NIKKO TECHNICAL REPORT

もみ殻混焼バーナの開発
27 万 Lの重油と729ｔのCO ₂を削減することが可能である．
もみ殻を使い切れ混焼率が低ければ，日本国内のAPでは，北野裕樹・今田 雄司

Kitano Yuuki, Konta Yuji

ない可能性があるので，他の燃焼機器でも使用することを検討する必要がある．
一方で，もみ殻をAP 用燃料として有効利用することの課
題として，もみ殻を高温で燃焼すると人体に有害な結晶性シリカが析出することが知られている．
したがって，この結晶性シリカの析出を抑制することにより，もみ殻の燃焼灰をアス概要温室効果ガスであるCO₂の削減は，国際社会に課せられた喫緊の課題である．昨年10月に閣議決定された第6次エカーボンニュートラルである再生可能エネルギー
ネルギー基本計画によれば2030年に向けて化石燃料の消費を削減し，アスファルトプラントにおに代替して行くことが，温室効果ガスを2013年比で46%削減する有効な手段であるとしている．

図 2-1.

ファルト合材に原材料の一部として混合して有効利用するこもみ殻燃料とが可能となる．
このことより、材料試験において結晶性シリカが析出しない諸条件を特定し，実際のバーナ燃焼試験にいても国の政策に歩調を合わせる形で温室効果ガス排出量の削減に精力的に取り組んで行く必要がある．
そこで，
日本

おいてAP 用燃料として適用が可能であることを検証してい国内全土において広範囲に行われている稲作で副産物として生成する「もみ殻」に着目し，これをアスファルトプラントのる．本稿では、APに適用が可能なもみ殻混焼バーナの開発代替燃料として有効利用することを検討した．
もみ殻は，バイオマス由来であることから燃焼してもカーボンニュートラルと状況を報告する．

表 2-1.

もみ殻燃料粒径分布なる．課題として，もみ殻を高温で燃焼すると人体に有害な結晶性シリカが析出することが知られている．
このことから，材料試験において結晶性シリカが析出しない諸条件を特定し，実際のバーナ燃焼試験においてアスファルトプラント用燃料として適用が可能であることを検証している．本稿では、アスファルトプラントに適用が可能なもみ殻混焼バーナの開発状
況を報告する．

２.もみ殻燃料
もみ殻は，70~75% がセルロースやヘミセルロースなどを含む有機成分，約 15 〜 20% がシリカ(SiO 2 ) ，残りは水分と金属である．
もみ殻に僅かに含まれたアルカリ金属により，
シ

１. 緒言

一方で，収穫したもみは，乾燥・貯蔵・もみ殻除去・精米

リカが複合酸化物 (NaSiO 3 ，K 2 SiO 3 )を生成し，融点が2015 年にCOP21（ Conference of Panel：国連気候変などの一連の操作を行う大型の農業施設であるカントリーエ

1,986K(SiO 2) 6)から1,110K 7)，1,249K 7)などに低下 ( 共晶動枠組条約第 21 回締約国会議）いわゆるパリ協定が成立

レベータに集積される．
ここでは，もみの状態で乾燥を行い反応 )し，局所的に溶融する．溶融したシリカに有機成分かし，2020 年以降の地球温暖化対策の国際枠組みとして，温一旦貯蔵して，必要に応じてもみ殻を取り除いて玄米とし，こらの炭素が取り込まれることにより，シリカの純度低下，黒色室効果ガス排出量の削減目標を定めることが義務付けられれを精米して出荷している．
この時に大量のもみ殻が生成し化が発生する．
また，溶融シリカが凝固する過程において結表2-2.

た．
これを受けて，昨年（ 2021 年）11月に英国のグラスゴーている4 ) ．米の収 穫 量に対 する残さ発 生 率は湿 重 量で晶性シリカが生成する7,8,9) ．結晶性シリカはアスベストと同様単位で開催されたCOP26において，我が国は，2030 年までに140%であり，残さに対する稲わらともみ殻の発生比率はそに人体への発癌性の恐れ有り(グループⅠ)に区分されていそ温室効果ガスの排出量を2013 年比で46％削減すること，れぞれ湿重量で82.5% ，17.5%という報告がある2) ．上記のる．そのため混焼バーナの燃料としてもみ殻を使用するためして，2050 年までに温室効果ガス排出量を実質ゼロにする

残さ発生率から2019 年のもみ殻の発生量を算出すると，約には，結晶性シリカを析出させずに熱量を取り出すことが重これらの目標を達成するたことを目標として宣言している1) ．

