平成３０年度石炭現場ニーズ等に対する技術支援事業「石炭資源の長期的かつ安定活用のための石炭との混焼を前提とした新規混合資材の調査検討」
に関する共同スタディ

報告書

２０１９年３月
独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構
出光興産株式会社

目次

図目次
図 1-1 各種木質バイオマス燃料の形状 ................................................................................1
図 1-2 TBP の特徴（ホワイトペレットとの比較） .............................................................2
図 1-3 共同スタディの全体計画.............................................................................................3
図 1-4 対象石炭と混焼率 .........................................................................................................4
図 1-5 実施体制図 ......................................................................................................................6
図 3-1 本共同スタディの試験概要.........................................................................................8
図 3-2 一般的なエネルギー及び物質収支 ...........................................................................14
図 4-1 ミルによる粉砕機構 ...................................................................................................16
図 4-2 試験ミルの外観 ...........................................................................................................17
図 4-3 ミル差圧のトレンド ...................................................................................................18
図 4-4 ミル電力のトレンド ...................................................................................................18
図 5-1 管状炉の概要 ...............................................................................................................21
図 5-2 各試料のアレニウスプロット ..................................................................................22
図 5-3 乱流炉の概要 ...............................................................................................................24
図 5-4 炉内温度分布測定結果 ................................................................................................26
図 5-5 灰中未燃分と NOx 濃度の関係 ..................................................................................26
図 5-6 OFA ファクターと未燃炭素率の関係 .......................................................................27
図 5-7 OFA ファクターと NOx 転換率の関係 .....................................................................27
図 6-1 灰付着性評価方法の概要............................................................................................30
図 6-2 ホットステージ試験機 ................................................................................................32
図 6-3 一般的な灰の状態変化 ................................................................................................33
図 6-4 A 炭と TBP のバイオマス混焼灰の溶融試験 ..........................................................34
図 6-5 灰付着・成長・剥離のイメージ図 ...........................................................................35

表目次
表 1-1 TBP の一般的性状（ホワイトペレット、石炭との比較） .....................................2
表 1-2 2030 年時点の達成指標 .................................................................................................2
表 3-1 試験 Run と試験条件 ....................................................................................................9
表 3-2 石炭及び TBP の分析結果 .........................................................................................10
表 3-3 特性評価指標の計算結果（A 炭+TBP） .................................................................. 11
表 3-4 特性評価指標の計算結果（B 炭+TBP） .................................................................. 11
表 3-5 特性評価指標の計算結果（AB 混炭品+TBP） .......................................................12
表 3-6 国別天然ゴム栽培面積と生産量（2017 年上位 10 か国） ...................................12
表 3-7 半炭化技術と開発実施組織.......................................................................................13
表 4-1 試験ミルの運転条件 ...................................................................................................17
表 4-2 試験結果 .......................................................................................................................18
表 5-1 各試料の活性化エネルギーと頻度因子 ..................................................................22
表 5-2 燃焼条件 .......................................................................................................................24
表 5-3 燃焼試験の給炭量、排ガス濃度測定結果 ..............................................................25
表 6-1 灰付着試験結果（1,300℃） .....................................................................................30
表 6-2 灰付着試験結果（1,100℃） .....................................................................................31
表 7-1 本共同スタディ結果の概要.......................................................................................36

1. 共同スタディ概要
共同スタディの目的
近年、木質燃料を石炭火力発電所に部分的に投入する、所謂バイオマス混焼発電が広がっているが、混焼率は粉砕性等技術的な課題により、これまで数パーセントに留まっている。
本共同スタディでは、産炭地での石炭と新規混合資材の半炭化バイオマスペレット（以下、TBP）との混焼を将来的な事業スキームとして視野に入れて、TBP との混焼の条件や石炭に準じたハンドリング性、並びに混焼に最適な石炭の炭質条件等を調査するものである。各種木質
バイオマス燃料の形状を図 1-1 に、一般性状を表 1-1 に示す。また、TBP の特徴につき、図 12 に示す。
本共同スタディの検討により混合資材の混焼率が高まれば、既設石炭火力発電所における省
エネ法注 1、高度化法注 2 をクリアできる新たなオプションを提供でき、結果的に石炭資源の長期的かつ安定活用に資することとなる。

半炭化バイオマスペレット(TBP)

木質チップ

ホワイトペレット

現在、混焼に使用されている木質バイオマス、混焼比率は 1～2%程度
図 1-1 各種木質バイオマス燃料の形状1

表 1-1 TBP の一般的性状（ホワイトペレット、石炭との比較）
ホワイトペレット

TBP

石炭

7-10

1-5

10-15

20-25

28-35

50-55

かさ密度：kg/m

550-650

650-750

800-850

エネルギー密度：Mcal/m3

1,800-2,500

2,700-3,700

4,300-5,700

水との関係

親水性

疎水性

疎水性

発酵・腐敗

注意が必要

なし

なし

ミルへの投入量的制約あり

通常どおり

通常どおり

水分：wt% AR
固定炭素：wt%DB3（１） エネルギー密度の向上⇒

輸送・貯蔵効率の向上（２） 粉砕性の向上⇒

石炭との混焼率 UP（既存 1~3%⇒30%以上）（３） 耐水性の向上⇒

石炭に準ずるハンドリング性（新たな貯蔵設備への投資は不要）（４） 原料の多様化⇒

未利用林材、農業残渣等未利用資源の活用（生産量拡大）

石炭と同様な取り扱いが可能
図 1-2 TBP の特徴（ホワイトペレットとの比較）

注１

省エネ法について「エネルギーの使用の合理化等に関する法律」の略称｡火力発電の高効率化を促進する目的で｢電力供給業におけるベンチマーク制度の見直し｣を 2016 年 4 月 1 日に発効し、発電段階で表
1-2 に示す指標の 2030 年時点での達成を設定｡
表 1-2 2030 年時点の達成指標
目指すべき水準

各電源の(発電端､HHV)

新設
目標値

火力発電効率 A 指標

火力発電効率 B 指標

燃

石炭

42.0%

41%

(全石炭火力発電効率/41%) × (石炭火力の発電比率)(全石炭火力発電効率) × (石炭火力の発電比率)

料

LNG

50.5%

48%

+ (全 LNG 火力発電効率/48%) × (LNG 火力の発電比率)+ (全 LNG 火力発電効率) × (LNG 火力の発電比率)

石油等

39.0%

39%

+ (石油等火力発電効率/39%) × (石油等火力の発電比率)+ (石油等火力発電効率) × (石油等火力の発電比率)= 【火力発電効率 A 指標】 ≧ 1.00

= 【火力発電効率 B 指標】 ≧ 44.3%

2注２

高度化法について「エネルギー供給事業者による非化石エネルギー源の利用及び化石エネルギー原料の有効な利用の促進に関する法律」の略称。電力供給事業者に対して、太陽光、風力等の再生可能エネ
ルギー源、原子力等の非化石エネルギー源の利用や化石エネルギー原料の有効な利用を促進す
ることを目的として、電力小売段階で非化石燃料比率を 2030 年時点で 44%に設定。

