JP5389470B2 - 高含水有機物の保存方法及び高含水有機物から製造する固形燃料 - Google Patents

Description

本発明は、乾燥工程を行わない高含水有機物の処理に関するものであって、高含水有機物の保存方法、及び高含水有機物から製造する固形燃料に関する。

高含水有機物、例えば、家畜糞、鶏糞、堆肥、コーヒー粕、茶殻、パーム空果房、樹皮、製紙スラッジ、下水汚泥及び食品工場の排水処理施設より排出される汚泥等は水分が高く、大量に堆積させた場合、微生物の活動によって嫌気的な状態となり、腐敗による悪臭が発生しやすく、環境的な配慮からそのままの状態で貯蔵しておくことが難しい。
一方、これら高含水有機物は生物由来の資源であり、二酸化炭素の増加を伴わない燃料として注目されており、臭気対策を施した固形燃料の製造方法が提案されている。

例えば、高含水有機物である下水汚泥由来の独特の臭気を抑制し、下水汚泥を燃料化する技術としては、下水汚泥を乾燥して乾燥汚泥とした後、該乾燥汚泥の一部を炭化処理して汚泥活性炭とし、該汚泥活性炭と未処理の乾燥汚泥を混合し、必要に応じて生石灰又は消石灰を添加して固形燃料を得る技術が開示されている（特許文献１参照）。
また他の技術としては、下水汚泥または家畜糞を所定の大きさの塊状体に形成し、形成された塊状体の表面の密度を内部の密度よりも高くする表面成形と、表面成形された塊状体を熱処理することにより該塊状体の表面に殻を形成させることで臭気を抑制する方法が提案されている（特許文献２参照）。
更に、おから、原油スラッジ、製紙スラッジ、及びクエン酸の混合物を形成し、クエン酸の消臭、殺菌、腐敗防止効果により安定化する固形燃料の製造方法が提案されている（特許文献３参照）。

特開平１１−３２３３５９号公報 特開２００８−０５０４５８号公報 特開平１０−１３０６７１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法は、下水汚泥に含まれる水分を低下させるための乾燥工程と、乾燥汚泥の一部を炭化するための炭化工程が必要であり、下水汚泥から燃料を製造するまでの過程で莫大な熱エネルギーを必要とする他、乾燥工程や炭化工程に伴って発生する臭気に対して対策が必要となる。
同様に特許文献２に開示された方法も、熱エネルギーの投入が不可欠であり、また臭気対策が必要で、設備費及びランニングコストが大きくなり経済的な方法ではない。更に、下水汚泥、製紙スラッジ、家畜糞等の高含水有機物はカルシウム等の無機成分を多く含むため、乾燥のみでは得られる固形燃料の熱量は低いままであり、従って、燃料としての利用価値も低い。
また、特許文献３に開示されたクエン酸添加は、高含水有機物の水素イオン濃度pＨを低下させることで、細菌の繁殖は抑えられるが、酸性域で活動する糸状菌（カビ）の繁殖を抑えることは難しい。糸状菌が繁殖すると、製造した固形燃料が糸状菌の菌糸に覆われ、塊状となることで設備ホッパーなどに詰まったり、糸状菌がつくる胞子が飛散した場合、健康面に影響するなどの問題がある。

従って、本発明は従来技術の問題に鑑み、高含水有機物を原料として乾燥することなく、臭気の発生及び糸状菌の繁殖がない保存性の良い、且つ熱量の十分な固形燃料が得られる高含水有機物の保存方法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鋭意検討した結果、高含水有機物に対して一定量以上の石炭を混合することで、混合物が水分率２０〜３５％の比較的水分を含んだ状態でも臭気が軽減されて保存性が高まることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）乾燥を行わない水分率４０％以上である高含水の製紙スラッジの処理方法であって、製紙スラッジ１００重量部に対して、少なくとも６０重量部以上の石炭コークス粉または石炭粉を混合する混合工程を実施し水分率を３５％以下とし、前記混合工程において、さらに製紙スラッジを燃焼させて得られる燃焼灰を配合し、水素イオン濃度をｐＨ１０以上にすることを特徴とする製紙スラッジの保存方法である。
（２）前記混合工程後に、材料を粒状化する造粒工程を設けることを特徴とする製紙スラッジの保存方法である。
（３）水分率４０％以上である高含水の製紙スラッジから製造する固形燃料であって、乾燥を行わずに、製紙スラッジ１００重量部に対して、少なくとも６０重量部以上の石炭コークス粉または石炭粉を混合することで得られ、水分率が３５％以下であり、前記混合工程において、さらに製紙スラッジを燃焼させて得られる燃焼灰を配合し、水素イオン濃度がｐＨ１０以上である固形燃料である。
（４）造粒工程を経て粒状に形成されていることを特徴とする固形燃料である。

