流動床式ガス化溶融炉の実績と高度化
Delivery Results and Latest Technologies of Fluidized Bed Gasification andMelting Furnace

植浦大樹＊
Daiki Ueura

伊藤 正＊＊
Tadashi Ito

当社の流動床式ガス化溶融炉は，ごみのガス化を行う流動床部において高炉床負荷で緩慢燃焼を追求することにより，燃焼変動を極限まで低減した様々な廃棄物性状に対応可能な技術である。一
般廃棄物の処理に加え，最終処分場の掘起こしごみや災害廃棄物など社会ニーズに応える形で適用範囲を拡大し，納入された施設規模は60 t/d ～525 t/d に達し，分散型中小施設から広域化された大規模施設までを網羅する実績となった。さらに，廃棄物処理に関わる発電量の安定化や省力化と言う社会の要請に対して，近年発展の著しい AI・ICT 技術を活用した運転支援技術の開発を行い，流動床式ガス化溶融炉の高度化に向けた取組みを加速させている。本稿では，当社の納入した流動床式ガス化溶融炉の実績と最新の技術について報告する。
Our ﬂuidized bed gasiﬁcation and melting furnace suppresses combustion ﬂuctuation to minimal amounts by
pursuing slow combustion under the condition of a high waste feeding rate in the ﬂuidized bed section that
gasiﬁes waste. This allows for various waste properties to be targeted for incineration. The scope of theseapplications has been expanded in response to social needs such as the treatment of not only domestic waste
but also excavation waste at landfills as well as disaster waste. The scale of waste treatment facilities
delivered has reached between 60 t/d to 525 t/d which means that it covers the nearby small and mediumsized facilities as well as large-scaled facilities that have expanded in area. Furthermore, we are accelerating
efforts to upgrade the fluidized bed gasification and melting furnace by developing operation support
technology using recently developed prominent AI and ICT technologies, thereby stabilizing the amount ofpower generation and saving labor in the ﬁeld of waste treatment. In this paper, we report the delivery results
and the latest technology of our delivered ﬂuidized bed gasiﬁcation and melting furnaces.

Key Words：
流動床式ガス化溶融炉

Fluidized bed gasiﬁcation and melting furnace

ごみの混合処理

Mixed treatment of waste

運 転 支 援 技 術

Operation support technology【セールスポイント】
・廃棄物の保有する熱エネルギを利用することで外部燃料を使用せずに廃棄物のガス化，高温燃焼，灰の溶融処理を一貫して行うことのできる経済的な処理方式である。
・広範な処理規模の対応実績がある。
・多種多様な性状の廃棄物に適用可能である。
・AI・ICT 技術を活用した運転支援技術の開発により，流動床炉の高度化を推進している。
神鋼環境ソリューション技報

Vol. 16 No. 1（2019 ／ 9）＊

環境プラント技術本部 装置技術部 技術企画室＊＊

環境プラント技術本部 装置技術部

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まえがき

績を積上げてきた。

ごみ焼却処理から排出されるダイオキシン類の削加えて，当社では流動床炉が様々な廃棄物性状に減を主な目的として，平成９年に環境省より「ごみ対応できるという特長を生かし，汚泥や災害廃棄物処理の広域化計画について」が通知され，各都道府の混焼へ適用範囲を拡大してきた。最近では流動床県にてごみ処理の広域化が推し進められてきた。図式ガス化溶融炉納入施設における灰溶融に加えて，１で示すように，平成10年度には100 t/d 以上の施最終処分場に埋立てられている焼却灰を掘起こして設が550施設と全体の約31 ％であったのに対し，平溶融し，最終処分場の再生による残余年数を拡大す

成29年度には100 t/d 以上の施設は約54 ％に増加しる取組みや，他焼却施設で排出される焼却灰の混合

１）ている 。平成31年３月29日には，環境省から「持溶融への対応の実績を積上げている。このように，続可能な適正処理の確保に向けたごみ処理の広域化

流動床式ガス化溶融炉を様々な社会ニーズへ対応さ及びごみ処理施設の集約化について（通知）」が発せてきたが，少子・高齢化と言う社会状況に即した表され，安定的かつ効率的な廃棄物処理体制の構築

省力化による処理技術の高度化も進めている。本稿に向けて，今後も広域化・集約化が進められていく

では流動床式ガス化溶融炉の実績や最新の技術の紹ものと予想される。一方，広域化・集約化した場合介を通じて，当社の取組みについて報告する。にスケールメリットが見込めないケースでは，これ1.