共同スタディの全体計画
本共同スタディは、産炭地での石炭と TBP との混合を将来的な事業スキームとして視野に入れ、新規混合資材の TBP との混焼の条件や石炭に準じたハンドリング性、並びに混焼に最適な
石炭の炭質条件等を調査する。全体計画を下記及び図 1-3 に示す。
(1) 1年目
豪州炭、インドネシア炭を用い、炭種及びペレットの性状の違いよるTBP混焼時の燃焼プロセスへの影響因子を実験室レベルで評価し、次年度以降に実施予定の大型ボイラでの実証試験における指針を確立する。
(2) 2年目
出光興産が所有する微粉炭ボイラもしくは電力会社の大型発電所等にて混焼試験を実施
し、ハンドリング性、燃焼性等実用上の課題を抽出する。
(3) 3年目
ペレット生産・輸送プロセス全体の見直し及び事業性評価（FS）を行い、FIT制度（電力固定買取制度）を利用せずとも実用可能なレベルへのコストダウンを目指す。

１年目

２年目

３年目

混焼する石炭の影響
因子の確認

大型混焼試験

FIT 無しでの実用化検討

・各種石炭と TBP 混焼時の影
響予測
・試験炉における各種石炭との混焼試験
・バイオマス混焼灰の付着性試・バイオマスの産地調査
・実機運転に向けた事前試験
・TBP と石炭の混合、ハンドリ
ング方法検討・実機混焼試験験

図 1-3 共同スタディの全体計画
3

・TBP 生産プロセス全体のコス
トダウン検討・貯炭場等での混合試験等輸送
方法の改善
・FS

平成 30 年度の共同スタディ内容
本年度は、炭種及び混焼率の違いによる TBP 混焼時の燃焼プロセスへの影響因子を実験室レベルで評価し、次年度以降に実施予定の大型ボイラでの実証試験における指針を確立することを目的とする。
使用する石炭は瀝青炭の代表例として豪州産の A 炭及び亜瀝青炭の代表例としてインドネ
シア産の B 炭を使用する。また両者を等量混合したケースでの評価も行う。
一方、混合するバイオマスはゴムの木の廃材を原料とした TBP とし、混焼割合をバイオマスの 0～50%（カロリーベース）で変化させ、その影響を評価する（図 1-4）。
瀝青炭
亜瀝青炭

豪州 A 炭インドネシア B 炭

×

A＋B 混炭

TBP
混焼率：0～50%（石炭と等カロリーベース）

図 1-4 対象石炭と混焼率
これらの組み合わせで下記の評価を行い、混焼に対する影響因子を抽出する。
(1) 各種石炭と TBP の混焼時の机上計算による影響予測

石炭及びTBP単独の性状から机上にて混炭後の結果を机上計算し、後の実測値との違いを考察し、今後の原炭スクリーニングの指標を構築する。

(2) 各種石炭との混焼による燃焼性評価（最適燃焼条件、NOx、SOx）


A炭、B炭それぞれ単独及びA炭とB炭を等量混合した石炭に対し、TBPを0～50%混合した試料を燃焼させる。



燃焼性は火炎の安定性、灰中の未燃分量等で評価する。



排ガス濃度測定及び灰の電気伝導度により環境影響を評価する。



以上によりTBPの混焼効果を序列化する。

(3) バイオマス混焼灰の灰付着性評価（灰付着量、融着性）


灰付着プローブによりスラッギング温度（1,300℃）及びファウリング温度（1,100℃）
における灰付着量、密度、付着強度を測定する。



回収した灰を1,300℃、1,100℃で成形し、その溶融状態を比較する。

(4) まとめ

以上の結果を総合的に考察し、次年度以降の実証試験での検証すべき内容、具体的実験条件の構築等に反映する。

4

成果の利用や波及などに関する具体的なイメージ
1.4.1. 成果の利用イメージ(1) 現地、貯炭場、輸送中等で混焼に適する石炭をTBPと混合し、日本に輸入する。
(2) 輸入した石炭／TBP混合燃料を従来の石炭利用ルートにそのまま乗せることで、大きな装置改造をすることなく、CO2の排出量を削減できる。
1.4.2. 波及イメージ(1) 新規混合資材の混焼率が高まることで既設石炭火力発電所における省エネ法､高度化法をクリアできる新たなオプションを提供出来､結果的に石炭資源の長期的かつ安定活用に資することとなる。
(2) 本共同スタディで新規混合資材の混焼率が高まることが確認出来れば､将来的な事業スキームとして産炭地での石炭とTBPとの混合事業を検証し､炭鉱の可採年数の延長に寄与す
ると共に石炭とTBPの混合燃料の長期的かつ安定供給に資することが期待される。
(3) 新規混合資材のTBPと石炭との最適な混焼条件及び混焼に適した石炭品位･特性を把握することにより、石炭火力発電所の燃料コスト低減化が期待できる。
(4) TBPの混焼率を高めることにより、既設石炭火力発電所の事業性を改善すると共に石炭の需給の緩和及びより我が国への石炭資源の安定的な供給に寄与することが期待できる。
(5) 新規混合資材のTBPは従来のホワイトペレット対比､エネルギー密度や疎水性が高く､更に輸送･貯蔵･粉砕に関して新たな設備投資が不要であり､本共同スタディの成果は既存の石炭火力発電所に広く活用できる。
(6) TBPは硫黄、窒素の含有率が低いという特長があり、混焼率を高めることで、SOx、NOxの発生が抑えられるため、硫黄や窒素の高い石炭が使用できなかった一般産業のボイラでこれらの石炭の利用が可能となれば、安定供給に資することが期待される。

5

実施体制
1.5.1. 実施体制
JOGMEC 及び出光興産株式会社石炭事業部が実施主体となり、石炭と TBP の混焼のラボ評
価を出光興産㈱石炭・環境研究所（以下、出光石炭・環境研）が実施する。図 1-5 に実施体制
図を示す。
共同実施
JOGMEC

出光興産㈱

出光興産㈱
石炭・環境研究所
１． 机上評価
２． 試験燃焼炉による混焼試験
３． 灰付着試験
４． 実験結果のまとめ・考察

図 1-5 実施体制図

6

2. 山元情報

検討対象鉱区情報

2.1. 支援対象鉱種：石炭
2.1.1. A 炭鉱山
A 炭鉱山はオーストラリア

ニューサウスウェールズ州ニューキャッスル港から約 360km 北西に位置する。
2.1.2. B 炭鉱山
B 炭鉱山はインドネシア

北カリマンタン州に位置する。

2.2. 支援対象鉱種：バイオマス
2.2.1. 新規混合資材：半炭化バイオマスペレット（TBP）(1) ペレット工場の位置
TBP 製造工場は、タイのバンコクから南に約 550km のスラータニー県に位置し、スラータニ
ー国際空港から南西約 60km のところにある。TBP の原材料であるゴムの木の廃材は製造工場周辺に点在するゴムプランテーションから調達している。
(2) 原材料の調達場所
原材料となるゴムの木はスラータニーのゴム生産農家プランテーションで栽培されており、スラータニー近郊に点在している。

7

3. 各種石炭と TBP の混焼時の影響予測
3.1. 石炭と TBP の一般性状分析
3 章では、各種石炭と TBP の混焼時の影響予測を行った。はじめに、本共同スタディの試
験概要を図 3-1 に示す。

