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電中研レビュー第30号 ● 目 次
環境に優しい石炭利用技術
編集担当●研究開発部環境推進室次長 田中 隆
巻頭言

電源開発株式会社

はじめに
第1章

常務取締役

常務理事

中林

中嶋

恭之……2

隆雄………5

なぜ石炭か…・……………・・………………・……・……………・………・…・……・7

1−1●エネルギー資源としての石炭…………・……・・………・・………・……………9
1−2●今後の石炭火力の導入の展望
1−3●当研究所の研究状況

・……・…………・……・…………・…………………・…・一13

1−4●今後の石炭利用のあり方

第2章

石炭を効率よく使う

・…・……………・……・……・……・……………口………………・……・……………・………・………・・18……………………・…………・…・………・…・……・……19

2−1●最新技術

・………………………………・・…・……………・…・…・…………・・…21

2−2●将来技術

・…………………………………………………・…・…・…………．

…28

第3章石炭をクり一ンに使う………・・………・・……………・…・・………・………・…41
3−1●環境対策技術

・………………・・…・……………・・…・…………∵・・……………44

3−2●石炭灰の有効利用……一……・∵・……・・…………・・………・………・………56

3−3●貯炭管理…一………・・……………………・…………………一…………・…63
3−4●CO2の抑制対策・……・…………・……………一・・…………・一…のの∵…………67

3−5●景観などの環境創造
第4章…・…………一・…・……………・・………………………76

石炭を使いやすくする・……∴…一…・…・………・……・………・…・………79

4一「●石炭の流体化技術………・……∵…………………………………・…・……∴8ピ

4−2●石炭からの新燃料製造技術

2……………・・…………一…・……………・・…・・83

第5章石炭利鎌を地球規模で考える…………一一9・………一……・一…一一87
5−1●21世紀の石炭需給と国際協カ…・……∴…・・二…一…………・…・……………89

5山2●石炭利用発電における新技術…………・…・………………∴・・…・…・………91

おわりに

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．理事横須賀研究所長

宮岡

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関連する主な研究報告書等………・………・・………………・・D………………・・…一…・・93

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近代文明は、そのエネルギー消費の90％を化石燃料（石炭、石油、天然ガスなど）に頼っている。化石燃料は再生不可能な枯渇資源であり、太陽・地球が数億年かけて貯えたエネルギーを、近代文明は数百年忌間に消費しつくそうとしている。

化石燃料の中でも石炭は可採埋蔵量の大きさ、資源の地域分散性、経済性などがその長所であるが、問題は環境特性の悪さである。

環境問題は、技術開発によって克服されるべきであり、既に多くの成果をあげている。

石炭の環境問題は、酸性雨対策と、地球環境問題の一つである炭酸ガス対策とに大別される。

この中、酸1寒雨対策としての脱硫技術と、窒素酸化物低減技術は実用化のレベルに達しているが、将来は次のような展開をすると考えている。一つの方法は、より経済的で、より高性能な排煙処理技術の開発である。現状の排煙処理技術は、点じん、脱硫、脱硝効率共に高性能で、最新の施設では、煙突出口でばんじん10mg／m3N、SOx、NOxは、共に50ppm程度であり、これらに要する費用は、新設発電所の場合で新発電
原価の二割程度である。将来の高性能化のターゲットはSOx、NOx共に排煙出口濃度20〜10ppmのレベルを費用増なしに達成しようというもので、スーパークリーンコー
ル・テクノロジーと名付けている。

もう一つの方向は、簡易排煙処理技術である。先に述べたように排煙処理技術は実用化済であるが、これを実用化しているのは、日本、旧西独、米国の一部ぐらいで世界的に見ると全く普及していない。これは一重に原価の二割と言うコストが、発展途
上国等に耐えられないためと考えられている。技術は存在しても普及しないものでは

2

問題であって、若干性能は落ちるが、コストの安い所謂、簡易排煙処理装置の開発と普及が望まれる。通産省の主導で、中国の黄島発電所に簡易脱硫装置の設置が進められている。

もう一つの地球環境問題である炭酸ガスの削減は容易なことではない。対策として
は、その発生を減らすためのエネルギー生産・消費の両面にわたる高効率化、省エネと、炭酸ガスの回収・貯蔵技術の開発が検討されている。

高効率化・省エネ技術については発展途上国を含む全世界で取り組むべきであることは論をまたないし、現に様々な技術が開発され実用化されつつある。石炭火力発電についていえば、蒸気タービンの高温・高圧化、加圧流動床複合発電、石炭ガス化複合発電等が着々と開発されつつある。

炭酸ガスの固定・貯蔵技術についてはどうか。基礎的な調査・研究は進めなければならない。しかし実用化について最も懸念されるのは固定・貯蔵に必要なエネルギー量である。もしそれが莫大なもので、化石燃料の余寿命を縮める程のものであれば問題であろう。

多くの古代文明は、エネルギー資源（当時は薪その他）の枯渇によりその幕を閉じたと聞いている。化石燃料の枯渇後も近代文明を維持するためには、増殖炉・核融合・

太陽光発電等の技術を手に入れなければならない。このような未来技術を実用化するまでの時間稼ぎのキーとなるのが、最も埋蔵量の多い石炭だと思うのは、考え過ぎであろうか。

電源開発株式会社

中

林

常務取締役

恭

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電中研レビューNo．30●3

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常務理事

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中嶋

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今日の社会は大量のエネルギーを使うことで成り立っているといっても過言ではない。産業革命を契機に、
人類は快適さ、豊かさを求め旺盛な経済活動を展開してきたが、これがエネルギー・資源の大量消費につながり、これにより蓄積された環境負荷は、いま温暖化や酸性雨といった地球環境問題となって顕在化してきている。このため、これからの人類の持続的な発展のためには、エネルギー利用のあり方を先進国はもとより発展途

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特に技術開発面では、効率向上、環境負荷の低減など高度なエネルギー利用技術の開発が緊要な課題である。とりわけ環境負荷が大きいといわれる化石燃料、なかでも石炭の利用には、大きな制約が課せられているといえよう。しかしながら、賦存量が豊富で経済性に優る石炭は、現在、世界のエネルギー需要の4分の1を賄っており、将来的にも相当の期間、安定的なエネルギー源として果たすべき役割は大きい。

幸いにして、わが国の石炭を含む火力発電では、とりわけその環境対策技術の開発に多くの成果を上げてきているが、今後、石炭の一層の活用を進めるには、開発途上国での利用にも視点を置いて、さらにクリーンかつ効率的な利用技術の開発を進める必要がある。

電力中央研究所では、石炭の低NOx燃焼、低負荷での安定燃焼など微粉炭火力の高度化技術の開発に取り組む一方、石炭ガス化複合発電、溶融炭酸塩型燃料電池など石炭の新しい利用技術の開発を進めている。

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このレビューは、このような当研究所の研究開発の現状にとどまらず、石炭の発電利用に係わる技術について、国内外の動向をも合わせ、幅広く紹介したものである。エネルギー問題、とりわけ石炭利用のあり方をお考えいただく上で、いささかなりともお役に立てば幸いである。

電中研レビューNo．30●5

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第1章なぜ石炭か●目次
研究開発部

環境推進室次長

田中

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1−1

エネルギー資源としての石炭・………………・・……∵…………・……………・・…・………・………・・…………・・……・9

1−2

今後の石炭火力の導入と展望…・…………・…・……・…………・・……………・・…・・……………………………・……・11

1−3

当研究所の研究状況……・…………・・……・・…………・……………………・・……………

1−4

今後の石炭利用のあり方

田中

轍

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…●…………紹…・………・……・……・・…………・…・……………・……………………………………・……18

隆（1969年入所）
排煙脱硫・脱硝技術の開発をはじめ各種環
境対策技術の開発を行ってきた。その後、石炭ガス化クリーンアップ技術や微粉炭燃焼技術の開発に従事し、現在、環境推進室で環境問題全般について取り組んでいる。

1−1

H−1石炭とは

1−1−E化石燃料資源と石炭

太古、地球上が現代よりも温暖で雨量も多く、巨大な地球上のエネルギー資源には、石油、天然ガスおよび植物が大量に生い茂っていた時期があった。これらが地石炭などの化石燃料と、原子力発電プラントなどに使わ

中に埋没堆積し、地殻変動や地熱、火山活動の影響を受れている核燃料、そして太陽エネルギーなどの自然エネ

けて、長い年月をかけて少しずつ分解し炭素分に富むよ

ルギーがある。化石燃料と核燃料は使うとなくなってしうになったものが石炭である。この変質の過程は泥炭化

まう「非更新性エネルギー」である。ただし、核燃料は作用と石炭化作用の二段階からなっている。

使用済み燃料を再処理して利用すれば、かなりの長期にまず樹木が倒れ、水底に沈積する。これらがバクテリわたって使える燃料である。一方、自然エネルギーは再アの活動によって分解され次第に炭素質に富む物質（泥生可能な資源である。しかし、自然エネルギーだけで人炭）へと変化する。この過程が泥炭化作用と呼ばれてい類のエネルギー消費をまかなうには、今後数世代にわたる。一般的に言ってこの過程で泥炭の炭素含有量はる努力が必要である。

45〜60％とされている。次に泥炭中の水分や炭酸ガスあ

現在の主要なエネルギー資源のうち90％以上が「非更るいは揮発しやすいメタンガスなどが脱けていくことに新性エネルギー」である。この非更新性エネルギーが地

よって、さらに炭素含有量の高い物質へと変化する。こ球上にどのくらい存在すると見積もられているかをみてれらの過程を石炭化作用と呼び、この石炭化作用によっみよう。これらの量は「確認可採埋蔵量」＊1）という数値でて褐炭→亜澄青炭→潅青炭を経て無煙炭へと漸次移行し表され、石油が9，910億バーレル、天然ガスが124兆m3、ていく。よく褐炭だとか澄青炭という言葉が用いられる

石炭が10，392億トン、ウランが200万トンである。

が、要するに石炭化作用の途中にあるものが発見されて世界全体で1年間に消費されるエネルギーは、それぞ取り出されれば、それは褐炭であり亜渥青炭であるが、れの資源の年生産量にほぼ等しい。したがって確認可採

石炭化作用の末期に近づいたものが発掘されれば澄青炭埋蔵量を年生産量で割った値は、現在の技術で経済的にということになる。

採取できる年数になり、これは「可採年数」と呼ばれる。

世界的には、古生代の石炭紀（3億5千万〜2億8千

たとえば、図1−1−1に示すように、石油の確認日岡埋蔵量

万年前）の炭層が最も発達している。日本では、もっと9，910億バーレルを年生産量220億バーレルで割ると、可新しい新生代古第三紀（6，400万〜3，500万年前）の炭層

採年数は45年ということになる。同じようにして計算すがほとんどである。

ると、天然ガスの可採年数は58年、石炭は219年、ウランは74年になる。ただし、ウランは使用済み燃料を再処理してプルトニウムを取り出して利用すれば、数十倍に利

電中研レビューNo．30●9

とは、過去の二度にわたるオイルショックや先の湾岸危機を見ても明らかである。

もう一つの石炭のメリットは、石油や天然ガスなど他
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の化石燃料に比べて経済性に優れているという点である。

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資源として重要な役割を担うものと期待されている。

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注1）年数は可採年数（可採年数＝確認可採埋蔵量／年生産量）
注2）プルトニウム利用によりウランは数倍から数十倍利用年数が増える
出所：「総合エネルギー統計」ほか

図1−1−1世界のエネルギー資源量と可採年数

石炭は、世界の一次エネルギーの約3割を占める重要なエネルギーであり、今後とも、発展途上国を中心にその需要は大幅に拡大することが見込まれている。

わが国においては、一次エネルギーに占める石炭の割合は20％弱であり、OECD諸国の平均（20％強）及び世界平均（30％弱）と比較して石炭の比率がまだまだ低いの

用年数を増やすことができる。

このウランを除けば、石炭は石油、天然ガスに比べて埋蔵量が圧倒的に多いことがわかると思う。

石炭の持つメリットとしては、石炭は世界に広く賦存が現状であるが、今後、わが国の石炭需要は、2000年までに一般炭を中心に約3，000万トン増加すると見込まれており、石油依存度の低減を図る観点からも石炭の果た
す役割はますます重要になるものと考えられている。

しており、地域的に偏在していないことから、供給安定性に優れていることがあげられる。このことは、原油の場合、大部分が中東地域に集中しているため、わが国のように中東依存度の高い国において大きな問題となるこ

10＊1）現在の技術により経済的に採算のとれる形で採取できる
量。

1−2

環境規制の強化もあって、石炭火力は大幅に減少した。
一方、石油火力は一一時電源の約6割を占めたが、1973・

1−E−1石炭火力の変遷

1979年の2度にわたる石油危機を契機として、わが国で9電力体制が発足した1951年当時は、発電設備といえは強力な脱石油、原子力開発が推進され、現在では石油

ば、その多くは水力発電が占め、火力発電は全体の約1／

火力のシェアは約3割となっている。また、石炭火力の3にすぎず、しかもそのほとんどは石炭火力であった。

シェアは7％となっており、これにLNG火力を加えた火力全体の電源に占めるシェアは約6割で、残りの4割をしかし、1950〜60年代に安価で取扱いの容易な石油が水力と原子力が二分している。

大量に国際市場に登場し、わが国においては、高度経済成長期の大幅な電力需要の増大に対応するため大型の石

しかし、世界の発電用燃料の主流は石炭であり、OECD

油火力の建設が進められた。その結果、60年代後半には全体で見ると発電電力量の40％は石炭によるもので、石石油火力のシェアが石炭火力を上回り、また、その後の油やガスの9％を大きく上回っている。

図中のハッチング部分は火力全体を示す。または％は火力の構成比を示す。
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年度末電源構成比の推移

電力会社が毎年策定する今後10年間の電力長期計画（1991年度）において、石炭火力は原子力に次ぐベース供給力として・さらに長期的にはミドル供給力として位置づけられている。

電中研レビューNo．30●11

供給力としてその活用を図ることとしている。

1卍一2今後の石炭火力の位置付け

電力会社が毎年策定する今後10年間の電力長期計画（1991年度）においても、石炭火力は、原子力に次ぐベ

石炭は、石油や天然ガスに比べて埋蔵量が非常に豊富

ース供給力として、さらに長期的にはミドル供給力としであるとともに世界的に分布していることから供給安定て位置付けられている。具体的には、電力長期計画では、性が高く、また、経済性にも優れている。

電源開発㈱や共同火力等の卸電気事業者から受ける電力

このため、1990年6月に発表された総合エネルギー調を含め9電力全体で、石炭火力を今後！0年間に約1，700万査会の「長期エネルギー需給見通し」においても、石炭kW開発し、約2，900万kWまで増加することにしている。

は中核的な石油代替エネルギーとして位置付けられていこの結果、図1−2−1に示すように、石炭火力のシェアは90る。

年時点の7％から2000年度末には12％に増加することとまた、同じく6月に発表された電気事業審議会の「長なる。また、これを発電電力量のシェアでみると、現在期電力需給見通し」においては、わが国全体の電源に占の9％が2000年度には16％にまで増加することになり、める石炭火力のシェアを今後20年間で2倍以上に引上げ

石炭火力の復活が推進される見通しである。

ることを目標としており、原子力に次ぐベース・ミドル

12

1−3

二度にわたる石油ショ．ックを経験して以降、各国においてエネルギーの石油依存からの脱皮への努力が払われた。特に、先進諸国は

脱石油

および

1−3−1

環境対策技術省エネルギーの2本柱のエネルギー戦略を打ち出した。

①

発電用炭適正評価

エネルギーの大半を海外に依存しているわが国では、石炭の性状は、石炭の生成年代や産炭地によって大幅一層積極的にその政策を推進する必要があったことから、に異なる。当研究所では1981年から、発電に利用される

石油火力の代替としての石炭火力の推進が重要な課題に可能性のあるさまざまな国内炭、海外炭が、環境面からなった。特に、それまでの石炭火力とは異なり、海外か見て適しているか否かを事前に評価しておくために、「石らの輸入炭を使う大容量火力の建設が狙いであったため、

炭燃焼試験炉」を設置し燃焼試験を行う一方、石炭と石新たな環境対策が必要になった。

炭灰の性状を分析、これらを総合して、発電用炭として

当研究所では、大容量化に伴って大量に排出される排の適正評価を行った。

ガス、ばいじん、石炭灰など環境問題の解明と対策のため、1980年度から「石炭火力環境対策技術」を最重点課
題に位置づけ、それまでの研究成果や知見をもとに、鋭意研究を進めてきた。

（2）排煙対策

石炭火力用の窒素酸化物対策として、炉内脱硝技術の開発、ばいじん対策としての静電ろ過集じん技術の実用

また、石炭の効率的利用の拡大を図るための当面の課化研究などを実施してきた。また、最近では灰中の未燃

題として、環境性や運用性の向上を狙いとした新燃焼法分を増加させずにNOxの低減を図る超低NOx燃焼技術の研究など、微粉炭火力の高性能化を目指す研究を進めの開発を進めている。

てきた。

さらに、石炭の一層の効率的な利用を拡げるための次（3）石炭中微量元素の挙動世代の技術として、石炭ガス化複合発電、溶融炭酸塩型

石炭には数多くの微量元素が含まれている。石炭火力

燃料電池の開発を進め、石炭の流体化、クリーン化など、の大容量化、石炭使用量の増加に伴い排出される微量元

石炭をより使い易くする技術にも取り組んでいる。また、素が、発電所周辺の大気汚染に影響を与えるのかどうか

地球温暖化の防止に向けて、火力発電所から排出されるを評価するために、石炭燃焼に伴う微量元素の挙動およCO2の回収・貯留技術の開発なども進めている。

び環境影響評価の研究を行い、自然環境に存在している

表1−3−1に当研究所の研究状況を示した。

微量元素に比べ極めて少ないことを確かめた。

（4）石炭灰の利用

石炭火力から多量に排出される石炭灰の利用または埋

電中研レビューNo．30●13表1−3−1当研究所の研究状況
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微生物によるCO。固定

電中研レビューNo．30●15

め立て処分への見通しをたてることは、石炭火力の推進に必須な条件である。

現在、石炭灰を最も多く有効利用しているのは、セメ
ントやコンクリートの分野で、セメントの原料や混合材

α）運用性の向上技術
原子力を補完する主要電源としての石炭火力に求められる機能の一つは、中間負荷運用が可能な石油火力並みの運用性の向上である。

として、また、コンクリートの混和材として利用されて当研究所では、石油火力と同等の低負荷でも安定な燃いる。当研究所では、石炭灰を原料として用いる高アル焼が可能なワイドレンジバーナの開発を進めており、実ミナスラグセメントの開発や、ローラー：コンパクテット

用化に見通しを得ている。

コンクリートへの利用法の開発を進めてきた。

また、石炭灰は肥料としても有望な資源である。当研（2）高効率発電方式の開発究所でこれまでに、石炭灰を使ったけい酸カリ肥料や化

石炭ガス化複合発電は、石炭ガス化による生成ガスを成肥料の開発、土壌改良材としての利用の有効性を実証

燃料とし、ガスタービン発電とその排熱回収による蒸気してきた。

タービン発電を組み合わせる方式である。この発電方式

その他、道路の路盤材としての適用性試験や石炭灰埋め立て地の有効利用や、その緑化手法の検討なども進めてきた。

は高い総合熱効率と優れた環境適合性が見込まれることから、将来の石炭利用の主流と期待されている。

当所は、石炭ガス化複合発電の要素技術としての石炭ガス化技術、乾式クリーンアップ技術、高温・高効率ガ（5）貯炭管理

スタービン用石炭ガス燃焼技術の開発を行っている。

石炭火力発電所では、揚炭、貯炭の過程で炭じんが発

燃料電池は水の電気分解とは逆に、燃料中の水素と空生する可能性があり、その炭じんの一部は風に運ばれて気中の酸素を電気化学的に反応させ、燃料のもつ科学的発電所敷地外へ飛散することがある。このため、飛散炭

なエネルギーを直接、電気エネルギーに変換する発電方

じんの周辺地域に及ぼす影響を評価するために、炭じん式であるため、高効率で環境に汚染物質を排出させない

飛散量の予測手法の開発や炭じん飛散アセスメント手法

クリーンな発電が可能である。当所では、将来は石炭ガの開発を行ってきた。

スも使用できる溶融炭酸塩型燃料電池と固体電解二型燃

また、輸入炭を用いた大型石炭火力では、大量の貯炭料電池の基礎および開発研究を進めている。

が必要になるので、貯炭時における石炭の風化による自然発火を防止するため、石炭自然発火予知システムの開発を行った。

（3）石炭流体化技術の開発

石炭は固体であるため、その取り扱いが石油に比べてやや煩雑であるが、これを流体化して利用できれば輸送

1−3−2石炭高度利用技術

や処理が容易になる。石炭の流体化方式として、水で流体化する石炭・水スラリー（CWM）技術を開発するた
現在の石炭火力には、微粉炭だき燃焼方法が用いられ、その排煙処理は基本的には石油火力と同じである。このめ、当所では混気ジェットポンプによる乾式CWM製造技術の開発を行っている。

現状技術による石炭火力は順調に稼働しており、環境対

これが実用化できれば、湿式法に比べてより低コスト

策面でもすでに石油火力と同様なレベルにあるといえる。

なCWMができると期待されている。将来的には、微生物

しかし今後、原子力を補完する主要な電源として石炭のによる石炭の脱硫・・脱灰技術と組み合わせてクリーン化

利用拡大を図っていくためには、石炭利用に関わる輸送、し、産炭地でCWM化できれば、石炭輸送コストの低減

燃焼・発電、環境対策などの全工程を通じ、総合的な技が見込まれるため、海外炭に頼らざるを得ないわが国に術の改善および新技術の開発が不可欠である。

とって、魅力的な技術となり得る。そのため、微生物に16

よる石炭の脱硫・脱灰技術の基礎研究を行っている。

貯留する技術の開発を行っている。

また、大気中に放出されたCO2の一部は植物や微生物（4）CO2回収・貯留・固定化技術の開発

化石燃料の燃焼によって排出されるCO2を抑制するた
めに、火力発電所の排ガスからCO2を低エネルギーで回により、有機物や炭酸カルシウムに変わり固定される。

そこで、当研究所では、海洋性植物プランクトンによるCO2固定化技術の開発も行っている。

収する湿式アミン法の開発や、回収したCO2を深海底に

電中研レビューNo．30●171−4

前述のように、石炭は、石油や天然ガスに比べて埋蔵となる。幸いに、わが国ではこれらの公害防止対策は万量が非常に豊富であるとともに、世界的に広く分布して全に施された結果、石炭火力発電所は石油火力発電所といることから供給安定性が高く、また、経済性にも優れ同程度のクリーン化が進んでおり、他の諸外国と比較しているというメリットがある反面、今後石炭利用の拡大て世界のトップレベルにあり、さらにクリーンな石炭をを図っていくためには、その利用を制約する幾つかの課目指すため、技術開発に努めている。これらの内容につ題を取り除き、あるいは克服することが求められている。

いては、第3章で記述する。

その第一は、石炭の燃焼によって発生する二酸化炭素

第三は、石炭は固体であるために、採掘、輸送、貯蔵、である。二酸化炭素の発生は化石燃料に共通の問題では燃焼等の二段階で石油や天然ガス等の液体燃料に比べて、あるが、天然ガスや石油に比べて、石炭は炭素含有量が扱いにくい燃料であることである。そのため、石炭を使高く、そのため発熱量当たりの二酸化炭素発生量が多い。

いやすくする方法として、COMやCWMなどの石炭をス

そこで、現在二酸化炭素の排出をできる限り抑制するたラリー（液体）化して用いることとか、あるいは、石炭

めに、発電効率を上げる等石炭を効率よく使う技術の開を水素やメタノールなどの液体燃料に改質する技術の開発が進められている。超々臨界圧や流動床燃焼等の最新発が行われている。これらについては第4章に述べる。

技術、将来的には、石炭ガス化複合発電や高温型燃料電池の開発状況について第2章で記述する。

最後に、わが国で蓄積している効率的な石炭エネルギ
ー転換技術、SOx、NOx除去技術をはじめとする環境保

第二は、石炭は5〜20％の灰分を持ち、硫黄分や窒素

全技術、さらには今後の技術開発成果を、近隣諸国をは分などの不純物を多く含んでいる。したがって、脱じん、じめとする海外へ積極的に移転していくことも、地球規

脱硫、脱硝等の公害防止対策を十分に行い、石炭をクリ模での環境問題に対処するための重要な使命と考える。

ーンに使うことによってきれいな空気を守ることが重要

本レビューのむすびとして、第5章に記述する。

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第2章石炭を効率よく使う●目次
横須賀研究所

発電システム部

熱動力グループ グループリーダー
熱動力グループ 主査研究員
燃焼グループ

主任研究員

燃焼グループ

主査研究員

高橋
毅
犬丸
淳
小谷田一男
中田 俊彦

（現東北大学）

エネルギー変換グループ グループリーダー
エネルギー化学部 燃料化学グループ 主査研究員
プラント化学グループ主査研究員
発電化学グループ

主査研究員

三巻

利夫

伊藤 茂男
中山 稔夫
渡辺

隆夫

2−1

最新技術………・……・…・…・…・…………・……・…………・・…………・……・・…………………………………………21

2−2

将来技術・……………・…・……・……・……・・………………・・……一………・・………・…………………・………・……28

・・ｰ褄房注〜き 彙高橋毅

三巻

（1974年入所）

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耀

轄

淳

小谷田一男

伊藤

（1984年入所）

石炭ガス三三の性能評価、運転技術、炉内流動解析等に関する研究を行ってきた。1990
年より2年問、石炭ガス化複合発電技術研究組合に出向し、パイロットプラント開発に従事。現在、高灰融点炭の高性能ガス化技術等に関する研究を行っている。

（1958年入所）

重原油ボイラのアシッドスマット対策、低温腐食対策、油・石炭燃焼状態の監視手法、
石炭の貯炭管理、およびハンドリング技術等、
燃料・燃焼管理面の研究を行ってきた。
現在、微粉炭火力技術の高度化を図るため、
微粉炭火力用のワイドレンジバーナの開発に（1978年入所）

システム評価研究に従事してきた。
現在、石炭ガス化複合発電、燃料電池複合
発電、ヒートポンプならびに熱電供給システ
ム等のシステム解析、基礎実験を中心に研究を進めているエネルギー変換グループリーダー。

究に従事している。

犬丸

利夫

高効率ガスタービン、LNG複合発電、石炭ガス化複合発電等の熱効率解析、ダイナミッ
クシミュレーション等、新型火カプラントの火力発電所の化学洗浄判定技術、ボイラ三
熱解析、超高温での固体熱物性の解明等を行ってきた。現在、熱動力グループのリーダーとして石炭ガス化研究、セラミックガスター
ビン研究、ボイラスケールの非破壊検出研究、
新設火力発電所の伝熱特性解析等に関する研

＼：浪

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。旧き

寡

露

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菱

麟

茂男

（1983年入所）

微粉炭燃焼の灰の性状と集じん性能の評価など粉体工学を専門とし、ポーラスフィルタ
集じん装置のフィルタの開発、チャーの性状と捕集効率、フィルタの長期儒頼性評価などの研究を進めている。

