第章

8

微粉炭火力用燃料の多様化

第８章
CS 推進室

微粉炭火力用燃料の多様化 ● 目
受託推進グループ

次

部長

牧野

尚夫
道隆

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

池田

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

日恵井佳子

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

神田

英輝

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

小野

哲夫

８−１

研究の背景 ………………………………………………………………………………………………………………… 89８−２

低発熱量炭の利用 ………………………………………………………………………………………………………… 89

８−３

難燃性石炭の利用 ………………………………………………………………………………………………………… 95

８−４

今後の展開 ………………………………………………………………………………………………………………… 97

コラム３：高灰分炭・高水分炭の改質技術 ……………………………………………………………………………………… 98
コラム４：CWM乾式製造技術 …………………………………………………………………………………………………… 99

牧野尚夫（10ページに掲載）（8-1、8-3、8-4執筆）

池田 道隆（1994年入所）
微粉炭の低 N O x 燃焼技術および低負荷
対応燃焼技術の開発に携わった後、高水分あ
るいは高灰分の低品位炭や、高燃料比炭を対象に、それらに適した微粉炭燃焼技術の開発を行ってきました。現在は、亜瀝青炭の高度
燃焼技術の開発に従事しています。
（8-2執筆）日恵井佳子（1996年入所）
今まで石炭の高品位化研究や固体電解質形
燃料電池部材の研究等を実施してきました。
現在は、そのままでは直接利用できない高灰分炭なども、発電所で利用可能にする脱灰技
術について検討を行っています。今後は、この脱灰技術開発を通して、火力発電技術における利用可能炭種の拡大、ならびに発電コストの低減に貢献していきたいと考えています。
（コラム３執筆）

神田 英輝（2000年入所）
入所以来、高灰分炭から簡易に脱灰する技術の開発に取り組んできました。現在は、低コストで省エネルギーな脱水プロセスを実現するため、亜瀝青炭・褐炭の脱水技術に取り組んでいます。また、石炭灰を輸送する過程
で、石炭灰の流動性が悪化する「固着現象」を防止するための研究にも従事しています。
（コラム３執筆）小野88

哲夫（76ページに掲載）（コラム４執筆）

８−１

研究の背景

要な燃料として特に注目されている⑶。

現在、我が国の微粉炭火力においては、発熱量が6,500 〜 7,000kcal/kg と高く、燃料比が 1.0 〜 2.5 程度の高水分炭の燃焼特性を検討する上では、石炭中の水分

適切な燃焼性を持ち、水分含有率が 10 ％以下でかつ、が、石炭中に含まれたまま液状の水分として火炉に注入

不燃の灰分含有率が 5 〜 20wt ％程度の瀝青炭が用いらされる場合と、粉砕機で粉砕する際に石炭から分離・蒸⑴

れている 。しかし、今後の発展途上国のエネルギー需

発してガス状になって火炉に注入される場合とを区別し要の増大、石炭輸出国の供給能力の上限、などを考えたて評価する方が現象を正確に捉えやすい。当研究所では、

場合、現在使用している瀝青炭の供給が次第にタイトにこれらの燃焼特性への影響評価を詳細に行うと共に、そ⑵の燃焼性を改善するための燃焼条件の開発ならびに、実なってくる可能性も懸念されている 。

機において最も容易な適用形態である瀝青炭との混炭燃

このような状況の中で、一層の燃料供給力強化の観点

焼時の特性解明を行っている。

から、現在の微粉炭火力で使用されている石炭の性状範囲を外れた石炭種についても、その利用を可能にするた

高灰分炭は、高水分炭ほどの賦存量はないものの、アめの技術開発が重要になってくると考えられている。既ジアに多く産出するなど、我が国の燃料として有望な側に 4 章で述べたように、当研究所では未利用の石炭種の面を有している。但し、その利用にあたっては、灰分量適用可能性を判定する手法を開発しているが、今後は、の増大に伴う、燃焼性の低下、石炭灰排出量の増大など

さらに性状の大きく異なる石炭、すなわち低発熱量の低の問題点がある。当研究所では、石炭中灰分の NOx 生

品位炭や、難燃性の高燃料比炭などの利用も考慮しなけ

成特性や燃焼効率への影響解明を行ってきている。
一方、難燃性の高燃料比炭は、着火性が悪く NOx もればならず、その場合には、それらに適した新たな燃焼生成しやすいなどの欠点を持つ反面、発熱量が高いため技術の開発等も必要になる。
発熱量の低い低品位炭の中でも、褐炭・亜瀝青炭等の輸送コストが相対的に安くなるなどのメリットも有して高水分炭は非常に埋蔵量が多く、また、一般的には灰分いる。当研究所では、着火性、NOx･灰中未燃分の生成

含有率が少ないことにより灰処理量が少なくなる、など特性を中心に高燃料比炭の燃焼特性を評価すると共に、のメリットもあるため、未利用の石炭種の中でも今後重瀝青炭との混炭燃焼時の特性を明らかにしている。