本発明に係る高含水有機物とは、家畜糞、鶏糞、堆肥、コーヒー粕、茶殻、パーム空果房、樹皮、製紙スラッジ、下水汚泥及び食品工場の排水処理施設より排出される汚泥等、内部に水を多く含んだ材料が上げられ、特に燃焼が困難な水分率４０％以上のものが利用できる。
また、パーム空果房及び樹皮等のように繊維の長い高含水有機物の場合、２０ｍｍ以下に破砕したものが利用できる。

本発明で使用する石炭コークス粉及び石炭粉は、高含水有機物と均一に混合させるため、粒径３ｍｍ以下のものが好ましく、また、高含水有機物１００重量部に対して、６０重量部以上を混合する。
これよりも石炭コークス粉及び石炭粉の添加量が少ないと、臭気の抑制効果が乏しく、また、高含水有機物の水分率が下がらず、最終的に得られる固形燃料の熱量が低いものとなる。
また、本発明では、石炭コークス粉及び石炭粉の混合によって水分率を３５％以下にする。これにより次の造粒工程でハンドリング上問題のない強度を有する固形燃料が得られ、乾燥の必要がなくなる。

本発明で使用するアルカリ性材料は、高含水有機物と石炭コークス又は石炭粉とから成る固形燃料の水素イオン濃度ｐHを10以上にするものであれば使用でき、例えば、ナトリウムまたはカリウム等のアルカリ金属を含む化合物、カルシウム、マグネシウム等のアルカリ土類金属を含む化合物、アンモニア、メチルアミン、エタノールアミン等の有機塩基化合物を用いることができる。
アルカリ金属を含む化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム等を挙げることができる。
アルカリ土類金属を含む化合物としては、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等を挙げることができる。
また、製紙スラッジを燃焼させて得られる燃焼灰はカルシウムが多く含みアルカリ性を示すため本発明のアルカリ性材料として使用できる。これら資材は、単独で用いても良く又は２種以上を組合せて使用しても良い。

アルカリ性材料の添加により、高含水有機物と石炭コークス又は石炭粉とから成る固形燃料の水素イオン濃度をｐＨ１０以上にすることで、糸状菌の活動が抑制され、固形燃料の保存性が高まる。
本発明では、高含水有機物、石炭コークス又は石炭粉、アルカリ材料を混合した後に、造粒工程を設け、粒状化する。
造粒手段としては、傾斜させた皿型ドラムによる転動造粒、ドラム内の高速回転する羽を用いた攪拌造粒、回転するローラー間で挟み込むブリケット造粒、回転するローラーの踏み圧でダイスの多穴に押し込み円柱状に成形するペレット造粒などが上げられ、造粒工程により粒状化した固形燃料の粒径は２〜５０ｍｍが好ましい。

本発明によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）請求項１記載の発明によれば、高含水有機物に対して熱量の高い石炭コークス粉及び石炭粉が多く混合されるため、乾燥させるために膨大なエネルギーを投入することなく、燃料として利用可能な熱量を有する固形燃料を製造し、保存することができる。
また、石炭コークス粉及び石炭粉の吸着作用により高含水有機物から発生する臭気が抑えられ、周辺環境に対して悪影響を与えることなく保存することができる。そのため、燃焼炉等の保守点検等で直ちに燃料として使用できない場合でも、長期保存や輸送が可能となり、燃焼時期や燃焼場所のコントロールが容易となる。
更に、高含水有機物として製紙スラッジを原料にした場合、製紙スラッジと石炭コークス粉又は石炭粉との複合化された固形燃料が得られる。この固形燃料は、製紙スラッジ中においてセルロース（バイオマス）の他にカルシウム系の無機成分が含まれるため、燃焼時において、脱硫効果が期待できる燃料となる。

