三菱重工技報 Vol.46 No.2 (2009) 発電技術特集

特 集 論 文13

コンベンショナルボイラでの CO2 排出削減の取組み
CO2 Mitigation Technology for Conventional Boiler

若林 嘉幸

丸田 得志

Yoshiyuki Wakabayashi

Tokushi Maruta

外野 雅彦

北川 雄一郎Masahiko Hokano

Yuuichirou Kitagawa

菅沼 博

藤村 皓太郎Hiroshi Suganuma

Koutaro Fujimura

現代の社会は化石燃料に大きく依存しており，その結果として資源の枯渇及び地球温暖化を初めとする環境問題に直面しているのが現在の状況である．さらにはエネルギーの安定供給の観点から石炭をベースとした新しい高効率発電システムの開発が不可欠である．当社では石炭焚きコンベンショナルボイラをベースとした新しい発電技術について取り組んでおり，その中で超々臨界圧ボイラ，高度バイオマス利用，O2/CO2 燃焼の３つの技術開発動向について紹介する．

|1. はじめに現代の社会は，主要なエネルギー源として石炭・原油・天然ガスを初めとする化石燃料に大きく依存しており，その結果として資源の枯渇及び地球温暖化を初めとする環境問題を引き起こしているのが現状である．環境負担の低減及び経済の持続的発展を実現するためには新しい高効率発電システムの開発が不可欠である．さらに昨今の原油価格の変動に見られるように，エネルギーの安定供給も重要課題となっており，今後も安定した供給が見込まれる石炭を利用した高効率発電システムの開発が重要である．
当社では IGCC，IGFC も含む種々の高効率発電システムの開発に取り組んできているが，その中で本論文では石炭焚きコンベンショナルボイラをベースとした CO2 排出量削減技術である高度バイオマス利用，超々臨界圧（A-USC：Advanced Ultra Super Critical）ボイラ，O2/CO2 燃焼の３つの技術に関して当社の取組み状況及びその概要について紹介する．

|2. CO2 排出削減技術の開発
2.1 バイオマスエネルギーの高度利用技術
バイオマスは大気中の二酸化炭素が太陽エネルギーにより固定されたものであり，消費と育成のバランスを保つ限り利用しても大気中の CO2 量を増加させることはなく，CO２排出量削減の有効な手段の一つとして考えられている．さらには森林管理・育成，バイオマス系廃棄物の有効利用の観点から，バイオマス資源の高度エネルギー利用技術の開発・実用化が求められている状況である．
表１に主要なバイオマス利用技術の比較を示す．
これらの技術のうち，本論文では大容量コンベンショナルボイラに適用されている石炭焚きボイラでの混焼利用の動向について紹介する．

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表１ バイオマスエネルギー利用技術の比較
項目

直接燃焼

原料

石炭焚きボイラで ガス化液体燃料の混焼

製造

草木すべて

主として木チップ

草木すべて

製品

蒸気・電力

電力

エネルギー

低（電力）

変換効率

高（蒸気）

高（電力）

炭化炉

エタノール発酵

草木すべて

主として糖・でん汚泥など

ぷん質

メタノール

炭化物

DME

分解ガス

メタン発酵
堆肥・汚泥

エタノール

メタン

高高

低～中低～中（液体燃料）（固体・ガス燃料）（液体燃料）（液体燃料）

バイオマス発生地 高効率プラントへ メ タ ノ ー ル ， DME 高効率プラントへ エタノールの利用 高 含 水 率 バ イ オ
特徴に設置可能だが， の適用可の利用価値大の適用可