８−２

低発熱量炭の利用

今後のエネルギー源強化の上で、水分や灰分が多く発熱量の低い低品位炭を微粉炭火力で利用するためには、

８-２-１ 高水分炭の燃焼特性

水分や灰分が微粉炭燃焼特性に及ぼす影響を把握しておく必要がある。

高水分炭には、亜瀝青炭、褐炭などの炭化が進んでい当研究所では、石炭燃焼量 100kg/h（瀝青炭ベース）ない石炭が含まれる。特に、亜瀝青炭は埋蔵量が多く発の石炭燃焼試験炉を用いて、高水分炭および高灰分炭の熱量も約 5,000kcal/kg（20MJ/kg）と比較的高いため有微粉炭燃焼特性について評価しており、中でも埋蔵量は望な燃料として期待されているが、水分含有率が高いた

瀝青炭に次いで多いが水分を多く含む亜瀝青炭について

め着火性が悪いなどの問題点がある。当研究所では、亜は、その燃焼技術を開発している。

瀝青炭の微粉炭燃焼特性を評価し、バーナ操作条件などの燃焼調整により、着火性の改善および NOx と灰中未燃
分排出量の低減を図る⑷〜⑹と共に、最も利用しやすい形

電中研レビュー No.46 ● 89

態である瀝青炭との混炭燃焼時の特性も明らかにした⑺⑻。

がどういう状態で火炉に流入するかを明らかにする必要

400

NOx濃度（ppm）

ただし、これらの評価にあたっては、亜瀝青炭中の水分500がある。すなわち、ミル内で蒸発して気体状でバーナから噴出するか、石炭中に水分として存在するかで、その影響は異なる。当研究所では、それぞれの影響を詳細に評価するため、水分の形態を変化させて検討を行ってい⑴

亜瀝青炭専焼時の燃焼特性⒜

瀝青炭に適したバーナ操作条件下における亜瀝青炭

ワラ炭
二段燃焼率30％
空気比1.24

300
200
記号
○
△
□

100
0

る。

二段燃焼用空気注入位置0

図8-2-2

1

微粉炭中水分
0.2
0.3
0.6

ガス状水分
0.4
0.3
0.0

2
3
4
5
バーナからの距離（m）

6

7

微粉炭中水分濃度と火炉内中心軸上
NOx濃度の関係の燃焼特性
瀝青炭燃焼時と同様のバーナ操作条件で、亜瀝青炭をくなるほど、着火が遅れるため、NOx の生成が遅れる

燃焼させ、微粉炭燃焼特性を評価した。図 8-2-1 に火炉と共に NOx の還元が遅れるため、火炉出口での NOx 排

内に投入する全水分濃度(火炉内水分供給量/無水基準石

出量は増大する。すなわち、亜瀝青炭を瀝青炭と同じ条

炭供給量)は 0.67 と一定で、微粉炭中水分濃度(微粉炭中件で燃焼させると着火の遅れと共に NOx 濃度が高くな

水分供給量/無水基準石炭供給量)とガス状水分濃度(火炉る問題点が明らかになった。

内蒸気供給量/無水基準石炭供給量)が異なる場合の火炉⒝

バーナ操作条件調節による亜瀝青炭燃焼特性の改善

内の O2 濃度分布を示す。亜瀝青炭は瀝青炭に比べ、着亜瀝青炭燃焼時の問題点である火炎の広がりを抑制す

火が遅くなると共に、火炎が広がる特徴を持ち、特に、る方法としては、バーナから吹き出す空気の旋回を弱め

その傾向は、微粉炭中水分濃度が高くなるほど大きくなる方法が考えられる。そこで、２次空気、３次空気につった。着火が遅れる原因としては、亜瀝青炭に多く含まいて検討を行い、２次空気の旋回角度を弱めた場合に、れる水分が酸素分圧を下げると共に、液状の水分はバー

燃焼火炎の拡散が抑制されると共に、着火位置がバーナ

ナ直後で蒸発するためにバーナ近傍での温度が低下する

近傍に近づくことを明らかにした。この際、バーナ近傍ことが挙げられる。この温度低下は微粉炭中水分濃度がの火炎温度が高くなり､非常に安定した火炎が維持でき高いほど大きくなるので一層着火が遅れると考えられる。

