微粉炭の反応挙動に及ぼす水素系燃料ガス添加の影響
研究背景
鉄鋼業界においてCO2排出削減に向けた新たな製鉄プロセスの確立が検討されている．
その一つとして微粉炭とともに水素系ガス燃料を吹き込む方法が考えられている．
COG（Coke Oven Gas）

タール改質
コークス炉

鉄鉱石
コークス
石灰石

BFG（BlastFurnace Gas）

水蒸気ガス化C + H2O = H2 +CO
CO2ガス化C + CO2 = 2CO

熱風+微粉炭改質COG

H2, CH4, CO
水素系燃料ガス添加の製銑行程概略図
ブロ―パイプへ微粉炭と空気，H2, CH4, COの吹き込み

ブローパイプ羽口

ブロ―パイプ中でH2,CH4, COが燃焼しCO2, H2O生成銑鉄高炉

CO2, H2Oによる微粉炭のガス化反応

研究目的：高温下における微粉炭ガス化反応挙動の解明

研究内容

熱重量測定装置を用いて実験を行い以下の項目を検討

実験装置図

・ガス化反応の温度依存性⇒1273, 1473, 1673K
・炭種による反応性の相違⇒Coal S(低揮発分炭), Coal E(高揮発分炭)・ガス化剤による反応性の差異⇒CO2, H2O(水蒸気)以下の式を用い，定式化
実験結果•容積反応モデル
𝑑𝑋= 𝑘𝑣 (1 − 𝑋)𝑑𝑡•

グレインモデル
2𝑑𝑋= 𝑘𝑔 (1 − 𝑋)3𝑑𝑡

•

細孔モデル
𝑑𝑋
= 𝑘𝑝 (1 − 𝑋)𝑑𝑡

𝑋:反応率[-]
𝑡:時間[s]𝑘𝑣 :速度定数(容積)[1/s]
𝑘𝑔 :速度定数(グレイン)[1/s]𝑘𝑝 :速度定数(細孔)[1/s]𝜑:細孔構造係数[-]1 − 𝜑 ln(1 − 𝑋)

微粉炭燃焼ボイラ内における灰付着機構解明とその制御
研究背景

微粉炭燃焼ボイラ内における灰付着問題
伝熱管
スラッギング（Slagging）
溶融した灰粒子が炉壁に衝突し灰付着層を形成
ファウリング（Fouling）
溶融・気化した低融点灰が、伝熱管や熱交換器に付着し灰付着層を形成
 ボイラの運転阻害
 熱交換効率の低下
 伝熱管の腐食

灰付着抑制

付着灰拡大図
電力事業用微粉炭燃焼ボイラ内のファウリングの様子(2年間操業後)

高効率化

CO2削減

研究目的・研究内容

研究目的

研究内容

微粉炭燃焼ボイラ内での灰付着制御

1 縦型灰付着炉を用いた灰付着実験
2 熱力学平衡計算を用いた伝熱管の差異の理論的考察
3 SEM/EDXを用いた灰付着界面での抑制効果の考察

プロパンバーナを用いた縦型灰付着炉の概略図

Fraction of liquid slag [wt%]60

Calculation result (1200C)
Fe₂O₃50

NiO

K₂O

40

Al₂O₃30

CaO
TiO₂20

SiO₂
10Na₂O

MnO

0SUS304
SUS304

Alloy1NiSAAlloy2
Alloy3
NiSA-N1
50Ni-50Cr

LIBSによる灰中未燃炭素の測定
研究背景• 石炭ガス化プロセスでは，石炭中の有害微量元素が問題となる．
灰中未燃炭素の成分計測が必要• リアルタイムで監視する必要がある.

