JP3740782B2 - 膨化汚泥を用いた固体燃料・水スラリの安定化方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は石炭および／または石油コークスなどから成る固体燃料・水スラリに膨化汚泥を適量混合して貯蔵中あるいは配管輸送中に固体燃料が沈降したり、圧密化することのないように安定性に優れた固体燃料・水スラリの安定化に関するものである。更に詳しくは、工場廃水、生活廃水の処理残渣として発生する有機性汚泥の有効利用化のために、有機性汚泥を加圧下で加熱し、その後脱圧して得られた膨化汚泥を含有する、石炭および／または石油コークスからなる固体燃料・水スラリの安定化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年エネルギー源として石炭、石油コークスなどの固体燃料が見直されてきている。とりわけ固体燃料を石油のような流体燃料とするために、微粉状にして水に分散させて固体燃料・水スラリとする流体燃料化の開発が進められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に固体燃料・水スラリを製造する際、固体燃料の濃度を上げるとスラリの粘度が著しく高くなり、スラリの流動性が損なわれ、取扱いやパイプ輸送が困難となる。また逆にスラリの粘度を下げるために固体燃料の濃度を下げると固体燃料が沈降したり、あるいは輸送効率が低下したり、燃料やガス化原料として使用するためには後処理として脱水工程を必要とする難点があることが知られている。
【０００４】
このような問題点を解決するために、グアーガム、キサンタンガムなどの天然多糖類、ポリビニールアルコール、ポリアクリルアミド、カルボキシメチルセルロースほかの有機系安定化剤あるいはベントナイト、アタパルジャイトほかの無機系安定化剤などを使用したり、固体燃料の粒度分布を調整したりする方法が開発されている。
【０００５】
しかしながらこの場合でも、スラリを長期間静置させておくと、比重の違いにより固体燃料の沈降が生じ、しかも沈降物の圧密化による脱水現象により強固な固体沈降層が形成されないようにするために高価な有機系安定化剤や無機系安定化剤などを多量に添加すると、結果的に粘度が高くなるとともに固体燃料・水スラリの価格が高くなり、経済的でないといった問題点が指摘されていた。
【０００６】
例えば、石炭−水スラリにポリアクリルアミドあるいはグアーガムなどの高分子界面活性剤を添加した場合、高分子界面活性剤の添加により一応安定な石炭−水スラリの製造は可能であるが、得られるスラリの粘度は、20000cp 以上となり、取扱いや輸送が難しく、実用的でない。
【０００７】
また、石炭の粒度分布を調整したり、さらには有機分散剤としてリグニンスルホン酸のアルカリ土類金属塩、無機のアルカリ金属塩などを用いて高濃度で、かつ安定な石炭−水スラリを製造する方法が知られている（特開昭５７−９６０９０号公報参照）。しかし提案された方法で石炭の粒度分布を調整し、リグニンスルホン酸のアルカリ土類塩などを添加して高濃度化を図ろうとしても、必ずしも満足できる程度の高濃度のスラリが得られない。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、有機性汚泥を加圧化において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して得られた膨化汚泥自体が沈降分離せず、適当の粘度があり、さらに安価であることを参酌して、固体燃料−水スラリに添加して固形燃料の沈降分離を防止し、安定化を図ることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における第１の発明では、有機性汚泥を加圧下において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して得られた有機性膨化汚泥と固体燃料・水スラリとを混合添加して混合スラリを製造する。また、第２の発明では、有機性汚泥を加圧下において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して有機性膨化汚泥スラリを形成する際に、前記有機性汚泥を加熱、加圧する反応槽に接続した循環ライン上にて循環流動させつつ加熱し、脱圧後に膨化汚泥をミキシングすることにより生成した流動性に優れた低粘度汚泥スラリを、石炭および／または石油コークスなどからなる固体燃料を湿式粉砕して得られた固体燃料・水スラリに供給して膨化汚泥と固体燃料・水スラリとの混合スラリを製造する。さらに、第３の発明では、有機性汚泥を加圧下において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して有機性膨化汚泥スラリを形成する際に、前記加熱工程の前処理として汚泥の捏和処理を予め行った後に膨化工程に供給して生成して得られた擂り潰し汚泥を流動させつつ加熱し、脱圧後に膨化汚泥をミキシングすることにより生成した流動性に優れた低粘度汚泥スラリを、石炭および／または石油コークスあるいはガス化や熱分解などで生じた未反応炭素を主成分とする固体燃料を湿式粉砕して得られた固体燃料・水スラリに供給して膨化汚泥と固体燃料・水スラリとの混合スラリを製造するようにした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る膨化汚泥を用いた固体燃料・水スラリの安定化方法の実施例を図１〜図５を用いて説明する。
【００１１】
図１は有機性汚泥の膨化処理構成を示すブロック図、図２はその他の実施形態のシステム構成ブロック図、図３はさらにその他の実施形態のシステム構成ブロック図、図４は実施形態で得られた膨化汚泥の粘度特性の比較図、図５は膨化汚泥の添加率と石炭−水スラリ粘度との関係図である。
【００１２】
図１において、工場廃水や生活廃水の処理の残渣として発生する有機性汚泥は廃水処理施設からの輸送ハンドリングのために脱水処理され、通常の含水率は７８〜８３重量％を有するものとなっている。この脱水汚泥は、大部分が微生物細胞で構成され、汚泥は水分を内包するように細胞膜で覆われている。この細胞膜は単純な脱水処理によっては破壊されず、したがって上記含水率以下に汚泥を脱水することが困難であり、含水率は多いものの粘性が高い汚泥として本発明の処理システムに導入するようにしている。
【００１３】
このようなケーキ態様を示す有機性汚泥はバンカ１０に一次的に貯溜され、バンカ下部の排出部に設置されたスクリュウポンプ１２によって下流の処理システムに圧送供給される。スクリュウポンプ１２からの汚泥送給ライン１４には予熱器１６が介装され、搬送する汚泥を加圧状態で加熱する汚泥膨化反応槽１８へ導入する前に加熱し、汚泥膨化反応槽１８での熱負荷を小さくしている。
【００１４】
前記汚泥膨化反応槽１８は、導入された予熱汚泥を加熱、加圧処理するものであり、これは密閉容器として構成されているが、この汚泥膨化反応槽１８には並列に汚泥循環ライン２０が接続され、反応槽１８の下部排出口から槽上部に向けて汚泥を還流しつつ循環流動させるようにしている。循環のために圧送ポンプ２２が循環ライン２０に設けられており、前記汚泥送給ライン１４を圧送ポンプ２２の入口に接続し、スクリュポンプ１２から圧送されてくる汚泥８０を強制循環させるようにしている。また、この循環ライン２０に加熱器２４を設け、汚泥が循環する過程でこれを１６０〜１７０℃程度まで加熱昇温させるようにしている。
【００１５】
この汚泥膨化反応槽１８および循環ライン２０から構成される循環流路を汚泥が加熱流動する過程で昇圧し、これをほぼ７Ｋｇ／ｃｍ2 に維持するように汚泥膨化反応槽１８には調圧バルブ（図示せず）が装備されている。この実施形態では、スクリュポンプから連続的に圧送されてくる汚泥は、循環流路を流動するが、このとき汚泥膨化反応槽１８の汚泥量レベルが一定になるように調整しつつ、この加熱汚泥を次段のミキシング槽３５に連続的に排出させるものとしている。
【００１６】
