第章

6

微粉炭火力の環境性の向上

第６章

微粉炭火力の環境性の向上 ● 目

CS推進部

受託推進グループ

次

部長

牧野

尚夫

横須賀研究所

エネルギー化学部

上席研究員

白井

裕三

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

野田

直希

６−１

研究の背景 ………………………………………………………………………………………………………………… 59

６−２

排煙処理システムの特徴 ………………………………………………………………………………………………… 60

６−３

低NOx燃焼技術 …………………………………………………………………………………………………………… 61

６−４

脱硝技術 …………………………………………………………………………………………………………………… 67

６−５

集じん技術 ………………………………………………………………………………………………………………… 69

６−６

脱硫技術 …………………………………………………………………………………………………………………… 71

６−７

今後の展開 ………………………………………………………………………………………………………………… 73

コラム１：排ガス中水銀の化学形態別連続分析手法 …………………………………………………………………………… 74

牧野尚夫（10ページに掲載）（6-1、6-3、6-5執筆）

野田 直希（1998年入所）入所以来、各種燃焼排ガスに含まれる水銀の分析手法の開発を実施してきました。現在
は、石炭火力発電プラント内微量物質の挙動解明と排出抑制技術に関する研究を進めています。今後は、微量物質と窒素酸化物や硫黄酸化物等の環境汚染物質を同時に低減する燃焼技術や排煙処理技術に関する研究に力を入れて行きたいと思っています。
（コラム１執筆）58

白井裕三（16ページに掲載）（6-2、6-4、6-6、6-7執筆）

６−１

研究の背景

環境保全に対する要求が次第に強まる中、微粉炭火力

石炭は、石油、天然ガスに比べ、窒素分、硫黄分、灰発電所においても、様々な環境対策技術の開発が進めら分などの含有率が高いため、これらから生成されるれてきた。特に我が国では、大気汚染による公害問題がNOx、SOx、ばいじんの濃度が高くなり、その排出抑制注目された 1960 年代後半以降、急速に環境対策が進み、技術が特に重要となっている。
図 6-1-1 には、微粉炭火力のフローを示すが、SOx に

環境汚染質の大幅な排出抑制が図られている。
環境汚染質の内、大気汚染物質としては、粒子状物質

ついては、湿式の排煙脱硫装置の利用により低減が図ら（ばいじん）、硫黄酸化物（SOx）、窒素酸化物（NOx）

れ、ばいじんについては高性能電気集じん機の開発と、が、主な対象となってきた。

湿式排煙脱硫装置の除じん効果の併用により低減されて1963 年に制定された「ばい煙排出規制に関する法律」、

おり、現在では世界的に見ても最も低いレベルにまで排1968 年の「大気汚染防止法」に基づき、まず、ばいじ

出濃度を抑制している。しかし、一層の環境性向上、低ん対策に関しては、1966 年に非常に高い集じん率を有コスト化のために、脱硫技術、集じん技術のさらなる改する電気集じん機が導入されている。硫黄酸化物（SOx）

善が鋭意進められている。

対策に関しては、低硫黄燃料の使用、高煙突や集合煙突

これに対して NOx の低減は、現状では触媒式の脱硝の採用により環境影響抑制が図られると共に、1973 年

装置と低 NOx 燃焼技術（バーナおよび燃焼方式）の組には湿式の石灰・石膏法を用いた高性能な排煙脱硫装置

み合わせで対処されている。脱硝装置については、既にが開発され、発電所への設置を開始した。また、1974

ほぼ確立した技術であり、低コスト化、触媒の長寿命化

年には一層の環境規制強化に向け、総量規制方式の導入のためのさらなる改善が進められている程度である。一が大気汚染防止法に盛り込まれている。

方、燃焼調整により NOx 生成量を抑制する低 NOx 燃焼

窒素酸化物（NOx）については、1973 年に排出規制

技術は、大きな設備改造を伴わず、かつ所要コストも低が制定され、燃焼条件の調整による NOx 低減法、いわくできるため、その一層の高性能化に向けた技術開発は、

ゆる低 NOx 燃焼法の改良、低 NOx バーナの採用が進む

微粉炭火力技術の高度化の中でも最重要課題の一つであ

一方、1977 年には触媒を用いた選択式接触還元法により、現在も精力的に研究開発が進められている。

る脱硝装置も導入が開始されている。

ボイラ

脱硝装置
エア・ヒータ
電気集塵
装
置

押込ファン

吸引ファン

図6-1-1

脱硫装置

煙突

微粉炭火力フロー概要

電中研レビュー No.46 ● 59

６−２

排煙処理システムの特徴

微粉炭火力の排煙処理装置は、ばいじんを除去する集じん装置、NOx を除去する脱硝装置、硫黄酸化物を除

6-2-1

低温電気集じん機を用いたシステム

去する脱硫装置からなる。現在、脱硝装置として、アンモニア（NH3）を排ガスに吹き込み、触媒により NH3 と既に稼動している微粉炭火力発電所において最も多く

NOx を選択的に反応させ、水（H 2O）と窒素（N 2）に用いられているシステムが図 6-2-1 の 130˜150 ℃で操作

分 解 す る 選 択 還 元 法 （ SCR 法 :Selective Catalytic

する低温電気集じん機（低温 ESP）を用いたシステム

Reduction）が使われている。集じん装置としては、ばである。

いじんを帯電させた電場内で分離・除去する電気集じん

ボイラからの排ガスは 300 〜 400 ℃で脱硝装置に入り、機が、脱硫装置としては,石灰と水のスラリーに SOx を

NOx が除去された後、空気予熱器で燃焼用空気と熱交反応させて除去する石灰石−石膏法が主に利用されてい換され、130 〜 150 ℃で低温電気集じん機に入り、ばいる。これらの装置の最適操作温度に合わせ、排煙処理シじんが取り除かれる。ばいじんが取り除かれた排ガスは、ステムの構成は決められる。

ガス−ガス熱交換器（GGH）において排煙処理後の排基本的には、脱硝装置の温度が 350 ℃であり、脱硫装

ガスと熱交換され、90 ℃程度まで冷却されて脱硫装置

置では、数十℃であるため、脱硝装置が前段に設置されに入り、SOx が除去される。この排煙処理後の排ガスるが、電気集じん機（ESP）には 350 ℃で運転する高温は GGH で 90 〜 100 ℃に加熱されて煙突から排出する。

