JP4990569B2

JP4990569B2 - 廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法及びそのシステム

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Publication number: JP4990569B2
Application number: JP2006179901A
Authority: JP
Inventors: 明宏小川
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: JP2008006380A

Description

本発明は、エネルギー効率に優れた廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法及びそのシステムに関する。

近年、廃棄物をガス化させて再利用する技術が開発されている。かかる技術において、特に含水率の高い廃棄物をエネルギー効率良くガス化させるには、予め廃棄物を乾燥させて含水率を約２０％以下にしておくこと必要があり、その際には、廃棄物を粉砕しておくことが望ましい。なお、含水率の高い廃棄物として、例えば、生ごみ、下水汚泥、間伐等のバイオマスが挙げられ、その含水率は約５０％〜約９０％程度である。

そこで、従来、例えばバイオマスを乾燥させる場合には、高温の熱風により乾燥させる技術が広く利用されている。また、バイオマスを収納した容器内の気圧を下げることにより水の沸点を低下させて、低温でバイオマスの乾燥を行う真空乾燥法もある（例えば、特許文献１参照）。さらに、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）の冷熱を利用して凍結と融解を複数繰り返すことにより、バイオマス（下水汚泥）を脱水する技術もある（例えば、特許文献２参照）。

一方、バイオマスを粉砕させる場合には、通常カッターミル等が用いられており、例えば、バイオマスを凍結して硬化させた上で、カッターミル等で粉砕する技術が良く知られている。さらに、ＬＮＧの冷熱を利用してバイオマス（生ごみ）を凍結粉砕する技術もある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−５９１１７号公報特許第２７６８１１７号公報特開平８−１０３５号公報

しかしながら、バイオマス等のように含水率の高い廃棄物を熱風乾燥させる場合には、１００℃以上の高温加熱を要し、多くの熱エネルギーが必要となってしまう。また、かかる廃棄物を真空乾燥させる場合にも４０〜６０℃程度の加熱が必要となり、エネルギー効率が悪い。また、常温でカッターミルを用いて廃棄物を粉砕する場合、例えば５０〜１００ｍｍ程度に廃棄物を粉砕する場合には、多くの労力と時間が必要となり、同様にエネルギー効率が悪い。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率に優れた廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法及びそのシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法は、水分を含む廃棄物を凍結して粉砕する凍結粉砕工程と、該凍結粉砕工程で凍結粉砕した前記廃棄物を減圧環境下に置き、その廃棄物に含まれる凍結状態の前記水分を昇華させて除去する真空乾燥工程と、該真空乾燥工程で前記水分を除去した前記廃棄物に常温常圧状態の乾燥空気を導入し、低温低圧状態の前記廃棄物を常温常圧状態に戻す工程と、を有する廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法であって、
前記凍結粉砕工程は、前記廃棄物に冷却空気を導入し、その廃棄物を凍結させることを含み、
前記冷却空気は、常温常圧状態の乾燥空気をＬＮＧと熱交換させて得られたものであり、
前記乾燥空気を前記ＬＮＧと熱交換させた際にＬＮＧが気化して生じるメタンガスを回収し、そのメタンガスを発電機の駆動エネルギー源として利用するとともに、前記発電機を駆動させて得られた電気エネルギーを前記凍結粉砕工程において前記廃棄物を粉砕するためのエネルギー源若しくは前記真空乾燥工程において前記廃棄物を減圧乾燥するためのエネルギー源として再利用し、
前記真空乾燥工程は、真空ポンプを用いて前記廃棄物を前記減圧環境下に置き、前記水分を昇華させて水蒸気を吸引するとともに、吸引中の前記水蒸気を冷却凝固させて回収することを含み、
前記水蒸気を冷却凝固させる際に、常温常圧状態の乾燥空気をＬＮＧと熱交換させて得られた冷却空気を用いることを特徴とする。

