JP4988290B2 - 固形燃料の製造方法 - Google Patents
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description
本発明は、有機性汚泥を乾燥した後、炭化して得られる有機性汚泥由来の固形燃料、特に石炭と共に燃焼する下水処理場にて処理される汚泥（以下、下水汚泥と言う）、し尿汚泥、家畜糞尿汚泥、農業集落排水汚泥等の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法及び固形燃料の製造設備に関する。
環境問題の高まりに応じて、有機性汚泥の有効利用に関する技術開発が盛んに行われている。有機性汚泥の有効利用については、従来のコンポスト化による緑農地利用、建設資材への利用をさらに発展させて、炭化汚泥とする技術も開発されている。
特許文献１には、乾燥下水汚泥を造粒し、空気遮断雰囲気のロータリーキルンにより、３００〜６００℃で４〜２２分間炭化し、その後に直ちに冷却したものを、ボイラーやセメントキルン等の燃料代替として使用することが開示されている。
特開２０００‐２６５１８６号公報
特許文献１には、乾燥下水汚泥を造粒し、空気遮断雰囲気のロータリーキルンにより、３００〜６００℃で４〜２２分間炭化し、その後に直ちに冷却したものを、ボイラーやセメントキルン等の燃料代替として使用することが開示されている。
特許文献１のものは、製紙スラッジ、食品汚泥、下水汚泥を例示しており、かつ一様なものとして当該技術について説明がなされている。
しかるに、先行特許文献１のものは、条件がかなり不明であるものの、原子数比Ｈ／Ｃは０．６以下ではないかと挙げられた各種の数値から推測される。
また、先行特許文献１のものでは、高発熱量、発火性の抑制及び臭気の抑制を同時に達成できるものとは考えられない。
したがって、本発明の主たる課題は、固形燃料として高発熱量でありながら、発火性を抑制でき、しかも臭気が過度のものではない有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法及び固形燃料の製造設備を提供することにある。
しかるに、先行特許文献１のものは、条件がかなり不明であるものの、原子数比Ｈ／Ｃは０．６以下ではないかと挙げられた各種の数値から推測される。
また、先行特許文献１のものでは、高発熱量、発火性の抑制及び臭気の抑制を同時に達成できるものとは考えられない。
したがって、本発明の主たる課題は、固形燃料として高発熱量でありながら、発火性を抑制でき、しかも臭気が過度のものではない有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法及び固形燃料の製造設備を提供することにある。
上記課題を解決した本発明は、次記のとおりである。
＜請求項１項記載の発明＞
乾燥した有機性汚泥を炭化設備により炭化し、これを固形燃料とする固形燃料の製造方法において、
前記乾燥有機性汚泥を水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上１．８以下となるまで炭化する炭化工程と、前記炭化工程の処理中にスチームと接触させることを特徴とする有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
＜請求項１項記載の発明＞
乾燥した有機性汚泥を炭化設備により炭化し、これを固形燃料とする固形燃料の製造方法において、
前記乾燥有機性汚泥を水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上１．８以下となるまで炭化する炭化工程と、前記炭化工程の処理中にスチームと接触させることを特徴とする有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
（作用効果）
炭化物を固形燃料とする場合、発熱量が高いほど望ましい。その発熱量は、後に具体的に説明するように、前記有機性汚泥中の水素分と炭素分の原子数比に大きく依存し、原子数比Ｈ／Ｃがほぼ１．０以下において急激に低下する。他方、本発明者は、炭化物の発火性は、前記原子数比Ｈ／Ｃに依存し、原子数比Ｈ／Ｃが０．６〜１．６、特に０．８〜１．０未満の範囲は発火性が高いことを知見した。さらに、本発明は有機性汚泥であるが故に、炭化物についても臭気が残存する傾向にあり、原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上で残留臭気が強い。したがって、高発熱量、低発火性、臭気抑制のすべてを満足する領域は存しないことになる。
しかるに、本発明では、前記有機性汚泥中の水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上とし、炭化設備においてスチームを吹き込むものとする。前述のように、原子数比Ｈ／Ｃが１．０を少し超える領域（原子数比Ｈ／Ｃが１．０超〜１．６）で、なお発火性が低くはない。また、原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上は残留臭気が強い範囲である。
