JP4364761B2 - 有機物含有汚泥の炭化炉 - Google Patents

Description

この発明は下水汚泥で代表される有機物含有汚泥を乾留処理により炭化する炭化炉に関する。

家庭等から排出される有機物含有の排水は、一般に下水処理施設で排水処理される。
この排水処理に伴って有機汚泥が発生するが、排水処理量の増加とともに有機汚泥の発生量も年々増加し、その処理・処分が大きな問題となっている。

有機汚泥を処分するに際し、有機汚泥には９９．９％程度の水が含まれていてそのままでは処分できず、そこで減量化のために濃縮及び脱水処理したり或いは更に焼却したり溶融したりするなど様々な処理が現在施されている。
しかしながら汚泥を焼却或いは溶融処理すると多量のエネルギーを消費し、処理コストが高いものとなる。

そこでエネルギー消費の少ない有機汚泥の減量化処理の一つの方法として、汚泥を乾留処理により炭化することが提案されている。
この炭化処理は、汚泥が基質中に炭素分を４５質量％程度含んでいることから、焼却，溶融処理のように汚泥中の炭素分を消費してしまうのではなく、汚泥を無酸素或いは低酸素状態で熱分解（炭化）することにより炭素分を残留させ、新しい組成を持つ炭化物（炭化製品）として生成させるものである。

図３はそのための装置、即ち有機物含有汚泥の炭化処理装置の従来の一例を示したものである。
図中２００は受入ホッパであり、含水率８０％程度まで脱水された脱水汚泥が、この受入ホッパ２００に先ず受け入れられる。

ここに受け入れられた脱水汚泥は、定量供給装置２０２にて乾燥炉２０４へと送られ、そこで所定の含水率例えば４０％程度の含水率まで乾燥処理される。
ここで乾燥処理された乾燥汚泥は、続いてコンベヤ２０６により炭化炉２０８へと搬送され、そこで乾留処理により汚泥の炭化が行われる。

炭化炉２０８は、炉体２１０の内部に乾留容器としての回転ドラムからなるレトルト２１４と、レトルト２１４の加熱室から燃焼排ガスを導入して２次燃焼させる、外部の排気路２２０と連通した負圧状態の排ガス処理室２１６とを有しており、レトルト２１４の軸方向の一端側（図中左端側）の入口から内部に供給された上記の乾燥汚泥を、レトルト２１４を回転させながら軸方向に移動させて、移動の過程で汚泥を乾留処理により炭化させ、炭化物をレトルト２１４の他端側（図中右端側）の出口２１８から排出する。
このようにして得られた炭化物（炭化製品）は物性的には木炭に近い性状を有するものであり、土壌改良材その他として利用されている。

尚、２２２は熱風炉で、ここで発生した熱風が乾燥炉２０４へと送られ、さらに集塵機２２６を経て熱風循環路２２４を通じ、循環ファン２２８にて再び熱風炉２２２へと戻される。
この熱風循環路２２４上には熱風炉排ガス熱交換器２３０及び炭化炉排ガス熱交換器２３６が設けられている。
ここで熱風炉排ガス熱交換器２３０は、熱風炉２２２の下流部で熱風循環路２２４から分岐した分岐路２３２と熱風循環路２２４との間で熱交換を行い、また炭化炉排ガス熱交換器２３６は、炭化炉２０８からの排気路２２０と熱風循環路２２４との間で熱交換を行う。

分岐路２３２を通じて取り出された熱風炉２２２からの排ガス及び排気路２２０を通じて取り出された炭化炉２０８からの排ガスは、それぞれ熱風炉排ガスファン２３４，排ガスファン２３８により煙突２４０を通じて大気に放出される。
この種の炭化処理装置は例えば下記特許文献１，特許文献２に開示されている。

ところでこの炭化処理装置における炭化炉２０８にあっては、出口２１８を通じてレトルト２１４内部に外気（空気）が侵入する問題（リークエアが侵入する問題）があり、而してそのようにレトルト２１４内部にリークエアの侵入が生ずると、レトルト２１４内部の雰囲気条件が変化してしまい、場合によってレトルト２１４内部での炭化処理に影響が生じる恐れがある。

