技術紹介

バイオマス燃料分析方法の検討
知惠賢二郎 *1
Chie Kenjiro

茂田

潤一 *2

Shigeta Jun-ichi

火力発電用石炭焚ボイラ等において、二酸化炭素排出量削減の一手段としてバイオマス燃料の利用・拡大が進められている。そこで、バイオマス燃料による設備への各種問題（燃焼性、灰付着）を予測して設計や運転・保守に反映させることが求められている。そのためには、バイオマス燃料の性状を的確に把握する必要があるが、石炭の場合と異なり分析方法が規格・手順化されておらず、石炭と同様の分析方法を用いた場合に正確な値が得られないことがある。例えば、バイオマス燃料はカリウムを代表とする低融点成分が多く、これらの揮散を抑制するためには低温かつ長時間の灰化前処理が必要である。そこで、本稿ではバイオマス燃料の灰化前処理を含めた分析・評価方法の検討に加え、溶融性、燃焼性について石炭との違いを調査したのでその一端を報告する。
キーワード：バイオマス、燃焼性、溶融性、低融点化合物、灰化前処理は影響を与えないという概念。

1. はじめに※ 2： 産業資源の分野では「現生生物由来の資20 世紀以降から地球温暖化が進行し、その影響源」をバイオマスと呼び、火力発電の分が懸念されている。地球温暖化の主な原因の一つ

野では「燃焼させる植物系燃料」を意味として人類が産業活動で生産・排出する二酸化炭する用語として用いられている。以下、

素の大気中濃度上昇が挙げられる。二酸化炭素の本稿でも同様に用いる。

濃度上昇抑制が必須となる中、カーボンニュート

表1

ラル（※ 1）という考えが着目されるようになり、バイオマス燃料と石炭における性状の違い

石炭火力発電所はこれまでの石炭専焼から、バイオマス（※ 2）混焼により二酸化炭素の排出量削減を試みている。
※ 1： 植物を燃やして二酸化炭素を発生させても、空気中に排出される二酸化炭素の中の炭素原子はもともと空気中に存在した炭素原子を植物が取り込んだものである
ため、大気中の二酸化炭素総量の増減に*1：計測事業部 化学・環境部 博士（理学） 環境計量士*2：技師長 博士（学術） 環境計量士（濃度関係）

—

26

一般計量士

—

バイオマスは発熱量を持った燃料となり得るが、石炭とは性状が大きく異なっている。
表 1 からバイオマスは、石炭と性状の違いが多いことがわかる。そのため、石炭焚ボイラにバイオマス燃料を用いる場合、水分、灰分量、揮発分、発熱量、燃焼性状、元素性状およびバイオマス灰の化学組成や溶融温度を調査、検討し、外部障害の有無を事前に予測・把握することが重要となる。
なかでも灰の化学組成の情報はアルカリ金属、アルカリ土類金属が多いため、炉内の灰汚れ（スラッギ

図1

バイオマス A

外観

図2

バイオマス B

外観

図3

バイオマス C外観

ング、ファウリング）を把握するために重要である。
（1）

石炭の分析方法は日本工業規格 で規格・手順化されているが、バイオマスは規格化されておらず、前処理・分析方法の確立が急がれている。本稿ではバイオマス燃料に関して、特に灰の化学組成分析に関連した前処理方法、分析・評価方法の一端を紹介する。
2. バイオマスの灰の分析方法
バイオマスの灰はアルカリ金属、アルカリ土類金属の濃度が高いことが知られている。アルカリ金属は炉内で低融点化合物を形成しファウリングの要因となるため、バイオマスの灰の化学組成の情報（以下：灰組成）を得ることはファウリングの予測・回避の観点からも非常に重要である。本稿ではバイオマス 3 種（A、B および C）について灰組成を分析するための灰化処理方法および分析項目を検討した。バイオマスの概要および外観を表 2 および図 1、図 2、図 3 に示す。

表2

バイオマス 3 種の概要—

27—

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2.1 灰化温度、灰化時間と灰分量の関係
石炭の灰組成を分析する際は、石炭を 815℃にさて恒量になるまで加熱した後の残渣を分析することとされている。しかし、バイオマスは低融点化合物が多いため、815℃より低温で長時間加熱して灰化することが一般的に推奨されている。本稿
で は 3 種 類 の バ イ オ マ ス に つ い て、 灰 化 温 度（500 ℃、600 ℃、700 ℃） と 灰 化 時 間（3 時 間、6図5時間、12 時間、24 時間）が灰分量に及ぼす影響について調査した。

