目次
4

巻頭言

水環境事業は「次なるステップ」へ
6過給式流動焼却技術特別号に寄せて
10

渡邊 彰彦

寄稿
東京農工大学 名誉教授

堀尾 正靱

開発ストーリー過給式下水汚泥焼却炉の開発
̶ 石炭燃焼から下水汚泥焼却炉への技術移転の一例 ̶
国立研究開発法人産業技術総合研究所

17

実績紹介

28

コーヒーブレイク 月島茶房

過給式流動焼却設備の実用運転鈴木 善三

山本 隆文・浅岡 祐輝

体脂肪の燃焼30

100 年史より

月島機械の焼却技術
40
42

おわりに

寺腰 和由

会社概要・編集後記

No.18 2015

CONTENTS
4

Foreword

6

Contribution

Akihiko WATANABE

Celebrating this special issue on the turbo-charged pressurized fluidized bed sewage
sludge incinerator technology
Masayuki HORIO, Tokyo University of Agriculture and Technology

10

Development Story

Development of turbo-charged pressurized fluidized bed sewage sludge incinerator,
a technology transfer from coal combustion to sewage sludge combustion
Yoshizo SUZUKI, National Institute of Advanced Industrial Science and Technoloby (AIST)

17

Installation Result

Practical Operation of a Pressurized, Fluidized Bed Incineration System
Takafumi YAMAMOTO / Yuki ASAOKA
表紙の写真

28

Coffee Break30

From the 100 years history

Tsukishima Kikai's Incineration Technology
40

Conclusion

42

Corporate Profile / Editor’s Note

Kazuyoshi TERAKOSHI

2020 年東京オリンピック・パラリンピッ
ク開催予定地、「東京都 お台場レイン
ボーブリッジ」の夜景

TSK 技報 2015 no.18

3

巻 頭 言水環境事業は「次なるステップ」へ
本年 2015 年度は「現中期経営計画」の最終年であると同時

一般競争入札は当たり前で、公募型プロポーザル、さらには高度はなかろうか。これによって新しい事業 モデルの創出が可能となに、創業 110 周年を迎えるという月島機械グループ節目の年にな

技術提案型へと、金額だけを重視するのではなく、技術の先進性る。その結果新市場の拡大展開につながると確信している。

る。今回の TSK 技報 2015No.18は、当社の主力商品である「過や事業の採算性などを重視する方針に変わりつつある。
水環境事業の現中期経営計画は「汚泥処理事業のパイオニ

年前の 2012 年 No.16において「水環境事業（技術）を未来へ繋ア」を目指すべき姿とした。汚泥処理分野に「人・もの・金」を集る。重要なことは、「事業のコアが月島機械のコアである」のかどぐ」と題して寄稿した。今回は「次期中期経営計画」を見据えて中し、技術力と事業力で確固たるプレゼンスを確立することを目うかだ。競合他社との優位性は、圧倒する先進的技術を有して「次なるステップへ」と題して寄稿する。

渡邊 彰彦
取締役常務執行役員
水環境事業本部 本部長
月島テクノメンテサービス
（株）
取締役会長

（

4 TSK 技報 2015 no.18）

今後増加が予測される浄水場および下水処理場の包括委託

給式流動燃焼システム」特別号として発刊される。巻頭言は3やコンセッション事業は、競合他社との連携が最重要課題とな指している。「EPC＋O＆M＋単体機器＋補修工事」の基盤事業

いるかどうかで決まっていくであろう。水環境業界での合従連衡

前回の寄稿において「汚泥を制するものは水環境を制する」とで安定収益を稼ぎ、「汚泥燃料化＋FIT 事業」等の拡大事業でも避けては通れないであろう。最近、「オープンイノベーション（＊１）」

記した。私はこの「たかが汚泥」技術を更に大きく進化させていく

新たな市場を拡大してきた。その結果、EPC 事業からLCB 事業という言葉が使われている。自社単独に拘らず、競合他社や異ことが、水環境事業の「次なるステップ」に繋がるのではないかとへの転換に繋がり、まだ小額ではあるが安定収益を生み出す仕

業種、大学等の研究機関とパートナーシップでイノベーションを考えている。

組みに踏み出せたのではないだろうか。

創出していくことも重要になるであろう。

「次なるステップ」に踏み出すに当たって、顧客・市場動向を強い会社は「研究開発とコスト削減」の二つがうまく相乗効果「次なるステップ」と位置付ける「次期中期経営計画」の目指俯瞰する。水環境事業の重要顧客である国や自治体の財政難はを発揮している。「技術の先読み」「技術トレンド」
をしっかり捕らすべき姿をどうするかは、これからじっくりと水環境事業全体で続いており、今後もこれが好転することは期待できないだろう。社

えた先進的技術開発こそが、月島機械の生命線ではないだろう

議論を進めていく。その計画にさらなる安定収益を生み出す仕会インフラである上下水道施設は財政難・人材難の二重苦により、か。月島機械の技術者には常に高い目標に向かってチャレンジし組みを盛り込んでいきたい。月島機械グループの結束力と総合力

改築・更新事業が停滞している。特に中小自治体の財政状況は、てほしいと願う。
競合他社の一歩も二歩も先を行ってほしいと願う。

が問われる。

今後も好転の兆しはない。悪化の足音は小さな足音から、少しず「汚泥処理技術・単体機器」においては、常に「ナンバーワンとつ大きな足音に変わりつつある。中小自治体では、改築・更新のオンリーワン」
を目指してほしいと願う。

今回の 18 号は「過給式流動燃焼システム」特別号である。現在までの受注実績は、東京都葛西水再生センター、神奈川県相みならず補修工事さえ、少しずつ先延ばしされる状況にある。同

以下は、日本経済新聞掲載の「経営の視点」というコラム記事

模川流域右岸処理場、大阪中央水みらいセンター、甲府市浄化時に深刻な人材難から、改築・更新計画さえも自前で出来なくなの抜粋である。「製造業は3 段階の技術シーズを持たねばならな

センター、東京都みやぎ水再生センターの 5 箇所、稼動中は東りつつある。日本政府は平成 25 年に「インフラ長寿命化計画」をい。第 1は現在の主力商品の改良、改善に繋がる技術。第 2は

京都葛西水再生センター、神奈川県相模川流域右岸処理場の策定し、「新しく造ること」から「賢く使うこと」へと重点をおいた。そ次の主力商品に繋がる技術。第 3はモノになるか分からないが、2 箇所である。当初の計画値を大幅に上回る省 エネ効果も発揮

れを推し進めるために「新下水道ビジョン」を策定し、「下水道事可能性を秘めた技術」：シーズとは生産者志向（会社の実力）、している。技術陣及び関係各位の強い熱意に敬意を表すととも

業管理計画制度」に基づく「官民一体・官民共同（協働）」の方その対極にあるのがニーズ（顧客志向）である。月島機械の水環に厚く御礼申し上げたい。
＊１ 米カリフォルニア大学バークレー・チェスブロー准教授が提唱針を示している。幸いにも我々民間企業には「人・もの・金」があ

境事業の今があるのは、第 2までの技術開発を地道にやってきたる。民間企業の新たな出番が来たのである。公設 EPCからDBO

結果である。水環境事業が「次なるステップ」に踏み出すためにやPFIへと、多種多様なPPPが試されている。顧客の発注形態も、は、この「第 3 の可能性を秘めた技術」が大きな意味を持つのでTSK 技報 2015 no.18

5寄稿

過給式流動焼却技術
特別号に寄せて特別号刊行を祝う

技術開発にチャレンジした各企業においては、予想しないトラブ

Celebrating this special issue on theturbo-charged pressurized fluidized bed
sewage sludge incinerator technology
堀尾 正靱
Masayuki HORIO

過給式流動焼却技術の開発・実用化の知見と開発経緯等にルに巻き込まれることも多く、一時的には ｢あつものに懲りてなます

ついての、本特別号は、開発と実用化の長い道のりを経てこられを吹く｣ 状態に陥ることはしばしばであった（したがって、当時苦たご関係者のご苦労を顕彰する企画であり、流動層技術の研究

労された方々にとっては、本技術の実用化のような事例はまさにリに携わってきた者として、両手を挙げてその刊行を慶びたい。開ベンジというにふさわしい快挙と感じられるであろう）。

発段階での報告集ではなく、安定した商用運転を達成しつつあ

そのような苦難の時期を経て、90 年代以降は、技術的にはよりるという実績のうえに刊行される本特別号は、これからの社会へ

確実な開発が進められるようになった。しかし、技術開発は常にの貢献を展望する、まことに時宣を得たものであるが、同時に、高予想を越えた自然現象とのたたかいを含んでいる。90 年代以降

い学術的価値も有している。頂戴した寄稿の機会に感謝しつつ、にも、挑戦的な技術開発や新技術導入が企業経営までも危うく二三、思うところを述べたい。

しかねないような事例は散発している。ある場合には、不本意な

東京農工大学（名誉教授）

自然現象との遭遇によるものであり、ある場合には、競争的な環

Tokyo University of Agriculture and Technology
ホリオ・オフィスにて。1991 年 British CoalのGrimethorp PFBC
テストプラントから採取したベッド材サンプル瓶を手に。

Abstract
Concerning the TSK group’s new technology, the turbo-charged
pressurized fluidized bed sewage sludge incineration, I would like to

略歴＜学歴・職歴＞
1966 年

名古屋工業大学卒業

1966-71 年

名古屋大学大学院工学研究科博士課程

stress that it has been a significant innovation achievement of fluidi-（1974 年工博）

zation technology in Japan in terms of the following three points: 1)

1971-82 年

as a historical mile stone of sure technical innovation in contrast to

1974-76 年

those during the 1970s and the 80s, when development efforts were名古屋大学在職米国ウエストバージニア大学に出向（NASA PJ 等）

1982-2008 年 東京農工大学在職（1982 年 同助教授）

much intensive but many of them failed due to poor understanding

1990 〜

成蹊大学工学部講師（非常勤）

on scale up and risk management; 2) as an excellent and sure appli-

1991 年

東京農工大学教授（1995 同大学院教授）

2008 年〜
2008-13 年

cation of pressurized combustion concept, where pressure level ismuch lower than that of coal fired PFBCs but sufficient to reduce
electricity consumption for air blowing by applying turbochargers,

2008-14 年

bed incinerators. 3) as a good example of appropriate technology

ment risks by the good team-working of TSK and other plant companies and national research institutes for their common target.

境の中で、経験不十分な企業が受注したことによる事例もある。
また、当初予想した市場規模が実現できないといった場合もあ

今回の過給式流動焼却技術の開発・実用化に、わが国の技術る。不確定要素と向き合わなければならない技術開発に対して開発力の成熟を示す記念碑的な意義を見るのは筆者だけではあは、拡大製造者責任や株主への持続的利益還元等への配慮かるまい。

らも、全般的に消極的な気風がただよっているのが最近の現状

多段炉に代わる流動層焼却炉をわが国が米国の会社等からではないだろうか。

技術導入したのは1950 年代であり、流動層についての自主技術だが、巨大な有機体としての社会のいとなみ、すなわち「社会が確立するはるか以前であった。
その頃は、空気分散器一つをとっ的物質代謝システム」について言えば、そのイノベーションが止ても、腫れ物に触るように一切変更はしないという状況であったの

まることはない。問題は、未知との遭遇に満ちた ｢技術開発｣といであり、いまや隔世の感がある。その後 60 年代には、わが国でもうものの「創発的」なプロセスを、だれが、いつ、どうマネージす

流動層の基礎研究が盛んに進められ、技術も人材の厚みも大きるかである。今回の技術の実用化には、そういった面での教訓も同名誉教授

多々含まれているはずである。そこで、いったん歴史的経緯を振早稲田大学環境総合研究センター研究院

油精製や触媒反応分野だけでなく、石炭や重質油の燃焼・ガス

り返ったのち、その点にもどって議論をすることにしたい。

客員上級研究員化や廃棄物処理分野での流動層開発が、公的支援も相まって、

科学技術振興機構（JST）
社会技術研究開発
環境共生社会」領域総括

いっせいに行われるようになった。

加圧流動層開発史のなかでしかし、70 年代のわが国では、燃焼やガス化など複雑な化学

龍谷大学政策学部教授

反応群を含むプロセスについては、
プロセス開発からスケールアッ

過給式流動焼却技術の原理的ポイントの一つは加圧である。

（環境エネルギー・適正技術戦略）

プにいたる工業化のマネジメントやリスク回避の方法論は、官庁、燃焼反応の速度はほぼ圧力に比例して増加するから、加圧す企業経営者、技術者・研究者を問わず、まだ、ほとんど未経験・ることにより、同じ炉床面積で燃焼できる汚泥等の量も圧力に比『流動層の反応工学』、培風館、1984

未確立の状態にあった。筆者も後半で関わったサンシャイン・プ

例して増加していく。一方、圧力が上がると気体分子の衝突頻『流動層ハンドブック』（編著）、培風館、1999

ロジェクトの加圧流動床式石炭ガス化プロセス（夕張）を例にと度は増すが、同時に、分子同士が衝突するまでに飛ぶ距離の平『Handbook of Fluidization and Fluid-Particle Systems』,

れば、５t/d の炉の試験結果も待たずに40t/d 炉が設計・建設

均、すなわち、｢平均自由行程｣ は減少するので、両者の積に比2010-15 年

practice in the modern sense with lowered plant-costs by diverting
marine turbochargers for pressurization and with lowered develop-

わが国の技術開発史のなかでく改善されていった。第 1 次石油危機を経た70 年代になると、石センター（RISTEX）、「地域に根ざした脱温暖化・

to reduce N2O emission and as a whole to reduce GHG emissions ofsewage sludge incineration by 40% from those of ordinary fluidized