形、150 ℃の低温形および 90 ℃の低低温形があり、それまた、GGH を設けず、脱硫後のガスをアフターバーナ

ぞれに対応した 3 種の排煙処理システムが、現在稼動しで過熱する方式もある。

ている。

低低温電気集じん機が開発されるまでは、このシステ
ムが主流となっていたが、集じん性能の高い低低温電気

高温
ESP
使用時

ボイラ
EP

脱硝

A/H

G
G
H

ボイラ
微
粉
炭
火
力
発
電
所

60

脱硝

A/H

ESP

脱硝

A/H

ESP

脱硫

G
G
H

脱硫

低温
ESP
使用時
ボイラ
乾式脱硫

低低温
ESP
使用時

ボイラ

図6-2-1

微粉炭焚き火力の排煙処理システム

脱硝

A/H

G
G
H

ESP

脱硫

集じん機の開発後は、ほとんどが次に示すシステムを採せたシステムもある。このシステムの、総合効率は、集用するようになっている。

じん効率 99.9%以上、脱硝効率 90%、脱硫効率 97 ％と高効率なものとなっている。

6-2-2 低低温電気集じん機を用いたシステム
6-2-3 高温電気集じん機を用いたシステム
90 ℃程度の低温で操作することにより、石炭灰の電気抵抗を下げ、集じん効率を向上させるものである。こ石炭灰の電気抵抗は、高温においても低下する。こののシステムにおいては、低温電気集じん機を用いたシス特性を利用したものが高温電気集じん機であり、脱硝装

テムと GGH の設置位置が異なり、電気集じん装置の前置の前に設置され、350 ℃程度の高温でばいじんを除去に設置されている。脱硫・集じん後の排ガスは、集じんする。ばいじん除去後のガスは、脱硝後、GGH で熱交前の排ガスと熱交換されるため、ガスリークのない

換され、脱硫される。この高温電気集じん機は、排ガス

GGH が用いられている。また、脱硫装置の後流に湿式

容積が大きくなるため、装置も大きくなる問題があり、電気集じん装置を設置して、さらに集じん性能を向上さ

近年では建設がなされていない。

６−３

低 NOx 燃焼技術

6-3-1 既存の低 NOx 燃焼技術
燃焼用
補助空気

燃料の燃焼により発生する NOx は、燃料中の窒素分の酸化による Fuel NOx と空気中の窒素の酸化による

SGR

Thermal NOx とに分類される。Thermal NOx は高温下で生成し、石炭では NOx 発生量の 20 ％程度が Thermal
微粉炭＋
一次空気

NOx であると言われている。
従来の低 NOx 燃焼の考えは、酸化雰囲気を抑制し、SGR初期から可能なかぎり NOx が生成し難い条件に調節しようというもので、初期生成 NOx を抑える低 NOx バー
燃焼用
補助空気

ナ、酸化雰囲気を弱めて NOx の生成を抑制する低空気
比燃焼法や二段燃焼法、さらに火炎温度を下げて NOxの生成を抑制する排ガス再循環法などが低 NOx 燃焼法の中心であった。

図6-3-1

微粉炭用バーナの構造例（SGRバーナ）⑴ 初期生成 NOx の抑制
火炉で生成する NOx を低減するため、初期生成 NOx

下の段から燃焼用の補助空気を段階的に注入することでを抑制する方法が従来型の低 NOx バーナである。この急激な酸化を抑制している、一次空気と補助空気の間に方 法 の 一 例 と し て 、 図 6-3-1 に SGR(Separate Gas

燃焼排ガスを導入する SGR は、補助空気の早期混合を

Recirculation)バーナの構造を示す。このバーナは、中抑制し、NOx の生成が盛んな揮発分燃焼域の酸化雰囲央から微粉炭とその搬送用の一次空気、その上下段から気の抑制、温度の低下を図るなどの工夫のために用いら

SGR と呼ばれる燃焼排ガス再循環ガス、さらにその上れている。

電中研レビュー No.46 ● 61

⑵空気比の低下
NOx濃度（O2：6％換算）（ppm）

供給空気量を低下する方法（低空気比燃焼）である。
本法は排ガス量も減少するため、排ガスによる熱損失を少なくでき、図 6-3-2 に示すように、空気比（過剰O2 濃度）の低下とともに NOx 濃度も確実に低下する。
しかし、同図中に示されるように、NOx の低減に応じて灰中未燃分（Uc ：燃焼時に生成される石炭灰中に残存する可燃分の割合）や CO の発生量が増加する欠点を炭

種

マッセルブルックブレアソール700

ブレアソール

火炉容量
0.1ton/hr
20
1.5ton/hr

600
15

500
400

10
300
200

灰中未燃分濃度（％）

NOx Uc

空気比を低下させる方法として、まず挙げられたのは5持ち、特に、CO の増加傾向は空気比の低い条件で顕著100になるため、空気比には低減できる限界が存在する。現0

在では、これらを考慮した限界の低空気比での運転が既

0

10

20

30

0
40

二段燃焼率（％）に実施されている。
次に、全体の空気比は極端に下げずに、NOx の生成

図6-3-3

二段燃焼率のNOx・灰中未燃分濃度への影響に影響が大きいバーナ回りの空気比のみを下げる方法として実施されている方法が二段燃焼法である。本方法は、バーナから供給する空気の一部を分割し、火炎の後流か⑶

燃焼温度の低下ら注入する方法で、バーナ周りの空気比が低くなるため燃焼温度を低下することにより、NOx の生成反応を

NOx の生成は抑制され、残った未燃分は後流から注入抑制する方法であり、燃焼用空気に燃焼排ガスを混合すした空気により再燃焼させることで低減できる。二段燃

る排ガス再循環法が最も良く用いられる。但し、本法は焼法による NOx 低減効果は、図 6-3-3 に示される。二Thermal NOx の抑制には有効であるが、若干の温度低段燃焼率（Rs）は、二段燃焼用空気量（As）の全燃焼

