褐炭の瀝青炭ブレンドによる高付加価値化に関する可能

平成２７年度石炭現場ニーズ等に対する技術支援事業
「褐炭の瀝青炭ブレンドによる高付加価値化に関する
可能性の検討に関する共同スタディ」
報告書
（公開版）
２０１６年３月
独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構
出光興産株式会社
目次
1.
2.
3.
4.
5.
共同スタディ概要 .............................................................................................................. 1
1.1
目的 ......................................................................................................................................1
1.2
共同スタディ内容 ..............................................................................................................2
1.3
本スタディの期待効果と実用化のイメージ ..................................................................4
1.4
実施場所及び褐炭 A 鉱山と褐炭 B 鉱山の概要 ............................................................5
1.5
実施体制 ..............................................................................................................................5
ラボ評価............................................................................................................................... 6
2.1
石炭の自然発熱 ..................................................................................................................6
2.2
ラボ評価の概要 ..................................................................................................................9
2.3
自然発熱性試験(SIT)装置の概要 .....................................................................................9
2.4
ブレンド炭の SIT .............................................................................................................10
2.5
自然発熱防止剤の添加効果 ............................................................................................12
フィールド試験 ................................................................................................................ 16
3.1
目的 ....................................................................................................................................16
3.2
フィールド試験の概要 ....................................................................................................16
3.3
フィールド試験結果 ........................................................................................................22
貯炭パイル自然発熱シミュレーション ........................................................................ 30
4.1
目的 ....................................................................................................................................30
4.2
自然発熱シミュレーションの概要 ................................................................................30
4.3
パイル形状の設定と流動解析 ........................................................................................31
4.4
自然発熱シミュレーション結果 ....................................................................................35
4.5
ブレンドによる自然発熱挙動の変化 ............................................................................49
石炭評価システムによるブレンド炭品質設計 ............................................................ 50
5.1
目的 ....................................................................................................................................50
5.2
石炭評価システムの概要 ................................................................................................50
5.3
使用モデル ........................................................................................................................51
5.4
石炭性状 ............................................................................................................................51
5.5
ブレンド炭性状 ................................................................................................................53
5.6
褐炭 A 及び褐炭 B と、瀝青炭 A の最適混炭設計 .....................................................58
5.7
まとめ ................................................................................................................................59
6.
結論..................................................................................................................................... 59
図目次
図 1-1
褐炭利用の課題と解決策...........................................................................................1
図 1-2
褐炭への瀝青炭ブレンド技術による高付加価値化 ..............................................2
図 1-3
検討ステップ ...............................................................................................................2
図 1-4
フィールド試験のイメージ ......................................................................................3
図 1-5
貯炭パイル自然発熱シミュレーションと石炭評価システムの実施例 ..............4
図 1-6
期待効果 .......................................................................................................................4
図 1-7
実用化のイメージ .......................................................................................................4
図 1-8
褐炭 A 鉱山と褐炭 B 鉱山の位置 .............................................................................5
図 1-9
共同スタディ実施体制...............................................................................................5
図 2-1
石炭の生成 ...................................................................................................................6
図 2-2
石炭化の進行と石炭の種類 ......................................................................................6
図 2-3
石炭から発生する熱 ...................................................................................................7
図 2-4
石炭の石炭化度と構造...............................................................................................7
図 2-5
貯炭パイルの発熱要因...............................................................................................8
図 2-6
パイル高さの影響 .......................................................................................................8
図 2-7
空隙率の影響 ...............................................................................................................8
図 2-8
自然発熱性試験装置の外観と測定原理 ..................................................................9
図 2-9
ベース炭の SIT 結果................................................................................................. 11
図 2-10
瀝青炭 A のブレンド割合と T180 ........................................................................ 11
図 2-11
被膜型自然発熱防止剤のダメージ.......................................................................12
図 2-12
褐炭の乾燥による崩壊...........................................................................................12
図 2-13
添加剤添加量 ...........................................................................................................13
