JP2007284478A - バイオマスの資源化方法および資源化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 化石燃料の使用を抑制しながらも多量のバイオマス資源を生成でき、しかも資源化のためのコストを抑制できるバイオマスの資源化方法および装置を提供する。
【解決手段】 焼却炉２３に設けられた廃熱ボイラ２４による蒸気を、配管２４ｘを用いて乾燥炉１１に送ることによりその熱でバイオマス（とくにウェット系のバイオマス）を乾燥させたうえ、炭化炉１２において乾燥バイオマスの炭化を行う。また、乾燥炉１１で生じる排ガスを、配管１１ｘを通して上記焼却炉２３の燃焼部に導入する。
【選択図】 図１

Description

請求項に係る発明は、バイオマス、とくに含水率の高いバイオマスを乾燥等させて資源化（または再資源化）をはかるという、バイオマスの資源化方法および資源化装置に関するものである。

地球温暖化防止策の一つとして、カーボンニュートラルなバイオマスの利用が求められている。バイオマスの中でも、汚泥や農業系廃棄物、家畜糞尿、食品工場廃棄物、生ごみなど、いわゆるウェット系のバイオマスは、木材などのドライ系のバイオマスに比べて発生量が多いため、資源化して有効利用をはかることがとくに期待されている。しかし、そのようなバイオマスは、含水率が高いため、資源化をはかることが容易ではない。乾燥等のために化石燃料を使用するとしたら、地球温暖化防止には貢献できないのである。

下水汚泥を燃料化するための方法および装置について、下記に示す特許文献１がある。同文献１の技術は図６のように表され、下水汚泥を、乾燥炉１１’から炭化炉１２’へと供給することにより、燃料として利用できる炭化物を生成する。乾燥・炭化のための熱源として、汚泥の一部を燃焼させる汚泥焼却炉３１を使用する。そしてその汚泥焼却炉３１には、生成した炭化物の一部を燃料として供給し、もって当該汚泥焼却炉３１での化石燃料の使用量を削減するというのである。
特開２００５−３１９３７４号公報

上記した特許文献１の技術では、化石燃料の使用量は少なくなると期待されるが、生成した炭化物の一部を燃焼させるため、下水汚泥（バイオマス）うち資源として利用できるもの（炭化物）が少なくなってしまう。
また、上記の技術（図６を参照）では、乾燥炉から出る強い臭気をともなうガスを排ガス処理装置３２に送り、そこで処理したうえ排出している。しかし、専用の排ガス処理装置を設けることは、汚泥の資源化に要するコストを引き上げてしまうことになる。

請求項に係る発明は、以上のような課題を解決するためになしたもので、化石燃料の使用を抑制しながらも多量のバイオマス資源を生成でき、しかも資源化のためのコストを抑制できるバイオマスの資源化方法および装置を提供するものである。

請求項に係るバイオマスの資源化方法は、燃焼機器（焼却炉や高温反応炉など各種の燃焼機器をさす）に設けられた廃熱ボイラ（すなわち、当該燃焼機器において発生し利用されない余剰の熱を利用するボイラ）による蒸気を用いてバイオマス（とくに前記したウェット系のバイオマス）の乾燥を行ったうえ、その炭化を行うとともに、バイオマスの乾燥により生じる排ガスを上記燃焼機器の燃焼部に導入することを特徴とする。