下程度では Fuel NOx は低減しないため、Fuel NOx の用空気量（AT）に対する割合であり、Rs ＝ As ／ AT

多い微粉炭火力にはあまり効果が無いと考えられている。

で定義される。

以上のように、NOx の生成を抑制することによる低いずれの石炭種、火炉においても二段燃焼率が増加す

NOx 燃焼技術は、これまでに数多く検討・実施されてるとともに NOx は低減されるが、NOx 低減に応じて灰きたが、本法だけでは十分な NOx 低減が図れず、また、

中未燃分が増加する傾向は避けられない。

NOx の低減に伴い灰中未燃分濃度が増加する傾向を示すため、最近では、Fuel NOx の多い微粉炭燃焼に特にKey Item
NOx
CO
Uc

400

促進することにより低 NOx 化を図る燃焼法が検討され、
4

3

300

2

200

灰中未燃分濃度（％）

NOx、CO濃度（O2：6％換算）（ppm）

適した方法として、一度発生した NOx の還元・分解を

5

500

1

100

主流になりつつある。

6-3-2

新しい低 NOx 燃焼技術の概要

新しい低 NOx 燃焼法としては、バーナ近傍で速やかな NOx 還元炎が形成できる新型の低 NOx バーナの開発と、火炉全体を利用した NOx 還元炎の強化などが検討

0

0

2

4
6
O2濃度（％）

80
10

されている。
微粉炭燃焼に伴う NOx を灰中未燃分の増加を抑制しつつ低減するために当研究所が開発した超低 NOx 燃焼

図6-3-262O2濃度とNOx、CO、灰中未燃分濃度の関係

技術の概念を、従来技術と比較して図 6-3-4 に示す。本二段燃焼用空気注入［従来技術］
燃焼用空気
微粉炭
+
１次空気

燃焼促進

燃焼用空気
［新技術］

NOx濃度・灰中未燃分濃度

空気多段注入燃焼促進
領域

灰中未燃分低減領域

NOx還元領域
NOx
（新）
NOx
（従来）

灰中未燃分濃度（従来）

灰中未燃分濃度（新）火炉流れ方向

図6-3-4超低NOx燃焼技術の概要

燃焼法においては、まずバーナ近傍の燃焼初期において循環流を利用して微粉炭の着火を促進し、そこに形成さ低空気比の高温場を作り、石炭の熱分解を促進することれる高温反応場での微粉炭の滞留時間を長くできるバー

で、窒素分の放出と残留する固体状の未燃炭素の低減をナの開発に着手し、以下の手順で実用化を行った。

図る。燃焼初期に生成した NOx は、後流部に形成したａ）コールドフロー試験によるバーナ形状の検討

還元雰囲気の火炎により分解・低減される。燃え残った

バーナ形状が再循環流形成に及ぼす影響を解明するた

未燃分は火炉の後流に二段燃焼用空気を注入することでめ、まず非燃焼場で流れの特性を把握した。実際のバー

再燃焼し低減する。この際、NOx 濃度の大幅低減を図

ナにおいて微粉炭が搬送される一次空気管に、トレーサ

る上では、二段燃焼率を極端に増加させる必要があるが、ガスとして NO を注入し、噴出後の NO の等濃度線の形

二段燃焼用空気注入位置での再燃焼による NOx の再発状により示される二次・三次空気との混合状況から、バ生量が増加するため、二段燃焼用空気を複数個所から分ーナ噴出後の流れが再循環流を形成するように拡がるか、割注入する空気多段注入法を採用し、激しい再燃焼が一直進流として流れるかを把握した。バーナ噴出口の形状

度に起こらないようにすることで、効果的な NOx と灰としては、一次・二次・三次空気管それぞれを、絞り形

中未燃分の低減が可能となる。

状、ストレート形状、広がり形状の３種類作成して評価した。

6-3-3 超低 NOx 燃焼技術の開発

図 6-3-6 は、二次・三次空気の噴出口形状は同一で、一次空気の噴出口形状だけが異なる場合についての流れ⑴ 新型低 NOx バーナの開発場の様子を示している。一次空気管の形状が直管の場合

上述のような低 NOx 燃焼法に適したバーナの機能とには、トレーサが炉内に噴出した直後から半径方向に拡しては、バーナ近傍で従来以上に石炭の熱分解促進と速がる形状を示し、トレーサ濃度の低い空気がバーナの中

やかな酸素の消費が図れる高温反応場を形成でき、さら心軸部に流入する再循環流が形成されていることがわかに高温反応場において、微粉炭粒子の滞留時間が十分確る。これに対し、一次空気管が絞り管の場合には、直進保できることが必要である。当研究所は、石川島播磨重流が強くトレーサが流れ方向に伸びる傾向を示しており、工業㈱（以下 IHI）と共同で、図 6-3-5 に示すような再一次空気管形状により大きくフローパターンが変化する

電中研レビュー No.46 ● 63

微粉炭をバーナ近傍で滞留させる再循環流
微粉炭
＋
１次空気

N Ox還元・分解領域
燃焼促進領域

燃焼用２次・３次空気

図6-3-5

微粉炭用超低NOx（CIーαバーナ）の概念

2830

図中数値はトレーサ希釈率［％］
火炉半径方向火炉半径方向

図中数値はトレーサ希釈率［％］

28

30
35

35
65

40

40
55 50

バーナ部

再循環流
の形成

65 5550
バーナ部

火炉流れ方向火炉流れ方向

図6-3-6 バーナ噴出出口部形状が及ぼすバーナ付近の流れへの影響

ことが明らかになっている。これらの検討を基にして、空気管と三次空気管、各々の影響を個別に評価するため、再循環流を形成する広がり形状の火炎ができるのは、一タイプⅠとⅡの一次空気管を交換した２種のバーナにつ次空気管が直管の場合に限られること、特に二次空気管

いても特性を把握している。バーナから噴出される燃焼が絞り形状で、かつ三次空気管が広がり形状の場合に最用空気流量、旋回条件の NOx･灰中未燃分排出特性に及も良好な再循環流が形成されることを明らかにした。

ぼす影響を検討すると共に、４種のバーナの性能比較試

ｂ）燃焼試験によるバーナ操作条件の検討

験を行うことにより、実際の燃焼場で NOx 低減に最もコールドフロー試験で最適と評価されたバーナの、燃焼場における性能把握は、石炭燃焼量 100kg/h の当研究所石炭燃焼試験炉を用いて行った。

