令和4年度 廃棄物資源循環学会 春の研究討論会
セミナーB ⼀般廃棄物焼却施設におけるカーボンニュートラルの可能性
2022年5⽉25⽇

カーボンニュートラル化に向けた焼却技術の課題と期待される処理技術の紹介

廃棄物焼却研究部会
井原 貴⾏(荏原環境プラント(株))⼤前提としてCN化に向けた焼却技術の課題
 焼却由来の排ガスは、CO2が低濃度、不純物を含むため、浄化設備や回収設備に多⼤なエネルギーとコストがかかる→CO2回収を前提とした場合、焼却処理の在り⽅はこのままでよいのか︖
 もう⼀つの視点として、焼却しない廃棄物処理技術も検討の必要があるのでは︖
 CO2利活⽤まで⾒据えた回収技術→CO2削減にかかるコストを踏まえた技術普及のトランジションをどう考えるか

処理技術

熱処理

⽣物処理

概要

酸素（富化）燃焼

排ガス中CO2濃度を⾼め、⾼効率にCO2を回収

ケミカルループ燃焼

酸化還元反応を利⽤、⽔分凝縮のみでCO2回収可ガス化

CO、H2、CO2

炭化炭化後貯留

メタン発酵

CH4

メタネーション

→燃料、etc.

合成ガス精製

CO2→分離CO2の利⽤技術、H2との反応にてCH4を⽣成

出典︓環境省 https://www.env.go.jp/earth/ccs/attach/mat03.pdf

2CCUSの技術要素

3

酸素（富化）燃焼
⽐較的⼤規模施設（都市部）での適⽤が考えられる
内容

特⻑課題

• 燃焼⽤空気に純酸素ある ○CO2回収効率化（排ガス ▲求めるCO2濃度にするた中CO2濃度⾼められる）めの設備トータルコスト
いは空気に酸素を混合し（純酸素燃焼でないと下たガスを⽤いることで、 ○熱回収率向上（排ガス低空気⽐・⾼温燃焼を⾏流でCO2分離⼯程が必熱損失の低減）
う要）○⾼温燃焼による排ガス
排ガス
中DXNs低減、主灰性状 ▲酸素製造コスト
ボイラ処理設備▲酸素製造に必要なエネの改善
炉
飛灰
ごみ
ルギー
○排ガス量低減による排排ガス排ガス再循環

OFA

EGR

火格子

酸素燃焼用空気※参考(1 次空気：UGA)

主灰

ガス処理設備の⼩型化→例として、500MW級の空気燃焼と酸素燃焼の⽐○⼀廃もそのまま処理できる（設備変更が軽微と 較で、CCS設備設置し、酸素製造時の窒素を外販想定）する前提で経済性確保できる可能性

https://www.ihi.co.jp/var/ezwebin_site/storage/original/application/72e8893c6e6a04fa3013c555049100b4.pdf

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酸素（富化）燃焼
酸素燃焼の⽯炭⽕⼒発電所への適⽤例
⾼CO2濃度の排ガスを圧縮・冷却することで、⾮圧縮性ガス（O2、N2）を分離し、99％以上のCO2を回収する

