小型木質ペレットガス化発電におけるスギ・ヒノキペレットの適用性向上に資する製造プロセスの開発・実証
2020年2月27日 第5回国際バイオマス展
RIN-2 「地域内エコシステム」の構築に向けた技術開発

事業者：シン・エナジー株式会社
協力事業者：中部大学/株式会社PEO技術士事務所

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0本事業の理念・目的

本事業では高いガス化稼働率実現のために必要な燃料性能の検証とその検証方法、適切なガス化燃料用への改質の可能性、それに基づく燃料規格の見直しを検討する。
燃料性能の適正な評価方法を確立することで、小型ガス化CHPを安心して普及させることができるようにする。
日本における
小型ガス化CHP
導入台数●未利用資源を地域循環させる「地域内エコシステム」構築には、熱利用も可能な分散型電源である小型ガス化CHPの活用が有効●しかし、我が国の小型ガス化CHPには、欧州並みの高い稼働率実現している例がほとんどない。
●燃料のスギペレットがメーカー要求値のEN plus A1を満たしていたにも関わらず、クリンカー形成のために約1週間で停止するといったトラブルを、ペレットの機械的性能の改善にもかかわらず10か月にわたって続けたという事例（宮崎県串間市の大生黒潮発電所）はその代表例である。
（メーカー提示の連続稼働実績時
間：4週間（672時間）以上）

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現在

将来

1

大生黒潮発電所ガス化炉におけるトラブルの状況

スギペレットによる2週間（336時間）連続運転後、熱分解層と部分酸化層の境にクリンカが約100㎏ほど発生

宮崎県串間市大生黒潮発電所7号機における炉内写真

炉内クリンカを砕いて、並べたもの
炉内清掃時に2時間程度かかる

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2

串間発電所のペレットは欧州規格、メーカー推奨値を満たしていた●BURKHARDT社が要求するペレット規格であるEN
plus A1を満たしたペレットを製造→それでもクリンカトラブル
により安定運転が達成できていなかった（平均連続稼働時間１‐2週間(168-336時間））●メーカー公表のメンテナン
スまでの平均連続稼働実績時
間は４週間（672時間）以上（年間で7,900時間以上）

実測値
平均/ 適合
分析値

備考

項目

単位

ENplus A1

直径mm

6 or 8(±1）

6.12

〇

2018/12/10
サンプリング

長さmm

3.15‐40

100%〇

2019/5サンプリング
範囲内の満足率

かさ密度

kg/m3

600-750674〇

2018/12/10～
2019/2/5まで98サ
ンプルの平均値

含水率wt-%≦107.1%〇

機械的耐久性wt-%≧9899.4%

〇

低位発熱量

MJ/kg

≧16.6

17.6

〇

2019/5サンプリング

灰分wt-%
dry

≦0.7

0.66

〇

2018/12/10
サンプリング

DT℃≧12001330〇

2018/12/10サンプリング

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3

本事業の実施内容① 日本各地におけるスギ等の材やスギ等のサンプル収集・分析② ガス化条件における燃料性状、特に灰特性に着目し、ガス化適性の検証を行う③ ②で適性がないと判定されるものでも燃料改質等により、ガス化への適性化の実現可能性を確認する④ 上記検証に基づいてスギ等用いたペレットにも適用できる新たなガス化用ペレット燃料性能に関する規格案に関する考察を行う

①
各地の
スギサンプ
ル収集

灰分組成分析・溶融特性分析など
ガス化適性あり

ガス化用ペレット燃料性能規格案
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②

ガス化適性なし

④
燃料改質

③4

各地のスギ・ヒノキサンプルの灰組成には大きな差異がドイツ平均
K2O:18.9%

日本サンプル平均K2O:32.9 %

串間市スギ平均K2O:43.5 %Copyright ©2020 Sym-Energy Inc. All rights reserved.