されてしまっていたという具合である。70-80 年代を通じ、多様な

＜主な著書
（共著）
＞

Marcel Dekker, 2003
『Handbook of Combustion』, Wiley-VCH Books, 2009
『Fluidized-bed Technologies for Near-zero Emission Combustion
and Gasiﬁcation』, Woodhead Publishing, 2013
『地域が元気になる脱温暖化社会を！― ｢高炭素金縛り｣を解く｢共-進化｣の社会技術開発―』、公人の友社、2014

6 TSK 技報 2015 no.18

TSK 技報 2015 no.18

7

例する「気体粘度」はほぼ一定にとどまる。こうして、流動化の指について月島機械殿と「文科省・民間との共同研究」を実施し、ク低減という視点からも、また、社会へのスムーズな実装という点か標である「最小流動化速度」
も、圧力の影響を受けなくなり、常圧それを見事に立証することができた 5-6）。そんなこともあり、1980 年

らも、有効であると思われる。

と同じ線速度で加圧空気を送るだけで必要な酸素量を供給する

代以降、流動層開発の知見やスケールアップのツールは飛躍的

以上のような理解から、本技術には、これから国内外への本格ことができるのである。

に改善されたといえる。しかし、それらが結実し、画期的な新技的な展開を期待するものである。ただし、その展開にはなお多くの加圧下で流動層燃焼を行うというアイデアは、英国中央発電

術につながるには、時間も運も必要であった。

委員会（CEGB）のダグラス・エリオットとレイモンド・ホイの有名な｢駐車場での着想｣（1967 年）にさかのぼる。かれらは早速この加圧流動層燃焼（PFBC）のアイデアを検証するため、MHD

課題を想定すべきであろう。比較的低いとはいえ加圧技術であることは、システムのライフサイクルが一巡するまでは、なお未経験の過給器付汚泥焼却技術のこれからに期待する事態に遭遇することを覚悟しておく必要がある。また、廃棄物処理
技術は公共的なものであり、これまでの行政の縦割りを廃し、他の廃棄物との統合処理や、エネルギー効率の高いプロセスとの統合８）発電試験用の圧力容器を転用して試験装置（MK１；6 気圧）を作り1969 年から70 年代中盤まで試験を行っていく。並行して、下水道施設から排出される温室効果ガス量は我が国全体の温など、さらなる合理性の追求が求められる。さらに、制度による手厚米国ウエスティングハウス社や EPA、アルゴンヌ国立研究所

室効果ガス排出量の約 0.5%（2011 年度）を占めており、中でも汚い保護の中にあるわが国の事業環境のなかから、諸外国に向けてなどとの連携も進み、その後設立されたエネルギー省のもとでの泥焼却での温室効果ガス排出量は施設電力によるもの（施設全体打って出ていくためには、過剰設計の徹底的な見直しとコンパクト

多数のプロジェクトや、わが国の石炭利用総合センター（現在のの50%を占める）に次いで2 番目（同上約 20%）となっている。この化も必要であろう。これらに伴って、新たな技術課題が押し寄せる

J-COAL）
や電源開発（株）のプロジェクトを経て、スエーデン、ア

ため汚泥焼却での消費電力、助燃燃料、N2O 排出等の削減を通ことは避けられない。技術陣にも経営陣にも、また関係各社や、研メリカ、スペイン、日本に設置された ABB 社の PFBC（16 気圧）

じてその大幅削減を行うことは、喫緊の課題であった。そのような究者の皆様にも、それらへの積極的対応をお願いするものである。

が出現するのである。わが国の九州電力苅田新 1 号機（IHI）は課題に応え、１）加圧の概念を適用しつつも、操業圧力を第二種

そのような未来への一層の展開を期待しつつ、本特集号刊行への圧力容器の規制対象とならない1.5 気圧 G 程度にとどめて、コンパ

お祝いの、筆を置くこととしたい。

いまも稼動中である。
PFBC 技術の開発経緯にはこれ以上深入りせず参考文献 1-4）をクト化と加圧による設備コスト上昇をバランスさせ、２）汎用の舶

示すにとどめたいが、未燃炭素やアルカリ金属を含む灰粒子の扱用過給器を転用して、エネルギー回収と供給空気の圧縮を低コス

い、すなわち、高温集塵を行うのか、それとも耐久性の高いガスターとN2O 生成を、それトで行い、３）電力消費（したがってCO2 排出）

参考文献
1）Ehlrich, S., History of the development of the ﬂuidized-bed boiler, Proc.

ビンを用いるのかの問題、あるいは、未燃炭素の層内での沈積とぞれ約 40%も削減し、汚泥焼却技術の諸課題を一挙に総合的に固定層燃焼によるクリンカー生成の問題など、加圧下での固体燃解決した本技術開発のすばらしさは、何度強調しても足りないほど

2）Hoy, H.R., A.G. Roberts, J.E. Stantan, 1 Introduction, Pressurized

焼に伴ういくつかの課題がクリアされていった。また、粉粒体であである。もちろん、多数の課題を同時解決してみせたイノベーショ

Fluidized Bed Combustion, ed. by M.A. Cuenca and E.J. Anthony,

る石炭を圧力容器の中に供給する抗圧給炭法も、加圧であるから

ン例は、技術開発の歴史のなかにちりばめられているが、今回のこその問題であった。上記 PFBCにおいては石炭を水スラリーの開発は、さらに次の二つの意味でも注目すべきものであることを付形で抗圧供給している。さいわいなことに、もともとスラリー状であ言しておきたい。

る汚泥の場合には、上記の問題はない。しかし、当該技術のさら第１は、舶用の過給器という汎用機を転用したことの「適正技7）なる展開を考えるときには、未燃炭素を含む灰の挙動制御や廃棄術」 的性格である。わが国の技術開発が、ともすれば性能至上

物等の燃料供給は、あらためて大きな課題要因となりうる。

主義で適正技術的視点を欠落させていることを考えるとき、この点

筆者は、1974-76 年ウエストバージニア大学に滞在し、米国におけるPFBC 等の開発に直に接し、帰国後は、流動層内の諸現は十分評価するに値する。
第２は、開発のプロセスが多くの主体によって担われ、「協働開象の解明を、バブリングから循環流動層まで、また常圧から加圧発」の趣をなしていることである。本技術のような公共性の高い技

流動層までをカバーして、基礎研究に励んだ。とくに層内現象の術の場合には、特定の一社だけが突出し、全てのリスクを背負っ「相似則」については、粒子混合にまで相似が成り立つかどうかて推進する形ではなく、今回のような協働型のアプローチが、リス

8 TSK 技報 2015 no.18

4th Intl. Conf. on FBC, The MITRE Corp., McLean, Va., pp.15-20, 1976

Blackie Academic & Professional, pp.1-37, 1995
3）堀尾正靱、石炭の加圧流動層燃焼、日本機械学会誌、97、pp.203-205, 1994
4）Kamiya, H., K. Deguchi, J. Gotou, M. Horio, Increasing Phenomena of
Pressure Drop During Dust Removal using a Rigid Ceramic Filter at High
Temperatures, Powder Technology, 118, pp.160-165, 2001
5）Horio, M., M. Takada, M. Ishida, N. Tanaka, The Similarity Rule of
Fluidization and its Application to Solid Mixing and Circulation Control,
Fluidization, Engineering Foundation, pp.151-158, 1986
6）堀尾正靱、石田守、高田真木、田中法親、流動層のスケールアップと粒子混合過程の相似則、化学工学論文集、14、pp.739-747, 1988
7）堀尾正靱、現代技術社会においてなぜ「適正技術」思考が必要か、人間科学研究 ,26（2）, pp.163-179, 20138）堀尾正靱、巻頭インタビュー・東日本大震災後の環境・エネルギー問題の考え方、
環境施設、No.129（9）, pp.1-10, 2012

TSK 技報 2015 no.18

9

開発
ストーリー
1 はじめに④流動炉は普及、稼働開始から20 年を経過し、近い将来代替が必

脱水汚泥は我が国では現在そのほとんどが焼却処理されている。焼

⑤地球環境問題への関心の高まりにより、下水汚泥焼却プロセスか却炉の主流は流動層（床）型が現在主流となっている。この流動焼却ら発生する亜酸化窒素（N2O）の排出量低減が強く求められている

炉の新しい形式として、高温高圧の排ガスのエネルギーを回収して省が、当時の流動炉では対応が困難である。

要であるが、流動炉での根本的な技術革新がない。

過給式下水汚泥焼却炉の開発
̶ 石炭燃焼から下水汚泥焼却炉への技術移転の一例 ̶Development of turbo-charged pressurized fluidized bed sewage
sludge incinerator, a technology transfer from coal combustion to
sewage sludge combustion

エネルギー化を図る新型炉を、国立研究開発法人産業技術総合研究

この様な認識から、土木研は流動炉の利点は認めるものの、将来の所（以降産総研と略称）、国立研究開発法人土木研究所（以降土木研更新に備え、少なくとも既存の流動炉を省エネルギー型に転換する必と略称）、月島機械、三機工業の4 社で実用化することができた。本稿

要性を強く感じ、勉強会の発足に至ったと聞いている。

ではこの過給式下水汚泥焼却炉（以降、本文では過給炉と呼ぶ）の基となった技術である石炭の加圧流動層燃焼技術、この技術を石炭燃た高温高圧の排ガスからのエネルギー回収で省 エネルギー化を図焼から下水汚泥焼却に転用した開発過程とその中で解決してきた技術る可能性が注目され、最終的に当時石炭の加圧流動層燃焼の基礎

課題のいくつかを紹介する。本技術の詳細や実用機の状況等は本特研究を行っていた産総研に共同研究の打診があり、実用化研究がス

集号の別の論文に譲り、本稿では石炭燃焼に起源をもつ加圧流動層

タートした。これには実は伏線があり、筆者と土木研の担当者は当時燃焼技術の下水汚泥焼却炉への転用の経緯と開発途上での問題点

つくばで行われた省庁横断型の研究で面識があった。その研究は本のいくつかを紹介する。

技術にも関係のある、メタンと亜酸化窒素のインベントリー推定の研

2 開発の経緯は排出係数の実測値が皆無で、農水省の各研究所、環境研究所、Abstract
A new fluidized bed sewage sludge incinerator combined with a turbo-charger is recently put to

究である。1990 代中頃、亜酸化窒素やメタンのインベントリー推定で産総研、土木研等の各研究所の専門家が集まり、手探りで農業関practical use. Fundamental technology used in this incinerator is originated with pressurized fluid-

鈴木 善三

この勉強会の中で、加圧流動層による汚泥焼却と焼却により生じ

ized bed combustion (PFBC) with combined cycle power generation. This new incinerator does

本技術開発の経緯をまとめると表 1の様になる。本技術開発の発端

not generate power but generates pressurized air used for combustion air. However, forced andは土木研が主催した新規焼却炉に関する勉強会である。2000 年に

筆者は化石燃料利用施設からの N2O のインベントリー推定を担当しinduced fans can be omitted in this system. This leads about 40% of energy saving comparing with

土木研で、月島機械を含む下水汚泥焼却炉メーカー数社による新規たが、この過程で下水汚泥の焼却プロセスからの N2O 排出係数のconventional fluidized bed incinerators. In addition, low environmental impact, such as low NOx

下水汚泥焼却炉の勉強会が発足した。当時土木研では、現在でも主測定を担当した土木研を支援した。この縁で、当時筆者が研究してand N2O emissions, is achieved. On the contrary, original PFBC technology for coal combustion

流の流動層型下水汚泥焼却炉（以降、流動炉と呼ぶ）について次のいた石炭の加圧流動層燃焼技術を土木研の担当者に説明する機会

currently cannot be used for commercial power generation system because of some weak points

様な認識を持っていた。

があり、それが本技術開発のヒントになったと、後で聞いた。この様なYoshizo SUZUKI

for commercial unit, such as low reliability and low thermal efficiency. However, PFBC technol-

国立研究開発法人
産業技術総合研究所
つくば西事業所
創エネルギー研究部門炭素資源
転換プロセスグループ
上級主任研究員

ogy itself has a great potential as a solid fuel combustor. The turbo-charged pressurized fluidized
bed sewage sludge incinerator, we recently developed, is one of the best examples in technology
transfer from coal combustion to sewage sludge combustion. This article describes the original

連、産業関連、自動車、廃棄物関連の排出係数の測定から始めた。

経緯で筆者に過給炉の共同開発の話が持ち込まれたわけであるが、次項で本技術の背景として重要な加圧流動層燃焼技術をまず説明
表 1 過給式下水汚泥焼却炉の開発の経緯
Table1 Development history of turbo-charged pressurized ﬂuidized bed sewage
sludge incinerator.

する。

3 過給炉の背景となる技術

PFBC technology including current status and development history of the turbo-charged pressurized fluidized bed sewage sludge incinerator.