図 2-14
湿潤試料による SIT 結果（褐炭 A） ..................................................................14
図 2-15
湿潤試料による SIT 結果（褐炭 B） ...................................................................14
図 2-16
自然発熱防止剤添加石炭の SIT 結果（褐炭 A） ..............................................15
図 2-17
自然発熱防止剤添加石炭の SIT 結果（褐炭 B） ...............................................15
図 3-1
クラッシャ投入 .........................................................................................................17
図 3-2
添加剤散布 .................................................................................................................17
図 3-3
ダンプ積込 .................................................................................................................17
図 3-4
所定の場所で荷卸し .................................................................................................17
図 3-5
ブレンディング .........................................................................................................18
図 3-6
サンプリング .............................................................................................................18
図 3-7
パイリング .................................................................................................................18
図 3-8
熱電対設置 .................................................................................................................18
図 3-9
希釈液調製 .................................................................................................................19
図 3-10
希釈液 .......................................................................................................................19
図 3-11
ノズル設置場所 .......................................................................................................19
図 3-12
コンベア先端（ノズル④） ..................................................................................19
図 3-13
試験パイルの寸法 ...................................................................................................19
図 3-14
温度データ測定ポイント.......................................................................................20
図 3-15
補償導線の引き込み ...............................................................................................20
図 3-16
測定小屋内のデータロガー ..................................................................................20
図 3-17
簡易気象観測装置設置状況 ..................................................................................21
図 3-18
パイルレイアウト ...................................................................................................21
図 3-19
完成した試験パイル ...............................................................................................21
図 3-20
データ採取期間 .......................................................................................................22
図 3-21
降水量 .......................................................................................................................22
図 3-22
気温 ...........................................................................................................................22
図 3-23
風速 ...........................................................................................................................23
図 3-24
風向 ...........................................................................................................................23
図 3-25
Pile-1（褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%）全点温度 ...............................................24
図 3-26
Pile-2（褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%）全点温度 ...............................................24
図 3-27
Pile-3（褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%）全点温度 ...............................................25
図 3-28
Pile-4（褐炭 A 100%＋添加剤 P）全点温度 .....................................................25
図 3-29
Pile-5（褐炭 A 100%＋水）全点温度 .................................................................26
図 3-30
Pile-6（褐炭 A 100%、基準）全点温度 .............................................................26
図 3-31
Pile-1（褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%）25 日目の測定点温度............................27
図 3-32
Pile-2（褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%）25 日目の測定点温度............................27
図 3-33
Pile-3（褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%）25 日目の測定点温度............................27
図 3-34
Pile-4（褐炭 A 100%＋添加剤 P）25 日目の測定点温度 ..................................28
図 3-35
Pile-5（褐炭 A 100%＋水）25 日目の測定点温度 ..............................................28
図 3-36
Pile-6（褐炭 A 100%、基準）25 日目の測定点温度 ..........................................28
図 3-37
ブレンド炭パイル 60℃到達日数（L31-38 平均） ............................................29
図 3-38
添加剤 P 散布パイル、水散布パイル、基準パイルの 60℃到達日数（L31-38
平均） ................................................................................................................................29
図 4-1
自然発熱シミュレーションの解析フロー ............................................................31
図 4-2
フィールド試験における熱電対設置位置 ............................................................32
図 4-3
自然発熱シミュレーションで設定した貯炭パイルの寸法と熱電対位置 ........32
図 4-4
構築した解析グリッド.............................................................................................33
図 4-5
ブレンド炭の酸化反応速度及び全水分の設定値 ................................................34
図 4-6
パイル周辺及び内部の空気の流れ ........................................................................34
図 4-7
パイル断面の温度分布（ケース①：瀝青炭 A 100%） ......................................37
図 4-8
パイル断面の酸素濃度分布（ケース①：瀝青炭 A 100%） ..............................37
図 4-9
パイル断面の温度分布（ケース②：褐炭 A 100%－低水分） ..........................38
図 4-10
パイル断面の酸素濃度分布（ケース②：褐炭 A 100%－低水分） ................38
図 4-11
パイル断面の温度分布（ケース③：褐炭 A 100%） ........................................39
図 4-12
パイル断面の酸素濃度分布（ケース③：褐炭 A 100%） ................................39
図 4-13
パイル断面の温度分布（ケース④：褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%） ..............40
図 4-14
パイル断面の酸素濃度分布（ケース④：褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%） ......40
図 4-15
パイル断面の温度分布（ケース⑤：褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%） ..............41
図 4-16
パイル断面の酸素濃度分布（ケース⑤：褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%） ......41
図 4-17 パイル断面の温度分布（ケース⑥：褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%）エラー ! ブ
ックマークが定義されていません。
図 4-18
パイル断面の酸素濃度分布（ケース⑥：褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%） ......42
図 4-19
