JP2005199157A - 汚泥の炭化処理方法及び装置並びに発電方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 汚泥の処理にあたり、化石燃料の大量の消費を伴うことなくN2Oを分解可能とし、かつNOxの生成を抑制するようにした汚泥の炭化処理方法及び装置並びに発電方法を提供する。
【解決手段】 汚泥を炭化処理する炭化処理工程と、該炭化処理工程で得られる熱分解ガスを高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーン41で一次燃焼させることにより主にNH3を分解すると共にN2Oを分解し、かつNOxを還元する一次燃焼工程と、熱分解ガスの未燃ガスを低温酸化雰囲気の二次燃焼ゾーン42で燃焼させる二次燃焼行程とを含むこととした。
【選択図】 図1

Description

本発明は、下水処理場などで発生する汚泥の炭化処理方法及び装置並びに発電方法に関する。
従来、下水汚泥は、主に焼却処理されているが、焼却処理に要する焼却設備の電力及び助燃料に由来するCO2排出量は、60kg−CO2/汚泥tに達する。下水汚泥では、さらにN2Oが発生する。N2Oは、CO2排出係数が高く(310)、温暖化ガスであり、CO2排出量に換算すると、下水汚泥の処理に伴って、100kg−CO2/汚泥tが発生している。このことから下水汚泥の焼却処理に伴うCO2排出量は、トータルで160kg−CO2/汚泥tに及ぶことに匹敵する。
ここで、N2Oの排出量を低減するためには、燃焼温度を上昇させることが有効である。しかし、そのためには助燃料の増加が必要である。助燃料は、一般的に化石燃料であり、これを多く用いると、化石燃料由来のCO2排出量が増加してしまうので、根本的な対策とならない。しかも、燃焼温度の高温化に伴い、有害ガスであるNOxの生成量が増大してしまうという別の問題も発生する。
一方、NOxの低減には、高温還元燃焼が有効である。しかし、これを流動床焼却炉で行うと、砂層の流動化に空気を一定量必要とするため、砂層を流動化するための空気の供給量を低くするなどして高温還元雰囲気を形成させることは決して容易ではない。
このように、N2Oの排出量を低減するためには、助燃料を増加させざるを得ず、CO2排出量の増加に繋がり、かつ好ましくないNOxの生成を防ぎつつ高温燃焼を行うことは極めて困難であった。
したがって、汚泥の処理にあたり、化石燃料の大量の消費を伴うことなくN2Oを分解可能とし、かつNOxの生成を抑制するようにした汚泥処理が切望されていた。
特開2002−168427号公報(図1)
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、汚泥の処理にあたり、化石燃料の大量の消費を伴うことなくN2Oを分解可能とし、かつNOxの生成を抑制するようにした汚泥の炭化処理方法及び装置並びに発電方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る汚泥の炭化処理方法は、汚泥を炭化処理する炭化処理工程と、該炭化処理工程で得られる熱分解ガスを高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーンで一次燃焼させることにより主にNH3を分解すると共にN2Oを分解し、かつNOxを還元する一次燃焼工程と、熱分解ガスの未燃ガスを低温酸化雰囲気の二次燃焼ゾーンで燃焼させる二次燃焼行程とを含むことを特徴とする。
上記高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーンでは、空気比を1.0未満、好適には0.7から1.0未満に維持することが好適である。一次燃焼ゾーンの温度範囲は、900〜1100℃が好適である。また、上記低温酸化雰囲気の二次燃焼ゾーンでは、空気比を1.0以上、好適には1.0以上1.4以下に維持することが好適である。二次燃焼ゾーンの温度範囲は、850〜1000℃が好適である。さらに、一次燃焼ゾーンの温度は、二次燃焼ゾーンの温度よりも高く設定し、いずれの燃焼ゾーンも850℃以上となるように制御する。これはダイオキシンの発生を防止するためである。
