技術紹介「灰の膠着度」による石炭・バイオマス混焼時の灰汚れ予測評価
茂田

潤一 *1

Shigeta Jun-ichi

知惠賢二郎 *2

高野Chie Kenjiro

卓 *3

Takano Takashi

長島陽一 *3

Nagashima Yo-ichi

低炭素社会の実現のために再生可能エネルギーとしてバイオマスを利用した石炭混焼ボイラが増加している。しかし、石炭にバイオマスを混焼する際、バイオマスの種類によってはファウリング等の灰障害を誘発する懸念がある。
そこで、灰汚れ予測として低品位炭（亜瀝青炭）での実績がある膠着度による評価手法を用いて、比較的大量に確保できる木質系バイオマスと石炭を混焼した際のファウリング等の灰障害に及ぼす影響を検討した。
キーワード：バイオマス、石炭、膠着度、灰組成、石炭焚火力発電プラント、スラッギング、ファウリング

1. はじめに

2. バイオマス混焼灰の付着性評価
2.1 試料性状

近年、石炭焚火力発電ボイラでは、排出二酸化（1）炭素削減や発電量固定価格買取制度 の普及によ表 1 に石炭（瀝青炭）と木質系バイオマス（松、りバイオマスを混焼するボイラが増えている。バ杉、樫）の性状分析結果を示す。木質系バイオマ

イオマスの特徴として、灰分が少ないにもかかわスの特徴は、石炭より発熱量は低いが揮発分が多らず、灰障害（ファウリング、スラッギング、高い。揮発分燃焼は燃焼性が高い（燃焼速度が速い）かし（2）（3）の原因となるアルカリ分（特にカリウため、バイオマスの混焼により燃焼性の向上が考ム）が多く、しかもバイオマスの種類によって灰えられる。また、窒素（N）分と硫黄（S）分が 0.1％の組成が大きく異なる点が挙げられる。

以下と少ないため、バイオマスの混焼では排ガス

温腐食）中の窒素酸化物（NOx）、硫黄酸化物（SOx）低減がこれらバイオマスを燃料として使用する際、過予測できる。

去に経験していない燃焼灰による灰障害の発生が十分懸念される。そこで、低品位炭での灰汚れ（付一方、木質系バイオマスの灰分は石炭より極め着性）評価手法である膠着度測定法を利用して、て少ないが、高温での灰の付着性を誘発する酸化石炭と木質系バイオマス混焼時の灰付着性を検討

カリウム（K2O）含有量が多いことが特徴である。

したので、その結果の一端を紹介する。

*1：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騒音・振動関係） 一般計量士*3：計測事業部 化学・環境部—31—課長博士（理学） 環境計量士（濃度関係、IIC REVIEW/2020/04. No.63

表1

石炭と木質系バイオマスの性状

（2）
（4）
-

2.2 灰焼結試験方法

ボートに装填した。

（1）灰の調製・ 加熱温度：1,000 ～ 1,300℃

石炭の灰分分析法（JIS M 8812）に準拠し、所定・ 加熱時間：1h 一定（3）膠着度の測定の割合で混合した試料を 815℃に設定したマッフ

灰の焼結試験より得られた塊状灰の固さを図 2ル炉にて灰化した。
（2）灰の焼結に示すミネルバ機器社製ラトラ試験機（※ 1）によ焼結は内径 42mm のアルミナ管を取付けた電気り評価した。ラトラ試験機は直径 100mm、長さ管状炉（図 1 を参照）で行い、雰囲気は空気とし120mm の円筒形金網（目開き 1mm ＃）を 80rpm でた。試験灰は幅 12mm、長さ 100mm のアルミナ回転させる装置である。

