都市ごみ焼却施設における高速飛灰炭酸化処理技術の検証
Demonstration Test of Accelerated Carbonation Technology for Fly Ash at a
Municipal Waste Incinerator

前田有貴＊
Yuki Maeda

中原慎太郎＊＊
藤原 大＊
Shintaro Nakahara Hiroshi Fujiwara

皆川公司＊
島倉久範＊
Tom Bissett ＊＊＊ Dr. Peter Gunning ＊＊＊Koji Minakawa Hisanori Shimakura

飛灰が CO2 を吸収 / 固定化する炭酸化反応において，重金属類が飛灰に吸着 / 固定化されて不溶化する性質に着目し，都市ごみ焼却施設で発生した飛灰に，焼却排ガスに含まれる CO2 を吸収/ 固定化させる実機スケールでの炭酸化実証試験を実施した。実証試験の結果，焼却排ガスによる炭酸化処理において，環境省告示第13号試験に基づく Pb，Cr 6+ の溶出濃度を，埋立て基準値以下まで低減できることを確認した。また従来の混練機によるキレート処理よりも，焼却ごみトン当たりの CO2 発生量を6.47 kg-CO2 / 焼却ごみトンを削減できる見込みを得た。
A carbonation demonstration test was carried out to react / capture CO2 at an actual waste to energy plant.
During the carbonation reaction in which fly ash absorbs / captures CO2, heavy metals are converted intoinsoluble compounds. As a result of the demonstration test, it was conﬁrmed that carbonation treatment of ﬂyash by actual flue gas reduced soluble Pb and Cr 6+ to a value below the leaching standard of JLT-13. Inaddition, ﬂy ash treatment alone is expected to reduce the amount of CO2 generated per ton of incinerated
waste by 6.47 kg-CO2 / ton of incinerated waste, compared to conventional chelating treatment.

Keywords :都市

ごみMunicipal solid waste（MSW）

焼却

飛灰Incinerator ﬂy ash

重金属溶出抑制Stabilization of heavy metal leaching

炭化Carbonation

化

Carbon capture

CO2酸
固定

キ レ ー ト 処 理

Chelate treatment【セールスポイント】
・CO2 の固定化
・CO2 の有効利用促進
・キレート剤使用量の削減

まえがき

温暖化対策においては，CO2 排出量をできるだけ減らそうとする取り組みから，最近では CO2 の排出カーボンニュートラル達成に向け，CO2 の固定化（CCS）や利用（CCU）による CO2 削減技術が注目されている。

量と吸収量をイコールにするカーボンニュートラル

本開発では，飛灰が CO2 を吸収 / 固定化する炭酸を念頭においた取り組みに移行しており，2050年の化反応において，重金属類が飛灰に吸着 / 固定化さ＊技術開発センター 新技術インキュベーション部
技術開発センター 技術開発部 基盤技術室
O.C.O TECHNOLOGY LTD.

＊＊

＊＊＊

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 18 No. 1（2021／9） 13

れて不溶化する性質に着目し１），都市ごみ焼却施設

表２で発生した飛灰に，焼却排ガスに含まれる CO2 を吸収 / 固定化させる実機スケールでの炭酸化実証試験

施設名

焼却炉形式

I 施設

ガス化燃焼炉②

K 施設

ガス化燃焼炉③

H 施設

ガス化燃焼炉④

A 施設

ガス化溶融炉⑤

O 施設

ガス化溶融炉⑥

N 施設

回転ストーカ炉①を実施した。実証試験では炭酸化による① CO2 の有効利用促進と，②キレート剤使用量の削減効果について検証を行った。また炉形式・灰組成が炭酸化に与える影響を明らかにするため，複数の施設の灰を使ったラボスケールでの炭酸化試験も実施した。これら異なるスケールでの試験結果について報告す

施設一覧

る。

1.

1. 1

試験内容

次に STEP２では，STEP１で検討した最適条件を基実証試験に，Ｉ施設の焼却排ガス（CO2 ：8-10 %-wet）を用いて炭酸化効果の確認を行った。

実証試験は I 市焼却施設（以降，Ｉ施設）にて実施した。施設概要を表１に示す。Ｉ施設はガス化燃

炭酸化後の処理灰については環境省告示第13号試焼炉であり，通常発生した飛灰はキレート剤で不溶験（ 以 下， 環 告13号 試 験 ） に 基 づ い て pH，Pb，化処理されている。実証試験ではこの実機飛灰を炭Cr 6+ を分析し，最終処分場での埋立て基準を満たし酸化装置へ搬送し，CO2 および水，薬剤をミキサーていることを確認した。に投入し，炭酸化処理を行った。

1. 2

適応施設の検証

実証試験は２ステップに分けて実施した。Ｉ施設

ラボ試験は焼却炉形式，排ガス処理方式の異なるにおける飛灰炭酸化技術のフローを図１に示す。

６施設（Ｉ施設を含む）で実施した。小型ミキサー

STEP１では CO2 ガス（CO2 ：99.9 %）を用いて炭酸を各施設に持ち込み，サンプリングした飛灰につい化処理を行い，炭酸化条件の最適化の検討を行った。て小型ミキサー（＋ CO2 ガス）で炭酸化処理を行った。試験を行った施設一覧を表２に示す。炭酸化後

表１の処理灰については実証試験同様，環告13号試験に

施設概要

焼却炉処理能力138t/日（46t/ 日×3炉）

焼却炉形式

流動床式ガス化燃焼

排ガス処理方式

消石灰・活性炭供給，BF

焼却炉

ボイラー

減温塔

基づき pH，Pb，Cr 6+ を分析した。

2.

