JP2005179492A

JP2005179492A - ガス化方法

Info

Publication number: JP2005179492A
Application number: JP2003421979A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Suyari; 護須槍; Makoto Nishimura; 真西村; Toshiya Tada; 俊哉多田; Ryota Nakanishi; 良太中西; Itaru Yaso; 格八十; Toshiyuki Kurakake; 敏之倉掛
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】生物汚泥を効率的にガス化することができるガス化方法を提供する。
【解決手段】発電システム１００では、下水汚泥を、キャビテーション処理方法等を用いた可溶化装置１０により可溶化し、脱水機２０により脱水することにより、水分率を５５％程度にする。次に、燃焼器４１により加熱された一次空気を吹き込んで、空気比を０．４５程度、流動層３２の砂層温度を９００〜１０００℃の範囲に維持することにより、炭素転換率が向上した流動ガス化炉３０で下水汚泥の部分焼却を行う。そして、流動ガス化炉３０でガス化されたガスは、ガスエンジン等の発電機７０で発電に利用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、下水汚泥等の生物処理を施された低質廃棄物である生物汚泥をガス化する方法に関するものである。

下水汚泥等の生物処理を施された低質廃棄物である生物汚泥（以下、「生物汚泥」と略する。）は、一般的に水分量が多いが、水分を除くと約８０％が有機物であり、乾燥状態では３０００ｋｃａｌ／ｋｇ程度と高い発熱量を有していることから、燃料としての活用できるように研究開発が進められている。従来から進められてきたメタン発酵による湿式処理により下水汚泥等の生物汚泥を燃料として活用する技術の他、脱水を行って水分をある程度取り除いた上でガス化することにより下水汚泥等の生物汚泥を燃料とする技術の開発が進められている。

脱水を行って水分をある程度取り除いた上でガス化することにより、生物汚泥を燃料として活用する技術として、例えば、特許文献１及び２に記載された技術がある。特許文献１及び２には、下水汚泥を乾燥機により加熱して乾燥することにより、水分をある程度取り除いた上で流動層式ガス化炉に投入し、流動層において発生した熱分解ガスを用いて発電する技術が開示されている。

また、近年、余剰汚泥の発生抑制を行う技術として、生物汚泥を可溶化する技術の開発が行われている。例えば、特許文献３には、生物処理された生物汚泥に含まれる生物の細胞内に保有された水分を除去するべく、生物汚泥をキャビテーション効果によって可溶化する技術が開示されている。

特開２００２−２５６８８４号公報特開２００２−３２２９０２号公報特開２００３−１０８９０号公報

しかしながら、従来技術では、生物処理された下水汚泥に含まれる生物の細胞内に保有された水分を絞りきれないことから、脱水された後の下水汚泥でも、水分率が約８０％、低位発熱量が３５０ｋｃａｌ／ｋｇ程度である。従って、流動層式ガス化炉において処理するためには、特許文献１及び２の技術で用いる乾燥機等、水分蒸発潜熱分の熱量を外部から供給する必要があり、大量の外部燃料が投入される。そのため、ガス化発電を行ったとしても、プラント動力などを差し引いた正味出力が得られず、プロセス的には成立しないという問題がある。

また、従来の実稼動している脱水技術では、生物汚泥などの高分子汚泥は、最高に絞ったとしても、水分率が７０〜７５％程度であり、また、実験段階のフィルタープレスでも、水分率が６０％台である。かかる水分率では、流動層式ガス化炉でガス化を行った場合、ガス化効率（例えば、炭素転換率）が低いため、ガス化されたガスを用いて発電を行ったとしても、プラント動力などを差し引いた正味出力がほとんどゼロであり、プロセスの構築が困難であるという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、生物汚泥を効率的にガス化することができるガス化方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び効果

上記課題を解決するために、本発明に係るガス化方法は、可溶化処理装置にて生物汚泥の可溶化を行うステップと、脱水装置にて可溶化された前記生物汚泥の脱水を行うステップと、高温の流動層式ガス化炉にて脱水された前記生物汚泥のガス化を行うステップと、を有することを特徴とする。

これにより、生物汚泥の水分が分離されて流動層の砂層温度を維持するのに十分な発熱量が得られるため、外部からの投入燃料を減少することができる。
また、水分率が低くなった生物汚泥を高温の流動層でガス化処理するため、炭素転換率が高くなる。従って、ガス化効率が向上し、プラント動力などを差し引いた正味出力が十分得られて、流動層式ガス化炉でガス化されたガスを用いて発電を行うことも可能となる。
更に、流動層が高温であることから、生物汚泥のガス化に伴うタール分の残留を減少させることができる。

