the turning on coal becomes 40.7%. When the amount of money of the investment at each equipment which composed the system was predicted, an initial cost becomes about 330,000 yen/a kW, though typical cost of large scale coal fired power station is about 250,000 yen/kW. Break-even point of SOFC system over conventional power plant is about 45 years.
The reforming rate remained in about 60% in the system, so the improvement of the reforming rate is enumerated as a problem. Moreover, it is necessary to suppress the polarization to the carbon monoxide of SOFC, and it is necessary to develop a suitable electrode material for power generation with the carbon monoxide to improve efficiency. A structural consideration of reforming furnace is also subject to development.
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