Journal of Japan Solar Energy Society, 47（5）,49-56（2021）••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
Research Paper
研究論文

Carbonization Characteristics of Woody Biomass,
Grindability and Combustibility for Carbonized
Carbonization Characteristics
of Woody Biomass, Grindability
Woody Biomass
and Combustibility
for Carbonized
WoodyHiromi
Biomass
Masami ASHIZAWA
Maromu OTAKA
Tetsuya SHOJI
YAMAMOTO

研究論文

*1‡

*1

*1

*2

Masami ASHIZAWA*1‡ Maromu OTAKA*1 Tetsuya SHOJI*1 Hiromi YAMAMOTO*2

木質バイオマスの炭化特性と炭化物の粉砕性・燃焼性
木質バイオマスの炭化特性と炭化物の粉砕性・燃焼性
*1‡
芦澤芦澤
正美正美

*1 ‡

大高
円 *1
大高
円*1

*1
庄司
庄司哲也
哲也*1

*2
*2
山本山本
博巳 博巳

Abstract
The purpose of this study is to propose the control parameters during the wood carbonization, and to provide thatthe grindability and combustibility of the carbonized woody biomass are suitable for co-firing at pulverized coal power
station. In this study, the authors conducted experiments of wood carbonization and of pulverizing and combustion ofcarbonized wood and obtained the following results. (1) Carbonized wood characteristics (such as energy yield andcalorific value per weight) have a relatively low correlation coefficient with the measured carbonization temperature
and a high correlation coefficient with the fixed carbon and weight yields of the carbonized wood. The weight yieldobserved during carbonization process can be a practical operation control index of the carbonizer. (2) The carbonizedwood could be pulverized using the roller mill of the coal-fired power plant without modification. In the pulverization
process, the energy consumption of the carbonized wood is close to that of coal. After the pulverizing process, theparticle size of the carbonized wood is larger than that of coal. However, particles of the carbonized wood were
combusted well like coal and the combustion gas satisfied environmental qualities. Using carbonized wood, it isexpected to increase co-firing rate of biomass and reduce CO2 emissions in coal-fired power plants.
Keywords: Carbonization, Co-firing, Woody Biomass and Coal
キーワード：炭化，混焼，木質バイオマスと石炭は，クリアしなければならない幾つかの課題がある．加え

1．はじめにて，エネルギーとして利用できるバイオマスの供給力には限界があるため，既存の微粉炭火力でのバイオマス混焼率

石炭火力発電は，発電事業者による総発電電力量の約 3は，熱量基準で 3％程度に留まっているケースが多い 11)．

割を占めており，日本の主力電源のひとつである 1)．この

木質バイオマスを炭化して高品位化できれば，効率的な石炭火力発電において，国際的な低炭素化ニーズに応えて輸送が可能となるほか，発熱量や粉砕性を改善でき，微粉いくためには，蒸気条件の高温・高圧化や石炭ガス化複合

炭火力での混焼率を大幅に高められる可能性がある．既往発電の採用など，高効率化 2, 3)を進めるほか，CO

の研究においても，バイオマスを炭化処理（本研究では，

2 回収技術の開発・適用 4)などが考えられる．その一方で，バイオ200～300℃程度で熱分解させ燃料化するトレファクショ

マスはカーボンニュートラルであることから，既存の微粉ンも含め，より高温の 400℃程度までの温度域を対象とす

炭火力でバイオマスを混合燃焼（混焼）する方法もひとつるため，炭化という言葉を用いることとした）することで，の有効な手段である 5-10)．しかし，バイオマスは，石炭に石炭と同等の性状に近づけられること 12)や，粉砕性など比べると発熱量や嵩密度が低いため，輸送・貯蔵が非効率のハンドリング性を改善できること 13-15)，石炭と混焼したであるほか，繊維質であることから混合粉砕時に石炭の粉際の燃焼性や環境性の向上に基づく有効性などが数多く砕性を低下させるなど，微粉炭火力での混焼利用において

報告 16-18)されている．これらの有効性に基づき，微粉炭火*1 Energy Transformation Research Laboratory, Central ResearchInstitute of Electric Power Industry, 2-6-1 Nagasaka, Yokosuka-shi,
Kanagawa 240-0196, Japan‡e-mail: ashizawa@criepi.denken.or.jp*2 Grid Innovation Research Laboratory, Central Research Institute ofElectric Power Industry
Received: May 21, 2021, Accepted: August 5, 2021

*1 電⼒中央研究所 エネルギートランスフォーメーション研究本部（〒240-0196 神奈川県横須賀市長坂 2-6-1）‡e-mail: ashizawa@criepi.denken.or.jp*2 電⼒中央研究所 グリッドイノベーション研究本部（原稿受付：2021 年 5 月 21 日，受理日：2021 年 8 月 5 日）