—32—

図1

図2

灰の焼結試験装置

ラトラ試験機この円筒形金網に塊状灰を入れ金網を回転させると、塊状灰は一旦上方に持ち上げられた後、金網内壁に落下衝突するため表面から徐々に崩され図3る。

焼結灰の膠着度その 1（温度の影響）

焼結灰の固さを膠着度と定義し次式により求めた。

ことも確認された。
（2）バイオマス添加量の影響

膠着度（-）= 試験後の重量（g）／試験前の重量（g）※ 1 ：一般社団法人粉体粉末冶金協会の規格

図 4 に灰の加熱温度 1,100℃における瀝青炭 A「金属圧粉体のラトラ試験法（JSPM 標準に対する松、杉および樫の添加量と膠着度の関係4-69）」で定められた試験機で、加圧成形を示す。木質系バイオマスの種類の違いによる膠した金属圧粉体の耐摩耗性および先端着度の変化は認められなかったが、いずれの木質安定性を測定するための装置。

系バイオマスも添加量が増えるほど灰の膠着度が高くなることが確認できた。バイオマス添加量

2.3 試験結果

0％（瀝青炭 A のみ）の膠着度が約 0.05 であったの（1）温度依存性に対し、添加量 50％では 0.6 ～ 0.7 に上昇した。

瀝青炭 A のみおよび瀝青炭 A に松を 30％混合し

図 4 より、今回用いた木質系バイオマスの添加た場合の焼結温度と膠着度の関係を図 3 に示す。

量が約 20％以下であれば、灰の焼結性はほとんど

図 3 から、木質系バイオマスの添加により、灰の変化しないものと予測できる。
さ

膠着度が高くなる（焼結しやすくなる）ことがわか

その他バイオマスとして、農業残渣 系稲わら、る。また、松を 30％添加した場合、瀝青炭 A と同木質系竹についても瀝青炭 B に 30％混合した灰一膠着度を示す温度条件は 30 ～ 100℃低温となるの膠着度を調査した。これらバイオマスの性状を—

33—

IIC REVIEW/2020/04. No.63

表 2 に、膠着度を図 5 に示す。松、杉、樫の混焼

2.4 考察灰の 1,100℃膠着度が 0.38 ～ 0.42 であったのに対（1） 混焼灰のファウリングインデックスとス
ラッギングインデックス

し、稲わら混焼灰は 0.48、竹混焼灰は 0.26 となっ

火炉や後部伝熱面に燃焼灰が付着・堆積するこた。バイオマスの種類により灰組成が異なることとによる伝熱阻害やガス流路閉塞などのトラブルが、膠着度に影響を与えたものと考える。

