JP5379957B2 - 熱分解処理方法及び熱分解処理システム - Google Patents

Description

本発明は、被処理汚泥を熱分解炭化処理して熱分解ガス及び炭化物を生成する熱分解処理方法及び熱分解処理システムに関する。

近年、多量に排出されるプラスチックを始めとする廃棄物に対し所定の処理を施して資源として利用する各種の手法の提案がなされている。特に、ＣＯ_２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。その一例として、バイオマス（木材、汚泥、家畜糞尿、生ゴミ等）や廃プラスチック等の有機物処理材料を熱分解処理して、熱分解ガスと熱分解残渣とを生成し、熱分解ガスは凝縮することにより熱分解油として回収し、残渣は所定の処理をすることにより炭化物として利用するシステムが考えられている。

この中でも、有機物処理材料として廃プラスチックを用いると、高効率で熱分解油を回収できるので、このような廃プラスチックを熱分解油化処理する装置に関しては多くの提案がなされ、実用化している（例えば、特許文献１、２、３参照）。

一方、下水処理場や食品工場などから大量に発生する汚泥はバイオマスの一つであるが、大半が埋め立て処理あるいは焼却処理されており、エネルギーの有効利用がされていないのが実情である。そこで、ＣＯ_２排出量を抑制するために、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などを、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。

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炭化処理する為の助燃料の使用量が多くなる。この為、助燃料として化石燃料の使用を抑制することを目的に木質系バイオマスを使用することが提案されている（例えば、特許文献４参照）。

上記公報で記載されている技術では、炭化炉での炭化処理で汚泥から発生する熱分解ガスに木質系バイオマスから発生する熱分解ガスが加わることで、熱分解ガスを燃料として燃焼機関を運転し、汚泥を炭化処理するのに必要なエネルギーを得ることができる。
特許３３４０４１２号公報 特許３３９７７６４号公報 特許３４３５３９９号公報 特許３８６１０９３号公報

しかしながら、木質系バイオマスの中には発熱量の低い間伐材や剪定材、枝、葉なども多く含まれており発熱量が安定しないため、炭化炉の一定温度制御が行い難い。このため、炭化炉での熱分解処理運転等を安定させる必要から助燃料として多量の木質系バイオマスを使用しなくてはならなくなる。このように、廃木材、間伐材や剪定材、枝、葉などの木質系バイオマスを、破砕しただけの形状や、サイズが一定でない状態で炭化炉に投入すると、炭化炉への安定投入が行い難いと共に、投入材料中に空気が混入しやすくなる。熱分解装置内に材料とともに空気も同伴すると、熱分解装置内は高温雰囲気であるため、内部で投入材料が燃焼し、火災や爆発を引き起こすようなトラブルを招きかねない。

また、炭化炉内に汚泥だけでなく廃木材、間伐材や剪定材、枝、葉などの木質系バイオマスも大量に投入されることは、投入材料中の含水率が変動してしまうことになる。さらに、木質系バイオマスを大量に投入することは、燃焼炉の温度制御が難しいばかりでなく、炭化炉内面に材料固着、コーキング等を発生させる。その結果、炭化炉の熱通過率（熱貫流率）が低下するばかりでなく、短時間で処理不能となってしまうおそれがある。

このような問題を解決する手段として、木質系バイオマス投入材料を破砕、粉砕し、あるいは造粒化し、嵩密度を上げた状態で、含水率を確認しつつ汚泥に混ぜて投入することが考えられる。しかし、木質系バイオマス系材料の破砕、造粒を行う破砕機、造粒機の動力が大きくなり、消費電力が増え、作業の手間暇が掛かり、ランニングコストが掛かるばかりでなく、処理設備の設置面積が大きくなってしまう。

本発明の目的は、汚泥を炭化処理するにあたり、化石燃料の使用量を大幅に削減し、少量の助燃料で汚泥を安定的に炭化することのできる熱分解処理方法及び熱分解処理システムを提供することにある。

本発明による熱分解処理方法は、被処理汚泥を熱分解炭化処理して熱分解ガス及び炭化物を生成する熱分解処理方法であって、前記被処理汚泥として下水汚泥を脱水し、この脱水汚泥をその水分が５０％になるまで乾燥させ、この乾燥された下水汚泥及び廃プラスチックのみを、前記下水汚泥の乾燥重量に対して前記廃プラスチックが２０％を超えない割合を保って熱分解炭化炉内に定量的に投入し、前記熱分解炭化炉内にて低酸素状態で３００〜６００℃に加熱して熱分解炭化処理を行い、前記熱分解炭化処理で生成された熱分解ガスを燃焼させて、その高温燃焼ガスを前記熱分解炭化処理の熱源として用い、前記熱分解炭化炉を加熱後の排ガスを排熱回収ボイラーの熱源として水蒸気を発生させ、この水蒸気を前記脱水汚泥に対する乾燥用の熱源として用いたことを特徴とする。