3.1 石炭の加圧流動層燃焼の歴史
下水汚泥の新規焼却炉として共同開発した過給式下水汚泥焼却炉の原型は石炭の加圧流動層複合発電技

高温に保った気 - 固流動層中で固体燃料を燃焼させる流動層燃焼術である。ただし本技術では発電は指向せず、高温高圧排ガスからの機械的エネルギーの回収（圧縮空気の製造）（Fluidized Bed Combustion, FBC）のアイデアは第 2 次世界大戦に留めているが、省エネルギー性は充分確保できた。この技術について、
その開発過程を説明するため、基本となっ前まで遡れるが、実際に本格的な開発が行われたのは第 2 次世界大ている石炭の加圧流動層燃焼技術についてその現状を含めて説明した。石炭の加圧流動層複合発電技術は2000 年代初頭にその限界が明らかになり、商用発電技術としては現在停滞している状況にある。
しかしながら、戦後である。特に開発が本格化したのはオイルショック（1973 年）後で燃焼器部分である加圧流動層燃焼自体のポテンシャルは高く、これを利用するプロセスの登場が待たれていた。

ある。FBCの特徴は、（1）燃料に対する柔軟性が極めて高く、広範今回開発した過給炉では加圧流動層燃焼のポテンシャルを活かしつつ、エネルギー回収機をガスタービンから囲の燃料を使用できる、（2）対環境性に優れ、大気汚染物質（NOx、

過給機に変更することにより石炭の加圧流動層複合発電技術の弱点を克服することが出来た。今回の技術は石炭燃焼で開発された基本技術の焼却炉への転用の好例であると言える。

SOx）の排出量が従来の燃焼装置に比べ格段に低い、であるが、こ①汚泥処理にはガス化、熱分解等の技術もあるが、焼却プロセスは単純で今後も主流と考えられる。その中でも、流動炉は脱水汚泥の適であったからである。FBC 技術の本格的な開発は1960 年代にス

焼却プロセスとしては非常に優れている。

タートしているが、加圧流動層燃焼（Pressurized Fluidized Bed②脱水汚泥の含水率が脱水技術の進歩により年々低下し、将来自燃

Combustion, PFBC）技術の開発も意外なほど早く、1967 年に英国可能になると予想される。余剰の熱 エネルギーを利用可能なプロのBCURA（British Coal Utilization Research Association）でセスが必要であるが、流動炉はこれに対応していない。

すでに行われている。その後、欧米を中心に研究開発が行われ 1-3）、③現状の流動炉は、補助燃料や送風・排気動力等多量のエネルギー

オイルショック後にはFBCの商用化に続いて、1991 年初頭には、米国を消費するエネルギー多消費型のプロセスであり、②の観点からでPFBC 複合発電実証機（Tidd, 74MWe）が稼働し、続いて3 機のも少なくとも省エネルギー化、将来は創エネルギー型のプロセスへ

商用機がスウェーデンとスペインで運開した 4）。

転換する必要がある。

10 TSK 技報 2015 no.18の特性が石油に代わる燃料として取り上げられた石炭の燃焼に最我が国においては、常圧 FBC 技術が国家プロジェクトとして取り上TSK 技報 2015 no.18

11

Development of turbo-charged pressurized fluidized bed sewage sludge incinerator,
a technology transfer from coal combustion to sewage sludge combustion

開発ストーリー 過給式下水汚泥焼却炉の開発 ̶石炭燃焼から下水汚泥焼却炉への技術移転の一例̶

げられ積極的な国の資金援助の元で開発が行われてきた経緯もあり、立の技術であり、石炭の加圧燃焼による複合 サイクル発電の燃焼器

PFBCの開発はやや欧米に比べ遅れた。図 1に我が国において、国部分が流動層燃焼形式であるものが、石炭のPFBC 発電プロセスと家プロジェクトとして行われたFBC 技術開発の経緯を示す。FBC 開言える。

3.3 PFBCの現状

たものの、それを複合発電プロセスの燃焼器として採用した場合、多この様に、石炭を利用する高効率発電システムとして1990 年代にくの欠点が生じるためである。PFBCを複合発電と切り離せば、活用は注目されたPFBC 技術であるが、結果的には2000 年代初頭にはその余地は充分あると当時筆者は判断していた。この様な状況で、産発は電源開発若松石炭利用技術試験所（北九州市）
における実証プ

図 2に石炭を燃料とした典型的なPFBC 発電システムを示す。燃の限界が明らかとなり、また、PFBCの競合技術である石炭ガス化複総研でもPFBC 研究の是非が問われていた時期の過給炉の開発のラント開発を中心に実施され、常圧 FBCについては20t/d、160t/d 規焼炉本体は加圧容器に収容され、石炭と加圧空気は容器外部より連合発電技術（Integrated coal Gasiﬁcation and Combined Cycle

提案は、筆者が模索していたPFBCの新しい利用法に合致するもの
で歓迎すべきことであった。

模のパイロットプラントを経て、その成果は最終的には電源開発竹原続供給される。天然ガス等の複合発電システムの場合はクリーンな排power generation, IGCC）が送電端で4 3〜 45%の熱効率を達成

2 号機（350MWe）の建設として結実した。本機は現在世界最大の商ガスが得られるので、そのままガスタービンに排ガスを導くことが可能し、その頃実用化段階に入ったことから、世界的にPFBCの技術開用発電用バブリング型 FBCで順調に稼働している。常圧 FBCの開であるが、石炭焚きPFBCの排ガスは通常灰を多量に含むため、ガス発と商用運転は停滞している。我が国で建設された商用 3 基のうち、発が終了した頃、既に欧米ではPFBCの開発が進んでおり実証機のタービン翼を摩耗から守るため何らかの脱塵システムが必要となる。

苫東厚真 3 号機は廃止、中国電力大崎１号機は休止設備となり、現段階にあったことは既に述べたとおりである。我が国においても、FBC流動層には脱硫剤である石灰石を石炭と共に投入し、炉内脱硫を行在（2015 年）九州電力苅田新１号機が商用運転されているのみであの高度化の観点からPFBCの開発が引き続き取り上げられ同試験所

う点は常圧 FBCと同様である。こうした複合発電システムを組むことる。石炭のPFBC 複合発電の問題点は、において71MWe 規模の実証プラントでの研究が開始された。

で、石炭焚きPFBC 複合発電では、発電端効率で42%程度が達成①灰の溶融を避けるためガスタービン入り口温度が 850℃付近に制限可能である5）。従来の微粉炭火力と比べ、2 〜 3ポイント熱効率の向され、熱効率が低い。蒸気条件の改善に伴いPFBCと遜色ない熱

若松でPFBC パイロットプラントの研究が進行する一方で、国内電力各社はPFBCの潜在的能力に注目し商用機の建設を具体化上が可能で、これは石炭使用量にして7%程度の節約となり、CO2 排

し、北海道電力苫東厚真 3 号機（1998 年、85MWe）、中国電力大出量も削減される。

崎１号 機（2000 年、250MWe）、九 州 電 力 苅 田 新１号 機（2001 年、360MWe）の3 基が建設された。

PFBCによる複合発電の利点としては、（1）高酸素分圧下での燃焼のため、常圧 FBCでは高い燃焼効率が得られなかった炭種でも高い効率が既存の微粉炭燃焼形式でも得られる。
②高温の除塵システムが必要となるが、セラミックフィルターは信頼性にやや難がある。
また、サイクロンでは除塵が完全ではなく、ガスター
ビン翼の摩耗が激しく、メンテナンス費がかさむ。

燃焼効率が得られ、利用炭種の拡大が可能である。（2）操作圧力にである。このため、稼働率が微粉炭燃焼ボイラに比べ低くなりがちで、比例して燃焼負荷を高められる。（3）PFBCにおいても常圧 FBCの商用発電装置としてはあまりメリットがない。筆者が参加したFBCの国

低環境負荷特性（低 NOx, 低 SOx）が継承される。むしろ、高圧化に際会議（19th Int. Symp. on FBC, Vienna, 2006）
での基調講演で使よりさらに低環境負荷特性が向上する、等が挙げられる。PFBC 発

われた、 PFBC is deeply sleeping の表現がその象徴と言える。

電システムでは図 2に示されるとおり、重要な構成要素として（1）加圧流動層ボイラ、（2）乾式高温脱塵装置、（3）ガスタービン、がある

4 過給炉の開発過程と解決が必要であった課題がこれらの構成要素のほとんどは既存技術及びその延長線上にあり、PFBC 発電システムの開発は技術的には容易とされていた。

4.1 産総研での加圧流動層燃焼研究
産総研では1990 年代中頃から加圧流動層燃焼の基礎研究を開始
した 6, 7）。研究への参加が遅かったため、研究手法としては他の研究機関にないものを目指した。図 3に当所で製作したPFBCのための実験設備の概要を示す。加圧流動層燃焼装置は圧力に耐える構造が必要なため、通常実験室規模では装置そのものを耐圧構造にすることが多い。そのため、燃焼状態の観察が困難であることから実際に石炭が燃焼している状態を観察した例は少ない。そのため実際に加圧雰囲気下で燃焼中の石炭を直接観察するため、加圧容器及び同加圧

図 1 日本におけるFBCとPFBC 開発のスケジュール
Fig.1 National development program of FBC and PFBC in Japan.

容器に収容し連続燃焼を実現するための透明石英製の燃焼装置を設計製作した。図 3の上段に加圧容器の写真と（ステンレス製、内径

図 3 PFBC 実験システム、上段：加圧容器、下段：実験システム
Fig.3 Schematic diagram of lab-scale PFBC. Upper: Photograph and schematic ofpressure vessel. Lower: Whole system ﬂow diagram of lab-scale PFBC.

1200mm、円筒部分高さ2800 加圧容器 mm、3 分割）の概略、下段に実験室規模の流動層燃焼装置の全体構成を示す。本装置で石炭の燃焼状態等を直接観察したが、PFBCの燃焼装置としてのポテンシャ
ルを良く表す例として、図 4に石炭灰の性状を写真で示す。典型的な

3.2 石炭の加圧流動層燃焼の原理

瀝青炭をほぼ同サイズの常圧と加圧バブリング型流動層燃焼装置でPFBCは常 圧 FBCを発 展させ、1〜 1.5MPaの加 圧 条 件 下で高燃焼させた場合の灰の性状は、写真に示されるように常圧条件では灰温に保たれた流動層内で石炭等の固体燃料を燃焼させる技術であ

中未燃分が 7%と高く黒色であるが、加圧条件（0.8MPa）では灰中未る。燃焼炉からは高温、高圧の排ガスが生成するので、ガスタービ
ンに導き通常発電を行う。また、タービン排ガスの廃熱と流動層内に設けられた伝熱管で蒸気を発生させ、蒸気タービンで従来と同様な燃分が 0.5%程度となり、灰色となる。この様にPFBC 条件では、燃焼
図 2 石炭焚 PFBC 発電システム
Fig.2 Typical ﬂow sheet of coal ﬁred pressurized ﬂuidized bed combined cycle
power generation.

速度の遅い固体燃料でも酸素分圧が高いため大きな燃焼速度が得られるため、結果的に灰中未燃分も低下し燃焼効率も高くなる。

発電を行う、いわゆる複合発電システム（Combined cycle power

図 4の写真に示されるように、PFBCそのものは固体燃料の燃焼装

generation）を形成するのが通常の利用法である。このようにPFBC

置として非常に高いポテンシャルを有していることがわかる。石炭の商技術は複合 サイクル発電技術と密接な関係にあるが、本来両者は独

用 PFBC が頓挫したのは、PFBCそのものは高いポテンシャルがあっ

12 TSK 技報 2015 no.18

図 4 石炭の常圧 FBCとPFBCでの灰の比較
左：常圧、右：加圧
Fig.4 Photograph of ash produced by FBC and PFBC. Left: Atmosphericcondition. Right: Pressurized condition (0.8MPa).

TSK 技報 2015 no.18

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Development of turbo-charged pressurized fluidized bed sewage sludge incinerator,
a technology transfer from coal combustion to sewage sludge combustion

開発ストーリー 過給式下水汚泥焼却炉の開発 ̶石炭燃焼から下水汚泥焼却炉への技術移転の一例̶

4.2 過給炉と石炭 PFBC 複合発電の相違

4.3 脱水下水汚泥の加圧流動層条件での燃焼特性（灰の挙動）

が、脱水汚泥の場合には石炭と異なる燃焼状態を経ること、図 7の写より、フリーボード最下部（流動層表面）における未燃ガス組成を推定燃焼装置としては高いポテンシャルを有するPFBCを利用して、複開発初期では、産総研は図 3に示した石炭のPFBC用の実験装置

真にあるとおり汚泥灰が褐色（酸化鉄）を呈するほど、汚泥分離の過程

し、化学動力学ソフトウェア CHEMKIN-Ⅲを用い、フリーボード部は合発電の様に排ガスからのエネルギー回収を図るというアイデアを実を用いて脱水汚泥の加圧条件下での燃焼特性を調べた。研究にあで多量の凝集剤（この場合ポリ鉄系）
を添加すること、等が理由と後で一次元流れと仮定してガス状未燃分の燃焼速度を計算した。計算結現させるためには、石炭のPFBC 複合発電で顕在化した問題点を克たって既往文献を調査したが、脱水汚泥の加圧流動層での燃焼特性判った。脱水汚泥の場合、汚泥塊が乾燥過程において流動層内で比果からフリーボード各位置における体積熱発生速度Q kW/m3を炉壁服する必要がある。その大きな問題点は、高温の除塵とガスタービン

に関する研究報告は皆無であった。この段階で筆者が最も危惧した

較的細かく粉砕されること、層内で燃焼するチャーによる発熱は乾燥の熱伝達係数をパラメータにして求めた結果を図 9に示す。計算によ翼の摩耗であることは前述したとおりである。本技術開発の初期には、のは、加圧燃焼による燃焼速度の増大とそれに伴う流動層内部での汚泥全体の発熱量の1/4〜 1/3 程度であり、層内での発熱速度は石り、層表面 2m 付近で局所的に未燃ガスの燃焼反応が活発になり、大石炭にならってガスタービンによるエネルギー回収を模索したが、大局部高温域の形成とそれによる灰の溶融である。図 5は石炭を図 3の炭ほど大きくないこと、灰中の低融点アルカリ成分の溶融が添加されきな熱の発生があることが判る。これにより図 8の加圧条件での局所規模石炭発電（数千 t/d）と汚泥焼却（数百 t/d）では規模が決定的装置で1MPa、空気速度を最小化流動化速度u mf 付近で操作し、層た鉄により抑制されること、これらの理由により、石炭の様なアグロメレー

的な高温場形成が説明できる。常圧の条件での計算結果では、燃焼に異なり、ガスタービンの使用はコスト的に見合わないことは早々に明内の熱発生速度を極めて高い状態にした場合に発生したアグロメレー

ションを生じにくくしている。この試験結果により、基本的に加圧流動層

反応速度が最大となるのは層表面 3m 以降であり、その場合は放熱をらかとなった。その中で出てきた過給機による排ガスからのエネルギーション（灰の溶融固化物）の写真である。これは意図的に発生させた燃焼条件での脱水下水汚泥の燃焼には特筆する問題は無く、システ

