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 ━44 2001.10

電中研レビュー No.

財団法人 電力中央研究所

電中研レビュー第44号

●

目

次

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−
編集担当 ● 横須賀研究所

巻頭言研究コーディネーター

佐藤幹夫

エネルギー機械部

犬丸

淳

博康

3

石炭ガス化複合発電研究のあゆみ …………………………………………………

6

はじめに

智久

8

石炭ガス化複合発電技術開発の経緯と現状 …………………………

9

第１章

株式会社クリーンコールパワー研究所取締役社長

理事

大西

深田

１−１ ●技術開発の背景 …………………………………………………………… 11
１−２ ●石炭ガス化複合発電の方式と特徴 ……………………………………… 13
１−３ ●海外における開発経緯と最新動向 ……………………………………… 16
１−４ ●我が国における開発経緯と最新動向 …………………………………… 19
１−５ ●250ＭＷ実証機計画の概要 …………………………………………… 20
コラム：石炭ガス化複合発電のLCA解析 ………………………………………… 24

第２章

石炭ガス化複合発電の技術課題 ………………………………………… 27

２−１ ●実証機における技術課題 ………………………………………………… 29
２−２ ●当研究所が取り組む実用化に向けた研究課題 ………………………… 31
コラム：フラックス添加・混炭による高灰融点炭の高性能ガス化 …………… 34

第３章

石炭ガス化炉の特性と炉内現象評価技術の開発 …………………… 37

３−１ ●研究の背景 ………………………………………………………………… 39
３−２ ●石炭ガス化炉の特性と炉内現象 ………………………………………… 40
３−３ ●石炭ガス化炉数値シミュレーション技術 ……………………………… 42
３−４ ●石炭ガス化反応特性の解明 ……………………………………………… 46
３−５ ●石炭ガス化炉における灰生成・付着挙動の解明 ……………………… 51
３−６ ●今後の展開 ………………………………………………………………… 57
コラム：石炭中の鉱物について …………………………………………………… 58

第４章

ガス精製技術の開発 ……………………………………………………… 59

４−１ ●研究の背景 ………………………………………………………………… 61
４−２ ●セラミックフィルタ集じん技術の開発 ………………………………… 62

４−３ ●固定床脱硫・脱ハロゲン技術の開発 …………………………………… 66
４−４ ●今後の展開 ………………………………………………………………… 70
コラム：湿式ガス精製技術について ………………………………………………… 72

第５章

ガスタービン燃焼器技術の開発 ………………………………………… 73

５−１ ●研究の背景 ………………………………………………………………… 75
５−２ ●ガスタービン燃焼器技術 ………………………………………………… 76
５−３ ●今後の展開 ………………………………………………………………… 80
コラム：希釈用空気、サーマルNOxとフュエルNOx……………………………… 81

第６章

プラントシステム技術 ……………………………………………………… 83

６−１ ●研究の背景 ………………………………………………………………… 85
６−２ ●システム性能解析評価ツールの開発 …………………………………… 85
６−３ ●今後の展開 ………………………………………………………………… 89
コラム：DME併産型石炭ガス化複合発電 ………………………………………… 91

第７章

低コスト化およびさらなる高効率化に向けた研究 …………………… 95

７−１ ●石炭ガス化スラグの有効利用方策 ……………………………………… 97
７−２ ●燃料電池複合発電技術開発の現状と課題 ………………………………101
コラム：燃料電池の原理 ………………………………………………………………108
コラム：重質油ガス化複合発電の現状と課題 ………………………………………109

おわりに

理事

浜松

照秀 115

引用文献・資料等 ………………………………………………………………………116

表紙
250MWIGCC実証プラントのイメージ図（`クリーンコールパワー研究所殿提供）
扉
石炭ガス化炉数値シミュレーション結果の一例。
ガス化炉内での粒子の動きを示す。

巻

頭

言

資源の乏しい我が国において、エネルギー
セキュリティーを確保するためには、電源のベストミックスが特に重要である。1973年のオイルショック前には、エネルギー源別の電源構成比は、原子力３％、石油火力57％、LNG火力６％、石炭火力７％、水力27％であったものが、原子力、LNG火力、石炭火力の導入を進めた結果、1999年度末には、原子力20％、石油火力22％、LNG火力27％、石炭火力11％、水力20％とバランスの取れた電源構成比となってきた。
石炭については、価格が低廉でかつ安定しているという大きなメリットがある一方、デメリットが二つある。一つは、石炭中に硫黄分や灰分を含むために、大気汚染防止対策に最大限の配慮が必要なことである。
公害を経験した我が国では、オイルショック以降の石炭火力の導入に当たっては、高性能の脱硫装置、脱硝装置、電気集塵機を開発導入し、現在の石炭火力の大気環境諸
元は石油火力と比較しても極めてクリーンなものになっている。二つ目は、石炭は炭素が主成分であるため、燃焼に伴ってCO2が他の燃料に比較して多く発生するということである。地球温暖化防止が叫ばれる昨今、石炭火力の導入を抑えるべきとの議論もあるが、何とか解決策を見出し、エネルギーセキュリティーの確保と地球温暖化対策を両立させる必要があり、この問題に対する最も現実的な答えが、石炭を燃料として高効率発電が可能な石炭ガス化複合発電（IGCC）であると考えている。LNG火力の分野では複合発電技術の開発導入が進み、これによりLNG火力の飛躍的な効率向電中研レビュー No.44● 3

上と経済性向上が図られた訳だが、IGCCはこの技術を石炭にも活用しようとするものである。
日本のガス化への取り組みは比較的古く、1974年には国の主導で流動床方式の石炭ガス化の研究がスタート、1982年には一部電力と電力中央研究所が米国のクールウォ
ータープロジェクト（噴流床酸素吹きIGCC、発電出力12万kW）に参画、1983年から
は電力中央研究所と国内メーカーが噴流床空気吹きIGCCに着目し、２トン/日のガス化炉試験を行った。これらの経緯を経て、国、９電力会社、電源開発株式会社および
電力中央研究所が共同で空気吹き噴流床IGCCの開発に取り組むこととなった。1986
年から1996年の間、国家プロジェクトとして200トン/日規模のパイロットプラント試
験を福島県の勿来で実施し、空気吹きIGCCの成立性が実証されたのは、周知の通りである。

しかし、パイロットプラントの成果を持って、IGCCの商用化が達成された訳ではない。IGCCを商用技術とするためには、20〜30万kW級の実証プラント試験が必要とされたが、この実施に当たっては様々な議論があった。200トン/日のパイロットプラ
ント試験が終了した頃、電力自由化が始まり、さらに電力需要が伸び悩む中で、果たして多額の研究投資をしてまでIGCC開発をすべきかどうかというものであった。しかし、国と電力が約２年間に亘って議論を行った結果、資源の乏しい我が国で、今後のLNGや石油の価格動向等を考えれば、やはり石炭エネルギーを放棄することはできないこと、このためには高効率な石炭利用発電技術であるIGCCを全力を上げて開発すべきであるということ、また商用化に向けた実証プラント開発は民間主導の体制で行うべきこと等が、全体の合意事項となった。
これらの合意の下に、2001年６月15日、日本の電力９社および電源開発の共同出資

4

によって、株式会社クリーンコールパワー研究所が設立された。今後、これまでの研究成果を踏まえ、上記の出資10社と電力中央研究所による共同研究として、クリーン
コールパワー研究所が実施主体となり、IGCC研究開発の最終段階としての実証プラ
ント試験に取り組ませていただくことになった。

IGCCは、既に欧米で30万kW級プラントの開発が進められており、日本は後発と言わざるを得ない。しかし、欧米のIGCCはいずれも酸素吹きであり、酸素製造に多くの所内動力を消費するため、必ずしも送電端効率は高くならない。また、いずれの海外プロジェクトも天然ガスが使用可能であるためか、石炭専焼での信頼性も十分な状況でない。日本で開発しようとしているIGCCは世界最高の効率と信頼性が狙える
IGCCと信じている。これまでの発電プラントはほとんどが海外からの輸入技術であったが、空気吹きIGCCは数少ない国産技術であり、是非とも成功させたい。
後発である有利さも生かし、海外IGCCに追い付き、追い越して、日本で開発をした空気吹きIGCCを世界に売り込んで行きたいものである。
なお、パイロットプラントでは、高効率を指向して乾式ガス精製を採用したが、実証機では時期尚早として、若干効率を犠牲にして湿式ガス精製としている。是非、湿式ガス精製で安定運転を達成した後には、より高効率が狙える乾式ガス精製を適用し、日本のIGCCをより魅力あるものに仕上げたいものである。この面で古くから乾式ガス精製の開発に取り組んでいる電中研への期待は大きい。

株式会社 クリーンコールパワー研究所
取締役社長

大 西 博 康電中研レビュー No.44● 5

石炭ガス化複合発電研究のあゆみ
西当研究所の状況

暦

1974（S49）

内

外

の

状

況

・サンシャイン計画による流動床石炭ガス化炉（５トン/日、石炭技研）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）

1981（S56） ・調査報告書「石炭ガス化複合発電に関する当面の・資源エネルギー庁が「火力新技術研究会」を設置し、研究課題について（280062）」を作成

21世紀に向けた火力新技術の開発方針を検討

・加圧二段噴流床石炭ガス化炉開発の共同研究を開始（三菱重工業、1981〜1989年度）
1982（S57） ・中央電力協議会からの依頼研究として、石炭ガス

・資源エネルギー庁が「火力新技術調査委員会」を化複合発電に関するフィージビリティー・スタデ

設置、石炭ガス化複合発電の開発方針を取りまとィに関する報告書を作成

め・米国クールウォータープログラムに当研究所、東京電力、メーカー２社が共同参加

1983（S58） ・２トン/日石炭ガス化基礎実験装置を設置し、試験研究を開始・資源エネルギー庁（NEDO）、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、当研究所受託）

1984（S59） ・乾式ガス精製、低カロリーガス燃焼器の基礎研究を開始
1985（S60） ・乾式ガス精製の共同研究を開始（三菱重工業、
1985〜1989年度）
・乾式集じん・脱硫基礎実験装置（２トン/日規模）を設置し、試験研究を開始

・クールウォータープログラム（1000トン/日テキサコ炉）実証運転開始
・NEDO「パイロットプラントの基本計画」を取りまとめ・総合エネルギー調査会石油代替エネルギー部会石炭ガス化委員会および産業技術審議会新エネルギ
ー技術開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

1986（S61） ・石炭ガス化複合発電技術研究組合（NEDO）より、パイロットプラントの要素研究を受託し、設計に貢献

・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
1989（H1） ・石炭ガス化複合発電技術研究組合（NEDO）からの受託研究として、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6・クールウォータープログラム実証運転終了

西

当研究所の状況

暦

内

外

の

状

況

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・200トン/日パイロットプラントの運転開始

事前評価試験を実施（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開始（1992〜1995年度、太平洋セメントとの共同研究）
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、トラブル解決に貢献（受託研究）
1994（H6） ・ガス化炉数値解析技術の開発を開始
・超高温・加圧型燃料反応実験装置（PDTF）を設・デムコレック284ＭＷ実証プラント運転開始（オランダ）

置し、ガス化反応性解明研究を本格化
・超重質油ガス化研究を開始（1994〜1998年度、中部電力、三菱重工と共同研究、1999年度〜、電中研所内研究）1995（H7） ・石炭ガス化複合発電用1500℃級低NOx燃焼器を開発

・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）

1996（H8） ・石炭・石炭灰の物性解明と炉内粒子挙動モデリン

・パイロットプラント計画終了（1996年度）

グ技術の開発を実施（1996〜1999年度、出光興産
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
1997（H9）・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に委託、９電力、電発、電中研による電力共同研究）

1998
（H10）

・プエルトヤノ335ＭＷ実証プラント運転開始（スペイン）

1999（H11） ・ガス化炉数値解析ツール等を用いた実証機支援研究を実施（1999年度〜、中電協依頼研究）

・250ＭＷIGCC実証機計画スタート（９電力、電発、電中研による電力共同研究）

・ガス化スラグ有効利用技術の開発を実施（1999年
度〜、太平洋セメントと研究会設置）
2001（H13）・実証機計画の実施主体、クリーンコールパワー
研究所設立

電中研レビュー No.44● 7

は

じ

め

理事 横須賀研究所長

に
深田 智久

今回のレビューの「はじめに」を書くに当たり、私自身、万感の思いがこみ上げ、感激一入のものがあります。
と言うのは、今から遡ること20年前、官民一体となって21世紀に向けての火力技術は如何にあるべきかを考える「火力新技術研究会」が組織され、そこで私も、若き血を燃やしつつ、新たな火力分野の主力新技術はどのようなものがあるのかを熱く議論したのでした。その中で、エネルギーセキュリティー、環境そして高効率化の観点から、将来必ずや、我が国における火力の主役の一つを担うものと位置付けたのが石炭ガス化複合発電であり、それが今日の姿に20年を経て育ってくれたからです。
その研究会では、石炭ガス化複合発電については、その技術のキーになるガス化炉につき、プロセス開発炉、パイロット炉、デモ炉、コマーシャル炉等の段階を考え、規模として決めにくいパイロット炉につき、複合のガスタービンの将来規模を想定
し、ガスタービン燃焼器一缶分が実圧、実負荷で試験できる200トン/日の値を考え出したことも懐
かしく思い出されます。
研究者として、技術者として、発想段階から実証化段階まで、その技術の成長を見られることの喜びは計り知れないものがあり、このような事例は、個人的にも珍しいのみならず、火力分野における技術開発という視点からも、稀有のものと言えるのではないでしょうか。
この喜びは、これまで営々とこの技術開発を引っ張ってこられた、国、電力、技術研究組合そしてメーカーの多くの方々のご努力により与えられたものと感謝しておりますし、更には、今日㈱ク
リーンコールパワー研究所が設立され、実用化に向け、力強く歩み始めたのを見るにつけ、ますま
す倍化されるものでもあります。
電中研としては、この夢の実現に向かい、プロセス開発炉とも言うべき2トン/日炉を駆使し、ガス化炉の基本技術を開発すると共に、200トン/日の勿来のパイロットプラントはもとより、今日の実証機に至るまで、信念と使命感を持って、研究に、技術開発に、全精力を傾けてまいりました。
そして今後も、実証機の運転、さらには商用化に向け、ガス化技術は無論、それと同時に研究開発を行っているガス精製技術、ガスタービン技術等について、ハード・ソフト両面から研究を進展させ、世界に誇れる国産技術としての石炭ガス化複合発電技術を確固たるものにしていく覚悟であり
ます。

8

第

章

1

石炭ガス化複合発電
技術開発の経緯と現状

第１章

石炭ガス化複合発電技術開発の経緯と現状 ● 目

次

横須賀研究所

エネルギー機械部

犬丸

淳

横須賀研究所

エネルギー機械部

原

三郎

１−１

技術開発の背景１−２

石炭ガス化複合発電の方式と特徴………………………………………………………………………………………13

１−３

海外における開発経緯と最新動向………………………………………………………………………………………16

１−４

我が国における開発経緯と最新動向……………………………………………………………………………………19

１−５……………………………………………………………………………………………………………11

株式会社クリーンコールパワー研究所

技術部長

石橋

喜孝

株式会社クリーンコールパワー研究所

技 術 部

寺田

斉

250ＭＷ実証機計画の概要 …………………………………………………………………………………………………20

経済社会研究所
コラム：石炭ガス化複合発電のLCA解析

祐樹…………………………………………………………………………………………24

犬丸淳（1984年入所）
入所より現在に至るまで、石炭ガス化研究に従事。これまで、２トン/日ガス化炉を用いた空気吹きガス化基本技術の開発、ガス化
炉内のガス流れ、溶融灰の挙動等に関する研究を行ってきた。この間、IGC組合に出向しパイロットプラント計画に参加。今後も、ク
リーンコールパワー研究所を強力に支援し、IGCCの実用化・本格導入のために努力していく所存です。

原三郎（1987年入所）
これまで石炭ガス化に関する研究に携わり、ガス化性能の評価を中心に行い、さらに、200トン/日パイロットプラントや実証機計画に加わってきました。現在は、石炭ガス化に加え、オリマルジョンや残渣油などの超重質
油ガス化についても研究を行っています。
今後は、引き続きガス化複合発電の実用化に向けて研究を進めるとともに、低品位炭のガス化技術や化学原料・合成燃料併産型の新しいシステムについての検討も行っていきたい。

石橋 喜孝（1979年東京電力㈱入社）
1990年７月、環境部環境技術課副長。
1993年７月、火力部課長（石炭技術担当）。
1997年７月、火力部火力エンジニアリングセ
ンター石炭グループマネージャー。
1999年２月、エネルギー・環境研究所 石炭技術グループマネージャー。
2001年６月、クリーンコールパワー研究所
技術部長。

寺田
斉（1993年東京電力㈱入社）
1998年東京電力`エネルギー・環境研究所
石炭グループ。
2001年6月クリーンコールパワー研究所
技術部。

本藤 祐樹（平成４年入所）
主に環境面および経済面からの技術評価に関する研究に従事。これまでに、発電技術の環境対策コスト分析、LCAによる発電技術の評価、産業連関表を利用したLCA手法およびデータベースの開発などを実施した。

10

本藤

１−１

技術開発の背景

資源に乏しい我が国において、エネルギーセキュリテ

高効率発電技術体系である ¸ 。石炭ガス化複合発電は、ィーの観点から、豊富な埋蔵量を有する石炭資源の活用

石炭を利用した高効率発電技術の中でも、今後開発すべは必要不可欠である。また、地球温暖化問題への対応か

き重要な中核技術として位置づけられている。

ら、CO2 排出量削減のためできる限りプラントの高効率

このような背景のもとで、2010 年頃に IGCC 技術を確化を図る必要がある。これらの課題を満足でき、21 世

立し、2020 年〜 2030 年に石炭ガス化燃料電池複合発電

紀の石炭利用火力発電の主力を担う発電方式として、高（IGFC）技術を確立することが目標とされている。

効率で環境性に優れた石炭ガス化複合発電（IGCC ：当研究所では、21 世紀前半の電力需給と各種電源開Integrated coal Gasification Combined Cycle）の早期実発をシナリオ的に想定し、発電による CO2 排出量の試算用化が強く望まれている。

を行い、CO2 抑制方策の効果を検討している¹。本検討

石炭ガス化複合発電は、以下のような特徴を持つ。

では、2010 年における新設原子力導入量を電事審計画
値の７割と想定し、2030 年〜 2050 年で火力発電の効率

１）埋蔵量が豊富で世界中に広く分布する石炭資源を利が現状水準の場合と高効率の新技術を導入した場合につ用できる。特に灰付着トラブル等の観点から、既設のいて試算を行っている。図 1-1-2 は、検討で想定した高微粉炭火力発電所では困難であった灰融点の低い石炭

効率石炭火力発電の導入シナリオを示す。図 1-1-3 は、の利用が可能であるため、エネルギーセキュリティー

2050 年までの CO 2 排出量の推移をシナリオごとに示しの確保、利用炭種の拡大に寄与できる。

たものである。表 1-1-1 に、想定したシナリオを示す。

２）熱効率が高いため、発電電力量あたりの二酸化炭素、
硫黄酸化物、窒素酸化物、ばいじんの発生量を低減でこの結果から、以下のことが言える。
¸

火力発電の効率が現状水準のまま推移すれば、いずき、またプラント出力に対する蒸気タービン出力の割れの火力構成比でも 21 世紀中葉の CO2 排出量は、合が小さいため温排水の発生量を低減できるなど、環1990 年の値を上回る（図 1-1-3 中、A−B、E−F）。

境性に優れている。

¹

2030 年以降では火力発電の高効率化による CO 2 排

３）石炭中の灰は、ガラス質の溶融スラグとして排出さ出量抑制効果が大きくなり、LNG および高効率石炭れるため、未燃炭素がほとんど含まれず金属類の溶出火力の導入割合に応じて、CO 2 排出量を 1990 年の値がない。また、微粉炭ボイラからのフライアッシュに

以下（図 1-1-3 中、G−H）、あるいは 1990 年の値近比べ、埋立て容積が約半分で済む。

く（図 1-1-3 中、C−D）まで抑制できる。
この検討結果が示すように、火力発電の高効率化は

さらに、石炭ガス化複合発電が普及すれば、LNG に対する価格牽制力としての効果も期待できる。
石炭ガス化複合発電商用機（600MW 級）の送電端熱効率は、46 ％（HHV ベース、湿式ガス精製、1500 ℃級

CO2 排出量抑制の観点から不可欠である。特に、長期的なエネルギーセキュリティーのために石炭火力は必要な技術であり、その高効率化を図るためには石炭ガス化複合発電の導入拡大が最も効果的である。

GT）〜 48 ％（HHV ベース、乾式ガス精製、1500 ℃級

石炭ガス化複合発電は、現在想定されている石炭火力

GT）と試算されている。さらに、将来は燃料電池との新技術の中で、将来最も高い効率を狙える技術であり、組み合わせにより 50 ％以上の送電端熱効率も可能とさ我が国が保有すべき極めて重要な技術であることは明白

れている。

である。

図 1-1-1 は、通産省資源エネルギー庁が取りまとめた

電中研レビュー No.44 ● 11

蒸気タービン

圧力：肉厚増による経済性
温度：材料開発、経済性

超々臨界圧
Ultra S. C.
41〜43％
39〜41％

超臨界圧
Super C.

加圧流動床
P−FBC
42〜43％
41〜42％

常圧流動床
A−FBＣ

流動床燃焼

ガスタービン

LNG1100℃ CC
43〜44％
42〜43％

石炭ガス化

勿来IGCC 1300℃
パイロットプラント（空気吹き噴流床）

海外技術を含め酸素吹きの情報収集・評価実施主体・仕様等の決定が必要

10kW程度の発電試験を実施中

図1-1-1

IGCC
PFBC

図1-1-2

COAL：2010年からの火力の増分を全て石炭火力に配分
13000 LNG ：2010年からの火力の増分を全てLNG火力に配分

PC-SC, USC

2010

2020

2030

2040

2050

2060
西暦年

高効率石炭火力発電の導入シナリオ例

表1-1-1 2030〜2050年における火力発電の導入量の想定
2010年か火力発電 らの火力 図中のの効率 の増分量 番号の配分
需要に不足する分を全て火力で
全て石炭 )
現状水準（火力構成比57％）
全てLNG *
火力補填シナリオ 補填する。
火力設備容量1.7億kW
全て石炭 +
高効率
火力発電量0.65兆kWh
全てLNG ,
需要に不足する分を全て非化石
全て石炭 現状水準
非化石エネルギー で補填する。
（火力構成比50％）
全てLNG .
補填シナリオ
火力設備容量1.5億kW
全て石炭 /
高効率
火力発電量0.55兆kWh
全てLNG 02030〜2050年

)COAL

11000
*LNG
-COAL
+COAL

10000
9000

電事審
計画70％

.LNG
,LNG
/COAL

8000

6000

実績値
高効率
現状技術

電事審
計画

0LNG

5000
1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060
西暦年

図1-1-312火力構成比率57％
火力構成比率50％

7000

1996年以前に建設された石炭火力2000

12000
CO2排出量（万t-C）

年度末電源設備容量 （万kW）IG-MCFC, IG-SOFC

01990

ガス化燃料電池
IGFC
石炭ガス化対象としては今後の 55％以上（発電端）
検討課題

石炭高効率発電技術体系

6000

2000

A−PFBC 1300℃
アドバンストPFBC
48〜50％
45〜47％

ガス化燃料電池
IGFC
石炭ガス化対象 55％以上（発電端）
としては今後の検討課題

固体電解質型燃料電池
LNG・SOFC
55%以上（発電端）

PC-SC, USC：超臨界圧および超々臨界圧
IG-MCFC：溶融炭酸塩型燃料電池複合発電
IG-SOFC：固体電解質型燃料電池複合発電

4000

上段：発電端効率
下段：送電端効率

IGCC 1500℃
52〜53％
46〜48％

IGCC 1300℃
48〜50％
43〜44％

10000

8000

％

LNG1500℃ CC
52〜53％
51〜52％

1000kW程度の発電試験を実施中 溶融炭酸塩型燃料電池
LNG・MCFC
55%以上（発電端）

直接発電：実用化されていない技術

ガスタービン入口温度の高温化
PFBC／IGCCの成果の反映
PDU試験によるトータルシステムとしての検証が必要

LNG1300℃ CC
48〜49％
47〜48％

統合すべき要素の開発試験
が必要

超々臨界圧
Ultra S. C.
41〜43％
39〜41％

電源構成の各シナリオにおけるCO2排出量

１−２

石炭ガス化複合発電の方式と特徴

石炭ガス化複合発電は、図 1-2-1 に示す通り、石炭ガある。酸素吹きでは、発熱量 10.5MJ/m3N（2500kcal/m3N）

ス化設備を中心に、ガス精製設備（脱じん、脱硫）、複程度の中カロリーガスが得られる。空気吹きに比べ生成合発電設備等、より構成されるが、各構成設備の組み合

ガス流量が少ないことからガス化炉はコンパクトになる

わせにより種々のシステムが考えられる。IGCC 構成設

が、空気分離装置の所要動力が大きくなり、送電端効率

備の代表的な方式とその特徴を以下に示す。

の面でやや不利となる。また、空気分離装置で副生する窒素をガスタービン燃焼器に噴射して NOx 発生を抑制

1-2-1

石炭ガス化設備

するとともに、動力を回収する方式も採用されている。
空気吹きでは、発熱量 4.2MJ/m3N（1000kcal/m3N）程度の低カロリーガスが得られる。空気吹きの場合でも微石炭ガス化設備は、ガス化炉の方式、ガス化剤の種類、粉炭やチャーの加圧・搬送用、シール・パージ用の不活石炭供給方式などにより分類される。

性ガスを製造するための空気分離装置が必要となる。ガ¸

ガス化炉方式

ス化炉安定運転範囲の拡大や生成ガス発熱量の向上のた

石炭ガス化炉は、供給石炭の粒径や炉内での石炭の流めに、この不活性ガス製造用空気分離装置で副生される

動状態、灰の排出形態から、固定床方式、流動床方式、酸素をガス化剤空気に混入する、酸素富化空気吹きも採噴流床方式に大別される。発電用としては、大容量化が用されている。

容易で負荷追従性に優れた噴流床方式が適しており、現º在、国内外で開発が行われている IGCC の大部分は、加石炭供給方式

圧型噴流床方式ガス化炉を採用している。加圧型噴流床

ガス化炉への石炭供給方式としては、微粉炭を気流搬方式においても、ガス流れにより上昇流方式と下降流方送で供給するドライフィード方式とスラリー（CWM ：式、炉形状・バーナ配置により二室二段、一室二段、一Coal Water Mixture）化して供給するスラリーフィー

室一段に分類される。

ド方式がある。
スラリーフィード方式は、ガス化炉への加圧供給が容¹

ガス化剤種類易であり、多くの実績がある。しかし、部分燃焼で発生した熱の一部が、スラリー水の蒸発熱として奪われるこ

ガス化剤としては、酸素や空気を用いるのが一般的で

石炭

石
炭
ガ
ス
化
炉

熱
交
換
器

脱
じ
ん

脱
硫
排ガス

燃焼器

発電機

図1-2-1

ST

圧縮機

HRSG
GT

石炭ガス化複合発電の基本システム構成

電中研レビュー No.44 ● 13

と、湿式ガス精製と組み合わせた場合には冷却過程での¹

乾式ガス精製方式
セラミックフィルタやメタルフィルタまたは移動床に

水蒸気損失が大きいことなどから、熱効率はドライフィよる脱じん、流動床または固定床による脱硫から構成さードに比べ低くなる。
一方、ドライフィード方式は、熱効率的には有利であれる。さらに脱じんと脱硫を一体化した移動床同時脱硫

るが、微粉炭を加圧するためのロックホッパシステムお脱じん技術も開発されている。乾式ガス精製の場合、ガよび各バーナへの定量分配システムが必要となり、スラスの顕熱損失が少なく熱効率面では有利であるが、生成

リーフィード方式に比べ設備構成が複雑となる。

ガス中のアンモニアが除去されないため、ガスタービン
でのフュエル NOx 発生を抑える低 NOx 燃焼技術が必要

国内外で開発が行われている主要な加圧型噴流床方式となる。

石炭ガス化炉を表 1-2-1 に示す。

1-2-3
1-2-2

複合発電設備ガス精製設備¸

ガスタービン

IGCC におけるガス精製設備（脱じん・脱硫）として石炭ガス用ガスタービンは、LNG や軽質油用に開発

は、低温の湿式ガス精製方式と高温の乾式ガス精製方式

された高温ガスタービン技術をベースとしている。石炭がある。

ガスは発熱量が約 4.2MJ/m3N 〜 10.5MJ/m3N の低〜中カロリーガスで、LNG の発熱量に比べ５〜 10 分の１と低¸

湿式ガス精製方式

いため、これに対応した安定燃焼技術が必要である。特水スクラバによる脱じんと化学吸収法、物理吸着法あに起動用燃料から石炭ガスへの切り替え時の安定性に注

るいは直接酸化法による湿式脱硫から構成される。湿式意が必要である。また、LNG 等に比べ石炭ガスの火炎

ガス精製方式では、生成ガス中のアルカリ金属やアンモ温度は低いため、サーマル NOx の発生量は少なくなる

ニアが除去されるため、ガスタービンの信頼性や環境保が、石炭ガス中にアンモニアが含まれている場合は、フ

全性の面からは有利であるが、ガスの顕熱損失および水ュエル NOx への転換を抑制する低 NOx 燃焼技術が必要

蒸気や水溶性ガスの損失により熱効率的には不利である。

となる。

近年、湿式脱硫とセラミックフィルタあるいはメタルフ
ィルタによる乾式脱じんを併用する方式も採用されている。

¹

排熱回収ボイラー（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

表1-2-1型

国内外で開発中の主要な加圧型噴流床ガス化炉

電中研/三菱炉（IGCC実証機）

日立炉（EAGLE）

シェル炉

プレンフロー炉

ダウ炉

テキサコ炉
一室一段

式

二室二段

一室二段

一室一段

一室一段

二室二段

ガス流れ

上昇流

上昇流

上昇流

上昇流

上昇流

下降流

石炭供給

ドライ

ドライ

ドライ

ドライ

スラリー

スラリー

ガス化剤

酸素富化空気

酸素

酸素

酸素

酸素

酸素
CWM, 酸素

概念図

微粉炭
空気

14

CWM

微粉炭
チャー
空気

微粉炭
酸素

｛

チャー
酸素

微粉炭
酸素

微粉炭
酸素

CWM
酸素

発電や汽力発電での技術を適用可能である。IGCC の特A

全ての空気をガスタービン圧縮機からの抽気でまか徴としては、次節に述べる通りガス化炉後流の熱交換器でも熱回収を行い、複合発電設備側と水・蒸気系のイン
テグレートをすることが可能な点である。この結果、ガなう。（図 1-2-2 _で原料空気圧縮機がないもの。
）
B（図 1-2-2 _）C

１：１と蒸気タービンの出力割合が高くなる。

インテグレーション無し
全ての空気を別置き原料空気圧縮機から供給する。

また、通常の微粉炭火力と比較した場合、IGCC のプ
ラント出力に対する蒸気タービン出力の割合は約 50 ％パーシャルインテグレーション
空気の一部を別置き原料空気圧縮機から供給する。

スタービンと蒸気タービンの出力比は、LNG 複合発電
ではおよそ２：１であるのに対し、IGCC ではおよそ

フルインテグレーション（図 1-2-2 _で抽気空気がないもの）
また、酸素吹きの場合は、空気分離装置で副生する窒程度であることから、プラント出力当たりの温排水量を素を NOx 発生抑制と動力回収のためガスタービン燃焼

低減することが可能となる。

器に投入する方式（図 1-2-2 _）、空気吹きの場合は、

1-2-4

インテグレーション技術

空気分離装置で副生する酸素をガス化剤空気に混入する方式（図 1-2-2 `）、も採用されている。

IGCC の大きな特徴は、ガス化炉、ガス精製、複合発
電設備、空気分離装置等の主要構成機器間で空気や水・¹

水・蒸気系のインテグレーション

蒸気等の物質や熱エネルギーを有機的に結合して高効率ガス化炉後流の熱交換器、複合発電設備の排熱回収ボを達成していることである。IGCC の主なインテグレー

イラ等における熱回収方法を最適化するため、水・蒸気ション技術を以下に記す。

系のインテグレーションが行われ、単圧、復圧、３重圧、¸

さらに、再熱・再生の有無などが加わり、多種多様なシ

空気系のインテグレーション
ガス化剤である酸素あるいは不活性ガス製造のためのステムが構成される。

空気分離装置への空気供給方法として次の３つがある。

酸素

ガス化炉

生成ガス

微粉炭・チャーの加圧・搬送
各部シール・パージ等
酸素

窒素
空気分離装置

ガス化炉

生成ガス

燃料ガス
空気分離装置
窒素

燃料ガス

燃焼器

抽気空気

燃焼器
抽気空気
圧縮機

原料空気圧縮機

タービン
原料空気圧縮機_`

酸素吹きケース

図1-2-2

圧縮機

タービン

酸素富化空気吹きケース

空気系のインテグレーション

電中研レビュー No.44 ● 15

１−３

海外における開発経緯と最新動向

石炭ガス化炉の開発の歴史は古く、1920 年代に都市

ダ、シェル炉）、ワバッシュリバー（米国、ダウ炉）、タ

ガスや化学原料の製造用として実用化されている。発電

ンパ（米国、テキサコ炉）、プエルトヤノ（スペイン、

用ガス化炉の開発は 1970 年代より本格化し、西独のプレンフロー炉）の４大プロジェクトがあげられる。

STEAG 社が政府の援助のもとに、1972 年頃からクールウォーター計画では、噴流床方式ガス化炉によるKellerman 発電所で 170MW の固定床方式による世界初

世界初の IGCC 実証運転（発電出力 120MW）が行われ、の IGCC 運転を行った。図 1-3-1 に、IGCC 用ガス化炉

熱効率（送電端）は 30 ％前後と低いものの、安定したの開発の歴史を示す º。一般に、石炭処理量が数トン/

運転が行えることを実証した。我が国も出資共同体

日規模のベンチプラントによる研究からスタートし、数（JCWP ：東京電力㈱、電力中央研究所、㈱東芝、石十〜数百トン/日規模のパイロットプラントを経て、千川島播磨重工業㈱が参加）を組織し、実証試験に参加し〜２千トン/日級の実証・商用炉へと開発が進められてた。
表 1-3-1 に、現在運転中の主要な実証・商用プラント

いる。

の概要および最近の技術動向を示す。

近年、IGCC 用ガス化炉の開発は噴流床方式が主流となり、本格的な実証計画としては、1984 年から５年間

いずれも、ガス化方式には酸素吹き噴流床、ガス精製運転を行ったクールウォーター計画（米国、テキサコ炉）には湿式が採用されている。これまでの主なトラブルとをはじめとして、現在運転中の、デムコレック（オラン

して、灰付着、セラミックフィルタの破損、ガスタービ

2001年６月現在

ガス化方式
1970
1975
1980
1985
電中研/三菱炉（IGCC実証機）
電中研横須賀 2t/日
［空気吹き噴流床］
日立炉
1t/日炉（日立）（EAGLE）［酸素吹き噴流床］
CE炉
70年代初頭から発電［空気吹き噴流床］用ボイラの基礎技術
ウィンザー 120t/日常圧炉PP
加圧型検討を基に開発に着手
テキサコ炉
モンテベロー 15〜25t/日PP［酸素吹き噴流床］50年代から開発した
重質油ガス化技術を オーベルハウゼン 150t/日（プロセスガス供給）
基に開発

1990

1995
勿来 200t/日PP

50t/日PP（HYCOL）

クールウォータープロジェクト（米）1000t/日DP備考2007年に実証炉運開
実証炉FS 予定
2002年に、EAGLE試
若松EAGLE PP 験開始予定

スプリングフィール
スプリングフィールド（米） ド計画は、経済情勢
600t/日DPを理由に中止タンパ：1996年運開
タンパ（米）2300t/日CP

シェル炉
ブフナム：
［酸素吹き噴流床］50年代初頭から開発 アムステルダム（蘭）1998年１月より商用
ディ
アパーク
（米）
6t/日PPに着手
運転開始
250t/日DP
ブフナム（蘭）2000t/日CP
ハーブルグ 150t/日PP
ワバッシュリバー：ダウ炉
商用運転中［酸素吹き噴流床］70年代初頭から開発 プラクマイン（米）プラクマイン（米）2400t/日CP
ワバ
ッ
シュ
リバー
（米）
に着手
12〜35t/日PP
2600t/日CP
プラクマイン（米）1600t/日DP
プレンフロー炉［酸素吹き噴流床］40年代から開発に着ハンブルグ（独）150t/日PPで手したコッパーストチ
シェルと共同開発
ェック法を基に開発
HTW炉
20年代から開発に着［流動床］
手されたウィンクラ
Freohen（独）34t/日PPー法を基に開発、常圧150t/日規模は56年
に試験開始
ルルギ炉
［酸素吹き固定床］ ルーネン（独）360t/日PP
58年からPP試験開始
ウェストフィールド（英）350t/日PP

フルステンハウゼン（独）48t/日PP

Berrenrath（独）720t/日DP

ウェストフィールド（英）600t/日DP

PP：パイロットプラント
DP：実証プラント
CP：商用プラント（補助を受けて建設され、実証運転の後商用運転を行うものも含む）：現在でも炉が存在し、試験運転を行っているとみられるもの

図1-3-116IGCC用ガス化炉開発の歴史

プエルトヤノ（西）2600t/日CP

プエルトヤノ：1998年運開コブラ計画は中止。
チェコ400MW IGCC
コブラ計画 ケルン（独） 計画有り（2003年運
3600t/日CP
開予定）
ケンタッキー（米）BGL 400MW IGCC計画有り（2002年運開予定）

表1-3-1
プロジェクト
方式

プラント出力

海外IGCCプロジェクトの最新動向

Demkolec（オランダ）Wabash River（アメリカ）

Tampa（アメリカ）

Puertollano（スペイン）

シェル炉（ドライフィード/酸素吹き）
湿式ガス精製

ダウ炉（スラリーフィード/酸素吹き）
湿式ガス精製

テキサコ炉（スラリーフィード/酸素吹き）
湿式ガス精製

プレンフロー炉（ドライフィード/酸素吹き）
湿式ガス精製発電端284MW（送電端253MW）

発電端296MW（送電端262MW）

発電端322MW（送電端250MW）

発電端335MW（送電端300MW）

Demkolec

Global Energy, PSI Energy

タンパ電力

Elcogas実 施 主 体スポンサー

・オランダ発電事業者連合SEPに ・Global EnergyとPSI Energy
・EUの共同プロジェクトとして・タンパ電力より設立されたデムコレック社 ・DOE（CCT-Â）から50％の補助 ・DOE（CCT-Á）から50％の補助設置されたエルコガス社
金（最終的には41％補助）金（最終的には26％補助） ・ECから約９％の補助金

スケジュール

1990年
着工
1990年９月 着工
1993年 4月 着工
1994年７月 着工
1994年１月 実証試験開始
1995年８月 石炭ガス化開始
1996年10月 天然ガス炊試運転
1996年７月 ガス化運転開始（GT不具合により実証試験1年延長） 1995年11月 実証試験開始
1996年９月 実証試験開始
開始
1998年１月 商用運転開始（試験期間４年間） 1997年11月 石炭ガス化開始（試験期間３年間）
1998年 3月 石炭ガスでGT運転
開始

運 転 状 況送電端効率

（主要なトラブル）（主要なトラブル）（主要なトラブル）（主要なトラブル）
・大塊スラグによるスラグ取出部 ・シンガス熱交換器管の塩素濃縮 ・GGHチューブリークによるGT ・GT燃焼振動により燃焼器バーの閉塞損傷があり現在GGTを全て撤去と部材の初期残留応力による応
ナ全数取り替え・GT燃焼器の燃焼振動
・スクラバー出入口部の生成ガス ・GTバーナのオーバーヒートが力腐食割れ発生・セラミックフィルタの破損
配管エロージョン・セラミックフィルタの破損
発生・精製ガス中の塩素によるCOS ・シンガス熱交換器の灰詰まり（運転実績）
コンバータ触媒の劣化（運転実績）
・総運転時間：15000時間
・GT燃焼器ライナーにクラック （運転実績）
・総運転時間数：593時間（H10/12月末）
・総運転時間：10010時間
・最大連続運転時間：100時間
・最大連続運転時間：1050時間 （運転実績）（H10/12月末） ・ガス化炉累積運転時間（H11/10月末） ・総運転時間：14275時間・最大連続運転時間：1250時間：1278時間（石炭ガス＆LNG） ・ガス化炉最大連続運転時間（H11/10月末）（その他特記事項）
・ガス化炉累計運転時間・最大連続運転時間：：182時間・低品位炭や石炭コークスによる：1278時間（H11/10月末）
2200時間以上（H11/10月末）
低コスト化を検討中（H12/10月末） ・ガス化炉最大連続運転時間：1154時間（H12/10月末）
・計画 41.1％（HHV）
・計画 37.8％（HHV）
・計画 39.7％（HHV）
・計画 41.5％（HHV）
・実績 ―・実績 39.7％（HHV）
・実績 37.5％（HHV）
・実績 ―ン燃焼器の燃焼振動等が報告されている。これらのプラる。ブフナム発電所に採用されたシーメンス社は、ター

