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