Embed Size (px)
Citation preview
第5回石炭基礎講座（石炭エネルギーセンター）
石炭発電技術石炭発電技術－微粉炭燃焼技術－
一般財団法人 電⼒中央研究所
2013年01月23日
一般財団法人 電⼒中央研究所エネルギー技術研究所
（主任研究員）辻 博文
目次
① はじめに② 石炭の燃焼方式③ 微粉炭⽕⼒発電所の概要④ 微粉炭の燃焼過程⑤ 微粉炭の燃焼技術
2011
⑥ 微粉炭⽕⼒の⾼効率化・低炭素化⑦ まとめ
2
目次
① はじめに � 石炭の重要性① はじめに � 石炭の重要性� 石炭の分類/分析
② 石炭の燃焼方式③ 微粉炭⽕⼒発電所の概要④ 微粉炭の燃焼過程⑤ 微粉炭の燃焼技術
2011
⑤ 微粉炭の燃焼技術⑥ 微粉炭⽕⼒の⾼効率化・低炭素化⑦ まとめ
3
化石資源の埋蔵量・可採年数と石炭の埋蔵量分布
4,000
5,000
6,000
億ト
ン（
石油
換算
）] 石炭 石油 天然ガス
0
1,000
2,000
3,000
4,000
2001 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11
確認
可採
埋蔵
量[億
トン
（石
油換
算）
200
250石炭石油天然ガス
化石資源の埋蔵量
出典 ： BP統計(2002-2012)、世界エネルギー会議（2010）資料 4
石炭の埋蔵量分布
0
50
100
150
200
2001 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11
可採
年数
[年] 天然ガス
化石資源の可採年数
わが国の電源構成と石炭⽕⼒発電所
80
100 新エネ原⼦⼒LPG石油
0
20
40
60
1955 60 65 70 75 80 85 90 93 98 2003 08 10
構成
比[%
]
石油LNG石炭揚水水⼒
昭和30 平成2 平成5
電源別発電電⼒量の推移
出典 ： 電気事業連合会 FEPC INFOBASE2011、石炭エネルギーセンター冊⼦「石炭の開発と利用のしおり」(2009) 5
電源別発電電⼒量の推移
わが国における発電方式別のライフサイクルCO2排出量
出典 ： 電⼒中央研究所報告 Y09027(2009) 6
露天掘炭鉱
7
石炭の分類
炭質 区分発熱量
【補正無水無灰基準】MJ/kg
(kcal/kg)燃料比 粘結性
(kcal/kg)無煙炭
(A)A1 ― 4.0以上 非粘結A2
瀝⻘炭(B, C)
B1 >35.16(>8400)
1.5以上強粘結
B2 1.5未満
C 33.91 〜 35.16(8100 〜 8400 ) ― 粘結
D 32.65 〜 33.91 ― 弱粘結亜瀝⻘炭(D, E)
D 32.65 〜 33.91(7800 〜 8100) ― 弱粘結
E 30.56 〜 32.65(7300 〜 7800) ― 非粘結
褐炭(F)
F129.47 〜 30.56(6800 〜 7300) ―
非粘結F2
24.28 〜 29.47(5800 〜 6800) ―
8
石炭の主な分析項目
項目 内容項目 内容工業分析
(JIS M 8812) 水分、灰分、揮発分および固定炭素の分析
元素分析(JIS M 8813) 炭素、水素、窒素および硫⻩（燃焼性硫⻩と不燃性硫⻩）の分析
発熱量分析(JIS M 8814)
⾼発熱量(HHV)および低発熱量(LHV)の分析（⾼発熱量：燃焼時に⽣成する水の蒸発潜熱を含む）（低発熱量：燃焼時に⽣成する水の蒸発潜熱を除く）
粉砕性(JIS M 8801) 粉砕性の難易の評価粉砕性(JIS M 8801) 粉砕性の難易の評価
