JP2005265273A - Sludge gasifying and melting method and device therefor - Google Patents
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Abstract
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ガス化溶融処理すると同時に汚泥中に含有されるリンを回収し有効利用する方法に関するものである。 The present invention relates to a method of gasifying and melting excess activated sludge generated mainly from a biological treatment facility of sewage, and simultaneously recovering and effectively utilizing phosphorus contained in the sludge.
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。 Surplus activated sludge (hereinafter abbreviated as sludge) generated when purifying sewage by biological treatment is accompanied by the spread of sewage and the introduction of advanced treatment processes (such as removal of nitrogen and phosphorus) at sewage treatment plants. It tends to increase more and more. Currently, most of these sludges are simply disposed of in landfills after volume reduction treatment. As the form of the sludge at that time, most cases are so-called dehydrated cake after dehydration (water content of about 80% by mass) or landfilled as incinerated ash after incineration.
また、近年では、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。 In recent years, some sludge melting treatments have been carried out for the purpose of further reducing sludge volume or effectively using sludge for reasons such as tightness in landfills. Sludge melting treatment is a technology that converts sludge into slag by burning it in a high-temperature atmosphere above the melting point of ash to reduce the bulk density of sludge or effectively use it as a construction material. is there.
汚泥は乾燥状態においては6300〜21000kJ/kg−dry程度の発熱量を持つのが一般的であるが、通常の下水処理場における最終形態である脱水ケーキの状態においては依然として80質量%程度の大量の水分を含有しているため、熱損失(炉体からの放散熱、燃焼用空気中の同伴窒素による持ち出し顕熱、水の蒸発潜熱等)を加味すると汚泥自体の持つ発熱量のみで燃焼(すなわち自燃)させることは困難である。従って従来の汚泥焼却炉においては、何らかの方法(炉内へ直接添加する、空気予熱用燃料として使用する等)で補助燃料を使用することが必要不可欠である。なお、補助燃料削減を狙いとして、焼却炉から排出される高温排ガス中の顕熱を熱交換機等の熱回収設備によって間接的に回収し、燃焼空気の予熱に利用する場合が一般的である。 Sludge generally has a calorific value of about 6300 to 21000 kJ / kg-dry in the dry state, but still a large amount of about 80% by mass in the dehydrated cake state which is the final form in a normal sewage treatment plant. In consideration of heat loss (heat dissipated from the furnace body, sensible heat brought out by entrained nitrogen in the combustion air, latent heat of water evaporation, etc.) That is, it is difficult to self-combust). Therefore, in a conventional sludge incinerator, it is indispensable to use auxiliary fuel by some method (added directly into the furnace, used as air preheating fuel, etc.). For the purpose of reducing auxiliary fuel, the sensible heat in the high-temperature exhaust gas discharged from the incinerator is generally indirectly recovered by a heat recovery facility such as a heat exchanger and used for preheating combustion air.
また、通常の汚泥溶融炉においては、溶融炉内を灰の溶融点以上の高温(1100〜1600℃程度、焼却炉は灰の融点以下の1000℃以下)に保つ必要があり、脱水ケーキ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、事前に乾燥設備によって汚泥の乾燥作業を行う場合が一般的である。しかし、汚泥中の水分を削減して蒸発潜熱による熱損失を防いだ場合であっても、その他の熱損失を加味すると、汚泥を完全に燃焼させたとしても炉内温度を灰の融点以上の高温に維持することは困難であり、汚泥焼却炉の場合と同様、何らかの方法(炉内へ直接添加する、空気予熱用燃料として使用する等)で補助燃料を使用することが必要不可欠である。また当然、前段の乾燥設備においては別途乾燥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、乾燥機における必要熱源の一部に充当して用いてやるのが一般的である。 In a normal sludge melting furnace, it is necessary to maintain the inside of the melting furnace at a temperature higher than the melting point of ash (about 1100 to 1600 ° C., and the incinerator is 1000 ° C. or lower than the melting point of ash). Since a large amount of auxiliary fuel is required when it is put into the furnace, it becomes extremely inefficient. Therefore, it is common to dry sludge with a drying facility in advance. However, even if the moisture in the sludge is reduced to prevent heat loss due to latent heat of vaporization, if other heat losses are taken into account, even if the sludge is completely burned, the furnace temperature will exceed the melting point of ash. It is difficult to maintain a high temperature, and it is indispensable to use auxiliary fuel by some method (added directly into the furnace, used as air preheating fuel, etc.) as in the case of a sludge incinerator. Of course, a separate heat source is required for the drying facility in the previous stage, but external fuel (auxiliary fuel, such as heavy oil, kerosene, light oil, LPG, LNG, city gas, digestion gas, etc.) is introduced. Sensible heat in the high-temperature exhaust gas discharged from the melting furnace is indirectly recovered by a heat recovery facility such as a waste heat boiler or heat exchanger, and used as part of the necessary heat source in the dryer. It is common to do.
