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表1

水素バーナの開発〜Phase2 アスファルト混合物製造試験〜
長谷川 修磨・北野

AP使用燃料と水素燃料の比較6）7）8）

裕樹・今田 雄司

Hasegawa Shuma, Kitano Yuuki, Konta Yuji

概要

2.2 APでの水素への燃料転換と結びつき水を生成するのみでCO 2は発生しないため、非そのため、日本政府は2021年に「2030年度に世界的な温暖化対策として、2015年にパリ協定が策定された。
を目指す表明をした。
アスファルトプラント（以下、APと記述）業界温室効果ガスを2013年度から46％削減すること」
においても目下の課題に向けて温室効果ガス排出量の削減に精力的に取り組んでいる。APにおいて温室効果ガ常にクリーンなカーボンニュートラル燃料である。燃料の安全APのバーナに使用している燃料から水素へ燃料転換を性も考慮するとAPで利用し易いために、水素バーナ開発の行う場合にメリットとして、骨材乾燥においてCO 2を排出しな

これらに代わるスであるCO2を最も排出するのは、骨材の乾燥加熱で消費する化石燃料由来のものであるため、優先度を高め、最短で製品精度を高めため、2022 年より東くなることが挙げられる。APでカーボンニュートラルを目指す

京ガスエンジニアリングソリューションズ株式会社と水素バー上で重要な点であるが、現状水素へ燃料転換を行う場合、当社は、東京ガスエ
次世代の燃料としてCO2を発生させない水素燃料を使用できるバーナの開発を行っている。

ナの共同開発を開始し、2023 年 3月には500ｋW 水素バーいくつかの課題が挙げられる。

ンジニアリングソリューションズ株式会社と水素バーナを共同開発し、2023年3月には500ｋW水素バーナの開発にナを開発した。

・設備、燃料にかかるコストが高くなる

本試験では、開発した水素バーナを小型試験プラントへ至った1）。本稿では、開発した500ｋW水素バーナがAPで、実際に運用が可能であることを検証した水素バーナによるアスファルト混合物製造試験について報告する。

・低温液化状態での貯蔵実装し、アスファルト混合物を製造した。製造したアスファルト・気化をグリーンエネルギーで賄う必要性混合物の試験施工までを行い、小型試験プラント運転時の・APで必要な量の水素供給が困難バランスと舗装材としての品質を評価する。そして、水素燃

現段階では、水素は従来の燃料よりコストが高いことに加グリーン成長戦略では、産業政策・エネルギー政策の両面料を使用することで燃焼排ガスの水蒸気が増えるため、排え、都市ガスの様にパイプラインで供給ができる箇所が少な

18 世紀後半の産業革命以降、人類は化石燃料を大量にから、成長が期待される14 の重要分野実行計画を策定さ

ガス中の水蒸気がアスファルト混合物の品質とAP 運転時のいため、水素燃料を貯蔵する設備のコストが設備投資への消費しながら熱、電気エネルギーの恩恵を受けてきた。そのれ、エネルギー関連産業の1 分野として水素があげられる。

骨材温度制御、機器へ及ぼす影響を確認した。本稿では、抑制になっている。そのため、APでの水素利用が普及する代償として大気や海洋、河川などの環境への負荷も大きく、水素では2050 年に2,000 万トン程度、供給コスト20円/Nm

前田道路株式会社小型試験プラントで水素バーナを用いてには、
まずは水素の供給量が増加し、水素のインフラを整え近年の異常気象で集中豪雨やエルニーニョ現象、ラニー程度以下（ 2024 年都市ガス熱量単価程度）を目指しており、アスファルト混合物を製造した実装試験結果を報告する。

る必要がある。

ニャ現象などが頻繁に発生するようになってきた。特に1850

エネルギー業界での導入拡大が見込まれる3）。

１. 緒言

3表2

２. APにおける水素燃料

年以降は気温が上昇しており、気候変動に関する政府間パ

また、戦略的イノベーション創造プログラム（ SIP ）第 3 期のネル
（ IPCC ）の第 6 次評価報告書によると、今世紀末までに課題にスマートエネルギーマネジメントシステムの構築があり、このことかは3.3~5.7 ℃の上昇になるだろうと言われている。