灰の組成分析(JIS M 8815) 灰の組成(SiO2, Fe2O3, Al2O3, CaO, MgO, SO3, P2O5他)の分析
灰の溶融性(JIS M 8801) 灰化試料の溶融性評価
9
石炭性状の代表例炭種名 ロイヤング スプリング
クリーク プラトー ニューランズ ⼭⻄産出国 豪州 米国 米国 豪州 中国産出国 豪州 米国 米国 豪州 中国種類 褐炭 亜瀝⻘炭 瀝⻘炭 無煙炭
工業分析 [wt%]水分*
揮発分**固定炭素**
灰分**
62.058.041.30.7
21.544.849.06.2
5.941.348.89.9
2.528.456.415.2
2.710.574.614.9
燃料比*** [-] 0.71 1.09 1.18 1.99 7.10元素分析** [wt%]元素分析** [wt%]
炭素水素窒素酸素
全硫⻩
70.65.130.8122.60.24
70.95.700.8116.20.51
71.95.471.3011.80.41
71.84.501.596.400.48
77.93.400.802.800.47
低発熱量* [MJ/kg] 8.0 21.2 28.7 28.1 29.4*到着ベース, **無水ベース, ***燃料比 = 固定炭素 / 揮発分 : 燃焼性の指標
10
目次
① はじめに① はじめに② 石炭の燃焼方式③ 微粉炭⽕⼒発電所の概要④ 微粉炭の燃焼過程⑤ 微粉炭の燃焼技術⑥ 微粉炭⽕⼒の⾼効率化・低炭素化⑦ まとめ
11
石炭の燃焼方式固定層燃焼 流動層燃焼 微粉炭（噴流層）燃焼
気泡流動層 循環流動層気泡流動層 循環流動層
ガス速度 ガス速度 ガス速度4–8 m/s
ガス速度10–15 m/s
石炭空気
空気
石炭
空気 空気
石炭 石炭
流動媒体
ガス速度0.8–1.5 m/s
ガス速度1–2 m/s
ガス速度4–8 m/s
スリップ速度粒⼦密度の増加
塊炭 粗粉炭 微粉炭
12
目次
① はじめに① はじめに② 石炭の燃焼方式
③ 微粉炭⽕⼒発電所の概要� 微粉炭⽕⼒発電所の構成� ボイラ/バーナの構造� 炭種選定基準
④ 微粉炭の燃焼過程④ 微粉炭の燃焼過程⑤ 微粉炭の燃焼技術⑥ 微粉炭⽕⼒の⾼効率化・低炭素化⑦ まとめ
13
微粉炭⽕⼒発電所の構成
ガス・ガスヒータ
スタック
脱 硫装 置
発電機
蒸気タービン
粉砕機アンローダ
脱 硝貯炭場
ボイラ
空気
エ ア 電 気装 置
脱 硝装 置
石炭船
貯炭場
フライアッシュ
エ アヒータ
電 気集じん器
14
代表的な微粉炭⽕⼒発電所の諸元苓北⽕⼒発電所（九州電⼒（株））
面積 800,000 m2
ユニット #1 #2 ユニット #1 #2 運開年 1995 2003
出⼒ [MW] 700 700ボイラ
形式 放射再熱式超臨界圧変圧貫流ボイラ⽕炉容量 [m3] 20,090 18,870
最大蒸発量 [t/h] 2,260 2,120蒸気タービン
形式 串形衝動4流排気式再熱復水形主蒸気圧⼒ [Mpa] 24.1 24.1主蒸気圧⼒ [Mpa] 24.1 24.1主蒸気温度 [℃] 566 593
再熱蒸気温度 [℃] 566 593排煙処理装置
脱硝装置 乾式アンモニア接触還元法集じん装置 電気式集じん法脱硫装置 湿式石灰石―石膏法
写真 ： 九州電⼒（株）提供 15
ボイラ構造主蒸気（⾼圧タービンへ）再熱蒸気（中圧タービンへ）
脱硝装置給水⽕炉
1000℃
ふく射伝熱部バーナ☆
対流伝熱部
微粉炭+1次空気 空気電気集じん器
エアヒータ
16
バーナ配置
バーナ
前面燃焼 対向燃焼 コーナ燃焼バーナ
17
バーナの構造（代表例）
2次空気
前面燃焼および対向燃焼用 コーナ燃焼用
