熱分解における汚染物質とは？原料の不純物を管理するためのガイド

熱分解における主な汚染物質は、初期原料を直接反映したものであり、重金属のような無機化合物と、硫黄、窒素、ハロゲンを含む有機化合物に大別できます。これらの不純物はプロセス自体によって生成されるのではなく、分解される物質から放出・変換され、最終生成物である熱分解油、チャー、ガスに分布します。

熱分解の中心的な課題は、単なる熱分解ではありません。原料に含まれる固有の汚染物質を管理することです。あらゆる熱分解操作の経済的実行可能性と環境コンプライアンスは、最初からこれらの不純物を理解し、制御することに完全に依存しています。

発生源：汚染は原料から始まる

熱分解は酸素の存在下で行われない熱分解プロセスです。元素を破壊するのではなく、単に再配置するだけです。したがって、反応器に入れたものはすべて、3つの製品ストリームに異なる形で現れます。

無機汚染物質：灰分と重金属

原料の不燃性の鉱物ベースの成分は、総称して灰分 (ash) と呼ばれます。

これらの物質は熱分解中に蒸発せず、固体である熱分解チャー（バイオチャーまたはパイロチャーとも呼ばれる）に濃縮されます。

このカテゴリーには、シリカやアルミナのような良性の鉱物も含まれますが、電子廃棄物、処理木材、または特定の種類のプラスチックによく存在する鉛、カドミウム、水銀、クロム、ヒ素などの有害な重金属も含まれます。亜鉛もタイヤの熱分解における主要な汚染物質です。

有機「ヘテロ原子」汚染物質

これらは、原料の有機分子内に化学的に結合している非炭素元素です。これらは、油相およびガス相で腐食性および毒性のある化合物を生成するため、非常に問題となります。

最も重要な3つのヘテロ原子は次のとおりです。

• 塩素： 主にポリ塩化ビニル (PVC) のようなプラスチックに由来します。熱分解中、非常に腐食性の高い塩化水素 (HCl) ガスと、油中に塩素化有機化合物を形成します。
• 硫黄： タイヤ中の加硫ゴムや一部のバイオマスまたは石炭に由来します。主にガス相では硫化水素 (H₂S) に、油中では硫黄含有有機分子に変換されます。
• 窒素： ポリウレタンやナイロンなどのプラスチック、およびすべてのバイオマスに含まれるタンパク質や酵素に見られます。ガス相ではアンモニア (NH₃) やシアン化水素 (HCN) などの化合物を、油中では含窒素複素環式化合物（例：ピリジン類）を形成します。

酸素化化合物と水

常に重金属と同じ意味で「汚染物質」と見なされるわけではありませんが、特にバイオマス由来のバイオオイルの場合、酸素は重要な不純物です。

高い酸素含有量は、カルボン酸、フェノール、ケトンの生成につながります。これによりバイオオイルが酸性（低pH）、腐食性、熱的に不安定になり、大幅なアップグレードなしにはドロップイン燃料として使用できなくなります。

水も、原料中の水分または反応生成物として存在し、熱分解油のエネルギー価値を低下させます。

製品ごとの汚染物質の分布

汚染物質は均等に分布しません。どこに蓄積するかを理解することは、精製システムを設計するために極めて重要です。

熱分解油中

バイオオイルまたはタイヤ由来油とも呼ばれる液体生成物は、複雑な混合物です。その主な汚染物質は、硫黄、窒素、酸素含有有機化合物です。これらは油を粘性が高く、酸性で不安定にし、従来の製油所で共処理される前に除去するために高価なハイドロトリーティングと呼ばれるアップグレードプロセスを必要とします。

熱分解チャー中

固体チャーは、無機汚染物質の主要な貯留場所です。原料に含まれるすべての重金属と鉱物灰がここに濃縮されます。これはチャーの最終用途を決定する最大の要因です。高い金属含有量は有害廃棄物となりますが、クリーンで金属を含まないチャーは農業（バイオチャー）や冶金学にとって価値のある製品となり得ます。

熱分解ガス中

凝縮しないガス生成物には、最も揮発性の高い腐食性の無機化合物が含まれます。主な汚染物質は、酸性ガスであるHCl（塩素由来）とH₂S（硫黄由来）です。アンモニア (NH₃) も一般的な問題です。これらのガスは、安全にエンジンやタービンで燃焼させて電力を生成する前に、「スクラブ」または洗浄する必要があります。

結果とトレードオフの理解

汚染物質を無視すると、運転の失敗、環境への罰則、および悪い経済的結果につながります。

深刻な機器の腐食

HCl、H₂S、および酸性酸素化化合物の存在は、特に水が存在する場合、反応器および下流の配管内部に非常に腐食性の高い環境を作り出します。これは機器の急速な劣化、漏れ、および高額なシャットダウンにつながる可能性があります。

製品価値と使いやすさの低下

汚染された製品には市場が厳しく制限されます。酸性で不安定な油は燃料として使用できません。重金属で汚染されたチャーは土壌に使用できません。洗浄されていないガスはエンジンを破壊します。生成物の価値は、その純度に直接結びついています。

アップグレード中の触媒被毒

熱分解油を有用な燃料にアップグレードするための多くのプロセスは触媒に依存しています。硫黄、窒素、塩素化合物は強力な触媒毒であり、それらを急速に不活性化させ、運用コストを大幅に増加させます。

環境コンプライアンスの失敗

洗浄されていない熱分解ガスを燃焼させると、酸性雨の主要成分である硫黄酸化物 (SOx) および窒素酸化物 (NOx) の排出につながる可能性があります。不適切に保管されたチャーからの重金属の浸出は、土壌や地下水を汚染し、重大な責任につながる可能性があります。

目標に応じた正しい選択をする

汚染物質に対処する戦略は、熱分解ユニットの主要な目的に合わせる必要があります。

• 高品位の液体燃料の生産が主な焦点である場合： 最小限のPVC、硫黄、窒素を含む、極めてクリーンで選別された原料を優先し、ハイドロトリーティングなどの油アップグレード技術に多額の投資を行う必要があります。
• 廃棄物管理とエネルギー回収が主な焦点である場合： 堅牢で耐食性のある反応器材料と、排出ガス規制を満たすための非常に効果的なガス洗浄システムに投資する必要があります。その際、油とチャーの製品品質が低下する可能性があることを受け入れる必要があります。
• 農業用バイオチャーの製造が主な焦点である場合： 最終的なチャーが重金属やその他の毒素を含まないように、プロセス全体をクリーンで汚染されていないバイオマス原料の使用に専念させる必要があります。

結局のところ、原料の汚染物質を積極的に管理することが、成功する熱分解事業を決定づける要因となります。

要約表：

汚染物質の種類	一般的な発生源	主な影響	影響を受ける主要製品
重金属 (Pb, Cd, Hg)	電子廃棄物、処理木材	チャーを有害にする。土壌・水質汚染	熱分解チャー
塩素 (Cl)	PVCプラスチック	腐食性のHClガスを形成。触媒被毒	熱分解ガス & 油
硫黄 (S)	タイヤ、ゴム	H₂Sガスを形成。SOx排出。触媒被毒	熱分解ガス & 油
窒素 (N)	ナイロン、ポリウレタン、バイオマス	NH₃、HCNを形成。NOx排出。触媒被毒	熱分解ガス & 油
酸素 (O)	バイオマス	油を酸性、不安定、腐食性にする	熱分解油

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