JP5502698B2 - 加熱処理設備及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、間接加熱乾燥機で発生する乾燥排ガスの熱量を経済的に回収して、前記乾燥機の熱源として利用する加熱処理設備及び方法に関し、水分及び有機物を含む被処理物を乾燥した後に加熱処理して焼却したり、可燃性ガスや炭化物を回収する設備に適用可能なものである。

昨今、バイオマス、石炭、オイルシェール、オイルサンド等を熱分解して可燃性ガスや炭化物を生産するプロセスが各種開発されている。そして、これらの物質を熱分解工程に供給される前に予備乾燥すると、より経済的に加熱処理することができる。
ここで、予備乾燥するための乾燥機としては、蒸気等の熱媒を加熱源とし、被処理物と熱媒を直接接触させることなく被処理物を乾燥させる間接加熱型乾燥機、燃料を燃焼させ、生じた熱風を直接被処理物と接触させる直接加熱型乾燥機、及び間接加熱と直接加熱を併用した乾燥機が知られている。

特開２００５−２７９３３１号公報

従来、これら乾燥機で用いられた乾燥排ガスは、塵埃や有害物質を除去した後に排出され、乾燥排ガスの熱量（主に蒸気の潜熱）は有効に回収されていなかった。尚、乾燥排ガスから熱回収して温水を得て、この温水を加熱源として減圧下において間接加熱で乾燥する方法（特許文献１）は知られているものの、この方法では加熱源の温度が低く経済的な乾燥が困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、乾燥機で発生する乾燥排ガスの熱量を経済的に回収して、乾燥機の熱源として利用する加熱処理設備及び方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る加熱処理設備は、水分及び有機物を含む被処理物を乾燥する、蒸気を加熱源とする間接加熱型乾燥機と、乾燥機により乾燥した被処理物を加熱処理する加熱処理設備とを含む加熱処理設備において、
前記間接加熱型乾燥機で発生する乾燥排ガスのもっている熱を回収して蒸気を発生させる蒸気発生手段と、
蒸気発生手段で発生させた蒸気を昇圧する第１昇圧手段と、
前記加熱処理設備にて発生する可燃性ガスまたは燃焼排ガスの少なくとも一方を熱媒として蒸気を発生させる蒸気ボイラと、
前記第１昇圧手段により昇圧させた蒸気を、前記蒸気ボイラでの発生蒸気を駆動源としてさらに昇圧する第２昇圧手段と、
前記第２昇圧手段での昇圧蒸気を、前記間接加熱型乾燥機で被処理物を乾燥させる加熱源とを備えたものである。
なお、本発明における加熱処理とは、乾燥した被処理物を加熱する処理であればよく、炭化やガス化などの熱分解、焼却など燃焼を含む。

請求項１に係る加熱処理設備の作用を以下に説明する。
本請求項の加熱処理設備は、水分及び有機物を含む被処理物を間接加熱型乾燥機により乾燥した後に、加熱処理設備で被処理物を加熱処理する際に用いられる。そして、間接加熱型乾燥機で発生する乾燥排ガスの熱量を経済的に回収して蒸気を発生させ、発生させた蒸気を第１昇圧手段により昇圧するとともに、加熱処理設備で生じた廃熱により蒸気ボイラを駆動して蒸気を発生させ、第１昇圧手段により昇圧させた蒸気を、第２昇圧手段により、前記蒸気ボイラでの発生蒸気を駆動源としてさらに昇圧することで、間接加熱型乾燥機の蒸気熱源として有効に利用することが可能となる。

請求項２に係る加熱処理設備は、前記第２昇圧手段が、エジェクターであり、蒸気ボイラでの発生蒸気を駆動蒸気として、前記第１昇圧手段により昇圧させた蒸気を吸引して昇圧する構成である請求項１記載の加熱処理設備である。

第２昇圧手段としてエジェクターであると、安価であるし、かつ昇圧を確実に行なわせることができる。

請求項３に係る発明は、前記前記加熱処理設備にて発生する可燃性ガスを燃焼させる燃焼手段と前記燃焼手段から排出される排ガスを蒸気ボイラへ供給する供給経路とを備える請求項１または２記載の加熱処理設備である。