図 3-1 本共同スタディの試験概要
本章では、4 章以降で検討する各種特性について、机上評価からその影響を予測した。本試
験では、石炭として A 炭及び B 炭、バイオマスとして TBP を使用した。また、混焼時の影響評価にあたり、これらを混合した試料でも各種試験を実施した。本章以降の、試験 Run と試験項目を表 3-1 に示す。

8

表 3-1 試験 Run と試験条件
章

3章

4章

5章

6章

性
状
分
析

机
上
評
価

粉
砕
試
験

管
状
炉

乱
流
炉

灰
付
着

ホ
ッ
ト
ス
テ
ー
ジ

Run1：A 炭 100%

○

○

○

○

○

○

○

Run2：B 炭 100%

○

○

-

○

○

○

○

Run3：A 炭 50%+B 炭 50%（AB 混炭品）

-

○

-

-

○

○

○

Run4：A 炭 70%+TBP30%

-

○

○

-

○

○

○

Run5：A 炭 50%+TBP50%

-

○

-

-

○

○

○

Run6：B 炭 70%+TBP30%

-

○

-

-

○

○

○

Run7：B 炭 50%+TBP50%

-

○

-

-

○

○

○

Run8：AB 混炭品 70%+TBP30%

-

○

-

-

○

○

○

Run9：AB 混炭品 50%+TBP50%

-

○

-

-

○

○

○

Run10：TBP 100%

○

-

-

○

-

-

-

Run11：A 炭 90%+TBP10%

-

-

○

-

-

-

-

内容

まず、各種石炭と TBP 混焼時の影響を予測するにあたり、一般性状分析を実施した。一般
分析結果を表 3-2 に示す。
(1) A 炭瀝青炭である A 炭は発熱量が最も高い。また、灰分は 8.3 wt%, ad と比較的低灰分の石炭である。HGI（粉砕性の指標：数値が大きいほど粉砕性が良い）は 52 であり、石炭の中では一般的な粉砕性である。灰溶融温度はいずれも 1,500℃以上で高い。灰組成は、Fe2O3 や CaO、Na2O、
K2O などのアルカリ成分が少ない。
(2) B 炭亜瀝青炭である B 炭は A 炭より発熱量は低いが、TBP よりは高い。また、灰分は 3.8 wt%,
ad と A 炭よりも低い。HGI は 43 であり、A 炭より粉砕性が悪い。灰溶融温度のうち、還元雰
囲気における灰溶融点は、1,055℃と瀝青炭と比べて低い。灰組成は、Fe2O3 や CaO、Na2O、
K2O などのアルカリ成分を多く含む。

9

(3) TBPTBP は石炭よりも発熱量が低い。また、灰分は 2.1 wt%, ad と最も低い。HGI は 30 であり、
HGI の評価上は、石炭よりも粉砕性が悪いと考えられる。灰溶融温度は、瀝青炭より低く、亜瀝青炭よりも高い。灰組成において、CaO、K2O が、石炭と比べて特に多いという特徴を有する。
表 3-2 石炭及び TBP の分析結果
項目

単位（基準）

A炭

B炭

TBP

高位発熱量
全水分
水分
灰分
工業分析
揮発分
固定炭素
燃料比
炭素
水素
元素分析
窒素
燃焼性硫黄
酸素
全硫黄
HGI
軟化点
灰溶融温度
溶融点
（酸化）
溶流点
軟化点
灰溶融温度
溶融点
（還元）
溶流点
SiO2

kcal/kg-ad
wt.%-arwt.%-adwt.%-adwt.%-adwt.%-adwt.%-daf
wt.%-daf
wt.%-daf
wt.%-daf
wt.%-daf
wt.%-db
ad
℃
℃
℃
℃
℃
℃
wt.%-ash

7,290
10.4
2.2
8.3
34.9
54.6
1.56
81.84
5.53
1.99
0.41
10.23
0.37
52
1,500
1,500
1,500
1,500
1,500
1,500
68.52

6,170
21.4
9.7
3.8
41.0
45.5
1.11
73.87
5.33
1.29
0.03
19.48
0.14
43
1,135
1,205
1,305
1,035
1,055
1,175
30.75

4,760
4.7
4.6
2.1
72.1
21.2
0.29
53.95
5.67
0.17
0.00
40.21
0.03
30
1,265
1,280
1,300
1,245
1,260
1,280
21.53

Al2O3

wt.%-ash

22.44

17.28

5.92

TiO2

wt.%-ash

1.36

0.90

0.46

Fe2O3
CaO
MgO
Na2O

wt.%-ashwt.%-ashwt.%-ashwt.%-ash

1.75
0.31
0.34
0.10

14.76
12.00
4.08
5.86

3.14
24.43
4.97
0.03

K2O

wt.%-ash

1.44

1.26

19.12

P 2O5
MnO
V2O5

wt.%-ashwt.%-ashwt.%-ash

0.44
0.00
0.04

0.50
0.08
0.19

3.96
0.49
0.03

SO3

wt.%-ash

0.00

6.60

3.91

灰組成

※基準について
ar…到着ベース、ad…気乾ベース（37℃で 1 時間乾燥させ、表面の水分を飛ばした状態）、
db…無水ベース（乾燥した状態）、daf…無水無灰ベース

10

3.2. バイオマス混焼基礎評価
次に、バイオマス混焼時の基礎評価を表 3-1 に示す Run1～Run9 について実施した。基礎評
価では、混合性状を計算することで性状の変化を考察するとともに、石炭の実用特性において一般的に用いられる各種指標を用いて、実用特性の変化を考察した。
表 3-3 から表 3-5 に特性評価指標の計算結果を示す。なお、〇、△、×の評価は出光独自の評価閾値に基づく。
表 3-3 特性評価指標の計算結果（A 炭+TBP）
分類

項目

Run1：
A炭100%

ハードグローブ指数 HGI
低位発熱量（kcal/kg-ar）
湿分（wt.%）
揮発分（wt.%-ad）
着火性
全水分（wt.%-ar）
着火・燃焼
燃料比
燃焼性
燃焼性指標 CI
NOx濃度
NOx発生性
石炭中窒素（wt.%-db）
初期軟化点（還元, ℃）
B/A比
スラッギングスラッギング指数
性灰付着Fe2O3/CaO
ファウリング指数
ファウリング性
Na2O+K2O（wt.%-ash)
集塵性指標
電気集塵機
集塵性
全硫黄（wt.%-db）
排煙脱硫装 SOx発生性
粉砕

粉砕性
ミル負荷
乾燥性

○
○
○
○
○
○
○
○
△
○
○
○
○
○
○
△

A炭+TBP
Run4：
A炭70%+
TBP30%
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
△
○
○
△

Run5：
A炭50%+
TBP50%
△
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
△
○
△
△

表 3-4 特性評価指標の計算結果（B 炭+TBP）
分類

項目

Run2：
B炭100%

ハードグローブ指数 HGI
低位発熱量（kcal/kg-ar）
湿分（wt.%）
揮発分（wt.%-ad）
着火性
全水分（wt.%-ar）
着火・燃焼
燃料比
燃焼性
燃焼性指標 CI
NOx濃度
NOx発生性
石炭中窒素（wt.%-db）
初期軟化点（還元, ℃）
B/A比
スラッギングスラッギング指数
性灰付着Fe2O3/CaO
ファウリング指数
ファウリング性
Na2O+K2O（wt.%-ash)
集塵性指標
電気集塵機
集塵性
全硫黄（wt.%-db）
排煙脱硫装 SOx発生性
粉砕

