最良の技術を、多彩な分野へ

TSK TECHNICAL REVIEW

TSK技報
no.9
2008 SPRINGTSK TECHNICAL REVIEW

技報
特集テーマ：環境を考える

過給式流動焼却設備の実証運転
塩酸回収技術製品紹介

www. ts k -g . c o . j p

TSKの産業排水処理技術
TSK 上水向け紫外線消毒装置
月島−ドライシールガスホルダ

2008
SPRING

No . 9月島機械株式会社

月島機械株式会社

目次
4

特集テーマ : 環境を考える
巻頭言

月島環境エンジニアリング（株）と環境関連技術
月島環境エンジニアリング株式会社

6代表取締役社長

過給式流動焼却設備の実証運転
14

長沢 英和・山本 隆文

特集 2

塩酸回収技術
20

山口 展弘

技術紹介

大電流プラズマアシスト蒸着装置の開発と光学薄膜成膜への展開
28

槇島 亀久夫

特集 1

飯田 竜一

ティーブレイク 月島茶房

期待される森林の機能：二酸化炭素の吸収と貯蔵30

製品紹介 1

TSKの産業排水処理技術
34

近藤 洋正

製品紹介 2

TSK 上水向け紫外線消毒装置
38

今川 洋介

製品紹介 3

月島−ドライシールガスホルダ
42

福富 久益

会社概要・編集後記

NO.9 2008

CONTENTS
4

Foreword

6

Paper1

Special Edition:For a cleaner environmental future

Kikuo MAKISHIMA, President&CEO, Tsukishima Kankyo Engineering Ltd.

Demonstration of Fluidized Bed Incinerator with Turbocharger
Hidekazu NAGASAWA / Takafumi YAMAMOTO

14Paper2

HCl Recovery System
20

Nobuhiro YAMAGUCHITechnology Introduction

The development of High-current Plasma Assisted Deposition system andthe application examination to optical thin-film coating
Ryoichi IIDA
28 Tea Break “Expected functions of forests: absorption and storage of CO2”30

Product1

34

Product2

Industrial Wastewater Treatment System of TSKTSK Drinking Water Disinfection System

表紙の写真

38

Yosuke IMAGAWA

Product3

Tsukishima-Dry Seal Gas Holder
42

Hiromasa KONDO

Hisayoshi FUKUTOMI

Corporate Profile / Editor’s Note

2004年に世界遺産へ登録された
紀伊山地の春の風景

TSK 技報 2008 no.9

3

巻 頭 言月島環境エンジニアリング（株）と環境関連技術

反応槽内の触媒により90%の有機物が酸の濃度に応じて工業用塩酸等として再利

また高温排ガスが持つ熱エネルギーは廃化分解される。99.99%の分解が可能な燃用される。さらに高温排ガスの熱エネルギー

熱ボイラーで蒸気として回収される。

焼処理ほどの分解能ではないが、燃料をも基本的に廃熱ボイラーで蒸気として回収される。なお本技術については本誌の中でその詳細を紹介しているのでぜひご覧いた

後段に生物処理設備を備えることで要求さ化学工業や印刷会社など種々の産業設れる排水規制値に適合させる。一方低圧

だきたい。

備から排出される廃ガスに含有される臭気法はエチレン製造設備等からのソーダ廃液

成分やVOCを焼却処理する技術である。

の硫化ソーダ処理などに適用され、この場

２ 廃ガス処理技術

回転するセラミックス製の特殊蓄熱体が組

合は圧力 1MPaG 温度 165℃で運転され前

A. フロン類破壊技術み込まれた燃焼炉が設備の中心となる。

述 1-Aの液中燃焼技術に変わって採用され燃焼排ガスで加熱された蓄熱部に原ガスをる場合がある。

のとして取り扱われてきたが、近年の環境保全に関する規制や意識の高まりによってオゾン層の破壊物質として知られ、また通すと、ガスは予備加熱されて燃焼室にりに登場したのがもっと大きな領域を示す｛環

計画時から確実に生産設備に付帯されるよ温室効果が炭酸ガスの数百倍から一万倍導入され臭気成分やVOCなどが燃焼無害

以上、液体・ガス・固形のそれぞれに境関連技術｝ということになるのであろうか。

うになってきている。

といわれるフロン類を前述１−Aの液中燃化される。燃焼排ガスは蓄熱体の冷却部関する代表的技術を紹介したが、弊社は焼 炉を使 用して1250-1350 ℃で燃 焼し効を流れ熱エネルギーはそこへ蓄熱されて予他にも数多くの環境関連技術を保有し納入

今年 1月末の｛世界経済フォーラム総会

そこで本稿では半世紀に亘って弊社が＝ダボス会議｝
での福田首相の洞爺湖サミッ

市場に送り出してきた技術のうち、現在展

率よく破壊する。フロンとはオゾン層破壊

備加熱に再利用される。この方式は燃焼

実績は幅広くその数も多い。詳細について

トに関する講演でも温室効果ガス削減を目開している代表的環境関連技術の概要をの元凶とされ温室効果も確認されているに必要な燃料を大幅に節減できる省エネ型

は順次本技報にて紹介させていただきたい指す｛クールアース50｝
が取上げられたこと最近のトピックスも交えて紹介させていただ

CFC,HCFC, 更にオゾン層を破壊しない代の燃焼技術である。

と考えている。

は記憶に新しい。来るべきサミットでは地球くので、弊社の理解を深めていただく一助

替フロンとして登場したHFC,PFCなどであ環境問題が主要テーマと言われており、温となれば幸甚である。

る。現在では代替フロンも温室効果は高い

弊社の親会社の月島機械（株）
も環境関

３ 固形廃棄物処理技術とされている。弊社の中国・インド向けの１ 廃液処理技術

三設備が最近注目を浴びている国連 CDM
プロジェクトに登録されている

球温暖化の元凶として注目を浴びているがやや懐疑的意見も見られる。地球温暖化

A. 液中燃焼技術
B. シアン分解技術（直接燃焼法）連技術の老舗である。汚泥処理技術、排煙脱硫技術やバイマスエタノール技術など

産業廃棄物の中間処理設備（焼却）を幅を市場に送り出している。弊社はこれから広いユーザーニーズに合わせて計画し納入も月島機械グループの一員として月島機械している。中心機器となる焼却炉は普通流（株）と連携しながら｛かけがえのない地球

動炉、高速流動炉、キルン炉、キルンストー

環境のため当社の環境関連技術をもっては｛太陽活動の変化｝
や｛地軸の傾き｝に起エチレン設備をはじめとする石化コンプ因しており地球の時間軸を考えれば地球温レックスや、化 学・紙パ工 場からの廃 液

廃ガスの処理はそのガスの成分や濃度

カ炉等の型式を揃え、多様な廃棄物に適地球環境保全に貢献する｝という企業理念

暖化も出現するとの主張である。しかしこ

を処 理 する技 術で、特にアルカリを含 有に応じて様々な処理方法があるが、シアン合させる。高温排ガスのエネルギーは廃熱の実現にむけて前進して参ります。ご期待の主張のなかでも我々現代人が造りだす地する廃液に対応する特殊な燃焼炉が設

含有廃ガスに関しては、シアン分離のためボイラーによって回収され、その蒸気を発電下さい。

球環境負荷の変化の速さは問題だとしてお備の中心となる。廃液中の有機物は高温

比較的高温で処理する必要性があり、直に有効利用する設備を付帯する場合が増り、CO2 削減努力が温暖化防止の有効打（950-1000℃）で酸化無害化され、アルカリ接燃焼法が採用される。また含有されるN加している。排ガス中のダイオキシンは特殊であることは間違いなく、弊社も関連技術

は無機塩となって炉後段のクエンチャーからによるNOx 生成を抑制するため燃焼炉は触媒によって分解される。また通常は最終を駆使して貢献していく。

溶解して排出される。排ガスの熱エネルギー

処分場に埋め立てられる飛灰も灰溶融設備

最近の若手エンジニアも環境関連技術を

は廃液濃縮工程などで熱回収される。弊を併設してスラグとして回収し路盤材等への指向する傾向が強くなっていると聞くが、一社では本設備を海外も含めて320 基以上をリサイクルを可能にしている。

口に環境関連技術といってもその間口は実市場に送り出しており、環境負荷となる有害に広い。一般的には汚染対策技術、資源物を処理する代表的技術となっている。

４ 触媒湿式酸化システム｛（株）
日本触媒と技術提携｝

循環技術、温暖化対策（省エネ）技術等に分類されることが多いようであるが、いずれB．塩酸回収技術
一般的な廃水処理（低濃度廃水処理）とも関連性が有り手段として用いる技術とそ

VCM・ECH などを生 産 する製 造 工

れが生み出す効果は複雑に絡み合ってお場からの塩 素イオンを含む廃 残さ・廃ガ

廃液燃焼処理（高濃度廃液処理）の中間にり簡単に分類することも容易ではない。広くスを処理する技術である。燃焼炉は高温位置する技術であり、廃液によっては従来の環境を捉えれば全ての技術が環境に関連（1400-1500℃）で運転され炉内で有機物

燃焼処理の代替となる処理方法である。

するように思えてくるのではないだろうか。

を分解した後、排ガス中に存在する塩化一昔前までは環境関連技術は余計なも

4 TSK 技報 2008 no.9

使う必要がない省エネ処理技術である。
C. 蓄熱式燃焼技術

以前からの｛公害防止技術｝
や｛省エネ技

れるであろう。特にCO2 排出については地

月島環境エンジニアリング株式会社
代表取締役社長

還元―酸化の二段燃焼方式をとっている。

術｝と言う言葉に出会うことが少なくなり、代わ

室効果ガス削減が政治課題として議論さ槇島 亀久夫するリサイクル技術である。回収塩酸はそ

水素を塩酸または塩化水素ガスとして回収

まず高圧法と称するものは触媒反応槽『世界最大級の液中燃焼装置』

が、圧力 8MPaG 温度 260℃で運転され、TSK 技報 2008 no.9

5

特集

1

1 はじめに過給式流動焼却設備の実証運転
Demonstration of Fluidized Bed Incinerator with Turbocharger

2

下水道の普及拡充に伴い発生する汚泥は年々増加し、その多くがSludge generation is increasing yearly with widespread use of the sewage system.
The majority of sewage sludge is dewatered and then incinerated. Fluidized Bed
Incinerator (FBI) is the mainstream for incinerating dewatered sludge, and accounts
for 80% of total installations of 280 units in Japan. Large amount of hot sand is used
as a heating medium, which excels in incinerating high-moisture content waste materials such as dewatered sludge. However, FBI uses much power as auxiliary fuel isrequired to treat high-moisture waste materials.

長沢 英和
Hidekazu

NAGASAWA

2.1 特徴脱水後焼却処理されている。脱水汚泥の焼却炉としては気泡流動炉

本システムは従来の焼却設備と比べて2 つの大きな特徴がある。

が主流で、月島機械でも多くの納入実績がある。全国で稼働してい①過給機出口圧力を概ね0.10MPa･G 以上、最大で0.3MPa･G 程る約 280 基の焼却炉の内、80%を気泡流動炉が占めている。
気泡流動炉は、熱媒体である高温砂が炉内に多量に存在している

Abstract

開発システムの特徴とメリット

度とし、通常の運転では過給式流動炉内を0.10 〜 0.20MPa･G程度に保持しながら燃焼を行う（炉内圧力は過給機出口空気圧ため、脱水汚泥等の高含水廃棄物を焼却処理する焼却炉として非常力が 0.2MPa･Gの場合、流動炉内の砂層圧力損失を差し引いに優れている。しかし、消費電力が大きく、高含水率であるが故に多た0.17MPa･G 程度となる）。

くの補助燃料が必要である等のデメリットもある。また、下水道事業②燃焼排ガスのエネルギーを利用して過給機（ターボチャージャー）

活動において地球温暖化防止への取組や厳しい財政状況による建設を駆動することで圧縮空気が生み出され、それを燃焼空気とし費の低減といった社会的ニーズも高まっている。

て利用する。

そこで、我々は気泡流動炉と過給機を組み合わせた脱水汚泥からのエネルギー回収システム（図 1）を提案し 1）、2）、3）、脱水汚泥の燃焼特

2.2 メリット性や過給機の運転特性について研究開発を行ってきた。本稿では、

気泡流動炉に比べて以下のメリットがある。

実用化に向けた実証設備の検証運転を実施したので報告する（平成①加圧下で燃焼させるため、誘引ファンが不要である。

16 年度より段階的に開発を実施しており、平成 20 年度以降も継続す②燃焼排ガスで過給機のタービンを駆動して燃焼用空気を送風する予定である）。

るため流動ブロワが不要となる。①と合わせて従来焼却設備よりも消費電力が 40%以上削減できる（図 2）。

As a measure, energy recovery system from dewatered sludge has been developedby combining the Fluidized Bed Incinerator with turbocharger for converting high-研究開発本部
研究開発部プロジェクトグループ

moisture sewage sludge into exhaust gas, which obtains surplus pressurized air in

廃棄物学会
環境システム計測制御学会

300kPaG, driving the turbocharger with high-temperature and high-pressure exhaustexcess of the amount required for combustion. The system is operated at 100 〜
gas and generating combustion air, which eliminates the blower. Electric power consumption is reduced by about 40% compared to typical FBI that requires forced draft
blower and induced draft fans. Sewage sludge is burned completely as pressurization
accelerates burning rate.
For actual sewage sludge incinerators, moisture in sludge is converted into 40 to
50% exhaust gas, thus more air is generated in FBI with turbocharger. Exhaust gas
heat is exchanged with the air preheater, dust is removed with the hot gas filter, andthen exhaust gas is used in the turbocharger to recover energy.
A general-purpose turbocharger used for trucks was applied for the pilot plant. The
commercial plant will apply a larger general-purpose turbocharger used for ships.

