JP5734001B2

JP5734001B2 - 下水汚泥の乾燥ガス化装置

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Publication number: JP5734001B2
Application number: JP2011020334A
Authority: JP
Inventors: 地崎　達; 達地崎; 國井　大藏; 大藏國井
Original assignee: Chisaki Co Ltd
Current assignee: Chisaki Co Ltd
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-02-02
Also published as: JP2012157835A

Description

本発明は、下水汚泥の乾燥ガス化炉装置に関し、特に、補助燃料を用いることなく、下水汚泥の熱分解ガス化により得られる熱エネルギーにより、熱効率良く下水汚泥を乾燥させ、さらには、発生する排ガスから熱エネルギー回収できる装置に関する。

この種の装置としては、特許文献１に開示されている装置が知られている。この特許文献１の装置は、下水汚泥等の廃棄物を焼却する焼却炉の前段に乾燥機を配し、廃棄物中の水分を減少させている。焼却炉からの燃焼ガスの保有する熱エネルギーで加熱された加熱空気をボイラに送り、該ボイラで給水から水蒸気を得て、該水蒸気を上記乾燥機へ供給し、その熱エネルギーで廃棄物を加熱乾燥することとしている。

特許文献１では、乾燥機で加熱用に使用された水蒸気の凝縮水は再びボイラの給水に加えることができる旨の記載があり、水蒸気の凝縮潜熱を用いるということから、上記乾燥機においては、水蒸気は下水汚泥等の廃棄物を間接的に加熱していると理解される。

かくして、特許文献１においては、乾燥機で水分が減少された廃棄物は、その後、燃焼炉にて焼却処理される。

特開２００７−２６５７２８

特許文献１の装置においては、乾燥機での下水汚泥の乾燥は水蒸気を用いた間接加熱でなされ、水蒸気は乾燥機で凝縮水とされた後、ボイラで加熱水蒸気とされている。したがって、水蒸気の凝縮潜熱を用いるが故に、その熱効率は良好とは言えない。

本発明は、かかる点に着目し、下水汚泥のガス化処理後に発生する排ガスの熱量を利用して水蒸気を加熱し、その水蒸気を乾燥装置で下水汚泥と直接接触させて乾燥せしめることにより、その熱効率を向上させた下水汚泥の乾燥ガス化装置を提供することを課題とする。

本発明に係る下水汚泥の乾燥ガス化装置は、下水汚泥の流通を許容する乾燥空間が形成されて該下水汚泥を該乾燥空間内の流通中に減水して乾燥汚泥として排出する乾燥装置と、該乾燥装置から乾燥汚泥を受けてこれを熱分解させてガス化させるガス化炉装置とを有する。

かかる下水汚泥の乾燥ガス化装置において、本発明は、ガス化炉装置からの可燃ガスを燃焼した排ガスを受けてこれと熱媒体としての水蒸気との熱交換により該水蒸気を加熱して過熱水蒸気とする熱交換器と、該過熱水蒸気を該熱交換器と乾燥装置との間で循環せしめる循環管路とを有し、乾燥装置は乾燥空間内で下水汚泥と水蒸気とが直接接触する直接乾燥装置を有し、上記循環管路が熱交換後過熱水蒸気を上記直接乾燥装置の乾燥空間へ放出するよう接続されており、下水汚泥と接触後の過熱水蒸気を再び熱交換器へ帰還せしめるようになってせしめるようになっており、さらに、乾燥装置は、直接乾燥装置に加え、間接乾燥装置をも有し、該間接乾燥装置は、循環管路から分岐管を経て熱交換後の高温な水蒸気の一部を受けて該水蒸気と外部からの上水とを熱交換して該上水から高温な上水水蒸気を生成する蒸発缶と接続されており、該上水水蒸気が該間接乾燥装置内の下水汚泥を間接的に加熱することを特徴としている。

このような構成の本発明によると、高温である燃焼ガスにより熱交換器で加熱されて生成された過熱水蒸気が循環管路を経て乾燥装置の乾燥空間へ放出されて該乾燥空間内の下水汚泥と直接接触してこれを加熱し、その顕熱で下水汚泥の水分を蒸発せしめ、該下水汚泥を減水させて乾燥汚泥とする。