考慮すると加圧条件ほど局所的な高温場形成には至らない。以上の回収は、コスト以外でも多くの利点を有している。

ものであるが、加圧流動層ではこうしたアグロメレーションの生成は致

ムとしては成立する可能性が高いことが確認され、次のパイロット規模

ように、理論的にも加圧流動層条件での脱水汚泥の燃焼は、フリーボー①過給機駆動に要求される排ガス圧力は0.1〜 0.2PaGで、燃焼装置命的となる。下水汚泥は低融点成分であるNa, K, Ca 等を大量に含の実証試験に進むことが出来た。加えて、脱水汚泥の加圧流動層燃

ドに自然に局所高温域を形成しN2Oの分解反応を促進するため、結に高価な圧力容器を必要としない。燃焼装置操作圧力は低くなる

んでおり、石炭の数倍から数十倍のこうした低融点成分による灰溶融

焼条件での燃焼では、NOxやN2Oの排出量が常圧条件に比べ低く、フリー
果的に低 N2Oを実現することが確認できた。従来のN2O 対策に、が、操作圧力の燃焼に与える影響は対数的なものであり、この低圧の可能性は否定できなかった。

環境特性も良好となることも合わせて確認された。

ボード部に二次空気や場合によっては補助燃料を吹き込んで、意図的に高温場を形成させる方法があるが、それを内在していると言える。

脱水汚泥の燃焼実験には図 6に示す電気炉加熱方式のステンレ

条件でも加圧の効果は充分期待できる。
②過給機の駆動温度も500℃台であり、この排ガス温度では石炭でス製気泡流動層燃焼装置を用いた 8）。加熱源としてスーパーカンタル問題となったセラミックフィルターによる高温除塵も、充分信頼性が発熱体を使用し、4 回路構成、各回路の容量は6kW（200V×30A）、

4.4 長万部町での5t/d パイロットにおけるN2O 低減効果の解明
研究の後期段階では長万部町での5t/d パイロット機による実証試

合計 24kWの大容量となっている。このため、含水率の高い脱水汚泥験が主体となったが、この中で過給炉の持つ省 エネルギー性と並んが供給された場合でも安定な燃焼が維持できる。内径は80mm、高さでもう一つの特長である低 N2O 排出量について、理論的に解明した。

まっても、送風機や排風機の省略による電力削減が大きく、充分省

は1300mmで、下部には焼結ステンレス板が空気分散板として設置前述したとおり、次世代の下水汚泥焼却プロセスは、省 エネルギー

エネルギー性が実現できる。

されている。脱水汚泥は、装置最上部に設置された垂直投入管より性と並んでN2Oの排出量が小さいことが必須である。これは、人為的担保でき過給機の長時間運転が可能になる。
③発電をせず、単に機械的エネルギー回収（加圧空気の製造）にとど④脱水下水汚泥中の多量の水分は、過給機の駆動ガスとして利用で高圧ポンプ（モーノポンプ）により連続的に供給した。排ガスラインにN2O 排出源に占める下水汚泥焼却プロセスの割合が無視できない大きる。また、水分を含むことにより、高圧ポンプによる高圧環境下へはセラミックフィルターを設置し、排ガス中に同伴される灰分を分離しきさであるからである9）。過給炉は実証試験の結果、N2O 排出量が従の汚泥の連続供給が容易となる。もともと汚泥と加圧流動層燃焼はた。操作圧力は最高 0.8MPaとした。

来機の1/3 〜 1/2になることが確かめられた 10）。N2Oの生成・分解の実験の結果、全ての圧力条件で図 7に示す写真の様に供給した脱メカニズムは1990 年代から解明が進み、現在ではその大部分が解明

この他、加圧燃焼そのものに由来するメリットとして、ガス体積の圧縮

水汚泥中の灰分はほとんどがフライアッシュとして排出され、流動層内されており、関係する数十の素反応速度データは整備されている11）。

による装置体積、配管類の減容化とこれに伴う放熱損失の減少、運転にはほとんど残留せず、危惧していた流動層内での灰の溶融は生じな

単純な系ではN2Oの生成量を精度良く予測可能である。メカニズム

パラメータに操作圧力が加わることによる運転条件の柔軟化、燃焼速

いことが確認された。これは、後の長万部町でのパイロット試験でも確的には、等がある。
度の増大による局部高温化によるN2Oの削減（後述する）

認されている。本来なら、流動層内で灰の溶融が生じうる条件である相性が良い。

NCO + NO = N2O +CO（1）

N2O = N2 + O（2）N2O + H = N2 +OH（3）

図 8 5t/d 実証機でのフリーボード温度分布の一例
Fig.8 Temperature proﬁles in freeboard section of 5 t/day scale pilot turbocharged pressurized ﬂuidized bed sewage sludge incinerator.

と（3）は、の反応が重要であり、特にN2Oの分解反応である反応（2）高温で卓越する反応であることが判っている。下水汚泥の流動焼却
炉では、汚泥の乾燥、熱分解による揮発分の発生とN2O 前駆体の生成、揮発分の燃焼、等複雑な過程を経るため、高精度の予測は困難である。しかしながら、経験的に反応（2）と（3）の温度に対する依存性が大きいことから、フリーボードの最高温度を指標に最終的なN2O
発生量を予測する手法が有効である。
図 8は長万部町の5t/d 実証試験機で得られたフリーボードの温度
図 5 石炭の場合に流動層内で生じたアグロメレーション
Fig.5 Photograph of agglomerate produced in the ﬂuidized
bed at pressurized condition.

図 7 セラミックフィルターで回収されたフライアッシュ
Fig.7 Photograph of ﬂy ash separated by ceramic ﬁlter
module attached with the lab-scale ﬂuidized bed combustor.

分布の一例である。層表面から2m 付近（ガス分散版から3m 付近）の温度が局所的に高くなり、以降炉出口に向かって温度が低下する
温度分布を形成している。これに対し、同サイズの常圧炉ではフリー
ボード温度が炉出口に向かって単調に増加する温度分布を示してい

図 6 脱水汚泥燃焼装置の概略
Fig.6 Schematic diagram of lab-scale ﬂuidized
bed combustor for wet sewage sludge.

る。加圧条件ではフリーボード下部に局所的に1200Kに達する高温場が形成されていることが、大きな特長であり、この局所高温場により
N2O 生成が抑制されていることは明らかである。この結果を理論的に確認するため、化学動力学計算を試みた 12, 13）。汚泥の熱分解データ

14 TSK 技報 2015 no.18

図 9 フリーボードでの体積発熱速度の計算結果
Fig.9 Calculated volumetric heat production rates in freeboard.

TSK 技報 2015 no.18

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開発ストーリー 過給式下水汚泥焼却炉の開発 ̶石炭燃焼から下水汚泥焼却炉への技術移転の一例̶

5 おわりに参考文献
1） Anderson, J. and S.A. Jansson: Commissioning experience from three

筆者の専門は石炭の流動層燃焼であり、この分野で長年研究を続けてきた。常圧の気泡型流動層燃焼にはじまり、次いで循環流動層

PFBC plants, Proc. 11th Int. Conf. on Fluidized Bed Combustion, p.787793, 1991.
2） Hippinen, I. and A. Jahkola: The Experimental Studies of Pressurised

燃焼、そして最後にたどり着いたのが加圧流動層燃焼であった。このFluidised Bed Combustion at Helsinki University of Technology 1991-92,

最後に出会った加圧流動層燃焼は石炭等の固体燃料の燃焼装置とHelsinki University of Technology, Espoo, Finland, 1993.

しては極めて高い性能、すなわち大きな燃焼速度、高い燃焼負荷、
低 NOx 性を示し、それまでの燃焼装置とは一線を画するものである。
ただし、実用機としての使用法は大規模な複合発電に限られるというのがこの分野での常識的な考え方であった。その後、本家の石炭分
野では残念ながら加圧流動層燃焼技術は多くの問題を抱えて技術開発は停滞してしまった。この基本技術である加圧流動層燃焼の下水

3） Lu, Y., I. Hippinen, J. Jalovaara and A. Jahkola: Emissions of Nitrogen
Oxides (NOx & N2O) in Pressurised Fluidised Bed Combustion, Helsinki
University of Technology, Espoo, Finland, 1993.
4） 新エネルギー・産業技術総合開発機構報告書：炭化水素系エネルギー資源利用技術の総合開発に関する調査報告書 , 2001.
5） Cuenca, M. A. and Anthony E. J. ed., Pressurized Fluidized Bed
Combustion, Blacke Academic & Professional (London), 1995.
6） Suzuki, Y., H. Hatano and H. Moritomi: Experimental Study of Pressurized

汚泥焼却炉への転用というアイデアを持ち込まれたときは驚いたが、Fluidized Bed Combustion by Using a Laboratory Scale Combustor, Proc.

石炭での状況から正直実用化には不安があった。しかしプロセスの17th Pittsuburg Coal Conference, Pittsuburg, 2000.

検討を続け、特にガスタービンから過給機への変更がブレイクスルー
で、このアイデアにより石炭で露呈したシステム全体の弱点を克服で

7） 鈴木善三、守富寛、幡野博之：実験室規模の加圧流動層燃焼における窒素酸化物の生成特性

̶チャーによるNOx 分解̶、日本エネルギー学会誌、

p.773-779, 2005.

きる見通しが得られた時点で、不安は一掃された。ただし、基本シス

8） Suzuki, Y., Ochi, S., Terakoshi, K. and Iwai Y.: Combustion of sewage

テムが feasibleということであり、実用化には月島機械をはじめとする

sludge in a pressurized ﬂuidized bed combustor, Proc. 19th Int. Conf.

メーカーの努力があって、はじめて実用化できたものである。今回の過給炉の開発は、結果的に廃棄物焼却分野では、世界で初めて加圧流動層燃焼を用いたプロセスを実用化した例になったと思われる。
今回の技術開発は、ある分野で「落第点」をとった技術でも、目的やon Fluidized Bed Combustion, Vienna, Austria, 2006.
9） 温室効果ガスインベントリオフィス（GIO）
編、環境省地球環境局温暖化対策課
監修：日本国温室効果ガスインベントリ報告書、p.8/16-17, 2008.
10）長沢英和、山本隆文：過給式流動焼却炉の実証運転、TSK 技報、No. 9, p.613, 2008.
11）Konnovv, A.A.: Implementation of the NCH pathway of prompt-NO

評価軸が異なる別の分野なら充分転用・活用ができることを示した

formation in the detailed reaction mechanism, Comb. & Flame, p.2093-

好例だと思う。技術史等を調べるとこの様なことは技術開発の中では2105, 2009.

珍しいことではないようである。技術者、特に若い技術者へ、今回の過給炉の開発の経緯が一つの教訓になれば幸いである。

12）村上高広、北島暁雄、鈴木善三、長沢英和：過給式流動炉を利用した下水汚泥
燃焼場におけるNO-N2O 排出特性、TSK 技報、No. 13, p.6-10, 2010.
13）北島暁雄、村上高広、鈴木善三：加圧流動層炉運転時燃焼特性に関する詳細化反応を考慮した数値解析、第 47回燃焼シンポジウム予稿集、
p.364-365, 2009.

実績紹介

16 TSK 技報 2015 no.18

TSK 技報 2015 no.18

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Pressurized fluidized bed incineration, Turbocharger, Independence, Greenhouse gas emission, Reduction effect

実績紹介

過給式流動焼却設備の実用運転
Practical Operation of a Pressurized, Fluidized Bed Incineration
System1 はじめに

2 設備概要東京都葛西水再生センター（以下、葛西）の1 号炉（300t/日）
および「過給式流動焼却炉」は図 1に示すように流動焼却炉と過給機を組

神奈川県相模川流域右岸処理場
（以下、
四之宮）
の北系 2 号炉
（100t/

み合わせた焼却設備である。圧力下で脱水ケーキを燃焼し、その燃焼

日）に過給式流動炉を採用いただき、現在は順調に稼働中である。

排ガスが圧力の低い大気圧下の煙突に向かって流れる過程に過給機

過給式流動炉は省エネ化を図るために開発した気泡流動炉と過給が設置されており、これを駆動する。駆動した過給機は外気を取り込ん機を組み合わせた焼却炉であり、圧力下で脱水ケーキを焼却する。焼で圧縮空気を生み出し、
燃焼空気として炉に供給することが可能となる。

却炉で発生した燃焼排ガスが過給機に導入されてタービンを駆動し、これによって、従来の焼却設備で必要であった流動ブロワおよび誘引

コンプレッサーで圧縮空気を製造する。このシステムにより消費電力、ファンが不要となる。また、過給機の仕組みについて図 2に示す。脱水

補助燃料使用量および N2O 排出量が削減される。

ケーキは含水率が高く、従来炉ではこの水分が燃焼の妨げになってい本報では、東京都および神奈川県で実用運転されている過給式流たが、過給式流動炉では脱水ケーキ中に含まれる水分が焼却炉で蒸動焼却設備の概要、稼働状況、エネルギー削減効果および温室効果発するときのボリューム増加エネルギーを含んだ燃焼排ガスが過給機

ガス排出量の削減効果について報告する。

タービンの駆動源となっている。

Abstract
The pressurized, fluidized bed incineration systems that we built at the Kasai
Water Reclamation Center of the Tokyo Metropolitan Area and at the Sagami
River Basin Right-bank Treatment Plant of Kanagawa Prefecture last year are

山本 隆文
Takafumi YAMAMOTO
水環境事業本部
ソリューション技術部
熱技術グループ

currently running smoothly. In relation, the Tokyo metropolitan government
has formulated its “Smart Plan 2014” basic energy plan and actively works to
reduce energy consumption. Kanagawa Prefecture also lists measures regarding
global warming and the circulation of resources and energy in its “Kanagawa
Prefecture Basin Sewage Medium-term Vision” and actively promotes energy
conservation measures. As part of these efforts, our pressurized fluidized bed
incineration system can reduce power consumption and auxiliary fuel usage,
and can also reduce N2O emissions through high-temperature combustion zones
formed using the effects of pressure. We thus report on the reduction of greenhouse gas emissions in practical operation.

