JP2004249280A - 汚泥のガス化溶融方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 主に下水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥を、高効率かつ低コストに溶融処理する方法を提供する。
【解決手段】 乾燥汚泥および／または炭化汚泥を溶融炉へ吹き込み、酸素または酸素富化空気をガス化剤として高温で部分酸化することによって汚泥を可燃性ガスとスラグへ転換した後、生成した可燃性ガスを汚泥乾燥設備または汚泥炭化設備に導入する。またその際、溶融炉において生成した可燃性ガスの顕熱を、前記汚泥乾燥設備または汚泥炭化設備に導入する空気の予熱に利用すること、乾燥汚泥の粒径を３ｍｍ以下、水分含有量を２０質量％以下とすること、溶融炉内の反応条件を、温度１０００〜１６００℃、ガス滞留時間０.２〜１０ｓｅｃとすることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主として下水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥を、高効率かつ低コストに溶融処理する方法に関するものである。

下水を生物学的処理によって浄化する際に発生する余剰の活性汚泥（以下汚泥と略す）は、下水道の普及、また下水処理場における高度処理プロセス（窒素、リンの除去等）の導入等に伴って益々増加する傾向にある。これら汚泥は、現状ではその多くが減容化処理の後、単純に埋め立て処分されている。その際の汚泥の形態としては、脱水処理後のいわゆる脱水ケーキ（水分含有量８０質量％程度）、あるいは焼却処理後の焼却灰として埋め立てられる場合が大半を占めている。

しかし、近年、埋め立て地の逼迫等の理由によって、更なる汚泥の減容化あるいは有効利用を狙いとして、汚泥の溶融処理が一部で実施されている。汚泥の溶融処理は、汚泥を灰の溶融点以上の高温雰囲気下で空気燃焼させることによって、汚泥をスラグへと変換し、汚泥の嵩密度の低減あるいは建設資材等としての有効利用を図る技術である。
一般的に汚泥の溶融処理においては、溶融炉内を灰の溶融点以上の高温（１０００〜１６００℃程度）に保つ必要があり、通常の汚泥の受入形態である脱水ケーキ（水分含有量８０質量％程度）を直接炉内へ投入したのでは大量の補助燃料が必要なので極めて非効率となるため、事前に乾燥設備または炭化設備によって汚泥の乾燥または炭化を行うことが肝要である。この乾燥設備または炭化設備において、当然乾燥または炭化のための熱源が必要となるが、外部からの燃料（補助燃料、例えば、重油、灯油、軽油、ＬＰＧ、ＬＮＧ、都市ガス、消化ガス等）の導入を極力抑えるため、溶融炉から排出される高温排ガス中の顕熱を廃熱ボイラーや熱交換機等の熱回収設備によって間接的に回収し、乾燥機または炭化炉における必要熱源の一部に充当して用いるのが一般的である。

例えば、特許文献１では、溶融炉から排出される高温の排ガス（燃焼ガス）をまず第一に廃熱ボイラーへ導入し、生成したスチームを前段の間接加熱式乾燥機の乾燥用途（加熱用）に使用し、次に廃熱ボイラーから排出された排ガスを空気予熱機へ導入し、生成した予熱空気を溶融炉における燃焼用空気として使用し、更に空気予熱機より排出された排ガスを加熱機へ導入し、乾燥機における蒸気搬送ガス（キャリアガス）の加熱に利用する汚泥溶融処理方法が提案されている。
また、特許文献２では、乾燥した汚泥を気流層の旋回式溶融炉において、酸素または酸素富化空気によってガス化することによって、可燃性ガスとスラグへ転換し、その高温の可燃性ガスの顕熱をボイラーによってスチームとして回収し、乾燥機の熱源とする汚泥焼却方法が提案されている。
特開昭５６−１８２１３号公報 特開平１１−１５９７２２号公報

