21世紀のエネルギー環境情勢における 石炭クリーン利用(cct ... ·...
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21世紀のエネルギー環境情勢における石炭クリーン利用(CCT)の期待と課題
持田 勲
九州大学 炭素資源国際教育研究センター
2009年11月15日
北九州イノベーションギャラリー先端科学と生きていく68億人のサバイバル
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
21世紀の一次エネルギー
1.化石資源の高高度利用、CO2削減、貯留
2.二次エネルギーへの転換効率の向上
3.化石資源から再生可能エネルギーへの変遷
コスト・プライスの重視
インフラストラクチャーの負担の見積もり
エネルギー変遷のためのコスト充当
バイオマス 石炭
石油石炭天然ガス原子力
太陽バイオマス原子力
21世紀
推移
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
二次エネルギーの選択
電気、液体炭化水素(ガソリン、ジーゼル)
気体炭化水素、水素、熱
効率、利便性、生産設備、生産コスト、
社会インフラストラクチャー、二重投資の回避
自動車用、家庭用の二次エネルギー、現在電気へシフト究極の二次エネルギーか?
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
世界のエネルギー消費、生産の予想CO2排出削減のシナリオ
巨大人口国の経済成長
エネルギーの大消費へ
アジア諸国の成長
エネルギーと環境の重要性
日本の国益と役割
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世界の一次エネルギー需要見通し(Mtoe)1980 2000 2006 2015 2030
年平均増加率2006-30
石炭 1788 2295 3053 4023 4908 2.0% (米国) 551 580 633 0.6%
(中国) 1214 1898 2441 4.0%
(インド) 223 315 579 6.0%
石油 3107 3649 4029 4525 5109 1.0%ガス 1235 2088 2407 2903 3670 1.8%原子力 186 675 728 817 901 0.9%水力 148 225 261 321 414 1.9%バイオマス 748 1045 1186 1375 1662 1.4%他の再生可能エネルギー 12 55 66 158 350 7.2%合計 7223 10034 11730 14121 17014 1.6%
約45%増加
Outlook of Global Demand for Primary EnergyAnnual average increase rate2006-30
Approx. 45%increase
(US)(China)(India)
Coal
Petroleum OilGasNuclear PowerHydraulic PowerBiomassOther RenewablesTotal
Three countries - U.S., China, and India - account for 75% in 2030
Outlook of Total Production of Energy Sources
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Global Future Energy Supply ScenariosBaseline Scenario (or Reference Scenario)
Source : IEA’s WEO 2007(2015&2030) and Energy Technology Perspectives 2008 (2050)
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Accelerated Technology Scenario (ACT)
Source : Energy Technology Perspectives 2008 (IEA) “Scenarios & Strategies to 2050”
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Per Capita Electricity Consumption in Major Countries (2006)
SourceENERGY BALANCES OF OECD COUNTRIES 2008 EditionENERGY BALANCES OF NON-OECD COUNTRIES 2008 Edition
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日経新聞 (2009/8/5)中国、再生エネルギー13倍 太陽光や風力、
2020年目標【北京=多部田俊輔】
中国政府は地球温暖化対策を強化する。2020年末までに太陽光など再生可能エネルギーの発電能力を08年末の13倍に引き上げ、総発電能力に占める比率を08年末の1.9%から12.5%に高める方向で検討を始めた。欧米並みの再生可能エネルギーの発電比率を目指
し、新興国としても温暖化対策を進める姿勢を強調。ポ
スト京都議定書の枠組みを話し合う国際交渉で発言権
確保を狙う。
国家エネルギー局が年末をめどに、再生可能エネル
ギーの発電能力の目標数値を決める。風力、太陽光、
バイオマスを主な再生可能エネルギーと位置づけてお
り、20年末に合計発電能力を2億キロワットまで高める方向で検討している。
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日本の選択
■一次エネルギー
Best Mix at Every TimeFossil(化石)、Nuclear(原子力)、Renewable(再生)
■二次エネルギー
効率、利便性
社会インフラストラクチャー構築
配電網、パイプライン、ガソリンステーションの将来
現在の最大収益の確保、将来の準備、技術競争国際潮流を先取り
コスト/技術開発、商業、インフラストラクチャー他のエネルギーとの競合、強調
賢明な選択大胆さと全体感
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化石資源の優劣
コストの小さい化石資源を上手に消費
利用技術の高度化、利潤の確保
産業(生産、権益、流通、消費)の連携強化
産出国との相互利益の構築
脱石油・・・供給、コスト、価格の適正化のための手段
CO2排出、削減、貯留最低コストでの実施
