目次
4

巻頭言

Ｎｏ．
1を目指して6

執行役員 山田 彰彦

論文 1

粉粒体シミュレーションの妥当性確認とスチームチューブドライヤーの粉体挙動解析 中田 洋一
16

論文 2

燃料用バイオマス炭化物中の鉄化合物の元素形態解析
24

鈴木 健治・日良 聡

製品紹介 1

BOKELA ‒ Clever Filtration28

山田 雅之・Meck Franz

製品紹介 2

乾式微粉炭注入設備
32

加賀山 亨

製品紹介 3

製品紹介（RotaCut 、F450T）
36

月島テクノメンテサービス（株） 正井 一生

製品紹介 4

ミストエリミネーター「デミクロン」
38

大同ケミカルエンジニアリング（株） 橋本 圭司

製品紹介 5

バキュームミキシングドライヤ
40

月島マシンセールス（株） 池田 智哉

製品紹介 6「水素製造実証共同研究」における消化ガス精製工程への「BMBアブソーバー」の適用について
月島環境エンジニアリング（株） 久保 大樹
44 「フロキュア ®（浮上型チェーンフライト式汚泥かき寄せ機）」が
第 42回優秀環境装置表彰で日本産業機械工業会会長賞を受賞

46

コーヒーブレイク セルロースの話

48

研究所紹介

50

会社概要・編集後記

谷口 智彦

X線を利用した分析装置の紹介

鈴木 健治

No.19 2016

CONTENTS
4
6

Foreword

YAMADA Akihiko, Executive Officer
Global Production & Procurement Sec. / Cost Engineering Dept.

Paper1

Validation for numerical simulation of powder and granule dynamics, and analysis of powder
NAKATA Yoichi
behaviors of indirect heating type horizontal rotary steam tube dryer
16Paper2Elemental speciation analysis of Iron compounds in carbonized biomass for fuel.
SUZUKI Kenji / HIRA Satoru

24

Product1

PBOKELA – Clever Filtration
28

YAMADA Masayuki / FRANZ Meck

Product2

Dry Super-powdered Activated Carbon (S-PAC) Injecting Facilities
32
表紙の写真

KAGAYAMA Akira

Product3

Product introduction RotaCut F450T
36

Product4“Demicron” mist eliminator
38

HASHIMOTO Keiji

Product5

Vacuum Mixing Dryer
40

MASAI Issei

IKEDA Tomoya

Product6

The application of the “BMB absorber” to the digestion gas refinement process in“Collaborative research for demonstration of hydrogen production”.

アメリカ合衆国アリゾナ州にある
グランドキャニオンの朝の風景

44

Award New Sludge Collector "FLOQUA®"

46

Coffee Break48

Introduction of R&D Center

50

Corporate Profile / Editor’s Note

KUBO Daiki

TANIGUCHI Tomohiko

SUZUKI Kenji

TSK 技報 2016 no.19 3

巻 頭 言４人の若きサムライたちが躍動、銀メダルを獲得したリオ・オリンピック男子陸上４００ｍリレーを含め、過去最大数のメダルの獲得に日本中が沸いた今年の夏。リレーの前に行われた１００ｍ個

1

Ｎｏ．

を目指して

のニーズを満足するものとしての最高水準の性能である。
以下蛇足ではあるが９０年代後半の対談での国際的ジャーナ
リストの言葉を参考に補足する。

人レースでの敗退は、世界トップクラスとのレベルの違いを目の当

世界のフィールドで競うことは現在の月島機械の能力を識る（したりにしたもののリレーでは見事にリベンジを果たし、予想を遥かる）ことである。これは月島機械が知識を含めどれだけの力（能力）に上回る成果を上げた。

があるのかを理解することである。これを機器に置き換えると、月

この裏側にはリレー競技における技術進化があった。リレーメ

島機械の製品の能力・性能を識ることである。次に競合を識るこンバーの年長者の一人が、今回の躍進の要因を帰国後の会見とすなわち世界のそのフィールドで何が起きているのかを識ることにて解説をしていたが、ロンドンオリンピックからの進化・強化課である。冒頭の陸上４００ｍリレーのサムライの一人も発言してい題としてバトンパスのテクニカルな改善を目指していたとのこと。

たが、日本でトレーニングをし切磋琢磨をしていても日本では自身

百分の１秒という世界でしのぎを削る陸上短距離リレーにおいて、が第一人者故、世界での自分の位置がわからないとのことである。

日本ならではの唯一無二の発想であろう。そして得られた成果は今、この識るプロセスを持ってＳＴＣメンバーは開発にチャレン

明らかに技術改善・強化の賜物と言えよう。これからのトレーニン

ジしている最中にある。今後、ＳＴＣを最高水準の性能を持つ機グで若きサムライたちの成長と更なる進化が可能となれば、次回種へ変貌させるための成果を期待したい。

の東京オリンピックでの金メダル獲得の夢に心躍る。
前文が長くなったが、月島機械が技術立社としての企業を目指

これに続き既に世界展開はしているが、【Ｎｏ．
1】を競う機器がＳ
ＴＤである。中国および日本の競合との三つ巴の激しい競争の中す点において共通する話題として記載をした。月島機械はものづで開発された高効率化のプロセスは、ダウンサイジングや省 エ

くりの技術を原点とする企業である。保有する技術は単位操作

ネルギー化の観点で競合他社を凌駕できる。理論とシミュレーショ

機器の開発・設計・製造からプラントの基本計画・プロジェクト

ン解析とテスト機による実証の３本立ての開発が進められた中で、マネジメント・エンジニアリング・調達・製造・検査・建設・試

続く本文にはシミュレーション解析の事例が紹介されている。ユー

運転他の各業務プロセスにおいて多岐にわたり、その技術は劣

ザーのニーズを着実に捉え、高効率化プロセスの早期の実用化

化・進化・スピンアウト等により長きにわたり蓄積・革新の歴史をを期待している。

経て現在に至る。本巻頭言では、世界のトップレベルで競う戦略

最後を締めくくるのは新型汚泥脱水機の開発機である。この開的要素が高く、進化が求められる月島機械の機器に注目し、特に発の背景には、汚泥脱水機でのシェア奪回を目指した最高水準

吊下分離機（以下「ＳＴＣ」
・スチームチューブドライヤ（以下「ＳＴの性能を有した新型機の早期開発が求められている。開発者のＤ」
・汚泥脱水機の３点の開発に関して述べたい。

選任においては機器設計部の若き志しを持ったサムライを投入しあまり知られていないことであるが、アジアから世界フィールドている。既存の多々ある当社脱水技術からのスピンアウトも含め、への展開を目指すＳＴＣは、販売台数のみならず技術的にも世界

機器設計部の強力なバックアップ体制の下で開発機でのブレイク【Ｎｏ．
1】を目指すミッションを持って今期モデルチェンジにチャレ

スルーを期待している。

ンジしている。ＳＴＣの優位性はもはや日

最後に、月島機械の技術は多岐に渡り、本製であることや単なるコストでは成し得

技術進化の余地はまだまだある。いずれのず、世界最高水準の性能の達成が競合をフィールドにおいても技術立社として【Ｎｏ．
1】

凌駕する唯一の方策となる。もちろん安全を目指していきたい。そのためにもたくさん

性・安定性に裏付けられた上でユーザーの志しあるサムライの出現を期待する。

山田 彰彦
執行役員
エンジニアリング本部
グローバル製造・調達推進室長（
4 TSK 技報 2016 no.19

技術管理本部 コストエンジニアリング部長）

TSK 技報 2016 no.19 5

論文

1

粉粒体シミュレーションの妥当性確認とスチームチューブドライヤーの粉体挙動解析
Validation for numerical simulation of powder and granuledynamics, and analysis of powder behaviors of indirect heatingtype horizontal rotary steam tube dryer

Abstract

中田 洋一
NAKATA Yoichi
エンジニアリング本部
プラントエンジニアリング部
解析グループ

数値シミュレーションには次のような利点がある。数値計算を行うコン

粒体の振る舞いを規定するが、粉粒体らしい振る舞いを再現できる実ピュータに掛かる費用は実験よりも低コストであり、多数の条件を同時に用的なレオロジー方程式は未だ提案されておらず、現在のところ工学

計算することで実験に比べて早く結果を得られる。また、実験ではプロー

設計への利用は現実的ではない。一方、離散体として解くものに離散ブで物理量を測定する際、入り組んだ装置形状や過酷な環境である場要素法（Discrete element method）5）があげられる。まず先に離散合などの制約により測定できないケースも存在するが、シミュレーションでは要素法の概念について理解を助けるため、正確さは無いが簡略化し空間と環境に対する制約はなく、余すことなく装置全体にわたる情報が得て述べるとともに概念図をFig.1に示す。三次元の計算空間内に自由られる。これらの利点から、実験では取得しきれないほど広く、緻密にケーに動くことができる粒子を配置し、粒子同士が接触すると粒子同士のススタディした情報を得られることで、本質的な特性を明らかにできる。

接触反発力を計算する。この反発力を組み込んだ運動方程式を計算

一方、粉粒体シミュレーションには問題もある。それは、計算結果の確して加速度と向きを求め、微小時間の積分を行い粒子の速度を決めからしさである。流体現象を取り扱う場合は、解析解が存在する簡単なて新しい位置に更新・描画する。この計算をすべての粒子に対して流れの問題をシミュレーションして結果を比較することで妥当性が確認で逐一行うことで全体の運動状態を知ることができるもので、各時間のきる。しかしながら、粉粒体については、その運動が一義的に決まるよう状態を可視化した画像を連結すれば、コマ送りのアニメーションが得

適切な数学的記述がなされた方程式は未だ確立されておらず解析解

られ、現象を表現することができる。正確には、離散要素法は粒子のも存在しないため、机上の計算だけではシミュレーションの妥当性は確

接触力を粘弾塑性特性および必要に応じて追加した任意の相互作認できない。従って、現象の知りたい情報に対して計算モデルが適切用モデルから規定し、ラグランジュ的にニュートンの第二法則を基礎に設定できているかを定量評価する必要がある。そのためには、工学シとした運動方程式を解く。粉粒体が個別に運動するという現象に対し

It can be expected that numerical simulation enhances design quality and operational efficiency by

ミュレーションの品質に関する文献 1）にもある通り、実験とシミュレーションて、離散要素法も計算領域内の計算要素の移動を拘束せずに相互

development and engineering design of the powder and granule handling apparatus with the following

結果を定量的に比較し、その妥当性を確認することが必須である。

作用を計算する特徴が類似しており、理解し易い。また、様々な相互

merits: 1) reduction of cost and period of time of experimental research, 2) deep understanding of phe-

筆者の一連の研究目的は、粉粒体装置の工学設計に実用可能な、作用モデル（e.g. 弾塑性 6）、分子間力 7）、静電気力 8）、液架橋力 9））

nomena. For the purpose, it is required to show practicality of simulation together with the validation

数値シミュレーション法および方法論を確立することにより、開発や設計

大規模計算法 2,3,10）の開発、連続体モデルとの連成による混相系シミュ

of simulation approach and practical examples of numerical analysis on powder apparatus. This paperに伴う実験経費の減少と検討期間の短縮を図るとともに、粉粒体現象

レーション（e.g. 固気流動層 11））などの研究成果があがっており、粉粒

focuses and discusses the rotary type solids mixing system. The following results were obtained: 1) Dis-に関する情報を十分に設計者へ提供できるようにして設計品質を高め

体の複雑な挙動をシミュレーションして工学設計へ利用するには、現crete element method predicts experiments qualitative and quantitatively within error of 7.4(%) as vali-

ることにある。その際、前述した背景から次の課題があげられる。粉粒

在のところ、最も適用可能性が高いと考えられる。本研究では数値シ

dation test. 2) Numerical simulation in terms of powder dynamics of Indirect heating type horizontal

体シミュレーションの計算モデルについて実験結果と比較した妥当性確

ミュレーションに離散要素法（以降はDEMと略す）を用いる。

rotary steam tube dryer was performed and captured characteristics. It can be concluded that obtained認を行う必要がある。
また、産業規模の粉粒体装置を対象に数値シミュ

results through the research indicates feasibility of numerical simulation for engineering design.

レーションを行い、その実用性を示す必要がある。筆者はこれまで、粉粒体シミュレーションの大規模計算法に関する研究 2,3）および粉粒体の数値シミュレーションを用いた粉粒体装置の開発、設計は、次に示す利点により設計品質および業務効率を高められることが期待できる。1）実験を伴う調査、検討のコスト削減、期間短縮。2）現象に対する理解が深まる。
そのためには、数値シミュレーションの妥当性確認を行うとともに、粉粒体装置の解析を例示することで、実用的であることを示す必要がある。
本研究では、回転混合システムに注目して考察を行い、次の結果が得られた。1）
離散要素法による数値シミュレーション

混合に関する研究 4）を行ってきた。大規模計算法に関する研究は未だ途上であるものの、産業規模の装置内の大量の粉粒体をシミュレーショ
ンするためには必須の技術と考えている。また、粉粒体の混合は、シミュは定性的にも定量的にも誤差 7.4（%）
以内で実験結果と一致する。2）
スチームチューブドライヤーの粉体挙動の解析を

レーションの妥当性確認において実験と比較する際の重要な指標とな行い、装置特性を明らかにした。
これら二つの検討より、工学設計への数値シミュレーションの利用可能性を示した。

る。これらの研究成果を利用し、本研究では次の検討を行う。まず、回キーワード：数値シミュレーション、離散要素法（DEM）、妥当性確認、間接加熱式蒸気管付横型回転乾燥機
Keyword：Numerical simulation, Discrete element method(DEM), Validation, Indirect heating type horizontal rotary steam tube dryer

転混合システムの粒子の運動を対象に実験とシミュレーションを比較し、筆者が用いている粉粒体シミュレーションの計算モデルについて妥当性確認を行う。その後、月島機械が取り扱う粉粒体装置のひとつである
スチームチューブドライヤーについて、粉粒体の運動をシミュレーション
して設計者が知りたい情報と考えられる各特性を解析し、工学設計とし

1 緒言性などの物性に関する因子に対して、装置の形状や操作条件など外

図 1 離散要素法の概念
Fig.1 Concept of Discrete element methodての利用可能性を示す。
次章より具体的な研究内容について述べる。その構成は、2 章は数

2.1 物理モデル

して、前述した実験は化学工学的アプローチによる大域的な理解に留

値シミュレーションの計算理論と妥当性評価方法の理論、3 章はシミュ

2.1.1 支配方程式

高度な設計技術が求められる。装置の設計に際して、適切な形状やまっているため、粉粒体の振る舞いについては未だ予測が外れることもレーションと実験を比較した妥当性確認、4 章はスチームチューブドライ

操作条件を決定するためには装置内部で起きている現象を理解する

多く、実験的方法による予測だけでは現象を緻密に表す情報が不足しヤーの解析、5 章は結言である。

必要がある。そのため、実験により現象を観測し、装置特性との関連をているのが実態である。結局のところ、設計者らは不足する情報を自ら表す実験式を求めている。これにより、実験で実測した範囲に限り適用の知見と経験で補完するほかなく、粉粒体を取り扱う装置の設計には、可能な予測式が得られるが、過去に実験した範囲を超えて予測するこ職人さながらの豊富な経験に裏打ちされた高度な設計技能を要するととはできず、新しい装置の開発、設計や従来装置の改良を行う際にはいう問題もある。これらの問題は、装置の設計不適合、事故、稼働率の粉粒体の数値シミュレーションは連続体もしくは離散体として解くもの

その都度実験を行う必要があり、非常に多くの実験経費と期間を要す低下などを招来する要因となっている。これらの問題を解決する方法のに分類される。連続体モデルは連続体近似の運動計算を行う。そのるという問題がある。また、粉粒体は形状、粒子径分布、濡れ性、凝集ひとつとして数値シミュレーションによる予測が有効と考えられる。

際、運動により生じる応力と変形の関係を表すレオロジー方程式で粉的因子の組み合わせによって複雑な挙動をする。この複雑な挙動に対産業の様々な分野で粉粒体が取り扱われており、その製造装置には6 TSK 技報 2016 no.19

DEMでは運動方程式を次式のように並進運動（1）式と回転運動（2）式に分け、接触力に基づき運動方程式の計算を行うことでダイナ
ミクスを予測する。

2 理論
（1）
（2）

TSK 技報 2016 no.19 7

論文 1

Validation for numerical simulation of powder and granule dynamics,
and analysis of powder behaviors of indirect heating type horizontal rotary steam tube dryer

粉粒体シミュレーションの妥当性確認とスチームチューブドライヤーの粉体挙動解析

ここで、はそれぞれ、
質量、
速度、
時間、
接触力、

粒子形状を真球として取り扱うDEM シミュレーションと、現実の不定重力加速度、慣性モーメント、角速度、位置ベクトル、回転抵抗モーメン

形粒子の挙動を補正するために付加したもので、これにより計算粒子

トであり、添え字のnおよび tは法線方向および接線方向を意味する。

の転がりを抑えて現実の現象に近い粒子挙動を示すようになる。回転3 実験とシミュレーションの比較による妥当性確認
3.1 検証システムおよび方法
システムはFig.4に示す円筒容器および、円筒容器と同期して回転抵抗は次式のように表される。
2.1.2 接触力するロッドを備えるロッド付き円筒容器の２つの装置を使用した。ロッド付

DEM ではタイムステップごとに粒子が他体と接触しているか接触

き円筒容器は小型のスチームチューブドライヤーを模擬した形状であ（6）判定を行う。接触していると判定された粒子は接触力モデルで規定された力を計算する。Fig.2に接触力のモデルを示す。接触力は広く用いられているフォークトモデルを基礎とし，摩擦と転がり抵抗を付加したものを使用した。これら力の計算は法線方向と接線方向に分けて、

ここで、次式のように表される。

幅、臨界相対角を意味する。
（3）
（4）
（5）

る。検証方法は、容器内を2 分割するよう粒子径分布（Fig.5）の異なる(a) Mixing states in binary components system(a) 2 成分系の混合状態

はそれぞれ、回転抵抗モーメント、相対角、接触

2 種のアルミナ粒子を配置した後，所定回転数で容器を回転させ、所定回転ごとに図示する検査領域 1 から3の箇所で粒子の数およびその割合を測定し、混合度データを取得した。操作回転数と装入粒子数をTable1に、物性パラメータをTable2に、計算環境をTable3に示す。

