新技術説明会

⽊質バイオマス燃焼灰の資源化技術
2024.2.1

⾼ 巣 幸
北九州市⽴⼤学

国際環境⼯学部⼆（教授）
建築デザイン学科※本説明会は、(独）環境再⽣保全機構「令和3年度環境研究総合推進費 3Ｇ-2103 ジオポリマーコンクリートに資する⽊質バイオマス燃焼灰の資源化技術の実証開発」で実施した内容の⼀部です。

1１．本技術開発の背景・⽬的2

【フライアッシュ（石炭灰）】

出典）財団法人石炭エネルギーセンター：石炭灰の有効利用、http://www.jcoal.or.jp/bunya7_24.pdf

3

【⽯炭灰コンクリートの効果】①産業廃棄物の有効利⽤④アルカリ骨材反応を抑制（ASR抑制対策として極めて有効）。

②圧縮強度の増加（JISⅡ種乾粉よりCCASコンクリートの⽅が強度上昇）③乾燥収縮率の低減（JISⅡ種乾粉よりCCASコンクリートの⽅が乾燥収縮率を抑制）
080
70-200⑤天然資源の消費抑制

50

収縮率(μ)

圧縮強度(N/mm 2)604030

CCAS(W/C=65,226kg/m3)
CCAS(W/C=55,226kg/m3)
CCAS(W/C=45,113kg/m3)
JISⅡ種乾粉(W/C=65,244kg/m3)
JISⅡ種乾粉(W/C=55,226kg/m3)
JISⅡ種乾粉(W/C=45,113kg/m3)

201000204060

材齢(日)

80

100-400-600-800-1000
0CCAS(W/C=55,FA=226kg/m3)
JISⅡ種乾粉(W/C=55,FA=226kg/m3)
無混合(W/C=55,FA=0kg/m3)
20406080 100
収縮期間（日）120140160

問題●我が国は世界中から批判を浴び2050
カーボンニュートラル達成には化⽯燃料である⽯炭を使⽤することは困難。
●⽯炭灰に変わる材料を探索する必要性
4

【⽊質バイオマス燃焼灰の活⽤】「パリ協定」の⽬標達成→2050年に温室効果ガスを実質ゼロ

⽊質バイオマス燃焼灰の現状

⾼まる⽊質バイオマス発電事業への関⼼再⽣可能エネルギーの利活⽤︓地球温暖化対策の⼀つ

重⾦属溶出の可能性あり→利⽤法が確⽴されていない
現在︓産廃処理費（16,000円/t程度）を⽀払ってほとんどが埋⽴or最終処分
有効活⽤⽅法の確⽴が急務

発電容量︓2015年度 375MW程度→2019年度 1,670MW程度→2025年度 4,690MWへ上昇
⽊質バイオマス燃焼灰の急増→現状の40万tから71万t（2025年度）
参考文献：1)一般社団法人日本木質バイオマスエネルギー協会：FIT制度における木質バイオマス発電所、https://www.jwba.or.jp/database/fit/5

【SDGsを指向したコンクリートの⽅向性】①持続可能な⽣産消費形態を確保③コンクリートに適⽤できるように廃棄物・副産物を⾼品質化④セメント製造によるCO2排出削減②天然資源の使⽤を抑制して廃棄物・副産物の⼤量有効活⽤

セメント製造時のCO2排出量︓
全世界の総排出量の約６％
⽇本においては約5％

今後●セメントの使⽤量を低下させCO2排出量を抑制●天然資源の使⽤を抑制して廃棄物・副産物の⼤量有効活⽤を推進●廃棄物・副産物の⾼品質化を指向。
6

【ジオポリマーコンクリート】
ジオポリマー︓1978年にフランスのDavidovitsが提唱したアルカリシリカ溶液とアルミナシリカ粉末との反応によって形成される⾮晶質のポリマー（縮重合体）の総称

普通コンクリート

セメントフリーコンクリート

水セメント

骨材

GPW

アルミナシリカ粉末

骨材
表⽰は容積⽐アルカリシリカ溶液（GPW）

アルミナシリカ粉末

珪酸ナトリウム（水ガラス）

フライアッシュ（FA）

水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）

高炉スラグ微粉末（GGBS）
7

【ジオポリマーコンクリートの特徴】①排出されるCO2が普通コンクリートに対して極めて低い④酸に対する抵抗性，耐火性が高い②フライアッシュ・高炉スラグ微粉末等の産業副産物の有効利用⑤アルカリ骨材反応を抑制（ASR抑制対策として極めて有効）。
1400-6膨張ひずみ（×10 )③天然資源の消費抑制