粉砕性
ミル負荷
乾燥性

△
△
△
○
△
△
○
○
○
×
×
○
△
×
△
○

11

B炭+TBP
Run6：
B炭70%+
TBP30%
×
△
○
○
△
△
○
○
○
△
×
○
△
×
×
○

Run7：
B炭50%+
TBP50%
×
△
○
○
○
△
○
○
○
△
×
○
△
×
×
○

表 3-5 特性評価指標の計算結果（AB 混炭品+TBP）
AB混炭品+TBP
分類

項目

Run3：
A炭50%+
B炭50%（AB混炭品）

Run8：
AB混炭品
70%+
TBP30%

Run9：
AB混炭品
50%+
TBP50%

○
○
○
○
○
△
○
○
○
○
○
○
△
○
○
○

△
○
○
○
○
△
○
○
○
○
○
○
△
○
△
○

×
△
○
○
○
△
○
○
○
○
△
○
△
△
△
○

ハードグローブ指数 HGI
低位発熱量（kcal/kg-ar）
湿分（wt.%）
揮発分（wt.%-ad）
着火性
全水分（wt.%-ar）
着火・燃焼
燃料比
燃焼性
燃焼性指標 CI
NOx濃度
NOx発生性
石炭中窒素（wt.%-db）
初期軟化点（還元, ℃）
B/A比
スラッギングスラッギング指数
性灰付着Fe2O3/CaO
ファウリング指数
ファウリング性
Na2O+K2O（wt.%-ash)
集塵性指標
電気集塵機
集塵性
全硫黄（wt.%-db）
排煙脱硫装 SOx発生性
粉砕

粉砕性
ミル負荷
乾燥性

机上評価により、各種特性の変化を予測したが、このうち、粉砕性、燃焼・NOx 発生性、灰付着性については、粉砕試験や燃焼試験等によりその特性を確認した。

3.3. バイオマス半炭化プロセスの調査
3.3.1. 原材料ゴムの木について
本共同スタディで使用している原材料のゴムの木は「パラゴムノキ」という品種で天然ゴム生産のために栽培されている樹種である。タイの天然ゴム生産量は世界 1 位で年間約 4,600,000t、総生産量の約 30%がタイで生産されており、栽培面積は約 3,146,330ha である。
表 3-6 国別天然ゴム栽培面積と生産量（2017 年上位 10 か国）
国名

栽培面積(ha)

インドネシア
タイ
マレーシア
中国
ベトナム
インド
ナイジェリアコートジボワール
ミャンマー
フィリピン

3,659,129
3,146,330
1,081,889
683,947
653,213456,979
371,775
354,868
304,267
226,285

総栽培面積11,739,333

国名

生産量(t)

タイ
インドネシア
ベトナム
インド
中国
マレーシア
コートジボワール
フィリピン
グアテマラ
ミャンマー
総生産量

4,600,000
3,629,544
1,094,519
964,733
817,366
740,138
580,000
406,984
318,447
236,748
14,252,753

出典：FAO（国際連合食糧農業機関）
12天然ゴムは、ゴムの木に幹を傷つけ、採取された樹液が原料となり、この樹液は約 20 年間採取可能である。なお、樹液の約 30～40%が天然ゴムとなる。
樹液の採取を終えたゴムの木は伐採され、木の幹中心部は製材用に利用されている。バイオ
マス原料は、廃材となるその他の部分を利用している。
3.3.2. 半炭化プロセスの概要
半炭化の過程では、バイオマスを無酸素の状態で 250～320℃に加熱する。この加熱によって、水分や一部の揮発分がバイオマスから揮発する。木質バイオマスの場合、繊維質の構造が壊れるため、もろくなり粉砕されやすくなる。また、半炭化によって親水性から疎水性に変化する。
この温度域では酸素を多く含むガスが放出されるので、半炭化後のバイオマスは 21～
23MJ/kg と、半炭化前の発熱量約 18MJ/kg に比べ、3～5MJ/kg の発熱量の上昇がみられる。
半炭化の度合いは、半炭化温度と滞留時間によって決定される。温度が高いほど、また、滞留時間が長いほど、半炭化は進む。
半炭化ペレットの製造プロセスは大きく分けて以下の 2 つに分かれる。
①木質バイオマス原料⇒チップ化⇒乾燥⇒半炭化⇒冷却⇒粉砕（<2mm 程度）⇒ペレット化②木質バイオマス原料⇒チップ化⇒乾燥⇒粉砕（<2mm 程度）⇒ペレット化⇒半炭化⇒冷却
一般的に、①の過程においては、重量減少が 30%、エネルギーの減少が 10%での半炭化条件で運転され、重量あたりの約 1.3 倍の発熱量の増加が見込まれる。
どちらの方法にもプロセス上共通することは、半炭化時に発生する可燃性の揮発分を燃焼させ、その熱を半炭化やバイオマス原料の乾燥に用いることで、プロセス全体の効率を高めている点である。
3.3.3. 半炭化プロセス
表 3-7 に代表的な半炭化プロセス及びそのプロセスで開発を行っている企業を示す。出展は2015 年の資料であるが、これらの会社はベンチャー企業が多く、買収による名前の変更、開発の断念等により、年々プレーヤーが変わっているのが現状である。
表 3-7 半炭化技術と開発実施組織
反応方式

組織名

ロータリーキルン方式

Andritz (AT), CENER (SP), EarthCare Products (USA),
Teal Sales Inc (USA), Torr-Coal (NL)

13

スクリュー反応方式

Agri-tech Producers (USA), Arigna Fuels (IR)
BioEndev (SWE), Solvay Biomass Energy (USA)

多段反応方式

CEA/CMI-NESA (FR/BE), Integro Earth Fuels (USA),
Terra Green Energy (USA), Wyssmont (USA)

流動層反応方式

Airex (CAN), Bioenergy Development & Production (CAN), Topell(NL)

マイクロ波反応方式

Rotawave (UK)

Andritz/ECN (DK/NL), AREVA (FR), Grupo Lantec (SP)LMK Energy (FR), New Earth Renewable
Energy Fuels (USA), Torrec (FI)出 典 IEA Bioenergy Task32:Biomass Combustion and Cofiring, Status overview of torrefaction
移動層・固定層
反応方式

technologies / Areview of the commercialization status of biomass torrefaction (2015)

3.3.4. タイデモプラントにおける半炭化プロセス
半炭化とは「不活性雰囲気の下 200～300℃のマイルドな条件の熱分解(ISO16559)」と定義されており、図 3-2 のような一般的なエネルギー及び物質収支となっている。

燃焼炉

0.3

排ガス
木質原料

乾燥

ペレット化
ペレット化

1
1

一部原料

可燃性ガス

赤：エネルギー
青：重量

0.1

半炭化
200～300℃
低酸素状態・常圧
滞留時間：10分～45

0.9
0.7

半炭化
ペレット

燃焼炉

エネルギー密度(MJ/kg)

0.9
0.7

≒1.3

(エネルギー密度が1.3倍になる)

図 3-2 一般的なエネルギー及び物質収支
本報告書 2.2 で製造している TBP は、「チップ化⇒乾燥⇒粉砕⇒ペレット化⇒半炭化」の順で製造されたもので、半炭化や乾燥に必要な熱は原料自身から出る可燃性ガスを供給し、効率的な製造プロセスになっている。
14