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0
2
4
6
8
10
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'90/1
'91/1
'92/1
'93/1
'94/1
'95/1
'96/1
'97/1
'98/1
'99/1
'00/1
'01/1
'02/1
'03/1
'04/1
'05/1
'06/1
'07/1
'08/1
'09/1
(¥/1,000kcal)
Crude Oil LNG Steam Coal
Trend in Fuel Prices (CIF)
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World Reserves of Coal, Oil and Natural Gas Resources (Unit:100 million tons oil equivalent)
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Reserve-Production Ratio
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化石資源の利用のための要求項目
低コスト、高いエネルギー密度、高い利便性、CO2排出
超高効率利用、現在2~2.5倍
1ステップ高効率、多ステップ高効率
カスケード
排熱→エクセルギー回復
・工場内利用
・地域内利用
ミニマムCO2の捕捉・貯留
再生のエネルギーとの併用ーCO2吸収
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World Oil Reserves
Heavy Crude such as•Arabian Heavy•Kuwait heavy•Iranian Heavy•Maya•Marim•Boskan•Athabascan
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Up-Grading Scheme of Heavy Crudes, Concept and Steps
Heavy Crude
Current and Next Generation Concept
PrimaryCatalytic Refining Distillation Deep Refining
Separation
Thermal Cracking
Poor Coke
Distillation Deep Refining
Light Fraction
Heavier Fraction
High Aromacity Issues
Relatively Light
Relatively LowlyContaminated
Intermediately HeavyIntermediately Contaminated
Additional Heavy Fraction by Better Catalyst or Process (Additional Solvent)
Cutting Point Control
Heavy
Basic Catalytic Treatment
Very Heavy Thermal Refining
Secondary Catalytic Refining
High Quality Coke
Deep Refining of Distillate
HDM appears Key!
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Agglomeration and Agglomeration and DeagglomerationDeagglomeration, Location of Metal , Location of Metal PorphyrinPorphyrin
Liberation (Solvent / Partial Hydrogenation)
No DeagglomerationCondensation
⇒Better HDMBetter Cracking
⇒Coking and Catalysts Deterioration
Super Structure of Petroleum Asphaltene
Metal Porphyrin
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石油の将来
原油の高価格・・・投機、実需輸送燃料としての石油製品
➢自動車の燃料が石油から電気へ・・・蓄電池の課題大➢燃料電池・・・水素から液体燃料へ➢船舶、飛行機・・・原油から合成燃料
天然ガス
➢クリーンで低CO2排出燃料➢パイプラインやLNG輸送➢大ガス田から中小ガス田への移行➢輸送法の改善、高密度貯蔵
産油国との密接な連携
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石炭
・カロリー当たりCO2排出量大
・固体
・埋蔵量
世界に分布、国内消費が主
可採埋蔵量/消費量=長い年数
・石炭の輸出可能国は限定的
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Chin
a
U.S
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Indi
a
Aus
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ia
Sout
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Indo
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Pola
nd
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tnam
Cana
da
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Clean Coal Technology (CCT)
石炭の高効率利用
(電力、鉄鋼、燃料、化学品)
汚染物排出の削減
CO2貯留
これらを達成する技術群実用化する経営力、資金力
自国になければどう調達するか?
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CCT国際戦略
目的:資金確保、技術輸出、海外産業立地
♣充分な技術・・・新しい技術、信頼される技術、利益を生む技術、科学の裏づけ♣充分な資金・・・足らなければ集める力、魅力♣充分な人材
先端技術はすぐに追いつかれる。熟成した技術、広い社会基盤!