ントは、運開後まもないプエルトヤノを除き、現在は概ビンロータ軸を対象として両側にサイロ型燃焼器を２筒ね順調な運転が可能となりつつある。しかしながら、配置し、それぞれの燃焼器にはデュアル燃料タイプのハ

種々のトラブル報告や連続運転時間の伸び悩み等から推

イブリッドバーナを複数本配置している。ノズルの中心察すると、直ちに我が国へ商用機として導入できる状況には、天然ガス用バーナを配置し、その外周に空気およにはないものと考えられる。表 1-3-2 に、これらのプラびガス化燃料用の旋回羽根を持つ。一方、アルストーム

ントでの主なトラブル経験とそれらに基づく実証機への社では、EV バーナを用いて旋回空気中に中カロリー燃

反映事項を整理して示す。

料を噴射して急速に希釈混合し、サーマル NOx を抑制

なお、乾式ガス精製については、プラント熱効率の２ポする燃焼方式について研究がなされており、アニュラー

イント程度の上昇が期待できるため、将来必要な技術と型燃焼器構造を採用している。また、GE ではマルチキ

して我が国が先行的に開発を進め、勿来 200 トン/日パャン・マルチバーナ型燃焼器を採用しており、同時に、イロットプラントにおいて、流動床方式（200 トン/日

窒素、水蒸気等の希釈ガスを燃焼器のヘッドエンドから規模）、固定床方式（20 トン/日規模）等の運転研究が燃焼用空気中に噴出させる研究もなされている。このよ

終了している。海外でも米国を中心に開発・運転計画がうに、主要なガスタービンメーカのシーメンスウェスチ

進められているが、詳細な報告は未だない。主要な

ングハス、アルストーム、および GE 各社は従来から保IGCC 用ガス精製方式の概要を表 1-3-3 に示す。なお、有する天然ガス焚きガスタービンの構造の相違から、そタンパにおける乾式ガス精製試験は中止が決定している。

れぞれ異なった特徴を有するガスタービンを開発してきIGCC 用ガスタービンについて、メーカごとに比較すている。

電中研レビュー No.44 ● 17

表1-3-2

海外プラント運転実績と実証機への反映事項
運

ガス化炉概念図
ブ
フ
ナ
ム
︵
オ
ラ
ン
ダ
︶
ワ
バ
ッ
シ
ュ
リ
バ
ー
︵
ア
メ
リ
カ
︶

生成ガス

実

績

実証機への反映事項
・シミュレーション、試験炉による事前検証
・スラグクラッシャー大型化

・セラミックフィルタの割れ発生→
フィルタ固定構造の変更

・フィルタ支持・固定構造の適正化
・破損時の早期検知とバックアップ
対策

複合発電設備・ガスタービン燃焼振動発生→燃焼器・バーナ設計変更

・実圧実寸燃焼試験実績の検討・評
価

全体システムスラグ・フ ル イ ン テ グ レ ー シ ョ ン（ASU−GT）での制御不良→起動用空気圧縮機設置・空気分離装置（ASU）は別置き空気圧縮機により、単独運転

生成ガス

・SGC入口部に灰堆積発生→流路形
状、流速変更・シミュレーション、試験炉による事前検証
・スーツブロアの設置

・塩化物濃縮によるSGC伝熱管の腐食・応力腐食割れ→SGC補修

・温度管理の徹底による塩化物濃縮
防止・塩化物によるCOS転換触媒の劣化→上流にスクラバー設置、触媒
種変更

・耐ハロゲン性触媒の採用

・セラミックフィルタの割れ→メタ
ルフィルタに変更

・フィルタ支持・固定構造の適正化

・ガスタービン燃焼器ライナーにク
ラック→燃料ノズル・ライナー交換・実圧実寸燃焼試験実績の検討・評
価・輻射型ガス冷却器上部シール部リーク→設計変更、運転手順確立

・シール部設計の適正化
・監視計測手法の検討

・対流型冷却器でガス温度低、結露により灰付着→輻射型冷却器設計変更

・熱交換器設計の適正化（パイロット
炉実績、基礎試験、シミュレーション）

・石炭性状変化によるスラグトラブル→一部設備改造・炭種による影響の事前評価

ガス精製設備・ガス熱交における腐食、灰堆積・ガス流速上昇・エロージョンによりガスリーク→設計変更検討中

・温度管理（起動、停止、部分負荷）の徹底
・ガス熱交設計の適正化

複合発電設備・ガス熱交の腐食・粗ガスリークによるタービン翼損傷→熱交バイパス、
フィルター設置

・タービン翼デポジット特性の解明

ガス化炉設備ガス精製設備石炭酸素

ガス化炉設備石炭スラリー
ガス精製設備酸素
複合発電設備スラグ
石炭
酸素 スラリー

タ
ン
パ
︵
ア
メ
リ
カ
︶

ガス化炉設備生成
ガス
スラグ

表1-3-3

国内外におけるガス精製技術の開発動向
ガス化炉形式集じんプロセス

脱硫プロセス

デムコレック（オランダ）

乾式給炭
酸素吹き
一段噴流床

サイクロン＋
セラミックフィルタ＋
湿式スクラバ

湿式：化学/物理吸収
スルフィノールM法

湿式（ガス量100％）
スクラバ

湿式（ガス量100％）
MDEA法

タンパ
（アメリカ）

スラリー給炭酸素吹き
一段噴流床

乾式（ガス量10％）サイクロン＋
メタルフィルタ

乾式（ガス量10％）
移動床

ワバッシュリバー（アメリカ）

スラリー給炭酸素吹き
二段噴流床

メタルフィルタ＋
湿式スクラバ

湿式：化学吸収
MDEA法

プエルトヤノ（スペイン）

乾式給炭
酸素吹き
一段噴流床

セラミックフィルタ＋
湿式スクラバ

湿式：化学吸収MDEA法

ピニオンパイン（アメリカ）

乾式給炭
空気吹き
流動床

サイクロン＋
セラミックフィルタ

乾式：流動床200トン／日パイロット
プラント（福島県いわき市）

乾式給炭
空気吹き
二段噴流床

乾式（ガス量100％）
グラニュラベッド

乾式（ガス量100％）
流動床

乾式（ガス量10％）
ポーラスフィルタ

乾式（ガス量10％）
ハニカム固定床

プロジェクト名18

転・塊状、針状スラグ堆積によるスラ
グ払い出し不良発生→出口弁大口
径化

１−４

我が国における開発経緯と最新動向
この FS の結果を受け、NEDO は、「パイロットプラ

1-4-1

ＩＧＣＣ開発経緯

ントの基本計画」を 1985 年度に取り纏め、総合エネル
ギー調査会石油代替エネルギー部会石炭ガス化委員会及我が国で事業用 IGCC として開発が進められている噴び産業技術審議会新エネルギー技術開発部会石炭ガス化

流床方式石炭ガス化複合発電技術について、その開発経特別委員会に諮問し、噴流床石炭ガス化複合発電パイロ

緯を記す（図 1-4-1）。

ットプラント計画を実行に移すこととなった。

噴流床石炭ガス化複合発電については、1980 年 12 月

1986 年６月に 10 電力会社と当研究所から成る石炭ガに中電協技術開発推進会議の小委員会として石炭ガス化

ス化複合発電技術研究組合（IGC 組合）が設立され、勿専門部会が設置され（〜 1986 年９月）、さらに、火力新来 200 トン/日パイロットプラント計画を開始した。ガ

技術研究会（1981 年 12 月〜 1983 年７月）、火力新技術

ス化炉については、1982 年度より当研究所と三菱重工

調査委員会（1982 年 3 月〜 1983 年９月）での検討の結業（株）が 2 トン/日炉により開発を行ってきた空気吹

果、大容量化、炭種適合性、環境保全性、負荷応答性等

き加圧二段噴流床方式が、ガス精製については、夕張に優れる噴流床方式の石炭ガス化複合発電技術開発を官

40 トン/日パイロットプラントで開発を行ってきた流動民一体となって進めることとなった。

床脱硫・移動床脱じんが採用された。

こういった流れの中で、当研究所は中電協からの依頼

当研究所は、1982 年度〜 1995 年度に２トン/日ガス化を受け、石炭ガス化複合発電技術調査及びパイロットプ

炉の運転を行い、空気吹き加圧二段噴流床ガス化炉の基

ラントの概念設計を実施した（1981、82 年度）。引き続本技術を確立した »。20 銘柄（約 40 種）のガス化特性

き、当研究所は NEDO からの委託を受け、パイロットを確認するとともに、フラックス添加や混炭による高灰プラント基本計画策定のためのフィージビリティ・スタ

融点炭の融点降下方策を開発し、高灰融点炭を高性能でディ（FS）を実施した（1983 〜 1985 年度）。

ガス化できることを確認した ¼。また、２トン/日ガス

1974

75

76

77

78 79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

00

01

噴流床石炭ガス化複合発電技術のFS
200トン/日パイロットプラント（勿来）開発スケジュール
実証機FS及び要素試験

実証機計画

総合エネルギー調査会石炭ガス化委員会
産業技術審議会石炭ガス化特別委員会
火力新技術研究会

21世紀に向けた発電技術懇談会・火力部会
IGCC準備検討委員会

火力新技術調査委員会
国・電力・電中研の動向
中電協石炭ガス化専門部会
石炭ガス化発電技術調査及びパイロットプラント概念設計

２トン/日炉による試験研究（電中研・横須賀）
実証機支援研究（電中研）

図1-4-1

我が国における噴流床石炭ガス化複合発電技術の開発経緯

電中研レビュー No.44 ● 19

化炉を活用し、パイロットプラントのガス化炉設計デー

実施主体となり計画を推進している。

タを取得した。以下の１０項目の研究成果が、パイロッ
トプラントの設計および運転に反映された。

1-4-2

その他の開発動向①ガス化炉形状（炉内流動試験）、B水冷スラグホー
ル、C電気集塵機（EP）、Dガス化炉材料選定、Eチ¸

噴流床方式多目的ガス化技術

ャーの生成ガス搬送、F微量ガス成分把握、Gパイロ

サンシャイン計画において、1983 年度より噴流床方

ットプラント候補炭の事前検証、H熱交換器伝熱特性、式多目的ガス化技術に関する検討が行われた。その検討

I遮断弁の耐久性、Jスラグホッパ水の水質調査結果に基づき、1986 年度に石炭利用水素製造ガス化技

パイロットプラントは、1991 年度より運転が開始さ術の開発が開始され、㈱日立製作所が 1981 年度より開れ、スラッギングトラブルに苦しんだものの、最終的に発を行ってきた酸素吹き加圧二段噴流床方式ガス化炉をはこれを克服して 789 時間の連続運転時間を達成し、採用した 50 トン/日パイロットプラントが袖ヶ浦に建設½

1996 年度に成功裏に終了した 。

され、1991 年度から 1993 年度にかけて運転が行われた

勿来パイロットプラントの成果を踏まえ、実証機計画（HYCOL 計画）。引き続き、1995 年度より燃料電池用石に関する検討が行われ、1996 年６月に 21 世紀に向けた炭ガス製造技術として本ガス化技術の開発（EAGLE 計

発電技術懇談会・火力部会の中間報告として、IGCC の画）が進められており、電源開発㈱の若松総合事業所に位置づけ、開発の重要性が取り纏められ、1997、98 年

おいて、150 トン/日パイロットプラントの運転が 2002

度に実証機 FS を実施することとなった。また、IGCC

年度より開始される予定である。

準備検討委員会（1996 年８月〜 1997 年３月）において、実証機 FS の位置づけの再確認と前提条件等の検討が行

¹

加圧ＣＰＣ
25 トン/日、２ MPa、空気または酸素富化空気吹きガわれた。
実証機 FS は、NEDO より東京電力㈱に委託されたが、ス化炉の開発が、石炭利用総合センター（CCUJ）、川10 電力会社及び当研究所が共同研究契約を締結し、東崎重工業㈱、中部電力㈱、電源開発㈱により電源開発㈱京電力㈱に各法人からの出向・派遣者が集結し、実施さ

若松総合事業所において行われ、1999 年度をもって終れた。本 FS の結果、勿来方式ガス化炉（酸素富化空気

了した。

吹き加圧二段噴流床方式）と湿式ガス精製（MDEA）の組み合わせが最も高い評価を受けた。
1999 年度より、上記の電力共同研究として実証機計º

多目的石炭転換技術
100 トン/日、0.3MPa、酸素吹きガス化炉の開発が、画がスタートした。1999 年度〜 2000 年度は東京電力㈱CCUJ、新日鐵㈱が、2001 年度以降は㈱クリーンコールパワー研究所が幡製鉄所において行われ、2000 年度をもって終了した。

１−５

他７社により北九州市の新日鐵㈱八250MW 実証機計画の概要

2001 年６月、㈱クリーンコールパワー研究所が電力共同出資により設立され、国からの補助を受け事業主体

1-5-1

実証プラント試験の概要

として IGCC 実証機プロジェクトを実施することとなった。空気吹き IGCC 開発の最終段階に入った、実証機プ
ロジェクトの概要と計画について以下に述べる。

20

実証プラントの概要を表 1-5-1 に示す。

表1-5-1

実証プラントの概要に向けたフィージビリティスタディ（FS）において選定された方式である。

出 力（石炭使用量）250MW級（約1700トン/日）

方 式
ガ ス 化 炉ガ ス 精 製
ガスタービン

空気吹き噴流床ドライフィードガス化
湿式ガス精製（吸収液MDEA）、石膏回収
1200℃級パイロットプラントでは、より高効率が得られる乾式
ガス精製を採用した。試験において目標性能は達成した
ものの、実証プラントに採用するには機器信頼性・環境性に課題が多く、IGCC 実証プラントを確実に成功させる狙いから、実証プラントには比較的技術課題の少ない発電端48％（LHVベース）、46％（HHVベース）
送電端42％（LHVベース）、40.5％（HHVベース）

目標熱効率

湿式ガス精製を採用することとした。ガスタービンは出力を 250 MW に抑えるため、1200 ℃級を採用すること

¸

出力規模

とした。

出力規模は、パイロットプラントから実証プラントへºのスケールアップ比率と、実証プラントから商用プラン

熱

効

率

目標熱効率は 1200 ℃級ガスタービンでは高効率化に

トへのスケールアップ比率の双方を鑑み、適正な値を選は限界があるが、新鋭大容量微粉炭火力と同程度の送電定する必要がある。
パイロットプラントから実証プラントへのスケールア

端効率 40.5%を設定した。実証試験で IGCC の総合的なップ比率は、海外プラントの実例（４〜 10 倍程度）を検証がなされれば、商用段階では 1500 ℃級ガスタービ

参考として約８倍、実証プラントから商用プラントへのンの採用により、送電端効率で 46 〜 48%を達成できる

スケールアップ比率については、過去の電力プラントのと見込んでいる。
IGCC システムの構成を図 1-5-1 に示す。

スケールアップ実績（最大 2.12 倍）を参考にして２倍程度を選定し、結果として実証プラントの出力規模を 250

1-5-2

MW とした。

¹

方式

実証プラントの目標

実証プラントとして達成すべき目標を表 1-5-2 の通り

方式としては、空気吹きガス化炉と湿式ガス精製の組定めた。表 1-5-3 に示す IGCC の商用化時点で求められみ合わせを採用する。1997 年度に実施された実証試験

る信頼性、熱効率、環境性、炭種適合性、経済性の水準

石炭ガス化炉

DeSOx

空気

GGH

ポーラス GGH
フィルタ

石炭供給系

H2 S
燃焼炉
COS
変換器

吸収液
再生塔

冷却塔 洗浄塔 H2S
吸収塔

空気
スラグ

チャー

燃焼器
T

蒸気タービン〜C

空気
ガスタービン
HRSG

窒素

酸素

空気分離
装置

図1-5-1

空気昇圧機

M
GGH：ガス熱交換器

IGCCのシステム構成

電中研レビュー No.44 ● 21

表1-5-2
指実証プラントの達成目標
水

標

準

信頼性

年利用率70％以上の見通しが得られること

熱効率

送電端効率 42％（LHV）、40.5％（HHV）

環境性

SOx：８ppm
NOx：５ppm3
ばいじん：４mg/m N

炭種適合性
経済性

微粉炭火力に適合しにくい灰融点の低い石炭（灰溶融度1400℃以下）を使用
し、安定運転ができること
発電原価が微粉炭火力と同等以下となる見通しを得ること

表1-5-3
指（16％O2換算）（16％O2換算）（16％O2換算）

商用化時点で求められる水準
水

標

信頼性

年利用率70％以上

熱効率

発電端
51％
53％

環境性

SOx：８ppm
NOx：５ppm3
ばいじん：４mg/m N

炭種適合性
経済性

送電端
46％
48％

準

1500℃級ガスタービン/湿式ガス精製の場合（HHV）
1500℃級ガスタービン/乾式ガス精製の場合（HHV）（16％O2換算）（16％O2換算）（16％O2換算）

瀝青炭に加えて、亜瀝青炭等の灰融点の低い、より低質な石炭を利用して安定運転ができること
発電原価が微粉炭火力と同等以下を基に設定された。

»

炭種適合性
商用段階では幅広い炭種適合性が求められるが、微粉

¸

信

頼

性

実証プラントは、商用プラント並の信頼性を検証する

炭火力向きの炭種によるガス化はすでに勿来パイロット
プラントで検証済みである。
実証プラントでは主として、微粉炭火力に不向きであという趣旨から、ベース電源として必要な年利用率を確保できることとした。

り IGCC に適していると考えられる、低灰融点炭を使用することとする。

¹

熱

効

率

実証プラントにおいては、規模が比較的小さいこと、

¼

経

済

性

ガスタービン性能が商用規模のものより劣ることを勘案

今後大規模電源においても、競争入札による導入の決すると、送電端効率 40.5 ％程度となる。それでも定が行われていく所である点も踏まえ、少なくとも既存

1000MW 級大容量微粉炭火力の送電端効率とほぼ同等の超々臨界圧微粉炭火力（USC）と同等程度の経済性のであり、妥当な水準と考えられる。

確保が必要である。

実証プラントで IGCC の総合的な検証がなされれば、商用段階では大容量で高性能な 1500 ℃級ガスタービン

1-5-3

実証プラント試験スケジュールの採用により、高い熱効率が達成されると見込んでいる。
現在計画中の実証プラント試験スケジールを表 1-5-4
º

環

境

性

SOx、NOx、ばいじん等の排出濃度が最新鋭の微粉炭火力と同等で、熱効率の向上により発電電力量あたりの排出量が低減されることを目標とした。

に示す。実証プラント試験は 1999 年度から 2009 年度までの 11 年間で計画され、「事前検証試験」と「実証試験」の 2 つの工程に大別される。
今後は事前検証試験の成果を反映して、2001 年度より実証プラントの基本設計・詳細設計に入り、実証プラ

22表1-5-4
年

度

1999

2000

2001

実証プラント試験スケジュール

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

事前検証試験

事前検証
試験

基本設計・詳細設計

実証試験

建

設

運転試験

環境アセスメント

環境
アセスメントントの建設を 2004 年度から、運転試験を 2007 年度から

クリーンコールパワー研究所は、実施主体として、開始する計画としている。建設に先立ち環境アセスメン

30%を国からの補助金及び、残る 70%を参加電力 11 法

トを行う必要があり、実証プラントの設計と並行して実人からの分担金を基に実証プラント試験を推進している。

施する計画としている。図 1-5-2 に実証プラントの完成

また研究員は、各法人からの出向者および派遣者により予想図を示す。

構成されている。
実証プラント試験の開発計画は、いよいよ本格的な段

1-5-4

研究開発の実施体制

階に入った。事前検証試験の成果など、実証プラントの信頼性向上に向けたデータも確実に収集されつつあり、

実証プラント試験の開発体制を図 1-5-3 に示す。

今後の実証プラント設計に生かしていくこととしている。

IGCC 実用化に至る最終段階として、民間主導の開発体

空気吹き噴流床 IGCC は、既に十余年をかけて開発を制を構築するため、電力９社および電源開発㈱が出資す進めてきた我が国独自の石炭の高効率発電技術である。

る㈱クリーンコールパワー研究所が設立された。出資

12 法人が一丸となり、日本の電力に適用しうる高効率、10 社と電力中央研究所および㈱クリーンコールパワ

高信頼性で、かつ経済性に優れる IGCC の早期実用化にー研究所の 12 法人は共同研究契約を締結し、実証プラ

向けて、全力を挙げていく計画である。

ント試験を推進していく。

ガスタービン
資源エネルギー庁
150m

補助金30％

ガス化炉

共同研究契約`クリーンコールパワー研究所170m

図1-5-2

分担金70％
研 究 員

電力９社
電源開発
電力中央研究所

ガス精製

実証プラントの完成予想図

図1-5-3実証プラント試験の研究開発体制

電中研レビュー No.44 ● 23

コラム：石炭ガス化複合発電の LCA 解析
１．は じ め に表を用いて推計する手法（産業連関法）が有効で石炭火力は、供給および価格の安定性に優れてある。本研究では、積み上げ法と産業連関法の長いることから、ベースもしくはミドル供給力を担所を生かした融合手法を利用して、ライフサイク

う電源として期待されている。しかし、石炭はそ

ルにわたる CO 2 排出量を推計している。なお、分の燃焼に伴う熱量あたりの大気汚染物質の排出量

析手法の一般論の詳細については文献¸を参照さが他の燃料と比較して多いという問題点がある 。

れたい。

とりわけ、温室効果ガスの排出は重大な問題である。
当研究所では、2010 年頃の技術確立を目指して研究開発が進められている石炭ガス化複合発電（IGCC）を取り上げ、現在利用されている平均的な
微粉炭火力と比較してどの程度の CO 2 削減効果が

ライフサイクル CO2 排出原単位 [g-CO2/kWh（送電端）]（発電燃料＋設備建設＋設備運用＋設備解体）[g-CO2]＝ ――――――――――――――――――――――――
耐用年間の発電電力量（送電端）[kWh]式１（１ kWh あたりのライフサイクル CO2 排出量）

あるのか、また、地球温暖化の観点からみて石油
火力や LNG 火力と比べ十分な競争力を持つか否かについて検討した。

３．検討対象とライフサイクルの定義
表 １ に、検討対象とした石炭ガス化複合発電（IGCC）プラントと従来型微粉炭火力発電プラント

２．ライフサイクルアプローチの仕様を示す。

発電に伴う CO 2 排出量を考えるとき、発電燃料

IGCC と従来型いずれも、図１に示す範囲をライが燃焼する際に排出される CO 2 のみを思い浮かべ

フサイクルとして設定した。発電燃料となる石炭てしまいがちである。しかし、実際には、発電燃

は、海外炭と国内炭を利用するとし、その比率は料の生産や輸送、発電所の建設などに伴い CO 2 は

近年の実績に基づき想定した。海外炭は複数の国排出されていることにも着目すべきである。一般から輸入しており、その輸入比率も近年の実績にに、資源の採取から、製造、使用、廃棄に至るす基づいた。海外炭は、炭鉱から積出し港までディべてのプロセスを踏まえて環境負荷を評価する方

ーゼル機関車で輸送し、そこから、コールセンタ

法は、広くはライフサイクルアプローチ（LCA）

ーなどを経由せずに発電所へ船舶輸送されるとしと呼ばれている。

た。国内炭は炭鉱近くの港から発電所までの船舶

地球温暖化という観点から発電技術を評価する

輸送のみを考慮した。発電所で発生した石炭灰は、

場合には、1 kWh（送電端）あたりのライフサイ
クル CO2 排出量（式 1 ）が、指標として有効であ

表１

検討対象とした発電プラントる。これは、発電所の耐用年間において排出される温室効果ガス量を、その期間中の総発電量（送

従来型

IGCC
設備容量（MW）

643

643

利用率

70%

果ガスは、GWP（地球温暖化ポテンシャル）を用

70%

発電効率（発電端）

51.0%

39.6%

いて CO 2 量に換算される。ライフサイクルにわた

所内率

9.9%

6.9%

り排出される温室効果ガスは、発電燃料の燃焼に耐用年数（年）3030電端）で割ることで求められる。CO2 以外の温室効よる直接排出、設備建設、設備運用、設備解体に伴う間接排出の 4 つに大きく分けられる。このうち、発電所などの設備建設に伴う CO 2 排出量の推計が

設備建設

鉄道車両
製造

船舶建造

採炭・
前処理

国外
陸上輸送

国際
船舶輸送

発電所
建設

設備建設

設備建設

船舶建造

発電

石炭灰
埋立処分

採炭・
前処理

国内
船舶輸送

最も煩雑である。一般に、ライフサイクルからの排出量を推計するためには、そのライフサイクルに含まれるプロセスをひとつずつ検討する手法（積み上げ法）が採用される。しかし、発電システ
ムのように多種多様な製品で構成されている設備の製造および建設のプロセスをひとつずつ把握す
るのは極めて困難である。そこで、設備の製造および建設に伴う CO 2 排出量については、産業連関

24

図１

石炭火力のライフサイクル

有効利用することなくすべて埋立て処分されるとした。

IGCC と従来型とでは、それぞれに適した石炭が異なるため、その性状、輸入国、採炭時の漏洩メ
タン量などが異なる可能性もある。ただし、これ

４．結
4.1

果

らの前提条件が異なっても、表１で示された設計

従来の微粉炭火力との比較

どおりの技術特性が実現されるならば、IGCC の大

IGCC のライフサイクルにおける CO 2 排出量はきな優位性は変わらない。

779g-CO2/kWh と、従来型の 965g-CO2/kWh に比べて、186g-CO2/kWh 少ない（図２）。効率改善によ

4.2

る発電用石炭の燃焼に伴う直接排出量の減少が大他の火力発電技術との比較

地球温暖化の面からみた IGCC の環境特性は、きく効いている。他方、間接排出量は見かけ上ほ

LNG 火力には及ばないが、現状の平均的な重油火とんど変化はない。ただし、内訳をみると、IGCC

力とほぼ同程度であると認められる（図 2）。直接

では、発電時に必要とされる水酸化ナトリウムな排出量は、IGCC と重油火力とでほぼ同じである。

どの消耗資材の増加により、発電運用時の CO 2 排

他方、石炭採掘時に漏洩するメタンが原油採掘時

出量は従来型に比べて 4g-CO 2 /kWh 多い。逆に、に比べて多いために、メタン漏洩量については

IGCC では発電効率の向上により、従来型微粉炭にIGCC の方がやや多い。漏洩メタンの回収および有比べて必要とされる発電用石炭量が少なく、石炭

効利用が確立されれば、IGCC の間接排出量は減少の採掘や輸送に伴う CO 2 排出量が 4g-CO 2/kWh ほ

する可能性がある。なお、発電燃料の性状の違い

ど減少する。その結果、間接排出量は増加分と減による CO 2 排出係数の差異、そして、発電燃料の少分が打ち消しあい、見かけ上ほとんど同じとな

輸入国の想定、などに結果が依存することを踏まる。また、石炭採掘時に漏洩するメタン量は、従える必要がある。

来型に比べて IGCC は必要となる石炭量が少ないた
め、IGCC が 9g-CO2/kWh 少ない。

以上のことから、設計通りの送電端効率が達成されるならば、IGCC は現状の平均的な重油火力技
術と比べて十分競合できるものであるといえる。

合計値

779

965

766

722

608

５．ま
ライフサイクルCO2排出量（t-CO2/kWh）

1000

800
700

ているにも関わらず、環境面からダーティーなイ

29
0
54

36
29

メージを持たれる傾向があることは否めない。し024

か し 、 C O 2（ メ タ ン を 含 む ） 排 出 量 に 関 し て は 、
9

600

121

500
400

712

いう石炭の短所を最小限にとどめ、上述した長所

698

300
478

200

を生かすための技術であると言える。
資源小国である我が国は、特定の電源に依存す

100ることは避けねばならず、経済、安全保障、環境

0
Ｉ
Ｇ
Ｃ
Ｃ

微
粉
炭
火
力

重
油
火
力

原
油
火
力

Ｌ
Ｎ
Ｇ
火
力

メタン漏洩
間接CO2排出量（設備建設、運用）
直接CO2排出量（発電燃料の燃焼）（注）重油火力、原油火力、LNG火力は文献[1]より

図２

IGCC 技術と現状の平均的な重油火力技術との間にほとんど差は無い。IGCC は、CO2 排出量が多いと

887
710

め

石炭は、供給安定性や価格安定性の面から優れ

46

900

と

火力発電技術のライフサイクルCO2排出量などの様々な制約の基に最適な電源構成を組む必要がある。環境制約を満たしつつ、電源選択の幅を広めるために、今後、IGCC 技術はじめとしたク
リーンコールテクノロジーの研究開発が期待され
る。
参考文献
¸

本藤祐樹、内山洋司、森泉由恵、「ライフサイ
クル CO2 排出量による発電技術の評価」、電力中

１ 本研究の従来型のライフサイクル CO2 排出量が、文献¸における石炭火力の値と異なるのは、発電用石炭の熱量が異なるためである。

央研究所報告 Y99009、（2000）

電中研レビュー No.44 ● 25

第

章

2

石炭ガス化複合発電の
技術課題

第２章

石炭ガス化複合発電の技術課題 ● 目

株式会社クリーンコールパワー研究所
２−１

実証機における技術課題和田潤…………………………………………………………………………………………………29

横須賀研究所

研究コーディネーター

横須賀研究所
２−２

技術部

次

当研究所が取り組む実用化に向けた研究課題

エネルギー機械部

佐藤

幹夫

犬丸

淳

…………………………………………………………………………31

横須賀研究所

エネルギー機械部

原三郎

横須賀研究所

エネルギー機械部

芦沢正美

コラム：フラックス添加・混炭による高灰融点炭の高性能ガス化 ………………………………………………………………34

和田潤（昭和58年東京電力入社）
平成３年度に勿来パイロットプラントの運転が始まって以来、火力部、エネルギー・環境研究所勤務を通じてIGCCに関与。平成13年６月、クリーンコールパワー研究所設立とともに同社へ出向。研究開発グループ所属。

犬丸淳（10ページに掲載）

芦沢 正美（1988年入所）
これまで石炭ならびに超重質油ガス化研究に携わってきました。石炭ガス化では、主に灰融点降下剤添加による高灰融点炭の高効率ガス化技術について、また、超重質油については、ガス化基本特性の評価を中心に研究を行ってきました。現在では、ガス化炉内現象の解明に向け、特に粒子のガス化反応速度
解析について研究を進めています。今後は反応性の観点から燃料の評価が行える研究を実施していきたいと思っています。

28

佐藤 幹夫（1975年入所）
これまで、重・原油等の噴霧燃焼、微粉炭
燃焼技術および石炭ガス化燃料のガスタービ
ン燃焼技術に関する研究に携わり、各種海外
炭の燃焼特性評価や石炭ガス化複合発電用ガ
スタービン燃焼器の開発等を行ってきました。
今後とも、石炭および重質油等を用いる複合
発電やガスタービン技術など、火力発電技術の高効率化に貢献していきたいと思います。

原三郎（10ページに掲載）

２−１

実証機における技術課題

石炭ガス化複合発電（IGCC）開発は、250MW 級実証º

勿来パイロットプラント試験研究後、方式変更された要素技術

機の建設計画の段階にきている。実証機試験の目的は、IGCC 商用化の一歩手前の最終ステップとして、商用機

勿来パイロットプラント試験研究は、当時目標とされに近い規模の IGCC プラントを設計・建設・運転するこていた運転時間や環境性等は達成したが、現状でのニーとにより、わが国の商用発電プラントとして求められるズに対応するため、実証機では方式変更した箇所がある。

信頼性、環境性、高効率性、経済性等を総合的に検証すガス精製方式を乾式から湿式に変更したのを代表例とし

ることにある。本節では、それに向けた個別の技術課題て、要素技術レベルの方式変更も随所で行われている。

について述べる。これらの技術課題については、㈱クリこれらの変更方式の中には信頼性の検証が必ずしも十分

ーンコールパワー研究所が主体となり、電力共同研究とでないものがあり、実証機での信頼性向上が技術課題として取り組んでいる。

なっている。

2-1-1»

技術課題の分類

コストダウン
電力自由化が進展するなかで IGCC を普及させるため実証機に向けた技術課題は、次の４つに大別することができる。

には、次なる商用化時点では確実に他の発電方式に対する経済的優位性が確保されるよう、実証機段階からプラントコストや運転保守費の低減を視野に入れた取組が必¸

発電システムとしての信頼性・安全性の確保要となる。

IGCC は、従来の火力プラントと異なり、化学プロセスを含み、機器点数が多く、複雑な物質・エネルギーの2-1-2設計研究と事前検証試験

やり取りがあるため、故障確率が高く、また 1 つの機器の不具合が複雑に作用して予想外のトラブルに至る懸念

平成 11 年度から３年間、実証機開発の初期ステップがある。また、有害なガスを取り扱うということも従来として「設計研究」および「事前検証試験」が行われてプラントにない特徴である。そのため、トータル発電シいる。

ステムとしての信頼性・安全性をいかに確保するかが技
術課題となっている。

設計研究は、実証機の信頼性・安全性向上に資する設計手法を確立して、後の実証機設計に備えるものである。
化学プロセスや航空宇宙技術等で実績のある信頼性評価¹

ガス化炉を中心としたスケールアップに伴う課題

手法「HAZOP(操業偏移解析)」などを導入して、潜在ガス化炉は、化学反応・燃焼・流れ、伝熱等が複雑に的危険性を未然に摘出し対策を施す手法を確立しつつあ作用する反応装置であり、スケールアップに伴い相似性る。また、万一の有害ガスの漏洩災害を想定しその影響が崩れて想定外の事象が発生する可能性があり、そのリを評価する「拡散シミュレーション」、プラントの負荷

スクはスケールアップ比率とともに増大する。今回の実変化や緊急停止を模擬した動特性を解析する「ダイナミ証機は、その後の商用機へのスケールアップ比率を、ボックシミュレーション」等に取り組んでいる。

イラ等で実績のある２倍以内に抑制する規模としたため、事前検証試験は、方式変更技術のうち、適用実績がな

逆に勿来パイロットプラント（昭和 61 年度〜平成８年

いなど特に信頼性に課題があるものを中心に試験装置で度）からのスケールアップ比率は約８倍と大きい。いか検証するもので、実証機でのトラブルを未然に解決するに正確に挙動を予測し、かつ想定とのずれを吸収する設とともに、設計に必要な諸特性を取得するものである。

計を行うかが課題となる。

図 2-1-1 にそのあらましを示す。
事前検証試験の対象はガス化炉、ガス精製、ガスター

電中研レビュー No.44 ● 29

ガス化炉構成機器の信頼性評価試験

大型弁の信頼性評価試験

精製ガス配管の評価試験

実証機候補炭ガス化特性試験

脱硫液・触媒の耐久性試験
高圧石炭
供 給 系

石炭ガス化炉

生成ガス
ガス・ガス熱交換器信頼性試験
ポーラス
フィルタ
脱硫オフガス処理装置信頼性試験
湿式脱硫

高圧除煤装置評価試験

空気分離装置
空気

チャー

窒素
G／T

S／T
HRSG

酸素

空気昇圧機

GT翼デポジット付着試験

図2-1-1

事前検証試験項目

ビンに及んでいるが、特に重点的に実施しているのがガある。平成 12 年度末までに４炭種、のべ約 700 時間のス化炉である。ガス化炉は、勿来パイロットプラント試

ガス化運転を行い、変更箇所の基本動作のほか、ガス化

験後、安全性や信頼性を確保するため、表 2-1-1 に示す

特性、各部の耐久性を検証してきた。一部大型弁やスーように大幅な方式変更があり、あわせてガス化炉のスケ

トブロワなどについては、実証機と実寸・実圧の条件でールアップ手法についても見直しが行われたため、変更の試験を実施している。

後のガス化炉の動作を検証することは最重要課題とされ設計研究と事前検証試験は平成 13 年度で完了し、14た。これを検証するため、平成 10 年度に三菱重工業㈱年度以降は実証機の着工に向け、設計に専念することと長崎研究所構内に 24 トン/日ガス化試験装置（図 2-1-2）なる。その設計を効率的に行えるよう、実りある成果をを設置して、平成 13 年にかけてガス化試験を実施中で求めて取り組む所存である。

表2-1-1

ガス化炉における主な方式変更

勿来パイロットプラント

実証機

微粉炭加圧

シリアルロックホッパ

バラレルロックホッパ

微粉炭搬送

空気/微粉炭濃度

窒素/微粉炭濃度

微粉炭計量

テーブルフィーダ

粉体流量計＋絞り弁

チャー回収

サイクロン＋EP

サイクロン＋
ポーラスフィルタ

チャー搬送

リサイクルガス窒素

低高

図2-1-2
シンガスクーラ
除 媒

30

ショットクリーニング

スートブロア24トン/日ガス化試験装置

２−２

当研究所が取り組む実用化に向けた研究課題当研究所では、２トン/日炉、200 トン/日炉ならびに海外プラントにおける運転実績の分析結果を踏まえ実2-2-1

石炭ガス化技術

証機に向けた研究課題を設定し、実証機の設計・運転
信頼性のより一層の向上を目的として実証機支援研究

海外プラントの運転実績から見た実証機に向けた検討を進めている。本節では、当研究所が実証・商用機に課題については、1-3 節にて紹介した。ここでは、石炭向けて取り組む研究課題について、その概要を紹介す

ガス化技術について、２トン/日炉および 200 トン/日炉る。

による成果、それらに基づく実証機に向けた課題を紹介する（表 2-2-1）。200 トン/日炉では、３炭種について

表2-2-1

2T/日炉、200T/日炉による研究成果と実証機に向けた研究課題

2T/日炉での主な成果

200T/日炉での主な成果

実証機に向けた研究課題

・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 ・酸素富化率の影響、炭種の影響、運
ガス化特性
転条件の影響評価
・200T/日炉候補炭・実供試炭のガス化
ス化特性を取得（生成ガス発熱試験を行い、設計・運転条件の検討 ・酸素富化による生成ガス発熱量増大 ・スケールアップによる影響評価
量、生成チャー
に反映
効果を確認
量・性状等）
・テーブルフィーダ方式でオーバーフ
ィード現象を経験

・新しい搬送方式の運転特性、信頼性
・大型粉体弁の長期信頼性
・セラミックフィルターの耐久性・信頼性

・200T/日炉スラッギング現象再現試験 ・炉内スラッギング現象が発生、炉改造により解決により現象解明、改造案に反映
炉内スラッギン
・伝熱管灰付着時の伝熱特性基礎デー ・熱交部チャー堆積特性、付着時の伝グ特性
熱性能を把握タを取得
・除灰装置の効果を確認

・ガス化炉内灰挙動からみたスケールアップ手法の評価
・炭種による熱交伝熱性能低下の評価

・高灰融点炭に対するフラックス添加及び混炭技術の有効性を確認
溶融スラグの排・スラグタップ形状のノウハウ取得、
出特性
200T/日炉改造案に反映

・フラックス添加及び酸素富化によるスラグ排出性改善効果を確認
・スラグタップ形状変更によりスラグ
排出性改善

・炭種による排出性評価
・スラグタップの適正な設計検討
・スラグ排出監視の自動化
・スラグクラッシャーの耐久性・信頼性

・空気吹き加圧二段噴流床方式ガス化
炉の起動・停止要領を確立

・789時間連続運転での安定運転性を確認
・抽気連携状態でGT出力変化率10％/分での追従安定性を確認

・発電プラント全体としての起動・停止要領の検討・プラント動特性解析
・プラント安全性評価

・テストピースによる実ガス耐腐食性の基礎データを取得

・解体研究により要部材質の減肉、腐食状況を把握・各部材料の適切な選定
・腐食速度見積もりの高精度化

・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

・低コスト有効利用指針の作成、JIS化の推進
・高付加価値化

微粉炭供給系、
チャー回収・供給系の運転特性・ロックホッパシステムによる乾式給炭技術に関するノウハウを蓄積

運転特性

材料

ガス化炉スラグの有効利用

電中研レビュー No.44 ● 31

ガス化試験が行われ種々のトラブルを経験した。いくつも重要な課題として、プラント安全性評価、性能評価・

かのトラブルについては、２トン/日炉から 200 トン/日

安全確保のための監視計測項目の検討・提案、コストダ

炉へのスケールアップ手法に関する問題点が指摘されてウンに関する各種の研究課題が挙げられる。図 2-2-1 に示いる。これら二つのガス化炉の運転実績より、実証機にした課題のうち石炭ガス化技術に関するものについては、

