セラミックス基盤工学研究センター年報 (2010). Vol. 10, 29-38

半澤

総説

茂

循環型社会の低環境負荷型セラミックス製造プロセス
半澤茂

名古屋工業大学セラミックス基盤工学研究センター客員教授〒 507-0071 岐阜県多治見市旭ヶ丘 10-6-29

Low Environmental Load Type Ceramics Manufacturing Process in a
Recycling Society
Shigeru Hanzawa1&2
1. Guest Professor of Ceramics Research Laboratory, Nagoya Institute of Technology, Tajimi, JAPAN2. NGK Insulators, Ltd, Mizuho, Nagoya, Aichi, JAPANE-mail : hanzawa@ngk.co.jp
To prevent the increase of materials having a global environmental impact, many rules and regulations have been enacted. The
ceramics manufacturing process requires a reduced environmental impact. Herein is discussed a target volume for environmentalload of the ceramics manufacturing, taking into account energy efficiency of animals and plants and recent concentration changeof environmental load materials of the earth. Also discussed is background of the ceramics manufacturing process(temperature/treatment time/ atmosphere gas/apparatus in drying/de-waxing/sintering process).

クス製造プロセスの “ あるべき姿 ” を検討することを本

１．はじめに循環型社会の構築に向けた地球・国・地域レベルでの報告の目的とする。

議論が活発化している。地球温暖化の防止 ( 京都議定書の発効 )、オゾン層保護、酸性雨／黄砂対策、水／食料

２．地球環境の現状

不足対策、海洋汚染防止 ( ロンドン条約 )、廃棄物削減

２．
１．環境資源の量の対策、資源の有効活用、土壌汚染の対策、森林の保全、

環境年表 1) のデータに基づき、地球の海・陸 ( 森林と景観の保全、生物多様性の保全、有害廃棄物越境移動のそれ以外 ) の面積、水の存在場所、大気圧 ( 海抜 4500m

規制 ( バーゼル条約）、砂漠化への対処等の様々なルー迄 ) を、図１に整理した。この図からは、全水 13840

ル具体化は、急速な環境変化に起因する地域・国・地球

億 km3 中の淡水湖水 ( 飲水 ) は僅か 0.007% に留まり、社会への環境衝撃が背景にあるためと言える。一方で、

陸地 1.49 億 km2 中で CO2 の O2 化 ( 浄化 ) に寄与する

循環型社会の拡大／構築に資する製品や、低環境負荷な

森林面積は 23.2% に留まり、海抜 4500m までの大気量プロセスで製品を製造する技術が着目されている。セラは 18.4 億 km3 であること等、何れも膨大な量だが上限

ミックス分野での例を挙げれば、排気ガス浄化の触媒を持つ、境界のない共通資源であることが理解できる。

/ 担体 / センサ等や水質 / 土壌浄化のゼオライト / セラ

これらの資源維持のエネルギー源は太陽光である。

ミックスフィルター等の多孔材が環境浄化製品として挙気 象 の 事 典 2) に よ る と、 球 形 で 昼 夜 の あ る 地 球 に はげられる。また、その製造プロセスに特有な乾燥 / 脱脂

以上を鑑み、地球・国レベルでの環境物質の濃度変化

342W/m2 の放射熱が届き、その一部は反射熱 (77+30W/m2) となり、残りが地球への入力エネルギーの吸収熱(168+67W/m2) となる。この吸収熱は、地表近傍で循環利用された後、長波の放射熱 (40+195W/m2) となって放出される。また地表の平均温度は大気 - 地表 - 雲 - 温室効果ガス間での熱移動の結果、+14℃でバランスを取やその増加量の実態を把握しつつ環境調和を維持してきる。ここで温室効果ガスが無い時には地表平均温度はた “ 自然の姿 ” から調和の考え方を学び、その上でセラ-19 ℃になるが、温室効果ガスの H2O が +21 ℃、O3 が+2℃、CO2 が +7℃地表の温度を押し上げて +14℃が保たれる（図２）。このように CO2 濃度は地表温度への影/ 焼成炉などの加熱装置運用に起因して発生する CO2・
NOx・VOC を低減し、更には、これら加熱装置の排熱をカスケード利用してエネルギー効率を高める低環境負荷プロセス技術の重要度が増している。

ミックス製造に特有の熱設備起因の環境負荷物質低減に繋がる技術を考察することで、低環境負荷型のセラミッ― 29 ―

循環型社会の低環境負荷型セラミックス製造プロセス
䌫䌩䌡䌴䌵

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1000
1000
ᄢ800800
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200 200
0

響が比較的大きいことから、CO2 濃ᶏᛮ4.5kmㄥ䈱ⓨ᳇
5.1ంkm2䌸4.5km䌸(ѳ800hPa)=18.4ంN(䍧䍷䍭䍷䋩km3

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1
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2
2000

1500

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3
3000

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4
4000

図１

ᣣᧄ:37ਁ7944km2
㒽࿾䈱0.26%ో૕䈱0.07%

20
0
13840

地球の水・陸・気圏の大きさ

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40䌗/䌭2ᄢ᳇ๆ෼ᾲ
67䌗/䌭2࿾⴫ๆ෼ᾲ
168䌗/䌭2

速度のバランスで決まるが、直近のో᳓䈱
0.007%

CO2 平均濃度は、産業革命以前の平均 値 280ppm に 比 べ、2008 年 に は385.2ppm に、2009 年 は 386.8ppm3)に達し、この 200 年の間では CO2 固
定の量 / 速度を排出の量 / 速度が上回
り、CO2 は約 38 ％増加した。大気中
CO2 を 体 積 / 重 量 に 換 算 す れ ば、 大
気 18.4 億 Nkm3 ( 海 抜 4500m 迄 ) 中の 濃 度 380ppm の CO2 量 は、 体 積≒ 7x1014Nm3 で 重 量 ≒ 1.26 兆 ㌧ であり、この内の 38% が産業革命以降の 200 年 で 増 加 さ せ た CO2 と 言 え、そ の 量 の 膨 大 さ が 解 る。 な お 2100
年 時 点 の CO2 濃 度 に 関 し、 地 球 のCO2 吸収能力が現在と変化しない場
合には 540~970ppm に増加し、そのᄢ᳇䈪䈱਄ᣇๆ෼䊶᡼಴
195䌗/䌭2᷷ቶലᨐ䉧䉴
䈫㔕䈱ๆ෼ᾲ
24+78䌗/䌭2ᄢ᳇䈱᡼኿ᾲ
324䌗/䌭2+2͠_ O3

