事例研究・産業排出ガス制御
南京にあるリチウムカーボネート製錬所が、世界的なEVバッテリーサプライチェーンに供給する中で、グラフェン複合材製の磁気プルーム抑制装置を用いて、pH約2の凝縮液と極めて高い粒子付着性という課題を抱える50,000 Nm³/hの窯排ガスを処理し、目に見える白色プルームをゼロにし、GB 31573−2015規格に完全準拠した方法。
炭酸リチウム窯排ガス処理
磁気式煙浄化
非熱式煙抑制
電気自動車用バッテリー材料の排ガス抑制
01 — 業界背景
炭酸リチウム製錬と白煙規制遵守への高まる圧力
炭酸リチウムは、電子情報産業のサプライチェーンの基盤となる材料であり、鉄鋼および電池分野にとって重要な投入物です。「産業の味」とも呼ばれる炭酸リチウムは、化学処理、軍事機器、軽量エンジニアリング、セラミックス、特殊ガラスなどにも幅広く応用されています。世界の炭酸リチウム市場は着実に成長しており、業界調査データによると、世界の売上高は2020年から2022年にかけて前年比で増加し、2022年には28億米ドルに達しました。また、市場は年平均成長率2.51兆米ドルを維持し、2029年には33億米ドルに近づくと予測されています。
工業用炭酸リチウム製錬プロセスでは、回転窯でスポジュメン鉱石を高温で焼成し、酸浸出と沈殿によって変換しますが、窯から発生する排ガスは、処理要件が非常に複雑な組み合わせとなっています。具体的には、多段階処理によって露点近くまで冷却される高温排ガス、強酸性の凝縮水（pH≈2）、微細な粉塵や結晶性塩残留物などの粘着性の高い粒子、そして汚染物質濃度の低減に関わらず目に見える白い煙の発生を引き起こす高湿度環境などが挙げられます。
本事例研究の対象となる施設は、江蘇省南京市の秦淮河源流域に位置し、南京環状道路に直接アクセスでき、上海、杭州、蘇州、無錫、常州、鎮江、蕪湖、馬鞍山などの主要都市へ高速道路で接続されています。同社は超大型のスポジュメン鉱山を運営し、採掘、鉱石処理、炭酸リチウム製錬を統合した企業体を構築しています。同社の主力ブランドである「紅河」ブランドの炭酸リチウムは、南京市政府から「重点製品」および「品質認証製品」に指定されており、国内ユーザーから高い評価を得ています。
「炭酸リチウム製造炉の排ガスは見かけによらず厄介です。スクラビング後の汚染物質濃度は一見控えめに見えますが、pH約2の凝縮液、極めて粘着性の高い微粒子、そして高い周囲湿度が組み合わさることで、従来の吸収材では数ヶ月以内に処理能力を失ってしまうような環境を作り出します。この用途においては、材料選定が決定的な技術的選択となります。」
— 技術概要、炭酸リチウム製錬所における磁気プルーム抑制プロジェクト
02 — 汚染状況
排ガス特性評価：極めて高い腐食性と付着性を有する炭酸リチウムロータリーキルン排ガス
窯の排ガス処理工程は、重力式集塵室から始まり、廃熱ボイラー、電気集塵機、脱硫スクラバー、煙突へと続きます。今回の技術改良により、全体の浄化効率を向上させ、目に見える白い煙を除去するために、排ガス冷却器と磁気式煙抑制装置の2つの新しい機器が導入されました。
脱硫スクラバーを通過した前処理済みの排ガスは、排ガス冷却器に送られます。そこで凝縮技術によってガス温度が約40℃まで低下し、水分子の活性が低下して、磁気プルーム除去装置への導入準備が整います。冷却されたガスはその後、MPA装置に入り、磁場によって残留微粒子や酸性ミストが除去され、白いプルームの発生がさらに抑制されます。浄化されたガスは、既存の煙突から排出されます。
- NOx: 初期濃度50 mg/Nm³、GB 31573−2015に基づく排出制限値50 mg/Nm³。
- SO₂: 初期濃度100 mg/Nm³、出口目標濃度30 mg/Nm³以下。上流の湿式脱硫工程で対応。
