三菱重工技報 VOL.44 NO.4: 2007

38

特集論

石油コークス専焼発電プラント
運転実績

文Continuous Operation and Maintenance
Results of Power Station with Petroleum
Coke Firing Boiler
平 山 靖 記＊1

牧 浦 秀 治＊2

＊4

＊5

Yasunori Hirayama

荒 川 善 久Yoshihisa Arakawa

菱 田 正 志＊3

Shuji Makiura

山 本 禎 久Masashi Hishida

岡 元 章 泰＊6

Yoshihisa Yamamoto

Akiyasu Okamoto

石油コークス（以下 PC：Petroleum Coke）は石油精製で発生する副産物である．近年は石油精製での深絞り技術発展に伴い，より低揮発分・低品位化した PC が世界的に過剰となる事が予想されている．
これを発電用燃料として使用すれば，今後 5 〜 20 年間で最も経済性が高い燃料になると見込まれる．こうした状況を背景に当社では，（株）フロンティアエネルギー新潟向けに PC 専焼発電プラントを建設し，2005 年 7 月から営業運転を開始した．重油など助燃燃料との混焼による PC 焚きボイラが多い中，PC専焼で安定燃焼可能な発電用大型ボイラとして国内外の注目を集めている．本報では通常運転と，2006年４月の初回定検実績も含めた，PC 専焼発電プラント技術の特徴を紹介する．

表1

1．PC（石油コークス）とはPC は石油精製で生じる副産物である（図１）．ガ計画 PC と他燃料との一般的な性状比較

高位発熱量（気乾）（kJ/kg）

PC

瀝青炭

VR

34 89328 18041 850

ソリン・重油などの主要燃料を精製した減圧蒸留残渣

揮発分（気乾）（wt％） 9.9〜13

26.2

―

油（VR）をコーキング装置にかけ，ガス中から灯油・固定炭素（気乾）（wt%） 87〜90

56.3

20〜30

＜6.50.40

4.0〜6.0（ppm） ＜1 500―＜300硫黄分 （無水無灰）（wt％）

軽油分を抽出した残留分である．

バナジウム

表１に代表的な瀝青炭や VR との比較を示す．PCは瀝青炭の約 1.24 倍の発熱量を有している．発熱量で試算するに，同一発電量に対し，PC は瀝青炭の８高温酸化腐食が発生し，安定燃焼・運転が難しいこと割（1 / 1.24）の量で済むと判断できる．また一般燃料から低品位燃料として位置付けられており，一般的によりも硫黄分や重金属を多く含み，かつ揮発分が少な瀝青炭より燃料費が安価である．したがって発電コス

いためボイラでの燃焼時に，伝熱面に硫化還元腐食やトとしても，瀝青炭焚き発電プラントに対して充分な競争力を有している．
当社ではこの点に着目し，瀝青炭焚き発電プラント

原油
LPガスと比較して低コストであり，かつ資源の有効活用にも常圧蒸留装置

ナフサ

つながる，PC 専焼発電プラントを建設した．

30〜100℃
100〜150℃
150〜200℃
250〜300℃
350℃以上ガソリン

軽油

本計画では，燃料安定供給の観点から従来品と比較

重（質）油して高硫黄・高バナジウム PC の使用を前提とした．

残渣油

減圧蒸留装置アスファルトコーキング装置PC

図12．PC 専焼発電プラント実現へ

灯油VR

そのため安定燃焼以外にも，硫黄による硫化腐食や，バナジウムによる高スラッギング性への対策も必要で，以下の技術課題を解決する必要があった．本項ではこれらを個別に紹介する．
2．1

固形燃料を安定燃焼させるには，燃料を微粒子に粉PC 生成過程概要

＊1

＊4

＊2

＊5

長崎造船所プラント建設部建設課
長崎造船所プラント建設部長＊3
長崎造船所ボイラ技術部長

ミルダイレクトシステムによる PC 専焼技術

長崎造船所ボイラ技術部主幹
長崎造船所ボイラ技術部ボイラ設計課＊6
長崎研究所燃焼・伝熱研究室主席

三菱重工技報 VOL.44 NO.4: 2007

39

砕して，燃焼用空気と共に火炉内へ吹き込み，火炉の輻射熱で自然着火させる方式がある．これは石炭焚きボイラでは一般的に実用化されている技術で，A/C

バーナ位置（Air by coal）と呼ばれる．微粉燃料に対する燃焼兼燃料搬送用空気量を少なくするほど，燃料濃度が濃くなるために着火が安定する．そのため難燃性固形燃料
では A/C を低く設定する．