ᾲ㊂ᢙሼ䋨W/䌭2䋩䈲

の WMO (World MeteorologicalOrganization) の 予 測 2) も あ り、 温 暖World Meteorological Organization᳇୥䈱੐ౖ䉋䉍ᒁ↪

化ガス排出削減と浄化への不断の取組+21͠_H2O

䃩࿾⴫䈱ᐔဋ᷷ᐲ 䋫䋱䋴͠䃩᷷ቶലᨐ䉧䉴䈏䈭䈇႐ว䇮࿾⴫䈱ᐔဋ᷷ᐲ 䋭䋱䋹͠みは必須である。ここで R.A.Berner

地表近傍でのエネルギー収支 2䊜䉺䊮䊊䉟䊄䊧䊷䊄ᄢ፣უ᷷ᥦൻ䋨CH䋴䈲CO2䈱24୚䋩Јᶏ᳓㉄⚛ᰳਲЈశวᚑᷫЈ↢‛95䋦ᱫṌЈ⍹ᴤൻCO2ѳ98䋦ᄢ᳇ਛ䉧䉴Ớᐲ䈀%䈁

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30

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O2Ớᐲ

20

10

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ູ੃㘃ဳ䈲⯻㘃⺀↢࿾⃿⺀↢↢ᱫ䋺3%CO2
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䈀ᐕ೨䈁

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䋨R.A.Berner䉌䋩శวᚑ↢‛⺀↢ら 4) と西澤ら 5) の著書を基に、地球のCO2 蓄積の歴史を整理した（図３）。
46 億年前：地球誕生時の大気は『98%が CO2』 で あ っ た。 そ の 後 350 ℃/150atm 下の熱水反応で水が生成
36 億年前：嫌気性微生物が誕生
30 億年前：光合成生物が誕生
20 億年前：ﾗﾝ藻類が誕生 (O2 は海洋中で飽和後、大気へ )。成層圏に O3層が形成され植物が陸上へ進出

2 億 5000 万年前：哺乳類型は虫類が誕生
その後、ﾒﾀﾝﾊｲﾄﾞﾚｰﾄﾞ ( 温暖化係数：

ᄢ᳇ਛCO2䋨385ppm䋩 1ళ䋉䋫↢૕䋯ᨗᱫ૕ 䈪 2ళ䋉ᶏਛCO2 35ళ䋉

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図３吸収能力に不確実性を加味した場合に は 490~1260ppm に 増 加 す る、 と࿾⴫䈱᡼኿ᾲ
390䌗/䌭2

࿾⴫

人 為 的 な 排 出 の 量 ／ 速 度 と、 陸 上／海洋の動植物による固定の量／4䌾ȝ䌭

+7͠_ CO2࿾⴫෻኿ᾲ
30䌗/䌭2

大 気 中 の CO2 濃 度 は、 自 然 な ／

㘶᳓
1ంkm3

ᄖ䈻಴䉎᡼኿ᾲ
235䌗/䌭2
䋨䋽168+67䋩

342䌗/䌭2㔕䊶䍏䍒䍹䍝䍼䍷
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77䌗/䌭2᳖ᴡ

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ᴡᎹ0.02↢‛0.01
ంkm3

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2.8
ం km3

1)

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ᄥ㓁᡼኿ᾲ

図２

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䈱 60 ᶏ
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ၞ㒽䋺1ం4889ਁkm2

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ᶏ䋺3ం6106ਁkm2✚᫪ᨋ3454ਁkm2

懸念されている。
２．２．大気中の CO2 濃度

4500

km

100
䋦

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度の急速な変化が気候に及ぼす影響が炭酸ガス蓄積の歴史

4),5)

CH4=24xCO2) が崩壊し大気解放 (3 兆
㌧ ) され、高温化で海は 1000 年間酸欠状態となり、95％の生物死滅で化石燃料の基が形成された。更に、6500
万年前の隕石落下の砂塵で光合成が困― 30 ―

半澤

難化し恐竜絶滅に至ったが、この間にOECD⻉࿖
2005ᐕ

は CO2 濃度が約 10％に達し、その後、人類が誕生する時期には CO2 濃度が茂

SOx:30.0M(䍰䍔䍼)䋉
1
2
7~30

NOx:37.6M(䍰䍔䍼)䋉
1 2
7~30

数百 ppm にまで低下した。

3䍏䍰䍶䍔
6

CO2 の歴史には、植物が太陽光でCO2 を O2 化し、動物が O2 と植物を

564ᣣᧄ5.1%

VOC:13.1M(䍰䍔䍼)䋉
1 2

CO:138.7M(䍰䍔䍼)䋉
1 2
7~30

餌に共存・盛衰してきた生態バランス
が背景に有り、循環型社会の工業プロ
セスが学ぶべき姿が有る。なお、動植

7~30

64ᣣᧄ2.1%物のエネルギーバランスは概略以下で

3䍏䍰䍶䍔
6 5
4ᣣᧄ5.5%3䍏䍰䍶䍔

表され、動物活動のエネルギー利用効3䍏䍰䍶䍔54ᣣᧄ2.5%率は 42%=31kJ/(2800kJ/38) となる。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30

EANET2006ᐕ㉄ᕈ㔎㉄ᕈ㔎

□植物：6CO2+12H2O→ C6H12O6+6O2+6H2O - 2800kJ□動物：（1/38）
・C6H12O6→ ATP+ Pi( ﾘﾝ酸 ) - 31kJ
→ ADP
+ H2O

pH

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䍱䍻䍘䍼䍷 䍪䍆䍶䍩䍽䍻

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EANET(᧲䉝䉳䉝㉄ᕈ㔎䊝䊆䉺䊥䊮䉫䊈䉾䊃䊪䊷䉪䋩

図４

環境物質排出量 (2005 年 ) 1) と酸性雨 (2006 年 ) 1)

