第章

4

微粉炭火力用燃料の
適性評価

第４章

微粉炭火力用燃料の適性評価 ● 目次

CS推進室 受託推進グループ 部長 牧野 尚夫
横須賀研究所 エネルギー化学部 主任研究員 松田 裕光
４−１

研究の背景 ………………………………………………………………………………………………………………… 31

４−２

発電用炭適性評価手法 …………………………………………………………………………………………………… 31

４−３

適合炭種拡大化技術 ……………………………………………………………………………………………………… 37

４−４

今後の展開 ………………………………………………………………………………………………………………… 43

牧野30

尚夫（10ページに掲載）（4-1、4-2、4-4執筆）

松田 裕光（1983年入所）
これまで石炭火力発電における微量物質の挙動および微粉炭燃焼や石炭ガス化における石炭中窒素化合物の反応特性について研究を行なってきました。現在、微粉炭火力における新規導入炭種の発電所への適性が精度良く評価できる手法の確立を図っています。今後
は、未利用の石炭種やバイオマス燃料等の反応性評価に関する研究を行い、火力発電の燃料拡大、コスト低減に貢献していきたいと考えています。
（4-3執筆）

４−１

研究の背景

現在、我が国の微粉炭火力においては様々な国から輸簡易かつ的確に判定する手法を開発するため、石炭性状の入した石炭が利用されており、その内訳はオーストラリ

分析値および発電所の運転操作条件に関する情報のみから、

ア炭が 50 ％以上、中国、アメリカ、インドネシアなど

利用時の諸特性を推定する手法の開発に着手した。

の石炭が各 10 ％程度を占めている。これらの国には数本技術開発にあたっては、まず、１時間に約 100kg の石

多くの炭田があり、石炭の性状もそれぞれ大きく異なる。

炭を燃焼できる当研究所の石炭燃焼炉を用いて、石炭性

また、新しい炭田も年々開発されているため、多様な石状および燃焼条件から本試験炉での NOx･灰中未燃分の排炭種を的確に導入していくことはエネルギー源強化、燃出特性を推定する「発電用炭適性評価手法」を確立した。
本手法における石炭性状の影響評価は、燃焼条件一定

料コストの削減の観点から重要である。
新規石炭の導入にあたっては、その性状が各発電所の運の下で多様な石炭種を燃焼させ、その NOx･灰中未燃分

転操作条件の調節範囲で問題なく運用できるものである必

排出特性と石炭性状との関係を明らかにすることで行っ要がある。従来は微粉炭火力発電所の設計時に、適用可能

た。一方、燃焼条件の影響については、数炭種について範囲となる石炭性状を設定（設計炭と呼ぶ）し、基本的に燃焼条件を変化させて NOx･灰中未燃分排出特性を把握

はその性状範囲内の石炭を利用してきた。設計炭の性状範し、影響評価を行った。

囲から外れる石炭種を利用する場合には、実機に近い規模

次に、「発電用炭適性評価手法」で得られた石炭性状の火炉を用いての燃焼試験等で、その特性を事前確認したや燃焼条件の影響評価式を基に、様々な実火力発電所か後に導入するなどの方法を採用していたため、事前評価にら収集されたデータを評価し、各発電所に対して利用石も多くのコストと時間を必要としていた。

炭性状と燃焼条件から、NOx･灰中未燃分などの排出量

当研究所では、様々な新規炭種の実機への導入可能性を４−２を推定する「適合炭種拡大化技術」として拡張した。

発電用炭適性評価手法

各種石炭の実機への導入の可否を判断する上で、燃焼分の排出特性である。当研究所では、様々な石炭種を燃焼した場合における NOx と灰中未燃分排出特性を推定するための発電用炭適性評価手法を、石炭燃焼試験炉を用いて開発した⑴⑵。

4-2-1

石炭性状の影響評価

λ＝1.24NOx濃度（O2：６％換算）（ppm）

技術の観点から最も大事な評価因子は NOx、灰中未燃

750

A Burner
500

250

0

⑴

NOx 排出特性

0

0.005

0.01

0.015

0.02

燃料中N分含有率（−）

燃焼条件一定の下での各炭種の発生 NOx 濃度は、それぞれの供試炭中の窒素分含有率（N 分含有率）に対し

図4-2-1

燃料中N分含有率とNOx濃度の関係て図 4-2-1 のような傾向を持つ。燃料中 N 分含有率の増加に伴い NOx 濃度が上昇するが、明確な相関関係を示転換する割合（NOx 転換率）が石炭種によって大きくすまでには至っていない。これは燃料中 N 分の NOx に異なることに起因している。そこで、次式に定義する

