技術紹介

新規バイオマス燃料導入に向けた調査・分析メニュー
田内希 *1

宮下Tauchi Nozomi

和大 *1

Miyashita Kazuhiro

近年地球温暖化対策としてバイオマスエネルギーの利用が広く普及してきている。一方で、バイオマスは種類によって性状が大きく異なり、その中にはボイラトラブル誘発因子のアルカリ成分を多く含むものも存在することがわかっている。そこでバイオマス燃料の燃料性状や設備への影響（焼結性、付着性等）を予測し、設計や運転・メンテナンスに反映させることが求められている。本稿では、バイオマス発電ボイラを安定して運用していくために重要となるバイオマス燃料の調査・分析メニューの一例を紹介する。
キーワード：バイオマス、膠着度、灰組成、燃焼性、溶融性、灰障害、アグロメレーション、灰付着、腐食（1）焼効率の向上を図っている （図 1）。しかしこの

1. はじめにような性状の違いや発電方式の転換により、アグ（2）バイオマスエネルギーは持続可能なエネルギー

ロメレーション（※ 1） や伝熱管への灰付着や腐資源として関心が高まり、石炭火力からバイオマ

食等 の新たなトラブルが発生している。これら

ス火力発電への置き換えが進められている。一のトラブルを防ぐためには、事前にバイオマスを方、バイオマス燃料は松、杉、竹など木質系のも調査し、選定する必要がある。本稿では、バイオや し（3）ふんのから、椰子殻、鶏糞などの農業系廃棄物、建築マス燃料および燃焼灰に対して、重要である調廃材に至るまで多岐にわたり、その種類によって査・分析メニュー（表 1）について説明する。
けい

性状が大きく異なる。そのため従来の石炭火力ボ※ 1： 流動媒体となる珪砂と反応し塊状の固着イラの発電方式（直接燃焼方式）から、バブリング物を生成し、最終的に流動不良を起こす。

流動床方式や循環流動層方式に発展することで燃直接燃焼方式

バブリング流動床方式

循環流動層方式

排ガス
燃料
バンカ

燃焼炉

燃料
バンカ

伝熱管

燃焼炉

排ガス

燃料
バンカ

層内伝熱管
珪砂

サイクロン

珪砂

伝熱管

排ガス

流動媒体

アッシュ

図1
*1：研究開発センター

燃焼炉

主なバイオマス発電方式研究開発グループ—31—

IIC REVIEW/2023/04. No.69

表1
調査項目

バイオマス燃料の調査・分析メニュー例一覧
評価項目

詳細

分析手法

寸法計測

寸法測定

水分量
バイオマスの燃料適性

操作性，粉砕時の付着性の把握

基礎性状
熱量

燃料

燃焼傾向

輸送性
保管性
アグロメレーション(アグロメ)

灰

燃焼効率の把握

工業分析

完全燃焼時の熱量を把握

発熱量測定

着火温度，燃え切り温度の把握

TG-DTA測定

粉砕後の粒径予測

構成粒子径測定

燃料組成
燃料の燃焼性

伝熱管閉塞

伝熱管腐食

全水分測定

元素分析

粉砕性

ボイラミル粉砕後の粒径実測

耐衝撃性

ペレットの硬さで評価

粉体燃料の粒子径測定
機械的耐久試験

かさ密度

単位体積当たりの重量を評価

かさ密度測定自然発火性

貯蔵時の自然発火のリスク評価

ワイヤーバスケット試験

灰の焼結性

アグロメ発生予測

アグロメの断面観察/元素分析
流動砂の粒度

膠着度

アグロメ発生過程の推測

SEM-EDS分析

流動性の予測

粒径測定

灰組成

アルカリ成分の含有量を調査組成分析

灰融点測定

温度変化に伴う形状変化観察

溶融特性試験

灰溶融予測

溶融挙動を計算

シミュレーション

凝集性

付着温度の推測

膠着度

添加剤評価

灰の付着温度の変化を測定

膠着度

灰組成

腐食因子の含有量を調査

組成分析

高温腐食試験体の腐食量を評価

灰塗布試験（3）基礎性状

2. バイオマス燃料に関する調査・分析メニュー

バイオマス燃料の水分・灰分・揮発分・固定炭

2.1 バイオマスの燃料適性調査項目

素の存在比率でその燃料の燃焼品質が把握でき（1）寸法計測る。各項目が示す性状を表 2 に示す。この 4 項目

バイオマス燃料の大きさは、搬送性や燃焼速度の分析をまとめて「工業分析」と呼ぶ。に関係し、推奨されている規格サイズの燃料を選表2別することで、サイズの不均一による搬送時のト（4）「寸法ラブル回避や燃焼効率の向上につながる 。
計測」ではその大きさや形状を測定し、そのバラつきなどを評価する。

