一般廃棄物の組成変動がガス化溶融処理における熱分解生成物に及ぼす影響
廃棄物・有害物管理工学研究室

三浦崇

指導教官

小松姫野俊哉修司

桃井清至

1 . はじめに現在、日本の廃棄物処理の現状は、大量かつ様々な廃棄物が排出され、この処理のために多くの人員と経費をかけなければならない状況にある。また、廃棄物の中間処理によって、発生するダイオキシン類の対策や最終処分場の逼迫が問題となっている。それらを解決するためには、省資源、省エネルギーの観点から廃棄物の発生を抑制し、廃棄物から出る有価物の再生利用を促進する資源循環型社会の構築が必要である。
また、日本において、廃棄物の焼却によって発生するダイオキシン類は、総排出量の 9 割とされており、この対策として、平成 9 年に「ごみ処理に係るダイオキシン類発生防止等ガイドライン（新ガイドライン）」が策定され、ダイオキシン排出濃度は、0.1 ng-TEQ/Nm3 以下と定められた。
さらに、「ごみ処理の広域化計画」が通達されたことによって、ガス化溶融炉が注目されるようになった。
ガス化溶融炉は、大きく分けて熱分解工程と燃焼・溶融工程の 2 つの工程からなり、まず、ごみを還元雰囲気で熱分解し、熱分解残渣と熱分解ガスに分離し、熱分解残渣中の鉄やアルミなどの有価物を回収した後、溶融炉に送られ、熱分解ガスとともに、空気比1.3 程度で燃焼することで、約 1300℃以上の高温燃焼が可能となり、熱分解残渣中の灰分を溶融し、スラグ化する次世代型ごみ処理システムである。
しかし、現在の社会経済活動の結果、廃棄物は多組成かつ時系列、地域的に変動することから、ガス化溶融システムの安定性や安全性が危惧されている。
そこで、本研究では、一般廃棄物の組成の違いが熱分解生成物に及ぼす影響を把握するとともに、ガス化溶融処理の熱分解工程と燃焼・溶融工程を通して最適な熱分解条件を検討することとした。
2.

実験試料

実験試料には、一般廃棄物の多組成とごみ質の変動を反映しなければならないため、本研究では、一般廃棄物の模擬として、ごみ固形燃料（RDF）を用いた。RDF の選定方法は、国内の RDF 化施設約 40 ヶ所において、処理され表1 RDFのごみ質組成アンケート結果
RDF
組成[wt%]
ごみ質No.
紙類
プラスチック類
厨芥類 木竹類 その他 不燃物
燃ごみ系、厨芥類
154.8
21.7
6.9
3.3
2.80.4を除いた可燃ごみ、
58.4
27.7
7.2
0.5
6.00.22
不燃ごみ系の３つ
353.4
10.0
21.8
11.7
2.1
1.1のカテゴリーに分
可燃ごみ 45.1
424.2
22.4
5.2
1.61.6‑‑‑‑‑‑5けた。各カテゴリ
668.0
27.0
2.0
1.0
1.0
1.0ーから処理量が大7‑
‑
‑
‑
‑
‑
きい RDF 化施設
95.72.8<0.11.5‑
<0.18
可燃ごみ
64.5
32.0
1.5
1.40.30.29から順に優先順位
厨芥除く
1045.653.7<0.1<0.10.7<0.1を付けた。
ただし、
118.6
88.1
<0.1
<0.10.92.4
ごみ質が特異的で、不燃ごみ‑
100‑‑‑‑
121360.0
30.0
0.0
0.0
10.00.0
ごみ質の違いを把握する上で必要で −：施設で未確認ているごみ質を可あると思われた RDF については、優先順位とは別に分類した。各カテゴリーから処理量の多い順で計 13 施設の RDF を使用した。表 1 に RDF の組成データを示す。
3 . 実験方法
3 . 1 熱分解実験方法

表2 熱分解条件
熱分解温度 熱分解時間
実験試料
400℃
一般廃棄物の代表（RDF 1と2)
450℃
60min
500℃
窒素雰囲気
550℃
プラスチックの含有割合の高いRDF(RDF 11)
600℃

