事例研究・産業排出ガス制御
大手炭酸リチウム製造会社が、充填塔スクラビング、COA酸化脱硝、石灰石・石膏排煙脱硫、湿式静電沈殿、磁気プルーム抑制を組み合わせた先駆的な5段階統合処理システムを導入し、10万Nm³/hのトンネルキルン排ガスからSO₂、NOx、PM、テルル、フッ化物、酸性ミストを同時に超低排出基準に適合させた方法。
COA酸化脱窒
湿式電気集塵機
テルルおよびフッ化物の回収
白煙抑制
01 — 業界背景
重要な電池材料としての炭酸リチウムと、厳格化する排出規制環境
炭酸リチウムは、リチウムイオン電池の正極材、ガラスセラミックス、特殊化学品の製造に不可欠な原料です。電気自動車とグリッド規模のエネルギー貯蔵システムの世界的な爆発的な成長により、炭酸リチウムの生産能力は急速に拡大しており、生産量は2014年の年間410万トンから2022年には3950万トンに増加し、年平均成長率は28%に達しています。さらに、年間1億1000万トンに達すると予測されており、年間成長率は31.1%で、5179万トンまで増加すると予測されています。炭酸リチウムの生産は、新エネルギー車のサプライチェーンの中心であり、複数の国・地域で新エネルギー、新素材、新エネルギー車が5カ年計画の戦略的開発優先事項として指定されています。
本事例研究で取り上げる生産企業は、新エネルギー用リチウム材料およびルビジウム・セシウム技術の研究開発、生産、販売を専門としています。豊富なリチウムおよびルビジウム雲母資源を基盤とした総合企業として、従来の抽出業界における高エネルギー消費と低回収率という課題を解決する、高度な雲母リチウム抽出技術を開発しました。同社は、高度な技術資源を有する親会社に支えられ、垂直統合型サプライヤーとしてリチウム材料および電池システムのバリューチェーンに参画しています。
電池グレードの炭酸リチウムの製造プロセスでは、炭酸塩前駆体の高温焼結にトンネル窯が使用されます。天然ガスを燃料とするこれらのトンネル窯は、220℃で毎時10万Nm³の排ガスを発生させ、高温燃焼反応と炭酸塩原料からの微量汚染物質の蒸発の両方から生じるSO₂、NOx、微粒子、テルル化合物、フッ素化合物、窒素酸化物種などの複雑な混合物を含んでいます。環境規制が強化されるにつれ、特に2024年以降、 汚染物質排出許可管理規則 そしてEUの排出規制政策に沿ったものとして、炭酸リチウムトンネル窯の排ガスが超低排出基準を満たすことが不可欠となっている。
「リチウム電池炭酸塩トンネル窯の排ガスは、特有の多重汚染物質制御上の課題を抱えています。SO₂、NOx、テルル化合物、フッ化物、微粒子状物質が同時に存在し、さらに高湿度の排煙装置通過後の排気から発生する白い煙も加わるため、5種類の異なる処理技術を連携させて順次稼働させる必要があります。単一の技術ですべての汚染物質に対応することはできません。」
— エンジニアリング技術概要、新エネルギーリチウム電池産業排ガス浄化プロジェクト
02 — 汚染状況
トンネル窯排ガス：テルルとフッ化物の回収を含む7つの同時汚染物質カテゴリー
リチウム電池炭酸塩トンネル窯は、約1,000 m³/hの消費量で天然ガスを燃料として稼働します。この窯は、220℃で100,000 Nm³/h（プロセス条件下では180,000 Nm³/h）の排ガスを発生させます。この排ガスには、以下の規制対象汚染物質が同時に含まれています。
- 初期濃度100～500 mg/Nm³のSO₂ （範囲はバッチごとの炭酸塩原料のばらつきを反映しています）。目標出口：石灰石-石膏排煙脱硫装置（FGD）による除去効率84%で、≤80 mg/Nm³。入口範囲が広いため、FGDシステムは最大500 mg/Nm³のシナリオに合わせて設計する必要があります。
- NOx濃度30～50mg/Nm³工業用ボイラーや製錬炉のNOxははるかに高濃度ですが、トンネルキルンのNOxは比較的低濃度ですが、それでも≤80 mg/Nm³の制限を満たす必要があります。COA（二酸化塩素酸化または触媒酸化吸収）脱硝は、この濃度範囲で60%の除去効率を達成します。
