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石炭ガス化は、炭化水素原料（石炭）を蒸気の存在下で加圧加熱することにより、気体成分に変換するプロセスです。燃焼するのではなく、炭素を含む原料の大部分は化学反応によって分解され、「合成ガス」が生成されます。合成ガスは主に水素と一酸化炭素ですが、正確な組成は異なる場合があります。統合ガス化複合サイクル（IGCC）システムでは、合成ガスは浄化され、燃焼タービンで燃料として燃焼され、発電機を駆動します。燃焼タービンからの排熱は回収され、蒸気タービン発電機用の蒸気を生成するために使用されます。これら2種類のタービンを組み合わせて使用することが、ガス化ベースの発電システムが高い発電効率を達成できる理由の1つです。現在、市販されているガス化ベースのシステムは、約40%の効率で稼働できます。[ 1 ]ただし、合成ガスは天然ガスよりも多くの温室効果ガスを排出し、石炭火力発電所のほぼ2倍の炭素を排出します。石炭ガス化は水も大量に消費します。[ 2 ]
ガス化・合成ガス技術協議会（業界団体）によると、世界には稼働中のガス化プラントが272ヶ所あり、 ガス化炉が686 基、建設中のプラントが74ヶ 所あり、 ガス化炉が238基ある。それらのほとんどは石炭を原料として使用している。[ 3 ]
2017年現在、石炭ガス化産業の大規模な拡大は中国でのみ行われており、地方政府とエネルギー企業が雇用創出と石炭市場の確保のためにこの産業を推進している。中央政府は環境目標との矛盾を認識している。プラントの大部分は石炭資源が豊富な遠隔地に位置している。これらのプラントは大量の二酸化炭素を排出するだけでなく、水資源が乏しい地域で大量の水を使用している。[ 4 ]
出典：[ 5 ]
瀝青炭ガス化による発電
ワバッシュ川石炭ガス化再発電プロジェクトは、先進的な統合ガス化複合サイクル（IGCC）技術の実証であり、ワバッシュ川石炭ガス化プロジェクト合弁事業と米国エネルギー省の合弁事業でした。[ 6 ]「再発電」という用語は、IGCCプラントが老朽化した従来の微粉炭火力発電所を置き換えることを指します。建設は1993年7月にインディアナ州ウェスト・テラホート近郊で始まり、1995年11月に運転開始されました。プロジェクトの実証段階は完了し、1999年12月に商業運転に引き渡されました。
ワバッシュリバーIGCCで使用されているガス化技術は、元々はダウケミカルによって開発され、その後、ダウケミカルが一部出資する子会社であるデステックに移管されました。この技術は後にコノコフィリップスに買収されました。CB&Iは現在、E-GAS™という名称でこのプロセス技術のライセンス供与を行っています。[ 7 ]
ワバッシュ川IGCC発電所は、イリノイ州6号炭などの高硫黄中西部瀝青炭を含む、さまざまな地元の石炭を使用するように設計されています。さらに、石油コークスと石炭とコークスの混合物が約2,500 TPD消費され、約262 MWeの正味電力を発電します。[ 8 ]
プラント設計は、燃料投入量100万Btuあたり二酸化硫黄（SO₂ ）を1.2ポンド、 NOxを0.15ポンドに制限する大気浄化法（CAA）の排出基準を上回ることを目標に行われました。実証された排出量は、これらの目標値をはるかに上回っています。ワバッシュ川複合施設の発電量は、当初のユニットのほぼ3倍であるにもかかわらず、IGCCシステムのおかげで、総排出量は発電開始前の値のほんの一部に過ぎません。粒子状物質の排出量はごくわずかです。
出典: [ 9 ]
瀝青炭ガス化による発電
タンパ・エレクトリック社のポーク発電所（フロリダ州ポーク郡）にあるこのIGCCユニットの建設は1994年10月に始まり、1996年9月に運転が開始されました。このプロジェクトは4年間実証運転が行われ、現在もタンパ・エレクトリック社の発電施設として稼働しています。この発電所は、GEエナジー社（旧テキサコ社所有）の同伴流式酸素吹き込みガス化装置[ 10 ]を使用して石炭または石油コークスから合成ガスを生成し、それを複合サイクルタービンシステムに供給して発電します。IGCCユニットは2,200トン/日の瀝青炭を消費し、260MWの電力を生産します。
