JP4563087B2 - 被処理物処理システムと被処理物処理方法 - Google Patents

Description

本発明は被処理物処理システムと被処理物処理方法に関し、詳しくは、被処理物をガス化するガス化装置と、このガス化装置により得られたガスからメタノールを製造するメタノール製造装置とを有する被処理物処理システムと被処理物処理方法に関する。

下水処理場やし尿処理場から発生する汚泥は、有機成分が多く、重金属類などの有害成分が少ないため、脱水あるいは乾燥された後、埋め立て処分地に埋設されたり、焼却されたりしている。しかし、有機成分が多いことから、高濃度の窒素を含んでおり、処分地の環境を保護すべく富栄養化を防止する必要性などから脱窒処理が行われる。脱窒処理には、脱窒菌を活性化するため、炭素源としてメタノール等を添加する必要がある（通常、含有窒素の３倍程度の炭素を加える必要がある）が、メタノールは決して安価ではないため、汚泥処分に必要なランニングコストでの占めるメタノールの費用は大きく、ランニングコストの高騰を招いている。

そこで、し尿系汚泥を処分する際のランニングコストを幾分でも軽減するため、汚泥処理工程によって得られた固形物をガス化、あるいはガス化燃焼し、得られたガスを電力あるいは熱エネルギーとして回収して、これを汚泥処理に利用する方法が提案されている（例えば、特許文献１）
特開平９−１５０１４３号公報

しかしながら、上記従来技術は、汚泥処分工程により発生した固形物をエネルギー源として利用するに止まり、高価なメタノールの使用量を少なくするものではないため、汚泥処理におけるランニングコストの低減としては十分ではない。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、下水汚泥のような被処理物の処理にメタノールを用いる場合において、処理に必要なランニングコストに占める割合の大きいメタノールを処理工程中で製造すると共このメタノールを効率良く利用して、システム全体のランニングコストを大幅に低減可能な被処理物処理システムと被処理物処理方法を提供することにある。

上記課題は、請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明に係る汚泥処理システムの特徴構成は、被処理物供給設備から供給された被処理物をガス化するガス化装置と、このガス化装置により得られたガスからメタノールを製造するメタノール製造装置とを有していて、前記メタノール製造装置により製造されたメタノールを前記被処理物供給設備における脱窒処理の炭素源と発電装置の燃料のいずれにも使用可能にすると共に、前記ガス化装置により得られたガスを前記発電装置にも使用可能にする被処理物処理システムにおいて、
前記脱窒処理に必要な炭素源と、前記発電装置に必要な燃料とを検知し、この検知結果に基づいて前記メタノール製造装置により製造されたメタノールを、脱窒処理における炭素源として前記被処理物供給設備に対してまたは燃料として発電装置に対して、夫々必要量だけ選択・送給されるようにする制御機構が設けられていることにある。

この構成によれば、被処理物の処理にメタノールを用いる必要がある場合、ランニングコストに占める割合の大きいメタノールを被処理物から製造することにより安価に供給でき、しかもメタノールの適量を脱窒処理と発電とに、選択・送給すべく制御することにより、システム内におけるメタノールの効率的な利用を可能にする。

その結果、下水汚泥のような被処理物の処理にメタノールを用いる場合において、処理に必要なランニングコストに占める割合の大きいメタノールを処理工程中で製造すると共このメタノールを効率良く利用して、システム全体のランニングコストを大幅に低減可能な被処理物処理システムを提供することができた。

前記ガス化装置により得られたガスを精製する精製装置が、前記メタノール製造装置の上流側に設けられていて、精製されたガスからメタノールを生成することが好ましい。

この構成によれば、メタノールの製造に必要なガスから有害成分が除去されるので、純度の高いメタノールが効率よく製造でき、以降の工程での利用効率が高まる。

前記メタノール製造装置において発生した未反応なガスを、前記発電装置に送給可能になっていることが好ましい。

この構成によれば、この未反応なガスは発熱量が大きく、発電装置の燃料として有効に利用でき、システム全体のランニングコストの低減に大きく寄与できる。

また、本発明に係る被処理物処理方法の特徴構成は、被処理物供給設備から供給された被処理物をガス化装置によりガス化し、このガスをメタノール製造装置に送給してメタノールを製造し、このメタノールを前記被処理物供給設備における脱窒処理の炭素源と発電装置の燃料のいずれにも使用可能にすると共に、前記ガス化装置により得られたガスを前記発電装置にも使用可能にする被処理物処理方法において、
前記脱窒処理に必要な炭素源と、前記発電装置に必要な燃料とを検知し、この検知結果に基づいて前記メタノール製造装置により製造されたメタノールを、脱窒処理における炭素源として前記被処理物供給設備に対してまたは燃料として発電装置に対して、夫々必要量だけ選択・送給するように制御することにある。