下水汚泥と直接接した過熱水蒸気は下水汚泥に含まれた水分をも含むようになり降温するが、上記乾燥装置から排出されてブロワ等により熱交換器へ帰還して、上記排ガスとの熱交換により再び高温な過熱水蒸気となる。

一方、乾燥装置で高温水蒸気と直接接触して減水した下水汚泥は、乾燥汚泥となってガス化炉装置へ供給される。ガス化炉内では、乾燥汚泥が加熱され熱分解反応によって保有している自己の可燃分が、ガス化され固形分は炭素質灰として排出される。ガス化により得られた排ガスは十分な熱エネルギーを保有して熱交換器へ送られて、循環管路を流れる水蒸気を該熱交換器にて熱交換により加熱する。加熱された過熱水蒸気は、高温状態で上述のごとく再び乾燥装置へ送られる。

本発明において、ガス化炉装置と熱交換器との間に熱エネルギー回収装置が設けられていて、熱エネルギー回収装置がガス化炉装置からの可燃ガスを受けてその熱エネルギーを回収し、熱エネルギー回収後の排ガスが熱交換器で熱媒体としての水蒸気と熱交換を行なうようにすることができる。こうすることで、ガス化炉装置の排ガスに含まれている可燃ガスから熱エネルギー回収してその熱エネルギーを利用し、かつ、その熱エネルギー回収後の排ガスに、なお残存する熱エネルギーによって、熱交換器で水蒸気を加熱でき、熱エネルギーの有効利用が促進される。

本発明において、熱エネルギー回収装置は、ガス化可燃炉装置からの可燃ガスを受けて該可燃ガスにより駆動されるガスエンジン発電機とすることができ、その場合、発電後の排ガスが熱交換器へもたらされる。

本発明において、乾燥装置が、直接乾燥装置に加え、間接乾燥装置をも有しているので、直接乾燥装置と間接乾燥装置とが並列に設置されていて、互いに別個に下水汚泥を受けてこれを減水して乾燥汚泥とした後に、それぞれの乾燥汚泥を合流してガス化炉装置へ供給するように該ガス化炉装置に接続されているようにすることができる。

この方式は、処理されるべき下水汚泥が極度に高い含水率の場合に好適であり、下水汚泥の一部を間接乾燥装置で乾燥することとして直接乾燥装置の負担を軽減するという効果を得る。直接乾燥装置と間接乾燥装置は直列に設置されていてもよく、その場合、どちらが上流側にあっていもよい。その結果は、並列設置の場合と同様である。並列そして直列設置のいずれの場合でも、直接乾燥装置と間接乾燥装置の両者を用いるかどうかは、下水汚泥の含水率が７０％を超えるかどうかが目安となる。

本発明は、以上のように、下水汚泥を乾燥させて得られる乾燥汚泥を自燃させて、自燃により生ずる燃焼ガスの熱エネルギーで水蒸気を熱交換によって高温な過熱水蒸気とし、その高温な過熱水蒸気を乾燥装置内の下水汚泥と直接接触させて過熱水蒸気の顕熱で乾燥して上記乾燥汚泥を得ることとしたので、きわめて効率的に乾燥汚泥を得る。しかも、この高温な過熱水蒸気を生成するための熱交換器における熱源は、ガス化炉における乾燥汚泥の自燃により生ずる熱エネルギーを利用して得られ、装置全体としての熱効率がきわめて高くなる。そして、下水汚泥の乾燥そして乾燥汚泥の燃焼に、補助燃料を用いないので、排出二酸化炭素の量もきわめて低い。

本発明の第一実施形態装置の概要構成図である。本発明の第二実施形態装置の概要構成図である。本発明に適用可能な乾燥装置の軸線を含む面での縦断面図である。図３におけるIV−IV断面図である。図３装置の変形例で図４に相当する図である。

以下、添付図面にもとづき、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第一実施形態装置を示す概要構成図である。

図１において、本実施形態装置は、下水汚泥の処理の流れにしたがい、乾燥装置Ａ、ガス化炉装置Ｂ、精製設備Ｃ、熱エネルギー回収装置としてのガスエンジン発電機Ｄ、さらには熱交換器Ｅを下流に向け順次接続して配設されている。なお、図中、単一実線はガス（排ガス、空気等の気体）の流れ、白抜き実線は固形物（下水汚泥、乾燥汚泥等）の流れを示している。