－ 49 －

1

Masami ASHIZAWA, Maromu OTAKA, Tetsuya SHOJI and Hiromi YAMAMOTO

力発電所で実利用に供するためには，炭化温度等の製造条から入手した．なお，バイオマス貯蔵容量や実験期間・回件を変化させた際の炭化物の性状を整理し，粉砕性や燃焼数の制約などから，炭化，粉砕，燃焼の各実験で同一のバ性に及ぼす影響を明らかにするとともに，所定の高位発熱

イオマスを用いることが困難であったため，Table 1 には量を有する炭化物を安定的に製造するための運転管理指

各実験に用いたバイオマス種を明示した．また，粉砕実験

標を定めておくことが重要となる．

と燃焼実験の比較用として，日本の微粉炭火力発電所で使本研究の目的は，炭化温度を 250℃から最高 600℃までわれている代表的な石炭として，豪州産の瀝青炭 2 種類

設定可能な実験設備を用いて，性状の異なる代表的な木質(Coal LD, NL)とインドネシア産の亜瀝青炭 1 種類(Coal

バイオマスを用いた炭化実験を行い，その特性を整理し，AD)を選定し，これらの燃料性状についても Table 1 に示

木質バイオマスを炭化する際の運転管理指標を示すことした．

である．さらに，製造した炭化物を用いて，実際の微粉炭

2.2

火力発電所と同じ方式の微粉砕機（ローラミル）とバーナ

2.2.1

実験設備と方法
炭化実験を用いて，粉砕性，燃焼性，および燃焼排ガスの環境値の炭化実験設備 19, 20)の概要を Fig. 1 に示す．実験設備は，評価を行うことで，炭化物が既存の微粉炭火力発電の混焼

炭化機の昇温と温度維持のための熱風発生炉，炭化機本体，

燃料として適することを実証することである．

熱分解ガスを処理する焼却炉，炭化物の冷却器などから構成されている．炭化機本体は，ロータリーキルンを採用し2．実験ており，熱風発生炉の排気ガスを投入し温度を維持するための外筒と，間接熱でバイオマスを炭化する回転式の内筒2.1から構成されている．また，外筒に取り付けられた放射温供試燃料

実験に供試した木質バイオマスの燃料性状を Table 1 に度計により，内筒表面のメタル温度を軸方向に 4 カ所計測示す．海外産として，北米産の樹皮（BK-A1），製材残材できる．炭化機の温度を最高 600℃まで加熱できるよう，(LR-A1，A2)，林地残材（FR-A1）を選定した．供試燃料

内筒の材質は耐熱性の高い，Special Metals Company のは，海外産も含めて，全て針葉樹であり，国内の製材工場

INCOLOY (800H)を採用している．本実験では，炭化機のTable 1 Properties of biomass and coal used in the experiments
BK-A1

Fuel

LR-A1

Carbonization

North
America○

LumberResidueNorth
America○

Carbonizing Test

○

○

Bark

Producing Area

Moisture(*1)

Conifer
Japan
○

LR-A2

○

○

46.3

59.5

FR-A1

Coal LD

Coal NL

LumberForestBituminous
Residue Residue
North
North
Australia Australia
America America○○

Coal AD
Subbituminous
Indonesia
Indnesia○○

Grindability Test
Combustibility Test

CF-J1

○

○

○

○
○

28.5

45.0

29.2

5.2

9.6

27.8

(wt% as received basis)
Proximate Analysis(*1)(wt% dry basis)
Ash

4.1

0.1

0.2

1.0

2.9

12.5

14.2

3.2

Volitile Matter

78.9

87.7

87.2

85.6

83.2

35.1

28.8

52.5

Fixed Carbon

17.0

12.2

12.6

13.4

13.9

52.4

57.0

44.3

0.22

0.14

0.14

0.16

0.17

1.49

1.98

0.84

Fuel Ratio(ash-free basis)
Ultimate Analysis(wt% dry ash-free basis)
C

51.3

50.3

50.6

50.0

48.8

73.8

73.3

70.2

6.65

6.64

6.45

6.62

6.39

4.95

4.33

5.23

N

0.23

0.05

0.06

0.14

0.36

1.82

1.53

1.04

O

37.70

42.90

42.70

42.20

41.50

6.5

6.4

20.3

0.02

<0.01

<0.01

<0.01

0.02

0.49

0.30

0.13

HHV

21.09

19.80

20.90

21.22

20.63

28.75

29.93

27.87

LHV

19.59

18.3

19.44

19.73

19.18

28.64

28.95

26.69

H

S

(*2)

(*3)

