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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