次世代の社会インフラを確立するため、再生可能エネルギー

全国の APでバーナに使用している燃料の多くはA 重油ら、国連のグレーテス事務総長が、このままでは温暖化よりも由来の電気や水素、熱を効率的に活用するとしている4）。

が使われている。都市部や沿岸部では、都市ガスやプロパン

2.1 AP使用燃料と水素燃料の比較

現在、APで排出されるCO 2の内訳は、骨材乾燥加熱にガス燃料の利用範囲が拡大してきており、工業関係設備のよる燃料由来が79% 、事務所等での電力使用由来が19% 、ガス燃料化も急速に加速してきている。APで主に使用してこのような環境問題に対して全世界が危機感を共有して重機燃料その他由来が2%となっている。重油を基準にしたいる燃料と水素燃料の比較を表1に示す6）7）8）。

いる中、2015 年にパリ協定が第 21 回気候変動枠組条約締ガスへの燃料転換時の発熱量当りのCO 2 削減効果として、プロパン、大気圧下20℃では、A重油のみが液体で存在し、で採択され、目的として「世界の平均気約国会議（ COP21 ）プロパンガス15％の削減が期待されるが、で都市ガス 25％、都市ガス、水素は気体で存在する。体積当たり発熱量はプロ

温 上 昇を産 業 革 命 以 前と比 べて 2 度より十 分 低く保ち、これ以上の削減には他の技術との併用が必要である。そしパン＞都市ガス＞水素であり、都市ガスの代わりに水素ガスを1.5 ℃以内に抑える努力をする」ことが掲げられた。近年でて、過去に開発したグリセリンや木質タール、もみ殻、炭化燃使用して同じ熱量を得るには4倍程度の流量が必要となる。

は、2023 年 11月に開催されたCOP28で1.5 ℃目標の実現

料などの燃料を使用したバイオマスバーナはバイオマス燃

水素は他のガス燃料と比べて沸点が -252.9 ℃と低いたに向かうために、2030 年までに再生可能エネルギーの容量料の導入によってCO

5）バイオマス2の削減が可能である が、め、液化させるには多くのエネルギーが必要となるが、質量を3 倍に、省エネ率を2 倍にすることを掲げ、化石燃料からの燃料を利用する場合には、発生地域からの運搬や利用する当たりの発熱量が 120.4 MJ/kgであり、他の燃料の2 倍以脱却を更に加速させる意思を各国が提示している2）。

ための供給体制も重要になることから、短期間でのAP 全体上の発熱量を持っている。水素をクリーンな燃料で液化するへ利用を拡大することは難しい。

ためにエネルギーは必要であるが、液体にすることで体積が深刻な沸騰化の時代が到来することになってしまうと発言し警鐘を鳴らしている。

パリ協定に伴って、2021年に日本は2030年度に温室効果ガスを2013年度から46％削減することを目指す表明をしていこのような状況を踏まえて、これまでAPで使用されてきた1/800になるので効率良く運搬できる。そしてこれから政府る。
目標を達成するため，経済産業省が中心となり「 2050 年化石燃料の代替燃料として、今後期待されている水素燃料がカーボンニュートラルに向けて推進していく燃料となっておカーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」を策定した。

を使用できるバーナの開発を行った。水素は、燃焼時に酸素り注目されている。

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試験パラメータ

水素バーナの開発

図1

運転方法フローチャート〜Phase2 アスファルト混合物製造試験〜
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３. 合材製造試験