これに対し、本発明に従って、炭化設備においてスチームを吹き込むと、発火性を抑制できるとともに、残留臭気が問題にならない程度に低減する。スチーム吹込みによって、発火性低減を図ることができる理由は、炭化処理中に生成する酸化されやすい成分が分解するものと推測される。臭気の低減を図ることができる理由は、炭化温度条件下で乾燥有機性汚泥の中の臭気成分の分解が、スチームと接触することで促進されるものと推測される。このように、本発明に従えば、高発熱量、低発火性、臭気抑制のすべてを満足するシステムとなるのである。なお、原子数比Ｈ／Ｃの上限は１．８が好ましいことを知見している。
ところで、石炭の原子数比Ｈ／Ｃは、産地によって異なるが、０．６〜１．０未満で、平均は０．８程度である。この点に関し、先行特許文献のものは、条件がかなり不明であるものの、原子数比Ｈ／Ｃは０．６以下ではないかと挙げられた各種の数値から推測される。この意味で、本発明が狙う原子数比Ｈ／Ｃの値はかなり高いものである。
炭化物を固形燃料とする場合、発熱量が高いほど望ましい。その発熱量は、後に具体的に説明するように、前記有機性汚泥中の水素分と炭素分の原子数比に大きく依存し、原子数比Ｈ／Ｃがほぼ１．０以下において急激に低下する。他方、本発明者は、炭化物の発火性は、前記原子数比Ｈ／Ｃに依存し、原子数比Ｈ／Ｃが０．６〜１．６、特に０．８〜１．０未満の範囲は発火性が高いことを知見した。さらに、本発明は有機性汚泥であるが故に、炭化物についても臭気が残存する傾向にあり、原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上で残留臭気が強い。したがって、高発熱量、低発火性、臭気抑制のすべてを満足する領域は存しないことになる。
しかるに、本発明では、前記有機性汚泥中の水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上とし、炭化設備においてスチームを吹き込むものとする。前述のように、原子数比Ｈ／Ｃが１．０を少し超える領域（原子数比Ｈ／Ｃが１．０超〜１．６）で、なお発火性が低くはない。また、原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上は残留臭気が強い範囲である。
これに対し、本発明に従って、炭化設備においてスチームを吹き込むと、発火性を抑制できるとともに、残留臭気が問題にならない程度に低減する。スチーム吹込みによって、発火性低減を図ることができる理由は、炭化処理中に生成する酸化されやすい成分が分解するものと推測される。臭気の低減を図ることができる理由は、炭化温度条件下で乾燥有機性汚泥の中の臭気成分の分解が、スチームと接触することで促進されるものと推測される。このように、本発明に従えば、高発熱量、低発火性、臭気抑制のすべてを満足するシステムとなるのである。なお、原子数比Ｈ／Ｃの上限は１．８が好ましいことを知見している。
ところで、石炭の原子数比Ｈ／Ｃは、産地によって異なるが、０．６〜１．０未満で、平均は０．８程度である。この点に関し、先行特許文献のものは、条件がかなり不明であるものの、原子数比Ｈ／Ｃは０．６以下ではないかと挙げられた各種の数値から推測される。この意味で、本発明が狙う原子数比Ｈ／Ｃの値はかなり高いものである。
＜請求項２項記載の発明＞
前記固形燃料は、石炭と共に燃焼する固形燃料である請求項１記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
前記固形燃料は、石炭と共に燃焼する固形燃料である請求項１記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
（作用効果）
本発明によって得られる固形燃料は高発熱量であるために、石炭火力発電所において石炭と混焼する場合などにおいて特に有用なものとなる。
本発明によって得られる固形燃料は高発熱量であるために、石炭火力発電所において石炭と混焼する場合などにおいて特に有用なものとなる。
＜請求項３項記載の発明＞
前記炭化設備が前記乾燥有機性汚泥の投入する投入口と前記乾燥有機性汚泥が炭化された炭化物を排出する排出口とを有する炭化設備であって、前記炭化工程は、前記炭化設備の乾燥有機性汚泥の投入口から炭化物の排出口へ向けて炭化が進行する工程であり、前記スチームを前記炭化工程の進行方向と対向するよう吹き込む請求項１または２記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
前記炭化設備が前記乾燥有機性汚泥の投入する投入口と前記乾燥有機性汚泥が炭化された炭化物を排出する排出口とを有する炭化設備であって、前記炭化工程は、前記炭化設備の乾燥有機性汚泥の投入口から炭化物の排出口へ向けて炭化が進行する工程であり、前記スチームを前記炭化工程の進行方向と対向するよう吹き込む請求項１または２記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
（作用効果）