- 粒子状物質（PM）： 初期濃度50 mg/Nm³、出口目標濃度10 mg/Nm³以下。微細なリチウム含有粉塵や結晶性塩残留物は粘着性が高く、特に従来の吸収材にとって問題となる。
- 一酸化炭素（CO）： 窯の炭素還元反応に由来する物質であり、安全性を確保するため上流工程で監視されている。スクラバー後の段階では主要な規制対象汚染物質ではない。
- 強酸性凝縮液（pH≈2）： 炭酸リチウム窯の排ガスから発生する凝縮ガスには、pH約2の溶解酸が含まれています。これは、下流のすべての機器における腐食の主な原因であり、標準的な金属製または繊維製の代替品よりもグラフェン複合吸収材が推奨されます。
- 結晶塩と微細粉塵の付着： 炭酸リチウムの製錬では、露点以下の温度で極めて強い粘着性を持つ微細な結晶性塩残渣が発生します。これらの堆積物は吸収器表面や逆洗ノズルに急速に蓄積するため、標準的な工業規格を大幅に上回る専用の逆洗圧力とろ過設計が必要となります。
- 高い周囲湿度（MPA入口での湿度：50%）： スクラバー／クーラー後のガスは、入口湿度50%で約40℃でMPAユニットに入り、エアロゾルを積極的に除去しない限り、あらゆる周囲条件下で目に見える白い煙を発生させる。
| パラメータ | 初期濃度 | アウトレット（デザイン） | 規制制限 |
|---|---|---|---|
| NOx | 50 mg/Nm³ | ≤50 mg/Nm³ | 50 mg/Nm³ |
| SO₂ | 100 mg/Nm³ | ≤30 mg/Nm³ | 30 mg/Nm³ |
| 粒子状物質（PM） | 50 mg/Nm³ | ≤10 mg/Nm³ | 10 mg/Nm³ |
| 混合流入汚染物質濃度（MPA単位流入） | 50 mg/Nm³ | ≤10 mg/Nm³ | 10 mg/Nm³ |
| 目に見える白い煙 | 現在（持続的） | なし（非表示） | 白い煙は見えない |
| 排気ガス量（定格） | 46,500 Nm³/h | — | — |
| 排ガス温度（窯出口） | 50℃ | — | — |
| 入口温度（MPAユニット、冷却器後） | 約40℃ | — | — |
| 入口湿度（MPA単位） | 50% | — | — |
| 凝縮液のpH | ≈2（強酸性） | — | — |
03 — エンジニアリング要件
炭酸リチウム製錬における磁気プルーム抑制のための設計基準
除去技術を選定する前に、エンジニアリングチームは、この炭酸リチウム製錬用途における腐食、付着性、湿度、および気候条件を反映した、以下の拘束力のある設計要件を確立した。
商業的に実証済みの技術
実地試験済みで商業的に成熟した技術のみが認められます。すべての機器および付属材料は、該当する国内製造基準を満たしている必要があります。システムは、検証済みの技術を用いて、既存の基準精製性能を30%～50%向上させる必要があります。
広い負荷許容範囲
システムは、定格設計容量の10%から110%の間で排ガス量が変動する場合でも、浄化性能と排煙抑制性能を維持し、生産キャンペーン全体を通して、窯の運転サイクルや原料品質の変動によって引き起こされる負荷変化に対応しなければならない。
pH≈2 耐腐食性
強酸性の凝縮水と接触するすべての部品は、pH約2の酸性環境での連続使用が可能な材料で製造するか、またはコーティングする必要があります。グラフェン複合吸収層は、必要な耐酸性と、蓄積した接着剤堆積物を定期的に温水で再生洗浄するために必要な熱安定性の両方を提供します。
二次汚染ゼロ
浄化処理プロセスにおいて、新たな廃水、使用済み化学試薬、または有害固体廃棄物が発生してはならない。システムに使用する原材料は、安定した信頼できる国内サプライチェーンから調達する必要がある。主要な機器はすべて、国内で認証を受けた品質の高い製造業者から調達しなければならない。
