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特集論

国内初 間接加熱キルン式炭化・ガス化発電システム による木質系バイオマス利活用の開始

文

Commercialization of Woody Biomass
Gasification Power Generating System with
Indirectly Heating Kiln
山 本 洋 民＊1

関 野 宏 司＊2

甘寺 澤 良 則＊4

本 多 裕 姫＊5

一 ノ 瀬 利 光＊6

Hirotami Yamamoto
Yoshinori Terasawa

Kouji Sekino

Hiroki Honda

利Takeshi Amari

猛＊3

Toshimitsu Ichinose

地球温暖化防止に向けて温室効果ガスである CO2 発生量の削減，循環型社会の形成に向けた廃棄物の有効利用の観点より，弊社では種々なバイオマス資源とその変換物用途ニーズに対応し，各種のエネルギー変換技術の開発・実用化に取り組んでいる．弊社は木質系バイオマスのガス化発電プラントとしては国内初の 100 t/ｄ規模の施設を三重中央開発（株）より受注し，2005 年 1 月より試運転を開始した後，商用運転に入った．本プラントは間接加熱式ロータリーキルンを採用しており，ガス化発電及び炭化物の有効利用を図るものであり，木質系バイオマスの持つエネルギーを複合的に利用する新たなシステムを実用化した．

1．はじめ

稿では木質系バイオマスを対象とした，間接加熱ローにタリーキルン式ガス化発電施設の初号機の概要を紹介

京都議定書がロシアの批准を受けて 2005 年の２月する．また，生成した炭化物をバーナー燃焼用の燃料に発効された．これにより我国は二酸化炭素に代表さとして利用するに当たっての適用性を評価した結果をれる温室効果ガスを 2010 年までに 1990 年比で６％削示す．

減することが義務付けられた．電気事業者に一定量以

2．木質系バイオマス発電システムの概要と特長

上の新エネルギー等による電気の利用を義務付ける法律（RPS 法）の制定や，バイオマスニッポン総合戦

2．1 システム概要

略の策定に加え，京都議定書発効を受けて京都議定書

図１に木質系バイオマスガス化発電システムのフロ目標達成計画が定められており，新エネルギーの一つ

ー図を示す．チップ化された原料を間接加熱式ロータであるバイオマス利用の推進を図るべく，バイオマスリーキルンに供給し，酸素が遮断された雰囲気下で高の持つエネルギーを，熱・電力，燃料等に効率的に変温間接加熱することにより熱分解ガスと炭化物を得換・利用する技術開発が求められている．

る．熱分解ガスはサイクロンにて除塵された後，燃焼

弊社は種々のバイオマス，変換物用途ニーズに対応室に導入され，1 100 ℃の高温で燃焼される．高温燃し，燃焼，ガス化，炭化，生物変換といった各種エネ

焼排ガスは一部を間接加熱式ロータリーキルンの加熱ルギー変換技術の開発，実用化に取り組んでいる．本源として利用し，多くはボイラの加熱源として利用す

木質系
バイオマス

燃焼空気
ファン

減温塔

バグフィルタ

サイクロン

誘引ファン

No.1, 2, 3
原料コンベヤ煙突

間接加熱式
ロータリーキルン

燃焼室

ボイラ

炭化物
蒸気タービン発電機

図１ 木質系バイオマスガス化発電システムのフロー図
横浜製作所環境ソリューション技術部環境システム計画課主席
横浜製作所環境ソリューション技術部環境システム計画課＊3
技術本部横浜研究所環境装置研究室