スチームを炭化物の排出側から吹き込むと、スチームを乾燥有機性汚泥の装入側から吹き込む場合に比較して、炭化が進行した領域において、よりスチーム分圧の高い状態で接触するので、発火性の抑制及び残留臭気の低減効果が高いものとなる。
スチームを炭化物の排出側から吹き込むと、スチームを乾燥有機性汚泥の装入側から吹き込む場合に比較して、炭化が進行した領域において、よりスチーム分圧の高い状態で接触するので、発火性の抑制及び残留臭気の低減効果が高いものとなる。
＜請求項４項記載の発明＞
前記炭化設備が外熱式ロータリーキルンまたは内部スクリューによって排出口に向かって移送するスクリュー式炭化設備であって、前記排出口側から前記炭化工程の進行方向と対向するように前記スチーム及び不活性ガスのうち少なくともスチームを吹き込むとともに、吹込風量をＶｍ3／秒、前記炭化設備の内空横断面積をＳｍ2としたとき、Ｖ／Ｓを０．０１〜５．０ｍ／秒とする条件で吹き込む請求項３記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
前記炭化設備が外熱式ロータリーキルンまたは内部スクリューによって排出口に向かって移送するスクリュー式炭化設備であって、前記排出口側から前記炭化工程の進行方向と対向するように前記スチーム及び不活性ガスのうち少なくともスチームを吹き込むとともに、吹込風量をＶｍ3／秒、前記炭化設備の内空横断面積をＳｍ2としたとき、Ｖ／Ｓを０．０１〜５．０ｍ／秒とする条件で吹き込む請求項３記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
（作用効果）
本発明は有機性汚泥、特に下水汚泥を対象とするものであるために、その汚泥特有の残留臭気を極力低減することが望まれる。炭化設備としては、流動層炭化炉より、外熱式ロータリーキルンまたはスクリュー式炭化炉が好適に採用できる。この場合、後に説明するように、設備の構造からして、熱が十分に与えることができないゾーンが特にスチーム吹込側（炭化物の排出側）に生じる。その吹込側（炭化物の排出側）において、乾留ガスが滞留する傾向にあると、炭化物に臭気が残留することが知見された。そこで、スチーム及び不活性ガスのうち少なくともスチームを上記の条件で吹き込むと、後述の実施例で示すように、臭気が低減されるものである。
本発明は有機性汚泥、特に下水汚泥を対象とするものであるために、その汚泥特有の残留臭気を極力低減することが望まれる。炭化設備としては、流動層炭化炉より、外熱式ロータリーキルンまたはスクリュー式炭化炉が好適に採用できる。この場合、後に説明するように、設備の構造からして、熱が十分に与えることができないゾーンが特にスチーム吹込側（炭化物の排出側）に生じる。その吹込側（炭化物の排出側）において、乾留ガスが滞留する傾向にあると、炭化物に臭気が残留することが知見された。そこで、スチーム及び不活性ガスのうち少なくともスチームを上記の条件で吹き込むと、後述の実施例で示すように、臭気が低減されるものである。
＜請求項５項記載の発明＞
前記炭化工程の前に前記乾燥有機性汚泥を造粒する造粒工程を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
前記炭化工程の前に前記乾燥有機性汚泥を造粒する造粒工程を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
（作用効果）
前記乾燥有機性汚泥を造粒することで、造粒しない場合と比較して、炭化物の比表面積が小さくなり酸素との接触が低減するので発火性が抑制される。また、造粒によりハンドリング性が向上し、かさ密度も増加する。
前記乾燥有機性汚泥を造粒することで、造粒しない場合と比較して、炭化物の比表面積が小さくなり酸素との接触が低減するので発火性が抑制される。また、造粒によりハンドリング性が向上し、かさ密度も増加する。
＜請求項６項記載の発明＞
乾燥した有機性汚泥を炭化設備により炭化し、これを固形燃料とする固形燃料の製造設備において、
前記炭化設備が、乾燥有機性汚泥を水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上１．８以下となるまで炭化するものであって、
前記炭化設備における炭化処理中にスチームと接触させるスチーム接触手段を備えたことを特徴とする有機性汚泥由来の固形燃料の製造設備。
乾燥した有機性汚泥を炭化設備により炭化し、これを固形燃料とする固形燃料の製造設備において、
前記炭化設備が、乾燥有機性汚泥を水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上１．８以下となるまで炭化するものであって、
前記炭化設備における炭化処理中にスチームと接触させるスチーム接触手段を備えたことを特徴とする有機性汚泥由来の固形燃料の製造設備。
（作用効果）
設備の観点からみて請求項１と同様の作用効果を奏する。
設備の観点からみて請求項１と同様の作用効果を奏する。
＜請求項７項記載の発明＞
前記炭化設備が、前記乾燥有機性汚泥の投入する投入口と前記乾燥有機性汚泥が炭化された炭化物を排出する排出口とを有し、かつ乾燥有機性汚泥の投入口から炭化物の排出口へ向けて炭化が進行する構成の炭化設備であって、前記スチームを前記炭化の進行方向と対向するよう吹き込むスチーム接触手段を備えた請求項６記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造設備。
