NIKKO TECHNICAL REPORT

木質バイオマス発電設備におけるタール燃焼装置の開発
今田 雄司・北野裕樹

YUJI konta，YUUKI kitano
日工株式会社ことができないため産業廃棄物として取り扱う必要がある。

である木質タール，木酢液，洗浄水を化石燃料による助燃を従来は，産業廃棄物の減容化を図って処分費用を削減す行わずして，自立燃焼による無害化処理を可能としている。

るために化石燃料を燃やして水分を蒸発させている。
これら

そして，同タール燃焼装置は，木質タール燃焼用の予熱空のことはバイオマス発電所の生産性を低下させることだけで気バーナ2 基と，余剰ガス及び副産物の無害化処理の反応

こなく，CO ₂削減という大義に沿わない側面をも含んでいる。

器となるタール燃焼炉で構成している。

れらのことを鑑みて，可燃性の木質タールと水を主成分とす

2 基の予熱空気バーナは，重質タールの燃焼を専用とする木酢液や洗浄液を同電設備内で無害化するためのター

る重質タールバーナと軽質タールの燃焼を専用とする加熱ル燃焼装置を新たに開発するに至った。

軽質タールバーナに区別される。
まず，タール分離槽で比重ター
本稿では，弊社バイオマスバーナ1)の技術を基盤とし，分離し沈殿した重質タールは，タール燃焼装置の主燃料としルの自立燃焼により外部から電力や化石燃料の新たなエネて重質タールバーナへ供給される。一方の上澄み液は，
ター

昨年（2021年）11月に開催されたCOP26では，世界197ヵ国に及ぶ締約国より温室効果ガス排出量の削減に関するルギーを供給することなく，しかも，副産物である木酢液や洗ル燃焼装置で発生する燃焼廃熱を利用して加熱器で蒸発野心的な目標が報告されている。先進国の一員である我が国は，英国や米国などと競うようにして2050年の温室効果浄液を無害化処理することを目的として開発したタール燃焼減容化され，濃縮された残留液を加熱軽質タールと称してガス排出量実質ゼロを目指すことを目標に掲げており，これを達成するためにもカーボンニュートラルに向けた新しい技術装置についてその詳細を報告する。

加熱軽質タールバーナへ燃料として供給している。
この加熱概要の開発が急務とされる。
中でも，バイオマス発電は，2011年のFIT制度施行にともない拡大推移して来ているものの，燃軽質タールは，燃料としての燃焼性を向上させるために低位料となる木質バイオマス燃料の調達などの制約により，その設置場所が限定的となり普及の足枷となっている。
そこで，発熱量で21,100kJ/kg 以上になるまで加熱濃縮している。

国は，同燃料の調達の制約が少ない2,000kW未満の小型バイオマス発電の電力買取価格を割増にして普及に拍車を掛けている。
ただし，小型バイオマス発電所で副産物として大量に生成する木質タール，木酢液，洗浄水などを処分する

2. タール燃焼装置

他方の蒸発したタール成分を含む水蒸気（以下，フラッシュ

バイオマス発電設備フローを図 2-１に示す。図よりガス化蒸気と記述）は，タール燃焼炉に還元して余剰となった木質炉で木質チップを熱分解すると，可燃性ガス（以下，生成ガ

さらに，熱バラガスと共に850 ℃で酸化分解し無害化される。

本稿では，木質タールの自立燃焼をはかることにより外部から電力や化石燃料などのエネルギーを供給すること無く，ス）が発生する。
この生成ガスはタール成分や木粉などの不ンスの変動により炉内温度が850 ℃を超えないように，清水をしかも，カーボンニュートラルでこれらの副産物を無害化処理することを目的に開発を進めたタール燃焼装置についてそ純 物を含むことから，これらを除 去するために湿 式スクラ炉内に噴霧して熱バランスを保っている。加えて，エネルギーの詳細を報告する。