また，平成 30 年度のもみ殻の発生量は173.6258万tとなる．

要となる．

め，温室効果ガスの排出量を削減する優先すべき有力な技

万 という報告もある5) ．米どころでは，田んぼを掘削してもみもみ殻を燃料として使用するために分析を行った．
もみ殻術として，太陽光・風力・地熱・水力・バイオマスといった再殻を充填する排水用の暗渠としての利用に留まり，燃料としをバーナで燃焼させる際に貯蔵，圧送，燃焼というプロセス生可能エネルギーを利用する技術の普及を急いでいる．中ての熱利用はまだ限定的である．

があるため，貯蔵時のアーチングや粉塵爆発の危険がないtでも，バイオマスは，エネルギー資源の観点では動植物資源

もみ殻の発熱量は，およそ3,000kcal/kgである．重油のか予め分析する10)．図 2-1にもみ殻粉砕燃料を示す．バーナとこれを起源とする廃棄物の総称であり，気象の変化や昼発熱量が 8,800kcal/Lとすると，年間 173.6 万 tのもみ殻を試験で用いたもみ殻燃料は，秋田県で発生したもみ殻を夜を問わず利用することが可能である，その中でも米どころすべて重油の代替燃料として利用すると59,000 万 Lの重油700〜900μmに粉砕したものである．粉砕したもみ殻燃料

で大量に発生し，有効利用が充分されていないもみ殻を化と159.3 万ｔのCO ₂を削減することができる．の粒径分布を表 2-1に示す．表 2-2に工業分析結果を示
す．炭素分が約 4 割含まれており，微量の硫黄，塩素も含ま主に重油を使用している．年間合材出荷量 10 万 t の AP がれる．表 2-3にJIS Z8817の粉塵爆発測定の結果を示す．

日本の米の生産量は，減反政策と法改正の効果もあり消費する重油の量は約 90 万 Lに上り，2,430ｔのCO ₂を排出測定の結果，「 爆発の激しさが弱い」という分類になったの

3)より）と減産が続き米余りしていることになる．APのバーナ燃料をもみ殻に代替したエで，貯蔵時には着火源が発生しないように注意が必要であ

ネルギー代替率（以下，混焼率）を30%にした場合，年間約る．

でいる2）．

1,052.7 万（t 2019 年 FAOSTAT現象の解消に転じている．

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もみ殻燃料粉塵爆発測定結果

53

アスファルトプラント（以下，APと記述）では骨材の乾燥に石燃料の代替燃料としてバーナで燃焼することに取り組ん

表2-3.

もみ殻燃料成分分析結果

もみ殻混焼バーナの開発

もみ殻混焼バーナの開発

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３.材料試験

3.3.2 二段燃焼の効果

3.1 材料試験の目的

温度

もみ殻を一度加熱後，再度加熱した二段燃焼試験を実材料試験の目的は人体に有害な結晶性シリカの発生を抑施した．温度と加熱時間を変えて二段燃焼することにより，制できる加熱条件を確認することである．材料試験では管色の変化と結晶性シリカ析出の有無を確認した．800 ℃→状炉を用いて，温度，加熱時間の条件を変更して行った．

1 , 0 0 0 ℃の 二 段 燃 焼 の 結 果を図 3 - 3 に示 す ．図より，

温度

時間

1000℃

5min

800℃
5min

10min

30min

10min

1,000 ℃の加熱時間が長いほど白くなる傾向が得られた．そ

3.2管状炉の中で，800 ℃5 分，1,000 ℃30 分の条件が最も白くなった．

試験で使用した管状炉を写真 3-1に示す．管状炉はAS

800 ℃→ 1,000 ℃の灰のX 線分析結果を図 3-4に示す．

ONE 製のTMF-700Nを使用した．管状炉は電気ヒータによって，セラミック製の管を加熱する．管の内部に被加熱物を位置に鋭いピークが検出される．二段目の1,000 ℃5 分では設置して，温度制御を行いながら加熱を行う．管には任意の気体を流すことが可能である．
管状炉試験では目標温度 (800 ℃,900 ℃,1,000 ℃)に管を30min

図より，X 線分析では結晶性シリカが存在すると約 22degの結晶性シリカは検出されず，1,000 ℃10 分以上では結晶性

図 3-3 ．粉砕もみ殻二段燃焼 800℃→ 1000℃ 写真まとめシリカのピークが検出された．
このことから，800 ℃では30 分加熱した後，セラミック製の皿に乗せた材料を管に入れて，加熱しても結晶性シリカが発生しないことが推測される．井