本実験において、熱分解条件は、キルン式ガス化溶融システムの熱分解条件を参考にして設定した。実験条件を表 2 に示す。熱分解条件の違いによる熱分解生成物への影響を把握するために、一般廃棄物の平均的な組成と類似していた RDF（RDF 1 と 2）、そして、プラスチッ

ガス流れ型 電 気 炉( 光洋サーモシステム社製

ガス出口
ガス状タール分流れ①③②④⑥KTF433-S)を用いた。実験手順は、2 つのアルミナるつぼ(ニッカトー社製 SSA-H：30⑦

ク類の含有割合が高い RDF（RDF 11）を用いた。各 RDF は、微粉砕した物を使用した。

ガス入口
N2

熱分解実験装置は、図 1 に示すような環状ml)に試料 5 ｇ入れ、管状炉の端に設置した①②⑤GC−TCD

タール回収

後に、炉内を還元雰囲気にするために、窒素ガスを 0.055 m/s で流しつづけた。その後、① 流量計②ガラス管③るつぼ（試料）④押し出し棒

設定温度まで 2 ℃/min で昇温させ、設定温度に⑤タール貯め⑥活性炭トラップ⑦温度調節制御盤

到達した後、炉内温度が完全に安定する 30 分後

図 1 熱分解実験装置概要図に、試料を灼熱帯に押し入れ、熱分解させた。熱分解に伴って発生する熱分解ガスは、熱分解開始から 3、5、7、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90 分後に、ガスバック(フッ化ビニルフィルム製、膜厚50 μm、容積 100 ml)で採取し、採取したガス成分は、TCD 型ガスクロマトグラフ(ステンレスカラム：φ2 mm×6 m、カラム充填剤：信和化学工社製
SHINCARBON T 60-80、カラム温度：50℃(8 min)〜260℃(10 ℃/min)、キャリアーガス：高純度アルゴン)を用いて H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6 を分離・定量した。
所定の熱分解時間に到達した後、るつぼボートを灼熱帯から退避させた後、活性炭カラムを秤量し、熱分解後の揮発性有機化合物（VOC）の吸着量を測定した。炉内温度が 80℃以下になった後に、熱分解残渣を秤量した。また、タールについては、タール貯めに蓄積した分と電気炉の炉心管内壁に付着した分をペーパータオル等で拭取り、固着して拭取れない分は、アセトンで溶解した後に拭取り、ドラフター内で一晩放置し、アセトンを蒸散させた後に秤量した。
熱分解実験で得られた熱分解残渣は、JIS M 8812 に規定されている方法に準じて、工業分析を行い、水分、揮発分、固定炭素、灰分を測定した。
3.2

熱分析

RDF の熱分解挙動および熱分解残渣の燃焼挙動を測定するために、熱重量・示差熱分析装置(セイコー電子工業社製
TG/DTA 320)を用いて、表 3 に示す条件で熱分析を行った。

表3 熱重量・示差熱分析測定条件
RDF熱分解挙動
熱分解残渣の燃焼挙動
実験試料RDF
熱分解残渣
試料重量10mｇ
加熱速度5℃/min測定温度範囲
25℃〜800℃
流入ガス
N2(200ml/min)
Air(200ml/min)

4.

実験結果および考察

4.1

熱分解生成物割合

残渣

熱分解生成物割合[wt%/kg‑RDF]

図 2 に各熱分解条件下での熱分解生成物割合を示す。その結果、熱分解残渣については、熱分解温度が高くなるほど、熱分解残渣の生成割合が低くなった。特に、熱分解温度 400℃においては約 50 wt%ほどであったが、450℃では約 30 wt%程度となり急激に減少した。特に RDF 11 は 400℃と 450℃で急活性炭吸着

