JP4546409B2 - 乾燥方法及び乾燥装置 - Google Patents

Description

本発明は、被処理物に衝撃及び遠心力を与えて乾燥させる乾燥方法及び乾燥装置に係り、具体的には、汚泥、スラッジ、木質片あるいは各種の塊状物を粉砕、乾燥するのに好適な乾燥方法及び乾燥装置に関する。

一般社会及び産業から排出される各種の廃棄物は、環境保護の観点から埋め立て処分が制約されることから、焼却して熱を回収したり、その他の有価物に変換することが試みられている。ところが、例えば、製紙工場等から排出されるスラッジ、酪農や養鶏施設から排出される家畜糞尿、下水処理施設から排出される汚泥等の廃棄物は、一般に含水率が高く、そのままでは自然することはなく、焼却するには多くの補助燃料を必要とする。しかも、このような含水率の高い廃棄物を乾燥するための費用は、燃焼熱を回収して得られる利益をはるかに超えると言われている。

そこで、含水率の高い廃棄物等の被処理物を乾燥するエネルギ効率を改善する技術として、特許文献１に、容器内で回転軸に取り付けたブレード又は鎖を回転させ、その容器内に破砕した被処理物を投入し、被処理物に衝撃及び遠心力を与えて乾燥させる衝突式乾燥方法が提案されている。これによれば、被処理物は遠心力によって容器の側壁等に打ち付けられて多重衝突を起こし、また、被処理物の粒子（破砕片）同士の多重衝突による衝撃の力（慣性力）や遠心力の働きによって、粒子内の水分が遠心力により固体物質から実質的に搾り取られる。部分的には、衝撃による昇温で蒸発も起こるが、多くの水分はミスト状で容器外に排出される。すなわち、特許文献１に記載の乾燥方法は、被処理物に衝撃及び遠心力を加えて乾燥させるものである。このような衝撃及び遠心力により乾燥する方法は、水分の蒸発に必要な蒸発潜熱を加熱により与える加熱乾燥方法に比べて、乾燥のエネルギ効率を高くすることができる。

WO 2004/063649 A1

しかし、容器内でブレード又は鎖等の回転子を回転させて、被処理物に衝撃及び遠心力を加えて乾燥させる場合、容器に投入される被処理物の含水率が高いと、被処理物が容器の内壁や回転子に付着してしまう問題が生じ、この場合には乾燥が進まない。

そこで、特許文献１では、被処理物の含水率が高い場合は、被処理物に含水率の少ない物質を混合して、乾燥処理可能な範囲に調整して容器に投入したり、あるいは一旦乾燥処理した被処理物の乾燥物を再び容器に投入して循環させて、乾燥物の含水率を目標値にすることが提案されている。

しかし、投入する被処理物の含水率を自動的に調節することについて配慮されていない。すなわち、投入される被処理物の含水率が変動する場合には、乾燥物の含水率を安定に保持するのが難しいという改善すべき余地がある。

また、乾燥物の含水率と生産量の関係はトレードオフの関係になる。そこで、乾燥物の含水率の変動を一定範囲内で許容し、乾燥物の生産量を最大にすることが要請される場合がある。このような要請に対して、特許文献1では配慮されていない。

本発明は、被処理物に衝撃及び遠心力を与えて乾燥する乾燥方法及び装置において、投入される被処理物の含水率が変動しても、乾燥物の含水率と生産量の少なくとも一方を制御可能にすることを課題とする。

まず、本発明の乾燥方法の原理について説明する。衝撃及び遠心力による乾燥について研究したところ、被処理物に比較的強く捕捉されている水分（例えば、結合固定されている水分など）を離脱させるには、被処理物に１０００G以上の加速度を与える必要があることが判った。このような被処理物は、水和力が強い親水性物質（例えば、有機スラッジ）が該当する。この有機スラッジは、本発明が対象とする好適な被処理物であり、酪農や養鶏施設から排出される家畜糞尿、製紙工場等から排出されるスラッジ、下水処理施設から排出される汚泥等の廃棄物が含まれる。これに対して、疎水性物質（例えば、砂等の無機スラッジ）は、例えば１桁小さい加速度で十分に脱水乾燥させることができる。ここで、１０００G以上の加速度を出しうるブレード又は鎖等の回転子の先端の周速は、実質的な鎖−ブレードの半径から計算して、概ね、毎秒１００ｍ以上になる。これらの関係を、図９に示す。図９の横軸はブレード又は鎖等の仕事率（ｋW）、縦軸はブレード又は鎖等の先端の遠心力（Ｇ）である。また、加速度（遠心力）の上限は、乾燥装置を構成する部材の機械的な強度によって決まってくるものであり、例えば、高張力鋼等を用いれば、最大７０００G程度まで出しうる。この７０００Ｇに対応する回転子の先端周速は、毎秒２５０ｍ程度である。

したがって、衝撃及び遠心力による乾燥装置において、被処理物から水分を離脱させるためには、ブレード又は鎖等の先端周速は毎秒１００m以上、乾燥装置の部材の機械的な強度からは、毎秒２５０m以下にする必要がある。