一方、汚泥中には主に排水中に含有されるリンに由来する比較的高濃度のリンが蓄積していることが知られている。汚泥中に含まれるリン濃度は、通常のリン製造プロセスにおける原料であるリン鉱石と同等レベルに達する場合もあるため、近年汚泥を焼却したあとの焼却灰あるいは溶融したあとのスラグからリンを回収し有効利用を図る技術が提案されている。 On the other hand, it is known that relatively high concentration of phosphorus derived mainly from phosphorus contained in waste water is accumulated in sludge. Since the concentration of phosphorus contained in sludge may reach the same level as the phosphorus ore that is the raw material in the normal phosphorus production process, in recent years phosphorus has been recovered from incineration ash after incineration of sludge or slag after melting. Technologies for effective use have been proposed.
例えば、特許文献1においては、汚泥を焼却処理した後の焼却灰を密閉型電気炉内で、炭素源と共に還元性雰囲気条件下において溶融処理することによって焼却灰中のリンを還元し、排ガスと共に飛散したリンを電気炉後段において回収するリンの回収方法が提案されている。
For example, in
また、特許文献2においては、酸化性雰囲気下の溶融炉において汚泥または焼却灰を溶融処理して生成したスラグを炭素源と共に還元性雰囲気下の加熱炉内へ投入し、スラグに含有されるリンを還元することによって、加熱炉から高温ガスと共に排出されるリンを後段において回収するリンの回収方法が提案されている。
図1に従来の汚泥中からのリン回収方法の基本フローを示す。従来の汚泥中のリン回収方法においては、汚泥を空気によって燃焼させることによって減容化する汚泥焼却炉1または汚泥溶融炉1の後段へ更にリン回収用の加熱炉2(焼却灰またはスラグを高温の還元性雰囲気下で溶融しリンを揮発させる)を設置する2段構成のプロセスとなっている。このようなプロセスにおいては、当然炉を2基分設置するため、設備コストは増大しかつ大きな設置スペースを必要とする。また、加えて汚泥焼却炉1(または汚泥溶融炉)とリン回収加熱炉2からそれぞれ排出される2系統の排ガスを別の排ガス処理設備3(熱回収設備、脱塵設備、リン回収設備、ガス冷却設備、脱硫設備等)において処理を行うため、設備構成は煩雑となり、設備コストおよび設置スペースは更に上乗せされてしまう。また、前記した通り、汚泥焼却炉1あるいは汚泥溶融炉1(汚泥乾燥機を含んだプロセス)においては補助燃料の使用が必要不可欠であり、また、後段のリン回収加熱炉2においては一般的に電気炉が使用されるため、従来のリン回収プロセスにおいては、燃料コスト、電力コスト等のユーティリティーコストも莫大になってしまうという問題もあった。
FIG. 1 shows a basic flow of a conventional method for recovering phosphorus from sludge. In the conventional method for recovering phosphorus in sludge, a
焼却炉または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(主成分はN2、CO2、H2O)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)は極めて大がかりなものとなり、設置コストおよび設備スペース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。例えば、非特許文献1によれば、リンを含有する汚泥を高温で溶融処理した場合、揮発したリンに起因する粘着性の大きなダストが生成し、ボイラーや煙道へ強固に付着するため、清掃等のメンテナンスに多大な労力を必要とすることが述べられている。更に、非特許文献1においては、ポリ硫酸第二鉄を事前に汚泥へ添加することによってリンの揮発を抑制することができると述べられているが、ポリ硫酸第二鉄のコストが上積みされてしまうという問題も無視できない。
Sensible heat from a large amount of high-temperature exhaust gas (main components are N 2 , CO 2 , H 2 O) generated by high-temperature combustion of sludge (and possibly auxiliary fuel together) in an incinerator or melting furnace with excess air Of course, a series of heat recovery equipment (waste heat boiler, heat exchanger, air preheater, etc.) for recovering the wastewater is extremely large, and it is a matter of course that the installation cost and the equipment space are enormous. Costs related to periodic maintenance work required for equipment maintenance, such as removal of deposits on the heat transfer surface (for example, inside the boiler tube), will increase, and the equipment operation rate will also decline due to an increase in equipment outage period accompanying maintenance. There was a problem that. For example, according to Non-Patent
特許文献3には、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部分燃焼し、高温の還元性ガスを生成させ、還元性ガスの顕熱を廃熱ボイラーによって回収した後に有効利用を行う汚泥の焼却方法が提案されている。しかし、炉内が還元性雰囲気下の場合、汚泥中に含有されるリンの揮発は促進されることが知られており、窒素含有量の少ない酸素または酸素富化空気を酸化剤として使用することによるガス容量の削減に伴う、廃熱ボイラーの小型化によるメリットは享受できるものの、依然として、リンに起因したダストのボイラーチューブへの付着等によるメンテナンスが過負荷となる問題があった。
In
