技術紹介

石炭焚ボイラにおける燃焼灰の付着挙動
茂田

潤一 *1

知恵賢二郎 *2

Shigeta Jun-ichi
せきたんだきChie Kenjiro

れきせいたん

火力発電用石炭焚ボイラ等では、従来の瀝青炭だけでなく亜瀝青炭や褐炭等の低品位炭の利用拡大が積極的に図られているが、石炭性状を的確に把握し、石炭の燃焼性、灰の溶融・付着性を見極め、燃焼灰による設備への障害を事前に予測して設計や運転・保守に反映させる必要がある。なかでも灰の炉内伝熱管等への付着性は、炭種により異なるので、事前に付着性を把握することが求められる。
そこで灰の付着挙動を知る一助として、実機ボイラ内各場所において炉内より採取した燃焼付着灰の性状調査（主に灰組成、灰溶融温度）を実施した。それら結果に、これまでの調査結果も加味して得られた灰の付着特性に関する知見の一端を報告する。
キーワード：石炭灰、溶融温度、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、選択付着

1. はじめに

2. 微粉炭焚ボイラの付着灰性状調査

わが国の電力事情から石炭焚ボイラによる電力

石炭焚ボイラでは、燃料として使用される石炭供給の役割が近年大きくなってきている。石炭のは、事前にその性状が調査される。表 1 に主な分析・需要の増加に呼応して、石炭コストの低減やエネ測定項目を示す。燃焼性を把握・評価するためのルギー資源の有効活用の観点から、亜瀝青炭、高項目（工業分析、元素分析、発熱量、その他）と、Ca 炭、高灰分炭、褐炭等の低品位炭種の多様化・燃焼時に発生する灰の挙動を把握・評価する項目利用拡大が積極的に図られている。

（灰の化学組成、灰の溶融温度）の 2 つに大きくこれら炭種を燃料として使用する際、過去に経分 けら れ る。
“ 灰 の 化 学 組 成 ”は、 主 に 灰 中 の験していない燃焼灰による外部障害（伝熱管面でSiO 2、Al 2O 3、TiO 2、Fe 2O 3、CaO、MgO、Na 2O、の汚れ、高温腐食）の発生が原因となって、伝熱K2O、P2O5、SO3 を分析する。これら成分の濃度阻害、発電効率の低下等を引き起こすことが十分割合により灰の溶融温度が左右される。“灰の溶懸念される。そこで、灰の付着特性を予測するた融温度”は、ボイラ内における灰の溶融・付着しめの一つとして、幾つかの実機石炭焚ボイラにて、やすさを知る一つの目安となる。

炉内各場所から付着灰を採取し、採取場所によるそこで石炭焚ボイラより燃焼灰を採取し、灰の灰の付着挙動の調査を実施した。本稿では、付着付着状況、化学組成、溶融温度等の性状調査を実灰の性状（組成、溶融温度）から石炭灰成分の付施した。なお、溶融温度は、DIN 法に準じてライ着性を検討したので、その結果の一端を紹介する。

ツ高温加熱顕微鏡 を用いて測定した。

（1）*1：技師長 博士（学術） 環境計量士（濃度関係）*2：計測事業部 化学・環境部 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—21—

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表1一般的石炭性状調査項目

ふく2.1 ボイラの概要と使用石炭の性状

ギング（火炉壁管のある熱輻射領域で発生する灰（1）調査を実施した石炭焚プラントに使用した石炭付着・堆積の障害） と激しいファウリング（過の性状を表 2 に示す。このボイラは、軽微なスラッ

熱器管、再熱器管のある熱対流領域にて発生する（1）

表2

灰付着・堆積の障害、写真 1） の発生がみられた。

石炭の性状

付着灰は火炉、過熱器、再熱器などの数か所の伝熱管より採取した（図 1）。

写真 1

再熱器管での付着灰（クリンカ）

図1—

22—

付着灰採取場所

表3

3. 調査結果

炉内付着灰の化学性状

3.1 付着灰性状の位置的変化
表 3 に採取した炉内付着灰の代表的な場所での灰の組成および溶融温度を示す。
熱輻射領域（火炉壁管）と熱対流領域（過熱器管、再熱器管）とでは異なる付着状態を示した。火炉の付着灰は硬い数ミリの灰が均一に付着していたのに対して、過熱器管では針葉状に垂れ流れたようなもろい灰が数センチの厚さで付着していた（写真 2）。特に、過熱器管に付着した灰は色、形態の異なる 3 層を形成している箇所もみられた。
付着灰中の Fe2O3 は熱輻射領域から熱対流領域へとガス流れに沿って減少し、EP 灰（電気集塵器捕集灰：Electrical Precipitator Ash）では石炭灰（JISM 8812 法に準じて 815℃にて灰化したもの：表 2）