有効なバーナを選定した。
図 6-3-8 は、燃焼用空気の注入条件のうち二次空気分
配率（二次空気量の、二次空気量と三次空気量の和に対

図 6-3-7 は、燃焼試験に用いた４種類のバーナを示しする比率）の NOx 濃度への影響を示したものである。

ている。これらのうち、タイプⅡがコールドフロー試験

タイプⅠからⅣのいずれのバーナにおいても 20 ％程度で最適とされた形状のバーナであり、タイプⅠは共同研の二次空気分配率で NOx 濃度は極小値を持っている。

究を行った IHI の既存低 NOx バーナ（DF バーナ）の形

この比率において、石炭搬送用の一次空気と、そのすぐ状である。タイプⅠとⅡでは、一次空気管と三次空気管

外周から注入される二次空気とを会わせたバーナ近傍のの噴出口形状が異なっているのみである。そこで、一次一次燃焼域の空気比は 0.4 程度となる。この空気比より

64

微粉炭流

火炎

Type

（DFバーナタイプ）

３次空気
２次空気

微粉炭管 ：直管形状
３次空気
フロート：広がり形状300

NOx濃度（O2６％換算）
（ppm）

３次空気
２次空気

微粉炭管 ：絞り形状
３次空気
フロート：絞り形状

250

200

150

100

二段燃焼率

２次空気
旋回角度：81deg
３次空気
旋回角度：72deg

50

0

Key

30％

0

10

20

30

40

50

60

バーナタイプ
Type
Type
Type
Type

70

80

90

100

２次空気分配率（％）

微粉炭流

火炎

Type

（コールドフローで選定）

３次空気
２次空気

微粉炭管 ：直管形状
３次空気
フロート：絞り形状

図6-3-8２次空気分配率とNOx濃度

条件で NOx 濃度が最も低くなっていることが分かる。
タイプⅢバーナの NOx 濃度が、その次に低くなり、タ
イプⅠバーナとタイプⅣバーナは、あまり大きな差異はなかった。これより、三次空気管形状よりも、微粉炭を噴出させる一次空気管形状の方が NOx 濃度に大きい影

微粉炭流

火炎

響を持つこともわかる。
これらの特性評価を、さらに一次・二次・三次空気の

Type

３次空気
２次空気

旋回角度を変化させた場合についても行い、実際の燃焼
微粉炭管 ：絞り形状
３次空気
フロート：広がり形状場においてもタイプⅡバーナの形状が最適であることを明らかにすると共に、最適な空気注入条件（注入量、旋回角）も明確にした。これらの成果を受け、本タイプのバーナを新型低 NOx バーナ（CI-αバーナ： CRIEPI-IHI

微粉炭流

火炎

Advanced Low Pollution High Ability バーナ）として採用することにした。

Type

図6-3-7

バーナ形状ｃ）CI-αバーナのスケールアップ検討
前項に述べたように、まず石炭燃焼量 100kg/h の単一バーナを用いて、速やかな石炭の熱分解と還元炎の形成大きい条件では、NOx の還元が不十分となるため NOxが図れる CI-αバーナを開発したが、実機においては、濃度が高くなる。一方、この空気比より小さい場合は、

石炭燃焼量が数 t/h 以上の大容量バーナが複数本使用さ一次燃焼域での NOx 生成量は少なくなるが、NHi やれる。その際、バーナの再循環流も規模が大きくなり、

HCN 等の他の窒素化合物の生成量が増加し、これらが火炎の相互干渉も生じるので、これらの影響を把握し、外周から投入された三次空気あるいは二段燃焼用空気と大容量バーナや複数バーナ使用時にも十分な低 NOx 効

反応して容易に NOx に転換するため、結果的に NOx 濃果が発揮できるようにする必要がある。当研究所では、度が増加することになると考えられている。図中の、二CI-αバーナの実機への適用性を明らかにするため、IHI

次空気分配率の高い条件でプロット点の無い領域では、の大型試験炉を用いて、中規模複数バーナ（石炭燃焼量

火炎は吹き消えてしまう。タイプⅡバーナは、最も幅広

375kg/h ×４本）、大容量単一バーナ（1.5t/h ×１本）

い条件で安定に火炎が存在でき、しかも、すべての実験にスケールアップした場合の燃焼特性を評価した。

電中研レビュー No.46 ● 65

に図 6-3-9 に示す。従来型バーナ使用時に比べ、NOx･
灰中未燃分濃度ともに大きく低減されることが明らかになった。特に、その効果は NOx 濃度の低い条件ほど大きくなり、CI-αバーナは、低 NOx 燃焼時ほど高い性能を持つことが明らかになった。また、大容量バーナ使用時においても、ほぼ同様の傾向が現れ、CI-αバーナは、
スケールアップした場合にも十分な NOx･灰中未燃分低減効果が得られることが明確になっている。
これらの結果を受け、本バーナは、1999 年 4 月より出力 149MW 相当の自家発用ボイラに採用され、既にその高い性能が実証されている。

⑵

空気多段注入法の開発

600

30
ブレアソール炭過剰O2=４％
二段燃焼率=30％

非二段燃焼時のNOx濃度

500
Uc

400

20

300
10

200
NOx

100

灰中未燃分濃度、Uc（％）

分濃度の関係を、従来型の低 NOx バーナの結果ととも（ppm）
火炉出口NOx濃度（O2：６%換算）

CI-αバーナの中規模複数化時の NOx 濃度と灰中未燃

非二段燃焼時の灰中未燃分濃度

0

0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

バーナからの軸方向距離――――――――――――、L/D（−）
石炭燃焼炉直径

図6-3-10

二段燃焼用空気注入位置とNOx・灰中未燃分濃度の関係

り、NOx と灰中未燃分両方の効果的低減を考慮した場

ａ）二段燃焼法の最適化

合、二段燃焼用空気の注入位置には最適位置が存在する

これまでに、低 NOx 燃焼法として良く利用されてきた二段燃焼法では、注入位置によって NOx 低減効果がと言え、それは石炭燃焼試験炉においては、バーナから約３ m 離れた位置になっている。

大きく異なる。図 6-3-10 は、当研究所の石炭燃焼試験

しかし、二段燃焼用空気注入位置を最適位置に設置し炉における二段燃焼用空気注入位置と NOx 濃度、灰中たとしても、二段燃焼率を変化した場合においては、二未燃分濃度の関係を示したものである。注入位置を後流

