技術紹介

石炭の燃焼性評価手法の紹介
毛利 慎也＊

茂 田 潤 一 ＊＊ShinyaJun-ichi

Mouri

Shigeta

鈴 木 孝 平 ＊＊＊Kohei

Suzuki

近年の微粉炭焚きボイラでは、発電コストの低減化およびエネルギー資源の有効活用の観点から，低揮発分炭などの多種の海外炭（低品位炭）の利用が進められている。海外炭は産炭地によって石炭性状が大きく異なり、燃焼性や NOx 排出特性などに大きな影響をおよぼす。そのため、各使用炭種の燃焼性を精度良く予測することが炭種の選定や混炭条件を決定する上で不可欠となる。
低揮発分炭は従来から使用されている瀝青炭（揮発分 35 ％程度の燃焼しやすい良質炭）に比べ､燃焼性が悪いという問題がある。そこで、石炭性状や反応管燃焼試験装置を用いた実験データなどから低揮発分炭を含めた幅広い石炭について燃焼性を予測できる手法を検討したので紹介する。
キーワード：石炭、燃焼性、低品位炭、燃料比、反応管燃焼試験装置、示差熱重量分析、灰分をはじめとするアジア諸国では、豊富に産出する
１．はじめに低揮発分炭の発電への利用拡大が検討されてい近年の微粉炭焚きボイラでは、発電コストの低る。低揮発分炭は従来から使用されている瀝青炭減化およびエネルギー資源の有効活用の観点か（揮発分 35 ％程度の燃焼しやすい良質炭）に比べ､ら、低揮発分炭のみならず高 Ca 炭、高 S 炭等の多燃焼性が悪いという問題がある。そこで、石炭性種の海外炭（低品位炭）の利用が進められている。

状や反応管燃焼試験装置を用いた実験データなど

海外炭は産炭地によって石炭性状が大きく異なるから低揮発分炭を含めた幅広い石炭について燃焼ため、燃焼性や NOx 排出特性などに大きな影響を性を予測できる手法を検討したので紹介する。

およぼす。今後さらに使用される炭種の範囲が拡
２．反応管燃焼試験装置

大する方向にあり、各使用炭種の燃焼性を精度良試験装置の系統図を図 1 に示す。本試験装置はく予測することが炭種の選定や混炭条件を決定す

燃焼用ガス供給系、微粉炭供給系、電気炉（反応る上で不可欠となる。

管）、サンプリング系およびガス分析装置により特に、石炭焚き発電プラントの需要が高い中国
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石川島播磨重工業株式会社 技術開発本部 環境・化学開発システム部
計測事業部 化学環境部 次長 博士（学術）
株式会社アイテック 技術グループ―53―

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グできるようになっている。なお、採取した灰とガスは、灰をサンプリング管出口に設置したフィルタで捕集したのち、反応燃焼ガスは冷却除湿後、排ガス分析装置に導き NOX､SO2､CO､CO2､O2 を自動計測する。本試験装置により石炭の燃焼性、排ガス性状を把握することができる。
燃焼試験は下記の条件で行った。なお、試験に供した石炭には低揮発炭 6 炭種（内 5 炭種は中国産）と瀝青炭 2 炭種を選定した。これら石炭の主要性状を表 1 に示す。

微粉炭流量： 1.0 g/min
燃焼温度： 1,350 ℃

空気比λ： 1.20（−）

燃焼用ガス：空気ガス（21 ％ O2 ＋ 79 ％ N2）
サンプリング点：ノズルから 150、300、500、800mm（計 4 箇所）
表 1 供試炭の性状

図 1 反応管燃焼試験装置構成される。燃焼用空気はマスフローコントロー
ラにより流量調節し、微粉炭フィーダに供給する。
フィーダから供給された微粉炭は燃焼用ガスにより微粉炭ノズルに導入され、反応管内に噴出される。電気炉は全長 1m の縦型シリコニット炉（最高使用温度 1,600 ℃）で、長さ 900mm の加熱部を有する。この加熱部の中心にアルミナ製の反応
管外径 50mm ×内径 42mm ×長さ 1,200mm）が挿入されている。
燃焼用ガスは O 2 と N 2 の混合ガスを用い、マス3．試験結果概要

フローコントローラにより制御を行う。そのため、O2 濃度は任意に設定することができる。

（1）示差熱重量分析

燃焼ガスと灰のサンプリングには外径 12mm、燃料の燃焼速度測定あるいは燃焼特性を評価

採取穴径 4mm のサンプリングプローブを使用すする一手段として、示差熱重量分析による解析

る。サンプリングプローブは反応管出口側（下部）手法がある。示差熱重量分析（図 2）により得から挿入し、上下方向の任意の位置でサンプリンられたバーニングプロファイルから微粉炭の燃―54―