おいては、スラッギングトラブル発生を防ぐための炉内

現在、実証機支援研究として積極的に取り組んでいる。

ガス・粒子の流動解析、コンバスタにおける灰捕集率とチャー循環量の予測・評価、スラグホールまわりの伝熱

2-2-2

ガス精製技術

流動解析による溶融スラグ排出性のチェック、炭種の違いによる熱交換器チャー堆積伝熱機構の解明等が特に重要であると考えられる。

ガス精製技術は、ガスタービンの保護、環境保全の観点から IGCC プラントにおいて極めて重要な技術である。

海外プラントの運転実績および２トン/日炉および 200

実証機のガス精製装置としては、セラミックフィルタにトン/日炉の経験に基づき整理した、石炭ガス化技術を中よる集じん装置と湿式脱硫装置の組み合わせが計画され心とした主要な研究課題を図 2-2-1 に示す。実証機の設ている。当研究所は、これまでにセラミックフィルタの計・運転において重要となる課題は、200 トン/日炉から開発を行うとともに、より一層の高効率化を目指した乾のスケールアップに関するもの、信頼性向上およびコス式ガス精製技術の開発を進めている。

トダウンに関するものに大別される。前述の課題の他に実証機への反映)

ガス化炉基本炉内現象の検討・評価
・炉内ガス流動性（灰飛散のないこと、石炭粒子の混合性等）
・ガス化反応性（チャー量、酸素富化の影響）
・コンバスタでの灰捕捉性・溶解スラグ排出孔からの灰流動落下性
・炭種の違いによる熱交伝熱特性等

1. スケールアップ

2. 信頼性向上

3. コストダウン)

炭種、運転条件、負荷変化、障害発生時の炉内現象の解明*

長期連続運転時の炉壁等への灰付着・成長・脱落現象の解明と対策

運転

設計

運転

運転

+

プラント安全・信頼性確保のための現象解析、監視計測技術の検討・提案

設計)

ガス化炉性能・炉内現象等を考慮したコンパクト化

設計*

全体システムの性能向上、最適化、簡素化

設計+

ガス化炉スラグの低コスト有効利用方策の検討、高付加価値化

図2-2-1

32

設計

当研究所が取り組む実証機に向けた研究課題

運転¸

セラミックフィルタ
セラミックフィルタの課題としては、以下があげられ除去技術の調査および基礎検討、微量重金属についてはプラント内での挙動解明を進めている。

る。
・フィルタの素材の選定

2-2-3 ガスタービン燃焼器技術

・集じん性能の確保
・集じん装置構造の最適化

当研究所は、ガスタービン燃焼器技術に関し、これま・ダスト性状と圧力損失の関係の解明

で石炭ガス化低カロリー燃料用 1300 ℃級ガスタービン

・逆洗手法の最適化

燃焼器の開発を進め、より一層の高温化による熱効率の・フィルタの耐久性向上と低 NOx 化を目指し、1500 ℃級燃焼器の研究開発

これまでの研究開発により、要素技術としてはほぼ開を実施した。また、海外では、酸素吹きガス化方式によ発の見通しが得られている。今後、実用化に向けて残さる様々な複合発電システムが開発されていることから、れた課題として、長期寿命化が最も重要と考えられる。

将来わが国の電気事業において導入が予想される各種ガ
ス化複合発電方式のガスタービン燃焼器技術についても

¹

乾式脱硫

検討を進めてきた。

硫黄化合物を 100ppm 以下まで除去できる酸化鉄系ハ

ガスタービン燃焼器技術の開発課題は、ガス化方式おニカム脱硫剤の性能は、勿来パイロットプラントにおけ

よびガス精製方式により異なる。ガス化炉におけるガス

る 20 トン/日固定床ガス精製装置において既に実証され化 剤 が 空 気 の 場 合 は 燃 料 発 熱 量 が 4 . 2 M J / m 3Nている。現在、環境規制の強化および石炭ガス化燃料電（1000kcal/m3N）程度の低カロリー燃料となり、燃焼安池複合発電を視野に入れた、硫黄化合物を 1ppm 程度ま

定性が課題となり、ガス精製に乾式法を用いる場合は、で低減できる高性能な脱硫剤の開発を進めている。この

さらに、ガス化燃料中のアンモニアに起因して生成され脱硫剤の開発においては、A炭素析出による脱硫剤の崩るフュエル NOx を低減する必要がある。一方、ガス化

壊防止、B目標脱硫性能の確保、C再生法の最適化、D剤に酸素を用いる場合には、ガス化ガスは 8.4 〜 12.6

長期信頼性の確保が課題となる。当研究所は、既に高性

MJ/m3N（2000 〜 3000kcal/m3N）程度の中カロリー燃料

能な亜鉛フェライト脱硫剤の開発に成功しており、今後となり、LNG よりも火炎温度が高くなり、サーマル

は長期信頼性の確保が最も重要な課題となっている。

NOx の低減が重要になる。また、一層のプラント熱効率の向上には、乾式ガス精製が重要であり、その際、サºアンモニア、ハロゲン、重金属の乾式除去技術

ーマル NOx と同時にフュエル NOx の低減が必要になる。

将来、石炭火力の環境保全性に対する要求が厳しくなることが予想されるため、アンモニア、ハロゲン化物、

2-2-4

その他の重要な課題

微量重金属についても、乾式除去技術が必要となる可能性がある。当研究所では、先ず石炭ガス化燃料電池複合

当研究所では、IGCC プラントシステムの性能向上、発電を視野に入れた、乾式脱ハロゲン技術の開発を進め、最適化、簡素化を行うための汎用解析ツールとして、ハロゲン化物を 1ppm 程度まで除去できるアルミン酸ナ「発電システム熱効率解析用汎用プログラム」の開発を

トリウムハロゲン化物吸収剤を見出した。現在、再生・進めている。

再利用法および反応方式（固定床、移動床等）の選定が重要な課題となっている。アンモニアについては分解・また、コストダウンに向けてガス化炉スラグの有効利用方策の検討を実施中である。

電中研レビュー No.44 ● 33

コラム：フラックス添加・混炭による高灰融点炭の高性能ガス化
１．は じ め に

炭は酸性成分を多く含んでいることがわかる。

石炭ガス化炉では、炉内に投入するガス化剤空従って、高灰融点炭に灰融点を下げる作用のあ

気の量を少なくし、空気比（式１）を下げた運転

る塩基性成分を融点降下剤（フラックス）としてを行えば、生成ガス発熱量や冷ガス効率といった添加するか、塩基性成分を多く含んだ低灰融点炭

ガス化性能は高くなる。

を混炭することにより、灰融点を降下させること

噴流床方式石炭ガス化炉では、石炭中の灰分をが可能である。

溶融スラグとして排出させるため、炉内の温度を灰の融点以上になるよう運転しており、灰融点の３．フラックス添加・混炭による灰融点降下特性

高い石炭（高灰融点炭）をガス化する場合は、炉

塩基性成分であればフラックスとして使用可能

内温度を高温に保つためにガス化剤空気の投入量と考えられるが、ガス化炉構成材料や後流設備へを多くし、高空気比で運転する必要がある。そのの影響、入手の容易さ、価格などを考慮すると、

結果、高灰融点炭では、ガス化性能が低下する傾CaO を石灰石（CaCO 3）の形で添加することが最向にある（図１）。

も実用的と考えられる¸。

従って、高灰融点炭を高性能でガス化するため代表的な高灰融点炭である豪州炭にフラックスには、灰融点を降下させる技術を開発し、ガス化として石灰石を添加した場合および CaO を多く含剤空気の投入量を抑えた低空気比での運転を可能

む低灰融点炭である中国炭を混合した場合の灰融にする必要がある。

点降下特性を図３に示す¹º。
豪州炭の灰融点は、1673 ℃と非常に高温であっガス化炉投入空気量（式１）空気比 = ――――――――――――――――
ガス化炉投入石炭の理論燃焼空気量たのに対し、フラックス添加の場合、灰中 CaO 含

２．石炭灰の組成と灰融点の関係

また、混炭の場合は、中国炭の混合率が 20%で有率（式 2）が約 30%で約 1270 ℃まで降下している。

石炭灰の融点は、灰分組成によって決まる。一1405 ℃まで降下している。このように、フラック

般的に、石炭灰中の SiO2、Al2O3（酸性成分）は灰ス添加、混炭により、灰融点を大きく降下させる

融点を高める作用があるのに対し、Fe 2 O 3 、CaO,ことが可能である。

MgO、Na2O、K2O（塩基性成分）は灰融点を下げる作用がある。
当研究所の２トン/炉で使用した石炭について、
灰融点を酸性成分と塩基性成分の比で表される酸

灰中CaO量（式２）灰中CaO含有率 = ―――――――――――×100
灰量（添加CaO量を含む）

４．ガス化性能の向上効果例性度（酸性成分/塩基性成分）で整理した結果を図
２に示す

¸¹

当研究所の２トン/日炉を用い、豪州炭のみのガ。灰融点と酸性度との間には良い相関

ス化試験、フラックス添加及び中国炭との混炭ガが観られ、低灰融点炭は塩基性成分を、高灰融点ス化試験を実施し、ガス化性能の向上効果を確認

生成ガス発熱量、冷ガス効率

高

2000

灰融点（℃）

1800

低灰融点炭

1600

1400

1200
低

高灰融点炭
1000
低

空気比

高

0

5

10
酸性度

15

（SiO2＋Al2O3）/（Fe2O3＋CaO＋MgO＋Na2O＋K2O）

図１

空気比とガス化性能の関係
図２34

灰融点と灰分組成の関係

20

1800

1600

1600
灰融点（℃）

灰融点（℃）

1800

1400

1200

1200

1000

1000
0

10

20

30

40

50

0

20

40

60

80

灰中CaO含有率（％）

混炭比（％，中国炭の混合割合）（a）フラックス添加の場合（b）中国炭との混炭の場合

図３
表１

1400

100

豪州炭の灰融点降下特性

フラックス添加・混炭によるガス化性能向上効果例
下限空気比

生成ガス発熱量

豪州炭のみ

0.55

3.03MJ/m3N

フラックス添加0.48

3.38MJ/m3N

中国炭との混炭

0.46

3.97MJ/m3N

このように、石炭中灰分を溶融排出させる噴流
床方式ガス化炉にとって不向きと考えられる高灰
融点炭に対しても、フラックス添加や低灰融点炭との混炭を行うことにより、高性能でガス化を行うことが可能である。
参考文献¸

芦澤ほか 9 名、「噴流床石炭ガス化炉のフラックス添加による高性能化−添加剤の評価と灰融した。
豪州炭のみの場合は、溶融スラグを安定して排点降下特性−」、電中研報告 W89027、（1990）¹

出させるために、空気比を 0.55 以上で運転する必

芦澤ほか 5 名、「高灰融点炭の高性能ガス化技術の開発−フラックス添加法と混炭法の比較・要があった。これに対し、表１に示すようフラッ
クス添加の場合には 0.48 まで、混炭の場合には 0.46

検討−」
、電中研報告 W91034、（1992）º犬丸ほか５名、「混炭による高灰融点炭高性能まで空気比を下げることが可能であった。この結ガス化技術の開発−灰融点降下およびガス化基

果、生成ガス発熱量は 3.03MJ/m 3N（豪州炭のみ）

本特性に関する検討−」電中研報告 W90017、から 3.38MJ/m3N（フラックス添加時）、3.97MJ/m3N（1991）（混炭時）まで向上させることが出来た¹º。

電中研レビュー No.44 ● 35

第

章

3

石炭ガス化炉の特性と炉内現象評価技術の開発

第３章

石炭ガス化炉の特性と炉内現象評価技術の開発 ● 目

横須賀研究所

エネルギー機械部

犬丸

淳

横須賀研究所

エネルギー機械部

原三郎

横須賀研究所

エネルギー機械部

芦沢正美

横須賀研究所

エネルギー機械部

大高

円

横須賀研究所

エネルギー機械部

渡辺裕章

横須賀研究所

エネルギー機械部

梶谷史朗

横須賀研究所

エネルギー機械部

市川和芳

横須賀研究所

エネルギー機械部

沖

裕壮

３−１

研究の背景

３−２

石炭ガス化炉の特性と炉内現象

３−３

石炭ガス化炉数値シミュレーション技術

３−４

石炭ガス化反応特性の解明

３−５

石炭ガス化炉における灰生成・付着挙動の解明

３−６

今後の展開

…………………………………………………………………………………………………………………39…………………………………………………………………………………………40………………………………………………………………………………42………………………………………………………………………………………………46………………………………………………………………………51…………………………………………………………………………………………………………………57

コラム：石炭中の鉱物について

犬丸……………………………………………………………………………………………………58

淳（10ページに掲載）

芦沢 正美（28ページに掲載）

38

次

原

三郎（10ページに掲載）

大高円（1994年入所）
これまで、石炭ガス化に関する研究に携わり、数値シミュレーション技術による石炭ガ
ス化炉内現象の解明に取り組んできました。
今後は、石炭ガス化複合発電の実用化に向け、石炭ガス化炉の設計および運転支援を目的とした炉内現象評価ツールの開発を進めて行く
予定です。

渡辺 裕章（1998年入所）
石炭ガス化炉内の伝熱流動状態の把握，ガス化炉性能評価等のための数値シミュレーシ
ョン技術の開発を行ってきた。現在、開発した数値シミュレーション技術を使った石炭ガ
ス化炉設計・運転支援ツールの開発，超重質
油ガス化炉の数値シミュレーション技術の開発等に従事している。

梶谷 史朗（1993年入所）
これまで、石炭ガス化の研究に携わり、高温高圧におけるガス化反応性を解明するとともに炭種による反応性の違いを明らかにしてきました。今後は、石炭ガス化複合発電プラントの実用化と燃料拡大技術に貢献するために、ガス化反応性の予測技術の確立に取り組んでゆきたいと思います。

市川 和芳（1991年入所）
入所後、２トン/日炉を用いた適合炭種拡大技術や灰付着性評価に関する研究に携わってきました。また、1995年より２年間、石炭ガス化複合発電技術研究組合に出向し、200
トン/日パイロットプラントによる運転試験
研究において、ガス化炉およびプラント全体
性能の評価を行いました。現在は、ガス化炉
内および熱交換器管への灰付着現象の解明およびその予測手法の開発を目指した研究に取り組んでいます。今後は、さらに、スラグ有効利用方策の拡大を目的にスラグ排出プロセスの高度化を図って行きたいと考えています。

沖裕壮（1989年入所）
これまで、微粉炭火力や石炭ガス化に関する研究に携わり、低負荷対応型微粉炭バーナの開発や、ボイラおよびガス化炉で生成する石炭灰の特性評価を行ってきました。今後は、ガス化炉生成灰の特性を予測する技術の開発
研究を通じ、石炭ガス化複合発電技術の実用化に貢献したいと思います。

３−１

研究の背景

石炭ガス化炉は、石炭ガス化複合発電（IGCC）プラ

まず、種々の実験設備を活用してガス化炉内の諸現象

ントの中核をなす技術であり、石炭ガス化炉の性能およを解明し、現象のモデル化を行う。それらを、数値シミ

び信頼性を確保することが、プロジェクトを成功に導くュレーションに導入することによって、実験結果に基づ

必要条件となる。

いた、確度の高いガス化炉内現象予測・評価技術の開発

当研究所では、これまでの２トン/日炉、200 トン/日を目標としている。また、石炭・石炭灰の性状、微細構

炉ならびに海外プラントでの運転経験から、石炭ガス化

造、形態等の基礎物性の解明およびデータベース化は、炉の実用化に向けた研究課題を整理し、当研究所が取り現象の理解や炭種による影響を解明する上で極めて重要

組む課題を設定した（第２章２節参照）。

である。図 3-1-1 中の石炭ガス化研究炉は、平成 15 年度

実証機成功の鍵を握るガス化炉の信頼性をより一層向上させるためには、スケールアップ技術、炭種による影に当研究所横須賀研究所に設置予定の研究設備である（3-6 節参照）。

響評価技術、灰に起因する諸障害の対策技術等を確立す

これにより、「IGCC 設計・運転評価ツール」の確立る必要があり、当研究所ではこれらの課題を解決するたを図り、大型ガス化炉設計に必須のスケールアップ効果

め、図 3-1-1 に示すような、Aガス化炉数値解析技術のの予測、炭種や運転条件が変化した場合の炉特性変化の開発、B実験による炉内現象の解明とモデル化、C石

予測・評価、トラブル発生時の現象解明と対策検討、コ

炭・灰基礎物性の解明、を３本柱とする支援研究を実施

ンパクト化等によるコストダウンの検討などに貢献してしている。

いきたいと考える。

溶融灰流
動モデル

灰付着
モデル

PDTF
反応性

熱交伝熱
モデル

数値シュミレーション
全体モデル：ガス反応モデル
灰付着モデル他

加圧 TG-DTA
反応性

石炭ガス化
研究炉

IGCC 設計・運転
評価ツール

レーザラマン
炭素構造分析

炉内現象の解明（実験）石炭・灰基礎物性解明

メカニズム解明、モデル化、
影響因子寄与度分析

炭素構造、微細組織
鉱物組成、灰溶融蒸発等

スラッキング装置
灰付着性実験

超高温灰融点測定装置
灰蒸発・凝縮
測定装置

CCSEM
鉱物分析

マセラル
分析装置

図3-1-1 当研究所における石炭ガス化研究の取り組み

電中研レビュー No.44 ● 39

３−２

石炭ガス化炉の特性と炉内現象

石炭ガス化炉には第１章で述べたよう様々な方式があとチャー（未燃炭素と灰分から成る微小粒子）になる。

るが、いずれの方式についても求められる機能は、極論

チャー中の未燃炭素は、さらに CO 2 や H 2O によりガスすれば、石炭を効率良くガス化し、所定の性状のガスを化されるが、完全にはガス化されずに生成ガスとともに得るとともに、石炭中の灰分を安定して系外に排出する

ガス化炉より排出される。この生成ガス中のチャーは、ことである。この機能を満足し、より高効率で信頼性のガス化炉の効率向上のため、回収・リサイクルされるが、高いガス化炉とするためには、炉内で生じている様々な

その量は炭種や運転条件により大きく変化する。従って、現象を解明することが重要である。

ガス化炉の性能予測、ガス化炉反応部の容積やチャーの

本節では、当研究所がこれまでに実施してきた石炭ガ

回収・リサイクル設備の容量の適正化等を行うためには、ス化研究で得られた知見、200 トン/日炉での経験や国ガス化炉から排出されるチャーの量を精度良く見積もる

内外で開発されているガス化炉に関する情報などに基づ必要があり、それを可能にするには、実機に相当する高き、特に重要と考えられる、石炭のガス化反応特性とガ

温・高圧下でのガス化反応特性を解明することが重要とス化炉内での灰の挙動について、その概要を述べる。ななる。

お、次項以降では、（酸素富化）空気吹き二段噴流床方式ガス化炉を念頭に置いて記すが、他方式のガス化炉に

3-2-2

ガス化炉内での灰の挙動（図 3-2-2）

ついても基本的には共通するものと考えられる。
ガス化炉内での灰の流れは基本的には以下の通りであ

石炭のガス化反応特性（図 3-2-1）

3-2-1

る。コンバスタ部に投入された石炭・リサイクルチャー
中灰分は溶融スラグとして壁面に捕捉され系外に排出さガス化炉内に投入された石炭は、熱分解により揮発分れるものと捕捉されずにリダクタ部へ運ばれるもの（キャリーオーバー灰）とに分けられる。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、チャー

生成ガス＋チャー粒子としてガス化炉から排出され、コンバスタ部にリサ
イクルされる。
このような灰の流れの中で、２トン/日炉や 200 トン/

リダクタ
チャー＋CO2→2CO
チャー＋H2O→CO＋H2
CO＋H2O⇔CO2＋H2
石炭→揮発分＋チャー
石炭

圧
力
容
器

リダクタ壁面
への灰付着

搬送ガス
チャー
石炭
空気

溶融スラグ

図3-2-140

溶融スラグの再飛散

コンパスタ
石炭→揮発分＋チャー
揮発分＋O2→CO2＋H2O
チャー＋O2→CO＋CO2

搬送ガス

溶融灰粒子のキャリーオーバー

搬送ガス

溶融スラグの
流動・排出スラグホール

炉内でのガス化反応

熱交換器部へのチャー付着・堆積

ガス精製設備へ

図3-2-2

灰に関する重要な炉内現象

日炉で経験したトラブル、あるいは、国内外のガス化プ差異が生じていると考えられる。さらに、リダクタ内をラントの情報から、解明すべき灰に関する重要な現象と通過する間に性状が変化すると考えられる。従って、こしては、Aコンバスタ部での溶融スラグの流動・排出、

れらリダクタ内に存在する灰粒子の壁面への付着性を評

Bリダクタ壁面への灰付着、Cガス化炉後流の熱交換器価するためには、リダクタ内での灰粒子の性状とその変でのチャー付着・堆積、が考えられる。

化を CCSEM などの高度分析機器を活用して明らかにするとともに、壁面への付着性との定量的な関連付けを行¸

溶融スラグの流動・排出特性

う必要がある。

コンバスタ部では溶融スラグは、壁面に捕捉されコン
バスタ底部のスラグホールから排出される。ガス化炉をº

熱交換器部へのチャー付着・堆積特性

運転する上で、このスラグホールからの溶融スラグの安ガス化炉設備としては、ガス化炉本体の後流側に熱交定排出は必要不可欠なものである。スラグホールからの換器が設置され、熱回収を行う。200 トン/日炉では、溶融スラグの排出性を評価するためには、灰の溶融特性

伝熱管へのチャーの付着・堆積により、時間とともに伝の検討が必要であり、コンバスタ部を模擬した還元雰囲

熱性能が低下するため、除煤装置による伝熱管の清掃を

気下での各種石炭灰の軟化・溶融特性を明らかにするこ

定期的に行っていた。この伝熱性能の低下傾向は、炭種とが重要となる。また、スラグホール形状の影響に関すにより大きく異なっており、チャー量の多い炭種よりもる検討も必要となる。

チャー量の少ない炭種の方が、低下傾向が激しくなるケ

このようなスラグホール周りの現象に加え、200 トン

ースも確認された。このことから、伝熱性能への影響を/日炉では、一旦壁面に捕捉された溶融スラグの一部が、評価するためには、チャー量の違いだけではなく、チャコンバスタ出口部（スロート部）の強い旋回上昇流によーの性状（組成、粒径、安息角などの粉体特性等）が付り飛散し、リダクタ部壁面に付着・成長するという現象

着・堆積特性に及ぼす影響を明らかにする必要がある。

（スラギング現象）が生じ、大きな運転障害となった。
200 トン/日炉では、炉形状に変更を加え、スロート部

前項までに述べたよう、石炭ガス化炉の特性を評価すの流速を低減することにより、この現象は解決された。

るためには、各種現象を解明することが極めて重要であ

しかしながら、溶融スラグ飛散現象に関する定量的検討

る。さらに、実際のガス化炉内では、個々の現象は単独

は十分ではなく、溶融スラグの物性（粘性、表面張力等）に起こるものではなく、互いに影響を及ぼし合っており、を考慮した模擬流体によるコールド試験などから、各種一つの条件が変われば全てに影響を及ぼすため、現象解因子が飛散現象に及ぼす影響を定量的に評価し、発生条明研究で得られた結果を、実機の設計や運転に具体的に件を明らかにする必要がある。

反映していく手法として、数値シミュレーション技術の活用も必要になる。

¹

リダクタ壁面への灰付着特性

石炭ガス化炉内の各種現象の実験的解明とモデル化を

前述の溶融スラグの飛散現象が無くとも、リダクタ内行い、その結果を反映した確度の高い数値シミュレーシに存在する、コンバスタ部からのキャリーオーバー灰あョン技術を開発することにより、スケールアップの影響

るいはリダクタ投入石炭中の灰が壁面に付着し、長時間も含めたガス化炉の最適設計、安定運転条件の検討やト運転の妨げになる可能性がある。灰融点以上の高温雰囲

ラブルシューティング等の運転支援が可能となる。当研

気であるコンバスタ部を通過したキャリーオーバー灰と究所が進めている現象解明研究と数値シミュレーション

リダクタ投入石炭中の灰とでは粒子の温度履歴が大きく技術の開発について、次節以降に述べる。

異なるため、その性状（粒径・形状・含有鉱物質等）に

電中研レビュー No.44 ● 41

３−３

石炭ガス化炉数値シミュ
レーション技術ュレーションに取り込むことにより、さらに確度の高い

3-3-1

数値シミュレーション技術の必要性と位置付け

数値シミュレーション技術を開発することが可能となる。
当研究所では、この技術を応用することにより、炉スケ
ールアップ効果を含む炉設計評価および炭種・運転条件

石炭ガス化炉を設計するためには、炉内現象の予測・評価技術が不可欠である。例えば、ガス化炉の形状・寸変更、トラブルシューティング等の運転支援に向けたツール（図 3-3-1）構築を目指し、研究を進めている。

法を決定するためには、炉内に投入される微粉炭の滞留時間および反応速度を予測し、その反応性を評価する必要がある。また、石炭ガス化炉の運転においても、炉内

3-3-2

石炭ガス化炉数値シミュレーションの概要

現象の予測技術は重要であり、炉内現象を把握すること
により、炭種に応じた適切な運転条件を設定することが可能となる。
炉内現象予測・評価技術のひとつとして、計算機によ

ガス化炉内現象は、流動、伝熱、反応の３つに大別される。それぞれの現象に対し、本数値シミュレーションで採用した主な解析手法と解析モデルを以下に示す。

る数値シミュレーションが挙げられる。数値シミュレー

まず流動であるが、気相は弱圧縮性乱流とし、乱流モションの長所は、実験に比べ条件変更が容易な点にある。

デルには標準的な k -εモデル ºを採用した。粒子輸送は、

例えば、実際の炉において炉形状やバーナ配置等を変更

粒子群の移動を代表粒子によって模擬する Lagrangian

するためには、長い工事期間と多額の費用が必要となる

モデル»によって解いた。気相と粒子の相互作用は粒子が、数値ミュレーションでは、解析格子や入力条件を変に作用する流体力の反作用を気相流動において考慮し、更するだけである。石炭供給量や炭種等の条件変更も、粒子間の衝突は無視した。壁面に衝突した粒子は、粒子

運転条件や石炭分析値に基づいて入力条件を変更するこの温度履歴と液相率から壁面への付着を判定する灰付着とにより、容易に行うことができる。

モデルにより取り扱った。

石炭ガス化炉を対象とした数値シミュレーションでは、

伝熱については、乱流熱拡散を含む対流伝熱、粒子散

ガス流動、粒子輸送、伝熱、化学反応等の様々な炉内現

乱を伴う輻射伝熱および化学反応に伴う反応熱を考慮し象を考慮するため、多くの解析モデルが導入される。解た。輻射伝熱は Discrete Transfer 法¼によって解かれ、析モデルの導入には、目的とする炉内現象の実験に基づ気相および粒子相の輻射物性は、ガス組成分布や粒子濃くモデルパラメータの設定が必要となる。また、数値シ度分布によらず一定とした。粒子温度は、気相と粒子間

ミュレーション結果の妥当性を確認するには、比較のたの対流伝熱および後述のチャーガス化反応に伴う反応熱めの試験データが不可欠である。さらに、数値シミュレのバランスから求められる。

ーション結果から炉内現象を評価するためには、石炭ガス化炉に対する多くの知見が必要とされる。

気相反応は、シフト反応を含む５つの総括反応を考慮した。反応速度は渦消散モデル½による乱流混合速度と当研究所は、２トン/日試験炉および 200 トン/日パイ

化学反応速度¾¿Àから求めている。粒子反応は、熱分解

ロット炉の運転を通じ、多くの知見を取得し、膨大な試反応とチャーガス化反応を考慮した。後者のモデル化に

験データを保有している。また、高温高圧下における微不可欠な高温高圧下のチャーガス化反応速度には、当研

粉炭の反応性¸、石炭中灰分の壁面付着性¹といった個々

究所の PDTF と TG による実験データを用いた梶谷らのの炉内現象解明を目的とする実験装置を開発し、研究を提案する実験式¸を採用した。

行っている。これらの石炭ガス化炉に対する知見や試験以上を取りまとめ、図 3-3-2 に示す。なお、解析手法およ

データをベースに、実験に基づく解析モデルを数値シミ

び解析モデルの詳細については文献Áを参照して頂きたい。

42

入力データ・炉設計データ（炉寸法、バーナ配置）

石炭ガス化炉数値解析用
並列計算機

出力データ
・流速分布
・濃度分布

・温度分布
・粒子軌跡

・石炭分析値（石炭性状、粒径分布）
・石炭反応特性（チャーガス化反応速度）

ガス化性能予測・灰付着特性・炭素転換率・生成ガス発熱量
・生成チャー量 ・冷ガス効率

・運転条件（空気比、石炭供給量）
・etc.
炉設計・運転条件指標
・スケールアップの影響予測

・炭種・運転条件変更時の炉特性変化予測
・炉内現象再現によるトラブルシュウティング・コンパクト化・コストダウンの可能性検討

図3-3-1

炉設計・運転支援ツールの概念図

ガス化炉内現象数値解析技術の概要
流 れ 場：三次元弱圧縮性乱流
解 析 手 法：Finite Volume Method
Hybrid Upwind Differencing Method
SIMPLEC Algorithm
乱流モデル：k-ε２方程式モデル
固気二相流：Eulerian-Lagrangian Method
輻 射 伝 熱：Discrete Transfer Method
熱分解反応：CmHnOl →（CH4、H2、CO、CO2、H2O）
気 相 反 応：CH4 ＋ 1/2O2 → CO＋2H2
H2 ＋ 1/2O2 → H2O
CO ＋ 1/2O2 → CO2
CH4 ＋ H2O →← CO ＋ 3H2
CO ＋ H2O →← CO2 ＋ H2γチャーガス化反応：C ＋（1−―）O
2 →γCO ＋（1−γ）CO2
2
C ＋ H2O → CO ＋ H2
C ＋ CO2 → 2CO
解析格子：Multi Block、Body Fitted Coordinates

図3-3-2

炉内現象モデル様な傾向を示しており、良い一致を示している。図 3-3-

3-3-3

数値シミュレーション結果の例

5 に炉中心軸を含む縦断面におけるガス温度分布および
H 2、CO、CO 2、H 2O の質量濃度分布を示す。リダクタ

数値シミュレーションによって明らかとなった炉内現象の例を以下に紹介する。

バーナの後流でガス温度が低下し、CO2 と H2O が消費さ
れ H2 と CO の濃度が上昇しているのが分かる。これは熱最初に示すのは、２トン/日炉に対する数値シミュレ

分解反応を終えた微粉炭粒子（チャー粒子）のガス化反ーション結果Áである。参考のため、図 3-3-3 に２トン/

応（吸熱反応）によるものと考えられる。図 3-3-6 と図

日炉の解析格子を示す。図 3-3-4 は、炉中心軸上のガス

3-3-7 は、炉内空気比（注１）をパラメータとした場合の炉温度分布である。数値シミュレーション結果は実験値に比べ多少低めの温度分布となっているが、両者はほぼ同（注１）：ガス化炉投入空気量/石炭およびチャーの理論燃焼空気量

電中研レビュー No.44 ● 43

2000

0.015

500
ガス温度 K

図3-3-3

0.00
CO2濃度

90
λ0=0.469｝
λ0=0.495｝
λ0=0.525
｝

1500

1000

炉内炭素転換率 ηp ％

解析結果
実験結果
解析結果
実験結果
解析結果
実験結果

80
70
60
国内A炭（解析結果）
国内A炭（実験結果）
豪州B炭（解析結果）
豪州B炭（実験結果）

50
40

0.0

図3-3-41.0
2.0
ガス化炉高さ

0.00
H2O濃度

100

RB

2000

500

0.05

ガス化炉内ガス組成分布（質量分率）

2500
中心軸上ガス温度Tg K

0.20

0.00
CO濃度

図3-3-5

CB：コンバスタバーナ
RB：リダクタバーナ
CB

0.000
H2濃度

解析格子

0.35

3.0
Hm

4.0

5.0

ガス化炉中心軸上ガス温度分布

内炭素転換率（注２）と生成チャー量を示したものである。

30
0.3

0.4
炉内空気比 λp

図3-3-60.5

0.6

炉内炭素転換率

次に、200 トン/日クラスの石炭ガス化炉において、炉内炭素転換率は、炉内空気比の増加に伴い高くなるこ

炉形状およびバーナ配置変更を行った場合の数値シミュとが、実験から明らかにされている。数値シミュレーシ

レーション結果Âを示す。図 3-3-8 は、炉中心軸を含む

ョンは、その定性的な傾向を良く再現していることが分

縦断面の流速分布を比較したものである。炉形状およびかる。また、数値シミュレーションは、国内Ａ炭に比べバーナ配置の変更により、スロート部の中心に弱い下降

豪州Ｂ炭の方が低い炉内炭素転換率を示す実験結果の傾流が発生している。図 3-3-9 は、炉壁面の剪断応力（垂向も再現している。同様に、生成チャー量についても、

直成分）を比較したものである。剪断応力は壁面を流下

炉内空気比に対する傾向および炭種による傾向の違いが、する溶融スラグを飛散させる原因のひとつと考えられる。

数値シミュレーションにより良く捉えられている。

炉形状およびバーナ配置の変更により、溶融スラグの飛散が懸念されるスロート部壁面での剪断応力は、約 1/4（注２）：生成ガス中炭素量/石炭およびチャー中炭素量44に低減されているのがわかる。

0.0
壁面せん断応力 Pa

60
kg/h

コンバスタ
バーナ

国内A炭（解析結果）
国内A炭（実験結果）
豪州B炭（解析結果）
豪州B炭（実験結果）

70

生成チャー量炉形状変更前（スロート径小）

4.0

80

50
40
30
20

リダクタバーナ
コンバスタ スロート

リダクタ

−4.0
炉形状変更後（スロート径大）4.0 コンバスタ
バーナ
0.0

10

リダクタバーナ
00.30.4
炉内空気比 λp0.5

0.6

コンバスタ スロート
0.0

図3-3-72.0
4.0
コンバスタ底面からの無次元距離

生成チャー量

図3-3-9

リダクタバータ

6.0

壁面せん断応力分布

リダクタバータ

下降流
なし

下降流
あり

D2

D2

チャーバーナD1

コールバーナ

リダクタ

−4.0

D1

D2/D1＝0.4

図3-3-8

D2/D1＝0.8

チャーバーナコールバーナ

流速ベクトル分布

良等により、数値シミュレーションの予測精度が向上す

3-3-4 ま と め

れば、定量的な炉内現象の予測も可能と思われる。
今後は、平成 15 年度に設置予定の石炭ガス化研究炉

本数値シミュレーション技術を活用することにより、を活用し、数値シミュレーションの予測精度向上に向け様々な条件での炉内現象を定性的に比較することが可能

た解析モデルの改良を行う。さらに、石炭ガス化炉の長となる。現状において、炉内現象の定量的な予測は難し

期連続運転において、非常に重要な課題である溶融スラいと思われるが、定性的な傾向を把握することにより、グの炉外への安定排出に関し、数値シミュレーションに

石炭ガス化炉の設計支援、運転条件の最適化、トラブル

より、相変化を伴う溶融スラグの流動伝熱現象を予測し、発生時の原因解明が期待される。また、解析モデルの改溶融スラグ排出性やスラグホール形状の検討を行う。

電中研レビュー No.44 ● 45

３−４

石炭ガス化反応特性の解明
発分や一部のチャーは燃焼し、その燃焼熱を使ってチャ

3-4-1 石炭ガス化炉内における反応の概要

ーのガス化反応が起こる。チャーとは石炭が熱分解されて残った固定炭素分と灰分から成る固体である。チャー

石炭の反応性は炭種により大きく異なるため、ガス化

は酸素や二酸化炭素、水蒸気によってガス化され、これ炉の設計や運転条件の決定、性能予測や性能評価には石らのガスをガス化剤と呼ぶ。なお、空気吹き二段噴流床

炭の反応性に関する知見が必要不可欠である。例えば、ガス化炉内の各部での反応は図 3-2-1 で示した通りであ

空気吹き二段噴流床ガス化炉では、多くの未燃炭素（チる。チャーのガス化は燃焼よりも著しく反応速度が遅く、ャー）が炉出口から排出されるのでそのチャーをリサイ

また、炭種などによって反応性が大きく異なるため、ガクルする。そこで、チャー生成量を正確に予測すること

ス化炉の設計にはチャーのガス化反応速度が必要である。

がチャー系容量の最適設計につながり、また、負荷や空しかし、噴流床ガス化炉の場合では、流動層ガス化炉な気比などの運転条件や炭種を変更したときの生成チャー

どとは異なり炉内が高温になるため、ガス化反応は迅速量の変化を予測することがガス化炉の安定運転のためにに進むがガス化剤の拡散の影響が大きくなり、これまで必要である。

に豊富に行われている低温で大気圧下でのガス化反応性

噴流床ガス化炉内での主要な反応を表 3-4-1 にまとめの研究結果をそのまま使うことができない。噴流床ガスる。高温の炉内に投入された石炭は急速熱分解され、揮化炉はガスタービンと組み合わせるために炉内圧力が

表3-4-1

石炭急速熱分解

石炭ガス化炉内で起こる主な反応

揮発分の燃焼チャーの燃焼チャー

石炭

石炭熱分解反応
石炭→揮発成分＋チャー

気相平衡反応チャーガス化反応

灰

石炭を加熱するとガスやタール分が放出される。高温炉内での急速熱分解は数百ミリ秒で完了する迅速な反応である。

燃焼反応
揮発成分＋aO2→b CO2＋c H2O
C＋O2→CO2
2C＋O2→2CO（O2ガス化）

ガス化炉では理論量よりも少ない空気や酸素が投入される。燃焼反応で生じた熱と二酸化炭素や水蒸気がチャーのガス化反応に使われる。

2CO＋O2→2CO2
チャーガス化反応

チャーガス化反応は吸熱反応なので、ガス化の進行とともに炉内温度は低下する。空気吹き２

C＋CO2→2CO（O2ガス化）段噴流床炉ではコンバスタ出口の高温の燃焼ガスにリダクタ石炭が投入されるため、リダクタでC＋H2O→H2＋CO（水性ガス化）の急速熱分解とCO2ガス化が支配的となる。また、スラリーフィード炉などでは水性ガス化の効C＋2H2→CH4（水素化反応）

果が大きくなる。

気相反応→CO2＋H2（シフト反応）
CO＋H2O←
CH4＋H2O←→CO＋3H2（メタン改質）

46

高温炉内では迅速にシフト平衡へ達する。高温ほど一酸化炭素は増加し、メタンは減少する。

2.5 〜 3MPa 程度で運転され、炉内温度は 1800 ℃程度ま高温高圧下での実験が可能である。また、炉底から挿入で達することがある。そこで、当研究所では 1800 ℃、したサンプリングプローブを上下にトラバースすること

2.5MPa（25 気圧）までの実験が可能な世界的にもトッ

によって滞留時間を制御し、炉内の流動はプラグフロー

プクラスの仕様をもつ超高温・加圧型燃料反応実験設備と仮定して解析を容易にした。実験にあたっては、まず、（PDTF）を開発し、これまでにデータがほとんどない

常圧型 DTF（ADTF）を用いて窒素ガス中で微粉炭を高温高圧下での石炭ガス化反応性の研究を行っている。

熱分解してチャーを調整し、次に、PDTF を用いて窒素希釈したガス化剤中に再びチャーを投入してガス化実験

3-4-2

石炭の反応実験を行い、サンプリングプローブによって反応凍結して捕集したガスやチャーの組成分析や性状分析から反応解析

石炭の反応解析には熱天秤（TG）が一般によく用いを行った。

られている。TG は天秤の試料皿の部分に電気炉を備え、試料を加熱しながら重量変化を測る装置である。容易で3-4-3

ガス化反応速度解析

かつ高精度な測定が可能だが、高温ガス化のような速度の速い反応実験には適さない。一方、DTF（Drop

チャーのガス化は気固反応なので、反応の進行ととも

Tube Furnace）は縦型の管状電気炉で、炉頂から固体にチャー粒子の反応界面が変化して反応速度が変わるた

試料を落とし、炉内で反応した生成ガスや固体を分析しめ、粒子の反応をモデル化する必要がある。基本的なモて反応解析を行う装置である。石炭やチャーがガス中にデルとして、図 3-4-2 _の容積モデル、グレインモデル、分散される気流層反応炉なので、実炉と同等な反応場で細孔モデルなどが広く用いられている。容積モデルは、の高温実験が可能である。図 3-4-1 に示す当研究所の粒子内で均一に反応が起こるとしたもので、グレインモ