本発明に係る汚泥の炭化処理方法では、燃焼装置として多段燃焼炉、好適には二段燃焼炉を採用することが好適であり、通常は、トータルで理論空気量に相当する空気を分配して、一次燃焼ゾーン及び二次燃焼ゾーンに供給する。
また、本発明に係る汚泥の炭化処理方法では、好適には、助燃料の使用を抑制しつつ、汚泥を炭化処理することによって得られる熱分解ガスを燃焼処理の主たる対象としている。
本発明に係る汚泥の炭化処理方法は、別の形態において、汚泥を炭化処理する炭化処理工程と、該炭化処理工程で得られる熱分解ガスを高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーンで一次燃焼させることにより主にNH3を分解すると共にN2Oを分解する一次燃焼工程と、該一次燃焼行程に続き、高温微還元雰囲気の二次燃焼ゾーンで主にNOxを還元する二次燃焼工程と、熱分解ガスの未燃ガスを低温酸化雰囲気の三次燃焼ゾーンで燃焼させる三次燃焼行程とを含むことを特徴とする。
上記高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーンでは、空気比を0.7から0.9に維持することが好適である。一次燃焼ゾーンの温度範囲は、850〜1100℃が好適である。また、上記高温微還元雰囲気の二次燃焼ゾーンでは、空気比を0.8以上1.0以下に維持することが好適である。二次燃焼ゾーンの温度範囲は、900〜1100℃が好適である。さらに、上記低温酸化雰囲気の三次燃焼ゾーンでは、空気比を1.0以上、好適には1.0以上1.4以下に維持することが好適である。三次燃焼ゾーンの温度範囲は、850〜1000℃が好適である。
さらに、一次燃焼ゾーンの温度は、二次燃焼ゾーンの温度よりも高く設定し、三次燃焼ゾーンの温度は、最も低くなるように設定する。いずれの燃焼ゾーンも850℃以上となるように制御する。これはダイオキシンの発生を防止するためである。
本発明に係る汚泥の炭化処理方法では、燃焼装置として多段燃焼炉、好適には三段燃焼炉を採用することが好適であり、通常は、トータルで理論空気量に相当する空気を分配して、一次燃焼ゾーン、二次燃焼ゾーン及び三次燃焼ゾーンに供給する。
また、この形態の本発明に係る汚泥の炭化処理方法では、好適には、助燃料の使用を抑制しつつ、汚泥を炭化処理することによって得られる熱分解ガスを燃焼処理の主たる対象としている。
上記目的を達成するため、本発明は、別の側面において、汚泥の炭化処理装置であり、該装置は、汚泥を炭化処理する炭化処理装置と、該炭化処理装置で得られる熱分解ガスを一次燃焼させることにより主にNH3を分解すると共にN2Oを分解し、かつNOxを還元する高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーン及び熱分解ガスの未燃ガスを燃焼させる低温酸化雰囲気の二次燃焼ゾーンを含む燃焼装置とを含むことを特徴とする。
また、本発明に係る汚泥の炭化装置は、別の形態で、汚泥を炭化処理する炭化処理装置と、該炭化処理工程で得られる熱分解ガスを一次燃焼させることにより主にNH3を分解すると共にN2Oを分解する高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーン、主にNOxを還元する高温微還元雰囲気の二次燃焼ゾーン、及び熱分解ガスの未燃ガスを燃焼させる低温酸化雰囲気の三次燃焼ゾーンを含む燃焼装置とを含むことを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明は、さらに別の側面において、発電方法であり、該発電方法では、上記汚泥の炭化処理方法によって得られた汚泥炭化燃料を石炭焚きボイラにて石炭とともに燃焼させることを特徴とする。
本発明によれば、汚泥の処理にあたり、化石燃料の大量の消費を伴うことなくN2Oを分解可能とし、かつNOxの生成を抑制するようにした汚泥の炭化処理方法及び装置並びに発電方法が提供される。
以下に、添付した図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。図1は、本発明に係る汚泥の炭化処理方法を実施する装置の一実施の形態を示す模式図である。図1に示すように、汚泥の炭化処理装置は、下水汚泥1を脱水する脱水機10と、下水汚泥に熱風を直接接触させて乾燥する乾燥炉20と、乾燥させた下水汚泥を炭化処理する外熱式ロータリーキルン型の炭化炉30と、炭化炉30で生成した熱分解ガスを主に燃焼する二段燃焼炉40と、炭化炉30に加熱ガスを送る燃焼炉50とから主に構成されている。