燃焼空気中のN2を分離しO2で燃焼（⽯炭）を燃焼させる

バーナ⾵箱内O2濃度=約30%

排ガス中CO2濃度=約60%

排ガス中O2濃度=約5%※ 酸素燃焼発電プラントの商⽤化への取組み

IHI 技報第55 巻 第1 号

2015 年 pp. 50-57（リンク）

5酸素（富化）燃焼 実績
プラント名称

施設概要 竣⼯

仙台市松森⼯場
2005年8⽉

ごみ処理能⼒200 t／24 h×3 炉

炉内供給ガス割合
⼀次空気:⼆次空気:EGR= 72 : 10 : 18

炉出⼝酸素濃度=7%

排ガス再循環

酸素富化 従来燃焼
PSA出⼝酸素濃度=80%

PSAによる酸素富化
⼀次空気酸素濃度＝27%

CO2濃度 vol.%-dry
排ガス量

Nm3/kg-ご
み

16.4

10.7

3.8

5.4
6

酸素（富化）燃焼
技術的課題と松森⼯場での対策
課題• ⾼温燃焼によるクリンカ付着対策

備考○燃焼室⽔冷壁範囲の拡⼤によ • 実績として炉内温度1000〜1100℃程度では、耐⽕物のる炉壁温度の低減
損傷やクリンカ付着は無し○燃焼室上部の⽔管部への⾦属溶射○EGRによる温度抑制• さらに酸素富化率を増加する場合は要確認• ⾼温燃焼による⽕格⼦損傷、低融点
物質（アルミニウム等）の溶融、付着による動作不良○⽕格⼦上の灰層厚さを確保す • 実績として損傷は無し
ることによる保護• さらに酸素富化率を増加する場合は、⽔冷⽕格⼦の採○燃焼空気による冷却⽤等追加対策が必要○⾚外線カメラによるごみ層・• 低空気⽐燃焼による燃焼の不安定化○排ガス再循環(EGR)による炉 • 過度な温度上昇を抑制でき
内燃焼ガスの⼗分な撹拌ているが、酸素富化による⼀次空気量の減少は、ごみの乾燥⼯程および燃焼ガス撹拌への影響がある

灰層の表⾯温度の計測および酸素富化率の制御

7ケミカルループ燃焼
2000年前後から主に⽯炭ガス化燃焼分野での研究報告
廃プラの燃焼においてダイオキシン類⽣成量が通常燃焼より低いという報告(2018)
バイオマス燃焼においてNO⽣成量が通常燃焼より30%低いという報告(2013)2021年から⼤阪ガス、JCOALのグループがNEDO委託事業で実証予定
内容

特⻑課題

▲ 粒⼦の劣化• CaO、NiO等が担持され ○CO2を効率的に回収たFe2O3/Al2O3等の⾦属 ○プロセス構成によりH▲ 機器構成が複雑 (機器2酸化物粒⼦の酸化還元反点数が多い)製造も可能
応を使って燃焼させる▲ 商業化○通常の焼却炉と同様に⼀廃を処理できると思われる※参考https://www.osakagas.co.jp/company/press/pr2021/__icsFiles/afieldfile/2021/01/25/210125_1_1.pdf

8

ケミカルループ燃焼
NEDO委託事業内容
⽔素製造を含めてプロセス実証

⼀廃への適応に関しては、廃棄物中の微量成分が粒⼦へ与える影響を確認する必要があると考えられる※参考https://www.osakagas.co.jp/company/press/pr2021/__icsFiles/afieldfile/2021/01/25/210125_1_1.pdf

9ガス化（エネルギー利⽤）
CN達成に向けては直接焼却と同じくCO2回収が必要となる
実⽤化技術として利⽤先を含めたスキームを構築することで、早期に社会実装し、CO2回収と組み合わせることが考えられる内容特⻑• 各種原料を部分酸化雰 ○ガス化溶融炉など囲気でガス化し、合成⼀廃向けでも適⽤ガス（CO、H2、例あり
CO2）を得て、各種エ ○⽣成ガスはエネル
ネルギー源として利⽤ギーとして利⽤可能○⽐較的⼩規模でも発電効率を⾼められる

課題▲ ⽣成ガスの利⽤先確保（輸送に難ありのためオンサイト利⽤が現実的）▲ エネルギー利⽤後のCO2回収が必要▲ メタン発酵と⽐べると⾼温プロセスのため有⽤成分収率低（⼀廃の場合）▲ ガス中の不純物の処理が必要になる場合あり

10ガス化改質神鋼さんのガス化改質プロセスの概要紹介スライドを酸素・⽔蒸気および空気を適切に利⽤したガス化プロセスにおいて，ガスエンジンの安定稼働とプロセス全体の送電端効⼊れて頂けますでしょうか
率27％が両⽴する⽬途をプロセス検討において得ているhttps://www.kobelco-eco.co.jp/development/docs/024_05.pdf

https://www.kobelco-eco.co.jp/development/docs/024_05.pdf（神鋼環境ソリューション技報 Vol. 12 No. 2（2016 ／ 3））11ガス化（化学原料利⽤）
他の技術と組み合わせてCO2回収することになるオンサイトで輸送しやすい液体/固体の化学原料に変換でき
れば、施設規模に寄らず化学産業と連携可能と想定
内容