しかし、従来の方法において、溶融炉において汚泥（場合によっては補助燃料も一緒に）を過剰の空気によって高温燃焼させて発生した大量かつ高温の排ガスから顕熱を回収するための一連の熱回収設備（廃熱ボイラー、熱交換機、空気予熱機等）は極めて大がかりものとなり、設置面積および設備コストが莫大なものとなるのは無論のこと、設備内部の伝熱面（例えばボイラーチューブ内部）における付着物の除去等、設備維持のために必要な定期的メンテナンス作業に関わるコストが大きくなり、かつメンテナンスに伴う装置停止期間の増大によって設備稼働率も低下してしまうという問題があった。

また、排ガス中に含有される硫黄化合物等を原因とする設備腐食の問題から、１０００〜１５００℃程度の高温で排出された排ガス中の顕熱はいわゆる酸露点以上の温度である３００℃程度までにしか回収することができない。更に、間接的な熱交換方式の熱回収設備においてはある程度（交換熱量に対して１０％程度）の放熱（熱損失）を伴うのが普通である。従って、現状の汚泥溶融処理設備においては、高温の排ガス顕熱（言い換えれば溶融炉投入前（燃焼前）の汚泥および補助燃料の持つ発熱量）から回収可能な熱量には限界があるため、汚泥乾燥設備における所要熱量の一部を賄うことしかできず、不足分は補助燃料の燃焼によって補充してやる必要があった。
本発明の目的は、汚泥を高効率かつ低コストに溶融処理する方法を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の要旨は次の通りである。
（１）乾燥汚泥を溶融炉へ吹き込み、酸素または酸素富化空気をガス化剤として部分酸化することによって汚泥を可燃性ガスとスラグへ転換した後、生成した前記可燃性ガスを汚泥乾燥設備に導入することを特徴とする汚泥のガス化溶融方法。
（２）前記（１）記載の汚泥のガス化溶融方法において、溶融炉において生成した可燃性ガスの顕熱を、前記汚泥乾燥設備に導入する空気の予熱に利用することを特徴とする汚泥のガス化溶融方法。
（３）前記（１）または（２）記載の汚泥のガス化溶融方法において、乾燥汚泥の粒径を３ｍｍ以下、水分含有量を２０質量％以下とすることを特徴とする汚泥のガス化溶融方法。
（４）前記（１）、（２）または（３）記載の汚泥のガス化溶融方法において、溶融炉内の反応条件を、温度１０００〜１６００℃、ガス滞留時間０.２〜１０ｓｅｃとすることを特徴とする汚泥のガス化溶融方法。
（５）前記乾燥汚泥の代わりに、乾燥汚泥および／または炭化汚泥を使用することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の汚泥のガス化溶融方法。

本発明により、主に下水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥を、高効率かつ低コストに溶融処理することが可能となる。

以下、本発明を詳細に説明する。図１に本発明に関するフローシートを示す。
乾燥設備または炭化設備１から排出された乾燥汚泥または炭化汚泥は気流床型の溶融炉４へ気流搬送によって投入される。溶融炉４内において汚泥は酸素あるいは酸素富化空気をガス化剤とした部分酸化反応（不完全燃焼）によって、１０００〜１６００℃の高温でガス化され、高温の可燃性ガス（主成分はＨ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ）とスラグへと転換される。
なお、乾燥設備または炭化設備から排出された乾燥汚泥または炭化汚泥へ、他所の乾燥設備および／または炭化設備において発生した乾燥汚泥および／または炭化汚泥を混合して用いても構わない。

溶融炉４から排出された高温の可燃性ガスは空気予熱機５において顕熱を回収された後に、ガス精製設備６おいて精製（脱塵、脱硫等）され、クリーンな可燃性ガスとなり、予熱された空気は乾燥設備または炭化設備１へ導入される。なお、溶融炉４から排出された高温のガスへ直ちにスプレー水あるいはクエンチガスを吹き込んで１０００℃以下にまで冷却し、上部へ飛散した溶融スラグを固化することによって灰付着（スラッギング）トラブルを防止し、また同時に、高価かつ大きな設置面積を必要とする高温用の輻射式熱回収設備（空気予熱機）の設置を回避することが望ましい。