エネルギー効率
機器の選定にあたっては、設備投資と運転コストの両方を最小限に抑える必要がある。設計においては、必要な精製処理量に対して可能な限り低い比エネルギー消費量を目指し、投資額と運用コストを削減するために、省エネ技術と機器を組み込むべきである。
騒音規制遵守
回転機器はすべて、1m地点で85dB(A)を超えてはならず、GB 12348−2008クラスII産業用騒音規制に適合しなければならない。機器の配置は、既存の処理系統の設置面積内の既存の敷地制約および利用可能なスペースに対応しなければならない。
モジュール式で将来性も高い
モジュール設計は、コアシステムの交換なしに、3～5年間の規制強化に対応できるものでなければならない。また、先進技術は、残留ガス状汚染物質の同時排出にも同時に対処し、将来の許可改定において超低排出分類に適合するよう施設を位置づける必要がある。
環境気候適応
MPAユニットの設計においては、南京地域における氷点下となる冬季の気温を含む、現地の気温および湿度条件を十分に考慮する必要があります。機器、計装機器、および凝縮水処理システムは、寒冷地での運転中に凍結による損傷を受けないよう保護されなければなりません。
04 — 治療溶液
炭酸リチウム窯排ガスに対する磁気式煙抑制システムの構成方法
磁気プルーム抑制（MPA）とも呼ばれる 磁気式煙浄化, 乾燥相酸性ミストの捕集, 非熱式白煙除去、 または 磁場排気ガス浄化 BLEMG-1KSは、微粒子状物質、酸性ミストエアロゾル、飽和水蒸気という3つの物理的要因を同時に除去することで、目に見える白い煙を解消します。磁気エネルギー発生器は、制御された磁場勾配を作り出し、常磁性分子と帯電エアロゾル粒子をグラフェン複合吸収層に向かって移動させることで、排出ガス流から目に見える煙を発生させるエアロゾル成分を除去します。
今回のエンジニアリングアップグレードでは、既存の処理工程に2つの新しいプロセス段階が導入されました。1つは脱硫スクラバーとMPAユニットの間に配置された排ガス冷却器、もう1つはMPAユニット本体です。冷却器は凝縮技術を用いてガス温度を約50℃から40℃まで下げ、水分子の運動エネルギーを低減することで、微細エアロゾル相に対するMPAユニットの捕集効率を向上させます。アップグレード後のプロセスフロー全体は以下のとおりです。
改良されたプロセスフロー：ロータリーキルンからクリーンスタックまで
窯
ダストチャンバー
ボイラー＋電気集塵機
スクラバー
クーラー★
(BLCNXB-5W)
スタック
★今回のアップグレードで追加された新装備⭐今回のアップグレードで追加された新装備
システム構成と主要技術パラメータ
このプロジェクトに指定されている MPA ユニットは、 タワー外部設置、下部吸気／上部排気 この構成は、既存の脱硫塔に隣接して独立型モジュールとして設置されます。設置面積は6.1×4.2×13.5mとコンパクトで、既存の処理設備の設置スペースという限られた場所に最適です。
| パラメータ | 仕様 |
|---|---|
| ユニットモデル | BLCNXB-5W |
| レイアウトタイプ | タワー外部設置型、独立型モジュール |
| 空気の流れの方向 | 底部吸気、上部排気 |
| 浄化効率 | ≥97% |
| 流入混合汚染物質濃度 | 50 mg/Nm³ |
| 排水口における混合汚染物質濃度 | ≤10 mg/Nm³ |
| システム抵抗 | 250 Pa |
| 処理済み排ガス量 | 50,000 Nm³/時 |
| 入口排ガス温度（MPa単位） | 約40℃（冷却器後） |