Calorific Value(*4)(MJ/kg dry basis)*1 : According to JIS M 8812, *2 : JIS M 8819, *3 : JIS M 8813, *4 : JIS M 8814

Journal of Japan Solar Energy Society

2 －
－ 50

Vol.47, No.5, 2021

Carbonization Characteristics of Woody Biomass, Grindability and Combustibility for Carbonized Woody Biomass

Points of Metal Surface
Temperature(*)
※

Stack

Air

Biomass
Circulating
Gas

Incinerator

LPG

Ｍ
Ｍ

※

Inner Cylinder

Pyrolysis gas
Carbonizedbiomass

Cooling Woter

Feeder

LPG
Air

Exhaust gas

Furnace

Outer Cylinder

CoolerItems

Specifications

Size of
Carbonizer

H2.5m×W2.3m×L10m

Size of
Inner Cylinder

φ0.8m×L7.5m（Heating part : L6m）

Feed Capacity

100～150kg/h

Carbonization
Temperature

250～600℃

Residencetime

15～50min(*) The inner cylinder surface temperature was measured with a radiation
thermometer attached to the outer cylinder.

Fig. 1 Outline of carbonizing test facility
運転温度範囲は，内筒メタル温度の平均値（以下，炭化温

2.2.2 粉砕実験度）で，概ね 290℃～400℃，炭化機内筒の回転数は 3 rpm，

炭化物の粉砕実験を行った実験装置 18)の概要を Fig. 2 に原料供給量は 100～150 kg/h の範囲で行った．炭化時間は示す．微粉炭火力発電所における粉砕特性を模擬するため，

約 40 分，得られた炭化物の量は概ね 50～80 kg/h の範囲

発電所と同一方式のローラミル（宇部興産機械（株）の竪であった．なお，炭化温度は，熱風発生炉への LPG 供給

型ローラミル UM2.6S）を用いた．実験装置では，燃料供量を制御し，排ガス温度を操作することで変化させた．製

給量のほか，ローラ圧力やミルテーブル回転数，分級機回造した炭化物は，自然発熱の危険があるため，窒素封入し転数などが可変である．実験条件としては，石炭の粉砕実たドラム缶にて保管し，温度管理も行った．なお，炭化特験の経験に基づき，粉砕試料の粒径分布が実機とほぼ同等性を評価するため，炭化物の重量収率（炭化物収率）ηcbとなるよう，ローラ圧力を約 5.0 MPa，分級機回転数を約（％），エネルギー収率 ηrh（％），炭化熱効率 ηce（％）

450 rpm，ミルテーブル回転数を約 60 rpm とした．ミルにを式(1)～(3)の通り定義した．

供給する炭化物は，実際の輸送や貯蔵工程を模擬するため，
C. F. Nielsen 社の Briquetting Machineηcb =BP3200 を用いて，長さ 40 mm 以下のブリケットに圧縮成形し，これを直径Mc／Mi×100

(1)

ηrh =

(Qc×Mc) ／ (Qb×Mi)×100(2)

約 10 mm 以下の粒径まで粗粉砕した試料を用いた．粉砕

ηce =(Qc×Mc) ／ ((Qb×Mi)＋(Ql×Ml))×100(3)

特性は，発電所の運用に合わせて，熱量基準（入熱管理）で評価するものとし，粗粉砕した試料の供給量は，入熱量

ここで，式(1)～(3)の記号は下記の通りである．

が 2.3 MW に一定となるよう試料の低位発熱量に応じて，Mc：炭化物製造量（kg/h）

CF-J1 は約 339 kg/h，LR-A2 は約 350 kg/h，FR-A1 は約

Mi：バイオマス供給量（kg/h）

355 kg/h，Coal LD は約 289 kg/h，Coal AD は約 310 kg/h と

Ml：LPG 投入量（Nm3/h）

した．

Qc：炭化物高位発熱量（MJ/kg）

2.2.3 燃焼実験
炭化物の燃焼実験を行った石炭燃焼実験設備 18)を Fig. 3

Qb：バイオマス高位発熱量（MJ/kg）
Ql：LPG 高位発熱量（kcal/Nm3）

Fig. 2 Roller mill test facility
Vol.47. No.5に示す．BK-A1，LR-A1 の炭化物専焼実験，および豪州産

Fig. 3 Single burner combustion test facility
－ 51
3 －

太陽エネルギー

Masami ASHIZAWA, Maromu OTAKA, Tetsuya SHOJI and Hiromi YAMAMOTO

燃料比（Fuel Ratio）を炭化の前後で比較すると，0.14～0.22

瀝青炭 Coal NL に BK-A1 を熱量基準で 30％混合した混焼実験を行った．石炭専焼時の定格燃料投入量は 100 kg/h（設から 0.35～0.78 へと約 1.5～5 倍程度の増加がみられた．