（a）CCF

A/C を容易に小さくできるシステムとして，粉砕燃（b）CUF

図4

料をビンに捕集して払い出すビンシステムが知られてCCF と CUF の比較

おり（図２），1980 年代に実用化され始めた PC 専焼ボイラも，このビンシステムを適用したものである．

CUF 燃焼方式は，輻射強度の高い火炉壁中央寄り

これに対しダイレクトミルシステム（図３）は，サにバーナを配置し，各火炉壁からのバーナ火炎で旋回イクロンや微粉燃料を貯めるビンなどの設備が不要な燃焼を形成させることにより，難燃性 PC を低負荷でので，立地スペースや運転・補修コスト低減といったも安定着火させることができる．当社ではこの CUF点で有利であるが，A/C 下限値がビンシステムと比較燃焼方式を採用した．
2．1．2

して高く，PC を安定着火させるためには技術的な課

PC 専用バーナの開発と PC 粉砕技術

バーナには，石炭焚き低 NOx 燃焼バーナとして定題も残っていた．
当社では建設・発電コスト低減の観点からダイレク評のある最新型バーナをベースに，濃淡分離性能及びトミルシステムの採用を念頭に技術的検討を行った結保炎機能の強化を図った PC 焚き専用バーナを採用し果，これら課題についても克服できると判断し，ダイた（図５）．

レクトミルシステムによる PC 専焼技術を採用した．

またミル（燃料粉砕機）では，燃焼性改善のためにA/C 低減が難しい点を補うため，次の技術によって# 200 パス 95 ％以上 という高微粉度の実現に向け，最新型の回転式分級機を内蔵した竪型ミルを採用した．

PC の安定着火を図ることにした．
2．1．1

バーナ配置の最適化

図 ４ は 瀝 青 炭 焚 き ボ イ ラ で 実 績 の 多 い CCF

内蔵型濃淡分離器（Circular Corner Firing）燃焼方式と，CUF（Circular

濃Ultra Firing）燃焼方式のバーナ配置および火炎を比淡較したものである．

PCバーナ

濃A 重油バーナ

給炭機より粉砕系
AH

SAH

図22．2

高バナジウムによる溶融灰対策

酸化バナジウムは表２のように，酸素化合量やその微粉ビン
バーナへ
PAF

難燃性石油コークス専用バーナ

サイクロン
払出系

三菱竪型
ミル

FDF

図5

排風機

定量供給機

ビンシステム（間接燃焼方式）

他燃料性状によっては低融点灰を形成し，スラッギン
グ・ファウリングによりボイラの連続運転に支障を来す可能性がある．
そこで実機を模擬した灰付着特性確認試験装置を作成し，灰の付着・剥離特性を把握した上で，チューブバーナへ（不要機器）
サイクロン／排風機
微粉ビン／定量供給機