骨材温度と骨材含水はベルトコンベヤ（ドライヤ通過前）と3.1 試験条件

ホットエレベータ（ドライヤ通過後）で骨材をサンプリングして重 油による試 験は重 油 専用バーナで実 施した。CNG測定する。排ガス成分と排ガス量の測定は小型試験プラント（ compressed natural gas 圧縮天然ガス、都市ガス13A ）と煙突部の測定口で測定を行った。排ガス成分の測定方法を

水素の混焼は熱量を基準として水素の導入割合を変えて表4に示す。

小型試験プラント仕様

表3

実施した。
水素使用後に消火する時は、配管中で残留水素と空気3.4 合材製造試験結果が可燃混合気にならないよう水素専焼状態にしてから窒素3.4.1 骨材乾燥加熱結果

パージで消火を行い、そのまま配管内部のガスを置換した。

骨材供給量 5t/hでの各燃料の専焼における骨材乾燥加そして、運転中の骨材温度調整は骨材温度が 210 ℃で安熱の結果を表5に示す。各試験条件で加熱後の骨材温度定するように燃料流量を制御しながら骨材乾燥を行った。本を比較すると194〜203 ℃の温度であることから水素は都市試 験で実 施したパラメータを表 2に、運 転 方 法のフローガスと骨材加熱能力は同等で、温度上昇速度などの制御性チャートを図1に示す。

に関しても同等で運用できた。

写真 1

3.2 試験設備

水素バーナ

表 5に示すように加 熱 前の骨 材 含 水 比は水 素 専 焼 時4.1％であり、重油専焼時の5.3％より低い値であるが、加熱

表4

前田道路株式会社小型試験プラントに2023 年 3月に東後の骨材含水比が水素専焼時で0.08％と他の燃料専焼時

京ガス株式会社と共同開発した500ｋW 水素バーナを設置と比べて高い値となった。水素専焼時の骨材含水比でもアした。設置した水素バーナの外形を写真1に示す。

スファルトの品質は従来と変わらないことを前田道路株式会

排ガス測定法社により確認した。

3.2.1 水素バーナ

燃料の流量値は、乾燥後の骨材温度が安定している状

本試験での水素バーナの着火方法は従来の弊社ガスバー態で測定している。試験条件から骨材の乾燥加熱に必要なナ同様に、都市ガスでのパイロット着火を行った。都市ガスと水熱量を試算し、熱効率を算出した。水素は重油と比べ熱効

素はバーナのガスライン内で混合される元混合方式を採用し、

写真 21本のバーナノズルで都市ガスの専焼から水素の混焼、更に燃焼装置率が55.8％と低い数値を示したが、CNGの54.6％と同程度の熱効率であったため、都市ガスと同様に運用可能である。

水素の専焼まで燃焼することが可能である。燃焼空気はバーの要因となるため減圧してから燃焼装置に供給している。

一般的に水素火炎からの輻射熱は通常の炭素を含む輝炎

ナ後方にあるファンから供給し、水素燃料の流量に対して必CNGと水素の供給ラインが合流管で合わさり、水素バーより十分小さいため、水素の熱効率が A 重油と比べて低いナに燃料を供給する。専焼時に切り替えられるように切換え

どの燃料においても40％もの無結果となったと考えられる9）。

弁、水素供給ライン側には逆流に対する安全対策として、逆効熱があるため、この小型試験プラント特有の影響があり、止弁を取り付けた。

材料投入口等からの浸入空気が多いため、排ガス温度によ要な空気量比率を任意に変更しながら調整を行った1）。
3.2.2 燃料供給ライン

表5

骨材乾燥加熱結果

る無効熱が考えられる。

試験で使用したCNG 燃焼装置を写真2に示す。CNG供給ラインでは流量計、電磁弁、ボールバルブ等を含む燃焼

3.2.3 試験プラント装置を使用した。本試験ではプラントへの影響を調査するた

試 験で使用した小 型 試 験プラントを写 真 3 、プラント内めに混焼率を任意に変更可能なように流量を調整できるようユニット機器の仕様を表3に示す。乾燥キルンのサイズはにした。