また、アルカリ性材料の添加によって高含水有機物の水素イオン濃度をｐＨ１０以上にすることで、糸状菌の繁殖による塊状化を防ぐことができ、搬送及び貯蔵設備での詰まり等のトラブルがなくなり、扱い易い材料となる。
また、アルカリ性材料として製紙スラッジの燃焼灰を用いることができるので、従来では処理費を掛けて高コストで処分していた燃焼灰を有効に活用することができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、高含水有機物を粒状として外形寸法が揃うため、搬送や貯蔵のために特殊な設備を必要とせず、設備の制約が少ないハンドリングの良い材料が提供される。
また、材料の粒子間に空隙が生まれ、保存中の水分低下が促進され、固形燃料として使用する際には、燃焼に適した状態で保存することができる。

（３）請求項３〜４記載の発明によれば、生物由来のバイオマスと石炭コークス又は石炭との複合燃料が容易に提供されるため、二酸化炭素の排出抑制を可能とする石炭火力発電所あるいはバイオマスボイラ向けの燃料としての利用が可能となる。
特に、本発明の固形燃料は、石炭コークス粉または石炭粉の混合比率が高く、また、粉状の石炭コークス又は石炭を成形したものであるため、微粉炭炊きの発電用燃焼炉で使用される既設の石炭ミルに投入した場合の粉砕が容易で、燃料として利用する際に特別な設備を必要としない。

本発明の基本設備の概略図。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本実施例は高含水有機物を固形燃料として保存する場合を説明する。
図１は本発明の実施する際の基本設備概略図である。
先ず、ホッパー２１に蓄えられた高含水有機物を切り出し、所定量を混合設備３１へ投入する。
次に、サイロ２２から、高含水有機物の量に対して必要量の石炭コークス又は石炭粉を混合設備３１に投入し、また、同様にサイロ２３から必要量のアルカリ性材料を混合設備３１に投入し混合する。
この時、高含水有機物をホッパー２１から切り出し搬送する過程で、必要量の石炭コークス又は石炭粉と共に、アルカリ性材料を添加し、混合設備３１に同時に投入し、混合を開始することも出来る。

混合された材料は造粒設備41に送られ、所定の粒径に成形された固形燃料が製造される。粒子の粗い石炭コークス又は石炭を用いる場合には、造粒設備４１として、せん断による粉砕作用があるフラットダイ式のペレイザーを用いると、石炭等の粉砕と同時に成形を行ない固形燃料を製造することができる。
尚、混合機能と造粒機能を合わせ持つ高速撹拌型の混合造粒装置を用いることにより造粒設備４１を除くことも可能である。
造粒された固形燃料は、ヤードに堆積させて保存することも出来るが、他の実施例としては送風機等を備えた貯蔵ホッパーへ保存し、積極的に水分を低下させることで水分管理を行なった状態で保存することも出来る。

水分率５１％の製紙スラッジに対して、石炭ミルによって微粉砕した水分率３％の石炭粉を添加する混合工程を実施した際の配合量毎の臭気官能試験結果と、混合物の水分率（計算値）及び熱量（材料の標準的な熱量を基にした推定値）を表１に示す。

表１に示すように、製紙スラッジ１００重量部に対して石炭粉６０重量部以上配合した場合において、臭気の発生が抑えられ、保存性が良くなり、また、熱量が３５００ｋｃａｌ／ｋｇ以上になり、高含水有機物が乾燥することなく燃料として適した状態になった。

