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やすはるふくだ
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4. 環境負荷物質の生成と低減技術 4.1 燃焼による SOx, NOx の生成化石エネルギーの利用によりさまざまな有害物質が燃焼排ガス中に含まれて排出されるたとえば図 4.1.1 に示すように船舶のエンジンからは地球温暖化の原因となる CO 2 のほか NOx,SOx HC( 炭化水素 ),PM( 粒子状物質 ), CO など酸性雨大気汚染の原因となる環境負荷物質が排出されるまず代表的有害物質である SOx NOxの生成要因について述べる図 4.

1 4. 環境負荷物質の生成と低減技術 4.1 燃焼による SOx, NOx の生成化石エネルギーの利用によりさまざまな有害物質が燃焼排ガス中に含まれて排出されるたとえば図に示すように船舶のエンジンからは地球温暖化の原因となる CO 2 のほか NOx,SOx HC( 炭化水素 ),PM( 粒子状物質 ), CO など酸性雨大気汚染の原因となる環境負荷物質が排出されるまず代表的有害物質である SOx NOxの生成要因について述べる図燃焼排ガス中に存在する SOx は石油や石炭などの燃料中の硫黄分に起因する燃料中の硫黄分は, 燃焼によって大半が SO2, 少量が SO3 となる (4.1.1 式 ) NOx の場合のように一部を無害な窒素に変換してそのまま排出するといった抑制法はとれず, 煙突から大気中に排出される前に何らかの方法で回収することになる ( 燃料中 S) + O2 SO2,SO3 (4.1.1) 一方,NOx の場合には, 燃料中の窒素分に起因するもの ( フュエル NOx, 下式 (4.1.2)) とは別の成因によるものがある高温で生じるので熱 NOx( サーマル NOx) と称されるが, これには二種あり, 一つは燃焼空気中の窒素と酸素が結合するものであり ( 下式 4.1.3,4), 燃焼温度の影響が極めて大きく 1,300 以上になると急激に生成量が増大するもう一つは, 燃料中の炭素, 水素と, 空気中の窒素が反応して生成する中間体であるシアン化水素を経由して NOx となるものである ( 下式 4.1.5) 後者は特にプロンプト NOx と呼ばれ, 一般には前者と比較して少ない 52

2 ( 燃料中 N) + O2 NOx (4.1.2) N + O2 NO + O (4.1.3) N2+ O NO + N (4.1.4) ( 空気中 N2) + HC + O2 HCN NOx (4.1.5) NOx と総称されるものは, 窒素の酸化の度合いの低いものから順に,N2O, NO,NO2,N2O5 であるこのうち一般の燃焼排ガス中に存在するのは, 大半が NO, 少量が NO2 である燃焼温度が低い (800~900 ) 場合には, 燃料中の窒素分に起因する微量の N2O が含まれる NO は大気中に出ると, 数時間で NO2に酸化される NO2は更に大気中で N2O5 ( 無水硝酸 ) をへて HNO 3 ( 硝酸 ) の形で酸性雨の一成分として地上に降下するのが, 大気中での主要なルートであり, 大気中の滞留時間は1 週間程度と見積もられている一方 N2O は他の NOx と比べて安定であり, 大気中に長く滞留し, また赤外吸収能があるため, 温室効果ガスの一種として京都議定書でも削減対象として挙げられている 53

4.2 火力発電排ガス中の脱硫脱硝脱炭技術大気汚染また酸性雨対策として排ガス中の硫黄酸化物, 窒素酸化物の低減技術は必要不可欠であるまた近時は地球温暖化対策として二酸化炭素の除去も検討されているまず固定発生源の代表である火力発電所での低減技術を見てみよう脱硫装置集塵装置脱硝装置からなる現在の代表的な火力発電所の排煙処理系統を図 4.2.1 に示す図 4.2.1 (1)

