JP2006518396A - バイオマスからの燃料およびクレーの回収 - Google Patents

Abstract

製紙工場からの副産物、きゅう肥および藁などの廃棄有機物質を処理し、その水分含有量を、その処理ずみ物質が燃料として適切に使用できるレベルにまで減らす方法が記載される。この方法は、回転する鎖または刃を有するチャンバに出発原料を供給し、これらの鎖または刃は前記原料をチャンバの内壁に十分な力でたたきつけ、前記原料の水分含有量の一部を前記原料から分離させる諸工程を含む。水分はチャンバから排出され、その一方で残った材料は空気流で上方に運ばれ、サイクロン分離器に導かれる。この分離器内の条件はその水分レベルが約１５重量パーセントにまでさらに減少するように調節される。この水分レベルで前記材料は燃料として適切に使用できる。出発原料がクレーも含む場合、そのクレーは、分離器内の条件を調節してその原料を２つのフラクション、すなわち約２５０ミクロンより小さい粒子のものと、より大きい粒子のものとに分けるというやり方で分離できる。２５０ミクロン未満の粒子は実質的に全てのクレーを含む。

Description

本発明は製材所または製紙工場の廃棄物または副産物など、木材に由来するバイオマスの乾燥に関するものである。これら廃棄物および副産物には木材チップ、樹皮および紙パルプスラッジなどがある。本発明はきゅう肥や藁などその他の廃棄有機物質の乾燥にも関係する。より詳細に述べれば、本発明はバイオマス物質を乾燥し、燃料として適切に使用したり、その物質からクレーのような有用な物質を適切に抽出する方法および装置に関するものである。

製材所および製紙工場では大量の廃棄物が発生し、これら生成物の多くは簡単には廃棄できない。紙パルプスラッジは特に廃棄が難しい。このようなスラッジは水分含有量が高いため、最初に乾燥してからでないと焼却することができない。それらを乾燥する費用は、熱またはエネルギーの代替ソースとして、それらを燃焼することから得られる利益をはるかに超えるのが普通である。この理由から、通常はその他の廃棄法が使用される。

紙パルプスラッジの最も一般的な廃棄法は埋め立てである。埋め立てほど一般的ではないが荒れ地にスラッジを広げることによって廃棄するという方法もある。既存の埋立地およびごみを広げる荒れ地は、工場から出る大量のスラッジのために急速に失われている。環境的観点から、工場の需要に間に合うような速さで新しい土地が提供されるようにはならない。

上に述べたような廃棄物の粒子を、高速度で回転するローター（回転子）を有するチャンバに導入すると、それら粒子は遠心力によってチャンバの側壁およびチャンバ内のバッフルプレートに打ちつけられる。チャンバの側壁およびバッフルプレートに対するこれら粒子の多重衝突並びに粒子同士の多重衝突の運動エネルギーが物質の温度を高め、その結果物質内の水分の急速な蒸発またはフラッシングを起こす。その上、多重衝突は粒子内の水分を固体物質から実質的にしぼりとる。その水分はチャンバから排出される微細なミストとなり、その一方で固体粒子は空気流によってチャンバから運び出され、サイクロン分離器中で空気から分離される。

この手段によって、廃棄物の水分含有量は実質的に減少する。最終産物は実質的に木材繊維と、（脱墨スラッジの場合は）かなりの量のクレーとからなる粒子である。クレーは篩によって分離され、残った木材繊維は燃料として適切に使用できる。クレーは製紙工程に再利用できる。

本発明の方法は、従来の乾燥法でスラッジを乾燥するために必要としたような多量の熱を必要としない。実際、本発明の方法はある場合には熱を追加することなく実施することができる。

