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特集論

ごみ焼却発電による地球温暖化対策への貢献

文

Contribution of Waste to Energy Technologyto Global Warming
田 熊 昌 夫＊1
Masao Takuma

貝 原 裕 二＊2
Yuuji Kaihara

山 田 明 弘＊3
Akihiro Yamada

地球温暖化対策推進大綱の追加新エネルギー対策に基づき，国内では 2010 年度までに廃棄物発電を417 万 kW 導入する目標であるが，本報告ではこれに対応した当社の廃棄物発電技術について述べる．特に，ごみ焼却発電用ボイラの高温高圧化により発電効率を向上させる取組と実績や，次世代ストーカ炉酸素リッチ燃焼システムによる熱回収率向上，亜酸化窒素発生抑制，プラズマ灰溶融炉の消費電力低減等について概説し，当社廃棄物発電技術の地球温暖化対策への貢献についてまとめる．

1．はじ

め

めには，廃棄物発生量そのものの抑制，リサイクルのに推進により焼却量削減を図ることが本質的で重要であ1994 年 3 月に発効した

気候変動に関する国際連合

るが，省エネルギー・省資源といった活動を通じて効に基づいて，1997 年 12 月に二酸化炭素等率化を進めても廃棄物そのものを無くすことはできの温室効果ガス削減に関する法的拘束力のある約束等ず，廃棄物を有用な燃料とみなして有効にエネルギー枠組条約を定めた京都議定書が採択された．この議定書で回収することが大切である．そこで，2002 年３月には，先進国の温室効果ガス排出量の具体的削減数値目

地球温暖化推進本部が決定した

標が決められており，この目標達成に向けて温室効果大綱ガス総排出量削減のための取組が推進されている ．

でに 417 万 kW の廃棄物発電を導入することを目標の（1）

図１に我が国における二酸化炭素部門別排出量の変地球温暖化対策推進

では，追加新エネルギー対策として 2010 年ま一つにしている．

化を 1990 年と 2001 年に関して示す．廃棄物部門は他

本報告では，こうした廃棄物発電を取り巻く動向にの部門と比べて排出量自体は少ないが，プラスチック対して地球温暖化対策へ貢献する当社の対応技術につ等の焼却量増加に伴い，1990 年比で 40 ％以上増加しいて述べる．

CO2 排出量（百万 t ）ている．廃棄物部門の二酸化炭素排出量を削減するた
400

廃棄物発電導入に対しては，廃棄物発電施設の増加

350と廃棄物発電効率の向上が必要であり，当社は廃棄物300

発電設備の建設はもとより，発電効率向上に積極的に250取り組んでいる．図２にごみ焼却発電用ボイラの蒸気

200

温度の推移を示す（2）．我が国では，1990 年代初頭まで

150

３ MPa，570 K 級（30 kg/cm 2，300 ℃級）のボイラ100が主流であったが，現在は４ MPa，670 K 級50（40 kg/cm2，400 ℃級）へと発展し，さらに高温高圧

0
産業
1990年
2001年

369
366

エネルギー
運輸
転換
339
351

211
260

業務
その他

家庭

73965766

工業
廃棄物
プロセス
57
1751
25

廃棄物部門の二酸化炭素排出量は量的には少ないものの増加傾向．

図１ 二酸化炭素の部門別排出量変化

技術本部横浜研究所環境装置研究推進室主席 工博横浜製作所環境ソリューション技術部主幹＊3
横浜製作所環境ソリューション技術部環境システム計画課長＊1＊2

2．廃棄物発電の高効率化化傾向である．
ごみ焼却ボイラの蒸気条件が低く抑えられてきたのは，ごみ中に含まれる塩素等により燃焼排ガス中に塩化水素等の酸性ガスが発生し，これによってボイラ管，特に過熱器管が腐食されるためである．このため，ご213
550

：ドイツ
：米 国

500

：東南アジア諸国
：日 本

NEDO

蒸気温度（℃）

450
400
350
300
250
200
150

6466

6870

72747678808284

86

88

9092

94 9698

竣工年（西暦）図２ ごみ焼却発電用ボイラ蒸気温度の推移

最近は４ MPa，670 K 級ボイラが主流であり，高温高圧化の傾向．

２次過熱器

過熱器

3 次過熱器

ホッパ

ホッパ

１次過熱器

フィーダ
ストーカ
ストーカ

灰出装置

（a）4MPa, 670K（40k /cm2，400℃）級

図３

高温高圧ボイラ構造図：Gas：Steam（b）10MPa, 770K（100k /cm2，500℃）級

現在主流の４ MPa，670 K 級と世界初の 10 MPa，770 K 級のボイラ構造．

み焼却の発電効率は長い間，十数％程度に留まってい

図３に現在主流の４ MPa，670 K 級ボイラと世界最たが，ボイラ過熱器用耐食鋼管の開発が積極的に進め高水準の 10 MPa，770 K 級ボイラの構造を示す．４