(1) ホワイトペレット製造
ホワイトペレット製造に用いられるペレタイザーには、主に「リングダイ方式」と「フラットダイ方式」がある。本共同スタディでは「リングダイ方式」で製造されたペレットを用いた。この方式はリングダイの中に木粉をいれ、穴から木粉を通して固めており、量産に適している。
(2) TBP 製造(1)のホワイトペレット製造工場の横に隣接し、製造されたホワイトペレットはコンベヤ
で TBP 製造工場のサイロへ運ばれる。
TBP 製造ではロータリーキルン（ドラム）式を採用している。投入されたホワイトペレ
ットはキルン（ドラム）中で加熱され、半炭化される。半炭化の進行度合は滞留時間と温度を調整することで、制御している。
(3) 分析室
現地分析室にて定期的にサンプリングを実施し、かさ密度、全水分、水分（気乾）、灰分、
発熱量、HGI、機械的耐久度を測定し、TBP 製造にフィードバックしている。その他の工業分析、元素分析、灰融点、灰組成、微量元素含有量などは必要に応じ、出光石炭・環境研で分析を行っている。

15

4. 粉砕性評価
4.1. 試験概要、試験条件
3 章の机上評価により、TBP 混合時に粉砕性が悪化することが懸念された。そこで、試験用ミルを用いて、A 炭及び A 炭に TBP を 10%、30%混合したケースにおいて、粉砕試験を実施した。ミルによる粉砕機構を図 4-1 に示す。

図 4-1 ミルによる粉砕機構
ミルに投入された原料は、ローラーとテーブルの回転により、破砕、粉砕される。一定の粒度以下に粉砕された試料は、ミル空気により吹き上げられる。その後、回転分級機でさらに分級され、微粉として炉内に投入される。
粉砕性が悪いと、粉砕できなかった試料のミル内堆積によるミル差圧（入口圧力と出口圧力の差）の上昇、粉砕に要する動力（ミル電力）の上昇を誘発する。
宇部興産機械株式会社（以下、宇部機械）の試験ミルを使用し、TBP 混合時の粉砕性を確認するため、ミル差圧やミル電力に着目し試験を行った。試験ミルの外観を図 4-2 に、試験ミルの運転条件を表 4-1 に示す。

16

図 4-2 試験ミルの外観
表 4-1 試験ミルの運転条件
Run1：

Run11：Run4：

A 炭 100%

A 炭 90%+TBP10%A 炭 70%+TBP30%

A炭

240

216

168

TBP

0

30

90

合計

240

246

258

空気量（m3/分）

23.3

23.3

23.3

分級機回転数（rpm）

225

225

225

項目
投入量
（kg/時）A 炭はあらかじめ乾燥させた後、15mm 以下に粗粉砕した。TBP は、粗粉砕せずそのまま用いた。
上記 3 試験の投入熱量を同じにした結果、Run1（A 炭 100%）のとき 240kg/時だった投入量
は、Run4（A 炭 70%+TBP30%）で 258kg/時まで増加した。
空気量は一定とし、分級機の回転数は Run1 において、-75µm の割合が 80%以上となるよう調整した。その他の Run では TBP 混合による影響を Run1 のケースと比較するため、分級機の回転数は変えずに試験を実施した。

17

4.2. 結果
表 4-2 に試験結果を示す。また、表のデータのうち、ミル差圧、ミル電力のトレンドグラフを
図 4-3 及び図 4-4 に示す。
表 4-2 試験結果
Run1：

Run11：Run4：

A 炭 100%

A 炭 90%+TBP10%A 炭 70%+TBP30%

A炭

240

216

168

TBP

0

30

90

空気量（m3/分）

23.3

23.3

23.3

分級機回転数（rpm）

225

225

225

-75µm（wt%）

88.0

88.1

85.9

項目
投入量（kg/時）

図 4-3 ミル差圧のトレンド

図 4-4 ミル電力のトレンド

18

4.3. 考察TBP の混焼により、ミル差圧、ミル電力ともに上昇した。本試験では熱空気ではなく、常温の大気を使用し、標準条件の空気量で試験を行ったため、空気体積が小さく、ミル外周のスリット部の流速が落ち、パイライトボックスからの排出量が増えたと想定される。
しかしながら、30%混焼時のミル差圧、ミル電力は装置の許容範囲内であり、TBP は 30%混合でも、粉砕が可能と考えられる。

19

5. 試験炉における各種石炭との混焼試験
5.1. 管状炉燃焼試験
5.1.1. 試験概要、試験条件
対象試料

(1)

(2)



A炭



B炭



TBP
試験内容

3 試料を粉砕及び粒度調製し、それぞれの試料性状（工業分析、元素分析）を把握した後に急速揮発分測定試験及びチャー燃焼速度パラメータ測定試験を実施した。

(3)

試験装置及び試験方法① 試験装置の概要
小型管状炉は、石炭等固体燃料の基礎的な燃焼データを取得する装置である。図 5-1 に、小型管状炉の概略図を示す。
管状炉は電気加熱方式で、最高温度は微粉炭燃焼の主燃焼領域温度に近い 1,400℃程度（揮発分放出試験用電気炉は 1,500℃）まで昇温可能である。炉体の高さは 1,300mm、有効長（シリコニット加熱部の長さ）は 1,150mm である。電気炉の中には、内径 42mm の SiC 製炉芯管が鉛直に設置されており、炉芯管を所定の一定温度に保った状態で石炭を燃焼させる。
② 急速揮発分測定試験の概要
急速揮発分測定試験では、石炭や TBP を通常の微粉炭燃焼条件である 100mesh 以下に粒度調製した。試料を所定温度（800℃、1,000℃、1,200℃、1,500℃）に設定された炉（雰囲気：窒素）に 5g/時で供給し、最下部のサンプリングポイント（SP9）で揮発化残粒子（チャー）をサンプリングした。サンプリングしたチャーの工業分析値及び元素分析値から、アッシュ
バランス法を用いて急速揮発分量を求めた。なお、TBP は灰分が低いため、予め瀝青炭の灰を混合した。
③ チャー燃焼速度パラメータ測定試験の概要
チャー燃焼速度パラメータ測定試験では、石炭や TBP を 200-300mesh に湿式粒度調製した試料を、所定温度（1,100℃、1,200℃、1,300℃）に設定された炉（雰囲気：酸素濃度 7%）に5g/時で供給し、図 5-1 に示す SP5～SP9 の 5 ポイントで粒子をサンプリングし、主にチャー
燃焼領域（比較的燃焼後期）の未燃炭素率の変化を計測した。それぞれの位置で捕集された石
炭粒子は工業分析及び元素分析を行い、未燃炭素率は、その分析値からアッシュバランス法
を用いて計算で求めた。急速揮発分測定試験と同様に、TBP に予め瀝青炭の灰を混合した。