山本 隆文
Takafumi YAMAMOTO
研究開発本部
研究開発部プロジェクトグループ

The pilot plant was operated at 180 kg/hr of processing time. Other operating con-

図 1 開発システム
Fig.1 Flow chart of Fluidized Bed Incinerator with the turbocharger

dition such as temperature, pressure and exhaust gas properties are described in thispaper.
キーワード：流動床、過給機、下水汚泥、電力削減
Keyword ：Fluidized Bed, Turbocharger, Sewage Sludge, Electric Power Reduction

図 2 消費電力削減量
Fig.2 Reduced electric power consumption

6 TSK 技報 2008 no.9

TSK 技報 2008 no.9

7

特集 1

Demonstration of Fluidized Bed Incinerator with Turbocharger

過給式流動焼却設備の実証運転

証し、燃焼特性および余剰空気発生時の安定性を検証する。また、（2）集塵機
空気予熱器出口排ガスには、脱水汚泥を焼却した際に発生する灰分

低負荷運転への適応性についても検証を行う。

（ダスト）が含まれている。過給機に供給する前に、高温･高圧を維持しながら排ガス中の灰分を除去するために、集塵機はセラミックフィルタを採

4.2 運転方法

用する。灰分は、排ガスがセラミックフィルタを通過する際、フィルタ表面

実験設備の立ち上げは、起動用ブロワからの空気を過給式流動炉で除塵される。フィルタ表面に堆積した灰分は、パルスジェッ
トにより定期

砂層部と始動用バーナに供給する。始動用バーナにより砂層上部から的に逆洗され払い落とし、下部に集積される。集塵機内部を図 8に示す。

加熱し昇温する。砂層温度が 550℃以上に達してから、オイルガンを着火し所定の温度まで炉内を昇温する。尚、始動用バーナは徐々に（3）過給機ユニット

図3 過給機によるエネルギー回収
Fig.3 Energy recovery by the turbocharger

重油を減らして消火する。昇温により、排ガスの温度および流量が共過給式流動炉で発生した高温 ･ 高圧状態の排ガスのエネルギーでにアップし、過給機の回転数が上昇する。これにより、炉内圧力が上過給機を駆動し、圧縮空気としてエネルギー回収するものである。過昇および圧縮空気量が増加し、起動用ブロワが無くても圧縮空気を過給機入口排ガスが持つ圧力エネルギーと断熱膨張による温度低下分

給式流動炉へ供給できる状態になる。最終的に起動用ブロワを停止

が、過給機の駆動エネルギーとなる。圧縮空気は燃焼用空気に用いして昇温が完了する（脱水汚泥を投入できる状態）。この時点で過給るとともに、一部を余剰空気として有効利用することが可能である。過機は、起動用ブロワの運転が不要になり、自立運転状態となる。自立給機ユニットは、過給機軸受部へ潤滑油を供給するポンプおよび潤滑

運転後、汚泥供給ポンプにより脱水汚泥を供給する。

油温度を一定に保つ熱交換器により構成される。過給機の仕様は表③脱水汚泥中の水分により、燃焼排ガスが多くなるため、約 0.2MPa・2の通りである。また、過給機の外観を図 9に示す。

G 程度の圧力で送風動力（＝流動ブロワ）
および吸気動力（＝誘引ファン）無しで運転でき、炉で必要な燃焼空気（流動空気）以外

表 2 過給機の仕様
Table2 Speciﬁcation of Turbocharger

4 実験概要に発生する余剰空気を白煙防止空気に利用することで、創エネ

4.1 目的

ルギーが可能である（図 3）。
④加圧下で燃焼を行うため、燃焼速度が速くなり、高密度燃焼が過給式流動炉と過給機を組み合わせたシステムが成立することを実できる。
⑤加圧下での燃焼であるため、燃焼ガス密度が大きくなり、炉および集塵機内容積が 1/3 〜 1/2となる。
以上のメリットから、下水汚泥のような高含水廃棄物の焼却に最適

図4 実証設備建屋外観および長万部の位置
Fig.4 Photo and location of the pilot plant at Osyamanbe, Hokkaido, Japanであるという従来の気泡流動炉の良さは生かしたまま、省エネルギー･ 創エネルギーシステムが実現でき、地球温暖化防止にも貢献できる。

3

実証設備

3.1 実証設備のフロー実証設備は北海道 ･ 長万部終末処理場内に建設し、実用化に向けた検証運転を行っている。実証設備の外観を図 4に、またフローを
図6 過給式流動炉（汚泥投入部）
Fig.6 Photo of Fluidized Bed Incinerator with turbocharger

図 5に示す。実証設備は、過給式流動炉、空気予熱器、集塵機、

図8 集塵機内部
Fig.8 Photo of hot gas ﬁlter

過給機、コントロール弁から構成される。この他、燃焼供給装置、汚泥供給用の一軸ネジ式ポンプ、オイルガン等の付属機器がある。

3.2 主要機器

図5 実証設備フロー
Fig.5 Flow chart of the pilot plant（1）過給式流動炉
過給式流動炉は、加圧状態で燃焼する流動炉で、加圧効果により酸素分圧が高くなり燃焼速度が速くなる。ガス密度が大きくなるた
め、従来の気泡流動炉に比べて排ガス容積が 1/3 程度（炉内圧力を

表1 過給式流動炉の仕様
Table1 Speciﬁcation of Fluidized Bed Incinerator with turbocharger

0.2MPa･Gで運転する場合）となることから炉本体を小型化することができる。過給式流動炉の昇温は、始動用バーナにより熱風を発生させて砂層上部より加熱する。さらに砂層温度が 550℃以上に達したらオイルガンに着火し、運転温度 850℃まで昇温する。過給式流動炉の仕様を表 1に示す。また、外観を図 6、図 7に示す。

8 TSK 技報 2008 no.9

図7 過給式流動炉（フリーボード部）
Fig.7 Photo of Fluidized Bed Incinerator with turbocharger(freeboard）

図9 過給機ユニット外観
Fig.9 Photo of turbocharger unit

TSK 技報 2008 no.9

9

特集 1

Demonstration of Fluidized Bed Incinerator with Turbocharger

過給式流動焼却設備の実証運転

4.3 運転条件
汚泥を定格の180kg-wet/hで供給し、加圧下における燃焼運転を

表 3 脱水汚泥の性状
Table3 Characteristics of Sewage Sludge

行った。
焼却運転は50 時間連続運転 2 回を含む合計 207 時間行った。

5

結果と考察

4）、5）、6）

砂層温度は750℃程度で安定しており、フリーボード温度（FB 温度）る。また、N2O 濃度はNOx 濃度とトレードオフの関係が見られ、CO 濃

も850℃に達して安定している。また、炉出口の排ガス温度（800 〜

度と正の相関があることが分かる。経過時間 600min 以降で、炉内温

830℃）および圧力（0.080 〜 0.095MPa）共に非常に安定している。燃度（砂層温度（3）＝砂層直上部）が少し上昇したときにN2O 濃度が急激

焼空気量の変動もなく、過給式流動炉と過給機を組み合わせたシステに減少していることから炉内温度に依存していることも確認された。

ムが送風動力、吸気動力無しで安定運転できることが確認できた。

本実験に使用した脱水汚泥の性状を表 3に、運転状況を図 10に示す。

炉内温度分布を見ると、砂層部の直上（砂層温度（3））が最も高温実証設備では小型過給機の特性上、圧力が制限されること、まとなっており、従来の気泡流動炉と比較して燃焼速度が速いことも確

た炉本体、空気予熱器および集塵機等の放熱量が大きく、圧力は認された。今後の実証設備運転によってNOx 発生量も考慮した最適

0.1MPa･Gとなっている。実機では過給機を大型化し、集塵機の断熱運転条件を検証していく。

能力アップやダクト短縮化によって容易に放熱量を低減することができ（1）
システムの実証と基礎的な燃焼特性の検証
11に、排ガス性状変化を図 12に示す。

排ガス性状については、炉出口温度が 800℃を下回るときにCO 濃
度は若干高くなっているが、800℃以上では50ppm 以下で推移してい

図10 運転状況
Fig.10 Operating example of pilot plant

図11 炉内温度、圧力および汚泥、重油供給量変化
Fig.11 Temperature, pressure, feed rate and oil rate of pilot plant

10 TSK 技報 2008 no.9

（2）余剰空気発生時の安定性

るため、圧力を0.2MPa･Gとすることが可能である。

連続運転時の炉内温度、圧力および汚泥、重油供給量変化を図

余剰空気量変化による炉内温度、圧力変化を図 13に、その時の排ガス性状変化を図 14に示す。

図 12 排ガス性状変化
Fig.12 NOx, N2O and CO of pilot plant

図 13 余剰空気量変化による炉内温度、圧力変化
Fig.13 Temperature, pressure, feed rate and oil rate of pilot plant while generating surplus air

TSK 技報 2008 no.9

11

特集 1

Demonstration of Fluidized Bed Incinerator with Turbocharger

過給式流動焼却設備の実証運転

図 14に示すように経過時間 120min 以降に有効利用空気弁を徐々（3）低負荷運転への適応性に開け、余剰空気を放出した。これによって、炉に供給される燃焼空実際の焼却設備において供用開始直後は定格処理量に満たない

気および炉から排出される排ガス量が減少すると共に、系内の圧力が量の脱水汚泥を処理することがあるため、汚泥の供給量を変動させ下がるが余剰空気が最大で150Nm3/h 発生しているときの排ガス中て負荷変動試験を行った。負荷量を180kg/h → 110kg/hまで下げた

O2 濃度は5.5%であり、燃焼空気は十分確保されている（このとき空気ときの炉内温度、圧力変化を図 15に、排ガス性状変化を図 16に示す。

比は約 1.3である）。つまり、送風動力および吸気動力無しの自立運

図 15に示すように経過時間 80min 〜 150minの間、汚泥供給量を定転は維持される。COなどの未燃成分が増加しておらず、排ガス性状

格量 180kg/hから110kg/h（負荷率 61%）に絞って運転を行った。これへの悪影響は見られない。但し、余剰空気を発生させた時間が短いに追随して排ガス量および燃焼空気量も低下した。過給機における駆ため今後も検証する。

動エネルギー減少により、圧縮空気（燃焼空気）の圧力も降下したが、排ガス中のCO 濃度からも分かるように不完全燃焼は見られていない。

図 16 汚泥供給量変化による排ガス性状変化
Fig.16 NOx, N2O and CO of pilot plant during low feeding

6 まとめ
炉内温度および系内圧力は非常に安定しており、送風動力（流動ブロワ）および吸気動力（誘引ファン）のないシステムが 50 時間の連続運転で問題なく運転できることを確認した。また、焼却灰の物性値、粒度分布および排ガス性状は従来の気泡流動炉と同等であり、脱水汚泥を安定して処理できることも確認できた。
図 14 余剰空気量変化による排ガス性状変化
Fig.14 NOx, N2O and CO of pilot plant while generating surplus air

実証設備の運転圧力でも過給機が自立しているため、流動ブロワと誘引ファンは運転する必要がなく、消費電力 40%削減は確実である。
創エネについては運転圧力の設定によって左右される。設定圧力を高

参考文献
1）長沢英和ら：下水汚泥を想定した加圧燃焼に於ける運転特性、
第42回下水道研
究発表会、
p.1065 〜1067、20052）長沢英和ら：下水汚泥の加圧状態における燃焼特性、
第43回下水道研究発表
会、
p.965 〜967、20063）長沢英和ら：加圧流動燃焼設備の実証運転、
第44回下水道研究発表会、
p.841
〜843、
2007
4）長沢英和ら：加圧流動層による下水汚泥焼却炉の開発、
第12回流動化･粒子プ
ロセッシングシンポジウム、
p.247 〜252、20065）長沢英和ら：加圧流動層による下水汚泥焼却炉の開発(第2報）、
第13回流動化･粒子プロセッシングシンポジウム、
p.281 〜286、
20076）山本隆文ら：加圧流動汚泥燃焼設備の実証運転、
土木技術Vol.62,No.11、
2007

くすれば、それだけ過給機タービンにおける仕事量が増えるので発生する余剰空気量が増える。
今回の実証試験により、本システムが脱水汚泥焼却に十分適用可能であることが確認できたことから、今後は第 1 号機受注に向けたPR活動に注力するとともに、さらにシステムの信頼性向上を図るために、来年度も実証設備の運転を継続する。

7 謝辞
本研究は、
（独）新エネルギー ･ 産業技術総合開発機構（NEDO）の平成 17-19 年度 ｢バイオマスエネルギー転換要素技術開発｣ 事業に採択され、（独）土木研究所、（独）産業技術総合研究所および三機工業（株）との4 社共同研究によって得られた成果である。関係者の方々に深く感謝いたします。

図 15 汚泥供給量変化による炉内温度、圧力変化
Fig.15 Temperature, pressure, feed rate and oil rate of pilot plant during low feeding

12 TSK 技報 2008 no.9

TSK 技報 2008 no.9

13

特集

2
塩酸回収技術HCl Recovery System

1 はじめに合成繊維、プラスチック、農薬、溶剤、その他で塩素（Cl）を含有する工業製品は非常に多い。また製品自体に塩素を含まなくても、製を使用するものも多い。これ
造過程で塩酸（HCl）
ないし塩素ガス（Cl2）
らの製造工場では必ず塩素を含有する廃棄物、いわゆる有機塩素系廃棄物が発生し、これらを安全かつ無公害で処理しなければならない。
月島環境エンジニアリングでは、難燃性の有機塩素系廃棄物を燃焼処理し、燃焼にて発生したHClを中和処理し無害化するか、また

山口 展弘

は吸収塔で水吸収により数〜 20wt%程度の塩酸を回収したり、さらにNobuhiro YAMAGUCHI

吸収塔で回収した塩酸を蒸留して35wt%程度の塩酸または100wt%

月島環境エンジニアリング株式会社
プロポ−ザル本部
プロセス設計部

塩化水素として回収する技術を確立してきた。さらに燃焼分解ガスか

図 1 塩酸回収設備フロ−シ−ト
Fig.1 Flow sheet of HCl Recovery System

ら廃熱回収として廃熱ボイラ−を設置してスチ−ムを回収するなどのエ
ネルギ−回収にも取り組んでいる。
以下に月島環境エンジニアリング独自の塩酸回収技術について説明する。

Abstract
Many industrial products containing Chlorine (Cl) such assynthetic fibers, plastics, pesticides and solvents require safe
treatment of Chlorine. In addition, even if Chlorine is not contained in the product itself, many products use Hydrochloric
Acid (HCl) or Chlorine Gas (Cl2) in the manufacturing process
and generate wastes containing Chlorine called ChlorinatedOrganic Waste that require treatment without pollution.