前記炭化設備が、前記乾燥有機性汚泥の投入する投入口と前記乾燥有機性汚泥が炭化された炭化物を排出する排出口とを有し、かつ乾燥有機性汚泥の投入口から炭化物の排出口へ向けて炭化が進行する構成の炭化設備であって、前記スチームを前記炭化の進行方向と対向するよう吹き込むスチーム接触手段を備えた請求項６記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造設備。
（作用効果）
設備の観点からみて請求項３と同様の作用効果を奏する。
設備の観点からみて請求項３と同様の作用効果を奏する。
＜請求項８項記載の発明＞
前記炭化設備の前段において、前記乾燥有機性汚泥を造粒する造粒機を備えた請求項６または７記載の固形燃料の製造設備。
前記炭化設備の前段において、前記乾燥有機性汚泥を造粒する造粒機を備えた請求項６または７記載の固形燃料の製造設備。
（作用効果）
設備の観点から見て請求項５と同様の作用効果を奏する。
設備の観点から見て請求項５と同様の作用効果を奏する。
本発明によれば、固形燃料として高発熱量でありながら、発火性を抑制でき、しかも臭気が過度のものではない有機性汚泥由来の固形燃料の製造できるなどの利点をもたらす。
以下、本発明を具体例に基づき詳説する。
＜基礎的な知見＞
有機性汚泥の一例として下水汚泥を乾燥し炭化させた固形燃料を化石燃料の代替とする場合、その燃料を得る過程での消費エネルギーを、ＣＯ２の排出量の観点から考えることが、環境問題を解決する上で必要である。
すなわち、図１に示すように、下水汚泥の乾燥及び炭化に必要なエネルギーとして、電力及び化石燃料（たとえば灯油）を消費する。これらは電力消費に伴うＣＯ２の排出量（１）及び化石燃料消費に伴うＣＯ２の排出量（２）としてあらわすことができる。これに対し、下水汚泥の炭化物を代替燃料に使用すればその分がＣＯ２の削減量（３）となる。
ＣＯ２の排出量の削減の観点からは、（１）＋（２）＜（３）であることが望ましい。
本発明においても有機性汚泥を代替燃料としようとするものである。
＜基礎的な知見＞
有機性汚泥の一例として下水汚泥を乾燥し炭化させた固形燃料を化石燃料の代替とする場合、その燃料を得る過程での消費エネルギーを、ＣＯ２の排出量の観点から考えることが、環境問題を解決する上で必要である。
すなわち、図１に示すように、下水汚泥の乾燥及び炭化に必要なエネルギーとして、電力及び化石燃料（たとえば灯油）を消費する。これらは電力消費に伴うＣＯ２の排出量（１）及び化石燃料消費に伴うＣＯ２の排出量（２）としてあらわすことができる。これに対し、下水汚泥の炭化物を代替燃料に使用すればその分がＣＯ２の削減量（３）となる。
ＣＯ２の排出量の削減の観点からは、（１）＋（２）＜（３）であることが望ましい。
本発明においても有機性汚泥を代替燃料としようとするものである。
さて、本発明者は、多くの実験を試みた。すなわち、某都市下水処理場からの未消化下水汚泥について、炭化温度及び炭化時間を変えることにより、有機性汚泥中の水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃを種々に変えたものを得て、これらについて、発熱量を調べたところ、図２に示す結果を得た。
図２の結果によれば、発熱量は水素分と炭素分の原子数比に大きく依存し、原子数比Ｈ／Ｃがほぼ１．０以下において急激に低下する。他方、原子数比Ｈ／Ｃが１．８までは発熱量の低下が少ない。
図２の結果によれば、発熱量は水素分と炭素分の原子数比に大きく依存し、原子数比Ｈ／Ｃがほぼ１．０以下において急激に低下する。他方、原子数比Ｈ／Ｃが１．８までは発熱量の低下が少ない。
また、他の下水処理場からの下水汚泥も含めて炭化物の発火点温度を調べたところ、図３に示す結果を得た。この結果によれば、炭化物の発火性は、前記原子数比Ｈ／Ｃに依存し、原子数比Ｈ／Ｃが０．６〜１．６、特に０．８〜１．０未満の範囲は発火性が高いことが判る。したがって、発火性の観点から、原子数比Ｈ／Ｃは１．０以上であることが要求され、より望ましくは１．１以上であり、さらに他の特性をも加味すると特に望ましくは１．４以上である。
他方、本発明者らは、下水汚泥の炭化物を代替燃料に使用すればＣＯ２の排出量削減が可能であることを知見しているが、環境問題を解決する上ではＣＯ２以外の温室効果ガスを含め、「温室効果ガス総排出量」をもって評価することがより重要となる。その評価手法として、たとえば、２００６年４月１日より改正された「地球温暖化対策の推進に関する法律」（以下、「温対法」という。）によって評価することができる。温対法によると、ＣＯ２以外の温室効果ガスとしては、メタン（ＣＨ４）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、ハイドロフルオロカーボン類（ＨＦＣ）、パーフルオロカーボン類、六ふっ化硫黄（ＳＦ６）がある。また、「温室効果ガス総排出量」とは、温室効果ガスである物質ごとに政令で定める方法により算定される当該物質の排出量に当該物質の地球温暖化係数（温室効果ガスである物質ごとに地球の温暖化をもたらす程度の二酸化炭素に係る当該程度に対する比を示す数値として国際的に認められた知見に基づき政令で定める係数をいう。）を乗じて得た量の合計量（温対法第２条）、と規定されている。
