三菱重工技報 VOL.44 NO.2: 2007

特集論文39メタン発酵，炭化ガス化などバイオマス最新利用技術
The Newest Biomass Utilization Technology
such as Methane Fermentation and Pyrolysis
古 賀 洋 一＊1

水Youichi Koga

山 本 洋 民谷洋＊2

Hiroshi Mizutani＊3

田 畑 雅 之Hirotami Yamamoto＊4

Masayuki Tabata

常 泉 慎 也＊2
Shinya Tsuneizumi

甘利Takeshi Amari

猛＊5

循環型社会の構築や温室効果ガス抑制に対する関心が高まる中，当社ではバイオマス有効利用技術として，メタン発酵技術，炭化ガス化技術の開発を行い実用化している．メタン発酵技術はこれまでし尿処理や下水汚泥処理に用いられていたが，平成 18 年３月に東京で 110 トン／日の食品廃棄物単独メタン発酵処理施設を完成し，順調に運転している．炭化ガス化技術においても，三重で 100 トン／日規模の木質系バイオマスガス化発電施設が平成 17 年３月の竣工後２年を経過し，順調に稼働している．また東京
で 300 トン／日の下水汚泥炭化燃料化施設を受注し，平成 19 年中に竣工予定である．今後も処理対象物の拡張を含め，バイオマス有効利用に向けた社会ニーズに応える技術を提供していく．

1．はじめに体化しつつあり，次項に示す当社製プラントでの成功が国内外の大きな注目を浴びている．
2．2

近年，廃棄物の削減を目指した循環型社会の構築や，温室効果ガス抑制に対する関心が高まっている．循環

メタン発酵による食品リサイクル施設稼働状況（1）概要型社会推進基本法や RPS 法といった法整備やバイオ

東京都において，廃棄物問題の解決と新たな環境産マスタウン構想等に後押しされ，カーボンニュートラ業の立地を促進し，循環型社会への変革を推進するこルな資源であるバイオマスを有効利用する技術がますとを目的としてスーパーエコタウン事業が進められてます重要になってきている．

いる．これは国の都市再生プロジェクトの一環として，バイオマスといっても，農業資源系，林産資源系，東京臨海部の都有地において，民間事業者等が主体と水産資源系，畜産資源系，廃棄物系など多種多様であなり廃棄物処理・リサイクル施設の整備を進めるもの

り，それらを利用する技術も様々である．本稿では，（株）による食品リである．この中で，バイオエナジー

このような社会のニーズに対応すべく，これまで当社サイクル施設が，循環型社会への貢献度，安全性，環横浜製作所で開発，実用化を行ってきたメタン発酵技

境性能，技術･システムの先進性などの総合評価によ術，炭化ガス化技術の最新状況をまとめた．

りスーパーエコタウンにふさわしい事業として選定され，当社がこの食品リサイクル施設を納入した（図１，2．メタン発酵技術
2．1

メタン発酵技術の特徴

メタン発酵技術は，汚泥，食品残さ等の含水率が高いバイオマスからエネルギーを有効に取り出す技術であり，嫌気的条件下で嫌気性細菌の作用により，有機物からメタン（CH4）と二酸化炭素（CO2）を発生させる．
発生させたメタンガスは，ガスエンジン・燃料電池・ボイラ等に利用し，エネルギーを高効率に回収する．

