電中研レビュー第57号

●

目

次

石炭ガス化複合発電技術 – 空気吹きIGCC実証試験の成果 –はじめに 東京大学 生産技術研究所 金子 祥三…… 2

3-1-3

実証機ガス化炉の設計段階におけるスケールアップ評価… ……………………… 39

石炭ガス化複合発電研究のあゆみ………………… 33-1-4

運転試験の実績とガス化炉の評価………… 43

第1章

石炭ガス化複合発電技術開発の経緯…… 73-2

ガス精製設備………………………………… 46

1-1

石炭ガス化複合発電技術の位置づけ………… 8

3-2-1

ガス精製設備の役割………………………… 46

3-2-2

実証機のガス精製設備構成………………… 46

3-2-3

ガス精製設備運転特性の評価……………… 48

1-2

石炭ガス化複合発電の一般的な特徴と構成………………………………………………… 10

1-2-1

IGCCの特徴… ……………………………… 10

3-3

複合発電設備………………………………… 49

1-2-2

石炭ガス化設備……………………………… 10

3-3-1

低カロリーガスへの対応… ………………… 50

1-2-3

ガス精製設備………………………………… 133-3-2

石炭性状の変動への対応…………………… 50

1-2-4

複合発電設備………………………………… 14

3-3-3

ホッパ供給方式への対応…………………… 52

1-2-5

インテグレーション技術… ………………… 143-4設備間の連係………………………………… 53

3-4-1

ガス化炉・SGCとHRSG間での蒸気の連係

1-3海外における開発…………………………… 15………………………………………………… 53
3-4-2

石炭乾燥のための排熱の連係利用………… 54

3-5

IGCC商用機に向けて… …………………… 55

  乾式ガス精製技術… ……………………… 21

3-5-1

熱効率の向上………………………………… 55◎コラム3：IGCC用ガスタービンの開発動向………… 22

3-5-2

設備利用率の向上…………………………… 57

3-5-3

炭種適合性の拡大…………………………… 58

3-5-4

まとめ………………………………………… 58

1-4

我が国における開発………………………… 17◎コラム1：IGCCにおけるCCSへの対応… ………… 20◎コラム2：効率向上とコスト低減に寄与する

第2章

実証機プロジェクトの概要とその後の運用…………………………………………… 25

2-1

250MW実証機の特徴… ………………… 26

2-1-1

実施体制……………………………………… 26

2-1-2

開発スケジュール…………………………… 26

2-1-3

実証機のシステム構成と仕様… …………… 27

2-2

実証試験の成果……………………………… 29

2-3

プロジェクト終了後の実証機の運用… …… 30◎コラム4：東日本大震災の経験と復旧、そして供給力としての活躍………………… 32◎コラム5：実証試験におけるスラグ有効利用… …… 35

第3章

実証試験結果の評価…………………… 37

3-1

ガス化炉設備………………………………… 38

3-1-1

空気吹き噴流床ガス化炉の概要…………… 38

3-1-2

空気吹き噴流床ガス化炉の開発ステップ… 38

参考文献・資料等 ………………………………… 60
執筆分担 …………………………………………… 62

はじめに
東京大学

化石燃料の 96% を輸入に頼る日本にとっ て石炭は
大事な化石燃料である。石炭 は 化 石 燃 料 の 中 で もっとも資源量が豊富であり、世界中に広く分布し、価格が安価でありかつ安定している。一方、石炭は化石燃料の中で炭素含有比率が高く、従っ てカロリー
あたりの CO2 発生量が大きい。
現在、大気中の CO2 濃度は年々増加し、地球
温暖化はますます深刻な問題となっ ている。だからといっ て世界中で石炭の使用を制限するのは正しい方法とはいえない。なぜなら安価な電力料金はすべての国にとっ て不可欠のものであり、特に発展途上国にとっ ては安定した社会と国民生活の基盤となるものである。これらの諸国に、クリーンで高効率の石炭利用技術を提供
し、きれいな大気と少ない CO2 排出量を保ちな
がら安い電力料金を実現することは先進国の義務ともいえるものだからである。
日本で世界最高の高効率でクリーンな利用技術を確立し、これらを必要としている諸国に提供することは、国際的な友好を図りつつ地
球温暖化防止を実現する崇高な貢献といえるであろう。
1980 年代に電力中央研究所は国産技術による石炭ガス化の研究開発に着手した。その目的は燃料のほとんどを海外に頼る日本の国情を考慮し、“世界最高の送電端効率を有する日本独自の発電用石炭ガス化技術”を開発するという壮大なものであっ た。この構想は電気事業を所管する
通商産業省（当時）の全面的な賛同を得て、“空気吹き石炭ガス化複合発電（IGCC）の技術開発”として国家プロジェクトとして推進されることになっ た。
当時の石炭ガス化技術といえば、アンモニアやメタノールなどの化学原料や合成天然ガス（SNG）などの製造を目的とする酸素吹きガス化
2

生産技術研究所金子祥三

炉がほとんどであっ た。特に高温を必要とする
噴流床ガス化においては空気吹きなど不可能と考えられていた。このように世界に先例のないもので空気吹き噴流床ガス化は着実なステップ
を踏んで段階的に進められることとなっ た。すなわち 1 日あたりのガス化容量（石炭使用量）が2 トンの炉からスタートし、200 トン / 日のパイ
ロットプラントを経て、1,700 トン / 日（25 万 kW相当）の実証機として開発が進められることになっ た。しかしながら 2 トン / 日から 200 トン /日という 100 倍のスケールアップにおいては、多くの予見できなかっ たトラブルが発生し、約 3年の工程遅延と多額の追加予算を必要とする事態となっ た。しかし関係者の不屈の闘志と想像を絶する努力によっ て、課題はすべて解決され、その成果は実証機の順調な完成と運転によっ て報いられることとなっ た。これらの成果をもとに 2020 年には 54 万 kW の商用規模の大容量機が実現する運びとなり、日本の“空気吹き石炭ガス化複合発電（IGCC）技術”は、ここに世界最高の効率を実現可能な“石炭火力の救世主”となるレベルに達したといえるであろう。
しかし IGCC の技術はさらに発展する余地が大きい。全体のシステムの最適化はもとより、乾式ガス精製技術の実現など電力中央研究所に期待するところ大である。
これから世界的にも日本国内においても電力の自由化がどんどん進んでいくと予想される。
電力自由化にはいろいろなメリットが期待されているが、一方、懸念もある。それは“安い電力料金がすべてを制する”ことにより、電力事業者もメーカー も新技術を実現する余地がなくなっ てしまうことである（一般に新技術は開発された当初は、既存の成熟した量産機にコスト競争力が劣ることが多い）。今後は国のロードマッ
プの中にしっ かりと技術の進むべき方向と時期を示し、この実現を可能とする政策を国がしっかりと立て、民間とともにその実現に邁進することが重要と考えられる。

「石炭ガス化複合発電研究」のあゆみ
西暦（元号）

当研究所の研究

国内外の状況

1973（S48）

・STEAG 社（ 西 独 ）がケラーマン発 電 所で170MW 級
IGCC 実証プラントを運転

1974（S49）

・サンシャイン計画による流動床石炭ガス化炉（5トン/日、（財）石炭技術研究所）の研究開始

1979（S54）

・中央電力協議会に「ガス化技術検討会」設置（1980 年に「石炭ガス化専門部会」と改称）

・調査報告書「石炭ガス化複合発電に関する当面の研究課題について（280062）」を作成
1981（S56） ・空 気吹き加圧二段噴流床石炭ガス化炉開発の共同研
究により基本プロセスを開発（三菱重工業（株）、1981〜 1989 年度）

・資 源エネルギー庁が「火力新技術研究会」を設置し、21 世紀に向けた火力新技術の開発方針を検討
・40トン/日流動床ガス化パイロットプラント運転試験開始

・中央電力協議会からの依頼研究として、石炭ガス化複合発電に関するフィージビリティー・スタディを実施

・資源エネルギー庁が「火力新技術調査委員会」を設置、石炭ガス化複合発電の開発方針を取りまとめ
・米 国クールウォータープログラムに電力中央研究所、東京電力（株）、メーカ2 社が共同参加

・2トン/日石炭ガス化基礎実験装置（2トン/日炉）を設置
し、試験研究を開始

・資 源エネルギー庁、 噴 流 床 石 炭ガス化 複 合 発 電のフィージビリティー・スタディを実施（1983 〜 1985 年度、NEDO（新エネルギー総合開発機構）より電力中央研究所が受託）

・乾 式ガス精製、低カロリーガス燃焼器の基礎研究を開始・クールウォータープログラム（1,000トン/日テキサコ炉）実
証運転開始

1982（S57）

1983（S58）

1984（S59）

・乾 式ガス精製の共同研究を実施（三菱重工業（株）、 ・NEDO「パイロットプラントの基本計画」を取りまとめ
1985 〜 1989 年度）
・総 合エネルギー調査会石油代替エネルギー部会石炭ガ
1985（S60） ・乾式集じん・脱硫基礎実験装置（2トン/日規模）を設置
ス化委員会および産業技術審議会新エネルギー技術開し、試験研究を開始
発部会石炭ガス化特別委員会にて、パイロットプラント実
施計画が承認される・パイロットプラントの要素研究をNEDOより受託し、パイロッ
トプラント設計に反映

・石 炭ガス化複合発電技術研究組合が設立（200トン/日
パイロットプラントの設計開始）
・火 力原子力発電技術協会に噴流床石炭ガス化安全設計委員会を設置

1987（S62）

・石炭ガス化用ガスタービン要素実験設備を設置し、ガスタービン燃焼技術の研究を開始

・サンシャイン計画による流動床石炭ガス化炉の開発終了（1987 年度）

1989（H1）

・NEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）から ・クールウォータープログラム実証運転終了の受託研究として、パイロットプラントにおけるメーカ3 社の実圧実寸ガスタービン燃焼器事前評価試験を実施し、燃焼器設計やパイロットプラント運転試験に反映

1990（H2）

・石炭ガス化複合発電用 1300℃級低 NOx 燃焼器を開発

1991（H3）・2トン/日炉によるパイロットプラント実供試炭事前評価試
験を実施し、パイロットプラント運転試験に反映（NEDO
からの受託研究、1991、1992、1995 年度）
・亜鉛フェライトを用いた高性能乾式脱硫技術の開発を開始

1992（H4）

・ガス化スラグ有効利用技術の開発を実施（1992 〜 1995
年度、太平洋セメント（株）との共同研究）

1986（S61）

・200トン/日噴流床石炭ガス化発電パイロットプラントの運転試験開始

電中研レビュー No.57 ●3

西暦（元号）

当研究所の研究1993（H5）・2トン/日炉によるスラッギング現 象 再 現 試 験を実 施
し、トラブル解決のためのパイロットプラント改造に反映（NEDO からの受託研究）

1994（H6）

・ガス化炉数値解析技術の開発を開始
・ブフナム284MW 実証プラント運転開始（オランダ）・超高温・加圧型燃料反応実験装置（PDTF）を設置し、ガス化反応性解明研究を本格化
・重質油ガス化研究を実施（1994 〜 1998 年度、中部電力（株）、三菱重工業（株）と共同研究、1999 〜 2002 年度）
・石 炭ガス中硫黄化合物を1ppm 以下まで除去できる亜鉛フェライト系脱硫剤試作に成功
・石炭ガス化複合発電用 1500℃級低 NOx 燃焼器を開発

・2 00トン/日パイロットプラントで 789 時間の連続運転を達成
・ワバッシュリバー 296MW 実証プラント運転開始（米国）・石 炭・石炭灰の物性解明と炉内粒子挙動モデリング技術の開発を実施（1996 〜 1999 年度、出光興産（株）石炭研究所との共同研究）
・乾式脱ハロゲン技術の開発を開始

・タンパ 315MW 実証プラント運転開始（米国）

1995（H7）

1996（H8）・200トン/日パイロットプラント計画終了
・実 証プラントフィージビリティー・スタディを実施（1997 〜
1998 年度、NEDO が東京電力（株）に委託、9 電力、電源開発（株）、電力中央研究所による電力共同研究）

1997（H9）・石 炭ガス中ハロゲン化物を1ppm 以下まで除去できる粉末状吸収材試作に成功
1998（H10）・豪 州の国立研究機関 CSIRO および研究組合 CRCと研究協力協定を調印（1998 〜 2010 年、2013 年〜）・プエルトヤノ335MW 実証プラント運転開始（スペイン）・基礎実験装置や数値解析ツール等を用いた実証機支援
研究を実施し、実証機ガス化炉基本設計、運転試験に
1999（H11）
反映（1999 〜 2012 年度、中電協依頼研究）・ガス化スラグ有効利用技術の開発を実施（1999 〜 2004
年度、太平洋セメント（株）と研究会設置）・250MW IGCC 実証機計画が開始（9 電力、電源開発（株）、電力中央研究所による電力共同研究）

・実証機計画の実施主体として（株）クリーンコールパワー
研究所が設立（実証機の設計開始）

2001（H13）4

国内外の状況

2002（H14）・石炭ガス中硫黄化合物を1ppm 以下まで除去できるハニ
カム状亜鉛フェライト系脱硫剤を開発
・ガス化スラグ高付加価値化技術の開発を開始

2003（H15）・石 炭ガス中ハロゲン化物を1ppm 以下まで除去できる吸収材の成形化技術を開発

2004（H16）・実 証機運転支援、IGCC 炭種適合性評価手法確立のため、3トン/日炉石炭ガス化研究炉を設置

2005（H17）・ガス化スラグの加熱発泡性に着目した軽量化技術を開発し、軽量細骨材への適用性を評価

・150トン/日EAGLE パイロットプラント運転開始（NEDO、
電源開発（株）による多目的石炭ガス製造技術開発）

・実証機の建設工事着工

西暦（元号）

当研究所の研究2007（H19）・石炭ガス化研究炉による実証機実供試炭評価試験を実施し、実証機運転試験に反映（2007、2009 年度）
・CO2 回収型高効率 IGCCシステムを提案

・ガス化スラグから超軽量発泡体を製造し、屋上緑化資材への適用性を評価
2008（H20） ・NEDO からの受託研究としてCO2 回収型高効率 IGCC

国内外の状況
・実証機運転試験開始

・実証機長時間連続運転試験（2,000 時間）を実施

システムの基盤技術を開発（2008 〜 2014 年度、九州大学と共同実施）
2010（H22）

・実証機長期耐久運転試験（5,000 時間）を実施

・乾式ガス精製システム適用 IGCC の効率と経済性を評価（2011 〜 2012 年度、中電協要請研究）2011（H23）・褐 炭ガス化の基礎研究を実施（2011 〜 2013 年度、豪
州カーティン工科大学との共同研究）

・東日本大震災により実証機運転停止、復旧作業を経て7月に運転再開2012（H24）

・ガス化スラグの直 接・大 量 利 用用 途を探 索（2012 〜
2013 年度）

・石 炭ガス化研究炉、PDTF 等の基礎実験装置、ガス化炉数値解析技術を活用したIGCC 炭種適合性評価手法を確立
・ガス化スラグの直接・大量利用用途として、海底深掘り
2013（H25）
跡埋め戻し資材が有望であることを見出し、ガス化スラグの適合性を評価
・NEDO からの受託研究として次世代高効率石炭ガス化技術の調査研究を実施（2013 〜 2014 年度）

・GreenGen 250MW 実証プラント運転開始（中国）・実証機計画終了
・実 証機は常磐共同火力（株）勿来発電所 10 号機として商用運転に移行、連続運転時間を更新（3,917 時間）
・大 崎クールジェン（株）が酸素吹 IGCC 実証試験発電所
着工
・ブフナムIGCCプラント運転終了（オランダ）・エドワーズポート618MW 商用プラント運転開始（米国）・東京電力（株）が福島復興大型石炭ガス化複合発電設
備実証計画を発表
・EAGLE パイロットプラントプロジェクト終了
・福島復興大型石炭ガス化複合発電設備の設計開始

2014（H26）
・NEDO からの 受 託 研 究としてCO2 回 収 型クローズド
2015（H27）

IGCC 技術開発を開始（三菱重工業（株）、三菱日立パワーシステムズ（株）と共同実施）
・NEDO からの受託研究として次世代ガス化システムの基盤技術開発を開始

電中研レビュー No.57 ●5石炭ガス化複合発電技術
開発の経緯
1-1 石炭ガス化複合発電技術の位置づけ・ ・・・・・・・・ 8
1-2 石炭ガス化複合発電の一般的な特徴と構成・ ・・・ 10
1-2-1

IGCCの特徴・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10

1-2-2石炭ガス化設備・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10

1-2-3

ガス精製設備・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 13

1-2-4

複合発電設備・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 14

1-2-5

インテグレーション技術・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 14

1-3 海外における開発・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 15
1-4 我が国における開発・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 17
コラム1：IGCCにおけるCCSへの対応・・・・・・・・・・・・・・・・・ 20
コラム2：効率向上とコスト低減に寄与する乾式ガス精製技術・・・・・・・ 21
コラム3：IGCC用ガスタービンの開発動向・ ・・・・・・・・・・・・・・ 22

第１章

第1章

第１章
1-1 石炭ガス化複合発電技術の位置づけ一つとして位置づけられており、着実な実用化に向けた技
術開発ロードマップが示された。その後、東日本大震災おエネルギー資源に乏しい我が国では、エネルギーセキュリ

よび東京電力福島第一原子力発電所事故を受け、2014 年

ティ確保の観点から電源のベストミックスが進められている。

4月には、エネルギーを巡る国内外の大きな環境変化を踏ま（1）

BP 統計（2015 年版） によれば、石炭は、可採年数（確認えた第四次エネルギー基本計画（3）が閣議決定された。そ

可採埋蔵量）が 110 年（8,915 億トン）であり、石油の 52.5 年の中で、「エネルギー政策の要諦は、安全性（Safety）を前

3（1 兆 7,010 億バレル）、天然ガスの 54.1 年（187.1 兆 m ）に提とした上で、エネルギーの安定供給（Energy Security）

比べ大きく、また、北米、欧州、アジア・オセアニアなどにを第一とし、経済効率性の向上（Economic Efficiency）に幅広く分布している。このように、化石燃料の中で、埋蔵よる低コストでのエネルギー供給を実現し、同時に、環境へ量が豊富で地域的偏在性が低いことなどから、石炭は将来の適合（Environment）を図るため、最大限の取組を行う

にわたって重要なエネルギー源と位置づけられる。

ことである」と、3E+S の基本的視点が確認されている。

一方、石炭は石油や天然ガスに比べて単位発熱量あた

第四次エネルギー基本計画に基づき、総合資源エネル

りの炭素含有量が多く、燃焼時の二酸化炭素排出量が多ギー調査会基本政策分科会長期エネルギー需給見通し小いことなどから、環境負荷の低減が課題となっている。こ委員会において、現実的かつバランスの取れたエネルギーのため、石炭をクリーンに利用する技術の開発が進められ需給構造の将来像が検討された。小委員会における取りまており、特に高効率化に関するさまざまな取組みが行われとめを踏まえ、経済産業省は、2015 年 7月に「長期エネル

ている。

（4）
ギー需給見通し」を決定した。ここでは2030 年度の電源

2008 年に公表された「Cool Earth -エネルギー革新技術計

構成が示され、石炭火力については、発電電力量に占め（2）画」 においては、石炭ガス化複合発電（IGCC:Integrated

る割合を26%とし、「環境負荷の低減と両立しながら、そのcoal Gasification Combined Cycle）を含めた高効率石炭有効活用を推進する」とされた。
これを受けて設置された「次世代火力発電の早期実現

火力発電は、重点的に取組むべきエネルギー革新技術の第1世代技術

更なる性能
向上の検討

AHAT 要素技術実証

LNG火力

2016年度以降
第1世代技術の効率向上

AHAT技術確立(第2世代技術並に)

A-USC 要素技術開発

石炭火力

A-USC技術確立

第2世代技術LNG火力

1800℃級要素技術開発/技術実証
1700℃級GTCC技術確立

1700℃級GTCC 技術実証

2020年代初頭
石炭火力：第2世代技術の確立
LNG火力：第2世代技術の効率向上

大型IGCC実証

中型IGCC実証（空気吹、1500℃級）(空気吹、1200℃級)

中型IGCC技術実証（酸素吹、1300℃級）

石炭火力

中小型GTFC要素技術開発
量産/低コスト化技術開発
小規模産業用機の商用化

GTFC

要素技術開発革新的IGCC技術実証

中小型GTFC 技術実証

技術実証

酸素燃焼 技術実証

酸素燃焼法技術確立

固体吸収法 要素技術開発

CCUS技術

GTFC技術確立

IGFC技術確立

2020年代後半以降
低コストCCUS技術の確立

固体吸収法技術実証

クローズドIGCC要素技術開発

物理吸収法 要素技術開発

2025年度頃
第3世代技術の確立

大型化/商用機に向けた追加技術開発小型IGFC

石炭火力

1800℃級IGCC技術確立

1700℃級IGCC技術確立

革新的IGCC要素技術開発（水蒸気ガス化、乾式精製）

第3世代技術LNG火力

1800℃級要素技術開発/技術実証
1800℃級GTCC技術確立

クローズドIGCC要素技術開発

物理吸収法 技術実証

膜分離法 要素技術開発

物理吸収法技術確立
膜分離法技術実証

図 1-1-1

8

2015年

2020年

技術確立

CCUS関連の有望技術の順次技術確立

有効利用技術 要素技術開発・実証事業（藻類、人工光合成、化学製品利用など）

2010年

有望な回収技術の開発

有望な利用技術の開発

2025年

2030年

（5）
次世代火力発電技術のロードマップ（次世代火力発電の早期実現に向けた協議会）

第１章
順次確立した上で、ガスタービンの超高温化の成果を活用に向けた協議会」により、官民一体となって開発を加速す（5）

し、更なる高効率化（同 48 〜 50%）を図るとしている。

るための技術ロードマップ（中間とりまとめ） が 2015 年 7月に策定された（図 1-1-1 、図 1-1-2 ）。ここで、IGCCは

IGCCは、図 1-1-3 のように、幅広い炭種に対して高効2020 年代初頭に技術を確立し、実用化に目処をつけるとさ率運転を高い設備利用率で実現し、安定供給、経済性、れ、石炭ガス化燃料電池複合発電（IGFC:Integrated coal

環境保全の面から我が国のエネルギー供給に貢献するポテ

（5）

（6）

Gasification Fuel Cell combined cycle）についても、2025
年度頃に技術を確立、実用化に目処をつけるとされた。CO2

3E+Sの回収、貯留（CCS）
・有効利用（CCUS）技術については、
2030 年度以降を見据えて各種の技術開発を進め、2020 年

経済効率性
の向上

安定供給

代後半以降に経済的に有望な技術を確立するとされた。

（Energy
Security）

我が国の IGCC 技術は、現在、250MW 実証機プロジェ（Economic
Eﬃciency）

環境への適合（Environment）

安全性（Safety）

クトが終了し、商用機設計に必要な知見が得られた段階にある。経済産業省と環境省が 2013 年に示した事業者が利用可能な最良の技術（BAT:Best Available Technology）

IGCCの中には、実証機と同等規模の 20 万 kW 級空気吹きIGCCが含まれている。さらに、東京電力株式会社は、福島の復① 高い発電効率

興を加速させるための取り組みとして発表した「福島復興大② 高い設備利用率型石炭ガス化複合発電設備実証計画」において、2 基の③ 優れた環境適合性

500MW 級 IGCCを2020 年代初頭に運転開始するとしてい④ 多様な石炭の適合性る。上述のロードマップ（5）では、今後、送電端効率 46 〜
48%（HHV：高位発熱量、以下 HHV）の大型機の技術を

発電効率

図 1-1-3

ガスタービン燃料電池複合発電(GTFC)
GTCC に燃料電池を組み合わせたﾄﾘﾌﾟﾙｺﾝﾊﾞｲﾝﾄﾞｻｲｸﾙ方式の発電
発電効率：63 ％程度
CO2排出： 280 g/kW程度
GTFC
技術確立：2025 年度頃目途

65％
超高温ガスタービン複合発電
60％

55％

50％

45％

超高温 (1700℃以上)ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝを利用したLNG用の複合発電
発電効率：57 ％程度
CO2排出： 310 g/kWh程度
技術確立：2020 年度頃目途

1700℃級GTCC
CO2
約1割減

ガスタービン複合発電（GTCC）

CO2
約2割減

ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝと蒸気ﾀｰﾋﾞﾝによる複合発電。
発電効率：52％程度
CO2排出： 340 g/kWh