下水汚泥から固形燃料を製造する場合、Ｎ２Ｏ以外の温室効果ガスの発生量は無視できる程度であるため、ＣＯ２以外の温室効果ガスとしては実際的にはＮ２Ｏだけを対象とすればよい。ここで、Ｎ２Ｏの地球温暖化係数が３１０であることから、ＣＯ２以外の温室効果ガスによる寄与分（４）≒Ｎ２Ｏの発生量×３１０とすることができる。したがって、温室効果ガス総排出量＝（１）＋（２）＋（４）となるので、温対法に則して環境問題を論ずるには（１）＋（２）＋（４）＜（３）であることが望ましい。
上記の関係に基づき、たとえば、化石燃料として灯油を使用する場合において、原子数比Ｈ／Ｃと温室効果ガス総排出量の関係を調べたところ、図１５に示す結果を得た。この結果によれば、温室効果ガス総排出量を削減する観点から、原子数比Ｈ／Ｃが１．２以上がより望ましい範囲であることが判る。
上記の関係に基づき、たとえば、化石燃料として灯油を使用する場合において、原子数比Ｈ／Ｃと温室効果ガス総排出量の関係を調べたところ、図１５に示す結果を得た。この結果によれば、温室効果ガス総排出量を削減する観点から、原子数比Ｈ／Ｃが１．２以上がより望ましい範囲であることが判る。
さらに、乾燥下水汚泥の臭気が強いことは周知であり、炭化物についても臭気が残存する傾向にあり、原子数比Ｈ／Ｃの低下に伴って臭気が低減するものの、乾燥汚泥から原子数比Ｈ／Ｃが１．０の範囲内において特に残留臭気が強いことは、多数の人間による臭気テストの結果から明らかとなっている。
図３は単に炭化物の発火点温度の結果であるが、固形燃料としたときの保存や運搬時における発火性を、より実用の観点から調査するために、次の実験を行った。
すなわち、図４に示すように、容積２１６リットル（６００ｍｍ立方体）の恒温槽１内に内径２４０ｍｍφ高さ２４０ｍｍの円筒ステンレス容器２を設置するとともに、その底面から３０ｍｍ高の位置にテフロン（登録商標）のパンチング板（孔径１ｍｍ、ピッチ１．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）からなる分散板３を設け、試料を３．５ｋｇを入れた状態で、酸素ボンベ及び窒素ボンベからの所定の酸素濃度にした吹込みガスを、吹込み路４から円筒ステンレス容器２内の底壁を通して吹き込む。本実験では、空気を使用し、１分間当り１００ｍｌの流量で吹き込む。容器内のガスは、排気路５を通して大気へ放出する。その際に、排気ガスをガスクロマトグラフィー（図示せず）によりガスの成分分析を行う。
その際に、容器の底部から１５ｍｍ高中心、容器の底部から７０ｍｍ高（分散板から４０ｍｍ高）中心、容器の底部から１１５ｍｍ高（分散板から８５ｍｍ高）中心、容器の底部から１１５ｍｍ高（分散板から８５ｍｍ高）で中心から６０ｍｍ偏位、容器の底部から１５５ｍｍ高（分散板から１２５ｍｍ高）中心、排気ガス出口近傍、恒温槽１内部、容器の外面（分散板から８５ｍｍ高）にそれぞれ熱電対を取り付け、連続的に温度測定を行う。
すなわち、図４に示すように、容積２１６リットル（６００ｍｍ立方体）の恒温槽１内に内径２４０ｍｍφ高さ２４０ｍｍの円筒ステンレス容器２を設置するとともに、その底面から３０ｍｍ高の位置にテフロン（登録商標）のパンチング板（孔径１ｍｍ、ピッチ１．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）からなる分散板３を設け、試料を３．５ｋｇを入れた状態で、酸素ボンベ及び窒素ボンベからの所定の酸素濃度にした吹込みガスを、吹込み路４から円筒ステンレス容器２内の底壁を通して吹き込む。本実験では、空気を使用し、１分間当り１００ｍｌの流量で吹き込む。容器内のガスは、排気路５を通して大気へ放出する。その際に、排気ガスをガスクロマトグラフィー（図示せず）によりガスの成分分析を行う。
その際に、容器の底部から１５ｍｍ高中心、容器の底部から７０ｍｍ高（分散板から４０ｍｍ高）中心、容器の底部から１１５ｍｍ高（分散板から８５ｍｍ高）中心、容器の底部から１１５ｍｍ高（分散板から８５ｍｍ高）で中心から６０ｍｍ偏位、容器の底部から１５５ｍｍ高（分散板から１２５ｍｍ高）中心、排気ガス出口近傍、恒温槽１内部、容器の外面（分散板から８５ｍｍ高）にそれぞれ熱電対を取り付け、連続的に温度測定を行う。
上記の形態で、空気の吹き込みを５０時間程度継続すると、各温度測定点においてほぼ１８〜２５時間経過後に、最高温度に達する温度測定点がある。その最高温度に達する温度測定点での最高到達温度に基づき、発火性の指標とするものである。
かかる試験条件の下で、原子数比Ｈ／Ｃの変化、並びにスチームの添加の有無に伴う最高到達温度を調べた結果を図５に示す。