計に用いた基準炭の場合）である．また，実機の石炭ボイ

これは炭化により，揮発分が減少し固定炭素が増加したこ

ラにおける燃焼火炎を模擬するため，バーナから約 3 ｍとによる．また，熱分解により脱酸素化も進み，炭化物のの位置から 2 段燃焼用の空気を投入できる．主要な計測項

高位発熱量は，
20～22 MJ/kg から 22～27 MJ/kg へ増加した．

目としては，NOx，SO2，灰中未燃分などを計測可能であ式(1)から(3)で定義した，炭化物収率 ηcb，エネルギー収る．また，灰分量の影響を除き，燃料が実際に燃焼された率 ηrh，炭化熱効率 ηce の炭化特性と炭化物の重量あたりの割合を評価するため，式(4)の燃焼率 BR（％）を定義し評

高位発熱量ついて，炭化温度で整理した結果を Fig. 4 に示価に用いた．

す．炭化温度を高めるほど，これらの炭化特性は低下する傾向にあり，逆に高位発熱量は高まる傾向にあった．ただ𝐵𝐵𝐵𝐵 � 100－100 �

��

��

(4)

� ��������
��������

し，ここで用いている炭化温度は，炭化機の内筒表面の平均メタル温度であって，炭化物自体の温度ではないため，

ここで，Uc は灰中未燃分(wt%)，As は燃料中灰分(wt%)を

装置固有の特性を含んでいる．炭化温度と炭化特性の相関示す．燃焼実験の条件としては，発電所の運用に合わせて，

係数 R2 は概ね 0.394～0.610，高位発熱量との R2 は 0.470

熱量基準で評価するものとし，入熱が定格値（760 kW（dryにとどまる．
一方，炭化物の物性のひとつである固定炭素で，炭化特basis, LHV））一定となるよう，燃料供給量を 98～130 kg/h

性と高位発熱量を同様に整理した結果を Fig. 5 に示す．こで変化させた．また，火炉出口の O2 濃度は 4vol％，二段燃焼率（二段燃焼用空気量／燃焼用全空気量）は 30％とのときの相関係数 R2 は，0.784 以上であり，バイオマスのした．

種類や炭化条件によらず，固定炭素と炭化特性の間には強い相関性のあることがわかる．特に，Fig. 5(d)は，炭化物の物性である高位発熱量と固定炭素の関係を示している

3．結果と考察ため，装置固有の特性や実験による計測値のバラツキが含
3.1

まれず，より強い相関関係（相関係数 R2=0.986）が得られ

炭化特性

炭化実験設備で製造した炭化物の代表的な性状分析結た．この傾向は，既往の研究結果と一致する 15, 18, 20-22)．し果を Table 2 に示す．Table 1 に示した原料のバイオマス性

たがって，従来からの知見の通り，固定炭素は炭化特性や状と比較すると，20wt%以上あった水分含有量は，0.1wt%

炭化物の性状を整理するのに適した分析値であり，目標と以下となり，熱分解により揮発分は平均 85wt%から平均する高位発熱量の炭化物を製造する際の指標となり得る．

62wt%まで減少した．固定炭素と揮発分（JIS M 8812 で規しかし，固定炭素は，炭化後の試料を工業分析して得ら定される石炭類およびコークス類の工業分析）の比である

れる数値であるため，炭化物製造中の運転管理指標として

Table 2 Typical Properties of carbonized woody biomass
Biomass

BK-A1

LR-A1

CF-J1

LR-A2

FR-A1

Moisture(*1)

<0.1

<0.1

<0.1

<0.1

<0.1

(wt%)
Proximate Analysis(*1)(wt% dry basis)
Ash

8.00

0.63

0.60

2.30

5.80

Volitile Matter

68.40

55.77

61.20

64.90

60.70

Fixed Carbon

23.60

43.60

38.20

32.80

33.50

0.35

0.78

0.62

0.51

0.55

55.84

68.68

63.00

62.60

60.50

5.91

5.30

5.58

5.57

5.36

N

0.34

0.09

0.11

0.22

0.54

O

29.88

25.30

30.70

29.30

27.80

0.03

<0.01

0.01

0.01

0.02

HHV

22.17

27.35

25.67

24.99

24.52

LHV

20.84

26.16

24.41

23.73

23.31

Fuel Ratio(ash-free basis)
Ultimate Analysis(wt% dry ash-free basis)
C
H

S

(*2)

(*3)

Calorific Value(*4)(MJ/kg dry basis)*1 : According to JIS M 8812, *2 : JIS M 8819, *3 : JIS M 8813, *4 : JIS M 8814

