IGCC の燃料種拡大化・高効率化

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(1)プロジェクト課題. I G C C の燃料種拡大化・高効率化背景・目的高効率な石炭ガス化複合発電（IGCC）は、次世代の石炭利用火力発電として、電気事業にとって重要な技術である。当研究所は、IGCC 開発創生期のプロセス開発から研究に携わり、2 トン／日ガス化炉の運転経験や数値解析技術をもとに、現在運転が進められている実証機の設計・運転条件の検討等を支援してきた。本課題では、将来の商用 IGCC 開発に向けて、フレキシブルな燃料運用や高効率化、信頼性向上のため、ガス化プロセスにおける燃料種拡大化技術、IGCC 用乾式ガス精製システム、ガス化炉運転状態診断・障害予知システムを開発する。. 主な成果 1．商用規模石炭ガス化炉の特性評価技術の開発実証機ガス化炉の性能評価を行い、設計結果の妥当性を明らかにした。また、実証機データを用いて当研究所開発の三次元ガス化炉内数値シミュレーション技術を検証し、商用規模ガス化炉の特性評価が可能であることを確認できた。これらによって、大型化が予想される商用規模ガス化炉の設計にも活用できるツールを整備できた。 2．燃料種拡大化技術の開発石炭中に含まれる元素が持つ触媒効果を考慮したガス化反応特性として、熱天秤を用いた実験により、Ca や K がガス化反応速度に及ぼす影響を明らかにした。更に、従来の反応モデルを拡張し、触媒効果による反応速度変化を表現可能な反応速度式を構築した（図 1）。これらは広範な燃料種の適用可能性を事前予測する手法の確立に反映できる。 3．IGCC 用乾式ガス精製システムの開発 IGCC の更なる高効率化のためには、ガス精製システムを乾式で構成することが不可欠であるが、各種不純物の個別除去技術の開発レベルは異なっており、全ての除去技術を乾式で構成するシステムの実現には、段階的なスケールアップが必要である。実証レベルにある湿式ガス精製の脱硫部分をパイロットレベルまで開発の進んでいる乾式脱硫に置き換え、早期の実用化と湿式ガス精製を上回る発電効率が期待できるハイブリッドガス精製システム（図 2）を新たに考案した［M 0 9 0 1 6］。 4．ガス化炉運転状態診断・障害予知システムの開発ガス化炉の安全かつ安定な運転には、リアルタイムでの運転状態診断や障害予知が求められる。そこで、診断・予知システムの一部を構成するガス化炉最適運転支援システムを開発した（図 3）。これは、これまで個別に開発を行ってきたオンラインデータの統計処理によるガス化炉運転条件最適化プログラムと画像解析による溶融スラグ流監視プログラムを統合したものであり、今後、ガス化炉の高度な運転制御に重要な技術となる。その他の報告書［M0 9 0 0 2］ 42.