工業分析項目が示す燃料性状

水分

水分量が少ないほど着火性が良く、発熱量が大きい

灰分灰分が少ないほど発熱量が大きく、廃棄物が少ない

揮発分

可燃成分であり、多いほど燃焼効率が良い

固定炭素

可燃成分であるが難燃性のため、少ないほど燃焼性が良く、未燃分が残りにくい（2）水分量
燃料の取扱いやすさや、粉砕時の付着性を把握するための手法として、「全水分測定」がある。燃（4）熱量

料を一定粒度以下まで粉砕し、これを既定の温度「発熱量測定」により、燃料がもつ完全燃焼したで重量変化がなくなるまで乾燥させ、その重量変際の熱量を把握する。

化分を計測する。

（5）燃焼傾向
燃焼傾向とは、「発火温度（火種がなくとも自然—32—

（2）粉砕性発火する温度）」や「燃え切り温度」のことを指す。
これらを簡便に測定する方法として「TG-DTA 測

バイオマスペレットは粉砕された木くずを加工定」がある（図 2）。TG-DTA 測定とは、温度変化時して作られるが、構成粒子径が大きい（粗い）と燃の試料の重量変化（TG）と、試料と基準物質の温焼効率が悪く、構成粒子径が小さい（細かい）と燃度差を測定する示差熱測定（DTA）を同時に計測す

焼効率は良いことが知られている。「構成粒子径る手法である。すなわち、重量が段階的に減少す測定」では、加工する際のペレットの元になる木る様相から試料の水分量、灰分量を求め、示差熱くずがどのくらい微粉砕されていたかを測定すの値から着火点、燃え切り温度、さらには分解、る。手順を図 3 に、構成粒子径の粒径比較を図 4

酸化、耐熱性などの物性評価が可能である。に示す。
実際にバイオマスペレットがボイラミルにて規



7* 



二次重量減少



固定炭素由来

燃え切り温度発火温度



（5）る。この試験は、IHI 社内規格 に則り、燃料バンカから燃焼炉の間の燃料管内部風速を計測しながら、この風速と同じ流速でノズルから内部空気を℃

℃





として「燃料管における粉体燃料の分析試験」があ

定サイズ以下まで粉砕されているか確認する方法

揮発成分由来

DTA(μV)

一次重量減少

吸引して木粉や微粉炭の粒子を捕捉し、粉体燃料

試料の流量・粒子径データを得るものである。

温度 ℃

図2

この試験は、微粉炭焚きボイラを木粉焚きボイラ

TG-DTA 測定による燃焼挙動計測例として流用する際にミルの性能評価にも利用する。
2.2 燃焼性調査項目
2.3 燃料の輸送性調査項目（1）燃料組成（1）耐衝撃性

燃料の品質規格に適合しているかどうかの判定をする。着目する元素は主成分の C・H・N・S お

バイオマスペレットが小さな力で崩れるとサイよび微量元素の F・Cl・B・Se・Hg・As 等である。

ロへの安定供給に支障をきたす。当社では、実際

木質ペレット

水に浸し、ふやかす

乾燥させる

図3

構成粒子径測定の手順例

図4

構成粒子径の粒径比較—33—

ふるいにかける

IIC REVIEW/2023/04. No.69

にペレットが受ける力の形態を想定し、「機械的耐に充填し、乾燥機内に静置した状態で、継続的に久試験」でペレットの強度を把握している。これ

温度変化とガス成分情報を計測することで自然発は、回転衝撃力に対するバイオマスペレットの耐火性の傾向を把握する。

（6）

粉化性能を求めるもので（図 5） 、一定量の機械的衝撃を与えた後に壊れなかった部分の質量割合を求めることで、ペレットをサイロに投入する際や、コンベア搬送する場面などでの「崩れにくさ」（7）を評価する基礎データになる 。

