JP2011016932A - 炭化処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器を大型化させることなく充分な流量及び温度の乾燥用空気を得る炭化処理システムを提供すること。
【解決手段】水分を含んだ被炭化物を乾燥させる乾燥機１と、乾燥した被炭化物から炭化物を生成する炭化炉２と、炭化炉２からの燃焼排ガスを加熱処理する二次燃焼炉３と、二次燃焼炉３からの高温の燃焼排ガスを冷却する熱交換器５などの冷却手段とを有し、乾燥機１と熱交換器５が、乾燥用空気を循環させる循環用配管１１，１２によって連結されたものであって、その冷却手段には、二次燃焼炉３と熱交換器５との間に接続された冷却塔４を有し、その冷却塔４に対して、冷却手段によって冷却された排気前の低温排ガスを供給するための還流用配管１５が接続された炭化処理システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、有機性廃棄物である被炭化物を加熱して炭化物を生成する炭化処理システムに関し、熱交換器による熱交換効率の向上などを図った炭化処理システムに関する。

畜舎から排出される畜糞尿などの有機性廃棄物については、その有効利用を図るため炭化物にすることが考えられ、近年、様々な炭化処理システムが提案されている。図２は、下記特許文献１に記載された炭化処理システムを示すブロック図である。この炭化処理システム１００は、下水処理場での下水処理に伴って発生する下水汚泥を炭化処理して活性炭化物を製造するための炭化炉１０１が設けられ、その炭化炉１０１には、ガスタービンに発電機が連結されたガスタービン発電機１０２が組み合わせられている。炭化炉１０１では、乾燥機１０３から搬出された乾燥汚泥が、炭化炉１０１での加熱によって炭化される。

その炭化炉１０１へと送られる下水汚泥は、遠心分離機等で脱水されて脱水ケーキとなり、それが乾燥機１０３を介して乾燥汚泥として投入される。その乾燥機１０３は、脱水ケーキが加熱空気で乾燥されるが、この加熱空気は、熱交換器１０５において炭化排ガスの熱で加熱され、供給管１１１を介して乾燥機１０３へと送られる。また、乾燥機１０３に送られた加熱空気は戻し管１１２によって熱交換器１０５へと戻されて循環するようになっている。そして、供給管１１１には流量調整弁１２１が設けられ、戻し管１１２を流れる空気の温度に応じて流量調整が行われる。また、排気管１１３から分岐した循環用配管１１４が炭化炉１０１に接続され、排気管１１３を流れる排ガスの温度に応じ流量調節弁１２２によって、炭化炉１０１へ戻される排ガスの流量調整が行われる。

特開２００５−１２５２６５号公報

こうした従来の炭化処理システムは、熱交換器１０５を設け、乾燥機１０３で使用する乾燥用空気（熱風）を排ガスからの熱エネルギによって得ている。しかし、乾燥機１０３での乾燥には大量の乾燥用空気が必要である一方、炭化炉１０１からの排ガスは燃料の消費効率の点から通常は流量を少なく設計しており、熱交換器１０５での受熱側と放熱側との流量バランスが良くない。この点、供給管１１１の流量調整弁１２１によって流量を減少させることが可能であるが、それでは充分な流量の乾燥用空気が得られない。一方で乾燥用空気の流量を増やせば、伝熱効率が悪いため充分な温度にまで加熱されず、伝熱効率を上げるには熱交換器１０５を大型化することになってしまう。

そして、この炭化処理システムでは、脱水ケーキの乾燥用熱源が増加すると、熱交換器１０５を通過した排ガスの温度が低下するため、流量調節弁１２２の開度を大きくして炭化炉１０１へ戻す排ガス量を増加させ、その結果、熱交換器１０５を通過する放熱側の流量を増加させている。しかし、排ガスを戻して流量を増加させたのでは炭化炉１０１での燃焼効率が落ちてしまい、燃料消費量を増加させてしまう。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、熱交換器を大型化させることなく充分な流量及び温度の乾燥用空気を得る炭化処理システムを提供することを目的とする。