プラントの骨材乾燥能力は
Φ1100mm×3500mmであり、水素供給ラインではカードル（ボンベをまとめて枠組みし、5t/hである。水素バーナは当社の従来ガスバーナと同様にガスの取り出し口を集約したもの）から14.7MPaの水素が供レトロフィットできるようにした。
この水素バーナを小型試験プ給され、減圧ユニットにより0.2MPaまで減圧された水素が供ラントの重油バーナと入替し、合材製造試験を行った。

給される。水素流量はマスフローコントローラを使用して量を調整した。

3.3 試験測定項目

ガス燃料は高圧にするほど容積を小さくすることができる

下記に本試験で測定した項目を示す。

ため容量当たりの熱量が高くなり、ボンベのサイズや配管径・骨材温度（投入骨材、排出骨材）を小さくすることができるメリットがある。そのため、容積を小・骨材含水（試験前後の骨材含水比）さくしてエネルギー密度を高くするために、CNGと水素は共・排ガス成分

しかし、高圧に14.7MPaの高圧でボンベに充填されている。

（NO X、O 2、CO 、CO 2、SO X、H 2O、煤塵測定）のまま使用すると機器の損傷や急激な圧力変動で失火など

・排ガス量

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写真 3小型試験プラント

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表6

排ガス測定結果

由来の水蒸気量の割合が多くなるため、水素燃料を使用すると骨材乾燥での総水蒸気量が増加することになる。
しかし、試験条件ごとに骨材含水が 3.56~5.61%とバラつきがあるが、今回行ったすべての条件で排ガス中の水蒸気量の割合燃料由来の水蒸気量の影響は許容範囲である。加えて、試算した凝縮水蒸気量の値は、水素燃料の混焼率に比例
これは、排ガス温度によって飽和水蒸気量が変わるため、表7に示すように凝縮水蒸気量が 76.6 〜 184.1L/hとバラつきがある結果になったと考えられる。水素燃料への転換を行うことで一概に凝縮水蒸気量が増えるわけではなく、排出ガスの温度を管理すれば凝縮水の排出量を減らすことが可能であることも、予備試験で行った小型試験プラントで排ガス温度を上げた時の煙突や煙の様子から確認することができた。

表6に示すようにCO 2 濃度は重油専焼時に4.1％であり、「設備、燃料、貯蔵コスト」、「 水素燃料の確保」などの社会CNG 専焼時は2.7％と減少していることが確認できた。これ的課題が残っている。都市ガスとグレー水素の熱量当たりのは発熱量当りのCO 2排出係数が重油よりCNGの方が低い

グリーン水素とグレー水素では約 6 倍の単単価差が約 2 倍、ためである。水素燃料の混焼率が高くなるにつれCO 2 濃度価差がある。
これらの問題を解消できるように、まずは2030が減少していき、水素専焼の条件では CO 2は検出されな年を目途に水素が利用し易くなるように支援、補助金などのかった。水素は燃焼時に酸素と結びつき水を生成するのみ

議論がなされているため、いつでも水素バーナ設備をAP へ

また、COでCO 2は発生しないため、現象結果と一致した。

実装できるようにする。一般的なAPに用いられる出力5MW

pp.121-129.
10） 環境省
https://www.env.go.jp/air/osen/law/t-kise-6.html（参照日2024年1月19日）

以上のバーナへのスケールアップを進めていく予定である。

測定したすべての条件で基準値と比べ低いNOx 値となっえて、都市ガス燃焼においても低 NO Xでの燃焼を維持できの低い材料に冷やされてしまい未燃が多くなっていると考えている。水素専焼でのNOx 値が23ppmであり、CNG 専焼ることから、都市ガス専焼でも使用できるようになっている。

られ、1472ppmという数値を示している。水素専焼でCOがの5ppmと比べて高い値となり、開発段階での試験と同様のまた、AP 以外の分野でもカーボンニュートラル達成に向検 出されているが 機 器 誤 差 の 範 囲 内（ C O 測 定レンジ