その他に、このようなリークエアの侵入が生ずると炭化物からの砒素の溶出に影響が及ぶといった問題が生ずる。
即ち、下水汚泥には砒素が含まれていることがあり、その炭化物を土壌改良材等として用いる場合には含有されている砒素の溶出が問題となる。

この炭化物からの砒素の溶出に関し、本発明者は炭化物中における砒素の存在形態（化学形態）としてＡｓ_２Ｏ_５で代表される５価の形態と、Ａｓ_２Ｏ_３で代表される３価の形態とがあり、そしてそれらの間にはｐＨによって溶解度に差があって、炭化物のｐＨ７〜８の範囲内においては３価の砒素に対し、５価の砒素の方が溶出し易いとの知見を得た。
而してレトルト２１４内に空気がリークエアとして侵入すると、レトルト２１４内の酸素濃度が高くなって３価の砒素が５価に酸化され、炭化物中に５価の砒素が多く含まれるようになる。
その結果として炭化物から砒素が溶出し易くなってしまうといった問題を生ずる。

特開平１１−３３５９９号公報 特開平１１−３７６４４号公報

本発明は以上のような問題を背景とし、レトルトの出口を通じて外気（空気）がリークエアとしてレトルト内に侵入するのを良好に防止ないし抑制することのできる有機物含有汚泥の炭化炉を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１のものは、炉体内部に(a)回転ドラムからなる乾留容器としてのレトルトと、(b)該レトルトの加熱室から燃焼排ガスを導入して２次燃焼させる、外部の排気路と連通した負圧状態の排ガス処理室とを有し、該レトルトの軸方向一端側の入口から内部に供給された有機物含有汚泥の乾燥汚泥を、該レトルトを回転させながら軸方向に移動させて、その移動の過程で該汚泥を乾留処理により炭化させ、炭化物をレトルトの出口から排出するようになした有機物含有汚泥の炭化炉において、前記レトルトの出口を囲う出口フードを設けて該出口フードの内部空間を吸引空間となすとともに、該出口フードから吸引管を伸び出させて前記排ガス処理室に接続したことを特徴とする。

発明の作用・効果

以上のように本発明は、炭化炉におけるレトルトの出口に出口フードを設けてその内部空間を吸引空間となすとともに、その出口フードから吸引管を伸び出させて負圧状態の排ガス処理室に接続したものである。

かかる本発明によれば、レトルトの出口を通じて外部の空気がリークエアとしてレトルト内に侵入するのを効果的に防止ないし抑制することができ、レトルト内部の酸素濃度を極低酸素濃度に容易に保持することができ、これによりレトルト内部での炭化処理を良好に行うことができるとともに、そのレトルト内への空気（酸素）の侵入による炭化物中の砒素の３価から５価への化学形態変化を抑制でき、或いは５価の状態で存在する砒素を３価の状態に還元することができ、その結果として炭化物からの砒素の溶出を良好に抑制することができるようになる。

次に本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１において、１０は有機物含有汚泥の炭化炉で、炉体１２の内部に回転ドラムから成る乾留容器としてのレトルト１４を有している。
この炭化炉１０は外熱式のもので、１６はその外熱室であり、そこに助燃バーナ（外熱室用バーナ）１８が設けられている。
レトルト１４は、この助燃バーナ１８の燃焼ガスにより外熱室１６の雰囲気加熱によって加熱される。

炉体１２にはまた、排ガス処理室２２が設けられており、そこに排ガス処理室用バーナ（２次燃焼バーナ）２４が設けられている。
外熱室１６の燃焼排ガスは一旦排ガス処理室２２に導かれ、そこで排ガス中の未燃ガスが、排ガス処理室用バーナ２４にて燃焼せしめられる。

この排ガス処理室２２は、連通孔２６を通じて外部の排気路と連通しており、その排気路上に設けられた誘引ファン（炭化炉排ガスファン）による吸引力によって、排ガス処理室２２内の排ガスが排気路へと取り出された上、大気に放出される。

