IGCC

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

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

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

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

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

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

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

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 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

億トン メリット 2: 適用炭種の拡大 1200 1000 世界の石炭資源量 IGCC 向き 従来微粉炭火力向き 800 600 400 200 0 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

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

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

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

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 < 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

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

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 (1991-1996) 実証プラント クリーンコールパワー研究所 1700t/d 250MW (2007-2013) ( 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(1983-1995) 確認テスト用プラント 三菱重工長崎工場 24t/d (1998-2002) CRIEPI: Central Research Institute of Electric Power Industry 17

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

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

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

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

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

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

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 15 250 MW 128.9 MW 121.1 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 13.1 250.0 MW 124.4 MW 125.8 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

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) 2009.1 2009.1 2009.3 2010.9 2011.9 2011.12 2012.1 2012.10 2013.1 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% 15.4 25.3 21.7 29.7 14.7 10.8 8.4 19.6 6.9 wt% 0.25 0.39 0.25 0.12 0.76 0.34 0.62 0.45 0.24 工業分析 (air dry) 固有水分固定炭素揮発分灰分 wt% 7.5 8.0 7.9 17.1 1.8 3.7 2.7 12.6 5.2 wt% 51.3 47.4 45.2 37.8 49.0 44.8 43.9 46.8 48.1 wt% 32.3 39.1 42.5 41.6 35.6 38.2 44.9 35.4 36.8 wt% 8.9 5.5 4.4 3.5 13.6 13.3 8.5 5.2 9.9 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

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 ) 2.5 2.0 1.5 1.0 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

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

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 : 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

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

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

540MW 勿来 IGCC 完成予想図 32

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

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 (%) 50 40 30 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 538/566 169at 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 450 10% a 1700 1750 b 1800 1850 c 10at 268 1900 1950 2000 2050 2100 0% 年 34

ホームページ http://www.joban-power.co.jp/ ご清聴ありがとうございました 35