また、本発明方法では、被処理汚泥は、下水汚泥のメタン発酵工程で生成される消化汚泥を含み、このメタン発酵工程で生成された消化ガスを燃焼させて、その高温燃焼ガスを前記熱分解炭化処理の熱源として用いるとよい。

さらに、本発明方法では、廃プラスチックは破砕又は造粒処理されているとよい。

本発明による熱分解処理システムは、前記熱分解炭化処理を行う熱分解炭化炉と、前記被処理汚泥として下水汚泥を脱水した脱水汚泥をその水分が５０％になるまで乾燥させる乾燥機と、この乾燥された下水汚泥及び前記廃プラスチックのみを、前記下水汚泥の乾燥重量に対して前記廃プラスチックが２０％を超えない割合を保って前記熱分解炭化炉内に定量的に投入する投入機と、前記熱分解炭化炉において被処理汚泥と廃プラスチックとを熱分解炭化処理することにより生成された熱分解ガスを燃焼させ、その高温燃焼ガスを前記熱分解炭化炉に対する熱源として供給する燃焼炉と、前記熱分解炭化炉を加熱後の排ガスを熱源として水蒸気を発生させ、この水蒸気を前記脱水汚泥に対する乾燥用の熱源として供給する排熱回収ボイラーとを備え、前記熱分解炭化炉は、その内部にて投入された下水汚泥と廃プラスチックとを低酸素状態で３００〜６００℃に加熱して熱分解炭化処理を行うことを特徴とする。

本発明システムでは、被処理汚泥は、下水汚泥のメタン発酵槽におけるメタン発酵工程で生成される消化汚泥を含み、燃焼炉は、前記メタン発酵槽から供給される、前記メタン発酵工程で生成された消化ガスを燃焼させるようにしてもよい。

また、本発明による熱分解処理システムは、熱分解炭化炉が、内筒内部に多数のセラミックボールを保持するロータリーキルン方式である。

また、本発明システムでは、熱分解炭化炉の投入機は、乾燥炉で乾燥させた汚泥と、破砕又は造粒処理された廃プラスチックの両方が投入できる構造である。

さらに、本発明システムでは、熱分解炭化炉は、その炉内温度を検出する温度検出器を有し、投入機は、前記温度検出器により検出された炉内温度に従って廃プラスチック投入量を制御する。

本発明によれば、被処理汚泥と共に廃プラスチックを熱分解処理することにより、充分な量の熱分解ガスが得られるので、化石燃料の使用量を大幅に削減でき、少量の助燃料により安定した汚泥の熱分解炭化処理が可能となる。

以下、本発明による熱分解処理方法及び熱分解処理システムの一実施の形態の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、熱分解処理システムの実施の形態を説明するシステム構成図である。

図１において、４０は外熱式ロータリーキルン型の熱分解炭化炉であり、円筒状をなす炉体（内筒）を有し、その外面に設けられた加熱炉（外筒）により間接加熱される。そして、図示左方に設けられた投入機３２から投入される被処理物を低酸素状況下で加熱して熱分解させ、熱分解ガス５０及び炭化物１００を生成し、それぞれ図示右方から排出する。

上記熱分解炭化炉４０に投入される被処理物は、被処理汚泥と廃プラスチックとする。この実施の形態では、被処理汚泥は下水汚泥１を脱水機１０で脱水し乾燥機２０で乾燥した脱水汚泥とする。なお下水汚泥１とは、生活排水や食品工場の排水、家畜の糞尿などを含み、例えば、これらを好気性処理などにより沈澱処理させ濃縮したものとする。

脱水機１０と乾燥機２０とは、移送ライン（以下、単にラインと呼ぶ）１１で接続されている。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。乾燥機２０から排出された脱水汚泥は、脱水汚泥貯留ホッパー３０までライン２１を経由して搬送される。このライン２１は乾燥した汚泥を搬送できるコンベア、或いはエアー搬送機などが好ましい。

廃プラスチック５は、破砕、粉砕或いは造粒処理されたものがよく、ライン２２を経由して廃プラスチック材料貯留ホッパー３１に搬送される。このライン２２は破砕、粉砕或いは造粒処理された廃プラスチック材料を搬送できるコンベア、或いはエアー搬送機などが好ましい。

