JP2008056780A

JP2008056780A - 有機性廃棄物乾燥炭化システム

Info

Publication number: JP2008056780A
Application number: JP2006234227A
Authority: JP
Inventors: Hidetake Shiire; 英武仕入; Koji Hayashi; 幸司林; Akira Morikawa; 彰森川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】絶えず変動する炭化炉圧力に追従可能で、炭化炉圧力を常に目標値に維持することのできる有機性廃棄物乾燥炭化システムを提供する。
【解決手段】有機性廃棄物を炭化炉２で炭化させ、乾留ガスと炭化物を得る。この乾留ガスを燃焼炉４で燃焼させ、その燃焼ガスを加熱炉３に導入して炭化炉２を加熱する。この加熱炉３からの排煙を吸引して大気放出するブロワ７との間の排気系に圧力調整弁６を設け、その弁開度を制御することで排気系の圧力を調整する、炭化炉２には、その内部圧力を検出する圧力検出手段１４を設け、検出された炭化炉２内の圧力に基き、制御装置８により、その内部圧力が、予め設定された範囲を維持するように圧力調整弁６の開度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、農業集落排水処理施設、下水処理場、有機排水処理施設等から排出される汚泥に代表される有機性廃棄物を乾燥炭化し、廃棄物から有価値物である炭化物とエネルギを製造する有機性廃棄物乾燥炭化システムに関する。

炭化炉内に有機性廃棄物を投入し、大気の流入を極力抑えた低酸素雰囲気を維持して、間接もしくは直接的に加熱することにより廃棄物から有価値物である炭化物と可燃性の乾留ガスが回収できることは周知の事実である。この際、一酸化炭素等を含む有害な乾留ガスが大気へ漏洩することを防止する目的で炭化炉内部を負圧に保つ必要がある。しかし、炭化炉内の圧力が低くなりすぎると、炭化炉内部への大気流入量が増大することになり、種々の弊害が発生する。例えば、炭化炉内部での汚泥の燃焼割合の増加による炭化収率の低下や、炭化炉内温度維持のために燃料消費量が増加などの弊害が考えられる。

このため、炭化炉に、ブロワを有する排煙回収手段を供え、炭化炉の圧力を検出してその値が大気圧より若干低い値となるように、ブロワの回転数を調整して排煙の吸引力を増減制御して炭化炉圧力を維持する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２５６７３号公報（特許第２８８４２９８号）

しかし、炭化炉圧力は炉内の燃焼状況や後段機器の運転状態により絶えず変化している。一般的に、高速回転しているブロワのインペラ（回転翼）の慣性は大きく、上述のようなブロワの回転数制御により、その回転数を炉圧変動に応じて瞬時に追従させることは実質的に難しく、応答性の悪い制御となる。また、ブロワの回転数を調整するためにはインバータ等の付帯設備が必要となり、システムのコストアップにつながる。

本発明の目的は、絶えず変動する炭化炉圧力に追従可能で、炭化炉圧力を常に目標値に維持することのできる有機性廃棄物乾燥炭化システムを提供することにある。

本発明による有機性廃棄物乾燥炭化システムは、有機性廃棄物を炭化する炭化炉と、この炭化炉で発生した乾留ガスを燃焼させる燃焼炉と、この燃焼炉による燃焼ガスを導入して前記炭化炉を加熱する加熱炉と、この加熱炉からの排煙を吸引して大気放出するブロワと、前記加熱炉から前記ブロワに通じる排気系に設けられ、この排気系の圧力を調整する圧力調整弁と、前記炭化炉内の圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段により検出された炭化炉内の圧力が、予め設定された範囲を維持するように前記圧力調整弁の開度を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

また、本発明では、燃焼炉内の圧力を検出する圧力検出手段を設け、制御装置は、この圧力検出手段により検出された燃焼炉内の圧力が、予め設定された範囲を維持するように前記圧力調整弁の開度を制御するように構成してもよい。