電中研レビュー No.46 ● 31

NOx 転換率（CR）を用いることにより、各種石炭につ
0.25

13

いて、NOx の生成しやすさを明らかにできる。

15

空気比＝1.24
5（4-1）

ここで NOx（実測値）：実測 NOx 濃度（ppm）
NOx（計算値）：石炭中の N 分が 100% NOxになった場合の NOx 濃度（ppm）

NOx転換率（−）

CR ＝ NOx（実測値）/NOx（計算値）

6
17
14
19

0.15

18
10

22

27

25

23
24

0.05

0

3
7

21
11

1

0.1

燃料比（FR）が低いほど転換率が低くなる傾向を持つ。

12

20

4

16
2

図 4-2-2 は、転換率と石炭性状の関係を示したもので、

8

9

0.2

26

Aバーナ（No.1〜No.22）
Bバーナ（No.23〜No.27）
0

50

100
FR/FN（−）

150

燃料比が低い石炭種は、燃焼性の良い揮発分の含有率が高くなるため、バーナ近傍で急激な燃焼が起こり、速や

図4-2-3

燃料比、燃料中N分含有率とNOx転換率の関係

かに還元雰囲気が形成される。この還元炎により NOx
が分解されるので、NOx 濃度が低くなると考えられて

CR ＝ a1 ・ FR/FN ＋ a2

（4-2）

いる。また、同一燃料比であった場合には、燃料中窒素分含有率（FN）が低いほど転換率は大きくなる傾向を

a1 ＝ 1.09 × 10 − 3、a2 ＝ 6.77 × 10 − 3（A バーナ）有している。これは、FN が大きいほど NOx 濃度が高く

a1 ＝ 4.89 × 10 − 4、a2 ＝ 4.57 × 10 − 2（B バーナ）

なるため、それに応じて NOx への転換が抑制されるこ

上式を利用すると、燃焼ガス中の NOx 濃度を次式からとが原因とされている。

容易に推定することが可能となる。

これらの関係を考慮すると、燃料比と燃料中窒素分含有率の比に対して NOx 転換率は、極めて良好な直線関

NOx＝

1.60×10−4（a1 ・ FR＋a2 ・ FN）
Vdry

（4-3）

係を持ち、図 4-2-3 のような傾向となる。図 4-2-3 の関係を表す実験式を、最小二乗法を用いて求めると、それ

ここで、Vdry ：空気過剰率に対応した燃焼ガス（m3N//kg）

ぞれのバーナについて次式のような NOx 転換率推定式

図 4-2-4 は、（4-3）式を用いて求めた NOx 濃度の推定が決定される。

値と、実測濃度を比較したものであるが、かなり良い一
0.25
1000
空気比＝1.240.20

NOx濃度（実測値）（ppm）

空気比＝1.24

NOx転換率（−）

A バーナ
0.15

0.1
FN≦0.014
0.014≦FN≦0.017

0.05

500

200

0.017≦FN
100

0
0

0.5

図4-2-2321.01.5
燃料比（−）

2.0

燃料比とNOx転換率の関係

2.5

100

200

500

NOx濃度（計算値）(ppm)

図4-2-4NOx濃度の計算値と実測値の比較

1000

Uc ＊＝ b1 ・ FR ＋ b2

致を示しており、NOx 発生量が、燃焼条件一定の下で（4-5）

は石炭性状から精度良く推定できることが明らかとなっ
ここで、b1 ＝ 2.50 × 10 − 3、b2 ＝ 2.20 × 10 − 4（A バーナ）ている。

b1 ＝ 2.95 × 10 − 2、b2 ＝ 2.29 × 10 − 2（B バーナ）⑵

灰中未燃分排出特性

上記、（4-5）式の関係より、石炭性状が判明すれば未石炭燃焼時に発生した石炭灰中に残存する可燃分の重燃焼率が推定でき、さらに灰分含有率と（4-4）式、（4-5）

量割合である灰中未燃分濃度（Uc）は、石炭の燃焼性式を利用することにより、灰中未燃分濃度を求めることだけでなく石炭中の灰分含有率にも影響されるため、こが可能となる。こうして計算した灰中未燃分濃度と実測の値からでは、石炭の燃焼性を直接的には評価すること

値の関係を示したものが図 4-2-6 である。NOx 濃度の場が難しい。そこで、まず灰中未燃分値から、次式により合に比べて、若干ばらつきが大きいが、これは粒径や石＊

石炭中可燃分の未燃焼率（Uc ）を計算し、この値を石炭の微細構造など、当研究所が検討に用いている性状以炭の燃焼性の評価因子として用いることが多い。

外の影響因子が存在するためと考えられている、今後はこれらの影響をも詳細に検討し、一層精度を上げていく

A・ Uc
Uc＊＝
（１−A）・（１−Uc）

ここで A

（4-4）

⑶

：石炭中の灰分含有率（−）

Uc

ことが重要となる。

混炭燃焼時の排出特性
性状の異なる石炭種を混合して利用することで、それ：灰中未燃分（−）

Uc ＊ ：未燃焼率（−）

ぞれの石炭種の持つ問題点を改善できる可能性がある。

図 4-2-5 は、石炭の燃焼性を示す指標である燃料比と

例えば、NOx 濃度の異なる２種類の石炭を各混合比で未燃焼率の関係を示したものである。炭種によって若干燃焼させた場合について、その混合比率から求めた石炭の差異があるが、A、B、いずれのタイプのバーナにお中の窒素分含有率と、NOx への転換率との関係は、図いても、未燃焼率は燃料比との間に比例関係が成立して4-2-7 のように示される。混炭燃焼することにより連続いる。図 4-2-5 における燃料比と未燃焼率の関係を最小

的に窒素分含有率が変化するため、その NOx 転換率へ二乗法で求めると次の（4-5）式が得られる。

の影響が、数多くの石炭をそれぞれ燃焼させた場合以上に明確に現れている。例えばイップスウィッチ炭とブル

0.03

25

0.2

空気比＝1.2427空気比＝1.24

26

0.02
Aバーナ
(No.1〜No.22)

23

0.015

Bバーナ
(No.23〜No.27)