この発明の資源化方法によると、つぎのようなメリットがある。すなわち、
a) バイオマスの乾燥を、燃焼機器の廃熱ボイラによる蒸気を用いて行うため、専ら当該乾燥のために使用する化石燃料をゼロにし、または極めて少なくすることができる。バイオマスの処理量が燃焼機器の廃熱の熱量とのバランスを欠かないように調整すれば、当該バイオマスや生成した炭化物を燃焼させる必要もないので、資源として得る炭化物の量が少なくなるおそれがない。このような点は、地球環境に関して好ましいほか、ランニングコストの点でも極めて有利である。
b) バイオマスを、乾燥させるだけでなく炭化させるので、利用しやすい形態の資源を得ることができる。乾燥させただけであれば、汚泥や家畜糞尿等のバイオマスは臭いが強くカビも発生しやすいが、炭化させたなら、臭気もなくなり腐敗もしなくなる。また炭化物は、石炭火力発電所等の発電設備や熱供給設備において燃料として使いやすいほか、セメント工場での原燃料利用、製鉄所・製鋼所での還元材や燃料・保温材としての利用もできる。また、腐敗しないうえに水分の吸着能力をもつので、緑農地における土壌改良材としての利用もできる。バイオマスによる資源をこうして広く利用することにより、地球温暖化防止に貢献でき循環型社会の形成に寄与できることは言うまでもない。なお、乾燥させたバイオマスを炭化させる際には、化石燃料の使用はわずかで足りる。炭化過程の安定運転時には熱分解が自ら進行するので、化石燃料は、起動時と停止時、安定運転時の種火分、および安定運転時の温度制御分のみしか必要ないのである。
c) バイオマスの乾燥により生じる排ガスを燃焼機器の燃焼部に導入するため、脱臭のための排ガス処理手段（脱臭炉等）がなくとも、当該廃熱ガスの臭気をなくすことができる。脱臭炉が不要であるため、バイオマスの資源化に必要なイニシャルコストを抑制することが可能である。さらにたとえば、燃焼脱臭炉での化石燃料も不要となる。また、乾燥させるためにバイオマス中の水分（多くの場合、窒素やリン、細菌など有害なものが含まれる）を施設外に流出させないことに加え、臭気をも放出しないことから、住環境を維持するうえで極めて好ましい。

上記の燃焼機器としては、廃棄物焼却炉を使用するのがとくに好ましい。
廃棄物焼却炉（とくに一般廃棄物の焼却炉）では、その熱エネルギーにて発電等を行うほどには処理能力が十分でない小規模のもの（たとえば日毎の処理量が１００トン未満のもの）が処理能力換算で数十％あり、焼却炉から出る高温の排ガスは、集塵等の都合から水を噴霧して冷却している。つまり、廃棄物焼却炉では、排ガスの熱（廃熱）は利用されることなく捨てられている場合がまだまだ存在する。
廃棄物焼却炉におけるこのような廃熱を利用して蒸気を発生させ、それをバイオマスの乾燥に使用するなら、いわば捨てていた熱エネルギーを有効利用するのであるから、地球環境維持の面でもコストの面でも極めて好ましい。

発明の資源化方法において上記のように乾燥させるバイオマスの処理量は、その乾燥にて蒸発させた水分（すなわち、バイオマスの乾燥により生じる排ガス中に含まれていて、当該排ガスとともに焼却炉に導入される水分）を廃棄物焼却炉にて当該炉の燃焼温度にまで上昇させるための熱量が差し引かれても当該炉において廃棄物が自燃するよう、調整するのが好ましい。
そのようにすれば、廃棄物焼却炉において廃棄物が自燃するとともに適切な燃焼温度に保たれるため、当該焼却炉に補助燃料を供給する必要がないからである。そうなると、バイオマスの乾燥のために使用する化石燃料を、点火（起動）時を除いてゼロにすることができ、地球温暖化防止等の点で最も望ましい。なお、一般に、廃棄物焼却炉においてはダイオキシンの発生防止の点で燃焼温度が約８００℃に設定されている。また、廃棄物が安定して自燃するためには、廃棄物の処理量１ｋｇあたり１０００ｋｃａｌの発熱があることが必要だといわれている。

バイオマスの乾燥に用いる廃熱ボイラの蒸気は、バイオマスに直接には接触させないこととするのがよい。
その方が、ボイラの配管を長期間安定して使用できるからである。もし、蒸気をバイオマスに直接接触させるなら、バイオマス中に含まれる化学成分のためにボイラ配管が腐食するおそれが生じるため、同配管として耐食性の高いものを使用しない限りその耐用寿命が短縮されることになる。