本発明の炭化処理システムは、水分を含んだ被炭化物を乾燥させる乾燥機と、乾燥した被炭化物から炭化物を生成する炭化炉と、その炭化炉からの燃焼排ガスを加熱処理する二次燃焼炉と、その二次燃焼炉からの高温の燃焼排ガスを冷却する熱交換器などの冷却手段とを有し、前記乾燥機と熱交換器が、乾燥用空気を循環させる循環用配管によって連結されたものであって、前記冷却手段には、前記二次燃焼炉と熱交換器との間に接続された冷却塔を有し、その冷却塔に対して、前記冷却手段によって冷却された排気前の低温排ガスを供給するための還流用配管が接続されたものであることを特徴とする。

また、本発明の炭化処理システムは、前記冷却塔が、前記還流用配管を通して供給する低温排ガスの流量を一定にし、冷却水の量を変化させることにより、前記熱交換器へ送り込む燃焼排ガスの温度調整を行うようにしたものであることが好ましい。
また、本発明の炭化処理システムは、前記冷却手段が、前記熱交換器の下流側に外気予熱器を有し、外気を取り入れ燃焼排ガスとの熱交換によって加熱して得られる燃焼用空気を、前記炭化炉や二次燃焼炉へと供給するようにしたものであることが好ましい。
また、本発明の炭化処理システムは、前記熱交換器から乾燥機へと流れる加熱された乾燥用空気の一部を、前記二次燃焼炉へと供給するようにしたものであることが好ましい。

よって、本発明によれば、還流用配管から排気前の低温排ガスを冷却塔へと送ることで、熱交換器を流れる燃焼排ガスの流量を増加させ、熱交換を行う乾燥用空気の流量とのバランスを取ることができ、熱交換器を大型化しなくとも、放熱側の燃焼排ガスと受熱側の乾燥用空気との熱交換効率を向上させることができる。また、冷却塔では、還流させた低温排ガスを燃焼排ガスに加えることによって冷却するので、冷却水の使用量を少なくすることができる。更に、外気予熱器や熱交換器で加熱した燃焼用空気や乾燥用空気を二次燃焼炉へ供給することで、燃料消費量を減らすことができる。

実施形態の炭化処理システムを示すブロック図である。 従来の炭化処理システムを示すブロック図である。

次に、本発明に係る炭化処理システムの一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、炭化処理システムを示したブロック図である。炭化処理システムを構成する炭化炉２は、例えば本出願人が提案する多段スクリュー炭化炉などがある。多段スクリュー炭化炉は、ホッパから投入した被炭化物（原料）を、炉体内で加熱した複数のスクリューコンベア内を通し、そこで加熱・熱分解することによって炭化物を生成するものである。

しかし、こうした炭化処理が行われる被炭化物は畜糞などであって、水分を多く含んでいる。そのため、炭化処理の前工程として乾燥機１を通した乾燥処理が行われる。水分を多く含んだまま炭化炉２へ送られた場合、それを炭化処理するにはバーナーなどで加熱するための燃料消費量が多くなり、また炭化に時間がかかるため被炭化物を送る経路を長くすることで炭化炉２自体が大きくなるなどの問題が生じる。そこで、こうした点を考慮し、例えば畜糞には６５％程度の水分が含まれているが、乾燥機１によって１０％程度にまで乾燥させるようにしている。

被炭化物は、こうして乾燥機１において水分が除去され、ある程度乾燥した状態で炭化炉２へと送り込まれる。炭化炉２の下流側には、炭化物を生成するために被炭化物を加熱した高温ガスを浄化処理する二次燃焼炉３が設けられている。ダイオキシン対策や被炭化物に含まれる臭気の除去などの必要があるからである。そこで、二次燃焼炉３では、炭化炉２から出た排ガスを８００℃以上の温度で燃焼し、その燃焼排ガスが排気側へと送られるようになっている。二次燃焼炉３にはバーナーが設けられ、燃料供給による火炎によって排ガスを８００℃以上に維持するようにしている。