た。図 8-2-3 には、２次空気旋回角度と火炉出口 NOx

また、火炎が拡散した原因としては、亜瀝青炭は密度が濃度との関係を示している。２次空気旋回角度が 54deg

小さいことに加え、火炉内で微粉炭粒子が水分の蒸発にの場合に、火炎の広がりを抑制でき、火炉出口の NOx

より膨張・破裂するために小さくなり易く、バーナから濃度が抑制できることが明らかになった。

旋回しながら吹き出す空気により、粒子が拡散し易くな

石炭中水分の粉砕時の蒸発状態が異なる三条件についると考えられる。本条件における火炉内中心軸上のて、バーナ操作条件を最適化した際の NOx ・灰中未燃

NOx 濃度分布は図 8-2-2 になり、微粉炭中水分濃度が高分排出特性を図 8-2-4 に示す。NOx と灰中未燃分の排出
O2濃度（％）

0バーナからの距離（m）

1
2
バーナからの距離（m）

微粉炭中水分濃度0.20

微粉炭中水分濃度0.30

12

図8-2-1903O2濃度（％）

バーナ

バーナ

バーナ

O2濃度（％）

0

3

0

1
2
バーナからの距離（m）

微粉炭中水分濃度0.67

亜瀝青炭燃焼時の火炉内O2濃度分布（全水分濃度0.67）

3

600

400
*（ ）の点はワラ炭
燃焼が不安定（亜瀝青炭）

300
200

ニューランズ炭
（瀝青炭）

100
0

２次空気分配率：14.5％３次旋回角度：72deg
20

30

40

50

60

70

80

500

500

2次空気旋回角度 A/C NOx濃度 灰中未燃分濃度
2次空気旋回角度
81
2.2
△
○
54
2.2
▲
●
54
1.9
▼
◆

400

ワラ炭（微粉炭中水分0.6）
二段燃焼率30％
空気比1.24

300
200

20

A/C=1.9
10

100

A/C=1.900.1

図8-2-4

30

0.2

0.3
0.4
0.5
微粉炭中水分濃度（−）

2015
空気比1.24
二段燃焼率30％

200

10
5

100
0

1
2
3
4
5
二段燃焼用空気注入位置（m）

図8-2-50

6

二段燃焼用空気注入位置とNOx、灰中未燃分
濃度の関係

亜瀝青炭燃焼時に NOx ・灰中未燃分の低減に適した二40
灰中未燃分濃度（％）

火炉出口NOx濃度（ppm）

２次空気旋回角度と火炉出口NOx濃度との関係

25

300

２次空気旋回角度（deg）

図8-2-3

Uc

アダロ炭
ワラ炭

400

0

90

30
NOx

灰中未燃分濃度（％）

火炉出口NOx濃度（ppm）

火炉出口NOx濃度（ppm）

瀝青炭使用時の最適旋回角度段燃焼用空気の注入位置は、バーナから約 3.8 ｍの位置と考えられる。これは、瀝青炭において最適となる位置であるバーナから 3.0 ｍ離れた位置に比べ、若干、後方となる。亜瀝青炭は、水分の影響により着火が遅れ、NOx の還元炎の形成なども遅くなるため、瀝青炭より

0.6

0.7

0

バーナ操作条件とNOx灰中未燃分濃度との関係

最適注入位置が後方になったものと考えられる。
次に、二段燃焼用空気注入位置を最適値であるバーナから約 3.8 ｍ離れた位置に固定し、二段燃焼用空気の注入割合が NOx ・灰中未燃分の排出特性に及ぼす影響を量は、２次空気旋回角度の調整によって低減でき、さら評価したものを図 8-2-6 に示す。NOx 濃度は、二段燃焼に、１次空気量を低下することで、一層低減できること率の増加に応じて、低減するものの、その効果は二段燃が明らかとなった。NOx 排出量の低減効果は、最も燃焼率 30 ％以上で飽和する。一方、灰中未燃分濃度は、焼性の悪い条件である微粉炭中水分濃度の高い石炭にお逆に、二段燃焼率の増加に応じて上昇し、二段燃焼率がいて特に顕著であり、約 40 ％低減できることがわかっ

40 ％まで増加すると、着火が不安定となり、それ以上た。

の二段燃焼率では急激に上昇する。また、二段燃焼率⒞ 二段燃焼用空気注入条件の最適化
600

空気注入条件の影響も瀝青炭とは異なると考えられる。
図 8-2-5 には、二段燃焼率 30 ％の条件で、二段燃焼用
空気の注入位置を変化させた場合の火炉出口 NOx 濃度と灰中未燃分濃度を示す。火炉出口の NOx 濃度は、瀝
青炭燃焼時と同様、二段燃焼用空気の注入位置を後流にするほど、還元領域が広くなるために低下するが、バーナから約 3.8 ｍ離れた位置より後流にすると、その低下

火炉出口NOx濃度（ppm）

NOx 還元炎の形成状態も異なる。そこで、二段燃焼用

約 3.8 ｍ離れた位置以降で特に顕著になる。これより、

NOx

500

Uc

25

アダロ炭
ワラ炭

400

20

300

15

200
100
0

10
空気比1.24
二段燃焼用
空気注入位置：3.79m
0

10

20

5

30

40

0

二段燃焼率（％）

傾向は徐々に弱まる。一方、灰中未燃分濃度は、注入位置が後流になるほど増加し、特にその傾向はバーナから

30

灰中未燃分濃度（％）

亜瀝青炭は、瀝青炭と燃焼過程が大きく異なるため、

図8-2-6

二段燃焼率と火炉出口NOx濃度、灰中未燃分
濃度の関係

電中研レビュー No.46 ● 91

20 ％と 30 ％では、灰中未燃分濃度はほぼ同一であった。

当研究所では、瀝青炭に亜瀝青炭を混炭して燃焼させ

これは、二段燃焼率 20 ％の条件は、30 ％時に比べ、バた際の NOx･灰中未燃分排出特性評価を行っている。亜ーナからの空気供給量が多く、強い旋回流が形成され、瀝青炭としては、インドネシア産で水分含有率が 20 ％

