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プロセス分析を従来の実験室測定より優先すべき時はいつでしょうか？意思決定時に考慮すべき最も重要な要因については、下記コラムをご覧ください。
Laboratory vs. process analysis: Key factors for informed decision-making
埋立地は、伝統的な廃棄物処理方法ですが、現在は溢れかえっています。これらのサイトは多くのスペースを占有し、廃棄物が分解する際に環境を汚染する可能性があります。2009年に欧州環境庁は、埋立処理からより持続可能な代替手段への移行を推奨する報告書を発表しました [1]。有効な解決策の一つは、廃棄物を焼却しエネルギーを生成する熱処理プロセスを使用することです。焼却は埋立廃棄物を減らしエネルギーを生み出すことができますが、焼却プロセスがどのように機能するか、また、安全で環境に配慮した方法で運営するためにどのようなステップが必要かを理解することが重要です。
廃棄物焼却とは何ですか？
図1.
固形廃棄物の焼却前にごみを処理するトラック
まず、家庭ごみはトラックで運ばれ、処理のために保管されます（図1）。
次に、廃棄物は高温の炉に投入され、燃焼されます。燃焼プロセスでは煙道ガス、つまり高温のガスと副産物の混合物が生成されます。これらの煙道ガスは放出前に徹底的に清掃する必要があります。
最後に、炉で生成された熱は電力生産において重要な役割を果たします。この捕らえられた熱が蒸気を生成し、その蒸気がタービンを回転させ、最終的に電力を生み出します。
この記事の残りの部分では、廃棄物処理施設の焼却炉分析の最も重要な要素について議論し、プロセスアナライザーがアンモニア、硫酸塩、重金属などの排出物をモニタリングする方法に焦点を当てます。
廃棄物焼却が重要な理由は何ですか？
焼却は固形廃棄物（すなわち、埋立地）を減少させる廃棄物管理戦略であり、同時にエネルギーを変換します。国連環境計画（UNEP）の予測によれば、2023年の都市ごみの生産量は23億トンから2050年には38億トンに増加するとしています [2]。したがって、焼却施設の効率的かつ適正な運営を確保することが極めて重要であり、これは綿密な監視と軽減策を通じて達成可能です。
焼却技術は進化しており、特定の廃棄物タイプに合わせた多様なオプションが提供されています。焼却炉には、単純な焼却炉、固定または動きグレート焼却炉、回転炉焼却炉、流動床焼却炉など、さまざまなタイプがあります [3]。それぞれのタイプは、容量、効率、排出制御の観点で独自の利点を持っています。
ごみ焼却はどのように機能しますか？
ごみ焼却施設では、収集車によって運ばれてきたごみの受け入れから始まります（図1）。大型ショベル（図2）がごみを持ち上げ、高温の炉に投入します。
図2.
廃棄物収集に使用される機械式クロー
ここで燃焼が行われ、ごみが分解され、熱エネルギーと燃焼副産物を含む高温の排ガスが放出されます。重要なのは、この燃焼プロセスで発生する熱が蒸気エネルギーを生成し、隣接する火力発電所で電力を生み出すために利用されることです。
焼却中には、酸性ガス、重金属、粒子状物質（PM）などの汚染物質を含む排ガスが生成されます。スクラバー（図3）はこれらの汚染物質を大気中に放出させる前に捕らえる障壁として機能します。
図3.
都市ごみ焼却施設の概略図
排ガスは直接大気中に放出されるわけではありません。代わりに、スクラバーやフィルターなど、いくつかの排出制御ステップを経て、環境に放出できないさまざまな不要な成分が除去されます。スクラバーは、水や特定の化学溶液を利用して、PM、重金属、酸性ガスなどの汚染物質を捕らえます。
最後に、炉から出た残留灰や、洗浄プロセス中に発生した排水は、廃棄される前に厳密な分析が行われます。これにより、これらの材料が適切に処理され、環境に配慮して廃棄されることが保証されます。
これらの施設は、廃棄物を処理するだけでなく、発生した熱をエネルギーに変換する役割も果たしています。
- 炉の強烈な熱は、ボイラーシステム内の水を沸騰させるために使用されます。
- 生成された高圧蒸気はタービンを駆動します。
- タービンの回転が電力を発生させます。
したがって、ごみ焼却施設は、埋立地のごみの量を大幅に削減し、エネルギーを生み出すという二重のメリットを提供します。
スクラバー：排出制御のための重要なステップ
図4.