醜

中山

稔夫

（1978年入所）

オキシダントなどの大気汚染物質の環境影
響評価について研究を進めてきた。1985年より石炭ガス化複合発電、MCFC用クリーンア
ップ技術の開発に取り組んでいる。

関する研究に従事している。

中田俊彦（1985年入所）

隆夫（1981年入所）

MCFCのスタック性能評価、スタック運転
技術、電池シミュレーション等に関する研究を行ってきた。現在、MCFCスタックの性能

取り組む。

ている。

1993年9月より、東北大学工学部助教授。

20

渡辺

ガスタービンに関する研究に従事。おもに
石炭ガス化複合発電用1300℃級ガスタービン
燃焼器の開発、評価に関する研究を進めてきた。石炭ガス化低カロリー燃料のNOx生成機構の解明や、低NOx燃焼技術に関する研究に分析、スタック運転技術の開発、電池シミュ
レーション技術の高度化に関する研究を行っ2−1と合わせて省エネルギーの観点から、これまで停滞して2−1−1超々臨界圧火力

いた蒸気温度、圧力を上昇させ、プラント熱効率を向上させようという動きが再び注目され、USC火力の技術開火力発電では、大容量化と合わせて蒸気の温度・圧力

発が進められている。

を高めることにより、発電効率の向上が図られてきた。

蒸気条件、すなわちタービンへ供給する蒸気の圧力とq）開発目標と技術開発の現状

温度が高いほど、発電効率を向上させることができる。

わが国における現在の開発計画のステップを図2＋1

しかし、これらが高くなればなるほど、蒸気系統の配管に示す。これから開発しようとするプラントと過去に建などの使用材料の耐圧や熱応力に対する耐久【生という課設されたものとは、発電容量および運用条件に大きな差

題を克服する必要がある。

異があるものの、最終目標としている蒸気条件は、現在技術が先行していた米国では、フィラデルフィア電力も運転されているエディストン1号機の設計条件と同じで主蒸気圧力352kg／cm2g、蒸気温度649℃という超々臨界圧（USC）のエディストン1号機が建設された1960年頃までは、主蒸気温度、圧力ともに上昇の一途をたどっ

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状

1

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lll−1

III−2

350kg／Cm2965Q／595ていた。その後、電源構成に占める原子力比率の増大や、

T95℃
謙轄595℃

昼夜間の需要格差の拡がりなどがあって、火力発電プラ
ントは、急速な負荷変化への対応や頻繁な起動停止を行（（

1購㎡9595℃う、いわゆる中間負荷運用を余儀なくされ、これに適し畿鱈566℃

た超臨界圧変圧運転方式が導入されてきた。
lll擁㎡・566℃

わが国においても、1967年にLNG火力で246kg／cm2g

316kg／cm＝9538／552の超臨界圧プラントが運転を開始して以来、石炭火力に
246k9／cm＝9538／552も同一の蒸気条件が採用されたが、その後20年以上も蒸気条件は変わらなかった。これは、蒸気条件を向上させ246kg／cm29て熱効率の向上を図るよりも、大容量化によりプラント

246kg／cm29

T38／566

T38／538

建設費を抑えることが経済性の面から有利であるとの考

過熱器管え方が支配的であったことによる。

管寄せ・しかし、二度にわたる石油ショックを契機として、石

T66℃

T66℃

蜿

気管

高温高圧

oルブ

2｝｛CrMo

gCr系

オーステナイト系

2場CrMog

オーステナイト系

Cr系

油の供給不安定や燃料価格の高騰を背景に、燃料の多様化や低価格の海外炭だきボイラの導入が進められ、これ

図2−1−1超高温高圧発電プラントの開発目標と耐圧部材

電中研レビューNo．30●

21352kg／cm2g、649℃である。

石炭ガス化複合発電など新型石炭火力の開発進展状況を

このような超高温・高圧の蒸気条件は、わが国では過勘案して総合的な評価を行いつつ、当面は温度、圧力を去に経験がないので、設計、製作技術の両面に十分な検

順次ステップアップしながら実機への導入が進められて討が必要とされる。特に、耐圧部に使用される材料の選いくであろう。

定は、プラントの信頼性を決定する重要な要素である。
耐圧部の重要な部材としては、主蒸気系統配管、管寄せ、

2−1−2

流動床ボイラ火力発電

バルブなどの大立肉厚部材のほか、ボイラ内に設置される過熱器、再熱器がある。

固体粒子を下から吹き上げる流体で浮遊させた状態をエディストン1号機は、ベースロード用に計画され、流動層と呼び、従来から反応、乾燥、吸収、吸着などの過熱器出口の管寄せや主蒸気管には316系のオーステナ

化学工業プロセスで用いられてきた技術である。この技

イトステンレス鋼が採用されている。この材料は、線膨術をボイラに応用したのが、流動床ボイラであり、さま張係数が高いため、わが国の火力発電に要求されている

ざまな燃料が使え、低温燃焼によって低NOx化、炉内脱中間負荷運用を行うと、内外面の温度差による熱応力に硫による低SOx化といった環境保全性の向上と高効率対して厳しいだけでなく、材料そのものが高価で、しか化が可能なことから、最近注目されている。

も溶接時の高温割れ防止のための予熱、後処理や曲げ加工後の再溶体処理に工数を要するなどの難点がある。

流動床燃焼は、流動床が大きな熱容量を持つため燃えにくい燃料でも高い燃焼効率で利用できることが大きな

わが国では、すでにStep−1は、中部電力㈱川越火力1、特徴である。さらに、燃料に石灰石を混入させると燃焼

2号機（LNG各700MW）で実現している。これに対し、と同時に脱硫を行うことも可能なため、硫黄分の多い石

Step−IIでは、蒸気温度が593℃と、これまで経験のない

炭を高い環境保全性で利用できる。

条件となり、ボイラの高温耐圧部の材料について、高温

流動床ボイラによる発電方法には多くのバリエーショ

強度、外面高温腐食および水蒸気酸化に対する十分な配一ンがある。図2−1−2に代表的な流動床発電システムの系

続が必要とされたが、技術開発はすでに完了している。

統概要を示す。

現在、主蒸気圧力246kg／cm2gで、中部電力㈱の碧南火

従来の大気圧下での燃焼を利用した発電方式（AFBC）

力3号（538／593℃）、北陸電力㈱の七尾大田火力（566／は、一部実用段階にある。加圧下の燃焼によって得られ593℃）などで建設が進められているが、316kg／cm2gへる高温の燃焼排ガスを利用してガスタービンによる動力の高圧化については、経済性と中間負荷火力としての運回収を併せ行う加圧流動床（PFBC）複合発電方式、また、用性の観点から実機採用にまでは至っていない。

将来技術として検討され始めたガス化炉を併設しガスタ

さらに、Step¶1では、圧力および温度が一段と高い

ービン入口温度を向上させ発電するトッピングサイクル

316〜350kg／cm2g、620〜650℃の蒸気条件となり、技術

加圧流動床複合発電方式などが代表的システムである。

的には、耐高温腐食および耐水蒸気酸化性が課題である。

欧米では、近年の酸性雨問題に対する効果的な発電シ

これに対しては、新しいオーステナイト系の高強度高温ステムとしてPFBC複合発電システムの研究開発、導入材料の採用や溶接、加工などの生産技術の確立が必要にが活発に行われ、わが国のPFBC導入の大きな動機付けなってくる。

となった。

わが国では、電気事業用として、超々臨界圧技術と組（2）将来見通し

み合わせたAFBC高効率発電技術が電源開発㈱を中心に

現在、649℃という超高温化に向けた技術開発は、電源進められてきており、現在、350MWプラントの建設が行開発㈱の若松超高温実証タービンを用いた試験研究を中われている。また、高効率で環境保全性に優れるPFBC複

心に進められている。将来的には、建設時期に応じて、合発電技術の開発・導入を電力各社が進めている。

22

排熱回収ボイラ

空気

排ガス

集じん器

膨張

圧縮機

ハ

〜

タービ

高温
ガス精製

フライアッシュ

蒸気

灰

〜

、タービン

蒸気

AFBC

PFBC

タービン

給水

ぐ一脱硝剤
給水

ぐ一石炭
復水器

↑

石炭

昏

復水器

か

脱硫剤

空気
（b）加圧流動床複合発電システム（a）常圧流動床発電システム（AFBC）（PFBC−CC）

昇圧機

空気
燃焼器

．幣

ガス化

↓

高温
ガス精製

炉
ガス

高温
ガス精製

タービン

圧縮機

灰

〜

排熱回収ボイラ

PFBC
チャー

蒸気
タービン

〜

給水
、噸噂一

復水器
（c）

トッピングサイクル

加圧流動床複合発電システム

図2司一2

流動床燃焼発電システムの系統概要

現在利用されている、または注目されているプラントの系統を代表として示している。

電中研レビューNo．30●23表2−1−1主なAFBCプロジェクト／プラントの状況

場

所

国M◎nつak

?

用

途

Aメリカ
発

発

電気出力（MWe）

設

計

炭

TVA
rhawnneAメリカ

geskett

園

電
80

電

外

NSP

国

CUEA

αty

mucla

cui＄burg

Aメリカ

Aメリカ

hイツ

Aメリカ

Aメリカ

発

発

熱電併給

発

発

aIack

Dog

電

電

of

TNP

NOVA

内

著松試験所

竹原発電所

@早発

@電窃

発

発

rcotia

電

160

125

110

100

150

低硫黄

高硫黄

低硫黄

低硫黄

低硫黄

ｭ青炭

ｭ青炭

ｭ青炭

jD分

ｭ青炭
新

新

電

165

電

電

50

350

低硫黄

低硫黄

低硫黄

戟@炭

U青炭

ｭ青炭

汕ｭ青炭
設

備

還転開始
ボイラメーカ

改

造

追

加

改

造

1987

1989

1987

B＆W

CE

FW

追

加

設

設

新

設

改

造

oリフレース

1987

1985

1990

1993

1987

1993

Pyropower／

Lurgi

CE／Lurgi

Pyropower

パブ日立／

パブ日立

̀hlstrom?

重F8Cのtype

Bub．

Bub．

Bub．

Circu．

Circu．

Circu．

Circu．

Bub．

Bub．

脱じん装置

baghouse

ESP
169

ESP

baghouse

ESP

baghouse

ESP

baghousebaghouse

主蒸気圧力（ata）

92．5

129．9

103．0

107．2

147．7

139．9

131．3

107．0

温度（℃）

535

538

538

538

535

540

541

596／652566

流量（t／卜）

317．1

500．4

470．7

419．9

267．1

499．0

527．4

156．0

1067

32．7

27．1

34．4

26．6

29．7

535

540

541

595

538

229．0

447．8

464．9

119．7

889

再熱蒸気圧力（ata）

温度ec）
流量（t／h）

運転爽績（時間）

●

■

齢

○

・

●

●

o

●

12，000Bub＝バブリング型

33．5

538
414．0
一？一

ESP：電気集塵方式

・

9

●

o

・

・

・

．

・

●

●

，

・

o

O

・

●

●

2，000

Circu：循環型

さらに、最近では、石炭ガス化ガスによる助燃により

2，000

一？一

・

●

，

11，000baghouse：バグハウス方式

たは、最終段階にあるといえる。

ガスタービン入口温度を高温化し、44〜45％の発電効率を得るトッピングサイクルPFBC複合発電システムの研究も行われるなど、多岐にわたる研究が進められている。

（2）P：FBC複合発電

表2−1−2に国内外でのPFBC複合発電プロジェクトの概要を示す。

（1）常圧流動床発電

表2−1−1に国内外でのAFBC発電プロジェクト、代表的発電システムの概要を示す。

PFBC複合発電は、脱硫装置が不要でボイラそのもの
もコンパクトであることに加え、複合サイクル化による効率向上が期待されることから、実用化への期待は大国外での電気事業用大型火力としてのAFBC発電の開きい。国外では、スウェーデンのVartan、スペインの発はほぼ終了段階にあり、現在は、リプレース、新設石Escatron、アメリカのTiddなどの各発電所で稼働実績が炭火力に適用する段階となっている。流動床形式としてある。

は、大形化が容易な循環型AFBCの導入が中心である。

PFBC複合発電は、熱利用率の向上も考慮した都市近一方、国内では350MWバブリング型AFBC開発研究が郊型の熱併給プラントとして位置付けているものも多く、進められており、1994年には運転を開始して95年度まで

既存設備の敷地内で環境保全設備無しで、効率向上と環に研究終了の予定である。

境対策が可能なリプレース用プラントとして評価されてこのように国内外いずれのプロジェクトも、終了、ま

24

いる。

表2−1−2主なPFBCプロジェクト／プラント．の状況

場

国

所
P／S

Escatra丹P／S

Tidd

P／S

DMEC−1

DEME：C−2

若松試験所

Xウェーデン

Xペイン

Aメリカ

Aメリカ

Aメリカ

@電発

発

発

発

Vartan

?

霞

熱電併給

発

電気／熱出力135MWeQ24MWe79MWe

72．3MWe

ポーランド炭リグナイト炭

オハイオ炭

設

計

炭

電

電

途

用

国

外

r＝6．8％

r＝3．4％

Paste

Dry

Paste

層炭供給方式

電

160MWe77MWe癡ｰ黄r＝1．5％

電

一

一

発

電

1999

苅田P／S

大崎P／S

繽B

k海道

??

発

発

発

電

電

電

71MWe

350Mwe103MWe250MWe

海

海

海

海

外

ｭ青炭

外

青炭

外

外

U青炭

L青炭

Pasate

Dry

1994

1997

1996

1998

ABB−1HIABB−IHl

三菱重工

パブ日立

Bub．

Bub．

Bub．

Bub．

Paste

1995

内
苫東厚真P／S

運転開始

1989

1990

1990

ボイラメーカ

ABB

ABB

ABB

FBCのtype

Bub．

Bub．

Bub．

主蒸気圧力（ata）

140

95

90

102

246

169

169

温度（℃〉

540

510

496

593

566

566

566

流量（t／h＞

250×2

216

202

156

パイロパワー パイロパワー
Circu．

Circu。

515

再熱蒸気圧力（ata）

26．7

40

温度ec）

593

566

USC

DSS対応

538

593

流量（亀／h）

そのトッピング計画

他

Paste：ペースト又はスラリー供給

Bub：バプリング型

Dry：乾式供給

わが国では、高効率プラントとしての評価が優先しており、現状技術のままで厳しい国内環境基準を満足することは難しいと見る向きもある。電力4社がPFBC複合

Circu：循環型（4）主要な検討課題

PFBC複合発電プラント実用化に向けた主要な検討課
題としては、発電の導入を決めているが、環境保全性能の向上、運転①プラント構成機器個々に対する要素開発

信頼性の向上などの課題に対する開発研究的要素の強い②低燃料比炭、高硫黄炭などに対する炭種拡大化技術導入計画となっている。

③NOx・SOx、ばい塵などを抑制する環境保全技術④単機容量の一層の拡大を計る大容量化技術（3）トッピングサイクルPFBC複合発電
この方式は、検討が謡ったばかりの技術である。シス⑤最低負荷性能、負荷追従i生能、起動停止時容易性などのプラント全体の運用協調性を向上させるためのテム形式として幾つかの技術が提案されている。いずれ

システム技術も系統が複雑で、場合によっては石炭ガス化プラントになどが挙げられる。

石炭チャー処理用のPFBCを加えたのみと判断すべきプ

流動床火力を国内事業用として評価するには、まだ多ラントもある。

くの開発課題、解明事項を抱えてはいるが、経済性、環

現在の基礎研究段階から本格開発への構想もあるが、今後、技術的優位性についてより踏込んだ検討、たとえ境保全性などのメリットも多く、国内外の技術を結集した早期の実用化が期待される。

ば、発電設備としての運転信頼性、設備信頼性など、具体的な評価が必要であろう。

電中研レビューNo．30●

25

現在の微粉炭バーナは、負荷が低減すると設計容量の2−1−3

微粉炭火力の運用性向上策

40％程度で燃焼が不安定となり、負荷調整時には石油による助燃が必要になる。このため、負荷の調整範囲を広電源構成に占める原子力比率の増大や、昼夜間の需要

くし、石炭のみで安定燃焼が可能な低負荷バーナの開発

格差が拡がりつつあるなかで、火力発電プラントは、急が行われ、実用化の段階にある。しかし、これらのバー

速な負荷変化への対応や頻繁な起動停止を行う、いわゆ

ナは、特定の燃焼方式のボイラにしか適用できなかった

る中間負荷運用が求められている。

り、適用する場合にはバーナ廻りに分級器を付設させる

石油代替火力として、原子力につぐ今後の主要な電源など、保守・管理が煩雑になることなどが懸念される。

に位置づけられている石炭火力は、高効率や環境保全1生のみならず、石油火力並みの運用性の改善が必要である。

（2）ワイドレンジバーナの開発

当研究所では、石油火力並みの最低負荷20％程度でも（1）運用性向上の現状

石炭だけで燃焼でき、しかも新設だけでなく既設バーナ

これまでの微粉炭火力は、応答の遅いミルで石炭を微との交換も可能な、より合理的な微粉炭ワイドレンジバ

粉砕し、それを空気で搬送して直接燃焼させるため、燃ーナの開発を石川島播磨重工業㈱と共同で進めてきた。

焼量をほぼ一丁目した定格負荷運用を目的に設計・建設

このワイドレンジバーナは図2−1−3に示すように、バされている。このため、その運用性は、表2−1−3に示すよーナに供給される微粉炭の濃度を検出し、これにもとづ

うに石油火力より劣っている。このような微粉炭火力のいて、濃度の薄い微粉炭流を搬送用空気の旋回力により、運用性を石油火力並みに向上させ、中間負荷運用が行え

バーナ内部で濃縮するもので、旋回力を調整する調整リるようにするためには、微粉炭の供給、燃焼の両面からングや濃縮効果をあげる三重管構造などを凝らしたものの改善技術の開発が必要である。

である。

供給面からの運用性改善技術の開発としては、ミルのこのバーナの開発に当たっては、まず、図2−1−4に示す

起動方式の改善によるユニット起動時間の短縮、高性能

内部の流動様相を可視化した模型により、微粉炭の最：適ミルの開発による低負荷時の燃焼特性の改善などが実用な濃縮調整機構を検討した上、これをもとに、石炭燃焼化の段階にある。しかしながら、運用性を石油火力並み

試験炉（燃焼量120kg／h）でベンチスケールの燃焼試験をにするためには、こうした微粉炭供給システムの改善に行い、20％という油バーナ並みの低負荷でも安定な燃焼

加えて、バーナの低負荷時の燃焼安定性を改善することが確保できることを確かめた。

が重要である。

さらに、実用化に向けた大幅なスケールアップを狙いとして、図2−1−5に示す燃焼量2．35トン／hのパイロット

表2−1−3石炭火力運用特性の現状と改善目標

石油火力

現状石炭火力ミドル・ピーク負荷

ベース負荷

ミドル負荷

15〜30

35〜50

20〜30

min

100〜130300〜360

120〜150

ﾅ低負荷〜50％％／min

T0％負荷〜定格

刀^min

1〜3
R〜5

0．5〜1

項

単二

議

運用負荷帯

一

最低負荷 ％負荷
起動時

間iボツトスタート）

^

用

値

^

用

石炭火力運用性値 ﾌ改善目標値

バーナを試作して燃焼試験を行った。その結果、従来のバーナと同等の環境特性を保持しながら、当初目標より低い約16％までの極低負荷でも安定に燃焼し、その負荷調整特性も良いことを確認した。

これらの結果かち、このワイドレンジバーナは、実用化の見通しが得られたと考えており、今後は実缶での実

負荷変化率
P〜3

2〜3
R〜5

証試験でその性能を確認していく予定である。

なお、このバーナの開発に合わせて、供給される微粉
微粉炭火力は，ベースロード用として設計され運用されていた。しかし，電源の多様化の観点から，需給に対応して石油火力並みの運用性能が求められている。

26

炭の濃度や粒度を計測する自動監視装置を三協パイオテ
ク㈱と共同で開発した。濃度は応答性が速く連続的に測

微粉炭

?
●

9

羅

』
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層聯秘∵ギ．

0

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P腱鷺ン齢：灘購：醗，簸謹泌

（ミル）

微粉炭

Z度粒度
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普@ 置

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怐D〜

■

二6

燃焼火

tZ度微粉炭流P∴∵＝1芳響置網．響．

・●

9

濃度調整

?動装置

・

o

●

・

｛⇒

｛

空気

1∵．．●∴ゲ緬撫漏．三
濃度調整リング

図2−1−3

低濃度微粉炭流

微粉炭用内部セパレート型ワイドレンジバーナの原理（断面図）

本バーナはノズル内部に発生させた微粉炭旋回流を、内蔵しているリングで調整し、噴出口外周を高濃度微粉炭流とすることにより、写真のように低負荷条件
下でも安定燃焼を可能とする。

図2−1−4

バーナ内部流動様相

透明のバーナ模型内部に懐炉灰を流入させ、バーナノズル内部の旋回流動様相を観察し、バーナの性能向上に役立てた。

図2−1−5パイロットバーナノズルの外観
れる差圧検出方式を改良、また、粒度は4段の分級器による方式で計測するもので、石炭試験炉の燃料管で試験した結果、検出性能は良好であり、ボイラの微粉炭管内燃焼試験に用いた燃焼量2．35t／hバーナ。三重管ノズルの外側管より濃縮された微粉炭流が噴出し、極低負荷まで安定燃焼をした。

の計測に十分使用できることを確かめた。

電中研レビューNo．30●27

2−2る。排出された灰は、ガラス状となり扱い易く、有害物

2−E−1石炭ガス化複合発電

質の水中への溶出も無い。次に、ガス精製装置で精密集じんを行うとともにガス中の硫黄分を除去する。クリー

石炭ガス化複合発電（IGCC）は、高効率で環境保全性ンになった生成ガスをガスタービンに導入し発電する。

に優れた次世代の火力発電方式として、現在、国内外で同時に排ガスを廃熱回収ボイラーに導き蒸気タービンで実用化に向けた研究開発が活発に進められている。

も発電する。

石炭ガス化複合発電プラントの構成は、図2−2−1に示

このように、石炭ガス化複合発電は、ガスタービンおすように、主として、石炭ガス化設備、ガス精製設備および蒸気タービンの二つの発電サイクルで構成されておよびガスタービン・蒸気タービンの複合サイクル発電設

り、各々の単一サイクルでは到達できない高い熱効率が備から構成されている。

期待できる。また、蒸気タービンの復水器における放熱

まず、微粉砕した石炭をガス化剤（図のシステムでは量も低減されるため、温排水量が減少するメリットもあ空気を使用、酸素を使用する場合は酸素プラントが必る。

要）とともにガス化炉に投入して粗生成ガスを作る。ガ

現在、最新鋭の超臨界圧石炭火力の送電端熱効率は、

ス中に含まれるチャーと呼ばれる未燃炭素と灰分からな

約38％であり、超々臨界圧プラントが開発されても約41る粒子の大部分は回収され、ガス化炉にリサイクルされ％が限界と考えられている。これに対して、当研究所のガス化設備
Gasification

嬢合発鷺設備…
Gas

Fac薩iセy
チャー回収裟置

石炭燃置
Coal Feed Elquipment
V噺．

嵐讐

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認講

Recovery

サイクロン

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空気昇圧撲
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図2−2−1石炭ガス化複合発電プラント構成図

28

蒸気タービン発電擬
理

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Power

脱硫装置
Desulferlzatioh

ガスタービン
fas Turblne

・批＝
排熱回収ボイラ

煙突Heat

Rec。ve・y

B。iferSta￠k

試算によば、石炭ガス化複合発電では、石炭乾式供給・予定である。このように、海外では欧米を中心にすでに

空気酸化噴流床ガス化方式、乾式ガス精製、1，300℃級ガ実証段階に入っている。

スタービンの組み合わせにより約44％、1，500℃級ガス

一方、わが国では、1986年から国・電気事業により総タービンとの組み合わせでは約48％、さらに、将来燃料額590億円をかけ200トン／日のパイロットプラント計画

電池と組み合わせれば約52％という高い熱効率が得られがスタートしている。このプラントは、乾式石炭供給・る見込みである。

空気酸化噴流床ガス化炉、乾式ガス精製装置を採用しており、他に例のない独自の高効率システムの開発を目指している。1991年からプラントの運転が開始され、1992（1）石炭ガス化技術

石炭ガス化病の型式は、固定床方式、流動床方式、噴

年7月には、空気酸化噴流床ガス化炉と乾式ガス精製に

流床方式に大別されるが、国内外における最近の発電用よるシステムとしては、世界で初めて石炭ガス化発電に

ガス化炉の研究開発は、噴流床方式が中心となっている。

成功した。なお、このガス化炉には、当研究所が三菱重内外の主要な噴流床ガス転炉の開発状況を表2−2−1に工業㈱と共同で2トン／日ベンチスケールガス丁丁を用示す。海外で開発中のガス白白は、ガス化剤として酸素いて開発した石炭乾式供給・空気酸化による加圧二段噴を用いる方式が多く、石炭の供給方式は、乾式と湿式流床方式が採用されている。

また、1992年から国・電気事業が中心となって実証プ（CWM）の2通りに分かれている。

オランダ電力（SEP）は、ブフナムにIGCCプラントとラントのフィージピリティースタディが開始されている。

しては、ヒれまで最大の253MWシェル方式IGCCプラン

当研究所では、早くからIGCCプラント開発の必要性

トを建設中であり、1994年からガス化運転が開始されるに着目し、1983年には2トン／日の加圧二段噴流床石炭

表2−2−1200トン／日IGCC

200

20〜50

2，000

1，325

2，400

1，000

加圧2段噴流床

加圧1段噴流床

加圧1段噴流床

加圧1段噴流床

加圧2段噴流床

加圧1段噴流床

生成ガス

石炭水スラリー十酸素

念

図

窪

毒
壁

ζ

建

黍

t：t

・一

壁

ま

（

ﾄ
チャー
スラグ
蒸気

・1激ラグ

酸素

極ラグ

ζ

u
／k
。↓。

幅

浬

日

ル

微粉炭
チヤー

IGCC

生成ガス

ガス

ル

微粉炭
空気
微粉炭
空気

Pre【雀flo／ウ生成ガスや生成ガス

概Texac◎IGCC

IGCC

She艮iGCC

石炭処理量（トン／葭）式

Dow

水素製造プラント

パイOットプラント型

内外の主要噴流床ガス転炉

ル

微粉炭
酸素

1スラグ

柄

石炭水

建

、ζ

擁

スラリー

酸素
石炭

ル

二十

隈

ンが

噸劣婆

水スラリー ・．削水スラリー

スラグ

運

開

年

月

91

91

794

95（予定）

87

95（予定）

給

炭

方

式

空気搬送

窒素搬送

窒素搬送

窒素搬送

石炭水スラリー

石炭水スラリー

ガ

ス

化

剤

空

気

酸素／蒸気

酸素／蒸気

酸素／蒸気

253MW

160MW

送電端出力
開

発

者

所

在

地

12．5MWlGC組合（NEDO）

日立，バイコール・組合（NEDO）

福島県いわき市

千葉県袖ヶ浦㈱電中研，三菱

SheH，Siemens

オランダ

KrupP

KoPPers

ドイツ

素

酸

160MW
Dow Chemical，Louisiana GT

アメリカ

素

酸

440MW
Texaco，GE

アメリカ

電中研レビューNo．30●29

コンパスタで1，500〜1，800℃、ガス化炉出口で約1，000
生成ガス℃である。生成ガス中に含まれるチャーは、サイクロン
生成ガス＋チャー
●

●

●

サ
イ
ク

●

● ● P
● ノ

●
各部の役割

で捕集されコンパスタに再投入される。また、コンパス
タ内の溶融スラグは、炉底部の排出口から落下し急冷さ
れ炉外に排出される。

リダクタ

これまでに、この炉を使って圧
力●チャーのガス化①基本運転技術の確立

容（吸熱反応）器②ガス化基本性能の把握と性能評価手法の確立●ガスの冷却③炭種適合性の把握

揮

：難陪

巌雰・チヤ
●

●

ディフコ．一ザ會④排出スラグの環境特性、微量ガス成分の生成特性の
把握

耐
火

材

などの研究を実施し、その成果を200トン／日パイロットチャー●石炭・チャーの燃
焼

石炭●灰の溶融排出空気

ところで、わが国が輸入している発電用海外炭の約6r コンパスタ
●●

●●

空気
水冷管

割が灰の融点が1，500℃を越える高灰融点炭である。灰融点が高くなると、灰を安定に溶融排出させるために炉内を高温にして運転しなければならない。このため、ガス⑫搬送用空気〔⇒燃焼用空気プラントの設計・運転に反映してきた。