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、1000〜1600℃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、現状の汚泥焼却炉あるいは溶融炉においては、高温の排ガス顕熱(言い換えれば炉投入前(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、汚泥乾燥を含めたプロセス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。 Further, due to the problem of equipment corrosion caused by sulfur compounds contained in the exhaust gas, the sensible heat in the exhaust gas discharged at a high temperature of about 1000 to 1600 ° C. reaches about 300 ° C., which is a temperature above the so-called acid dew point. Can only be recovered. Further, indirect heat exchange type heat recovery equipment usually involves a certain amount of heat dissipation (heat loss) (about 10% of the amount of heat exchanged). Therefore, in the current sludge incinerator or melting furnace, there is a limit to the amount of heat that can be recovered from high-temperature exhaust gas sensible heat (in other words, the amount of heat generated by sludge and auxiliary fuel before the furnace is charged (before combustion)), Only a part of the heat required for the process including sludge drying could be covered, and the shortage had to be supplemented by combustion of auxiliary fuel.
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と同時に汚泥中のリンを回収する事も可能な汚泥ガス化溶融方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a sludge gasification and melting method capable of melting sludge with high efficiency and low cost and simultaneously recovering phosphorus in the sludge.
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)活性汚泥を直接熱風と接触させて乾燥し、生じた乾燥汚泥を完全燃焼に必要な理論酸素量の0.2〜0.8倍の酸素と共に1100〜1600℃で部分酸化し、可燃性ガスとスラグへ転換すると共に該活性汚泥に含有されるリンの一部を揮発し、該可燃性ガスを300〜1000℃に冷却した後、更に水噴霧により常温〜250℃に冷却すると共に凝縮したリン成分を回収し、該冷却後の可燃性ガスを脱硫し、該脱硫後の可燃性ガスの一部又は全部を循環して、該活性汚泥の乾燥のための熱風発生用の燃料として投入することを特徴とする汚泥のガス化溶融方法。
(2)前記可燃性ガスに同伴されているダスト分を脱塵し、その後常温〜250℃に冷却することを特徴とする(1)記載の汚泥のガス化溶融方法。
(3)前記乾燥汚泥の粒径を0.1μm〜3mm、水分含有量を20質量%以下として、酸素と共に部分酸化することを特徴とする(1)または(2)記載の汚泥のガス化溶融方法。
(4)直接加熱方式の汚泥乾燥設備の後段に、上部にガス冷却器が設けられたガス化溶融炉を設置し、その後段に水冷却塔、脱硫設備を配置し、更に、排ガスの該汚泥乾燥設備への循環ラインを設置したことを特徴とする汚泥のガス化溶融装置。
(5)前記水冷却塔の前段に、金属フィルター、セラミックスフィルター、又はサイクロンを設置したことを特徴とする(4)記載の汚泥のガス化溶融装置。
In order to achieve the above object, the gist of the present invention is as follows.
(1) Activated sludge is directly contacted with hot air and dried, and the resulting dried sludge is partially oxidized at 1100 to 1600 ° C. with 0.2 to 0.8 times the theoretical oxygen amount necessary for complete combustion, combustible It converts to volatile gas and slag, volatilizes a part of phosphorus contained in the activated sludge, cools the combustible gas to 300 to 1000 ° C, further cools it to normal temperature to 250 ° C by water spray and condenses it. The recovered phosphorus component is recovered, the combustible gas after cooling is desulfurized, and part or all of the combustible gas after the desulfurization is circulated and supplied as fuel for generating hot air for drying the activated sludge. A method for gasifying and melting sludge.
(2) The method for gasifying and melting sludge as set forth in (1), wherein dust contained in the combustible gas is removed and then cooled to room temperature to 250 ° C.
(3) Gasification and melting of sludge according to (1) or (2), wherein the dry sludge is partially oxidized with oxygen at a particle size of 0.1 μm to 3 mm and a water content of 20% by mass or less. Method.
(4) A gasification melting furnace with a gas cooler installed in the upper part is installed after the direct heating type sludge drying equipment, and a water cooling tower and desulfurization equipment are installed in the subsequent stage. A sludge gasification and melting device characterized by installing a circulation line to the drying equipment.
