排ガス処理において消石灰と活性炭を組み合わせて使用することは、現代の環境対策における標準的な手法となっています。消石灰は水酸化カルシウム（Ca(OH)₂）を主成分とする白色粉末で、強力なアルカリ性を持つため、排ガス中の塩化水素（HCl）や硫黄酸化物（SOx）といった酸性ガスを効果的に中和します。一方、活性炭は微細な孔を無数に持つ多孔質構造により、ダイオキシン類や重金属類などの微量有害物質を物理的・化学的に吸着する能力に優れています。
参考）ごみ焼却施設等で活躍する消石灰！排ガス処理の仕組みと課題
この2つの薬剤を併用する最大の理由は、それぞれが異なる種類の汚染物質に対して特化した除去性能を発揮するためです。消石灰は主に気体状の酸性成分に反応し、活性炭は微粒子状や揮発性の有害物質を捕捉します。焼却施設やセラミック製造工場などでは、排ガス中に多様な汚染物質が含まれるため、単一の薬剤では十分な処理効果が得られません。消石灰と活性炭を煙道内に同時に吹き込み、その後バグフィルターで捕集することで、酸性ガスの中和とダイオキシン類の吸着を一度に実現できるのです。
参考）https://www.kanadevia.com/hitz-tech/pdf/2013h25_2_01.pdf
陶器や食器の製造工程においても、釉薬の焼成時や乾燥工程で発生する排ガスには様々な有害成分が含まれます。特に高温焼成では硫黄酸化物や重金属類が排出されるため、消石灰による中和と活性炭による吸着の組み合わせが効果的です。また、この併用方式は装置構成がシンプルで維持管理が容易なため、中小規模の製造施設でも導入しやすいという利点があります。実際、全国200箇所以上の施設で消石灰と活性炭を混合した排ガス処理剤が採用されており、その有効性が実証されています。
参考）消石灰を用いた乾式排ガス処理装置の特徴と課題
排ガス処理における乾式法と半乾式法は、消石灰と活性炭の投入形態と反応機構に大きな違いがあります。全乾式法では、粉末状の消石灰と活性炭を直接煙道内に噴霧し、バグフィルターのろ布表面で酸性ガスとの中和反応を進行させます。この方式は装置構造が非常にシンプルで、省スペース化が可能であり、排水処理設備も不要なため設備投資を抑えられます。特に日本国内では取り扱いの容易さから全乾式法が主流となっており、中小規模の焼却施設や工業施設で広く採用されています。
参考）排ガス処理に欠かせないバグフィルターの仕組みと最新技術
半乾式法では、消石灰を水と混合してスラリー状にしたものを排ガス中に噴霧し、水分の蒸発と同時に酸性ガスの中和反応を進めます。この方式の最大の特徴は反応効率の高さにあり、全乾式法と比較して消石灰の使用量を30〜40%程度削減できることが知られています。スラリー状の消石灰は排ガスとの接触面積が大きくなるため、塩化水素の除去率は90〜98%という高い性能を実現します。活性炭も同様にスラリーに混合して噴霧することで、ダイオキシン類の吸着効率が向上します。
ただし半乾式法には大型の反応塔が必要となり、初期投資コストが増加するというデメリットがあります。また、スラリーの濃度管理や噴霧ノズルのメンテナンスなど、運用管理が複雑になる傾向があります。陶器製造施設のような中規模施設では、コストと性能のバランスを考慮して全乾式法を選択するケースが多く見られます。一方、大規模な産業廃棄物処理施設や発電所では、薬剤費削減による長期的なコストメリットを重視して半乾式法を導入する事例も増えています。処理すべき排ガス量や汚染物質の種類、予算などを総合的に判断して最適な方式を選定することが重要です。
バグフィルターは排ガス処理システムの中核を担う集塵装置であり、消石灰と活性炭による化学的処理と物理的捕集を同時に実現する重要な設備です。バグフィルターは袋状のろ布を多数配置した構造を持ち、排ガスがろ布を通過する際に微細な粉じんや反応生成物を捕集します。特に排ガス処理においては、ろ布表面に堆積した消石灰と活性炭の層が「反応層」として機能し、この層を排ガスが通過する際に酸性ガスの中和とダイオキシン類の吸着が効率的に進行するのです。
参考）https://www.jefma.or.jp/libs/member-company/others/pdf/18-1.pdf
テフロンやガラス繊維製のろ布は耐熱性と耐薬品性に優れており、180℃程度の高温環境下でも安定した性能を発揮します。バグフィルター内では、まず排ガス中の消石灰と活性炭がろ布に堆積して初期層を形成し、その後通過する排ガス中の酸性ガスや有害物質がこの層で捕捉・中和されます。堆積物が一定量に達すると、逆圧方式やパルスジェット方式により圧縮空気を吹き付けてろ布を振動させ、堆積物を払い落とします。この清掃サイクルを繰り返すことで、継続的に高い捕集効率を維持できるのです。
バグフィルターの性能を最大限に引き出すためには、消石灰と活性炭の吹き込み量を適切に制御することが重要です。吹き込み量が不足すると酸性ガスやダイオキシンの除去効率が低下し、排出基準を満たせなくなる可能性があります。逆に過剰に吹き込むと、未反応の薬剤が増加して廃棄物量とコストが増大してしまいます。最新のシステムでは、排ガス中の汚染物質濃度をリアルタイムで監視し、それに応じて消石灰と活性炭の投入量を自動調整する制御技術が導入されています。
参考）高温有害ガス除去装置 HGD