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石炭火力発電プラントのプロセスフロー
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各国の石炭火力の発電効率
出典:ECOFYS(2008)
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Clean Coal for the Earth 計画の推進
≪セクター別トップランナー方式≫
→何故採用されない、利益を生まない。二重投資の危惧
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Net
(HH
V)
Ult ra Supercritical Coal-firedThermal PowerGeneration (USC)
6 00 ℃ Level4 2%
1 500℃ Level GT4 6 ~ 4 8%
7 00℃ Level4 6%
7 50℃ Level4 8%
Advanced Ultra SupercriticalCoal-fired ThermalPower Generation (A-USC)
Integrated Coal GasificationCombined Cycle (IGCC)
Integrated Coal GasificationFuel Cell Combined Cycle(IGFC)
1 700℃ Level G T5 0%
Year
Net
(HH
V)
Ult ra Supercritical Coal-firedThermal PowerGeneration (USC)
6 00 ℃ Level4 2%
1 500℃ Level GT4 6 ~ 4 8%
7 00℃ Level4 6%
7 50℃ Level4 8%
Advanced Ultra SupercriticalCoal-fired ThermalPower Generation (A-USC)
Integrated Coal GasificationCombined Cycle (IGCC)
Integrated Coal GasificationFuel Cell Combined Cycle(IGFC)
1 700℃ Level G T5 0%
Year
Efficiency Improvement of Coal-Fired Thermal Power Plants
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Higher Efficiency in Combined Cycle Power Generation・・・天然ガスで実証済み
➢ High Temperature Gas and Steam Turbines
➢ High Temperature Flue or High Calorific Fuel
➢ High Efficiency Gasification
➢ High Temperature / High Pressure Cleaning of
Gasified Gas
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Coal Gasification
Key Technology of Clean Coal UseHigh Temp, Pressurized, More or Less Endothermic
Coal CO + H2Power GenerationSynthesis LiquefactionCH4
Heat Supply
Coal Combustion, Waste Heat, Nuclear EnergyHigh Efficiency of Combined CycleFuel Cell, Gas Turbine, Steam TurbineCoal to Gas and LiquidCTG, CTL
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Reactor System for Coal GasificationMoving Bed Gasifiers
Concept of Moving Bed Gasifier British Gas/Lurgi(BGL) Slagging Gasifier
Sasol南アフリカ連邦で実用Fischer Trophとタール化学の50,000ton石炭/日 コンプレックス
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This involves gasification process using oxygen in a entrained flow, with a pressure of 30 bar and temperature of between 1250 and 1450oC, with a reaction chamber protected by brick refractory walls.
The coal feed is a wet type one, in a mixture with water, and is carried out via burner situated at the of the top of the gasifier.
Entrained Flow Gasification Technology
TexacoGasifier
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Entrained Flow Gasification Technology
Shell GasificationSurrounded by an outer pressure vessel the inner membrane wall of the gasifier contains the hot reaction zone and produces medium pressure steam
This design of the coal gasifier prevents materials being exposed to both high temperatures and high differential pressures.
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Entrained type Coal Gasification Technology in Japan
Process Flow
・Pilot plant(20t/d) is on operation tests・2006; Construction completion and
Start of operation tests・2008; Completion of operation tests【Next development】Demonstration test → CommercialCoal + WasteSolid Carbon
・Demonstration Plant(1700t/d) is under construction
・2007;Construction completion andStart of operation tests
・2009;Completion of operation testsRemarkably Successful Operation for 2000h, Ready for the Next Stage.【Next development】Commercial (Net 46%, GT 1500 ℃)Lower auxiliary power
・Pilot Plant(150t/d) is on operation tests
・2005;Achievement of Consecutive Operation(852hr)
・2006;Completion of operation testsWide Range of Coal【Next development】Demonstration test → CommercializationBroad Application for Synthesis
Situation of Develop-ment
【Type】Entrained, Oxygen blown( High Pressure, Two Chamber,
Two stage burner )【Purpose of use】Co-production of light oil (BTX,etc.)IGCC、C1 Chemical【Good point】High energy efficiency(85% at1000t/d)Light oil is high quality
【Type】Entrained, Oxygen Enriched Air blown( High Pressure, Two Chamber,
Two stage burner )【Purpose of use】Combined cycle (IGCC)【Good point】ASU is uninstalled.High power generation efficiency(Net;41%、GT;1200℃ class)
【Type】Entrained, Oxygen blown(High Pressure, One Chamber,
Two stage burner)【Purpose of use】IGFC, C1 Chemical 【Good point】High power generation efficiencyAcceptability of many coal classes
Characteristics
ECOPRO(Coal Flash Partial Hydro-pyrolysis)
IGCC(Integrated Coal Gasification C.C.)
EAGLE/HYCOL(IGFC/H2 Production)
Item
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IGCC (Integrated coal Gasification Combined Cycle)
■Plant Efficiency ■Commercial Plant Performance
MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD.CCS May Change Preference?
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Key Issues of Gasifcation
Slug Handling, Smooth Melt FlowAdhesion of Fly Ash, Remaining Char
One Path Conversion-Circulating→Errosion and Corrosion
Oxygen Cost, How to Reduce the Cost?Energy for Gasification, Recovery and Usage
Furnace ; Low Temp
研究項目が多数存在している産学による研究開発を!
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Coal Gasification Combined Cycle
Higher Efficiency and Higher Cost.
