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2013 02 10 10:30 12:10
石炭ガス化
4
1
ガス化の基礎
23
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2
1
2
3
4
5
6
7
8
23
3
1. イントロダクション
23
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4 1. 1
23
0
100
200
300
400
500
600
1960 1970 1980 1990 2000 2010
100
MTO
E
Year
P.E.
Coal
Oil
N.G.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
1 2 3 4 5 6 7 8
100
200X
5 1. 2
23
R/P ratio reserves/production ratio ÷
0
50
100
150
200
250
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
216 204
192
164 155
147 133
122 R/P
, yea
r
Year
R/P
R/P
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6 1. 3
23
0
10
20
30
40
50
60
Coal Oil NG Uranium
Reserves of major fossil resources and uranium
1 Total reserve: 37,000 EJ
Share
, %
‐energ
y
56
19 19
6
IPCC 4 2007 2005
2005 – 2100
= 97,000 EJ = 68,000 EJ
= 37,000 EJ
CO2 sky-rocketing ? or fossil fuels diving ?
7 1. 4
H2 & CO = syngas
23
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8 1. 5
23
DME, Methanol
H2
CO
500 - 950°C
1000 °C
H2 & CO
BTX
C1
9 1. 6
23
C1
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10
! vs
! !
! ! !
23
1. 7
Puertollano IGCC Power Plant http://www.netl.doe.gov/technologies/coalpower/gasification/pubs/photo.html
Negishi IGCC Power Plant
11 1
Integrated Coal gasification Combined Cycles; IGCC
JCOAL, 2007,
IGCC 1200°C-GT, dry
IGCC 1500°C-GT, wet
IGCC 1500°C-GT, dry
A/IGCC 1500°C-GT
A/PFBC 1300°C-GT
IGFC
A/IGCC 1700°C-GT
A/IGFC
USC-PCPC
→
IGFC →
23
IGCC
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12
(CO/H2)
SNG
23
2poly-generation, co-production
13
2. ガス化の原理
23
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14
Tromp, P.J.J. PhD Thesis 1987
23
H2, CO, CO2, CH4
O2, CO2, H2O
O2, CO2, H2O
15
C
O2 C + O2 = CO2
O2 C + ½ O2 = CO
H2O C + H2O = H2 + CO
CO2 C + CO2 = 2CO
H2 C + 2H2 = CH4
CO + H2O = H2 + CO2
CO + 3H2 = CH4 + H2O
: CHaObNcSd.
23
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16
: CHxOygasifier T & P
O2 or O2/N2
H2O
2
2
4 2O 2
Q &
H2-CO-CO2-CH4-H2O
100%
T P
23
17
Assumptions for simulation: = CH0.84O0.25 10 wt%
= O2 P
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
0.25 0.30 0.35 0.40 0.45
Tem
pera
ture
, °C
O2 / C , -
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
800 1000 1200 1400 1600
Yiel
d, m
ol/m
ol-c
arbo
n
, °C
H2
CO
CO2
CH4
H2O
23
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18
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
Temperature, °C
=
75 - 80%
23
19
23
3. ガス化技術基礎 ガス化炉
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20
: Carpenter, IEA, 2009
23
21
BGL British-Gas/Lurgi
5 – 60 mm
2.5 – 7.0 MPa
2000 °C ( ) 1100 °C ( ) < 540 °C ( )
450 °C
2000 °C
1600 °C / vol% / vol%
H2 32 0.5
CO 55 H2S + COS 1.3
CO2 3.5 NH3 0.36
CH4 4.5 Higman and van der Burgt, 2003
23
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22
Source: Carpenter, IEA, 2009
23
< 950 °C
23
Source: Carpenter, IEA, 2009
slag
coalcoal steam,
oxygen or air
23
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24 5.4 Gasification / gasifier technology Entrained gasifiers
PLENFLO Shell IGCC (MHI)
EAGLE (J-Power)
E-Gas (Conoco-Phillips) GE-Texaco
, mm <0.1 < 0.1 < 0.1 < 0.1 < 0.1 < 0.1
or
MPa 2.5 - 4 2 - 4.5 2 - 3 2.5 2 - 4.1 3 - 8
°C 1200-1650 1370-1700 1600 - 1800 ( ) 1200 - 1700
1350 - 1540 ( )
1000 - 1100 ( )
1250 - 1500
°C 800-900
900
1100 – 1200
420 Syngas
1100 Radiant
450 Syngas
1000 - 1100 760 Syngas
23
25 1
EAGLE:
2
23
Coal Energy Application for Gas Liquid & Electricity
J-POWER
J-POWER
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26
IGCC:
vs
?? ??