また、本発明では、加熱炉内の圧力を検出する圧力検出手段を設け、制御装置は、この圧力検出手段により検出された燃焼炉内の圧力が、予め設定された範囲を維持するように前記圧力調整弁の開度を制御するように構成してもよい。

また、本発明では、炭化炉内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設け、制御装置は、この酸素濃度検出手段により検出された炭化炉内の酸素濃度が、予め設定された範囲を維持するように前記圧力調整弁の開度を制御するように構成してもよい。

また、本発明では、制御装置は、排気系に対する圧力調整範囲が圧力調整弁の弁開度による調整範囲を超える場合は、ブロワの回転数を制御するように構成してもよい。

また、本発明では、燃焼炉には、乾留ガスを燃焼させるための燃焼空気量を調整する燃焼空気調整弁を有する燃焼空気供給系と、燃焼炉での燃焼温度が所定温度より下回らないように補助燃料及びその燃焼空気を供給する補助燃料供給系とが連結され、制御装置は、炭化炉温度の早期立上げを要する場合、前記燃焼空記調整弁の開度を開けて燃焼炉から発生する燃焼ガスの熱容量を増加させるように構成してもよい。

また、本発明では、制御装置は、乾留ガス及び補助燃料の供給を断った状態で、燃焼空気調整弁開度を開けて燃焼炉から発生する冷却空気量を増加させ、停止時間を短縮するようにしてもよい。

さらに、本発明では、燃焼炉は、その内部の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を有し、制御装置は、この酸素濃度検出手段により検出された酸素濃度が、予め設定した燃焼炉酸素濃度となるように燃焼空気調整弁を制御するように構成してもよい。

本発明によれば、絶えず変動する炭化炉圧力に追従可能で、炭化炉圧力を常に目標値に維持でき、有害な乾留ガスの大気への漏洩や、炭化炉内部への大気流入量の増大に伴う不具合を生じることなく、有機性廃棄物に対する良好な炭化処理を行うことができる。

以下、本発明による有機性廃棄物乾燥炭化システムの一実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１はこの実施の形態の全体構成を示す概念ブロック図、図２は、図１における炭化炉部分を中心にしてシステムの内部構成を示す構成図である。

図１において、１は乾燥機で、有機性廃棄物５１を必要に応じて乾燥する。２は炭化炉で、乾燥機１により供給された乾燥廃棄物５２を炭化して乾留ガス５３と炭化物６１に分離する。４は燃焼炉で、炭化炉２で生成された乾留ガス５３を導入し、これを燃焼させて高温の燃焼ガス５７を生み出す。３は加熱炉で、燃焼炉４から高温の燃焼ガスを導入して、炭化炉２を間接加熱する。５は排ガス処理装置で、加熱炉３から大気に通じる排気系中に設置され、加熱炉３からの排ガス５８を大気へ放出可能な状態に処理する。この排ガス処理装置５の排出側は、圧力調整弁６及び排気用のブロワ７を介して大気と連通している。

燃焼炉４には、乾留ガス５３を燃焼させるための燃焼空気５４が供給される。この燃焼空気５４の供給系には、燃焼空気量を調整する燃焼空気調整弁２４が設置されている。また、燃焼炉４には、乾留ガス５３とは別に、プロパンガスなどの補助燃料５５及びその燃焼空気５６を供給する補助燃料供給系が連結されている。この補助燃料５５及びその燃焼空気５６は、システムの立ち上げ時等、乾留ガス５３のみでは十分な燃焼熱が得られない場合に供給される。

８は制御装置で、後述するように炭化炉２、加熱炉３、燃焼炉４における圧力や酸度濃度などを、信号線７１，７２，７３を介して入力し、予め設定した関係により圧力調整弁６や燃焼空気調整弁２４を制御する。これら制御機能の詳細については後述する。