- 粒子状物質（PM）濃度：30～50 mg/Nm³目標排出口濃度：≤20 mg/Nm³。焼結工程で発生する微細な炭酸塩および酸化物粒子。湿式電気集塵機は、スクラビング工程による他のPM研磨効果と相まって、60%の粉塵除去を実現します。システム全体の実際の粉塵除去効率：約69%。
- テルル（Te）化合物濃度0.5～10 mg/Nm³目標排出濃度：≤0.05 mg/Nm³。テルルは、一部の炭酸リチウム原料に微量不純物として含まれる戦略的に重要な希少元素であり、高温焼結中に蒸発するため、回収価値を確保しつつ、極めて低い排出基準値まで制御する必要があります。充填塔（パッキングタワー）スクラバー段では、テルル除去効率99.5%を達成し、テルルを回収して再利用します。
- フッ化物（HF）濃度：0.16～20 mg/Nm³目標出口濃度：≤6 mg/Nm³。広い入口濃度範囲は、原料中のフッ化物含有量の変動を反映しています。石灰石洗浄により、排煙脱硫（FGD）中に不溶性のフッ化カルシウムが生成され、酸性ガス洗浄工程と並んでフッ化物除去に貢献します。
- 酸性ミスト（霧）濃度23～30mg/Nm³目標排出口濃度：≤15 mg/Nm³。洗浄工程からの微細な酸性エアロゾル液滴は、最終排出前に捕捉する必要があります。湿式静電集塵機は、微粒子研磨と同時に酸性ミストを除去します。酸性ミスト除去効率：70%。
- 白い煙が見えるスクラバー後の排気は、約40℃で水蒸気と残留エアロゾルで飽和状態になっています。磁気プルーム除去（MPA）湿式電気集塵機との組み合わせにより、最終的な浄化処理を行い、あらゆる環境条件下で目に見えない排出を実現します。
| パラメータ | 初期濃度 | アウトレット（デザイン） | EU IED / NER制限 |
|---|---|---|---|
| NOx | 30～50 mg/Nm³ | ≤80 mg/Nm³ | IED 2010/75/EU: 100 mg/Nm³ (燃焼) |
| SO₂ | 100～500 mg/Nm³ | ≤80 mg/Nm³ | オランダ活動令 NER |
| 粒子状物質（PM） | 30～50 mg/Nm³ | ≤20 mg/Nm³ | オランダ活動令 NER ≤5 mg/Nm³ |
| テルル（Te） | 0.5～10 mg/Nm³ | ≤0.05 mg/Nm³ | IED BAT 重金属 |
| フッ化物（HF） | 0.16～20 mg/Nm³ | ≤6 mg/Nm³ | IED 2010/75/EU HF BAT |
| 酸性ミスト（霧） | 23～30 mg/Nm³ | ≤15 mg/Nm³ | IEDバット |
| 目に見える白い煙 | 現在 | なし（非表示） | 白い煙は見えない |
| 定格（標準）排気ガス量 | 100,000 Nm³/h | — | — |
| プロセス排ガス量 | 180,000 Nm³/h（条件下） | — | — |
| 排ガス温度（窯出口） | 220℃ | — | — |
03 — 治療溶液
テルル回収および白煙除去機能を備えた5段階統合精製システム
この統合処理システムは、7種類の汚染物質すべてに対応するため、5段階の協調的な処理工程で設計されました。各汚染物質を個別に処理するのではなく、各段階における相互捕捉の利点を活用し、試薬の化学反応を調整することで、ある段階の反応副生成物が次の段階の効率を高めるように設計されています。
ステージ1：誘引通風ファン入口での予冷
冷却水添加剤は誘引送風機の入口に注入され、排ガス温度を220℃から約120℃まで下げ、下流の処理装置全体にわたって防食材が定格温度を超えるのを防ぎ、湿式スクラバーの内部を熱損傷から保護します。
第2段階：第1段階充填塔（充填塔 - テルルおよびフッ化物除去）