23
2
27
23
4. ガス化技術基礎 前処理・後処理
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28
23
Coal-water slurry CWM
http://members.tripod.com
29
Clean gas
Crude gas
Filtration
Exfoliated dust
Pulse type back flashing
Cleaning
23
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30
Combustor
slag hole
video camera Molten slag
104
103
102
10
11200 1400 1600 1800 2000
Temperature K
Visc
osity
, Pa
S
Coal A
Coal B
Coal C (CaO 25%)
23
31 Competition between gasification and puverised coal combustion ?
A technology roadmap of power generation from coal (JCOAL, 2007, modified).
PCC Mill
ion
tons
for IGCC for PCC
Source: Clean Coal Power R&D Co.,Ltd.
US China India Australia South Africa Indonesia
23
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32
/ 2
23
33 5.6 Syngas treatment technologies Syngas cooling
1400 to 1000 °C
1600 °C
1000 to 400 °C
Ash
vis
cosi
ty
23
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34
IGCC gas-to-liquid, GTL) 2 2
IGCC
CO + H2O = H2 + CO2 CO2
CO2 (H2 CO2 )
2/CO (GTL)
23
35
particulates < 2 ppmw IGCC
H2S, COS < 10-20 ppmv IGCC< 1 ppmv IGFC FT , etc.
HCl, HF < 1 – 2 ppmv IGCC< 0.01 ppmv FT
NH3 < 1 ppm IGFC FT , etc.Na, K < 0.03 – 2 ppmv IGCC
< 0.01 ppmvFTBTX, Below dew point
< 1 ppmv
23
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36 FT Fischer-Tropsh
23
CO H2
(2n + 1) H2 + n CO → CnH2n+2 + n H2O
Vol.01 (2010)
37 FT Fischer-Tropsh
23
Vol.01 (2010)
α
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38
MDEA
COS
450 °C350 °C
250 °C 40 °C
23
39
GT, MCFC, etc
450 °C
450 °C 450 °C 450 °C
Advanced
(Nunokawa et al., 2002)
23
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H2S CO2
CO2
40
CO + H2O = CO2 + H2
Sour sweetCO
COS to H2S
COS to H2S
Sour shift
Sweet shift
raw syngas 200 °C
sour shift 200 - 500 °C
40 °C
CO2 40 °C clean syngas
40 °C
H2S
200 °C
sweet shift 200 - 500 °C
CO2 40 °C
raw syngas clean syngas
23
41
23
5. ガス化複合発電 IGCC, IGFC
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42
Source: Clean Coal Power R&D Co.,Ltd.
air
23
IGCC 250MW IGCC
Nakoso IGCC Schematic Diagram of 250MW IGCC Demonstration Plant
EAGLE 43
EAGLE Schematic Diagram of 150 t/d plant
23
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IGFC Integrated Coal Gasification Fuel cell Combined Cycle 44
23
45
23
6. ポリジェネレーション polygeneration
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Polygeneration 46
Polygeneration scheme (Carpenter, 2008; modified)
CO2
SNG
FT DME,
NH3, C2H4
syngas H2-CO-CO2
H2-CO
CO2 CCS
H2-CO-CO2
H2-rich syngas
H2-CO-CO2
23
Polygeneration 47
CO/H2
SNG
(-CH2-) FT
DME
23
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48
23
7. 将来展望
49
CO2 ↑
CO2
to
H2
CO2
( )
H2
1700 °C class
upgrading
23
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50 IGCC
23
石炭
酸素
合成ガス (H2, CO, CO2)
スラグ
チャ
ーリ
サイ
クル
クーラー 熱回収
ガス化炉
%%4
22
19
752
いかにしてエクセルギー損失を減ずるか?
吸熱反応の導入 水蒸気ガス化 水蒸気改質
酸素吹き 噴流床石炭ガス化
部分燃焼 @ > 1600°C
51
23
- = 650 °C 100%
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
, %
°C
Steam/C = 0.5
target
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52
Gas$from$Gasifier!
700$°C,$2.3$MPa!
To$Gasifier$
475!°C,!2.5!MPa!
Oxygen!
25!°C,!2.5!MPa!
Steam$
700$°C,$2.8$MPa$
Air!15!°C,!0.1!MPa!
Compressor!404!°C,!1.7!MPa!
Turbine!1426!°C,!1.5!MPa!
SOFC$1002!°C!1.6!MPa!
Fuel!gas!600!°C!
1.7!MPa!
HP$Turbine$
LP$Turbine$
380!°C,!2.8!MPa!
465!°C,!2.7!MPa!
605!°C!25.9!MPa!