図２には、図１で示した炭化炉２、加熱炉３、燃焼炉４の一例として、間接加熱式のロータリキルンを示す。乾燥廃棄物５２はホッパ９から定量供給搬送装置１０を通って炭化炉２内部に投入される。炭化炉２内部には、乾燥廃棄物５２を攪拌するための攪拌羽根１１が複数配置されており、炭化炉２の回転により乾燥廃棄物５２が掻き揚げられ均一に熱が伝えられる。回転する炭化炉２と固定部の間の摺動部は、シール１７、シール１８、シール１９、シール２０により大気が炭化炉２内や加熱炉３内に流入しないようにシールされている。炭化物６１は搬送装置１３により系外に排出される。尚、炭化装置の構造はこれに限られるものではなく、例えば、スクリュー式の炭化装置でもかまわない。

炭化炉２には、炭化炉２内の圧力検出手段（以下、炭化炉圧力検出器と呼ぶ）１４と炭化炉２内の酸素濃度検出手段（以下、炭化炉内酸素濃度検出器と呼ぶ）２２が、加熱炉３には、加熱炉３内の圧力検出手段（以下、加熱炉圧力検出器と呼ぶ）１５が、燃焼炉４には、燃焼炉４内の圧力検出手段（以下、燃焼炉圧力検出器と呼ぶ）１６と燃焼炉４内の酸素濃度検出手段（以下、燃焼炉内酸素濃度検出器と呼ぶ）２３が、それぞれ設けられている。これらの検出信号は、前述した信号線７１，７２，７３により、あるいは無線により制御装置８に伝送される。制御装置８は伝送されてきた信号を基に所定の演算を行い、燃焼空気調整弁２４や圧力調整弁６を開度制御する。

このように構成された本実施の形態において、制御装置８は、常に炭化炉圧力検出器１４の検出信号を監視し、炭化炉２内部の圧力が設定値を維持するのに必要な圧力調整弁６の開度を、演算して圧力調整弁６を制御する。このため、炭化炉２の圧力を所望の値に維持することが可能となる。この際、ブロワ７の回転数は定回転とする。

これらの結果、炭化炉２内部での汚泥燃焼状況の変化による乾留ガス５３の発生量の変動や、燃焼炉４での燃焼状態の変化による高温燃焼ガス５７発生量の変動、排ガス処理装置５の運転状況の変化等により、炭化炉２内の圧力が変動しても、それに瞬時に追従して炭化炉２内の圧力を設定値に維持することが可能となる。すなわち、本発明では、炭化炉２内の圧力変動に対して圧力調整弁６の軽量な弁を追従させるため、従来の、高速回転により慣性力のついた重量物のブロワインペラ（回転翼）の回転数を追従させるブロワ回転数制御に比べ、制御が容易であり、瞬時に反応するため圧力の制御性が向上する。また、ブロワ回転数は常に一定であるのでインバータ等の付帯設備が不要となりコストダウンにもつながる。

上記説明では、制御装置８は、炭化炉２内の圧力を炭化炉圧力検出器１４で直接検出し、その結果で圧力調整弁６の開度を調整していたが、炭化炉圧力検出器１４以外の検出結果によって制御してもよい。例えば、燃焼炉４内の圧力によって制御を行ってもよい。

ここで、炭化炉２内の圧力と燃焼炉４内の圧力との差は、炭化炉２と燃焼炉４とを連結する配管の圧力損失や発生する乾留ガス５３の量、燃焼炉４へ投入される燃焼空気５６の量等に影響されるが、その値はほぼ一定の幅で推移することが実験で明らかになった。また、炭化炉２内の圧力と加熱炉３内の圧力との差も、同様にほぼ一定の幅で推移することが実験で明らかになった。

図３は、有機性廃棄物の炭化処理を行っている時の炭化炉２及び燃焼炉４の圧力変動を示す。ここでは、炭化炉２内の圧力と燃焼炉４内の圧力との差が、ほぼ一定の幅で推移することが示されている。

