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ひろきかに
5 years ago
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1 革新的 CO2 膜分離技術シンポジウム石炭ガス化複合発電 (IGCC) の現状と今後の普及 2017 年 2 月 13 日常磐共同火力勿来発電所 IGCC 事業本部長石橋喜孝 1

2 目次 1. 常磐共同火力勿来発電所のご紹介 2.IGCCの原理と開発経緯 3. 勿来 10 号機 (250MW IGCC) の運転状況 4. 福島復興 IGCC(540MW IGCC) の建設状況 5.IGCC 普及の動向 6.CCSへの適用性 2

3 常磐共同火力勿来発電所の位置福島県いわき市いわき市勿来東京 10 号機 250MW IGCC 3

4 勿来発電所の発電設備 (IGCC) ユニット 7 号機 8 号機 9 号機 10 号機出力 250,000kW 600,000kW 600,000kW 250,000kW 運転開始年月日 1970 年 10 月 26 日 1983 年 9 月 9 日 1983 年 12 月 15 日 2013 年 4 月 1 日使用燃料石炭炭化燃料木質ペレット石炭炭化燃料木質ペレット石炭重油炭化燃料木質ペレット石炭合計出力 1,700,000kW 6 号機は 2015 年 11 月廃止 4

5 常磐共同火力勿来発電所全景 540MW 福島復興 IGCC 建設用地勿来 10 号機 250MW IGCC 5

6 世界の IGCC プロジェクト (1) プロジェクト国 Buggenum Netherland Puertollano Spain Wabash River USA Tampa USA Nakoso Japan Edwardsport USA GreenGen CHINA ガス化炉タイプ酸素吹き Dry-feed Shell 酸素吹き Dry-feed Penflo 酸素吹き Slurry-feed E-Gas TM 酸素吹き Slurry-feed GE 空気吹き Dry-feed 三菱重工酸素吹き Slurry-feed GE 酸素吹き Dry-feed TPRI 石炭消費量 2,000 t/ 日 2,600 t/ 日 2,500 t/ 日 2,500 t/ 日 1,700 t/ 日 5,400 t/ 日 2,090 t/ 日発電端出力 GT 燃焼温度 284 MW 1,100 度級 335 MW 1,300 度級 297 MW 1,300 度級 315 MW 1,300 度級 250MW 1,200 度級 761 MW 1,400 度級 265 MW 1,100 度級運転開始時期 1994 年 1 月 1997 年 12 月 1995 年 10 月 1996 年 9 月 2007 年 9 月 2013 年 6 月 2013 年 6 月連続運転時間 3,287 時間 1,847 時間 1,673 時間 953 時間 3,917 時間 2,640 時間 2,808 時間 6

7 世界の IGCC プロジェクト (2) プロジェクト国 Taean 韓国 Kemper USA 大崎 CoolGen 日本福島復興 IGCC 日本 IGCC の導入を検討中の国 Chile Thailand Poland ガス化炉タイプ酸素吹き Dry-feed Shell 空気吹き Dry-feed 移動床 KBR(TRIG) 酸素吹き Dry-feed MHPS 日立空気吹き Dry-feed MHPS 三菱石炭消費量 2,670 t/ 日 4,600t/ 日 2 1,180 t/ 日 - t/ 日発電端出力 GT 燃焼温度 380 MW 1,400 度級 582 MW 1,300 度級 166 MW 1,300 度級 540MW 2 1,400 度級運転開始時期 2016 年末 2017 年 ( 中止 ) 2017 年 ( 実証試験中 ) 2020 年 ( 建設準備中 ) その他 - CCS 付将来 CCS,IGFC 実施 - 7

8 IGCC とは従来型石炭火力 (PCF) ボイラ + 蒸気タービン石炭ガス化複合発電 (IGCC) ボイラ + 蒸気タービン + ガス化炉 + ガスタービン石炭ボイラ石炭ボイラ (HRSG) 排ガスガス化炉ガスタービン排ガス空気蒸気タービン酸素 or 空気蒸気タービン PCF : Pulverized Coal Firing IGCC : Integrated coal Gasification Combined Cycle IGCC は複合発電技術の採用により従来型石炭火力に比べて発電効率が高い IGCC には酸素吹きと空気吹きの 2 方式があり勿来では世界で唯一の空気吹き IGCC を開発 8

