〈一般研究課題〉 木質バイオマスを添加した固体燃料の燃焼過程から発生する微小粒子（PM2.5）の生成挙動の解明とその低減
助 成 研 究 者

中部大学

二宮善彦

木質バイオマスを添加した固体燃料の燃焼過程から発生する微小粒子（PM2.5）の生成挙動の解明とその低減
二宮 善彦（中部大学）

Study on the formation behavior of fine particles (PM2.5) emitted from thecombustion process of solid fuel added with woody biomass and its reduction
Yoshihiko Ninomiya(Chubu University)

Abstract：
To study and reduce the formation of fine particles (PM0.1 , PM0.5 , PM2.5 ) emitted from thecombustion process of fuel mixed with high proportion of woody biomass fuel, a drop tube furnace
was used in this study. Two kinds of coal were prepared by adding 5 % or 30 % of two different
types of woody biomass and the formation behavior of fine particles (PM 0.1 , PM0.5 , PM2.5 ) wasinvestigated. As a result, depending on the combination of coal and biomass fuel, the amount of
PM0.5 produced by the addition of biomass fuel does not increase compared to that of combustion ofcoal alone. It is considered that this result is an interesting finding that reduces the amount of fine
fly ash produced by the addition of biomass and reduces factors of heat transfer inhibition such asslagging and fouling in the boiler.

1．はじめに温室効果ガスの1つであるCO 2 の排出抑制に向けた取り組みとして、木質バイオマス燃料（以後、バイオ燃料と記載）を使用した発電および熱供給が注目されている。バイオ燃料は燃焼の際には二酸化炭素を排出するものの、原料作物の成長過程において二酸化炭素を吸収しているために、その排出量はゼロとカウント（カーボンニュートラル）されるからである。バイオ燃料は、一般に発熱量－ 167 －が低く、石炭などの発熱量の高い固体燃料との混合燃焼により、エネルギー転換率を格段に向上させることができる。さらにバイオ燃料の高比率混焼の達成により燃料のkWhあたりのCO2 排出量の低減も期待できることから、木質バイオマス混焼率30％（熱量比）以上を目標とする新しい取り組みが行われている 1)。
木質バイオマスの高比率混焼を達成するには、木質バイオマス専用の粉砕ミルならびに専焼バーナーの設置が必要であり、同時にバイオマス由来のアルカリ金属（Na、K）などの増加に伴う付着性微小灰粒子の増加やこれに伴う伝熱管への灰付着と伝熱抵抗の増加、火炉の温度分布およびボイラー収熱量に大きな影響を及ぼすことが懸念されている。アルカリ金属化合物が増加すると、火炉内で石炭鉱物中の石英や粘土鉱物粒子と反応して、Na2 O･xAl2 O3 ･ySiO2、K2 O･xAl2 O3 ･ySiO2 などのアルカリ金属を含む低融点化合物が生成する。しかしながら、中小規模ボイラーを使用した最近の実証試験結果によると、バイオマス灰のアルカリ含有率は高いものの灰の絶対量が石炭の3％程度しかないため、バイオマス混合率を増加させると逆に発生灰量が減少して、この結果、灰付着量も減少してスラッギングやファウリングなどの伝熱阻害の影響、脱硝触媒表面への飛散灰付着による性能劣化などが数日間の実証試験ではほとんど確認されず、大規模ボイラーにおいても木質バイオマスの高比率混焼の実現の可能性が高くなったと報告されている 2）。商用化を見据えた年単位の長期間燃焼試験は今後の検討課題であり、長期間における灰付着挙動に関して不明であることも指摘されている。
そこで本研究では、流通式燃焼試験装置を使用して、バイオ燃料を石炭に高比率混合した燃料の燃焼過程から発生する微小粒子（PM2.5）生成挙動の解明とその低減を目的に、2種類の石炭それぞれに性状の異なる2種類の木質バイオマスを5％あるいは30％添加した4種類の混合燃料を作製し、実験室規模のドロップチューブ燃焼装置を使用して微小粒子の生成挙動を検討した結果を報告する。
2．試料および実験方法（1）実験試料
本研究では、２種類の石炭AおよびB、ならびに2種類の木質バイオマスペレット（ブラックペレットおよびホワイトペレット、以降BP、WPと略す）を粉砕した微粉末を用いた。表1に工業分
析値、元素分析値および灰の化学分析値を示す。A炭の揮発分、固定炭素、灰分はそれぞれ34.8％、51.1％、11.5%、B炭の揮発分、固定炭素、灰分はそれぞれ34.4％、53.7％、8.0％で、B炭の方が灰分は多少低い。また、A炭の灰中のFe2 O3、CaO含有率はB炭に比べて高く、この結果A
炭の灰溶融温度がB炭に比べて低くなっている。つぎに、木質バイオマスペレットのBPの揮発分、固定炭素、灰分はそれぞれ66.8%、28.1%、0.6％、WPの揮発分、固定炭素、灰分はそれぞれ78.8％、15.2％、1.2％であり、BPに含まれる灰分は少ない。また、BPの灰中SiO 2、Fe2 O3、K2 O
含有率はWPに比べて若干高い値を示すが、CaO、Na 2 O含有率はWPの方が高い値となった。BPの灰溶融温度は酸化雰囲気で1135～1185℃であるが、WPの灰溶融温度は1500℃以上を示した。
WPの灰溶融温度が高くなった理由は、灰中のSiO2 含有率が低いためにシリケートを主成分とする融液を形成できなかったためと考えられる。