微粉炭が火炉内の外周部側に拡散しやすくなるため、十と比較的低いアダロ炭と、水分含有率が 40 ％と高いワ

分な燃焼促進が図れなかったと考えられる。これらの結ラ炭を用いた。

果から、亜瀝青炭燃焼時に最適となる二段燃焼率は、瀝
青炭燃焼時同様 30 ％であることが明らかになった。

瀝青炭に亜瀝青炭を混炭燃焼した際の火炉出口のNOx 濃度と NOx 転換率に及ぼす混炭率の影響を図 8-2-

図 8-2-7 には、亜瀝青炭燃焼時にバーナ操作条件およ8 に示す。混炭燃焼時の NOx 濃度および NOx 転換率は、

び二段燃焼用空気注入条件を最適化した際の NOx ･灰各炭種を単味で燃焼した時の値に対し、ほぼ混炭率に応

中未燃分の排出特性を示す。亜瀝青炭に適した燃焼条件

じた中間値を示す。

に設定することにより、NOx および灰中未燃分の濃度

混炭燃焼時の灰中未燃分濃度ならびに未燃焼率に及ぼを大幅に低減でき、瀝青炭燃焼時とほぼ同等の水準にます混炭率の影響を、図 8-2-9 に示す。亜瀝青炭を混炭すで低減できる。

ると、灰中未燃分濃度については瀝青炭燃焼時に比べてすなわち、亜瀝青炭に適した燃焼条件は、バーナ部に記号を低くすること、および、二段燃焼用空気の注入位置を
瀝青炭燃焼時より後流に変更することであることが明ら時とほぼ同等の水準まで NOx と灰中未燃分を低減できる見通しが得られた。

⑵

瀝青炭との混炭燃焼時の特性⒜

混炭燃焼時の NOx･灰中未燃分排出特性

火炉出口NOx濃度（％）

かになり、このような燃焼条件の調整により瀝青炭燃焼

項目

瀝青炭

NOx濃度

ニューランズ炭

ワラ炭

NOx濃度

ニューランズ炭

アダロ炭

NOx転換率ニューランズ炭

ワラ炭

NOx転換率ニューランズ炭

アダロ炭

亜瀝青炭

300

30

200

20

100

10

亜瀝青炭の最適燃焼条件は明らかになったが、既設火00力発電所において、亜瀝青炭を利用する場合は、当面、

25
50
75
亜瀝青炭混炭率（％）

100

NOx転換率（％）

おいて、２次空気の旋回角度を弱め、１次空気の供給量0

低水分の瀝青炭との混炭燃焼が行われる。

記

号

アダロ

バーナ
操作条件

二段燃焼用
空気注入位置

瀝青炭用

項目

瀝青炭

灰中未燃分

ニューランズ炭

ワラ炭

2.99m

灰中未燃分

ニューランズ炭

アダロ炭

亜瀝青炭用

2.99m

未燃焼率

ニューランズ炭

ワラ炭

亜瀝青炭用

3.79m

未燃焼率

ニューランズ炭

アダロ炭

ワラ

灰中未燃分濃度（％）

灰中未燃分濃度（％）

記号

空気比1.24
二段燃焼率30％20

瀝青炭燃焼時のNOx・灰中
未燃分濃度

10

0
0

50

100

150

200

250

300

350

バーナ操作条件および二段燃焼用空気注入条件を最適化した際のNOxと灰中未燃分の低減効果

15

30
10
20
5

10
0
0

NOx濃度（ppm）

92

亜瀝青炭

40

30

図8-2-7

亜瀝青炭混炭率とNOx濃度、NOx転換率の関係

図8-2-925
50
75
亜瀝青炭混炭率（％）

100

未燃焼率（％）

図8-2-80

亜瀝青炭混炭率と灰中未燃分濃度、未燃焼率の関係

大幅に増加し、その際の未燃焼率としては、それぞれの5

石炭の単味燃焼時のいずれの場合よりも高くなることが4
未燃焼率（％）

明らかとなった。その原因としては、亜瀝青炭中の水分が瀝青炭の燃焼を悪化させたことが挙げられる。すなわ
ち、混炭燃焼時には、亜瀝青炭中の水分が蒸発し、火炎温度を低下させることに加えて O2 分圧が低くなること
によって、瀝青炭の燃焼性が大きく悪化したためである

3
瀝青炭：ニューランズ炭
空気比：1.24
二段燃焼率：30％

2

1

記号

瀝青炭専焼

と考えられる。
0⒝ 低い混炭率条件における灰中未燃分抑制技術

05

実機において亜瀝青炭を利用する上で最も多く用いられる条件である混炭率 30 ％以下において、灰中未燃分

図8-2-11

亜瀝青炭
ワラ
アダロ

10
15
20
火炉流入水分量（kg/h）

25

火炉に流入する水分量と未燃焼率の関係の上昇を抑制する条件を明らかにするため、瀝青炭、亜瀝青炭それぞれの性状の影響を評価した。

た。

瀝青炭に、水分含有率の異なる二種類の亜瀝青炭（ア

図 8-2-12 は、燃料比の異なる三種の瀝青炭を亜瀝青

ダロ炭またはワラ炭）を混炭燃焼した場合の灰中未燃分

炭と混炭燃焼した際の灰中未燃分濃度を示している。燃濃度を図 8-2-10 に示す。いずれの場合も、混炭率の増料比の高いニューランズ炭を用いた場合は、亜瀝青炭を加に応じて、灰中未燃分が上昇した。これは、亜瀝青炭

