鉄鋼生産における粒子状物質排出制御：大気質保護のための技術

製鉄所には高温で行われる複数の冶金プロセスがあり、さらにこれらの多くは微粒子状の原料を扱います。そのため、これらすべてのプロセスは汚染ガスと粒子状物質を大気中に排出する可能性があり、プラント周辺の大気質に影響を与えます。大気質を改善・保護するため、様々な汚染制御装置が排出制御に使用されています。

排出制御の変遷と現状

長年、汚染制御装置は汚染物質量が極めて多い、または有毒なプロセス、あるいは回収価値がある場合にのみ設置されてきました。しかし今日、環境規制がますます厳格化し、社会の環境意識が高まる中、鉄鋼業界はすべての領域で排出を可能な限り最小限に抑えるため、あらゆる場所に制御装置を設置することが必要となっています。排出制御装置は基本的に2種類あります。(1)粒子状物質排出制御装置、(2)ガス状排出制御装置。本記事では粒子状物質排出制御システムについて説明します。

過去30年間で採用された粒子状物質（PM）規制は、総浮遊粒子（TSP）を構成する粗大粒子の規制から、PM10およびPM2.5サイズ範囲の極微細粒子の規制へと段階的にシフトしてきました。このシフトは主に、健康影響研究データが微小粒子が有害な健康影響と最も密接に関連していることを示したためです。

粒子状物質排出規制の歴史

粒子状物質排出の規制は産業革命初期にさかのぼります。1600年代でも、人々は粒子状物質排出と固形物堆積、繊維汚染、材料腐食、建物変色などの問題との関係を認識していました。技術と市民意識の拡大に伴い、粒子状物質排出が特定の肺疾患や関連疾患にも寄与することが明らかになりました。

1940年代後半には、いくつかの粒子状物質制御システムが比較的初歩的な設計から、現在の高効率システムに類似した形態へと進化しました。例えば、電気集塵機（ESP）は酸ミスト制御用の1フィールド管型ユニットから、1フィールドおよび2フィールド平板型集塵機へと進化しました。ベンチュリスクラバーも粒子状物質制御に使用されるようになりました。これらの制御システムは主に粉塵による迷惑と問題を最小限に抑えるために設置されました。

粒子状物質の分類

粒子状物質は以下の2カテゴリに分類されます。

• 一次粒子状物質：大気中に直接排出される物質。1997年以前のすべての粒子状物質制御対象となっていました。0.1マイクロメートル未満から100マイクロメートル超までの粒子で構成されますが、大半は粗大粒子カテゴリに分類されます。
• 二次粒子状物質：気体前駆物質の反応により大気中で形成される粒子状物質。PM2.5基準の制定により微細・超微細粒子への関心が高まり、二次粒子状物質への注目が増しています。新しい粒子の形成や既存粒子への物質付加をもたらします。二次粒子状物質形成に関連する主なガスは二酸化硫黄、窒素酸化物、アンモニア、揮発性有機化合物（VOC）です。これらの多くは人為的起源ですが、生物起源も一部の窒素酸化物、アンモニア、VOCを供給します。

二次粒子状物質はさらに以下に細分化されます。

• 人為的・生物起源の排出蒸気凝縮による二次粒子状物質
• 気体前駆物質の大気反応による二次粒子状物質

VOCと硫酸は凝縮して二次粒子状物質を形成する排出物の代表例です。これらは蒸気形態で定置発生源ガス流中を通過するため、高効率装置を含む粒子状物質制御システムを通過します。しかし、特定条件下では周囲大気中で凝縮し、環境サンプリングシステムで測定される粒子を形成する可能性があります。凝縮性粒子状物質の相対的重要性は評価が始まったばかりです。

粒子形成メカニズムと制御の原理

プロセスで形成される粒子サイズ範囲は、存在する粒子形成メカニズムの種類に大きく依存します。プロセスで重要なメカニズムを特定することで、おおよそのサイズ範囲を推定可能です。大気汚染源における最も重要な粒子形成メカニズムは以下の5つです。