3次空気微粉炭
+1次空気
18出典 ： 九州大学 炭素資源国際教育研究センター 開発教材（化石資源燃焼学）
微粉炭⽕⼒発電所での主な評価・検討項目
収熱、腐食NOx、SOxばいじん
ガス・ガスヒータ
スタック
脱 硫装 置
発電機
蒸気タービン
粉砕機アンローダ
脱 硝貯炭場
ボイラ
空気
エ ア 電 気
粉砕性収熱、腐食NOx, SOx
灰付着、摩耗
ばいじん
装 置脱 硝装 置
石炭船
貯炭場
フライアッシュ
エ アヒータ
電 気集じん器
19
着⽕・燃焼特性 副⽣物の有効利用性自然発⽕性
炭じん飛散性石膏
排水処理、微量成分
微粉炭⽕⼒ボイラの炭種選定基準（代表例）
項目 選定基準項目 選定基準
粉砕性 � 粉砕性指標（HGI）：40以上� 水分含有率：低
窒素酸化物 (NOx)排出特性 � 窒素分含有率 ：2%以下硫⻩酸化物 (SOx)排出特性 � 硫⻩分含有率：低
燃焼性� 燃料比（固定炭素 / 揮発分）：2.5以下� ⾼発熱量：25 MJ/kg以上� 灰分含有率：低
灰の溶融温度：1250 ℃以上スラッギング性 � 灰の溶融温度：1250 ℃以上� Na2O, K2OおよびFe2O3の含有率：低
ファウリング性 � Na2OおよびK2Oの含有率：低石炭灰（フライアッシュ）
の有効利用性� SiO2の含有率：45%以上� 未燃炭素含有率：低
20
目次
① はじめに① はじめに② 石炭の燃焼方式③ 微粉炭⽕⼒発電所の概要
④ 微粉炭の燃焼過程 � 微粉炭粒⼦の燃焼過程� 石炭灰の⽣成過程
⑤ 微粉炭の燃焼技術
21
⑤ 微粉炭の燃焼技術⑥ 微粉炭⽕⼒の⾼効率化・低炭素化⑦ まとめ
微粉炭粒⼦の燃焼過程
1次空気+微粉炭
2次・3次空気
着⽕
粒⼦
温度
Tp
揮発分
⽕炎部（揮発分燃焼領域）
C + O2 → CO2
⽕炎後流部（チャー燃焼領域）
灰の溶融
⽕炎
空気
予熱部
~1,700℃
2次・3次空気
バーナからの距離（滞留時間）バーナ出口
着⽕
粒⼦
温度
⽕炎からのふく射による粒⼦の加熱
熱分解開始揮発分放出（Tp>400℃）
灰の溶融灰の冷却
（~100 ms程度） （1秒程度）
フライアッシュ
22出典 ： 新岡崇ら 「燃焼現象の基礎」（オーム社）等をもとに作成
石炭灰の伝熱面への付着
分⼦拡散
⾼温ファウリング発⽣領域
境界層
分⼦拡散（蒸気）熱泳動
（1〜10μmの粒⼦）
慣性衝突（10μm以上の粒⼦）
⽕ 炉 低温ファウリング
23
伝熱管表面
境界層
バーナ
スラッギング発⽣領域
低温ファウリング発⽣領域
出典 ： 辻博文ら, 日本エネルギー学会誌, 89, 893-902(2010)
石炭灰（フライアッシュ）の⽣成過程
Na, K, S, Mg不均一凝縮
表面コーティング無機物の蒸発
燃焼の進⾏
Included 粒⼦
炭素質とイオン結合した無機物
Na, K, S, MgSiO, MgO
均一核⽣成
表面コーティング
サブミクロン粒⼦0.02 – 0.5µm
膨潤
粒⼦の合一と分裂灰粒⼦
フラグメント
無機物の蒸発
分裂
24
膨潤
Excluded 粒⼦
溶融
溶融を伴う分裂
Pyrite, Clays, Quartz
Pyrite, Carbonate
膨張 H2OCO 中空灰
出典 ： 辻博文ら, 日本エネルギー学会誌, 89, 893-902(2010)
目次① はじめに② 石炭の燃焼方式② 石炭の燃焼方式③ 微粉炭⽕⼒発電所の概要④ 微粉炭の燃焼過程
⑤ 微粉炭の燃焼技術
� NOx⽣成機構� NOxと石炭性状� 低NOx燃焼技術⑤ 微粉炭の燃焼技術 � 低NOx燃焼技術� 低負荷対応技術� 燃料種拡大
⑥ 微粉炭⽕⼒の⾼効率化・低炭素化⑦ まとめ