約120℃のガスが第1段充填塔に入り、循環する洗浄液と接触します。この塔内で、ガス中のテルル化合物とフッ化物は水と反応して可溶性化合物を形成し、洗浄液に吸収されます。充填塔の循環液面が徐々に上昇するにつれて、テルルとフッ化物を含む廃水の一部が移送ポンプによって濃縮・脱塩調整槽に移送されます。このテルル含有廃水は、添加されたフッ化カルシウムと反応し、フッ化カルシウムの添加によってフッ化カルシウムが沈殿し、さらに加圧ろ過によって固液分離が行われ、水溶性フッ化物が除去されて水のリサイクルが実現されます。この段階の鍵は、充填塔（テルル除去塔）循環液のpH制御、排ガス温度とテルル化合物含有量に基づく循環ポンプ運転の同時調整、およびテルル添加量と促進剤添加量の制御です。充填塔は、テルル除去効率99.5%、フッ化物除去効率70%を達成する。
ステージ3：COA脱窒システム
スクラバー後のガスは、COA（二酸化塩素酸化／触媒酸化吸収）脱硝システムに再流入します。この時点では、排ガスにはまだ酸化可能なNOxが含まれています。COA脱硝機構は、二酸化塩素酸化剤を用いてNO（水溶性の低い物質）をNO₂（水溶性の高い物質）に酸化し、その後の湿式スクラビング吸収を可能にすることで、従来の水またはアルカリスクラビングだけでは達成できない大幅なNOx除去を実現します。COAシステムは60%の脱硝効率を達成し、NOxを入口の30～50 mg/Nm³から出口の≤80 mg/Nm³まで低減します。COA脱硝後、ガスは二酸化硫黄除去のためのFGDステージに進みます。
第4段階：石灰石・石膏排煙脱硫塔（φ4.6m、202,000Nm³/h）
COA後のガスは、SO₂除去のために石灰石-石膏FGDタワーに入ります。FGDタワーは84%の脱硫効率を達成し、SO₂を100～500 mg/Nm³から≤80 mg/Nm³に低減します。主なパラメータ：タワー内径φ4.6 m、液気比15.5、スプレー層3、単一ポンプ流量600 m³/h、スラリー沈降時間5時間、石灰石運転消費量65 kg/h（最大使用量）、石膏生産量131 kg/h（最大生産量）、石膏含水率≤15%、第1段ミストエリミネーター2層スクリーンタイプ、第2段ミストエリミネーター1層スクリーンミストエリミネーター+1チューブバンドルミストエリミネーターセット、中間石灰石貯蔵容量10 m³、7日間の自給能力。排煙脱硫反応で発生する石膏副産物は脱水処理され、建築材料として再利用することができる。
ステージ5：湿式電気集塵機（WESP）＋磁気プルーム抑制
排煙脱硫後のガスは、残留微粒子、酸性ミストの液滴、飽和水蒸気を含み、湿式電気集塵機（BLSD360-64型、タワー外部構成、底部入口／上部排気）に入ります。湿式電気集塵機は、高電圧電界（BLEMG-2K型発生器、平均出力80kW、95%以上の浄化効率）を印加して残留微細エアロゾル粒子と酸性ミストをイオン化し、収集電極へ移動させます。入口混合汚染物質濃度：100mg/m³、出口：5mg/m³。装置寸法：平面6,200×7,200mm、高さ17,900mm、システム抵抗350Pa、設計圧力±5,000Pa、運転温度<40℃。 BLEMG-2K発生器の磁気プルーム抑制機能は、WESPによるガス流の徹底的な研磨後に発生する最終的な白色プルームを除去し、煙突からの排出物が目に見えないようにします。
窯
220℃
→120℃
IDFファン
Te + F⁻除去
99.5% / 70%
脱窒
60% NOx
石灰岩
84% SO₂
PM/ミスト/プルーム
≥95%
スタック
⭐ このプロジェクトで新たに導入またはアップグレードされた機器
04 — 主な利点
トンネル窯炭酸塩排ガス処理において、この5段階構造が最適なソリューションである理由
- ✓