メリット 1: 発電効率の向上送電端効率 (%LHV) 50 45 40 目標効率 50% 以上 IGCC(48~50%) 商用機 by 1400~1500 級 GT 超々臨界圧石炭火力 (41~43%) 従来型石炭火力 (40~41%) 未来の IGCC

9 メリット 1: 発電効率の向上送電端効率 (%LHV) 目標効率 50% 以上 IGCC(48~50%) 商用機 by 1400~1500 級 GT 超々臨界圧石炭火力 (41~43%) 従来型石炭火力 (40~41%) 未来の IGCC by 1700 級 GT 近い将来の IGCC by 1600 級 GT IGCC(45~46%) by 1300 deg C GT IGCC 実証機 (42%) by 1200 級 GT ガスタービン技術の進展 ( 高温化 ) によって複合発電の効率は向上する 9

10 億トンメリット 2: 適用炭種の拡大世界の石炭資源量 IGCC 向き従来微粉炭火力向き北米中国インドオーストラリア南アフリカインドネシア微粉炭火力向き ( 高灰融点炭 ) 高灰融点炭を使用することによりボイラの壁に溶融灰が付着して伝熱障害を起こすのを防ぐ新たに利用可能 ( 低灰融点炭 ) 低灰融点炭を使用することによりガス化炉から溶融スラグとして石炭灰が排出される IGCC は微粉炭火力では使いにくい石炭を利用することができる 10

11 メリット 3: 石炭灰スラグの有効利用灰をガス化炉内で溶かしてガラス状のスラグとして排出するため容積がほぼ半減フライアッシュ ( 従来石炭火力 ) ガラス状スラグ (IGCC) セメントの原材料や路盤材等として有効利用可能道路舗装のアスファルトへの利用コンクリート成型製品への利用 11

12 その他のメリットメリット 4 : 大気環境性能の向上煙突出口の SOx NOx 煤塵濃度は 8ppm 5ppm 4mg/m 3 N 以下を達成メリット 5 : 温排水量の低減複合発電方式の採用により従来型石炭火力に比べて温排水量を約 3 割低減メリット 6 : 用水使用量の低減脱硫装置を設置した従来型石炭火力では大量の用水を必要としたが IGCC では燃料段階でのガス精製となるため用水使用量を大幅に低減 12

13 ガス化のしくみ石炭を空気により部分燃焼 ( 空気比 0.4~0.45) させ発熱量 5~5.5MJ/m 3 N 程度のガスタービン燃料に適したガスを製造石炭灰はガス化炉内で溶融し水で急冷してガラス質の水砕スラグとして排出燃料ガス中の不純物は後段のガス精製設備にて除去石炭 + 空気ガス化炉ガス化反応 C + CO2 = 2CO C + H2O = CO + H2 CO + H2O = CO2 + H2 CO,H2 リッチガス CO H2 H 2 S HCl NH 3 スラグ N 2 13

14 ガス化炉本体の特徴空気で効率良くガス化するため二室二段噴流床方式を採用未燃分はチャーリサイクルによりほとんどゼロ ( 炭素転換率 99.9% 以上 ) コンバスタは耐火材を用いず石炭灰によるセルフコーティング方式を採用ガス化炉全体を圧力容器内に収め空間を窒素で充填して安全確保 ( 二重壁構造 ) C + CO2 = 2CO C + H2O = CO + H2 CO + H2O = CO2 + H2 石炭ガス Porous Filter リサイクル 700K 石炭リダクタ ( 石炭ガス化室 ) チャー HRSG 石炭空気コンバスタ ( 燃焼室 ) 空気温度溶融スラグ 14

画像監視によるガス化炉安定運転の確認スラグ流下監視装置ガス化炉下部にビデオカメラを設置し 1 溶融スラグのスラグホールからの流下状況 2 溶融スラグのスラグホッパ水面への流下状況を画像監視溶融スラグが二筋で安定して流下していればガス化炉安定運転の証明

Clean-Up Combustor Gypsum recovery Air Steam Turbine G スラグホッパ水面へのスラグ流下 N 2 Slag Air O 2 Air is utilized for burning coal ASU

