JP2005319372A - 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】 汚泥の炭化処理において揮発する硫黄分、塩素分を熱分解ガス中から除去することにより有害物質の生成を抑制する。また、石炭焚きボイラにおける炉内脱硫用の脱硫材の新たな投入を不要にし、かつ、汚泥中に含まれるバナジウムによるボイラ管腐食を抑制する。
【解決手段】 金属塩、金属酸化物、金属水酸化物又はこれらの混合物を含む添加剤３を汚泥１に添加し、前記添加剤が添加された汚泥を炭化処理４０する。また、これによって得られた汚泥炭化燃料をボイラにて石炭とともに混焼することで発電を行う。
【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。

ＣＯ₂排出量を低減する観点から、化石燃料の代替エネルギーとして、カーボンニュートラルであるバイオマスが注目されている。バイオマスの一つである有機性汚泥は、大半が埋め立て処理あるいは焼却処理されており、エネルギー利用がなされていない。そこで、ＣＯ₂の排出を抑制するために、すなわち、化石燃料の使用を抑制するために、安定した収集量が見込める下水汚泥を炭化処理により固体燃料化し、石炭火力発電用の燃料にするシステムが提案されている。

汚泥を固体燃料化する方法としては、この炭化処理の他に、汚泥を乾燥させた後にプラスチック廃棄物を加えて混練して粒状または粉状化する方法も提案されている。そして、このような乾燥処理においては、水分を低下させて腐敗防止や臭気発生を抑制する目的で、プラスチック廃棄物とともに生石灰などの添加剤を添加することが考えられている（例えば、特開１１−２２８９７９号公報など）。
特開平１１−２２８９７９号公報（図１）

汚泥を炭化処理する際には、汚泥中の硫黄分、塩素分が揮発する。この硫黄分、塩素分を含む熱分解ガスを燃焼炉において燃焼すると、ＳＯｘ、ＨＣｌといった有害物質が生成するという問題がある。そして、このような有害物質を除去するためには湿式排ガス処理などが必要となり、設備費、洗煙排水処理費などのコストが上昇するという問題がある。

また、汚泥を炭化処理した固体燃料を石炭焚きボイラの燃料に適用する際は、炭化物に残留している硫黄分から燃焼時に生ずるＳＯｘの大気への排出を防止する為に、石灰などの脱硫材を新たに炉内に加え硫酸カルシウム等として灰と共に捕集する炉内脱硫を行う必要があるとともに、汚泥中に含まれるバナジウムによるボイラ管腐食の防止策も必要であることから、発電コストが上昇するという問題がある。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、汚泥の炭化処理において揮発する硫黄分、塩素分を熱分解ガス中から除去することにより有害物質の生成を抑制することができる汚泥の炭化処理方法及び装置を提供することを目的とする。また、本発明は、石炭焚きボイラにおいて炭化物混焼時に新たに必要となる炉内脱硫用の石灰などの投入を不要にし、かつ、汚泥中に含まれるバナジウムによるボイラ管腐食を抑制することができる発電方法を提供することを目的とする。

上記の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、金属塩、金属酸化物、金属水酸化物又はこれらの混合物を含む添加剤を汚泥に添加する工程と、前記添加剤が添加された汚泥を炭化処理する工程とを含んでなるものである。

このように添加剤を炭化処理の前に予め汚泥に添加しておくことで、炭化処理の際に遊離する硫化水素や塩化水素などの硫黄分、塩素分を熱分解ガス中から除去することができる。よって、熱分解ガスの燃焼により生成されるＳＯｘ等の有害物質を大幅に減少させることができる。

本発明に係る汚泥の炭化処理方法は、前記炭化処理工程の前に、前記添加剤が添加された汚泥を混合する工程をさらに含むことが好ましい。前記添加剤の添加率は、前記汚泥の乾燥重量に対して１〜５％であることが好ましい。前記金属塩、金属酸化物及び金属水酸化物の金属は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属であることが好ましい。また、前記金属塩、金属酸化物、金属水酸化物又はこれらの混合物は、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム又はこれらの混合物であることが好ましい。

本発明は、別の態様において、汚泥の炭化処理装置であって、金属塩、金属酸化物、金属水酸化物又はこれらの混合物を含む添加剤を汚泥に添加するための添加剤供給機と、前記添加剤が添加された汚泥を炭化処理するための炭化炉とを含んでなるものである。前記炭化炉の前に、前記添加剤が添加された汚泥を混合する混合機を設けることが好ましい。