また、一つの例として、本発明者らは、含水率４０ｗｔ％の鶏糞と家畜糞尿の混合物を被処理物とし、被処理物の処理量と乾燥物の含水率に及ぼす回転子の先端周速の影響を調査した。その結果、図６に示すように、回転子の先端周速を毎秒１００mから上げていくと、処理量が増加する。また、同一の処理量で操業すれば、回転子の先端周速を増加させることにより、乾燥物の含水率をさらに下げることができる。一方、回転子の先端周速が毎秒１００m以下となると、被処理物の処理量が急激に低下し、被処理物の生産性が確保できなくなることがわかった。

また、もう一つの例として、特許文献1の乾燥機を用いて、乾燥物の生産量に相当する乾燥物の単位時間当たりの排出量（以下、適宜、排出量という。）に及ぼす被処理物の単位時間当たりの投入量（以下、適宜、投入量という。）及び被処理物の含水率の影響を調査した結果を図７に示す。この図より、乾燥物の排出量は被処理物の投入量の増加に応じて、ある時点までは単調に増加していくが、ある限界投入量を超えると排出量が急激に減少し、また、その限界投入量は被処理物の含水率に依存していることがわかった。その原因は乾燥が進まないために、乾燥機内に被処理物が滞留するためである。したがって、被処理物の含水率が変動した場合、被処理物の限界投入量も変動することになり、乾燥機内に被処理物が滞留するトラブルを引き起こすことになる。

これらの知見に基づいて、上記課題を解決するため、本発明は、回転軸に放射状に取り付けた複数の回転子を容器内で回転させ、その容器内に被処理物を投入して被処理物に衝撃及び遠心力を与えて乾燥させる乾燥方法において、前記被処理物の含水率に応じて、前記回転子の先端の周速を毎秒１００ｍ以上、毎秒２５０ｍ以下の範囲で可変することを特徴とする。

すなわち、被処理物の含水率に応じて回転子の先端周速を可変することにより、処理量が一定の場合、投入される被処理物の含水率が変動しても、乾燥物の含水率を目標値に保持制御できる。

また、本発明の他の発明は、回転子の先端の周速を毎秒１００ｍ以上、毎秒２５０ｍ以下の範囲で運転するとともに、容器に投入される被処理物の含水率を測定し、その被処理物に含水率の低い調整材を混合して含水率を設定範囲に調整するようにすることを特徴とする。

すなわち、前述したように、被処理物の含水率が高いと被処理物が容器の内壁や回転子に付着して乾燥が進まないことから、乾燥処理できる被処理物の含水率に条件（以下、受入条件という。）が存在する。例えば、処理後の乾燥物の含水率を１０〜２０ｗｔ％とした場合、被処理物の含水率は４０〜６０％という数値になる。勿論、この受入条件は、被処理物の種類によって大きく変動する。そこで、被処理物の含水率に応じて含水率の低い調整材を混合し、被処理物の含水率を設定範囲に調整することにより、乾燥物の含水率を目標値に安定して保持できる。

また、含水率の低い調整材には、容器から排出される乾燥物の一部を用いることが好ましい。この場合、乾燥物の含水率を測定し、被処理物に混合する乾燥物の量を調整することが好ましい。

本発明の乾燥方法を実施する装置は、被処理物が投入される投入口を頂部に有する円筒状の容器と、該容器の軸に沿って設けられた回転軸と、該回転軸に放射状に取り付けられた複数の回転子と、前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転子の上方に上向きに配置され中心に開口が形成された円錐状の案内部材と、前記容器の頂部に連通して設けられた送風機とを有して構成し、前記容器に投入される前記被処理物の含水率を測定する測定手段と、該測定された含水率に対応させて定められた設定回転数に基づいて前記回転軸の回転数を制御するモータ制御手段とを備え、前記設定回転数は、前記回転子の先端の周速が毎秒１００ｍ以上、毎秒２５０ｍ以下の範囲に設定することにより実現できる。

また、本発明の他の発明の乾燥方法を実施する装置は、前記容器に投入される前記被処理物の含水率を測定する含水率測定手段と、該測定された含水率に基づいて前記被処理物に含水率の低い調整材を混合して含水率を設定範囲に調整する含水率調整手段とを備え、前記含水率の設定範囲は、前記回転子の先端の周速が毎秒１００ｍ以上、毎秒２５０ｍ以下の範囲に設定された前記回転軸の設定回転数に基づいて定めることにより実現できる。

この場合において、前記送風機によって前記容器から排出される気流に搬送された前記乾燥物を分離捕集するサイクロンを備え、前記含水率の低い調整材は、前記サイクロンによって捕集された乾燥物の一部を用いることができる。また、前記サイクロンによって捕集された乾燥物の含水率を測定する含水率測定手段を備え、前記含水率調整手段は、測定された乾燥物の含水率に基づいて、前記含水率の低い調整材の量を調整することができる。