また、日本国内の大気中環境物質の濃度推移 1) ( 図５)２．３．大気中の NOx, SOx, CO, VOC 濃度

CO2 以外の環境負荷物質には、NOx, SOx, CO, VOC（非メタン揮発性有機炭素）等が挙げられる。OECD 諸国でのこれら物質の年間総排出量 (2005 年 ) 1) と雨の酸性度 (2006 年 ) 1) を図４に示す。OECD 諸国での NOx：
SOx：CO：VOC の排出量は夫々 37.6：30.0：138.7：
13.1 M( ﾒ ｶ ﾞ ) ㌧ と 累 計 さ れ、 何 れ も 米 国 が 高 比 率 で50 ％前後を占めるが、日本に於いては NOx：VOC の排出量が 5.1％：5.5％を占め、
SOx：CO の排出量が 2.5%：
2.1% を占め、NOx と VOC の排出量が大きいことが解る。これら酸性ガスの影響を受ける降雨の pH 調査結果
(EANET: 東ｱｼﾞｱ酸性雨ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞﾈｯﾄﾜｰｸ ) を併記したが、日本の降雨は酸性 (pH4 〜 5) が強い状況にあることが変化に人類活動の要素が加わり、環境変化の速度が加速解る。

している。それを放置すれば、白熊の生態系のみならず

1970
111970

䇼ppm䇽

1980
1975

1980

1990

規制値 ) に対し、1970 年代から現在まで遵守されてはいるが、その濃度低減は僅かな量に留まっている。その結果の反映が降雨酸性度 ( 図 4) であることを考えれば、循環型社会への取組みが不十分だった時代の法令規制値遵守のみでは不足があることは明らかと言える。
２．
４．循環型社会での工業（自然に学ぶあるべき姿）
環境変化の防止や復旧に向け、環境負荷低減や環境浄化に取組むグリーンケミストリーが注目されている（図６）。環境 ( 四季サイクル〜自然災害を含む ) の自然な

人類の生存が脅かされると感じるの

᷹ቯᐕ
2000
2010

1990
1985

から、NO2 と SO2 の濃度規制 0.040ppm 未満 ( 日本の

1995

2000

2005

2010

は、環境物質の濃度の変動幅が大きい㪪㪦㪉㩿৻⥸

䋪䋺VOC䋨⥄ឃዪ䋩+䋺VOC䋨৻⥸ዪ䋩㪪㪦㪉㩿⥄ឃ

ことへの素直な感覚と言えよう。こうした環境変動の中、生活向上の製品を創る産業を維持 / 拡大させる為には、
CO
2 や NOx 等の環境負荷物資の排出㪥㪦㪉䋨৻䂓䋺NO 䋨⥄ឃዪ䋩

0.1
0.1

䂔䋺NO2䋨⥄ឃዪ䋩NO2䇮SO2ⷙ೙䋼0.040ppm

䋫䂓䋺NO2䋨৻⥸ዪ䋩㪥㪦䋨৻⥸量を低減し、
同時に環境浄化を行なう、

環境変化の防止と復旧の科学『グリー㪥㪦㪉䋨⥄ ンケミストリー』が重要になる。
䂾䋺SO 䋨⥄ឃዪ䋩䌘 䋺NO 䋨৻⥸ዪ䋩
䂓

0.01
0.01

2

䊔䊮䉷䊮
ⷙ೙䋼0.003ppm

䋺SO2䋨৻⥸ዪ䋩㪥㪦䋨⥄ឃ グリーンケミストリーでは、①自然の法則 ( 熱力学第一／第二／第三法䂦䋺䍚䍼䍖䍹䍷䍰䍞䍻
䃂

0.001
0.001

䋺䍫䍼䍻䍜䍼䍻㕖䊜䉺䊮 則 ) に基づく高効率設計で、②エネル
ዪ䋩䂺䋺䍢䍷䍖䍹䍷䍒䍟䍸䍻㕖䊜䉺䊮 ギーを化石燃料から太陽光・電力・水䂹䋺䍡䍢䍵䍖䍹䍷䍒䍟䍸䍻䂥ዪ䋩

0.00010.0001
図５

日本国内の大気中環境物質の濃度推移

1)素等に変換しつつ、③省エネと創エ
ネ ( 熱カスケード _ 含 ) を推進し、同― 31 ―

循環型社会の低環境負荷型セラミックス製造プロセス

350 万㌧ / 年 6) に達しており、成形性改善に用いる有機バインダー除去 ( 脱脂 ) 時には VOC が発生し、ガス燃焼に伴い酸素 - 窒素が反応したサーマル
NOx が発生する加熱操作がセラミッᄢĹ_ ਄㒢䋨ੱ㘃䈏↢ሽ䈪䈐䉎䋿䋩

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クス製造の実体になっている。これにᶖṌⅣႺ䊶⛘Ṍ⒳䈲
ᚯ䉌䈭䈇䈏䊶䊶䊶䊶䊶

対し、生産性と経済性が確保できる範
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ἠṴ䊶਄ਅ᳓䈱ᢛ஻䂾ᵺൻ

