CO2 回収型火力システム

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(1)プロジェクト課題. C O2回収型火力システム背景・目的地球温暖化の防止に向け石炭火力発電の CO 2 排出抑制は電気事業における喫緊の課題となっており、高効率化やバイオマスの導入などが進められている。一方、近年 CCS（CO 2 Capture and Storage）が有力な温暖化対策のひとつとして注目され、欧米を中心に多くの導入計画が発表されている。しかしながら、現状の CO 2 回収技術では発電効率の大幅な低下やコスト上昇など、解決すべき問題も多い。本課題では、これらの問題を解決する革新的将来オプションを提供するため、当研究所が提案する CO 2 回収型高効率 IGCC システム（図 1）について、実現可能性の評価および実用化に向けた課題の抽出を行うと共に、要素技術の開発を進める。. 主な成果 1．酸素−CO2 ガス化反応モデルの構築本システムの酸素−CO 2 吹きガス化炉では、CO 2 および H 2 O の分圧が共に高いため、ガス化性能の向上が期待できるが、その解析的評価には CO 2 と H 2 O が共存する条件で適用可能なチャー＊ 1 のガス化反応モデルを構築する必要がある。そこで、CO 2 と H 2 O のチャー表面での活性点量＊ 2 に着目した新たなモデルを提案し、これによりガス化反応速度を高精度で表現することを可能にした（図 2）。また、この反応モデルを用いて、ガス化炉リダクタを模擬した解析を実施した結果、酸素−CO 2 吹き条件では空気吹き条件に比べて炭素転換率が 1 0％程度（絶対値）向上し、CO 2 によるガス化促進効果が示された（図 3）［M 0 9 0 1 4］。 2．乾式脱硫プロセスの最適化本システムの石炭ガス化ガス中の CO 濃度は非常に高く（6 0 vol％程度）、脱硫設備で炭素析出による性能低下が懸念されるため、その析出抑制対策を確立しておくことが重要である。対策の一つとして水蒸気の添加が考えられるため、水蒸気濃度および温度が脱硫の反応速度に及ぼす影響を調べた（図 4）。その結果、1 0 vol％以上の水蒸気濃度で温度を 5 0 0℃以上とすれば、炭素析出がなく脱硫性能を維持できることが分かった。これにより、脱硫プロセス運転条件を考慮したプラントの最適化検討が可能となる［M 0 9 0 1 5］。 3．ガスタービン燃焼器の設計に関する課題抽出と基本指針本システムのガスタービン（GT）は従来と異なり、燃焼排ガス（CO 2 と水蒸気）の一部を燃焼の希釈剤として循環させる酸素燃焼クローズドサイクルである。そのため、排ガス中に未反応の燃料成分と酸素をできるだけ残さずに燃焼させる技術が求められることから、燃焼器設計に向けた課題（表 1）を抽出・整理した。さらに、基礎的燃焼解析を実施し、バーナ近傍の酸素濃度を指標として燃焼を制御するならば、従来型 GT 燃焼器の設計手法を適用可能であることなど、燃焼器設計のための基本事項を明らかにした［M 0 9 0 0 9］。. ＊ 1：ガス化炉では石炭から瞬時に揮発分が放出され、可燃分と灰分から成るチャーが生成する。＊ 2：CO2 と H2O が吸着して反応するポイント。. 48.