本発明の構成によれば、廃棄物に含まれる水分を昇華させる際に昇華潜熱として約２０℃〜５０℃の加熱空気を廃棄物に供給すれば足り、その結果、５０℃以下の低温熱源による加熱だけで廃棄物を乾燥させることが可能となるので、加熱に要する熱エネルギーを大幅に削減できる。なお、このように廃棄物を低温乾燥させる場合には、高温乾燥させる場合と異なり廃棄物に物性変化が生じにくい。また、昇華潜熱を廃棄物に供給する際に、廃棄物は粉砕状態にあるので熱供給が比較的容易となり、昇華乾燥の速度が向上する。さらに、廃棄物に含まれる水分は、氷の状態から融解することなく気体に昇華するので、廃棄物を内部から効率良く乾燥させることが可能となり、エネルギー効率に優れたものとなる。
また、廃棄物は冷却空気によって直接凍結されるので、凍結粉砕工程におけるエネルギー効率が向上し、さらに、この凍結粉砕工程においてＬＮＧの冷熱を有効利用することも可能となるので、エネルギー効率に優れたものとなる。
前記凍結粉砕工程若しくは前記真空乾燥工程において、常温常圧状態の乾燥空気をＬＮＧと熱交換させた際に生じるメタンガスを有効利用することが可能となるので、よりいっそうエネルギー効率に優れたものとなる。
さらに、吸引した水蒸気を氷の状態にすることで体積を減少させることが可能となり、真空ポンプからの吸引量が少なくても、廃棄物を容易に略真空状態にして乾燥させることができるので、エネルギー効率に優れたものとなる。また、水蒸気を冷却凝固させる際に、ＬＮＧと乾燥空気とを熱交換させて得られた冷却空気を用いる場合には、ＬＮＧの冷熱を有効利用することが可能となるので、よりいっそうエネルギー効率に優れたものとなる。

また、本発明に係る廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法において、前記真空乾燥工程は、真空計を用いて前記廃棄物の圧力状態を測定し、その測定値が前記水分を昇華させる際の測定値よりも低下したことをもって前記乾燥の完了を検知することを特徴とする。
本発明の構成によれば、真空乾燥工程が終了したか否かを即時に判断することが可能となるので、無駄な真空乾燥を省くことによりエネルギー効率に優れたものとなる。

また、本発明に係る廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法において、前記廃棄物は、バイオマスであることを特徴とする。
本発明の構成によれば、含水率の高いバイオマスを十分に乾燥させてからガス化することが可能となり、この場合には廃棄物のガス化効率が向上するので、よりいっそうエネルギー効率に優れたものとなる。

また、本発明に係る廃棄物の凍結粉砕真空乾燥システムにおいて、前記冷却空気供給装置は、常温常圧状態の乾燥空気をＬＮＧと熱交換させるとともに、熱交換させて得られた冷却空気とメタンガスとを分離し、当該冷却空気を前記凍結粉砕真空乾燥装置に供給することとする。
本発明の構成によれば、廃棄物を凍結粉砕する際に、ＬＮＧの冷熱を有効利用することが可能となるので、エネルギー効率に優れたものとなる。

また、本発明は、廃棄物の凍結粉砕真空乾燥システムであって、水分を含む廃棄物を凍結して粉砕し該廃棄物を乾燥させる凍結粉砕真空乾燥装置と、常温常圧状態の乾燥空気をＬＮＧと熱交換させることにより前記廃棄物を凍結させるための冷却空気を得る熱交換器と、凍結粉砕させた前記廃棄物の水分を昇華させるための加熱空気を前記凍結粉砕真空乾燥装置に供給する加熱空気供給装置と、常温常圧状態の乾燥空気を前記熱交換器及び前記凍結粉砕真空乾燥装置に供給する乾燥空気供給装置と、を備え、前記凍結粉砕真空乾燥装置は、バイオマス運搬用の容器と、該容器を運搬するベルトコンベアと、を有し、該ベルトコンベアの上方において上流側から下流側に向けて順に、前記容器に装着可能な受入ホッパと、前記容器に装着可能な冷凍用の蓋と、前記容器に装着可能な粉砕用の蓋と、前記容器に装着可能な真空乾燥用の蓋と、を備えていることを特徴とする。
本発明では、冷却を行う容器と加熱を行う容器とを同一にした上で、廃棄物の凍結粉砕及び真空乾燥をベルトコンベア上で分業している。そのため、廃棄物は、流れ作業によって連続的に処理されることとなり、エネルギー効率がよりいっそう向上する。

本発明によれば、エネルギー効率に優れた廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法及びそのシステムを提供することができる。

以下、廃棄物としてバイオマスを例に挙げつつ、本発明の各実施形態について説明する。

＝＝＝本発明の基本構成＝＝＝
図１及び図２を参照しながら、本発明の第一実施におけるバイオマスの凍結粉砕真空乾燥システムについて説明する。図１は、本発明の第一実施におけるバイオマスの凍結粉砕真空乾燥システムの基本構成を示す図、図２は本発明のシステムフローを示す図である。

