重油ボイラにおける DME 燃焼技術の開発小林雅律要旨 DME はクリーンで扱いが容易な次世代燃料として期待されており、製造・流通・利用の各方面で技術開発が行われている。出光エンジニアリング（株）では、 2002 年から産業用重油ボイラを DME 焚きに転換する技術開発を進めており、燃焼炉による基礎試験を経て、今年度からは実際のボイラによる実証試験を実施している。これまでの試験から、既存の重油ボイラには DME の液燃焼が適しており、適切な条件で運転すれば、ボイラをほとんど改造せずに燃料転換が可能であることが明らかになった。燃料転換のメリットおよび留意点、対策などについて概説した。 1 ＤＭＥとはＤＭＥ（ジメチルエーテル）は、従来よりスプレ液化する。運搬や貯蔵もＬＰＧのインフラをほぼー用噴射剤などに利用されてきた化学製品だが、近そのまま活用でき、ＬＮＧのような極低温設備は不年、これを燃料として利用する試みが盛んに行われ要である。ている。 ③用途が広い燃料としてのＤＭＥの特性をまとめると、以下の従来のガス体燃料と同様、ボイラや加熱炉、ガスようになる。またＤＭＥと他燃料の物性比較を表１タービンの燃料として利用できるほか、セタン価がに示す。高いため、ディーゼル機関への適用も可能である。 ①多様な原料から製造できるまた、改質が容易であることから、燃料電池用の水現時点では、経済性の観点から天然ガスを原料と素キャリアとしても注目されている。した方式が先行しているが、原理的には石炭、バイ ④低公害オマスなど様々な原料からの合成が可能である。燃料中に硫黄分を含まないため、燃やしても硫黄 ②ハンドリングが容易酸化物を生じない。またスモークレスであることかＤＭＥの飽和蒸気圧はブタンとプロパンの中間程ら、ディーゼル機関の排気改善にも非常に有効であ度で、常温下で６気圧程度の圧力を加えると容易にる。表１ＤＭＥの主な物性ＤＭＥプロパン n-ブタンメタンﾒﾀﾉｰﾙ CH3OCH3 C3 H 8 C4H10 CH4 CH3OH －－25.1 －42.0 －0.5 －161.5 64.6 180-370 液密度（g/cm3，20℃） 0.67 0.49 0. 57 － 0.79 0.84 ｶﾞｽ比重［対空気比］ 1.59 1.52 2.00 0.55 －－蒸発潜熱（kcal/kg） 111.7 101.8 92.1 121.9 262.0 6.1 9.3 2.4 246 －爆発限界（％） 3.4-17.0 2.1-9.4 低位発熱量（kcal/kg） 6,900 11,100 55～60 5 項目化学式沸点（℃）飽和蒸気圧セタン価（atm， 25℃） 1.9-8.4 10,930 10 軽油 60.0 － 5.0-15.0 5.5-36.0 0.6-6.5 12,000 4,800 10,000 0 5 40-55 以上のように、ＤＭＥは燃料として多くの長所を有しており、出光グループでも普及に向けて製造・流通・利用の各分野で様々な取り組みを行っている。そのなかで、出光エンジニアリング（株）進めていができれば、改造コストが抑制され、ＬＮＧなど他燃料に対するアドバンテージとなりうる。液燃焼採用に当たっての検討ポイントは以下の通りである。る産業用重油ボイラへのＤＭＥ利用技術の開発につ ①重油バーナでの安定液燃焼が可能かいて紹介する。 ②ベーパロック現象の防止にはどの程度の圧力が必要か 2 ボイラ利用に向けての課題 ③負荷調整幅（ターンダウン割合）は確保できる２．１ボイラを取り巻く状況か現在、日本国内には約 5 万基の産業用ボイラが設置されており、その 8 割は重油が燃料である。一方、近年の環境意識の高まりや都市部を中心とした排ガ ④ボイラ性能への影響はないか以上を検証するため、専用の燃焼設備による試験を実施した。ス規制の強化を受けて、よりクリーンな燃料への転換ニーズが高まっており、近年は重油を天然ガスに 3 切り替える事例が目立つ。３．１供試設備その中にはＬＮＧをバルク輸送し、事業所内に極燃焼試験結果図１に試験燃焼炉の外観およびバーナ構造を示す。低温タンクを設置して利用する動きも見られるが、燃焼炉はブロック毎に分割された炉内径 800mm の特に中小規模のボイラでは設備コストの高さが問題水冷ジャケット構造となっており、冷却水温度からとなる。一方、ＤＭＥであればＬＰＧ並の貯蔵・供各ブロックの集熱量が測定できる。定格燃焼量は給設備で済み、より少ない設備投資で導入できるた 1050MJ/h である。