技術紹介

バイオマス専焼時の灰障害予測評価
茂田

潤一 *1

Shigeta Jun-ichi

知惠賢二郎 *2
Chie Kenjiro

高野卓 *3

Takano Takashi

バイオマス流動層ボイラでは、燃料となるバイオマス中にカリウムなどのアルカリ金属を高濃度で含有する場合があり、流動不良や灰付着などのトラブルが予想される。バイオマス中アルカリ金属濃度とこれらトラブルとの関係について、定量的な相関性とともに添加剤の効果に関するいくつかの知見が得られた。
キーワード：バイオマス、膠着度、灰組成、流動層ボイラ、アグロメレーション、ファウリング

2. バイオマス燃焼灰の灰障害（アグロメレーション / ファウリング）評価

1. はじめに

2.1 試験内容

バイオマス燃焼では、各種燃料への適応性が高い流動層燃焼炉が広く利用されるが、バイオマス本試験は、バイオマスを燃料とする流動層燃焼中に含まれるカリウムなどのアルカリ成分による炉にて発生するアグロメレーションとファウリン流動不良（アグロメレーション（※ 1））やクリンカグに及ぼす灰中のアルカリ成分の影響を明らかにや閉塞物等による灰障害（ファウリング（※ 2））なするために実施した。

どを起こすことが懸念される。そのため、これら（1）実灰と合成灰の焼結性の比較問題を燃料性状から事前に予測し、回避できる対アルカリ化合物の種類および添加量が焼結性に策が望まれている。

及ぼす影響を解明するには、試薬（炭酸塩や酸化いくつかのバイオマスの性状調査や実機サンプ物など）を用いて混合・調整した合成灰が有効でル調査の結果をつうじて、アグロメレーションやあることを確認する必要がある。そこで、実灰とファウリングのメカニズムの解明を試みた結果、同じ組成になるように各種薬品を用いて調製したアルカリ金属との定量的な相関性、および添加剤合成灰の焼結性を調べた。

による対策案に関するいくつかの知見が得られた（2）灰の焼結性に及ぼすアルカリ化合物の影響ので、ここに紹介する。

合成灰にアルカリ成分を任意量添加し、アグロメ

けい※ 1： 流動層内にて珪砂などの流動媒体（以下レーションやファウリングに及ぼす影響を調べた。

ベッド材）と燃焼灰とが塊状の固着物を
2.2 供試材

形成すること。流動不良の原因となる。

2.2.1 バイオマス実灰※ 2： 後部伝熱面などに灰が付着すること。

（1）

収熱阻害、管路閉塞などの原因となる。

近年新たなバイオマス燃料としてパームヤシ*1：元フェロー 博士（学術） 環境計量士（濃度関係）*2：計測事業部 企画管理部 ソリューションエンジニアリンググループ
第一種作業環境測定士*3：計測事業部 化学・環境部 福浦グループ

—26—

次長

博士（理学） 環境計量士 一般計量士

が着目されている。パームヤシは EFB（パーム空トに装填し、任意の温度で 1h 加熱した。
加熱後の灰の固さは下記のラトラ試験機（図 1）

果房：Empty Fruit Bunch）、シェルおよびファイバーに分類されるが、本試験ではこの中でも特ににより測定した。

アルカリ成分の多い EFB を用いた。EFB 灰の特徴
は表 1 に示すように、融点の低いカリウム化合物

2.3.2 塊状灰の固さ
塊状灰の固さは、図 1 に示したミネルバ機器社を多量（K2O 換算で約 50％）に含むことが挙げられる。

製ラトラ試験機により測定した。ラトラ試験機は金属圧粉体の耐摩耗性および先端安定性を測定す

2.2.2 合成灰るための装置で、直径 100mm、長さ 120mm の円試験目的に応じて各種の合成灰を調製した。

筒形金網（目開き 1mm ＃）を 80rpm で回転させる。

（1）合成 EFB 灰：表 1 と同じ組成になるようにこの円筒形金網に塊状灰を入れ、金網を回転さ薬品を混合した合成灰

せると塊状灰は金網内壁に落下衝突し、表面から（2）EFB ベース灰：表 1 の中から検討対象となる徐々に崩される。

アルカリ成分（Na2O、K2O）と Cl を除いた成焼結灰の固さを「膠着度」と定義し次式により求分からなる合成灰めた。なお、サンプルは約 0.2g に整形したものを（3）アルカリ添加合成灰：灰中のアルカリ含有量使用し、ラトラ試験機の回転数は 500 回とした。の焼結性に及ぼす影響を調べるため、上記膠着度（-）= 試験後の重量／試験前の重量、炭EFB ベース灰に炭酸ナトリウム（Na2CO3）酸カリウム（K2CO3）および塩化カリウム（KCl）