発明の資源化方法については、バイオマスの炭化の際に生じる排ガスを、上記燃焼機器の燃焼部に導入し、または同機器からの排ガスの経路に合流させるのがよい。
バイオマスの炭化にて生じる排ガスは専用の煙突から排出させてもよいが、上記のように燃焼機器の一部に導入または合流させるなら、専用の煙突が不要となり、設備費用を低減できる。なお、具体的には、炭化にて生じる排ガスが可燃性のものであれば燃焼部に導入して燃料として利用し、可燃性のものでないなら、燃焼機器に続く集塵機や送風機の入口付近に合流させるのがとくに好ましい。

請求項に係るバイオマスの資源化装置は、バイオマスの乾燥機とそれによる乾燥物の炭化炉とを廃棄物焼却炉に併設し、廃棄物焼却炉の熱を有する媒体（熱媒体。廃熱ボイラによる蒸気、または焼却炉の排ガスなど）を流す管を上記乾燥機の加熱部分に接続し、上記乾燥機の排ガスを流す管を廃棄物焼却炉の燃焼部に接続したことを特徴とする。
こうした資源化装置によれば、バイオマスの乾燥機において廃棄物焼却炉の余剰の熱を利用してバイオマスの乾燥を行ったうえ、その乾燥物を炭化炉において炭化させるとともに、バイオマスの乾燥により生じる排ガスを、廃棄物焼却炉の燃焼部に導入することができる。そのため、a)バイオマスの乾燥のために使用する化石燃料をゼロにし、または極めて少なくすることができる、b)バイオマスを炭化させることにより、利用容易な形態の資源を得ることができる、c)バイオマスの乾燥により生じる排ガスの臭気を、脱臭炉等がなくとも解消することができる−といった、前述のメリットがもたらされる。

上記発明の資源化装置においては、とくに、上記の熱媒体として廃棄物焼却炉のボイラからの蒸気を、乾燥機の加熱部分に接続された上記の管に流すこととし、バイオマスの上記乾燥機として、当該蒸気による外熱加熱方式、または当該蒸気から熱交換された循環ガスによる直接加熱方式のものを設けるのが好ましい。外熱加熱方式とは、バイオマスを入れる容器の外側に加熱用蒸気を流す方式をいい、直接加熱方式とは、熱交換によってボイラからの蒸気で別の循環ガスを加熱し、その循環ガスを直接接触させてバイオマスを加熱する方式をいう。乾燥機本体としてはキルン式または気流式のものを使用できる。
上記のようにすれば、蒸気を介して廃棄物焼却炉の廃熱をバイオマスの乾燥に円滑に利用できるうえ、その蒸気をバイオマスに直接には接触させず、したがってボイラ配管における腐食の進行を抑制することができる。

また上記の炭化炉としては、外熱キルン式、内熱キルン式、外熱スクリュー式、または加熱水蒸気式のものを設け、当該炭化炉の排ガス管を、廃棄物焼却炉の燃焼部または同焼却炉からの排ガスの経路に接続するとよい。
それによりバイオマスの乾燥物を円滑に炭化させることができ、また、炭化炉に専用の煙突が不要となって設備費用を低減できる。なお、炭化炉における炭化温度を高くすることにより、活性炭化物を生産することとするのも好ましい。

請求項に係るバイオマスの資源化方法または資源化装置によればつぎのような効果があり、資源化に要するコストを低減できるうえ、地球温暖化防止や循環型社会の形成に貢献できる。
a) バイオマスの乾燥のために使用する化石燃料を、ゼロまたは極めてわずかにすることができる。
b) バイオマスを炭化させることから、利用しやすい形態の資源とすることができる。
c) バイオマスの乾燥により生じる排ガスの臭気を、脱臭炉等を用いずに解消することができる。

発明の実施形態を図１〜図５に示す。図１は発明の基本的なプロセスを表す概念的系統図であり、図２〜図５のそれぞれは、図１の基本概念にしたがって構成したバイオマス資源化装置１〜４を示す系統図である。バイオマスとしては、汚泥や農業系廃棄物、家畜糞尿、食品工場廃棄物、生ごみなど、水分の多いいわゆるウェット系のバイオマスを扱う。