2.1.4 時間積分工学設計での利用においては非定常かつ時定数の大きな現象、つまり膨大なタイムステップを刻むことになることも視野に入れ、時間差分スキームには、エネルギー保存性が良いとされる速度ベルレ法を用いて時間積分を行う。

ここで、はそれぞれ、ばね定数、粒子接触長さ、粘性減衰

係数、摩擦係数、反発係数を意味する。なお、粒子接触長さとは、粒2.2 混合度子接触部の重なり量のことである。現実の現象における接触挙動を表粉体の運動とその混ざり度合いにはアナロジーが成り立つ。つまり、現するために、現実には起こりえないが、DEMでは粒子の重なりを許実験とシミュレーションの運動が完全に一致している場合には、その混容する。重なり量に応じた線形ばねの斥力と、速度に応じた粘性減衰

合度も完全に一致し、運動の差が大きくなるに伴い混合度の値に差がによるエネルギー散逸の和から反発力を求め、粒子挙動を表現する。

生じることになる。従い、実験およびシミュレーションによる定量的な比接触によって塑性変形、破壊が起きない応力スケールのシステムであ較の指標として混合度を用いる。混合度の指標には筆者らが提案しれば、挙動の再現精度は十分にあると考えてこのモデルを選択した。

たシャノン・エントロピーを基礎とした混合度 4）を用いる。シャノン・エ

(b) Examination the mixing indices in sampling domain(b) サンプリング部の混合度
図 3 混合度指標の定量評価の安定性についての例示
Fig.3 Practical example for robustness of quantitative evaluation of mixing indices

ントロピーは状態の不確実さに応答する。この性質を次のように利用して物質の混ざり度合いを測定する。ある状態を検査した際、異種物質が均一に存在するほどエントロピーは増大するため、システム全体

装置内部の混合状態が定常に至ったと判断した区間を対象に、実が完全混合した際のエントロピーに対して、検査データのエントロピー

験とシミュレーションの混合度の差が最も大きい値をシミュレーション誤を対比することで、0 から1 の値で表した規格化条件付きエントロピー

差とする。この際、次のように統計処理をした信頼度 95（%）の推定区

を混合度とする。

間に基づき算出する。
（7）

ここで、

（9）

は、それぞれ、混合度、条件付きエントロピー、異種物質の種の数である。この方法は、混合度
図 2 DEMの相互作用力モデル
Fig.2 Interaction forces model of DEM

2.3 シミュレーション誤差（10）として広く用いられているレイシーインデックス 14）などで評価した際に必ず含まれる統計誤差が生じない。レイシーインデックスは次式のように表される。

（11）

2.1.3 回転抵抗（8）

計算粒子を真球として扱う場合、平板上を永遠に転がり続けることが DEMでは起こる。現実には粒子と平板間のミクロスケールでの弾塑性接触、いわゆる表面粗さの影響により粒子の回転運動は抑制

ここで、されるため、これをモデル化する。回転抵抗モデルは、Directional

分離時の統計分散，ランダム時の統計分散，検査部の統計分散でconstant torque モデル 12）が広く用いられているが、本研究では、ある。指標の安定性をFig.3で例示しているように、レイシーインデック

Jiangらにより提案された二次元 DEM シミュレーション用に開発された

スは検査部の組成によってはマイナスの値を示し指標として不安定さ

Simpliﬁed rolling or resistance model のうち、Elasto-perfectlyが見られるが、シャノンインデックスは0 から1の範囲に収まる。シャノ

13）

plastic model を三次元 DEM シミュレーションに拡張して適用する。

8 TSK 技報 2016 no.19

は、それぞれ、不偏分
散、標本数、標本、標本平均、信頼区間、Studentのt 分布、シミュレー

はそれぞれ、レイシーインデックスによる混合度，ション誤差、実験の標本平均、シミュレーションの標本平均を意味する。
図 4 検証システム
Fig.4 schematic diagram of validation system

ンインデックスの混合度により厳密な数値評価が可能となる。

TSK 技報 2016 no.19 9

論文 1

粉粒体シミュレーションの妥当性確認とスチームチューブドライヤーの粉体挙動解析

Validation for numerical simulation of powder and granule dynamics,
and analysis of powder behaviors of indirect heating type horizontal rotary steam tube dryer

3.2 検証システムおよび方法
円筒容器およびロッド付円筒容器の混合度および混合状態を撮像した画像をFigs.6,7に示す。ロッド付き円筒は画像および混合度検査
結果からも混合が進んだことが確認できる一方、円筒は粒子層上層部（検査領域 1）の混合度が低い値を示している。単純円筒の回転による転動運動、いわゆるキルンアクションは循環流の中央に停滞域が存在することが一般に知られており、シミュレーション結果はこれを再現していることが明確に確認された。ロッド付き円筒は循環流中央の停
滞域を横切るようにロッドが通過して混合を促進する作用があるため、
図 5 アルミナ粒子の粒子径分布
Fig.5 Particle size distribution of Al2O3

円筒よりも混合度が高くなっていると考えられる。混合状態が安定した
7 回転以降における実験とシミュレーションの混合度の差をFig.8に示す。Fig.8より、信頼度 95%におけるシミュレーション誤差 7.4（%）であることが確認され、工学設計に利用するシミュレーションとしては十分

図 7 混合過程を撮像した画像
Fig.7 Snapshots of evolution of mixing states

な予測精度があると判断できる。
ここまでの検討は、回転速度が１条件だけであり、偶然に実験とシミュ
表 1 操作条件および装入粒子数
Table1 System condition

レーション結果が一致した可能性があるため、次に、回転速度を大きく変えたケースも比較した。その比較結果をFig.9に示す。比較の結果、粒子層の空間分布は視覚的に高精度に一致しており、偶然に実験とシミュレーション結果が一致した可能性は低いと判断できる。このように、装置の形状や操作条件をより幅広く変更した場合であっても粒子の空間分布は一致することより、計算モデルは妥当であると判断できる。

表 2 物性パラメータ
Table2 Physical properties

図 8 実験に対するシミュレーション誤差
Fig.8 Simulations error against experiments
表 3 計算環境
Table3 Computing environments

図 6 混合度の定量評価による実験とシミュレーションの比較
Fig.6 Correlation of simulations against experiments by quantitative evaluation of
mixing index

10 TSK 技報 2016 no.19

図 9 回転速度を変えた場合における空間分布
Fig.9 Snapshots of spatial distribution in case of various rotational speeds

TSK 技報 2016 no.19 11

論文 1

Validation for numerical simulation of powder and granule dynamics,
and analysis of powder behaviors of indirect heating type horizontal rotary steam tube dryer

粉粒体シミュレーションの妥当性確認とスチームチューブドライヤーの粉体挙動解析

4 スチームチューブドライヤーの解析

4.1 装置の回転速度と粉体の空間分布の関連
スチームチューブドライヤーによる処理物質のひとつである石炭をスチームチューブドライヤーは乾燥処理が目的であるため、装置能示す。回転速度の増加に伴い乾燥速度比は向上しており、固気接触

スチームチューブドライヤーは横型回転乾燥機であり、伝熱チュー

用いて、シミュレーション結果と実験の比較を行った。本研究で扱った力である乾燥速度を予測できることが望ましい。しかしながら、スチー

面積比も回転速度に対して同様の応答を示している。一方、接触伝

ブ内に満たされた熱媒（e.g. 飽和水蒸気）がチューブ壁を介して、石炭は、安息角が約 40（ 度）を成す程度の良くも悪くも無い中間的

ムチューブドライヤー内の粉体は複雑な乾燥挙動をするため、現在

熱面積比はほぼ横ばいである。

チューブ外面と接触する処理物質を間接的に加熱することで、処理な流動性である。実験装置をFig.11に示す。直径 1.8mのスチームのところ、実用的なシミュレーション法は確立されていない。従い、間これらの関連について考察する。固気接触面積は乾燥速度との物質に含まれる液体を蒸発除去し、乾燥製品を得る装置である。装チューブドライヤーに石炭を装入し、所定回転数で回転させた際の接的に乾燥現象と関連があると考えられる特性をシミュレーションにより相関が強く、接触伝熱面積は相関が弱いとの仮説を立てる。ここで、置概観をFig.1015）に示す。本装置はシェル（円筒部）の中心軸回りに石炭の空間分布をビデオカメラで撮影した。石炭の空間分布を実験明らかにする。粉体表面で起こる水分の蒸発は拡散現象であるため、帰無仮説の立場をとり、Table4に示す重回帰分析により仮説検定を回転するもので、軸と直行する断面に対して粉体はよく撹拌される。つとシミュレーションで比較した結果をFig.12に示す。なお、画像下部に界面の濃度勾配である蒸気圧差が推進力となる。粉体が十分な量の行った。乾燥速度と固気接触面積に関連が無い確率は1.2（%）と低まり、軸に直行する断面方向の装置形状や操作条件および処理物質

記された数値α=0.25,0.5,0.8とは回転慣性力の大きさを重力に対する気体と接触すれば、気相側の湿度を低く保つことで蒸気圧差が大きく

く、一方、乾燥速度と接触伝熱面積に関連が無い確率は6.8（%）と高の流動性が装置特性に強く影響すると考えられる。従い、軸に直行す比として無次元化したもので、この値が 1のときは回転慣性力と重力とれるため、乾燥速度は向上する。また、水分を十分に加熱すれば、い値を示した。一般的に有意確率 5（%）
が有意水準として扱われておる方向に輪切りにした形状をモデルとして粉体の運動を数値シミュレー

が釣り合う速度を意味し、以下のように定義される。

液相側（水分）の蒸気圧が大きくなるため、乾燥速度を向上させる。

り、乾燥速度と固気接触面積は相関が強く、接触伝熱面積は相関がションし、次に示す特性を明らかにする。なお、このうちのいくつかは（12）

実験結果も併せて示し、妥当性を判断する材料とする。
・装置の回転速度と粉体の空間分布の関連

4.2 固気接触面積比、有効伝熱面積および乾燥特性との関連

また、前節で扱った石炭を乾燥処理した際の乾燥速度比をFig.15に従い、粉体が気体と接触している固気接触面積と、粉体が加熱面と弱いと解するのが妥当である。統計的な見地から先の仮説を支持す接触している接触伝熱面積から、乾燥速度の推定や乾燥状態を定るデータが示されたが、これが正しければ、装置内部は次のような乾性的に類推できる可能性がある。前節での実験およびシミュレーション

燥状態にあると考えられる。この石炭をスチームチューブドライヤーで・装置の形状、回転速度と撹拌動力の関連

ここで、は、それぞれ臨界速度比、回転数、代表長さ（ここでデータより接触伝熱面積比および固気接触面積比の可視化した結果乾燥処理した際、物質移動に必要な熱は十分に供給されているが、・スケールアップした装置径における粉体の空間分布

は装置内径とする）である。石炭は黒いためにビデオカメラで撮像しをFig.13に、これらの特性をFig.14に示す。接触伝熱面積比は装置界面近傍に存在する水蒸気の拡散律束で乾燥が阻害されている状・流動性の悪い粉体の挙動た画像が不明瞭であった。そのため、実験時に目視確認した石炭のの全伝熱面積に対する接触面積の割合、固気接触面積比は全粒子態、つまり蒸れていると推察される。そのため、粉体と気体の接触機・乾燥速度と有効伝熱面積比および固気接触面積比の関連

空間分布を画像上に次のように着色して示している。赤色は石炭がの表面積に対する分散している粒子の割合としたうえで、回転速度が会を増やす事や、気相の湿度を低く保つ方策をとることにより、効率化

堆積している領域、橙色は石炭が自由落下している領域、それ以外

最低速の条件を基準値 1として、基準値に対する比率で表している。

が図れる可能性がある。

なお、装置や取り扱い物質の詳細な仕様については月島機械の核心的な設計情報が含まれるため公開を伏せる。本章は装置の基礎的なの領域は石炭が存在しない。回転速度が増加すると石炭の空間分布特性を数値シミュレーションにより解析する事例という位置付けのもと、は広がる傾向を示し、実験とシミュレーション結果は視覚的判定では工学設計への利用可能性を示す目的であるため、対象システムの情

おおよそ一致することが確認された。

報を完全に明示せずとも目的に適うと考える。

図 11 実験装置
Fig.11 Experimental apparatus

図 14 粉体表面の相互作用特性
Fig.14 Interaction characteristics of powder surface

図 15 石炭の乾燥特性
Fig.15 Drying characteristics of Coal

表 4 乾燥速度比の相関因子についての重回帰分析
Table4 Multiple regression analysis for correlation factor to drying speed ratio

図 13 回転速度を変えた場合における接触面積：(a) 粉体と加熱面 (b) 粉体と気体
Fig.13 proﬁles of contacting area in case of various
rotational speeds :(a) powder against heating wall and(b) powder against gas
図 10 スチームチューブドライヤーの鳥瞰図Fig.10 Bird s eye view of steam tube dryer

12 TSK 技報 2016 no.19

図 12 回転速度を変えた場合における空間分布
Fig.12 Snapshots of spatial distribution in case of various rotational speeds

TSK 技報 2016 no.19 13

論文 1

Validation for numerical simulation of powder and granule dynamics,
and analysis of powder behaviors of indirect heating type horizontal rotary steam tube dryer

粉粒体シミュレーションの妥当性確認とスチームチューブドライヤーの粉体挙動解析

4.3 装置径をスケールアップした際の空間分布および処理物質の流動性と空間分布の関連げられた粉体が落下しづらくなるとともに、ある程度凝集した状態で落7 使用記号

下しており分散が悪くなる傾向が確認された。

装置設計においては、小型機で実験を行い取得した設計データをもとに産業規模の大型機を設計することが多い。このような大型化す

4.4 動力特性

る設計手続きはスケールアップと呼ばれている。スケールアップの際、スチームチューブドライヤーの動力のおよそ8 割が粉体を撹拌す

力学・化学・幾何学的相似則を完全に保てば小型機と大型機は同るために消費される。産業用装置としては低動力であることが重要な一の性能が発揮されると考えられる。しかしながら、実際の装置は設価値であるため、この特性を明らかにする。実験装置をFig.18に示計因子が複雑に関連しており、その詳細は十分に明らかになっておらす。シミュレーションの妥当性確認も行えるよう、装置内部にパイプのず、前述した理想的なスケールアップは困難である事が多い。そのたみ配置した場合と、パイプと十字状に板を配置した２種の形状で行っ

め、設計者はスケールアップに関して不足する情報を経験知で補完た。実験はスチームチューブドライヤーに石炭を装入して所定回転し、装置仕様を決定している。この問題に対して、事前に大型機の特数で回転し、動力を測定した。その後、空状態および石炭装入状態性が予測できれば、有用な設計情報となる。また、粉体の流動性も装の動力差より石炭の撹拌動力を求めた。シミュレーションは輪切り形状

置特性に影響すると考えられる。従い、本節ではシミュレーション対象のモデルで計算を行ったのち、モデルの長さと実験装置の長さの比の装置径を3.8（m）に大型化するとともに、粉体の流動性の影響も確率を積算し、実験装置の長さ5（m）相当における動力を求めた。粉体認する。流動性の良悪とアナロジーが成り立つと考えられる安息角がの空間分布および動力特性をFigs.19,20に示す。
なお、動力はFig.18

図 19 装置内部形状が異なる場合の粉体の空間分布：(a) ロッド付き円筒 (b) ロッドおよび板付き円筒
Fig.19 spatial distribution for diﬀerent internal shape of apparatuses:(a) Cylinder with rods system and (b) Cylinder with rods and plates

異なる2 種の粉体を設定する。安息角は事前に予備的なシミュレーショ

（a）に示す形状で回転速度が最低速の条件における値を基準値 1とンを行い（Fig.16）、ファン・デル・ワールス力 7）の強さを規定するハマー

して、基準値に対する比率で表している。回転速度の増加とともに動カ定数を調整して設定した。また、本節の対象は大型機であるため、力は増加するものの、内部に十字状の板を配した形状の方が、より動取り扱う計算粒子数が多く、長い計算時間がかかる。そのため、筆者力が低い傾向を示した。この原因は、粉体が落下する際に板に堆積

参考文献

らが提案したスケーリング法（Scalable DEM） を用いて計算粒子することで回転方向に粉体重量がかかる現象、いわゆる位置と運動

1） 白鳥正樹，越塚誠一，吉田有一郎，中村均：工学シミュレーションの品質保証

径を大きなものに置き換えることで計算粒子数を減らし、計算時間のエネルギーの回生が起きることと、粉体の空間分布が広がったために2,3）短縮を図っている。このスケーリング法は、オリジナルサイズの粒子装置回転軸に対する粉体層の回転半径が縮小していることが考えら群の挙動を保つよう、置き換えた大きな粒子の運動量を補正する技術れる。実験とシミュレーションには最大 16（%）の動力の差異が確認さである。詳細な理論については参考文献をあたられたい。Fig.17にシれた。回転速度や装置形状が変更された場合において、シミュレーショ

ミュレーション結果を示す。流動性の良い物質であれば、前節までにンの動力は誤差を有しながらも、実験結果に追従して算出できること示した小型機と同様の空間分布を示した。流動性が悪くなると掻き揚が確認された。

とV&V，丸善出版，
pp.29（2015）2） 山井三亀夫，中田洋一：スケール則に基づくDEM シミュレーションの検討，粉図 20 装置内部形状が異なる場合の粉体の撹拌動力特性：(a) ロッド付き円筒 (b) ロッドおよび板付き円筒
Fig.20 Power characteristics of powder mixing for diﬀerent internal shape ofapparatuses:(a) Cylinder with rods system and (b) Cylinder with rods and plates

体工学会春期研究発表会講演要旨集，pp.188-189（2016）3） Mikio Yamanoi，Junichi Imai，
Yoichi Nakata：Scalable-DEM Simulationof Powders and Granules in Indirect Heating Type Dryer : Dynamics
and Thermal Behaviors，20th International Drying Symposium，（2016）
4） 中田洋一，山井三亀夫：DEMシミュレーションにおける粉粒体の混合度を評価す
る方法の検討，粉体工学会春期研究発表会講演要旨集，pp.158-159（2015）5） P.A.Cundall，
O.D.L.Strack：Discrete numerical model for granular