(2) 電力安定供給技術電力安定供給技術電力安定供給技術電力安定供給技術電力安定供給技術電力安定供給技術 –1. –1 –1 チャーガス化反応速度dx/dt| ] –1 0 [s –1 チャーガス化反応速度dx/dt| [s チャーガス化反応速度dx/dt| 00[s チャーガス化反応速度dx/dt| [s ] ]] チャーガス化反応速度dx/dt| 0 [s0 ]. 石炭石炭石炭石炭石炭酸素酸素酸素酸素酸素 CO CO 22 CO CO 22 CO2. ガスガスガスガスガスガスガスガスガス化炉化炉ガス化炉化炉化炉. 蒸気タービン蒸気タービン蒸気タービン蒸気タービン蒸気タービン蒸気タービン蒸気タービン蒸気タービン蒸気タービン水蒸気水蒸気蒸気タービン水蒸気水蒸気水蒸気排熱回排熱回ガスガスガスタガスタ排熱回排熱回ガスガスガスタ排熱回ガスタガスタ排熱回ガスガスガスタ排熱回排熱回ガスガスガスタガスタ収ボイラ収ボイラ収ボイラ収ボイラ排熱回ービンービン精製精製収ボイラ収ボイラガスガスタ排熱回ービンービン精製精製収ボイラ収ボイラガスービンービンガスタ精製精製ービン精製精製ービン収ボイラ収ボイラービン精製ービン精製酸素酸素 CO CO 22 酸素酸素 CO CO 22 酸素 CO2 圧縮圧縮圧縮圧縮圧縮圧縮 CO CO 22 圧縮圧縮 CO CO 22 圧縮圧縮 CO2. 貯留貯留貯留貯留貯留. リダクタ内単通炭素転換率X [%] リダクタ内炭素転換率Ｘ［%］リダクタ内単通炭素転換率X [%] リダクタ内炭素転換率Ｘ［%］リダクタ内単通炭素転換率X [%] リダクタ内炭素転換率Ｘリダクタ内単通炭素転換率X [%] リダクタ内炭素転換率Ｘ［%］［%］リダクタ内単通炭素転換率X [%] リダクタ内炭素転換率Ｘ［%］. 図図 CO CO 回収型高効率 IGCC IGCCシステムの概念システムの概念システムの概念 2 2回収型高効率図 1 CO IGCC システムの概念図図 1111CO CO 回収型高効率 IGCC IGCC システムの概念 2 2 2回収型高効率図 1 CO 回収型高効率 IGCC システムの概念 2 酸素-CO 酸素-CO 吹きガス化炉と酸素燃焼クローズド・ガス 2 2吹きガス化炉と酸素燃焼クローズド・ガス酸素-CO 酸素-CO 吹きガス化炉と酸素燃焼クローズド・ガス酸素−CO 2 吹きガス化炉と酸素燃焼クローズド・ガス 2 2吹きガス化炉と酸素燃焼クローズド・ガス酸素-CO 2 吹きガス化炉と酸素燃焼クローズド・ガスタービンの組み合わせからなり、排ガスのタービンの組み合わせからなり、排ガスの CO CO を循 2 2を循タービンの組み合わせからなり、排ガスのタービンの組み合わせからなり、排ガスの CO CO を循タービンの組み合わせからなり、排ガスの CO 2 2を循 2 を循タービンの組み合わせからなり、排ガスの CO 2 を循環させた新たなシステム。従来に比べ、システムの環させた新たなシステム。従来に比べ、システムの環させた新たなシステム。従来に比べ、システムの環させた新たなシステム。従来に比べ、システムの環させた新たなシステム。従来に比べ、システムの環させた新たなシステム。従来に比べ、システムの簡素化や簡素化やCO CO CO2回収後でも高い送電端効率（1300℃ 回収後でも高い送電端効率（1300℃ 2回収後でも高い送電端効率（1300℃ 簡素化や簡素化や 2 2 回収後でも高い送電端効率（1300℃ 簡素化や CO2CO 回収後でも高い送電端効率（1 3 0 0℃級簡素化や CO 回収後でも高い送電端効率（1300℃ 級級GT GT GTででで40％以上）が期待できる。 40％以上）が期待できる。 40％以上）が期待できる。 2 級級 GT で 40％以上）が期待できる。 GT 級で GT 4 0％以上）が期待できる。