250 kW ×1 基
燃料電池（MCFC）
脱硫塔ガスホルダ

食品系廃棄物

ガスエンジン
500 kW ×1 基
メタン発酵槽 1 960m3×2槽 250 kW ×1 基

バイオガス
破砕・選別機

調整槽

消化汚泥
不適物
（場外搬出）

硝化・脱窒素処理設備

これまでメタン発酵技術は，し尿処理・下水処理等で多数の稼動実績が有ったが，食品廃棄物などへの適用は未着手であった．しかし，近年は食品リサイクル

処理水

下水放流

乾燥汚泥
乾燥機

図１

法施行等の流れを受け，食品廃棄物などへの適用も具
＊1

＊4

＊2

＊5

横浜製作所環境ソリューション部計画開発グループ長
横浜製作所環境ソリューション部計画開発グループ＊3
横浜製作所環境ソリューション部技術グループ主席

脱水機

食品リサイクル施設フロー場外搬出搬入された食品廃棄物はメタン発酵処理され，発生したバイオガスは発電等に有効利用される．

技術本部横浜研究所化学システム研究室長
技術本部横浜研究所流体・伝熱研究室

三菱重工技報 VOL.44 NO.2: 200740

表２
メタン発酵槽

図２

ガスホルダ項食品リサイクル施設外観

メタン発酵槽にて発生したバイオガスはガスホルダ経由でガスエンジン，燃料電池などに有効利用される．

表１項

食品リサイクル施設主仕様

目主仕様

食品リサイクル施設稼働状況（平成 19 年２月）
目

運転データ

食品廃棄物搬入量

1 453トン／月（1日平均 約52トン）

バイオガス発生量

298 030 m3／月
（205 m3／廃棄物トン）

バイオガス発電使用量

264 550m3／月

バイオガス主成分

CH4 約 60 ％CO2 約 40 ％発 電 量

556 200 kWh／月（383 kWh／廃棄物トン）

場内消費電力332 668 kWh／月

売 電 量

223 532 kWh／月

3．炭化ガス化技術
3．1

炭化ガス化技術の特徴

納入先

バイオエナジー（株）

竣工年月

平成18年 3 月

所在地

東京都スーパーエコタウン内（東京都大田区城南島3−4−4）

低酸素状態で蒸し焼きにすることで，熱分解ガスと炭鉄骨造 地上3階地下2階化物が得られ，これらを電力･熱などのエネルギー源と構造・建築規模

処理対象物①事業系一般廃棄物：首都圏のホテル,スーパー, コンビニエンスストアなどから排出される食品残さ②産業廃棄物：首都圏の食品加工工場
等から排出される動植物性食料残さ設備規模

110トン／日

処理方式

メタン発酵方式

発電設備

燃料電池 250 kW
ガスエンジン 250kW＋500 kW

発電計画量

約 24 000 kWh／日

炭化ガス化技術はドライ系・ウェット系バイオマス･廃棄物を有効利用･資源化する手法である．有機物をして利用する．当社は間接加熱式ロータリーキルン炭化ガス化炉を採用しており，以下のような特徴がある（図３）．
① バイオマス･廃棄物を投入スクリューによって炭化ガス化炉に投入し，低酸素雰囲気で 500℃以上の高温処理を行なう．
② 間接加熱方式とし，内筒が回転することで均一な加熱を行い，安定した品質を確保する．
③ 発生した熱分解ガスは燃焼炉で完全燃焼させ，炭図２，表１）．この施設は以下のような特徴をもっ化ガス化炉熱源やボイラ熱源等として利用する．ており，平成 18 年４月の本格稼働より順調に稼働している．
① 国内最大規模となる 110 トン／日の食品廃棄物
単独メタン発酵処理施設

外 筒（固定式）
熱分解
ガス

炭化炉加熱ガス② 燃料電池とガスエンジンを利用したメタン発酵

バイオマス投入部

施設売電施設としては世界初（2）稼働状況炭化物

平成 19 年 2 月における最新のプラント稼働状況
は表２の通りである．
バイオガス発生量計画値は約 120m3N ／廃棄物トンであったが，計画値を大幅に上回るバイオガス

内 筒
（駆動式）

図３

炭化炉加熱ガスバイオマス

炭化ガス化炉構造

バイオマスは回転する内筒の内部に投入される．加熱ガスは外筒と内筒の間に導入されバイオマスを間接加熱する．

が発生している．これは，搬入された食品廃棄物のTS 濃度が計画値よりも高いことに起因すると考え3．2

木質系バイオマスガス化発電施設の稼働状況られる．バイオガス主成分である CH4 濃度は安定

当社は，三重中央開発（株）より木質系バイオマスとして計画値を維持している．これにより，発電量もしては国内初の 100 トン／日規模のガス化発電施設を556 200 kWh ／月（383 kWh ／廃棄物トン）に上っ