2

装置の概要
本装置は図 1に示すように有機塩素系廃液、廃ガスを燃焼分解し、燃焼ガスからスチ−ム回収及び 100wt%塩化水素を回収するものである。（図 1は廃熱ボイラ−によるスチ−ム回収及び 100wt%塩化水素回収の例を示す。）
処理システムは、燃焼分解工程（燃焼炉）、廃熱回収工程（廃熱ボ
イラ−）、ガス冷却・塩酸吸収工程（冷却塔・吸収塔）、排ガス洗浄工程（除害塔）及び蒸留工程（放散塔）の5 工程から成る。

図 2 塩素含有量と燃焼熱 1）
Fig.2 Relation between Chlorine Content and Higher Heating Value

2.1 燃焼分解工程

Technologies or processes developed and established by Tsuk-本システムでは、有機塩素系廃液、廃ガス及び補助燃料をバ−ナ−

本工程は、難燃性の有機塩素系廃液及び廃ガスを特殊な設計のishima Kankyo Engineering Ltd.(TSKE) include the following:に導き、所定量の空気と共に燃焼する。バ−ナ−は高速短焔バ−ナ−

基に開発された燃焼炉により、高負荷燃焼及び高分解率を実現するを用いて高負荷燃焼を行っているため有機物は完全に分解され、塩ためのものである。

・Decomposition of incombustible Chlorinated Organic Waste
by incineration

素分はほとんどが塩化水素になる。
この燃焼ガスは次の廃熱ボイラ−でスチ−ムを発生させると同時に（1）廃液・廃ガスの燃焼性

・Neutralization of combustion gas containing of HCl gas

300 〜 350℃程度まで冷却され、続く冷却塔でさらに冷却される。冷・Recovery of 20wt% HCl solution by absorber

却塔より出た燃焼ガスは吸収塔に導入され、塩化水素は吸収水により低下していく。図 2は塩素の含有率と廃液 1kg 当りの燃焼熱を示すも22 〜 25wt%程度の塩酸として回収される。

のであり、塩化ビニルモノマ−（VCM）製造工場において生成される廃・Recovery of 35wt% HCl solution or 100wt% HCl gas by distillation
・Recovery of energy such as steam recovery by waste heatboilerThis paper describes the HCl recovery system, performance,
installation records including awards for the technologies.
キーワード：塩酸、塩化水素、塩酸回収設備、有機塩素系廃棄物、燃焼炉
Keyword：HCI, Hydrochloric Acid, HCl Recovery System, Chlorinated Organic
Waste, Combustion Furnace

14 TSK 技報 2008 no.9

図 3 ボルテックスバーナー説明図
Fig.3 Explanatory drawing of Vortex Burner

有機塩素系廃液及び廃ガスの燃焼性は含有する塩素の量によってのボルテックスバ−ナ−を使用する。図 3にその説明図を示した。燃料・吸収塔からの塩酸は放散塔にてリボイラ−による加熱により塔頂から液は、40 〜 75wt%程度の塩素含有量のものが多い。一方バ−ナ−に廃液はアトマイズ空気（0.5MPaG 程度）
で噴霧・微粒化を行うと同時にの塩化水素蒸気と、塔底からの共沸組成の希塩酸に分離される。塩より補助燃料の添加なしでも安定した燃焼が可能な限界は、廃液組

燃焼用空気は急激な旋回流を与えて短時間で燃焼が完結するので化水素蒸気はコンデンサ−において水分を除去され 100wt%塩化水素

成によっても異なるが 12,550 kJ/kg（3,000 kcal/kg）程度である。従っ炎が非常に短い。これにより燃焼負荷は38 GJ/m3/h（9 Gcal/m3/h）

として回収される。

て塩素含有率が大体 65wt%以上の廃液については、何らかの方法程度となり、バーナー部にて難燃性の有機塩素系廃液、廃ガスはほとで補助燃料との混合によりカロリ−アップするか、または補助燃料とのんど酸化分解が完了する。さらに廃液、廃ガスが完全に酸化分解を混焼が必要となる。

終了するには、ある程度の高温での滞留時間が必要である。本装置

一方、吸収塔塔頂より出る燃焼ガスは、更に除害塔にてアルカリ水溶液で中和処理され大気に放出される。除害塔塔頂には塩化水素及び塩素除去用のアルカリ水溶液と塩素とアルカリ水溶液との反応で生成する次亜塩素酸ナトリウムを分解するための還元剤が供給され、塔底から除害塔排水として排出される。

では燃焼温度が 1200 〜 1450℃の温度範囲にてガス滞留時間は0.4（2）高負荷燃焼バーナー
燃焼用のバ−ナ−は高負荷燃焼を行う月島環境エンジニアリング製〜 2 秒としている。VCM 廃液燃焼における実績として1400℃、0.75 秒で分解率 99.9999%（6- ナイン）を達成している。

TSK 技報 2008 no.9

15

特集 2

塩酸回収技術HCl Recovery System

2.3 ガス冷却・塩酸吸収工程（3）塩素
廃液、廃ガス中の塩素分はほとんど塩化水素になるが、高温化では次式の反応により微量の塩素が副生する。

原料として循環使用したいという要望がある。塩酸は常圧においてはる必要がある。図 5は0.2MPaGにおいて深冷を行なった場合のガス

廃熱ボイラ−出口ガス温度は通常 300 〜 350℃となる。従って、この約 20wt%の共沸組成を有することは衆知の通りである。一般にVCM

温度と残存水分の関係を示すものである。これから0.2MPaGの加圧ガスを後続の吸収塔へ導入する前に冷却する必要がある。その方式

製造工場から排出される廃液中の塩素の含有量は40 〜 75wt%程度

条件では、水分 50ppmにするには0℃までガスを冷却すればよいのにはスプレ−方式の冷却塔を採用しており、吸収塔入口ダクト部へ塩酸スのものが多く、これを燃焼処理し、燃焼ガス中の塩化水素を吸収塔で対し常圧においては約−13℃まで冷却することが必要である。通常残①

プレ−を行うことで冷却している。冷却塔で冷却された燃焼ガスは吸収

水吸収した場合、共沸組成以上の22 〜 25wt%程度の塩酸が回収

留の水分濃度は50 〜 100ppmの範囲の要求が多いので放散塔の操塔に導き塩化水素を吸収水及び放散塔からの希塩酸で吸収する。吸できる。この共沸組成以上の塩酸を蒸留し100wt%塩化水素として回作圧力を約 0.2MPaGに加圧して操作を行い、深冷においてはブライ

燃焼ガス中の残存塩素の量を極力少なくするためには、水蒸気が収塔は泡鐘塔ないし充填塔が使用され、気液向流接触により水吸収が収する。また、図 1のプロセス以外にも条件により2.5（2）、（3）項のよンを使用し0℃程度まで冷却し水分を除去するように計画している。放充分存在する下で、理論空気量付近で燃焼を行うことが必要である。

行なわれる。吸収した塩酸は22 〜 25wt%程度の塩酸として回収される。

うなプロセスが採用される。

2HCl + 1/2O2 ⇔ Cl2+ H2O

散塔を0.2MPaGに加圧すると操作温度が 140℃前後になる。塔本体

また、①式の水蒸気添加による燃焼ガス中の水蒸気分圧を上げる操
作は、平衡上、塩素低減効果になる。

は鋼材にフッ素樹脂ライニングを施工したものか、または不浸透カ−ボ

2.4 排ガス洗浄工程（1）1 塔式による100wt%塩化水素回収

前述 2.1 燃焼分解工程で生成する塩素（反応式①）は水に対する溶2.2 廃熱回収工程
本工程は、燃焼炉で燃焼分解された燃焼ガスを廃熱ボイラ−に導きン製の塔を使用し、充填物としてはフッ素樹脂製を使用している。リボ

図 1に示すように1 本の放散塔から構成され、回収された100wt%

解度が低く冷却塔及び吸収塔では完全には吸収除去できない。従っ塩化水素は圧縮機にて圧縮され VCM 製造工程に戻されるシステムでて、塩素及び塩酸吸収工程で吸収しきれなかった微量の残存塩化水ある。

イラ−及び各凝縮器は不浸透カ−ボン製の熱交換器を採用している。
（2）2 塔式による100wt%塩化水素回収

廃熱回収を行う。燃焼ガス中には塩化水素と水蒸気が存在している

素を水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ水溶液で中和洗浄する。中

圧縮機にてVCM 製造工程に戻されるのであるが、100wt%塩化水

上記 1 塔式では回収した100wt%塩化水素を圧縮する圧縮機を使ため露点腐食（下限温度）と高温域の塩化鉄形成による腐食（上限温

和洗浄後、燃焼ガスは大気に放出される。除害塔は吸収塔と同様、素中に残存する水分は圧縮機の腐食を防止するために極力除去され用しているが、圧縮機は高価であり、また運転や保守に手間がかか度）の二様があり廃熱ボイラ−の腐食設計はこの上下限内のさらに充泡鐘塔または充填塔が使用される。

分安全を見込んだ比較的狭い温度領域内にいかにしてメタル温度を収めるかがもっとも重要なポイントとなっている。

るので圧縮機を設置せずに高圧で蒸留して、そのままVCM 製造工

なお、水酸化ナトリウムと塩素との反応で次式のように次亜塩素酸ナ

程に送るような要望がある。一方でVCM 製造工程へ送るための所要トリウムを生成する。

圧力も以前は0.7MPaG 程度必要とされるものが多かったが、最近では0.4 〜 0.5MPaG 程度で良いものが増えている。放散塔の操作圧力（1）露点腐食対策

Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaOCl + H2O②

を上げると操作温度が上がり放散塔接液部材質であるフッ素樹脂ライ例として、70wt%含有のVCM 廃液燃焼ガスについて、HCｌ〜 H2O

ニングの耐熱上の制約、またカ−ボン熱交換器についても第 1 種圧力

気液平衡デ−タから露点を推算すると約 70℃となるが、通常は充分な次亜塩素酸ナトリウムは、洗浄設備の構成材料であるFRP 等の樹

容器構造規格で使用できる蒸気圧力の上限が 0.7MPaGと決められて安全をみて、150℃程度をメタル下限温度として設計する。これは大気脂層と反応して設備を腐食させる原因となる。従って、亜硫酸ナトリウ

おり、リボイラ−ではプロセス側と蒸気側との温度差が取りにくくなり伝圧下の20wt%塩酸の最高共沸温度が 110℃となること、さらに鋼材のム等の還元剤を添加して以下のように分解し設備の腐食を防ぐ。

熱面積の増大等の問題がある。

吸湿性を考慮して露点 +30℃が必要とされることが根拠となっている。

そこで、図 6に示すように放散塔を2 本使用し、第 1 塔の中圧塔でNaOCl + Na2SO3 → NaCl + Na2SO4③

は、塔頂からできるだけ濃い塩酸を回収し、塔底では塩酸濃度を共（2）高温腐食対策

沸濃度で操作する。この操作条件は、1 塔式の蒸留の条件と同じ圧力

HCｌによる腐食メカニズムについては諸説発表されており、とくに以上の除害塔での管理は、pH 測定により苛性ソーダ供給量を、ORP

H2O、O2 が共存する場合には、これらが腐食生成物に関与しさらに（酸化還元電位）測定により還元剤供給量を自動または手動制御して金属酸化物のデポジットが存在すると、これが触媒作用により異常腐いる。

図 5 塩化水素中の水分と温度の関係 1）
Fig.5 Relation between Moisture of HCl Gas and Temperature

0.2MPaGで、操作温度を140℃程度とする。第 2 塔の高圧塔では塔底食促進となる等、複雑な要因がからんでいる。メタル上限温度としては300 〜 320℃としている。これは、FeCl3 の融点（300℃）及び沸点（317℃）に対応するものでHCl 含有量の多少、その他の条件のいか2.5 蒸留工程
VCM 製造工場では100wt%塩化水素を回収し、VCM 製造工程のんを問わず超えてはならない上限としている。
腐食速度の管壁温度による変化を図 4に示す。
（3）
ダイオキシン対策
廃熱ボイラ−出口ガス温度は通常 300 〜 350℃となる。本装置は有機塩素系廃液、廃ガスを燃焼処理し、廃熱ボイラ−内部でダイオキシンが再合成されやすい温度範囲（300 〜 470℃）を通過するため排ガス中のダイオキシン発生の抑制として、廃熱ボイラ−出口温度をダイオキシンが再合成される温度範囲より上げたり、廃熱ボイラ−出口から冷却塔までの距離を短くし、再合成されやすい温度域の滞留時間を短くする事で対応している。また、0.1ng-TEQ/Nm3 以下の規制値を求められる場
合は、廃熱ボイラ−を設置せず燃焼炉からの燃焼ガスを直接液中に噴射して冷却する液中燃焼法によるガス冷却を採用するケ−スもある。
図 4 腐食速度の管壁温度による変化 2）
Fig.4 Relation between Corrosion Rate and Tube Temperature

16 TSK 技報 2008 no.9

図 6 2 塔式塩化水素回収設備フロ−シ−ト
Fig.6 Flow sheet of HCl Gas Recovery System using two towers

TSK 技報 2008 no.9

17

特集 2

塩酸回収技術HCl Recovery Systemの濃度を共沸濃度まで下げず、約 27ｗｔ％程度で操作圧力を0.5MPaG

3

塩酸回収設備の性能程度に調整すると操作温度は、第 1 塔の操作温度と同じような温度条

社納入の塩酸回収設備の60%程度をVCM 製造工場へ納入している。塩酸回収技術は有機塩素系廃棄物の燃焼技術、液中燃焼方式

件で制御可能となる。このことにより材質、熱交換器の問題が解決でき、塩酸回収設備の性能の一例を表 1に示す。当社の塩酸回収設備による冷却技術、廃熱ボイラ−による廃熱回収技術、塩化水素ガスの圧縮機無しで所定圧力の100wt%塩化水素が回収する事ができる。

は、以下のように大気中に排出される排ガス濃度は環境規制値を充吸収技術、塩素ガスの除害技術、高濃度塩酸回収技術の組合せの分に満足する性能を持つ。また、回収された35wt%塩酸は、日本ソ設備となっており、当社の技術開発、技術改良による長年のノウハウ（3）抽出蒸留による100wt%塩化水素回収
塩酸は常圧においては約 20wt%の共沸組成を有するので、共沸濃度以下の濃度を蒸留しても共沸濃度以上には上がらないが、塩酸−ダ工業会規格合成塩酸（JSIA04-1998）2 種以上の品質のものが得の蓄積により40 年以上の実績を積み上げている。この塩酸回収技術られる。100wt%塩化水素中の水分も充分に低減できVCM 製造工程

は第 2 回分離技術会賞技術賞（1993 年）を受賞している。また、フロへリサクルが可能な品質を有する。

ン類破壊装置は、この塩酸回収技術の応用のもとに開発された技術に硫酸または塩化カルシウムなどの抽出剤を添加していくと、その添加量の増加に従って共沸組成は低下し、硫酸の場合は約 38wｔ%、塩であり第 30 回優秀環境装置の日本産業機械工業会長賞（2004 年）の4受賞、第 8 回オゾン層保護・地球温暖化防止大賞では経済産業大実績

化カルシウムの場合には約 30wt%で塩酸 - 水系の共沸点は消失する。

臣賞（2005 年）を受賞している。

これら抽出剤添加量と塩酸 - 水系の気液平衡は図 7、図 8に示す。

月島環境エンジニアリングでは、塩酸回収設備を1965 年頃より建設

抽出蒸留を適用することにより吸収塔での回収塩酸濃度が薄い濃度で開始し現在では国内外において100 基以上納入している。有機塩素も100wt%塩化水素の回収は可能となる。