テルル回収率99.5% ― 単なる法令遵守義務ではなく、収益資産： テルルは、戦略的に重要かつ商業的に価値の高い希少元素です。充填塔工程では、入口濃度0.5～10 mg/Nm³から99.5%の除去効率でテルルを豊富に含む洗浄液を回収し、フッ化カルシウム沈殿と加圧ろ過を経て、電池材料製造に再利用するためのテルルを回収できます。テルルを0.05 mg/Nm³以下に回収するという法令遵守義務は、同時に資源回収の機会を生み出し、処理システムの運転コストを部分的に相殺します。 - ✓
COA脱窒法は、従来の湿式スクラビングでは除去できないNOx除去を実現します。 標準的なアルカリ湿式スクラビングではNO₂は吸収されますが、トンネルキルンで発生するNOxの90～95%を占めるNOは吸収されません。COAシステムは、湿式吸収工程の前に二酸化塩素を用いてNOをNO₂に酸化することで、標準的な湿式スクラビングだけでは達成できない60%のNOx除去効率を実現します。このアプローチにより、別途SCR触媒床を設ける必要がなくなり、高温ガス調整や、この用途における比較的穏やかなNOx濃度に対して大きな設備投資コストと圧力損失の増加を防ぐことができます。 - ✓
テルル廃水処理のための統合型反応・凝集・沈殿処理 ― 有害化合物の液体排出ゼロ： 充填塔から排出されるテルルとフッ化物を含む洗浄液は、フッ化物沈殿のためのフッ化カルシウム添加、凝集、固液分離のための加圧ろ過という、反応・凝集・沈殿を総合的に組み合わせた工程を経て処理され、ろ液はシステムに再循環されます。これにより、テルル汚染廃水の連続排出が排除され、水の再利用が実現し、テルルが廃水処理システムに排出されるのではなく、固体製品として回収されることが保証されます。 - ✓
炭酸リチウム用途における石灰石・石膏排煙脱硫法の利点： 石灰石-石膏プロセスは、次の7つの具体的な利点から選ばれました。(1) エネルギー消費量が少ない。(2) 石膏副産物を二次汚染なしで処理できる。(3) 設置面積が小さく、合理的なフロー設計。(4) 低抵抗とエネルギー効率のためのコンピュータシミュレーションによる最適化。(5) 均一な吸収のための低ガス速度設計。(6) 石灰石原料は豊富で、広く供給され、低コスト。(7) 塔内部では向流噴霧とミスト除去装置設計を採用し、塔壁への堆積物を低減。石灰石-石膏化学は、炭酸塩原料のフッ化物含有量とも適合しており、フッ化物を石膏廃水に放出するのではなく、FGDスラリーループ内で不溶性のフッ化カルシウムとして捕捉します。 - ✓
湿式静電集塵機は、PMの深層研磨と酸ミストの除去を同時に実現します。 BLSD360-64 WESP（型式BLEMG-2K）は、静電粒子捕集と磁気プルーム除去を一体化した装置です。高電圧電界により、残留微粒子（排煙脱硫工程からミスト除去器を通過する微細な硫酸カルシウム結晶を含む）がイオン化され、捕集電極上に捕捉されます。同時に、目に見える白いプルームを発生させる残留酸性ミスト液滴と水エアロゾルも捕捉されます。95%以上の総合浄化効率により、排出口の混合汚染物質濃度を5 mg/m³まで低減し、目に見える白いプルームを一段階で除去します。 - ✓
ワンボタン自動再起動とリアルタイムフィードバック制御により、オペレーターの作業負荷と応答エラーのリスクを軽減します。 システム内の各塔と池には液面計が設置されており、制御システムにリアルタイムでフィードバックを提供することで、給水弁とポンプを自動的に連動させます。尿素溶液の調製と尿素の熱分解に関するフィードバックを制御システムに提供することで、ワンボタンでの自動再起動機能を実現し、負荷変動の大きいシステムにおいてコンプライアンス超過のリスクが最も高いシステム再起動時のオペレーターエラーのリスクを低減します。
05 — 業務実績
検証済みコンプライアンスデータ：7つのパラメータすべてがEU IED/オランダNERの制限値を下回っています