可燃性ガスを予め燃焼させることで、蒸気ボイラにおける蒸気発生量の増加や、発生蒸気温度を高くすることができる。

請求項４に係る加熱処理方法は、水分及び有機物を含む被処理物を乾燥する、蒸気を加熱源とする間接加熱型乾燥機と、乾燥機により乾燥した被処理物を加熱処理する加熱処理設備とを使用する加熱処理方法において、
前記間接加熱型乾燥機で発生する乾燥排ガスのもっている熱を回収して蒸気を発生させる第１蒸気発生工程と、
蒸気発生手段で発生させた蒸気を昇圧する第１昇圧工程と、
前記加熱処理設備にて発生する可燃性ガスまたは燃焼排ガスの少なくとも一方を熱源として蒸気ボイラで蒸気を発生させる第２蒸気発生工程と、
前記第１昇圧工程により昇圧させた蒸気を、前記蒸気ボイラでの発生蒸気を駆動源としてさらに昇圧する第２昇圧工程と、
前記第２昇圧工程での昇圧蒸気を、前記間接加熱型乾燥機で被処理物を乾燥させる加熱源とするものである。
請求項１と実質的に同一の作用効果を奏する。

請求項５に係る加熱処理方法は、前記第１蒸気発生工程において発生させる蒸気圧力が、０．０１５ＭＰａ〜０．２０ＭＰａである請求項３に記載の加熱処理方法である。

請求項６に係る加熱処理方法は、前記第１昇圧工程において圧縮機を用い、この圧縮機での圧縮比（吐出圧力と吸込み圧力の比）を、２〜１０の範囲の値である請求項３または４に記載の加熱処理方法である。

請求項７に係る加熱処理方法は、前記間接加熱型乾燥機で発生する乾燥排ガスの露点が、８０℃〜１００℃である請求項３〜請求項５のいずれ１項に記載の加熱処理方法である。

乾燥機で発生する乾燥排ガスから熱回収して蒸気を得て、該蒸気を加熱源としてこの間接加熱型乾燥機で用いる際に、蒸気温度や蒸気圧力が高いほど乾燥機はコンパクトにでき、経済的である一方、高温高圧の蒸気を得るためには、必要以上のランニングコストを要する。また、高い蒸気温度や蒸気圧力を得るために乾燥排ガスの露点が高いほうが望ましいが、乾燥排ガスの露点を高くすると、間接加熱型乾燥機内の恒率乾燥ゾーンで品温が乾燥排ガスの露点とほぼ等しくなり、加熱源（蒸気）との温度差が小さくなり、間接加熱型乾燥機の乾燥能力が低下する。
従って、請求項５〜請求項７で示すような最適な条件が存在するのである。

以上に示したように本発明によれば、乾燥機で発生する乾燥排ガスの熱量を経済的に回収して、乾燥機の熱源として利用する加熱処理設備を提供することができる。
また、本発明によれば、水分及び有機物を含む被処理物を乾燥した後に、加熱設備で被処理物を加熱する際において、乾燥排ガスから経済的に熱回収して有効に乾燥用の熱源とすることができるようになった。
例えば、処理量が下水汚泥１００ｔ／日の場合、従来の燃料の燃焼による熱風乾燥設備付炭化設備と比較して、本発明によれば、下水汚泥の処理単価は１，７００円／ｔ低減され、換算ＣＯ２の排出量は２，６００ｔ／年に削減されるようになる。

本発明の一実施の形態に係るスチームチューブドライヤの一部破断した斜視図である。 本実施の形態に係わる下水汚泥の乾燥・炭化設備を示す概略図である。

本発明に係る加熱処理設備の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。まず、本実施の形態を説明するに先立って、理解を深めるために本発明の実施の形態に適用される間接加熱型乾燥機であるスチームチューブドライヤ（ＳＴＤ）の例について、図１に基づき予め説明する。

図１に示すこのスチームチューブドライヤ３は、軸心周りに回転自在とされる回転筒３０内において、両端板間に軸心と並行に複数の加熱管３１が配管されていて、回転継手５０に取付けられた熱媒体入口管５１を通して、これらの加熱管３１に熱媒体としての加熱蒸気が供給され、各加熱管３１に流通された後、熱媒体出口管５２を介してこの加熱蒸気Ｋのドレンが排出されるようになっている。