目標時間 (30 分 ,60 分 ,120 分 ,180 分 ,240 分 ) 経過後取り出

上らの報告によると，500 ℃で2 時間加熱後，800 ℃で6 時間加熱するとクリストバライトが発生すると述べている11)．

した．管内部は大気雰囲気で試験を行った．

3.4 材料試験結果まとめ
・各種設備に適用するために，燃焼による結晶性シリカの抑制と灰の色の確認を行った．
・1000 ℃10 分以上加熱すると結晶性シリカが発生する．
・800 ℃30 分加熱しても結晶性シリカは発生しない．
・二段燃焼を行うと灰が白くなる．

図3-4 ．粉砕もみ殻二段燃焼 800℃→1000℃

X線分析結果

写真 3-1 ．管状炉
3.3 材料試験結果

４.バーナ試験

3.3.1 温度，加熱時間の効果

4.1 バーナ試験の目的

図 3-1に800 ℃で加熱時間を変えた灰を示す．加熱時間が長いほど灰が白くなることが確認された．
これはもみ殻に含まれる炭素分が加熱により徐々に取り除かれていったためと考えられる．
また，図 3-2に加熱時間 30 分で温度を変えた灰を示す．
温度が高くなるにつれて黒くなる傾向が見られた．温度が高いほど，シリカが溶融し，溶融したシリカに炭素分が取り込まれて黒くなることが推測される．

図 4-1は，社内に設置している粉体バーナの試験設備のもみ殻燃料を重油と混焼することにより，化石燃料の消費フローである．図より，Aはもみ殻混焼バーナ，Bは燃焼炉，C量を削減することを目的とする．そして，実際のバーナでもみは第一煙道，Dはサイクロン，Eは第二煙道，Fは排ガス冷却殻燃料を燃焼させることにより，材料試験結果との比較を行塔，Gはバグフィルタ，Hは排風機である．Cに設置しているう．具体的には，粉体から熱量が得られるか，排ガスに有害T6は，炉出口温度であり，主な評価をこの温度を用いて行物質が含まれないか，粉塵に結晶性シリカが含まれないかをう．同様の位置にて燃焼炉から飛んできたダストをサンプリン確認する．

グする．APにこのバーナを設置する場合，燃焼室出口が骨図 3-2. もみ殻加熱試験結果 (30 分 )

図3-1 ．
もみ殻加熱試験結果 (800℃)

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4.1試験設備

図 4-1 ．社内試験設備フロー図

もみ殻混焼バーナの開発もみ殻混焼バーナの開発

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材ドライヤのバーナ接続口となるため，ここでサンプリングさり，アーチングしやすい高含水の粉体でも供給可能である．

材料試験より，1000 ℃10 分以上の雰囲気で結晶性シリカれたダストが骨材に混入することを想定している．

粉体ホッパ下部には，粉体の切り出し流量調整のためにスクが発生しており，また文献より800 ℃6 時間以上で結晶性シリリュが組み込まれており，インバータにより回転数制御されてカが発生していることから，炉内の灰は上記のように結晶性いる．
さらに，スクリュの下流には圧送空気の逆流を防止すシリカが発生する雰囲気であったことが推測される．

るためにロータリーバルブが設置されている．そして，ロータ

高温，長時間滞留により結晶性シリカが発生するので，炉リーバルブの下流には粉体圧送配管が接続されており，粉内の滞留をなくすために写真 4-2のようにブローアップ設備

体圧送用ブロワからの送風により粉体噴射ノズルに粉体燃

図4-2 ．粉体バーナ模式図

写真 4-3 ．運転中燃焼炉内を設置し，試験を行った．

料を送り込んでいる．粉体圧送用のブロワは配管内の風速

写真 4-5にバーナ試験中に燃焼炉の3ヶ所でブローアップが適切になるようにインバータで回転数制御を行っている．

をした炉内を示す．
ブローアップの位置を1ヶ所にした場合，配管内の風速は常にピトー管で監視しており，風速が急激ブローアップをしていない位置に灰が堆積することが確認さに減少すると閉塞が発生したと判断できる.