ロス
600

60
40200
1 2 11 1 2 11 1 2 11 1 2 11 1 2 11RDF number
図2 熱分解条件の違いによる熱分解生成割

100結果 1)-4)より、紙類は、355〜371℃で最も重量減少

80

熱重量変化[wt%]RDF 11 については、400℃以上から急激に重量減少することが分かった。熱分解についての既往の研究

低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレンでは、350

ガス

熱分解温度[℃]
55045050080化から、RDF 1と2における熱重量曲線を示したが、ら緩慢な重量減少（リグニン）を示し、また、プラスチック類では、ポリスチレン、ポリプロピレン、400100激に減少している。図 3 に示す各 RDF の熱重量変（セルロースとヘミセルロース）を示し、400℃か

タール

RDF 1
RDF 2
RDF 1160
4020〜500℃の間で重量減少が見られ、417〜479℃で最も重量減少する。さらに、PVC では 200〜380℃と00380〜550℃の２段階に分かれることが知られてい200

400600800

温度[℃]る。したがって、400℃以上からの急激な重量減少

図3各RDFの熱重量変化は、主にプラスチック類の重量減少であると考えられた。
タールについては、熱分解温度 400℃は一番低く、RDF 1 と 2 は約 25 wt%で RDF 11 では約 16 wt%程度であった。450℃では、急激に増加し RDF 2 では約 35 wt%、RDF 1 と 11 では約 47 wt%であったことから、少なくとも 400℃より高い温度でタールの生成が活発に行われると思われる。
熱分解ガスおよび活性炭吸着量については、熱分解温度が高くなるに従い増加した。なお、ロスが最大で約 20 wt%ほどあるが、これは炉心管内壁に付着したタールの未回収分や、熱分解ガスにおいて炭素数と思われる。
以上のことから、熱分解温度が高くなるほど、熱分解残渣の生成割合が減少し、熱分解ガスの生成割合が増加することが分かった。また、プラスチックの含有割合が高い RDF の急激な熱分解が起こる温度は、400℃以上であることから、ゴミ質によって熱分解生成物割合が異なることが分かった。

CO
400

単位RDF当たりの熱分解ガス量[ml/g‑dry sample]

3 以上のなかでも活性炭カラムにおいても吸着しにくい炭化水素などが測定できなかったことが原因だ

H2
H2CH4CH4450CO2C2H4CO2C2H4
熱分解温度[℃]
500550C2H6C2H6600150100500
1 2 11 1 2 11 1 2 11 1 2 11 1 2 114.2

熱分解ガス

図 4 に各 RDF の異なる熱分解条件下での組成別

図4RDF number
組成別累積熱分解ガス量

累積熱分解ガス量を示す。この結果から、H2 や CH4 などの可燃性ガスの発生は、熱分解温度が高くなるに従い、発生量も多くなっていることが分かる。また、RDF 11 については、プラスチック類の含有割合が多いことから、他の RDF に比べ、CO や CO2 などの無機性ガスの発生量が少なく、C2H4 や C2H6 の有機性ガスの発生量が多かった。
以上のことから、可燃性ガスの発生量を促進させるのであれば、熱分解温度が高く設定すればよいことが分かった。

その結果、熱分解温度が高くなるに従い、熱分解残渣中の揮発分が減少し、燃料比が増加した。灰分や固定炭素については、熱分解温度が高くなるに従い、増加することが認められたが、その量は若干量であるため、燃料比の増加は、揮発分の減少が大きく影響していると考えられる。RDF 11 では、熱分解温度 400℃および 450℃では、その他の RDF と比較

単位RDF当たりの熱分解残渣
成分割合[wt%/kg‑RDF]

結果から計算した燃料比(=固定炭素/揮発分)を示す。

灰分100

固定炭素 揮発分 燃料比
熱分解温度[℃]4004505005506006580燃料比[‑]4 . 3 熱分解残渣
図 5 に熱分解残渣の工業分析結果および工業分析