段燃焼率の低い条件では、その増加とともに NOx 濃度にするほど還元雰囲気の領域が拡がるため、NOx 濃度が低減する傾向を持つが、二段燃焼率 30 ％付近で低減は低下し、特にバーナより２〜３ m の位置で急激に低効果が弱まり、30 ％以上では逆に NOx 濃度が上昇する

下する傾向を示す。これに対して灰中未燃分は、注入位特性を持った。二段燃焼率を極端に高くした場合は、二置が後流になるほど増加し、その傾向はバーナから３ m

段燃焼用空気注入位置までに NOx の還元が十分に行わ以上離れた位置で強くなる。この位置は NOx 濃度が急れるが、未燃分も大量に残存するため、二段燃焼用空気

激に低下する注入位置に比べ若干後流である。これらよ注入位置での再燃焼が激しくなり NOx の再発生が生じ、火炉出口の NOx 濃度は逆に上昇する傾向となっている。
ｂ）空気多段注入法による検討

15

灰中未燃分濃度（％）

CI-αバーナ
従来型バーナ

0.375ton/hr×4▲△

二段燃焼用空気注入位置での NOx の再発生を抑制す
るため、分割注入する空気多段注入法を考案した。二段

10燃焼率を 40 ％とし、バーナから 2.99m と 4.99m の位置に分割注入した場合のバーナ中心軸上の NOx 濃度分布は
図 6-3-11 のようになる。バーナ近傍で生成された NOx

5

は二段燃焼用空気注入位置までに十分還元され、100ppm 程度に減少する。しかし、第１段目の注入位置
で全量の 40 ％を注入した場合、再発生により 250ppm

0

0

200

400

600

800

NOx濃度（O2６％換算）（ppm）

図6-3-966

CI-αバーナと従来型バーナのNOx・灰中未燃分排出特性

1000程度まで上昇する。注入量の一部を２段目の注入位置に配分することにより NOx の再発生量は低減するが、極端に第１段目の二段燃焼用空気量を減少した場合は第２段目での空気注入量が増加し、そこでの NOx の再発生300

NOx濃度（026％換算）（ppm）

火炉中心軸上NOx濃度（ppm）

二段燃焼用空気量比2.99m（ 5％）、4.99m（35％）
2.99m（10％）
、4.99m（30％）
2.99m（20％）
、4.99m（20％）
2.99m（30％）
、4.99m（10％）
2.99m（40％）
、

記号

400

200

250
200
150
100
50
0

100
二段燃焼用
空気注入位置
（前段）

0
2.0

既存バーナ
+
二段燃焼法

二段燃焼用
空気注入位置
（後段）

3.0

4.0

5.0

8.0

図6-3-12

バーナからの距離（m）

図6-3-11

多段燃焼用空気配分時の火炉中心軸上
NOx濃度分布への影響

新型バーナ
+
二段燃焼法

新型バーナ
+
空気多段注入法

超低NOx燃焼技術のNOx低減効果（灰中未撚分：3％の際の比較）

濃度を、従来燃焼（既存バーナと二段燃焼の組み合わせ）、
CI-αバーナと二段燃焼法の組み合わせ、CI-αバーナと量が増加することになる。これより、二段燃焼用空気を

空気多段注入法の組み合わせの３条件について示す。空多段に分割注入し NOx の再発生を抑制できる適性配分

気多段注入法は NOx 濃度を約 30 ％低減でき、CI-αバーにすることにより、NOx 濃度は効果的に低減できるこ

ナと組み合わせることにより 50 ％もの NOx 低減を可能とが分かる。

にすることが明らかになっている。

図 6-3-12 には、灰中未燃分を 3 ％にした場合の NOx

６−４

脱 硝 技 術6-4-1 選択還元式触媒脱硝装置概要
微粉炭焚き火力においては、アンモニア（NH3）を排ガスに吹き込み、触媒により NH3 と NOx を選択的に反応させ、水（H2O）と窒素（N2）に分解する選択還元法（SCR 法:Selective Catalytic Reduction）が使われている。
脱硝装置では、排ガス中にばいじんが同伴するため、図6-4-1 に示す格子状および板状の触媒が主に利用されている。触媒は、図 6-4-2 に示すように反応器に充填され、触媒層入口部に吹き込んだ NH3 により、6-4-1 式および
6-4-2 式に示す反応で NOx（NO、NO2）は水蒸気（H2O）

図6-4-1

脱硝触媒と窒素（N2）に分解する。
操作温度域は触媒が性能を発揮する 300 〜 400 ℃であり、4NO ＋ 4NH3 ＋ O2 → 4N2 ＋ 6H2O

6-4-1

また、脱硝装置からリークする NH3 は 5ppm 以下になる

NO ＋ NO2 ＋ 2NH3 → 2N2 ＋ 3H2O

6-4-2

よう設計され、リークする NH3 が多いと排ガス中の SO3

電中研レビュー No.46 ● 67

NH3/NOx が高くなれば脱硝率も向上するが、後流に排出される未反応の NH 3、いわゆるリーク NH 3 が増加す
NH3

煙突

触媒層
N2,H2Oる。この場合、触媒充填量を増やし、SV を下げれば、脱硝率は向上し、リーク NH 3 を減らせる。また、脱硝率は 6-4-3 式または 6-4-4 式の近似式で表され、リーク
NH3 濃度は 6-4-5 式で求められる。

排ガス

反応器

NOx

η =100 ×［1 − exp（− k/SV）］

6-4-3

η =100 × RNH3/NOx ×［1 − exp（− k/SV）
］

6-4-4

Cout, NH3=Cin, NOx ×（RNH3/NOx −η/100）

6-4-5と反応して、NH4HSO4 が生成し、空気予熱器で析出す

η：脱硝率

[%]

ることにより、配管の詰まりが生じる。

RNH3/NOx ： NH3 と NOx のモル比[−]

ｋ：反応速度定数[1/h]る。一方、ボイラの大型化に対応して、NH3 の排ガス中

SV ：空間速度[1/h]への均一な分散・混合および排ガス流れの均一化を図る

Cout, NH3 ：リーク NH3 濃度[ppm]

ため、ガス入口部におけるガイドベーンと呼ばれる整流

Cin, NOx ：入口 NOx 濃度[ppm]