280!°C!!2.9!MPa!
380!°C!2.8!MPa!
720!°C!0.1!MPa!
680!°C!0.1!MPa!
34!°C!28!MPa!
100!°C!0.1!MPa!
33!°C!0.005!MPa!
31!°C!0.005!MPa!
743!°C!0.1!MPa!
447!°C!2.2!MPa!
450!°C!2.3!MPa!
450!°C!0.1!MPa!
Ash$
RH2$ RH1$GGH$650!°C!2.3!MPa!
501!°C!2.3!MPa!
450!°C!2.3!MPa!
Input$
Output$$$SOFC$$$GT$$$ST$Efficiency$
672$MW$
247$MW$159$MW$$$81$MW$$$72$%$(generaTng$end)$
DesulfurizaTon$
23
Advanced IGFC
14893 17-26 (2004)
53
IGCC
(SOFC, MCFC) IGCC, IGFC
CO2
e.g. CO2
e.g. A-IGCC/A-IGFC < 900 °C
H2-CO
23
![Page 28: JCOAL石炭基礎講座 石炭のガス化 林. ô 4 2 þ - 4 73 8 6 ¨23 Ã + 7 ª fh 2 x Ä 2 ÿ . & ´ c ùÉA 7 n8 H 8 0 10 20 30 40 50 60 Coal Oil NG Uranium Reserves of major](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062908/5abd02597f8b9a441d8eb57c/html5/thumbnails/28.jpg)
GE 54
23
3.0 MPa
1250 – 1450 °C
IN: OUT:
55
23
E-Gas
![Page 29: JCOAL石炭基礎講座 石炭のガス化 林. ô 4 2 þ - 4 73 8 6 ¨23 Ã + 7 ª fh 2 x Ä 2 ÿ . & ´ c ùÉA 7 n8 H 8 0 10 20 30 40 50 60 Coal Oil NG Uranium Reserves of major](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062908/5abd02597f8b9a441d8eb57c/html5/thumbnails/29.jpg)
56
23
8. 燃料変換の基礎
化学エネルギー変換の立場から 高効率石炭ガス化発電を考える
57
23
電力(電気エネルギー)
動力(機械エネルギー)
熱(熱エネルギー)
物質(化学エネルギー)
物質(核エネルギー)
光 音
動力
熱
電力
化学 エネルギー 光
吸熱
反応
発熱
反応
発電機
モーター
照明
デバ
イス
太陽
電池
光合成
ケミルミネッセンス
![Page 30: JCOAL石炭基礎講座 石炭のガス化 林. ô 4 2 þ - 4 73 8 6 ¨23 Ã + 7 ª fh 2 x Ä 2 ÿ . & ´ c ùÉA 7 n8 H 8 0 10 20 30 40 50 60 Coal Oil NG Uranium Reserves of major](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062908/5abd02597f8b9a441d8eb57c/html5/thumbnails/30.jpg)
58
キーワード 1 Exergy エクセルギー
2 Endothermic and exothermic reactions 発熱反応と吸熱反応
3 Hydrogen and carbon 炭素と水素
4 Steam reforming (gasification) and combustion 水蒸気改質(ガス化)と燃焼
5 Energy/material recuperation エネルギーと物質の再生
23
59
熱力学第一法則(エネルギー保存則) 熱力学第二法則(エントロピー増大則)
20 ℃ 水
1 liter
80 ℃ 水
1 liter
50 ℃ 水
2 liter +
✖
覆水盆に返らず There is no use of crying over spilt milk
エネルギーは保存される. しかし,エクセルギーは失われる.
23
![Page 31: JCOAL石炭基礎講座 石炭のガス化 林. ô 4 2 þ - 4 73 8 6 ¨23 Ã + 7 ª fh 2 x Ä 2 ÿ . & ´ c ùÉA 7 n8 H 8 0 10 20 30 40 50 60 Coal Oil NG Uranium Reserves of major](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062908/5abd02597f8b9a441d8eb57c/html5/thumbnails/31.jpg)
60
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0 500 1000 1500 2000 2500
エク
セル
ギー
率, -
温度, K
熱エネルギー (常圧の空気)
電力&動力 1.0
H2 0.83
化学エネルギー 0.92 ‒ 0.99
太陽光 0.85
蒸気タービン (600 ℃級)
ガスタービン (1500 ℃級)
エクセルギー率 = エクセルギー エンタルピー == (H – H0) – T0(S - S0)
H - H0 ギブス自由エネルギー
エンタルピー ≈≈
23
61
2000
1500
1000
500
3000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
エク
セル
ギー
率, %
熱エ
ネル
ギー
の温
度, K
CH4 1mol 890 818
(92%)
エネルギー, kJ/mol-C エクセルギー, kJ/mol-C (Exergy rate, %)
熱 890 580
(65%)
エクセルギー損失 238 kJ/mol-C
燃焼@1500 ℃
化学エクセルギーの1/3が燃焼 によって失われる.