AH

FDF

系燃料添加剤を投入し，灰融点を上昇させることで伝熱管表面での溶融灰生成を軽減している．
表2

PAF
三菱竪型
ミル

図3

ピッチとスーツブロワ配置を最適化した．また MgO

立地省スペース化可能
補修コスト低減可能

ダイレクトミルシステム（直接燃焼方式）

酸化バナジウム化合物

化合物

融点（℃）

化合物

融点（℃）

V2O4

1970

Na2O・3V2O5560

V2O5690

10Na2O・7V2O5573

三菱重工技報 VOL.44 NO.4: 2007402．3

高硫黄分，高バナジウムによる腐食対策＜発電機＞
出力（発電端）：122 223 kVA / 110 000 kW

腐食対策については，炉内から AH にかけて場所

図６に本発電プラントの設備概略系統を示す．

ごとに対策が異なる．それぞれ以下にまとめる．
2．3．1

3．2

火炉水冷壁・バーナゾーン

100 ％であることを確認した．一般的な瀝青炭焚きボ工し，水冷壁を保護している．
2．3．2

過熱

運 転 状 況PC 専 焼 負 荷 帯 は， 計 画ど おりボ イラ 負 荷 35 〜

VR 焚きボイラ等で実績のある高 Cr 溶射被膜を施器

イラの専焼負荷帯と比較して，遜色のないものである．
図７に実機の PC バーナ火炎を示している．100 ％

高温部に高 Cr ステンレス鋼管を採用し，腐食減肉対策としている．

負荷，35 ％負荷とも安定した燃焼状態であり，難燃

2．3．3

性 PC に対する安定燃焼技術が当初の性能を発揮した

脱 硝 装 置灰付着防止のため，ピッチの大きい触媒を採用した．ま

結果である．

た除灰装置には蒸気式スーツブロワを採用せず，振動によって付着灰を除去する音波式スーツブロワを採用した．
2．3．4

回転式空気予熱器（AH）

バーナ孔

硫酸灰による低温端エレメント腐食対策として，AH 空気側入口に蒸気式空気予熱器（SAH）を配置して AH 出口排ガス温度を酸露点以上に保つとともに，低温端エレメントにセラミックスを採用し，エレメン（a）100%負荷運転時
輻射強度も微粉炭焚きボイラ並みであり，炉内には火炎が充満している．

トの腐食劣化及び灰詰りを軽減した．

3．設備概要と運転状況
3．1

図７（b）35％負荷運転時
バーナ孔から噴出燃料外周部に火炎が形成されている．燃焼も安定している．

PC 専焼時の PC バーナ火炎

主要機器仕様と設備概略系統
3．3

＜ボイラ＞

燃焼灰の処理方法

最大蒸発量：428 t/h

炉底灰は水封式炉底コンベア，フライアッシュ（以蒸気条件：12.95 MPa × 541 ℃（再熱器なし）

下 FA：Fly Ash）は真空引きにて回収している．灰

燃料：PC 専焼
（通常運転）／ A 重油（起動・助燃）処理設備としては石炭焚き発電プラントと同じだが，／ A 重油 2 段
バーナ段数：PC3 段（ダイレクト着火）

高硫黄分灰であるため，炉底コンベア／ FA 処理設備

主蒸気温度制御：給水スプレイ式（1 段のみ）

それぞれで，以下の工夫をしている．

通風方式：平衡通風（火炉ドラフト：− 0.2kPa 制御）● 水封式炉底灰コンベア

型式：単胴自然循環型＜タービン＞

循環式シール水のため，炉底灰硫黄分によりシー

型式：単車室衝動反動式軸流排気型再生復水タービン

ル水が酸性に偏る．このため苛性ソーダを注入し，蒸気条件：12.45 MPa × 538 ℃

水質を中性に自動制御している．

−1● FA 処理設備

定格速度：3 000 min

排気条件：− 93.3 kPa

灰輸送管内の温度が低下すると，灰中の硫酸あ

タービン段落数：高圧 13 段／低圧 3 段

るいは硫酸化合物が空気中の水分を吸湿して粘着抽気段数：5 段性を帯びてくる．このため灰輸送管の空気取入口にWES

HP-HTR

冷却塔
CWP

真空ブロワ

NH3PC
バンカ

脱気器

発電機
LP-HTR

ボイラ

脱硝装置

脱硫装置
ロックホッパ

EP

BFP

タービン
貯灰サイロ
変圧器

FDF

AH

ミルCP

PAF

図６

設備概略系統IDF

三菱重工技報 VOL.44 NO.4: 2007

41（b）3 次過熱器と吊り下げ菅（ガス流れ：写真下⇒上）（a）板型過熱器 火前壁貫通部（ガス流れ：写真下⇒上）

図８（c）中温節炭器：スパイラルフィン（ガス流れ：写真手前⇒奥）

炉内・煙道機器灰付着状況

SAH を設置し，かつ冬季の気温低下対策として灰輸送管にスチームトレースを設置して，灰輸送管内温度を酸露点以下としない設備としている．

4．初回定検での設備点検結果
2006 年４月，約 30 日間で初回定検が実施された．
タービン／発電機については開放点検を実施せず，主にボイラ及び付属設備の点検を実施した．

1 層目（最上流層）
若干の灰塊と目詰まりがある．

2/3 層目（写真は 2 層目）
灰塊，目詰まりともに無し．

音波式スーツブロワ・ソノホーン

アンモニアノズル
灰付着のみ．ノズル閉塞無し．

以下に各部の点検結果をまとめ，当ボイラに採用した技術の評価を行う．
4．1

溶融灰対策

基礎研究に基づいてチューブピッチとスーツブロワ配置とを最適化した結果，過熱器及び節炭器エレメン
トにはチューブ間ブリッジを伴うような強固な灰付着はなく，連続運転にとって良好な灰付着状態を保つことができることを確認した．図８は耐圧部の灰付着状