溶融スラグ

化炉への供給空気量（空気比）を増加させる必要があり、
図2−2−3に示すように生成ガスの発熱量の減少など、発電

図2−2−2加圧2段噴流床ガス化炉の原理

ガス化炉は、灰を溶融・排出させるとともに、ガス化に必
要な熱を発生させるコンパスタ部とガス化反応を行わせるリダクタ部の上下2室に区分されている。

効率の低下を余儀なくされる。そこで、現在、高灰融点
炭の融点を降下させる高性能なガス化法として、石炭に融点降下剤を混ぜるフラックス添加法と、低融点炭を混ぜる混低回の研究を進めている。

ガス化用の基礎実験装置を設置し、現在までに海外炭を

これまでに、約1700℃の融点をもつ高溶融点炭（豪州

中心に20種類の石炭について累積約2，000時間のガス化

BL炭）にフラックスとして酸化カルシウム（CaO）を石試験を実施してきた。

炭の約3％添加することによって、灰融点が約400℃降下

図2−2−2にこのガス化方式の原理を示す。ガス化炉は、すること、翁忌融点炭（中国S炭、灰融点1，275℃）を20

灰を溶融・排出させるとともにガス化に必要な熱を発生％混合するだけで灰融点が約300℃降下することなどがさせるコンパスタ部と、ガス化反応を行わせるリダクタ分かった。さらに、実際に2トン／日炉を用いてガス化試部の上下2室に区分されている。これにより、それぞれ

験では、空気比を低くできることから、高山融点炭のみの石炭量および空気量を独立に調整す層 驍ｱとができるのの場合より生成ガス発熱量は大幅に増大することを確か

で、炉全体を低い空気量に抑えた運転をしながらコンパめた（図2−2−3）。今後も、両手法の幅広い炭種への適用

スタを比較的高温に維持することができる。このため、性を検討していく予定である。

ガス化剤として酸素を用いなくても空気酸化による灰の溶融・排出が可能であり、排出スラグ中の未燃分がほとんどないなど優れた特徴を有している。

（2）ガス精製技術

ガス精製技術（クリーンアップ技術）には、大別してこのガス化炉は、耐火材内張り構造（コンパスタのみ

湿式と乾式の2方式がある。湿式は、アメリカクールウ

水冷壁構造）で、炉内圧力は20ataである。ガス温度は、ォータプログラムの1，000トン／日石炭ガス化実証プラン30

2−4に示すように、石炭ガス中のチャー（ダスト）を高性能で除去するポーラスフィル

混炭法
0．460

フラックス添加0．476

タ集じん装置、硫黄分を安定して吸収・除。。55。ぐ」塑み

去するハニカム固定床脱硫装置、さらに吸000
11，000■密収・除去した硫黄分を回収するためのガス生成チャー兜全
潟Tイクル時の予想性能

口□

還元法硫黄回収装置で構成されている。

この方式を、実際の発電システムに適用

900

した場合、

9

口■

≧

①フィルタおよび脱硫剤が固定式である

口鳶

ため、運転操作が容易である

8
劇②負荷変動に対しての操作項目が少ない

800

掻1

口ロ

㊤
△

10匝

△△

△

@

ため、追従・応答性に優れている③コンパクトで経済性に優れている

ロなどの特長がある。当研究所は、ベンチス

700

ケールの2トン／日の乾式集じん脱硫基礎実験装置を1985年に建設し、三菱重工業㈱と共同で研究を進めてきた。
600
0．5

0．45

0．6

0．55

S炭

（中国）・……………・…・・…… ……・・… @△BL炭（豪州）…………・…………… ………・

混炭

ﾙi黙1：

㌶麟lii三1三：：：実際の石炭ガスを用いた試験などを行い、｣この方式の諸性能を把握するとともに、ポ?
・・……… ｡

ーラスフィルタおよび脱硫剤の開発・改良

………

…・……

………・・
……・・…

・………

灰中CaO量

これまでに、2トン／日ガス二二で作った

CaO含有率＝
灰量（添加したCaO量含む）

×100（％）を加え、長期間使用した時の特性を把握した。その結果、この方式は、集じん、脱硫性能が長期間にわたって高く、かつ運転性、経済i生に優れていることを確かめた。

また、ポーラスフィルタ集じん装置およ
図2−2−3生成ガス高位発熱量と空気比の関係
混炭およびフラックスの添加により、空気比を低く設定できる
ので、生成ガスの発熱量を高めることができる。

び固定床脱硫装置の運転特性シミュレーションプログラムを開発し、パイロットプラ
ント規模でのシステムの適性化、運転条件の最適化を図ってきた。

トに組み込まれ、すでに技術がほぼ確立されている。乾これらの研究から、性能および耐久性など、初期の成式は、石炭ガスを400℃程度の高温のままで処理するの果を達成するとともに、パイロットプラント規模以上ので、ガスの熱損失が少なく、湿式に比べて送電端効率で大型装置設計に不可欠な各種の基礎データを取得して、2ポイント程度向上する。そのため、200トン／日パイロ

ベンチスケール装置での研究は終了した段階にある。

ットプラントのクリーンアップシステムでは、乾式流動床方式が採用されている。

この方式の実用化を図るためには、次の開発ステップ
として、パイロットプラントで性能・動作を確認して、当研究所では、乾式法の一つで、装置が簡素で実現陛

実証プラントに向けたスケールアップのデータを取得すの高い固定床方式の開発を進めている。この方式は図2一るとともに、運転特性のシミュレーション技術をさらに

電中研レビューNo．30●31

9

↑

↓

石炭ガス

SO2

逆
洗

石炭ガス

ガ
ス

還元塔

脱硫

再生

還元

↓

空気
チヤー

↓

単体
硫黄

↓

精製ガス

再生ガス

ポーラスフィルタ集じん装置

ハニカム固定床脱硫装置

ガス還元硫黄回収装置

図2−2−4固定床クリーンアップの構成
石炭ガス化炉で発生した燃料ガスは、セラミックスを用いたポーラスフィルタ集じん装
置でチャーが除去され、ハニカム型脱硫剤が装填してある脱硫装置へ送られて硫黄分が取り除かれる。使用後の脱硫剤は再生されて再使用されるとともに、再生により発生する二酸化硫黄（SO，）は、ガス還元法硫黄回収装置で硫黄として回収される。構成は、集じん機、反応塔、熱交換器類からなり、シンプルなものとなっている。

高度化する必要がある。

電気事業は、乾式クリーンアップ技術について、現在の200トン／日パイロットプラントに採用した流動床方式に加えて、当研究所が開発したこの固定床方式を実証プ
ラントの設備構成の一つとして開発を進めている。このσため、1993年度にこの方式の20トン／日規模のパイロット①実証プラントと同一仕様のフィルタ、脱硫剤の性能確認②硫黄回収系を含めたトータルシステムの検証（制御システムの検証）③長時間運転（負荷追従性の確認）などの検証が重要と考えられる。

プラントを200トン／日のガス化パイロットプラントに併

1993年度から始まったパイロットプラント試験により、設し、その成果を次の実証プラントの設計に反映させる

実証プラントの設計に向けた有益なデータが取得されることにしている。

ことを期待している。

これまでに当研究所が実施してきた2トン／日装置の試験では、装置の制約上、硫黄回収系を含めたシステム（3）ガスタービン技術の検証がなされていない。そのため、パイロットプラン

石炭ガス化複合発電に使うガスタービンは、石炭ガストの試験では、実証プラントの運転条件を想定して、模化炉の生成ガスを燃料とすることから、天然ガスなど高擬的に運転負荷を変化させて、カロリー燃料を使うガスタービンに比べて、多くの技術

32

課題を含んでいる。また、ガス化炉やクリーンアップ装タービンを導入している。したがって、ガスタービンの置の方式によって、燃料ガスの性状が大幅に異なるため

技術課題は、主に中カロリー燃料の燃焼性能の向上に絞に、各種燃料の特徴を充分に把握した上でガスタービン

られている。

機器を開発することが重要である。

一方、日本のパイロットプラントでは、石炭ガス化炉

燃料としての石炭ガスの特徴をまとめるとは空気吹きを、クリーンアップ装置には乾式を、ガスタ①発熱量が低いために、燃焼の安定性が劣る。

ービンには1，300℃級高温ガスタービンを選定している。

ガス化炉のガス化剤によって燃料発熱量が異なり、空

つまり、ガスタービンの技術課題としては、低カロリー

気吹きの場合には500〜1，500kca1／m3Nの低カロリー

燃料の安定燃焼、フユエルNOxの低減化、冷却構造の高

燃料、酸素吹きの場合には2，000〜3，000kca1／m3Nの中性能化といった極めて高度な技術開発が要求されている。

カロリー燃料となる。天然ガスの発熱量が9，500〜11，000

当研究所では、1987年にガスタービン要素実験設備を

kca1／m3：Nであるのに比べて、空気では約10分の1、酸素設置して以来、既に運転実績のあった150MW、高カロリ

では約3分の1と低い。

ー燃料用のガスタービン燃焼器をベースとして、安定燃②燃料中にアンモニアを含むために、フユエルNOxが生成されること。

焼のための副燃焼室の新設、低NOx化のためのりッチリーン燃焼（過濃燃焼と希薄燃焼を組み合わせた二段燃焼

クリーンアップ装置が乾式の場合には、ガス化工で生法）の採用、インピンジメント冷却＊1）とフィルム冷却＊2）成するアンモニアがクリーンアップ装置で除去されずにから成る複合冷却構造の導入など、新技術を培ってきた。

そのままガスタービンに導入される。石炭ガス中のアン

1991年までに、1，300℃級ガスタービン燃焼器の研究

モニアは濃度約500〜1，500ppmであり、既往の燃焼方式開発を完了し、ではその約90％が窒素酸化物（NOx）に転換されてしまう。

％0、）以下まで低減することに成功した。ガスタービン

ﾀ機条件下でNOx排出濃度を60ppm（16③一酸化炭素が主要な可燃成分であること。

負荷変動時の燃焼安定性や燃焼器壁面の冷却特性も良好

石油や天然ガスが炭化水素（CmHn）を可燃成分とす

ぞあり、実用化に向けて見通しを得ることができた。図るのに対して、石炭ガスは燃焼特性の異なる一酸化炭素

2＋5には、当研究所が㈱東芝と共同開発した低NOx燃（CO）が主要な可燃成分で、さらに水素（H2）も含まれて焼器の一例を示す。

いる。

ところで、近年のガスタービンの高効率化は、主とししたがって、ガスタービン技術としては、石炭ガス化て耐熱超合金の開発と冷却技術の進歩によるものである。

炉の方式が空気吹きか酸素吹きか、クリーンアップ装置

従来の金属材料を使用する限り、高温化してもタービンが湿式か乾式かによって、燃焼器の保炎構造や低NOx燃

翼の冷却空気量を増やさざるを得ず、高温化により得ら焼などの方法が大幅に異なってくる。さらに、ガスター

れる筈の利得が減殺されてしまう。

ビン入ロガス温度を高めることによって、複合発電シス

一方、ファインセラミックスは耐熱超合金に比べて高テムの熱効率が向上するが、このためには耐熱材料や冷温における耐熱性、耐食性、耐摩耗性に優れているので、却構造の開発が不可欠である。したがって、これらの各

これをガスタービンの燃焼器や動、静翼に適用できれば、要素機器の仕様や構成の如何で、ガスタービン技術の難

冷却空気量の低減が可能となり、熱効率の飛躍的な向上

易度が異なってくる。

が期待できる。当研究所では発電用大型セラミックガス

諸外国の石炭ガス化複合発電用ガスタービンは、たとタービンの実現に向けて、現在、石炭ガス化複合発電用

えば米国のクールウォータやオランダのブフナムの実証の20MW級セラミックガスタービンの燃焼器と静翼のプラントに代表されるように、石炭ガス化炉は酸素吹き、開発を進めている。これまでに、20MW、1，300℃級セラ

クリーンアップには湿式の脱硫装置を用い、ガスタービ

ミック燃焼器と第1段静翼を組み合わせたガスタービン

ンには高カロリー燃料での実績に優れた1，100℃級ガスの実圧条件下における燃焼実験と、セラミックスにとつ

電中研レビューNo．30●33

空気⇒
燃料〔〉
空気二〉・

二次燃焼室

一次燃焼室

図2−2−5150MW、1，300℃級ガスタービン低NO。燃焼器て最も過酷な緊急トリップを想定した燃料の急速遮断試
験を行い、セラミックスの健：全性を確認している。図2−

E−E−E

高温型燃料電池

2−6に、㈱日立製作所ζ共同で開発した1，300℃級セラミック燃焼器と第1段静翼の5枚翼列を示す。
当研究所ではさらに、石炭ガス化複合発電の熱効率を

燃料電池発電は高効率でクリーンな発電方式として、最も注目されている将来技術の一つである。

電池

とい一層向上させることを目的に、1，500℃級低NOx燃焼器

う言葉から受けるイメージとは異なり、基本的には水のと1，50ぴC級セラミックガスタービンの開発に着手して電気分解と逆の反応を利用して、燃料の持つ化学エネル

いる。今後とも、石炭ガス化複合発電の高効率化の要でギーを直接電気エネルギーに変えることができる発電方

ある高温ガスタービン技術の一層の性能向上を図ってい法である。

く考えである。

燃料電池には種々のタイプがあるが、500℃程度以上の高温で動作するタイプの燃料電池は、石炭ガス化ガスを燃料として利用することが可能であり、高温の排熱を＊1）冷却空気を、燃焼器壁面に高速で吹き付ける冷却方法＊2）燃焼器壁面に、冷却空気の薄い膜を吹き出す冷却方法

利用して付加発電を行うボトミングサイクルと組み合わせた大規模集中型発電プラントとして利用することが考えられている。このようなプラントを構成した場合、そ◎盛
図2−2−620MW、1，300℃級セラミック燃焼器と静翼

34

の送電端熱効率は50％程度（HHV基準）にも達すること得ることができる。得られる電力は理想的には燃料（水が、当研究所の試算からも明らかとなっている。

素）の持つ化学エネルギー全てが変換されたものとなるが、電極反応の進行に若干のエネルギーを要し、その分当研究所では、これら高温型の燃料電池の実用化を目得られる電力が減って熱が発生する。しかしそれでも、指して、さまざまな研究開発を進めている。

従来型の気力発電方式に比較すれば得られる電力の割合は大きく、より効率の高い発電が可能である。燃料電池（1）燃料電池の構成と原理

では、発電と同時に水と熱も生成されることも特徴とい

燃料電池の構造は図2−2−7に示すように、一般に燃料うことができる。

極と空気極の2枚の電極とそれらの間に挟まれた電解質板、さらにそれぞれの電極に隣接するガス室から成る。

燃料電池は、使用する電解質の種類と、それによって図のタイプの燃料電池の場合、燃料極には外部から燃決まる動作温度から、いくつかのタイプに分類すること料である水素が供給され、空気極には空気（または酸素）ができる。早くから開発が進んでいる常温あるいは低温が供給される。それぞれのガス室に入った水素と酸素はで動作するリン酸型燃料電池などでは、利用できる燃料

電極で電子のやり取りをして、酸素が空気極で電子を受の組成が限られ、特に石炭ガス化ガスの主成分である一

け取ってイオンとなって電解質中を燃料極側に移動し、酸化炭素にさらされると、性能が低下するなどの制約が水素と反応すると同時に電子を放出して水を生成する。

あった。

このとき電子は外部回路を通って流れており、外部に電これに対して、高温で動作する溶融炭酸塩型燃料電池

力が供給されていることになる。また、生成された水は（MCFC、600〜700℃で動作）や固体電解質型燃料電池

排燃料ガスと一緒に外部に放出される。一方では空気極（SOFC、約1，000℃で動作）には、一・酸化炭素濃度の制約で反応しなかった窒素を主体としたガスも排空気としてはなく、高温であるが故に一酸化炭素を水素に変えてし排出される。

まうシフト反応が十分に速く進行し、むしろ一酸化炭素

このように、燃料電池は燃料（水素）と空気（酸素）も燃料として利用できる。すなわち、天然ガスなどを利を連続的に供給することによって、電力を連続的に直接用できるだけでなく、石炭をも利用できる発電プラント

『

〇一

水素

⑭

一

Z一一

⑤一

H＋

?

⑪
H＋
g＋

→

一

H＋

未反応水素

⑤

未反応酸素

⑭

@ 電
@ 解
@ 質
燃

碧

料
三

糧

⑭
水

図2−2−7燃料電池のしくみ
燃料極に供給された水素は、金属の触媒作用により、水素イオン（H＋）と電子（e一）に分離される。水素イオンは電解質中を、また電子は外部回路を通じて空気極に伝わる。空気極では外部回路からの電子が供給され、さらに金属の触媒作用により、酸素が酸素イオン（0 一）になる。酸素イオンと電解質を伝わってきた水素イオンが反応し、水が生成される。

電中研レビューNo．30●35

向きの燃料電池である。

（2）石炭を燃料とする燃料電池発電プラント

MCFCの電池構造を図2−2−8に示す。単位電池（セル）MCFCは、大型化や、より高い発電効率が得られる加は電解質と2枚の電極から構成され、ガス室を構成する

圧運転も比較的容易であることから、当研究所は早くか

セパレータ板を介して複数のセルが上下に積層される構らその開発を進めてきた。図2−2−9は当研究所が考えて成となっている。燃料電池の大容量化は、より面積の大いる石炭ガスMCFC複合発電プラントの構成例を示す。

きい電極を用いて大電流を得ることと、積層数を増やし

この例では、石炭ガス化装置に微粉炭供給の空気吹きタて高電圧を得ることによって達成される。積層した電池

イプを、ガス精製装置には乾式方式を想定している。

をスタックと呼ぶ。

MCFCの周辺には、電池を高効率で安定して運転するた

燃料供給チャネル

空気供給チャネル（SUS316L）（インコネル600）／

セパレー円板（SUS316L＋Mクラッド）

燃料
カソード（Mo多孔質体）
8g♂r．。09

●

h

・・●

・●，

・

軸

●

●

，

。璽

・●

●

・。・，9

アノード

（Ni多孔質焼結体）

酸化剤

補強板

マトリックス（SUS316L穴アキ板）（兇諭鵡謙）

図2−2−8溶融炭酸塩型燃料電池の積層構造
現在電解質板や電極は最大で1m2を超えるものが製造されている。この場合の電池出力は現在約1．2kW／セルであり、数100枚積層して1つのスタックを形成することが考えられている。

圧縮機夕一ピンポーラスフィルタ
、サイクロン

じ

T

粗脱硫
装置

ガ

微粉炭

〜

ス

MCFC

化

空気
精密脱硫
装置

プロワ

蒸気外ビン

チヤー

触媒
燃焼器

プロワ

（微粉炭・空気吹き・乾式ガス精製）

図2−2−9石炭ガスMCFC発電プラントの概略構成
微粉炭供給の空気吹き石炭ガス化炉、乾式ガス精製システムを用いた石炭ガス化MCFC発電プラントのシステム構成の一例。

36〜

めのいくつかのガスリサイクル設備が設けられ、最終的池本体の開発の進展に合わせて、現実的な構成、運転方には排出ガスによって空気圧縮器が運転されたり、要所式を検討して行く予定である。

要所の熱を利用して蒸気が製造され蒸気タービンが運転（3）高温型燃料電池の開発状況

される構成となっている。

石炭ガス化方式とその精製方式を種々に組み合わせた

わが国における燃料電池の開発は、1981年から工業技

発電効率の試算例を表2−2−2に示す。試算したプラント

術院のムーンライト計画に取り上げられてから、急速に構戒には発電効率や実用化に当たっての難易度など一長進んでいる。高温型燃料電池の開発スケジュールを図2−

一短はあるが、おおむね50％前後の送電端効率が得られ2−10に示す。

MCFCは、1986年の10kW級スタック開発を経て、現在る。今後、技術の進展に合致した最適なシステム構成を！00kW級スタックの運転試験が行える段階にまでなっ検討して行く予定である。

MCFCとほぼ同様の石炭ガてきた。最終的には1997年来1MW級の天然ガスを利用

ス化複合発電プラント構成を考えることができ、今後電したパイロットプラントの運転試験が予定されている。

なお、SOFCについても、

スタックの開発は新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が、また、システム化技術については溶融炭酸

表Z−2−2石炭ガス化MCFC発電プラント概念設計例

塩型燃料電池発電システム技術研究組合が、それぞれ主
シスデム茎

シスヂムH

石炭供給方式

空気搬送

C

ガ

剤

ワb

G

ヌ㌃

冶＝

ガス精製方式

乾

式

発

ス

化

システムIII

窒素搬送

酸

素

酸

素

乾

式

湿

触

量

475MW

441MW

447MW

i燃料電池

296MW

零88MW

307MW

電

容

卜｝…｝騨富曽一…

@烽塩c張夕一ビシ
rFP一一臨薗…

１蒸気タービン
L＿一＿＿

発電端効率
送電端効率

体になって開発を進めている。スタック開発にはメーカ

M

W

幽

一

一

一

ー3社がムーンライト計画に参画しているほか、数社が独自に開発を進めている。当研究所ではトータルシステ
ムやスタック運転の研究などを実施している。

石炭を利用したプラントについては1MWプラント
一

一

・26MW

45MW

88MW

の運転に引続き、天然ガス燃料の実証プラントを経て、

178MW

167MW

113MW

石炭利用のプラント計画へと移行するものと想定される。

一25MW

一59MW

一61MW

一方、SOFCについては、わが国ではムーンライト計画

53．3％

54．7％

58．2％

において500Wモジュールの開発が行われ、現在数10kW

50．6％

48．2％

51．2％

級モジュールの開発計画がスタートしている。また、電力数社が独自に数kW級モジュールの開発を行っている。

各種のガス化およびガス精製方式をMCFCと組み合わせた3通りのプラントの概念設計の乞いずれも50％前

このタイプは、大型プラントだけでなく、小型分散電源

後の送電端効率が期待できる。

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ベンチプラント（10kW級）

固体電解質型燃料電池

要

素

研

究

スタック技術開発（100kW級）

製造基盤技術研究

制作・運転研究（1，000kW級）

モジュール技術研究（数10kW級）（数100W級）

図2−2−10

ムーンライト計画における高温型燃料電池の開発スケジュール

電中研レビューNo．30●37

や熱併給型電源（コジェネレーション用電源）としてのして、前述したプラント効率の解析の他、プラント実運

応用も考えられており、1997年までの数10kW級モジュ転条件におけるスタック運転試験を実施してきており、ールの完成を経て、大型プラントへの開発方針が示されその加圧特性、ガスリサイクル運転特性などについて、ていくことになろう。

その動的な特性も含めて明らかにしてきた。最近では図

国外では、MCFCについては、米国で早くから開発が2＋11に示すように、10kW級スタックによる長時間運

進められており、エネルギー省の資金をもとに小型スタ転試験を実施し、スタック改良の効果、運転方法の改良

ックの長時間試験などに多くの実績がある。現在3社がの効果を実証した。

スタック開発を行っており、うち2社がここ2〜3年にSOFCについては、当研究所は1987年から基礎研究における200kW、2MWのプラント開発計画をそれぞれ発着手し、燃料極・空気極・電解質板を同時に焼結する三表している。欧州では、ここ数年で開発の気運が高まり、層一体焼結型セルの開発を目指し、新材料を開発するとオランダ、イタリアなどが国家プロジェクトを推進してともに、1990年には110cm2単セルで40Wの発電に成功しいる。

ている。また、1993年からはムーンライト計画においてまた、SOFCの開発は、欧米での開発が先行してきた。

システムの研究を開始した。

米国では、既にウエスチングハウス社が25kW級モジュールを開発し、世界に先んじている。エネルギー省を主（4）今後の技術開発課題

体とする国家プロジェクトも推進されている。欧州でも以上、燃料電池による石炭を利用した発電プラントに

1kW級程度を当面の目標としてイタリア、オランダ、ス

ついて高温型燃料電池を対象に概説したが、その実現に

イス、ドイツなどで開発が進められている。

際しては、いくつもの課題が存在する。

当研究所においては、MCFCについては、数多くの小当然のことながら、電池本体の高性能化、大容量化、型電池による基本性能試験、連続発電試験などを通じて、

長寿命化、低コスト化は、石炭以外の燃料を利用する場

その高性能化のための要因分析、寿命を制約する諸因子合にも当てはまる課題である。これに加えて、石炭を燃の影響度評価などを実施してきた。さらに実用化を目指料とするプラントの特徴的な技術課題は、石炭ガスに含

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尓ｽ成3年度：燃料利用率80％

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図2−2−11大面積スタックの平均セル電圧経時変化

38

3000

＊NEDO圭是イ共まれる微量不純物の電池性能への影響度評価と、その耐SOFCでは、動作温度がより高く、不純物の影響はそれほ久性確保である。石炭ガスには一般に硫黄化合物、ハロ

ど大きくはならないと一般的にはいわれているが、そのゲン化物、窒素化合物などが微量含まれ，、電池性能に大系統だった試験結果はあまり報告されていない。

このように不純物については、今後より高度な精製技

きく影響するものと考えられている。

術の開発のみならず、電池の許容濃度の総合的な実測、

図2−2−12はMCFCに対するそれら微量不純物の許容濃度を調査したものである。硫黄化合物はもとより、ハ影響評価が必要であり、当研究所では近々にこれらの研

ロゲン化物の許容濃度は達成可能なレベルより下にあり、究に着手し、石炭を利用する燃料電池発電プラントの実より高性能なガス精製技術の開発が求められている。

現に向けて、より総合的な研究を進めて行く予定である。

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ハロゲン化物

窒素化合物

粒子状不純物HCI

NH3十HCNチャー

図2−2−12石炭ガス精製技術のMCFCへの適用性
石炭ガス中の不純物の典型的な濃度と、MCFCの燃料として利用する際の許容濃度を、硫黄化合物、ハロゲン化物、窒素化合物および粒子状不純物について示した。粒子状不純物は湿式法も乾式法もMCFCの許容濃度を達成できる。しかし、ガス状の不純物については、湿式法、乾式法ともに現状の除去性能は十分とは言えない。MCFC用のクリーンアップシステムを開発するためには、まず個々の不純物の除去技術を高性能化することが不可欠である。