浅岡 祐輝
Yuki ASAOKA
水環境事業本部
ソリューション技術部
熱技術グループ

昨年度、東京都の葛西水再生センターおよび神奈川県の相模川流域右岸処理場に過給式流動焼却設備を納入し、現在順調に稼働中である。東京都ではエ ネ ル ギー基本計画「スマートプラン2014」を策定してエネルギー削減に積極的に取り組まれており、神奈川県では「神奈川県流域下水道中期ビジョン」
で地球温暖化対策や資源 ･エネルギー

図 1 過給式流動焼却設備の概略フロー
Fig.1 The ﬂow of the Pressurized ﬂuidizedbed incineration systemの循環等を掲げて省エネ対策を積極的に進められている。これらの取り組みの一環として、
消費電力および補助燃料使用量が削減でき、加圧効果による高温燃焼領域の形成で
N2O 排出量も削減できる当社の「過給式流動炉」を採用されているが、本報では実用運転
における温室効果ガス排出量の削減効果について報告する。
キーワード：過給式流動炉、過給機、自立、温室効果ガ ス排出量、削減効果
Keyword：Pressurized ﬂuidized bed incineration, turbocharger, independence, greenhouse gas emissions,
reduction eﬀect

図 2 過給式流動焼却設備の概略フロー
Fig.2 The ﬂow of the Pressurized ﬂuidizedbed incineration system

18 TSK 技報 2015 no.18

TSK 技報 2015 no.18

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実績紹介

Pressurized fluidized bed incineration, Turbocharger, Independence, Greenhouse gas emission, Reduction effect

過給式流動焼却設備の実用運転

2.1 葛西水再生センター

た後に、脱硫・脱塩・除湿のため排煙処理塔を経て無害化された燃

葛西水再生センター（以下、葛西）に納入した焼却設備の処理規模は世界最大級となる300t/日である。外観およびフローをそれぞれ図 3
および 4に示す。

焼排ガスが煙突より排出される。
既設焼却炉との仕様比較を表 1に示す。焼却炉から過給機までが約 110 〜 130kPa･G（定格処理時）の正圧となるため、焼却炉の内径焼却炉で発生した燃焼排ガスで燃焼空気の予熱を行うのは従来炉

3 稼働状況

相模川流域右岸処理場（以下、四之宮）に納入した焼却設備の処
理規模は100t/日、外観およびフローをそれぞれ図 5 および 6、焼却炉

葛西水再生センターおよび相模川流域右岸処理場それぞれの稼働状況を表 3に示す。

仕様の比較を表 2に示す。

は従来炉と比較して65%程度、断面積は40%程度となる。過給式流同様である。空気予熱器の後ろにはバグフィルタを配置して、燃焼排動炉では過給機により加圧された状態で焼却するため、焼却炉内部

ガス中に含まれる焼却灰を過給機に導入される前に捕集する。集塵の燃焼排ガス容積が小さくなり、焼却炉〜過給機（ダクト含む）
までが温度が約 600℃となるためフィルタはセラミックフィルタを採用している。

従来炉と比べてコンパクトにできる。

集塵後の燃焼排ガスは過給機に導入され、タービンを駆動して圧力が2.2 相模川流域右岸処理場

また、炉のみならずバグフィルタ構造は円筒式（天板は鏡板）
となる。

下がる
（圧力が最も低い煙突出口まで流れていける圧力を残してタービ

バグフィルタはフィルタ配列により2 基併設となっている。また、過給機

ンに仕事をさせることとなる）。

についても国内最大級の舶用過給機 2 基併用である。

その後は従来炉同様に、白煙防止空気の予熱のために熱回収され

図 5 相模川流域右岸処理場焼却設備の外観写真①
Fig.5 The picture of Sagami River basin right bank treatment plant incineration
system(1)

図 3 葛西水再生センター焼却設備の外観写真①
Fig.3 The picture of Kasai water Reclamation center incineration system(1)図 5 相模川流域右岸処理場焼却設備の外観写真②
Fig.5 The picture of Sagami River basin right bank treatment plant incineration
system(2)図 3 葛西水再生センター焼却設備の外観写真②
Fig.3 The picture of Kasai water Reclamation center incineration system(2)図 6 相模川流域右岸処理場のフローFig.6 The ﬂow of Sagami River basin right bank treatment plant incineration system

表 2 100t/日規模の焼却炉仕様の比較
Table2 The comparison of the incinerator speciﬁcation (of 100t/day scale)
図 4 葛西水再生センター焼却設備のフロー
Fig.4 The ﬂow of Kasai water Reclamation center incineration system

表 3 葛西水再生センターおよび相模川流域右岸処理場の稼働状況
Table3 The operation situation of Kasai water Reclamation center and the Sagami
River basin right bank treatment plant

表 1 焼却炉仕様の比較（既設との比較）
Table1 The comparison of the incinerator speciﬁcation (of existing incinerator)

20 TSK 技報 2015 no.18

TSK 技報 2015 no.18

21

実績紹介

Pressurized fluidized bed incineration, Turbocharger, Independence, Greenhouse gas emission, Reduction effect

過給式流動焼却設備の実用運転

止直後は焼却炉内に若干残った脱水ケーキの燃やしきりおよび過給機

4 立ち上げおよび立ち下げ

6 低負荷運転焼却炉に供給する空気量を絞れず（空気比が高くなってしまう）、燃費

四之宮の設備において、脱水ケーキの供給量を変動させて設備ので過給機の回転数が下がるとともに圧縮空気圧力が下がるため実風安定性を確認した。供給量は低負荷の方へ 2.5〜 3.5t/hと変動させた量を確保でき、炉内流動砂の流動悪化が起きにくく、O2 濃度はほぼ一（定格 4.2t/h）。図 9に示すようにケーキ負荷変動に対して各パラメー定のまま負荷変動対応が可能となる。

が悪くなる傾向があったが、過給式流動炉においては、低負荷運転を安定的に停止させる必要があることから立ち上げ時同様に起動用ブ
過給機は駆動機を持たないため、立ち上げ時には起動用ブロワ（従来炉の流動ブロワと役割は同じ）を運転して焼却炉の流動空気や補ロワを運転する（起動用ブロワの発停は自動制御）。燃やしきり運転終了後は、従来炉同様に順次設備を停止する。

助燃焼装置の燃焼空気を供給する。昇温完了後に脱水ケーキ投入を開始した後、排ガス流量増加に伴って過給機回転数が上昇して過給5 運転状況

が低下して最終的には起動用ブロワを停止する。この起動用ブロワによるアシストが不要となる状態を自立運転（過給機自立）と呼ぶ。
また、立ち下げ時は脱水ケーキ供給を停止すると排ガス流量低下にタの追従性はよく、非常に安定した運転が行えた。また、負荷を下げている間のO2 濃度がほぼ一定で安定しており、空気比一定運転が機から供給される圧縮空気量が増加するとともに起動用ブロワ回転数
葛西における運転状況を図 7および 8に示す。各部温度および圧力可能であった。負荷を下げる場合、ケーキの燃焼に必要な燃焼空気とも安定している。過給機入口空気圧力が -2kPa･G 程度の負圧となっ量が減少するが、従来炉では焼却炉内の空塔速度（排ガスの上昇速ており、設備が自立している。

度）を保持する必要があるため（流動砂の流動を保持する必要あり）

伴い、過給機で生成される燃焼空気も減少する。脱水ケーキ供給停

図 7 葛西水再生センターにおける運転状況（温度）
Fig.7 The operation conditions in Kasai water Reclamation center (temperature)

図 9 低負荷運転時の運転状況（四之宮）
Fig.9 The operation conditions at low load operation (Shinomiya)

図 8 葛西水再生センターにおける運転状況（圧力）Fig.8 The operation conditions in Kasai water Reclamation center (pressure)

22 TSK 技報 2015 no.18

TSK 技報 2015 no.18

23

実績紹介

Pressurized fluidized bed incineration, Turbocharger, Independence, Greenhouse gas emission, Reduction effect

過給式流動焼却設備の実用運転

また、葛西水再生センターにおける低負荷運転状況を図 10 および

7 エネルギー削減効果

8 温室効果ガス排出量削減

7.1 消費電力削減

葛西においては1t-DS当たり、四之宮においては1t-wet当たりのCO2

図 11に示す。葛西でも四之宮同様に負荷低下に合わせて過給機回
転数が下がり、過給機出口空気圧力が追随して低下する。排煙処理
塔入口 O2 濃度も5 〜 6%でほぼ一定となっており、脱水ケーキ性状の極端な変動がない場合は燃費が悪くならないことが分かる。

従来焼却設備のフローを図 12に示す。従来焼却設備には焼却炉排出量で従来炉との比較を行った。

で必要な燃焼空気を供給するための流動ブロワと焼却炉で発生する燃焼排ガスを大気に放出するための誘引ファンが備えられている。一方、過給式流動焼却炉は前述したように過給機で燃焼空気が生成さ

8.1 消費電力由来
葛西においては電力のCO2 排出係数 0.382kg-CO2/kWhより、消れ、焼却炉で発生した燃焼排ガスは自らの圧力で煙突まで流れて排費電力由来のCO2 排出量は、既設炉が 150kg-CO2/t-DSとなるのに気される。

対して過給式流動炉は50kg-CO2/t-DSとなった。

葛西において、脱水ケーキ供給設備〜排ガス処理設備およびユー

四之宮では電力のCO2 排出係数 0.521kg-CO2/kWhより、消費電

ティリティ設備を含む消費電力量を既設と比較すると、既設は脱水ケー力由来のCO2 排出量は、既設炉が 50kg-CO2/t-wetとなるのに対して

キ1t-DS 当たり392kWh/t-DSに対して、過給式流動炉は流動ブロワ

過給式流動炉は20kg-CO2/t-wetとなった。

および誘引ファンが不要となるため消費電力は132kWh/t-DSとなった。よって、過給式流動焼却炉における消費電力の削減率は約 66%

8.2 補助燃料由来
葛西において都市ガスのCO2 排出係数 2.277kg-CO2/Nm3より、補となった。
四之宮においては、既設は97.8kWh/t-wetに対して、過給式流動炉
は39.0kWh/t-wetとなった。よって、過給式流動焼却炉における消費電

助燃料由来のCO2 排出量は、既設炉が 145kg-CO2/t-DSとなるのに対して過給式流動炉は111kg-CO2/t-DSとなった。

力の削減率は約 60%である。

8.3 N2O 由来
7.2 補助燃料使用量削減

N2O 排出量は排ガス測定による結果（排ガス中のN2O 濃度 [ppm]）

過給式流動炉の大きさは、圧力下での燃焼で燃焼排ガスが圧縮されるため、焼却炉における燃焼排ガスの空塔速度（上昇する速度）は従来炉と変わらないが、炉径が細くなる。したがって、焼却炉の表面積

図 10 低負荷運転時の運転状況（葛西）
Fig.10 The operation conditions at low load operation (Kasai)

葛西では、高温焼却を行っている既設が脱水ケーキ1t-DS 当たり
2.3kg-N2O/t-DSであるのに対して、過給式流動炉は0.82kg-N2O/

料使用量が削減される。

N 2O 濃t-DSとなった（総排ガス量 33,500Nm3/h，排ガス中水分 4.3%，

葛西における補助燃料使用量は既設が 63.7Nm3/t-DS、過給式流量の削減率は約 24%である（脱水ケーキ含水率平均値 78%）。但し、脱水ケーキ含水率が 75 〜 76%で自燃することは確認済みである。
四之宮では既設炉および過給式流動炉とも脱水ケーキが自燃している。

24 TSK 技報 2015 no.18

び重量換算して算出）。

が既設炉に比べて小さくなり、焼却炉の放熱量が低減されて補助燃

動炉が 48.7Nm3/t-DSとなった。過給式流動炉における都市ガス使用

図 11 低負荷運転時の過給機運転状況（葛西）
Fig.11 The operation conditions of turbocharger at low load operation (Kasai)から算出した数値を用いて比較を行った（排ガス流量×N2O 濃度およ度 32.6ppm，ケーキ投入量 12.5t/h，ケーキ含水率 79.9%より）。過給式流動炉におけるN2O 排出量の削減率は約 64%である。
四之宮では高温焼却を行っている既設が脱水ケーキ1t-wet 当たり0.645kg-N2O/t-wetであるのに対して、過給式流動炉は0.254kgN2O/t-wetとなった。過給式流動炉におけるN2O 排出量の削減率は
約 60%である。

図 12 従来焼却設備のフロー
Fig.12 The ﬂow of the past incineration system

TSK 技報 2015 no.18

25

実績紹介

過給式流動焼却設備の実用運転

8.4 合計炉 99kg-CO2/t-wetであり、過給式流動炉における消費電力およびN2O の地球温暖化係数はCO2 の 310 倍であるから、それぞれのN2O 排出量をCO2 排出量に換算すると、葛西では既設 713kg-CO2/

9 6 ヶ月点検結果

N2O 由来のCO2 排出量合計の削減率は約 60%となった。
また、年間 CO2 排出量比較を表 5 および図 13に示す。葛西の日処

四之宮において引き渡し後、6ヶ月の各機器点検を行った。焼却炉、t-DSに対し、過給式流動炉は254kg-CO2/t-DSとなり、四之宮では

理量 300t/日、年間稼働日数 292日/ 年、脱水ケーキの平均含水率

空気予熱器、バグフィルタ、過給機等の主要機器について、加圧下で既設 200kg-CO2/t-wetに対し、過給式流動炉は79kg-CO2/t-wetとを78%とすると、年間 CO2 排出量はそれぞれ既設が 19,426t-CO2/ 年の運転状況を重点的に確認するために点検を行った結果、いずれもなった。

