高炉ガスCCPP発電技術の発展の可能性

エネルギー効率と炭素削減に関する協力を強化する

三菱パワーガスタービン・エンジニアリング・テクノロジー（南京）有限公司の川口隆浩取締役会会長は、スピーチで次のように述べました。「今年上半期は、需要の縮小、供給ショック、および新型コロナウイルス感染症の流行により、鉄鋼業界の利益が大幅に減少し、製品価格も引き続き低位で推移しています。世界では、ゼロカーボン化、水素エネルギーの活用、デジタル技術の急速な進展が相まって、市場環境や顧客ニーズにも劇的な変化が生じています。こうした複雑な市場状況に直面し、三菱は中国の鉄鋼企業と連携し、省エネルギーおよびカーボン削減分野での協力を一層強化していきたいと考えています。」

三菱パワーガスタービンエンジニアリングテクノロジー（南京）有限公司の徐秀甫総経理は、「全国的なカーボン排出権取引市場の開設を受けて、CCPP発電設備（ガス・蒸気複合発電設備）によるカーボン削減が、鋼鉄業界において自家発電に加えて新たな収益源となるとともに、企業にとってより大きな社会的・環境的便益をもたらすことになる。既存の生産工程およびエネルギー供給構造を変更することなく、CCPP技術は鋼鉄業界における省エネルギー・カーボン削減の有効な手段の一つである。国内で導入された三菱製CCPP発電設備は、これまでに2,000億キロワット時以上の電力を発電し、鉄鋼業界において5,800万トンを超える標準石炭相当のエネルギーを節約し、二酸化炭素排出量を1億5,000万トン以上削減した。同一時期に建設された高温高圧・超高温高圧ボイラー発電設備と比較して、CCPP発電設備はすべての指標で30％以上優れている。」

これまでに、国内の製鉄企業において、さまざまな型式の三菱電機製コンバインド・サイクル発電設備（CCPP）が33基導入されており、うち30基は既に運転を開始し、3基は建設中です。運転を開始した設備の累計運転時間は237万時間を超え、稼働率は99％を超えています。これにより、製鉄業界が当初抱えていたCCPP発電設備の運用信頼性に対する懸念は解消されました。

低炭素技術の向上

低炭素開発は、環境、エネルギー、資源制約のボトルネックを解決し、産業の高品質な発展を促進するための重要な内容であり、同時にその主要な表現と最終目標でもあります。

冶金工業規劃研究院の副総工程師である高雪氏は、「重点的な大中型鉄鋼企業は、業界の発展における先進的水準を代表しています。中国鉄鋼工業協会が公表したデータによると、2021年の全国の重点大中型鉄鋼企業の粗鋼1トン当たりの総合エネルギー消費量は549.24キログラム標準石炭であり、2020年と比べて0.59キログラム標準石炭（0.11％）減少しました。2015年と比較すると、粗鋼1トン当たりの総合エネルギー消費量の減少率は4％に達しています。」と述べました。

高雪氏は、2021年のコールオーブンガスの放出率が2020年と比べて0.39ポイント（40.17％）低下し、高炉ガスの放出率は0.08ポイント（6.30％）低下したと説明しました。また、転炉ガスから回収される鋼1トンあたりのガス量は119.2立方メートルに達し、前年比で1.40％増加しました。産業における二次エネルギー利用水準を示す廃熱・自家発電率は、2015年の44％から2021年には54％へと、徐々に10ポイント上昇しました。

不完全な統計によると、2020年に中国の重点統計対象鋼鉄企業では、合計設備容量6,156MWのCCPP発電セットが55基導入された。また、同年度には、合計設備容量2,386MWの蒸気発電セットが357基導入された。さらに、ガスボイラー発電セットは約700基導入され、合計設備容量は34,730MW（前年比で3,130MW増）となった。統計によれば、2021年の全国平均自家発電率は約54％となる見込みである。