LNG火力

CO2
約2割減

中小型基向けのｼﾝｸﾞﾙｻｲｸﾙのLNG火力技術。高湿分の空気の利用で、大型GTCC並の発電効率を達成。
発電効率：51％程度
A-USC
CO2排出： 350 g/kWh
技術確立：2017 年度頃目途

IGFC

石炭ガス化燃料電池複合発電(IGFC)
IGCCに燃料電池を組み込んだ
ﾄﾘﾌﾟﾙｺﾝﾊﾞｲﾝﾄﾞｻｲｸﾙ方式の石炭火力
発電効率：55 ％程度
CO2排出： 590 g/kWh程度
技術確立：2025 年度頃目途

1700℃級IGCC
石炭ガス化複合発電(IGCC)

先進超々臨界圧(A-USC)
高温高圧蒸気ﾀｰﾋﾞﾝによる微粉炭石炭火力。
発電効率：46 ％程度
CO2排出： 710 g/kWh程度
技術確立：2016 年度頃目途

超々臨界圧（USC）
汽力方式の微粉炭火力

発電効率：40 ％程度
CO2排出： 820 g/kWh程度

石炭火力

CO2
約3割減

高湿分空気利用ガスタービン(AHAT)IGCC（空気吹実証）
40％

3E+S に向けた IGCC のポテンシャル

石炭をガス化し、ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝと蒸気ﾀｰﾋﾞﾝによるｺﾝﾊﾞｲﾝﾄﾞｻｲｸﾙ方式を利用した石炭火力。
発電効率：46～50 ％程度

CO2排出： 650 g/kWh程度（1700℃級）
技術確立：2020 年度頃目途※ 図中の発電効率、排出原単位の見通しは、現時点で様々な仮定に基づき試算したもの。 写真：三菱重工業(株)、常磐共同火力(株)、三菱日立パワーシステムズ(株)、大崎クールジェン(株)現在

図 1-1-2

2020年度頃

2030年度（6）
次世代火力発電技術の見通し（次世代火力発電の早期実現に向けた協議会）

電中研レビュー No.57 ●9

第１章
ンシャルを持っている。エネルギー政策の基本的視点であNOx、ばいじんの排出量を低減することが可能であり、特に、

る3E+Sを支え、2030 年を見据えた“多層化・多様化した

CO2 排出削減効果については、微粉炭火力と比べると、効柔軟なエネルギー需給構造”を構築する上で鍵となる技術率向上により直接排出量が減少し、上述の場合、CO2 排の一つとして、IGCC が 2020 年代に普及してゆくことが期待出量を約 20% 低減可能である。また、CCSに対応する場される。

合でも、ガスタービンでの燃焼前にCO2 を回収するIGCCは、排ガスからの回収となる微粉炭火力よりも回収プロセスでの

1-2

 炭ガス化複合発電の一般的な特石
徴と構成

処理ガス量が少なくなる。（コラム 1に関連記事）< 容易な石炭灰処理 >
発電用として用いられることの多い噴流床ガス化炉の場

IGCCは、固体燃料である石炭を空気や酸素等をガス化

合には、石炭中に含まれる灰は炉内で一旦溶融状態（溶融剤として石炭ガスに転換する石炭ガス化設備、石炭ガス中スラグ）となり、それが水で急冷された後、ガラス状の固化に含まれる不純物を除去するガス精製設備、精製後の石スラグとして排出される。この固化スラグからは、有害成分

炭ガスをガスタービン燃料として発電を行う複合発電設備かの溶出も無く、骨材等への有効利用が可能である。

ら構成される（図 1-2-1）。様々なタイプのガス化炉を用いたIGCC が開発されており、一般的な特徴や、構成設備につ（3）多様な石炭の適合性
噴流床ガス化炉では、石炭中の灰を溶融スラグの状態にいて、以下にその概要を述べる。

して排出するため、灰付着トラブル等の観点から微粉炭火

1-2-1

IGCC の特徴

力で使い難い、灰融点の低い石炭の利用が可能である。

1-2-2（1）高い発電効率

石炭ガス化設備

IGCC の最も大きな特徴は、その高効率性にある。我が国の最新鋭微粉炭火力は、世界的にも最高水準の発電効

固体燃料である石炭は、揮発分、固定炭素、灰分で率であり、送電端で40 〜 41%（HHV）に達している。我構成されている。高温のガス化炉内に石炭が投入されるが国で開発されているIGCCでは、さらに高い効率が期待と、熱分解反応により揮発分が気相に放出され、固定炭され、1,500℃級ガスタービンを用いたときの送電端効率は素と灰分を主成分とするチャー粒子となる。揮発分中の可46 〜 48%（HHV）に達する見通しである。

燃成分やチャーに含まれている固定炭素は、ガス化剤中のO2 により酸 化され（C+O2 → CO2、2C+O2 → 2CO）
、さ（2）優れた環境適合性

らに、気相中に存在するCO2 や H2Oによりガス化されていく<CO2 排出削減効果 >（C+CO2 → 2CO、C+H2O → CO+H2）。また、水性ガスシフ

前述の高効率化により、発電電力量当りの CO2、SOx、

ト反応（CO+H2O扌CO2+H2）などの気相反応も進み、生成ガ
ス組成が定まる。すなわち、石炭ガス化とは、石炭中の固石炭ガス化・ガス精製設備
石炭ガス

石
炭
ガ
ス
化
炉

石炭
ガス化剤

スラグ

複合発電設備ガス
精製

定炭素をガス化し、所定の品位の石炭ガスを製造するもので
排ガス
灰

チャー
固気反応
（ガス化）

蒸気

ガスタービン
ボ排イ熱ラ回
収
蒸気タービン

石炭

CO
H2

熱分解
O2

固定炭素

揮発分

CO2
H2O
気相反応

揮発分

CO CO2 H2H2O CH4
生成ガス

図 1-2-110石炭ガス化複合発電の基本システム構成

図 1-2-2

石炭ガス化のイメージ

第１章ある。これら一連の石炭ガス化のイメージを図 1-2-2に示す。

11MJ/m3N 程度の中カロリーガスが得られる。空気吹きに比石炭ガス化炉にはさまざまな形式があり、（1）炉内での石べ石炭ガス流量が少ないためガス化炉はコンパクトとなるが、炭粒子の挙動、（2）ガス化剤、（3）石炭供給方式、などに

高濃度酸素を製造するために大規模な空気分離装置が必（7）より分類される 。

要となり、その所要動力が大きくなる。ここで副生される窒素は、ガスタービン燃焼器に投入され、NOx 発生を抑制す（1）炉内での石炭粒子の挙動による分類
ガス化炉は表 1-2-1

るとともにガスタービンで動力回収が図られている。微粉炭（8）に示すよう、固定床方式、流動床の搬送にも用いられる。
空気吹きでは、空気をガス化剤として用いるため、石炭ガ方式、噴流床方式の 3 方式に大別される。
固定床方式および流動床方式は、都市ガス製造用や化スは発熱量 4 〜 5MJ/m3N 程度の低カロリーガスとなる。空学原料製造用として古くから開発が進められ、現在でも商気吹きにおいても、プラントで必要な不活性ガスとして窒素を用プラントで用いられている。

製造するために小規模の空気分離装置が設置される。ここ

噴流床方式は、大容量化が容易で、負荷追従性も比較的良いため、国内外で開発されているIGCC の大部分は、で副生される高濃度の酸素をガス化剤として利用することから、酸素富化空気吹きともいわれる。

加圧型噴流床方式石炭ガス化炉を採用している。噴流床方式では、ガス流れ（上昇流と下降流）や炉型（二室二段、（3）石炭供給方式による分類

一室二段、一室一段）、炉壁構造（水冷壁、耐火レンガ）

ガス化炉への石炭供給方式としては、微粉炭を水と混合・によってさまざまな方式がある。表 1-2-2には、国内外で開スラリー化してポンプにより供給するスラリーフィード方式と、発が進められている主要な発電用の噴流床ガス化炉の概要

微粉炭をガスで搬送・供給するドライフィード方式とがある。

をまとめる。

スラリーフィード方式は、ガス化炉への加圧供給が容易である。しかし、ガス化時に部分燃焼で発生した熱がスラリー（2）ガス化剤による分類

水の蒸発熱として奪われる。また、湿式ガス精製と組み合ガス化剤に対しては、酸素を用いる酸素吹きと、空気を用いる空気吹きとに分類される。

わせた場合には、冷却過程での水蒸気損失が大きい。
一方、ドライフィード方式の場合は、加圧下への供給の

酸素吹きの場合は、空気中の窒素を分離し高濃度の酸 素としてガス化 炉に供 給することにより、発 熱 量 10 〜

ためのホッパシステムが必要になるなど設備構成が複雑であるが、熱効率の上で有利である。

表 1-2-1 ガス化炉の方式（8）
項 目

固定床
（移動床）

流動床

噴流床

ガス化剤

酸素・水蒸気または空気

空気（酸素・水蒸気）

酸素・水蒸気または空気

ガス化温度400 ～ 900（～ 1800）℃

700 ～ 1100℃

生成ガス

2500 ～ 4000kcal/Nm

1000 ～ 1200kcal/Nm

概念図

31600 ～ 1800℃
3

酸素吹き：2500kcal/Nm3
空気吹き：1100kcal/Nm3

石炭粒径

5 ～ 30mm

1 ～ 5mm

0.1mm 以下

灰の排出形態

灰またはスラグ

灰スラグ

電中研レビュー No.57 ●

11

第１章
表 1-2-2

国内外で開発中の主要な発電用噴流床ガス化炉（9）
CCP（MHPS）

（10）
（11）
,
EAGLE
（MHPS）,GE Energy（12）（13）

（14）
（15）
,
E-GasTM（CB&I）

ガス化剤

酸素富化空気

酸素

酸素

酸素

石炭供給

乾式

乾式

スラリー

スラリー
2室2段

形式

2室2段

1室2段

1室1段

ガス流れ

上昇流

上昇流

下降流

上昇流

炉壁

水冷壁

水冷壁

耐火材壁

耐火材壁

炉形状

IGCC
プロジェクト

勿来発電所10号機（日本）
大崎クールジェンプロジェクト（日本） Tampa Electric IGCC
（米国）
Wabash River IGCC
（米国）
・ガス化炉容量：1700t/d
・ガス化炉容量：1180t/d
・ガス化炉容量：2200t/d
・ガス化炉容量：2550t/d（+予備機）
・発電端出力：250 MW
・発電端出力：166 MW
・送電端出力：262 MW
・送電端出力：250 MW
・送電端効率（設計, HHV）：40.5% ・送電端効率（設計, HHV）：40.5% ・送電端効率（実績, HHV）：37.5% ・送電端効率（実績, HHV）：39.7%
・運転開始：2008年・運転開始：2016年（予定）
・運転開始：1996年・運転開始：1995年
Edwardsport IGCC
（米国）
・ガス化炉容量：Tampaと同等x2基
・送電端出力：618 MW
・送電端効率（設計, HHV）：38.4%
・運転開始：2013年
Shell（16）～（18）

®
（17）
（19）
,
PRENFLO（Uhde）

Siemens（20）,HCERI（21）（22）

酸素

ガス化剤

酸素

酸素

酸素

石炭供給

乾式

乾式

乾式

乾式

形式

1室1段

1室1段

1室1段

2室2段

ガス流れ

上昇流

上昇流

下降流

上昇流

炉壁

水冷壁

水冷壁

水冷壁

水冷壁

炉形状

IGCC
プロジェクト12

Buggenum IGCC
（オランダ）
Texas Clean Energy Project（米国） GreenGen Project phase （中国）I
Puertollano IGCC
（スペイン）
・ガス化炉容量：2000t/d
・ガス化炉容量：3000t/d
・ガス化炉容量：2000t/d
・ガス化炉容量：2600t/d
・送電端出力：253 MW
・発電端出力：400 MWおよび尿素併産 ・発電端出力：265 MW
・送電端出力：300 MW
・送電端効率・送電端効率（設計, HHV）：41%（設計, HHV）：41.4% ・送電端効率（設計, HHV）：41.5% ・90% CO2回収（EOR向け）
・運転開始：2018年（2016年着工予定） ・運転開始：2012年
・運転開始：1994年・運転開始：1997年
Taean IGCC
（韓国）
・ガス化炉容量：2670t/d
・送電端出力：305 MW
・送電端効率（設計, HHV）
：42 %・運転開始：2016年
（予定）

第１章

1-2-3 ガス精製設備

収する化学吸収法がおもに使われている。代表的な物理吸収法には、メタノールを用いたRectisol 法（動作温度 :–60

IGCCにおけるガス精製設備は、石炭ガス中に含まれる不〜 –40℃）、ポリエチレングリコール・ジメチルエーテルを用い純物をガスタービンの許容量まで除去するためのものであり、たSelexol 法（動作温度 :–40 〜 –5℃）などがある。代表的

同時に、環境影響物質が除去される。不純物としては硫黄

な化学吸収法としては、アルカノールアミン系とアルカリ塩系化合物（H2S、COS）、チャー等の微粒子、アンモニア（NH3）、に大別されるが、近年の IGCCプラントではアルカノールアミ

その他にもハロゲン化物（HF、HCl）などの微量成分が存在ン系のうち、MDEA（メチルジエタノールアミン）法（動作温する。

度 :40℃程度）が数多く採用されている。また、Buggenum（ブフナム）IGCCプラントでは、スルフォランを物理吸収剤とガス精製設備としては、湿式ガス精製方式と、現在開発し、これに化学吸収剤としてDIPA（ジイソプロパノールアミ段階にある乾式ガス精製方式がある。

ン）を混合したSulfinol 法を採用していた。
（1）湿式ガス精製方式（23）

湿式ガス精製は、石炭ガス中の不純物の精密除去が可能

湿式ガス精製の主要な構成機器は、水スクラバ、COS 変であり、ガスタービン等後流機器の信頼性や環境保全性の換器、湿式脱硫である（図 1-2-3）。水スクラバでは、チャー面からは有利であるが、脱硫プロセスの動作温度が低く、ま等の微粒子、NH3、微量成分が除去され、湿式脱硫ではた、各機器で動作温度が異なるため、ガス温度の昇降が必

H2S が除去される。COS 変換器では、湿式脱硫で除去され要であることが、システムの複雑化と熱損失の要因となる。

にくいCOSを、H2Sに転換（COS+H2O → H2S+CO2）する。
（2）乾式ガス精製方式

水スクラバの下流にCOS 変換器を設置することで、不純物によるCOS 変換触媒の劣化を避けられる。一方、COS

乾式ガス精製は、フィルター等による脱じんと金属酸化物

変換触媒の動作温度は200 〜 300℃程度であり、水スクラを用いた乾式脱硫により、ガス化炉熱交換器出口の 400 〜

バよりも上流側にCOS 変換器を設置することで、熱効率上500℃の高温ガスをほぼそのままの温度で精製し、冷却せず有利となる。

にガスタービンに送るため、熱損失が少ない。

湿式脱硫では、硫黄化合物を液に溶解させて吸収する

乾式脱じんとして、後述の 200トン/日規模パイロットプラン

物理吸収法、硫黄化合物と吸収液とを化学反応させて吸トでは移動床方式の試験が行われたが、近年の IGCCプラ

補助蒸気
SGH

変
換

GGH

スクラバ
GGH

COS→H2S

ガ
ス
水
洗
塔

GGH

ハロゲン化物
アンモニア
（一部）

アンモニア
水銀

ガ
ス
タ

湿
式
脱
硫

ー

COS

石
炭
ガ
ス
化
炉

再
生
硫黄化合物 塔

ビ
ン

排
煙
脱
硝

スタック

NOｘ

排水処理設備

図 1-2-3

ハ
ロ
ゲ
ン
化
物
除
去

乾
式
脱
硫
ハロゲン化物

GGH
硫黄化合物

図 1-2-4

水
銀
除
去
水銀

ガ
ス
タ

ー

石
炭
ガ
ス
化
炉

湿式ガス精製プロセスの主要な構成

ビ
ン

排
煙
脱
硝

スタック
NOｘ

乾式ガス精製のプロセス構成例

電中研レビュー No.57 ●

13

第１章
ントではセラミックフィルタまたはメタルフィルタを用いたシステ
ムが主流となっている。

（2）排熱回収ボイラ（HRSG）、蒸気タービンHRSG や蒸気タービンについては、既存の LNG 複合発

乾式脱硫剤としては、鉄系（Fe3O4）や亜鉛系（ZnO）、

電や汽力発電での技術が適用される。LNG 複合発電との亜鉛フェライト系（ZnFe2O4）等が開発されている。また、反違いは、IGCCではガス化設備の熱交換器でも熱回収を行

応器の方式としては、固定床方式、流動床方式、移動床

い、複合発電設備側と水・蒸気系のインテグレートをするこ方式があり、200トン/日規模パイロットプラントにおいて、ことが可能な点である。この結果、ガスタービンと蒸気タービ

れら3 方式について技術開発が行われた。

ンの出力比は、LNG 複合発電ではおよそ 2：1であるのに対

さらに、その他の不 純 物として、ハロゲン化 物や NH3等の除去技術についても研究開発が進められている。図1-2-4に乾式ガス精製システムの構成例を示す。

し、IGCCでは蒸気タービンの出力割合が高くなり、空気吹
きIGCCではほぼ 1：1である。
また、蒸気タービンが全ての発電出力を担う微粉炭火力

既存の IGCCプラントでは、フィルターシステムによる乾と比較すると、IGCCではガスタービンと蒸気タービンで分担式脱じんと湿式ガス精製の組合せが主流となっているが、することから、プラント出力当たりのタービン復水器所要水量

IGCC の大きな特徴である高効率化を最大限に発揮するたが低減する。

めには、乾式ガス精製技術は非常に重要な技術である。ばいじん、硫黄化合物以外の不純物除去技術についても要

1-2-5 インテグレーション技術

素技術の開発は進んでおり、大型化に向けた検討が待たれる。（コラム 2に関連記事）

IGCC の大きな特徴は、主要構成機器の間で空気や水・蒸気等の物質や熱エネルギーをインテグレートすることによ

1-2-4

複合発電設備り高効率を達成する点である。IGCCにおける主要なインテグレーション技術として、（1）空気系のインテグレーション（1）ガスタービン（ガスタービン圧縮機から空気分離装置やガス化炉への石炭ガス用ガスタービンは、LNG や軽質油用に開発され空気供給）、（2）水 ･ 蒸気系のインテグレーション（ガス化た高温ガスタービン技術をベースとしている。石炭ガスは発設備の熱交換器と排熱回収ボイラでの水・蒸気のやりとり）

3

熱量が約 4 〜 11MJ/m N の低〜中カロリーガスで、LNG のを以下に述べる。

発熱量に比べ 10 〜 5 分の 1と低いため、これに対応した安定燃焼技術が IGCC 用ガスタービンの特徴である。起動用
燃料から石炭ガスへの切り替えも行われる。ピーク用にデュ
アルフュエル対応とする場合もある。
LNG 等に比べ石炭ガスの火炎温度は低いため、サーマ
ルNOx の発生量は少なくなるが、石炭ガス中には石炭由来の NH3 が含まれるため、フュエルNOx への転換を抑制する
低 NOx 燃焼技術も用いられる。

（1）空気系のインテグレーション（7）ガス化剤である酸素あるいは微粉炭搬送やパージなどに用いる不活性ガス（窒素）は、空気分離装置で製造される。
酸素吹きガス化と空気吹きガス化とでは空気分離装置の役割が異なるため空気廻りの構成が異なる（図 1-2-5）。
酸素吹きガス化の場合は、空気分離装置への原料空気の供給方法としてフルインテグレーションとパーシャルインテグ

これまでにIGCC 実証機に採用された実績のある機種は、レーションがある。効率面からみれば、フルインテグレーショ

General Electric（GE） 社 7FA 型、Siemens 社 V94.2、ンの方が原料空気圧縮機の動力を低減できるため有利とな

V94.3 型、三菱日立パワーシステムズ株式会社（MHPS）

るが、一方、プラント運用性・制御性におけるフレキシビリティ

M701DA 型で、1,100 〜 1,300℃級である。商用機としては、が小さくなる。

Edwardsport IGCCでGE 社 7FB 型が採用されている。ま副生される余剰窒素については、NOx発生抑制と動力回収

た、MHPS 社 M701F 型は、低カロリーの高炉ガスで実績のためガスタービン燃焼器に投入する方式も採用されている。

がある。（詳細はコラム 3を参照）① フルインテグレーション
すべての原料空気をガスタービン圧縮機からの抽気でまかな
う。
（図1-2-5（a）
において原料空気圧縮機からの供給無し）

14

第１章

（a）酸素吹きケース（b）酸素富化空気吹きケース

図 1-2-5②

空気系のインテグレーション

パーシャルインテグレーション
原料空気を原料空気圧縮機とガスタービン圧縮機からの抽気でまかなう。（図1-2-5（a））

クールウォータープログラム（CWP）は米国・日本の共同研究開発プロジェクトとして実施され、米国側はSouthern
California Edison （SCE）社、Texaco 社、Electric

一方、空気吹きガス化の場合、ガス化炉へ投入するガス

Power Research Institute（EPRI）、GE 社 お よ び

化剤となる空気は、ガスタービン圧縮機から抽気する。さらBechtel 社が参 加し、日本 側は東 京 電 力株 式 会 社、 株に、空気分離装置で副生する酸素をガス化剤空気に混合式 会 社 東 芝、 石 川 島 播 磨 重 工 業 株 式 会 社および 電 力

し、酸素富化する方式が採用されている。（図1-2-5（b））

中 央 研 究 所 が JCWP（Japan Cool Water Program
Partnership）を結成し、本プロジェクトに参画した。本プロ（2）水・蒸気系のインテグレーション

ジェクトではTexaco 式噴流床ガス化炉（現在、GE 炉）を用

LNG 複合発電の場合は、HRSGで発生する蒸気で蒸気いた120MW 級 IGCCプラントが SCE 社のクールウォータータービンの出力を得ているが、IGCC の場合は、ガス化設備

発電所構内に建設された。1984 年から5 年間の実証運転の熱交換器（SGC:Syn-Gas Cooler）でも蒸気が発生可能とが行われ、IGCC が技術的に成立することを世界で始めてなる。SGCで熱回収せず生成ガスを水で直接冷却するダイ実証した（24）。

レクトクエンチを採用するシステムもあるが、HRSGとSGC のクールウォータープログラム以後、1990 年代に欧米で本格間で水・蒸気系をインテグレートし、SGCで回収した熱を蒸的なIGCC 実証・商用計画が進められた。四大プロジェクト

気タービンでの発電に有効に活用することで効率向上が図として、Buggenum（オランダ）、Wabash River（ 米国）、れる。

Tampa（米国）、Puertollano（スペイン）の IGCC が知られており、以下に紹介する。

1-3

海外における開発（1）四大プロジェクト

世界で最初の IGCC 実証プラントはSTEAG 社（西独）の①（12）,（25）〜（27）
Tampa（米国）

Kellerman 発電所における170MW のプラントである。本プ

Tampa Electric Integrated Gasification Combined-

ラントは、当時実用化されていた技術を組み合わせたもので

Cycle Projectは、米国 Department of Energy（DOE）

あり、ガス化炉としては、Lurgi 式固定床ガス化炉を用いての Clean Coal Technology（CCT）プログラムで選定されいる。1972 年頃より運転が行われたが、主としてタール発

た。Tampa Electric 社がフロリダ州 Polk Power Station

生によるトラブルのため順調な運転には至らず、終了した。

1 号系列として1994 年からプラントの建設が始められ、1996

この結果を踏まえ、以後、各国でIGCC 用石炭ガス化炉の年 9月〜 2001 年 9月の実証期間の後に商用化された。

開発が進められ、次に紹介するクールウォータープログラム
が、現在の IGCC の草分けといえる。

ガス化炉には2,200トン/日酸素吹き一段噴流床スラリー
フィードガス化炉（GE 炉）、ガス精製には湿式（集じんおよ

電中研レビュー No.57 ●

15

第１章
び脱塩素 : 湿式スクラバ、脱硫 :COSコンバータ+MDEA）、投入は行っておらず、NOx 対策としては、石炭ガスの予熱

ガスタービンにはGE 社 7FA が採用された。発電端出力は･ 増湿および燃焼器への蒸気噴射を採用している。

313MW（ガスタービン:192MW、蒸気タービン:121MW）、

③

（15）
（25）
,
（26）
,
Buggenum（オランダ）

送 電 端出力は250MWである。 送 電 端 効 率の設 計 値はBuggenum IGCCプラントは、電力会社 4 社により設立さ39.7%（HHV）であるが、ガス化炉の炭素転換率が想定よれたオランダ電力委員会（SEP）がスポンサーとなり、1990