5 結言

assemblies，
Geotechnique，29，
pp.47-65（1979）
6） O.R.Walton，
R.L.Braun：Viscosity, granular‐temperature, and stresscalculations for shearing assemblies of inelastic, frictional disks，Journal

粉粒体シミュレーションを工学設計に利用するための基礎研究として
数値シミュレーションの妥当性確認を行い、以下の結果が得られた。
・実験と数値シミュレーションの誤差は7.4
（%）
であった。
(a) case1

・異なる装置形状、より幅広い操作条件においても実験と数値シミュ(b) case2

レーション結果は視覚的に高精度に一致した。

図 16 流動性の異なる２つの物質の安息角の例示：(a) 一般的な物質 (b) ファン・デル・ワールス力を考慮した凝集性物質
Fig.16 Examples of angle of repose for diﬀerent ﬂowability characteristics:(a) a typical property and (b) an aggregated property with VDW forces

この結果より、数値シミュレーションは定性的にも定量的にも十分な予of Rheology，30，
pp.949-980（1986）
7） J.Czarnecki，
V.Itschenskij：Van der Waals attraction energy between
unequal rough spherical particles，Journal of colloid and interface
science，
98，2，
pp.590-591（1984）
8） G.Liu，
J.S.Marshall，
S.Q.Li，Q.Yao：Discrete -element method for particle
capture by a body in an electrostatic field，International Journal for
Numerical Methods in Engineering，
84，
13，
pp.1589-1612（2010）9） C.D.Willett，
M.J.Adams，
S.A.Johnson，
J.P.Seville：Capillary bridges

測精度を有すると判断でき、その計算モデルは妥当であることが確認

between two spherical bodies，Langmuir，
16，
24，
pp.9396-9405（2000）

された。また、スチームチューブドライヤーを数値シミュレーションにより10）Mikio Sakai，Seiichi Koshizuka：Large-scale discrete element modeling in

解析し、工学設計に必要な特性を明らかにすることができる事例を示した。これら2 つの検討により工学設計への利用可能性を示した。今後も要素技術に関する研究および装置解析への適用事例を示すことで、数値シミュレーションの高度利用を促し、ものづくりの革新に貢献する。

pneumatic conveying，
Chemical Engineering Science，
64，
3，
pp.533-539（2009）
11）Yutaka Tsuji，Toshihiro Kawaguchi，Toshitsugu Tanaka：Discrete
particle simulation of two-dimensional ﬂuidized bed，Powder technology，
77，
1，
pp.79-87（1993）
12）Y.C.Zhou，
B.D.Wright，
R.Y.Yang，
B.H.Xu，
A.B.Yu：Rolling friction in
the dynamic simulation of sandpile formation，Physica A: Statistical
Mechanics and its Applications，269，
2，
pp.536-553（1999）

6 謝辞13）M.J.Jiang，
H-S.Yu，
D.Harris：A novel discrete model for granular material
incorporating rolling resistance，Computers and Geotechnics，
32，
5，

本研究の遂行にあたり、数値シミュレーションの理論と実際について
図 17 SDEM シミュレーションを適用した大型機の異なる流動性の粉体空間分布：(a) 一般的な物質 (b) ファン・デル・ワールス力を考慮した凝集性物質
Fig.17 Spatial distribution of large scale dryer for diﬀerent ﬂowability
characteristics:(a) a typical property and (b) an aggregated property with VDW forces

14 TSK 技報 2016 no.19

図 18 内部形状の異なる実験装置
Fig.18 Experimental apparatus for diﬀerent internal shapes

有意義な議論を交わしてくださったプロメテック・ソフトウェア株式会
社の山井三亀夫博士に感謝を申し上げます。

pp.340-357（2005）14）P.M.C.Lacey：The Mixing of Solid Particles，Transactions of theInstitution of Chemical Engineers，21，
pp.53-59（1943）
15）TSUKISHIMA ROTARY STEAM TUBE DRYER, Youtube, https://www.
youtube.com/watch?v=FAZ355BpYtw

TSK 技報 2016 no.19 15論文

2

ギーの高い領域を広域 X 線微細構造（EXAFS : Extended X-ray-

1 はじめにabsorption ﬁne structure）、
さらに両者をまとめてXAFSと総称する。

燃料用バイオマス炭化物中の鉄化合物の元素形態解析

有機物を含む原料や廃棄物を還元雰囲気で炭化処理し、燃料とす
1）る技術について、月島機械は長年にわたって取り組んで来た。 それら

対称性、原子価数などの情報が得られる。一方 EXAFS 領域のスペク

開発の過程でバイオマス原料をペレット化し炭化処理した試料につい

トル解析によって、収集原子と周辺にある散乱原子との結合距離、周て、貯蔵の際に空気酸化によるものと思われる発熱現象が確認され、そ辺原子の種類と数、周辺原子の角度情報など様々な情報が得られる。

の原因の特定と抑制方法の確立が求められた。

Elemental speciation analysis of Iron compounds
in carbonized biomass for fuel.

XANES 領域のスペクトルを解析することで、化合物の形態、結晶の結晶構造や化合物形態を同定する分析方法にはX 線回折（XRD

貯蔵中に発熱することは石炭でも知られており、その原因としてメチレ: X-ray diﬀraction analysis）があるが、XRDは測定対象が結晶質

ン基、アルキル基の酸化やカルボキシル基、水酸基などの官能基へのである必要があり、今回のバイオマス炭化物の様な有機物の割合が酸素の吸着があげられている。2-3）バイオマス炭化物の発熱ではこれら高い試料では適用が難しい。その点 XAFSは対象成分の結晶性をに加えて、共存する金属、特に含有率の高い鉄の酸化反応や水和反問わず、さらに有機物の影響を受けない測定が可能である。また、石応も要因として考えられており、そのメカニズムはより複雑である。そこで

炭においてはメスバウアー分光法を用いた鉄の形態解析の事例報

本研究では、バイオマス炭化物に含有する鉄に着目してX 線吸収微細告もあるため、4）メスバウアー分光法によるデータ採取も検討したが、構造（XAFS : X-ray-absorption ﬁne structure）
スペクトルを解析し、XAFS 法により得られる情報量が多いと判断し、今回の実験では放酸化に伴う鉄の状態変化から発熱原因を明らかにすることを目的とした。

射光 XAFSによる測定を実施した。

Abstract
Heat-generating phenomena appeared of carbonized biomass for fuel during storage. With the

2 放射光 XAFSについて

aim of solving this issue, the oxidation reaction and elemental speciation of iron compounds wereanalyzed using X-ray absorption fine structure (XAFS) studies. This report applied X-ray absorp-

鈴木 健治
SUZUKI Kenji
開発本部研究所
分析グループ

2.1 放射光と放射光実験施設

tion near edge structure (XANES) method, which was selected from both methods of XANES and

放射光は荷電粒子（一般には電子）が加速度を受けた時に放出す

extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) of the XAFS studies. It was examined pretreat-

る電磁波であり、指向性、輝度が非常に高い。放射光を発生・利用

ment method and storing temperature to determine optimal conditions when applying XANESできる施設を放射光実験施設といい、現在日本には数箇所の放射光

method to carbonized biomass. XANES spectra of iron compounds shifted to a higher energy

実験施設がある。そのうち4 箇所は課題審査通過後に一般 ユーザー

side in the following order: carbonized biomass < dried biomass as raw material < post-stabilizedも利用可能であり、今回は兵庫県にある大型放射光施設 SPring-8を

biomass carbide. Shifting high energy side shows iron compounds are more oxidized. When a

利用した。
（図 1）

mixture of ferric sulfate and cellulose as a substitute were treated under the same conditions ascarbonization, K-edge analysis in XANES method showed various compound changing of substitutes materials at several carbonized temperatures. Using XAFS method, chemical states of ironcompounds showed a relation to heat generation from carbonized biomass through analysis results
図 2 X 線吸収スペクトルの模式図
Fig.2 Schematic diagram of the X-ray absorption spectrumof iron compounds in carbonized biomass and its substitutes.
バイオマスを炭化処理し燃料として使用するために貯蔵した際、発熱現象が確認された。
この原因を明らかにする
目的で、XAFS法を用いて鉄の酸化反応や形態解析の分析を実施した。XAFS法の X線吸収端構造（XANES :X-ray-absorption near-edge structure）と広域 X 線微細構造（EXAFS : Extended X-ray-absorption ﬁne
structure）のうち、本報告では XANESを使用した。XAFS法のバイオマス炭化物への応用にあたり、基礎的な試料の前処理、保管方法を調査し、最適条件を求めた。バイオマスの乾燥原料その炭化物、および安定化処理した試料の XANESを比較したところ、炭化物＜乾燥原料＜安定化処理試料の順に鉄化合物が高エネルギー側にシフトしており、酸化が進んでいることが確認された。また、鉄化合物に着目し硫酸第二鉄とセルロースを混合した模擬試料を用いて分析したところ、熱処理（炭化処理）温度によって化合物の形態変化が確認された。このよ
うに、XAFS 法による分析の結果、鉄化合物の化学形態の変化が発熱現象に寄与していることが判明した。

日良 聡
HIRA Satoru
開発本部
研究所
分析グループキーワード：バイオマス、炭化物、XAFS 、XANES 、酸化反応、発熱反応
Keyword：Carbonized biomass , XAFS, XANES, oxidation reaction, exothermic reaction

図 1 SPring-8 全景 ⓒ RIKEN
Fig.1 Panoramic view of the SPring-8

2.2 X 線吸収スペクトルについて
図 2は、ある物質にX 線を照射した場合の照射 X 線エネルギーと吸光度の関係を模式的に示したものである。吸光度の上昇は、X 線により内殻電子が励起されていることを示す。さらにK 殻の吸光度を拡大したのが図 3であり、内殻電子の励起により吸収が増大し、それよりエネルギーの高い領域も波打ち構造を持ちながら減衰している。
この内 殻 電 子 が 励 起 する領 域をX 線 吸 収 端 構 造（XANES :X-ray-absorption near-edge structure）と呼び、XANESよりエネル

16 TSK 技報 2016 no.19

図 3 K 吸収端の拡大図（Fe3O4）
Fig.3 Enlarged diagram of absorption edge of K shell

TSK 技報 2016 no.19 17

論文 2

燃料用バイオマス炭化物中の鉄化合物の元素形態解析

Elemental speciation analysis of Iron compounds in Biomass carbonized materials for fuel.

しないとX 線の自己吸収が発生しスペクトルが歪んでしまうなど、測3 測定に用いた試料

5）

定上の制約や課題が多い。

4.3 試料保管

6 測定結果および考察

バイオマス試料は、採取後速やかに大量の脱酸素剤を入れたセラ
ミック蒸着樹脂製の袋に入れ、さらに酸素検知剤を同梱し酸素を遮断

今回の測定は、下記の試料を対象に行った。

した不活性雰囲気を維持していることを確認して保存した。

3.1 バイオマス炭化物関連

アルゴン雰囲気で錠剤成型した試料は、セラミック蒸着樹脂製の①乾燥原料…………バイオマスをペレット化し、乾燥した試料

袋でシールし、測定まで酸素が透過しない状態で保管した。

②炭化物……………乾燥原料を不活性ガス中で炭化処理し、6.1 標準試料
標準試料のFe-K XANES スペクトルデータを図 7 および図 8に示す。注目するポイントは以下の項目である。
①吸収端の位置②吸収端近傍の形状（いわゆるpre-edgeの有無、高さなど）冷却した試料5 XAFS 測定条件および解析方法③ White line（ピークトップ）の位置の位置④スペクトルの傾きが最も大きくなる点（E 0 ※）③安定化後炭化物…炭化物を一定時間保持し、安定化した試料

5.1 XAFS 測定条件
3.2 模擬試料⑤スペクトルの形状、などである。

SPring-8 ビームライン BL14B2 において、既存の XAFS システ

図 7 から各標準物質は固有のスペクトル形状を示すことが分かるととも①ポリ硫酸第二鉄

ムを用い透過法および蛍光法で XAFS 測定を行った。入射 X 線はに、図 8ではFe-K XANES スペクトルにおける上記の吸収端やE 0 が②ポリ硫酸第二鉄＋セルロースパウダー

Si（111）モノクロメーターで単色化し、Fe-K 吸収端 7111 eV 付近の価数の増加とともに高エネルギー側にシフトしていることが分かる。

エネルギー領域をスキャンした。透過法では入射および透過 X 線強※ E 0 の決定方法については種々方法があるが、今回は④の様に設図 4 透過法によるXAFS 測定システム
Fig.4 XAFS analysis system of X-ray transmission method

3.3 鉄の酸化を利用した応用品①使い捨てカイロ度をイオンチャンバで検出し、蛍光法では蛍光 X 線（Fe-Kα線）の強定した。

度を試料に対し45 度の角度で設置した19 素子 SSDにて検出した。

②脱酸素剤

5.2 解析方法
3.4 標準物質

SPring-8で 採 取したスペクトルは、（ 株 ）リガク製ソフトウェア

下記の物質を標準試料として、試料のXAFS スペクトルと比較した。

REX2000を用いて解析を行い、バックグランド（空気により散乱した

Fe、FeS、FeS 2、FeO、Fe 2 O 3、Fe 3 O 4、α-FeOOH、γ-FeOOH、スペクトル）を差し引いた後、大きな振動構造が観察されなくなった

Fe2SiO4、FeSO4・7H2O、FeCl3

7400 eV 付近でμt=1となるように規格化を行った。6）規格化とは、試料厚さや吸収元素の濃度、検出器やアンプ設定などその他の測定
条件の影響が無くなるよう演算処理するもので、規格化されたデータ

4 XAFS 測定方法と試料調整

は実験条件に関係なく比較できるとともに、理論との比較も可能であ4.1 XAFS 測定方法

る。例として図 3に示すスペクトルを規格化した結果を図 6に示す。

XAFS 測定は、図 4 図 5に示すシステムを用い、透過法および蛍以降、スペクトルの比較を行うにあたっては、規格化されたスペクト

光法にて実施した。透過法は試料透過前後のX 線強度を測定し、そルを用いた。

こから試料（対象元素）に吸収されたX 線を算出している。X 線の吸図 5 蛍光法によるXAFS 測定システム
Fig.5 XAFS analysis system of X-ray ﬂuorescence method

光度は式 1で表される。

μ＝ ln（I 0 / I）

図 7 鉄標準試料のFe-K XANES スペクトル
Fig.7 XANES spectrum of Fe metal and several Fe compounds（式 1）

μ：X 線吸光度、I0：入射 X 線強度、I：透過 X 線強度
XAFSは試料によるX 線の吸収から得られる信号であり、その原理

4.2 試料調整に忠実に従った実験法が透過法である。ただし、適切な吸収を得るた

試料を粉砕する際の方法として、ボールミルによる機械粉砕とメノ

めには、対象元素（本試験ではFe）が均一かつ一定の濃度範囲で存

ウ乳鉢による粉砕を比較した。また、試料の空気酸化が発熱の原因と在する必要があり、高濃度の場合は希釈が必要となる。またX 線の推定したため、粉砕時および油圧プレスによる錠剤成型時の雰囲気

吸収は試料の密度、厚さによっても変わるため、試料を十分に粉砕しについて、大気下とアルゴンによる不活性雰囲気下で比較した。これた後、窒化ホウ素で希釈し、油圧プレスにより加圧成型した錠剤成型

らの試料調整方法を表 1に示す。

試料を用いた。
一方、蛍光法は、物質が X 線を吸収して内殻に空孔が生じると、その空孔を埋めるために外郭から電子が落ちてくる。その時放出され

表 1 試料調整法の比較
Table1 Comparison of pre-treatment conditions

るのが蛍光 X 線であり、この蛍光 X 線を検出することでXAFS 信号を求める方法が蛍光 XAFS 法である。透過法が試料中の対象元素

図 6 Fe3O4 の規格化したスペクトルデータ
Fig.6 Normalized spectrum of Fe3O4

濃度から窒化ホウ素との混合比を厳密に決定して錠剤成型するのに対し、蛍光法は試料にそのままX 線を当てて発生する蛍光 X 線を検出するため、対象元素の濃度や試料の厚さの影響を受ける。またX線が試料に侵入する深さは数μm 以上あるため、適切な試料を用意

18 TSK 技報 2016 no.19

図 8 鉄標準試料の酸化の状態変化とXANESの特徴的な部位
Fig.8 Typical Fe oxidation state and speciﬁc characteristics in Fe-K edge XANES
region

TSK 技報 2016 no.19 19

論文 2

燃料用バイオマス炭化物中の鉄化合物の元素形態解析

6.2 試料調整方法の影響
表 1に示した試料調整方法の比較検討のうち、粉砕方法の影響について比較したスペクトルを図 9に示す。対象試料は炭化物を用い、Elemental speciation analysis of Iron compounds in Biomass carbonized materials for fuel.