一方、二次燃焼炉３を通って８００℃以上の高温になった燃焼排ガスは、集塵の必要があるが、高温のためにそのままではバグフィルタを通して排気することができない。そのため、二次燃焼炉３の下流側には段階的に燃焼排ガスを冷却し、最終的には概ね２００℃以下にするための冷却手段が設けられている。本実施形態の炭化処理システムでは、単純に冷却する工程の他、燃焼排ガスの熱を熱交換によって回収し、熱エネルギの有効利用が行われるよう構成されている。

従って、二次燃焼炉３の下流側には、乾燥機１へ送り込む乾燥用空気（熱風）の熱源となる熱交換器５が設けられ、乾燥機１との間に往路側配管１１と復路側配管１２とが接続されている。ただし、熱交換器５の耐熱性および飛散灰の付着防止のため、燃焼排ガス温度は７５０℃以下、可能であれば７００℃以下が望ましいので、二次燃焼炉３と熱交換器５の間には、燃焼排ガスを冷却するための冷却塔４が接続されている。冷却塔４は、二次燃焼炉３から送られた燃焼排ガスに熱交換後の低温排ガスを還流し、その希釈により冷却が行われ、本実施形態では更に、噴霧水を導入できるように水噴霧冷却システムが具備されている。

冷却塔４では、こうした噴霧水と低温排ガスとによって燃焼排ガスの温度を７５０℃以下、好ましくは７００℃以下まで下げ、熱交換器５へと送り込むようにしている。そして、冷却塔４から送り出される燃焼排ガスの温度は乾燥機１で必要な乾燥熱量に合わせて設定されるが、その温度制御は、還流用配管１５を通して送られる低温排ガスの流量を基本的に一定とし、不図示の温度センサに基づいた噴霧器の制御によって噴霧水の量を調整することによって行われる。

また、冷却塔４で行われる還流用配管１５を通した低温排ガスの供給は、燃焼排ガスの冷却効果を有し噴霧量の減少に寄与する他、熱交換器５へ送り込まれる燃焼排ガスの流量を増加させている。これは、乾燥機１において乾燥効果を上げるためには所定量の乾燥用空気が要求されるため、そうした低温の乾燥用空気と高温の燃焼排ガスとの間で効率良く熱交換を行うには、熱交換器５を流れる両者の流量バランスをとることが有効だからである。従って、冷却塔４へ送られる低温排ガスの流量は、熱交換器５を流れる乾燥用空気の流量に応じて設定される。

更に、熱交換器５の下流側には外気予熱器６が接続されている。外気予熱器６は、外気を取り込み、その空気と熱交換器５を通った燃焼排ガスとの間で熱交換を行うものであり、ここで加熱された空気が燃焼用空気として炭化炉２や二次燃焼炉３へと送られるように配管１３が接続されている。従って、炭化炉２や二次燃焼炉３へは、外気予熱器６によって１２０℃程度に加熱された燃焼用空気が送られるようになっている。また、外気予熱器６の下流側には、前述した還流用配管１５が分岐し、低温排ガスが冷却塔４へ送り込まれるようになっている。

外気予熱器６の下流側には最終冷却塔７が接続され、そこでは排ガスが噴霧水によって概ね２００℃以下にまで冷やされるようになっている。そして、最終冷却塔７の下流側には、不図示のバグフィルタおよび煙突が設けられ、煙突から浄化されたガスが排気されるようになっている。

ところで、乾燥機１において被炭化物を乾燥させる乾燥用空気は、その乾燥機１と熱交換器５との間で循環するように流れ、一部（量的には乾燥機１で新たに発生した水蒸気等と同量）は炭化炉２や二次燃焼炉３へと送られ排気される。畜糞などの被炭化物を乾燥させた場合、乾燥機１から出た乾燥用空気や水蒸気には臭気などが含まれているため、臭気を取り除く排ガス処理が必要だからである。そこで、往路側配管１１から分岐した配管１７が炭化炉２へと接続され、復路側配管１２から分岐した配管１８が二次燃焼炉３へとそれぞれ接続されている。

