JP5148809B2 - 汚泥の燃料化方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、下水処理場などで発生する汚泥の燃料化方法及び装置に関する。

ＣＯ₂排出量を低減する観点から、化石燃料の代替エネルギーとして、カーボンニュートラルであるバイオマスが注目されている。バイオマスの一つである有機性汚泥は、大半が埋め立て処理あるいは焼却処理されており、エネルギー利用されていない。そこで、ＣＯ₂の排出を抑制するために、すなわち、化石燃料の使用を抑制するために、安定した収集量が見込める下水汚泥を、炭化処理により固体燃料化して、石炭火力発電用の燃料にするシステムが考えられている。

しかしながら、汚泥を焼却処理する場合は、汚泥の発熱量を全て焼却熱に使えるので助燃料の使用量は少ないが、汚泥を炭化処理する場合は、炭化物に熱量を残すために助燃料の使用量が多くなる。助燃料には化石燃料が使用されているので、化石燃料の代替燃料を製造するために多量の化石燃料が使用されてしまっては、実質的なＣＯ₂排出量の低減を図ることができない。

そこで、例えば、特開２００２−１９２１９６号公報に記載されるように、汚泥を炭化炉により加熱して炭化物とともに熱分解ガスを発生させ、この熱分解ガスをガスタービンやガスエンジンなどの燃焼機関に供給して省エネルギー化を図る方法が提案されている。

また、特開２００３−９５６２９号公報では、汚泥を炭化炉により加熱して炭化物とともに熱分解ガスを発生させ、この炭化物を熱分解ガス燃焼式溶融炉にて溶融して結晶スラグ化する一方、溶融炉上部の二次燃焼室で熱分解ガスを二次燃焼した燃焼排ガスを、上記炭化炉の熱源として利用する方法が提案されている。
特開２００２−１９２１９６号公報（図１） 特開２００３−９５６２９号公報（図１）

しかしながら、上記特開２００２−１９２１９６号公報に記載されている技術では、炭化炉で発生する熱分解ガスのみで燃焼機関を運転させたとしても、汚泥を炭化処理するのに必要なエネルギーを十分に得ることはできないので、助燃料として多量の化石燃料を使用する必要があるという問題がある。また、上記特開２００３−９５６２９号公報も同様に、炭化炉で発生する熱分解ガスのみでは溶融炉および炭化炉に必要なエネルギーを十分に得ることはできないので、助燃料として多量の化石燃料を使用する必要があるという問題がある。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、汚泥を燃料化するための炭化処理において、化石燃料の使用量を大幅に削減することができる汚泥の燃料化方法及び装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る汚泥の燃料化方法は、汚泥を炭化処理して熱分解ガス及び炭化物を生成させる炭化工程と、汚泥を焼却して汚泥焼却排ガスを発生させる汚泥焼却工程とを含んでなり、前記汚泥焼却排ガスを前記炭化処理の熱源として用いることを特徴とする。

汚泥の焼却には、燃焼を安定させるために若干量の液体燃料（化石燃料）が必要であるものの、汚泥の炭化処理に比べて化石燃料の使用量は非常に少ない。そこで、汚泥焼却時に発生する汚泥焼却排ガスを炭化処理の熱源として用いることで、化石燃料の使用量を大幅に削減することができる。

また、前記汚泥焼却工程において、汚泥の含水率が高いなどの理由から、化石燃料の使用量が増加する場合がある。この場合は、前記炭化工程で得られる炭化物の一部を、前記汚泥焼却工程で汚泥とともに焼却するか、汚泥を脱水、乾燥し、乾燥させた汚泥の一部を前記炭化工程で炭化するとともに、乾燥させた汚泥の残部を前記汚泥焼却工程で焼却するか、又はこれらを組み合わせて採用することもできる。これにより、化石燃料の使用量を大幅に削減することができる。

本発明は、別の態様として、汚泥の燃料化装置であって、汚泥を炭化処理して熱分解ガス及び炭化物を生成させる炭化炉と、汚泥を焼却する汚泥焼却炉と、該汚泥焼却炉で発生した汚泥焼却排ガスを熱源として前記炭化炉に供給するラインとを備えることを特徴とする。なお、前記炭化炉から前記炭化物の一部を燃料として前記汚泥焼却炉に供給するラインを更に備えることができる。また、汚泥を脱水する脱水機と、脱水した汚泥を乾燥する乾燥炉と、該乾燥炉から乾燥させた汚泥の一部を前記炭化炉に供給するラインと、該乾燥炉から乾燥させた汚泥の残部を前記汚泥焼却炉に供給するラインとを更に備えることもできる。