りも低いことなどから、設計値に達していない（37.5%）。また、年より建設が行われ 1994 年 1月から4 年間の実証試験の後燃料としては、石炭以外に石油コークスも用いられている。

に、1998 年から商用運転が行われた。

ガスタービンについては、天然ガス用をベースとし、天然

酸素吹き加圧一段噴流床ドライフィードガス化炉（Shell

ガスに比べて発熱量の低い（燃料ガス流量の多い）石炭ガ

炉）、湿式ガス精製設備（集じん: サイクロン、セラミックフィ

スに対応させるため、空気流量の低減、燃焼温度の低減、ルタ、湿式スクラバ、脱硫 :Sulfinol-M 法）、ガスタービン

燃焼器 ･タービンの通過ガス量の増加などを含む改良を行っ（1,150℃級 Siemens 社 V94.2）、排熱回収プラント等で構ている。タービン通過ガス量の増加や空気流量の減少によ成される。発電端出力は285MW、送電端出力は253MW

り、出力は天然ガス時（162MW）よりも増加している。空で、送電端効率の計画値は41.4%（HHV）となっている。

気分離装置（ASU:Air Separation Unit）との間で空気系

本プラントの特徴は、ASU の原料空気をすべてガスターのインテグレーションは行っていないが、燃焼器でのサーマ

ビン圧縮機からの抽気でまかなうフルインテグレーションを採

ルNOx 低減とガスタービンでの動力回収のため、ASU から用し、高効率化を指向している点である。運転初期にはフの窒素が燃焼器に投入されている。運転開始後、ガス化

ルインテグレーションに起因する制御不良を経験している。ま炉後流の輻射型および対流型 SGC、ガス／ガス熱交換器、た、ガスタービン燃焼器で燃焼振動が発生し、燃焼器 ･ バー

COSコンバータ等に改良が加えられた。

ナの設計変更を行っている。

（15）
（25）
,
（26）
,
（28）
,

②

Wabash River（米国）Wabash River Coal Gasification Repowering

オランダ最大の電力会社 Nuon 社が商用機として運営し、CO2 削減対策としてバイオマスの混合ガス化運転も行ってい

Project は、Tampaと同様に、米国 DOE の CCTプログラ

たが、2013 年 4月に運転を終了した。

ムとして実施されたものである。1993 年からプラントの建設④

が開始され、1995 年 10月〜 1999 年 12月の実証期間の後、2000 年に商用化された。

（25）
（26）
,
（29）
,
Puertollano（スペイン）

Puertollano プロジェクトは、スペインの ENDESA、フランスの Électricité de France（EDF）、イタリアの ENEL

本プラントは既設微粉炭火力をリパワリングしたものであ等の電力会社を中心とするELCOGASコンソーシアムが推り、2,550トン/日酸素吹き二段噴流床スラリーフィードガス化

進しているものである。1993 年に建設を開始し、1998 年よ炉（E-GasTM炉）、ガス精製設備（集じん:ポーラスフィルタ、

脱塩素 : 湿式スクラバ、脱硫 :COSコンバータ+MDEA）、ガ

り地元の高灰分炭／石油コークス（50%/50%）を燃料とするガス化ガスによる商用運転を行っている。

スタービン（GE 社 7FA）
、HRSG および蒸気タービン等からガス化炉には酸素吹き一段噴流床ドライフィードガス化炉なる。燃料としては、石炭および石油コークスを使用してい（Prenflo® 炉）、ガス精製には湿式ガス精製（集じん: サイる。発電端出力は297MW（ガスタービン:192MW、蒸気ター

クロン、セラミックフィルタ、湿式スクラバ、脱硫 :MDEA 法）、

ビン:105MW）、送電端出力は262MWで、送電端効率のガスタービンには1,250℃級 Siemens 社 V94.3を採用してい計画値は37.8%（HHV）、実績値は石炭で39.7%（HHV）、る。 発 電 端 出 力は335MW、 送 電 端 出 力は300MWで、石油コークスで40.2%（HHV）である。

送電端効率の計画値は41.5%（HHV）である。

運転開始後、灰付着トラブルによるガス化炉壁および運転開始当初から、ガスタービン燃焼器での燃焼振動やSGC 部の改造、集じん装置におけるセラミックフィルタからタイル損傷、ガス化炉熱交換器部での灰付着、ガス化炉

メタルフィルタへの変更、COSコンバータ触媒の劣化対策、

メンブレンチューブや生成ガス配管の腐食、セラミックフィル

MDEA 吸収液からの熱安定性塩除去対策等が施された。

タ、COS 変換触媒の劣化等のトラブルが報告されていたが、ガスタービンについては、基本的には前述の Tampaと同形式のものを用いているが、ASU からの窒素の燃焼器への16

種々対策を施し、運転信頼性向上を図ってきている。

第１章（2）最近の IGCC 開発動向

（Pucheng Clean Energy 社）が運開した（31）。

四大プロジェクトに前後して、石油精製における重質残次に実績の多い Shell 社は、2012 年に石炭ガス化の拠点

渣油を燃料とするIGCCも欧米で稼働している。重質残渣をオランダから北京に移した（35）。2013 年 10月には新しい技

油は、灰は少ないものの硫黄の含有量が高く、また、石炭術となるBottom Quench 炉の実証機を南京で運開し、こと異なり、高温腐食の原因となるバナジウムや、ガスタービ

れまでに4 炭種を試験し、H2+CO 濃度 90%という良好な性

ン翼へのデポジットの原因となるニッケルの含有量が多いこと能を確認したと報告されている（36）。

が特徴である。

Siemens 社は、2012 年に中国西北部の寧夏回族自治区

石炭のIGCCとしては、最近になって新たなプロジェクトが
（13）
（30）
,
（31）
,

進んでいる。米国のEdwardsportプロジェクト

では、でNingxia Coal-to-Polypropylene Projectを運 開し、日量 5,300t のメタノールを安定的に製造している（37）。

GE 炉（2 基）を用いる送電端出力 618MWのIGCC が建設さ

E-GasTM 技術を持つ CB&I 社は、中国では水素製造プ

れ、2012 年 10月のガス化炉点火に始まる一連の調整試験

ラントを受 注し、2015 年に着 工した段 階であるが、韓 国

後、2013 年 6月に商用運転を開始した。2014 年春から夏に

Gwangyangで亜瀝青炭による年産 500kt の合成天然ガス

かけてはガス化炉稼働率 90%を維持し、秋にはGT 点検や（SNG）製造プラントが、インドJamnagarでは石油コークス

ガス化炉耐火材交換を実施したと報じられている。

と亜瀝青炭から発電・水素製造・SNG 製造をするプラントが、また、新型の移動床ガス化炉（TRIG

TM）を開発する送電

2015 〜 2016 年に運開予定としている（38）。

端出力 582MW の Kemper County プロジェクト（32）においては、試運転が行われている。運開は当初計画の 2014 年

1-4

我が国における開発

5月から遅れており、現在、2016 年上期を予定している。
,
中国では、GreenGenプロジェクト（21）（22）のStageⅠとして我が国におけるIGCC 開発は1970 年代に始まり、1980

250MW 規模のIGCC が天津で建設され、2012 年 4月よりガ

年代に流動床石炭ガス化複合発電技術のパイロットプラント

ス化炉（HCERI 炉）の運転が開始されている。また、広東が開発された。1990 年代には噴流床石炭ガス化複合発電

TM

省でTRIG

炉をレトロフィットする120MW 級のDongguan（33）

技術のパイロットプラントが開発され、噴流床石炭ガス化複では、建設工事が開始されている。

合発電技術は2000 年代に実証機へスケールアップされた。

韓 国 で は、Shell 炉 を用 い た 送 電 端 出 力 305MW のまた、2010 年代には噴流床方式多目的ガス化技術の実証

プロジェクト

（18）
（34）
,

Taean IGCCが、2015 年に試運転を開始しており、機の開発も進んでいる。これらの開発経緯を以下に記す。

2016 年には運開する予定とされている。
（1）流動床石炭ガス化複合発電技術（39）（3）産業用ガス化炉の急速な普及

サンシャイン計画において、我が国最初の IGCC 開発であ

海外での大型石炭ガス化炉の開発および普及は、IGCC

る流動床石炭ガス化複合発電の開発が進められた。1974

よりもむしろアンモニアやメタノール製造などの産業用途とし年度より通商産業省からの委託を受けた財団法人石炭技て、特に中国で急速に進んでいる。Gasification＆Syngas

術研究所は、夕張試験場において5トン/日流動床石炭ガTechnologies Council（http://www.gasification-syngas.org/）

ス化試験設備（運転期間 :1975 〜 1983 年度）、および 40トが 2015 年 1 月時点で公開していたデータベースによると、

ン/日パイロットプラント（運転期間 :1981 〜 1987 年度）を用

約260箇所の産業用石炭ガス化サイトが中国にある。その用途

い、空気吹き加圧二段流動床ガス化炉や、乾式ガス精製（流別内訳は化学工業用が約 210、ガス製造用が約 40、液体

動床脱硫、
移動床脱じん）等の開発を行った。
さらに、
パイロッ

燃料用が約 10である。

トプラントの成果に基づき、新エネルギー・産業技術総合開

その大半はGE 炉で、中国において約 200 基の産業用ガス化炉を導入したと発表しており、最近では2013 年 12月に

発機構（NEDO）からの委託研究として、電源開発株式会
社が 1,000トン/日実証プラントの基本設計を実施した。

年産 400kt のアンモニア製造プラント（Shihlien）、2014 年 5流動床石炭ガス化複合発電技術としての開発は1987 年

月に年産 600kt のオレフィン製造プラント（Chinacoal Yulin

度で終了したが、40トン/日パイロットプラントで試験研究が社）、2014 年 10月に年産 600 kt のオレフィン製造プラント行われた乾式ガス精製（流動床脱硫、移動床脱じん）につ

電中研レビュー No.57 ●

17

第１章
いては、次に述べる噴流床石炭ガス化複合発電技術にお1999 年度より250MW 空気吹きIGCC 実証機プロジェクトがける勿来 200トン/日パイロットプラントのガス精製設備として進められた。2013 年 3月末にプロジェクトは終了し、2013 年採用され、開発が継続された。

4月より実証機は常磐共同火力株式会社勿来発電所 10 号
機として商用運転を開始した。実証機プロジェクトの詳細に（2）噴流床石炭ガス化複合発電技術

（40）
（41）
,

ついては、第 2 章および第 3 章で述べる。

1980 年より、国・電気事業において噴流床石炭ガス化複合発電技術の検討が進められ、1983 〜 1985 年度に

,
〜
（45）
（3）噴流床方式多目的ガス化技術（11）（41）

NEDO からの委託を受けた電力中央研究所が、噴流床

上記の噴流床石炭ガス化複合発電と並行し、サンシャ

石炭ガス化複合発電技術に関するフィージビリティ・スタディ

イン計画において、1983 年度より噴流床方式多目的ガス（FS）を実施した。この FS の結果を踏まえ、1986 年度に

化 技 術の開 発について検 討が行われた。1986 年 度より9 電力会社、電源開発株式会社、電力中央研究所の 11

NEDO の委託事業として、石炭利用水素製造技術研究組

法人から成る石炭ガス化複合発電技術研究組合（IGC 組合（HYCOL 組合）による50/日パイロットプラント計画が開始

合）が設立され、NEDO の委託事業として、200トン/日パされた。ガス化炉には株式会社日立製作所が開発した酸イロットプラント計画が開始された。

素吹き加圧二段噴流床方式が採用された。

パイロットプラントのガス化炉には、電力中央研究所と三本パイロットプラントは、 千 葉 県 袖ヶ浦 市に建 設され、

菱重工業株式会社が 2トン/日石炭ガス化基礎実験装置に1991 年度から1994 年 4月まで運転研究が行われた。1993

より開発を行った空気吹き加圧二段噴流床方式が採用され年 12月から1994 年 1月にかけて1,149 時間の連続運転にた。ガス精製には上記の流動床石炭ガス化複合発電技術

成功するなど、所定の開発目標を達成した。これらの成果における夕張 40トン/日パイロットプラントで開発を行ってきたを引き継いで、1995 年度より高効率・高信頼性の酸素吹

流動床脱硫・移動床脱じんが採用された。なお、メーカときガス化炉の開発ならびに石炭ガスを燃料電池へ供給可

IGC 組合との共同研究として、20トン/日規模の固定床方能とするためのガス精製技術の確立などを目的に、電源開式脱じん・脱硫装置、4トン/日規模の移動床方式脱じん・発株式会社が NEDOとの共同研究事業として、多目的石脱硫装置も併設された。また、出力 12.5MW の 1,300℃級

炭ガス製造技術開発（EAGLEプロジェクト;Coal Energy

低カロリーガス焚きガスタービン設備、実証機用ガスタービン

Application for Gas, Liquid and Electricity）が実施さ（175MW 級）燃焼器 1 缶分の実圧実寸燃焼器試験装置れた。

が設置された。

EAGLEプロジェクトでは、パイロットプラントが電源開発

本パイロットプラントは、福島県いわき市の常磐共同火力

株式会社若松研究所内に建設された。プラントは、150トン

株式会社勿来発電所構内に建設された。1991 年 3月より

/日酸素吹き一室二段旋回型噴流床ガス化炉、湿式ガス精運転が開始され、1992 年 7月には空気吹きガス化炉と乾式製（MDEA 法、石膏回収）、
ガスタービン、空気分離設備（加ガス精製の組合せとして世界で初めての石炭ガス化発電に

圧深冷分離）、生成ガス燃焼設備等で構成された。2002成功した。運転開始当初はガス化炉内の灰付着等のトラブ

年度から2006 年度までは、STEP-1として各種試験が実施

ルが発生したが、それらを全て解決し、1995 年 3月から4月

され、負荷 100%での安定した運転、高効率な石炭ガス化にかけて約 1 ヶ月間（789 時間）の連続運転に成功した。そ性能・ガス精製性能、多炭種対応性等が確認された。さらの後も1996 年 2月までの運転期間に各種データの取得を進に、大型化技術の検証を行い、1,015 時間の長時間連続

め、1996 年度には解体研究を実施し、プロジェクトは終了

運転に成功するなど、全ての開発目標を達成した。

した。

引き続き2007 年度から2009 年度までは、STEP-2として、パイロットプラントの成果を踏まえ、実証機プロジェクトに関①高灰融点炭種対応、② CO2 分離回収試験、③微量物する検討が行われ、1997 〜 1998 年度にNEDOより東京電質挙動調査、について試験が実施された。高灰融点炭種力株式会社への委託研究として実証機 FS および要素研究

対応について、3 炭種の試験が行われ、適用可能であるこが実施された（研究体制としては、9 電力会社と電源開発とが確認された。CO2 分離回収試験については、精製ガス

株式会社、電力中央研究所の共同研究）。この成果を受け、の一部を分岐し、化学吸収方式 CO2 分離回収設備が追設

18

第１章

された。累積通ガス時間 1,341 時間の運転が行われ、基新日鉄住金エンジニアリング株式会社が開発する石炭熱本特性や、分離回収システムの石炭ガスへの適用性、シス分解ガス化技術（ECOPRO®）では、経済産業省の石炭テムの基本諸元等が確認された。さらに、微量物質挙動

生産・利用技術振興補助事業として、20トン/日規模のパ調査についても、EAGLE 試験炭における微量成分の系内

イロットプラントが新日鐵住金株式会社八幡製鉄所に建設さ挙動を確認するなど、所期の目的を達成した。

れ、2006 年に試験が開始された。噴流床式二室二段ガス

2010 年度から2014 年度は、STEP-3として物理吸収方化炉で、冷ガス効率が高く、揮発分の多い低品位炭からの式 CO2 分離回収装置を設置して試験を実施し、CO2 分離

SNG 製造に向いていることが特徴である。現在、数千トン/

回収によるエネルギーロスの大幅な低減に見通しが得られ

日規模の商用機を前提に、数百トン/日規模の実証機が中た。また、最長連続ガス化運転時間が 1,295 時間に更新さ国で計画されている（47）。

れた。2013 年度の運転終了後、2014 年度にかけて材料株式会社 IHI が開発する二塔式循環流動層ガス化炉

劣化調査も実施された。一連の試験研究を通し、STEP-3（TIGAR®）は、気泡流動層型ガス化炉とライザー燃焼炉

での開発目標は全て達成され、EAGLEプロジェクトは終了

を組み合わせたもので、2009 年に同社の横浜事業所に褐した。

炭処理量 6トン/日のパイロットプラントが建設された。常圧・EAGLEプロジェクトの成果に基づき、中国電力株式会

低温（800℃〜 900℃）でガス化するため、経済性とメンテナ社と電源開発株式会社の共同出資で 2009 年に設立されンス性に優れるとされている。経済産業省の補助事業とした大崎クールジェン株式会社により、石炭ガス化燃料電池て50トン/日実証機がインドネシアの肥料工場で建設され、複合発電（IGFC）を実証する大崎クールジェン（OCG）プ

2015 年に運転を開始した（48）。

ロジェクトが進められている。中国電力株式会社大崎発電所構内に166MW の実証機を建設中で、第 1 段階である

以上、本章では、IGCC 技術の全般と、空気吹きIGCC

酸素吹きIGCC の実証試験運転が 2017 年 3 月に開始されを含め各種技術開発の経緯や動向について述べてきた。

る予定である。第 2 段階では、石炭ガスの最大 30%を導

第 2 章、第 3 章では商用運転に移行した空気吹きIGCC 実

入するCO 2 分離回収装置（回収率 90%）を追設し、CO 2

証機に焦点を当て、実証試験の成果をまとめ、今後の商用分離回収型 IGCC の実証試験が計画されている。さらに機の設計に反映すべき知見について考察する。

第 3 段 階として、最 終目標であるCO 2 分 離回収 型 IGFC
実証試験が計画されている。
（4）残渣油ガス化複合発電
我が国では、重質残渣油を燃料とするIGCC が 1 基稼働している。我が国最初のガス化複合発電商用機として、JX
日鉱日石エネルギー株式会社根岸製油所で根岸 IGCC が2003 年に運転を開始した。製油所で余剰留分となる減圧
残渣（アスファルト）を燃料とし、GE 社のダイレクトクエンチ炉とMHI 社 F701 型 1,350℃級ガスタービンを採用した発電出
力 431MW、送電端効率 36%（HHV）の IGCCで、日揮株式会社が EPC 契約で建設した（46）。
（5）産業用石炭ガス化炉
産業用石炭ガス化炉としては、1984 年に宇部アンモニア工業株式会社が 4 基の GE 炉を導入し、本プロセスによる当時世界最大のアンモニアプラント（生産能力 1,000トン/日）を建設した。同社ではガス化炉に独自の改良を続けている。

電中研レビュー No.57 ●

19

第１章

コラム１：IGCC における CCS への対応
CCS（Carbon Capture and Sequestrationあるい

回収する燃焼前回収（Pre-combustion capture）技術

はCarbon dioxide Capture and Storageなど各種の（図１）の実証試験が計画されている。

表記がなされている）は、温室効果ガスであるCO2 の当研究所では、酸素燃焼の概念をIGCCに組み入排出量を大幅に削減するため、工場や発電所といったれたセミクローズドGTシステムを提案し、CO2 回収を大規模排出源でCO2 を分離・回収し、地中などに貯留行っても高い効率を維持するCO2 回収型高効率 IGCCするものである。CO2 を分離・回収する技術（Capture）、（High efficiency Oxy-fuel IGCC）技術（図２）を2030

貯留地点まで輸送する技術（Transport）、地中に貯

年代半ばに確立するため、NEDOプロジェクトとして留する技術（Storage）から構成される。現在の技術「CO2 回収型クローズドIGCC技術開発」を進めている（1）。

では、発電効率の大幅な低下と発電コストの増加が本システムは、排ガス（CO2）を再循環するセミクローズ

避けられ ず、 石 油 増 進 回 収（EOR：Enhanced Oil

ド型のIGCCである。CO2 はガス化炉への石炭搬送や、Recovery）の目的以外に経済的な優位性を見いだすこ

ガスタービンの温度制御に用いられる。CO2 回収装置とが難しい。

が不要なことや、系内に窒素を含まないためガス流量

我が国の CO2 分離・回収技術としては、化学吸収法が少なく熱損失が少ないことから、高い熱効率が得らによる燃焼後回収（Post-combustion capture）技術

れる。燃焼前回収型 IGCCよりも高い42%（HHV）の送は実用化しており、酸素燃焼（Oxy-fuel combustion）

電端効率を目指している。

技術は実証試験を終了した。IGCCでは、ガスタービン
で燃焼する前の石炭ガス化ガスの段階でCO2 を分離・燃焼前回収システム

煙突（Pre-combustion）
石炭
空気
／酸素

ガス
化炉

H2

CO2
回収

シフト
反応器

ガス
精製

GT/
HRSG

CO2

圧縮
貯留

図１ 燃焼前回収型 IGCC の概略構成

CO2回収型高効率IGCC（High eﬃciency Oxy-fuel IGCC）

ガス
化炉

石炭

ガス
精製

酸素

CO2

図2

20

HR
SG

GT
酸素

圧縮

CO2
CO2

貯留

CO2 回収型高効率 IGCC（CO2 回収型クローズド IGCC）の概略構成

第１章

コラム 2：効率向上とコスト低減に寄与する乾式ガス精製技術
これまでのIGCCプラントで採用されている湿式のガスイント）の向上が見込まれることがわかった。経済性に

精製技術に替えて、乾式ガス精製技術を適用すること

ついては、熱交換器や回転機（ポンプ、ブロワ）の機器ができれば、水分の凝縮やガス冷却に伴う熱損失を大き

点数が減り配管系統も簡素になることから、設備費は湿く削減できるため、IGCCの一層の熱効率向上が期待

式ガス精製設備の65% 程度に抑えられると推算された。

できる。さらには設備構成の簡素化が期待される。空一方、再利用できない吸収剤を使用することで運転維

気吹きIGCCのパイロットプラントプロジェクトで乾式ガス

持費の増加要因となる。発電効率向上に伴い燃料費を精製技術が開発された当時、除去対象は硫黄化合物削減できることから、IGCCの発電原価としては、乾式のみであったが、その後の環境規制動向などからハロ

ガス精製の採用により1.5%の削減が見込まれた。

ゲン化物や水銀が対象に加わった。そこで、当研究所

このように乾式ガス精製技術を適用したIGCCは、熱ではそれぞれに対応する不純物除去剤の開発を進める

効率向上に伴うCO2 排出原単位の一層の削減と合わとともに、それらの技術を用いた乾式ガス精製システム

せ、経済性の向上も期待される。今後は、これまでにの再評価を行った。

開発してきた各種不純物除去剤を適用したプロセスの空気吹きIGCCに乾式ガス精製技術を適用したシステ
ム構成を検討し（図１）、熱効率を試算したところ、湿式大型化と実証を進め、乾式ガス精製システムが実用化されることが望まれる。

ガス精製技術の場合に比べてHHV ベースで1.6%（ポハロゲン吸収剤

亜鉛フェライト脱硫剤

ハニカム水銀除去剤

図１ 開発技術を集約した乾式ガス精製システムの構成

電中研レビュー No.57 ●

21

第１章

コラム 3：IGCC 用ガスタービンの開発動向
天然ガス焚きのガスタービン（以下 GT、図 1）の開発

GreenGen（2012 年～）でも、上記実績のある1,100℃

では、プラント熱効率の向上のため、タービン入口ガス温級 GT の SGT2000E（ 旧 V94.2K、 出 力：173MW）が度（TIT:Turbine Inlet Temperature）の高温化と大容採用されている。

量化が推し進められてきた。そのため、IGCCプラントで現在試運転中の米国 Kemper IGCCと2016 年に着も高温・大容量型のGTの導入が進められている。以下

工 予 定 の Texas Clean Energy 併 産 型 IGCCでは、に3 大 GTメーカー（GE 社、Siemens 社、三菱日立パウェスチングハウス（WH）社の流れを汲むマルチキャン