脱水汚泥貯留ホッパー３０に貯留された脱水汚泥と、廃プラスチック材料貯留ホッパー３１に貯留された廃プラスチック材料は、熱分解炭化炉４０への投入機３２に対して、その上部に別々に設置された投入口から投入され、熱分解炭化炉４０内に酸素を遮断した状態で投入される。投入機３２の構造としては、例えば、平行に配置された２軸のスクリューによるフィーダを用い、スクリュー回転によりスクリュー本体への材料固着を防止しつつ投入する方式が好ましい。ただし、設計の工夫により１軸のスクリューフィーダとすることや、プッシャー方式とすることでもよい。

熱分解炭化炉４０は、前述のように外熱式ロータリーキルン型であり、炉体（内筒）内に投入機３２から酸素の混入しない状態で被処理物が連続投入され、反対側から生成炭化物１００及び熱分解ガス５０が排出される。すなわち、熱分解炭化炉４０の炉体の出口側（図示右側）には排出ダクト４１が設置されており、ここから生成炭化物１００が排出される。排出された炭化物１００は炭化物冷却器４２を経て炭化物貯留ホッパー４３に貯留される。このように冷却され、炭化物貯留ホッパー４３内に溜まった炭化物は、ホッパー内のレベル或いは重量等を計測、監視し、その状態量により定期的に搬出され、次の利用先での利用方法に合わせた形で出荷、運搬される。

６０は燃焼炉であり、熱分解炭化炉４０の炉体の出口部分とライン（配管）５１で接続されており、熱分解炭化炉４０内で生成された熱分解ガスを前記排出ダクト４１及びライン５１を通して燃焼バーナに吸引し、燃焼させる。

燃焼炉６０では、ダイオキシンが発生しないように約８５０℃、滞留時間２秒以上で熱分解ガスを完全燃焼させ無害化する。この後、発生する熱風はライン６１を経由して熱分解炭化炉４０の外側ジャケット部（加熱炉部分）へ送風される。熱分解炭化炉４０の炉体内では、投入された被処理物が、外側ジャケット部を流れる熱風により間接加熱される。なお、燃焼炉６０内の燃焼温度は８５０℃或いはそれ以上であるが、熱分解炭化炉４０の炉体（内筒）内の温度は熱分解炭化に最適な温度（３００〜６００℃）に制御すべく、熱風ライン６１の途中に冷却用の希釈空気を入れる構成とする。

８０は排熱回収ボイラーであり、燃焼炉６０で発生し、熱分解炭化炉４０の外側ジャケット部（加熱炉部分）を経た熱風をライン６２により導入し、これを加熱源として高温の水蒸気を発生する。すなわち、熱分解炭化炉４０の外側ジャケット部と排熱回収ボイラー８０とはライン６２で接続されている。排熱回収ボイラー８０では、熱分解炭化炉４０加熱後の熱風を利用して蒸気（スチーム）を発生させ、この蒸気（スチーム）を熱源として乾燥機２０を加熱する。

乾燥機２０は、その熱源として排熱回収ボイラー８０で発生した蒸気（スチーム）を用いているので、乾燥機２０内の温度が異常高温になることはなく、異常高温により処理材料である脱水汚泥からの熱分解ガスの発生を防止している。なお、スチームによらず、熱風温度を下げて熱風を直接接触させる方式でもよく、脱水汚泥を燃焼させずに乾燥できるものであればなんでもよい。

排熱回収ボイラー８０から出た熱風排ガスは、熱風吸引ブロア７０で吸引され、洗浄装置７２にて排ガス中のダスト分を除去した後、排気塔７３から排気される。また、熱風吸引ブロア７０で吸引した熱風排ガスを加熱源とする空気予熱器７１を設置して空気を加熱し、この加熱空気を洗浄装置７１で洗浄した排ガスと混合させて、排気塔７３から排気されるガスの白煙化を防止している。なお、熱風吸引ブロア７０を出た熱風排ガス中にダスト分が殆ど含まれない場合には、洗浄装置７２や白煙防止用装置等を設置せずそのまま排気してもよい。