1200
1000
800

OP
GP1GP2600
400
2000-20002468材齢（週）10128【⽊質バイオマス燃焼灰の品質】
コンクリート混和材としての利活⽤の条件

・強熱減量（未燃炭素量）が3％を超えるとコンクリートの凝結不良、AE剤の吸着が問題となり、コンクリートへの直接利⽤が困難となる。
⽊質バイオマス燃焼灰の物性値
灰種

密度 ブレーン値 BET比表面積
強熱減量 結合水減量 炭素減量 MB吸着量 活性度指数 フロー値比
湿分(%)(g/cm³) (cm²/g)(m²/g)(%)(%)(%)(mg/g) (28日)(%)(%)

WBCA-A

2.223720

13.1

0.21

11.70

0.67

9.39

0.85

82.55

89.05

WBCA-B

2.062230

16.7

1.3718.79

2.03

12.36

0.72

72.3670.24

JIS Ⅱ種 FA

2.293060

1.60.122.700.25

1.71

0.1083.11111.85－

1.0以下

5.0以下

－－－

80以上

95以上

JIS Ⅱ種基準

1.95以上 2500以上

強熱減量（未燃炭素量）が⾼い⽊質バイオマス燃焼灰が存在
ジオポリマーコンクリートのアルミナシリカ粉末として利⽤するには・未燃炭素除去⼿法の検討
・フライアッシュと同様に適⽤可能であるかの検討9

【 未燃炭素量の違い】

未燃炭素量（強熱減量）

11.3％

1.5％
10

【研究⽬的】11

2．開発技術の概要

12

【MCAS（改質⽊質バイオマス燃焼灰スラリー）】
本技術は、浮遊選鉱法の原理を利⽤して、燃焼灰を改質して強熱減量2%以下の改質⽊質バイオマス燃焼灰スラリー・MCAS（ModifiedCombustion Ash slurry）を製造し、低炭素で⾼性能なジオポリマーコ
ンクリートを実現する。
⽊質バイオマス燃焼灰の電顕画像

⽊質バイオマス燃焼灰原灰MCAS（Modified Combustion Ash slurry）13

【⽊燃焼灰の改質プロセス（バッチ式）】
起泡剤
再利用

工業用水
捕集剤
①スラリー化プロセス

排水

フロス

原料FA（産業副産物）

ハイドロ
サイクロン
浮遊選鉱層

デカンタ式
遠心分離機

細かいMFAS
粗いMFAS②浮遊選鉱（未燃カーボン除去）プロセス

フロス
貯蔵槽

③濃縮・貯蔵プロセス

撹拌槽

MFAS貯蔵槽

循環ポンプ
ﾏｲｸﾛﾊﾞﾌﾞﾙ装置

FAスラリー

排出

テール灰

フロス

排水

（代替燃料）（適切に処理）MFAS（フライアッシュコンクリート原料）14

【浮遊選鉱装置（バッチ式）】【未燃炭素除去原理】
未燃カーボン
灯油
ガラス質成分水

マイクロバブル②
灯油は未燃カーボンの表③
そこにマイクロバブルを与① フロスを分離して、未燃F.A. と水を撹拌して得られ④灯油を吸着した未燃カー⑥⑤
浮上。
面に優先的に吸着する。
えて撹拌すると、るスラリー中で、ボンがマイクロバブルと結カーボンを低減したテールびつき、灰を得る。

