技術紹介

バイオマス専焼におけるアグロメレーション
評価手法の検討
田内希 *1Tauchi Nozomi

宮下和大 *1

Miyashita Kazuhiro

茂田潤一 *2

Shigeta Jun-ichi

近年カーボンニュートラルの観点から化石燃料を用いないバイオマス発電への移行が強く求められている。バイオマス燃料は種類によって形状や性状が大きく異なることから、幅広い燃料に対応でき、かつ低けい温にて効率良く燃やせる循環流動層ボイラの利用が普及してきている。しかし、その流動媒体である珪砂とバイオマス灰中に含まれるアルカリ成分が高温下で反応し焼結体を形成するトラブルが発生しており、焼結体が増えるほど珪砂は流動が困難になり最終的には流動不良を引き起こし運転が停止する。また焼結体の形成には珪砂とアルカリ成分量の比率が深く関与しており、珪砂の存在割合を増やせば高アルカリ燃料も燃焼可能であるが、ランニングコスト増に直結する。今後新規のバイオマス燃料の適用を考えた際、トラブル発生リスクの事前予測や珪砂の投入量の試算が望まれる。そこで本稿では燃料の事前評価手法についていくつか知見を得たので、ここに紹介する。
キーワード：バイオマス、循環流動層ボイラ、灰障害、アグロメレーション、灰組成、膠着度、燃焼性、液相率、FactSage、小型流動層燃焼試験

灰中に含まれるアルカリ成分（カリウム：K やナ

1. はじめに（2）トリウム：Na） で、反対にアルカリ土類成分（カ

バイオマス燃料は性状や形状が多種多様である

ルシウム：Ca やマグネシウム：Mg）はアグロメ抑た め 燃 焼 傾 向 に 差 が あ る が、 流 動 媒 体（珪 砂：制作用があることが知られている 。本研究でSiO2）を用いる循環流動層ボイラ（以下、CFB ボイは、アルカリ成分（K、Na）やアルカリ土類成分ラ）は直接燃焼ボイラに対して比較的低温でゆっ（Ca、Mg）の含有量が異なる 5 種類のバイオマス

くり均一に燃料を燃焼させることから、現在利用灰を用いて、灰と珪砂の反応性や焼結性に着目が拡大している。一方でバイオマス灰と火炉内にし、アグロメの発生予測方法を検討した。また燃ある珪砂が高温下で反応し、アグロメレーション料が燃焼して灰になり珪砂と反応する過程を模擬（以下、アグロメ）と呼ばれる焼結体を形成し、そするために「小型流動層燃焼炉」を導入したので紹れが成長することで流動不良を引き起こすことが介する。

（3）

（1）

報告されている 。またアグロメ形成促進因子が*1：研究開発センター 研究開発グループ*2：元フェロー 博士（学術） 環境計量士（濃度関係）—

40—2.1.1 膠着度測定手順

2. 評価方法① バイオマス燃料を 550℃にて熱処理を施し、灰と珪砂の反応性については、焼結体の固さをバイオマス灰を作製した。

（4）

示す「膠着度」 と、熱力学平衡計算ソフトウェア② バイオマス灰と珪砂を「1：1」の重量比率で（5）「FactSage」 を用いて算出される「液相率」の二つ混合した。の指標で検討した。表 1 に本研究で用いた 5 種類

③ 混合試料を磁性ボートにのせ、電気炉で熱処（A ～ E）のバイオマス燃料の灰組成（蛍光 X 線分理した。

析を使用）を示す。5 種類のバイオマスの特徴とし④ 熱処理後、電気炉より試料を取り出し、焼結て、「A」
・「E」はアルカリ成分が同等程度に多くあ体の固さを測定した。