パイル内の温度変化（ケース①：瀝青炭 A 100%） ........................................43
図 4-20
パイル内の酸素濃度変化（ケース①：瀝青炭 A 100%） ................................43
図 4-21
パイル内の温度変化（ケース②：褐炭 A 100%－低水分） ............................44
図 4-22
パイル内の酸素濃度変化（ケース②：褐炭 A 100%－低水分） ....................44
図 4-23
パイル内の温度変化（ケース③：褐炭 A 100%） ............................................45
図 4-24
パイル内の酸素濃度変化（ケース③：褐炭 A 100%） ....................................45
図 4-25
パイル内の温度変化（ケース④：褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%） ..................46
図 4-26
パイル内の酸素濃度変化（ケース④：褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%） ..........46
図 4-27
パイル内の温度変化（ケース⑤：褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%） ..................47
図 4-28
パイル内の酸素濃度変化（ケース⑤：褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%） ..........47
図 4-29
パイル内の温度変化（ケース⑥：褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%） ..................48
図 4-30
パイル内の酸素濃度変化（ケース⑥：褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%） ..........48
図 4-31
シミュレーション結果とフィールド試験データの比較 ..................................49
図 5-1
石炭品質が微粉炭ボイラシステムに及ぼす影響 ................................................50
図 5-2
石炭評価システムの外観とプラントパフォオーマンス総合評価画面 ............51
表目次
表 2-1
ベース石炭の一般性状.............................................................................................10
表 2-2
自然発熱防止剤 .........................................................................................................12
表 3-1
フィールド試験ケース.............................................................................................16
表 3-2
自然発熱防止剤散布量.............................................................................................18
表 4-1
自然発熱シミュレーションの主要な入力初期条件 ............................................33
表 4-2
全解析ケースの主要パラメータ ............................................................................35
表 5-1
石炭性状 .....................................................................................................................52
表 5-2
褐炭 A＋瀝青炭 A
ブレンド炭性状（1）...........................................................54
表 5-3
褐炭 A＋瀝青炭 A
ブレンド炭性状（2）...........................................................55
表 5-4
褐炭 B+瀝青炭 A
ブレンド炭性状（1）.............................................................56
表 5-5
褐炭 B+瀝青炭 A
ブレンド炭性状（2）.............................................................57
表 5-6
褐炭 A に対する瀝青炭 A のブレンド比率とボイラシステムに対する制約状況
............................................................................................................................................58
表 5-7
褐炭 B に対する瀝青炭 A のブレンド比率とボイラシステムに対する制約状況
............................................................................................................................................58
1. 共同スタディ概要
1.1 目的
石炭は、世界で重要なエネルギー源として利用されており、我が国にとっても、現行の
エネルギー基本計画において、重要なベースロード電源として位置づけられた重要な資源
である。
一方で地球環境問題の観点から石炭の高効率利用が求められているが、IEA の予測でも、
2030 年において世界の一次エネルギー需要の四分の一を石炭が担うとされており、特にア
ジアの新興国での需要増加が著しいとされている。近年日本にとっての一般炭の供給国と
して、オーストラリアを抜いて最大となったインドネシアは、豊富な埋蔵量を有するもの
の亜瀝青炭と褐炭が可採埋蔵量の約 90%を占めており、瀝青炭の供給余力は限定的で、今
後は石炭化度の低い亜瀝青炭や褐炭に生産がシフトしていく。従って、将来の日本のエネ
ルギーセキュリティ確保の観点から、インドネシアの褐炭の利用を今の段階から真剣に検
討する必要がある。
図 1-1 に褐炭利用の課題と解決策を示す。褐炭は、高水分、低発熱量で、また自然発熱
性が高く、安価であっても地場火力での小規模利用に留まっている。特に水分が高く乾燥
時には自然発火の危険があり、安定・安全な輸送と貯蔵が困難なために遠距離の輸送は難
しく、日本への輸出も困難である。そのため、従来から改質技術として乾燥、ブリケット、
低温熱処理技術が検討されてきたが、従来検討されてきた改質では、石炭市況の影響が大
きく経済性に難がある。一方で、褐炭のガス化や液化も検討されているが投資額の割には
経済性が低く、商業化に至っていない。
山元で瀝青炭とのブレンドによる品位調整を行い高付加価値化を行った場合と、従来の
コールフローとの比較を図 1-2 に示す。本スタディの目的は、最もシンプルな品位向上技
術として、瀝青炭とのブレンド技術に着目して、褐炭に、産炭地（山元）や産炭国積出港
で瀝青炭をブレンドすることで、発熱量等の品位と自然発熱性を改善し、長距離輸送と日
本国内での貯蔵安定性に優れた石炭に仕上げることである。
図 1-1
褐炭利用の課題と解決策
1
図 1-2
褐炭への瀝青炭ブレンド技術による高付加価値化
1.2 共同スタディ内容
本スタディの検討ステップを図 1-3 に示す。本スタディでは、褐炭と瀝青炭のブレンド
による品位向上と自然発熱性改善効果を、ラボ試験及び実際のフィールドでのパイル試験
により検証する。また、自然発熱防止剤の効果を確認し、輸送制約緩和手法の一つとして
の可能性を調査する。さらに、そのブレンド炭について、実用特性を評価予測して、日本
国内の石炭ボイラへの適合性を確認する。
図 1-3
検討ステップ
2
【ステップ 1：自然発熱性試験装置によるラボ試験】
・褐炭に瀝青炭をブレンドすることによる自然発熱性改善効果を評価する。
褐炭の試験炭：褐炭 A、褐炭 B（インドネシア産）
瀝青炭の試験炭：瀝青炭 A（オーストラリア産）
・自然発熱防止剤の添加効果を評価する。
【ステップ 2（a）：自然発熱性フィールド試験】
・実際に、褐炭 A と瀝青炭 A のブレンド炭による試験パイルを褐炭 B 鉱山の貯炭・出
荷ヤードに製作し、パイル温度、気象データをはじめとする関連データを記録し、ブ
レンドによる自然発熱防止効果を検証する（図 1-4）。
なお、フィールド試験には、褐炭 B と比較し品位が低く、より厳しい条件での試験とな
ることが予想される褐炭 A を用いた。
図 1-4
フィールド試験のイメージ
【ステップ 2（b）:実用特性の評価、予測（図 1-5）】
・
「貯炭パイル自然発熱シミュレーション（出光興産㈱の独自技術）」によりフィールド
試験と同条件のブレンド炭パイルの自然発熱挙動を予測し、実際の発熱挙動との比較
を実施し、ブレンドによる発熱抑制効果の解析を行う。
・石炭品質データを基にボイラへの適合性を予測する「石炭評価システム（出光興産
㈱の独自技術）」により、ブレント炭の品質設計を実施する。
3
図 1-5
貯炭パイル自然発熱シミュレーションと石炭評価システムの実施例
1.3 本スタディの期待効果と実用化のイメージ
本スタディの期待効果と実用化のイメージを図 1-6、図 1-7 に示す。本スタディの成果に
より以下の効果が期待される。
ア）褐炭の輸送及び貯炭時の制約と、国内石炭ユーザーの設備制約が緩和され、日本にお
ける褐炭利用の道が拓ける。
イ）これにより、褐炭が日本のエネルギー供給ソースの一つとなり、日本のエネルギーセ
キュリティが向上する。
ウ）褐炭の利用拡大により、産炭国での褐炭鉱山の開発が促進され、インドネシアの産業
発展に貢献すると共に、日本にとっての石炭供給ソースが拡大する。
図 1-6
期待効果
図 1-7
4
実用化のイメージ
1.4 実施場所及び褐炭 A 鉱山と褐炭 B 鉱山の概要
フィールド試験を実施したインドネシア、カリマンタン島東部にある褐炭 B 鉱山と、テ
ストに用いた褐炭 A 鉱山の位置を図 1-8 に示す。
褐炭 B
褐炭 A
図 1-8
褐炭 A 鉱山と褐炭 B 鉱山の位置
1.5 実施体制
本スタディの実施体制を図 1-9 に示す。独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構
（JOGMEC）及び出光興産株式会社石炭事業部が実施主体となる。ラボ試験及び技術検討
は、出光興産㈱石炭事業部石炭・環境研究所が実施する。フィールド試験は、褐炭鉱山
を保有し、将来日本への供給元となる可能性が高いインドネシアの I 社が実施し、石炭・
環境研究所が技術サポート及び試験結果の解析を行う。
図 1-9
共同スタディ実施体制
5
2. ラボ評価
2.1 石炭の自然発熱
(1) 石炭の生成と石炭化度
石炭は太古に繁茂した植物が、河口や湖沼など酸素の遮断された環境で堆積し、地熱や
地圧の作用を受け、長い年月をかけて脱炭酸、脱酸素の過程、すなわち石炭化を経て生成
する（図 2-1）。
図 2-1
石炭の生成
石炭は、その生成条件にもよるが、一般的に生成年代が古いものは石炭化が進んでおり、
新しいものは石炭化が進んでいない。
石炭化が進んだ石炭は、固有水分が低い、揮発分が低い、揮発分と固定炭素の比である
燃料比が高い、酸素含有量が少ないといった特徴があり、一方で石炭化が進んでいない石
炭は、石炭化が進んだ石炭とは逆の性質を示す（図 2-2）。
図 2-2
石炭化の進行と石炭の種類
6
(2) 石炭の自然発熱要因
石炭の自然発熱現象において、石炭から発生する熱は、
・石炭が、空気中の酸素と酸化反応するときに発生する酸化熱
・石炭が水と接触する時に発生する湿潤熱
・石炭中に含まれるパイライトが分解して硫酸イオンを生成する時に発生する硫酸イオン
生成熱
がある。このうち酸化熱は、湿潤熱、硫酸イオン生成熱と比べ非常に大きく、これが自然
発熱現象の主原因となる（図 2-3）
。
特に石炭化度の低い石炭は、酸素との反応性が高い構造を多く含むため、一般的に自然
発熱性が高い（図 2-4）。
図 2-3
図 2-4
石炭から発生する熱
石炭の石炭化度と構造
(3) 貯炭パイルの発熱要因
貯炭パイルの発熱要因を図 2-5 に示す。貯炭パイルの自然発熱は、石炭化度による酸化
反応性以外にも、水分や粒径など石炭の物理的性質の影響を受ける。また、気象条件やパ
イルの貯炭状態など様々な要因が複雑に影響する。
7
図 2-5
貯炭パイルの発熱要因
(4) パイル積み付け高さと空隙率の影響
パイル内の温度上昇は、石炭の発熱及びパイル内での蓄熱と、パイル表面からの放熱の
バランスにより決まる。後者が前者を上回る場合は、パイル内での温度上昇は起こらず、
発熱によるトラブルは起こらない。しかし前者が後者を上回ると、パイル内部で温度が上
昇し、最悪の場合、発火トラブルに至る。
パイル高さは発熱に大きく影響する。パイル高さが高い場合、パイル内部の発熱箇所と
パイル表面との距離が長くなるために放熱が困難になり、蓄熱が起こりやすい。逆にパイ
ル高さが低い場合は、発熱箇所からの放熱が容易になるため、パイル内部の温度上昇を抑
制する効果がある（図 2-6）
。
また、パイルの空隙率もパイルの発熱に大きく影響する。空隙率が高い場合はパイル内
に空気が流入しやすくなり発熱を助長する（図 2-7）
。
従って、
・パイル積み付け高さを低くすることでパイル内部の放熱を容易にし、蓄熱を防ぐ
・パイル側面や上面の輾圧を行い、空気の流入を防止する
ことは、パイルの自然発熱トラブル防止の有効な対策である。