ワーシステムズ株式会社）におけるIGCC 用 GTの動向に型の燃焼器を有する1,300℃級 GT の SGT6-5000F（旧

ついて簡単に紹介する。
（各プラントの詳細は1-3 節およ

WHではW501F、出力：約 200MW）が採用／計画さび 1-4 節を参照）

れている。
Siemens 社もGE 社と同様に2010 年より米国 DOE の（1） GE（１）〜（3）

米国 Tampa（1996 ～）とWabash River（1995 ～）に 導 入 し た1,250 ℃ 級 GT の 7FA（ 出 力：192MW）

先進 IGCC 用水素燃焼タービンの開発に参画しており、
1,450℃級 GT の要素技術開発（～ 2020 年）に取り組んでいる。

の長 期 運 用による経 験から、2013 年 6月に運 開した
米 国 Edwardsportでは新たに開 発した1,300 ℃級のsyngas 用 GTで ある7FB（ 出 力：約 232MW、TIT：
1,370℃）が導入されている。

（3） 三菱日立パワーシステムズ MHPS（6）〜（9）（三菱重工業・日立製作所）
BFG（高炉ガス）焚きGTで経験・実績を有する三7FBはこれまでの技術を踏襲したマルチキャン・マル

菱 重 工 業 株 式 会 社 にとって、IGCC 用 GTとしてはチバーナ型燃焼器を採用しており、天然ガスとsyngas

250MW 空気吹きIGCC 実証機（2007 ～）に導入したの Dual Fuelに対応する。運転開始時には天然ガス

1,200 ℃級 GT の M701DA（出力：175MW）が初めてからsyngas への切り替えが可 能であり、天 然ガスとである。空気吹きガス化炉から生成される低カロリーのsyngas の混合割合も任意に変化させることができる。

石炭ガス化燃料に対応した燃焼器が採用され、実証

また、詳細は不明だが、高温部品にはIGCC 環境を想試験およびその後の商用運転で経験・実績が積み重ね定し、耐食性を強化した材料が使用されている。7FBられている。

は2011 年に建設を着工した韓国 Taeanにも採用されている。

2017 年 3月に実証運転を開始する予定の大崎クール
ジェンプロジェクトでは、株式会社日立製作所が開発しGE 社は、2010 年より米 国 DOE の先 進 IGCC 用 水
素燃焼タービンの開発に参画しており、1,450℃級 GT

た2 軸 型、1,300 ℃級 GT の H100（出力：約 100MW）が導入されている。

の要素技術開発（～ 2020 年）に取り組んでいる。同プ

さらに、福島復興大型石炭ガス化複合発電設備実証

ロジェクトでは、並行して1,700℃級 GT の要素技術開発

計画（勿来および広野）では空冷燃焼器の採用によって（2015 年～ 2028 年）、それ以降には大型実証研究が

起動時間の短縮など、運用性の改善が図られた1,400℃

計画されている。

級 GTのM701F4の導入が 2020 年を目途に計画されており、これまで先行するGE 社とSiemens 社を超える高（2） Siemens

（１）
（3）
,
〜
（5）

22

温型 GTの適用・運転となるため、注目されている。

サイロ型燃焼器を有するオランダBuggenum（1994

MHPS 社は、天然ガス焚きGTを対象とした国家プロ～ 2013）に 導 入した1,100 ℃ 級 GT の V94.2（ 出 力：

ジェクト「1,700℃級超高温ガスタービン要素技術開発」

156 MW）とスペインPuertollano（1998 ～）に導入しにも参画しており、将来的にはそれによって開発した技

た1,250 ℃級 GT の V94.3（ 出 力：182MW）の 長 期 運術を転用してIGCC 用 1,700℃級 GT の開発に繋げるこ

用によって経験・実績が積み重ねられている。中国とが考えられている（図２）。

第１章

タービン

燃焼器
圧縮機

図１ 発電用ガスタービンの外観・断面図（提供元：三菱日立パワーシステムズ株式会社）

先端要素
技術開発

第1ステップ

要素技術’04～’07

要素技術の実用化

第2ステップ

実用化技術’08～’11

第3ステップ

実機適用技術’12～

1600℃ 級開発 1600℃級複合発電

実機開発と
実証

実機開発・実証

1700℃級複合発電

次世代技術

1700℃級IGCC
SOFC＋ GTCC

超耐熱材料
開発

物材機構委託研究 ’04～’10 NEDO 研究（先導研究）（挑戦的基礎研究）
・優れ た特性を有する画期的な材料
成分を発見（特 許出願済み）

図2

実用化研究
量産技術確立）・組成範囲決定・製造条件確立

超高温ガスタービンの技術開発ロードマップ（9）電中研レビュー No.57 ●23

実証機プロジェクトの概要とその後の運用2-1 250MW実証機の特徴・ ・・・・・・・・・・・・・・・ 26
2-1-1

実施体制・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 26

2-1-2

開発スケジュール・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 26

2-1-3

実証機のシステム構成と仕様・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 27

2-2 実証試験の成果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 29
2-3 プロジェクト終了後の実証機の運用・ ・・・・・・・ 30
コラム4：東日本大震災の経験と復旧、そして供給力としての活躍・・・・・ 32
コラム5：実証試験におけるスラグ有効利用・・・・・・・・・・・・・・・ 35

第２章

第2章

2-1

250MW 実証機の特徴

2-1-1

実施体制

第２章

電気事業大で進めて来たIGCC 技術開発は、海外の先実証試験の実施体制を図 2-1-2に示す。CCP 研究所は、

行プラントで採用されている酸素吹きガス化方式と比較して空気吹きIGCC の実証試験研究を行うことを目的に、北海高い送電端効率が期待できる空気吹きガス化方式を採用し道から九州までの 9 電力会社および電源開発の出資によりて進められてきた。空気吹きIGCC の開発経緯を図 2-1-1

設立された。試験費用と必要な人員は出資会社に電力中に示す。当研究所に設置された石炭処理量 2t/日規模の央研究所を加えた11 法人が提供し、実証試験はCCP 研

小型ガス化炉による基礎試験を1983 年から開始し、1991究所が推進した。また、実証機の設置場所である常磐共〜1996 年には常磐共同火力株式会社勿来発電所構内に同火力は、敷地、ユーティリティ、運転員の提供などの運建設した200t/日規模（25MW 相当）のパイロットプラント試

転支援を通して積極的に試験に係わった。なお、プロジェ

験が行われた。また、1998 年にガス化炉、ガス精製、ガス

クトは経済産業省からの補助金を受けて実施したが、当初タービンが揃った24t/日規模の一貫試験設備を三菱重工の目標を達成したことから2010 年 6月に補助事業は完了し、業株式会社が建設し、IGCC 全体の運転特性の検証やシ以降の実証機プロジェクトでは11 法人が費用を負担して試

ステム制御技術の向上が進められた。それらの成果を受け、験を継続した。

商用化への最終段階として信頼性・耐久性・経済性などを2-1-2実証することを目的に、出力 250MW（石炭使用量 1,700t/

開発スケジュール

日規模）の空気吹きIGCC 実証機での運転試験が、株式会
社クリーンコールパワー研究所（Clean Coal Power R&D、

IGCC 実証機プロジェクトは1999 年にスタートし、事前検以下 CCP 研究所）によって2007 〜 2013 年に実施された。

証試験と設計研究を経て、2001 年 6月からは実証試験の本章では、この IGCC 実証機プロジェクトの概要、設備の実施主体として設立されたCCP 研究所によって推進され特長、運転試験の成果、およびプロジェクト後に商用転用た。IGCC 実証機プロジェクトのスケジュールを図 2-1-3に示されたプラントの運転状況について述べる。

す。2001 年から3 年間で設備設計と環境アセスメントを実施

実証機
クリーンコールパワー研究所

パイロットプラント

1700t/日：250MW (2007-2013)

石炭ガス化複合発電技術研究組合
200t/日：25MW相当 (1991-1996)

石炭ガス化
基礎実験装置
電力中央研究所

2t/日(1983-1995)

一貫試験設備
三菱重工業

24t/日(1998-2002)
図 2-1-1

26

空気吹き IGCC の開発経緯

2010年6月まで

共同研究

クリーンコールパワー研究所(CCP)
発注
三菱重工業

分担金・人員

運転支援（敷地、
ユーティリティ、
運転員）

図 2-1-2

ガス化炉設備では、固体の石炭を可燃性のガス燃料（石炭ガス）に変換するとともに、石炭に含まれる灰分を溶融ス
ラグとして排出する。ガス精製設備では、石炭ガスに含まれる硫黄化合物や窒素化合物などの不純物をガスタービンで燃焼する前の段階で除去する。複合発電設備では、精製した石炭ガスを燃料としてガスタービンを駆動させるとともに、ガスタービンの排ガスやガス化炉の熱交換器から回収した
熱で蒸気タービンを駆動して発電を行う。

常磐共同火力発電出力は想定する商用機の約 1/2 規模の250MW（石炭使用量 1,700t/日）であり、ガスタービンは1,200℃級を採用してIGCC 実証試験体制いる。送電端効率は42%（LHV: 低位発熱量、以下 LHV）とし、次の 3 年間で実証機を常磐共同火力株式会社勿来発

最新鋭の微粉炭火力とほぼ同等の値を目標としており、将来

電所（福島県いわき市）構内に建設して、2007 年 9月より運の商用機では高温型ガスタービンを採用することによって48%

転試験を開始した。途中、東日本大震災による地震と津波（LHV）を超える送電端効率の達成を見込んでいる。

による損傷を受けたが、ほぼ計画どおりに実証機プロジェク
トを推進することができ、5 年半の運転試験を通して目標とし
表 2-1-1ていた試験成果を達成し、商用機設計に必要なデータを取得して、2013 年 3月にプロジェクトは終了した。

2-1-3

出 力

250MW

石炭使用量

約 1,700 t/日

実証機のシステム構成と仕様
方式実証機のシステム構成を図 2-1-4に、設備の全景を図2-1-5に、主な仕様と性能目標値を表 2-1-1に示す。実証

目標熱効率
低位発熱量（LHV）基準

機は、乾式の石炭供給装置と高温集塵（チャー回収）装置を備えた空気吹き加圧二段噴流床方式の「ガス化炉設備」、

環境特性（目標値,O2濃度16％換算）

ガス洗浄塔や H2S 吸収塔などの「ガス精製設備」、ガスター

ガス化炉

乾式給炭空気吹き
加圧二段噴流床

ガス精製

湿式ガス精製＋石膏回収

ガスタービン

1,200℃級

発電端

48％

送電端

42％

SOx 排出濃度8ppm

NOx 排出濃度5ppm

ばいじん排出濃度4mg/m3N

設計・製造

ビン・蒸気タービン・排熱回収ボイラおよび発電機などの「複1986 …

IGCC 実証機の仕様

三菱重工業株式会社

97 98 99 2000 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 （年度）パイロットプラント
プロジェクト

実証研究FS
要素研究≪ 実証機プロジェクト≫

事前検証試験
設計研究▽クリーンコールパワー研究所
（CCP）
設立

設計

建設

運転試験

環境影響評価

図 2-1-3

IGCC 実証機プロジェクトのスケジュール

電中研レビュー No.57 ●

27

第２章

資源
エネルギー庁
補助金

合発電設備」から構成される。

北海道電力
東北電力
東京電力
中部電力
北陸電力
関西電力
中国電力
四国電力
九州電力
電源開発
電力中央研究所

第２章
図 2-1-4

IGCC 実証機のシステム構成

排熱回収ボイラ

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
中央操作室

図 2-1-528

IGCC 実証機の外観

2-2

実証試験の成果⑵

設備の信頼性

IGCC 実証機プロジェクトでの検証項目と成果を表 2-2-1

時間を超えるガスタービン石炭ガス専焼運転を実施した。累に、実証試験の運転時間および発電電力量の実績を図

積発電電力量は3,700GWh 余りとなり、発電設備としての

2-2-1に示す。この運転試験により、IGCC の性能や運用性

信頼性が検証された。運転試験中に発生した2011 年 3月などについて以下の成果を得た。

11日の東日本大震災では、震度 6 弱の揺れでプラントは安全に停止したものの、地上面は津波により浸水・水没し、⑴ システムの安定性

地盤沈下に伴う設備基礎の被害を受けた。しかしながら、定格負荷および部分負荷において安定した運転を継続す

復旧工事を経て同年 7月28日に運転を再開し、電源確保

ることを実証するとともに、SOx、NOx、ばいじん濃度、排が喫緊だった震災後の重負荷期の重要な供給力として機

ガス量などの環境目標値を全て満足することを確認した。ま能することができた（詳細はコラム 4を参照）。

た、トラブルを模擬したインターロック試験を実施し、プラント⑶

が安全に停止することを確認した。これらのシステム評価に

炭種適合性

より、特有の化学プロセスが様々な物質・エネルギーを介し適合炭種の拡大を目的として、従来の微粉炭火力では焚て連係しているIGCCシステムが、安定かつ安全に運用さきにくい灰融点の低い、あるいは含有水分の多い低品位なれていることを検証した。

亜瀝青炭などを含む幅広い石炭の適用性を評価した。石
表 2-2-1

検証項目

内

IGCC 商用化に向けた検証項目

容

成

果

1）システムの安定性

安定に運転を継続できるとともに、プラント異常時において安全に停止するシステムであることを検証する。

定格出力 250MW および部分負荷での安定運転を実証
SOx、NOx、ばいじん濃度、排ガス量等の環境目標を満足
トラブルを模擬したインターロック試験で安全性を検証

2）設備の信頼性

信頼性確認のため最低 2,000 時間の連続運転（夏季 3 ヶ月間相当）を行う。

連続 2,238 時間を含む通算 18,788 時間の運転
総発電電力量 3,704GW

3）炭種適合性

設計炭以外の炭種を用いて運転を行い、将来の商用機設計に資する特性データを取得する。

設計炭以外に８炭種での運転試験を実施
・微粉炭火力で使用される灰融点温度の高い瀝青炭
・含有水分が多く低品位な亜瀝青炭4）高効率性・環境特性

目標熱効率の達成、環境基準のクリアにより、
IGCC の優れた特長である高効率性・環境性を検証する。

送電端効率 42.9%（低位発熱量 LHV 基準）を達成
排ガス、排水、石炭灰に関する環境基準をクリア

5）耐久性

長時間運転と開放点検により、設備の耐久性を検証する。

年間 5,013 時間の運転を達成
開放点検により設備に重大な損傷のないことを確認

6）経済性

運転実績に基づいて、建設費・運転費・保守費等を総合的に勘案し、商用機の経済性を評価する。

商用機の発電単価は、従来型石炭火力と同等以下となる可能性あり

3,704GWh

7,000

h

6,000

5,000

3,500

3,018GWh

h
GWh

3,000

2,500

2,136GWh

4,000

2,000

1,404GWh

1,500

3,000
2,000
1,000
0

4,000

GWh

h

8,000

1,000

742GWh
85GWh
236h

500
3,059h3,434h

3,853h4,679h

図 2-2-1

IGCC 実証機の運転実績

3,527h0

電中研レビュー No.57 ●

29

第２章

運転試験では、連続運転 2,238 時間を含む通算 18,700

表 2-2-2運転最適化試験の結果（2009 年 1月30日実施）

第２章

設計値

結

果

大気温度
発電機出力
ＧＴ出力
（ガスタービン）
ＳＴ出力（蒸気タービン）
送電端効率（LHV 基準）15℃
250MW
128.9MW
121.1MW
42％

9.9℃
248.8MW130.4MW118.4MW
42.9％※

冷ガス効率
炭素転換率

73％
>99.9％

77％>99.9％

4800kJ/m3N
28.0％
3.8％
10.4％
0.3％
57.5％

5600kJ/m3N
31.9％
2.7％
10.0％
1.4％
54.0％

生成ガス 発熱量
組成

環境特性

LHV
CO
CO2
H2
CH4
N2 他

（O 2濃度16%換算） < 目標値 >
SOx
8 ppm
NOx
5 ppm
ばいじん
4 mg/m3N

0.5 ppm
3.9 ppm<0.1 mg/m3N※大気温度 15℃による補正値

イアッシュに比べて容積がほぼ半減し、ガラス質のために微量物質の溶出がほとんどないことから、その全量を有効利用している（詳細はコラム 5を参照）。その他の水質、騒音、振動等についても基準をクリアしており、IGCC の優れた環境特性が実証された。
⑸

耐久性

商用運転に準じて高利用率の運転を想定した耐久性確
認試験を行い、設備改善などを実施しながら、年間 5,013
時間の運転を達成した（2009 〜 2010 年度）。運転後に設備点検を行った結果、深刻な損傷や不具合が生じていない
ことを確認し、IGCCプラントが想定どおりの耐久性を有することを検証した。
⑹

経済性

IGCCは高温高圧の反応容器を含む数多くの機器で構成されることから、プラントの建設費や修繕費は従来型の微粉
炭火力よりも高くなると想定される。一方、発電効率については、高温型ガスタービンの適用により従来型に比べて約 2割の効率向上が期待できる。また、IGCCは、低灰融点炭などこれまで発電には使われにくかった石炭を活用できることから、燃料調達費を軽減できると考えられる。IGCC 実証
フライアッシュ（従来型微粉炭火力）

図 2-2-2

溶融スラグ（IGCC）

石炭灰の外観と容積の比較

機の運転実績に基づき、建設費、運転費、保守費用等を総合的に勘案して、商用機の経済性を評価した。その結果、
IGCC の発電原価は、従来型の微粉炭火力と同等以下となる可能性があると考えられた。

炭性状に応じて運転パラメータを適切に調整し、必要に応以上のとおり、IGCC 実証試験では目標とした技術課題

じて設計炭との混炭で運用することで、様々な炭種が適用を達成し、空気吹きIGCC 技術に関する設計・建設・運転・できることを確認した。

保守のノウハウと商用プラントの設計に不可欠な実証データを取得することができた。我が国で開発を進めてきた空気⑷

高効率性および環境特性

吹きIGCC は、世界最高水準の送電端効率を発揮する石プラント熱効率の向上を目指した運転条件の最適化を検炭火力発電技術であることが実証され、石炭利用によるエ討した際のプラント性能を、設計値とともに表 2-2-2に示す。

ネルギーセキュリティの確保、効率向上による地球温暖化

送電端効率は42.9%（LHV）と、目標性能である42%を達対策を両立した発電システムとして期待できることが確認さ成することを確認した。石炭ガスへの変換性能の指標であれた。

る冷ガス効率や、未燃分の指標である炭素転換率はいずれも設計値を満足しており、石炭を効率よく石炭ガスに変換

2-3 プ
 ロジェクト終了後の実証機の運用できていることが検証された。
煙突出口の SOx 濃度、NOx 濃度、ばいじん濃度は目標計画された全ての試験項目を完遂し、将来の IGCC 商

値を大きく下回ることを検証した。また、ガス化炉から排出さ用プラントの設計に必要なデータを得て、IGCC 実証機プロれる溶融スラグは、図 2-2-2に示すように微粉炭火力のフラジェクトは2013 年 3月末に終了した。本件のような研究プロ

30

第２章

GT

図 2-3-1

常磐共同火力勿来発電所 10 号機の最初の商用運転状況（2013 年 6月～ 12月）

ジェクトでは、建設した試験設備は終了とともに解体する場

り、営業運転での累積時間は10,360 時間、積算発電電力

合が多いが、IGCC 実証機は25 万 kW の電力供給力を有

量は2,454.4GWhに達している（2015 年 5月末時点）。途中する発電プラントであることに加え、運転の継続によりIGCC

で、主に設備の経年的な劣化に起因するメンテナンスのた技術の更なる知見が得られることが期待された。そのため、めに一時的な負荷降下やプラント停止を実施している。これ2013 年 4月以降は常磐共同火力株式会社が CCP 研究所

はプラントが研究設備としての設計に基づいて製作されておを吸収合併し、IGCC 実証機は商用発電プラント（勿来発り、十分な耐用年数を想定していない機器が存在すること

電所 10 号機）として運用することとなった。

が一因となっている。そのため、2015 年度には一層の安定

勿来発電所 10 号機の最初の商用運転状況を図 2-3-1に示 す。 定 期 事 業 者 検 査と試 運 転を経て、2013 年 6月運用を可能とするため、設備の耐力強化を狙いとした大型改修を実施している。

末に我が国初の石炭専焼 IGCC 商用機として運転を開始

定格負荷での長期間運用が求められる商用運転を通しし、電力需要が高まる夏季期間を通して高稼働で安定して、IGCC の運転操作技術、プラント制御性向上、機器設た運用を継続した。中間点検のためにプラントを停止した

備の監視とメンテナンス、および安全管理技術が磨かれて12月8日までの連続運転時間は3,917 時間、発電電力量はいる。実証試験に留めることなく運転を継続したことにより、979GWh の実績となり、IGCCプラントの最長記録（オランダ

次期商用機に繋がる重要な知見と経験が得られるだけでな

Buggenum 発電所 :3,287 時間）を更新している。

く、商用プラントとしての真価が実証されることとなった。勿その後もベースロード運用を基本として、中間点検や設備

来発電所 10 号機は、クリーンかつ高効率な空気吹きIGCC

メンテナンスなどを実施しながら断続的に運転を継続してお技術の礎として、さらに運転を継続する計画となっている。

電中研レビュー No.57 ●31

コラム 4：東日本大震災の経験と復旧、そして供給力としての活躍

第２章

本コラムは、IGCC 実証機が受けた東日本大震災に3月11日は一晩中断続的な揺れが続き、津波の前よる被災状況と、夏の重負荷時期の供給力に向けた兆である潮の引きが常磐共同火力側で繰り返し観測さ設備の復旧過程について、現地での経験に基づいてれた。夜間は常磐共同火力のサービスビルの屋上から記載したものである。

サーチライトが照らされ、津波の 2 次被害を止める体制が取られた。

【被災】2011 年 3月11日（ 金 ）午 後、IGCC 実 証 機 では 約【設備の緊急対応】

3%/ 分の負荷変化速度の確認試験を終え、次週から停電によりターニングモータが動かない状態でタービンの中灰融点・高硫黄炭への炭種変化試験に向けた準は自然放冷された。タービンの焼き付き・反りを回避す

備が進められていた。14 時 46 分、携帯電話の緊急通るため、ハンドターニングが夜を徹して行われた。その報が鳴り響き、その後始まった揺れは徐々に拡大した。

他の設備でも安全停止に向けた緊急の対応が続けられ設備の状態を確認するため近くにいた各設備の担当はた。また、大きな余震が頻発したため、起動用の液体

すぐに監視モニタに向かった。

燃料やガス精製用ユーティリティ等、設備全体の安全

揺れはどこかで収まるであろうと思っていたが、中央操作室内のキャビネットが大きな音を立てて倒れた時、その期待が消えた。実証機は経験したことのない震度
6 弱の揺れを受けたのであった。

確認に加え、安全停止に必要なユーティリティの確保が進められた。
安全停止に必要なユーティリティの一つに防火用水がある。津波の直撃を受けたHRSG 設備の近くには脱ガスタービン軸振動大の信号により全系への自動停

硝用のアンモニア貯槽があり、停電によるフェイルオープ止指令が出た。自動停止の動作中も揺れは続き、天井ン機能により防火用水が散水され続けていた。余震に材が降り落ちる中、運転員は必死に監視モニタを支え、よる他の設備での不測の事態に備え、防火用水はこれ

プラント状態を監視し続けた。天井からの落下物から身以上無駄にはできない。深夜、津波による泥沼を歩くを守るため机の下に潜っても、机自体が大きな揺れでため靴紐を固く結び、いつもと違い静まり返ったプラント

動いてしまい役に立たなかった。連係する電力系統のを月光と懐中電灯のみを頼って進み、散水を止めに行っ

停電により、発電所は全停となり、隣接する常磐共同た。しかし、津波の再来を知らせるサーチライトに照ら

火力から最低限必要な非常用電源を受電するまでは、され目的を達せず引き返すことになり、防火用水の残量

無停電電源を頼りに実証機の状態が監視された。

を減らしてしまうということもあった。

【津波】
揺れの合間を縫うように設備担当者全員が中央操作室に辛うじて駆けつけた。揺れるモニタを押さえつけ設
備の状態を把握しようと格闘しているところに、「車が流HRSG
アンモニア設備（散水されている）されてる」との声が出た。津波という言葉自体が思い浮かばなかったのだ。
実証機の排熱回収ボイラ（HRSG）は最も海側に位置したため、HRSG の制御装置、給水ポンプ、防音壁
は真っ先に津波にのみこまれ、続いて全設備に津波の勢いが廻った。設備全域の浸水は地上 2m 程度に及び、海辺に近かったCCP 研究所の事務棟は水位が地
上 3m 近くに達した。

32

図１ 津
 波にのまれるIGCC 設備（アンモニア設備は自動で散水されている）

【緊急体制の構築】
被災状況の把握、安全体制の確保、物資の供給、大な揚炭機も脱線した状態で傾いており、陥没や傾斜および復旧の見通しを立てることが被災後には重要とで貯炭場には車も入れない状況であった。石炭は津波なった。震災からの復旧に向けた緊急体制が実証試の直撃を受け、海水混じりの燃料となった。小名浜港