Learning and Experience for Lower Cost.
Best Process for the Optimum Application Must Be Designed.Liquid Fuel and Chemicals through Synthetic Gas Can Be Included.
◘ Traditional Business Model within a Country
◘ International Especially Asian Cooperation for
Development and Commercialization
Who Can Pay?
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Future Development of Gasification
No Necessity of CO2 SeparationLower Temperature Gasification
Gasification with Heated CO2 and H2O Utilizing Exhaust and Waste Heat
Exergy RegenerationGasification with CCS
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Gasification of the Second Generation by CRIEP in Kyushu University
Gasification by Recycling CO2 in addition to O2
■CO2 of Higher Temperature
■More CO in the Product Gas→High Thermal Efficiency by CO2 Gasification
■CO2 Recovery for CCS without CO2/N2 Separation
More CO2 Recycle→Reduction of O2 Production Cost
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High Temperature Melting AshFlow Chart of A-PFBC Combined Power Generation System
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Key Technology for Higher Efficiency
Endothermic Reactions to Regenerate Excergy
Low Temperature Gasification
• Reactor Design
• Coal Activation
• CatalystHeat Transportation and Exchange are Issues.
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Catalytic Coal GasificationIGCC A-IGCC
Conventional Energy Flow
Coal
Combustion
Gasifier GT ST Coal Gasifier GT ST
Waste Heat Recovery by Endothermic Reactor
Energy Recycle↓
Cold Gas Efficiency
H2O/CO2 Gasification →O2 Reduction
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図9. 触媒ガス化法[1]~[3]の概念.
600℃以下の低温ガス化を実現する触媒
Kyushu Uni.Providing the Activity at 650oC
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Thermal Efficient Drying of Brown Coal
■ Limited Use Because of High Humidity
■ Fluidized Bed by Waste Flue
■Mechanical Pressing
Extracting Water by Supercritical GasesAnd
Fluidized Bed by Waste Flue
Supercritical gases such as DME (CRIEPI), CO2
Briquette▪▪▪▪▪▪ Efficient and transportable FuelValue Added carbon
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Block Flow of UBC Process
Fine Coal
SlurryDewatering
Coal/OilSeparation
OilRecovery
Briquette
350KPa140oC
100KPa130oC
100KPa150oC
Recycling Oil
▪ No Chemical Reaction▪ High Thermal Flux▪ Product Stabilization
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Energy Saving Crying of Brown (Lignite) Coal
湿炭
水
乾炭
乾風
水
水
湿CO2 膨張 冷乾 CO2
増圧
活性炭
活性炭
活性炭
増圧加湿乾CO2
CCS
熱交換
排ガス
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Combustion or Gasification by Fluidized Bed of High Ash Coals
Short Transfer by Ash
▪ High Melting Ash
▪ Large Amount Ash
Normal PressurePressurized Fluidization
高灰分炭はほとんどの社会で常識・・・日本は貢献できるか?
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Outline of PFBC Process, 37kW, World Largest
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Direct Coal Liquefaction
Japanese Technology is Highly Evaluated.
But So far Development is Stopped.
What can we, Japanese, Do now?
♦Application to Heavy Crude Up-Grading by Slurry Bed
♦Moderate Liquefaction through Dissolution
and Mild Hydrogenation
♦Tar Substitute and Binder
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Coal Liquefaction Projects in China
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Gaseous and Liquid Fuels and Chemical from Coal
Synthesis Using CO and H2
♣ NH3
♣ CH3OH and Its Drived Products Such as DME
♣ FT, Hydrocarbons
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Iron and Steel of 21st Century
Concentrated Production of High Quality Steel from
Poor Raw Materials.
Global Warming Issues.
Is CCS possible in Japan?
Doubled Efficiency in Japan?
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Iron Making Process
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
出典:(社)日本鉄鋼連盟 鉄の旅
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Coke-Making Process
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Japan Korea
China
Large Average USA Russia
Energy Consumption of Iron Works in the World
960 MT200 MTCO2
120100Energy
400 MT100 MTRaw Steel Production
ChinaJapan
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Coal Reserves (2007)
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Coal
Pretreatment
Oven Coking
Coke
Pretreatment
Forming
Formed Coking
Coke
Coke Oven Formed Coking
BinderPartial Briquetting
Binder
How to Prepare the Coke More Efficiently from Lower Rank Coals?
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Outline of the Next-Generation Coke Oven ProcessScope 21 Process Now Commercialized.