囲で設備改造を施し、入出力を小さくした効率的生産が必要となる。

䍖䍼䍶䍎䍻 䍗䍮䍛䍢䍶䍎ⅣႺᵺൻ䈱⑼ቇᛛⴚ

Ĺ_ 䊤䉟䊮䋨ᢥ᣿䈻䈱ᖡᓇ㗀䋩

以下、乾燥・脱脂・焼成の各プロセス

ᣣᾖਇ⿷䊶ᐓ䈳䈧䋨㘫㙰䊶᳓ਇ⿷䋩䊶Ꮒᄢ䍨䍶䍗䍎䍻䊶䊶䊶䊶_㓓⍹䉇ἫጊྃἫ䈭䈬䈮䉋䉎᳇୥ᄌേ

ᢙ⊖ᐕ೨
図６

を深堀しつつ、各機器の操作に於ける዁᧪⃻ઍ

環境負荷を低減するプロセス設計技術

グリーンケミストリーの構図について考察する。
３．
１．乾燥プロセス

時に、④物質を環境に戻す時は、使用前の状態にすること、が重要と考える。即ち、①工業製品製造時の CO2/３．
１．１．乾燥操作の基本

NOx/VOC 等のガスや排熱の使用量と排出量は同等であ

成形体は水分移動で乾燥収縮する。カオリン ( 粘土 )り ( ≒エネルギー保存の第一法則 )、それが大気に流出の含水率と乾燥速度の関係 7） と表層近傍の模式を図７すれば世界に広がり元に戻す労力は膨大となり ( ≒エンに示す。図７の AB（恒率乾燥域）では、成形体はほぼ

トロピー増大の第二法則 )、製造を停止すれば排出物は直線的に脱水し収縮するが、B（限界含水率）後の BC減るが生活向上や産業拡大には繋がらない ( ≒絶対零度に近づくとエントロピーが零に近づく第三法則 ) ことを/CO（減率乾燥域）では収縮は起きない。併記した A・
B・C 点でのセラミックス粒子と水分の様子からも解る

考え方の軸とし、②工業プロセス設備のエネルギー源がが、急激にセラミックス成形体を乾かすと、①まず外表

化石燃料の場合は、なるべく自然エネルギー変換し、③が乾燥し収縮するが、②内部は元のままであり、③表面

工業プロセス設備のエネルギー使用量の最小化と余熱にに歪みや亀裂が発生し易く成る。これは、急激な乾燥操

対する徹底的なカスケード利用で環境負荷を極小化さ作で緻密な外殻が生じると、その後は内部からの水蒸気せ、同時に④環境浄化技術を付与させた設計が、循環型拡散を著しく阻害して乾燥速度が大幅に低下することに社会の工業プロセスの “ あるべき姿 ” を創る十分条件と

よる。

考える。

即ち、乾燥操作では、内外部から均一に水分を移動さま た、 植 物 光 合 成 の 如 く 太 陽 光 で CO2 や VOC やせることが望ましく、そのためには水分が内部拡散する

NOx を分解する触媒技術を構築する事、食物連鎖の如

速度と表面蒸発する速度のバランス調整が必要である。

く設備操作時のエネルギーカスケード利用技術を構築する事、動物活動の効率 42 ％を超える

ੇ῎ㅦᐲ

高効率な設備技術を構築する事、などを総合し0.4

Bkg/hr䊶m2

た、循環型社会の工業プロセスの “ あるべき姿 ”
を創ることが必要条件となると考える。

0.3

A

C

AB䋺ᕡ₸ੇ῎Bὐ䋺㒢⇇฽᳓₸BC䋺ᷫ₸ੇ῎╙৻ᲑCO䋺ᷫ₸ੇ῎╙ੑᲑ

0.2

0.1

３．低環境負荷型のセラミックス製造プロセス

O

工業プロセス設計では、生産性と経済性の確0.0

保を前提にする低環境負荷型のプロセス技術の

0

5

10

15

20

25

30

⥄↱฽᳓₸䋨䋦䋩

重要度が増し、高効率 ( 歩留・品質・性能・精度・原価 ) 操作を、小さな入出力 ( 小資源・低エネルギー・低廃棄物・短時間・省労力 ) で稼動させる設計技術が着目されている。
こうした低環境負荷型のプロセス設計の考え方は、『産業革命以前から現代まで』環境負荷が大きな高温炉を前提としてきたセラミックA෼❗ᄢ

ス製造でも適用すべきである。日本国内のセラミックス業界の CO2 排出量は 2008 年には

図７ 乾燥の機構 7）― 32 ―

B෼❗ѳ䍜䍼䍹

C半澤茂

一般には、成形体サイズや水分量に応じて雰
囲気ガスの温度 / 湿度 / 風速 / 風量条件を制御して乾燥するが、その時間は 100Hr を越える場合もある。図８に、押出成形ブロッ᷷ᐲ

ク乾燥時の雰囲気温度 / 湿度の例を示すが、Ḩᐲ

50℃程度で 24Hr 保持して成形体の表面から内部までの水分量をゆっくりと限界含水域に近づかせ、その後 24Hr をかけて 100℃に昇温させて、表面と内部の水分量の乖離を小さくすることで、クラックや歪の無い乾燥体が
図８ 押出成形ブロックの 48Hr 乾燥カーブ 8),9)

得られている。このような乾燥は一般的ではあるが、熱を与え続ける乾燥炉を長時間使用することから、製品１個当りのエネルギー利用効率が低参照 )、成形体表面と内部とでの熱と物質を移動させる

く、設備利用効率 ( 時間効率 ) も低く、環境負荷が大き媒体の観点から、低粘度の水蒸気が流動性 ( 毛細管内のな操作になっている。

水分移動 ) に優れていると言える（式１）
ずり速度ﾃﾝｿﾙ e=(1/ μ )・τ・g

３．１．２．低環境負荷型の乾燥プロセス

式１

ここで、τ = 応力，μ = 粘度，ｇ = 重力加速度

温度と湿度を相当に高め、成形体の内部水分拡散速度を確保し、同時に表面蒸発のみを緩やかにし、短時間・
省エネルギーで乾燥する技術について概説する。まず、また、水蒸気は高体積比熱で熱運搬媒体としても優れた

乾燥空気と水蒸気の粘度等の物性を表 1 に示す。

媒体である。この乾燥空気と水蒸気の物性値の違いを利これらデータから、乾燥装置の循環ファン動力の観点用し、エネルギー利用効率を高めて短時間乾燥を行なう

では低密度／低粘度の水蒸気が乾燥雰囲気として優位と技術に Airless-dry 法 8),9) が挙げられる。これは 1960 年

言える。また、セラミックスの粒子間を通じ ( 図７_C

代に英国で開発された技術で、衣類乾燥がベースとなった高温蒸気循環型の乾燥システムである。
図９に装置概要を示すが、装置全体は外気⴫䋱䋺ੇ῎ⓨ᳇䈫᳓⫳᳇䈱ኒᐲ/Ყᾲ/☼ᐲ

