JP4097030B2 - 脱水乾燥装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上下水道，農村集落排水処理設備，し尿処理設備等から排出される汚泥、または例えば食品やパルプ等の各種産業に用いられる懸濁液（以下、これらをまとめてスラリと言う）の脱水乾燥装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スラリを脱水乾燥するためには、脱水装置と乾燥装置とをそれぞれに設置する必要があり、イニシャルコストが大きく、維持管理に多大な労力がかかるのが実情であった。
【０００３】
また、加圧圧搾脱水機の圧搾媒体として温水を使用し、ダイアフラムを介してスラリを加熱すると共に、ろ布外部を減圧することにより、スラリを加温及び圧搾すると同時に減圧乾燥するものが知られている（特許文献１参照）。しかしながら、この装置においては、ダイアフラム（圧搾膜）の熱伝導率が低く、ろ枠とダイアフラムの間の温水流量分布やダイアフラムとろ布の間の減圧度が場所により不均一なため、ケーキの乾燥時間が長く、乾燥むらが生じやすい等の問題点があった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３２１０９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、ケーキに乾燥むらが生ぜず且つ乾燥時間を短くすることができるとともに、経済的で且つ耐久性に優れたスラリの脱水乾燥装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の脱水乾燥装置は、ろ布により囲まれたスラリを収容するろ室と、前記ろ室を二分するように前記ろ室内に配置した金属製の中空体と、前記中空体の内部に熱媒体を供給する手段と、前記ろ布の外側に配置したダイアフラムと、前記ダイアフラムの外側に熱媒体を供給する手段とを備え、前記中空体の内部及び前記ダイアフラムの外側に熱媒体を同時に供給し、前記ろ室内に収容されたスラリを前記中空体と前記ダイアフラムの両側から加熱して乾燥するようにしたことを特徴とするものである。これにより、熱伝導率の良好な金属製の中空体に循環供給された熱媒体の熱がろ室内のスラリに速やかに供給されるため、スラリの乾燥時間を短縮し乾燥むらを低減することができる。
【０００７】
ここで、前記ろ布の外側を真空排気する手段を備えることが好ましい。これにより、スラリを中空体とダイアフラムの両側から加熱するため、また減圧下で加熱するため、良好な効率でスラリの乾燥時間を短縮し乾燥むらを低減することができる。
【０００８】
また、前記中空体の内部に前記熱媒体が迂回して流れる流路を備えることが好ましい。これにより熱媒体の有する熱を有効に利用することができる。また、前記中空体の表面に突起物を設けることが好ましい。中空体の表面に突起物を設けることにより、伝熱面積を拡張し、かつ、前記突起物でスラリが固形化したケーキを破断しながら脱水乾燥することができる。従って、固形化したケーキの内部まで十分に均一に乾燥することができる。ここで、中空体の表面の突起物は、前記スラリが脱水乾燥されたケーキの排出する方向に延在していることが好ましい。これにより、脱水乾燥後のケーキを排出するに際して、突起物がケーキの排出を妨げない。
【０００９】
また、中空体の表面にろ布と、前記ろ布によりろ過されたろ液の流路とを備えることが好ましい。これにより、金属製の中空体とダイアフラムの両側から熱媒体の熱がろ室内のスラリにさらに速やかに供給されると共に、両側から脱水されることにより、スラリの乾燥時間をさらに短縮することができる。従って、固形化したケーキの内部まで十分に均一に乾燥することができる。また、中空体に前記スラリを収容する凹部を備えることが好ましい。これにより、ろ室を実質的に拡張し処理能力を向上させることができる。
【００１０】