までどおり地域に即した分散型の形態を維持してい流動床式ガス化溶融炉の実績

当社は，流動床式ガス化溶融施設について国内最く格好となり，広域化による大規模なごみ処理施設多である合計17施設の実績を有し，施設規模は合計と，分散型の中小ごみ処理施設は，今後も共存して2 877 t/d である。
ごみ処理施設において長期連続運転は，起動停止いくものと思われる。
CO2 排出量削減が急務となっているが，廃棄物の回数の低減に伴う CO2 削減や発電した電力の安定燃焼処理施設では廃棄物由来の CO2 が排出され，供給に有効であるため，施設の性能を示す一つの指助燃剤として化石燃料が使用される場合，排出され標となる。ビュークリーンおくえつ（福井県）ではる CO2 はさらに加算されてしまう。当社の流動床１炉あたり308日連続運転，年間339日稼働（年間稼式ガス化溶融プロセスは，廃棄物の保有する熱エネ働率：約94 ％）を達成している２）。石巻広域クリルギを利用することで外部燃料を使用せずに廃棄物ーンセンター（宮城県）では２系列とも年間300日のガス化，高温燃焼，灰の溶融処理を一貫して行う

以上の運転を行い，甲府・峡東クリーンセンターことのできる経済的な処理方式である。本処理方式（山梨県）でも年間の休炉２回，330日以上の運転をによる都市ごみ処理施設は，現在全国各地へ普及行うなど，流動床式ガス化溶融施設の優れた安定性し，一般的な処理方式の一つとなっている。流動床により，長期連続運転の実績が示されている。

式ガス化溶融炉が納入された施設規模は60 t/d（30また，石巻広域クリーンセンターでは，東日本大t/d ×２炉）～525 t/d（175 t/d ×３炉）であり，分震災により発生した約２万 t の災害廃棄物を約14散型中小施設から広域化された大規模施設までを網％の平均混合割合で処理した。流動床式ガス化炉の羅し，今後の新設需要に対して幅広く対応できる実砂層は投入ごみに対して大きな熱容量を有している

100 t 未満

100 t 以上

1 400
1 200

施設数

1 0008006004002000

H10 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 H19 H20 H21 H22 H23 H24 H25 H26 H27 H28 H29

図１22

ごみ処理施設の規模別施設数（H10～ H29）

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制御出力（操作量）
制御入力（計測情報）

既設制御ループ
（PID）

O2

溶融炉
二次空気量
二次燃焼室
温度
排ガス制御ロジック

CO 判定
ルール

NOx 判定ルール

図２

燃焼室出口 濃度

砂層温度

溶融炉絞部温度

給じん量

溶融炉炉頂温度

ガス化炉内圧

溶融炉一次空気量
主蒸気流量

ガス化炉
出口温度

①CO 特性判定モデル②CO 操作量決定機能③NOx 特性判定モデル④NOx 操作量決定機能

排ガス CO，NOx 抑制の制御システムの概要

ため，ごみ質の変動を吸収して安定した運転を行り，廃棄物は化石燃料を代替するエネルギ資源の一え，汚泥等の低発熱量のごみからプラスチック等のつとして注目され，廃棄物発電の需要はますます高高発熱量のごみまで多種多様なごみの混合処理に適まってきている。廃棄物発電による電力安定供給のしており，雑多なごみの混合物である災害廃棄物も観点から廃棄物処理施設においては稼働率の向上が３）確実に処理することができる 。

求められており，安定運転の実現に向けた運転管理

仙南クリーンセンターでは，最終処分場から掘起の最適化が必要となっている。また，少子高齢化にこしたごみを都市ごみと混合溶融し，最終処分場の伴う労働人口の減少によって，廃棄物処理分野にお延命化を進めている。掘起こしごみの混合溶融実績

いても運転員の確保が困難になることが予想されては，計画値4.6 ％に対し，平成29年度は3.1 ％，平成おり，持続可能な廃棄物処理施設の運営に向けて運30年度は5.2 ％であり，おおむね計画通り推移して転の省力化も喫緊の課題となっている。こうした社いる。掘起こしごみの混合溶融は，最終処分場の延会の要請にこたえるべく，近年発展の著しい AI・命化を，ごみを貴重な熱エネルギ資源として最大限ICT 技術を活用し開発を進めてきた運転管理を支援活用することで実現した事例である。

