特特集
集環境装置①

階段炉下水汚泥焼却発電システム

株式会社タクマプロジェクトセンター
水処理技術部

中西 譲主幹株式会社タクマプロジェクトセンター
水処理技術部課長

水野 孝昭

株式会社タクマプロジェクトセンター
水処理技術部部長

芹澤 佳代

１．はじめに地球温暖化に伴う気候変動の問題は、国際社会における当社の階段炉下水汚泥焼却発電システム（以下、本シス

喫緊の課題である。日本においても2050年のカーボンテムと記す）は、焼却廃熱のカスケード利用により汚泥のニュートラル実現に向け、2030年度に温室効果ガスを持つエネルギーを無駄なく最大限有効に活用することで、2013年度から46％削減することを目指した上で更に下水汚泥の乾燥と発電を両立する。さらに従来の焼却50％の高みに向けて挑戦し続けるため、様々な取り組みシステムと比べてN2Oの排出量が大幅に少なく、脱炭素を推進している。

社会の実現に貢献できるシステムである。

下水道分野では2019年度実績値として約72 億 kWhの電力を消費し、約 530 万t −CO2 の温室効果ガスを排出している。温室効果ガス排出量の内訳としては、処理場での電力消費量が約54 ％を占め、汚泥焼却工程における２．階段炉下水汚泥焼却発電システムの特徴⑴

システムの概要
階段炉下水汚泥焼却発電システムの概略フローを

N2O 排出も20 ％を占めている。

図１に示す。本システムは、
階段炉（階段式ストーカ炉）、※ N2O は CO2の 約 300 倍の温暖化係数を有する温室効果ガス

廃熱ボイラ、蒸気発電機、汚泥乾燥機で構成される。

※

含水率が 80 ％程度ある下水汚泥の焼却処理におい
一方、下水汚泥は、その有する有機物の全エネルギーをて、燃焼熱を廃熱ボイラで回収して汚泥乾燥と蒸気熱量として換算した場合、下水処理場の年間電力消費量の発電に利用することにより、補助燃料である化石約 1.6 倍 に 相 当 す る 約 120 億 kWh に も の ぼ る な ど、燃料を使用せずに焼却を行い、更に電力を創出する地域資源の再エネとして脱炭素社会に貢献しうる高いことができる。

ポテンシャルも有している。

1）

産業機械 2023.515

CO2 減発電して焼却設備の消費電力の一部や他設備への電力供給に利用

蒸気発電機

蒸気排ガス

脱水汚泥
（含水率 約 80 ％ ）

廃熱ボイラ

乾燥汚泥

CO2 減

ボイラによる効率的な熱回収
階段炉

脱水汚泥含水率を低減してから焼却するため補助燃料不要

乾燥汚泥バンカ

排煙処理塔
誘引ファン

N2O 減

乾燥機

乾燥汚泥
（含水率 30 〜 40 ％ ）

集じん装置

空気

900 ℃ 以上の高温燃焼により N 2 O 分解

燃焼空気ファン

図１ 階段炉下水汚泥焼却発電システムの概略フロー

Special feature⑵

システムの特徴① 階段炉の採用による、低消費電力② 焼却廃熱を最大限活用して蒸気発電を行い、下水汚泥焼却炉として広く用いられている流動炉は、エネルギーを創出

燃焼空気ブロワによって砂層を流動させながら焼却廃熱ボイラにより排ガスの熱を蒸気で回収し、蒸気を行う。それに対して階段炉は、ストーカと呼ばれる発電を行う。消費電力の低い階段炉と組み合わせる火格子をゆるやかに前後に動かし、隙間から空気をことで、一定規模以上では発電電力が消費電力を挿入して汚泥と空気を効率的に接触させながら上回る創エネルギーを実現できる。

汚泥を燃焼させる。燃焼空気ファンは低圧で消費電力が少ないため、従来型流動炉と比較してシステム③ 焼却廃熱を利用した乾燥機で下水汚泥を乾燥し、全体の消費電力が４割程度低い。ストーカの構造を化石燃料による助燃が不要

図２に示す。

発電に利用した後の蒸気を乾燥機の熱源に利用し、固定火格子

可動火格子含水率 80 ％程度の下水汚泥を含水率 30～40 ％程度まで乾燥させ、炉内で自燃させる。
④ 下水汚泥焼却に伴う N2O 発生量を従来の1/6 ～1/10 に低減
乾燥させた下水汚泥は階段炉で炎を上げて高温で燃焼するため、下水汚泥の焼却に伴うN2Oの発生量が従来型焼却炉と比べて1/6～1/10と低くなる。

図２ ストーカの構造

16

INDUSTRIAL MACHINERY 2023.5特集：環境装置①３．導入事例本システムを導入した札幌市西部スラッジセンター新１系の事例を紹介する。
⑴

設備概要
発 注 者： 札幌市下水道河川局事業推進部施設保全課
建 設 場 所： 西部スラッジセンター（札幌市手稲区）
施 設 規 模： 100 t / 日×１炉
炉 形 式： 階段式ストーカ炉
廃 熱 利 用： 乾燥設備、結露防止設備、蒸気発電設備（蒸気発電機、バイナリ発電機）
発 電 出 力： 約 200 kW（発電端）
し ゅ ん 功： 2021年８月26日