電中研レビューNo．30●39

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第3章

石炭をクリーンに使う●目

次

山本

公夫

市川
横山
緒方
岡本
遠藤

陽一
隆寿
信英
敏郎
孝夫

社会経済研究所 社会システムグループ 主査研究員
狛江研究所 大気物理部 大気環境グループ グループリーダー
環境化学グループ主任研究員
我孫子研究所

構造部

耐震部

上席研究主幹土質グループグループリーダー

建設材料グループ

グループリーダー（現東北学院大学）

環境科学部

海洋科学グループ

研究主幹

生物部

研究主幹

陸生生物グループ

横須賀研究所3−1

環境対策技術3−2

石炭灰の有効利用

3−3

貯炭管理

3−4

CO2の抑制対策

3−5

景観などの環境創造

主査研究員

バイオテクノロジー特別研究室

主査研究員

エネルギー化学部

燃料化学グループ

燃料化学グループ

主任研究員

プラント化学グループ

主任研究員

プラント化学グループ

主査研究員

牧野 尚夫
小野 哲夫
福沢
久
自井 裕三

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公夫（1981年入所）

緒方陽一（1977年入所）

環境アセスメント手法の高度化に関する研究に携わってきた。専門は大気拡散。現在、
石炭火力発電所からの炭じん飛散予測、排煙、排ガス拡散の数値モデルの開発、酸性物質の長距離輸送モデルの開発を行っている。

（1967年入所）

題およびLNG地下タンク周囲地盤の凍結の研究に従事。現在は、放射1生廃棄物処分に関するベントナイト材料、石炭灰の力学特性に関する研究に取り組んでいる。

る研究を行っている。

市川

信英

…76

フィルダム、原子力発電所の地盤の耐震問発電所や送変電設備等の電力施設の景観アセスメント、景観設計、環境設計に関する研究を行ってきた。現在、発電所の立地支援方策に加えて、都市開発や都市デザインに関す轡

グループリーダー……・・…………・・……・・…・…・…・・…・……………・…………・・……・……………・…・・…・…∵・……・・…44

山本

賊グループリーダー

バイオテクノロジー特別研究室

大隅多加志
青木 正則
河野 吉久
渡部 良朋
大村 直也

懲

岡本

敏郎

（1977年入所）

発電所の基礎や斜面など地盤の安定性評価の研究を行ってきた。原子力発電所では在来
立地および新立地方式における基礎地盤、水力発電ではロックフィルダム、火力発電では軟弱地盤とその改良に関する研究に取り組ん
でいる。

横山

隆寿

（1975年入所）

排水や排ガスなど火力発電：所に係わる環境問題とその対策、石炭・石炭灰の分析と規格化を進めてきた。現在は、地球温暖化対策、
特に、CO2回収技術の研究に取り組む。

奪

姦ぺ

遠藤

孝夫

（1976年入所）

コンクリートおよびコンクリート構造の力
学的特1生の検討と解析法の開発に従事してきた。現在、破壊力学を用いた複合材料のひび割れ進展問題やローラーコンパクテッドコン
クリートの締め固め性状の理論的検討を行ってきた。

1994年4月から、東北学院大学工学部教授。

42

大隅多加志（1987年入所）

牧野尚夫（1979年入所）

CO2の出会いは 86年にアフリカのニオス
湖でのCO、ガス突出災害調査に参加したとき。
放射控廃棄物の地層処分や地熱開発について

高性能集じん器の開発や、ばいじん性状評
価手法の確立などの粉体技術および微粉炭燃焼技術に関する研究開発に従事。現在は、主の地球化学的研究を経て、現在は 88年に開始したCO2貯留技術の研究が中心テーマ。

低減技術の開発を行っている。

青木正則（1961年入所）

大気汚染、塩害および肥料に関する研究を行ってきた。現在、石炭灰を利用した肥料の研究に従事している。

に微粉炭燃焼時のNOxと灰中未燃分の同時小野哲夫（1962年入所）

入所当時は石炭の低温酸化の研究に従事した。その関係から、「石炭が見直される」と直ぐに自然発火の研究に取り組み、現在は微粉

炭計測およびCWMと一貫して石炭ハンドリ
ングの問題を扱っている。

射
畿

魏
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河野

吉久

（1974年入所）

大気汚染物質の中でも降下ばいじんの植物影響に関する研究を行ってきた。現在、酸性降下物の樹木影響評価に関する研究に若手研究員とともに取り組んでいる。

福沢

久 （1965年入所）
現狛江研究所に人所以来、排煙脱硫脱硝、
接触燃焼、メタノール利用等、環境保全およびエネルギー関連技術の研究に従事。 88年より横須賀研究所勤務。得手分野は固体触媒や固体吸収剤を利用した気相反応（触媒化学、
反応工学）。

渡部良朋（1988年入所）

微生物学を専門とし、バイオテクノロジー
を環境保全技術や農林水産振興技術に応用し、電気事業へ適用することを昌標に研究を行っている。現在、微細藻類を用いたCO2固定技術に関する研究ならびに微生物を用いた水質浄白井裕三 （1983年人所）
入所以来、乾式脱硫剤の開発、性能評価、および長期信頼性評価を鎧当してきた。現在は、この知見を活かし、MCFC用高性能脱硫剤の開発や地球温暖化物質の対策技術にも取り組んでいる。

化技術の研究に従事。

大村直也（1989年入所）

バイオテクノロジーを環境やエネルギー分野に応用することを臼的に、微生物を用いた石炭の脱硫の研究に従事。現在、鉄酸化細菌
を浮遊選炭へ応用した石炭の脱硫に関する研究を行っている。

電中研レビューNo、30●433−1

このように電気集じん器と湿式排煙脱硫装置を組み合

3−1−1ばいじん対策

わせたばいじん対策は非常に集じん性能も高く、既に確立された技術になっているが、残されたわずかな課題を

石炭中には10〜20％の不燃の灰分が含まれており、燃焼によりこれらの大部分が、ばいじんになる。これを煙突から排出させないようにするため、ほとんどの発電所
で、図3−1−1に示すような電気集じん器が用いられており、フライアッシュとして回収されている。

この集じん器は、微粉炭の燃焼で発生した濃度10g／m3

上げれば①電気集じん器では、高電気抵抗のばいじんが除去し難いこと②電気集じん器、湿式排煙脱硫装置のいずれにおいても、粒径0．1〜1μmのサブミクロンばいじんが捕集し難いこと

Nのばいじんの99％以上を除去し、100mg／m3N以下にまの2点である。①の課題である高電気抵抗灰の除去につで低減させることができる。そして、集じん器を通過しいては、電気抵抗を下げるため排ガス中にSO3を注入す

たばいじんは、後述の湿式排煙脱硫装置のスクラバーで、る方法や、電気集じん器の操作温度を従来の150℃からさらに80〜90％が除去され、結局、煙突から排出される

3500Cに上昇させ電気抵抗を下げる高温電気集じん器のばいじんの濃度は排出基準の200mg／m3Nを大きく下回開発などが行われている。

る10mg／m3N程度以下となっている。

②の課題について、当研究所は、電気集じん器の中に直径10mm程度の絶縁体粒子を充填し、濾過集じんの作

高圧電源

用と電気集じんの作用を併用する荷電粒子充填層集じん
放電電極

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…

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ガス

集じん電極
接地

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うにする半湿式電気集じん器なども検討されており、この集じん器は、中部電力、碧南火力において平成3年10月に実用機が稼働を開始している。

3−1−2窒素酸化物対策
図3−1−1電気集じん装置の概念図
接地した2枚の集じん電極（板状）の間に高電圧を印加した放電電極（棒状）を設ける。ガス中の粒子は、放電電極より出た電子に荷電され、集じん板に衝突し捕集される。
捕集された粒子は電荷を放出後ホッパーに落下する。

44

石炭の燃焼によって発生する窒素酸化物（NOx）には、石炭に含まれている窒素分の一部が燃焼により酸化して生成されるフユエルNOxと、燃焼用空気の窒素分が高温で酸化して生成されるサーマルNOxがあるが、ほとんど

はフユエルNOxだと考えられている。

わが国の主要な石炭火力では、NOx対策として、燃焼600

器でNOxの生成を抑制する低NOx燃焼法と、生成したNO、を除去する排煙脱硝装置による対策が組み合わさ

500

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3

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（1）低NOx燃焼技術

考全てがNO、に転換されず、酸化雰囲気の強さ、温度など

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200

によってNO、発生量が異なるため、燃焼条件をコントロールしてNOxの生成を抑制しようという低：NOx燃焼技

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石炭に含まれている窒素分は、燃焼によって必ずしも

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壷中未山分〔％〕①微粉炭と燃焼用空気の混合を抑制し、NOx発生量を

図3−1−2灰中未燃分とNO。濃度の関係（当所試験炉での結果）低下させる低NOxバーナ②燃焼用空気の一部を分割して火炎後部に注入し、バNO、・灰中身燃分の発生量は炭種によって大きく異なる。ただし、同一の炭種の場合には、NO。の低下に応じて
灰中未燃分が増加するという双曲線の関係を持つ。

ーナ廻りを還元雰囲気にする二段階世法③燃焼排ガスの一部を循環してバーナ部から注入し、濃度が上昇する欠点があった。

火炎温度を下げるとともに、酸素分圧も低下させ低当研究所では、灰中未品分を増加させずにNOxの低減

NOx化する排ガス再循環法などがある。このうち、微粉炭燃焼においては二段燃焼を図るNO、・灰中之二分同時低減技術についての検討を法が最も効果的であるが、いずれの方法を用いても図3−

1988年度から開始している。この方法の概念は、図3−1−1−2に示すように、NOxの低減に伴い燃焼効率が低下し、3に示すように、まずバーナ部において低空気比で速やか

石炭灰の中に未野分が残存する割合、つまり灰中未燃分な燃焼を行う。その際、石炭中の窒素分は放出され一旦
空気多段注入法（二段燃焼用空気の分割注入）

且函且［乙新型低NOxバーナ

燃焼用2次空気

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NOx還元・分解領域

搬送用1次空気＼＼，．ノ・

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燃焼促進領域
固体粒子状未燃炭素分く

倉燃焼用3次空気をできるだけ低減

図3−1−3

NO、・灰中未燃分同時低減燃焼技術の概念

電中研レビューNo．30●45

はNOxとなるが、低空気比のため酸素が消費された後にを適用した場合には、さらに約20％の灰中直燃分が低減

生じる還元炎で分解される。このような速やかな燃焼、でき、これらの技術を組み合わせることにより、未山分

還元炎の生成のためには新型の低NOxバーナの開発がは従来技術の約1／3まで低減可能との結論を得ている。

必要となる。さらに、一層の効果的なNOxの還元のため

しかし、石炭はその産炭地、炭層によつで1生命が多岐には、還元性の強い炭化水素系ガスや低燃料比の微粉炭にわたるため、NOxの発生量も炭種によって大きく異ななどを、火炎内に注入する二次燃料注入法が有効となる。

る。今後の燃料事情を考えると、低品位炭をも利用せざ

NOxを十分に還元分解した後の燃焼ガス中の未領分はるを得ないことが予想されるので、それらに適合した一二段燃焼用空気の注入により再燃焼させるが、この二段層の低NOx燃焼技術の開発が必要となろう。

燃焼用空気を分割し複数の位置から注入する空気多段注入法を用いることにより、再燃焼時においてもNOxの再（2）排煙脱硝技術

発生を抑制することができる。

燃焼によって生成されたNOxは、排煙脱硝装置を使う

図3−1−4は、NOx濃度を100ppmとしたときの灰中未三

ことにより、さらに低減させることができる。現在、主分濃度を従来型の低NOx燃焼法、空気多段注入法、二次に利用されている脱硝方式はアンモニア接触還元法と呼燃料注入法、新型低NOxバーナ適用のそれぞれについばれる方式で、排ガス中にアンモニア（NH3）を注入し、て、当研究所の石炭燃焼試験炉での実験結果で示したも次式のようにNOxをN2に還元する方法である。

である。灰中未燃分濃度は、空気多段注入法により相対値で約30％低減し、二次燃料注入法の適用でさらに約20

4NH3十4NO十〇2＝4N2十6H20％低減する。そして、現在、開発中の新型低NOxバーナ

8NH3十6NO2＝7N2十12H20
この反応は触媒を用いない場合、

翠
一1，000℃付近で起こるが、アンモニアを

key

燃焼条件

○

二段燃焼

△

空気多段注入法

これに対して、触媒を用いた方式は反応□一気多段注入法＋
次燃焼注入法温度を低く、かつ反応率を高くすることが30

NOxに対して過剰に使用する必要があり、反応率も50％程度と低い。

できる。通常は、350℃程度のガスにアンモ20

舅嘩

ニァが注入される。

空気多段注入法＋
V型低NO。バーナ▽

図3−1−5は、脱硝装置の性能の一例である。SVはガス量と触媒量の比で空間速度と呼ばれ、小さいほど反応率は高くなる。排
ニューランズ炭

10

ガス中のNOxに対するモル比が低い条件／．．

でアンモニアを注入した場合、アンモニア
低減目標点

はほぼ完全にNOxの還元に消費される。し1

かし、アンモニア注入量を増加しモル比を

0
0

100

200

300

400

500

0．8以上にした場合、リークアンモニアと呼ばれる未反応のアンモニアが排ガス中に残NO。濃度（02：6％）［ppm］

図3−1−4NO。・灰中未燃分同時低減燃焼技術による低減効果の一例

46存する。そこで通常は、リークアンモニアが5ppm以下にできる0．8程度のモル比での規制は、法に基づく排出基準と地方自治100体との協定により定められた総量規制基準

ジ、鯉により地域毎に行われている。この対策と3毘⑱もして、低硫黄炭の利用により排出量を抑え

ら，も⑪『

90

る方法と、排煙脱硫装置を適用して除去す

毛
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80

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実
寒

も越

難

20

整70

る方法がある。しかし、硫黄分が0．5％程度しか含まれていない石炭でもSOx濃度は400ppm程度となり、排出基準の厳しい地域
では排煙脱硫装置に頼らざるを得ないのが現状である。

現在、電気事業用石炭火力の83％に排煙1060

脱硫装置が設置され、この内の約90％に湿式石灰石藩法と呼ばれる方式が用いられている。世界的には、酸陛雨問題が深刻化し、

0

50
℃．6

0．7

0．8

0．9

しO

1．1

各国でSOxの排出規制の強化などが進められており、排煙脱硫装置の必要性が高まっ

NH3／NOxモル比てきている。

脱硫法には、湿式石灰石膏法を代表とす

図3−1−5石炭ボイラーの排ガス脱硝例（ハニカム触媒10mmピッチ、入口NO。300ppm）

る脱硫効率が高く、かつ信頼i生の高い湿式脱硝装置の性能は空間速度SVが小さいほど・またNH3／NO・のモル比が高い程向上する。しかし、高くなるにしたがい、未反応のNH3が残存するため、脱硫法、排水処理が不用な乾式脱硫法、さ0．7〜0．8程度のモル比に抑えられる。

らに脱硫と脱硝を同時に行うことにより低コスト化を狙った同時脱硫脱硝法がある。

また、発展途上国向けの方式として脱硫効注入され、脱硝率も70〜80％に調節される。このように、率は低いが安価な簡易脱硫法が注目されている。

脱硝装置自体の効率を上げることは可能だが、リークア

ンモニア濃度の制約があるため、前項に述べた低NOx燃焼技術との併用により、大幅なNOx低減を図っているのが現状である。

（1）湿式石灰石膏雨

湿式石灰石六法は90％を超す脱硫効率を有し、合理化、経済化が進んだ最も信頼1生の高い方式である。この方法

触媒式脱硝の問題点は、長期使用により触媒活陛が劣は、吸収塔内で排ガス中に石灰スラリーを噴霧して脱硫化するため、更新する必要があることで、触媒寿命の延し、これにより生成された亜硫酸カルシウムを酸化塔で伸、触媒の再生などが重要な課題となる。

空気によって酸化して石膏にするものである。

新しい脱硝技術として、電子線照射式や活性炭吸着法

最近では、表3−1−1に示すように吸収塔下部の液室になどが検討されているが、いずれも脱硫との同時方式で直接空気を吹き込み酸化させる方式が開発され、pH調あり、詳細は次項にて述べる。

整のための硫酸の添加や酸化塔を省いて、脱硫性能の高安定化、排水中に含まれる水質汚染物質の低減および装

3−1−3

硫黄酸化物対策

置のコンパクト化が図られてきている。

また、さらに低コスト化を目指し、中部電力㈱、三菱
国内では火力発電所から排出される硫黄酸化物（SOx）

重工業㈱により無排水化処理システムの開発が進められ

電中研レビューNo．30●47表3−1−1湿式石灰石膏法酸化システムの比較填昌

酸化＝塔別置方式

吸収塔内酸化方式

↑

會
．吸収塔

吸収塔

硫酸

@
基本フロー

酸化塔

ガス

ツ

m⇒

A

石膏

石灰石

ガス

k⇒
空気

一応

｝石灰石
【＝

o

吸収塔タンク
・酸化塔有り（別置き）・硫酸

特

徴

空気

吸収塔：タンク

要

・酸化塔

E硫酸
ECaCO、過剰率大・吸収性能に対する酸化の影響

一石膏

辱

［i

@

；」脚一．，♂ll｝

小

無し

不要

ECaCO3過剰率

小・吸収性能に対する酸化の影響

大

酸化塔別置方式と吸収塔内酸化方式を比較したものである。最新の脱硫装置では，吸収塔内酸化方式が用いられており，コンパクト化，低コスト化が図られている。（火力原子力
発電＝「火力発電所の環境保全技術・設備VI脱硫・脱硝の将来技術」より引用）ている。この技術は蒸発缶により排水を濃縮し、セメン相当する644，000m3N／h規模の実機が運；転されている。

トと石灰を混ぜて固化物として処理するものであり、従来の処理方式に比べ、設備費は1／2、：運転費は1／4、スペースは1／8になるといわれている。

（3）同時脱硫脱硝法

この技術は、脱硫と脱硝を同時に行うことにより排煙処理の低コスト化を狙ったものであるが、電気事業用と（2）乾式脱硫法

表3−1−2に最近の乾式脱硫および同時脱硫脱硝技術を示す。

して実用化されている例はない。国内では主に排水処理の不用な乾式法による技術の開発が進められている。この中で実用化段階に達した技術として、活1生炭吸着法を

排水処理を必要としない乾式脱硫法で、実用化された用いた同時脱硫脱硝技術（電源開発㈱、住友重機械工業

最新の技術に石炭灰利用乾式脱硫法が挙げられる。これ㈱）および電子線を用いた同時脱硝技術（中部電力㈱、は、北海道電力㈱、㈱日立製作所、バブコック日立㈱が㈱荏原製作所、日本原子力研究所、米国DOEなど）が挙開発したもので、図3−1−6にそのプロセスを示す。

げられる。図3−1−7にプロセスを示す。

この方法は、消石灰、石炭灰、石膏から直径6mm、長，活性炭吸着法による技術は、アンモニアおよび才刮生炭

さ3〜10mmのペレット状の脱硫剤をつくり、これを移を用いて脱硫、脱硝を同時に行うものであり、前段の移動床脱硫塔に充填し、脱硫剤中のカルシウム分が排ガス

動床で硫黄酸化物が活性炭に吸着され、後段の移動床で中のSOxを吸収することにより脱硫するものである。脱窒素酸化物が活1生炭の触媒作用により窒素に還元される

硫効率は90％以上、脱硫剤利用率は80％以上を得ている。

もので、脱硫効率95％以上、脱硝効率85％以上を目標と

また、使用済みの脱硫剤は石膏を多く含む硬化物となるしている。吸着したSOxは再生塔で脱離させ、単体硫黄とため建材として再利用が期待できる。現在、苫東厚真発

して回収する。この技術は活1生炭を用いた乾式脱硫技術

電所1号機（350MW、石炭専焼）で、排ガス量の1／2により発展したものであり、石炭専焼の松島火力発電所で48

表3−1−2最近の主要な乾式脱硫および同時脱硫脱硝技術
原プロセス文は方法名式

方

石炭灰，石灰等よりペレット状の吸収剤を調整し，この吸石炭灰利用乾式脱硫法

乾…式脱硫

開発状況

理

実用化

収剤に硫黄酸化物を吸収させて脱硫する。

簡易脱硫

活性炭吸着法活性炭に硫黄酸化物を吸着させて脱硫し，単体硫黄として回収する方式

実証終了

石灰吹き込み法火炉，煙道に石灰石，消石灰を吹き込み，脱硫を行い，交ｬの集じん器によりフライアッシュの混合物として回収する

実用化

方式

炭酸水素ナトリウム吹き込み法

乾式岡時脱硫脱硝

火炉，煙道に炭酸水素ナトリウムを吹き込み，脱硫を行い，実証終了

纓ｬの集じん器によりフライアッシュとの混合物として回収する方式

スプレードライヤ法

消石灰スラリーを噴霧してスプレードライヤ内で脱硫を行い，後流の集じん器によりフライアッシュとの混合物として回収する方式

実用化

活性炭吸着法活性炭に硫黄酸化物を吸着させて脱硫し，窒素酸化物を活
ｫ炭の触媒作用によりアンモニアで窒素に還元し，硫黄酸化物は単体硫黄として回収する方式

実証中

電子線法

電子線を照射することによりアンモニアと硫黄酸化物，窒素酸化物を反応させ，粉体の硫安，硝安として後流の集じん実証中器で回収することにより同時に脱硫脱硝を行う方式
尿素，消石灰（Ca（OH）2）と炉内に吹き込むことにより同時

消石灰・尿素吹き込み法

実証中に脱硫脱硝を行う方式

WAS−SNOX法

窒素酸化物を従来のSCR触媒によりアンモニアで窒素に還元し，硫黄酸化物をバナジウムベース触媒により硫酸にして回収することにより脱硫する方式

実証中

NOXSO法NaAlO、吸収剤に硫黄酸化物，窒素酸化物を吸収させて同時に脱硫脱硝を行い，硫黄酸化物は単体硫黄として回収する

実証中

方式

脱硫技術としては湿式石灰石膏法が主流となっている。本表では，現在技術開発が進められている乾式脱硫ならびに乾式同時脱硫脱硝法を示した。また，スプレードライヤ法のように半乾式法として扱われているものもあるが，ここでは乾式法に含めた。

石YD

排ガスボイラ

使用済

硝

E硫剤

石
灰

水

す

二二機

内，

乾燥器

＄

で「「LL

熱空気

沼．閲

押出
n成形機

此望

，

♪

ト

コンベア蒸気

ｬ合機

脱サ

驛C
麟

一

@コンベア
免

主吸収塔

クリ
クリーンガス

脱硫ファン謄識、−鐸．「皐．

計量器

計量器

スクリーン

蒸気養生装置、

使用済脱硫剤、㌧，

破砕機

図3−1−6石炭灰利用乾式脱硫プロセス
脱硫剤の製造設備も合わせた一貫プロセスとなっている。苫東厚真発電所1号機に設置され、運転が行われている。（火力原子力発電＝「火力発電所の環境保全技術・設備VI脱硫・脱硝の将来技術」より引用）

電中研レビューNo．30●49

ボイラ

フライアッシュ

捕集集じん機

活性炭
「一、

「，響暫
1

A、

、

，だ
、

、

脱

ガ

硫

脱

、

AH
『煙突

ノ

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1
ミ

、

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、
、

硝

窒

FDF

塔

フライアツシ篇

、

塔

ス

、

、

塔

、

、

、

NH3

NH3

1

、

＼L＿」

ぴ

lDF

脱

＼／

、

！

＼

・

・」」

処理設備
冷却塔

副生品集じん機
電子線
照射装置
反応器

ノ

L＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿〜＿＿ノ

副生晶

アンモニア

麹理設備

設備
電子線を用いた方式

活性炭法を用いた方式

図3−1−7

同時脱硫脱硝プロセス

活性炭法では、硫黄酸化物は単体硫黄として回収し、窒素酸化物は窒素に分解される。電子線法では硫安、硝安として回収する。（火力原子力発電：「火力発電所の環境保全技術・設備VI脱硫・脱硝の将来技術」「石炭火力発電所における乾式脱硫脱硝技術」より引用）

1993年3月から排ガス量150，000m3N／h（45MW相当）規模の実証試験を開始し、94年1月まで、同技術の石炭火力への適用性を評価する計画となっている。

この他、活1生炭吸着法を用いた技術には、三井鉱山㈱が開発したシステムもあり、電源開発㈱らのシステムと同様に実用化段階に達している。機器構成・仕様などは異なるが原理的には、同様なものとなっている。

④

簡易脱硫法

この技術は脱硫効率が50〜80％と低いが、装置が簡素で低コストであるため、排出規制の緩やかな国々では既に実用化されており、排出規制を行っていない発展途上
国向けの脱硫技術として注目を浴びている。

現在、通産省が発展途上国のエネルギー・環境技術を支援する「グリーンエイドプラン」を策定し、この一環

電子線を用いた方法は、排ガスにアンモニアを添加し、として1992年度より電源開発㈱が中国と共同で中国国内

電子線を照射してSOx、NOxから粉体状の硫安、硝安を生2ヶ所にスプレードライヤ法による簡易脱硫装置を設置成させ、集じん器で捕集することにより同時に脱硫、脱し、実証試験を行うプロジェクトを開始した。

硝を行うもので、脱硫効率は90％以上、へ E硝効率は80％

簡易脱硫法の代表的なプロセスとしては、このスプレ以上を目標としている。硫安、硝安は肥料として再利用

ードライヤ法の他、ボイラ・煙道への石灰吹き込み法がすることができる。開発初期においては㈱荏原製作所と挙げられる。いずれも脱硫剤としては主に石灰が使用さ

日本原子力研究所により開発が進められ、その後、米国れ、後流の集じん器によりフライアッシュと共に回収さDOEおよび米国電力会社などとの共同出資により、米国れ、使用済み脱硫剤は廃棄される。

で実証試験（24，000m3N／h）が行われた。国内では、中スプレードライヤ法は、生灰石（CaO）に水を加えて製部電力㈱と共同で1992年11月に新名古屋発電所で排ガス造した消石灰（Ca（OH）2）スラリーをスプレードライヤ

処理量12，000m3N／h規模の実証試験を開始し、平成5年

内に噴霧して排ガス中の硫黄酸化物を除去する方式であ度末に評価を下す予定となっている。

る。

50また、集じん器内の捕集脱硫剤による脱硫効果により90％の脱硫効率を得ているシステムもある。

（1）物理的コールクリーニング

石炭の硫黄分には、黄鉄鉱の形で含まれている無機硫

ボイラ・煙道への石灰吹き込み法は、石灰の粉末をボ黄と、石炭質と結合して含まれている有機硫黄がある。

イラまたは煙道に吹き込み脱硫を行う方式である。吹き

このうち物理的コールクリーニング技術は、主に黄鉄鉱込みのみでは脱硫効率が45〜50％と低く、石灰利用率もを硫黄分や灰分の比重や表面の濡れ性などの物理的性質低いため、集じん器の前に脱硫塔を設置し、水を噴霧しの違いによって除去する方法である。従来、菊炭地で行て加湿することにより性能の向上を図っているプロセス

う選炭では、主に比重の差を利用した比重選別が用いらもある。

れてきた。しかし、さらに精度良く除去するには、石炭

これらの簡易脱硫技術では、石灰に添加物を加え、脱を細かく砕いて石炭質と硫黄分、灰分などをバラバラに硫効率の向上や同時脱硫脱硝効果を狙ったプロセスも開し、分別させる必要がある。ところが、このように細か発が進められており、今後、高性能化が一層進むであろく微粉砕すると比重の差で分離することが難しくなる。

う。

そこで、表詞一3に示すような微粉炭を対象とした浮遊選炭、選択凝集、磁陸選別などが研究されている。

3−1−4

石炭の燃焼前の脱硫・脱灰技術

これらの方法は、まだ検討例が少なく脱硫・脱灰率も報告例にかなり幅があることから、現状では優劣をつけ

現在の石炭火力発電においては、石炭中の硫黄分や灰難い。しかし、選択凝集は、石炭を補聾するための軽質分は燃焼後に除かれている。前述のようにほぼ成熟した油などを大量に使用するため経済的に不利な面がある。