ないのに対し、試料調製②および③は同程度に酸化されていることが確認された。
6.2.2 試料の違いによる酸素の影響

6.3 保管温度の影響

乾燥原料および安定化後炭化物はそれより高エネルギー側にシフトし試料の保管温度が炭化物中の鉄の酸化状態に与える影響を確認ていた。このことから、乾燥原料中の鉄は還元雰囲気での炭化処理するために、安定化前の炭化物について、室温、冷蔵保管（5℃）
、冷により還元され、安定化処理を行うことで乾燥原料以上に酸化が進ん「未調整試料」はペレット状のまま蛍光法にて測定して比較した。図よ

乾燥原料、炭化物、安定化後炭化物の各試料について、試料調

凍保管（-21℃）を実施した。保管温度以外は上述した「4.3 試料保管」

だと考えられる。この結果、安定化処理により炭化物の酸化が進むこりボールミルのスペクトルが最も高 エネルギー側にシフトしており、メ製時の酸素の影響を比較した結果を図 11に示す。試料調製②は大に準じた。これらの保管期間は約 2 ヶ月程度であった。これらの試料とで、炭化物中の鉄の酸化に起因する発熱性が抑制されていること

ノウ乳鉢による粉砕に比べ、ボールミルの衝突 エネルギーによる試料

気、④はアルゴン雰囲気を示しており、乾燥原料と安定化後炭化物のFe-K XANES スペクトルを図 12に示す。また、長期保管していなが推察され、安定化処理の有効性が化学的にも確認された。

酸化の影響が大きいことが確認された。これは、ボールミルを用いたメ

はエネルギーシフトが見られないのに対し、炭化物についてはエネル

い炭化物のスペクトルについても比較のため記載した。その結果、冷カノケミカル法による鉄の酸化反応や価数調整の事例報告 7-8）と同様

ギーシフトが確認され、大気中の酸素により酸化されたといえる。

凍保管＜常温保管＜冷蔵保管の順に高 エネルギー側（酸化側）にシといえる。したがって粉砕による酸化は解析の妨害となるため、粉砕についてはすべてメノウ乳鉢による粉砕を行うことを基本とした。
6.2.1 試料調整時の酸素の影響

以上、試料調製に関しては下記のことを確認した。
1）ボールミル粉砕は酸化の影響が大きく、試料調製には適さず、メノ
ウ乳鉢による粉砕が適していること。

フトしていることが確認された。常温保管に比べて冷蔵保管が酸化6.5 ポリ硫酸第二鉄を用いた模擬試料の処理温度による比較
3.1に述べた様々なバイオマス試料のFe-K XANES スペクトルに側にシフトした要因として、冷蔵状態では脱酸素剤が十分に機能しなついて、図 7に示す標準試料と比較したが、今回測定した標準物質

かった可能性が考えられる。また、冷凍保管のエネルギーシフトが最と似たスペクトルを確認することはできなかった。これは、バイオマス

表 1における②、③、④の比較のため、メノウ乳鉢による粉砕およ

2）乾燥原料や安定化後炭化物は空気中での試料調製でも問題ない

も小さかった理由として、冷凍状態では鉄化合物の酸化反応が大き炭化物に含まれる鉄化合物が、ある特定の価数や化合物の形態を取

び錠剤成型時の酸素の影響を調査した結果を図 10に示す。対象試

が、炭化物はメノウ乳鉢による粉砕、錠剤成型ともにアルゴン雰囲く抑制されることが推察される。試料の冷凍保存による金属元素の酸るのではなく、バイオマスに含まれる無機物や有機物と複雑な化合物

料は炭化物を用いた。図から、粉砕と錠剤成型をすべてアルゴン雰

気で行う必要があること。

化抑制については、山口らがヒ素を対象に論じている。9）これらのことを形成しているためと推察される。

囲気で行う試料調製④が最も低 エネルギー側にあって酸化されていこれらの結果から、以下に述べる試料調製についてはすべてアルゴから冷凍保管が酸化抑制に最も有効であるといえる。しかし、冷凍すン雰囲気で行うこととした。

ることで試料中水分の凍結が考えられるが、それが試料に与える影響

酸第二鉄に着目し、ポリ硫酸第二鉄単独の試料と、ポリ硫酸第二鉄とについては評価できていない。結論として、現状では脱酸素剤を同封

セルロースを混合した「模擬試料」を作成し、系を単純化することにし後密封した試料は常温で保管することが、最もエネルギーシフトが小た。これらを窒素雰囲気下で炭化処理し、Fe-K XANES スペクトル

さく、安定的な保管方法であるといえる。

を比較した。

一方、長期保管していない試料のスペクトルと比較すると、すべての保管温度で酸化側にシフトしている。このことから、炭化物では保図 9 粉砕方法によるスペクトルの比較
Fig.9 Comparison of XANES spectrum of grinding method

このため、バイオマス原料に添加される代表的な薬品としてポリ硫

6.5.1 ポリ硫酸第二鉄
ポリ硫酸第二鉄の組成を表 2に示す。通常は液体であるため窒素管温度を変えても、一定期間保管した試料中の鉄化合物の酸化を完

雰囲気で完全に水分を揮発させて乾燥原料を作成し、さらに乾燥原料全に抑制することは難しいことがわかった。

を250℃、350℃、500℃にて窒素雰囲気下で炭化と同等の処理をした。

図 10 粉砕および錠剤成型時の酸素の影響
Fig.10 Inﬂuence of oxygen in ground and pelletized of materials

図 13 バイオマスの乾燥原料、安定化前の炭化物、安定化後の炭化物のFe-K XANES
スペクトル
Fig.13 Comparison of Fe-K XANES spectrum of dried material, non-stabilized
sample, stabilized material
図 12 保管温度を変えた場合のFe-K XANES スペクトル
Fig.12 Fe-K XANES spectrum from diﬀerent storage temperature

表 2 ポリ硫酸第二鉄溶液の組成（メーカー公表値）
Table2 Composition of Poly ferric sulphate solution from supplier

6.4 バイオマス原料の各工程でのスペクトル比較
6.3まででは、試料の前処理や保管方法など、試料の取り扱いに関する基礎的な測定に関して述べた。
今回測定対象とした試料は、3.1に述べた3 種類であり、これらのFe-K XANES スペクトルを比較した結果を図 13に示す。3 種類の試図 11 各種試料に対する試料調整時の酸素の影響（乾燥原料、安定化後炭化物、炭化物）
Fig.11 Inﬂuence of oxygen at pre-treatment to dried materials, post-stabilized stabilized materials, carbonized materials

20 TSK 技報 2016 no.19

料のうち、炭化物のスペクトルが最も低エネルギー側であるのに対し、TSK 技報 2016 no.19 21

論文 2

燃料用バイオマス炭化物中の鉄化合物の元素形態解析

Elemental speciation analysis of Iron compounds in Biomass carbonized materials for fuel.

試料 Feのスペクトルと比較して、吸収端近傍の位置、White lineの

7.3 炭化工程におけるポリ硫酸第二鉄の化学状態の変化

これらのFe-K XANES スペクトルを比較した結果を図 14に示す。こ位置と形状、White lineの位置、スペクトル全体の形状が近似していの結果、窒素雰囲気で乾燥および炭化処理を行っても、ポリ硫酸第るといえる。従って、各温度でのFe 化合物の形態は下記のとおりと推位置が近いものの、全吸収中間の形状、White line 以降のスペクト

ポリ硫酸第二鉄とセルロースの乾燥原料ではFe（SO
して存在
2
4）
3と

二鉄の結晶構造や価数は変化しないことが確認された。

定される。

ルの形状など、多少の違いも見られることから、Fe 以外の鉄化合物

していた鉄化合物が、250℃、350℃で炭化したところFeSO4 に酸化し、①乾燥原料（105℃）……Fe（SO24）
3が混在していると考えられる。発熱反応後のスペクトルと標準試料

また、500℃ではスピネル構造を持つFe3O4 に部分的に酸化しているこ

ポリ硫酸第二鉄にセルロースパウダーを混合し、6.5.1と同様の処② 250℃、350℃…………FeSO4

α-Fe2O3 および Fe3O4と比較検討した。完全酸化すれば Fe2O3 のスペとがスペクトルの解析から推察された。この様にマトリックスを排除し理を行った。ポリ硫酸第二鉄とセルロースパウダーの混合比は、バイ③ 500℃…………………Fe3O4

クトルと近似すると推定したが、pre-edgeの位置と形状、White lite

単純化することで得られる情報は非常に多く、XAFS 測定の基礎としオマス乾燥原料中のFe、C、Hの含有量がほぼ同量となるよう調整し以上の結果から、ポリ硫酸第二鉄＋セルロースパウダーの乾燥試の位置と形状、White line 以降のスペクトル形状などを比較検討すて有効なデータが得られた。また鉄の酸化発熱反応を伴う応用品を用

6.5.2 ポリ硫酸第二鉄＋セルロースパウダー

た。バイオマス乾燥原料と模擬試料の組成を表 3に示す。
図 15にポリ硫酸第二鉄＋セルロースパウダーの乾燥試料および各温度の炭化処理試料のFe-K XANES スペクトルを示す。乾燥試料

250℃、350℃で炭化と同等の処理をす料である三価のFe（SO
2
4）
3 を、

ると、α-Fe2O3よりFe3O4 に近いといえる。このことから使い捨てカイロ

いた試験でも、発熱後の試料にFe3O4 の存在が確認され、完全酸化

ると還元が進み二価のFeSO4となる。さらに500℃炭化温度では二価や脱酸素剤中のFeは必ずしもα-Fe2O3まで完全酸化されず、二価としない系でのFe 酸化の類似の反応が起きていることが示唆された。

と三価のスピネル構造を持つFe3O4 になることが示唆された。

三価のスピネル構造を持つFe3O4までしか酸化されないといえる。

セルロースの乾燥への影響は見られなかった。ポリ硫酸第二鉄乾燥物の化学組成はFe（SO24）
3 と考えられる。

以上、二年間にわたる二度のSPring-8での測定をとおして得られた結果の一部を述べてきた。

のスペクトルは、ポリ硫酸第二鉄単独の乾燥物と同じであったため、

6.6 鉄の酸化を利用した応用品の分析

実際は本報告書に報告しきれなかった数多くのデータを採取したが、鉄の酸化反応を利用した応用品である使い捨てカイロと脱酸素剤

複雑な鉄化合物の存在が原因と推察される解析しきれない試料や、炭化温度 250℃と350℃の炭化物は乾燥試料のスペクトルと異なについて、酸化反応前後の試料の XAFS 測定を実施した。反応前

有意な結論を導き出すことが難しい試料も多くあったのも事実である。

り、標準試料 FeSO4・7H2Oのスペクトルと比較して、pre-edgeの位

試料は、アルゴン雰囲気に置換したグローブボックス内で開封および

SPring-8を利用した試験では、電池材料や触媒材料などを対象と置と形状、White lineの位置、Fe-K XANES スペクトル全体の形状

錠剤成型を行った。アルゴン雰囲気では、両試料とも酸化による発熱

したin-situ 実験や測定が数多くあり、対象元素の微小な状態変化をに関して近似しているといえる（図 15 右）。FeSO4・7H2Oの結晶水は確認されなかった。

確実に数値化できる。また月島機械が採取した標準物質については、は、300℃付近まで加熱することで結晶水を失い無水塩になる。さらに使い捨てカイロ、脱酸素剤の酸化反応前後のFe-K XANES スペ

XAFSの解析によりFe 近傍の第三近接原子までほぼ正確に解析する

500℃まで炭化温度を上昇すると、Fe3O4 のスペクトルとpre-edgeのクトルを図 16に示す。反応前は使い捨てカイロ、脱酸素剤ともに標準ことができ、今後のXAFS 解析を行う上での基礎的な測定技術、解析能力を会得出来たと考えている。今回習得したXAFS 測定と解析の経験や能力を他の分析依頼にも応用し、技術開発の礎として活かしていきたいと考えている。
謝辞
図 16 鉄の酸化を利用した応用品の発熱反応前後のFe-K XANES スペクトル
Fig.16 Fe-K XANES spectrum of applying products using oxidation reaction

本研究はSPring-8「産業新分野支援課題」を元に実施しました。実験、測定および解析を行うにあたり、SPring-8ビームライン担
当者ならびに千葉大学沼子千弥准教授に多大なるご協力を賜り、厚く感謝の意を表します。

7 結果のまとめ放射光施設 SPring-8においてバイオマス乾燥原料や炭化物、模擬試料、酸化反応を利用した応用品などを用いたXAFS 測定を実施
図 14 ポリ硫酸第二鉄（図中ポリ鉄）単独の乾燥および炭化処理試料の比較
Fig.14 Comparison of Fe-K XANES spectrum of Fe2(SO4)3 driedmaterials, carbonized materials

図 15 ポリ硫酸第二鉄＋セルロースパウダー模擬試料の乾燥試料と炭化物の比較
Fig.15 Comparison of Fe-K XANES spectrum of mixed Fe2(SO4)3 with Cellulose driedmaterials, carbonized materials

し、下記の結果が得られた。

7.1 XAFS 測定の際の試料調整および保管方法
グローブボックスなどを用いた不活性雰囲気下でメノウ乳鉢による粉砕と加圧錠剤成型の両方を行う必要がある。一方、前処理による酸化や還元を伴わない試料については、大気下での処理でも問題ないことが確認された。また、保管温度は冷凍や冷蔵保管よりも、脱酸素剤を同封した上で常温が最も良いといえ、試料の保管方法や前処理方法など、XAFS 測定のための基礎的な試料の取り扱い方法を確立した。

7.2 安定化処理工程の有効性

産業機械 ，
No.584 ，pp.53-59（1999）
2） DENG Jun, WANG Kai et al., Study on the kinetics and reactivity at theignition temperature of Jurassic coal in North Shaanxi，
J Therm Anal
3） OGUNSOLA O I, Relationship between oxygen functional groups andspontaneous combustion liability of thermally U upgraded lignite.,
Western States Section Combustion Institute, No.WSS Fall Meeting,pp.220-226（1995）
4） K.L.SHRIVASTAVA ,R.P. TRIPATHI et al., Spontaneous combustion ofcoal: a Mössbauer approach., Fuel, Vol.71, No.4, p.377-380（1992）
5） 太田俊明編 ,「X 線吸収分光法-XAFSとその応用 -」,（株）アイピーシー ,p.101,（2002）
6） 太田俊明編「X, 線吸収分光法-XAFSとその応用 -」（株）,アイピーシー , p.59,（2002）
7） 冨澤政史 , 岩崎智宏ら, 鉄系層状複水酸化物ナノ粒子のメカノケミカル合成 ,粉体工学会研究発表会講演論文集 , Vol.2013, 秋期 , pp.118-119（2013）8） UCHIYAMA Tomoki, NISHIBORI Maiko et al, Formation of Tetravalent

乾燥原料を炭化処理することで、鉄化合物の一部は還元されるが、Fe Ions in LaFeO3 Perovskite Through Mechanochemical Modiﬁcation

安定化処理を経ることで乾燥原料と同程度かそれ以上に酸化される

by Ball Milling, Journal of the American Ceramic Society, Vol.98, No.4,

ことから、安定化処理工程は鉄化合物を酸化させることにより発熱防止に寄与していると考えられる。

22 TSK 技報 2016 no.19

1） 片岡正樹：廃棄物処理技術 次世代型ごみ焼却施設 熱分解・溶融・石材化施設，

Calorimetry，
Vol.118 , No.1, pp.417-423（2014）

バイオマス炭化物の様に酸化や還元現象を伴う試料については、

表 3 乾燥原料とポリ硫酸第二鉄＋セルロース模擬試料の組成
Table3 Composition of dried biomass materials and mixed Poly ferric sulphate with cellulose powder

参考文献

pp.1047-1051（2015）9） 山口紀子：日本土壌肥料学会編 ,「土壌環境中の有害元素の挙動」, 博友社 ,p.48（2012）

TSK 技報 2016 no.19 23

製品紹介

1

BOKELA – Clever Filtration

2 Technology profiles

2.1.2 Disc Filters

2.1 Vacuum Rotary Filters

filters. These high performance disc filters run with high filter

BOKELA disc, drum and pan filters are modern high performance

speed up to 6 rpm and have outstanding high throughput rates.

technologies which define a new state of the art in rotary filter

Main fields of application are in the raw material industry e.g. intechnology. The modern design leads to outstanding hydraulicalumina refineries, in coal washeries or for dewatering of residues

characteristics and provides for high throughput capacities,

from ore and mineral processing (tailings).

Boozer disc filters represent a new generation of vacuum discexcellent cake washing and dewatering and ease of maintenance.
2.1.1 Drum Filters

Abstract

BOKELA drum filters are characterized by high throughput

BOKELA is a medium-sized enterprise that ranks as one of the worldwide leading suppliers of modern filtration plants for the the chemical, petrochemical, pharmaceutical, food,minerals, coal and ore processing industry. BOKELA is Centre of Excellence within the
TSUKISHIMA KIKAI group in the field of cake forming filtration and dynamic crossflow
filtration, in particular for continuous vacuum and pressure filters. BOKELA’s filtration tech-performances, intensive cake wash, low moisture contents,
complete cake discharge, reliable operation and modern
control philosophy. BOKELA drum filters can be equipped with
FrameTrak - the new and innovative method of attaching filter
media on drum and pan filters.

nologies define the state-of-the-art and offer economic and sustainable solutions. The modern
filtration technologies of BOKELA are high performance filtration technologies with innova-

山田 雅之

tive design and outstanding hydraulic performance. The product range includes continuous

YAMADA Masayuki

rotary filters such as vacuum filters (drum, disc, pan ¬filters), continuous pressure filters (Hi-

BOKELA GmbHManaging Director

Bar Filtration), dynamic crossflow filters (DYNO Filter for dynamic membrane-, sieve- &Fig.3 BOKELA Boozer disc ﬁlter

precoat filtration), quasi-continuous backflush filters as well as laboratory filters. BOKELA’s
filtration technologies are coming along with an energy efficient process philosophy enabling

2.1.3 Pan Filtersa fully automatic operation and simple implementation in the plant automation. Typical char-

Pan filters are used for filtration and washing of coarse products.

acteristics are: very low cake moisture, optimum filter cake wash, high throughput perfor-

BOKELA pan filters represent a new pan filter generation with amance, clear filtrate, reliable and safe operation.

lot of innovative features like the forced feeding system, quick

Keyword ：Rotary Vacuum Filters (Drum, Disc, Pan Filters), Continuous Pressure Filters (BOKELA HiBar Filtration),
Dynamic Crossﬂow Filter (BOKELA DYNO Filter), Filter Revamping

drainage cell, pre-separation control head and FrameTrak - theFig.1 BOKELA drum ﬁlter (40m²)

new and innovative method of attaching filter media on drum andpan filters. BOKELA pan filters save up to 25 % of wash water.
Application areas cover industries such alumina refineries, ironDrum filters with exchangeable filter cells are high performanceore concentrates, quartz sands, fertilizer etc.

vacuum drum filters which are specially made to come up with

FRANZ Meck

challenging demands in the chemical industry.