従来の手法

LIBS※

試料の前処理が必要

溶鋼中の成分計測が可能

成分調整までの時間が遅い

成分調整までの時間が早い

本研究の目標
灰中の未燃炭素計測における最適な分析条件の決定※Laser Induced Breakdown Spectroscopy （レーザー誘起ブレークダウン分光法）

研究内容
SampleAsh in

粉体供給機

lens

lens

Gas

分光器＋ICCD

Nd:YAGレーザー
レーザー発振器
Outletレーザーを試料へ照射

ICCD：

ナノ秒オーダーの瞬間現象を測定することが可能な検出器

試料からプラズマ光が発生
分光器：光の電磁波スペクトルを測定分光器とICCDで測定
ケイ素との比を用いて灰中の炭素の検量線の作成

バイオマス・石炭混焼挙動

日本の一次エネルギー供給実績

研究背景

化石燃料への依存度が非常に高い• 化石燃料は限りある資源• CO₂の排出量が多い火力発電における,CO₂排出量削減へ向けた動き

石炭火力発電でのバイオマス混焼に注目
バイオマス• 化石資源を除く動植物に由来する有機物であり, エネルギー源として利用可能• バイオマスエネルギーはCO₂排出しないものとされ, 地球温暖化対策として有効

原子力・エネルギー図面集2016

バイオマス・石炭混焼挙動
研究目的• 微粉炭燃焼場でのバイオマス混焼利用を対象• バイオマス燃料の混焼率や燃料種が燃焼性, 灰性状に与える影響の解明
研究内容• 熱重量分析装置による評価

熱重量分析装置概略図• ドロップチューブ電気炉による混焼挙動評価

ドロップチューブ電気炉概略図

コークス反応過程における灰粒子挙動
高炉におけるコークスの役割

製鉄プロセス
石灰石
鉄鉱石
コークス

原料挿入シュート

融着帯
熱風
微粉炭
羽口
デッドマン
(未燃コークス)

溶銑
高炉
コークス

・熱源(燃焼反応)
・還元ガス生成(ガス化反応)
・浸炭源
・通気・通液性の維持
高炉の安定操業のために最重要レースウェイ

微粉炭

コークスおよび微粉炭中の灰粒子

レースウェイシェルを形成
レースウェイシェル

研究目的

レースウェイ近傍模式図

高炉炉下部の通気性を低下

コークス反応過程における灰粒子挙動の解明

コークス反応過程における灰粒子挙動
分析用試料作成

Emission gas

Watercooking
jacket樹脂埋めFurnace moves
up and down

Cooling water

Seal gas

Electric balance

Weight data

切断

Sample

研磨

Mass flow
N2
O2Cooling water

CO+CO2CO 2

カーボンコーティング

SEM断面解析
・断面画像の三値化
・各灰粒子、炭素質、空隙の面積解析
燃焼では界面付近に大きな灰粒子が存在⇒界面で燃焼反応が進行

2 mm

2 mm

1400℃燃焼 SEM画像 1400℃ガス化 SEM画像

ガス化では全体的に多くの気孔が分布⇒コークス内部
でもガス化反応が進行

酸素富化空気による湿潤バイオマスのガス化
再生可能エネルギー
13％

化石燃料
・地球温暖化の原因であるCO2を排出・賦存量が有限原子力
5％
石油
32％
天然ガス
21％

化石燃料に代わる新たな燃料が必要
バイオマス

石炭29％

出典: IEA Renewable Information 2014欠点

利点
 カーボンニュートラル
 再生可能エネルギー

 低エネルギー密度
 地域遍在性

高効率ガス化技術が必要

酸素富化空気による湿潤バイオマスのガス化
Biomass
Air, H2 O

従来・バイオマスを乾燥 → ガス化
・乾燥のためにエネルギー消費

クロマツペレット

Biomass

熱分解・燃焼帯

ガス化帯

湿潤バイオマスの直接ガス化
酸素富化空気の導入

研究内容
・最適なガス化条件の探求
・反応管内の温度分布の時間変化計測
・ガスクロマトグラフィーによる生成ガス分析

Syngas（CO，H₂など）
充填層ガス化炉

脱硝触媒表面でのSi化合物付着特性
研究背景

エネルギー源として石炭に注目
可採埋蔵量→多埋蔵地域の遍在性

石炭火力発電に注目
大量のNOx 排出NOx を脱硝触媒により還元する必要性の増加
NOx 除去技術
選択接触還元法SCR：Selective Catalytic Reduction
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O