消石灰
サイロ

特反剤活性炭サイロ

プラントのシステム構成図．

技術本部横浜研究所環境装置研究室主席
技術本部横浜研究所環境装置研究室室長＊6
技術本部長崎研究所火力プラント研究室主席

＊1＊4

＊2＊5

161

る．ボイラで発生する蒸気はタービンに送られて発電としてエネルギー利用を図ることが可能である．炭を行う．

化物は燃料として貯留が可能な為，電力供給に加え，炭化物は固体燃料のほか，還元剤，吸着剤，融雪材，土壌改良剤等として利用が可能である．
2．2

システムの特長

本システムは以下の特長を有する．
（1）高温間接加熱による高いガス化率

エネルギー利用施設側の熱等の需要変動にも柔軟な対応が可能となり，施設のエネルギー需要に対応した熱電併給システムを構築可能となる．
（5）高い環境保全性能
本システムでは木材チップを熱分解ガス化した，キルンシェルの構成材料には耐熱性，耐腐食性の熱分解ガスを燃焼させる為，木材チップを直接燃焼高い超合金を採用することにより，1 100 ℃の高温するのに比べ，低空気比での燃焼が可能となる．こ燃焼排ガスにより直接キルンシェルの外表面を加熱れにより，燃焼温度を 1 100 ℃の高温にでき，有機することを可能にしている．これにより約 700 ℃の塩素系有害物質を分解できる．また排ガス冷却過程

雰囲気で木質系バイオマスを熱分解ガス化することで有機塩素系有害物質の再合成を促進させる灰中のができ，炭化物中の揮発分を約 10 ％以下とすること

金属分などの大半は，炭化物とともに回収される為，ができる．この結果，カロリーベースのガス化率は，それらの再合成を抑制できる．さらに，低温バグフィ

従来の 500 ℃程度の間接加熱熱分解方式と比較してルタ式排ガス処理設備や脱硝触媒装置を付帯させる約２％増加させることができる．なお，キルンシェ

ことで，排ガス中の微量有害物質の除去や窒素酸化ルは施設運用期間中の交換は基本的に不要である．

物の排出を抑制することが可能であり，高い環境保（2）容易な運転管理と安定した熱分解ガス化全性能を発揮できる．

木材チップは間接加熱式ロータリーキルン内を酸素が遮断された雰囲気下で約１時間掛けて移動しな

3．三重中央開発（株）向けバイオマスガス化発電
施設の概要

がら，木材中の水分の蒸発とともに加熱昇温され，熱分解ガス化される．この方式は部分酸化式の熱分弊社が三重中央開発（株）より受注した木質系バイオ解ガス化反応に比較して水分蒸発及び加熱昇温が非マスとしては国内初の 100 t/d 規模の施設の概要につ

常に緩慢で，木材チップの含水率や灰分の変動に対いて述べる．

しても熱分解条件や，熱分解ガスの燃焼条件等の急表１に施設の主な仕様を示す．本施設では再生ボー激な変動を起こすことがなくその運転管理は容易でド化等により再利用可能な木質バイオマスを取り除いある．また，本キルンはキルン外周の加熱ガス用外た後の，合板などの低質木質バイオマスを対象として筒の内部を長手方向に複数の区画に分割した構造といる．熱分解ガスの燃焼により，熱分解ガス化に必要しており，それぞれの加熱ガス量の調節が可能な特な熱を賄った上で，ボイラで発生させた 3.0 MPa，長を持つ．本構造の採用により原料中の水分に応じ300 ℃の高温高圧蒸気は全量蒸気タービンに送られてた適正な熱量配分が可能となるため，安定した熱分1 400 kW を発電する．この電力は全て事業所内他施

解ガス化により，一定品質の炭化物を得ることがで設で利用される．

きる．
（3）異物混入に強いシンプルな構造

同社においては既に焼却灰を路盤材として資源化する手法を実用化している．
この焼却灰資源化施設では，キルン内部には伝熱管等の構造物はなく，キルン一般廃棄物又は産業廃棄物の焼却灰に還元剤を添加しシェルの内外面で伝熱させるシンプルな構造であるて還元雰囲気下で高温加熱処理，すなわち焙焼処理すため，木材チップに金物などの異物が混入していてることで，灰中に含まれる鉛などの重金属の揮散及びも機械的障害の発生や熱分解ガス化反応への悪影響ダイオキシン類の分解を図るとともに，六価クロムのはなく，異物は炭化物とともに系内への蓄積等なく生成を抑制して，再生利用可能な焼却灰にする．本施

