CN101023035B - 含水可燃性固体的脱水方法 - Google Patents

含水可燃性固体的脱水方法 Download PDF

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Abstract

本发明是从含水可燃性固体脱水的方法，其特征是在密闭容器中在加热温度下的饱和水蒸气压以上的压力下，对含水可燃性固体(其中除煤之外)加热至100～300℃的温度，并且对含水可燃性固体施加0.01～20MPa的剪切力。通过这种方法可以廉价地制造含有从含水可燃性固体中除去的水和除去水的可燃性固体，并具有适当粘度以及含水量的、可以进行喷雾燃烧的混合物(水浆)。

Description

含水可燃性固体的脱水方法
技术领域
本发明涉及对含水可燃性固体进行脱水的方法以及制造经脱水的可燃性固体水浆的方法。
背景技术
含水可燃性固体，例如污泥，通过带式挤浆机、辊式挤浆机等简易脱水后，含有多达70～80重量％的水分。因此，为了在例如流化层焚烧炉中进行焚烧处理，还必需进一步实施通过热风干燥机等的干燥。在该干燥中要消耗大量的能量。但是即使在干燥之后污泥仍然含有30～50重量％的水分，所以难以用流化层焚烧炉进行完全燃烧。因此目前的状况是在该焚烧处理后再次通过石油或天然气对灰分中残留的未燃烧成分进行焚烧。此外，还存在着流化层焚烧装置需要大额设备费用以及该装置的运转成本增多等缺点。另外，由木材厂等出来的木屑、或造纸废渣等也和污泥一样，很难通过流化层焚烧炉进行完全燃烧，正在采用同样方法进行焚烧处理。
因此期待不仅能够从含水可燃性固体中简便地进行脱水，并且能以适合于焚烧处理的形态回收含水可燃性固体的方法。
发明公开
本发明提供无需使水实质上分蒸发而从含水可燃性固体脱水的方法。通过这种方法可以廉价制造能够进行喷雾燃烧的混合物(水浆)，该混合物含有从含水可燃性固体中除去的水和除去水的可燃性固体，并且具有适当的粘度以及含水量。
含水可燃性固体，例如污泥含有大量水分。该水由存在于污泥细胞组织内的水和砂土中所含的水构成。木屑中水存在于木屑细胞组织内。为了从含水可燃性固体中有效除去这些水，以得到可以进行喷雾燃烧的混合物(水浆)，本发明者进行了研究，结果发现，如果把由本发明者申请但未公开的国际专利申请(PCT/JP2004/010207号)的发明应用于含水可燃性固体，则可以有效从含水可燃性固体中除去水，并且还能廉价制造可以进行喷雾燃烧的浆液制品。
也就是本发明是，
(1)从含水可燃性固体脱水的方法，其特征是在密闭容器中在加热温度下的饱和水蒸气压以上的压力下，对含水可燃性固体(其中除煤之外)加热至100～300℃的温度，并且对含水可燃性固体施加0.01～20MPa的剪切力。
另外，本发明还是，
(2)制造可燃性固体水浆的方法，其特征是通过上述(1)中所述的方法，在密闭容器中得到含有从含水可燃性固体中除去的水以及除去水的可燃性固体的混合物，接着从存在于该密闭容器中的混合物中除去水或向该混合物中添加水，使该混合物中的水达到以该混合物为基准是30～75重量％。
发明效果
如果按照本发明，可以简便而廉价制造混合物(水浆)，该混合物具有适合于喷雾燃烧的粘度以及含水量，并且含有从含水可燃性固体中除去的水以及除去水的可燃性固体。
实施发明的最佳方案
本发明中作为供脱水的含水可燃性固体，例如可以列举污泥、木屑、造纸废渣、豆腐渣、甘蔗渣、以及家畜的粪便、内脏、脑、其它蛋白质部分以及油脂等畜产品废弃物等。该含水可燃性固体的含水量以含水可燃性固体为基准其上限优选为85重量％，更优选70重量％；其下限优选为25重量％，更优选为30重量％，进一步优选为40重量％。特别优选使用以含水可燃性固体为基准为40～70重量％的含水可燃性固体。如果含水量超过上述上限，则优选在下述的粉碎前或粉碎后，通过例如带式挤浆机、辊式挤浆机等进行加压预先除去水而达到上述范围。
含水可燃性固体，优选粉碎到规定粒度使用。该粒度，优选其上限为200目，更优选150目，进一步优选100目；其下限优选为3目，更优选30目，进一步优选50目。如果含水可燃性固体的粒度低于上述下限，则制成水浆时可燃性固体容易沉淀；如果超过上述上限，则水浆的粘度上升，除此之外，粉碎中还会消耗多余的动力。