湿式スクラビングプロセスの図解
スクラバーは、廃棄物発電焼却プロセスにおける大気汚染防止装置であり、液体（図4）や特定の乾燥材に汚染物質を閉じ込めることで、排出レベルを維持する重要な役割を果たします。
スクラバーは、二酸化硫黄（SO₂）、窒素酸化物（NOx）、重金属、粒子状物質（PM）などの汚染物質の排出を削減します。これにより、ごみ焼却施設は厳しい環境規制に適合することができます。
酸性ガスを中和することで、スクラバーは酸性雨の発生を防ぎ、焼却炉周辺の土壌肥沃度や水生生態系を保護します。
スクラバーは、有害物質の放出を減らし、呼吸器疾患やその他の健康問題の発生を抑えることで、公衆衛生に貢献しています。
規制遵守のためにプロセスアナライザーを使用する理由は何ですか？
処理されていない（または不十分に処理された）廃水は、廃棄物焼却施設から環境や公衆の健康に脅威を与えます。正確な監視により、さまざまな排水が排出規制の要件を満たし、害を及ぼさないことが保証されます。
プロセスアナライザーは、サンプルの収集や実験室での分析中に起こりうるミスを最小限に抑えるのに役立ちます。これらはプラントの状態をリアルタイムで把握し、パフォーマンスを最適化するための積極的な調整を可能にします。さらに、オンラインプロセスアナライザーは、潜在的に危険な化学薬品の手動取り扱いの必要性を排除し、プラントオペレーターやスタッフの安全性を高めます。
完全に自動化されているにもかかわらず、オンラインプロセスアナライザーはラボグレードの精度を提供し、重要な意思決定のための信頼性の高いデータを保証します。
オンラインプロセスアナライザーが監視目的で取り付けられる廃棄物発電焼却プロセスの一部のセグメントは、表1に示されています。メトロームのプロセスアナライザーは、廃棄物焼却施設や発電所での重要なパラメータを監視するための包括的なソリューションを提供しています。これらの詳細は、記事の後半で説明されています。
| 分析項目 | 分析技術 | |
|---|---|---|
| 排ガス / 焼却炉 | 酸および重金属 | VA / XRF |
| カルシウムおよび硫酸塩 | 滴定 | |
| 硫酸塩 | 滴定 / 光度 | |
| スクラバー | 重金属 | VA / XRF |
| スクラバー灰中のアンモニア (NH₃) | ISE | |
| 水酸化ナトリウム、炭酸カルシウム、硫酸塩 | 滴定 | |
| 冷却水 | ナトリウム、アンモニア (NH₃) | 滴定 |
| 銅腐食防止剤 | IC | |
| 重金属 | VA | |
| タービン | 流れ加速型腐食 (FAC) | IC / VA |
| 廃水処理プラント (WWTP)用排水 | 亜鉛、カドミウム、鉛、水銀 | VA |
| マンガン、鉄 (Fe²⁺/Fe³⁺)、クロム (Cr⁶⁺)、シリカ (Si⁴⁺) | 滴定 / 光度 | |
| アンモニウム (NH₄⁺) | ISE |
ボルタンメトリー分析 (VA)
ボルタンメトリー分析は、焼却炉の排出物中の微量の重金属を定量するための強力な技術です。これらの汚染物質の放出に関する環境規制は通常µg/L（parts per billion, ppb）レベルであるため、感度の高い分析方法が必要です。電気化学的原理を利用することで、ボルタンメトリーは高い感度と選択性を提供し、汚染物質の正確な検出と定量を可能にします。
図5.