さらに、生産量を制御可能にする本発明の他の発明の乾燥方法は、乾燥物の単位時間当たりの排出量を検知し、該検知した排出量に応じて前記被処理物の単位時間当たりの投入量を調整することを特徴とする。これによれば、図７で説明したように、生産量を制御することができる。また、乾燥物の排出量に被処理物の投入量を一致させれば、乾燥装置の容器内に被処理物が滞留するのを防止することができる。

また、本発明の乾燥方法は、乾燥物の含水率の制御と生産量の制御を組み合わせて構成することができる。

本発明によれば、被処理物に衝撃及び遠心力を与えて乾燥する乾燥方法及び装置において、投入される被処理物の含水率が変動しても、乾燥物の含水率と生産量の少なくとも一方を制御することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の衝撃及び遠心力を与えて被処理物を乾燥する乾燥方法を適用した乾燥装置の一実施形態の全体構成図を示す。被処理物は混合機１に供給されるようになっている。混合機１から排出される被処理物は乾燥機２に投入される。乾燥機２により乾燥された乾燥物は、乾燥機２内の空気と共にブロワ４により吸引され、乾燥物は分離器３において空気と分離される。ブロワ４の排気は、ミスト除去器５を介して排気されるようになっている。なお、この排気は、乾燥機２に循環するようにしてもよい。分離器３において空気から分離された乾燥物の一部は、搬送機６によって混合機１に返送されるようになっている。

乾燥機２に供給される被処理物の含水率は、含水率測定器７により計測され、計測された入口含水率は制御装置８に入力され、制御装置８は入口含水率に応じて乾燥機２のモータ４６の回転数を制御するようになっている。また、分離器３から排出される乾燥物の含水率は、含水率測定器９により計測されるようになっている。制御装置８は、含水率測定器９により計測された乾燥物の含水率に応じて、搬送機６により混合機１に返送する乾燥物の搬送量を制御するようになっている。これにより、混合機１で被処理物に混合する含水率調整材としての乾燥物の混合量が調整され、乾燥物の含水率を所定の目標含水率に制御するようになっている。含水率側定器７，９には、加熱を伴う重量法（秤量法）、計量コンベアによる方法ないしはサンプリング、加熱乾燥を自動的に行う汚泥含水率分析計などを用いることができる。また、赤外線（例えば複数の波長の近赤外線）を照射し反射光量を測定する赤外線吸収式水分測定法、水の高い誘電率（比誘電率：約８０）を利用した静電容量式水分測定法、水素原子による中性子線減衰量の測定による中性子線吸収式水分測定法、水による誘電損失量を測定するマイクロ波吸収式水分測定法などを適用できる。

ここで、乾燥機２の具体的な実施形態について、図２乃至図４を用いて説明する。なお、本実施形態は、ＷＯ ２００４／０６３６４９ Ａ１に記載された乾燥機と実質的に同じである。図２は、本実施形態の乾燥機２と分離器３の部分を示す斜視外観図である。図示のように、円筒状の容器からなるチャンバ１０は被処理物である原料の投入シュート１２及び微粉砕された乾燥物の放出ダクト１４を有する。チャンバ１０のハウジングは、下方パン又は壁１６、円筒状側壁１８及び略円形のリッドアセンブリー２０を含んでいる。放出ダクト１４はサイクロン分離器２２の最上部の円筒部分に連通されている。サイクロン分離器２２内で空気から分離した固体の乾燥物は下部円錐の底部に集まり、放出シュート２４から排出される。チャンバ１０の投入シュート１２及びサイクロン分離器２２の放出シュート２４には、図示していないが、それぞれスターバルブが設けられ、チャンバ１０及びサイクロン分離器２２への被処理物の投入、及びサイクロン分離器２２からの乾燥性生物の排出をそれぞれ制御すると共に、これらチャンバ１０及びサイクロン分離器２２内の固有の空気圧を維持するようになっている。

サイクロン分離器２２内の空気は、ブロア３０によって吸引されてダクト３２を介してミスト除去器３４に導かれ、空気中の水分ミストが分離される。ミスト除去器３４を通った空気は、チャンバ１０の側壁に設けられた複数のジェット３８を介してチャンバ１０内に注入される。この空気は、チャンバ１０を循環して放出ダクト１４に再循環され、サイクロン分離器２２に戻るようになっている。ミスト除去器３４は、空気の乾燥速度を高めるが、必須のものではない。

ジェット３８、図示を省略しているが、チャンバ１０の周囲に等間隔で配置される。ジェット３８の数は、４個、６個、８個又はそれ以上でもよい。蓋上のベント４０は、チャンバ１０内の水分担持空気の一部を大気中に逃がすことができる。

チャンバ１０内には複数の、好ましくは８本の鎖又はブレードからなる回転子（ロータ）４２が設けられ、それらはハブ４４に取り付けられ、モータ４６によって水平面に回転する。モータ４６によって駆動される回転軸４８にフライホイール（図示されていない）を造りつけ、モータ４６への電流供給を安定化することができる。また、回転子４２の鎖に代えて放射状に延びる刃（ブレード）を使用してもよい。この方が大抵の場合より好ましい。その理由は、ブレードを回転させる際に消費される電力が鎖を同速度で回転するのに要する電力よりも小さいからである。さらに、鎖よりもブレードの場合の方が、被処理物であるスラッジの処理量をより大きくすることができると考えられる。これらの刃はハブ４４にピボット状に取り付けられ、それらの角度を調節することができる。この場合、ブレードは、比較的低い抗力係数を有するように設計されなければならない。ブレードの好ましい横断面は涙滴形である。

