第章

2石炭利用方式の概要

第２章
横須賀研究所

石炭利用方式の概要 ● 目

エネルギー化学部

上席研究員

白井次裕三

２−１

石炭を利用した各種発電方式 …………………………………………………………………………………………… 17

２−２

微粉炭火力発電方式の特徴 ……………………………………………………………………………………………… 19

白井 裕三（1983年入所）
これまで、石炭ガス化乾式ガス精製における乾式脱硫に携わってきました。現在は、乾式ガス精製技術の実用化を目指すと共に、石炭の高度燃焼技術、高品位化技術に関する研究に力を入れて実施しています。特に、亜瀝青炭の高度燃焼技術、各種石炭の実機への適用性を事前に評価できる技術および、石炭脱灰・脱水技術の開発に力を入れて研究を進めたいと考えています。

16

２−１

石炭を利用した各種発電方式

石炭を利用した発電方式としては、石炭を燃焼した際式としては、塊状の石炭をコンベア型の燃焼器に載せて、に発生する熱を蒸気に伝えて発電する汽力発電方式と燃移動させながら燃焼させるストーカー燃焼方式が最もよ

焼ガスを直接、ガスタービンに導入して発電した後、そく用いられる方式として挙げられる。ストーカー燃焼方の排熱を蒸気に伝えて発電する複合発電方式とがある。

式では、塊状の石炭をそのまま利用できる利点を有する

また、これを用いる石炭の反応方式として、固定床、流が、過剰空気を多く必要とし、ボイラ効率も低い。また、動床、噴流床の三方式がある。

大型化が難しく、装置規模に限界がある。
流動床燃焼方式では、粒状の石炭を、気流により浮遊・流動化している石灰石や珪砂等の層に投入して燃焼2.1.1 石炭の反応方式させる。この方式は、流動床内の伝熱が良いため、ボイ図 2-1-1 に示すように、石炭の燃焼あるいはガス化反ラを小さくできる。また、800 〜 900 ℃程度の低温燃焼応方式として、固定床方式、流動床方式および噴流床方であるため、NOx の発生も少なく、さらに、炉内に石式があり、この順に、利用する石炭の粒径が小さくなる灰石を投入することにより、炉内脱硫が可能である。一と共に装置内のガス流速も速くなる。固定床方式では、方、流動化状態の粒子による、伝熱管や炉壁の磨耗に注投入された塊状の石炭は、静止した状態で空気と反応し、意する必要があること、大きな通風動力を必要とするこ燃焼あるいはガス化を行う。流動床方式では、投入されと、炉内脱硫を行うため石炭灰に石膏等が混入するので、た粒状の石炭が、空気により液体のような流動状態の層その有効利用法を考慮する必要があることなどが、課題を形成し、この層内で燃焼・ガス化が行われる。噴流床として挙げられる。
噴流床燃焼方式としては、バーナにより微粉炭を空気方式においては、投入された微粉の石炭は空気と同伴しと共に噴出して燃焼させる微粉炭燃焼方式があげられる。

つつ、燃焼あるいはガス化反応が進行する。

この方式においては、中位径数十μ m の微粉炭を使用燃焼方式を例に具体的な内容を示すと、固定床燃焼方基

噴流層

本原

大
き 小い理

ボイ粒子
空気
石炭

↑↑流動層

空気
流
速石
炭粒
径

↓↓

固定層

小
さ 大
い

空気粒子
空気
空気

ラ

概略

構

造

石炭粒径
200メッシュ通過70％
炉内流速10〜15m/s
炉内温度
1,400〜1,500℃

微粉炭焚
ボイラ

石炭粒径
10mm以下
炉内流速
1.4〜10m/s
炉内温度
800〜900℃

流動床
ボイラ

石炭粒径
30mm以下
炉内流速0.8〜1.5m/s

ストーカ
焚ボイラ

石炭粒子

石炭空気

空気
（出典：火力原子力技術協会編、火力原子力便覧）

図2-1-1

各反応方式の概略と特徴

電中研レビュー No.46 ● 17

するため、燃焼性が良く、過剰空気が少なくてすむ。さ排熱を蒸気タービンで利用して高い発電効率を得る石炭らに大型化も可能であるため、現在、電気事業においてガス化複合発電（IGCC）が代表的な発電方式である。

は、この微粉炭燃焼方式が主に用いられている。

また、石炭ガスを溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC）や固ガス化方式としては、原理的には、燃焼方式と同様の体酸化物形燃料電池（SOFC）の燃料に用いて発電し、ものが用いられている。空気または酸素などをガス化剤その排熱を蒸気タービンで利用して発電する石炭ガス化にして、可燃性成分である一酸化炭素（CO）、水素（Ｈ 2）燃料電池複合発電（IGFC）も検討されている。

を多く含む可燃性ガスを製造する。現在、主に開発され一方、流動床燃焼発電方式を複合発電に発展させた発ているガス化炉方式は、燃焼方式と同様に、大型化が可電システムとして、加圧流動床燃焼複合発電方式能な噴流床方式となっている。