系廃棄物の代表的なものとしてVCM 含有廃液、廃ガスがあるが、当

5 おわりに塩酸回収設備はVCM 製造工場の建設が一段落し建設件数は減少傾向であるが、今後、廃プラスチック処理後の脱塩素ガスの処理、共沸濃度以下の塩酸から高濃度塩酸回収、塩化水素、塩素ガス含有の排ガス処理、有機塩素系貯蔵タンクからのベントガス処理など塩酸回収技術を適用した塩素リサイクル設備は今後も注目され、将来的にも期待される設備と考える。

参考文献
1）見立和夫：塩化ビニル工業よりの有機塩素化合物廃液の処理、
塩化ビニ−ルと
ポリマ−,8,9（1968）
2）諏訪良和、
小野田忠雄、
立石泰弘：有機塩素化合物廃液の焼却システム,化学装
置,23,11（1981）
3）原行明：有機塩素系廃棄物の焼却処理技術,安全工学, Vol.29 No.6（1990）

図 7 HCl − H2SO4 − H2O 系気液平衡図 1）
Fig.7 Vapor-Liquid Equilibrium of HCl − H2SO4 − H2O

図 8 HCl − CaCl2 − H2O 系気液平衡図 1）
Fig.8 Vapor-Liquid Equilibrium of HCl − CaCl2 − H2O

表 1 塩酸回収設備の性能表
Table1 Performance Table of HCl Recovery System

18 TSK 技報 2008 no.9

TSK 技報 2008 no.9

19

技術紹介

大電流プラズマアシスト蒸着装置の開発と光学薄膜成膜への展開

2 光学薄膜とその成膜法

3 プラズマアシスト蒸着方式

ナノメートルオーダーの薄い透明な誘電体膜をガラス基板に積層すると、そのガラスを通る光が多重干渉を起こす。その現象を利用することで様々な光学特性を得ようとする膜が光学薄膜である。図 1に光学薄The development of High-current Plasma Assisted Deposition
system and the application examination to optical thin-film coating

Abstract
Digital electric appliance market is actively headed toward the start of digital broadcasting in

図 2にイメージ図を示す。以下に簡単に成膜工程を説明する。また、説明文中の番号はイメージ図上の番号に対応する。
工程 1：成膜する基板をチャンバー内天井側にある①基板搭載冶

膜の模式図を示す。屈折率の異なる媒質を光が通過すると、各層の境界面で光が反射する。光は波の性質を持つため、各層の反射波は具に複数枚セットする
工程 2：②真空チャンバー内を真空排気系で目標の到達圧力まで真膜厚に依存して起こる位相差により干渉を起こす（図 1 下）
。その位相空排気を行う差は波長により異なるため、反射波の合成となる反射光は波長に依存

工程 3：排気中及び成膜中は③基板加熱ヒーターで基板を加熱する

した強度を持つことになる。透過光強度はエネルギー保存則により、膜

また、基板搭載冶具は基板を均等に加熱するために常時自身による光の吸収を無視すれば、入射光強度から反射光強度を差回転しているし引いたものと考えることが出来る。よって各層の膜厚を適切な厚みに工程 4：④プラズマガンよりチャンバー内に高密度プラズマを放出す

設定すれば、波長ごとに反射率、透過率のコントロールが可能となる。

る。放電ガスは、成膜したい膜材料により選択する。例えば、

注 2）により行われてきたが、出可視光域をコントロールする光学薄膜の材料には主に金属

recent years, represented by thin and large screen TV, DVD recorders, digital cameras and other

来る膜は柱状晶注 3）であるため、その結晶粒界に大気中の水分が入

酸化物が用いられるため、この場合は酸素プラズマを発生

devices. For all of these devices, optics technology becomes the key and various optical elements

り込み光学特性が変化する現象が見られる。このような不安定な膜

such as lenses are used. Optical thin-film multi-layers that appropriately fit application on infra-

特性では、最近の厳しい光学薄膜の要求仕様を満たすことは出来な

red-cut filters are formed on the surface of those optical elements.

従来、光学薄膜の成膜は真空蒸着法

させる
工程 5：⑤電子ビーム注 5）照射により、ルツボにセットした材料を加熱蒸発させるい。この問題を解決する方法として、
蒸発粒子になんらかのエネルギー

Tsukishima Kikai Co., Ltd. (TSK) has produced the vacuum thin-film coating system by con-を与えながら蒸着を行うことで、膜成長面での蒸発粒子の表面拡散、以上の工程を経て、材料蒸気が基板に到達することにより成膜が行わ

tracted manufacturing, and accumulated technologies for vacuum apparatus production since 1980.

反応を促進し、緻密なアモルファス注 4）膜を形成する方法が最近用いら

れる。

飯田 竜一

Furthermore, the challenge was taken to develop the technology for thin-film coating process,れている。この方法を一般にアシスト蒸着と呼ぶ。1）

Ryoichi IIDA

essential for vacuum thin-film coating makers.

産業事業本部
真空事業部
プロセス設計グループ

PAD 方式の特長は、プラズマ雰囲気中に材料蒸気を発生させるこアシスト蒸着方式は、アシストするための高エネルギーイオンを放出とにより、材料蒸気の一部がイオン化することに加え、金属化合物のするイオンガンを用いたイオンアシスト蒸着方式と高密度プラズマ雰囲膜を形成する場合、プラズマ中の活性なラジカル粒子注 6）が膜形成に

Our thin-film coating process technology was developed by using pressure gradient type plasma

気中で蒸着を行うイオンプレーティング方式に大別される。本装置はイおける反応過程に大きく寄与することである。アシスト源を持たない（図source together with vacuum evaporation called, “Plasma Assisted Deposition (PAD) method,” andオンプレーティングの部類に属すが、特にプラズマ発生源に低電圧、2で言えばプラズマを発生させるプラズマガンがない状態）従来の電子

the High-Current Plasma Assisted Deposition system (XLS1500PA) was developed by combining

大電流プラズマを発生させる圧力勾配型プラズマガンを用いていること

ビーム蒸着（以下、ＥＢ（Electron Beam）蒸着）は、膜形成に寄与す

experience from these two vacuum technologies. The feature of XLS1500PA is to take reactiveが特徴であり、大電流プラズマアシスト蒸着方式と呼んでいる。

るエネルギーが材料の溶融温度と基板加熱のみであり、基板に到達

evaporation in a plasma activity atmosphere.

した蒸発粒子はすぐにそのエネルギーを失う。一方、イオン化した蒸
発粒子は基板とプラズマガンとの間で発生する電位差により加速され、

As the film is formed mainly by metallic compounds, our attention is focused on applying the
PAD technology effectively on optical thin-films. The configuration and features of XLS1500PA

加熱エネルギー以外のエネルギーが付加される。例えば 1 価のイオン

are described, and characteristics of the optical thin-film formed by this PAD system are intro-

を1Vで加速したエネルギー =1eVは約 12000℃のエネルギーに相当するため、基板に到達してもすぐにエネルギーを失うことがない。このこ

duced in this paper.

とによる効果を図 3にて説明する。

キーワード：光学薄膜、真空蒸着、イオンプレーティング、プラズマアシスト蒸着、圧力勾配型プラズマガン
Keyword ：Optical thin-ﬁlm, Vacuum evaporation, Ionplating, Plasma assisted deposition, Pressure gradient type plasma source

1 はじめに当社では、以前より真空成膜装置注１）の受託製造を行っており、それにより培ってきた真空装置製造技術に加え、プラズマアシスト蒸着方式（以

近年、デジタル放送の開始に向け薄型大画面 TV、DVD レコー

下、PAD（Plasma Assisted Deposition）
方式）と呼ぶ成膜プロセス技

ダー、デジタルカメラ等に代表される、いわゆるデジタル家電市場が術を自社開発した。これらの技術を融合して開発した大電流プラズマア

活況を呈している。これらは全て光学技術がキーポイントとなっており、シスト蒸着装置（XLS1500PA）は、真空中で材料蒸気を発生し成膜を光学レンズ等の様々な光学素子が使用されている。

行う真空蒸着装置であり、特にプラズマ活性雰囲気中で反応性蒸着を光学素子の表面にはその使用目的に合わせた光学的なフィルター行うことを特徴している。光学薄膜は主に金属化合物で形成されるため、

もしくはミラー機能を持つ光学薄膜が成膜され、例えばこれらの薄膜

PAD 方式が最も適した分野と考え、その適用を検討した。本技術紹介

は光を三原色に分けるなどの役割を担っている。従って、映像機器、では大電流プラズマアシスト蒸着装置（XLS1500PA）の構成、特徴を記

光記録機器等の光学技術をキーポイントとする機器には光をコントロー

述し、本装置で成膜を行った光学薄膜の特徴について紹介する。

ルする光学薄膜技術が必要不可欠である。1）20 TSK 技報 2008 no.9

図 1 光学薄膜の模式図
Fig.1 Schematic drawings of multiple optical layers

図 2 PAD 方式の模式図
Fig.2 Schematic drawing of PAD

TSK 技報 2008 no.9

21

技術紹介

The development of High-current Plasma Assisted Deposition system and the application examination to optical thin-film coating

大電流プラズマアシスト蒸着装置の開発と光学薄膜成膜への展開①基板表面クリーニング

る。TiO2をEB 蒸着および、PAD 方式にてそれぞれ成膜した。基板

高真空ポンプから成る。粗引きポンプにはメカニカルブースターと油回4 装置構成成膜前の基板にプラズマを照射することにより、プラズマ洗浄の効を図 2の基板搭載治具において同じ位置に設置し、成膜条件は蒸発果を得ることが出来る。表面の濡れ性の変化や活性化により、膜のスピード、酸素導入量、成膜時間を同一にしており、違いは酸素雰

XLS1500PAの装置構成を図 5 および 6に示す。本装置は、主に転ポンプを用い、高真空ポンプは油拡散ポンプを用いている。さらに水分子に対する排気速度の大きいコールドトラップを搭載した。これに囲気におけるプラズマ化の有無である。左写真のEB 蒸着では酸化成膜を行う様々な機器が接続された真空チャンバーと真空チャンバー

より空間に最も多く存在し、熱源により内部表面から放出される水分子が追いつかず、不完全酸化となったために光を吸収し、黒く見える。

内の真空排気を行う真空排気系から構成される。主な仕様を表 2にをすばやく排気することが可能になる。また、トラップを冷却するため前述したイオンエネルギーを持つことにより、基板に到達した蒸発粒

一方、右のPAD 方式では完全酸化に近付き光吸収量が減ったため示す。主要な構成要素について以下に説明する。

子イオンはすぐにその場に留まらず、表面をある程度移動することに透明になっている（少しピンク色に見えるのは、前述した光干渉の効

密着性が増す効果がある。
②表面拡散（1）真空チャンバーが出来る（表面拡散）。これにより、エネルギー的に安定な隙間に果で、赤色に相当する波長が他の波長に比べ多く透過しているため）。

粒子が埋め込まれ充填密度が増す。また、後から突入してくるイオ

この結果からプラズマアシストでの高反応性蒸着による酸化能力の高ンは表面拡散エネルギーを与えると同時に物理的な衝撃により、粒さが示された。これは光学的機能において損失となる光吸収を抑える

内部に熱源があるため壁面は水冷されているのが普通である。それ子を押し込む効果がある。

だけでなく、同じ酸化度合いの膜を成膜したい場合 PAD 方式の方がに対して本装置は、月島機械真空事業の強みである大型アルミニウム③反応ガスイオン・ラジカル粒子の衝突
イオンエネルギーやプラズマ中にラジカル粒子が存在することにより、の冷媒には通常フロン系のガスが用いられるが、本装置ではヘリウムガスを用いた方式を採用し、環境負荷を下げるよう配慮していることも特長である。

通常、蒸着装置の真空チャンバーはステンレス鋼で製作されており、（3）蒸発源
蒸発源は電子ビーム加熱方式を採用している。水冷ルツボに成膜成膜速度を速く設定することができ、結果生産時間の短縮にもつなが合金製チャンバーの製作技術を生かし、アルミニウム合金で製作されする材料を入れ、電子ビームガンから数 kVに加速した電子を照射することを示している。

ている。アルミニウムは熱の放射率がステンレス鋼の10 分の1であるたることで材料を加熱蒸発させる方法である。本装置ではチャンバー内

非常に活性な状態で金属化合物の化学反応を起こすことが出来る。

以上のプラズマアシストによる効果をEB 蒸着との比較として表１にまめ、放射による伝熱が支配的な真空容器においては内部の熱源からに多量のイオンが存在するため、負電位となっているフィラメントが直接

例えば酸化物であれば、不完全酸化を防ぐことになり、光学的な機とめる。基板クリーニング、表面拡散、反応性について関係するエネ

伝わる熱量が非常に小さく、また良好な放熱特性から一切の冷却を行イオンに暴露されない270°
偏向タイプを使用している。チャンバー内に能では損失となる膜自身による光吸収を小さくすることが出来る。

ルギーを挙げた。PAD 方式は、EB 蒸着が持つエネルギーにさらに付う必要がない。従って、水冷に用いるユーティリティーコストの削減が

電子ビーム蒸発源を配置した様子を図 7に示す。

加的なエネルギーを与えることにより、充填密度の高い膜が形成され、可能となった。

光学薄膜は主に2 種類の材料を交互に成膜するため材料ごとに１台（2）真空排気系

タン（TiO2）の蒸着を想定した例である。TiO2 は多点ルツボ（図 7中左）

ここで、③反応性について酸化チタン（TiO2）成膜での実例を挙げる。TiO2 の蒸着にはそのままの組成比では無く、Ti3O5 の組成比の材

ずつ蒸発源を設置している。図 7の配置は酸化シリコン（SiO2）と酸化チEB 蒸着方式と比べて表面の平滑さ、高温・高湿に対する耐久性、密着性などの点で優れた膜を成膜することが出来る。

真空排気系は10-5Pa 台の到達圧を目標とするため、粗引きポンプと料を用いることが行われる。その理由は溶融、蒸発と同時に電子ビー
ムのエネルギーにより材料が分解され、その組成比が変化してしまうた

表 2 XLS1500PAの主な仕様
Table.2 Main speciﬁcations of XLS1500PAめである。目的の組成比にするには、組成比をコントロールした材料を用いるとともに、真空チャンバー内に酸素を必要量導入し、酸素雰囲
気中で材料を蒸発させる。PAD 方式の場合、酸素プラズマ中で蒸発させることでより高反応性雰囲気での成膜が出来ることになる。
図 4はPAD 方式の酸化能力を示すために行ったテストの結果であ

図 5 XLS1500PAの外観
Fig.5 External view of XLS1500PA

図 4 EB 蒸着とプラズマアシスト蒸着で成膜した TiO2 膜
Fig.4 TiO2 ﬁlm coated with electron beam deposition and PAD
図 3 プラズマアシストによる効果
Fig.3 Eﬀect by Plasma Assist

表 1 電子ビーム蒸着とプラズマアシスト蒸着方式の比較
Table.1 Comparison of electron beam deposition and PAD