で 40％以上）が期待できる。. CO CO2分圧分圧 [MPa] 2分圧[MPa] CO CO [MPa] 2 2分圧[MPa] CO 分圧 0.10 0.10 0.08 0.08 0.06 0.06 0.04 0.04 0.02 0.020.00 0.00 0.00 2 0.10 0.10 0.08 0.08 0.06 0.060.04 0.04[MPa] 0.02 0.02 0.00 0.001 0.001 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0.001 0.001 従来モデル従来モデル 0.001 従来モデル従来モデル 1111 従来モデル 1 0.0008 0.0008 0.0008 0.0008 0.0008 実験値実験値実験値実験値 0.0006 0.0006 0.0006 0.0006 実験値提案モデル提案モデル 0.0006 提案モデル提案モデル (a=0.25,b=0.9) (a=0.25,b=0.9) 提案モデル (a=0.25,b=0.9) (a=0.25,b=0.9) 0.0004 0.0004 0.0004 0.0004 (a=0.25,b=0.9) 従来モデル従来モデル 0.0004 従来モデル従来モデル2222 従来モデル 2 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 000 00.00 0.000.02 0.02 0.020.04 0.04 0.040.06 0.06 0.060.08 0.08 0.080.10 0.10 0.10 0.00 0.00 0.04 0.06 0.08 0.10 0 0.02HH O分圧 [MPa] [MPa] 2O分圧 0.00 0.02 0.04 [MPa] 0.06 0.08 0.10 HH22O分圧 [MPa] 2O分圧 H2O分圧 [MPa]. 図図 CO CO/H 共存下でのチャーガス化反応速度共存下でのチャーガス化反応速度 2/H 2/H 2O 2O 図図 2222 CO CO O 共存下でのチャーガス化反応速度共存下でのチャーガス化反応速度共存下でのチャーガス化反応速度図 2 CO 2/H 2H 2O 22 ／ 2O 図 2 （熱天秤による測定, CO2/H2O 共存下でのチャーガス化反応速度（熱天秤による測定, 米国炭, 米国炭,900℃） 900℃） 900℃）（熱天秤による測定, （熱天秤による測定, 米国炭, 米国炭, 900℃）（熱天秤による測定、米国炭、9 0 0℃）（熱天秤による測定, 米国炭, 900℃）従来合わなかった炭種に対しても、提案モデルはガ従来合わなかった炭種に対しても、提案モデルはガ従来合わなかった炭種に対しても、提案モデルはガ従来合わなかった炭種に対しても、提案モデルはガ従来合わなかった炭種に対しても、提案モデルはガ従来合わなかった炭種に対しても、提案モデルはガス化反応速度を精度よく表現できる。ス化反応速度を精度よく表現できる。ス化反応速度を精度よく表現できる。ス化反応速度を精度よく表現できる。ス化反応速度を精度よく表現できる。ス化反応速度を精度よく表現できる。. 100 100 1500 1500 100 100 1500 1500 X(空気) X(空気) 100 X(O 1500 X(空気) X(空気) X(O2–CO –CO –CO2)2))) 2 X(O X(O 2 2–CO 22 80 80 1400 1400 80 80 1400 X(O2–CO2) X(空気) 1400 80 1400 60 60 1300 1300 60 60 1300 1300 60 1300 40 40 1200 1200 40 40 1200 1200 40 1200 T(空気) T(空気) T(空気) –CO –CO2)2))) T(空気) T(O T(O2–CO 2 20 20 1100 1100 T(O T(O 2 2–CO 22 20 20 1100 1100 T(空気) T(O 2–CO2) 20 1100 1000 1000 0000 1000 1000 00000 1111 2222 33331000 反応時間[s] [s] 0 1反応時間 2[s] 3 反応時間反応時間 [s] 反応時間 [s]. *500℃、水蒸気5vol%のみ炭素析出あり *500℃、水蒸気5vol%のみ炭素析出あり. 