2. 1

試験結果
実証試験

実証試験では STEP１と STEP２で，それぞれ３ﾊﾞｸﾞﾌｨﾙﾀ

SCR
重金属処理薬剤

既設より飛灰の一部を実証試験設備へ

飛灰
サイロ

混練機

＜重金属処理灰>現状プロセス
実証試験

排ガス返送

水薬剤CO2ボンベ

バッチ式
混練機

排ガス
直接＜炭酸化処理灰＞

STEP２︓CO2源として排ガスを利用

STEP１︓CO2ボンベを使用して高速炭酸化試験を実施

図１（排ガス直接供給）

炭酸化フロー

14 神鋼環境ソリューション技報 Vol. 18 No. 1（2021／9）

種類の検証を行った。結果を以下に示す。

溶出濃度を基準値以下に抑制できることを確認し

１）CO2 添加量と重金属溶出抑制効果た。また図４に示す Cr 6+ 溶出濃度においても，Pb

飛灰に対する CO2 添加量を変化させ，CO2 吸収量の溶出同様，と基準値（1.5 mg/L）と同等の Cr 6+ 溶と重金属溶出抑制効果の相関を検証した。

出濃度（1.3 mg/L）を，炭酸化処理に0.2 mg/L 以下

２）薬剤添加効果まで抑制できることを確認した。なお図３，図４の無機系薬剤（以下，SK-1）を添加し，重金属溶試験においては水と CO2 ガスのみを用いており，薬出抑制効果を検証した。

剤は添加していない。

３）連続試験

２）薬剤添加効果（CO2 ガス）

同一条件で安定的に飛灰を処理できることを確認

STEP１における SK-1添加による Cr 6+ 溶出抑制効するため，１日の焼却炉運転に相当する飛灰の炭酸果を図５に示す。CO2 ガスによる炭酸化処理におい化処理を行った。て Cr 6+ 溶出濃度が低減されていることを確認した

STEP１（CO2 ガス）

2. 1. 1が，SK-1添加により，さらに Cr 6+ 溶出濃度が低減

１）CO2 添加量と重金属溶出抑制効果することを確認した。

飛灰炭酸化における最適条件の検討のため，まず３）連続試験（CO2 ガス）は飛灰に対する適切な水添加率の調査を行った。調

STEP１における連続試験結果を表３に示す。１査の結果，既存の混練機と同程度の15 wt%/ 飛灰が日の焼却炉運転に相当する飛灰量（９バッチ分）の

適 切 と 判 断 し， 以 降 の 試 験 で は 主 に 水 添 加 率15Pb，Cr 6+ は全て埋立て基準を満たしており，同条件wt%/ 飛灰で実施した。（図２）で安定的に処理されていることを確認した。また各

次に CO2 添加量と重金属溶出抑制効果について調バッチ試験で処理した灰を縮分後に混合し，水銀や査を行った。図３，図４は炭酸化処理時間（CO2 添

カドミウムなどその他重金属類，DXNs 類も分析し加量）と CO2 吸収量，重金属溶出濃度の関係を示したが全て環境基準値以下の値であった。ており，飛灰に対して CO2 添加量を変化させている。

2. 1. 2

図３は Pb 溶出濃度について示しており，原灰の pH

１）CO2 添加量と重金属溶出抑制効果は11.8と高く，Pb の溶出濃度も10.2 mg/L と基準値

STEP２（焼却排ガス）

水添加率15 wt%/ 飛灰で，炭酸化処理時間（焼却（0.3 mg/L）より高かったが，炭酸化処理により Pb10
炭酸化処理灰Pb [mg/L]

原灰埋立基準（0.3mg/L）

125%Water-2%CO2

0.1
15%W-2%C

0.01

9.5

1020%W-2%C
10%W-2%C

10.5

1111.51212.5

pH [-]