2.4 結果および考察のアルカリ分を任意量添加した合成灰。添加2.4.1 実灰と合成灰の焼結性
図 2 に EFB 実灰と EFB 合成灰の膠着度を示す。

量は、ただし書きが無い場合はこれら化合物を酸化物（Na2O、K2O）換算値とした。

図より、両者の曲線形状が近似することが確認で

なお、ベッド材は珪砂（シリカ：直径 0.3 ～き、合成灰による試験が有効であることがわかっ0.5mm）と石灰石およびドロマイト（直径0.3 ～ 0.5mm）を使用した。
（2）（3）

2.3 試験方法

2.3.1 焼結試験
焼結灰の作製には、内径 50mm、長さ 1,000mmのアルミナ管を挿入した横型電気炉を使用した。
サンプルは幅 12mm、長さ 90mm のアルミナボー

表1

図1

ラトラ試験機かす

バイオマス灰の化学組成（コーヒー滓との比較）—

27—

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図2バイオマス実灰と合成灰の膠着度比較

図 3 珪砂 +EFB 合成灰の膠着度（加熱温度の影響）（2）珪砂とアルカリ化合物添加 EFB 合成灰た。植物由来の金属成分は、石炭由来の金属成分（4）（鉱物質が主体で、複雑な化合物形態を取る） とバイオマス中のアルカリ化合物として最も重要は異なり、イオンまたは酸として植物に取り込ま（含有率が高い）と考えられる K2CO3 を選び、合成れるため、燃焼後の灰中におけるこれら金属成分灰中の K2CO3 濃度と EFB 合成灰の珪砂への添加量はほぼ酸化物、塩化物、炭酸塩で存在するものととの関係を調べ、図 4 の結果を得た。

推測される。そのため、実灰と試薬を使用した合膠着度はサンプルの加熱温度が高いほど、また成灰とでほぼ同じ挙動を示したものと考える。

添加量が多いほど上がることが確認された。すな

なお、図 2 にはコーヒー滓（CG：Coffee Grounds）

わち、アグロメレーションは温度依存性が最も強灰の合成灰についてもプロットした。図 2 からいが、燃料中の灰量と灰中アルカリ濃度にも依存EFB 灰の場合は、コーヒー滓灰より約 250℃低いすることがわかった。

650 ～ 700 ℃ の 低 温 で も 灰 が 固 化 す る こ と が わ（3）珪砂と K2CO3-KCl 系添加合成灰かった。EFB ではこのような低温でも灰が焼結す

EFB 灰に含まれるアルカリは K2CO3 と KCl と考るため、特にアグロメレーションが起こりやすいえられるため、この 2 成分が共存する場合の焼結と言える。

試験を行い、図 5 の結果を得た。なお、K2CO3-KCl系添加合成灰の珪砂への添加率は 30％一定とし2.4.2 アグロメレーションへの評価た。

アグロメレーション生成挙動を解明するために
0.3 ～ 0.5mm のベッド材と各種合成灰を混合したサンプルでの焼結試験を行った。一般的なベッド材は珪砂なので、主に珪砂と合成灰の焼結性を求めた。
（1）珪砂と EFB 合成灰
図 3 に EFB 合成灰の添加量と膠着度との関係を示す。添加量が増えるほど膠着度は上昇し、添加量 30％では EFB 合成灰そのものの膠着度と同等になる。添加量 10％では 850℃の高温においても図4

膠着度が 0.3 以下となることがわかった。
—

28—

珪砂 +K2CO3 添加 EFB 合成灰の膠着度

結果、K2CO3 と KCl の各混合比における膠着度と状態図の融点に相関性が認められた。膠着度と状態図の融点に相関が得られたことは、この 2 成分系におけるアルカリ濃度から膠着度を予測できる可能性を示唆するものと考える。
（4）ベッド材の種類と EFB 合成灰
ベッド材として通常珪砂が使用されるが、アルカリ成分と反応してアグロメレーションを形成し図5やすいため、珪砂に代えて石灰石、ドロマイト

珪砂 +K2CO3-KCl 添加 EFB 合成灰の膠着度（合成灰：30％混合）（ Dolomite：苦灰石、CaMg(CO3)2 ）と EFB 合成灰との反応性を調べ、図 7 の結果を得た。ドロマイト

K2CO3 と KCl のいずれの混合比においても、温度はアグロメレーション抑制対策として有望と考え依存性が強かった。しかし、膠着度は両者が共存られる。石灰石は珪砂より膠着度が低く、ある程する方が、K2CO3 と KCl それぞれの純物質（100％）

度効果が認められるものの珪砂との差はわずかでの場合より高くなった。

あった。

なお、100％ KCl が 800℃から膠着度（0.7）が安定したのは、KCl の蒸発による KCl 量の低下によ2.4.3 ファウリングへの評価るものと推定される。