図6-4-2脱硝装置の概要

脱硝率は、微粉炭火力発電所で 80 〜 90%、程度であ板の設置やガス入口部を格子状に分割して、それぞれに
NH3 注入ノズルを配置するなどの工夫がされている。

6-4-2

6-4-3

操作温度と脱硝性能

低温では、排ガス中の SO3 が NH3 と反応し、NH4HSO4

脱 硝 性 能を生成して触媒表面を覆い、脱硝性能を低下させる。
脱硝性能は、NH3 と NOx のモル比（NH3/NO ｘ）と350 ℃以上になると、この NH4HSO4 は分解するため SO3

触媒充填体積に対するガス流量の割合を示す空間速度

濃度に関係なく、高い脱硝性能が得られる。しかし、[1/h]（SV: Space velocity）および触媒活性により決ま

400 ℃以上の高温になると NH3 が酸化され、それに伴いる 。 図 6 - 4 - 3 に 脱 硝 率 と N H 3/ N O x の 関 係 を 示 す 。

NH3 が減少し、脱硝性能は低下する。

6-4-4

100

500
=1,
0
SV
3,00

脱硝率（％）

90

脱硝触媒の劣化

実際の運転おいては、触媒の経時的な性能低下は避け

0
6,00

られないため、性能管理が行われ、性能低下によりリーク NH 3 が増大した場合には、脱硝触媒の増設、取り替

80

え、あるいは触媒の再生が必要となる。触媒の劣化の原
3,000

70

20

被毒による化学的劣化および、ばいじんが触媒表面を覆

00

6,0

=
SV

60

10

00

1,5

50

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

ってしまう物理的劣化が上げられる。
微粉炭火力では、石炭灰に含まれる CaO が SO3 と反応

1.1

NH3/NOxモル比

図6-4-3

因としては、シンタリングなどの熱的劣化、触媒成分の脱硝率とNH3/NOxモル比の関係0

して生成した CaSO4 の付着や、石炭灰を主成分とする微細なばいじんの付着が主な劣化要因として挙げられる。これについては、触媒表面を研磨して新しい表面を露出させて再生する方法などが対策として用いられている。

68

６−５

微粉炭燃焼で発生するフライアッシュ（石炭灰）を捕

集じん技術

集じん極下部のホッパーに集められる。

集する技術として集じん装置が用いられ、我が国では圧力損失が低く、メンテナンスが容易な電気集じん機が主に使用されている。

⑵

電気集じん装置の基本性能
電気集じんでは単極（通常はマイナス）イオンで充満した空間に粒子を通過させ、荷電して集じんするため、⑴ 電気集じん装置の原理

集じん性能は、粒子の荷電量、電界の強さなどによって

図 6-5-1 に示す平板型電気集じん機を例に原理を説明

大きく影響を受ける。

する。電極は、針状の放電極（負極）と板状の集じん極図 6-5-2 には電界の強さ（電界強度）と集じん効率の（接地極）からなり、放電極は２枚の集じん極間の中央関係を示す。電界強度が強くなるほど集じん効率は増加に設置される。この放電極に直流高電圧（通常は負電圧）

するが、ある程度の大きさからは上昇傾向が弱まることを印加するとコロナ放電が生じる。発生した負イオンとが明らかである。一方荷電量は、粒子の粒径、誘電率、

自由電子は集じん極に向かって流れ、気流中の粒子にそ滞留時間および電界強度、電流密度などにより左右されのイオンが付着し、粒子も集じん極に向かって移動・捕る。

集される。集じん極に堆積した粒子は、槌打ちにより集じん極に振動を与え、分離される。分離された粒子は、一般に粒子の荷電には、イオンの熱運動を利用する拡散荷電と衝突を利用する電界（衝突）荷電がある。
拡散荷電は電界強度にほとんど影響されず、粒径にほぼ比例して増加する。これに対し、電界荷電では電界が電場

強いほど荷電数が多くなり、また、粒径に対しては、ほフィン

ぼその二乗に比例して増加する。すなわち、拡散荷電は
直径１μ m 以下の小粒子で有効であり、電界荷電はそれ以上の粗大粒子に対して有効である。これは、粒径の大きな粒子ほど荷電しやすく、特にその傾向は大粒子ほ

放電極

ど顕著であること示している。一方、電界内での移動速
集
じ
ん
極
（＋）

イ
オ
ン
（−）

電
場
︵
ダ
ス
ト
が
電
気
を
帯
び
る
︶

（＋）
気
流

度は、粒径が小さくなるほど大きくなる。これより、大100
95
集じん率（％）

集
じ
ん
極

90
85
80

アース

150℃
250℃
350℃

75

高圧直流電源

図6-5-1

電気集じん法の原理

7020

図6-5-2253530
印加電圧（kV）

40

電気集じん装置印加電圧と集じん率

電中研レビュー No.46 ● 69

ρd が５× 10 10 Ω･cm 以上、特に 10 13 Ω･cm 以上では、

きな粒子は荷電しやすいが移動させ難く、小さい粒子は移動しやすいが荷電し難いため、電気集じん機では、ど粒子中の電荷が移動しにくいため、集じん極板に堆積しちらの作用もが弱くなる粒径 0.5 μ m 程度の中間領域のた粒子層の荷電の脱離が困難となり、層内に荷電の蓄積

粒子が集じんし難いことになる。

が生じる。この蓄積した荷電がある限界値を超えると、

図 6-5-3 には粒径毎の集じん率を示す。電気集じん機

逆に集じん極よりこれらを放出する逆電離現象が生じて、全体の集じん性能は 99 ％以上と高いが、粒径 0.1 〜１μ m

集じん性能を極端に低下させる。すなわち電気集じん機

で集じん率が極小となり、電気集じん機では、前に述べは、ρd が 104 〜５× 1010 Ω･cm の範囲の粒子に対し、高たような最も集じん効率が低くなる粒径領域が存在する