PDTF は加圧型の DTF で、実機のガス化炉に相当する

デルは一つの粒子はさらに小さい球形微粒子（グレイン）

種々の燃料
の供給

ADTF ADTF

反応ゾーン
0〜1200mm

電気ヒータ

PDTF
PDTF

広範囲な実験条件●温度：Max. 1800 ℃●圧力：Max. 2.5 MPa●各種反応ガス
サンプリングブローブ●任意の反応時間

反応過程の生成ガス・粒子の捕集と性状解析

図3-4-1

超高温・加圧型燃料反応実験設備（PDTF）の概要

電中研レビュー No.44 ● 47

灰分層

ガス境膜

容積モデル
外部
拡散律速

グレインモデル

CAb
CAs
CAm

粒子内
拡散律速

反応律速

log（反応速度）

ガス化剤濃度

反応領域

細孔モデル

r0

高温

0

半径位置

_

粒子反応モデル

図3-4-2`

1／T（粒子温度）

高温における反応速度の変化

石炭（チャー）の反応の概念図の集合体と考え、ぞれぞれのグレインの表面で反応が起タ示す ¸Ä。ガス化反応は全圧よりもガス化剤分圧の影こるとする。細孔モデルでは粒子内部には多くの細孔が響が強いことが分かり、その圧力影響（反応次数 n）や存在し、細孔の内表面で反応が起こるとするÃ。これら

温度の影響（活性化エネルギー E）などを明らかにした。

を検討したところ、チャーのガス化反応には細孔モデル

なお、図 3-4-3 _のように酸素による燃焼・ガス化は迅が適しており、細孔モデルに使われる細孔構造係数によ速な反応であるので、反応速度の遅い二酸化炭素と水蒸って様々な炭種の構造の違いを表現することが可能であ気によるガス化が律速となり、ガス化炉設計には酸素よる ¸Ä。しかし、反応速度の変化と比表面積の変化が必

りも二酸化炭素や水蒸気によるガス化反応速度が重要でずしも一致せず、また、細孔構造係数を物理的な分析かある。以上の速度解析の結果、二酸化炭素と水蒸気につら求めることができないため、細孔モデルにも改良の余

いて同じ温度、ガス化剤分圧において比較すると、水蒸地があると考えらえる。

気によるガス化反応速度は二酸化炭素よりも５倍以上早高温炉内での反応は、上記モデルによる活性点での化いことが分かった。また、炭種による反応性を比較する

学反応だけでなく、ガス化剤の拡散速度が影響を与えると、炭種によりチャーのガス化反応速度が 10 倍近く違ようになる。図 3-4-2 `のように、高温になると化学反

うこと、高温において拡散律速領域へ遷りやすいものと応速度は加速するが、チャー粒子の中をガス化剤が拡散遷りにくいもののあることが分かった。反応律速領域でする速度が化学反応速度と同程度かむしろ遅くなるため、

E や n の値に対して、粒子内拡散律速領域では見かけの化学反応速度が粒子の反応速度を決める領域から粒子内活性化エネルギーが約 E/2、見かけの反応次数が（1+n）

拡散速度が律速となる領域に遷り、反応速度の温度依存/2 となることが解析的に示されており、本結果はほぼ性が小さくなる。さらなる高温では、粒子の周囲（バルこれに従っている。前節で述べたように、炉内数値解析

ク）から粒子外表面へのガス化剤の供給が最も遅い外部において本反応速度データをそのまま導入することで精拡散律速と呼ばれる領域になり、反応速度の温度依存性

度のよい計算結果を得ることができた。

がほとんどなくなる。
PDTF と TG によるチャーのガス化実験結果を解析し、

3-4-4ガス化反応性に及ぼす影響因子

低温から高温までの反応速度を求めた。図 3-4-3 _には
各ガス化剤に対するガス化反応速度を、図 3-4-3 `には

上述のようにチャーの反応速度は炭種により大きく異二酸化炭素ガス化反応速度の炭種による違いを、表 3-なる。このようにチャーの反応性に影響を与える主な因

4-2 には細孔モデルに基づく反応速度式と速度パラメー子として、炭素構造、細孔構造、ミネラル成分の触媒効481600℃

102

1200℃

1000℃

800℃

600℃
A炭チャーのガス化

101dx/dt｜x＝0/PAn（s−1）

400℃

PDTF 0.5MPa
H2Oガス化100

TG 0.1MPa

10−1
10−2
CO2ガス化
10−3

O2ガス化

10−4
10−5

5

6

7

_
1600℃

102

8

9
10
11
1/T（K−1×10−4）

13

14

15

各種ガス化剤による反応速度の違い

1400℃

1200℃

1000℃

800℃

石炭チャーの二酸化炭素ガス化

101dx/dt｜x＝0/PAn（s−1）

12

PDTF 0.5MPa
CO2分圧PA＝0.2MPa
TG 0.1MPa
CO2分圧PA＝0.1MPa

100
10−1
粒子内拡散律速10−2

反応律速A炭チャー（高温時n＝0.73）（低温時n＝0.54）
B炭チャー（n＝0.49）

10−3
10−4

C炭チャー（n＝0.44）

10−5
5

6

7

8

9

10

1/T（K−1×10−4）`

図3-4-3炭種による反応速度の違い

チャーの初期ガス化反応速度のアレニウスプロット

表3-4-2

チャーのガス化反応速度式

細孔モデルに基づく反応速度式

x：反応率［−］Edx−＝A 0・PAn・e RT ・（1−x）・√１−Ψ・ln（1−x）
dt

炭

種

気体定数 R＝8.314×10−3kJ/mol K
A 炭チャー

ガス化剤

CO2

H2 O

高温
（1200℃以上）
粒子内拡散律速領域

低温（1200℃以下）
反応律速領域

高温

細孔構造係数 Ψ33反応次数 n

0.73

0.54

適用範囲

活性化エネルギー E
頻度因子 A0t：時間［s］

PA：ガス化剤分圧［MPa］、T：温度［K］

O2

B 炭チャー

C 炭チャー

CO2

CO2

低温

高温〜低温

高温〜低温

反応律速領域

反応律速領域

反応律速領域

3

14

0.1

3

0.86

0.68

0.49

0.44

163 kJ/mol

283 kJ/mol

214 kJ/mol

130 kJ/mol

261 kJ/mol

4

9

7

6

9

6.78×10

1.09×102.45×10

1.36×10

1.23×10266 kJ/mol
2.64×108

供試チャーは常圧DTFにより窒素気流中1400℃で微粉炭で急速熱分解して調整した。
平均粒径はA炭チャーが43μm、B炭チャーが44μm、C炭チャーが20μmであった。

電中研レビュー No.44 ● 49

果などが考えられる。まず、炭素構造に関してはチャー

度は高温での粒子内拡散律速領域の現れ方に影響するとの熱履歴との関係が深いÅ。図 3-4-4 _のように、微粉思われる。図 3-4-3（b）の A 炭チャーは C 炭チャーより

炭を異なる温度で熱分解して生成したチャーに対して、も複雑な細孔構造をもつことが分かっている。また、粒二酸化炭素によるガス化反応速度を同一条件で測定した子内拡散は粒径の影響も受けると考えられる。

ところ、高温で熱分解されたチャーほど反応性が悪く、さらに、触媒効果をもつミネラル成分としてはイオン

また、PDTF により急速加熱されたチャーよりも低速加交換性のカルシウムとナトリウムがよく知られている。

熱で調整したチャーほど反応性が悪かった。この原因は、

図 3-4-3 `の B 炭にはカルシウムの含有量が多く、その図 3-4-4 `に示すように炭素の結晶構造の成長度合（黒触媒効果が現れていると考えられる。
以上のような因子がガス化反応へ影響をおよぼすこと

鉛化度）に起因することがわかった。つまり、黒鉛化のが分かったが、未だその定量的な把握がなされていない。

進んだチャーほどガス化しにくい。
また、チャー粒子表面には、顕微鏡では見ることのでそこで、われわれはそれぞれの因子ごとに定量的に検討きないマイクロ孔（孔径２ nm 以下）と呼ばれる微小なし、高温高圧下での反応速度を予測する手法を確立して細孔構造がよく発達している。この細孔構造の発達の程

ゆきたい。

d
d

Lc

大

黒鉛化度

小

0.002
0.002

熱天秤によるチャーのCO2ガス化速度0.001
ガス化条件：1100℃、常圧
チャー生成条件
PDTF生成チャー（0.15〜2.5MPa）
TG生成チャー
0
1000

1400

_

熱分解温度とチャーの反応性

図3-4-40.001

ガス化条件：1100℃、常圧
チャー生成条件
PDFT生成チャー（1400〜1700℃、0.15〜2.5MPa）
TG生成チャー
（1100〜1400℃、常圧〜0.6MPa）（常圧〜0.9MPa）

チャー生成温度（℃）

50

ガス化初期反応速度dX/dt（s−1）

ガス化初期反応速度dX/dt（s−1）

熱天秤によるチャーのCO2ガス化速度

1800

0
0.2

0.4

0.6

ラマンスペクトルV/G（ー）`炭素構造と反応性の相関

石炭の熱分解温度および炭素構造がチャーのガス化反応性へ及ぼす影響

0.8

Lc

３−５

石炭ガス化炉における灰生成・付着挙動の解明
解明およびモデル化を行い、それらとガス化炉内数値解

3-5-1

ガス化炉内灰付着・成長現象

析コードを組み合わせた灰付着性予測ツールの開発を進めている。図 3-5-2 にガス化炉内灰付着性予測ツールのガス化炉を運転する上で特に問題となるのは、チャーフローを示す。本ツールでは、まず、CCSEM

および灰粒子がガス化炉内壁や熱交換器に付着・堆積す（Computer Controlled SEM）により微粉炭中鉱物の分析ることによる諸障害である。これらは、伝熱阻害を引きを行い、この結果からチャー生成モデルを用いて、チャ起こすばかりでなく、運転継続をも困難に至らしめるこー中鉱物の粒径、組成および含有形態（可燃成分に内包Æとがある 。微粉炭ボイラ内の灰挙動については国内外された Included mineral か反応に伴い可燃成分の外部にで多くの研究例があるが、ガス化炉内については未解明放出された Excluded mineral かの区別、図 3-5-1）を予測な点が多く、灰付着性評価手法が十分確立されているとする。次にこれら生成粒子性状を初期条件として数値解は言い難い。ガス化炉内の灰付着・成長現象は、図 3-5-

析を実施し、粒子の壁面衝突時に灰付着モデルにて付着/

1 に示すような３つの現象に分類できる。炉内に投入さ反発を判別し、炉内位置毎の付着量を求める。さらに、れた石炭中鉱物質（石炭から独立に存在する鉱物質も含焼結モデルにて付着層の構造、有効熱伝導率を予測するむ）は、まず、熱分解および燃焼・ガス化反応の進行過程で、石炭から放出され、溶融・未溶融鉱物粒子、未反応炭素が生成される（灰生成現象）。次にこれら粒子は、ガス流れによる慣性力あるいは熱泳動力によりリダクタ
壁面へ衝突し、付着あるいは反発する（灰付着現象）。さらに付着粒子同士が時間の経過とともに焼結し、構造が緻密化する（灰焼結現象）。当研究所では、各基礎特性の

反発粒子

付着層成長
衝突

チャー
溶融鉱物

微粉炭中の鉱物分析（CCSEM）
・粒径分布
・鉱物組成
・含有形態
（Included/Excluded）

未溶融鉱物

粒子間の焼結緻密化

チャー生成モデル・鉱物粒径分布
・鉱物組成
・含有形態

灰中液相率の推算（平衡計算、DTAデータ）③灰焼結現象②灰付着現象INPUT
・石炭性状・ガス化炉運転条件（空気比、給炭量比等）

ガス化炉内現象予測
基本数値解析コード
・炉内ガス温度分布・粒子温度・粒子衝突位置

衝突

反発

灰付着モデル
液相率による
灰付着判別
付着

再凝縮粒子
アルカリ等の蒸発
Na K
S

灰焼結モデル
・構造強度
・有効熱伝導率

未反応炭素
燃焼・ガス化反応①灰生成現象OUTPUT◎灰付着位置◎灰付着量
・付着層構造・付着層有効熱伝導率

揮発分放出

石炭
内部鉱物質
（Included Mineral）

図3-5-1

外部鉱物質（Excluded Mineral）

石炭ガス化炉内灰挙動

図3-5-2

灰付着性予測ツールのフロー図

電中研レビュー No.44 ● 51

ものである。本節では、これらの内、CCSEM を用いた

Si

灰生成現象解明に向けた研究と灰付着モデルならびにそれをガス化炉内数値解析コードに導入した灰付着解析結果について紹介する。

3-5-2
¸

試料中の灰平均組織（推定融点1500℃以上）

ガス化生成灰特性の予測Ç

リダクタ部で生成する灰の特性把握
前述したように石炭ガス化炉では、リダクタ壁面へのCa灰の付着やガス化炉後流へのチャー（灰を含む）の堆積¸

Al

従来の分析法による三相面が問題となる。コンバスタ生成灰の大半は壁面で捕集さSiれスラグとして排出されるため、リダクタから後流における灰の付着、堆積特性を評価するには、リダクタ生成

融点1200℃以下の低融点鉱物粒子

灰の諸特性（特に溶融状況）に対する炭種や運転条件の寄与度を把握する必要がある。しかし、リダクタ生成灰の特性を検討した例はなく、ガス化炉捕集サンプルの詳細な分析が求められている。

¹

石炭灰の特性を正確に予測するために石炭灰の炉内への付着特性は、従来も微粉炭ボイラの

Ca

Al

¹

伝熱性能確保等のために検討されており、種々の付着特

CCSEM による三相面性指標が提案されてきた。しかし、実炉における灰の付
融点1200℃以下の低融点鉱物粒子着性と必ずしも一致した傾向になく、高い信頼性を持っ30た指標でないことが指摘されている ÈÉ。これは従来の該当粒子数（−）

指標が灰分の平均組成から算出されるためと考えられる。
もともと石炭は、植物が長時間かけて炭化した、いわば植物の化石であり、灰分は付近の土砂の混入などに起因する鉱物粒子である。従って、産炭地の土質の影響を強

20

Al
10

く受け、生成灰の特性も炭種によって大きく異なる。

Si

様々な鉱物粒子の混合体の特性を、平均組成だけから評0価しようとしても限界があり、鉱物的観点からの解析がCa有効である。付着特性を例に取ると、平均的な融点の高º

CCSEM で作成できる立体三相図

低よりも、リダクタ部の温度域で溶融する低融点鉱物の
図3-5-3粒子量の方が指標として適するものと考えられる。

CCSEM 分析と従来法の比較

CCSEM は、走査電子顕微鏡をベースとした自動分析装置で、数千点の灰粒子を１つ１つ分析し、その粒径、組成１点のデータしかえられなかった従来の分析（図 3-

形状(溶融状況)、鉱物組成(融点)、含有形態（図 3-5-1、5-3 ¸）と比べ、低融点の鉱物粒子がどの程度含まれてIncluded Mineral か Excluded Mineral か）等のデータをいるかを詳細に把握できることがわかる（図 3-5-3 ¹、º）。

収集し、統計的解析によりサンプル中の灰の特徴を評価することができる。図 3-5-3 は灰の溶融性などの検討に用いられる三相図であるが、CCSEM を用いれば、平均52º

CCSEM による解析事例
図 3-5-4 は、粒子の軌跡などに影響する生成灰粒径のなかった FS は、チャー中には 2.2 〜 10 μｍ程度の比較

ふるい下（wt％）

100

的小さな粒子として検出された。このことから、チャー80

中灰粒子微細化の一因は、石炭中の鉱物粒子が他の鉱物

60と接触、反応して溶融することによる微細なシリケート

40
微粉炭
チャー
（空気比0.50）
チャー（空気比0.55）

20
0

1−2.2

2.2−4.6 4.6−10

10−22

22−46

46−100粒径（μm）

全灰粒子中FE比率（wt％）

当研究所 PDTF チャーの XRD 解析結果などから、
Excluded Mineral は高温ガスに直接さらされるが、可燃成分（炭素分）に内包された Included Mineral は、吸¸ 微粉炭、チャー中の鉱物粒子の粒径

熱反応が支配的なガス化反応場では高温ガスの熱的影響

5
ワークワースが比較的小さくなると考えられる。従って低融点鉱物で

4
微粉炭
チャー
（空気比0.50）
チャー（空気比0.55）

3
2

も Included Mineral の形態であれば高温下でも溶融しない可能性があり、灰の含有形態を把握することは、灰付

1着特性を評価する上で重要といえる。当研究所は

0
1−2.2

2.2−4.6 4.6−10

10−22

22−46

46−100CCSEM により、空気比が高いほどガス化炉出口における全灰粒子中の Excluded 率（wt ％）が増大することを粒径（μm）¹
全灰粒子中FS比率（wt％）

粒子の形成であると考えられる。

FE鉱物の粒径別含有量明らかとした（図 3-5-5）。

5
ワークワース
4
微粉炭
チャー（空気比0.50）
チャー（空気比0.55）

32

また、CCSEM では粒子の形状認識も可能である。前述したチャーサンプル中に含まれる Excluded 粒子の一部は球状となっており、これはコンバスタで高温に曝され溶融し、リダクタへキャリオーバしたものと推察され

1

る。CCSEM 分析結果とチャー生成量・性状から求めた、

0
1−2.2

2.2−4.6 4.6−10

10−22

22−46

46−100粒径（μm）º

図3-5-4

FS鉱物の粒径別含有量

微粉炭、チャー中の鉱物粒径分布

ガス化炉出口における球状 Excluded 粒子量は、炉内温度が高くキャリオーバ灰量が増える高空気比条件ほど増大することがわかった（図 3-5-6）。このような溶融粒
子は高い付着性を持つと考えられ、上記の情報はガス化
炉内の灰付着モデルを検討する上で極めて有効である。

変化を考察した例である。図 3-5-4 ¸はガス化炉出口捕今後は、炭種や運転条件を様々に変化させたデータを集チャーとリダクタ投入微粉炭中の灰粒子の粒径分布を蓄積し、ガス化によって生成する灰粒子の特性を予測す比較したもので、ガス化反応により灰粒子の粒径が微細化すること、空気比の影響はあまり大きくないことがわ
80

次に灰粒径が微細化した原因について、鉱物的観点から考察した。CCSEM 分析では、一般に石炭中の鉱物質を三十数種の鉱物に分類するが、このうち Pyrite（黄鉄鉱 FeS2）などもともと石炭中に含まれる鉄系鉱物（FE）と、これら鉄系鉱物が高温雰囲気下で反応して生成すると考えられる鉄シリケート系鉱物（FS）に注目し、その粒径分布を整理した（図 3-5-4 ¹､º）。
その結果、微粉炭中の FE は 10 〜 46 μｍ程度の比較

全灰粒子中Excluded率（wt％）

かる。

60

40
モーラ
太平洋
神木
イリノイ＃5
ワークワース

20

0
0.4

0.5

0.6

空気比（−）

的大きな粒子であったが、、チャー中にはほとんどみられなかった。一方、反応前の微粉炭にはほとんどみられ

図3-5-5空気比と全灰粒子中Excluded率の関係

電中研レビュー No.44 ● 53

1500 ℃（1773K）以上の高温であるが、リダクタ部に投入

球状Excluded粒子量（kg/h）

7された石炭の熱分解・ガス化反応により、急速に低下し、

6

ガス化炉出口では約 1000 ℃（1273K）程度となる。この
5

ため、ガス化炉内には、明確に温度履歴が異なる、多様4

な溶融状態の灰粒子が存在する。従来、灰付着性評価に
モーラ

3
2

太平洋

は、灰融点や塩基度などから推測する手法がとられてい神木るが、これらの断片的な情報では、急激に変化し、かつイリノイ
1

連続した温度分布を持つガス化炉内全域への灰付着性評

ワークワース

価は困難である。また、粘性による推算も提案されてい

0
0.4

0.5
空気比（−）

0.6

るがÌ〜Î、ガス化炉のリダクタ領域は灰粘性の測定が困難
な灰軟化点以下であるため適用できない。本研究では、

図3-5-6

空気比と球状Excluded粒子量の関係

温度変化に伴う灰溶融性変化に着目し、灰軟化点以下の領域を対象に灰付着性と灰溶融性の相関について調べ、るモデルの構築を目指す。

炭種間で生じる付着性の相違について検討を行った。

3-5-3

¹

灰付着判別モデル

灰溶融性指標灰の溶融開始から流動までの連続した溶融状態変化を¸

研究のアプローチ

定量的に示す指標として、灰中に生成した溶融相の割合、

２トン/日炉および 200 トン/日炉での経験から、炉内のすなわち灰中液相率を算出した。算出手法としては、平灰付着状況は、運転条件や炭種により様々に変化するこ

衡計算、示差走査熱量分析（DSC）、画像解析などによとがわかっているÊË。すなわち、灰付着現象には、灰のる試みもあるが、当研究所では、比較的簡便であること

溶融特性と炉内の温度場および流れ場が強く影響を及ぼから、超高温示差熱分析（DTA）Ï より算出する手法をすと言える。図 3-5-7 にガス化炉内の温度分布を示す。炉採用した。図 3-5-8 に示差熱分析結果の一例を示す。こ内ガス温度は、コンバスタ部では灰を溶融排出するための手法は、DTA 曲線で囲まれた全吸熱量と各温度毎の２
２段噴流床炉内ガス温度分布

生成ガス＋チャー

サイクロン

リダクタ部
軟化点温度以下領域

リダクタ

圧
力
容
器

コンバスタ〜リダクタ
軟化点〜流動点領域（遷移領域）

石炭
搬送ガス
チャー
石炭
搬送ガス

搬送ガス

コンバスタ部
流動点領域

空気

溶融スラグ

1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900
ガス温度（Ｋ）

図3-5-754

二段噴流床ガス化炉内温度分布例

溶融開始温度

溶融終了温度

ガス供給装置

TJ炭例

全吸熱量

ガス制御
装置

粉体供給
装置

アルミナ管

示差熱曲線

−20

コンプレッサー電気ヒーター

−40

１段
N2

−60

示差熱曲線と溶融終了温度で囲まれる面積
を灰の融解に要した全吸熱量（融解潜熱）と見なし、各温度毎の吸熱面積比から灰中の液相割合を算出した

−80

−100
1000

1200

1400

２段

CO2

1600

1800

高速ビデオカメラ

2000

1000mmDTAヒートフロー、 μV

0

３段
灰付着プ
ローブ

温度、 K

冷却媒体

図3-5-8 示差熱分析結果の一例（TJ炭）
４段

φ50mm

吸熱量の比から算出するものである。灰溶融性の異なる
国内 TJ 炭、豪州 MC 炭など５炭種の灰中液相率を図 3-

排気5-9 に示す。図からも明らかなように、灰中液相率は、

図3-5-10

軟化点温度以下から急激に増加し、その傾きは炭種によ

灰付着特性基礎試験装置

り大きく異なる。
各温度条件において、テストプローブ上に付着した灰量
º

灰付着実験

と衝突した灰量の比から付着率を算出し、前述の DTA

灰付着実験には、図 3-5-10 に示す粉体落下型電気炉より算出した灰中液相率との相関をとると、図 3-5-11を使用した。電気炉内には直径 50mm、長さ１ m のアの通り、良い相関が見られ、炭種によらず灰中液相率かルミナ管を設置し、管上部より約 650mm の位置にガスら灰付着性を推定可能であることがわかったÐ。

化炉内壁を模擬した灰付着テストプローブを挿入した。
本プローブは、SUS304 製円盤の上に、２トン/日炉リ»

灰付着判別モデルの構築

ダクタ壁と同材質の耐火材を施工し、付着面を水平面に以上の結果から、灰中液相率を基に灰付着率を判断す

対して約 60 度の角度（安息角）に傾けて設置した。ア

る基本概念（図 3-5-12）をたて、灰付着判別モデルを

ルミナ管内のガス温度を 1473K 〜 1873K 間で 100K 毎に構築した。図 3-5-13 に石炭ガス化シミュレーションに変えて灰の溶融状態を変化させ、表面温度を 873K のテ組み込むための付着判別アルゴリズムを示す。コンバス

ストプローブに衝突させて４炭種の灰の付着性を調べた。

SB

ULTJ MCNL

灰中液相率φL；wt％

80

灰付着率 f dep；wt％

100

100
：IDT

TJ
MC
NL
SB
UL

60

40

60
40

灰付着率 f dep；27％
20
0

20

灰付着特性基礎試験装置にて計測した4炭種の灰付着率と灰中液相率との相関曲線

TJ
MC
NL
UL

80

灰中液相率φL＝55％
の場合
0

20

40

60

80

100

灰中液相率φL；wt％
0
1200

1300

1400

1500

1600
1700
温度T、K

1800

図3-5-9 灰中液相率の比較

1900

2000

灰付着率 f dep（wt ％）＝

付着灰量
衝突灰量

m dep（kg）
×100
m dep（kg）

図3-5-11 灰付着率と灰中液相率の関係

電中研レビュー No.44 ● 55

炉壁

炉内壁に衝突した灰粒子の内、付着する確率（灰付着率；wt％）
は最高履歴温度T Pmaxで液相となった粒子の割合（灰中液相率；wt％）と相関

粒子が壁面に衝突

付着粒子

YES

コンバスタ壁面？
反発粒子
溶融粒子
未溶融粒子

衝突

粒子最高履歴温度TPmax
粒子最高履歴温度TPmax
から付着率fdepを計算から付着率fを計算

最高履歴温度TPmaxの灰粒子群

図3-5-12

灰付着判別の基本概念

一様乱数Ｒを発生

タ壁は、溶融スラグが流下しているため、衝突した灰粒

YES

Ｒ≦f
dep
Ｒ≦f

子は 100%付着するとした。リダクタ壁に衝突した灰粒子は、最大履歴温度に基づく灰中液相率に従い灰付着率が算出され、付着判別される。

3-5-4

粒子追跡を継続

灰付着数値解析

図3-5-13

粒子付着

灰付着判別アルゴリズム

構築した灰付着判別アルゴリズムを当研究所で開発しの２条件について解析を行い、運転条件が灰付着性に及た石炭ガス化炉数値解析コード Áに導入し、２トン/日

ぼす影響をみた。解析結果として、図 3-5-14 に示すガ

ガス化炉を対象に TJ 炭の空気比λ =0.46 およびλ =0.59

ス化炉壁面への単位面積当たりの灰付着量分布が得られ

5.0
A

A

約2〜3mmの付着4.0

約10〜15mmの付着

A

リダクタ

B

B

3.0
約15mmの付着

約2〜3mmの付着

B
2.0
C
リダクタ
バーナー

角状スラグは形成されず

1.0

バーナーに角状スラグ形成

コンバスタ

C
コンバスタ
バーナー
0

1
2
3
4
壁面灰付着量、kg/m2・s（×E-03）_

図3-5-1456C

低空気比（λ=0.46）運転時

0

1
2
3
4
壁面灰付着量、kg/m2・s（×E-03）`

高空気比（λ=0.59）運転時

２トン/日炉を対象とした灰付着解析結果

た。低空気比のλ =0.46 の場合、リダクタバーナ近傍へ

以上、灰粒子の温度変化に伴う連続的溶融過程を灰中の著しい付着が見られ、バーナ先端部に角状スラグの形

液相率で与え、付着/反発挙動をこれに基づき確率的に成が予想される。リダクタ壁面においても、コンバスタ

判別するモデルを構築した。

を通過した灰およびリダクタ供給石炭中の灰による付着

当所で開発した石炭ガス化炉数値解析コードに同モデが予測される。一方、高空気比のλ =0.59 の場合、0.46

ルを導入することにより、従来困難であった灰軟化点以の場合に比べて、リダクタバーナ周辺への灰付着量は少下の領域を含むリダクタ部全域にわたり、灰付着性予測

なく、むしろリダクタ中段から上段にかけての付着量がが可能となった。

増加した。これらの解析結果は、ガス化試験後の炉内灰付着結果とも定性的に良く一致したÑ。

今後はさらに、付着物の焼結性を考慮し、伝熱阻害量を評価するモデルの構築へと研究をすすめる予定である。

３−６

今後の展開

引き続き、実証機および商用機の設計・運転支援に向IGCC の導入が予想されるため、これらの炉内現象を解けた評価技術の確立をめざす。数値解析手法の改良・高析・評価できるツールの開発が望まれる。当研究所では、度化はもとより、基礎実験装置や高度分析装置を駆使しこれらの課題に対応するため、様々なガス化炉方式に対てガス化反応特性の解明、灰・チャーの生成・付着機構

応でき、炉内現象の詳細な計測・解析が可能な２〜３トの解明・モデル化を進め、シミュレーションへの導入を

ン/日規模の研究用ガス化炉を平成 15 年度に設置し、実図る。また、炭種の違いによりガス化炉特性が大きく変験技術と計算技術を両輪とするガス化炉の総合評価技術

化することが予想されるため、炭種評価技術の開発に重を開発することによって、IGCC の実用化・本格導入に点を置き検討を進める予定である。

貢献していきたいと考えている。

IGCC さらに、将来は海外機を含む様々な方式の電中研レビュー No.44 ● 57

コラム：石炭中の鉱物について
石炭中の鉱物は、¸石炭の元となった植物に含晶構造が変化し別の鉱物となる。図１¹）や高温でまれていた無機成分、¹混入した周囲の土砂、ºの平衡組成（図２¹）について研究が進められてい

石炭層形成後に、地下水や熱水から移行した無機る。

成分から形成されているが、量的には、¹が大部分を占めるといわれており¸、石炭中に含まれる

参考文献

主 な 鉱 物 と し て は 、 石 英 （ S i O 2） や 粘 土 鉱 物¸

二宮、「火炉内の石炭灰の溶融・付着現象の解（Kaolinite（Al2Si2O72H2O）、Illite （KAl2（Si3Al）

明 」、 日 本 エ ネ ル ギ ー 学 会 誌 、 V o l . 7 7 、 N o . 3 、O10（OH）2）など）、Calcite（CaCO3）や Dolomite（1998）、pp. 177-186、（Ca,Mg（CO3）2）などの炭酸塩鉱物、Pyrite（FeS2）¹

Gpysum（（CaSO42H2O）などがあげられる¹。

Godon Couch、「Understanding slagging andfouling during pf combustion」、IEA Coal

高温の炉内で生成する石炭灰の溶融特性（付着research、（1994）

特性）などを精度よく予測するためには、化合物
組成ではなく、鉱物組成に基づいて検討することが重要と考えられており、石炭中に含まれる鉱物

SiO2
1698℃

が高温にさらされたときに発生する形態変化（結〜1590℃
Cristoballite

Kaolinite

Metakaolinite

IlliteMullite+Amorphous Quartz

Lime

CalcitePytiteHematite/Magnetite

Gysum

Anhydrite

0

1698℃

Amorphous alumioslicates

500

1083℃
1178℃
Favalite58

Mullite

1205℃
1380℃

1177℃

1000
Temperature（℃）

2000〜1840℃
1148℃

Wustite

1329℃
FeO

図１

Tridymite¹

石炭含有鉱物の高温での反応

Hercynite

Corundum〜1750℃
Al2O3

図２

FeO-Al2O3-SiO2系の高温平衡組成

第

章

4

ガス精製技術の開発

第４章
横須賀研究所

ガス精製技術の開発 ● 目
エネルギー化学部長

次

牧野

尚夫

部

伊藤

茂男

横須賀研究所 エ ネ ル ギ ー 化 学 部

白井裕三

横須賀研究所 エ ネ ル ギ ー 化 学 部

布川信

横須賀研究所 機

能

材

料

４−１

研究の背景

…………………………………………………………………………………………………………………61

４−２

セラミックフィルタ集じん技術の開発…………………………………………………………………………………62

４−３

固定床脱硫・脱ハロゲン技術の開発……………………………………………………………………………………66

４−４

今後の展開

…………………………………………………………………………………………………………………70

コラム：湿式ガス精製技術について60………………………………………………………………………………………………72

牧野 尚夫（昭和54年入所）
入所以来、集塵技術の高性能化、高温化な
らびに関連する粉体物性の計測などに関わると共に、微粉炭の低NOx燃焼技術、低負荷時の安定燃焼技術などの開発を行ってきた。
現在は、微粉炭火力の燃料供給源の強化に向けて、亜瀝青炭、褐炭など低品位炭の高度燃焼技術の開発に取り組むと共に、未利用な石炭種を導入する際の、精度のよい適性判定法の確立を図っている。今後は、低品位炭を一層使いやすくするための高品位化技術に力を入れたいと思っている。

伊藤 茂男（1983年入所）
火力発電所におけるばいじん計測を始まりとして、石炭ガス化乾式ガス精製のセラミックフィルタ等、ガス−粒子分離の研究を行ってきた。その後、火力発電所からのCO2回収、微量物質研究や超微粒子材料などの研究に従事している。

白井 裕三（1983入所）
石炭ガス化ガス中の硫黄硫黄化合物を高温で除去する乾式脱硫技術の開発研究を実施して来ました。現在は、開発した脱硫剤の信頼性評価を実施すると共に、ガス化や燃焼などで使用する前に石炭中の灰分や水分を除去す
る脱灰・脱水技術の研究も進めています。今後は、従来の微粉炭火力に関する研究分野にも手を広げ、石炭の微粉炭火力への適性を評価する研究を進めていきたい。

布川信（1993年入所）
これまで石炭ガス化ガスのクリーンアップ
技術に関する研究に携わり、乾式脱硫剤、ハ
ロゲン化物吸収剤の開発を行ってきました。
現在は、石炭に含まれる微量物質の挙動解明と排出抑制技術についても検討しています。
今後は、乾式ガス精製システムの実用化に向けた研究を進めると共に、石炭を効率よくクリーンに利用するための技術開発を行います。

４−１

研究の背景

ガス化炉で発生した石炭ガスは未反応のチャーや灰分、硫黄等の不純物を含んでおり、ガスタービンで燃焼する
前にタービン保護、ならびに環境保全対策のため、集じん、脱硫からなるガス精製を行う必要がある。その要求性能は、ガスタービン保護と環境保全の両面から決定され、運転圧力はガス化圧力に、温度は配管材料や脱硫方式などに基づいて定められる。ガス精製のうち、ガス温
度を下げて吸収液等を用いる方法を湿式ガス精製、高温のままで行う方法を乾式ガス精製という。湿式法は石油精製等で実用化が進んだ方法であり、一方の乾式法は開発途中のものであるが、プロセスの熱効率の向上、シス

図4-1-1

２トン/日乾式集じん脱硫基礎実験装置

テムの簡素化等が期待できる方法である。我が国の火力発電所は、環境対策においては既に世界をリードする立トン/日ガス化炉から石炭ガスの供給を受けるため、石場にあり、新たに開発するプロセスは効率向上を達成す

炭ガス化複合発電技術研究組合と三菱重工業㈱の共同開ることが至上命題であるため、当研究所は乾式ガス精製

発プロジェクトに資源エネルギー庁が協力する形で実施の開発に取り組んだ。

された。固定床方式は 20 トン/日規模においても良好な

乾式ガス精製はガスタービン保護のための高性能集じ成績を収めており、以後、セラミックフィルタはガス化

ん技術、ならびに環境対策のための脱硫技術からなり、

炉チャー回収装置として位置付けられ、固定床脱硫方式

微粉炭火力発電を上回る環境性能を有するものが必要とは乾式ガス精製の最有力候補となっている。

される。要求性能としては、集じん、脱硫ともに 400 ℃

IGCC に続いて石炭ガスを燃料電池に使用するための程度、2MPa の条件において、それぞれ入口ダスト濃度研究が始まり、ここでも乾式ガス精製技術の適用が図ら

10g/m3N に対し出口 10mg/m3N 以下、入口硫化水素濃度れている。集じん技術としてセラミックフィルタは2000ppm に対し出口 100ppm 以下と、過酷な条件下で高IGCC のみならず燃料電池用に要求される性能も満たしい性能が求められた。そのため、当研究所は昭和 56 年ており、新たな開発課題は生じていない。一方、脱硫により要素試験を開始し、昭和 59 年を準備期間として、ついては IGCC の出口濃度 100ppm 以下を１ ppm 以下ま

昭和 60 年から平成元年までの 5 年間、三菱重工業(株)とでに低減するよう高性能化が要求された。そこで、新た共同研究を行い、乾式ガス精製方式の確立を図った。こに脱硫剤を探索し、IGCC 用の脱硫剤開発で得た知見をの間、両者で実験室下の要素試験を分担し合うとともに、適用して、燃料電池用の脱硫剤の開発を進め、要求仕様

2 トン/日ガス化炉に併設して同規模の乾式集じん脱硫基を満たす脱硫剤の開発に成功している。また、この技術

礎実験装置（図 4-1-1）を設置し、実際の石炭ガスを用によって IGCC 用の乾式脱硫の高性能化が可能となり、いた高温高圧下のガス精製プロセスの開発を行った ¸¹。

環境規制の強化が進んだ場合にも対応できるようになっ

集じん技術にセラミックフィルタを採用し、酸化鉄ハニている。なお、燃料電池用の石炭ガス精製に関して、脱カム脱硫剤を用いた固定床ガス精製方式がそれである。

硫に加えて、新たにハロゲン化物についても 1ppm 以下

共同研究、ならびに所内の自主研究で初期の目標を達成まで除去することが要求された。そのため、脱硫剤開発

し、平成５年からは福島県勿来共同火力において進めらの知見を適用してハロゲン化物吸収剤を試作し、出口濃れていた 200 トン/日パイロットプラントに 20 トン/日規度１ ppm 以下という要求性能を達成している。

模の固定床乾式ガス精製パイロットプラントを併設し、将来、火力発電への環境保全性の要求はさらに強化さより大規模の試験が行われた。本プロジェクトは、200れると予想されるため、最近ではこれまで乾式ガス精製

電中研レビュー No.44 ● 61

では問題視されていなかったアンモニア、ハロゲン、微であるのが微量金属で、今後の乾式ガス精製の重要な課

量重金属についての対応が求められている。石炭ガス中

題となると考えられる。

には石炭中の窒素化合物が転換したアンモニアが含まれ、このような状況のもとで提案されてきたのが湿式法とガスタービンで燃焼中に NOx に転換する。またハロゲ

乾式法の中間的な位置付けとなる半乾式法(ハイブリッ

ン化物、微量金属は現在の排ガス規制には含まれていな

ドガス精製)である。このプロセスは脱硫については乾

いが、将来の規制強化に備えて、対応を考えておく必要

式法を採用し、その後、高温の吸収液を用いてハロゲン、のあるものである。湿式ガス精製では、これらの物質は微量金属をダストとともに除去するものである。熱効率

脱硫装置ならびにその前段に置かれる水洗塔でほぼ除去の低下をできるだけ抑えており、不純物の除去性能は湿される（図 4-1-2）。乾式ガス精製では、ハロゲンにつ式ガス精製に劣らないとされるが、その性能は実験的にいては燃料電池用に開発した吸収剤の適用が可能であり十分に明らかにされたものではない。また排水処理を伴（図 4-1-2）、アンモニアに起因する NOx については既存

うため、乾式ほどのプロセスの簡素さを達成することは
集塵装置
集塵装置

の脱硝技術での対応、またはアンモニア分解技術の開発困難と考えられる。

が必要である。ハロゲン、アンモニアに比べ対策が困難

脱硫

GT

S回収

石灰

脱硫

還元 再生

石膏
S回収
GT

COS変換

脱ハロゲン、NH3除去

再生塔

H2S吸収塔脱ハロゲン

湿式ガス精製の構成

乾式ガス精製の構成

図4-1-2

ガス精製のプロセス構成

４−２

IGCC のガスタービン保護には、集じん装置出口のダ
3

セラミックフィルタ
集じん技術の開発
長期使用の際の目詰まりや、セラミックス材料の長期信

スト濃度が 10mg/m N 以下と比較的高い集じん性能を要

頼性、集じん、払い落としの際の圧力変動などが問題点求されるため、各種方式を検討した結果、当研究所はセとなる。

ラミックフィルタを採用した。セラミックフィルタは、セラミックフィルタは IGCC、PFBC 用に開発が競わ

多孔質のセラミックスを用いて、ダストを含んだガスをれており、PFBC の 1Mpa、850 ℃でテストされたフィ濾過する方式で、フィルタ表面にダストを捕捉し、極めルタは、集じん性能や圧力損失については大きな問題がてクリーンなガスを得ることができる。ただし、フィル生じなかったが、試験中の破損が頻繁に生じたため、破タ上に捕捉したダスト層は、適宜流れを逆流させて払い損原因の究明に重点が置かれた。熱的、化学的な劣化、落とす必要がある。セラミックフィルタは、各種方式の機械的な障害等の調査が行われº»¼、当研究所も熱衝撃