回転子４２の上方には、バッフルプレート５０及び円錐台状のトーラス５２が、チャンバ１０と同芯状に設けられている。トーラス５２は、中空に形成され、図３に示すように、上向きに配置され中心に開口５８が形成された円錐状の凹面５４を有し、底部壁５６は平面に形成されている。これにより、トーラス５２は、投入シュート１２から投入される被処理物を、開口５８に案内してハブ４４の上方に落下させる案内部材として機能する。

バッフルプレート５０は、図４に示すように、例えば溶接によってトーラス５２の底部壁５６に結合される８個のバッフルプレート５０を有している。各バッフルプレート５０は、平行した前面６０及び背面６２を有し、前面６０はバッフルプレート５０の下の回転子４２の回転方向６４の上流である。また、隣接するバッフルプレート５０の前面間の角度６６は約４５乃至６０度の範囲内である。

また、トーラス５２の底部壁５６に対するバッフルプレート５０の角度は、バッフルプレート５０の前壁６０と底部壁５６との間で測定して約１２０度であるのが好ましい。バッフルプレート５０は、回転子４２によって放射状に外側に引っ張られる粒子が突き当たる面として役立つ。また、バッフルプレート５０は、チャンバ１０の周辺の空気を内側に向け、トーラス５２の中心開口１８を通るように方向づける。トーラス５２、バッフルプレート５０及びチャンバ１０の側壁１８は、チャンバ１０内の空気が図５の矢印７２によって示される経路を流れるような構造になっている。

このように構成される乾燥装置の動作について次に説明する。本実施形態は、例えば、製紙工場等から排出されるスラッジ、家畜産業から排出される家畜糞尿、下水処理施設から排出される汚泥等の有機系の廃棄物、あるいは製材所から出るのこ屑等の木質系のバイオマスの乾燥に適用できる。

投入シュート１２に投入する被処理物の大きさは、１０ｃｍを超えない大きさに破砕しておくことが好ましい。これよりも大きいとチャンバ１０内でブリッジを形成し、チャンバ１０の目詰まりをおこす可能性がある。また、大きい破砕物は、回転子４２の電力消費に不都合なサージングを起こし、回転子４２又はチャンバ１０、あるいはその他の構成部品を損傷することもあり得る。金属物質はチャンバ１０に供給する前に除去する。

このような前処理を行った被処理物を、投入シュート１２のスターバルブを介してチャンバ１０に供給すると、トーラス５２の凹面状の上壁５４に落ち、その壁を滑り落ちて、トーラス５２の開口５８に入る。そして、被処理物は、回転子４２又はブレードで形成されたローター４２の回転域に入り、遠心力によって側壁１８及びバッフルプレート５０に叩きつけられ、その結果材料は微粉砕される。

さらに、チャンバ１０の側壁１８及びバッフルプレート５０に被処理物の破砕片が多重衝突して、被処理物の破砕片は粉砕されて粒子状になる。また、破砕された粒子同士の多重衝突による運動エネルギが材料の温度を上昇させ、その結果、粒子内の水分の急速な蒸発又はフラッシングが起きる。その上、多重衝突は粒子中の水分を固体物質から文字通り絞り出させる。また、衝突のエネルギ及び運動熱は、被処理物中の病原体類及び大腸菌類の多くを死滅させる。チャンバ内の粒子の遠心加速も病原体類および大腸菌類の破壊速度を高める。

また、被処理物の粒子から逸出する水分が蒸気の形であっても同じことが言える。チャンバ内温度は通常約７０℃以下であるから、蒸気の形の水分は一たび分離すると、直ちに再凝縮して微細なミストになる。ミストの一部がベント４０から排出されるが、大部分のミストは、サイクロン分離器２２に移動する粒子担持空気によって上方へ運搬される。そのミストはミスト除去器３４によって空気から除去される。

チャンバ１０内で生成された固体粒子は空気流によって運び出され、サイクロン分離器２２内で空気から分離される。これらの粒子は、投入シュート１２に投入されたときよりも実質的に乾燥している。図５に示すように、チャンバ内空気が動く方向を矢印７２によって示している。同図からわかるように、回転子４２は空気流そのものをバッフルプレート５０の下でダブルバックさせ、２つの流れに分割させる。一つの流れ７２ａはトーラス周囲とチャンバの側壁１８との間の環状空間を上方に流れる。もう一つの流れ７２ｂはトーラスの中心の開口５８を通って真ん中を上方に流れる。どちらの流れも被処理物の粒子の多くを担い、放出ダクト１４から出ていく。チャンバ１０内の空気の流れは、回転子４２の回転によって決まる。