るが、アルカリ土類成分量が異なる、「B」はアルカ
2.1.2 加熱処理条件

リ成分が少なく比較的アルカリ土類成分が多い、「C」
・「D」はアルカリ成分が極端に多いが、アルカ① 使用砂：平均粒径 0.2 ～ 0.4mm（6 号珪砂）

リ土類成分量が異なるという点が挙げられる。

② 灰種：バイオマス灰

5種③ 加熱温度：850℃、950℃、1050℃
2.1 灰の膠着度④ 加熱時間：3 時間「膠着度」は焼結体の固さの指標である。アグロ
2.1.3 焼結体の固さ

メは灰と珪砂の焼結体であるため、灰と珪砂の混合試料を加熱し、この膠着度を測定することでア

焼結体の固さはミネルバ機器社製ラトラ試験機（図 1）により測定した。ラトラ試験機は金属圧粉グロメ生成が予測できると考えた。

体の耐摩耗性および先端安定性（材料の成形性）を
表1
試料

灰組成

バイオマス A（wt％） （木質系）

各バイオマス燃料の灰組成
バイオマス B
（種子殻系）

バイオマス C
（種子殻系）

バイオマス D
（種子殻系）

バイオマス E
（木質系）

SiO2

31.90

40.86

0.78

0.68

0.67

Al2O3

2.34

4.12

0.42

0.06

0.77

TiO2

0.12

0.14---

Fe2O3

4.90

2.80

0.84

0.15

0.25

CaO

10.60

22.00

21.30

9.71

34.10

MgO

15.10

3.90

8.93

14.50

16.40

Na2O

0.40

0.11

0.78

0.06

0.28

K2O

16.90

5.60

33.98

40.40

16.40P2O54.752.58

3.19

5.23

5.00

MnO

0.13

0.10

0.37

0.03

3.12

SO35.30

1.95

3.62

6.79

2.60

CuO

0.04

0.04

0.10

0.04

0.03

Cl0.03

0.02

-0.41

0.01

CO37.23

15.60

25.44

21.80

19.64

—

41—

IIC REVIEW/2023/10. No.70

2.2 灰溶融挙動のシミュレーション測定するための装置である。以下に装置概要を示す。

熱力学平衡計算ソフトウェア「FactSage」を用い装置仕様：・ SUS 金網製容器

ると、灰組成、温度、雰囲気、圧力等の条件を入（内径 100mm、長さ 115mm）力することで、灰溶融挙動や温度ごとに生成する・ 目開き 1mm 角

化合物情報を得ることができる （図 2）。以前よ測定条件：・ 回転速度 80rpm

り石炭専焼や石炭－バイオマス混焼条件において・ 総回転数 250 回

灰障害トラブルの危険性評価のスクリーニング手（5）（7）

この円筒形金網に一定量に成形した焼結体を入法としての有用性がわかっている 。またアグロ

れ、金網を回転させると塊状灰は金網内壁に落下

メは部分的に溶融した灰が珪砂と反応することで衝突し、表面から徐々に崩れる。ラトラ試験で崩発生すると考えられているため、FactSage にて灰（6）れなかった焼結体の割合を膠着度と定義し 、次と珪砂の溶融挙動を計算することで事前予測に活式（1）により求めた。膠着度は焼結体の崩れやす用できないか検討した。この場合、溶融状態とさの目安であり、1.0 に近いほど焼結性が高く、なった灰の割合が高いほどアグロメを生じやすい

0.0 に近いほど焼結性が低いことを示す。

条件となる。スラグ等の灰が溶融して液体になっ膠着度=た割合を「液相率」とし、式（2）のように定義した。

試験後に崩れず残った焼結体の重量
試験前の焼結体重量すべて溶融すると液相率は 1.0 となる。

（1）

液相の重量
液相率 =
（液相 + 固相）の重量（2）

ここで、液相率は以下の算出条件で求めた。

円筒形金網① 灰種：バイオマス灰 5 種（SiO2 50wt％混合）② 灰組成：バイオマス灰 + 珪砂を重量比「1：1」
で混合③ 温度：500 ～ 1100℃（50℃きざみ）④ 雰囲気：大気圧、空気雰囲気
図1

ラトラ試験機

図2

灰溶融シミュレーションの手順—42—

3. 評価結果

850℃

3.1 温度変化に伴う外観状況の変化

950℃

2.2 節にて示した手順にて熱処理したバイオマ
ス灰－珪砂（SiO2）混合試料の外観写真を図 3 ～1050℃

図 7 に示す。K を多く含有する試料ほど温度上昇

図3に伴い収縮した。しかし収縮が起きて固くなるもバイオマス A 灰と珪砂混合試料の外観状況のとならないものが存在した。固くならないもの
850℃の傾向として、アルカリ成分が少ないものやアルカリ土類成分を多く含むものに見受けられた。そ950℃