に対して、過給式流動炉は7,998t-CO2/ 年で、年間 11,428tのCO2 が使用上問題はないと判断できるものであった。

CO2 排出量比較を表 4に示す。消費電力、補助燃料および N2O 由

排出削減される。一方、四之宮においては日処理量 100t/日、年間稼来のCO2 排出量合計は、葛西が既設 1,008kg-CO2/t-DSに対し、過働日数 292日/ 年とすると、年間 CO2 排出量はそれぞれ既設が 7,300t-

給式流動炉 415kg-CO2/t-DSであり、過給式流動炉における消費電CO2/ 年に対して、過給式流動炉は約 2,891t-CO2/ 年で、年間 4,409t

力、補助燃料および N2O 由来のCO2 排出量合計の削減率は約 59%のCO2 が排出削減される。

となった。四之宮では、既設 251kg-CO2/t-wetに対し、過給式流動

10 まとめ
昨年度から運用した葛西および四之宮の過給式流動炉において、起動用ブロワによるアシスト抜きでの自立運転が確認でき、大幅な消費電力の削減が可能となった。また、補助燃料使用量および N2O 排出量においても削減効果が得られ、温室効果ガス発生量は既設を大幅に下回る効果が得られた。

表 4 CO2 排出量比較
Table4 The comparison of the CO2 amount of emission

葛西については、消費電力および補助燃料使用量の削減率がそれぞれ66%、24%となった。また温室効果ガス排出量についても既設よりも約 59%削減できることが分かった。
一方、四之宮についても消費電力の削減率が60%となり、温室効果ガス排出量についても既設よりも約 60%削減できることが分かった。
また、低負荷時でもO2 濃度が安定しており、空気比一定運転が可能であった。
葛西、四之宮いずれも順調に稼働中であり、安定した運転と高い稼働率となっている。

表 5 年間 CO2 排出量比較
Table5 The comparison of the annual CO2 amount of emission

11 謝辞
葛西水再生センターおよび相模川流域右岸処理場の試運転実施および本稿を執筆するにあたって各種データを提供していただいた東京
都下水道局葛西水再生センター様、東京都下水道サービス株式会社
様、神奈川県流域下水道整備事務所様等の関係者に深く感謝申し上
げます。

参考文献
1） 清水大輔、山本隆文、折戸敢：過給式流動炉の長期連続運転、第 47回下水道研究発表会講演集、pp.852-854（2010）

図 13 年間 CO2 排出量比較
Fig.4 The comparison of the annual CO2 amount of emission

26 TSK 技報 2015 no.18

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28 TSK 技報 2015 no.18

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29

1 流動焼却技術

層の特性が生かされ、このような改良開発が重ねられたことで機能も充実し、現在では汚泥焼却炉といえば流動床式焼却炉を指すように

1.1 下水汚泥焼却技術の変遷と背景
1963（昭和 38）年末に、汚泥の減容化の必要に迫られていた愛知

月島機械の焼却技術

Abstract
Tsukishima Kikai’s involvement in incineration technology

月島機械の焼却技術は 1963 年、米国の BSP 社から多段炉を技術導入

started with the introduction of a multistage incinerator technology

し、汚泥焼却炉分野へ適用・参入したことから始まる。当初、多段炉の緩慢なtion field in 1963.At first, many multistage incinerators which pro-

乾燥、焼却の一体化された機能が市場ニーズに適合し、数多く顧客へ納入された。多段炉排ガ スの臭気等の問題から砂等の流動媒体を使用した流動焼5t/日）が、月島機械により納入された。その後、日本の下水汚泥（高1.3 流動焼却技術の特徴

水分ケーキ）の焼却に適用するための改良を行い、大阪市 (15t/日）、

1.3.1 流動層の特性

東京都（160t/日)、京都市（60t/日）等へ納入していった。そして、

図 2に示すように、多孔板を挟んで上部が流動ゾーン、下部が流動1970 〜 1975 年をピークとして、1980 年までに5 〜 300t/日の規模のも用空気取り入れ室（プレナム室）で構成される。上部流動ゾーンに砂をのが 44 基、民間向けを含めると59 基が納入され、一世を風靡した。

1/3 程度装入し、徐々に装入空気を増加していくと、ある空気量までは

その後、1980 年ごろから、汚泥処理の脱水工程に使用される脱水助

砂層は固定層のままで、空気は砂の隙間をくぐり抜けていく。この状態

剤は、焼却灰の減量要望が強まるにつれ、無機凝集剤（石灰、塩化がAである。さらに空気量を増加させると、砂は沸騰する液体のような状

第 2 鉄）から高分子凝集剤へ転換されていった。この転換により、多態、すなわち流動化状態 Bに入る。Cの状態はさらに空気量が増加し、段炉から発する臭気濃度が大きくなり、多段炉での高分子系の汚泥輸送状態になっていることを示している。流動物質には砂だけでなく、さ脱水ケーキの焼却は、クリンカの発生や運転温度管理の難しさなどがまざまな粒状物質を使用し、流動化流体には、ガス・液体のいずれも使問題となり、竪型多段炉の時代は終わりを迎え、流動床式焼却炉へと用可能である。

急激に移行していった。

1.2 流動焼却炉実用化の経緯

却炉方式に変わり、技術改良の積み重ねと余剰汚泥の増加に伴う、焼却の月島機械の流動床焼却炉は、米国のGAT 社より1963（昭和 38）年

vided the integrated function of slow drying and incineration were

ニーズの拡大を踏まえ、現時点でトップクラスの実績を誇っている。本技術かに技術導入した流動乾燥機を焼却炉に発展させたものである。流動

installed. Its fluidized bed incinerator (FBI), using sand as a fluid-

ら循環流動型の高速流動焼却炉や多用途に対応した多目的焼却炉の開発

焼却は内部が均一温度に近く、排ガスも高温のまま排出され、分散板

ized medium, has provided an alternative to multistage incinerators,につながっている。その後 50 年余にわたる焼却技術の経験とその技術基盤

which come with the problem of fumes from flue gas. Thus far,をもとに新たに過給式流動焼却炉が誕生することとなる。

FBIs have achieved excellent results due the continuous improvement of the technology used, aiding situations of increased excess

一方、産業廃棄物（固体）の焼却向けに 1994年に Steinmüller Babcock
Environment社（旧 AE&E社）
より溶融キルン技術を導入し、1号機として月以外は炉内の金物もなく、多段炉の問題点を解決するものであった。
また、分散板は他社の耐火物製と違って鋼板製であり、流動炉の特徴のひとつである間欠運転に適合したものであった。流動焼却炉の第島機械の関連会社サンエコサーマルに商業機として納入した。その中で燃焼

1 号機は、1973 年に納入した石油系スラッジ焼却用であった。その後、

sludge and necessity for sludge combustion. Against this backdrop,

空気の供給方法等の試行錯誤を繰り返して高性能なキルン技術を確立した。

ソ連（現ロシア）の東シベリアに建設されたパルプスラッジ焼却用とし

new incinerator technology has been developed, involving a fast-

また、1965年頃より紙パルプ関連で薬液回収を目的として廃液焼却に着手て、300t/日炉 3 基を納入した。

fluidized bed incinerator utilizing a circulating-type fluidized bed

していた。その後、同技術は生物処理の難しい高濃度廃液に向けた焼却技術

and a multipurpose incinerator with applications for several types

として独自開発に取り組み廃液燃焼技術を確立し、多くの実績をあげている。

of waste. This supercharging fluidized bed incinerator is the resultof more than 50 years of experience and technical know-how in

処理量 300トン /日、納入総数 72 設備（2014 年現在）を達成している。

県一宮市に、わが国初の竪型多段炉による汚泥焼却設備（処理量Tsukishima Kikai's Incineration Technology

from BSP in USA, with the company entering the sludge incinera-

なっている。納入実績が増すにつれ技術の信頼性が評価され、最大月島機械の原料種別に分類した焼却技術の一覧を図１に示す。これらの技術体系の中、流動焼却技術、溶融キルン並びに廃液燃焼技術について

下水汚泥への納入 1 号機は1973 年の横須賀市下町処理場の40t/日炉である。また、当時は流動炉の大型化は構造上も、機能上

図 2 熱風の量と砂の動き
Fig.2 Relation between amount of hot air and sand behavior

も困難といわれていたが、葛西処理場に納入した100t/日炉を使って1983 年に大型化調査を行い、その知見をもとにして1984 年小台処理

以下に紹介する。

incineration technology.

場に当時としては国内最大規模の200t/日炉を納入した。現在では

On the other hand, the melting kiln for combustion of industrial

規模として300t日までの実績があり、納入基数も50 基と業界のトップク

solid waste was introduced by Steinmüller Babcock Environ-ラスに位置している。近年では、し渣（爽雑物）、沈砂との混焼を考え、

ment (previously, AE&E) in 1994, and the first commercial kiln

不燃物が容易に抜き出せるように分散板に代わる分散管タイプの流①投入された物質を細かく砕く

was installed at Sun Eco Thermal Co., Ltd., which was subsidized

動炉を開発し、実績を上げている。

②投入物質（焼却物）一流動媒体（砂）一流動化用流体（空気）の（1）流動媒体と効果流動している媒体の激しい動きは、

by Tsukishima Kikai. Here, trial & error has resulted in major

また、1978 年のオイルショックを契機に省 エネ化が叫ばれ、経済的

improvements to kiln technology, through continuous research

で安定・完全焼却する炉が要求されるようになった。そこで、熱効率③流動層内の温度を均一にする

into combustion air supply. Furthermore, since 1965, Tsukishima

がよく、排ガス量の少ない間接加熱式インクラインドディスクドライヤ

といった、優れた作用を有する。

Kikai has been developing wastewater incinerators for chemicals（IDD）を1981 年に開発し、1983 年には間接加熱式乾燥機と流動

recovery in the field of pulp & paper. Subsequently, submerged

焼却炉を組み合わせた設備を横浜市金沢下水処理場に納入して脚当初、流動層炉の流動空気の供給方式は、分散板に取り付け

combustion technology was established for application to highly

光を浴びた。この「乾燥一焼却プロセス」は、脱水ケーキ中の約 80%たノズルパイプ + ノズルヘッドの穴から、空気を100m/ 秒程度のconcentrated waste for which treatment using microorganism wasが水分であることに着目し、脱水ケーキ水分の蒸発を焼却炉で燃焼と流速で炉内砂層底部へ吹き込む方式であった。この分散板方式

not possible, and many positive results were achieved.

同時に行うのではなく、焼却排ガスからの廃熱を水蒸気として回収し、は、比較的均一な流動状態を得ることができるという優れた機能を回収水蒸気により炉前段で乾燥を行うことでエネルギーロスを低く抑持っていたが、その反面、流動砂のプレナム室への漏れ込みや、え、総合熱効率を向上させるという画期的なプロセスであった。流動大型化にともなうメカニカルな問題もあった。

This paper focuses on fluidized bed incinerators, melting kilns,
and submerged combustion for waste liquid.

30 TSK 技報 2015 no.18

図 1 月島機械の焼却技術
Fig.1 Incineration Technology of TSK間で熱や水分の移動を速める（2）空気吹込方式

TSK 技報 2015 no.18

31

①分散板方式
分散板方式では、流動砂が分散ノズルを逆流し、プレナム室（ウ投入された汚泥は、流動床の作用により瞬時に解砕され、水分1.3.3

流動焼却炉のシステム例

1.4.2 高速流動焼却炉の特徴と応用の蒸発と部分燃焼による有機物のガス化および固定炭素の燃焼が

図 6にシステム例を示す。脱水ケーキは定量フィーダから定量に切り

インドボックス）に落下する。これは分散ノズル穴径の問題や、炉流動床内で起こる。このガスは上昇して、フリーボードと呼ばれる燃出され、計量されたのち炉へ供給される。焼却灰は排ガスに同伴し、固体粒子層に下から気体を送るとある流速で固体粒子が浮き上停止中もオイルガン噴霧空気の吹き込みを継続するため、流動砂

焼室空間部で炉内の高温により自然着火し、燃焼を完結して排ガ

炉外へ排出される。排ガスは空気予熱器、白煙防止予熱器を経て、がり、流動化が始まる。さらに気体を増加すると層の膨張が起こり、が撹拌されて浮遊することで分散ノズルを逆流する現象である。

スとなり、炉頂から排出される。汚泥中の無機物は流動床内で細か

サイクロン、電気集塵機またはバグフィルタにより集塵され、排煙処理

気体は気泡として分散する。この気泡流動層からさらに気体を増加②分散管方式

くなったあと、排ガスに同伴されて炉から排出し、サイクロン、バグフィ

塔で脱硫および冷却（減容）され、煙突から放出される。白煙防止予させ、単一粒子の終末速度以上に速度をあげると、一部粒子は上ルタ等で焼却灰として分離される。

熱器からの加熱空気を煙突で混合し、白煙を防止する。

昇し、層を飛び出す状態になる。飛び出した粒子をサイクロンで捕沈砂、し渣の混焼を実施する場合、不燃物等の炉内抜き出しが必要であるが、大型炉では金属製板の割れや流動層内で不燃物

このように流動炉は、簡単な構造でありながら多くの機能を有してお（1）高速流動層の特性

乾燥焼却システムの場合は、焼却排ガスから廃熱ボイラによる熱集し、その粒子を戻すことにより循環高速流動層を形成する。これが流動層底部（分散板上）に沈積してしまうため、抜き出すことがでり、下水汚泥を良好に焼却することができる。一般の流動焼却設備

回収で発生させた蒸気により、汚泥をプレ乾燥させる。乾燥機はIDDが撹乱、高速流動層で、循環する固体粒子の量が多い状態を高きない状態となる。この改善策として、分散板をパイプ方式にする