前記乾燥機２０には、乾燥排ガスを導出するライン２１が連結され、集塵装置２２を経て燃焼炉６０に通じており、乾燥排ガスは燃焼用空気として利用される。このように、燃焼炉６０には、熱分解炭化炉４２で生成した熱分解ガス５０に加えて、乾燥機２０からの乾燥排ガスがライン２１により、集塵装置２２を経由して乾燥排ガスが燃焼用空気として導入される。そして、前述のように約８５０℃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６１を介して熱分解炭化炉４０の外部ジャケット部に導入され、熱分解炭化処理の熱源として使用される。これにより、熱分解炭化処理に必要なエネルギーを十分に得ることができるので、化石燃料の使用量を大幅に削減することができる。ただし、初期起動時の運転においては、助燃料として若干量の化石燃料（灯油、LPGガス等）が燃焼炉６０に供給される。

なお、図１では、熱分解炭化炉４０として外熱式ロータリーキルン型のものを例示したが、本発明はこれに限定されず、内燃式でも、流動床型またはスクリュー式でも良い。

また、熱分解炭化炉６０の外部ジャケット部から排出された燃焼排ガスは、ライン６２により排熱回収ボイラー８０に導入しているが、排熱回収ボイラー８０の負荷が低い場合は、燃焼排ガスの残部を排気塔７３から系外に排出させたり、他の加熱源がある場合には、それらに排ガスを供給することも可能である。

以上の構成による実際の熱分解炭化物生成運転状態について説明する。

まず、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％ぐらいになるまで脱水する。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何でもよく、前述したように生活排水に基く下水汚泥だけでなく、例えば、食品汚泥、製紙汚泥、ビルピット汚泥、活性汚泥、及び後述する消化汚泥、などにも適用できる。脱水した汚泥は、ライン１１を介して乾燥機２０に供給される。

乾燥機２０では、汚泥をその水分が約５０％位になるまで乾燥させる。乾燥させた汚泥は、ライン２１を介して脱水汚泥貯留ホッパー３０から定量的に投入機３２に落され、投入機３２を経て熱分解炭化炉４０に導入される。一方、廃プラスチック材料５はほぼ乾燥した状態で供給され、熱分解炭化炉４０内の測定温度等が常時一定になるように、廃プラスチック材料貯留ホッパー３１から投入機３２への投入量を設定する。

熱分解炭化炉４０では、汚泥及び廃プラスチックを低酸素状態で約３００〜６００℃に加熱して熱分解炭化処理を行い、熱分解ガス５０と固体燃料である炭化物１００とを生成する。生成する炭化物の利用用途等により要求される炭化物の性状も変わるため、その状況に合わせて加熱温度を調整する。熱分解ガスは、ライン５１を介して燃焼炉６０に導入する。炭化物１００は、炭化物貯留ホッパー４３に貯留される。

ここで、廃プラスチック５の含水率は０％、汚泥に比べて発熱量が３倍近く高いので、汚泥とともに廃プラスチックを混合した状態で熱分解処理することにより、熱分解炭化炉４０での熱分解炭化処理に必要なエネルギーを低下させることができる。下水汚泥の乾燥重量に対して、２０％以下の割合で熱分解炭化炉４０に必要な熱量が確保できる。また、廃プラスチック５は汚泥に比べて熱分解ガスの発生量が多いので、廃プラスチック５の添加割合を調整することで熱分解ガス発生量を調整し、適正な熱分解ガス量を燃焼炉６０に供給し燃焼させることができる。そして、その燃焼排ガスを熱分解炭化炉４０の熱源として使用することで、熱分解炭化炉４０での熱分解炭化処理する必要なエネルギーを十分に得ることができる。

以下、汚泥に廃プラスチックを混合して熱分解炭化処理を行った場合の省エネルギー効果についてみる。

汚泥の性状にもよるが、先ず、汚泥の性状が、灰分が少なく比較的揮発分が多い場合についてみる。なお、揮発分とは汚泥に含まれる有機成分（Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｓ等）のうち、熱分解によりガス状になる成分である。また、灰分とは熱分解によっても炭化されずに単なる灰となる成分で主に無機成分のことである。

上述の灰分が少なく比較的揮発分が多い汚泥の場合、含水率約８０％の脱水汚泥１０００ｋｇ／ｈを含水率５０％に乾燥させ、熱分解処理により炭化させる場合、廃プラスチックを混合させない場合は、２０ｋｇ／ｈのＡ重油が燃料として必要であった。汚泥から生成される熱分解ガスが少ないため、加熱及び乾燥用の熱源として２０ｋｇ／ｈのＡ重油を燃焼炉６０で燃焼させ、その結果６４ｋｇ／ｈの炭が生成された。