続いて、こうした構成の炭化処理システムによれば、次のようにして被炭化物の炭化処理が行われる。運転開始時は、熱交換器５によって乾燥用空気を加熱できないため、乾燥機１のバーナーを使用したり、水分が多いまま供給した被炭化物を炭化炉２内で時間をかけて炭化させるなどする。その後、高温の燃焼排ガスが熱交換器５を流れ、運転が安定することにより乾燥機１との間で循環する乾燥用空気が熱交換器５で加熱される。乾燥用空気は、乾燥機１で熱エネルギが奪われ１７０℃程度の温度で熱交換器５へと送られる。熱交換器５では燃焼排ガスから熱エネルギを受け取り、３００〜４００℃程度にまで加熱された乾燥用空気が乾燥機１へと戻され、循環が繰り返される。

そこで、乾燥機１に投入された畜糞などの被炭化物は、熱交換器５を通って３００〜４００℃に加熱された乾燥用空気によって乾燥処理が行われる。被炭化物は、その水分が６５％程から１０％程度の乾燥状態になり、炭化炉２内へと送り込まれる。炭化炉２内では、被炭化物が加熱および熱分解されることで炭化物となり、不図示の冷却装置を通って炭化製品として回収される。

一方、炭化炉２内で発生した燃焼排ガスは二次燃焼炉３へと送り込まれ、バーナーによって８００℃以上の高温で加熱され、ダイオキシン等の有害物質の無害化や臭気の除去が行われる。そうした加熱処理の後、高温の燃焼排ガスは冷却塔４へと送られ、そこでは燃焼排ガスに対し熱交換器５の下流から還流用配管１５により還流した低温排ガスを加えて温度を下げる他、噴霧水を使用した冷却が行われる。冷却塔４の下流側温度は７５０℃以下、好ましくは７００℃以下に設定されており、温度センサの検出に基づいて噴霧水の噴霧量を変化させることで温度調整が行われる。

熱交換器５では、前述したように乾燥機１との間で乾燥用空気が循環し、熱交換器５で加熱された熱風である乾燥用空気が乾燥機１へと供給される。その際、充分な流量の乾燥用空気が、３００〜４００℃程度にまで温度上昇して乾燥機１へと供給される。

熱交換器５を通過した燃焼排ガスは外気予熱器６へ送られる。外気予熱器６では、その燃焼排ガスと外気との間で熱交換が行われ、１２０℃程度にまで加熱された外気が燃焼用空気として炭化炉２や二次燃焼炉３へと送り込まれる。一方、この外気予熱器６でも熱が奪われて温度を下げた燃焼排ガスは、更に最終冷却塔７へと送り込まれて噴霧水によって１９０℃程度にまで冷やされる。そして、一部は還流用配管１５から冷却塔４へと送られ、残りは白煙防止器やバグフィルタを通って煙突から大気へと排出される。

よって、以上のような本実施形態の炭化処理システムでは、被炭化物を乾燥させる乾燥用空気の加熱に燃焼排ガスの熱を有効利用し、そのための熱交換器５も大型化することなく効率の良い熱交換を可能にしている。
先ず、効率良く炭化物を生成するには炭化炉２へ投入する前に被炭化物を乾燥する必要があるが、充分に乾燥させるには所定温度以上で所定流量の乾燥用空気が求められる。従って、本実施形態の炭化処理システムでも、乾燥機１では、熱交換器５での伝熱温度差を大きくして回収熱量を増加させるため循環する乾燥用空気の流量を多くしている。