3 4.2 火力発電排ガス中の脱硫脱硝脱炭技術大気汚染また酸性雨対策として排ガス中の硫黄酸化物, 窒素酸化物の低減技術は必要不可欠であるまた近時は地球温暖化対策として二酸化炭素の除去も検討されているまず固定発生源の代表である火力発電所での低減技術を見てみよう脱硫装置集塵装置脱硝装置からなる現在の代表的な火力発電所の排煙処理系統を図に示す図 (1) 排煙脱硫 (SOx 対策 ) SOx( 硫黄酸化物 ) については, 燃料自体の低硫黄化も進んでいるがボイラーなどの燃焼排ガス中の SOx を除去する排煙脱硫装置は, 日本では 1960 年代, 三重県四日市市での排煙被害などを契機として開発に着手され, 乾式法, 湿式法を含め, 多数のプロセスの研究実証試験などの試行錯誤がなされたその結果, 現在では, 酸性である硫黄酸化物を, アルカリ性の水溶液, ないしスラリーと呼ばれる懸濁液で吸収する湿式法が主流となっている例えば大型の発電所のボイラーの排ガスでは, 微粉の石灰石 (CaCO3) の懸濁液を用い, SO2 を吸収反応させて石膏 (CaSO4) に変え, 最終的には副生物として石膏ボードを得る方式が多い SO2 + CaCO3 + 2H2O + 1/2O2 CaSO4 2H2O( 石膏 )+CO2 (4.2.1) (2) 排煙脱硝 (NOx 対策 ) NOx( 窒素酸化物 ) については, 現在は燃焼の工夫で生成を抑制する方法, およびアンモニアを還元剤とし触媒を用いて窒素に分解する乾式排煙脱硝法が 54

多く採用されている低 NOX 燃焼法は, 燃焼温度, 或いは燃焼場の酸化還元度を部分的に制御して,CO, 煤塵などの抑制と NOx 低減を同時に図るものである具体的には二段燃焼, 非化学量論燃焼, 排ガス再循環燃焼などといった手法がとられる一方, 排煙脱硝装置は, 上記の脱硫装置からやや遅れて開発が開始され, これも乾式法,

4 多く採用されている低 NOX 燃焼法は, 燃焼温度, 或いは燃焼場の酸化還元度を部分的に制御して,CO, 煤塵などの抑制と NOx 低減を同時に図るものである具体的には二段燃焼, 非化学量論燃焼, 排ガス再循環燃焼などといった手法がとられる一方, 排煙脱硝装置は, 上記の脱硫装置からやや遅れて開発が開始され, これも乾式法, 湿式法を含め開発されたが, 現在の主流はNH 3 ( アンモニア ) を還元剤とし 250~350 で触媒を用いて NOx を N2 に還元する乾式法である NO + NH3 + O2 N2 H2O (4.2.2) このための触媒には活性, 選択性, 耐久性などの点から, 酸化チタンなどの担体にバナジウムなどの活性金属を担持させたものが一般に使用され 250~ 350 で運用されている (3) 排煙脱炭 (CO2 対策 ) 地球温暖化防止の機運の高まりから近時発電所で生成する CO2 を回収する計画がなされているこれらは燃焼前のガス化状態で分離回収する方法酸素を用いた燃焼による方法 ( この方法では排ガス中から窒素を分離する必要がない ) および最も一般的な方法である燃焼後除去に分類できる( 図 4.2.2) ここで燃焼後除去とは排ガス中の 10 体積 % 程度の CO 2 ( 残りの主成分はN 2 と O 2 及びH 2 O) を分離回収して後処理ないし有効利用のため濃縮する ( 通常 95 体積 % 以上 ) 操作をいい具体的には表のような方法がある図表

このうち物理吸着法とはゼオライトや活性炭等の吸着性の高い固体材料を用いそれらへの吸着量が低温高圧ほど大きいことを利用して温度圧力の操作により希薄な CO 2 を濃縮するものである例えば圧力変動型吸着法 (PSA 法 ) の場合基本的には2 塔よりなり切り替えにより加圧状態での CO2 の選択吸着減圧状態での CO2 の放出と吸着材の再生を繰り返す通常大気圧より

5 このうち物理吸着法とはゼオライトや活性炭等の吸着性の高い固体材料を用いそれらへの吸着量が低温高圧ほど大きいことを利用して温度圧力の操作により希薄な CO 2 を濃縮するものである例えば圧力変動型吸着法 (PSA 法 ) の場合基本的には2 塔よりなり切り替えにより加圧状態での CO2 の選択吸着減圧状態での CO2 の放出と吸着材の再生を繰り返す通常大気圧より少し高い状態で吸着し真空ポンプで減圧して吸着した CO2 を放出させ回収する主要なエネルギー損失は真空ポンプの消費動力であるまた化学吸収法は例えばエタノールアミン溶液を吸収液として用い下記のような化学反応によって炭酸化物としその後別の塔で加熱により逆反応で濃厚な CO 2を放出させるものであるエネルギー的には加熱に伴う損失が問題になる ( 吸収放出 ) R-NH2+H2O+CO2 R-NH2HCO3 (4.2.3) 回収した大量の CO2 の処理が次の大きな課題であるが地中あるいは高深度海水中 (~1000m 以上 ) への貯留が検討されている ( 図 4.2.3) 海水中への CO 2 貯留については 1980 年代よりすでに提案がある貯留された CO 2 は結局は大気中へ出てくるが深層海水と表層海水の海水交換は遅くそのため深層中に CO 2 を拡散させるないし固体の形で貯留すれば数百年の間は大気中へでて来ることなく温暖化には寄与しない温暖化の危惧のある期間大気圏をバイパスして海水中に留め置く方式である溶解 CO 2 の海洋生物などへの影響評価が課題である以上の排煙からの分離回収及び貯留技術はCCS(CarbonCapture & Storage) と一般に略称される手法であり将来の発電部門での CO2 低減の相当部分に寄与するものと期待されている図