られ，現在は 20 ％を超える程度にまで進展してきて

MPa，670 K 級ボイラは上昇流の第１パスと下降流のいる．

第２パスで燃焼ガスの滞留時間を十分確保できるよう

当社では 1986 年の輸出案件に対していち早く４放射伝熱面で構成されており，第３パスに過熱器が設

MPa，670 K 級ボイラを実用化し，現在は 6.5 MPa，置されている．10 MPa，770 K 級ボイラでは，３次723 K の蒸気条件を有するごみ焼却炉を中国に建設中過熱器を第３パスに設置しており，この付近の燃焼ガで，４ MPa，670 K 級以上のごみ焼却発電ボイラに関ス温度は 650 ℃程度以下としている．各過熱器材質にしては国内トップレベルの多数の実績を誇っている．

関しては，１次は炭素鋼，２次はステンレス鋼，３次また，1991 年からは新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のは高合金鋼を用いている．

高効率廃棄物発電技術開発

タイトル写真は当社がシンガポールに建設した世界プロジェクトの中で，高効率ストーカ炉と耐食性スー最大のごみ焼却発電設備で，720 t/d ×６炉から構成パーヒータ等の要素技術開発を当社が担当し，世界初され，日量 4 320 t のごみが処理でき，蒸気条件の 10 MPa，770 K 級（100 kg/cm2，500 ℃級）の高温

3.7 MPa，643 K のボイラが設置され，定格出力高圧ボイラを備えたプラントを 1998 年に建設し，順132 600 kW の発電が 2000 年より行われており，現在調に稼動している．

も順調に稼動している．
三菱重工技報 Vol.41 No.4（2004-7）

214（5）長年にわたるストーカ炉燃焼技術に基づいた高い

3．次世代ストーカ炉の地球温暖化対策への貢献
当社はすでに，次世代ストーカ炉信頼性と長期運転安定性を維持している．

酸素リッチ燃焼

これまで日本国内（146 t/d 炉，300 t/d 炉）と欧州を開発し，実機展開を図っている ．酸素

ドイツ（264 t/d 炉）において実炉を用いた実証試験

リッチ燃焼システムは，図４に示すように，次のようを実施し，図５に示すように上記事項を確認するととな特徴を持っている．

もに，二酸化炭素やメタンよりも温室効果の高い亜酸（1）１次燃焼空気を酸素富化して火格子上のごみ層燃化窒素（N 2O）も通常に比べて大幅に低減しており，システム（3）

地球温暖化対策への貢献が確認できている．

焼を活発化させた高温燃焼により，炉内燃焼ガス中

平成 16 年には欧州オーストリア（アーノルドシュの未燃分低減（CO，ダイオキシン類等）と焼却灰

タイン： 256 t/d ×１炉）と日本国内（仙台松森：性状が向上する．

200 t/d ×３炉）で酸素リッチ燃焼システム初号機が（2）２次燃焼空気に排ガスを再循環することにより，稼動し始める予定である．

炉内における燃焼ガスの混合を向上し完全燃焼を促進するとともに，NOx の増加を抑制する．

そして現在，酸素リッチ燃焼システムの特徴をさらにいかすべく，図６に示すように，灰溶融炉レスでさ（3）排ガス量を大幅に低減でき，ボイラ部及び排ガス処理システムのコンパクト化が可能である．

らなる主灰性状の改善を図る主灰再循環システムを開発中である．通常のごみ焼却炉から排出される主灰を（4）高温燃焼と排ガス量の低減によりボイラ熱回収率分級し，小粒径主灰と大粒径主灰に分けた場合，ダイが向上し，地球温暖化対策に貢献する．

