JP2012001667A - 固形燃料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機性廃棄物を原料として容易に得られる新たな固形燃料を提供し、また、その固形燃料を短期間でかつ比較的容易に製造することができる製造方法を提供する。
【解決手段】固形燃料は、加圧下で混練した有機性廃棄物を空気の供給下で発酵させて得られた残留固形分からなるものである。固形燃料の製造方法は、有機性廃棄物を加圧混練機で混練する前処理を行う前処理工程と、前処理工程で前処理された材料を断熱発酵槽において空気を供給しつつ攪拌しながら発酵させる発酵処理工程と、発酵処理工程で発酵する発酵物を回転羽根に落下させて空中に飛散させることで粉砕する粉砕工程とを有するものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、固定燃料及びその製造方法に関するものである。

近年、下水汚泥、廃棄プラスチック、おが屑等の有機性廃棄物を有効に活用する試みとして、その有機性廃棄物を原料とした固形燃料を製造する試みが行われ始めている。その試みとしては、以下に例示するものが知られている。

例えば、有機廃棄物を脱臭乾燥した低熱量成分と、廃プラスチックからなる高熱量つなぎ成分と、木屑、紙屑、廃タタミ及び繊維屑のうちの少なくとも１つからなる増量成分とを含み、これらを混合後圧縮成形して固形化してなり、水分量が１５％以下の条件下で熱量が５０００〜６５００ｋｃａｌ／ｋｇに調整された、有機廃棄物を用いた固形燃料である（特許文献１）。

特許文献１には、この固形燃料の製造方法として、水分量が多い有機廃棄物に、水分量の少ない木屑、紙屑、廃タタミ及び繊維屑のうちの少なくとも１つからなる増量成分を混合して減圧発酵に適する水分量を有する混合物を調整する工程と、その混合物を、減圧下で発酵脱臭する工程と減圧下で加熱乾燥する工程に付して混合物を脱臭乾燥する工程と、脱臭乾燥後の混合物に廃棄プラスチックからなる高熱量つなぎ成分を添加して総熱量を調整し、これらの材料を混練、圧縮及び成形する工程とを含む製造方法等も示されている。

また、含有水分が８０〜９０％である下水汚泥に、容積比が２０％以上の木質系チップを混和することにより、光合成菌・法線菌・酵母菌・納豆菌等の活性を促して発酵熱を得る下水汚泥の乾燥法と、その発酵熱で乾燥させた汚泥を石油等の燃料に代えてボイラー等の燃料に利用することが知られている（特許文献２）。

特開２００８−１９５９１０号公報 特開２００９−２４８０７７号公報

この発明は、有機性廃棄物を原料として容易に得られる新たな固形燃料を提供するとともに、その固形燃料を短期間でかつ比較的容易に製造することができる製造方法を提供するものである。

この発明（Ａ１）の固形燃料は、加圧下で混練した有機性廃棄物を空気の供給下で発酵させて得られた残留固形分からなるものである。

この発明（Ａ２）の固形燃料は、上記発明Ａ１の固形燃料において、前記残留固形分の水分含量が３０％以下であるものである。

この発明（Ｂ１）の固形燃料の製造方法は、有機性廃棄物を加圧混練機で混練する前処理を行う前処理工程と、前記前処理工程で前処理された材料を断熱発酵槽において空気を供給しつつ攪拌しながら発酵させる発酵処理工程と、前記発酵処理工程で発酵する発酵物を回転羽根に落下させて空中に飛散させることで粉砕する粉砕工程とを有するものである。

この発明（Ｂ２）の固形燃料の製造方法は、上記発明Ｂ１の製造方法において、前記発酵処理工程において断熱発酵槽内の発酵物に水を散布するものである。

この発明（Ｂ３）の固形燃料の製造方法は、上記発明Ｂ１又はＢ２の製造方法において、前記粉砕工程で得られる粉砕物の一部を前記前処理工程に戻して前記有機性廃棄物と混合するものである。

この発明（Ｂ４）の固形燃料の製造方法は、上記発明Ｂ１〜Ｂ３のいずれかの製造方法において、前記粉砕工程で得られる粉砕物を送風して乾燥させる乾燥工程を追加するものである。