可燃性ガスの全量あるいは一部は、汚泥乾燥用または汚泥炭化用燃料として乾燥設備または汚泥炭化設備１へ導入され、先に空気予熱機５において予熱された燃焼用空気と共に燃焼され、脱水ケーキ等の汚泥を乾燥または炭化する。なお、可燃性ガスの発熱量は、ガス化される汚泥の発熱量に応じて変動するが、可燃性ガスの発熱量が低い場合には、熱源として補助燃料を併用しても良い。
この際の乾燥設備１の方式としては、高温の熱風と汚泥を直接接触させる直接加熱方式のものが、粉砕機を用いずに直接微粉汚泥が得られる点において、また汚泥中の水分含有量を１０％以下にまで低減できる点において好適である。具体的には、気流乾燥機、熱風粉砕乾燥機、流動層式乾燥機、攪拌機付回転ドラム式乾燥機等、様々な種類のものが利用可能である。なお、図２に乾燥設備１の１例を示すように、燃焼炉７において可燃性ガスを燃焼させて発生した熱風を直接乾燥機８へ導入する場合、乾燥機８から排出された排ガスの一部を希釈用に循環し、系外へ放出される排ガス量を低減することによって、排ガス処理設備（脱臭、脱塵等）の負荷を低減し、かつ排ガスの持ち出す熱量を削減することが望ましい。

また、図３に他の乾燥設備１の１例を示すように、汚泥と直接接触する熱風を循環系とし、熱交換式の加熱炉９において可燃性ガスと予熱空気を燃焼させることによって間接的に熱風を発生させ、クリーンな可燃性ガスを燃焼させるために、もう一方の有害物質を含まない燃焼排ガスはそのまま放出する方法を適用しても良い。この際、乾燥機８を通過した熱風の一部（余剰ガス）は系外に抜き出す必要があるが、加熱炉９あるいは溶融炉４へ導入することによって燃焼脱臭を行えば、専用のガス処理設備は不要となる。

なお、蒸気等の熱媒体を熱源とし、加熱壁を介した伝導伝熱によって汚泥を乾燥する、いわゆる間接加熱式の乾燥機を用いることも可能である。しかし、間接加熱式乾燥機はその特質上、乾燥後の汚泥すべてを気流搬送に適した微粉状態にすることはできないため、また溶融炉において望ましい水分含有量２０質量％以下の乾燥汚泥とするためには、極めて伝熱面積の大きな巨大な乾燥機が必要となるため、更にはスチーム製造用ボイラーの設置は設備コストの増大につながるため現実的ではない。

また、乾燥設備１の代わりに炭化設備（乾留設備）１を設置しても良い。炭化設備の方式としては外熱キルン式炭化設備、内熱キルン式炭化設備等様々な方式のものが利用可能である。なお、図４に外熱キルン式炭化設備の１例を示すように、炭化炉１０において空気を遮断した還元性雰囲気下において汚泥を炭化する際、炭化物と共に生成する可燃性成分を主体とする熱分解ガス（主成分はＣＯ、Ｈ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_３Ｈ_６、タール）は、炭化炉１０への熱供給源である燃焼炉７における燃料として、溶融炉４から供給される可燃性ガスと共に利用することが望ましい。なお、炭化温度は１５０〜１０００℃程度とするが、特に高温で炭化を行う場合には焼却炉燃料として補助燃料を併用しても良い。

このようにして乾燥設備１または炭化設備１から排出された乾燥汚泥の発熱量は６３００〜２１０００ｋＪ／ｋｇ−ｄｒｙ程度、また炭化汚泥の発熱量は３３００〜１７０００ｋＪ／ｋｇ−ｄｒｙ程度であり、粒径は０.１μｍ〜３ｍｍ程度とすることが好ましく、水分含有量は０〜５０％程度である。粒径が３ｍｍよりも大きい場合でもガス化を行うことは可能であるが、ガス化速度の低下に伴い、未燃物が多くなり、汚泥のガス転換率が低下する。一方、乾燥汚泥または炭化汚泥の粒径を０．１μｍより小さくするためには、多くの動力を消費する粉砕機が別途必要となり、また、０．１μｍより小さな粒径は気流搬送する際の配管閉塞等の原因となるので、粒径は上記の範囲とすることが好ましい。
なお、溶融炉４の蒸発潜熱による効率低下を防止するため、また、汚泥の粒径を３ｍｍ以下とするためには、汚泥中の水分含有量は極力２０％以下とすることが望ましい。