また、本発明の脱水乾燥方法は、ろ布により囲まれたろ室を二分するように金属製の中空体を配置し、前記ろ室内にスラリを収容し、前記ろ布の外側にダイアフラムを備え、前記中空体の内部及び前記ダイアフラムの外側に熱媒体を同時に供給し、前記ろ室内に収容されたスラリを前記中空体と前記ダイアフラムの両側から加熱して乾燥することを特徴とするものである。ここで、中空体の表面に突起物を設け、伝熱面積を拡張し、かつ、前記突起物でスラリが固形化したケーキを破断しながら脱水乾燥することが好ましい。また、中空体の表面にろ布を配備するとともにろ液の排出流路を設け、前記中空体表面からも前記スラリのろ過を行うことが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の脱水乾燥装置を含むスラリの処理システムの概略を示す。
【００１２】
脱水乾燥機１１は、スラリの脱水乾燥を行うフィルタプレス装置である。その内部に、隣接する一対のろ枠の間に一対のダイアフラムとろ布とを設け、ろ布により囲まれたろ室が形成されている。この脱水乾燥機１１には、後に詳述するように、そのろ室を二分するようにろ室内に配置した金属製の中空体を備え、その中空体の内部に熱媒体を供給するようにしている。開閉装置でろ枠を締付けた状態で、ダイアフラム及びろ布からなるろ室内のスラリを両面から圧搾することで、スラリの脱水乾燥が行われる。
【００１３】
この脱水乾燥機１１には、スラリ供給ポンプ１２によりスラリ供給ライン１３から供給弁１５を介して脱水乾燥対象のスラリが供給される。そして、スラリは脱水乾燥機１１により脱水圧搾乾燥されて所要の含水率のケーキとなり、脱水乾燥機１１より取り出される。
【００１４】
脱水乾燥機１１には温水が熱媒体として供給され、この熱媒体によりスラリの脱水乾燥が促進される。温水ユニット３１にて温水が作られ、温水循環ポンプ３２により温水循環ライン３５から脱水乾燥機１１のヘッダ管１７に導入される。脱水乾燥機１１でスラリの脱水乾燥に使用された温水はヘッダ管１８から温水循環ライン３５により温水ユニット３１に戻される。このように、温水ユニット３１と脱水乾燥機１１との間で温水が循環するようになっていて、脱水乾燥機１１の出口側に背圧弁３３が配置されている。従って、背圧弁３３の調整により、循環する温水の流量及び脱水乾燥機内の温水の圧力をすみやかに調整することが可能である。
【００１５】
また、脱水乾燥機１１におけるスラリの脱水乾燥には真空吸引が用いられる。したがって、真空ポンプ３７と凝縮槽３８とを備え、ろ布とダイアフラムとの間を減圧雰囲気とすることで、ろ室内部のスラリの脱水乾燥を促進する。また、圧搾工程と同時に真空ポンプ３７を起動するようにして、ダイアフラムとろ布との間隙を減圧することによりろ布に囲まれたろ室内のスラリを加圧脱水すると共に加温減圧乾燥する。
【００１６】
センターブローライン２１には空気弁２２が、センターブロー排泥ライン２３には排泥弁２４がそれぞれ配置され、センターブロー用空気は、センターブローライン２１により脱水乾燥機１１に供給され、センターブロー排泥ライン２３から脱水されていないスラリと共に排出される。
【００１７】
温水ユニット３１は、加温・加圧媒体としての温水を供給するものであり、温水の水温を６０℃〜１００℃、好ましくは７０℃〜９５℃に保つことが好ましい。また、水蒸気を用いるようにしてもよい。この温水ユニット３１としては、電力や石油等の燃料、または燃焼排ガス等を用いた温水ボイラ、水蒸気ドレン、燃料電池排水などの各種の熱源を用いることができる。温水循環ポンプ３２は、脱水乾燥機１１内のダイアフラムに０．５ＭＰａ以上の圧力を加えられるものであることが好ましい。脱水乾燥機１１に接続されるろ液ライン１９と真空ライン２０は弁２５，２６により切り替えられ、真空ラインには上述したように凝縮槽３８、真空ポンプ３７が接続されている。凝縮槽３８には冷却水が循環するようになっている。ここで真空ポンプ３７の到達真空度は７ｋＰａ以下が好ましい。
【００１８】