つまり、本発明の方法は（ｉ）廃棄有機物質の出発原料を用意し；（ｉｉ）その廃棄物質を一部側壁と下壁によって仕切られた内部空間を有する微粉砕チャンバに導入し、廃棄物質をその内部空間に落下させることができるようになっている；（ｉｉｉ）落下する廃棄物質を十分な力で側壁に打ち付け、本来水を含む第一フラクションと；第一フラクションより水分が少ない廃棄物を含む第二フラクションとに分離させる；（vi）第一フラクションをチャンバから排出する手段を用意する；（ｖ）空気流を、第二フラクションと未排出のあらゆる第一フラクションとをこのチャンバから分離器に導くことができるような十分な速度で、このチャンバを通過させる；（ｖｉ）分離器内の空気は、工程（ｖ）からの第二フラクションを、空気と工程（ｖ）からの未排出の第一フラクションとに分離する；（ｖｉｉ）（ａ）廃棄物が工程（ｉｉｉ）の側壁に突き当たる速度；（ｂ）工程（ｉｉ）の廃棄物がチャンバに供給される速度；（ｃ）チャンバ内の温度；（ｄ）分離器内の空気温度；および（ｅ）工程（ｖ）の空気の速度のうちの少なくも一つを調節し、工程（ｖｉ）からの第二フラクション中の水の比率を約１５重量％未満に減らす；（ｖｉｉｉ）工程（ｖｉ）からの第二フラクションを最終産物として回収する。

本発明の方法および装置を添付の図面を参照して説明する。

同じ参照記号は図面の説明全体を通じて同じ部分を示す。

図１に示すように、微粉砕チャンバ１０は原料の投入シュート１２および微粉砕生成物放出ダクト１４を有する。このチャンバのハウジングは下方パンまたは壁１６、円筒状側壁１８および略円形のリッドアセンブリー２０を含む。放出ダクトはサイクロン分離器２２の最上部円筒部分に延びている。分離器内で空気から分離した固体は下部円錐の底部に集まり、放出シュート２４から排出される。微粉砕チャンバの投入シュート１２および分離器の放出シュートにそれぞれあるスターバルブは微粉砕チャンバおよびサイクロン分離器への投入およびそれらからの放出をそれぞれ制御し、これら２装置内の固有の空気圧を維持する。

ブロア３０が分離器内の空気をダクト３２を介してまず始めにデミスター３４に、次に加熱コイル３６、最後に複数のジェット３８に流す；ここで空気は微粉砕チャンバに注入される。この空気はチャンバを循環し、ダクト１４に再循環され、上記分離器に戻る。

上記ジェットはチャンバ周囲に等間隔で配置される。ジェットは４個、６個、８個またはそれ以上でもよい。４個の場合、それらは９０度の間隔で配置され、６個の場合は６０度の間隔である、等々。蓋上のベント４０はチャンバ内の水分担持空気の一部を大気中に逃がすことができる。

微粉砕チャンバ内には複数の、好ましくは８本の鎖４２があり、それらはハブ４４に取り付けられ、モーター４６によって水平面に回転する。モーターによって駆動される車軸４８にフライホイール（図示されていない）を造りつけ、モーターへの電流供給を安定化することができる。

微粉砕チャンバの鎖の代わりに放射状に延びる刃を使用してもよい。この方が大抵の場合より好ましい。なぜならばそれらを回転させる際に消費される電力が鎖を同速度で回転するのに要する電力よりも小さいからである。その上、チャンバが鎖よりも刃を含む場合の方が、スラッジの処理量をより大きくすることができると考えられる。これらの刃はハブ４４にピボット状に取り付けられ、それらの角度を調節することができる。

刃は比較的低い抗力係数を有するように設計されなければならない。刃の好ましい横断面は涙滴形である。これらの刃については、以下に述べる二つの米国特許第５,８３９,６７１号および第６,０２４,３０７号に詳細に記載されている。

上記鎖の上にはバッフルプレート５０および円錐台またはトーラス５２がある。トーラスは中空で、図２に示すようにその上壁５４は凹面であり、その底部壁５６は平面である。トーラスの中心には円形の開口５８がある。

図３を参照すると、例えば溶接によってトーラスの底部壁５６に結合される８個のバッフルプレートがある。各プレートは平行した前面および後面６０、６２を有し、前面はバッフルプレートの下の鎖の回転方向６４の上流である。隣接するバッフルの前面間の角度６６は約４５ないし６０度の範囲内である。

トーラスの底部壁５６に対するバッフルプレートの角度は、バッフルプレートの前壁６０とトーラスの底部壁との間で測定して約１２０度であるのが好ましい。

バッフルプレートは鎖によって放射状に外側に引っ張られる粒子が突き当たる面として役立つ。またバッフルはチャンバの周辺の空気を内側に向け、トーラスの中心開口を通るように方向づける。