| 吸収層材料 | グラフェン複合材料 |
| 機器の寸法（長さ×幅×高さ） | 6.1m × 4.2m × 13.5m |
| 磁気エネルギー発生器モデル | BLEMG-1KS |
| ランニングパワー | 57kW |
| 年間稼働日数 | 年間330日 |
| 年間電気料金 | 年間約207,700人民元 |
05 — 主な利点
炭酸リチウム窯排ガス処理において、磁気プルーム抑制が他の方法よりも優れている理由
- ✓
グラフェン複合吸収材は、他の代替品が全て失敗するpH約2の環境下でも性能を発揮する。 標準的な繊維状吸収パッド、ポリマーメッシュ、炭素鋼部品は、炭酸リチウム窯排ガス由来のpH約2の凝縮液と継続的に接触すると、急速に劣化します。一方、グラフェン複合層は、酸性凝縮液に長時間さらされても構造的完全性と吸収効率を維持します。また、その熱安定性により、蓄積した粘着性の結晶塩沈着物を除去するための定期的な温水再生パージが可能となり、媒体交換なしで性能を回復できます。 - ✓
排ガス冷却器の統合により、MPAの回収効率が最適化されます。 このプロジェクトでは、脱硫スクラバーとMPAユニットの間に排ガス冷却器を挿入することで、MPAに入る前のガス温度を50℃から40℃に下げました。この予冷工程により、水蒸気分子と微細エアロゾル粒子の運動エネルギーが低減され、磁気浄化機構のコア部分を変更することなく、MPA吸収層の捕集効率が大幅に向上します。予冷は、スクラバー後のガス温度が45℃を超える施設において、後付け可能な改修ステップです。 - ✓
コンパクトな6.1×4.2×13.5mの設置面積で、既存の限られた処理ライン内に収まります。 BLCNXB-5Wモジュールは、約25.6m²という標準的な駐車スペースよりも小さい設置面積で済むため、既存の炭酸リチウム製錬施設によく見られる、スペースが限られた設備通路にも設置可能です。新たな基礎工事や既存の処理設備への構造変更は一切不要です。 - ✓
低比エネルギー — 50,000 Nm³/hで57 kW: BLCNXB-5Wは定格処理能力で57kWを消費し、比エネルギー消費量は1.14W/Nm³/hとなります。これは、一般的な湿式再加熱式プルーム抑制システムの3～5W/Nm³/hを大きく下回ります。年間稼働日数330日、電気料金0.46人民元/kWhの場合、年間電気料金は約207,700人民元となり、得られるコンプライアンス上のメリットの規模を考慮すると、非常に競争力のある運用コストと言えます。 - ✓
二次汚染ゼロ ― ドライプロセスにより廃水と試薬コストを削減： MPAプロセスでは、ガス流に液体試薬を一切導入せず、廃水も継続的に排出しません。既に複数の酸性およびアルカリ性プロセス流を扱っている施設において、排出制御システムのアップグレードから新たな廃水カテゴリーを排除することで、施設の環境管理システムと廃水排出許可に関する義務が大幅に簡素化されます。 - ✓
初回試運転の成功により、技術の信頼性が実証されました。 MPAユニットは初回試運転で完全な成功を収め、運転データと煙の除去性能は起動時から設計目標をすべて満たしました。この結果は、化学・製錬分野における複数のMPA設置事例で一貫しており、特定のプロジェクトに特有の成果ではなく、基盤となる技術の成熟度と現場で実証された信頼性を反映しています。
技術比較：炭酸リチウム製錬におけるMPAと従来代替技術の比較
| 基準 | 磁気プルーム抑制 | アルカリ湿式洗浄 | GGHガス再加熱 |
|---|---|---|---|
| 白い煙の除去 | 完了（見えないスタック） | いいえ（もやが残っている） | 部分的（温度依存） |
| pH≈2の耐酸性 | 高い（グラフェン複合材） | 適度 | 低（HX腐食リスク） |
