JP3849047B2 - バイオスラッジのガス化方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はバイオスラッジのガス化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
廃水処理装置は廃水成分を粗固体、スカム粉末およびスラッジに分離する。下水スラッジは処理中に廃水から分離される浮遊するコロイド状で溶質の有機ならび無機物の混合物である。
【０００３】
廃水は一般に浮遊固体の含有量が物理的手段たとえば選別と重力沈降により除去される１次処理を受ける。軽量で浮遊するコロイド状の固体の除去には化学的沈殿が有用である。
【０００４】
残留液体下水はその後複合有機物を分解させかつ／または病原体を死滅させることにより廃物成分を安定化させかつ変成させるために微生物、主としてバクテリアが用いられる２次処理を受ける。微生物の混合物は通常“バイオマス”と呼ばれている。廃水もしくは下水の生物学的処理中、この廃物成分は微生物が廃物成分を安定させかつ変成させるに従い微生物を再成しかつ繁殖させることができる微生物の栄養素として機能する。
【０００５】
従って、廃水物処理装置におけるバイオマスの量は安定と変成処理中に増加する。処理工程を停止できる過大な量の微生物の堆積の発生を防止するために、微生物の１部分を処理装置から除去もしくは廃棄させる必要がある。この廃棄される微生物がバイオスラッジと呼ばれる。すべての生物学的に基づく工程の主要な出費はこのバイオスラッジを環境的に許容できる方法で処分しなければならない点にある。
【０００６】
スラッジの一般的処理もしくは管理は生分解性の有機物の安定化と、濃縮及び脱水と、安定化されかつ脱水された残留物の最終的処分を含んでいる。
【０００７】
発生したスラッジはしばしば約１乃至２重量％といったところの固体で希釈されている。他の方法で容積荷重を減少させるためには、スラッジ加工の第１工程は重力濃化および浮遊のような手段による濃縮である。
【０００８】
１次処理からの有機スラッジは通常約５乃至８重量％の固体に濃縮できる。２次処理からのスラッジは通常約２乃至４重量％の固体に重力濃化できる。
【０００９】
脱水は濃縮が液体の性質を有するスラッジをそのまま残している点で濃縮と相違している。脱水は本質的にもろい固体である製品を生産するため遠心分離、真空および／または圧力濾過および砂床のような機械作業を用いる。スラッジの水分が脱水により約６５乃至８０％までに減少されると、それはスラッジケークと呼ばれる多孔性固体を形成する。スラッジケークには水が化学的に固体と結合するか、あるいは内部の孔に吸着されるか、もしくは微生物の細胞内に保持されるので自由水はなくなる。
【００１０】
バイオスラッジは生物廃水処理後に残留する有機バイオマスである。バイオスラッジは水分をほぼ９６重量％以下に減少させるために通常機械的に脱水させねばならない。バイオスラッジ中の重要な水源はスラッジ中に存在する生物相の細胞内に含まれており、そして“細胞内の水”と呼ばれている。自由液を有していない脱水バイオスラッジ濾過ケークは脱水バイオスラッジの細胞に含有されている主として細胞内の水の量のため、８０重量％を超える水分をなお保つことができる。
【００１１】
“乾燥固体”は試料が窒素中で１０５℃の温度でさらなる重量損失が観察されなくなるまで乾燥された後に残る無水残留物である。用語“自由液”は物理的に吸着もしくは負荷（ｅｎｃｕｍｂｅｒｅｄ）されていないかもしくは化学的に結合していない液体である。そして従来の濾過方法を介して自由になる液体である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
バイオスラッジの水分を減少させかつバイオスラッジを利用するために現在使用できる技術は高価でありかつ過大な量のエネルギーを必要とする。詳述すれば、これらの技術のすべてはバイオスラッジと下水スラッジを部分酸化ガス化反応用に有効な供給原料に転換するには不経済であり非実用的手段であることが判った。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