BOKELA GmbH
Head of Marketing

1 はじめに
BOKELA 社の製品はテレフタル酸製造工程やアルミナ・石炭をBOKELA – Clever Filtration

代表例とする鉱物分野などで広く採用されており、特にアルミナ業界

BOKELA is a medium-sized enterprise that ranks as one of theでは世界的にも代表格となるろ過機メーカーとしての地位を築いていworldwide leading suppliers of modern filtration plants for process

る。同社は固液分離技術のコンサルティング業からスタートしており、

filtration. BOKELA’s filtration technologies define the state-of-the-

単純に機械設備を販売する会社としてではなく、メンテナンス性の向

art and offer economic and sustainable solutions

Fig.4 BOKELA pan ﬁlter

上、ランニング費用低減等の改善提案を市場へ提供することによって顧客の設備導入メリットを引き出す商売の仕方に主眼に置いて活動している。 本稿ではBOKELA 社製品の中でも代表的なろ過機製品

Fig.2 BOKELA drum Filter with single-cell design

紹介をする。

24 TSK 技報 2016 no.19

TSK 技報 2016 no.19 25

製品紹介 1

BOKELA – Clever Filtration

BOKELA ‒ Clever Filtration

2.2 Continuous Pressure and Steam Pressure Filtration

2.2.3 HiBar Oyster Filters

2.3.2 Dynamic Sieve Filtration

2.2.1 HiBar Filtration

The compact HiBar Oyster Filter is made for challenging

As dynamic sieve filter the DYNO-Filter enables continuous

HiBar Filtration is the most modern technology for continuous

applications in the chemical, pharmaceutical and food industry.

removal of low concentrated, disturbing coarse grain from

ボケラは今年創立30周年を迎えました。創業以来「ろ過」に焦点を絞っpressure filtration and offers new solutions for filtration, washing

Hi-Bar Oyster Filters ensure high specific throughputs, best

viscous suspensions like in the production of polymeric foams.

た製品作りと顧客開拓により、社員八十名余という小規模所帯ながらアand dewatering of fine grained suspensions. HiBar Filtration

washing and demoisturing results, reliable and flexible operation.

2.3.3 Dynamic Precoat Filtration

ルコア、リオティント、ハイドロ、BHPビリトンと言った世界に名だたる資

uses a drum or disc filter which is installed in a pressure vessel.

Oyster drum filters with single-cell design ensure an unmatched

Dynamic precoat filtration which is the latest process innovation

源メジャーにご愛顧を賜っています。

This enables filtration with a pressure difference ∆p of up to 6

fast re-clothing. The hermetically closed system enables fast andwith the BOKELA DYNO Filter. This new process combines

今回ご紹介させていただきました真空回転ろ過機を始めとする製品群がbar. Consequently, higher throughput rates and lower residual

easy access by fully automatic opening of the pressure vessel (likecake forming filtration and crossflow filtration and is applied to

今、まさに世界の石炭、ボーキサイト、クオーツ、カリウムなどを扱う資源

moisture contents are realized compared to vacuum filtration andan oyster) which provides for short downtimes.

completely recover solids from a suspension and to produce

会社で使われています。

even fine grained products can be filtered.

3 おわりにa particle-free filtrate. Dynamic precoat filtration offers process

こうした小規模の会社の製品がなぜ資源メジャーに認知、採用されるに

solutions for difficult separation tasks e.g. with hot suspensions,

至ったのか、どういう手法で彼らに認知させたのか等は我々が一番学びた

suspensions containing solvents and/or fine particles where state-

いところであり、当地で一緒に働きながら月島機械グループの製品開発や

of-the-art technologies like membrane filters or centrifuges fail.

販売に活かせるノウハウやコツを吸収し、関係各位に引き続き発信して参ります。

2.4 Backflush Filter
The BOKELA backflush filter has an advanced design whichallows improved polishing filtration of liquids with (very) low solids
contents. Main application is the cleaning of pregnant liquor in
Alumina refineries.

Fig.5 BOKELA HiBar drum ﬁlter (40m²) inside pressure vessel

Fig.7 OKELA HiBar Oyster Filter

2.3 Dynamic Crossflow Filtration
2.3.1 Dynamic Membrane Filtration
DYNO Filter is a dynamic cross flow filter for ultra- andmicrofiltration which enables thickening of suspensions to an
unmatched high concentration and simultaneous washing. It

Fig.9 BOKELA backﬂush ﬁlter

is applied for suspensions in the chemical and pharmaceuticalindustry, for filtration of fine minerals, organic and inorganic

2.5 Optimisation of Filter Plants

pigments etc.

The modification and modernization of filter plants by the
BOKELA “Filter Revamping programme” is a very economicaland quickly feasible method to improve the performance andFig.6 Filter building with two BOKELA HiBar disc ﬁlters (70m² each) for red
mud ﬁltration in an Indonesian Alumina reﬁnery ‒ TSK was EPC for this Alumina
reﬁnery with BOKELA as supplier of the complete ﬁltration equipment.

profitability of running filters. BOKELA is the No. 1 in filter
optimisation bringing competitive filter technologies to the mostmodern BOKELA design standard.

2.2.2 HiBar Steam Pressure Filtration
The patented HiBar Steam Pressure Filtration uses steam for

2.6 Laboratory Filters

demoisturing, washing and drying of the filter cake leading to

FILTRATEST is a compact, portable laboratory filter apparatus

very low cake moistures. Thus, downstream thermal drying may

which enables easy and fast filter tests to achieve reliable scale

be replaced.

up data. With a small product sample the required filtration data

Hi-Bar plants are available with horizontal pressure vessels forand product parameters can be determined.

large units and as Oyster Filter with vertically opening vessel for

DYNOTEST enables the analysis and scaling up of crossflow

smaller filter units.

26 TSK 技報 2016 no.19

Fig.8 BOKELA DYNO ﬁlters (10 m² each)filtration processes with small product samples.

TSK 技報 2016 no.19 27

2 設備概要

製品紹介

2

乾式微粉炭注入設備
Dry Super-powdered Activated Carbon (S-PAC)
Injecting Facilities

3 特長

本設備は、従来のドライ粉末炭注入設備に「乾式微粉砕機能」を追加した設備であり、市販の水道用原料炭をオンサイトで微粉化処理

図 4に微粉化前後の活性炭（原料炭と微粉炭）が有する粒度分布するものである。微粉砕機は、高圧ジェットミルや気流式粉砕機、ビーの測定事例を示す。本設備で得られる微粉炭は、原料炭に比べ非常

ズミルなどで実験を行った結果、微粉化粒度や消費エネルギーなどかにシャープな粒度分布を示し、微粉化による整粒効果が期待できる。ま

ら最も効率的と判断される乾式ビーズミルを採用した。平均粒度 D50

た平均粒度 D50に対する累積 10% 粒度（D10）・90% 粒度（D90）で20 〜 30μmの原料炭を、ワンパスの微粉化処理で2 〜 5μmのの関係はそれぞれ良好な正の相関を示し、一定の比率を有するため、微粉炭へ加工することができる。微粉砕機の規模選定は、活性炭必D50が小さくなるほどよりシャープな粒度分布を示す特性を持つ。

要量と実験で得られた粉砕消費エネルギーなどから最適化を図ることがAbstract

3.1 微粉化による整粒効果と微粉炭粒度の安定性できる。

図 5に今回採用した乾式微粉砕機の累積稼動時間と微粉化前後の活性炭（原料炭と微粉炭）の平均粒度 D50との関係図を示す。採用した乾式微粉砕機は、連続 2000〜 3000hrの稼働に対しても、主This facility was created by adding “dry pulverizing function” to the existing dry pow-

要な消耗パーツ交換を伴わずに5μm 前後の微粉炭を安定して得るこ

dered activated carbon charger to produce and inject super-powdered activated carbon onとができる。

site. 2-5 m super-powdered carbon can be produced by one-path pulverization. Adsorption and elimination performance especially for components of offensive taste and odor isincreased 2–3-fold before pulverization. The facility is able to continuously run for 2,000–
3,000 hours stably producing super-powdered carbon. It is confirmed that the number ofparticles leaked from the water purification filtering bed is equivalent to the existing dry

加賀山 亨

powdered activated carbon in the injection rate considering the adsorption performance.

KAGAYAMA Akira

The facility thus ensures stable water treatment. The dust explosibility is equivalent to the

水環境事業本部
ソリューション技術部
上水グループexisting dry powdered activated carbon, and operational safety is secured. Activated carbon
before and after pulverization can easily be used together and it makes it easy to optimize
the size of super-powdered crusher system.
本設備は従来のドライ粉末活性炭注入設備に「乾式微粉砕機能」を追加した設備であり、オンサイト

図 1 設備フロー概要
Fig.1 Flow diagram of S-PAC injection equipment

で微粉化活性炭を生成・注入するものである。ワンパスの微粉化処理で 2 〜 5μmの微粉炭へ加工処

図 4 原料炭・微粉炭 粒度分布 測定事例
Fig.4 Particle size distributions of PAC and S-PAC

理することができ、微粉化前より特に異臭味成分に対する吸着除去性能が 2 〜 3 倍向上する効果を発揮する。連続 2000 〜 3000hrの稼動に対しても安定して微粉炭を得ることができる。浄水場ろ過池からの漏洩粒子数は、吸着性能を考慮した活性炭注入率において、従来のドライ炭と同等であることが確認され、安定した浄水処理を確保することができる。粉塵爆発性も従来のドライ炭と同等であり、ハンドリングの安全性も確保される。微粉化前後の活性炭を容易に併用することができ、微粉砕機規模の最適化が図りやすい。
キーワード：粉末活性炭、微粉化活性炭、微粉化、浄水処理
Keyword：powdered activated carbon(PAC); Super-powdered activated carbon (S-PAC); pulverization; puriﬁcation

1 はじめにに対する吸着能力が向上する事例がすでに報告されており、微粉化
活性炭（以下、微粉炭）の実処理への適用が期待されていた。しかし、国内の浄水場では、古くから臭気物質や汚染物質が原水で検出さ微粉炭性能の安定性や浄水処理へ与える影響などの知見が不足してれた場合に粉末活性炭を注入して対応している。月島機械は、昭和

おり、積極的に採用しようという流れには至っていない。よって活性炭

63 年に我が国の水道事業向けでは初めて、ドライ炭を用いた粉末活メーカーの供給体制も既存の水道用原料炭（水道協会規格 JWWA K

性炭注入設備の実用化に成功し、以来、本設備は全国各地に幅広く

113 準拠品）の生産・販売にとどまっており、微粉炭の安定購入は難普及してきた。

しいのが現状である。

しかし近年では、水源水質の悪化や、安心・安全で美味しい水に対炭注入設備をベースとした「乾式微粉炭注入設備」の実用化に向けた態化する傾向にあり、活性炭消費コストの増加が課題となっている。

検証を行い製品化したので、以下にその設備概要、特長を紹介する。

28 TSK 技報 2016 no.19

図 5 粉砕機累積稼動時間と平均粒度 D50
Fig.5 S-PAC D50 particle size based on pulveriser's accumulated operating time

そこで、月島機械では横浜市水道局殿と共同で、従来のドライ粉末する関心の高まりによって、活性炭注入量が増加、あるいは注入が常一方、粉末活性炭（以下、原料炭）の微粉化により、臭気物質など

図 2 実験プラント
Fig.2 Picture of experimental plant

図 3 原料炭・微粉炭 拡大写真
Fig.3 Pictures of PAC and S-PAC

TSK 技報 2016 no.19 29

製品紹介 2Dry Super-powdered Activated Carbon (S-PAC) Injecting Facilities

乾式微粉炭注入設備

3.2 吸着性能の増大と消費コストの削減

3.3 吸着性能の安定性

3.4 安定した浄水処理の確保

3.6 ハイブリッド注入方式

表 1に原料炭と微粉炭が有する各種吸着性能指標の測定事例を

図 8に原水をベースとした吸着性能試験結果を四季別に示す。浄本設備で得られる微粉炭は、原料炭と比べ1/10〜 1/5の微細粒子

本設備は、微粉炭注入ラインと原料炭注入ラインを双方設け、個示す。本指標は純水を溶媒として行われる試験である（ヨウ素吸着性

水対象となる原水は、四季を通じてその水質、ひいては活性炭への吸となるため、浄水処理の最終工程であるろ過池からの漏洩が一般的に別制御することで同時注入が可能となる（活性炭種のハイブリッド注

能は除く）。本設備で得られる微粉炭は、ヨウ素吸着性能の様な吸着

着競合物質の組成・濃度が変動することが予測されるが、本設備で得最も懸念されるポイントである。表 2に浄水場実施設を用いて行ったろ入）。平常時は微粉炭を、非常時には不足する必要量を原料炭で補う

サイトに関わる物性が水道用原料炭とほぼ同等である一方、フェノー

られる微粉炭は、年間を通じて安定した除去率向上効果を発揮する。

過池からの漏洩粒子数の比較結果を示す。凝集効率が下がる原水低ことが可能なため、微粉砕機能の過剰スペックを回避して規模の最適

ル価や ABS 価といった吸着性能指標は向上効果が見られ、特に異また初夏に検出されやすい農薬類に対しても、原料炭に比べ除去性能

温期において、浄水場実施設への注入試験を実施した結果、原料炭と化が図れる。

臭味成分を対象とした2-MIB 価については大幅な向上効果を示す。

が 2 倍程度向上する。

同等の漏洩粒子数であることが確認された（注入率は原料炭と微粉炭

さらに注入方式として、従来はいずれかの方式しか実現できなかった

図 6はメチレンブルーが示す色度に対する脱色性能の相違を表したの吸着性能差を考慮）。このため微粉炭を適用しても安定した浄水処理が、本設備では、活性炭スラリーの注入流量制御を行いつつ、同時に写真である。

を行うことができる。

スラリー濃度を連続的に調整することが可能であり、この流量・濃度

次に図 7に原水をベースとしたときのジェオスミン、2-MIBに対するの同時制御により、注入率の制御幅を格段に広げることができる（注

吸着除去率比（原料炭除去率に対する比率）と活性炭消費量比（原表 2 浄水場実施設を用いたろ過池漏洩粒子数結果
Table2 Leakage evaluation results for PAC and S-PAC

料炭消費量に対する比率）を示す。原水を対象とした場合も、同様に入制御方式のハイブリッド）。

異臭味成分であるジェオスミンや 2-MIBに対して、原料炭に比べ 2 〜
3 倍高い除去率を発揮する。よって活性炭必要量（消費量）
が半減す
るため、消費コストが 50 〜 60% 削減されると共に、設備規模の縮小化が図れる。

表 1 吸着性能指標 測定事例
Table1 Adsorption performance evaluation results for PAC and S-PAC

3.5 ハンドリングの安全性
原料炭と微粉炭の粉塵爆発性について、表 3に爆発下限濃度試
験結果、表 4に爆発圧力・圧力上昇速度試験結果を示す。本設備は、

図 9 ハイブリッド注入方式 設備フロー図
Fig.9 Flow diagram and image of Hybrid injection system of activated carbon

微粉炭を粉末状のまま取り扱う。微粉炭は原料炭よりも微細な粒度を有するため、粉塵爆発性が懸念されるポイントであるが、静電気程度の着火エネルギーでは爆発性は無く（爆発下限濃度試験）、過大な着火エネルギーによる爆発が生じたとしても、その影響は原料炭と同じ程度である（爆発圧力・圧力上昇速度試験）。よって、従来のドライ粉末
炭注入設備と同等な設備仕様で問題無い。

4 おわりに
本設備は、今年度（平成 28 年度）「馬入川系統活性炭注入設備更新工事」として１号機を受注することができた。本設備の導入が、ラ（着火エネルギー 10J）
表 3 爆発下限濃度試験※ 1 結果
Table3 Lower explotion limit test of PAC and S-PAC at 10J ignition energy

ンニングコスト低減化の一助となれば幸いである。今後は更なる微粉
炭粒度の低減化などブラッシュアップを重ね、お客様により満足いただ
ける設備を提供していく所存である。
謝辞

図 6 メチレンブルー脱色後の写真（活性炭添加率：左から0.1%・0.05%・0.005%）
Fig.6 Pictures of methylene bule adsorbed on PAC and S-PAC(Additive rates of activated carbon : 0.1%, 0.05%, 0.005% left to right)

本設備開発にあたり、横浜市水道局殿には多大なるご協力を賜りましたこと、この場をお借りして厚く御礼申し上げます。

（着火エネルギー 10kJ）
表 4 爆発圧力・圧力上昇速度試験※結果
Table4 Explosion pressure and pressure rise rate test of PAC and S-PAC at 10kJ
ignition energy

図 7 除去率比・消費量比 測定事例
（原水を対象）Fig.7 Elimination eﬃciency of PAC and S-PAC and consumed amount of that inraw water

30 TSK 技報 2016 no.19

図 8 四季別原水をベースとした吸着性能試験結果
Fig.8 Adsorption performance evaluation results for PAC and S-PAC in four
seasons raw water

TSK 技報 2016 no.19 31

3

2.3.2 B 処理場

2.3 実地検証結果

製品紹介

2.3.1

製品紹介（RotaCut、F450T）
Product introduction RotaCut F450T

A 処理場

消化設備

汚泥循環ライン

A 処理場では、消化汚泥循環ラインにある熱交換器（スパイラル

脱水設備

汚泥供給ポンプ前段

B 処理場では、脱水設備の汚泥供給ポンプと後段の凝集混和槽
撹拌機への絡み付き（図 1-6）により、1 ヶ月に１回の頻度で清掃を実式熱交換器）の閉塞により、1 〜 2 週間に1 回の頻度で清掃を実施し施していた。そこで、「RotaCut」
を汚泥供給ポンプの上流側へ仮設置ていた。そこで、「RotaCut」を消化汚泥循環ラインの熱交換器の上（2014 年 5月22日〜 7月16日）
した結果、ポンプや撹拌機へのし

流側へ導入（2015 年 2月25日）
した結果、熱交換器の閉塞が解消さ

さ絡みが解消され、検証期間（2 ヶ月）
中の点検・清掃は不要となった。

れ、1 年以上安定した運転を継続している（図 1-5）。

また、凝集混和槽撹拌機への絡み付きも解消され、「毛髪」剪断の効果を確認した（図 1-7）。

Abstract

表 1 A 処理場「RotaCut」実験仕様
Table1 A processing ground「RotaCut」experiment speciﬁcations

Tsukishima Technology Maintenance Service Co., Ltd. (TTMS) proactively develops
machinery to solve ongoing Operation and Maintenance (O&M) issues, as well as machine
failures faced in water and wastewater treatment plants across Japan. This is done throughderiving solutions from real-world O&M and repair works faced by TTMS itself. In thisdocument, “RotaCut” – a grinder that provides solutions to clogging and twining of solids
inside pumps, mixers and heat exchangers – will be introduced, as well as the “F450T” – anair-activated automatic strainer that removes screen fouling from suspended solids (SS) in

正井 一生

reclaimed wastewater.