乾燥装置Ａは、下水汚泥Ｐを一端側から受け入れる乾燥空間を有していて、他端側から乾燥汚泥Ｐ’（下水汚泥が上記乾燥空間で減水乾燥されたものを指す）を排出するようになっていると共に、他端側から後述の循環管路内の水蒸気を上記乾燥空間に受け入れ、下水汚泥との直接接触後に上記一端側から排気されるようになっている。すなわち、下水汚泥Ｐと水蒸気が向流状態で直接接触するように、乾燥装置Ａが直接乾燥装置として形成されている。この乾燥装置Ａは、乾燥空間を形成する筒体が回転することが、上記直接接触時の接触面積を大とする関係上、好ましいが、非回転であってもよい。この乾燥装置Ａとしては、サイズが小さくとも高熱効率で処理能力の大きい、横型回転式筒体の内部に傾斜板付きの仕切板を有する加熱装置が好ましい。この加熱装置の一例については、後述する。

上記乾燥装置Ａの下流側（他端側）に接続されているガス化炉装置Ｂは、乾燥汚泥Ｐ’の燃焼を、燃料なしで、該乾燥汚泥Ｐ’の含有する可燃分が燃焼する、いわゆる自燃式である。本実施形態では、ガス化炉装置Ｂは、自燃式であれば十分であり、その形式には限定されない。

上記ガス化炉装置Ｂでは、乾燥汚泥Ｐ’を加熱して可燃ガスを生じ固形物としては炭素質灰が残る。可燃ガスは、次段の精製設備Ｃに送られ、後の熱エネルギー回収装置としてのガスエンジン発電機Ｄでの使用に適するように精製される。精製設備Ｃの形式には限定はない。炭素質灰はガス化炉装置Ｂから排出され、精製設備Ｃではタールが除去され、それぞれ適宜処理される。

上記精製設備Ｃの下流側には、ブロワ１を経て熱エネルギー回収装置としてのガスエンジン発電機Ｄが接続されている。上記精製設備Ｃで精製された燃焼ガスは燃料として上記ガスエンジン発電機Ｄのエンジン部Ｄ１へ供給される。このエンジン部Ｄ１へは、他のブロワ２によって、燃焼用空気も供給される。上記精製後の燃焼ガスで運転されるエンジン部Ｄ１は発電機部Ｄ２を駆動して発電し、発電機部Ｄ２で電力３を得る。エンジン部Ｄ１からは駆動後の排ガスが排出される。上記ガスエンジン発電機Ｄは、そのエンジン部Ｄ１が熱交換器Ｅへエンジン排ガス４を供給するように接続されている。このエンジン排ガス４は該熱交換器Ｅで、後述の循環管内の水蒸気を加熱して過熱水蒸気とする熱交換後に、該熱交換器Ｅから排出される。

上記熱交換器Ｅは、上記エンジン排ガスと熱交換するように、水蒸気を流通させる循環管路５が貫通接続されている。該循環管路５は熱交換器Ｅと上記乾燥装置Ａとの間で循環閉回路を形成していおり、上記乾燥装置Ａの一端側にブロワ６が設けられており、該ブロワ６が管内の水蒸気を循環すべく圧送している。またこの循環管路５には、水蒸気の一部を分離して排出する分岐排管５Ａが設けられている。上記循環管路５は、上記乾燥装置Ａに対しては、該乾燥装置Ａの他端側で乾燥空間に対して開放して接続され、一端側で該乾燥空間内の水蒸気を抽出するように、該乾燥空間に連通して接続されている。したがって、熱交換器Ｅにて加熱された過熱水蒸気は、上記乾燥空間へ上記他端側から吹き込まれ該乾燥空間内の下水汚泥と直接に接触して下水汚泥を加熱して水蒸気を発生させることにより減水せしめ乾燥汚泥とする。下水汚泥から発生した水蒸気は、加熱に供した過熱水蒸気と共に上記一端側から抽出されてブロワ６により圧送されて熱交換器Ｅへ至り、ここで上述したエンジン部Ｄ１からのエンジン排ガス４との熱交換により再び加熱される。