図１に示すように、バイオマスの凍結粉砕真空乾燥システム１００は、凍結粉砕真空乾燥装置１０と、熱交換器１１と、真空ポンプ１２と、加熱空気供給装置１３と、乾燥空気供給装置１４と、を備えている。そして、熱交換器１１、真空ポンプ１２、及び加熱空気供給装置１３、乾燥空気供給装置１４は、それぞれ配管２１、２２、２３、２４を介して凍結粉砕真空乾燥装置１０に連結されており、各配管にはそれぞれバルブ３１、３２、３３、３４が設けられている。配管２２の途中には、凝縮器１５が設けられ、凝縮器１５は、配管２６を介して配管２１に接続されている。なお、乾燥空気供給装置１４は、配管２５を介して熱交換器１１に連結されている。

凍結粉砕真空乾燥装置１０は、バイオマス４を収納する真空容器１と、真空容器１内に熱を放出する放熱ジャケット２とを有し、真空容器１内には攪拌粉砕用の回転刃３が設けられている。また、凍結粉砕真空乾燥装置１０には、真空容器１内の圧力を測定するための真空計５が設けられている。

熱交換器１１は、常温常圧状態の乾燥空気をＬＮＧ（約−１６１℃）と熱交換させるものであり、この熱交換器１１によって、乾燥空気が冷却された冷却空気（約−１２０℃の極冷空気）と、ＬＮＧが気化したメタンガス（ＣＨ_４ｇａｓ）とが得られる。冷却空気は、バイオマス４の凍結粉砕及び真空乾燥に利用されるとともに、凝縮器１５において利用される。なお、メタンガスについては、後述するように発電機の駆動エネルギー源として利用することが好ましい。

真空ポンプ１２は、真空容器１内の空気を吸引してその圧力を略真空状態にするためのポンプである。加熱空気供給装置１３は、加熱空気（２０〜５０℃）を放熱ジャケット２に供給するための装置である。また、乾燥空気供給装置１４は、常温常圧状態の乾燥空気を熱交換器１１及び真空容器１に供給するための装置である。

次に、図２を参照しながら、本実施形態における処理フローについて説明する。
図２に示すように、真空容器１内にバイオマス４（例えば、脱水汚泥、木質系、生ごみ等）を収納する（Ｓ２００）。そして、バルブ３１を開状態、バルブ３２，３３，３４を閉状態にする。熱交換器１１で得られた冷却空気は、配管２１内を流れ、開状態のバルブ３１を通って真空容器１内に供給される。真空容器１内は、冷却空気が供給されると冷凍状態になる（Ｓ２０１）。なお、真空容器１内に冷却空気を供給する際、回転刃３を回転させてバイオマス４を十分に攪拌する。バイオマス４は、含水率が高い廃棄物の一種であり、冷却空気が供給されると凍結し、これに含まれる水分が氷になる。凍結したバイオマス４は、真空容器１内に設けられた回転刃３の回転によって粉砕される（Ｓ２０２）。

次に、バルブ３１を閉じて、バルブ３２を開状態にする。そして、真空ポンプ１２を用いて真空容器１内の真空引きを行う（Ｓ２０３）。これにより、真空容器１内の冷却空気は、開状態のバルブ３２を通って配管２２内を流れ、真空ポンプ１２を介して排気される。真空容器１内の圧力状態は、真空状態に近い状態（例えば、１０Ｐａ）まで減圧される。

次に、バルブ３２を開状態のまま、バルブ３３を開ける。加熱空気供給装置１３から供給された加熱空気（約２０〜５０℃）は、配管２３内を流れ、バルブ３３を通って加熱ジャケット２内に供給される（Ｓ２０４）。加熱空気は、加熱ジャケット２を介して凍結粉砕したバイオマス４に対し、昇華潜熱として供給される。略真空状態で昇華潜熱が供給されると、バイオマス４の水分は昇華して氷から水蒸気に変化する（Ｓ２０５）。この水蒸気は、前述した真空引きにより、バルブ３２を通って配管２２内を流れ、真空ポンプ１２を介して排気される。配管２２の途中には、凝縮器１５が設けられているため、配管２２内を流れる水蒸気は、凝縮器１５で冷却されて凝縮するとともに、さらに冷却されて凝固する。なお、凝縮器１５には、配管２６を介してＬＮＧの冷熱である冷却空気が分配供給されるようになっており、ＬＮＧの冷熱が有効利用される。

なお、バイオマス４に含まれていた水分の昇華が完了すると、バイオマス４の真空乾燥が終結し、真空容器１内の圧力が低下し始める。そこで、真空計５を用いて真空容器１内の圧力状態を測定し、その測定値が昇華時の測定値よりも低下したことをもって乾燥の完了を検知する。