Journal of Japan Solar Energy Society

4 －
－ 52

Vol.47, No.5, 2021

Carbonization Characteristics of Woody Biomass, Grindability and Combustibility for Carbonized Woody Biomass

は即時性や利便性に欠ける．そこで，運転中に短時間で簡なるものの，粉砕動力はいずれの燃料も概ね一定の値であ便に計測可能な管理指標として，炭化物収率 ηcb に着目し，った．この粉砕動力を熱量基準の燃料供給量で除した，処

炭化特性と高位発熱量の関係を整理した（Fig. 6）．その結理熱量当たりの粉砕動力は，LR-A2 がやや高めであった

果，両者の相関係数 R2 は 0.907 以上と高く，特に高位発が，全種類ともに 0.4～0.6 kWh/GJ の範囲内であった．

熱量との相関係数 R2 は 0.928 であった．この相関係数は，粉砕物の粒径分布を測定した結果を Fig. 8 に示す．瀝青

固定炭素との相関係数 R2=0.986 より低いが，先の炭化温

炭 Coal LD の 200 mesh パス率（対象物の微粉砕において，度との相関係数に比べて高い．この傾向は既往の研究 23,

200 メッシュのふるいを通過する粉砕物（粒子径 75 μm 以24)とも一致しており，炭化物製造中の運転管理指標として下に相当）の重量割合）は 86%であったのに対し，バイオは，炭化温度よりも炭化物収率 ηcb が有効であると考えら

マス炭化物のそれは 40～50%程度であった．一方，60 meshれる．例えば，25 MJ/kg の高位発熱量を有する炭化物を製

パス率（粒子径 250 µm 未満）は，90%以上であった．炭造するためには，約 53%の炭化物収率 ηcb を得るように運化バイオマスの粒径は石炭に比べて大きくなるものの，炭転操作すればよい．炭化物収率 ηcb は，バイオマスの投入化処理を行うことで，石炭用のローラミルに特別な改造を量と炭化物製造量から求められるため，運転中に比較的容加えることなく，石炭と同等の量（熱量基準）を同等の動易に計測できる．このことから，炭化物収率 ηcb は，目標

力で粉砕処理できることがわかった．
瀝青炭を扱う微粉炭火力発電所では，200 mesh パス率とする高位発熱量の炭化物を安定的に製造するための実用性の高い運転管理指標として活用できる．

が概ね 80%以上で運用されている．これは，優れた燃焼性3.2を得るためであり，同等の燃焼性が得られるのであれば，粉砕特性

粉砕実験は石炭との比較が行えるよう，豪州産の瀝青炭

粒子径が大きくても問題はない．バイオマスの炭化物は，Coal LD およびインドネシア産の亜瀝青炭 Coal AD につい石炭に比べて揮発分が多いため，高い燃焼性が期待でき，ても実施した．粉砕動力（テーブル回転動力と回転分級機

粒径の大きさをカバーできる可能性がある．これを検証す

動力の和），処理熱量当たりの粉砕動力に関する実験結果

るため，次に燃焼実験を行った．

を Fig. 7 に示す．粉砕実験は熱量基準（2.3 MW）で燃料を

3.3

0

FR‐A1

BK‐A1

LR‐A1

280 300 320 340 360 380 400
Surface temp. of inner cylinder, ℃

60

20
0

60
40
20
0

FR‐A1

BK‐A1

LR‐A1

BK‐A1

LR‐A1

280 300 320 340 360 380 400

20
15

BK‐A1

LR‐A1

(a) Yield of carbonized biomass

25

FR‐A1

BK‐A1

LR‐A1

R²
R²==0.870
0.87

80
60
40
20

FR‐A1

BK‐A1

LR‐A1

0

280 300 320 340 360 380 400

Surface temp. of inner cylinder, ℃

Surface temp. of inner cylinder, ℃(c) Thermal efficiency of carbonizer(d) HHV of carbonized biomass

80
60
40
20

R²==0.7843
0.784
R²
FR‐A1

BK‐A1

LR‐A1

0

0 10 20 30 40 50 60
Fixed carbon of carbonized biomass, %(b) Residual ratio of calorific value

100

0.470
R²R²= =0.4698

30

FR‐A1

0 10 20 30 40 50 60
Fixed carbon of carbonized biomass, %280 300 320 340 360 380 400

35

40

0

(b) Residual ratio of calorific value

HHV of carbonized biomass,
MJ/kg(dry)35
0.9856
R² = 0.986

30
25
20
FR‐A1

BK‐A1

LR‐A1

15

0 10 20 30 40 50 60
Fixed carbon of carbonized biomass, %0 10 20 30 40 50 60
Fixed carbon of carbonized biomass, %(c) Thermal efficiency of carbonizer(d) HHV of carbonized biomass