そして、被処理物を回転筒３０内に装入するためにスクリュー等を有した図示しない装入装置がこのスチームチューブドライヤ３には備えられている。この装入装置の挿入口５３より回転筒３０内にその一端側から投入された被処理物である例えば水分を含有した有機物などを、加熱蒸気Ｋにより加熱した加熱管３１と接触させて乾燥させるようなる。これとともに回転筒３０が下り勾配をもって設置されていることで、排出口５４方向に順次円滑に移動させて、回転筒３０の他端側からこの被処理物を連続的に排出させるようになっている。

図１に示されるように、回転筒３０は基台３６の上に設置され、回転筒３０の軸心と並行に相互に間隔を置いて配された２組の支承ローラ３５によって、タイヤ３４を介して支承されている。回転筒３０の下り勾配および直径に合わせて２組の支承ローラ３５間の幅およびそれらの長手方向傾斜角度が選択される。

一方、回転筒３０を回転させるために、回転筒３０の周囲には、従動ギア４０が設けられており、これに駆動ギア４３が噛合し、原動機４１の回転力が減速機４２を介して伝達され、回転筒３０の軸心回りに回転するようになっている。さらに、回転筒３０の内部には、キャリアガス入口６１からキャリアガスが導入され、これらキャリアガスは被処理物である有機物に含有される水分が蒸発した蒸気を同伴してキャリアガス排出口６２より排出される。

なお、上記スチームチューブドライヤ３の全体構成は一例であり、本発明は上記構成により限定されるものではない。

図２は、本実施の形態に係わる下水汚泥の乾燥・炭化設備を示す概略図である。
この図２に示すように、スチームチューブドライヤ３の装入側にパドル式や多軸式などの混合機２が配置されていて、この混合機２に汚泥を送り込むための汚泥供給ポンプ１が接続されている。また、このスチームチューブドライヤ３から排出された乾燥排ガスＧが、乾燥排ガス湿式スクラバー９に送り込まれるようになっており、この乾燥排ガス湿式スクラバー９で回収した熱を、蒸発缶加熱器１０において熱交換して、蒸発缶１１の加熱源としている。

この蒸発缶１１（乾燥排ガス湿式スクラバー９及び蒸発缶加熱器１０とともに蒸気発生手段を構成する）において蒸気を発生させ、この蒸気を第１昇圧手段としての圧縮機１３に送り込んで圧縮する。この圧縮された蒸気を、第２昇圧手段としてのエジェクター１２により、さらに昇圧し、昇圧蒸気をスチームチューブドライヤ３に送り込み、加熱用の加熱蒸気Ｋとして用いられる。一部はトレースとして別用途又は破棄される。スチームチューブドライヤ３で加熱後のドレンは、蒸発缶１１及び圧縮機１３に返送されるほか、ボイラ１９に送り込まれる。

一方、スチームチューブドライヤ３での乾燥品Ｓは、その排出側の下部の乾燥品移送コンベア４に乗せて排出された後、篩５で篩分けされ、小粒子の乾燥品Ｓ１は戻し用ホッパー７に集められる。大粒子の乾燥品Ｓ２は乾燥品ホッパー１４に送られるほか、一部は破砕機６において粉砕された後に戻し用ホッパー７に集められる。

戻し用ホッパー７から、小粒子の乾燥品Ｓ１が切り出され、戻し用コンベア８に乗せて、混合機２に送られ、下水汚泥と混合された後に、スチームチューブドライヤ３に戻るようになっている。

他方、乾品ホッパー１４の下部からは、大粒子の乾燥品Ｓ２が乾品移送コンベア１５に乗せて、加熱設備である炭化炉１６に投入できるようになっており、炭化炉１６において（加熱）炭化処理されるようになる。

