石炭の液化・ガス化

エネルギーと地球環境
日本の新エネルギー
新エネルギー技術開発
石炭の液化・ガス化

https://atomica.jaea.go.jp/data/detail/dat_detail_01-05-02-02.html　からDLした。
　※　例によって、テキスト変換した。一部、「変換失敗」しているようなんで、「脳内変換」よろしく。

　※　今日は、こんな所で…。

<概要>
石炭の液化・ガス化は固体燃料である石炭を灰分、硫黄分を除去したクリーンで取り扱い易い
液体燃料または気体燃料に転換することによって幅広い利用を可能にするものである。特に、石
炭液化は石油に直接代替し得る液体燃料を供給する技術であり、その確立は石油を輸入に頼って
いる日本の脆弱なエネルギー供給構造を改善するとともに石油価格上昇の抑止力になることが期
待される。石炭のガス化は石炭から都市ガスあるいは複合発電システムに使用できる気体燃料を
製造するものである。

V更新年月>
2004年02月 (本データは原則として更新対象外とします。)

<本文>

1. 石炭の液化・ガス化(Coal Liquefaction・Gasification)の意義
   石炭の液化・ガス化は固体燃料である石炭を灰分、硫黄分を除去したクリーンな液体または気
   体燃料に転換することによって、都市ガスあるいは複合発電システムなど幅広い用途での利用を
   可能にしようとするものである。すなわち、石炭液化は、石油に直接代替し得る液体燃料を供給
   する技術であり、その確立は、石油の大半を中東地域に依存しているわが国のエネルギー供給構
   造を改善し、同時に石油価格上昇の抑止力となることが期待されるが、さらには石油の大量消費
   国であるわが国の長期的エネルギー戦略における国際的責務でもあると考えられる。
2. 石炭液化の技術開発
   石炭の液化・ガス化は原理的には高分子有機化合物の低分子化を行うことである。固体質石炭
   は、図1に示すように主として炭素、水素および酸素等の多数の原子で構成されているが、原子
   間結合の弱いーCH2ー結合部を切断すると、六角形の芳香環2〜4個からなる石炭液化油ができるこ
   とになる。結合を切断する主なカは、熱エネルギーであることから、液化反応には400〜450°Cの
   温度を必要とする。この温度では、図1の所々に見られる-CH2-の結合が切れ易い状態になり、
   切断された結合部は他の原子と手を結んで安定化しようとする。
   この安定化のために、液化では一般に水素を用いる。しかし、切断された結合部が全て水素を
   取り込んで安定化するとは限らないところに石炭液化反応の難しさがある。水素と結合しなかっ
   た結合部は、再度結合部同志が再結合する。すると、分子は巨大化する。しかも巨大化した分子
   は、六角形芳香環の集合が大きくなる。この現象を炭化またはコーキングと呼ぶ。このように石
   炭液化では、石炭の低分子化と炭化という全く逆の反応が同時に起こる。したがって、炭化防止
   法の確立は、石炭液化技術にとって重要な課題である。
   石炭液化とは、加熱することによって石炭分子の化学結合を切れ易い状態にし、次いで切断点
   に水素を添加することによって低分子化するプロセスであると言える。石炭を液化し、石油を補
   完する燃料油を製造する技術として、サンシャイン計画では、>歷青(れきせい)炭液化技術と褐
   炭液化技術について研究開発を行ってきた。