循環流路を流動する間に加熱、加圧された加熱汚泥の細胞破壊をなすために、前記循環ライン２０の圧送ポンプ２２の出側（もしくは汚泥膨化反応槽１８の下端側）には排出管２６が接続され、これをミキシング槽３５に連結している。ここで、加圧されている加熱汚泥を排出管２６を通じてミキシング槽３５に排出する際、加圧汚泥の圧力を瞬時に大気圧まで開放してフラッシュさせるためのフラッシュ弁３０を排出管２６に設けている。
【００１７】
したがって、循環流路のポンプ２２から加圧状態で圧送されてくる加熱汚泥は、フラッシュ弁３０を通過することにより、大気圧まで圧力が瞬時に開放され、この脱圧により汚泥細胞内に存在する水が急激に気化膨張し、この作用により汚泥粒子の細胞膜の破壊が促進され、水分の溶出と汚泥細胞膜の微細化により流動性が極めて高い状態の膨化汚泥スラリが生成され、ミキシング槽３５に収容される。
【００１８】
ここで、ミキシング槽３５は縦中心軸に多段に取付けられた回転翼３４と、ミキシング槽３５の内壁側に固定され、前記回転翼３４の間に介在するように配置された多段の静止翼３６とから構成されている。各段の回転翼３４はミキシング槽３５の内壁面に接近するように放射状に延長された複数の翼刃からなり、回転翼３４の回転に伴って収容されている汚泥に剪断力を与える刃部を有している。
【００１９】
したがって、ミキシング槽３５内に導入された汚泥は、静止翼３６と回転翼３４による剪断作用を受け、フラッシュ蒸発された膨化汚泥は槽内を流下する際にミキシング攪拌されるものとなっている。このようなことから、汚泥膨化反応槽１８に予熱された汚泥を導入し、この反応槽１８と循環ライン２０との間の循環流路を循環流動させる過程で、汚泥は加熱器２４により加熱され、加圧状態で循環され、汚泥が均一な温度状態となる。循環流動で、汚泥は１６０〜１７０℃に均一加熱され、熱変質により汚泥細胞膜の一部が破壊され、同時に汚泥中の水分が蒸発して気液平衡状態における圧力を得ることができ、循環流路内圧力が７Ｋｇ／ｃｍ2 程度に達するのである。
【００２０】
そして、脱圧されたミキシング槽３５から排出された汚泥は、回転翼３４の回転時のミキサの剪断作用により、汚泥ブロックは微細化され、汚泥粒子細胞単位もしくはそれらの小集合体まで細分化されるものとなる。このようにして得られた膨化汚泥スラリは、部分酸化反応によるガス化処理に供するために、ミキシング槽３５から汚泥スラリ供給管４１を通じて湿式粉砕機４４に供給されるようになっている。
【００２１】
また、湿式粉砕機４４では、ガス化主原料としての石油コークス９０を微粉砕しつつ、流動性調整のための水を供給できるようにし、前記膨化汚泥スラリと混合し、できた混合スラリはスラリタンク４２に供給してガス化原料スラリとするようにしている。
【００２２】
ここで膨化汚泥スラリは循環流路中での加熱、加圧およびフラッシュ操作の後、膨化汚泥のミキシング作用をなしているため、粘度が１０００ｃｐ以下、最大でも３５００ｃｐ以下の流動性の良い低粘度スラリである。したがって、膨化汚泥スラリに適宜な粒径に粉砕した石油コークス９０や石炭などの化石燃料を混合して、ガス化原料スラリとすることができる。
【００２３】
このとき、ガス化炉ではスラリスクリーンやバーナへの供給条件から、現在ではガス化原料スラリの粘度は１０００ｃｐ以下であることが要求されている。本実施形態では、有機性汚泥８０の膨化後にミキシングを施してそのスラリ粘度を極めて低下させることができるため、ガス化に要求される含水率（３７〜４０重量％）を維持してガス化原料スラリにおける膨化汚泥スラリ中に含まれる有機性固形分をドライベースで最大約４．０重量％まで高めることができる。
【００２４】
また、逆にガス化原料スラリにおける膨化汚泥スラリの混合率が１０重量％とするなど一定の値に設定して、ミキシング工程で粘度を大幅に低下させた膨化汚泥スラリを混合して、ガス化原料スラリに要求される流動性を維持しつつ、化石燃料自体のスラリ化に必要な含水率を大きく低減することができる。
【００２５】
スラリタンク４２には攪拌機４６が装備され、スラリタンク４２内で膨化汚泥スラリと粉砕石油コークス９０の混合攪拌がなされ、ガス化原料が生成され、ここに一時的に貯溜される。前記スラリタンク４２よりガス化原料スラリをスラリポンプ４８によってガス化炉５０に送るようにしている。ガス化炉５０は頂部にバーナ５２が取付けられており、ここでガス化原料である有機性汚泥と石油コークス９０との混合物の理論燃焼酸素量の４０〜６０％の量の酸素とともに、ガス化炉５０に噴霧供給し、１、２５０〜１、４５０℃の温度で部分酸化によるガス化を行うようにしている。
【００２６】
この場合、ガス化炉５０内の圧力は２０〜８０気圧程度に設定するようにしている。ガス化炉５０の上部は耐火物５４で内張りされて反応室５６が形成されている。また、ガス化炉５０の下部には急冷室５８が設けられ、反応室５６と急冷室５８とをスロート部６０で連通している。急冷室５８にはガス急冷用の水を送る水ライン６２が開口され、適宜な水位となるように水を供給するようにしている。
【００２７】
この冷却水には下端部が水に没する筒状のディップチューブ６４およびドラフトチューブ６６が同軸的に設けられている。したがって、反応室５６で発生したガスは、スロート部６０およびディップチューブ６４を通過し、急冷室５８内の水中に吹き込まれ、その後、ディップチューブ６４とドラフトチューブ６６間の環状部分を通った後、急冷室５８の水面の上方域に設けられたガス排出口６８からガスライン７０を通って後続するガス合成処理設備などに送給させるようにしている。
【００２８】
次に、図２および図３に示す実施形態によって、図１に示す類似の汚泥の膨化処理を行い、当該実施形態で得られた膨化汚泥を湿式粉砕機４４にて粉砕中の石炭および／または石油コークスから成る固体燃料・水スラリに適量添加して安定性に優れた固体燃料・水スラリを得る場合について説明する。
【００２９】
まず、図２のその他の実施形態のシステム構成ブロック図を用いて膨化汚泥の製造プロセスについて説明する。
有機性汚泥を一次的に貯留するバンカ１０が設けられており、バンカ１０下部の排出部に設置されたスクリュウポンプ１２によって下流の処理システムに圧送供給できるようにしている。バンカ１０からの汚泥圧送ライン１４には予熱器１６が介装され、搬送する汚泥を加圧状態で加熱する１次汚泥膨化反応槽１８での熱負荷を小さくしている。
【００３０】
前記１次汚泥膨化反応槽１８は、導入された予熱汚泥を加熱、加圧処理するものであり、これは密閉容器として構成されているが、この１次汚泥膨化反応槽１８には並列に汚泥循環ライン２０が接続され、１次汚泥膨化反応槽１８の下部排出口から槽上部に向けて汚泥を還流しつつ循環流動させるようにしている。
【００３１】
循環のために循環ポンプ２２が循環ライン２２に設けられており、前記予熱器１６から供給されてくる予熱汚泥を循環ポンプ２２の入口に導入し、予熱汚泥を１次汚泥膨化反応槽１８と循環ライン２０からなる循環流路を強制循環させるようにしている。また、この循環ライン２０に加熱器２４を設け、汚泥が循環する過程で１次汚泥膨化反応槽１８および循環ライン２０から構成される循環流路を汚泥が加熱流動する過程で昇圧し、これをほぼ７Ｋｇ／ｃｍ2 に維持するように１次汚泥膨化反応槽１８には調圧（図示せず）が装着されている。
【００３２】
この実施形態では、連続的に圧送されてくる予熱汚泥は、循環流路を流動するが、このとき１次汚泥膨化反応槽１８の汚泥量レベルが一定になるように調整しつつ、この加熱汚泥を次段のタンクに連続的に排出させるものとしている。もちろん、バッチ処理をするために、循環流路を閉流路とすべく、１次汚泥膨化反応槽１８と循環ライン２０から構成される循環ユニットの上流側と下流側の流路を遮断する複数の流路遮断弁を設け、このユニット内に一定量の汚泥を導入した状態で加熱・加圧するようにしてもよい。
【００３３】