バイオマス B の灰化温度と灰化時間が灰分量に及ぼす影響

バイオマスの灰化方法は公的な規格方法が無い
ため、「JIS M 8812 石炭の工業分析方法」中の「灰図 5 からバイオマス B は、時間および温度の影分定量方法」に準拠し、マッフル炉を用いて加熱、響がバイオマス A と比較して少ないことがわか灰化した。バイオマス A の灰化温度、時間、灰分る。12 時間から 24 時間と時間を長くした場合に量の関係を図 4 に示す。

灰分量が若干増加する点はバイオマス A と同様である。
バイオマス C の灰化温度、時間、灰分量の関係を図 6 に示す。

図4

バイオマス A の灰化温度と灰化時間が灰分量に及ぼす影響

図6

図 4 からバイオマス A は温度を高く、また時間を長くすれば灰分量が低くなることがわかる。12

バイオマス C の灰化温度と灰化時間が灰分量に及ぼす影響

時間から 24 時間と時間を長くした場合に灰分量
図 6 からバイオマス C は、500℃では 24 時間まが若干増加する場合があるが、これは酸化物の形成等が一因と考えられる。

で灰分量が低下し続けることがわかる。

バイオマス B の灰化温度、時間、灰分量の関係

バイオマス A、バイオマス B、バイオマス C はを図 5 に示す。

温度、時間と灰分量減少の関係に異なった傾向を示した。温度、時間と灰分量の関係を表 3 に示す。

—28—

表3

バイオマス 3 種と温度、時間と灰分量の関係

以上の結果から、3 種類のバイオマスを加熱・

図 7 から 3 種のバイオマスは灰化温度を高くし灰 化 さ せ た 灰 分 を 恒 量 と す る に は、 灰 化 温 度ても濃度は減少せず、逆に若干の濃縮傾向が見ら

600℃、灰化時間は 12 時間が最適と考えられる。

れた。これは他の成分が揮散・減少したことにより、相対的に Na2O が濃縮されたためと考えられ2.2 灰化温度と灰組成の関係る。
図 8 に 3 種 類 の バ イ オ マ ス を 600 ℃、700 ℃、

石炭の灰組成分析は、石炭を 815℃にて灰化した

815℃で灰化した際の灰中 K2O 濃度を示す。

灰を分析する。しかし、バイオマスは低融点化合物が多いため、同温度ではこれらが揮散する可能性が指摘されている。本稿では 3 種類のバイオマスを3 温度条件（600℃、700℃、815℃）で 12 時間加熱、灰化し、組成がどのように変化するかを調査した。
（1）アルカリ金属成分（ナトリウム、カリウム）
アルカリ金属は他の金属成分より低温度で揮散
す る と 言 わ れ て い る。 そ の た め、 灰 化 温 度 を
600℃、700℃、815℃の 3 条件で実施し、アルカリ金属成分の濃度変化を調査した。

図8

図 7 に 3 種 類 の バ イ オ マ ス を 600 ℃、700 ℃、灰化温度と K2O 濃度との関係815℃で灰化した際のバイオマス灰中 Na2O 濃度を
図 8 からバイオマス B は温度による濃度変化が示す。

ほとんど無いが、バイオマス A およびバイオマス
C は灰化温度が高くなるにつれて濃度が低くなることがわかる。この濃度低下はカリウムの揮散が原 因 と 考 え ら れ る。 故 に バ イ オ マ ス の 灰 化 は600℃以下の低温度で実施する必要がある。
（2）アルカリ土類金属成分（マグネシウム、カルシウム）
図 9、 図 10 に 3 種 類 の バ イ オ マ ス を 600 ℃、700 ℃、815 ℃ で 灰 化 し た 際 の 灰 中 MgO お よ び
図7