次の表[ 11 ]は、ポーク発電所からの排出量を、石炭からの発電の従来技術に関連する排出量と比較して定量化したものです。石炭ガス化と複合サイクル発電に基づく発電の典型例として、汚染物質の排出量は従来技術よりもはるかに低くなっています。例えば、IGCCユニットは高硫黄炭や石油コークスを燃料としていますが、燃焼タービンの燃料となる合成ガスからH2Sを除去するMDEAアミンガス処理システムのおかげで、硫黄排出量は非常に低くなっています。 [ 12 ]
出典: [ 13 ]
瀝青炭ガス化による発電
デューク・エナジーは2008年にインディアナ州エドワーズポートでIGCC発電所の建設を開始し、2013年6月に商業運転を開始しました。エドワーズポートのIGCC発電所は、年間170万～190万トンの石炭を消費して618MWのベースロード電力を発電します。GEのガス化技術、GE 7FB燃焼タービン、GE蒸気タービンを使用しています。このIGCC発電所は、現在解体されている同地の160MW石炭火力発電所に代わるもので、代替した発電所の約4倍の発電能力を持ちながら、SO2、NOx、粒子状物質の排出量ははるかに低くなっています。エドワーズポートIGCCプロジェクトでは、二酸化炭素回収と地中貯留の可能性があり、敷地内にはCO2回収設備のためのスペースが確保されています。また、デューク社は二酸化炭素回収に関する初期段階のエンジニアリングおよび設計調査を開始し、深層塩水帯水層、枯渇した油田またはガス田、および強化石油回収の詳細な特性評価のために、インディアナ州公益事業規制委員会に1億2100万ドルの予算を申請した。シュルンベルジェ・カーボン・サービス社は、発電所付近の深層塩水貯留のための現地調査を開始する予定である。
出典: [ 14 ]
石炭ガス化による化学物質の製造
米国で最も初期かつ最も注目すべき石炭ガス化ベースの化学プラントの1つは、イーストマン・ケミカル・カンパニーが所有・運営し、テネシー州キングスポートに拠点を置いている。イーストマン統合石炭ガス化施設として知られるこの施設は、1983年に初めて稼働を開始し、テキサコガス化装置（現在はGEガス化技術[ 15 ] ）を使用して、バージニア州南西部とケンタッキー州東部の石炭のガス化から得られる合成ガスを処理するように設計されている。合成ガス変換の中間生成物はメタノールとCOであり、これらはさらに年間5億ポンドのアセチル化学品（無水酢酸と酢酸を含む）からなる製品に変換され、イーストマンの原料アセチル需要の半分を供給するのに十分な量である。アセチル化学品はイーストマンの多くの製品にとって重要であるが、特にキングスポート拠点の製品にとって重要であり、7つの製造部門のうち5つが原料としてアセチルに依存している。この事業の成功を受けて、イーストマン社のあらゆるニーズを満たすため、工場の生産能力を年間10億ポンド以上に拡大することが決定された。
イーストマンのプロセス構成は、複数の化学合成に伴う原料要件の結果として、かなり複雑です。原料石炭のガス化によって生成された合成ガスの一部は移送され、硫黄とCO2の除去にはレクチソルプロセスが使用されます。回収されたCO2は炭酸飲料の製造に使用するために販売されます。[ 16 ]
褐炭ガス化による合成天然ガスまたはアンモニアの製造
ノースダコタ州ビューラにあるグレートプレーンズ合成燃料プラント（GPSP）は、1984年から亜炭から合成天然ガス（SNG）を生産しており[ 17 ] 、米国で唯一の石炭からSNGを製造する施設です。GSPSはダコタガス化会社によって運営されています。SNGの生産に加えて、このプラントは高純度二酸化炭素も生産しており、パイプラインを通じてカナダのサスカチュワン州のエンドユーザー（ミデール油田のアパッチ・カナダと、2017年にホワイトキャップ・リソーシズに資産が売却されるまでウェイバーン油田のセノバス・エナジー[ 18 ]）に供給され、石油増進回収作業に使用されています。