0.01

24
13

10
11

0.005
19
1

0

0

0.5

16

1.0

2

6

5

18

0.1

0.05

0.02

15

7 20

9
21 14 173

灰中未燃分（実測値）（−）

未燃焼率Uc*（−）

0.025

4
22

8

0.01
1.5

2.0

2.5

0.01

燃料比と未燃焼率の関係

0.05

0.1

0.2

灰中未燃分（計算値）（−）

燃料比、FR（−）

図4-2-50.02

図4-2-6

灰中未燃分濃度の実測値と計算値の比較

電中研レビュー No.46 ● 33

おいても石炭性状から NOx 濃度を推定できることが明

0.20
Key

石

イップスウィッチ

らかになっている。

炭

一方、混炭燃焼時の灰中未燃分濃度を検討するにあた

三菱＋ブルームフィールド
三菱＋大同

0.15

っては、次のように考えて行ってきた。火炉熱負荷、空NOx転換率（−）

イップスウィッチ＋ブルームフィールド

気過剰率などの燃焼条件が同一であるため、混炭したそ
れぞれの石炭種の燃焼過程も単一種の石炭燃焼時と同一
0.10であると仮定することにより、混炭燃焼時に排出される大同

石炭灰は、単一種の石炭を燃焼した時に生成する石炭灰三菱
ブルームフィールド

が混炭率に対応して混合したものから成り立つと考える

0.05

ことができる。この際、例えば n 種の石炭を混炭率 Xi（重量分率）で混炭燃焼した時の灰中未燃分は、次式で空気比＝1.24
0.00
0.010

0.012

0.014
0.016
0.018
燃料中N分含有率（−）

0.020

示される。

Uc =
図4-2-7

n



Uc

i =1

混炭燃焼時のNOx転換率に及ぼす燃料中N分
含有率の影響 Xi ⋅ Ai n∑  Xi ⋅ Ai 1 − Uci i  / ∑  1 − Uci 
i =1

（4-6）

ここで、Uc ：混炭燃焼時の灰中未燃分（−）
ームフィールド炭に注目すると、各々の燃料比は 1.7 とXi：石炭（ｉ）の混炭率（重量分率）（−）

1.6 でほぼ同等であり、転換率への影響は単に N 分含有

Uci ：石炭（ｉ）専焼時の灰中未燃分（−）

率のみによるものと考えられる。本条件においても、単Ai：石炭（ｉ）の灰分含有率（−）一石炭を燃焼させた場合の傾向と同様、窒素分含有率の

図 4-2-9 は、三菱炭と大同炭を混炭燃焼した場合の灰増加に応じて NOx 転換率が減少するという傾向が明確

中未燃分濃度と未燃焼率を、（4-6）式を用いて単一石炭に示されている。

種燃焼時におけるそれぞれの炭種の灰中未燃分濃度か

そこで、混炭燃焼時に対しても図 4-2-3 と同様に、混ら求めた推定線と比較して示したものである。推定線

合した石炭の性状に対して、燃料比と燃料中窒素分含有は若干の差異はあるものの、実測値の傾向を良く表し率の比率と転換率との関係を把握すると図 4-2-8 のようている。

になる。石炭を混炭燃焼した場合においても単一種の石炭燃焼時と同様に、燃料比と燃料中窒素分含有率の比は
0.08

0.20

NOx 転換率と良い直線関係を有し、このような条件に

λ＝1.24
Key Item

0.07

Uc
Uc＊

0.25
0.20
0.15

石

炭

○1

三

菱

○2

大

同

○3

ブルームフィールド

○4

イップスウィッチ

△

三菱＋大同

□

イップスウィッチ＋ブルームフィールド

42

0.05
0.10

0.04

計算値

0.03
0.05

3 1

0.10

0.06
未燃焼率（−）

0.15
Key

灰中未燃分濃度（％）

NOx転換率（−）

0.30

0.02
計算値
0.01

0.05
空気比＝1.24

Aバーナ

0.00
0

50

100
FR/FN（−）

0.00
三菱

34

NOx転換率に及ぼす石炭性状の影響

0.00
大同

混炭率（−）

150

図4-2-9
図4-2-80.5

混炭燃焼時の灰中未燃分濃度、未燃焼率に及ぼす混炭率の影響

これらの結果から、本発電用炭適性評価法は混炭時のり、当研究所の石炭燃焼炉において燃焼条件同一の下では、各種石炭を利用した場合の NOx･灰中未燃分排出特性の推定が可能になっている。

4-2-2

燃焼条件の影響評価

NOx転換率（二段燃焼時）（％）

灰中未燃分濃度の推定にも利用できることが明らかにな

8

実際の火炉においては、空気比（火炉に投入する石炭を

765
二段燃焼用空気注入位置：2.99m

4

注入率 30 20

石炭ブレアソール3

サクソンベール

2

Key

クズネツク
ニューランズ
大平洋

1

エルメロ

燃焼させるのに理論的に必要な空気量に対する、実際に投0入した空気量の割合）や、二段燃焼率（バーナ部に全部の

0

5
10NOx転換率（基準燃焼条件時）（％）

15

燃焼用空気を投入させず、火炉の中間に分割投入することにより NOx の急激な生成を抑制する二段燃焼法において、

図4-2-11基準燃焼時と二段燃焼時のNOx転換率の比較

その分割した空気量の全投入空気量の割合）などを調整し
4て、NOx･灰中未燃分を調整する。発電用炭適性評価にあ

図 4-2-10 には、二段燃焼率を変化させた場合の NOx 濃
度と灰中未燃分濃度を示す。二段燃焼率の増加に伴い
NOx 濃度は低減できるが、灰中未燃分濃度は逆に増加している。これらの検討を様々な石炭について行い、二段燃焼条件を一定（注入位置：バーナより 2.99m、注入率：20 ％と 30 ％）とした場合の、各炭種毎の NOx 転換率を
基準燃焼時（4-2-1 項の石炭種の影響を検討した場合の条件）の NOx 転換率との関係として表すことにより、図 4-