このように、本発明によれば、汚泥を燃料化するための炭化処理において、化石燃料の使用量を大幅に削減することができる汚泥の燃料化方法及び装置を提供することができる。

図１は、本発明に係る汚泥の炭化処理装置の一実施の形態示す模式図である。図１に示すように、汚泥の炭化処理装置は、下水汚泥１を脱水する脱水機１０と、脱水した下水汚泥に熱風を直接接触させて乾燥する乾燥炉２０と、乾燥させた下水汚泥を炭化処理する外熱式ロータリーキルン型の炭化炉３０と、炭化炉３０で生成した熱分解ガスを燃焼する燃焼炉４０と、脱水された下水汚泥を焼却する汚泥焼却炉７０とから主に構成されている。

乾燥炉２０は、熱風を直接接触させる方式に限定されず、脱水汚泥を燃焼させずに乾燥できるものであれば特に限定されない。炭化炉３０は、外熱式ロータリーキルン型のものに限定されず、内燃式でも、流動床型又はスクリュー型でも良い。なお、図１では、乾燥炉２０と炭化炉３０は別々の設備として図示してあるが、一体型の乾燥炭化炉としても良い。

脱水機１０と乾燥炉２０とはライン１１で接続されており、このライン１１はポンプによって汚泥を圧送できる配管などが好ましい。乾燥炉２０と炭化炉３０とはライン２１で接続されており、このライン２１は乾燥した汚泥を搬送できるコンベアなどが好ましい。炭化炉３０内部と燃焼炉４０とは、炭化炉３０内で生成する熱分解ガスの配管であるライン３１で接続されており、このライン３１には熱分解ガス中から炭化物を分離除去するサイクロン３２が設けられている。サイクロン３２の底部と炭化炉３０の炭化物出口には、炭化物を排出するライン３３とライン３４とがそれぞれ設けられている。

燃焼炉４０と炭化炉３０外熱部とはライン４１で接続されており、炭化炉３０外熱部と乾燥炉２０とはライン４２で接続されている。これらライン４１、４２は、燃焼炉４０で発生する燃焼排ガスの配管である。なお、ライン４２には、燃焼排ガスの一部を系外に排気するための配管であるライン４３が設けられている。このライン４３には、炭化炉３０側から順に、空気予熱器４４、熱交換器４７、排ガス処理装置４８、ファン４９、及び煙突５０が設けられている。

乾燥炉２０と燃焼炉４０とは、乾燥炉２０内で発生する排ガスの配管であるライン２２で接続されており、このライン２２には、ライン４３との間で熱交換を行う熱交換器４７が設けられている。また、空気を吸引するファン４５と燃焼炉４０とは、空気配管であるライン４６で接続されており、このライン４６には、ライン４３との間で熱交換を行う空気予熱器４４が設けられている。

汚泥焼却炉７０は、汚泥を焼却できるものであれば特に限定されないが、ロータリーキルン型や、気泡流動床型、循環流動焼型の焼却炉が好ましい。汚泥焼却炉７０と脱水機１０とは、脱水された下水汚泥の一部を汚泥焼却炉７０に導入するライン７１で接続されている。汚泥焼却炉７０と空気を吸引するファン７２とは、空気配管であるライン７３を介して接続されている。汚泥焼却炉７０と炭化炉３０とは、汚泥焼却炉７０内で発生する汚泥焼却排ガスの配管であるライン７４で接続されている。このライン７４には、汚泥燃焼排ガス中から灰を分離除去する集塵器７５が設けられている。なお必要であれば、炭化炉３０及びサイクロン３２から回収される炭化物６の一部を汚泥焼却炉７０に導入するライン７６を設けることができる。なお、汚泥焼却炉７０は、ボイラを更に備えたものであってもよい。

以上の構成によれば、先ず、脱水機１０に下水汚泥１を導入し、下水汚泥１の水分が約８０％になるぐらいまで脱水する。なお、本発明で対象となる汚泥は、炭化処理により固体燃料化できる有機性の汚泥であれば下水汚泥に限定されるものではなく、例えば、食品汚泥、製紙汚泥、ビルピット汚泥、消化汚泥、活性汚泥なども適用できる。脱水した下水汚泥は、その一部をライン７１を介して汚泥焼却炉７０に導入し、残部をライン１１を介して乾燥炉２０に導入する。

乾燥炉２０では、汚泥の水分が約３０％ぐらいになるまで汚泥を乾燥する。乾燥させた汚泥は、ライン２１を介して炭化炉３０に導入する。炭化炉３０では、汚泥を酸素が欠乏した雰囲気下で約３００〜６００℃に加熱して炭化処理を行い、熱分解ガスと固体燃料である炭化物６とを生成する。熱分解ガスは、ライン３１を介してサイクロン３２に導入し、熱分解ガス中の炭化物６を分離除去した後、燃焼炉４０に導入する。炭化物６は、炭化炉３０に設けられたライン３４と、サイクロン４２に設けられたライン３３とから、それぞれ回収する。