微粉炭火力発電所模式図（株式会社 コベルコ科研）

様々な原因により劣化し性能が低下

Si化合物が付着

劣化原因
マッピング結果

線分析

6年間使用した触媒のTEM/EDX分析結果

TEM (透過電子顕微鏡)

脱硝触媒表面でのSi化合物付着特性
研究目的
Siが触媒劣化の原因物質

触媒表面へのSi化合物の付着可能性および触媒性能評価

研究内容
1)触媒表面へのシロキサンガス暴露試験
・濃度を保ったシロキサンガスを350℃に熱した触媒に暴露
・SiO2を付着暴露試験装置の模式図2)触媒へのシロキサン浸漬試験
・脱硝触媒をシロキサンに浸漬．
・400℃に熱したヒーター中で焼成．
→SEM/EDXで表面定量分析，断面線分析→触媒の性能評価
SEM (走査型電子顕微鏡)
EDX (エネルギー分散型X線分析)

浸漬試験装置模式図

固体酸化物燃料電池の劣化挙動
研究背景

SOFCのメリット

硫黄系不純物
ハロゲンガス（水中のCl2ガス、石炭ガス中のHCL等）
アンモニア（バイオガス）
芳香族化合物（石油関連燃料）！ セルの寿命低下！発電効率の低下

CO + H2

CO2 + H2O

H2 CO CO2 H2H 2 H 2O H 2 H 2O
O2- O2- O2O2O2O2O2- O2O2 O2 O2O2Air

eA
e-

燃料電池化学反応概略図

Currentダイレクトに電気エネルギーが取り出せるため，ロスが少なく，高い発電効率を得ることができる．
 SOFCは，イオン伝導性のセラミックスで構成され，900~1000℃という高温で作動するため，ガスタービンとの複合発電できることによっで，他の燃料電池より高い発電効率を得ることが可能である．

実際のSOFC燃料の微量成分

実験装置・実験内容

実験内容
１．Factsageを用いた
熱力学平衡計算
・石炭ガス化雰囲気における微量炭化水素の化合物形態の解析

アノード

集電体

電解質

カソード

２．SOFC試験装置による発電試験
・模擬ガスによるSOFC発電試験における微量成分の発電への影響

発電セルの概略図

３．SEM/EDXを用いた発電実験前後のセルの表面観察

微粉炭燃焼ボイラ内における灰付着機構解明とその制御
微粉炭燃焼ボイラ内における灰付着問題

伝熱管スラッギング（Slagging）
溶融した灰粒子が炉壁に衝突し灰付着層を形成

ファウリング（Fouling）

灰

溶融・気化した低融点灰が、伝熱管や熱交換器に付着し灰付着層を形成

 ボイラの運転阻害
 熱交換効率の低下
 伝熱管の腐食

電力事業用微粉炭燃焼ボイラ内のファウリングの様子(２年間操業後)

微粉炭燃焼ボイラ内における灰付着機構解明とその制御
灰付着抑制

ボイラの高効率化

CO2削減

灰付着抑制方法として…

伝熱管の表面処理技術（溶射）に着目

伝熱管(JIS-SUS304)

溶射
燃焼炎やプラズマを用いて溶射材と呼ばれる材料を溶かし, 噴霧することで基材を被膜すること

以下の3つの観点から灰付着抑制効果を考える

1. 縦型灰付着炉を用いた灰付着実験
2. FactSageを用いた熱力学平衡計算
3. SEM/EDXを用いた灰付着界面の観察

Ni 合金(厚さ：200μm)

廃棄物燃焼過程におけるNOxの生成挙動解明
廃棄物の主な処理方法：焼却

NOxの発生研究目的• 廃棄物の燃焼時の排ガス測定• ごみの燃焼シミュレーション
実験試料：RDF
廃棄物固形燃料
一般廃棄物から製造した固形燃料

RDF（Refuse Derived Fuel）

ストーカ炉概略図

実験結果の一例

実験
10020.0
NOx

80

15.060

10.0

40
20

5.000.0-100

バッチ式縦型管状炉

O₂100

300
Time[s]500

燃焼シミュレーション（LOGE）

O₂ [%]NOx [ppm/g(sample)]