温度T [℃] 温度T [℃] 温度T [℃] 温度T [℃] 温度T [℃]. 硫化反応速度相対値 [－] 硫化反応速度相対値 [－] 硫化反応速度相対値 [－] 硫化反応速度相対値 [－] 硫化反応速度相対値 [－]. *500℃、水蒸気5vol%のみ炭素析出あり 1.5 *500℃、水蒸気5vol%のみ炭素析出あり 1.5 他の全条件で炭素析出なし他の全条件で炭素析出なし 1.5 1.5 他の全条件で炭素析出なし他の全条件で炭素析出なし *500℃、水蒸気5vol%のみ炭素析出あり 1.5 他の全条件で炭素析出なし. 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0000 0.0 0. 反応速度の目標レベル反応速度の目標レベル反応速度の目標レベル反応速度の目標レベル反応速度の目標レベル. 500℃ 500℃ 500℃ 500℃ 450℃ 450℃ 450℃ 450℃ 500℃ 400℃ 400℃ 400℃ 400℃ 450℃ 400℃ 5555. 10 10 10 10. 15 15 15 15. 水蒸気濃度水蒸気濃度 [vol%] [vol%] 5 10 15 図図333段噴流床ガス化炉のリダクタ（ガス化炉上段 3 2222段噴流床ガス化炉のリダクタ（ガス化炉上段噴流床ガス化炉のリダクタ（ガス化炉上段噴流床ガス化炉のリダクタ（ガス化炉上図 3 2 水蒸気濃度水蒸気濃度 [vol%] [vol%] 図図段噴流床ガス化炉のリダクタ（ガス化炉上水蒸気濃度 [vol%] 段の主にガス化反応が起こる部分）を対象図の主にガス化反応が起こる部分）を対象とし 3 段の主にガス化反応が起こる部分）を対象 2段の主にガス化反応が起こる部分）を対象段噴流床ガス化炉のリダクタ（ガス化炉上図 4水蒸気添加による脱硫反応速度の変化水蒸気添加による脱硫反応速度の変化水蒸気添加による脱硫反応速度の変化図4444 水蒸気添加による脱硫反応速度の変化段の主にガス化反応が起こる部分）を対象図図水蒸気添加による脱硫反応速度の変化とした解析結果とした解析結果段の主にガス化反応が起こる部分）を対象（0.98MPa （0.98MPa abs.、450℃、水蒸気 abs.、450℃、水蒸気 5vol%を基準とする相対値） 5vol%を基準とする相対値）図 4 水蒸気添加による脱硫反応速度の変化た解析結果（0.9 8MPa abs.、4 5 0℃、水蒸気 5vol％を基準とすとした解析結果とした解析結果（0.98MPa （0.98MPa abs.、450℃、水蒸気 abs.、450℃、水蒸気 5vol%を基準とする相対値） 5vol%を基準とする相対値）空気吹きに比べ空気吹きに比べ O O -CO -CO 吹きでは、高分圧の吹きでは、高分圧の CO CO とした解析結果炭素析出抑制のため水蒸気を添加すると、脱硫剤の炭素析出抑制のため水蒸気を添加すると、脱硫剤の（0.98MPa abs.、450℃、水蒸気 5vol%を基準とする相対値） 2 2 2 2 2 2 空気吹きに比べ空気吹きに比べ O O -CO -CO 吹きでは、高分圧の吹きでは、高分圧の CO CO CO22に空気吹きに比べ O2 −CO る相対値）炭素析出抑制のため水蒸気を添加すると、脱硫剤の炭素析出抑制のため水蒸気を添加すると、脱硫剤の 2 2 2 吹きでは、高分圧の 22 2 によりガス化反応が促進され、炭素転換率の大幅によりガス化反応が促進され、炭素転換率の大幅空気吹きに比べ O2-CO2 吹きでは、高分圧の CO2 反応速度が低下する傾向にあることから、運転温度を反応速度が低下する傾向にあることから、運転温度を炭素析出抑制のため水蒸気を添加すると、脱硫剤のによりガス化反応が促進され、炭素転換率の大幅によりガス化反応が促進され、炭素転換率の大幅反応速度が低下する傾向にあることから、運転温度を反応速度が低下する傾向にあることから、運転温度をよりガス化反応が促進され、炭素転換率の大幅な向炭素析出抑制のため水蒸気を添加すると、脱硫剤のな向上が期待できる。