炭化炉１６には、炭化炉用熱風発生炉１７において燃料を燃焼させることで生じる熱風が送り込まれる。炭化炉１６からは可燃性ガスＮが排出され、燃料要素としてアフターバーナー１８に送り込まれ、空気と燃料とともにこの可燃性ガスＮが燃焼される。また、ボイラ１９で発生した蒸気は、第２昇圧手段としてのエジェクター１２に送られ、第１昇圧手段としての圧縮機１３により昇圧させた蒸気を、蒸気ボイラ１９での発生蒸気を駆動源としてさらに昇圧するようになっている。蒸気ボイラ１９の排ガスは熱交換器２０を介して排ガス処理器２１で処理されて、外部に排出される。熱交換器２０では、乾燥排ガス湿式スクラバー９からの排ガスを加熱して、スチームチューブドライヤ３に送入するように構成している。

次に、加熱処理設備における具体的な工程を説明する。
汚泥供給ポンプ１にたとえば水分７５％〜８０％の下水汚泥が供給され、この下水汚泥は混合機２に送られて乾燥品Ｓ１と混合され、水分約３０％程度の被処理物Ｓ０とされる。この水分及び有機物を含む被処理物Ｓ０は、間接加熱型乾燥機であるスチームチューブドライヤ３に供給され、この混合品Ｓ０の水分がたとえば約１０％にまで乾燥され、乾燥品Ｓとされる。

この際、このスチームチューブドライヤ３から、露点が望ましくは８０℃〜１００℃（約８５℃程度が最適）の乾燥排ガスＧが排出されるが、この乾燥排ガスＧは、たとえば複数段から構成される乾燥排ガス湿式スクラバー９に送られ冷却・除湿される。そして、乾燥排ガス湿式スクラバー９の最下段の出口のガス温度が高いほど、蒸発缶１１にて高圧蒸気が経済的に回収できるものの、ガス温度が高い場合には、乾燥排ガス湿式スクラバー９で回収する熱量は低下する。この際、乾燥排ガス湿式スクラバー９の最下段の出口でのガス温度が６０℃〜７５℃になるように運転するのが好適である。

スチームチューブドライヤ３で用いられたキャリアガスが、乾燥排ガスＧとしてこのスチームチューブドライヤ３から排出されるが、乾燥排ガスＧを乾燥排ガス湿式スクラバー９で処理して、スクラバー循環水に乾燥排ガスＧの熱を移行させることで、熱回収する。そして、この乾燥排ガス湿式スクラバー９の最終段の出口温度は、特に制限は無いが３０℃程度が好適である。湿式スクラバー９から排出されたキャリアガスは循環ブロワなどの送風手段を経て、その一部がアフターバ−ナ−９に供給され、その他は加熱されたのち、循環利用される。

乾燥排ガス湿式スクラバー９の最下段で回収した熱は、蒸発缶加熱器１０において蒸発缶１１内の液を加熱し、この蒸発缶１１で望ましくは０．０１５〜０．４ＭＰａの蒸気を発生させるが、蒸発缶１１で発生させる蒸気圧力は、乾燥排ガス湿式スクラバー９の最下段の出口でのガス温度の飽和蒸気圧力以下になる。そこで蒸発缶１１で発生させた低圧蒸気を圧縮機１３で圧縮して昇圧し、中圧蒸気を得て、この中圧蒸気がエジェクター１２に送り込まれる。

他方、このスチームチューブドライヤ３で乾燥処理された乾燥品Ｓは、移送コンベア４で篩５に送られて、大粒子と小粒子とに篩分けられる。篩分けされた大粒子の一部は、破砕機６で破砕された後、戻し用ホッパー７に送られる。また、篩分けされた小粒子は、戻し用ホッパー７に直接送られる。戻し用ホッパー７で切り出された乾燥品Ｓ１は、戻し用コンベア８で混合機２に送られた後、下水汚泥（被処理物）と混合される。

これらと別に篩分けの大粒子の残りは、乾品ホッパー１４に送られ、切り出された後、乾品移送コンベア１５により、たとえば外熱キルン型の炭化炉１６に送られ、この炭化炉１６において３００℃〜５００℃で熱分解されて炭化物と可燃性ガスＮになる。この際、熱分解は吸熱反応なので、炭化炉用熱風発生炉１７において燃料を燃焼させて生じた熱風で間接加熱される。そして、炭化炉１６から排出された炭化物は図示しない冷却機で冷却された後、搬出される一方、可燃性ガスＮはアフターバーナー１８で燃焼される。