メトローム プロセスアナリティクスの2060 VAプロセスアナライザーは、完全自動化されたボルタンメトリー分析をオンラインで実行します。
ボルタンメトリーは、試料に変化する電圧を加えた際に生じる電流を測定することで機能します。これにより、溶液中のさまざまな溶解金属、アニオン、カチオンの検出と定量が可能になります。
発電所や焼却施設において、ボルタンメトリーは次のような場面で非常に有用です。
スクラバーの最適化。ボルタンメトリー（VA）は、スクラバー排出液中の鉛やカドミウムなどの重金属を監視することで、スクラバーの性能を最適化し、これらの汚染物質が環境に到達するのを防ぎます。
Application Note: Online analysis of cadmium in incineration plant wet gas scrubbers
冷却水の分析。冷却水システムは腐食や重金属による汚染を受けやすくなります。ボルタンメトリーは、これらの汚染物質を検出し、予防措置を講じることで、熱交換器、冷却塔、タービンなど重要なインフラの保全を助けます。
廃水処理の有効性。発電所からの排水は放出前に適切な処理が必要です。ボルタンメトリーは、排水中の亜鉛、カドミウム、水銀、鉛などの重金属を監視し、効率的な除去と環境規制の遵守を確保します。
滴定
従来、滴定は手動で試料を採取し、実験室で分析する方法に依存しており、人為的な誤差が発生する可能性がありました。オンライン滴定（図6）は、この工程を革新し、上記のようにいくつかの重要な利点を提供します。
Figure 6.
The 2060 Process Analyzer from Metrohm Process Analytics, configured to perform both titration and photometric analyses online.
滴定は、発電所や廃棄物焼却施設内でさまざまな用途において重要な役割を果たします。以下のような場合です：
資産の保護。冷却水中のアンモニア (NH₃) 濃度を監視することで、配管やボイラー、その他の高価な設備を腐食から守ります。
Application Note: Ammonia in cooling water of thermal power plants
腐食の防止。冷却水の「m値」（アルカリ度）を一貫して測定することで、システム内の腐食を防ぐことができます。
Application Note: Power generation: analysis of the m-number (alkalinity) in cooling water
問題の早期検出。発電所の水中における鉄および銅の超微量分析は、潜在的な腐食問題の早期警告を提供します。
Application Note: Monitoring corrosion in power plants with online process analysis – Faster ultratrace measurements of iron (Fe) and copper (Cu)
ボイラーの維持。ボイラー給水中のシリカ濃度を継続的に監視することで、ボイラーの円滑な運転を維持し、コストのかかるダウンタイムを防ぎます。
Application Note: Online analysis of silica in boiler feed water of power plants
滴定の原理についてはは下記をご覧ください。
図7.
メトローム プロセスアナリティクスの2060 ICプロセスアナライザーは、水性媒体中のイオン化合物をng/Lから%濃度まで監視することが可能です。
イオンクロマトグラフィ (IC)
ICは、水性試料中のイオンの分離および定量に優れています。発電所でオンラインで使用される場合、ICはさまざまな分析物の微量レベルを監視するのに最適であり、以下の点で役立ちます。
腐食管理。冷却水システムは腐食に対して脆弱であり、これは発電所の効率や作業員の安全に悪影響を与える可能性があります。イオンクロマトグラフィーを用いて冷却水中の銅腐食防止剤の濃度をオンラインで監視することで、積極的なメンテナンスが可能となり、高価な設備の損傷を防止します。
Application Note: Online monitoring of copper corrosion inhibitors in cooling water
発電所の最適化。発電所のアルカリ性水蒸気回路中の微量レベルのアミンを分析することで、システムの性能を最適化し、潜在的な問題を最小限に抑えます。
まとめ
- 廃棄物焼却プラントは、埋立地の容積を減らし、エネルギーを生成するために重要です。
- 廃棄物の焼却は、重金属、酸性雨、鉛、カドミウムなどの有害成分を放出します。
- スクラバーやその他の技術は、廃棄物からエネルギーを生成する施設の排出物や（廃）水を軽減・浄化するために使用されます。
- プロセスアナライザー（例：VA、滴定、ICなどを使用）は、廃棄物からエネルギーを生成するプラントの運転状況に関連するリアルタイムデータを生成するための重要な分析ツールです。
- リアルタイムモニタリングは、政府の規制を遵守し、それに従うことを容易にします。
参考文献
[1] Diverting waste from landfill - Effectiveness of waste-management policies in the European Union — European Environment Agency. https://www.eea.europa.eu/publications/diverting-waste-from-landfill-effectiveness-of-waste-management-policies-in-the-european-union (accessed 2024-05-01).
[2] Environment, U. N. Global Waste Management Outlook 2024. UNEP - UN Environment Programme. http://www.unep.org/resources/global-waste-management-outlook-2024 (accessed 2024-04-24).
[3] Incinerator - an overview | ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/incinerator (accessed 2024-04-23).
関連資料
Brochure: Environmental Testing Industry I - Online Analyzers for Municipal Wastewater Analysis