こでその固さの違いを定量的に判断するため、「膠着度」を用いて評価した。

1050℃
3.2 バイオマス灰の熱処理温度と膠着度の関係

図4

バイオマス B 灰と珪砂混合試料の外観状況

バイオマス灰を各温度で熱処理した試料の「膠着度」の結果を図 8 に示す。K 濃度が 5.60wt％と850℃

低いバイオマス B は膠着度がほぼ 0.0 であり、焼結体の形成が確認されなかった。K 濃度が高いバ

950℃

イオマス A・C・D は循環流動層ボイラ運転温度
1050℃

域（≦ 950℃）において顕著に膠着度が上昇していることがわかった。バイオマス E はバイオマス A

図5と同等の高い K 濃度であるが、膠着度の上昇が抑えられている。これはアグロメ抑制作用のある Ca

バイオマス C 灰と珪砂混合試料の外観状況
850℃

濃度が高い（25wt％以上）ことによると推測される。以上の結果より、膠着度の値はアグロメ形成

950℃に寄与する元素の影響を反映した評価指標であることが示唆された（表 2）。

1050℃
図63.3 バイオマス灰の加熱温度と液相率の関係
バイオマス灰と SiO2 混合試料組成を入力し、850℃

FactSage を用いて算出した「液相率」と温度の関係を図 9 に示す。Ca 濃度に対して K 濃度が高いバ

950℃

イオマス A・C・D では温度上昇に伴い液相率が継続的に上昇していることがわかる。500 ～ 600℃

1050℃

付近の液相率の増加は主に CaO や P2O5 の溶融が図7原因である。バイオマス D の液相率の立ち上がり—

バイオマス D 灰と珪砂混合試料の外観状況

43—

バイオマス E 灰と珪砂混合試料の外観状況
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

$

%

膠着度&'(      

温度 ℃
図8

各バイオマス灰熱処理温度と膠着度の関係

$%

&'

液相率

(      

温度 ℃
図9

各バイオマス灰の温度と液相率の関係

表2（wt％）

灰組成と膠着度の関係

バイオマス A バイオマス B

バイオマス C

バイオマス Dバイオマス EK 濃度16.90×5.60 ◎

34.00×33.98×16.40×Ca 濃度10.60×22.00×21.30×9.71×34.10 ◎

膠着度
850℃

0.0

0.0

0.1

0.4

0.0

950℃

0.9

0.0

1.0

0.9

0.01050℃

0.9

0.0

1.0

1.00.4—44—

がほか二つと比較して遅いのは、灰中に含まれる

4. 小型流動層燃焼炉

Mg が Si と反応し、K2MgSi5O12 や K2MgSi3O8 として安定化しているためと考えられる。また K 濃度

ここまでは、灰と珪砂の反応を確認するため、が低いバイオマス B は 950℃を境にやや上昇がみバイオマス燃料を灰化させ、これを試料として用られるものの低い液相率でとどまっている。バイ

いて評価した。一方、実際のアグロメ発生プロセ

オマス E は、850℃の時点でやや上昇しているが、スは、バイオマス燃料がボイラ内で燃焼して灰化その後の立ち上がりが抑制されている。これは Caし、その灰が流動媒体である珪砂と反応するものにより生成物（CaSiO3 など）の融点が上昇し、溶融である。そこで、動的環境での珪砂との反応性をが抑えられているものと推測される。

評価するために、「小型流動層燃焼炉」を導入した。

膠着度と液相率のどちらにおいても、バイオマ

この燃焼炉を用いた小型流動層燃焼試験は高温下ス A・C・D の値が高く、反対にバイオマス B・Eにて流動させた珪砂に燃料を投入することで、ボは値が低いという結果になった。このことから両イラ内の挙動をラボ試験スケールにて模擬できる指標において類似傾向が確認されたため、膠着度ものである 。以下に装置概要を示す。

（8）

測定のほかに事前スクリーニングとしてシミュ
4.1 試験装置

レーションの利用も可能であることが示された。

・ 形式：常圧ステンレス製流動層燃焼炉（図 10、
図 11）
・ 炉 形 状： ス テ ン レ ス 管（ 内 径 48mm、 板 厚2mm、高さ 1000mm）

図 10

常圧 SUS 製流動層燃焼炉概略図—

図 1145—

常圧 SUS 製流動層燃焼炉外観
IIC REVIEW/2023/10. No.70

・ 空気分散方式：石英焼結板

アグロメの特徴を調査する。

・ 試験条件等：表 3 参照

さらに、燃料の灰分（燃料中の灰になる割合）小
さければ灰自体が少なくアグロメが発生しにく

4.2 評価方法

い。したがって工業分析により燃料自体の性状を小型流動層燃焼試験では実機ボイラで問題なく調べ、発生する灰の量を把握し、燃焼試験の結果・稼働した実績のある燃料の試験結果を基準とし、焼結体分析の結果とともに、総合的にその燃料のそれに対して優劣の判断をする。試験では表 4 のアグロメの発生傾向を把握する。