次に、バイオマス４の乾燥が完了すると、バルブ３２を閉じてバルブ３４を開ける。バルブ３３は、閉状態にしてもよく、或いは開状態にしてもよい。乾燥空気供給装置１４から供給された常温常圧状態の乾燥空気は、配管２４及び開状態のバルブ３４を介して真空容器１内に供給される（Ｓ２０６）。真空容器１内のバイオマス４に常温常圧状態の乾燥空気を導入することにより、低温低圧状態のバイオマス４を常温常圧状態に戻す。これにより、バイオマス４の粉砕及び乾燥が完了する。このようにして得られたバイオマスは、含水率が低く２０％以下であり、しかも粉砕状態にあるので、ガス化のためのエネルギー効率が良い。

＝＝＝連続処理システム＝＝＝
図３及び図４を参照しながら、本発明のバイオマスの凍結粉砕真空乾燥システムについて説明する。なお、各図に示すシステムは、いずれもバイオマスの凍結粉砕及び真空乾燥を流れ作業によって連続的に処理するものであり、それぞれ以下に説明する別の実施形態に相当する。但し、図４は本発明の主要部のみを図示している。

＜第二実施形態＞
まず、図３を参照しながら、本発明の第二実施形態について説明する。
図３に示すように、バイオマスの凍結粉砕真空乾燥システム３００は、凍結粉砕真空乾燥装置１０と、熱交換器１１と、真空ポンプ１２と、加熱空気供給装置１３と、乾燥空気供給装置１４と、ベルトコンベア１１１と、バイオマスガス化炉１１２と、を備えている。

凍結粉砕真空乾燥装置１０は、バイオマス４を収納する受入ホッパ１０１と、受入ホッパ１０１で収納したバイオマスを凍結させる冷凍槽１０２と、冷凍槽１０２で凍結したバイオマスを粉砕するための粉砕槽１０３と、粉砕槽１０３で凍結粉砕したバイオマスを略真空状態下で乾燥させるための真空乾燥槽１０４とを有し、各槽が上方から順に配置され、且つ上下の各槽がそれぞれシャッタ１０６〜１０８を介して連結されている。なお、真空乾燥槽１０４の下部には、シャッタ１０９が設けられており、このシャッタ１０９を開放すると真空乾燥槽１０４の収納物がベルトコンベア１１１の上に落下して、バイオマスガス化炉１１２まで運ばれるようになっている。

冷凍槽１０２には、バイオマスを攪拌するための攪拌羽根１１３が設けられ、他方、粉砕槽１０３には、凍結したバイオマスを粉砕するための粉砕刃１１４が設けられている。真空乾燥槽１０４は、バイオマスを収納する真空容器１１５と、真空容器１１５に対して熱を放出する放熱ジャケット１１６とを有する。

熱交換器１１は、配管２１を介して冷凍槽１０２内と連結されている。真空ポンプ１２は、配管２２を介して真空乾燥槽１０４の真空容器１１５内と連結されている。配管２２の途中には、凝縮器１５が設けられ、凝縮器１５は、配管２６を介して配管２１に接続されている。加熱空気供給装置１３は、配管２３を介して真空乾燥槽１０４の放熱ジャケット１１６内と連結されている。乾燥空気供給装置１４は、配管２４を介して真空乾燥槽１０４の真空容器１１５内と連結されており、さらに配管２５を介して熱交換器１１と連結されている。なお、同図に示す加熱空気供給装置１３は、配管２７を介して配管２４に接続されている。また、配管２１、配管２２、配管２３、配管２４には、それぞれ所定の箇所にバルブ３１、バルブ３２、バルブ３３、バルブ３４が設けられている。

以上の構成において、バイオマス４は、まず受入ホッパ１０１内に収納される。シャッタ１０６を開放すると、受入ホッパ１０１内に収納されたバイオマスは、落下して冷凍槽１０２内に収納される。次に、シャッタ１０６を閉鎖してバルブ３１を開ける。これにより冷凍槽１０２内には、熱交換器１１で得られた冷却空気（約−１２０℃の極冷空気）が導入される。冷凍槽１０２内に収納されたバイオマスは、攪拌羽根１１３で攪拌されながら凍結する。

次に、シャッタ１０７を開放すると、冷凍槽１０２内で凍結したバイオマスは、落下して粉砕槽１０３内に収納される。そして、シャッタ１０７を閉鎖して粉砕刃１１４を駆動させると、粉砕槽１０３内に収納された凍結状態のバイオマスは、粉砕される。