技術になってきており、低硫黄炭を使用する現状の石炭

また、磁1生選別は、磁1生を持つ黄鉄鉱硫黄は除去し易い

火力発電においては十二分に対応できる技術レベルにあが、灰分の除去率が低いという短所を持つ。

る。しかし、今後は高硫黄炭の利用などが予想されるこ

一方、浮遊選炭は、補集油の量も少なく、選炭機の形とから、燃焼前の脱硫・脱灰も重要視されてくるであろ状を改良することにより分離能力を向上させることも可う。

能である。既にパイロットプラントまでスケールアップ

燃焼前脱硫・脱灰技術は、石炭を燃やす前に直接硫黄分や灰分を取り除き、クリーンな燃料にするもので、コされた例があることから、この中では最も将来性のある技術であると考えられる。

と総称されている。この技術は、物理的コールクリーニング技術は、短時間に、低費用

もともと産炭地で掘り出した石炭から鉱物質などの不純である程度の硫黄分や灰分を除ける点で有望な技術とい物を取り除く「選炭」と呼ばれる供給者側の技術としてえる。しかしながら、あくまでも石炭質と分離している用いられてきた。しかし、最近では、石炭利用の多様化

黄鉄鉱と灰分を分別するものであり、石炭質と結合してに合わせて石炭を使い易く加工する消費者側の技術としいる有機硫黄は脱硫できない欠点がある。

ールクリーニング技術て研究されるようになってきた。この技術により、石炭を発電用の燃料としてばかりでなく、ディーゼル機関やガスタービン用燃料、，各種の化学原料などとして利用することも可能になるだろう。

（2）化学的コールクリーニング

この技術は、硫黄分や灰分を化学反応によって溶かし出して脱硫・脱灰する技術である。表3−1−3のように、脱このコールクリーニング技術は、物理的、化学的、生硫に利用する化学反応の種類によってアルカリ浸出、金物的技術に分けられる。当研究所では、このうち生物的属塩溶液浸出、湿式酸化、塩素化分解、マイクロ波処理

コールターニングについて研究を進めているが、ここでなどに類別される。

は他の技術についても合わせて、その開発状況を紹介する。

化学的コールクリーニング技術は、短時間で高い脱硫・脱灰率が得られる長所を持つ反面、石炭質の損失・

電中研レビューNo．30●51表3−1−3物理・化学的コールクリーニング技術

技

術

浮

遊

選

択

技

名

選炭

凝

集

術

の

概

進捗度

要

石炭の水に対する濡れにくさ，硫黄分やD分の濡れ易さの違いを利用して分別す

石炭の油に対する濡れ易さ，硫黄分や灰ｪの濡れにくさの違いを利用して分別すパイロットO

パイロット。

rフフント

脱硫度

脱灰度

黄鉄鉱

：有機

o

×

◎

○

×

◎

○

×

△

＿フフント

驕B

実験室，

別

磁性を持つ黄鉄鉱と磁性を持たない石炭ﾆを磁力で分別する

アルカリ浸出水酸化ナトリウム等により硫黄分を可溶
ｫの硫化ナトリウムに変えて脱硫する

◎

◎

◎

金属塩溶液浸出

塩化銅，鉄や硫酸第二鉄等により硫黄分
可溶性の硫酸塩に変えて脱硫する

◎

○

◎

湿

酸素や過マンガン酸カリウム等により硫ｩ分を酸化して可溶性の硫酸塩に変えて
E硫する

◎

◎

○

○

◎

△

○

○

△

磁

性

式

選

酸

化

pイロット
vラント

全て実験室

K模

塩素ガスにより硫黄分を塩素化した後，塩二化分解?により中和して塩酸や硫酸塩に変えてマイクロ波処理

石炭とアルカリ溶液を混合し，マイクロgを照射して加熱し，硫黄を硫化ナトリ
Eムに変えて脱硫する

E硫する

文献調査の結果，脱硫度・脱灰度を，◎：非常に良い，○きないの4段階に分けて示した。

良い，△良くない，×で変質が起こること、また大量の化学薬品や高温・高圧条用する方法である。すなわち、微生物により硫黄分を酸件を必要とするために処理費が高い短所を持つ。今のと化し、硫酸に変えて水に溶かし出して石炭から脱硫する。

ころ、実験室レベルで検討されている段階であり、その微生物の中には、：黄鉄鉱と有機硫黄のいずれか、もしく

将来性を一様に評価するのは難しい。

は両方を溶かし出す能力を持つ種類があり、目的に合わ

アルカリ浸出は、ほぼ完全に脱硫・脱灰できることかせて選択することができる。

ら、特に低硫黄・低灰分炭を必要とする場合に有効であ

この酸化浸出の最も簡便な適用例としては、ヒープリ

る。また、高い脱硫・脱灰効果は望めないが、比較的経ーチングが挙げられる。これ，は、貯炭場に野積みした石済性が高く、石炭質の損失が少ない金属塩溶液浸出、湿炭の山の上から微生物を含む液を散水するだけの簡単な式酸化が有利であると考えられる。

方法で、水が石炭の間を浸透する間に微生物によって脱硫され、生成した硫酸は水とともに底部に移動し、石炭（3）生物的コールクリーニングから除かれる。ヒープリーチングは簡単で経済的にも優この技術は、微生物の作用によって硫黄分を取り除く

れるが、脱硫に数カ月という長い時間を要する欠点があもので、表3−1−4のように、酸化浸出と表面処理の2種類る。このため、大量の石炭を連続的に消費する発電所なの方法がある。

どに利用することは難しい。

酸化浸出は、微生物が硫黄分を酸化する能力を直接利

52

一方、当研究所が開発を進めている方法は、脱硫時間

表3−1−4生物的コールクリーニング技術
脱

技術

技徳名
酸化浸出

表面処理

の

概

適

長所・短所

要

用

銃

度
脱灰度

法
黄鉄鉱

有機

◎

○

△

◎

×

◎

・処理費が安価微生物の働きにより硫黄分を酸化
ｵ，可溶性の硫酸に変えて溶かしE有機硫黄の脱硫が・貯炭場でのヒープ

ﾂ能@リーチング

ｾす

E脱硫時間が長い

水に濡れにくい黄鉄鉱に微生物をz着させることにより，水に濡れﾕい性質に変え，水に濡れにくい
ﾎ炭と浮遊選炭で分別する・脱硫時間が短い
・石炭一水スラリー

E処理費が安価
E有機硫黄を脱硫で

ﾌ前処理法

ｫない

文献調査の結果，脱硫度・脱灰度を，◎：非常に良い，○：良い，△1良くない，×＝できないの4段階に分けて示した。

●●●●
饗△1嶋等8鰍ゑ・。8。。。。。△

ooOo％△oOoo◎o△

△

Oo

oo

△

ooO

o

△

△

△

。。8・隠

△△△

石炭質

／

微粉炭
@Y質●●／＼2踏 黄鉄鉱
微生物＋水

石炭質

石炭は水をはじくため気泡に付着して浮く。

oo

空気一

nO
図3−1−8

微生物による表面処理の原理

浮遊選炭で水に微生物を混ぜると、黄鉄鉱（硫黄分）に微生物が吸着して、水になじみやすくなって沈む。

一方、石炭は水をはじくため、気泡に付着して浮く。この浮き沈みにより、硫黄分を分離する。

の短縮を目的として、微生物の作用を、物理的コールク

うが、鉄酸化細菌と呼ばれる微生物を使うと、この微生

リーニング技術の一つ浮遊選炭に応用したものである。

物はもともと黄鉄鉱を酸化して生きるために黄鉄鉱に吸その原理を図3−1−8に示す。微粉炭と水を混ぜ、その懸濁着しやすい性質を持っており、直ちに石炭質と混合して液に下から微細な空気を吹き込むと、石炭と黄鉄鉱はといる黄鉄鉱の粒子に吸着する。その結果、黄鉄鉱の表面

もに水をはじく性質を持っているので空気の泡に付着しは微生物によって覆われ、水をはじく性質から水になじて浮き上がり水面に集まってしまい分別しにくい。とこむ性質に変わり、気泡が付着しにくくなって底に沈む。

電中研レビュ・一No．30●53

微粉炭
水、

脱水

生物
@
@

→C

脱硫・
脱灰槽
微生物リサイ

水微

Nル装置

微生物

微生物

水、

￨養槽

生物

二価鉄
空気

黄鉄鉱・灰分

図3−1−9微生物による表面処理による脱硫システムのイメージ
微粉炭は、微生物培養槽で生産された微生物を含む水と混ぜられ、脱硫・脱灰槽に導かれて微生物の作用を利用して脱硫・脱灰される。その後、脱水されてCWM（石炭一水スラリー）になる。一方、分別された黄鉄鉱および灰分は、水とともに槽底部から抜き出され、微生物リサイクル装置によって微生物を回収した後、除去される。また、回収された微生物は、再利用される。

一方、石炭質には微生物が吸着しにくいため気泡が付着法などの検討が必要と考えている。

して浮き上がる。この浮き沈みによって両者分別することができる。

（4）各コールクリーニング技術の比較

このように、微生物を使って黄鉄鉱の表面の性質を変各技術の比較評価を表3刊一5に示す。脱硫・脱灰に大量えて分別することから、この方法は表面処理と呼ばれての化学薬品を必要とせず、常温・常圧で行える物理的おいる。微生物が黄鉄鉱を溶かし出す必要がなく、吸着す

よび生物的方法が経済的に有利である。このうち、生物るだけで済むことから、脱硫に要する時間を数分の単位

的方法は微生物生産に費用がかかるため、物理的方法がまで短縮でき、浮遊選炭を行うので灰分も同時に除去で最も経済性に優れており、きる利点もある。

この方法は、微粉炭と水を混ぜて行うことから、近年

既に実用化段階にある石炭・水スラリー燃料（CWM）用
脅の脱硫・脱灰処理技術として適用できる可能性がある。

物理的く生物的く化学的の順で処理費が高くなると予想される。

一方、物理および生物的方法の一部は、有機硫黄を脱硫できないので、

図3−1−9に示すように、特に産炭地でのCWMの製造工程

物理的く生物的く化学的中にこの表面処理を組み込むことによって低硫黄、低灰順で脱硫・脱灰率は高くなる。

分のクリーンな燃料を安価に製造することができる。

この処理法は、まだ原理的に実現性のあることを確かめた段階であり、実規模レベルまでスケールアップする

したがって、生物的方法は、物理・化学的方法と比べ、比較的脱硫率も良く、安価な技術であると考えることができる。

ためには、効率良く脱硫・脱灰する条件や微生物の大量一方、これらの技術の実現性は、現状の研究開発の進生産法、さらに、一度使った微生物を繰り返して使う方

捗度や技術的難易度から、物理的方法が最も高く、実用

54表3−1−5各コールクリーニング技術の比較
@

脱
脱 率・

低い←一一一う高い

o〕

高い一低い

技徳名

物理的コールクリーニング

生物的コールクリーニング

化学的コールクリーニング問題，

有機硫黄は脱硫できない。

浸出法は，脱硫時間が長く，表面?理法は，有機硫黄は脱硫できな処理費が高価。石炭質の変質や損ｸの問題がある。

?良点

｢。

脱硫・

発電用炭＝ガス化，CWM（石炭一発電用炭＝ガス化、CWM（石炭一ディーゼル機関用燃料

E灰炭
ﾌ馬途

@

@

Kスタービン用燃料
e種化学原料水スラリー）一般燃料用炭水スラリー）一般燃料用炭化に近い位置にあり、次いで生物、化学的方法の順とな

脱灰した石炭は、付加価値の高いディーゼル機関・ガスる。

タービン用燃料や各種化学原料として使用するのが望ま

なお、これらの技術により脱硫・脱灰された石炭の用しい。

途は、それぞれのコールクリーニングに要した費用と生また、石炭は、炭種によって硫黄分や灰分の含量や形

産炭の硫黄分・灰分の含有量によって変わるものと考え態が異なるため、各コールクリーニング技術によって脱られる。たとえば、物理、生物的方法によってある程度

硫・脱灰のし易さも、炭種によって変わることにも留意の硫黄分と灰分を除去した石炭は、従来の発電出炭や一しなければならない。したがって、燃焼前脱硫・脱灰を般ユーザー向けの燃料炭としての利用や、新しい石炭の行う際には、炭種の性状やその使用目的によって、経済利用法であるガス化、CWM七宝などとしての用途が考性に見合った適切なコールクリーニング技術を選択するえられる。一方、化学的方法によってほぼ完全に脱硫・必要がある。

電中研レビューNo．30●

55

3−2

石炭火力発電所からは、燃焼した石炭の15〜20％が石炭灰となって排出し、全国大では毎年約400万トンの石炭灰が発生している。

イアッシュ80〜90％である。

石炭灰は灰白色であるが、未燃分（未燃炭素）の多い
灰は黒みを帯びている。灰粒子の大きさは、クリンカー

最近の資料によれば、石炭灰は全発生量の約45％が有アッシュが0．1〜10mm、シンダーアッシュが0．1〜1mm

効利用されており、残りの約55％が陸上あるいは海面埋程度である。発生量の最も多いフライアッシュは、90％立てにより処分されている。

以上が0．1mm以下の細粉であり、きれいな球形の粒子が有効利用の用途としては、後述するようにセメント・
コンクリート分野への利用が最も多い。

多い。このため流動性・反応性がよく、その一部がセメントの原材料や混和材として利用されている。石炭灰の一方、陸上あるいは海面に埋め立てられる石炭灰につ

真比重は2。0〜2．2程度であり、普通の土砂の比重2．6程度

いては、「廃棄物の処理及び清掃に関する法律」に基づいよりも多少軽い。粒子間に空気あるいは水を保有していて、管理型の処分場として定められた構造基準と維持管る状態での見掛けの比重は、0．8〜1．0程度である。

理基準にしたがって処分されている。

石炭灰の化学組成は、土壌の無機成分と似通っており、

ちなみに、1987年には全世界で約3億8，000万トンの石

主成分はシリカ（SiO2）とアルミナ（A1203）であり、こ炭灰が発生し、そのうち6，200万トン、率にして16％が有の二つで70〜80％を占める。そのほか鉄（Fe、03）やアル効利用されている。

カリ・アルカリ土類金属の酸化物（Na、0、

K、0、

CaO、

MgO）、ホウ素やクロムなどの微量元素が含まれている。

3−2−1石炭灰の性質と有効利用技術の概要

石炭灰を水中に投入すると、多くの場合、その水はア
ルカリ性を呈する。これはアルカリ・アルカリ土類金属（1）石炭灰の性質

石炭灰は、発電システムの中の発生箇所別にクリンカの酸化物が溶解するためであり、中でも、含有量の多い
酸化カルシウム（CaO）の寄与が大きい。

ーアッシュ、シンダーアッシュ、フライアッシュの3種類に大別される。

（2）石炭灰の有効利用

クリンカーアッシュは、ボイラの炉底に落下し、水で石炭灰の有効利用としては、セメント・コンクリート

急冷された塊状の灰である。シンダーアッシュは、ボイ分野への利用が最も多く、全有効利用量の60〜70％程度

ラから排ガスとともに排出され、節炭器と空気予熱器をを占めている。次いで、鉱山充填用、道路、人工軽量骨

通過する際に落下した粗粒灰であり、フライアッシュは、材、農業、埋め戻し材などに利用されている。

排煙処理システム内の電気集じん器で捕集された細粒灰

石炭灰のうちクリンカーアッシュは、砂とほぼ同等のである。石炭灰全体に占めるそれぞれの割合は、クリン

土質工学的性質を有しており、現在のところ、利用に際カーアッシュ10〜15％、シンダーアッシュ3〜7％、フラしての特段の技術開発は必要とされていないようである。

56

一方、フライアッシュは、炭種や燃焼条件などによっ

コンクリート分野、土木分野の道路、農業分野の肥料へて性質が大きく異なり、また、粉状であり取扱いも容易の利用および石炭灰埋立地の緑化について、以下に概要

でないことから有効利用に際しては十分な検討が必要にを紹介する。

なってくる。石炭灰、特にフライアッシュの利用方法としては、安価でかつ大量に使用する方法が望ましく、今

3−2−2セメント・コンクリート分野への利用

後、石炭火力発電所が増加していくと予想されるなかで、石炭灰の埋立処分量の低減と資源の有効利用の観点から（1）利用の現状

も石炭灰のより有効な利用技術の開発が期待されている。

セメントやコンクリート分野での石炭灰の利用は、図

図3−2−1は、研究段階にあるものも含めて、石炭灰の有3−2−2に示すように、セメント製造の際の原料や混合材と効利用の例を示したものである。このうち、セメント・して、あるいはコンクリートの混和材として広く利用さセメント・コンクリート分野… ……… Zメント製造原料（粘土代替）、セメント混和材、フライアッシュセメント、
生1コンクリート用混和材、セメントミルクなど………・………・・…… ……… H盤材、路床材、アスファルトフィラー、埋戻・埋土木分野

立・盛土材、鉱山充填材、面詰材、地盤安定材、排水船など
石炭灰の用途骨材・分野

・………・…・………… ……… ￡ﾊ骨材、人工軽量骨材など

建築分野…・・……………・…… ……… ｢、煉瓦、タイル、断熱材、アッシュウール、

コンクリートニ次製品、内外壁面など

農業・水産分野…・…………・・ ……… ?料、土壌改良材、人工培土、融雪剤、人工漁礁など
その他

・………………・・……… ……… L価物回収（鉄分、A1、Ti等）、排煙脱硫剤、脱臭剤
ゼオ・ライト化、ゴム・プラスチックの混和剤・充填剤、水処理材、酸化防止剤、電柱、廃棄物固化材、鋳物砂など

図3−2−1石炭の用途
石炭灰の用途を分野別に示したもので、セメント分野が60〜70％、土木分野が20〜30％
を占める。

セメント
粘土の成分により粘土量の10〜20％を石炭灰で代替可能

コ

H；；il；：二時半

図3−2−2セメント・コンクリート分野での利用
石炭灰のセメント・コンクリート分野での利用を大きく分類したもの

電中研レビューNo．30●57

れ、年三に発生する石炭二三400万トンの30％、123万トとともに、コンクリートの強度や化学組成などの5年間ンに達している。このうち、セメント原料（粘土の代替）

にわたる変化やアルカリ骨材反応性、ローラーコンパク

として88万トン、コンクリート混和材として35万トンがテッドコンクリートへの適用性を検討し、次のような結利用されている。

果を得ている。

セメント原料としての使用は、普通ポルトランドセメ
ントの原料として5％までの混合が許されている。また、①石炭二二の未二分がキルン中で燃焼することにより燃料費の節約が図れる。

粘土代替原料としてクリンカーアッシュやフライアッシ②フレッシュコンクリートおよび硬化コンクリートのュが粘土量の10〜20％用いられている。さらに、セメン

諸性質は、いずれも市販されている高炉セメントとト製造の主原料の粘土、その他の全量をフライアッシュ

同等以上の特性を持っている。

で代替する新複合セメントも経済性があり、実用化が期③スラグを25％混合したものは軟弱地盤の安定用セメ
ントとして、45％混合したものは普通ポルトランド

待されている。

コンクリート混和材としての研究は、わが国では1950年頃から始められ、1958年にはフライアッシュの規格

セメントとして、また65％混合したものは、マスコンクリート用セメントとして使用できる。

6201）が制定された。また、当初はダムのマスコ④新複合セメントを用いたコンクリートの長期性状は、

ンクリートその他の水工構造物のコンクリート混和材と市販のセメントを用いたコンクリートと比較して遜して用いられたが、次第にその特性が認められて、1960

色がない。また、十分なアルカリ骨材反応の抑制効

年にはフライアッシュセメントの規格（JIS

果を持っている。

（JIS

A

R5213）も制定され、一般構造物のコンクリートにも広く使用されるに至った。

一般に、フライアッシュを混和材として使用すれば、コンクリートの打込み易さや材料分離の抵抗性を増し、⑤ローラーコンパクテッドコンクリートには、新複合
セメントクリンカーに65％の高炉スラグ微粉末を混合した種別が、強度発現、水和熱などの観点から最も適している。

長期的にみた場合の強度、水密性、耐久性を改善し、水⑥この方法により、セメントの製造を工業規模で行え

和熱を緩和し、乾燥収縮を減少させる。さらに、所要め

ば、年間400万トン発生する石炭灰の有効利用が図ら

コンクリートを経済的につくることが可能であること、れる。

アルカリ骨材反応が抑制できることなどの多くの利点をこれらにより、石炭灰を原料とした新複合セメントの持っていることが明らかにされている。今後、生コンク

有効性が確認されたものと考えており、今後の実用化にリートへのフライアッシュの利用も大いに期待される。

期待したい。

（2）当研究所の研究

3−2−3

道路などの土木分野への利用

当研究所は、1979年度以降、セメント原料の粘土分の化学組成が石炭灰に類似していることに注目し、セメン

石炭灰の大量利用法として、盛立材料として土の代り

ト原料の粘土全量を石炭灰で置き換え、クリンカーを焼に使用することが考えられている。これにより道路建設

成する方法の開発研究を進めてきた。さらに、1984年度

や敷地造成に役立てることができる。

からは、3力年にわたり、実規模キルンでのクリンカーの焼成を行い、クリンカーを粉砕した後、高炉スラグ粉（1）道路への利用

末と混合することにより、新複合セメントを試製してき道路の構造は、図3−2紹のように舗装と路床からなる。

た。また、このセメントを用いてコンクリートを製造し、舗装はさらに表層、基層、路盤に分けられ、表層や基層諸試験を行い、コンクリートの短期性状を明らかにするはアスファルトコンクリートやセメントコンクリートに

58

灰を混合させて安定処理する方法が盛んに用いられてい
摩耗層
Q

嘲■＿一一

一

■一一

る。この場合、さらに品質を向上させるため砕石を用い

一一一鵬一日一・

表層

寸

基層

①

研究されている。また、新生灰だけでなく既記灰をも利上層路盤15〜30
奮
下層路盤

たり、現地で発生する土を混合して有効利用するなどが

路床面一用する方法が検討されている。海外では室内試験だけでなくモニタリング、マニュアル化や経済性についても検囲雲（遮断層）胸・櫛騨一一舳欄一一麟一一欄剛一一誉

討されており、実施工例も増えてきて、単なるデモンス
§

路

L

床
↓

トレーションから実用化プロジェクトに移ってきている段階にある。

また、路床となる現地の土が軟弱なとき、石炭灰で置
図3−2−3道路舗装の代表的構造（土質工学ハンドブックより）き換えることが考えられる。海外ではフライアッシュ単体を使用した例や、フライアッシュを混入して現地の土を改良する例がある。一般にアメリカではCクラスと呼より造られる。路盤は厚さ数10cmで、上層路盤と下層路

ばれる渥青炭などの灰が多く、これはカルシウムを多く盤に分けられることもある。路床は約1mの厚さで、一含んでいる。このため固結力が強く、改良のための添加

般に自然地盤もしくは盛土などによって構成される。こ剤として使用されると考えられる。一方、わが国では褐

の他道路基礎部の凍結と融解による軟弱化を防止するた炭などのFクラスの灰が多く、これはカルシウム分が少め遮断層が設けられることがあり、粗粒材料からなるこ

ないので、改良効果は低いと思われる。

とが多い。

表層、基層、上層路盤はアスファルト、セメント、砕（2）盛立および埋立材料

石などからなるため石炭灰を利用することはできないが、道路など路線構造物のための盛立や敷地造成のためのわが国では摩耗を減少させるためアスファルト中に混入埋立への利用も多く検討されている。埋立てでは陸上もさせるフィラーとして石粉と同様にフライアッシュを使

しくは海岸でのケースが考えられるが、海岸では水中に用できる。また遮断層にもクリンカーアッシュが砂礫な

石炭灰を投入していく方法が考えられ、陸上と造成作業

どと同様使用できる。しかしこれらは利用量としては少が異なる。しかし、上部構造物の種類に応じて材料をでない。

きるだけ高密度にして変形しにくくし、強度が大きくな

下層路盤もしくは路盤と路床については石炭灰が利用るようにするのが原則である。

でき、しかも大量となることが期待されており、わが国

陸上で、盛立や埋立を行った所を資材置場として使う

ではフライアッシュにセメントを混ぜる方法が検討され程度であれば、ブルドーザーの敷き均し作業程度で十分ている。この場合、力学的な必要条件は満たされるが、な場合もある。しかし、一般に図3−2−4のように、石炭灰

フライアッシュの品質と供給体制をいかに確保するか、も締固めにより高密度になり力学的性質も改善されるの煩雑な現場での含水調整や混合作業をどう行うか、現場で、跡地利用方策によっては締固めを行ったほうがよい。

での養生時間が約3日と長いことなどが課題となってお海岸部での埋立では、水中に投入すると密度が低くな

り、市場性と現地作業性を考えていかなければならない。

ることが考えられる。このとき地盤は変形しやすく強度

なお、これに類するものとして、セメントと石灰を加えが小さいので基礎の支持力が低くなる。さらに、地震にて造粒化し粒度調整して路盤材料とする方法も考案されよる液状化現象についても考える必要がある。石炭灰もている。

海外での路盤材の研究としては、やはりセメントや石

液状化の面では砂と同じような性質があるので、できるだけ高密度になるように埋立てるか、埋立後に地盤改良

電中研レビューNo．30●59

力や市場性が検討課題といえよう。また、海外では新生
灰種
《

1．5

1．4

最大乾燥密度

最適含水比@（重／m3）

@（％〉

L39

25．0

8

L39

20．0

C

L29

20．e

◎

1．17

29．e

E

1．ユ4

30．0

灰だけでなく既生灰の利用も検討されており、特に高度突固めエネルギー：1Ec

セメント分野への利用やアスファルトフィラーなどは新生灰が適当であるという考え方もでてきている。今後、

ム

う／メて

曾
：≧1．3

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鍛

るだろう。

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1．2

E

，

3−2−4石炭灰の肥料への利用

、

D

一、・♂｝

ノ

ノ・ノ♂ρ

石炭灰の利用を、システマチックに考えていく必要があ

、、、

＼ぐ一

、、

叢

な技術を要しない大量利用の場合には回生灰が、また、石炭灰の農業分野への利用は、現在のところわずかで、ノあるが、これまでに得られた知見から、肥料として非常

、、

1．1

に有望な資源と考えられる。

ここでは農業への利用の現状と当研究所で実施してい
1．0

0

10

20

30

40

含水比（％）

図3−2−4締固めによる石炭灰の密度変化
締固めのとき、そのエネルギーを一定にして含水状態を変えると、密度が変化するので、灰種毎にピークの現れる近傍で施工するのが効率的となる。

