JP2007119641A - 有機性汚泥由来の固形燃料 - Google Patents

Abstract

【課題】固形燃料として高い燃焼性を示し、窒素酸化物や硫黄酸化物の排出量を抑制するものとする。
【解決手段】有機性汚泥を乾燥した後、炭化して得られる有機性汚泥由来の固形燃料において、水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが、０．８〜１．８であり、石炭と共に燃焼するものとする。
【選択図】なし

Description

本発明は、有機性汚泥を乾燥した後、炭化して得られる有機性汚泥由来の固形燃料、特に石炭と共に燃焼する下水処理場にて処理される汚泥（以下、下水汚泥と言う）、し尿汚泥、家畜糞尿汚泥、農業集落排水汚泥等の有機性汚泥由来の固形燃料に関する。

環境問題の高まりに応じて、有機性汚泥の有効利用に関する技術開発が盛んに行われている。有機性汚泥の有効利用については、従来のコンポスト化による緑農地利用、建設資材への利用をさらに発展させて、炭化汚泥とする技術も開発されている。
特許文献１には、乾燥下水汚泥を造粒し、空気遮断雰囲気のロータリーキルンにより、３００〜６００℃で４〜２２分間炭化し、その後に直ちに冷却したものを、ボイラーやセメントキルン等の燃料代替として使用することが開示されている。
特開２０００‐２６５１８６号公報

特許文献１のものは、製紙スラッジ、食品汚泥、下水汚泥を例示しており、かつ一様なものとして当該技術について説明がなされている。
しかし、現実に、有機性汚泥は、排出形態や処理方法（消化工程の有無等）、季節変動によって性状が大きく相違するにも関らず、一律的な乾燥及び炭化処理を行うと、固形燃料として必要な物性が得られないことが知見された。また、先行特許文献１のものは、条件がかなり不明であるものの、原子数比Ｈ／Ｃは０．６以下ではないかと挙げられた各種の数値から推測される。
本発明者らは、原子数比Ｈ／Ｃが０．６以下では、後述のように、燃焼性を高め、窒素酸化物や硫黄酸化物の排出量を抑制するなどの観点から適していないことを知見した。
したがって、本発明の主たる課題は、固形燃料として高い燃焼性を示し、窒素酸化物や硫黄酸化物の排出量を抑制することができるなどの利点をもたらす有機性汚泥の固形燃料を提供することにある。

上記課題を解決した本発明は、次記のとおりである。
＜請求項１項記載の発明＞
有機性汚泥を乾燥した後、炭化して得られる有機性汚泥由来の固形燃料において、
水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが、０．８〜１．８であり、石炭と共に燃焼する固形燃料であることを特徴とする有機性汚泥由来の固形燃料。

＜請求項２項記載の発明＞
水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが、１．０〜１．６である請求項１記載の有機性汚泥由来の固形燃料。

本発明によれば、後述する説明からも判るように、固形燃料として高い燃焼性を示し、窒素酸化物や硫黄酸化物の排出量を抑制することができるなどの利点をもたらす。

以下、本発明を具体例に基づき詳説する。
本発明は、石炭と共に燃焼する有機性汚泥由来の固形燃料において、水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが、０．８〜１．８、特に１．０〜１．６が好適であるとの知見に基づくものである。
まず、かかる知見の基礎について説明し、その後に本発明による水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃの選定理由について述べることとする。

＜基礎的な知見＞
有機性汚泥の一例として下水汚泥を乾燥し炭化させた固形燃料を化石燃料の代替とする場合、その燃料を得る過程での消費エネルギーを、ＣＯ２の排出量の観点から考えることが、環境問題を解決する上で必要である。
すなわち、図１に示すように、下水汚泥の乾燥及び炭化に必要なエネルギーとして、電力及び化石燃料（たとえば灯油）を消費する。これらは電力消費に伴うＣＯ２の排出量（１）及び化石燃料消費に伴うＣＯ２の排出量（２）としてあらわすことができる。これに対し、下水汚泥の炭化物を代替燃料に使用すればその分がＣＯ２の削減量（３）となる。
ＣＯ２の排出量の削減の観点からは、（１）＋（２）＜（３）であることが望ましい。

（１）及び（２）は、製造プロセスによって変化するが、図２のプロセスでは、図４の関係があることを知見した。
すなわち、図４は、乾燥に供する下水汚泥（脱水汚泥：脱水処理後の汚泥）の含水率（％）と、その下水汚泥の強熱減量（ＶＴＳ％）と、固形燃料における水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃとの関係を表したものである。ここで、前記電力及び（化石）燃料の使用に伴うＣＯ２排出量（（１）＋（２））に対して前記固形燃料を使用することによるＣＯ２削減量（３）がバランスする（等しい）点を、原子数比Ｈ／Ｃごとプロットしたものである。かかる第１の相関は実験的にあるいは推計計算により、予め求めることができる。