バーで洗浄してガスエンジンへ燃料として供給される。一方の有 効 利 用の観 点より，タール燃 焼 装 置から排出されるの洗浄水は，前述のタール成分をはじめとする副産物を多く850 ℃の排ガスから熱交換器を介してフラッシュ蒸気の加熱含んでいることから，タール分離槽で静置され，比重差によりと燃焼空気の予熱を行っている。

ことが同発電事業の生産性を低下させCO₂削減に逆行する新たな課題を残している。

１. 緒言

発電技術である。

酢酸を含有した上水液 2-3)の軽質タールと沈殿した重質ター

なお，年に1 度程度の極めて稀な頻度ではあるが，発電2021 年の11月にCOP26（ Conference of the Party：

そして，この発電設備は，カーボンニュートラルの燃料とし国連気候変動枠組条約第 26 回締約国会議）が英国のグてバイオマス（木材チップ等）を用いて，電力を生産していラスゴーで開催され，世界 197か国に及ぶ締約国の取組がる。
これにより生産された電力は，再生可能エネルギーの固従来のガス化発電システムでは，ガスエンジンで燃料としして使用することができない低質な木質ガスが生成されるた「勝発表されている。我が国では，岸田総理が2030年までを定買取制度 ( 以下，FIT 制度 )として取り扱われ，FIT 制度のて利用することができないこれらの副産物を産業廃棄物としめ，洗 浄を行わず直 接 燃 焼 炉 へ 導 入して無 害 化 処 理をと位置づけ温室効果ガスの削減目標や今後の負の 10 年」

下，
プレミアム価格で売電することにより，本事業の収益性をて処分する必要があった。
これらのことに鑑みて，今回新た行っている。

支援など，脱炭素社会へ向けた取り組みを表明している。
そ改善するとともに，山林の未利用材を使用することで森林のに開発したタール燃焼装置は，余剰となる木質ガス，副産物して，COP26としては，パリ協定で示された世界全体の平再生とカーボンニュートラルを実現できるバイオマス発電の普均気温上昇を今世紀末までに2.0 ℃未満に抑えることを目標

及に拍車を掛けようとするものである。とし，可能な限り1.5 ℃未満に抑えるように努力していくことがこれらのバイオマス発電設備には，一般的に採用されるガ再確認された。
このことから，これらを実現するための脱炭ス化方式として，アップドラフト方式とダウンドラフト方式が多く素へ向けた新しい技術開発のスピードは，今後加速していく採用されている。
アップドラフト方式は，ガス化剤の流れが材ものと考えられる。

料投入と向流で流れる方式である。
この方式は酸素濃度制

このような国際情勢の中，我が国では，2021 年 10 月に御，乾留温度制御，生成ガス量の制御に優れているが，木を策「 2050 年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」

質タールの生成量が多くなるため，そのままの状態でガスエ定し，その中で脱炭素社会の実現を目指すことの宣言と，ンジンへ木質ガスを導入すると内燃機関内部で故障が発生

2030 年までのCO ₂の削減量を46％と提示し，2050 年にはする。

カーボンニュートラルの実現を掲げている。

設備の運用開始や停止時において，ガスエンジンで燃料とそのため，湿式スクラバーにより木質ガスを洗浄し，そのまこれらを実現する新しいエネルギー利用技術として，風力，地熱，水力，太陽，バイオマス発電がある。特に，バイオま洗浄液はタール分離層で分離され，上水は加熱軽質ター
ル，沈殿したものは重質タールの燃料に分離される。

マス発電は季節変動や昼夜問わずして安定操業が可能な

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ルとに分離される。

これらの木質ガス以外の副産物は直接発電に利用する

図2-1.