25
わが国のNOx低減の流れ
800
300
400
500
600
700
800NO
x [pp
m]
対策前
二段燃焼
従来型低NOxバーナ
二段燃焼最適化
新型低NOxバーナ
26出典 ： 石炭エネルギーセンター講演発表資料等をもとに作成
0
100
200
1970以前 1970以後 1975以後 1985以後 1990以後 現在
用語説明
実際のボイラへの投⼊空気量実際のボイラへの投⼊空気量� 空気比 [-]=
燃料の燃焼に必要な最低限の空気量（理論空気量）
� 二段燃焼： 燃焼用空気を全てバーナから投⼊するのではなく、その一部を⽕炉の途中からも投⼊する燃焼方式
⽕炉の途中から投⼊した空気量� 二段燃焼率 [%]= ×100[%]
全投⼊空気量
27
用語説明（つづき）固定炭素
� 燃料比=揮発分揮発分
� NOx転換率 [%]：石炭中窒素分のNOxへの転換割合
� 灰中未燃分 [%]： 燃え残りの灰の中に残存する炭素分の割合（灰中未燃分が多いと燃焼効率低）
� 未燃焼率 [%] = 100 - 燃焼効率 [%]� 未燃焼率 [%] = 100 - 燃焼効率 [%]
灰分含有率[%]×灰中未燃分[%]＝ ×100[%]
(100-灰分含有率[%])×(100-灰中未燃分[%])
：石炭中の可燃分が燃え残った割合
28
窒素酸化物（NOx）
� サーマルNOx（Thermal NOx）：空気中の窒素を起源とするNOx
� フューエルNOx（Fuel NOx）：� フューエルNOx（Fuel NOx）：燃料（石炭）中の窒素を起源とするNOx
29
サーマルNOx（Thermal NOx）� Zeldovich NO :
O + N2 ⇔ NO + NO + N2 ⇔ NO + NN + O2 ⇔ NO + ON + OH ⇔ NO + H� 強い温度依存性（1,500℃以上で急激に⽣成）� 微粉炭燃焼時のZeldovich NOの⽣成量は少
� Prompt NO :� 炭化水素系燃料の燃焼時に⽕炎面（燃料過濃領域）� 炭化水素系燃料の燃焼時に⽕炎面（燃料過濃領域）
で急速に⽣成するNO� 燃料の分解時に⽣成したHCNおよびCNなどが酸化さ
れて⽣成� 微粉炭燃焼時のPrompt NOの⽣成量は少
30
フューエルNOx（Fuel NOx）� 微粉炭燃焼時に⽣成するNOxのほとんどがFuel NOx
Fuel N
NH3
HCN
Char N
NOx
N2
Volatile N
� 石炭中のNが揮発化後NOxとなる⽣成ルートが支配的
� チャー中Nから⽣成するNOxは比較的少ない
Char N
31
当研究所の石炭燃焼試験炉
� 石炭燃焼量:100 kg/h� 石炭燃焼量:100 kg/h
ファンファン⽕炉出口
2次・3次空気
⽕炉出口
微粉炭+
1次空気
二段燃焼用空気注⼊ポート
32
NOxと灰中未燃分への炭種の影響燃焼条件変化
33出典 ： 電⼒中央研究所報告 W88010(1988)
石炭性状とNOx濃度燃焼条件一定
300400500600700800
NO
xN
Ox
NO
xN
Ox 濃
度濃
度濃
度濃
度[[ [[ p
pmppm
ppmppm
]] ]]
λλλλ＝＝＝＝1.241.241.241.24
A BurnerA BurnerA BurnerA Burner
750750750750
500500500500
250250250250
NO
xN
Ox
NO
xN
Ox 濃
度濃
度濃
度濃
度[[ [[ p
pmppm
ppmppm
]] ]]
λλλλ＝＝＝＝1.241.241.241.24
A BurnerA BurnerA BurnerA Burner