4.3 内燃機関よりの有害物質低減技術 4.3.1 エンジンからの有害成分ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関からは NOX,SOX

光化学スモッグやぜんそくなど人体への悪影響とともに光化学スモッグ酸性雨の原因となるまた熱効率と直接関係する CO2 は地球温暖化の原因となる

6 4.3 内燃機関よりの有害物質低減技術エンジンからの有害成分ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関からは NOX,SOX のほか未燃の炭化水素 (HC) CO などのガス状物質或いは様々な形態の粒子状物質が有害物質として排出されるこれらは光化学スモッグやぜんそくなど人体への悪影響とともに光化学スモッグ酸性雨の原因となるまた熱効率と直接関係する CO2 は地球温暖化の原因となる図 4.3.1にディーゼルエンジンからの排気ガスの主成分図に有害成分また図にそれらの環境影響について示した図図

7 図このうち窒素酸化物 (NOX) については現在のエンジンでは殆どが, 高温高圧に起因するサーマル NOx( 燃料中の窒素起因のフュエル NOX ではなく燃焼用空気中の窒素と酸素に起因する ) であり, 無対策の場合, 排ガス中濃度は数千 ppm にも及ぶ発生量を低減するためには燃焼温度を下げることが最も効果的でありたとえばディーゼルエンジンでは排ガス再循環や水噴射着火時期の調整などの手法が用いられている自動車用エンジンまず, 代表的な移動用のエンジンである自動車のガソリンエンジンについてみてみるガソリンエンジンから排出される排ガス中の公害成分, 即ち,CO,HC,NO と残存 O2 は, 空燃比と図のような関係になっている NOx 低減のため空気を過剰としたリーンバーンエンジンが注目された時代もあったが, 現在では白金系の触媒を用い,NOx,CO,HC の三有害成分を同時に低減する方法が広く普及している ( 三元触媒法 ) NOx + CO + HC N2,CO2,H2O (4.3.1) この場合, 空燃比 ( 空気重量 / 燃料重量 ) を約 14.5, 即ち, 理論空気量相当になるよう, 常に燃料と空気供給量を調整する必要があり, そのため排ガス中の O2 濃度計測用のセンサーが設置されている図

8 また, ガソリンエンジンは, 出力的には空燃比が高い方 ( リーンバーンと呼ぶ ) が好ましいので, かなりの酸素が共存する状態でも適用可能な触媒の開発が継続されている同時に, 燃焼部での低減法として, 排気ガス再循環, 点火時期調整などの方法も並行して用いられている一方, 従来排ガス対策が遅れていたディーゼルエンジン自動車についても, 燃焼触媒技術双方について諸種の低減技術が試みられている今後のエネルギー環境問題を考える上で, 自動車用の原動機, 燃料の動向は重要である現在日本での保有台数は約 7000 万台であるが, 米国は約 1.5 億台, 世界では約 6 億台に達している現在, 中国などでの普及が急激に増加していることもあってこのまま増え続けると,20 年後には世界で 10 億台となると予測されている現在, ガソリン, 軽油を中心に自動車用に用いられる石油は, 世界で年間 20 億トンであり, 化石燃料使用量の 20%,CO2 発生量への寄与率 18% の巨大な量でありエンジンの稼動時間は短いが, その動力機械としての出力規模で言えば, 自動車の方が発電所の約 10 倍であるまた, 自動車から排出される大気汚染物質, 即ち NOx,HC( 炭化水素 ),CO, 煤塵など問題もあるしたがって, 自動車の今後の発展のためには, 石油代替燃料, クリーンな排ガスの両面が追求されねばならない現在, エコカークリーンカー, クリーンエネルギー自動車などと呼称されているのは, 電気自動車, ハイブリッド車, 天然ガス自動車, アルコール自動車, 燃料電池車などであるがこれらは従来 NOx, 炭化水素, 煤塵の排出量低減, という低公害という意味での長短が比較されていたが地球温暖化抑止の要請の高まりを受けて最近では CO2 削減の観点が強調されるようになっている産業用エンジン内燃機関は工場あるいは建設機械船舶などとしても幅広く用いられているここではもっとも多く利用され最近ではコージェネレーション用原動機として利用されることが多くなったディーゼルエンジン, ガスエンジンの環境対策について簡単に述べる環境対応のエンジンとしては図に示されるように高効率エンジン本体の開発とあわせクリーン燃料対応電子制御エネルギー回収利用廃棄ガス後処理などの技術開発が必要であるエンジンはタービンと異なり非定常作動であることもあり開発には経験的な要素が大きかったが最近では計算機を利用した流体燃焼解析レーザー利用の計測技術などを駆使した精密な解析も行われている ( 図 4.3.6) 59