い集じん性能を有することとなる。石炭燃焼灰の電気抵ことが明示されている。

抗は石炭種によって異なるものの、ほとんどすべての石

電気集じん機の集じん効率が大きく影響を受ける粒子の物性としては、電気抵抗率ρd が挙げられる。図 6-5-4

炭種で 1011 Ω･cm 以上であり、これらを安定に集じんするため、様々な技術開発がなされている。

にその特性を示す。粒子のρd が 104 Ω･cm 以下では、容易に荷電されて、集じん極まで到達するが、電極板上での荷電の脱離も容易であるため、すぐに集じん極と同⑶高電気抵抗粒子の電気集じん
電気抵抗の高い石炭灰の捕集性能を向上させるため、じ極性に荷電され、電極上で反発すると共に、気流中に電気集じん機操作温度条件の調整がなされている。すな

瞬時に引き戻され、捕集効率が低下する。

わち、石炭灰の電気抵抗は温度によって図 6-5-5 のように変化する。これは高温になると粒子内部の電気抵抗が低くなり、一方、低温では粒子表面に液膜等ができるた

99.99

め、表面の電気抵抗が低下することによっている。1970
年代には、高温（350 ℃程度）にすることにより集じん

99.9
部分集じん率η（％）

機の性能を向上させる高温電気集じん機の開発がなされたが、ガス温度の上昇に伴い装置が大きくなること、高99

90

key ガス温度
150℃
250℃
350℃

0.001

0.01

1014

0.1

1

10

102

1013

図6-5-3

電気集じん装置の部分分離効率（模型ESP）

火花
頻発

正常領域

再飛散

逆電離

集じん率

電気抵抗ρd（Ω・cm）

粒径χ（μm）

1012

1011

1010
記号 水分率
0.0

印加電圧

0.02

109

0.05

放電電流

0.1
108
80
1

105

0.15
100

120

140 160 180 200 220

温度 t（℃）

1010

電気抵抗率（Ωcm）

図6-5-5
図6-5-470

集じん性能と電気抵抗率の関係

フライアッシュの見掛け電気抵抗率の温度、水分率による変化

温条件では放電量が多くなり印加電圧が十分とれないこ

99と等の問題が生じたため、近年では、逆に温度を下げて電気抵抗を下げる方式である低々温電気集じん機が注目

図 6-5-6 には温度低下による集じん性能の改善効果を示している。露点より温度が下がると大きく集じん性能が改善されることが明らかである。電気集じんの低温化

集じん率（％）

SO3 10ppm

されている。

90

は、装置のコンパクト化が図れ、かつ集じん性能の大幅な向上も望めるため、近年、新設される石炭火力では、
080

ほとんどがこの方式を採用するようになっている。

100

140

120

160

ガス温度（℃）

また、荷電方式の改善による対策も試みられ、パルス荷電方式と言われ、常時は放電をさせず、電界を形成す

図6-5-6

ガス温度低下による集塵性能の改善

るための低い電圧を印加しながら、放電極に短時間にパルス状の高電圧を印加することで荷電を効果的に行いつつ、逆電離を抑制する方式が実用化されている。

６−６

現在の代表的な脱硫装置は、湿式石灰石−石膏法であ

項目

脱 硫 技 術

酸化塔別置方式

吸収塔内酸化方式

る。本方式は高性能で信頼性の高い技術であり、ほとん
吸収塔

どの微粉炭火力で用いられているが、排水処理の低減を狙った乾式脱硫法や同時脱硫・脱硝法なども開発されて
いる。

6-6-1

基
本
フ
ロ
ー

吸収塔

硫酸
酸化塔
石膏
ガス

ガス

石灰石

空気
石灰石

石灰石-石膏法脱硫装置
吸収塔タンク 空気

国内で産出する安価でかつ取り扱いが容易な石灰石を用い、水と混ぜた石灰石スラリーと排ガス中の SOx を反応させ、硫黄分を石膏（CaSO4･2H2O）として回収する。総括反応は以下のようになる。

特徴

吸収塔タンク・酸化塔 有り（別置き）
・硫酸 要
・CaCO3 過剰率 大・吸収性能に対する酸化の影響 小

図6-6-1

石膏・酸化塔 無し・硫酸 不要・CaCO3 過剰率 小・吸収性能に対する酸化の影響 大石灰石-石膏法脱硫方式

CaCO3 ＋ SO2 ＋ 0.5O2 ＋ 2H2O → CaSO4･2H2O ＋ CO2（CaSO3･0.5H2O）に転化する。この液を別置きの酸化塔
本方式には、図 6-6-1 に示すように酸化塔を別置にした方式と、一体化した内部酸化方式がある。酸化塔別置方式では、排ガス中の SO2 は、塔頂から噴霧された吸収−に供給し、硫酸（H2SO4）により亜硫酸カルシウムを溶解させた後に、空気によって酸化して石膏を得る。
内部酸化方式は、石膏生成反応までも、一つの吸収塔液と反応して、亜硫酸水素イオン（HSO 3 ）となってで行う方式であり、SO2 は塔部で吸収液と接触し、亜硫吸収される。SO2 を吸収した液は、塔底に集められ、供酸イオン（HSO 3 −）として溶け込む。HSO 3 −は液溜部

給される石灰石スラリーにより、亜硫酸カルシウムにおいて空気で酸化されて、硫酸イオン（SO42 −）とな

電中研レビュー No.46 ● 71

り、さらに液溜部に供給される石灰石スラリーと反応し用いて排ガス中の SOx を除去する方式である。図 6-6-2て石膏（CaSO4･2H2O）となる。

にそのプロセスの概要を示す。このプロセスは吸収剤の生成した石膏スラリーは、脱水され、建築材料として製造工程も含んでいる。脱硫反応としては、Ca（OH）2販売される。脱水後の排水は、脱硫装置に戻されると共により SO2 が除去される。脱硫効率は排ガス温度 100 ℃に石灰石スラリーの製造に再利用されるが、循環利用す〜 200 ℃で 90 ％以上が得られる。

ると排ガス中の塩素分、フッ素分等の様々な成分が吸収⑵

液中に蓄積し、石膏の品質の低下や、脱硫性能の低下を

活性炭吸着法引き起こさせるため、一部抜き出して排水処理される。

活性炭吸着法は、脱硫と脱硝の両方で行える方式であ

また、石灰石-石膏法脱硫装置においては、前流にガり、まず脱硫塔では活性炭上で排ガス中の SOx と吹きスの集じんおよび冷却を行う除じん塔（冷却塔）を配し込んだ NH3 とを 140 〜 160 ℃で反応させ、SOx を硫酸水たスート分離方式と除じん塔（冷却塔）を持たないスー