(5) The sludge gasification and melting apparatus according to (4), wherein a metal filter, a ceramics filter, or a cyclone is installed in the front stage of the water cooling tower.
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と同時に汚泥中のリンを回収することが可能となる。 According to the present invention, surplus activated sludge generated mainly from a biological treatment facility of sewage can be melted at a high efficiency and at a low cost, and at the same time, phosphorus in the sludge can be recovered.
以下、本発明を詳細に説明する。図2に本発明に関するフローシートを示す。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. FIG. 2 shows a flow sheet relating to the present invention.
本フローにおける設備構成は、直接加熱方式の汚泥乾燥設備4の後段に、上部にガス冷却器8が設けられたガス化溶融炉7が設置され、その後段に、高温フィルター(金属フィルター、セラミックスフィルター等)またはサイクロン9、水冷却塔10、脱硫設備11が配置され、更に、排ガスの汚泥乾燥設備への循環ライン15が設けられたものである。
The equipment configuration in this flow is that a
汚泥乾燥設備4から排出された乾燥汚泥は気流床型のガス化溶融炉7へ気流搬送によって投入される。ガス化溶融炉7内において汚泥は酸素をガス化剤とした部分酸化反応(不完全燃焼)によって、1100〜1600℃の高温でガス化され、高温の可燃性ガス(主成分はH2、CO、CH4、CO2、H2O)とスラグへと転換される。
The dried sludge discharged from the
空気(すなわち空気中に含有される酸素)を過剰に加えることによって汚泥を完全燃焼させる必要のある通常の汚泥焼却炉あるいは汚泥溶融炉における炉内雰囲気は酸化性雰囲気となるが、本発明におけるガス化溶融炉7内においては酸素不足状態下での反応が起きるため還元性雰囲気となる。そのような高温の還元性雰囲気において汚泥を溶融した場合、汚泥中に含有されるリンの揮発が促進されることが知られている(例えば非引用文献2、3)。
The atmosphere in a normal sludge incinerator or sludge melting furnace in which sludge needs to be completely burned by adding excessive air (that is, oxygen contained in the air) is an oxidizing atmosphere. In the
従って、本ガス化溶融炉7へ投入された汚泥中に含有されるリンの多くは揮発(一部はリン酸態リンから元素態リンにまで還元される)し、高温の可燃性ガス中へ同伴され、ガス化溶融炉7から排出される。
Accordingly, most of the phosphorus contained in the sludge charged into the
なお、ガス化溶融炉7内の還元度が強いほどリンの揮発は促進されるため、汚泥以外の炭素源を汚泥と共に炉内へ吹き込むことによって炉内の還元度を高めてやっても良い。この際添加する炭素源としては、石炭(微粉炭)、コークス粉、木質バイオマス、廃プラスチック、石油残渣等種類を問わないが、炉内の還元度を高める要因としては、これら炭素源が持つ炭素(C)による還元効果だけではなく、これらの炭素源が汚泥と同時にガス化して発生する還元性ガス(主成分としてCO、H2)による還元効果も大きい。従って、ガス化した際に汚泥よりも還元性ガスを多く発生する炭素源、すなわち炭素含有量が多くかつ酸素含有量の少ない炭素源(元素分析値におけるO/Cが汚泥よりも小さな炭素源)を添加することが望ましい。
In addition, since the volatilization of phosphorus is promoted as the reduction degree in the
なお、汚泥中においてリンの大部分はリン酸の形態で存在するが、還元性雰囲気下のガス化溶融炉7内において一部は還元され、元素態リン(リン単体、黄リン)の形態で揮発し、それ以外はリン酸態リン(リン酸化物)の形態で揮発する。
In the sludge, most of phosphorus exists in the form of phosphoric acid, but part of it is reduced in the
本発明において対象とする汚泥の種類は特に限定しないが、カルシウムあるいは鉄を大量に含有する汚泥はリンの揮発が抑制されることが知られているため(例えば非特許文献1、2)、排水処理工程において、カルシウムあるいは鉄に由来する薬剤が添加されていない汚泥を用いることが好適である。
The type of sludge targeted in the present invention is not particularly limited, but it is known that sludge containing a large amount of calcium or iron suppresses volatilization of phosphorus (for example,
ガス化溶融炉7から排出された揮発したリンを含んだ高温の可燃性ガスは、ガス冷却器8においてスプレー水あるいはクエンチガスを吹き込むことによって1000℃以下にまで冷却し、ガスと共に上部へ飛散したスラグを融点以下の温度で固化することによって灰付着(スラッギング)トラブルを防止した後、脱塵設備である高温フィルター(金属フィルター、セラミックスフィルター等)またはサイクロン9において脱塵(ダスト分を分離)され、更に水冷却塔10において冷却されることによって可燃性ガス中に含有されるリン成分(元素態リン、リン酸態リン)が凝縮する。これらは分離回収後、回収リンとして有効利用される。
The high-temperature combustible gas containing volatilized phosphorus discharged from the
ガス冷却器8の第一目的はスラグを固化させることよるトラブル回避であるが、水冷却塔9の前段に熱回収設備あるいは脱塵設備等の付帯設備を設置する場合には、それらの設備の耐熱温度以下にまでガス温度を低下させる役目(保護機能)も併せ持つことになる。それら付帯設備の仕様(耐熱温度)に応じて、ガス冷却器8出口温度は設定されるが、大部分のリンあるいはリン酸化合物が凝縮し始める300℃を下回らない温度とすることが好適である。 The primary purpose of the gas cooler 8 is to avoid troubles caused by solidifying the slag, but when ancillary equipment such as heat recovery equipment or dust removal equipment is installed in the front stage of the water cooling tower 9, It also has the role (protection function) of lowering the gas temperature to below the heat-resistant temperature. Although the outlet temperature of the gas cooler 8 is set according to the specifications (heat-resistant temperature) of these incidental facilities, it is preferable that the temperature is not lower than 300 ° C. at which most phosphorus or phosphoric acid compounds start to condense. .
