PE-IGCC

 

PE-IGCC 

​: Plasma Enhanced Integrated Gasification Combined Cycle

   プラズマを利用した石炭ガス化複合発電所

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火力発電の種類

 

 

  • 従来型石炭火力

    • 機器構成:ボイラ+蒸気タービン

    • ボイラ内で石炭を燃焼し蒸気を発生させます。この蒸気の膨張力により蒸気タービンを回転し、直結した発電機を回します。

 

  • C/C発電(コンバインドサイクル発電)

    • 機器構成:ボイラ+蒸気タービン+ガスタービン

    • 圧縮した空気の中で燃料を燃やして燃焼ガスを発生させます。このガスの膨張力によりガスタービンを回転し、直結した発電機を回します。さらに高温の排ガスをボイラに導いて蒸気を発生させ、蒸気タービンを回します。

 

  • IGCC(石炭ガス化複合発電)

    • 機器構成:ボイラ+蒸気タービン+ガスタービン+ガス化炉

    • ガス化炉内で石炭をガス化し、燃料ガスを発生させます。この燃料ガスをガスタービンに導き、燃焼させることにより、ガスタービンを回します。さらに高温の排ガスをボイラに導いて蒸気を発生させ、蒸気タービンを回します。

    • メリット

      • 発電効率の向上と地球温暖化対策

        • 固体の石炭をガス化することで蒸気タービンにガスタービンを組み合わせた発電ができるため、従来の石炭火力の発電効率約42%に対して商用段階のIGCCでは48~50%の発電効率が見込まれます。これにより石油火力とほぼ同等のCO2排出量で石炭利用発電が可能となります。

      •  適用炭種の拡大

        • 資源量が最も豊富な石炭の利用技術であり、従来の石炭火力では利用が困難な灰融点の低い石炭に適合するため、わが国全体の利用炭種の拡大が可能となります。

      • 大気環境特性

        • 固体の石炭をガス化することで蒸気タービンにガスタービンを組み合わせた発電ができるため、従来の石炭火力の発電効率約42%に対して商用段階のIGCCでは48~50%の発電効率が見込まれます。システムの高効率化により、発電電力量(kWh)あたりのSOx、NOx、ばいじんの排出量が低減できます。

      • スラグの有効利用

        • 従来型石炭火力では、多量の石炭灰が発生しますが、IGCCではガラス状のスラグとして排出されるため容積がほぼ半減できます。またスラグは、セメントの原材料や路盤材等としてリサイクルが可能です。

      • その他特性

        • 温排水の低減 : IGCCはガスタービンを用いたコンバインドサイクル発電なので従来の石炭火力に比較して温排水量を約3割低減できます。用水使用量の低減 : 従来の石炭火力の排煙脱硫装置は、燃料を燃やした後の排ガス段階でばい煙処理を行うので、多量の用水が必要でしたが、IGCCは燃料ガス段階で処理を行うので用水使用量を大幅に低減できます。

IGCCの問題点

 

 

  • 一般的な火力発電に比べて、所要面積が広く、システムコストが高価(高圧設備、酸素設備など)であり、発電所の建設コストが一般的な火力発電よりも約20%程度高い。そのため、発電単価も高くなり、経済的な面での改善が必要である。

 

  • 理論的な発電効率は50%に達し、火力発電(37〜42%)より高くなることが予想されたが、全世界で稼動しているIGCC発電所の平均発電効率は40%程度に止まっている。これは、大容量処理に伴う技術的不安定によって引き起こされるもので、稼働率においても80%程度と調査された。

 

  • 一定の条件である低品質炭(<4,000 kal/ kg)の使用が可能だが、そのためには、石炭改質などの前処理が必要であり、これらの費用が掛かるため、低品質炭を使用することは経済性が落ちる。

 

  • CO2回収・処理が容易であることがIGCCの利点であるが、小型(10MW以下)で検証されたCCS(Carbon Capture and Storage)技術が、大容量の処理では容易ではなく、大容量へ適用するレベルまでに発展するのには、さらに数年〜十数年以上がかかると予測されている。 

 

  • しかし、IGCCは、明らかに多くの利点を持っている魅力的で、必ず実行されるべき技術であり、これらの限界を克服するための努力が続いており、市場の拡大と成長性は持続する見込みである。

 

  •  当社は、これらのIGCCの限界を克服した新しいIGCCであるプラズマを用いたPE-IGCCを世界で初めて、商用化させるための努力をしている。当社の技術は、従来のIGCCのいくつかの問題点を改善した、進化されたプラズマを用いたIGCC(PE-IGCC:Plasma Enhanced IGCC)技術である。 PE-IGCCは、安価で埋蔵量が豊富な低品質炭の使用が可能ある一方、分散型発電システム(小型発電所)として運営ができる点やCO2排出をZeroにすることができる点などで、IGCCの限界を克服した経済的な発電システムである。

 

<IGCC 工程図>

複合発電
ガスタービン

蒸気タービン

合成ガス
CO + H2

燃料投入低品質炭

バイオマス

燃料投入

低品質炭

バイオマス

PE-IGCC

 

 

  • 石炭ガス化複合発電技術(IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)は石炭、石炭、重質残渣油、バイオマスなどの低価原料を高温、高圧のガス化炉にて、蒸気と一緒に限られた酸素で不完全燃焼およびガス化させ、一酸化炭素と水素が主成分である、合成ガスを生成し、精製工程を経た後、ガスタービンを運転してできた蒸気を利用して蒸気タービンを一緒に駆動する複合サイクルを利用して発電する新技術を意味する。

     PE-IGCCは、ガス化工程において、高圧や酸素設備の代わりにプラズマトーチをガス化の際に、用いることで、既存のIGCCが持つ複数の限界を克服した技術である。ほとんどの工程が、燃料をガス化し、このガスを精製して発電に利用する工程でできている。.