MASAI Issei
月島テクノメンテサービス（株）エンジニアリング本部
プラント技術部
プラント技術課

月島テクノメンテサービス株式会社では、全国の浄水場および下水処理場での運転管理業務ならびに補修工事を受注している強みを活かし、維持管理面での要望や不具合改善に適した装置開発に取り組んでいる。
本稿では、夾雑物によるポンプ、撹拌機、熱交換器等の閉塞や絡み付きを解消する自動刃圧調整機
能付き破砕機「RotaCut」、下水再生水に含まれるSS 類によるろ材の目詰まりを解消する空気作動式オー

図 1-1「RotaCut」RCQ-33 外観
Fig.1-1 External view of the「RotaCut」RCQ-33

トストレーナ「F450T」
について紹介する。
キーワード：RotaCut、F450T、維持管理負荷低減、運転管理付加価値、維持管理要望
Keyword：RotaCut、F450T、reduction in maintenance works、added values in O&M、client requrements in O&M

図 1-5 導入効果
Fig.1-5 Improvement after augmentation

1 はじめに

2.1 不具合原因と対策
表 2 B 処理場「RotaCut」実験仕様
Table2 B processing ground「RotaCut」experiment speciﬁcations

絡み付きや閉塞した夾雑物の塊を分解すると、その多くが 100mm

近年、少子高齢化の進展や顧客の財政状況が厳しさを増すなかで、以上の「毛髪」が複雑に絡み付いて成長したものであった。
「毛髪」
は、上下水道の維持管理において、その質を確保しつつ、コスト縮減して表面がうろこ状で細く、柔軟性に富み、鋭角部（バリ）や回転軸等に絡

効率的かつ効果的な施設運用が求められている。月島テクノメンテ

み付きやすい特性がある。また、長い「毛髪」になるほど、絡み付きやサービス株式会社では、全国の浄水場や下水処理場での運転管理

回転軸への巻き込みが促進し、夾雑物の塊が形成されやすくなる。そ

業務ならびに補修工事を受注している強みを活かし、維持管理面でのこで、長い「毛髪」を短く剪断することにより、これら不具合の抑制効

要望や不具合改善に適した装置開発を行い、維持管理負荷の低減

果を検証した。

図 1-2 自動刃圧調整機工
Fig.1-2 Automatic cutter blade
pressure adjustment system

図 1-3 高強度スクリーン ラインナップ
Fig.1-3 Line-up of high tensile
screens

および運転管理の付加価値向上に取り組んでいる。
以下に、開発した製品「RotaCut」「F450T」について紹介する。

2.2 構造概要「RotaCut」（図 1-1）は、空気−油圧制御による自動刃圧調整機

2 RotaCut（自動刃圧調整機能付き破砕機）
下水汚泥に混入する「毛髪」は、下水処理設備機器（ポンプ、撹

工（図 1-2）により、本体内部に固定された高強度スクリーン（図 1-3）に対し、刃を一定圧で押し続ける。刃は高強度スクリーンを押しつけながら200 〜 300min-1で回転し、高強度スクリーンを通過する流体

拌機、熱交換器等）への絡み付きや閉塞等を誘発し、設備運用や維内の「毛髪」を安定かつ確実に50mm 以下に剪断する（図 1-4）
。な持管理に多大な負荷を与えている。そこで、「毛髪」の剪断に特化した

お、構造を簡素化することで、現地維持管理にて保守点検および消「RotaCut」（図 1-1）を導入し、その効果について以下に記す。

耗品の部品交換が容易な装置としている。

32 TSK 技報 2016 no.19

図 1-4 剪断効果Fig.1-4 Shearing performance

図 1-6 設置前
（約 1 ヶ月）
凝集混和槽
Fig.1-6 Month before augmentation ‒coagulation mixing tank

図 1-7 設置 2 ヶ月後 凝集混和槽
Fig.1-7 2 Months after augmentation‒ coagulation mixing tank

TSK 技報 2016 no.19 33

製品紹介 3

Product introduction RotaCut F450T

製品紹介（RotaCut、F450T）②ストレーナの間隙に後生生物 図 2-2サカマキガイ等が目詰まる。ま3.3 洗浄工程「RotaCut」は、「毛髪」による不具合の改善性や簡易な維持管理

た、生物皮膜に後生生物類の卵等が付着し、孵化、成長してストレー

3.3.1

性が評価され、採用が増加している（2016 年 8月現在

ナを閉塞させる。①②によるSS 類は、常時スクリーンろ過面に圧入さ空気作動式洗浄弁が全開し、円筒スクリーン内部に堆積したSS 類

日1 〜 2 回清掃、洗浄ノズル1 ヶ月1 回清掃）が生じ、ベルトプレス

2.4 今後の予定70 台）。

用していたが、夏季において、既存の複式ストレーナ（60mesh）や脱

洗浄工程

第１段階
（約 5sec）

水機用の洗浄ノズルが貝殻や生物皮膜による閉塞（複式ストレーナ1

今後は、更なる付加価値向上に取り組むため、しさスクリーンの代替

れ続けることにより目詰まりが発生する。そこで、スクリーンろ過面に付が、原液の一部と一緒に系外に排出される。この第１段階での主たる脱水機の洗浄不良によるろ過性能低下が懸念されていた。そこで、同や夾雑物負荷が多いと予測される、ポンプ場や汚泥処理施設共同事

着や閉塞するSS 類を抑制するため、洗浄間隔を短縮かつろ過裏面よ洗浄は、原液の圧力によって剥離する、比較的容易に洗浄が可能な等のろ過精度の「F450T」60meshで検証した結果、概ね20minに1

業（MICS）
等での検証を実施していく所存である。

り効果的に自洗させることによる、これら不具合の抑制効果を検証した。

SS 類が主である。
（図 2-5）回の自動洗浄で1 ヶ月間（検証期間）自動運転を継続し、後段の洗浄

3.3.2

ノズル閉塞の抑制効果 75％（図 2-9）を確認した。本検証において、3 F450T（空気作動式オートストレーナ）

3.2 構造概要「F450T」（図 2-3）はベルヌーイの定理を利用した空気作動式オー

洗浄工程

第 2 段階（約 30sec）

エアーシリンダ先端に付属する洗浄円盤が、円筒スクリーンと非接

同 Meshにおいても洗浄ノズルの閉塞が抑制されたことから、サイズを触の状態で、円筒スクリーン内部を2/3の深さまで2 回往復する。そ80、100mesh サイズに細かくすることにより、更なる洗浄ノズル閉塞の抑制効果が期待出来ると推察する。

下水再生水（砂ろ過水等）に含まれるSS（suspended Solid：浮

トストレーナである。圧送された原液（0.1MPa 以上）を装置内に固定の際、洗浄円盤と円筒スクリーンの隙間部において、流体の流れが絞

遊溶解性物質）は、ストレーナの目詰まりや小口径の配管閉塞等の施した円筒スクリーンの内側から外側へ通過させることでろ過を行う。通られ減圧状態が発生する（ベンチュリ効果）。それにより、円筒スクリー

設機能障害の要因となり、維持管理面での定期的な清掃・復旧の頻常ろ過時は、円筒スクリーン下部ではろ過水の一部が自己洗浄するこン外側から吸引効果によるバックフラッシュ（図 2-6）が発生し逆洗浄度を増加させている。そこで、ストレーナに目詰まるSS 類を効果的にとで、捕捉したSS 類が円筒スクリーン内部の上部側から閉塞する。

を行う。この第 2 段階の洗浄では、第 1 段階で残存した円筒スクリー

洗浄し、保守点検が容易かつ簡単に設置できる空気作動式オートスト

上部側にSS 類が堆積すると、下部に向かって断続的にSS 類が堆積ンに付着・閉塞したSS 類の剥離・洗浄が主である。
（図 2-7）

レーナ「F450T」を導入し、その効果について以下に記す。

し圧力損失が増加する。設定された圧力損失値（1〜10kPa）の超過、

3.1 不具合原因と対策

ストレーナや熱交換器の閉塞による維持管理負荷の低減を実現するため、今後は下水再生水の性状に特化した「F450T」用のスクリー
ン開発・洗浄効果促進化システム等を確立し、さらなるストレーナ性

または設定洗浄時間で洗浄工程を開始する。なお、洗浄工程に空気

3.4 実地検証結果作動方式を採用することにより、電源（100V）と圧縮空気（0.5MPa

3.4.1

C 処理場

能向上を検証を実施していく所存である。
炭化炉用砂ろ過水

下水再生水に含まれるSS 類により、ストレーナが閉塞する要因は、

以上）にて「F450T」が導入できる。また、構造を簡素化することで部

C 処理場では、炭化炉設備の冷却水および洗浄水として砂ろ過水を

以下の通りである。①生物皮膜（図 2-1）下水再生水に含まれる細菌

品点数を少なく、現地維持管理にて保守点検および部品交換が容易

使用していたが、既存の砂ろ過水受入部のU 型ストレーナ（80mesh）

は速い流速でも付着しやすく、ろ過面に付着後、増殖し、分泌する粘な装置としている。

液に有機物や砂等の無機物が付着成長し、ストレーナが閉塞する。

3.5 今後の予定

4 まとめ

が 生 物 皮 膜やイトミミズ類によって閉 塞し、1日4 〜 6 回 U 型スト

今回紹介した商品の他に、「Oilskimmer：油・スカム回収装置」「エ

レーナの清掃や切り替えを実施していた。そこで、同等のろ過精度のコロンローラⓇ：コンベヤローラ発錆、腐食対策」「ツキクレンズ Ⓡ：「F450T」80meshで検証した結果、概ね30minに1 回の自動洗浄脱水機等に閉塞するMAP 除去薬品」等、現場からの要望や不具合によりスクリーンの閉塞に起因する流量低下が解消され（図 2-8）、7 ヶ事項を改善する装置開発を行っている。今後も、来る少子高齢化、人

月以上（2016 年 1月15日〜）の自動運転を継続している。

口減社会における維持管理業務のあり方を視野に入れた上下水道施

3.4.2

設の効果的な装置開発を実施していく所存である。

D 処理場

脱水機洗浄用砂ろ過水

D 処理場では、ベルトプレス脱水機の洗浄水として砂ろ過水を使

図 2-1 生物皮膜
Fig.2-1 Bioﬁlm

34 TSK 技報 2016 no.19

表 4 D 処理状「F450T」実験仕様
Table4 D processing ground「F450T」experiment speciﬁcations

図 2-8 導入効果
Fig.2-8 Improvement after augmentation

図 2-9 導入効果
Fig.2-9 Improvement after augmentation

図 2-2 サカマキガイ
Fig.2-2 Physella acuta
図 2-3 [F450T」外観
Fig.2-3 External view of the「F450T」

図 2-5 洗浄工程 第１段階
Fig.2-5 Washing process, 1stStep

表 3 C 処理場「F450T」実験仕様
Table3 C processing ground「F450T」experiment speciﬁcations

図 2-6 バックフラッシュ イメージ
Fig.2-6 Backwashing image

図 2-4 通常ろ過運転時
Fig.2-4 Normal ﬁltration process

図 2-7 洗浄工程 第２段階
Fig.2-7 Washing process, 2nd Step

TSK 技報 2016 no.19 35

3 ラインナップ

製品紹介

4

ミストエリミネーター「デミクロン」

4 性能評価と改良

現行のラインナップは表 1 のとおりである。また、主力であるK-201
および K-301 の詳細仕様を表 2、表 3に示した。
K-201は、標準型で圧力損失が小さく、目詰まりしにくいので、種々“Demicron” mist eliminatorのガスに適応できる。圧力損失に制約がある場合やミスト量が著しく多い場合、単独あるいはK-170A、K-301 型などと組み合わせて使用する。

平成 27 年より大同ケミカルエンジニアリングと月島機械は共同で、
ミストエリミネーターのシミュレーションや実証実験を継続的に行い、装置改良に役立てている。
図３、図４は、種々条件における分離限界と分離効率をシミュレーショ
ンにて確認を行ったものの一例である。
シミュレーション結果と実機での分離効率の差異、再飛散限界速K-301は分離効率、再飛散限界流速が高い高性能タイプで、ダストが少ないガスに適要する。
尚、表１はポリプロピレン製のラインナップであり、同様の性能を度の把握、多段での最適条件の把握などを目的に、図５実験装置にて確認を行った。結果、分離効率はほぼ一致した結果が得られ、また、再飛散限界の把握、多段での最適化などデータ収集を進めている。

持つステンレス製も製作している。ステンレス製はガス温度が高い場
合などに使用する。さらに標準ラインナップではないがＦＲＰ製、チタン製も取り扱っている。

橋本 圭司
HASHIMOTO Keiji
大同ケミカルエンジニアリング（株）
エリミネータ事業部
設計部

表 1 ラインナップ
Table1 Lineup
図 3 K-201シミュレーション例
Fig.3 An example of K-201 simulation
図 1 ミストエリミネーター
Fig.1 The Mist Eliminator

Abstract

1 はじめにDaido Chemical Engineering Corp. has two departments: the

公害防止技術の向上に加えて、環境保全、省資源化の要求が高plant division, which mainly sells acid recovery equipment, and the

まる中で、湿式排煙脱硫装置をはじめ各種排ガス処理装置におけるミ

eliminator division, which mainly sells the mist eliminator.

スト分離は益々重視されている。

The mist eliminator is an important product with a long trackrecord. It has been installed in the flue gas desulfurization system ata Tsukishima Kikai 700MW-class power plant.
This report introduces the product outline.
大同ケミカルエンジニアリング株式会社では酸回収装置を主力とするプラント事業部とミストエリミネーターを主力とするエリミネーター事業部の2 事業部がある。
ミストエリミネーターは、多数の実績を持ち、700MW 級の発電所など月島

図 4 K-301シミュレーション例
Fig.4 An example of K-301 simulation

本製品は排ガスに含まれる14 〜 30μm のミスト除去を目的としたもので、発電所や焼却炉、各種製造工場等で採用されている。
大同ケミカルエンジニアリングでは、ユーザーのあらゆる要望に答えるべく、エレメント形式を各種取り揃えている。
表 2 K-201 詳細仕様
Table2 Speciﬁcations of K-201

2 原理
本製品の原理は非常に単純で、図 2に示すように排ガスに同伴さ機械の排煙脱硫設備にも適用されている製品である。

れたミストがエレメントに衝突することで液滴化し、ガスより除去される。

キーワード：ミストエリミネーター、排ガス、排煙脱硫
Keyword：Mist eliminator, exhaust gas, ﬂue gas desulfurization

エレメントはその流量や含まれるミスト量に合わせて、各種形状があり、複数のエレメントを組み合わせて更に性能向上を図ることも可能である。
表 3 K-301 詳細仕様
Table3 Speciﬁcations of K-301

図 5 研究所における実証試験
Fig.5 The Pilot test at Ichikawa R&D Center

5 おわりに
図 2 ミストエリミネーターの原理
Fig.2 The principle of Mist Eliminator

36 TSK 技報 2016 no.19

本製品は200 件以上の実績を持つ、ベストセラーである。今後も改良を継続し、お客様に長く使っていただけるよう努力していきたい。

TSK 技報 2016 no.19 37

5

18.5kW、11.8m3/min）。顧客より「この V.M.Dでしか乾燥ができな③分散性が良い製品紹介

バキュームミキシングドライヤ

1,500 〜 3,600rpm の高速で回転するチョッパによるせん断作用い」と高い評価を得ている。乾燥能力が大きくなった主な要因は、以下が、処理物質を凝集解砕し短時間で分散する。 分散することで伝が考えられる。

熱面に当たる確率が大きい。

・壁面付着を掻き落とす、スクレーパによる伝熱面の更新。図 5にス
クレーパを示す。

Vacuum Mixing Dryer

3 概略フロー・熱源 140℃による大きいΔt（−80kPa（G）の水の沸点は60℃：
Δt＝80℃）。

図 3に概略フローを示す。V.M.Dは、多目的タイプの真空混合乾1 はじめに・周速 6m/secの混合性の良さ。

燥機である。容器外周にジャケットを設け、温水、蒸気、熱媒等を流し、・乾燥物 Ni 化合物の熱伝導率の良さ。

容器内を減圧することにより、乾燥、低温乾燥、溶剤回収、熱処理、・処理物が小粒径なため伝熱面に当たる確率が大きくなった。

殺菌などの操作ができる。

バキュームミキシングドライヤ（以下、V.M.D）は、1988 年にドイツのMTI 社（Mischtechnik International GmbH）
より導入したユニバー

4 Ni 化合物乾燥事例

5 おわりに本稿で紹介したV.M.Dは、その高い能力をNi 化合物の真空混合

池田 智哉

サルミキサを応用した装置である。 真空混合乾燥用途のミキサで、従来の MTIミキサの実績では、乾燥能力として5 〜 15kg/h・m2

乾燥にて確認した。この事例において、MTIミキサでは考えられないよ

IKEDA Tomoya

バッチでの乾燥機として使用される。1994 年に1 号機を販売してからである。25L 機でNi 化合物の乾燥実験を行った結果、恒率乾燥中

うな乾燥能力を実証した。 混合性と乾燥能力に優れ、減圧下での乾月島マシンセールス（株）
産業機械事業部
技術営業グループ粉体チーム

2016 年までに17 台を納入した。製品水分が PPM オーダーの精密乾に真空度を−80kPa（G）に維持することで、最大 105kg/h・m2 の燥が得意なV.M.Dは、今回得た知見に基づき、今後需要が伸びると燥、製品温度を上昇させないで減圧下での乾燥などが得意分野となる。

乾燥能力を確認した（実験時の真空ポンプ 仕様は5.5kW、3.7m3/

予想される電池材料や電子材料、また、製品温度を上げると溶けるな

中でも2015 年に納入したNi 化合物の乾燥において、従来のMTIミ

min）。実験時の結果を図 4に示す。これは、従来の約 7 倍の乾燥能

ど、粉の性状が変化してしまうような食品関係や樹脂関係へ積極的にキサの真空混合乾燥では考えられないような飛び抜けた乾燥能力を確力となる。実験の結果より、実機の 100L 機では、約 3 倍の真空ポン拡販していきたいと考えている。