次に、アフターバーナー１８で燃焼材料である可燃性ガスＮが燃焼されて生じた排ガスは、ダクトなどの供給経路を通じてボイラ１９へ供給される。排ガスの保有する熱により、ボイラ１９で０．８Ｍｐａ以上望むらくは、１．６ＭＰａ以上の蒸気を発生させる。この際にボイラ１９から排出される排ガスにより、乾燥排ガス湿式スクラバー９の排出ガスを熱交換器２０で加熱して、この乾燥排ガス湿式スクラバー９の排出ガスをスチームチューブドライヤ３でキャリアガスとして用いるようにする。この後、ボイラ１９からの排ガスは排ガス処理器２１で処理された後、大気に放出される。

一方、圧縮機１３で圧縮させた蒸気を更に昇圧する。つまり、ボイラ１９で発生させた高圧蒸気を駆動源とするエジェクター１２で、圧縮機１３で圧縮させた蒸気を吸引し、昇圧する。最終的に、好適には０．２ＭＰａ〜０．４ＭＰａの昇圧蒸気をスチームチューブドライヤ３に供給して、このスチームチューブドライヤ３で混合品Ｓ０を乾燥品Ｓとするべく乾燥する。

本実施の形態における各工程の変形例としては、以下のものが考えられる。
まず、上記実施の形態おいては、乾燥排ガスＧから熱回収して蒸気を得るが、この際の乾燥排ガスＧから熱回収する方法として、本実施の形態では乾燥排ガスＧを乾燥排ガス湿式スクラバー９等で処理してスクラバー循環水に乾燥排ガスＧの熱を移行させて循環水として熱回収する方法を用いたが、乾燥排ガスＧから熱交換器等により直接熱回収する方法を用いても良い。

さらに、乾燥排ガスＧの回収熱から蒸気を得る方法として、回収熱を熱源とする水の蒸発缶１１で０．０１５〜０．４ＭＰａの蒸気を発生させる方法を本実施の形態において用いたが、回収熱を蒸気発生型ヒートポンプに供給して０．２ＭＰａ以下の蒸気を得る方法を用いても良い。但し、ヒートポンプで０．２ＭＰａ以上の蒸気を得ることは成績係数（ＣＯＰ）が低下して経済的でない。

乾燥排ガスからの回収熱の温度の上限値は乾燥排ガスＧの露点とほぼ等しいので、蒸発缶１１で発生させる蒸気圧力は、乾燥排ガスＧの露点温度の飽和水蒸気圧以下になるが、より高い圧力の蒸気を蒸発させるためには、乾燥排ガスＧの露点は高いほど良い。但し、乾燥排ガスＧの露点を高くした場合、間接加熱型乾燥機において恒率乾燥で品温が乾燥排ガスＧの露点とほぼ等しくなるので、加熱源との温度差が小さくなり、間接加熱型乾燥機の乾燥能力が低下する。従って、最適な乾燥排ガスＧの露点が存在することになる。ここで、乾燥排ガスＧの露点は、間接加熱型乾燥機で蒸発する水分量にもよるが、８０℃〜１００℃が好適である。

蒸気を圧縮機１３で圧縮し昇圧する。この際、圧縮機１３の種類は特に制限は無いが、ミスト対策の必要がないスクリュー式圧縮機が好適である。この場合における圧縮機１３での圧縮比（吐出圧力と吸込み圧力の比）は、２〜１０の範囲が経済的である。

乾燥品Ｓの加熱処理は、炭化処理に限定されるものではなく、たとえばガス化処理や、焼却処理などを採用することが可能である。

ボイラ１９は、公知の廃熱ボイラであり、アフターバーナーから生じた燃焼排ガスＮで高圧蒸気を発生させる。アフターバーナーの燃焼材料とされる燃料は特に制限は無いが、熱分解生成物の可燃性ガスＮ、炭化物、その他の燃料のうち何れでも良い。なお、ボイラ１９へ供給される燃焼排ガスＮは、該燃料を燃焼させた排ガスを直接用いても良いし、ガスタービン、ガスエンジン等で燃焼させた排ガスを用いても良い。
ところで、被乾燥品が焼却処理されるなど高温の排ガスが排出される処理が行われる場合には、排出された高温の排ガスを直接廃熱ボイラへ供給することができる。