発明によるバイオマスの資源化は、図１に示すプロセスにしたがって実施する。すなわち、バイオマスの資源化手段１０を、乾燥炉１１および炭化炉１２を含むものとして構成し、同手段１０を、同一敷地内にある一般廃棄物の焼却手段２０の近くに設ける。焼却手段２０については、焼却炉２３に廃熱ボイラ２４を設ける。

乾燥炉１１は１００℃前後に加熱してバイオマスを乾燥させるものであり、炭化炉１２は、乾燥させたバイオマスを低酸素雰囲気化で熱分解（乾留）させて炭化物とする設備である。また焼却炉２３は、一般廃棄物を約８００℃の燃焼温度で焼却するもので、ここで使用するのは、処理量が１００トン／日未満であり、発生する熱エネルギーが発電に利用するには十分でないとして、通常なら排ガスをスプレー水で冷却して集塵機に送るものである。焼却手段２０は、そのような小規模の焼却炉２３に低圧の廃熱ボイラ２４を付設して構成している。

そして併設した資源化手段１０と焼却手段２０との間では、配管を介してつぎのように流体のやりとりを行う。すなわち、焼却手段２０の廃熱ボイラ２４から発生する蒸気を、配管２４ｘによって乾燥炉１１に供給し循環させるとともに、乾燥炉１１から出る排ガスを、配管１１ｘによって焼却炉２３の燃焼部に導入する。

このように資源化手段１０と焼却手段２０とを接続して併設すると、a)バイオマスの乾燥炉１１に必要な熱エネルギーを、通常なら全く利用されない焼却炉２３の余剰熱から得ることができる、b)バイオマスは炭化炉１２をも経由させて炭化物にするので、単なる乾燥物よりも利用容易な資源として回収できる、c)乾燥炉１１で発生する強い臭気をともなう排ガスを、焼却炉２３に導入して燃焼脱臭させるので、脱臭炉を設けないにもかかわらず臭気の発生がない、といった利点がある。

バイオマス資源化手段１０における処理量が焼却炉２３の発生熱量に対して過剰であれば、焼却炉２３には相当の補助燃料を使用せざるを得なくなる。乾燥炉１１の排ガス中に含まれる蒸気が多量に焼却炉２３に入ると、焼却炉２３の燃焼部において温度が低下し、補助燃料を使用しない限り前記した燃焼温度を保てなくなるからである。しかし、化石燃料を多量に使用するなら、地球温暖化防止の観点においてバイオマスを資源化する意味が薄れる。そのため、乾燥炉１１に投入するバイオマスの量は下記の条件にしたがうよう制限している。すなわち、焼却炉２３における一般廃棄物の処理量に当該廃棄物の低位発熱量を乗じた値（熱量）から、乾燥炉１１でバイオマスより蒸発させた約１００℃の水分を焼却炉２３の燃焼温度である約８００℃まで昇温するための熱量を差し引いた値が、一般廃棄物の自燃限界である１０００ｋｃａｌ／ｋｇに焼却炉２３の処理量を乗じた値以上となるようにする。式で表すと、焼却炉２３での一般廃棄物の処理量をＸ（ｔ／ｄａｙ）、一般廃棄物の低位発熱量をＡ（ｋｃａｌ／ｋｇ）、バイオマスの水分をＢ（％）、バイオマスの乾燥物の水分をＣ（％）とするとき、バイオマスの処理量Ｙ（ｔ／ｄａｙ）を、
Ｙ ≦ Ｘ×(Ａ−1000)／［｛１−(100−Ｂ)／(100−Ｃ)｝×700］
とするのである。