図２

水添加率と pH，Pb の溶出濃度の関係（STEP１）

図３

CO2 吸収量と pH，Pb の溶出濃度の関係（STEP１）

図４

CO2 吸収量と Cr 6+ 溶出濃度の関係（STEP１）

図５

SK-1添加量と Cr 6+ 溶出濃度（STEP１）

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表３

連続試験結果（STEP１）

排ガス添加量）を変化させ，炭酸化効果の確認を行った。STEP２における炭酸化処理時間と CO2 吸収量，重金属溶出濃度の関係を図６，図７に示す。
STEP１と同様，炭酸化処理前の飛灰の pH は11.9と高く，Pb の溶出濃度も3.49 mg/L と基準値（0.3 mg/L）より高かったが，炭酸化処理により Pb 溶出濃度を基準値以下に抑制できることを確認した（図６）。
また Cr 6+ 溶出濃度においても，炭酸化処理により基準値（1.5 mg/L）以下に抑制できることを確認した（図７）。なお，STEP１同様，図６，図７は水と既設焼却排ガスのみ用いており，薬剤は添加してい図６

CO2 吸収量と pH，Pb の溶出濃度の関係（STEP２）ない。
２）薬剤添加効果（焼却排ガス）
STEP２における SK-1添加による Cr 6+ 溶出抑制効
果を図８に示す。焼却排ガスによる炭酸化処理においても STEP１と同様の効果を確認することができた。これにより，炭酸化処理を行うことで従来のキレート剤添加は不要となり，かつ少量の SK-1添加（Ｉ施設では0.3 wt%/ 飛灰）で Cr 6+ 溶出基準値を満たすことが分かった。
３）連続試験（焼却排ガス）
STEP２における連続試験の結果を表４に示す。
STEP１と同じく，１日の焼却炉運転に相当する飛灰量（９バッチ分）の飛灰炭酸化処理を行ったとこ

図７

CO2 吸収量と Cr 6+ 溶出濃度の関係（STEP２）

ろ，STEP１と同様の効果を確認することができ，焼却排ガスによる炭酸化処理においても Pb，Cr 6+は全て基準値以下になることを確認した。
2. 2

ラボ試験

炉形式・灰組成が炭酸化に与える影響を明らかにするため，複数の施設でラボスケールの炭酸化試験を行った。小型ミキサーで水添加率を変化させ，炭酸化処理を行ったところ，Pb はいずれの施設でも基準値以下まで抑制できることを確認した。またＩ施設において，実証試験とラボ試験の結果を比較したところ，炭酸化処理を行うことで，同様の傾向で
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図８SK-1添加量と Cr 6+ 溶出濃度（STEP２）

表４連続試験結果（STEP２）

表５

CO2 削減効果（Ｉ施設）

が，薬品をほとんど使用しなくてよいことや，飛灰が CO2 を吸収することから，従来よりも CO2 発生量が減少し，飛灰処理単体では CO2 が削減できる試算となった。
なお，この CO2 削減量は，焼却ごみに含まれる廃プラ由来の発生 CO2 を100とした場合のおよそ2.0 %と計算される。

むすび

都市ごみ焼却施設から発生する飛灰の炭酸化処理

図９

ラボ試験各案件 Pb 溶出比較について実証試験を実施した。検証の結果，以下のことを確認した。

Pb 溶出抑制ができていることを確認した（図９）。
6+

一方，Cr については施設ごとで炭酸化前後の挙動
6+が異なり，Cr 溶出抑制に無機系薬剤（SK-1）の添加が必要な施設があることを確認した。
2. 3

CO2 削減効果

従来の混練機によるキレート処理と炭酸化処理

・CO2 ガス，焼却排ガスを用いて炭酸化試験を行い，飛灰が CO2 を吸収することを確認した。また，飛灰炭酸化では既存キレート処理に比べて CO2 排出量が削減可能である見込みを得た。
・飛灰炭酸化が飛灰からの Pb，Cr 6+ の溶出抑制に有効であることを確認した。

で，飛灰処理における CO2 発生量の比較を行った。

・飛灰炭酸化と無機系薬剤（SK-1）の併用により，（表５）従来のキレート処理では，キレートの薬剤炭酸化のみの場合よりさらに Cr 6+ 溶出抑制が可製造や混練機の動力で CO2 が発生していた。一方で能であることを確認した。本ケースでは従来のキ炭酸化処理はミキサーの動力で CO2 が発生している

レート剤添加は不要であり，かつ SK-1添加量は
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少量（Ｉ施設では0.3 wt%/ 飛灰）で Cr 6+ の埋立て基準を満たすことがわかった。
・ラボ試験を実施した６施設では，いずれの施設においても炭酸化処理により Pb を埋立て基準値以下まで抑制できることを確認した。一方，Cr 6+ については施設ごとで炭酸化前後の挙動が異なり，Cr 6+ 溶出抑制に SK-1の添加が必要な施設があることを確認した。
今後は都市ごみ以外の分野に本技術を展開させる予定で，木質バイオマス灰や製鋼スラグについても炭酸化技術の適用を検討している。
［参考文献］
１）本幡照文，李政準，張瑞娜，崎田省吾 , 島岡隆行：焼却灰有効利用のための炭酸化による重金属の不溶化に関する基礎的研究，環境工学研究論文集，Vol.41, p459467（2004）18 神鋼環境ソリューション技報 Vol. 18 No. 1（2021／9）