循環流路を流動する間に加熱、加圧された加熱汚泥は細胞破壊をなすため、１次汚泥膨化反応槽１８の下端部（もしくは前記循環ライン２０の循環ポンプ２２の出側）には排出管２６が接続され、これを２次汚泥膨化反応槽２８に連結している。ここで、加熱されている加熱汚泥膨化を排出管２６を通じて２次汚泥膨化反応槽２８に排出する際、加熱汚泥の圧力を瞬時に大気圧まで開放してフラッシュさせるためのフラッシュ弁３０を排出管２６に設けている。
【００３４】
したがって、循環流路のポンプ２２から加圧状態で圧送されてくる加熱汚泥は、フラッシュ弁３０を通過することにより、大気圧まで圧力が瞬時に開放され、この脱圧により汚泥細孔内に存在する水が急激に気化膨張し、この作用により汚泥粒子の細孔膜の破壊が促進され、水分の溶出と汚泥の微細化により流動性が極めて高い状態の膨化スラリが生成され、２次汚泥膨化反応槽２８に収容される。
【００３５】
ここで、当該実施形態では、２次汚泥膨化反応槽２８の内部にはミキサー３２が装備されている。これは図１に示した場合と同様に、２次汚泥膨化反応槽２８の縦中心軸に多段に取付けられた回転翼３４と、１次汚泥膨化反応槽１８の内壁側に固定され、前記回転翼３４の間に介在するように配置された多段の静止翼３６を受け、フラッシュ蒸発された膨化は槽内に流下する際にミキシング攪拌されるものとなっている。
【００３６】
このようなことから、１次汚泥膨化反応槽１８に予熱された汚泥を導入し、この１次汚泥膨化反応槽１８と循環ライン２０との間の循環流路に循環流動させる過程で、汚泥は加熱器２４により加熱され、加圧状態で循環され、汚泥が均一な温度状態となる。循環流動で、汚泥は１６０〜１７０℃に均一加熱され、熱変質により汚泥細胞膜の一部が破壊され、同時に汚泥中の水分が蒸発して気液平衡状態における圧力を得ることができ、循環流路内圧力が７Ｋｇ／ｃｍ2 程度に達するのである。そして脱圧され２次汚泥膨化反応槽２８から排出された汚泥は、反応槽内のミキサー３２の剪断作用により、汚泥ブロックは微細化され、汚泥粒子細胞単位もしくはそれらの小集合体まで細分化されるものとなる。
【００３７】
次に図３の構成について示すが、図３では図２と異なる要部についてのみ説明する。まず、バンカ１０が設けられ、バンカ下部の排出部に設置されたスクリュウポンプ１２によって下流の処理システムに圧送供給できるようにしている。バンカ１０からの１次汚泥送給ライン１４には予熱器１６が介装され、搬送する汚泥を加圧状態で加熱する１次汚泥膨化反応槽１８へ導入する前に加熱し、１次汚泥膨化反応槽１８での熱負荷を小さくしている。
【００３８】
本実施形態では、１次汚泥膨化反応槽１８に供給し、膨化処理する前に捏和装置１２０により予熱された汚泥を擂り潰すために捏和処理をなすのである。この捏和装置１２０としては、ボールミル、チューブミル、またはテーブルミル等の粉砕装置、あるいはスクリュ押出機、ロールミル、またはコニーダのような混練装置等を用いることができる。例えば、ロールミルではロールとロールの間隙を繰り返し通過させることにより汚泥を圧延し、捏和効果を得るものである。
【００３９】
ロールは１本から数本のものまであり、図示のように２本以上有する場合は、第１ロールを低速にし、第２ロールより順次回転を増やすようにして、各々接するロールの間を通過する際に剪断、圧延を繰り返して捏和する。実施形態には２本のミルローラ１２２を備えた例を示しており、これがほぼ転接する配置状態で回転駆動可能とされ、ローラ対の上部隙間に汚泥を投入することにより、ローラ間で汚泥粒子を擂り潰すようにしている。この捏和装置１２０は下部に圧送ポンプ１２３を具備し、擂り潰し汚泥を後段の１次汚泥膨化反応槽１８に圧送供給するようにしている。
【００４０】
前記１次汚泥膨化反応槽１８は、導入された擂り潰し汚泥を加熱、加圧処理するものであり、これは密閉容器として構成されているが、この１次汚泥膨化反応槽１８には並列に汚泥循環ライン１２４が接続され、１次汚泥膨化反応槽１８の下部排出口から槽上部に向けて汚泥を還流しつつ循環流動させるようにしている。循環のために循環ポンプ１２６が循環ライン１２４に設けられており、前記捏和装置１２０から供給されてくる擂り潰し汚泥を循環ポンプ１２６の入口に導入し、擂り潰し汚泥を１次汚泥膨化反応槽１８と循環ライン１２４からなる循環流路で強制循環させるようにしている。
【００４１】
また、この循環ライン１２４に加熱器１２８を設け、汚泥が循環する過程でこれを１６０〜１７０℃程度まで加熱昇温させるようにしている。この１次汚泥膨化反応槽１８および循環ライン１２４から構成される循環流路は汚泥が加熱流動する過程で昇圧され、これをほぼ７Ｋｇ／ｃｍ2 に維持するように１次汚泥膨化反応槽１８には調圧バルブ（図示せず）が装着されている。この実施形態では、捏和装置１２０のホンプ１２３から連続的に圧送されてくる擂り潰し汚泥は、循環流路を流動するが、このとき１次汚泥膨化反応槽１８の汚泥量レベルが一定になるように調整しつつ、この加熱汚泥を次段のタンクに連続的に排出させるものとしている。
【００４２】
もちろん、バッチ処理をするために、循環流路を閉流路とすべく、１次汚泥膨化反応槽１８と循環ライン１２４から構成される循環ユニットの上流側と下流側の流路を遮断する複数の流路遮断弁を設け、このユニット内に一定量の汚泥を導入した状態で加熱し、加熱・加圧するようにしてもよい。
【００４３】
循環流路を流動する間に加熱・加圧された加熱汚泥の細胞破壊をなすため、１次汚泥膨化反応槽１８の下端部（もしくは前記循環ライン１２４の循環ポンプ１２６の出口側）には排出管１３０が接続され、これを２次汚泥膨化反応槽１３２に連結している。ここで、加圧されている加熱汚泥を排出管１３０を通じて２次汚泥膨化反応槽１３２に排出する際、加圧汚泥の圧力を瞬時に大気圧まで開放してフラッシュさせるためのフラッシュ弁１３４を排出管１３０に設けている。
【００４４】
したがって、循環流路１２４の循環ポンプ１２６から加圧状態で圧送されてくる加熱汚泥は、フラッシュ弁１３４を通過することにより、大気圧まで圧力が瞬時に開放され、この脱圧により汚泥細胞内に存在する水が急激に気化膨張し、この作用により汚泥粒子の細胞膜の破壊が促進され、水分の溶出と汚泥の微細化により流動性が極めて高い状態の膨化汚泥スラリが生成され、２次汚泥膨化反応槽１３２に収容される。
【００４５】
このように構成された有機性汚泥の処理方法では、工場廃水や生活廃水の処理によって生じた有機性汚泥がハンドリングのために７８〜８３重量％の含水量とされるまで脱水して本システム内に導入され、これが予熱された後、捏和装置１２０によって汚泥粒子の擂り潰しをなした上で膨化処理システム側に供給され、１次汚泥膨化反応槽１８と汚泥循環ライン１２４からなる閉流路を循環する間に加熱して２次汚泥膨化反応槽１３２に導入されて瞬時に大気圧まで開放されてスラリとなるが、この生成される膨化汚泥スラリの粘度は図４に示すように極めて低い値を示すものとなっている。因みに、図１、図２および図３に示す汚泥の膨化処理はいずれも図４に示すような極めて低い値となるため、いずれの方法によって処理してもよい。
【００４６】
図１、図２および図３のいずれかの形で汚泥膨化処理された膨化汚泥を用いた固体燃料・水スラリの安定化方法について述べる。
【００４７】
まず、本実施例に用いられた膨化汚泥の性状を表１に示す。
【００４８】
因みに、固体燃料・水スラリの沈降安定性の評価は、石炭・油スラリ（ＣＯＭ）または石炭・水スラリ（ＣＯＭ）に採用される棒貫入試験に準拠する。試験容器にスラリを仕込み、所定期間静置後に針入棒を挿入し、３０分経過後に針入した高さを測定する。沈降度は、沈降高さ（＝全スラリ高さ−針入高さ）を全スラリ高さで除した値で表示する。
【００４９】
（１）実施例１
湿式粉砕機４４で製造された濃度６３％の石油コークス・水スラリ中の固形分１００重量部に対して、所定の重量部の膨化汚泥スラリを添加し、調製した固体燃料・水スラリの沈降安定性の結果を表２に示す。
【００５０】
（２）実施例２
湿式粉砕機４４に、石油コークス１００重量部に対して固形分１重量部の膨化汚泥スラリを供給して製造された濃度６３．５％の石油コークス・水スラリについて、実施例１と同様に安定性を測定した結果、７日間静置後の沈降度は７％であり、沈降安定性の良いことが判明した。