15 画像監視によるガス化炉安定運転の確認スラグ流下監視装置ガス化炉下部にビデオカメラを設置し 1 溶融スラグのスラグホールからの流下状況 2 溶融スラグのスラグホッパ水面への流下状況を画像監視溶融スラグが二筋で安定して流下していればガス化炉安定運転の証明 < 溶融スラグの安定流下 > ガス化炉スラグ流下監視装置 > 画像分析装置 > 音響監視装置スラグホールからのスラグ流下 Coal Gasifier HRSG Porous Filter Gas Turbine Unburned Coal Wet Gas Clean-Up Combustor Gypsum recovery Air Steam Turbine G スラグホッパ水面へのスラグ流下 N 2 Slag Air O 2 Air is utilized for burning coal ASU Mainly N2 is utilized for coal and char transport M Gasifier Boost-up Compressor ASU of Air-blown IGCC is relatively small. HRSG Stack 15

16 ガス精製のしくみガスタービンで燃焼させる前の高圧化でまだ体積の小さい段階でガスを精製信頼性の高い湿式ガス精製方式を採用水洗浄塔で窒素化合物 (NH3) 塩化水素 (HCl) 等を除去アミン吸収塔で硫黄化合物 (H2S) を除去石膏として回収ハイドロカーボン水銀の除去も考慮徹底した熱回収により湿式ガス精製採用による熱効率低下を抑止ガス精製前水アミン溶液ガス精製後 CO H2 CO H2 NH 3 N 2 H 2 S 窒素化合物等の除去硫黄化合物 HCl の除去 N 2 NH 3 HCl その他 H 2 S 石膏へ 16

17 日本における空気吹き IGCC の開発経緯パイロットプラント石炭ガス化複合発電技術研究組合 200t/d 25MW 相当 ( ) 実証プラントクリーンコールパワー研究所 1700t/d 250MW ( ) ( 現在の勿来発電所 10 号機 ) Process development unit 電力中央研究所 - 三菱重工 2t/d( ) 確認テスト用プラント三菱重工長崎工場 24t/d ( ) CRIEPI: Central Research Institute of Electric Power Industry 17

18 IGCC 実証機 ( 勿来 10 号機 ) の系統図石炭湿式ガス精製石膏回収ガス化炉ポーラスフィルタ燃焼器空気 HRSG ガスタービン蒸気タービンチャー G 窒素スラグ空気酸素 ASU M 抽気空気圧縮機ガス化炉廃熱回収ボイラ HRSG 煙突空気分離装置 (ASU) は石炭やチャーを加圧搬送するための窒素製造が主目的であり酸素吹き IGCC に比べて非常に小さいガス化に必要な空気は GT 空気圧縮機から抽気昇圧して供給し所内動力を低減 18

19 IGCC 実証機 ( 勿来 10 号機 ) の仕様出力 250 MW 石炭消費量約 1,700 t/ 日ガス化炉空気吹き & 乾式給炭方式ガス精製湿式 (MDEA)+ 石膏回収ガスタービン 1200 級 (50Hz) 目標熱効率発電端 48% (LHV) 46% (HHV) 送電端 42% (LHV) 40.5% (HHV) 環境特性 ( 目標値 ) SOx 排出濃度 NOx 排出濃度ばいじん排出濃度 8 ppm 5 ppm 4 mg/m 3 N (16%O 2 換算 ) IGCC 商用機では 1,500 級 GT を適用して 48~50% の送電端効率が可能である IGCC 実証機では研究設備として出力を小さくするため 1,200 級 GT を適用している 19

20 IGCC 実証機 ( 勿来 10 号機 ) 鳥瞰図排熱回収ボイラ (HRSG) ガス化炉設備ガスタービン蒸気タービン & 発電機ガス精製設備空気分離装置 (ASU) 中央操作室 20

21 IGCC 実証機 ( 勿来 10 号機 ) 全景排熱回収ボイラ (HRSG) 煙突ガス化炉設備排ガスの流れ蒸気の流れ石炭の流れガスタービン石炭ガスの流れ蒸気タービン発電機ガス精製設備電気の流れ変圧器 21

22 実証試験実績スケジュール平成 19 年度平成 20 年度平成 21 年度平成 22 年度平成 23 年度平成 24 年度 GT 点火 H19.9 H20.3 H20.9 H21.6 H22.6 H23.3 H23.7 ガス定格出力 2000 時間 5000 時間 5000 時間東日本化炉 250MW 連続運転耐久運転耐久運転大震災点火到達達成開始終了 ( 補助被災事業終了 ) 実証試験震災復旧完了運転再開石炭ガス化調整試験運転長時間連続運転試験運転最適化試験炭種変化試験 5000 時間耐久運転試験炭種適合性拡大試験運用性向上試験震災復旧および定期検査信頼性炭種適合性経済性等の検証試験 22