そこで、制御装置８は、燃焼炉圧力検出器１６の信号を常に監視し、燃焼炉４の圧力が設定値（言い換えるとほぼ一定の幅で推移する炭化炉２内の圧力）を維持するのに必要な圧力調整弁６の開度を演算し、その結果で圧力調整弁６を制御する。この制御方法により、有機性廃棄物の炭化処理が定常状態になった後は、炭化炉２の圧力変動は一定幅以内に維持することが可能である。

また、加熱炉圧力検出器１５の信号を常に監視し、加熱炉３の圧力が設定値を維持するのに必要な圧力調整弁６の開度を制御装置８で演算して制御を行った場合も同じである。すなわち、有機性廃棄物の炭化処理が定常状態になった後は、加熱炉３の圧力によって圧力調整弁６の開度を制御することにより、炭化炉２内の圧力変動を一定幅以内に維持することが可能である。

このように、炭化炉２と燃焼炉４、または炭化炉２と加熱炉３の間の圧力差がほぼ一定であることを利用して、燃焼炉圧力検出器１６、または加熱炉圧力検出器１５の信号を常に監視し、燃焼炉４、または加熱炉３の圧力が設定値を維持するのに必要な圧力調整弁６の開度を制御装置８で演算して制御を行うことにより、炭化炉３の圧力を所望の値に維持することが可能となる。

通常、炭化炉３で発生する乾留ガス５３は高分子の炭化水素（タール分）を含むため、長時間運転を継続していくと炭化炉圧力検出器１４へ乾留ガスを引き込む導管がタール分で閉塞し、圧力を正確に測ることが困難になる場合がある。これに対し、乾留ガス５３中のタール分は燃焼炉４のバーナ１２で完全に燃やされるため、燃焼炉圧力検出器１６または加熱炉圧力検出器１５の導管がタール分で閉塞する心配はない。そこで、上述のように燃焼炉圧力検出器１６または加熱炉圧力検出器１５の検出値を用いれば、炭化炉圧力検出器１４が不要となるため、タール分により計測不能となる心配は不要である。

次に、別の制御手法として、炭化炉２内の酸素濃度に基いて制御を行う場合を説明する。炭化炉２内の圧力が低下しすぎると、シール１７やシール２０等から大気が炭化炉２内部に進入して炭化炉２の酸素濃度が上昇する。酸素濃度の上昇は、例えば、炭化炉２内部での汚泥の燃焼割合の増加による炭化収率の低下や、炭化炉内温度を維持するために燃料消費量が増加するといった弊害を引き起こす。

そこで、制御装置８は、炭化炉内酸素濃度検出器２２の信号を常に監視し、この値があらかじめ定めた限界値を超えた場合は炭化炉２の圧力が低すぎると判断する。制御装置８は、このような圧力が低すぎる状態を検出すると、圧力調整弁６の開度を閉じる方向に制御する。すなわち、制御装置８は、炭化炉内酸素濃度検出器２２により検出された炭化炉２内の酸素濃度を、予め設定された範囲に維持するために必要な排気系の圧力を得るため、圧力調整弁６の開度を制御する。このように制御すると、加熱炉３からの排気系の圧力が上昇するので炭化炉２内の圧力も上昇し、酸素を含む大気の侵入を防止する。このため炭化炉２の内部圧力が低下し過ぎたことによる弊害を防止できる。

このように、たとえ、炭化炉圧力検出器１４へ乾留ガスを引き込む導管がタール分で閉塞し、圧力を正確に測ることが困難になったとしても、炭化炉２の圧力の低下を防止し上記の弊害を解消することが可能になる。