【００５１】
一方、ガス化源の主原料である石油コークス９０に適量の水を添加させた状態で湿式粉砕機４４に供給し、平均粒径が１２５μになるまで粉砕した石油コークススラリを得た後にスラリタンク４２に送給するとともに、ミキシングの完了した膨化汚泥スラリをもスラリタンク４２に送給して混合するが、この場合の混合基準は、石油コークスの固形分（ドライベース）１００重量部に対して膨化汚泥スラリ中の固形分（ドライベース）０．３３〜４．０の重量部の割合で混合することが望ましい。
【００５２】
この理由は、還元雰囲気下における石油コークス９０のアッシュ分の溶流点温度は１，５１０℃であり、石油コークス９０の１００％運転時に溶流点温度の低いフラックス添加してガス化を行い、ガス化炉５０壁に付着・堆積した石油コークス９０のアッシュ分をフラックスの助けをかりて一緒に溶流流下するものであるが、当該フラックスとして有機性汚泥８０を膨化処理した膨化汚泥を、石油コークスの固形分（ドライベース）１００重量部に対して膨化汚泥スラリ中の固形分（ドライベース）０．３３重量部以上をスラリータンク４２で石油コークススラリ９０と混合した場合にはアッシュ分の溶流点温度が１，３００℃以下になることが判明した。
【００５３】
すなわち、図１に示す部分酸化反応によるガス化炉５０の操作条件は、炉内温度１，４５０℃、圧力３８〜４０ata であり、冷ガス効率（ここで冷ガス効率とは、石炭の発熱量に対するシンガスの発熱量の割合をいう）アップのために、ＣＯガスがＣＯ2 ガスに変化するのを防止すると同時に耐火レンガの保護を図る必要があることから、ガス化炉内温度を約１，４００℃近傍まで下げざるを得ず、さらに相対的に石油コークスのアッシュ分の溶流点を下げる必要が生じる。
【００５４】
反応室５６内における部分酸化反応の温度Ｔ0 は、アッシュの溶流点Ｔよりも３０〜１００℃高いのが好ましい。すなわち、反応室７内の温度Ｔ0 は（Ｔ＋３０）℃以上であり、（Ｔ＋１００）℃以下であることが好ましい。
【００５５】
一方、石油コークス９０中のアッシュ分のガス化炉壁への付着防止の面から、石油コークスの固形分（ドライベース）１００重量部に対する適量の膨化汚泥スラリ中の固形分（ドライベース）の混合割合を考慮する必要がある。このような観点からテストを行い、図５に示すようなデータを得た。すなわち、ガス化操作温度１４００℃、圧力３８ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ（３．８×１０6 Ｐａ）下で、石油コークス９０に対して膨化汚泥の混合割合を増加していくと、ガス化炉壁へのアッシュ分の付着率は減少する傾向が認められた。
【００５６】
このため、本発明においては、石油コークス９０のガス化を行う場合、アッシュ分のガス化炉壁への付着をなくすか、もし付着が生じても長期連続運転が可能な程度の付着量、すなわち、ガス化炉壁へのアッシュ分の付着率を２％以下にするため、石油コークス９０の１００重量部に対して有機性汚泥を、一旦汚泥膨化反応槽１８で処理した膨化汚泥を０．１６重量部以上混合することが望ましいことが判明した。
【００５７】
以上述べたように、石油コークス９０の１００重量部に対して混合する膨化汚泥の最少添加量は、貯蔵中あるいは配管輸送中に固体燃料が沈降したり、圧密化することのないように安定性に優れた固体燃料・水スラリを得るとともに、ガス化炉５０内の操作温度は１，３００℃以下にしてＣＯガスがＣＯ2 ガスに変化するのを防止すると同時に耐火レンガの保護を図る必要があるとの観点と、石油コークス９０中のアッシュ分のガス化炉壁への付着を防止するなどを満足する必要がある。
【００５８】
すなわち、石油コークス９０の１００重量部に対して混合する膨化汚泥の添加量を０．１６重量部とすると、ガス化炉壁へのアッシュ分の付着率を２％以下にする目的は達成できても、ガス化炉５０内の操作温度は約１，３８０℃となり、１，３００℃以下にしてＣＯガスがＣＯ2 ガスに変化するのを防止すると同時に耐火レンガの保護を図る目的は達成できないことになる。
【００５９】
このことから、必然的に石油コークス９０の１００重量部に対して有機性汚泥を一旦汚泥膨化反応槽１８で処理した膨化汚泥を０．３３重量部以下では、ガス化炉５０内の操作温度は１，３００℃以上となって望ましくないため、膨化汚泥を０．３３重量部以上混合することが必要となる。
【００６０】
また、逆に、石油コークス９０の１００重量部に対して混合する膨化汚泥の最大添加量が４．０重量部以上となると、石油コークス９０スラリに対して混合する汚泥膨化の量が相対的に増加することになり、混合後のスラリ粘性は１０００ｃｐを越える。ガス化炉５０ではスラリスクリーンやバーナ５２への供給条件から、現在ではガス化原料スラリの粘度は１０００ｃｐ以下であることが要求されており、粘度が高いとバーナ５２から炉内に噴霧される石油コークス・水スラリの噴霧液滴が大きくなり、未燃物が増加することとなる。このことから、混合後のスラリ粘性は１０００ｃｐを越え、貯蔵中あるいは配管輸送中に固体燃料が沈降したり、圧密化することのないように安定性に優れた固体燃料・水スラリを得るとともに、石油コークス９０の１００重量部に対して混合する膨化汚泥の最大添加量を４．０重量部以下にすることが望ましい。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、有機性汚泥を加圧下において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して得られた有機性膨化汚泥と固体燃料・水スラリとを混合添加して混合スラリとすることにより、貯蔵中あるいは配管輸送中に固体燃料が沈降したり、圧密化することのないように沈降安定性が増す。また、粘度の適正化により搬送が可能となり、有機性汚泥の海洋投機や埋立なども行う必要がなく石油コークスに混合して部分酸化によるガス化源として用いるとともに、膨化汚泥中のアッシュ分が溶融する際に石油コークスのアッシュ分も一緒に流下するため、石油コークスのアッシュ分がガス化炉壁には付着せず良好な長期安定な連続運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するのに好適な有機性汚泥の膨化処理構成を示すブロック図である。
【図２】その他の実施形態のシステム構成ブロック図である。
【図３】さらにその他の実施形態のシステム構成ブロック図である。
【図４】実施形態で得られた膨化汚泥の粘度特性の比較図である。
【図５】膨化汚泥の添加率と石炭−水スラリ粘度との関係図である。
【符号の説明】
１０ バンカ
１２ スクリュウポンプ
１４ 汚泥送給ライン
１６ 予熱器
１８ 汚泥膨化反応槽
２０ 汚泥循環ライン
２２ 圧送ポンプ
２４ 加熱器
２６ 排出管
３０ フラッシュ弁
３４ 回転翼
３５ ミキシング槽
３６ 静止翼
４０ 汚泥スラリー供給管
４２ スラリータンク
４４ 湿式粉砕機
４６ 攪拌機
４８ スラリーポンプ
５０ ガス化炉
５２ バーナ
５４ 耐火物
５６ 反応室
５８ 急冷室
６０ スロート部
６２ 水ライン
６４ ディップチューブ
６６ ドラフトチューブ
６８ ガス排出口
７０ ガスライン
８０ 有機性汚泥
９０ 石油コークス
１２０ ミル装置（捏和装置）
１２２ ミルローラ
１２３ 圧送ポンプ
１２４ 汚泥循環ライン
１２６ 循環ポンプ
１２８ 加熱器
１３０ 排出管
１３２ ２次汚泥膨化反応槽
１３４ フラッシュ弁
【発明の属する技術分野】