750750750750
500500500500
250250250250
750
500
250
34
0100200300
0. 0 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0燃料比 [-]
NO
xN
Ox
NO
xN
Ox
NNNN分含有率分含有率分含有率分含有率 [[[[－－－－]]]]
00000000 0.0050.0050.0050.005 0.010.010.010.01 0.0150.0150.0150.015 0.020.020.020.02
NO
xN
Ox
NO
xN
Ox
NNNN分含有率分含有率分含有率分含有率 [[[[－－－－]]]]
00000000 0.0050.0050.0050.005 0.010.010.010.01 0.0150.0150.0150.015 0.020.020.020.020 0.5 1.0 1.5 2.0
窒素分含有率 [%]
0
出典 ： 電⼒中央研究所報告 W87009(1987)
石炭性状とNOx転換率燃焼条件一定
NO
xN
Ox
NO
xN
Ox 転
換率
転換
率転
換率
転換
率C
RC
RC
RC
R[%
][%
][%
][%
]
△△△△
□□□□
○○○○
▽▽▽▽
FRFRFRFR≦≦≦≦1.01.01.01.0
1.01.01.01.0≦≦≦≦FRFRFRFR
≦≦≦≦1.51.51.51.5
1.51.51.51.5≦≦≦≦FRFRFRFR
≦≦≦≦2.02.02.02.0
2.02.02.02.0＜＜＜＜FRFRFRFR
△△△△
□□□□
□□□□
□□□□□□□□
□□□□○○○○
○○○○○○○○
○○○○
○○○○
○○○○○○○○
○○○○○○○○
○○○○
▽▽▽▽
▽▽▽▽ ▽▽▽▽
▽▽▽▽
▽▽▽▽λλλλ＝＝＝＝1.241.241.241.24
25252525
20202020
15151515
NO
xN
Ox
NO
xN
Ox 転
換率
転換
率転
換率
転換
率C
RC
RC
RC
R[%
][%
][%
][%
]
△△△△
□□□□
○○○○
▽▽▽▽
FRFRFRFR≦≦≦≦1.01.01.01.0
1.01.01.01.0≦≦≦≦FRFRFRFR
≦≦≦≦1.51.51.51.5
1.51.51.51.5≦≦≦≦FRFRFRFR
≦≦≦≦2.02.02.02.0
2.02.02.02.0＜＜＜＜FRFRFRFR
△△△△
□□□□
□□□□
□□□□□□□□
□□□□○○○○
○○○○○○○○
○○○○
○○○○
○○○○○○○○
○○○○○○○○
○○○○
▽▽▽▽
▽▽▽▽ ▽▽▽▽
▽▽▽▽
▽▽▽▽λλλλ＝＝＝＝1.241.241.241.24
25252525
20202020
15151515
25
20
15 10
20
30
NOx 転
換率
[%]
NNNN分含有率分含有率分含有率分含有率 [[[[－－－－]]]]
NO
xN
Ox
NO
xN
Ox
△△△△ □□□□
101010100.010.010.010.01 0.0150.0150.0150.015 0.020.020.020.02
NNNN分含有率分含有率分含有率分含有率 [[[[－－－－]]]]
NO
xN
Ox
NO
xN
Ox
△△△△ □□□□
101010100.010.010.010.01 0.0150.0150.0150.015 0.020.020.020.021.0 1.5 2.0
10
窒素分含有率 [%]0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