460340220100
1 2 11 1 2 11 1 2 11 1 2 11 1 2 11RDF number

して、燃料比が低かったが、500℃以上からは、ほとんど差が見られなかった。この原因としては、一般廃棄物中のプラスチック類の熱分解は、およそ

図5

熱分解条件の異なる熱分解残渣の成分割合500℃前後で完了していることに起因していると考100

図 6 に熱分解残渣の燃焼時の熱分析結果を示す。
これより、熱分解温度が高い熱分解残渣ほど、燃焼開始温度が高温度側に移行していることから、熱分解温度が高くなるほど、熱分解残渣は燃焼しにくい組成に変化していると考えられる。
以上のことから、熱分解温度が高くなるほど、熱分解残渣中の揮発分が減少し、燃料比が高くなり、重量変化[wt%]えられる。

RDF 1
80400℃
60450℃
500℃

40550℃

20600℃

00200

燃焼しにくい組成に変化することが分かった。

400600800

温度[℃]
図6

熱分解残渣の燃焼挙動の例

5 . 熱分解工程と燃焼・溶融工程を通して最適な熱分解条件の検討
ガス化溶融システムにおいて、熱分解工程は非常に重要な工程であり、熱分解条件によって、熱分解生成物が変化し、後の燃焼・溶融工程に大きな影響を及ぼす。そこで、熱分解工程と燃焼・溶融工程を通して最適な熱分解条件を検討することにした。
検討項目には、溶融するためには、多くの熱量を必要とすることから、①単位 RDF 当たりの熱分解残渣と熱分解ガスの低位発熱量の和とし、熱分解残渣は工業分析結果からの 3 成分の式、熱分解ガスは各ガス組成の低位発熱量の和から算出した。熱分解工程での処理効率を考慮し、②熱分解残渣の生成割合、全体的な処理速度を考慮し、③ごみ処理速度とし、尾崎 5)等の燃料比とごみ処理速度の関係から求めることとした。
さらに、熱分解残渣の燃焼性および均質性から、④熱分解残渣の燃料比、そして、熱分解に必要なエネルギーとして、⑤熱分解温度とした。本来ならば、熱分解温度はエネルギー効率から、エネルギー量として算出した方が望ましいが、熱のロス分が測定できなかった。今後の課題と致したい。
各種評価項目を表 3 に示す。熱分解温度400℃では、低位発熱量は高いが、熱分解残渣の生成割合が高く、ごみ処理速度が遅いことから、望ましくないと思われる。
熱分解温度 600℃では、熱分解残渣の生成割合が低く、ごみ処理速度が速いが、熱分解温度が高い割には、低位発熱量が低く、エネルギー効率が悪いと考えられ、望ましくないと思われる。
熱分解温度 450〜550℃では、各評価項目で大きな違いがないため、どの熱分解条件でも良好な処理が可能であると思われる。しかし、どの条件とも良好であるのであれば、熱分解工程における投入エネルギーが低い方が望ましいことから、熱分解温度 550℃は、その他の 2 つの条件と比較すると、望ましくないと考えられる。また、熱分解温度 450℃では、ごみ質の違いによって、燃料比が異なるため、組成が変動することを考慮し、燃焼・溶融工程の安定性を考えると、望ましくないと考えられる。
したがって、熱分解工程と燃焼・溶融工程を通して最適な熱分解条件は、500℃付近であると思われる。

RDFNo.
12111211121112111211表3 熱分解条件と最適化評価における各種評価項目
熱分解温度 単位RDF当たりの熱分解残渣と 熱分解残渣 ごみ処理速度
熱分解ガスの低位発熱量の和生成割合[℃][kcal/kg‑RDF][wt%][kg/m2h]
1,870
50.0
30.0
400
1,780
50.1
29.9
2,410
63.8
36.1
1,190
33.4
43.4
450
1,190
34.1
42.5
800
25.8
56.9
1,190
31.0
46.1
500
1,240
32.8
43.0
710
25.4
56.2
1,180
27.9
50.1
550
1,280
31.2
44.9
810
21.1
66.5
1,370
30.9
44.3
600
1,490
30.6
44.1
1,140
20.6
65.4

燃料比
[‑]
0.65
0.69
0.17
1.82
1.79
1.33
2.57
2.74
2.52
3.52
3.65
3.48
4.53
4.90
4.79