これに対し、含水率約８０％の脱水汚泥１０００ｋｇ／ｈを含水率５０％に乾燥させ、熱分解処理により炭化させる際、２４ｋｇ／ｈの廃プラスチックを混合させることにより、Ａ重油を燃焼させることなく、６５ｋｇ／ｈの炭が生成された。すなわち、汚泥と混合された廃プラスチックが熱分解処理により多量の熱分解ガスを生成するために、この熱分解ガスを燃焼炉６０で燃焼させることによって、Ａ重油を燃焼させることなく汚泥の熱分解炭化処理が行える。この結果、省エネ量は、Ａ重油：２０ｋｇ／ｈ（原油換算：２４Ｌ／ｈ）減、ＣＯ_２削減量は、Ａ重油：６４ｋｇ-ＣＯ_２／ｈ減となる。

また、揮発分が比較的少ない汚泥の場合、含水率約８０％の脱水汚泥１０００ｋｇ／ｈを含水率５０％に乾燥させ、熱分解処理により炭化させる場合、廃プラスチックを混合させない場合は、３８ｋｇ／ｈのＡ重油が燃料として必要であり、１００ｋｇ／ｈの炭が生成された。

これに対し、廃プラスチックを混合させる場合は、含水率約８０％の脱水汚泥１０００ｋｇ／ｈを含水率５０％に乾燥させ、熱分解処理により炭化させる際、４５ｋｇ／ｈの廃プラスチックを混合させる。このことにより、Ａ重油を燃焼させることなく、１０２ｋｇ／ｈの炭が生成された。この場合、省エネ量は、Ａ重油：３８ｋｇ／ｈ（原油換算：４５Ｌ／ｈ）減、ＣＯ_２削減量は、Ａ重油：１２１ｋｇ-ＣＯ_２／ｈ減となる。

また、炭化物１００は、前述してきたように、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、固体燃料として使用することができる。したがって、この炭化物１００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、ＣＯ_２排出量の削減を一層図ることができる。

これらのことから、廃プラスチックを混合させることにより、従来の汚泥のみを熱分秋炭化処理する場合に比べ大幅な省エネ量及びＣＯ_２削減量削減量が得られる。また、従来の汚泥に木質成分を混合する場合に比べても、木質成分は、汚泥とほぼ同量を混合する必要があることから装置が大形化していた。これに対し、廃プラスチックを混合させることにより、汚泥量の僅かに数％を混合させるだけでよいため、装置が大幅に小型化でき、安定した発熱量により効率的な熱分解炭化処理を行うことができる。

次に、図２で示す実施の形態を説明する。なお、図１と同様な構成には同一符号を付し説明は省略する。

図２の実施の形態は、下水汚泥２を嫌気性消化処理するメタン発酵槽９０を設けた点が、図１の実施の形態と異なる。すなわち、下水汚泥１を脱水する脱水機１０と、脱水した下水汚泥に廃熱回収ボイラ８０で発生したスチームを接触させて乾燥する乾燥機２０と、乾燥させた脱水汚泥２１と廃プラスチック材料５の両方を投入できる投入機３２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熱分解炭化炉４０と、熱分解炭化炉４０で生成した熱分解ガスを燃料させる燃焼炉６０とを有する構成は図１と変わりないが、下水汚泥２を嫌気性消化するメタン発酵槽９０と、発生したメタンガスを燃焼炉６０に送るライン９５が設けられたことが図１とは異なる。

メタン発酵槽９０は、メタン菌などの微生物を用いて嫌気的条件下で有機性物質を分解して、メタンを含む消化ガスを生成できるもので、特にその構成には拘らす、どのような構成でもよい。

メタン発酵槽９０と燃焼炉６０とは、上述のようにライン９５で接続されており、メタンガスを燃料として燃焼炉６０に供給する。また、メタン発酵槽９０の下部沈殿部は、ライン９６で固液分離機９３と接続する。この。このライン９６は、図示しないポンプによりメタン発酵槽９０内で消化した消化汚泥を圧送できる配管などが好ましい。また、固液分離機９３は、消化汚泥中の水分を分離除去することができる。分離された水分は、図示しない好気性処理槽などで処理された後、河川などに放流される。さらに、分離された固体成分は、消化汚泥として排出され、他の目的に利用したり、或いは図３で示すように、ライン９７により脱水機１０に送り、他の下水汚泥１と共に、熱分解炭化炉４０で炭化処理されるように構成してもよい。