脱水バイオスラッジの細菌細胞の細胞壁内に含有されている細胞内水の高水分は細胞内水を脱水作業中に除去することにより減少させ得る。この作業はバイオスラッジを細菌細胞壁を弱化させるだけの十分な温度で加熱することから成っている。その後、弱化された細胞壁には細胞内に蒸気を形成させ、弱化させた細胞壁を破壊させ、それによって細胞内の水を自由水としてあるいは加熱水蒸気の形態で放出するに十分に減圧された圧力を付与する。除水濃縮バイオスラッジはその後合成ガス生産のための部分酸化反応に燃料源として役立つことができる。
【００１４】
【発明の実施形態】
本発明によるバイオスラッジに含有されている熱量は合成ガスの生成のための部分酸化方法における単純で有効な燃料源として使用できる。バイオスラッジは通常石炭もしくは油のような補足的炭化水素燃料と混合されて、部分酸化反応中にコガス化（ｃｏｇａｓｆｉｃａｔｉｏｎ）を受けて“シンガス”（ｓｙｎｇａｓ）と呼ばれている合成ガスを発生させる。
【００１５】
部分酸化ガス化反応は所望量の燃料もしくは供給材料を合成ガスに変換させるだけの十分な反応条件下で行われる。反応温度は典型的な例として約９００℃乃至約２，０００℃、好ましくは約１，２００℃乃至約１，５００℃の範囲である。圧力は典型的な例として約１乃至約２５０気圧、成るべくなら約１０乃至約２００気圧、最も好ましくは約２０乃至８０気圧の範囲である。反応地帯における平均滞留時間は約０．５乃至約２０秒、そして好ましくは約１乃至約１０秒の一般的な範囲である。
【００１６】
部分酸化反応器を離れるシンガス反応生成物は一般的にＣＯ、Ｈ２ 、蒸気、ＣＯ２ 、Ｈ２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＨ４ 、ＮＨ３ 、Ｎ２ 、揮発性金属およびアルゴンのような不活性ガスを含有している。特定の生成組成物は供給材料の組成と反応条件により変化する。非ガス性副生成物は微粒物質、一般には炭素と無機灰を含有する。
【００１７】
バイオスラッジのコガス化法の効率と経済的実行可能性は補足的炭化水素燃料と結合されかつシンガスの生成のための部分的酸化反応に導入される前にバイオスラッジの固体含有量を可能な限り高い水準に増加させることを必要とする。補足的炭化水素燃料に対するバイオスラッジの比率を最大限にすることが重要である。そうでないと、燃料投入量がバイオスラッジの高水含有量および／またはスラリー化特性の貧しさにより阻害され得る。従って、バイオスラッジのガス化の効率はバイオスラッジの水分の減少と固体の増加に伴い増大する。炭化水素燃料に対する水分のない重量ベースでのバイオスラッジの適切な比率はそれぞれ約１：５０乃至約１：１、好ましくは約１：２５乃至１：２である。
【００１８】
脱水工程に送られるバイオスラッジもしくはバイオソリッドはどのような水分量であっても差支えない。従って、バイオスラッジは１次処理設備における単純沈降により生成された材料から供給できるか、あるいは機械的に脱水された供給材料及びその他同種類のものから供給できる。当初の水分は生成された乾燥固体の量と熱交換器の大きさに関連して除去された水の量に影響を及ぼすものである。バイオスラッジ供給材料を３重量％以上の乾燥固体を含む脱水工程に使用することが好ましい。
【００１９】
本発明の１実施例において、バイオスラッジ供給材料は蒸発工程に先立って熱源を有する熱交換により予備加熱される。一般的に、シンガストリム冷却器、シンガス冷却器、フラッシュガス凝縮器あるいは急冷水冷却器から成るシンガス冷却装置から熱交換に利用できる大量の低級の余剰熱がある。予備加熱工程用の熱の特に好ましい供給源はバイオスラッジ蒸発器を出る水蒸気である。
【００２０】
バイオスラッジ蒸発器を出る水蒸気と熱交換することにより予備加熱されているか又は予備加熱されていないバイオスラッジ供給材料はバイオスラッジ蒸発器の再沸騰器を出る熱油流と結合される。このバイオスラッジ蒸発器は典型的な例としてフラッシュ蒸発器である。バイオスラッジ蒸発器に供給されたままの基準で混合流内におけるバイオスラッジに対応する熱油の量はそれぞれ重量比で約１：１乃至約２０：１に、好ましくは約５：１乃至約１５：１に変えられ得る。
【００２１】
接触段階の温度と圧力は水の沸騰がバイオスラッジ蒸発器に入る以前に混合バイオスラッジ／油流に起こらないように調整されている。沸騰が一旦開始されると、量膨張が急速かつ極めて大きいので、沸騰はその時点で起こらないことが重要である。たとえば、１ポンド（約０．４５ｋｇ）の蒸気は１ポンドの水の量のほぼ１，０００倍である。従って、蒸気をバイオスラッジ／油混合物の残りから分離するために十分なスペースが蒸発器に設けられていない限り速度と圧力降下が急激に増加する。