NOx
燃料比/窒素分含有率 [1/%]
35出典 ： 電⼒中央研究所報告 W87009(1987)
灰分含有率と灰中未燃分
10
燃焼条件一定
10
8
6
4
0 5 10 15 20
2
0 灰分含有率 [%]
36出典 ： 電⼒中央研究所報告 W87009(1987)
石炭性状と未燃焼率燃焼条件一定
1.0
0.8
0.6
0.4 0.5
1.0
1.5
未燃
焼率
[%]
灰分含有率 [%]0 5 10 15 20
0.2
0.0 0.0
0.0 1.0 2.0 3.0
燃料比 [-]
37出典 ： 電⼒中央研究所報告 W87009(1987)
低NOx燃焼技術
従来型低NOxバーナ初期発⽣NOxの抑制
従来型低NOxバーナ
NOxの発⽣抑制
（緩慢燃焼）
一次燃焼域での空気比の減少
⽕炎温度の低下
一次燃焼域でのNOxの低減
低空気比燃焼二段燃焼
排ガス再循環
新型低NOxバーナ
低NOx燃焼技術
発⽣したNOxの低減
一次燃焼域でのNOxの低減
⽕炉内でのNOxの低減
新型低NOxバーナ
二段燃焼法の改良二次燃料注⼊
38出典 ： 牧野尚夫ら, 化学工学論文集, 20, 747-757(1994)
低空気比燃焼によるNOxの低減
1
2
3
4
5
100
200
300
400
500
灰中
未燃
分濃
度[%
]
NOx,
CO
濃度
（O 2
=6%
）[p
pm] NOx濃度
CO 濃度灰中未燃分濃度
0
1
0
100
0 2 4 6 8
灰中
未燃
分濃
度
NOx,
CO
排ガス中O2濃度 [%]← 空気比の低下
39出典 ： 牧野尚夫ら, 化学工学論文集, 20, 747-757(1994)
二段燃焼
二段燃焼用空気
微粉炭+1次空気2次・3次空気
Volatile N
1次燃焼領域
空気比< 1（燃料過濃）
2次燃焼領域
空気比> 1（燃料希薄）
2次・3次空気
Fuel N
NH3
HCN
Char N
NOx
N2
40
二段燃焼によるNOxの低減
5
10
15
20
100
200
300
400
500
600
灰中
未燃
分濃
度[%
]
NOx濃
度（
O 2=6
%）
[ppm
]
NOx濃度灰中未燃分濃度空気比=1.24
10
20
30
100
200
300
400
500
600
灰中
未燃
分濃
度[%
]
NOx濃
度(O
2=6%
) [pp
m]
NOx濃度灰中未燃分濃度
空気比 = 1.24二段燃焼率 = 30%
00
100
0 10 20 30 40
NOx
二段燃焼率 [%]
00
100
0 2 4 6 8NO
x
バーナから二段燃焼用空気注⼊位置までの距離 [m]
41出典 ： 牧野尚夫ら, 化学工学論文集, 20, 747-757(1994)
新型低NOxバーナと空気多段注⼊法の概念
二段燃焼用空気
従来技術
空気多段注⼊
微粉炭+1次空気2次・3次空気
新技術
従来技術
燃焼促進
燃焼促進領域 NOx還元領域 再燃焼領域
2次・3次空気
灰中未燃分（新）
NOx （新）NOx （従来）
灰中未燃分（従来）
バーナからの距離
42出典 ： 牧野尚夫ら, ⽕⼒原⼦⼒発電, 48, 64-72(1997)
新型低NOxバーナの⽕炎構造
2次空気
微粉炭+1次空気
2次空気
スワラ
再循環流
NOx還元領域
燃焼促進領域 再燃焼領域
3次空気
空気の多段注⼊
スワラ
43出典 ： 牧野尚夫ら, ⽕⼒原⼦⼒発電, 48, 64-72(1997)
新型低NOxバーナのNOxと灰中未燃分の低減効果
35
10
15
20
25
30
35
灰中
未燃
分濃
度[%
]
NOx=100ppm時
44
0
5
10