※本デバイスは未燃分離器の回路に取り付ける循環ポンプのみを動力源としており、省エネ型でコンパクトな低価格プラントである。

15

【浮遊選鉱装置により改質された燃焼灰】

Full scaleplant
原灰
11.3％

フロス灰
60.9％

改質灰
1.5％

未燃炭素含有量（強熱減量）
16

【未燃炭素再資源化装置】

試作機のテスト結果
No.1
No.2

濾液槽

フィルター
プレス機

圧入圧力
圧入時間
圧搾圧力
圧搾時間
エアブロー
圧力
エアブロー
時間
脱水ケーキ
スラリー濃度

0.3MPa3min
0.5MPa5min

0.1MPa2min
0.2MPa1min―

0.3MPa―2min

57.2wt%67.3wt%コンプレッサー
原液槽

写真 フロス濃縮装置の試作機

写真 フロスケーキ

・発熱量19.0MJのフロスケーキの製造に成功した。
・廃棄物フリーのクローズドシステムが構築できた。

17

【バッチ式MCAS資源化装置（プロトモデル）】

15kg/batch処理のラボ装置（28.8ton/y）18六価クロム
432N灰
環境基準

1K灰00
原料

12347セレン

6543K灰

2

環境基準

1N灰00
原料

25ホウ素2015N灰105K灰 環境基準00
原料123バッチ数の平方根

234バッチ数の平方根

4テール灰からの溶出濃度／環境基準

テール灰からの溶出濃度／環境基準

バッチ数の平方根

1テール灰からの溶出濃度／環境基準

5テール灰からの溶出濃度／環境基準

テール灰からの溶出濃度／環境基準【燃焼灰からの重⾦属除去】
3フッ素
2K灰
環境基準

1N灰00
原料

1234バッチ数の平方根

3砒素
・浮遊選鉱処理は燃焼灰を⽔で洗浄するので⼀部の元素を除いて重⾦属を除去できる。

2N灰1→現状、処理システムおよび処理コストは今後の検討課題

環境基準
K灰00
原料

123バッチ数の平方根419【連続式⽊質バイオマス燃焼灰の資源化プロセス】

20

【連続式⽊質バイオマス燃焼灰の資源化フロー】

全体フローシートパイロット送致設置場所
15kg/batch処理のラボ装置（28.8ton/y）
北九州市エコタウン

21

【連続式⽊質バイオマス資源化パイロット装置】

開発したパイロット装置（300t/年）

22

【本技術に関する知的財産権】

特許 第6411135号︓未燃カーボン回収⽅法及び浮遊分離装置並びにテール灰の製造 ⽅法及びフロスの製造⽅法
出願⼈ 北九州市⽴⼤学，発明者 ⾼巣幸⼆，陶⼭裕樹
特許 第7361325号︓ジオポリマー組成物の製造⽅法
出願⼈ 北九州市⽴⼤学，⻄松建設，九州⼯業⼤学
発明者 ⾼巣幸⼆，陶⼭裕樹，原⽥耕司，合⽥寬基特開2020-11863︓改質フライアッシュの製造⽅法
出願⼈ 北九州市⽴⼤学，⽇本アイリッヒ
発明者 ⾼巣幸⼆，陶⼭裕樹
特願2022-133053︓改質フライアッシュを連続して製造可能な浮遊分離装置
出願⼈ 北九州市⽴⼤学，⽇本アイリッヒ
発明者 ⾼巣幸⼆，陶⼭裕樹
特願2023-061243︓⽔分⼦移動システム、粉体湿潤装置・充填剤洗浄装置及びコンクリートの製造⽅法
出願⼈ 北九州市⽴⼤学
発明者 寺嶋光春，⾼巣幸⼆，陶⼭裕樹

23

3．新技術の特徴

24

【新技術の特徴】

・熱を使⽤しないシステムなのでランニングコストが低く、処理過程における環境への影響が⼩さい。
・処理による副産物も全てリサイクル原料として利⽤可能なクローズドシステム。
・連続処理が可能なので設備規模もコンパクトで有り，24時間運転可能。
・未燃炭素除去以外にも重⾦属除去への適⽤も可能であり様々な燃焼灰の改質が可能。
・改質燃焼灰はアイリッヒミキサにより造粒も可能。
25

【MFAS・GPプレキャスト製品の製造】

縁⽯の製造

原灰排出元へ施⼯

26

【受賞】

令和2年度気候変動アクション環境大臣表彰

27

4．実⽤化に向けた課題・企業への期待

28

【実⽤化に向けた課題】

・パイロット装置で⽊質バイオマス燃焼灰の改質実験を継続して、⽬標通りの処理効率（300t/年）と処理費（8,000円/t）を検証する予定である。
・このパイロット装置には⽔処理設備が組み込まれていないのでラボ上で設計した⽔処理設備をこの装置に組み込んでハイブリッド資源化システムを構築する予定である。
・パイロット装置から製造された製品を使⽤して炭素中⽴（カーボンニュートラル）コンクリートの開発を⾏う予定である。
・パイロット装置から製造された改質⽊質バイオマス燃焼灰を使⽤した建築構造部材を製造して、世界初の完全ジオポリマー構造体の建物を建築して本技術の社会実装を⽬指す。

木質バイオマス燃焼灰ハイブリッド資源化システム

ガレージコンペ最優秀賞作品（北九大・学部4年 本山 嵩さん） 29

【企業への期待】・改質装置導⼊企業
燃焼灰を排出する発電所
燃焼灰処理装置を組み込むボイラーメーカ
燃焼灰を産廃として受け⼊れて改質する産廃処理業者
燃焼灰を使⽤する製品製造メーカ 等
・改質燃焼灰使⽤企業
⽣コンクリート⼯場
プレキャストコンクリート製造メーカ
建材製造メーカ 等
・未燃炭素利活⽤企業
補助燃料製造メーカ
炭素粉末を原料とする製造メーカ
鉛筆製造メーカ 等30

【お問い合わせ先】
北九州市⽴⼤学
事務局企画管理課企画・研究⽀援係
E-mail︓kikaku@kitakyu-u.ac.jp
電話番号︓093-695-3367
URL︓https://www.kitakyu-u.ac.jp/index.html

31