蓄圧式といわれ燃料の加圧はサプライポンプに制御は電磁式のインジェクタに分担させるものであるコモンレールシステムはサプライポンプコモンレール ( 金属製のパイプで高圧の燃料を蓄える ) インジェクター

9 図図内燃機関について最近の開発事例を2つあげる (1) コモンレール燃料噴射従来のディーゼルエンジンでは燃料の加圧と制御の双方を燃料ポンプで行っていたコモンレールシステムは厳しい排ガス規制に対応するために開発されたもので蓄圧式といわれ燃料の加圧はサプライポンプに制御は電磁式のインジェクタに分担させるものであるコモンレールシステムはサプライポンプコモンレール ( 金属製のパイプで高圧の燃料を蓄える ) インジェクターエンジンの運転状況検出用センサー制御用コンピュータ (ECU) などを構成要素としておりエンジンで駆動されたサプライポンプで加圧された燃料はコモンレールから各インジェクタに分配され燃料の噴射時期および量が制御される ( 図 4.3.7) このシステムではインジェクタは開弁のみの役割となるので従来の方式と比較し噴射時期噴射回数の自由度が大きくなり NOx 煤塵低減と燃料消費率の改善が可能となったものである ( 図 4.3.8) 60

10 図図 (2) ミラーサイクルエンジン内燃機関の熱効率は圧縮比が大きいほど高くなるただし実際に内燃機関が仕事を行うのは圧縮行程ではなく膨張行程であり通常のピストンエンジンでは圧縮比と膨張比が等しいため圧縮比で示されているだけであるこの膨張比を圧縮比より大きくとって熱効率の向上をはかったものがミラーサイクルエンジンである ( 図 4.3.9) 具体的には吸入行程の下死点に達する前に吸気弁を閉じる或いは逆に下死点をすぎたのちに閉じるなどの方法がある吸入空気量が減少し出力が落ちるがその分は過給機で補う方式が国内外の自動車メーカによって実用化されている 61

11 図今後とも NOx,HC,PM についての規制は強化される見込みであり図には排ガス再循環 (EGR), 微粒子捕集フィルタ (DPF), 尿素を用いた選択還元触媒法 (SCR) を組合わせた米国 EPA の Tier4(~2014 年 ) 対応技術案の例を示した図

4.4 節水技術水処理技術 4.4.1 水資源水浄化の課題と対策エネルギーと並んで水も 21 世紀の重要テーマである地球上の水の総量は 1.4 10 18 トンと見積もられている図 4.4.1 に示すようにそのうち 97.5% は海水であり淡水は 2.5% に過ぎないしかもその 2/3 は南極北極圏の氷であり河川湖沼地下水などの淡水は全体の 0.

12 4.4 節水技術水処理技術水資源水浄化の課題と対策エネルギーと並んで水も 21 世紀の重要テーマである地球上の水の総量はトンと見積もられている図に示すようにそのうち 97.5% は海水であり淡水は 2.5% に過ぎないしかもその 2/3 は南極北極圏の氷であり河川湖沼地下水などの淡水は全体の 0.8% そのうち 98% が地下水である結局農業工業をはじめわれわれ人類が生活の利用できる河川湖沼水は地球上の水の 1 万分の1(0.01%) である水は化石燃料などの枯渇性の資源ではなく循環性の資源であるが現実には現在人類は世界的な水資源不足の問題に直面している人口増と急速な産業発展の影響で例えば安全な飲料水の確保はアジアアフリカの諸国で問題となっており今後水不足に陥る国は急増するであろうと考えられている図またこの水不足に加え例えば環境ホルモンや産業排水による公害などにみられるような水質の汚染劣質化も問題であり対策としては水の浄化再利用技術等の開発も必要である 63