本发明中该含水可燃性固体接着被导入到密闭容器中进行脱水。该密闭容器必须是可以在加压下对含水可燃性固体进行加热，并且可以对含水可燃性固体施加剪切力的容器。例如，可以使用特开2000-169274号公报中叙述的具有搅拌叶片的单轴加压·加热型搅拌装置。还有例如具有单轴或双轴、优选双轴的螺杆型搅拌叶片的搅拌机，或者可以例如使用具备为制作肉馅或鱼肉末的所谓螺杆加料器中所使用的螺杆的搅拌机。该密闭容器可以是间歇式或连续式的任意一种。连续式的密闭容器，只要是可以一边将含水可燃性固体的加入以及除去水的可燃性固体的排出以及气体状或液体状水的排出维持在本发明规定的条件，一边连续实施的即可。
加热温度，其上限为300℃，优选250℃，更优选200℃；其下限为100℃，优选150℃，更优选170℃。如果温度超过上述上限，则含水可燃性固体热分解，并且装置的成本明显增加；如果低于上述下限，则得不到由脱水产生的本发明的效果。另外，加热时间，其上限优选为5小时，更优选为3小时，进一步优选为1小时，特别优选为30分钟；其下限优选为3分钟，更优选为5分钟，进一步优选为10分钟。通过该加热，对含水可燃性固体中所含的水每1kg，优选最大给予2,300kJ的热量。
加热中的压力下限为加热温度下的饱和水蒸气压以上的压力，优选加热温度下的饱和水蒸气压力+0.1MPa以上的压力，更优选加热温度下的饱和水蒸气压力+0.2MPa以上的压力，通过保持该压力，可以使从含水可燃性固体中除去的水保持液体状态，因而不需要在脱水中给予不必要的蒸发潜热。另外，该压力的上限，优选加热温度下的饱和水蒸气压力+1.0MPa，更优选加热温度下的饱和水蒸气压力+0.5MPa，进一步优选加热温度下的饱和水蒸气压力+0.3MPa。但是加热中的最大压力优选为加热温度最大值300℃下的饱和水蒸气压+1.0MPa(＝约9.6MPa)。即使超过上述上限，在效果上也不会有多大差别，装置成本增高，不优选。加热中的压力，除了可使用通过加热从含水可燃性固体中产生的水蒸气以外，优选使用惰性气体，例如氮气、氩气等进行调节。
本发明中，剪切力在上述加热中施予含水可燃性固体。剪切力的上限为20MPa，优选为10MPa，更优选为5MPa，进一步优选为3MPa；下限为0.01MPa，优选为0.1MPa，更优选为0.5MPa。如果超过上述上限，则马达的动力负荷变大；如果低于上述下限，则脱水不充分，与此同时得不到由脱水产生的本发明的效果。该剪切力通过密闭容器内具备的搅拌叶片施予。本发明中的剪切力，可以如下得到。把已知粘度(20℃)的标准物质，例如日本グリ一ス株式会社制的粘度校正用的标准液(JIS Z8809)JS100粘度86mPa·s、JS14000粘度12Pa·s以及JS160000粘度140Pa·s分别放入到规定的密闭容器，例如图2所示的密闭容器(双轴螺杆型捏合机，容器内有效容积为8升、容器内长度600mm、容器长径160mm、容器短径100mm、搅拌叶片直径96mm，搅拌叶片每轴总计为13片，其间距在距煤供料口最近的位置为70mm，向下游侧依次每次减少4mm，在距制品取出口最近的位置为22mm)中，在温度20℃下以60转/分钟的速度使具备的搅拌叶片旋转，测定施加于旋转轴的转矩。对于粘度(20℃)超过140Pa·s的值，使用在沥青中混合煤油调制的混合液(例如使用东机产业株式会社制的BS型粘度计测定的粘度(20℃)为6,400Pa·s的混合液)，进行与上述相同的操作测定转矩。其中，上述测定液加到使密闭容器内的所有搅拌叶片完全浸没在该测定液中。另外，测定在密闭容器中没有添加测定液的空状态下的转矩(以这时的剪切力为0)。进行这样的操作读取已知粘度的各测定液的转矩，根据下述计算式求出剪切力，例如得到图1所示的转矩与剪切力的关系。
(数学式1)
剪切力(Pa)＝[粘度(Pa·s)×剪切速度(s-1)]/转矩的读取值
上述式中剪切速度用下述计算式表示。下述计算式中sin3.5°是图2所示装置固有的值。该值通过搅拌叶片的形状求出，随搅拌叶片的形状不同而异。
(数学式2)
Figure G2004800440167D00041
这样从上述关系，通过测定施加于旋转轴的转矩可以求出剪切力。例如对于图2所示的密闭容器，可以用图1所示的关系求出剪切力。由于具备搅拌叶片的密闭容器的轴转矩是装置特有的，所以如果装置变化，则转矩也变化。因此根据使用的装置，必须在与上述相同的条件下得到如图1的转矩和剪切力的关系。这样在所有装置中都可以通过测定施加于旋转轴的转矩求出剪切力。
