JP5969348B2 - 汚泥焼却システムおよび乾燥排ガスの加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、スクラバーおよび熱交換器を備えた汚泥焼却システムおよび乾燥排ガスの加熱方法に関する。

下水処理場などから発生する汚泥などを焼却する汚泥焼却炉は、ＣＯ_２やＮ_２Ｏなどの温室効果ガスの排出源となっていることから、温室効果ガスの低減によって環境負荷を低減することが要望されている。特に、Ｎ_２Ｏは、ＣＯ_２の３１０倍の温室効果があるとされ、その削減が強く要望されている。一方、汚泥焼却炉の省エネルギー化を図る必要もあり、補助燃料の使用量を低減することも要望されている。

特許文献１には、流動焼却炉に投入する脱水ケーキと乾燥ケーキの投入量の配分を制御することにより、汚泥のみで自己燃焼状態が維持可能な燃焼制御を行うものが記載されている。

また、特許文献２には、廃棄物の焼却炉から発生する燃焼廃ガスに対して、空気予熱器の熱交換による熱回収を行った後、白煙防止器においてこの燃焼廃ガスを使用して空気を加熱し、得られた加熱空気の一部を燃焼廃ガスの排出口での白煙防止のために混合する構成が記載されている。

特開平６−３００２３８号公報 特開２００７−２６５７２８号公報

ところで、上述したように、汚泥焼却炉では、温室効果ガスの低減と補助燃料使用量の低減とを両立する必要がある。特に、排ガス中のＮ_２Ｏの削減のために汚泥焼却炉の焼却温度を約８５０℃に高温化させる傾向があり、汚泥焼却炉全体のエネルギー効率が低下する問題があった。

一方、特許文献１に記載のように、汚泥焼却炉において燃焼される汚泥ケーキを、補助燃料を使用せずに自燃できる含水率まで乾燥させる前処理を行う方法が提案されている。この方法によると、汚泥焼却炉のエネルギー効率は向上するが、この前処理は乾燥機によって行われるので、乾燥機を運転させるエネルギーが必要になり、乾燥機を含めた汚泥焼却システム全体のエネルギー効率は向上しない。

ここで、乾燥機を含めた汚泥焼却システム全体のエネルギー効率の向上のために、特許文献２に記載のように、加熱空気の一部を利用して特許文献１に記載された乾燥機を運転する方法も考えられる。しかし、加熱空気を利用した乾燥機は、加熱空気の熱エネルギーの変動に対応して安定した所望の含水率の乾燥汚泥ケーキを得ることが難しい。安定した所望の含水率の乾燥汚泥ケーキが生成されないと、精度の高い自燃含水率の汚泥ケーキが得られない。結果として補助燃料使用量が増加して汚泥焼却炉全体のエネルギー効率が低下する。

そこで本発明者は、図３に示すような汚泥焼却システムを案出した。図３に示す汚泥焼却システムは、汚泥焼却装置１、乾燥装置２、および混合投入装置３を有する。

汚泥焼却装置１では、焼却炉１１によって自燃含水率の汚泥ケーキを焼却する。焼却炉１１からの高温の排ガスは、流動空気熱交換器１２に供給されて降温された後、乾燥用熱交換器１３に供給される。流動空気は、流動空気熱交換器１２によって昇温されて燃焼用の空気として焼却炉１１に戻される。白煙防止空気熱交換器１５は、白煙防止空気ファン１６により外部から供給される常温空気、および常温空気と熱交換された排ガスを排ガス処理部１７に供給する。排ガス処理部１７は、排ガスを、排ガス中のダスト、不要なガス（ＳＯ_ｘ、ＨＣｌ等）、および水分を除去するとともに白煙防止処理して外部に排出する。

また、汚泥焼却装置１および乾燥装置２において、制御部Ｃにより制御される、乾燥用熱交換器１３、乾燥機２２、および循環ブロワ２３が順次接続された循環路が形成されている。循環路内の循環ガスは、循環ブロワ２３で循環させる。乾燥用熱交換器１３は、この循環路との間で熱交換を行い、供給された排ガスの熱エネルギーによって循環ブロワ２３からの循環ガスＡ２を昇温させ、循環ガスＡ２より高温の循環ガスＡ１とする。

乾燥機２２は、循環ガスＡ１により、含水率が７８〜８２％の脱水汚泥ケーキＣ２を乾燥させて含水率が３０％以下の乾燥汚泥ケーキＣ３を生成する。乾燥機２２に供給された循環ガスＡ１は乾燥によって降温され、より低温の循環ガスＡ２となって循環ブロワ２３に供給される。また、乾燥機２２内には、外部から常温の不飽和空気Ｅ１が供給され、飽和状態に近い循環ガスＡ２の一部は、循環ブロワ２３の下流側でスクラバー２４によって除湿された後、乾燥排ガスファン３１により配管（ダクト）を通じて焼却炉１１に供給される。

また、混合投入装置３は、含水率が７８〜８２％の脱水汚泥ケーキＣ１と乾燥機２２によって乾燥された含水率が３０％以下の乾燥汚泥ケーキＣ３とを混合して、自燃含水率の混合汚泥ケーキＣ４を生成し、焼却炉１１に供給する。

ところで、以上のように構成された本発明者が案出した汚泥焼却システムにおいて、スクラバー２４からの乾燥排ガスを焼却炉１１に供給する配管において、しばしば閉塞が生じることが確認された。この閉塞の発生原因は、スクラバー２４といった所定の物質を除去する除去手段からの乾燥排ガスに含まれるタールの固液化であることが知られている。このタールが、除去手段の出口において低温になった配管の内壁に付着して固液化し、配管などの、乾燥排ガスの供給手段の閉塞原因になる。

