地域課題に係る産学共同研究委託事業 概要報告書

１．委 託 事 業 名 ：２．委託事業者名：

廃石膏ボードからの新規な有価物回収システム
委託団体：

三和建商株式会社

連携大学：

静岡大学工学部 化学バイオ工学科
准教授 松田智３．研究成果概要：【背景と課題】
背景： 家屋の解体により廃棄される「石膏ボード廃材」は全国で年間約 120 万 t 発生している。
（社）石膏ボード工業会の推計では、2038 年には、発生量は 300 万 t/年に達すると予想されている。 （2010 年 3 月、石膏ボード工業会推定）
新築系廃材の 86.0% は再利用されているが、解体系廃材は 4.0% 程度とリサイクル率は低迷しており、新たな再生材によるリサイクル率向上は急務となっている。

課題： 石膏ボード廃材の処分先は 2006 年 6 月から法制度が強化され、ほとんどが管理型埋立処分場で処理されるが、硫黄分を含むため硫化水素が発生するなど問題となっている。
さらに、処理費用が高騰したため、山間地域の不法投棄事件が全国で頻発しており、2008
年 9 月には、静岡市内でも産業廃棄物中間処理業者により破砕処理後の石膏ボードを土壌改良材と偽証し山間地に不法投棄された例がある。代表者の逮捕と事業所の倒産に至る事件が発生するなど、静岡市にとっても大きな社会的問題となった。
【目的】
本研究では、廃石膏ボードの石膏(CaSO4)から硫黄分(S)を除去し、製造過程などで利用価値の高い「酸化カルシウム・(CaO)」を製造するための反応条件・装置の技術開発をする。
この反応には還元剤が必要であり、炭素源として廃プラスチック類が使えれば、多面的で経済的な廃棄物利用・再資源化システムの構築ができる。
一連の反応は、低温(1000 度以下)、低コストで CaO を生成することを条件とした。
これらの反応は、(1)～(3)式の平衡関係プロセスで現わされる。
3CaSO4 ＋ 4CH2 → 3CaCO3 ＋ 3H2S ＋ H2O ＋ CO2 ・・・・・(1)
3CaSO4 ＋ CH2 → 3CaO ＋ 3SO2 ＋ H2O ＋ CO2・・・・・(2)

3CaSO4 ＋ 4CH2 → 3CaS ＋ 4H2O ＋ 4CO2・・・・・ (3)(3)式では、硫化カルシウム(CaS)が生成するため、これに石膏(CaSO4)を適量加え加熱する

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ことで、CaO を生成することも可能と考えられる。
その反応式は(4)式で表現できる。この反応についても検討した。
3CaSO4 ＋ CaS → 4CaO ＋ 4SO2 ・・・・・(4)以上のシステムが機能すれば、廃石膏ボードと廃プラスチックの処分費、酸化カルシウムの売上が計上でき、環境ビジネスとしての可能性がいっそう期待できる。
【研究の方法】
実験は図１のような構造の外部加熱型回転炉装置で行った。

図１ 実験回転炉の構造図
回転炉での実験条件:
・CH2 の原材料はプラスチック PE 顆粒剤及び廃棄物固形燃料 RPF を使用した。
・反応温度・1050 度～1100 度 反応時間・60 分間～90 分間
・CaS と CaSO4 の混合比率はモル比を設定し重量配合した。
・炭素(C)と CaSO4 の混合比率はモル比を設定し重量配合した。
【実験手順】
・実験は図２に示すように段階的な手法で進めた。
①回転炉の改造: CH2 との接触効率向上にリフター設置や密閉構造を改造する。
②回転炉の CaS 生成実験:
CH2 の原材料に PE 顆粒剤と固形燃料 RPF を用いて CaS反応を確認する。
③回転炉の CaS 生成物とCaSO4 の混合反応実験:②の生成物に CaSO4 を混合した試料条件で CaO 反応を確認する。

図２ 実験手順④回転炉の CaS 試薬と CaSO4 の混合反応実験: 試薬を使用し③の条件で CaO 反応を確認。
⑤電気炉の CaS 試薬と CaSO4 の混合反応実験: 電気炉で試薬を使用し CaO 反応を確認する。