5灰溶融特性分析法と、現在の燃料規格での指示、今回の知見••••

EN plus A1やISO規格では灰溶融性測定法として、CEN/TS15370‐1を指定。
測定雰囲気として、酸化雰囲気（空気、CO2）、還元雰囲気（CO2/CO、H2/CO2）のどちらかで測定。（リコメンデーションなし）そのため、業界では酸化雰囲気（空気）での測定結果で適否が判断されてきた。
ISOでは灰溶融性測定結果提示、欧州規格では、DT(DeformationTemperature）が1200℃以上がA1クラスの要件としている。
しかし、カリウム含有量が高いサンプルについては測定雰囲気によって、大きく結果が異なることが明らかになった.

抜粋：CEN/TS15370-1 September2006
Solid biofuels-Method for the determination of ash
melting behaviour- Part1:Characteristics temperatures
methodCopyright ©2020 Sym-Energy Inc. All rights reserved.

6測定雰囲気が違うと灰溶融特性が異なる
Ｍ-6T-1-2

サンプルHサンプルE(スギ/芯材）

（スギ）

K2O

64574442141022

SiO20.94

2.5

2.1

4.6

3543

7.3

Al2O3

0.54

0.73

1.4

3.0

1112

1.9

CaO

24

25

36

34

181445wt%

Ｍ-1①DT, HT, FT

Ｍ-2

Ｍ-3

Ｍ-4

サンプルD サンプルD サンプルA サンプルA（スギ） （スギ/辺材） （スギ/芯材） （スギ/辺材）

D－5
ドイツ
CHP用

DT[℃]
酸化雰囲気

1430

715

1405

1395

1150

1155

1460

還元雰囲気

705

725

770765

1090

1135

1480

CO2695715

755760

1160

1150

1430

HT[℃]
酸化雰囲気

143514951430

1420

1210

1210

1475

還元雰囲気

730

760

800

795

1140

1175

1495

CO2735

750

790

790

1210

1210

1460

FT[℃]
酸化雰囲気

1445

1505

1490

1435

1410

1390

1510

還元雰囲気

745

775

1445

920

1395

1405

1505

CO2750

770

1430

900

1440

1445

1480

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7

測定雰囲気が違うと灰溶融特性が異なる ②投影面積、発泡灰の投影面積（初期基準）[%]サンプルD 酸化雰囲気

650℃
800℃

灰の投影面積（初期基準）[%]測定炉内温度[℃]

サンプルD 還元雰囲気

730℃
900℃

発泡現象を確認
測定炉内温度[℃]

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8測定雰囲気が違うと灰溶融特性が異なる③ドイツの場合

ドイツサンプル 還元雰囲気650℃

900℃
1200℃

灰の投影面積（初期基準）[%]灰の投影面積（初期基準）[%]ドイツサンプル 酸化雰囲気

700℃

測定炉内温度[℃]

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770℃
1480℃

測定炉内温度[℃]9燃料改質によりガス化適性の改善が可能になった
燃料改質をした串間の全木ペレットの、還元雰囲気での融点測定を実施⇒DT、HT、FTの上昇が確認された
宮崎県串間市（燃料改質前）wt%

宮崎県串間市（燃料改質後）酸化雰囲気【℃】
軟化点（DT)

1410

1320

溶融点（HT)

1435

1350

流動点（FT)

1530

1395

還元雰囲気【℃】
軟化点（DT)

775

1325

溶融点（HT)

800

1375

流動点（FT)

980

1495

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10燃料改質により大幅に灰溶融特性を改善できた

宮崎県串間市ペレット 還元雰囲気

720℃

対策後

950℃

灰の投影面積（初期基準）[%]灰の投影面積（初期基準）[%]

対策前

800℃

測定炉内温度[℃]

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1250℃

1300℃
1400℃

測定炉内温度[℃]11燃料改質によりクリンカ生成速度は大幅に低減
ガス化炉長期連続運転が可能に

ガス化炉稼働時間とクリンカ生成量の関係の対策前後の比較

４週間/672時間

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●串間市プラントにおけるガス化炉平均運転時間➢ 対策前：137時間➢ 対策後：689時間●メーカー公表のメンテナン
スまでの平均連続稼働実績時間４週間（672時間）以上を満たす⇒ガス化に適さないカリウム
含有量が多い原料でも、本
燃料改質技術を実施すれば、ガス化材として適切な燃料にすることが可能

