技術紹介

灰障害予測に対するシミュレーションの適用
内村大道 *1

Uchimura Hiromichi

宮下和大 *2

Miyashita Kazuhiro

当社では石炭灰の膠着度（かたさ）を指標として石炭焚きボイラにおける灰障害の起こりやすさを評価してきた。膠着度試験は石炭試料を粉砕、灰化、再焼結した後に焼結体のかたさを測定する手法である。膠着度試験は、ラボにて灰障害を予測できる有用な手法であるが、その反面、灰化などの処理に時間が掛かる。そこで、灰障害の起きやすさをシミュレーションで評価できれば、時間が短縮できる。本稿では、石炭灰と石炭－バイオマス混焼灰の化学組成値に基づくシミュレーションを適用し、計算結果と膠着度の相関について検討した。その結果、計算結果と膠着度に一定の相関が見られ、灰障害のスクリーニング手法としてシミュレーションは有効であることを確認した。
キーワード：灰障害、膠着度、シミュレーション、石炭、バイオマスため、当社では灰障害の起こりやすさを評価する

1. はじめに手法として膠着度試験を提供し、定量的に灰障害（1）

石炭焚き火力発電ボイラでは、石炭の燃焼にを評価してきた 。図 1 に、膠着度測定の概略を

よって生じた灰が伝熱管に付着、成長し、伝熱性示す。膠着度試験ではまず電気炉を用いて石炭灰の低下や閉塞を引き起こす灰障害が発生する。灰を調製する。次に、調製した石炭灰を専用の磁性障害の起こりやすさは石炭の種類により差がある

皿に詰め、管状炉内にて実機ボイラの燃焼温度近灰障害
石炭

ボイラ内で燃焼伝熱管へ付着・成長（a）実機ボイラでの灰障害

石炭石炭灰を作成

焼結体を作成焼結体のかたさを膠着度として灰障害を評価（b）試験による灰障害評価

図1

膠着度測定の概略*1：計測事業部 化学・材料部 福浦グループ*2：研究開発センター 研究開発グループ—

13—

IIC REVIEW/2022/10. No.68

傍で焼結して焼結体のかたさを調べる。膠着度とる。そこで、石炭－バイオマス混焼条件において灰障害の程度の関係を表 1 に示す。焼結体がかたも、同様に計算値と膠着度の相関を比較検討した。

く壊れにくいと膠着度は高くなり、灰障害が生じ2. シミュレーションについてやすいことを意味する。
膠着度は、ラボにて灰障害を予測できる有用な

FactSage は、多成分系の化学反応をシミュレー手法である。一方、試料の受け渡し、焼結体の作トできる熱力学平衡計算ソフトウェアである。物

製および測定するために時間が掛かる。仮に、石質情報や計算温度範囲、雰囲気ガス組成等を入力

炭灰の化学組成情報をもとにシミュレーションですることで、各温度で生成する化合物のさまざま灰障害の起こりやすさを評価できれば、データのな情報が得られる。計算例を図 2 に示す。横軸がみでの評価が可能となる。そこで、熱力学平衡計

温度（ ℃）、縦軸が反応生成物の重量（wt％）を示（2）

算ソフトウェア「FactSage 」を用いたシミュレーす。図 2 のように、各温度での生成物を計算するションし、計算値と膠着度の相関を求め灰障害をことができる。

評価した。

灰障害は部分的に溶融した灰が配管に付着してまた、近年、石炭焚き火力発電ボイラでは排出成長した結果発生すると推定される。そのため、二酸化炭素削減や発電量固定価格買取制度の普及

溶融状態となった石炭灰の割合と膠着度に相関がによりバイオマスを混焼するケースが増えていあると考えられる。そこで、スラグ等の灰が溶融して液体になった割合を“液相率”とし、計算から表1求めた液相率と実測値である膠着度の比較した。

膠着度と灰障害の程度の関係

実機灰の付着状態
パウダー状で付着
手では簡単に崩すことができる
手では簡単に崩すことができない
崩すことができない(溶融してガラス状態)

灰障害の程度なし(〇)
小(〇)
中(△)

膠着度
＜0.2

大(×)＞0.8

液相率は次のとおり定義した。
液相率 = 液相の重量／（液相 + 固相の重量）
この式において、すべて溶融すると液相率は 1となる。

スラグ※1
重量 ZW％

&D$O6L2
&D6L2

6L2


温度 ℃

※ 1：溶融した複数の酸化物

図2

SiO2（50wt％）、CaO（30wt％）、Al2O3（20wt％）混合物の各温度における生成物—

14—

3. 液相率と膠着度の計算または実験条件

4. 結果
4.1 石炭灰の液相率と膠着度の関係

液相率または膠着度は以下の条件で、計算または実験により求めた。
① 温度

任意の 5 種類（No.1 ～ 5 と仮称）の石炭灰を例に取り、温度と液相率（計算値）の関係を図 3 に、温：800 ～ 1500℃（100℃きざみ）② 雰囲気：大気圧、空気雰囲気度と膠着度（実測値）の関係を図 4 に示す。液相率③ 灰種

および膠着度のいずれも温度上昇に伴って増加す：石炭灰 16 種、石炭－バイオマス混焼
灰2種

ることが確認された。このことから、液相率と膠液相率は灰組成と上記の条件から計算し、膠着着度に相関があることが推測される。

度は 1 章で説明した手順で測定した。

次に、石炭灰 16 種の 1000℃、1100℃、1200℃

1R
1R



1R
1R

液相率 

1R











図3







温度 ℃







温度と液相率（計算値）の関係

1R
1R



1R
1R



膠着度 1R











図4





温度 ℃







温度と膠着度（実測値）の関係—

15—

IIC REVIEW/2022/10. No.68

4.2 石炭－バイオマス混焼灰の液相率と膠着度での液相率（計算値）と膠着度（実測値）の関係をの比較

図 5 に示す。
ほとんどの石炭灰で液相率の増加とともに膠着

これまで石炭－バイオマス混焼条件を模擬した度が増加する傾向が見られ、プロットは近似曲線

際の膠着度試験を実施し、混焼時に生じる灰の付の近傍に存在する。また、大部分の石炭灰は液相着性を評価するうえで膠着度が効果的であること率 0.15 を超えると、灰障害の危険性が高いことをを確認している 。今回は、石炭にバイオマスを意味する膠着度 0.8 を超えることが確認された。