る「けい酸加里肥料」、「石炭灰化成肥料」の研究成果の一部を紹介する。なお、石炭灰の農業への利用状況は表3−2司に示す通りである。

（1）けい酸加里肥料としての利用

けい酸加里肥料はフライアッシュ60〜70％とカリウム

30〜40％を混合したものである。フライアッシュにはする必要がある。

50〜60％のケイ酸（シリカ、SiO2）が含まれているが、埋立時に高密度になるように考案されたのが高密度ス

このけい酸は極めて溶けにくく、そのままでは作物に吸ラリー方式である。これは、事前に水と石炭灰をできる

収されにくい。そこで、これを可溶化し、作物に有効にだけ高密度のスラリー状にしておき、水底で水と置き換るようにスラリーを沈殿させる方式であり、水中での密表3−2司

石炭灰の農業への利用（トン）

度変化はほとんど起きないものである。場合によってはスラリーにセメントなどを加えて硬化させることもでき

用

年

途

度

昭63

平1

平1．

る。このようなセメントスラリー方式は、単なる水中埋

けい酸加豊

43，08546，02549，182立てだけでなくグラウト、廃坑の埋立て、管路の埋戻し

微粉炭燃焼灰

3，941

23，70017，658などにも応用できる。

埋立て後に地盤改良を行う方法には多くの方法がある
が、実際に効果を確認したものとしては、振動により砂柱を地盤中に作るサンドコンパクション法および重錘を地上から落下させる動圧密工法がある。これらは一般に経済的で確実な工法として知られている。

以上のように、土木分野への利用はいくつか考えられているが、力学的条件、施工性、経済性のほか、供給能

60

人目培土

年間10，000以上（実態は不明）

化成肥料

農業分野への石炭灰の利用量としては，けい酸加里肥料としての利用が最も多く，主に水稲の加里質肥料として用いられている。ついで微粉炭燃焼灰（特殊肥料）であり，主な肥料成分はホウ素であるが，土壌改良資材や融雪材としても用いられている。人口培土は最近になって急増しているもので水稲の育苗用培土として用いられている。化成肥料は，窒索，りん酸および加里の三要素を含む
複合肥料の一つである。主にアブラナ科野菜，ジャガイモ等に肥効が認められ，平成4年度は約800トン近くが製造・販売され，今後急増すると予想されている。

利用させることと、水溶性のカリウムの溶出速度を抑える。この肥料取締法で、肥料に使用できる石炭灰は「石て緩効性のカリウムにするよう処理することで開発され炭火力発電所において微粉炭を燃焼する際に生ずる熔融

たものが「けい酸加里肥料」である。

された灰で煙道の気流中および燃焼室の底の部分から採この肥料は世界初の緩効性加里肥料として評価されて取されるもの（フライアッシュ）をいう。ただし、燃焼おり、当研究所は原理の発明、製造法の検討および肥効

室の底の部分から採取されるもの（クリンカーアッシュ）

試験を実施して、その実用化を図ってきた。このけい酸にあっては、3mrnの網ふるいを全通するものに限る」な

加里肥料は主に水稲用の加里質肥料として用いられておどの規程が設けられている。

り、稔実が良く登熟歩合が高まり、倒伏や稲熱病などの肥料としての有効成分は、ホウ素である。この微粉炭軽減効果が認められている。現在も試験が継続して行わ

燃焼灰は、！965年前後には、全国各地で年間約10万トン

れ、イチゴ、トマト、レタス、その他の野菜用にも肥効も利用されていたが、燃料の石炭から石油への移行に伴があり、収量の増加、品質の向上ならびに病害の軽減効

い減少し、1990年度は約1．7万トンである。現在は、土壌果が認められている。

改良効果と融雪を兼ねて豪雪地帯の農地やゴルフ場などに利用されている。

（2）化成肥料としての利用

フライアッシュの中には、植物の成長に欠かせないホ（4）人工培土としての利用

ウ素やモリブデンなどの微量要素が含まれている。当研

田植機の普及につれ育苗用床土の確保が問題となって究所では、窒素、りん酸、カリの肥料3要素に、このフいる。従来は山上や水田土を利用していたが、最：近は、

ライアッシュを10％程度混ぜた化成肥料の製造法を開発

床土の原料である山蛭の不足から代替え資材として石炭して、その肥効試験を実施してきた。

灰が利用されるようになった。

試験は1989年から当研究所をはじめ、福島、千葉、群石炭灰の人工培土への利用は約1万トン程度とみられ

馬県の各農業試験場、日本肥糧検定協会および群馬、千ている。石炭灰に塩化アンモニウム、塩化加里溶液を加葉、茨城県の農業改良普及所で実施しており、キャベツ、

え混合し、乾燥した後に石灰を添加して養生、酸処理を

ハクサイ、ナガイモ、レンコンなどの野菜および水稲のへて分級して製品化する石炭灰培土が開発され、花き栽

14作物で延べ43の試験例のうち、従来の化成肥料に比べ培、ゴルフ場の土壌改良材および農薬吸着剤などへ利用てやや不良（収量指数97以下）は僅かに4例のみであり、され成果をあげている。

ほとんどの例が同等（収量指数98〜102）以上であり、収量の増加が認められている。

品質面からみると、キャベツなどでは収穫後の鮮度保（5）その他の利用

石炭灰に水酸化ナトリウムを加え、スラリーとした後、持効果が高い傾向が認められ、ダイコン、ジャガイモ、

熱を加えて反応させ、過剰の水酸化ナトリウムを水で洗ナガイモおよびレンコンなどでは、肌が白く、つやがあ浄除去して風乾するプロセスで人工ゼオライトが合成さり、また、糖度が増加する。さらにジャガイモの粉状それている。この人工ゼオライトは塩基置換容量（CEC）

うか病、ナガイモの褐色腐敗病、同根腐病、キャベツ、が極めて大きいことから土壌改良材、農薬吸着剤、畜産

ハクサイの根こぶ病などが軽減される傾向が認められて

駆棄物処理資材および砂漠の緑化などに有望視されてい

いる。

る。

（3）微粉炭燃焼灰としての利用

3−2−5石炭灰埋立地の緑化

肥料取締法では、石炭灰は微粉炭燃焼灰と呼ばれ、特殊肥料に指定されており、そのまま利用することもでき

石炭灰の埋立地では、灰の飛散や流亡を防ぐため覆土

電中研レビューNo．30●

61表3−2−2石炭灰上での牧草類の生育状況
良

女子

中

程

度

不

良

一，

電．ろツ襯・．

シロクΩ一バ

アルファルファチモシー

アルサイククローバ

エンバク

リードカナリーグラス

Aカクローバイタリアンライグラス
ハトムギ

メドウフェスク」一、一．」

ペレニアルライグラス
9一ズグラス
弓・
導流回臨：妊1下墨1・1訊＿∫、・・．・

トールフェスクオーチャードグラス
ケンタッキーブルーグラス

宴C麦シ＝1クビェ

対照（砂土）で生育した地上部の乾物重量に対して，石炭灰で生育した乾物重量の比が0．85以上を良好，0．7を下回るものを不良として分類。

されているが、埋立地の大部分は、未利用のままにある

して、牧草類の種子の吹き付け緑化が部分的に行われてのが現状である。このよう埋立地の景観回復対策としている。このような場合、牧草類の中でも石炭灰に耐1生あの緑化は、埋立地の有効活用の促進にもつながるものでるいは適応性を示す植物を選択することが被覆効率あるある。

いは緑化目標を効率よく達成する重要な鍵となる。

わが国の土壌は酸性であるが、国内で得られる石炭灰

表3−2−2にイネ科とマメ科の牧草類について、石炭灰の大部分はアルカリ性で、土壌と石炭灰とではその性状上での生育状況をポット栽培試験で比較検討した結果をが異なる。埋立地では石炭灰が露出する部分や覆土が石示す。マメ科植物の中ではクローバ類が施肥しなくても炭灰と混合する部分あるいは覆土の薄い部分もあり、植石炭灰の上での生育が良好である。イネ科の中ではライ物の根が石炭灰に接触する機会は多い。

グラス類が他の植物よりも生育は良好である。一方、イ埋立が完了した直後の埋立地の覆土は、重機で整地さ

ネ科の植物は無施肥では生育が全般的に貧弱で、無施肥れ、締め固められているため非常に硬く、植生は極めてでも生育が良好なマメ科牧草とはまったく生育反応が異貧弱である。埋立てが完了してから年数が経過するととなっている。

もに種々の植物が侵入し、自然に放置した状態では次第

これらの結果から、石炭灰に接触する機会の多い埋立に樹木も見られるようになるが、植生がこのようになる

地を草本植物で緑化する場合には、イネ科の牧草を中心

までには長い年月を要する。

にした種子を用いるよりもマメ科のクローバ類を主にし石炭灰埋立地は、面積が大きいこと、埋立が完了するまでに長時間を要することから、ふんじん防止対策を兼ねて植生回復を早期に図ることが望ましい。この一環と

62て、これにライグラス類を組み合わせた方が効率が良い
結果が得られるといえる。

出

3−3

自然発火の予知が必要となり、当研究所は電源開発㈱と3−3−1

共同で自然発火発生過程の解明と防止対策の検討、さら自然発火対策に自然発火予知システムの開発を進めてきた。

貯炭パイルにおける自然発火は、石炭の利用とともに

これまでの研究で、石炭の自然発火は図3−3−1に示す

古くから生じていたが、ブルドーザやスクレーパなどをような発生過程を経ることが明らかになった。まず、石用いた圧縮貯炭によって、貯炭パイル内へ空気が入らな

炭の低温酸化による発熱が貯炭パイルの温度を80〜90℃

いようにして酸化発熱を抑えて、自然発火を防いできた。

まで王昇させ、次にパイル内の水分蒸発による放熱と酸

しかし、石炭の復権とともに大量使用にともなうハン

化発熱とがバランスしてほぼ一定温度を示す。この温度

ドリングの自動化が求められるようになり、スタッカ、

一定保持の間にパイル内部の乾燥が進み、乾燥部分があリクレーマなどによる機械化された積込み、払出しシスる程度拡大すると、放熱が生じないことから温度上昇がテムが採用されるようになった（図3−3−4参照）。この結再び進み、これにより酸化発熱が大きくなることから自果、貯炭パイルは自然積みとなり、パイル内部の空気の然発火に至る。

この発生過程から、自然発火の防止対策として次の二流通がよくなることから、自然発火が懸念されるようになった。このような経緯から、大量貯炭に見合った石炭つが考えられる。

③石炭の積付け②低温酸化におよぼす諸因子②低温酸化による発熱

C

内部温度の上昇。r@一定温度保持
③熱

⑤内

放

散

の

乾燥

部

@○石炭の性質、温度@○酸素濃度、時間@○換気速度、比表面積など
B○表面から空気中へ大@○下部地中には小@○水分の蒸発熱が大Co雨水など水分の補給による@ ことが大@○温度90℃前後となる

D⑥@○内部の水分がなくなると急@ 激に温度上昇する
F○風下はタール臭がただよう⑥温度の急上昇
⑦霞

然

発

火

図3−3−1石炭の自然発火過程

電中研レビューNo．30●63

放射温撲計による表徳温度、の映像表示「、，

温度欝をパイ

内部温度のFル内部に挿入

ﾄ

視
自然発火の

高温度域の

?険姓を検出ｭ見水分欝をパイ

挙烽ﾉ埋設?るいは挿入

図3−3−2

紺策を講じる

内部水分の

瘟ｺを監視

自然発火予知システムの基本構成

図3−3−3パイル表面温度の分布（赤外線画像）①パイル内に空気を流入させず、低温酸化を防ぎ発熱させない。

②熱放散させて、パイル内温度を90℃程度の温度に維
持する。

64

このうち、①は圧縮貯炭、水中貯炭およびサイロなどの容器内貯炭、あるいは界面活性剤などによる表面コー
ティングがあげられるが、大量貯炭への適用は難しい。

②はパイル内へ水分を補給して乾燥を防ぐことが考えら

（1）炭じんの発生箇所

れるが、石炭が濡れにくく、また大量貯炭では用水の確

・図3−3−4に石炭火力発電所における代表的な揚貯運炭保も課題となる。

これらのことから、大量貯炭における自然発火の予知システムを示す。石炭のハンドリングは、①アンローダ

方法として、リモートセンシング技術を用いたシステム

による揚炭、②コンベアラインによる搬送、③スタッカを開発した。システムの基本構成は図3−3−2に示すようによる積み付け、④貯炭、⑤リクレーマによる払い出し、に、貯炭パイル内部の発熱が熱伝導によって表面に伝わ⑥その他、ブルドーザによる残炭処理、転圧などである。

って生じるパイル表面温度の分布を、図3−3−3に示すよこれらが、いずれも炭じんの発生箇所となるが、連続

うに、赤外線温度画像装置によって検知し、内部の高温式のアンローダやギャラリ、チューブ内のコンベアのよ域を推定する。この後、この高温域の温度および水分をうに密閉構造にすると、環境への影響はなくなる。

データ伝送により連続的測定して自然発火の可能i生を監（2）発じん量の推定と防じん対策

視するもので、その可能性が有る場合には、散水などの当研究所では、上記の全ての炭じん発生箇所について、措置を講ずる。

発電所での実態調査や風洞実験を行い、炭じん量の予測

このシステムは、実際の貯炭ヤードで赤外温度画像装式を導いた。

置、貯炭パイル用温度・水分計およびデータ伝送方式などで検討を行い、実用化の見通しを得ている。また、パ

発じん量は、貯炭場内の風速、石炭の湿分、揚貯炭機

イル表面の赤外温度からパイル内部の最高温度を推定す

器の防じん対策などに依存する。たとえば、貯炭パイルる方法も開発、システムのより簡易化が可能なことも明からの炭じん飛散量は風速の4．3乗に比例して増加する

らかにしている。

ので、貯炭場内の風速を抑えることが環境対策上大きな効果があることがわかった。また、スタッカのように石3−3−E炭を落とすときの炭じん飛散は、受け入れ石炭を加湿す

炭じん飛散対策

ることにより、風速10日目s以上の強風時を除けば、極く少量に抑えることができる。

石炭火力発電所の貯炭場では、粉じんの発生を抑えるために、石炭の山分を管理したり、防風施設や防じん機（3）環境アセスメント手法器を設置している。当研究所では、1970年代後半から炭発電所を新規立地あるいは増設する場合には、環境保じん飛散防止の研究を始め、その成果を発電所の環境対全の立場から、事前に炭じん飛散対策を検討している。

策に反映させてきた。

そこで、当研究所は炭じん飛散量を予測し、必要な防止対策を講ずるための環境アセスメント手法を開発した。
アンローダ

①揚炭

散水装置

石炭輸送船

コンベア

③一スタ・

d＿しりク…
貯炭槽

〆

②搬送

昏

④貯炭

トー貯炭場一一一一H
図3−3−4発電所における揚貯運炭システム①〜⑤のハンドリングをしているとき、炭じん飛散が生じる可能性がある。

電中研レビューNo．30●65図3−3−5

環境影響予測に用いた発電所模型

本写真のような発電所模型を用いて、風洞実験で貯炭場内の風速分布を調べる。

この手法は、発電所の揚貯炭計画、気象データ、図3−

ら、多くの発電所の建設に適用してきたが、その後、大3−5のような模型を用いた風洞実験で測定した貯炭場内型石炭火力発電所の運転開始が続く中で、実際の貯炭場の風速データ、さらに発じん量の予測式をもとに、大気において揚貯炭機器の実態を調査し、より合理的な手法

拡散計算を行い、周辺への炭じん沈着量を評価するものに改めている。新しい手法は1990年に提案し、それ以降、である。もし、予測した炭じん沈着量が目標値を達成で既に8つの発電所で炭じん飛散の予測と対策に活用されきなければ、炭じん飛散防止対策を強化することになる。

ている。今後も、石炭火力発電所の円滑な立地推進、環こうした環境アセスメント手法を1982年に開発してか66

境保全に役立てていきたい。

3−4

この技術には、吸収法（化学吸収液、物理化学吸収液

3−4−1CO、の回収と貯留技術

あるいは物理吸収液を用いる方法）、吸着法（吸着剤を用る方法）、深冷法（低温蒸留を用いる方法）および膜分離

人間活動に伴い排出される温室効果ガスの大気中濃度法などがある。ここでは、主とし℃化学吸収法に着目しは増加している。これがもたらす地球温暖化の影響にはて、国内外や電力各社のCO2回収技術および当研究所の未だ不確定性があるが、世界は、悔いを残さない（no研究を紹介する。

regrets）方策として、人為的温室効果ガスの排出抑制に（i）国内外におけるco2回収技術

向けて動いている。

燃焼熱ガスから比較的大規模にCO2回収を行っているわが国では1990年に「地球温暖化防止行動計画」が閣

実例は、表3−4−1に示すように多く米国に見ることがで議決定され、国としての姿勢が示された。中でも、地球きる。過去における最大規模のものは、CO2回収量が約

温暖化への影響が最も大きいCO、は、1人当たりの排出1，120トン／日（発電出力約100MW相当の排ガス処理）で量を2000年までに1990年の水準（約2．5トン／人）に安定あり、これはオイルショック以後、1980年代に石油の強化することがその目標となっている。

制回収用のCO、製造を目的に、テキサス州のLNG発電所

CO、の排出は化石燃料の使用と密接な関係があり、電気事業は、CO、の排出を削減するため、積極的にその対策に取り組んでいる。

で運転されていたが約10年前に解体されている。現在では、Kerr−McGee／ABB

LummusCrest社のライセンスによるカリフォルニア州の800トン／日のプラントが最大規模である。

q）CO2の回収技術

わが国では、この規模に匹敵する実例はないが、比較

電気事業におけるCO2排出削減対策の1つとして、化石的大きなものとしてはM社のプラントで、燃焼排ガスか燃料の燃焼排ガスからのCO、の分離・回収（以下、回収）ら94トン／日の回収を行っていたが、最近解体された。

が考えられる。この技術には、多くの方式があり、化学吸着法は、新日鉄のものが最大規模であろう。これは工業の分野での食品用・化学品用としてのCO2の製造や、CO2回収量は170トン／日であるが、処理排ガス量は石油の強制回収のためのCO、の、その他の目的に用いら

17，000〜18，000m3N／Hと少ない。

れている。しかし、温暖化防止のために火力発電所に適（ii）電力各社の技術開発用された例はなく、その技術的可能性は大きな検討課題

当研究所を含め電力各社で開発中のCO、回収技術は、である。。

表3−4−2に示すように、規模、方式は異なるが、化学吸収

そのため、当研究所および電力各社は排ガスからの法、物理吸着法、深冷却と膜分離法との複合法などであCO、回収技術の適用性を評価することを目的に、技術開る。これら排ガスからのCO2回収とともに、回収後のCO2発を進めている。

の有効利用および処理に関する研究も実施されている。

電中研レビューNo．30●67表3−4−1燃焼排ガスからCO2の回収を行っている例

排ガス源

プqセスライセンサー

天然ガス焚き火力
発電所

Dow

石炭，ぺトロコーク
天然ガス焚きボイラ

Kerr−McGee／

プ日セス名
Gas／Spec

Chemical

FT−1

CO2園収量
1，120トン／日サイトホーリーアヴェニュー発電所，テキサス州

製造園的／用途
石油強制回収米国（解体済）ABB

CO2

Recovery

800トン／日CO2

Recovery

300トン／日

ソーダアッシュ
ボツワナ共和国

CO2

Recovery

200トン／日

シャデイポイント発電所
オクラホマ州

Lummus

Crest

ABB

Crest

石炭焚き循環流動床ポィラLummus

Kerr−McGee／

ABB

LummusCrest

天然ガスコンパインド
サイクルタービンFbur

ソーダアッシュ製造

米国

Ker卜McGe6／

石炭焚きボイ5

トロナ，シールスヴァレー
カリフォルニア州
ボツワナ

ソーダアッシュ製造

食品用

米国
DanielEconamine

FG．

320トン／日

ペリンガム
マサチューセッツ州
米国

化学品用

表3−4−2排ガスからのCO2回収技術一電力各社の研究開発一
北海道鷺力
吸収法

吸着法

東北電力

東京電力

中部電力

北陸電力

関西電力

中国電：わ

四国電力

九州電力

電源開発

電中研

・基礎実験
・吸収液

・1，000m3N／h

・600m3N／h

・基礎実験

・880m3N／h

・石炭排ガス・LNG排ガス・熱炭酸カリ・LNG排ガス

性能評価

・アミン法

・アミン法

法

・基礎実験

・1，700m3N／h

・1，000m3N／h

・吸着剤

・石炭排ガス・石炭排ガス

性能評価

・PSA法

・PTSA法・吸着剤探索・2m3N／h
・石炭排ガス
・循環流動

・アミン法

・石炭排ガス

・基礎実験

・PSA法

・PSA法

床PTSA法

その他

・基礎実験
・吸収液＋

中空糸膜

・複合システ

・基礎実験

・基礎研究

・基礎試験

・0、／CO、燃焼ム（PSA＋深冷法／

・LNG冷熱利・複合システ・02／CO含・CO、回収型発

用

ム

燃焼

電システム
概念検討

膜＋PSA）㈹

当研究所の研究例

度で回収できる。しかし、所要エネルギーは1kgのCO、当研究所では、LNG火力を対象に化学吸収法によるを回収するのに約1，400kcalの熱量（吸収液濃度20％の運CO2回収技術について、主として所要エネルギーの低減

転条件、動力は別）を要し、これだけでも発電出力は、化を目的に、回収規模3トン／日の装置を用いて実験によ

約15％以上も低下する結果となる。

る技術評価を行っている。

この方法は、CO2とアルカリ性の吸収液との化学反応の所要エネルギーを低減する方法の一つとして、吸収液の濃度を高めることが考えられる。図3−4−2に示すようを利用したもので、そのシステムを図3−4−1に示す。吸に濃度を高めると回収のための所要エネルギーは低下す

収液のモノエタノールアミン水溶液は、ほぼ大気圧、約る。しかし、この場合、吸収液による装置材料の腐蝕の40。Cの条件でCO2をよく吸収し、約1．8気圧、約120℃の抑制・防止が課題である。

条件で吸収したCO2を放出するので、温度と圧力をコン
トロールすることによって、吸収液を循環使用しながら
CO2を排ガスから分離し、回収できる。

一方、プロセスの改善もエネルギー低減化に重要であるが、現在まだ検討中である。
（iv）ま

とめ

実験はまだ継続中であるが、現在までの結果では、排化石燃料の使用量を減らしてCO2排出量を削減する方

ガスからのCO2回収率は90％以上であり、99％以上の純法として超々臨界圧ボイラーの導入や複合発電における68

および発電コストへの影響など、多くの解決すべき課題
ベントガス

がある。

吟
回収CO2

ガス

瓢

吸

生

収

塔

圏へ放出しないようにするかが大きな課題である。

塔國（2）CO2貯留技術

CO2を回収したとしても、それをどのようにして大気

再ドライアイスの巨大な塊として陸上に積み上げておこうとの提案さえあるものの、基本的には容量の大きい天然のストックの形に変換して大気圏への再放出を極力抑えることが模索されている。現在、地中ないし海洋へ注入することが論議されているが、その際には、リスクの図3−4−1CO2回収のフロー
CO2は低温の吸収塔内で吸収剤に吸収され、高温の再生塔
で吸収されたCO2を分離する。

評価あるいは技術としての環境適合性の判断が重要である。・

地中への投入は、石油の増産法として油田で実績があるものの大規模に実施した場合に、地下環境にどのよう
2，500

な影響をもたらすのか、そのための研究には手が付けら、、れていない。

暴

2，000

一方、CO、を深海へ投入すれば、1，000年間以上にわた

＼

ぎ

、

些

って大気圏から隔離することが可能であるζ評価されて

、

、

壼1，…

、

いる。また、化石燃料の埋蔵量すべてから生じるCO2を

裾、

、、、

躁

受け入れることさえ困難ではないとの処分可能量試算が＼漁㍉隔馬隔すでに示されている。ただ、CO2を大気圏から隔離して1，000

気候変動の危険性が軽減されるメリットが、投入された
500

CO，によって海洋環境に未知の影響（例えば海底のある
0

10

20

30

40

50

MEA濃度（wt％）

局限された領域内の生物が、ある期間だけ絶滅してしまう）が及ぶというリスクを上回るものであるのか、それ

図3−4−2MEA濃度とCO2を1kg回収するのに要する熱量
吸収液の濃度を高めると、回収に必要なエネルギーは低下する。
しかし、吸収液による材料の腐蝕が課題である。

が許容されるものであるのかといった根本的な問題は提起されたばかりである。

当研究所では、広く世界の海洋学者に呼びかけてこの問題を討論することが：重要であると考え、1991年には「第1，300℃あるいは1，500℃級タービンの技術開発によって1回CO2と海洋のかかわりに関する国際ワークショッ

発電効率を向上させる研究が進められているが、CO2回

プ」を開催している。そこでは、CO、の深海への注入に関収装置を設置した場合には、その所要エネルギーが逆にする具体的な方式に即して、生物を含む環境への影響を向上した効率を相殺して、さらにそれ以上の効率低下を議論することが必要であるとの指摘がなされた。

引き起こすことも考えられる。

海洋へのCO2の注入方式の具体案については、すでにCO、回収技術は何よりもエネルギーの低減化が基本的

数多くのアイディアが提出されている。1992年には、500な課題といえよう。この他、発電所とCO2回収プラントとm以浅の浅層にCO2を放出したとしても、海水に溶けきの連係、プラントの大容量化、回収したCO2の利用・処理って適当なCO，濃度の水塊を形成させることができれば、電中研レビューNo．30●69

（Al

海洋

気泡
C◎2を

パイプライン

量

溶解させた
海水

ぐ一CO2
大陸棚

∠
大陸斜面の除塵谷←

等密度荊を拡散液化C◎2〈8）

水深3，eGOm以上

海水に溶けた

中和

CO2

液体CO2

／

、

．

一

・◎・、

・鷺；8

CaCOゴ←CO2十H20

反応

一Ca2→争2HCOゴ・亀協先藁ζ・．・．．∵．

炭酸塩堆積物，●，●∵・胃轟，．．

＝t、㌧、、二。。

CO2溜り（液体CO2）

図3−4−3CO、の海洋への注入方式とその後の挙動
CO、の注入方式を選択するためには、その後の海洋中でCO、挙動を予測し、隔離の効果（持続期間）や海洋環境への影響の程度と注入可能量との関係などを明らかにする必要がある。
図には水塊中に拡散してゆくことを期待している「浅墓注入深海隔離」の方式（A）と、「深海底一時貯留中和無害化」の方式（B）について例示する。

それが海底地形の傾斜に沿って流れ下り、結局はCO2を反応するかを予測する手法を開発することを目指して研

深海へと処分することが可能となるとの指摘がノルウェ

究を進めている。

ーからなされ、国際的に注目を浴びている。また以前か

既に、海水がCO2を溶かし込んだときにどの程度の密ら、海底での炭酸塩堆積物との中和反応に期待する処分度増加を示すのかに関して実験的なデータを取得し、こ概念も有望であるとされている（図3−4−3）。海洋処分のれを用いて深海底CO2挙動の予測計算を実施している。

特定の方法を絞り込んで、今すぐにも技術開発に着手す

ら
CO2の溶出速度が大きい場合には、液体CO2溜まりの周べきかどうか、国際的にも論議があるところである。

辺に高濃度CO、水塊が形成され、海底地形にそって海底当研究所では、深海底に形成された液体CO2溜まりか面を這うように広がってゆくことが示された。

らCO2が底層水中に溶けだしてくる場合について、深海でCO2がどのように希釈拡散を受け、また海底堆積物と70∂

るシステムであり、酸素とCO2の混合ガスでの燃焼は極3−4−2

端な低NOx燃焼が可能との知見も得られているので、脱CO，回収型発電

硝装置の省略も期待されている。

CO2の回収技術については、前述したように種々の方

このシステムでは、酸素製造装置を設置しなければな式が検討されている。しかし、いずれの方式においても、らないが、脱硫・脱硝およびCO2濃縮装置が不要であり、回収に要するエネルギー、コストが大きく、発電効率のまた、大量の燃焼排ガスを煙突から排出する必要も無い