混炭したことによる灰中未燃分濃度の増加が顕著であり、の混炭率の増加に伴い、火炉に流入する水分量が多くな

瀝青炭の燃料比が低くなるのに応じてその傾向は弱まる。

り瀝青炭の燃焼を悪化させたためと考えられる。また、

特に、燃料比が亜瀝青炭とほぼ同等の太平洋炭では、混混炭に用いた亜瀝青炭性状の比較では、水分の多いワラ

炭燃焼時にも灰中未燃分はほとんど増加しない。すなわ

炭の方が、同じ混炭率では火炉内に持ち込む水分量が多ち、亜瀝青炭混焼による瀝青炭の燃焼効率低下への影響

いため、灰中未燃分の増加傾向が大きくなった。これら

は、燃焼性の悪い瀝青炭ほど大きくなることが明らかにの結果を、火炉に流入する水分量との関係で示すと図なった。

8-2-11 のようになる。混炭に用いた亜瀝青炭の性状が亜瀝青炭の混炭率が 30 ％までの瀝青炭との混炭燃焼

異なっても、その瀝青炭の燃焼悪化への影響は、ほぼ流時においては、図 8-2-13 に示すように亜瀝青炭の水分

入水分量を知ることで把握できることが、明らかになっ

含有量が多くなるほど、あるいは瀝青炭の燃料比が高くなるほど、灰中未燃分濃度が高くなる傾向を持つため、

30

20

30

亜瀝青炭
ワラ
アダロ

記号

25

瀝青炭：ニューランズ炭
空気比：1.24
二段燃焼率：30％

灰中未燃分濃度（％）

灰中未燃分濃度（％）

記号

20

瀝青炭
ニューランズ炭
レミントン炭大平洋炭亜瀝青炭：ワラ炭
空気比：1.24
二段燃焼率：30％

瀝青炭専焼

15
10

10

5

瀝青炭専焼

0
0

0

10

20

30

0

10
20
亜瀝青炭混炭率（％）

30

亜瀝青炭混炭率（％）

図8-2-12
図8-2-10

亜瀝青炭混炭率の灰中未燃分濃度への影響

燃料比の異なる３種の瀝青炭における亜瀝青炭混炭率と未燃焼率の関係

電中研レビュー No.46 ● 93

灰中未然分増加比

3）

3.0

混炭率

ワラ

10

ワラ

20

ワラ

30

アダロ

10

アダロ

20

アダロ

30

空気比：1.24
二段燃焼率：30％

400

項目
NOx濃度
灰中未燃分濃度
未燃焼率

2.0

300

1.5

200

1.0
池島炭
空気比1.24
二段燃焼率0％

100
0

0

30

0.5

40

50

0.0
60

1.0

0.5

未燃焼率［％］

（−）

4.0

亜瀝青炭

NOx濃度（O26%換算）（ppm）

記号

記号

灰中未燃分濃度［％］

5.0

0.0

灰分含有率（−）
2.0

図8-2-14

灰分含有率とNOx・灰中未燃分濃度および未燃焼率の関係1.0

量に対する未燃炭素分の割合であるため、灰分含有率が上昇すれば、未燃焼率が増加し、未燃炭素分が多くなっ
0.0
0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

瀝青炭の燃料比（−）

図8-2-13ても、その増加分は灰分量の増加に比べて少なく、見かけ上は減少する。このため、灰中未燃分濃度は減少する。

瀝青炭の燃料比と灰中未燃分増加比の関係

図 8-2-15 に火炉中心軸上の O 2 および NOx の濃度分布を示すが、灰分含有率の増加に応じて、O 2 の消費が遅亜瀝青炭中の水分濃度に応じて低燃料比の瀝青炭を組みれると共に、NOx の生成・分解は遅くなっていること

合わせるなど適切な混炭対象を選定することで灰中未燃が明らかである。
図 8-2-16 に二段燃焼率 30 ％時の NOx 低減率および未分濃度の増加を抑制できることが明らかになった。

燃焼率増加比を示す。灰分含有率の増加に応じて、燃焼8-2-2が遅れ、二段燃焼用空気注入位置までの還元領域が減少

高灰分炭の微粉炭燃焼特性するため、NOx 低減率が減少し、二段燃焼による NOx
高灰分炭の微粉炭燃焼への適性を明らかにするために、の低減効果は弱まる。一方、未燃焼率増加比は、二段燃

灰分含有率が異なる高灰分炭を用いて、灰分含有率が焼時の方が非二段燃焼時に比べ、バーナ近傍での酸化雰

NOx ・灰中未燃分排出特性に及ぼす影響および二段燃

囲気が弱まり、熱分解反応が抑制されるため、灰分含有⑼

焼時の NOx 低減効果に及ぼす影響について評価した 。
当研究所の石炭燃焼試験炉において、灰分含有率が
20

じである。
図 8-2-14 は、非二段燃焼時（二段燃焼率０％）の灰O2濃度（%）

この際、無水無灰ベースにおける可燃分の組成がほぼ同

15NOx濃度（ppm）

36、44 および 53wt ％と異なる三種の池島炭を使用した。

500

分含有率と火炉出口 NOx 濃度、灰中未燃分濃度および石炭中の可燃分が燃え残った割合である未燃焼率との関係を示したものである。灰分含有率の増加に伴い、NOx 濃度は高くなり、一方、灰中未燃分濃度は減少す
るものの未燃焼率は増加する。これは、灰分含有率の増加に応じて、可燃分が灰分に覆われやすくなり、燃焼が池島炭
空気比1.24
二段燃焼率0％

