| 研究課題/領域番号 |
17H01917
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
松藤 敏彦 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00165838)
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| 研究分担者 |
東條 安匡 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70250470)
黄 仁姫 北海道大学, 工学研究院, 助教 (70447077)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ごみ処理システム / バイオドライング / 固型燃料回収 / 水分除去 |
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| 研究実績の概要 |
ＭＢＴ施設については，日本国内において稼働中の２施設の調査を実施した。組成分析および有機物分析によって，組成上は機械選別によってメタン発酵と焼却に効率よく分かれているが，布，プラスチック等には生ごみが付着しておりメタン発酵への回収率は組成でみた場合よりも低く，また生ごみ，紙類などのガス化率は予想されたよりも低く50～60％にすぎないとの結果を得ている。
バイオドライングについては，カラムを用いた実験を実施した。条件としては有機物量，送風量を変化させ，15通りの実験を行った。微生物分解による温度上昇がバイオドライングの特徴と考えられているが，カラム内部は常に飽和蒸気であり，通気はカラム内から蒸気を押し出す効果を持つ。水分除去の効果を通気と温度上昇に分けて比較すると，通気の効果が大きいことがわかった。ただし通気量が過大だと水分量が低下して微生物分解が停止することから，適度な通気量とする必要がある。実験結果をもとに，水分除去モデルを作成した。
焼却施設については，特に窒素酸化物に注目し，メーカーと協力して窒素酸化物生成メカニズムの解明，さまざまな炉形式，運転方式の工学的意義の整理を行った。炉形式としては，ごみを上部から供給し，下部からの空気量を必要量以下として部分的燃焼により高温ガスを発生し，それを利用して熱分解を進め，最後にガスを燃焼する竪型ストーカ炉に注目し，その原理をデータ解析によって明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
計画通りに進行している。
MBT施設においては，最初のプロセスである破砕選別の効率を初めて実測によって明らかにした。水分，組成の焼却，メタン発酵への移行割合を推定し，可燃分は焼却へ，水分はメタン発酵への選別率を評価した。これは従来の考え方と同じだが，本研究では各組成のバイオガス発生量を測定した。その結果，紙類，厨芥の分解率は60％程度に過ぎない一方，プラスチックは付着物のためバイオガス発生ポテンシャルを有している。可燃物組成で見るとメタン発酵への回収率は75％だが，バイオガス発生ポテンシャルにすると65％となることを示し，実施設の設計に有用なデータを提供した。
バイオドライングについては，有機性廃棄物を充填したカラム実験を行い，ガス組成から有機物分解量，熱発生量，乾燥速度を算出した。実験パラメータは，通気量，有機物量であり，それぞれ5通りに変えて組み合わせた。微生物分解による温度上昇がバイオドライングの特徴と考えられているが，カラム内部は常に飽和蒸気であり，通気はカラム内から蒸気を押し出す効果を持つ。水分除去の効果を通気と温度上昇に分けて比較すると，通気の効果が大きいことがわかった。ただし通気量が過大だと水分量が低下して微生物分解が停止することから，適度な通気量とする必要がある。実験結果をもとに，水分除去モデルを作成した。
燃焼については，酸性ガスの制御が環境面での課題である。特に窒素酸化物の除去は高価となるため，反応管内に窒素酸化物の前駆物質となるアンモニア，シアン化水素を供給し，熱分解によって生成する水素，一酸化炭素などの共存物質を加えて，窒素酸化物の発生メカニズムを検討した。酸素濃度，温度の依存性を定量的に比較し，通常の運転範囲では温度の影響が酸素濃度の5倍大きい。当初考えたシアン化水素と同様に，脱硝のために添加するアンモニアも酸化によって窒素酸化物を生成することを示した。
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| 今後の研究の推進方策 |
バイオドライング施設は，日本国内で唯一稼働している施設において調査を行う。生ごみを含む可燃ごみを21日間処理し，乾燥後に固形燃料化原料を回収する施設であり，小粒径物とバルキング材としてチップを循環している。搬入物，搬出物等のサンプリングを行い，組成，水分，有機物量を分析して，搬出物の物質収支をとり燃焼化成分の回収率を算出する。またバイオドライング前後の組成，有機物の変化を推定し，どの成分がどのように変化しているかを示す。また施設は温度をモニタリングしながら空気の循環量，外気取り入れ量を制御しており，運転データを用いて水分収支モデルを作成する。
焼却施設としては，ストーカ炉が最も一般的である。これに対して，ごみを厚く積み，空気量を絞ってごみを熱分解する竪型ストーカ炉が注目されている。ストーカ炉はごみが横方法に移動して空気を下から供給するが，竪型ストーカ炉はごみを上部から供給し空気は上向きであり，ごみと空気が対向流となっている。コンパクトさ，駆動部の少なさなど特徴を有するが，これまで燃焼特性が把握されていなかった。実施設の運転データをもとに，燃焼の理論を解明する。
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