図２は、スラリの脱水乾燥機における要部の構成例を示す。図２に示すように、互いに隣接するろ枠５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄの間に、それぞれダイアフラム５２，５２とろ布５１，５１とが配置されて、ろ布５１により囲まれたろ室５５ａ，５５ｂ，５５ｃが形成されている。そして、それぞれのろ室５５ａ，５５ｂ，５５ｃを二分するように、金属製の空洞を有する中空体５６ａ，５６ｂ，５６ｃが設けられている。本例で示す全体構成は、中空体で２分割されたろ室が３室（５５ａ，５５ｂ，５５ｃ）の構成となっているが、室数は必要に応じて増やすことができる。金属製の中空体５６ａ，５６ｂ，５６ｃの材質は特に限定するものではないが、ステンレス，アルミニウム，チタン等を用いることができる。
【００１９】
このフィルタプレス（脱水乾燥機）では、両側にプレート５７，５８を備え、図示しない開閉装置によりろ枠５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄを開閉するようになっている。即ち、スラリの脱水乾燥時には図示しない開閉装置によりプレート５７，５８が両側から締付けられ、各ろ枠５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄが両側から締付けられ、ろ布５１，５１に取り囲まれたろ室５５ａ，５５ｂ，５５ｃが形成される。そして、ろ室の内部に脱水乾燥対象のスラリが導入され、スラリの脱水乾燥が行われる。スラリの脱水乾燥後は、図示しない開閉装置によりプレート５７，５８が開かれ、各ろ枠５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄがそれぞれ離反するように開かれ、脱水乾燥されたケーキが下方に落下して取り出される。
【００２０】
金属製の空洞を有する中空体５６ａ，５６ｂ，５６ｃの内部には、温水（熱媒体）が流れ、ろ室５５ａ，５５ｂ，５５ｃ内に充填されたスラリを加熱する。中空体の構成例を図３（ａ）（ｂ）に示す。図示するように、中空体の内部５６には仕切板５６ｚが上下から交互に延びて熱媒体が迂回して流れる流路が形成されている。なお、迂回流路は例えば渦巻状等に形成してもよい。仕切板５６ｚによる流路を形成することで、熱媒体の中空体内部の滞留時間が延び、熱媒体の熱を有効に利用することができる。また、仕切板５６ｚは扁平な中空体の補強構造となり、比較的薄い金属板を用いて中空体を構成することができ、装置の軽量化、コスト低減に資することができる。
【００２１】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、ろ枠５４とダイアフラム５２との間には、厚さ１ｍｍ以上の網目状物５３が配置され、ろ枠５４とダイアフラム５２との間に温水が均一に流れる流路５３ａが確保されている。網目状物５３は、耐熱性、耐腐食性の材質からなる線径０．５ｍｍ以上の網などを用いることができ、材質としてはポリエチレン、ポリプロピレン、テフロン（登録商標）、ステンレスなどが好適である。
【００２２】
ダイアフラム５２は、多数の突起５２ａを備えた弾性を有するゴム等の膜体であり、ろ枠との間に温水（熱媒体）の流路５３ａを備え、この流路に温水を循環ポンプ３２（図１参照）で押し込むことで、ダイアフラムの弾性によりろ布を介してろ室内のスラリを圧搾するとともに加熱する。なお、循環ポンプ３２により押し込まれる温水は、中空体とろ枠側（流路５３ａ）に並列に供給されても、また直列に供給されてもよい。
【００２３】
ろ布５１とダイアフラム５２との間には、ろ布５１によりろ過されたろ液の流路５２ｂが設けられ、この流路５２ｂは真空ポンプ３７（図１参照）に接続され、真空排気される。このため、ろ室は減圧雰囲気下で加熱・加圧され、ろ布を介して抽出されたろ液が流路５２ｂを通って排出される。
【００２４】