水冷却塔9においては、リンあるいはリン酸化合物の中でも沸点の最も低い(281℃)黄リンまたは白リンが確実に析出する250℃以下の温度にまでガスを冷却することが好適である。250℃以下であれば常温まで冷却しても構わない。 In the water cooling tower 9, it is preferable to cool the gas to a temperature of 250 ° C. or less at which yellow phosphorus or white phosphorus having the lowest boiling point (281 ° C.) among phosphorus or phosphoric acid compounds is surely deposited. If it is 250 degrees C or less, you may cool to normal temperature.
なお、熱回収設備あるいは脱塵設備等の付帯設備を設置しない場合、ガス冷却器8を省略することも可能である。しかしこの場合、スラグの付着対策として、ガス化溶融炉7から水冷却塔9に至る煙道内の頻繁な清掃が不可欠となる。
Note that the gas cooler 8 can be omitted when no auxiliary equipment such as heat recovery equipment or dust removal equipment is installed. In this case, however, frequent cleaning of the flue from the
本発明においては、従来の汚泥焼却炉および汚泥溶融炉と異なり、生成した可燃性ガスの持つ潜熱(発熱量)をプロセスに必要な熱源として利用可能であるため、炉から排出されるガスの持つ顕熱を回収するための熱回収設備(廃熱ボイラー、空気予熱器等)の設置は必須とはならない。無論、何らかの熱回収設備を設置して、更なる熱の有効利用を図っても構わないが、前記のように、揮発したリン成分を含有するダストが熱回収器の伝熱面に析出するため、頻繁なメンテナンスを行う必要がある。ただし、熱回収設備を設置した場合であっても、従来の焼却炉および溶融炉においては、炉から排出される排ガス量が極めて大量となる(空気による完全燃焼を行うため)のに対し、本発明において炉から排出される可燃性ガス量は大幅に少なくなることから、熱交換器の規模も削減することができ、メンテナンスに関わる労力も大幅に低減する。 In the present invention, unlike the conventional sludge incinerator and sludge melting furnace, the latent heat (calorific value) of the generated combustible gas can be used as a heat source necessary for the process. Installation of heat recovery equipment (waste heat boiler, air preheater, etc.) for recovering sensible heat is not essential. Of course, it is possible to install some kind of heat recovery equipment to make more effective use of heat. However, as mentioned above, dust containing volatilized phosphorus components is deposited on the heat transfer surface of the heat recovery unit. Need frequent maintenance. However, even when heat recovery equipment is installed, in conventional incinerators and melting furnaces, the amount of exhaust gas discharged from the furnace is extremely large (because it performs complete combustion with air). In the invention, since the amount of combustible gas discharged from the furnace is greatly reduced, the scale of the heat exchanger can be reduced, and the labor related to maintenance is also greatly reduced.
また、本発明において、高温フィルターまたはサイクロン9を削減し、水冷却塔10においてダスト分の除塵機能を併せ持たせても良い。この場合ダストの混入によって回収リンの純度は低下するため、別工程において精製を行う必要があるが、回収リン中のリン含有量は、一般的なリン鉱石あるいは汚泥焼却灰、汚泥スラグ中のリン含有量と比較して大きいため、精製に必要なエネルギーおよびコストも削減することができる。 In the present invention, the high temperature filter or cyclone 9 may be reduced, and the water cooling tower 10 may have a dust removing function. In this case, the purity of recovered phosphorus decreases due to dust contamination, so it is necessary to purify it in a separate process. However, the phosphorus content in recovered phosphorus is the same as that of general phosphorus ore, sludge incineration ash, and sludge slag. Since it is larger than the content, the energy and cost required for purification can also be reduced.
