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、)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、*目標脱硫性能の確保、+再生法の最適化、,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

14001200
低高灰融点炭1000低空気比

高0510
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
01020304050020406080

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