（PFBC）がある。このシステムでは、加圧下で燃焼させ、800 ℃以上の高温排ガスをガスタービンに送って発電し、さらにガスタービン出口の排熱および流動床内で2-1-2 発 電 方 式の燃焼熱を蒸気として回収し、蒸気タービンで発電する。
⑴

汽力発電方式

また、このシステムに加圧流動床ガス化炉を組み合わせ

図 2-1-2 に微粉炭燃焼方式を用いた、汽力発電システ

た高度加圧流動床燃焼複合発電方式（A-PFBC）も考案されている。

ムを代表例として示す。この方式では、燃焼時に発生した熱を蒸気に変えて、蒸気タービンを用いて発電する。
微粉炭の燃焼に伴い発生する NOx、ばいじんおよび電気事業においては、主に微粉炭燃焼発電方式が採用

SOx は、後流の脱硝装置、電気集じん機および脱硫装されており、他には、流動床燃焼発電方式が１機、加圧置により除去され、クリーンになった排ガスが煙突から流動床燃焼方式が３機稼動している程度である。

排出される。流動床燃焼方式を用いた場合も、同様に蒸一方、石炭ガス化複合発電方式は、現在、実用化に向気タービンで発電するが、石灰石を用いて流動床炉内でけて鋭意開発中の方式であり、国内においては、2007脱硫を行うため、脱硫装置が不要となるなど、燃焼器、年には実証機（250MW）が運転を開始する計画となっ排煙処理システム等が、微粉炭燃焼方式とは異なる。ている。石炭ガス化燃料電池発電、高度加圧流動床燃焼発電は、開発途上の技術である。

⑵

複合発電方式

このような状況では、微粉炭火力発電方式は今後も重発電効率の向上を目指して開発が進められている技術

要な電源としての役割を担っていくと考えられ、さらなであり、図 2-1-3 に示すようにガス化炉で発生した可燃る低コスト化などを目指した技術の高度化が重要な課題

性のガスをクリーンにした後に燃焼させ、発生した高となっている。

温・高圧のガスによりガスタービンを駆動するとともに、蒸気タービン
石炭

ガス・ガス熱交換器

発電機

微粉炭ボイラ

空気粉砕機

脱硝

図2-1-218

空気
予熱器

電気集じん機
ESP

微粉炭火力発電システム

脱硫

チャー回収装置

集じん装置
脱硫装置

熱交換器
ガス化炉
コールバンカ

貯炭機

精製ガス
貯炭場
煙突
ばいじん

空気
ガスタービン

チャー
石炭船

粉砕機

スラグホッパ発電機

ガス化剤（空気）排水処理装置スラグ

排熱回収ボイラ排水
蒸気タービン
発電機

スラグ
冷却水
復水器

図2-1-3２−２石炭ガス化複合発電システム

微粉炭火力発電方式の特徴

微粉炭火力発電方式は、石炭を燃料とする発電におい定期間内に使い切るように運用している。また、サイロて最も良く利用されている発電方式である。石炭は、天内の温度が上昇する傾向がある場合には、サイロ下部よ然ガス、重油等に比べ、発熱量が低く、それに加えて、り切り出し、再びサイロ上部に充填する循環操作を行う

灰分や硫黄分、窒素分を多く含むため、ガス焚きおよびことにより放熱させる方法が用いられている。

油焚き火力発電に比べ、微粉炭火力の機器構成は、複雑となる。図 2-2-1 に微粉炭火力発電所の発電システムの2-2-2

粉砕設備

詳細を示す。微粉炭火力発電所は、貯炭設備、粉砕設備、ボイラ、排煙処理設備、灰処理設備等の設備を有する。
設備毎にその特徴を以下に述べる。

微粉炭火力では、石炭は貯炭設備より微粉炭機（粉砕機ミル）に送られ、微粉炭とした後、バーナに直接送られ、燃焼される。粉砕機としては、近年、図 2-2-2 に示

2-2-1 貯 炭 設 備

すように石炭を乾燥させながら微粉砕する竪型ローラミルが主に使用されている。

海上輸送された石炭は、貯炭場あるいはサイロに貯蔵

この方式は鉢型の皿と複数のローラからなり、ローラされる。石炭の貯蔵においては、自然発火および炭じんで鉢形の皿を一定圧力で押さえ、皿を回転させることに飛散等の防止のため、貯炭場で、石炭に定期的に散水をより、その間で粉砕する方式である。石炭は上部より供する等の対策を講じている。また、サイロによる貯炭で給し、約 200 ℃の空気で乾燥・粉砕され、70 〜 80 ℃のは、自然発火防止が重要である。自然発火は、揮発分の空気と共にバーナに送られる。粉砕粒径は、皿の回転数、多い石炭に生じ易く、危険性のある石炭については、設ローラ圧力およびミル出口部に設置されたプロペラ状の電中研レビュー No.46 ● 19

