技術紹介

灰汚れ評価「灰の膠着度」の亜瀝青炭への適用について
知惠賢二郎 *1
Chie Kenjiro

茂田潤一 *2

Shigeta Jun-ichi

近年の微粉炭焚きボイラでは、燃料の多様化、コスト低減化のため低品位石炭（亜瀝青炭）の利用拡大が海外にて図られており、我が国でも亜瀝青炭の混焼率を高めて使用する動きがある。しかし、従来の灰汚れ指標（スラッギングインデックス・ファウリングインデックス等）で問題ないとされる亜瀝青炭を使用した実機にて、火炉や後部伝熱面に燃焼灰が付着堆積して伝熱阻害やガス流路閉塞などのトラブルが発生している。
我々は、この灰障害を評価する方法として、瀝青炭・亜瀝青炭のいずれにも適用可能な「灰の膠着度」を新たに開発した。
「灰の膠着度」は、従来の灰障害指標では評価困難な石炭でも精度高く評価することが可能となる。
キーワード：亜瀝青炭、石炭火力発電、灰障害、スラッギング、ファウリング、膠着度

1. はじめに2. 亜瀝青炭
2.1 亜瀝青炭とは亜瀝青炭は灰障害の影響が顕著に現れるが、その特性を事前に把握することは困難である。これ

石炭は発熱量、燃料比、揮発分等の違いで数種は、灰障害の従来の指標（スラッギングインデッに分類され、例えば炭素の濃縮度を表す石炭化度

クス・ファウリングインデックス等）が主に瀝青の高い順に、無煙炭（anthracite）、半無煙炭（semi-炭について検証・確立されており、インドネシアanthracite）、瀝青炭（bituminous coal）、亜瀝青炭（sub-等の亜瀝青炭では、その指標がそのまま適用できbituminous coal）、褐炭（brown coal）、亜炭（lignite）、ないことにある。事実、東南アジア地域の石炭焚泥炭（peat）に分類される。日本の石炭火力発電にきボイラでは、特定の亜瀝青炭の燃焼時にボイラは主に「瀝青炭」が用いられているが、近年は価格過熱器管や再熱器管への灰付着・損傷や閉塞に起が高騰しており事業者のコスト圧迫要因の一つと因したボイラ停止が頻繁に発生している。本稿でなっている。亜瀝青炭は全石炭埋蔵量の 30％を占は、灰障害の予測手法「灰の膠着度」の概要とイン

め、瀝青炭に比べて安価であるため資源量、価格、ドネシア瀝青炭／亜瀝青炭への適用事例についおよび調達範囲拡大の視点で亜瀝青炭を用いる石て、その結果の一例を紹介する。

炭焚き火力発電プラントが増えている。亜瀝青炭は東南アジア地域で多く産出されるため、近隣国の火力発電所燃料に用いることが多くなってきて*1：計測事業部 計測エンジニアリング部 課長 博士（理学） 環境計量士（濃度関係、騒音・振動関係） 一般計量士*2：フェロー 博士（学術） 環境計量士（濃度関係）—8—表1いる。しかし、亜瀝青炭は瀝青炭に比べて固有水（1）ファウリング評価の一例

分 が 多 く、 石 炭 灰 に Base（塩 基 性 成 分：Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O）が多い性質を持つため、瀝青炭とは異なった運用が必要となる。特に石炭燃焼に伴って発生する燃焼灰に起因するトラブル
従来のファウリング評価は瀝青炭を対象としてが発生しやすいことが知られている。

構築されており、この評価を亜瀝青炭に適用した場合、表 2 に示すようにファウリング評価と実機2.2 亜瀝青炭の灰障害予測運用結果が異なることがある。

亜瀝青炭は瀝青炭と比較し、スラッギング（火炉部分での灰付着）よりファウリング（火炉上部～表2後段の伝熱管への灰付着・閉塞）が発生しやすい。

ファウリング評価と実機運用結果

ファウリング評価にはファウリングインデックス（※ 1）が広く用いられているが、炭種によるファウリングインデックスの変動が大きく、また同じ産地ごと（銘柄）でも大きく変動するため、ファウリングインデックス、石炭性状、灰性状は石炭船ごとに確認することが望ましい。図 1 にインドネ
ファウリング評価と運用結果が異なる原因の一

シア産・亜瀝青炭の石炭船ごとのファウリングイつとして灰の化学組成・灰の溶融性の評価領域がンデックスの変動の一例を示す。
※ 1： ファウリングインデックス（-）=（Fe2O3 +瀝青炭と亜瀝青炭で異なっている点が挙げられ/CaO + MgO + Na2O + K2O）（SiO2 + Al2O3 +る。瀝青炭の場合、灰の Base と Acid（酸性成分：TiO2）× Na2O

SiO2 + Al2O3 + TiO2）の比 Base（Fe2O3 + CaO + MgO +ファウリング評価の例を表 1 に示す。これは、灰Na2O + K2O）/ Acid（SiO2 + Al2O3 + TiO2）が大きくな性状のデータからファウリングインデックス等をると溶融温度が低下するため、ファウリング性が算出し、ボイラ燃料として用いた際のファウリン高くなると考えられている 。

（2）

亜瀝青炭の場合には Base/Acid 比の領域が瀝青グ性を評価している。

図1

インドネシア産・亜瀝青炭の石炭船ごとのファウリングインデックス変動の一例—

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炭と異なり、Base/Acid 比の上昇が溶融温度の低下

3. 灰の膠着度に必ずしもつながらない点が一つの特徴である（図 2）。

「膠着度」は図 3 に示すように、金属圧粉体の耐したがって、亜瀝青炭は灰の化学組成・溶融温磨耗性および先端安定性を定量的に評価するラト度の観点でも瀝青炭と異なることから、亜瀝青炭ラ試験を応用し、焼結体の固さを定量化するためのを対象とした新規予測法が必要となる。