中でも捕集性能は最も優れ、出口ダスト濃度は入口条件

解析やフィルタ素材の劣化について検討を行っている。

によらず１ mg/m 3N 以下を容易に達成する。その一方、一方、IGCC では温度が 400 ℃クラスと比較的低いため、

62化学的な劣化は余り問題とならず、熱衝撃対策、圧力損の性能よりもフィルタ上に堆積したダスト層に依存する。

失、払い落とし等、集じん装置の最適設計を中心に開発

実際の集じん操作ではダスト層が高性能フィルタの役目を進めた。

を果たすため、フィルタは表面でのダスト層の形成と内部へのダスト粒子の侵入を防止できればよい。そのため、¸

セラミックフィルタの課題

当初採用したフィルタは平均細孔径 25 μ m の単層構造

セラミックフィルタは高温高圧集じんでは中心的な位のものであった。試験開始当初は問題が見られなかった

置付けにあり、 多くの機関で開発が進められている。

が、ある炭種のガス化では集じん装置に流入するチャー

その課題には、フィルタの素材、装置構造、逆洗システの平均粒径がサブミクロン域となり、フィルタ内部へのム、寿命評価などが挙げられるが、各機関が独自の考え

チャーの侵入が急速に進んだ。その結果、逆洗による圧に従って取り上げているのが実情で、バグフィルタの延力損失の回復が低下するため、図 4-2-1 に示す表層のみ

長上の設計を行ったため、高温高圧条件に適さない設計を緻密にし内部の細孔を粗くした複層構造を採用した。

によるトラブルが散見された。当研究所は設計者ならび実験室における 0.5 μ m 〜 25 μ m までの細孔のフィルタに運転するユーザ側の観点を併せて、セラミックフィル

試験、ならびに実ガス試験における数μ m 細孔のフィル

タの課題として、フィルタ素材、集じん性能、圧力損失タの試験結果から、表面を数μ m 程度の細孔にすれば、と逆洗効果、耐久性を取り上げ、実験室規模での基礎試

チャーのフィルタ内部への侵入は防げることが分かった。

験ならびに２トン/日炉で発生させた実ガスを用いた高温高圧下の集じん試験によって、課題を克服した½。

º

集じん性能
石炭ガスを用いた高温高圧集じん試験、実験室での集¹ フィルタの素材と構造

じん試験のいずれにおいても、入口ダスト濃度に関わらセラミックフィルタは多孔体を濾過材として、その表ずフィルタ出口のダストは検出されなかった。フィルタ

面にダストを捕集し、表面に堆積したダストを適宜ガス

出口でダストが計測される場合、配管内の汚れあるいはを逆流させて払い落とす逆洗操作を行う。その際、逆洗フィルタ取り付け部からのダストリークであることが多ガスには比較的低い温度のガスを使用しているため、フく、取り付け方式によってはある程度のリークは発生すィルタ素材に急激な温度変化が生じ、熱衝撃によって破る。当研究所所はフィルタと取り付け金具の間をグラン損するおそれがある。実際に当初使用したアルミナ系のドパッキンによりシールし、ダストリークをほぼ完全にフィルタは熱衝撃によって破損する傾向が見られたため、防止できることを確認している。

耐熱衝撃性材料の炭化珪素フィルタを採用し、熱衝撃に»よる破損を回避した。
またセラミックフィルタの捕集性能は、フィルタ単体

集じん装置の構造
セラミックの多孔質焼結チューブの一端を塞ぎ、もう1000μm

図4-2-1

セラミックフィルタの外観と断面

電中研レビュー No.44 ● 63

一端にフランジ部を作ってつり下げる形のものをキャン

径分布などの関数として表すとともに、集じん、逆洗のドルフィルタと呼んでいる。 またチューブ状のフィル

操作のシミュレーションによって、集じん装置の適切なタエレメントをキャンドルと呼ぶこともある。図 4-2-2

設計、ならびに安定した運転ができる条件を見出すことはフィルタを圧力容器に収容する際の写真であるが、フを可能としたÁÂ。

ィルタチューブの下端を塞ぎ、チューブ内側を通した金属ロッドで吊り下げている。このようなフィルタもキャ

½

逆

洗

ンドルと呼ばれる場合がある。当研究所の取り付け形式

フィルタ上に堆積したダストを払い落とす逆洗は、クは 400 ℃クラスの集じんに特化したものであり、ロッド

リーンガスを連続して逆流させる逆流逆圧方式、またはに取り付けたバネで熱膨張を吸収している。またフィルフィルタのクリーンサイドに高圧の圧縮ガスを瞬間的にタと金具の隙間をグランドパッキンでシールできるため噴射し、短時間の逆圧または逆流によって捕集ダストを

ダストリークにも強い。集じん装置としての大きな課題

払い落とすパルスジェット方式（図 4-2-3）が採用され、はスケールアップであり、多数のフィルタを圧力容器内

最近はパルスジェット方式が増えている。いずれも経験に収容する装置構造の工夫が必要となる。独的な設計であり、逆洗のメカニズムが十分解明されていSchumacher 社のクラスター構造 ¾ 、EPRI（Electric

るとはいえない。この逆洗システムの適切な設計を可能

Power Research Institute）および Westinghouse 社のとするため、逆洗システム設計の鍵となる因子を解析し、、 LLB 社 （ Lurgi Lentjes Babcock

その影響を把握したÃ。フィルタ内にジェットを噴射しEnergietechnik GmbH）の倒立構造Àなどは独特の構成てから、フィルタを逆洗流が透過するまでの時間は 0.1

をとっており、コンパクト化またはダストシール性の向秒以下であり、通常のパルスジェット逆洗では流れは定上を狙っているが、いずれの方式も一長一短がある。

常に達している。また逆洗流れはフィルタ内で一様ではTier 構 造¿

なく先端部で大きくなっている。このような特性を解明¼

ダスト性状と圧力損失するため、ジェットの質量流量、運動量、エネルギーとフィルタは集じん中のダスト堆積による圧力損失の増

周辺ガスの温度、圧力、集じん差圧、フィルタの抵抗、加と、堆積したダストを払い落とす回復操作を交互に繰

ノズル径、ベンチュリ−口径、フィルタ径等を入力とすり返すため、圧力損失の増加減少の変動が起こる。また、る、逆洗時の流動解析モデルを作成し、各種因子の効果

目詰まりによって圧力損失は長期間にわたって徐々に上を定量的に評価することを可能とした。その結果、ベン昇していくことが多い。ダスト層の圧力損失の上昇が速ければ逆洗を頻繁に行う必要が生じ、逆洗所要動力の増加をもたらす。また逆洗前の差圧が大きすぎると、逆洗
クリーンガス

効果の低下の原因となりうる。そこで、当研究所ではダ

パルスジェット逆洗ライン

スト層の圧力損失をダスト濃度、集じん流速、ダスト粒
ベンチュリ

逆洗ガス
剥離ダスト

含塵ガス

フィルタ

図4-2-264

セラミックフィルタの圧力容器への収容

図4-2-3

パルスジェット逆洗の概念

チュリには、ジェットが同伴するガス量を増やす効果がを調べることが多くなされたがÄ、ある程度の時間が経あり、その口径には適切なサイズがあること、逆洗ガス

過すると安定するのか、それとも上昇を続けるのか未だ源の圧力は 2.5MPa の石炭ガスに対しては 5MPa 程度必

明らかではない。ベースライン圧損の上昇の原因はフィ要であること、これらの数値がフィルタの抵抗やサイズ、ルタ内部へのダストの侵入、払い落としの際に残留する

パルスジェット配管に依存し、また集じん装置の運転条

ダストの増加などが要因として考えられるが、現在では件に深く関わることを明らかにした。

フィルタ表層の細孔径をある程度小さくしておけばフィパルスジェット逆洗の主な特徴をまとめると、以下のルタ内部へのダスト侵入はほとんど無視でき、逆洗シス

ように述べることができる。

テムの適切な設計とあわせて圧力損失の増加をかなりのA

抵抗が大きいフィルタでは、フィルタ内部の圧力分程度抑制できると考えられる。さらに、複層構造フィル

布は比較的平坦となるが、抵抗が小さく、内径と長さ

タでは、目詰りが進んだフィルタの表面に残留するダスのバランスが悪いフィルタでは先端部のみが大きく、トを除去すると、圧力損失が回復することを確認したÅ。

逆洗ガス入口近くの効果が低下する。

残留ダストの除去には燃焼、洗浄、いずれも効果があり、B

逆洗ガスの流出によって、フィルタ先端では軸方向流速が低下し、それに伴う動圧から静圧への変化としフィルタを年１回程度クリーニングすることで大幅な寿命向上が図れると考えられる。

て先端の圧力が上昇する。圧力波の反射と捕らえる研究も見られるが、反射波とは異なる。
C

フィルタ全体にわたって逆洗差圧を得るには、ベンチュリなどの助走区間の設置が必要である。

D¿

固定床パイロットプラント
横須賀研究所で実施された２トン/日乾式クリーンア

ップ試験の後、セラミックフィルタは勿来 IGCC で 20 ト

適当なスロート径のベンチュリを用いれば、ジェッン/日固定床パイロットプラントとして試験された（図トは周辺ガスを同伴し、流入ガス温度ならびに逆洗差

4-2-4）。フィルタエレメントは外形 11cm、長さ 4.5m と圧を高めることができる。

大型化が図られ、パルスジェット逆洗が採用された。集E

逆洗前の集じん差圧が大きいと逆洗差圧が低下し、じん装置の設計に関してフィルタ内の流れ、逆洗システ同伴流は得られず、ジェットの吹き戻りが生じるよう

ム、圧力損失についてシミュレーションを行い、設計のになる。

妥当性を検証した。勿来パイロットプラントでは集じん

逆洗システムの設計の際には、これらの影響を予測し、性能、払い落とし性能とも良好で、300 時間の連続試験

適正な運転範囲を見い出す必要がある。

¾

フィルタの耐久性

クリーンガスセラミックフィルタを長期間使用すると、目詰りある
いは素材の劣化によって、いずれはエレメントを再生まAA

たは交換する必要が生じる。その耐用期間が短ければ、A−A

経済的に成立たず、また経済性に見合うものであっても、プラントの運転計画やエレメント交換などのためにあらかじめ時期を設定しておく必要がある。このことから、フィルタの耐久性の評価は、セラミックフィルタの実用化にあたっての重要な課題の一つである。

石炭ガス

フィルタの目詰まりが進むと、払い落とし直後の圧力損失が増加するため、逆洗間隔が確保できず集じん操作が困難になる。またこの圧力損失の増加はフィルタの逆洗効果を低下させ、目詰まりがより速く進む悪循環をもたらす可能性がある。このため圧力損失の長期的な変化

図4-2-420トン/日固定床乾式集じん試験におけるセラミックフィルタ

電中研レビュー No.44 ● 65

しており、現在ではガス化炉チャー回収装置として位置を問題なく終了している。

付けられている。当研究所は平成４年度で IGCC 用セラミ
À

ま

と

め

ックフィルタの所内研究を終了し、その後は勿来固定床

IGCC、PFBC などの高効率発電技術の開発が進められ

ガス精製プロジェクトへの協力、あるいは超重質油ガス

る中で、高温集じんは発電プロセス実現のためのキーテ

化の集じん装置としての研究開発を行い、小型装置でのクノロジーである。なかでもセラミックフィルタは最も

性能検証はすでに終了している。メーカーでは、大型プ実用に近いと考えられ、本節ではその基本的な課題と評

ラントでの長期運転による実証段階での改良が今も進め

価に関して、捕集性能、圧力損失、払い落とし、耐久性られている。一日も早い実用化を期待してやまない。

について述べた。フィルタは現状で十分な捕集性能を有

４−３

固定床脱硫・脱ハロゲン技術の開発
図 4-3-2 に固定床脱硫システムを示す。このシステム

4-3-1 脱 硫 技 術は３塔を有し、還元、脱硫および再生の３工程を順次切り換えることにより連続的に脱硫を行う。また、硫黄分¸

固定床脱硫技術の概要を吸収した脱硫剤を酸素と反応させ、二酸化硫黄（SO2）

固定床脱硫は 400 〜 500 ℃の温度条件下で、金属酸化を放出させて再生する。この再生反応は発熱反応である

物 を 用 い た 脱 硫 剤 に 石 炭 ガ ス 中 の 硫 黄 化 合 物 （ H 2S 、ため、脱硫剤温度が耐熱温度（800 ℃）を超えないようCOS）を吸収させ、石炭ガスから硫黄分を除去する技術に、硫黄回収後の再生ガスをリサイクルして、酸素濃度である。図 4-3-1 に示すように使用後の脱硫剤を再生しが 1.5%程度となるように空気を希釈して再生に用いるÆ。

て使用することを前提としている。この脱硫剤を開発す

20 トン/日固定床ガス精製パイロットプラントでは、硫るに当たっては、以下の事項を考慮して検討を進める必

黄化合物を 100ppm 以下に除去する酸化鉄系ハニカム脱要がある。

硫剤ÇÈ（図 4-3-3）を用い、その性能を検証したÉ。現①

炭素析出による脱硫剤の崩壊が生じない。

在では、石炭ガスを溶融炭酸塩型燃料電池にも利用でき

B

目標濃度まで除去できる。

るように、硫黄化合物を１ ppm 以下まで低減できる高C再生でき、長期間使用できる。

性能な亜鉛フェライト脱硫剤の開発を進めている。

単体硫黄又は石膏として回収

還元（脱硫の前処理）

石炭ガス

熱交換器

減圧管
H2S、COS

SO2

No.2

No.1
再生
脱硫剤と酸素との反応により硫黄分を放出

脱硫
石炭ガス中のH2S、COS
を許容濃度まで除去

No.3

空気
硫黄回収
装置

還元

脱硫

再生

過剰ガス
O2

ガスタービンへ

図4-3-166

脱硫・再生反応サイクル

図4-3-2

固定床脱硫システム

石膏（CaSO4）
又は
単体硫黄

脱硫剤層

10
脱硫条件
温度：450℃
圧力：0.98Mpa
充填重量：30g
H2S濃度：860ppm

9

1.1mm
出口全硫黄濃度［ppm］

8

4.9mm

78mm×78mm×475mm

7
6

IGCC

5
4

No.2

No.4
No.5

3

No.1

2
1

図4-3-3¹

酸化鉄系ハニカム脱硫剤

0

0

50

100

150
200
時間［min］

250

300

350

亜鉛フェライト脱硫剤の選定
図4-3-4石炭ガス中の硫黄化合物を１ ppm 以下に除去するに

各種脱硫剤の破過特性

は、鉄成分主体の脱硫剤では達成が困難であり、亜鉛成分の添加が不可欠である ÊË。一方、再生の容易さから以下を維持する時間が長いが、脱硫/再生を繰り返すとは鉄成分を含んでいた方が好ましく、そこで１ ppm 以

１ ppm 以下を維持する時間（１ ppm 破過時間）は両者下まで除去できる亜鉛成分と再生が容易な鉄成分とを組ともほぼ同じとなる。このため、当研究所では、現在のみ合わせた亜鉛フェライトを主に、種々の亜鉛系酸化物

ところ No.1 と No.2 を同等に評価しており、以後、No.2

脱硫剤を調製し、比較評価を行ったÌ。表 4-3-1 に当研

脱硫剤の試験結果を用いて研究成果を示す。

究所で調製した主な脱硫剤の性状、図 4-3-4 に脱硫時のº

破過特性を示す。本脱硫剤は、沈殿法で得られた亜鉛系

再生条件の選定
亜鉛フェライト脱硫剤は、脱硫時に硫黄化合物を吸収

酸化物粒子の粉末と酸化チタン（TiO 2）粒子とを混ぜして硫化亜鉛（ZnS）と硫化鉄（FeS）となる。反応後て焼成したものである。
これらの中では、シリカ（SiO2）を添加した亜鉛フェの脱硫剤は、酸素濃度 1.5%程度のガスと反応させ、亜ライト脱硫剤（No.1、No.2）が、出口濃度１ ppm 以下

鉛フェライト（ZnFe2O4）に戻すが、再生ガス温度が大を長く維持できた。SiO2 の添加は亜鉛フェライト粒子のきな影響をもつ。図 4-3-5 に示すように 350 ℃では、再微細化と、炭素析出の抑制に効果があると考えられる。

生時に残留する硫黄分が多く、600 ℃では、脱硫剤に含この結果から、SiO2 を添加した亜鉛フェライト脱硫剤

有する亜鉛フェライト粒子の表面積が減少するため、

ÍÎ

。図 4-

450 ℃で再生した場合に比べ、再生後の脱硫性能が低下

3-4 に示す初期性能では、No.1 の方が No2 よりも１ ppm

する。この結果から最適温度は 450 ℃であることが判明（No.1、No.2）を高性能脱硫剤として選定した

表4-3-1
名称

調製脱硫剤の性状

使用金属酸化物粒子の概要

成分含有率
（wt%）

比表面積

硫黄分吸収容量（mmol/g）

粒子形態

製法

Fe

Zn

（m2/g）

計算値

実測値

No.1

ZnFe2O4ーSiO2

アンモニア共沈法

9.8

4.5

31

2.44

2.58

No.2

ZnFe2O4ーSiO2

尿素共沈法

8.9

5.3

34

2.40

2.57

No.3

ZnFe2O4

尿素共沈法

9.8

5.3

8

2.57

―

No.4

ZnSiO4ーSiO2

アンモニア共沈法

0

15.7

10

2.40

0.30

No.5

ZnO

アンモニア共沈法

0

17.2

4

2.63

1.05

IGCC用

Fe2O3ーSiO2

アンモニア共沈法

14.2

0

35

2.54

2.5〜2.7＊炭素析出が生じ、脱硫剤が粉化したため脱硫できなかった

電中研レビュー No.44 ● 67

ている。

10

図 4-3-7 に脱硫/再生を 10 〜 20 回繰り返した後の破過出口全硫黄濃度（ppm）

98特性を示す。再生ガス中に SO2 が存在しても 10 〜 20 回

再生温度
600℃

7

の再生を繰り返した脱硫剤は、出口濃度１ ppm 以下を6維持できることが確認できた。また、SO2 濃度が高いほ

5
4

450℃

3

350℃

2

初期

1
0

0

50

100

150

ど１ ppm を維持する時間は短くなるが、SO 2 を含まな脱硫条件
温度：450℃
圧力：0.98MPa
充填重量：30g
入口H2S濃度：860ppm

は初期からほとんど変化していない。このことから再生

250

後の脱硫性能の低下を防ぐためには、再生ガス中の SO2

200

300

350

いガス（SO2 ： 0%）による再生では、１ ppm 破過時間

400

経過時間（min）

を極力減らすことが重要であり、固定床脱硫システムでは回収効率の高い石灰石−石膏法等の高性能な硫黄回収

図4-3-5脱硫性能に及ぼす再生温度の影響装置を設置することが望ましいと考えられる。
以上、固定床脱硫システムにおいて石炭ガス中の硫黄したÏ。

化合物を１ ppm 程度まで除去可能で、かつ、再生の繰り返しが可能な亜鉛フェライト脱硫剤を見出した。

»

初期脱硫/再生繰り返し特性

今後は、脱硫剤の長期信頼性を確立すること、および

図 4-3-2 に示すように、再生ガスは硫黄回収装置を通パイロットプラントにおいて亜鉛フェライト脱硫剤を用して循環使用するため、一部の SO2 が再生ガス中に残留いた固定床脱硫システムを検証することが重要な課題でする。そのためガス温度を 450 ℃とし、再生繰り返しにある。

Ð

おける残留 SO2 の影響を検討した 。
図 4-3-6 に再生ガス中の SO2 濃度を 0、0.1、0.2%とし、4-3-2

乾式ハロゲン化物除去技術

10 〜 20 回の脱硫/再生繰り返しを行った際の硫黄分吸収
容量の変化を示す。再生ガス中の SO2 の有無に関わらず石炭ガスに含まれるハロゲン化物には塩化水素(HCl)、

硫黄分吸収容量は低下を続けている。比較用に示した酸

フッ化水素（HF）等がある。その濃度は炭種やガス化

化鉄系ハニカム脱硫剤では、硫黄分吸収容量は早期にほ方式によって異なるが、それぞれ 50 〜 500ppm、5 〜

ぼ一定となり、安定化するが、亜鉛フェライト脱硫剤は50ppm 程度と考えられる。これらのハロゲン化物は酸安定化するのに時間がかかることが示された。また、性の腐食性物質であるため、発電システムの構成機器のSO2 濃度が高いほど硫黄分吸収容量の低下が大きくなっ

保護、ならびに排ガス中の酸性ガス成分低減の観点から、

10
No.2 亜鉛フェライト脱硫剤

100

SO2：0％

90
80

SO2：0.1％
70
酸化鉄系ハニカム脱硫剤
SO2：0.2％60
50

SO2：0.2％

9No.2 亜鉛フェライト脱硫剤

8

入口再生ガス温度：450℃

715

SO2：0％

5

SO2：0.1％

4

SO2：0.2％

3
2
1

入口再生ガス温度：450℃

5
10
繰り返し回数（ー）

Fresh

6

0
0

図4-3-668

出口全硫黄濃度（ppm）

硫黄分吸収容量係数（％）

110

20

脱硫/再生繰り返し時の硫黄分吸収容量の変化

0

50

100

150

200

経過時間（min）

図4-3-7

脱硫/再生繰り返し後の破過特性

250石炭ガスから除去することが望ましい。ハロゲン化物は算から種々の物質について石炭ガス中の塩化水素、フッ

水溶性物質であるため、湿式ガス精製ではある程度まで

化水素の除去性能を推定した結果、ナトリウム系の化合の除去が期待される。しかし、湿式法はガス温度を常温物が最も有望であることが判明したÑ。

程度まで低下させなくてはならず、また排水処理などの空気吹きガス化炉を想定した模擬石炭ガスを用いた試設備も必要となる。そのため、当研究所では、より簡素

験から、ナトリウム化合物の一種である炭酸ナトリウムなシステムで効率よく不純物を除去する乾式ガス精製技

が石炭ガス中の塩化水素と術の開発を進め、ハロゲン化物を除去対象とした乾式吸収剤の研究を実施している。

¸

Na2CO3+2HCl → 2NaCl+CO2+H2O ……………¸

吸収剤の選定の反応が進行することが確認された。図 4-3-8 に示すよ

乾式のハロゲン化物除去ではハロゲン化物と吸収剤とうに、炭酸ナトリウムは石炭ガスに含まれる 200ppm のの化学反応を利用するため、その吸収剤に適用する物質

塩化水素を１ ppm 以下に除去できる。しかし、１ ppmの選定が重要となる。表 4-3-2 に示すように、熱力学計

以下を維持する時間は短く、１ ppm 破過時までに反応したナトリウムは装填した量の８％程度にとどまった。そ表4-3-2

熱力学計算によるハロゲン化物除去性能の推定

反応物質600K（327℃） 700K（427℃） 800K（527℃）のため、ハロゲン化物を効率よく除去するよう、ナトリ
ウム成分の反応性を高める必要があることが判明したÒÓ。

HCL

HF

HCL

HF

HCL

HF

ナトリウム系*

◎

◎

◎

○

◎

○

バリウム系*

◎

○

○

○

○

×

カリウム系*

◎

○

◎

×

◎

×

リチウム系*

◯

◎

×

◎

×

○

ストロンチウム系*

○

◎

×

○

×

○

ムとアルミナを組み合わせたナトリウム系吸収剤を合成

カルシウム系*

×

◎

×

◎

×

○

鉄系***

×

×

×

×

×

×

した。吸収剤の例を図 4-3-9 に示す。吸収剤のＸ線構造

ニッケル系**

×

×

×

×

×

×

銅系***

×

×

×

×

×

×

亜鉛系**

×

×

×

×

×

×

◎：1ppm以下まで除去可能

石炭ガス雰囲気における安定形態○：10ppm以下まで除去可能*：炭酸塩**：酸化物

×：10ppm除去不可能

評価条件

圧力：10atm¹

ナトリウム系吸収剤の合成
ナトリウム成分の反応性を高めるため、炭酸ナトリウ

解析から、吸収剤の主成分はアルミン酸ナトリウム（NaAlO2）であり、石炭ガス中の塩化水素と***：金属

2NaAlO2+2HCl → 2NaCl+Al2O3+H2O …………¹

CO：20％

CO2：5％

H2：8％

H2O：5％

H2S：1％

N2：Barance10

温度：400℃ 圧力：常圧
試料中ナトリウム量：12mmol
空間速度：12000〜24000h-1
CO：20％ CO2：5％ H2：8％
H2O：5％ HCl：200ppm N2：Balance
0ppm
2000ppm
H2S：

9

炭酸ナトリウム

8

HCL濃度（ppm）

7
6
5
4

ハロゲン化物吸収剤

3
2
1

目標性能
0

0

500

1000

1500

2000

2500

反応時間（min）

図4-3-8塩化水素の除去性能

電中研レビュー No.44 ● 69

2000ppm 含まれる石炭ガスからも塩化水素を１ ppm 以下まで除去できることが確認された。この結果は硫黄化合物を除去する前段階でハロゲン化物の除去が可能であることを示しており、ハロゲン化物による乾式脱硫剤の劣化も防ぐことができることが判明したÒÓ。

»

使用済み吸収剤の再利用
使用済みの吸収剤は、低コスト化、および省資源の観図4-3-9

試作したナトリウム系吸収剤

点から、使い捨てとするのではなく、再利用して繰り返
して使用できることが重要である。そのため、使用済みの反応が進行することが確認された。このナトリウム系の吸収剤に湿式処理を施してアルミニウム成分を回収し、吸収剤は図 4-3-8 に示すように石炭ガスに含まれるそれを原料に再度アルミン酸ナトリウムを含む吸収剤を200ppm の塩化水素を長時間にわたって１ ppm 以下に除調製する手法を明らかにした。再調製した吸収剤は新品去できる。装填した吸収剤に含まれるナトリウム量は炭の吸収剤と同様に、石炭ガスに含まれる塩化水素を１酸ナトリウムと同量であるため、１ ppm 破過時間の増

ppm 以下まで除去できる。これにより、ハロゲン化物

加は反応性の向上を意味する。本試験では、１ ppm 破吸収剤の構成成分であるアルミニウムについてリサイク

過時までに反応したナトリウムは装填した量の 68 ％程

ルが可能となったÔ。

度と、炭酸ナトリウムの場合の８倍以上となったÒÓ。

以上のように、アルミン酸ナトリウムを反応成分とす
るハロゲン化物吸収剤によって、石炭ガスに含まれるハº

硫黄化合物の影響

ロゲン化物を乾式で極めて低濃度まで除去する技術に見

石炭ガスには不純物として硫黄化合物が含まれる。そ通しが得られた。石炭ガス化複合発電用の乾式ガス精製

こで、石炭ガスに含まれる硫黄化合物の一つである硫化システムの実現に向け、吸収剤がより高い除去性能を発

水素を模擬ガスに添加したところ、図 4-3-8 に示すよう揮するための最適な合成条件ならびに使用条件等の把握、に、炭酸ナトリウムでは１ ppm 以下までの除去ができ吸収剤の低コスト化を目指した使用後吸収剤の活用方法

ないことが判明した。炭酸ナトリウムと塩化水素の反応についての検討を進めるとともに、セラミックフィルタ

が硫化水素によって、阻害されたためと考えられる。一集塵技術、固定床脱硫技術と組み合わせることを念頭に方、アルミン酸ナトリウムを反応成分とするハロゲン化

おいたハロゲン化物除去システム化の開発研究が必要と物吸収剤では硫化水素の影響は小さく、硫化水素が考えられる。

４−４

今後の展開

石炭ガスの精製技術はガスタービンの保護、環境保全

ィルタは、極めて集じん性能が高く、システムも簡易での観点から不可欠な技術であり、特に高温で処理する乾あり、また連続運転のために不可欠なフィルタの逆洗方式ガス精製技術は、IGCC の高効率化のために極めて重式も、ほぼ確立されており、残された課題の中では長期要な技術である。既に集じん、乾式脱硫については実証

寿命が最も重要なものと考えられる。セラミックフィル

機に移れる段階に達しており、脱ハロゲンは開発の見通

タの寿命に影響を与える因子としては、微粒子によるフしが立ったと言える状況にあるが、実用化にあたっては、

ィルタの目詰まり、ならびにガス中あるいは粒子中の腐いくつかの解決すべき課題が残されている。

食性物質によるフィルタの劣化が挙げられる。これらに集じん技術として最も有望と考えられるセラミックフ

70

ついては、最終的には実ガスを用いた長期間の検討により解明が可能となるものであり、早急な試験検討が望ま

高性能な方式の開発が望まれている。しかし、アンモニれる。

アについては、燃焼器で NOx に転換した後に、NOx を

乾式脱硫技術においては、当研究所が開発した亜鉛フ除去することでの対応も可能であり、新たなアンモニアェライト脱硫剤は、脱硫性能が極めて高く、IGCC だけ除去方式の検討にあたっては、常に脱硝装置によるでなく、燃料電池に石炭ガスを利用する場合にも十分適NOx 分解との比較を行いつつ、有利となる方式を採用

用できる方式であり、その実用化における課題としては、していく必要がある。

脱硫・再生の繰り返し使用による脱硫性能の低下が挙げ

高効率な IGCC の早期実現においては、これらの個々られる。既に、短期的には繰り返し連続使用可能との見の技術を組み合わせた最適な乾式ガス精製システムを早通しを得ているが、繰り返し使用に伴う若干の性能低下急に確立することが重要であるが、近年の環境保全に対傾向も見られており、今後はこの劣化を如何に抑制し、する気運の高まりから、新たに考慮すべき課題として微長期的に性能を維持していくかが重要となる。

量物質の抑制が必要となる可能性もある。石炭利用時に乾式脱ハロゲン技術については、アルミン酸ナトリウ

排出される微量物質については、その環境影響なども未ム（NaAlO2）を基にした吸収剤の開発により、既に塩だ明確ではなく、既存微粉炭火力における実態等も完全化水素（HCl）の除去は十分可能になったものの、本吸には把握されていないのが実状である。今後、その挙動

収剤のフッ化水素（HF）の除去性能についてはまだ明や影響解明等を慎重に行いつつ対処していくべき問題とらかになっておらず、早急にフッ化水素の除去特性を明考えられる。しかも、微量物質の排出は、乾式ガス精製

確にする必要がある。さらには、本吸収剤の再生またはだけの問題とは言えず、湿式ガス精製を採用した場合に再利用法を確立し、吸収剤の繰り返し使用あるいはアルも、考慮する必要が生じる可能性がある。今後は、微量

ミニウム成分を回収して再利用するなどの部分繰り返し

物質に対する規制の動向ならびに、石炭ガス化複合発電

使用を可能にすることがコスト低減のためには不可欠でシステムにおけるそれらの物質の詳細挙動解明等を行いあり、同時に、一層性能の良い吸収剤の製造方法の確立

つつ、新たな対策を必要とする物質については、タイムも重要になると思われる。

リーかつ着実に、排出抑制対策技術の開発を行っていく

一方、アンモニア（NH3）の除去については、まだ要ことが望まれる。

素技術としても確立されたものがないのが現状であり、電中研レビュー No.44 ● 71

コラム：湿式ガス精製技術について¸

湿式技術の概要

ラバーはあまり使われず、乾式の金属フィルター

ガス精製システムの構成は、図に示すようにベンチュリースクラバーや水スクラバーによる、ダやセラミックフィルターが使われるようになっている。

スト、アンモニアおよびハロゲン化物（HCl HF）の除去、COS 変換器による COS の H 2 S への転換、¹

触媒を使って反応¸を促進させ、COS を脱硫装

湿式脱硫装置による H2S の除去から成る。水スクラ
バーでは、200 ℃程度の温度で石炭ガスからダスト、

COS 変換器

置で吸収しやすい H2S に転換させる装置である。

アンモニアおよびハロゲン化物が除去される。そCOS+H2O → H2S+CO2の後、石炭ガスを蒸気で 250 ℃程度まで加熱し、脱¸

硫装置において除去し難い COS を COS 変換器でH 2S に変換する。このガスを 40 ℃程度まで冷却し、操作温度は 200 〜 300 ℃程度であり、触媒により湿式脱硫装置にて H2S を除去する。H2S を吸収した

異なる。COS 変換器は、MDEA（メチルジエタノ

後の液は再生塔に送られ、減圧・加熱することにールアミン）法などの COS 吸収性能が低い脱硫法

より、H2S を放出し、再生される。H2S は硫酸、硫を用いた場合に設置される。また、塩化水素等に黄、石膏などとして回収される。脱硫後のガスは、よる触媒の劣化から、水スクラバーが COS 変換器

蒸気等により再加熱されてガスタービン送られる。

の前流に設置されているが、塩化水素による劣化

また、ダスト除去に乾式のセラミックフィルターについては、明確ではなく、塩化水素に耐えうるを用いた場合には、脱硫後のガスを、ダスト除去とした触媒もある。

後の 200 〜 250 ℃のガスと熱交換し、加熱してガスº

タービンに送るシステムとなっている。

湿式脱硫装置
硫黄化合物（H2S、COS）を除去する方法として、¸

硫黄化合物を液に溶解させて吸収する物理吸収法、

水スクラバー
水スクラバーにおいては、ガス中のダストを除去することを主な目的とするベンチュリースクラ

硫黄化合物と吸収液とを化学反応させて吸収する
化学吸収法が主に使われている。

バーおよび微量なダストおよびアンモニアや塩化代表的な物理吸収法には、メタノールを用いた

水素などの水溶性のガス成分を除去するスプレー

Rectisol 法、ポリエチレングリコール・ジメチルエ

塔、棚段塔などの方式がある。ガス温度は、200 ℃

ーテルを用いた Selexol 法などがある。Rectisol 法

程度であり、ガスの冷却も兼ねている。また、では-60 〜-40 ℃、Selexol 法では、− 40 〜− 5 ℃のCOS 変換器の前流に加え、脱硫装置の前流にも水低温条件で運転される。一方、代表的な化学吸収

スクラバーを設置しているプロセスもあり、この法には、前述した MDEA 法の他にもスルフォラン

場合には 40 ℃程度までガスを冷却して運転される。

と DIPA（ジイソプロパノールアミン）を用いた

現在では、高圧水を噴霧するベンチュリースク

Sulfinol 法などがある。運転温度は 40 ℃程度である。
吸収法の特徴を述べると、物理吸収法は、COS

ガスタービンも同時に除去できるが、CO 2 を多く吸収するため、吸収液の再生に多くのエネルギーを消費する。化

ガス化炉
蒸気
水
スクラバー

蒸気

除去性能が低く、COS 変換器が必要となっている。

COS変換
触媒
ガス加熱器

学吸収法は、CO 2 の吸収量が少ない反面、COS の
湿式脱硫

ガス冷却器

現在稼動している IGCC プラントでは、CO2 の吸収が少なく、消費エネルギーが少ない、MDEA などの化学吸収法が用いられている。

図72

湿式ガス精製プロセス

第

章

5

ガスタービン燃焼器
技術の開発

第５章

ガスタービン燃焼器技術の開発 ● 目

横須賀研究所

研究コーディネーター

横須賀研究所 エ ネ ル ギ ー 機 械 部
５−１

研究の背景

５−２

ガスタービン燃焼器技術

５−３

今後の展開

佐藤

次
幹夫

長谷川武治

…………………………………………………………………………………………………………………75…………………………………………………………………………………………………76…………………………………………………………………………………………………………………80

コラム：希釈用空気、サーマルNOxとフュエルNOx………………………………………………………………………………81

佐藤 幹夫（28ページに掲載）

長谷川武治（平成３年入所）
これまで、空気吹き石炭ガス化低カロリー燃料
および湿式ガス精製による酸素吹きガス化中カロ
リー燃料を用いるガスタービン低NOx燃焼器の技
術開発に取り組み、それぞれ低カロリー燃料用
1500℃級ガスタービン燃焼器および中カロリー燃料用ガスタービン燃焼器を開発してきた。今後は、システムの簡素化ならびにより一層の発電効率の向上を目的に、乾式ガス精製による酸素吹きガス
化中カロリー燃料の超高温・低NOx燃焼技術に関する研究に取り組むと共に、あらゆる石炭ガス化方式に対応可能なガスタービン燃焼技術の確立を目指した研究に取り組む。

74

５−１

研究の背景

わが国では、現在、空気吹き噴流床石炭ガス方式による実証プラント導入に関するプロジェクトが進められてCO 22.9%いる。一方、欧米では、酸素吹き石炭ガス化方式による複合発電が主流となっており、既に実証プラントによる調整運転の段階にある。また、各地の立地条件により、石炭だけでなく重質油やバイオマスなどを用いる各種ガ
ス化発電方式に関する研究も進められている。
表 5-1-1 に各種石炭ガス化方式によるガスタービンのN2 53.1%H2 8.6% CH4
0.5%

CO2
12.9%

NH3
0.1%

N2
7.4%
H2O
12.3%
CO 40.9%
CO2 9.5%
CH4
0.1%

H2 29.9%

H2O 2.0%
中カロリー燃料

低カロリー燃料
可燃性成分： 30%
3発 熱 量： 4.2MJ/m
3（1000kcal/m ）

可燃性成分： 71%
3
発 熱 量： 9.0MJ/m（2150kcal/m3）

技術課題を示す。ガス化剤に空気を用いる場合、ガス化
燃料は一酸化炭素（CO）､水素（H 2）と少量のメタン

図5-1-1石炭ガス化燃料の組成例（CH4）を主要な可燃性成分とし、燃料組成の 70 ％程度
を窒素（N2）や二酸化炭素（CO2）などの不燃性成分がコラム参照）となり、排出される NOx の大半を占める。

占 め る （ 図 5 - 1 - 1 ）。 こ の た め 、 燃 料 発 熱 量 は 約

このため、乾式ガス精製を用いる石炭ガス化燃料用ガス

4.2MJ/m3（1000kcal/m3）と低く、LNG 燃料の約 1/10

タービン燃焼器では、燃料中アンモニアに起因するフュとなる。また、LNG 等の高カロリー燃料と異なり不燃

エル NOx を低減する燃焼技術の開発が必要である。

性成分を多く含むため火炎温度が低く、燃焼器を設計す

一方、ガス化剤に酸素を用いる場合、ガス化燃料は発る場合、供給する燃料量に対する空気量も LNG を燃料

熱量が 9 〜 13MJ/m 3 の中カロリー燃料となり、火炎温とした場合に比較して大幅に低下する。そのため、燃焼度は LNG よりも高くなり､空気中の窒素に起因して生成安定性の確保が重要となる。

するサーマル NOx（コラム参照）が高い濃度で排出さまた、ガス精製をプラント熱効率上有利な乾式で行うれると予想される。

場合、ガス化の過程で石炭中窒素化合物から生成される

さらに、酸素吹き石炭ガス化複合発電では、現在、ほアンモニア（NH 3）は除去されずに燃焼器に供給され、とんどのプラントで湿式ガス精製が採用されているが、ガスタービンの燃焼過程で窒素酸化物（フュエル NOx、

より一層プラント熱効率を向上させるためには、乾式ガ
ス精製の採用が不可欠であり、この場合、生成ガス中の表5-1-1石炭ガス化燃料用ガスタービン燃焼技術の
開発課題
ガ
空

ガ
ス
精
製
方
式

湿
式

乾
式

ス

気

化

アンモニアに起因して生成されるフュエル NOx が多量に排出される。このため､乾式ガス精製を採用する酸素吹きガス化複合発電には、サーマル NOx とフュエル剤
酸素・低カロリー燃料
・課題：燃焼安定性の確保

・中カロリー燃料
・課題：サマールNOx
低減・低カロリー燃料・課題：フュエルNOx
低減と燃焼安定性の確保

・中カロリー燃料
・課題：サマールNOxとフュエルNOxの同時低減

NOx を同時に低減する燃焼技術が必要となる。
当研究所では､これまでに､乾式ガス精製を採用する空気吹き石炭ガス化低カロリー燃料用 1300 ℃級 ¸および1500 ℃級低 NOx 燃焼器¹〜¾の開発研究を進めると共に、
湿式ガス精製による中カロリー燃料を対象に、1300 ℃
級低 NOx 燃焼器¿〜Áについて開発を進めてきた。

電中研レビュー No.44 ● 75

５−２

ガスタービン燃焼器技術
スタービン燃焼器を開発するにあたり、燃料中の NH 35-2-1

石炭ガス化低カロリー燃料用
1500 ℃級燃焼器の開発に起因して生成するフュエル NOx の抑制が重要となる。
燃料中の NH3 などの窒素分に起因するフュエル NOx を抑制する燃焼技術として二段燃焼法（リッチ･リーン燃¸

技術課題
図 5-1-1 に示すように、石炭ガス化低カロリー燃料は、焼法）が知られており、石炭ガス化低カロリー燃料を用いるガスタービン燃焼器に二段燃焼法を採用した場合のLNG 等の高カロリー燃料と異なり不燃性成分を多く含