上記発明Ａ１の固形燃料によれば、有機性廃棄物を原料として容易に得られる新たな固形燃料が提供でき、有機性廃棄物の有効活用が可能になる。

上記発明Ａ２の固形燃料によれば、水分含量が３０％以下という少ない割合に抑えられているので、燃焼性が良好であって保管安定性に優れた固形燃料になる。

上記発明Ｂ１の製造方法によれば、有機性廃棄物を原料とした固形燃料を短期間でかつ比較的容易に製造することができる。

上記発明Ｂ２の製造方法によれば、水の散布により、発酵が促進されるとともに発酵が十分になされ、保管安定性に優れた固形燃料を得ることができる。

上記発明Ｂ３の製造方法によれば、前処理工程に戻される粉砕物の一部により、前処理工程で混練される有機性廃棄物の発酵が開始されやすくなるとともにその水分含量が低下しやすくなり、固形燃料の短期間の製造がより可能になる。

上記発明Ｂ４の製造方法によれば、乾燥工程が追加されることにより、水分含量が３０％以下の固形燃料が迅速かつ確実に得られる。

実施の形態に係る固形燃料の製造方法を示す概略工程図である。 図１の製造方法に使用する製造システムの概略構成図である。 図２の製造システムにおける加圧混練装置の構成を示す一部断面説明図である。 実験における測定データを示すグラフ図である。

以下、この発明を実施するための形態（以下、単に「実施の形態」という）について添付の図面を参照しながら説明する。

この実施の形態に係る固形燃料は、有機性廃棄物を原料として得る燃料であり、以下のようにして製造される。

すなわち、固形燃料は、図１に示すように、基本的に、有機性廃棄物を加圧混練機で混練する前処理を行い（前処理工程）、しかる後、その前処理された材料を断熱発酵槽において空気を供給しつつ攪拌しながら発酵させる（発酵処理工程）とともに、その発酵する発酵物を回転羽根に落下させて空中に飛散させることで粉砕する（粉砕工程）ことにより、その粉砕物（残留固形分）として得られる。

この実施の形態では、発酵物を粉砕する粉砕工程で得られる粉砕物の一部を前処理工程に戻して有機性廃棄物と混合する工程を付加している。この粉砕物の一部を戻す工程を入れることにより、原料としての有機性廃棄物の発酵を更に促進させたり、その有機性廃棄物の水分調整を行うことができる。

有機性廃棄物としては、原則的に発酵させることが可能な廃棄物であれば適用することができる。具体的には、主に下水汚泥や食品余剰汚泥が使用されるが、この他にも、例えば生ゴミ、造園廃棄物、一般家畜糞、廃棄プラスチック等が使用される。有機性廃棄物には、好気性の発酵を促進するため好気性微生物を添加したり、あるいは、水分量を調整する水分調整材を添加することも可能である。しかし、この実施の形態では、前記した発酵物を粉砕した粉砕物の一部を好気性発酵の促進材や水分調整材として利用しており、これにより好気性微生物や水分調整材等の調整材（副資材）を別途用意して使用する必要がないようにしている。この戻し材を採用しない場合は、必要に応じて調整材を適用することができる。有機性廃棄物の水分含量（含水率）については、前処理工程に投下する前の段階において、例えば７０％以下になるよう調整することが好ましい。

前処理工程では、有機性廃棄物を、加圧混練機によって破砕しながら十分に混合させるとともに、加圧下での混練で発生する摩擦等により２０〜４０℃の温度まで上昇させる。このような前処理を行うことにより、有機性廃棄物に内在する内在微生物を物理的な刺激の付与や温度の上昇により活性化させて原料の細部まで達しやすくなる環境を作り出し、その結果、有機性廃棄物を発酵しやすい状態にすることができる。

発酵処理工程では、前処理された材料を、断熱性の構造に造られた発酵槽において均一な空気供給（送気）を行いつつ攪拌も行って発酵させる。この発酵処理工程では、有機性廃棄物が前処理工程で発酵しやすい状態になっているため、その発酵が効率よく開始される。また、発酵槽においては、材料が供給される空気と接触することでその発酵の促進が図れるとともに、攪拌によっても団塊が細分化されて空気と接触するようになってその発酵が促進される。この発酵が活発になり、しかも持続した場合には、発酵した材料（発酵物）の水分含量が低下するようになる。