(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ガス化炉. 反応速度 dx/dt [s-1] 反応速度 dx/dt [s-1] 反応速度 dx/dt [s-1]. オンラインデータガス化炉 0.004 統計処理実験値 (c) オンラインデータ 0.004 ガス化炉溶融スラグ流統計処理実験値 (c) 反応速度式オンラインデータ画像処理 0.0030.004 (b) 溶融スラグ流不適反応速度式統計処理実験値 (c) ガス化性能画像処理 0.003 不適溶融スラグ流バーナ最適？溶融スラグ流 (a) (b) 反応速度式ガス化性能 (d) 画像処理 0.0020.003 (a) (b) 不適時の割込バーナ不適最適？不適溶融スラグ流 (d) ガス化性能適溶融スラグ流 0.002 不適時の割込不適バーナ最適？溶融スラグ流適正？ (a) 適 (d) 溶融スラグ流 OK 最適化計算不適時の割込 0.0010.002 不適適正？ OK 適へ割込処理最適化計算溶融スラグ流最適化計算運転条件への適 0.001 適正？へ割込処理最適化計算フィードバック OK 運転条件への適最適化計算 OK 00.001 へ割込処理最適化計算フィードバック溶融スラグ流運転条件への適 0 溶融スラグ流 OK フィードバック溶融スラグ流 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 監視カメラ溶融スラグ流 OK 00 0.2 溶融スラグ流 0.4 0.6 0.8 1 監視カメラ溶融スラグ流反応率 x [-] 溶融スラグ流監視部運転条件最適化部 0 0.2 反応率 0.4 x [-] 0.6 0.8 1 監視カメラ溶融スラグ流監視部運転条件最適化部反応率 x [-] 溶融スラグ流監視部 (a)A 炭 Ca2.5%、(b)A 炭 Ca5%、(c)A 炭 Ca10%、(d)活性炭 K2.5% 運転条件最適化部 (a)A 炭 Ca2.5%、(b)A 炭 Ca5%、(c)A 炭 Ca10%、(d)活性炭 K2.5% 図 3 ガス化炉最適運転支援システム［1］ [1] 1 反応率と反応速度の関係図図 3 ガス化炉最適運転支援システム 3 ガス化炉最適運転支援システム (a)A 炭図 Ca2.5%、(b)A 炭 Ca5%、(c)A 炭 Ca10%、(d)活性炭 K2.5% オンラインでガス化性能や溶融スラグ排出状況の図 1 反応率と反応速度の関係 [1] 図 3 ガス化炉最適運転支援システム図 1 反応率と反応速度の関係オンラインでガス化性能や溶融スラグ排出状況の Ca は反応初期に、K は反応後期に反応速度を向上さオンラインでガス化性能や溶融スラグ排出状況の評 Ca は反応初期に、K は反応後期に反応速度を向評価が可能であり、ガス化炉運転状態診断･障害 [1] 図 1 反応率と反応速度の関係オンラインでガス化性能や溶融スラグ排出状況の Ca は反応初期に、K は反応後期に反応速度を向評価が可能であり、ガス化炉運転状態診断･障害せる効果がある。これらの反応速度変化を表現可能価が可能であり、ガス化炉運転状態診断・障害予知上させる効果がある。これらの反応速度変化を表予知システムの基盤となる。 Ca は反応初期に、K は反応後期に反応速度を向評価が可能であり、ガス化炉運転状態診断･障害上させる効果がある。これらの反応速度変化を表予知システムの基盤となる。な反応速度式を得た。システムの基盤となる。現可能な反応速度式を得た。上させる効果がある。これらの反応速度変化を表予知システムの基盤となる。現可能な反応速度式を得た。 [1] Y. Zhang Fuel (2010) ［1］Y. Zhang et et al.,al., Fuel 8 9,89,152–157 1 5 2−1 5 7（2 0 1 0）現可能な反応速度式を得た。 [1] Y. Zhang et al., Fuel 89,152–157 (2010) [1] Y. Zhang et al., Fuel 89,152–157 (2010). GGH GGH 硫黄化合物 GGH. ハロゲン化物硫黄化合物ハロゲン化物硫黄化合物ハロゲン化物. 450℃ 450℃ 450℃. 水銀水銀. ハロゲン化物アンモニア(一部). 硫黄化合物. 発電端効率(HHV) 発電端効率(HHV) 湿式比 0.9 ポイント向上発電端効率(HHV) 湿式比 0.9 ポイント向上湿式比 0.9 ポイント向上. 硫黄化合物. 排水処理設備排水処理設備排水処理設備. 排煙脱硝排煙脱硝排煙脱硝. 乾式脱硫乾式脱硫乾式脱硫. 129℃ 129℃ 410℃ 129℃ スクラバ 410℃ 水銀 240℃ スクラバ 410℃ ハロゲン化物 240℃ スクラバアンモニア(一部) ハロゲン化物 240℃ 硫黄化合物アンモニア(一部) 水銀水銀. スタックスタックスタック. NOｘ. ガスタービンガスタービンガスタービン. 水銀除去器水銀除去器水銀除去器. 石炭ガス化炉石炭ガス化炉石炭ガス化炉. GGH 450℃ GGH GGH. NOｘ NOｘ. 水銀. ハイブリッドガス精製システムハイブリッドガス精製システムハイブリッドガス精製システム補助蒸気補助蒸気補助蒸気 SGH SGH 450℃ SGH 450℃. 排煙脱硝排煙脱硝排煙脱硝. 180℃ 180℃ 180℃. 発電端効率(HHV) 発電端効率(HHV) 湿式比 1.5 ポイント向上発電端効率(HHV) 湿式比 1.5 ポイント向上湿式比 1.5 ポイント向上ガスタービンガスタービンガスタービン. 450℃ 450℃ 450℃ 450℃ 450℃ 450℃. 水銀除去器水銀除去器水銀除去器. 乾式脱硫乾式脱硫乾式脱硫. ハロゲン化物除去ハロゲン化物除去ハロゲン化物除去. 石炭ガス化炉石炭ガス化炉石炭ガス化炉. 乾式ガス精製システム乾式ガス精製システム乾式ガス精製システム. スタックスタックスタック. NOｘ NOｘ. NOｘ. ：主ガス：主ガス：蒸気：蒸気：主ガス：排水：排水：蒸気：排水. 用ガス精製システムの構成図図2 2 IGCC IGCC 用ガス精製システムの構成図 2 IGCC 用ガス精製システムの構成現状の開発状況からは、スクラバと乾式脱硫を組み合わせたハイブリッドガス精製システムでスケールアッ現状の開発状況からは、スクラバと乾式脱硫を組み合わせたハイブリッドガス精製システムでスケールア図 2 IGCC 用ガス精製システムの構成現状の開発状況からは、スクラバと乾式脱硫を組み合わせたハイブリッドガス精製システムでスケールアプ開発を進め、乾式ガス精製技術の確立を図っていくことが最適な技術選択であると考えられる。最終的にップ開発を進め、乾式ガス精製技術の確立を図っていくことが最適な技術選択であると考えられる。最現状の開発状況からは、スクラバと乾式脱硫を組み合わせたハイブリッドガス精製システムでスケールアップ開発を進め、乾式ガス精製技術の確立を図っていくことが最適な技術選択であると考えられる。最は IGCC の効率向上効果が最も大きい乾式ガス精製システムを目指して開発を進める。終的には IGCC の効率向上効果が最も大きい乾式ガス精製システムを目指して開発を進める。ップ開発を進め、乾式ガス精製技術の確立を図っていくことが最適な技術選択であると考えられる。最終的には IGCC の効率向上効果が最も大きい乾式ガス精製システムを目指して開発を進める。終的には IGCC の効率向上効果が最も大きい乾式ガス精製システムを目指して開発を進める。. 2. 2. 2 43.

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