歷青炭液化技術については、化学結合の切断点にどのような水素を供給するかの違いによる次
の3つの方式について研究開発を実施してきた。
(a) 直接水添液化法:石炭の有機高分子成分に直接水素を反応させることによって液状油を得
る方法である。
(b) 溶剤抽出液化法:石炭とリサイクル油を混合して、圧力100〜150気圧、温度400〜450C
で熱処理し、石炭から可溶分を抽出するとともに、リサイクル油の水素供与性を利用して石炭に
水素を供給する方法である。したがって、この方法では、リサイクル油に水素供与性を与えるた
めに、リサイクル油の水添工程が必要である。
(C)ソルボリシス液化法:石炭を常圧〜数+気圧という低圧で液化油の一部を使って数分〜10
分程度の極めて短時間の反応で液化する方法であるが、反応条件が穏やかであるだけに、得られ
る液状物は重質であり、油分を得ようとすれば、さらに第2段目の水添工程を加える必要がある。
日本では、NED〇L法として、「直接水添法」、「溶剤抽出法」、「ソルボリシス法」の3つの
歷青炭液化法のそれぞれの長所を集めた技術的•経済的に優れた液化技術を独自に開発した。
NED〇Lプロセスの概要を図2に示す。この手法による>歷青炭液化技術については、石炭処理量
150t/日能力のパイロットプラント(図3参照)を1996年6月に建設完了し、7月から運転開始、
1998年9月に所期目標を達成し、1998年度でプロジェクトを終了した。
褐炭液化技術については、世界に大量に賦存する褐炭について、オーストラリアのビクトリア
州の褐炭を対象に、50t/日のパイロットプラントを1981年から1990年度まで建設•運転を実施
し、1991〜1993年度にかけて解体研究、成果の取りまとめを実施し終了した。代表的な褐炭の液
化法を図4、表1に石炭の液化方式の比較を示す。
石炭の液化の研究開発は、ベンチスケール、パイロットプラント、デモンストレーションプラ
ント、商業プラントと逐次スケールアップを行い、効率の向上と低コスト化を図っていく必要が
あるが、技術開発の主要な段階であるパイロットプラントまでを考えても、所要資金が膨大で、
技術開発リスクが大である。このため、研究開発には、長期的視点から計画的な取り組みを行っ
ている。
(d)海外の技術開発動向
第2次世界大戦以前から技術開発が活発に行われていた旧西ドイツ、その技術を引き継いだ米
国等で石炭液化に関する研究が行われてきた。
米国ではGulf Oil社が中心となり、旧西ドイツ、日本などが参加したSRC-||法のプロジェクトが
中止されるなどのエネルギー政策の変更があったが、今までExxon社を中心としたEDS法、
Ashland社を中心としたH-Coa l法についてパイロットプラントの運転研究が行われてきた。現
在、パイロットプラントの運転研究は終了し、プロセス改良のため実験研究を実施中である。
EDS法は、水素供与性の溶剤を用いて液化する方法で250t/日パイロットプラントがテキサス州
ヒューストンで運転された。日本石炭液化技術開発(株)のほか独ルールコーレ社等が参加し
た。この方法は、溶剤を事前に水添することによって1次水添を触媒なしで、かつ反応圧力も下げ
ることをねらいとしている。H-Coal法は、Co-Moなどの触媒を用いて沸騰床型反応器で水添液化
する方法で、200〜600t/日(運転条件により能力が異なる)のパイロットプラントをケンタッキ
一州キヤトレッバーグで運転研究を行った。この方法は、高活性の触媒による水添効果をねらい
としているが、触媒の被毒、沸騰状態の維持など難しい問題を残している。また、Gulf Oil社を中
心としたSRC-||法については、6000t/日のデモンストレーションプラントの基本設計を行ってプ
ロジェクトを終了した。この方法は鉄分に富んだ石炭に適している。
ドイツにおいては、戦争中に開発されたIG法以来、触媒を利用する直接水添により、燃料油、
化学原料等を製造するプロセスについて、反応圧力の低減(700気圧から300気圧)、熱経済性向
上、大量処理プラントの実現、鉄系の安価な触媒の利用などを技術開発の目標に研究開発が行わ
れている。ルールコーレ社が中心となり、ボトロッブにおいて実施した200t/日のパイロットの運
転研究を終了し、重質油の分解や廃棄物の処埋用プラントとして運転を継続中である。また、
2500t/日級デモンストレーションプラントの概念設計を終了している。この技術は商業化技術と
して確立するまでには、なお改善の余地を残している。
米国、ドイツ以外の国々、例えば英国、南アフリカ連邦などにおいても研究開発は進められて
きた。またカナダ、オーストラリア、中国は、自国の豊富な石炭資源を有効に利用するための方
策として石炭液化に関心をもっている。
英国のCREが取り組んだ石炭液化技術は2段の転換プロセスから成っている。2.5t/日のパイロ
ットプラントの運転研究を実施してきたが、1995年5月で終了した。
南アフリカ連邦では、特殊な経済的条件のもとで、フィッシャートロプッシュ合成法による間
接液化が実用化している。この実用プラントは第1号機石炭処理量150001/日、第2号機420001/
日、第3号機420001/日であり、第1号機は老朽化のため停止された。石炭はまず、ルルギー法ガス