粉砕工程は、発酵する発酵物を回転羽根に落下させて空中に飛散させることで粉砕する作業が行われるが、この場合、発酵槽に堆積する発酵物を回転羽根によりも少し上方の位置まで掻き揚げるように搬送した後、その回転羽根に向けて落下させるように構成することで実施できる。この粉砕工程では、発酵物が回転羽根により空中に飛散するように処理されることにより、発酵物がさらに細かく砕かれて空気と更に多く触れることになるので好気的発酵が促進され、発酵の熟成が進む。このような効果は、ロータリー式の攪拌機を用いた攪拌作業では得られにくい。

以上の各工程を経て最終的に粉砕工程で得られる粉砕物（残留固形分）が固形燃料となる。このときの粉砕物の一部は、前述したように戻し材として前処理工程に戻される。発酵処理時間は、例えば、前処理した材料を発酵槽４に投入したときから少なくとも１０日の経過時間（経過日数）が好ましい。

固形燃料として収集される粉砕物は、その水分含量が３０％以下であることが好ましい。このときの粉砕物の水分含量が３０％を超える場合には、例えば、図２に二点鎖線で示すように、その粉砕物を送風して乾燥させる作業（乾燥工程）を行い、その水分含量を所望の値に調整することができる。この水分含量の値が３０％以下の小さい値になればなるほど、固形燃料の燃料効率が高くなり、また、より安定した保管が可能になる。

このような固形燃料を製造するための製造システムとしては、例えば図２に概念的に示すようなシステム（製造プラント）を適用している。図２において符号１は固形材料、２は原料受入装置、３は加圧混練装置、４は発酵槽、５は送風装置、６は攪拌粉砕装置、７は戻し搬送装置をそれぞれ示す。

このうち原料受入装置２は、有機性廃棄物を投入する原料投入部２１と、原料投入部２１から受け入れた有機性廃棄物を搬送するベルト搬送装置２２とで構成されている。また、ベルト搬送装置２２の原料投入部２１よりも搬送方向下流側には、粉砕物の一部（戻し材）を投入する戻し材投入部２３が設けられている。ベルト搬送装置２２は、図２に点線矢印で示すように、投入された原料を加圧混練装置３の後述する材料投入部まで搬送した後にその投入部に向けて投入する。戻し材投入部２３に投入された粉砕物の一部は、ベルト搬送装置２１で搬送される有機性廃棄物と混合された状態で搬送される。

加圧混練装置３は、有機性廃棄物を実際に加圧混練して前処理工程を実施する本体部３１と、原料受入装置１から搬送される有機性廃棄物（戻し材を含むこともある）が投入される材料投入部３２とで構成されている。

本体部３１は、図３に示すように、混練作業をする筒状の内部空間３３内に、図示しないモータで回転する混練材３５が回転自在に支持された状態で配置されている。混練材３５は、材料投入部３２の下方の位置（投入側の位置）から材料排出口３４の上方の位置（排出側の位置）に存在するように配置された回転軸３６を有し、その回転軸３６の投入側の位置となる領域に螺旋状に延びるスクリュー３７を設け、その残りの領域に板状の混練突起３８を設けたものである。混練突起３８は、材料をその送り方向に移動させるように傾いた状態には位置されている。回転軸３６については、その挿入側の位置となる領域の小径部３６ａと、その小径部３６ａの終端部から材料の送り方向（矢印Ａ）にむけて径が次第に太くなる径拡大部３６ｂと、その径拡大部３６ｂの終端部から排出側の位置となるまでの領域の大径部３６ｃを有する形状で形成されている。大径部３６ｃの末端部には、混練した材料を材料排出部３４の側に戻すための戻し羽根３９が設けられている。

混練材３５として径の異なる回転軸３６を使用することにより、その径拡大部３６ｂから大径部３６ｃに移動するにつれて空間３３の内壁との間の空間（隙間）が次第に狭くなり、材料が狭い空間を強制的に送られることで加圧された状態になる。また、この混練材３５は、２本の混練材３５を軸方向に沿って平行に並べ、その各混練突起３８どうしが接近して通過し合う状態になるように配置されている。