験本部内で整えられ、設備の被災情報や復旧見込みの他の貯炭場も地面が陥没・損傷しており、石炭の置の情報が徐々に集められてきた。海沿いにあり甚大なき場が不足する状態が続いた。また、実証機は震災被害を受けた事務棟でも、緊急体制が整えられ、地域の翌週から炭種変化試験を予定していたため、実証機の被災情報や物資の供給に関する情報、石炭を保管にとって未経験の中灰融点炭が貯炭場の大きな部分をしている小名浜港の情報等が集められた。

占有していた。

【設備の損傷】【直下型の余震】

時を追って地震と津波による深刻な被害が明らかに設備の復旧作業がようやく進み始めた4月11日、いなってきた。特にガス精製設備では熱交換器の脱落等、わき市直下で震度 6 弱の巨大な余震が発生した。続く設備が大きな損傷を受けていた。また実証機は湿式の4月12日、またしても震度 6 弱の直下型の余震が発生しガス精製設備を有することから、フロア面に多くのポンた。これらの余震の揺れは3月11日の本震と同程度でプやモータを保有している。これらのモータや制御装置、あったが、直下型であったため、予兆もなく急激な揺電源ケーブル等が津波により損傷していた。海水に浸れが襲った。幸いなことに人的な被害はなかったもの

かったケーブルは浸食が進む前に切断された。海岸線の、設備の損傷は拡大し、設備付近の送電系統も損に最も近かったHRSG 設備では、蒸気タービン用の高傷を受け、設備の復旧工程に大きな影響を及ぼした。

第２章

い矢板式であったことから大きな損傷を受けていた。巨

圧、中圧ポンプがいずれも損傷を受けた。HRSG の制
御室内は壊滅的な状況であった。IGCC 特有の設備で【設備の復旧】あるガス化炉は地震で大きく揺れ、ガス化炉の振れを

設備の復旧は海水汚泥の除去による工事用アクセス

止める金属製のストッパーは破損した。しかし、揺れに路の確保から始まった。作業用の仮設電源、仮設コン

対してもガス化炉本体は致命的な損傷を受けず、運転

プレッサーが確保された。ガス化設備は緊急停止した再開への明かりも一部で見え始めた。

ため大量のチャーが炉内に残っており、困難を極める
炉内の清掃と点検が行われた。また、エレベータが使【貯炭場】

用できないため地上約 60m のガス化炉トップまで窒素ボ実証機で使用する小名浜港の貯炭場は、構造の弱ンベを担ぎ上げ、操作用の計装空気を窒素で代用してポーラスフィルタのパージ操作が行われた。
震災は東日本の広い範囲に及んだため、設備を修復するための物資の流通が滞った。津波に浸った電気設備で部品供給が見込めないものは純水で洗い、天日で干して仮復旧させた。
被害が甚大だったガス精製設備では、地元の鉄工所の協力のもと、脱落した熱交換器のつり上げ・再設置が行われた。水没したポンプやモータも被害の大きい

本来は同じ高さ
図２ 小名浜港の揚炭機とバース（地面が陥没している）

ものは工場に持ち帰り、比較的被害の小さいものは現場で分解・点検・整備が行われた。
実証機では窒素や蒸気を設備内で連係利用してい電中研レビュー No.57 ●

33

第２章

るが、連係利用のための配管に漏れなどがないか細か

IGCC」としての誇りであり、地域にとっての希望にもなっく点検された。また、基礎地盤の沈下や構造物の支柱た。また、共に被災し復旧に全力を尽くしながら人事の損傷も併せて復旧された。工業用水や純水等のユー

異動により定格出力を見ることなく勿来の地を去ったメン

ティリティも徐々に調達されるようになっていった。

バーの経験も、復旧のノウハウの形で後任に引き継が被災したエリアの南の方から発電所復旧の知らせがれていった。

届くようになった。実証機でも2011 年の夏季重負荷時

震災の経験は自然災害への実証機の耐性を確認す

期の供給力として貢献できるよう、7月中を目途とした運ることにもなり、信頼性の向上につながったものと考えら

転再開計画がたてられ、従業員の尽力、常磐共同火れる。長期に及ぶ震災からの復旧を無事故・無災害で力の協力、自治体・地域の協力、協力会社・メーカー

乗り越えられたことは、日常からの安全教育と緊急時への緊急応援により、設備の復旧が進められた。6月中の備えの賜物でもある。IGCC が将来、国内外の自然

旬には待ちに待った所内用の電力が届き、それまでに災害の多い地域に導入されていく場合、東日本大震災

着々と進めてきた復旧作業が、各機器の試運転調整の経験が活かされ、緊急時の適応能力が如何なく発揮段階に入った。

されることであろう。

7月28日、実証機は石炭ガス化ガスによる運転を再開したが、蒸気タービンのリークにより一旦発電を停止した。8月10日に運転を再開し、震災から5 か月後の 8月11日、定格出力での発電状態まで復旧し、供給力として戦列に復帰した。
発電状態に復旧した後は、設備の確実な運用に所
員全員の力が集中した。実証機を最大出力で発電し続けるため、小名浜港の石炭の使い方が毎日のように変更された。海水が混入した石炭は出力に影響しない
範囲で新しい石炭と混炭して利用された。実証試験として計画していた炭種の試験も遂行する必要があり、震災前から保有していた中灰融点炭は混炭方法を変更
して試験に利用された。発電再開以降、設備は最大出力での運転を継続したものの、震災で受けたダメー
ジは大きく、設備の一部は健全な状態での運用とは言い難かった。

【重負荷期の供給力と将来】2011 年 8月の夏季の電力重負荷期に向け、各地で節電の呼びかけや、緊急電源の準備が行われる中、実証機は重要な供給力としての役割を担った。8月11日以降の高出力運転は11月まで続き、当時の連続運
転時間の最長を記録した。新技術であることや機器点数が多いという実証機ならではの事情を抱えながらも、重要な時期に供給力として貢献できたことは、協力会社、メーカー、そしてCCP 研究所社員の「チーム34

HRGS 設備
図３ ‌静かな海とフルパワーの IGCC（ガス化炉トップより2011 年末に撮影）

コラム 5：実証試験におけるスラグ有効利用

第２章

IGCCにおける石炭灰は、粒径数 mm の粒状あるいは針状のガラス質スラグとして排出される（図 1）。スラ
グの主成分は二酸化ケイ素、酸化アルミニウムであり、その他に酸化鉄、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、
酸化カリウム、酸化ナトリウムなどで構成され、それらの含有割合は原炭の灰組成と同程度である。スラグは、密度が大きい、未燃分を含まない、微量物質の溶出がほとんどないという特長があり、土木建築分野などへの有効利用が期待できる。
IGCC 実証機から排出されるスラグは、セメント原料や道路の路盤材に用いられており、一連の実証試験で発生したスラグは全て有効利用されている。また、有効利用先の拡大の検討として、アスファルトやコンクリー

図 1 IGCC スラグの外観

トの骨材への適用について検討された（1）。アスファルト
骨材としては、常磐共同火力株式会社勿来発電所構内の道路の舗装に適用しており、石炭運搬用の大型ト
ラックの荷重にも十分耐えうる強度が保たれていることが検証されている（図 2）。コンクリート骨材としては、ス
ラグ混合率の異なるプレキャストコンクリート側溝を製造し、発電所近隣の道路に試験施工しており、一般製品と同様の実用性を有することを確認している（図 3）。
今後 IGCC の導入が進むことによって、スラグ発生量の増大が予想される。スラグの有効利用先を拡大すると共に、用途に適した性状のスラグを効率的に製造する技術が必要となろう。IGCCスラグが一般的に広く活用されるよう、有効利用方法に適合する製品スラグの図 2 道路舗装のアスファルトへの利用（1）

規格化が待たれるところである。

図 3 コンクリート成型製品への利用（1）

電中研レビュー No.57 ●

35

第3章

3-1 ガス化炉設備・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 38
3-1-1

空気吹き噴流床ガス化炉の概要・・・・・・・・・・・・・・・・・ 38

3-1-2

空気吹き噴流床ガス化炉の開発ステップ・・・・・・・・・・・・・ 38

3-1-3

実証機ガス化炉の設計段階におけるスケールアップ評価・・・・・・ 39

3-1-4運転試験の実績とガス化炉の評価・・・・・・・・・・・・・・・・ 43

3-2 ガス精製設備・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 46
3-2-1

ガス精製設備の役割・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 46

3-2-2

実証機のガス精製設備構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 46

3-2-3

ガス精製設備運転特性の評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48

3-3 複合発電設備・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 49
3-3-1

低カロリーガスへの対応・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 50

3-3-2

石炭性状の変動への対応・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 50

3-3-3

ホッパ供給方式への対応・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 52

3-4 設備間の連係・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 53
3-4-1

ガス化炉・SGCとHRSG間での蒸気の連係・ ・・・・・・・・・・ 53

3-4-2

石炭乾燥のための排熱の連係利用・・・・・・・・・・・・・・・・ 54

3-5 IGCC商用機に向けて・・・・・・・・・・・・・・・・・ 55
3-5-1

熱効率の向上・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 55

3-5-2

設備利用率の向上・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 57

3-5-3

炭種適合性の拡大・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 58

3-5-4

まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 58

第３章

実証試験結果の評価

当研 究 所は、 前 章で概 要を述 べた 250MW 空 気 吹き

チャーのガス化反応が進む。

第３章

IGCC 実証機プロジェクトに参加し、現地ならびに研究所内

チャーのガス化反応とは、固体である炭素が二酸化炭素の双方において全面的なバックアップを行い、支援研究をや水蒸気と反応し、一酸化炭素と水素が生成する反応で実施した。本章では、プロジェクトで蓄積した経験をとりまある。吸熱反応であることから、コンバスタで発生する高温

とめ、ガス化炉設備、ガス精製設備、複合発電設備のそガスは、ガス化剤であると同時にガス化反応の熱源でもあれぞれについて実証試験結果を評価し、商用機の設計にる。二段噴流床ガス化炉では、吸熱反応によりリダクタバー

反映すべき知見を整理する。

ナ付近でガス温度が急激に低下する特徴があり、これをケミ
カルクエンチと呼んでいる。空気吹きガス化炉では、一般的

3-1 ガス化炉設備に酸素吹きガス化炉よりも未反応炭素を多く含むチャーが発生するが、この生成チャーを全量回収し、コンバスタへリサ

3-1-1

空気吹き噴流床ガス化炉の概要

イクルすることで未反応炭素によるエネルギー損失を防いでいる。チャーの生成量は炭種や運転条件により大きく変化

実証機で採用された空気吹き二段噴流床ガス化炉の原するため、ガス化炉の容積やチャー回収・リサイクル設備の理を図 3-1-1に示す。本ガス化炉は、乾式給炭、上昇流

容量を適正化するためには、ガス化炉から排出されるチャー式の噴流床である。燃料である石炭（微粉炭）を分けて投の量を精度良く見積もる必要がある。

入する二段炉で、コンバスタと呼ばれるガス化炉下部、およ石炭に含まれる灰分は、高温部であるコンバスタで溶融び、リダクタと呼ばれるガス化炉上部に分けられる。コンバス

スラグとなり炉底から流下し排出される（スラッギング方式）。

タに投入された微粉炭は、輻射熱を受けて迅速に熱分解さそのため、ガス化炉を連続的に安定運転する上で不可欠

れ、揮発分（気体）とチャー（未燃炭素と灰分を含有するなことは、灰が確実に溶融するコンバスタ温度を保つことで固体残渣）を生成するとともに、空気（酸素富化空気）によりある。

燃焼（部分酸化）する。リダクタに投入された微粉炭は、コ

コンバスタに投入された微粉炭およびリサイクルチャーに

ンバスタから上昇してくる高温ガスにより、石炭の熱分解と含まれる灰分は、強い旋回流により壁面に捕捉され、溶融した状態で壁面を流下し、炉底部のスラグホールから排出されるが、一部の灰は捕捉されずにガス流に乗ってリダク

生成ガス＋チャータ部へ運ばれる（キャリーオーバー）。このキャリーオーバー
灰とリダクタ部に投入された石炭中の灰は、生成チャーの一部としてガス化炉から排出され、コンバスタ部にリサイク

圧
力
容
器

リダクタ

ルされる。コンバスタ壁面は溶融スラグで覆われているが、C＋CO2 →2CO
C＋H2O→CO＋H2
CO＋H2O CO2+H 2

リダクタバーナよりも上部では、前述のケミカルクエンチの効
果により灰は固化しており、溶融・軟化灰によるトラブルが抑制される。

石炭→揮発分
＋チャー

石炭
搬送ガス

コンバスタ

石炭

溶融スラグ
図 3-1-1

38

チャー

石炭→揮発分＋チャー
揮発分＋O2→
CO2＋H2O
C＋O2 →CO＋CO2

搬送ガス
空気

3-1-2

空気吹き噴流床ガス化炉の開発ステップ

空気吹き二段噴流床石炭ガス化炉の開発経緯は、第 1章および第 2 章で述べたように、当研究所の2トン/日炉、搬送ガス

スラグホール

空気吹き二段噴流床石炭ガス化炉の概略

NEDO 事業として開発された200トン/日パイロットプラント、経済産業省の補助金を受け電気事業大で開発した1,700トン/日の250MW 実証機という段階を踏んでスケールアップされてきた。各開発段階における研究成果を表 3-1-1にまとめる。
ベンチ炉規模の 2トン/日炉では約 20 炭種のガス化試験

を実施し、フラックス添加や混炭による高灰融点炭の灰融研究などに研究炉は用いられた。

点降下方策を開発するなど、空気吹き加圧二段噴流床ガ

それまでの知見を反映して設計された実証機は、2007 年

ス化炉の基本技術を確立した。ガス化炉形状やスラグホー

9月から2013 年 3月まで運転試験が行われた。ガス化炉にル構造、ガス化炉材料などの研究成果が、200トン/日パイロッ

関する設計段階の評価および運転試験の実績とその評価

トプラントの設計に反映された。

について、以下に述べる。

ラッギングの発生を経験したが、スケールアップ手法に原因があることが解明され、大改造を経てスラッギングトラブルは

3-1-3

実
 証機ガス化炉の設計段階におけるスケールアップ評価

解決された。高灰融点炭を含む3 炭種のガス化試験が行われ、フラックス添加や酸素富化によるスラグ排出性の改善効

噴流床ガス化炉は、微粉炭を高温で迅速にガス化するた果が確認されるとともに、789 時間の連続運転が実現された。

め滞留時間が短く大容量化に向くと考えられるが、化学反パイロットプラントプロジェクトにおける課題への対応を検証

応・燃焼・流れ・伝熱などが複雑に作用する反応装置であするため、メーカである三菱重工業株式会社は、同社の長るため、開発の過程においては、スケールアップに伴い相崎研究所に24トン/日一貫試験設備を設置し、事前検討試

似性が崩れて想定外の停止を招く事象が発生することがあ験を行った。ガス化炉については、微粉炭搬送システム、る。空気吹き二段噴流床ガス化炉の開発では、上述のよう

チャー回収システムおよび熱交換器の信頼性やスケールアッに2トン/日炉から200トン/日パイロットプラントへの 100 倍のプ手法が検証され、実証機設計に必要なデータが得られた。

スケールアップの際に深刻なスラッギング現象によるトラブル

当研究所では、実証機の建設が始まった2004 年に2トンを経験したが、250MW 実証機に向けた更に約 8 倍のスケー/日炉の主要機器をリプレースし、3トン/日石炭ガス化研究

ルアップでは、この経験が生かされスムーズな実証試験につ炉として試験を再開した。実証機での炭種変化試験の支援ながった。実証機から2 倍のスケールアップが想定される次

表 3-1-1

空気吹き二段噴流床石炭ガス化炉の各開発段階における研究成果

2トン/日炉での主な成果（1982～1995年度に運転）

200トン/日パイロットプラントでの主な成果（1990～1995年度に研究運転）

1,700トン/日実証機での主な成果（2007～2012年度に運転試験）

ガス化特性

・ 約 20 炭種のガス化特性を取得
・ ‌3 炭種のガス化試験により各炭種のガス ・ ‌瀝青炭および亜瀝青炭合計 9 炭種で安・ ‌200T/ 日炉候補炭・実供試炭のガス化
化特性を取得
定出力を達成試験を行い、設計・運転条件の検討に反 ・ ‌酸素富化による生成ガス発熱量増大効果 ・ ‌生成ガス発熱量とチャー生成量の予測技
映
を確認
術を確立

微粉炭供給系・
チャーリサイクル系の運転特性

・‌ロックホッパシステムによる乾式給炭技術 ・‌テーブルフィーダ方式でオーバーフィード現 ・‌高濃度搬送システムによる安定供給を検証
に関するノウハウを蓄積
象を経験・‌チャーの生成量と性状に応じた供給系の調整手法を確立
・精密脱塵システムの信頼性を実証

スラッギング特性・
灰付着特性

・ ‌200T/ 日炉スラッギング現象再現試験に ・ ‌炉内スラッギング現象が発生、炉改造によ ・ ‌運転条件（負荷・炭種）にかかわらず炉より現象解明、改造案に反映
り解決
内スラッギング現象は発生せず、長期間・ ‌伝熱管灰付着時の伝熱特性基礎データを ・ ‌熱交部チャー堆積特性、付着時の伝熱性
安定して運転を実施
取得
能を把握
・ ‌炭種変化試験における熱交部の詰まりに・除灰装置の効果を確認
対応した運用指針を確立

溶融スラグの排出特性・ ‌高灰融点炭に対するフラックス添加及び ・‌フラックス添加及び酸素富化によるスラグ ・ ‌低灰融点炭および中灰融点炭によるスラ混炭技術の有効性を確認
排出性改善効果を確認
グ安定排出を確認
・‌スラグタップ形状のノウハウ取得、200T/ ・‌スラグタップ形状変更によりスラグ排出性 ・ ‌高灰融点炭に適合する運転手法を確立
日炉改造案に反映
改善・スラグ排出監視を自動化

運転特性・ ‌空気吹き加圧二段噴流床方式ガス化炉の ・ 789‌
時間連続運転での安定運転性を確認 ・ ‌発電プラント全体としての起動・停止要領
起動・停止要領を確立
・ ‌抽気連携状態で GT 出力変化率 10％ / を確立
分での追従安定性を確認
・ ‌2,238 時間の連続運転、長期耐久運転試験により、年利用率 70% 以上の見通しを確保（2013 年の商用運転にて連続運転時間を 3,917 時間に更新）
・‌目標を超える熱効率（LHV ベース送電端
効率 42.9％）を達成

材料・‌テストピースによる実ガス耐腐食性の基礎 ・ ‌解体研究により要部材質の減肉、腐食状 ・ ‌各部の減肉、腐食状況を把握し、適切なデータを取得況を把握
材料を選定

ガス化炉スラグの有効利用・ ‌約10炭種のスラグについて、セメント製造原料等への適用性を確認

・‌コンクリート用細骨材等として利用可能であることを確認・‌セメント原料および道路用資材として全量
有効利用

電中研レビュー No.57 ●

39

第３章

パイロットプラントでは、ガス化炉が閉塞しかかる深刻なス

期商用機の設計においても、これまでに培われたスケール捕捉に必要な旋回流を発生するように配置され、リダクタにアップ手法が有効であると考えられる。

は微粉炭バーナが対向に配置された。
このようなガス化炉の構造を忠実に反映した三次元数値可視化する数値解析技術の活用が効率的でかつ有効であモデルを作成し、実証機の定格での計画運転条件（ベースる。そのためには鍵となる炉内現象を踏まえたモデルを組み（2）運転条件）における炉内の熱流動解析（1）を実施した結果

込んだ解析が不可欠である。当研究所では、基礎実験とを図 3-1-4に示す。本解析は、乱流の解析にRNG κ-εモ

数値解析技術を中心とするガス化炉評価手法（図 3-1-2）をデルを採用し、粒子運動の計算には代表粒子で粒子群を確立し、実証機の設計評価と運転支援研究を実施してきた。

模擬するラグランジュ法を用いて、有限体積法により非圧縮ガス化炉の設計段階において、数値解析を用いて検討性流れを取り扱うガス化炉内数値解析である。伝熱現象にすべきと考える主要な項目を図 3-1-3に示す。多岐にわたるは、流れ場による対流伝熱、乱流による渦拡散および輻射

検討項目が挙げられるが、それぞれの現象に対応する数値

伝熱を考慮した。化学反応として、熱分解反応、チャーガ

モデルを用いることにより評価することができる。実証機の設ス化反応および気相反応を考慮しており、特に重要なチャー計に対しては、ガス化炉の三次元数値モデルにおいて、反ガス化反応については、実験データに基づくチャーガス化

応を含めた固気混相流の熱流動解析を行いガス化性能や（4）反応モデル（3）から決定した。

炉内現象を明らかにし、また、気液二相流の伝熱流動解

図 3-1-4（a）は、実証機で予測されたガス化炉垂直方向

析から溶融スラグ挙動を明らかにした。特に、スラッギング

断面のガス流速を、パイロットプラントと比較したものである。

によるトラブルを防ぐ検討や、コンバスタにおける灰捕集効率

色は軸流速の大きさ（赤が最大値、青が最小値）を示す。

とチャー循環量の予測・評価、スラグホールでの溶融スラグ

解析の結果、実証機はパイロットプラントとほぼ相似の旋回の排出性評価、炭種の違いによる熱交換器チャー堆積伝流が形成されており、ガス流動状態は良好であることが分熱機構の解明等が重要であると考え、以下の検討を実施しかった。また、実証機については、ベース運転条件に対してきた。

て空気比（注 1）を±4% 増減した条件の解析も行い、この範囲
ではガス流動状態に大きな変化はないことが分かった。

⑴ ガス化炉内の伝熱流動状態とガス化性能の評価

図 3-1-4（b）は、実証機のガス化炉内の粒子軌跡であり、実証機ガス化炉の基本設計では、200トン/日パイロットプ

色は粒子温度を示す。炉内温度は空気比の影響を受け、ラントから石炭処理量で約 8 倍へのスケールアップが計画さ

高空気比条件では高温の粒子がコンバスタ出口付近にまでれ、コンバスタ直径比で約 3 倍のサイズとされた。コンバスタ

到達することが予測された。

には、微粉炭バーナとチャーバーナが、壁面での灰粒子のガス化炉内数値解析では、流れや温度だけでなくチャー

Output•ガス化性能評価ツールへの

Input

1.3

1.0
.2

0.9

検証

0.8
0.96

0.

1.0

1.1

0.98

1.00

1.02

ツール検証

図 3-1-240

適合性評価• 設計の妥当性評価
や課題抽出• 炭種選定• 運転条件検討

1.2

1.4

1.1

（排出性・再飛散 etc. ）0.7・実条件におけるガス化特性・スラグ排出性1.2（温度分布etc.）• 溶融スラグ挙動

0.9

ガス化研究炉試験

1.2

・炉形状、
寸法
・バーナ配置 etc.

基礎実験

ガス化反応特性
数値解析ツール
・熱分解特性・一次元ガス化性能解析
・チャーガス化・三次元ガス化炉内数値解析
反応速度 etc. モデル化 （固気混相反応流解析）・スラグ挙動解析

1.1

ガス化炉スペック（冷ガス効率 etc.）• 炉内現象0.9・元素組成・灰組成
・発熱量 etc.