【００２２】
熱油とバイオスラッジは減圧装置を通して蒸発器に入る。蒸発器では水蒸気がバイオスラッジの細胞内水分から放出される。減圧装置は典型的な例として蒸発器の外部入口上に配置された弁である。熱油とバイオスラッジの接触及び急速な減圧の結果として、細胞内水を収容する細胞構造は弱化される。細胞内水を収容する弱化された細胞壁はその後蒸発器内で破壊させられ、細胞内水を放出する。その後、蒸発器に入るバイオスラッジ／油混合物の温度がフラッシュ蒸発器の圧力において水飽和温度を上回るので細胞内水の一部もしくは全部が気化する。
【００２３】
蒸発器内の適切な圧力は約０乃至約６０ｐｓｉａに、好ましくは約０．５乃至約２０ｐｓｉａに変えられ得る。バイオスラッジ／油混合物の減圧段階に先立つ適切な温度は約８０℃乃至約３５０℃、好ましくは約９０℃乃至約２５０℃である。水が蒸発するにつれて全温度は降下する。これは当業者により“断熱フラッシュ蒸発”と呼ばれている。蒸発器内の温度と蒸発した水の留分は流入流れのエンタルピーが僅かなエンタルピー又は容器の壁部からの熱損失を除き、蒸発器を離れる流れのエンタルピーに匹敵することになるようなものである。
【００２４】
水蒸気は蒸発器の上部を出る。熱油と濃縮バイオスラッジ混合物は蒸発器の底部を出る。濃縮バイオスラッジ／油混合物の１部分はガス化器に通される。残部は蒸発段階で放出された細胞内水を蒸気に転換するエネルギーを付与するため再沸騰器内で加熱される。熱油の分流は再沸騰器を通過する濃縮バイオスラッジ混合物の加熱に用い得る。追加油が必要な時には、熱油の再沸騰器に入る時点で濃縮バイオスラッジ混合物に添加し得る。
【００２５】
再沸騰器で加熱された熱油と濃縮バイオスラッジはその後バイオスラッジ供給材料と直接接触させられて混合流を形成する。熱油と濃縮バイオスラッジ混合物は混合流に蒸発器内でバイオスラッジ供給材料から細胞内水を蒸発させるために十分な熱を供給する。
【００２６】
蒸発器からのオーバーヘッド蒸気は到来するバイオスラッジまたは油との熱交換により冷却可能である。オーバーヘッド蒸気はその後別の冷却器もしくはフラッシュガス凝縮器でさらに冷却可能である。蒸気から凝縮された水は部分酸化ガス化反応において調節剤として使用することができる。過剰水は環境規則に従って水として排水する前に浮遊ならびに溶解有機物質を除去するために廃水処理装置に供給することができる。
【００２７】
再沸騰器は外部蒸気もしくは燃料で加熱できるか、又は利用できるエネルギーに依存して部分酸化ガス化装置から応用できる熱源の１部分または全部を使用できる。部分酸化ガス化装置はシンガストリム冷却器、シンガス冷却器、フラッシュガス凝縮器もしくは急冷水冷却器を含んでいる。使用する熱量および熱源は油に対するバイオスラッジの所望の比率と、使用されるバイオスラッジもしくは下水の水分に依存する。
【００２８】
図１に関し、バイオスラッジ流２は熱交換器４に入り、ここでバイオスラッジ蒸発器８の上部を出る加熱水蒸気流６と直接接触する。加熱水蒸気流６はバイオスラッジ２を約３５℃乃至約２５０℃の温度に間接的に予備加熱する。液体と蒸気の混合物でもあり得る冷却水蒸気流１０は約２５℃乃至約１２０℃の温度で熱交換器４を出て、そして凝縮器１２に入り、該凝縮器１２において、冷却水蒸気流１０は部分酸化ガス化反応（図示せず）用の調節剤として役立つことができる水流１３と、廃水処理プラント（図示せず）に再循環することができる水流１４とに分離される。
【００２９】
加熱バイオスラッジ流１６は熱交換器４を約３０℃乃至約２４０℃の温度で出て、そして再沸騰器２０を約８０℃乃至約３５０℃の温度で出る熱油流１８と直接接触し、結合油／スラッジ流２２を約１０５℃乃至約２５０℃の温度で形成する。熱油流１８は蒸発器８から出るライン２４からの濃縮バイオスラッジの一部分３０をも有する。結合油／スラッジ流２２は減圧装置２３を通過し、該減圧装置２３は流れ２２の圧力をそれがバイオスラッジ蒸発器８に入る時に降下させる弁である。圧力は典型的な例として流れ２２の温度において水の飽和圧力以下、たとえば約０．０１気圧（０．１４７ｐｓｉａ）乃至約２気圧（２９．４ｐｓｉａ）である。バイオスラッジ流１６は流れ２２の温度における水飽和圧力を上回る圧力熱油流１８に接触する。これは流れ２２が減圧装置２３を通過するまで水の蒸発を防止する。圧力は約０．１気圧（１．４７ｐｓｉａ）から約４０気圧（５８７．５ｐｓｉａ）まで変えられ得る。