受注し，平成 17 年３月竣工以来，既に２年が経過しており，場内消費電力を全て賄い，余剰電力を売電た（表３）．平成 18 年 11 月時点の運転データとして，している．

図４に，燃焼室内ガス温度，キルン温度，燃焼室内酸三菱重工技報 VOL.44 NO.2: 2007

表３

木質系バイオマスガス化発電施設主仕様
項目

主仕

41

ルン炭化炉において実際に下水汚泥を用いた炭化試験を行い，微粉炭燃焼試験を実施することで下水汚様納入先

三重中央開発（株）

竣工年月

平成 17 年 3 月

処理対象物

木材チップ

設備規模

4 000 kg/h

泥燃料化技術を具現化した．その結果，下水汚泥炭（株）
より受注
化燃料化設備の建設工事をバイオ燃料．
し，東京都内に建設中である（表４，図５）

炭化ガス化方式

間接加熱式ロータリーキルン

発電設備

抽気復水タービン 1 400 kW
蒸気条件 3.0 MPa 300 ℃

表４項

下水汚泥炭化施設主仕様

目

主納入先

：燃焼室内ガス温度：タービン発電電力

仕様

バイオ燃料（株）

竣工予定

平成 19 年中（予定）所在地

砂町水再生センター東部スラッジ
プラント内（東京都江東区）

処理対象物

下水汚泥（脱水後）

1 050 ℃

下水汚泥性状含水率約 76 ％ , 可燃分約 81 ％1 400 kW

設備規模

615 ℃
：キルン温度：燃焼室内酸素濃度

5％

11：00

12：00

13：00
時

図４

14：00

15：00

16：00

300トン／日

炭化処理方式

間接加熱式ロータリーキルン

炭化物発熱量3 000 kcal/kg 程度（代表性状）

温室効果ガス量CO2 換算で年間約 10 000トン

炭化炉

刻

乾燥機

木質系バイオマスガス化発電施設運転データ

発電出力は 1 400 kW を維持する等，安定した運転を継続している．

素濃度，タービン発電電力の経時変化を示す．燃焼室
内ガス温度 1 050 ℃，キルン温度 615 ℃，燃焼室内酸素濃度５％でガス化のプロセスは安定に推移している．また，タービン発電電力は定格 1 400 kW を維持し，事業所内の設備へ電力を供給し，バイオマス利用の役割を果たしている．

図５

下水汚泥炭化施設外観

下水汚泥炭化施設は現在建設中であり，平成 19 年内に完成予定．

炭化物の用途開発では，安全で環境に優しい燃料としての利用を目指して各種調査試験に取組んでいる．
3．3

下水汚泥炭化技術の実用化（1）概要（2）施設特徴
本施設は以下のような特徴がある．
① 安定運転の確保

これまで下水汚泥は，自治体による焼却／埋立て脱水汚泥性状の変動が汚泥炭化施設の運転に与処分が主流であったが，現在，東京都下水道局とバえる影響を極力抑えるため，直接加熱式乾燥機に（株）（東京電力（株）子会社）とが一体となり，イオ燃料よる脱水汚泥の乾燥前処理により，炭化炉へ供給下水汚泥を炭化燃料化し，発電エネルギーとして有する乾燥汚泥含水率を 25 ％程度に調整している．

効利用する世界初の取組みが始まっている．下水汚② 炭化物品質の確保

泥を炭化燃料化した場合，下水汚泥排出元である自間接加熱式ロータリーキルンの採用により，炭治体にとっては，① 下水汚泥の資源化率が向上し，化温度を任意にコントロール可能とし，炭化物の② 汚泥処理費が低減するといったメリットがあり，品質を確保している．
炭化物の自己発熱防止のため，炭化燃料利用先である電力会社にとっては，③ 新

