エクセルギー再生次世代石炭ガス化技術

東京大学生産技術研究所

エネルギー工学連携研究センター

堤　敦司

石炭･バイオマス・廃プラ等ハイブリッドガス化

FCV

合成ガス（H2、CO）

oil

ST

GT boiler

FC

ガス化

　　バイオマス

石炭

廃プラ

ガス化炉

鉄鋼Ｈ２ＣＯ２スラグ

有効利用

電力

石炭ガス化を核とする多様なＣＣＴモデル

化学

還元鉄鉄鉱石

民生・運輸

Power plants, Automobiles, etc.

METI C3 Initiative

化学原料併産型コプロダクション

還元鉄併産型コプロダクション

IGCC／IGFC

ＤＭＥ、ＧＴＬ

貯留

水素ステーション

定置型燃料電池

Ｈ２製造CO2分離回収

高炉

Diesel, naphthalene, etc.

Methanol, acetic acid, etc.

高効率石炭火力発電における技術ロードマップ

2000 2010 2020 2030

USC

GT ACC(1500°C)

ACC(1700°C)

USC(700°C)

USC(800°C)

AHAT

IGCC(O2 blow)

A-IGCC

IGFCA-PFBC

IGHAT IGCC/IGHAT(coproduction)

gasifier

FCcombined

IGCC(air blow)

fuel cell

hydrogencombustion turbine

closedGTCC

PFBCA-IGFC

サステイナブル・クリーンコール・テクノロジー

・バイオマス、廃棄物、廃プラ、重質油など・低品位炭への対応

エネルギー資源の多様化

・エクセルギー再生ガス化の適用・高温部分酸化ガス化から低温水蒸気ガス化へ

・SOx, NOx, PM, 重金属・CO2 シークエストレーション・レディー・水素のコプロダクション

さらなる高効率化

ハイブリッドガス化

ゼロエミッション化

部分酸化 低い冷ガス効率 GTまたはFCからの排熱を循環利用高い冷ガス効率エクセルギー損失の低減

gasifier fuel cell GT STcoal

waste heat

gasifier GT STcoal

waste heat

gasifier fuel cell GT STcoal

gasifier GT STcoal

combustion

combustion

エクセルギー再生エネルギー変換

カスケード利用型 (IGCC/IGFC) エクセルギー再生型 (A-IGCC/IGFC)

燃焼 エクセルギー再生

エネルギー変換において、低レベルの熱エネルギーを再生することによって、エクセルギー損失を最小化できる

10095

10070

Thermal  Energy

Chemical  EnergyExergy loss

25 10095

135109

3514

Thermal  Energy

Chemical  Energy

Hydrogen  

Energy

13595

Thermal  Energy

Exergy loss14

H2O

Fuel

H2

500-1100 K

2000 K

combustion

reforming reaction

エクセルギー再生水素製造ー改質燃焼によるヒートポンプ効果

カスケード利用型およびエクセルギー再生型IGCC/IGFCのエネルギーフロー図

冷ガス効率 80%

�

η = 28 + 25100

= 53% (48%)

�

η = 47 + 12100

= 59% (57%)

�

η = 32 + 16 + 12100

= 60% (55%)

exhaust loss

condenserloss

10095 168

136

6841

2929

4141

66

4427

2414

8355

126

120

186

gasifier FC ST

power

power GT

powerexergy rate100

0

50

�

η = 41+ 29 + 6100

= 76% (70%)

A-IGCCIGCC

A-IGFCIGFC

既存IGCC/IGFCとエクセルギー再生次世代IGCC/IGFCの比較

既存 IGCC/IGFC A-IGCC/IGFC

インテグレーション カスケード利用 エクセルギー再生

ガス化方式部分酸化ガス化（発熱反応）

高温(1100-1500°C)

水蒸気ガス化（吸熱反応）低温

(700-1000°C)

ガス化炉 Entrained flow bed high density CFB

効率 46−48% (IGCC) ～ 55% (IGFC)

53−57% (A-IGCC) ～ 65% (A-IGFC)