素 ア ン モ ニ ウ ム （ N H 4H S O 4） や 硫 酸 ア ン モ ニ ウ ム

ト混合方式がある。スート分離方式は、ばいじんなどを（（NH4）2SO4）の形態に変換して吸着・除去し、次に脱含まない純度の高い石膏を要求する場合に採用される。

硝塔では NH3 を吹き込み、NOx を窒素と水に分解する

しかし、現在、低低温電気集じん装置のような高性能なものであり、脱硫効率 97 ％以上、脱硝効率 80 ％以上が集じん装置が開発され、ばいじん濃度が低くなっており、得られている。図 6-6-3 には本プロセスの概要を示す。

設備費の安いスート混合型の採用が多くなっている。

NH 4HSO 4 等を吸収した活性炭は脱離塔で 350 ℃以上に加熱することにより、NH4HSO4 等が NH3 と SO2 に分解6-6-2

され、脱離できるため、活性炭を再生利用できる。放出乾式脱硫法および同時脱硫脱硝法

した SO2 は硫酸や単体硫黄として回収される。
湿式脱硫法では、多くの工業用水および高度な排水処理を必要とする。このため、水および排水処理を必要と活性炭しない乾式法の開発が考案されている。特に、乾式法でしかも、同時に脱硝も行う乾式同時脱硫脱硝法が注目さ

NH3

SOx
NOx

のみである。

⑴

脱
硫
塔

排ガス

位性があまり見られず、一部の発電所で利用されている

熱
風

NH3

れている。しかし、湿式脱硫法に対するコスト面での優

NOx

脱
硝
塔
クリーン
ガス

脱
離 脱離ガス
塔
NH3
熱
SO2
風

石炭灰利用乾式脱硫法
図6-6-3

石炭灰、水酸化カルシウム（Ca（OH）2）および使用済

活性炭吸着法同時脱硫・脱硝プロセス

みの吸収剤から新規に吸収剤を製造して、この吸収剤を

脱硫剤製造
石 硝
炭 石
灰 灰

ボイラ 排ガス

使用済
脱硫剤
水

混合機

混練・
成形機

乾燥機

脱サ
硫イ
剤ロ

前
置
吸
収
塔

主
吸
収
塔

クリーンガス
脱硫ファン

計量器
使用済脱硫剤
破砕機

図6-6-272

石炭灰利用乾式脱硫法プロセス

６−７

今後の展開

NOx、SOx の総量規制の強化、フッ素、セレン、ホ

存在形態が異なるため、火力プラント内における挙動もウ素に関する排水規制の強化、PRTR 法の制定等、環境

未だ明確にされていないのが現状である。今後は、その規制が厳しくなってきており、今後、排煙処理技術の高

正確なプラント内挙動把握を行うと共に、規制動向に応度化が重要となってくると考えられる。

じて、除去技術の開発なども必要となると考えられる。

SOx、NOx およびばいじん等の、従来より対策が進

また、電気集じん機等で回収された石炭灰の処分法は、められていた物質については、既に高性能かつ信頼性の今後の大きな課題である。現在は 60 ％以上の石炭灰が高い処理技術が開発されており、今後は、一層の排出抑

セメントの粘土代替材料等に有効利用されているが、一制、処理コスト低減のための、さらなる改良が重要とな層の有効利用量の拡大、特に有価灰としての利用によるる。特に、低 NOx 燃焼については、使用石炭種が今後、コスト低減を考える必要がある。そのため、新たな有効ますます多様化していくため、幅広い石炭種に対応でき利用法の探索に加え、有価灰としての利用が可能な性状る技術としての高度化が不可欠である。

を持つ石炭灰を発生させる燃焼技術の開発が、今後の大一方、微量物質についても、注目が集まっているが、きな課題の１つになると考えられる。

非常に低濃度で、かつ温度、雰囲気条件によって大きく

電中研レビュー No.46 ● 73

コラム１：排ガス中水銀の化学形態別連続分析手法
なぜ、水銀化学形態別連続分析が必要か？
近年、大気環境中の重金属類、特に水銀の挙動が注目され始めており、その発生源の一つとして、の開発を行った（図 1）。ここで、水銀の化学形態
別分析には、Hg0 は水に不溶で、Hg2+ は水溶性である特性を利用した。

種々の燃焼施設が挙げられている。水銀は、水に不溶で大気に残留しやすい金属水銀（Hg0）と、可当研究所の分析手法の精度は？

溶で、雨等により水域に移行しやすい二価水銀

燃焼排ガス中の水銀濃度として報告されている 1（Hg 2+ ）の二つの化学形態で存在している。また、

μg/m3N 程度の濃度を分析できる機能が必要である。

排ガス中水銀は、排ガスの性状や温度によって、

そこで、それぞれの化学形態を持つ水銀の標準ガ

化学形態が容易に変化する。そのため、燃焼施設

スを発生させ、本手法の測定範囲と測定精度を明などの発生源や大気中での水銀挙動を把握するたらかにした。測定誤差は、低濃度の場合でも 5%程

めには、化学形態別の連続分析が不可欠である。

度であり、かつ、それぞれの化学形態で 0.3 μg/m3Nから数十μ g/m3N までの測定範囲を有しており、本開発のポイント

手法が、排ガス中水銀を化学形態ごとに精度良く水銀の化学形態別分析の公定法としては、現在、分析できることを明らかにした（図 2）。

米国で規定されている化学形態別分析が唯一ある

さらに、本手法を用い、実際の燃焼排ガス中にのみだが、本法は分析に時間を要し、短時間の化

含まれる水銀を化学形態別に連続分析し、JIS 等で学形態変化を把握することができない等の問題点規定されている方法など種々の化学分析法と比較がある。当研究所では、水銀の詳細な挙動把握をを行い、本分析手法が燃焼排ガス中の水銀の化学02+行うため、水銀を Hg と Hg に分別する化学形態

形態別分析に十分適用可能であることを明らかに

別分離部、および分離された水銀を連続分析するした。

測定部からなる on-line の水銀化学形態別分析手法
100

測定水銀濃度（μg/m3N）

金属水銀
二価水銀

10

1

0.1
0.1

1

10

供給水銀濃度（μg/m3N）

図１74

水銀化学形態別連続分析装置の外観

図２

測定精度と範囲

100