水冷却塔10から排出された可燃性ガスは脱硫設備11において精製された後に、その全量あるいは一部を汚泥乾燥用燃料として汚泥乾燥設備4において利用する。なお、可燃性ガスの発熱量および生成量は、ガス化される汚泥の発熱量およびガス化条件に応じて変動するが、可燃性ガス全量を乾燥用燃料として利用してもなお乾燥に必要な熱源が不足する場合には、別途補助燃料を併用しても良い。また、逆に余剰の可燃性ガスが生じた場合、あるいは乾燥用に本可燃性ガス以外の別の熱源を使用した場合には、生成した可燃性ガスを乾燥以外の用途(例えば発電用燃料、メタノール等化学品合成原料、水素原料)に利用しても良い。
The combustible gas discharged from the water cooling tower 10 is refined in the desulfurization facility 11 and then used in the
この際の汚泥乾燥設備4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、粉砕機を用いずにまたは簡易かつ小型の粉砕機を介するだけで容易に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3に乾燥設備の1例を示すように、燃焼炉12において可燃性ガスを燃焼させて発生した熱風を直接加熱式乾燥機13へ導入する場合、直接加熱式乾燥機13から排出された排ガスの一部を希釈用(温度調整用並びに発火防止用)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。
As a method of the
また、図4に他の乾燥設備の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14において可燃性ガスと空気を燃焼させて生じた燃焼熱により循環系の熱風を間接的に加熱することも可能である。加熱炉14の排ガスは、クリーンな(硫黄分を含有しない)可燃性ガスを燃焼させるために、そのまま大気放散することができる。この際、直接加熱式乾燥機13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。この余剰ガスには硫黄分はほとんど含有されていないが、臭気成分が含有されるため、加熱炉14へ導入して燃焼脱臭を行うことが望ましい。無論、専用の脱臭設備を別途設けても構わないが、設備コスト、運転コストの増加を招くという観点からは望ましくない。 In addition, as shown in FIG. 4 as an example of another drying facility, hot air that is in direct contact with sludge is used as a circulation system, and combustion heat generated by burning combustible gas and air in a heat exchange type heating furnace 14 is used. It is also possible to heat the hot air in the circulation system indirectly. The exhaust gas from the heating furnace 14 can be directly diffused into the atmosphere in order to burn clean combustible gas (containing no sulfur content). At this time, it is necessary to extract a part of the hot air (excess gas) that has passed through the direct heating dryer 13 out of the system. Although this surplus gas contains almost no sulfur, it contains an odor component, so it is desirable to introduce it into the heating furnace 14 for combustion deodorization. Of course, a dedicated deodorization facility may be provided separately, but it is not desirable from the viewpoint of increasing the facility cost and the operation cost.
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、乾燥後の汚泥を容易に気流搬送に適した微粉状態にすることが不可能であり、かつ蒸発潜熱に伴う溶融炉内熱損失を防ぐためにも好適である水分含有量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。 Note that it is also possible to use a so-called indirect heating type dryer that uses a heat medium such as steam as a heat source and dries the sludge by conduction heat transfer through the heating wall. However, the indirect heating type dryer, due to its characteristics, cannot easily make sludge after drying into a fine powder suitable for airflow conveyance, and is also suitable for preventing heat loss in the melting furnace due to latent heat of evaporation. In order to obtain dry sludge with a moisture content of 20% by mass or less, a huge dryer with a very large heat transfer area is required, and furthermore, the installation of a steam production boiler leads to an increase in equipment costs. Not realistic.