65

60

55

50

45

40

2000 2010 2020 2030

Year

A-IGCC1500°C GT53%

A-IGCC1700°C GT57%

A-IGFC～65%

IGFC55%

IGCC1500°C GT

dry gas cleaning48%

IGCC1500°C GT

wet gas cleaning46%IGCC

1200°C GTdry gas cleaning

40.5%

A-PFBC1300°C GT46%

A-IGCC, A-IGFCの効率向上の見通し

O2 Steam

CO, CO2

Combustor

GasifierCO,H2

Coal

Tar/gases

Pyrolyzer

Char

Heat carriedparticles

Char+particles

Heat carried particles熱分解炉（ダウナー）

CoalGases (CO, H2, CH4 etc.)+Tar

Char

ガス化炉（気泡流動層）

Char

+Steam

CO、H2

Unreacted Char

燃焼炉（ライザー ）

Unreacted Char

+O2CO, CO2

媒体粒子

熱

循環流動媒体により熱循環

Illustrated by Dr Mastuoka, AIST, Japan

熱

高濃度三塔式循環流動層ガス化炉

Riser: Ф0.1mX16.6mDowner: Ф 0.1mX6mBFB: 0.75m X 0.27m X 3.4m

大型三塔式循環流動層コールドモデル

エクセルギー再生技術（自己熱再生）

Efficient Combustion Energy Cascading

熱エネルギー

Self-heat RecuperationSupercombustion

waste heatThermal  energy(high  Temp.)

Thermal  energy(low  Temp.)Chemical  Energy Thermal  Energy

エネルギーカスケード利用 自己熱再生熱エネルギー利用

自己熱を再生し循環利用することで大幅なエネルギー削減が可能

Y. Kansha, N. Tsuru, K. Sato, C. Fushimi, A. Tsutsumi, Industrial and Engineering Chemistry Research 48(16), 7682-7686, 2009

T0

Tb’

T1

Feed

Effluent

Tb

Qheat exchange

Q

T

Q

T

T0

Tb

T1

Feed

Effluent

Qheat exchange

自己熱交換 自己熱再生

Energy Saving Energy Saving

自己熱再生蒸留

!

"!!

#!!!

#"!!

$%&'()*'&+,-&'./01&*203/044./056

7561&6/06.4*203/044./056

$6&'()*+563,8-/056**9*:;*<$6&'()*+563,8-/056**9*:;*<

preheater

distillation column

!"#$%&'()*$+,-.&)

F

Enthalpy

Tem

pera

ture

RB

CD

QRB QCD

F

Heat supplied by reboiler is wasted in the condencer

Self heat is recuperated by adiabatic compression

Energy consumption Energy saving

80～90% reduction

Energy consumption

自己熱再生によって85%もの省エネルギー化

コンデンサーでの凝縮潜熱を圧縮機により再生し、リボーラーでの蒸発潜熱として循環利用する

エクセルギー再生乾燥

MVR SHR

エネルギー消費量の比較 CO2排出量の比較

Conduction drying

Hot air drying

MVR SHR

Heat recovery

No heat recovery

Heat recovery

No heat recovery

Conduction drying

Hot air drying

LHV(EHV)

HHV

Water evap. heat

Self combustion

Combustion gas (900ºC)

Moisture content [ wt% wb]

Hea

t am

ount

[ M

J/kg

]水の蒸発潜熱が大きいため、褐炭やバイオマスのような高含水率の材料の乾燥には多くのエネルギーを消費する

自己熱再生CO2分離

CO2

Reboiler

Condencer

Flue  gas

Exhaust  gas

StrippingAbsorption

50°C120°C

CO2 の化学吸収法 (アミン法)では約4.1GJ/t-CO2.ものエネルギーが必要自己熱再生によって68% もの省エネルギー化が可能

サステイナブル・クリーンコール・テクノロジー

•エクセルギー再生ガス化技術による水素と電力のコプロダクションは、エネルギーの大幅な有効利用となる

エクセルギー再生ガス化

自己熱再生乾燥

自己熱再生CCS

自己熱再生ガスクリーニング

•潜熱だけでなく顕熱も循環利用する自己熱再生乾燥は、乾燥に必要なエネルギーを大幅に低減することができる

•多くの水分を含む褐炭やバイオマスの利用において重要

• CO2 分離やガスクリーニングに必要なエネルギーを70%以上削減できる