フュエル NOx の基本的な生成特性について、小型バー

むため火炎温度が低い。石炭ガス化燃料と LNG の主成

ナを用いた燃焼実験により調べたÂ。その結果、石炭ガ分であるメタン（CH4）の理論断熱火炎温度を比較する

ス化低カロリー燃料の場合も、一次当量比を１以上の燃と、CH 4 の最高火炎温度は当量比 注 1） が 1.05 の時に約料過剰条件とすることでフュエル NOx の抑制が可能で2200 ℃であるのに比較して、本研究で対象とする石炭あることが明らかになった。また、低カロリー燃料中にガス化低カロリー燃料の場合は当量比が 1.0 の時に約CH4 が 0.5%含まれる場合、フュエル NOx の生成を最小1700 ℃と 500 ℃程度低い。このため、低カロリー燃料用とする一次当量比は約 1.6 であることもわかった。

燃焼器では LNG 等の高カロリー燃料の場合に比較して燃焼安定性の確保が重要となる。

º

開発した低カロリー燃料用燃焼器の特徴

また、乾式ガス精製による空気吹き石炭ガス化燃料を石炭ガス化低カロリー燃料を対象に開発した 1500 ℃

用いたガスタービン燃焼器では､燃料中 NH3 に起因する級燃焼器の概略を図 5-2-1 に示す。本燃焼器は、以下のフュエル NOx を低減する燃焼技術の開発が必要である。

ような特徴を持つ。

さらに、より一層の熱効率向上を目的として、石炭ガ

A

部分負荷時における燃焼安定性を確保するために、

ス化低カロリー燃料用ガスタービンの高温化を図る場合、燃焼器入口部に副燃焼室を設け、常に安定した火炎を燃料量に対する空気量が低下し、冷却空気量が減少する。

形成させることにより、保炎性能の向上を図った。

すなわち、1500 ℃級燃焼器で供給する総空気量は、従B

燃料中の NH3 に起因して生成するフュエル NOx を

来の 1300 ℃級燃焼器の場合の約 70 ％と大幅に減少する。

抑制するために、二段燃焼法を導入し、一次燃焼領域

したがって、燃焼器の高温化にともない燃焼器壁面の冷の当量比を小型バーナ実験結果から 1.6 に設定した｡ま却を強化する必要があるにもかかわらず、冷却空気量がた、燃焼器構造には一次燃焼領域と二次燃焼領域を明減少するため、壁面冷却技術の高性能化を図る必要があ

確に分離した二室構造を採用し、二段燃焼を強化した。
Cる。

燃焼器の二次空気の混合を緩慢にし、一次燃焼領域

以上のことから、乾式ガス精製を用いる石炭ガス化低への二次空気の巻き込みを抑えることで一次燃焼領域

カロリー燃料用 1500 ℃級ガスタービン燃焼器の開発にの燃料過濃条件を確保し、一層の低 NOx 化を図った。

際して、以下の課題を考慮した設計が必要となる。

D

LNG 燃料に比較して、燃料量に対する空気量が大①

保炎性能の向上

幅に低下するため、希釈用空気（コラム参照）を削除

B

フュエル NOx 低減燃焼技術

するとともに、尾筒を二重構造にしてインピンジメン

C

壁面冷却技術の高性能化

ト冷却とし、尾筒の冷却用空気を燃焼器壁面冷却に再利用することで、冷却空気量の不足を補った。また、¹

フュエル NOx 低減燃焼法
乾式ガス精製を用いる石炭ガス化低カロリー燃料用ガ

副燃焼室と一次燃焼領域に、インピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせた積層冷却構造を採用し、冷却効率を高めた。

注１）一定量の空気で完全燃焼できる燃料の何倍の燃料が投入されたかを表す量76

上記の設計に基づいて設計、試作した 150MW、1500 ℃

フュエルNOxの低減
・二室構造を採用しニ段燃焼法を強化した
・一次燃焼領域の滞留時間を増加させ、NH3の分解の促進を図った・二次燃焼用空気の混合を緩慢にし、一次燃焼領域で生成したHCNのNOxへの酸化を抑制した

燃焼安定性の確保
・副燃焼室を設置

燃料空気

冷却用空気の低減
・尾筒を二重壁構造とし、ここでの冷却用空気をライナ冷却用空気、燃焼用空気として再利用

図5-2-1

低カロリー燃料用1500℃級燃焼器の構造と特徴

級燃焼器の外観を図 5-2-2 に示す。

燃焼器の性能を検証した結果を述べる。
図 5-2-4 は、燃料中に NH3 が 1000ppm 含まれるとし»燃焼試験設備た場合の、ガスタービン負荷と NOx 転換率および燃焼

図 5-2-3 は、試作した燃焼器の燃焼試験に用いた試験

効率の関係を示す。石炭ガス化燃料の専焼となるガスタ

設備の概要を示す。本設備では、LPG を CO 2 と水蒸気

ービン負荷約 25 ％以上の条件では、NOx 転換率は 40 ％で改質した後、水素分離膜によって CO/H2 モル比を調（16 ％ O2 換算で NOx 排出濃度は 60ppm）以下、燃焼効

整し、窒素を添加して燃料発熱量を調整し、また、必要率はほぼ 100 ％を達成できた。

に応じて NH 3 を添加して模擬石炭ガス化燃料を製造す

また、燃焼器壁面温度については、最も高温となる定る。燃焼器については、150MW 級実サイズ燃焼器一缶

格相当条件においても燃焼器壁面全般にわたり材料の耐の常圧燃焼試験と、その約 1/2 サイズの燃焼器の高圧燃

熱許容温度（850 〜 900 ℃）以下に抑制することができた。
以上のことから、開発した石炭ガス化低カロリー燃料

焼試験（1.6MPa）が実施できる。

用 1500 ℃級燃焼器は、無負荷条件を除くガスタービン¼

燃焼試験結果実サイズの燃焼器を用いた常圧燃焼試験とその 1/2 サの全負荷帯で安定、かつ低 NOx 燃焼が可能であり、1500 ℃級燃焼器として優れた性能を示した¾。

イズの燃焼器を用いた高圧燃焼試験を実施し、燃焼器性能を評価した。以下では、1/2 サイズ燃焼器を用いて、5-2-2

IGCC の実際の運用条件を想定した燃焼試験を実施し、¸

石炭ガス化中カロリー燃料 1300 ℃級燃焼器の開発

技術課題
ガス化剤に酸素を用いる石炭ガス化中カロリー燃料は、組成の７割以上を可燃性成分が占め、燃料発熱量としては 9 〜 13 Ｍ J/m3 と高く、空気吹き石炭ガス化低カロリ
ー燃料と比較して２〜３倍程度の発熱量となる。そのため、石炭ガス化中カロリー燃料は、低カロリー燃料に比
図5-2-2

低カロリー燃料用1500℃級燃焼器の外観

較して火炎温度が最大で 600 ℃も上昇する。また、すべ

電中研レビュー No.44 ● 77

水素分離装置
LPG
燃
料
改
質
装
置

CO2
STEAM

圧縮機

ス
タ
ッ
ク

加
熱
器

N2
加
熱
器

縮寸燃焼器用
高圧試験スタンド

脱硝装置

実寸燃焼器用大気圧試験スタンド

図5-2-3

試験設備系統図

100

80

99.9

によっては、窒素の昇圧動力が異なり、プラント熱効率（送電端）に影響する。すなわち、従来の方式の様に、

60

99.8

40

99.7

％

窒素をガス化燃料に注入して、低カロリー燃料として燃燃焼効率NH3からNOxへの転換率％が可能である。窒素を低 NOx 燃焼技術に利用する方法
100

99.6

20

0

20

40

60

ガスタービン負荷

図5-2-4

きる、燃焼器へ直接供給する方式まで様々である。この窒素の昇圧動力がプラント熱効率に及ぼす影響について
解析により検討した結果、窒素を燃焼器へ直接供給する
か、または、燃焼用空気に注入して供給した場合、従来

燃料中CH4濃度=1.6%0焼器に供給する方式から、窒素の昇圧動力を最も低減で

80

99.5
100

％

低カロリー燃料用燃焼器の燃焼特性の方式に比較して、プラント熱効率（送電端）は約0.3 ％（絶対値）向上するÁことが明らかになった。そこ
で、窒素を燃焼器へ供給する低 NOx 燃焼方式について、
小型バーナを用いた燃焼実験により検討したÁ。
実験では、実際のガスタービン燃焼器における二次空ての当量比において LNG の主成分である CH4 の理論断

気の流入を考慮した二段燃焼時におけるサーマル NOx

熱火炎温度を上まわり、空気中の窒素に起因するサーマ

排出特性について、窒素を燃料または空気に混合して供

ル NOx が相当量生成されるものと懸念される。そのた給した場合、窒素を供給しない場合についての検討を行め、従来の酸素吹き IGCC では、酸素製造設備で生成さった。窒素を供給する場合、窒素はバーナから供給するれるプラント余剰窒素を燃料に予混合してガスタービン

燃料または空気に全量予混合して燃焼室へ供給するものへ供給することにより、ガスタービンの低 NOx 化が図とした。窒素を供給しない場合に比較して、燃料またはられている。しかしながら、圧力の高い燃料に窒素を注

バーナ空気に窒素を混合して供給することによりサーマ入する場合、窒素の昇圧動力が増加し、プラント熱効率

ル NOx 排出濃度は大幅に低減でき､しかも､バーナ近傍の低下を招くため、熱効率に有利な低 NOx 燃焼器技術の当量比を 1.3 以上とすることによりサーマル NOx をさの開発が重要である。

らに低減できることがわかった。このことから、窒素は燃料ノズルから供給するものとし、さらに、バーナ外周¹

窒素供給方式酸素製造装置にて副成品として空気から分離製造される窒素は、ガスタービン低 NOx 燃焼技術への有効利用

78に空気噴射ノズルを設けて、燃料過剰な火炎を外周から急速に希釈する方式を採用することとした。

º

開発した中カロリー燃料用燃焼器の特徴た。これは､窒素をバーナから供給することにより一次試作した中カロリー燃料用 1300 ℃級燃焼器の特徴を燃焼領域における局所高温領域を効果的に減少させ､

図 5-2-5 に示す。バーナでは､燃料ノズルと空気ノズル

NOx 生成を抑制できたためと考えられる｡一方､燃焼効の外周に窒素噴射ノズルを配置し､バーナ近傍で燃焼ガ率については､ガスタービン低負荷で窒素を燃焼空気にスを窒素により急速に希釈し､ガス温度を低下させると混合して、燃焼器へバイパスして供給することにより､共に､部分負荷時には窒素をバイパスし､燃焼用空気に混低負荷条件での燃焼安定性を改善でき､石炭ガス化燃料

合して供給する構造とした｡これにより､バーナ近傍の局の専焼となるガスタービン負荷約 25 ％相当以上で､燃焼所高温域を減少させ､サーマル NOx の生成を抑制できる

効率はほぼ 100 ％を確保した。また、保炎特性についてと同時に､低負荷時には窒素をバイパスして保炎性を確

は、石炭ガス化燃料専焼による負荷遮断相当まで燃焼安保できると考えられる。

定性を確保したÁ。

また､窒素の供給に伴い空気比が低下するため、尾筒

ppm

気孔近傍には、燃焼器ライナ壁面にフロースリーブから空気を吹きつける構造とし、冷却効率の向上を図った。

»

燃焼試験結果図 5-2-6 は､窒素/燃料供給量比率を 0.3kg/kg で一定

25

100

20

99.9

15

99.8

10

99.7

5

99.6

燃焼効率

る構造とした。さらに、高温になると予想される二次空

NOx 排出濃度（16％O2）

を燃焼器壁面の冷却用および燃焼用空気として再利用す％

壁を二重構造とし、尾筒の対流冷却に用いた冷却用空気とした条件下で、ガスタービン運用条件における燃焼特性を示す。NOx 排出濃度はガスタービン負荷の上昇に

020

低NOx燃焼・N2を直接噴射するバーナの採用
・一次燃焼領域の希薄燃焼の強化

6080

ガスタービン負荷

伴い緩やかに増加する傾向を示すものの､定格負荷相当
条件においても 11ppm（16 ％ O2 換算）以下に抑制でき

40

図5-2-6

100

99.5

％

中カロリー燃料用燃焼器の燃焼特性

燃焼安定性の確保・低負荷でN2をバイパスすることによりバーナ近傍の燃焼温度を維持する

燃料
窒素
空気

燃焼器冷却用空気の確保
・インピンジメント冷却とフィルム冷却の組み合わせによるライナ冷却の強化
・尾筒を二重壁構造とし、ここでの冷却用空気をラ
イナ冷却用空気、燃焼用空気として再利用

図5-2-5

中カロリー燃料用燃焼器の構造と特徴

電中研レビュー No.44 ● 79

５−３

今後の展開

当研究所では石炭ガス化用ガスタービン燃焼器の開発

タービン燃焼器技術を開発すると共に、これまで培ってについて、乾式ガス精製を用いる低カロリー燃料用

きたガス化燃料用燃焼技術についてデータベースを作成

1500 ℃級低 NOx 燃焼器技術¹〜¾および湿式ガス精製にすることにより、将来、実用化が期待される空気吹きか

よる酸素吹きガス化中カロリー燃料用低 NOx 燃焼器技

ら酸素吹きまでにわたる各種石炭ガス化複合発電方式の術¿〜Áを確立した。今後は、より一層の熱効率の向上を目的に、乾式ガス精製を採用する中カロリー燃料のガス

80

ガスタービン技術を確立する。

コラム：希 釈 用 空 気

燃焼用空気

希釈用空気

燃料
燃焼用
空気

燃焼用領域

希釈用領域

燃焼器壁面冷却用空気

図

燃焼器概念図

燃焼器へ導入する空気には以下の３つの役割がある。
１．燃焼用空気：燃料と混合させて燃料をより良く燃焼させるために用いられる空気
２．冷却用空気：燃焼器の壁温を材料の耐熱許容温度以下にまで冷却するために用いられる空気
３．希釈用空気：燃焼ガスの温度を平均化し、燃焼器出口でのガスの温度分布をタービンが許容できるものとするために用いられる空気

コラム：サーマル NOx とフュエル NOx

燃焼ガス

燃料（CO、H2、CH4、 NH3 ）燃焼器

NHi+OH→Hi+1+NO

燃焼用空気（O2、 N2 ）N2+O→N+NO
N+O2→O+NO

図

燃料中のNH3が酸化して生成するフュエルNOx

空気中のN が高温下で酸化｝ して生成するサーマルNOx
2

サーマルNOxとフュエルNOxの生成機構

乾式ガス精製方式を採用する石炭ガス化複合発電では、ガスタービン燃焼器で発生する NOx はサーマル
NOx とフュエル NOx の２つあり、それぞれ、以下の様な特徴がある。
１．サーマル NOx ：1600 ℃以上の高温の燃焼ガス状態で、空気中の窒素が酸素と反応して、生成される NOxをいう。
２．フュエル NOx ：燃料中に含まれる NH3 などの窒素化合物が燃焼器内で酸化して NOx となるものをいう。

電中研レビュー No.44 ● 81

第

章

6

プラントシステム技術

第６章

６−１

研究の背景

６−２

システム性能解析評価ツールの開発

６−３

今後の展開

プラントシステム技術 ● 目

次

横須賀研究所

エネルギー機 械 部

幸田

栄一

横須賀研究所

エネルギー機 械 部

高橋

徹

横須賀研究所

エネルギー機械部長

三巻利夫…………………………………………………………………………………………………………………85……………………………………………………………………………………85…………………………………………………………………………………………………………………89

横須賀研究所

エネルギー機 械 部

船山保男

コラム：DME併産型石炭ガス化複合発電 …………………………………………………………………………………………91

幸田 栄一（平成２年入所）
当研究所に入所した当初は溶融炭酸塩型燃料電池の研究開発に従事し、その後IGCCやCAES、水素燃焼タービンなどの各種新型発電システムの解析・評価を行ってきました。
現在は、これらの解析・評価と同時に、発電システムを解析するための手法およびプログ
ラムの開発も行なっています。
今後は、IGCCの実用化に向けソフト面からの研究を進めるとともに、新型のみならず既設も含め、火力発電の高効率化に寄与していきたい。

三巻 利夫（1978入所）
これまでガス/蒸気複合発電、石炭ガス化
複合発電等の熱効率解析、動特性シミュレーションに関する研究に携わり、新型火力発電
プラントの性能解析・評価結果を踏まえた研究計画の立案・推進に従事してきました。今後引き続き石炭ガス化複合発電の実用化に向けたシステム評価研究を進めるとともに、サイクルの改良による新たな高効率ガスタービ
ン利用システムの研究や需要家サイドを含む
トータルなエネルギーシステムの省エネ性の評価研究に取り組んでいきます。

84

高橋徹（1997年入所）
これまでに発電システムのシステム解析に関する研究に携わってきました。現在は、それに加え、分散型エネルギーシステムについても研究を行っています。今後は、ガス化複合発電の実用化に向けて、ガス化複合発電の高効率化の研究を行っていきたいと考えています。

船山

保男（昭和42年東京電力（鶴見火力発電所）入社）
昭和52年、東電学園大学部卒業
昭和66年、火力部火力設計課
昭和60年、開発研究所石炭ガス化研究室
平成２年、石炭ガス化複合発電技術研究組合
出向
平成８年、エネルギー・環境研究所石炭研究室主任研究員
平成９年、横須賀火力発電所保修部課長
平成11年、電力中央研究所派遣 横須賀研究所プラント熱工学部 上席研究員、現在に至
る

６−１

研究の背景

機器から構成されている上に、作動媒体も気体だけでな

6-1-1 は じ め にく、液体や固体、あるいは二相流までも含まれる、非常に複雑な系である。このため、従来は様々なシステム構

IGCC システムと一口に言っても、第一章で紹介した

成毎に専用の熱効率解析プログラムを開発して性能解析

ように様々なガス化炉形式、ガス精製方式があり、また、を行なっていた。ところが、このように個々に専用プロ使用するガスタービンの形式や蒸気系の構成方法にも多グラムを用いて計算することには次のような問題点があくの選択肢がある。さらに、将来的には燃料電池と組みる。先ず、新たな工夫を加えたシステム構成を考案した

合わせたシステムも考えられている。このように多数のとき、その性能を解析するために、新たにそのシステム

選択肢が考えられる中から目標とするシステムを明確に用の計算プログラムを開発しなければならず、時間も労して開発を進めるためには、多くのシステムを同一条件

力もコストもかかる。また、複数のシステムの計算結果で解析し、比較評価する必要がある。

が得られていても、全て別々の計算プログラムで計算さまた、システムを評価するための指標としても、熱効れたものでは計算の前提条件や計算方法が統一されてい率、経済性、信頼性、運用性、環境性など、様々なものないため、それらの結果を横並びで比較することができが考えられる。中でも熱効率解析はシステム全体の熱物ない。さらに、IGCC システムの成立性を評価するため

質収支計算を行なうものであり、システム全体の熱効率には、IGCC システムのみでなく微粉炭火力や PFBC なを求めるだけでなく、各機器の設計条件を明らかにする

どの競合技術についても同一条件のもとで性能解析を行ものであり、プラントの計画や設計、運用など様々な検なって、比較評価する必要がある。
そこで、当研究所では、平成 10 年度より様々な発電

討のベースとなるものである。
当研究所では、これまでに個々のシステム毎に熱物質システムの熱効率を解析することのできる汎用プログラ

収支計算プログラムを開発し、様々な発電システムの解ムの開発を進めてきた¸。本章では、このプログラムに

析評価を行なって、その開発計画の策定などに資してき

ついて、その概要と IGCC システムの熱物質収支計算にたが、ここでは、IGCC 発電システムの熱効率解析・評基づく熱効率解析・評価のための諸機能、および今後の価研究に関する近年の取り組みを紹介する。

展開について述べる。

6-1-2 汎用熱効率解析ツール開発の重要性
IGCC システムは、通常の発電システムと較べ多くの６−２

システム性能解析
評価ツールの開発

析汎用プログラムの実行画面例を示す。図を見れば分か

6-2-1

発電システム熱効率解析汎用プログ
ラムの概要

るように本プログラムは Windows アプリケーションとして作成されているため、基本的な操作を簡単に行なうことができる。

図 6-2-1 に当研究所で開発した発電システム熱効率解システムの設計から計算に至る操作は、図に示すよう

電中研レビュー No.44 ● 851-1）コンポーネントパレットから機器を選択

1-2）機器を配置したい位置をクリックして機器を配置

4）機器の計算条件の設定

2-1）パレットで接続線を選択

2-2）表示された接続ポート間をマウスでドラッグして接続

5-1）計算の実行

3）作動流体の性状を入力

5-2）各部状態量の表示
5-3）各部状態量の詳細表示

図6-2-1 発電システム熱効率解析汎用プログラムに、必要な機器を配置してそれらを接続し、様々な計算

a．石炭ガス化炉

条件を設定して、計算実行ボタンを押すという流れであ

石炭ガス化炉として、実証機計画の事前検討で取り上げ

り、マウス操作を中心として直感的且つ簡便に行なえるられた、図 6-2-2 に示す４種類のガス化炉のモデルを組ものとなっている。

み込んでいる。図中、赤い三角印が機器への作動流体のシステム全体の熱物質収支の計算には当研究所で独自流入を、青い三角が機器からの流出を示している。例とに開発した高速計算アルゴリズムを用いているので、して、図中一番左の電中研−三菱炉について、各ポート様々な計算条件のもとで高速に計算を行なうことが可能に接続するラインの種類を示す。

である。

次に、モデル内の計算式について簡単に触れる。石炭
ガス化炉内は、固体粒子を含む複雑な流れ場の中で様々

6-2-2 IGCC システム性能解析のための機能な反応が同時進行する、非常に複雑な系である。したがって、ガス化炉内の伝熱・流動・反応などのモデリング

¸

機器モデル
各種 IGCC システムの熱物質収支計算を行うため、下記の機器モデルを開発している。

86

は、第３章で示したように別途実施している。本システ
ムでは、シフト反応など反応速度の速い反応は化学平衡の状態にあるものとして、また、石炭粒子のガス化など

回収蒸気

生成ガス

リダクタ石炭リダクタ空気コンバスタ石炭チャー

コンバスタ空気冷却水

電中研−三菱炉

日立炉

図6-2-2

テキサコ炉

シェル炉

ガス化炉モデル

反応時間の遅いものに関しては炭素転換率等を設定値と

表6-2-1

して与えて計算するものとなっている。また、水冷壁へガス精製設備機器モデル

集じん設備

サイクロン

の伝熱量に関しても、ガス化炉への総入熱に対する炉壁
フィルタへの伝熱割合を設定値として与えて計算するものとなっポーラスフィルタ

ている。
移動床集じん設備

例として、電中研−三菱炉について計算するために設

脱硫設備

乾式

固定床脱硫設備

定しなければならない値を示すと、移動床脱硫設備

・炉内炭素転換率
流動床脱硫設備

・コンバスタ炭素転換率

湿式

・放熱ロス割合

化学吸収塔

その他

COSコンバータ・スラグ捕集効率

脱硝設備

・コンバスタ空気比又はコンバスタ温度

水洗塔

・リダクタ空気比又はリダクタ温度
・給炭量比（コンバスタ投入石炭流量/リダクタ投入石
炭流量）っている。一方、湿式脱硫設備に関しては脱硫剤に関す・炉壁への伝熱割合（コンバスタ及びリダクタ）

る詳細データの入手が困難であるため、脱硫効率を設定

・各部圧力損失値として与えて計算するものとなっている。また、集じとなっている。これらをもとにガス化炉出入り口の熱物質収支計算を行ない、生成ガスの組成や空気比、ガスん設備に関しても、集じん効率を設定値として与えて計算するものとしている。

化効率などを算出する。
c．そ

種機器モデルが組み込まれている。
これらの機器モデル内部の計算式は、それぞれ次のよ他

上記の機器モデルの他に、他の発電システムでも用い

b．ガス精製設備
ガス精製用の機器モデルとしては、表 6-2-1 に示す各のられる機器モデルとして、表 6-2-2 に示す各種機器のモデルが組み込まれており、石炭ガス化燃料電池複合発電も含む様々なシステムの性能解析が可能である。

うになっている。先ず、乾式の各種脱流設備に関しては各種の触媒を用いた場合の平衡定数などのデータが揃っ¹

作動媒体の物性値計算式ているので、触媒の種類を選択することで自動的に除去効率を計算するものとなっている。現時点では亜鉛フェライト、チタン酸亜鉛及び酸化鉄の中から選択可能とな

a．石

炭

石炭の物性としては実証機設計候補炭を中心に、現在

電中研レビュー No.44 ● 87

表6-2-2

IAPWS（国際水・蒸気表会議）の IF-97 ¹を採用しておその他機器モデル

回転機器

り、従来の蒸気表の適用範囲である 800 ℃、100MPa ま

膨張タービンでの領域に加え、圧力が 10MPa 以下であれば、2000 ℃

ガスタービン

まで信頼性の高い計算結果を得ることが出来る。

蒸気タービン
圧縮機c．その他気体成分

ポンプ
熱交換器

その他のガス成分については、文献ºの式を基本とし、熱交換器

ここに含まれていない成分については NIST（National

復水器

Institute of Standard and Technology,

水分離装置

上（http://webbook.nist.gov/chemistry/）で公開して冷却器

いる式を用いている。

加熱器
燃料電池

米国）が WEB

MCFC

6-2-3

熱物質収支計算例

SOFC
その他

燃焼器

図 6-2-3 に簡単なシステムの熱物質収支計算例を示す。

増湿塔

ここでは設定した値を赤丸で囲っているが、このように燃焼器出口温度を設定値として与え、燃料流量を設定せ４炭種について、灰性状も含めた石炭性状をデータベー

ずに計算を実行すれば、必要な燃料流量が計算される。

スとして持っている。さらに、任意の石炭性状を設定し逆に、燃料流量を設定して、燃焼器出口温度を計算結果て計算することも可能である。

として得ることもできる。このように、合理的な条件が設定されていれば任意の計算条件下で熱物質収支計算を行なうことが可能である。図 6-2-4 に本プログラムを用

b．水 ・ 蒸 気
発電システムの作動流体として最も多く使われている

いて計算した IGCC システムの熱物質収支計算例を示す。

水・蒸気の物性計算には、最新の蒸気表である、

このように複雑なシステムでも、パソコン上で短時間で燃料
25.0 C
1.0 bar
1.0 kg/s

燃焼器

圧縮機

1200.0 C
15.0 bar
0.0 kg/s

25.0 C
1.0 bar
0.0 kg/s

タービン
25.0 C
1.0 bar
0.0 kg/s

空気25.0 C
1.0 bar
1.0 kg/s

燃料25.0 C17.6 bar
2.0 kg/s

燃焼器

圧縮機
空気
25.0 C
1.0 bar100.0 kg/s

415.9 C
15.8 bar00.0 kg/s

1200.0 C
15.0 bar
0.0 kg/s

タービン
558.7 C
1.0 bar102.0 kg/s

図6-2-3 計算例（単純ガスタービンサイクル）

881266.2 C
32.0 ata
622.4 t/h
石炭80.0 C
38.0 ata
121.5 t/h

150.2 C
28.0 ata
604.1 t/h

404.9 C28.9 ata
621.5 t/h

2

1
1

2

2

ポーラス
フィルタ

25.0 C
28.0 ata
604.1 t/h

94.0 C
28.0 ata
70.0 C
621.5 t/h
28.0 ata
CO コンバータ 621.5 t/h
94.0 C
28.0 ata
621.5 t/h

サイクロン

50.0 C
28.0 ata
606.2 t/h

スクラバー

脱硫塔
回収蒸気

1
2
石炭前処理
25.0 C
7.8 ata
41.8 t/h
酸素圧縮機

窒素 圧縮機
25.0 C
7.7 ata
133.9 t/h

209.7 C
30.3 ata
89.0 t/h

11

1564.7 C
171.1 ata
290.8 t/h

1
2

2

2

燃焼器

1

1
2

冷却空気

2

COND

2

4605C
225ata399.2t/h

1

2

LT
LT

IT
IT

HT
135.0 C
21.4 ata
2124.0 t/h

125.0 C
7.7 ata
89.0 t/h

原料空気
圧縮機

300.0 C
27.2 ata
604.1 t/h

窒素昇圧機

2

N2
O2
15.0 C
1.0 ata
175.7 t/h
空気2249.8 C36.7 ata
44.9 t/h

339.9 C12.0 ata
554.4 t/h

538.0 C54.8 ata
387.2 t/h

1

空気昇圧機
圧縮機
15.0C
空気 1.0ata
2030.1t/h

CP566.0 C187.6 ata
180.0 t/h

ガスタービン
570.8 C
1.0 ata
2324.0 t/h

GC
GC
回収ドレン
IP-BFP
補給水12
補助蒸気冷却水HP-BFP2
1RH

図6-2-4

IP-SH

IP-EVA

2ECO

1ECO

排ガス
100.0 C
1.0 ata1996.2 t/h

IGCCシステムの熱物質収支計算

熱効率解析を行うことが可能であり、炭種や大気条件、製設備等の機器の変更や、蒸気系の組み換えなどを行なあるいは各機器の効率等が変わった場合の影響なども即ってシステムの最適化の検討を行なうことも容易である。

座に計算することが出来る。さらに、ガス化炉やガス精６−３以上述べたように、既に４種類のガス化炉を含む様々

¸

今後の展開

計算精度の向上な機器モデルを開発しており、多様な IGCC システムの作動流体に含むことのできる成分数の追加や、化学反熱効率解析が可能であるが、今後、より一層の実プラン

応及び気液平衡計算式の拡充など、物性値計算用関数群

トに即した機器のモデル化と操作性の向上などを目指しを増強し、より詳細な解析を可能とする。
また、将来的には第 3 章で述べたガス化炉内シミュレて、以下に示すようなプログラムの機能増強を行なう計画している。
さらに、本プログラムを用いて実証プラントの性能解ーション技術など、個々の機器に関する研究の成果を反映させて、より一層の計算精度の向上を目指す。

析・評価、将来的には商用プラントの一層の高効率化を目指して種々の IGCC システムの解析・評価研究を進めていく計画である。

¹

操作性の向上本プログラムは、設定された条件が合理的でありさえ

電中研レビュー No.44 ● 89

すればどの値を設定しても計算することが可能である。

・空気比、給炭量比などの各種操作パラメータがプラント全体性能に与える影響の検討。

しかし、このように柔軟な条件設定が可能であるため、IGCC システムのような複雑なシステムの解析を行なう

・設計条件（炭素転換率、放熱ロス割合、スラグ捕集効

場合には、計算条件の設定が難しくなってしまっている。

率、炉壁への伝熱割合など）の相違が全体性能に与えそこで、条件設定を支援する機能の追加を考えている。

る影響についての検討。
・炭種の違いがプラント全体性能などに与える影響の検º

計算機能の増強
現時点では定格負荷時の熱物質収支計算を行う機能し討。
・プラント運転状態の解析による、設計性能との相違に関する要因分析。

か持っていないが、部分負荷特性解析や、さらには動特性解析を行う機能の追加を進めている。
¼»

実証プラントの性能解析・評価
実証プラントを詳細にモデル化し、以下に示すような解析・評価を行ないたいと考えている。

90

商用プラントのシステム解析・評価研究
さらに、以上述べたプログラムの機能増強などと並行して様々な IGCC 発電システムの検討を進め、より高性能なシステムを提案して行きたいと考えている。

コラム： DME 併産型石炭ガス化複合発電
１．は じ め に
現在、石炭は LNG や石油と比較して熱量単価が約 1/3 と安く、原子力に次ぐベース電源若しくはミ
ドル電源用燃料と位置付けられ、高効率発電が可能な IGCC の開発が行われている。IGCC での石炭ガス化ガスは、発電用燃料以外に合成燃料（メタノール、F-T 油、DME 等）用の原料ガスとしても活用可能である。IGCC と合成燃料製造とを組み合
わせ、重複設備を統合した合成燃料併産型 IGCC シ
ステムが提案されており、このシステムでは、発電側と合成燃料製造側の負荷を調整することにより、IGCC をピーク対応用として運用しながら合成燃料を安価に製造できる可能性がある。当研究所
では、合成燃料として、物性が LPG に近く環境性にも優れている DME を取り上げ、DME 併産型
IGCC システムについて、技術的・経済的観点から、その実現性の検討を実施した。

をガスタービンに供給することにより、システム全体としての効率向上を図っている。発電と DME製造を併せたエネルギー利用効率（注）は、表３に示
す通り、夜間（主に DME 製造）は 52%、昼間（主に発電）は 42 〜 43%であった。クエンチ型 IGCC
は約 36 ％であるから、約６％（絶対値）向上することになる。
3.2 経 済 性
¸ 発電原価発電設備は表 2 に示すパターンで運転するため、設備利用率は約 20%である。その結果、発電原価は、ケース１で 16.0 円/kWh、ケース２で 10.6 円/kWh、
ケース３で 9.9 円/kWh となり（表４）、ケース２及
び３は、ピーク用電源として採算に乗る可能性があることがわかった。
¹

２．設備構成と運用方法
図１に基本システム構成を、表１に検討ケースを示す。本検討では既に商業化されている酸素吹きスラリーフィード・クエンチ型ガス化炉と湿式ガス精製（MDEA）をベースとし、DME 製造設備
は、NKK が開発を行っているプロセスを想定した。
運用方法については、ガス化炉・ガス精製は常時定格運転とし、昼間は発電を主に、夜間は DME 製
造を主に行うパターンとした（表２）。
３．検 討 結 果
3.1 熱 効 率
本システムでは、DME 製造設備からのオフガス

DME 製造原価
DME 製造原価を表５に示す。本検討では、ガス
化炉、ガス精製及び共通設備建設費を IGCC 側で負担させ、DME 側の固定費を小さくなるようにしている。その結果、DME 製造原価はケース１及び２で 2.0 円/Mcal、ケース３で 1.2 円/Mcal となり、輸入
LPG（1.9 〜 3.6 円/Mcal）や LNG（1.7 〜 2.2 円/Mcal）と比較して十分の競争力を持つことがわかった。
º

プラント建設費
IGCC、DME 設備の推定建設費を表６に示す。

3.3 実用化にむけた技術課題
各構成設備の開発段階や技術課題を表７に示す。

送電電力（kW）x 860kcal/kwh + DME製造量（kg/h）x DME発熱量（kcal/kg）x 100（注）エネルギー利用効率＝――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
石炭投入量（kg/h） x 石炭発熱量（kcal/kg）

煙突

蒸気

ガス化炉

ガス精製

精密脱硫

ガスタービン

オフガス

排熱回収
ボイラ

蒸気
タービン
別置ガスタービン
による発電
又は販売

DME製造

DME

図１

DME併産型IGCC基本システム構成

電中研レビュー No.44 ● 91

表１

設

備

方

式

検討ケース

ケース１
（基本ケース）

ケース２（スケールアップによる経済性向上）

ケース３（参考ケース）

118 t/h １系列

130 t/h ２系列

92 t/h ２系列

ガス化炉

酸素吹き・スラリー
フィード・クエンチ型

ガス精製

湿式ガス精製

ガスタービン（石炭量相当）GE F型

F7FA １台（78 t/h×１）

F9FA ２台（118 t/h×２）

F9FA ２台

DME製造

直接製造方式（NKK）

51 t/h １系列

111 t/h １系列

111 t/h １系列

同

上

石

燃料種別

表２

同

炭

石

同

炭

設備運用パターン発 電 設 備Ｄ Ｍ Ｅ 設 備

定格出力運転（燃料は石炭ガス化ガスとDME製造装置からのオフガス）

運転維持の為に必要な最低量製造運転

土日祭日の終日
及び平日の夜間（17：00〜８：00）

部分負荷運転（燃料はDME製造装置からのオフガス。この電力で所内動力を賄い、若干の送電が可能）

定格量製造運転エネルギー利用効率

ケース１
昼
発電電力

上

重質残渣油

平日の昼間
（８：00〜17：00）

表３

間

ケース２

夜

間

昼

間

ケース３

夜

間

昼

間

夜

間

MW

306

120

880

286

880

286

ガスタービン

MW

197

80

572

186

572

186

蒸気タービン

MW

109

40

308

100

308

100

MW

47

54

123

146

123

146

IGCC設備

MW

38

38

106

106

106

106

DME設備

MW

9

16

16

40

16

40

送電電力

MW

259

66

757

140

757

140

送電端熱効率

％

40

−

41

−

41

−

DME製造量

t/h

19

51

17

111

17

111

エネルギー利用効率

％

43

52

42

52

42

52

所内電力

表４

発電原価

ケース１
昼

92

上

間

夜

ケース２
間

昼

間

夜

ケース３
間

昼

間

夜

間

固定費分

円/kWh

14.5

0

9.1

0

9.1

0

燃料費分

円/kWh

1.5

0

1.5

0

0.8

0

合

円/kWh

16.0

0

10.6

0

9.9

0

計

表５

DME製造原価

ケース１

ケース２

ケース３

円/トン

円/Mcal円/トン

円/mcal

0.60

3,591

0.52

3,591

0.52

11,518

1.67

11,732

1.70

6,621

0.96

夜間電力売電補正

1,732

0.25

1,797

0.26

1,797

0.26

合

11,062

2.02

10,530

1.96

5,419

1.22

円/トン

円/Mcal

4,163

固定費分
燃料費分
（注）

計

（注）夜間電力売電補正：夜間発電電力を1.5円/kWhで売電した収入

表６

プラント建設費
ケース１

ケース２

ケース３

プラント建設費

億円

605

1,108

1,108

IGCC設備DME製造設備

億円
億円

518
87

955
153

955
153

表７
設

各構成設備の技術レベル

備

開発段階

酸素吹きスラリーフィード・
ガ
ス
化
炉

クエンチ型

◎
◎

同上（重質残渣油）
空気吹きドライフィード・
排熱回収型

○

技

術

課

題

ガス化炉で熱回収をしないので熱効率が低く、通常36％（送電端HHV）程度
同上

高効率（46〜48％）が可能であり、実証
プラント計画を推進中
顕熱損失が大きく、乾式より熱効率が約

湿式ガス精製（MDEA）◎

精密脱硫装置（亜鉛吸着方式）◎

吸着後は廃棄物となり、処理が難しい

複合発電設備◎

特になし

DME製造設備△

１〜２％下がる。

触媒の寿命、製造コストの低減、DME転換率の向上、スケールアップ技術の確認、長時間連続運転の確認◎：商業レベル◯：実証レベル□：パイロットレベル

クエンチ型ガス化炉はアンモニア製造用として、
LNG コンバインドは発電プラントとして既に商業運転されている技術である。IGCC は欧米で実証試
験が進行中であり、日本でも㈱クリーンコールパ
ワー研究所が発足して実証機計画が進行している段階である。
精密脱硫装置については亜鉛吸着法が実用化されているが、再生利用できないので大量使用した
場合の廃棄処理の方法に課題が残されている。
DME 製造の技術的課題は、Aエネルギー転換効率の更なる向上（現状は約 80%）、B触媒の長寿命化と製造コストの低減、Cプラントとしての長期
安定運転の検証などが想定される。

△：ベンチレベル

４．今後の展開
本検討は既存の資料 ¸¹をベースに概略の試算を行ったものである。今後は、設備構成、機器容量及び運転方法などの最適化検討が必要である。
DME 設備から発生する中圧蒸気も取り込んだ蒸気系の最適化、ガス系の顕熱回収による損失低減及び、ガス・空気系圧力の動力回収など最適化検討を行えば、更に効率の向上が期待できる。
参考文献¸ 石炭利用総合センター DME 研究会提出資料、
NKK¹ IGCC 発電プラント− EPRI の設計とコストの研究（EPRI ガス化会議資料、1998 年）

電中研レビュー No.44 ● 93

第

章

7

低コスト化およびさらなる
高効率化に向けた研究

第７章

低コスト化およびさらなる高効率化に向けた研究 ● 目
横須賀研究所

我孫子研究所７−１

７−２

石炭ガス化スラグの有効利用方策

次エネルギー機械部

市川和芳

高レベル廃棄物処分研究プロジェクト（兼）材料構造部

山本武志………………………………………………………………………………………97

横須賀研究所

エネルギー化学部

渡辺隆夫

横須賀研究所

エネルギー化学部

吉葉

史彦

横須賀研究所

エネルギー化学部

河瀬誠

横須賀研究所

エネルギー機械部

森則之

燃料電池複合発電技術開発の現状と課題 ………………………………………………………………………………101

コラム：燃料電池の原理 ……………………………………………………………………………………………………………108

横須賀研究所

エネルギー機械部

木戸口和浩

横須賀研究所

エネルギー機械部

原三郎

横須賀研究所

エネルギー機械部

芦沢正美

コラム：重質油ガス化複合発電の現状と課題 ……………………………………………………………………………………109

市川 和芳（38ページに掲載）

渡辺 隆夫（1981年入所）
MCFCのスタック性能評価、スタック運転
技術、電池シミュレーション、MCFCとSOFCに関する発電システム解析を行ってきた。
現在、MCFCを中心とした経済性評価や導入方策の検討や燃料電池全般の研究を推進している。