ここで、メタン発酵槽９０に導入されて嫌気性消化処理される下水汚泥２も、脱水機１０に導入される下水汚泥１と同様に、有機性汚泥であればよく、生活排水に基づく下水汚泥に限定されるものではない。メタン発酵槽９０では嫌気性消化によって、下水汚泥２中のＣ（炭素）成分、Ｈ（水素）成分からメタンが生成され、メタンを含む消化ガスが発生する。なお、メタン発酵槽９０内の温度やｐＨ等は、メタン菌が生息できる環境に設定する。メタン発酵槽９０内で生成した消化ガスは、ライン９５を介して燃焼炉６０に導入され燃焼する。また、メタン発酵槽９０内で発生した消化汚泥は、固液分離機９３で水分が分離除去され。

燃焼炉６０には、上述した熱分解炭化炉４２で生成された熱分解ガス５０と、乾燥機２０から排気され集塵装置２２を経由した乾燥排ガスも導入されているが、この実施の形態では、メタン発酵槽９０で生成された消化ガス（メタンガス）がライン９５により導入されている。そして、この燃焼炉６０において約８５０℃の温度で燃焼される。この燃焼により発生した燃焼排ガスは、図１の実施形態と同様にライン６１を介して熱分解炭化炉４０を加熱し、熱分解炭化処理の熱源としなる。これにより、熱分解炭化処理に必要なエネルギーを十分に得ることができるので、化石燃料の使用量を大幅に削減することができる。

なお、熱分解炭化炉６０加熱後の燃焼排ガスが排熱回収ボイラー８０に導入され、所定の処理後に排気塔７３から系外に排出されることも図１の実施の形態と同じである。さらに、固体燃料である炭化物１００を石炭火力発電所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できることも図１の実施の形態と同じである。

図３で示す実施の形態では、前述のように、メタン発酵槽９０でのメタン発酵工程で生成する消化汚泥を、熱分解炭化工程で熱分解炭化処理する構成としたものである。すなわち、メタン発酵槽９０内で生成した消化ガスは、ライン９５で燃焼炉６０に導入されるが、メタン発酵槽９０内で発生した消化汚泥３は、ライン９６で固液分離機９３へ送られ、ここで水分が分離除去された後、ライン９７により脱水機１０に導入され、下水汚泥１と同様に炭化処理によって燃料化される。

このように、メタン発酵槽９０内で発生した消化汚泥３も下水汚泥１と同様に熱分解炭化処理によって燃料化することができる。そして、この炭化処理により得られた固体燃料である炭化物１００は、前述したように、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及び消化汚泥３を炭化処理したものである。また、この炭化処理も、従来の化石燃料に代えてバイオマス資源由来の燃料（汚泥及び廃プラスチックの熱分解ガス）が使用されている。よって、この炭化物１００を石炭火力発電所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、ＣＯ_２排出量の削減を図ることができる。

ここで、熱分解炭化工程において汚泥に混ぜて熱分解炭化炉４０に投入される廃プラスチック５は、前述のように破砕又は造粒処理された材料とすることが望ましい。廃プラスチック５を破砕又は造粒処理する方法としては、まず、各種形状の廃プラスチックを破砕機にかけ、ある一定範囲の形状に破砕する。このように破砕しただけでも、廃プラスチック５は、ある範囲の形状に収まるので、このまま汚泥と混合して熱分解炭化炉４０内に投入してもよい。しかし、さらに造粒処理を施したほうがより好ましい。すなわち、破砕された廃プラスチックを造流装置に投入して造粒処理加工することが一般的である。なお、廃プラスチックを原形のまままとめて装置に投入し、破砕・造粒を一気に実施する方式もある。

このように廃プラスチック５を造粒することにより嵩比重が上がり、投入機３２に安定して投入できるようになり、汚泥に混ぜて投入することも容易になる。尚、破砕・造粒サイズは投入機の設計上、最適なサイズを選定する。

このように廃プラスチックを破砕又は造粒処理することにより、廃プラスチックを追加投入しても投入材料がブリッジするようなトラブルがなくなり、安定的に投入することができ、安定した熱分解炭化炉４０の運転を行うことができる。すなわち、熱分解炭化炉４０では、下水汚泥と廃プラスチックを混合した状態で熱分解炭化処理して、熱分解ガス５０と固体燃料である炭化物１００とを生成するが、廃プラスチック５を造粒することで、廃プラスチック５を熱分解炭化炉４０に定量的に供給できるようになり、廃プラスチック５の添加割合の調整も容易になる。