乾燥設備

脱水汚泥焼却設備※１

蒸気（発電）設備

低圧蒸気
マニホールド

汚泥タンク

乾燥ケーキ
バン力

消石灰サイロ

排ガス設備

軟水

バイナリ発電機

脱気器
廃熱ボイラ
給水ポンプ

蒸気発電機
下水処理場から二次処理水槽

マルチサイクロン

電気集塵機
連続（間欠）洗浄ポンプ

冷却脱硫塔

エコノマイザ
廃熱ボイラ
脱水ケーキ
切出装置

排気筒
結露防止
ファンより誘引ファン冷却塔
送水ポンプ

焼却炉
バーナ

脱硫塔
循環ポンプ

乾燥機

キャリアガス
循環ファン

電気集塵機

除湿塔
冷却水ポンプ臭気

苛性ソーダ 脱硫用苛性ソーダ 排水槽 排水返送
貯留槽
注入ポンプ
ポンプ

汚泥焼却炉
押込ファン

手稲水再生プラザ※１

Special feature

汚泥焼却炉
キャリアガス
予熱器

灰出設備
アッシュバン力

キャリアガス
除湿塔

図３ 札幌西部スラッジセンター新１系 設備フロー

⑵

運転データ
運転データの例として、本性能試験時（３日間 72 時間連続運転 ）におけるデータを抜粋して示す。
① 運転電力札幌西部新１系のプラント消費電力及び発電電力の例を表１に示す。プラント消費電力250kWに対する発電電力
207kWの割合は約83％となり、乾燥設備及び焼却設備で使用する電力の８割以上を発電電力で賄えることを確認した2）。
② 補助燃料使用量
定常運転状態において、補助燃料である重油使用量は 0 Lであり，安定した自燃運転が可能であることを確認した。
表１

札幌西部新１系

プラント消費電力

電力データの例

発電電力（送電端）

名称

kW

発電機名称

kW

乾燥設備

89

蒸気発電機

131

焼却設備

84

バイナリ発電機

76

その他設備

77

合計

250

合計

207

産業機械 2023.5

17

③ N2O 排出量
脱水汚泥の性状 及び N2O 測定結果を表２に示す。表２より本施設での N2O 単位排出量を算出する。
・ N2O 排出量【 kg/h 】 ＝ Q×C×10−6×		

N2O 分子量（kg/kmol）÷ 標準状態気体モル体積（m3 N/kmol）＝ 12,400 m3 N/h−dry×６ppm×10−6 × 44 / 22.4
＝ 0.146kg/h
Q：排気筒入口乾きガス流量：12,400 m3 N/h−dry
C：排気筒入 口N2O 濃度：６ppm
・ N2O 単位排出量【 kg−N2O / DS−t 】 ＝（N2O 排出量）÷（汚泥中固形物量）		

＝0.146 kg/h ÷（102 t/日×（100％ − 76.5％）		

÷24 h/日）＝ 0.146 kg − N2O / t − DS
汚泥中固形物量：脱水汚泥量×（100 − 脱水汚泥含水率）
脱 水 汚 泥 量：102 t/日
脱水汚泥含水率：76.5 ％Special feature

従来型流動炉の 850℃ 燃焼時の省令値である0.645kg−N 2O/t−wet 3）より算出した
固形物基準のN2O単位排出量2.745kg−N2O/t−DS（脱水汚泥含水率を76.5％と仮定）に対し、0.146kg−N2O/t−DSと約 95 ％ 低減した値となり、N2O排出量を大幅に削減できることを確認した。

表２ 脱水汚泥の性状 及び N2O 測 定結果

項目単位

脱水汚泥処理量t/日

102

脱水汚泥含水率％76.5

排気筒入口湿りガス量m3 N/h12,800

排気筒入口乾きガス量m3 N/h12,400

排気筒入口 N2O 濃度ppm

6４．おわりに当社が開発した汚泥焼却発電システムは、下水汚泥を創出するシステムへと転換することができる。本システム

廃棄物として衛生処理するとともに、都市型バイオマスはこれまで３件のプラントを受注しており、これからとしてエネルギー利用することにより、これまで大量の下水道分野における省エネ、創エネ、温室効果ガス削減にエネルギーを費やしてきた下水汚泥焼却をエネルギーを貢献できるものと確信している。

≪参考文献≫
１）国土交通省 HP：https://www.mlit.go.jp/mizukokudo/sewerage/crd_sewerage_tk_000124.html（2023年３月３日確認）
２）村岸弘基、中西譲、水野孝昭、札幌市西部スラッジセンターにおける下水汚泥焼却発電システムの試運転報告、
タクマ技報 VOL.30NO.1（2022）
３）経済産業省・環境省令第三号：特定排出者の事業活動に伴う温室効果ガスの排出量の算定に関する省令（2006）

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INDUSTRIAL MACHINERY 2023.5