次に、シャッタ１０８を開放すると、粉砕槽１０３内で粉砕され凍結状態のバイオマスは、落下して真空乾燥槽１０４の真空容器１１５内に収納される。次に、シャッタ１０８を閉鎖してバルブ３２を開放し、真空ポンプ１２を用いて真空容器１１５内の真空引きを行う。これにより、真空容器１１５内の冷却空気は、開状態のバルブ３２を通って配管２２内を流れ、真空ポンプ１２を介して排気される。その結果、真空容器１１５内の圧力状態は、真空状態に近い状態（例えば、１０Ｐａ）まで減圧される。

次に、バルブ３２を開状態にしたまま、バルブ３３を開ける。加熱空気供給装置１３から供給された加熱空気（約２０〜５０℃）は、配管２３内を流れ、バルブ３３を通って加熱ジャケット１１６内に供給される。加熱空気が有する熱は、加熱ジャケット１１６を介して真空容器１１５内のバイオマスに対し、昇華潜熱として供給される。略真空状態で昇華潜熱が供給されると、バイオマスの水分は、昇華して氷から水蒸気に変化する。この水蒸気は、前述した真空引きにより、バルブ３２を通って配管２２内を流れ、真空ポンプ１２を介して排気される。配管２２の途中には、凝縮器１５が設けられているため、配管２２内を流れる水蒸気は、凝縮器１５で冷却されて凝縮するとともに、さらに冷却されて凝固する。凝縮器１５には、図１の場合と同様、配管２６を介してＬＮＧの冷熱である冷却空気が分配供給されるようになっており、ＬＮＧの冷熱が有効利用される。なお、図示していないが、図１と同様の真空計５を用いて真空容器１１５内の圧力状態を測定し、その測定値が昇華時の測定値よりも低下したことをもって乾燥の完了を検知してもよい。

バイオマスの乾燥が完了すると、バルブ３２、バルブ３３を閉じてバルブ３４を開ける。バルブ３４を開けると、真空乾燥槽１０４の真空容器１１５内に収納されたバイオマスに対して、乾燥空気供給装置１４から乾燥空気が供給される。真空容器１１５内のバイオマスに常温常圧状態の乾燥空気を導入することにより、低温低圧状態のバイオマスは、常温常圧状態に戻る。

次に、シャッタ１０９を開放する。常温常圧状態に戻ったバイオマスは、ベルトコンベア１１１上に落下する。このバイオマスは、ベルトコンベア１１１によってバイオマスガス化炉１１２まで運搬される。運搬されたバイオマスは、バイオマスガス化炉１１２に投入されてガス化される。投入されるバイオマスは、含水率が低く２０％以下であり、しかも粉砕状態にあるので、ガス化のためのエネルギー効率が良い。さらに、本実施形態の場合には、冷却と加熱を行う容器をそれぞれ別個にした上で、バイオマスの凍結粉砕及び真空乾燥を流れ作業によって連続的に処理している。そのため、同一の容器内で冷却と加熱を繰り返す図１の場合と比べると、エネルギー効率がよりいっそう向上する。

＜第三実施形態＞
次に、図４を参照しながら、本発明の第三実施形態について説明する。
図４に示すように、バイオマスの凍結粉砕真空乾燥システムの主要部は、ベルトコンベア１１１と、バイオマス運搬用の容器２００と、受入ホッパ２０１と、冷凍用の蓋２０２と、粉砕用の蓋２０３と、真空乾燥用の蓋２０４とを備えており、さらに、図示していないが加熱空気供給手段を備えている。

容器２００は、上部側が開口形成された容器である。また、受入ホッパ２０１、冷凍用の蓋２０２、粉砕用の蓋２０３、及び真空乾燥用の蓋２０４は、それぞれベルトコンベア１１１に沿って上流側から順に配置され、いずれも上下方向に移動可能であるとともに、容器２００の上部側に密閉した状態で接続する。
受入ホッパ２０１は、バイオマス４を収納するためのものであり、その下部にはシャッタ１０６が設けられている。

冷凍用の蓋２０２は、容器２００内に収納されたバイオマスを凍結させるためのものである。冷凍用の蓋２０２は、配管２１を介して冷却空気供給装置４１と連結されており、配管２１には、バルブ３１が設けられている。なお、冷却空気供給装置４１は、容器２００内に冷却空気（約―１２０℃の極冷空気）を供給するための装置である。また、冷凍用の蓋２０２には、モーターで駆動する攪拌羽根１１３が設けられている。
粉砕用の蓋２０３は、冷容器２００内に収納されたバイオマスを粉砕するためのものであり、モーターで駆動する粉砕刃１１４が設けられている。