本発明は、さらに別の態様において、発電方法であって、本発明に係る汚泥の炭化処理方法によって得られた汚泥炭化燃料を、ボイラにて石炭とともに混焼する工程を含んでなるものである。

本発明に係る汚泥の炭化処理方法により得られた汚泥炭化燃料は、既に、金属塩、金属酸化物、金属水酸化物又はこれらの混合物を含む添加剤が含まれているので、石炭焚きボイラにおいて新たに必要となる炉内脱硫剤の投入を省略することができる。また、上記添加剤は、バナジウムによるボイラ管腐食を抑制する効果も有する。

このように、本発明によれば、汚泥の炭化処理において揮発する硫黄分、塩素分を熱分解ガス中から除去することにより有害物質の生成を抑制することができる汚泥の炭化処理方法及び装置を提供することができる。また、本発明によれば、石炭焚きボイラにおいて新たに必要となる炉内脱硫剤の投入を不要にし、かつ、汚泥中に含まれるバナジウムによるボイラ管腐食を抑制することができる発電方法を提供することができる。

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、脱水した下水汚泥に添加剤３を供給する添加剤供給機２２と、脱水した下水汚泥と添加剤とを混合する混合機２０と、添加剤が混合された下水汚泥に熱風を直接接触させて乾燥する乾燥炉３０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４０と、炭化炉４０で生成した熱分解ガスを燃焼する燃焼炉５０とから主に構成されている。

混合機２０は、脱水汚泥に添加剤を均一に混合できる設備機器であれば、特に限定されないが、リボンミキサや、パドルミキサ、ドラムミキサ等が好ましい。添加剤供給機２２は、特に限定されないが、粉状、粒状又は塊状の添加剤を連続的かつ定量的に供給できるものが好ましい。乾燥炉３０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４０は、外熱式ロータリーキルン型のものに限定されず、内燃式でも、流動床型又はスクリュー型でも良い。なお、図１では、乾燥炉３０と炭化炉４０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と混合機２０とはライン１１で接続されており、混合機２０と乾燥炉３０とはライン２１で接続されている。このライン１１及び２１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３０と炭化炉４０とはライン３１で接続されており、このライン３１は乾燥した汚泥を搬送できるコンベアなどが好ましい。炭化炉４０内部と燃焼炉５０とは、炭化炉４０内で生成した熱分解ガスの配管であるライン４１で接続されており、このライン４１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４２が設けられている。サイクロン４２の底部と炭化炉４０の炭化物出口には、炭化物を排出するライン４３とライン４４とがそれぞれ設けられている。

燃焼炉５０と炭化炉４０外熱部とはライン５１で接続されており、炭化炉４０外熱部と乾燥炉３０とはライン５２で接続されている。このライン５１及び５２は、燃焼炉５０で発生した燃焼排ガスの配管である。なお、ライン５２には、燃焼排ガスの一部を系外に排気するための配管であるライン５３が設けられている。このライン５３には、炭化炉４０側から順に、空気予熱器５４、熱交換器５７、排ガス処理装置５８、ファン５９、及び煙突６０が設けられている。

乾燥炉３０と燃焼炉５０とは、乾燥炉３０内から排出される排ガスの配管であるライン３２で接続されており、このライン３２には、熱交換器５７が設けられている。また、燃焼炉５０に燃焼用の空気を導入するためのファン５５と燃焼炉５０とは、空気配管であるライン５６で接続されており、このライン５６には空気予熱器５４が設けられている。

このような構成によれば、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。脱水した下水汚泥は、ライン１１を介して混合機２０に供給する。

混合機２０には、添加剤供給機２２から金属塩、金属酸化物、金属水酸化物又はこれらの混合物を含む添加剤３を供給し、脱水した下水汚泥と混合する。混合機２０で脱水汚泥と添加剤とを予め混合しておくことで、乾燥炉３０及び炭化炉４０における添加剤の添加効果を汚泥全体にわたり均一に得ることができる。これら金属塩、金属酸化物、金属水酸化物の金属は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属が好ましい。これらの中でも、優れた脱硫、脱塩効果を発揮する観点から、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウムがより好ましい。また、バナジウムによる腐食に対して優れた抑制効果を発揮する観点から、水酸化マグネシウムがより好ましい。また、添加剤３の添加率は、下水汚泥の乾燥重量に対して１〜５％の範囲が好ましく、２〜３％の範囲がより好ましい。このように添加率を１〜５％の範囲にすることで、発熱量の大幅な低下や、添加剤コストの増加まねかない範囲で効果的な脱硫、脱塩効果を得ることができる。添加剤が混合された汚泥は、ライン２１を介して乾燥炉３０に導入する。