Key

未燃焼率（二段燃焼時）（wt％）

たっては、これらの燃焼条件の影響評価も重要となる。

石炭
ブレアソール3

二段燃焼用空気注入位置：2.99m
二段燃焼率：30％

サクソンベール
クズネツク
ニューランズ
エルメロ

2

1

0
0

0.5
未燃焼率（基準燃焼条件時）（wt％）

1.0

2-11 のような良い直線関係が得られる。また、同様に未燃焼率についても、基準燃焼時と二段燃焼時（注入位

図4-2-12基準燃焼時と二段燃焼時の未燃焼率の関係

置： 2.99m、注入率： 30 ％）との関係は図 4-2-12 に示されるように、NOx 転換率の場合と同様に、直線関係を有60024している。これは、すなわち基準燃焼時において NOx 転

おいても相対的にそれらが高くなることを意味している。
16

400

300

8

200

灰中未燃分濃度（%）

NOx濃度（O2：6％換算）（ppm）

換率、あるいは未燃焼率の高い供試炭は、二段燃焼時に500

これより、NOx と灰中未燃分は図 4-2-10 のように二段燃焼条件によって大きく変化するが、二段燃焼条件を一定にした場合の NOx 転換率の基準燃焼時からの低減割合や、未燃焼率の基準燃焼時からの増加比率は炭種によらず、ほぼ同一となることが明らかである。これらの関係を利用することにより、各種の二段燃焼条

100

件における NOx 転換率低減率と未燃焼率増加比の逆数00

図4-2-1015
二段燃焼率（％）

30

二段燃焼率とNOx・灰中未燃分濃度の関係との関係を、図 4-2-13 に示すように炭種、燃焼条件によらず一本の直線で表すことができるようになる。また、空気比を増加させ、過剰酸素濃度を 3 ％から 6 ％ま電中研レビュー No.46 ● 35

600

条件 非二段
二段燃焼
注入位置 ─ 2.99m 3.79 4.59
供試炭種
注入率 ─ 2030
─ ─ ブレアソール
─── ─ サクソンベール
Ke─ ─
ニューキャッスルy─ ─ クズネツク── ─ ニューランズ

1.0

NOx濃度（ppm）

NOx転換率低減率（−）

500

0.5
注入位置
2.99 3.79 4.59
石炭30
二段燃焼率 20─
─ ─ ブレアソール
── ─ サクソンベール
K─ ─
ニューキャッスルey─ ─ クズネツク── ─ ニューランズ
0

0

0.5

1.0

400

300

計算値

200

100

0

0

10

20

30

灰中未燃分濃度（wt％）

図4-2-14燃焼条件変化時のNOx・灰中未燃分排出特性

未燃焼率増加比の逆数（−）

図4-2-13

NOx転換率低減率と未燃焼率増加比の関係

図 4-2-14 の関係を求めることが可能となる。
ここまでは、１種類のバーナについて燃焼条件の影響で変化させた場合についても、NOx 転換率低減率と未を述べてきたが、微粉炭燃焼用のバーナには数多くのタ

燃焼率増加比の逆数は、二段燃焼条件変化時と同一のイプがあり、それにより NOx と灰中未燃分の排出特性

直線上を変化することが明らかになっている。以上のも異なる。図 4-2-15 には、NOx 転換率の低減率と未燃

結果より、燃焼条件を変化させた場合の NOx 転換率の焼率の増加比との関係を、３種類のバーナについて把握低減率と、それに応じた未燃焼率の増加比は、供試炭した結果を示す。図示されるようにいずれのバーナにつ性状によらず一定の関係を有することが明らかになっいても、図 4-2-13 と同様の直線関係が得られているが、た。図 4-2-13 を基にして、この関係を数式化すると、次バーナによって若干傾きが異なっている。図 4-2-15 で求式のようになる。

められた関係と、実測した基準燃焼条件時の NOx 転換
率と未燃焼率を用いることにより、図 4-2-14 と同様に他
Uco＊（基準燃焼時）

CR（条件変化時）＝0.77×Uc＊（条件変化時）
CRo（各基準燃焼時）＋ 0.23（4-7）のバーナについても燃焼条件変化時の NOx と灰中未燃

1
C.R.
＝a×
＋b
C.Ro
Uc＊/Uco＊1.5

上式に、各供試炭について基準燃焼時の NOx 転換率

NOx 転換率と未燃焼率の関係を関数として得ることができる。この関係を用いれば、燃料中 N 分含有率、灰分含有率などの石炭性状が分かれば、図 4-2-14 のように石炭燃焼試験炉における各炭種毎の燃焼条件変化時のNOx と灰中未燃分の排出特性を推定することが可能と

