プロジェクト課題

C O2回収型火力システム
背景・目的
石炭火力発電からの CO 2 排出抑制は電気事業における喫緊の課題であり、高効率化やバイオマスの導入などが進められている。一方、欧米を中心に CCS（CO 2 Capture andStorage ）が注目され、多くの導入計画が発表されている。しかしながら、現在検討されている CO 2 回収技術では発電効率の大幅な低下やコスト上昇など、解決すべき課題も多い。
本課題では、これらの問題の解決を目指して当研究所が新たに提案した「CO 2 回収型高効率 IGCC システム（図 1）」について、その中核となる酸素－ CO 2 吹きガス化技術の開発や乾式脱硫プロセスの最適化などを進めている。

主な成果
1．石炭ガス化炉における CO2 富化ガス化特性の解明＊ 1
本システムの酸素‒CO 2 吹きガス化炉では、CO 2 によるガス化反応促進効果が期待できる。そこで、ガス化炉に投入した CO 2 のガス化特性に及ぼす影響を明らかにするため、当研究所設置の 3 トン / 日石炭ガス化炉を用い、酸素富化空気吹き条件をベースとし、石炭搬送ガスの一部に CO 2 を用いたガス化試験を行った（図 2）。その結果、
CO 2 濃度を増加させると、CO 2 のモル比熱が大きいことからガス化炉内温度の低下が生じるものの、チャー生成率は低減しており、CO 2 によりチャーのガス化反応が促進されることを明らかにした（図 3）［M 1 0 0 1 6］。
2．ガス化雰囲気における炭素生成物の生成・反応挙動の解明
本ガス化炉では、高分圧 CO 2 による炭素転換率の大幅な向上を目指している。ガス化炉内では、石炭の熱分解で生じるチャーに加え、反応性の低いスートも生成する可能性があるが、これらの挙動は明らかにされていない＊ 2。そこで、従来、混在して生成するため分離が困難であったチャーとスートに関し、簡便で信頼性の高い定量手法を開発すると共に、高温加圧型管状反応炉（PDTF）により、ガス化炉内の反応条件を想定した石炭ガス化実験を行った。その結果、チャーに比べてスートのガス化反応が遅く、炭素転換率は初期段階で急速に上昇するが、その後上昇が止まる傾向があることを明らかにした。これにより、炭素転換率のさらなる向上を図るためには、スートの生成抑制などの検討が重要であることがわかった（図 4）［M 1 0 0 1 7］。
3．乾式脱硫プロセスにおける炭素析出抑制方策の開発＊ 1
本システムの石炭ガス化ガス中の CO 濃度は非常に高く（6 0 vol% 程度）、脱硫設備で炭素析出による性能低下が懸念されるため＊ 3、その析出抑制対策を確立しておくことが重要である。そこで、発電プラント内で利用でき、炭素析出抑制効果のある水蒸気、CO 2、ならびに循環排ガスについて（図 1）、炭素析出抑制に必要な添加ガス量、熱量・動力、および脱硫剤性能への影響の観点から評価した結果、炭素析出抑制用添加ガスとして、循環排ガスが最も適していることがわかった（表 1）［M 1 0 0 1 2］。
＊ 1：新エネルギー ･ 産業技術総合開発機構（NEDO）からの受託研究として実施した。
＊ 2：ガス化炉では、石炭の熱分解により瞬時に揮発分が放出され、可燃分と灰分から成るチャーが生成する。
その後、揮発分の分解により反応性の低いスート（気相析出炭素）が生成するが、ガス化雰囲気における生成・反応挙動は明らかにされていない。

4802-2電力.indd 48

11/06/13 14:56

電力安定供給技術*2 ガス化炉では、石炭の熱分解により瞬時に揮発分が放出され、可燃分と灰分から成るチャーが生成する。その後、揮発分の分解により反応性の低いスート（気相析出炭素）が生成するが、ガス化雰囲気における生成・反応挙動は明らかにされていない。
電力安定供給技術*3 炭素析出の主反応は、Boudouard 反応（2CO → C + CO2）であり、CO と CO2 の分圧比（KB = PCO2。
/ (PCO)2）が小さい（CO 分圧が高い）ほど反応が進行すると考えられる（電中研報告 M09015）
炭素析出抑制用
ガスの添加位置炭素析出抑制用

蒸気タービン
蒸気タービン水蒸気
蒸気タービン
蒸気タービン
排熱回ガスタ
排熱回 水蒸気ガスタ
収ボイラ
収ボイラービンービン
排熱回
ガスタ
排熱回
ガスタ
収ボイラ
収ボイラ
ービン
酸素
CO2ービン+H2O