陶器や食器製造施設でバグフィルターを導入する際は、処理する排ガスの温度と湿度に特に注意が必要です。高湿度環境では消石灰が吸湿して凝集しやすくなり、ろ布の目詰まりや処理効率の低下を招く可能性があります。このため、バグフィルター前段に冷却設備や除湿装置を設置し、排ガス温度を適切な範囲に保つ工夫が求められます。また、定期的なろ布の点検と交換、払い落とし機構のメンテナンスを実施することで、長期的に安定した処理性能を確保できます。
活性炭による排ガス処理の効果は、その独特な多孔質構造に由来しています。活性炭は1グラムあたり数百から数千平方メートルという驚異的な表面積を持ち、この広大な表面に無数の微細孔が存在します。これらの孔はマクロ孔（50nm以上）、メソ孔（2〜50nm）、ミクロ孔（2nm以下）の3種類に分類され、それぞれ異なるサイズの分子を吸着する役割を担います。特にダイオキシン類のような比較的大きな分子はメソ孔とマクロ孔で捕捉され、水銀などの小さな分子はミクロ孔で効率的に吸着されます。
参考）活性炭を活用した排ガス処理技術とその仕組み
排ガス処理における活性炭の吸着は、主に物理吸着と化学吸着の2つのメカニズムで進行します。物理吸着では、活性炭表面とダイオキシン分子の間に働くファンデルワールス力により分子が孔内に引き込まれて固定されます。この過程は可逆的であり、温度や圧力条件を変えることで吸着した物質を脱離させることも可能です。一方、化学吸着では活性炭表面の官能基と有害物質が化学結合を形成し、より強固に物質を固定します。最近では触媒機能を持たせた活性炭も開発されており、吸着だけでなくダイオキシンの分解効果も発揮するものもあります。
参考）https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjmf1987/12/1/12_1_28/_pdf
粉末活性炭を排ガス処理に使用する場合、煙道内に直接吹き込む方式が一般的です。粉末状にすることで排ガスとの接触面積が大きくなり、短時間で効率的な吸着が可能になります。吹き込まれた粉末活性炭は排ガス中を浮遊しながらダイオキシン類を吸着し、最終的にバグフィルターで捕集されます。この方式では活性炭の粒径が重要であり、一般的に数十マイクロメートルの微粉末が使用されます。粒径が小さいほど表面積が増加して吸着効率が向上しますが、細かすぎるとバグフィルターでの捕集が困難になるため、適切なバランスが必要です。
活性炭の原料は石炭系、ヤシ殻系、木質系などがあり、それぞれ孔構造や吸着特性が異なります。石炭系活性炭はメソ孔が発達しており、ダイオキシン類のような大きな分子の吸着に適しているため、排ガス処理では最も多く使用されています。ヤシ殻系活性炭はミクロ孔が豊富で水銀などの小分子の吸着に優れます。陶器製造施設では、使用する釉薬や焼成温度に応じて排出される有害物質の種類が変わるため、それに適した活性炭を選定することが重要です。また、消石灰との混合比率も処理性能に大きく影響し、一般的には消石灰100に対して活性炭5〜15の割合で使用されます。
参考）ゾルバリット・シリーズhref="http://www.ryokolime.co.jp/ja/products/admixture/sorbalit.html" target="_blank">http://www.ryokolime.co.jp/ja/products/admixture/sorbalit.htmlamp;nbsp;
飛灰循環システムは、バグフィルターで捕集された消石灰と活性炭を含む飛灰を再利用する革新的な技術であり、薬剤コストと廃棄物量を大幅に削減できます。従来の排ガス処理では、バグフィルターで捕集された飛灰には30〜50%程度の未反応消石灰が含まれていましたが、これを廃棄物として処分していたため経済的・環境的に大きな損失となっていました。飛灰循環システムでは、この未反応分を有効活用するため、捕集した飛灰の一部を再び煙道入口に投入します。
参考）飛灰循環技術｜タクマの技術紹介｜技術情報｜タクマ
この技術の仕組みは次のようになります。バグフィルターで捕集された飛灰は貯留ホッパーに一時保管され、そこから計量フィーダーにより一定量が煙道入口に戻されます。再投入された飛灰中の未反応消石灰は、排ガス中の酸性ガスと再度反応して中和作用を発揮します。活性炭についても、孔内に余裕がある状態で循環されれば追加的な吸着効果が期待できます。日立造船が開発した乾式集じん灰再循環システムでは、消石灰の使用量を従来比で40〜60%削減でき、同時に最終処分すべき飛灰量も30〜50%減少することが実証されています。
経済効果も非常に大きく、処理能力500トン/日のごみ焼却施設に導入した場合、年間2,553MWhの発電量増加が見込まれます。これは排ガス温度の上昇により発電効率が向上するためです。また、消石灰の購入費削減と廃棄物処分費の削減を合わせると、年間数千万円規模のコスト削減効果が得られるケースもあります。陶器製造施設のような中小規模の排ガス処理でも、このシステムを導入することで薬剤費を大幅に削減できる可能性があります。
飛灰循環システムを効果的に運用するためには、いくつかの注意点があります。まず、循環する飛灰の量を適切に制御する必要があり、過剰に循環させるとバグフィルターの負荷が増大して圧力損失が上昇します。一般的には、捕集した飛灰の30〜50%程度を循環させるのが最適とされています。また、飛灰中の未反応消石灰濃度を定期的に分析し、循環率を調整することも重要です。さらに、循環飛灰の搬送配管や投入ノズルは閉塞しやすいため、定期的な清掃とメンテナンスが欠かせません。これらの管理を適切に行うことで、長期的に安定した処理性能とコスト削減効果を維持できるのです。