最高到達温度が低いほど発火性が低いことであると判断でき、図５の結果によると、スチーム添加により最高到達温度が低くなり、発火性を抑制できることが判る。また、排気ガスのガス分析における出口酸素濃度との関係を調べた結果を図６に示す。出口酸素濃度が高いほど発火性が低いことであると判断でき、図６の結果によると、スチーム添加により出口酸素濃度が高くなり、発火性を抑制できることが判る。
かかる試験条件の下で、原子数比Ｈ／Ｃの変化、並びにスチームの添加の有無に伴う最高到達温度を調べた結果を図５に示す。
最高到達温度が低いほど発火性が低いことであると判断でき、図５の結果によると、スチーム添加により最高到達温度が低くなり、発火性を抑制できることが判る。また、排気ガスのガス分析における出口酸素濃度との関係を調べた結果を図６に示す。出口酸素濃度が高いほど発火性が低いことであると判断でき、図６の結果によると、スチーム添加により出口酸素濃度が高くなり、発火性を抑制できることが判る。
他方、炭化工程の前に乾燥有機性汚泥を造粒する造粒工程を有することが望ましい。造粒に際しては、粒径が３〜２０ｍｍ、特に４〜１５ｍｍとなるように望ましい。造粒径が小さいと、発火性の抑制効果が十分でなく、ハンドリング性の向上効果も十分に発揮しない。造粒径が過度に大きいと、炭化時間が長くなるなどの問題が残る。さらに、円筒状ペレットに造粒する場合に、発火性の抑制効果及びハンドリング性向上の効果が高く、その場合の造粒径としては、φ４〜８ｍｍ×５〜２０ｍｍＬが最適であることを知見している。
表２には、乾燥汚泥を円筒状ペレット（φ５〜６ｍｍ×５〜１２ｍｍＬ）に造粒して炭化した場合と、造粒しないで炭化した場合の最高到達温度を示す。造粒することで最高到達温度が低くなり、発火性を抑制できることがわかる。
表２には、乾燥汚泥を円筒状ペレット（φ５〜６ｍｍ×５〜１２ｍｍＬ）に造粒して炭化した場合と、造粒しないで炭化した場合の最高到達温度を示す。造粒することで最高到達温度が低くなり、発火性を抑制できることがわかる。
図５及び図６に示した原子数比Ｈ／Ｃがそれぞれ１．５８のスチーム添加したものと、スチーム添加なしのものについて、臭気テストを行った。
すなわち、製造後、間もない燃料物を一定量計り取り、一定容量の容器に封入後、１〜２日間、常温で保管する。このサンプルの臭気を「６段階臭気強度表示法」にて被験者が判定した。被験者の数は、個人差による偏りを防ぐために１０人とした。ここで、臭気強度について次記の基準で評点した。
０： 無臭
１： やっと感知できるにおい
２： 何のにおいであるかわかる弱いにおい
３： 楽に感知できるにおい
４： 強いにおい
５： 強烈なにおい
また、同時に臭気強度の他に、においの質として以下の３段階の評価も行った
○： 許容できるにおい
△： やや不快
×： 不快
結果を表１に示す。参考に乾燥下水汚泥そのものの評価も行った。
すなわち、製造後、間もない燃料物を一定量計り取り、一定容量の容器に封入後、１〜２日間、常温で保管する。このサンプルの臭気を「６段階臭気強度表示法」にて被験者が判定した。被験者の数は、個人差による偏りを防ぐために１０人とした。ここで、臭気強度について次記の基準で評点した。
０： 無臭
１： やっと感知できるにおい
２： 何のにおいであるかわかる弱いにおい
３： 楽に感知できるにおい
４： 強いにおい
５： 強烈なにおい
また、同時に臭気強度の他に、においの質として以下の３段階の評価も行った
○： 許容できるにおい
△： やや不快
×： 不快
結果を表１に示す。参考に乾燥下水汚泥そのものの評価も行った。
表１の結果から、スチームを添加することで臭気強度も低下し、ほとんどの被験者が許容できるにおいとした。また、参考に乾燥下水汚泥の結果との対比では、臭気の低下は顕著である。
＜他の知見＞
固形燃料における水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃは、炭化に供する炭化時間と、炭化温度と相関する。
図７にある下水汚泥の炭化について、炭化温度及び炭化時間によって原子数比Ｈ／Ｃが変化することを示した。
図８には、原子数比Ｈ／Ｃに対する燃料比の相関を示す。
図９には、炭化温度に対する種々の相関を示した。
有機性汚泥のその他の例として、し尿汚泥や家畜糞尿汚泥等があるが、下水汚泥の場合と大きな相違はないことは知見しており、かつ、排泄物の観点からも下水汚泥の場合と大きな相違がないことは容易に判るであろう。
固形燃料における水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃは、炭化に供する炭化時間と、炭化温度と相関する。
図７にある下水汚泥の炭化について、炭化温度及び炭化時間によって原子数比Ｈ／Ｃが変化することを示した。
図８には、原子数比Ｈ／Ｃに対する燃料比の相関を示す。
図９には、炭化温度に対する種々の相関を示した。
有機性汚泥のその他の例として、し尿汚泥や家畜糞尿汚泥等があるが、下水汚泥の場合と大きな相違はないことは知見しており、かつ、排泄物の観点からも下水汚泥の場合と大きな相違がないことは容易に判るであろう。
＜設備例＞