図９

脱硝装置内部点検

況だが，過熱器／節炭器共にブリッジもなく，良好であることが分かる．
4．2

腐 食 対 策4．2．1

耐圧部（火炉／過熱器／節炭器）

10 に高温端・低温端エレメントの写真を示す．
AH スーツブロワを高温・低温両側に配置した．運用は以下の通りである．

火炉下部については溶射被膜の残留膜圧，それ以外高温側：１回／週運転の耐圧部については肉厚計測を行って高温酸化腐食に低温側：３回／日運転対する評価を行った．結果，溶射被膜・耐圧部肉厚と結果，連続運転中も顕著な差圧の上昇はなかった．

も健全で，溶射被膜と燃料添加剤による腐食対策も計

上記 AH スーツブロワ運用も適正であったと判断する．

画どおり機能していることを確認した．
4．2．2

脱 硝 装 置4．3

水洗ユニットを停止した場合，高硫黄分灰が吸湿，硫酸３層の触媒層があるが，最上流側層（第１層）の上流側に若干の灰付着・目詰まりがあった程度で，予想範囲に収まっている（図９）．ピッチ拡大触媒と音波式スーツブロワの組合せにより，脱硝触媒に対する灰堆積防止策が当初の機能を発揮した結果である．
4．2．3

AH

AH についても全エレメント（高・中・低温）について目詰まり・腐食は発生しておらず，またバスケッ

高温端（DU／軟鋼）

トやシール部についても同様であった．一例として図図 10

低温端（角／セラミクス）

AH エレメント目詰まり状況

三菱重工技報 VOL.44 NO.4: 2007

42

化することにより，特にボイラ排ガス系統上の機器で放領域とを交互に仕切り，FA を下方へ移送する（図

腐食が発生することが懸念される．

13（a）〜（c）
参照）．

この対策として，長期停止（３日間以上を目安）の場合は EP を水洗することとしている（図 11）．

各ホッパを仕切る弁には種々あるが，今回はフラップ弁を採用した．
フラップ弁はスライドゲートやロータリーバルブと比較して灰を巻き込んで摺動する部分が少ないため，灰による磨耗を受け難いという利点がある．一方，フラップ弁のシートに異物を噛み込むと，真空領域と大気開放領域とを仕切ることができず，灰詰まりを起こすことがある．これを説明したのが，図 13（d）〜（f）
である．

AH 水洗・排水状況

EP 水洗・灰排出状況

図 11

煙道機器水洗状況（d）のようにフラップ弁シート部に隙間ができ
図中ると，下部フラップ弁が開いた時に図中緑矢印のように真空領域に向かう流れができる．
このため，下部ホッパ内で灰色矢印のように FA が巻き上がるので，下部5．今 後 の 課 題

フラップ弁全閉時，下部ホッパ内に一部 FA が残留す

前述のとおり，PC 専焼ボイラの安定運転に関して（e））．この状態で（f）のように上部ホッパかる（図中は一定の成果を収めたが，FA 処理では，連続運転やら FA が供給されると，下部ホッパには計画量以上の定検時作業性の一部に課題も発生した．

FA が溜まる．これを繰り返すと下部ホッパが徐々に

本項ではこの事例を紹介し，PC 専焼ボイラの FA

そのため灰処理系統が閉塞し，ユニットの連続運転処理設備に対する改善案をまとめる．
5．1

灰処理設備の閉塞（連続運転中の事例）

5．1．1

FA で埋まり，最終的には上部フラップ弁まで溜まる．に支障を来す．

FA システム概要

5．1．3

板状化した FA

真空ブロワ（100 ％容量機×２；１台予備）によるフラップ弁を点検すると，シート面に板状化した真空引き FA 処理装置で，バグフィルタによって搬送FA が挟まっていることが多い．この現象は特に，EP空気と分離した灰を，ロックホッパを介して貯灰サイ水洗後のユニット起動時に発生することが多い．板状ロに貯灰する．これを定期的に貯灰サイロからトラッ