排ガス中
DXN,CO 低減
排ガス量低減発電率アップ
蒸気タービン ボイラ減温塔

ごみ

ろ過式集じん装置

焼却炉
ごみ
二次空気OFA

飛灰中 DXN 低減
飛灰量低減

Air＋ EGR

高温燃焼による主灰性状改善

排ガス再循環
酸素富化空気押込送風機

図４

主灰酸素

炉内再循環

主灰中 DXN 低減
主灰熱灼減量改善
主灰重金属溶出量低減

燃焼空気量低減

小粒径

排出性状の劣る小粒径主灰を炉内の高温雰囲気で処理して性状改善を図る．

図６ 主灰再循環システムフロー：通常運転：酸素リッチ運転

1 016℃

120３ppm

100877℃

３％

0.032
0.01
n -TEQ/m3N n -TEQ/

1.03
n -TEQ/

800.0059

600.49
40

1 ppm

1%
0.0083200
排ガスCO
排出量N2O

炉温主灰熱灼

図５ 酸素リッチ燃焼システム実証試験結果の一例
低環境負荷を確認．

分級・洗浄

大粒径

主灰

次世代ストーカ炉 酸素リッチ燃焼システム フロー
酸素富化による低空気比高温燃焼で環境負荷の低い次世代ストーカ炉の設備フロー．

相対値（％）

PSA

排ガス
DXN

主灰DXN

飛灰DXN

実証試験の結果，高温燃焼，

215
主電極

1

天井覗窓
0.8

灰覗窓
定量投入装置スラグレベル

消費電力比（−）

投入ホッパ

排ガス出口

0.6

0.40.20

スラグ冷却装置

0.20.4

炉底電極

図７

プラズマ灰溶融炉

0.60.81

処理量比（−）

灰をプラズマにより溶融する炉

灰処理量の増加に伴い，消費電力の減少が認められる．

図８ 処理量と消費電力の関係の断面．

オキシン類や重金属類は小粒径主灰の方に集中し，大粒径灰はその性状が優れていることが知られている．

5．まとめ

主灰再循環システムではこの特性を応用し，性状の劣本報告では，地球温暖化対策推進大綱の追加新エネ

る小粒径主灰を炉内に再循環して酸素リッチ燃焼の高ルギー対策に基づき，国内で 2010 年度までに 417 万温雰囲気中で熱処理することにより，灰溶融炉を用いkW の導入が目標とされている廃棄物発電に対する当なくてもさらなる主灰の性状改善が可能なシステムと社の取組について述べた．特に，ごみ焼却発電用ボイしている．このシステムについては，処理量 7.2 t/d

ラの高温高圧化により発電効率を向上させる取組と実の小型ストーカ炉試験設備を建設して燃焼試験を実施

績や，次世代ストーカ炉・酸素リッチ燃焼システムにし，主灰性状改善効果を確認している ．

よる熱回収率向上，亜酸化窒素発生抑制，プラズマ灰（4）4．プラズマ灰溶融炉の消費電力低減
これまで述べてきたようなごみ焼却発電によるごみの保有熱量のサーマルリサイクル利用と併せて，現在，溶融炉の消費電力低減等についてまとめた．
今後さらに廃棄物発電技術を発展させるとともに，当社技術が地球温暖化対策に大きく貢献できることを期待している．

焼却灰を溶融固化して，更なる減容化を図り無害化し，溶融スラグの路盤材等へのリサイクルを促進する方法
としてプラズマ灰溶融炉が広く用いられている．プラ
ズマ溶融炉は図７に構造を示すように，主電極（黒鉛）と炉底電極との間に高温のプラズマを発生させて灰の溶融を行うものであるが，ごみ焼却炉で発電した電力を利用する．したがって，その消費電力を低減することにより，地球温暖化対策へ貢献することが重要である．
当社ではこれまで，プラズマ灰溶融炉の効果的な炉体冷却方法，出滓樋の工夫，耐火材の開発等によって，いち早く３ヶ月連続運転を達成してきた．また，最近
では 100 t/d ×４炉の世界最大規模のプラズマ灰溶融

参 考 文 献（1）林，地球温暖化対策の最近の動向について，都市清掃 Vol.57 No.258（2004）p.6（2）折田ほか，高効率廃棄物発電プラントの開発，三菱重工技報 Vol.36 No.3（1999）p.114（3）吉良ほか，酸素リッチ燃焼による次世代ストーカ式ごみ焼却炉の開発，三菱重工技報 V o l . 38
No.1（2001）p.8（4）馬渡ほか，次世代ストーカ炉 酸素リッチ燃焼システム の開発，日本機械学会第 13 回環境工学総合シンポジウム 2003 講演論文集（2004）p.193（5）西川ほか，ごみ焼却灰溶融プラズマアーク炉の開発，三菱重工技報 Vol.29 No.4（1992）p.346

炉を設計建設中で，合計 10 プラントの実績となっている．
最近に見られるプラズマ灰溶融炉の大容量化に伴い，図８に示すように，冷却や放熱損失の割合が減少して消費電力が低減でき，地球温暖化対策へ寄与するものと考えられる．

田熊昌夫

貝原裕二

山田明弘

三菱重工技報 Vol.41 No.4（2004-7）