【００３０】
熱油流１８は約８，０００ＢＴＵ／ポンド以上の加熱値を有するものであればどのような油でも差支えない。適切な油の典型的な例は重原油、燃料油、大気残油（ａｔｏｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｒｅｓｉｄ）、真空残油（ｖａｃｕｕｍ ｒｅｓｉｄ）、ビスブレーカータール、溶剤脱歴残油、あるいはこれらの油の混合物を含む。
【００３１】
バイオスラッジ蒸発器８は流れ２２中にバイオスラッジの細胞内水を含有する細菌細胞を破壊するように構成されている状態で作動する。熱油の化学性質と約８０℃乃至約３５０℃の範囲の熱油の温度は細胞内水を収容するバイオスラッジの細胞壁を弱化させかつ破壊させる作用をなす。
【００３２】
流れ１８と１６の混合点での水飽和圧力を上回るところから蒸発器８内の水飽和圧力を下回るまでの減圧は細胞内水の一部分を蒸発させ、その結果として細胞膜上に及ぼす熱油の作用のため先に弱化されたバイオスラッジの細菌細胞壁の大部分を破壊する。細胞内水は蒸発器８の上部から出る流れ６中に蒸気として放出される。
【００３３】
細胞内水の放出後に残留する熱油と濃縮バイオスラッジ流２４は蒸発器８を約１０５℃乃至約２５０℃の温度で出る。
【００３４】
バイオスラッジ蒸発器８の底部を出る濃縮バイオスラッジ／油流２４は油／スラッジ流２５と３０に分割される。貯蔵部４０からの補足油供給材料２６は必要に応じ油／スラッジ流れ２５と結合し、コガス化流２８を形成し、該コガス化流２８は部分酸化ガス化装置（図示せず）に導入され、合成ガスを生産するため部分酸化反応用の燃料として使用され得る。
【００３５】
最後に、流れ２５において油の損失を取戻すために工程に油を添加させねばならない。この油はポンプ３２の上流の流れ４２に、あるいはポンプ３２の下流の流れ２７に、特定の構成と利用できる油の温度と圧力により指示された選択によって添加できる。
【００３６】
油供給材料貯蔵部４０からの追加の油供給材料流４２は油／スラッジ流３０と結合させ、結合流４４を形成、それをポンプ３２を通過させ、再沸騰器２０に入れることができる。貯蔵部４０内の油が十分に高圧で利用できる場合、それはポンプ３２の上流の流れ４２の代りに下流の流れ２７に添加できる。
【００３７】
流れ２７と４２の油に対する流れ２４に含まれるバイオスラッジ乾燥固体の比率は約０．０１：１乃至約１：１、好ましくは約０．１：１乃至約０．９９：１の範囲で変えられ得る。
【００３８】
再沸騰器２０は流れ３４として導入された蒸気、フラッシュガス、もしくは温水または温シンガスで加熱でき、再沸騰器２０の熱源を提供し、該熱源は凝縮液、水もしくは冷却シンガス流３６として出て行く。
【００３９】
使用される熱源はバイオスラッジの所望油と使用されるバイオスラッジの水含有量に対するバイオスラッジ比率に依存する。
【００４０】
濃縮油／スラッジ供給材料３０に対する油／スラッジ流２５の比率は約１：１乃至約１：１００、好ましくは約１：２乃至約１：５０の範囲で変えられ得る。
【００４１】
上記に示したすべての部と百分率は別記のない限り重量で示されている。
【００４２】
【実施例】
４重量％の乾燥固体を含有する３００ポンド（約１３６．１ｋｇｓ）のバイオスラッジを図１の作動装置で処理する。予備加熱されてからバイオスラッジを２，７４３．３ポンド（約１，２４４．４ｋｇｓ）の油と３２９．２ポンド（約１４９．３ｋｇｓ）の乾燥固体と、および２７．７ポンド（約１２．４ｋｇｓ）の水とから成る３，１００ポンド（約１，４０６．２ｋｇｓ）の混合物と結合させる。その後、加熱結合されたバイオスラッジ／油混合物は１．４気圧（２０．５８ｐｓｉａ）で減圧と蒸発を受け、その結果としてバイオスラッジの細菌細胞壁の破壊を生じさせ、それにより２８７ポンド（約１３０．２ｋｇｓ）の加熱水蒸気の形態の細胞内水を放出し、３，１１３ポンド（約１，４１２．１ｋｇｓ）の濃縮バイオスラッジ／油混合物を生成し、蒸発器を出る。濃縮バイオスラッジ／油混合物は１１３ポンド（約５１．３ｋｇｓ）のバイオスラッジ／油の最初の流れに分割され、部分酸化反応用のコガス化燃料流を提供する。
