主要な研究成果

亜瀝青炭混炭燃焼時の灰中未燃分低減技術の開発
背 景亜瀝青炭は、水分含有率が高いが、埋蔵量が多く安価であるため、現在、既設の微粉炭火力において導入拡大が図られている。当面の既設火力での亜瀝青炭の利用は、瀝青炭に対して混炭率 30 ％（火炉投入熱量ベース）以下の混炭燃焼が主になっている。亜瀝青炭の混炭燃焼時においては、亜瀝青炭中の水分が瀝青炭の燃焼を悪化させることに加えて、亜瀝青炭の灰分含有率が低いため、灰中未燃分濃度が高くなるという問題がある。
大量に排出される石炭灰の処理費低減のためには、NOx 排出量を抑制しつつ、有価灰として利用できるよう灰中未燃分濃度を低減することが重要となる。

目 的

当所の石炭燃焼試験炉＊ 1 において、瀝青炭燃焼時に火炉出口 NOx 濃度 100ppm を維持しつつ、灰中未燃分濃度を 1.5 〜 2.5 ％に低減できる CI-αバーナ＊ 2 と空気多段注入法＊ 3 を用いて、亜瀝青炭の混炭率が 30 ％の条件
で、火炉出口 NOx 濃度 100ppm 以下を達成すると共に灰中未燃分濃度を 3 ％以下に低減できる燃焼法を明らかにする。

主な成果
1．燃焼用空気注入条件の適正化（1）バーナ操作用空気注入条件の調整
亜瀝青炭混炭燃焼時は、亜瀝青炭から蒸発する水分によって、微粉炭搬送用ガス量が増大し、瀝青炭燃焼時に比べて、微粉炭噴出流速が大きくなり、着火が遅れる。微粉炭搬送用ガス量は、亜瀝青炭の水分蒸発量を考慮した限界値＊ 4 まで減少し、微粉炭噴出流速を低下させると、バーナ近傍の燃焼が促進でき、灰中未燃分濃度も低減した（図 1）。微粉炭搬送用ガス量が減少した分、増大する 2 次空気については、旋回強度を弱め、火炎の拡がりを適正化することにより、還元領域が拡がり、火炉出口の NOx 濃度が低くなると共に灰中未燃分濃度も一層低減できた（図 2）。
（2）多段燃焼用空気注入条件の調整
亜瀝青炭混炭燃焼時の火炉内の温度は、亜瀝青炭から蒸発する水分の潜熱等によって、瀝青炭燃焼時に比べて低くなるため、多段燃焼用空気を 2 段階で注入する場合、温度の高い火炉上流側の注入口（1 段目）に、空気を多く供給することが、灰中未燃分濃度の低減に効果的である（図 3）。その際、1 段目の多段燃焼用空気の注入により、発生量が増加する NOx は、2 段目の注入位置を後方に移動し、還元領域を拡げる
ことで分解でき、十分に火炉出口の NOxが低減できることがわかった（図 4）。
2．バーナ内 1 次空気管構造の適正化
燃焼用空気を亜瀝青炭混炭燃焼時に適した注入条件とし、かつ、微粉炭搬送用ガス量を減少させずに微粉炭の噴出流速を抑制するため、1 次空気管の断面積を拡大した。さらに、1 次空気管内にスワラを設置し、旋回流によって微粉炭を濃縮した（図 5）。これにより、バーナ出口の微粉炭の燃焼促進と NOx 還元領域の拡大が図れ、灰中未燃分濃度は同等で、火炉出口 NOx 濃度を一層低減できることがわかった（図 6）。
以上のように、燃焼火炎を調整し、多段燃焼用空気注入条件を適正化することで、火炉出口 NOx 濃度が100ppm 以下を達成し、かつ、灰中未燃分濃度を 3 ％以下に低減できることが明らかとなった。

今後の展開
亜瀝青炭の混炭燃焼時において、灰中未燃分濃度以外の灰性状（粒径など）も有価灰としての利用可能範囲に制御できる燃焼技術を開発する。
主担当者

エネルギー技術研究所

関連報告書「微粉炭燃焼時の灰中未燃分低減・均質化技術の開発（その 2）―亜瀝青炭混炭燃焼時の検討―」電力中央研究所報告： M05013（2006 年 8 月）

燃料・燃焼工学領域

主任研究員

池田 道隆

＊ 1 ：石炭燃焼量 100kg/h（瀝青炭ベース）の鋼板製横置円筒型水冷炉。内径 0.75m、長さ 8m。（電力中央研究所報
告： W13 など）＊ 2 ：バーナ近傍で微粉炭の滞留時間を長くできる再循環流を効果的に形成させて燃焼促進を図ると共に、その後流で速やかに還元雰囲気を形成させ、発生した NOx の還元分解を図る方式の低 NOx バーナ（電力中央研究所報告：W93005、W03016）＊ 3 ：二段燃焼用空気を分割して吹き込み、再燃焼による NOx の再発生を抑制しつつ、段階的に未燃分の低減を図る
方法（電力中央研究所報告： W89005）＊ 4 ：微粉炭が送炭管内に沈降せず、火炉への安定供給が可能である微粉炭搬送用空気の限界流量100