この排ガス処理室２２内部は、上記の誘引ファンによる吸引作用に基づいて稼動中常時負圧状態（約−１０ｍｍＨ_２Ｏ）に保持される。
上記レトルト１４の入口側にはスクリューフィーダ２８が設けられており、投入口３０から投入された有機物含有汚泥の乾燥汚泥が、このスクリューフィーダ２８によってレトルト１４内に連続的に供給される。
他方、レトルト１４の出口側にはスクリューコンベヤ３２が設けられている。

このスクリューコンベヤ３２は、内部が閉鎖された形態の円形の回転体３４の外周面にスパイラル状の羽根３６を設けて成るもので、乾留処理後の炭化物は、このスパイラル状の羽根３６の回転による送り作用でレトルト１４の出口３８から排出される。

図２はレトルト１４の出口側の部分を周辺部とともに拡大して示したもので、図中４０はレトルト１４の出口３８を含む末端部を囲うように設けられた出口フードで、内部が吸引空間とされている。
この出口フード４０からは吸引管４４が延び出しており、その先端が、上記の負圧状態にある排ガス処理室２２に接続されている。
尚この吸引管４４上には開度調節可能なバタフライ弁４６が設けられている。
この炭化炉１０では、前段の乾燥炉で乾燥処理された後の乾燥汚泥が投入口３０を通じて投入され、更にスクリューフィーダ２８によってレトルト１４内部に供給される。

レトルト１４内部に供給された乾燥汚泥は、先ず炉体１２内部に配設された助燃バーナ１８の燃焼ガスにより加熱される。
すると汚泥中に含まれていた可燃ガスが、レトルト１４に設けられた吹出パイプ２０を通じて外熱室１６内に抜け出し、そしてその可燃ガスに着火して、以後はその可燃ガスの燃焼によりレトルト１４内部の汚泥の加熱が行われる。
この段階では助燃バーナ１８は燃焼停止される。

この外熱室１６の燃焼排ガスは、排ガス処理室２２へと導かれてそこで未燃ガスが排ガス処理室用バーナ２４により２次燃焼せしめられた上で、連通孔２６を通じて排気路へと排出され、更に大気へと放出される。

一方レトルト１４内部の汚泥は、図中左端からレトルト１４の回転とともに漸次図中右方向に移って行き（レトルト１４には若干の勾配が設けてある）、そして最終的に乾留残渣（炭化物）がレトルト１４の図中右端の出口３８から排出される。
出口３８から排出された炭化物は、更にこれを覆う出口フード４０の排出口４２から下方に落下排出される。

この炭化炉においては、レトルト１４の出口側のスクリューコンベヤ３２を通じて、具体的にはその外周面のスパイラル状の羽根３６による炭化物の搬送経路を通じて外部の空気がレトルト１４内部に侵入する恐れがある。
しかるにこの実施形態の炭化炉１０にあっては、外部の空気の侵入口となる出口３８を含むレトルト１４の末端部が出口フード４０で囲まれた上、その出口フードから吸引管４４が伸び出して排ガス処理室２２に接続されているため、出口３８を通じてレトルト１４内に外部の空気がリークエアとして侵入するのが良好に防止される。

詳しくは、出口フード４０内の吸引空間内の空気は吸引管４４を通じて負圧状態の排ガス処理室２２へと吸引されるため、出口３８周りの空気はその吸引管４４を通じて排ガス処理室２２側へと吸引されることによって、出口３８を通じレトルト１４内部に侵入するのが防止される。

尚、出口フード４０内部の吸引空間内の空気を、吸引管４４を通じて排ガス処理室２２へと負圧吸引することで、場合によりその吸引力によってレトルト１４内部の未燃ガスを含むガスが外部へと吸い出される場合も生じ得るが、その場合であっても吸引管４４を通じて吸引されたガスは排ガス処理室２２へと導かれ、そこで未燃ガスが燃焼処理せしめられるため、特に問題は生じない。