次に、図４で示す実施の形態を説明する。この実施の形態では、熱分解炭化炉４０の炉体（内筒）内温度を検出する温度検出器１０２を設け、この温度検出器１０２により検出された炉内温度に従って、投入機３２による廃プラスチック５の投入量を制御するように構成している。すなわち、熱分解炭化炉４０の投入機３２に投入する廃プラスチック５の投入量を、熱分解炭化炉４０内部の検出温度により制御するものである。熱分解炭化炉４０内部へは、温度検出装置１０２として、外部の空気が混入しないシール性を確保した状態で検出温度を測定する熱電対等が差し込んでおく。この熱電対等の取り付けに際しては、熱電対等に付着物が付着堆積し、温度測定誤差が生じないように工夫する。

なお、制御するための検出温度については熱分解炭化炉内部の温度以外でも、熱分解炭化炉内部の別な箇所の熱分解ガス温度、メタル温度等で代用するようにしてもよい。

このように、廃プラスチック投入量を熱分解炭化炉４０内部の検出温度により制御することにより、熱分解炭化炉４０内部の状態に合わせた常時安定した内部温度をキープして安定した熱分解運転を行うことができる。

次に、本発明で用いるロータリーキルン方式の熱分解炭化炉４０構造を図５、図６、図７により説明する。なお、図５は本発明に係るロータリーキルン方式熱分解炭化炉の破断斜視図、図６はその縦断面図、図７は熱分解残渣（炭化物）排出部材の正面図で、スリットと掻き落とし部材との関係図である。

これらの図において、熱分解炭化炉４０は、良熱伝導材料により円筒状に形成され、その軸心を中心に回転駆動される内筒（炉体）４０Ａ、及びこの内筒の外周を、加熱空間を介して覆い、この加熱空間内に加熱ガスが供給される外筒（加熱炉部分）４０Ｂを有する。材料投入機３２は、内筒４０Ａの図示左端側に連結されこの内筒４０Ａ内に処理材料である汚泥と廃プラスチックを、外気と遮断した状態で投入する。

内筒４０Ａ内には多数のセラミックボール１０４が設けられている。このセラミックボール１０４は、投入された汚泥および廃プラスチックと混合接触し、外筒４０ｂから内筒４０Ａの内周面に伝わった熱を汚泥及び廃プラスチックに伝達して、それらの熱分解を促進すると共に、コーキングの発生を防止する。また、内筒４０Ａ内には環状の仕切り部材１０５が複数設けられており、軸方向に沿って複数の区画を形成している。これら仕切り部材１０５は、セラミックボール１０４が軸方向に流出しないように機能する。

さらに、この内筒４０Ａの図示右端面は、図６で示すように、生成物排出部材１０６により覆われている。この生成物排出部材１０６には、図７で示すように、セラミックボール１０４の外径より小さい幅寸法のスリット１０７が複数形成され、これらスリット１０７を通して内筒４０Ａ内で生成された熱分解ガス及び熱分解残渣（炭化物）を排出させる。

なお、図７中、１１０はガイド板、１１１は鎖状の目詰まり防止用掻き落し機構である。

熱分解炭化炉４０には、材料が投入機３２側から投入される。投入機３２を経て熱分解炭化炉４０の内筒４０Ａ内に投入された処理材料は、外側の加熱ジャケット４０Ｂを流れる熱風により加熱され、熱分解処理される。熱分解炭化炉４０は、回転する内筒４０Ａ内にセラミックボール１０４を保持する特殊なロータリーキルン方式構造となっている。投入された材料は、内筒４０Ａが回転されつつ低酸素状態で外部から加熱されるため、材料が徐々に熱分解される。熱分解された材料は排出側に徐々に流れ、残渣（炭化物）は内筒４０Ａ内のセラミックボール１０４の粉砕効果で細かい粉末状となり、放射線状に多数設置した細長い出口スリット１０７から安定排出される。一方、熱分解ガスも、この細長い出口スリット１０７から排出される。この出口スリット１０７には掻き落とし機構１１１が設置されており、運転中常時スリット１０７の付着物は掻き落とされるようになっている。

このような構成のプラントの場合では、外側の加熱ジャケット４０Ｂの熱風温度を６００℃に制御することにより、内筒内の温度を４２０〜４５０℃とする運転を行うことができ、残渣（炭化物）は内筒内のセラミックボールの粉砕効果で細かい粉末状となり安定排出される。

残渣（炭化物）が細かい粉末状となり安定排出されることで、下流の冷却搬送コンベア、貯留ホッパー等の付着・閉塞等の問題もなく安定運転が行えている。更に、残渣（炭化物）が粉末状であることから、バルブ等に付着することもなく安定した開閉操作を行うことができ、外部から空気が混入することなく火災・爆発の心配にない安全な装置とすることができる。