灰化温度と Na2O 濃度との関係

CaO 濃度を示す。
—29—

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図9

灰化温度と MgO 濃度との関係

図 10

灰化温度と CaO 濃度との関係

図 9 から、バイオマス A およびバイオマス C

図 10 から、バイオマス A および C は灰化温度

は灰化温度が高くなるにつれて MgO 濃度が高くが高くなるにつれて CaO 濃度が高くなることがわなることがわかる。これは他の成分が揮散・減少かる。これは MgO と同様、他の成分が揮散・減（例えば前項で述べたカリウムの揮散・減少など）少したため相対的に CaO が高くなったためと考えにより、相対的に MgO が濃縮され、濃度が高くられる。バイオマス B は MgO の場合と同様、温なったためと考えられる。バイオマス B はバイオ度の影響がほとんど見られなかった。

マス A および C と異なり、前項のカリウムで温（3）その他金属成分（ケイ素、アルミニウム、マンガン、鉄、チタン、リン）

度変化による濃度変化がほとんど無いため、MgO

表 4 に 3 種 類 の バ イ オ マ ス を 600 ℃、700 ℃、も温度変化による濃度変化がほとんど現れなかっ815℃で灰化した際の、灰中 SiO2、Al2O3、MnO、たものと考えられる。

Fe2O3、TiO2、P2O5 の濃度を示す。

表4

灰化温度と金属成分濃度—30—

表 4 からバイオマス B における SiO2 およびバしてしまう（例えばバイオマス A では 600℃加熱・イオマス C の TiO2 以外の成分において、灰化温灰化した場合の K2O 濃度は 38％であるが、815℃度が高くなるに伴い、灰中濃度が高くなっている

では 18％まで低下する）。ボイラ内におけるファことがわかる。

ウリングを予測・回避するには、バイオマス灰中

ま た、 バ イ オ マ ス A お よ び バ イ オ マ ス C はのアルカリ金属濃度を確実に把握する必要があ

SiO2、Al2O3 が少ない（SiO2：15％以下、Al2O3：5％

り、 揮 散 に よ る 濃 度 の 低 下 が お こ ら な い よ う以下）が、バイオマス B は SiO2 が 50％以上、Al2O3600℃以下での加熱・灰化が必要である。

が 10％以上と石炭灰に近い組成を持つことがわか
2.3 バイオマスの分析項目・方法検討

る。このことからバイオマス B はピート燃料に近2.2 項（1）～（4）にて分析したアルカリ金属、いものと考えられる。
（4）灰中硫黄濃度

アルカリ土類金属、その他金属成分および灰中硫

図 11 に 3 種類のバイオマスを 600℃、700℃、黄濃度の合計（11 成分）を表 5 に示す。

815℃で灰化した際の、灰中 SO3 濃度を示す。

表5

各温度における 11 成分の合計

一般的な石炭灰組成では 11 成分の合計で 95％以上になる。しかしバイオマス A では 815℃で
図 11

灰化温度と SO3 濃度との関係

86.8％、700℃で 77.0％、600℃では 71.3％。また
バイオマス C も 700℃で 91.0％、600℃で 88.2％

図 11 から温度の上昇に伴い、灰中 SO3 濃度はであり、95％より大幅に低い。故にこれまでに調バイオマス 3 種において若干の増加傾向を示すこ

査した 11 成分以外の成分が含まれていると考えとがわかる。

られる。

（5）灰化温度とバイオマス灰組成について

11 成分：Na2O、K2O、CaO、MgO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MnO、P2O5、TiO2、SO3

バイオマス 3 種の灰化温度と灰組成の関係はア（1）炭酸の存在

ルカリ金属（特に濃度の高いカリウム）において、高温で濃度の低下がみられた。他の成分は高温にバイオマス A およびバイオマス C を石炭と比なるにつれて濃度の上昇がみられ、これはカリウ

較した場合、表 6 に示すようにカリウムおよびカム濃度減少に伴い相対的に濃度が高くなることがルシウムの含有量が多いことが特徴として挙げら一因と考えられる。バイオマスは生物（天然の木れる（一般的な石炭灰は K2O で 3％以下、CaO でなど）由来のため、カリウムが多く含まれる種類10％以下）。また、灰組成分析における酸添加時が多いが、カリウムは高温で揮散し、濃度が低下に気泡が激しく発生したことから、炭酸の存在が—

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考えられる。そこで、各バイオマス灰の炭酸量を調査した。表 6 および図 12 に各灰化温度と炭酸濃度を示す。
表6