一方、炭化に供する炭化時間と、炭化温度と、固形燃料における水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃとの第２の相関も、予め求めることができる。この第２の相関は、下水汚泥の強熱減量（ＶＴＳ％）への依存性は低く、かつ、乾燥汚泥の含水率が１０％以下の範囲内においては一義的に、炭化装置による炭化実験により求めることができるものである。含水率が１０％を超える場合は、水分蒸発に伴う炭化時間の遅れを補正する必要があるが、含水率が３０％までであれば、その変動幅は２０％以内に収まることが知見されている。

しかるに、前述のように、下水汚泥を始めとする有機性汚泥は、排出形態や処理方法（消化工程の有無等）、季節変動によって性状、特に含水率（％）及び強熱減量（ＶＴＳ％）が大きく変動する。かかる変動にも関らず、前掲の原子数比Ｈ／Ｃ範囲のものを確実に得るためには、前記第１の相関下で、処理対象たる現に乾燥に供する有機性汚泥の含水率と、その有機性汚泥の強熱減量とに基づき、得ようとする固形燃料における水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃを選定し、選定した原子数比Ｈ／Ｃに基づき、前記第２の相関下で、炭化時間及び炭化温度を選定し、その選定条件の下で、炭化を行うのが望ましい。

かかる選定条件に基づく炭化においては、処理対象たる現に乾燥に供する有機性汚泥の含水率と、その有機性汚泥の強熱減量とに基づき、第１相関及び第２相関を利用して、炭化時間及び炭化温度を選定し、その選定条件の下で、炭化を行うものであるから、目的の、好ましくは前掲の原子数比Ｈ／Ｃ範囲の固形燃料を確実に得ることができるのである。

ここで、第２相関を利用して、炭化時間及び炭化温度を選定する際に、原子数比Ｈ／Ｃを定めたとき、その原子数比Ｈ／Ｃの図５の変化グラフにおいて、設備の放熱を考えると、炭化時間を短く設定した方が望ましい。しかし、炭化時間を短くするにしたがって、目的の原子数比Ｈ／Ｃを得ることが運転制御上困難となる。例えば、原子数比Ｈ／Ｃ１．４の固形燃料を得るために炭化温度を４５０℃に設定した場合、炭化時間が約１分遅れると原子数比Ｈ／Ｃ１．５となる。目的のＨ／Ｃを得るには、炭化時間として数十秒間の誤差範囲で制御することが必要となるが、このような運転は実質的に困難である。

しかるに、本発明者らは、実質的に運転制御可能な炭化時間、炭化温度の設定に関し、以下のポイントが最適ポイントであることを知見した。
第２相関において、目的の原子数比Ｈ／Ｃを得るにあたり、炭化温度θ℃と、当該原子数比Ｈ／Ｃカーブとの交点における炭化時間をＴ（θ）分としたとき、原子数比Ｈ／Ｃカーブに対して０．１ポイント異なる２つの隣接する原子数比Ｈ／Ｃカーブとの交点のうち、前記Ｔ（θ）に対してより近い炭化時間の差（たとえば図５において、炭化時間の差ＸとＹがあるとき、Ｘ＜ＹであるからＸを基準とする。）をΔＴ（θ）とした場合、
ΔＴ（θ）／Ｔ（θ）≧０．２
となる炭化時間のポイントが最適炭化時間となる。

上記における下水汚泥の強熱減量（ＶＴＳ％）および含水率（％）は、社団法人下水道協会「下水試験方法」上巻１９９７年度版の２９６〜２９７頁記載の方法により測定でき、また、固形燃料における水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃは、ＪＩＳ Ｍ ８８１２「石炭類及びコークス類‐工業分析法」により水素と炭素を測定し、算出することができる。

＜本発明が依拠する知見＞
本発明において、水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃは、０．８〜１．８が望ましく、特に１．０〜１．６が好適であると述べたが、この理由は、第１に図６に示す関係に基づく。すなわち、図６は、Ｈ／Ｃと燃料比（固定炭素の揮発分に対する重量比）との相関グラフであり、Ｈ／Ｃの低下とともに燃料比が増大し、固形燃料としての燃焼性が悪化すると共に窒素酸化物の生成量も増加する。しかし、石炭火力発電所において石炭と混焼する場合には高い燃焼性が要求される。石炭の燃料比は、産地によってバラツキがあるが、１．０〜２．４程度（平均で約１．６程度）であり、石炭と同等以上の固形燃料とするには燃料比１．６以下、より望ましくは燃料比１．０以下とすることが必要である。