3.2 火炉壁管での灰付着挙動とほぼ同じ含有率となった。逆に、SiO2、Al2O3

今回調査したボイラでの火炉付着灰はほぼ同じはガス流れに沿って増加する傾向がみられた。ア色で、付着状況に違いはみられなかった。しかし、ルカリ成分（Na2O、K2O）同士、アルカリ土類成他ボイラにおいて写真 3 に示すようにかなりの分（CaO、MgO）同士は、ほぼ同じ付着挙動（含厚さの灰が付着堆積したものがあった。色も付着有率変化）を示した。なお、幾つかのボイラで同形態も異なることから、火炉側と伝熱面側に分け様の調査をした結果、石炭灰と EP 灰の化学組成て組成分析を行った。その結果、付着状況、色ががほぼ一致する傾向がみられることがわかった。

異なるにもかかわらず、ほぼ同じ組成（表 4）を示した。火炉での付着堆積物は層の形状に関係なく、均一の成分が付着し、火炎から受ける輻射熱

写真 2

過熱器管の付着灰
写真 3—

23—

付着形態の異なる火炉付着物（クリンカ）
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表4火炉壁管付着物のガス側、壁側の灰組成（収熱）の違いにより、内層と外層の付着状況、ガス状のアルカリ成分が凝縮する条件が整った排色が異なったものと考える。このことは石炭灰成ガス温度の箇所に限定されるものと推定する。

分が局在化してこのような形状が違うものが形成されたのではなく、同一場所での収熱の違いでシンタリング（焼結）を起こし、異なる形状に変化したものと推測される。
3.3 過熱器管での灰付着挙動
過熱器管の一部に層状に付着、堆積した灰が確認されたことから、これら灰について、層別に分けて化学組成と溶融温度を調査した。採取した付着灰は 3 層に堆積し、内層部は淡黄色の軟質の灰からなり、その上に溶融固化した灰白色の層（中図2層）が形成されていた。さらに付着灰の 90％を占

過熱器管付着灰の層別付着状況

める茶色のもろい外層部が存在していた（図 2）。
表5

その結果を表 5 に示す。内層部中の Na2O 含有率は、外層部の 10 倍近くを、K2O 含有率では約4 倍を示した。逆に CaO、MgO は中、外層で多く検出された。
これは火炉にて蒸気となった Na、K の硫酸化合物（主に Na2SO4：融点 884℃、K2SO4：融点 1062℃）
が熱対流領域である過熱器管面に選択的に凝縮、付着し、さらに溶融物の上に灰が付着・堆積したものと推測される。この灰付着挙動が確認されたのは熱対流領域でも一部分の範囲に集中しており、—24—

付着灰の層別組成

3.4 付着灰の pHで回転させる装置である。この円筒形金網に塊状採取した灰の pH を表 6 に示す。これは 1％（W/V）

灰を入れ、金網を回転させると塊状灰は金網内壁の付着灰を含む水溶液を 30 分間煮沸し、冷却後に落下衝突し、表面から徐々に崩される。の pH を測定したものである。本来石炭灰はアルカリ性を示す。EP 灰を除き、すべての付着灰は石炭灰の pH よりも低い値を示した。特に過熱器の層を形成した付着灰の pH は外層から内層に低下する傾向がみられ、内層部は外層部に比べて、腐食性の環境にあることが示唆された。
表6