かくして、本実施形態では、ガス化炉装置Ｂで下水汚泥Ｐが減水されて得られた乾燥汚泥Ｐ’の保有する可燃分の熱分解によって生じた可燃ガスで、ガスエンジン発電機Ｄを駆動して発電し、発電後でも排ガスに残存する熱エネルギーで水蒸気を加熱して過熱水蒸気とし、この過熱水蒸気を乾燥装置Ａの乾燥空間内の下水汚泥Ｐと直接接触させて該下水汚泥Ｐを乾燥汚泥Ｐ’とする。乾燥により生じた下水汚泥Ｐからの水蒸気は上記過熱と共に熱交換器Ｅで再び加熱され、上記下水汚泥Ｐの乾燥に供することとなる。このようにして、本実施形態では、下水汚泥Ｐが保有する可燃分を利用して、外部からの燃料を用いることなく、熱エネルギー回収した後においても残存する熱エネルギーで、乾燥汚泥Ｐ’を得られる。

本実施形態では、例えば、含水率が７５％以下の下水汚泥Ｐの場合、下水汚泥Ｐは乾燥装置Ａで２００〜４００℃の過熱水蒸気と直接接触して乾燥汚泥となり、水蒸気を発して１１０〜１５０℃の過熱水蒸気が上記乾燥装置Ａから循環管路５へ抽出されて、熱交換器Ｅへ至るようになる。上記乾燥汚泥Ｐ’はガス化炉装置Ｂで６００〜１０００℃でガス化され、生成ガスはガスエンジン発電機Ｄを駆動後４００〜５００℃の排ガスとなって、上記熱交換器Ｅで循環管路５中の過熱水蒸気を再び２００〜４００℃にまで昇温させる。

本実施形態では、ガス化炉装置Ｂで生じた燃焼ガスを精製後に熱エネルギー回収装置としてのガスエンジン発電機Ｄで発電を行い、その後に、なお残る排ガス中の熱エネルギーで熱交換器Ｅでの熱交換を行うようにしたが、熱エネルギー回収装置を介せずに、ガス化炉装置Ｂから直接熱交換器Ｅへ燃焼ガスを送るようにしてもよい。

図２には、本発明の第二実施形態が示されている。

図１の第一実施形態では乾燥装置Ａは、直接乾燥装置として形成されていたが、この第二実施形態では、直接乾燥装置Ａ１に加え、間接乾燥装置Ａ２をも備えて構成されている点に、特徴がある。図２において、図１の第一実施形態と同一部位については同一符号を付すことにより、その重複した説明は省略することとする。

本実施形態では、乾燥装置Ａは並設された直接乾燥装置Ａ１と間接乾燥装置Ａ２とを有している。直接乾燥装置Ａ１は、第一実施形態における乾燥装置Ａと全く同じ構成である。

図２において、循環管路５は、第一実施形態と同様に、分岐排管５Ａが設けられていて、直接乾燥装置Ａ１から出た過熱水蒸気のうち、乾燥によって発生した水蒸気とほぼ等量の水蒸気を上記分岐排管５Ａで抽出するようになっている。

上記分岐排管５Ａは蒸気缶７に接続されている。蒸気缶７は、公知の形成のものでよく、その内部空間が伝熱部材７Ａにより加熱空間７Ｂと被熱空間７Ｃとに区分されており、上記分岐排管５Ａが加熱空間７Ｂに接続されていて上記水蒸気を該加熱空間７Ｂに放出し、伝熱部材７Ａを介した被熱空間７Ｃを熱交換により加熱するようになっている。上記水蒸気は、ガス体をも若干含んでおり、上記熱交換による降温後に生ずる水分がドレーン排水管８Ａから排水され、その後のガス分が臭気ガスとして排気管８Ｂから排気される。上記蒸気缶７の被熱空間７Ｃには上水の給水管９Ａが接続されており、上水が上記被熱空間７Ｃで加熱空間７Ｂからの熱エネルギーを伝熱部材７Ａを介して受け、加熱されて水蒸気となって水蒸気導管９Ｂを経て導出される。該水蒸気導管９Ｂは、圧縮機１０を経て上記間接乾燥装置Ａ２に接続されている。

