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

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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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、ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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、ＮＯ_x、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ＮＯ_x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ＮＯ_x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、ＮＯ_x、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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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ＮＯ_x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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