デミスター３４はチャンバ内空気およびチャンバから排出される空気の湿度レベルをコントロールする。デミスターは空気の乾燥速度を高めるが、必須のものではない。ＢＲＩＮＫの商品名で販売される繊維床ミスト除去器およびＤＹＮＡＷＡＶＥ／ＢＲＩＮＫの商品名で販売される湿式スクラバー（両者ともモンサント・エンヴィロ−ケミ・カンパニー（Monsanto Enviro-Chem Company）の製品である）はこの目的に適している。

デミスターから出た空気は一般的構造の加熱コイル３６によって加熱される。このコイルから出る空気の温度を測定するための温度センサーがあり、このセンサーによってこの空気の温度は正確にコントロールされる。上記加熱コイルは好ましいとはいえ必須ではない。

トーラス、バッフルプレートおよびチャンバの側壁は、チャンバ内の空気が図４の矢印７２によって示される経路を流れるような構造になっている。

微粉砕チャンバは公知であり、１９９８年１１月２４日および２０００年２月１５日にそれぞれ発行されたサンド（Sand）らの米国特許第５,８３９,６７１号および第６,０２４,３０７号に記載されている。両特許の主題は参考として本出願に組み込まれる。サイクロン分離器は材料管理技術に精通した人々にはよく知られている。

（操作法）
出発原料は通常はバイオマスであり、特に、製材所または製紙工場の廃棄物または副産物として出るのこ屑、木片および樹皮などの製材屑燃料である。それは単独のまたはその他の有機物と組み合わせたきゅう肥でもよい。そのきゅう肥はウマ、ウシ、ブタ、ヒツジ、ニワトリからのものでよい。競馬場から出る廃棄物は例えばウマのきゅう肥、藁および木材チップを含むのが普通であり、このような廃棄物は本発明の方法のための適切な出発原料である。

出発原料は紙パルプスラッジでもよい。このようなスラッジは製紙工業の廃棄物であり、種々の形をとる。スラッジは脱墨紙スラッジの形、いわゆる“一次紙スラッジ”の形、またはいわゆる“二次紙スラッジ”の形でよい。上記スラッジはこのようなスラッジの２種類または３種類の組み合わせでもよい。脱墨スラッジは光沢紙の雑誌の製造中に発生する廃棄物である。この廃棄物は通常カオリンの形のクレーを含む。“一次紙スラッジ”は残留木材繊維であり、“二次紙スラッジ”も著量の細菌を含む残留木材スラッジである。

紙パルプスラッジは種々様々の特性を有する。概して、微粉砕チャンバに供給されるスラッジの水含有量は約６０重量パーセントより高くしてはならない。しかしある場合には水分含有量はこのように高くはできない。水分含有量が高過ぎる場合、スラッジはバッフルおよびチャンバの内壁を覆う傾向があり、電力消費の突然のサージング、非均一な放出速度などの不都合な結果をもたらす。

供給材料の水分含有量が高過ぎると、チャンバから放出されるスラッジの水分含有量も高くなり過ぎることがある。放出されるスラッジの水分含有量を減らすために、それをチャンバに再循環させ、再処理することができる。再循環されるスラッジは、当然、チャンバに加えることができる新鮮スラッジの量を減らし、その結果チャンバからの放出量が減少する。

供給材料の組成によって水分レベルがどの程度高くなり得るかが決まる。最終産物中の水分レベルが高くなり過ぎるとか、チャンバからの放出速度が不均一になるとか、または容認できない電力サージングが起きるようならば、（供給材料の）水分含有量が高すぎるのかも知れない。

水分含有量が高過ぎるならば、それを減らすための諸工程を実施しなければならない。これには種々の方法がある。スラッジは一般的ねじプレスまたはベルトプレスによって、またはこれらの組み合わせによって乾燥できる。或いは、スラッジを一般的マルチパス乾燥機によって乾燥することができる。その際上記乾燥機では燃料を燃焼チャンバで燃焼して熱いガスを生成し、そのガスが上記乾燥機を循環してスラッジの水分を追い出すのに十分高い温度にまでスラッジを加熱する。スラッジは、一般的熱交換器からの熱いガスによって加熱された、乾燥機全体を循環する空気によって乾燥することもできる。