認した。本稿ではV.M.Dの特徴とNi 化合物の乾燥実績を紹介する。

プを採用し、無事に顧客の要求を満たした（実機の真空ポンプ仕様はAbstract
The vacuum mixing dryer (VMD) is a device developed based

2 特徴①混合性が良いon a universal mixer introduced from Mischtechnik International

図 1にミキサ内部を示す。周速 6 〜 7m/sec の低速で回転する2GmbH in Germany in 1988. The VMD is a mixer designed for

段の 3 枚羽根アジテータで構成される。下段の大アジテータが掻きvacuum mixing and drying and is used as a batch dryer. We sold上げを、上段の小アジテータが吸い込みを受け持ち、外側から内側

our first unit in 1994 and have delivered 17 units by 2016. They areへの対流が生まれる。図 2に断面図を示す。製品温度を上げずに

best suited for applications such as thorough drying of products to

やさしく混ぜることをコンセプトに撹拌し、本体容器外周に設けたジャseveral ppm of moisture, and drying under reduced pressure without

ケット伝熱面へ処理物の接触を更新する。

raising the product temperature. Among the units we delivered, one②乾燥能力が高い

in 2015, used for drying nickel compounds, demonstrated outstand-

高い混合性能により伝熱面からの熱伝達効率が良い。減圧下で乾ing drying capabilities that had never been achieved by vacuum

燥が行われるため、沸点と熱源の大きなΔtにより乾燥能力が高い。

図 2 断面図
Fig.2 Sectional drawing

mixing and drying with conventional MTI mixers. This article intro-

図 4 Ni 化合物実験グラフ
Fig.4 Test graph of Ni-Compound

duces the features of the VMD and its performance in drying nickel
compounds.
バキュームミキシングドライヤ（以下、V.M.D）
は、1988 年にドイツのMTI 社（Mischtechnik International GmbH）
より導入したユニバーサルミキサを応用した装置である。真空混合乾燥用途のミキサで、バッチでの乾燥機として使用される。1994 年に1 号機を販売してから2016 年までに17 台を納入した。製品水分が PPM オーダーの精密乾燥、製品温度を上昇させないで減圧下での乾燥などが得意分野となる。中でも2015 年に納入したNi 化合物の乾燥において、従来のMTIミキサの真空混合乾燥では考えられないような飛び抜けた乾燥能力を確認した。本稿ではV.M.Dの特徴とNi 化合物の乾燥実績を紹介する。
キーワード：MTI、ミキサー、混合、乾燥、真空乾燥
Keyword：MTI、Mixer、Mixing、Drying、Vacuum drying

38 TSK 技報 2016 no.19

図 1 ミキサ内部
Fig.1 Inner view of mixer
図 3 概略フロー
Fig.3 Outline ﬂow

図 5 スクレーパ
Fig.5 Scraper

TSK 技報 2016 no.19 39

製品紹介

6 「水素製造実証共同研究」における消化ガス精製工程への「BMB アブソーバー」の適用について1 はじめに

2 BMB アブソーバーにおける消化ガスの精製

バイオマスエネルギーは「京都議定書」上、CO2を排出しないもの（カーボンニュートラル）として扱われており、地球温暖化対策に有効

CH4とCO2 の分離を効率的に行うために、月島環境エンジニアリンであるほか、石油依存度低減の観点から、その導入は重要な課題とさグが開発したガスの逆混合防止機構を有するBMB タワーを利用したれている。

ものである。以下にBMB タワーの説明とともにBMB アブソーバーにそのバイオマスエネルギーの一つとして、下水汚泥処理の過程でAbstract

ついて記載する。

発生する消化ガスの有効利用が注目されている。
消化ガスは約 60%のCH4と約 40%のCO2を主成分とする可燃性

The application of the “BMB absorber” to the digestion gas
refinement process in “Collaborative research for demonstration ofhydrogen production”.

BMB アブソーバー（Bamboo アブソーバー）とは消化ガス中の2.1 BMB タワーの特徴

ガスであるため、燃料として利用可能であり、ボイラーや消化ガス発電

蒸留や吸収、放散に使用される気液接触装置において、充填塔やの燃料、汚泥焼却炉の補助燃料などに利用されているケースもあるが、棚段塔のガスおよび液の条件は、塔の構造的な特性により大きく変わ利用されていない余剰消化ガスも少なくない。この消化ガス中に含まれるが、図 2に示した操作範囲で行われることが多い。

るCH4 はCO2 の25 倍もの温室効果を持つため、そのまま大気へ放出することは環境上好ましいものではなく、通常焼却処分されている。

気液接触装置が吸収操作に使用される場合、液 / ガス比（L/G）は平衡からの乖離を考慮してm/（LM/GM）= 0.5 〜 1.0の範囲で決めら

そこで、消化ガスの有効利用として、月島機械は埼玉県と「下水処れることが多い。従って、取り扱う物質が水に溶解しにくく、ヘンリー定理場から発生する消化ガスからの水素製造」における共同研究（以下、数 mが大きい場合、液量に対してガス量が非常に小さい状態となる。

本共同研究）
を実施することとなり、その水素製造プロセスの一部の

例えば、ヘンリー定数が 1000 以上のような場合、ガス量は液量の消化ガス精製工程において、月島環境エンジニアリングのBMB ア

1/1200 [mol/mol] 以下になる。このとき、液とガスを向流接触させブソーバーを適用することとなった。図 1に本共同研究における概略フ

ると、塔内では流下液流れによる上昇ガスの同伴が起きる。流れ方向

ローを示す。

でガスが混合される結果、ガス側濃度の均一化が起こり、向流接触の効果が激減してしまう。

The BMB absorber is applied BMB Tower technology developed by Tsukishima Kankyo
Engineering Ltd., and is used in digestion gas refinement. In the BMB absorber, digestiongas (CH4) can be purified because CO2 in digestion gas from sewage treatment plants is
effectively absorbed by water.
The BMB Tower’s feature is that it is equipped with a structure to prevent back-mixingof gas inside the tower. Gas–liquid contact is possible in an efficient manner without backmixing of the gas by the internal structure, even with very high L/G(liquid-to-gas ratio). It is

久保 大樹
KUBO Daiki
月島環境エンジニアリング
（株）
技術 本部
第一技術部
研究実験グループ

thus possible for the tower to be more compact than conventional packed towers.
Digestion gas refinement in hydrogen production is going to be demonstrated using thisBMB absorber. This report thus introduces the outline of this BMB absorber.
BMB アブソーバーとは、月島環境エンジニアリングが開発したBMB タワーの技術をベースとして、消化ガスの精製に利用したものである。このBMB アブソーバーでは、下水処理場から発生する消化ガス中（CH4）の精製を行うことができる。
のCO2を効率的に水吸収することにより、消化ガス

図 1 下水処理場から発生する消化ガスの水素製造における概略フローシート
Fig.1 General ﬂow sheet of hydrogen production from digestion gas of sewage treatment plant

ここで使用されるBMB タワーの特徴としては、塔内部にガスの逆混合を防止する機構を備えていることである。この逆混合防止機構により、L/Gの非常に大きな操作においてもガスが逆混合することなく、効率良く気液接触することが可能となり、その結果として従来の充填塔より装置をコンパクトにすることが可能となる。
このBMB アブソーバーを利用して、水素製造における消化ガスの精製を実証することになったので、本稿でBMB アブソーバーの概要について紹介する。
キーワード：消化ガス、CH4、CO2、吸収
Keyword：Digestion gas, Methane, Carbon dioxide, Absorber

図 2 充填塔および棚段塔操作範囲
Fig.2 Range of operation (Packed Tower, Tray Tower)

40 TSK 技報 2016 no.19

TSK 技報 2016 no.19 41

The application of the “BMB absorber” to the digestion gas refinement process in“Collaborative research for demonstration of hydrogen production”.

製品紹介 6 「水素製造実証共同研究」
における消化ガス精製工程への「BMB アブソーバー」への適用について

そこで、mが非常に大きい、つまりL/Gが非常に大きな処理時には、吸収塔およびフラッシュ塔は前述したガスの逆混合防止機構を有すガスの逆混合を防止することが有効であると考え、この問題を解決する

るBMB タワーであり、塔径 200A、充填物はテラレット S-0、脱気塔

表 2におけるKLaの比較から、BMB アブソーバーではガスの逆混合

ために、ガスの逆混合防止板を複数挿入したBMB タワーを開発した。

は塔径 200Aの充填塔で、充填物はラシヒスーパーリング（ラシヒ社製）防止効果が大きく働いたと考えられ、従来型の充填塔に比べて装置を#0.5である。

コンパクトにできることが確認された。

®

化ガスの精製を行った例 2）である。

本共同研究は2016 年 9月上旬から試運転が始まる予定である。
使用時にCO2を排出しないクリーンなエネルギーである水素は、燃料電池自動車や家庭用燃料電池等さまざまな社会展開が行われている

消 化ガスと水を吸 収 塔 内に供 給し、0.8MPaG 下で向 流 接 触さ

2.2 BMB アブソーバーへの適用

4 今後の展望3 本共同研究におけるBMB アブソーバーの適用

消化ガスはCO2を多く含有するため発熱量が低い。そのため、消化せ、CO2を水に吸収させることにより、CH4 濃度を上昇させる。CO2

ガス中からCO2を分離することができれば、消化ガスのカロリーアップが溶け込んだ水は吸収塔より低い圧力で維持されているフラッシュ塔につながる。消化ガス中からCO2を分離する方法としては、吸収法がを放出さ（0.2MPaG）へ送られ、溶存ガス（CH4 および CO2 の一部）

本共同研究においてBMB アブソーバーを適用した消化ガス精製

しかしながら、消化ガスから製造される燃料は下水汚泥を原料とす有効であるが、通常の充填塔方式である吸収塔を使用し、水を吸収液を放出させる。水はさらに大気圧の脱気塔に送られ、溶存ガス（CO2）装置の概略フローを図 5に示す。また、消化ガス精製装置の写真をるバイオマスエネルギーであり、カーボンフリーな水素となることから、とするとCO2 の特性からL/Gを大きくする操作条件が必要となる。このせた後に排出させる。

図 6に示す。

操作条件では流下する吸収液に上昇ガス（消化ガス）が同伴してしまい、塔内でガスの逆混合が起きてしまう。
そこで、先に挙げたBMBタワー
をBMB アブソーバーとして適用し、横浜市で試験を行った。1）
図 3に上記条件での吸収法における充填塔とBMB アブソーバー＜記号＞

表 1に示す条件に対し、精製ガス中のCO2 濃度は1% 以下、すなわ

・精製ガスの CH4 濃度を常時 98% 以上とするため、供給水温度を

L ：液の空塔質量速度（液相基準の総括物質移動係
また、従来技術との比較のため、KLa

BMB アブソーバーを適用した消化ガス精製装置の概略フローを図を表 2に数と比表面積 aの積。このKLaが大きいほど高効率といえる。）
示す。表 2 中の従来型充填塔のKLaは一般的な充填塔を使用して消4に示す。

本共同研究では下記の目的のため操作条件を見直し、フローの変更を行っている。

め、試験条件におけるL/Gは適当であったと考えられる。

2.3 処理システム

とともに地球温暖化対策の一つとして寄与したいと考えている。

試験条件および結果を表 1に示す。
できることが確認された。そのたちCH4 濃度を99% 以上、濃縮（精製）の概念図を示す。

本共同研究を通じて、BMB アブソーバーのシステムをさらに確立する吸収塔、フラッシュ塔、脱気塔の機器仕様は2.3 項と同様であるが、2.4 試験条件および結果

一方で、天然ガスや石油等化石燃料から製造する水素では、CO2 排出抑制効果が小さくなることが課題の一つとしてあげられる。

14 〜 16℃に調整する。

G ：ガスの空塔質量速度

・精製ガスの吐出圧力を0.89MPaGとするため、操作圧力を0.89 〜

m ：ヘンリー定数

・消化ガス中の CH4 の回収率を99% 以上とするため、フラッシュ塔に[ kg/m2h ][−]LM ：液の空塔モル速度

0.9MPaGとする。

[ kg/m2h ]GM：ガスの空塔モル速度[ kmol/m2h ][ kmol/m2h ]て放散させた溶存ガスを吸収塔へ戻す。
・吸収液として水を循環使用するため、脱気塔にて真空ポンプによる減圧操作を行い、脱炭酸を実施する。

参考文献
1） 横浜市環境科学研究所、月島機械株式会社 : 公募型共同研究「消化ガスの高品質化と高濃度 CO2 の有効利用の研究」報告書（2006）
2） 長部恵介 : 長岡市における消化ガスの精製による都市ガス原料化について, 下
水道協会誌 , 第 37 巻 , 第 447 号 , pp. 13-20（2000）

表 2 従来型充填塔とBMB アブソーバーとの比較
Table2 Comparison of conventional packed tower and BMB absorber

図 3 充填塔とBMB アブソーバーの概念図
Fig.3 Conceptual diagram of Packed Tower and BMB Absorber

図 4 消化ガス精製装置フローシート
Fig.4 Flow sheet of digestion gas reﬁnement system

表 1 試験条件および結果
Table1 Experiment condition and result

図 5 消化ガス精製装置フローシート（水循環システム）
Fig.5 Flow sheet of digestion gas reﬁnement system for water circulation system

42 TSK 技報 2016 no.19

図 6 消化ガス精製装置
Fig.6 Digestion gas reﬁnement system

TSK 技報 2016 no.19 43

® 浮上型チェーンフライト式

フロキュア（汚泥かき寄せ機）が第42回優秀環境装置表彰で
日本産業機械工業会会長賞を受賞
谷口 智彦 水環境事業本部 ソリューション技術部 下水グループ

月島機械の新技術／新商品であるフロキュア ®（浮上型チェーンフライト式汚泥特徴

かき寄せ機）が、第 42 回優秀環境装置表彰で日本産業機械工業会会長賞を受賞しましたので、この場を借りて受賞の報告と装置の紹介をさせていただきます。

メンテナンス性の向上

高い耐震性

施工性の向上

従来機では、チェーンの伸びが生じると張従来の 4 軸の汚泥かき寄せ機は、水面付従来機では、フライトが池底上を走行するが主催している表彰事業です。環境保全技術の研究・開発および力が低下してチェーンの脱輪が生じやすく

近をフライトが走行するため、大地震時にため池底にフライト走行用のレールが必

優秀な環境装置の普及の促進を図ることを目的として実施しておなるため、定期的に沈殿池の水を抜いてはスロッシング（水面の揺れ）によりフライ要でした。本装置では、浮力を持ったフラり、今回で42 回を迎えました。

チェーンの張り調整が必要でした。本装置

トの脱落やチェーンの脱輪が多く見られま

イトは下部レールで押さえられながら池底

平成28年6月20日に表彰式が行われ、月島機械の浮上型チェー

は、浮力で本体チェーンを緊張しており、した。本装置では、水面付近にフライトおからわずかに浮上して走行するため、池底ンフライト式汚泥かき寄せ機は、その独創性、性能、経済性、将来チェーンが伸びても初期張力の低下が従よびチェーンがないためスロッシングの影

レールが不要となります。このため、従来性等の観点から高く評価されたものです。

来機よりも小さいため、チェーンの調整頻響を受けにくく、耐震性が向上しています。

秀環境装置表彰は、1974 年度より経済産業省（当時：通商優 産業省）の後援を得て、一般社団法人 日本産業機械工業会

度が少なく維持管理性が向上しています。

本装置は、下水処理場の最初沈殿池および最終沈殿池で使用す機から本装置への更新時にも、既設池底レールを撤去・更新する必要がなく、池底る汚泥かき寄せ機で、フライトにつけたフロートの浮力でチェーンのコンクリート工事が不要となり工期短縮の緊張を行うユニークな構造をしており、従来機よりもメンテナンが可能となります。

ス性や耐震性を向上させたものです。先の平成 28 年熊本地震では、多くのチェーンフライト式汚泥かき寄せ機が地震の影響で運転不能となっており、今後、耐震性の高い本装置を採用することで、処理場の耐震化に貢献することができます。

チェーン
フライト

装置の概要
本装置は、チェーンに取り付けられたフラ下部レール

イトにより、池底にたまった汚泥を連続的にピット方向にかき寄せています。かき寄
せ側のフライトは、池底付近に設置された
下部レールの下面に接しながら池底からフロート

わずかに浮上して走行します。リターン側
は、上部レールのある区間と無い区間があり、レールの無い区間でフライトが浮力により浮上することでチェーンを緊張させる構造になっています。
①駆動装置

②駆動軸

③従動軸

④チェーン ⑤上部レール⑥下部レール⑦フライト（特許 第 5743527 号）

図１ 浮上型チェーンフライト式汚泥かき寄せ機構造図

44 TSK 技報 2016 no.19

TSK 技報 2016 no.19 45

ティーブレイク

2 セルロースの利用
人類によるセルロース利用の起源は、7000〜8000 年前にセルロース の 話

4 エネルギー
1 構造材

今回は、私たちの生活に深く浸透している素材セルロースについて記述します。

1 セルロース資源

ルメ・ペイエン）によって命名されました。

メキシコやインダス文明で始まった綿の栽培とされています。

セルロースは古くから様々な用途に使われてきました。

1 セルロースとは

なみに「セルロース」という名称は、1838 年に木材からセルロースの分離に成功したフランスの Anselme Payen（アンセる高分子で、グルコースから構成されますが、両者はグルコース可能でカーボンニュートラルなエネルギー源です。セルロースの前につくられましたが、今なお端正な姿を保っています。代表的エネルギーへの変換方法は大きく2 通りあります。ひとつは熱化な建材であるヒノキの例では、セルロースの繊維方向の強度は学的な方法で、直接燃焼、熱分解、ガス化、液化などによって、熱、1000 年を経ても大きくは変化しないとのことです。火災や生物