図 6 XLS1500PAの内部イメージ
Fig.6 Internal view of XLS1500PA

22 TSK 技報 2008 no.9

図 7 電子ビームガン、ルツボの配置（中央：プラズマガン、左右：ルツボ）
Fig.7 Arrangement of electron beam gun and melting pot（Center:plasma source, Both side of gun:Melting pot）

TSK 技報 2008 no.9

23

技術紹介

The development of High-current Plasma Assisted Deposition system and the application examination to optical thin-film coating

大電流プラズマアシスト蒸着装置の開発と光学薄膜成膜への展開を用い、SiO2 にはリング状のルツボ（図 7中右）を用いている。SiO2 は昇（5）基板搭載冶具および膜厚分布補正機構（9）膜厚制御法−多波長制御方式

御方式を確立した。測定系について、図 10を用いて簡単に説明する。

華性の材料であるため、静止状態では電子ビームが照射される材料面

成膜する基板は、複数枚を一度に処理するために基板ドームと呼光学的なフィルター・ミラー機能を有するには、干渉効果を生むため

図は透過率測定を行う仕様となっている。装置底部に設置した例えばが深く掘り込まれることで照射面の周囲に壁が出来る。そのため蒸発分ばれる傘状の金属板に必要な枚数を搭載し、蒸発源上部にセットされに屈折率の違う膜を交互に多層成膜する。その層数は得たい特性にハロゲンランプの様な可視光光源から測定光をモニター用ガラスへ向布が変わりやすく、安定した蒸着ができない。安定な蒸着を行うためにる。成膜中はドームを毎分数十回転の速度で回転（基板から見ればより数層から100 層以上まで様々であるが、1 層ごとの膜厚は多層膜シ

けて投光する。モニター用ガラスは真空中にあるため測定光はビュー

は溶融面を平坦に保つことが重要である。本装置では、一定の位置に公転）
し、各基板の成膜膜厚の均一化を図る。回転のみではドーム

ミュレーションソフトを使った膜設計によりそれぞれ決まっている。よって、

ポート注８）を通過して大気中から真空中へ、さらに真空中から大気中へビームを照射し、さらにリング状のルツボを一定方向に回転させることで、の周方向の均一化は可能だが径方向の均一化は期待出来ないため、膜厚を精度良く制御することが必要となる。膜厚制御は、一般に光学取り出される。モニター用ガラスを透過した測定光は受光部への光軸平坦な面を保ちながら安定な昇華性材料の蒸着を可能とした。

蒸発源とドームの間に径方向の分布を調整する補正板と呼ぶ遮蔽板式膜厚制御方式と呼ばれる方式を用いている。まず、回転しているドー調整を行うミラーを介して分光器注９）へ導かれる。分光器は高速測光タを設置する。遮蔽の幅は材料ごとの蒸発分布に合わせて最適幅に調ム上の製品用基板を直接計測するのではなく、その回転中心に停止

イプを用い、瞬時に可視光域の透過率分光特性を出力する。目標膜整する。図 9にドームと補正板を設置した様子を示す。

している膜厚モニター用ガラス（図 9の基板ドーム中心部にある大きい

厚到達はモニター用ガラスの波長ごとの分光特性をin-situで計測しな（4）圧力勾配型プラズマガン
本装置のキーコンポーネントである圧力勾配型プラズマガンは通称

また、立体的な形状へ均一に成膜しなければならない場合基板ドー方の穴の裏側に配置されている）の分光特性を計測する。膜厚到達

がら事前に予測した分光特性と比較し、予測と実測が一致した時点

UR ガンと呼ばれ、元核融合研究所浦本博士により開発されたプラズ

ム構造の交換により、遊星回転方式と呼ばれる、蒸発源に対して基

判断は到達時の分光特性をシミュレーションソフトで理論予測しておき、で判断する。成膜停止は到達判断指令を受け、蒸発源上に設けたマ発生装置である2）。図 8に概略を示す。

板を自公転させる構造に変更することも可能である。

その値との比較制御を行う。ドーム上基板との違いは予め膜厚の比例

蒸気遮蔽シャッターを閉じることにより行う。モニターする波長を1 つに係数を求めておくことで、その値を考慮した到達判断をする。

限定している従来方式に比べ、多波長での膜厚到達判断方法を確立

メンテナンスをしやすくするために開閉するチャンバーの扉側に設置した。このプラズマガンは直流アーク放電

注 7）を利用し、Ta 製パイプとLaB6 製リングの複合陰極により低電圧、大電流の高効率放電を実現（6）基板加熱機構
基板を加熱しながら成膜することで膜の付着力や膜特性を改善する

本装置では、従来方式であるモニターに使う波長を限定した単一波長制御方式ではなく、数波長を一度にモニターする独自多波長制したことにより従来方式では判断が困難であった10nm 以下の膜厚も精度よく判断することが可能になった。

する。陰極領域と成膜室との間には、陰極部へ通ずる中間電極のことが出来る。本装置では基板ドームと同形状の金属板にシースヒー

以上、主な構成要素について述べたが、全ての必要な作業はパソ

穴を小さくしコンダクタンスを小さくすることで圧力勾配を形成している。

ターを均等に敷き詰めたヒータードームを基板ドーム上部に設置した。

コン上でモニターや操作が可能であり、事前に入力したレシピに従っ

陰極領域の圧力を高くすることで陰極への逆流イオンの直撃を緩和し、温度分布の均一性は内周、中周、外周の３つのゾーンに分け、それて全自動で成膜を行うことが出来る。その他特許を取得した当社独自

損傷を防ぐことが目的であり、これが圧力勾配型プラズマガンの基本

ぞれ独立に温度制御を行うことで達成している。

のプラズマ制御法等のノウハウも多数含まれている。

（7）
ガス導入機構5原理である。この効果により、消耗品である陰極部品の長寿命化を可能にしている。
また、URガンの構造に加え電子加速部を設けたアノー
ド電極を追加することで、1ｍ以上の長距離でも高密度プラズマを発生することが可能となっている。

膜特性解析

成膜中は膜材料に応じて酸素などのガスを導入する。例えば金属
光学薄膜成膜におけるPAD 方式の優位性を膜の断面構造、耐環

酸化物の膜を生成したい場合には酸素ガスを導入し、酸素が豊富な雰囲気中で成膜を行うことで酸化反応を促すことが出来る。ガスの導境試験（高温、高湿度環境に放置）、膜表面の平滑性の3 点で評価

入はマスフローコントローラを用いて一定量導入する場合と、真空計した。PAD 方式にて成膜した光学薄膜を、従来のアシストを行わなの測定圧力を指標にすることで成膜中の圧力を一定に保つようにガスいEB 蒸着と比較してその特長を述べる。

導入量を変化させる場合がある。
（1）膜の断面構造
図 11にEB 蒸着で成膜した多層膜とPAD 方式で成膜した多層膜（8）成膜速度制御

断面を電子顕微鏡にて観察した結果を示す。

膜質を一定の品質に保つためには成膜速度の制御が必須となる。

図 11 左のEB 蒸着で成膜した多層膜の断面に比べ、PAD 方式での成膜速度の制御は水晶式制御方式を用いている。ドームの回転中心

膜は膜の境界面も滑らかであり、膜構造も柱状の構造や配向性が見ら（図 9の基板ドーム中心部にある小さい方の穴の裏側に配置されている）に水晶振動子を配置し、その振動子上の着膜量（重さ）によって変図 10 真空中での光学式膜厚モニターの模式図
Fig.10 Schematic drawing of optical monitor system in vacuum

れず充填密度の高い膜となっていることがわかる。このような膜は結晶化する固有振動数の変化を成膜速度に換算する。そして、その速度構造を持たないアモルファス膜であり、大気にさらしても膜中の隙間へ（振動数の変化率）を一定に保つように材料を蒸発させる電子ビームの水分吸収がないため、耐環境性の強い膜であるということが出来る。

出力を自動制御する。

図 8 UR ガンの概略図とプラズマ放電の様子
Fig.8 Outline of UR gun and state of plasma electric discharge

24 TSK 技報 2008 no.9

図 9 基板ドームと補正板（蒸発源から見上げる）
Fig.9 Dome shaped substrate holder and ﬁlm thickness compensation board（Looking up from evaporation sourse）

図 11 TiO2/SiO2 多層膜断面の電子顕微鏡観察
Fig.11 Electron microscope observation of the multiple layers（TiO2/SiO2）ﬁlm sections

TSK 技報 2008 no.9

25

技術紹介

大電流プラズマアシスト蒸着装置の開発と光学薄膜成膜への展開

The development of High-current Plasma Assisted Deposition system and the application examination to optical thin-film coating（2）耐環境試験（吸湿特性）
アシストを行わないEB 蒸着の膜は図 11に示したように一般に密度が低い。それに起因して真空中での成膜後大気にさらすと大気中の水分がそれまで真空であった膜中の隙間（結晶粒界）に浸透する。
（1）
式は膜の充填密度による吸水後の屈折率変化を表す。真空の屈折率は1であり、よって（1）式のｎｖは1となるが、大気にさらすとｎｖは水の屈折率 1.33に入れ替わることになる。よって充填密度が低い場合、膜として機能する場合の等価屈折率が変化する。
図 16 膜表面の原子間力顕微鏡での観察結果
Fig.16 Result of observation with atomic force microscopeon the surface of multiple layers (TiO2/SiO2) ﬁlm

図 12 EB 蒸着で成膜した TiO2/SiO2 多層膜の耐湿テスト前後の分光特性変化
Fig.12 Spectral response change of multiple layers（TiO2/SiO2）ﬁlm
coated with electron beam deposition after humidity test

図 17 外観品質（散乱状態）の比較
Fig.17 Comparison of light scattering

表 3 EB 蒸着と PAD 方式で成膜した膜の特性比較
Table.3 Characteristic comparison table of thin-ﬁlm coated with electron beam deposition and PAD

図 12にEB 蒸着で成膜した充填密度の低い膜を高湿度な環境化にさらした場合の結果を示す。膜構成はTiO2とSiO2をある決まった膜
厚で交互に成膜したものである。恒温恒湿器を用い、温度 60℃湿度90%の環境化に24 時間放置した。放置前後を比較すると全体に分光特性が変化していることがわかる。これは、（1）式にて述べた等価屈
折率の変化により、図 1にて説明した多層膜の各層境界面での反射波の位相差が変化することに起因する。

まず、膜の凹凸の観察を行った。図 16は前述の赤外線カットフィル

一方、最適なPAD 条件で図 12と同じ思想で成膜した膜ではあるターを成膜したサンプルを用いて、表面形状を原子間力顕微鏡にてが、倍の層数を成膜した結果を図 13に示す。層数が増え吸水する

原子分子レベルで観察したものである。

確率が増えているにも関わらず、放置前後でほとんど分光特性が変化

EB 蒸着と比較するとPAD 方式の膜の方が緻密で細かい粒子形状していない。数値として評価するためには、一般に半値の波長シフト量を評価する。図 13に矢印で示すように透過率の立ち上がりもしくは立ち下がり部で50%の位置を半値と呼ぶ。耐湿テスト前後で半値が図 13 PAD 方式で成膜した TiO2/SiO2 多層膜の耐湿テスト前後変化
Fig.13 Spectral response change of multiple layers（TiO2/SiO2）ﬁlm
coated with PAD after humidity test

ム蒸着膜と比較して高品質な成膜が可能であることを証明した。
現在、光学薄膜の成膜を行っているユーザーへ営業展開し、評価
サンプル成膜のご依頼を多く頂いている。その他にも高反応性を生かし、透明導電膜、金属窒化物等の光学的な性能以外の機能膜へのをしており、より平滑であることがわかる。数値化して評価すると、任適用検討も行っている。また、比較的低温での高品質成膜が可能で意断面での最大高低差を表す R ｍａｘはあることがわかってきており、樹脂製基材への成膜に関するお問い合

EB 蒸着：9.62nm

わせも多く頂いている状況である。

横軸（波長）方向に何 nm 変化したかが波長シフト量である。図 12とPAD：7.60nm

図 13を比較するとEB 蒸着での図 12 が波長シフト量 20 〜 30nmに対となっていることがわかった。

今後も納入実績を伸ばすとともに適用分野の探索を進めていく予定である。

し、PAD 方式での図 13は1nm 以下となっている。これは大気にさらさ

次に、強い白色光を当てたときの実際の散乱の様子を目視で確認しれても水分子が入る隙間のない充填密度の非常に高い膜が形成された。その比較写真を図 17に示す。散乱の度合いは外観品質と呼ばれ、注記）ていることを示している。

実際の生産現場でも同じ方法で検査が行われる。EB 蒸着膜と比較し

注1） 真空状態にした容器の中で、成膜対象物に目的に応じた薄い膜をつけるてPAD 方式の膜は白濁したような散乱光がほとんど見られず、透明（3）膜表面の平滑性（散乱特性）度が高い良好な状態となっていることがわかる。

膜表面の平滑性は、光学的機能上では膜を光が通過する際に起こ以上、評価のまとめとして、表 3に3つの特性での評価結果の代表
図 14 散乱の模式図
Fig.14 Schematic drawing of the light scattering

的な値を示す。これらの結果から従来のEB 蒸着膜と比較して、より高結晶粒界等で入射光の一部が散乱される。正確には凹凸の大きさに品質な膜の形成が PAD 方式により可能であることが証明された。よっよるが、ほとんどの場合散乱には波長依存性がないため散乱光は白て、PAD 方式はデジタル家電に使用されるような赤外線カットフィルター、色に見える。例えば凹凸の多い膜であるとこの散乱成分が増え損失とダイクロイックフィルター、コールドミラー等の可視光域を制御するフィル

注１０）

なり、デジタルカメラなどの映像機器ではフレアーという現象を引き

ター、ミラーにおいて高品質な成膜をユーザーに提供することが出来る。

起こすなど、最終製品の性能に悪影響を及ぼす。そのためより高機

6 まとめ

散乱の影響を評価するためにTiO2とSiO2を決められた膜厚構成
自社開発成膜プロセスであるプラズマアシスト蒸着（PAD）方式を採の分光特性を示す。可視光域は透過し、赤外線領域を反射するフィ用した大電流プラズマアシスト蒸着装置 XLS1500PAを紹介した。そしルター特性を持つ。赤外線カットフィルターは、主にデジタルカメラのてPAD 方式の高品質光学薄膜への適用検討を膜の断面構造、耐26 TSK 技報 2008 no.9

注6） 励起状態にある中性粒子
注7） 陰極から熱電子放出がされている状態で電極間に直流電圧を印加して行う放電
注8） 真空チャンバー内を観察するために設ける窓のこと。通常、漏れを防ぐための真空シール部と差圧に耐える程度の厚みを持った透明なガラス板で構成される
注10）強い光を受けた時、光の散乱により白濁して見える現象
注11）電荷結合素子（Charge Coupled Devices）の略で、光を電気信号に変換させる素子