     

 

             一般的に、IGCCは、次のような工程を経る。

精製

CO2, S分離

プラズマトーチを用いたガス化プロセス(主要工程)

 

マイクロ波プラズマトーチを利用して、ガスタービンに使用する合成ガスを生成する工程で、投入された燃料のエネルギーに対して生成された合成ガスのエネルギーの割合を示す冷ガス効率(Cold Gas Efficiency、CGE)を一定のレベルに維持させることが重要である。

プラズマとは?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

プラズマとは、超高温で負の電荷を持つ電子と正の電荷を帯びたイオンに分離された気体の状態をいう。一般的に、物質の状態は、固体,液体,気体などの3つに分けられる。固体にエネルギーを加えると、液体、気体になり、再びこの気体の状態に高いエネルギーを加えると、気体は電子と原子核に分離され、プラズマ状態になる。このプラズマはよく物質の<第4の状態>と呼ばれている。プラズマを発生させるためには一般的に、直流、超高周波、電子ビームなどの電気的な方法を加えてプラズマを生成させた後、磁場などを使って、このような状態を維持させなければならない 。

 

雷、北極地方のオーロラ、大気中のイオン層などがプラズマ状態である。日常生活の中でプラズマを利用するには、このように人工的に作る必要があるが、宇宙全体を見ると、プラズマが最も一般的な状態で、宇宙空間のほとんどがプラズマ状態と推定されている。

マイクロ波プラズマトーチ

 

 

  • Frequency : 2.45 GHz.

 

  • 温度: 6,500K (直径 20mmの場合)

 

  • 密度: 8 x 1014 cm-3.

 

  • メリット

少ない消費電力 

高効率: < 90%

容易で簡単な操作

簡単に出来る容量の拡大

 

ガス化の原理

 

 

[スチームプラズマトーチを利用したガス化プロセス]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  • スチームプラズマトーチ

水をプラズマにすると、分子が解離されながら不安定で、非常に反応性に良い水素とヒドロキシル、ラジカル、活性酸素、オゾンなどが生成される。これを触媒として活用する。

 

H2O → H*   +   OH* 

 

  • 燃料を投入して、C, H, H2, OH などに分離させ、触媒と反応させて合成ガスを生成する。: H2, CO , CO2

 

  • 精製過程にて硫黄を分離し、CO2は再び触媒として活用される。精製過程を経た合成ガスをガスタービンの燃料(H2、CO)として使用する。

 

スチームプラズマ石炭ガス化反応の特徴

 

 

  • 超高温 (> 3,000℃)

 

  • 大気圧プロセス

小規模プラント可、ガス化炉の製造コストの削減

 

  • ガス化炉の予熱の必要がなく、ガス化へのプロセスが簡単かつ早い。

 

  • CO2 再利用

ガス化工程とガスタービンの燃焼時に発生するCO2を回収し、ガス化工程の触媒として再利用することにより、CO2排出量を最小化にできる。

 

IGCCと PE-IGCCのガス化プロセスの比較

 

 

既存のIGCCガス化炉に使用されるO2設備と電気の使用を、プラズマトーチに代えることにより、高い灰分が含まれる様々な低カロリー燃料もガス化ができる。そのため、中小型プラントにも適用が可能である。

IGCC

PE-IGCC

使用できる 石炭の種類

高品質炭(>6,000kcal)を主に使用する。

灰分12%以下の低品質炭、あるいは、前処理した水分の高い低品質炭のみ使用可能。

 

水分が35%以上の低品質炭、または、灰分45%以上の低品質炭(< 4,000 Kcal)も可能。

ガス化への柔軟性

高圧/低温運転のため、300MW以上の大型プラントのみ可能。

低圧/高温運転のため、500kWから大型プラントまで適用可能。

Feeding設備の取替によりバイオマスのガス化も可能。

ガス化温度

1,300℃~1,700℃

>2000℃ 

プラズマにより直接ガス化されるため、余熱作業が要らなく、必要なときにすぐに使用可能。

ガス化炉の圧力

2~8 MPa

0.1MPa(大気圧)

O2 設備コスト

全体設備コストの10%

不要

電気使用率

全体発電量の10%(O2発生用)

全体発電量の 20%~25%

(プラズマトーチ発生用)

ガス化のエネルギー供給

使用する石炭の燃焼熱の20~30%

プラズマトーチ

酸化剤

O2

水(H2O)

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