記号

2

3

10

灰分含有率［％］
36
44
53

5
0

400
300
200
100
0

0

1

4

8

バーナからの距離（m）

遅れると共に、NOx の還元炎形成も不十分となったことによると思われる。なお、灰中未燃分濃度は、灰の重94

図8-2-15

火炉中心軸上のO2および NOx濃度分布

50

3

30
2
20
記号

項目
NOx低減率
未燃焼率増加比

10

0

30

1

40

未燃焼率は、灰分含有率の増加に応じて高くなり、二段

未燃焼率増加比2（−）

NOx低減率1）（％）

以上のことから、高灰分炭燃焼時の NOx 濃度および

池島炭空気比1.24400率の増加に伴い高くなる。

4

燃焼時には NOx の低減効果が弱まると共に、未燃焼率の増加傾向は強くなることがわかる。

0
60

50

灰分含有率（％）
非二段燃焼時のNOx濃度−二段燃焼時のNOx濃度
1）NOx低減率＝────────────────────────
非二段燃焼時のNOx濃度
二段燃焼時の未燃焼率
2）未燃焼率増加比＝─────────────
非二段燃焼時の未燃焼率

図8-2-16

二段燃焼率30％時のNOx低減率および未燃焼率増加比に及ぼす灰分含有率の影響

８−３
高燃料比炭は、揮発分が少なく燃料比が高いために、

難燃性石炭の利用から離れた場合を安定燃焼限界と定義している。バーナ

着火性、燃焼性が悪いことが大きな課題である。高燃料タイプとしては、既存の低 NOx バーナと、6-3 節で特性

比炭の特性を評価するにあたっては、まず着火性を明らを紹介した、当研究所が微粉炭燃焼時の NOx 生成量を⑽かにした 。

大幅に低減させるために、石川島播磨重工業㈱と共同で

図 8-3-1 には、安定燃焼範囲に及ぼす燃料比の影響を開発した新型低 NOx バーナ（CI-αバーナ）⑾⑿の二種類示す。本図では、火炎が吹き飛び、着火位置がバーナ口を用いた。いずれのバーナにおいても、燃料比が高くなるほど着火性は悪くなり、燃料比 5 以上の高燃料比炭では既存低 NOx バーナ使用時は、バーナ負荷を定格から既存低NOxバーナ

若干下げただけで失火した。これに対し、CI-αバーナ

Cl-αバーナ

単味燃焼
混炭燃焼

は、バーナ近傍に再循環流を形成し、微粉炭粒子の高温場での滞留時間を長くできる構造であるため、既存低100

NOx バーナに比べ、着火を大幅に改善でき、安定燃焼

負荷（％）

90

範囲の拡大が図れることが明らかになっている。
80

高燃料比炭燃焼時の NOx 転換率を、瀝青炭との比較

70として図 8-3-2 に示す。瀝青炭の場合と同様、燃料比が60

大きく窒素分含有率が少ない石炭種ほど NOx 転換率は増加するが、高燃料比炭になるほどその上昇傾向は弱ま50っている。これは燃料比の定義（固定炭素/揮発分）か
40

ら見て、揮発分含有率（固定炭素含有率に対しても同様）
1

2

3

4

5

6

7

燃料比（−）

8の若干の変化で燃料比に大きな差異が生じてしまうため、その影響が小さく見える傾向を持つことによる。

図8-3-1

安定燃焼範囲に及ぼす燃料比の影響

本図は、非二段燃焼条件について示しているため、バ

電中研レビュー No.46 ● 95

持っている。

70

低 NOx 燃焼のため二段燃焼を適用した場合には、図瀝青炭 混炭 高燃料比炭
既存低NOxバーナ
CI-αバーナ

NOx転換率（％）

60

8-3-4 に示すように、燃料比が高くなるほどバーナ近傍

50での酸素消費が遅れることに起因して還元領域が小さく40なると共に、NH3、HCN 等の NOx を還元する物質の発生量が少なくなるため、二段燃焼による NOx の低減効30

果は瀝青炭に比べ低下する傾向となる。さらに、非二段
20燃焼条件時に比べ、二段燃焼時の方が、燃料比の増加に

100よる未燃焼率ならびに灰中未燃分濃度の増加傾向が顕著
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

になっている。この原因は、上述のように燃料比の増加

10
×102

燃料比/N分含有率（−）

による燃焼場での酸素消費の遅れが、バーナ回りの空気比の低い二段燃焼時に、一層大きく燃焼性の悪化に影響

図8-3-2

高燃料比炭燃焼時のNOx転換率

したものと考えられている。
高燃料比炭の利用にあたっては、バーナ近傍の燃焼がーナ近傍での燃焼を促進させる CI-αバーナの方が NOx

促進できるバーナを用いることにより着火性が改善でき、転換率が高くなっているが、本バーナは二段燃焼時のまた、NOx 還元炎も速やかに形成できるため NOx を抑NOx 低減効果が大きいため、実機の運転条件である二制できる。混炭時においては、燃料比の低い石炭を混炭

