ガス化炉とエンジンは、なぜ相性が悪いのか ― 揺れる炉と精度を求めるエンジンの間に置くもの（バイオマスガス化とタールの科学 その6）

執筆：笹内謙一（PEO技術士事務所）　監修：香月正司（大阪大学名誉教授）

はじめに ― 二つの機械は、求めるものが違います

前回は、エンジンに届いたタールが、給気系への付着から弁やピストンのまわりの堆積、さらには異常燃焼まで、何を引き起こしうるのかを追いました。では、タールさえ取りきれば、ガス化炉とエンジンはうまくやっていけるのでしょうか。じつは二つの機械の間には、タールとは別の、もっと根本的な食い違いがあります。

ガス化炉は、積み重なった木質チップの中で、乾燥、熱分解、酸化、還元という過程を進めて燃料ガスをつくる化学反応器です。チップの沈み方や崩れ方ひとつで炉の中の状態が変わり、出てくるガスの量も組成も揺れ動きます。一方のエンジンは、決まった容積のシリンダに混合気を吸い込んでは燃やすことを、発電用なら一つのシリンダが1秒間に十回あまりも繰り返す機械で、その一回ごとに、決まった割合の混合気を求めます。揺れる装置と、精度を求める装置。この二つをどうつなぐかが、シリーズ最終回のテーマです。これまでの回に何度か登場した「容量の大きいタンク」の役目も、ここで明らかにします。

ガス燃料はかさばります ― 過給に頼りたくなる理由

エンジンが一回に吸い込める混合気（燃料と空気）の体積は、シリンダの大きさで決まっています。ここで、燃料の性質の違いが効いてきます（図1）。

ガソリンは、蒸発して気体になっても密度が大きいためにかさばらず、燃やすのにちょうどよい割合で空気と混ぜた混合気の体積の中でもわずか2%ほどしか占めません。天然ガス（主成分はメタン）は、ガソリンと比べると密度が小さく、同じ体積を燃やすのに要る空気がガソリンの6分の1ほどで済むので、燃料が混合気の体積のおよそ1割を占めます。ガス化ガスでは、さらにこの割合が半分近くにまで達します。

なぜでしょうか。第1回でお話ししたとおり、空気でガス化したガスは、その半分ほどが窒素で、二酸化炭素も含みます。燃える成分（一酸化炭素、水素、メタンなど）が薄いので、1m³あたりの発熱量は天然ガスの6〜7分の1ほどしかありません。燃やすのに要る空気も少なく、ガスと同じくらいの体積の空気で足ります。言い換えれば、同じ熱を得るために大量のガスを吸い込まなければならず、そのぶん空気の入る余地が減るのです。木ガス（木からつくった燃料ガス）でエンジンを動かしていた時代の国連食糧農業機関（FAO）の資料では、ガス化ガスと空気の混合気がもつ体積当たりの発熱量は、ガソリンと空気の混合気のおよそ3分の2とされています。天然ガスの混合気と比べても4分の3ほどです。同じ排気量のエンジンをガス化ガスで回せば、少なくともそのぶん出力は下がります。

自然吸気のエンジンでは、この不利は避けられません。そこで、過給機（ターボチャージャー）で混合気を押し込んで密度を高め、一回に入る混合気の量（質量）を増やす方法がとられます。ガソリンエンジンの過給は主に出力をさらに高めるために使われますが、ガス化ガスのエンジンでは、混合気の単位体積当たりの発熱量が小さくなるため下がった出力を取り戻す、という意味合いが強いのです。

ところが前回お話ししたとおり、過給すると露点が上がり、インタークーラーで冷やされたところでタールが凝縮しやすくなります。燃料がかさばるので過給に頼りたくなり、過給するとタールが凝縮しやすくなる。ガス化ガスとエンジンの相性の悪さは、まずここに表れます。前回、過給しないで排気量の大きなエンジンを選ぶという考え方を紹介したのも、このためです。

エンジンは「精度」を求めます

多くのガスエンジンは、ガソリンエンジンと同じく、空気と燃料をあらかじめ混ぜた混合気（予混合気）に火花で点火する方式です（軽油を少し噴いて点火する方式もありますが、ここでは火花で点火する方式で考えます）。軽油を燃焼室に直接噴くディーゼルエンジンなら、出力は燃料を噴く量だけで加減でき、空気は吸い込むにまかせておけます。これに対して予混合の方式では、空気と燃料の混ざる割合（空燃比）を運転条件ごとに決めた値に保ちながら、混合気の量を加減しなければなりません。薄すぎれば火が燃え広がらず、濃すぎれば不完全燃焼で排気の悪化を招くからです。