で交互に21 層成膜し、赤外線カットフィルターを作成した。図 15にそ役割に用いられる。

状態
注5） 高電圧で加速した電子を磁場で収束し、ビーム状にした状態

注9） 光を波長ごとに分散させる装置

能な製品には散乱を出来るだけ小さくすることが求められる。

CCD 注１１）素子の手前に配置することで赤外線をCCDに入射させない

注3） 成膜面に垂直な方向に凝固した柱状の構造
注4） 非晶質。構成する原子や分子が結晶のような規則的な配列をしていない

る光の散乱という現象となって現れる。散乱についての要因を図 14に示す。図 14 左に示すように膜を光が通過しようとする際、膜の凹凸や装置
注2） 真空中で材料の蒸気を発生し、成膜を行う方法

図 15 PAD 方式で成膜した 21 層赤外線カットフィルターの分光特性
Fig.15 Spectrum characteristic of infrared cut ﬁlter coated with PAD

環境試験、膜表面の平滑性の3 点で評価を行った。評価結果により、PAD 方式で成膜した光学薄膜が従来のアシストを行わない電子ビー

参考文献
1）小倉繁太郎:生産現場における光学薄膜の設計・作成・評価技術、
技術情報協会（2001）
2）浦本上進:真空第25巻第10号,P660、
日本真空協会（1982）

TSK 技報 2008 no.9

27

ティーブレイク

期待される森林の機能：二酸化炭素の吸収と貯蔵
2008年は京都議定書の第一約束期間の初年度となります。既にご存知のように日本は基準年である1990年の排出量から6%削減することを国際的に約束しCO2ています。この削減目標の内、なんと3.9%を森林機能にて達成することとしております。当社でも今までの技報にて紹介しておりますように、温暖化ガス削減に貢献すべく、新エネルギーシステムや省エネルギー機器の開発・提案を行っていますが、今回は当社の事業分野と異なる森林機能についてご紹介したいと思います。

3

森林による吸収量を拡大するには？

二酸化炭素をより多く吸収するための施策として、森林面積の拡「間伐」
です。間伐とは込み合った森林から製品価値の低い木（曲が大があげられます。但し、残念なことに国内では年々森林面積は減少

り木等）
を間引きする作業です。
これは日のあたりを良くし、残った樹木傾向にあり、年あたり3,000ha減少しています3)。
これは先ほど説明しの成長を促進するとともに、林床植生の繁茂による表層土壌の保護た試算方法から年間約30,000トンの二酸化炭素吸収源を失うことを等多くの機能発揮に役立っております。
また間伐を行っていない森林

意味しています。
また世界的に見てもほとんどの国で森林面積が減少の成長量：4トン/年/haに比べ、間伐を行った森林の成長量：5.5トン/

しています。例外として森林面積が増加している国としては、放棄され年/haと約1.4倍となっています4)。森林の成長は二酸化炭素吸収のた牧草地後に植林を進めているニュージランドやヨーロッパ諸国の一促進となることから、間伐が地球温暖化対策に充分効果があることが部（スペイン、
ギリシャ等）
のみとなっています。

わかります。

そこで、どのような取り組みが必要となるのでしょうか？その答えが、

1

4

日本の森林

森林がもたらす経済的な効果

日本の森林面積は24,081千ha（ゴルフ場に換算すると24万箇所

森林は「①木材の生産」、「 ②生物の多様性の保存」、「 ③土壌と相当）
で、陸地に占める割合は64.0%となっています。
これは二酸化

水資源の保全」、「 ④保健文化」
そして「⑤炭素の吸収と貯蔵」と多炭素排出量上位5カ国の森林面積と比較しますと（図1参照）、
日本

機能を有しています5)。⑤の目的のために新たな森林造成や間伐を行

は国土の狭さゆえ、比較にならないほど少ない値となっています。 一

うのではコスト高となり、メリットは見いだせません。本来の森林機能で方、森林の占有率は高い数値となっており（他の先進国との比較でもある①〜④を管理、運営する森林経営を絶えず発展させることにより、高い数値）、
日本は森林に囲まれた国土といえます1)。

付随的な効果として⑤が得られる訳です。

ちなみに東京都は78.4千haの森林を有しておりますが、全国的に二酸化炭素の削減費用の経済的な試算の一例を図2 6)に示しまは最も森林面積の少ない大阪に次ぐ順位となっています。

す。自動車交通（ハイブリット車等）、省エネ及びエネルギー転換（新エ
ネルギー等）と比較し、森林経営による二酸化炭素削減費用は、
1/50〜1/15以下と非常に安価となっています。森林経営の重要性を伺える結果となっています。
私たち個人の生活レベルでは省エネ対策が中心となりますが、休日

2の束の間を利用し、心身のリフレッシュとともに森林に目を向けるのも

木の二酸化炭素の吸収量は？

木はどのくらいの二酸化炭素を固定化するのでしょうか？
2)

式1 を用いて算出してみましょう。

図1 二酸化炭素排出量上位5カ国

×容積密度×炭素含有率 （式1）

ソリン160リットルを燃やしたときに発生する炭素量に相当します。木
トルのガソリンを消費する時間と比べると、木1本を成長させる年月（30〜50年）
は非常に長期であることに注意する必要があります。
次ぎに東京都の森林による年間の二酸化炭素の吸収能力を試算

幹材積とは森林の幹の量を体積で表しており、林業で用いられてしてみます。先ほどの貯留量は過去の二酸化炭素の固定量であり、いる数値です。
この数値は製品である幹部分が対象であり、枝葉や根吸収能力を求めるには、森林の年間成長量が必要となります。成長は含まれていません。一方、二酸化炭素吸収という面では、これら枝量は樹種、林齢、間伐の有無等により異なりますが、本試算では約

葉、根も貢献しており、定量化する必要があります。
この枝葉を含めた5.5トン/ha/年の数値を用いて試算してみます。東京都の森林面積補正を行うのが拡大係数です。一般的に針葉樹では幹の重量を1とは78.4千haですから、1年間に約430千トンの森林が増えていることすると枝葉や根を含めた全重量は1.7なります。
また容積密度とは木になります。
これに炭素含有率をかけますと、東京都の森林が炭素をの密度であり、樹種により異なりますが、約0.3となります。
そして最後吸収できる量は約220千トン/年（二酸化炭素換算：約800千トン/になりますが、炭素含有率は木に含まれている炭素量であり、0.5とな

年）となります。

ります。
幹材積：200m3/haと仮定すると、1haあたりの炭素貯留量は式1

図2 二酸化炭素の削減費用

約100kg（二酸化炭素換算では370kgに相当）となります。
これはガ1本あたりの炭素量はガソリン換算では多いと思われますが、160リッ

炭素貯留量＝森林面積×haあたりの幹材積×拡大係数

一考かもしれません。

参

考

文

献

1)総務省統計局「森林の面積」
2)飯田和明：スギ人工林の現存量と容積密度の測定，
森林計画学会誌，
pp59-pp63，
2005.
3)天野正博：日本の森林と温暖化防止 日本の森林のCO2吸収量，
森林環境，
pp43-pp51，
2004.
4)細田和男：間伐は人工林のバイオマス成長を促すのか？，
森林総合研究所研究成果選集，
pp26-pp27，
20055)藤森隆郎：持続可能な社会の構築への森林の役割，
応用科学学会予稿集，
pp11-pp15，
2005.
6)加用千裕：長期的炭素収支に基づく日本国内の森林経営手法の評価，
環境システム研究論文集，
pp235-pp243，
2006.

東京都の二酸化炭素の排出量は68,700千トン/年（2004年度）
ですから、これに対する森林の吸収量は約1%になります。

から約51トンとなります。1haあたり500本とすると、
木１本の炭素量は28 TSK 技報 2008 no.9

TSK 技報 2008 no.9

29

製品紹介

表 1 UASB 法の比較
Table1 Comparison of UASB

TSKの産業排水処理技術
Industrial Wastewater Treatment System of TSK

Abstract
The challenge for strengthening competitiveness in the industrial wastewater treatment business from now is “strengthening the capability to develop higher value
products,” which cater to “a proposal-based solution business.”
Two key environmental products of Tsukishima Kikai have been introduced forcompetitive applications in the industrial wastewater business that reduce sludge
volume, save energy and generate energy. The first is anaerobic treatment of High
Efficiency Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) that operates under higher

近藤 洋正

load than that of the competitors. The second is aerobic treatment of continuous self-

Hiromasa KONDO

cleaning fixed-media bioreactor, named “Aero Slalom,” equipped with an air-shearing

産業事業本部
プラント計画部
排水グループmechanism as measure against clogging that was common in conventional aerators.
For one example, Aero Slalom is used for pretreatment of activated sludge and its
treated water can be discharged directly to a sewage treatment plant.
Comparative features and applications of these two products are described.
キーワード：嫌気処理、好気処理、UASB、エアロスラローム、地球温暖化防止
Keyword：Anaerobic Treatment, Aerobic Treatment, UASB, Aero Slalom, Prevention of global warming
図 2 グラニュール写真
Fig.2 Photo of granules.
図 1 高効率 UASBの模式図
Fig.1 Conﬁguration of High Eﬃciency UASB

はじめに

1 嫌気生物処理

近年、月島機械の産業排水処理ビジネスは、中東や韓国でのプ

1.1 システム名

ロジェクトを皮切りに売れるコンサルティングビジネスとしての期待が高まっている。今後の産業排水処理ビジネスに関する製品戦略の課題は高効率UASB（High Efficiency Upflow Anaerobic Sludge
Blanket）「高付加価値製品の開発強化」であり、その商品を軸とした「提案型ソリューションビジネス」を展開することが必要とされる。

高負荷を実現している。原水はリアクター底部よりパルス供給される。
一次反応ゾーン、二次反応ゾーンではガスの流れと水の流れによりリア
クター内を乱流状態にし、グラニュールと排水を充分に接触させ、反応を促進させる。最後に残存する有機物を層流状態で反応させ、原水の未反応流出を極力防止する。

1.2 システムの説明

例えば、食品発酵工業排水に対するCODCr 容積負荷（CODCr 濃

現状、
月島機械が保有する産業排水に適用可能な主要コア商品は、UASBとは、リアクター内にグラニュール（自己凝集性のある微生物「超微細気泡散気装置」並びに「固定床嫌気リアクター」である。この塊）を浮遊させ、有機物を除去する方式である。表 1にUASB 法の合、次のようになる。

れらを補完し、排水処理の基幹である嫌気及び好気の生物処理シス

比較 1）を示した。

月島機械 高効率 UASB

30

度 10,000mg/Lにおいて除去率 80%以上とした場合）を比較した場kg/m3・Dテムとして提案するために、以下 2 装置を導入し、基幹となる嫌気生

月島機械高効率 UASBの模式図及び写真を図 1 〜 3に示した。ガB 社 タイプ

15 〜 20 kg/m3・D （ヒアリング値）

物処理及び好気生物処理での競争力の強化を図ったので、ここに紹

スリフトの効果を最大限利用するリアクター構造の工夫及び小粒径グ

C 社 タイプ

20

介する。

ラニュール（1mm）による排水との接触効率アップにより、他社に比べCOD：化学的酸素要求量

30 TSK 技報 2008 no.9

kg/m3・D （ヒアリング値）

図 3 高効率 UASB 写真
Fig.3 Photo of High Eﬃciency UASBTSK 技報 2008 no.9

31

製品紹介 1 TSKの産業排水処理技術

Industrial Wastewater Treatment System of TSK

表 2 触媒工場排水処理への高効率 UASBの適用に関する試算
Table2 Study of Application of High Eﬃciency UASB to Wastewater Discharged from a Catalyst Plant

1.3 高効率 UASBの適用に関する試算
CODCr で5,000 〜 10,000mg/L 程度の排水を好気処理しようした

エアロスラロームの利用例を以下に挙げる。
①活性汚泥装置の前処理として有機物の低減 ( 高負荷、高活性化）、

場合、莫大な敷地、ランニングコストが必要となる。従い、「前段 UASB

汚泥発生量の減少 ( 生物環拡大に伴う食物連鎖、捕食作用）、プ＋後段好気処理」の組合わせとし、UASBで有機物を80 〜 90%除去

ラントの省スペース化・省エネ化を図る。

後、好気処理を行い、設置スペース及びランニングコストの削減を図る。
表 2に実験により実証された触媒工場排水への高効率 UASBの適用試算を示した。既設を踏襲した場合、水量アップ分だけ比例的に設備

図 5 充填材
Fig.5 Photo of media②後段に沈殿槽を置かず、エアロスラローム処理水を直接下道へ放流
し、システムの簡素化を図る。
③後段に沈殿槽、凝集浮上槽又はろ過機を設置し、河川放流を図る。

は大きくなるが、高効率 UASB プロセスでは、水量アップにも関わらず、
活性汚泥槽容量は減少し、ランニングに伴う優位性確保と共に地球温

表 3 高効率 UASBの納入実績
Table3 Installation Record of High Eﬃciency UASB

図 4 エアロスラローム模式図
Fig.4 Conﬁguration of Aero Slalom

2.3 エアロスラロームの適用事例

暖化防止への貢献が可能となる。また、高効率 UASBを核としたプロセ

CODCr で5000mg/L 程度以下の排水に対し、「前段エアロスラロー

スによりエネルギー指定工場でのエネルギー削減提案も可能である。

ム＋後段活性汚泥」の組合せで、活性汚泥単独に比べ、汚泥量の表 4 エアロスラロームの主要納入実績
Table4 Installation Record of Aero Slalom

半減及び設置スペースの削減が可能となった。図 6に適用事例を示し

1.4 納入実績

た。食品発酵工場排水処理にエアロスラロームを納入した事例である。

納入実績を表 3に示した。食品工業を中心に8 件の実績がある。

2.4 納入実績

2 好気生物処理

近年の納入実績を表 4に示した。
食品業界を中心に120 件以上の実績があり、信頼性のある装置である。

2.1 システム名／製品紹介
システム名：固定床式好気生物処理
製品名：エアロスラローム（Aero Slalom）

3 おわりに
今後、排水の規制は益々厳しくなる一方で、近隣住民を含む環境と2.2 製品の説明
図 4、５にエアロスラロームの模式図及び写真を示した。エアロスの調和、地球視点での省・創エネルギーの高まり、新環境時代の中で排水処理のCSR 施策としての積極的 PR 要求が高まっていく。

ラロームは固定床式の好気生物処理であり、リアクター内の充填材

当社は、従来より保持していた商品群に新たに本報で紹介した2つに連続的に底部に設置された回転する散気管により空気を供給する。

のコア商品を加えることで、顧客との積極的対話を推進し、ソリューショ

充填材全面に対する定期的なエアー剪断効果により、固定床の弱点

ン提案を通して、顧客、地球環境へ貢献していきたいと考えている。

である充填材目詰まりの問題を解消している。

図 6 食品発酵工場排水へのエアロスラロームの適用事例
Fig.6 Block ﬂow of Aero Slalom system applied to the food industry

参考文献
1）特別企画 / 新たなUASB 法システムの実力, 資源環境対策, Vol 39, NO.7,
pp. 66-77 (2003）
2）地球温暖化対策の推進に関する法律施工例第三条, 環境省, 平成14 年12 月
19 日

最後に、本文作成にあたり、資料を提供していただいた株式会社エイブル殿に深く感謝いたします。

32 TSK 技報 2008 no.9

TSK 技報 2008 no.9

33

製品紹介

TSK 上水向け紫外線消毒装置
TSK Drinking Water Disinfection System

1 はじめに2007 年 4月、「水道施設の技術的基準を定める省令」の一部改正
により、耐塩素性病原生物対策として上水道への紫外線処理設備の今川 洋介

適用が認められた。これを受け、クリプトスポリジウム（以下、クリプト）、

Yosuke IMAGAWA

ジアルジア対策が必要とされながら、主に経済的な要因等によって未水環境事業本部
ソリューション技術部
上水グループ

対策であった多くの水道施設において、紫外線消毒装置導入が検討、具体化されつつある。
紫外線の消毒メカニズムは、微生物のDNAに直接作用することでAbstract

感染能力のみを失わせる、いわゆる 不活化 である。このため、シストと呼ばれる固い殻を有する耐塩素性病原生物においても、少ない紫In April 2007, the Ministry of Health, Labor and Welfare in

外線照射量で効果的に消毒が可能である。こうした紫外線の有効性

Japan recognized the application of ultraviolet (UV) disinfec-

は欧米においてより早く認知され、既にクリプト対策として多くの大規

tion as countermeasure for chlorine-resistant protozoa (ex.

