廃棄物処理過程で発生するアンモニアの冷媒利用に関する研究
筑波大学

青山真弓※

筑波大学

氷鉋揚四郎

1.研究の背景
現在、日本を筆頭とする輸入大国における窒素の集中が問題になっている。(図 1)を参考に見てみると、それは、食料、飼料を輸入に頼っていること、さらに自国農業生産において大量の化学肥料に頼っていることが原因である。窒素は、本来、空気中のＮ2 が、微生物によって固定され、植物、動物がこれを直接、間接的に組織に取り込み、廃棄し、その過程で様々な物質の形に変化し、Ｎ2 に戻る。かつては、この循環する窒素は、環境負荷の視点から見て、ある許容の範囲を保っていたと理解することができる。また(図 2)(図 3)を参考に見てみると、□交易が進み、さらに化学肥料の製造等による大量の窒素固定は、一部の地域、あるいは国に、この許容範囲を超えた窒素化合物があふれることになり、水（河川、湖沼、湾、地下水）環境では富栄養化、大気環境では、地球温暖化、健康被害、酸性雨、また土壌汚染の被害をもたらしている。

世界の輸出入（食料品及び動物〔食用〕）60,000

40,000
輸出
輸入

30,00020,00010,000

ラ

ブ首

長 日本
国
イ 連
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輸出 入額 （100万 米ドル ）50,000

国名(図 1).世界における食料の輸出入に関するグラフ 総務省統計局の数値より

本研究の目的は、窒素の集中が引き起こす環境汚染への解決策の一つとして、窒素循環の過程で発生するアンモニアの冷媒利用を取り上げ、その総合評価を行う事とする。

2.方法
今回の研究では窒素(N2)をアンモニア(NH3)という形態で利用する事に主眼を置くものとする。よって、アンモニアの回収経路と回収量を想定し、冷媒の種類や特徴、消費エネルギー、効率を調べ、それぞれの性質を調査する。さらに、アンモニア冷媒を利用することで畜産業における亜酸化窒素（N2O）、一酸化窒素（NO）や硝酸（NO3−）を軽減できると考えられるため、これらにかかる必要処理エネルギーを計算する。それらの計算を基にアンモニア冷媒と他の冷媒では、どれだけエネルギー・セーブに違いが表れるのかについて比較する。
3.冷媒について(ⅰ)冷凍の仕組み
冷凍とは物体を自然界の温度以下に冷やすことを言う。
「液状のアンモニアやフロンのような蒸発しやすい液を低温で蒸発させ、その時必要な蒸発熱を品物から奪って品物を冷やす」といった原理である。すべて液状のものは気体になるときに蒸発熱が必要である。例
として、アルコールの蒸発熱に必要な蒸発熱が皮膚から取られる、このため涼しく感じる。
冷凍機に使われる液化アンモニアや液化フロンが、身体に付いてもやはり身体から蒸発熱を奪って蒸発する。しかしこれらの薬品は非常に蒸発しやすいものである。体の熱で温められなくとも氷より冷たい温度（アンモニアは大気圧―３３℃で沸騰）で盛んに蒸発する
ため身体についた液は激しく蒸発し、身体は冷えるどころか少し液が多ければ凍ってしまう。冷凍装置ではこの冷却作用の強烈なアンモニアやフロンのような薬品の液を冷却管中で多量に蒸発させるため冷蔵庫も冷えるのである。つまり冷却管の中でアンモニアやフロンのような低温でも蒸発しやすい液を蒸発させ、冷蔵庫内から蒸発に必要な熱を奪い取ることにより冷蔵庫内を冷やすという仕組みである。
(ⅱ)冷凍機の種類と現状(図 2.3.参照)
日本冷凍機学会によると平成 14 年 1 月から平成 19 年 8 月までのアンモニア/二酸化炭素
冷媒冷凍機には 54 件の導入事例が確認できた。これらの冷却方式には、二次冷媒方式、二元冷凍方式、自然冷媒方式、自然循環方式、ブライン方式の 5 種類が存在する事がわかった。さらにこれらの冷却方式の採用率を考えると、グラフ１に示すように二次冷媒方式が圧倒的に多いことがわかる。この理由として考えられるのが、二次冷媒方式の能力の安定性、バランスの良さである。グラフ２に示すように各冷却方式によりその能力には傾向が見られる。二次冷媒方式では、その冷凍能力、圧縮時に得られる機動力がどの事例でも安定的であるのに対し、自然循環方式では明らかな二分傾向にある。これは自然循環方式が設置方法、規模などの建築的な面に左右される事が考えられるためである。また二元冷凍方式では冷凍能力の高さへの偏り、ブライン方式では圧縮機動力の高さの偏りの傾向があると考えられる。このような状況から鑑みて、現在では安定的かつ能力バランスの取れた
二次冷媒式冷凍機の採用が多いと考えられる。