乾燥炉20は、熱風を直接接触させる方式に限定されず、脱水汚泥を燃焼させずに乾燥できるものであれば特に限定されない。炭化炉30は、外熱式ロータリーキルン型のものが好適であるが、本発明の目的に適う限り、他の形態の炭化炉とすることもできる。なお、図1では、乾燥炉20と炭化炉30は別々の設備として図示してあるが、一体型の乾燥炭化炉としても良い。
脱水機10と乾燥炉20とはライン11で接続されている。このライン11は、圧送ポンプ(図示省略)によって汚泥を圧送できる配管などが好ましい。
乾燥炉20と炭化炉30とはライン21で接続されており、このライン21は乾燥した汚泥を搬送できるコンベアなどが好ましい。
乾燥炉20と二段燃焼炉40とは、熱交換器22を介して空気流路的にライン23で接続されている。
炭化炉30の内部と二段燃焼炉40とは、炭化炉30内で生成した熱分解ガスの配管であるライン31で接続されている。このライン31には熱分解ガス中から炭化物を分離除去するサイクロン32が設けられている。サイクロン32の底部と炭化炉30の炭化物出口には、炭化物を排出するライン33とライン34とがそれぞれ設けられている。
二段燃焼炉40は、一次燃焼ゾーン41及び二次燃焼ゾーン42を備える。二段燃焼炉40と乾燥炉20とは、二段燃焼炉40からの燃焼排ガスを乾燥用ガスとして供給するためのライン43で接続されている。ライン43は、ライン44、ライン45に分岐し、熱交換器22の内部を経たライン45からのガス流路は、ライン37に合流し、以後このライン37は、順に空気予熱器38、排ガス処理装置39、ファン46、及び煙突47を結ぶ配管として構成されている。二段燃焼炉40には、ファン48が設置され、一次燃焼ゾーン41及び二次燃焼ゾーン42の双方に燃焼用空気を供給することができるように構成されている。
次に、上記実施の形態に係る汚泥の炭化処理装置を用いて、汚泥を炭化処理する方法の一実施の形態を説明する。
先ず、脱水機10に下水汚泥1を導入し、下水汚泥1の水分が約80%になるぐらいまで脱水する。なお、本発明で対象となる汚泥は、炭化処理により固体燃料化できる有機性の汚泥であれば下水汚泥に限定されるものではなく、例えば、食品汚泥、製紙汚泥、ビルピット汚泥、消化汚泥、活性汚泥なども適用できる。
次いで、脱水した下水汚泥を乾燥炉20に送る。乾燥炉20では、汚泥の水分が約30%位になるまで乾燥する。乾燥炉20での乾燥は、ライン44から導入される燃焼排ガスを、汚泥に直接接触させることにより行う。乾燥させた汚泥は、ライン21を介して炭化炉30に導入する。
炭化炉30では、汚泥を酸素が欠乏した雰囲気下で約300〜600℃に加熱して炭化処理を行い、熱分解ガスと固体燃料である炭化物6とを生成する。熱分解ガスは、ライン31を介して二段燃焼炉40に導入する。この炭化炉30の加熱は、燃焼炉50でLNG(天然ガス)又は重油等の化石燃料といった助燃料をライン61及び循環ライン53からの燃焼用空気で燃焼することにより行う。なお、助燃料自体の燃焼にあたって生じる排ガスの処理は、排ガス処理装置39の処理で足りる。なおまた、ライン61からの空気は、空気予熱器38での排ガスとの熱交換により加熱され、燃焼効率を上げる。
二段燃焼炉40は、本発明の特徴部分を実現する要素である。この二段燃焼炉40には、乾燥炉20から排気され熱交換器22で加熱した排ガスと、ファン48で供給される燃焼用空気、LNG(天然ガス)又は灯油等の化石燃料といった助燃料、炭化炉30からの熱分解ガスが供給される。
上記燃焼用空気は、トータルで理論空気量又はそれ以上に相当するものを分配して、ライン62、ライン63に分岐して、それぞれ一次燃焼ゾーン41及び二次燃焼ゾーン42に供給する。
二段燃焼炉40では、熱分解ガスを高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーン41で一次燃焼させることにより主にNH3を分解すると共にN2Oを分解し、かつNOxを還元する一次燃焼工程と、熱分解ガスの未燃ガスを低温酸化雰囲気の二次燃焼ゾーン42で燃焼させる二次燃焼行程とを実施する。