1 2 3従来型バーナ+
二段燃焼
灰中
未燃
分濃
度
新型低NOxバーナ+
二段燃焼
新型低NOxバーナ+
空気多段注⼊
出典 ： 牧野尚夫ら, ⽕⼒原⼦⼒発電, 48, 64-72(1997)
低負荷対応技術（ワイドレンジバーナ）微粉炭
+1次空気1次空気
濃度調整リング
中間筒
152025303540
m uml oa
d[% ]
50%減
最低
負荷
[%]
05
1015
0 1 2 3 4
Mi nim
●▲
45
ワイドレンジバーナ従来型バーナ
最低
負荷
燃料比 [-]
出典 ： 電⼒中央研究所報告 W94019(1995)
燃料種拡大（亜瀝⻘炭の燃焼）
瀝⻘炭用のバーナ操作条件温度 [℃] O2 [%]
[m]0.0 1.00.5 1.5 2.0 2.5 3.0 0.0 1.00.5 1.5 2.0 2.5 3.0
[m]
温度 [℃] O2 [%]
0.0 1.00.5 1.5 2.0 2.5 3.0[m] 0.0 1.00.5 1.5 2.0 2.5 3.0
[m]
亜瀝⻘炭用のバーナ操作条件
46出典 ： 電⼒中央研究所報告 W99014(2000)
目次
① はじめに① はじめに② 石炭の燃焼方式③ 微粉炭⽕⼒発電所の概要④ 微粉炭の燃焼過程⑤ 微粉炭の燃焼技術
� 蒸気条件向上⑥ 微粉炭⽕⼒の⾼効率化・低炭素化
� 蒸気条件向上� バイオマス利用� CO2の分離・回収
⑦ まとめ
47
微粉炭⽕⼒の⾼効率化・低炭素化
蒸気条件向上● ● (USC)蒸気条件向上●(538℃/593℃)(1993)●(600℃/620℃)(2009) (USC)
（現在、石炭⽕⼒の総出⼒の約半分がUSC）◎700℃◎750℃ (A-USC)
バイオマス利用●(2005) （導⼊済・計画中の発電所増加中）
CO2の分離・回収・貯留（CCS）
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
USC : 超々臨界圧発電（24.1Mpa, 538℃/566℃超）A-USC : 先進的超々臨界圧発電
（CCS）（燃焼後回収・酸素燃焼）
48
年
発電効率と蒸気条件の推移
45
40
35
30
発電
端効
率（
HHV）
*[％
]
主蒸気温度：593℃主蒸気圧⼒：24.1MPa再熱蒸気温度：593℃
主蒸気：600℃主蒸気圧⼒：24.5MPa
620
600
580
560
540主蒸
気温
度[℃
]
主蒸気温度：600℃主蒸気圧⼒：25.0MPa再熱蒸気温度：620℃
主蒸気温度：566℃主蒸気圧⼒：24.1MPa再熱蒸気温度：566℃
49
25
201950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
発電
端効
率（
年
主蒸気圧⼒：24.5MPa再熱蒸気温度：600℃主蒸気温度：538℃
主蒸気圧⼒：24.1MPa再熱蒸気温度：538℃
500
540
520
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010年
主蒸
気温
度
出典 ： ⾼橋毅編 「進化する⽕⼒発電」(日刊工業新聞社)*HHV：⾼発熱量
⾼効率石炭⽕⼒の導⼊シナリオ25MPa, 600℃
ボイラ
超々臨界圧発電
石炭ガス化複合発電 57%(IGCC) (A-IGCC)
48%(1500℃) 50%(1700℃)
(A-IGFC)65%
石炭ガス化燃料電池複合発電(IGFC)
55%
蒸気タービンボイラ
35MPa, 700℃以上
USC
50
55
60
65
70
送電
端効
率（
HHV）
* [%
]
超々臨界圧発電（USC） 48%(750℃)