本発明は石炭および／または石油コークスなどから成る固体燃料・水スラリに膨化汚泥を適量混合して貯蔵中あるいは配管輸送中に固体燃料が沈降したり、圧密化することのないように安定性に優れた固体燃料・水スラリの安定化に関するものである。更に詳しくは、工場廃水、生活廃水の処理残渣として発生する有機性汚泥の有効利用化のために、有機性汚泥を加圧下で加熱し、その後脱圧して得られた膨化汚泥を含有する、石炭および／または石油コークスからなる固体燃料・水スラリの安定化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年エネルギー源として石炭、石油コークスなどの固体燃料が見直されてきている。とりわけ固体燃料を石油のような流体燃料とするために、微粉状にして水に分散させて固体燃料・水スラリとする流体燃料化の開発が進められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に固体燃料・水スラリを製造する際、固体燃料の濃度を上げるとスラリの粘度が著しく高くなり、スラリの流動性が損なわれ、取扱いやパイプ輸送が困難となる。また逆にスラリの粘度を下げるために固体燃料の濃度を下げると固体燃料が沈降したり、あるいは輸送効率が低下したり、燃料やガス化原料として使用するためには後処理として脱水工程を必要とする難点があることが知られている。
【０００４】
このような問題点を解決するために、グアーガム、キサンタンガムなどの天然多糖類、ポリビニールアルコール、ポリアクリルアミド、カルボキシメチルセルロースほかの有機系安定化剤あるいはベントナイト、アタパルジャイトほかの無機系安定化剤などを使用したり、固体燃料の粒度分布を調整したりする方法が開発されている。
【０００５】
しかしながらこの場合でも、スラリを長期間静置させておくと、比重の違いにより固体燃料の沈降が生じ、しかも沈降物の圧密化による脱水現象により強固な固体沈降層が形成されないようにするために高価な有機系安定化剤や無機系安定化剤などを多量に添加すると、結果的に粘度が高くなるとともに固体燃料・水スラリの価格が高くなり、経済的でないといった問題点が指摘されていた。
【０００６】
例えば、石炭−水スラリにポリアクリルアミドあるいはグアーガムなどの高分子界面活性剤を添加した場合、高分子界面活性剤の添加により一応安定な石炭−水スラリの製造は可能であるが、得られるスラリの粘度は、20000cp 以上となり、取扱いや輸送が難しく、実用的でない。
【０００７】
また、石炭の粒度分布を調整したり、さらには有機分散剤としてリグニンスルホン酸のアルカリ土類金属塩、無機のアルカリ金属塩などを用いて高濃度で、かつ安定な石炭−水スラリを製造する方法が知られている（特開昭５７−９６０９０号公報参照）。しかし提案された方法で石炭の粒度分布を調整し、リグニンスルホン酸のアルカリ土類塩などを添加して高濃度化を図ろうとしても、必ずしも満足できる程度の高濃度のスラリが得られない。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、有機性汚泥を加圧化において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して得られた膨化汚泥自体が沈降分離せず、適当の粘度があり、さらに安価であることを参酌して、固体燃料−水スラリに添加して固形燃料の沈降分離を防止し、安定化を図ることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における第１の発明では、有機性汚泥を加圧下において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して得られた有機性膨化汚泥と固体燃料・水スラリとを混合添加して混合スラリを製造する。また、第２の発明では、有機性汚泥を加圧下において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して有機性膨化汚泥スラリを形成する際に、前記有機性汚泥を加熱、加圧する反応槽に接続した循環ライン上にて循環流動させつつ加熱し、脱圧後に膨化汚泥をミキシングすることにより生成した流動性に優れた低粘度汚泥スラリを、石炭および／または石油コークスなどからなる固体燃料を湿式粉砕して得られた固体燃料・水スラリに供給して膨化汚泥と固体燃料・水スラリとの混合スラリを製造する。さらに、第３の発明では、有機性汚泥を加圧下において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して有機性膨化汚泥スラリを形成する際に、前記加熱工程の前処理として汚泥の捏和処理を予め行った後に膨化工程に供給して生成して得られた擂り潰し汚泥を流動させつつ加熱し、脱圧後に膨化汚泥をミキシングすることにより生成した流動性に優れた低粘度汚泥スラリを、石炭および／または石油コークスあるいはガス化や熱分解などで生じた未反応炭素を主成分とする固体燃料を湿式粉砕して得られた固体燃料・水スラリに供給して膨化汚泥と固体燃料・水スラリとの混合スラリを製造するようにした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る膨化汚泥を用いた固体燃料・水スラリの安定化方法の実施例を図１〜図５を用いて説明する。
【００１１】
図１は有機性汚泥の膨化処理構成を示すブロック図、図２はその他の実施形態のシステム構成ブロック図、図３はさらにその他の実施形態のシステム構成ブロック図、図４は実施形態で得られた膨化汚泥の粘度特性の比較図、図５は膨化汚泥の添加率と石炭−水スラリ粘度との関係図である。
【００１２】
図１において、工場廃水や生活廃水の処理の残渣として発生する有機性汚泥は廃水処理施設からの輸送ハンドリングのために脱水処理され、通常の含水率は７８〜８３重量％を有するものとなっている。この脱水汚泥は、大部分が微生物細胞で構成され、汚泥は水分を内包するように細胞膜で覆われている。この細胞膜は単純な脱水処理によっては破壊されず、したがって上記含水率以下に汚泥を脱水することが困難であり、含水率は多いものの粘性が高い汚泥として本発明の処理システムに導入するようにしている。
【００１３】
このようなケーキ態様を示す有機性汚泥はバンカ１０に一次的に貯溜され、バンカ下部の排出部に設置されたスクリュウポンプ１２によって下流の処理システムに圧送供給される。スクリュウポンプ１２からの汚泥送給ライン１４には予熱器１６が介装され、搬送する汚泥を加圧状態で加熱する汚泥膨化反応槽１８へ導入する前に加熱し、汚泥膨化反応槽１８での熱負荷を小さくしている。
【００１４】
前記汚泥膨化反応槽１８は、導入された予熱汚泥を加熱、加圧処理するものであり、これは密閉容器として構成されているが、この汚泥膨化反応槽１８には並列に汚泥循環ライン２０が接続され、反応槽１８の下部排出口から槽上部に向けて汚泥を還流しつつ循環流動させるようにしている。循環のために圧送ポンプ２２が循環ライン２０に設けられており、前記汚泥送給ライン１４を圧送ポンプ２２の入口に接続し、スクリュポンプ１２から圧送されてくる汚泥８０を強制循環させるようにしている。また、この循環ライン２０に加熱器２４を設け、汚泥が循環する過程でこれを１６０〜１７０℃程度まで加熱昇温させるようにしている。
【００１５】
この汚泥膨化反応槽１８および循環ライン２０から構成される循環流路を汚泥が加熱流動する過程で昇圧し、これをほぼ７Ｋｇ／ｃｍ2 に維持するように汚泥膨化反応槽１８には調圧バルブ（図示せず）が装備されている。この実施形態では、スクリュポンプから連続的に圧送されてくる汚泥は、循環流路を流動するが、このとき汚泥膨化反応槽１８の汚泥量レベルが一定になるように調整しつつ、この加熱汚泥を次段のミキシング槽３５に連続的に排出させるものとしている。
【００１６】
循環流路を流動する間に加熱、加圧された加熱汚泥の細胞破壊をなすために、前記循環ライン２０の圧送ポンプ２２の出側（もしくは汚泥膨化反応槽１８の下端側）には排出管２６が接続され、これをミキシング槽３５に連結している。ここで、加圧されている加熱汚泥を排出管２６を通じてミキシング槽３５に排出する際、加圧汚泥の圧力を瞬時に大気圧まで開放してフラッシュさせるためのフラッシュ弁３０を排出管２６に設けている。
【００１７】
したがって、循環流路のポンプ２２から加圧状態で圧送されてくる加熱汚泥は、フラッシュ弁３０を通過することにより、大気圧まで圧力が瞬時に開放され、この脱圧により汚泥細胞内に存在する水が急激に気化膨張し、この作用により汚泥粒子の細胞膜の破壊が促進され、水分の溶出と汚泥細胞膜の微細化により流動性が極めて高い状態の膨化汚泥スラリが生成され、ミキシング槽３５に収容される。