煙突

安全弁消音器

家庭
工場へ

空気
送電線

発電機
開閉所

蒸気タービン

石炭バンカ
バーナ

変圧器
復水器

給水ポンプ

構内緑化

工業用水
排煙脱硫装置などへ

温排水

冷却
水

石
炭
灰

脱硫剤
（石灰水）
電気式
排煙脱硫
集じん装置装置

空気

ボイラー予熱器
石炭灰 押込（クリンカ）ファン

微粉
灰機

工業用水 純水 純水
タンク 装置 タンク

排
煙
脱硝
装
置

石
炭

石炭灰
石こう
（フライアッシュ）

油 循環水
ポンプ

取水口

構内緑化

誘引
ファン

除じん装置

取水口

油タンク
重油タンカー

灰処理場
総合排水 排発処理装置 水電所

払出
コンベア

屋内貯炭場

受入
コンベア

冷却水

揚炭機
石炭運搬船

（出典：沖縄電力 具志川火力発電所パンフレット）

図2-2-1

微粉炭火力発電システム

回転数やローラ圧力を高くする。

石炭2-2-3

ボ イ ラ

石炭を燃焼し、熱を蒸気にして回収する装置であり、ボイラは、同じ発電量の重油焚きボイラより 1.5 〜２倍ほど大きい。これは、石炭は燃焼速度が遅いこと、燃焼後の灰が炉壁や蒸気過熱器に付着するのを防ぐため、容積あたりの発熱量を低減する必要があること、による。
粉砕された微粉炭は、搬送用一次空気と共にバーナ中央部より炉内に噴出し、その周りに二次・三次空気を噴出させ混合させることにより燃焼する。また、NOx 低減のため、バーナへの供給空気を減らし、バーナ位置よ（出典：東北電力 原町火力発電所パンフレット）り後流に空気挿入口を設置した二段燃焼法が用いられている。

図2-2-2堅型ローラミル

これらのバーナは、ボイラ容量により複数本設置されるが、その配置方法により、回転分級器の回転数で調整され、200 メッシュ（75 μｍ）①以下 75 〜 90 ％となる。この粉砕機の運転条件は、石炭の粉砕性から設定され、一般的には、硬い石炭ほど皿の20ボイラ前面と後面にバーナを配置する方法（対向燃焼）②

ボイラの四隅にバーナを配置する方法（コーナーフ

れる。脱硫装置は、一般的に、石灰石スラリーを用いてァイアリング）

SOx を吸収し、石膏として回収する石灰石-石膏法が用がある。

いられている。

ボイラにおいては、燃焼により溶融した灰が炉壁や伝熱管に付着して収熱の低下、および炉内圧力損失を大きくする現象が生じることがあり、これをスラッギングと

2-2-5

排水処理設備呼ぶ。また、灰中のナトリウム分等の揮発成分が蒸気過熱器などに、凝縮して付着することにより、伝熱の阻害発電所の排水には、生活排水、含油排水、一般排水おや圧力損失の増大を引き起こすこともあり、この現象をよび脱硫排水がある。これらの排水は、石膏、フライアファウリングと呼ぶ。スラッギング、ファウリングは、

ッシュ等の浮遊物質（SS ： Suspended Solid）や油、重灰の性状に密接に関連するため、その防止策はボイラ毎金属などそれぞれ含む物質が異なっているため、図 2-に指針が定められている。

2-3 に示すように排水毎に個別に処理された後、濾過器および吸着器を経て放水するという複雑な排水処理シス

2-2-4テムで処理される。

排煙処理設備排水処理規模の大きい一般排水および脱硫排水処理シ
ボイラ出口ガスには、ばいじん、NOx および SOx がステムにおいては、先ず懸濁固体や重金属が、凝集沈殿含まれているため、これらを除去するための排煙処理設槽で沈降分離される。分離後、濾過器で微細な粒子が除備が設けられている。NOx を除去する脱硝装置には、去され、さらに活性炭などを用いた吸着器で化学的酸素350 ℃程度で触媒上で吹き込まれたアンモニアと反応さ要求量（COD ： Chemical Oxygen Demand) に関わるせ、窒素と水蒸気に分解する接触還元法（SCR 法）が物質を取り除き、排出されている。また、フッ素を多く主に用いられる。脱硝後、電気集じん機によりフライア含む排水では、その除去のためカルシウム塩やアルミニッシュが除去され、冷却後、脱硫装置で SOx が除去さウム塩が凝集沈殿槽に添加されている。

生活排水

浄化槽
（BOD除去）含油排水

油水分離ろ過（油分除去）

活性炭CR
合成吸着剤
吸一般排水

放流

着（COD除去）
排水貯槽

脱硫排水

凝集沈澱（貴金属除去）

凝集沈澱
排水貯槽

（フッ素除去）火力原子力発電技術協会編、「火力原子力発電50年のあゆみ」、火力原子力発電、Vol.51,No.10 (2000)

図2-2-3

排水処理フロー

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