図3

付着灰の pHラトラ試験機

4.2 試験条件（焼結条件およびラトラ試験）・ 焼結温度：950 ～ 1300℃（50℃ごと）
・ 雰囲気 ：空気・ 時間：1.0 hr

・ 灰量：約 0.2g

・ 評価方法：下記を膠着度と定義して焼結性を評価した
膠着度＝ラトラ試験後の重量／ラトラ試験前の重量

4. スラッギングと灰の焼結性

回転数は 200 回とした。膠着度が低品位炭の利用拡大に伴い、従来のスラッギン高いほど、焼結性が高いことになる。

グ（火炉での灰汚れ）評価手法では予測評価でき4.3 試験結果ないケースが多々みられるようになった。そのため、著者らは付着に及ぼす影響や付着の程度を予図 4 に亜瀝青炭の灰での加熱温度と膠着度の測するために灰の焼結試験を行い、これに基づい関係（一例）を示す。加熱温度が高いほど膠着度（2）（4）-た新しい評価指標を提案した。

が大きくなるが、特に 1000 ～ 1200℃の間で急激に変化することがわかる。温度 1050℃では低い

4.1 灰焼結試験の試験方法

膠着度であった炭種も、温度が上がると膠着度が微粉炭を JIS 法に準じて 815℃で調製した燃焼急激に高くなり、硬く付着することがわかる。実灰を横型電気炉で加熱処理し、得られた塊状灰の機では火炉内のガス温度が非常に重要な因子にな

こうちゃくど硬さ（膠着度と定義（後述））をラトラ試験機（図り、同じ炭種を焚いてもガス温度が上昇すればス3）で測定し灰の焼結性を評価した。ラトラ試験

ラッギングが起こりやすくなると考える。

機は金属圧粉体の耐摩耗性および先端安定性を測

膠着度は炭種ごとに異なるため、より膠着度の定するための装置で、直径 100mm、長さ 115mm低い石炭を選択することで、スラッギングの可能の円筒形金網（目開き 1mm #）を 80rpm の速度性を下げることができる。

—25—

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図4亜瀝青炭（6 炭種）での加熱温度と膠着度との関係な一手法となると考える。灰の融点は、図 6 に灰の性状から膠着度と相関性が高い因子を調査（2）（4）

、図 5 に示すように灰の融点と膠着示すような灰の中の塩基性成分（Fe2O3 + CaO +度に相関がみられることがわかった。ただ、幾つCaO + MgO + Na2O + K2O）と 2 次曲線の関係があかの炭種については、融点が低いにもかかわらず、り、低融点でも膠着度が小さくなる理由を灰の組膠着度が小さい炭種（図中の矢印）が確認された。

成の面からさらに調査、検討し、膠着度を用いたこれら炭種を実機ボイラで運用した際、同融点スラッギング評価手法の精度を高めていきたい。

した結果で膠着度が高い炭種で発生したスラッギングが確認されなかった。このことから、灰の膠着度は実機ボイラでの灰の付着挙動を推測するための有効図5調査炭種（23 炭種）での融点と膠着度の関係
—

26—

図6

塩基性成分と融点との関係

ファウリングおよび高温腐食に関与するアルカ

5. ファウリングとアルカリ酸溶解

リ金属は燃焼ガス温度でガス化した Na2O や K2O

過熱器管、再熱器管等の熱対流領域でのファウで、さらに Na2SO4、K2SO4 となって熱対流領域にリングは、石炭中のアルカリ金属が強く関与しておいて溶融状態で付着したものである。ガス化すいる。また、この領域では伝熱管表面温度が 550

るアルカリ成分は主に有機的に石炭と結合してい～ 650℃となるため、管表面に付着したデポジッるもので、長石や粘土質中に熱的に安定している

ト内で腐食性の低溶融塩化合物が形成されて高温アルカリ成分（不活性アルカリ）ではないため、（2）腐食が発生しやすい 。

酸に溶解しやすい。そのため酸に溶解するアルカ

この低溶融塩はアルカリ硫酸鉄（(Na or K) 3Fe(SO4)3）

リ分を定量することで、ファウリングや高温腐食であり、ファウリングと同様、ナトリウム、カリに関与するアルカリ（活性アルカリ）を把握する

ウムのアルカリ金属が腐食の主因子となる。このことができると考える。

アルカリ硫酸鉄は管表面で溶融して、母材と反応5.1 酸溶解法して腐食を起こす。腐食反応は下記のようになる。
なお、人工的に合成したアルカリ硫酸鉄の pH はここでの酸溶解法は石炭灰および付着灰を 5％