天然ガス化力 複合発電
燃燃料料::化化学学エエネネ
燃燃焼焼
熱熱エエネネ((高高温温))
ガガススタターービビンン
熱熱エエネネ((中中温温))
蒸蒸気気タターービビンン
熱熱((低低温温))
23
![Page 32: JCOAL石炭基礎講座 石炭のガス化 林. ô 4 2 þ - 4 73 8 6 ¨23 Ã + 7 ª fh 2 x Ä 2 ÿ . & ´ c ùÉA 7 n8 H 8 0 10 20 30 40 50 60 Coal Oil NG Uranium Reserves of major](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062908/5abd02597f8b9a441d8eb57c/html5/thumbnails/32.jpg)
62
2000
1500
1000
500
3000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
エク
セル
ギー
率, %
熱エ
ネル
ギー
の温
度, K
H2 3.1mol 890 740 (83%)
エネルギー, kJ/mol-C エクセルギー, kJ/mol-C (エクセルギー率, %)
熱 890 580
(65%)
エクセルギー損失 160 kJ/mol-C
燃焼@1500 ℃
エクセルギー損失が83%と低い水素を燃焼することによって「燃焼による」エクセルギー損失を小さくできる.
23
エクセルギーダイヤグラム 堤 敦司 教授(東京大学)による提案法に従って作成.
63
23
![Page 33: JCOAL石炭基礎講座 石炭のガス化 林. ô 4 2 þ - 4 73 8 6 ¨23 Ã + 7 ª fh 2 x Ä 2 ÿ . & ´ c ùÉA 7 n8 H 8 0 10 20 30 40 50 60 Coal Oil NG Uranium Reserves of major](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062908/5abd02597f8b9a441d8eb57c/html5/thumbnails/33.jpg)
64
水蒸気改質: CH4 + H2O = CO + 3H2 (合成ガス) 水性ガスシフト反応:CO + H2O = H2 + CO2 総括反応: CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2
∆H° = 253 kJ/mol-CH4 吸熱反応
化学エネ
熱エネ 吸熱反応
化学エネ 高エクセルギー率
低エクセルギー率
高エクセルギー率
吸熱反応は,エクセルギーを再生(recuperation)する.
エクセルギー損失なし H2
23
65
23
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
エク
セル
ギー
率, %
CH4 1mol 890 818 (92%)
エネルギー, kJ/mol-C エクセルギー, kJ/mol-C (エクセルギー率, %)
1143 950 (83%) 2000
1500
1000
500
300
熱エ
ネル
ギー
の温
度,
K
H2 4 mol
熱 1143 744
(65%)
エエククセセルルギギーー損損失失 206 kJ/mol-C
熱
253 131 (52%)
800°C steam
改改質質 &
燃燃焼焼 800°Cのの熱熱をを1500°Cのの熱熱にに 汲汲みみ上上げげるる..
800 °Cのの熱熱
1500 °Cのの熱熱
化学ヒートポンプ
![Page 34: JCOAL石炭基礎講座 石炭のガス化 林. ô 4 2 þ - 4 73 8 6 ¨23 Ã + 7 ª fh 2 x Ä 2 ÿ . & ´ c ùÉA 7 n8 H 8 0 10 20 30 40 50 60 Coal Oil NG Uranium Reserves of major](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062908/5abd02597f8b9a441d8eb57c/html5/thumbnails/34.jpg)
66
23
排ガス損失 139/ 46 (33%)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 CH4 1mol 890 818 (92%)
エエネネルルギギーー, kJ/mol-C エエククセセルルギギーー, kJ/mol-C (エエククセセルルギギーー率率, %)
Heat 890 580
(65%)
電力
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
エエクク
セセルル
ギギーー
率率, %
2000 1500
1000
500
300
熱熱エエ
ネネルル
ギギーー
のの温温
度度, K
334 334
(100%)
熱 417 167 (40%)
電力 166 166
(100%)
熱 250 0
(0%)
燃焼 @1500 °C
ガスタービン 発電 蒸気タービン発電
理理論論効効率率 = (332+166) / 890 = 56%-HHV 最最新新鋭鋭ププラランントトのの 発発電電効効率率 = 53 - 54%-HHV
エクセルギー 損失 33
エクセルギー 損失 238
67
23
熱
電力
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
エク
セル
ギー
率, %
CH4 1mol 890 818 (92%)
エエネネルルギギーー, kJ/mol-C エエククセセルルギギーー, kJ/mol-C ((エエククセセルルギギーー率率, %)