| 二次廃水 | なし | 大量 | なし |
| 精製効率 | ≥97% | 約80～85% | 該当なし（削除不可） |
| 試薬コスト | ゼロ | 継続中 | ゼロ |
| 寒冷地への適応性 | はい（デザイン統合型） | リスク（配管の凍結） | はい（ドライシステム） |
| 機器の設置面積 | コンパクトサイズ（25.6平方メートル） | 大型（ポンプ場、貯水槽） | 中くらい |
06 — 業務実績
初回試運転の成功と検証済み性能データ
磁気式煙除去装置の初回試運転が無事完了しました。運転データおよび煙除去性能は、初期起動時から設計目標値を満たしました。設置前後の現場写真からも、劇的な変化が確認できます。システムが待機状態だった時は、窯の煙突の上に濃い白い煙が立ち上っていましたが、同じ生産条件下でシステムが完全に稼働すると、煙突からの排気は完全に消え去りました。
07 — 実施上の注意
炭酸リチウム製錬排ガス用途における重要な工学的考慮事項
- ⚠️
腐食性の高い凝縮水（pH≈2）には、システム全体にわたる防食仕様が必要です。 pH約2の炭酸リチウムキルン排ガス凝縮液は、微量汚染物質ではなく、MPAユニット全体および下流のすべての凝縮液処理工程における主要な液相です。配管、容器壁、ポンプケーシング、センサーハウジング、構造支持部材など、この凝縮液に接触する可能性のあるすべての部品は、pH2での連続運転に対応できる仕様でなければなりません。調達コストを削減するために材料仕様をダウングレードすることは、この用途における機器の早期故障の最も一般的な原因です。また、定格以下の材料を使用すると、システム性能保証も無効になります。 - ⚠️
結晶塩や微細粉塵の付着には、逆洗圧力と流量の増加が必要となる。 炭酸リチウム製錬では、工業排ガス処理において最も粘着性の高い微粒子の一つである結晶性塩残渣が発生します。そのため、逆洗循環システムは、同等の負荷量の非粘着性粉塵処理用途で指定されるポンプ揚程と流量よりも大幅に高い設計が必要となります。一般的な粘着性粉塵係数を適用するのではなく、詳細設計段階で特定の廃液流の粘着特性を定量化し、それに応じて逆洗システムのサイズを決定することが重要です。 - ⚠️
設計段階で、現地の気温と湿度に関するパラメータを組み込む必要があります。 南京の気候は、冬季には氷点下まで気温が下がるのが特徴です。MPAの設計を、最も寒い運転シナリオを考慮せずに平均的な外気条件に基づいて行うと、凝縮水処理配管、サンプ加熱、計器保護などの仕様が冬季運転には不十分になります。屋外に露出しているすべての凝縮水配管にはトレース加熱を、サンプには低温サーモスタット制御付きのヒートトレースを、計器筐体には凍結防止対策を施してください。これらは寒冷地におけるMPA設置の標準的な追加設備であり、初期費用はわずかに増加するものの、予期せぬ停止事故を防ぐことができます。 - ⚠️
排ガス冷却器の性能は、最低外気温度で検証する必要があります。 脱硫スクラバーとMPAユニットの間に設置された新しい排ガス冷却器は、排ガス流と外気との温度差を利用して、排ガス温度を50℃から40℃まで下げます。非常に寒い冬期には、夏期よりも冷却器の温度低下率が高くなるため、冷却器内部でガスが露点以下になり、冷却器内部での凝縮水処理に問題が生じる可能性があります。年間を通しての全温度範囲で冷却器の性能を確認し、冷却器のサンプとドレンが最大凝縮水発生量に対応できる十分な容量を備えていることを確認してください。 - ⚠️