図１０は第１の製造設備例を示すもので、ベルトプレスなどにより脱水された脱水有機性汚泥１は乾燥機１０に供給される。乾燥機１０には第１熱風炉１２からの熱風により乾燥が図られ、乾燥した乾燥汚泥２は造粒機２６によって造粒される。造粒機としては混合造粒機、圧縮造粒機等が適応可能であるが、特に押出造粒機が好適である。造粒された乾燥汚泥はロータリーキルンなどの炭化炉２０に供給される。炭化炉２０では、第２熱交換器１８により燃焼空気が加温され、これが第２熱風炉２２において燃料の下で昇熱された熱風が吹込まれ、炭化処理が行われる。炭化炉２０は、乾燥有機性汚泥の投入口から炭化物の排出口へ向けて炭化が進行する構成のものである。
図１０は第１の製造設備例を示すもので、ベルトプレスなどにより脱水された脱水有機性汚泥１は乾燥機１０に供給される。乾燥機１０には第１熱風炉１２からの熱風により乾燥が図られ、乾燥した乾燥汚泥２は造粒機２６によって造粒される。造粒機としては混合造粒機、圧縮造粒機等が適応可能であるが、特に押出造粒機が好適である。造粒された乾燥汚泥はロータリーキルンなどの炭化炉２０に供給される。炭化炉２０では、第２熱交換器１８により燃焼空気が加温され、これが第２熱風炉２２において燃料の下で昇熱された熱風が吹込まれ、炭化処理が行われる。炭化炉２０は、乾燥有機性汚泥の投入口から炭化物の排出口へ向けて炭化が進行する構成のものである。
炭化汚泥は、冷却した後、固形燃料とされる。なお、造粒は炭化後に行っても良く、造粒機としては転動造粒や混合造粒が適応可能であるが、圧縮造粒が好適である。
炭化炉２０で発生する乾留ガスは、再燃炉１４により燃焼空気及び燃料の吹込み下で再燃され、第１熱交換器１６において、乾燥機１０の乾燥用熱風の昇温熱源として利用する。乾燥機１０の排ガスは、第１熱交換器１６を通り、再燃炉１４からの排ガスの熱を受けて、第１熱風炉１２に送入される。乾燥機１０の排ガスの一部は、減湿塔２４に導かれ、湿度の低減が図られた上で、再燃炉１４での燃焼効率を高められるように吹込まれる。
図１１は第２の設備例を示すもので、減湿塔２４を使用せず、乾燥機１０の排ガスを再燃炉１４で再燃させた後、その排ガスを乾燥機１０に返送するようにしたものである。また、第１熱交換器１６では、再燃炉１４からの排ガスにより燃焼空気を加熱し、再燃炉１４に吹込むようにしてある。
本発明において、上記のいずれの例においてもスチーム添加がなされる。
スチームの添加条件としては、炭化温度が２５０〜３５０℃が望ましい観点から、温度１００〜３５０℃が温度低下を防止する観点から望ましい。圧力は適宜でよいが、大気圧〜０．１ＭＰａ程度が十分である。添加流量としては、乾燥汚泥１ｋｇ当り、０．１〜１０ｋｇ−水蒸気が望ましい。また、吹込みは、図１０及び図１１のように、スチームを炭化物の排出側から、炭化の進行方向と対向するように吹き込むと、スチームを乾燥有機性汚泥の投入側から吹き込む場合に比較して、炭化が進行した領域において、よりスチーム分圧の高い状態で接触するので、発火性の抑制及び残留臭気の低減効果が高いものとなる。また、スチームに加えて不活性ガス（たとえば窒素ガス）を吹き込むことで、乾留ガスの凝縮を図ることができる。
スチームの添加条件としては、炭化温度が２５０〜３５０℃が望ましい観点から、温度１００〜３５０℃が温度低下を防止する観点から望ましい。圧力は適宜でよいが、大気圧〜０．１ＭＰａ程度が十分である。添加流量としては、乾燥汚泥１ｋｇ当り、０．１〜１０ｋｇ−水蒸気が望ましい。また、吹込みは、図１０及び図１１のように、スチームを炭化物の排出側から、炭化の進行方向と対向するように吹き込むと、スチームを乾燥有機性汚泥の投入側から吹き込む場合に比較して、炭化が進行した領域において、よりスチーム分圧の高い状態で接触するので、発火性の抑制及び残留臭気の低減効果が高いものとなる。また、スチームに加えて不活性ガス（たとえば窒素ガス）を吹き込むことで、乾留ガスの凝縮を図ることができる。
これらの設備は例示であり、他の形態も当然に採用できる。また、乾燥機１０や炭化炉２０の形式に限定はない。ちなみに、炭化炉２０の形式としては、ロータリーキルン、スクリュー式、流動床式などがある。乾燥機１０では、出口水分が１０〜４０％、特に１５〜２５％とするのが望ましい。
なお、炭化条件としては、図７〜図９の結果からも、炭化温度が２５０〜３５０℃で、炭化時間が２０〜６０分が好適である。
図１２に示すように、ロータリーキルン２０Ａでは、一般的にその外筒２０ａに熱風を吹き込むことで、内筒内の汚泥に対して熱を与えるものであるが、内筒を回転支持するためにタイヤで支持する領域に相当する領域が、非加熱部（外筒２０ａの設置範囲外において十分に熱を与えることができない部分）Ｌとなる。その非加熱部Ｌにおいて、乾留ガスが滞留し炭化汚泥に臭気が残留することが知見された。
そこで、スチーム及び不活性ガスのうち少なくともスチームの吹込風量をＶｍ３／秒、炭化設備、図１２の例ではロータリーキルン２０Ａの内空（内部空間）横断面積をＳｍ２としたとき、Ｖ／Ｓを０．０１〜５．０ｍ／秒とする条件で、より好適には０．０３〜３．０ｍ／秒で吹き込むと、炭化汚泥に残留する臭気の強度を低減できる。過度の吹き込む流速は、同伴する粉塵量を抑制するために避けるべきである。
好適に採用できるロータリーキルン２０Ａとしては、内直径が０．１〜４ｍ、外筒２０ａ長さが１〜３５ｍ、非加熱部Ｌ長さが０．３〜５ｍである。