木質バイオマス発電設備フロー

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表2-3 ．熱収支より設計した燃焼炉寸法２．
１ タール燃焼炉

まず，断面 Aに着目すると，タール燃焼炉の右側から炉の写真 2-1に示すタール燃焼炉は，発電設備から発生する中心部分に向かって加熱軽質タールが噴霧されている。そ臭気を含むフラッシュ蒸気や余剰となる木質ガスなどの可燃して，生成ガスとフラッシュ蒸気とが接線方向から導入される性ガスを安全に酸化分解して無害化することができる装置

ことにより，炉内に旋回流が発生し加熱軽質タールの燃焼火である。

炎が旋回方向に流されている様子が確認できる。そして，
こ同タール燃焼炉は，実際のバイオマス発電設備から発生の燃焼火炎が旋回流と混合しながら炉の中心部に向かってする重質タール，加熱軽質タールのサンプルより元素分析と均熱化がはかられつつあることがわかる。そして，ガス体は，発熱量を測定し，フラッシュ蒸気はメーカーからの分析デー温度が低いほど密度が高く，遠心力により炉内外周部を中タを使用して設計を行った。同タール燃焼炉の大きさは，炉心に流れ，炉内壁面の温度が低下する傾向になっている。
つぎに，断面 Bに着目すると，清水を噴霧しているノズルの先内における熱負荷を12.6×10 5 kJ/m 3 h（ 350kW/m 3 ）以下に抑えるように設計している。燃焼室の基本構造は次項で触れるシミュレーションを用いて熱風とフラッシュ蒸気の混合

２．
２ 流体シミュレーション

タール燃焼炉写真2-1 ．

状態を各種評価し，燃焼炉の形状と詳細な大きさや重質タールノズル，加熱軽質タールノズル，清水ノズルの位置を決定している。
そして，同燃焼炉は，導入したフラッシュ蒸気や余剰となる木質ガスを無害化するのに必要となる2 秒以上の滞留時間を確保できる内部容積に設計している。
さらに，安全と省エネルギーの観点から，同燃焼炉の鉄皮温度が100 ℃以下になるように，耐火材の全層厚を300 ㎜とし，断熱性に優れる耐火材を外側に耐火性に優れるものを内側に施工する2 層施工としている。次に図 2-2にタール燃焼炉の全体図を示す。図より，加熱軽質タールノズルと清水ノズルは，処理ガス

図2̶2．
タール燃焼炉全体図の流れに沿うように炉体に斜め後方から炉の中心部に向けて挿入している。
なお，タール燃焼装置の検討に用いた各種条件設定値とタールの物性値を表 2-1と表 2-2に，設計した

端近傍で炉内温度が急激に低下するも，加熱軽質タールの同燃焼炉は臭気成分を含んだフラッシュ蒸気や生成ガス燃焼火炎と同様に旋回流よりも中心部に向かって均熱化がを炉内円筒断面の接線方向から導入することにより旋回さはかられていく様子かわかる。最後に断面 Cに着目すると，せ，炉の中心部分で水平に高速燃焼するバーナ火炎が，周断面 Aと断面 Bでは旋回流を主体とする混合機構が働いて囲で旋回しているこれらの可燃性ガスをエジェクション効果いたことに対して，断面 Cでは，絞り効果による縦渦を主体とにより巻き込んで混合燃焼することを基本コンセプトとしていする混合機構が働いている。
このことによりタール燃焼炉出る。そして，この効果を確認するために，流体シミュレーション

口においては炉の中心部から外周に至って均熱化が進みソフト「 STAR-CCM 」（シーメンス社製）を使用して燃焼ガス均等な温度分布になっていることが確認できる。の流れ方向と温度分布のシミュレーション解析を行っている。

なお，燃焼炉内の絞りは圧力損失が増大し，設備全体のさらに，詳細な炉内構造の検討を行うために，図 2-3に示風量バランスに影響を与えることが想定されるため，絞り部

すタール燃焼炉の3Dモデルを用いてシミュレーション解析をの有効断面積が78％になるように設計している。以上のこと行った。図より，炉内部の流れや温度分布に局所的な偏りがより，本シミュレーション結果を用いて，加熱軽質タールノズル生じないように，炉内に図 2-4に示す絞り部を設けることによの設置位置及び炉内の絞り断面積の最適化をはかることがり，ガスの流速を高めて攪拌を促進させている。同タール燃可能となった。

焼炉においては，この絞り部の位置とその内径との関係が表 2-1.