特⻑• 各種原料を部分酸化 ○ガス化溶融炉など雰囲気でガス化し、⼀廃向けでも適⽤合成ガス（CO、H2、 例あり
CO2）を得て、化学 ○⽣成ガスは化学原原料として利⽤する料として利⽤可能○オンサイトで化学品に変換

課題▲ ⽣成ガスの利⽤先確保▲ ⽣成ガスからCO2の分離が必要（ガス精製・利⽤設備コスト）▲ メタン発酵と⽐べると⾼温プロセスのため有⽤成分収率低（⼀廃の場合）（例︔積⽔化学のエタノール化）

12炭化⼩規模施設でCCSとしての利⽤が考えられる
内容

特⻑課題

• 有機物を無酸素雰囲
気で加熱し、炭素分に富んだ物質を得る○炭化物の保管安定性（CO2固定化しやすい）▲炭化熱源の確保（⼀廃だとカーボン割合が湿基準で25wt%程度→有効CO2固定化率は︖）○技術保有企業が複数あり、国内実績あり▲炭化物を有効利⽤する場合は灰分の分離が必要（流動床式○固体炭素としてのの例︔⽥原リサイクルセン
カーボンを固定できるター）、また有効利⽤先でため運搬しやすい
CO2排出にならないよう配慮が必要（利⽤先は限定）▲貯留場所（可燃物の保管）※参考https://www.metawater.co.jp/solution/environment/carbonize/

https://www.khi.co.jp/rd/magazine/pdf/176/n17617.pdf

13メタン発酵
施設規模の⽐較的⼩さく、廃棄物を分別回収できる地域
メタン発酵+焼却のコンバインド施設
内容特⻑• メタンガス化施設整備マ ○ 廃棄物を焼却しないのでCO2排出↓
ニュアルでは、メタンガ
ス濃度50-65%○ メタンガスを回収でき• 消化液は、農地還元（液⼩規模でも⽐較的⾼効肥）or 排⽔処理
率な処理が可能• 規模︔〜40t/d・槽程度○ 提供企業複数あり（実績多数）

課題▲CO2や硫化⽔素への対策▲液肥の利⽤先確保▲消化液の処理▲発酵不適物の処理▲1槽あたりの最⼤処理量
は焼却より少ない○ 将来プラ分別が進むと活⽤可能性⾼い14

メタン発酵フロー例※参考

http://www.repa-npo.com/Kaiin_PDF/TERAKOYA_02.pdf

15

焼却と連携する技術 メタネーション
脱炭素技術メタネーションとは・⼆酸化炭素と⽔素からメタンを合成する技術
1911年に仏の化学者 サバティエ⽒が発⾒Paul Sabatier
ノーベル賞を受賞したフランスの化学者
1854-1941

サバティエ反応
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O ΔH=-165kJ/mol (LHV)
・⼆酸化炭素と⽔素を、触媒の充填された反応器に通すことでメタンを⽣成可能
・発熱反応（反応開始すれば外部からのエネルギー不要）
反応開始温度 230〜300℃程度

16焼却と連携する技術 メタネーション
メタネーション技術の利点と課題
利点
・既存インフラ(都市ガス導管) を利⽤可能であり、運⽤⾯での課題が⽐較的少ない

貯蔵︓天然ガス貯蔵基地
輸送︓天然ガス輸送管、都市ガス導管
利⽤︓発電、輸送機器、ボイラー等熱利⽤・単位体積あたりの発熱量が⼤きく、液化もしやすいため⻑距離輸送において有利