真空乾燥用の蓋２０４は、冷容器２００内に収納されたバイオマスを真空乾燥するためのものである。真空乾燥用の蓋２０４は、配管２２を介して真空ポンプ１２と連結されており、配管２２には、バルブ３２が設けられている。また、真空乾燥用の蓋２０４は、配管２３を介して乾燥空気供給装置１４と連結されており、配管２３には、バルブ３３が設けられている。なお、乾燥空気供給装置１４は、容器２００内のバイオマスに常温常圧状態の乾燥空気を供給するための装置である。

以上の構成において、まず受入ホッパ２０１にバイオマス４を収納する。次に、受入ホッパ２０１のシャッタ１０６を開放し、受入ホッパ２０１に収納されたバイオマスを落下させて、その直下に配置された容器２００に収納する。次に、ベルトコンベアを駆動して、バイオマスを収納した容器２００を冷凍用の蓋２０２の真下まで移動させる。冷凍用の蓋２０２を下方側に移動させて、容器２００と接続させる。次に、バルブ３１を開けて、容器２００内のバイオマスに冷却空気を導入し、攪拌羽根１１３で攪拌しながらバイオマスを凍結させる。バイオマスの凍結が完了すると、冷凍用の蓋２０２を上方側に移動させる。

次に、ベルトコンベアを駆動して、バイオマスを収納した容器２００を粉砕用の蓋２０３の真下まで移動させる。粉砕用の蓋２０３を下方側に移動させて、容器２００と接続させる。そして、粉砕用の蓋２０３の粉砕刃１１４を駆動して、凍結状態のバイオマスを粉砕する。バイオマスの粉砕が完了すると、粉砕用の蓋２０３を上方側に移動させる。

同様に、ベルトコンベアを駆動して、バイオマスを収納した容器２００を真空乾燥用の蓋２０４の真下まで移動させる。真空乾燥用の蓋２０４を下方側に移動させて、容器２００と接続させる。次に、バルブ３３を閉じた状態でバルブ３２を開け、真空ポンプ１２を用いて容器２００内の真空引きを行う。これにより、容器２００内の圧力状態は、略真空状態（例えば、１０Ｐａ）まで減圧される。次に、図示しない加熱空気供給装置１３を用いて、容器２００内に昇華潜熱気（約２０〜５０℃の加熱空気）を供給する。バイオマスの水分は、略真空状態で昇華潜熱が供給されると、昇華を始めて氷から水蒸気に変化する。この水蒸気は、前述した真空引きにより、バルブ３２を通って配管２２内を流れ、真空ポンプ１２を介して排気される。なお、図４には示していないが、真空引きを効率良く行うには、前述したように、配管２２の途中に凝縮器１５を設けておくことが好ましい。

次に、バルブ３２を閉じてバルブ３３を開け、乾燥空気供給装置１４を用いて容器２００内に乾燥空気を供給する。これにより、容器２００内のバイオマスは、低温低圧状態から常温常圧状態になる。

以上のように、バイオマスの凍結粉砕真空乾燥システムによれば、乾燥状態（含水率が２０％以下）で、且つ粉砕状態のバイオマスを効率良く得ることができる。また、本実施形態の場合には、冷却と加熱を行う容器を同一にした上で、バイオマスの凍結粉砕及び真空乾燥をベルトコンベア上で分業している。そのため、バイオマスは、流れ作業によって連続的に処理されることとなり、エネルギー効率がよりいっそう向上する。

＝＝＝各種の適用例＝＝＝
次に、図５〜図７を参照しながら、本発明に係る凍結粉砕真空乾燥装置の各適用例について説明する。図５は天然ガス発電所への適用例を示す図、図６はデュアル・フューエル・ディーゼル発電機への適用例を示す図、図７はごみ処理場への適用例を示す図である。

＜適用例１：天然ガス発電所への適用例＞
まず、凍結粉砕真空乾燥装置１０の天然ガス発電所への適用例について説明する。
図５に示すように、凍結粉砕真空乾燥装置１０は、熱交換器１１、バイオマスガス化炉５１と連結されている。熱交換器１１は、乾燥空気供給装置１４及びＬＮＧタンク５６と連結されている。熱交換器１１及びバイオマスガス化炉５１は、ガス混合器５２と連結されており、さらにガス混合器５２は、ガスタービン５３と連結されている。ガスタービン５３は、蒸気タービン５４と連結され、さらに蒸気タービン５４は、発電機５５と連結されている。ガスタービン５３及び蒸気タービン５４は、バイオマスガス化炉５１に連結されている。発電機５５は、凍結粉砕真空乾燥装置１０と連結されている。

