JP4988290B2 - 固形燃料の製造方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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