このようにして汚泥乾燥設備4から排出された乾燥汚泥の発熱量は6300〜21000kJ/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0〜20%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特殊な粉砕機が別途必要となり、また、0.1μmより小さな粒径は、逆に気流搬送する際の配管閉塞または供給用ホッパーの棚つり等のトラブル原因となるので、粒径は上記の範囲とすることが好ましい。直接加熱方式の汚泥乾燥設備を使用することで、通常は粒径を3mm以下とすることができ、もし、3mm以上が生じた場合でも小型の汎用粉砕機を用いるだけで簡単に3mm以下とすることが可能である。
Thus, the calorific value of the dried sludge discharged from the
なお、ガス化溶融炉7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。
In order to prevent a reduction in efficiency due to latent heat of vaporization in the
ガス化溶融炉7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1100℃以上とするが、必要以上の高温とすることは、ガス化溶融炉7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。
The temperature in the
ガス化の際にガス化剤として添加する酸素は同伴窒素による持ち出し顕熱を削減する観点から、可能な限り高濃度酸素を用いることが好ましい。しかし、必要以上に高濃度の酸素を製造することは投入エネルギーの増大等デメリットが増すばかりであり、ガス化そのものに与える影響は少ないため、ここで用いる酸素は一般的な酸素製造法(圧力スイング吸着法〈PSA〉、深冷分離法)によって製造可能な濃度(80%以上)で良い。 From the viewpoint of reducing the sensible heat brought out by entrained nitrogen, oxygen added as a gasifying agent at the time of gasification is preferably used as high concentration oxygen as possible. However, producing oxygen at a higher concentration than necessary not only increases demerits such as an increase in input energy, but has little effect on gasification itself, so oxygen used here is a general oxygen production method (pressure swing). The concentration (80% or more) that can be produced by the adsorption method (PSA) or the cryogenic separation method) may be used.
本発明例においては、酸素を製造するためのエネルギー(電力)が別途必要となるが、従来法と比較して炉出口以降のガス処理関係の設備規模を大幅に縮小できるため、その部分での電力削減分で充分にカバーすることができる。 In the example of the present invention, energy (electric power) for producing oxygen is separately required. However, since the scale of gas treatment-related equipment after the furnace outlet can be greatly reduced as compared with the conventional method, The amount of power reduction can be covered sufficiently.
ここで添加する酸素量は、汚泥を完全燃焼させるために必要な酸素量(いわゆる理論酸素量)よりも少ない酸素量とする。その割合は汚泥発熱量およびガス化溶融炉内温度を何度に設定するかによって異なるが、理論酸素量を1とした場合の割合で0.2〜0.8の範囲内で調整することが好適である。0.2未満の酸素比では、ガス化せずに未燃物へと転換する炭素および水素が極めて多くなるため、また、0.8を超過する酸素比では、可燃性ガス(CO、H2、CH4等)へ転換する割合が低くなり、大部分が燃焼ガス(CO2、H2O)まで転換してしまうため、本発明の目的からして好ましくない。 The amount of oxygen added here is set to an amount of oxygen smaller than the amount of oxygen necessary to completely burn the sludge (so-called theoretical oxygen amount). The ratio varies depending on how many times the sludge heat generation amount and the gasification melting furnace temperature are set, but the ratio when the theoretical oxygen amount is 1 can be adjusted within the range of 0.2 to 0.8. Is preferred. If the oxygen ratio is less than 0.2, the amount of carbon and hydrogen that are converted into unburned materials without being gasified becomes extremely large, and if the oxygen ratio exceeds 0.8, combustible gases (CO, H 2) , CH 4, etc.) is reduced, and most of it is converted to combustion gas (CO 2 , H 2 O), which is not preferable for the purpose of the present invention.
また、ガス化溶融炉7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と併用しても良い。
Further, steam may be used in combination with oxygen as a gasifying agent for the purpose of temperature control in the
なお、ガス化溶融炉7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ガス化溶融炉7をコンパクトにすることのできるメリットもある。
The pressure in the
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。 As sludge used in the present invention, in addition to sewage sludge, surplus activated sludge generated from biological wastewater treatment facilities (for example, coke oven wastewater (safe water) treatment equipment, stainless pickling wastewater treatment equipment, various Excess sludge discharged from a wastewater treatment facility in a food factory may be used.
図2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。 According to the flow shown in FIG. FIG. 5 shows the process mass balance (test results).
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。 The analysis value of the used sewage sludge is shown in Table 1. In addition, this sludge is what was discharged | emitted from the dehydrator of the sewage treatment plant (dehydrated cake).