再⽣エネルギーの変動をガスグリッド、電気グリッドを⽤いて柔軟に運⽤（PtG︓Power to Gas）

・メタネーションは、技術的に確⽴されている・将来的にメタンを燃焼させて発⽣するCO2も回収できれば、炭素循環となり、CO2の削減と有効利⽤を両⽴できる

課題
・メタン化をするためにCO2の4倍のH2が必要
・メタンにする際に⽔素のエネルギーの⼀部は熱として失われる17

<環境省委託事業>
清掃⼯場から回収した⼆酸化炭素の資源化による炭素循環モデルの構築実証事業

代表

︓⽇⽴造船株式会社

期間︓2018〜2022年度（共同実施者 （株）エックス都市研究所）

概要・⽬的︓清掃⼯場から排出される⼆酸化炭素を⽔素と反応させ、商⽤規模
で、天然ガスの代替となるメタンの製造を実証する。実証を通して、 メタネーション技術の普及に向けた課題を明らかにする。また、本技術の⼆酸化炭素排出量の削減効果を検討する。

実証範囲

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<環境省委託事業>
清掃⼯場から回収した⼆酸化炭素の資源化による炭素循環モデルの構築実証事業①【事業の⽬的と概要】③【実証設備のシステム構成】

本事業では、廃棄物処理部⾨（⼀般廃棄物）の清掃⼯場から排出されるCO2を分離・回収し、これを⽔素と反応させ、天然ガスの代替となるメタンを製造し、地域エネルギーとして再利⽤する炭素循環社会モデルを実証する。また、本実証によるCO2削減効果を検証・評価するとともに、本格的な普及に向けた課題を明らかにする。将来、この課題を解決することによって、本モデルを全国の清掃⼯場に普及させる。
清掃⼯場は住⺠⽣活に密着した重要な社会インフラであり、各地域に分散して必ず存在する。本モデルが社会実装されれば、清掃⼯場を単なる廃棄物処理インフラではなく、地域エネルギーの供給施設かつ、CO2を削減する施設とすることができる。

②【炭素循環社会モデルイメージ】

A1

A2

A3
B④【実証での課題に対する取組】
A. 重要な開発要素
要素技術

現状の課題

対応⽅針

A1【排ガス性状の把 • 排ガス量およびCO2濃度 • 排ガス分析を⾏い、有害成
握と前処理】や阻害成分の性状が不明 分除去⽅法を事前試験で検討する
A2【清掃⼯場からCO2回収】• 低CO2濃度原料からのメタン製造の経験がない

A3【メタンの製造およ • ⼤規模でメタンを製造した
び利⽤】
実績がない
• 多量に発⽣するメタンの輸送および貯留• PSAなど現在ある⼿法を組み合わせて、適切なプロセスを検討する• スケールアップ検討を実施• メタン活⽤のためのインフラや制度について調査する

B. 開発要素のシステム統合とその実証望まれる社会整備
・再⽣可能エネルギーの普及拡⼤(安価な⽔素の確保)
・メタン供給インフラの整備、導管注⼊の規制緩和

課題

対応策

A1〜A3のプロセス連携の経験がない
稼働中の清掃⼯場との連携

既設清掃⼯場での実証試験による連携の確認

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期待される処理技術のまとめ
まとめ
処理システム

主な課題

解決策（案）

酸素（富化）燃焼

設備コスト

・⽐較的⼤規模施設（都市部）への適⽤

ケミカルループ

商⽤化-ガス化

CO2回収に分離⼯ ・当⾯エネルギー利⽤として社会実装程が必要
・オンサイトで⽣成物を有効利⽤できるスキーム構築

炭化①炭化熱源の確保 ①⽐較的⼩規模施設への適⽤、再エネ利⽤②炭化物の貯留②炭化物の輸送によるCCUの可能性検討

メタン発酵①CO2回収に分離 ①⽐較的⼩規模施設への適⽤（将来電化へ移⾏した際にはCO2回収とセットで検討）
⼯程が必要②発酵不適物の処 ②不適物処理可能な施設との連携
理

メタネーション

①⽔素が必要①⽔素調達（電解⽔素製造コスト低減等）②阻害成分の影響 ②実証による評価

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