本発明による熱分解システムの一実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明の、メタン発酵槽で発生したメタンガスをも燃料とした実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明の、メタン発酵槽で発生した消化汚泥をも熱分解炭化処理する実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明の、熱分解炭化炉内温度により投入プラスチック量を制御する実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明に用いる熱分解炭化炉の構造例を示す破断斜視図である。 同熱分解炭化炉の構造例を示す縦断面図である。 同熱分解炭化炉の構造例を示す右側面図である。

符号の説明

１、２ 下水汚泥
３ 消化汚泥
５ 廃プラスチック
１０ 脱水機
２０ 乾燥機
３２ 投入機
４０ 熱分解炭化炉
６０ 燃焼炉
８０ 廃熱回収ボイラ
９０ メタン発酵槽
１０２ 温度検出器

Claims (8)

1. 被処理汚泥を熱分解炭化処理して熱分解ガス及び炭化物を生成する熱分解処理方法であって、
   前記被処理汚泥として下水汚泥を脱水し、この脱水汚泥をその水分が５０％になるまで乾燥させ、この乾燥された下水汚泥及び廃プラスチックのみを、前記下水汚泥の乾燥重量に対して前記廃プラスチックが２０％を超えない割合を保って熱分解炭化炉内に定量的に投入し、前記熱分解炭化炉内にて低酸素状態で３００〜６００℃に加熱して熱分解炭化処理を行い、
   前記熱分解炭化処理で生成された熱分解ガスを燃焼させて、その高温燃焼ガスを前記熱分解炭化処理の熱源として用い、
   前記熱分解炭化炉を加熱後の排ガスを排熱回収ボイラーの熱源として水蒸気を発生させ、この水蒸気を前記脱水汚泥に対する乾燥用の熱源として用いる、
   ことを特徴とする熱分解処理方法。
2. 被処理汚泥は、下水汚泥のメタン発酵工程で生成される消化汚泥を含み、このメタン発酵工程で生成された消化ガスを燃焼させて、その高温燃焼ガスを前記熱分解炭化処理の熱源として用いることを特徴とする請求項１に記載の熱分解処理方法。
3. 廃プラスチックは破砕又は造粒処理されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱分解処理方法。
4. 被処理汚泥を熱分解炭化処理して熱分解ガス及び炭化物を生成する熱分解処理システムであって、
   前記熱分解炭化処理を行う熱分解炭化炉と、
   前記被処理汚泥として下水汚泥を脱水した脱水汚泥をその水分が５０％になるまで乾燥させる乾燥機と、
   この乾燥された下水汚泥及び前記廃プラスチックのみを、前記下水汚泥の乾燥重量に対して前記廃プラスチックが２０％を超えない割合を保って前記熱分解炭化炉内に定量的に投入する投入機と、
   前記熱分解炭化炉において被処理汚泥と廃プラスチックとを熱分解炭化処理することにより生成された熱分解ガスを燃焼させ、その高温燃焼ガスを前記熱分解炭化炉に対する熱源として供給する燃焼炉と、
   前記熱分解炭化炉を加熱後の排ガスを熱源として水蒸気を発生させ、この水蒸気を前記脱水汚泥に対する乾燥用の熱源として供給する排熱回収ボイラーとを備え、
   前記熱分解炭化炉は、その内部にて投入された下水汚泥と廃プラスチックとを低酸素状態で３００〜６００℃に加熱して熱分解炭化処理を行うことを特徴とする熱分解処理システム。
5. 被処理汚泥は、下水汚泥のメタン発酵槽におけるメタン発酵工程で生成される消化汚泥を含み、燃焼炉は、前記メタン発酵槽から供給される、前記メタン発酵工程で生成された消化ガスを燃焼させることを特徴とする請求項４に記載の熱分解処理システム。
6. 熱分解炭化炉は、内筒内部に多数のセラミックボールを保持するロータリーキルン方式であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の熱分解処理システム。
7. 熱分解炭化炉の投入機は、乾燥炉で乾燥させた汚泥と、破砕又は造粒処理された廃プラスチックの両方が投入できる構造であることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の熱分解処理システム。
8. 熱分解炭化炉は、その炉内温度を検出する温度検出器を有し、投入機は、前記温度検出器により検出された炉内温度に従って廃プラスチック投入量を制御することを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれかに記載の熱分解処理システム。