熱収支の入力条件

燃焼炉の性能を大きく左右するために，同シミュレーションを駆使して，これらの関係性の最適化をはかっている。
なお、
シ燃焼炉の仕様を表 2-3に示す。

表2-4 ．流体シミュレーション計算条件

ミュレーションに使用した計算条件を表2-4に示す。

また，同発電所より発生する常温の重質タールは動粘度

つぎに図 2-5に本シミュレーションの結果を示す。図より，が高く，バーナノズルでの霧化が難しい燃料であるため，動断面 Aは，重質タールの燃焼ガスに加熱軽質タールノズル粘度を下げて霧化を改善するために加温が必要となる。
こ（バーナ）から噴霧した加熱軽質タールの燃焼状況を表してのことから，重質タールと加熱軽質タール共にタンクでの貯いる。断面 Bは，炉内温度の上昇を抑制する清水の噴霧状蔵温度を80 ℃としている。一方，重質タールの加熱温度が況を表している。断面 Cは，タール燃焼炉出口における混合50 ℃を下回ると動粘度が50cStよりも高く流動性が悪くなり，ガスの状態を表している。

配管内で閉塞することを確認している。そして，配管内の残留圧力にもよるが，重質タールが水溶性を示すことから加熱温度を高めすぎると水分が無くなり，タールが配管内で固着

タール物性値
表2-2 ．

してメンテナンスが極めて困難になる。
したがって，
タール燃焼炉を運用する上で，重質タールや加熱軽質タールの燃料温度を50 ℃~80 ℃の範囲で管理することが最も重要である。
図 2-4 ．燃焼炉絞り部
図2-3 ．燃焼炉3Dモデル
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２．
３ 重質タールバーナ
写真 2-2に示す重質タールバーナは，図 2-6の重質ター
ルバーナ構造図に示すように，バーナ本体の内部に灯油噴同時に空気比制御している。
これより，不安定な性状の燃料

写真 2-3 に示す加熱軽質タールバーナは，重質タールであっても流量に対して燃焼空気量を自動調整し，空気不足にならないように運用できるシステムを構築している。

霧用ノズルと重質タール噴霧用ノズルを並列に搭載しておバーナと同様に圧縮空気を噴霧媒体とする2 流体ノズルを使用し，炉内で燃焼している重質タールの火炎に加熱軽質り，両者共に圧縮空気を噴霧媒体とする2 流体ノズルを採用

タールを噴霧して燃焼させるバーナである。
そして，本バーナしている。
さらに，同タール燃焼炉の廃熱を燃焼空気の予熱は，図 2-9に示す構造をしており，噴霧した加熱軽質タールに有効利用すると共に，従来のメタリック製のミックスチャンは燃焼炉内で燃焼している重質タールの火炎とキャスタブルバーに代えて蓄熱容量が大きい耐火キャスタブル製とするこからの輻射熱をうけることにより燃焼を安定させている。
とことにより保炎効果を高めている。

ろで，加熱軽質タールの噴霧ノズルは，写真 2-4に示すよう同発電設備は，年 1 回の定期点検時に完全停止状態かな二重構造とし，内側を加熱した80 ℃の加熱軽質タールが，ら起動するが，その時のみ最初の4 時間は灯油を使用する。

B断面：水ノズル噴霧２．
４ 加熱軽質タールバーナ

外側を常温の噴霧用圧縮空気が流れる構造としている。従そして，炉内が規定の温度に上昇すると重質タールの噴霧を開始し，灯油と重質タールとの混焼燃焼での運用となる。

来のタール燃焼ノズルを使用すると，噴霧用圧縮空気によりこの時は，灯油の燃焼量のみで炉内の温度制御を行ってい加熱軽質タールが冷やされてすぐに固着してしまう現象がる。そして，燃焼炉出口が設定温度 800 ℃~850 ℃まで昇温起きている。

し，灯油の燃焼量調量弁開度が一定時間低開度で維持されると灯油の噴霧を停止して重質タールのみの専焼に切り替わる。
さらに，燃焼炉が昇温してから一定時間経過後に，加熱軽質タールバーナの運転が開始され，燃焼炉内部の重写真 2-2.