システム全体の最大設置機器電力は 1,186.67 kW、実際の運転電力は 1,047.52 kW です。24 時間連続運転、0.36 人民元/kWh の場合、1 日の電気料金は 9,050.57 人民元です。年間 8,000 時間の運転の場合、年間の電気料金は約 301,683.76 人民元相当です。年間水料金: 約 8 人民元相当 (4.66 t/h、2 人民元/t)。年間石灰石料金: 約 15.36 人民元相当 (64 kg/h、300 人民元/t)。
06 — 実施上の注意
炭酸リチウム窯排ガス処理における重要な工学および運用上の教訓
- ⚠️
排ガス温度とSO₂濃度の変動は、システム排出の不安定性の主な原因です。キルンチームと処理制御室の間で密接な運用上のコミュニケーションを確保してください。 主要な操業リスクとして記録されているのは、排ガス温度とSO₂濃度の変動です。SO₂の入口濃度は、炭酸塩原料のバッチによって100～500 mg/Nm³の範囲で変動します。ガス組成または量に影響を与える計画的な生産変更については、正式な事前通知プロトコルを確立し、遵守する必要があります。キルンの運転パラメータの変更について最低15分前に通知することで、FGD制御システムが濃度変化が吸収塔に入る前に試薬の注入を事前に調整できます。 - ⚠️
充填塔（テルル除去塔）のpH制御は、運転上最も敏感なパラメータです。 テルル除去性能の鍵は、充填塔循環液のpH制御と、排ガス温度およびテルル化合物含有量に基づく循環ポンプ運転の調整です。pHが最適な吸収範囲から外れると、テルル除去効率が急速に低下し、基準値超過と回収価値の損失につながります。目標pH範囲の下限値と上限値にアラーム設定値を設定し、pHが目標上限値を超えた場合に自動的に淡水添加インターロックを行う連続pHモニタリングを実施してください。 - ⚠️
充填塔（一次スクラバー）および排煙脱硫塔の入口温度監視結果は、下流機器を保護するために制御システムにフィードバックされなければならない。 第1段および第2段の塔入口における温度監視は、自動フィードバック機能を備えた制御システムに接続する必要があります。測定されたガス温度は、機器の運転パラメータとプロセス設定値をリアルタイムで調整し、防食材料が定格温度を超えるのを防ぎ、排煙脱硫（FGD）の化学反応が石灰石の溶解と亜硫酸カルシウムの酸化に最適な温度範囲内で行われるようにします。 - ⚠️
製造工程における配管の漏れは二次的な操業リスクであり、腐食性のガス環境は接合部やシールの劣化を加速させる。 酸性ガスとテルル化合物が混在する環境は、接液配管すべてに激しい腐食性をもたらします。すべての配管およびバルブ接続部について、フランジ面、伸縮継手ベローズ、ポンプメカニカルシールに特に注意を払い、毎週目視点検を実施してください。重要な配管セクションすべてについて、予備部品の在庫を確保してください。計画されたメンテナンス期間を超えて生産停止が長引かないよう、緊急時の配管セクション交換は4時間以内に実施できるようにしてください。 - ⚠️
充填塔からのテルル含有廃水は、排出水中のテルル濃度が基準値以下であることが確認されるまで、有害廃棄物として処理しなければならない。 テルルは、EUのREACH規則において、環境基準値を超える濃度では有害物質に分類されます。充填塔反応からの廃水には、溶解したテルル化合物とフッ化カルシウム固体が含まれており、排出または再利用経路を決定する前に、実験室分析によって特性評価を行う必要があります。加圧ろ過によって得られる固体生成物（テルル化カルシウム／フッ化カルシウムケーキ）も同様に、廃棄または再利用する前に分類を行う必要があります。 - ⚠️
WESPの高電圧（80kV）システムでは、厳格な電気安全プロトコルと人員アクセス管理が求められます。 湿式電気集塵機は、約80kVの高電圧で動作します。WESPゾーンへのすべての人員の立ち入りは、立ち入り前に高電圧電源を物理的にキーインターロックで遮断する正式なロックアウト/タグアウト（LOTO）手順に従う必要があります。オランダの電気設備規則（NEN 3140）に基づき、認定された電気試験機関による年次電気安全検査が義務付けられています。BLEMG-2K発電機のSCADAシステムには、アクセスドアが開いているときに高電圧が通電されないようにする、検証済みの人員安全インターロックが含まれている必要があります。