図 2-6
パイル高さの影響
図 2-7
8
空隙率の影響
2.2 ラボ評価の概要
自然発熱性の評価には、島津製作所製の自然発熱性試験装置（SIT-2）を用いた。
ブレンドによる自然発熱性改善効果の評価は、褐炭 A と褐炭 B それぞれに瀝青炭 A を
所定の比率でブレンドしたブレンド炭サンプルをラボで調製し、このブレンド炭と、原炭
の自然発熱性試験（以下 SIT）結果を比較することで、ブレンドの効果を検証した。
自然発熱防止剤は、国内化成品メーカー製 2 種類と、実際にインドネシアで使用されて
いる 1 種類を評価に用いた。
自然発熱防止剤の評価は、褐炭 A と褐炭 B それぞれに、石炭対比で所定の濃度になるよ
うに自然発熱防止剤の溶液を添加した試料と、同量の水を添加した試料を調製し、両者の
SIT 結果を比較することで、添加効果を検証した。
通常の SIT は、試験開始前に試料を窒素雰囲気の下 110℃で保持し水分を除去した後に
試験を開始する。この操作により試料中の水分を除去し、石炭固有の化学的な酸化反応性
を評価している。
しかし添加剤の評価では、添加した水分を保持した状態での発熱特性を考慮するために、
新たに開発した試験開始温度を 60℃とする SIT により評価を行った。
2.3 自然発熱性試験（SIT）装置の概要
(1) 測定原理
SIT 装置（島津製作所製 SIT-2）の外観と測定原理を図 2-8 に示す。
測定手順は、-0.25mm に粉砕した試料 1g を石英製の試料セルに充填し、試験装置にセッ
トする。次に試料を窒素気流中で 110℃まで昇温し、装置及び試料温度が安定したのち、
雰囲気ガスを窒素から酸素に切り替える。
試料温度は試料の酸化反応により上昇を始めるが、このとき雰囲気温度を試料温度に追
従させ、試料と雰囲気との間の熱の授受が無い疑似断熱状態とする。
これにより、純粋に酸化反応で生じた発熱による試料温度を測定することができる。
図 2-8
自然発熱性試験装置の外観と測定原理
(2) 判定基準
自然発熱性は、試料雰囲気を窒素から酸素に切替後から試料温度が 180℃に到達するま
での時間（T180）により判定した。すなわち、T180 が短い石炭ほど自然発熱しやすく、長
い石炭ほど自然発熱しにくいと判定する。
9
2.4 ブレンド炭の SIT
(1) 石炭性状
ブレンド炭のラボ評価に使用したベース石炭の一般性状を表 2-1 に示す。
瀝青炭 A は燃料比、炭素含有量ともに最も高く、石炭化度が最も進んでいる。褐炭 A の
石炭化度は最も低く、褐炭 B は瀝青炭 A と褐炭 A の間に位置するが、日本国内で利用さ
れている亜瀝青炭と比較し、一段発熱量の低い石炭である。
表 2-1
項目
ベース石炭の一般性状
単位, 基準
瀝青炭 A
褐炭 A
褐炭 B
wt%, AR
12.7
40.5
29.9
高位発熱量
kcal/kg, AD
6,930
5,540
5,400
低位発熱量
kcal/kg, AR
6,030
3,250
3,880
水分
4.26
9.33
10.28
灰分
9.78
6.90
9.32
34.56
45.09
40.96
固定炭素
51.40
38.68
39.44
燃料比
1.49
0.86
0.96
50
61
44
炭素
81.93
69.83
71.34
水素
5.27
5.13
5.07
1.98
0.85
1.14
燃焼性硫黄
0.37
0.02
0.00
酸素
10.45
24.17
22.45
0.33
0.14
0.24
全水分
工
業
分
析
揮発分
HGI
元
素
分
析
wt%, AD
-
窒素
全硫黄
wt%, DAF
wt%, DB
(2) ベース炭の SIT 結果
ベース炭の SIT 結果を図 2-9 に示す。
事前の予想では、石炭化度が最も低い褐炭 A の T180 が最も短く、次いで褐炭 B、石炭
化度が最も高い瀝青炭 A の順に T180 が長くなることが想定された。
しかし、試験結果は、褐炭 A の T180 は褐炭 B よりも長く、褐炭 A は褐炭 B より自然発
熱し難いと評価された。
10
図 2-9
ベース炭の SIT 結果
(3) ブレンド炭の SIT 結果
褐炭 A、褐炭 B と瀝青炭 A のブレンド炭における瀝青炭 A ブレンド割合と T180 の関係
を図 2-10 に示す。
両ケースとも瀝青炭 A の混合割合の増加に伴い T180 は長くなり、自然発熱性が改善し
た。
図 2-10
瀝青炭 A のブレンド割合と T180
11
2.5 自然発熱防止剤の添加効果
(1) 自然発熱防止剤の選定
現在市販されている自然発熱防止剤は主に以下の 2 種類に大別できる。
a）浸透型：界面活性剤の作用で、石炭表面との親水性（濡れ性）と石炭内部への浸透
性を高め、水分の保持力を高めることにより自然発熱を抑制する。
b）被膜型：添加剤中に樹脂成分を含み、石炭粒子またはパイル表面を樹脂被膜で被覆
し、空気との接触を遮断することで自然発熱を抑制する。
一般に、被膜型は石炭粒子表面やパイル表面に均一な被膜を形成することが難しく、ま
た天候や、出荷作業によるパイルの切出しなどによる人為的要因により、散布後の被膜維
持が困難である（図 2-11）。特に褐炭は乾燥すると粒子が容易に崩壊し、粒子表面の被膜
維持がより一層困難であることが予想される（図 2-12）
。
・出荷時のパイル切り崩し
・パイル表面の流炭、崩落
・主に雨など、天候によるダメージ
・石炭表面のひび割れ、粒子の崩壊
など
図 2-11
被膜型自然発熱防止剤のダメージ
図 2-12
褐炭の乾燥による崩壊
本スタディでは、表 2-2 に示す 5 種類の自然発熱防止剤を入手したが、ラボ評価には上
記の理由からフィールドでの効果が期待できる浸透型から選定した。
添加剤 P はインドネシアで使用実績があり、後述のフィールド試験を実施した褐炭 B の
鉱山でも実際に使用されているとの理由から、フィールド試験に使用した添加剤である。
国内化成品メーカーK 社の添加剤 A は、添加剤 P と同様にインドネシアの鉱山で実績が
あり、メーカーも同社の被膜タイプよりもこちらを推奨している。また国内化成品メーカ
ーL 社の添加剤 D は、酸化反応を抑制する薬剤を配合しているとの情報を得ている。
表 2-2
品名
添加剤 P
自然発熱防止剤
国内化成品メーカーK 社
国内化成品メーカーL 社
（インドネシア）
添加剤 A
添加剤 B
添加剤 C
添加剤 D
タイプ
浸透
浸透
被膜
浸透
浸透
特徴
ポリマー添加
-
-
-
-
-
-
-
-
◎
その他
ラボ評価
酸化反応抑
褐炭 B 鉱山で
インドネシア
使用
で実績あり
◎
◎
12
制剤添加
(2) 試験方法
a）添加量
自然発熱防止剤を添加する石炭は、褐炭 A と褐炭 B を使用した。添加量は、各メーカー
の推奨値を参考に、1,000 wtppm とした。
ラボ実験では、実験用に粒径-0.25 ㎜以下に粉砕した試料に自然発熱防止剤を添加するが、
実際の現場では原炭に散布されることから、原炭に換算した石炭重量あたり（到着水分基
準）1,000wtppm となるように添加量を調整した。
なお、到着水分基準で褐炭 B は全水分が約 29%、褐炭 A は約 40%であることから、乾
燥石炭基準では褐炭 A のほうがより多く自然発熱防止剤が添加されることになる。
添加剤添加量のイメージを図 2-13 に示す。
図 2-13
添加剤添加量
b）試験方法
評価に用いた自然発熱防止剤は浸透型で、自然発熱抑制効果は主に湿潤状態の維持（保
水効果）によるものと考えられる。
通常の SIT は、試料を窒素気流下 110℃に保持し乾燥させた状態から測定を開始するが、
保水効果による自然発熱抑制効果を検証するためには、湿潤状態の試料により試験を行う
必要がある。
そこでこの試験では、窒素気流下 110℃での保持は行わず、試料温度が 60℃に到達後、
ただちに測定を開始する方法で実施した。
(3) 試験内容
今回の評価では、最初に所定の水分量に調整する前の試料と、加水し水分を調整した試
料による測定を行い、両者の比較により、水分の違いが発熱性に及ぼす影響を評価した。
次に、自然発熱防止剤溶液を添加した試料と、自然発熱防止剤の溶液と同量の水分を添
加した試料による測定を行い、両者を比較することで添加剤の効果を評価した。
13
(4) 試験結果
a）水分の影響
褐炭 A と褐炭 B それぞれの水分調整前の試料と、水分調整後の試料による SIT 結果を図
2-14 と図 2-15 に示す。
T180 は通常の方法（110℃で保持後スタート）での SIT において試料温度が 110℃から
180℃に到達するまでの時間を表すが、t180 は 60℃で測定を開始した SIT において、試料
温度が 60℃から 180℃に到達するまでに要した時間を表す。
褐炭 A、褐炭 B とも、試料水分が多いほど t180 は長くなり、石炭の水分は自然発熱性に
影響することが確認された。また、その影響は褐炭 A の方がより顕著であった。
図 2-14
湿潤試料による SIT 結果（褐炭 A）
図 2-15
湿潤試料による SIT 結果（褐炭 B）
14
b) 自然発熱防止剤の添加効果
3 種類の自然発熱防止剤（添加剤 P、添加剤 A、添加剤 D）を、原炭重量換算で 1,000 wtppm
（0.1 wt%）担持し、かつ含水率をほぼ同値に調製した試料を用い、自然発熱防止剤の効果
を確認した。
この試験は自然発熱防止剤溶液により加水された湿潤試料を使用するため、試験結果に
水の影響が含まれる。そこで自然発熱防止剤溶液と同量の水を添加したブランク試料によ
る試験を行い、このブランク試験結果との比較により自然発熱防止剤の効果を検証した。
褐炭 A 及び褐炭 B それぞれに、水のみ添加した試料及び各自然発熱防止剤を添加した試
料による SIT 結果を図 2-16 と図 2-17 に示す。
図 2-16
自然発熱防止剤添加石炭の SIT 結果（褐炭 A）
図 2-17
自然発熱防止剤添加石炭の SIT 結果（褐炭 B）
15
添加剤 P を添加した試料の t180 は、褐炭 A、褐炭 B ともブランク試料の t180 と同等で
あり、顕著な自然発熱抑制効果は認められなかった。一方で、添加剤 A と添加剤 D を添加
した試料は、ブランク試料と比較し明らかに t180 が長く、これらの薬剤は自然発熱防止剤
効果を有する可能性がある。
なお、褐炭 A のケースでは添加剤 D、褐炭 B のケースでは添加剤 A の t180 が添加剤 D
よりも長く、自然発熱防止剤には石炭との相性がある可能性がある。
3. フィールド試験
3.1 目的
褐炭と瀝青炭のブレンドによる自然発熱抑制効果を、実際の貯炭環境に近い状態で検証
するため、褐炭 B の鉱山貯炭ヤードに 150t の試験パイルを製作し、貯炭実験（フィールド
試験）を実施した。
3.2 フィールド試験の概要
(1) 試験ケース
瀝青炭ブレンドによる自然発熱抑制効果と自然発熱防止剤の添加効果を確認するため、
表 3-1 に示す 6 基のパイルを製作した。Pile-1～Pile-3 は褐炭 A に瀝青炭 A をブレンドした
ブレンド炭パイル、Pile-4 は褐炭 A に添加剤 P を散布、Pile-5 は Pile-4 との比較のため、
Pile-4 と同量の水を散布、Pile-6 は褐炭 A 100%の基準パイルである。
表 3-1
ケース
Pile-1
目的
フィールド試験ケース
Pile-2
Pile-3
Pile-4
Pile-5
Pile-6
瀝青炭ブレンドによる
自然発熱防止剤
基準
自然発熱抑制効果
（添加剤 P）
添加効果
ブレンド比率
自然発熱防止剤
褐炭 A
褐炭 A
褐炭 A
25%
50%
75%
+
+
+
瀝青炭 A
瀝青炭 A
瀝青炭 A
75%
50%
25%
なし
褐炭 A
100%
散布
パイルサイズ
各 150t
16
水のみ
なし
(2) 試験パイルの製作
フィールド試験に使用する石炭は、フィールド試験実施場所までフレコン詰めし、輸送
した。このテスト用の石炭を用いて均一にブレンドされたブレンド炭パイルを製作し、か
つ地面からの敷炭の混入を極力避けるために、以下の手順で試験パイルを製作した（図 3-1
～図 3-8）。
① 褐炭 A 炭と瀝青炭 A のフレコンを、パイルのブレンド比率に応じて、交互にクラッ
シャに投入
② 自然発熱防止剤（または水）をクラッシャコンベア上で散布
③ クラッシュされた石炭をダンプに直接受け、所定の場所に荷卸し
④ パイリング前にホイルローダーでブレンド
⑤ ブレンド後の石炭の複数個所からパイル代表サンプルを採取
⑥ エクスカベータによるパイリング
⑦ 熱電対など機器の設置
瀝青炭 A
褐炭 A
図 3-1
クラッシャ投入
図 3-3
図 3-2
ダンプ積込
図 3-4
17
添加剤散布
所定の場所で荷卸し
図 3-5
図 3-6
ブレンディング
図 3-7
パイリング
図 3-8
サンプリング
熱電対設置
(3) 添加剤 P の散布
Pile-4 に、褐炭 B 鉱山で使用している添加剤 P を、石炭中濃度でメーカー推奨の 3 倍量
散布した。Pile-5 には、Pile-4 との比較のため、添加剤 P の溶液とほぼ同量の水をベルトコ
ンベア上で散布した。
希釈液及び水の散布量は石炭に対して約 1%となり、これは全水分 1%の上昇に相当する。
添加量を表 3-2 に示す。
表 3-2
自然発熱防止剤散布量
Pile-4
メーカー推奨
（添加剤 P）
希釈液濃度（%）
希釈液散布量
（L/t）
石炭中濃度（%）
Pile-5
（水）
3.7
5
-
9.3L/t
2L/t
9.8L/t
(1,444L/155t)
(1,518L/155t)
0.034%
0.01%
(53.4L/155t)
18
-
散布方法は、添加剤 P 原液をタンクで約 4%に希釈した溶液を調製し、クラッシャのベ
ルトコンベアに設置した散布ノズルで散布した。図 3-9 と図 3-10 に希釈液調製の様子を示
す。
石炭に均一に散布されるように、ノズルはコンベア先端裏側など図 3-11 に示す 4 か所に
設置し、石炭の裏側にも溶液が散布されるようにした（図 3-12）。
図 3-9
図 3-11
希釈液調製
図 3-10
図 3-12
ノズル設置場所
希釈液
コンベア先端（ノズル④）
(4) パイルサイズ
図 3-13 に製作したパイルの寸法を示す。
（m）
図 3-13
試験パイルの寸法
19
(5) 温度データ採取
温度データ採取ポイントを図 3-14 に示す。
測定点は、地面からの高さ 1.0m、2.5m、またパイル表面からの距離 1.0m の位置を選定