と遮断され、水分を含む成形体が収納されኒᐲ䋨䋳䋰㷄䋩

Ყᾲ䋨㪈㪇㪇㷄䋩

☼ᐲ䋨䋲䋵㷄䋩

☼ᐲ䋨䋵䋰㷄䋩

☼ᐲ䋨䋱䋰䋰㷄䋩

ੇ῎ⓨ᳇

1.165

1012

1837

1955

2180

᳓⫳᳇

0.724

2061

975

1065

1250

kg/m

3

J/(kg䊶K䋩

10-8

䌎sec/mたチャンバーが空気を含まない 100℃の水蒸気で常時満たされるように水蒸気循環と凝縮水の回収が行なわれる構成になっている。この Airless-Dry 法で押出成形ブロッ
クを乾燥 ( 参：図８では 48Hr) する時の乾2燥時間は 15Hr 程度に短縮され、成形体中の水分 (1lb=0.454kg) 除去の必要熱（参：᳓ឃ಴

図 ８ で は 2090kJ） は 1650kJ に 抑 え れ るᓴⅣ䍪䍅䍻と報告されている。即ち、消費エネルギーで▲ 21％の削減と、処理時間で▲ 69% の削減に繋がる低環境負荷な乾燥プロセスとᾲ੤឵言える。当然ながら、蒸気源を炉排熱利用
⫳᳇
࿶❗

ᾲ੤឵
ੇ῎ቶ

ボイラーで確保する等の『熱カスケード利用』を行えば、プロセス全体のエネルギー
効率は更に向上する。
また、熱源をμ波 ( 電力 ) に変えると、

䍨䍼䍎䍣

更に乾燥時間を短縮するプロセスが構築できる。
μ波加熱の発熱量は式２で算出され、μ波発信機が決まれば被加熱体を構成する

ᓴⅣ䍪䍅䍻ෳ⠨䋺 Stubbing TJ, Ford RW. B Ceram. Trans J. 91.No3,1992 p100-102

図９Airless-Dry 装置の概要 8),9)― 33 ―

物質のε tan δ値に応じた局部（内部）加熱が可能になる。

循環型社会の低環境負荷型セラミックス製造プロセスの種類と量、更には成形体の形状や密度に応じた温度・

1
Q= 2 İ0İ¶WDQįȦE2Vsᑼ䋲

時間・雰囲気下で、熱分解とガス化（酸化発熱を伴う）により成形体から除去するが、その条件は複雑で、操作Q:䍭䍐䍖䍹ᵄടᾲ䈮䉋䉎⊒ᾲ㊂:⌀ⓨ䈱⺃㔚₸İ0İ¶WDQį⹜ᢱ䈱⺃㔚៊ᄬİ¶ Ყ⺃㔚₸䇮WDQį ⺃㔚ᱜធȦⷺ๟ᵄᢙ
E
:㔚⇇ᒝᐲ
Vs
:⹜ᢱ૕Ⓧ

時間を要し、発生 VOC 除去のエネルギーが大きいなど、考慮すべき点が多い。低環境負荷な脱脂プロセス検討には、こうした背景を認識した上での取組が必要である。
３．
２．
２

脱脂時の現象水、セラミックス、バインダーのε tan δ値を表２に示

有機バインダーを含むセラミックス成形体を脱脂する

す。セラミックスやバインダーのε tan δ値に対し、水と、熱膨張と溶融バインダーによる毛細管引力での収縮のそれは 10 〜数千倍大きく、μ波照射で水が選択的にが生じ（図 10、図 11）、同時に、バインダー軟化に伴加熱され、その蒸発潜熱で 100℃を越えない状態の水蒸い強度が低下する。
（図 12）

気として、セラミックス粒子間を通じ ( 図７_C 参照 )また、脱脂雰囲気の酸素濃度に応じて、バインダーの

効率よく水分移動が行なえる乾燥に繋がる。現在のμ熱分解ガスが酸化発熱し、雰囲気温度よりも成形 / 脱脂波技術では、μ波発信機の “ 電力⇒μ波 ” の変換効率が体の温度が高温化し、所望の脱脂体が得られ難くなるこ

50％程度で技術改善が望まれるも、クリーンエネルギー( 非化石燃料電力 ) が使用できることから、低環境負荷

とも稀ではない。（図 13）

型乾燥プロセスに繋がる要素技術として重要である。

ダー種と量に応じ、常温〜数百度の間に複雑な挙動を示

図 10 〜 13 に示した如く、脱脂操作では有機バインすことから、その操作時間が数日間に及ぶケースもある。また、この間はバインダーが熱分解した成分(VOC) が発生し、VOC は脱臭炉等で無害化する⴫2 䉶䊤䊚䉾䉪䉴☳ᧃ䇮䍨䍼䍐䍻䍞䍼䍎䇮᳓䈱 İ¶䈫 WDQį䋨ቶ᷷䋩
㌏ᨩ╬ᐔဋᓘ䋨㱘㫄䋩

㱑’㫋㪸㫅㱐

0.013771 0.039027
0.002687 0.007005

䉝䊦䊚䊅ᤘ๺㔚Ꮏ䋨AL-45H)
ᤘ๺㔚Ꮏ䋨AL-42-1䋩

3
5.3

2.834
2.607

SiC

ESK GmbH(100F)ESK GmbH䋨80F)
ESK GmbH䋨䋤12-20䋩

10
125
850

5.702
6.61
8.212

䉳䊦䉮䊆䉝

᧲䉸䊷䋨TZ-0)
᧲䉸䊷䋨TZ-3Y)