ボイラ１９で発生させた高圧蒸気により圧縮機を駆動して、圧縮された蒸気を更に昇圧する。昇圧する方法としては、蒸気タービン駆動の圧縮機でも良いが、実施の形態として示すように、エジェクター１２方式が安価で経済的である。

間接加熱型乾燥機として、本実施の形態ではスチームチューブドライヤ３を採用したが、特に制限はなく、ディスク型乾燥機、間接加熱付流動層乾燥機等であっても良い。

本発明は、樹脂、食品、有機物などの乾燥をはじめとして、木質バイオマスや有機廃棄物などの乾燥などに適用できる。

３ スチームチューブドライヤ（間接加熱型乾燥機）
９ 乾燥排ガス湿式スクラバー
１０ 蒸発缶加熱器
１１ 蒸発缶
１２ エジェクター
１３ 圧縮機
１６ 炭化炉（加熱処理設備）
１８ アフターバーナー
１９ ボイラ

Claims (7)

1. 水分及び有機物を含む被処理物を乾燥する、蒸気を加熱源とする間接加熱型乾燥機と、乾燥機により乾燥した被処理物を加熱する加熱処理設備とを含む加熱処理設備において、
   前記間接加熱型乾燥機で発生する乾燥排ガスの保有熱を回収して蒸気を発生させる蒸気発生手段と、
   蒸気発生手段で発生させた蒸気を昇圧する第１昇圧手段と、
   前記加熱処理設備にて発生する可燃性ガスまたは燃焼排ガスの少なくとも一方を熱源とする蒸気ボイラと、
   前記第１昇圧手段により昇圧させた蒸気を、前記蒸気ボイラでの発生蒸気を駆動源としてさらに昇圧する第２昇圧手段と、
   前記第２昇圧手段での昇圧蒸気を、前記間接加熱型乾燥機で被処理物を乾燥させる加熱源とを備えた、
   ことを特徴とする加熱処理設備。
2. 前記第２昇圧手段が、エジェクターであり、蒸気ボイラでの発生蒸気を駆動蒸気として、前記第１昇圧手段により昇圧させた蒸気を吸引して昇圧する構成である請求項１記載の加熱処理設備。
3. 前記前記加熱処理設備にて発生する可燃性ガスを燃焼させる燃焼手段と前記燃焼手段から排出される排ガスを蒸気ボイラへ供給する供給経路とを備える請求項１または２記載の加熱処理設備。
4. 水分及び有機物を含む被処理物を乾燥する、蒸気を加熱源とする間接加熱型乾燥機と、乾燥機により乾燥した被処理物を加熱処理する加熱処理設備とを使用する加熱処理方法において、
   前記間接加熱型乾燥機で発生する乾燥排ガスの保有熱を回収して蒸気を発生させる第１蒸気発生工程と、
   蒸気発生手段で発生させた蒸気を昇圧する第１昇圧工程と、
   前記加熱処理設備にて発生する可燃性ガスまたは燃焼排ガス少なくとも一方を熱源として蒸気ボイラで蒸気を発生させる第２蒸気発生工程と、
   前記第１昇圧工程により昇圧させた蒸気を、前記蒸気ボイラでの発生蒸気を駆動源としてさらに昇圧する第２昇圧工程と、
   前記第２昇圧工程での昇圧蒸気を、前記間接加熱型乾燥機で被処理物を乾燥させる加熱源とする、
   ことを特徴とする加熱処理方法。
5. 前記第１蒸気発生工程において発生させる蒸気圧力が、０．０１５ＭＰａ〜０．２０ＭＰａである請求項４に記載の加熱処理方法。
6. 前記第１昇圧工程において圧縮機を用い、この圧縮機での圧縮比（吐出圧力と吸込み圧力の比）を、２〜１０の範囲の値である請求項４または５に記載の加熱処理方法。
7. 前記間接加熱型乾燥機で発生する乾燥排ガスの露点が、８０℃〜１００℃である請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の加熱処理方法。

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