燃料のＤＭＥは貯槽を窒素で加め、転換燃料として有望である。圧することにより、最高 3.0MPa まで昇圧し、バー２．２検討すべき課題ナに供給する。重油ボイラでのＤＭＥ利用を促進するためには、バーナは重油ボイラで広く用いられ、高圧での噴燃料転換に伴う投資の抑制が重要である。しかし、霧が可能な中間混合型を採用した。燃料を微粒化すＤＭＥをガスで利用しようとすれば、ベーパライザるアトマイズ媒体には低圧蒸気を用いることが多いの新設のほか、燃料配管の大径化、バーナ廻りの大が、ＤＭＥの場合、スチームからの入熱でバーナ内幅改造など多くの改修が必要になり、転換コストのの燃料が気化し、燃焼が不安定になる現象が見られ増加を招く。たため、圧縮空気を用いた。燃焼空気は一次・二次この対策としては、ＤＭＥの液燃焼が有効である。ＤＭＥを液化したまま重油バーナで燃焼させることに分けて供給し、一次空気はバーナ端のスワラーで旋回をかけて火炎を安定させた。バーナガンスワラ圧縮空気 DME 図１燃焼試験炉およびバーナ３．２試験結果 3 ３．２．１重油バーナでの燃焼安定性を維持する限り、安定した燃焼が可能であった。逆に圧力が飽和蒸気圧を下回り、配管やバーナ内で気泡が生じる状況では、ベーパロック現象により流量比試験では、ＤＭＥの圧力を一定以上に保ち、液相 2 1 燃料供給が不安定になり、失火も観察された。ＤＭＥは噴射と同時に減圧沸騰して微粒化するた 0 め、アトマイズ媒体は不要であった。また、火炎形 1.0 2.0 3.0 噴射圧力(MPa) 状は重油に類似するが、条件によってはバーナ近傍図２噴射圧力と流量の関係の循環流領域における燃焼面が消失し、火炎の安定性がやや低下する現象が見られた。これば、噴霧圧力が重油より高い分、噴霧の速度も速くなり、循環燃料圧力 1.0MPa 時のＤＭＥ流量を 1 とした場合の、流領域での燃料の巻き込みが十分行われなくなるた供試バーナにおける噴射圧力－流量特性である。図めと考えられる。からわかるように圧力と流量は比例せず、2 倍の噴３．２．２必要供給圧力射量を得るためには 2 倍以上の圧力が必要である。ＤＭＥの常温での蒸気圧は 0.5MPa 程度であるが、これは、バーナの噴射孔がオリフィスに近い構造で夏場は燃料温度が高くなること、また燃焼炉付近であるためと考えられる。この特性から計算すると、の入熱による温度上昇もあることから、ベーパロッ当該バーナでミニマム量の４倍の流量を得るためのクの確実な回避には 1.0MPa 以上の供給圧が必要で圧力は約 6MPa となる。すなわち重油並のターンダあった。ウン割合を確保するためには非常に高圧のポンプがＤＭＥは単位体積当たりの発熱量が重油より低いため、噴霧量を増やして等価の発熱量を得ることに必要である。より低い噴射圧力で大きなターンダウン割合を確なる。但し、燃料圧力はＤＭＥの方が高いことから、保する手段としては、噴霧孔の面積・数が調整でき噴霧孔の総面積はむしろ重油燃焼時より小さくするるニードル式や多段式のバーナを使用する方法が考必要がある。本試験では、噴霧孔面積を重油用の 40 えられる。～60%に絞り、等価の燃焼量を得た。通常の重油バ３．２．４ボイラ性能への影響ーナは先端のチップを交換することで噴霧孔の寸法ＤＭＥを既存の重油ボイラに適用する場合、火炎を変えられるため、修正は容易である。３．２．３負荷調整幅の確保通常ボイラの負荷調整は、それぞれのバーナの燃輝度の低下による輻射熱の減少には留意が必要である。ＤＭＥは含酸素燃料であることから、火炎中にす焼量とバーナ点火本数の増減で行われる。バーナ本すを生じにくく、広い燃焼条件下で青炎を維持する。数の多い大型ボイラを除いてはバーナ燃焼量の調整従来燃料では燃焼空気の一次／二次配分を変えたり、によるのが一般的であり、炉内の温度バランス上も、燃料を粗粒化することで積極的にすすを生じさせ、こちらを優先するのが望ましい。火炎輝度を上げることが可能だが、ＤＭＥの場合、重油ボイラの場合、全負荷に対するミニマム負荷時の燃焼割合(ターンダウン割合)は 20～30%程度が一般的である。図３に示すように、ほぼ一貫して青炎が維持される。図４に、燃料種による火炎からの熱流束の違いを示す。燃焼量はＤＭＥ、重油とも 1.5×106kJ/h で同ＤＭＥの場合、低負荷時においても前述の通り一だが、ＤＭＥの熱流束は重油の 75～80％に低下し 1.0MPa 程度の圧力が求められるため、そこから流ている。