᧲䉸䊷䋨TZ-3Y20A)
᦭ᯏ䍨䍼䍐䍻䍞䍼䍎 PVA(㊀วᐲ500䋩
᳓

操作が必須となる。

㱑’㫋㪸㫅㱐

0.17
0.24
0.36

VOC を 脱 臭 炉 に 導 入 し て 処 理 す る に は、
VOC を 大 量 の 空 気 で 希 釈 し て、LEL(Lower
Explosion Level) 以下の濃度にする必要がある。
例 え ば VOC 化 し た 1kg の ア セ ト ア ル デ ヒ ド
CH3CHO(LEL=4vol％ ) を空気希釈で 25％ LEL(4vol% x 25%) の臭気空気にすると、その量は≒ 56Nm3 になる。これをアフターバーナ脱臭
炉の燃焼空気とすると LNG(m 値 =1) が 5.6Nm3(CO2 が 13kg 生成 ) 必要となる。

0.96934
1.58642.95632

2.914
2.98

0.007215 0.021025
0.006168 0.018381

2.741
2.2197570䌾800.015051 0.041255
0.037899 0.084126
0.1䌾0.2
7䌾16

３．２．脱脂プロセス

以上のことから、脱脂操作は常温から数百度の雰囲気

３．
２．１．脱脂操作の基本

を長時間制御する脱脂炉のエネルギーを必要とし、加えセラミックス粉末の成形には、可塑性や保形性を確保て発生する VOC 処理に VOC 量の十倍以上の CO2 が発するための天然鉱物 ( 粘土 ) が用いられ、更に強度や精生してしまう脱臭炉が必要な、環境負荷が大きなプロセ

度の向上を目的に、有機バインダーや無機バインダー

スと言える。

( 人工粘土 ) が用いられる。特に有機バインダーは、そ
３．２．３．低環境負荷型の脱脂プロセス䊋䉟䊮䉻䊷エൻ෼❗䋨Ძ▤ജ䋩

脱脂操作の時間短縮に関しては、その処理䋨ᾲ䋩⤘ᒛ

時間と温度を最適化する技術 10) や、雰囲気
酸素濃度を下げ内部発熱と過度な膨張 / 収縮を抑制する技術 11) 等の提案があるが、有機バインダー種や量に応じた変化が大きいた
め、時間短縮に関する議論は割愛し、大量の

ੇ῎૕
図 10

⣕⢽ਛ

⣕⢽ᓟ䊶䊶䊶὾⚿䈻

脱脂時の膨張／収縮― 34 ―

VOC を効率的に処理する蓄熱熱交換型脱臭装置 13) を紹介する（図 14）
炉は、VOC ガスを含む空気を 800 ℃程度に加熱する空間に３つの熱交換体（A・B・C）
が接続されている。運転中のある状態 (STEP半澤䍨䍼䍐䍻䍞䍼䍎䈱エൻၞ０ ) では、蓄熱体 A ＞ C ＞ B の順に温ᾲಽ⸃䌾⫳ᢔၞ

度が高い。次の状態 (STEP1) では、蓄

100
100

ᱷሽ㊀㊂

䋦
98
98

⎕ 4
ᢿ
ᤨ
䈱 3
ᄌ
૏
䊶 2

⎕ᢿᒝᐲ

B に熱を与えながら低温空気となって系

94
94

90
90

⎕ᢿᤨ䈱ᄌ૏䋨ᦛ䈏䉍䋩

0

0

100

200

᷷ᐲ

͠

300

換され高温化し脱臭炉に流込し燃焼浄化される。浄化された高温空気は、蓄熱体＞ C の順に高温度となり、VOC の流入系と排出系の弁を切替えて、次の状態(STEP ２) に移行する。同様な動きを経た結果、蓄熱体 C ＞ B ＞ A の順に高温度となり、VOC の流入系と排出系の弁を切替えて、次の状態 (STEP ３) に移行する。再度同様な動きを経た結果、蓄熱体 A ＞ C ＞ B の順に高温度（＝ STEP ０）

図 11 脱脂体の強度変化と重量変化

䍨䍼䍐䍻䍞䍼䍎エൻ

む空気が流入し、蓄熱体 A・C で熱交外に放出される。結果、蓄熱体 B ＞ A

92
92

⎕
ᢿ
ᒝ 1
ᐲ

熱体 A・C に向かって低温の VOC を含

ᱷ
ሽ
96 ㊀
96
㊂
㊀㊂ᱷሽ₸ 䋦

[ 䋭]

5

茂

となり、VOC の流入系と排出系の弁を切替えて、次の状態 (STEP １ ) に移行ᾲಽ⸃䌾⫳ᢔ

する循環を繰返す。このような蓄熱式の

䋦
+0.3
ኸ
ᴺ +0.2
ᄌ
+0.1
ൻ
0.0
-0.1

熱交換体を利用する脱臭炉での CO2 発

ᚑᒻ૕A
⤘
ᒛ

フターバーナ ) 型脱臭炉に対し、1 ／ 10程度に低減できる。なお、蓄熱部が円筒状で回転する構造や触媒担持の形式等も

෼
❗

-0.2

生量は、VOC の処理に VOC 量の十倍以上の CO2 を発生させていた従来 ( アᚑᒻ૕B

あるが、何れも低環境負荷型の脱脂プロ
セス技術と言える。

-0.3
３．
３．焼成プロセス

0

100

200

300

400
᷷ᐲ

ᾲ⤘ᒛၞ

෼❗ၞ

500

原料調合 - 成形 - 乾燥 - 焼成からなる

͠

ᾲ⤘ᒛၞ

３．
３．
１．焼成操作の基本

὾⚿䈻

セラミックス製造プロセス全体の中で、焼成起因の環境物質 CO2 排出の比率は

10),11),12)
図 12 脱脂時の寸法変化（膨張−収縮）

図 1310),11),12)
PVA の TG/DTA（酸素濃度依存性）― 35 ―

循環型社会の低環境負荷型セラミックス製造プロセス

STEP-0大きく、例えば、碍子製造では全工程

STEP-1䍨䍼䍎䍣

エネルギーの 64.3 ％を焼成で発生 14)