(図 2).アンモニア/二酸化炭素冷媒・冷凍機における冷凍方(図 2).(図 3).共に社団法人日本冷媒空調学会の資料を基に作成(図 3).アンモニア/二酸化炭素冷媒冷凍機の能力分布(ⅲ)冷媒の種類(図 4.参照)①自然冷媒(1)アンモニア
冷媒の放出による温暖化への影響はなく、冷媒としての優れた特性を持っていますが、毒性と僅かな燃焼性があるため、徹底した管理が必要です。工場など厳重な管理が可能な場所では使用可能と考え、大型空調機器に使用している所が多い。
②代替フロン(1)プロパン
R22 と同等の性能を持つ冷媒であり、同類のイソブタンが冷蔵庫の冷媒として使用されています。プロパンは強燃性の物質で爆発の危険性があります。エアコンの冷媒として採用するには安全性確保のためにかなりの冷媒量の削減が必要です（エアコンの冷媒量は冷蔵庫の約 10 倍。冷媒量が 10 倍になると爆発の危険性は 1000 倍〜10000 倍となる）。また、エアコンには現地での配管作業が伴いますが、安全確保のための技術が確立されていないなど、課題がまだ数多くあります。
(2)炭酸ガス（CO2）
毒性、可燃性がなく安全性には問題はありませんが、空調用途では成績係数（COP）が低いため、電力消費も含めた機器トータルでの温暖化防止効果は疑問である。また運転圧力が非常に高くなります。給湯などの用途では従来冷媒と同等の性能が出るため商品化されています。
(3)ＨＦＣ32
HFC32 は、HFC の一種ですが温暖化係数が HFC410A や 407C の 1/3 程度であり、効率性も優れた冷媒であり、比較的短期に採用でき温暖化影響を大幅に削減できる可能性があります。しかし、HFC32 には一般高圧ガス保安規則では可燃性ガスとは分類されない程度ですが、わずかな燃焼性があります。このため、安全に使用するための技術開発や危険性の評価が行われています。またプロパンなどと併せて可燃冷媒を安全に使用するための国際規格の検討も行われています。
ガス体積あたりの能力
冷媒

温暖化理論 COP

大気寿命（年）

オゾン層破壊係数

凝縮圧力 MPa
対 R22 比燃焼性

毒性係数

対 R22 比R22（HCFC22）

1.94

1001000.05

1700

11.9

不燃

低R134a1.32629801300

13.8

不燃

低R125

2.54

867303400

29

不燃

低R407C2.11989501652.5-

不燃

低R410A

3.06

1408901975-

不燃

低R32

3.14

162

9505505

微燃

低自NH3（アンモニア）

2.03

118

107

000

微燃

強然

C3H8（プロパン）

1.71829503強燃

低CO2（炭酸ガス）

10153

2701

不燃

低HFC

<10冷120媒(図 4).将来冷媒の種類と特性

株式会社日本化学製造資料より

4.アンモニアの現状(ⅰ)アンモニア回収経路
メタン発酵施設による畜産廃棄物の処理は、GHG および水質汚濁の観点からは有望なものであるが、その処理過程で発生するアンモニアの回収は、メタン発酵の安定的運転に必須である。また、アンモニアは、畜産業で問題となる臭気の一つであり、臭気処理からも回収される。そのようなアンモニアの様々な発生源より回収経路を基に回収量を想定する。
① 畜産(図 5.参照)
畜産廃棄物を利用しメタン発酵を行う時に得られる副産物としてアンモニアを収集する。
乳牛糞を吸引通気で堆肥化する場合には、堆肥表面からのアンモニア揮散はごくわずかであり、アンモニアは排液、排気中に移行する。これら窒素の移行割合は、水分調整資材別に最大値で比較すると、モミガラ添加（35.7%）＞ふんのみ（29.5%）＞オガクズ添加（19.7%）＞戻し堆肥添加（14.9%）の順になる。乳牛糞の堆肥化処理では環境負荷物質の１つであるアンモニアが発生するため、堆肥化処理過程でアンモニアを回収し、環境負荷低減に向けた技術開発の必要性が指摘されている。そこでアンモニア回収のための施設設計に資するため、乳牛糞の堆肥化過程における窒素収支を求め、堆肥系外に出される窒素量について
次世代型メタン発酵システム
湿潤系