12

地域内エコシステム構築への本事業成果の貢献●地域内エコシステム構築のために、未利用バイオマス資源を用いた小型ガス化CHPの活用が試みられてきたが、ISOや欧州規格を満たしていても著しいクリンカ生成による障害が多発してきた。
●本事業の結果から、小型ガス化CHPの高い稼働率実現のためには、 ガス化条件に合わせ、還元雰囲気もしくはCO2による酸化雰
囲気でバイオマス燃料灰の特性を評価すべきこと、燃料改質によって、地域のバイオマス燃料の正確な評価と、利用が可能となること、を明らかにした。
●運用前に以下の３点を事前に実施すれば、安心して地域内エコシステム構築事業を推進できる①燃料中のカリウム含有量の測定②還元雰囲気もしくはCO2による酸化雰囲気下での灰溶融性測定③カリウム濃度が高い場合、燃料改質

原木
チップ

改質
ペレット製造業者
品質担保のための分析

事業計画時の事前分析

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ペレットバイオマス発電所

13ガス化用ペレット性能規格立案のために検討すべき事項とその課題●ガス化用ペレット性能規格立案のために検討すべき事項① 灰溶融性測定において還元雰囲気もしくはCO2による酸化雰囲気の指定- 高カリウム含有のスギ材では測定雰囲気の違いにより測定結果が異なる② カリウム含有量の測定- 高カリウム含有のスギ材ではガス化炉内でクリンカの形成が著しい●規格化に向けた課題◆ 条件（閾値）の明確化◆ DT測定に代わる評価基準の制定
ー 石炭灰とは違い、バイオマスのDT評価は軟化状態が非常に分かりにくく、属人的なばらつきが生じやすい (酸化雰囲気においても）。
ー 投影面積、発泡性の有無等での評価など、新規の評価手法の開発が必要
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14まとめ・今後の課題点
本事業のまとめ●日本各地のスギ・ヒノキ等のサンプルの収集・分析実施（日本：約12か所、独：1か所）●同種のスギでもカリウムの含有量にかなりのばらつきがあり、ドイツと比較して、日本のスギのカリウム含有量は平均して高いことが明らかになった。
●これまでの欧州規格では、灰溶融性測定法として、酸化雰囲気（空気、CO2）、還元雰囲気（CO2/CO、H2/CO2）のどれかでのDT,HT測定を指示している。しかし、そのどれを選択するかについての指示はなかった。
●今回の事業で、①カリウム含有量の高い試料（スギ）の場合について、「CO2による酸化雰囲気」と「還元雰囲気（CO2/CO、H2/CO2)」でのDT,HT等の測定結果は類似していること；一方、「空気による酸化雰囲気」の結果とは大きく異なること；また、形状の変化（発泡現象）も大きく異なること、の３点が、明らかになった。
このことより、主として還元雰囲気で進行する熱分解ガス化用の燃料についての灰溶融性測定には、『「還元雰囲気」ないし安全性に優れる「CO2による酸化雰囲気」を指定すること』が望まれる。
②カリウム含有量の高いバイオマス燃料を改質し、効果を試験した。
改質ペレットの溶融点を還元雰囲気化で測定した結果、DTやHTの十分な上昇が確認された。
また、実機での改質ペレットによる運転を実施しており、平均連続稼働時間を対策前後で137時間⇒689時間に延ばし、メーカー公表のメンテナンスまでの平均連続稼働実績時間４週間（672時間）以上を達成した。
③以上に基づいて、ガス化用ペレット性能規格の改訂のために検討すべき事項を明らかにした。
1. 灰溶融性測定において還元雰囲気もしくはCO2による酸化雰囲気の指定
2. カリウム含有率の測定

今後の課題◼ 条件（閾値）の明確化◼ DT測定に代わる評価基準の制定
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