この構成によれば、下水汚泥のような被処理物の処理にメタノールを用いる場合において、処理に必要なランニングコストに占める割合の大きいメタノールを処理工程中で製造すると共このメタノールを効率良く利用して、システム全体のランニングコストを大幅に低減可能な被処理物処理方法を提供することができる。

前記ガス化装置により得られたガスを精製し、精製されたガスを前記メタノール製造装置に送給してメタノールを生成することが好ましい。

この構成によれば、純度の高いメタノールが効率よく製造でき、以降の工程での利用効率が高まる。

前記メタノール製造装置において発生した未反応なガスを、前記発電装置に送給可能になっていることが好ましい。

この構成によれば、システム全体のランニングコストの低減に大きく寄与できる。

前記被処理物を前記ガス化装置にて７００〜９００℃に加熱してガス化すると共に、ガス化剤を前記ガス化装置に送給することが好ましい。

この構成によれば、ガス化装置の操業を一層安定した実施することができる。

前記メタノール製造装置におけるメタノールの製造を、温度２００〜２４０℃、圧力２〜４ＭＰａで、循環工程を経ることなく１パス工程により行うことが好ましい。

この構成によれば、従来技術に比べて消費エネルギーが少なくて済むだけでなく、従来技術のように循環式のものに比べて、循環時のエネルギーロスを回避でき、しかもコンプレッサーの配置数を少なくできて、システム全体の設備コストを低減できる。

本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る汚泥処理システムの概略構成を示す。

この汚泥処理システムは、下水処理場またはし尿処理場１など（以下、下水処理場等ということがある）から発生した被処理物である汚泥を、ガス化装置の１種である循環流動層ガス化炉２に送給し、汚泥を７００〜９００℃程度に加熱してガス化し、得られたガスを用いてメタノール製造装置３によりメタノールを製造し、製造されたメタノールを下水処理場等１に送給し、脱窒処理の炭素源として利用するようになっている。更に、循環流動層ガス化炉２により得られたガスは、外部施設である発電装置４に送給されて電力としての回収にも利用される。

以下に各装置の構成について、より詳しく説明する。下水処理場等１から発生した汚泥は、循環流動層ガス化炉２送給される前に、減量・減容化されるべく脱水され乾燥されることが好ましい。脱水あるいは乾燥は、種々の方式を採用することができ、特に限定されるものではない。乾燥装置として、例えば、直接加熱式、間接加熱式、あるいはヒータを使用したもの蒸気を使用したものなど、種々の形式のものを用いることができる。

乾燥され脱水された汚泥は、循環流動層ガス化炉２に投入されて加熱され、ガス化される。この循環流動層ガス化炉２は、ガス化温度を制御し易く、安定した操業を可能にするので都合がよい。循環流動層ガス化炉２では、珪砂などの流動媒体が送給される空気などの流体により流動し、汚泥を加熱しガス化する。炉内の操業温度は、上記したように、７００〜９００℃程度になるようにして稼働されるが、燃料の他、酸素、蒸気などのガス化剤を必要に応じて投入することが好ましい。ガス化剤を使用すると、より安定した操業ができるからである。

加熱され部分燃焼された下水汚泥からは、一酸化炭素、水素、炭化水素などを含むガスが生成される。このようにして得られたガスを精製する精製装置を、循環流動層ガス化炉２の下流側に接続し、ガス中の灰分、タール分、酸性成分、アルカリ成分などの有害成分を除去して、精製したガスからメタノールを生成することが好ましい。この場合、灰分はセラミックフィルターやバグフィルターを用いて除去され、タール分は触媒による除去手段によって除かれ、その他の有害成分は、ガス洗浄方式などを用いて除去される。