バッチ炉でRDFを急速燃焼
重量変化と排ガス濃度の測定を実施

流動層を用いたバイオマス専焼挙動
研究背景
日本は化石燃料の依存度が高い

ホワイトペレット・二酸化炭素排出による温暖化の原因
・有限である
化石燃料に代わる代替エネルギー

2014年度の一次エネルギー国内供給量[経済産業省）

バイオマス
利点
・カーボンニュートラル
・再生可能資源・膨大な量が存在

欠点
・エネルギー密度が小さい
・単位当たりの生産量が少ない

バイオマス燃料の使用量拡大が見込まれるPKS（パームやし殻）流動層を用いたバイオマス専焼挙動
研究装置

原理
ボイラ内の粒子状物質にボイラ下部からガスを供給する
粒子が高温の流動状態になる
燃料が 瞬時に乾燥・着火される
均一に分散する

Biomass

メリット

流動層試験装置

・炉内脱硫が可能
・低い温度（900℃）以下で運転するためサーマルNOｘを抑えることができる
・多様な燃料に対応

研究内容

流動層燃焼場でのバイオマス燃料の混焼率や燃料種（ホワイトペレット、PKS）が燃焼性や灰性状に与える影響を明らかにする23

バイオマス燃焼ボイラ内における灰付着機構解明とその制御
バイオマス燃焼ボイラにおける灰付着問題

伝熱管

スラッギング

付着灰

溶融した灰粒子が炉壁に衝突し灰付着層を形成

拡大図

ファウリング
溶融・気化した低融点灰が伝熱管に付着し灰付着層を形成

 ボイラの運転阻害
 伝熱阻害 伝熱管の腐食

ファウリングの様子

研究目的
バイオマス燃焼場における灰付着挙動の解明

研究内容①熱機械分析（TMA)を用いた灰溶融特性の考察②縦型灰付着炉におけるバイオマスの灰付着実験③熱力学平衡計算を用いた伝熱管の差異の理論的考察④ＳＥＭ，ＥＤＸを用いた灰付着界面での抑制効果の考察
TMA装置
RIGAKU TMA8311→温度プログラムに従って圧縮荷重を加え、試料の変位を温度の関数として想定することができる
TMA : Thermomechanical Analysis
SEM : Scanning Electron Microscope
EDX : Energy Dispersive X-ray spectrometer

排ガス中水銀の吸収機構の解明

AkutsuAkutsuAkutsu水銀の特性・強い毒性・高い揮発性

大気汚染物質としての懸念
世界の人為的な水銀排出量

総排出量▶1960 トン/年
その内5% が廃棄物由来
廃棄物由来の水銀排出量は，年間９８トンに及ぶ（ UNEP (2013) ）排ガス中水銀の吸着・捕集の必要性

研究目的
・吸着剤によって，水銀排出を抑制する・水銀の吸着機構・酸化機構を明らかにする

排ガス中水銀の吸収機構の解明

AkutsuAkutsuAkutsu研究項目
・低コスト，高効率な捕捉剤の探求
・水銀吸収機構，酸化機構の考察
SnCl2+HgCl2→SnCl4+Hg0(↑)
断熱
断熱
SnCl2 aq