を事前予測するため、ファウリングインデックス（火炉上部～後段の伝熱管への灰付着・閉塞への評

図4

焼結灰の膠着度（添加量の影響）1,100℃
表2

図5

焼結灰の膠着度その 2（温度の影響）

石炭と稲わらと竹の性状—34—

価）、およびスラッギングインデックス（火炉部分

表 3 に Rf 値と Rs 値の一覧を示す。バイオマスでの灰付着評価）が広く用いられている。バイオ50％添加では瀝青炭 A と比較すると、Rf 値は 1.3

マスの混焼により生成する灰のファウリングイン～ 1.9 倍前後になるのに対し、Rs は逆に 0.6 ～ 0.7（5）（6）

デックス Rf倍に低下する。

およびスラッギングインデックス

（5）
（6）

Rs

すなわち、従来のインデックスが適用できるとがどのように変化するかを計算し、その結果を図 6 および図 7 に示す。

すると、バイオマスの添加によりファウリングはRf =（Base）／（Acid × Na2O）（1）

強くなるがスラッギングは逆に弱くなることにな

Rs =（Base）／（Acid × 燃料中 S）（2）る。
（2）膠着度と Rf および Rs との関係

ここで、Base（塩基性成分）；
Na2O + K2O + Fe2O3 + CaO + MgO（3）

灰焼結試験で得られた灰の膠着度と Rf およびAcid（酸性成分）；Al2O3 + SiO2 + TiO2

（4）

Rs との関係を図 8、図 9 に示す。灰の膠着度は Rf

なお、単位は灰中の各成分の濃度（ ％）である。

が大きくなるほど上がるのに対し、Rs が大きくな

図 6 に示すように、木質バイオマスは表 1 よりるほど下がることがわかる。

Base が主成分のため添加量を増やすことによりRs は式（2）で示すように燃料中の S 分に比例す

Rf は大きくなるが、S 分をほとんど含まないためるが、石炭中の S 分の増加は Fe 成分がパイライト

Rs 値は小さくなる（図 7）。

（FeS2）として含まれることが多いため、S 分の影
響と言うより Fe 成分の影響を評価するインデッ

図6

バイオマス添加量と Rf 値との関係

図7

表3

Rf 値および Rs 値

—35—

バイオマス添加量と Rs 値との関係

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図8

図9

膠着度と Rf 値との関係

膠着度と Rs 値との関係

クスである。石炭燃焼ボイラでは、ファウリング

灰障害を発生する懸念が十分あり、事前の調査・の主因子は灰中に含まれるアルカリ成分（Na2O、検討が必要となる。

K2O）である。木質系バイオマスは灰中に K2O が3. まとめ

特に多く含まれることから、ファウリングが強く懸念される。そのため、スラッギングインデック（1）木質系バイオマスを石炭に添加することにスでバイオマス混焼時の灰障害を予測するのは適より灰の膠着度が上がることが確認された。

切ではないと言える。

しかも、その混焼量が増加するに従い、膠着（3）バイオマスの種類による膠着度の差異度も上昇することがわかった。

松、杉、樫との石炭混焼灰に比べて、稲わら、（2）混焼灰の膠着度は、バイオマスの灰組成が影竹との石炭混焼灰で、膠着度に差異がみられた。

響するため、事前に灰組成を把握して、混焼

これにはバイオマスの灰組成が大きくかかわって量を決めることが必要である。

おり、特に酸化カルシウム（CaO）、酸化マグネシ（3）ファウリングインデックスと膠着度には相ウム（MgO）の存在が関与しているものと考える。

関がみられたが、スラッギングインデックス

一般的な石炭灰では、CaO は CaSO4（CaO+SO3）、ではみられなかった。しかし、ファウリングの化合物形態をとるこ
MgO は MgSO（MgO+SO43）

インデックスは、瀝青炭を対象とした予測評とが多い。 しかしバイオマスは灰中に SO3 分が少価法であるため、バイオマスを混焼した際のないことから、CaO、MgO 単独で存在する可能性評価（基準値）をそのまま利用するのは適切があり、この CaO（融点：2,572℃）、MgO（融点：ではないと考える。

2,852℃）は高融点であることから灰の焼結を抑制（4）バイオマスを石炭と混焼した際に生じる灰したものと推察する。の付着性を評価する上で、膠着度が効果的でバイオマスはその種類によって灰の組成が大きあることが確認でき、バイオマスの混焼量をく異なり、バイオマスの種類と添加量によっては—予測するための一手法となると考える。
36—

（4） 茂田、知惠：石炭焚ボイラにおける燃焼灰の付参考文献

着挙動、IIC REVIEW、Vol.55、2016/04、pp.21-（1） 経済産業省資源エネルギ―庁資料：再生可能29

エネルギー固定価格買取制度ガイドブック、（5） Skorupska：Coal specification-impact on power

2018 年度版

station performance, IEACR/52, 1993（2） 毛利、茂田、鈴木、福島：微粉炭焚きボイラ（6） 辻、日恵井、若林、白井：Formation Mechanisms,

におけるスラッギング予測指標の構築、火力

Evaluation Method and Research Perspective of

原子力発電、Vol.56、No.1、2005、pp.26-31

Slagging and Fouling on Pulverized Coal

（3） 毛利、茂田、羽嶋、蔵田、山崎：スラッギン

Combustion、Journal of Japan Institute of

グ予測指標の実用化評価、火力原子力発電、Energy、89、2010、pp.893-902

Vol.59、No.7、2008、pp.11-17

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 課長 博士（理学）
環境計量士（濃度関係、騒音・振動関係） 一般計量士

茂田 潤一

知惠賢二郎

TEL. 03-6404-6615
FAX. 03-6404-6044

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

計測事業部
化学・環境部

計測事業部
化学・環境部高野長島 陽一

卓TEL. 045-791-3516
FAX. 045-791-3541

TEL. 045-791-3516
FAX. 045-791-3541—37—

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