燃焼は，発電や廃棄物処理などに用いられる重要なプロセスである．石炭やバイオマスなどの固体燃料には灰分が含まれ，これは燃焼プロセスで灰粒子となる．灰粒子は，燃料プラント内部のような高温条件（500～1000°C）で高い付着性を示すことがある（Lachman et al.,2021; Kleinhans et al., 2018）．その結果，灰粒子がプラント内部の伝熱管などに付着する．付着層の形成は伝熱を阻害し，エネルギー変換効率の低下を招く．また，付着面から伝熱管の腐食を起こすこともある．さらに，流動層燃焼炉では，流動媒体に灰が付着し大きな塊を形成することで，流動不良や配管の閉塞を引き起こす可能性がある．このように，高温雰囲気下における灰付着は，燃焼プロセスの運転に悪影響を与える．プラントの安定かつ高効率運転のためには，灰付着を抑制する技術の確立が求められる．
灰付着の主たる原因は，高温条件における灰粒子の溶融である．灰粒子の一部が溶融して高い接着性を示す．特に，灰中のナトリウムやカリウム，リンが，融点の低い化合物を形成するため，これらが付着の原因成分と考えられている（Tang et al., 2022）．特に，ナトリウムやカリウムに代表されるアルカリ金属は石炭灰に含まれることから，石炭灰の高温付着現象を考察する上では避けては通れない成分である．近年では資源量の観点から，石炭の中でも低品位な石炭の活用に注目が集まっている．低品位炭の場合，アルカリ金属を多く含むことがあり，灰の付着が深刻化することがある．さらに，持続可能な社会の実現に向け，バイオマス燃料の活用が注目されているが，やはり灰の付着が問題となっている．バイオマス燃焼灰は，石炭灰よりも多くのアルカリ金属を含むことがある．以上のような背景から，特にアルカリ金属が原因となる灰付着現象は注目のトピックスであり，付着を抑制する手法の確立は社会的ニーズがある．
付着抑制のための手法として，薬剤の利用がある．外部から薬剤を加えて灰の組成を調整すること，または灰中の成分（特に低融点成分）と薬剤の間で反応を引き起こすことで，灰の溶融を抑制することが狙いである．すでにいくつかの薬剤が報告されている（Liu et al., 2022;Fuller et al., 2019）．一方で，灰の組成は多様であり，組成に応じて適切な薬剤を選択しないと，付着抑制を十分に行えなくなることや，かえって付着を深刻化させてしまうことが起こりうる．そのため，組成制御以外の手法も取り入れた付着抑制技術の確立が求められる．
筆者は過去に，石炭灰や下水汚泥燃焼灰の高温付着性を評価し，その付着抑制のための薬剤の探索に取り組んだ．その中で，アルミナナノ粒子（粒子径10nm）が特に優れた付着抑制効果を示すことを見出した（Horiguchi et al., 2018;2022）．アルミニウム成分は，アルカリ金属を含む低融点成分と反応し，高融点の化合物へと変化させる．その結果，アルカリ金属由来の高温付着性を効果的に抑制できる．加えて，用いたアルミナナノ粒子は充填性が悪く，ナノ粒子添加することで灰粉体層の充填性を低下させることができる．結果として，灰粉体層の強度が低下し，付着を抑制できる．すなわち，アルミナナノ粒子の付着抑制効果は，組成制御と充填性低下の二つで説明でき，特に後者は組成に依存しないため，組成が変化し組成制御効果が弱まることが予想される状況でも，付着抑制効果を発揮できる．ただし，ナノ粒子は高価かつハンドリングが難しいため，アルミナナノ粒子と同様の効果を示す添加剤の開発が求められる．
本研究では，組成制御と充填性低下の二つの効果を兼ね備えた薬剤の開発を目標とした．薬剤成分として，アルカリ金属由来の付着を抑制できるアルミニウム成分に着目した．充填性低下については，昇温過程で薬剤から揮発分が生じれば粉体層内部に空隙を形成でき，灰粒子の充填性が低下すると予測した．このような仮説に基づき，アルミニウム系薬剤の開発を行った．
灰サンプルとして，組成は単純だが燃焼灰の高温付着性を模擬したモデル化合物を用いた（Horiguchi et al., 2020; 2021）．

カテゴリ: 化学
質問: 発電や廃棄物処理などに用いられる重要なプロセスは何ですか。
回答: 発電や廃棄物処理などに用いられる重要なプロセスは燃焼です。

カテゴリ: 化学
質問: プラントの安定かつ高効率運転のためには、灰付着をどうする技術の確立が求められますか。
回答: プラントの安定かつ高効率運転のためには、灰付着を抑制する技術の確立が求められます。

カテゴリ: 化学
質問: 灰付着の主たる原因は、どのような条件における灰粒子の溶融ですか。
回答: 灰付着の主たる原因は、高温条件における灰粒子の溶融です。

カテゴリ: 化学
質問: アルミニウム成分は、何を含む低融点成分と反応しますか。
回答: アルミニウム成分は、アルカリ金属を含む低融点成分と反応します。

カテゴリ: 化学
質問: ナノ粒子は何が難しいですか。
回答: ナノ粒子は高価かつハンドリングが難しいです。