Fig. 5 Carbonization characteristics and fixed carbon ofcharacteristics

carbonized woody biomass

Residual ratio of calorificvalue ηrh, %Fig. 4 Carbonizing temperature affects carbonization
100

100

R² = 0.9661
0.966

80
60
40
20
0

FR‐A1
30

40

50

BK‐A1

LR‐A1

60 70 80
Yield ηcb, %90 100(a) Residual ratio of calorific value

R² = 0.9067
0.907
R²

80
60
40
20
0

FR‐A1
30

40

50

BK‐A1

LR‐A1

60 70 80
Yield ηcb, %

90

100

HHVof carbonized biomass,
MJ/kg(dry)Thermal efficiency ofcarbonizer ηce, %R²R²= =0.610
0.61

80

FR‐A1

60

20

Surface temp. of inner cylinder, ℃(a) Yield of carbonized biomass
100

R² == 0.394
R²
0.394

40

100

HHV of carbonized biomass,
MJ/kg(dry)20

R²==0.9012
0.901
R²

80

80
Yield ηcb, %

40

100

Thermal efficiency ofcarbonizer ηce, %

60

100

Thermal efficiency ofcarbonizer ηce, %Yield ηcb, %80

Residual ratio of calorific valueηrh, %

0.434
R²R²==0.4343

Residual ratio of calorific valueηrh, %

同一の熱量基準で粉砕処理したバイオマス炭化物につ投入しているため，重量基準でみれば燃料毎に投入量が異
100

燃焼特性

35

FR‐A1

30
25

BK‐A1
LR‐A1
y = ‐0.154x + 33.239
R²R²==0.928
0.928

20
15

(b) Thermal efficiency of carbonizer

30

40

50

60 70 80
Yield ηcb, %90 100(c) HHV of carbonized biomass

Fig. 6 Carbonization characteristics and weight yield ηcbVol.47. No.5

5 －
－ 53

太陽エネルギー

Masami ASHIZAWA, Maromu OTAKA, Tetsuya SHOJI and Hiromi YAMAMOTO

いて，Fig. 3 の実験設備を用いて燃焼実験を行った．バイは 100 ppm 以下，SO2 濃度は 20 ppm 以下であり，優れた排オマス炭化物専焼時の火炎の様子を Fig. 9 に示す．燃焼不ガスの環境値が得られた．これは Table 1 と 2 に示した通良時に確認される黒煙は観察されず，高輝度の良好な火炎り，石炭に比べバイオマス炭化物中の N 分，S 分が低いこが形成されることが確認できた．

とに起因する．また，燃焼性能を評価するため，燃焼炉後燃焼炉出口部における排ガスの環境値として，O2 6%換流のバッグフィルターで捕集した燃焼灰の未燃炭素濃度

算の NOx および SO2 濃度を Fig. 10 に示す．いずれも Coalを分析した．その結果を Fig. 11(a)に示す．炭化物の灰中未NL 単体の値より低く，特に炭化物専焼の場合，NOx 濃度

燃炭素濃度は，もとの燃料中の灰分量が少ないため，相対

Grinding power intensity,
kWh/GJ

Grinding Power, kW

4.0
3.0
2.0
1.0
0.0

Particle size distribution, %

100%
0.8

5.0

CF‐J1 LR‐A2 FR‐A1 Coal LD Coal AD(a) Grinding Power

0.6
0.4
0.2
0.0

CF‐J1

LR‐A2 FR‐A1 Coal LD Coal AD

80%
60%
40%
20%
0%

(b) Grinding power intensity

CF‐J1

LR‐A2

<75µm
150～250µm

Fig. 7 Grindability of carbonized woody biomass and coal

FR‐A1

Coal LD

75～106µm
250～500µm

Coal AD

106～150µm
500µm<

Fig. 8 Particle size distribution of carbonized woody
biomass and coal

250
Coal NL alone

200
150
100
50
0

BK‐A1

LR‐A1

(a) NOx concentration

Coal NL:70% +BK‐A1:30%(calorific value
basis)

SO2, ppm(O2 6% equivalent)NOx, ppm (O2 6% equivalent)

Fig. 9 Picture of burner flame
250
Coal NL alone

200
150
100
50
0

BK‐A1

LR‐A1

Coal NL:70% +BK‐A1:30%(calorific value
basis)(b) SO2 concentration

100

20
Coal NL alone

15
10
5
0

BK‐A1

LR‐A1

Burning rate BR, %Unburnt carbon concentrationin combusion ash, %Fig. 10 NOx and SO2 concentrations

Coal NL:70% +BK‐A1:30%(calorific value
basis)