模な紫外線消毒装置が実際に稼働している。

Cryptosporidium, Giardia). This recognition is increasing

月島機械では、こうした状況を鑑み、Calgon Carbon 社（米国）よりstudies to introduce UV disinfection systems at public water

紫外線消毒装置「センチネル（Calgon Carbon 社製品名）」
を導入しsupply plants in Japan because up to now, there was the need

た。同社はアメリカ国内でトップシェアの実績を有すると共に、クリプト

to effectively treat these protozoa, but are yet to adopt mea-の紫外線消毒に関する特許保有でも知られており、当該分野の先駆

sures mainly due to economic reasons.

的存在である。 本稿では、センチネルの最大の特徴とも言える高い

The mechanism of UV disinfection is known as inactivationthat lowers infectability by direct action to DNA. In Europe

図 1 上水向け紫外線消毒装置 センチネル300 型 外形図
Fig.1 Exterior design of Drinking Water Disinfection System SENTINEL Type 300

表 1 紫外線消毒装置 センチネル ラインナップ
Table1 Lineup of Ultraviolet Disinfection System SENTINEL

消毒性能の信頼性（米国環境保護庁（以下、USEPA）ガイドラインに則った認証を取得）
を中心に紹介する。

and the United States, there are already many large-scaleinstallations as the effectiveness of UV against Cryptosporidium has been recognized earlier than in Japan.

2 特徴

性能が確認できることが求められる。本装置は、USEPAのガイドラインに

本装置の特徴を以下に示す。

For UV disinfection against Cryptosporidium, Tsukishima

準拠し、第三者機関による装置認証を取得、クリプトを99.9%（3log）（1）
中圧紫外線ランプの採用

不活化可能であることを確認済みである。また、紫外線センサはDVGW

Kikai Co., Ltd. (TSK) has adopted SENTINEL, the drinking

本装置では低圧紫外線ランプに対し、1 本あたりの出力が高く、出water UV disinfection system from Calgon Carbon Corpora-

力あたりのサイズ（ランプ長）が数十分の一となる中圧紫外線ランプを（ドイツガス水道協会）規格※2に準拠した機器をランプ 1本あたり1台設置し、常時紫外線強度をモニタリングしている。石英製ランプ保護管はtion, the pioneer of the process and the holder of basic patents

採用している。高出力な中圧紫外線ランプの特徴を最大限に発揮すステンレス製ワイパによる自動洗浄機構で任意の周期で洗浄される。

and the largest share in the United States.

るため、水流に対してランプを垂直配置としており、コンパクトな設置

（3）
豊富な実績

This paper describes verifications of the high reliability of

面積を実現している。加えて、対応流量あたりのランプ本数が少ない

前述の通り、導入元であるCalgon Carbon 社は北米において紫外UV disinfection system. The actual SENTINEL is used for

ことから、維持管理が容易なことも特徴の一つである。また、図 1から

線消毒装置のトップシェアを有し、米国、カナダの他、オーストラリア

the verifications based on flow examination as well as Calgon

もわかるように、フランジ（ANSI 規格

Carbon’s many installation records and knowledge with its

設配管を利用した設置が可能である。

firmly recognized disinfection performance to further advance

（2）
高い信頼性

the proposal of the simple and sure disinfection process.
キーワード：紫外線、クリプトスポリジウム、中圧 UV ランプ、装置認証
Keyword：Ultraviolet, Cryptosporidium, Medium Pressure Ultraviolet Lamp,
Validation

34 TSK 技報 2008 no.9

※1

）による配管接続型であり、既詳細は後述するが、特に上水向け紫外線消毒装置は納入後に消毒

図 2 北米実績 センチネル1200 型（処理流量 = 360,000m3/日）
Fig.2 Installation of SENTINEL Type 1200 in Canada (ﬂow rate = 360,000m3/d)

表 2 紫外線消毒装置 センチネル実績（一部）
Table2 Installation List of Ultraviolet Disinfection System SENTINEL (select review)

において2007 年末時点で30 件超の実績がある。また、クリプトに対する紫外線消毒の有効性が確認されて間もない2000 年に初号機を納入し、約 8 年間の運転実績を保有している。また、処理規模としては最大 1,130,000m3/日の浄水場への実績例がある。

性能を確認する事が困難である。よって、装置としてあらかじめ消毒性能

日本国内においては本年度中に東北地区某浄水場において、センチが確認されていること、連続運転時において客観的な数値により消毒

ネル300 型が稼働予定である。

※ 1 日本のプラントではJIS 規格配管にANSI 規格フランジを溶接し、対応している。

※ 2 紫外線センサに関する規格は現段階でDVGW 規格のみであり、信頼性を示す指標の一つである。

TSK 技報 2008 no.9

35

製品紹介 2

TSK 上水向け紫外線消毒装置

TSK Drinking Water Disinfection System

3 紫外線消毒装置の認証について

USEPA 認証フロー②実測 RED 値の測定

前述の通り、USEPAでは生物線量法のみが紫外線消毒装置の認

紫外線消毒装置を導入する際、最も重点を置くべきポイントは「消毒性能が確かな手法で評価されているかどうか」である。センチネルが証手段として認められている。フローを便宜的に3 段階に分け、下記

STEP1 代替微生物の不活化率 vs RED 値グラフ作成に詳述する。なお、一部内容を簡略化した。

コリメートビーム照射ユニット（図 3）等を用い、紫外線照射量と※取得している米国の認証は、日本国内の指針で規定された消毒性能

代替微生物 の不活化率の相関関係を求め、グラフを作成すを十分満足すると共に、さらなる安全性の確保、及び各プラントの実る（図 4）。なお、紫外線照射量は紫外線強度計を用いて測状に即したフレキシブルな運転を可能としている。 以下に紫外線消毒

定する。
※耐塩素性病原生物は安全面等の問題から、実際の試験に用いることが難しい。

装置における装置認証の重要性、及びセンチネルが取得したUSEPA

このため、大腸菌や大腸菌ファージなどの代替となる微生物を用いて試験を行う。

ガイドラインにある装置認証フローについて説明する。

本来対象とする病原生物との差違は前記 VFにより補正されている。

3.1 装置認証とは紫外線消毒装置の性能は対象となる微生物の不活化率によって定STEP2 フィールド試験：実装置による不活化試験められる。 例えば、下水処理からの放流水を紫外線消毒する場合、浄水場の一部などのフィールド試験設備（図 5）において、代替

対象は大腸菌群となるため、紫外線消毒装置前後でサンプリング、分析することで継続的に性能を確認する事が可能である。 一方、上水①必要 RED 値の算出処理においては、耐塩素性病原生物の対策が必要な施設でも、原水から対象微生物が常時検出されるわけではなく、処理水の分析による

STEP1 必要 UV 照射量の決定
対象微生物、及びその目標不活化率より必要 UV 照射量

性能確認だけでは不十分である。
そこで、上水向け紫外線消毒装置に関しては、各国で装置認証と（下表）を決定する。ここで論じられる必要 UV 照射量はラボいう方式が採用されている。これは、各装置毎に適用流量、適用紫レベルのバッチ試験における値であり、論文等から導き出さ

外線透過率（水質、主に濁度による影響が大きい）における紫外線れている。

照射量を確認し、消毒性能を規定する手法である。複数の確認方法

ex)があるが、微生物を実装置に通水し、換算紫外線照射量（RED※3クリプトスポリジウム3log 不活化 には12mJ/cm2 必要）

微生物を添加、設計水量を通水し、実装置による不活化率を

図 3 コリメートビーム照射ユニット
Fig.3 Collimated Beam Unit

求める。この際、前後の直管長は厳しい条件とすることが規定されており、センチネルでは流入側で配管径の3 倍、流出側
で同 1 倍とし、流出入共に90°
エルボを設置して試験を行った。

STEP3 実測 RED 値の算出
図 4のグラフを用い、フィールド試験で得られた不活化率から該当装置の実測 RED 値が算出される。例えば、代替微生物のを求める「生物線量法」が最も認知された手法である。この他、コン

不活化率が 3log（99.9%）
であった場合、矢印で示す様に実ピュータ解析を用いた「CFD 法」、「紫外線強度分布計算法」があるが測 RED 値は60mJ/cm2となる。

USEPA 等では認められておらず、日本国内の基準においても生物線
図 4 紫外線照射量 vsMS2 不活化率グラフ
Fig.4 UV dose vs Log Removal of MS2量法との併用が定められている。
③判定

3.2 USEPAの装置認証フロー

STEP2 VF 値
（不確実性因子）の算出

上記②で測定した実測 RED 値が、①で算出した必要 RED 値を上

センチネル はUSEPAよ り 発 行 さ れ て い る ガイドライン（UV

上記で決定されたラボ試験における必要 UV 照射量を 実装置

回っていれば、所定の不活化性能を有する装置として適合していると判Disinfection Guidance Manual）に準拠し、「 生物線量法」で第三者

規模 に変換する因子として、以下①〜⑤を基に不確実性因

定され、認証が与えられる。センチネルでは、全機種について同様の認機関による認証を取得している。日本国内指針においては「紫外線照子 VFを求める。

と規定されており、対象病原生物の不10mJ/cm2 以上確保できること」① UV センサの不確実性〔US〕

活化率は明記されていない。一方、米国のガイドラインでは対象微生②ラボ試験（照射量 vs 不活化率グラフ）の実験的不確実性

物毎、及びその不活化率毎にRED 値がそれぞれ規定されている。これ〔UDR〕

は、砂ろ過＋紫外線消毒等、複数技術を組合せた浄水プロセスとして、③対象微生物と代替微生物のUV 耐性の差違係数〔RED

不活化率を評価する手法が採られているため、浄水場毎に求められる不活化率が異なることに因る。以下にUSEPAの認証フローを示す。
※ 3 紫外線照射槽内で実際に与えられた紫外線照射量を表す指標。微生物を用いた生物線量法の他、化学薬品を用いた化学線量法等により測定可能である。

証を公平な第三者機関に委託しており、客観的に証明された消毒性能と言える。

射槽を通過する水量の95%以上に対して、紫外線の照射量を常にBias〕④フィールド試験の不確実性〔UVAL〕⑤多波長時の補正係数〔BPoly〕

4 将来の展望
日本国内における認証制度開始に伴い、今後上水向け紫外線消毒装置の導入は加速度的に進むと予想されている。また、当面は簡易水道など小規模浄水場における採用が主であるが、将来的には地図 5 センチネル450 型 フィールド試験
Fig.5 Field Test of Sentinel type 450

表水市場への展開、砂ろ過等との組合せによる安全の多重化目的への移行など市場の広がりが期待される。大規模流量では紫外線照射
槽内の滞留時間はコンマ数秒単位と極めて短く、装置の客観的な信頼性がさらに求められていくことは確実である。月島機械では、実装置

STEP3 必要 RED 値の算出

による通水試験を行い、確かな消毒性能が認証されているセンチネル

上記により求めたVFより必要 RED 値を算出する。

を、Calgon Carbon 社の豊富な実績と知見をベースに、さらにブラッシュ
アップを重ね、シンプルかつ確実な消毒プロセスの提案を進めていく。

36 TSK 技報 2008 no.9

TSK 技報 2008 no.9

37

製品紹介

3

月島−ドライシールガスホルダ
Tsukishima- Dry Seal Gas Holder

図 2 製鉄所における副生ガスの流れ
Fig.2 Gas ﬂow at steel works

1 はじめに

図 1 月島―ドライシールガスホルダ全景
Fig.1 External view of Tsukishima- Dry Seal Gas Holder

月島機械のタンク建設に関わる歴史は長く、古くは1900 年代初頭には石油タンクを建設した記録が残っている。その後長年にわたり石油タンクの建設を手がけ、80 年代から90 年代には10 万ｋ
ｌ級の大型

福富 久益
Hisayoshi FUKUTOMI
水環境事業本部
建設部
タンクプロジェクトグループ

表 1 他型式ガスホルダとの比較表
Table1 Comparison of Dry Seal & Liquid Seal Gas Holders

石油備蓄タンクを建設した実績を有している。月島機械は石油タンクをはじめとする液体貯槽のほかに、低圧及び中圧の気体を貯留するタンク（ガスホルダと云う）
をも手がけており、特に今日では1950 年代に技術導入した低圧で気体を貯留する月島−ドライシールガスホルダがタンク事業の中核をなしており、下水道の汚泥消化ガス、製鉄業の副生ガスを貯留する用途に数多く使用されている。本稿では製鉄業で使用

Abstract

されている大型のドライシールガスホルダについての設備概要、特長等について紹介する。

Tsukishima-Dry seal gas holder was adopted in the 1950’s.
Since then, the applications of the storage gas have expanded
into fields such as steel works, sewerage treatment plant, and2 設備概要biomass plant with total global installation record of approxi-

2.1 製鉄所におけるガスホルダ使用のメリット

mately 500 units.