NOx転換率低減比（−）と未燃焼率の値を与えることにより、燃焼条件変化時の

1.0
供試炭種

Aバーナ

ブレアソール

Bバーナ

クズネツク

なる。

ニューランズCバーナ

図中には、比較のために実測値をも示しているが、推れば、燃焼実験を行わなくても、石炭の分析値のみから

36

C

─
─
─
─
─
─

エルメロ
マッセルブルック

0

0

5

10

─
15

未燃焼率増加比逆数（−）

たが、4.2.1 項で明らかにしている、石炭性状を基にした
基準燃焼時の NOx･灰中未燃分排出特性推定手法を用い

B

─
─
─
─
─

モーラ

定した結果と非常に良く一致する。ここでの検討では基準燃焼時の NOx 転換率と未燃焼率として実測値を用いサクソンベール
ニューキャッスル

0.5

バーナ種
A

図4-2-15バーナ形状変更時のNOx転換率低減率と未燃焼率増加比の関係

分の排出特性を求めることが可能となる。図 4-2-16 に

700
バーナ種
A B C
マッセルブルック──
モーラ
ブレアソール─ ─

は、こうして求めた NOx･灰中未燃分排出特性を、燃焼

供試炭種

600

条件変化時の実測値と比較して示しているが、３種類のバーナについて、いずれの炭種を使用した場合において本節で述べた手法により、当研究所石炭燃焼試験炉で各種石炭を燃焼した場合の NOx･灰中未燃分排出特性は、各バーナ毎に固有の、石炭性状と NOx 転換率および未500
NOx濃度（ppm）

も、推定値と実測値は良く一致していることが分かる。

Cバーナ
400

Bバーナ

300
Aバーナ
200

燃焼率の関係、ならびに NOx 転換率低減率と未燃焼率増加比の関係とを把握すれば、精度良く推定することが100可能となっている。
0

0

5

10

15

灰中未燃分（％）

図4-2-16４−３

バーナ形状変更時のNOx・灰中未燃分排出特性

適合炭種拡大化技術

これまでに利用経験のない幅広い性状の石炭も利用して石炭性状（銘柄）

いくため、当研究所は、前節で述べた発電用炭適性評価法
をもとに、新規炭種について石炭性状と運転条件から各発

石炭性状DB
約170炭種電所への適合性が評価できる「炭種適合性評価システム」⑶

を開発した 。また、その開発にあたって、各発電所から発電所ユニットDB
37ユニット

収集した様々な石炭の性状や発電所での利用時の特性を
デ−タベ−ス化することにより、「石炭利用事例検索シス

機器仕様
80項目

テム」を作成した。各発電所での石炭運用は、混炭や部分

石炭使用実績DB
約800事例

負荷への対応等複雑であり、本システムの開発は、まず、経験情報による
適合性評価

定格負荷の単味燃焼について行ない、順次、混炭燃焼や部

工業分析
元素分析
灰組成
各種指標
・
・
・
貯炭管理
粉砕状況
排煙性状
灰性状
・
・
・

分負荷燃焼へとシステムの拡張を図っている⑷。
図4-3-14-3-1⑴

石炭利用事例検索システム

実機使用炭のデ−タベ−ス化

デ−タベ−スの概要①

発電所ユニットデ−タベ−ス
国内の石炭火力発電所 37 ユニットについて、貯炭設

当研究所が開発した「石炭利用事例検索システム」は、各発電所における石炭利用の実績をデ−タベ−ス（DB）

備、微粉炭機、ボイラ、脱硝装置、脱硫装置、集塵装置、化することにより、他の発電所での炭種毎の運転データ

排水処理設備およびフライアッシュ処理設備等の機器仕を参考にして、利用経験のない石炭の利用時の特性を推様約 220 項目について DB 化したものである。

定し、受け入れの可能性の判断に資するものである。図②4-3-1 に示すように、「発電所ユニット」、「石炭性状」、「石炭使用実績」の３つの DB から構成される。

石炭性状デ−タベ−ス
本 DB は、主に 1995 年以降に各発電所で使用した石炭および新設発電所の設計炭について、工業分析、元素

電中研レビュー No.46 ● 37

分析等の一般分析を主体に約 50 項目についてまとめた

例えば石炭性状 DB と石炭使用実績 DB とをリンクさせものである。また、性状分析値から算出される灰アルカ

ることにより、石炭性状の情報と共に、単味および混炭

リ率、ファウリング指数、スラッギング指数、着火性指燃焼を含めて、その石炭を使用した場合の特性が分かる数についても表示されるシステムである。さらに、貯炭ようになっている。

中の温度上昇や生成粒子の付着性等石炭使用時の留意事

さらに、本システムは、2000 年に電力各社に CD-

項も DB 化した。石炭性状は同一銘柄であっても採掘位

ROM で配布し、試用が開始されているが、ユーザーが置等によって異なるため、できるだけロット（船）毎に利用する場合の利便性を考慮し、各発電所で継続的に取デ−タを収集している。現在、本 DB は、約 170 炭種、得されるデータをユーザーが自ら追加し、既存の DB と

約 2000 ロットから構成されている。

一体化して解析できると共に、「炭種適合性評価システ③ム」において評価対象となる石炭種が、「石炭利用事例

石炭使用実績デ−タベ−ス

検索システム」に含まれている場合、その性状の入力は、

本 DB は、1995 年以降の各発電所における石炭燃焼時

DB より直接行える機能が付加されている。

のボイラ運転条件や排ガス性状等の状態量を収録したものである。定格運転時の単味燃焼について約 800 事例、
混炭燃焼について約 450 事例の石炭使用実績がデ−タと4-3-2