その割合をどこに置くかは、あらかじめ試験によって決めます。エンジンを新しい燃料に合わせる場合は、空燃比と点火時期を少しずつ変えながら、出力（トルク）、燃料の消費量、排気の成分（一酸化炭素、窒素酸化物、燃え残りの炭化水素）を測り、回転速度と負荷ごとに最もよい組み合わせを探します。過給するエンジンなら、過給圧も変えながら同じことを繰り返します。こうしてでき上がった運転条件の対応表（マップ）が、エンジンを制御する手順の土台になります。この試験には長い時間がかかるのが普通です。

もし燃料の組成ががらりと変わったら、どうなるでしょう。その燃料についての対応表を持っていなければ、試験は最初からやり直しです。ガス化ガスの組成は、原料の樹種や含水率、炉の形式や運転条件によって変わります。たとえ同じ木質バイオマスのガスでも、成分が大きく変われば、エンジンにとっては別の燃料と考えるべきなのです。エンジンメーカーがバイオマスのガスへの対応に慎重になる理由のひとつは、この試験の負担の大きさにあると考えられます。

水素を含むことも、エンジンメーカーが慎重になる理由に挙げられてきました。燃料に水素が含まれることを理由に、性能の保証は難しいとされた例もあります。水素は燃え広がる速さ（燃焼速度）が速く、ノッキングの面でも注意の要る成分だからです（前回のメタン価の話）。一方で、ガス化ガスの主な燃える成分である一酸化炭素は、完全に乾いた状態では燃え進みにくく、水素や水蒸気がわずかでもあると速く燃えるようになります。ガス化ガスに含まれる水素は、混合気全体の燃える速さを高め、燃えきるのを助けています。水素は注意の要る成分であると同時に、燃えやすさを支える成分でもあるのです。問われるのは、水素の含有割合に合わせて点火時期などを的確に調整できているかどうかです。

ガス化炉は「揺れ」ます

一方のガス化炉はどうでしょう。炉に送る空気の量や、チップを投入する量は、エンジンの燃料系に比べればかなり粗い精度で、しかも間欠的にしか制御できません。炉の中では、時折チップが沈み、ときに引っかかって（ブリッジ）、崩れます（第3回）。酸化層の位置や温度も少しずつ動きます。その結果、出てくるガスの量と組成は、ゆっくりとした揺れやじわじわした変化を基本に、ときにはブリッジが崩れたときのような急な変化も加わって揺れ動きます。燃える成分の割合が変われば、同じ量（体積流量）のガスでもエンジンに届く発熱量が変わります。その変化に対応しようとすれば、燃やすのにちょうどよい空気の量も変えなければなりません。先のFAOの資料も、ガスの組成が変わり、炉や除去装置の圧力損失も変わるので、ちょうどよい割合の混合気を保ち続けるのはとても難しい、と述べています。

起動と停止の操作についても、時間の尺度が違います。エンジンは短い時間で起動でき、止めるのも短時間ですが、ガス化炉は炉の中に熱い炭の層を抱えています。起動してからガスの質が落ち着くまでに時間がかかり、止めようとしても、炉の中の反応はしばらく続きます。

直結すると何が起こるか

では、ガス化炉とエンジンを、間に何も置かずにつないだら、どうなるでしょう。エンジンが一定の回転速度と出力で回っているところで、ガス化炉から届く燃料ガスが増えたり減ったりした場合を考えると、表1のように整理できます。

表1　ガス化炉とエンジンを直結したときに起こること

変化	エンジン側の対応	起こること
燃料ガスが増えた	空気も増やして空燃比を一定に保つ	混合気量が増えて出力が上がる。定格近くで回していれば、過給圧を上げて押し込むことになり、過負荷になる
燃料ガスが増えた	受け取るガスの量を変えない	受け取りきれないガスの行き場がなく、受け渡し部の圧力が上がる。一部を逃がして燃やすことになる
燃料ガスが増えた	空気を減らして混合気の量を一定に保つ	空燃比が崩れて混合気が濃くなり、不完全燃焼や排気の悪化を招きやすい
燃料ガスが減った	空気も減らして空燃比を一定に保つ	混合気の量が減り、絞って運転したのと同じになる。出力が下がる
燃料ガスが減った	空気はそのまま、または減ったぶんを空気で補う	混合気が薄くなり、出力が下がる。さらに薄くなって燃える限界（希薄限界）を越えると、点火しても燃え広がらなくなる（失火）
エンジンが燃料をほとんど要らなくなった（無負荷・停止）	燃料ガスを絞る	ガス化炉は急には絞れない。余ったガスは逃がして燃やして処理することになる

※ 筆者の整理によるものです。燃料ガスの「増減」には、ガスの量の増減のほか、燃える成分の割合が変わることによる発熱量の増減も含みます。組成が変わった場合は、ちょうどよい空燃比そのものも変わります。実際の現れ方は、エンジンの制御方式によって異なります。