溶融炉４内の温度は、汚泥中に含まれる灰分の融点に応じた温度に設定され、灰分の融点よりも高い温度とするので１０００℃以上とするが、必要以上の高温とすることは、溶融炉４内の炉壁の寿命を極度に短縮し、かつ放熱による熱損失も増加するために好ましくないので１６００℃以下とする。
溶融炉４内の温度制御の目的も兼ねて、ガス化剤としてスチームを酸素あるいは酸素富化空気と併用しても良い。

溶融炉４内において必要なガス滞留時間は、汚泥の性状（発熱量、粒径、水分含有量等）や温度によっても異なるが、０.２〜１０ｓｅｃとすることが好適である。ガス滞留時間が０.２ｓｅｃよりも短い場合、汚泥は充分にガス化することができず、また逆に１０ｓｅｃより長い場合には、不必要に溶融炉４の容積が大きくなり、設備コストの増大へつながるため好ましくない。

なお、溶融炉４内の圧力は特に規定しないが、大気圧よりも低い圧力とした場合には、外部からの空気の漏れ込みによる爆発の危険性があるため好ましくない。また、大気圧よりも高い加圧条件とする場合には溶融炉４をコンパクトにすることのできるメリットもある。

なお、従来の汚泥溶融方法においては、汚泥は溶融炉４内で空気あるいは酸素富化空気によって完全燃焼させられていたため、溶融炉４から排出される排ガス（主成分はＮ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ）量は、本発明における可燃性ガス量よりも極めて大量となる。従って、排ガスによる持ち出し顕熱も極めて大きくなり、特に汚泥の発熱量が低い場合には、溶融炉４内の炉温維持のために補助燃料を添加するのが一般的である。また、本発明における熱回収設備（空気予熱機）５の規模は、ガス量低減に伴って従来方法よりも大幅にコンパクトなものにすることが可能であるが、ここで顕熱として回収される熱の割合は、可燃性ガスの潜熱として回収される熱の割合と比較して小さいため、この熱回収設備５を削減して更なる設備コストの低減を図っても良い。

本発明で使用する汚泥として、下水汚泥以外に、産業排水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥（例えば、コークス炉排水（安水）処理設備、ステンレス酸洗排水の処理設備、各種食品工場の排水処理設備から排出される余剰汚泥等）を用いても良い。
また、本発明の汚泥溶融炉においては、炉内において汚泥を過剰の空気あるいは酸素富化空気によって燃焼させるのでなく、より少ない酸素あるいは酸素富化空気によって高温で部分燃焼させるため、ダイオキシンの生成を抑制できるメリットもある。

図１に示したフローに従って、本発明例を実施した。図５にプロセスのマスバランス（試験結果）を示す。
使用した下水汚泥の分析値を表１に示す。なお、この汚泥は下水処理場の脱水機から排出されたもの（脱水ケーキ）である。

下水汚泥（脱水ケーキ）１００ｔ／ｄａｙ（４ｔ／ｈｒ）を、直接加熱式の乾燥設備１において乾燥後、生成した微粉汚泥（水分含有量５質量％、平均粒径２２０μｍ）を汚泥供給ホッパー２より、酸素製造装置３の副産物である窒素による気流搬送によって溶融炉４へ投入した。溶融炉４内において、汚泥は酸素と共に、温度１２００℃、ガス滞留時間２ｓｅｃでガス化溶融され、高温の可燃性ガスおよびスラグへと転換した。生成した高温の可燃性ガスは水スプレーによって９００℃まで冷却された後、対流型の空気予熱機５へ導入され、その顕熱は、乾燥設備１で使用する燃焼空気を３００℃まで予熱するのに利用された。空気予熱機５から排出された可燃性ガスはガス精製設備６において処理（脱塵、脱硫等）された後、その全量を燃料として乾燥設備１へ導入し、先に予熱した燃焼空気と共に燃焼し、乾燥熱源として利用した。なお、溶融炉４においては無論のこと、乾燥設備１においても補助燃料は一切使用する必要がなかった。
本発明例の条件中、溶融炉で生成した可燃性ガスを汚泥の乾燥熱源として利用しないものを従来技術とした。