炭種適合性評価技術

して収納されている。
「炭種適合性評価システム」は、上記３ DB を基に、⑵

計算機利用システム

発電所で一般的に分析している石炭性状値や通常計測し石炭利用事例検索システムの主要画面を図 4-3-2 に示ている運転条件値から、各ボイラでの運転時の特性を推した。本システムは、データの検索、絞り込み、並べ替定することにより、各種石炭の各発電所ユニットへの適え、および表作成ファイルへの変換が容易に行える特徴

合性が判断できるシステムである。また、適合性の判断を持つ。また、３つの DB はリンク構造となっており、基準は、電力各社へのアンケ−ト調査により、多くの発選択レコードの絞り込み
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データ表示ツリー

図4-3-238

データ検索設定域
右クリックによりポップアップメニュ
ーを表示。並べ替え、検索、レコード追加、削除、更新等

データ表示域
ユニットデータベース表示時はダブルクリックで詳細デー
タ表示評価システムとリンク（連携）時は反転表示されたレコードのデータを自動送信

石炭利用事例検索システムメインフォーム

電所で石炭の運用条件として重要視している、「NOx とかになるよう、石炭性状や燃焼条件等を調整した試験を

灰中未燃分の排出特性」、「石炭灰性状」、「粉砕性」およ行ない、各々の相関関係から基本となる関数形を求めた。

び「自然発火性」の４項目とした。本システムは、定格

実際の発電所においては、これらの条件が同時に変化す

負荷の単味および混炭燃焼時の収集デ−タに基づいて作るため、各因子は、NOx 転換率に対して複合した影響成されている。

として現れる。それらを体系的に整理して、それぞれのユニット毎の予測式を作成した。二段燃焼率が得られな⑴ NOx と灰中未燃分の排出特性

い場合は、ダンパ開度を関数形に加えた。評価式の作成

本評価項目については、NOx および灰中未燃分の排フロ−を図 4-3-3 に示す。

出量を石炭性状と燃焼条件から予測できる手法を確立し、こうして得られた評価式により、定格負荷の単味燃焼

これにより石炭の適合性を評価すると共に、それらの排時および混炭燃焼時における NOx 転換率を評価した場出量を抑制できる最適燃焼条件を石炭種毎に推定する手合の予測値と実測値の関係を図 4-3-4 に示した。本図に法を開発した。そのため、実機デ−タおよび石炭燃焼炉

おいて、⑴は単味燃焼時のデ−タのみから導出した評価

での実験デ−タを基に、ボイラ・バ−ナ形式、燃焼条件、式により単味燃焼時ならびに混炭燃焼時の NOx 転換率

石炭性状等の影響因子と NOx 排出量および灰中未燃分を予測した場合であり、⑵は混炭燃焼時のデ−タも含め濃度との相関性を明らかにし、予測式の作成を行った。

て評価式を再導出し、より高精度な評価式を用いて単味

NOx 排出特性評価における予測式は、まず、実機収ならびに混炭燃焼時の NOx 排出特性を予測した場合で集デ−タおよび前節で述べた当研究所の微粉炭燃焼炉をある。混炭燃焼時のデ−タを加え、より多くの石炭性状用いた実験により得られたデ−タ⑸⑹から、石炭中Ｎ分と燃焼条件を基に評価式を導出することにより、評価精の NOx への転換率（NOx 転換率(CR)）と相関のある因度を一層向上させることが可能になった。
灰中未燃分排出特性については、前節の式（4-4）に子（影響因子）を抽出すると共に、各因子の影響が明ら

石炭性状からの影響因子の抽出ボイラ運転条件からの影響因子の抽出

当所試験路
運転実績
関数形の設定影響因子の例
燃料比（FR）
N分含有率（FN）
・・
二段燃焼率（OFA）
排ガス循環率（FGR）
ボイラ容量（BC）
・
・
関数形の例
（…）
CR＝（aFR/FN+b）（cOFA2+dOFA+e）（oOFA+p）（…）
UC＊＝（mFR+n）

実機データ
関数形中のパラメータを最小自乗により決定
影響因子の
再抽出

相関式の決定パラメータa, b, c, d,…
関数形の再設定

実機データ
相関式から計算される予測値と実測値から相関係数の計算

相関式の評価CR, UC＊の予測
ボイラ運転管理

図4-3-3NOx転換率（CR）・未燃焼率（Uc＊）相関式作成フロー

電中研レビュー No.46 ● 39

これに対し、混炭燃焼時の場合は、図 4-3-6 ⑴に示し
15.0
予測値（％）

12.0

NOx転換率たように、実測値が予測値に比べ大きくなっており、予6.0

測精度が低下することが明らかとなった。この原因としては、亜瀝青炭など比較的水分濃度の高い石炭が、混炭9.0で運用される場合が多く、燃焼性に及ぼす水分の影響が強く現れるのに対して、本評価式ではその影響が考慮されていないことが考えられた。従って、混炭燃焼時の未

単味
混炭

3.0
0.0
0.0

3.0

6.0
NOx転換率

9.0

12.0

燃焼率増大に及ぼす水分濃度の影響を加味するため、未15.0

実測値（％）

阻害する因子として水分濃度を加え、新たに予測式を作

単味燃焼時のデータに基づく予測式により評価

予測値（％）
NOx転換率

15.0
12.0

6.0

燃焼率予測式の石炭性状の影響を評価する項に燃焼性を成した。その結果、図 4-3-6 ⑵に示すように、混炭燃焼時の灰中未燃分濃度が、さらに精度良く評価できることが明らかになった。