燃焼炉４０には、上述した炭化炉３０で生成した熱分解ガスと、ファン５５から吸引して空気予熱器５４で予熱した燃焼用の空気と、乾燥炉２０から排気され熱交換器５７で加熱した排ガスとを導入する。そして、約８００〜１０００℃の温度で燃焼を行う。この燃焼により発生した燃焼排ガスは、ライン４１を介して炭化炉３０外熱部に導入し、炭化処理の熱源として使用する。なお、燃焼の安定化等のために、助燃料として若干量の化石燃料を燃焼炉４０に供給してもよい。

汚泥焼却炉７０には、上記の脱水汚泥の他、ファン７２からの燃焼用の空気と、燃焼の安定化のための若干量の助燃料（化石燃料）とを導入して、約８００〜９５０℃の温度で脱水汚泥の焼却を行う。なお、汚泥の性状によっては脱水後の含水率が高く、助燃料の使用量を増加させる必要があるときは、ライン７６を介して炭化物６を汚泥燃焼炉７０に供給するか、もしくはライン７７により乾燥汚泥を汚泥焼却炉に供給する。これにより、化石燃料の使用量が増加するのを防止することができる。なお、助燃料の全てを固体燃料である炭化物６でまかなうと、燃焼が安定しない場合があるので、助燃料として液体状の化石燃料を導入することが好ましい。汚泥焼却炉７０で発生した汚泥焼却排ガスは、集塵器７５で灰を分離除去した後、ライン７４を介して炭化炉３０外熱部に導入し、炭化処理の熱源として使用する。

炭化炉３０外熱部から排出された燃焼排ガスの一部は、ライン４２を介して乾燥炉２０に導入される。また、燃焼排ガスの残部は、ライン４３を介して煙突５０から系外に排出される。

このように、バイオマス資源である下水汚泥１由来の燃焼排ガス及び汚泥焼却排ガスを炭化処理の熱源として炭化炉３０の外熱部に供給することで、炭化処理に必要なエネルギーを十分に得ることができ、化石燃料の使用量を大幅に削減することができる。また、炭化物６も、カーボンニュートラルなバイオマス資源である下水汚泥１を炭化処理したものであって、かつ、この炭化処理にも化石燃料に代えてバイオマス資源由来の燃料が使用されている。よって、炭化物６を石炭火力発電所（図示省略）での発電燃料として使用することで、化石燃料の使用量を本質的に低減することができるので、ＣＯ₂排出量の削減を図ることができる。

本発明に係る汚泥の炭化処理装置の一実施の形態であって、汚泥焼却炉を設けた場合を示す模式図である。

符号の説明

１、２ 下水汚泥
６ 炭化物
１０ 脱水機
２０ 乾燥炉
３０ 炭化炉
３２ サイクロン
４０ 燃焼炉
４４ 空気予熱器
４５、４９、７２ ファン
４７ 熱交換器
４８ 排ガス処理装置
５０ 煙突
７０ 汚泥焼却炉
７５ 高温集塵器

Claims (6)

1. 汚泥を乾燥する乾燥工程と、この乾燥させた汚泥を炭化処理して熱分解ガス及び燃料となる炭化物を生成させる炭化工程と、汚泥を焼却して汚泥焼却排ガスを発生させる汚泥焼却工程とを含んでなり、前記汚泥焼却排ガスと前記熱分解ガスの燃焼排ガスとを前記炭化処理の熱源として用い、この炭化処理の熱源として用いた排ガスを前記乾燥の熱源として汚泥と直接接触させて用いる汚泥の石炭火力発電用燃料化方法。
2. 前記炭化工程で得られる炭化物の一部を、前記汚泥焼却工程で汚泥とともに焼却する請求項１に記載の汚泥の燃料化方法。
3. 前記乾燥させた汚泥の一部を前記炭化工程で炭化するとともに、乾燥させた汚泥の残部を前記汚泥焼却工程で焼却する請求項１又は２に記載の汚泥の燃料化方法。
4. 汚泥を乾燥する乾燥炉と、この乾燥炉で乾燥させた汚泥を炭化処理して熱分解ガス及び燃料となる炭化物を生成させる炭化炉と、汚泥を焼却する汚泥焼却炉と、該汚泥焼却炉で発生した汚泥焼却排ガスと前記熱分解ガスの燃焼排ガスとを熱源として前記炭化炉の外熱部に供給するラインと、前記炭化炉の外熱部から排出された排ガスを汚泥と直接接触させるために前記乾燥炉内に導入するラインとを備える汚泥の石炭火力発電用燃料化装置。
5. 前記炭化炉から前記炭化物の一部を燃料として前記汚泥焼却炉に供給するラインを更に備える請求項４に記載の汚泥の燃料化装置。
6. 前記乾燥炉から乾燥させた汚泥の一部を前記炭化炉に供給するラインと、該乾燥炉から乾燥させた汚泥の残部を前記汚泥焼却炉に供給するラインとを更に備える請求項４又は５に記載の汚泥の燃料化装置。

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