上記説明は、炭化炉２内の圧力変化に対して、いずれも圧力調整弁６の開度を制御することにより対処している。しかし、排気系に対する圧力調整範囲が圧力調整弁６の弁開度による調整範囲を超える場合、制御装置８は、ブロワ７の回転数を制御することにより対処してもよい。このようにすれば、圧力調整弁６による開度制御のみの場合に比べ、ブロワ７の回転数制御による圧力制御が加わるため、炭化炉２内における炭化炉の調整範囲が大幅に拡大する。したがって、何らかの突発的理由により炭化炉２内の圧力が大幅に変化した場合、例えば、炭化炉２内に投入された有機性廃棄物の水分含有量が多く、加熱により多量の水蒸気が発生して圧力が大幅に上昇した場合などにおいても、充分これらの圧力変化に対応して、排気系の圧力を制御することができる。

次に、燃焼炉４の燃焼制御に関して説明する。システムの起動時など、乾留ガス５３がほとんど供給されない場合は、燃焼炉４を昇温するために補助燃料５５及びその燃焼空気５６が供給され、燃焼炉４内で燃焼している。このような状態のとき、燃焼空気調整弁２４の開度を開くと、燃焼炉４内への空気の流入量が増加するため、燃焼炉４の温度が低下する。この場合、補助燃料５５の供給系は、燃焼炉４の温度低下を補い、燃焼炉４の温度を維持するために補助燃料５５及び燃焼空気５６の投入量を増加させる。このため、結果的に高温燃焼ガス５７の熱容量は増加し、炭化炉２の加熱時間が短縮される。

なお、上記説明はシステムの起動時を例にとって説明したが、起動時以外であっても、急激に炭化炉２の温度を高めたい場合は、強制的に燃焼空気の供給量を増やすことにより、高温燃焼ガスの熱容量を増やすようにしてもよい。

また、燃焼炉４を停止する場合は、補助燃料５５の供給を止めてバーナ１２を消火する。この状態で燃焼空気調整弁２４の開度を開くと、燃焼炉４内への空気の流入量が増加して燃焼炉４の温度が低下するので、燃焼炉４の冷却時間が短縮される。

このように、昇温時、及び停止時には通常処理時に比べて燃焼空気調整弁２４の開度を開く運転モードを追加することにより、装置の起動・停止時間の短縮が可能となる。

次に、燃焼炉４の燃焼制御に関する別の制御について説明する。乾留ガス５３の発生量は、熱分解される有機性廃棄物の性状（組成や含水率）の変化や処理量の変動等により増減する。乾留ガス燃焼空気５４の量を常に一定にしていると、乾留ガス５３の増減により燃焼炉４の空気比が変わってしまう。このため、例えば、空気過多の場合は空気流入により燃焼炉４内の温度が低下するので、それを防ぐために余分な燃料が消費されランニングコストのアップにつながる。逆に、空気不足の場合は不完全燃焼を引き起こし、有害ガスである一酸化炭素等が大気に放出されてしまう。このため、乾留ガス５３の発生量に応じて乾留ガス燃焼空気５４の量を制御する必要がある。しかし、乾留ガス５３は高分子のタール成分を多く含むために、この流量を測ることは困難である。そこで、燃焼炉内酸素濃度を指標に乾留ガス燃焼空気５４量を制御する。

すなわち、制御装置８により、燃焼炉内酸素濃度検出器２３の信号を常に監視し、燃焼炉４内が最適な空気比となる燃焼炉内酸素濃度を維持するように、燃焼空気調整弁２４を制御する。この結果、ランニングコストの増加、または有害ガスの大気放出が防止できる。

本発明による有機性廃棄物乾燥炭化システムの一実施の形態を示すブロック図である。同上一実施の形態の内部構成を示す構成図である。同上一実施の形態における炭化炉内の圧力と燃焼炉内の圧力との時間的推移を示すグラフである。

符号の説明

２炭化炉
３加熱炉
４燃焼炉
５排気系内に設けられた排ガス処理装置
６圧力調整弁
７ブロワ
８制御装置
１４，１５，１６圧力検知手段
２２，２３酸素濃度検知手段
２４燃焼空気調整弁