河瀬誠（1993年入所）
これまで溶融炭酸塩形燃料電池に関する研究に携わり、燃料として石炭ガス化燃料を用いた場合の電池性能に対する不純物の影響評
価を中心に研究を行っている。さらに、燃料電池の高出力化のため、高性能な電極の開発に取り組んでいる。
今後も、引き続きガス化複合MCFC発電の実用化に向けて不純物の影響評価、高性能な電極の開発の研究を進める。
森則之（1987年入所）
高温ガスタービン用セラミック燃焼器、セラミック静翼、ならびに固体酸化物形燃料電池の構造設計、試験を通してセラミックスを発電機器に適用する研究を行ってきた。
現在、ガスタービンの監視、異常検知シス
テムに関する研究に従事している。

原96

三郎（10ページに掲載）

山本 武志（1993年入所）
フライアッシュの有効利用に関して、その諸特性とそれを混和したコンクリートの性能評価に関する調査研究に従事。フライアッシ
ュのアルカリシリカ反応抑制効果やポゾラン
活性の早期評価手法を開発。現在は、高レベ
ル廃棄物処分のための人工バリアの性能評価に関する調査研究にも従事。セメント水和化
合物の変遷現象を解明したい。
吉葉 史彦（1993年入所）
これまでMCFCに関する研究に携わり、スタッ
ク内部状態解析及び10kW級スタック運転研究を中心に行ってきた。現在は、石炭ガス化MCFC発電システムの解析及び石炭ガス化ガスを用いたMCFCスタックの発電試験を実施している。今後
は、引き続きIG/MCFCの実用化に向けて研究を進めるとともに、廃棄物ガス化ガスを燃料とした
場合のMCFCスタック発電特性等を明らかにして行きたい。

木戸口和浩（1995年入所）
これまで、オリマルジョンなどの重質油ガス化に関する研究に携わり、ガス化複合発電の実用化に向けた中部電力、三菱重工業との共同研究、2t/dガス化研究炉を用いた燃料特性評価を行ってきた。その一方で、ガスター
ビン燃焼器内の燃焼状態監視システムの検討、開発も行っている。今後は、残渣油、CWMなど多種多様な燃料のガス化特性評価を行うとともに、ガス化炉を含めた燃焼器全般において計測システムの検討、開発を行っていきたい。

芦沢 正美（28ページに掲載）

７−１

石炭ガス化スラグの有効利用方策に示す。噴流床ガス化炉においては、灰分を溶融状態に

7-1-1

石炭ガス化スラグの特徴て常温の貯水槽に流下させ、急冷・固化させた後、粉砕し排出する。

噴流床石炭ガス化プロセスでは、石炭中に含まれる灰

このため、石炭灰は図 7-1-2 に示すようなガラス状固分は、炉内で生成ガスと分離され系外へ排出される。こ化スラグの形態で排出され、重量あたりの容積が大幅にの灰分は、微粉炭ボイラから排出されているフライアッ

減少し、灰の置き場面積が大幅に低減できる。また、取シュが各分野で利用されているのと同様にその特徴を活り扱いも容易になる。

かした有効利用が期待されている。以下に石炭ガス化ス¹

ラグの特徴について述べる。

スラグ中に未燃炭素分を含まない
ガス化スラグの組成分析結果を原炭中灰分組成と比較¸

石炭中灰分の全量がガラス状固化スラグの形態で排し、表 7-1-1 に示す。ガス化スラグ組成は基本的に石炭出される中に含まれている灰分組成と同等であることがわかる。

石炭ガス化炉における石炭灰排出プロセスを図 7-1-1

生成ガス＋チャー

リダクタ

圧
力
容
器

石炭
空気
チャー
石炭

図7-1-2
空気ガス化スラグとフライアッシュ

溶融空気

表7-1-1
溶融スラグ

単
位

急冷

粉砕

ガラス状固化スラグ

図7-1-1石炭ガス化スラグ排出プロセス

ガス化スラグ組成例

豪 州 Ｍ 炭豪 州 Ｗ 炭原 炭 灰ガス化スラグ

原 炭 灰ガス化スラグ

SiO2

wt%

51.6

53

66.80

64.30

Al2O3

wt%

26.42

26.74

24.40

23.80

Fe2O3

wt%

12.34

10.94

3.73

4.89

CaO

wt%

2.99

3.13

1.15

2.22

TiO2

wt%

1.41

1.34

1.14

1.27

MgO

wt%

1.19

1.19

1.35

1.57

SO3

wt%

1.22

0.08

0.03

0.03

P2O5

wt%

0.25

0.21

0.10

0.16

Na2O

wt%

0.67

0.64

0.32

0.55

K2O

wt%

1.33

1.39

0.83

1.00

電中研レビュー No.44 ● 97

表7-1-3

また、石炭中灰分のほぼ全量がスラグとして排出される
ため、品質的にも安定しており、また未燃分を全く含ま用ない長所がある。

º

水中への溶出成分がほとんどない
次にガス化スラグの水中溶出試験結果を表 7-1-2 に示す。ガス化スラグは固化体であるため、水中に長時間保持しても溶出成分がほとんどなく、産業廃棄物の溶出判
定基準、土壌環境基準を十分クリアした、環境保全性に優れた性質であることが確認されている。

使用量（トン）

利用比率（％）

電力工事用

途

12,6190.41

FAセメント用

197,270

6.43

生コン用

89,1812.91

セメント原料用

2,016,593

65.72

人口軽量骨材用

36,6341.19

道路路盤材用

48,5601.58

アスファルトフィラー用

521

0.02

融雪剤用

187

0.01

肥料用

38,862

1.27

土壌改良材

26,641

0.87

805

0.03

土木工事用

54,522

1.78

炭坑充填材

105,636

3.44

地盤改良材

12,325

0.40

製鉄用

2,155

0.07

建材ボード用134,439

4.38

二次製品用

14,8700.48

その他

276,825

9.02

下水汚水処理剤

石炭ガス化スラグはこれらの特徴を持つことから、様々な用途での有効利用が期待されている。

7-1-2

電気事業フライアッシュ利用内訳

セメント・コンクリート分野での利用方策検討

有効利用合計

3,068,645

有効利用率（％）

我が国電気事業におけるフライアッシュの有効利用内

68.5

100
─

平成10年度利用分、出典：石炭灰ハンドブック

訳を表 7-1-３に示す。電気事業で発生したフライアッ
シュの総排出量は 430 万トンの内、有効利用されている料としての適合性について検討を行い（図 7-1-3）、評のは約 300 万トンである。その内訳では７割以上がセメ価を行った¸¹º。以下にその検討結果について述べる。

ント・コンクリート分野で利用されていることがわかる。
ガス化スラグも組成的にはフライアッシュと同様である¸

混和材としての検討ことから、コンクリート分野での利用が期待できると考セメントの一部代替材料としてコンクリートに用いるえられる。そこで当研究所は、ガス化スラグ有効利用方

材料を混和材と称する。混和材としての性能を評価する策の確立の第一歩として、太平洋セメントと共同で２トためにモルタル試験を実施した。ただし、モルタル試験

ン/日炉および 200 トン/日炉より排出されたガス化スラ法は当時（平成７年）の規格であるフライアッシュ JIS

グを用いて、コンクリート用混和材、骨材、セメント原A 6201-1991 に従っている。セメント重量の 30 ％をガス

表7-1-2

ガス化スラグの溶出試験結果（豪州Ｍ炭）
単位：mg/l項

98

目

ガス化スラグ（豪州Ｍ炭）

産業廃棄物の溶出判定基準
埋立処分

海面埋立

土壌環境基準1

アルキル水銀化合物

ND（＜0.0015）

ND

ND

ND

2

Hgまたはその化合物

ND（＜0.0005）＜0.005＜0.005＜0.0005

3

Cdまたはその化合物

0.0003

＜0.3

＜0.1

＜0.01

4

Pbまたはその化合物

0.004

＜3

＜1

＜0.01

5

Asまたはその化合物

0.002

＜1.5

＜0.5

＜0.01

6

CN化合物

ND（＜0.1）

＜1

＜1

ND

7

有機リン化合物

ND（＜0.1)

＜1

＜1

ND

8

PCB

ND（＜0.0005）＜0.003＜0.0039

Cuまたはその化合物

0.0009

─

＜3

＜3

10

Znまたはその化合物

0.005

─

＜5

＜5

11

6価Cr化合物

ND（＜0.001）

＜1.5

＜0.5

＜0.05

12

pH

8.1

─

＜9

─

ND

はあるが、その他の物性値は規格に適合することを確認
+粘土
石灰石
鉄原料
珪

セ
メ
ン
ト

*細骨材
水

モ
ル
タ
ル

コ
ン
ク
リ
ー
ト

)混和材
水

石

骨

材

した（表 7-1-5）。ガス化スラグ骨材を用いたモルタル試験により、一般的な砕石を用いた場合に比べ流動性および強度が若干劣るが、配合によっては、砕石と同等の強度となることが示された。また、ガス化スラグ細骨材

図7-1-3

セメント・コンクリート製造過程における検討材料を用いたモルタル硬化体を薄片処理し、実体顕微鏡によりペーストと骨材界面を観察したが、アルカリシリカ反化スラグ微粉末で置換・混和した。各ガス化スラグ微粉

応による反応生成物は認められなかった（図 7-1-4）。

末の物性値とモルタル試験結果を表 7-1-4 に示す。ガス

ガス化スラグ骨材の絶乾密度が低いために、実用施工時

化スラグ微粉末を混和したモルタルでは、単位水量低減に配合設計および施工において配慮が必要となるが、十効果および強度発現性が十分に得られ、混和材として十分に使用可能であると考えられた。

分な性能を発揮することが示された。また、一般的なフºライアッシュを用いた場合と同等の強度発現性を得るためには、ガス化スラグの粉末度をブレーン値 （注１） でセメント原料としての検討
１トンのセメントを製造する際に、原料として石灰石、

2

粘土、ケイ石、鉄原料を各々 1080kg、220kg、60kg、4000cm /g 以上にする必要があることが認められた。

30kg 使用し、1450 ℃の焼成キルンでクリンカー塊を造¹

細骨材としての検討

粒する。そのクリンカー塊に 35kg の石膏を添加し、粉コンクリートには通常、砂や砂利、石などを混合し、砕することによりセメントを製品化している。現在は、これらを骨材と呼んでいる。５ mm 以下のものを細骨

天然の粘土原料の代替として、石炭灰および各種スラグ

材、５ mm 以上のものを粗骨材と呼ぶ。ガス化スラグが多く用いられている。平成 12 年度時点でセメントのを粉砕処理し、粒度調整を施しコンクリート用細骨材を需要量は 8200 万トンであり、セメントクリンカー用の準備した。５種類の細骨材試料に対してコンクリート用

粘土原料としてガス化スラグを用いる場合には、定常的砕砂（JIS A 5004）、高炉スラグ細骨材（JIS A 5011）、に一定量の有効利用が見込まれる。

フェロニッケルスラグ細骨材（JIS A 5011）の各規格に

本実験では、太平洋セメント㈱のＫ−２キルンを用い示される物性値（密度、吸水率、含水率、単位容積質量、てガス化スラグを粘土原料の一部代替として利用した焼実績率）（注２）を評価し、絶乾密度のみが規格値以下で成試験を行なった。セメントクリンカー焼成キルンでは、

表7-1-4

粉末度

圧縮強度比（％）

単位水量比
（％）

7日

28日

91日

12.7

95

58.5

75.6

83.0

3980

5.2

97

60.0

80.6

87.5

4950

1.4

97

64.0

86.3

94.7

2.53

3950

1.1

100

69.4

83.8

96.8

2.62

3970

3.6

96

65.3

81.1

95.4

豪州Ｌ炭＊1

2.62

3970

6.3

98

72.4

81.1

93.5

豪州Ｌ炭＊2

2.72

3940

4.3

98

73.4

84.6

104.3

フライアッシュ

2.24

3400

11.7

96

81.7

80.5

93.5

JIS規格値

1.95＜

2400＜

─

102＞

─

60＜

70＜

試料名

比重
（−）

微粉末スラグを混和材としたモルタル試験結果

ブレーン値（cm2/g）

44μmふるい
残分（％）

2.57

3070

2.57
2.57

豪州Ｂ炭
豪州Ｄ炭

豪州Ｍ炭

＊1は灰融点降下剤（CaO）を10％、＊2は30％添加している。

（注１）比表面積（注２）単位容積に最大限充填できる体積割合

電中研レビュー No.44 ● 99

表7-1-5

ガ
ス
化
ス
ラ
グ

ガス化スラグ細骨材の物理特性試験結果

試 料 名

表乾比重

絶乾比重

吸水率
（％）

含水率
（％）

単位容量質量（kg/l）

実績率
（％）

豪州Ｍ炭

2.33

2.32

1.24

0.04

1.75

76.0

豪州Ｂ炭

2.49

2.47

0.50

0.04

1.81

73.2

豪州Ｄ炭

2.06

2.03

1.10

0.04

1.76

86.4

豪州Ｌ炭＊1

2.37

2.34

0.32

0.10

1.70

71.8

豪州Ｌ炭＊2

2.35

2.31

0.78

0.11

1.72

73.6

砕砂

2.61

2.60

1.59

0.37

1.80

70.0

コンクリート用砕砂規格
JIS A 5004

─

2.5以上

3.0以下

─

─

53以上

高炉スラグ細骨材規格
JIS A 5011

─

2.5以上

3.5以下

─

1.45以上─

高炉スラグ粗骨材規格
JIS A 5011

─

A：2.2、
B：2.4以上

A：6.0、
B：4.0以下

─

A：1.25、B：1.35以上

─

フェロニッケルスラグ細骨材規格 JIS A 5011

─

2.7以上

3.0以下

─

1.50以上─＊1は灰融点降下剤（CaO）を10％、＊2は30％添加、A種：粒径40〜5mm

B種：粒径25〜5mm

出来ることが示された。ただし、従来の天然粘土およびフライアッシュ等の微粒子とは異なりガス化スラグの場
合は、焼成キルン投入前に微粉砕する工程が必要となるために、在来品製造時に比べてエネルギー消費量が若干多くなることが懸念された。
以上、ガス化スラグをセメント・コンクリートの分野
で有効利用する際の諸特性評価を行ない、コンクリート
用混和材、コンクリート用細骨材、およびセメントクリ
図7-1-4

ガス化スラグ細骨材を混入した
モルタル硬化体の組織観察

ンカー製造用原料として使用する際に十分な性能が得られることを示した。ただし、これらの各利用法において破砕・粉砕工程が必須となるために、各製品製造時に追スポット的に使用原料を変化させないことが望まれてお加的なエネルギー消費が必要となる。この点に関してはり、定常的に一定の組成配合となるように原料を調合し検討の余地が残された。

ている。本実験における試料の量が限られていたために、、多量のガス化スラグを短時間に焼成キルンに投入せずにクリンカー１トンあたり４ kg のガス化スラグを投入す

7-1-3

ガス化スラグ有効利用方策の拡大に向けてることにした。得られたガス化スラグ使用セメントの組成例を表 7-1-6 に示す。ガス化スラグを用いたセメント

当研究所では、ガス化スラグの付加価値化とともに大の物性値およびそのセメントを用いたコンクリートによ

量消費が果たせる新しい有効利用分野の探索が必要である物性値評価試験の結果から、在来品と同じ製品を製造るとの認識から、現在、前述の有効利用方策以外に高付加価値型の人工骨材製造技術の開発に取り組んでいる。

表7-1-6

原料

ガス化スラグを使用したセメントの化学組成例

これには、現状のスラグ性状および形状に基づいて利用

単位：wt%

方法を検討するだけでなく、利用するためには、どのよ項目 強熱
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O
減量

スラグセメント 1.8

20.9

5.0

2.8

64.9

1.6

1.9

0.35 0.43

通常セメント 1.7

20.9

5.1

2.9

65.1

1.3

2.0

0.38 0.42100

うな性状であるべきか考え、スラグ排出プロセスの改良も踏まえた検討を行う必要がある。

７−２

燃料電池複合発電技術開発の現状と課題
によって、CO が H2 に変換され、高濃度の CO を含む石7-2-1

研究の背景と現状

炭ガス化ガス燃料を直接利用することができる。さらに、燃料電池から排出される高温・高圧のガスによって、ガ

燃料電池発電は、これまでの火力発電方式と異なる電スタービンや蒸気タービンによる動力回収を組合せた複気化学反応を利用した発電方式である。発電原理が従来合発電が可能となり、プラント全体の効率をより高めるの火力発電と異なることから、高い発電効率が期待できことが可能となる。石炭ガス化複合燃料電池発電システるばかりではなく、燃焼過程を含まないことにより

ムの効率は、MCFC、SOFC ともに 50%（発電端、NOx をほとんど排出しないなど環境適合性にも優れるHHV）を越え、SOFC で数%高い値が試算されている。

といった特長を有する。当研究所では、石炭ガス化燃料

当研究所では、MCFC や SOFC を適用した天然ガス燃を用いて、IGCC をさらに上回る高効率複合発電を目指

料の高効率の発電システムを想定する一方、石炭ガス化

した高温形燃料電池の技術開発を進めている。

燃料を利用した高効率の複合発電システムを最終的な石燃料電池では、燃料と酸化剤の連続的な供給により、炭利用形態と位置づけて、その技術開発を進めている»¼。

燃料の持つ化学エネルギーが直接・連続的に電気エネル

石炭のガス化は加圧条件で行われ、ガス化炉から高温のギーに変換され、同時に反応生成物や熱が生成される。

蒸気が得られるので、発電システムとしては MCFC と一般に反応物は燃料側では H2、酸化剤側では O2 であり、共に、ガスタービン（GT）、蒸気タービン（ST）を利

生成物は H 2O である。現在、H2 を燃料として用いるの用することが考えられる。石炭を利用した MCFC によは特殊な用途に限られ、実用的には化石燃料である天然る複合発電システムの構成を図 7-2-1 に示す½。ガス化

ガスを改質したり石炭をガス化して H2 を得ることが一された石炭ガスはガス精製装置（ポーラスフィルタ、湿般的である。このとき改質反応やガス化反応に伴って式脱硫装置）を通って MCFC の燃料極に供給され、ガCO2 も生成される。このように、燃料電池発電システム

ス中の H2 が反応に用いられる。空気極では空気中の O2

における全体の反応は、原燃料となる天然ガスや石炭をが反応するが、空気は、未反応の可燃ガスや反応によっ燃焼させ、H2O や CO2 が生成され、同時に電力が得られて生じた CO2 を含む燃料排ガスと混合され、燃焼されてる点で、従来の火力発電技術と同等である。

から MCFC の空気極に供給される。これに伴って、燃料電池にはいくつかの種類があり、低温形と高温形

MCFC の空気極には反応に必要な O2 と CO2 が供給されに大別できる。低温形の燃料電池（りん酸形（PAFC）、る。高温高圧の排空気は最終的には膨張タービンに供給

固体高分子形（PEFC））は電極反応の進行を促進する

されて動力回収され、さらに排熱回収される構成となっために、電極内部に白金（Pt）触媒を分散担持させていている。これら燃料電池を大規模な石炭ガス化燃料電池

るが、Pt は CO との結合力が強く触媒能が低下するため、複合発電システムとして実現するためには、電池本体技

燃料ガス中の CO 濃度を極力低いレベルに抑制すること

術の開発はもとより、石炭ガス中に含まれる不純物対策、が求められる。また、動作温度も 200 ℃以下となり、排システム化技術など数多くの開発を今後進めていく必要

熱の利用にも制約がある。

がある。

これに対して高温形の燃料電池（溶融炭酸塩形

現在、燃料電池に関しては、当研究所の他、各メーカ(MCFC)、固体酸化物形（SOFC））は、動作温度がそれー、電力会社、ガス会社が幅広い技術開発を進めている。

ぞれ 600 〜 700 ℃、800 ℃〜 1000 ℃と高く、Pt が不要で全般的には自動車用や家庭用としての適用が期待されてあるばかりでなく、次のシフト反応

いる低温形の PEFC 開発が盛んであるが、高温形燃料電池の開発は、高効率の定置用発電技術として着実に進め

CO+H2O=CO2+H2

られている。MCFC に関しては、国の計画において、

電中研レビュー No.44 ● 101

酸素
石炭

アノード
ブロア

ガ
ス
化
炉

ガ
ス
冷
却
器

ポ
ー
ラ
ス
フ
ィ
ル
タ

復水器
冷却器
出口
冷却器
出口
高
圧
ST

アノード

湿
式
脱
硫
装
置

MCFC
カソード

−
AC
＋

燃焼
器

ボイラ

低
圧
ST

カソード
ブロア

復水器

空気

廃熱回収ボイラ

空気
圧縮器

膨脹
タービン

空気

図7-2-1石炭ガス化MCFC複合発電システムの構成（アノードガスリサイクルシステム）

天然ガス燃料の 1,000kW 級プラントの実証試験が平成

設定し、各種構成材料に重点を置いた開発を進めてきた。

11 年度に行われ、45%の発電効率を達成している。現在、その一環として、国の開発計画においては低コスト化を

平成 12 〜 16 年度の計画において、より高効率を目指し目指した材料開発を進めたほか、それに先立ち、高効率た天然ガス利用の高圧電池モジュール開発（1.2MPa）を達成するための天然ガスや石炭を用いた発電システムが進められており、当研究所では、溶融炭酸塩型燃料電の効率解析も実施してきた。さらに近年では、より高効

池発電システム技術研究組合の一員として、国の計画の率が期待できる電極支持形の薄膜電解質構造の SOFC に中で、その基本要素である 10kW 級スタックの長期耐久注目し、本構造を適用したスタック開発を所内研究とし性の試験評価や長寿命化開発を進めている。また、石炭て進めている。

ガス利用に関する基礎研究も進め、電力会社との共同の関連する技術としてはさらに、燃料電池用の石炭ガス受託分担研究として、小型単セルによる石炭ガス中に含製造を目的として、EAGLE 計画が進められている。本

まれる代表的な不純物による電池性能への影響について

計画ではガス化関連の試験が平成 18 年度まで予定されて試験評価を行っている。さらに当研究所では、MCFC

おり、その後燃料電池を接続した試験が想定されている。

の燃料多様化に向けての所内研究も進めており、石炭ガスの適用はもちろんのこと、類似した組成を持つ廃棄物

7-2-2

ガス化炉との組み合わせによる発電方式の検討も実施し溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC）複合発電技術ている。それらの研究の中で、石炭ガス化燃料組成による基本的な電池性能への影響や適用組成範囲の検討を実験的に進め、性能予測のための相関式の開発などに努め

石炭を用いた MCFC 複合発電システムを実現するための技術課題を中心に述べる。

ている。
SOFC に関しても、国では数 kW 級モジュール開発を¸

石炭ガス化燃料中の不純物の影響評価

進め、平成 13 年度から４ヶ年の予定で、５〜 20kW 級

MCFC の利用形態の１つとして、石炭ガス化燃料をの熱自立モジュール開発を進めている。当研究所では、用いる大規模高効率発電プラントが期待されているが、SOFC を将来的には MCFC を上回る高効率複合発電技

石炭には硫黄や塩素など多種類の不純物が含まれている。

術につながる技術として捉え、高効率化を達成するため

そこで、石炭ガス化燃料中に含まれる不純物の MCFCの目標として、1000 ℃動作の全セラミック製 SOFC をへの影響を検討し、ガス精製装置の精製目標値への指針

102を得る必要性がある。平成６年度から MCFC への不純の許容濃度を設定することができる。

物の影響を解明するため国家プロジェクトが進められて

HF の影響は、HCl と同様に電極反応への影響は極めおり、現在、当研究所、北海道電力㈱、四国電力㈱、北て小さい。また HCl に比べ炭酸塩との反応性は低く、電陸電力㈱、㈱日立製作所が参加している。各社の自主研

解質ロスへの影響は小さい。

究を含め、燃料側の不純物として H2S、HCl、NH3、HFを取り上げ、酸化剤ガス中の不純物として SO2、NOx をC

取り上げて MCFC 性能への影響を評価している。

NH3 の影響Â
電池性能への影響は極めて小さく、添加された NH 3のほぼ全量が電極反応また電池構成部材と反応することA

H2S の影響¾¿À

なく排出される。

H2S のセル電圧への影響は燃料中の CO 濃度が高いほど大きくなる。これは H2S がアノード（Ni）表面に化学D

NOx の影響

吸着することで、Ni の触媒機能が低下し、シフト反応

NOx 添加により内部抵抗が増加し、電池電圧は低下（H2O+CO=H2+CO2）が遅くなり、発電反応の主反応物する。しかしながら、図 7-2-3 に示すように、継続的に質である H2 が欠乏するためである。したがって、ある

NOx はカソード側から電解質に溶解するが、アノード程度の水素濃度の高い燃料であれば、図 7-2-2 に示すよにおいて燃料ガス中の H2 と NO2 −または NO3 −が反応し,うに、H2S 添加初期は電圧低下が大きいものの運転時間

N 2 としてアノード排ガス中に放出されるため、電解質

2000 時間以降ではほぼ無添加の場合とほぼ同等な性能

中にはほとんど NO3 −または NO2 −は蓄積されない。こを示し、発電反応への H2S の影響は小さい。

のため内部抵抗増加原因となる物質の生成も鈍化し、結果的に電池性能の低下はほとんど起こらない。またこのB

HCl および HF の影響Á

結果は、供給された NOx が N2 に還元されることを示し

HCl による電極反応への影響は極めて小さいものの、ており、MCFC のように燃料ガスと酸化剤ガスが電解添加したほぼ全量の HCl が¸式の反応により KCl となる質板によって仕切られている物は脱硝機能を持ち合わせ

ため、電解質ロスが促進される。この電解質ロスによりていることを示している。

MCFC 性能（電圧、寿命）が低下する。
E
2HCl+K2CO3=2KCl+H2O+CO2 … … … … … … ¸

SOx の影響Ã
電圧の経時変化は H2S 添加の場合と類似した傾向にある。しかし、カソード流路部材は、SO2 と炭酸塩より腐すなわち許容できる電解質ロス量が把握できれば HCl

食が進行しやすく、通常のカソード流路部材に用いられている SUS316L よりも耐腐食性の高い材料を用いる必
要がある。

900

以上、当研究所を中心として実施した石炭ガス化燃料
0 ppm● 5 ppm○

電圧（mV）

850

中の各種の不純物による電池特性への影響評価について

800
温度：650õ
燃料ガス：
圧力：2.94atm
H2/CO2/H2O/＝64/16/202
電流密度：150mA/cm 燃料利用率：60％
酸化剤ガス：Air/CO2＝70/30
酸化剤利用率：40％

750

700

0

2000

4000

6000

運転時間（hr）

図7-2-2長時間運転におけるH2Sの影響

8000

H2
CO2
H2 O

H2 CO2H2 O

電解質
N2 CO2 O2NONO2

N2 （67）NH3（1）

N2 NH3
アノード
NO3−

カソード
NO NO2NO2− （0.2）
N2 CO2 O2NO
NO2 （32）（100）

図7-2-3

電池内でのNOxの挙動

電中研レビュー No.44 ● 103

述べた。今後は石炭ガス化 MCFC 複合発電（IG-MCFC）

ド入口に再循環させるアノードガスリサイクルシステの実用化に向けて、多種の不純物の複合的な影響についム（図 7-2-1）、及び、アノードガスリサイクル系を省略て明らかにしていく必要がある。

しアノード出入口間に熱交換器を設けたアノード熱交換システム（図 7-2-4）である。

¹

システム構成と性能解析½

解析に適用した石炭ガス化燃料組成を表 7-2-1 に示す。

MCFC に、石炭ガス化燃料や廃棄物ガス化ガス等の石炭ガス化燃料組成の場合、天然ガス組成と比較して、多様な燃料を適用するには、長期的な安定性確保のたCO 成分の濃度が高くなっていることが特徴となる。一めこれらのガスに対する MCFC の耐久性を検証するば

方近年の電池試験によれば、MCFC を安定に運転する

かりではなく、可能な限り高い電池電圧すなわち高い

ためには運転条件にある程度の許容範囲があることが発電効率とするため最適なガス組成条件を電池部分で明らかになりつつある。表 7-2-2 には、本解析において達成するシステムを構成することが重要である。石炭

適用した運転制約要因とその条件をまとめて示す。こガス模擬ガスに不純物を添加したガスを電池に供給しれらのガス組成や運転条件を考慮することにより、シた場合の発電試験等では、アノード流路内部においてステム性能の解析結果をより精確に得ることが可能とシフト反応が未平衡状態となることにより、電池の性

なる。

¾¿

、このような実

アノードガスリサイクルシステムの構成図については電池における発電特性をシステム熱物質収支に反映さ既に図 7-2-1 に示した。本システムにおけるアノードガ

せることも、実用的なシステム構成のためには重要とスリサイクルの目的は、アノード入口部分における炭素なる。本節では、IG-MCFC プラントシステムの熱物質

析出を防止することである。炭素析出に関する解析の結収支解析を行い、MCFC 部分におけるガス条件等につ果、炭素析出防止のために必要なアノードガスリサイク能が低下することが報告されておりいて、実電池の発電限界を考慮した場合のシステム解表7-2-1析結果について述べる。解析に当たっては、アノード

天然ガス改質ガスと石炭ガス化燃料の主な組成

流路内で不純物等の影響によりシフト反応が未平衡状

石炭ガス化燃料（本検討）態となった場合を想定し、シフト反応未平衡状態がシ

29/69/1/1

48/8/7/36

酸素吹き湿式ガス精製シ
ステムにおけるガス組成

外部改質システムにおけるガス組成H2/CO/CO2/H2O

ステム全体の特性に与える影響を調べた。なお、検討

備考の対象としたシステムは、アノード出口ガスをアノー

天 然 ガ ス
（参考）

酸素
石炭
ガ
ス
化
炉

熱交換器
ガ
ス
冷
復水器
却
冷却器
器 出口
冷却器
出口
高
圧
ST

ポ
ー
ラ
ス
フ
ィ
ル
タ

アノード

湿
式
脱
硫
装
置

MCFC
カソード

−
AC
＋

燃焼
器

ボイラ

低
圧
ST

カソード
ブロア

復水器

空気
廃熱回収
ボイラ

膨脹
タービン

空気
圧縮器
空気

図7-2-4104

石炭ガス化MCFC複合発電システムの構成（アノード熱交換システム）

項

解析に考慮した電池の運転制約要因とその条件
目

運転制約条件3
アノードリサイクルシステム
アノード熱交換システム

選 定 理 由アノード入口ガス条件

炭素非析出条件

最も炭素が析出しにくい条件

アノード出口水素濃度

1％以上

実セル発電試験結果から選定

カソード入口炭酸
ガス分圧

0.1MPa以下

長期に亘りNi短絡を起こさな
いための目標値

ル率は 80 ％程度となることが分かった。図 7-2-4 にはア
ノード熱交換システムの構成図を示す。本システムでは
アノードガスリサイクルを省略することにより、アノー
ド入口における炭酸ガス濃度が低くなるため、発電にはアノード出口水素濃度（％）

表7-2-22.5
21.5
アノード出口水素濃度1％以上1

アノード出口水素濃度1％以下0.5

0K＝0.4の時の解析結果

75

80

85

90

95

100

リサイクルの外側の燃料利用率（％）

有利なガス組成となっていることが特徴となる。本システムの場合、炭素析出防止のためには、アノードガスに蒸気を添加する必要があるため、廃熱回収系からの蒸気

図7-2-５

アノード出口水素濃度のプラント燃料
利用率依存性［K＝｛（H2・CO2/（CO・H2O）｝/ CO・H2O）｝］
未平衡/（H2・CO2（
平衡）

供給を伴うシステムとなっているとともに、アノード入口におけるガス温度を所定の温度に上昇させるため、アーを設置し、電池からの熱量を蒸気タービンに回収する

ノード出口ガスとの熱交換を行うシステム構成となってことによりシステム全体の熱効率を向上させるような構いる。炭素析出ガス条件に関する検討の結果、アノード成となっている。スタックはカソードリサイクル系での熱交換システムの場合、燃料ガスへの蒸気添加量は約

熱回収及び空気圧縮機からの供給空気により冷却される

60 ％程度となることが分かった。

ため、カソードリサイクル系での回収熱量が大きくなる

続いて、アノード流路内部におけるシフト反応が未平と、システムへの供給空気量も少なくなり、システム効衡状態となり（H 2 ・ CO 2）/（CO ・ H 2O）の値が低下

率が上昇する。しかしながら、システムへの供給空気量

した場合について、アノード出口水素濃度に関する解析の減少は、相対的なカソード炭酸ガス分圧の上昇を伴うを行った。シフト反応が平衡状態に達していないことにため、Ni 短絡の観点からシステム運転条件の制約が発ついては、K={（H2 ・ CO2）/（CO ・ H2O）
未平衡 }/{（H2 ・生してくる。ここでは、カソードリサイクル系から蒸気

CO2）/（CO ・ H2O）平衡 }の値を解析に導入し、K の値をタービンへの回収熱量をパラメータとした場合の、シス

１以下の範囲で変更することによりシステムの熱物質収テム効率とカソード炭酸ガス分圧の関係について解析を※支解析に反映させた。図 7-2-5 に、K の値が 0.4 程度 に実施した。システム熱効率とカソード炭酸ガス分圧につ低下した場合について、アノード出口における水素濃度

いての検討結果を図 7-2-6 に示す。アノードリサイクルを設定燃料利用率に対して示す。アノード出口におけるシステムはカソード炭酸ガス分圧を低下させるために熱水素濃度が１％程度以上となる領域が、アノード熱交換

効率の低下を伴うのに対し、アノード熱交換システムのシステムの場合に大きくなっていることがわかる。本検場合、逆に熱効率の上昇を伴うことが分かった。

討より、アノード熱交換システムはアノードガスリサイ

以上の結果からアノード熱交換システムは、石炭ガス

クルシステムより燃料利用率を高く設定した運転が可能

化燃料のような高 CO 濃度、低 H 2 濃度燃料に対して、

であることが分かった。

幅広い燃料利用率で運転可能であり、カソード炭酸ガス

一方、カソード側システム構成に注目すると、検討を行ったシステムではカソードガスリサイクル系にボイラ分圧を低減させた条件にも十分対応可能なシステムであると考えられる。

※ アノード出口水素濃度が低下すると、電池の発電性能は急激に低下するが、その目安は約１％程度と推定されている。また、
これまでの石炭ガス化模擬ガスを用いた単セル試験では、電池内部でシフト反応が未平衡状態となり、（H2 ・ CO2）/（CO ・ H2O）の値が 0.4 程度に下がる場合があることが明らかとなっている。

電中研レビュー No.44 ● 105

はリサイクルブロワを用いて昇温する。空気側にリサイ

54

送電端効率（％，HHV）

カソード炭酸ガス分圧に対してピークが存在する

クルブロワを用いることで、システムに流入する空気流52量を低減でき、GT での圧縮機動力の低減、HRSG（排熱回収ボイラ）での回収熱量の増大が図れる。このよう

50に、SOFC による複合発電システムも、MCFC と同様に
48

46

MCFC
カソード炭酸ガス分圧の運転領域低下に伴い熱効率が上昇する

44
0.05

0.1

図7-2-６GT や ST との組み合わせによって構成されるが、最もアノードリサイクルシステム：K＝1
アノードリサイクルシステム：K＝0.7
アノードリサイクルシステム：K＝0.4
アノード熱交換システム：K＝1
アノード熱交換システム：K＝0.7
アノード熱交換システム：K＝0.4

0.15
0.2
0.25
カソード炭酸ガス分圧（MPa）

大きな違いは、MCFC では燃料極の排ガスを空気で燃焼したガスが空気極に供給されているのに対して、
SOFC では空気極には空気のみが圧縮機から直接供給さ0.3

れており、未反応物を含む排燃料と排空気は電池から排出された後に燃焼されて GT に送られている点にある。

カソード炭酸ガス分圧と熱効率の関係

カソードガスリサイクル系における熱回収量をパラメータとした解析
プラント燃料利用率はアノード出口水素濃度＝1％となるように設定した｝/ CO・H2O）｝］［K＝｛（H2・CO2/（CO・H2O）
未平衡/（H2・CO2（
平衡）システム解析に用いた電池での運転条件を表 7-2-3 に、効率解析を行った結果を表 7-2-4 に示す。表 7-2-4 中には、例示したシステムをシステム 1 として示すとともに、ガス化条件を変更した場合の効率もシステム２、システ

7-2-3

固体酸化物形燃料電池（SOFC）複合発電技術

ム３として併せて示した。なお、システム２、３では、

表7-2-3

当研究所では、石炭を利用する SOFC 複合発電システ

解析に用いたSOFCの運転条件

電池電圧0.725V

ムについても検討を実施してきたÄ。構成の一例を図 7-

燃料利用率

75％

2-7 に示す。本構成は、微粉炭を空気でガス化し、乾式

電池運転温度＊1

1000õ

クリーンアップによるガス精製を行うシステムである。

電池入口ガス温度925õ

電池運転圧力SOFC に流入する燃料は熱交換器により加熱され、空気1.0MPa＊1：電池の出入口ガス温度の平均

大気圧
110õ
排気

0.1MPa729õ
HRSG

1.0MPa
1225õ

大気圧
15õ
空気
ガスタービン

蒸気

微粉炭

ガス化炉

1.5MPa132õ

蒸気タービン

1.0MPa1077õ

1.0MPa480õ

燃焼器

1.0MPa1077õ
1.1MPa
500õ
石
炭
ガ
ス

乾式脱硫装置

SOFC

脱じん装置

空気昇圧機
冷却器

図7-2-71.0MPa925õ

SOFCを用いた発電システムの構成例（ガス化剤：空気、ガス精製：乾式クリーンアップ）

106

電池運転条件
1.0MPa1000õ
0.725V

1.0MPa925õ

表7-2-4

SOFCを用いた発電システムの効率
ガス化炉条件ガス化剤

石炭供給

効率（HHV％）［発電端/送電端］

システム1

空気

微粉炭

58.6/53.4

システム2

酸素

微粉炭

60.9/53.8

60

システム3

酸素

CWM

58.3/51.4

50

かわる動力を別途考慮した。

蒸気タービン
ガスタービン
SOFC

システム1

システム3

％

70

40

効率

酸素製造設備が必要であり、ガス化剤の製造、昇圧にか酸素製造設備動力
リサイクルブロワー動力等
その他の所内動力

3020
10

ガス化に係わる設備以外の構成および運転条件は、極0

力同じとなるように解析を行っているため、表 7-2-4 の

−10
システム2

結果は、各システムの最適化を図って得られたのではない。また、効率は SOFC の運転条件、機器効率に大きく

図7-2-8各システムの効率、損失の内訳依存するものであるが、本解析条件では、いずれのシス
テムでも、おおむね 50%を越える送電端効率が期待できなくなっている。また、石炭を石炭・水スラリー

る結果を得た。なお、微粉炭で石炭を供給するガス化方（CWM）で供給するシステム 3 では、CWM 中の水分が式では、酸化剤の種類にかかわらず、同程度の送電端効

気化熱を奪い、ガス化炉で回収できる蒸気量が減少する率となった。

ため、蒸気タービンで回収できる出力が低下している。

各システムごとの効率、損失の内訳を図 7-2-8 に示す。

SOFC 複合発電システムはこのように高効率なシステ

システム１の GT はガス化用の空気を供給するため、そムとして期待できる。今後、石炭ガス組成に対するの動力分を差し引いて電気出力を算出し、システム２、SOFC の発電特性、燃料中に含まれる微量成分の影響な

３では、ガス化炉へのガス供給にかかわる動力は酸素製

どを明確にすると共に、高温で作動する熱交換器、リサ造設備で消費する動力としている。そのためシステム 1

イクルブロワなどを必要とするなど技術的な課題を解決

では、他のシステムよりも、GT から回収できる電気出して行く必要がある。

力は小さくなっているが、システム全体の消費動力も少

電中研レビュー No.44 ● 107コラム：燃料電池の原理
燃料電池による発電は、直接型発電といわれる。

空気極では、供給された O2 と CO2 が外部開路か燃料電池では、燃料の化学エネルギーを電気エネ

らの e − と反応して CO 3 2 − を生成し、燃料極では、ルギーに直接変換しており、通常の火力発電プラ供給された燃料ガス中の H2 が、空気極側から電解ントのようにボイラー、タービン、発電機を通し質を通して移動してきた CO 3 2 − と反応して H 2 O、ての、エネルギー形態の変化がなく、高い発電効CO2 と e −を生成する。e −が外部の負荷回路を経由率を実現できる。

し、空気極側に戻って、空気極側の反応に関与す

燃料電池は通常、イオン導電体となる電解質とる。一連の反応で、e −が外部回路を流れることにその両側に配置される燃料極（アノード）と空気より、発電が行われることになる。また、全体の極（カソード）の２枚の電極、さらにその両側に、反応はº式に示すように、H2 と O2 から H2O が生成