上記高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーン41では、空気比を1.0未満、好適には0.7から1.0未満に維持することが好適である。一次燃焼ゾーン41の温度範囲は、900〜1100℃が好適である。また、上記低温酸化雰囲気の二次燃焼ゾーン42では、空気比を1.0以上、好適には1.0以上1.4以下に維持することが好適である。二次燃焼ゾーン42の温度範囲は、850〜1000℃が好適である。さらに、一次燃焼ゾーン41の温度は、二次燃焼ゾーンの温度42よりも高く設定し、いずれの燃焼ゾーンも850℃以上となるように制御する。これはダイオキシンの発生を防止するためである。
理論空気量のトータルは、熱分解ガスの性状を把握することにより算出できる。熱分解ガスの性状は、処理される汚泥の量及び成分比、脱水機10及び乾燥機20で失われる水分量、炭化物6の組成を分析・算出することによって。把握することができる。また、一次燃焼ゾーン41と二次燃焼ゾーン42との間の空気量の分配は、NOx、N2Oの生成量が最小となるように、オンラインの排ガス分析装置により得られるNOx、N2Oの濃度に基づき、熱分解ガスの発生量および性状の変動に応じて燃焼空気押し込みファン48の出力および流量調整バルブ55、56の開度を調整することにより、適切にコントロールすることができる。
二段燃焼炉40には、助燃料も供給されるが、これは、温度を850℃以上に保つために最低必要な量を加える。
固体燃料である炭化物6は、炭化炉30出口からライン33を介して得られるとともに、サイクロン32において熱分解ガス中から分離除去されライン34を介して回収することができる。このようして得られた炭化物6は、石炭焚きボイラ(図示省略)に供給し、石炭とともに混焼して火力発電に用いることができる。
ライン23からの燃焼排ガス、及びライン36からの燃焼排ガスは、ライン37から排ガス処理装置39で、処理され、ファン46によって煙突47から排出される。
以上、図1について説明した汚泥の炭化処理方法及び処理装置によれば、高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーンでの一次燃焼と、低温酸化雰囲気の二次燃焼ゾーンでの二次燃焼とを適切に組み合わせることにより、化石燃料の大量の消費を伴うことなくN2Oを分解可能とし、かつNOxの生成を抑制するようにすることができる。
次に、図2は、本発明に係る汚泥の炭化処理方法を実施する装置の一実施の形態を示す模式図である。図2において、図1の実施の形態と対応する要素であって、図1の要素と実質的に同一の作用を行う要素を同一番号で示す。同一番号で示した要素に関する構成作用は、その説明を省略する。
本図2の実施の形態では、多段燃焼炉として、三段燃焼炉400を採用している。
三段燃焼炉400では、燃焼用空気は、トータルで理論空気量又はそれ以上に相当するものを分配して、ライン401、ライン402、ライン403に分岐して、一次燃焼ゾーン404、二次燃焼ゾーン405、及び三次燃焼ゾーン406に供給する。
三段燃焼炉400では、熱分解ガスを高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーン404で一次燃焼させることにより主にNH3を分解すると共にN2Oを分解する一次燃焼工程と、高温微還元雰囲気の二次燃焼ゾーン405で主にNOxを還元する二次燃焼工程と、熱分解ガスの未燃ガスを低温酸化雰囲気の三次燃焼ゾーン406で燃焼させる三次燃焼行程とを実施する。
高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーン404では、空気比を0.7から0.9に維持することが好適である。一次燃焼ゾーン404の温度範囲は、850〜1100℃が好適である。また、高温微還元雰囲気の二次燃焼ゾーン405では、空気比を0.8以上1.0以下に維持することが好適である。二次燃焼ゾーン405の温度範囲は、900〜1100℃が好適である。さらに、上記低温酸化雰囲気の三次燃焼ゾーン406では、空気比を1.0以上、好適には1.0以上1.4以下に維持することが好適である。三次燃焼ゾーン406の温度範囲は、850〜1000℃が好適である。