評価ツール

1.0

石炭サンプル
石炭スペック

0.8

第３章

スケールアップを検証する手法として、複雑な炉内現象を実証機試験

当研究所のガス化炉設計評価・炭種適合性評価手法の概要

評価・支援

中未燃分やガス組成の炉内分布や各成分毎の流量が明らかになるので、ガス化炉出口におけるこれらの情報から冷ガ
（注 2）

ス効率

（注 3）

⑵

溶融スラグの排出性評価
溶融スラグの安定排出はガス化炉の安定運転に直結する

重要な炉内現象であるため、実証機の設計に対してスラグできる。図 3-1-5には、ベース空気比におけるガス化性能に

層厚さの解析を実施し、安定排出性を評価した。本解析は、対する比として、空気比による変化を示した。空気比を下

炉底部の溶融スラグ流動と伝熱を解析対象とした自由表面げることで生成ガス発熱量が増加し冷ガス効率は向上するを有する気液二相流の三次元熱流動解析である。温度に一方、炉内炭素転換率が低下し生成チャー量は増加する

対する溶融スラグの粘度特性を考慮して解析した。

傾向が定量的に確認された。
なお、運転試験が開始された後には、実際の運転条件におけるガス化炉内数値解析を実施し、解析手法の妥当性を検証することができた。

ガス化炉③

・ガス化性能（反応解析）⑤①生成ガス量・組成

HRSGへ③炉内温度分布、速度分布
①生成ガス

⑦
チャー
回収装置

ｺﾝﾊﾞｽﾀ
④

石炭

→灰循環量

⑤炉壁面および熱交換器への灰粒子の付着堆積性・溶融スラグ挙動（気液混相流解析）⑦スロート部の溶融スラグ飛散性

スラグ

図 3-1-3④コンバスタ灰捕集効率⑥炉底部の溶融スラグ排出性②リサイクルチャー⑥→ガス化炉単体性能

・ガス化炉内現象（固気混相反応流解析）

SGC

石炭

空気

→冷ガス効率②生成チャー量・組成⑤
リダクタ（注 1）空 気比＝ガス化炉投入空気量／ガス化炉投入石炭の理論燃
焼空気量（注 2）冷ガス効率＝（生成ガス発熱量×生成ガス量）／（石炭発熱量×
全石炭量）（注 3）炉 内炭素転換率＝生成ガス中炭素流量／投入石炭および
チャー中炭素流量

数値解析が対象とする評価項目

パイロット炉ベース条件

ー 4%

ベース空気比+4%（a）ガス化炉内の垂直方向断面の流速ベクトル

図 3-1-4

ー 4%

ベース空気比+4%（b）ガス化炉内の粒子軌跡（色は粒子温度）

実証機ガス化炉内現象の解析結果

電中研レビュー No.57 ●

41

第３章

というガス化性能を算出

や炉内炭素転換率

コンバスタ壁面から炉底部にかけて存在するスラグ層表面は、対流伝熱と高温領域からの輻射伝熱により加熱されて溶融している（溶融スラグ層）。一方、コンバスタ周壁管で冷却されるため、溶融スラグ層の底には固化スラグ層がある。炉内温度が低下すると、固化スラグ層が厚く成長す第３章

るため、炉底部ではスラグホールの湯口以外からも溶融スラグが流出する（オーバーフロー）など、スラグ排出の不安定化が懸念される。
前項のガス化炉内数値解析結果を入力条件として溶融
スラグ熱流動解析を行ったところ、図 3-1-6に示すスラグ層厚さが得られた。図 3-1-5と比較して考察すると、空気比を低減することで、ガス化性能（冷ガス効率）が向上する一方

図 3-1-6 ガ ス化炉底部のスラグ層厚さの予測（ベースに対する相対値）

で、スラグ層厚さは溶融スラグ層と固化スラグ層ともに厚くなり、溶融スラグ排出性に影響があることが定量的に確認された。逆に、空気比を高めることで、冷ガス効率は低下す
るが、溶融スラグ排出性を改善する効果があることがわかる。本解析結果から、ベース運転条件から空気比を±4%増減した運転範囲では、スラグのオーバーフローなどの現象は発生しないと評価された。実証試験の結果、本項で述
べた事前予測と同様な傾向が得られた。

図 3-1-7 灰飛散現象発生の評価⑶

溶融スラグの飛散性評価

スラグホールからの溶融スラグ排出性に加え、パイロットプ
ラントでは、前述のようにリダクタでのスラッギング現象が大きな運転障害となった。コンバスタ出口スロート部の強い旋回(a) 生成ガス発熱量と冷ガス効率の比較

上昇流により溶融スラグが飛散したためである。そこで、慣性力（気体の動圧）と表面張力の比を表す無次元数である
ウェーバー数を用いることで、溶融スラグが液滴として飛散（6）する限界を示す指標を作成した（5）。

ここでは、前項で解析した3 つの空気比条件において、溶融スラグの飛散現象が発生する可能性について、本評
価手法を用いて検討を行った結果を図 3-1-7に示す。図の破線は飛散現象の起こる限界で、破線よりも上の領域は飛散現象が懸念されることを示している。本評価にあたっては、(b) 炉内炭素転換率と生成チャー量の比較

スロート壁近傍におけるガス流速を予測することが重要であ

図 3-1-5 ガス化炉性能の予測（ベースに対する相対値）

るため、前述の三次元石炭ガス化炉内数値解析による計

42

算結果を用いて評価を行った。その結果、空気比が高くなはここで終了したが、技術の成熟化のために試験期間は2

るに従ってスロート壁近傍のガス流速が大きくなるため、灰

年間延長された。

飛散領域に近づくものの、本検討の空気比範囲では、灰耐久性確認試験では、計画外停止を伴うトラブルが発飛散現象が発生する可能性が低いことがわかった。

生したが、何れも対策を行うことで長期的なプラントの運用が可能であった。図 3-1-8に示すように、チャー回収系

ことから、本評価手法はリダクタでのスラッギングを防ぐ設計の回転バルブからのチャーのリーク、スラグ排出コンベアの思想として有効であるといえる。

トリップ、微粉炭集塵機からの微粉炭リーク、チャーバー
ナ冷却管からの冷却水リーク、ガス化炉後流の熱交換器

3-1-4

運転試験の実績とガス化炉の評価（SGC : Syn-Gas Cooler）における差圧上昇など、トラブル（8）の大半がガス化炉設備（付帯設備を含む）で発生した（7）。

⑴

実証試験における運転実績

ガス化炉本体で発生したバーナ冷却管の摩耗による冷却実証機の運転試験は2007 年 9月のガス化炉点火に始ま

水のリークに対しては、バーナ先端の設置位置の適正化がり、長期連続運転試験、耐久性確認試験、炭種適合試図られた。また、生成ガス配管についても摩耗が設計よりも験などを行い、信頼性、環境性、経済性、耐久性などを大きい部分があり、耐摩耗構造を改良するなどの対策がな

実証して2013 年 3月末に終了した（表 3-1-2）。長期連続された。これらの対策について、実証試験終了までに妥当

運転試験は、電力需要の高い夏期 3 ヶ月間にプラント停止

性が確認されている。

をせずに電力供給が可能な信頼性を示すもので、2,000 時

なお、運転中に東日本大震災にあったが、震度 6 弱の間連続運転が目標とされた。耐久性確認試験は、商用機

地震と津波による約 2m の水没、電力系統の停電のなか、の段階で十分な利用率が期待できることを確かめるためのIGCC 設備は安全に自動停止した。第 2 章コラム 4で紹介

試験で、1 年間に5,000 時間運転することが目標とされた。

したように、設備は大きな被害を受けたが、震災から5 ヶ入念な事前検証試験など準備の甲斐があり、ガス化炉設

月後には定格出力での発電状態に復旧することができた。本

備は給炭系やチャー回収・供給系を含め設計通りの性能を経験で、図らずもIGCC 実証機の設備構成・安全対策が、示し、運転試験開始から1 年後には2,000 時間連続運転を商用電源として十分な信頼性を有することが示された。

達成した。計画に近い工程で進捗したことで、欧米の四大炭種変化試験では、設計炭以外に8 炭種の試験が行わ

プロジェクトと比較して高い完成度が示された。また、2010

れ、炭種適合性が示された。炭種変化試験でのガス化性

年 6月には、年間 5,000 時間運転到達（耐久性確認試験）

能に関する詳細は、次項で述べる。一部の炭種においてをもって、当初の試験目標を全て達成した。国の補助事業

はSGC の差圧上昇によりプラント停止に至る場合があった。

表 3-1-2

平成19年9月 平成20年3月 平成20年9月

実証試験実績工程

平成23年3月

5,000
2,000

電中研レビュー No.57 ●

43

第３章

実証試験実績においてスラッギング現象は発生しなかった

第３章

これはSGC 入口部の伝熱管に堆積したチャーが焼結する

燃料比を示した。2トン/日炉やパイロットプラントの供試炭もことで閉塞傾向となるものである。実証機では高圧除煤装含めて比較すると、実証試験では、低燃料比炭を中心に置（Soot Blower）
を用いて定期的にチャーを取り除く運用と幅広い灰融点の石炭を使用したことが分かる。微粉炭ボイしているが、炭種によって焼結に至る時間が異なることが一ラでは、炉内での灰付着を防ぐため高灰融点炭が好まれる因と考えられた。そこで、SGC 伝熱管をチャーの溜まりにくので、噴流床ガス化炉では微粉炭ボイラで敬遠される低灰い構造に改造した上で、高圧除煤装置の使用頻度を上げ

融点炭を焚くことができるメリットがある。低灰融点炭は低品る運用を行い、詰まりの抑制が確認された。

位で安価な石炭に多い。そこで、炭種変化試験では、低品位な方向として亜瀝青炭がまず用いられた。

⑵

実証試験における炭種適合性

しかし、微粉炭ボイラに併設されるIGCCプラントでは、実証機は1 炭種に限定した設計炭に対し、裕度をほとん

両設備で共有できる石炭を用いることも発電所の運用上のメど取らない最適設計がなされた。しかし、我が国の石炭火

リットとなり得ることから、灰溶融温度が比較的高い石炭の力としては多炭種への適合性が不可欠であることから、運試験が次に行われた。パイロットプラントでも高灰融点炭の転試験の段階では炭種変化試験が計画され、最終的にベー

試験を実施しており、石灰石を灰融点降下剤（フラックス）とスの中国炭を含め、米国、インドネシア、コロンビア、ロシア、

して用いることで運転実績を作った。一方、実証機ではフカナダの合計 9 炭種の試験が実施された。噴流床ガス化炉

ラックス添加試験は実施せず、空気比やガス化剤中酸素濃の特徴として、一般的に灰を溶融排出するため低灰融点炭

度を適切に調整することで対応し、一部の石炭では混炭でが向いており、また、燃料比が低く揮発分が多い石炭の方安定運転を実現した。従って、ガス化炉としては、フラックがガス化しやすいといえる。そこで、実証機の設計炭には、ス添加と混炭のいずれにも対応可能であることが実証された

燃料比が比較的低く灰溶融温度が低い瀝青炭である中国といえる。
図 3-1-10には、炭種変化試験における運転状態を示す。

の神華炭が選択されていた。
図 3-1-9には、実証試験の各供試炭 の灰溶融温度と（9）ベース炭である石炭 #1（瀝青炭）では定格負荷で安定した〈ガス化炉設備〉〈ガス精製設備〉

3. 微粉炭捕集装置
石炭

6. ガス化炉後流熱交換器（SGC ）

ガスガス
熱交換器

ガスガス
熱交換器

オフガス燃焼炉
空気

チャー回収装置
微粉炭機
微粉炭ビン

COS 変換器

吸
収 吸収塔
液
再
生
石膏
塔

H2 S

微粉炭
ホッパ
1. チャー回収装置下部バルブ

チャー
ガス化剤
5. チャーバーナ※1

スラグ
蒸気タービン

2. ガス化炉
スラグ排出コンベア

煙突

※1
空気
燃焼器

Ｇ

from 給水ガスタービン
復水器

脱硝装置

圧縮機
From HRSG

窒素
空気

空気分離
装置

CWP

酸素
空気昇圧機

抽気空気

排熱回収ボイラ（HR SG ）〈複合発電設備〉〈凡

4. 空気－水熱交換器

例〉
石炭ガス
ガス化空気ライン
水／蒸気ライン

図 3-1-844（8）

実証機の構成と主なトラブルの発生箇所

らスロート部にかけて高温域が形成されて炉底部での温度

発熱量は同程度で安定した発電出力が得られていることがが低下しているが、石炭 #2 は低灰融点炭であり、スラグ分かる。なお、石炭 #1 以外では定格出力よりも低い部分の溶融排出性の点で適正な範囲内で調整できたといえる。

負荷運転となったが、これは、ガス精製設備等の設備容量

本解析は、実証機供試炭を用いて当研究所で実施したの制約によるものである。例えば、高水分の亜瀝青炭（石ガス化基礎実験に基づくガス化反応速度式を用いており、

炭 #2 〜 #4）では、排水処理設備容量が発電出力の制約

炭種の違いによる運転状態の変化を定量的に予測することとなった。また、高硫黄炭（石炭 #5）では、脱硫設備の容が可能となった。実証試験の供試炭選定や、炭種変化試量が制約となった。従って、設計段階においてこれらの炭験における運転条件の設定および監視項目の選定におい種を想定していれば、定格運転が可能であると考えられる。

て、これらの解析が活用された。

中〜高灰融点炭（石炭 #5 〜 #9）の一部の石炭でスラグの実証試験では炭種によって安定運転時の負荷が異なる

排出性が悪化したが、前述のように混炭により良好なスラグ

結果となったが、定格負荷を想定したときのガス化性能を数

排出性が得られ、安定運転が可能であることが示された。
3.0

数値解析による実証試験の評価と運転支援

燃料比（=固定炭素/揮発分）

当研究所では、3-1-3 節のスケールアップ評価で用いたガス化炉内数値解析技術を、運転試験の支援にも適用した。
実証試験での実際の運転条件を入力値とし、三次元の炉
内熱流動解析を実施したときの炉内温度分布の予測結果
を図 3-1-11に示す。石炭により温度分布が異なることが分かった。これは石炭性状や負荷などの違いによる影響を受

2.5

パイロット炉
実証機

2.0

1.5

設計炭

1.0

0.5
1100

けたものである。ベース条件では主にコンバスタ下部にお

微粉炭火力
に向く石炭

2トン/日炉

1300

1200

4

100

2

6

200

4

100

2

2009/03/15

2009/03/16

2009/03/17

6

200

4

100

2

2010/09/18

2010/09/19

2010/09/20

0
2010/09/21

300

6

200

4

100

2

0
2011/10/19

2011/10/20

0
2011/10/23

2011/12/18

2011/12/19

2011/12/20

0
2011/12/21

300

6

200

4

100

2
2012/03/21

2012/03/22

2012/03/23

0
2012/03/24

300

6

200

4

100

2

0
2012/10/11

2012/10/12

2012/10/13

2012/10/14

0
2012/10/15

300

6

200

4

100

2

0
2013/01/27

2011/10/21

2011/10/22

図 3-1-10

炭種変化試験実績（左軸：出力、右軸：生成ガス発熱量）

2013/01/28

2013/01/29

2013/01/30

MJ/m3N(LHV)

20
2012/03/20

0
2009/03/18

300

0
2010/09/17

MW

300

MJ/m3N(LHV)

2010/02/14

4

100
0
2011/12/17

0
2010/02/15

MW

2010/02/13

6200

MJ/m3N(LHV)

2300

MJ/m 3N(LHV)

100

MW

4

MJ/m3N(LHV)

6

2010/02/12

供試炭の特徴0
2009/02/03

MJ/m3N(LHV)

MW

2009/02/02

200

0
2009/03/14

MW

2009/02/01

300

0
2010/02/11

MW

2009/01/31

MW

MW

0
2009/01/30

以上

MJ/m3N(LHV)

6

MJm3N(LHV)

MW

図 3-1-9

200

1500

灰溶融温度
（℃）

いて高温域がみられるのに対し、石炭 #2 ではコンバスタか

300

1400

MJ/m3N(LHV)⑶

0
2013/01/31

電中研レビュー No.57 ●

45

第３章

出力が得られており、また、いずれの炭種でも生成ガスの値解析で予測することができる。図 3-1-12に示した結果は、以上の実証試験の経験から、ガス化炉の基本設計思想

計算負荷の小さい一次元モデルを用い、チャーのガス化反の妥当性が検証されたとともに、各部の耐久性やプラント全応速度を考慮して、熱物質収支を解析したものである。空体を考慮した炭種適合性など、今後の商用規模設備の設

気比を一定としてガス化性能を予測すると、生成チャー量は計につながる知見が得られた。

石炭性状の違いにより大きく変わるが、冷ガス効率には大き第３章

な変化がないことが分かり、前述した設備容量の制約がな

3-2 ガス精製設備

ければ、供試炭はいずれも高い熱効率での運転が可能で

3-2-1 ガス精製設備の役割あったといえる。

ガス化炉で生成した石炭ガス化ガスには不純物としてダス
ト、硫黄化合物であるH2S および COS、窒素化合物である
NH3 や HCN、ハロゲン化物であるHClならびにHF、さらには微量物質などが含まれる。これらは、ガスタービンの腐食や摩耗を引き起こす要因物質であり、また燃焼後に硫黄化
合物、窒素化合物、酸性ガスなどとして排ガスに含まれることとなる。ガス精製設備は、これらの不純物をガスタービン
で燃焼させる前段階で除去するものであり、構成機器の保護ならびに環境負荷の低減の観点から、IGCCに必要不可
図 3-1-11炭種変化試験におけるガス化炉内現象の解析結果（ガス化炉内温度分布）

欠な設備である。ガス精製の方式としては、吸収液で洗浄することによって不純物を除去する「湿式ガス精製」と、固体の吸収剤や触媒などと接触させて不純物を除去する「乾式ガス精製」に大別される。
湿式ガス精製をIGCCに適用する場合には、ガス化炉で生成した高温の石炭ガス化ガスを冷却してから吸収液で洗浄し、不純物を除去した精製後のガスを再度加熱してガスタービンに供給することとなる。そのため、湿式ガス精製では、ガス温度の調整に伴う熱損失が生じることとなる。また、不純物を除去するガス洗浄装置（スクラバ）の他に、ガス温度（a）冷ガス効率を調節する機器類（ガス/ガス熱交換器や冷却器・加熱器など）や、除去した不純物を含有する排水の処理設備が必要となり、ガス精製設備全体の機器構成が複雑となる。しかしながら、湿式ガス精製は、微量物質を含む一連の不純物をまとめて低減することが可能であることから、化学合成プラントや石油精製プラント等向けとして実用化が進んでおり、不純物除去の観点では確立した技術である。

3-2-2（b）生成チャー量

図 3-1-1246

定 格条件における各炭種のガス化性能予測（同一空気比、ベース炭 #1 に対する相対値）

実証機のガス精製設備構成

IGCC 用のガス精製設備には、排ガスの環境対策の観点 から、SOx 排 出に関 わる全 硫 黄（H2S+COS）濃 度を50ppm 以下、NOx 排出に関わるNH3 濃度を10ppm 以下

に低減すると共に、ガスタービン保護の観点から、アルカリが下がるとそれらの反応

金属（Na、K）、ハロゲン化物（Cl、F）、微量物質などを

HCl+NH3 → NH4Cl

除去することが求められる。実証機プロジェクトに際してのが進行して塩化アンモニウム（NH4Cl）が生成する。NH4Cl

実な開発を優先し、ガス精製方式として技術的な完成度のは固体物質であり、その生成によってガス流路を閉塞させ高い前述の湿式ガス精製が選定された。乾式ガス精製はることが懸念されることから、ガスクーラーの出口温度は200トン/日パイロットプラントで集塵・脱硫についての目標性

NH4Cl 生成を抑制した条件とし、水洗装置には高温のガス（10）能は達成したものの、当時の実証機の機器構成の検討を導入可能なベンチュリースクラバを適用している。

の段階で、機器信頼性・環境性に関する技術課題が比較

ベンチュリースクラバで NH 3、HCl、HFなどの水溶性物

的少ないと想定される湿式ガス精製を採用すべきと判断され質の一部を除去した石炭ガス化ガスは、ガス／ガス熱交たためである。

換器で温度を下げた後に、冷却塔および洗浄塔に導入さ実証機の湿式ガス精製設備では、水で水溶性物質や凝れる。ガス温度を後段の湿式脱硫装置の運転温度である

縮性物質を除去する水洗装置と、アミン溶液で硫黄化合物

40℃程度に冷却することによって、ベンチュリースクラバでを吸収する湿式脱硫装置によって、石炭ガス化ガスから不除去しきれなかった NH 3 などが洗浄水に溶解して除去され純物を分離する。実証機の湿式ガス精製の設備構成を図ると共に、アルカリ金属や微量物質についても低減される。

3-2-1に、主要不純物である硫黄化合物、窒素化合物ならまた、温度の低下に伴ってガスに含まれる水蒸気が凝縮

びにハロゲン化物の挙動を図 3-2-2に示す。

することとなり、冷却塔および洗浄塔からは不純物を含む

湿式ガス精製設備に入る集塵後の石炭ガス化ガスは、ま大量の水が排出される。

ず COS の加水分解反応

ベンチュリースクラバ、冷却塔ならびに洗浄塔で使用した洗浄水は、pH、温度および圧力の調整などの処理を行っ

COS+H2O → H2S+CO2

た上で循環利用される。その際に放出されるオフガスに含まの触媒を装填したCOS 変換器に導入される。これにより、アれる不純物は、燃焼炉で焼却・熱分解して無害化される（図

ミン系溶液にはほとんど吸収されない COSも、湿式脱硫装

3-2-1 の②）。一部の洗浄水は排水処理設備に抜き出して、置で除去することが可能となる。

凝集沈殿や pH 調整などを行って重金属や微量物質などをCOS 変換器を通過した石炭ガス化ガスは、ガスクーラー

低減した上で排出される（図 3-2-1 の③）。

でガス温度を下げてから水洗装置に導入される。水洗前の湿式脱硫装置では、アミンの一種であるメチルジエタノー

石炭ガス化ガスにはHClとNH3 が含まれており、ガス温度

ルアミン（MDEA）の水溶液を用いて、石炭ガス化ガス中の

蒸気
加熱器
ガス化炉
より

ガスガス
熱交換器
ガス冷却塔

ガスガス
熱交換器

空気
H 2S
ガス洗浄塔

燃焼炉

SO 2

アミン
溶液

COS 変換器

脱硫装置

ガスタービンへ
ガスクーラ
H 2 S 吸収塔
ベンチュリースクラバ

H 2 S 再生塔

煙突
②

NH 3

生成ガス
凝縮ドラム

石膏
①

石炭ガス化ガスライン
オフガスライン排水処理設備③

吸収液／排水ライン

図 3-2-1

IGCC 実証機のガス精製設備の構成

電中研レビュー No.57 ●

47

第３章

設備構成の検討においては、IGCCプラントの早期かつ確H2Sを除去する。H2Sを吸収したアミン溶液は減圧および加に変換されることによって、後流のスクラバや水洗塔で除去

熱することで再生できるため、H2S 吸収塔と再生塔を循環さすべき窒素化合物はNH3 が主となる。そのため、厳しい排せることで、アミン溶液を繰り返し使用することが可能である。

水基準が定められているシアン化合物の抑制にも効果があ再生塔で放出されるH2Sは、燃焼炉で焼却してSO2 に変ることが明らかとなった。
煙突出口の窒素酸化物、硫黄酸化物の濃度測定におい換した上で、湿式脱硫装置にて石膏に変換して排出される

第３章（図 3-2-1 の①）。

ては、実証機の環境特性目標であるSOx 排出濃度 8ppm、精製後のガスは、ガス／ガス熱交換器ならびに蒸気加熱

NOx 排出濃度 5ppm、ばいじん排出濃度 4mg/m3N を常に器（SGH）により昇温した後に、ガスタービンに導入される。

達成しており、湿式ガス精製によりプラントの環境性が保持

湿式ガス精製設備ではNH3 の大半が除去されるので、燃されていることが確認された。

料中窒素に由来するNOx（Fuel-NOx）の発生はほとんどな実証試験でのガス化条件や負荷の変化、長期連続運転、

いが、ガスタービン排ガスには燃焼用空気に由来するNOx

炭種適合試験などを経る中で、ガス精製設備に関してもプラ（Thermal-NOx）が含まれるため、アンモニア接触還元式

ント状況に対応した運転条件の最適化や、性能維持のための排煙脱硝装置が備えられている（図 2-1-4 参照）。

の管理評価などに関する技術が培われた。湿式ガス精製設備の運用に関する主な成果を以下に示す。

3-2-3 ガス精製設備運転特性の評価⑴

石炭ガス化ガス性状に応じた運用調整

実証機のガス精製設備は、ガス化炉の起動停止を含む

石炭ガス化炉で生成される石炭ガス化ガスの性状は、ガ全ての工程で通ガスしているため、その運転時間はガス化

ス化条件や炭種によって異なる。湿式ガス精製の除去性能炉と同一である。運転中の湿式ガス精製の除去性能は、ガに対しては、特に硫黄化合物濃度、CO2 濃度、および水ス精製出口のガス分析で把握しており、目標性能である全蒸気濃度の変動による影響が大きいことから、プラント状況