【００１８】
ここで、ミキシング槽３５は縦中心軸に多段に取付けられた回転翼３４と、ミキシング槽３５の内壁側に固定され、前記回転翼３４の間に介在するように配置された多段の静止翼３６とから構成されている。各段の回転翼３４はミキシング槽３５の内壁面に接近するように放射状に延長された複数の翼刃からなり、回転翼３４の回転に伴って収容されている汚泥に剪断力を与える刃部を有している。
【００１９】
したがって、ミキシング槽３５内に導入された汚泥は、静止翼３６と回転翼３４による剪断作用を受け、フラッシュ蒸発された膨化汚泥は槽内を流下する際にミキシング攪拌されるものとなっている。このようなことから、汚泥膨化反応槽１８に予熱された汚泥を導入し、この反応槽１８と循環ライン２０との間の循環流路を循環流動させる過程で、汚泥は加熱器２４により加熱され、加圧状態で循環され、汚泥が均一な温度状態となる。循環流動で、汚泥は１６０〜１７０℃に均一加熱され、熱変質により汚泥細胞膜の一部が破壊され、同時に汚泥中の水分が蒸発して気液平衡状態における圧力を得ることができ、循環流路内圧力が７Ｋｇ／ｃｍ2 程度に達するのである。
【００２０】
そして、脱圧されたミキシング槽３５から排出された汚泥は、回転翼３４の回転時のミキサの剪断作用により、汚泥ブロックは微細化され、汚泥粒子細胞単位もしくはそれらの小集合体まで細分化されるものとなる。このようにして得られた膨化汚泥スラリは、部分酸化反応によるガス化処理に供するために、ミキシング槽３５から汚泥スラリ供給管４１を通じて湿式粉砕機４４に供給されるようになっている。
【００２１】
また、湿式粉砕機４４では、ガス化主原料としての石油コークス９０を微粉砕しつつ、流動性調整のための水を供給できるようにし、前記膨化汚泥スラリと混合し、できた混合スラリはスラリタンク４２に供給してガス化原料スラリとするようにしている。
【００２２】
ここで膨化汚泥スラリは循環流路中での加熱、加圧およびフラッシュ操作の後、膨化汚泥のミキシング作用をなしているため、粘度が１０００ｃｐ以下、最大でも３５００ｃｐ以下の流動性の良い低粘度スラリである。したがって、膨化汚泥スラリに適宜な粒径に粉砕した石油コークス９０や石炭などの化石燃料を混合して、ガス化原料スラリとすることができる。
【００２３】
このとき、ガス化炉ではスラリスクリーンやバーナへの供給条件から、現在ではガス化原料スラリの粘度は１０００ｃｐ以下であることが要求されている。本実施形態では、有機性汚泥８０の膨化後にミキシングを施してそのスラリ粘度を極めて低下させることができるため、ガス化に要求される含水率（３７〜４０重量％）を維持してガス化原料スラリにおける膨化汚泥スラリ中に含まれる有機性固形分をドライベースで最大約４．０重量％まで高めることができる。
【００２４】
また、逆にガス化原料スラリにおける膨化汚泥スラリの混合率が１０重量％とするなど一定の値に設定して、ミキシング工程で粘度を大幅に低下させた膨化汚泥スラリを混合して、ガス化原料スラリに要求される流動性を維持しつつ、化石燃料自体のスラリ化に必要な含水率を大きく低減することができる。
【００２５】
スラリタンク４２には攪拌機４６が装備され、スラリタンク４２内で膨化汚泥スラリと粉砕石油コークス９０の混合攪拌がなされ、ガス化原料が生成され、ここに一時的に貯溜される。前記スラリタンク４２よりガス化原料スラリをスラリポンプ４８によってガス化炉５０に送るようにしている。ガス化炉５０は頂部にバーナ５２が取付けられており、ここでガス化原料である有機性汚泥と石油コークス９０との混合物の理論燃焼酸素量の４０〜６０％の量の酸素とともに、ガス化炉５０に噴霧供給し、１、２５０〜１、４５０℃の温度で部分酸化によるガス化を行うようにしている。
【００２６】
この場合、ガス化炉５０内の圧力は２０〜８０気圧程度に設定するようにしている。ガス化炉５０の上部は耐火物５４で内張りされて反応室５６が形成されている。また、ガス化炉５０の下部には急冷室５８が設けられ、反応室５６と急冷室５８とをスロート部６０で連通している。急冷室５８にはガス急冷用の水を送る水ライン６２が開口され、適宜な水位となるように水を供給するようにしている。
【００２７】
この冷却水には下端部が水に没する筒状のディップチューブ６４およびドラフトチューブ６６が同軸的に設けられている。したがって、反応室５６で発生したガスは、スロート部６０およびディップチューブ６４を通過し、急冷室５８内の水中に吹き込まれ、その後、ディップチューブ６４とドラフトチューブ６６間の環状部分を通った後、急冷室５８の水面の上方域に設けられたガス排出口６８からガスライン７０を通って後続するガス合成処理設備などに送給させるようにしている。
【００２８】
次に、図２および図３に示す実施形態によって、図１に示す類似の汚泥の膨化処理を行い、当該実施形態で得られた膨化汚泥を湿式粉砕機４４にて粉砕中の石炭および／または石油コークスから成る固体燃料・水スラリに適量添加して安定性に優れた固体燃料・水スラリを得る場合について説明する。
【００２９】
まず、図２のその他の実施形態のシステム構成ブロック図を用いて膨化汚泥の製造プロセスについて説明する。
有機性汚泥を一次的に貯留するバンカ１０が設けられており、バンカ１０下部の排出部に設置されたスクリュウポンプ１２によって下流の処理システムに圧送供給できるようにしている。バンカ１０からの汚泥圧送ライン１４には予熱器１６が介装され、搬送する汚泥を加圧状態で加熱する１次汚泥膨化反応槽１８での熱負荷を小さくしている。
【００３０】
前記１次汚泥膨化反応槽１８は、導入された予熱汚泥を加熱、加圧処理するものであり、これは密閉容器として構成されているが、この１次汚泥膨化反応槽１８には並列に汚泥循環ライン２０が接続され、１次汚泥膨化反応槽１８の下部排出口から槽上部に向けて汚泥を還流しつつ循環流動させるようにしている。
【００３１】
循環のために循環ポンプ２２が循環ライン２２に設けられており、前記予熱器１６から供給されてくる予熱汚泥を循環ポンプ２２の入口に導入し、予熱汚泥を１次汚泥膨化反応槽１８と循環ライン２０からなる循環流路を強制循環させるようにしている。また、この循環ライン２０に加熱器２４を設け、汚泥が循環する過程で１次汚泥膨化反応槽１８および循環ライン２０から構成される循環流路を汚泥が加熱流動する過程で昇圧し、これをほぼ７Ｋｇ／ｃｍ2 に維持するように１次汚泥膨化反応槽１８には調圧（図示せず）が装着されている。
【００３２】
この実施形態では、連続的に圧送されてくる予熱汚泥は、循環流路を流動するが、このとき１次汚泥膨化反応槽１８の汚泥量レベルが一定になるように調整しつつ、この加熱汚泥を次段のタンクに連続的に排出させるものとしている。もちろん、バッチ処理をするために、循環流路を閉流路とすべく、１次汚泥膨化反応槽１８と循環ライン２０から構成される循環ユニットの上流側と下流側の流路を遮断する複数の流路遮断弁を設け、このユニット内に一定量の汚泥を導入した状態で加熱・加圧するようにしてもよい。
【００３３】
循環流路を流動する間に加熱、加圧された加熱汚泥は細胞破壊をなすため、１次汚泥膨化反応槽１８の下端部（もしくは前記循環ライン２０の循環ポンプ２２の出側）には排出管２６が接続され、これを２次汚泥膨化反応槽２８に連結している。ここで、加熱されている加熱汚泥膨化を排出管２６を通じて２次汚泥膨化反応槽２８に排出する際、加熱汚泥の圧力を瞬時に大気圧まで開放してフラッシュさせるためのフラッシュ弁３０を排出管２６に設けている。
【００３４】
したがって、循環流路のポンプ２２から加圧状態で圧送されてくる加熱汚泥は、フラッシュ弁３０を通過することにより、大気圧まで圧力が瞬時に開放され、この脱圧により汚泥細孔内に存在する水が急激に気化膨張し、この作用により汚泥粒子の細孔膜の破壊が促進され、水分の溶出と汚泥の微細化により流動性が極めて高い状態の膨化スラリが生成され、２次汚泥膨化反応槽２８に収容される。
【００３５】