一方、熱交換器５において乾燥用空気を加熱する燃焼排ガスは、それ自身が炭化炉２や二次燃焼炉３でバーナーを使用して加熱されるものであるが、燃料消費量を抑えるため二次燃焼炉３の燃焼酸素濃度が管理されており、結果的に燃焼排ガス流量が少なくなっている。従って、二次燃焼炉３からの燃焼排ガスだけで熱交換を行っていた従来のシステム構造では、乾燥用空気と燃焼排ガスとの流量差が大きく、乾燥用空気を安定して加熱するには、燃焼排ガスを通す配管面積を大きくしなければならず、熱交換器５が大型化してしまう問題があった。

その点、本実施形態では、還流用配管１５から低温排ガスを冷却塔４へと送ることで、熱交換器５を流れる燃焼排ガスの流量を増加させ、熱交換を行う乾燥用空気の流量とのバランスを取っている。従って、熱交換器５を大型化しなくとも、放熱側の燃焼排ガスと受熱側の乾燥用空気との熱交換効率が向上した。
また、冷却塔４では、二次燃焼炉３からの高温の燃焼排ガスを噴霧水によって冷却するが、還流させた低温排ガスを燃焼排ガスに加えることによっても冷却が行われる。そのため、噴霧水だけで冷却していた従来構造と比較して、本実施形態では低温排ガスの利用によって噴霧水の使用量を大幅に減らすことができる。

更に、熱交換器５へは設定温度の燃焼排ガスを送り込んでいるが、噴霧水の量をコントロールすることで温度制御を行うため、温度を安定させることができると共に、温度変化に対する制御性が良い。そして、仮に冷却塔４において噴霧水のみで燃焼排ガスを冷却していたのでは、噴霧水の蒸発によって消費される蒸発潜熱で温度低下が行われ、蒸発潜熱分の熱量は熱交換器で利用されることなく熱量ロスとなってしまう。この点、本実施形態では低温排ガスによって燃焼排ガスを予備冷却する方法をとっているため、熱量ロスを抑えることができる。

本実施形態では外気予熱器６を設け外気を加熱した燃焼用空気を炭化炉２や二次燃焼炉３へ供給するようにしているため、それぞれの炉内での加熱効率を上げ燃料消費量を抑えることができるようになる。また、前述したように熱交換器５で行われる熱回収量が多く高温の乾燥用空気が復路側配管１２から二次燃焼炉３へ導入されることも燃料消費量を抑えることに寄与している。

以上、本発明の炭化処理システムについて実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

１ 乾燥機
２ 炭化炉
３ 二次燃焼炉
４ 冷却塔
５ 熱交換器
６ 外気予熱器
７ 最終冷却塔

Claims (4)

1. 水分を含んだ被炭化物を乾燥させる乾燥機と、乾燥した被炭化物から炭化物を生成する炭化炉と、その炭化炉からの燃焼排ガスを加熱処理する二次燃焼炉と、その二次燃焼炉からの高温の燃焼排ガスを冷却する熱交換器などの冷却手段とを有し、前記乾燥機と熱交換器が、乾燥用空気を循環させる循環用配管によって連結された炭化処理システムにおいて、
   前記冷却手段には、前記二次燃焼炉と熱交換器との間に接続された冷却塔を有し、その冷却塔に対して、前記冷却手段によって冷却された排気前の低温排ガスを供給するための還流用配管が接続されたものであることを特徴とする炭化処理システム。
2. 請求項１に記載する炭化処理システムにおいて、
   前記冷却塔は、前記還流用配管を通して供給する低温排ガスの流量を一定にし、冷却水の量を変化させることにより、前記熱交換器へ送り込む燃焼排ガスの温度調整を行うようにしたものであることを特徴とする炭化処理システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載する炭化処理システムにおいて、
   前記冷却手段は、前記熱交換器の下流側に外気予熱器を有し、外気を取り入れ燃焼排ガスとの熱交換によって加熱して得られる燃焼用空気を、前記炭化炉や二次燃焼炉へと供給するようにしたものであることを特徴とする炭化処理システム。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する炭化処理システムにおいて、
   前記熱交換器から乾燥機へと流れる加熱された乾燥用空気の一部を、前記二次燃焼炉へと供給するようにしたものであることを特徴とする炭化処理システム。

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