重質タールバーナ

予熱空気

質タールバーナの火炎に向けて加熱軽質タールが噴射され，重質タールと加熱軽質タールの混焼が開始される。
本バーナにおける燃焼量制御は，設備内で発生する重質

C断面：燃焼炉出口

タールと加熱軽質タールとを燃料としてタール燃焼炉で全量消費する必要があるため，これらのタール発生量とのバランスを勘案して任意に設定できるようにしている。灯油使用時に

図2-6 ．重質タールバーナ構造図

は排ガス温度制御，重質タール専焼の場合にはタール燃焼量を任意で設定する流量制御を行い，重質タール専焼のみ
写真 2-3.

で炉内温度が 850 ℃以上の温度になるように流量を設定し加熱軽質タールノズルている。
そして，炉内温度が850 ℃を超える場合には，清水を噴霧して炉内温度が850℃になるように温度制御を行っている。
なお，運用中にタール燃焼炉出口の温度が低下したときには，灯油による補助燃焼で再度昇温を行っている。
これらのタール燃料は，前述したように水溶性で不安定な性状を示すため，温度が一定であっても動粘度が常に変動

A断面：加熱軽質タールノズル燃焼しており，調量弁が同じ開度であっても流量が変化すること

図 2-7 ．燃焼量が一定の空気比制御になる。
このことから，燃焼空気量の調整は実際の燃料の流量値より計算して燃焼に必要な空気量を調整している。
さらに，燃焼空気ダクトには風量計を設置し，タッチパネル上で空気比を入力することで，燃料の実流量に対しての空気比制御を可能にしている。図 2-7に燃焼量が一定のまま空気比
図 2-5 ．
シミュレーションの断面温度分布の設定値を変更した時の運転中の各トレンドを示す。

写真 2-4.

図 2-8に，加熱軽質タールの燃焼量を変更したときの空気

加熱軽質タールノズル（従来品）比制御の各トレンドを示す。図より青線で示す燃焼量が設定値となる様に流量制御していることと，緑線でしめす風量も2022│NO.003

図 2-8 ．燃焼量，空気比の同時制御木質バイオマス発電設備におけるタール燃焼装置の開発

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そこで，加熱軽質タールノズルの改善案として，写真 2-5

３．
タール燃焼装置の運転燃焼炉内のノズル導入位置と形状を最適化することができたため，タール燃焼装置の排ガス無害化処理性能を発揮に示すように液体燃料が流れる経路と噴霧エアが流れる経

ここでは，発電設備の定格出力運転中におけるタール燃路とを分離して，加熱軽質タールが冷却されない特殊ノズル

そ焼装置の2つの事例であるRUN1 ，RUN2とを比較する。に変更している。
また，加熱軽質タールを使用していないときの時の比較運転データとしてRUN1を図 3-1に，RUN2を本装置で開発したバーナは，弊社のバイオマスバーナのにノズル先端のタール残渣が高温な炉内の輻射熱を受けてタール燃焼装置の運用は，年間を通じての加図 3-2に示す。

技術を基盤に予熱空気使用，燃焼空気量の自動制御を導固着し詰まりが発生した経緯があるため，ノズル全長を短く

熱軽質タールと重質タールの発生量を日々管理し，それぞれ入したバーナである。
これらの技術は，今後もバイオマス発し，図 2-9に示すように予熱空気でノズル先端部を冷却できる構造に変更している。
そして，このノズルは，動粘度が高いのバーナの出力バランスを任意に変更して管理している。
しるときには極めて詰まり難い構造になっている。
なお，本加熱で安定して燃焼することができるバーナが求められる。

幅広く製品展開できると考えている。

大量に発生する場合があり，表 3-1に示すように低位発熱に到達しない状況
量が基準値（低位発熱量 21,100kJ/kg ）References
1. 前田道路㈱ 傳田喜八郎 /日工 ( 株 ) 今田雄司：アスファ