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Coal Modification
Coal As Produced Coal Oven
Oven
Forming
Oven
DissolutionHydrogen Transferring Dissolution
Low Tem. CharSofteningRapid Heating Pressurized
Swelled Coal
Formed Coking
Pressure to Control the Volatilization is Effective.
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Coal
Tar and Pitch
Extract
Coke
Heavy Liquid
Liquefaction Residue
BinderOven
Extract ResidueExtract
Liquefaction
Binder
Binder
Binder
Petroleum and Petrochemical ResiduesBio Tar
Binder
?
How to Prepare the Binder?
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Swollen / Dissolved / Slightly HydrogenatedCoal
Mild Coal Liquefaction50kg/cm2, H2 or CO/H2O
Catalyst : Very Small amount of Iron BaseSolvent : Dissolving and Hydrogen Transfer Activity
Very Low Rank Coal is Suitable After Pretreatment.Coke Exclusively from Brown Coal.
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CoolEarth50省エネルギー技術~革新的製鉄プロセス
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Gaseous Fuels Supply from Coal
Coal Gasification is Recognized As a Key for Higher Efficiency Use of Coal
Efficiency Use of Gaseous Fuel for Power Generation
Current Key Technology→Application to Iron and Steel Making
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
石炭/バイオマス
発電
化学品
農畜水産熱供給(暖房、冷房)ビニールハウス、水槽
新コンビナート最新設備と新配置
民生暖房冷房、温湯
ヒートポンプ
Energy Linkage Among Industries, Local and Domestic Energy Demand~最大エネルギーの効率達成を目指して
製鐵
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
BiomassCan Hopely, A Major Source of Energy by 2050
Energy to Substitute Coal and Liquid Fuels
Liquid Fuel Substitute ►►►►►►►Ethanol, Biodiesel
Value Addition Synthetic Gasoline and Diesel Fuel
Cost, Loss of Energy Addition of H2 to Enhance Enthalpy
Solid Fuel ►►►►►►►►►►►►►► Power Generation
Small Value Addition
Less Cost and Energy Loss
Palm, Rapid Glowing Trees
Switch Grass
Algae
Rapid Efficient Growing/CO2 AdsorptionEfficient Harvest
Chemical and Thermal as well as Biological Conversion are Searched.
Sugarcane, Corn, Soybean
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
SO2 Emission Quantity of the Each Country (1000 t/day)
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
各国の石炭火力の大気汚染排出
出典:OECD 2002~2003
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Lower Cost Is Strongly Requested in Growing Countries.
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Exhaust gas
Hot Air
Desorbed Gas
Desulfurization tow
er
Denitration tow
er
Desorption tow
er
Hot Air
NH3
SOx, NOxNOx
NH3
Activated carbon
Activated Carbon Method Desulfurization Process→Activated Carbon Is Replaced by Activated Carbon Fiber in the Fixed Beds of Both DS and DN.
Active Carbon Method Desulfurizer
PCB and Dioxin are also Removed.
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Coal Gasification and Combustion Facility
CO2 Separat ion and Collection
Facility Storage Facility
Ship TransportStorage Facility
Compressor
Coal-fired Thermal Power Plant
Separation and Capture Transportation Underground
Storage
Underground Storage
Overview of the Total System from Power Plants to CCS
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
Storage in the Ocean
Dissolution in Sea WaterStorage on the Bottom of Deep Sea in the Frozen State
Or
In the Replacement of Methane Hydrate
They are Very Profitable for us.International Approval is Necessary.
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
21世紀の日本とCCT
■現状・欧米の独自展開・新興国の巨大化・中堅技術国の高度化、強力化・資源国の変化、工業化・途上国の存在
このなかで日本の進路を戦略は?産業(農水省、文化、観光)の進路は?
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
21世紀の日本とCCT技術、製品、文化、学術提供資源を確保し、安定した生活
地域ニーズを的確に満たす技術論理思考
自己満足や独善では優位に立てない!
日本の消費している石炭は特殊
高水分炭や高灰分炭の利用法を伝授できるか?
新たな創造性、発展性、親近性を展開しなければならない!
資源国、巨大人口国、中堅技術国との連携
相手国の利益確保に力を併せて、プラス分を日本へ!
地域に根を張った将来を見通せる産業の創出!
CCT:上記目的の武器になりうるか?
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
人の活力、人の魅力!
人の集まる国と社会の構築どこへでも出かけ、歓迎される人と組織
先進性、適合性のある技術未来を開拓する学術産業を興すパワー
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クリーン・コール・テクノロジー講演会 2009年11月15日
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