䍨䍼䍎䍣

ᾲ੤឵

ᾲ੤឵

ᾲ੤឵

A

B

C

A

B

C

と解析されている。同時に、製品精度 / 性能の向上を目的に、原料が天然系から合成系に変化した結果、その焼成温度が高まり ( 図 14)、より多くの

STEP-2CO2 が排出される状況にある。
焼成炉でのエネルギー収支の例を図A䋺ᾲ㘑ᵹ䈱ᣇะ

BC䋺಄㘑ᵹ䈱ᣇะ

16 に示す。入熱を 100 とした場合に、製品加熱に用いる熱は 25 ％程度に留まり、大半の熱を廃棄しているのがセ

STEP-3

ラミックス焼成の実態である。焼成プ
ロセスの効率改善の要素技術として、
A

B

C

入力側 CO2 低減に繋がる『燃料転換、
伝熱効率改善 6),15)』等が挙げられ、出力側 CO2 低減に繋がる『棚組台車の図 14 三塔式蓄熱脱臭装置

低熱容量化 6）、壁面断熱強化 6)、リジェ

13)

ネバーナ化 16)、
排熱回収 ( ボイラー )17)』
等が挙げられる。

䇶ᄤὼේᢱ♽䇷

なお、本報告では CO2 低減効果が䇶วᚑේᢱ♽䇷高いリジェネバーナに特化して検討を

㘩ེ

὾
ᚑ
᷷
ᐲ

行なう（他の焼成関連の CO2 低減技㜞⚐ᐲCൻ‛
SiC

䍘䍎䍚䍼䍈䍵䍐䍢

術については、上記肩書文献を参照さ
れたい）。

䍞䍐䍷

䍔䍼䍐䍚

㜞⚐ᐲNൻ‛
Si3N4 / AlN

３．
３．
２．低環境負荷型の焼成プロ
セスⅽ

リジェネバーナは一定時間毎に給気

㜞⚐ᐲ
䍏䍷䍮䍣

ⴡ㒻

と排気を繰返す蓄熱体内蔵バーナで、一般的 ( 定在 ) バーナとは燃料消費量

1414͠
Si Ⲣὐ

2020͠
2700͠ 3550͠
Al2O3Ⲣὐ ZrO2Ⲣὐ C Ⲣὐ1650͠SiO2 Ⲣὐ

の違いが顕著である（図 17）。例えば、２本の定在バーナを用いた炉で、各々

1100

1200

1300

1400 1500

1600 1700

1800

1900

2000

͠

のバーナは常時 50 ＋ 50 単位の燃料を使用し、炉と製品加熱に 30 単位を要し、残り 70 単位が廃熱になる場合

図 15 原料と焼成温度を想定する。この炉に対し、熱回収能力 50 単位のリジェネバーナ１対を適用すれば、一方のリジェネバーナ ( 図

17_ 下欄右側 ) は 50 単位の熱を回収し、もう一方のリジェネバーナ ( 図
17_ 下欄左側 ) は 50 単位の熱を空気に与えつつ 50 単位の燃料を使用することで、炉と製品加熱に 30 単位の熱を供給しつつ、消費する燃料が定在વᾲല₸ᡷༀ

バーナ比で 50 単位 ( ▲ 50 ％ ) の削減に繋がる低環境負荷な焼成プロセスに有効な装置である。
ここで、空気を高温化すると NOx
図 16 焼成炉の熱収支 17)が生成するため、燃焼空気予熱により― 36 ―

半澤茂

火炎温度が高くなるリジェネバーナの排気ガス中の NOx 濃度は、定在バー
ナのそれよりも高くなる傾向がある。
図 18 に、N と NO 以外の成分は化学平衡を保ち、酸素濃度が１％未満の空気を、高温下で一定時間保持した時のNOx 濃度を示す。NOx=100ppm とな
る温度／滞留時間は、例えば 1420 ℃／ 100sec ⇔ 2100 ℃／ 0.001sec とな
り温度上昇に伴い短時間で高濃度な

NOx が生成することが解る。
ま た 図 19 に、 酸 素 濃 度 を 0% 〜
7.5 ％まで変化させ、各温度で 10 秒間保持した時の炉内 NO 濃度を示す。
温度上昇と酸素濃度上昇に伴い、高濃
度な NO が生成することが解る。
図 17 定在バーナとリジェネバーナの比較

こ う し た 高 濃 度 NOx を 含 む 排

16)

気 浄 化 に は、 ア ン モ ニ ア 還 元 法᜛ᄢ䌚䌥䌬䌤䌯䌶䌩䌣䌨ᯏ᭴䋱䋩䌎䋲 䋫 䌏 㹤㩷䌎䌏 䋫 䌎䋲䋩䌏䋲 䋫 䌎 㹤㩷䌎䌏 䋫 䌏䋳䋩䌎 䋫䌏䌈 㹤㩷䌎䌏 䋫 䌈

10000(4NO+4NH3+O2 ⇒ 4N2+6H2O) や、
触媒還元法 ( ２ NO ⇒ N2+O2) で脱硝

䊶N,NOએᄖ䈱ᚑಽ䈲ൻቇᐔⴧ䊶ᱷሽ䌏䋲䌾䋱䋦
䊶ṛ⇐ਛ䇮ᚲቯ᷷ᐲ䈪৻ቯ

する技術は周知であるが、燃焼バーナ

䌤䌛䌎䌏䌝/䌤䌴䋽䌦䋨䌛䌎䌏䌝䋩をリジェネバーナ化して CO2 削減とṛ⇐ᤨ㑆䌎䌏䌸䇭䌛㫇㫇㫄䌝1000

燃料使用量の削減を行なう場合にはこ=

うした NOx 低減の技術適用が重要に
1000s

100

なる。

100
10

３．
４．低環境負荷型のセラミックス

1

10

0.1

製造プロセス
0.01

原料調合 - 成形 - 乾燥 - 脱脂 - 焼成

0.001

工程からなるセラミックス製造プロセ

1
1000

1200

1400

1600
᷷ᐲ䇭䌛㷄䌝

1800

2000

2200

スにおいて、乾燥工程のエネルギーと時間の効率向上には水蒸気やμ波を用いる技術適用が、脱脂工程のエネル

図 18 拡大 Zeldovich 機構 18) による NO ｘと滞留時間 ( 酸素＜ 1%)