【００４３】
残りの３，０００ポンド（約１，３５０．８ｋｇｓ）の濃縮バイオスラッジ／油の混合物は１００ポンド（約４５．６ｋｇｓ）の油と結合され、再沸騰器にポンプで排出されて、そこでこの混合物は３５０℃の温度に加熱され、到来するバイオスラッジと混合される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バイオスラッジ濃縮処理方法を簡略的に示した説明である。
【符号の説明】
２ バイオスラッジ流
４ 熱交換器
６ 加熱水蒸気流
８ バイオスラッジ蒸発器
１０ 冷却水蒸気流
１２ 凝縮器
１３ 水流
１４ 水流
１６ 加熱バイオスラッジ流
１８ 熱油流
２０ 再沸騰器
２２ 油／スラッジ流
２３ 減圧装置
２４ ライン
２５ 油／スラッジ流
２６ 補足油供給原料
２７ 流れ
２８ コガス化流
３０ 油／スラッジ流
３２ ポンプ
３４ 流れ
３６ 冷却シンガス流
４０ 貯蔵部
４２ 流れ
４４ 混合流

Claims (13)

  1. 細胞内水を有含する細胞壁を有する複数の細菌細胞から成るバイオスラッジを濃縮する方法であって、
    （ａ）バイオスラッジを少なくとも３重量％の乾燥固体含有量に脱水させ、
    （ｂ）脱水バイオスラッジを細胞内水を有含する細胞壁を弱化させるに十分な温度と弱化細胞壁を破壊しかつ細胞内水を放出させるに十分な減圧で加熱し、
    （ｃ）放出させた細胞内水をバイオスラッジの破壊細胞から加熱水蒸気として蒸発させ、それにより濃縮バイオスラッジを生成させることを特徴とするバイオスラッジのガス化方法。
  2. 濃縮バイオスラッジを部分酸化ガス化反応用の燃料供給源として用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 脱水バイオスラッジを熱油と直接接触させることにより加熱し、熱油／バイオスラッジ混合物を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 脱水バイオスラッジの細胞壁の弱化に用いられる加熱温度を８０℃乃至３５０℃に変化させ得ることを特徴とする請求項１記載の方法。
  5. 破壊圧力を０ｐｓｉａ乃至６０ｐｓｉａに変化させ得ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 放出細胞内水を蒸発させる温度を１０５℃乃至２５０℃に変化させ得ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 加熱水蒸気を凝縮させ、そして部分酸化ガス化反応における調節剤として用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 熱油／バイオスラッジ混合物にはバイオスラッジの弱化、破壊およびバイオスラッジからの細胞内水の放出に十分な温度と圧力とを付与することを特徴とする請求項３に記載の方法。
  9. 脱水バイオスラッジを熱油と接触させる前に、バイオスラッジの破壊細胞から放出された加熱水蒸気と間接的に接触させることにより予備加熱させることを特徴とする請求項３に記載の方法。
  10. バイオスラッジに対する熱油の比率をそれぞれ１：１乃至１５：１に変化させ得ることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  11. 濃縮バイオスラッジ／油を部分酸化ガス化反応用の燃料の形成に十分な量の炭化水素材料と混合させることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  12. 炭化水素燃料に対する濃縮油／バイオスラッジの比率を１：５０乃至１：１に変化させ得ることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 炭化水素材料を少なくとも１８６０８．１７ｋＪ／ｋｇ（８，０００ＢＴＵ／ポンド）の発熱量を有する油にしたことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
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