この加圧混練装置３では、前処理された有機性廃棄物が材料投入部３２から投入されると、本体部３１の内部空間３３内において混練材３５のスクリュー３７によって混ぜ合わせながら押された状態で排出側の位置にむけて搬送（圧送）された後、混練突起３８によって加圧されながら混練される。特に、混練突起３８を通過する際には、材料が徐々に加圧されながら激しく練られて摩擦し合う状態になるので、混練されている材料の温度が上昇する。加圧混練された材料３０は、材料排出口３４から排出された後、発酵槽４に向けて搬送される。

発酵槽４は、上面が開口し、周囲と底面が断熱性を有する壁材４１と床材４２で囲まれた容器形状の構造物である。発酵槽４は、通常、換気が可能な建物内（屋内）に設置される。加圧混練装置３と発酵槽４の間には、加圧混練装置３から排出される加圧混練後の材料３０を発酵槽４まで搬送して投入するためのベルト搬送装置４５が配置されている。ベルト搬送装置４５は、搬送する材料３０の発酵槽４への投入（落下）位置を適宜変更できるように移動する仕組みになっている。

発酵槽４では、加圧混練後の材料３０がベルト搬送装置４５で搬送されて発酵槽４の内部空間に落下させられるように投入されて堆積した状態になる。また、発酵槽４内に収容された加圧混練後の材料３０は、前処理によって発酵しやすい状態になっているためすぐに発酵し始め、徐々に発酵した状態の材料である発酵物４０になっていく。

送風装置５は、送風機５１と、送風機５１から送り出される空気を発酵槽４の底部まで運んだ後に発酵槽４内に存在する材料にむけて吹き出す送風配管５２とで構成されている。発酵槽４は、例えば、材料を載せる底面部に不織布層４３が形成されており、これにより送風装置５から供給される空気が不織布層４３を通して材料に均一に分散されるようになっている。図２において送風配管５２から立ち上がるように描かれている複数の波線は、送風装置５から供給される空気の状態を模式的に示すものである。

攪拌粉砕装置６は、発酵槽４の上部において、少なくとも図２に両矢印で示す方向に移動するよう設置された移動台車６１に、攪拌機６２と粉砕機６５が取り付けられている。攪拌機６２は、掻き上げブレード６３が形成された回転ベルト６４にて構成されている。回転ベルト６４は、その一端部が発酵槽４の底面部に接近した状態になるまで下降する一方で、上方に上昇移動するように形成されている。粉砕機６５は、回転ベルト６４の上位側に位置する他端部の近傍に配置されており、矢印方向に回転する回転軸と、その回転軸に対して放射状に突出した状態で取り付けられる複数枚の粉砕羽根で構成されている。移動台車６１は、攪拌機６２の作業幅が発酵槽４の幅に比べて狭い寸法である場合には、発酵槽４の幅方向（上記両矢印方向と直交する方向）に移動できるように構成してもよい。

発酵槽４では、加圧混練後の材料３０が送風装置５からの空気の供給を受けつつ発酵し始めて経時的に発酵物４０になっていくとともに凝集して固まりの状態になっていくが、その発酵物４０が攪拌粉砕装置６の攪拌機６２における掻き上げブレード６３によって掬い取られるようにして掻き上げられて場所を移動させられることで攪拌される。また、攪拌機６２によって掻き上げられた発酵物４０は、その上位側の端部で攪拌粉砕装置６の粉砕機６５に向けて落下して回転する粉砕羽根によって空中に飛ばされた状態になり、これにより粉砕される。符合６０は飛散中の粉砕物を示す。さらに、発酵槽４に存在する発酵物４０は、攪拌粉砕装置６の攪拌機６２と粉砕機６５が加圧混練装置３に接近する方向に移動しながら作動することにより、発酵槽４の後方部に粉砕された状態で移動させられた状態になる。

粉砕物６０は、発酵槽４の底面部に落下して堆積した状態でも送風装置５からの空気の供給を受けつつ発酵が持続する。この堆積した粉砕物６０の一部は、戻し搬送装置７によって原料受入装置２の戻し材投入部２３まで送られて投入される。戻し搬送装置７は、図示しない採取装置と搬送装置とで構成される。粉砕物６０の水分含量が所望の値よりも高い場合は、送風装置５からの空気の供給量を増加して送風乾燥することができる。また、このような乾燥は、発酵槽４から取り出した後に他の場所で送風乾燥させるように対処してもよい。