化炉でガス化され、次に合成工程で液化される。この方法は既存技術の組み合わせであり、技術
的には一応確立されているが、エネルギー効率が低いこと、合成反応の選択性が低いことなどの
問題がある。
表2に欧米における石炭液化法の開発状況を示す。
3.石炭ガス化の技術開発
石炭ガス化の歴史は、古く19世紀初頭にさかのぼり、現在でも商業的に運転されているものも
ある。ニューサンシャイン計画や欧米で新たに開発されている各種ガス化法のいずれも、原理的
には巨大高分子化合物である石炭を高温(800〜1600°C)で安定な微小分子に分解するプロセス
を採用している。この温度では、石炭は図1に示すような形態を維持することができず、大きな
縮合芳香環を単位とするチャー又はコークスと呼ばれるものになる。すなわち、炭化が可成り進
行した状態で安定するが、この過程で水素、メタン、一酸化炭素等の可燃性ガスを放出する。
ガス化剤は、炭化の過程で生成するタールや可燃性ガスの成分分布に影響を与えるが、主な役
割は、チャーを分解して固体質炭素を完全に消費することにある。ガス化剤は普通、水蒸気、酸
素、空気のいずれか一種を単独で用いるか、あるいは水蒸気と空気または酸素の組合せとする。
また、水素をガス化剤とするガス化法もある。ガス化剤に何を用いるかによって生成ガスの発熱
量がほぼ決まる。実際の炉内における反応は極めて複雑な場合が多いが、主な反応は図5のよう
なものである。なお、図6に石炭ガスの原理を示す。
サンシャイン計画では、これまで高力ロリーガス化技術、低カロリーガス化技術および石炭利
用水素製造技術の開発を対象として取り上げ開発を終了した。1996年度からは、ニューサンシャ
イン計画のもと新たに石炭水素添加ガス化技術の開発に取り組んでいる。
高力ロリーガス化技術は、都市ガスとして使えるクリーンなガスを製造するもので、石炭の粉
末と重質油を混合したスラリーを高温高圧下で水蒸気、酸素を加えてガス化する技術で、1984年
度から1985年度まで7000Nm3/日パイロットプラントの運転研究を行い、1986年度の解体研究を
もって研究開発を終了した。
低カロリーガス化技術は、複合化発電システムに利用することを目的に開発を進めているもの
で、石炭の粉末を高温高圧下でガス化し、これを使用して発電を行う技術で、40トン/日の加圧流
動床ガス化方式パイロットプラント、200トン/日の噴流床ガス化方式パイロットプラント(図7
にパイロットプラントの全景とプラント構成図を示す)について研究を実施している。
石炭利用水素製造技術は、安価な石炭を利用してクリーンな燃料である水素を低廉かつ大量に
供給するもので、1986年度から20トン/日のパイロットプラントの設計、建設を行い、1991年度
から1993年度まで運転研究を実施し、1994年度には解体研究、1995年度は補完高度化研究を行な
い終了した。
石炭水素添加ガス化技術研究開発では、1996年度から5年間の計画で、石炭水素添加ガス化炉
の開発、ガス化炉周辺技術の開発、支援研究、社会適合性等に関する調査研究を実施している。
(1)燃料電池用石炭ガス製造技術開発(EAGLE)
石炭をガス化•精製し、［燃料電池/ガスタービン/蒸気タービン］のトリプルコンバインドサイ
クル発電システムで利用すると、既存の微粉炭火力発電技術に比較して、大幅な発電効率向上と
30%以上のCO2排出量削減が実現できる。
NED Oでは、燃料電池に供給可能な石炭ガス化による燃料ガスの製造技術を確立することを目
的に「燃料電池用石炭ガス製造技術開発(EAGLE)」を、1998〜2006年度事業として進めてい
る。
2003年度は、石炭処理量150t/dの石炭ガス化パイロット試験設備で運転研究を実施した。2003
年度事業費は9.2億円。図8にパイロット試験設備フローを示す。
石炭ガス化技術の開発は、海外においても高温、高圧操作による効率の向上をめざして開発さ
れており、おもに米国、ドイツ、英国で各種プロセスを並行して大規模に開発してきたが、最近
では、石炭ガス化発電技術に開発が絞られている。
表3に欧米における石炭ガス化法の開発状況、表4に最近の欧米における石炭ガス化発電技術
開発状況を示す。
V関連タイトル>
大平洋コールフロー構想(01-09-02-02)
日本の石炭情勢(01-03-01-01)
コールチェーンとコールセンター (01-03-01-02)
石炭利用技術の新体系(01-04-02-04)
<参考文献>
(1) 資源エネルギー庁(監修)：1999/2000資源エネルギー年鑑、通産資料調査会(1999年1
月)p.690-710
(2) 有井良和:電力各社、共同で石炭ガス化複合発電(IGCC)実証機開発に着手、エネルギ
ー、32(9), p.67-69 (1999年9月)
(3) 資源エネルギー庁(編):エネルギー2004、(株)エネルギーフォーラム(2004年1月21
日)、p.104-109
(4) 資源エネルギー年鑑編集委員会(編)：2003/2004資源エネルギー年鑑、通産資料出版会
(2003年1月)、p.817-836
(5) NED〇:新エネルギー・省エネルギー・環境技術開発関連事業、石炭ガス化技術
表1石炭液化法の比較
;歷青炭 褐戻