する技術について紹介する。

ごみのエネルギ資源としての利用は，ごみ発電と2. 1排ガスの CO，NOx 抑制の自動化して広がりを見せ，国内のエネルギ自給率向上と低ごみ性状の急減な変化やごみに混入した焼却不適炭素社会の実現に寄与している。現在ごみ発電ボイ物に起因して運転状態が非定常に変化した際に，排ラの蒸気条件は４MPa ×400 ℃が標準となっている

ガス濃度の急な上昇を抑制するために運転員によりが，当社では LCC を増加させることなく高い経済性手動介入する場合がある。運転員の監視・操作業務を維持できる運用条件の把握に努めている。廃熱ボの負荷削減のため，排ガス CO 濃度，NOx 濃度にイラを有する複数の流動床式ガス化溶融施設におい着目して非定常な手動介入操作を自動化する制御シて，過熱器管の長期に渡る減肉状況調査による評価

ステムを開発した。の結果，高効率条件下であっても過熱器管の減肉はCO 濃度は炉内燃焼状態の良否に影響され，NOxほとんど見られず，流動床式ガス化溶融炉は経済性

濃度は，燃料中窒素分の NOx への転換率が炉内の４）と環境性に優れた設備である結果が示されている 。

燃焼雰囲気に影響され，それぞれ排出濃度は変化す

当社では流動床式ガス化技術を溶融炉とは別に燃焼る。燃焼雰囲気の代表的な指標として炉内 O2 濃度炉としても適用しており，ガス化燃焼炉では国内最や各所炉内温度などを制御入力値として，低 CO 濃高クラスとなる６MPa ×450 ℃の高効率ボイラを導度と低 NOx 濃度を両立できる炉内雰囲気を維持す入している。今後もごみ発電の高効率化という社会るように燃焼空気量を適応的に操作する。の要請に応えられるよう技術開発を進めていく。

具体的には図２に示すように，過去の運転ビッグ

流動床式ガス化溶融炉の最新技術データを基に，機械学習を用いて CO 濃度，NOx2.

低炭素社会への移行に向けた動きが加速されておVol. 16 No. 1（2019 ／ 9）濃度抑制のための手動介入の要否判定のロジックを

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モデル化した。そして、そのモデル判定に基づき燃御パラメータを制御システムに実装し、蒸気発生量焼空気量を制御し CO 濃度，NOx 濃度の発生抑制が一定となるよう給じん量を制御する。

を図っている。

モデル制御の適用事例として，給じん速度を操作

本システムを実機に導入した結果，運転員の手動量として発電量を制御した結果，蒸気発生量の変動介入の自動化による負荷削減に加え，排ガスの CO係数（＝標準偏差÷平均値×100）は1.7 ％と安定濃度は４hr 平均値で11.5 ％低減，NOx 濃度は１hr

し，発電量の変動係数は0.06 ％で非常に安定した発平均値で27.5 ％低減されることを確認できている５）。

電量制御を確認した４）。評価を行った施設は処理能モデル予測制御を用いた発電量一定制御

力100 t/d 以下である。本制御の活用により中小規

流動床式ガス化溶融プロセスでは，ごみ給じん量模のごみ処理施設においても安定した発電が可能とや燃焼空気量を操作することで廃熱ボイラの蒸気発なり，ごみ処理施設が地域における身近なエネルギ生量や炉内温度等が自動制御される。同プロセスは供給拠点として役割を果たす上で有効な制御である制御応答が速く，負荷変動に追従しやすいという特ことが確認された。

長を有する。この制御をもってしても制御性能が不

2. 3

2. 2

画像解析による出滓監視自動化

十分となるほどごみ質が急激に変化した場合，運転廃棄物の灰性状は均一でないため，炉内温度を一員のスキルで補助することがある。この課題に対し定に保っても溶融スラグの溶流状況は変化する。安て，図３に示すモデル予測制御による発電量の一定定した溶融スラグの排出を維持するために出滓口を制御技術を開発した。

健全に保つことは，操業の安定化に欠かせない。ガ

従来のフィードバック制御が目標値と過去の値のス化溶融炉においても出滓口におけるスラグの流出変化から現在の値を制御するのに対して，モデル予状況は運転員の重要な監視業務であり，出滓口に固測制御は，運転データに基づき未来の制御量の変化着したスラグはバーナによる加熱等の手段により適を予測することで，制御量予測値と制御量の目標軌宜除去されている。出滓口の監視自動化は運転員の道の差異を最小化できる操作量を決定する。廃棄物負荷低減に有効であるため，図４に示すように出滓処理施設では，処理する対象物性状の地域による差口監視カメラ画像を解析し，出滓口開口率（スラグや，処理規模によっても応答性は異なり，外乱要素の存在しない割合）を定量化して出滓口状況を自動が与える処理工程への影響は様々である。施設の状判断できるシステムの開発を進めてきた６）。