上述した、両方の流れ７２ａ、７２ｂが出合い、放出ダクト１４を介して放出され、同時に被処理物の粒子を運び出す。サイクロン分離器２２に流入した被処理物の粒子を同伴する空気は粒子から分離され、ブロワー３０によってチャンバ１０内に戻される。チャンバ１０に戻す空気は、ジェット３８によって空気の流入方向をチャンバの側壁１８並びにトーラス５２周囲の接線方向となるようにする。

本実施形態において、被処理物から脱水する水分量に影響を与える要因は、チャンバに供給する速度（供給量）、側壁及びバッフルと衝突する瞬間の被処理物の速度、チャンバ内温度、サイクロン分離器内の空気温度、チャンバ内の空気の流速等々がある。これらの要因が有する効果は次のようである：
（１）供給速度：供給量が大きければ大きいほど、乾燥物の水分含有率が高くなる。
（２）衝突の瞬間の被処理物の速度：衝突速度が大きければ大きいほど、水分抽出速度は大きくなる。つまり、回転子が速く回転すればするほど、衝突速度は高くなる。
（３）チャンバ内及びサイクロン分離器内の温度：好ましい温度範囲は約４５℃乃至約８０℃であり、より好ましい範囲は約５０℃乃至約６５℃である。多くの場合、チャンバ内及びサイクロン分離器内の温度は、本来の好適な運転においては、上記の温度範囲内になるから、温度を制御する必要はない。
（４）チャンバ内の空気流速：空気速度が大きければ大きいほど、チャンバ及びサイクロン分離器を通る被処理物の処理量が大きくなり、乾燥物の生産量は高くなる。さらに、空気の流速が大きければ大きいほど、被処理物の粒子からより多くの水分が除去される。

ここで、図１に戻って、本発明の実施形態の特徴動作について説明する。
（１）搬送機６を停止して、乾燥物を混合機１に返送しない形態の場合について説明する。制御装置８は、含水率測定器７により測定された被処理物の含水率に応じて、回転子４２の先端の周速を毎秒１００ｍ以上、毎秒２５０ｍ以下の範囲で可変することにより、分離器３から排出される乾燥物の含水率を一定の範囲に制御する。
（２）搬送機６により乾燥物を混合機１に返送する場合は、制御装置８は回転子４２の先端の周速を毎秒１００ｍ以上、毎秒２５０ｍ以下の範囲で運転する。さらに、含水率測定器７により乾燥機２に投入される被処理物の含水率を測定し、測定した含水率が設定範囲から外れているときは、搬送機６により戻される含水率の低い乾燥物を混合して含水率を設定範囲に調整する。これにより、分離器３から排出される乾燥物の含水率を一定の範囲に制御することができる。
（３）（２）の場合において、含水率測定器９により乾燥物の含水率を測定し、これに応じて被処理物に混合する乾燥物の量を調整することができる。なお、含水率の調整材としては、分離器３から排出される乾燥物に限らず、含水率が低い既知の調整材（例えば、のこ屑等の木質系バイオマス）を用いることができる。
（４）図１の実施形態において、分離器３から排出される乾燥物の粒径を測定する粒径測定器１１を設け、乾燥物の粒径を連続的に監視することが好ましい。これによれば、乾燥物をボイラの燃料として用いる場合、粉体バーナを用いて燃焼させることが可能である。粒径測定器１１としては、散乱光強度を測定する光学的な方法、あるいは画像により粒子の状態を監視する方法を適用できる。また、図示していないが、分離器３から排出される乾燥物の生産量を、計量バッケット又は計量コンベアを用いて測定することもできる。以下、具体的な実施例について説明する。

実施例１では、被処理物を鶏糞と家畜糞尿の混合物とし、図１に示す実施形態において、搬送機６を使用せず、乾燥機２の回転子の回転数を変化させた場合における、乾燥機２における被処理物の処理量と分離器３から排出される乾燥物の含水率に及ぼす回転子先端の周速の影響を調査した。この結果を図６に示す。

図６の例では、被処理物の含水率は４０％であり、回転子先端の周速が増加するほど、被処理物の処理量は増加しているが、回転子先端の周速が１００ｍ／ｓｅｃ以下では急激に被処理物の処理量が低下している。したがって、回転子先端の周速は１００ｍ／ｓｅｃ以上必要であると言える。また、回転子先端の周速を２００ｍ／ｓｅｃ以上増加させても、被処理物の処理量の増加は僅かであるとともに、回転子の機械的強度から、回転子先端周速を２５０ｍ／ｓｅｃ以下で操業することが好ましい。

一方、回転子先端の周速を一定で操業した場合、被処理物の処理量によって、乾燥物の含水率が変化することがわかる。すなわち被処理物の処理量を低下させることにより、乾燥物の含水率は低下する。また、被処理物の処理量を一定にした場合、回転子先端の周速を変化させることにより、乾燥物の含水率を変化させることができる。これにより、乾燥機２に投入される被処理物の含水率が変動した場合でも、回転子先端の周速を変化させることにより、乾燥物の含水率を一定に制御できる。