アンモニアバイオガス

野菜生産

スターリングクーラー

バイオマス
フラグフロー２相式メタン発酵システム
乾燥系

果樹栽培

液肥
堆肥バイオマスペレットマシンスターリングエンジン

資料イネ生産
イネワラ敷料生産
麦わら敷料生産

乾燥(図 5).ハイブリッドバイオマス変換装置を活用した各種バイオ生産技術の開発

酪農・肉牛生産農家

配合ソフト

各種バイオマス検討する。

② 工場(図 6.参照)
排水ガス化分解システム（ストリッピング+触媒式脱臭）
本設備は、半導体製造プロセスより排出されるアンモニア排水からアンモニアを分離、除去することを目的としたアンモニア処理設備です。排水中のアンモニアは､ストリッピング塔（放散塔）により ppm オーダーまで除去され、分離したアンモニアはアンモニアガスとして触媒式脱臭装置に送られ、二酸化炭素と窒素に分解されます。納入先の工場では従来アンモニア排水を産廃として処理しておりましたが、本設備導入により処理水は全て再利用されております。

(図 6).工場排水におけるフローチャート(図 7).し尿処理過程におけるフローチャート③ し尿処理(図 7.参照)
水中に存在するアンモニア性窒素の多くは、下水、し尿、工場排水などに由来するタンパ
ク質や有機窒素化合物が腐敗、分解する過程で発生したものである。アンモニア性窒素が酸化されて、亜硝酸性窒素となり、それが酸化されて、硝酸性窒素となる。酸素の多いき
れいな水には硝酸性窒素の割合が多く、排水などの流入した汚れた水には、有機態窒素やアンモニア性窒素が多い。したがって、アンモニア性窒素の検出は近い次点での汚染を示す有力な指標となる。
④ 下水処理(図 8.参照)
深層地下水、貯水池の低層付近の水中などでの硝酸塩の還元や肥料に由来する場合もある。
しかし深層地下水中には、硝酸性窒素が還元されてアンモニア性窒素となっている事も多いから、深層水の場合は、アンモニア性窒素を検出しても汚染されているとは言えない場合がある。

(図 8).下水処理におけるフローチャート(図 9).生物臭気ガスフローチャート

⑤ 生物臭気ガスフロー(図 9.参照)
脱臭装置は、下水処理・ポンプ場、し尿処理場、農・漁業集落排水処理施設などから発生する様々な臭気を低濃度から高濃度までその発生源に的確に対応し除去するシステムです。
5．冷媒の総体的なエネルギー効率と環境負荷
冷媒としてのアンモニア利用は、代替フロン等と比較するとエネルギー効率が悪く、化石燃料に依存する現状では、地球温暖化の観点からはマイナスである。しかし、地球温暖化ガス（GHG）の一つである亜酸化窒素（N2O）、一酸化窒素（NO）や水汚染の原因となる硝酸（NO3−）の発生につながる硝化、脱窒過程への窒素の循環量の減少につながり、仮にこれを適切に処理すると、現状の技術では大量のエネルギーを必要とし、アンモニアの再利用はこれをセーブするメリットがある。
(ⅰ) 窒素酸化物の分解エネルギーについて計算(ⅱ)アンモニア発生源より回収・転用できるアンモニア量調査(ⅲ)アンモニア人為的生成の場合の総体的エネルギー調査(ⅳ)アンモニア以外での自然冷媒利用での総体的エネルギー調査(ⅴ)従来の冷媒での総体的エネルギー調査
これらを調べることにより、回収方法は何にせよアンモニアを利用する事によるセーブ（エネルギー・温暖化・汚染・効率）はどれくらいになるのかについて調査を行う。
6.まとめ
本研究では、アンモニア回収経路を複数想定し、冷媒利用することによるエネルギーのロスを、硝化、脱窒過程でのエネルギー・セーブとアンモニアの人為的生産工程でのエネルギー・投入のセーブで補うことができるかどうかの比較評価を行う。
〔参考文献〕
1)

社団法人

日本冷媒協会

冷媒技術テキスト2)

総務省統計局
統計データ

3)

用語集
4)
5)
6)

改訂新版

昭和 60 年 1 月

政策統括官（統計基準担当）・統計研修所

世界の統計

社団法人

編集・発行

2007 年 3 月

日本冷媒空調学会

編集2007 年 9 月 10 日

財団法人

ヒートポンプ・蓄熱センター編集

飛原英治監修ノンフロン技術

自然冷媒の新潮流

2004 年 2 月

独立行政法人農業環境技術研究所

編集・発行

農業生態系における炭素と窒素の循環

2004 年 2 月

林編集・発行健太郎

株式会社オーム社発行

大気を介したアンモニア、アンモニウムイオンの循環（特集アンモニアによる環境汚染を考える―大気と土壌における動態研究） 資源環境対策

環境コミュ

ニケーションズ編集

2003 年 11 月