これは、火炎輝度の低下による輻射伝熱量量を増やすには更に高い圧力が必要となる。図 2 はの減少が原因と考えられる。排ガス酸素濃度：４％一定 100％ 75％ 50％一次空気割合多い 25％少ない 15％一次空気不足図３一次空気割合の調整による火炎変化産業用ボイラの中でも比較的大型の重油専焼ボイ炎となった。添加剤により各ブロックとも熱流束値ラは輻射伝熱による集熱を前提にしている。これをが上昇しており、全体平均で約 10%の向上がみられＤＭＥに転換すると、輻射伝熱量の減少とともに対た。ただし、燃焼時は輝度向上剤によるダストが発流伝熱の割合が増し、重油と同じ運転条件でもスー生し、炉内にも微粒子の付着が観察された。高濃度パーヒータが設計温度を超過する可能性がある。そで添加を続けると汚れによる煤塵濃度の上昇を招くの結果、ボイラ本体の改造を考えないケースでは、可能性もあることから、適用には注意が必要である。スーパーヒータの過熱を避けるために負荷を下げざ３．２．５マルチ燃料対応るを得ない場合も生じうる。従って、燃料転換に際ＤＭＥより蒸気圧の低いブタンであれば、設計上しては、事前に既存ボイラの設計確認と転換後の性は貯槽や供給設備をＤＭＥと共用できる。さらに同能予測を行うことが重要である。一のバーナが使えれば、ブタンを「つなぎ」の燃料輻射伝熱量を回復させる一手段として、市販の火として利用することも可能である。ブタンをＤＭＥ炎輝度向上剤の効果を検証した。使用した製品は鉄と同様に飽和蒸気圧以上に加圧して、液燃焼させた系化合物に界面活性剤等を加えたもので、燃料に少際の火炎を図６に示す。試験の結果、重油バーナで量添加して使用する。メーカーによる推奨濃度は安定した燃焼が可能であることが確認された。火炎 2000vol.ppm だが、効果を確認しやすくするため、は基本的に青炎だが、ＤＭＥと異なり、一次／二次 5000vol.ppm 添加した。ＤＭＥ燃焼量は添加剤注入空気比の調整等によって、ある程度の輝炎化するこ前後とも同一に維持した。とができる。また、図７に示すとおり、排気中のＮ添加前後の熱流束変化を図５に示す。ＤＭＥへの分散性は良好であり、火炎はバーナ元から均一な輝熱流束 ( kW/m2 ) 40 30 Ａ重油 20 DME 10 0 0.5 1.0 1.5 バーナからの距離／炉内径図４熱流束の変化 2.0 Ｏｘ濃度はブタン・ＤＭＥの順で低く、重油時に比べて大幅に低減されることがわかった。ン（株）所有の蒸発量 5t/h ボイラで、専用の燃料供給設備を設置してＤＭＥに転換した。燃料は(有)ＤＭＥ開発から供給を受け、充填量 700kg のボンベで搬送している。 5 終わりに既述のように、ＤＭＥの特徴の一つは用途の広さにあり、特にディーゼル機関や燃料電池に対しては、従来燃料にない適性を持つ。これら熱効率の高い機器が、ＤＭＥを燃料に広く用いられれば、局所的な環境改善のみならず、温暖化ガス削減への効果も期待できる。ただし、これらの機器は単体での燃料消費量に限りがあり、ＤＭＥのマーケットを広げるためには多数の普及を待つ必要がある。一方、産業用ボイラは一台当たりの燃料消費量が比較的大きいことから、これをＤＭＥ焚きにすれば、短期にまとまった需要を創出することができる。な図６各燃料の燃焼状況 (上段より DME、ブタン、Ａ重油) かでも、最も普及している重油ボイラをＤＭＥに転換することは、ボイラ自体のクリーン化と同時に燃料市場を確立する意味からも大きな意味を持つ。本開発がＤＭＥ普及の一助になるとともに、事業対重油比 (%) 100 を通じて、その優れた特性を多くの人に実感しても 80 らえれば幸いである。 60 最後に，本事業は経済産業省資源エネルギー庁の補助を受け、釧路コールマイン（株）、(独)産業技術 40 総合研究所、(有)ＤＭＥ開発などの協力の下に実施 20 されているものであり，この場を借りて関係の方々に謝意を表したい。 0 Ａ重油ブタン DME 図７排気中の NOx 濃度 4 今後の予定これまでの試験結果から、ＤＭＥを適切な条件で供給すれば、液化したまま従来の重油バーナで燃焼させられること、また排気性状を大幅に改善できることなどが明らかになった。得られた知見をもとに、今年度からは業務用ボイラによる実証試験を開始しており、長期運転を通じて、ボイラのハンドリングや設備の耐久性を総合的に検証する計画である。供試設備は釧路コールマイ