ガスの添加位置

ガス
ガス
ガス
精製
精製
化炉 ガスガス
ガス
精製
精製化炉

石炭酸素
石炭
酸素CO2CO2酸素
CO2CO2炭素析出抑制用ガスの供給源

炭素析出抑制用ガスの供給源

圧縮
圧縮

CO2+H2O

圧縮

水蒸気 圧縮CO2循環排ガス
水蒸気
CO2循環排ガス

O2濃度252525
試験
条件 CO2濃度
01525(vol％) O2濃度
N2濃度 25 75 25 60 25 50
試験
条件 COコンバスタ
2濃度01525空気空気 空気
石炭(vol％)N2搬送ガス
濃度756050CO2ガリダクタ
ス コンバスタ空気リダクタ石炭
石炭 空気
空気 空気
空気 空気
化 石炭
CO2搬送ガスガ 剤 搬送ガス
搬送ガス
貯留 スの リダクタ
チャーCO2 リダクタ石炭
窒素 空気
CO2 空気空気化 内 石炭
搬送ガス
コンバスタ石炭搬送ガス
剤 訳 搬送ガス
貯留
搬送ガス
コンバスタ 空気 空気 空気の
チャー
22CO
窒素
CO
投入ガス 酸素 酸素 酸素
内搬送ガス
コンバスタ
コンバスタ石炭訳
投入ガス
搬送ガス
コンバスタ 空気 空気 空気
投入ガス 酸素 酸素 酸素
コンバスタ
投入ガス

40

チャー生成率 [％]302010□：CO2 0 vol％●：CO2 15 vol％○：CO2 25 vol％

00.50

0.51

0.52
酸素比 [－]

0.53

リダクタ

サイクロン
(チャー回収)

リダクタ

コンバスタ
コンバスタ

チャー
搬送ガス
チャー
搬送ガス

図 2 ガス化試験条件と CO2 供給方法
供試炭：マリナウ炭、ガス化剤中酸素濃度：25vol％
図 2 ガス化試験条件と CO2 供給方法
供試炭：マリナウ炭、ガス化剤中酸素濃度：25vol％一定とし、チャーおよびコンバスタ石炭搬送ガスに一定とし、チャーおよびコンバスタ石炭搬送ガス
CO2 を用いた。に CO2 を用いた。

炭素転換率、収率[g–C/g–石炭中C]

図 1 CO2 回収型高効率 IGCC システムの概念
酸素
図-CO
1 CO
2 吹きガス化炉と酸素燃焼クローズド・ガ2 回収型高効率 IGCC システムの概念
酸素-CO2 吹きガス化炉と酸素燃焼クローズド・ガスタービンの組み合わせからなり、排ガスのCO2スタービンの組み合わせからなり、排ガスのCOを循環させた新たなシステム。従来に比べ、シス2を循環させた新たなシステム。従来に比べ、システムの簡素化やCO2 回収後でも高い送電端効率テムの簡素化や2 回収後でも高い送電端効率（13 0 0℃級 GT でCO4 0％以上）が期待できる。
（1300℃級 GT で 40％以上）が期待できる。

サイクロン(チャー回収)10.8

1400℃, 全圧 0.5 MPa
CO2 10% (N2 90%), O/C 1.40.6

炭素転換率0.4

チャー収率0.2001スート

23
滞留時間 [s]0.544

図
図44 CO
CO2 による高温ガス化におけるガス化反応
2 濃度変化時の酸素比とチャ
図
図 33 ガス化剤中
ガス化剤中COCO
2 による高温ガス化におけるガス化反2 濃度変化時の酸素比とー生成率の関係の進行
応の進行
チャー生成率の関係
CO2 濃度が高いと、チャーのガス化反応が促進さ反応性の低いスートが減少しないため、反応後期反応性の低いスートが減少しないため、反応後CO2 濃度が高いと、チャーのガス化反応が促進で炭素転換率の上昇が抑制される。
れ、チャーの生成率が低下した。
期で炭素転換率の上昇が抑制される。
され、チャーの生成率が低下した。
表 1 炭素析出抑制用添加ガスの比較（凡例：◎：優れている、○：適用可、▲劣っている）
表1添加ガス
炭素析出抑制効果
必要ガス量

水蒸気◎大◎少(1.0)▲大(1.0)▲大○循環排ガス○中○中(2.3)◎小(0.2)◎小◎CO2炭素析出抑制用添加ガスの比較（凡例：◎：優れている、○：適用可、▲劣っている）（添加ガス量比†3 [-]）

消費熱量・所要動力1 [-]）
（消費熱量・所要動力比†4

脱硫性能への影響
総合評価

2▲小▲多(3.1)○中(0.7)◎小▲†1: 水蒸気を基準とする添加ガス量割合の比†2: 消費水蒸気の熱量を基準とする CO2 加熱消費熱量および循環排ガス昇圧動力

212＊ 3：炭素析出の主反応は、Boudouard 反応（2CO → C + CO2）であり、CO と CO2 の分圧比（KB = Pco2/（Pco））が小さい（CO 分圧が高い）ほど反応が進行すると考えられる（電中研報告 M09015）

4902-2電力.indd 4911/06/13 14:56