如果按照上述本发明的方法，脱水后在密闭容器中得到含有从含水可燃性固体中除去的水和除去水的可燃性固体的混合物(水浆)。该混合物的含水量，取决于所用含水可燃性固体的含水量。该混合物，可以以水浆的形式提供给气化炉或锅炉等。可以根据利用的形式增加或减少该混合物的含水量。作为气化原料和燃料使用时，该混合物的含水量以该混合物为基准，优选为30～50重量％，更优选40～50重量％。另一方面，当作为含水废弃物进行焚烧处理时，该混合物中所含的可燃性固体具有所含水的蒸发潜热以上的发热量即可，该混合物的含水量以该混合物为基准优选为40～75重量％，更优选40～70重量％。通过达到上述浓度，可以将该混合物的粘度(20℃)优选调整到10～2000厘泊(＝cP＝mPa·s)，更优选调整到20～700厘泊(＝cP＝mPa·s)，进一步优选调整到30～500厘泊(＝cP＝mPa·s)。通过这种方法可以制成适合于输送等操作的水浆。对于使该混合物浓度达到上述范围的方法，没有特别限定。优选通过从脱水后在密闭容器中得到的该混合物中除去水或向该混合物中添加水的方式实施。水可以从密闭容器中的该混合物中作为水蒸气而排出。通过这样，可以在密闭容器中在一步中使用含水可燃性固体中所含的水制造所需浓度的水浆，可以达到简化装置的目的。另外，从含水可燃性固体得到的水中含有来自所使用含水可燃性固体的少量有机物。其起到表面活性剂的作用，所以也可以省略向上述水浆中添加表面活性剂。
以下通过实施例更详细说明本发明，但是本发明并不受这些实施例的限定。
实施例中使用的含水固体可燃物是污泥，具有下述表1的性状。
(表1)
污泥
水分    52.1重量％
灰分    16.8重量％
挥发分  25.4重量％
固定碳  5.7重量％
发热量(HHV)1790Kcal/kg
上述表1中的水分、灰分、挥发分、固定碳以及发热量根据工业分析法(JIS M8812)测定。
转矩的测定，当转矩超过140kg·cm时，使用山崎P-100R式旋转转矩仪；如果在上述转矩值以下，则使用山崎SS-50R式旋转转矩仪。
实施例1
作为密闭容器，使用如图2所示的双轴螺杆型捏合机。图2中1是含水可燃性固体供给口、2是螺杆、3是阀门、4是蒸气排出阀、5是制品取出用阀。预先将具有表1所示性状的污泥粉碎成30～100目。向该容器中加入粉碎的污泥10kg。接着用氮气将容器内的压力调节到0.7MPa，然后一边使螺杆旋转一边开始加热，将温度调节到170℃。达到该温度后马上将容器内的压力调节至1MPa，并且测定施加于搅拌轴的转矩，使用图1所示的转矩与剪切力的关系，将剪切力调节到0.5MPa。一边将容器内的压力、温度以及剪切力保持在上述值，一边处理1小时，从污泥中排出水。接着冷却到环境温度，取出水浆。所得水浆的粘度(20℃)为580厘泊(cP＝mPa·s)。该水浆可以进行喷雾，发热量(HHV)与原料相同，为1790Kcal/kg。使用干燥机在107℃下对该水浆进行1小时干燥后，以减少量作为该浆中的水，计算出该水浆中的含水量。结果该水浆的含水量以该水浆为基准约为52重量％。这与所使用污泥中工业分析的水分约52重量％基本相等，表明污泥几乎完全脱水。上述浆液粘度，使用东机产业株式会社制的BS型粘度计测定。
比较例1
使剪切力从0.5MPa变化到0.001MPa，除此之外，实施与实施例1相同的操作。得到的水浆的粘度(20℃)明显高，无法测定。用与实施例1相同方法测定的水浆的含水量约为21重量％。该水浆没有充分脱水，并且是糊状，其粘度为超过能够喷雾的粘度。
实施例2
使用特开2000-169274号公报中记述的具有搅拌叶片的单轴加压·加热型搅拌装置。预先将具有表1所示性状的污泥粉碎成30～100目。向该装置的槽内加入粉碎的污泥5kg。接着用氮气将槽内的压力调节到0.7MPa，然后一边使螺杆旋转一边开始加热，将温度调节到170℃。达到该温度后马上将槽内的压力调节至1.0MPa，并且测定施加于搅拌轴的转矩，使用预先制作的转矩与剪切力的关系，将剪切力调节到0.5MPa。一边将槽内的压力、温度以及剪切力保持在上述值，一边处理1小时，从污泥中取出水。接着冷却到环境温度，取出水浆。所得水浆的粘度(20℃)为450厘泊(cP＝mPa·s)。该水浆可以进行喷雾，发热量(HHV)与原料相同，为1790Kcal/kg。使用与实施例1相同的方法测定水浆的含水量约为52重量％。这表明污泥几乎完全脱水。
附图的简单说明
[图1]图1是表示图2所示捏合机中转矩与剪切力关系的曲线图。
[图2]图2是电加热式双轴螺杆型捏合机的略图。
产业上的实用性
按照本发明可以廉价制造含有从含水可燃性固体中除去的水和除去水的可燃性固体，并具有适当粘度以及含水量的混合物(水浆)。该混合物可以进行喷雾燃烧，所以可用于气化原料以及锅炉燃料等。另外，污泥、豆腐渣、甘蔗渣、以及畜产粪便是液态的，并含有多量蛋白质和淀粉质，所以也可以作为通过细菌进行的甲烷发酵用原料。