上記間接乾燥装置Ａ２は、加熱されるべき下水汚泥が流通する被熱空間と上記水蒸気導管９Ｂからの水蒸気が流通する加熱空間とに区分されており、上記両空間が伝熱隔壁で区分された二重構造となっている。例えば、図２では、内筒と外筒に区分され、内筒内が被熱空間をそして外筒が加熱空間となっていて、内筒内へ下水汚泥Ｐが投入され、外筒内に上記水蒸気導管９Ｂから水蒸気が供給される。内筒内の下水汚泥と熱交換して生成される水分はドレーン管１１から排水される。

かかる本実施形態では、過熱水蒸気を循環せしめる循環管路５の分岐排管５Ａからの少量のガス分は、排出後に焼却される。発生した水蒸気は圧縮機１０により断熱圧縮されて昇温し上記乾燥装置Ａの間接乾燥装置Ａ２の外筒に送られる。内筒内に投入された下水汚泥Ｐは、外筒内の水蒸気から間接加熱され、減水して乾燥汚泥Ｐ’として排出される。この間接乾燥装置Ａ２から排出される乾燥汚泥Ｐ’は、直接乾燥装置Ａ１から排出される乾燥汚泥と合流して上記ガス化炉装置Ｂへ送り込まれ、以下、第一実施形態と同様の要領でガス化され、その可燃分で熱エネルギー回収装置としてのガスエンジン発電機Ｄを駆動し発電する。

本実施形態は、下水汚泥の含水率が７５％以上の高い含水率の下水汚泥の場合に好適である。この場合、目安として乾燥装置Ａへ投入される下水汚泥の６０％の量を直接乾燥装置Ａ１へそして残りの４０％の量を間接乾燥装置Ａ２へ供給する。本実施形態では、循環管路５が接続されている直接乾燥装置Ａ１と、水蒸気導管９Ｂが接続されている間接乾燥装置Ａ２とを、並列配置したが、直列配置としても良い。直列配置した場合には、全量の下水汚泥が間接乾燥装置へ供給されて減水後、次に間接乾燥装置へ送られる。

次に、第一実施形態での（直接）乾燥装置Ａそして第二実施形態での直接乾燥装置Ａ１として好適な横型回転加熱装置について、図３、図４にもとづき説明する。

図３にて、この横型回転加熱装置２０は、横型の円筒形の筒本体２１が、その軸線２２まわりに、回転自在に軸受２３Ａ，２３Ｂで支持されており、図示しない駆動装置で上記軸線２２まわりに、ゆっくりと、例えば１〜１０ｒｐｍで回転駆動されている。

上記筒本体２１は、上記軸線２２方向の一端側そして他端側に開口２１Ａ，２１Ｂがそれぞれ形成されており、一端側開口２２Ａには下水汚泥供給管２３が突入配置されており、他端側開口２２Ｂには循環管路５の中途開放された放出端部２４が突入している。さらに、上記筒本体２１の一端側そして他端側を回転シールを介して覆う静止せる排気管２５と排出管２６とが設けられている。排気管２５は上記循環管路５の放出端部２４から放出された過熱水蒸気が上記筒本体２１内を左方へ移動した後、この過熱水蒸気を集気して排気するようになっていて、循環管路５の一部を形成している。排出管２６は上記筒本体２１内で過熱水蒸気と直接接触してガス化された乾燥汚泥の炭素質灰を落下排出する。

図３に示された乾燥装置としての横型回転加熱装置は下水汚泥と過熱水蒸気の流れが互いに反対向きとなる向流の場合であるが、必ずしもこれに限定されず、下水汚泥と過熱水蒸気の流れが同じ方向をなす、すなわち並流の形式であってもよい。