図１に示すプロセスの実現のためには、たとえば図２のようにバイオマス資源化装置１を構成し使用する。図２の装置１では、資源化手段１０の乾燥炉１１が外熱加熱方式のもので、炉体の周囲に外熱室１１ａを有している。その外熱室１１ａに、配管２４ｘを通して供給される焼却炉２３の廃熱ボイラ２４からの蒸気を循環させる。ボイラ２４の蒸気はこの外熱室１１ａを通るので、乾燥炉１１内のバイオマスには接触しない。乾燥炉１１に続く炭化炉１２からは再資源として炭化物を回収でき、炭化炉１２の排ガスは専用の煙突１３から排出する。なおこの装置１の焼却手段２０には、焼却炉２３としてストーカー炉を設け、それに付設して上記の廃熱ボイラ２４のほか、ごみピット２１、ごみクレーン２２、ろ過式集塵器２５、誘引送風機２６および煙突２７を配置している。

図２の装置１の一部を改変して図３のバイオマス資源化装置２を構成するのもよい。すなわち、炭化炉１２に接続して設けていた専用煙突（１３）をなくし、炭化炉１２の排ガスは配管１２ｘを通して一般廃棄物焼却手段２０に送ることとする。バイオマスの種類・性状によっては炭化の際に可燃性の排ガスが出る場合があるが、そのような場合には当該排ガスを焼却炉２３の燃焼部に導入して燃焼させる。可燃性のものでない場合には、集塵器２５の入側または誘引送風機２６の入側に配管１２ｘを接続して排ガスを合流させるのがよい。いずれの場合にも、炭化炉１２の排ガスは、焼却手段２０の煙突２７から焼却炉２３の排ガスとともに排出される。

さらに別の改変を行って、図４のようなバイオマス資源化装置３を構成するのもよい。この装置３は、資源化手段１０の乾燥炉１１の形式、およびそれに対する蒸気の供給方式に特徴がある。すなわち、乾燥炉１１として、内部に直接蒸気を吹き込む直接加熱方式のキルンを設置し、それに吹き込む蒸気は、乾燥炉１１に付設した熱交換器１１ｂで加熱して使用する。熱交換器１１ｂには、ボイラ２４で発生し配管２４ｘを経て循環する蒸気を通し、その熱を、キルン内に吹き込む上の蒸気に伝える。バイオマスが直接蒸気に接触するので加熱効率が高くなる。ただし、ボイラ２４の蒸気がバイオマスに接触するのではないので、ボイラ２４やその配管に腐食が生じやすくなる恐れはない。

図１のプロセスは、図５に示すバイオマス資源化装置４によっても実現できる。図５の装置４は、図２や図４の装置に対して乾燥炉１１の構成を変更したものである。この例における乾燥炉１１は、いわゆる気流乾燥方式のもので、バイオマスの投入器１１ｃと、二軸のスクリューを有する混合機１１ｄ、塊状のバイオマスを内部の回転体で粉砕できる解砕機１１ｅ、解砕機１１ｅから上方に延びた気流管１１ｆ、気流管１１ｆに続くサイクロン１１ｇ、ならびに、乾燥バイオマスを貯留するとともにスクリューコンベヤでそれを炭化炉１２に搬送できる貯留搬送機１１ｈなどを図示のように組み付けたものである。また熱交換器１１ｂを付設し、それを介して、一般廃棄物焼却手段２０のボイラ２４からの蒸気により、解砕機１１ｅや気流管１１ｆ等の内部に流通させるガスを加熱することとしている。

図５の装置４における乾燥炉１１では、バイオマスの乾燥がつぎのように進行する。まず、投入器１１ｃにて投入されるウェットなバイオマスは、混合機１１ｄにおいて乾燥バイオマスと混合されたうえ、解砕機１１ｅにより粉砕される。気流管１１ｆでは、粉砕され乾燥されて軽くなったバイオマスのみが上記のガスとともに上方へ運ばれ、サイクロン１１ｇに吹き込まれる。サイクロン１１ｇにおいて乾燥バイオマスは貯留搬送機１１ｈ内に回収され、バイオマスと分離された排ガスは、配管１１ｘにて焼却炉２３の燃焼部に送られる。気流乾燥方式では、上記のガスとバイオマスとが極めて広い面積を介して活発に接触するので乾燥効率が高く、したがって炭化炉１２において効率的に炭化が進行し良質の炭化物が回収されやすい。