項目で比較評価する 。

5. まとめ燃焼試験では、表 3 の条件で燃料を投入し、① アグロメにより流動が流動停止までに投入

本研究では「バイオマス燃料の灰と珪砂の反応された燃料量性」をもとに膠着度試験、化学反応シミュレー② アグロメにより流動が停止までに要する時間

ションによるアグロメ発生の事前評価の可能性をを計測する。さらに試験中は排ガス中の酸素濃度見いだした。また小型流動層燃焼炉による、ラボをモニターしながら燃料の燃焼傾向を把握し、流スケール試験で各種燃料と珪砂の反応性の評価を動時の圧力変動からアグロメの成長度合を定性的するためのデータ蓄積を図った。に評価する。

今後新規に適用されるバイオマス燃料種の増加

また、試験後には反応管から取り出した焼結体が見込まれ、その性状は多岐にわたることが想定のサイズ測定、元素分析などにより、生成されるされることから、燃料の燃焼挙動についての評価やアグロメ発生リスクの把握が重要になる。さら

表3に循環流動層ボイラを運用していくうえで、バイ試験条件

オマス 1 種類の専焼から 2 種類以上の混焼へ展開

形式

常圧 SUS 製流動層燃焼炉

層温度

850℃

する際の事前評価等にも活用できれば幸いであ

空塔速度0.57m/s

る。

流動媒体

4 号珪砂（粒径 1.0 ～ 1.4mm）

燃料投入量

燃え切り後投入

投入方法

5mm 角に裁断し投入

表4

評価項目

評価項目

評価内容

分析項目

燃料性状

燃料中の灰の割合（灰分）

工業分析

灰性状

灰中の K 量

灰組成

投入燃料量（投入 K 量）

投入重量

アグロメ生成傾向

流動停止までに要する時間

試験時間

流動時の圧力変動（流動停止すると変動なし）

反応管内圧力酸素燃え切り時間

燃焼中の酸素濃度変動と開始濃度に戻るまでの時間

酸素濃度

流動砂の粒度焼結体の有無やその大きさ測定

粒度分布

焼結体の断面観察・元素分析

珪砂や焼結体の元素分析

SEM-EDS—46—

（4） 田内希、宮下和大：新規バイオマス燃料導入

参考文献に向けた調査・分析メニュー、IIC REVIEW、（1） Yanqing Niu, Houzhang Tan, Shi’en Hui：Ash-Vol.69、2023/04、pp.31-39

related issues during biomass combustion: Alkali-（5） 株式会社計算力学研究センターホームページ：

induced slagging, silicate melt-induced slagging

https://www.rccm.co.jp/product/thermodynamics/(ash fusion), agglomeration, corrosion, ashfactsage/utilization, and related countermeasures, Progress（6） 茂田潤一、知惠賢二郎：石炭焚ボイラにおけin Energy and Combustion Science, Vol.52, 2016,

る燃焼灰の付着挙動、IIC REVIEW、Vol.55、

pp.1-61

2016/04、pp.21-29（2） 田内希、宮下和大、茂田潤一：バイオマス中（7） 内村大道、宮下和大：灰障害予測に対するシ

アルカリ成分が流動層ボイラに及ぼす影響、

ミュレーションの適用、IIC REVIEW、Vol.68、

IIC REVIEW、Vol.68、2022/10、pp.19-26

2022/10、pp.13-18（3） Liang Wang, Johan E. Hustad, Øyvind Skreiberg,（8） Pawin Chaivatamaset, Panchan Sricharoon, Suvit

Geir Skjevrak, Morten Grønli：A critical review onTia：Bed agglomeration characteristics of palm

additives to reduce ash related operation problems

shell and corncob combustion in fluidized bed,in biomass combustion applications, Energy

Applied Thermal Engineering, Vol.31, 2011,

Procedia, Vol.20, 2012, pp.20-29

pp.2916-2927

研究開発センター
研究開発グループ研究開発センター
研究開発グループ

田内

宮下 和大

希

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

TEL. 045-791-3522
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元フェロー
博士（学術）
環境計量士（濃度関係）

茂田 潤一
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