JP2006116514A - 下水汚泥をバイオマス源とした水素エネルギー回収システム及び水素エネルギー回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２中の有機物をガス化させ、水素ガス１５や一酸化炭素ガス１６のエネルギーガスにすることと、無機物を安定化処理することにより、環境への影響負荷低減を向上させた、水素エネルギー回収システム及び水素エネルギー回収方法を提供する。
【解決手段】本発明の水素エネルギー回収システムは、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２中の有機物を、水素ガス１５と一酸化炭素ガス１６にするガス化手段３と、無機物を高温溶融させて高温液状物９として最終的に無害化する溶融手段４とを具えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は有機物からの水素回収方法に関するものであり、特に、汚泥中の有機物から水素ガスを回収するシステム及び方法に関する。

現在、我が国において、下水汚泥の発生量は固形分として、年間約２００万ｔに達すると言われており、その約８割が有効利用されずに埋立てにより廃棄処理されている。下水汚泥の残りの約２割はコンポスト（堆肥）化等によって利用されているが、充分なリサイクルがなされているとは言えない状況である。

従来から下水汚泥は、コンポスト（堆肥）化等による有効利用が行なわれてきたが、最近、この下水汚泥の脱水ケーキを乾燥し、炭化し、賦活して、活性炭を製造し、例えば都市ごみの焼却炉からの排ガス中に含まれるダイオキシン等の有害物質の吸着除去剤として利用する方法が提案されている。また、これ以外にも、活性炭を下水処理場での脱臭用に利用する方法も提案されている。

また、プロパンガスや重油をバーナーで燃焼させて６００〜８００℃の温度で焼却する焼却炉や３５０〜６００℃の不活性雰囲気で炭化する炭化炉、嫌気性の雰囲気で微生物を利用してメタン発酵させるメタン発酵装置等での処理も行われてきた。

しかしながら、下水汚泥の脱水ケーキの固形分中に灰分が２５〜３０％含まれていて、この灰分が、下水汚泥の有効利用の妨げとなっていることが挙げられていた。

また、焼却炉からは焼却灰が発生し、その処理が問題となっていた。

炭化炉で炭化した炭化物は、その成分に不純物が多く、組成の品質にむらができるため、再利用品としては適さない。

メタン発酵では、処理量全体の５％程度しかメタンガスとして利用されずエネルギーの回収としては低効率であるのと、処理の過程において残渣として消化液が発生するため、その処理が問題となっていた。

さらに、特許文献１に記載された濾過残渣を回収する方法は、全てが再利用できるわけではなく、最終的に廃棄する残渣が出てしまう点で問題がある。

特開平２００３−２５１３９８号公報

本発明の目的は、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２中の有機物をガス化させ、水素ガス１５や一酸化炭素ガス１６のエネルギーガスにすることと、汚泥２中の無機物を安定化処理することにより、環境への影響負荷低減を向上させた、水素エネルギー回収システム及び水素エネルギー回収方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の水素エネルギー回収システムは、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２中の有機物を、水素ガス１５と一酸化炭素ガス１６にするガス化手段３と、汚泥２中の無機物を高温溶融させて高温液状物９として最終的に無害化する溶融手段４とを具えることにある。

ガス化手段３を還元性の雰囲気下で水素ガス１５や一酸化炭素ガス１６に変換するには、おおむね１０００℃以上にすることが好ましい。

溶融手段４から排出される高温液状物９は、おおむね１２００℃以上でスラグ化することが好ましい。無機物をスラグ化することにより、重金属を流出させずに安定して固定化することができる。

一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２に含まれる塩素系の有機物の処理についても、ガス化手段３で塩化水素としてガス化し、排ガス処理手段７で塩酸又は、塩化カルシウムとして回収する。

一方、炭化の手段として、窒素ガス等の不活性ガスを炭化炉内において充填させて還元雰囲気にして炭化させるか、水蒸気を過熱した過熱水蒸気を直接炭化対象物に当てて炭化させることもある。

炭化手段１０にて生成された炭化物１４は、溶融手段４の燃料として利用することが、運転費又は燃料費の軽減の点から非常に好ましい。

本発明の水素エネルギー回収方法は、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２中の有機物を、１０００℃以上の還元性雰囲気内において、水素ガス１５と一酸化炭素ガス１６にするガス化工程３と、汚泥２中の無機物を１２００℃以上にて高温溶融させて高温液状物９として最終的に無害化する溶融工程４とを具えることにある。

本発明によれば、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２中の有機物をガス化することで、水素ガス１５や一酸化炭素ガス１６のエネルギーガスを生成させることができ、無機物は高温で溶融することにより、重金属の安定固定を図ることが可能となり、重金属やダイオキシン類の流出防止に大きく貢献できる。