ここで、ダイアフラム５２は、ポリプロピレン樹脂または架橋ポリエチレン樹脂によるものが好適であり、これにより高い耐久性と経済性が得られる。また、ダイアフラム５２のろ布５１側には、ろ液排出用の溝または突起５２ａが設けられ、この溝の深さまたは突起の高さは３ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましく、幅２〜６ｍｍの円柱形または角形が好ましい。これにより、ダイアフラム５２とろ布５１との間隙の真空吸引路（ろ液流路）５２ｂを均一なスペースに確保することが可能になる。
【００２５】
図５は、本発明の他の実施形態の金属製の中空体表面の構成例を示す。この実施形態においては、中空体５６の表面に突起物５６ｓを設けている。これにより、伝熱面積を拡張し、かつ、前記突起物でスラリが固形化したケーキを破断しながら脱水乾燥することができる。従って、固形化したケーキの内部まで十分に均一に乾燥することができる。ここで、中空体の表面の突起物は、前記スラリが脱水乾燥されたケーキの排出する方向（図の上下方向）に延在していることが好ましい。これにより、脱水乾燥後のケーキを排出するに際して、突起物がケーキの排出を妨げない。なお、突起物の形状は固形化したケーキを破断できる構造であればよいので、断面が三角形状、半円状、台形状等であってもよく、横方向に断続的に、または連続的に配置したものであってもよい。また、上下方向に図示するように連続していなくてもよく、断続的に突起物を配置するようにしてもよい。この場合には、円柱状，円錐状，三角錐状，角柱状，フィン状などのものを用いることができる。
【００２６】
図６（ａ）（ｂ）は、本発明のさらに他の実施形態の金属製の中空体の構成例を示す。この実施形態においては、中空体の表面にろ布と、前記ろ布によりろ過されたろ液の流路とを備えている。即ち、図６（ａ）に示すように、中空体５６ａ，５６ｂ，５６ｃの表面にろ布５１と、ろ液の流路５１ｂとを備えている。ここで、中空体の表面に金属と一体の突起物５６ｓを配置することが好ましい（図６（ｂ）参照）。これにより、流路５１ｂを真空排気してスラリを減圧下で加圧・加熱脱水するに対してこの突起物５６ｓによりろ液の流路を安定に確保すると共に、ろ室内を安定に減圧雰囲気下におくことができる。
【００２７】
また、図６（ｂ）に示すように、中空体にスラリを収容する凹部５４ｍを備え、ろ枠と同様な構成としている。これにより、金属製の中空体とダイアフラムの両側から熱媒体の熱がろ室内のスラリにさらに速やかに供給されると共に、両側から脱水されることにより、スラリの乾燥時間をさらに短縮することができる。従って、固形化したケーキの内部まで十分に均一に乾燥することができ、ろ室を実質的に拡張し処理能力を向上させることができる。
【００２８】
次に、上記フィルタプレスを用いたスラリの脱水乾燥工程について説明する。スラリの脱水乾燥の工程は大きく、ろ過工程，圧搾工程，センターブロー，乾燥工程に分けることができる。
【００２９】
ろ過工程では、スラリはスラリ供給ポンプによりスラリ供給ライン，供給弁を介して脱水乾燥機に供給され、前記ろ室に充填される。さらにスラリが加圧供給されると、スラリ中の水分がろ液として排出される。
【００３０】
圧搾工程では、温水ユニットで加熱された熱媒体は温水循環ポンプにより温水循環ラインを介して脱水乾燥機に供給され、前記ろ枠とダイアフラムの間及び前記中空体の内部を通り、さらに背圧弁を介して温水ユニットに戻り、循環使用される。前記ろ枠とダイアフラムの間に熱媒体が供給され、背圧弁が設けられていることにより、ダイアフラムが膨張し、前記ろ室の体積が減少することにより、ろ室内のスラリが圧搾される。さらに、切換弁を動作させ、真空ポンプにより真空ラインを介して凝縮槽を減圧し、凝縮槽に冷却水を供給することにより、脱水乾燥機内は減圧され、スラリは圧搾されると同時に加熱され減圧乾燥される。圧搾工程の開始時は一時的に開放弁を開き、温水循環ライン内に溜まった気体を排出することもできる。
【００３１】