07 — エンジニアリングの要点
リチウム電池炭酸塩排ガス浄化プロジェクトから得られた4つの教訓
- 1
規制遵守要件と資源回収の機会は、互いに相反するものではなく、互いに強化し合うように設計することができる。 テルル回収要件（出口濃度≤0.05 mg/Nm³）は、同時に排ガス流からの99.5%のテルル回収を促進します。回収されたテルルは、電池材料製造において直接再利用可能です。コンプライアンス要件をコスト義務としてのみ捉えるプロジェクトは、規制で回収が義務付けられている商業的に価値のある化合物を回収するという経済的機会を逃しています。テルル、フッ化物、石膏、および熱回収は、コンプライアンス要件と資源回収機会が一致しているこのプロジェクトの例です。 - 2
COA酸化脱硝は、SCRが過剰設計となるような湿式スクラビング用途において、中程度のNOx濃度（30～50 mg/Nm³）に適した技術である。 NOx入口濃度が100 mg/Nm³未満で、処理工程に既に湿式スクラビング段階が含まれている場合、COA脱硝（60%除去、触媒床不要、スクラバー運転温度で運転可能）は、SCR（350～400℃の温度管理、触媒の調達と交換、アンモニアまたは尿素注入システムが必要）よりも経済的かつ運用上適切です。技術選定の決定は、仕様書作成者が特定の技術に精通しているかどうかではなく、具体的なNOx濃度レベルと処理工程の状況に基づいて行うべきです。 - 3
汚染物質の濃度範囲が広いため、システム規模は平均値ではなく最悪のケースを想定して決定する必要がある。 SO₂の入口濃度範囲100～500 mg/Nm³は、最小値と最大値の5倍の変動幅を示します。平均濃度（例えば300 mg/Nm³）に合わせて設計された84%除去効率のシステムでは、平均条件下では出口濃度が48 mg/Nm³となりますが、ピーク濃度500 mg/Nm³時には出口濃度が80 mg/Nm³（まさに限界値）となり、運転上の不備によって基準値超過が発生します。適切な設計基準は常に最大入口濃度であり、平均濃度期間における基準値は、運転変動に対する設計上の緩衝値となります。 - 4
既存のプロセスインフラを活用することで、新規に処理システムを設計するよりも、設備投資コストと設置工事による混乱を軽減できます。 このプロジェクトは、施設の既存の技術基盤とプロセスインフラを基盤として構築され、機能的なインフラを置き換えるのではなく、新しい処理段階と既存の設備との統合ポイントを最適化することに重点を置いています。重要なエンジニアリング分野は、既存のインフラが提供できる機能（流量、温度、圧力、化学組成）を正確に把握し、既存システムでは提供できない追加的な処理能力のみを設計することです。このアプローチにより、完全に新しい処理システムを設計する場合と比較して、プロジェクトの設備投資コストを通常20～351トン削減できます。
08 — よくある質問
リチウム電池炭酸塩トンネル窯排ガス処理：10の質問への回答
EU IED / オランダ活動令の要件に基づき排ガス浄化設備のアップグレードを計画している炭酸リチウムおよび正極活物質製造施設の環境許可管理者、電池材料製造エンジニア、サステナビリティチームからの質問。
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リチウム電池炭酸塩トンネル窯の多種汚染物質排ガス浄化から 医薬品および化学薬品中のVOC除去のための再生式熱酸化システム当社のエンジニアリングチームは、最も厳しい新エネルギー材料の排出規制要件に対応するため、EU IED（エネルギー排出規制）に準拠したソリューションを提供します。