大幅な低下、発電原価の上昇が避けられないため、CO2ため熱損失も少なくできることから、CO2の濃縮回収法の回収を前提とした、発電効率、コストともに優れたCO2に比べ効率、コストとも有利であるとの試算がなされて回収型発電技術の開発も望まれている。ここでは、幾ついる。しかし、酸素製造装置に要するコスト、動力は膨かの試案を紹介する。

大なものであり、酸素とCO2の混合ガスでの燃焼など、これまでのシステムと大きく変わる点も多く、実用化には解決しなければならない課題が多数残されている。

（1）酸素吹き微粉炭火力

CO、回収型火力の代表的なものとして、当研究所や電源開発㈱などが提案している酸素吹き微粉炭火力がある（図3−4−4）。石炭を酸素で燃焼させれば排ガス中に窒素が含まれず、SOx、NOxなど微量ガス以外はCO2と水のみになる。冷却して水を除けば、容易にCO2を回収できる。
また、SOxの液化温度はCO2のそれに近いため、

CO2液化（2）CO2回収型石炭ガス化複合発電システム

CO2濃縮を容易にし、かつ発電効率をも高くするための石炭ガス化複合発電を利用したCO、回収型発電も検討されている。

この方式は図3−4−5に示すように、まずガス化を酸素吹きで行い、生成ガスに水を注入して、一酸化炭素と水か部で脱硫もでき、脱硫装置が不要になる。

ただし、純酸素燃焼では温度が上昇し過ぎるため、燃ら水素とCO2を生成するシフト反応を起こし、水素と焼排ガス（ほとんどがCO2）を希釈のため再循環して燃焼

CO，を主成分とするガスを発生させる。ガス中のCO2濃させる。つまり、空気中のN2をCO2に置換して燃焼させ度は40％と高く、またガス量も燃焼排ガスに比べ少ない

CO2液化装置

空気

集じん器

脱硝装置

ボイラ

排煙脱硫：装置

排煙脱炭装置（a）排煙からCO2を回収する微粉炭火力

空気

02

酸素製遣

高温集じん器ボイラ

C窃液化装置排ガス再循環（b）酸素吹きで排ガスをCO2のみとする

図3−4−4

微粉炭火力におけるCO2回収方式

微粉炭火力からCO，を回収する代表的な方式としては、排ガス中のCO2を排煙脱炭装置で濃縮・回収する方式（a）
か、酸素吹きで燃焼し、排ガスをほぼ純CO、とし、濃縮せずに回収する方式（b）が挙げられる。

電中研レビューNo．30●

71

空気

乾

ガス化炉

乾

式

Wじん器

式

ス

廃熱園収

^ーピン

{イラ

ガ

E硫装置

（a）石炭ガス化複合発電方式

十
空気

酸素構造
装
置

・ガス化炉

乾

式

乾

式

集じん器『 @脱磯装置

H／CO2
分 離

シフト
転 換．

棄

廃熱園牧

タービン

ボイラ

水

co2液化装置（b）CO2回収型石炭ガス化複合発電方式

図3＋5CO2回収型石炭ガス化複合発電システムと通常システムとの比較
CO2回収型方式は通常の石炭ガス化複合発電に比べ、酸素製造装置、シフト転換装置、 H2・
CO2分離装置、 CO2液化装置などが必要となるが、酸素吹きのため、集塵器、脱硝装置がコンパクトにでき、またCO2の分離が容易になるなどの利点を持つ。

ため、CO2の濃縮回収がコンパクトにかつ容易に行える寄与するべく、火力発電所、製鉄所、セメント工場など

方式である。CO、除去後のガスは水素タービンで燃焼さのCO2大規模発生源を想定して、せる。

ための化学的資源化技術の研究開発が電気事業をはじめ

この方式では、CO、の回収が容易になるだけでなく、酸素吹きガス化のため生成ガスの発熱量が高く、ガスタ

ービンで燃焼し易いこと、また、酸素はガス化のみに使うので、酸素吹き微粉炭火力に比べ酸素製造量が少なくできるなどのメリットを持つ。石炭ガス化複合発電自体の発電効率が非常に高いので、本方式の発電効率も酸素
吹き微粉炭火力以上に高くなるとの試算が、米国電力研究所（EPRI）、ユトレヒト大（オランダ）などでなされている。

しかし、いずれも机上の検討であり、実用化には酸素
吹き微粉炭火力以上に課題が多いと思われる。

CO2の有効利用を図る

として産・学・官で進められている。

現在、研究開発中の代表的な化学的資源化の方法と、主な転換物質は①光化学的還元法および（光）電気化学的還元法

一一燃料や原材料になる中落、シュウ酸、メタノー
ル、一酸化炭素など②化学的還元・分解法
一一燃料や原材料になる一酸化炭素、メタン、メタ
ノール、ガソリン、炭素など③高分子合成法

一ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリ尿素などの合成樹脂や繊維

3十3CO2の資源化④有機合成法一医薬品、香料、農薬などに利用される安息香酸、（1）化学的資源化

わが国では、CO2は医薬品、基礎化学、肥料、合成樹脂

カルバミン酸、ラクトン、尿素誘導体など⑤無機化合物合成などの原料として利用されているが、その利用量は他の一医薬品や原材料などに利用される炭酸ソーダ、

化学原料に比べて極めて少ない。そこで地球環境保全に

ハイドロタルサイト、メラノフロジャイドなど

72

いずれの方法もCO2を資源化して利用しようとするものであるが、ほとんどが基礎研究段階にあり、現時点での一様な評価は困難である。

同じ量のCO2を高等植物によって資源化する場合に比べれば、面積は格段に少なくてすむ。

一方、水素細菌とは、水素の酸化により水素のエネル

しかし、技術的完成度が高く、早期の実現が可能な技

ギーを利用して炭酸固定を行う微生物の総称である。こ術を強いて挙げるならば、化学的還元・分解法のうちのの微生物は、高エネルギー物質の水素をエネルギー源と接触水素化法で、特に、エネルギー損失の少ないメタノして生育するため生育速度は速く、十分な水素さえ供給

ール合成が有利になると考えられる。メタノールは安全できれば比較的短時間のうちに大量のCO、を固定できる性、運用性、ハンドリングi生に優れており、接触水素化という利点を持っている。また、太陽光を必要としない

法においては、経済的なメタノール合成法や水素製造法

ので立地上の制約も少ない。しかし、CO2を固定するエなどの技術開発が不可欠であり、また国際的な協力体制

ネルギーとして水素を必要とするため、化石燃料から水が必要になる可能性もあると考えられる。

素を得ている現状では、固定に必要な水素を得るために石炭火力発電所においては、燃焼、感じん、脱硝、脱CO2を放出してしまうというジレンマが生ずる。これを硫などの技術を考慮し、CO、資源化技術の最適化を図っ解決するには、水素を原子力発電あるいは太陽電池で発ていく必要がある。しかし、CO2を単に炭素源として資電した電力で、水を電気分解して得ることが必要となる。

源化しても、利用によってCO2が再放出されては何の意

したがって、水素細菌によるCO、の資源化は、化石燃料

味もなさない。

に依存しない安価な水素生産が可能になった将来におい将来に備えて、炭素資源の有効利用を考慮した総合的なエネルギーシステムなどの構築が重要になってくるものと考えられる。

て、現実味を増すと考えられる。

微細藻類ならびに水素細菌を用いたCO2の資源化法の概要を表3−4−3に示した。微生物を用いた資源化法には大きく分けて二つある。一つは微生物が増殖しながら体（2）生物的資源化

外へ放出する物質を利用する方法（生物機能の利用によ生物を用いたCO2の資源化とは、生物の持つ炭酸同化

る物質生産）であり、もう一つは増殖した微生物の体自の作用によりCO2を吸収固定し、その生物の増殖により体や体から抽出した物質を利用する方法（生物体の生産）

有用物質を生産することである。そしてその有用物質をである。

上手に利用することは、地球温暖化を抑制する効果を生
むことにつながる。

前者の具体例としては微生物が増殖しながら菌体外へ放出するアミノ酸や酢酸などの物質を利用する方法があCO2の資源化の対象となる生物としては、まず炭酸同る。後者としては、微生物自体が高い栄養価を持つこと化速度が早く、生産物は付加価値が高く、また、火力発や多くの有用物質を含むことから、菌体そのものを飼料

電所から排出されるCO2量は多量であることから、大量や食物として、また抽出物を生理活性物質や食品添加物、に利用可能なものである必要がある。

医薬や化学製品原料として利用する方法がある。

こうした条件に適していると考えられるのは、微細藻類ならびに水素細菌と総称される微生物である。

これら微細藻類と水素細菌による資源化法は、CO2固
定産物の多面的な利用法が期待されるため様々な研究が（i）微細藻類と水素細菌の利用進められており、一部企業化されているものもある。し微細藻類とは、水中などに生息する微小な藻の総称で、

かし、火力発電所に由来するCO2の資源化についての研

太陽光のエネルギーを利用した光合成による炭酸固定を究は少なく、企業化されている例はない。

行う微生物である。実際のCO2資源化システムを考えた（ii）微生物飼料の生産

場合、太陽光を得るために広大な土地、面積を必要とす

生物を用いたCO2の資源化において、温暖化抑制に最ることが難点である。しかし、光合成効率は高いため、も効果があると考えられるのは、CO2からの微生物飼料

電中研レビューNo．30●73表3−4−3
生物の種類
微細藻類

CO，資源化のGネルギー源太陽光

微生物を用いたCO2の資源化法の概要

生物の利用形態

生

生物機能の利用による物質生産

・アミノ酸生産

産

物

内

容

・微細藻が光合成によってCO2を取り込みながら成長する際に副産物を藻体外に算出する機能を利用して物質を生産する。

生物体の生産（1）・食品i1）生物体をそのまま利用@・食品添加物◎微生物タンパク質飼料②生物体から有用物

（SCP）

質を抽出

（2）・ビタミン・β一力ロチン（3）生物体の他物質へ・微細藻が光合成によ？てCO2を自己の体に変換
ｵ増殖する。生産物である藻体は，様々な生体成分から構成されるため，多様な用途がある。
微細藻の種類によって生体成分は異なるため，目的にあった微細藻を用いることが必須である。

（食用色素）の変換

・精製タンパク質生産・生理活性物質
・医薬品原料・化学製品原料（3）・燃料（アルコール，重質油への変換）水素細菌

水素（H2）

生物機能の利用による物質生産

・酢酸の生産・水素細菌が水素とCO2から酢酸を生成し，菌体外へ放出する。放出された酢酸を分離して利用する。

生物体の生産（1）◎微生物タンパク質飼料（1）生物体をそのまま

利用

（SCP）

②・精製タンパク質（2）生物体から有用物

質を抽出

・化学製品原料（分解性プラスチック

・水素細菌が水素とCO2から自己の体（菌体）を作り増殖する。菌体そのものを微生物飼料として用いたり，二二に含まれるポリマー（PHB）を生成し生分解性のプラスチック原料として用いた
り，菌体酵素を工業用酵素として用いる。

原料）◎工業用酵素δ◎当所が研究を行っているもの。

の生産である。微細藻類や水素細菌は、タンパク質や脂抑える効果もあると考えられ、森林保護の観点からも温肪の含量が高く、栄養価の高い家畜：飼料として多量に利暖化抑制に寄与できる。

用できる可能性がある。現在、家畜飼料として穀物から以上の観点から当研究所では、CO、の資源化に関して作った配合飼料が多く使われているが、飼料穀物を微生

微生物飼料の生産を目標に研究を進めてきた。火力発電

物飼料で代替することが可能になれば、以下のような観所由ガスはそのCO2濃度がおおよそ10〜15％（乾かスベ

点から、地球温暖化抑制に寄与できると考えられる。

ース）であり、このまま用いた場合では、に分離され飼料穀物の生産は畑で行われるが、その際、土壌中のている微細藻類では死滅するか成長が著しく阻害される。

微生物による肥料の分解や作物残さの堆肥化によってそこで、このような高いCO2濃度の条件でも活発に成長

強力な温室効果ガスである亜酸化窒素（N20）やメタンする微細藻類の検索を試み、クロレラ属の微細藻類を自（CH4）が発生する。一方、微生物飼料の生産では、土壌然界から新たに分離し、現在までにその培養特性や栄養を使わないため、このようなガスは発生しない。すなわ

価などについての基本的知見を集積している。

ち、CO2を使った微生物飼料の生産は、従来の飼料の代
替利用の分だけ温暖化抑制に貢献すると考えられる。

今後は、効率的な大量培養法の確立とCO2固定バイオリアクターの開発を進める予定である（図3−4−6）。水素

当研究所の試算では、1トンCの飼料穀物を微生物飼

細菌についても、成長の速い水素細菌を新たに分離して料で代替すれば、約6トンCのCO2に相当するメタンやおり、培養特性ならびに栄養価に関する知見を集積して亜酸化窒素の放出を抑制することが可能である。このよいる。

うな微生物飼料の生産法は、いわば耕地を必要としない

現在、人類を支える食糧のうち最も重要な穀物の生産

食糧生産法のため、飼料穀物増産のための森林耕地化を

量はおおよそ18億トン乾物であり、そのうち半分近くが74

「一一一；石」；最霧一一一一万一一『一一一一1

撰轄轡
1

1

巨1彗郵＿．盆．餐蓼一＿．一．．」

図3−4−6

火力発電所排ガスによる微生物飼料生産（CO2固定）のイメージ培養のための受光面は海上に求めた。クロレラ培養槽を海上に浮かべ、培養槽に培養液を入れ排ガスを吹き込みながらクロレラを培養し、増殖したクロレラ藻体は収穫・乾燥し微生物飼料に加工する。当研究所で探索したクロレラは高いCO，濃度でも活発に生育する
ため、仮に光合成効率（太陽光エネルギーのクロレラ藻体の化学エネルギーへの変換効率）を3％とした場合、1ha当り30トンC／年のCO2を微生物飼料として資源化できる。

家畜飼料として使われている。これからの人口増加を考

生産は、温暖化抑制への貢献のみならず人口・食糧問題

えると、CO2資源化技術としてのCO、からの微生物飼料にも貢献できるのではないだろうか。

電中研レビューNo．30●753−5

このように、発電所立地をとりまく社会環境は時代と3−5−1環境保全から環境創造へ

ともに変化しており、特に発電所に対する地域ニーズは
従来の「環境保全型」から「環境創造型」へと移行して原子力をはじめ石炭やLNG火力発電所など、最近の発きている。

電所は、発電容量の増大や用地確保の難しさなどの理由から、施設自体が大規模化していくとともに、その立地

3−5−2景観設計

場所は都市部を離れていく傾向が見られる。このため、全国各地の沿岸域の自然風景地からも、発電所の大規模当研究所では、これまでに火力・原子力発電所の建設な構造物が見えるケースが増えており、構造物と周辺景が周辺景観に与える影響を事前に予測・評価する景観ア

観との調和に対して十分に配慮することが求められていセスメント手法を開発しているが、前述した社会情勢にる。

対応するため、これをベースに、望ましい地域景観を創一方、人々の生活環境に対するニーズは「安全で健康造する上で効果のある発電所の景観設計手法を開発した。

な環境」から「快適な環境」へと変化してきており、人々

具体的には、電力施設の周辺景観へのマイナス影響をはゆとりと豊かさに満ちた生活を求めている。このため、軽減することを主眼とした景観対策を見直し、地域環境

地域住民は地元に立地する発電所に対しても、従来の「目に対してプラスの効果を与える発電所の景観設計を明ら立たなくする」や「周辺景観と調和させる」などといっかにした。

た景観対策から、地域イメージの向上に寄与し得る地域

景観設計手法の開発にあたっては、まず石炭火力発電のシンボルとして活用したいという要望が高まってきて所の主要施設であるボイラー建屋、タービン建屋、煙突、いる。

貯炭場などを対象に、施設デザインや色彩計画、緑化な

また、1992年6月に国の電気事業審議会需給部会ではどに係わる40数種の景観設計案を考案した。これらの設

今後の電源地域振興のあり方について、発電所の有する計案に対する評価を計量心理学的実験により抽出し、評諸資源を積極的に活用することによって地域と発電所と価と個々の景観設計手法との定量的な関係を明らかにしの共生を図っていくこと、すなわち地域共生型発電所のた。さらに、それらの関係にもとづいて発電所の景観設実現が重要であると指摘している。この具体的なイメー計手法を提案するとともに、実際の石炭火力発電所を対

ジは、地域の産業振興や生活環境の充実に発電所の敷地

象にケース・スタディを行い、景観設計の有効性を実証

や施設、熱、人、情報などを活用していこうというものした。

であり、生活環境面に関しては「地域環境に調和した発

主な結果は、つぎのとおりである。

電所デザイン」や「敷地を活用した地元開放型公園、ス①

ポーツ施設」などが挙げられている。

76

発電所施設の外部形態デザインや色彩に関する景観評価について、「明美感」「格調感」「爽快感」「重図3−5−1

図3−5辺

現状の石炭火力発電所

石炭火力発電所の景観設計例

電中研レビューNo．30●77

③

明美

十5

実際の発電所を対象に景観設計手法を適用し、「明美」で「格調」のある発電所など約20数種の地域イ
メージ効果の高い発電所をデザインするとともに、

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その効果を定量的に明らかにした（図3−5−1、図3−5−2、図3−5−3参照）。

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また、当研究所では景観以外の観点からも、発電所立

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一つには、立地地域の特性やニーズに応じて、発電所環，、、境施設である公園やスポーツ施設などを、地元開放施設

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として活用する方策を提案している。この他にも、技術一一。一一 ﾝ計前十5
爽快

図3−5−3

地地域の環境向上に寄与する方策について検討している。

設計後

景観設計前後の評価の違い的側面から海浜造成技術や藻場造成技術、海域環境改善技術などについても研究開発を行っている。

今後は、こうした計画・設計手法や環境創造技術の実用化を図るとともに、地域の総合計画や環境計画と整合

厚感」の4つのイメージ軸を抽出した。

②これらの4つの評価軸と個々の景観設計との関連性を明らかにし、地域イメージの向上・創造に寄与する景観設計手法を提案した。

78のとれた導入方法を総合的なシステムとして捉えて検討していくことが重要であり、これらの研究開発を通じて
地域共生型発電所を実現していくことが望まれる。

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第4章石炭を使いやすくする●目次
狛江研究所
横須賀研究所4−1

石炭の流体化技術

4−2

石炭からの新燃料製造技術

大山

大気物理部

環境化学グループ

主査研究員

大山

聖一

エネルギー化学部

燃料化学グループ

主任研究員

小野

哲夫

プラント化学グループ

主任研究員

福沢

久

………・…・……・………………・…………………・・…………………………………………………81

聖一…………・…・…・…・………・……・………………・……………・……・…・・……………・…83（1986年入所）

接触燃焼、メタノール液相合成等触媒を利用したエネルギー関連技術の研究に携わってきた。現在、より高効率gメタノール合成技術の開発を目標に研究を行っている。

小野 哲夫
福沢
久

80

43ページに記載
43ページに記載

4−1

石炭の流体化技術は、固体である石炭をスラリー状の1・2号機をCOM転換することにした。このCOM転換

疑似流体として利用しようとするものであり、ガス化やの決定にともなって、1981年4月に東京電力㈱、電源開液化のように流体燃料に改質するものではない。

発㈱および東北電力㈱など7社で日本COM株式会社がこの技術には、スラリー化に用いる流体などによって設立され、1984年11月から年間90万トンの商業生産が開始された。製造されたCOMは、いわき市小名浜からCOM

次のような種類がある。

①石炭・油混合燃料（COM）

船によって横須賀火力に運ばれ、COM転換された同ボ②石炭・水スラリ（CWM）

イラの燃料として今日まで順調に運転されている。

③石炭・メタノールスラリ（CMM）④石炭・タールスラリ（TCM）

4−1−E石炭・水スラリ（OWM）⑤溶剤精製炭・油スラリ（SOM）
この他にも液体CO2・石炭スラリなども検討されていCWMはCOMに比較してより一層の脱石油となるたるが、現在、既に実用化の域にきているものはCOMおよ

め、オイルショック後注目され、各国が研究開発に着手

びCWMである。

した。

その特徴は濃度にあり、輸送を主目的にした従来型の

4−1−1

石炭・油混合燃料（00M）

石炭・水スラリは濃度50％がほぼ限界であった。これに対してCWMと呼ばれているものは、石炭粒子の粒径分
COMは、！930年代には戦艦用の新燃料として検討され布を調整して濃度70％と高濃度化して、しかも流動性をたこともあるが、オイルショック以降米国において発電持たせたものである。これによりパイプ輸送はもとより、所に試験的に導入された。わが国では、同時期に電源開脱水せずにそのまま燃焼させることができるようになっ発㈱がメーカと共に、既設油焚きボイラの転換燃料と位た。

この特徴により、産炭国から一貫した流体輸送が可能

置付けて開発された。

その製造法は、重油50％、石炭50％に界面活性剤0．1になり、ハンドリングも一点係留ブイにより沖積み、沖〜0．2％を添加し、これを重油で粉砕・分散させる方式で、取りなど石油並みの設備での取扱いが可能になった。こ

2カ月程度のタンク貯蔵後も支障なく取出せる流動性がのように取扱いの煩雑性が解消されるとともに、炭じん確保された。これらの検討は、同社竹原火力発電所1号

飛散や自然発火、さらに騒音などの問題も解消された。

COM製造容器10トン／h、タンク

CWM製造は、乾式で粉砕した微粉炭を界面活性剤を

貯蔵容量980♂、バーナ容量4トン／h×2本によって実施

添加した水と混練してCWM化する乾式法と、石炭を界された。

面活性剤を添加した水とともに湿式ミルに入れて湿式粉機（250MW）を用いて、この結果を受けて、東京電力㈱は横須賀火力発電所

砕してCWM化する湿式法がある。前者は粉砕コストが

電中研レビューNo．30●81表4−1−1商業化プロ
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船舶（5千t）

国

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500〜1000（引引島）

Gunneda秦皇島

全量輸出予定船舶（5〜35千t）

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ボイラ（50MW）

トーメン
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電源開発

安価であるが、石炭に撲水性があることからCWM化がジェットポンプにこの作業を受けもたせるよう技術開発

難しいという欠点がある。一方、後者は粉砕コストが高した。これにより石炭の揆水性を打破し、極く短時問にくなるが、CWM化は比較的容易である。

微粉炭をCWM化することが可能となった。また、この方

このことから、現在実用化されているCWM製造は湿法で製造したCWMの性状は、従来の湿式製造による式法によっている。国内では、日本COM㈱が常磐共同火

CWMの性状と同等であることを、試作した基礎試験装力㈱の勿来発電所に年間7万トン供給しており、複数の置の製造実験にて確認した。

バーナのうちの一部のバーナでCOMを利用している。

この乾式法の経済性評価を行ったところ、設備費は湿

さらに、日本COM㈱は1993年6月には年間50万トンの設式法の約60％減、運転費は5％減となった。この乾式製備を完成させる予定になっている。

造法は、このように大幅なコスト低減が可能となる他、一方、国外では、シベリアパイプラインプロジェクト

設備がコンパクト化されることからスケールアップが容や中国におけるプロジェクトがある。中国でのプロジェ

易になり、大容量製造システムに向いていると考えられ

クトは表4−1−1に示すように日本との係わりがあり、1992

る。

年3月には中国産CWMの第1船が日本に到着しており、
主に産業用として利用されている。

このため、本乾式製造法の実用化を図るべく、その隆路となる粒径調整のための超微粒子（3μm以下）を容易

このような湿式法による商業生産が進められる中、当に得る方策を開発中であり、この開発を待って次世代の研究所は製造コスト低減の観点から、乾式法の確立を検CWM製造法として、システムを確立していきたいと考討してきた。馬乾式法は、前述のように石炭が携水性をもえている。

っていることから微粉炭と水との混練が難しいが、混気

82

4−2

石炭をより高度に利用するために、石炭変換クリーンな分野で利用されているばかりでなく、将来的には燃料

燃料製造技術の研究開発が内外で進められている。代表

電池の燃料や石炭液化用としての利用が大きく期待され的な変換技術を分類すると次のように大別される。

ている。

①ガス化（低・中・高カロリーガス化）→一・酸化炭
素、水素

石炭から水素を製造するには、次式に示すように、石炭を水素と一酸化炭素に分解するガス化反応と、石炭ガ②液化（直接・間接液化）→ガソリン、ナフサなど

ス中の一酸化炭素を水蒸気によって水素と二酸化炭素に③乾留（低温・高温乾留）→メタン、水素、コーク

変成するシフト反応を利用することになる。ガス中に残ス
石炭から変換された気体、液体および固体は、発電用、存する二酸化炭素や不純物の硫黄化合物（H2S、COS）を除去することで、より高純度の水素が得られる。

産業用、民生用の燃料などとして有用な資源である。現在、ガス化技術については電気事業、石炭利用総合セン

CHmOn（石炭）＋02→H2，CO，CO2（ガス化反応）ター、新エネルギー・産業技術総合開発機構i（NEDO）

が、液化技術については渥青炭および褐炭を対象に（シフト反応）

CO十H20→H2十CO2NEDOが、乾留技術については製鉄業が、それぞれ中心になって従来技術の改良や新技術の開発を進めている。

代表的な石炭ガス化プロセスとして、固定床式、流動また、石炭の合成ガス化とその液体燃料化についての幅

床式、噴流床式などがあり、それぞれについて酸素吹き

広い基礎研究が大学を中心に行われている。

と空気吹きがある。石炭からの水素製造では、石炭処理

ここでは、液化技術および乾留技術については割愛し、速度が速く、石炭ガス中の水素濃度が高く、ガス化圧力

石炭からの新燃料製造の代表例として、石炭ガス水素製が高いことが望ましいことから、前記の石炭ガス化プロ

造技術および石炭ガス化メタノール製造技術について紹セスの中では酸素吹き噴流床式が適していると考えられ

介する。

る。

わが国では既に、宇部アンモニア工業がテキサコプロ

4−E−1水素製造

セスを採用し、石炭を原料にしてアンモニア製造用の水素を製造している例がある。

従来、水素は天然ガス、LPG、ナフサなどの水蒸気改

図4−2−1に示すように、NEDO／石炭利用水素製造技術

質などによって製造されているが、世界中に豊富に賦存研究組合（HYCOL）においては、新しい水素製造用の石する石炭を原料とする水素製造技術の研究開発が進めら

炭ガス化プロセスとして石炭の乾式供給、酸素吹き一室れている。

二段旋回流式ガス化炉からなるHYCOLプロセスの開発

水素は、化学工業や石油精製などの原材料として広範が進められている。このプロセスの眼目はガス化効率と電中研レビューNo．30●83

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図4−2−1石炭利用水素製造パイロットプラントフローシー・卜（HYCOL）
石炭の前処理、ガス化、水洗浄、生成ガス焼却の5工程で構成されている。石炭を微粉炭気流搬送で1室2段旋回流方式のガス化炉へ供給し、1，500〜1，800℃、10〜30kg／cm2Gでガス化する。石炭処理量は20〜50t／日である。