ﾏｳﾝﾄｱｰｻ炭：70％
ｱ ﾀﾞﾛ炭 ：30％
CI-α バーナ
多段空気注入率 40％
空気比 1. 24120
亜瀝亜瀝青炭
混炭燃焼時
混炭100801.9*43炭燃焼時焼時
瀝青炭燃2. 0
2. 1
2. 2( Air+H 2 O) /Coal [( kg/h) /(kg/h) ]

2. 32

図1

微粉炭搬送用ガス量が火炉出口NOx濃度および灰中未燃分濃度に及ぼす影響＊実機換算：これまでに実機で回収される石炭灰の未燃焼濃度は、当所の火炉で回収される石炭灰の1/3になることを明らかにしている。
（電力中央研究所報告：W92002）

16031302110

記号
項目
NOx濃度
●
● 灰中未燃分濃度

907020図330

多段燃焼用空気
1段目：2.59ｍ
多段燃焼用空気
2段目：4.59ｍ

15006040

多段燃焼用空気1段目の注入配分 [%]4( Air+H2O)/Coal 1. 91403120100

火炉出口NOx濃度( O26%換算) [ppm]

150

項目
NOx濃度
灰中未燃分濃度5060702次空気旋回角度 [deg]280

2次空気旋回角度が火炉出口NOx濃度および灰中未燃分濃度に及ぼす影響

2次空気の旋回強度を弱め、火炎の拡がりを適正化することにより、還元領域が拡がり、火炉出口のNOx濃度が低くなると共に、灰中未燃分濃度も一層低減。

灰中未燃分濃度(実機 換算） [%]火炉出口NOx濃度( O26%換算) [ppm]

4記号
▲
▲

図2亜瀝青炭
亜瀝青炭
混炭燃焼
混炭
燃焼時

170

瀝青炭燃焼時瀝青炭180Air/Coal を低下させると、バーナ近傍の燃焼が促進でき、灰中未燃分濃度が低減。
瀝青炭燃瀝青
炭燃焼時

5亜瀝
亜瀝青炭
混炭
混炭燃焼時

灰中未燃分濃度( 実機換算) [%]140

項目NO x濃度
灰中未燃分濃度200

多段燃焼用空気1段目の注入配分が火炉
出口NOx濃度および灰中未燃分濃度に及ぼす影響

瀝青炭燃
炭燃焼時
焼時

4170
1503記号▲▲

13011090704. 0

図4

多段燃焼用空気を2段階で注入する場合、温度の高い火炉上流側の注入口（1段目）に、空気を多く供給することが、灰中未燃分濃度の低減に効果的。

亜瀝
亜瀝青炭
混炭
混炭燃焼時

項目
NOx濃度
灰中未燃分濃度2

多段燃焼用空気
1段目：50％多段燃焼用空気
2段目：50％105.0
6. 07. 0
多段燃焼用空気2段目の注入位置 [m]

灰中未燃分濃度(実機換算） [%]

記号
●
●

5

多段燃焼用空気2段目の注入位置が火炉出口NOx濃度および灰中未燃分濃度に及
ぼす影響

1段目の多段燃焼用空気の注入により、発生量が増加するNOxは、2段目の注入位置を後方に移動し、還元領域を拡げることで分解でき、十分に火炉出口のNOxが低減。
燃焼条件
AB
C

スワラの旋回流を用いて微粉炭を濃縮

１次空気管
瀝青炭用
拡大
拡大

微粉炭濃縮機能
なし
なし
あり

6

火炉出口NOx濃度( O26%換算) [ppm]

120

スワラ
スワ
1次空気管

微粉炭
微粉記号
●

項目
NOx濃度
灰中未燃分濃度5411032100

190ABC灰中未燃分濃度(実機換算） [%]

160

2. 2

火炉出口NOx濃度(O26% 換算) [ppm]Ai r/Coal [(kg/h)/(kg/h)]
1.9
2. 0
2. 1

1. 8180

灰中未燃分濃度(実機換算 ) [%]火炉出口NOx濃度( O26%換算) [ppm]6．化石燃料発電／微粉炭高度燃焼技術の構築

0燃焼条件

図6
図5

1次空気管構造の適正化

1次空気管の構造の差異が、火炉出口NOx濃度および灰中未燃分濃度に及ぼす影響

燃焼火炎を調整することで、火炉出口NOx濃度が100ppm以下を達成し、かつ、灰中未燃分濃度を3%以下に低減。

1次空気管の断面積を拡大して微粉炭噴出流速を抑制し、さらに、1次空気管内にスワラを設置し、旋回流によって微粉炭を濃縮。

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