況に応じた最適制御を実現する上では，導入するモ熟練運転員の判断基準から求めた開口率と，開発デル設計が重要であり，これまでの広範な処理規模手法の計算開口率を比較したところ平均誤差－6.5の納入実績から廃棄物処理に適したモデルを構築し％という結果を得た。ここでの誤差は開発手法の計た。具体的には、廃熱ボイラの蒸気発生量を給じん算開口率が目視評価の計算開口率より大きい場合に量により制御する場合、あらかじめ給じん量をステプラスの値を示す。誤差は実操業での判断基準としップ状あるいはランダムに変化させたときの蒸気発て支障のない値であり，開発手法の開口率は，目視生量の動特性に関する基礎データを取得し予測モデルを作成する。つぎにこの予測モデルで同定した制制御量の予測値（未来の制御量）⇒動的モデルによって求められる。

過去操作量（たとえば給じん機出力）

24

カメラ

溶融スラグ

固着スラグ

炉内

出滓口

開口率を計算（a）設置位置（b）カメラ画像例（c）開口部定義（d）原画像（e）人間の判定結果（f）開発手法

今後の操作量t-1

図３

出滓口

目標軌道

過去制御量
（たとえば蒸気発生量）

ボイラ

溶融炉

目標値
（たとえば蒸気発生量設定値）

出滓口

tt+1 t+2t+P

モデル予測制御の概要

時間

図４

神鋼環境ソリューション技報

出滓口開口率の定量化技術
Vol. 16 No. 1（2019 ／ 9）720

輝度低下位置（pixel）

ボイラ

計測機器設置

溶融炉
距離計測

2 000 mm

715
２日
710

2 400 mm705

2 800 mm

700695690

図５

溶融炉内距離計測の概要（左）および炉内距離計測結果（右）評価よりも小さく算出されるため，開口維持の観点を行った結果である。試験の結果，稼働中の溶融炉からは安全側の運転指標として活用できることが明内の値と炉運転停止期間中の距離実測値を比較するらかになった。と，その差は数10 mm であり，十分に高温炉内での2. 4溶融炉内クリンカの堆積検知

監視方法として活用できることが明らかになった６）。

流動床式ガス化溶融炉では，灰性状の季節変動に対してこれまでの知見に基づき塩基度調整剤供給量

む

すび

広範囲な処理規模の実績がある当社の流動床式ガを調整し，安定出滓を維持している。状況によってス化溶融技術は，広域化，分散化が同時進行するごは，塩基度調整剤が不足ぎみとなり炉壁にクリンカみ処理分野においても，新設需要に柔軟に対応できが付着堆積することもある。溶融炉のような高温雰る技術である。さらに，掘起こしごみや災害廃棄物囲気内のクリンカ堆積状況を監視する有効な手段はなど多種多様なごみの混合処理に適した特長を活か確立されておらず，炉内で精度良く距離を測定できして，今後も様々な社会ニーズに対応していく所存

ればクリンカ堆積状況の管理や塩基度調整剤供給量である。そして，運転管理の最適化，運転の省力化の最適化が可能となる。炉内のクリンカ堆積高さのを推進することにより，安全・安心で持続可能なご測定はレーザー三角測量法で行った。測定対象物にみ処理施設の実現に引続き取組んでいきたい。

照射する入射光と反射光の幾何学的角度から距離を［参考文献］
１）環境省 廃棄物処理技術情報 一般廃棄物処理実態
調査結果
7 1）
，
（2010. 8）２）水岡ら：神鋼環境ソリューション技報 （３）山形ら：神鋼環境ソリューション技報 10（2），（2014. 2）４）道田ら：神鋼環境ソリューション技報 12（2），（2016. 3）
５）江口ら：神鋼環境ソリューション技報 14（1），（2017. 9）６）植浦ら：第40回全国都市清掃研究・事例発表会 講
演論文集，Ⅱ－6－108（2019. 1）測定する。炉内はダストが浮遊しているため，レーザー光はダストにより散乱し距離計測に影響する。
ダスト散乱による反射光と測定対象からの反射光との輝度減衰の差を考慮して画像解析することにより，炉内での距離計測が可能となった。
図５はレーザーを用いて稼働中の炉内で距離計測

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