また、前記脱水装置では、前記生物汚泥の水分率が６０％以下となるように脱水を行い、前記流動層式ガス化炉では、空気比を０．５以下として前記生物汚泥をガス化することが好ましい。

これにより、生物汚泥の水分率を可能な限り減少させた上で、空気比を上げることなく炭素転換率を高めることができる。従って、ガス化効率を更に向上することができる。

また、前記流動層式ガス化炉では、前記流動層の温度が９００℃〜１０００℃の温度の範囲内となるように、流動層に吹き込む１次空気を前記流動層式ガス化炉に吹き込まれる前に予め加熱することが好ましい。

これにより、流動層式ガス化炉を炭素転換率が向上する範囲内の高温に維持することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態について説明する。尚、本実施の形態においては、生物処理が施された下水汚泥を、流動ガス化炉においてガス化し、当該ガスを利用して発電を行う発電システムを想定した。

本発明の実施形態を、図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係るガス化方法を適用した発電システムの概略図である。図２は、流動層の砂層温度と炭素転換率との関係を表した図である。
図１に示すように、発電システム１００は、可溶化装置１０と、脱水機２０と、流動ガス化炉３０と、空気予熱器４０と、燃焼器４１と、冷却塔５０と、バグフィルタ５１と、排煙処理塔６０と、発電機７０と、から成っている。

発電システム１００では、下水汚泥は、まず、可溶化装置１０により可溶化される。可溶化は、上述した特許文献３に記載されるキャビテーション処理方法の他、機械的処理方法、オゾン処理法、高温微生物処理法等が考えられる。尚、機械的処理方法は、高圧フィルタープレス等により４０〜１００ｋｇ／ｃｍ2程度の圧力をかけることで、細胞殻を破壊すると共に脱水を行うことができ、脱水機２０も兼用しているため、次に記述する脱水のプロセスも同時に行うこととなる。
そして、可溶化された下水汚泥は、脱水機２０により脱水される。可溶化により生物細胞の細胞殻を破壊された下水汚泥は、生物細胞内に保有された水分をも取り除くことができるようになり、水分率を６０％以下にすることができる。尚、脱水後の下水汚泥の水分率は、５５％程度以下であることが好ましい。

脱水された下水汚泥は、次に、定量フィーダ３１により、流動ガス化炉３０に供給される。
流動ガス化炉３０においては、供給された下水汚泥の焼却処理が行われ、ガス化される。ここで、流動ガス化炉３０は、例えば、気泡流動層焼却炉が適用される。
流動ガス化炉３０では、下水汚泥を砂層温度が高温に維持された流動層３２で焼却する。流動層の砂層温度と炭素転換率との関係を表す図である図２に示すように、流動層３２の砂層温度が９００℃以上になると炭素転換率が上昇することから、流動層３２の砂層温度は９００℃以上の範囲とすることが望ましい。一方で、流動層３２の砂層温度が１０００℃以上になると、灰が溶け出すため、流動層３２の砂層温度は１０００℃以下の範囲とすることが望ましい。以上から、流動層３２の砂層温度は９００〜１０００℃の範囲とすることが望ましい。
尚、図２では、下水汚泥の水分率が５０％前後、空気比が０．４という条件で流動層の砂層温度と炭素転換率の関係を測定したものである。また、炭素転換率は、（ガス化ガス中の炭素重量）／（投入された可燃分中の炭素重量）×１００として計算した。ここで、ガス化ガス中の炭素は、ＣＯ、ＣＯ₂、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₈Ｈ₈である。また、投入された可燃分とは、本実施形態では、投入された下水汚泥のことを意味する。

また、空気予熱器４０による排ガスとの熱交換により６００〜６５０℃程度に加熱された一次空気を、更に燃焼器４１によって８００℃程度に加熱して、流動層３２に吹き込む。排熱回収により、一挙に８００℃まで一次空気が可燃できれば、燃焼器４１の燃料は削減される。ここで、燃焼器４１における一次空気の加熱は、熱交換であっても、直吹きであっても良い。また、流動層３２では、空気比が０．５以下（０．４５程度が望ましい）である低酸素濃度の状態になるように吹き込まれる一次空気の量が調整される。
そして、水性ガス化反応（Ｃ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂）を生起させ、ガス化を促進する。尚、水性ガス化反応を起こすのに必要な水分は、下水汚泥の含有水量で十分である。