安定して排出される．木材チップ中に存在する金属設で得られる炭化物は，この焙焼処理で用いる還元剤類を事前に分離するのは非常に難しいが，炭化処理
表１

後は単純な機械分別で容易に分離できる．分離され型た金属類は酸素の遮断された雰囲気下での処理である為，未酸化であり，再利用も可能である．
（4）炭化物の燃料利用
本システムは，上述のガス化発電による隣接施設への電力供給と併せて，得られた炭化物を固体燃料

木質系バイオマス発電施設の主仕様

式

燃料供給量
発

電

炭化物利用用途
排ガス処理

間接加熱ロータリーキルン式熱分解ガス化炉
木材チップ

4 000 kg/h

抽気復水タービン発電 最大 1 400 kW
蒸気条件 3.0 MPa 300 ℃
所内焼却灰処理（他施設）用還元剤
減温塔＋乾式反応集塵装置

三菱重工技報 Vol.42 No.4（2005-11）温度（℃）

1 200

キルン内圧力（kPa）

162

1000

キルン温度1 燃焼室温度

キルン内圧力
キルン温度30.5

キルン温度20800−0.5600
14：00

15：00

16：00

17：00

18：00

19：00

時 刻

O2（％）

15

煙突入口ガス中CO

100CO（PPM）
（生値）

15020
燃焼室内 O2

1050

5014：00

015：00

16：00

17：00

18：00

19：00

時 刻

図２ ガス化温度，燃焼室温度と排ガス性状の経時変化

キルン温度，燃焼室温度，排ガス性状ともに安定しており，ガス化，燃焼が安定している．

として，現在購入している細粒炭の代替利用を図る．

し，炭化物中の揮発分は，十分な熱分解・ガス化反応

また，還元剤以外の用途に固体燃料としての利用も検により 10 ％以下に減少している．試運転結果よりガ討されている．

ス化率はカロリーベースで約 70 ％であり，計画どお

このように，本施設は事業所内他施設への電力の供りのガス化性能により，1 400 kW の定格発電を達成

給と焼却灰資源化施設への炭化物の供給が主な役割でしている．また，炭化物の総発熱量は 31.5 MJ/kg とある．また，蒸気タービンの出力を減らして事業所内石炭と同等の発熱量を持つことがわかる．の廃水処理設備などへ蒸気を供給することも可能である．また，低温バグフィルタを用いた反応集塵式排ガス処理設備を備えて環境保全に配慮している．

図２のキルン内圧力データに示す通り，キルン内の圧力は，供給量が短時間に 20 ％程度変動する状況下であるにも関わらず，0 〜− 0.15 kPa であり，温度と4．試運転結果同様に良好に制御されている．これは熱分解ガス生成

本施設は 2005 年１月に火入れ後，試運転を実施した．以下に試運転状況の概要を述べる．
4．1

4．2 運転安定性

量の変動も少ないことを示している．この結果，熱分解ガスの燃焼条件も安定しており，プロセス全体が急ガス化性能激な変動を起こすことなく安定に制御可能であること

図２にはキルン温度，燃焼室温度及び炉出口排ガスを確認した．

性状の経時変化を示す．キルンシェルの温度は 650 〜

また，30 日間の連続運転を実施した結果，異物に700 ℃，燃焼室温度約 1 100 ℃，燃焼室内 O 2 濃度約よる炉内の損傷やキルンの減肉などのトラブルは確認

６％，煙突入口ガス中 CO 濃度０〜２ ppm と安定的されていない．にガス化，燃焼が行われていることがわかる．

4．3 排ガス性状

表２には受入れ木材チップと得られた炭化物の性状

表３に煙突排ガス性状の手分析測定値を示す．熱を示す．木材チップは揮発分が 82.5 ％と高いのに対分解ガスの高温クリーン燃焼と，低温バグフィルタにより，DXNs 及び HCl，SOx の酸性ガスについて