以上のように、凍結粉砕真空乾燥装置１０を天然ガス発電所に適用した場合には、熱交換器１１によってＬＮＧ冷熱を利用して極冷空気を生成させた上で、この極冷空気を凍結粉砕真空乾燥装置１０において有効利用できる。また、凍結粉砕真空乾燥装置１０によってバイオマスを粉砕、乾燥することで、バイオマスガス化炉５１においてバイオマスを効率良くガス化できる。さらに、ガス混合器５２によってバイオガス（例えば、ＣＯ，ＣＨ_４，Ｈ_２）及び天然ガス（例えば、ＣＨ_４）を混合燃料とすることで、これらのガスを有効利用できる。また、ガスタービン５３及び蒸気タービン５４で発生した排熱をバイオマスガス化炉５１の熱源として有効利用できる。さらに、発電機５５で発生した電力を凍結粉砕真空乾燥装置１０の電力源として有効利用できる。

＜適用例２：デュアル・フューエル・ディーゼル発電機への適用例＞
次に、凍結粉砕真空乾燥装置１０のデュアル・フューエル・ディーゼル発電機への適用例について説明する。

図６に示すように、凍結粉砕真空乾燥装置１０は、熱交換器１１、バイオマスガス化炉５１と連結されている。熱交換器１１は、乾燥空気供給装置１４及びＬＮＧタンク５６と連結されている。熱交換器１１及びバイオマスガス化炉５１は、ガス混合器５２と連結されており、さらにガス混合器５２は、吸気口５７を介してディーゼルエンジン５８と連結されている。ディーゼルエンジン５８は、バイオマスガス化炉５１、発電機５５、重油タンク５９と連結されている。発電機５５は、凍結粉砕真空乾燥装置１０と連結されている。

以上のように、凍結粉砕真空乾燥装置１０をデュアル・フューエル・ディーゼル発電機に適用した場合には、図５の場合と同様の効果を奏し、ＬＮＧ冷熱の有効利用及びガス化効率の向上を図ることができる。また、ガス混合器５２で得られた混合ガス、すなわちバイオマスガス炉５１で発生したバイオガスと熱交換器１１で発生した天然ガスとの混合ガスをさらに大気と混合させた上で、これらのガスを重油タンク５９から供給されたディーゼル油とともにディーゼルエンジン５８において有効利用できる。さらに、ディーゼルエンジン５８で発生した排熱をバイオマスガス炉５１の熱源として有効利用できる。また、発電機５５で発生した電力を凍結粉砕真空乾燥装置１０の電力源として有効利用できる。

＜適用例３：ごみ処理場への適用例＞
次に、凍結粉砕真空乾燥装置１０のごみ処理場への適用例について説明する。
図７に示すように、凍結粉砕真空乾燥装置１０は、熱交換器１１、バイオマスガス化炉５１と連結されており、バイオマスガス化炉５１には、例えば乾燥可燃ごみやプラスチック類などの乾燥系ごみが供給される。熱交換器１１は、乾燥空気供給装置１４及びＬＮＧタンク５６と連結されている。熱交換器１１及びバイオマスガス化炉５１は、ガス混合器５２と連結されている。ガス混合器５２は、ガスエンジン６１と連結され、さらにガスエンジン６１は、発電機５５と連結されている。ガスエンジン６１は、バイオマスガス化炉５１と連結されている。発電機５５は、凍結粉砕真空乾燥装置１０と連結されている。

以上のように、凍結粉砕真空乾燥装置１０をごみ処理場に適用した場合には、図５及び図６の場合と同様の効果を奏し、ＬＮＧ冷熱の有効利用及びガス化効率の向上を図ることができる。さらに、バイオマスガス化炉５１において、乾燥系ごみを有効利用できる。また、ガス混合器５２で得られた混合ガス、すなわちバイオマスガス炉５１で発生したバイオガスと熱交換器１１で発生した天然ガスとの混合ガスをガスエンジン６１において有効利用できる。さらに、ガスエンジン６１で発生した排熱をバイオマスガス炉５１の熱源として有効利用できる。また、発電機５５で発生した電力を凍結粉砕真空乾燥装置１０の電力源として有効利用できる。

本発明の第一実施形態におけるバイオマスの凍結粉砕真空乾燥システムの基本構成を示す図である。本発明の第一実施形態における処理フローを示す図である。本発明の第二実施形態におけるバイオマスの凍結粉砕真空乾燥システムを示す図である。本発明の第三実施形態におけるバイオマスの凍結粉砕真空乾燥システムの主要部を示す図である。本発明に係る凍結粉砕真空乾燥装置を天然ガス発電所に適用した場合の適用例１を示す図である。本発明に係る凍結粉砕真空乾燥装置をデュアル・フューエル・ディーゼル発電機に適用した場合の適用例２を示す図である。本発明に係る凍結粉砕真空乾燥装置をごみ処理場に適用した場合の適用例３を示す図である。