価値大マスの適用可

中小規模のため原料バイオマスに 原料バイオマスに効率が低い。

制約有り

制約有り

(１) バイオマス－石炭混焼システムの取組み
木質のバイオマスを直接，高効率発電プラントの石炭焚きなど既設ボイラ設備で石炭などと混焼することで，バイオマス利用の高効率発電が可能である．この混焼技術には，木質バイオマスを石炭とともに微粉炭機に投入することにより微粉砕し，微粉炭と混ざった状態で石炭バーナより火炉内へ投入する方式と，木質バイオマス専用の粉砕機により微粉砕し，専用バーナより火炉へ投入する方式がある．
微粉炭機による混合粉砕方式では既設微粉炭機を流用できることから設備改造がシンプルになるというメリットを有するが，微粉炭機は弾性材料が主成分である木質バイオマスを粉砕する際には微粉炭機粉砕能力の制限を受け，通常混焼率は入熱比１～５％程度が上限となる．
これに対し，専用粉砕機による粉砕方式ではより高いバイオマス混焼比率の達成が可能である，というメリットを有する．
(2) 原料前処理設備
木質バイオマスの性状（種類・大きさなど）により異なるが，チップやペレット状で受け入れる
場合であれば破砕機などの前処理設備は不要となるが，必要に応じ乾燥機・磁選機などが設置される．
(3) 供給・燃焼設備① 微粉炭機による混合粉砕方式の場合
バイオマスと石炭の混合方法としては，石炭ヤードでの混合，運炭コンベア上での混合及び給炭機部分での混合がある．石炭バンカ内における比重差に起因する分離（混合不良）などによる混合率の変動を抑制するためには給炭機部分でバイオマスを一定量供給する方法が望ましいが，１～５％程度の混合率ではコンベアでの混合が一般的である．
② 専用粉砕機による粉砕方式の場合
木質バイオマス専用の粉砕機が必要となる．粉砕機で粉砕された木質バイオマスは通常空気搬送により専用バーナまで搬送される．木質バイオマスは揮発分が高いため石炭より燃焼性は良いが弾性材料であるため粉砕性が悪く，粉砕機の動力消費が過大となる問題点があることから最適な粉砕粒径を選定することが重要なポイントである．
(4) 環境特性
石炭と比べて N 分含有量は少なく，一般的には混焼率に比例して NOx 発生量は減少傾向
もしくは同等程度である．厳密には混焼方式・粉砕粒径などによってもその特性は異なる．
また，石炭に比べても灰分が少ないことから，混焼率に比例してばいじんの発生量は減少傾向を示す．
(5) 取組み状況
当社はバイオマス利用が盛んなブラジルの現地子会社において，木屑，バガス焚きなどの三菱重工技報 Vol.46 No.2 (2009)15

旋回燃焼ボイラの実缶実績を多数有しており，これらの製作・納入実績やノウハウ，及び各種木質バイオマス混焼に関する知見を基に現在国内外に展開中である．
国内では四国電力（株）と共同で西条１号ボイラ（156MW）において国内電力会社として初めての木質バイオマス混焼試験を実施し，混焼率２％での本格運用を実施している．
また，関西電力（株）と共同で舞鶴１号ボイラ（900MW）においてバイオマス混焼確認を実施
し，平成 20 年からはバイオマス混焼（平均混焼率３％）での本格運用が開始されている．さらに北陸電力（株）敦賀２号ボイラ（700MW）でも３％程度の混焼率での運転を実施し，良好な運転状況を確認している．いずれのユニットも既設微粉炭機を利用した混合粉砕方式を採用している．

2.2 次世代超々臨界圧ボイラ（A-USC）の開発
火力発電所の蒸気条件を一層，高温高圧化することで高効率を図ることは CO2 排出抑制の有効な手段である．欧米諸国と同様に我が国でも 700℃級の次世代超々臨界圧プラント（A-USC）技術開発を国家プロジェクトとして要素研究が進んでおり，送電端効率として 46％（高位発熱量基準）をもくろんでいる．
ただし，今後 A-USC を商用化するためには高温高圧化に適応する材料の開発・実用化と，それに伴う製造技術の開発，信頼性・経済性を考慮した設計の確立などの課題が挙げられる．
図１に示すとおり，現在計画されているスケジュールでは材料開発などの要素開発から実缶試
験などの検証試験までの期間を９年間としており，実証試験については５年間を見込んでいる．
石炭火力発電による我が国のエネルギーセキュリティの確保と A-USC の高蒸気条件を実用化する上で不可欠な新材料及び製造技術の確立のための継続的な研究開発は緊急課題である．

図 1 A-USC 技術開発 国家プロジェクトスケジュール案(1) 材料開発
700℃級の条件下においては，従来の材料とは異なる高温強度を有する材料の開発が必要であり，高温度域で十分な許容引張応力を有する Ni 基あるいは Fe-Ni 基合金の適用が不可欠と考えられている．ボイラ材料としては Ni 基合金である Alloy617，CCA617，Haynes230，Alloy740，Nionic263 のほか，近年日本で開発中の Fe-Ni 基合金である HR6W が挙げられる．
高価な Ni 基合金を適用するため適用範囲を極力小さくし，経済性を確保する設計手法の確立も重要である．
(2) 製造技術の開発
高温・高圧化で適用される Ni 基合金又は Fe-Ni 基合金について，曲げ加工技術開発，材料／異材継手の溶接材料の開発，溶接施工法の確立，溶接条件の最適化，継手の組織・強度・じん性の把握，熱処理方法，溶接部検査手法などを含めた総合的な検証を進める必要がある．
(3) 構造上の考慮
主蒸気管・再熱蒸気管の熱伸びに対する配慮や，高温部に付随する弁類の構造的な信頼三菱重工技報 Vol.46 No.2 (2009)16性確保などの検討を行う必要がある．