GPSPの操業収益性は、SNGと競合する天然ガスの市場価格に左右される。これに対応するため、1990年代にプラントのプロセスラインに無水アンモニア合成装置が追加され[ 19 ] 、合成燃料（SNG）以外の製品ラインが多様化され、肥料生産の原料となる無水アンモニアを相当量生産できるようになった。プラントは、変動する市場状況に応じて、より高付加価値の製品に生産をシフトすることができる。
出典: [ 20 ]
褐炭ガス化による発電
サザン・カンパニー・サービス/ミシシッピ・パワーは、2010年12月にミシシッピ州ケンパー郡に新しいIGCC発電所の建設を開始しました。ケンパー・プロジェクトの建設は、2013年1月時点で75%完了しています。[ 21 ]発電所の商業運転開始は2016年に予定されており、発電所はミシシッピ州産の低品位炭12,000トンを1日あたり変換し（発電所の近くには採掘可能な褐炭40億トンの大規模な埋蔵量があります）、582MW（正味）の電力を生産します。この新しい発電所は、地元の褐炭資源の利用に適したKBRのTRIG™ガス化炉技術[ 22 ]を採用し、ケンパー郡の発電所では2基のガス化炉が空気吹き込みモードで稼働します。
TRIG™および低品位炭のガス化関連システムは、KBRとサザン・カンパニーが米国エネルギー省（DOE）と共同で、アラバマ州ウィルソンビルにある電力システム開発施設（PSDF）において開発したもので、TRIG™および関連する重要サブシステムの工学的実証実験から構成されていた。これが、現在ケンパー郡で建設中の本格プラントの工学的および運用上の基礎となった。
この発電所は、石油増進回収法によって発生するCO₂の65%を回収・貯留します。排出ガス制御により、 SO₂とP25の99%以上、Hgの90%以上を除去し、NOx排出量を100万Btuあたり0.07ポンド未満に抑えます。
ケンパー郡IGCCプロジェクトの費用は47億ドルと見積もられているが、ケンパー発電所は稼働開始後は最も運営コストの低い発電所となる見込みだ。ミシシッピ・パワー社は、エネルギー省から2億7000万ドルの助成金を受け、さらに2005年の国家エネルギー政策法と2008年のエネルギー改善・拡張法に基づき、内国歳入庁（IRS）から4億1200万ドルの投資税額控除を承認されている。
このプロジェクトにおけるガス化装置の構成要素は中止されました。
南アフリカのサソルは、ムプマランガ州セクンダとサソルバーグで商業用ガス化プラントを運営している。[ 23 ]
2011年のイリノイ州議会会期中、シカゴとイリノイ州南部の最先端の石炭ガス化プラントへの財政支援を提供する提案が検討された。法案では、イリノイ州の公益事業者が30年間、プラントから固定料金でガスを購入することが義務付けられている。Leucadia National Corporationの子会社であるChicago Clean Energyが建設するシカゴのプラントは、30億ドルの予算が組まれている。このプラントは、116番街近くのバーリー通り沿いの南東側の既存の工業地帯に建設される予定である。このプラントは、石炭に加えて、石油精製の副産物であるコークスを原料として使用する。プロジェクト中に発生する二酸化炭素は隔離される予定である。[ 24 ]シカゴのプラント建設法案は議会で可決されたが、コストの問題を理由にイリノイ州知事パット・クインが拒否権を行使した。天然ガスの供給と価格の不確実性から、代替の資金調達は疑わしい。もう一つのプラント、同じくリューカディア・ナショナル・コーポレーションの子会社で同様の事業計画を持つインディアナ・ガス化有限責任会社が、インディアナ州ロックポートに建設が提案されており、州は30年間固定価格でガスを購入することに合意している。[ 25 ] [ 26 ]
2011年後半から2012年初頭にかけて、石炭協会は英国島各地に新たな石炭ガス化プラントを建設するための石炭採掘許可を約18件発行した。中でも最大規模のものはスウォンジー湾にあり、そこには最大10億トンの石炭が海底に埋蔵されている。これらの許可が承認されれば、英国は再び世界有数の石炭大国となる可能性がある。
Our investments in clean coal must not come at the expense of consumers