実施例２では、被処理物を鶏糞と家畜糞尿の混合物とし、図１の実施形態において、搬送機６によって乾燥生成物を混合機１に返送して乾燥機２の入口含水率を４０ｗｔ％に調整し、これによって分離器３の乾燥生成物の含水率を２５ｗｔ％に維持する操業を実施した場合の例の結果を表１に示す。含水率が異なる被処理物を乾燥機２の入口含水率４０％にするためには、表１にあるような返送率にすれば良いことがわかり、このときの被処理物の処理量は表１に示す通りである。ここで、返送率は、分離器３から排出される乾燥物の全量に対する返送量の重量割合である。

したがって、本実施例2の方法を用いることにより、高含水率の被処理物を乾燥する場合、被処理物の処理量の大幅な低下無しに、目標とする乾燥物の含水率を得ることが可能となる。

実施例２との比較のため、乾燥機２の入口含水率を調整しない場合の処理において、含水率の異なる被処理物（鶏糞と家畜糞尿の混合物）を乾燥機２に投入した場合の被処理物の処理量と乾燥物の含水率の関係を調査した。その結果を図８及び表２に示す。乾燥機２の入口含水率を調整しないそれぞれの被処理物の含水率において、被処理物の処理量が増加するほど、乾燥物の含水率は増加することがわかる。ここで、分離器３の乾燥物の含水率を２５ｗｔ％に維持しようとした場合、図８及び表２に示すように、被処理物の乾燥機２の入口含水率が増大するにつれて、処理量が大幅に低下することがわかる。したがって、高含水率の被処理物ほど生産性が大幅に低下することになる。

すなわち、実施例2によれば、比較例と比べて、同一の被処理物の含水率において、被処理物の処理量は大幅に増加していることがわかる。

実施例２の混合機１における初期含水率が４０ｗｔ％で、返送率が３０ｗｔ％の条件にて、回転子４２の先端の周速を変化させたときの、処理量と、乾燥生成物の含水率との実測値を表３に示す。同表から明らかなように、比較例に比べて、回転子４２の先端周速を１００ｍ／ｓｅｃ以上にすることによって、乾燥生成物の含水率を大幅に下げることができる。また、先端周速が２００ｍ／ｓｅｃの場合は、１００ｍ／ｓｅｃに比べて、乾燥生成物の含水率が同じならば、処理量を高めることができる。

また、含水率４０ｗｔ％の鶏糞と家畜糞尿の混合物を被処理物とし、被処理物の処理量と乾燥物の含水率に及ぼす回転子の先端周速の影響をさらに詳細に調査した結果、図６に示すように、回転子の先端周速が毎秒１００ｍ未満の場合は、急激に処理量が低下している。これに対して、先端周速を毎秒１００ｍから上げていくと処理量が増加している。また、同一の処理量で操業すれば、回転子の先端周速を増加させることにより、乾燥物の含水率をさらに下げることができる。

実施例４では、図１の実施形態を用い、固液分離後の含水率８０〜９０ｗｔ％の豚糞尿に、混合機１にて木質系粉体（含水率約１５ｗｔ％）を混合し、乾燥機２に投入する前の被処理物の含水率を４０ｗｔ％程度に調整した結果、乾燥生成物の含水率を２５ｗｔ％にした場合、２ｔ／時以上の処理を維持することができた。

なお、木質系粉体を混合しない場合は、乾燥機２のみでは、含水率８０〜９０ｗｔ％の豚糞尿を乾燥処理することはできなかった。また、乾燥機２に投入する前の被処理物の含水率を調整しないで、予め定めた一定量の木質系粉体を混合した場合は、処理時間の２０％以上の間、処理量が１．５ｔ／時を下回った。また、返送率を調整せずに、含水率測定器７の計測値を目標値に制御すべく、木質系粉体の混合率を制御することもできる。

考察

ここで、本発明の特徴の一つである回転子の先端周速を、毎秒１００ｍ以上、毎秒２５０ｍ以下の範囲に設定することの技術的な意味について考察する。衝撃及び遠心力による乾燥の場合、被処理物に比較的強く捕捉されている水分（例えば、水素結合によって固定されている水分など）を離脱させるには、図７に示すように、被処理物に１０００G以上の加速度を与える必要があることが判った。図７において、横軸は仕事率（ｋＷ）、縦軸は遠心力（Ｇ）である。

図において、水和力が強い親水性物質を多く含む木質バイオマスを脱水するには、１０００G以上の加速度が必要になる。これに対して、疎水性物質（例えば、砂等の無機スラッジ）は、例えば１桁小さい加速度で十分に脱水乾燥させることができる。ここで、１０００G以上の加速度を出しうるブレード又は鎖等の回転子の先端の周速は、それらの実用的な長さから、概ね、毎秒１００ｍ以上になる。また、加速度の上限は、乾燥機２を構成する部材の機械的な強度によって決まってくるものであり、例えば、軟鋼における降伏強さの領域（限界域）は３０００〜４０００Ｇ程度、高張力鋼における降伏強さの領域（限界域）は７０００〜８０００Ｇ程度である。７０００Gに対応する回転子の先端周速の上限は、毎秒２５０ｍ以下になる。