は、流動炉のほかに汚泥の貯留供給装置とサイクロン、電気集塵機を採用し、水分を40%とした乾燥ケーキを未乾燥ケーキと混合すること

速流動層と呼ぶ。この状態は、単一の粒子ではライザ部を飛び出ことでプレナム室をなくし、不燃物を下部から抜き出せるようにした。

またはバグフィルタ、スクラバ等の排ガス処理装置で構成されている。

で、炉への投入水分は60 〜 70%程度となる。

③分散管の熱膨張対策

すが、粒子が群（クラスタ）として動くので、クラスタが集合、離散し通常焼却では、補助燃料を多量に必要とする脱水ケーキの場合ながら上昇、下降を繰り返し、激しい流動層を形成する。この高速

初期の分散管の構造は、パイプ先端を炉壁に設けたパイプ受に、乾燥焼却システムを採用すると、100トン /日規模で補助燃料は約

流動層の操作範囲は次の式で計算される粒子の終末速度の2 〜座に挿入しており、これがパイプの熱膨張を阻害し、パイプの変形

20L/トンーケーキの低減となる。また、処理能力は約 50%アップし、1504 倍の範囲で操作される。この領域を利用したものが高効率（高速）を生じさせた。パイプ先端を炉壁の手前までの長さにし、熱膨張

トン /日処理が可能となる。

流動焼却炉である。

に対してフリーとする方式に改善することで、このトラブルは解消

ストークスの式 Ut = Dp (ρs −ρ ) g / 18μ

することができた。

1/3
Dp
アレンの式 Ut =｛4(ρs−ρ)2 g 2 / 225μ｝④分散管による流動状態

Ut: 粒子沈降速度（m/ 秒）、Dp: 粒子径（m)

分散管における流動状態は、十分撹拌が行われており、砂層部とフリーボード部の温度乖離は、分散板方式と比べ少なくなっている。

、ρ: 流体密度（kg/m3）
Ps: 粒子密度（kg/m3）
図 3 下水汚泥の構成物質とその量
Fig.3 Content of sewage sludge

μ: 流体粘度（kg/m 秒）、g: 重力加速度（m/ 秒 2）

1.3.2 流動層による下水汚泥の焼却
ガス速度をさらに加速すると、クラスタは形成されなくなる。また、

（1）
下水汚泥
下水の終末処理場で、プレスロールフィルタなどで脱水された汚粒子がライザにたまらなくなり、すべて飛び出す状になって、輸送層

泥は、一般にはまだ多量の水分を含み、その外観はゼリーまたはペーへ移行し、空気輸送（ニューマティックコンベア）として利用される。

スト状を呈している。その構成物質と代表的な量的割合を示すと図 3（図 7）のようになる。この図のなかの有機物の発熱量は、約 23MJ/kgである。つまり、灯油の発熱量が42MJ/kgであり、"下水汚泥中の有機物は良好な燃料である"と見なすことができるのである。この有機物の発熱量により、例えば有機分 150kgで約 500kgの水を蒸発させ燃焼

図 6 流動焼却炉のシステム例
Fig.6 System ﬂow of ﬂuidized bed incinerator

温度を維持することが可能である。言い換えると、図 3に示す固形分
220kgに付着する水が500kg（汚泥の水分が約 70%）であれば完全に 自燃 させることができるということである。下水汚泥は外観上ベトベトしているが、基本的には 燃えるもの であると考えることができる。
しかし、一般の下水汚泥は付着水分が多いため、燃焼空気をプレ

図 4 流動炉概観
Fig.4 Overview of ﬂuidized bed incineration plant

1.4 高速流動焼却技術 1）,2）
1.4.1 高速流動層技術

ヒート（650℃程度）し、さらに、少量の灯油などを補助燃料として使用

高速流動操作の概念は、1930 年代にスタンダード・オイル社が取しているのが現状である。

得した特許に始まる。現在、高速流動層自体はCFBC（Circulation（2）
流動炉
下水汚泥の焼却設備として用いられている流動焼却炉の外観を

Fluidized Bed Combustion）石炭ボイラの一方法として広く利用され

図 4に、その内部構造を図 5に示す。本体は、上部および下部がており、循環の方法、媒体の利用等で各種方式が報告されている。一円錐状の鉄板製円筒で、内面にレンガやキャスタブルなどの耐火般的な特徴としては次のようなことがあげられている。

断熱材を内張りしてある。円錐底部には、鉄板にあけられた多数の（1）石炭を微粉粋する必要がなく効率的。

穴に、斜め下向きに多数の噴き出し孔を持った流動ノズルを取り付（2）2 段燃焼方式になるのでNOxの生成が少ない。

けた分散板がある。本流動ノズルにより熱風は高速でまた、均一に（3）原料とともに石灰を炉内へ入れることで炉内脱硫ができる。

炉内に吹き出される。分散板の下には、熱風導入室がある。流動
床は本体下部の円錐部内に形成され、灯油等補助燃料の燃焼おまた、一般的に焼却炉へ適用した場合、流動化速度が速く、媒体

よび熱風により、砂の温度は約 700 〜 800℃の高温に維持されてい同士の相対速度が大きいため、シンタリングを起こしにくいといった報る。汚泥は砂層のすぐ上に投入される。

32 TSK 技報 2015 no.18

図 7 粉流体に対する流動化操作の遷移
Fig.7 Transitions of ﬂuidizing operation

図 5 流動炉の内部構造
Fig.5 Internal structure of ﬂuidized bed incinerator

告もされている。

TSK 技報 2015 no.18

33

1.4.3

高速流動焼却技術の特徴 3）（1）多種多様な焼却物に最適

高速流動焼却炉は、燃焼室とホットサイクロンで構成される（図 8）。

従来の流動焼却炉で液状廃棄物を多く焼却する場合、砂層部

および廃熱ボイラで熱回収され、焼却炉の熱源および蒸気として利SCC 下部に設置されている水封槽で水砕され、スラグとしてスラグ用される。そして、排ガス中のアッシュは、サイクロンおよびスクラバ、コンベアで排出される。

燃焼室の下部には700 〜 800℃の炉砂を保有し、1 次空気の吹き込みで蒸発し、ライザ部で燃焼するため、砂層部の温度が下がり、炉EPで浄化され、排出される。最近では、完全乾式で排ガス処理を行により膨張し、流動化される。1 次空気の吹き込みは、炉下部の円周方頂部で高温となる温度乖離現象が起こり、安定運転が難しかった。

うバグフィルタ方式も多く採用されている。

（2）供給設備
溶融キルンでは多様な廃棄物が処理されるため、供給設備はさま

向数カ所より行われ、適切な吹き込み方向、位置、流速を設定することしかし、高速流動焼却炉は、大量の循環砂によるライザ部での熱ざまな形態をとる。固形廃棄物は通常はピットに貯留され、クレーンをにより、保有砂は上下、左右に活発な流動を起こす。この部分はデン

移動により、炉内温度の乖離が少なくなるため、脱水の難しい高含用いて供給コンベア、供給ホッパに供給される。廃棄物はクレーンのスベット（濃厚な砂層域 )になっており、この中へ投入された焼却物は、

水廃棄物や、高カロリー廃液の焼却も可能であり、種々雑多な廃掴み量か、供給シュート上のダブルダンパーで計量され、処理量がこの流動砂により激しく混合、撹絆されて蒸発、分解し、一部は燃焼す

棄物を一括して同時焼却することが可能である。

管理される。医療系廃棄物は密閉容器に収納され、焼却前に開封する。この1 次空気ノズルの一部は、助燃料あるいは高カロリー液状廃
棄物の吹き込みノズルとしても使用され、エアアトマイズにより流動砂中へ適切に分散される。

（2）
ターンダウンが自由で安定焼却が可能

ることは禁じられているため、これも容器ごとキルンに供給される。液焼却負荷により燃焼空気が自由に調整できる。通常負荷時は高状廃棄物は、タンクに貯留されるか特定の容器に貯留され、そこから

速流動焼却が行われるが、低負荷時は普通流動域でも運転できるキルンに供給される。キルンでは、通常のバーナ（油噴霧用）では供

一方、2 次空気は保有砂の上部へ、やはり円周方向数カ所より吹きため、ターンダウンが大きくできる。
たとえば、1/6 程度に負荷が下がっ給できないペースト状の廃油は、専用のランスを用いて、スチーム等で込まれる。これにより塔内流速は4 〜 8m/ 秒に加速され、激しく撹拌さた場合でも、普通流動炉としての機能は十分発揮でき、安定焼却

アトマイズをしながら供給される。廃棄物の性状によっては、加温ある

れながら炉砂の一部は排ガスとともに上昇し、燃焼室上部のライザ部が可能であるとともに、燃焼エアも1/6 程度に絞ることができ、大幅よりホットサイクロンへ入る。ライザ部では2 次空気により十分空気を与えられて、有機物は完全に分解、燃焼する。ホットサイクロンに入ったな省エネルギー化が図れる。

図 9 高速流動焼却炉のシステム
Fig.9 System ﬂow of fast ﬂuidized bed incinerator（3）動力費の低減

いは加圧容器からの窒素による圧送などを行う場合もある。比較的粘度の低い廃油は、バーナを用いてキルンあるいはSCCに供給される。
（3）排ガス処理設備

砂は、遠心力により排ガスと分離され、燃焼室の流動部へ戻り、循環供給する空気の約 70%は2 次空気として供給され、その必要圧

溶融キルン設備では、小規模の設備でない限りSCC 下流部にする。この循環砂量は通常運転時、時間当たり保有砂量の4 〜 7 倍と力は1500mmAqとなり、普通流動炉での3000mmAqに比べ約半廃熱ボイラを設け、熱回収を行う。
キルンでは高温で処理するため、大容量であり、デンスベット部とともにライザ部でも燃焼エリアとしての分で済むため、ブロワ動力は約 65%に低減される。

機能が発揮される。また、循環砂による熱移動が十分に行われること
で、炉内温度の均一化が図れる。
従来より、流動焼却炉は都市ゴミ、下水処理の余剰汚泥の焼却炉と（4）低融点アルカリ含有物に適用可能

2 産廃焼却溶融キルン

重金属、アルカリ塩類などが揮発し、排ガスに同伴される。また、

2.1 技術導入の背景

溶融物も一部ガスに同伴する。ボイラで排ガスが冷却される過程

流動焼却炉は、炉内でよい流動状態を維持することが必要条件と月島機械は固形廃棄物の処理技術としては、1970 〜 80 年代に都市で、気化した成分の析出、溶融物の沈着がチューブ表面で起こなる。Na、Kなど低融点の無機塩を多く含む廃棄物を焼却する場合、ごみの熱分解設備（PF）を開発し、納入したが単発に終わっており、そるため、通常の焼却設備に比べてダストの付着は激しい。このたして多く使われてきた。流動焼却炉は、ほかのストーカ炉、キルン等の固着（シンタリング）を起こし、流動が悪くなる場合がある。これを防の後も極めて限定的な固形廃棄物の処理設備を何基か納入しただけ

め、流入部はメンブレン構造のラディエーションゾーンとし、付着に焼却方式に比べ、流動媒体が持つ大きな接触面積と保有熱のために、止する方法には下記の2つがある。

にとどまっていた。1990 年代に入り、産業廃棄物処理分野に参入する

強い構造にしている。ラディエーションゾーンの範囲は経済性を踏

焼却物の性状に対する許容幅が大きく、液状のものでも、固体物でも①焼却物中の低融点無機塩の炉砂内濃度を一定濃度以下にするよ

効率よく焼却できる。燃焼効率は非常によく、空気比 1.3 〜 1.5で完全う、系外ヘコンスタントに飛散排出する。

方針が立てられ、固形廃棄物焼却炉の技術提携先として欧州で実績

まえて最適なサイズが決定されるが、燃焼物によってもダスト性状を持つ有力メーカーであるSteinmüller Babcock Environment 社（旧は異なるため、設計においては注意を要する。チューブバンクではな燃焼が行われ、排ガス処理設備もコンパクトになる。月島機械の高②流動媒体（硅砂、アルミナ等）と低融点無機塩を炉内で反応させ、AE&E 社）と交渉し、1994（平成 6）年に焼却溶融キルンを技術提携しチューブピッチ、スートブローの数と位置、また、代替のダスト払い

速流動炉は、これらの特長をさらに効率よくするとともに、従来の気泡

SiO2-NaO-CaOあるいはAl203-Na20-SiO2 系などという高融点生成た。本炉は、基本的に有機汚泥の燃焼には向いておらず、固形廃棄物

落とし方法などの検討が重要となる。月島機械の第 1 号機におい流動層では難しかった幅広い焼却適応性および省エネルギーを達成物に変える。

と汚泥の混焼の要求がある客先には対応できない。汚泥用には、流動ては、結果的に3カ月に1 度の清掃が必要となっており、清掃頻度した。以下に主な特長をあげる。

月島機械でも、さまざまな高融点生成物②のテストを実施したが、焼却炉が適しているため、1980 年代末に高速流動焼却炉を固形廃棄がどの程度許容できるかによってボイラの構造は異なってくる。

うまく高融点生成物とはならず、シンタリングを効果的に防止することは難しかった。これに対し、炉内アルカリ濃度を一定濃度以下にす

物との混焼用に改良し、多目的焼却炉（MFI）の名で商品化した。
1998年、月島機械は関連会社のサンエコサーマルに1号機を納入し現る系外飛散方法①は、テストでも実機においてもある濃度までは実在も順調に稼動している。溶融キルン設備は、その後順調に実績を重ね、性ガス処理、バグフィルタによる除塵ののち、触媒によるダイオキ