し、合計 27 点とした。
熱電対は K タイプのシース熱電対を、保護管を介してパイル中に挿入し、温度データは
測定小屋に設置した市販のデータロガーで連続的に収集した（図 3-15、図 3-16）。
図 3-14
図 3-15
温度データ測定ポイント
補償導線の引き込み
図 3-16
20
測定小屋内のデータロガー
(6) 気象データ採取
簡易気象観測装置を現場に設置し、試験期間中の気温、降水量、風向、風速データを採
取した。簡易気象観測装置の設置状況を図 3-17 に示す。
図 3-17
簡易気象観測装置設置状況
(7) パイルレイアウト
図 3-18 にパイルのレイアウトを示す。日照や風力、風向の干渉を避けるため、各パイル
に 5m の間隔を設けた。
完成したパイルを図 3-19 に示す。
図 3-18
図 3-19
パイルレイアウト
完成した試験パイル
(8) データ採取期間
図 3-20 にデータ採取期間を示す。9 月 7 日に現地入りし準備を整えた後、9 月 11 日から
約 2 週間をかけて全試験パイルを製作した。
パイル製作は、クラッシングに 1.5 日、パイリングに 0.5 日と、1 基のパイルの製作に 2
日を要し（Pile-4 は散布設備の調整のため 3 日）、完成したパイルから順次データ採取を開
始したため、各パイルで測定開始日が異なる。
試験終了の判断基準は、自然発火による事故を防止するため、各パイルにおいて、いず
れかの測定点で 80℃を上回った時点でそのパイルの試験を終了し、パイルを取り崩すこと
としていたが、実際の試験の状況から、発熱が著しいものから順次試験を終了し、パイル
を取り壊した。
21
図 3-20
データ採取期間
3.3 フィールド試験結果
(1) 気象データ
フィールド試験期間の降水量、気温、風速、風向を図 3-21～図 3-24 に示す。
試験期間中、数回激しい降雨があったが、概ね晴天に恵まれた。気温は日中と夜間で規
則的に変化し、最低、最高気温は、ほぼ一定であった。風速は特に強風の日はなく、日中
2～4m/s の風が吹き、夜間はほぼ無風であった。風向は常に東または西よりの風であった。
このように、フィールド試験中の天候は非常に安定、かつ規則的であり、一定の気象条件
の下で試験を実施することができた。
図 3-21
図 3-22
22
降水量
気温
図 3-23
風速
図 3-24
風向
(2) パイル全測定点の温度測定結果
各パイルの全測定点の温度測定結果を図 3-25～図 3-30 に示す。
各パイルとも、底部外周（測定点 L31-38）の温度上昇が最も著しい。次いで著しいのは
頂部（T1）である。これは空気がパイル底部側面から流入し、パイル頂部から流出してい
るためと推察される。
貯炭パイルでは、空気はパイル底部側面から流入し頂部から流出することが従来から分
かっており、パイルの側面や頂部の輾圧、シートがけによりこれを防止することは、貯炭
パイルの自然発熱防止の有効な対策の一つである。
今回の試験でもこの挙動が確認できたことになるが、L31-38 の発熱が続いているのにも
かかわらず T1 の温度上昇は穏やかで、全てのパイルで 50℃にも到達していない。
パイル中の温度が上昇すれば、パイル内部と外気の温度差が大きくなり、パイル内部の
上昇気流によりパイル頂部からの空気の流出が活発になる。これにより新鮮な空気が供給
され、T1 の温度上昇も活発になることが予想される。
しかし L31-38 の温度上昇が続いているのにもかかわらず T1 の温度上昇が頭打ちになる
のは、パイル側面から流入した空気中の酸素が、パイル底部外周部の石炭の活発な酸化反
応に消費されてしまうためと考えられる。
23
図 3-25
Pile-1（褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%）全点温度
図 3-26
Pile-2（褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%）全点温度
24
図 3-27
図 3-28
Pile-3（褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%）全点温度
Pile-4（褐炭 A 100%＋添加剤 P）全点温度
25
図 3-29
図 3-30
Pile-5（褐炭 A 100%＋水）全点温度
Pile-6（褐炭 A 100%、基準）全点温度
26
(3) 25 日目のパイル全測定点の温度比較
最も試験期間が短い Pile-4 に合わせ、各パイルの 25 日目の全測定点の温度を図 3-31～図
3-36 に示す。
各パイルとも測定点 L31-38（底部外周）の温度上昇が最も著しい。
しかし褐炭 A の混合比率が低い Pile-1 と褐炭 A の混合比率が高い Pile-2～Pile-6 を比較
すると、褐炭 A の混合比率が高いパイルは、L31-38 とその他の測定点の温度差が大きい。
これは、先の考察と同様に、パイル側面から流入した空気中の酸素が底部外周で消費さ
れパイル内部まで浸透しないためであり、褐炭 A は瀝青炭 A と比べて酸素との反応性が高
く、褐炭 A の比率の高いパイルはその傾向がより顕著に表れていると考えられる。
図 3-31
Pile-1（褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%）25 日目の測定点温度
図 3-32
Pile-2（褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%）25 日目の測定点温度
図 3-33
Pile-3（褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%）25 日目の測定点温度
27
図 3-34
Pile-4（褐炭 A 100%＋添加剤 P）25 日目の測定点温度
図 3-35
図 3-36
Pile-5（褐炭 A 100%＋水）25 日目の測定点温度
Pile-6（褐炭 A 100%、基準）25 日目の測定点温度
(4) ブレンド炭パイルの 60℃到達日数
ブレンド炭パイル（Pile-1~Pile-3）と基準パイル（Pile-6）の測定点 L31-38 平均温度が 60℃
に達するまでの日数を図 3-37 に示す。
当初予想通り、概ね瀝青炭 A 混合比率に順じた発熱性を示したが、Pile-2 は瀝青炭比率
が 50%と高いのにもかかわらず最も短期間で 60℃に到達した。
28
図 3-37
ブレンド炭パイル 60℃到達日数（L31-38 平均）
(5) 添加剤 P 散布パイル、水散布パイルの 60℃到達日数
添加剤 P 散布パイル（Pile-4）、水散布パイル（Pile-5）、基準パイル（Pile-6）の低部外周
の測定点（L31-38）平均温度が 60℃に達するまでの日数を図 3-38 に示す。
当初予想に反し、Pile-4 が最も短期間で 60℃に到達し、次いで Pile-5 が到達し、Pile-6
が最も 60℃に到達するまでの日数が長かった。
図 3-38
添加剤 P 散布パイル、水散布パイル、基準パイルの 60℃到達日数（L31-38 平均）
29
4. 貯炭パイル自然発熱シミュレーション
4.1 目的
フィールド試験で用いた屋外貯炭パイルを対象として、3 次元シミュレーション技術を
用いた自然発熱挙動の解析を実施した。フィールド試験では、元々発熱し易いと考えてい
た褐炭 A の温度上昇がそれほどでもなかったうえ、瀝青炭 A とブレンドすることで発熱抑
制効果が得られたものの、ブレンド比率を増やすほど発熱しなくなるはずが、一部のブレ
ンド比率で逆転現象が認められた。シミュレーション解析で得られた予測結果と実測デー
タを比較することにより、これらの疑問点を解明するとともに、ブレンドに伴う発熱挙動
の変化を詳細に検討した。
4.2 自然発熱シミュレーションの概要
(1) 自然発熱シミュレーションの計算フロー
石炭を貯蔵しておくと、粒子表面の低温酸化反応によって発熱し、徐々に温度が上昇す
る。石炭層の温度は石炭の酸化熱と水の蒸発潜熱、炭層内の通気による放熱のバランスで
決定され、発熱が優勢な箇所では炭層温度が上昇し続け、最終的には発火に至る。
3 次元自然発熱シミュレーションは石炭の発熱挙動を模擬・予測する技術である。貯炭
パイル構造の構築と境界条件の設定、石炭層内の流動計算については、米国 ANSYS 社の
市販汎用熱流体解析ソフトウェアである FLUENT を用いている。FLUENT で計算した石炭
層内の初期流動解析結果は自然発熱計算に引き渡され、非構造格子系の非定常過渡応答解
析に向いた解法である SOR（Successive Over-Relaxation）法を用いて、非定常の熱伝導を考
慮した発熱計算が実行される。自然発熱計算は、発熱・吸熱を伴う層内熱伝導モデル、炭
素（可燃分）の酸化反応モデル、水分蒸発モデルの 3 種類の計算モデルから構成されてい
る。
出光興産㈱では、貯炭パイルをはじめ、サイロ、バンカ、船倉を対象とした自然発熱シ
ミュレーション解析の実績を有している。
自然発熱シミュレーションの計算フローを図 4-1 に示す。解析に先立って、対象となる
貯炭パイルの幾何形状を FLUENT に構築し、空気流入位置や壁面の境界条件などを設定し
た後、石炭層や空間の温度などの初期条件を入力し、定常的手法を用いて、ある層高が初
期温度 T で静定した状態で流れのみの解析を行った。次に、流動解析結果を自然発熱計算
の初期条件として引き継ぎ、反応伝熱解析を実施した。ここでは、非定常過渡応答計算を
適用し、Δt 時間についてエンタルピー以外の物質移動に関わるすべての変数を計算した
後、炭素の反応、水分の蒸発、層内の熱伝導などの計算を行った。Δt 時間内の収支があ
る値を満足するか、1 タイムステップにおけるループ回数の上限値を超えたらデータを更
新し、次のΔt 時間の収支を計算した。この計算を繰り返し、所定時間の温度やガス組成
の経時変化を予測した。
30
図 4-1
自然発熱シミュレーションの解析フロー
4.3 パイル形状の設定と流動解析
自然発熱シミュレーションによる解析には、解析対象となる貯炭パイルの幾何構造や境
界条件などの初期条件が必要となる。まずは、フィールド試験において製作したパイル形
状に基づき、貯炭パイルの幾何構造を構築した。前章に記述した通り、フィールド試験で
は、作成した貯炭パイルの上段の 1 箇所、中段の 9 箇所（高さ 2.5 m）、下段の 17 箇所（高
さ 1.0 m）に熱電対を設置して温度を測定した。熱電対の設置位置及び貯炭パイルの寸法
を図 4-2 及び図 4-3 に示す。
31
T
M
L
Top
Middle
L31
Low
L32
L38
M21
M28
M22
L28
T-1
M1
L22
L1
L27
M23 L37
M27
L21
L33
L26
N
L24
L25
M24
M26
L23
M25
L36
L34
L35
フィールド試験における熱電対設置位置
h
図 4-2
1.24
1.50
1.50
1.24
2.06
1.70
h=4.56
1.13
1.70
0.82
1.24
2r
1.13
1.00
θ=36°
r=6.27
（単位：m）
図 4-3
自然発熱シミュレーションで設定した貯炭パイルの寸法と熱電対位置
32
図 4-4
構築した解析グリッド
また、構築した解析グリッドを図 4-4 に示す。ここで、青は周囲圧力境界、緑は地面、
水色は試験パイルを示す。地面への放熱量は大気ゾーンへの放熱量と比較して非常に小さ
いため、貯炭パイルと地面の境界は断熱境界条件と仮定した。解析グリッドの大きさは、
横 80 m×高さ 40 m×奥行き 80m で、グリッド数は 79×40×79＝249,640 である。
主要な入力初期条件を表 4-1 にまとめた。石炭の酸化反応速度は瀝青炭 A 及び褐炭 A の
自然発熱性ラボ試験のデータを参考にして決定した。石炭の全水分値はそれぞれのフィー
ルド試験サンプルの分析値を使用した。炭層初期温度はフィールド試験開始時の各貯炭パ
イル温度を参考にして 35℃とした。外気温は、日中と夜間で規則的に変化していたため、
その中心付近の温度である 30℃で一定とした。また、炭層の空隙率は 0.4、透過率は 2.67
×10-9 m2、慣性抵抗は 2.19×104 とし、無風状態で計算を実施した。
表 4-1
自然発熱シミュレーションの主要な入力初期条件
瀝青炭 A
褐炭 A
酸化反応速度定数（kg/m2/s）
100
150
全水分（wt%, AR）
12.7
40.5
33
ブレンド炭の酸化反応速度は、ラボ評価で褐炭 A と瀝青炭 A のブレンド炭の SIT を測定
したところ、ブレンド比率に対してほぼ線形性が得られた（図 2-10）。そこで、ブレンド
炭の酸化反応速度は、瀝青炭 A と褐炭 A の酸化反応速度をブレンド比率に対する比例配分
で与えることとした。また、ブレンド炭の全水分についても、同様にブレンド比率に対す
る比例配分で与えた。ブレンド炭の酸化反応速度と全水分の設定値を図 4-5 に示した。
図 4-5
ブレンド炭の酸化反応速度及び全水分の設定値
構築した解析グリッド及び初期条件に基づき、FLUENT を用いて貯炭場内の空気の流動
解析を実施した。パイル周辺及び内部の空気の流れの解析結果を図 4-6 に示す。これより、
石炭層と周辺空気との温度差による自然対流によって、空気がパイル底部の周辺から内部
へと流入し、パイルの中腹や頂部から抜けていくことが分かる。パイル内の最大流速は 8.3
×10-5 m/s、最小流速は 2.0×10-8 m/s となった。
8.0×10-5
7.0×10-5
6.0×10-5
5.0×10-5
4.0×10-5
3.0×10-5
2.0×10-5
1.0×10-5
0.1×10-5
流速（m/s）
図 4-6
パイル周辺及び内部の空気の流れ
34
4.4 自然発熱シミュレーション結果
(1) パイル断面の温度および酸素濃度分布
貯炭場内の空気の流動解析結果を自然発熱計算に引き渡し、シミュレーション解析を実
施した。貯炭開始時、5 日後、10 日後、15 日後、20 日後、25 日後のパイル中心断面の温
度分布及び酸素濃度分布を図 4-7～図 4-18 に示した。シミュレーションを実施した全ての
ケースについて、主要なパラメータを表 4-2 にまとめた。
表 4-2
全解析ケースの主要パラメータ
ブレンド比率（%）
ケース
酸化反応速度定数
全水分
（wt%, AR）
No.