すなわち、鎖やブレードなどの回転子を回転させて被処理物を衝撃によって粉砕及び乾燥する場合、回転子の実用的な長さ（半径）は、流体制御及び回転機の制御の点から、３０〜１００ｃｍであるため、１０００Ｇ〜７０００Ｇを出し得る回転速度は１００〜２５０ｍ／ｓｅｃとなる。この回転速度は、回転子の遠心力による材料の降伏強さと、他の回転機器と同様に流体の制御性、回転部の制御性から、さらに経済性から好ましい値を採用する。

さらに、考察すると、衝撃及び遠心力によって脱水乾燥する場合、特に水和力の強い物質に対して衝撃の圧力として１０^８Ｐａ近くの力が必要となる。この力は、回転速度を上限近くまで上げることによって得ることができる。また、衝撃時に発生する熱（５０〜９０℃程度）は、流動、拡散性を高め、水−親水基の結合を緩める効果がある。この温度は、被処理物と処理条件によって異なる。この脱水、乾燥のために必要な衝撃及び遠心力は、熱天秤等によって求められる水の結合力とも定量的に対応している。被処理物を窒素気流中で昇温してゆくと、まず１００〜１０５℃で自由水の蒸発が起こる。その後に、やや強く捕縛されている水が放散し、最後に水素結合によって被処理物に強く捕捉されていた水が放散（蒸発）してゆく。この重量減少を時間の微分曲線で見ると、図８に示すように、疎水性スラッジ中の水は、重量減少ピークが自由水のピークと繋がって測定される。図８において、曲線１は水を含んだ砂（無機スラッジ）の微分重量変化率を示し、曲線２は十分な好気性曝気処理を行って、親水基をかなり分解した有機汚泥を１０００Ｇで遠心脱水したものの微分重量変化率である。また、曲線３は、親水性有機汚泥を１０００Ｇで遠心脱水したものの微分重量変化率であり、自身に水酸基などを多くもつ親水性スラッジは、測定条件にもよるが、本試験条件では、１３０〜１５０℃の昇温領域に脱水ピークが出現する。このような傾向は市販のフミン酸試薬、デンプン等から調整した模擬スラッジについて測定しても同様に得ることができる。また、細胞壁を持つ木質バイオマスの乾燥も同じ傾向を示す。図８において、曲線２、３において観察される３５０℃からの減少は有機スラッジ自身の熱分解である。図８の各資料の脱水ピークのずれ（ＲΔＴ、R：気体定数、Ｔ：温度）は、回転子先端で被処理物に与えるエネルギ（衝撃力×反跳距離）と一対一で対応する。したがって、この種の乾燥機において、脱水が可能な回転子先端速度の範囲は、１００〜２５０ｍ／ｓｅｃとなる。これにより、低速で回転する市販機器においては、水を蒸発させるための加熱手段（例えば、熱風発生装置）が必要である。なお、本発明の乾燥装置においては、脱水した水はミストとして排出される。

（実施形態２）
図１１に、本発明の衝撃及び遠心力を与えて被処理物を乾燥する乾燥方法を適用した乾燥装置の他の実施形態の全体構成図を示す。本実施形態が、図１の実施形態と異なる点は、混合器１に投入する被処理物の単位時間当たりの投入量を調整する投入量調整手段１５を設けたこと、及び分離器３から排出される乾燥物の単位時間当たりの排出量を計測する排出量計測手段１７と設け、排出量計測手段１７により計測された乾燥物の排出量に応じて、被処理物の投入量を調整可能にしたことにある。したがって、図１の実施形態と同一の機能構成を有する部分には、同一の符号を付して説明を省略する。

ここで、図７に、被処理物を鶏糞と家畜糞尿の含水率の異なる混合物とし、図１に示す実施形態において、分離器２からの乾燥物の単位時間当たりの排出量（以下、単に排出量という。）に及ぼす被処理物の単位時間当たりの投入量（以下、単に投入量という。）及び被処理物の含水率の影響を調査した結果を示す。この図より、被処理物の含水率が３０％の場合、被処理物の投入量が約３．３ｔ／時までは、被処理物の投入量の増加に応じて、乾燥物の排出量は単調に増加していくが、それを超える被処理物の投入量になると、排出量は急激に減少する。この限界投入量は、被処理物の含水率が４０％になると、約３ｔ／時、５０％になると２．７ｔ／時と被処理物の含水率の増加により、限界投入量は減少していく。したがって、限界投入量は被処理物の含水率に依存していることがわかった。この急激な乾燥物の排出量の低下は乾燥機２内に被処理物が滞留するためである。

したがって、連続操業の中で、被処理物の含水率が変動した場合、被処理物の限界投入量も変動することになり、乾燥機２内に被処理物が滞留するトラブルを引き起こすことになる。

そこで、本実施形態では、乾燥物の排出量を計測し、その計測した排出量に応じて被処理物の投入量を調整するようにする。これにより、図７に示した関係からわかるように、被処理物の含水量に応じた最大の生産量を確保することができる。また、乾燥機２内に被処理物が滞留するのを防止することができる。例えば、乾燥物の排出量が被処理物の投入量よりも低い場合は、被処理物の投入量を減らすことにより、乾燥物の排出量を増やして生産性を向上させることが可能である。