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との混合の組み合わせによっては、バイオ燃料の添加に伴うPM0.5 の発生量を増加させずに、石炭単独燃焼時のPM0.5 発生量とほぼ同量となる混合条件があることが見いだされた。この結果は、バイオマス添加に伴う微粒のフライアッシュ発生量を減少させ、ボイラー内のスラッギングやファウリングなどの伝熱阻害の要因を低減させる興味ある知見であると考えられる。
参考文献
1）河西英一、福島仁、田村雅人、犬伏和之、中田俊彦、「木質バイオマス高比率混焼システムへの挑戦」、IHI 技報、Vol.7、1、76-93（2017）2）福島仁、熊谷友良、井上大祐、「バイオマス高比率混焼による石炭焚火力CO2 排出原単位半減に向けた先進的システムの実証」、日本機械学会論文集、Vol.83、No.847、16-00427（2017）3）二 宮善彦、「CCSEMによる石炭に含まれる鉱物粒子の分析とその応用」、粉体技術、Vol.8、No.9、882-886（2016）4）Lian Zhang, Yoshihiko Ninomiya, Qunying Wang, Toru Yamashita, Influence of woody biomass(cedar chip) addition on the emissions of PM 10 from pulverised coal combustion，Fuel，90( 1)77-86 (2011)5）Juan Chen, Facun Jiao, Zhongbing Dong, Osamu Niyomura, Tomoaki Namioka, Naoomi Yamada,
Yoshihiko Ninomiya, Effect of kaolin on ash partitioning during combustion of a low-rank coalin O2 /CO2 atmosphere，Fuel 222 538-543 (2018)6）Yajuan Wei, Qunying Wang, Lian Zhang, Isao Awaya, Mingjun Ji, Hanxu Li, Naoomi Yamada,Atsushi Sato, Yoshihiko Ninomiya, Effect of magnesium additives on PM2.5 reduction during
pulverized coal combustion，Fuel Processing Technology，105 188-194 (2013)7）Qunying Wang, Lian Zhang, Atsushi Sato, Yoshihiko Ninomiya, Toru Yamashita，Effects ofcoal blending on the reduction of PM10 during high-temperature combustion，2. A coalescencefragmentation model，Fuel，88(1) 150-157 (2009)－ 175 －

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