カロリーベースで 30％混合し混焼を模擬した場

この結果から、液相率 0.15 を評価ラインとして、合の、灰の液相率と膠着度を比較検討した。混合液相率を用いた灰障害のスクリーニングが可能とするバイオマスは竹および杉チップを対象とし考えられる。

た。竹は放置竹林の有効活用が課題となってお（3）ただし、領域 A のように液相率が 0.15 以下でもり、竹を原料とするバイオマス発電が始まりつつ膠着度が 0.8 を超え、灰障害の危険性が大きい灰種ある 状況を考慮して選定した。杉は間伐材からもある。そこで、液相率を用いたスクリーニングの発電用チップを製造して利用 されていることか適用は、液相率 0.15 を超える灰種を危険と判定

ら選定した。石炭灰、バイオマス灰および混合物

し、液相率 0.15 未満は併せて膠着度測定することの化学組成を表 2 に示す。

（4）

（5）

表 2 の混合物の組成と 3 章の計算条件をもとにが望ましい。
領域 A、B のように、近似曲線から外れる原因液相率を計算した。図 6 に石炭－バイオマス混焼として、シミュレーションでは考慮できないスラ灰の液相率（計算値）、図 7 に膠着度（実測値）をそ

グの粘度、石炭灰粒子径、アルカリ化合物の偏在れぞれ示す。
液相率と膠着度の値はともに、石炭灰に比べ、などの影響が考えられる。今後、近似曲線から外石炭－バイオマス混焼灰の方が大きく、その程度れる原因について検討していく。

は竹混焼灰で顕著であることが確認された。これ
1R



灰障害の危険性大膠着度領域$



1R
1R

1R

膠着度（）

1R
1R



1R
1R

液相率



1R
1R

領域%

1R

1R



1R
1R



1R

















液相率（計算値）と膠着度（実測値）の関係—

161R
近似曲線

液相率 

図5



—

表2

石炭灰、バイオマス灰混合時の成分（wt％）

試料

6L2

$O2

1D2.2&D20J2石炭灰













竹灰













杉チップ灰





石炭灰＋竹灰









石炭灰＋杉チップ灰




石炭

石炭＋竹液相率 

石炭＋杉チップ

図6     温度 ℃

石炭－バイオマス混焼灰の液相率（計算値）

石炭



石炭＋竹膠着度 

石炭＋杉チップ

図7     温度 ℃

石炭－バイオマス混焼灰の膠着度（実測値）—

17—

IIC REVIEW/2022/10. No.68

は、混合によって灰障害が起こりやすくなること

石炭－バイオマス混焼灰の液相率の傾向が、膠を示唆している。特に、竹混焼灰では、表 2 に示着度と一致することを確認した。しかし、まだ石すとおり竹灰には低融点の K2O が大量に含まれて炭－バイオマス混焼条件でのデータ数が少ない。

おり、その影響で液相率や膠着度が増加したと考今後データを蓄積していき、混焼条件での灰障害えられる。一方、杉チップ混焼灰は、液相率・膠予測のスクリーニングとしての適用を目指してい着度とも石炭灰との差が小さいが、これは石炭灰く。また、石炭－バイオマス混焼条件だけでなく、に杉チップ灰をカロリーベースで 30％混合して利用が拡大しているバイオマス専焼条件への適用も、組成がほとんど変化しなかったためと考えらも含め検討を進めていく。

れる。

参考文献

以上より、石炭－バイオマス混焼灰も液相率（計算値）の傾向が、膠着度（実測値）と一致するこ（1） 知惠賢二郎、茂田潤一：灰汚れ評価「灰の膠とを確認した。しかし、まだ石炭－バイオマス混着 度 」の 亜 瀝 青 炭 へ の 適 用 に つ い て、IIC

焼条件でのデータ数が少ない。今後データを蓄積

REVIEW、No.61、2019/04、pp.8-12（2） 株式会社計算力学研究センターホームページ：

していき、灰障害予測のスクリーニングとしての適用を目指していく。

https://www.rccm.co.jp/product/thermodynamics/
factsage/

5. まとめ（3） 茂田潤一、知惠賢二郎、高野卓、長島陽一：

石炭灰において、FactSage によるシミュレーショ

「灰の膠着度」による石炭・バイオマス混焼時の灰ンで得られる液相率（計算値）と膠着度（実測値）に汚れ予測評価、IIC REVIEW、No.63、2020/04、は一定の相関があることがわかった。これを用いpp.31-37

れば、液相率 0.15 を超えた石炭灰は灰障害の危険（4） 田中良平：バイオマスとしての竹の利用、九性が高いと判断するスクリーニング手法の 1 つと

州森林研究、No.71、2018/03、pp.137-140なる。ただし、液相率 0.15 未満については、危険（5） 公益財団法人かながわトラストみどり財団側の予測になることがあるので、スクリーニング

ホームページ：https://ktm.or.jp/woodybiomass/に併せて膠着度を測定することが望ましい。

計測事業部
化学・材料部
福浦グループ

研究開発センター
研究開発グループ

宮下 和大

内村 大道

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

TEL. 045-791-3516
FAX. 045-791-3542—

18—