センターブローでは空気弁と排泥弁を開放し、センターブローラインを介して空気を脱水乾燥機に供給し、センターブロー排泥ラインを介してスラリー状の汚泥が排出される。
【００３２】
乾燥工程では、圧搾工程と同様に熱媒体を循環させるが、背圧弁は背圧をかけても背圧がかからないように開放しても良い。温水循環と同時に、切換弁を動作させ、真空ポンプにより真空ラインを介して凝縮槽を減圧し、凝縮槽に冷却水を供給することにより、脱水乾燥機内は減圧され、スラリは加熱されるとともに減圧乾燥される。ここで、中空体にも温水（熱媒体）が供給され、中空体側からスラリを加熱するので、スラリの加熱・加圧脱水を効率的に行うことができる。これにより、スラリが固形化したケーキの内部まで十分に均一に乾燥することができ、乾燥時間を短縮し乾燥むらを低減することができる。特に、この脱水乾燥工程では、ろ布により囲まれたろ室を二分するように金属製の中空体を配置し、その中空体に熱媒体を供給することで、スラリを中空体側とダイヤフラム側との両側から加熱することができる。更に、中空体の表面に突起物を設け伝熱面積を拡張し、突起物でスラリが固形化したケーキを破壊しながら脱水乾燥することで極めて良好な脱水効率が得られる。また、図６に示すような中空体の表面に炉布を配置した構成を採用することで、両面側からのろ液の抽出を行うことができる。
【００３３】
表１は本発明のスラリの脱水乾燥装置の効果を説明するためのもので、従来例と本発明例とを比較した実験結果である。ろ室構成は、従来例が両面ダイアフラム、本発明例１は片面がダイアフラムで片面が突起の無い金属製中空体、本発明例２は片面がダイアフラムで片面が突起のある金属製中空体、本発明例３は片面がダイアフラムで片面がろ布を備える金属製中空体である。
【００３４】
【表１】

【００３５】
各発明例１，２，３は、ろ過面積を１．０ｍ^２、スラリ供給量を７０L、圧搾工程は温水加温圧搾と減圧乾燥を併用し、乾燥工程は加温しつつ減圧する方法に統一して実験している。ここで、ダイアフラムの熱伝導率は０．２３Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であるのに対して、金属製中空体の熱伝導率は１５Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１と６５倍であった。
【００３６】
そして、最終的なケーキ含水率を３５％として実験した結果、従来例では乾燥時間が２．５０Ｈ（時間）でもケーキ含水率が５５％に留まったのに対して、本発明例１では乾燥時間が０．５０Ｈ（時間）、ろ過速度が０．５３ｋｇ・ｍ^−２・ｈ^−１が得られた。また、本発明例２では乾燥時間が０．４３Ｈ（時間）であり、ろ過速度が０．５５ｋｇ・ｍ^−２・ｈ^−１が得られた。また、本発明例３では乾燥時間が０．５８Ｈ（時間）であり、ろ過速度が０．５１ｋｇ・ｍ^−２・ｈ^−１が得られた。
【００３７】
また、乾燥ケーキの形状は本発明例３のみがブロック状であり、他の３例は板状で排出された。上記実験結果から、金属製中空体の有無が乾燥時間の長短に大きく影響していることが判る。特に、熱伝導性の良好な金属製の中空体を用い、スラリを両面からその内部まで加熱・加圧しつつ減圧下で脱水乾燥することにより、ケーキの内部まで十分に乾燥し、乾燥時間の短縮及び乾燥むらの低減に極めて有効であることが判る。
【００３８】
尚、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、脱水乾燥対象のスラリの加温に十分な熱伝導率を有する金属製中空体を用いることで、ケーキ乾燥時間を短縮し、ケーキの乾燥むらを低減することができる。また、金属製の中空体をろ室内に挿入するという簡単な手法で、製造コストを余り上昇させることなく、耐久性が高く、且つ処理時間が短縮されることから処理能力が向上したフィルタプレス（断水乾燥機）を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のスラリの脱水乾燥装置を示すブロック図である。