指標として新たに定義したものであり「膠着度 = ラ
トラ試験後の重量／ラトラ試験前」で求められる。
なお、焼結体は石炭灰を一定温度（例えば 1000℃、1100℃など）で焼結させることで得る（図 4）。
過去の実機付着灰調査から、灰障害（スラッギング・ファウリング）を起こし硬く付着している灰はいずれも膠着度 0.8 以上であり、付着していても比較的もろく、問題ないとされる灰が膠着度0.4 以下であったことから、灰汚れと膠着度の関
（3）
（4）
（5）

係は表 3 とした。

亜瀝青炭焚きボイラではガス温度 1000 ～ 1100℃
図2

瀝青炭および亜瀝青炭の溶融温度と Base/Acid 比の関係

領域の過熱器で灰の著しい付着・閉塞が発生するため、この温度域での灰の挙動を把握することが

図3

膠着度の概要図4

焼結体外観—10—

表3

灰汚れの程度と膠着度の関係

瀝青炭の場合、溶融温度と膠着度に強い相関が得られる（溶融温度が高ければ膠着度が低い）。上記亜瀝青炭の溶融温度は④ > ③ > ② > ①であるため、膠着度は④ < ③ < ② < ①と予想されるが、実際の膠着度（1000℃）は① = ④ < ③ < ②となり、傾向が一致しなかった。そこで、運用実績のある亜瀝非常に重要である。しかし、灰の溶融性評価は、青炭数十種の溶融温度、膠着度との関係を調べ最低温度指標の初期変形温度（Initial Deformation

た、その結果を図 6 に示す。

Temperature：IDT）でも 1100℃以上からの評価しかできない。これに対して、膠着度は IDT よりも低い温度（900℃～）での灰の挙動（焼結性）を評価できる。
4. 亜瀝青炭への適用結果
亜瀝青炭の膠着度を測定・評価するため、表 4 に示す灰の化学組成を持つ亜瀝青炭 4 種（①～④）の膠着度を測定した。図 5 に 1000℃、1100℃、1200℃

図6

膠着度結果を示す。

溶融温度と膠着度の関係（実機運用炭）亜瀝青炭の場合、溶融温度が低いにも関わらず

表 4 膠着度測定に用いた亜瀝青炭の灰の化学組成膠着度が低い石炭が存在することがわかる。膠着度が低い石炭を用いることは、ボイラの灰障害抑制・安定運用につながると考えられるが、実際に1000℃膠着度の低い石炭は実機ボイラの運用が良好であった。一方、膠着度の高い炭種は、灰付着による閉塞が発生し、中にはスートブロア（伝熱面の付着物を蒸気や空気噴射により除去する装置）でも除去できず、ボイラを停止しなければならない状況になった。図 7 に示すように、灰付着・伝熱阻害に起因する膠着度が高い石炭は、ボイラ出口排ガス温度の上昇が確認できた。
灰の膠着度は、膠着度とボイラ出口排ガス温度の関係からも、実機ボイラでの灰の付着挙動を推測する有効な一手法となると考えられる。膠着度の高い石炭の利用を回避することはもちろんであるが、「溶融温度が低いが、膠着度も低い石炭」は

図5

溶融温度と膠着度の関係（亜瀝青炭 4 種）—

実機での運用も良好であり、この特長を持つ石炭
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参考文献（1） Hirofumi TSUJI, Yoshiko HIEI, Nobuyuki
WAKABAYASHI and Hiromi SHIRAI：Formation
Mechanisms, Evaluation Methods and Research
Perspective of Slagging and Fouling on Pulverized
Coal Combustion, Journal of the Japan Institute ofEnergy, 89, 2010, pp.893-902（2） 茂田潤一、知惠賢二郎：高温加熱顕微鏡によ図7る石炭灰の溶融温度測定技術、IIC REVIEW、膠着度とボイラ出口排ガス温度の関係

Vol.49、2013/04、pp.46-55（3） 毛利、茂田、鈴木、福島：微粉炭焚きボイラを見つけ出すことは安価で、かつボイラの安定運におけるスラッギング予測指標の構築、火力用につながると考える。

原子力発電、Vol.56、No.1、2005、pp.26-31

5. おわりに（4） 毛利、茂田、鈴木、福島：微粉炭焚きボイラ

上記の試験結果から、下記の結論を得た。

におけるスラッギング予測指標の構築、石川（1）膠着度という新しい概念で、定量的に灰汚れ

島播磨技報、Vol.45、No.1、2005、pp.36-41（5） 茂田潤一、知惠賢二郎：石炭焚ボイラにおけを評価することができる。
（2）膠着度は、実験室での焼結試験で簡便に求める燃焼灰の付着挙動、IIC REVIEW、Vol.55、ることができる。

2016/04、pp.21-29（3）膠着度は、瀝青炭、亜瀝青炭等のさまざまな炭種に適用できることがわかった。
これまで亜瀝青炭の灰障害も従来の指標で評価できると考えていた。しかし、亜瀝青炭の灰の挙動は瀝青炭と大きく異なり、従来の指標では評価できなかった。新たに開発した「膠着度」は亜瀝青炭の灰障害を評価・予測できる手法であり、今後の運用拡大が予測される亜瀝青炭の選定に役立つことを期待する。

計測事業部
計測エンジニアリング部 課長
博士（理学） 環境計量士（濃度関係、騒音・振動関係） 一般計量士

フェロー
博士（学術）
環境計量士（濃度関係）

茂田 潤一

知惠賢二郎

TEL. 045-791-3516
FAX. 045-791-3541

TEL. 045-759-2122
FAX. 045-759-2119—

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