本発明の一実施形態の乾燥方法を適用した乾燥装置の系統構成図である。 図１の乾燥機と分離器の一実施形態の斜視構成図である。 図２のトーラスの部分拡大図である。 図２のバッフルプレートの詳細構成図である。 図２のチャンバ内の空気の流れを説明する図である。 乾燥物の含水率一定の条件における回転子の先端周速と処理量及び乾燥物の含水率との関係を示す線図である。 被処理物の投入量と乾燥物の排出量及び被処理物の含水率との関係を示す線図である。 被処理物の処理量と乾燥物および被処理物の含水率との関係を示す線図である。 脱水に必要なエネルギと遠心力との関係を示す線図である。 各種物質の温度と微分重量変化率との関係を示す線図である。 本発明の他の実施形態の乾燥方法を適用した乾燥装置の系統構成図である。

符号の説明

１ 混合機
２ 乾燥機
３ 分離器
４ ブロワ
５ ミスト除去器
６ 搬送機
７、９ 含水率測定器
８ 制御装置
１０ チャンバ
１１ 粒径測定器
１２ 投入シュート
１４ 放出ダクト
１５ 投入量調整手段
１７ 排出量計測手段
４２ 回転子
４６ モータ
４８ 回転軸
５２ トーラス
５０ バッフルプレート

Claims (9)

1. 回転軸に放射状に取り付けた複数の回転子を容器内で回転させ、その容器内に被処理物を投入し、該被処理物に衝撃及び遠心力を与えて乾燥させる乾燥方法において、
   前記回転子の半径が３０ｃｍ〜１００ｃｍであって、前記被処理物の含水率に応じて、前記回転子の先端の周速を毎秒１００ｍ以上、毎秒２５０ｍ以下の範囲で可変することを特徴とする乾燥方法。
2. 回転軸に放射状に取り付けた複数の回転子を容器内で回転させ、その容器内に被処理物を投入し、該被処理物に衝撃及び遠心力を与えて乾燥させる乾燥方法において、
   前記回転子の先端の周速を毎秒１００ｍ以上、毎秒２５０ｍ以下の範囲で運転するとともに、前記容器に投入される前記被処理物の含水率を測定し、該被処理物に含水率の低い調整材を混合して含水率を設定範囲に調整することを特徴とする乾燥方法。
3. 前記含水率の低い調整材は、前記容器から排出される乾燥物の一部を用いることを特徴とする請求項２に記載の乾燥方法。
4. 前記容器から排出される乾燥物の含水率を測定し、前記被処理物に混合する前記乾燥物の量を調整することを特徴とする請求項３に記載の乾燥方法。
5. 前記容器内の前記乾燥物は、前記容器内の気体を吸引する送風機によって形成される気流に搬送して排出され、該気流に搬送された前記乾燥物をサイクロンによって分離捕集することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の乾燥方法。
6. 被処理物が投入される投入口を頂部に有する円筒状の容器と、該容器の軸に沿って設けられた回転軸と、該回転軸に放射状に取り付けられた複数の回転子と、前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転子の上方に上向きに配置され中心に開口が形成された円錐状の案内部材と、前記容器の頂部に連通して設けられた送風機とを有してなる乾燥装置において、
   前記容器に投入される前記被処理物の含水率を測定する測定手段と、該測定された含水率に対応させて定められた設定回転数に基づいて前記回転軸の回転数を制御するモータ制御手段とを備え、前記設定回転数は、前記回転子の半径が３０ｃｍ〜１００ｃｍであって、前記回転子の先端の周速が毎秒１００ｍ以上、毎秒２５０ｍ以下の範囲に設定されてなることを特徴とする乾燥装置。
7. 被処理物が投入される投入口を頂部に有する円筒状の容器と、該容器の軸に沿って設けられた回転軸と、該回転軸に放射状に取り付けられた複数の回転子と、前記回転軸を回転駆動するモータと、前記回転子の上方に上向きに配置され中心に開口が形成された円錐状の案内部材と、前記容器の頂部に連通して設けられた送風機とを有してなる乾燥装置において、
   前記容器に投入される前記被処理物の含水率を測定する含水率測定手段と、該測定された含水率に基づいて前記被処理物に含水率の低い調整材を混合して含水率を設定範囲に調整する含水率調整手段とを備え、
   前記含水率の設定範囲は、前記回転子の先端の周速が毎秒１００ｍ以上、毎秒２５０ｍ以下の範囲に設定された前記回転軸の設定回転数に基づいて定められてなることを特徴とする乾燥装置。
8. 前記送風機によって前記容器から排出される気流に搬送された前記乾燥物を分離捕集するサイクロンを備え、前記含水率の低い調整材は、前記サイクロンによって捕集された乾燥物の一部を用いることを特徴とする請求項７に記載の乾燥装置。
9. 前記サイクロンによって捕集された乾燥物の含水率を測定する含水率測定手段を備え、前記含水率調整手段は、測定された乾燥物の含水率に基づいて、前記乾燥物の量を調整することを特徴とする請求項８に記載の乾燥装置。

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