低炭素転換技術の実用化水準を向上させるため、高雪氏は以下の3つの提言を行った。第一に、コークス炉における石炭自動配分の水準を積極的に高め、高炉における省石炭・省コークスなどの先進プロセス技術を導入し、石炭利用効率を向上させ、エネルギーの高効率変換を推進すること。第二に、鉄鋼業界における最終エネルギー消費に占める電力の割合を増加させ、エネルギー利用効率を体系的に改善するとともに、CCPP（コンバインド・サイクル・パワー・プラント）による高効率発電技術の普及・推進を図ること。第三に、エネルギー貯蔵技術を積極的に展開し、鉄鋼企業が保有するガス発電設備および廃熱発電設備を基盤として、固体熱蓄積および溶融塩熱蓄積技術を活用し、エネルギーのデジタル化プラットフォームを活用して、多エネルギー協調制御技術と時間帯別電力料金・電力取引などを組み合わせることで、鉄鋼企業のエネルギー系の調整可能容量を高め、ピークカットおよびバレー充填といった重要な機能を担わせ、需要側への対応を強化するとともに、再生可能エネルギーの大量導入に伴う課題を解決すること。これにより、再生可能エネルギーの大規模導入に起因する地域単位での供給・需要の不一致問題も解消され、供給源－送配電網－需要家間の双方向連携能力が向上し、地域のエネルギー利用が均衡化され、エネルギー価値の向上にも寄与する。

自家発電効率の向上

「第14次五カ年計画」期間中、炭素削減とエネルギー消費の二重管理のもとで、鉄鋼業界の生産能力は厳しく管理され、さらに企業が効率を向上させ、炭素排出を削減し、コストを削減して効率を高めることが促進されます。

三菱パワーガスタービン・エンジニアリング・テクノロジー（南京）有限公司のヨン・イージェン主任技師は、「省エネルギー・カーボン削減という背景のもと、鉄鋼業界ではガスを用いた自家発電の比率が急速に高まっています。生産能力の大幅な増加がないにもかかわらず、『第13次五カ年計画』終了時点と比較して、自家発電設備の総設置容量は12.8％増加しました。全体として鉄鋼企業の自家発電水準は向上していますが、二重超臨界・亜臨界方式などの中間パラメータ発電機が業界の主流を占めており、発電効率45％を超える大規模・高効率CCPP（コンバインド・サイクル・パワー・プラント）発電設備の比率は依然として低い状況です。中国における大型CCPP発電設備の設置容量は2983MWであり、日本の鉄鋼業界における同設備の設置容量2363MWと比較すると、中国の鉄鋼生産能力10億トンに対し、日本のそれは9000万トンであることを踏まえた分析から、中国の鉄鋼業界における先進的・高効率の高炉ガス発電技術には、まだ大きな発展余地があることが明らかです。」

鞍山エネルギー制御第2発電所運転運用エリアの主任技師・江祖明氏は、「鞍山鉄鋼（アンシャン・アイル・アンド・スチール）は、環境保護および循環型経済の発展を極めて重視しており、常に『循環型発展』という理念を堅持しています。豊富に供給されるガスを効率的に活用するため、豊富なコークス炉ガスを高効率で利用するCCPP（コンバインド・サイクル・パワー・プラント）発電方式を採用しています。従来のガス発電機組と比較して、180MW級CCPP発電機組は適応性が高く、高炉ガスの発熱量の変動幅も広く対応可能です。また、燃焼タービンと蒸気タービンを別々の軸に配置することで、地域への熱供給機能を備え、石炭焚きボイラーによる集中暖房に起因する都市部の大気汚染を低減できます。さらに、設備の潜在能力を深掘りし、運転を最適化することにより、発電効率は47.3％以上に達しており、従来のガスボイラー式発電ユニットを上回っています。」

馬鞍山鋼鉄（マアンシャン・スチール）社エネルギー・環境部の発電部門に所属する内燃機関エンジニア、張建秋氏は、「当社のエネルギー・環境部では、国内初となる低発熱量用単軸型M701SDAXコンバインド・サイクル発電設備を導入しました。この発電ユニットの定格出力は183メガワットで、設計熱効率は47％以上、実測効率は48％以上であり、年間発電量は約14億2,740万キロワット時です。これにより、製鉄・製鋼工程で発生する余剰ガス資源を完全に再利用可能となり、ガスの放出を抑制し、生態系の保護と自家発電効率の向上を実現しています。」と述べました。

「マステル北湖発電所の183MWコンバインドサイクル発電ユニットが運転を開始して以来、連続した安全・安定な長期運転を実現しており、2022年1月から6月までの間に総発電量7億8,030万kWhを達成しました。負荷率は99％で、経済的・社会的・環境的な面で相互に利益をもたらす『ウィンウィン』の成果を挙げました。」と張建秋氏は述べました。

さらなる品質向上と効率化、そして炭素排出量の削減のために、三菱パワーは現在、鋼鉄会社向けのより効率的で小型のCCPP発電機組みについて研究開発を行っています。同時に、三菱パワーは水素およびアンモニア燃焼ガスタービンも開発しており、この技術は完全なゼロ炭素燃料を使用してゼロエミッションを実現します。