（1）灰の加熱温度およびアルカリ分添加量の影響（5）

K2CO3 と KCl の 2 成分系状態図 では K2CO3 のEFB ベース灰（アルカリ分を含まず）に K2CO3、融 点 は 約 900 ℃、KCl の 融 点 は 約 770℃ で あ り、KCl を添加した合成灰加熱後の膠着度は、予測ど

K2CO3 : KCl = 6 : 4 時に融点が約 640℃まで低下す

おり加熱温度の上昇に伴い高くなることが確認さることが示されている。膠着度 0.8 における K2CO3れた（図 8、図 9）。アルカリ分を含まない EFB ベー

濃度、KCl 濃度と温度の関係、および状態図に示

ス灰は、900℃までの低温域において、焼結しないされた融点をプロットしたのが図 6 である。そのことがわかった。このことから、アルカリ分が灰

図6

図7K2CO3 濃度および KCl 濃度と膠着度 0.8 における温度の関係—

29—

ベッド材の種類が EFB 合成灰の膠着度に及ぼす影響
IIC REVIEW/2021/10. No.66

Na2CO3 の場合が最も高く、次いで K2CO3、KCl の順に下がった。
一般にバイオマスでは Na 成分の含有量が少ないため、Na2CO3 より K2CO3 と KCl の挙動に着目することが重要と考える。
3. まとめバイオマス燃料のアグロメレーションおよび
図8

ファウリングに及ぼすアルカリ金属の影響を解明

EFB ベース灰 +K2CO3 の膠着度（加熱温度の影響）するために実施した焼結試験により、以下の知見を得ることができた。
3.1 アグロメレーション評価（1）各種薬品を混合した合成灰の焼結性は実物の EFB 灰の焼結性を再現できることが明らかになり、アグロメレーション等の評価試験は合成灰で代替できることを確認した。バイ
オマスは灰分が極端に少なく、灰を調製するのが困難であることから模擬合成灰は各種

図9試験の有効な手段となりえる。

EFB ベース灰 +KCl の膠着度（加熱温度の影響）（2）K2CO3 と KCl は共晶化合物を形成することで融点が低下し、それぞれの純物質の場合より灰は固まりやすくなり膠着度が高くなる。の焼結に大きく寄与しており、かつ添加量が増え（3）ベッド材と合成灰の焼結性るほど膠着度が上がることが確認できた。
（2）アルカリ 3 成分の比較① 珪砂 + EFB 合成灰の膠着度はサンプルの加熱温度が高いほど、また添加量は多いほど上がEFB ベース灰に Na2CO3、K2CO3、KCl それぞれ
10 ％ 添 加 し た 条 件 で の 膠 着 度 を 図 10 に 示 す。

ることが確認された。
② 珪砂 + アルカリ化合物添加 EFB 合成灰の膠着度は温度依存性が最も強いが、これら混合物中のアルカリ総量との相関性も高いことが判明した。
③ 添加剤としてドロマイトの利用が、アグロメレーション対策として有望と考えられる。石灰石も効果が認められるものの珪砂との差は小さいことが示された。

図 10

EFB ベース灰への添加物質の影響—30—

3.2 ファウリング評価（2） 知惠賢二郎、茂田潤一：灰汚れ評価「灰の膠（1）ファウリングは灰の焼結に及ぼすアルカリ着 度 」の 亜 瀝 青 炭 へ の 適 用 に つ い て、IIC

分の影響は高温になるほど、またアルカリ濃REVIEW、No.61、2019/04、pp.8-12（3） 茂田潤一、知惠賢二郎、高野卓、長島陽一：

度は高いほど強くなることが示された。
（2）ファウリングはアルカリ 3 物質の比較では「灰の膠着度」による石炭・バイオマス混焼時のNa2CO3 の膠着度が最も高く、次いで K2CO3、灰汚れ予測評価、IIC REVIEW、No.63、2020/04、KCl の順に下がる傾向が示された。

pp.31-37：Analytical Methods for Coal and（4） C. Karr, Jr.（ed）参考文献

Coal Products, Academic Press, 1978, p.267（1） 小熊、本村、山下、河西、中山：パーム産業（5） Lawrence P. Cook, Howard F. McMurdie：PHASE

における未利用バイオマスの有効利用と最適

DIAGRAM FOR CERAMISTS VOLUME VII,なプロセス開発、IHI 技報、Vol.59、No.4、2019、

American Ceramic Society, 1989, Fig. 7058

pp.77-89

元フェロー
博士（学術）
環境計量士（濃度関係）

計測事業部 企画管理部
ソリューションエンジニアリング
グループ 次長 博士（理学）
環境計量士 一般計量士
第一種作業環境測定士

茂田 潤一

知惠賢二郎

TEL. 045-791-3518
FAX. 045-791-3541

TEL. 045-791-3518
FAX. 045-791-3541

計測事業部
化学・環境部
福浦グループ

高野卓

TEL. 045-791-3516
FAX. 045-791-3542—31—

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