図6
図5

耐久性試験器の例（ツイン回転箱）

ワイヤーバスケットの充填状況

3. バイオマス灰に関する調査・分析メニュー

2.4 燃料の保管性調査項目

燃焼後に生じる灰がボイラトラブルを引き起こ（1）かさ密度すことが知られている。そのため、燃料としての特性のほか燃焼灰についても検査・分析が必要で貯蔵スペースの算出には「かさ密度」が用いられある。

る。かさ密度は、単位容積あたりの重量を算出する基礎データである。バイオマスは石炭・石油な

3.1 アグロメレーションに関する予防と対策

どに比べ、かさ密度が小さいことから貯蔵時にバイオマス発電によく用いられる循環流動層ボ3 ～ 6 倍もの容積を必要とする。
（2）自然発火性

イラでは多量の珪砂（SiO2）が流動媒体として使わ

自然発火とは「物質が空気中で、発火温度よりれている。これらの珪砂とバイオマス燃料が燃焼はるかに低い温度で自然に発熱し、その熱が長時炉内にて高温下に置かれることでアグロメレー間蓄熱されて発火点に達し、遂に燃焼に至る現ション（以下、アグロメ）と呼ばれる焼結体を形成（8）象」である 。バイオマスペレットの自然発火をすることがわかっている（図 7）。アグロメが増え防ぐ貯蔵方法を検討するために、自然発火性の傾るほど、珪砂は流動が困難になり最終的には流動向を把握することは重要である。貯蔵時の状態を不良が起きる。そのため、アグロメに対する事前模擬的に再現し（図 6）、その状態での蓄熱・放熱対策や発生した際の原因調査は重要である。

バランスから、自然発熱性を評価する試験として（1）灰の焼結性「ワイヤーバスケット試験」がある。一定粒度に調当社ではアグロメの生成具合を、焼結体の硬さ整したバイオマスをワイヤーで作ったバスケットの指標である「膠着度」を用いて評価している

—34—

tion

焼結体が崩れず、炉内トラブルが発生しやすいと推定する（式（1））。
膠着度 = 試験後の重量 / 試験前の重量（1）（2）アグロメの断面観察 / 元素分析
アグロメ生成の原因究明手段の一つとして、実際に生成したアグロメの表面や断面の観察や元素の定性 / 定量分析を実施している。断面の元素分布マッピングで元素ごとの偏析状態が把握でき、原因物質の推定に役立つ。図 9 はアグロメ断面の図7

元素マッピングの一例である。マッピング像で実際に生成したアグロメレーションは、色により各画像内の存在割合を示している。
（9）（図 8） 。灰と珪砂の混合試料で膠着度を求めれ

ofMatter

以下画像においては、Si（珪砂主成分のシリコン）の周りに K（カリウム）や Ca（カルシウム）が囲う

ば、灰と珪砂の焼結体形成の可能性がわかり、アCombustion -ashA（10）dhesionMelting and growth

ように同一箇所に付着しており、K-Si-Ca 化合物。膠着度は焼グロメの起きやすさを予測できるの形成によるアグロメの発生が読み取れる。

結体の崩れやすさの目安であり、1.0に近いほど
Volatilized

To outside
>灰化@

灰障害

ボイラ内で燃焼c matterバイオマス

Condensation

・珪砂を巻き込みアグロメ形成
Melting and・伝熱管へ付着・成長

Combustionash>灰化@>熱処理@

Deposits on

珪砂と混合 RU灰単体

growth

焼結体を作成systems

図8

全体

growth

回転籠でサンプルを回転・粉砕する。

膠着度の概念図
中心に6L

6L.と&Dが6Lを囲い，6Lと結合していることが分かる

.

多&D

6L.