ここで、当該実施形態では、２次汚泥膨化反応槽２８の内部にはミキサー３２が装備されている。これは図１に示した場合と同様に、２次汚泥膨化反応槽２８の縦中心軸に多段に取付けられた回転翼３４と、１次汚泥膨化反応槽１８の内壁側に固定され、前記回転翼３４の間に介在するように配置された多段の静止翼３６を受け、フラッシュ蒸発された膨化は槽内に流下する際にミキシング攪拌されるものとなっている。
【００３６】
このようなことから、１次汚泥膨化反応槽１８に予熱された汚泥を導入し、この１次汚泥膨化反応槽１８と循環ライン２０との間の循環流路に循環流動させる過程で、汚泥は加熱器２４により加熱され、加圧状態で循環され、汚泥が均一な温度状態となる。循環流動で、汚泥は１６０〜１７０℃に均一加熱され、熱変質により汚泥細胞膜の一部が破壊され、同時に汚泥中の水分が蒸発して気液平衡状態における圧力を得ることができ、循環流路内圧力が７Ｋｇ／ｃｍ2 程度に達するのである。そして脱圧され２次汚泥膨化反応槽２８から排出された汚泥は、反応槽内のミキサー３２の剪断作用により、汚泥ブロックは微細化され、汚泥粒子細胞単位もしくはそれらの小集合体まで細分化されるものとなる。
【００３７】
次に図３の構成について示すが、図３では図２と異なる要部についてのみ説明する。まず、バンカ１０が設けられ、バンカ下部の排出部に設置されたスクリュウポンプ１２によって下流の処理システムに圧送供給できるようにしている。バンカ１０からの１次汚泥送給ライン１４には予熱器１６が介装され、搬送する汚泥を加圧状態で加熱する１次汚泥膨化反応槽１８へ導入する前に加熱し、１次汚泥膨化反応槽１８での熱負荷を小さくしている。
【００３８】
本実施形態では、１次汚泥膨化反応槽１８に供給し、膨化処理する前に捏和装置１２０により予熱された汚泥を擂り潰すために捏和処理をなすのである。この捏和装置１２０としては、ボールミル、チューブミル、またはテーブルミル等の粉砕装置、あるいはスクリュ押出機、ロールミル、またはコニーダのような混練装置等を用いることができる。例えば、ロールミルではロールとロールの間隙を繰り返し通過させることにより汚泥を圧延し、捏和効果を得るものである。
【００３９】
ロールは１本から数本のものまであり、図示のように２本以上有する場合は、第１ロールを低速にし、第２ロールより順次回転を増やすようにして、各々接するロールの間を通過する際に剪断、圧延を繰り返して捏和する。実施形態には２本のミルローラ１２２を備えた例を示しており、これがほぼ転接する配置状態で回転駆動可能とされ、ローラ対の上部隙間に汚泥を投入することにより、ローラ間で汚泥粒子を擂り潰すようにしている。この捏和装置１２０は下部に圧送ポンプ１２３を具備し、擂り潰し汚泥を後段の１次汚泥膨化反応槽１８に圧送供給するようにしている。
【００４０】
前記１次汚泥膨化反応槽１８は、導入された擂り潰し汚泥を加熱、加圧処理するものであり、これは密閉容器として構成されているが、この１次汚泥膨化反応槽１８には並列に汚泥循環ライン１２４が接続され、１次汚泥膨化反応槽１８の下部排出口から槽上部に向けて汚泥を還流しつつ循環流動させるようにしている。循環のために循環ポンプ１２６が循環ライン１２４に設けられており、前記捏和装置１２０から供給されてくる擂り潰し汚泥を循環ポンプ１２６の入口に導入し、擂り潰し汚泥を１次汚泥膨化反応槽１８と循環ライン１２４からなる循環流路で強制循環させるようにしている。
【００４１】
また、この循環ライン１２４に加熱器１２８を設け、汚泥が循環する過程でこれを１６０〜１７０℃程度まで加熱昇温させるようにしている。この１次汚泥膨化反応槽１８および循環ライン１２４から構成される循環流路は汚泥が加熱流動する過程で昇圧され、これをほぼ７Ｋｇ／ｃｍ2 に維持するように１次汚泥膨化反応槽１８には調圧バルブ（図示せず）が装着されている。この実施形態では、捏和装置１２０のホンプ１２３から連続的に圧送されてくる擂り潰し汚泥は、循環流路を流動するが、このとき１次汚泥膨化反応槽１８の汚泥量レベルが一定になるように調整しつつ、この加熱汚泥を次段のタンクに連続的に排出させるものとしている。
【００４２】
もちろん、バッチ処理をするために、循環流路を閉流路とすべく、１次汚泥膨化反応槽１８と循環ライン１２４から構成される循環ユニットの上流側と下流側の流路を遮断する複数の流路遮断弁を設け、このユニット内に一定量の汚泥を導入した状態で加熱し、加熱・加圧するようにしてもよい。
【００４３】
循環流路を流動する間に加熱・加圧された加熱汚泥の細胞破壊をなすため、１次汚泥膨化反応槽１８の下端部（もしくは前記循環ライン１２４の循環ポンプ１２６の出口側）には排出管１３０が接続され、これを２次汚泥膨化反応槽１３２に連結している。ここで、加圧されている加熱汚泥を排出管１３０を通じて２次汚泥膨化反応槽１３２に排出する際、加圧汚泥の圧力を瞬時に大気圧まで開放してフラッシュさせるためのフラッシュ弁１３４を排出管１３０に設けている。
【００４４】
したがって、循環流路１２４の循環ポンプ１２６から加圧状態で圧送されてくる加熱汚泥は、フラッシュ弁１３４を通過することにより、大気圧まで圧力が瞬時に開放され、この脱圧により汚泥細胞内に存在する水が急激に気化膨張し、この作用により汚泥粒子の細胞膜の破壊が促進され、水分の溶出と汚泥の微細化により流動性が極めて高い状態の膨化汚泥スラリが生成され、２次汚泥膨化反応槽１３２に収容される。
【００４５】
このように構成された有機性汚泥の処理方法では、工場廃水や生活廃水の処理によって生じた有機性汚泥がハンドリングのために７８〜８３重量％の含水量とされるまで脱水して本システム内に導入され、これが予熱された後、捏和装置１２０によって汚泥粒子の擂り潰しをなした上で膨化処理システム側に供給され、１次汚泥膨化反応槽１８と汚泥循環ライン１２４からなる閉流路を循環する間に加熱して２次汚泥膨化反応槽１３２に導入されて瞬時に大気圧まで開放されてスラリとなるが、この生成される膨化汚泥スラリの粘度は図４に示すように極めて低い値を示すものとなっている。因みに、図１、図２および図３に示す汚泥の膨化処理はいずれも図４に示すような極めて低い値となるため、いずれの方法によって処理してもよい。
【００４６】
図１、図２および図３のいずれかの形で汚泥膨化処理された膨化汚泥を用いた固体燃料・水スラリの安定化方法について述べる。
【００４７】
まず、本実施例に用いられた膨化汚泥の性状を表１に示す。
因みに、固体燃料・水スラリの沈降安定性の評価は、石炭・油スラリ（ＣＯＭ）または石炭・水スラリ（ＣＯＭ）に採用される棒貫入試験に準拠する。試験容器にスラリを仕込み、所定期間静置後に針入棒を挿入し、３０分経過後に針入した高さを測定する。沈降度は、沈降高さ（＝全スラリ高さ−針入高さ）を全スラリ高さで除した値で表示する。
【００４９】
（１）実施例１
湿式粉砕機４４で製造された濃度６３％の石油コークス・水スラリ中の固形分１００重量部に対して、所定の重量部の膨化汚泥スラリを添加し、調製した固体燃料・水スラリの沈降安定性の結果を表２に示す。
（２）実施例２
湿式粉砕機４４に、石油コークス１００重量部に対して固形分１重量部の膨化汚泥スラリを供給して製造された濃度６３．５％の石油コークス・水スラリについて、実施例１と同様に安定性を測定した結果、７日間静置後の沈降度は７％であり、沈降安定性の良いことが判明した。
【００５１】
一方、ガス化源の主原料である石油コークス９０に適量の水を添加させた状態で湿式粉砕機４４に供給し、平均粒径が１２５μになるまで粉砕した石油コークススラリを得た後にスラリタンク４２に送給するとともに、ミキシングの完了した膨化汚泥スラリをもスラリタンク４２に送給して混合するが、この場合の混合基準は、石油コークスの固形分（ドライベース）１００重量部に対して膨化汚泥スラリ中の固形分（ドライベース）０．３３〜４．０の重量部の割合で混合することが望ましい。
【００５２】