れた．3ヶ所ブローアップすることにより，炉内の堆積をなくすことができた．
図 4-5にブローアップ設置後の燃焼炉出口のダストのX 線

写真 4-4 ．運転後燃焼炉内分析結果を示す．
ブローアップ設置後のダストに結晶性シリカが含まれていないことが確認できた．
ブローアップ設備の4.4 バーナ試験結果

設置により，結晶性シリカを発生させずに燃焼することが可

4.4.1 燃焼炉ブローアップ試験能となった．

もみ 殻 燃 料
写 真 4 - 3 に混 焼 率 3 0 % ( 重 油 1 0 5 L / h ，132kg/h)で試験した際の炉内を示す．写真 4-4に試験終了後の炉内を示す．
写真 4-1 ．粉体バーナ試験機

写真 4-2 ．燃焼炉

写真 4-3の中央上部がバーナであり、運転中にバーナ左下に灰が堆積していることが確認される。写真 4-4より，試験終了後に炉内に灰が堆積していることが確認できた．

4.2粉体バーナ

図 4-4に粉体バーナにおいて混焼率 30%で試験した際

粉体バーナの模式図を図 4-2に，同バーナの全景を写真のダストのX 線分析結果を示す．炉内滞留物は燃焼試験終4-1に示す．

了後に採取し，灰サンプルは燃焼炉出口にて試験中にサン

図より，粉体バーナは，2 本の重油噴霧ノズルと中心部に

写真 4-5 ．
ブローアップ運転中燃焼炉内プリングした．炉内滞留物で結晶性シリカが検出され，燃焼位置する1 本の粉体噴射ノズルから構成されている．そし炉出口で試験中にサンプリングしたダストには検出されなて，重油噴霧ノズルにより形成される火炎に粉体噴射ノズルからの粉体燃料を空気圧送し混焼させている．
また，粉体燃

図 4-3 ．
ブローアップ装置

料は，粉体圧送配管の途中で圧縮空気を円筒断面の接線4.3燃焼炉方向から吹き込むことによって強力な旋回流を発生させ，こかった．
この結果より，高温領域に短時間滞留した場合は結晶性シリカが発生せず，炉内に長時間滞留すると結晶性シリカが発生することが確認できた．

れにより粉体燃料を分散噴射させて燃焼しやすくしている．

試験で使用した燃焼炉を写真 4-2に示す．同燃焼炉は，また，同粉体バーナの全長を短くするために、燃焼用空気を粉体燃料を完全燃焼させるのに必要な温度と滞留時間とを曲げて導入している．
このため，偏流がバーナ横側より90 °確保するために設置している．そして，燃焼炉の寸法は，φ生じないように燃焼用空気のダクト内部には整流板を設置し1,600×L3,100の円筒構造とし，内面には耐火キャスタブルている．社内試験設備での重油の最大燃焼量は200L/hでを150mm 厚さで施工している．炉内には，燃焼ガスの温度あるが，ノズルを変えることにより最大燃焼量を変更すること

また，炉分布を確認するために熱電対を5 本設置している．

空気比が高い場合，また予熱が足りない場合は炉出口温度が可能である．

内に滞留した灰から結晶性シリカが析出するのを防止するが低くなる．炉出口温度が低いときに混焼試験を開始する

一方，当該粉体バーナ試験機は，粉体燃料を定量供給ためにブローアップ設備を設置して灰を吹き飛ばしている．と，もみ殻の熱分解が充分でないダストが発生する．

するための粉体燃料供給装置を併設しており，粉体ホッパ，ブローアップは炉の前方，
図 4-3にブローアップ設備を示す．

切り出し用スクリュ，ロータリーバルブ，圧送装置などから構ブローアップ風が燃焼炉中央，後方の3ヶ所に設置しており，成されている．粉体ホッパは，燃料の性状に応じて，アーチンの円周方向から入るようにしている．
また，必要に応じて炉内グを防止するための撹拌機を備えている．
この撹拌機によにカメラを挿入して動画を撮影できるようにしている．

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図 4-5 ．
ブローアップダストX 線分析結果
4.4.2

炉出口温度によるダスト性状

前述の燃焼炉のブローアップを過剰に行う場合や，バーナ

写真 4-6に炉出口温度が異なる条件でサンプリングした
図4-4 ．バーナ燃焼灰 X線分析結果（上：炉内滞留物，下：炉出口サンプリングダスト）

ダストを示す．写真の左は混焼率 50%であり，炉出口温度が930 ℃程度でサンプリングしたものであるが，写真の右は混焼率70%で炉出口温度が870 ℃程度でサンプリングしたももみ殻混焼バーナの開発

もみ殻混焼バーナの開発

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５.総括のである．炉出口温度が低い場合，燃焼前のもみ殻に近い総熱量を変えずに混焼率を50%から70%に増加させると色になっており，温度が高くなるにつれて黒くなる．炉出口温

炉内温度が約 200 ℃低下し，炉出口温度は約 50 ℃低下し度が低い場合，ダストに有機分が残っているので，もみ殻かた．総熱量は変わっていないので，混焼率を70%にすることら熱量が得られていないことが推測される．