99
98

Coal NL
alone

97
96
95

(a) Unburnt carbon concentrationin combustion ash

BK‐A1

LR‐A1

Coal NL:70% +BK‐A1:30%(calorific value
basis)(b) Burning rate BR

Fig. 11 Combustibility

Journal of Japan Solar Energy Society

6 －
－ 54

Vol.47, No.5, 2021

Carbonization Characteristics of Woody Biomass, Grindability and Combustibility for Carbonized Woody Biomass

的に Coal NL+BK-A1 に比べ高めの値を示す．そこで，式成果のとりまとめに当たり，国立大学法人 東京農工大学(4)で定義した燃焼率 BR で整理した結果を Fig. 11(b)に示

大学院 工学研究院 秋澤 淳教授に研究指導を受けた．こす．いずれの燃料も 98%以上と高い値であることがわかっこに感謝の意を表する．

た．
以上の結果から，前節で述べた通り，バイオマス炭化物

参考文献

を石炭用のローラミルで粉砕した場合，粒径は大きめとなるが，燃焼時には，石炭と同レベル以上の優れた環境性と

1) 経済産業省 資源エネルギー庁 電力調査統計 結果概要【2019年 度 分 】 ， 資 料 ダ ウ ン ロ ー ド (accessed May 6 2021) ，燃焼性が得られることがわかった．

https://www.enecho.meti.go.jp/statistics/electric_power/ep002/pdf/20

4. まとめ19/0-2019.pdf
2) T. Nagai, S. Kajitani, Development of IGCC Demonstration Plant -石炭火力発電所の CO2 削減対策として，木質バイオマ

from 200 t/d Pilot Plant to 250MW Demonstration Plant-, Journal of

ス炭化物を微粉炭火力発電所で大量かつ安定的に使用すthe Japan Institute of Energy, 86(5), 315-320(2007).

るためには，木質バイオマスの炭化特性と炭化物の粉砕性

3) K. Sakamoto, 2011 Gasification Technologies Conference: 2011や燃焼性などの特性を明らかにする必要がある．本研究でConference: Session 4 – Project Updates, 発表資料ダウンロード

は，代表的な木質バイオマスの炭化特性と炭化物の粉砕性(accessed July 24 2020),と燃焼性を明らかにするため，炭化，粉砕，燃焼性に関す

netl-file/17SAKAMOTO.pdf

る実験を行い，以下の結果を得た．

https://www.netl.doe.gov/sites/default/files/

4) T. Hirata, H. Nagayasu, T. Yonekawa, M. Inui, T. Kamijo, Y. Kubota,(1) 炭化物の重量収率（炭化物収率）ηcb，エネルギー収率

T. Tsujiuchi, D. Shimada, T. Wall, J. Thomas, Current Status of MHI

ηrh，炭化熱効率 ηce などの炭化特性は，炭化温度（炭CO2 Capture Plant technology, 500 TPD CCS Demonstration of Test

化機の内筒表面の平均温度）との相関係数は低く，炭Results and Reliable Technologies Applied to Coal Fired Flue Gas,

化物の固定炭素および炭化物収率 ηcb との相関係数がEnergy Procedia, 63, 6120-6123(2014).

高い．炭化物製造工程における実用的な運転管理指標

5) María V. Gil, Fernando Rubiera, "5 - Coal and biomass cofiring:

としては，炭化物の重量収率である炭化物収率 ηcb がfundamentals and future trends", Editor(s): Isabel Suárez-Ruiz, Maria有効である．

Antonia Diez, Fernando Rubiera, New Trends in Coal Conversion,(2) 本研究で製造した炭化物は，概ね 290～400℃の温度でWoodhead Publishing, 117-140(2019).

炭化した．この条件においては，微粉炭火力発電所用

6) S. De, M. Assadi, Impact of cofiring biomass with coal in power plantsのローラミルに特別な改造を加えることなく，石炭と– A techno-economic assessment, Biomass and Bioenergy, 33(2),同等の動力で粉砕処理できる．

283-293(2009).

(3) 炭化物を粉砕すると，石炭に比べて大きめの粒径とな

7) K.V. Narayanan, E. Natarajan, Experimental studies on cofiring ofる．しかし，石炭燃焼実験設備による燃焼実験により，coal and biomass blends in India, Renewable Energy, 32(15), 2548-

大きめの粒径であっても，石炭と同等以上の環境性と燃焼性が得られる．これは，バイオマス炭化物の揮発2558(2007).
8) A. Demirbaş, Sustainable cofiring of biomass with coal, Energy

分が石炭に比べて多く，反応性が高いことなどに起因するものと考えられる．

Conversion and Management, 44(9), 1465-1479(2003).
9) M. L. Holtmeyer, B. M. Kumfer, R. L. Axelbaum, Effects of biomass

本成果は，微粉炭火力発電所における木質バイオマスのparticle size during cofiring under air-fired and oxyfuel conditions,