CEMSの設置場所は、改修工事完了後の受入検査前に確認する必要があります。 脱硫スクラバー出口と主煙突の間に排ガス冷却器とMPAユニットを追加すると、監視目的における実際の排出地点の位置が変わります。受入検査に提出する前に、所轄の生態環境局に、CEMSの設置位置がMPAユニット出口（現在は煙突基部）に正しく再指定されていること、およびすべての監視ポートの寸法、アクセスプラットフォーム、等速サンプリング位置が該当する監視技術基準に準拠していることを確認してください。 - ⚠️
吸収器のパージスケジュールは、季節的な付着率と窯のメンテナンス期間の両方を考慮する必要があります。 結晶塩の付着速度は年間を通して一定ではありません。夏季の湿度の高さや秋季のガス温度差の小ささによって、吸収層への堆積物の蓄積速度が変わります。一般的な間隔を適用するのではなく、特定のサイトの初年度の運転データに基づいてパージスケジュールを策定し、生産への影響を最小限に抑えるために、パージ期間を計画されているキルンのメンテナンス停止期間に合わせてください。
08 — エンジニアリングの要点
この炭酸リチウム製錬プロジェクトから得られる4つの応用可能な教訓
- 1
MPAユニットの上流に排ガス冷却器を設置することは、低コストで効率を向上させる方法です。 脱硫スクラバー出口とMPA入口の間に排ガス冷却器を追加するという決定は、わずかな追加設備投資を必要としましたが、磁場領域に入る前にガス温度と水分子の運動エネルギーを低下させることで、MPAユニットの微細エアロゾル捕捉能力を大幅に向上させました。この2段階方式（冷却器とMPA）は、スクラバー後のガス温度が45℃を超えるあらゆる用途において推奨される構成です。また、冷却器内に自然な凝縮水収集ポイントが形成され、これを個別に管理できるため、MPA吸収層にかかる液体負荷を低減できます。 - 2
pH約2の環境における材料仕様は、交渉の余地がなく、代替も認められません。 本プロジェクトの経験概要では、pH約2の凝縮液の腐食性が主要な材料上の課題であることが明確に示されています。調達チームとプロジェクト管理チームにとっての教訓は、酸性環境における耐腐食性材料の仕様はコスト削減の目標ではなく、性能確保のための前提条件であるということです。初期コスト削減のために性能の低い材料を使用した施設では、通常12～18ヶ月以内に最初の腐食による不具合が発生し、その時点での修復費用が当初の節約額を大幅に上回ります。 - 3
寒冷地における海洋保護区の設置には、専用の冬季運用手順が必要となる。 多くのMPAプロジェクトは、温暖な気候の時期に設計、試運転、初期運用が行われます。しかし、最初の冬が到来すると、凝縮水処理システムに寒冷対策（トレースヒーティング、凍結防止装置、加熱式サンプなど）が施されていない設備は、凍結による予期せぬ操業停止に見舞われます。設計段階で寒冷対策を組み込むための追加費用は、窯の生産が危機に瀕する冬季の緊急対策費用に比べれば、ごくわずかなものです。 - 4
逆洗システムの規模決定前に付着特性を評価することで、試運転後に最もよく発生する性能不良を防ぐことができます。 炭酸リチウム窯の排ガスに含まれる結晶塩の付着は、他の分野の逆洗システムが想定している石炭灰や工業用粉塵の付着よりもはるかに強力です。用途固有の付着データに基づかずに一般的なサイズ設定を行うと、逆洗システムが過小評価され、2～3か月以内に効率が低下することが常態化します。逆洗ポンプとノズルの仕様を最終決定する前に、代表的な凝縮水サンプルを用いてベンチスケールでの付着試験を実施してください。
09 — よくある質問
炭酸リチウム製錬所における磁気プルーム抑制：10の質問への回答
炭酸リチウムおよび電池材料分野の環境コンプライアンスエンジニア、工場管理者、技術調達チームからの質問。
白い煙をなくす準備はできていますか？
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