段燃焼時の NOx 転換率は既存バーナより低くなること

相手に用いることにより、NOx と灰中未燃分の低減がが明らかになっている。また、未燃焼率は瀝青炭と同様、図れると思われる。

図 8-3-3 に示すように燃料比が高いほど増大する傾向を

既存低NOxバーナ

未燃焼率（％）

Cl−αバーナ
2.0

1.5

1.0

記号

60

二段燃焼率
10％
20％
30％

12

40

8

20

4

0

0.5

1

2

3

4
5
燃料比（−）

6

7

0
8（非二段燃焼時のNOx濃度−二段燃焼時のNOx濃度）
1）NOx低減率＝────────────────────────×100
非二段燃焼時のNOx濃度1

図8-3-396空気比＝1.24
Cl−αバーナ

灰中未燃分濃度比注2）（−）

バーナ

NOx低減率注1）（％）

記号
2.5

0.0

16

80

3.0

2

3

4
5
燃料比（−）

6

7

高燃料比炭燃焼時の未燃焼率

8

二段燃焼率30％時の灰中未燃分濃度
2）灰中未燃分濃度比＝──────────────────
二段燃焼率0％時の灰中未燃分濃度

図8-3-4

二段燃焼時の燃焼特性に及ぼす燃料比の影響

８−４

石炭火力の、エネルギー源の一層の強化の観点からは、未利用炭を活用できる技術の確立が非常に重要である。
最も賦存量の多い高水分、低発熱量の亜瀝青炭は、含今後の展開

瀝青炭との混炭燃焼を有効に用いることにより、その適用は十分可能になると思われ、混炭時の炭種選定方法や
燃焼条件調整法の確立などが重要になる。

有される水分による燃焼効率低下、NOx 生成量の増大

微粉炭火力の燃料多様化における、当研究所の今後のなど、微粉炭燃焼場への適用にあたって若干の難点は有計画としては、特に賦存量の多い亜瀝青炭を主な対象としているものの、その燃焼特性を明らかにすることによし、その燃焼特性を一層詳細に解明することにより、利り、NOx･灰中未燃分を低減できる燃焼条件が解明され用可能な石炭性状範囲の拡大や、より高い混炭率あるいつつある。また、当面の利用形態と目される瀝青炭とのは亜瀝青炭専焼時の、NOx･灰中未燃分を大幅低減可能

混炭燃焼時においては、既に、実機で最も良く利用されな燃焼技術を開発する予定である。一方、近年、低品位

る混炭率 30 ％までの条件では、ほぼ瀝青炭専焼時の炭などを使い易くするための脱灰・脱水技術を中心とす

NOx･灰中未燃分排出特性レベルに調整できる炭種選定

る改質技術開発が進められており、直接利用できないほ

方法を明らかにした。今後は、より質の悪い亜瀝青炭をど品位の低い石炭も、これらの技術の採用により利用可

用いた場合や、混炭率が高くなった場合にも、同等の能となっている。このような改質炭の燃焼技術の開発を

NOx･灰中未燃分排出特性を達成できる燃焼技術を開発行うことにより、一層、燃料源の多様化も図れるようにする必要があると思われる。

なると考えられる。

高灰分炭、高燃料比炭についても、その燃焼時の特性

また、バイオマス、廃棄物など化石燃料以外の可燃性はほぼ明らかにされており、今後の利用拡大にあたっての固体を利用することも重要になってくると思われ、今解決すべき課題等も明確になっている。利用可能性が高後は、これらについても燃焼特性を明らかにすると共に、いのは高灰分炭よりも高燃料比炭であると思われるが、燃料としての利用可能性を拡げていく予定である。

電中研レビュー No.46 ● 97

コラム３：高灰分炭・高水分炭の改質技術
なぜ、低品位炭の改質なのか？

が、所要エネルギーが最も少ないと考えられてい将来の石炭の安定供給やコストの低減を一層進めるためには、これまで山元でしか利用されなかった高灰分炭や高水分炭などの発熱量の低い低品

るが、本格的な実用に至るまでの低動力化は図れていない。
当研究所では、水分の加熱や蒸発を不要とし、位炭の利用を拡大する必要がある。一般に、低品

所要エネルギーの節約が可能な新たな石炭脱水法

位炭は安価だが、燃焼性や輸送性が悪く、ハンドの開発を試みている。これは、わずかな加圧で液リングが難しい等、我が国で利用するには課題が化できる有機溶剤に石炭中の水分を溶かして分離多い。このため、低品位炭を本格的に導入するにし、その後に減圧して、有機溶剤を蒸発させるこは、山元で安価に灰分や水分を取り除き、高品位とで、有機溶剤と水分とを分離する溶剤置換法でな瀝青炭並みの性状に改質する手法の開発が有益

ある。

である。

水の溶解度が高い液化ＤＭＥ（ジメチルエーテ
ル）を有機溶剤として用いた場合の、プロセスの

高効率脱灰の可能性を探る

評価（図２）を行い、脱水エネルギーを大幅に低石炭の一般的な脱灰法として、灰分の比重が可減できることを明らかにした。今後は、石炭から燃分よりも大きいことを利用し、溶液の上に浮か分離された排水の処理方法の開発や、脱水と排水ぶ軽い可燃分を回収し、溶液中に沈む灰分を分処理に伴うエネルギー低減について検討を行い 、離・除去する