硫 黄（H2S+COS）濃 度 50ppm 以 下、NH3 濃 度 10ppm 以に応じた運用調整を実施した。

下を継続して達成していることが実証された。また、COS

石炭ガス化ガスに含まれる硫黄化合物であるH2S および変換器に装填した触媒において、HCN の加水分解反応

COSは、主に石炭の硫黄含有量に依存する。高硫黄炭ほどそれらの濃度は高くなり、COS 変換器ならびに湿式脱硫

HCN + H2O → NH3 + CO

装置に対する負荷が大きくなる。また、CO2 濃度および水蒸（11）も進行することが判明した。COS 変換器でHCN が NH3

図 3-2-248

気濃度は、主に石炭性状に依存し、特に含有水分が多い

湿式ガス精製における不純物の挙動

い。COS 変換器においては、触媒の反応性を充填位置ごるアミン溶液はCO2 の一部も吸収するため、CO2 濃度が増とに評価したところ、触媒性能はガスの上流側から低下して加することで吸収液の再生時に放出されるオフガス量が増いることが確認された。そのため、COS 変換器の性能を確大することとなる。また、湿式ガス精製では石炭ガス化ガス

保するには、触媒交換を部分的に実施すると共に、触媒位に含まれる水蒸気のほとんど全量が凝縮するため、水蒸気置を順次変更する運用方策が適切と考えられた。また、湿濃度が高くなると排水処理量が増大する。

式脱硫装置については、アミン溶液の劣化要因である熱安

これらのことから、実証試験において炭種適用性を評価

定性塩の混入状況について把握している。H2S 吸収性能をする際には、特に精製ガスの硫黄濃度、オフガス量、なら維持するには、運転に伴って蓄積する熱安定性塩を分離

びに排水処理量の変化に留意しながら試験が行われた。

除去するとともに、アミン溶液を補充あるいは交換する運用

実証機の COS 変換器に関しては、高硫黄炭の適用によっによって性能を保持することが可能となった。

てCOS 濃度が上昇しても、十分なH2S への変換性能を発併せて、ベンチュリースクラバ、冷却塔、洗浄塔、ならび揮することが確認された。高水分炭を適用した際に排水処にIGCC 特有のガス処理系統や排水処理設備においても、理設備の容量が制約となる場合があったが、これは石炭ガ

安定に運用するための運転および監視技術が検証された。

ス化ガスからの凝縮水量が実証機の設計値よりも多いことに各設備の最適な運用条件を明らかにするとともに、プラントよるものである。そのため、適用する炭種を考慮した適切

変動にも対応できる操作手法を確立し、その後の商用運転な設備設計を行うことで対応可能な事象と考えられる。

に活用されている。

一方、湿式脱硫装置については、石炭ガス化ガス性状の変動の影響が大きく、脱硫性能とオフガス処理量の両方⑶ トラブル対応技術の確立の制約条件に対応するための運転調整が必要であった。

IGCC の機器保全と環境性の観点で重要な役割を担ってそこで、実証試験では、石炭性状に応じて湿式脱硫装置

いるガス精製設備は、実証試験の初期より設計通りの不純の H2S 吸収塔トレー段数を切り替えて対応する技術が確立

物除去性能を発揮しており、発生したトラブルは主に機械的された。具体的には、H2S 濃度が高い場合にはトレー段数なものであった。その多くはプラントの運転状態が大きく変動を多くして吸収液との接触時間を長くすることで脱硫性能をした際に発生しており、耐腐食性を向上させた材料を適用確保し、CO2 濃度が高い場合には段数を少なくしてCO2 捕して耐久性を高めるとともに、実証試験で得られたガス精製

集量を抑制することでオフガス量の増加を抑えることができ設備の装置特性に基づいて運転調整を行うことで、回避すた。実証試験では、石炭分析値やガス化条件に基づいてることが可能と考えられる。

石炭ガス化ガスの性状を予測し、運転中にトレー段数を切りまた、ポンプやストレーナなどの補機類では劣化損傷など替えることで、石炭ガス化ガス性状の変動に対応できた。トに起因する動作不良が生じる場合があった。これに対して

レー段数の調整は脱硫性能とオフガス量に逆の作用をもたは、機器の運転特性から不具合の前兆を検知するとともに、らすため、両方がともに厳しくなる高硫黄・高水分炭の制補機系統を多重化して機器補修を段階的に実施することに約があるものの、ガス化条件や石炭性状に応じた適切な運よって、プラント運転を継続しながらメンテナンスする技術を用が可能であることが実証された。

確立している。
これらのトラブル対応技術により、IGCC の安定運用を見⑵

精製性能の維持技術実証試験では各装置における不純物除去特性を詳細に把握すると共に、停止時の開放点検による装置状況を確認

据えた湿式ガス精製設備の信頼性が検証され、今後の実証機の商用運転や商用規模設備の設計に繋がる知見が得られている。

することによって、ガス精製設備の性能を維持するための管理評価技術について検証が進められてきた。

3-3

複合発電設備

特に脱硫性能においては、COS 変換器や湿式脱硫装置の両方が常に機能していることが求められ、それぞれの複合発電設備は、ガスタービンと蒸気タービンを複合運用

性能を保持し続けるための処置を適切に施さなくてはならな

して高効率発電を実現するシステムであり、天然ガスを燃料

電中研レビュー No.57 ●

49

第３章

ほどこれらの濃度が高くなる。湿式脱硫装置の吸収液であとする発電プラントでは既に普及している。石炭を複合発電に応じて、自動制御により微粉炭供給量を調整する方式が設備に適用する場合は、石炭、ガス化炉、および複合発採用された。同時に、石炭ガス化ガスの組成を複数の方法

電設備が固有に有する特性を考慮した適切なシステム構成により監視し、ガスタービンに流入する燃料ガスの発熱量がと運用手法が求められる。

安定するよう、ガス化炉への微粉炭供給量が補助的に調整考慮すべき特性の 1 点目は、ガスタービンに供給される燃

された。

第３章

料ガスの発熱量である。空気吹きIGCC では、天然ガスに

石炭ガス化ガスの発熱量を把握する上では、ガス組成比べて発熱量の低い石炭ガス化ガスがガスタービンに供給分析値の信頼性、分析装置の応答遅れ等も考慮する必要される。2 点目は、石炭性状のばらつきである。固体であがあった。そこで、石炭ガス化ガスの発熱量をガス化炉・る石炭は、採掘から輸送の工程を経ても均一化されにくい。

SGC の蒸気量（ガス化炉とSGC の水冷壁および熱交換器

炭種や輸送船のロットの違いによる性状のばらつきに加え、で発生した蒸気の量）から把握することが効果的であった。

同一のロット内でも炭質のムラにより性状がばらつくことが一

即ち、供給される石炭の発熱量は、石炭ガス化ガスの発熱

般的である。3 点目は、ホッパ供給方式を採用していること

量と、ガス化炉・SGCで発生する蒸気の熱量の合計に相当である。微粉炭とチャーはホッパのサイクル運用によりガスし（図 3-3-1 の① + ②）
、ガス化炉・SGC の蒸気量を監視化炉に供給されるため、微粉炭の調製やチャーの生成、すれば石炭ガス化ガスの発熱量を推算することが可能であ

そしてこれらをガス化炉に供給するタイミングには時間差がる。ガス化炉・SGC 蒸気の流量測定値の信頼性は比較的生じる。

高いことから、石炭ガス化ガスの発熱量の変化を察知する実証機では、石炭ガス化ガスを複合発電設備の燃料としための有効な手段である。

て適用するにあたり、上記の IGCC 固有の特性を考慮した

以上の通り、実証機では、低カロリーガスに対応した燃設計や運用が行われた。複合発電設備を安定して運用す

焼器の採用と微粉炭流量の自動制御に加え、複数の手段るために実証機で考慮した3 点について、本節で述べる。

による石炭ガス化ガスの発熱量の監視、およびガス化炉・①

低カロリー燃料である石炭ガス化ガスに対し、ガスター

SGC の蒸気発生量から石炭ガス化ガスの発熱量の変化をビンの燃焼を安定させること（低カロリーガスへの対応）

推算する方法を補助的に併用し、低カロリー燃料によるガス② さらに微粉炭性状のばらつきによる石炭ガス化ガスの発タービンの安定した燃焼状態が確保された。なお、実証機

熱量の不規則な変動に対し、ガスタービンの燃焼を安のガスタービン起動時は液体燃料を用いて運転された。ガス

定させること（石炭性状の変動への対応）

タービンの燃料を石炭ガス化ガスに切り替える際、液体燃料③ ホッパ供給方式による微粉炭とチャーの性状変化の時間差に対し、石炭ガス化ガスの発熱量を安定させることと石炭ガス化ガスの発熱量の差が大きいため、切り替えのタイミングに注意を払った運用が行われた。

（ホッパ供給方式への対応）
表 3-3-1

3-3-1

低カロリーガスへの対応

空気吹きIGCCでは、5MJ/m3N 程度と発熱量の低い石炭ガス化ガス（低カロリーガス）がガスタービンに供給される。
石炭ガス化ガスの発熱量はガス化炉の運転状態により変化するが、典型的なガス組成を表 3-3-1に示す。低カロリーガ‌空気吹きIGCC の石炭ガス化ガス組成（12）（設計炭運用時の一例）

発熱量
（LHV）

5.2MJ/m3N

CO

30.5%

CO2

2.8%

H2

10.5%

CH4

0.7%

参考 天然ガスの発熱量（LHV）：約 40MJ/m3N

スは発熱量あたりでみると体積が大きいことから、実証機のガスタービンには体積流量の大きい燃料に対して安定燃焼

3-3-2

石炭性状の変動への対応が可能な拡散燃焼方式の燃焼器が採用された。
また、安定燃焼のためには、石炭ガス化ガスの発熱量が既存の微粉炭火力では、蒸気タービンの作動流体である

ガスタービンの燃焼可能範囲を下回らないようシステムを制

蒸気は石炭燃焼による高温ガスから熱交換して間接的に発御する必要がある。実証機ではガスタービンの燃料要求量

生されること、および蒸気タービンに流入する蒸気の流量が

50

第３章

図 3-3-1

IGCC システム全体のエネルギーの流れSGC

図 3-3-2

従来型微粉炭火力発電の構成

図 3-3-3

IGCC 実証機の構成非常に多いことから、石炭性状が変動しても蒸気タービンの石炭ガス化ガスの供給量が増え、ガス化炉の運転圧力が出力は変動しにくい（図 3-3-2）。一方 IGCCでは、石炭ガ低下する。この場合、ガスタービンの出力を維持するため、ス化ガスを燃焼した燃焼ガス自体がガスタービンの作動流体

ガス化炉の微粉炭供給量を増加しガス化炉の圧力を高め、となっているため、石炭ガス化ガスの発熱量変化に対して石炭ガス化ガスの発熱量と供給量を増加させる操作がなさ敏感で、石炭性状の変動に起因するガスタービンの出力変れる（図 3-3-4）。

動が生じやすい（図 3-3-3）。

そこで、実証機では、ガス化炉の圧力を運転指標として

例えば、炭種変化や石炭性状のばらつきにより発熱量の微粉炭供給量を調整し、ガスタービンとガス化炉を協調運

低い微粉炭が供給されたとき、ガス化炉の運転状態が変化用する制御方式が採用された。また、石炭性状の変動に対して石炭ガス化ガスの発熱量が低下する。これにより、ガスして微粉炭供給量の調整が過度にならないよう、微粉炭供タービン燃焼器の温度が低下（ガスタービン入口のエンタル

給量は緩慢に制御された。特に水分等の性状が大きく異なピが低下）
し、ガスタービンの出力は低下する。ガスタービン

る石炭を混炭して運用する場合、石炭ガス化ガス組成とガは出力を維持するために燃料ガスを多く要求することから、

ス化炉・SGC の蒸気発生量の関係や、後述する石炭の乾電中研レビュー No.57 ●51

微粉炭ホッパと4 つのチャーホッパで構成され、それぞれ受入・昇圧、待機、供給の工程を1 サイクルとして運用される（図 3-3-5）。石炭は微粉炭としてホッパに一時的に貯蔵されるため、微粉炭器に供給されてからガス化炉に供給されるまでに時間差が生じる。同様にチャーもガス化炉で生成さ

第３章

れホッパに貯蔵されてから、ガス化炉に供給されるまでに時間差が生じる。
ガス化炉に供給される微粉炭（図 3-3-6 の微粉炭ホッパ
A）は、微粉炭ホッパ運用の 2 工程前に受け入れた微粉炭であり、例えば約 1 時間前に乾燥・粉砕された微粉炭の性状を有する。さらに、ガス化炉に供給されるチャー（図3-3-6 のチャーホッパ A）は、チャーホッパ運用の 3 工程前に受け入れたチャーで、例えば約 1 時間前にガス化炉に供給された微粉炭から生成された未燃分であり、約 2 時間前に
図 3-3-4石
 炭性状のばらつきがガスタービン出力変動に影響するスキーム

乾燥・粉砕された石炭の性状を反映している。そのため、ガス化炉に供給されている微粉炭とチャーは、過去の異なる時間に乾燥・粉砕された石炭性状の影響を遅れて受けて燥工程における水分管理によりガス化炉の運転状態の変動

いる（図 3-3-6）。

を予測し、微粉炭供給流量が先行的に調整された。これら

一例として石炭性状の変動に起因して一時的に水分の多の運用により、燃料ガスの発熱量変動に対して敏感に応答

い微粉炭がガス化炉に供給された場合を考える。この場合、するガスタービンの出力変化を抑制することができた。

ガス化炉の温度が低下し、石炭ガス化ガスの発熱量が低下する。実証機では、石炭を粉砕する際の乾燥工程にお3-3-3 ホッパ供給方式への対応

いて、微粉炭中の水分変化を把握している。即ち、水分の多い石炭が供給された場合、石炭乾燥後のガス温度が実証機では、加圧されたガス化炉に微粉炭とチャーを供低下することから、乾燥ガスの温度変化により微粉炭に含ま給する手段として、ホッパ供給方式が採用された。3 つのれる水分量の変化を把握することが可能である。この水分

3

S
G
C

4

図 3-3-5 実証機のホッパ方式による微粉炭供給（従来の微粉炭火力では微粉炭器で粉砕された石炭は直ちにボイラに供給される）52

転状態に及ぼす影響を考慮した運用が必要である。実証
機では、空気分離装置で製造する窒素と酸素、ガスタービ
ンの圧縮空気と排ガス、ガス化炉・SGCで発生した蒸気等が設備間で連係して利用されている。ここでは設備間の蒸気や熱に関わる連係がシステム全体に及ぼす影響と実証機

3-4-1 ガス化炉・SGCとHRSG 間での蒸気の連係
ガス化炉・SGCを熱源として発生した蒸気は、HRSGにてガスタービン排ガスを熱源とする蒸気と合流し、蒸気ター
図 3-3-6 ホッパの状態とガス化炉への供給タイミング

ビンに供給される（図 3-4-1）。ガス化炉・SGC の蒸気発生
量はガス化炉の運転状態、即ちガスタービンが要求する石量の推測により、水分を多く含む微粉炭がどのホッパに受け炭ガス化ガスの量によって決まり、HRSG の蒸気発生量はガ入れられ、石炭ガス化ガスの発熱量に、いつ、どの程度のスタービンの排熱量により決まる。ガス化炉はガスタービンの影響を与えるかを類推する運用が行われた。

出力変化に先立って運用状態を変更することから、ガス化

一方、チャーの性状（未燃分および発熱量）も石炭ガス

炉・SGC の蒸気量変化はHRSGでの蒸気量変化より先行化ガスの発熱量に大きな影響を及ぼすが、チャーの性状をする。システム全体の安定運用には、ガスタービン、ガス化

運転中に把握することは困難である。実証機ではチャーの炉・SGC、HRSG 等の時定数の異なる機器を連係して制御生成速度（チャーホッパへの受入速度）や、いつ粉砕されすることが重要となる。

た微粉炭を起源とするチャーであるかを把握し、経験的にチャーの発熱量を類推する運用が行われた。例えば、微⑴石炭性状の変動における連係

粉炭中の水分の変動によりガス化炉の温度が低下した場

例えば正常運転時に水分等の石炭性状の変動によりガス

合、その時に生成されるチャーは未燃分が多くなる。この際、化炉の入熱量が大きく低下した場合、3-3 節で述べたように未燃分を多く含み発熱量の高いチャーがどのホッパに受けまずガス化ガスの発熱量の低下によりガスタービンの出力が入れられたかを念頭に入れ、そのチャーがどの程度遅れて低下する。次にガス化炉・SGC、HRSG の蒸気量へ遅れ

ガス化炉に供給されるかを把握する運用が行われた。

て影響が及び、蒸気タービンの出力が低下する。この時、実証機では、微粉炭とチャーのホッパ供給に起因する石システム全体の発電出力を補うため、ガスタービンは出力を炭ガス化ガスの発熱量の変動遅れに対し、微粉炭供給量を上昇させ、ガス化炉は微粉炭の供給量を増やす。その結果、自動調整して安定化させるとともに、特に水分変動の大きい

ガス化炉の入熱量が増加し、ガス化炉・SGC の蒸気発生

石炭や性状の大きく異なる石炭を混炭で利用する場合には、必要に応じて微粉炭量の手動調整が行われた。
以上の実証機の運用実績により、複合発電設備を安定して運用するために必要な技術が検証され、今後の実証機の商用運転や商用規模設備の設計に繋がる知見を得ること

3-4

SGC

ができた。

HRSG

設備間の連係

IGCCでは、システムを構成する設備間で熱や物質を相互に利用するため、個々の機器の挙動がシステム全体の運図 3-4-1

実証機における設備間での蒸気の連係利用

電中研レビュー No.57 ●

53

第３章

における対応について述べる。

量は回復する。ガスタービンの出力が上昇している間は、ガ速に変化させる必要がある。また、システム全体の発電出力

スタービン排ガスの熱量が増えるため HRSGでの蒸気発生が目標出力に達した直後は、蒸気タービンは未だ定常運転量も遅れて増加する。ガス化炉・SGCとHRSGでの蒸気発状態に至らず、ガスタービンの出力がオーバーシュートした状

生量の回復に合わせてガスタービンの出力を定常の状態に態となる。ガス化炉や、ガス化炉・SGC 蒸気量も同様にオー戻す必要がある。

バーシュートした状態で一時的に運用される。

第３章

実証機では、ガス化炉・SGC、および HRSGでの蒸気の実証機の負荷変化運転では、ホッパ内に貯蔵された微連係利用を考慮し、設備同士を協調した自動制御手法が粉炭を先行して利用し、負荷変化に合わせてガス化炉の採用された。また異種の石炭の混炭運用のように、ガス化

運転状態を迅速に変化させた。同時にガス化炉に供給炉の状態が大きく変動する運転では、運転員が経験的に把するガスタービンからの抽気空気量を自動で先行調整した握している各機器の時定数等を基に、微粉炭量の手動調（ 図 3-4-2）。また、ガスタービン、ガス化 炉、 及び SGC

整を併用した。これらの制御・調整により、蒸気を設備内で連の過度なオーバーシュートを回避するため、負荷変化速度

係することによる運転状態の変動を安定させることができた。

を適正化させるとともに、ガス精製設備も運転状態の変更
を適切に行った。これらのシステム全体の協調制御と負荷⑵ 負荷変化における連係複合発電システムでは蒸気タービンの出力応答が緩慢な変化パターンの適正化により、システム全体では約 3% / 分の負荷変化速度を達成した。

ため、システム全体の発電出力を変化（負荷変化）させるには、応答の速いガスタービンの出力を先行して変更する

3-4-2

石炭乾燥のための排熱の連係利用必要がある。天然ガス複合発電設備と比較して空気吹き
IGCCは、システム全体の出力に占めるガスタービンの出力実証機では微粉炭器で石炭を乾燥するため、ガスタービ

割合が小さいため、負荷変化時に蒸気タービンの出力応答

ンの排ガスをHRSG から取り出して乾燥熱として利用していの遅れを補うためのガスタービンの役割が相対的に大きい。

る（図 3-3-1、図 3-4-3）。石炭の乾燥は、微粉炭を安定し

IGCCの負荷変化時に、ガスタービンの出力を蒸気タービて燃焼させることに加え、石炭ガス化ガス中の水分を低く抑ンに先行して変化させるためは、ガス化炉の運転状態を迅

え、ガス精製での排水量を削減する効果がある。特に、亜瀝青炭等の水分の多い石炭を利用するとき、石炭ガス化ガ
ス中の水蒸気量が多くなるため、ガス精製設備の容量制限
から発電出力に制限が出るケースがあった。
一方、石炭の乾燥に取り出すガスタービンの排ガス量を増やすと、HRSGでの収熱量が低下し蒸気タービンの出力が低下する。このときシステム全体の発電出力を補うにはガスタービンの出力を増加させるため、ガス化炉への微粉炭

SGC

HRSG

IGCC

ガスタービン出力の制御

図 3-4-2

54発電出力変更時の運用変化

図 3-4-3

石炭乾燥用ガスの取り出し

の供給量が増える。システムの高い発電出力を維持するに性能も検証されたが、数多くの機器が複雑に組み合わされは、石炭の供給量や組成に合わせて乾燥に必要なガスのていることから、機器構成や処理方法の最適化や、設備

温度と流量を調整し、HRSG から熱を過剰に取り出さないこ

監視、運転制御、メンテナンスを含む運用性の更なる向上とが重要である。

が必要である。
複合発電設備は、既存のガスタービン技術に発熱量の低反応性をあらかじめ分析し、石炭ガス化ガスに含まれる水い石炭ガス化ガスを適用したものであるが、実証試験では分量を推計する運用が行われた。また、ガス精製の設備容

失火や燃焼振動などの重大な支障なく運転できることが実証

量、及びシステム全体の出力を考慮しながら、石炭の乾燥された。燃焼用空気ならびに冷却空気を適正に調整して最条件を適正化した。これらの運用により多様な炭種での運適な燃焼器温度を制御することが重要であり、定格運用時用や混炭運用の場合でも安定した運転が確保された。

の送電端効率は42.9%（LHV 基準）と目標を上回る発電効率を達成し、負荷変化や炭種変化などに伴うガス発熱量の3-5

IGCC 商用機に向けて変動にも対応できることが確認された。ガスタービンを構成する高温部品については、石炭ガス化ガス燃料への適応

IGCC 実証機は、実運用性を実証するための試験プラン
トに留まらず、震災後には貴重な電源として機能し、さらに性が実証されており、今後は材料寿命に関する長期間耐久性の検証と運用保守技術の構築が課題となる。

実証試験終了後には商用プラントとして継続して運用されてIGCCは、反応性、応答性が大きく異なる設備、機器をいる。実証試験で得られた成果、ならびに一連のプラント運

相互に協調させたプラントであり、それぞれの運転特性の相用実績により、技術確立に重要な知見と経験が蓄積され、違を考慮した運用が求められる。特に、空気、水、蒸気な

今後の高効率火力発電システムとしての IGCC の信頼性はどの物質や熱エネルギーを適切に連係利用できることが重格段に向上した。

要であり、安定かつ高効率な運用を可能とする全体システ

ガス化炉設備については、機器点数が多いことから初期

ムの運用技術が不可欠である。実証試験では、定格負荷トラブルが集中したが、設備の調整改良を施すことで、早での定常運用のみならず、プラントの起動停止、ならびにい段階で設計炭での定格運転を達成でき、基本設計思想

負荷変化や炭種変化などの変動操作にも対応してきており、の妥当性が検証された。また、実証試験では性状の異なる

その運転ノウハウに基づいたプラントの監視、解析、制御

石炭での運転も実施し、高灰融点炭や高水分炭を適用し技術の向上が重要である。

た際のガス化炉運転特性を把握し、IGCC の特長である炭IGCC 実証機は、実証試験用の設備として設計、建設さ種適合性に関する知見が高められた。一方、設計段階でれたものであり、設備構成や規模に関して様々な制約があ想定していなかった不具合として、ガス化炉後流の熱交換るプラントであった。今後の IGCC 商用機の設計においては、器がチャー焼結物で閉塞するという事象が生じたが、石炭実証機プロジェクトで得られた成果を活用し、表 3-5-1に示