23 項目目標達成状況実証試験成果システムの安全性環境性信頼性定格出力での安定運転異常時の安全停止を確認ばい煙濃度 ( 煙突出口 ) 目標 :SOx:8ppm NOx:5ppm ばいじん :4mg/m3N の達成 2000 時間 ( 夏季 3 ヶ月間相当 ) の連続運転の達成実証試験成果定格出力 250MW での安定運転を確認 (H20/3) 目標ばい煙濃度以下を確認 (H20/3) 実績値 : SOx:1.0ppm NOx:3.4ppm ばいじん :0.1mg/m3N 連続運転 2,238 時間を達成 (H23/11) 商用運転後 3,917 時間を達成 (H25/12) 炭種適合性設計炭 ( 中国神華炭 ) 以外の石炭についても安定運転を確認北米 PRB 亜瀝青炭インドネシア亜瀝青炭コロンビア炭ロシア炭カナダ炭等高効率性目標送電端効率 42% の達成送電端効率 42.9% を達成 (H21/1) 耐久性経済性運用性 5000 時間耐久運転試験後設備の開放点検を行い検証商用機における建設費運転費保守費等を総合的に評価火力プラントとしての運用性の向上年間 5000 時間運転到達 (H22/6) 開放点検により設備に重大な損傷なしを確認大地震 ( 震度 6 弱 ) でも倒壊せず耐震性を確認商用機の発電原価は従来型石炭火力と同等以下となる可能性あり従来型石炭火力並の運用性を確認 (H23/3) ( 起動時間 15 時間最低負荷 36% 負荷変化率 3%/ 分等 ) 23

24 性能試験結果 (2008 年 3 月 ) 大気温度発電端出力カスターヒン出力蒸気ターヒン出力送電端効率 (LHV) 石炭ガス発熱量組成 CO CO2 H2 CH4 N2 & Others 環境性能 (16% O2 換算 ) SOx NOx 煤塵設計値 MW MW MW 42 % 4.8 MJ/m 3 N 28.0 % 3.8 % 10.4 % 0.3 % 57.5 % < 目標値 > 8 ppm 5 ppm 4 mg/m 3 N 試験結果 MW MW MW 42.4 % 5.2 MJ/m 3 N 30.5 % 2.8 % 10.5 % 0.7 % 55.5% 1.0ppm 3.4 ppm <0.1 mg/m 3 N 2008 年 3 月に定格出力 (250MW) 運転を達成定格出力での安定運転と設計性能が確認された 24

25 試験炭種 ( 設計炭 ) 中国北米インドネシアインドネシアコロンビアロシアインドネシア北米北米 (A) (A) (B) (A) (C) (B) (C) 発熱量 (air dry) 全水分 (as received) 全硫黄 (air dry) kj/kg 27,120 26,670 26,370 23,010 28,090 26,560 29,620 25,910 26,790 wt% wt% 工業分析 (air dry) 固有水分固定炭素揮発分灰分 wt% wt% wt% wt% 灰溶融温度 deg C 1,225 1,420 1,260 1,230 1,390 1,450 1,570 1,365 1,290 瀝青炭 ( 中国炭等 ) と亜瀝青炭 ( 北米炭等 ) の燃焼テストを実施し安定的に発電できることを確認した 25

26 微粉炭火力向き石炭と IGCC 向き石炭 3.0 燃料比 ( 固定炭素 / 揮発分 ) IGCC 向き石炭微粉炭火力向き石炭 0.5 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 1,600 1,700 灰の溶融温度 [ ] 26