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CaSO4 + C 混合試料⇒

回転炉での反応実験⇒反応生成物の状況【研究の評価】
１）実験結果反応条件を変えて、PE 顆粒剤を添加した廃石膏ボードの反応試験結果を数多く繰り返した。その中の代表例を表１に示した。
これまでのところ、C/Ca=0.5、1100℃、90 分間の反応で CaO 生成率が 45％という好結果を得ている（試料名 A-2）。
実用上は、CaO 生成率 90％を目標にしており、さらに（4）式の反応を最適化することで可能になってくると思われる。
表１ 廃石膏ボードの反応試験
試料名A-1A-2温度

試料 g

110010.0

時間分
6090

PE g
28.30

CaS%

CaO%

CaSO450.0

16.0

34.0

27.0

45.028.0

備考

C/Ca=0.5２）今後の課題
・回転炉の密閉構造は重要なことで、特に CaSO4 と CaS の混合試料(モル比 3:1)から CaO 反応を高めるためには、回転炉改造の必要性が判明した。
・回転炉で炭化水素と石膏の接触効率を高めるには、加熱した石膏に反応材を直接投入する方式を検討する。1000℃に加熱した CaSO4 に直接 CaS を投入反応させる予備実験で、CaO反応効率の向上が認められた。
【ビジネスプランの検証】
本研究開発による廃棄物処理事業の運営の妥当性を確認すべく、プラント建設と運営を想定したシミュレーションで採算性や経済効果を検証した。
また、反応工程に必要な原材料となる廃棄物品目を選定し、廃棄物処理費の計上が採算の向上に繋がることを確認する。さらに、廃油や廃プラスチック類を加熱用熱源に利用するなど廃材の有効活用でコストの削減を図る経済効果の高いビジネスプランを検討する。
・CaO の利用用途①焼却炉や加熱炉等の排気ガス処理集じん装置に使われる消石灰として。
②製鉄時の溶融銑鉄の不純物除去に使用する CaO の代用材に使用する。
③軟弱土砂や建設汚泥などの土質改良材に。

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試算根拠に CaO 1.0t 当たり生成に必要な廃棄物品目と処理費を図３ に示す。また、シミュレーシ
ョン結果を表２に示した。
・原材料としての廃棄物処分費の売上が採算性の向上に繋がる。
・施設稼働 100%では利益率が44.3%と非常に高く、稼働率 60.0%に落ちても利益率 35.1% と採算

図３ 利用する廃棄物品目と処理単価は確保でき、通常の石膏ボード再生業に比べ優良事業といえる。
表２ 廃石膏ボードリサイクル事業のシミュレーション結果
項目①プラント設備費

金額・円

計金額・円

296,800,000②維持修繕費1,600,000③固定・変動経費

17,937,638④支払合計額

備考

支払額根拠の概算費用

融資返済額・償却費含む
19,537,638⑤処理費売上額

30,550,000⑥再生材売上額4,550,000⑦売上合計額35,100,000⑧差額・利益額

15,562,362⑨利益率

設備 100%稼働時の場合

44.3%

【まとめ】
CaSO4 に炭素分を混合することで反応効率が向上することや、加熱された CaSO4 に直接CaS を投入する方法が効果のあることを確認した。
CaS や炭素分の混合量も文献に示される比率が最適であることを確認し研究により多くの成果を得ることができた。しかし、回転炉の密閉構造の不備から窒素還元雰囲気が維持できずに CaSO4 と CaS の混合実験では CaO 生成が未反応となった。
シミュレーションの結果、採算、経済効果が非常に高い優良事業であることを確認した。
【今後の取組】 多くの成果が得られたが、廃棄物の不法投棄を減らし生活環境の保全とともに経済効果の高い廃棄物再資源化事業を推進すべく以下の内容について開発を継続したい。
①炭化水素反応ガスと CaSO4 の接触効率を高める直接投入方式構造炉を作成する。
②回転炉の窒素還元雰囲気の維持が可能な構造の改造を実施する。
③CaS の水浸接触反応による実験装置を製作し脱硫効果を確認する。
④CaS、CaSO4、CaO が混在した生成物の再生資材化を調査、検討する。