件を再現しやすい特徴を持っている。
図 4 に石炭の燃焼率の経時変化示す。なお、
石炭の燃焼率η（％）は、捕集した燃焼灰の灰分 A1（％）の分析結果に基づき、灰分をトレーサーとして（1）式で求めた。瀝青炭 2 炭種は低揮発分炭に比べて、燃料率が高く燃焼性が優れていることがわかった。
× 100
η＝（1 − A0 ／ A1）／（1 − A0 ／ 100）

図 2 瀝青炭 A の示差熱重量分析結果…………………（1）
え切り温度を求め、石炭の燃焼性を評価した。

ここで、A0 は供試炭の灰分（％）である。

図 3 に微粉炭の燃え切り温度と燃料比（固定また、後述の未燃率 Uc（％）は可燃分の何％炭素（％）／揮発分（％））の関係を示す。低揮発が灰中に残留するかを示すもので（2）式の関分炭の燃え切り温度は若干の幅があるものの石係にある。

炭の燃料比との相関性が見られ、燃料比の増加
Uc ＝ 100 −ηに応じて高くなり、燃焼性が悪くなることが確認された。従って、示差熱重量分析の穏やかな…………………………（2）①燃料比

燃焼（昇温速度 20 ℃／ min、実際の燃焼では数

図 5 は燃焼試験で採取した灰中の未燃分と燃千℃／ s）より、低揮発分炭から瀝青炭までの料比の関係を示す。未燃分は燃料比に対応し燃焼性は燃料比で評価できることがわかった。て増加し、示差熱重量分析による評価と同様（2）反応管燃焼試験に相関性があることが分かった。

示差熱重量分析での燃焼は緩慢燃焼なのに対し、反応管での燃焼は微粉炭の昇温速度が高速で、微粉炭への O2 供給等のガス雰囲気も実機条

図 4 燃焼過程における石炭の燃焼率変化

図 3 燃え切り温度と燃料比の関係―55―

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③灰分
低揮発分炭は灰分が多く、かつ、濃度幅が大きいため、石炭の燃焼性は灰中未燃分と石炭の燃焼率の両面から検討する必要があると考える。
図 8 は各炭種の実測値とともに灰分をパラメータとして（1）式により求めた石炭の燃焼率と未撚分の関係を示したものである。本図にみられるように石炭の燃焼率が同じであっても未燃分は石炭の灰分によって大幅に変わってくる。燃焼率に灰分が少なからず関与す

図 5 灰中未燃分と燃料比の関係ることがわかった。

（ノズルからの距離： 800mm）

４．燃焼性指標に検討

また、石炭の燃焼率で評価した結果を図 6 にボイラ運用上の燃焼性は灰中の未燃分（％）で評示す。燃料比は石炭の燃焼性を評価するため価している。そこで燃焼性指標として最も有効と判の重要な因子となることがわかった。

断された燃料比をベースとして多重回帰分析を行っ② NOx 発生特性
NOx 発生量は石炭中 N 分の影響を受け、N 分た結果、以下の予測式が燃焼性指標になるとの結が多くなるほど NOx 発生量が増加する傾向は論を得た。本指標は燃料比 FR、石炭中灰分 A0（％）

見られるもののバラツキが大きく、相関性はを因子として未燃分を予測する指標で、工業分析値小さいことから石炭中の N 分から NOx 発生量から求められる燃料比を活用するものである。

を評価するのは難しいことがわかった（図 7参照）。

図 6 燃焼率と燃料比の関係

図 7 NOx 濃度と石炭中 N 分の関係

（ノズルからの距離： 800mm）（ノズルからの距離： 800mm）―56―

図 8 石炭の年初率と灰中未燃分との関係

図 9 未燃分の実験値と計算値の比較（ノズルからの距離： 800mm）

未燃分 Ig（％）＝ 35.25FR0.989A0-0.780
5．終わりに…………………（4）重相関係数 R2 ＝ 0.948（1）燃焼性の把握

未燃率 Uc（％）＝ 0.4213FR1.259A00.1721

・示差熱重量分析の燃え切り温度は、ほぼ燃料比に対応して上昇する。

…………………（5）2・1kg 程度の少ないサンプルによる反応管燃

重相関係数 R ＝ 0.982

焼試験で、各種石炭の燃焼性を評価できる。

FR ：燃料比（2）燃焼性指標の作成

A0 ：石炭中灰分％

燃焼性は燃料比との相関性が強く、燃料比と石炭中灰分から未燃分、未燃率を予測する

なお、未燃分 Ig は（5）式の Uc から以下の（6）式を導いた。

（7）式によっても求められる。

なお、今回紹介した反応管燃焼試験装置は…………………（6）石炭の燃焼性だけでなく、重質油燃料、バイIg ＝ 100 α／（A0 ＋α） …………………（7）

オマス等の燃焼性評価はもちろん、装置内にα＝（100 − A0）Uc

灰付着プローブを挿入することにより燃焼灰（5）（6）（7）式の計算値と実験値の関係を図 9の付着性評価試験にも幅広く活用できることに示す。なお、実験値には表 1 の炭種のほかさらを付記しておく。に 4 炭種分の実験データを加えた。

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