で燃焼効率が低下している。
この場合，前述のように混焼率・材料試験にて温度，時間を変更して加熱し，結晶性シリカ

炉内温度を上げるためにバーナの熱量を増加した試験を一定のまま熱量を増加 ( 重油ともみ殻燃料を増加 )させるとが発生する条件(1,000 ℃10 分以上加熱)を推定した．

行った．図 4-6に混焼率を変えずにバーナ出力を1500kW混焼率 50%と同様の温度になるため，運用上問題ないと判・バーナ試験にて燃焼炉にブローアップ設備を設置することから1670kWに増加した試験のトレンドグラフを示す．バーナ断する．
混焼率 50%,70%で試験を行った際の炉出口でサンプリの熱量を上げると問題なく炉出口温度が上がることが確認

ングしたダストのX 線分析結果を図 4-8に示す．各条件ともされた．

結晶性シリカは検出されなかった．
これらの結果より，混焼率70%までは結晶性シリカを発生させずに運用可能であると考えられる．

10. ( 社 )日本粉体工業技術協会粉塵爆発委員会編，粉じん爆発火災対策，
オーム社 (2006)

・日本で多く発生し，未利用のもみ殻を熱源としたバーナを開

もみがら灰の加熱条件とその性状，無機
11. 井上耕三ら，発した．

マテリアル，Vol.3,Jul.312-318 (1996)

筆者紹介

により，高温長時間滞留にて発生する結晶性シリカを抑制

KITANO Yuuki

した．

北野・混焼率 30% ，50% ，70%での燃焼炉出口ダストをサンプリン2015 年入社グし，結晶性シリカが発生していないことを確認した．

開発部

裕樹
開発 1課

KONTA Yuji

References

今田

1. 外務省https://www.mofa.go.jp/mofaj/ic/ch/page1w_000121.html.

雄司

2002 年入社
開発部 開発 1課

2. 社団法人 日本エネルギー学会：バイオマスハンドブック
オーム社，(2009).
第2 版，

3. FA O S TAT 2 0 1 9 , F o o d a n d A g r i c u l t u r e
写真 4-6 ．サンプリング温度の違い（左930℃,右870℃）

Organization of the United Nations (FAO).
4. 社団法人 化学工学会，日本エネルギー学会：バイオマスプロセスハンドブック，
オーム社，(2012).

5. 環境省環境再生・資源循環局 令和2年度 廃棄物の広域移動対策検討調査及び廃棄物等循環利用量実態調査報告書 (廃棄物等循環利用量実態調査編)(http://www.env.go.jp/recycle/report/R02%E5%BE%AA%E7%92%B0%E5%88%A9%E7%94%
A8%E9%87%8F%E5%A0%B1%E5%91%8A%E6%9B%B8_%E6%9C%AC%E7%B7%A8.pdf )図 4-6 ．温度トレンドグラフ（混焼率70% 熱量1500kW →1670kW ）4.4.3(2021).
6. 化 学 大 辞 典 編 集 委 員 会 ，化 学 大 辞 典 6 縮 刷 版 ，
図4-8 ．X 線分析結果（上 混焼率 50% ，下 混焼率70% ）混焼率を変えた試験

混焼率 50,70%にて試験を行った．各条件のトレンドグラフ
4.4.4

バーナ試験結果まとめ

・重油 200L/hクラスの混焼バーナでA 重油ともみ殻燃料の混焼試験を行った．の利活用，(2014)

8. 関藤 良子ら,Solubility and physical compositionof rice husk ash silica as a function of calcination

・燃焼炉に堆積したダストからは結晶性シリカが検出された

temperature and duration, International Journal

ため，ブローアップ設備を設置して，燃焼炉内にダストが堆of Recycling of Organic Waste in Agriculture

積しないようにし，結晶性シリカの発生を抑制した．

(2021)10:19-27

・混焼率 30%,50%,70%のそれぞれで結晶性シリカが発生

2022│NO.003

7. 梅田 純子ら，農作物非食部バイオマスから高純度非晶質シリカの抽出プロセスとコンクリート用混和剤としてを図 4-7に示す．

図4-7 ．温度トレンドグラフ（混焼率 50% → 70% ）(1972)

9. 梅 田 純 子ら，Hi g h-p uri t y a m o r p h o us s i l i c a

しないことを確認した．

orig inate d in rice husk s via carb ox yl ic acid

・混焼率を70%まで上げると炉内温度が低下するが，熱量l e a c h i n g p r o c e s s , J Ma t e r S c i ( 2 0 0 8 ) 4 3 :を増やすことにより温度維持が可能であることを確認した．

7084-7090

もみ殻混焼バーナの開発

もみ殻混焼バーナの開発

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