図3-1. 運転データRUN1で噴霧する運転の頻度が高くなることは否めない。
図 3-1より，RU N1 の運 転では，重 質タール燃 焼 量が軽質タールバーナは，季節変化による木質燃料の含水量が増減し，加熱軽質タールの生成量が大きく変動しても，連続電設備内のバーナやアスファルトプラント用のバーナとしてもかしながら，季節変動や運転状況により加熱軽質タールは液体や，異物が混入している液体，液体温度が低下すると固着するような今回の加熱軽質タールなどの燃料を噴霧すし，現在も問題なく稼働している。

ルトプラント用ガス・バイオマス燃料混焼バーナの開発，
日

85kg/h ，加熱軽質タール燃焼量が200kg/hで運用してい本工業出版，建設機械 2017 年 1月号，技術資料，p.10

る。
この時，炉内温度を制御する清水噴霧量は0L/hで燃焼(2017).

この運用に対して，炉内温度を800 ℃以上で運用している。

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

図 3 - 2 に示 す RU N2 の運 転では，重 質タール燃 焼 量がオーム社，(2009).
第2 版，

50kg/h ，加熱軽質タール燃焼量が 300kg/hで，炉内温度3. 社団法人 化学工学会，日本エネルギー学会：バイオマ

が850 ℃となる様に清水噴霧量を200~300L/hの範囲で噴スプロセスハンドブック，
オーム社，(2012).

霧し制御しているのがわかる。RUN1よりもRUN2の方が加4. 化 学 工 学 会 編：化 学 工 学 便 覧

熱軽質タール中の水分量が少ないことから，このときの加熱軽質タールの濃縮度合いに差があり，低位発熱量も大きく異第 7 版 ，丸 善 出 版 ，(2012).

なっている状況での運用である。
以上のように，本タール燃焼装置は，重質タールや加熱軽図3-2. 運転データRUN2

筆者紹介

質タールの物性値が大きく変動しても臨機応変に対処可能な機器や制御方式で構成している。
そして，加熱軽質タール

図 2-9 ．加熱軽質タールノズル構造図

を安定して炉内で噴霧させることで，無害化に必要となる炉内温度を継続的に維持することが可能である。
さらに，本タール燃焼装置に搭載しているバーナには，燃料の燃焼量からフィードバックを行い必要となる燃焼空気量を自動調整する制御システムを導入している。
このことから，空気比を任意に設定するのみで燃焼空気量を精度良く調整でき，しかも，燃料の物性値が変化することによって燃焼量が大きく変動しても燃焼空気量の調整を自動で行うことができる。

今田

日工で開発した本タール燃焼装置により，木質バイオマス発電設備内で発生する重質タールと加熱軽質タールを化石燃料の代替燃料として有効利用することを可能にした。
これまで，バイオマス発電ではタールを成分とする副産物が多く発生することで，これらの廃棄処理費用の問題やタールを含む蒸気からの臭気問題などが運用上の問題となり，従来のタール燃焼装置を用いることで，これらの問題が解決し，定度が基準値の4％前後に収まるように中央操作室で監視し格出力を維持しつつ年間を通しての安定した運用が可能にながら燃焼空気比の設定を変更することが随時できることなった。

雄司

2002 年入社
開発部 開発 1課
KITANO Yuuki
北野裕樹

2015 年入社

開発部

最大出力能力を下げて運用することもあったが，本開発した

加えて，これらの自動制御システムは，排気煙道の酸素濃から，急激にマテリアルバランスが変化して酸素不足に至っ

写真 2-5 ．加熱軽質タールノズル（特殊品）

KONTA Yuji

４ まとめ

開発 1課

そして，本装置を設計する上でキーポイントとなるのは，た時でも瞬時に対応することが可能である。
・フラッシュ蒸気の導入位置

表 3̶1. 加熱軽質タール物性値

・加熱軽質タール特殊ノズル
・加熱軽質タールの燃焼する基準熱量
・生成ガスの自立燃焼する条件以上の4点である。本開発においてシミュレーションソフトで2022│NO.003

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