どの場合も、エンジンが求める「決まった空燃比の混合気を、決まった量だけ」という条件が崩れます。排気の中に残った酸素の濃度を測り、空燃比を補正する制御もあります。ただ、これは燃えたあとの結果を見て補正し直す仕組みです。補正が追いつく前に空燃比がずれれば、そのあいだの燃え方は乱れますし、補正できる幅にも限りがあります。

ガス化ガスでは、ここにもう一つ難しさが加わります。ガソリンは混合気のごく一部なので、空気の量はそのままとみなして、燃料の量だけを直すことで対応できます。ところがガス化ガスは混合気の半分近くを占める（図1）ので、混合気の量を保ったまま空燃比を直すには、燃料ガスと一緒に空気の量も動かさなければなりません。しかもガス化炉の揺れは、チップの投入やブリッジの崩れのたびに組成が急に変わっては、その影響がしばらくかけて薄れていく、ということが不規則に繰り返されて生じていると考えられます。排気中の酸素濃度で補正する従来の方法を、そのまま当てはめるだけでは課題が残るのです。

当事務所が相談を受けた例に、ガス化ガス用として納入されたエンジン発電機の回転速度が変動して落ち着かない（ハンチング）、というものがありました。運転記録では燃料ガスの供給圧力も揺れていましたが、それが原因なのか結果なのかは、記録だけでは分かりません。ただ、聞けば納入前の試運転はガス化ガスではなく都市ガスで行われており、ガス化ガスでどこまで調整が行われたのかは、確かめるべき点のひとつでした。エンジンを選ぶときには、どの燃料で調整（マップ作り）が行われたのかを確かめておくことが大切です。

間に置くもの ― タンクの役目を三つに分けて考えます

ここで、これまでの回に何度か登場した「容量の大きいタンク」に戻りましょう。第2回の設計の基本（ガスを周囲の温度近くまで冷やし、最終フィルターと容量の大きいタンクを通す）や、第3回・第4回の例に出てきたタンクです。ガス化炉とエンジンの間に置くこのタンク（バッファタンク）には、三つの役目が期待されます。ただし、三つめは、容積の決まったタンクではほとんど役を果たせません（図2、図3）。

液滴と微粒子を落とす　配管に比べて断面の大きなタンクの中ではガスの流れが遅くなり、配管の中で合体して大きくなった滴や、上流から運ばれてきた比較的大きな液滴・微粒子が落ちます。ごく細かい霧（ミスト）は重力だけでは落ちにくいので、最終フィルターと組み合わせることが大切です。タンクの底には、たまった凝縮水やタールを抜き出す口が要ります。ガス誘引ファンの下流にタンクを置く場合は中が大気圧より少し高い圧力になるので、抜き出し口はガスが漏れない構造（水封など）にします。

組成の短い揺れをならす　タンクの中でガスがよく混ざれば、少し前に入ったガスと今入ったガスが混ざり合うので、出ていくガスの組成は、入ってくるガスより揺れ（濃度変動）が小さくなります（図2）。そのかわり、変化は少し遅れて出ていきます。目安になるのは、タンクの容積をガスの流量で割った時間（ガスがタンク内にとどまる平均滞留時間）です。周期がこの時間の数倍くらいまでの揺れは、短いものほど小さくなりますが、その十倍を超えるようなゆっくりした揺れや、組成がじわじわと変わっていく変化は、ほとんどそのまま通り抜けます。チップの投入やブリッジの崩れで組成が急に変わったときは、変わり目の急な部分は浅くならされますが、そのあとゆっくり戻っていく部分は、ほぼそのまま出ていきます（図2の③）。ガスが一方向に素通りする形のタンクでは、ならす働きはずっと小さくなります。

流量の揺れを受け止める　ガスが余ればため、足りなければ出す。これができれば、ガス化炉とエンジンの間の（質量）流量の食い違いを吸収できます。ところが、容積の決まったタンク内のガスの質量は、温度が一定であればタンク内の圧力に比例して増減するだけです。大気圧の1%ほど（約1kPa）圧力が上下しても、タンク内のガスの質量は同じく1%ほど上下するにすぎません。仮に電気出力50kW級の設備で、ガスの流量が平均より10%ほど多い状態が2〜3分続いたとすると、この間に余るガスは大気圧下で1m³足らずになりますが、これを1kPaほどの圧力の上昇だけで受け止めようとすると、容積が100m³に近いタンクが要る計算になります。では、圧力を変えずに、入れ物の容積のほうを変えて受け止めるとどうでしょうか。余った流量ぶんだけふくらむ入れ物なら、1m³足らずの伸び縮みで済みます。大気圧に近い圧力でガスを受け渡すガス化設備では、容積の決まったタンクで流量の揺れまで受け止めるのは難しいのです。流量の揺れそのものを受け止めるには、圧力をほぼ一定に保ったまま容積が変わるガスホルダーが向いています。小型の設備でもガスホルダーを置くべきではないか、という考え方があるのはこのためです。