さらに、一次燃焼ゾーン404の温度は、二次燃焼ゾーン405の温度よりも高く設定し、三次燃焼ゾーン406の温度は、最も低くなるように設定する。いずれの燃焼ゾーンも850℃以上となるように制御する。これはダイオキシンの発生を防止するためである。
理論空気量のトータルは、熱分解ガスの性状を把握することにより算出できる。熱分解ガスの性状は、処理される汚泥の量及び成分比、脱水機10及び乾燥機20で失われる水分量、炭化物6の組成を分析・算出することによって。把握することができる。また、一次燃焼ゾーン404と、二次燃焼ゾーン405と、三次燃焼ゾーン406の間の空気量の分配は、NOx、N2Oの生成量が最小となるように、オンラインの排ガス分析装置により得られるNOx、N2Oの濃度に基づき、熱分解ガスの発生量および性状の変動に応じて燃焼空気押し込みファン48の出力および流量調整バルブ411、412、413の開度を調整することにより、適切にコントロールすることができる。
三段燃焼炉400には、助燃料も供給されるが、これは、温度を850℃以上に保つために最低必要な量を加える。
以上、図2について説明した汚泥の炭化処理方法及び処理装置によれば、高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーンでの一次燃焼と、高温微還元雰囲気での二次燃焼ゾーンでの二次燃焼と、低温酸化雰囲気の三次燃焼ゾーンでの三次燃焼とを適切に組み合わせることにより、化石燃料の大量の消費を伴うことなくN2Oを分解可能とし、かつNOxの生成を抑制するようにすることができる。
本発明に係る汚泥の炭化処理装置の一実施の形態を示す模式図である。 本発明に係る汚泥の炭化処理装置の他の実施の形態を示す模式図である。
符号の説明
1 下水汚泥
6 炭化物
10 脱水機
20 乾燥炉
22 熱交換器
30 炭化炉
32 サイクロン
38 空気予熱器
39 排ガス処理装置
40 二段燃焼炉
41 一次燃焼ゾーン
42 二次燃焼ゾーン
47 煙突
50 燃焼炉
400 三段燃焼炉
404 一次燃焼ゾーン
405 二次燃焼ゾーン
406 三次燃焼ゾーン

Claims (5)

  1. 汚泥を炭化処理する炭化処理工程と、該炭化処理工程で得られる熱分解ガスを高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーンで一次燃焼させることにより主にNH3を分解すると共にN2Oを分解し、かつNOxを還元する一次燃焼工程と、熱分解ガスの未燃ガスを低温酸化雰囲気の二次燃焼ゾーンで燃焼させる二次燃焼行程とを含むことを特徴とする汚泥の炭化処理方法。
  2. 汚泥を炭化処理する炭化処理工程と、該炭化処理工程で得られる熱分解ガスを高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーンで一次燃焼させることにより主にNH3を分解すると共にN2Oを分解する一次燃焼工程と、該一次燃焼行程に続き、高温微還元雰囲気の二次燃焼ゾーンで主にNOxを還元する二次燃焼工程と、熱分解ガスの未燃ガスを低温酸化雰囲気の三次燃焼ゾーンで燃焼させる三次燃焼行程とを含むことを特徴とする汚泥の炭化処理方法。
  3. 汚泥を炭化処理する炭化処理装置と、該炭化処理装置で得られる熱分解ガスを一次燃焼させることにより主にNH3を分解すると共にN2Oを分解し、かつNOxを還元する高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーン及び熱分解ガスの未燃ガスを燃焼させる低温酸化雰囲気の二次燃焼ゾーンを含む燃焼装置とを含むことを特徴とする汚泥の炭化処理装置。
  4. 汚泥を炭化処理する炭化処理装置と、該炭化処理工程で得られる熱分解ガスを一次燃焼させることにより主にNH3を分解すると共にN2Oを分解する高温還元雰囲気の一次燃焼ゾーン、主にNOxを還元する高温微還元雰囲気の二次燃焼ゾーン、及び熱分解ガスの未燃ガスを燃焼させる低温酸化雰囲気の三次燃焼ゾーンを含む燃焼装置とを含むことを特徴とする汚泥の炭化処理装置。
  5. 請求項1又は2の汚泥の炭化処理方法によって得られた汚泥炭化燃料を石炭焚きボイラにて石炭とともに燃焼させることを特徴とする発電方法。
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