チャーコール、液体燃料に変換します。これらは有機物としてのによる劣化をまぬがれれば、木造建築は非常に長い年月その形

利用法であり、植物体においてセルロースと共存するヘミセルを保ち続けるのです。近年では CLTと呼ばれる集成材を使った

ロース（数種類の糖と酢酸からなる高分子）やリグニン（高分子

木造の高層建築がヨーロッパを中心に広まりつつあります。

のフェノール性化合物）
も原料になります。もうひとつは生物化

どうしの結合の仕方が異なります（図 1）。デンプンはグルコースが同じ方向で連なった結合（α-グリコシド結合）であるのに対し、セルロースは大気中の二酸化炭素からつくられるため、再生現存する世界最古の木造建築といわれる法隆寺は約 1300 年

学的な方法で、まず糖にしてから、嫌気的消化によりメタンに、

2 紙

酵母やバクテリアを用いてバイオエタノール、バイオブタノール、

セルロースは植物に 50〜70% 含まれる主成分です。地球上

セルロースは一つおきに向きが反転する結合（β-グリコシド結起 源 は エジプトで約 5000 年 前 に 始まった パピルス繊 維

油脂（バイオディーゼル油の原料）に変換します。こちらは糖質とで最も多いバイオマス（化石資源を除く生物由来の有機性資源）合）をとっています。ちなみにナタデココは、99％の水分を含む（paper の語源とされています）のシートと言われています。現しての利用法であり、セルロースとヘミセルロースの一部が原であり、毎年約 2000 億トンが光合成によって太陽光と水と二酸ゲルの中でセルロース繊維が微細な網目構造をしているため、在の紙の原型は、後漢の蔡倫が 100 年頃に発明したとされて料になります。

化炭素からつくられます。植物で合成されるものがほとんどです

独特の食感が生まれます。

います。当時の製紙原料には麻、木綿、樹皮などが使われていが、ホヤや一部の微生物もセルロースをつくります。ナタデココは酢酸菌という微生物がつくるセルロースです。ちなみにホヤの食用部分は主に筋肉で、外側の分厚い皮が主にセルロースでできています。

2 セルロースの構造ました。近代的製紙は、1840 年にドイツの Keller（ケラー）が、3 セルロースの分解

木材をすりつぶして繊維状物（メカニカルパルプ）を得る技術を

5 セルロースナノファイバー
パルプに機械的、化学的処理を施して3〜4ナノメートルの強固な構造を持つセルロースですが、薬剤（酸、アルカリなど）開発したことで始まりました。以後、ソーダパルプ、サルファイト

細さ（髪の毛の 2 万分の 1 程度）まで解きほぐした素材で、近年や酵素を加え所定の条件にすると分解します。自然界では微生

パルプ、クラフトパルプなど様々な製法が生まれ、それぞれでよく耳にするようになりました。高い強度（鋼鉄の 1/5 の軽さで物が分泌する酵素セルラーゼによってグルコースに分解され、多くの改良が加えられ今日に至っています。ちなみに私たちが強度は 5 倍以上）、高いガスバリア性、高い吸着性などの性質

生物の栄養源となります。一方、人間は消化酵素にセルラーゼ使っている紙は、マイクロメートルオーダーの繊維を抄き上げたを持ち、飛行機や自動車の部材、ディスプレー、太陽光パネル、

セルロースは 1000〜10000 個のグルコース（ブドウ糖）が鎖が含まれないため、セルロースを消化できません。近年は「食ものです。これを乾燥すると紙の内部に空隙が残り、その隙間

化粧品、フィルター、脱臭シートなど様々な工業製品への応用

状につながった高分子です。鎖どうしは束になり、さらに束どう

物繊維入り」と書かれた食品をよく見かけますが、野菜や果物が光を乱反射するため白色に見えています。しかしナノメートルが期待されています。

しが結びつきシート状になっています。また、セルロースには結に含まれる食物繊維は主にセルロースです。消化されないため

オーダーまで抄き上げて乾燥すると、繊維同士が密着して光を晶領域と非晶領域があり、結晶性セルロースは分子内と分子間直接栄養になりませんが、腸に適度の刺激を与え、その動きを乱反射する隙間がなくなるため、透明な紙になるそうです。

の水素結合（正電荷を持つ部分と負電荷を持つ部分の間に発生活発にする効果があります。なお、人間と違って牛や羊などのする静電気による引力）
によって強固な構造をしています。この反芻動物はセルロースを消化できますが、胃にセルラーゼを出ためセルロースは熱的にも化学的にも安定化し、耐久性のあるす微生物が生息しているからです。シロアリも体内にセルラーゼ

材料が構成されます。デンプンもセルロースと同じく植物がつくを出す微生物がいるため、木材を消化できます。ちなみに数年前、マリアナ海溝の深度約 10000m の海底に生息するエビ（握り寿司そっくりです！）がセルラーゼなどの酵素を持っていることが分かり話題になりました。深海に落ちてきた
流木などの植物片を食べていると推測され
ています。

3 化成品
セルロースを原料とする化成品の例を表 1 に記載します。ち46 TSK 技報 2016 no.19

製紙会社に苛性化プラント、黒液蒸発缶、ろ過機、沈降分離機などが納入されています。またエネルギー化に関する取り組
みとして、熱化学的な変換技術（熱分解、ガス化）や生物化学的表1 セルロースを原料とする化成品の例

な変換技術（バイオエタノール）の開発を行ってきました。

セルロイド▶最初につくられた熱可塑性樹脂。硝化綿とショウノウから製造される、成形が簡単なためかつて大量に使われたが、燃え易い、耐久性が低いといった欠点をもつ。

4 おわりに酢酸セルロース▶セルロースと無水酢酸から製造される。セルロイドと違い不燃性。
繊維や映画フィルム、録音テープのベース材や海水淡水化用逆浸透膜（RO）等に利用される。

言ではないでしょう。今日もセルロースには多くの関心が寄せら

ビスコースレーヨン▶パルプを主原料する再生セルロース繊維。不織布としてマスク、フィルターなどに、紡績糸として衣料品、ガムテープなど使われる。製造工程において繊維状にせず薄く成型したものがセロハンで、食品や医薬品の包材、粘着テープ基材などに使用されている。

図1 セルロースとデンプンの模式図

3 月島機械との関わり

文明の発展はセルロースをうまく利用したからと言っても過れており、新たな機能や応用を目指した研究が内外で進められています。
これからも私たちの生活に欠かせない素材であり続けると思います。

カルボキシメチルセルロース（CMC）▶セルロースに化学修飾を施したもの。アイスク
リームなどの食品の増粘剤および乳化安定剤として使用される。水性インク、界面活性剤、紙製品などの非食品製品にも使用されており、近年ではリチウムイオン 2 次電池にも使われている。

参考文献

バイオプラスチック原料▶乳酸、コハク酸など。セルロースをグルコースまで分解した
のち、微生物を用いて発酵生産し、それを原料としてプラスチックを製造する。石油由来の製品に替わる新しい工業（バイオマスリファイナリー）
として実用化が始まっている。

3）セルロース学会編 : セルロースの事典 , 2000

1）ウィキペディア https://ja.wikipedia.org/wiki/ 2016 年 8 月現在
2）セルロース学会編 : セルロースのおもしろ科学とびっくり活用 , 2012
4）ナノセルロースフォーラム編 : 図解よくわかるナノセルロース, 20155）磯貝明 監修 : セルロース利用技術の最先端 , シーエムシー出版 , 2008

TSK 技報 2016 no.19 47

研究所紹介

X線を利用した分析装置の紹介
分析グループ鈴木 健治

1. X 線分析技術
X 線は特定の波長を持つ電磁波または特定のエネルギーを持つ
光子のビームであり、物質に照射した際に、透過、散乱します。ま

この特性を利用し様々な分野に応用されています。

図 2 波長分散型蛍光 X 線分析装置と分析事例

図 3 エネルギー分散型蛍光 X 線分析装置と分析事例（1）
医療分野・・・X 線撮影（レントゲン）、CTスキャン、PET 診断、（WDXRF：Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence）（EDXRF：Energy Dispersive X-ray Fluorescence）

図 4 走査電子顕微鏡 - エネルギー分散型蛍光 X 線分析装置と分析事例

図 5 X 線回折分析装置と分析事例

た物質に照射した際にエネルギーを与え、原子を励起し、電離できる特性があります。X 線を利用した代表的な分析方法は以下の放射線治療 etc（2）工業分野・・・元素分析、結晶構造分析、膜厚分析、極微量分析、とおりです。
（1）蛍光 X 線分析（XRF）
X 線照射によって発生する特性 X 線を計測する。主に元素分析

非破壊検査 etc（3）
農業分野・・・害虫駆除、品種改良、食品照射、熟度調整 etc（4）
その他 ・・・犯罪捜査、年代測定、手荷物検査、美術品やに用いられる。

骨董品の調査 etc（2）X 線回折（XRD）
結晶面でのトムソン散乱（波長が変化せず方向だけが変化）に

X 線分析は非破壊分析が可能なことから、海外ではゴッホやレン

よって起こる回折を計測する。主に結晶構造の解析に用いられる。

ブラント等の歴史的な絵画をX 線でスキャンすることで、絵画の下に（3）X 線光電子分光法（XPS）

古い顔料を使った別な絵があることも発見された事例があります。

光電効果（原子内の電子がはじかれ光電子が放出される現象）
による光電子を計測する。主に表面の元素分析・結合状態分析に用いられる。

（SEM-EDS：Scanning Electron Microscope ‒ Energy Dispersive Spectroscopy） （XRD：X-ray Diffractometer）

2. 分析グループの所有機器と利用例（1）蛍光 X 線分析装置（XRF）（2）X 線回折分析装置（XRD）

来ます。蛍光 X 線分析装置には検出器の違いにより、波長分散型②エネルギー分散型蛍光 X 線分析装置（EDXRF）
・・エネルギー

典型的な原子モデルを図 1 に示します。X 線光子が原子に照射

蛍光 X 線分析装置（WDXRF）とエネルギー分散型蛍光 X 線分析装分散を利用した分析のため WDXRF に比べて短時間で測定がX 線回折分析は、X 線を用いて試料の結晶構造を定性し、結晶されると、K 殻から電子が放出され空孔が発生し、その孔を埋める置（EDXRF）があり、当グループではいずれも所有しています（図でき、視野を確認しながらのスポット分析及びマッピングが可能

化度を定量的に分析するものです。図 5 にこの 9 月に納入された

形でL 殻の電子が遷移されます。この時に放射されるX 線光子を2、3）。

なため元素の分布が見られます。

X 線回折分析装置を示します。本装置では粉末試料の分析に加え【測定例】て、拡大画像を見ながら直系 400μm の微小エリアについて結蛍光 X 線と呼び、各原子固有の特性が見られるために蛍光 X 線を

同機能の検出器は走査型電子顕微鏡にも付いていて、SEM-EDS

分析することで試料中の元素情報やその濃度を測定することが出と一般に呼ばれており、C、O、F の軽元素を加えた組成分析が可・100mm□程度の金属腐食表面の付着物組成2

能です（図 4）。こちらは加速電子により電子を放出させ蛍光 X 線

・100mm 視野内の特定金属の濃度分布測定【測定例】

を発生させる方法です。各分析装置の利用例を以下に示します。

・試料表面の微量金属異物特定と分布測定

・結晶化物の結晶種の同定、結晶化度の測定③エ ネ ル ギ ー 分 散 型 蛍 光 X 線 分 析 装 置（SEM-EDS）
・・20 〜①波長分散型蛍光 X 線分析装置（WDXRF）
・・固体（粉末）、液体

図 1 特性 X 線の発生

48 TSK 技報 2016 no.19

晶構造を分析することが可能です。

100,000 倍の拡大が可能で被写界深度が深いため通常の顕微等を数十分以内で分析が可能です。

鏡より鮮明に確認でき、視野を確認しながら対象物の組成を測【測定例】

定できます。特徴としては倍率が高いので極微量サンプルの組・焼却炉や煙道、配管等に析出した析出物の結晶種の同定。
XRF で組成を分析し、XRD で化合物の形態を調べる、等の組
み合わせで良く使用します。

・焼却炉内に発生したスケールの組成成分析が可能なことです。

・流動砂表面に堆積したリン化合物等の組成【測定例】

・上水汚泥中の主成分分析

・金属組成から金属材料の種類特定

は多数の分析装置があり、一つの試料に対して様々なアプローチ

・スケール表面の微量物質の特定で結論を導くことも多くあります。今後、技報の特集に合わせて関・目詰まりした濾布の断面付着物濃淡分布（マッピング）

連する分析技術や事例を紹介していきます。

以上、今回の研究所紹介は SPring-8 を利用した分析報告に合わせてX 線を利用した分析装置を紹介しました。分析グループに

TSK 技報 2016 no.19 49

会社概要
名称

月島機械株式会社

資本金６６億４６8０万円（TSUKISHIMA KIKAI CO.,LTD.）

従業員数

683名（グループ2,308名）（平成28年3月末現在）

売上高

単体：407億円 連結：757億円（平成28年3月期）

代表取締役社長 山田 和彦
創業

ヨーロッパ

明治３８年８月

札幌

中国

事業所
ハノイ

本社

〒104-0053 東京都中央区晴海3-5-1
TEL.03-5560-6511 FAX.03-5560-6591

東京支社〒104-0053 東京都中央区晴海3-5-1
TEL.03-5560-6541〒272-0127 千葉県市川市塩浜1-12
TEL.047-397-6111 FAX.047-397-3354（研究所）〒272-0127 千葉県市川市塩浜1-12
TEL.047-359-1651 FAX.047-359-1661

FAX.03-5560-6593

大阪支社〒541-0045 大阪市中央区瓦町3-6-5（銀泉備後町ビル）
TEL.06-6229-1331 FAX.06-6229-1415

札幌支店〒060-0807 札幌市北区北七条西4-1-2（KDX札幌ビル）
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仙台ビル）TEL.022-227-9267 FAX.022-223-0316

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

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

沖縄営業所

市川事業所（工場）〒901-2131 沖縄県浦添市牧港2-54-2（沖縄土木設計ビル）
TEL.098-874-5793 FAX.098-874-6262

台湾

ムンバイ
タイランド
マレーシア
シンガポール〈海外〉
TSKムンバイ駐在員事務所
Tsukishima Kikai Co.,Ltd.Mumbai Liaison Oﬃce
602 B, Excel Ark, Mercy Nagar, Ramdev Park Road, Mira Road (E),Thane - 401 107, Maharashtra, India
TEL. +91-9967645572

ジャカルタ

仙台

TSKハノイ駐在員事務所
Tsukishima Kikai Co.,Ltd.Hanoi Representative Oﬃce
Unit 13-03A, Prime Centre, 53 Quang Trung Street,
Hai Ba Trung District, Hanoi, Viet Nam
TEL. +84-(0)4-3766-9965/9967/9968 FAX. +84-(0)4-3766-9969
TSKジャカルタ駐在員事務所
Tsukishima Kikai Co.,Ltd.Jakarta Representative Oﬃce
Setiabudi Atrium 2nd Floor, Unit 207 Jl. HR. Rasuna Said Kav. 62, Kuningan,
Jakarta 12920, Indonesia
TEL. +62-21-521-0491/0492 FAX. ＋62-21-521-0490

東京
名古屋
沖縄
広島

TSKヨーロッパ駐在員事務所
Tullastraβe 64 76131, Karlsruhe, Germany
TEL. +49-721-9-64-56-783 FAX. +49-721-9-64-56-10

市川

横浜

大阪

福岡

関連会社
月島テクノメンテサービス（株）〒135-0031 東京都江東区佐賀1-3-7
月島機械永代ビル
TEL.03-5245-7150 FAX.03-5245-7155

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

月島環境エンジニアリング（株）〒104-0053 東京都中央区晴海3-12-1（KDX晴海ビル）
TEL.03-6758-2310 FAX.03-6758-2324

月島マシンセールス（株）〒135-0031 東京都江東区佐賀1-3-7
月島機械永代ビル
TEL: 03-5621-5911 FAX: 5621-5912

月島ビジネスサポート（株）〒104-0053 東京都中央区晴海3-5-1
（月島機械
（株）
内）
TEL.03-3533-4824 FAX.03-3536-0968

大同ケミカルエンジニアリング（株）〒530-0053 大阪府大阪市北区末広町3-3
大同パークサイドビル
TEL.06-6312-6621 FAX.06-6312-6626
寒川ウォーターサービス（株）尾張ウォーター＆エナジー（株）〒253-0106 神奈川県高座郡寒川町宮山4058-6（事業所）
お問い合わせ先：
月島機械株式会社 水環境事業本部 事業推進部
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TSKエンジニアリングタイランド（株）
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月島環保機械
（北京）有限公司
TSK ENGINEERING CHINA CO., LTD
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編集後記

BOKELA Ingenieurgesellschaft für Mechanische Verfahrenstechnik mbH
Tullastraβe 64 76131, Karlsruhe, Germany
TEL. +49-721-9-64-56-0 FAX. +49-721-9-64-56-10
月島エンジニアリングマレーシア（株）
TSUKISHIMA ENGINEERING MALAYSIA SDN. BHD. ≪TEM≫
月島エンジニアリングシンガポール（株）
TSUKISHIMA ENGINEERING SINGAPORE PTE. LTD. ≪TES≫SUITE16, 04-05, 16th Floor, Wisma Mca,
163 Jalan Ampang, 50450 Kuala Lumpur, Malaysia
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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

Editor's Note
TSK技報 NO.19 2016
問い合わせ先：giho@tsk-g.co.jp

福沢義之
今回から技報の編集委員長を拝命しました。
今回は、製品紹介として月島機械関連会社特集を企画しました。
その中には、
月島機械と月島テクノメンテなどの商品もあります。ここに挙げられているサービス（株）との共同研究により商品化された「フロキュア®」

発行：月島機械株式会社 技報編集委員会
総 責 任 者：中島 和男
編 集 委 員 長：福沢 義之
副編集委員長：田中 一穂
左淳

栗田 新平

のは各社の商品ラインアップの１部であり、今後更に月島機械グループ全体のシナジーが発揮できる新商品・編 集 委 員：大塚 正弘
津崎 裕也

谷口 智彦

上田 厚志

新技術の開発を先導して行かなければならないと考えています。

根尾 航太郎

高部 洋一

鈴木 健治

荒井 健

高須 利昌

高尾 ひろ子16111400A

50 TSK 技報 2016 no.19

TSK 技報 2016 no.19 51