スラッジを本発明の方法の最終産物と混合することによって出発原料の水分含有量を減らすこともできる。言い換えれば、生産物を再循環させ、未処理スラッジと混合して必要な水分含有量を有する出発原料を生成することができる。或いは、出発原料を比較的低い水分含有量を有する材料、例えば木材チップまたは製材屑燃料などと一緒にして許容上限を下回る水分レベルを有する出発原料を生成することができる。

出発原料は約１０ｃｍを超えない大きさの粒子からなっていなければならない。より大きい粒子はチャンバ内でブリッジを形成し、チャンバの目詰まりをおこす可能性がある。このような粒子はローターによる電力消費に不都合なサージングを起こし、その結果ローターまたは微粉砕チャンバのその他の構成部品を損傷することもあり得る。

鉄または非鉄金属物質などの非有機性物質は、出発原料をチャンバに供給する前に除去しなければならない。この目的のために一般的電磁石またはベルト式磁石を使用することができる。石は一般的除石機によって除去される。

出発原料をチャンバの入り口１２のスターバルブを介して供給する。チャンバではそれはトーラスの凹面状上壁に落ち、その壁を滑り落ち、トーラスの中心開口５８に入る。その材料はそこから、鎖または刃で形成されたローター４２の路に入り、遠心力によって側壁１０およびバッフルプレート５０にたたきつけられ、その結果材料は微粉砕される。

チャンバの側壁およびバッフルプレートに対する粒子の多重衝突、並びに粒子同士の多重衝突の運動エネルギーが材料の温度を上昇させ、その結果材料の水分の急速な蒸発またはフラッシングが起きる。その上、多重衝突は粒子中の水分を固体物質から文字通り絞り出させる。衝突のエネルギーおよび運動熱は材料中の病原体類および大腸菌類の多くを死滅させる。チャンバ内の粒子類の遠心加速も病原体類および大腸菌類の破壊速度を高める。

材料から逸出する水分が蒸気の形であっても同じことが言える。チャンバ内温度は通常約７０℃以下であるから、蒸気の形の水分はひとたび分離すると、直ちに再凝縮して微細なミストになる。ミストの一部がベント４０から排出されるが、大部分のミストは、サイクロン分離器に移動する粒子担持空気によって上方へ運搬される。そのミストは分離器からデミスター３４に流入し、そこでミストは空気から除去される。

固体粒子はチャンバから空気流によって運び出され、サイクロン分離器２２内で空気から分離される。これらの粒子は出発原料中のときよりも実質的に乾燥している。

図４に示すように、チャンバ内空気が動く方向は矢印７２によって示される。この図に認められるように、ローターは空気流そのものをバッフルプレート５０の下でダブルバックさせ、２つの流れに分割させる。一つの流れ７２ａはトーラス周囲とチャンバの側壁との間の環状空間を上方に流れる。もう一つの流れ７２ｂはトーラスの中心開口を通って真ん中を上方に流れる。どちらの流れも材料粒子の多くを担い、排出管１４から出ていく。

チャンバ内の空気は回転ローターによって流れが決まり、サイクロン分離器に流入し、そこで空気は材料粒子から分離され、ブロワー３０によって管３２を通過し、一つの流れとしてチャンバ内に供給される。空気のチャンバ内への流入点にあるノズルは空気の流入方向をチャンバの側壁並びにトーラス周囲に接線方向となるようにする。

上に述べたように、噴流は２本の流れに分かれる。一方の流れ７２ａは、材料粒子をトーラス周囲とチャンバの側壁との間を上昇させ、他の流れ７２ｂは、材料粒子がチャンバの中心を通って排出されるのを助ける。両方の流れが出合い、前に記載したようにダクト１４を介して放出され、同時に材料粒子を運び出す。