&D少図9アグロメ断面の元素マッピング—35—

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3.2 伝熱管閉塞に関する調査（2）灰融点測定

バイオマス燃料の灰はアルカリ成分（K、Na）を当社では、灰障害抑制や操業管理をする上で、多く含む。アルカリ成分は灰の融点を下げること

バイオマス灰の溶融特性を実測する手法として、が知られており、低融点灰の伝熱管への付着によDIN51730（溶融性試験方法）規格に則り、高温加熱る伝熱阻害を発生させることがある。そのため、顕微鏡を用いてバイオマス灰の温度による形状変灰組成や凝集具合からこの現象を事前に調査・評化測定を採用している（表 4、図 10）。これは高温価することが重要である。

加熱顕微鏡にて温度変化に伴う灰を円柱状に成型（1）灰組成したテストピースの形状変化により、溶融性や収（12）縮・膨張等の変化も記録できる（図 11） 。

灰組成は、試料に X 線を照射したときに発生す（3）灰溶融予測

る蛍光 X 線（XRF）を元に、含有する元素の分析結灰の溶融挙動・溶融形態を予測には、熱力学平果から灰の化学組成を求める。バイオマス燃料で（13）

衡計算ソフトウェア「FactSage」を用いたある EFB（Empty Fruits Bunch：パーム椰子房繊維）かす（11）とコーヒー滓 の測定結果の一例を表 3シミュ（14）に示す。

レーション手法をとることもできる。本ソフト

成分、特にアルカリ成分の含有率割合により灰の溶融温度および灰障害の発生が予測できる。

表3

バイオマス燃料の元素分析結果の一例

試料

6L2
$O27L2)H2
&D20J21D2
灰組成表4. 232
0Q262

92/L2&X2&O)

()%


コーヒー滓

溶融特性試験条件

規格

DIN51730(溶融性試験方法)に準拠

測定温度

常温~1500℃

測定雰囲気

酸化性(空気雰囲気)、還元性

電気炉部()%はアルカリ成分が多く

温度制御部
光学系部

コーヒー滓より融点が低いことが予想される。。

図 10

ライツ高温顕微鏡外観

昇温

常温

初期変形

軟化

融点 半球点

溶流点

初期状態

形状が最初と変化した温度

先端が丸くなり始める温度

ほぼ半球状になった温度

灰が流れる
温度

図 11—

溶融性指標
36—

3.3 伝熱管腐食に関する調査項目

ウェアでは、灰組成やさまざまな温度、雰囲気、圧力条件を入力することで、灰溶融挙動を計算す

バイオマスボイラでは、灰中に含まれるアルカることができる。図 12 に灰の溶融挙動を計算しリ成分や腐食性ガス（硫黄、塩素）の影響により、た例を示す。運転温度での溶融灰、すなわちスラ伝熱管が腐食し、定期的なメンテナンスが余儀なグの割合を見ることで伝熱管への付着や閉塞を予くされている 。そのため、事前に燃料の腐食特測できる。

性を把握することで腐食トラブル低減等につなが（3）る。
（1）灰組成3.2 節（1）と同様の方法でバイオマス灰の組成を調べることで、灰中に含まれる腐食因子含有量を求めることができる。特に腐食トラブルの直接的な原因である塩素濃度に着目することが多い。
図 12（2）高温腐食

灰溶融シミュレーションの手順

バイオマス発電ボイラ内は、高温（500 〜 1000℃）（4）凝集性評価 / 添加剤評価

かつ、腐食性ガスによる腐食が発生しやすい環境（1）〜（3）で灰の融点が低いことがわかったとである。実際のボイラ環境を模擬した高温腐食試しても、固着物の硬さが低く、崩れやすければ閉験により、バイオマス燃料の腐食性やボイラ部材塞にはつながりにくい。また灰付着抑制を目的との耐腐食性も評価できる。試験装置概要と試験実した添加剤は、凝集灰をもろく崩れやすくする傾施可能条件を図 13、表 5

向がある。そのため、凝集灰の硬さや崩れやすさ

験片に灰を塗布し、高温環境下でガスを流す灰塗に関しては、3.1 節（1）に示した「膠着度」を求め布試験を実施している（図 14）

（15）

（16）

（11）

ることで評価できるに示す。当社では、試。

。これは表面状態や重量減少から腐食を評価する。

図 13

高温腐食試験装置概要
̶37

̶

IIC REVIEW/2023/04. No.69

表5
温度

実施可能な腐食試験条件

室温~1000℃

供給可能なガス

塩化水素 、硫化水素 、二酸化硫黄、アンモニア、水素 、ヘリウム、窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素、一酸化炭素など