9.0

⑵

粉

砕

性

微粉炭火力発電においては、石炭を粉砕し微粉にして用いる。各種石炭の粉砕性は、石炭性状によって大きな

単味
混炭

3.0
0.0
0.0

3.0

6.0
NOx転換率9.0

12.0

影響を受ける、ミルの運転条件やミル動力も石炭銘柄に
15.0

実測値（％）

よって大きく異なってくる。このため、石炭の粉砕性指標からミルの動力等が推定できれば、運転実績のない銘

混炭燃焼時のデータを加えた予測式により評価

NOx排出特性の実測値と予測値の比較

示した、石炭中可燃分の未燃焼率（Uc*）を評価因子として検討を行った。評価式は、NOx 排出特性と同様に未燃焼率

図4-3-4

予測値（％）

1.00
0.80
0.60
0.40
0.20

石炭性状と燃焼条件を影響因子として作成した。
0.00
0.00

単味燃焼時における未燃焼率の予測値と実測値との関

0.20

0.40
未燃焼率

係を図 4-3-5 に示す。ボイラタイプにより未燃焼率に差が

0.60

0.80

1.00

実測値（％）

単味燃焼時の評価システムによる予測精度あるものの、精度良く予測できることが明らかになった。
予測値（％）

1.00

ボイラタイプ A
B
C
D

1

未燃焼率

未燃焼率予測値（％）

1.5

0.5

0.60
0.40
0.20
0.00
0.00

0

0

0.5

1

図4-3-5

単味燃焼時における灰中未燃分排出特性の
評価精度

0.20

0.40
未燃焼率

1.5

未燃焼率実測値（％）

40

0.80

0.60

0.80

1.00

実測値（％）

水分影響を考慮した評価システムによる予測精度

図4-3-6

混炭燃焼時における灰中未燃分排出特性の評価精度

柄におけるミルの運転条件の設定やミル動力の推定なら

ト混和剤（AE 剤）の使用量と相関性の高い、メチレン

びにミル動力の少ない石炭の選定等が事前に可能となる。

ブルー（MB）吸着量注２）が広く用いられている。従っさらに、粉砕性指標を石炭性状から推定できれば、石炭て、当研究所では、生成灰性状の評価因子として MB 吸の粉砕性を調べなくても速やかにミル動力を推定するこ着量を選定し、実機データを基に石炭性状や燃焼条件ととが可能になる。

MB 吸着量との関連性を明らかにし、石炭灰の有効利用

当研究所では、一般に粉砕性の指標として用いられているハ−ドグロ−ブ指数（HGI）

注１）に着目し、単味の可能性を判別できる評価システムの構築を行なった。
MB は、灰中の未燃炭素に吸着することが推定されるた

石炭の HGI とミル動力との相関を明らかにし（図 4-3-7）、

め、実機における灰中未燃分濃度と MB 吸着量との相関

これによりミル動力を予測するシステムを構築した。ま関係から評価式を求め、これにより、単味および混炭燃

た、石炭性状（燃料比）と HGI およびミル動力との関焼時の MB 吸着量が精度良く推定できることを明らかに係も明らかにし、HGI を測定しなくても燃料比から直接した。さらに、灰中未燃分濃度については、既述したよミル動力を推定することも可能にした。さらに、混炭時

うに石炭の燃料比と二段燃焼率等の燃焼条件から予測可の HGI の測定値は、各炭種の HGI と混炭率を基に計算能であるため、実機におけるこれらの影響因子と MB 吸した推定値とよく一致することを明らかにした。混炭利

着量との関係から評価式を求め、石炭性状と燃焼条件か用時のミル動力は、このように推定された混炭時の HGIら MB 吸着量を予測できるシステムを構築した。

を用いて、単味利用時に得られた HGI とミル動力との⑷相関式から予測できることを明らかにした。

自然発火性
石炭の自然発火は、長期に石炭を保存する場合に懸念⑶ 生成灰性状される現象である。また、自然発火性が評価できること

石炭灰については、各電力ともコスト低減の観点から、により、貯炭管理において貯炭期間や散水方式や散水量

有価灰としての有効利用率を増大させることが、重要なの適正化など効果的な自然発火対策が可能となる。当研課題となっている。現状の有価灰の利用先は、セメント究所では、現在実発電所で利用されている各種石炭に対混和剤が最も多くなっており、この場合に有効利用の可

して、石炭の自然発火性と石炭性状および物性との関連否を決める最も重要な石炭灰の品質として、コンクリー

性を明らかにし、自然発火性を推定する方法を検討した。
本方法では、石炭の酸化反応における見かけの活性化
エネルギ− E[kJ/mol]を、自然発火性の指標として、石16
動力（kWh/t-石炭）