プロセス名 NEDOL BCL
主要適用炭種 ・涯青炭・亜:歷青炭 褐炭
主要製品 軽・中質油 軽呻質油
反応条件 温度%) 圧力(気圧) 430〜站0 150〜200 一段目 430—450 150 二段目 360〜400 150〜200
触媒 液体系に鉄系 溶剤水素化系に Ni-Mo 系 _段目に鉄系 二段目にCa-Ni-系
［出典］資源エネルギー庁(監修)：1999/2000資源エネルギー年鑑、
通産資料調査会(1999年1月)p.692
表2欧米における石炭液化の開発状況
日本 アメリカ ドイツ イギリス その他
開 発 状 況 ［石炭液化］ •褐炭液化 憂州ビクトリア州に 50t/日プラント研究終了。 •涯青炭液化 150t/B NEDOL ブラント建設1996年竣工。 199日年運転終了” ［石炭液化］ • H-Coal 200t/Bブラント 57年運転終了。 •EDS 250t/Bブラント 57年運転終了。 •SRC-H 30t/Bプラント 56年運転終了。 •CC-ITSL 6t/ Bブラント 1992年運転終了。 ［石炭液化］ •新IG 1987 年、200t/B ブラント運転終了。 重質油分解ブラントと して運転研究中。 2,5001/日実証ブラント の概念設計終了0 ［石炭液化］ •NC日により溶剤抽出。 法液化2.5t/B実験ブ ラント1995年運転研究 終了。 ［石炭液化］ 南ア連邦 •サソール F！合成による間接 液化。商業運転中。 サソールI : 15,000t/B サソールH: 42?000t/B ザソール皿: 42,000t/B
<注>・下記出典の一部を新しいデJダこ置き換えた。
［出曲］資源エネルギー庁(監修)：1999/2000資源エネルギー年鑑、通産資料調査会(1999年1月)0700
表3欧米における石炭ガス化の開発状況
日本 アメリカ ドイツ イギリス
•高力ロリーガスイ匕 57年3 月 7Q00n?/日 (20t/日)ブラント(いわき) 運転研究終了。 •中力ロリJガスイ匕 61年〜平成6年4月 20t/日ブラント(袖ケ浦) 運転研究終了。 •低カロリーガスイ匕 40t/Bブラント(夕張) 運転研究終了(62年3月)。 •低カロリーガスイ匕 平成3年6月20t/日 パイロットブラント(勿来) 運転研究開始。 -BI -GAS(高力ロリー) 51年、ペンシルペニア州 に120t/日ブラント完成。 •U-GAS(低、中力ロリー) 54年、シカゴに480t/B の実証ブラント完成。 IGTにより運帽研究、100時間 の連統運転に成功。 ・クールウォーター(中力ロリー) 59年、カリフォルニア州に 1Q00t/日実証ブラント完成。 複合ザイクル発電用ガス化。 •グレJトブレーンズ(高力ロリJ) 59年、•ノースダコタ州で合成 天然ガスの製造ブラント完成。 ・ルール100(高力ロリー) 54年、ドルステンに150t/日 ブラント完成。 Ruhrgas他により運転研究中 ・ルルギ炉の改良型・KDV (低カロリー) 15001/日ブラントの運転研究 終了。大型化への設計および 評価段階。 ルルギ炉を用いた複合発電用 ガス化。 ・ルルギスラ^ギング (高力ロリー) 31年から日GOによりバイ ロット試驗。49年、350t/日 にスケJルアッブしたバイ ロットブラントをウェストフィ Jルドに建設、運析研究。 59年、7001/日ブラント 完成。
［出曲］資源エネルギー庁(監修)：1999/2000資源エネルギー年濫 通産資料調査会(1999年1A)p708
表4最近の欧米における石炭ガス化発電技術開発状況
日本 アメリカ ヨーロッパ
•石炭ガス化複合発電技術 規模:2001/日パイロットプラント 期間:平成3年〜7年度運転研究 場所:福島県いわき市勿来 開発主体:NEDO/IGC組合 ・ V\fetash River RepoweringT^ロジェクト 規模:2,5001/日 Do媚268MW 期間:平成7年6月運転開始 場所:インディアナ州ワバッシュリバー 開発主体:Doe Chemical社/Destec社 • Tampaプロジェクト 規模:2,3001Z日 TEXACO炉 250MW 期間:平成3年6月運転開始 場所:ノロリダ州タンパ 開発主体:Tampa Electric社 ■ Buggenum ブン エクト 規模:2,0001Z日 she||炉253剛 期間:平成6年1月デモ運転開始, 場所:オランダブッゲナム 開発主体:DEMKOLEC社 -Puerto!laロジェクト 規模:2,600t/S PRENFLO炉 335MW 期間:平成g年試運転開始予定 場所:スペインプエルトリアノ 開発主体:スペイン電力公社(ENDESA)
［出典］資源エネルギー庁(監修):1999/2000資源エネルギー年鑑、通産資料調査会(1999年1月)p.708
図!石炭の構造モデル(W R Ladner)
［出典」資源エネルギー庁
通産資料調査公(I
(監修)：1999/2000資源エネルギー年徨、
999年1月)p 691
NEDOLプロセス
液化反応設備
石炭前処理設備
スラリー混合機
スラリ
¥•甥炉
分聽・
常圧蒸留塔
(ガス
Nナフサ留分
妙軽油留分
液化反応塔
(3«)
レット
バルブ
加然炉
スラリーボンブ
乾”»»