下水汚泥(脱水ケーキ)100t/dayを、直接加熱式の回転ドラム型汚泥乾燥設備4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5より、酸素製造装置6の副産物である窒素による気流搬送によってガス化溶融炉7へ投入した。ガス化溶融炉7内において、汚泥は酸素と共に、温度1400℃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すると同時に汚泥中に含有されるリンの一部がガス中へ揮発した。生成した高温の可燃性ガスはガス化溶融炉7の上部のガス冷却器8において水スプレーによって700℃まで冷却された後、高温フィルター9へ導入され、ダスト分を除去した後、更に水冷却塔10へ導入された。水冷却塔10において高温の可燃性ガスは40℃以下の常温にまで冷却されるが、この際、ガス中に含有されるリンは凝縮しガスと分離され、回収リンとして系外へ抜き出された。なお、ここで固形状態あるいは液体状態として回収されたリンはP2O5に換算して405kg/dayであり、生来汚泥中に含有されるリンの中の41%を回収することができた。水冷却塔10から排出された排出された可燃性ガスは脱硫設備11において処理された後、その全量をクリーンな燃料ガスとして汚泥乾燥設備4へ導入し、乾燥熱源として利用した。なお、本実施例に関して、ガス化溶融炉において補助燃料は一切必要なかったが、汚泥乾燥設備4においては、ガス化溶融炉において生成した可燃性ガスのみでは必要熱量が不足したため、若干の補助燃料を添加した。
After drying sewage sludge (dehydrated cake) 100 t / day in the direct heating type rotary drum type
表2に本発明例(実施例1)および従来のリン回収プロセス(流動床型汚泥焼却炉+リン回収用電気式加熱炉)におけるユーティリティー使用量を示す。本発明例においては、従来法よりも補助燃料使用量および電力使用量を大幅に削減できた。また、従来法よりも設備構成が極めてシンプルであるため、設備コストおよび設備設置スペースも大幅に削減可能であった。 Table 2 shows utility usage in the present invention example (Example 1) and the conventional phosphorus recovery process (fluidized bed sludge incinerator + phosphorus recovery electric heating furnace). In the example of the present invention, the amount of auxiliary fuel used and the amount of power used can be greatly reduced as compared with the conventional method. In addition, since the equipment configuration is much simpler than that of the conventional method, equipment cost and equipment installation space can be greatly reduced.
図2に示したフローに従って、本発明例を実施した。図6にプロセスのマスバランス(試験結果)を示す。 According to the flow shown in FIG. FIG. 6 shows the process mass balance (test results).
使用した下水汚泥の分析値を表3に、また下水汚泥と共に炭素源としてガス化溶融炉7へ添加した石炭チャーの分析値を表4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)であり、石炭チャーは微粉炭を800℃の空気を遮断した状態で急速熱分解することによって得られたものである。
The analysis value of the used sewage sludge is shown in Table 3, and the analysis value of coal char added to the
下水汚泥(脱水ケーキ)100t/dayを、直接加熱式の汚泥乾燥設備4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)を炭素源である石炭チャー(2.4t/day)と混合後、汚泥供給ホッパー5より、酸素製造装置6の副産物である窒素による気流搬送によってガス化溶融炉7へ投入した。ガス化溶融炉7内において、汚泥および炭素源は酸素と共に、温度1400℃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すると同時に汚泥中に含有されるリンの一部がガス中へ揮発した。生成した高温の可燃性ガスはガス化溶融炉7の上部のガス冷却器8において水スプレーによって700℃まで冷却された後、水冷却塔10へ導入され40℃以下の常温にまで冷却されるが、この際、ガス中に含有されるリンは凝縮しガスと分離され、ダストと共に回収リンとして系外へ抜き出された。なお、ここで固形状態あるいは液体状態として回収されたリンはP2O5に換算して550kg/dayであり、生来汚泥中に含有されるリンの中の56%を回収することができた。水冷却塔10から排出された排出された可燃性ガスは脱硫設備11において処理された後、その全量をクリーンな燃料ガスとして汚泥乾燥設備4へ導入し、乾燥熱源として利用した。なお、本実施例に関して、ガス化溶融炉7および汚泥乾燥設備4をあわせたプロセス全体において補助燃料は一切必要としなかった。
After drying 100t / day of sewage sludge (dehydrated cake) in the direct heating-type
表5に本発明例(実施例2)および従来のリン回収プロセス(流動床型汚泥焼却炉+リン回収用電気式加熱炉)におけるユーティリティー使用量を示す。本発明例においては、従来法よりも補助燃料使用量および電力使用量を大幅に削減できた。また、従来法よりも設備構成が極めてシンプルであるため、設備コストおよび設備設置スペースも大幅に削減可能であった。 Table 5 shows utility usage in the present invention example (Example 2) and the conventional phosphorus recovery process (fluidized bed sludge incinerator + phosphorus recovery electric heating furnace). In the example of the present invention, the amount of auxiliary fuel used and the amount of power used can be greatly reduced as compared with the conventional method. In addition, since the equipment configuration is much simpler than that of the conventional method, equipment cost and equipment installation space can be greatly reduced.
1 汚泥焼却炉または汚泥溶融炉
2 リン回収加熱炉
3 排ガス処理設備
4 汚泥乾燥設備
5 汚泥供給ホッパー
6 酸素製造装置
7 ガス化溶融炉
8 ガス冷却器
9 高温フィルターまたはサイクロン
10 水冷却塔
11 脱硫設備
12 燃焼炉
13 直接加熱式乾燥機
14 加熱炉
15 排ガスの汚泥乾燥設備への循環ライン
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