以上のように、流動ガス化炉３０では、酸素濃度が低下し、流動層が高温に保たれている状態で、生物汚泥の部分燃焼が行われることから、ブドワール反応（Ｃ＋ＣＯ₂→２ＣＯ）が生起され、ガス化効率が向上する。具体的には、水分率が５５％程度の下水汚泥を、流動層の温度が９００〜１０００℃、空気比が０．４５である流動ガス化炉３０で燃焼した場合、炭素転換率が高くなり、ガス化が促進される。

流動ガス化炉３０で発生したガスは、流動ガス化炉３０の上部から回収され、空気予熱器４０において熱交換が行われる。空気予熱器４０による熱交換では、上述した通り、回収されたガスの熱により、流動ガス化炉３０に吹き込まれる一次空気が６００〜６５０℃程度に加熱される。

空気予熱器４０において熱交換が行われたガスは、次に、冷却塔５０において冷却して煤塵を除去するとともにダイオキシン類の再発生を防止した後に、バグフィルタ５１にて、煤塵の除去を更に行うとともに、ダイオキシン類の除去が行われる。尚、除去された煤塵やダイオキシン類は、灰ホッパ５２及び灰加湿器５３に送られる。そして、下水汚泥には硫黄分が多く含まれているため、排煙処理塔６０において、硫黄酸化物（ＳＯｘ）を苛性ソーダ（ＮａＯＨ）による湿式処理で除去する。

以上により、煤塵、ダイオキシン類、硫黄酸化物等が除去されたガスは、誘引ファン６１により発電機６０に送られ、発電が行われる。発電機６０は、効率的に発電を行うため、ガスエンジンであることが好ましい。尚、水分率が５５％程度の下水汚泥を、流動層の温度が９００〜１０００℃、空気比が０．４５である流動ガス化炉３０で燃焼した場合、炭素転換率が高くなり、１トン／時間の処理で１００ｋＷ程度以上の出力が得られる。

このように、本実施形態に係るガス化方法では、可溶化装置１０によって下水汚泥の水分が分離され、脱水機２０によって、下水汚泥の水分率が５５％程度に低くなり、流動ガス化炉３０の流動層３２の砂層温度を高温に維持するのに十分な発熱量が得られるため、外部からの投入燃料を減少することができる。
また、燃焼器４１で８００℃程度に加熱した一次空気を流動層３２に吹き込むことにより、炭素転換率が向上する範囲である９００〜１０００℃の範囲に流動層３２の砂層温度を維持し、一次空気を空気比が０．４５程度になるように調整した状態で、下水汚泥をガス化処理することにより、炭素転換率が高くなる。従って、ガス化効率が向上することにより、プラント動力などを差し引いた正味出力が十分得られて、流動ガス化炉３０でガス化されたガスを用いて発電機７０で発電を行うことも可能となる。
更に、流動層３２が高温であることから、下水汚泥のガス化に伴うタール分の残留を減少させることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいてさまざまな変更が可能なものである。

上述の実施形態では、生物汚泥として、生物処理が施された下水汚泥を、流動ガス化炉においてガス化し、当該ガスを利用して発電を行う発電システムを想定したが、それに限らない。例えば、生物汚泥としては、食品工場排水の処理により発生する汚泥等であってもよい。

本実施形態に係るガス化方法を適用した発電システムの概略図である。流動層の砂層温度と炭素転換率との関係を表した図である。

符号の説明

１０可溶化装置
２０脱水機
３０流動ガス化炉
３２流動層
４０空気予熱器
４１燃焼器
７０発電機
１００発電システム

Claims

可溶化処理装置にて生物汚泥の可溶化を行うステップと、
脱水装置にて可溶化された前記生物汚泥の脱水を行うステップと、
高温の流動層式ガス化炉にて脱水された前記生物汚泥のガス化を行うステップと、
を有することを特徴とするガス化方法。
前記脱水装置では、前記生物汚泥の水分率が６０％以下となるように脱水を行い、
前記流動層式ガス化炉では、空気比を０．５以下として前記生物汚泥をガス化することを特徴とする請求項１に記載のガス化方法。
前記流動層式ガス化炉では、前記流動層の温度が９００℃〜１０００℃の温度の範囲内となるように、流動層に吹き込む１次空気を前記流動層式ガス化炉に吹き込まれる前に予め加熱することを特徴とする請求項２に記載のガス化方法。