な向上が期待できる。によりガス化反応が促進され、炭素転換率の大幅上昇させる必要がある。上昇させる必要がある。反応速度が低下する傾向にあることから、運転温度をな向上が期待できる。な向上が期待できる。上昇させる必要がある。上昇させる必要がある。上が期待できる。反応速度が低下する傾向にあることから、運転温度な向上が期待できる。上昇させる必要がある。を上昇させる必要がある。表表 1 1 CO CO 回収型高効率回収型高効率 IGCC IGCC のの GT GT 燃焼器と天然ガス焚き燃焼器と天然ガス焚き GT GT燃焼器の比較燃焼器の比較燃焼器の比較 2 2 表表11 CO CO2 2回収型高効率回収型高効率IGCC IGCCののGT GT燃焼器と天然ガス焚き燃焼器と天然ガス焚きGT GT 燃焼器の比較従来の天然ガス焚き従来の天然ガス焚き GT GT 燃焼器との比較検討により、設計のための基本事項（表中緑字）を明らかにした。燃焼器との比較検討により、設計のための基本事項（表中緑字）を明らかにした。表 11 CO IGCCののGT GT燃焼器と天然ガス焚き燃焼器と天然ガス焚き燃焼器の比較 2 回収型高効率表 CO 回収型高効率 IGCC GTGT 燃焼器の比較従来の天然ガス焚き従来の天然ガス焚き GT GT燃焼器との比較検討により、設計のための基本事項（表中緑字）を明らかにした。燃焼器との比較検討により、設計のための基本事項（表中緑字）を明らかにした。 2. 従来の天然ガス焚き燃焼器との比較検討により、設計のための基本事項（表中赤字）を明らかにした。従来の天然ガス焚きGT GT 燃焼器との比較検討により、設計のための基本事項（表中赤字）を明らかにした。 CO CO 2回収型高効率IGCCのGT燃焼器 2回収型高効率IGCCのGT燃焼器 CO CO 2回収型高効率IGCCのGT燃焼器 2回収型高効率IGCCのGT燃焼器. 天然ガス焚きGT燃焼器天然ガス焚きGT燃焼器天然ガス焚きGT燃焼器天然ガス焚きGT燃焼器. CO2回収型高効率IGCCのGT燃焼器天然ガス焚きGT燃焼器（クローズドサイクルGT）（クローズドサイクルGT）（オープンサイクルGT）（オープンサイクルGT）（クローズドサイクルGT）（クローズドサイクルGT）（オープンサイクルGT）（オープンサイクルGT） ** （オープンサイクルGT）希釈剤希釈剤（クローズドサイクルGT）燃焼排ガス(CO 燃焼排ガス(CO ** 2+H 2+H 2O) 2O) 希釈剤希釈剤燃焼排ガス(CO 燃焼排ガス(CO +H +H O) O) 22 22 酸化剤酸化剤空気空気空気 * 酸化剤酸化剤空気供給流体供給流体希釈剤酸化剤酸化剤 O2 2 燃焼排ガス(CO 2+H2O) 供給流体供給流体酸化剤酸化剤 OO O 22 酸化剤空気燃燃料料料石炭ガス化ガス石炭ガス化ガス燃燃料料料天然ガス(主成分CH 天然ガス(主成分CH 天然ガス(主成分CH 供給流体酸化剤 O2 石炭ガス化ガス 4)4) 燃燃料石炭ガス化ガス燃燃料天然ガス(主成分CH 4)4) 燃焼領域酸素濃度燃焼領域酸素濃度 0～100vol.% 0～100vol.%(制御可) (制御可) (制御可) 21vol.% 21vol.%(制御不可) (制御不可) (制御不可) 燃料石炭ガス化ガス燃料天然ガス(主成分CH 燃焼領域酸素濃度燃焼領域酸素濃度 0～100vol.% 0～100vol.% (制御可) 21vol.% 21vol.