熱効率の向上にある。

発が進められている石炭ガス化複合発電にメタノール製

また最近、石炭を水添ガス化して生成するメタンを水

造工程を付加することで、電力需要オフピーク時のガス

素と炭素に分解し、炭素をカーボンブラックとして除去

化炉の負荷平準化手段にもなり得ると期待されている。

するという水素製造法が提案されており、今後の研究開

メタノールは一酸化炭素と水素から、次の反応によっ発動向が注目されている。

4−2−4

メタノール製造

メタノールは、輸送、発電、民生の各分野での活用が期待されているが、メタノール自動車などで一部利用さて合成される。

CO十2H2→CH30H
すなわち、一酸化炭素と水素の混合ガスが絶ちれる化石燃料資源であれば原料として利用できる。

れているに過ぎない。しかし、近い将来の発電用燃料と

現在、メタノールはそのほとんどが天然ガスから製造して有望視されており、燃料電池発電およびガスタービ

されており、石炭を原料とするメタノールプラントは世ン（直接燃焼型及び改質燃焼型）発電への導入が検討さ

界の製造設備容量の1％を占めるに過ぎない。しかし、れている。また、LNGや都市ガスなどが入手しにくい地

将来的にはその資源量、供給安定性から原料は天然ガス

域におけるクリーンかつ高効率利用が可能な発電用燃料から石炭へと推移していくだろう。

としても期待されている。

石炭からメタノールを製造するには、図4−2−2に概略

従来、メタノールは天然ガスなどの水蒸気改質反応に工程を例示するように、石炭をガス化して一酸化炭素とよって得られるガスから製造されているが、石炭の高度

水素の混合ガスに転換し、ガス精製、ガス組成調整の後利用の観点から、石炭を原料とするメタノール製造は、にメタノール合成を行う。石炭ガスには灰分、硫黄分、

将来有望な一技術になると考えられる。さらに、現在開窒素分、タールなどの不純物が多量に含まれるため、下84

一部バイパス

COS変成

酸素、水蒸気

リサイクル

スクラバー

石炭

石炭聰製

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メタノール合成
メタノールの精製
ガス組成比調整・精製（物理精製）

図4−2−2石炭原料メタノール製造プロセスエ程図

流のメタノール合成触媒の劣化を招かないよう、高度なル製造技術として期待されている。

ガス精製技術が要求される。また、石炭ガスには一酸化この液相合成法については、大別して液相懸濁床プロ炭素が多く含まれるため、水素濃度を高めてメタノール

セス（銅一膳鉛系酸化物触媒使用）と低温液相プロセス合成に適したガス組成に調整する必要がある。

（遷移金属系液相触媒使用）とが提案されている。特にこのように高効率なメタノール製造を実現するには、

アメリカのブルックヘヴン国立研究所が提案する低温液

石炭ガスの高度精製技術とともに新しいメタノール合成

相プロセスは、これまでのメタノール製造技術とは異な技術の開発が課題となろう。従来、メタノール製造におる新しい技術であり、プラントの大型化と製造コストのける課題はメタノール合成に伴う反応熱をいかに効率的低減が期待されている。

に除去するかということであり、これを克服する方法と当研究所ではこの低温液相プロセスに着目し、その触して気相流動法、液相合成法が提案されている。このう

媒活性および反応特性を国内で初めて明らかにするととち液相合成法は、既存の気相合成法に比べ、熱容量の大もに、取扱いがより容易な触媒の開発を目指して研究をきな溶媒により反応熱の除去が容易であり、しかも転化進めている。

率を向上できる可能性があることから、将来のメタノー

電中研レビューNo．30●85

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第5章

石炭利用を地球規模で考える●目

横須賀研究所

発電システム部長

浜松

次
照秀

5−1

21世紀の石炭需給と国際協力

・●●●・●●●●●・・。・・。・●。。●。・●・●●●●．●●●●●●●●・●．・。。。●●。●●。。●。●●・●●○・．。●．●●．．●。●。。●●．●●●・●．。．．．。●。●．．．．●●・。．。●●．●

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石炭利用発電における新技術●●・．・。。●。●●．●●・・●●●●●●●●●●●・●・●・●・●●●●。●。・●●●。●●。●●。・●の・．・・●・●●●・●●●●●。●．・●●・・●●。・●。。・・。・・。．●。。●・。●・。。・・。

X1

浜松

照秀

（1970年入所）

発電所温排水対策、蒸気貯蔵発電、石炭ガス化技術など火力、原子力発電に関する熱力学、伝熱工学の面からの研究を行ってきた。
現在、石炭ガス化複合発電をはじめ、火力発
電新技術全般の研究推進の業務を担当してい
る。

88

5−1

今日の入類の繁栄と生活の便益をもたらした化石燃料
は、依然として中長期的にエネルギーの安定供給力の要り適用炭の範囲が拡大され、21世紀には製鉄での一般炭利用が予想以上とも言われている。

である。しかし、枯渇が近いとされる石油、天然ガス資

一方、わが国の石炭需給を左右するアジア太平洋地域

源に対し、400年はあるとされる石炭やその他の燃料は、について、中国、インドネシア、オーストラリア、米国

その性状が大きな変化幅をもつ。

などの石炭産出国の産炭事情、ならびにその他も含めた

再度の石炭の本格活用時代を迎えるにあたり、中長期

アジア諸国の経済成長を注視しなければならない。

的な石炭の需給、石炭産出国、途上国との国際協力など

10億トン／年もの石炭を生産・消費する中国は、21世紀を視点においた検討も必要である。21世紀に向けた石炭

首には17億トン／年以上を必要ともされている。巨大人需給の展望については、総合エネルギー調査会石炭部会

口を支えるこの他のアジア地域開発途上国の経済成長での検討が進められつつあり、近い将来政策レベルでの（年率7〜8％）は著しく、産炭地でもあるインドネシ

方向性も打ち出されると予想される。

ア、インド等も国内需要優先化の傾向にあり、石炭需要圧力へ向く。また、オーストラリア、米国など先進国三5−1−1石炭の需給について

炭事情については、今後の生産・輸出の経済的インフラ
整備が不十分期待できるほどでもなく、需給は2000年で1989年の世界エネルギー会議における世界の石炭可採

厳しいとも思われている。以上の各方面の事情から、埋蔵量は1兆3，000億トンであり1石油に換算すれば石2010年以降になると低硫黄、低灰分、低水分の高品位炭

油可採埋蔵量の6．7倍に相当する。現在世界の石炭生産の需給はタイトになり、高硫黄、高灰分の涯青炭、亜澄

量は約35億トンであるが、年間輸出入市場規模は4億ト

青炭・褐炭等の低品位炭の使用を迫られる可能性が強い。

ンにすぎず、消費構造は自国消費型となっている。

わが国は石炭利用拡大を基本施策の1つとして、輸入

5−1−E

国際協力の視点

量（約1億トン／年＝世界輸出入市場の26％）は増加の一途をたどっており、世界一の輸入国となっている。この石炭利用の拡大がもたらす地球規模の大気汚染に対応

うち燃料用一三炭は約3，500万が輸入されている。発電する途上国との関わり、石炭の需給や低品位炭活用によ用一般炭は硫黄分1％以下、灰分10％以下、水分10％以る産炭地との関わり、といった視点が、来る第2の石炭下の高品位な涯青炭を用いており、今後21世紀央にかけ、時代に不可欠となってきている。

3〜5倍必要になる（「21世紀に向けた火力発電技術の研たとえば中国では、1930年代に製造された発電プラン

究ビジョン」電中研1993−3）。当面は高効率な新型火力発

トが未だに稼動しているとも言われている。近代的排煙電技術もこの高品位涯青炭が使われる。さらに原料炭に処理設備を備えた石炭火カプラントは唯1台といった中

ついては、製鉄における溶融還元法などの技術進歩によ

国は、今後の著しい経済成長を支えるための電力は概ね

電中研レビューNo．30●89

石炭にたよる情勢にある。稼動中の中小規模石炭火力の技術や、わが国へ輸送する技術、あるいはわが国でクリ

排煙処理対策のためには、ボイラ炉内脱硫あるいは煙道ーンかつ高効率で利用する技術の開発とその条件整備が簡易脱硫技術の開発・普及援助などの国際協力が必要で、必要となろう。そのためには先ず、多様な低品位炭の利

その努力もなされつつあるが、緊急かつ効果的な方策が用技術体系の評価研究、基礎研究、技術開発が不可欠で望まれている。

あり、これら各種研究の石炭産出国との国際協力による

一方、低品位石炭の利用のためには、多様な性状をもつ低品位炭を、産炭地で高品位なものに転換・改質する

90

推進が効果的と考えられる。

5−2

石炭は21世紀の電力需要増に対応できる重要なエネル

ン（GT）単筒型燃焼器で直接石炭を燃焼させる究極（？）

ギー資源であり、硫：黄分、窒素分の含有量、CO2発生量原の複合発電であり、高品位炭ですら、すでに多様な技術単位が大きいという逆風にもかかわらず、供給力の確保に分かれている。

の要である。また、燃料性状も品位の高いものから低い

また、低品位炭については、高品位化のための脱灰

ものまで千差万別である。

（含、超脱灰）、脱硫の技術、石炭ガスによるメタノール

前節で述べたように21世紀初頭には低品位炭、天然重生産、高品位化したものをCWMとして流体化するなど、質油の利用が求められる。各品位の石炭とこれを高度に石炭利用チェーン、燃料体系は多様なものがあり、在来利用する新型発電方式との関係や燃料の流れの画面を図の概念にとらわれない挑戦的な基礎・基盤研究の実施と5−2−1に示す。

ともに、主要な候補についてフィジビリティ・スタディ

同図中の高品位炭利用については、第2章で述べたよ
うに、既存の微粉炭火力発電から、2000年実用化目標のを重ね、魅力のあるものの開発・実用化を図る必要がある。

石炭ガス化ガスタービン複合発電、さらにはガスタービ

微粉炭汽力発電
高品位炭

微粉炭USC汽力発電
高性能沿CC

ぴCOM・CWM
iGCC（GT）発電

lG−MCFC、@S◎FC
トッピングPFBCPεBC複合発電

ガス化・水素

直接燃焼GT複合髭電
高品位炭

脱灰・脱硫
低品位炭・重質油等

PFBC複合発電

メタノール改質GT発電
e種燃料電池発電

ガス化。メタノール合成@PAFC、@S◎F

ガス化・水素Rジェネレーション
幽D力発電

オリマルジョン

MCFC、

C

ガス化複合発電

図5−2−121世紀の石炭利用発電新技術

電中研レビューNo．30●91

お

わ
理事

に

り
横須賀研究所長

宮岡貞隆

地球温暖化など厳しい環境問題の中で、石炭をいかにクリーンにかつ効率的に使っていくかということが、21世紀へ向けて、わが国のみならず世界人類の大きな命題の一つであります。

石炭は、埋蔵量の豊富さ、供給の安定性、優れた経済性等数多くの利点を有しており、原子力に次ぐエネルギ

ー資源として21世紀のエネルギー供給に重要な役割を担うものと期待されています。しかし、環境汚染物質の排出量の多い石炭の利用に際しては、より地球環境に調和した技術開発が重要となっております。
本レビューは、「環境に優しい石炭利用技術」として、地球環境に調和した石炭利用技術の現状と将来動向について、当所の研究開発を中心に、内外の研究をも含めて紹介したものであります。

21世紀に向けてさらなる石炭利用の拡大を図っていくためには、既存技術の不断の改良と、新しい技術開発の徹底した追求以外にはなく、当研究所も、今後とも石炭利用技術の開発にさらに力を入れて取り組む覚悟である。関係各位のご指導とこ鞭捲を心からお願いする次第である。

92

関連する主な研究報告書等●葉一1〜4●
1．「GREEN

COAL」Vol．1〜12（1991．5〜1992．4）東京電力燃料部燃料計画課

2．「石炭エネルギーと環境問題」富永博夫エネルギー・資源、Vo1．11，
3．「徹底検証

エネルギー問題藷ニュートンVol．12，No。9，No．2，97〜100（1990）

pp．60−80（1992）●2−1●
1．「石炭火力燃焼技術の高度化に関する研究現状」昭和62年度電力中央研究所研究発表会一火力部門一予稿集（1987）
2．「石炭火力技術の高度化に関する調査（その2）」電中研調査報告：W870034（1988）
3．「微粉炭ワイドレンジバーナの開発（その1）、（その2）」電中研研究報告：W8800（1988）、

W88032（1989）

4．F微粉炭火力の運用性改善燃焼技術の開発状況」日本機械学会動力エネルギー技術シンポジウム予稿集（1989）

5．「石炭火力の新燃焼技術の現状と展望3平成元年度電力中央研究所研究発表一二力部門一予稿集（1989）

6．「石炭火力の極低負荷運用のためのワイドレンジバーナの開発」平成2年度電力中央研究所研究発表会一火力部門一予稿集（1990）

7．「石炭火力の極低負荷運用のためのワイドレンジバーナの開発」平成2年度JFRC年次大会予稿集（1990）
8．「差圧式粉体流量計のボイラ微粉炭計測への適用」化学工学第23回秋期大会予稿集（1990）
9．「微粉炭バーナの安定燃焼範囲の検討」第28回日本燃焼シンポジウム予稿集（1990）

10．「微粉炭バーナにおける燃焼安定性に及ぼす微粉炭噴出位置の影響」第28回日本燃焼シンポジウム予稿集（1990）
11．「微粉炭濃度・粒度自動監視装置の開発」電中研研究報告：WglO13（1991）
12．「1）evdopment

o￡the

Wide

Range

Bumer」Pittsdurgh

Coal

Conference

Proccedinge（1991）

13．「多段分級法による粒度自動監視装置の開発』化学工学米沢大会予稿集（1991）

14．「石炭火力の運用性を改善するワイドレンジバーナの開発」平成3年度火力原子力発電大会予稿集（1992）
15．「微粉炭濃度・粒度自動監視装置の開発」火力原子力発電技術協会第19回新技術発表会概要集（1992）

16．「EPRIにおける流動床燃焼ボイラのプ日ジェクト研究の概要」電中研調査報告：A82001（1982）
唾7．「石炭加圧流動床燃焼複合発電プラントの評価」電中研調査報告二A82003（1982）

18．「加圧流動床ボイラ石炭火力発電技術の開発の現状と展望」電中研調査報告：W89053（1990＞●2−2●
1．「2T／D加圧二段噴流床石炭ガス化炉特性」電中研研究報告：W88018、
2．「石炭ガス化炉内の混合流動特性凄電中研

W88019（1989）、

W89042（1990）

研究報告：285015、285080（1986）

3．「加圧二段噴流床石炭ガス化炉におけるNH3生成特性」電中研研究報告：W89043（1990）
4．「噴流床石炭ガス平炉炉内スラグコーティング予測手法の開発」電中研研究報告：W9003（1990）
5．「フラックス添加による高三門点炭の高性能ガス化技術の開発」電中研研究報告：W89027（1990）、
6．「三炭による高灰融点炭の高性能ガス化技術の開発」電中研研究報告：W90017（1991）、

W90022、

W91012（1991）

WglO43（1992）

7．「石炭ガス丁田のインゼクタ方式による新型チャー回収技術の開発」電中研研究報告：W90044（1991）、

W91036（1992）

8．「石炭ガス化複合発電の性能評価手法とガス化炉基本特性」火力原子力発電、Vo1．40−9（1989）

9．「加圧二段噴流床石炭ガス化炉の開発」日本機械学会論文集57巻535号（1991）
10．「Development

2nd

of

JSME−KSME

technology

therrnal

tomeasureengineering

the

coal

ash

fusio魏temperature三n

the

ra魏ge

of

ultra−hightemperature」

co設ference（1992）

電中研レビューNo．30●93

11．「石炭ガス化用ポーラスフィルタの高圧逆洗」電中研研究報告：W88035（1989＞、

W89007（1989）

12．「石炭ガス化用ポーラスフィルタの燃焼再生」電中研研究報告：W89031（1990）
13，「ポーラスセラミックフィルタの耐久性評価手法に関する考察」エアロゾル研究、VoL5，

No．2（1990）

14．「石炭ガス化用ポーラスフィルタ集塵装置の大型化のための適正なフィルタサイズの選定」電中研研究報告：W90031（1991）
15．「石炭ガス化用乾式脱硫剤の長期信頼性
董6．「石炭ガス化ガス用乾式脱硫剤の開発

η．「固定床脱硫システムの評価

一脱硫性能低下因子の総合評価」電中研総合報告：W89040（1990）
一Fe203粒状脱硫剤のH：2S吸収特性」燃料協会誌VoL69，

No．6（1990）

一シミュレーションプログラムの開発」電中研研究報告：W91015（1gg1）

肇8。「石炭ガス化複合発電用固定床クリーンアップシステムの開発」火力原子力発電：No．425，

Vo1．43（1992）

19．「石炭ガス化用ガスタービン燃焼器の開発（第1報）〜（第9報）」電中研研究報告W87035（1988）、
W89010（1989）、

W89014（！989）、

W89017（！989）、

W90005（1990）、

W90011（1990）、

W91004（1991）、

W87036（1988）、

W91011（199！）

20．「低力日リーガス燃焼に関する研究（そのD〜（その5）」電中研研究報告285041（1986）、285068（1986）、W86034（！987）、
W87030（！988）、

W88028（1989）

21．「石炭ガス化燃料の燃焼反応解析（第1報）〜（第3報）」電中研研究報告W88008（1988）、

W89026（！990）、

22．「石炭ガス化燃料中のアンモニア除去に関する研究（第1報）〜（第3報）」電中研研究報告W88006（1989）、

W92010（1992）

W88013（1988）、

W9！049（1992）

23．「噴流床石炭ガス化複合発電用ガスタービン要素実験設備」電中研研究報告W87019（1987）
24．「石炭ガス化用ガスタービン燃焼器におけるライナ二二の予測手法（第1報）」電中研研究報告W88001（1988）
25．「ガスタービン燃焼器の数値シミュレーション（第書報）」電中研研究報告W91001（1991）
26．「火原協会講座

火力発電所の環境保全技術・設備」火力原子力発電技術協会（1991）●3−1●
1，「微粉炭燃焼に伴うサブミクロンばいじんの性状と防除対策」電中研総合報告：WO2（1987）
2．

「燃料転換とSOx・NOx対策技術」安藤淳平著プロジェクトニュース社（1983）3．

「微粉炭燃焼に伴うNOx・灰中未燃分同時低減燃焼技の開発（その1）（その4）（その6）」電中研研究報告W88010（1988）、
W89006（1989）、

4．

W91010（1991）「石炭の生物加工一1一、一2一、一4一、一5一」電中研研究報告U89032（1989）、

U89042（1989）、UglOlO（1991）、

U92001（1992）
5．

「石炭をクリーンにする

一微生物のはたらき脱硫一電中研ニュースNo．225（1992）

6．

「微生物を使い石炭中の硫黄分を取り除く？」エネルギーフォーラム9月号p．116（1991）

7．

「微生物による石炭の脱硫」石炭利用技術i青報6月号pp．7〜10（199！）

8．

「微生物を応用した浮遊選炭による石炭の脱硫」石炭利用技術i青報10月号pp，！！〜13（！992）

9．

「微生物による石炭の脱硫」発酵工学会誌第70巻第4号p．314（1992）

讐0．

「微生物による石炭の脱硫」バイオインダストリー第9巻第2号pp．108〜116（1992）

11。

「微生物による石炭の脱硫」石炭利用技術会議要旨集（1991）

12．「微生物による石炭からの黄鉄鉱硫黄の脱硫」資源と素材学会秋季大会分科研究会資料N資源処理におけるバイオテクノロジ
一

pp．5〜8（1992）

13．「石炭中の無機硫黄を除去する細菌の分離」農…芸化学会91年度大会講演要旨集p．329（1991＞

14∫微生物を用いた石炭中の無機硫黄の脱硫」農芸化学会92年度大会講演要旨集p．267（1992）
15．「Mechanism

94ofmicrobialf韮otationusi魏g

7伽。∂αoガ〃％sノ乙7700短磁ηsforpyr韮tesuppressio魏」Biotech盤。正ogy＆

Bioengineering

41巻

pp．671〜676（1993）●3−2●
1．「土質工学ハンドブック第21章

土工設計」土質工学会

2．「アスファルト舗装要項」道路協会編

3．「石炭灰を利用した道路路盤材の実用化研究」中部電力電力技術研究所パンフレット
4．「第9回国際石炭灰シンポジウム」アメリカ石炭灰協会（1991）オーランド

5．「石炭灰の有効利用に関するシンポジウム」中国石炭協会など（199D上海
6．「石炭灰埋立地盤の物理的・力学的特性

一締固めによる強度増加特性一」電中研研究報告UglO25（1991）

7．F電力中央研究所所内資料」片岡哲之
8．「フライアッシュの不拡散高密度埋立・盛立システム設計施工マニュアル（案L電源開発株式会社石炭技術研究所（1988）

9．「石炭灰を利用した新複合セメントの開発」電中研総合報告U13（1988）
10．「新複合セメントコンクリートの耐久性とローラーコンパクテッド魏ンクリートへの適用性」電中研研究報告U91065（1992）
11．「肥料要覧」農林水産省肥料機械課監修（1992）

12．「石炭灰ハンドブック」環境技術協会、日本フライアッシュ協会編（1990）
13．「土肥誌」58（3）378−380逸見彰男（1987）

14．「けい酸加里の特徴と肥効」珪酸カリ研究会・全農肥料農薬部監修（1978）
15．「焼成温度の異なるけい酸加里肥料の溶解性と肥効」電中研報告：U86030（1987）
16．「けい酸加里肥料の溶解性とその肥効」土肥誌、59（5）：445−451青木正則ほか（1988）

17．「石炭灰を利用した肥料の開発研究3農業電化、44（4）二8−13（199D青木正則

18．「石炭灰化成肥料の開発とその肥効」電中研研究報告U92026（1993）
19．「石炭灰の農業への利用」産業公害Vol．28，

No．12（1992）青木正則ほか●3−3●
1．「石炭の低温酸化による発熱量低下に関する研究

一貯炭層内における低温酸化一燃料協会誌Vd．52，

No。549（1973）

2．

「海外炭の自然発火特性（1）一試験パイルにおける温度上昇と自然発火一」火力原子力発電Vd．33，

No．3（ユ982）

3．

ド海外炭の自然発火特性（2）一自然発火過程と防止対策一」火力原子力発電Vol．33，

4．

「海外炭の自然発火特性」電中研総合報告：213

5．

「石炭自然発火予知システムの開発（その1）〜（その4）」電中研研究報告：280048（1981）、281061（1982）、283084（1984）、No．4（！982）

283088（1984）
6．

「Development
SienceofSponlaneous

Combustion

War獄ing

Systemfor

Coal

Stockpiles」International

Conference

on

Coal

（1989）

7．

「揚貯炭施設からの炭じん飛散に関する検討」電中研研究報告：281060（1982）8．

「揚貯運炭施設からの炭じん飛散量予測手法の開発」電中研研究報告：T89025（1990）●3−4●
1．「二酸化炭素の資源化利用技術の調査」電中研調査報告W90029（1991）
2．「地球温暖化に挑む」電中研レビューNo．28（1992．4）

3．「地球温暖化の防止技術

一CO，回収・処理技術を考える」季刊エネルギー総合工学Vol．14，

No．3（／991）

4．「新エネルギー技術によるCO2利用」ケミカル・エンジニヤリング（1992。4）
5．「資源エネルギー技術研究の動向」ケミカル・エンジニヤリング（1992。4）

電中研レビューNo．30●95

6．「地球温暖化ハンドブック」小宮山宏監修、アイピーシー（1990）

7．「二酸化炭素回収のための火力発電システムの検討（第2報）」電中研研究報告
8．「微生物によるCO2固定（1）、（2）」電中研研究報告U90020（1990）、

W89044（1990）

U92014（1992）●3−5●
屡．「発電所の景観設計手法

一景観対策の効果と海岸イメージー」電中研研究報告

583017（1984）

2．「電力施設の環境設計」電中研研究報告585008（1986）
3．「発電所の景観設計手法」電力経済研究No，19（1985）●4一璽●
1．「高濃度石炭水スラリーの発電への利用」火力原子力発電Vo1．38，

No．1（1987）

2．「混気ジェットポンプによるCWM乾式製造法の検討」電中研研究報告：W87038（！988）3。「高濃度石炭・水スラリー（CWM）の乾式製造法の検討」電中研研究報告：W88015（1989）

4．「CWM乾式製造法の検討

一試作試験装置による製造とCWM性状一」電中研研究報告：W91047（1992）●4−2●
1．「石炭利用水素製造」ENERGY（1988−9）
2．「Abstractof

19891烈temational

Co魏fere烈ceon

Coa霊Scie烈ce（IEA）Tokyo」（1989）

3．「石炭を原料とするメタノール製造技術の調査」電中研調査報告TglO94（1992）
4．「Low

Te茎npera加reContractions

MethanolConferenceon

Sy鈍thesis

Clean

LiquidCaもa丑yst

andand

Fuels（1985）

Solid

Process

5．「メタノール低温液相合成（2）」電中研研究報告TglO86（1991）●5−1〜2●
1．「21世紀に向けた火力発電技術の研究ビジョン」電力中央研究所（1933）

96

Developme取t」Proceedings

of

Tenth

A雛nualEPRI

電中研レビュー・N・．3・◎編集兼発行・財団法人電力中央研究所

広報部

東京都千代田区大手町1−6−1［大手町ビル7階］＠ユ00
岱03（3201）6601（代表）◎平成6年4月25陛◎印刷・株武会社電友社
本 部／経済社会研究所 東京都千代田区大手町1−6−1費（03）3201略601㊥100
我孫子研究所 千葉県我孫子市我孫子1646容（0471）82−1！81筋27041
狛江研究所／雑報研究所
横須翼研究所 神奈川環横須賀市長坂2−64容（0468）56−2121⑰240−01
原子力情報センター／ヒ：コ．一マンファクター研究センター
赤城試験センター 群馬県勢多群寓城総懸ヶ島2567公（0272）83−2721⑭371−02
東京都狛江帯岩戸北2−11−1容（03）3480−2U1⑰201
塩原案験場 栃木県那須総藻原町関谷1033岱（0287）35−2048⑰329−28

編集後記

電中研レビュー第30号「環境に優しい石炭利用技術」

その後、家庭のエネルギーは電気や灯油に取って代り、石炭の姿は旨の前から消えていきました。．今の子供たちをお届けします。

にとっては「よもやあんな石が燃えるとは！」といった前号の発刊からだいぶ間が空いてしまい「どうしたん

鳳電中研レビューはやめてしまったのか？」といったお問い合わせをずいぶんいただきました。申し訳ござい仕方のないことですg

電気事業にとっても同じことが言えました。扱いづら
く、燃やすといろいろと悪影響をおよぼす物質を吐き出ませんでした。

特に、ご多忙中にもかからわず快く巻頭言をご寄稿いただきました電源開発㈱感じでしょう。より使いやすいも／のに移っていくことは常務

中林恭之様には、心す石炭は、扱いやすい石油や、クリーンなLNGに取って代わりました。

からお礼を申し上げますとともに、原稿をいただいてか

しかし、時代の要請により石炭たもう一報ん張りしてらずいぶん時間が空いてしまいまして、この場をお借りもらわなければならないことになりました。もちろん環いたしましてお詫びいたします。

境に悪影響を及ぼすことのないようにすることが前提条件ですが。そのために、今ざまざまな技術が求められてさて、本レビューで取り上げた

石炭ですが、昭和います。

の30年代ごろまでは身近に感じられるエネルギー源だっ本レビューは、そのような石炭をクリーンに効率よくたのではないでしょうか。冬の学校では達磨ストーブで利用する技術に関して当研究所の研究を中心に、国内外

がんがん燃やしていましたし、家の掘炬燵などでも練炭の動向を紹介したものです。

を燃やして、中で寝てしまった猫が一酸化炭素中毒になったりしました。石炭が燃えるあの独特の匂いを今でも時々思い出します。

本冊子が関係諸機関の皆様方の一助となれば幸いです。