27 IGCC 実証機の移管と商用転用 2013 年 3 月 31 日以前設備の所有者 : クリーンコールパワー研究所位置付け : 実証試験研究設備名称 :IGCC 実証機結果 :5 年半に亘る実証試験は成功裏に終了商用機設計に必要なデータを取得 < 移管の理由 > 電源としての供給力活用 IGCC 運転保守技術の一層の成熟化 2013 年 4 月 1 以降設備の所有者 : 常磐共同火力位置付け : 商用運転設備名称 : 勿来発電所 10 号機運転状況 :6/28~12/8 の間 3,917 時間の連続運転を達成 27

28 商用化後の 10 号機の運転実績商用化後の勿来 IGCC は 2013 年の 6/28~12/8 の間ほぼ定格出力で 3,917 時間の連続運転を達成これまでオランダのブフナム IGCC が持っていた IGCC としての世界最長連続運転 3,287 時間を大きく更新した 28

福島復興大型 IGCC 建設プロジェクトについて < 目的 > 福島県の経済再生を後押しする産業基盤や雇用機会の創出を目的として 50 万 kw 級 IGCC を勿来広野に各 1 基建設するもの福島県がクリーンコール分野で世界を牽引していく拠点となることを目指す < 計画概要 ( 勿来地点 )> 発電設備 :

29 福島復興大型 IGCC 建設プロジェクトについて < 目的 > 福島県の経済再生を後押しする産業基盤や雇用機会の創出を目的として 50 万 kw 級 IGCC を勿来広野に各 1 基建設するもの福島県がクリーンコール分野で世界を牽引していく拠点となることを目指す < 計画概要 ( 勿来地点 )> 発電設備 : 出力 54 万 kw IGCC 設置場所 : 勿来発電所の隣接スペース工程 : 2017 年 4 月着工 2020 年度運転開始予定実施主体 : 勿来 IGCC パワー合同会社三菱商事パワー (40%) 三菱重工業 (40%) 三菱電機 (10%) 東京電力ホールディングス (5%) 常磐共同火力 (5%) 29

30 10 号機との仕様比較項目勿来 10 号機 ( 既設 ) 復興 IGCC 定格出力 250MW 540MW 発電効率 ( 送電端,LHV) 約 42% 約 48% ガス化炉型式空気吹き乾式給炭空気吹き乾式給炭ガス精製設備湿式 ( 化学吸収法 ) 湿式 ( 化学吸収法 ) ガスタービン燃焼温度 1200 級燃焼温度 1400 級 30

31 540MW 勿来 IGCC 完成予想図 250MW 勿来 10 号機 IGCC 31 31

32 540MW 勿来 IGCC 完成予想図 32

33 CCS(CO2 分離回収 ) の適用性 Pre-combustion Type CCS( 燃焼前 CO2 分離 ) の適用により加圧下のガス体積が小さい段階で効率的な CO2 回収が可能下図のようにガス精製とガスタービンの間に CO2 分離回収設備を設置するので IGCC 建設後に CCS 設備を付加することも容易 (CCS-Ready が容易 ) CO CO2 石炭ガス化炉ガス精製 H2 CO 変換設備 H2 CO2 分離回収設備 H2 ガスタービン H2O CO2 圧送設備へ 33

34 火力発電の熱効率の歴史 70 70% 60 発電用天然ガス 60% プラント熱効率 (%) a : ニューコメン (0.5%) b: ジェームスワット (4%) c: 最初の火力発電所 (3%) 蒸気タービン 246at 538/ at 566/566 石炭 (IGFC) 50% 石炭 (IGCC) 250at 600/600 超臨界圧 A-USC 40% 超々臨界圧 USC 再熱サイクル 30% 20 動力用 127at 538 再生サイクル 20% 10 ピストンエンジン 42at % a b c 10at % 年 34

35 ホームページご清聴ありがとうございました 35

IGCC石炭ガス化複合発電プロジェクトの動向,三菱重工技報 Vol.52 No.2(2015)

IGCC石炭ガス化複合発電プロジェクトの動向,三菱重工技報 Vol.52 No.2(2015) 三菱日立パワーシステムズ特集技術論文 88 IGCC 石炭ガス化複合発電プロジェクトの動向 Current Status of Integrated Coal Gasification Combined Cycle Projects *1 坂本康一 *2 品田治 Koichi Sakamoto Osamu Shinada *3 佐々木啓介 *4 流森文彦 Keisuke Sasaki Fumihiko