出発原料から抽出される水分量に影響を与える多くの要因がある。これらの要因には材料を微粉砕チャンバに供給する速度、側壁およびバッフルと衝突する瞬間の材料の速度、チャンバ内温度、サイクロン分離器内の空気温度、微粉砕チャンバ内の空気の流速等々がある。これらの要因が有する効果は次のようである：
（１）供給速度：この速度が大きければ大きいほど、最終産物中の水分レベルは高くなる。
（２）衝突の瞬間の材料の速度：その速度が大きければ大きいほど、水分抽出速度は大きくなる。上記のように、ローターが速く回転すればするほど、材料の速度は高くなる。
（３）チャンバ内およびサイクロン分離器内の温度：好ましい温度範囲は約４５℃ないし約８０℃であり、より好ましい範囲は約５０℃ないし約６５℃である。大抵の場合、チャンバ内および分離器内の温度は、本来それらが好適に運転しているならばこの範囲内になり、よってそれらの温度を制御する必要はない。
（４）微粉砕チャンバ内の空気の流速。速度が大きければ大きいほど、チャンバおよびサイクロンを通る材料の処理量は大きくなり、この製法の生産量は高くなる。その上、空気の流速が大きければ大きいほど、固体粒子からより多くの水分が除去される。

微粉砕チャンバおよびサイクロン分離器は、約１５重量パーセント未満の水を含む最終産物が生成するようなやり方で運転されなければならない。この結果は供給速度、チャンバ内および分離器内温度、ローターの回転速度、空気速度等々の調節によって達成される。

乾燥した材料粒子および水滴はダクト中の空気によってサイクロン分離器に運ばれ、そこで上記粒子類は分離され、分離器の底部のスターバルブを介して本発明の方法の最終産物として排出される。空気および若干の水分はジェット３８を介して微粉砕チャンバに再循環され、残りの水分はデミスター３４によって除去される。

脱墨スラッジは通常かなりの量のクレーを含む。このクレーは一般にカオリンであるが、このようなスラッジにはその他のクレーも見いだされる。これら粒子を大きさによって分類することにより、クレーは最終産物から簡単に分離できる。約２５０ミクロンより大きい粒子は実質的に完全に木材繊維からなる一方、約２５０ミクロンより小さい粒子は主としてクレーからなる。乾燥粒子は種々の手段、例えばトロンメルやスクリーンによって分類できる。

本発明の方法の性能を試験するために、種々の出発原料を種々の速度で微粉砕チャンバに供給した。出発原料および最終産物の水分含有量を測定し、電力消費量をモニターした。結果を図５に示す。

結果は、きゅう肥および脱墨スラッジを含む紙スラッジの水分含有量が、本発明の方法によって有意に減少することを示す。水分含有量は、所望ならば１０パーセント未満に減らすことができる。図５は、所与量の水分を除去する場合、本発明の方法が水分蒸発のために市販されている大部分の加熱乾燥機よりも少ないエネルギーを使用することも示している。実際、本発明の方法のエネルギー使用量は水の潜熱よりも小さい。それは、本発明の方法が水分含有量を減らすために主として機械的力を使用し、付随的に蒸発を利用しているに過ぎないからである。

競馬場からの廃棄物を出発原料として使用した。この廃棄物は１０％ウマきゅう肥、３０％藁、３０％干し草、および残りが木材チップであった（全て重量パーセント）。藁は一般的シュレッダーを使用して２ｃｍ片に切断し、その後その他の物質類と混合した。この出発原料を本発明の微粉砕チャンバおよび分離器に供給した。最終産物は、燃料として一般的なごみ燃焼チャンバで燃やすことができる細かい乾燥粉末であった。

下水選別くず、すなわち下水処理工場から出る沈殿物を本発明の方法の出発原料として使用した。選別くずの水分含有量は、選別くず中の水の潜熱より小さいエネルギーの使用によって、５０パーセントから２０パーセントに減少した。乾燥した選別くずは本発明の工程に再循環させることができ、それらを廃棄する必要性はなくなる。図５に結果を示す。

本発明の方法および装置にはここに記載され請求される本発明の範囲および条項から逸脱することなく変更を加え得ることは、当然理解される。

本発明の装置の構成部品の略図である。 微粉砕チャンバ内に取り付けられたトーラスの部分拡大斜視図である。 トーラスの底部壁に取り付けられたバッフルプレートの拡大図である。 微粉砕チャンバの空気の方向を示す図である。 本発明の方法を種々の出発原料で実施する際に得られる結果を示す表である。

Claims (20)