20

図 5-1 管状炉の概要

5.1.2. 結果(1) チャー燃焼速度パラメータ測定試験結果
チャー燃焼速度を定量化するために、各温度における未燃率の傾きと温度から、アレニウス
型のプロットを行い、燃焼速度定数を算出した。これによりパラメータ（活性化エネルギー；
傾き、頻度因子；縦軸切片）を比較できる。両パラメータは、厳密には試料毎に異なる固有値であるが、本法では活性化エネルギーを一定（瀝青炭の平均値＝57,100J/mol）として、頻度因子の大小によってチャーの燃焼速度の比較を行った。頻度因子が大きいほど、チャー燃焼速度が大きいことを示す。図 5-2 に各試料のアレニウスプロットを、表 5-1 に各試料の活性化エネ
ルギーと頻度因子の値を示す。

21

図 5-2 各試料のアレニウスプロット
表 5-1 各試料の活性化エネルギーと頻度因子
A炭
B炭
TBP

活性化エネルギー [J/mol]

頻度因子 [kg/m2/sec]

57,1004.65

活性化エネルギー [J/mol]

頻度因子 [kg/m2/sec]

57,1008.24

活性化エネルギー [J/mol]

頻度因子 [kg/m2/sec]

57,1007.75

5.1.3. 考察
急速揮発分量測定結果より、1,500℃での急速揮発分量は A 炭で 54.8%、B 炭で 57.2%であるのに対し、TBP は 90.4%と非常に高かった。このことから、TBP は高温場において、ほとんどすべてが揮発分として放出されると考えられる。また、チャー燃焼速度パラメータ測定試験から算出される各試料の頻度因子計算結果（表 5-1）より、TBP の頻度因子は 7.75kg/m2/sec であり、B 炭の 8.25kg/m2/sec とほぼ同等、A 炭の 4.65kg/m2/sec と比較すると非常に高かった。一般
的に、炭素含有率が低下すると頻度因子は高くなるが、炭素含有率が亜瀝青炭クラスの約 72～
73%, DAF より低い燃料種では、炭素含有率が低下しても、頻度因子はあまり変化しない傾向にある。これは、試料表面において O2 が吸着できるサイト数が変化しないためと考えられる。
O2 の吸着サイトはチャーの表面積に関係すると考えられるため、今後、作製したチャーの比表
面積を測定し、TBP と B 炭の頻度因子がほぼ変わらなかった原因を検討したい。

22

5.2. 乱流炉燃焼試験
5.2.1. 試験概要、試験条件(1) 対象試料A 炭 100%



B 炭 100%



AB 混炭品（A 炭 50%+B 炭 50%）

A 炭 70%＋TBP30%

A 炭 50%＋TBP50%

B 炭 70%＋TBP30%

B 炭 50%＋TBP50%

AB 混炭品 70%＋TBP30%

AB 混炭品 50%＋TBP50%(2) 試験内容
乱流燃焼試験炉（以下、乱流炉）を用いて石炭及び石炭に TBP を混合した試料の燃焼試験を行い、燃焼性、NOx 発生性に対する TBP 混合の影響を調べた。
(3) 試験装置及び試験方法
試験に用いた乱流燃焼試験炉（以下、乱流炉）の概要を図 5-3 に示す。乱流炉は、内径は 300mm、
炉長は 2,800mm で、石炭投入量約 6kg/時の単一バーナーを備えた縦置円筒形燃焼試験炉である。乱流炉は低 NOx 燃焼法として実機で一般的に採用されている二段燃焼法を用いており、実機における様々な運転条件に対応できるよう、二段燃焼空気の吹き込み位置や空気量を自由に変えられる特長を有している

23

図 5-3 乱流炉の概要
乱流炉の二段燃焼強度を表 5-2 のとおり 5 条件に変化させ、それぞれの条件における燃焼灰
およびバイオマス混焼灰中の未燃分と排ガス中の NOx 濃度を測定した。表中の OFA ファクタ
ーは二段燃焼強度を表す指標であり、OFA ファクターが大きいほど二段燃焼強度が大きいことを示している。OFA ファクターの計算式は以下のとおりである。

OFA ファクター =二段燃焼空気量
全空気量

×

二段燃焼空気位置
炉長× 100

表 5-2 燃焼条件
燃焼条件

条件 1

条件 2

条件 3

条件 4

条件 5

一次空気 [m3N/時]

6.0

6.0

6.0

6.0

6.0

[m3N/時]

52.0

40.0

36.0

36.0

30.0

0.0

12.0

16.0

16.0

22.0

-

1,160

1,160

1,660

1,660

0.0

9.25

12.34

17.68

24.31

二次空気

OFA [m3N/時]
OFA 吹込み位置[mm]（バーナーからの距離）
OFA ファクター

24

また、OFA ファクター0 の条件（二段燃焼を行わず、燃焼用空気をすべて一次空気と二次空気として供給する条件）で炉内の温度分布を測定するとともに排ガス中の NOx、SOx、CO2、CO、
O2、CH4 の濃度を測定した。併せて、灰付着性評価のため、OFA ファクター0 の条件で炉内の1,300℃、1,100℃の位置に直径 10mm のセラミックプローブを 2 時間挿入し、灰を付着させた。
5.2.2. 結果(1)

給炭量、排ガス濃度測定結果
各燃焼試験の給炭量、排ガス濃度測定結果を表 5-3 に示す。
表 5-3 燃焼試験の給炭量、排ガス濃度測定結果

A炭70% A炭50%＋＋
TBP30% TBP50%
5.84
6.71
6.39
6.95
7.62
358
174
235
271
240
266
64
179
192
144
14.89
15.24
15.11
15.09
15.44
0
0
0
3
0
4.17
4.3
4.27
4.37
4.23
4
0
0
0
0
B炭70% B炭50% AB混炭 AB混炭
品70%＋ 品50%＋＋＋
TBP30% TBP50% TBP30% TBP50%
7.24
7.85
7.05
7.82
138
162
184
166
56
29
129
94
15.61
15.53
15.54
15.41
0
0
0
0
4.22
4.18
4.1
4.39
0
0
0
0

A炭100% B炭100%
給炭量
NOx
SOx
CO2
排ガス
CO
組成
O2
CH4

kg/時
ppm
ppm
%
ppm
%
ppm

給炭量
NOx
SOx
CO2
排ガス
CO
組成
O2
CH4

kg/時
ppm
ppm
%
ppm
%
ppm

AB混炭
品

発熱量の低い TBP の混合に伴い、給炭量が多くなる傾向がみられた。NOx 濃度や SOx 濃度の変化については、後述の考察でコメントする。

25

(2)

炉内温度分布測定結果

図 5-4 に燃焼試験の炉内温度分布測定結果を示す。発熱量の低い TBP の混合に伴い、炉内の最高温度が低下する傾向となった。本試験炉では、燃焼空気量一定、排ガス中の O2 濃度一定
（4.2%）で給炭量を調整しており、投入熱量が厳密には異なる。TBP は、石炭と比べて原料中に多くの酸素を含み、燃焼における必要空気量や必要酸素量が少なくて済むため、給炭量は石炭よりも TBP のほうが多くなる。一方、TBP は石炭より発熱量が低い。前記 2 点のバランスに
より投入熱量が決定されるが、このバランスの差により、炉内最高温度に変化が生じたと考えられる。この現象は、石炭の種類が違うケースにおいても生じた。

図 5-4 炉内温度分布測定結果(3)

燃焼性、NOx 発生性評価結果

NOx 濃度を低下させるために OFA ファクターを高くすると、一般的に燃料の燃焼性が低下する。灰中未燃分と NOx 濃度の関係を整理した。結果を図 5-5 に示す。