回転する上記筒本体２１の内部空間は、図３そして図４に見られるように、軸線２２を通り直径方向と軸線方向に延びる一つの仕切板２７により二つの空間に区分されている。該仕切板２７は、軸線方向両端にまでは及んでおらず、この軸線方向両端の領域で上記二つの区分空間に互いに連通している。上記仕切板２７の両表面には、この面に垂直で上記軸線２２に対して傾斜する傾斜板２８が軸線方向の複数位置に羽根状をなして設けられている。この傾斜板２８は、例えば、図３にて仕切板２７の紙面に対して手前側の板面と反対側となる板面とが、互いに同一回転位置にきたときに、傾斜が同じ向きとなるように設けられている。かかる仕切板２７は筒本体２１と共に一方向に回転するので、仕切板２７の板面が一方の側、例えば、図３にて紙面に対して手前側に向いているときにこの板面で下水汚泥を掻き上げ、反対側に向くときに下水汚泥は上記傾斜板２８に沿って滑落する。仕切板２７の両板面での傾斜板２８が互いに同じ向きの傾斜となっているので、下水汚泥は、上記紙面に対して手前側にきたときに、仕切板２７のそれぞれの板面上では傾斜板２８に沿って滑落すると共に、軸線方向で他端側（右端側）に進み、他方の板面上では一端側（左端側）に進む。仕切板２７で仕切られた二つの区分空間は軸線方向両端で連通しているので、上記下水汚泥はこの連通領域を通って、二つの区分を循環する。かくして、下水汚泥は、筒本体２１内での滞留時間が長くなり、しかも、仕切板２７により掻き上げられるので、筒本体２１中を他端側から一端側へ流れる過熱水蒸気と十分な面積をもって直接接触する。その結果、筒本体２１内の下水汚泥の充填率も高くすることができ、１０〜３０％の充填率とすることができる。

図４の例では、筒本体２１では、仕切板を一枚として筒本体内を二つの空間に区分したが、仕切板２７は、図５のように二枚を十字に交差するように配して筒本体２１内を四つの空間に区分してもよい。この場合、各仕切板には、図５のように傾斜板は各空間に位置するように設けられる。

５循環管路
Ａ乾燥装置
Ａ１直接乾燥装置
Ａ２間接乾燥装置
Ｂガス化炉装置
Ｄ熱エネルギー回収装置（ガスエンジン発電機）
Ｅ熱交換器

Claims

下水汚泥の流通を許容する乾燥空間が形成されて該下水汚泥を該乾燥空間内の流通中に減水して乾燥汚泥として排出する乾燥装置と、該乾燥装置から乾燥汚泥を受けてこれを自燃させてガス化させるガス化炉装置とを有する下水汚泥の乾燥ガス化装置において、ガス化炉装置からの可燃ガスを燃焼した排ガスを受けてこれと熱媒体としての水蒸気との熱交換により該水蒸気を加熱して過熱水蒸気とする熱交換器と、該過熱水蒸気を該熱交換器と乾燥装置との間で循環せしめる循環管路とを有し、乾燥装置は乾燥空間内で下水汚泥と水蒸気とが直接接触する直接乾燥装置を有し、上記循環管路が熱交換後の過熱水蒸気を上記直接乾燥装置の乾燥空間へ放出するよう接続されており、下水汚泥と接触後の過熱水蒸気を再び熱交換器へ帰還せしめるようになっており、さらに、乾燥装置は、直接乾燥装置に加え、間接乾燥装置をも有し、該間接乾燥装置は、循環管路から分岐管を経て熱交換後の高温な水蒸気の一部を受けて該水蒸気と外部からの上水とを熱交換して該上水から高温な上水水蒸気を生成する蒸発缶と接続されており、該上水水蒸気が該間接乾燥装置内の下水汚泥を間接的に加熱することを特徴とする下水汚泥の乾燥ガス化装置。
ガス化炉装置と熱交換器との間に熱エネルギー回収装置が設けられていて、熱エネルギー回収装置がガス化炉装置からの可燃ガスを受けてその熱エネルギーを回収し、熱エネルギー回収後の排ガスが熱交換器で熱媒体としての水蒸気と熱交換を行なうこととする請求項１に記載の下水汚泥の乾燥ガス化装置。
熱エネルギー回収装置は、ガス化炉装置からの可燃ガスを受けて該可燃ガスにより駆動されるガスエンジン発電機であり、発電後の排ガスが熱交換器へもたらされることとする請求項２に記載の下水汚泥の乾燥ガス化装置。
乾燥装置は、直接乾燥装置と間接乾燥装置とが並列に設置されていて、互いに別個に下水汚泥を受けてこれを減水して乾燥汚泥とした後に、それぞれの乾燥汚泥を合流してガス化炉装置へ供給するように該ガス化炉装置に接続されていることとする請求項１に記載の下水汚泥の乾燥ガス化装置。