1.0L/min

MFC

40℃

電気炉

ホットスターラ―

捕捉剤
シリカ濾紙
分散板

MFC
MFC

MFC

MFC

MFC

150℃で保温
HgAll
Hg0

氷冷
KMnO4 aq

KCl aq

Hg0

Hg2+

活性炭

0.5L/minバイオマスガス化過程における微量成分の放出挙動解明
研究背景•

化石燃料 ： 国内エネルギー供給の8割以上・資源の枯渇問題
・地球温暖化の原因物質である二酸化炭素の排出量増加

バイオマス燃料 ： 代替エネルギー資源の一部長所・再生可能・カーボンニュートラル

研究目的

短所等

・低エネルギー密度
・収穫・収集インフラが未整備

等

バイオマス中の微量成分の影響は？

バイオマスガス化雰囲気において生成される微量金属成分を含む微粒子の排出特性を解明

実験装置図 （ＤＴＦ）

研究内容
・電気加熱式ドロップチューブ炉を用いたバイオマスガス化実験

Mass flow controller
Primary gas

1. Micro-GCによる生成ガス分析
2. LPIによるガス化過程粒子の粒径 別採取
3. →誘導結合プラズマ発光分光分析 装置(ICP-AES)を用いた粒径別の微 量成分濃度の測定
LPI 動作原理

Water inSteamgenerator

Biomass feeder

Water inWater out

Injector

Secondary gas

Heater unit

Sampling probe
Micro GC
Water inWater out

N2 CO 2 Ar

LPI: Low Pressure Impactor

DTF : Drop Tube Furnace

充填層によるバイオマスガス化挙動の解明

背景再生可能エネルギーなど

13%
原子力
5%

化石燃料
 地球温暖化の原因であるCO2を排出
 賦存量が有限

石油
32%
天然ガス
21%
石炭
29%

化石燃料に代わる新たな燃料への要求
引用: IEA Renewables Information 2014

バイオマス
利点
 カーボンニュートラル
 再生可能エネルギー 膨大な賦存量欠点 低エネルギー密度
 地域遍在性

高効率ガス化技術が必要

充填層によるバイオマスガス化挙動の解明

小型バッチ炉
ガス化
バイオマス
Bio
Bio
masmas
s s

CO,H2
ガス燃料

目的

バイオマスガス化効率の向上

研究内容

バイオマスガス化挙動の解明

高効率向上を目的に，エンジン運転条件が高負荷化←圧縮｜爆発膨張→

筒内圧

異常燃焼（LSPI発生）

正常燃焼
エンジン内高温・高圧化

低速早期着火（LSPI）の発生が問題

低-180-900

火花点火

90

クランク角[deg]LSPI（Low-Speed Pre-Ignition）とはエンジンの低回転高負荷域において，突発的に着火時期が早まり，異常燃焼が発生．

180

研究内容
LSPI・・・エンジン内付着物・潤滑油・燃料もしくはこれらの混合物の自着火により発生⇒発生解明には，これらの研究が必要

研究内容
目的・・・LSPI起因解明
①実機試験

•

工業分析

•

発火点分析

•

ICP分析

工業分析，発火点分析を行うTGの模式図

ICP装置図※Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy（ICP）

LIBSによる灰中未燃炭素分の瞬時分析
研究背景
・プラントからHCl,Nox等の有害な物質が排出されている・低燃焼効率のとき未燃炭素が多く残っている
研究背景

リアルタイムでの監視技術が必要！

既存の方法

LIBS

前処理が必要前処理が不要高速の分析可能LIBSの原理
i) サンプルをレーザで照射し、原子を励起させる.
ii) 励起した原子が基底状態に戻るときその原子固有の波長の光が発生する.
iii) 励起光を分光し分析する.

実験装置図

灰を降らせた状態で未燃炭素分のガス中分析を目標に研究

石炭のオキシ燃焼場におけるSO3の挙動解明
研究背景

Oxy-Fuel 燃焼

一次エネルギー資源の利用状況
世界的に石油が中心•••

可採年数: 53 年
埋蔵地域が偏在
安定供給に不安

石炭に注目

長所
••

高濃度 CO₂(90%以上)

可採年数: 109 年
埋蔵地域が世界各地に分散

長所
短所
•
•

他の化石燃料に比べ CO2 排出量大窒素酸化物，硫黄酸化物が発生

高効率・CO2 回収燃焼技術の開発

Oxy-Fuel 燃焼＋流動層•

CO2 の分離・濃縮が必要なく，冷却・圧縮のみで容易に液化回収可能•

排ガス再循環経路を追加するのみで，従来のボイラの改造で利用可能•

NOX 低減の可能性有流 動 層特徴•

流動媒体にCaCO3を投入することで炉内脱硫が可能•

流動化ガスと燃料の効率的な混合が起こることで効率よく燃焼•

低温（900℃以下）で運転するためサーマルNOx排出を低減

研究目的• 気泡流動層による石炭のOxy-Fuel燃焼特性を解明• 空気雰囲気，CO₂-O₂雰囲気，Oxy-Fuel雰囲気における燃焼特性の比較