乾燥炉３０では、汚泥の水分が約３０％ぐらいになるまで乾燥する。導入された汚泥には添加剤３が添加されているので、乾燥炉３０出口では粒径が均一化した汚泥を得ることできる。このような均一な粒径の汚泥を炭化炉４０に導入すれば、炭化処理が均一に進み、粒径が大きくて炭化が進行しない炭化物粒子や、粒径が小さいために炭化が過度に進行した結果、炭化分がガス化し、発熱量の低い炭化物粒子が生成することを防止することができる。乾燥させた汚泥は、ライン３１を介して炭化炉４０に導入する。

炭化炉４０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。導入された汚泥には添加剤３が添加されているので、炭化炉４０内で遊離する硫化水素、塩化水素などの硫黄分、塩素分を熱分解ガス中から除去することができる。熱分解ガスは、ライン４１を介して燃焼炉５０に導入する。

燃焼炉５０では、ファン５５から吸引し空気予熱器５４で予熱した燃焼用の空気と、乾燥炉３０から排気され熱交換器５７で加熱した排ガスと、化石燃料等の助燃料とともに、熱分解ガスを約８００〜１０００℃で燃焼させる。炭化炉４０で熱分解ガス中の硫黄分、塩素分を除去しているので、燃焼炉５０でのＳＯｘやＨＣｌなどの有害物質の生成を抑制することができる。よって、排ガス中和剤の使用量の低減や、湿式排ガス処理を排水処理の不要な乾式排ガス処理に簡素化することができ、コスト低減を図ることができる。

固体燃料である炭化物６は、炭化炉４０出口からライン４４を介して得られるとともに、サイクロン４２において熱分解ガス中から分離除去されライン４３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を行う。炭化物６中には依然として添加剤３が含まれており、この添加剤は、汚泥炭化物を混焼する際に新たに必要となる炉内脱硫を行うために供給する脱硫剤の代替となるので、石炭焚きボイラにおける新たな脱硫剤の添加を省略することができる。また、添加剤には、汚泥中に含まれるバナジウムによるボイラ管腐食を抑制する効果がある。

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。

符号の説明

１ 下水汚泥
３ 添加剤
６ 炭化物
１０ 脱水機
２０ 混合機
３０ 乾燥炉
４０ 炭化炉
４２ サイクロン
５０ 燃焼炉
５４ 空気予熱器
５５、５９ ファン
５７ 熱交換器
５８ 排ガス処理装置
６０ 煙突

Claims (8)

1. 金属塩、金属酸化物、金属水酸化物又はこれらの混合物を含む添加剤を汚泥に添加する工程と、前記添加剤が添加された汚泥を炭化処理する工程とを含んでなる汚泥の炭化処理方法。
2. 前記炭化処理工程の前に、前記添加剤が添加された汚泥を混合する工程をさらに含んでなる請求項１に記載の汚泥の炭化処理方法。
3. 前記添加剤の添加率が、前記汚泥の乾燥重量に対して１〜５％である請求項１又は２に記載の汚泥の炭化処理方法。
4. 前記金属塩、金属酸化物及び金属水酸化物の金属がアルカリ金属又はアルカリ土類金属である請求項１〜３のいずれかに記載の汚泥の炭化処理方法。
5. 前記金属塩、金属酸化物、金属水酸化物又はこれらの混合物が、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム又はこれらの混合物である請求項１〜４のいずれかに記載の汚泥の炭化処理方法。
6. 金属塩、金属酸化物、金属水酸化物又はこれらの混合物を含む添加剤を汚泥に添加する添加剤供給機と、前記添加剤が添加された汚泥を炭化処理する炭化炉とを含んでなる汚泥の炭化処理装置。
7. 前記炭化炉の前に、前記添加剤が添加された汚泥を混合する混合機をさらに含んでなる請求項６に記載の汚泥の炭化処理装置。
8. 請求項１〜５のいずれかに記載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ボイラにて石炭とともに混焼する工程を含んでなる発電方法。

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