1. 有機物質の水分含有量を、前記有機物質を燃料として適切に使用できるレベルにまで減らす方法であって；
   （ｉ）有機物質である出発原料を用意し；
   （ｉｉ）一部は側壁および下壁によって規定される内部空間を有する微粉砕チャンバに前記物質を導入し、前記物質を前記内部空間に落下させ；
   （ｉｉｉ）前記落下物質を主に水を含む第一フラクションと；前記第一フラクションより水分が少ない物質を含む第二フラクションとに分離させ得る十分な力で前記落下物質を前記側壁に衝突せしめ；
   （ｉｖ）前記第一フラクションを前記チャンバから排出させる手段を配設し；
   （ｖ）前記第二フラクションと未排出の第一フラクションとを前記チャンバから運び出して内壁を有する分離器に導入するのに十分な速度で、空気を前記チャンバに流入させ；
   （ｖｉ）前記分離器内の空気によって、工程（ｖ）からの前記第二フラクションを前記内壁と接触させ、その結果として工程（ｖ）からの空気および未排出の第一フラクションから前記第二フラクションを分離し；
   （ｖｉｉ）（ａ）廃棄物質が工程（ｉｉｉ）の側壁に衝突する速度；（ｂ）工程（ｉｉ）の廃棄物質をチャンバに供給する速度；（ｃ）チャンバ内温度；（ｄ）分離器内の空気温度；および（ｅ）工程（ｖ）における空気の流速、の少なくも一つを調節して、工程（ｖｉ）からの第二フラクション中の水の割合を約１５重量パーセント未満に減らし；（ｖｉｉｉ）工程（ｖｉ）からの前記第二フラクションを最終産物として回収する
   諸工程を含む方法。
2. 工程（ｉ）の出発原料の水分含有量を約６０重量パーセント以下に調節する工程をさらに含む請求項１記載の方法；
3. 工程（ｉ）の出発原料の水分含有量を約４０重量パーセント以下に調節する工程をさらに含む請求項１記載の方法。
4. （ｉｘ）工程（ｖｉｉｉ）からの前記最終産物を実質的に完全に木材繊維からなる約２５０ミクロンより大きい第一部分と、実質的に完全にクレーからなる約２５０ミクロンより小さい第二部分とに分離する工程をさらに含む請求項１記載の方法。
5. （ｘ）工程（ｉｉｉ）の前記落下物質を前記側壁に衝突させる推進手段を前記内部空間に配設する工程を含む請求項１記載の方法。
6. 前記推進手段として鎖が取り付けられる請求項５記載の方法。
7. ピボット状に取り付けられた複数の刃が前記推進手段として取り付けられる請求項５記載の方法。
8. 比較的低い抗力係数を有する硬質要素を選択する工程をさらに含む請求項７記載の方法。
9. 涙滴形の横断面を有する硬質要素を選択する工程をさらに含む請求項７記載の方法。
10. 円錐形の上壁と平らな下壁を有するトーラスを前記チャンバ内に備え、前記落下物質が前記チャンバの中心を通るように方向づける工程をさらに含む請求項１記載の方法。
11. 前記トーラスの下に複数のバッフルプレートを備え、前記トーラスの下の前記落下物質の流れを方向づける工程をさらに含む請求項１０記載の方法。
12. 前記各バッフルプレートが前方壁および後方壁を有し、隣接する前方バッフルの前方壁間の角度が約４５度である請求項１１記載の方法。
13. 前記各バッフルプレートの前方壁と前記トーラスの底部との間の角度が約１２０度である請求項１２記載の方法。
14. （ｘｉ）紙パルプスラッジを含む主材料と実質的な量の細菌を含む木材パルプを含む二次的材料との混合物を少なくも等重量の脱墨材料と組み合わせて工程（ｉ）の出発原料を生成する工程をさらに含む請求項１記載の方法。
15. （ｘｉｉ）工程（ｖｉｉｉ）からの第二フラクションの十分な量を工程（ｉ）の材料に再循環して前記出発原料を生成する工程をさらに含む請求項１記載の方法。
16. （ｘｉｉｉ）前記内部空間の温度を約４５ないし約８０℃の範囲の数値に調節する工程をさらに含む請求項１記載の方法。
17. 前記内部空間の温度が約５０ないし約６５℃の範囲の数値に調節する工程をさらに含む請求項１６記載の方法。
18. 前記分離器がサイクロン分離器である請求項１記載の方法。
19. 前記有機物質が紙パルプスラッジである請求項１記載の方法。
20. 前記有機物質がきゅう肥である請求項１記載の方法。

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