42%(600℃) 46%(700℃) 先進的超々臨界圧発電
（A-USC）
50%(1700℃)
出典 ： 経産省「CoolEarth50-エネルギー革新技術計画」、⾼橋毅編 「進化する⽕⼒発電」(日刊工業新聞社)をもとに作成
*HHV：⾼発熱量
50
年蒸気タービン
ボイラ
A-USC
40
45
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
送電
端効
率（
微粉炭⽕⼒でのバイオマス混焼北海道電⼒
砂川3号木質バイオマス木質バイオマス
東北電⼒能代⽕⼒1, 2号木質バイオマス
相⾺共同⽕⼒新地1, 2号
木質バイオマス東北電⼒
原町1, 2号木質バイオマス
常盤共同⽕⼒勿来7〜9号
木質バイオマス下水汚泥炭化物
中国電⼒
中国電⼒ 三隅1号木質バイオマス
沖縄電⼒具志川1, 2号
木質バイオマス 酒⽥共同⽕⼒2号
木質バイオマス北陸電⼒
七尾大⽥2号木質バイオマス北陸電⼒ 敦賀2号
木質バイオマス関⻄電⼒ 舞鶴1号木質バイオマス
給炭機
微粉炭機貯蔵サイロ
コンベア
石炭＋バイオマス
石炭計量機ボイラ
51出典 ： ⾼橋毅編 「進化する⽕⼒発電」(日刊工業新聞社)、各社Webサイト
導⼊量 : 数千〜数万トン/年（各ユニット）混焼率 : 1〜3%程度（重量比）
東京電⼒常陸那珂1号
木質バイオマス
中部電⼒碧南1〜5号
木質バイオマス下水汚泥炭化物
四国電⼒⻄条1, 2号
木質バイオマス九州電⼒ 苓北1, 2号
木質バイオマス
電源開発松浦1, 2号
木質バイオマス下水汚泥炭化物
中国電⼒新小野⽥1, 2号木質バイオマス
九州電⼒ 松浦1号下水汚泥炭化物
木質バイオマス
電源開発竹原2号
下水汚泥炭化物
CO2回収型微粉炭⽕⼒
� 燃焼後回収方式� 吸収法での回収技術は既に実用化� 吸収法での回収技術は既に実用化� 課題：CO2回収エネルギーの低減など
� 酸素燃焼方式� 実証段階
課題：酸素製造動⼒の低減など
ボイラ 排煙処理 CO2回収
石炭空気 圧縮機
スタック
CO2 貯留
� 課題：酸素製造動⼒の低減など
ボイラ石炭
O2 CO2
排煙処理 圧縮機 貯留
酸素製造装置
N2
52
化学吸収法によるCO2回収
CO2除去後排ガスCO2除去後排ガス
CO2
CO2吸収塔(40〜50℃)
再⽣塔(100〜120℃)
脱 硝
集じん
脱 硫 ガスクーラ
ファン
アミンクーラ
凝縮器
ドラムボイラ
燃焼排ガス 熱交換器
再⽣塔(100〜120℃)
リボイラ
ファン
53
CO2回収型微粉炭⽕⼒の効率・コスト
ベース（CO2回収オプションなし）
燃焼後回収（化学吸収） 酸素燃焼
発電効率 (LHV) [%] 43 34 35発電コスト [US$/MWh] 46 71 61
CO2 回収率 [%] - 89 91CO 回収コスト [US$/MWh] - 38 27CO2 回収コスト [US$/MWh] - 38 27
CO2の輸送と貯留のコストを除く
出典：IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage 2005/12 Cambridge Univ. Press 54
まとめ
�安価で供給安定性に優れる石炭を用いる微粉炭⽕⼒は、�安価で供給安定性に優れる石炭を用いる微粉炭⽕⼒は、今後も重要な電源のひとつである。
�多様な性状の石炭を⾼い環境性・運用性のもとで利用することが重要である。今後は、さらなる利用炭種の拡大が不可⽋である。
55
�微粉炭⽕⼒の効率化・低炭素化に向け、バイオマス混焼や蒸気条件向上およびCO2回収のための技術開発が⾏われている。