図 5-5 灰中未燃分と NOx 濃度の関係

26一方で、試料の燃焼性が同等である場合、灰中未燃分は、試料中灰分が高いほど相対的に低くなる。試料の燃焼性を評価するため、OFA ファクターと未燃炭素率の関係を図 5-6 に示す。また、NOx 濃度は試料中窒素量に大きく依存する。試料の窒素分の NOx 転換割合を評価するため、OFA ファクターと NOx 転換率の関係を図 5-7 に示す。

図 5-6 OFA ファクターと未燃炭素率の関係

図 5-7 OFA ファクターと NOx 転換率の関係

27

5.2.3. 考察(1) SOx 発生性
表 5-3 の排ガス濃度測定結果より、A 炭、B 炭、AB 混炭品に TBP を混合することで、SOx 濃
度は減少した。これは TBP の全硫黄分が 0.03%, DB と非常に低いためである。
(2) 燃焼性
図 5-5 に示すとおり、A 炭及び AB 混炭品は、TBP を混合することで灰中未燃分及び未燃炭
素率が低下した。これは表 5-1 の各試料の頻度因子の違いが示すように、A 炭と TBP のチャー
燃焼性が大きく異なることに起因している。一方、B 炭は自身の燃焼性が非常によく、B 炭 100%の燃焼においても灰中未燃分及び未燃炭素率は低かったため、TBP を混合してもこれ以上の改善は認められなかった。
(3) NOx 発生性
A 炭に TBP を混焼した場合、TBP の窒素含有量が低いことが影響し NOx 濃度は低下した。
一方、B 炭及び AB 混炭品に TBP を混合した場合、NOx 濃度への明確な影響は認められなかった。TBP の窒素分は 0.17%, DAF であり、A 炭（1.99%, DAF）
、B 炭（1.29%, DAF）と比較して低いにも関わらず NOx 濃度が明確に低下しなかったのは、図 5-7 に示すように、B 炭、AB 混
炭品に TBP を混合した際に、混合率に比例して NOx 転換率が上昇しているためである。NOx
転換率が上昇した原因としては、TBP 混焼時、燃焼性及び揮発分放出性の高い TBP が炉内で石炭よりも先に燃焼して酸素を消費することで未燃の石炭チャー粒子が増え、チャー中に存在している窒素が燃焼域の後段で NOx に転換し、分解されずに排出されたと考えられる。

28

6. バイオマス混焼灰の付着性試験
6.1. 灰の付着性評価
6.1.1. 試験概要、試験条件
乱流炉による灰付着試験では、OFA ファクター=0 にて、炉内温度分布を測定し、1,300℃、
1,100℃の位置に、セラミックプローブ（直径 10mm）を 2 時間挿入し、プローブに灰を付着させた。
1,300℃はスラッギング、1,100℃はファウリングを想定した温度である。プローブに付着した灰を写真撮影するとともに、重量や厚さを測定した。
図 6-1 に灰付着性評価方法の概要を示す。
なお、スラッギング性やファウリング性は、炉壁・水管に対する灰の付着性及び付着灰の成長・剥離性の両方を考慮する必要がある。そこで今回の試験結果解析では、灰付着量（g/時）及び付着確率（%）を算出し、灰の付着性を考察した。また、灰は溶融すると剥離しづらくなる
ため、付着灰の状態（パウダー状、焼結状態、溶融状態）によって灰の剥離性が大きく変化す
る。溶融すると付着灰の密度が変化することから、灰付着量（g/時）／付着灰の平均厚さ（mm）の指標を用いて、灰の溶融性（剥離性）を評価した。付着確率の計算方法は以下のとおりである。

付着確率（%） =灰付着量（g/時）
給炭量(g/時) × 灰分（wt%. DB） ×29

プローブ断面積（m3 ）
炉内断面積（m3 ）図 6-1 灰付着性評価方法の概要
また、試験の灰付着プローブの断面について、SEM-EDS を用いて元素マッピングを行い、元素の濃縮有無などを確認した。
6.1.2. 結果
灰付着量（g/時）、付着確率（%）、灰付着量（g/時）／付着灰の平均厚さ（mm）の結果を表
6-1（1,300℃）、表 6-2（1,100℃）に示す。
表 6-1 灰付着試験結果（1,300℃）

30表 6-2 灰付着試験結果（1,100℃）

SEM によるプローブ断面の形状観察においては、目視と同様に TBP 混焼に伴い溶融する傾向が見られた。
また、TBP 混焼時はアルカリ成分（Na, K）と Si とのアルカリ溶融が起こり、低融点化合物が形成される可能性があるが、今回の SEM-EDS による元素マッピングの結果では、付着灰への元素濃縮はすべてのサンプルにおいて観察されなかった。

6.1.3. 考察
試験結果をもとに、バイオマス混焼の影響について考察した。
(1) スラッギング性（1,300℃）
A 炭、B 炭、AB 混炭品ともに TBP 混焼率の増加に伴い、灰付着量が増えた。
(2) ファウリング性（1,100℃）
A 炭、B 炭、AB 混炭品ともに TBP 混焼に伴い、灰付着量が増えたが、TBP 混焼率 30%と50%にほとんど差が見られなかった。
(3) まとめ
乱流燃焼試験炉を用いて、TBP 混焼時の灰付着性を評価した。TBP の混焼に伴い、スラッギ
ングを対象とした 1,300℃、ファウリングを対象とした 1,100℃において、灰付着量や灰付着確率の増加、付着灰の溶融性の悪化が認められた。しかしながら、実機での混焼試験におけるしきい値は不明であるため、灰付着性の変化に注意しながら実機混焼試験を実施する必要がある。
また、炉内における灰付着は短時間でその変化は起きづらいため、長期的にその挙動を観察する必要があると考えられる。

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6.2. ホットステージ試験
6.2.1. ホットステージ試験概要
6.1 で乱流炉における灰付着の状況を調べたが、ここではホットステージ試験装置を用いてさらに詳しくバイオマス混焼灰の灰付着の特性を検討する。
ホットステージ試験装置を図 6-2 に示す。酸化雰囲気ガス又は還元雰囲気ガスをそれぞれ流通できる赤外線イメージ加熱炉と溶融状態を観測できる実体顕微鏡で構成されている。φ5mm、高さ 2.5mm の白金製容器に試料を充填し、これをステージに載せて加熱炉内に挿入する。室温から 200℃まで 10 分間で昇温させたのち、試料温度を 25℃/分で昇温させながら顕微鏡によって試料の状態観察と収縮率の変化を測定した。
また、このホットステージ試験装置を用いて温度 1,100℃、1,300℃での灰溶融試験を実施した。灰は付着させないことが一番良いが、付着しても容易に清掃できることが重要である。灰の粒子同士の結合が弱ければ、スーツブローにより剥離でき、運転中にある程度清掃が可能である。本試験では実際の火炎中の灰粒子とは異なるが、乱流炉の燃焼灰およびバイオマス混焼
灰を回収し、これを用いて灰の溶融状態を観察することで、灰結合力の強さの指針とすべく試験を実施した。