この理由は、還元雰囲気下における石油コークス９０のアッシュ分の溶流点温度は１，５１０℃であり、石油コークス９０の１００％運転時に溶流点温度の低いフラックス添加してガス化を行い、ガス化炉５０壁に付着・堆積した石油コークス９０のアッシュ分をフラックスの助けをかりて一緒に溶流流下するものであるが、当該フラックスとして有機性汚泥８０を膨化処理した膨化汚泥を、石油コークスの固形分（ドライベース）１００重量部に対して膨化汚泥スラリ中の固形分（ドライベース）０．３３重量部以上をスラリータンク４２で石油コークススラリ９０と混合した場合にはアッシュ分の溶流点温度が１，３００℃以下になることが判明した。
【００５３】
すなわち、図１に示す部分酸化反応によるガス化炉５０の操作条件は、炉内温度１，４５０℃、圧力３８〜４０ata であり、冷ガス効率（ここで冷ガス効率とは、石炭の発熱量に対するシンガスの発熱量の割合をいう）アップのために、ＣＯガスがＣＯ2 ガスに変化するのを防止すると同時に耐火レンガの保護を図る必要があることから、ガス化炉内温度を約１，４００℃近傍まで下げざるを得ず、さらに相対的に石油コークスのアッシュ分の溶流点を下げる必要が生じる。
【００５４】
反応室５６内における部分酸化反応の温度Ｔ0 は、アッシュの溶流点Ｔよりも３０〜１００℃高いのが好ましい。すなわち、反応室７内の温度Ｔ0 は（Ｔ＋３０）℃以上であり、（Ｔ＋１００）℃以下であることが好ましい。
【００５５】
一方、石油コークス９０中のアッシュ分のガス化炉壁への付着防止の面から、石油コークスの固形分（ドライベース）１００重量部に対する適量の膨化汚泥スラリ中の固形分（ドライベース）の混合割合を考慮する必要がある。このような観点からテストを行い、図５に示すようなデータを得た。すなわち、ガス化操作温度１４００℃、圧力３８ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ（３．８×１０6 Ｐａ）下で、石油コークス９０に対して膨化汚泥の混合割合を増加していくと、ガス化炉壁へのアッシュ分の付着率は減少する傾向が認められた。
【００５６】
このため、本発明においては、石油コークス９０のガス化を行う場合、アッシュ分のガス化炉壁への付着をなくすか、もし付着が生じても長期連続運転が可能な程度の付着量、すなわち、ガス化炉壁へのアッシュ分の付着率を２％以下にするため、石油コークス９０の１００重量部に対して有機性汚泥を、一旦汚泥膨化反応槽１８で処理した膨化汚泥を０．１６重量部以上混合することが望ましいことが判明した。
【００５７】
以上述べたように、石油コークス９０の１００重量部に対して混合する膨化汚泥の最少添加量は、貯蔵中あるいは配管輸送中に固体燃料が沈降したり、圧密化することのないように安定性に優れた固体燃料・水スラリを得るとともに、ガス化炉５０内の操作温度は１，３００℃以下にしてＣＯガスがＣＯ2 ガスに変化するのを防止すると同時に耐火レンガの保護を図る必要があるとの観点と、石油コークス９０中のアッシュ分のガス化炉壁への付着を防止するなどを満足する必要がある。
【００５８】
すなわち、石油コークス９０の１００重量部に対して混合する膨化汚泥の添加量を０．１６重量部とすると、ガス化炉壁へのアッシュ分の付着率を２％以下にする目的は達成できても、ガス化炉５０内の操作温度は約１，３８０℃となり、１，３００℃以下にしてＣＯガスがＣＯ2 ガスに変化するのを防止すると同時に耐火レンガの保護を図る目的は達成できないことになる。
【００５９】
このことから、必然的に石油コークス９０の１００重量部に対して有機性汚泥を一旦汚泥膨化反応槽１８で処理した膨化汚泥を０．３３重量部以下では、ガス化炉５０内の操作温度は１，３００℃以上となって望ましくないため、膨化汚泥を０．３３重量部以上混合することが必要となる。
【００６０】
また、逆に、石油コークス９０の１００重量部に対して混合する膨化汚泥の最大添加量が４．０重量部以上となると、石油コークス９０スラリに対して混合する汚泥膨化の量が相対的に増加することになり、混合後のスラリ粘性は１０００ｃｐを越える。ガス化炉５０ではスラリスクリーンやバーナ５２への供給条件から、現在ではガス化原料スラリの粘度は１０００ｃｐ以下であることが要求されており、粘度が高いとバーナ５２から炉内に噴霧される石油コークス・水スラリの噴霧液滴が大きくなり、未燃物が増加することとなる。このことから、混合後のスラリ粘性は１０００ｃｐを越え、貯蔵中あるいは配管輸送中に固体燃料が沈降したり、圧密化することのないように安定性に優れた固体燃料・水スラリを得るとともに、石油コークス９０の１００重量部に対して混合する膨化汚泥の最大添加量を４．０重量部以下にすることが望ましい。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、有機性汚泥を加圧下において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して得られた有機性膨化汚泥と固体燃料・水スラリとを混合添加して混合スラリとすることにより、貯蔵中あるいは配管輸送中に固体燃料が沈降したり、圧密化することのないように沈降安定性が増す。また、粘度の適正化により搬送が可能となり、有機性汚泥の海洋投機や埋立なども行う必要がなく石油コークスに混合して部分酸化によるガス化源として用いるとともに、膨化汚泥中のアッシュ分が溶融する際に石油コークスのアッシュ分も一緒に流下するため、石油コークスのアッシュ分がガス化炉壁には付着せず良好な長期安定な連続運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するのに好適な有機性汚泥の膨化処理構成を示すブロック図である。
【図２】その他の実施形態のシステム構成ブロック図である。
【図３】さらにその他の実施形態のシステム構成ブロック図である。
【図４】実施形態で得られた膨化汚泥の粘度特性の比較図である。
【図５】膨化汚泥の添加率と石炭−水スラリ粘度との関係図である。
【符号の説明】
１０ バンカ
１２ スクリュウポンプ
１４ 汚泥送給ライン
１６ 予熱器
１８ 汚泥膨化反応槽
２０ 汚泥循環ライン
２２ 圧送ポンプ
２４ 加熱器
２６ 排出管
３０ フラッシュ弁
３４ 回転翼
３５ ミキシング槽
３６ 静止翼
４０ 汚泥スラリー供給管
４２ スラリータンク
４４ 湿式粉砕機
４６ 攪拌機
４８ スラリーポンプ
５０ ガス化炉
５２ バーナ
５４ 耐火物
５６ 反応室
５８ 急冷室
６０ スロート部
６２ 水ライン
６４ ディップチューブ
６６ ドラフトチューブ
６８ ガス排出口
７０ ガスライン
８０ 有機性汚泥
９０ 石油コークス
１２０ ミル装置（捏和装置）
１２２ ミルローラ
１２３ 圧送ポンプ
１２４ 汚泥循環ライン
１２６ 循環ポンプ
１２８ 加熱器
１３０ 排出管
１３２ ２次汚泥膨化反応槽
１３４ フラッシュ弁
Claims (2)
- 有機性汚泥を加圧下において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して有機性膨化汚泥スラリを形成する際に、前記有機性汚泥を加熱、加圧する反応槽に接続した循環ライン上にて循環流動させつつ加熱し、脱圧後に膨化汚泥をミキシングすることにより生成した流動性に優れた低粘度汚泥スラリを、石炭および／または石油コークスからなる固体燃料を湿式粉砕して得られた固体燃料・水スラリに供給して膨化汚泥と固体燃料・水スラリとの混合スラリを製造することを特徴とする膨化汚泥を用いた固体燃料・水スラリの安定化方法。
- 有機性汚泥を加圧下において加熱し、その後に加熱汚泥を瞬時に脱圧して有機性膨化汚泥スラリを形成する際に、前記加熱工程の前処理として汚泥の捏和処理を予め行った後に膨化工程に供給して生成して得られた擂り潰し汚泥を流動させつつ加熱し、脱圧後に膨化汚泥をミキシングすることにより生成した流動性に優れた低粘度汚泥スラリを、石炭および／または石油コークスからなる固体燃料を湿式粉砕して得られた固体燃料・水スラリに供給して膨化汚泥と固体燃料・水スラリとの混合スラリを製造することを特徴とする膨化汚泥を用いた固体燃料・水スラリの安定化方法。
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