1. 物理的摩耗/機械的分散
2. 燃焼粒子バーンアウト
3. 均質凝縮
4. 不均質核形成
5. 液滴蒸発

物理的摩耗は2つの表面が擦れ合うときに発生します。燃焼プロセスの高温炉領域に燃料粒子が噴射されると、有機化合物の大半がガス流中で気化・酸化されます。燃料粒子は揮発分放出とともに小さくなり、不燃物（灰）と有機化合物で構成される緩慢燃焼チャーに急速に減少します。最終的にチャーの大半も燃焼し、主に不燃物が残ります。酸化進行に伴い、100μm〜1,000μmで開始した燃料粒子は、主に1μm〜10μm範囲の灰とチャー粒子に減少します。この粒子形成メカニズムを燃焼燃料バーンアウトと呼びます。

均質核形成と不均質核形成は気相物質の粒子状物質形態への変換を伴います。均質核形成は気相物質でほぼ完全に構成される新しい粒子の形成です。不均質核形成は他のメカニズムで形成された粒子表面への物質蓄積です。両者とも、核形成が起こる温度までガス流を冷却する必要があります。

一部の大気汚染制御システムでは、ウェットスクラバーからリサイクルされた固形分含有水でガス流を冷却します。この慣行は燃料バーンアウトと非常に類似した別の粒子形成メカニズムを意図せず生み出します。水流は高温ガス流への噴射時に微粒子化されます。これらの微小液滴が乾燥まで蒸発すると、浮遊・溶解固形分が微小粒子として放出されます。このメカニズムで生成される粒子サイズ範囲は十分に研究されていませんが、おそらく0.1μm〜2.0μm範囲の粒子を生成すると推測されます。

粒子回収メカニズムと制御装置

大気汚染制御システムは粒子に力を加えてガス流から除去します。これらの力は粒子回収のための「ツール」であり、すべて粒子サイズに強く依存します。適用される力は以下の通りです。

1. 重力沈降
2. 慣性衝突と捕捉
3. 粒子ブラウン運動
4. 静電気的引力
5. 熱泳動
6. 拡散泳動

静電気力や慣性力など、これらの力の1つ以上を適用して粒子を回収可能な方向に加速させます。粒子への力の大きさは「F = Mp × Ap」で示され、Fは粒子にかかる力（g·cm/s²）、Mpは粒子質量（g）、Apは粒子加速度（cm/s²）です。大気汚染制御装置はガス流中の粒子に最大限の力を加えるよう設計されます。粒子（または凝集粒子塊）の加速度が大きいほど、制御装置はより効果的かつ経済的になります。

バグフィルターや電気集塵機などの高効率粒子制御システムでの粒子回収には、以下の3つの基本ステップが関与します。

1. 垂直面への粒子初期捕捉
2. ホッパーへの固形分重力沈降
3. ホッパーからの固形分除去

粒子回収メカニズムは最初の2ステップ、すなわち流入粒子の初期捕捉と回収固形分の重力沈降の効果を制御します。粒子サイズ分布は各ステップで重要です。

主要な粒子状物質排出制御装置

すべての粒子状物質排出制御装置は、適用力を伴うメカニズムで粒子状物質を回収します。主な装置として沈殿室、サイクロン、バグフィルター、電気集塵機があります。これらの装置における粉塵除去メカニズムと適用力を図1に示します。

図1 粉塵除去のメカニズム

沈殿室

沈殿室は粒子排出制御に最初に使用された装置の一つですが、粒子回収効果が非常に低いため現在ではほとんど使用されません。沈殿室の回収力は重力です。ガス流中を十分遅く移動する大粒子は重力に打ち勝てず、沈殿室で回収されます。

構造は長い水平ボックスで、入口、室、出口、粉塵回収ホッパーで構成されます。室内で粉塵含有ガス流の流速を低下させます。ガス流中のすべての粒子は重力の影響を受けます。室内のガス流速低下により、大きな粒子（40マイクロメートル超）が重力に打ち勝ってホッパーに落下します。主に他の粒子状物質制御装置の前処理装置として、極めて大粒子を除去する目的で使用されます。図2にシンプルな重力沈殿室設計を示します。