大量利用と CO2 排出量の削減を促進するものと期待される．

Applied Energy, 93, 606-613(2012).
10) D. Loeffler, N. Anderson, Emissions tradeoffs associated withcofiring forest biomass with coal: A case study in Colorado, USA,

謝辞

Applied Energy, 113, 67-77(2014).
11) Mitsui & Co., Global Strategic Studies Institute Monthly Report, 資

本成果は，環境省委託事業「CO2 排出削減対策強化誘導

料ダウンロード(accessed May 3 2021), https://www.mitsui.com/

型技術開発・実証事業」として実施した 2013 年度およびmgssi/en/report/detail/__icsFiles/afieldfile/2018/01/12/170703m_un2014 年度「石炭火力における混焼率 30%を実現する木質
バイオマスの改質プロセスの実用化開発」，ならびに 2015

okikuchi_e.pdf
12) J. Xue, T.Chellappa, S. Ceylan, J. L. Goldfarb, Enhancing biomass

年度～2017 年度「バイオ改質炭普及拡大に向けたエネル+ coal Co-firing scenarios via biomass torrefaction and carbonization:

ギー自立型製造プロセスの構築並びに微粉炭ボイラでのCase study of avocado pit biomass and Illinois No. 6 coal, Renewable

100%専焼技術の開発」の一環として得られたものであり，Energy, 122, 152-162(2018).

委託元の環境省，主実施者の三菱重工業環境・化学エンジ

13) B. Arias, C. Pevida, J. Fermoso, M.G. Plaza, F. Rubiera, J.J. Pis,

ニアリング株式会社の関係各位に謝意を表する．また，本Influence of torrefaction on the grindability and reactivity of woody

Vol.47. No.5

－ 55
7－

太陽エネルギー

Masami ASHIZAWA, Maromu OTAKA, Tetsuya SHOJI and Hiromi YAMAMOTO

biomass, Fuel Processing Technology, 89(2), 169-175(2008).

CIPEC, Kyoto, Japan, 20–23 September 2016.

14) M. Phanphanich, S. Mani, Impact of torrefaction on the grindability20) T. Shoji, K. Sakuragi, M. Taki, M. Otaka, Evaluation of Effects ofand fuel characteristics of forest biomass, Bioresource Technology,

Operating Condition to Properties of Carbonized Fuel by using 4t/d102(2), 1246-1253(2011).

Carbonization Facility, CRIEPI Report M14012, 5-9(2015).

15) M.J.C. van der Stelt, H. Gerhauser, J.H.A. Kiel, K.J. Ptasinski,21) N. Tagami, T. Nakadate, S. Mizuno, T. Ida, A Study for Torrefied

Biomass upgrading by torrefaction for the production of biofuels: A

Characteristics of Torrefied Green Tea Based on Index of the Coal,

review, Biomass and Bioenergy, 35(9), 3748-3762(2011).

Journal of the Japan Institute of Energy, 97, 1-7(2018).

16) C. Ndibe, J. Maier, G. Scheffknecht, Combustion, cofiring and22) J. Qi, J. Zhao, Y. Xu, Y. Wang, K. Han, Segmented heating

emissions characteristics of torrefied biomass in a drop tube reactor,

carbonization of biomass: Yields, property and estimation of heating
value of chars, Energy, 144, 301-311(2018).

Biomass and Bioenergy, 79, 105-115(2015).
17) C-W. Huang, Y-H. Li, K-L. Xiao, J. Lasek, Cofiring characteristics

23) G. Almeida, J. O. Brito, P. Perré, Alterations in energy properties ofof coal blended with torrefied Miscanthus biochar optimized witheucalyptus wood and bark subjected to torrefaction: The potential ofthree Taguchi indexes, Energy, 172, 566-579(2019).

mass loss as a synthetic indicator, Bioresource Technology, 101(24),9778-9784(2010).

18) T. Yoshida, Production and Evaluation Method of Heat-TreatedBiomass Pellet Fuels, Journal of the Japanese Society for24) T. Yoshida, T. Sano, T. Nomura, H. Gensai, H. Watada, S. Ohara,

Experimental Mechanics, 19(3), 175-181(2019).

Fundamental Study on the Production of “Hyper Wood Pellet” –19) Y. Endo, M. Otaka, Development of energy self-sustained

Effect of Torrefaction Condition on Grinding and Pelletizing

production process of Bio Upgraded Coal TM (BUC) with high co-

Properties, Journal of Energy and Power Engineering, 7(4), 705-

firing rate in Pulverized Coal boilers. In Proceedings of the 9th i-

710(2013).

Journal of Japan Solar Energy Society

8 －
－ 56

Vol.47, No.5, 2021