各灰化温度と炭酸（CO2）濃度

図 13

CO2 と CaO、K2O のモル量関係

図 13 か ら CO2－CaO は 相 関 が 薄 い が、CO2－K2O は比例関係にあることがわかる。このことは
K2O と CO2 が灰中で K2CO3 の形態で存在していることを意味している。K2CO3 の融点は 891℃と他の金属化合物より低温であり、加熱温度によって炭酸カリウムの分解・揮発に伴い濃度低下が考えられるため、バイオマスを灰化する際には低温で灰化し濃度低下を抑制する等の注意が必要である。
（2）炭酸を考慮した灰組成（1）項の調査により、カリウムの多いバイオマ
ス灰には炭酸が多く含まれるため、バイオマス灰組成の合計が 95％以上にならなかったと考えられ
図 12る。図 14 に各バイオマス灰における 11 成分の合灰化温度と炭酸濃度との関係計および炭酸量、炭酸との合計値を示す。

表 6 および図 12 から、バイオマス A およびバイオマス C の灰には炭酸が非常に多く含まれていることがわかる。また、含有量はバイオマス A では 600℃で 25％、700℃で 21％、バイオマス C では 600℃で 11％であった。灰化時の温度がより低い場合に濃度が濃く、またカリウム、カルシウム含有量がより多い場合も濃度が高くなることがわかる。

図 14

図 13 に CO2 と K2O および CaO のモル量関係を示す。
—32—

11 成分の合計、炭酸量、炭酸との合計値

図 14 から 11 成分合計に炭酸を加えると、バイの外観変化を図 16 に、石炭の溶融温度近傍の外観変化を図 17 に示す。

オマス灰組成の合計値が 95％以上になることがわかる。このことから、バイオマス灰を分析する際バイオマス灰は 1380℃で溶け始め、1400℃で融には炭酸を分析する必要があると言える。

点となる。石炭灰は溶融の過程で軟化（※ 3）、半しかし、炭酸は SiO2 や Al2O3 などの灰組成成分球（※ 4）等の形状変化が確認できるが、バイオと異なり、石炭に含有されるミネラル（無機成分）マスではこれらの形状変化を確認できなかった。

ではなく、燃焼時に発生する CO2 がカリウムと反※ 3： テストピースの先端または縁が丸くなり応し、K2CO3（K2O+CO2 → K2CO3）として固定化

角が無くなる温度。

されたものであり、他の灰組成成分とは区別して※ 4： テストピースがほぼ半球になった温度考えるべき項目である。

で、その高さが目視観察にて底部の直径の半分に等しくなる温度。

3. その他バイオマスの特徴今回用いたバイオマスは SiO2 や Al2O3 が少なく、3.1 溶融性

CaO や K2O が多く含まれている。石炭灰は SiO2

バイオマス灰はカリウム濃度やカルシウム濃度、炭酸濃度の観点からも、石炭灰と組成が大きく異なる。この違いが溶融特性にどのような影響を与えるか調査した。測定方法は DIN51730 高温（2）

加熱顕微鏡法 とし、測定雰囲気は還元性（CO：60％ +CO2：40％）とした。
用いたバイオマス灰および比較用石炭（瀝青炭）の組成を図 15 に示す。
図 15600℃で灰化したバイオマス灰の溶融温度近傍

図 16

図 17

バイオマス灰および比較用石炭の組成

バイオマス灰の溶融観察（常温、融点± 20℃）

石炭灰の溶融観察（常温、軟化温度、融点、融点＋ 20℃）
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IIC REVIEW/2015/04. No.53

や Al2O3 などの酸性成分が多いのに対し、バイオマスは CaO や K2O などの塩基性成分が多いことが溶融挙動の違いとして現れた一因と考えられる。塩基性成分の多いバイオマス灰は軟化の形状や半球の形状が見られないこと、また溶け始めから溶融までの時間が短いことが特徴である。
3.2 燃焼性
バイオマスは石炭に比べて揮発分が多く、固定炭素が少ないため燃焼速度が速いと言われてい