Claims (10)

1.从含水可燃性固体脱水的方法，其特征是在密闭容器中在加热温度下的饱和水蒸气压以上的压力下，将除煤之外的含水可燃性固体加热至100～300℃的温度，并且对含水可燃性固体施加0.01～20MPa的剪切力。
2.根据权利要求1中所述的方法，其中，剪切力通过密闭容器内具备的搅拌叶片施加。
3.根据权利要求1或2中所述的方法，其中，加热温度为150～250℃。
4.根据权利要求1或2中所述的方法，其中，加热时的压力为加热温度下的饱和水蒸气压+0.5MPa以下的压力，但所述压力最高为9.6MPa。
5.根据权利要求1或2中所述的方法，其中，剪切力为0.1～10MPa。
6.根据权利要求1或2中所述的方法，其中，加热进行3分钟～5小时。
7.根据权利要求1或2中所述的方法，其中，含水可燃性固体选自污泥、木屑、造纸废渣、豆腐渣、甘蔗渣、以及家畜粪便、内脏、脑以及油脂。
8.根据权利要求1或2中所述的方法，其中，含水可燃性固体，以含水可燃性固体为基准，含水25～85重量％。
9.可燃性固体水浆的制造方法，其特征是通过权利要求1～8任意一项中所述的方法，在密闭容器中得到含有从含水可燃性固体中除去的水以及除去水的可燃性固体的混合物，接着从存在于该密闭容器中的混合物中除去水或向该混合物中添加水，使该混合物中的水达到以该混合物为基准是30～75重量％。
10.根据权利要求9中所述的方法，其中，除去水或添加水得到的混合物中的含水量以该混合物为基准是40～70重量％。
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