循環流動層ガス化炉２により生成されたガスは、メタノール製造装置３と発電装置４に対して、切換弁や送給途中に設けられている開閉弁（図示略）などを介して夫々必要量だけ選択・送給されるようになっている。この選択・送給は、図外の制御装置を用いて切換弁を切り換えたり、開閉弁の開閉度合いを調整したりして行うことができる。すなわち、発電を優先する場合は、生成されたガスの大部分が発電装置４に送給されるが、余剰分のガスがメタノール製造装置３に送給されてメタノールの製造に供される。メタノールの製造を優先する場合には、ガスは、脱窒用の炭素源として必要なメタノールを生成できる量だけメタノール製造装置３に送給された後、残りのガスとメタノール製造装置３における未反応なガスとが発電装置４に送られる。

メタノール製造装置３は、ガスをメタノール生成に必要な加圧・加熱条件にするための反応塔などからなり、ここに送給されたガスは、メタノール合成に必要な加圧、温度条件下にて、更には必要に応じて触媒を介在させることによって、メタノール合成に供される。メタノール製造装置３としては、従来の装置を使用することができるが、特に、温度２００〜２４０℃、圧力２〜４ＭＰａ程度で、循環工程を経ることなく１パス工程によりメタノール合成することが好ましい。このような条件であると、従来技術に比べて低温、低圧であるため、消費エネルギーが少なくて済むだけでなく、従来技術のように循環式のものに比べて、循環時のエネルギーロスを回避でき、しかもコンプレッサーの配置数を少なくできて、システム全体の設備コストを低減できる。

一方、発電装置４は、ガスタービンおよびこれに接続された蒸気タービン等（図示略）とからなっており、これらを併用することによって高い発電効率を達成することができる。この発電装置４には、メタノール製造装置３において未反応なガスも送給されることが好ましく、必要に応じて、メタノール製造装置３において製造されたメタノールや都市ガス等の助燃剤を供給する。もっとも、発電装置としては、ガスタービン単独、あるいはガスエンジンを使用するものであってもよく、これらは汚泥の処理量、特性などから適宜選択できる。

さらに、本実施形態においては、メタノール製造装置３により製造されたメタノールをシステム内において有効に活用するため、その送給量を制御する図外の制御機構を設けている。すなわち、発電を優先する場合で、発電量が不足しており、脱窒菌用の炭素源は十分にあると検知され、炭素源を送給する必要性が低い場合は、発電量の不足の程度に応じて、生成されたメタノールを主として発電装置４に送給するように制御される。

発電量が十分であり、脱窒菌の炭素源が不足している場合には、メタノールを主として下水処理場等の脱窒槽に送給すべく制御される。発電量、炭素源共に不足している場合には、メタノールを燃料として用いるよりも炭素源として用いた方がランニングコストの低減になるため、主として下水処理場等に送給すべく制御される。また、発電量も炭素源も共に十分に確保されている場合には、メタノールを一時的に貯蔵して使用時まで別に設けた貯槽に保管しておいてもよいし、原料として他の化学工場などの利用に供してもよい。炭素源の必要量は、処理水中の窒素濃度を測定することで容易に算出することができ、発電量の検知は電力メータその他を用いることにより容易に検知できる。

このように制御機構を設けることにより、汚泥処理システム全体の効率化が図られ、高価なメタノールの使用量を適正にして、処理コストを低減できるようになっている。

発電装置4により得られた電力は、下水処理場等の駆動電源その他本汚泥処理システムの駆動電力として、あるいは売電その他として有効に利用される。また、ガスタービンや蒸気タービンから発生した熱源についても、発電以外に利用してもよい。

下水処理量約１０，０００ｔ／日の下水処理場から発生する約１０ｔ−ｗｅｔ／日の下水汚泥を、上記した処理工程に準じてメタノールを製造した。用いた下水汚泥は、水分約８０％、ＳＳ（固体浮遊物）濃度約０．２ｋｇ／ｍ³、窒素分約１５ｐｐｍであり、この汚泥を処理するのに必要な炭素源としてのメタノール量は、約４５０ｋｇ／日となる。