ガス化条件の最適化と熱交換器の改造によって抑制でき、す機能の拡充が重要となる。次期 IGCC 商用機へのステッ

長期にわたる連続運転が可能となった。ガス化炉の構成材

プアップにあたり、IGCC の特長を最大限に引き出すために料が受ける長期的な影響についても、累積 3 万時間近い運

特に取り組むべき要件を以下に記す。

転を通して明らかになりつつあり、今後は設備の安定運用への影響が大きい粉体による摩耗等に関する超長期的な検3-5-1

熱効率の向上証が重要である。
ガス精製設備は、既存技術を応用した湿式ガス精製方⑴ ガスタービンの高温化式が採用され、石炭ガス化ガスに含まれる多種多様な不純

既存の微粉炭火力よりも高い効率が実現できることが、物に対してほぼ設計通りの除去性能が発揮された。ガス化

IGCC の最大の特徴である。効率向上による燃料消費量

炉運転条件や石炭性状の変化に伴う生成ガスの組成変化の削減効果は、運転コスト低減のみならず、エネルギーセに応じて、ガス精製設備側で対応すべき運転ノウハウが蓄

キュリティの向上や CO2 排出量削減に貢献する。実証機の積された。オフガス処理や排水処理などを含む設備全体の送電端効率は、最新鋭の大型石炭火力である超々臨界圧

電中研レビュー No.57 ●

55

第３章

実証機では、石炭中に含まれる水分量や石炭のガス化

表 3-5-1

商用 IGCC に求められる要件
安定供給：Energy Security

3E+S

経済効率性の向上：Economic Efficiency
環境への適合：Environment

第３章

安全性：Safety① 熱効率の向上

安定供給

経済効率性の向上

ガスタービン高温化

・タービン入口温度（TIT）の向上による高効率化
・石炭ガス化ガス燃焼特性
・微量物質等の影響評価
・高温部品の保守・管理技術の確立

ガス化炉スケールアップ

・ガスタービンに合わせたガス化炉処理量の決定
・スケールアップ手法の踏襲② 設備利用率の向上

安定供給

経済効率性の向上

安全性

ガス化炉運転の安定化

・石炭ガス化ガスの組成および流量の変動抑制
・微粉炭、チャー、ガス化用空気の最適制御
・プラント監視および制御システムの高度化

設備の健全性、安全性の向上

・プラント寿命を考慮した超長期的な運用性検証
・設備、機器の適正な寿命評価
・材料や構造の改良、トラブル発生時の対処技術

計画外停止の回避③ 優れた環境適合性・設備多重化による運転継続での補修技術・ガスタービンのデュアル燃料適用による安定運用
・負荷追従、タービン単独発電などプラント運用性の拡大

環境への適合排ガス処理

・ガス精製設備の最適化、簡素化
・乾式ガス精製技術の適用による効率向上

石炭灰の処理・水砕スラグの用途拡大
・スラグ有効利用に向けた規格化

排水処理
CO2 排出量の削減④ 炭種適合性の拡大

・IGCC 特有の排水処理技術の最適化
・設備構成の簡素化
・発電効率の向上
・バイオマス混焼の適用
・CO2 の分離回収技術を見据えた、CCS-Ready プラントの設計

安定供給

経済効率性の向上

未利用炭への炭種拡大・亜瀝青炭、褐炭のガス化技術の確立
・定格出力を前提としたプラント設計と設備容量のバランス

中～高融点炭の適用

・ガス化炉温度・スラグ排出の安定化
・適正なコンバスタ温度・混炭運用などによる灰融点の調整（USC）ボイラと同程度であり、250MW の規模としては高1,700℃級ガスタービンの開発も進められている。

い発電効率を達成した。次期商用機にはさらに高い発電効

IGCC 用のガスタービンについては、天然ガス焚きガスター率で運用できることが求められ、その実現に直結した技術とビンをベースに、燃料（発熱量、供給量）の違いに対応すして高温型ガスタービンの適用が挙げられる。

るよう、主に燃焼器と通過ガス量の増加するタービン部を変

天然ガス焚き複合発電システムの高効率化は、主にガス

更することとなる。これは、製鉄所の高炉ガス（BFG）やコー

タービンの高温化によって推し進められてきた。我が国におクス炉ガス（COG）のガスタービンへの適用拡大において実ける最初の天然ガス焚き複合発電設備には、タービン入口

施されている技術であり、BFG 用として1,300℃級ガスタービ

温度（TIT）1,100℃級のガスタービンが適用された。その後、ン（MHPS 社 M701F 型）も実用化されている。そこで、次高温強度特性に優れた材料の開発が進められ、現時点で期の大型実証 IGCC 向けとしては、1,400℃級ガスタービン

は1,300 〜 1,600℃級の高温型ガスタービンが普及しており、

56

（14）
（MHPS 社 M701F4 型）の適用が検討されている（13）。

IGCCには継続的な定格運用での高効率発電が期待されの燃焼技術と高温部品の健全性確保が挙げられる。石炭ている。実証機プロジェクトでは、連続運転時間ならびに年

ガス化ガスは、発熱量が天然ガスの約 1/4 〜 1/10 程度

間運転時間を評価項目として、設備の信頼性と耐久性を検であり、高温での安定燃焼と同時にサーマルNOx 発生量証してきた。実証試験では、連続 2,238 時間、年間 5,013の増加を抑えた低 NOx 燃焼が求められることとなる。また、時間の運転を達成すると共に、その後の商用運転においてガスタービンの運用管理やコスト管理において重要な高温

連続 3,917 時間のベースロード運転に成功しており（2 章参

部品に関しては、TITを高めた場合の耐久性について検照）、定格負荷での長時間運用に一定の見通しが得られて証が必要であり、特に、燃料ガスに含まれる微量成分がターいる。

ビン翼の耐熱コーティング（TBC）に及ぼす影響の評価が必要である。

IGCCでは、ガス化炉設備、ガス精製設備、複合発電設備が密に連係し、化学エネルギーと熱エネルギーを有効に利用することで、高い発電効率が達成される。そのため、⑵ スケールアップ

一部の設備に不調が生じると、他の設備の運転にも影響が実証機プロジェクトでは、250MW 級のプラント規模が計

波及し、場合によってはプラントの停止に至る可能性がある。

画され、この規模に合うガスタービンとして、1,200℃級であ商用発電プラントとしての信頼性を確保するには、IGCCにるMHPS 社 M701DA 型が採用された。次の段階となる福特有の設備構成と運転特性を考慮した適切な運用技術の島復興プロジェクトで適用するM701F4 型の場合は、ガス確立が重要である。

化炉規模と蒸気タービン出力を勘案して540MW 級のプラン

プラントの安定な運用には、ガス化炉設備で石炭のガストを想定しており、実証機から約 2 倍のスケールアップが必

化反応を安定的に進行させることが求められる。ガス性状

（12）
（13）

要となる

。

（発熱量、組成、温度、圧力等）の変動の少ない石炭ガ

空気吹きIGCC の開発においては、2トン/日試験炉からス化ガスが製造されることにより、ガス精製やガスタービン、200トン/日パイロットプラントへの約 100 倍のスケールアップを

蒸気タービンの運転は定常化し、プラント全体が安定するた行った際に、ガス化炉内での灰付着による閉塞（スラッギン

めである。特に、炭種や負荷を変化させる際に、微粉炭供グ）が発生し長時間運転の障害となったため、ガス化炉形

給、チャー搬送、ガス化用空気の供給量を適切に制御でき状の改造を経てトラブルを克服した経緯がある。この事象ることが、実運用において重要な要素となる。3-3 節で述べは相似形状としたスケールアップが要因であることが判明し、たように実証試験においてはプラント状況に応じた運転操作

ガス化炉内部でのガス流速についても考慮した設計によっ技術が培われており、プラント監視および制御システムの向てスラッギングトラブルを防止できることを確認している（3-1

上を図ることで、更なる安定運用につながると考えられる。

節参照）。

安全の観点では、ガス化炉設備で製造した高温高圧のそれに続いて建設されたIGCC 実証機は1,700トン/日の石炭ガス化ガスが毒性のあるCOを主要成分として含み、ま規模であり、パイロットプラントから約 8.5 倍のスケールアップ

たH2S や HClなどの腐食性を有する成分も含有することにであった。ガス化炉内の反応性、灰付着性に関する大きな留意する必要がある。そのため、ガス化炉設備、ガス精製

支障はなかったことから、パイロットプラントで培った「流速設備、複合発電設備には、配管や補機類を含めて、設備の一致」と「流動の相似」を併用する設計手法の妥当性がの健全性、安全性が保たれることが非常に重要である。

実証されている。この設計思想を踏襲することで、次期の設備利用率を高く維持するには、不調や不具合などが発大型実証 IGCC への約 2 倍のスケールアップは支障なく進め生した場合に、プラントを停止させずに対処できることが求められると考えられる。

られる。迅速に適切な対処を施せるよう各設備の監視ならびに制御技術を高めるとともに、重要な補機類は系統を多

3-5-2

設備利用率の向上重化させた構成とし、部分的な設備停止の場合にも発電運転を継続できることを考慮したプラント設計が重要である。例

我が国の電源構成と需給バランスの観点から、石炭火

えば、複数のユニットを並列して設置し、ガス化炉設備や力がベース電源の一つとして位置づけられるなかで、特にガス精製設備を連係・共有することで、設備のメンテナンス

電中研レビュー No.57 ●

57

第３章

IGCC 用の高温型ガスタービンの課題としては、燃焼器

を行いながら発電を継続する考え方もある。海外の IGCCを調整することにより、課題であったスラグ排出性を良好にのように、複合発電設備のガスタービンに天然ガスとの混焼保つ運転調整技術を確立した。これにより、IGCCは、既機能（デュアルフュエル）を備えることで、石炭ガス化ガスの存の微粉炭火力と共用した運用も可能であることが検証さ性状変動を吸収させるとともに、必要な場合には天然ガス

れ、発電プラントの増設やリプレイスにおける有望な選択肢

専焼での運転を行うことで、発電設備の利用率を高めるこになったと考えられる。
ただし、実証試験での炭種変化試験では、長期間の炭

さらに複雑となるため、実際に設備として採用するには、信種変化運用が難しく、また、一部の炭種では構成機器の容頼性とコストの兼ね合いから判断することとなる。

量や性能の制約により部分負荷での運転となった。そのため、実証試験後の商用運転においても、定格出力での炭3-5-3

炭種適合性の拡大

種変化を慎重に実施している段階である。次期商用機では、適用炭種の特性（発熱量、反応性、灰融点、水分、硫黄、

IGCCは、高効率で環境性に優れた発電運転が可能で塩素など）に対応できる最適な設備構成・容量とすることがあることに加え、適合炭種が拡大することによるエネルギー重要である。また、炭種変化の際の運転監視・制御技術

セキュリティ面の効果も期待される。IGCCにおける炭種のを高めると共に、新たな石炭の特性に対する事前予測を行

拡大方向性について、石炭の発熱量と灰融点の関係を用い、混炭運用や融点降下剤（フラックス）などによる適用技

いて図 3-5-1に示す。

術を確立することで、IGCCに適合する炭種の更なる拡大

低灰融点炭は、中国、北米、インドネシア等の広い地が可能となる。

域で産出されるが、微粉炭焚きボイラにそのまま適用した
場合にはスラッギングやファウリングが懸念されるため、国3-5-4 まとめ内の石炭火力発電での利用は限定的である。IGCC では
未利用の低灰融点炭を使用できるため、燃料費の低減に

今後のエネルギー供給では、3E+S（安定供給 :Energy

よるコストメリットに加え、発電用燃料の選択幅が広がるこ

security、経済効率性の向上 :Economic Efficiency、環とにより、化石燃料全体の安定供給や価格抑止という効果

境への適合 :Environment、さらに、安全性 :Safety）を念も期待できる。

頭にした技術を高めていくことが強く求められている。IGCC

また、IGCC が微粉炭火力で利用している石炭も共用では、発電効率と環境適合性で優れており、石炭の持つ経

きると、石炭輸送や貯蔵に関する既存のインフラを活用でき済性やエネルギーセキュリティ面を強化することによって、るとともに、燃料を調達する上での柔軟性も高まる。実証試

3E+Sに大きく貢献する技術と期待される。IGCC 実証機プ

験では、微粉炭火力で使用される中〜高灰融点炭を適用しロジェクトでは、商用発電プラントとしての潜在能力が実証さた炭種変化試験を実施し、石炭性状に合わせて運転条件れたことで、新たな石炭火力発電の選択肢を確立することができた。今後も実証機を商用化した常磐共同火力 10 号
機を運転継続することは、運転技術の更なる向上に繋がる30とともに、設備設計やメンテナンス技術に重要な知見と経験
発熱量（kJ/kg）

第３章

とも可能と考えられる。これらの機能を備えると設備構成はが得られることなる。今後、IGCC が国内外に普及し、幅25広い炭種に対して高い発電効率を達成してゆくことで、安定供給、経済性、環境保全の面で信頼性の高い技術とし

20

15
1,000

て活用されることを強く期待する。

1,100

1,200

1,300

1,400

1,500

灰融点
（℃）

図 3-5-1

58

IGCC 適合炭種拡大の方向性

1,600参考文献・資料等
第1章

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60

WISON BOTTOM QUENCH COAL GASIFICATIONPROCESS, Gasification Technologies Conference（2014）（37）Harry Morehead : Siemens Gasification TechnologyImproving Plant Economics Through Performance,
Gasification Technologies Conference（2014）（38）J ayesh Shah : CB&I E–Gas Technology Progress
on All Fronts, Gasification Technologies Conference（2015）（39）石、久米：夕張・石炭ガス化試験場の研究開発、資源と素材、Vol.105、No.11、p.845（1989）（40）浜 松、犬丸：石炭ガス化複合発電、火力原子力発電、
No.529、Vol.51、No.10、p.288（2000）（41）原、犬丸：Ⅴ. 開発技術Ⅴ–4. 石炭ガス化複合発電、火力
原子力発電、No.649、Vol.61、No.10、p.156（2010）（42）長井、山下：低炭素社会の実現に向けた電力エネルギー・

環境技術Ⅳ.CO2 削減技術 2）石炭ガス化複合発電、火力
原子力発電、No.637、Vol.60、No.10、p.61（2009）（43）木 村：多目的石炭ガス製造技術（EAGLE）の開発とCO2

分離回収、石炭利用国際会議 2008（2008）（44）NEDO 研究評価委員会：多目的石炭ガス製造技術開発（EAGLE）事後評価報告書（2010）（45）小俣 ：酸素吹き石炭ガス化システム、日本エネルギー学会
誌、No.93、Vol.7、p.624（2014）（46）O no, T. : NPRC Negishi IGCC Startup and Operation,
Gasification Technologies Conference（2003）（47）小菅、武田、水野、加藤：石炭ガス化技術（ECOPRO®）による褐 炭 利 用 技 術の開 発、日本エネルギー学 会 誌、
No.93、Vol.11、p.1106（2014）（48）高藤、劉、坪井、PAETHANOM、大原、藤森、藤吉、谷、
渡邉：二塔式循環流動層ガス化炉（TIGAR®）によるガス化技術の開発、日本エネルギー学会誌、No.93、Vol.11、
p.1115（2014）

コラム 1（1） Oki,Y. : Development of High–Efficiency Oxy–fuel IGCC
System, Gasification Technologies Conference（2013）

コラム 3（1） 小 野崎、坪井：米国と中国の IGCC の現状、季報エネル
ギー総合工学、第 37 巻、第 3 号、p.44（2014）（2） Jeffrey Goldmeer : GE Syngas Turbines to Debut at
IGCC Plant, Power Engineering（2010）（3） NETL, DOE : Advanced Turbines–Technology Program
Plan, Clean Coal Research Program（2013）（4） J uergen Karg : IGCC experience and further
developments to meet CCS market needs, COAL–GEN EUROPE（2009）（5） J ohn Xia, Josh Kovac, Gerry McQuiggan, Ben
Wolfe : SGT6–5000F（W501F）Engine Enhancements
to Improve Operational   Flexibility, POWER–GEN
International 2005（2005）（6） 三 菱日立パワーシステムズ：世界最大級高効率 2 軸型ガスタービン（H–100）、三菱重工技報、Vol.52、No.2、p.10（2015）（7） 木村、井上、西村、藤本、本多：石炭焚き火力から環境に配慮した最新 F 形ガスタービンコンバインドプラントへのリプレース―東北電力（株）仙台火力発電所第 4 号機―、三菱重工技報、Vol.48、No.1、p.6（2011）（8） 坂本、品田、佐々木、流森、横濱：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、p.88（2015）（9） 伊藤、塚越、正田、石坂、斉藤、鳥越：超高温ガスタービ
ンの要素技術の開発、三菱重工技報、Vol.52、No.2、p.15（2015）

第3章（1） 渡 邊、大高、犬丸：石炭ガス化炉数値解析技術の開発、
日本機械学会論文集 B 編、Vol.70、pp.1856–1863（2004）（2） Watanabe, H., Otaka, M. : Numerical simulation ofcoal gasification in entrained flow coal gasifier, Fuel,
Vol.85、pp.1935–1943（2006）（3） 梶谷、芦澤、渡邊、市川、鈴木、原、犬丸：石炭ガス化
反応のモデリング、電力中央研究所報告 W02021（2003）（4） 梶谷：石炭基礎講座（11）石炭ガス化反応機構、日本エネルギー学会誌、Vol.90、pp.1102–1112（2011）（5） 犬丸、大高、渡邊：石炭ガス化炉内における溶融スラグ飛散現象の発生条件、電力中央研究所報告 W99031（2000）（6） 犬丸、渡邊、大高、芦澤、市川：噴流床石炭ガス化炉内における溶融スラグ飛散現象の発生条件、日本機械学会
論文集 B 編、Vol.75、pp.1576–1583（2009）（7） 石橋：石炭ガス化複合発電（IGCC）実証機の実証試験終了と商用転用、エネルギーと動力、Vol.63（2013 春季号）、
pp.1–9（2013）（8） 産業構造審議会産業技術分科会 評価小委員会：次世代電力供給システムに係る技術に関する施策・事業評価報
告書（2011）（9） A sano, T. : Progress in Japanese air–blown IGCC
demonstration project update, Coal Gasification
Symposium（2012）http://www.joban–power.co.jp/
igccdata/research/memoir.html（2015.12.28 確認）（10）荒木、花井：200t/d 石炭ガス化発電パイロットプラントでの研究成果、日本エネルギー学会誌、Vol.75、pp.839–850（1996）（11）Honjo, S., Susaki, M., Okino, S. and Yasutake, T. :250MW IGCC demonstration start up – MHI gas
clean–up system –, Proceeding of the 25th Annual
International Pittsburgh Coal Conference（2008）（12）Nunokawa, M. and Asano, T. : Progress and Utilizationof Nakaso 250MW air-blown IGCC demonstration
project, Bulletin of the JSCE, Mechanical Engineering
Journal, Vol.2 No.5（2014）（13）坂本、品田、佐々木、流森、横濱：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、p.88（2015）（14）Sakamoto, K. : MHPS IGCC Technology（Air–blown
IGCC –from Demonstration to Commercial stage–）,
Gasification Technologies Conference（2014）

コラム 5（1） 長 井：石炭ガス化複合発電（IGCC）実証プラントの開発、
日本ガスタービン学会誌、Vol.37、No.2、p.28（2009）

電中研レビュー No.57 ●

61

執筆分担
原
はじめに：東京大学
1 章：原

生産技術研究所

三郎、梶谷

百合

功、濵田

史朗、沖

3 章：梶谷

信、𠮷葉

木戸口

裕壮、小林

祥三
誠、

博之

2 章：常磐共同火力株式会社
布川

金子

浅野

史彦、沖

史朗、布川

裕壮

浅野

副研究参事

専門分野：反応工学、伝熱流動、
プラントシステム

梶谷

史彦、原

賢、梅津

常磐共同火力株式会社

エネルギー技術研究所
高効率発電領域

哲司、

信、𠮷葉

和浩、梅本

三郎

宏紀、
哲司

三郎、

史朗

エネルギー技術研究所
高効率発電領域

上席研究員

専門分野：反 応工学、プラントシステム、
燃焼

沖

裕壮

エネルギー技術研究所
高効率発電領域

上席研究員

専門分野：反応工学、伝熱流動、
プラントシステム、燃焼小林誠エネルギー技術研究所
燃料高度利用領域

上席研究員

専門分野：反応工学、プラントシステム

百合

功エネルギー技術研究所

上席研究員

専門分野：燃焼、構造材料

濵田博之エネルギー技術研究所
高効率発電領域
専門分野：伝熱流動

62

主任研究員

浅野

哲司

木戸口

和浩

常磐共同火力株式会社 勿来発電所
石炭ガス化発電事業本部 次長

エネルギー技術研究所
高効率発電領域

主な職歴：コンバインドサイクル発 電 設 備
建設、IGCC 設備運用

専門分野：反応工学、伝熱流動

布川

梅本

信

エネルギー技術研究所
燃料高度利用領域

上席研究員

上席研究員

賢

エネルギー技術研究所
高効率発電領域

主任研究員

専門分野：反応工学、プラントシステム

専門分野：化学工学、反応工学

𠮷葉

梅津

史彦

エネルギー技術研究所
エネルギー変換領域

上席研究員

専門分野：プラントシステム、

熱エネルギー利用

宏紀

エネルギー技術研究所
高効率発電領域

主任研究員

専門分野：伝熱流動、反応工学

電中研レビュー No.57 ●

63

編集後記
電中研レビュー第 57 号「石炭ガス化複合発電技術 －空気吹きIGCC 実証試
験の成果－」をお届けします。
本分野の電中研レビューは、実証機計画の実施主体となった（株）クリーンコー
ルパワー研究所が設立された2001 年に、第 44 号「石炭ガス化複合発電の実現に向けて－実証機開発の支援と将来への研究展開－」が発刊されています。
それから約 15 年ぶりに電中研レビューを発刊することといたしました。この間、250MW 級の空気吹きIGCC 実証機の設計・建設・運転試験が進められ、東日
本大震災も経験しましたが、実証機計画を無事終了し、現在、常磐共同火力
株式会社 勿来発電所 10 号機として商用化されています。
本号では、当研究所の支援研究成果も含め、国内初となる250MW 空気吹
きIGCC の実証試験結果を中心に、できるだけ分かりやすく、詳細に取りまとめました。本レビューが、IGCC 技術へのご理解、今後の本格的なIGCC 商用機の普及に少しでもお役に立てば幸いです。また、本冊子についてのご意見等をお待ちしております。
最後になりましたが、本レビューの“はじめに”をご執筆いただいた東京大学
生産技術研究所 金子 祥三様、第 2 章及び第 3 章の一部をご執筆いただいた
常磐共同火力株式会社 勿来発電所 石炭ガス化発電事業本部 次長 浅野 哲
司様、実証試験結果を中心に内容へのご助言等をいただいた常磐共同火力株
式会社、北海道電力株式会社、東北電力株式会社、東京電力株式会社、中部電力株式会社、北陸電力株式会社、関西電力株式会社、中国電力株式
会社、四国電力株式会社、九州電力株式会社、電源開発株式会社ならびに
三菱日立パワーシステムズ株式会社、三菱重工業株式会社の関係者の皆様に、心から感謝申し上げます。

既刊「電中研レビュー」のご案内
No.56

No.55

地球温暖化の科学的知見と対策技術

原 子 燃 料 サイクルバック
エンド技 術 の 信 頼 性 向 上に向けて2015.112013.5

No.54

No.53

アークプラズマとそ の 応
用技術

低線量放射線生体影響の評価－廃棄物処理と材料創製への適用－

2006.32010.12

No.52

No.51

コンクリートキャスク貯蔵技術－MCFC 実用化への挑戦－

燃料電池発電技術－経済的な中間貯蔵実用化への挑戦－

2004.32006.2

No.50

No.49

電気事業とIT

未利用地熱資源の開発に向けて－情報通信技術で変える・変わる－－高温岩体発電への取り組み－

2003.10

2003.3No.48

送電設備の風荷重・風応答評価技術

No.47

商用周波磁界の生物影響研究

No.46

微粉炭火力発電技術の高度化 －環境性の向上と発電コストの低減－ 2002.11

No.45

地球温暖化の解明と抑制

No.44

石炭ガス化複合発電の実現に向けて －実証機開発の支援と将来への研究展開－ 2001.10

No.43

酸性雨の総合評価

No.42

原子力発電所の人工島式海上立地

No.41

需要家と電気事業のエネルギー をトータルで考える 2000.11

No.40

原子燃料サイクルバックエンドの確立に向けて

No.39

新時代に向けた電力システム技術

No.38

大気拡散予測手法

No.37

乾式リサイクル技術・金属燃料 FBR の実現に向けて

2003.2

2002.112001.112001.2
2001.1

2000.112000.6

2000.3
2000.1

ホームページ（http://criepi.denken.or.jp/research/）の研究内容から「電中研レビュー」を選択すると、上記のレビュー は全文 PDFをご覧いただくことができます。冊子をご要望の方は、広報グループへご連絡ください。