以上のような本実施形態によれば、レトルト１４の出口３８を通じて外部の空気がリークエアとしてレトルト１４内に侵入するのを効果的に防止ないし抑制することができ、レトルト１４の内部の酸素濃度を極低酸素濃度に容易に保持することができ、これによりレトルト１４内部での炭化処理を良好に行うことができるとともに、そのレトルト１４内への空気（酸素）の侵入により炭化物中に含まれている砒素の３価から５価への化学形態変化を抑制でき、或いは５価の状態で存在する砒素を３価の状態に還元することができ、その結果として炭化物からの砒素の溶出を良好に抑制することができる。

（１）実験室試験
炭化物からの砒素の溶出に対して、炭化処理の際の雰囲気ガスの酸素濃度の影響を確認するため、実験室レベルで次のような試験を行った。
即ち、通常の炭化炉からの炭化物を小型電気炉にて酸化雰囲気条件と極低酸素雰囲気条件（Ｏ_２濃度０．４％以下）とで加熱試験を行い、それぞれについてビーカーに入れた溶出液中に浸漬して砒素の溶出の程度を調べた。結果が表１に示してある。

表１に示しているように、極低酸素囲気条件での加熱の下では酸化雰囲気条件での加熱に較べて砒素の溶出量に顕著な減少が見られた。
これは、極低酸素雰囲気条件で加熱することで炭化物中の砒素が５価から３価に還元されたことによるものと考えられる。

（２）実機試験
図１及び図２の炭化炉１０を用いて乾燥汚泥に対する炭化処理を行った。その際、バタフライ弁４６の開度を０％と１００％とに操作して、それぞれの下で炭化処理を行い、得られた炭化物の砒素の溶出試験を行った。
表２にその際の試験条件を、また表３に試験結果を表している。
尚、吸引管４４の内径は約φ８０ｍｍ，全長２ｍ，ガス流量はリークエア相当量として５０Ｎｍ^３／ｈｒとした。

尚表２中バタフライ弁開度０％は吸引管４４を完全閉鎖状態とするもので、炭化炉改造前の状態と等しい。
この試験において、バタフライ弁開度０％の下ではレトルト内のＯ_２濃度は４〜５．５％程度であったが、バタフライ弁開度を１００％としたとき、レトルト内のＯ_２濃度はほぼ０％であった。
また表３中砒素の溶出濃度分析方法は環境庁告示第４６号に従った。

表３の結果から、レトルト１４の出口３８周りの空気を吸引管４４を通じ排ガス処理室２２側へと吸引することで、レトルト１４内のＯ_２濃度を極低酸素濃度とすることでき、そしてこれに伴って、得られた炭化物における砒素の溶出量を効果的に低減できることが分かる。
尚砒素溶出の抑制の観点からは、レトルト１４内の酸素濃度を３％以下とするように吸引管４４を通じて吸引を行うことが望ましい。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。

本発明の一実施形態の炭化炉の図である。 図１の炭化炉の要部拡大図である。 従来の有機物含有汚泥の炭化処理装置を示した図である。

符号の説明

１０ 炭化炉
１２ 炉体
１４ レトルト
２２ 排ガス処理室
３０ 投入口
３８ 出口
４０ 出口フード
４４ 吸引管

Claims (1)

1. 炉体内部に(a)回転ドラムからなる乾留容器としてのレトルトと、(b)該レトルトの加熱室から燃焼排ガスを導入して２次燃焼させる、外部の排気路と連通した負圧状態の排ガス処理室とを有し、該レトルトの軸方向一端側の入口から内部に供給された有機物含有汚泥の乾燥汚泥を、該レトルトを回転させながら軸方向に移動させて、その移動の過程で該汚泥を乾留処理により炭化させ、炭化物をレトルトの出口から排出するようになした有機物含有汚泥の炭化炉において
   前記レトルトの出口を囲う出口フードを設けて該出口フードの内部空間を吸引空間となすとともに、該出口フードから吸引管を伸び出させて前記排ガス処理室に接続したことを特徴とする有機物含有汚泥の炭化炉。

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