6 . 同一熱分解条件下でのごみ質の違いによる熱分解生成物への影響
前節において最適な熱分解条件は、500℃付近と考えられた。しかし、一般廃棄物は多組成であり変動することから、様々のごみ質に適用できなければならない。
そこで、表１に示した全国から提供していただいた RDF を用いて、熱分解温度500℃、熱分解時間を 60分で熱分解することとした。
同一熱分解条件下でのごみ質の違いによる熱分解生成物割合
図 7 に同一熱分解条件下のごみ質の違いによる熱分解生成物割合を示す。この結果から、可燃ごみ系
RDF と厨芥類を除いた可燃ごみの RDF における熱分解生生成物割合は、ほぼ同じであったが、プラスチック類の含有割合が高い RDF の熱分解残渣の生熱分解生成物割合[wt%/kg‑dry sample]

6.1

熱分解条件
500℃60min

残渣

タール

可燃ごみ系

ガス ロス
厨芥類除く
可燃ごみ 不燃ごみ系

100
8060402001

成割合が低くなり、タールの生成割合が高くなるこ
図723456 7 8 9 10 11 12 13RDF number

ごみ質の違いによる熱分解生成物への影響

とが分かった。
同一熱分解条件下でのごみ質の違いによる熱分解残渣への影響

ら計算した燃料比を示す。表 1 に示したとおり、ごみ質が大きく異なるにもかかわらず、熱分解温度 500℃、60 分で熱分解すると熱分
解残渣の燃料比は、ほぼ 2〜3 の間であった。
このことから、ごみ質が大きく異なっていたとしても、本研究で提案する条件で熱分解することによって、熱分解残渣を均質にすることができ、後の燃焼・溶融工程において、ごみ質が変化しても安定な処理が可能であると考えられた。

熱分解条件
500℃
60min

灰分固定炭素

可燃ごみ系

揮発分

燃料比

厨芥類除く
可燃ごみ 不燃ごみ系

1005804603402201001

図8燃料比[‑]

図 8 に同一熱分解条件下のごみ質の違いによる熱分解残渣の工業分析結果と工業分析か

単位RDF当たりの熱分解残渣
成分割合[wt%/kg‑RDF]

6.223456 7 8 9 10 11 12 13
RDF number

ごみ質の異なる熱分解残渣の成分割合と燃料比

7 . まとめ
様々なごみ質から製造されたRDF を模擬ごみとして、熱分解実験を行った結果、以下の知見が得られた。
1) 熱分解温度が高くなるほど、熱分解残渣の生成割合が減少し、タールおよび熱分解ガスの生成割合が増加し、熱分解残渣の燃焼性が低下した。
2) プラスチック類の含有割合が高いごみ質では、熱分解残渣の生成割合が低く、タールおよびガスの生成割合が高くなることが分かった。
3) 熱分解工程と燃焼・溶融工程を通して最適な熱分解条件は、500℃付近であることが考えられた。
4) ごみ質の組成に変動があっても、500℃、60 分での熱分解によって、熱分解残渣の成分が均質になり、後の燃焼・溶融工程で、安定した処理が可能であることが示された。
参考文献
1) 豊田 素子，岩本 聡浩，古角 雅行：熱重量・示唆熱分析に基づくプラスチックの燃焼特性に関する考察，第 10 回廃棄物学会研究発表講演論文集，371-373，(1999)
2) A.M. Li et al.：Pyrolysis of solid waste in a rotary kiln: influence of final pyrolysis temperature on thepyrolysis products，J.Anal.Pyrolysis，Vol.50，149-162， (1999)
3) L.S rumet al.：Pyrolysis characteristics and kinetics of municipal solid wastes，Fuel，Vol.80，
1217-1227，(2001)
4) 山田 浩一，福山 丈二，本多 淳裕：プラスチック廃棄物の熱分解処理，用水と排水，Vol.15，No.6，706-718，(1973)
5) 尾崎 真司，黒石 智，米田 主，七里 雅隆：ガス化溶融プロセスの燃焼溶融に関する実験的考察，
第 9 回廃棄物学会研究発表会講演論文集，601-603，(1998)