符号の説明

１真空容器
２放熱ジャケット
３攪拌粉砕用の回転刃
４バイオマス
５真空計
１０凍結粉砕真空乾燥装置
１００バイオマスの凍結粉砕真空乾燥システム

Claims

水分を含む廃棄物を凍結して粉砕する凍結粉砕工程と、
該凍結粉砕工程で凍結粉砕した前記廃棄物を減圧環境下に置き、その廃棄物に含まれる凍結状態の前記水分を昇華させて除去する真空乾燥工程と、
該真空乾燥工程で前記水分を除去した前記廃棄物に常温常圧状態の乾燥空気を導入し、低温低圧状態の前記廃棄物を常温常圧状態に戻す工程と、
を有する廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法であって、
前記凍結粉砕工程は、前記廃棄物に冷却空気を導入し、その廃棄物を凍結させることを含み、
前記冷却空気は、常温常圧状態の乾燥空気をＬＮＧと熱交換させて得られたものであり、
前記乾燥空気を前記ＬＮＧと熱交換させた際にＬＮＧが気化して生じるメタンガスを回収し、そのメタンガスを発電機の駆動エネルギー源として利用するとともに、前記発電機を駆動させて得られた電気エネルギーを前記凍結粉砕工程において前記廃棄物を粉砕するためのエネルギー源若しくは前記真空乾燥工程において前記廃棄物を減圧乾燥するためのエネルギー源として再利用し、
前記真空乾燥工程は、真空ポンプを用いて前記廃棄物を前記減圧環境下に置き、前記水分を昇華させて水蒸気を吸引するとともに、吸引中の前記水蒸気を冷却凝固させて回収することを含み、
前記水蒸気を冷却凝固させる際に、常温常圧状態の乾燥空気をＬＮＧと熱交換させて得られた冷却空気を用いることを特徴とする廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法。
請求項１に記載の廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法であって、
前記真空乾燥工程は、真空計を用いて前記廃棄物の圧力状態を測定し、その測定値が前記水分を昇華させる際の測定値よりも低下したことをもって前記乾燥の完了を検知することを特徴とする廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法。
請求項１又は２に記載の廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法であって、
前記廃棄物は、バイオマスであることを特徴とする廃棄物の凍結粉砕真空乾燥方法。
水分を含む廃棄物を凍結粉砕し、その廃棄物を減圧環境下に置いて当該廃棄物に含まれる凍結状態の前記水分を昇華させて除去し、その後、前記廃棄物に常温常圧状態の乾燥空気を導入して、低温低圧状態の前記廃棄物を常温常圧状態に戻す前記廃棄物の凍結粉砕真空乾燥装置と、
前記廃棄物を凍結させるための冷却空気を前記凍結粉砕真空乾燥装置に供給する冷却空気供給装置と、を備える廃棄物の凍結粉砕真空乾燥システムであって、
水分を含む廃棄物を凍結して粉砕し該廃棄物を乾燥させる凍結粉砕真空乾燥装置と、常温常圧状態の乾燥空気をＬＮＧと熱交換させることにより前記廃棄物を凍結させるための冷却空気を得る熱交換器と、凍結粉砕させた前記廃棄物の水分を昇華させるための加熱空気を前記凍結粉砕真空乾燥装置に供給する加熱空気供給装置と、常温常圧状態の乾燥空気を前記熱交換器及び前記凍結粉砕真空乾燥装置に供給する乾燥空気供給装置と、を更に備え、
前記凍結粉砕真空乾燥装置は、
バイオマス運搬用の容器と、該容器を運搬するベルトコンベアと、を有し、該ベルトコンベアの上方において上流側から下流側に向けて順に、前記容器に装着可能な受入ホッパと、前記容器に装着可能な冷凍用の蓋と、前記容器に装着可能な粉砕用の蓋と、前記容器に装着可能な真空乾燥用の蓋と、を備えていることを特徴とする廃棄物の凍結粉砕真空乾燥システム。
請求項４に記載の廃棄物の凍結粉砕真空乾燥システムであって、
前記冷却空気供給装置は、常温常圧状態の乾燥空気をＬＮＧと熱交換させるとともに、熱交換させて得られた冷却空気とメタンガスとを分離し、当該冷却空気を前記凍結粉砕真空乾燥装置に供給することを特徴とする廃棄物の凍結粉砕真空乾燥システム。