4.3 に示すように環境配慮商品への置き換えによってエアコンや冷蔵庫と同様の CO2 削減が可能である

13 水処理技術の一例として上下水道エレクトロニクス化学工業などの幅広い分野で環境浄化用に利用されている濾過膜の開発事例を図に示す図節水技術の開発事例節水は水資源の節約になるのみならず CO2 低減にも資する例えば便器については図に示すように環境配慮商品への置き換えによってエアコンや冷蔵庫と同様の CO2 削減が可能である節水にともなう水供給及び下水処理のためのエネルギー節減が CO 2 の排出量の低下につながるのである図

トイレの外側にタンクが付いている昔ながらのタイプ ) とタンクレス式 ( タンクがないタイプ ) とに分けられるがこれらにはそれぞれ長所短所があるたとえばタンク式は

14 ここでは節水技術の一例として代表的な衛生機器メーカーである TOTO 社のウォッシュレットの開発経緯をみてみよう ( 図 4.4.4,5) 図図 TOTO 社の 30 年 ~10 年前の製品と最新製品とを比較すると約 65% も節水が進んでいるトイレはタンク式 ( トイレの外側にタンクが付いている昔ながらのタイプ ) とタンクレス式 ( タンクがないタイプ ) とに分けられるがこれらにはそれぞれ長所短所があるたとえばタンク式はタンクに貯めた水を利用して排泄物を流す仕組みでありどのような環境下でも流れは比較的安定しているしかしタンクが場所を取るため狭い一戸建てやマンションではトイレスペースが狭くなってしまい掃除も大変という難点があった 65

タンクレス方式は 90 年代前半に登場したがやはり課題は残ったタンクレスはコンパクトなのでトイレ空間を広々と使えまた使う水も少なくて済む仕組みになっているしかし水道直圧水を利用して流すという構造上水圧の低いマンションの高層階などには不向きで設置できる場所が限られてしまうケースも少なくなかったこれらの課題は便器内部に内蔵タンクと加圧ポンプを組み込むことにより解決された

15 タンクレス方式は 90 年代前半に登場したがやはり課題は残ったタンクレスはコンパクトなのでトイレ空間を広々と使えまた使う水も少なくて済む仕組みになっているしかし水道直圧水を利用して流すという構造上水圧の低いマンションの高層階などには不向きで設置できる場所が限られてしまうケースも少なくなかったこれらの課題は便器内部に内蔵タンクと加圧ポンプを組み込むことにより解決されたこの便器内を洗浄する水道直圧の水と内蔵タンクから加圧して流れる水という 2 つの水流を融合したハイブリッドシステムの実現により設置場所がどこであっても確実な排水性能と超節水が可能になった光触媒など従来から手掛けていた汚れが付きにくい表面処理技術も節水効果を高めている開発に当たっては CAD を活用した機能部外観の設計 ( 図 4.4.6) また NC による元型作成試作成形焼成時の収縮変形には FEM 解析などが利用されている 2008 年 7 月の北海道洞爺湖サミットの環境ショーケースにおいてハイブリッドシステムの節水技術が日本の最先端環境技術として紹介された現在多くの大規模な環境プロジェクトが計画実行されているがこのような人々の日常生活に密着した取り組みを行なう企業も多くなってきている図

化学産業と化学技術の環境貢献本稿は化学装置 2010 年 3 月号に筆者が掲載した報文化学産業の環境経営と環境貢献の一部を加筆削除修正したものである環境企画松村眞はじめに環境対策には環境負荷物質の発生を抑制する上流の分野とやむを得ずに作られてしまう環境負荷物質を無害化する下

化学産業と化学技術の環境貢献本稿は化学装置 2010 年 3 月号に筆者が掲載した報文化学産業の環境経営と環境貢献の一部を加筆削除修正したものである環境企画松村眞はじめに環境対策には環境負荷物質の発生を抑制する上流の分野とやむを得ずに作られてしまう環境負荷物質を無害化する下化学産業と化学技術の環境貢献本稿は化学装置 2010 年 3 月号に筆者が掲載した報文化学産業の環境経営と環境貢献の一部を加筆削除修正したものである環境企画松村眞はじめに環境対策には環境負荷物質の発生を抑制する上流の分野とやむを得ずに作られてしまう環境負荷物質を無害化する下流の分野がある人間の健康にたとえると上流は病気を未然に防ぐ予防の分野で下流は治療の分野に相当する