炭の性状分析値（燃料比、O/C、揮発分、酸素濃度および水分）との相関性を把握した。これらの分析項目の中
12

では、O/C が最も相関性が高く、これを評価因子とし±15％て、自然発火性評価システムを構築した。
8

4
35

4-3-3
45

55

65

HGI

図4-3-7

発電用炭適性評価システム

75

ミル動力とHGIの関係

本システムが各発電所で利便性良く、機能的に活用できるよう、「石炭利用事例検索システム」と「炭種適合性評価システム」を組み合わせ、パソコン上で利用でき

注１）ハ−ドグロ−ブ試験機を用いて、規定条件のもとで求めた、石炭の粉砕性を示す数値
注２）JIS 規格には規定が無いものの、コンクリート混和剤（AE 剤 *）の使用量とほぼ直線的な関係があるため、コンクリ−
ト中の空気量を調節するに当たって品質管理上の重要な尺度となる。AE 剤は、コンクリ−ト等の中に多数の微小な空気泡を一様に分布させるために用いる混和剤

る「発電用炭適性評価システム」（図 4-3-8）を作成した。

⑴

NOx ・灰中未燃分排出特性
図 4-3-9 に評価フォ−ムを示したが、混炭燃焼時の評

価も行なえるよう、石炭性状（工業分析および元素分析）

電中研レビュー No.46 ● 41

価式に基づいて NOx 転換率、NOx 濃度、未燃焼率、灰
石炭銘柄

中未燃分濃度が計算、表示される。また、石炭性状と目
石炭性状

石炭性状DB
石炭利用
事例検索 発電所ユニットDB 機器諸元
システム
石炭使用実績DB 運転条件

燃焼試験炉データ
基礎実験データ
研究データ

炭種適合性評価システム

実機データ

標とする NOx 濃度ならびに灰中未燃分濃度を入力することにより、それぞれの目標濃度を達成できる二段燃焼率を提示すると共に、二段燃焼率に対する NOx ・灰中未燃
分濃度の変化特性をグラフ表示する機能を有している。
⑵

粉

砕

性

石炭性状として、燃料比または HGI を入力する。混炭
経験情報による
適合性評価

評価システムによる適合性評価■自然発火性■粉砕性■NOx・灰中未燃分排出特性■生成灰性状燃焼時の HGI は、各炭種の HGI と混炭率により算出し、混炭時の HGI からミル動力を求めるシステムとなっている。

⑶

生成灰性状
石炭灰性状として、灰中未燃分濃度を入力することに

図4-3-8発電用炭適性評価システム

より MB 吸着量が計算、表示される。灰中未燃分濃度の実測値が不明であっても、石炭性状と燃焼条件から直接の入力シ−トを複数対応とし、各炭種性状と混炭率からMB 吸着量を推定する手法も備えており、灰中未燃分排

混炭時の石炭性状値を計算機で算出できるようになって出特性と同様、水分濃度や揮発分含有率等の工業分析値

いる。各炭種に対してに燃焼条件（二段燃焼率、酸素濃が入力できる複数炭対応の石炭性状入力シ−トと二段燃度および排ガス再循環率等）を入力することにより、評焼率等の燃焼条件入力シ−トを用いて、評価される。

図4-3-942

発電用炭適性評価システム利用例（NOx・灰中未燃分評価フォーム）

⑷ 自然発火性
石炭性状として酸素含有率および炭素含有率を入力することにより自然発火性の起こりやすさを表示するシス

今後は、本システムを部分負荷時にも対応できるよう改良を行う予定であり、併せて一層の精度向上を図っていく方針である。

テムとした。

４−４

エネルギー源強化、燃料コストの低減のため、様々な今後の展開システムとして高度化していく予定である。

石炭種の導入拡大に対する要請は、近年益々強くなって一方、試験炉を用いた石炭性状の評価手法は、実際にいる。これらの石炭について、発電所への適用可能性を

燃焼試験を行って評価するため、幅広い利用条件に対す的確かつ簡便に判定する手法の開発ならびに、その高精る特性など極めて詳細な評価が可能であると共に、実際

度化への要求は、今後も一層強くなってくるものと思わの発電所では類似の石炭種の運転実績もないような極端れる。本章で述べた手法は、現在の微粉炭火力においてに性状の異なる石炭種についても、特性を評価できると最も重要と思われる NOx および灰中未燃分の排出特性いう利点がある。今後は、石炭燃焼試験炉において、よを中心に開発したものであるが、微粉炭火力発電所の一り極端な性状を有する石炭種の評価を行い、発電用炭適層の信頼性向上、技術の高度化の上では、今後さらなる性評価手法を拡張・高精度化すると共に、一層多くの評

評価精度向上、ならびに幅広い利用条件に対する適応性

価項目に対して、さらに精度良く判定できる手法を開発拡大が望まれると共に、スラッギング性、ファウリング

する予定である。

性など他の評価項目についても適性判定法を開発することが求められると考えられる。

本検討にあたっては、一層実機に近い場で詳細な評価を行うため、これまで主に用いていた石炭燃焼試験炉に

今後は、まず、現在の炭種適合性評価システムを部分加え、新たに実機と同様の複数バーナを有しかつ、実機負荷運転に対しても適用できるようにすると共に、よりと同じ方式の排煙処理装置を用いて環境対策技術の検討

幅広い石炭種についても適用できるように拡張する予定を行うことのできる「石炭燃焼特性実証試験装置」を設である。また、一層の判定精度向上のため、さらなる実置する。本装置を、石炭燃焼試験炉や他の基礎的な研究

機データの収集ならびに、それを基にした評価式の改良設備を組み合わせ、新規石炭種の事前評価法の開発・高を行う。評価項目の拡張については、各発電所における度化について、一層多角的な検討を効率的に行っていく

炭種評価の際に必要となる新たな判定項目の再抽出なら予定である。

びに、それに対する判定手法の開発を行い、一層有益な

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