2.3 O2/CO2 燃焼
大気中への CO2 排出量削減の手段としては発生する CO2 を回収・貯留することが最も直接的で効果的な方法である．回収する方法としては，①排ガスから CO2 を吸収液にて吸収・分離する方法と②燃焼用の空気から窒素を分離し，ボイラ出口から再循環した CO2 が主成分である排ガスと混合して燃焼し，排ガス CO2 を回収する新たな燃焼方式として考案された O2/CO2 燃焼方式がある（図２）．ここでは後者の O2/CO2 燃焼方式の開発動向について紹介する．

①排ガスから CO2を分離・回収する方式②O2/CO2 燃焼排ガスから CO2 を回収する方式図２ コンベンショナルボイラでの CO2 回収方式

(1) O2/CO2 燃焼方式
O2/CO2 燃焼では燃焼用空気から分離した O2 で石炭を燃焼させることにより排ガス中の CO2濃度を 90％以上に高めることができるので燃焼排ガスの CO2 分離プロセスが不要となり，圧縮・冷却での CO2 回収が可能となる．これを発電システムに適用するために，O2/CO2 燃焼では CO2 が主成分である排ガスを再循環し燃焼用 O2 と混合することで O2 濃度を適性値とし，火炎温度の上昇を抑制することができる．O2/CO2 燃焼は，今後の空気分離装置の低コスト化，低動力化の進展によっては，他の CO2 回収システムと比較して技術的なハードルが低く，より経済的な方法として期待される方式である．
(2) O2/CO2 燃焼試験
当社では，O2/CO2 燃焼特性の把握を目的として，実機の 1/100 スケールバーナでの小型燃焼炉を用いて実機と同様の排ガスの再循環システムを構築し，O2/CO2 燃焼特性の評価を実施した．試験結果の一例として，図３に O2/CO2 燃焼と通常の空気燃焼の比較を示す．
O2/CO2 燃焼では，空気燃焼と比較して火炎の輝度が高く，燃焼が良好でかつ安定していることが確認できた．

(a) O2/CO2 燃焼(b) 空気燃焼

図３ 燃焼状況の比較

また，O2/CO2 燃焼における NOx 発生量に関しては，O2/CO2 燃焼時では空気燃焼時と比較して，循環ガスを再度炉内の還元域に戻す効果によって，1/2～1/3 程度に低減することを確

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認した．今後，更なる大容量バーナによる実証試験を継続していく．

|3. まとめ
低炭素社会に向けた CO2 負荷の少ない発電が求められているが，石炭は原油・天然ガスに比べ価格の変動が少なく，なおかつ安定して供給可能な燃料であり，今後も安定的な電力供給を維持する上でも石炭火力発電からの CO2 排出量削減を進めることは最重要課題である．当社は本論文で紹介したコンベンショナルボイラをベースとした CO2 排出削減技術から，IGCC，IGFC などの次世代技術の開発も含め，石炭を利用した幅広い発電技術開発を推進し，地球環境と調和するクリーンコール利用技術を提供していきたい．

参考文献(1) 橋本貴雄ほか，石炭焚き発電技術の高効率化の現状と展望，三菱重工技報 VOL.45 No.1 (2008) P.9(2) 小林由則ほか，バイオマスエネルギーの高度利用技術，三菱重工技報 VOL.40 No.4 (2003) P.242

執筆者紹介
若林嘉幸
原動機事業本部
ボイラ統括技術部部長

丸田得志
原動機事業本部
ボイラ統括技術部
次長

外野雅彦
原動機事業本部
ボイラ統括技術部
ボイラ技術一課課長

北川雄一郎
原動機事業本部
ボイラ統括技術部
ボイラ設計課課長

菅沼博
原動機事業本部
ボイラ統括技術部
ボイラ技術一課
主席

藤村皓太郎
技術本部
長崎研究所
燃焼・伝熱研究室
主席