水分率５１％の製紙スラッジ１００重量と、石炭ミルによって微粉砕した水分率３％の石炭粉１００重量部を混合した物に対して、アルカリ性材料として１Ｎ−ＮａＯＨ水溶液を添加する混合工程を実施し、水素イオン濃度がｐＨ９、ｐＨ９．５、ｐＨ１０、ｐＨ１０．５、ｐＨ１１、ｐＨ１１．５の各混合物を作製し、続いて、φ７ｍｍの穴を有するフラットダイ式のペレタイザーにて成形する造粒工程を実施し、水素イオン濃度を調整したφ７ｍｍ、長さ５〜２０ｍｍの円柱状の固形燃料を得た。
得られた固形燃料を各１００ｇずつ蓋付きの容器に入れ、室温（２０〜２５°Ｃ）に３０日間保存し、糸状菌（カビ）の発生について観察した結果を表２に示す。

表２に示すように水素イオン濃度をｐＨ１０以上にすることで水分率が２０％以上の状態でも糸状菌の発生が抑えられ、固形燃料の保存性を一層高めることができる。

水分率５１％の製紙スラッジ１００重量と、石炭ミルによって微粉砕した水分率３％の石炭粉１００重量部を混合した物に対して、アルカリ性材料として製紙スラッジ燃焼灰２０重量を添加する混合工程を実施し、続いて、φ７ｍｍの穴を有するフラットダイ式のペレタイザーにて成形する造粒工程を実施することで、水素イオン濃度ｐＨ１０．３、φ７ｍｍ、長さ５〜２０ｍｍの円柱状の固形燃料を得た。得られた固形燃料を各１００ｇずつ蓋付きの容器に入れ、室温（２０〜２５°Ｃ）に３０日間保存し、糸状菌（カビ）の発生について観察した結果を表３に示す。

表３に示すように製紙スラッジ燃焼灰にて、固形燃料の水素イオン濃度ｐＨ１０以上にすることで糸状菌の発生が抑えられ、保存性が向上する。

水分率５１％の製紙スラッジ１００重量と、石炭ミルによって微粉砕した水分率３％の石炭粉１００重量部を混合した物に対して、アルカリ性材料として１Ｎ−ＮａＯＨ水溶液を添加する混合工程を実施し、水素イオン濃度がｐＨ１１．５、水分率２７．７％の混合物（不定形な固形燃料）を作製した。
また、混合物の一部をφ７ｍｍの穴を有するフラットダイ式のペレタイザーにて成形する造粒工程を実施することで、水分率２７．１％、φ７ｍｍ、長さ５〜２０ｍｍの円柱状の固形燃料を得た。各固形燃料約２０ｋｇずつをポリ容器に入れ、固形燃料の厚みが約３００ｍｍになるように堆積し、２週間放置した。
２週間後に表面から２００ｍｍ付近の固形燃料を採取し、水分率を測定したところ、不定形な固形燃料の水分率は２７．０％で、０．７％しか水分率が低下していなかったが、円柱状に成形した固形燃料の水分率は２３．８％と、３．３％水分率が低下していた。
これにより、造粒工程によって得られた円柱状に成形した固形燃料の方が水分の減少効果が高く、燃料としてより適した状態になると考えられる。

２１ ホッパー
２２ サイロ
３１ 混合設備
４１ 造粒設備
５１ 固形燃料

Claims (4)

1. 乾燥を行わない水分率４０％以上である高含水の製紙スラッジの処理方法であって、製紙スラッジ１００重量部に対して、少なくとも６０重量部以上の石炭コークス粉または石炭粉を混合する混合工程を実施し水分率を３５％以下とし、前記混合工程において、さらに製紙スラッジを燃焼させて得られる燃焼灰を配合し、水素イオン濃度をｐＨ１０以上にすることを特徴とする製紙スラッジの保存方法。
2. 前記混合工程後に、材料を粒状化する造粒工程を設けることを特徴とする請求項１記載の製紙スラッジの保存方法。
3. 水分率４０％以上である高含水の製紙スラッジから製造する固形燃料であって、乾燥を行わずに、製紙スラッジ１００重量部に対して、少なくとも６０重量部以上の石炭コークス粉または石炭粉を混合することで得られ、水分率が３５％以下であり、前記混合工程において、さらに製紙スラッジを燃焼させて得られる燃焼灰を配合し、水素イオン濃度がｐＨ１０以上である固形燃料。
4. 造粒工程を経て粒状に形成されていることを特徴とする請求項３記載の固形燃料。

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