図2 シンプルな重力沈殿室設計

サイクロン

サイクロンはガス流から比較的大粒子を除去するシンプルな機械装置です。電気集塵機やバグフィルターなど、より高度な大気汚染制御装置の前処理装置として使用されます。沈殿室より効率的です。

機械装置は粒子の慣性を利用して回収します。粉塵含有ガス流をサイクロニックに強制旋回させます。粒子の質量により渦の外側へ移動させます。大径粒子の大半はサイクロニックチューブ下部のホッパーに入り、ガス流は方向を変えてチューブから排出されます。

サイクロンには主に2種類あります。(1)大径サイクロン、(2)小径マルチサイクロン。大径サイクロンは通常300mm〜2m径、小径マルチサイクロンは通常80mm〜300mm径です。

ガス流はサイクロンに接線方向から流入し、サイクロン本体内に弱い渦を形成します。大径粒子はサイクロン壁面に向かって移動し、その後サイクロンのホッパーに沈殿します。清浄化ガスは方向を変えてサイクロンから排出されます。大径サイクロンは1.5mm〜150mm超の径範囲の粒子回収に使用されます。

サイクロンでの粒子回収力は遠心力と重力です。サイクロンの形状・曲率によりガス流が螺旋運動します。大粒子は運動量により外壁に向かい、そこで運動エネルギーを失ってガス流から分離され、重力に打ち勝って落下回収されます。サイクロン入口は直線流入ガスの流れパターンを円運動パターンに変えて渦を形成するよう設計されています。

マルチサイクロンの場合、軸流サイクロンを並列使用します。軸流サイクロンではガスが上部から流入し、センターチューブに取り付けられたベーンで渦パターンに導かれます。マルチサイクロンでは汚染ガスがすべての個別サイクロンを均一に通過します。図3にサイクロン装置を示します。

図3 サイクロン装置

バグフィルター

バグフィルターはナイロンやウールなどのフィルター材を使用して、粉塵含有ガスから粒子を除去します。粒子は繊維材料に保持され、清浄ガスは材料を通過します。回収された粒子は、機械的振動またはエアブラストのクリーニング機構でフィルターから除去され、回収ホッパーに貯蔵されます。バグフィルターで使用される各種繊維材料とその特性を表1に示します。

表1 バグフィルター用典型繊維
繊維	最高使用温度		耐酸性	耐アルカリ性	屈曲耐摩耗性
	連続	サージ
	℃	℃
綿	82	107	不良	非常に良好	非常に良好
ポリプロピレン	88	93	良好〜優秀	非常に良好	優秀
ナイロン	93-107	121	不良〜可	良好〜優秀	優秀
オーロン	116	127	良好〜優秀	可〜良好	良好
ダクロン	135	163	良好	良好	非常に良好
ノーメックス	204	218	不良〜良好	良好〜優秀	優秀
テフロン	204-232	250	フッ素除き優秀	三フッ化物・塩素・溶融アルカリ金属除き優秀	可〜良好
ガラス繊維	260	288	可〜良好	可〜良好	可

バグフィルターでは、衝突、直接捕捉、拡散の3つの力が粒子除去と回収を担います。衝突は粒子が大きすぎてガス流に追従できず、バグフィルターの繊維に衝突・衝撃を与えてガス流から分離される現象です。直接捕捉では粒子がガス流に沿って繊維周りを移動し、粒子中心と繊維の距離が粒子半径未満になると衝突が発生します。拡散は極微小粒子がガス体積全体でブラウン運動を起こすために生じます。極微小粒子はガス流中の分子衝突の影響を受け、これらのランダムに移動する粒子がガス中を拡散して繊維に衝突・回収されます。