なお、発明の実施が以上の形態に限るものでないことは言うまでもない。たとえば、図４の例または図５の例で使用している乾燥炉１１をバイオマス資源化手段１０に組み込むとともに、図３の例のように炭化炉１２の排ガスを一般廃棄物焼却手段２０に送るようにすることもできる。焼却手段２０の焼却炉２３として、ストーカー炉以外の形式のものを使用することも可能である。炭化炉１２も、特定の形式のものに限らず種々のものが使用できる。炭化炉１２における炭化温度を高くするとともに、熱分解ガスおよび水蒸気を炭化物と接触・反応させて当該炭化物を賦活させ、活性炭化物を得るようにするのもよい。そのほか、乾燥炉１１に供給する熱の媒体を、焼却炉２３以外の燃焼機器から得ることも不可能ではない。

発明の基本的なプロセスを表す概念的系統図である。 図１の基本概念にしたがって構成したバイオマス資源化装置１を示す系統図である。 同様に構成した他のバイオマス資源化装置２を示す系統図である。 同様に構成したさらに他のバイオマス資源化装置３を示す系統図である。 同様に構成したさらに他のバイオマス資源化装置４を示す系統図である。 バイオマス（下水汚泥）を資源化（燃料化）するための従来の装置を示す系統図である。

符号の説明

１・２・３・４ バイオマス資源化装置
１０ バイオマス資源化手段
１１ 乾燥炉
１１ｘ 配管（管）
１２ 炭化炉
１２ｘ 配管（排ガス管）
２０ 一般廃棄物焼却手段
２３ 焼却炉
２４ ボイラ
２４ｘ 配管（管）

Claims (8)

1. 燃焼機器に設けられた廃熱ボイラによる蒸気を用いてバイオマスの乾燥を行ったうえ、その炭化を行うとともに、バイオマスの乾燥により生じる排ガスを上記燃焼機器の燃焼部に導入することを特徴とするバイオマスの資源化方法。
2. 上記の燃焼機器として廃棄物焼却炉を使用することを特徴とする請求項１に記載したバイオマスの資源化方法。
3. 上記の乾燥により蒸発させた水分を廃棄物焼却炉にて当該炉の燃焼温度にするための熱量が差し引かれても当該炉において廃棄物が自燃するように、上記バイオマスの処理量を調整することを特徴とする請求項２に記載したバイオマスの資源化方法。
4. バイオマスの乾燥に用いる上記廃熱ボイラの蒸気を、バイオマスに直接には接触させないことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載したバイオマスの資源化方法。
5. バイオマスの炭化にて生じる排ガスを、上記燃焼機器の燃焼部に導入し、または同機器からの排ガスの経路に合流させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載したバイオマスの資源化方法。
6. バイオマスの乾燥機とそれによる乾燥物の炭化炉とが廃棄物焼却炉に併設されており、廃棄物焼却炉の熱を有する媒体を流す管が上記乾燥機の加熱部分に接続され、上記乾燥機からの排ガスを流す管が廃棄物焼却炉の燃焼部に接続されていることを特徴とするバイオマスの資源化装置。
7. 上記の媒体として廃棄物焼却炉のボイラからの蒸気が、乾燥機の加熱部分に接続された上記の管に流され、バイオマスの上記乾燥機として、当該蒸気による外熱加熱方式、または当該蒸気から熱交換された循環ガスによる直接加熱方式のものが設けられていることを特徴とする請求項６に記載したバイオマスの資源化装置。
8. 上記の炭化炉として外熱キルン式、内熱キルン式、外熱スクリュー式、または加熱水蒸気式のものが設けられ、当該炭化炉の排ガス管が、廃棄物焼却炉の燃焼部または同焼却炉からの排ガスの経路に接続されていることを特徴とする請求項６または７に記載したバイオマスの資源化装置。
   

Images