ギー効率向上には蓄熱式脱臭装置の適用が、焼成工程のエネルギー効率向上NOỚᐲ䋨15䋦O2឵▚୯䋩

1000
ppm

Ἱౝ᷷ᐲ

術の適用が望ましい。また、加熱装置

800

䋺2000K
䋺1900Kを用いるプロセス設計全てに言えるこ600

䋺1800K䋺1700Kに、プロセス全体を一体の装置としてとだが、個々の装置効率追及の考え方
熱カスケード利用を行う ( 個々の装置

400の高温 ･ 中温・低温の排熱を順次回収

200

設計が、低環境負荷型プロセスのため

0

図 19

には脱硝装置を伴うリジェネバーナ技利用する ) 考え方を加味したプロセスの必要条件となる。当然ながら、これら技術適用に際しては、プロセス全体

0

1

2

3

4

5

6

7

♽ౝO2Ớᐲ䋦NOx 濃度と酸素濃度（滞留時間 10 秒時）

8のエネルギー収支と経済性 ( 設備投資
回収期間 ) の精査も必要となる。
以上のまとめとして、植物光合成の如― 37 ―

循環型社会の低環境負荷型セラミックス製造プロセス

3) h t t p : / / w w w. w m o . i n t / p a g e s /mediacentre/press releases/
documents/GHG bull 6 en.pdf
4) Robert A. Berner, Antonio C.
Lasaga, and Robert M. Garrels, The
Carbonate-silicate geochemical cycle
and its effect on atmospheric carbon
dioxide over the past 110 million
years, American Journal of Science,
Vol.283, September, p641-683 (1983)
5) J. Nishizawa and I. Ueno、 悪 魔 のサイクルに挑む、発行所 東洋経済新報社、2005 年 5 月５日発行

6) 半澤茂、環境負荷低減に資する焼成炉用耐火物、セラミックス基盤工
図 20 低環境負荷型セラミックス製造プロセス学研究センター年報 Vol.9, pp.33-42

17)(2009).
7) 化学工学概論（新版 36 刷）、著者 八田四郎次、前田四郎、
く CH4 改質で燃料エネルギーレベルを向上 17）させ、食共立出版社、昭和 55 年 2 月 10 日発行

物連鎖と動物活動の効率の如く熱カスケード利用でエネ

8) T. J. Stubbing, R. W. Ford, Airless Drying of Ceramic

ルギー効率 42％以上を目指した、低環境負荷型セラミッ

Products, British Ceramic Transactions, vol91, No.3, p100-

クス製造プロセス案を図 20 に示す。

102 (1992)
9) J. Fifer, Commercial Case for Airless Drying, British
Ceramic Transaction, Vol97, No2, P80-82 (1998)

４．結言
動植物の『地球資源を循環利用する』生態は、太古に10) 半澤茂・安江孝・田淵善隆、焼結体の製造方法、日本特許

は CO2 が高濃度であった地球大気を低濃度 CO2( 高濃公開 2006-282405（出願 2005 年 6 月 27 日）

度 O2) の大気に創り換えた。また人類の『地球資源を循

11) 半澤茂・安江孝・田淵善隆・野口康、脱脂方法、日本特許

環利用する』農耕 / 牧畜は文明発展 / 人口増加に対応し、200 年前には産業革命を導いた。しかし、産業革命から
20 世紀末までの 200 年間は、『地球資源を循環利用する』

12) 半澤茂・田淵善隆・安江孝・林伸三、炉及び脱脂方法、国工業製品やその製造技術に対する検討と深堀に不足が有

13) 山口英男、蓄熱式脱臭装置、日本特許公開平 10-47636（出公開 2007-1843（出願 2005 年 3 月 31 日）

際公開特許 WO2005/04727（出願 2004 年 11 月 4 日）り、その結果、地球規模（地域 / 国籍 / 民族などの垣根願 1996 年 7 月 29 日）が無い）での環境保全と資源有効利用の活動（先人が造14) 蔵島吉彦、セラミックス製品の LCA 解析評価と低環境負り上げた技術 / 考え方の不足部分を学び / 修復し将来に荷プロセスの開発、セラミックス基盤工学研究センター年
報 Vol.3, pp37-45 (2003)

影響する要因排除の責任を負う考え方）に至った。
セラミックス技術の視点で我々セラミストの責務を考15) S . H a n z a w a , R e f r a c t o r y o f F u r n a c e s t o R e d u c e

えると、熱負荷の大きい乾燥 / 脱脂 / 焼成プロセス由来

Environmental Impact, ICC3PROC310, 3 rd Internationalの環境負荷（熱と物質移動に伴う時間・エネルギー ･ 入Congress on Ceramics, Osaka, Nov.14-18, (2010)

出力物質の収支）の成立ちを深堀し、『地球資源を循環

16) 半澤茂、蓄熱式バーナ、日本特許公開 2010-96402（出願2008 年 10 月 16 日）

利用する』環境浄化や環境負荷低減に資するセラミック
ス製品とその製造プロセス技術の “ あるべき姿 ” を構築

17) 蔵島吉彦・半澤茂・日高道孝・本多俊彦、焼成炉及び焼成方法 , 国際公開特許 WO2005/005901（出願 2004 年 4 月

し、循環型社会に貢献する責務を負うべきと言えよう。

19 日）18) 高島啓行、低 NO ｘ燃焼法 , 産業燃焼技術、JFRC20 周年

参考文献

1) 環境年表 平成 21･22 年、編纂者 自然科学研究機構 国立
天文台 観山正見、p75, p77, p83, p84, p91, p96, p114, p115,

p294 平成 21 年 2 月 20 日発行
2) WMO 気候の事典、訳者 近藤洋輝、発行所 丸善株式会社、
平成 16 年 6 月 30 発行― 38 ―

記念出版編集委員会、省エネルギーセンター、ｐ 153-165（2000）