反応管材質

石英、ガラス、SUS、アルミナなど

反応管内径fPP

分析可能なガス
圧力

供給可能なガスに加え、一酸化窒素などの空気中では不安定な物質やガス状有機物
常圧*1：ガス濃度は応相談

バイオマス灰塗布後

試験前

図 14

加熱後

灰除去後

灰塗布試験前後の外観状況（700℃で 1 時間）

A . - L . E l l e d, D. E s k i l s s o n , B. L e c k n e r ：4. まとめCountermeasures against alkali related problems

本稿ではバイオマス燃料を「燃料」と「灰」の二つ

during combustion of biomass in circulatingの 状 態 に 分 類 し、 そ れ ら の 各 種 調 査・ 分 析 メ

fluidized bed boilers, Chem. Eng. Sci., Vol.63,

ニューを紹介した。
「燃料」分析からはバイオマス

2008, pp.5314-5329

燃料としての燃料適性が把握できる。一方でボイ（3） 佐藤直樹、奥原洋人、和田知歌子、松永康夫、ラトラブルは「灰」性状に由来することが多い。今大野恵美：バイオマス専焼ボイラの付着灰影後利用されるバイオマスは更なる多様化が見込ま

響 の 解 明 と 対 策、IHI 技 報、Vol.61、No.2、れることからも、これら両面でバイオマス燃料を2021、pp.29-41（4） 燃料用木質チップの品質規格：木質バイオマ

調査・分析することが安定したボイラ運用やボイスエネルギー利用推進協議会、2016ラトラブル抑制につながる。そこで本稿がバイオ（5） S. Matsunari, K. Watanabe, E. Ohno, M.

マス燃料の最適な調査・分析に役立ていただければ幸いである。

Echizenya：Sampling method for woody biomass
particles conveyed by air in the fuel pipe of a

参考文献

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2020, pp.1-10（6） 木質ペレット品質規格：一般社団法人日本木システムの現状調査・分析、2007（2） K. O. Davidsson, L. -E. Åmand, B. -M. Steenari,—質ペレット協会、201738—

（7） 長島陽一、永瀬成世、高野卓：バイオマス燃料（12）茂田潤一、知惠賢二郎：高温加熱顕微鏡によ分析サービス、IIC REVIEW、Vol.65、2021/04、る石炭灰の溶融温度測定技術、IIC REVIEW、

pp.35-37

Vol.49、2013/04、pp.46-55（8） 大橋、笹内、水野、井田、渕端：保管時の安（13）株式会社計算力学研究センターホームページ：

全確保にかかるバイオコークスの発熱特性、

https://www.rccm.co.jp/product/thermodynamics/

スマートプロセス学会誌、5 巻、3 号、2016、

factsage/（14）内村大道、宮下和大：灰障害予測に対するシpp.198-206（9） 田内希、宮下和大、茂田潤一：バイオマス中ミュレーションの適用、IIC REVIEW、Vol.68、

アルカリ成分が流動層ボイラに及ぼす影響、

2022/10、pp.13-18（15）江部郁仁、則定和志：ガスを用いた触媒試験

IIC REVIEW、Vol.68、2022/10、pp.19-26（10）知惠、茂田：膠着度によるバイオマス燃料のおよび腐食試験の紹介、IIC REVIEW、Vol.65、

灰障害予測評価、火力原子力発電、Vol.73、

2021/04、pp.38-40（16）茂田潤一、梶ヶ谷一郎：燃焼灰の高温腐食試

No.5、2022、pp.403-407（11）茂田潤一、知惠賢二郎、高野卓：バイオマス専

験法と腐食性評価の紹介、IIC REVIEW、Vol.34、焼時の灰障害予測評価、IIC REVIEW、Vol.66、

2005/10、pp.32-38

2021/10、pp.26-31

研究開発センター
研究開発グループ研究開発センター
研究開発グループ

田内

宮下 和大

希

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547—39—

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