さらに、溶融工程４により生成した高温液状物９も路盤材やコンクリート骨材、セメント混和材等の土木建築材料に利用できる。しかも、新たな廃棄物や残渣の発生がなくなり、かつ容積も少なくとも４０分の１以上に減容化できるため、土地の有効利用や延命化が図れる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、発明に従う水素エネルギー回収システム１を用いて一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２中の有機物から、水素ガス１５や一酸化炭素ガス１６を回収する場合のフローチャートを示したものである。

図１に示す水素エネルギー回収システム１は、主として、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２を処理する、ガス化手段３、溶融手段４、ガス燃焼手段５、ガス冷却手段６、排ガス処理手段７及び通風手段８によって構成されている。

ガス化手段３は、汚泥２を通風手段８によって酸素含有ガスを汚泥２中の炭素又は炭素化合物並びに水素を含む物質及び使用燃料の炭素や水素と反応させ、還元性の雰囲気で水素ガス１５や一酸化炭素ガス１６として回収する。ガス化手段３としては、例えばガス化炉が挙げられる。炭素とのカーボンソリューション反応を起こす還元性雰囲気の特徴を持つ炉が望ましい。

一方、溶融手段４は、高温雰囲気下で溶融させて高温液状物９として最終的にスラグのような物質に安定無害化処理する。溶融手段４としては、例えば溶融炉が挙げられる。溶融方法としては、例えば、天然ガスや重油や軽油や灯油等を燃料としたバーナーで溶融する方法がある。また、例えば、電気を熱源として溶融する方法がある。さらに、例を挙げると化石燃料を利用して溶融する方法がある。

ガス燃焼手段５は、ガス化手段３内で発生した可燃性のガスを、酸素含有ガスにより完全燃焼する。ガス燃焼手段５としては、例えばガス燃焼炉が挙げられる。
このガス燃焼手段５の手前で、ガス化手段３により発生した水素ガス１５並びに一酸化炭素ガス１６を回収してエネルギーとして利用するのが好ましい。
ガス燃焼炉の代わりにボイラー等で燃焼させて温水熱回収や蒸気タービンと組み合わせて発電を行うことも好ましい。
また、ガスタービンやガスエンジンへ燃料として供給し発電や熱を回収する方法も熱回収の一つとして有効な手段である。

ガス冷却手段６は、ガス燃焼手段５内で発生した高温のガスを、所定温度まで冷却する。ガス冷却手段６としては、例えばガス冷却塔が挙げられる。冷却終了温度が所定温度よりも高いと、ダイオキシン類の再合成が促進されるのと、次の工程である排ガス処理手段７の設備が劣化しやすくなる。

排ガス処理手段７は、該ガス冷却手段６で冷却された排ガス中に含まれる飛灰等のダストを取り除く。

以上の工程で無害化された排ガスを通風手段８により放散する。

排ガス処理手段７は、排ガス中に含まれるダストを回収する前段の集塵装置と、前段集塵装置を抜けたダストを回収する後段集塵装置とを有した方が、ダスト除去効率を向上させる上で好ましい。

次に、本発明に従う水素エネルギー回収方法の一例を以下で説明する。
まず、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２をガス化手段３内に装入し、ガス化手段３内で、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２を１０００℃以上の還元性雰囲気下でガス化させ、水素ガス１５並びに一酸化炭索ガス１６を回収する。

一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２を、溶融手段４によって１２００℃以上で高温溶融させて、高温液状物９として最終的にスラグのような物質に無害化する。

次に、ガス化手段３内で発生した可燃性のガスをガス燃焼手段５によって完全燃焼する。ガス燃焼手段の手前で、水素ガス１５、一酸化炭素ガス１６を回収し、発電用の燃料に利用したり、温水の熱源にしたり、エネルギーガスとして貯留する。

ガス燃焼手段５によって燃焼させたガスを、ガス冷却手段６によって１５０〜２００℃まで冷却する。

その後、ガス冷却手段６で冷却された排ガス中に含まれるダストを、排ガス処理手段７で取り除くとともに、前段集塵機と後段集塵機を直列でつないで設置する場合は、ダスト除去効率を向上させる上で好ましい。

上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２を用いた水素エネルギー回収システム１として上記記載の方法の他に、炭化手段１０を用いる方法もある。

一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２を炭化手段１０により１００℃以上で炭化することにより、炭化物１４として排出する。その生成した炭化物１４は、溶融手段４における溶融炉の燃料として使用することが燃料の低減の面で好ましい。

