木質バイオマス燃焼灰の類型化：木質バイオマス燃焼灰資源化技術の実証開発（1）（2/2 ページ）

本連載で紹介する取り組みは、環境再生保全機構「令和3年度環境研究総合推進費　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（JPMEERF2021G03）」で実施した内容の一部である。第1回目の「木質バイオマス燃焼灰の類型化」では、京都大学大学院 教授の高岡昌輝氏をサブテーマリーダーとした研究グループの研究内容を紹介する。

[北九州市立大学 国際環境工学部 建築デザイン学科教授 高巣幸二，MONOist]

2．燃焼灰の性状調査結果

　各発電所より収集した木質バイオマス燃焼灰（飛灰、主灰）について試料の主要元素組成、重金属組成、重金属の溶出試験、粒径、化学種などの性状分析を行った。主要元素含有量は平均値で比較すると、シリコン（Si）＞カルシウム（Ca）＞TC（Total Carbon：炭素量）＞カリウム（K）＞アルミニウム（Al）＞鉄（Fe）＞塩素（Cl）＞硫黄（S）＞マグネシウム（Mg）＞ナトリウム（Na）＞リン（P）の順で含有量が高かった。灰の有効利用用途の筆頭であるセメント産業でのリサイクルを想定し、廃棄物焼却灰の受け入れ基準値と比較すると、S、Cl、Kの平均値が基準（それぞれ1.2％、0.1％、1.7％）を超過した。

　重金属を含有した燃焼飛灰全体の約8割は、全ての元素で汚泥肥料中の有害金属類許容値を満たしたが、残りの飛灰では、ヒ素（As）、カドミウム（Cd）、鉛（Pb）あるいは水銀（Hg）の含有量が基準値を上回った。溶出試験においては、安定化処理無しでほとんどの飛灰は埋立判定基準を満足していた。廃木材を燃料として利用した施設から排出される飛灰は明らかに重金属が高いことが統計解析から判明した。

　これらの主灰と飛灰の主要元素含有量データを基に階層クラスター分析を行い、燃焼灰を類型化した。結果を図4に示す。Ca含有量の高低により分岐があり、Caの高いクラスターはほぼ全て飛灰であった。それらの試料は、TCやSi、Cl、Na、Kなどの濃度により分岐するとともに、特定のクラスターでCFBやストーカといった炉形式が支配的になったことから、階層クラスタ分析から炉形式などの違い、組成の違いにより燃焼灰を類型化できることが可視化された。

図4　全主灰／飛灰による主要元素含有量の階層クラスター分析［クリックで拡大］

3．資源量の見積もりとデータベース作成

　上記で得られた燃焼灰の性状分析とジオポリマー利用を想定試験結果を基に、ディシジョンツリー分析を行い、木質バイオマス燃焼灰の有効利用先を判断した。木質バイオマス燃焼灰総量82万t/年のうち、肥料利用では70万t/年、セメント利用では32万t/年、ジオポリマー利用では17万t/年が利用可能だと推定された。全国20施設の炉形式、使用燃料種などの属性から、上記で求めたそれぞれの有効利用用途を割り当て、地域ごとに資源量の見積もりを行った結果が図5である。図5では、木質系バイオマス燃焼灰発生量が多い福岡県、北海道、愛知県などが比較的に各用途で使える燃焼灰が多数あることを示している。さらに、肥料用途では山口県、セメント用途では兵庫県、山口県、ジオポリマー用途では岐阜をはじめとする中部北陸に木質系バイオマス燃焼灰が多いことも見える化している。

　今回のアンケート調査と提供いただいた燃焼灰の主要元素組成を広く発電事業者やリサイクラーに参照してもらい、有効利用を促進してもらうことを期待して、Googleマップの「マイマップ」機能を活用した「木質バイオマス燃焼灰」のデータベース（バイオ発電所燃焼灰マップ）を作成した。国内のFIT／市場連動型プレミアム価格（FIP）の制度で認定を受けた木質バイオマス発電所をマイマップ上に落とし込み、発生する燃焼灰の情報を掲載した。（次回へ続く）

図5　各種有効利用用途別の木質バイオマス燃焼灰賦存量マップ［クリックで拡大］

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筆者紹介

北九州市立大学 国際環境工学部 建築デザイン学科教授 高巣幸二

2001年4月から北九州市立大学においてコンクリート工学の研究に着手している。人類の豊かさや快適性の追求から膨大な廃棄物が世界中から排出されており、それを安定的に高品質に改質する方法を検討し、コンクリート原料に適用する研究開発を進めている。環境省主催の令和2年度気候変動アクション環境大臣表彰および内閣府主催の令和7年度日本オープンイノベーション大賞 環境大臣賞を受賞。