表２

受入れ木材チップ及び炭化物の性状
木材チップ

は規制値を大幅に下回る数値を得ている．NOx に炭化物

水分（wt. ％−wet）

28.2

灰分（wt. ％−dry）

2.1

7.1

揮発分（wt. ％−dry）

82.58.0固定炭素 （wt. ％−dry）

15.484.9炭素（wt. ％−dry）

49.5

87.1

水素（wt. ％−dry）

61.2

1.64

総発熱量 （kJ/kg−dry）

19 70031 510SOx

真発熱量 （kJ/kg−dry）

18 32031 130（＠ O2 12 ％）（ng-TEQ/m3N ） 0.0084
DXNs

表３項
CO2NOx （＠ O2 12 ％）HC1 （＠ O2 12 ％）煙突排ガス性状
目

測定値

規制値

（％）

11.6（ppm）

167

210N）

13250（ppm）

18283（K値=3 以下）

（mg/m30.1

163
1 000

200

石炭（ハンターバレー）
炭化物

900
輻射着火温度（℃）

温 度（℃）

180160空気雰囲気

140120100

各種石炭計測データ

800700炭化物
600050100150200250

時 間（min）図３ 自然発火測定結果

5000

石炭に比べ炭化物の自1020304050揮発分（％）

然発火性は低い．

図４ 揮発分と輻射着火温度の関係

炭化物は 10 ％程度と揮発分が低いにもかかわらず，揮発分が 20 ％程度の石炭並みの輻射着火温度である．

ついても，脱硝触媒装置を用いずとも規制値である
210 pppm 以下を満足しており，本システムの高い環境保全性能を確認した．

5．炭化物の用途した．図４には測定された輻射着火温度と揮発分の関係を同装置でこれまでに測定した各種石炭のデータと炭化物の固体燃料利用方法の一つとして，バーナーともに示す．石炭の輻射着火温度は揮発分割合の増加

燃料としての適用を検討している．バーナー設備計画

につれ，低くなる傾向にある．炭化物については，揮に必要となる炭化物の粉砕性，自然発火性，燃焼性に発分が 10 ％以下と低いにもかかわらず，良好な着火ついて検討を行った結果を以下に示す．

性を示しており，揮発分が 20 ％程度の石炭と同等の5．1

炭化物の粉砕性

輻射着火温度となっている．

粉砕性を表す指標である HGI は通常石炭では 40 〜

また上記に加え，基礎燃焼試験により炭化物は石炭60 である．炭化物の HGI は嵩密度が石炭の５分の１に比べ良好な燃え切り性を示しており，バーナー燃焼程度と大きく異なるため，規程どおりの評価は困難でによる固体燃料利用が十分可能である．

あるが，粉砕動力原単位を同等として HGI テスタで粉砕を行い，HGI を推定すると，100 以上の数値を得た．また，HGI テスタでの粉砕微粉発生量が多いことなどからも，粉砕性は良好である．
5．2

炭化物の自然発火性6．まとめ

間接加熱式ロータリーキルンによるガス化発電シス
テムにより，木質系バイオマスを電力及び炭化物に変換し利活用を図る新たなシステムが実用化された．本

自然発火は炭層内で外部着火源無しに酸化昇温してシステムをベースに引き続きユーザーニーズに合った発火にいたる現象であり，炭化物を取り扱う上で自然システムを構築し普及を図るとともに，さらなる改良発火性の把握が必要となる．

や新技術開発を行い，カーボンニュートラルであるバ断熱状態で試料の酸化昇温特性を測定できる自然発火測定装置により，石炭（瀝青炭）と自然発火性の比イオマス資源の有効利用促進という社会要請に答えてゆく所存である．

較を行った．試験結果を図３に示す．初期温度 110 ℃
にて試験を実施したところ，ハンターバレー炭は時間とともに緩やかに昇温し，約３時間後には 200 ℃に達したが，炭化物は条件の厳しい 150 ℃においてもハンターバレー炭のような急激な温度上昇は見られなかった．これは，炭化物の自然発火性がハンターバレー炭に比べ低いことを示すもので，安全性の観点からは一山本洋民

関野宏司

甘利猛

寺澤良則

本多裕姫

一ノ瀬利光

般瀝青炭と同様の管理基準で対応可能である．
5．3

炭化物の燃焼性炭化物をバーナー燃料として利用する上で，重要な燃焼特性の一つである炭化物の着火性を把握するために，輻射着火温度測定装置により輻射着火温度を計測

三菱重工技報 Vol.42 No.4（2005-11）