1143 950 (83%) 2000
1500
1000
500
300
熱エ
ネル
ギー
の温
度, K
H2 4 mol
熱 1143 773
(67.6%) 熱 253 131 (52%)
800 ℃℃ 水水蒸蒸気気
439 439
(100%)
熱 253 131 (52%) 451
203 (45%)
電力 172 172
(100%)
熱 279 31 (11%)
熱熱エエネネルルギギーーのの再再生生
水素燃焼 @1700 °C
水蒸気改質 ガスタービン 蒸気タービン
理理論論効効率率 = (439 + 172)/890 = 69%
水水蒸蒸気気改改質質
1700°C級級 水水素素タターービビンン
![Page 35: JCOAL石炭基礎講座 石炭のガス化 林. ô 4 2 þ - 4 73 8 6 ¨23 Ã + 7 ª fh 2 x Ä 2 ÿ . & ´ c ùÉA 7 n8 H 8 0 10 20 30 40 50 60 Coal Oil NG Uranium Reserves of major](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062908/5abd02597f8b9a441d8eb57c/html5/thumbnails/35.jpg)
68
/ /
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
エク
セル
ギー
率, %
石炭 100 / 95 (95%)
エネルギー, kJ/mol-C エクセルギー, kJ/mol-C (エクセルギー率, %)
2000 1500
1000
500
300
熱エ
ネル
ギー
の温
度, K
電力 42 / 42 (100%)
理論発電効率 = 42 %
熱 100 / 45 (45%)
Heat
48 / 0 (0%)
エクセルギー損失 10 / 3
蒸気タービン
エクセルギー 損失 50
69 IGCC
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Exe
rgy
rate
, %
石炭 100 / 95 (95%)
, kJ/mol-C , kJ/mol-C
( , %)
2000
1500
1000
500
300
Tem
pera
ture
of t
herm
al e
nerg
y, K
28 / 28 (100%)
電力 25.7 / 25.7
(100%)
ガスタービン 蒸気タービン 酸素吹きガス化
= 28.0 + 26 = 54%
H2 80 66
(83%)
熱 20 / 8 (40%)
@1500
80 / 52 (65%)
電力
熱 64.3 / 25.7
(40%)
38.6 / 0 (0%)
= 5%
=54 – 5 = 49%
燃焼
熱
2.6 (33%)
3.7
21
23
![Page 36: JCOAL石炭基礎講座 石炭のガス化 林. ô 4 2 þ - 4 73 8 6 ¨23 Ã + 7 ª fh 2 x Ä 2 ÿ . & ´ c ùÉA 7 n8 H 8 0 10 20 30 40 50 60 Coal Oil NG Uranium Reserves of major](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062908/5abd02597f8b9a441d8eb57c/html5/thumbnails/36.jpg)
70 Advanced IGCC
23
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
, %
100 95
(92%) 135 112
(83%) 2000
1500
1000
500
300
, K
H2
135 / 87 (65%)
35 17
(48%)
47.3 47.3
(100%)
40.8 16.3
(40%)
16.3 16.3
(100%)
Heat40.8 / 0
(0%)
ガスタービン 蒸気タービン 水素燃焼 @1500 ℃℃
水蒸気ガス化
= (47.3 + 16.3) = 63.6% IGCC 9
2.5
12 4 (33%)
35 17
(48%)
, kJ/mol-C , kJ/mol-C
( , %)
A-IGCC CCT , 11:17-22 (2004)
71
23
Fuel Cell 2H2 + O2 = 2H2O
2H2 = 4H+ + 4e-
4H+ + O2 + 4e- = 2H2O
SOFC 900 – 1000 °C
?
http://www.nedo.go.jp/activities/ZZ_00145.html
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72
IGFC
23
水素
電力
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 石炭 100 95
135 112
2000
1500
1000
500
300
熱
35 17
81 81
熱
電力 8 8
11 0
水蒸気ガス化 750 °C
35 19
19 8
= (81 + 8) / 100 = 89% !!
2
SOFC発電 蒸気タービン 900 K
, kJ/mol-C , kJ/mol-C
( , %)
, %
, K
2
熱
10 2003.2.24
73
23
ガス化による資源の統合と持続的な電力・化学原料・水素生産
ガス化 石炭
バイオマス
重質油
廃棄物
排熱
太陽熱
H2 CO
水素 液体燃料
電力
化学原料 CO2
エネルギー・化学 共通のPlatform
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74
23
- END -