ガスホルダーにも課題はあります。一酸化炭素を含む可燃性のガスをためることになるので、漏れによる中毒への備えや換気、火気の管理に加え、空気が入り込んで燃える範囲の混合気ができないよう、起動・停止のときの置換（パージ）や酸素濃度の監視が要ります。ガスに残った水分やタールが中にたまることも考えておかなければなりません。また、ガスホルダーの有無にかかわらず、起動や停止のときの質の悪いガスや余ったガスを燃やして処理する設備（フレア）を備えておくことが大切です。ガスホルダーを置かない場合は、エンジンの出力をなるべく大きく変えずに運転することも、燃料流量の食い違いを小さくする手立てになります。

タンクを置く順番にも意味があります（図3）。この例では、ガスを周囲の温度近くまで冷やして最終フィルターを通し、ガス誘引ファン（炉からガスを吸い出して送り出すファン）のあとにタンクを置いています。その下流、エンジン側の燃料供給系とつなぐところには、逆火防止装置（エンジンなどの火元で起きた火炎が、配管をさかのぼって伝播するのを止める装置）を設けています。実際の位置と種類は、火元からの距離などで決めます。タンクを出たガスは露点に近い状態にあるので、そこからミキサーまでの燃料ガスの配管を保温し、必要なら加温して、周囲の温度より少し高く保っておけば、途中で冷やされてタールが凝縮するのを防げます。過給する場合のインタークーラーには、前回お話しした別の注意が要ります。第2回でお話しした設計の基本は、この設備機器の並びのことでもあったのです。

計って、そろえて、受け渡す ― タンクだけでは足りません

タンクやガスホルダーを置けば、それで済むわけではありません。エンジンの側では、空気と燃料ガスの流量を温度と圧力で補正して計り、混ぜる割合を先回りして決め、排気中の酸素濃度で後から補正する、という二段構えが望ましいと筆者は考えています。ただし、流量だけでは組成の変化は見えません。受け渡し部で測った組成や発熱量の情報と組み合わせることが大切です。

ガス化設備の側では、受け渡し部で渡すガスについて、組成や発熱量、タールや微粒子の平均の値だけでなく、圧力、流量、温度がどれだけ揺れ、平均の値がどう移り変わっていくのか、という「動きの性質」をつかんでおくことが大切です。エンジンの調整は、その揺れを前提にしてはじめて成り立つからです。第4回で、受け渡し部の測定値は、ガス化側がエンジン側に渡す成績証明書のようなものだとお話ししました。その証明書には、平均の値だけでなく、揺れの大きさと速さも書き込んでおく必要があるのです。

そして運転中は、空気と燃料ガスの流量、燃料ガスの圧力、給気の圧力と温度、点火時期、発電出力を、細かい時間の刻みで記録しておくことです（第4回）。トラブルは一回きりの出来事として起きることが多く、平均の値だけを見張る監視では捉えにくいからです。

おわりに ― シリーズを終えるにあたって

今回は、ガス化炉とエンジンの相性の悪さを、二つの機械が求めるものの違いから考えました。ガス化ガスはかさばるので過給に頼りたくなり、過給はタールの凝縮を招きます。精度を求めるエンジンに、流量も組成も揺れるガス化炉を直結すれば、その揺れがそのままエンジンに届きます。間にはタンクを置いて液滴を落とし、組成の短い揺れをならす。流量の食い違いはガスホルダーや運転の仕方で小さくし、余ったガスはフレアで処理する。そのうえで空気と燃料ガスを計って混ぜ、揺れの性質まで含めてガスを受け渡すこと。これが今回の要点です。

6回にわたって、ガス化炉の中でタールが生まれるところから、分類、対策、測定、エンジンに着いた先、そしてガス化炉とエンジンのつなぎ方までを追ってきました。通して見えてくるのは、二つの見方です。ひとつは、タールを量ではなく露点で見ること。もうひとつは、エンジンを単体の機械としてではなく、ガス化炉から続くひとつの設備の一部として見ることです。このシリーズで取り上げたトラブルの多くは、二つの機械のつなぎ目で起きていました。つなぎ目に目を配ることが、設備を長く安定して動かすいちばんの近道だと筆者は考えています。

長い間お付き合いいただき、ありがとうございました。次は、木質バイオマスが燃えるしくみを、数字で考える基礎からお話しする予定です。

参考文献

• FAO, “Wood gas as engine fuel”, FAO Forestry Paper 72, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome (1986)
• 飯島晃良・吉田幸司『基礎から学ぶ 内燃機関』森北出版 (2022)
• Heywood, J. B., “Internal Combustion Engine Fundamentals”, 2nd ed., McGraw-Hill Education (2018)

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