褐炭 A
瀝青炭 A
（kg/m2/s）
①
0
100
100
100
0
150
④
75
25
137.5
33.6
⑤
50
50
125
26.6
⑥
25
75
112.5
19.7
②
③
12.7
40.5
図 4-7 は瀝青炭 A100%（ケース①）の温度分布変化である。貯炭日数の経過に伴ってパ
イル下部の外周に近い部分から温度が上昇し始め、徐々に温度が上がるとともに、高温域
が中心及び中腹に向かって拡大していく様子が分かる。高温域の拡がりには炭層内の空気
の流れが大きく影響しており、空気が流入する下部外周表面は炭層温度よりも外気温の方
が低いため冷却されるが、少し中に入った部分は流入空気による酸化反応で発熱してくる。
下部外周から流入した空気はパイルの頂部及び中腹から抜け出るため、そちらに向かって
高温部が拡大していく。しかし、パイル内に流入した空気は酸化反応によって酸素を消費
していくため、酸素濃度の低下に伴って昇温が緩やかになる。図 4-8 はパイル内の酸素濃
度分布の変化で、パイル中心部の酸素濃度が低く、貯炭日数の経過に伴って低酸素領域が
拡大していくことが分かる。この様な酸素濃度分布が発生するのは、下部外周から流入し
た空気がパイル中心部に到達する過程で徐々に酸素を消費していくためである。これらの
作用により、パイル下部の表層から 1 m 程度深い場所から温度が上昇し始め、徐々に上方
及び周囲に発熱領域が拡大していく。
次に、褐炭 A 100%の発熱挙動を検討する前に、酸化反応速度は褐炭 A 100%（150 kg/m2/s）
にするものの、全水分については瀝青炭 A 100%の値（12.7%）に設定したケース②につい
て計算を実施した。結果を図 4-9 と図 4-10 に示す。これより、瀝青炭 A 100%のケースと
比較して発熱領域が拡大し、より温度が高くなっていることが分かる。低酸素濃度の領域
も拡大している。
さて、酸化反応速度、全水分とも褐炭 A 100%本来の値を設定したケース③の計算結果を
図 4-11 と図 4-12 に示す。ケース③ではケース②よりも全水分が増えることにより発熱領
35
域、低酸素濃度の領域とも縮小している。25 日後の温度分布を瀝青炭 A 100%のケース①
と比較すると、温度が若干高く、その領域も少し拡大している程度であった。
褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%のブレンドケース④の解析結果を図 4-13 と図 4-14 に示す。
褐炭 A 100%のケース③に比べて発熱領域が縮小し、温度も低くなっていることが分かる。
瀝青炭 A をブレンドすることにより発熱が抑制される効果がシミュレーション計算でも得
られた。
ところが、褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%のケース⑤の解析結果を示した図 4-15 と図 4-16
を見ると、褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%のケース④と比較して、発熱領域が若干拡がって温
度が高くなっている。フィールド試験でも同じブレンド比率で発熱が顕著になる現象が認
められたが、フィールド試験ほどの温度上昇ではないものの、シミュレーションでも同様
の結果が得られた。
図 4-17 と図 4-18 は褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%のブレンドケース⑥の解析結果である。
褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%のケース⑤に比べて僅かに発熱領域が縮小し、温度も低くなっ
た。
ケース①～⑥について、定量的な議論を行うため、熱電対を挿入した箇所の温度及び酸
素濃度の変化を図 4-19～図 4-30 に示した。
ケース①（瀝青炭 A 100%）の温度変化を示した図 4-19 を見ると、パイル底部の表層に
近い L31-38 の地点の温度上昇が最も激しいこと分かる。図 4-20 は酸素濃度の経時変化を
示すが、いずれの地点でも貯炭開始直後から急激に酸素濃度が低下し、その後徐々に酸素
濃度の減少が進行していくことが分かる。また、酸素濃度低下の度合いは、ある程度酸化
が進むと緩慢になる様子も読み取れる。
褐炭 A の反応速度と瀝青炭 A の全水分を設定したケース②（図 4-21、図 4-22）は最も
激しく発熱しており、L31-38 の地点の温度は 25 日後で 80℃を越え、81.7℃となった。一
方、その他の地点の温度上昇はケース①と比べて緩慢である。これは、石炭の酸化反応性
が高いため、パイル下部周辺から流入した空気によって炭層温度が上昇するが、酸素が急
激に消費されてしまい、パイル内部では酸化反応が進行しなかったものと考えられる。
ケース③（褐炭 A 100%）の温度及び酸素濃度変化を図 4-23 と図 4-24 に示す。褐炭 A 100%
は全水分が高いため、発熱で生成した熱が蒸発潜熱で奪われ、思ったよりも発熱しなかっ
たものと考えられる。褐炭 A 100%は、25 日間でパイル下部表層付近に設置した熱電対
（L31-38）の平均温度が 72.3℃に上昇すると予測された。これは、実測で得られた最高温
度 68.6℃と同等であり、シミュレーションにより発熱挙動をほぼ再現できたと考えられる。
ちなみに、瀝青炭 A 100%（ケース①）の 25 日後の平均温度は 69.0℃で、褐炭 A 100%と大
きな違いはなかった。
以上の解析により、褐炭 A に対する瀝青炭 A の混合比率を増やしていくと、ブレンド炭
の酸化反応速度は低下するため発熱し難くなるが、逆に全水分が減少するため発熱を促進
する作用が生じるため、ブレンド炭の発熱性は、反応速度と全水分のバランスで決まるも
のと予想される。
36
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-7
パイル断面の温度分布（ケース①：瀝青炭 A 100%）
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-8
温度（℃）
80
70
60
50
40
30
パイル断面の酸素濃度分布（ケース①：瀝青炭 A 100%）
37
酸素（%）
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-9
パイル断面の温度分布（ケース②：褐炭 A 100%－低水分）
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-10
温度（℃）
80
70
60
50
40
30
パイル断面の酸素濃度分布（ケース②：褐炭 A 100%－低水分）
38
酸素（%）
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-11
パイル断面の温度分布（ケース③：褐炭 A 100%）
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-12
温度（℃）
80
70
60
50
40
30
パイル断面の酸素濃度分布（ケース③：褐炭 A 100%）
39
酸素（%）
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-13
パイル断面の温度分布（ケース④：褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%）
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-14
温度（℃）
80
70
60
50
40
30
酸素（%）
パイル断面の酸素濃度分布（ケース④：褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%）
40
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-15
パイル断面の温度分布（ケース⑤：褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%）
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-16
温度（℃）
80
70
60
50
40
30
酸素（%）
パイル断面の酸素濃度分布（ケース⑤：褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%）
41
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-17
パイル断面の温度分布（ケース⑥：褐炭 A 25%+瀝青炭 A 75%）
貯炭開始時
5日後
10日後
15日後
20日後
25日後
図 4-18
温度（℃）
80
70
60
50
40
30
酸素（%）
パイル断面の酸素濃度分布（ケース⑥：褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%）
42
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
図 4-19
図 4-20
パイル内の温度変化（ケース①：瀝青炭 A 100%）
パイル内の酸素濃度変化（ケース①：瀝青炭 A 100%）
43
図 4-21
図 4-22
パイル内の温度変化（ケース②：褐炭 A 100%－低水分）
パイル内の酸素濃度変化（ケース②：褐炭 A 100%－低水分）
44
図 4-23
図 4-24
パイル内の温度変化（ケース③：褐炭 A 100%）
パイル内の酸素濃度変化（ケース③：褐炭 A 100%）
45
図 4-25
図 4-26
パイル内の温度変化（ケース④：褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%）
パイル内の酸素濃度変化（ケース④：褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%）
46
図 4-27
図 4-28
パイル内の温度変化（ケース⑤：褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%）
パイル内の酸素濃度変化（ケース⑤：褐炭 A 50%＋瀝青炭 A 50%）
47
図 4-29
図 4-30
パイル内の温度変化（ケース⑥：褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%）
パイル内の酸素濃度変化（ケース⑥：褐炭 A 25%＋瀝青炭 A 75%）
48
4.5 ブレンドによる自然発熱挙動の変化
(1) シミュレーション結果とフィールド試験データの比較
褐炭 A に対する瀝青炭 A のブレンド比率を増やしていった際のパイル下部周辺の熱電対
位置 L31-38 及びパイル内の最高温度のシミュレーション結果について、貯炭 25 日後のシ
ミュレーション結果とフィールド試験のデータを比較し、図 4-31 に示した。
ここで、フィールド試験データの平均温度実測値は熱電対 L31-38 の平均値、最高温度実