図 19

常圧石英製流動層燃焼炉外観（上から）る。この「燃焼速度」を調べるために石英製流動層燃焼試験装置にて燃焼試験を行い、酸素濃度変化を測定し、石炭（瀝青炭）2 種と比較した。
（1）試験装置・ 形式：常圧石英製流動層燃焼炉（図 18、図19 および図 20 参照）
・ 炉 形 状： 透 明 石 英 管（ 内 径 52mm、 高 さ750mm）
・ 空気分散方式：石英焼結板
・ 流動層予熱方式：プロパンガス燃焼による加熱空気

図 20・ 試験条件等：表 7 参照

常圧石英製流動層燃焼炉概略図

表7

図 18

常圧石英製流動層燃焼炉外観
—34—

試験条件

（2）評価方法

表8

試験に用いたバイオマス、石炭 A、石炭 Bの工業分析結果

図 22

試験に用いたバイオマス、石炭 A、石炭 Bの工業分析結果

バイオマスの燃焼を酸素濃度の変化で捉え、その変化度合いから燃焼速度を石炭と比較した。燃焼は最初に揮発分が燃焼し、その後、チャーの燃焼へと変化する。揮発分燃焼は瞬間的に起こり、燃料投入直後に急激な酸素濃度低下が見られる。
石英製流動層燃焼試験装置を用いて得られる酸素消費率と燃焼時間の関係を図 21 に示す。

図 21

酸素消費率と燃焼時間の関係

表 8 および図 22 からバイオマスは揮発分が多く、固定炭素が少ないことがわかる。

石炭およびバイオマスの燃焼は揮発分の燃焼と（3）試験結果

チャーの燃焼に区分できる。揮発分の燃焼は燃料

図 23 に常圧石英製流動層燃焼炉を用いて、バ投入直後に火炎が発生することで確認できる。
チ ャ ー の 燃 焼 は 揮 発 分 燃 焼 の 後 に 始 ま る。

イオマス、石炭 A および石炭 B を燃焼させた結チャーの燃焼性を評価するためには、チャーの燃果を示す。なお、燃え切り時間は酸素濃度が 9.5％焼開始を見極める必要があるが、それには「肉眼に回復する時間から燃焼開始時間（50sec）を差しによる炎の消滅の確認」など、あいまいな判断が引いた時間とした。

入る。チャーの燃焼時間は燃焼時間の大半を占めるため、本研究ではチャーと揮発分の双方を含めた石炭の燃焼性を燃え切り時間（※ 5）から評価した。
※ 5： 燃え切り時間：酸素濃度が投入前の 95％（酸素濃度 9.5％）まで回復する時間
試験に用いたバイオマス、石炭 A および石炭 Bの工業分析結果（水分、揮発分および固定炭素）
を表 8、図 22 に示す。

図 23—35—

常圧石英製流動層燃焼炉による試験結果

IIC REVIEW/2015/04. No.53

図 23 からバイオマスは石炭 A、石炭 B より燃

参考文献

え切り時間が短く、燃焼速度が速いことがわかる。

（1） 日本規格協会、2004、JIS M8812 石炭類及びまた、揮発分燃焼後の回復が早いことから、揮発コークス類－工業分析試験方法

分の燃焼が主であることもわかる。

（2） 茂田潤一、知惠賢二郎：高温加熱顕微鏡によ4. まとめる石炭灰の溶融温度測定技術、IIC REVIEW、今回、バイオマスに関連した灰の前処理方法、

Vol.49、2013/04、pp.46-55

灰の分析・評価方法、溶融性、燃焼性について紹介した。バイオマスは石炭と同様にボイラ燃料として用いられているが、バイオマスの性状を的確に把握するには、アルカリ金属濃度の低下を抑制するため灰化温度を低くする、灰組成分析時には炭酸を考慮する等、石炭とは違った対応が必要である。また、溶融性や燃焼性も石炭とは異なる傾向を示すため、石炭と同様ではなくバイオマスに適した前処理・分析・評価が必要であることがわかった。
「バイオマス」と一括りに言われるが、石炭と同様に種類は非常に多い。今後、火力発電へのバイオマス運用が増えるにつれて、分析を行うバイオマスの種類、分析項目等も増えることが予想される中、最適な分析を実施するための一助として役立てば幸いである。

計測事業部 化学・環境部
博士（理学）
環境計量士 一般計量士

技師長
博士（学術）
環境計量士（濃度関係）知惠 賢二郎

茂田 潤一

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

TEL. 045-791-3516
FAX. 045-791-3541—36—