高炉一貫製鉄所では、鉄が作られる過程で種々のガスが副生され（2）
ＣＯＧ
コークス炉では、高炉で鉄鉱石を溶解するためのコークスが、石炭The gas holder is a completely dry type that does not use

る。高炉から発生する高炉ガス（ＢＦＧ）、コークス炉で石炭を乾留したを乾留することによって生産される。この際にＣＯＧが副生される。

any liquids such as water, greases or oil. As one of the key

ときに発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ）、製鋼工場において転炉から発ＣＯＧには水素が多く含まれているため、副生ガスの中でも最もカロリ

components of this dry type gas holder, a special synthetic

生する転炉ガス
（ＬＤＧ）
等である。

が高いため、製鉄所内の多くの工場で使用されている。

rubber membrane has been developed jointly with Japanese

これらの副生ガスは混合された状態で製鉄所内の自家発電所、焼rubber company for sealing the gas. The most suitable rubber

結工場、製鋼工場等で燃料として使用される貴重なエネルギー源となっmembrane is selected to meet individual gas characteristics.

This paper describes the functions, features, configurationand mechanisms of the large-scale dry seal gas holder.
キーワード：ドライシール、製鉄所、副生ガス
Keyword：Dry Seal, Steel Mill, By-Product Gas

38 TSK 技報 2008 no.9

所の副生ガスは、低圧で運用されることから乾式ガスホルダが多く採用されている。図 2に製鉄所における副生ガスの流れを示す。

2.4 設備の特長
ドライシールガスホルダは、その名の通り完全乾式で、ガスをシールす

転炉では、高炉で作られた銑鉄に、高純度の酸素を吹き込んで脱るために特殊合成ゴム膜を使用している。そのことから、油や水を使用ており、現在では一貫製鉄所では石油を一切使用しないオイルレス操

炭して鋼が作られる。この時に発生するＣＯの未燃焼ガスがＬＤＧであしている他型式ガスホルダに比較して多くの特長を有している。また、水業が行われて、省エネ、省資源、環境対策に大きく貢献している。

る。ＢＦＧと同様にカロリが低いためＣＯＧ等と混合して使用される。Ｃを一切使用しないことから、全体の重量も軽く基礎費も大幅に軽減でき

ＯＧ、ＢＦＧに比較してダストを多く含有する。

ること、同様に軽量であることから地震時における慣性力も小さいため耐

Dry seal gas holder is a well-established, core technology ofTsukishima Kikai and its progress is continuing further.

（3）
ＬＤＧ

の均等化、圧力の安定化等を目的として設置される。一般的に製鉄

2.2 副生ガスの種類と概要（1）
ＢＦＧ

震性に優れている。月島−ドライシールガスホルダの特長を以下に述べ

2.3 ガスホルダの役割

高炉では、鉄鉱石とコークスが熱風炉から送られた高温の空気によっ

副生ガスの発生は、各々の炉の操業状況で大きく変化する。また、て還元・溶融される。この時に高炉の頂部から高炉ガスが回収される。

副生ガスを使用する各工場においても、稼働状況によってガスの使用

他の副生ガスに比較して発生量が多いが、カロリが低い。

量も変化する。この発生側と使用側の量のバランス調整、ガス成分

ると共に、表 1に他型式ガスホルダとの比較を示す。
（1）
シール方式
月島−ドライシールガスホルダはシール部に水や油を一切使用していない。有水式に対して別名無水式とも呼ばれることもある。

TSK 技報 2008 no.9

39

製品紹介 3

月島−ドライシールガスホルダ

Tsukishima- Dry Seal Gas Holder（2）
メンテナンス周期
摺動部分を有しないことから、シールゴム取替等の大修繕は10 〜
15 年程度である。
（3）
メンテナンス費用

4 月島−ドライシールガスホルダの信頼性
前述のように、月島−ドライシールガスホルダは50 年以上にわたり、約 500 基の実績を有している。

オイルシール式の5 年程度でのシール摺動部の取替や、同様の5

外国からの技術導入以来、機構面では月島機械独自の考案を加える

年程度での有水式のシール水貯留部の取替が無いことからメンテナン

とともに、オリジナルデザインに改良・改善を重ね、今日では世界でも有ス費用は低廉である。また、ポンプ等の補機が無いため、それらのメ数のドライシールガスホルダのメーカとなっている。また、月島機械はそのンテナンスも不要である。

高い総合力から計画，設計，製作，施工及び試運転まで一貫して行うとと

（4）
操業費用

もに、建設以後もメンテナンスを含めた対応が可能である。

水や油の補給が不要のため、それらを随時補給する必要がないためランニングコス
トがゼロに近い。また、同様に補給のためのポンプ等の動力も不要となり、電力供給は運転制御のための計測装置用のみである。
（5）
環境保全

月島−ドライシールガスホルダの納入実績は、1955 年に名古屋のガスが溶け込んだシール水の排出やドレンへのシール油の混入がな

化学会社に納入して以来、汚泥消化ガス用を含め約 500 基に達していため、ガスホルダ外へ排出されるのは、少量のガスドレンのみであり、いる。この内 1 万ｍ３以上の製鉄所向け副生ガス用は現在建設中のも環境への影響が最小限に押さえられる。

のを含め、33 基となる。表 2に月島−ドライシールガスホルダの納入実

（6）
耐寒性

績を示す。

シール部に水や油を使用していないので、凍結の心配がない。この
図 3 月島−ドライシールガスホルダの鳥瞰図Fig.3 Bird s eye view of Tsukishima-Dry Seal Gas Holder

5 納入実績

月島機械は今回紹介している月島−ドライシールガスホルダ以外の貯ため加温装置なしに寒冷地で使用できる。

槽分野も手がけており、液体貯槽の分野では10 万ＫＬ級の原油タンクを

（7）
基礎工事費

含め1，
000 基以上、粉体貯槽ではテレフタル酸用をはじめとするサイロを

水を貯める水槽がないことから基礎にかかる荷重が小さく、基礎費が大幅に低減出来る。

90 基以上、都市ガス用の1万ｍ３球形ガスホルダを含む中圧ガスホルダ
を30 基以上建設するなど、数多くの建設実績を誇っている。

（8）
耐震性
水を貯めないことから全体重量が軽くなり、地震時の慣性力も小さく、耐震上も非常に有利となる。
（9）
異物混入の心配が無い
完全乾式であるため、ガスが水分や油分を吸収しないためガスの純度が低下する心配がない。

6 おわりに最近の世界的な鉄鋼需要の影響を受け、世界各地で高炉一貫製
鉄所の設備増強が続いており、本稿で紹介した大型の月島ードライシー
ルガスホルダは、輸出を中心に受注が相次いでいる。 特に韓国では既に２基の受注が決まっている。また、下水処理場で発生する汚泥3 構造と作動の概要
月島ードライシールガスホルダは、図 3に示すような構造となっており、

図 4 月島−ドライシールガスホルダの作動状態
Fig.4 Mechanism of Tsukishima- Dry Seal Gas Holder

消化ガスの分野でも数多くのドライシールガスホルダが使用されており、近年高まりつつあるバイオガスの分野においても重要な役割を果たしていきたい。

側板，底板，屋根板等の外殻の中にＴ−フェンダ及びピストンと称する

さらに、国内において1960 年から1980 年代に納入した下水処理

内部構造物が設けられている。Ｔ−フェンダ及びピストンは、ガスの流入・場向けガスホルダの建て替え需要も見込まれており、これらの受注拡流出に伴って図 4に示すような作動を行って、ガス量の変動を吸収す

大に努めていきたいと考えている。

る。この作動を行う際にシールゴム膜は巻き上げられるように変形する
表 2 月島−ドライシールガスホルダの納入実績
Table2 Installation Record of Tsukishima- Dry Seal Gas Holder

のみで、摩擦あるいは摺動は一切行われない。また、シールゴム膜はガス圧力によってピストンの外周に浮き輪状の形状をなし、ピストン昇降の際にガイドの役目を果たして偏芯を防止している。
この他に月島ードライシールガスホルダにはレベリング装置と呼ばれる自動平衡装置を備え、ガス流出入に伴って昇降するピストンの水平を常に維持する役目を果たしている。

40 TSK 技報 2008 no.9

TSK 技報 2008 no.9

41

会社概要
名称

月島機械株式会社

設立

大正６年５月（TSUKISHIMA KIKAI CO.,LTD.）

資本金

６６億４６８０万円

取締役社長 山田 和彦

従業員数

701名（平成20年2月末現在）

創業

売上高

572億円
（平成19年3月期）

明治３８年８月

札幌

事業所

TAIWAN

Hanoi

本社〒104-0051 東京都中央区佃2-17-15
TEL.03-5560-6511 FAX.03-5560-6591

沖縄営業所〒901-2131 沖縄県浦添市牧港1-5-12
TEL.098-874-5793 FAX.098-874-5793

東京支社〒104-0051東京都中央区佃2-17-15

市川事業所（工場）〒272-0127 千葉県市川市塩浜1-12
TEL.047-397-6111 FAX.047-397-3354

TEL.03-5560-6541

FAX.03-5560-6593（研究所）〒272-0127 千葉県市川市塩浜1-12
TEL.047-359-1651 FAX.047-359-1661（環境プロセス
開発センター）〒272-0011 千葉県市川市高谷新町6-4
TEL.047-328-8761 FAX.047-328-8789

大阪支社〒541-0043 大阪市中央区高麗橋3-5-12（東京海上日動ビル）
TEL.06-6229-1331 FAX.06-6229-1415

札幌支店〒060-0807 札幌市北区北七条西1-1-2（SE山京ビル）TEL.011-726-0510 FAX.011-726-0520

仙台支店〒980-0014 仙台市青葉区本町1-11-2（SK小田急ビル）
TEL.022-227-9267 FAX.022-223-0316

〈海外〉

横浜支店

〒231-0015 横浜市中区尾上町4-47（リスト関内ビル）
TEL.045-651-7331 FAX.045-664-5086

名古屋支店〒045-0003 名古屋市中村区名駅南1-17-29（広小路ESビル）
TEL.052-581-2378 FAX.052-581-1624

ＴＳＫジャカルタ駐在員事務所
TSUKISHIMA KIKAI CO., LTD. JAKARTA REPRESENTATIVE OFFICE≪TJO≫
22nd Floor, Plaza DM, Jl. Jend. Sudirman Kav. 25, Jakarta 12920, Indonesia
TEL. +62-21-526-7732/7734 FAX. +62-21-526-7790

広島支店〒730-0015 広島市中区橋本町10-10（広島インテス）
TEL.082-227-3093 FAX.082-223-8771

福岡支店〒810-0062 福岡市中央区荒戸2-1-5（大濠公園ビル）TEL.092-741-5736 FAX.092-761-4806

和歌山営業所〒640-8343 和歌山市吉田432（シティビル太田）
TEL.073-427-6085 FAX.073-427-6085

MumbaiTHAILANDMALAYSIASINGAPORE

Jakarta

仙台

東京

ＴＳＫハノイ駐在員事務所
TSUKISHIMA KIKAI CO., LTD. HANOI REPRESENTATIVE OFFICE≪THO≫
Unit202, V-Tower, 649 Kim Ma Street Ba Dinh District, Hanoi
TEL. 84-4-7669965,7,8 FAX. 84-4-7669969
TSKムンバイ駐在員事務所
TSUKISHIMA KIKAI CO., LTD. MUMBAI LIAISON OFFICE
138A 1st ﬂoor Shaheed Bhagat Singh Colony JB Nagar Andheri(East)
Mumbai 400 059 India
TEL. +91-22-2831-4596 FAX. +91-22-2825-6265本社

名古屋
広島

沖縄

市川

横浜

大阪
和歌山

福岡

連結会社及び主な関連会社※月島テクノメンテサービス（株） 〒104-0052 東京都中央区月島4-8-14
TEL.03-3533-6272 FAX.03-3533-2588※月島テクノマシナリー（株）〒272-0127 千葉県市川市塩浜1-12
TEL.047-397-6111 FAX.047-397-3354

月島テクノソリューション
（株）〒272-0127 千葉県市川市塩浜1-12（市川事業所）
TEL.047-701-0221 FAX.047-397-6201※月島環境エンジニアリング（株） 〒104-0033 東京都中央区新川2-12-15（パトライトビル）
TEL.03-6386-3964 FAX.03-3537-8764※サンエコサーマル（株）〒322-0017 栃木県鹿沼市下石川737-55
TEL.0289-72-0371 FAX.0289-72-0381※寒川ウォーターサービス（株）〒253-0106 神奈川県高座郡寒川町宮山4058-6（事業所）
TEL.0467-72-0862 FAX.0467-72-0863※連結子会社〈海外関連会社〉
月島エンジニアリングシンガポール（株）
TSUKISHIMA ENGINEERING SINGAPORE PTE. LTD. ≪TES≫
月島エンジニアリングマレーシア（株）
TSUKISHIMA ENGINEERING MALAYSIA SDN. BHD. ≪TEM≫
SUITE16, 04-05, 16th Floor, Wisma Mca,
163 Jalan Ampang, 50450 Kuala Lumpur, Malaysia
TEL. +60-3-2162-8679 FAX. +60-3-2162-8377

編集後記

Editor's Note

TSKエンジニアリングタイランド（株）
TSK ENGINEERING (THAILAND) CO., LTD. ≪TET≫
United Center Building 14th Floor, Room1404,
323 Silom Road, Bangrak, Bangkok 10500, Thailand
TEL. +66-2-231-1726〜30 FAX. +66-2-231-1731
TSKエンジニアリング台湾（株）
TSK ENGINEERING TAIWAN CO., LTD. ≪TETA≫
6th Floor, No.24, Min Sheng, W.Road, Taipei, Taiwan R.O.C.
TEL. +886-2-2523-6975〜6 FAX. +886-2-2521-1429

高橋 正純

編集委員

TSK技報 NO.9 2008
年2回（4月・10月）発刊

今年７月、洞爺湖サミットが開催されるのに先駆け、この４上げた。当社の企業理念の一つに 最良の技術をもって環境

月、日本の公約である温室効果ガス排出量 マイナス６％ の保全に寄与し、社会に貢献 とあるように、
これら環境技術を約束年がスタートする。テレビ、新聞等のマスメディアも、
ここ

通して、さらには前号のバイオマス有効利用技術とあわせ、地総 責 任 者：西田 克範のところ環境特集と題して地球の悲鳴を種々の側面からレ球に優しい環境作りへの貢献、子供達の明るい未来へ結び

編集委員長：吉越 昭雄

ポートし、我々に訴えかけている。

つければと思ってならない。

本号では、地球に優しい環境関連の新技術、新商品を取り

発行：月島機械株式会社 技報編集委員会

編 集 委 員：高橋 正純
迎

荒井

健

崇博

佐藤 教子

千代島 有里山口 彩子

08042100GMW

42 TSK 技報 2008 no.9

TSK 技報 2008 no.9

43