証済みで、シンタリングなしに安定運転が可能である。これは、投入

2004年には、処理量200トン/日の世界でも最大規模の設備が稼動した。

シン分解を行うのが基本フローである。酸性ガスの濃度によっては、着して系外に出るため、流動砂のアルカリ分が一定値以上には増加

2.2 焼却溶融キルン技術の特徴

ト処理をし、管理型の埋立地で処分される。

しないためである。

（１）
キルン、2 次燃焼炉

焼却物中のアルカリ（Na、K）分が、コンスタントに飛散アッシュに付（5）低 NOx、SOxの運転が可能

34 TSK 技報 2015 no.18

湿式スクラバを設置する場合もある。除塵設備からの飛灰はキレー

炉の構成は、図 10に示すようにキルンと2 次燃焼炉（SCC）から

構造上、2 段燃焼となるため、NOxの生成は低く抑えられる。また、成る。キルン上流部のエンドに設置されたフロントウォールには供石灰投入により炉内脱硫を行った場合、石灰が循環されるため脱硫給設備が設けられており、固形廃棄物はシュートから、液状、ペースの効率がよい。

ト状の廃棄物はバーナあるいは専用のランスから噴霧供給される。

（6）高速流動焼却システム例

図 8 高速流動焼却炉構造図
Fig.8 Structure of high speed ﬂuidized bed incinerator

日本では、ボイラ以降の排ガス処理設備は従来の焼却設備と大きな違いはない。減温搭での排ガス冷却、石灰噴霧による乾式酸

また、昇温、助燃用のバーナおよび燃焼用の空気供給口が設けら

図 9にシステムの一例を示す。脱水ケーキはケーキホッパより定量れている。キルンは下流に向かい若干傾斜させており、キルン本体

フィーダで切り出され、コンベヤで炉内ヘシールされながら供給される。

が回転することにより焼却物は徐々に下流側に移動していく。キル

また廃水はライザ部でスプレー噴霧される。また、廃油は補助燃料とン内では、固形廃棄物は所定の充填量を保ち、廃棄物に最適な滞してライザー下部流動部に供給される。

留時間のなかで、1200 〜 1300℃程度の運転温度で、乾燥・焼却・

焼却炉排ガスは、ホットサイクロンから排出後、一般にエアヒーター

溶融の一連の反応が進んでいく。溶融物はキルン出口から流下し、図 10 キルンの構成
Fig.10 System of melting kiln

TSK 技報 2015 no.18

35

2.3 溶融キルンの設計技術（1）
キルン、2 次燃焼炉サイジング（3）耐火材とスラグ層形成
キルンでは溶融運転を行うため、溶融ゾーンではアルミナークロム

キルンでは、設計基準となる被燃焼物の仕様に基づき熱計算を系の耐火材を使用する。溶融ゾーンにおいては溶融スラグによる行うが、通常は空燃比（過剰空気率）1.5 〜 2.0、1200 〜 1300℃

耐火材の侵食が激しく、欧州では、その対策として意図的にスラの運転温度にて熱収支、排ガス量が算出される。

グ固化層を形成し、耐火材を保護しつつ運転を行うとしている。こ2 次燃焼室（SCC）では、キルンとの接合部からの漏れ空気があ

れによりクロムレンガの寿命は1 年以上となる。

り、ガス量はその量を加えて算出される。通常、キルン出口部の温度計はSCC 下部に取り付けられており、漏れ空気により温度降下

3 廃液燃焼炉

したガス温が計測されているため、キルン内の温度測定に精度を求める場合は放射温度計で確認する必要がある。SCCで廃油を

3.1 廃液燃焼技術の変遷

燃焼する場合は、キルンと同様に熱計算を行い、所定の出口排ガ（1）
月島式廃液燃焼炉の誕生（1972 〜 1976 年）

ス温度にて熱収支、排ガス量を算出する。

現在の月島式廃液燃焼炉の 1 号機は、エチレンプラントから排図 12 １号機形状
Fig.12 Structure of 1st incinerator

出される廃ソーダの焼却設備である。開発品 1 号機の納入先は試（2）処理特性図
溶融キルンにて燃焼処理する廃棄物は多岐にわたるため、実際運転時にはさまざまな問題に遭遇した。しかし、2 号機以降はこれには設計仕様どおりの廃棄物が集荷されるわけではなく、処理物らの諸問題点も解決し、その後、順調に受注実績を伸ばすことがの仕様は変動する。炉の寸法は上記に示すように炉の入熱量で決できた。
当初、焼却炉とディゾルバの関係は図 12に示したタイプで、まり、廃棄物の熱量に応じて処理可能量が異なる。設計段階にお炉底燃焼を考慮した構造であったが、スメルトの連続排出に安定

いて、処理量と炉入熱量の関係とその設備の処理可能な廃棄物性がなく、安全性も考慮した結果、4 基目以降はストレートタイプ図

仕様を示したものが処理特性図である。図 11に処理特性図の一１3に設計変更している。
（2）水冷壁燃焼炉の出現（1977 〜 1986 年）

例を示す。
横軸、縦軸はそれぞれ処理量、入熱量を示し、一定の傾きを持っ順調に稼働を続けるうえでの廃液燃焼炉の弱点は、耐火物の寿た直線は、ある発熱量の廃棄物の処理量と発熱量の関係を表す。

命にあった。当初、高価な電鋳レンガを耐火材として使用していた

入熱量の上限は設計負荷量で規定され、処理量の上限は、一般

が、廃液中のアルカリと反応し、1 年ほどで張り替えが必要になる炉

的には廃棄物供給設備の搬送能力で規定される。下限はそれぞもあり、メンテナンス費用が膨大になった。この対応策として考えら

れターンダウンで規定され、50 〜 60%に設定される。

れたのが、焼却炉を水冷ジャケット構造として耐火物を薄く張り、ここれらの操作線で囲まれる範囲が運転可能範囲であり、発熱量の耐火物の外側を冷却し、焼却後の溶融塩を耐火物表面にセルの高い廃棄物は設計供給量を満たせない場合がある。また、このフコーティングさせる方法である。このセルフコーティングにより、耐運転範囲をクロスする形で自燃ラインがあり、この線の下では助燃

火物寿命を延ばす方式を適用することにし、研究所に実験機を設

油を用いて運転をしなければならない。

置、実験を繰り返し行った。

図 13 ストレート型燃焼炉
Fig.13 Structure of straight type incinerator

図 14 現在の廃液燃焼設備
Fig.14 Current incinerator for waste liquid

採取したデータをもとに、水冷壁燃焼炉の第 1 号機を納入し、良好な結果を得た。さらに、海外向け1 号機であるラクタム廃液燃焼
設備、引き続いてモジュール工法を採用しシンガポールに輸送した
廃液燃焼設備等が相継いだ。とくに海外で水冷壁構造における低メンテナンス性が高く評価され、現在までの納入設備の半数は輸3.2 燃焼技術の特徴と留意点b）滞留時間出で占められている。

（1）廃液燃焼の最適条件（温度、滞留時間、混合等）

理論的には、高温雰囲気下に噴霧された液滴の蒸発、およびそのd）ディップチューブ・ディゾルバ型廃液焼却炉への改良（1987 年

36 TSK 技報 2015 no.18

後の酸化反応に要する時間が必要な滞留時間となる。廃液燃焼

質を、燃焼（酸化）反応により分解または安定化することにある。

においては平均噴霧粒子径 150μm 、最大噴霧粒子径は500μm

焼却後の高温排ガスの冷却は、1 号機からスプレーによる冷却

基 本は燃 焼 反 応であるので、一 般の燃 焼 理 論と同様、3T（温程度であり、900 〜 1000℃雰囲気における蒸発時間は0.2 〜 1 秒方式を採用してきたが、ハロゲン含有廃液を焼却後冷却する場合

度 :Temperature、
滞留時間 :RetentionTime、
混合 :Turbulence）

以内である。実設計上は、反応時間、多少の噴霧悪化を考慮してのディゾルバのケーシングの材質選定に苦慮することとなった。とくを最適に決めることが重要となるが、月島機械の廃液燃焼において余裕を持たせ、2 秒以上の滞留時間をとっている。ダイオキシン対に医薬品廃液燃焼設備は、排出される廃液中にハロゲン物質がは経験的な要素も踏まえ、以下のような条件設定を行っている。

策特別措置法の施行以後は、法的にも2 秒以上の滞留時間の遵混入していたため、ハロゲンによる損傷防止対策としてディゾルバa）燃焼温度守が必要条件となった。

ケーシングにフレークライニングを行い、さらに内面に抗火石を内一般的に有機分の酸化分解には800℃以上が必要であり、高温でc）混合張りすることになった。ハロゲンを含有する廃液の場合には、焼却あるほど燃焼速度は速く、分解効率はよくなるが、一方で高温化は可燃分と酸素との反応を迅速に行う上で適切な混合が重要となる。

炉からの腐食性高温排ガスをすべてディゾルバに張り込んである

燃料の大量消費につながり、NOxの発生、耐火材の損傷等の問

しかし、廃液燃焼の場合、アルカリ塩類が含有されることが多く、温水中を通過させて冷却する方式が検討され、ディゾルバのディッ

題を引き起こす。これらを考慮し、燃焼温度は通常 900 〜 1000℃

強力な旋回流等の混合操作は、バーナまたは近傍への塩類付着の範囲で設定される。

による噴霧不良、アルカリと耐火材との反応の促進等の副次的なト〜現在）

図 11 処理特性図
Fig.11 Treatment Characteristic ﬁgure

廃 液 燃 焼の目的は、廃 液中のCOD 成 分、その他の有 害 物

プチューブタイプ方式の廃液燃焼炉の出現となった（図 14）。

TSK 技報 2015 no.18

37

ラブルを引き起こす。したがって、炉内全体の積極的な混合は通4 おわりに常考慮しない。このことを補う意味でも滞留時間に余裕を持たせて廃棄物の分別、資源回収が叫ばれるなかで現状は多くの問題をはらいる。

んでいる。化石燃料の高騰、枯渇問題の解決策として、単純燃焼によ（2）廃液燃焼に求められるバーナ特性
助燃バーナは、燃焼炉本体に必要な熱量を供給するため、空気る発電だけでなく貯蔵、搬送可能なエネルギー源として回収する技術、比 1.2 前後、温度 1500 〜 1600℃の条件で運転される。COが低い

ケミカル原料としてリサイクルする技術が検討され、実施されている。月ことはもちろんのこと、NOxも低レベルに抑える必要がある。また、

島機械は汚泥の過給式流動焼却技術を開発し、省エネルギー型の焼燃焼炉本体へは火炎が延びないように、燃焼はコンパクトに完結し却システムを提供することや炭化処理による燃料化技術等に取り組ん

なければならない。これらの要件を満たすため、一般に高負荷燃焼でいる。資源を有効利用しCO2を削減するとともに地球温暖化防止へ型といわれるバーナ、燃焼器を使うことが多い。
とくに廃液燃焼では、助燃料としてメインプロセスの副生油（重質）やC 重油等の低質燃

図 15 USD スプレヤ外形図
Fig.15 Outline drawing of USD sprayer

貢献することは、継続的な新規技術や省エネルギー技術の改良開発とともに企業に課せられた重要なミッションであると認識している。

料を使うことが多く、助燃バーナ選定には注意を要する。
本文は「月島機械（3）廃液スプレヤ形式と特性 （2 流体、噴霧粒径、固形物析出等）

百年の技術」（2005 年発刊）に掲載した焼却技術をもとに編集したものである。

廃液スプレヤは、廃液燃焼設備において重要なパーツであり、従来はバーナメーカーからの購入品であった。最近では、月島機械独自のUSD（UltraSmallDiameterTypeSprayer）
スプレヤを自社開発し、各社に納入している。
本スプレヤは、液圧を従来型スプレヤより高く設定することおよ

引用文献びアトマイザ構造を工夫することにより、従来型より少量の噴霧媒

1） 東稔節治：固気相反応装置への応用、ケミカルエンジニアリング、
Vol.29、No.5、
p.372-379、1984

体で、より小さな噴霧粒径を得ることができる。本スプレヤの外形

2） 沖 野 泰 也ら、「 産 業 廃 棄 物 処 理への循 環 流 動 層 技 術の適 用 」、化 学 装 置、図および噴霧粒径のデータを、図 15、図 16に示す。ただし異物がVol.39,NO.6、
p.54-58、
1997

混入する場合にはストレーナーの設置が必要となる。

3） 上村敏雄：特集 高率化焼却と維持管理 高速流動焼却炉システム、燃料及燃（4）スメルト爆発焼、
Vol.61、NO.11、
p.818-821、1994

高温溶融塩（以下スメルトと称す）を安全に水溶液にするには、
スメルト爆発（水蒸気爆発）に留意する必要がある。高温の溶融状態のスメルトが水と接触すると、多量の水蒸気がスメルトの周囲に発生する。この発生蒸気は水面の表層で剥離できれば問題ないが、大きな塊のスメルトが落下した場合、水面の下部で多量の水蒸気が発生し、爆発につながることが知られている。爆発防

図 16 USD スプレヤの噴霧粒径※ SMD：ザウター平均粒子径Fig.16 Spraying particle diameter of USD sprayer
SMD : Sauter s mean diameters止の基本は、スメルトを炉内から連続的にディゾルバに排出することが肝要である。
（5）酸露点と防止対策
Clなどのハロゲンや Sなどを含む廃液を処理する場合は、酸露
点腐食に留意する必要がある。焼却炉に用いる耐火材は多孔質であり、燃焼によって発生したHCI、SO3 などのガス成分は容易にそれを通過し、缶体面に達することができる。缶体が露点温度以下になった場合には、これらの酸性ガス成分が結露を起こし、腐食が発生する。これを防止するためには、炉壁の伝熱を考慮し、缶体が酸露点温度以下にならないように耐火材の構成を決定する。
（6）排水水質と燃焼効率
廃液燃焼は、高 CODの廃水を燃焼処理により、そのまま系外に排出できるレベルのCOD 値まで低下させるように設計することが一般的である。燃焼効率を評価する指標は入口と出口のCOD 総量値の差により求められる。

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