本技術の実用化に向けた課題の解決を行う予定で

比重分離法

や、空気の泡をバブリングさせた溶液に石炭を投入後、泡に付着したある。

可燃分を回収し、水中に留まる灰分を除去する
浮選法などがある。これらの物理的方法は、多粒状の灰分量の石炭を処理することは可能であるが、脱灰性能や可燃分の回収性能が低い点に難がある。一方、雲状の灰分灰分を薬品等で溶かして除去する化学的方法は、高い脱灰率が得られるものの、薬品コストや排液筋状の灰分処理の負担が大きいことが課題である。
高灰分炭を高品位な瀝青炭程度まで簡易かつ低コストに脱灰するためには、粉砕方法を工夫し、石炭を効率よく可燃分と灰分に分離（単体分離）

図１

石炭中灰分の分布状態（ラマグンダム炭）する手法を開発する必要がある。単体分離の性能
は、石炭中に分布する灰分の分布状態に関係する。

石炭

a、筋状○
b、
当研究所では、石炭中灰分分布は、粒状○

水

DME

第１圧縮機

c に大別されるあるいは雲状（細かい灰分の集合）○膨張機ことを明らかにし（図１）、粒子径が大きく、粒状の灰分を多く含む石炭ほど脱灰し易いことを解明

第２圧縮機
気液
分離器
⇒
排水

している。今後は、石炭中灰分の分布状態に適した粉砕方法を明らかにし、脱灰性能を向上して行電動機

く予定である。

冷却器

0.44MPa, 25℃

蒸発器

凝縮器

新たな省エネ脱水法を考案！
0.78MPa, 30℃

石炭中の水分を除去する方法としては、石炭を加熱して、水分を単純に蒸発させる

蒸発法 （ス

チームチューブドライヤー等）が最も簡単である
が、水の蒸発にエネルギーを要することが大きな問題である。この蒸発法の中で、石炭と油の混合

減圧弁

脱水器
脱水炭
（気化回収）

石炭冷却器

スラリーを加熱して、石炭の水分を蒸発させた後、水の蒸発潜熱を効率的に回収する

98

油中改質法

図２

液化DMEを用いた脱水プロセスの概要

コラム４：ＣＷＭ乾式製造技術
石炭の流体化による利用
ハンドリングが比較的困難な微粉炭を擬似流体化し、パイプライン輸送やタンク貯蔵を可能とする技術の一つに、高濃度石炭水スラリー（Coal
Water Mixture ； CWM）がある。この CWM は石
炭と水を７：３の比率で混合したもので、高濃度で流動性を得るために①石炭粒子の幅広い粒子径分布への調整が必要なことと、②界面活性剤の利用による石炭の親水性改善が主要技術となっている。しかし、既に開発されている湿式製造法では、①の粒子径分布の調整を湿式ボールミルの長時間粉砕によって行なうため効率が悪いこと、また、②の界面活性剤は使用量が４〜 10kg/ｔ-coal にもかかわらず単価が比較的高いこと等が、コストを押し上げる要因となっている。したがって、CWM
コスト削減のためには、これらの課題の解決が必要である。
当研究所では、低コスト CWM 製造の実現のた
め、乾式粉砕した微粉炭から製造する乾式製造法の開発に着手した。しかし、乾式粉砕した微粉炭の粒子径分布では細かな微粒子が不足して流動性が悪いことから、微粉炭の角取り球状化による幅広い粒子径分布への調整技術を開発した。さらに、界面活性剤使用量の削減については、保護コロイ
ド利用によって使用量を半減する技術を開発した。
これらの技術開発によって乾式製造法を確立し、CWM コストの大幅低減を可能とした。
角取り球状化による細かな微粒子の生成
微粉炭の幅広い粒子径への調整は、微粉炭が角図張った多角形となっている形状に注目して、この角を削り取って、細かな微粒子を生成させる方法を考案した。この角取り球状化を、粒子同士ある
いは粒子と粉砕機の粉砕歯とが擦り合う磨砕によって行なうための、図に示すような角取り球状化装置を新たに開発した。
微粉炭は同装置での角取り球状化時にスラリー用水を供給することによって、粒子径分布の調整がなされると共に水との混練がなされ、効率的にCWM が製造される。
コロイド科学による界面活性剤使用量の削減
a 疎水性のCWM における界面活性剤の役割は、○b
石炭の親水化、および○石炭粒子の分散･凝集防止であることから、この内の前者を極く微量の保護
コロイド（1ppt 〜 ppm）に担わすことによって、その使用量を削減した。
この保護コロイドをスラリー用水に添加することにより、角取り球状化によって粒子径調整された石炭粒子はゲルを形成する。これに、界面活性剤を滴下して攪拌によってゾル化を図り、流動性のある CWM とする。このとき、用いる界面活性剤の量は湿式製造法の半分以下でよいことが明らかになり、使用量の削減が可能となった。
CWM コストの削減が可能に
乾式製造技術の開発によって、粉砕動力の低減と界面活性剤の使用量の削減が可能となり、CWM
コストが容易に低減できる。

CWM製造技術

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