そこで、スチーム及び不活性ガスのうち少なくともスチームの吹込風量をＶｍ３／秒、炭化設備、図１２の例ではロータリーキルン２０Ａの内空（内部空間）横断面積をＳｍ２としたとき、Ｖ／Ｓを０．０１〜５．０ｍ／秒とする条件で、より好適には０．０３〜３．０ｍ／秒で吹き込むと、炭化汚泥に残留する臭気の強度を低減できる。過度の吹き込む流速は、同伴する粉塵量を抑制するために避けるべきである。
好適に採用できるロータリーキルン２０Ａとしては、内直径が０．１〜４ｍ、外筒２０ａ長さが１〜３５ｍ、非加熱部Ｌ長さが０．３〜５ｍである。
他方、図１３に示すように、非加熱部Ｌ領域を、ほぼ外筒２０ａの終端部から径を順次絞った絞り部２０ｂを形成し、さらに細径部２０ｃを形成したロータリーキルン２０Ｂも使用できる。この形態では、吹込流速を高めることができるとともに、乾留ガスの滞留が生じることがほとんどなくなり、臭気の残留を抑制できる。絞り部２０ｂの水平投影長さは０〜２ｍ、細径部２０ｃの長さは０．５〜５ｍとすることができる（絞り部２０ｂの長さが０ｍは非加熱部Ｌ領域全体を細径部２０ｃとすることを意味する。）。また、細径部２０ｃの内直径は排出機構の構造上、０．１ｍ以上のものである。
図１４のスクリュー式炭化炉２０Ｃも使用できる。２０ｄはスクリューコンベアを示す。好適に採用できるスクリュー式炭化炉２０Ｃとしては、内直径が０．１〜１ｍ、加熱部２０ｅ長さが１〜２０ｍ、非加熱部Ｌ長さが０．３〜３ｍのものである。
図１２のロータリーキルン２０Ａを使用し（内直径が０．３５ｍ、外筒２０ａ長さが２．５ｍ、非加熱部Ｌ長さが０．４ｍ）、スチーム及び又は不活性ガスを吹込み、上記と同じ臭気テストを行った。結果を表３に示す。吹込条件によって臭気は変化し、前記条件では残留臭気が問題とならないことが判る。なお、表３には０．０１ｍ／秒の結果を示していないが、残留臭気が問題とならないことが判明している。
得られる固形燃料は、石炭火力発電所において石炭と混焼する場合に特に有効であるが、固形燃料物を燃料とするボイラーへの適用も可能である。
１…脱水有機性汚泥、１０…乾燥機、１４…再燃炉、１６…第１熱交換器、２０…炭化炉、２２…第１熱風炉、２６…造粒機。
Claims (8)
- 乾燥した有機性汚泥を炭化設備により炭化し、これを固形燃料とする固形燃料の製造方法において、
前記乾燥有機性汚泥を水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上１．８以下となるまで炭化する炭化工程と、前記炭化工程の処理中にスチームと接触させることを特徴とする有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。 - 前記固形燃料は、石炭と共に燃焼する固形燃料である請求項１記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
- 前記炭化設備が前記乾燥有機性汚泥の投入する投入口と前記乾燥有機性汚泥が炭化された炭化物を排出する排出口とを有する炭化設備であって、前記炭化工程は、前記炭化設備の乾燥有機性汚泥の投入口から炭化物の排出口へ向けて炭化が進行する工程であり、前記スチームを前記炭化工程の進行方向と対向するように吹き込む請求項１または２記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
- 前記炭化設備が外熱式ロータリーキルンまたは内部スクリューによって排出口に向かって移送するスクリュー式炭化設備であって、前記排出口側から前記炭化工程の進行方向と対向するように前記スチーム及び不活性ガスのうち少なくともスチームを吹き込むとともに、吹込風量をＶｍ3／秒、前記炭化設備の内空横断面積をＳｍ2としたとき、Ｖ／Ｓを０．０１〜５．０ｍ／秒とする条件で吹き込む請求項３記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
- 前記炭化工程の前に前記乾燥有機性汚泥を造粒する造粒工程を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造方法。
- 乾燥した有機性汚泥を炭化設備により炭化し、これを固形燃料とする固形燃料の製造設備において、
前記炭化設備が、乾燥有機性汚泥を水素分と炭素分の原子数比Ｈ／Ｃが１．０以上１．８以下となるまで炭化するものであって、
前記炭化設備における炭化処理中にスチームと接触させるスチーム接触手段を備えたことを特徴とする有機性汚泥由来の固形燃料の製造設備。 - 前記炭化設備が、前記乾燥有機性汚泥の投入する投入口と前記乾燥有機性汚泥が炭化された炭化物を排出する排出口とを有し、かつ乾燥有機性汚泥の投入口から炭化物の排出口へ向けて炭化が進行する構成の炭化設備であって、前記スチームを前記炭化の進行方向と対向するよう吹き込むスチーム接触手段を備えた請求項６記載の有機性汚泥由来の固形燃料の製造設備。
- 前記炭化設備の前段において、前記乾燥有機性汚泥を造粒する造粒機を備えた請求項６または７記載の固形燃料の製造設備。
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