結果を示した。水素は燃焼速度が速く、局所的な高温部分けて水素が期待されているため、水素バーナの燃焼技術、2500ppm、誤差±2%）であると考えられる。

ができるため、サーマルNOx が CNGより増加することが知低 NO X 化技術を活かして、新たな製品の開発にも注力しられており、このような傾向と一致している。ている。

理論値では、水素 1Nm 3を燃焼した時に0.8kgの水が発準値が設けられており、骨材乾燥炉の排出基準値は 230生する。表7に示すように水素は重油やCNGと比べ、燃料2024│NO.005

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修磨

2022 年入社
開発部 開発 1課
KITANO Yuuki
北野
開発部

蒸気量の値を表7に示す。

挙げられる。
これは大気汚染防止法でNOxの排出量に基長谷川裕樹

2015 年入社

排出ガス内の水分量の測定結果から、試算した凝縮水示す。APで使用する場合に懸念点としてサーマルNOx が筆者紹介

HASEGAWA Shuma型試験プラントのため、キルン長さが短く燃焼しきる前に温度

CNG専焼で204.9Nm3/h、水素燃焼で230.7Nm3/hとなった。

動報告9） 武野 計二（2010 年）日本燃焼学会誌 第 52 巻 160 号

Phase1での試験結果から500ｋW 水素バーナは水素に加試験結果より、実際の水蒸気は重油専焼で297.0Nm3/h、機械部会 路盤・舗装機械技術委員会 令和 4 年度活モニア燃焼」日本燃焼学会誌 第 58 巻 183 号pp.41-48.

ppmとなっているため基準を満たす必要がある1 0 ）。今回

NO X 濃度をO 2 濃度 16％で換算した値のグラフを図2に5） 日工株式会社 2023日本建設機械施工協会「カーボンフリーアン8） 小林 秀昭，早川 晃弘（2016 年）

れCO 濃度が減少していく傾向を示しており、特に重油は小問題はみられなかった。

（参照日2024年1月19日）（参照日2024年1月19日）

一方で、AP 実機へ水素バーナを設置するには前述したり、重油でも規制値より低い値であるため、水素燃焼による.html

sic-knowledge/fuel/材の品質に問題がないことが確認された。

表6に示すように煤塵量はガス燃料で測定限界以下であhttps://www8.cao.go.jp/cstp/gaiyo/sip/sip3rd_list

https://www.iwatani.co.jp/jpn/business/energy/baのガスバーナ同様の運用ができること、そしてアスファルト合NOX濃度（O216％換算）結果

4） 内閣府

7） Iwatani

発生の影響とアスファルト合材の品質においては、
これまで

図2

（参照日2024年1月19日）（参照日2024年1月19日）

試験の結果から懸念としてあった水素燃焼における水蒸気濃度もCO 2濃度と同様に水素燃料の混焼率が高くなるにつ

https://www.meti.go.jp/policy/energy_environme

https://www.eneos.co.jp/business/sds/gasoline/

500ｋW 水素バーナを開発し、本アスファルト混合物製造

各条件における排ガス測定結果を表6に示す。

3） 経済産業省

6） ENEOS

４. 結言

3.4.2 排出ガス測定結果/202 0html/1-3-1.html

nt/global_warming/ggs/index.html

する結果になっていないことが確認できた。

水蒸気量試算結果

https://www.enecho.meti.go.jp/about/whitepaper（参照日2024年1月19日）

として骨材由来のものが多いため、実際の水蒸気量に対して

表72） 経済産業省 資源エネルギー庁

References

開発 1課

KONTA Yuji
今田

1 北野 裕樹,今田 雄司 2023 水素バーナの開発

2002 年入社
開発部 開発 1課〜Phase 1〜 NIKKO TECHNICAL REPORT

No.004，pp.39-44.

水素バーナの開発

雄司〜Phase2 アスファルト混合物製造試験〜
─ 50 ─

2024│NO.005