% (制御不可) 4) 局所最高温度局所最高温度 3080℃ 3080℃ 以下（O 以下（O 2219℃ 2219℃(制御不可) (制御不可) (制御不可) 2濃度により制御可） 2濃度により制御可）燃焼領域酸素濃度 0～100vol.% 21vol.% (制御不可) 局所最高温度局所最高温度 3080℃ 3080℃ 以下（O 以下（O 濃度により制御可） 2219℃ 2219℃ (制御不可) 2濃度により制御可） 2(制御可) 燃焼器全体の当量比燃焼器全体の当量比 φ≒1 φ≒1 (量論燃焼) (量論燃焼) 燃焼器全体の当量比燃焼器全体の当量比 φ≒1 φ≒1 (量論燃焼) (量論燃焼) 局所最高温度 3080℃以下（O 2219℃(酸素過剰燃焼) (制御不可) 2濃度により制御可） φ≒0.5 φ≒0.5 (酸素過剰燃焼) φ≒0.5 φ≒0.5 (酸素過剰燃焼) (酸素過剰燃焼) (燃焼器出口) (燃焼器出口) ：CO ：CO 2分離等のため排ガス中O 2分離等のため排ガス中O 2低減の必要あり 2低減の必要あり分離等のため排ガス中O 分離等のため排ガス中O (燃焼器出口) (燃焼器出口) ：CO ：CO 22 2低減の必要あり燃焼器全体の当量比 φ≒1 (量論燃焼)2低減の必要あり火炎温度が高くても、N 火炎温度が高くても、N 火炎温度が高いと、O 火炎温度が高いと、O φ≒0.5 (酸素過剰燃焼) 2 分圧が低いため発生量 2 分圧が低いため発生量火炎温度が高いと、O 2 分圧、N 2 分圧、N 2 分圧が高いため 2 分圧が高いため火炎温度が高くても、N 火炎温度が高いと、O 2 分圧が低いため発生量 2 分圧が低いため発生量 2 分圧、N 2 分圧、N 2 分圧が高いため 2 分圧が高いため (燃焼器出口) ：CO火炎温度が高くても、N 2分離等のため排ガス中O 2低減の必要ありサーマルNOx サーマルNOx は少ないは少ないは少ない多量に発生多量に発生サーマルNOx は少ない多量に発生多量に発生 NN NN サーマルNOx 火炎温度が高いと、O 火炎温度が高くても、N 2 分圧が低いため発生量 2 分圧、N2分圧が高いため →対策必要なし →対策必要なし(非予混合燃焼) (非予混合燃焼) (非予混合燃焼) →対策必要(予混合燃焼/二段燃焼など) →対策必要(予混合燃焼/二段燃焼など) →対策必要なし →対策必要なし (非予混合燃焼) →対策必要(予混合燃焼/二段燃焼など) →対策必要(予混合燃焼/二段燃焼など) OO OO は少ない多量に発生 N サーマルNOx 燃料中に窒素分があるとNOx転換率を下げる工燃料中に窒素分があるとNOx転換率を下げる工燃料中に窒素分がないため、NOx転換率の考慮燃料中に窒素分がないため、NOx転換率の考慮燃料中に窒素分がないため、NOx転換率の考慮 xxxx 燃料中に窒素分があるとNOx転換率を下げる工燃料中に窒素分があるとNOx転換率を下げる工燃料中に窒素分がないため、NOx転換率の考慮フュエルNOx フュエルNOx →対策必要なし →対策必要(予混合燃焼/二段燃焼など) O フュエルNOx フュエルNOx 夫が必要夫が必要 (非予混合燃焼) は不要は不要夫が必要夫が必要は不要は不要 x 燃料中に窒素分があるとNOx転換率を下げる工燃料中に窒素分がないため、NOx転換率の考慮フュエルNOx ＊本システムは酸素燃焼＊本システムは酸素燃焼 GT GT であり、火炎温度制御などのために希釈剤が必要となるであり、火炎温度制御などのために希釈剤が必要となる夫が必要は不要＊本システムは酸素燃焼＊本システムは酸素燃焼 GT GT であり、火炎温度制御などのために希釈剤が必要となるであり、火炎温度制御などのために希釈剤が必要となる＊本システムは酸素燃焼 GT であり、火炎温度制御などのために希釈剤が必要となる 2222. 2. 49.

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