【図２】図１に示す脱水乾燥装置の要部の断面図である。
【図３】中空体の構成例を示す（ａ）はＡＡ断面図であり、（ｂ）はＢＢ断面図である。
【図４】ろ枠とダイアフラムとろ布との配置関係を示す（ａ）は断面図であり、（ｂ）は一部透過平面図である。
【図５】 中空体表面に突起物を設けた構成例を示す斜視図である。
【図６】中空体表面にろ布とろ液の流路を設けた例を示す図であり、（ａ）は中空体が平板状である場合を示す断面図であり、（ｂ）は中空体が炉枠と同様な形状をした内部にスラリを収容する凹部を有するものの要部断面図である。
【符号の説明】
１１ 脱水乾燥機
１２ スラリ供給ポンプ
１３ スラリ供給ライン
２１ センターブローライン
２３ センターブロー排泥ライン
３１ 温水ユニット
３２ 温水循環ポンプ
３３ 背圧弁
３５ 温水循環ライン
３７ 真空ポンプ
３８ 凝縮槽
５１ ろ布
５２ ダイアフラム
５２ａ 突起
５２ｂ 真空吸引路（ろ液流路）
５３ 網目状物
５３ａ 温水流路
５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ ろ枠
５６，５６ａ，５６ｂ，５６ｃ 中空体
５６ｓ 中空体表面に設けられた突起物
５６ｚ 中空体内部の仕切板
５５ａ，５５ｂ，５５ｃ ろ室
５７，５８ プレート

Claims (11)

1. ろ布により囲まれたスラリを収容するろ室と、前記ろ室を二分するように前記ろ室内に配置した金属製の中空体と、前記中空体の内部に熱媒体を供給する手段と、前記ろ布の外側に配置したダイアフラムと、前記ダイアフラムの外側に熱媒体を供給する手段とを備え、
   前記中空体の内部及び前記ダイアフラムの外側に熱媒体を同時に供給し、前記ろ室内に収容されたスラリを前記中空体と前記ダイアフラムの両側から加熱して乾燥するようにしたことを特徴とする脱水乾燥装置。
2. 前記ろ布の外側を真空排気する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の脱水乾燥装置。
3. 前記中空体の内部に前記熱媒体が迂回して流れる流路を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の脱水乾燥装置。
4. 前記中空体の表面に突起物を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の脱水乾燥装置。
5. 前記中空体の表面の突起物は、前記スラリが脱水乾燥されたケーキの排出する方向に延在していることを特徴とする請求項４記載の脱水乾燥装置。
6. 前記中空体の表面にろ布と、前記ろ布によりろ過されたろ液の流路とを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の脱水乾燥装置。
7. 前記中空体に前記スラリを収容する凹部を備えたことを特徴とする請求項６記載の脱水乾燥装置。
8. ろ布により囲まれたろ室を二分するように金属製の中空体を配置し、前記ろ室内にスラリを収容し、前記ろ布の外側にダイアフラムを備え、
   前記中空体の内部及び前記ダイアフラムの外側に熱媒体を同時に供給し、前記ろ室内に収容されたスラリを前記中空体と前記ダイアフラムの両側から加熱して乾燥することを特徴とする脱水乾燥方法。
9. 前記ろ布の外側を真空排気することを特徴とする請求項８記載の脱水乾燥方法。
10. 前記中空体の表面に突起物を設け、スラリを脱水乾燥することを特徴とする請求項８または９記載の脱水乾燥方法。
11. 前記中空体の表面にろ布を配備するとともにろ液の排出流路を設け、前記中空体表面からも前記スラリのろ過を行うことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の脱水乾燥方法。

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