図７は、Ｈ／Ｃと硫黄分含有率（％）との相関グラフであり、硫黄分含有率（％）が少ないほど硫黄酸化物の排出が少ない。下限値は、Ｈ／Ｃが１．２近傍にある。石炭の硫黄分含有率（％）は、これも産地によって異なるが、０．１〜１．２程度（平均で約０．６程度）である。硫黄分含有率を平均的な石炭と同等とするには、前述の原子数比Ｈ／Ｃ範囲内で選択するのが望ましいのである。

他方、石炭の原子数比Ｈ／Ｃは、産地によって異なるが、０．６〜１．０程度で、平均は０．８程度である。この点に関し、先行特許文献のものは、条件がかなり不明であるものの、原子数比Ｈ／Ｃは０．６以下ではないかと挙げられた各種の数値から推測される。この意味で、本発明が狙う原子数比Ｈ／Ｃの値はかなり高いものである。

他の選定理由は、石炭火力発電所において石炭と混焼する場合における黒色度である。原子数比Ｈ／Ｃが高いと、高い黒色度が得られず、石炭の黒色度と大きく相違するものとなり、外観の点で不安感を与える難がある。

有機性汚泥のその他の例として、し尿汚泥や家畜糞尿汚泥等があるが、下水汚泥の場合と大きな相違はない。図４〜図７について、し尿汚泥と家畜糞尿汚泥のデータをそれぞれ▲マークと●マークにて示す。図４および図５では、水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが１．０となるポイントを示しているが、下水汚泥のそれとほぼ同等の値を取る。図６と図７についても、下水汚泥の場合と同等となるが、図７の硫黄分含有率は、初期含有率の程度によって絶対値が変動する。しかし、硫黄含有率が最小となるピークの位置はほとんど変動しないため、水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃの好適範囲は大きく変わらない。

＜設備例＞
図２は第１の設備例を示すもので、ベルトプレスなどにより脱水された脱水有機性汚泥１は乾燥機１０に供給される。乾燥機１０には第１熱風炉１２からの熱風により乾燥が図られ、乾燥した乾燥汚泥２は炭化炉２０に供給される。炭化炉２０では、第２熱交換器１８により燃焼空気が加温され、これが第２熱風炉２２において燃料の下で昇熱された熱風が吹込まれ、炭化処理が行われる。炭化汚泥は、冷却し、ハンドリング性の良化などの観点から、図示しない造粒機、好ましくは圧縮造粒機により所定の粒度に造粒され、固形燃料とされる。なお、造粒は炭化前に行っても良く、造粒機としては混合造粒機、圧縮造粒機等が適応可能であるが、特に押出造粒機が好適である。

炭化炉２０で発生する乾留ガスは、再燃炉１４により燃焼空気及び燃料の吹込み下で再燃され、第１熱交換器１６において、乾燥機１０の乾燥用熱風の昇温熱源として利用する。乾燥機１０の排ガスは、第１熱交換器１６を通り、再燃炉１４からの排ガスの熱を受けて、第１熱風炉１２に送入される。乾燥機１０の排ガスの一部は、減湿塔２４に導かれ、湿度の低減が図られた上で、再燃炉１４での燃焼効率を高められるように吹込まれる。

図３は第２の設備例を示すもので、減湿塔２４を使用せず、乾燥機１０の排ガスを再燃炉１４で再燃させた後、その排ガスを乾燥機１０に返送するようにしたものである。また、第１熱交換器１６では、再燃炉１４からの排ガスにより燃焼空気を加熱し、再燃炉１４に吹込むようにしてある。

これらの設備は例示であり、他の形態も当然に採用できる。また、乾燥機１０や炭化炉２０の形式に限定はない。ちなみに、炭化炉２０の形式としては、ロータリーキルン、スクリュウー式、流動床式などがある。乾燥機１０では、出口水分が１０〜４０％、特に１５〜２５％とするのが望ましい。

得られる固形燃料は、石炭火力発電所において石炭と混焼する場合に特に有効であるが、固形燃料物を燃料とするボイラーへの適用も可能である。

ＣＯ２量に関する説明図である。 第１の設備例のフローシートである。 第２の設備例のフローシートである。 下水汚泥の含水率と、強熱減量と、固形燃料における水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃとの第１の相関図である。 炭化時間と、炭化温度と、固形燃料における水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃとの第２の相関図である。 Ｈ／Ｃと燃料比との相関グラフである。 Ｈ／Ｃと硫黄分含有率との相関グラフである。

符号の説明

１…脱水有機性汚泥、１０…乾燥機、１４…再燃炉、１６…第１熱交換器、２０…炭化炉、２２…第１熱風炉。

Claims (2)

1. 有機性汚泥を乾燥した後、炭化して得られる有機性汚泥由来の固形燃料において、
   水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが、０．８〜１．８であり、石炭と共に燃焼する固形燃料であることを特徴とする有機性汚泥由来の固形燃料。
2. 水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが、１．０〜１．６である請求項１記載の有機性汚泥由来の固形燃料。

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