電極反応に必要な燃料ガスと空気（酸化剤ガス）される反応に他ならず、H 2 の持つ化学エネルギーを供給するためのガス流路で形成されている。電が電気エネルギーに変換されることが分かる。こ解質と電極は反応に関与し、アクティブコンポー

れらの反応を起こさせる一組の電池をセルと呼び、ネントと呼ばれることもある。燃料電池には、い発生する電圧は通常 1V 弱である。したがって、大くつかの種類があり、通常、構成する電解質によ出力を得るためには、セルを何層にも積層して高って区分される。

電圧を得るスタック（積層電池）を構成して用い石炭ガス化燃料電池複合発電としての利用が期ている。セル間の電気的な接続ならびに燃料ガス待される MCFC を例に、その発電原理を図に示す。

と空気との分離にはセパレータと呼ばれる上下両MCFC では反応に関与するイオンは CO 32 −であり、面にガス流路を備えた部材が適用される。スタッ

電池内部では以下の一連の反応がおこる。

クの出力は全体の電圧と電極面積に比例する電流との積によって決まる。実際には、電極反応に伴=H2O+CO2 ＋ 2e ¸う若干の抵抗の存在によって、内部で発熱が起こ

空気極： 1/2 O2+CO2 ＋ 2e − =CO32 −¹

り、その分だけ、電気エネルギーに変換される割

全º合は減少する。

燃料極： H2 ＋ CO2−
3

体： H2+1/2 O2

−

=H2O

（燃料ガス室）燃料ガス
H2 , CO

H2 O

H2

排燃料ガス
CO2
e−

（燃料極）
（電解質）

e−

H2O , CO2

CO32−

電 気

（空気極）
e−
Air＋CO2
O2 , N2, CO2

O2

e−
排空気
N2

CO2

（空気ガス室）

運転温度

108

600-700õコラム：超重質油ガス化複合発電の現状と課題
１．は じ め に

表１

超重質油の性状の例

単位

エネルギー資源に乏しく、そのほとんどを海外
オリマルジョンTM

アスファルトkcal/kg

7100

9900

灰分

wt%

0.18

0.06

残留炭素

wt%

12.8

22

粘度

cSt
（100℃）

―

3900

硫黄

wt％

2.8

5.2

窒素

wt％

0.46

0.4

Na

wtppm

14.2

70

V

wtppm

380

165

に依存している我が国では、燃料の多様化、なら項

びにエネルギーの高効率利用が重要な課題となっ発熱量ている。新種燃料として近年注目されているオリ
マルジョン

TM

（BITOR 社の登録商標）や、石油精製の際に副生される残渣油等の超重質油は、火力発電の代替燃料として有望視されている 。また、高効率利用の観点から、ガスタービンを用いたガ
ス化コンバインド発電（以下： IGCC）への適用 ¸が求められている。
超重質油のガス化技術に関しては、テキサコ法、
シェル法等¹があり、水素などの原料ガスの製造方法として以前から利用されている。また、近年残渣油を燃料とした IPP における有効な発電方法として注目されている。しかし、電気事業用として超重質油 IGCC を採用するには、コスト低減、CO2 排出量削減といった観点からプラント全体における効率の向上が必要不可欠となる。さらに、平成 10
年３月の卸売り電力自由化制度の導入以降、実用化にあたっては、これまで以上のコスト削減が求められる時代となった。
そこで、当研究所では、燃料性状に応じた最適なガス化炉容積の選定など、合理的な設計を可能

目※オリマルジョンTMについては、
当所分析値

利用する場合、そのプラントを製油所に併設し、輸送、および保温コストの低減を図るなどの工夫をしている。一方、オリマルジョン TM などのエマルジョン化されているものについては、輸送、保管に関しては容易であるが、流体の特性上、ポン
プや流調弁の選定、長期保存時のエマルジョンの劣化への注意が必要となる。これら超重質油には、ガスタービンを腐食させる因子である硫黄分、ナ
トリウムなどが多く含まれており、高効率化が期待できる IGCC プラントの開発にあたっては、これらの除去技術の確立が必要不可欠となる。

とする数値解析ツールの開発に着手するとともに、高効率達成のための運転条件の確立や、数値解析の精度向上、ならびに検証を可能とする「新種液体燃料ガス化研究炉」を開発し、平成 12 年２月に竣工させたº。現在、将来の低品位炭 CWM も視野に入れ、ガス化炉の合理的な設計・運用を支援す
るための研究展開を推進中である。
２．超重質油について
超重質油と呼ばれるものには、世界各地で産出される天然ビチューメン、重質原油、および製油所で副生されるアスファルト、残渣油等がある。
このうち、ベネズエラで産出される天然ビチュー
メンのオリノコタールをエマルジョン化し、重油並のハンドリング性を持たせたオリマルジョン TM
は、国内では北海道電力㈱知内火力発電所などで利用されている他、海外でもデンマーク、カナダなどに普及している。表１に超重質油と呼ばれる主な燃料の性状例を示す。
超重質油は、一般に室温では固化しているため、その利用にあたっては、高温で取り扱う必要があ

３．超重質油 IGCC プラント
図１に現状の技術段階で実用化が期待される超重質油 IGCC プラントの構成例を示す。1300 〜
1500 ℃の高温でガス化された超重質油の生成ガス
中には、灰分、未燃炭素、および材料腐食因子となる硫黄分、ナトリウム、カリウム等が含まれる
ため、ガスタービンに通気するにあたっては、生成ガスを脱じん設備、および脱硫設備にて精製し、クリーンなガスを得る必要がある。
脱じんに関しては、高い脱じん性能、低圧力損
失等の特徴を持つセラミック製のポーラスフィル
タを圧力容器内に設置し、灰分および未燃炭素を含んだダストを捕集する方法が実用段階にある 。
従来の水スクラバによる脱じんよりも生成ガス温度を 450 ℃程度に保つことができ、プラント全体として高効率化が期待できる。また脱硫に関しては、
商用規模で実績があるのは湿式法である MDEA 方式である。酸化鉄等を主成分とした脱硫剤を用いて脱硫を行う乾式法は、高温状態のまま連続処理を行うので高いプラント効率が得られるため、早る。製油所の副生品として産出される残渣油等を

電中研レビュー No.44 ● 109

噴流床
超重質油ガス化炉

ポーラスフィルタ
脱じん装置

燃料

MDEA式
湿式脱硫装置

GGH

酸素

COS
変換器

ポ
ー
ラ
ス
フ
ィ
ル
タ
ダスト

熱
交
換
機

ガ
ス
化
炉

GGH

水洗浄塔

窒素
酸素

廃水処理設備へ

GGH

ガスタービンコンバインドサイクル

ASU
窒素

図１

H2S
吸収塔
Ｓ
分
は
H 2S 石
膏
再生塔 石
灰
回
収

超重質油IGCCプラント構成例

ガス化炉本体は、燃料処理量が日量約２トンで、期実用化が期待される。

ガスタービンによるコンバインド発電を想定し 、
４．当研究所における超重質油ガス化試験研究»

加圧下（1.9MPa）で運転を行っている。ガス化燃

平成 12 年に完成した新種液体燃料ガス化研究炉

料用のメインバーナは炉頂部に設置されており 、の外観を図２に、実験設備全体の系統概略を図３

その他、炉内昇温用のＡ重油バーナとその着火用に示す。

メタントーチが備えてある。炉構造は、外郭より

本実験設備は、酸素・窒素・空気のガス供給設

圧力容器一体型の水冷ジャケット、断熱材、耐火

備、燃料タンクおよびポンプ、ガス化炉本体、生材が施工されており、実験炉研究で問題となるヒ

成ガス処理設備等から構成されている。各部の温ートロスをおさえた設計としている。生成ガスは、度、圧力、流量などの状態量や、生成ガス組成は

ガス冷却器（熱交換器）で冷却後、焼却炉で燃焼

オンラインで把握でき、反応生成物についてはバ

され、脱じん、脱硫設備を経て、大気に放出されッチ式でサンプリング後、分析を行っている。

る。

水冷ジャケット一体型
圧力容器

炉内観察用マンホール

炉内ガス温度計（４段）
熱流束プローブ（８段）

トラバース式サンプリング
プローブ（７段）

レーザラマン用特殊レンズ（３段）

炉底マンホール

図２

110

新種液体燃料ガス化研究炉外観

燃料貯蔵・供給系
加熱器

液体窒素

運 転 圧 力：1.9MPa
燃料処理量：2.4トン/日

ガス化炉本体

燃料タンク
熱流束
プローブ
および
ガス
温度計

ガス化剤供給系

対 象 燃 料：オリマルジョンTM、残渣油他ガ ス 化 剤：空気〜酸素富化空気〜酸素

粒子濃度計測サンプリングプローブ
微量成分サンプリング

空気圧縮機

エアヒータ
スタック
液体酸素
フィルタ

ガス冷却器

脱硫設備

焼却炉

図３

除害設備

水分同時計測型ガスクロレーザラマン式反応追跡装置

新種液体燃料ガス化実験設備系統概略図「新種液体燃料ガス化研究炉」では、オリマル
ジョン TM のガス化を平成 12 年に累積で 166 時間 22

表２分実施した。ガス化炉投入酸素量を変化させ、生成ガス発熱量をはじめ、炭素転換率、冷ガス効率

オリマルジョンTMガス化試験によるガス組成の一例（酸素化：0.38）
ガス組成

組成の一例

らのガス化効率との関係を図４に示す。生成ガス

CO38.7vol%

3

H2

39.4vol%

CH4

0.1vol%CO2

8.7vol%H2 O

11.9vol%

H2 S

8900ppmv

COS

280ppmv

N2など

残りなどの各種ガス化効率を把握した。酸素比とこれ
発熱量は 9.5 〜 10.5MJ/m N、炭素転換率は 97%以上、冷ガス効率は 75 〜 80%の値を得た。表２に生成ガ
ス性状の例を示す。可燃性成分である CO、H 2 は、それぞれ約 40%の値を得た。

3

生成ガス発熱量（MJ/m N）

また、本ガス化炉には、炉内でのガス組成や粒

11.0
10.5
9.5
100
98
96
94
92
90

9.0

85
80

炭素転換率（％）

冷ガス効率（％）

10.0

子反応率などの変化を評価するため、図５に示すとおりガス化反応途中の粒子、およびガスをサン
プリングするプローブ（反応凍結プローブ）や、
炉内ガス組成の非接触計測を可能とするレーザラ

75

マン分析装置、炉壁熱流束プローブをガス化炉縦70

方向に多段設置し、データの蓄積をはかっている。

65

0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.40 0.41
酸素比（−）

反応凍結プローブ、熱流束計で得られたデータは
数値解析技術の開発、および検証に用いられ、確度の高い炉内現象解析ツールの開発を実施してい図４

各種ガス化特性

電中研レビュー No.44 ● 111

メインバーナ
圧力容器一体型
水冷ジャケット
HF1

特殊計測機器
RSP：サンプリング
プローブ座
LR ：レーザラマン用座
HF ：熱流束プローブ
TC ：ガス温度計座
TC1、HF2

RSP1、LR1
φ300

耐火材、断熱材

RSP2、LR2、HF3

RSP4、LR4

3000

TC2、HF4
マンホール
300A
TC3、HF5

RSP3、LR3

RSP5、LR5
RSP6、LR6、HF7

TC4、HF6

TC5、HF8、生成ガス出口RSP7、LR72400

図５

特殊計測座の配置図

700 K
λ=0.36 λ=0.38 λ=0.40る。図６、図７、図８に平成 12 年度に実施した数値解析結果の例を示す。ガス化炉内温度分布、ま図８

炉内温度分布の数値解析例

た各種ガス組成分布は数値解析結果と実験値とで良い一致を示しており、解析ツールに導入したオ

クトがいくつか実施され始め、すでに一部商用運

リマルジョン TM の微粒化機構のモデルや気相反応

転されているものもある。表３に現在行われていモデル等はおおむね妥当であると考えられる¼。

る IGCC プロジェクトの一覧を示す。これらはほとんどが製油所に併設されており、製油所からの残５．海外の重質油ガス化複合発電プロジェクトの渣油を用い、発電以外にも水素製造を行うなどし動向て発電コストを補っている。燃料の多様化の観点

海外ではここ数年の間に、酸素吹き噴流床タイから、残渣油 IGCC プロジェクトは今後、ますますプのテキサコ炉、シェル炉を用いた IGCC プロジェ

増えるものと推定されるが、電気事業用として本ガス化炉出口

ガス化炉出口バーナ

3000
計算結果（λ=0.36）
計算結果（λ=0.38）
計算結果（λ=0.40）
実験結果（λ=0.36）
実験結果（λ=0.38）
実験結果（λ=0.40）

2000

0.4

CO
H2

実験結果
H2
CO
CO2
H2O

0.3
体積分率 Vi

ガス温度 Tg K

2500

λ：酸素比

1500

0.2
H2O

0.1

1000

CO2

500

図６

112

0

2
4
6
炉頂からの無次元距離 l（=z/炉径）810

ガス化炉中心軸上ガス温度分布の実験値との比較

0.0

0

2
4
6
炉頂からの無次元距離 l（=z/炉径）

図７

8

10

炉内ガス組成分布の実験値との比較（酸素比：0.36）

表３
プロジェクト名（国名）

ガス化炉形式

超重質油IGCCのプロジェクト一覧
燃

料

適

用

出

力

運開年

備

考

El・Dorado（USA）

Texaco：160T/D

Petcoke/残渣油

Cogen

35MW

1996

商用運転中

Shell Pernis（Netherlands）

Shell

減圧残渣

Cogen/H2

127MW

1997

商用運転中

ISAB（Italy）

Texaco：3498T/D（2基）

残渣油

Power/H2

562MW

1999

1999年７月にガス化開始

SARAS（Italy）

Texaco：4156T/D（3基）

残渣油

Cogen/H2

551MW

2000

2000年４月にガス化開始

Api（Italy）

Texaco：1370T/D（2基）

残渣油

Power

250MW

2000

2000年７月にガス化炉100％負荷運転達成

Delaware（USA）

Texaco：2535T/D（2基）

Petcoke

Power

240MW

2000

EDF（France）

TexacoSludge

Power

400MW

2003

日石三菱（日本）

Texaco

残渣油

Power

350mW

2003

PIEMSA（Spain）

Texaco：4680T/D（2基）

残渣油

Power/H2

935MW

2004

IOCL（India）

Shell

PetcokePower/H2

180MW

2004

Agip（Italy）

Shell

残渣油

Power

−

−

：1650T/D（3基）

Repowering
2000年７月にガス化開始

技術を採用するにあたっては、乾式の脱じん、脱木剛夫、太田一広、田地正憲、「超重質油ガス化

硫設備を導入するなど、高効率な発電プラントのコンバインド発電技術の開発研究−ガス化・ガ実現が不可欠である。

ス精製特性の解明と実機実現可能性の検討−」、
火力原子力発電、51 ¾、（2000）、p. 866-872

６．お わ り に¹

丸善、
（1973）

有限な資源である化石燃料を有効に活用することは、人類にとって避けられない課題である。現在お重質油ガス化委員会、「重質油のガス化」、º

芦沢正美、木戸口和浩、原三郎、大高円、渡もに使用している原油、天然ガス等は、21 世紀中

邊裕章、犬丸淳、佐藤幹夫、「新種液体燃料ガス

頃には需要と供給のバランスが厳しくなることが予化研究炉の開発−ガス化炉の設計・運転ノウハ

想されている。今後、現在ほとんど利用されていな

ウ の 確 立 に 向 け て − 」、 電 中 研 報 告 W 0 0 0 0 3 、い超重質油を積極的に導入していくことは、資源の（2000）

枯渇という実状から考えても必須のことであり、ま»原三郎、木戸口和浩、芦沢正美、犬丸淳、「新た、これらの燃料を使用していく上で、プラント効

種液体燃料ガス化研究炉による超重質油ガス化率、環境適合性の向上が必要となる。これらの要求特性の解明−炉内でのガス化反応特性に関する検討−」、電中研報告 W00015、（2001）

を満たした超重質油ガス化 IGCC の近い将来での実現が必要不可欠であり、当研究所では、多種の燃料¼

渡邊裕章、大高円、原三郎、犬丸淳、芦沢正のガス化試験を実施し、実用化の際に設計、運用の美、梶谷史朗、木戸口和浩、「超重質油ガス化炉支援に用いることが可能な各種ガス化性能データの数値解析技術の開発−天然超重質油エマルジョ取得を行うとともに、確度の高い数値解析技術の開

ン燃料を対象とした解析手法の検討−」、電中研発を今後とも続けていく。

報告 W00013、（2001）

参考文献¸

滝真人、石村雅士、芦沢正美、伊藤茂男、荒電中研レビュー No.44 ● 113

お

わ

り
理事

に
浜松 照秀

近代的なエネルギー利用は16世紀半ば英国を救った石炭に端を発する。爾来膨大な化石燃料需要を起こし、資源争奪の歴史に加えて地球温暖化問題という人類全体でないと背負えない「新しい十字架」を出現させた。京都会議(1997年)で人類共通の十字架であることを認識した
意義は大きいが、将来の削減目標や方策の議論の段階で経済活動基盤そのものを争う図式に変わりつつある。
この問題が炭素量の少ない燃料種にシフトするといったイージーな対応で済むほどわが国のエネルギー事情に余裕はない。今日のエネルギー専門家は、エネルギーのためにヒステリックに戦禍をくぐった経験を、自らの努力に反映していくことが重要と考える。
今後数十年の時代の困難に解を見出すために、原子力・再生可能エネルギー、天然ガス、石炭により、安価でバランスのとれた強靭なセキュリティ確保に向けた、Breakthroughが重要である。
技術オリジナルは経済のセキュリティに不可欠である。石炭IGCCを、オリジナルを軽視しがちな第３者の評論の材料にならないように、必要な技術として「使える」ものに仕立てるエンジニアの使命感に委ねたい。
一つの発電技術は一人の人間の理解を超える巨大な技術体系である。したがってIGCC技術開発の進展に伴って専門家（集団）から専門家（集団）へ技術移転に特段の配慮が重要である。取得したノウハウ・成果を受け取る身になって渡す努力と、満点であろうはずもない成果報告を受け取って「使える」技術にすることが、エンジニアにとって独創の旗手となる道と考える。
本レビューは、IGCC技術の礎としてこれまでの成果をなんとか系統的にまとめたもので、大方の叱正をいただきながら、技術の実証・確立に役立てていただけたら望外の喜びである。

電中研レビュー No.44● 115

引用文献・資料等¾ W. P. Jones and R. P. Lindstedt, Global reaction schemes
for hydrocarbon combustion , Combust. Flame, vol. 73,（1998）, pp. 233-249

第１章¸¿ C. K. Westbrook and F. L. Dryer, Simplified reaction「21世紀に向けた石炭火力発電技術の展開−21紀に向け

mechanisms for the oxidation of hydrocarbon fuels in

た発電技術懇談会・火力部会−中間報告」、通商産業省資
源エネルギー庁公益事業部発電課編、（1996）

flames , Combust. Sci. Tech., vol. 27, 1981, pp. 31-41
À

P. K. Gururajan, P. K. Agarawal and J. B. Agnew,¹ 浜松、「第４回石炭利用国際会議−石炭発電の将来展望とMathematical modeling of fluidized bed coal gasifiers ,環境対策」予稿集、NEDO、CCUJ、2001年１月、pp. 3-17º

火力原子力発電創立50周年記念誌、火力原子力発電技

Trans. IChemE, vol. 70,（1992）, pp. 211-238
Á

渡邊裕章、大高円、犬丸淳、石炭ガス化炉数値解析手法

術協会、（2000）、pp. 288-294の開発−2T/日炉におけるガス化性能評価−、電中研研究» 例えば、犬丸ほか５名「2T/Ｄ加圧二段噴流床石炭ガス化
炉特性−運転研究成果および代表的炭種の試験結果−」、

報告W99015、（2000）
Â

大高円、渡邊裕章、犬丸淳、石炭ガス化炉数値解析手法

電中研報告 W88019、（1988）¼の開発−200T/日炉を用いた炉内灰挙動に対する予測評価

例えば、芦澤ほか５名「高灰溶融点炭の高性能ガス化技術の開発−高効率運転のためのフラックス添加率，混炭

手法−、電中研研究報告W99038、（2000）
Ã S. K. Bhatia and D. D. Perlmutter, A Random Pore Model

比率決定手法の検討−」、電中研報告 W93025、（1994）

for Fluid-Solid Reactions : I. Isothermal, Kinetic Control ,½ 荒木、花井、「200t/日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、第75巻第９号、

AIChE J., vol. 26,（1980）, pp. 379-385
Ä 梶谷ほか４名、「石炭チャーのガス化反応速度解析−第２（1996）、pp. 839-850

報

ガス化反応モデルの検討と高温高圧下におけるガス化反応速度−」、電中研報告W99018、（2000）第３章

Å 梶谷ほか１名、「石炭ガス化反応に及ぼす初期熱分解条件¸ 梶谷史朗、原三郎、犬丸淳、松田裕光、進藤学、「石炭チの影響−高温・高圧における熱分解チャーの物理的性状

ャーのガス化反応速度解析−第３報 二酸化炭素によるガとそのガス化反応速度の検討−」、電中研報告W97020、

ス 化 反 応 に お け る 炭 種 の 影 響 − 」、 電 中 研 研 究 報 告W00020、（2001）（1998）
Æ 荒木・ほか１名、200T/日石炭ガス化発電パイロットプラ¹ 市川和芳、渡邊裕章、大高円、犬丸淳、「石炭ガス化炉内
灰付着・成長現象の予測手法の開発−灰付着モデルを導ントでの研究成果、日エネ誌、75-9（1996）、839-850

Ç

入した数値解析による2T/日ガス化炉内灰付着性予測−」、
電中研研究報告W00008、（2001）º B. E. Launder and D. B. Spalding, Comp. Meth. in Appl.

着特性予測手法の開発」、電中研報告W99039、（2000）
È

988-994
É

Particles , Academic Press,（1987）¼ F. C. Lockwood and N. G. Shah, A new radiation solution
method for incorporation in general combustion prediction（1994）
Ê

特性に及ぼす影響−、電力中央研究所研究報告 W92037、½ W. Polifke, K. Dobbeling, D. Sattelmayer, G. Nicol and P. C.

（1993）
Ëturbine combustion based on detailed chemical kinetics ,芦沢ほか７名、石炭ガス化炉におけるスラギング挙動の解明−2T/日炉による灰付着層の伝熱的検討−、電力中央

J. Eng. Gas Turbines and Power, vol. 118,（1996）, pp.

116

芦沢ほか３名、石炭ガス化炉におけるスラギング抑制方策の検討−ガス化炉壁面温度と運転条件がスラッギング

1405-1414

765-772.

Godon Couch、「Understanding slagging andfouling during pf combustion」、IEA Coal research、

procedures , 18th Symp. Int. on Combust.,（1981）, pp.

Malte, A NOx prediction scheme for lean-premixed gas

寺前、山下、「講座『黒もの分析の今日と明日（¿）』」、日本エネルギー学会誌、（1997）、Vol.76、No.10、pp.

Mech. Eng., vol. 3,（1972）, p. 269» R. Clift, J. R. Grace and M. E. Weber, Bubbles, Drops and沖ほか３名、「石炭ガス化炉で生成する灰粒子の付研究所研究報告W94031、（1995）
Ì

L.E.Barta, Prediction of fly ash size and chemical

composition distributions: the random coalscence model. In¾ Durst, M. : Proc. Second EPRI Workshop on Filtration of: Proceedings of the 24th symposium on combustion,

Dust from Coal-Derived Reducing and Combustion Gases

Sydney, NSW, Australia, 5-10 Jun.,（1992）

at High Temperature, No. 11, EPRI（1992）

Í J. M. Beer et al., From coal mineral matter properties to¿ Dennis, R.A., T.E. Lippert, G.J. Bruck, M.A. Alvin and M.J.

fly ash deposition tendencies : A modeling route. In:

Mudd: Proc. Tenth Particulate Control Symposium andProceedings of the Engineering Foundation Conference on

Fifth Int. Conf. on Electrostatic Precipitation, （1993）, p.

inorganic transformations and ash deposition during

1-14

combustion, Palm Coast, Florida, USA, 10-15 Mar.,（1991）,

À Newby, R. A. and R. L. Bannister : MPS, 13, 9, （1993）, p.

71-94

59

Î P. M. Walsh et al., Deposition of bituminous coal ash on anÁ 伊藤茂男、田中隆、河村敏、｢石炭ガス化用セラミックフ

isolated heat exchanger tube : Effect of coal properties on

ィルタの圧力損失に対するチャー回収サイクロンとダス

deposit growth., Prog. Energy Combust. Sci., Vol. 16.,

ト性状の影響｣、粉体工学会誌、33¾、（1996）、p. 547-552
Â Ito, S., T. Tanaka and S. Kawamura, Changes in pressure（1990）, 327-346
ÏÐ

芦沢ほか４名、石炭ガス化スラグ排出に関する運転指標

loss and face velocity of ceramic candle filters caused byの確立−超高温域における灰融点測定技術の開発と灰のreverse cleaning in hot coal gas filtration,

溶融特性−、電力中央研究所研究報告 W91012、（1991）

Technology, 100,（1998）, p. 32-40

市川ほか３名、ガス化炉内における石炭灰付着・成長機Ã Ito, S., Pulse Jet Cleaning and Internal Flow in a Large

構の解明−灰溶融性と付着性の相関性検討−、電力中央

Ceramic Tube Filter,

研究所研究報告W98013、（1999）

rature, Blackie A&P（1993）, p. 266-279

Ñ 市川ほか１名,ガス化炉内における石炭灰付着・成長機構の解明−第２報Gas Cleaning at High Tempe-

Ä 伊藤茂男、牧野尚夫、田中隆、河村敏、｢ポーラスセラミ

粒子毎温度、粒径、速度同時計測によックフィルタの耐久性評価手法に関する考察｣、エアロゾ

る灰付着挙動の解析−、電力中央研究所研究報告W99017、（2000）

J. Powder

ル研究、5¹、（1990）、p. 136-141
Å 伊藤茂男、河村敏、小村重徳、｢石炭ガス化チャーの集塵におけるセラミックフィルタの燃焼再生特性｣、化学工学

第４章
¸

¹

º

論文集、21¹、（1995）、p. 265-271

渡辺正敏、牧野尚夫、伊藤茂男、白井裕三、田中隆、末Æ 白井裕三、布川信、中山稔夫、「固定床脱硫システムの評

弘貢、河村敏、｢石炭ガス化複合発電用乾式クリーンアッ

価−実証プラントシステムとその運転特性予測」、電中研

プ技術開発｣、火力原子力発電、39»、（1988）、p. 365-376

報告W96004（1997）

中山稔夫、松田裕光、伊藤茂男、白井裕三、小林誠、田Ç 白井裕三、中山稔夫、小林誠、「石炭ガス化複合発電用固中隆、｢石炭ガス化複合発電用固定床クリーンアップシス

定床脱硫システムの評価−脱硫/再生繰り返し試験によるテムの開発｣、火力原子力発電、43¹、（1992）、p. 54-60

運転条件の検討」、電中研報告W92035（1993）

Semler, C. E. and W. T. Bakker: Proc. Int. Conf. On
Fluidized Bed Combustion, ASME,（1993）, p. 1259-1264

È「環境に優しい石炭利用技術」、電中研レビューNo. 30（1994）» Valentino, K. R., N. R. Brown, J. J. Brown, jr. and W. T.

É 中山稔夫、荒木成光、高畠英章、高橋昭浩、「石炭ガス化

Bakker: Proc. 1993 Int. Conf. on Fluidized Bed

複合発電用乾式ガスクリーンアップ技術開発−乾式ガス

Combustion, ASME, （1993）, p. 1375-1383

クリーンアップ３方式の開発状況−」、日本エネルギー学¼ Sawyer, J., J. J. Brown and N. R. Brown : Proc. Eleventh

会誌、75、¼、（1996）

Annual Gasification and Gas Stream Cleanup Systems

Ê 小林誠、中山稔夫、白井裕三、「石炭ガス化溶融炭酸塩型

Contractors Review Meeting, DOE/METC-91/6123, vol. 2,

燃料電池(MCFC)発電用精密脱硫剤の開発−第１報乾式脱DE92001102, （1992）, p. 429-437

硫剤の高性能化の方策」、電中研報告W92005（1992）½ 伊藤茂男、山口哲正，「セラミックフィルタの開発課題とË 小林誠、中山稔夫、白井裕三、「石炭ガス化溶融炭酸塩型

性能評価法」、日本エネルギー学会誌、77º、（1998）、p.

燃料電池（MCFC）発電用高性能脱硫剤の開発−第２報

193-199

高性能脱硫剤候補物質の基本脱硫特性」、電中研報告

電中研レビュー No.44● 117

ビン燃焼器の開発−第２報、水流モデル可視化手法によW92026（1993）Ì 小林誠、布川信、白井裕三、渡辺正敏、「石炭ガス化溶融
炭酸塩型燃料電池（MCFC）発電用高性能脱硫剤の開発

る燃焼器構造の検討−」、電中研報告W92040、（1993）» 中田ほか３名、「石炭ガス化複合発電用1500℃級ガスター

第３報高活性亜鉛フェライト適用脱硫剤の基本脱硫性能」、

ビン燃焼器の開発−第３報、1500℃級燃焼器の試作とそ

電中研報告W93002（1993）の性能評価」、電中研報告W92041、（1993）

Í 白井裕三、小林誠、布川信、渡辺正敏、「石炭ガス化溶融¼ 二宮ほか２名、「石炭ガス化複合発電用1500℃級ガスター

炭酸塩型燃料電池発電用高性能脱硫剤の開発−鉄・亜鉛

ビン燃焼器の開発−第４報、1500℃級燃焼器の低NOx燃系脱硫剤の試作とその脱硫性能」、電中研報告W94006

焼技術−」、電中研報告W93032、（1994）½ 二宮ほか２名、「石炭ガス化複合発電用1500℃級ガスター（1995）
Î 白井裕三、小林誠、布川信、「鉄・亜鉛系酸化物脱硫剤のビン燃焼器の開発−第５報、1500℃級燃焼器の設計と高圧燃焼特性−」、電中研報告W94027、（1995）

高温下におけるＨ２Ｓ除去特性」、日本エネルギー学会誌、¾ 長谷川ほか４名、「石炭ガス化複合発電用1500℃級ガスタ

77、Â、（1998）、p. 1100-1110
Ï 白井裕三、小林誠、布川信、「石炭ガス用高性能乾式脱硫ービン燃焼器の開発−第６報、ガスタービン運転条件における基本性能評価−」、電中研報告W95017、（1996）剤の開発−亜鉛フェライト脱硫剤の最適再生条件の検討−」、電中研報告W98018（1999）¿ 長谷川ほか２名、「石炭ガス化中カロリー燃料の基礎燃焼

Ð Kobayashi, M., H. Shirai, and M. Nunokawa, Investi-gation

特性」、電中研報告W94020、（1995）

on Desulfurization Performance and Pore Structure ofÀ 長谷川ほか５名、「石炭ガス化中カロリー燃料用ガスター

Sorbents Containing Zinc Ferrite , Energy & Fuels, 11,

ビン燃焼技術の開発−基礎燃焼特性と燃料ノズル包囲型（1997）, p. 887-896

窒素直接噴射燃焼器の基本性能−」、電中研報告W99026、

Ñ 布川信、小林誠、白井裕三、中山稔夫、｢石炭ガス用ハロ
ゲン化物乾式吸収剤に関する調査｣、電中研調査報告（2000）
Á 長谷川ほか５名、「石炭ガス化中カロリー燃料用ガスター
ビン低NOx燃焼器の開発」、電中研報告W00011、（2001）

W97001（1997）
Ò 布川信、小林誠、白井裕三、｢石炭ガス精製用ハロゲン化Â 山内ほか２名、「低カロリーガス燃焼に関する研究（その５）」、電中研報告W88028、平成元年５月

物吸収剤の開発−炭酸ナトリウムの塩化水素反応特性とナトリウム系吸収剤の試作−｣、電中研研究報告W98003

第６章（1997）
Ó Nunokawa, M., M. Kobayashi, and H. Shirai, Hydrogen¸

幸田、高橋、三巻「発電システム熱効率解析汎用プログラムの開発」当研究所報告W99034、（2000）

Chloride Removal from Hot Coal-Derived Gas with
Gas Cleaning at High

¹ R. Fernandez-Prini, R. B.Dooley, Release on the IAPWS

Temperatures : 4th International Symposium &Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic

Exhibition,（1999）, p. 685-695

Properties of Water and Steam , the International

Sodium-Based Sorbents,

Ô 布川信、小林誠、白井裕三、｢石炭ガス精製用ハロゲン化物吸収剤の開発−吸収剤の再生あるいは再利用に関する

Association for the Properties Water and Steam,（1997）º

N.Matsunaga, T. Hoshino and A.Nagashima

CriticalAssessment of Thermodynamic Properties Data of検討−｣、電中研研究報告W00032（2001）

Combustion Gasses for Calculating the Performance of第５章

Gas Turbine¸ 例えば、中田ほか６名、「石炭ガス化用ガスタービン燃焼

Congress

1983 Tokyo International Gas Turbine

器の開発−第７報、二室保炎強化型燃焼器の性能評価−」、
電中研報告W90011、（1990）¹ 中田ほか３名、「石炭ガス化複合発電用1500℃級ガスター¸

市川和芳、犬丸淳、芦沢正美、原三郎、三巻利夫、中野

ビン燃焼器の開発−第１報、燃焼器設計と燃焼試験結毅弘、遠藤孝夫、岡村隆吉、「石炭ガス化スラグのコンク

果−」、電中研報告W91048、（1992）

リート材料への適用性評価−その１º 二宮ほか３名、「石炭ガス化複合発電用1500℃級ガスター

118

第７章

コンクリート混和材としての検討−」、電力中央研究所研究報告 W92047、

（1993）¹

講演論文集、（2000）、p. 162

金津努、山本武志、中野毅弘、高橋毅、三巻利夫、犬丸淳、芦沢正美、原三郎、市川和芳、白坂優、岡村隆吉、

電気化学および工業物理化学Vol. 66、No. 4、（1998）、p.

井上和重、遠藤孝夫「石炭ガス化スラグのセメント・コ

449

ンクリート分野への適用性評価」、電力中央研究所総合報º¿ 河瀬ら、「MCFC特性に対するH2Sの影響¿」、電気化学会À 河瀬ら、「MCFC特性に対するH2Sの影響À」、電気化学会

告U30、（1996）

電気化学および工業物理化学Vol. 67、No. 4、（1999）、p.

T. Tanosaki, M. Matsumoto, M. Nanbu, K. Inoue, T.

449

Kanazu, T. Yamamoto, K. Ichikawa, Utilization of IGC
Slag to Cement-Concrete MaterialÁ

発情報センター 第４回燃料電池シンポジウム B2-4、, International（1997）、p. 325

Conference on Ash Behavior Control in Energy
Conversion, Systems, 化学工学会/NEDO, 横浜、（1998）»¼

Â

河瀬ほか、「MCFC特性に対するNOxの影響」、電気化学

渡辺、「電力用大規模燃料電池技術」、化学工学 Vol. 65、

会 電気化学および工業物理化学 Vol. 68、No. 8、（2000）、

No. 10、（2001）、p. 534

p. 645

渡辺ら、「電気事業におけるMCFC導入の可能性」、電力中央研究所報告依頼報告W98514、（1999）½ 吉葉ほか、「石炭ガス化MCFC発電システムの検討 −実
発電限界を反映したシステム構成とその性能解析−」、電¾

平賀ら、「MCFCに対する塩化水素の影響」、燃料電池開Ã 岡島ら、「溶融炭酸塩形燃料電池への不純物ガス（硫黄酸化物）の影響」、燃料電池開発情報センター 第７回燃料電池シンポジウム B1-10、（2000）、p. 228
Ä 森ら、「固体電解質型燃料電池の研究開発−システムの研力中央研究所報告研究報告W00037、（2001）

究−」平成７〜９年度、NEDO委託業務成果報告書、

奥田ら、「石炭ガス化模擬ガスによるMCFC発電性能」、（1995〜1997）

日本機械学会 第７回動力・エネルギー技術シンポジウム

電中研レビュー No.44● 119

既刊「電中研レビュー」ご案内
NO. 32「人間と技術の調和に向けて―ヒューマンファクター研究―」1995. 3
NO. 33「放射線ホルミシス―研究の意義と取り組み―」1996. 3
NO. 34「ガスタービン研究―高効率発電の主役を担う―」1997. 1
NO. 35「地下の探査・可視化技術」1997. 5
NO. 36「送電線コンパクト化技術の開発―高分子材料の適用―」1998. 3
NO. 37「乾式リサイクル技術・金属燃料FBRの実現に向けて」2000. 1
NO. 38「大気拡散予測手法」2000. 3
NO. 39「新時代に向けた電力システム技術」2000. 6
NO. 40「原子燃料サイクルバックエンドの確立に向けて」2000. 11
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―需要家の特性解明と省エネ技術―」2000. 11
NO. 42「原子力発電所の人工島式海上立地」2001. 1
NO. 43「酸性雨の総合評価」2001. 2

編 集 後 記電中研レビュー第44号｢石炭ガス化複合発電の実現に向けて｣をお届け致します。
今回ご紹介致します｢石炭ガス化複合発電（IGCC）技術｣
は、資源の乏しい我が国において、エネルギーセキュリティ
ーと地球温暖化の観点から、官民が一体となり、豊富な埋蔵量を有する石炭資源を、環境に優しく高効率に活用できる火力発電の発電方式として20年以上の歳月を経て、研究開発を行って参りました貴重な成果を紹介するものであります。
我が国での事業用IGCCとして開発が行われている噴流床方式石炭ガス化複合発電技術の開発経緯を振り返りますと、
本文にも記載のとおり、1980年12月に中電協技術開発推進会
議の小委員会としての石炭ガス化専門部会が設置されて以来、火力新技術研究会、火力新技術調査委員会での各種検討を経て、大容量化、炭種適合性、環境保全性、負荷応答性等に優れた噴流床方式の石炭ガス化複合発電技術を官民一体で開発することとなり、これにより本技術開発が本格的にスタートしたと言えます。
このような流れの中で、当研究所も中電協からの依頼を受け、石炭ガス化複合発電技術調査及びパイロットプラントの概念設計を実施すると共に、その後、NEDOからの委託を受けて、パイロットプラント基本計画策定のためのフィージビ
リティー・スタディ（FS）を実施しました。そこでの結果
は、NEDOによりパイロットプラントの基本計画として取り纏められ、国の各種委員会に諮問され、パイロットプラン計
画は実行に移される事となりました。
その後、1986年には10電力会社と電中研から成る石炭ガス化複合発電技術研究組合が設立され、勿来200トン/日のパイ
ロットプラント計画が開始され、1991年度より運転が開始さ
れ、スラッギングトラブルに苦しんだものの、最終的には789時間の連続運転時間を達成し、1996年度に成功裡に終了しました。本成果は、実証機計画に関する検討に用いられ、実証機FSがNEDOより東京電力に委託されました。実施には、東京電力を中心とした10電力会社及び当研究所による共同研究契約を締結し、各法人の協力の下、FSが実施されました。その結果を踏まえ、1999年度より、電力共同研究として実証機計画がスタートし、2000年度までは東京電力が、
2001年度６月より、日本の９電力会社と電源開発の共同出資で設立されたクリーンコールパワー研究所が実施主体となり、計画を推進中であります。
このように、官民一体となって実施して参りましたIGCCの技術開発。同技術による発電が普及すると、LNGに対する価格牽制力としての効果や、将来は燃料電池との組み合わせによる50％以上の送電端熱効率も可能とされており、現在想定されている石炭火力新技術の中では最も高い効率を狙える、我が国にとって保有すべき重要な技術であります。
今回のレビューでは、これまでの研究開発の経緯や、そこから生まれた成果を詳しく紹介し、日本が世界に誇れる21世紀の国産技術であるIGCC技術について、少しでも皆様のご理解の一助となれば幸いで御座います。
最後になりましたが、本レビューで巻頭言をお引受け頂きましたクリーンコールパワー研究所取締役社長大西博康様には、心より御礼申し上げます。

● 編集兼発行・財団法人 電力中央研究所◯

電中研レビュー NO.44● 平成13年10月31日◯

広報部
100−8126 東京都千代田区大手町1−6−1［大手町ビル７階］（03）3201−6601（代表）E-mail : www-pc-ml@criepi.denken.or.jp
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本部／経済社会研究所
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塩原実験場
329−2801 栃木県那須郡塩原町関谷1033（0471）82−1181（0468）56−2121（027）283−2721（0287）35−2048

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