図 6-2 ホットステージ試験機（左：全体外観、右：加熱炉内に装填する円筒形白金皿）
図 6-3 に加熱による灰の状態変化を示す。一般に加熱が進むと、灰粒子同士が結合し（焼結）、溶融状態で沸騰状態になり（溶融）、表面張力で球状になって、最後はるつぼに濡れて溶流する。
本試験ではこれらの状況を時間と温度変化とともに、カメラ画面での計測により収縮プロファ
イルとして記録する。

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図 6-3 一般的な灰の状態変化
6.2.2. ホットステージ試験結果
瀝青炭である A 炭は灰の融点が高く、本試験装置の最高温度である 1,500℃でも溶融することはなく、焼結により収縮するのみであった。一方、亜瀝青炭である B 炭は 700℃を超えた時
点で既に焼結、溶融が始まり、900℃を超えたところで溶流したため、ここで試験を終了した。
この A 炭と B 炭を等量混合した AB 混炭から得られた灰は、ちょうど A 炭と B 炭の中間の性状を示した。
次に石炭に TBP 混合させて燃焼した灰は、TBP の混合割合を 30%、50%と増やしていくと溶流温度が下がっており、瀝青炭を使用していても TBP 由来の灰が混合することで、1,300℃周辺でスラッギングの発生が懸念される。
B 炭の溶流点は 1,305℃（酸化雰囲気）及び 1,175℃（還元雰囲気）であるのに対し、TBP は1,300℃（酸化雰囲気）及び 1,280℃（還元雰囲気）である。ホットステージ試験では N2 気流中で加熱するので、還元雰囲気と見なせる。このことから TBP の混合により B 炭の灰の融点が上昇することが予想され、実際にホットステージでは 1,000～1,010℃（B 炭のみ）から 1,129℃（B 炭＋TBP50%）に上昇した。
最後に AB 混炭品に TBP を同様に混合して燃焼させて得た灰の収縮プロファイルでも、瀝青
炭 A 炭と同じように TBP の混合率の上昇に伴い溶流温度が下がった。実際の発電所ではいく
つかの石炭を混合して使用しており、瀝青炭、亜瀝青炭の組み合わせはよくあるケースと考えられる。実験室のデータでは一概に言えないが、この融点の変化が実際のファウリング、スラッギングにどの程度影響を及ぼすかについては、実機である程度の時間をかけて灰付着性を見33

ていく必要がある。
6.2.3. 溶融試験
焼結から溶融に移行することで、灰の付着力は強固になる。乱流炉試験から得られた燃焼灰
およびバイオマス混焼灰を、スラッギング温度 1,300℃とファウリング温度 1,100℃で約 10 分
間加熱後の灰の状態を観察した。
図 6-4 に A 炭に TBP を混焼させた灰の溶融試験の結果を示す。A 炭では TBP を高い割合で混焼させても、1,100℃では灰が溶融まで進まなかったが、1,300℃では完全に溶融し、灰の融点の高い石炭でも TBP の混焼によってスラッギングのリスクが高まることが分かった。
1,100℃

1,300℃

Run1
A炭

Run4
A 炭＋
30%TBP

Run5
A 炭＋
50%TBP

図 6-4 A 炭と TBP のバイオマス混焼灰の溶融試験

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6.2.4. 考察
TBP を混焼させることで、灰溶融温度が TBP より高い石炭の灰の融点が下がり、灰付着のリ
スクが高まることが明らかになった。ただし、実際のボイラの運転では、気流の影響や壁面の表面の状態等様々なパラメータが関係するため、必ずしも今回の実験結果が定量評価の基準とはならない。
灰付着・成長・剥離のイメージを図 6-5 に示す。今回はスラッギングやファウリング発生する温度領域での溶融状態を主に観察したが、実用上は、水管やボイラ壁表面での部分結合灰の強度を出来るだけ下げることが求められており、蒸発管や水冷壁表面の温度で部分結合（焼結）した状態の厚みや強度を評価することも重要となる。部分結合層が厚くなればなるほど伝熱が悪くなり、表面の温度は上がって溶融状態に移行してしまう。今後はこのようなモデルを再現できる実験を工夫していく必要があると考える。

図 6-5 灰付着・成長・剥離のイメージ図

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7. 本共同スタディの纏めと課題
7.1. 本共同スタディの纏め
表 7-1 に共同スタディの結果を要約する。
表 7-1 本共同スタディ結果の概要(1) A 炭、B 炭、AB 混炭品に対して TBP を 30%、50%を混焼させた時のボ
１．各種石炭とTBP の混焼時の影響予測

イラに及ぼす主要因に関して、出光の評価指標に基づき評価した結果、
今回主に分析した焼却灰の挙動をおおよそ予測できた。
(2) TBP と石炭を混合した試料を約 250kg/時の粉砕能力を持つ大型試験ミルで粉砕試験をしたところ、問題なく粉砕でき、得られた粉体も 75µm 以
下 80%以上という実機スペックを充足した。
(1) 各種石炭に対し、TBP を 50%まで混合して、乱流炉で問題なく燃焼させることができた。いずれの場合も SOx 濃度を低下させることができた。

２．試験炉におけまた灰中未燃分や NOx 濃度は瀝青炭では低減したが、亜瀝青炭は燃焼る各種石炭と性に優れるため、特に NOx については顕著な変化は認められなかった。

混焼試験

(2) TBP は高温での揮発分が 90.4%と極めて高く高速で燃焼するに加え、管状炉試験による反応速度解析の結果、チャーの燃焼も亜瀝青炭並みに燃焼速度が速いことが分かった。
(1) 乱流燃焼試験炉を用いて、バイオマス混焼時の灰付着性を評価した。
A 炭では TBP の混焼に伴い、スラッギング温度 1,300℃、ファウリング

３．バイオマス混
焼灰の付着試験

温度 1,100℃において、灰付着量や灰付着確率の増加、付着灰の溶融性の悪化が認められた。
(2) 乱流炉の燃焼灰およびバイオマス混焼灰を用いたホットステージ試験、灰溶融試験においても全体的には上記と同様の傾向を示したが、TBP より灰融点の低い B 炭ではバイオマス混焼灰の融点が上昇する現象が見られた。

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7.2. 今後の検討課題
次年度の大型実機ボイラによる混焼試験のための基礎検討を今年度実施した。この結果を受け、次年度の大型実機実証試験での課題は以下のとおり。
·粉砕性の観点からの混焼率の限界の確認·乱流炉で観測された TBP 混焼のメリット（SOx、灰中未燃分、NOx）の実機での発現性の確認·実機においてファウリングは問題ないこと、スラッギングにどの程度影響があるかの確認以上の確認の結果、更なる技術開発の課題を設定し、その解決を目指す。

7.3. おわりに地球温暖化問題に対する世界的な関心の高まりを受けて、発電量あたりの CO2 排出量の多い石炭火力に対する是非の議論が近年活性化している。しかしエネルギー資源の乏しい我が国としては再生可能エネルギーの特性を冷静に考慮した上で、石炭火力も含めた適切なエネ
ルギーベストミックスを指向していくことが重要である。したがって石炭火力に関してもその特性を十分理解した上で、ベストミックスの方針の下、一定の発電量を確保すべく現実的な対応が求められると考える。
指摘されている石炭火力の上記課題に対する具体的な解決策を示すことが、わが国の長期安定的なエネルギーの需給に寄与するものと信じ、今後も現実的な技術開発の加速化に取り組んでいく。

以上

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