本発明の水素エネルギー回収システム１（図１）を用いて汚泥２を処理した場合の残渣量を計測したところ、残渣量の発生は確認できなかった。つまり、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２は、すべてが、水素ガス１５や一酸化炭素ガス１６を含む排ガス、又は高温液状物９としてスラグになるので、残渣としては何も残らないためである。

本発明の水素エネルギー回収システム１（図３）を用いて、回収した水素ガス１５並びに一酸化炭素ガス１６の利用方法を説明する。

一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２をガス化手段３においてガス化させて回収した水素ガス１５並びに一酸化炭素ガス１６を、そのまま直接ガスエンジン１１の燃料として使用した。

次にガス化手段３によってガス化した後、窒素ガスや炭酸ガス等のガスの除去を行う吸着分離手段１３を設けた。その吸着分離手段１３により、水素ガス１５並びに一酸化炭素ガス１６の濃度が高くなった。その濃度が高い水素ガス１５並びに一酸化炭素ガス１６をガスエンジン１１の燃料とすることで、高い発熱量を得られ、効率的な発電を行えた。

さらに、吸着分離手段１３を２段以上設けることによって、水素ガス１５と一酸化炭素ガス１６を分離することが可能となる。一酸化炭素ガス１６は、ガスエンジン１１の燃料として供給することで、さらに高効率な発電が可能となった。

一方、水素ガス１５は、濃度が９９％以上の高濃度で回収でき、水素燃料電池１２の燃料として使用できた。

ガスエンジン１１に利用した場合のガス組成毎の発電量の違いを表１に示す。

水素ガス１５と一酸化炭素ガス１６の濃度が上がるにつれ、発電出力も向上していくのがわかる。

本発明によれば、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥２中の有機物を水素ガス１５や一酸化炭素ガス１６に変換することにより、新たなエネルギーの利用として、環境や新エネルギーの技術促進に繋がる。

さらに、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥を処理することによって、土壌汚染等の環境負荷が低減されるので、環境問題への対応の一環として大きく寄与できる。

本発明に従う水素エネルギー回収システムの代表的なフローチャートである。 本発明に従う水素エネルギー回収システムの他のフローチャートである。 本発明に従う水素エネルギー回収システムの水素ガスと一酸化炭素ガスの使用方法の例である。

符号の説明

１ 水素エネルギー回収システム
２ 汚泥
３ ガス化手段（又は還元ガス化炉）
４ 溶融炉手段（又は溶融炉）
５ ガス燃焼手段（又はガス燃焼炉）
６ ガス冷却手段（又はガス冷却塔）
７ 排ガス処理手段（又は集塵装置）
８ 通風手段（又は通風機）
９ 高温液状物
１０ 炭化手段（又は炭化炉）
１１ ガスエンジン
１２ 水素燃料電池
１３ 吸着分離手段（又は吸着分離装置）
１４ 炭化物
１５ 水素ガス
１６ 一酸化炭素ガス
１７ 窒素ガス又は炭酸ガス

Claims (6)

1. 還元性雰囲気にて、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥中の有機物を水素ガスと一酸化炭素ガスにガス化するガス化手段と、
   一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥中の無機物を高温溶融させて高温液状物として最終的に無害化する溶融手段と、
   を具えることを特徴とする水素エネルギー回収システム。
2. 前記溶融手段で燃料として利用する炭化物を、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥中の炭素から炭化物を生成する炭化手段を有する請求項１記載の水素エネルギー回収システム。
3. １０００℃以上の還元性雰囲気にて、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥中の有機物を水素ガスと一酸化炭素ガスにガス化するガス化工程と、
   一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥中の無機物を、１２００℃以上で高温溶融させて高温液状物として最終的に無害化する溶融工程と、
   を具えることを特徴とする水素エネルギー回収方法。
4. 前記溶融工程で燃料として利用する炭化物を、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥中の炭素から生成する炭化工程を有する請求項３記載の水素エネルギー回収方法。
5. 還元性雰囲気にて、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥中の有機物を水素ガスと一酸化炭素ガスにガス化するガス化炉と、
   一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥中の無機物を高温溶融させて高温液状物として最終的に無害化する溶融炉と、
   を具えることを特徴とする水素エネルギー回収装置。
6. 前記溶融炉で燃料として利用する炭化物を、一般家庭から排出される下水汚泥や工場から排出される汚泥や河川の汽水汚泥や海洋の浚渫汚泥や海辺の汚泥やヘドロ等の汚泥中の炭素から炭化物を生成する炭化炉を有する請求項５記載の水素エネルギー回収装置。

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