分器
ホ
ストリッパー
(水素供与性溶剤)
溶fiW<素価応塔
(重質油留分
溶剤水素化設備 燃利
図2 N E DO Lプロセスの概要
［出典］日本コールオイル株式会社:パンフレット・石炭液化商業化への架け橋、p5-6.(1998.11 )
図3150t/日石炭液化パイロットプラント全景
(茨城県鹿嶋市)
［出所］NED〇:http://www nedo go jp/CCTC/B_LIQJ.HTM
生褐炭
図4 褐炭の液化法
［出座］資源エネルギー庁(監修)：1999/2000資源エネルギー年鑑、通産資料調査会(1999年1月)p697
図5 石炭のガス化反応
:出西］資源エネルギー庁(監修)：1999/2000資源エネルギー年鑑、通産資料調査会(1999年1月)p.693
スラグ
1,200 1.600
温度(°C)
図6 石炭ガス化の原理
［出迪］資源エネルギー庁(監修)：1999/2000資源エネルギー年鑑、通産資料調査会(1999年1月)p 705
［出典］http://www.epdc.co.jp/info/tech/g_02.htm
熱回収ボイラj
ガス化炉
ガスタービン
蒸気
給水
石炭
r
負粉炭裡
ガス1¢製装置
<K6 •脱じん)
発雷楼
空気
蒸気タービン
十七J
チャー回¢?系
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ガス化剤空気
昇圧¢£
スラグ
ホッバー
電気
枷崔
①麦圧春
71
煙突

町
図7石炭ガス化複合発電パイロットプラントの全景およびプラント構成図
［出典］有井 良和:電力各社、共同で石炭ガス化複合発電実証機開発に着手、
エネルギー、32(9),67(1999)
図8パイロット試験設備フロー図
［出所］NEDO:新エネルギー・・省工あルギー・牙境技術開発関連事業,石炭ガス化技術・
http://www nedo.go.jp/activities/shinsyo/01 kaseki.pdf