測値は測定した熱電対の中で最も温度の高い値を表示した。
図 4-31
シミュレーション結果とフィールド試験データの比較
これより、シミュレーション結果はフィールド試験の実測よりも若干高い温度になった
が、褐炭 A に瀝青炭 A をブレンドするに従って発熱が抑制される効果を再現することがで
きた。特に、褐炭 A 75%＋瀝青炭 A 25%のケースでは、他のブレンド条件よりも高い発熱
抑制効果が得られた。これは、ブレンド時の石炭の酸化反応性と全水分のバランスがちょ
うど適切な条件になったためと考えられる。
49
5. 石炭評価システムによるブレンド炭品質設計
5.1 目的
褐炭を日本のボイラで単味使用した場合、褐炭の性質とボイラシステムのアンマッチに
より、各機器にトラブルが発生する危険性がある。そのため瀝青炭とのブレンドによりボ
イラ要求特性に合致するように品質設計を行う必要がある。
そこで、褐炭 A、褐炭 B と瀝青炭 A のブレンド炭の最適品質設計を出光興産㈱の独自技
術である石炭評価システムにより検討した。
5.2 石炭評価システムの概要
ボイラシステムは、供給される石炭の品質に大きな影響を受ける。図 5-1 に石炭の品質
が微粉炭ボイラに与える影響を示す。石炭の品質は、石炭の供給系、粉砕系、ボイラ、排
ガス処理系、さらには灰の有効利用性に至るまで、ボイラの各要求項目に影響を与え、炭
種が代わると、システムの運転が大きく変化する。
石炭評価システムは、石炭の一般性状からボイラの運転条件に合わせた運転パフォーマ
ンスを正確に予測するシミュレーターである。
図 5-1
石炭品質が微粉炭ボイラシステムに及ぼす影響
50
図 5-2
石炭評価システムの外観とプラントパフォオーマンス総合評価画面
5.3 使用モデル
本スタディ用に、出力 500MW の超臨界微粉炭ボイラの石炭評価システムを製作し、褐
炭 A と瀝青炭 A、褐炭 B と瀝青炭 A のブレンド炭のボイラ適合性評価を実施した。
最新鋭の事業用発電ボイラ設備は、1,000MW 級の超超臨界タイプが主流で、かつ低品位
炭（亜瀝青炭）の混焼を視野に設計されており、炭種への適応性が拡大している。しかし、
本検討では、国内の多数の既設ボイラ設備への適応性を考慮し、あえて石炭性状への要求
特性が厳しい 500MW 級の瀝青炭設計の超臨界タイプとした。
5.4 石炭性状
表 5-1 に検討に使用した石炭の一般性状を示す。
褐炭 A と褐炭 B の性状は、フィールドテスト及びラボ評価に使用した石炭の分析値であ
る。瀝青炭 A の性状は、最新の代表性状を使用した。
褐炭 A は、高水分で低発熱量のために、ボイラシステムでは主に粉砕機の乾燥能力とボ
イラへの微粉炭供給能力が不足することが予想される。
また褐炭 B では、褐炭 A 同様に粉砕機の乾燥能力と微粉炭供給能力不足に加え、灰溶融
温度の低さに起因するボイラ内の灰付着性（スラッギング性）が制約になることが予想さ
れる。
51
表 5-1
項目
石炭性状
単位, 基準
褐炭 A
褐炭 B
瀝青炭 A
wt%, AR
40.5
29.9
10.0
高位発熱量
kcal/kg, AD
5,540
5,400
7,150
低位発熱量
kcal/kg, AR
3,250
3,880
6,440
9.33
10.28
4.50
6.90
9.32
8.00
45.09
40.96
34.20
38.68
39.44
53.30
-
0.86
0.96
1.56
HGI
-
61
44
50
ボタン指数
-
0
0
1.5
炭素
69.83
71.34
82.84
水素
5.13
5.07
5.50
0.85
1.14
1.85
燃焼性硫黄
0.02
0.01 以下
0.45
酸素
24.17
22.45
9.36
0.14
0.24
0.36
1,240
1,180
>1,500
1,280
1,190
>1,500
1,340
1,300
>1,500
1,210
1,150
1,410
1,240
1,160
>1,500
溶流点
1,360
1,270
>1,500
SiO2
58.37
46.81
71.00
Al2O3
18.65
14.54
21.80
TiO2
1.52
0.68
1.05
Fe2O3
8.08
9.61
2.42
CaO
5.77
17.68
0.46
2.65
2.89
0.46
0.13
0.31
0.32
K2O
0.54
0.96
1.71
P2O5
0.03
0.01 以下
0.09
MnO
0.17
0.21
0.16
V 2O 5
0.03
0.02
-
SO3
3.87
6.22
0.21
全水分
水分
工
業
分
析
灰分
wt%, AD
揮発分
固定炭素
燃料比
元
素
分
析
窒素
wt%, DAF
全硫黄
wt%, DB
軟化点
灰
溶
融
温
度
灰
組
成
融点
酸化
溶流点
℃, Ash
軟化点
融点
MgO
Na2O3
還元
wt%, Ash
52
5.5 ブレンド炭性状
表 5-2～表 5-5 に石炭評価システムで予測した褐炭 A、褐炭 B と瀝青炭 A のブレンド炭
の性状を示す。両炭とも、瀝青炭 A の混合比率の増加に伴い、単味使用では能力不足にな
ると予想されるミル給炭系の項目が緩和される。
53
表 5-2
褐炭 A＋瀝青炭 A
褐炭 A(%)
100
90
80
70
60
50
瀝青炭 A(%)
0
10
20
30
40
50
wt%, AR
40.5
37.5
34.4
31.4
28.3
25.3
kcal/kg, GAD
5,540
5,740
5,940
6,120
6,290
6,450
kcal/kg, NAR
3,250
3,560
3,880
4,200
4,520
4,830
-
61.0
59.9
58.8
57.7
56.6
55.5
9.3
8.8
8.4
7.9
7.4
6.9
6.9
7.0
7.2
7.3
7.4
7.5
45.1
43.5
42.1
40.8
39.6
38.5
38.7
40.6
42.4
44.1
45.6
47.1
全水分
発熱量
HGI
固有水分
工
業
分
析
灰分
揮発分
wt%, AD
固定炭素
元
素
分
析
灰
融
点
灰
組
成
ブレンド炭性状（1）
燃料比
-
0.86
0.93
1.01
1.08
1.15
1.22
全硫黄
wt%, DB
0.15
0.19
0.22
0.25
0.27
0.29
炭素
69.83
71.65
73.41
74.93
76.33
77.62
水素
5.13
5.18
5.23
5.28
5.31
5.35
0.86
1.00
1.12
1.24
1.35
1.45
硫黄
0.02
0.06
0.11
0.15
0.18
0.23
酸素
24.16
22.11
20.13
18.40
16.82
15.35
軟化点
1,240
1,270
1,298
1,326
1,353
1,380
1,280
1,297
1,315
1,334
1,354
1,375
溶流点
1,340
1,361
1,381
1,399
1,417
1,433
SiO2
58.37
60.34
62.08
63.63
65.01
66.26
Al2O3
18.65
19.14
19.58
19.96
20.31
20.62
TiO2
1.52
1.45
1.38
1.32
1.27
1.23
Fe2O3
8.08
7.20
6.42
5.72
5.10
4.54
CaO
5.77
4.94
4.21
3.56
2.98
2.45
2.65
2.31
2.01
1.74
1.50
1.28
0.13
0.16
0.19
0.21
0.23
0.25
K2O
0.54
0.70
0.85
0.98
1.09
1.20
P2O5
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
MnO
0.17
0.15
0.12
0.10
0.09
0.07
V2O5
0.03
0.03
0.03
0.03
0.04
0.04
SO3
3.87
3.30
2.79
2.35
1.94
1.58
窒素
融点
MgO
Na2O
wt%, DAF
℃, 酸化
wt%, Ash
54
表 5-3
褐炭 A＋瀝青炭 A
褐炭 A(%)
40
30
20
10
0
瀝青炭 A(%)
60
70
80
90
100
wt%, AR
22.2
19.2
16.1
13.1
10.0
kcal/kg, GAD
6,600
6,750
6,890
7,020
7,150
kcal/kg, NAR
5,160
5,470
5,800
6,110
6,440
-
54.4
53.3
52.2
51.1
50.0
6.4
5.9
5.5
5.0
4.5
7.6
7.7
7.8
7.9
8.0
37.5
36.6
35.7
34.9
34.2
48.5
49.8
51.0
52.2
53.3
全水分
発熱量
HGI
固有水分
工
業
分
析
灰分
揮発分
wt%, AD
固定炭素
元
素
分
析
灰
融
点
灰
組
成
ブレンド炭性状（2）
燃料比
-
1.29
1.36
1.43
1.49
1.56
全硫黄
wt%, DB
0.31
0.33
0.35
0.36
0.38
炭素
78.82
79.93
80.97
81.93
82.84
水素
5.39
5.41
5.45
5.48
5.50
1.55
1.62
1.71
1.78
1.86
硫黄
0.25
0.28
0.32
0.34
0.36
酸素
14.00
12.75
11.55
10.48
9.44
軟化点
1,405
1,430
1,454
1,477
1,500
1,397
1,421
1,445
1,472
1,500
溶流点
1,448
1,462
1,475
1,488
1,500
SiO2
67.39
68.41
69.35
70.21
71.00
Al2O3
20.90
21.16
21.39
21.60
21.80
TiO2
1.18
1.15
1.11
1.08
1.05
Fe2O3
4.04
3.58
3.16
2.77
2.42
CaO
1.98
1.55
1.15
0.79
0.46
1.09
0.91
0.75
0.60
0.46
Na2O
0.27
0.28
0.30
0.31
0.32
K2 O
1.29
1.38
1.45
1.52
1.59
P2O5
0.09
0.09
0.09
0.09
0.09
MnO
0.06
0.04
0.03
0.02
0.01
V2 O 5
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
SO3
1.26
0.96
0.69
0.44
0.21
窒素
融点
wt%, DAF
℃, 酸化
MgO
wt%, Ash
55
表 5-4
褐炭 B+瀝青炭 A
褐炭 B(%)
100
90
80
70
60
50
瀝青炭 A(%)
0
10
20
30
40
50
wt%, AR
29.9
27.9
25.9
23.9
21.9
20.0
kcal/kg, GAD
5,400
5,600
5,790
5,980
6,160
6,330
kcal/kg, NAR
3,880
4,230
4,380
4,640
4,900
5,150
-
44.0
44.6