Claims

有機性廃棄物を炭化する炭化炉と、
この炭化炉で発生した乾留ガスを燃焼させる燃焼炉と、
この燃焼炉による燃焼ガスを導入して前記炭化炉を加熱する加熱炉と、
この加熱炉からの排煙を吸引して大気放出するブロワと、
前記加熱炉から前記ブロワに通じる排気系に設けられ、この排気系の圧力を調整する圧力調整弁と、
前記炭化炉内の圧力を検出する圧力検出手段と、
この圧力検出手段により検出された炭化炉内の圧力が、予め設定された範囲を維持するように前記圧力調整弁の開度を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする有機性廃棄物乾燥炭化システム。
有機性廃棄物を炭化する炭化炉と、
この炭化炉で発生した乾留ガスを燃焼させる燃焼炉と、
この燃焼炉による燃焼ガスを導入して前記炭化炉を加熱する加熱炉と、
この加熱炉からの排煙を吸引して大気放出するブロワと、
前記加熱炉から前記ブロワに通じる排気系に設けられ、この排気系の圧力を調整する圧力調整弁と、
前記燃焼炉内の圧力を検出する圧力検出手段と、
この圧力検出手段により検出された燃焼炉内の圧力が、予め設定された範囲を維持するように前記圧力調整弁の開度を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする有機性廃棄物乾燥炭化システム。
有機性廃棄物を炭化する炭化炉と、
この炭化炉で発生した乾留ガスを燃焼させる燃焼炉と、
この燃焼炉による燃焼ガスを導入して前記炭化炉を加熱する加熱炉と、
この加熱炉からの排煙を吸引して大気放出するブロワと、
前記加熱炉から前記ブロワに通じる排気系に設けられ、この排気系の圧力を調整する圧力調整弁と、
前記加熱炉内の圧力を検出する圧力検出手段と、
この圧力検出手段により検出された加熱炉内の圧力が、予め設定された範囲を維持するように前記圧力調整弁の開度を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする有機性廃棄物乾燥炭化システム。
有機性廃棄物を炭化する炭化炉と、
この炭化炉で発生した乾留ガスを燃焼させる燃焼炉と、
この燃焼炉による燃焼ガスを導入して前記炭化炉を加熱する加熱炉と、
この加熱炉からの排煙を吸引して大気放出するブロワと、
前記加熱炉から前記ブロワに通じる排気系に設けられ、この排気系の圧力を調整する圧力調整弁と、
前記炭化炉内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
この酸素濃度検出手段により検出された炭化炉内の酸素濃度が、予め設定された範囲を維持するように前記圧力調整弁の開度を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする有機性廃棄物乾燥炭化システム。
制御装置は、排気系に対する圧力調整範囲が圧力調整弁の弁開度による調整範囲を超える場合は、ブロワの回転数を制御すること特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の有機性廃棄物乾燥炭化システム。
燃焼炉には、乾留ガスを燃焼させるための燃焼空気量を調整する燃焼空気調整弁を有する燃焼空気供給系と、燃焼炉での燃焼温度が所定温度より下回らないように補助燃料及びその燃焼空気を供給する補助燃料供給系とが連結され、制御装置は、炭化炉温度の早期立上げを要する場合、前記燃焼空記調整弁の開度を開けて燃焼炉から発生する燃焼ガスの熱容量を増加させることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の有機性廃棄物乾燥炭化システム。
制御装置は、乾留ガス及び補助燃料の供給を断った状態で、燃焼空気調整弁開度を開けて燃焼炉から発生する冷却空気量を増加させ、停止時間を短縮することを特徴とする請求項６に記載の有機性廃棄物乾燥炭化システム。
燃焼炉は、その内部の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を有し、制御装置は、この酸素濃度検出手段により検出された酸素濃度が、予め設定した燃焼炉酸素濃度となるように燃焼空気調整弁を制御することを特徴とする請求項６に記載の有機性廃棄物乾燥炭化システム。