バグフィルターには通常、多数の円筒形繊維バッグが垂直に吊り下げられています。粉塵層が十分な厚さまで蓄積すると、バッグをクリーニングして粉塵粒子を回収ホッパーに落下させます。バッグクリーニングには複数の方法があり、最も一般的な3方法は振動、逆流洗浄、パルスジェットです。機械的振動では駆動システムでバッグを優しく振動させて堆積粉塵を除去します。逆流洗浄ではバグフィルターコンパートメントを低圧空気流で逆洗し、バッグを収縮させるだけで粉塵を除去します。パルスジェットクリーニングが最も一般的で、高圧エアジェットでバッグから粉塵を除去します。圧縮空気のブラストをバッグチューブ上部から注入し、粉塵ケーキをバッグから剥離させます。高圧空気ブラストによりフィルターを通る正常な空気流が停止し、ショック波となってバッグチューブを下降する際にバッグを屈曲・膨張させます。ケーキが屈曲すると破砕し、堆積粒子がバッグから落下します。ショック波はチューブを下り戻るのに約0.5秒かかります。圧縮空気ブラストはバッグ全長を伝播し、粉塵ケーキを粉砕・クラックさせる十分な強さが必要です。

バグフィルターのバッグには寿命があり、寿命が来たら交換が必要です。バッグ寿命に悪影響を与える3条件は摩耗、高温、化学攻撃です。

バグフィルター設計の重要変数の一つは空気布比です。極端に高い空気布比は過大な圧力損失、回収効率低下、バッグの粉塵による固着、バッグの急速劣化を招きます。図4にパルスジェットバグハウスフィルターを示します。

図4 パルスジェットバグハウスフィルター

電気集塵機（ESP）

電気集塵機は0.1マイクロメートル〜10マイクロメートル径範囲の粒子回収に使用されます。不均一な高電圧電場を用いて、電場を通過する粒子に大きな電荷を与えます。帯電粒子は反対極性に帯電した回収面に移動し、そこで蓄積します。回収効率は高く、99%を超えることもあります。ESPは175℃〜700℃の温度範囲で大量排ガスを処理可能です。

ESPには主に3つの形式があります。(1)負帯電乾式集塵機、(2)負帯電濡れ壁集塵機、(3)正帯電二段式集塵機。負帯電乾式集塵機が大規模用途で最も頻繁に使用されます。濡れ壁集塵機（ウェット集塵機とも呼ばれる）はミストや中程度に粘着性のある固形物の回収によく使用されます。正帯電二段式集塵機はミスト除去専用です。図5に電気集塵機とその概念を示します。

図5 電気集塵機

ESPの粒子回収メカニズムは静電気力です。排煙中に浮遊する粉塵粒子はESP通過時に帯電します。高電圧パルス直流を、細径放電極と回収極で構成される電極系に印加します。放電極は通常負極、回収極は通常接地されます。印加電圧をコロナ放電が発生するまで上昇させ、放電極周囲に発光する青白い光として観察されます。コロナによりガス分子が電離します。生成された負ガスイオンは接地された回収極に向かって移動します。負ガスイオンが排煙流中の浮遊粒子を衝撃し、負電荷を付与します。負帯電粒子は回収極に移動して回収されます。

ESPには6つの必須要素があります。(1)放電極、(2)回収極、(3)電気系、(4)ラッパー、(5)ホッパー、(6)シェル。放電極は通常細径金属線で、ガスを電離して粉塵を帯電させ、強力な電場を生成します。回収極は放電極と逆極性の平板またはチューブで、帯電粒子を回収します。電気系は放電極と回収極間の電場強度を制御する高圧部品で構成されます。ラッパーは電極に振動または衝撃を与えて回収粉塵を除去します。ラッパーは回収極と放電極の両方に蓄積した粉塵を除去します。ホッパーはESP底部にあり、ラッピングプロセスで除去された粉塵を一時貯蔵します。シェルは電極を囲み、ESP全体を支持します。

粉塵粒子の抵抗率はESPの回収効率に劇的に影響します。抵抗率は回収粉塵層の電流流れにくさを表します。高抵抗率粒子は通常抵抗率粒子より回収が困難です。高抵抗率はESP流入排煙の温度と水分含有量を調整することで低減可能です。ただし温度・水分調整時には排煙温度が露点以上であることを確保し、そうでなければプレート腐食が発生します。

ESP設計の重要パラメータの一つは特定回収面積で、回収表面積とESP流入ガス流量の比で定義されます。与えられた排煙流量に対して表面積を増やすと、通常集塵機の回収効率が向上します。