45.2
45.8
46.4
47.0
10.3
9.7
9.1
8.5
8.0
7.4
9.3
9.2
9.0
8.8
8.7
8.6
41.0
40.1
39.3
38.6
37.8
37.2
39.4
41.0
42.6
44.0
45.5
46.9
全水分
発熱量
HGI
固有水分
工
業
分
析
灰分
揮発分
wt%, AD
固定炭素
元
素
分
析
灰
融
点
灰
組
成
ブレンド炭性状（1）
燃料比
-
0.96
1.02
1.08
1.14
1.20
1.26
全硫黄
wt%, DB
0.27
0.28
0.30
0.31
0.33
0.33
炭素
71.32
72.84
74.19
75.43
76.70
77.89
水素
5.07
5.13
5.17
5.22
5.27
5.31
1.14
1.24
1.32
1.39
1.47
1.54
硫黄
0.27
0.28
0.30
0.31
0.33
0.34
酸素
22.20
20.51
19.02
17.64
16.23
14.91
軟化点
1,180
1,208
1,237
1,266
1,296
1,328
1,190
1,216
1,244
1,272
1,301
1,331
溶流点
1,300
1,326
1,351
1,373
1,395
1,415
SiO2
46.81
49.31
51.78
54.24
56.69
59.12
Al2O3
14.54
15.29
16.03
16.77
17.50
18.23
TiO2
0.68
0.72
0.76
0.79
0.83
0.87
Fe2O3
9.61
8.87
8.13
7.40
6.67
5.95
CaO
17.68
15.90
14.14
12.39
10.65
8.92
2.89
2.64
2.39
2.14
1.90
1.65
Na2O
0.31
0.31
0.31
0.31
0.31
0.32
K2 O
0.96
1.02
1.09
1.15
1.22
1.28
P2O5
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
MnO
0.21
0.19
0.17
0.15
0.13
0.11
V2 O 5
0.02
0.02
0.02
0.03
0.03
0.03
SO3
6.22
5.60
4.98
4.37
3.77
3.16
窒素
融点
wt%, DAF
℃, 酸化
MgO
wt%, Ash
56
表 5-5
褐炭 B+瀝青炭 A
褐炭 B(%)
40
30
20
10
0
瀝青炭 A(%)
60
70
80
90
100
wt%, AR
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
kcal/kg, GAD
6,500
6,670
6830
6,990
7,150
kcal/kg, NAR
5,400
5,660
5,920
6,180
6,440
-
47.6
48.2
48.8
49.4
50.0
6.8
6.2
5.7
5.1
4.5
8.4
8.3
8.2
8.1
8.0
36.5
35.9
35.3
34.7
34.2
48.2
49.6
50.8
52.1
53.3
全水分
発熱量
HGI
固有水分
工
業
分
析
灰分
揮発分
wt%, AD
固定炭素
元
素
分
析
灰
融
点
灰
組
成
ブレンド炭性状（2）
燃料比
-
1.32
1.38
1.44
1.50
1.56
全硫黄
wt%, DB
0.34
0.35
0.36
0.37
0.38
炭素
78.92
79.98
80.99
81.94
82.84
水素
5.35
5.40
5.43
5.47
5.50
1.60
1.68
1.74
1.79
1.86
硫黄
0.35
0.36
0.37
0.38
0.36
酸素
13.77
12.58
11.46
10.41
9.44
軟化点
1,360
1,393
1,428
1,463
1,500
1,362
1,395
1,429
1,464
1,500
溶流点
1,434
1,452
1,469
1,485
1,500
SiO2
61.52
63.92
66.30
68.66
71.00
Al2O3
18.96
19.67
20.39
21.10
21.80
TiO2
0.91
0.94
0.98
1.01
1.05
Fe2O3
5.24
4.52
3.82
3.12
2.42
CaO
7.20
5.50
3.81
2.13
0.46
1.41
1.17
0.93
0.70
0.46
Na2O
0.32
0.32
0.32
0.32
0.32
K2 O
1.34
1.41
1.47
1.53
1.59
P2O5
0.06
0.07
0.08
0.09
0.09
MnO
0.09
0.07
0.05
0.03
0.01
V2 O 5
0.03
0.03
0.04
0.04
0.04
SO3
2.56
1.97
1.38
0.79
0.21
窒素
融点
wt%, DAF
℃, 酸化
MgO
wt%,Ash
57
5.6 褐炭 A 及び褐炭 B と、瀝青炭 A の最適混炭設計
(1) 褐炭 A+瀝青炭 A の最適混炭設計
褐炭 A に対する瀝青炭 A のブレンド比率を変化させたときの、ボイラシステムに対する
制約状況を表 5-6 に示す。瀝青炭 A のブレンド比率が 80%を下回ると、主に褐炭 A の高水
分、低発熱量に起因する設備制約が発生する。
表 5-6
褐炭 A に対する瀝青炭 A のブレンド比率とボイラシステムに対する制約状況
褐炭A
瀝青炭A
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
90% 100%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
粉砕性
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
乾燥性
×
×
×
×
×
×
△
△
○
○
○
ミル発火
×
×
×
△
△
○
○
○
○
○
○
着火性
△
△
△
△
○
○
○
○
○
○
○
燃焼性
×
×
×
×
×
△
△
△
○
○
○
スラッギング性
△
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
ファウリング性
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
NOx 排出
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
電気集塵性
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
SOx 排出
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
(2) 褐炭 B+瀝青炭 A の最適混炭設計
褐炭 B に対する瀝青炭 A のブレンド比率を変化させたときの、ボイラシステムに対する
制約状況を表 5-7 に示す。瀝青炭 A のブレンド比率が 70%を下回ると、主に褐炭 B の高水
分、低発熱量に起因する設備制約が発生する。
また褐炭 B の灰融点の低さと灰組成に起因するスラッギングトラブルに注意する必要が
ある。
表 5-7
褐炭 B に対する瀝青炭 A のブレンド比率とボイラシステムに対する制約状況
褐炭Ｂ
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90% 100%
粉砕性
△
△
○
○
○
○
○
○
○
○
○
乾燥性
×
×
×
×
△
△
△
○
○
○
○
ミル発火
×
×
×
△
△
○
○
○
○
○
○
着火性
△
△
○
○
○
○
○
○
○
○
○
燃焼性
×
×
×
×
△
△
△
○
○
○
○
スラッギング性
×
×
×
△
△
△
○
○
○
○
○
ファウリング性
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
NOx 排出
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
電気集塵性
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
SOx 排出
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
瀝青炭A
58
0%
5.7 まとめ
褐炭 A 及び褐炭 B を日本の微粉炭燃焼ボイラに単味で使用する場合、高水分、低発熱量
によるミルでの乾燥性、粉砕性、火炉への微粉炭供給能力不足が主な制約となる。また褐
炭 B では、灰融点の低さから、火炉内のスラッギングにも注意する必要がある。
これらの制約を緩和し、日本のボイラ仕様に適合するために必要な瀝青炭 A 混合比率を、
瀝青炭設計の出力 500MW の超臨界微粉炭ボイラの石炭評価システムで評価した。
このタイプのボイラ仕様に適合するために必要な瀝青炭 A のブレンド比は、褐炭 A では
80%以上、褐炭 B では 70%以上である。
しかし、最近の最新鋭ボイラシステムでは、亜瀝青炭の混炭を前提とした設計が行われ
ており、従来のボイラシステムよりも炭種への適応性が高く、このような設計のボイラシ
ステムでは、褐炭のブレンド比を本検討結果よりも引き上げられる可能性がある。
6. 結論
褐炭は、自然発熱性が高く安全な輸送及び貯蔵が難しいと考えられ、日本での利用拡大
の障害となっていた。また品質面からも、日本の微粉炭ボイラシステムの要求特性に適合
せず、単味使用は不可能で、瀝青炭との混合使用が必須となる。
今回のスタディでは、褐炭に瀝青炭をブレンドすることで、褐炭の自然発熱性を低減で
きることをラボ及びフィールド試験の双方で確認した。
またブレンド炭の発熱挙動をパイル自然発熱シミュレーションにより解析し、フィール
ド試験パイルの挙動を再現することで、ブレンドによる発熱抑制効果と、シミュレーショ
ン技術による発熱挙動解析の有効性を確認できた。
自然発熱防止剤の添加効果については、ラボにて 3 種評価を行ったうちの 2 種類で効果
が認められ、今後フィールド試験等での実証が必要ではあるが、ブレンドとの組み合わせ
によりさらなる安全性向上が期待できる。
さらに石炭評価システムによる品質設計では、褐炭でも瀝青炭とブレンドを行い、適切
に品質設計を行うことで、日本の超臨界微粉炭ボイラに適合した品質のブレンド炭を設計
可能であることが示された。但し、炭種の組み合わせとブレンド比率によって、自然発熱
抑制とボイラ要求品質への適合性が変化するので、品質評価と商品設計をさらに精査する
必要があると考えられる。
従って、山元をはじめとする上流側で日本のボイラ要求特性に適合するべく瀝青炭とブ
レンドし、品質設計されたブレンド炭は、日本への輸送及び貯炭中の安全性を高めると同
時に、ブレンド設備が無いユーザーでの使用も可能となり、従来未利用であった褐炭資源
の利用を拡大し、日本のエネルギー調達ソースを拡大する有効な手段と期待できる。
以上
59

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