2 近くを示した。
SO2 + (1/2)O2SO3 + MeO→⇔

塩酸で 1 時間煮沸処理する。冷却後、不溶解物をSO3ろ過し、ろ液中の溶解成分を定量する。煮沸時間

Me2SO4を 1 時間としたのは 16 時間煮沸したときの溶解成

3SO3 + 3MeSO4 + Fe2O3⇔

分と比較して差異が見られなかったことによる。

2Me3Fe(SO4)32Na3Fe(SO4)3 + 6Fe → 3/2FeS + 3/2Fe3O4 + Fe2O3 +5.2 灰の酸溶解成分

3Na2SO4 + 3/2SO2

今回調査したボイラの付着灰について酸溶解をMe：Na、K—27—

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試みた。各成分の溶解率を表 7 に示す。石炭灰とた結果を図 7 に示す。酸溶解量は内層と中・外付着灰の溶解率を比較してみると、石炭灰と同様

層 で は 明 ら か に 異 な り、 酸 溶 解 ア ル カ リ 土 類

CaO、SO3 がほぼ 100％溶解する以外は、付着灰の（CaO、MgO）は中・外層に多く存在した。対し方が明らかに低い値を示した。これは石炭灰がて酸溶解アルカリ（Na2O、K2O）は内層に中・外815℃で灰化したものに対して、付着灰は火炎温度層の約 2 倍以上存在し、酸溶解アルカリが伝熱管1300 ～ 1500℃で燃焼したときの灰であるため、一表面近傍に凝縮しやすいことがわかる。

部成分に融解が生じ、さらにガラス状クリンカと溶解アルカリが多い炭種では、ファウリングやなって、酸に溶けにくくなったものと推定される。

高温腐食を起こしやすいので、トータルのアルカ

また、層状に付着した過熱器管灰について層別リではなく、酸溶解アルカリ量を把握する必要がに酸溶解量（CaO、MgO、Na2O、K2O）を測定し表7あると考える。

付着灰の酸溶解成分*：灰中酸溶解物濃度（％）／灰中濃度（％）× 100

図7

付着灰の層別の酸溶解成分（アルカリ金属、アルカリ土類金属）—

28—

6. まとめ

参考文献

実機石炭焚火力発電所の燃焼付着灰性状調査を（1） 茂田潤一、知恵賢二郎：高温加熱顕微鏡によ通じて、以下のことが確認された。

る石炭灰の溶融温度測定技術、IIC REVIEW、① 熱放射領域である火炉付着灰は、付着形態

Vol.49、2013/04、pp.46-55（色、溶融状態等）にかかわらず、ほぼ均一（2） 毛利、茂田、鈴木、福島：微粉炭焚きボイラな灰組成を示した。

におけるスラッギング予測指標の構築、火力② 従来のスラッギング指標とは別の予測評価指原子力発電、Vol.56、No.1、2005、pp.26-31

標として、膠着度による評価法がスラッギン（3） 毛利、茂田、羽嶋、蔵田、山崎：スラッギン

グを予測する上で有効な一手法になると考え

グ予測指標の実用化評価、火力原子力発電、る。

Vol.59、No.7、2008、pp.11-17③ 熱対流領域である過熱器管付着灰で、明らか（4） 毛利、茂田、鈴木、福島：微粉炭焚きボイラ

な層別付着がみられるものは、層別に灰組成におけるスラッギング予測指標の構築、石川が異なり、内層部では高温腐食に関与するア

島播磨技報、Vol.45、No.1、2005、pp.36-41

ルカリ成分が多く存在するとともに、灰 pHも低くなることがわかった。
④ 石炭灰組成と EP 灰はほぼ同じ組成を示すことがわかった。
⑤ 高温腐食、ファウリングの発生の主因子となるアルカリ成分は、酸溶解する成分で評価することも必要である。
今後、多種の石炭が燃料として使用されることから、事前に石炭の性状、特徴を十分検討、評価して、灰に起因するトラブルを事前に予測し、対策を講じることで、安定的な火力発電所の運用に寄与するものと考える。

技師長
博士（学術）
環境計量士（濃度関係）

計測事業部 化学環境部 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

知恵賢二郎

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

TEL. 045-791-3516
FAX. 045-791-3541—29—

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