本実施例においては、下記式１で示されるように、メタノール変換率が約５０％であり、循環流動層ガス化炉（処理能力３０ｔ／日）にガス化剤として酸素を約２７Ｎｍ³ ／時送給しつつ、上記下水汚泥を約８５０℃に加熱してガス化した後、発生したガス約２６０Ｎｍ³ ／時をメタノール製造装置に送給して、約４３０ｋｇ／日のメタノールを得た。このときのメタノール製造装置の反応塔は、約４ＭＰａ、約２２０℃の条件で合成を行った。

このように、得られたメタノール量は、汚泥処理に必要なメタノール量のほぼ全量近く（９５％以上）に相当するものであった。また、メタノールの製造工程中に未反応であったガスには、一酸化炭素、水素などが含まれており、これらは６〜７ＭＪ／Ｎｍ³ 程度の発熱量を有しており、これを発電装置４に送給することにより本汚泥処理システムの駆動電源として、あるいは売電として利用することができた。
［式１］
生成メタノール量（ｋｍｏｌ）／ガス化ガス精製後ガス中の一酸化炭素量（ｋｍｏｌ）＝５０％
〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態では、被処理物として下水汚泥を例に挙げて説明したが、本発明に適用される被処理物としては、処理中に高度処理としてメタノール処理が必要なものであれば、下水汚泥に限定されるものではなく、一般汚泥でもよく、その他の有機系廃棄物などであってもよい。
（２）上記実施形態では、ガス化装置として循環流動層ガス化炉を例に挙げて説明したが、これと同等程度の温度域の生成ガスを排出することができれば、他の流動層炉、ガス化炉であってもよい。

本発明の一実施形態に係る被処理物処理システムの概略構成図

符号の説明

２ ガス化装置
３ メタノール製造装置
４ 発電装置

Claims (8)

1. 被処理物供給設備から供給された被処理物をガス化するガス化装置と、このガス化装置により得られたガスからメタノールを製造するメタノール製造装置とを有していて、前記メタノール製造装置により製造されたメタノールを前記被処理物供給設備における脱窒処理の炭素源と発電装置の燃料のいずれにも使用可能にすると共に、前記ガス化装置により得られたガスを前記発電装置にも使用可能にする被処理物処理システムにおいて、
   前記脱窒処理に必要な炭素源と、前記発電装置に必要な燃料とを検知し、この検知結果に基づいて前記メタノール製造装置により製造されたメタノールを、脱窒処理における炭素源として前記被処理物供給設備に対してまたは燃料として発電装置に対して、夫々必要量だけ選択・送給されるようにする制御機構が設けられていることを特徴とする被処理物処理システム。
2. 前記ガス化装置により得られたガスを精製する精製装置が、前記メタノール製造装置の上流側に設けられていて、精製されたガスからメタノールを生成する請求項１に記載の被処理物処理システム。
3. 前記メタノール製造装置において発生した未反応なガスを、前記発電装置に送給可能になっている請求項１又は２に記載の被処理物処理システム。
4. 被処理物供給設備から供給された被処理物をガス化装置によりガス化し、このガスをメタノール製造装置に送給してメタノールを製造し、このメタノールを前記被処理物供給設備における脱窒処理の炭素源と発電装置の燃料のいずれにも使用可能にすると共に、前記ガス化装置により得られたガスを前記発電装置にも使用可能にする被処理物処理方法において、
   前記脱窒処理に必要な炭素源と、前記発電装置に必要な燃料とを検知し、この検知結果に基づいて前記メタノール製造装置により製造されたメタノールを、脱窒処理における炭素源として前記被処理物供給設備に対してまたは燃料として発電装置に対して、夫々必要量だけ選択・送給するように制御することを特徴とする被処理物処理方法。
5. 前記ガス化装置により得られたガスを精製し、精製されたガスを前記メタノール製造装置に送給してメタノールを生成する請求項４に記載の被処理物処理方法。
6. 前記メタノール製造装置において発生した未反応なガスを、前記発電装置に送給可能になっている請求項４又は５に記載の被処理物処理方法。
7. 前記被処理物を前記ガス化装置にて７００〜９００℃に加熱してガス化すると共に、ガス化剤を前記ガス化装置に送給する請求項４〜６のいずれか１項に記載の被処理物処理方法。
8. 前記メタノール製造装置におけるメタノールの製造を、温度２００〜２４０℃、圧力２〜４ＭＰａで、循環工程を経ることなく１パス工程により行う請求項４〜７のいずれか１項に記載の被処理物処理方法。
   

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