灰は EP 水洗後の残存 FA が EP ケーシング内で吸湿・クへ払い出している．

固化して，板状に剥離したものと推定される．

真空領域である灰輸送管と，大気開放である貯灰サ

PC 専焼発電プラントでは，石炭灰の EP と比較しイロとを分離し，バグフィルタで分離した FA を確実て，プラント寿命の中で EP 水洗の機会が多い．そのに貯灰サイロへ落下させる機構には，ロックホッパ方ため板状灰の形成を考慮した，FA 処理設備の工夫が式を採用した（図 12）．
5．1．2

ロックホッパフラップ弁への灰噛み込み

上部
ホッパと系統閉塞
ロックホッパ方式では，貯灰サイロ上に 2 つのタンクを設置し，各タンクを仕切る弁で真空領域と大気開

ロックホッパ

正常時

バグフィルタ

下部
ホッパ
（a）

EP 系

（b）

（c）

煙道

ボイラ系

真空ブロワ

SAH 付
エアインテーク

貯灰サイロ

噛み込
み時

隙間（d）

（e）

：真空領域

図 12

FA 処理設備概要

図 13（f）：大気開放領域

ロックホッパ灰移送方式

三菱重工技報 VOL.44 NO.4: 200743

バグフィルタ

均圧弁

均圧弁

M弁①M

M

一時貯灰
ホッパ弁②

EP 入口多孔板

M

貯灰サイロ
貯灰サイロ

図 15弁③M
（現設備）

図 14M

EP 入口煙道灰堆積状況必要である．

（検討中の設備）

6．まFA 処理設備改善提案とめ

難燃性燃料の安定着火や耐圧部の腐食対策，灰付着必要である．
5．1．4

特性の把握といった各種課題を克服し，発電用としてFA 設備の改善案

は低品位燃料である PC を使用して，石炭焚きユニッ

上記トラブル防止のため，以下の設備を検討している（図 14）．

ト並みの発電設備として運用することに成功した．これは発電コスト競争力を得るという点だけではなく，FA 処理では， ボイラ出口灰処理⇒灰輸送管清掃⇒ EP 灰処理⇒灰輸送管清掃⇒ボイラ出口灰処理⇒…のサイクルで灰を処理している．

エネルギの有効活用という点でも価値の高い技術と考えている．
技術的に概ね成功した本発電設備だが，長期安定運現設備では弁 ①／② を交互に常時開閉して灰を移用を確立する上では，灰処理設備など，ボイラ本体の送するので，弁の開閉回数が多い．そのため板状灰を運転をサポートする設備に改善の余地がある．今後は噛み込む確率も高い．

これらを改善し，安定電源設備としてお客様から信頼

これに対し検討中の設備では，中間のホッパを一いただける設備の構築を目指すものである．と称し，EP 灰処理 1 サイクル分の灰末筆ながら，本報執筆にあたり，（株）フロンティアを貯灰できる容量を持たせ，灰輸送管清掃中に一時貯エネルギー新潟をはじめ，お客様各位に多大なるご指灰ホッパの灰を貯灰サイロへ移送する方式とする．こ導・ご協力を賜りましたこと，改めてお礼申し上げます．

時貯灰ホッパうすれば各弁の開閉回数が減るため，板状灰噛み込みによる灰処理トラブルを減らすことが期待できる．
5．2

EP 入口煙道清掃（定検作業中の事例）

本発電プラントでは，脱硫排液を EP 入口煙道に噴霧して水分を蒸発させ，固形分を EP で補集する形式で処理する WES（Waste Elimination System）を採

参 考 文 献（1）荒川善久ほか，難燃性コークス専焼ボイラの計画と運転実績，三菱重工技報 Vol.42 No.3（2005）
p.112

用している．そのため，連続運転後には EP 入口煙道に灰が堆積する（図 15）ので，これを定検時に除去する必要がある．
煙道内の灰を排出するため，煙道下面に堆積灰排出用の直管シュートを設置した．しかし灰出し作業中にシュート中間で灰が閉塞した場合，これを除去する手

平山靖記

牧浦秀治

菱田正志

荒川善久

山本禎久

岡元章泰

段がない．そのため定検時にはこれを使用せず，ダクトマンホールから灰を排出している．
今後の類似プラントではこの点を考慮し，灰排出作業の効率アップを目的に，マンホールサイズの最適化や，ダクト外部歩廊の作業スペース確保などの改善が