表５のような安全管理指標にて運用予定である．

エネルギーの確保等といったメリットがある．本取③ 温室効果ガス発生抑制

組みに関して，当社は計画当初から技術協力を行っ下水汚泥の炭化処理では，汚泥中の窒素分がてきた．当社工場内に設置の間接加熱式ロータリキ

炭化物中に残留し，かつ熱分解ガスを高温燃焼三菱重工技報 VOL.44 NO.2: 2007

42

管理指標

炭化燃料製造時

炭化温度

自己発熱防止対策

水加湿貯留時の安全対策

温 度, ガ ス 濃 度 ほ か

高炭化物の自己発熱に関する安全管理

安全管理対象・項目

食品系 B，食品系 C，木質系

食品系 A
炭化物発熱量表５（950 ℃以上）することが可能であるため，焼却汚泥，生ごみ方式と比べて亜酸化窒素（地球温暖化係数 310）3．4

低の発生を抑制できる．
炭化物原料多様化への取組み

小（1）概要大
原料中：固定炭素／灰分

前述の通り，木質系バイオマスを炭化ガス化して

図６

エネルギーを有効利用する技術や，下水汚泥を炭化燃料化して事業用ボイラで石炭代替燃料として利用

原料中固定炭素／灰分と炭化物発熱量

炭化物発熱量は原料中の固定炭素／灰分と正の相関がある．

水産省等が推し進めるバイオマスタウン構想における，域内に賦存する 90 ％以上の廃棄物系バイオマ
ス，または 40 ％以上の未利用バイオマスの利用を可能とするため，処理可能なバイオマスをさらに拡張することを追求している．この中で，食品系廃棄物や一般廃棄物を含めたバイオマスの炭化燃料化特濃度（ppm（O2 12 ％），％）する技術は，既に当社が実用化した．さらに，農林
150

100性の把握，炭化燃料適用性検討用のデータベースの構築を行った．
（2）各種バイオマス炭化基礎特性
様々なバイオマスの炭化基礎特性を把握した．主：ハンタバレー単身：一廃炭化物 5 cal ％ 混焼

図７500NOx（ppm）

CO（ppm）

灰中未燃（％）

基礎燃焼炉試験結果例

ハンタバレー炭単身と一廃炭化物５cal％混焼との比較を行った．

な特徴としては，以下のとおりとなっている（図６）．
①炭化物発熱量は原料によって大きく異なるが，概ね原料中の固定炭素含有量の大小と傾向が一致する．

4．まとめ

当社横浜製作所が開発･実用化を進めてきたメタン②原料性状から炭化物発熱量を推定するには，固定発酵技術，炭化ガス化技術の最新状況についてまとめ炭素量のみではなく，含有灰分量の考慮が必要．

た．いずれの技術も実用段階に入っているが，さらに③塩素分は生ごみ等の食品廃棄物に多く含まれ，硫バイオマスを有効利用しようという社会のニーズに応

黄分は下水汚泥に多く含まれる．
（3）炭化燃料基礎燃焼試験

えるべく，処理対象物の拡張等，最新の技術を提供していきたいと考える．

一般廃棄物炭化物の燃料利用の可能性に関して，基礎燃焼試験を実施した．一般廃棄物は K 村より受領し，粗破砕後，当社横浜製作所炭化実証炉にて炭化処理した．生成された炭化物は不適物除去後，当社長崎研究所において石炭ミル粉砕し，基礎燃焼．
試験を行った（図７）燃焼試験はハンタバレー炭単身とハンタバレー炭

古賀洋一

水谷洋

常泉慎也

山本洋民

田畑雅之

甘利猛と一廃炭化物５cal％混焼の比較を行うなど，広範で有用なデータを確認した．実際の混焼率に関しては，ボイラ腐食等を考慮し，一廃炭化物に含まれる塩素含有量等に応じて混焼率を決定する必要がある．