一方、発酵槽４に堆積して所要の発酵を終えた残留固形分からなる粉砕物６０は、固形燃料１として発酵槽４から取り出される。図２中の符号１０は、固形燃料１の収容器である。このようにして得られる固形燃料１は、数ミリ程度の外径からなる粒状のものであった。

図４は、この製造システムを用いて行った実験例での測定データを示す。図４に示す測定データは、発酵槽４に投入された材料の発酵温度及び水分含量を測定したものである。

このときの実験は、有機性廃棄物として下水汚泥及び食品余剰汚泥を使用した。この汚泥の前処理工程前における水分含量は７５〜８３％程度であった。また、その汚泥のＰｈは５．３〜６．６程度の範囲であり、配分は１２〜２４％程度であった。また、このときの汚泥は、前処理工程で加圧混練装置３により加圧混練をした時点で、その水分含量が５０％前後になった。実験は、この前処理した汚泥を発酵槽４に投入し、その投入日から１０日経過するまでの汚泥（発酵物４０及び粉砕物６０に変化したものを含む）の発酵温度及び水分含量を２〜４時間単位で測定し、それを集計した。

図４に示されるように、発酵温度については、発酵槽４に投入して８時間後に６０〜７０℃の温度に上昇し、それが２〜３日継続した後に徐々に低下し、９日になる頃に３０℃の温度に落ち着いた。また、水分含量については、発酵槽４への投入時には５０％前後であったものが発酵が進むにつれて徐々に低下し、４〜５日後に３５〜３７％になった。

また、この実験では、３日目に発酵槽４の上部から発酵物４０の堆積面に散水した。このときの散水は、発酵物４０の堆積表面から３０ｃｍの深さに至る部分までが湿潤する程度に行った。この散水した後の発酵温度及び水分含量について同様に測定した。このときの結果について図４に点線で併せて示す。

この散水（水分の散布）をした場合は、低下し始めていた汚泥の発酵温度が６０〜６５℃の温度に上昇した。これは、発酵が促進されたことによるものと推測される。また、水分含量については、９日目には、散水しない場合と同様に３０％前後まで低下することが判明した。

そして、この実験例で得られた固形燃料１は、その発熱量（ＪＩＳ Ｚ７３０２−２）が３３００ｋｃａｌ／ｋｇであった。このため、この固形燃料１は、各種燃料として使用することが可能であり、例えば、ボイラー燃料（石炭など）の補助燃料として混合して使用することができる。これにより、この固形燃料１は、化石燃料と混合して使用することが可能であり、この他にも、用途によっては化石燃料の代替品として使用することも可能になる。

１ …固形燃料
３ …加圧混練装置（加圧混練機）
４ …発酵槽（断熱性発酵槽）
５ …送風装置（空気を供給する手段）
６５…粉砕機（回転羽根）

Claims (6)

1. 加圧下で混練した有機性廃棄物を空気の供給下で発酵させて得られた残留固形分からなることを特徴とする固形燃料。
2. 前記残留固形分の水分含量が３０％以下である請求項１に記載の固形燃料。
3. 有機性廃棄物を加圧混練機で混練する前処理を行う前処理工程と、
   前記前処理工程で前処理された材料を断熱発酵槽において空気を供給しつつ攪拌しながら発酵させる発酵処理工程と、
   前記発酵処理工程で発酵する発酵物を回転羽根に落下させて空中に飛散させることで粉砕する粉砕工程と
   を有する固定燃料の製造方法。
4. 前記発酵処理工程において断熱発酵槽内の発酵物に水を散布する請求項３に記載の製造方法。
5. 前記粉砕工程で得られる粉砕物の一部を前記前処理工程に戻して前記有機性廃棄物と混合する請求項３又は４に記載の製造方法。
6. 前記粉砕工程で得られる粉砕物を送風して乾燥させる乾燥工程を追加する請求項３乃至５のいずれか１項に記載の製造方法。

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