図６に本発明例（実施例１）および従来の汚泥溶融炉における熱収支（溶融炉へ投入した乾燥汚泥の発熱量を１００とした場合）を示す。本発明例においては、溶融炉４へ投入し乾燥汚泥の持つ発熱量の中の７４％を可燃性ガスの潜熱として、また、１１％を予熱空気の顕熱として回収（合計８５％）し、前段の乾燥設備１における乾燥熱源として利用可能であった。

図１に示したフローに従って、本発明例を実施した。図７にプロセスのマスバランス（試験結果）を示す。
使用した下水汚泥の分析値を表２に示す。なお、この汚泥は下水処理場の脱水機から排出されたもの（脱水ケーキ）である。

下水汚泥（脱水ケーキ）１００ｔ／ｄａｙ（４ｔ／ｈｒ）を、外熱キルン式の炭化設備１において炭化後、生成した微粉汚泥（水分含有量０質量％、平均粒径１０２μｍ）を汚泥供給ホッパー２より、酸素製造装置３の副産物である窒素による気流搬送によって溶融炉４へ投入した。溶融炉４内において、汚泥は酸素と共に、温度１２５０℃、ガス滞留時間２ｓｅｃでガス化溶融され、高温の可燃性ガスおよびスラグへと転換した。生成した高温の可燃性ガスは水スプレーによって９００℃まで冷却された後、対流型の空気予熱機５へ導入され、その顕熱は、炭化設備１で使用する燃焼空気を３００℃まで予熱するのに利用された。空気予熱機５から排出された可燃性ガスはガス精製設備６において処理（脱塵、脱硫等）された後、その全量を燃料として炭化設備１へ導入し、先に予熱した燃焼空気と共に燃焼し、炭化用熱源として利用した。なお、溶融炉４においては補助燃料を使用しなかったが、炭化設備１においては補助燃料として重油を１１０Ｌ／ｈｒ使用した。なお、乾燥設備または炭化設備によって製造した乾燥汚泥または炭化汚泥を、空気を用いて燃焼させることによって汚泥を溶融させる従来型の汚泥溶融設備（実施例２と同様の汚泥処理量）においては、補助燃料として重油２００Ｌ／ｈｒ以上を必要とするため、本技術の採用によって大幅な補助燃料の節約が可能となった。

本発明に関するフローシートである。 本発明の乾燥設備に関するフローシートである。 本発明の乾燥設備に関するフローシートである。 本発明の炭化設備に関するフローシートである。 本発明の実施例におけるプロセスのマスバランス（試験結果）である。 本発明の溶融炉における熱収支を表した図である。 本発明の実施例におけるプロセスのマスバランス（試験結果）である。

符号の説明

１ 乾燥設備または炭化設備
２ 汚泥供給ホッパー
３ 酸素製造装置
４ 溶融炉
５ 空気予熱機
６ ガス精製設備
７ 燃焼炉
８ 直接加熱式乾燥機
９ 加熱炉
１０ 炭化炉

Claims (5)

1. 乾燥汚泥を溶融炉へ吹き込み、酸素または酸素富化空気をガス化剤として部分酸化することによって前記乾燥汚泥を可燃性ガスとスラグへ転換した後、生成した前記可燃性ガスを汚泥乾燥設備に導入することを特徴とする汚泥のガス化溶融方法。
2. 溶融炉において生成した可燃性ガスの顕熱を、前記汚泥乾燥設備に導入する空気の予熱に利用することを特徴とする請求項１記載の汚泥のガス化溶融方法。
3. 乾燥汚泥の粒径を３ｍｍ以下、水分含有量を２０質量％以下とすることを特徴とする請求項１または２記載の汚泥のガス化溶融方法。
4. 溶融炉内の反応条件を、温度１０００〜１６００℃、ガス滞留時間０.２〜１０ｓｅｃとすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の汚泥のガス化溶融方法。
5. 前記乾燥汚泥の代わりに、乾燥汚泥および／または炭化汚泥を使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の汚泥のガス化溶融方法。

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