そこで、本発明者は、スクラバー２４からの乾燥排ガスを焼却炉１１に供給する配管を複数設置する構成を採用した。この構成においては、作業者が配管を相互に切り換え、閉塞が生じつつある配管において閉塞原因となる異物を除去する。ところが、このような構成では作業者の手間を要するのみならず、スクラバー２４からの乾燥排ガスを焼却炉１１に供給する配管を複数設置する必要があり、省スペース化も妨げられていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、除去手段から他の設備に乾燥排ガスを供給するための供給手段にタールが固液化し付着して乾燥排ガスの供給が停滞するのを抑制できる汚泥焼却システムおよび乾燥排ガスの加熱方法を提供することにある。

上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る汚泥焼却システムは、汚泥の乾燥によって生じるガスから所定の物質を除去する除去手段と、除去手段から排出される乾燥排ガスを他の設備に供給する供給手段と、供給手段内の乾燥排ガスを、乾燥排ガスに含まれるタールの沸点以上の温度に加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る汚泥焼却システムは、上記の発明において、他の設備が汚泥を焼却する焼却手段であり、供給手段が、除去手段から排出される乾燥排ガスを焼却手段に供給する配管であることを特徴とする。この構成において、加熱手段は、焼却手段からの廃熱を回収可能に構成された熱回収手段であることを特徴とする。

本発明に係る乾燥排ガスの加熱方法は、汚泥を乾燥する汚泥乾燥ステップと、汚泥乾燥ステップにおいて生じたガスから所定の物質を除去する除去ステップと、除去ステップを行う除去手段から排出された乾燥排ガスを他の設備に供給する際に、乾燥排ガスを、乾燥排ガスに含まれるタールの沸点以上の温度に加熱する加熱ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る汚泥焼却システムおよび乾燥排ガスの加熱方法によれば、除去手段から他の設備に乾燥排ガスを供給する際の供給手段にタールが固液化し付着して乾燥排ガスの供給が停滞するのを抑制することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による汚泥焼却システムの構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第２の実施形態による汚泥焼却システムの構成を示すブロック図である。 図３は、本発明者が案出した汚泥焼却システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。

まず、本発明者が行った鋭意検討について、その概要を説明する。本発明者は、上述した図３に示す汚泥焼却システムにおいて、スクラバー２４の排出側で濾材を用いて異物であるタールを回収し、このタールを除去する方法についてさらに実験および検討を行った。そして、本発明者は、このタールを示差熱分析法（ＤＴＡ）によって３５０℃以上の４００℃程度で改めて加熱したところ、タールが気化して濾材から除去されたことを確認した。本発明者は、この実験および検討に基づいて、スクラバー２４から焼却炉１１に乾燥排ガスを供給する配管の閉塞を防止するには、この配管内を通過する乾燥排ガスの温度をタールが気化する温度以上、すなわちタールの沸点以上にして蒸発させて昇華状態にすることが望ましいことを想起した。

そこで、本発明者は、スクラバー２４からの乾燥排ガスを焼却炉１１に供給する配管を加熱するための加熱手段を設けることを検討した。ところが、汚泥焼却システムに新たに加熱手段を設けると、加熱を行うための燃料がさらに必要になって汚泥焼却システム全体のエネルギー効率が下がってしまう。そこで、本発明者は、汚泥焼却システム全体のエネルギーを有効利用する方法について検討し、焼却炉１１で生じている熱に着目した。すなわち、本発明者は、流動空気熱交換器１２において焼却炉１１で生じている熱エネルギーを、スクラバー２４から焼却炉１１に乾燥排ガスを供給する配管の加熱に用いることを想起するに至った。本実施形態は、以上の鋭意検討に基づいて案出されたものである。

（第１の実施形態）
次に、以上の検討に基づいた第１の実施形態による汚泥焼却システムについて説明する。図１は、この汚泥焼却システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、第１の実施形態による汚泥焼却システムは、汚泥焼却装置１、乾燥装置２、および混合投入装置３を有する。乾燥装置２および混合投入装置３は、補助燃料を使用することなく焼却炉で自燃可能な自燃含水率の汚泥ケーキを生成する乾燥処理装置として機能する。

汚泥焼却装置１においては、供給された自燃含水率の汚泥ケーキを、補助燃料を用いることなく焼却炉１１で焼却する。焼却手段としての焼却炉１１は、例えば流動焼却炉や循環焼却炉などの各種の焼却炉から構成される。焼却炉１１からの排ガスは、温室効果ガスを低減するために約８５０℃の高温ガスとして流動空気熱交換器１２に供給される。

熱回収手段としての流動空気熱交換器１２には流動空気が供給される。流動空気熱交換器１２は、供給される流動空気と焼却炉１１から供給された高温の排ガスとの間で熱交換を行い、流動空気を昇温させる。この流動空気は焼却炉１１に戻される。流動空気熱交換器１２を経由した排ガスは、例えば５２０〜５５０℃の温度まで低下して乾燥用熱交換器１３に供給される。乾燥用熱交換器１３により熱交換されてさらに降温した排ガスは、白煙防止空気熱交換器１５に供給される。

白煙防止空気熱交換器１５は、白煙防止空気ファン１６によって供給される外部の常温空気と熱交換して、この空気を約３５０〜３５０℃のガスとして白煙防止を行う排ガス処理部１７に供給する。また、白煙防止空気熱交換器１５により熱交換されて約３００℃の温度まで低下した排ガスも、排ガス処理部１７に供給される。排ガス処理部１７は、この排ガスに対して、排ガス中のダスト、不要なガス（ＳＯ_ｘ、ＨＣｌ等）、および水分を除去するとともに、白煙防止空気熱交換器１５から供給された約３５０℃の低温ガスを用いて白煙防止処理を行う。その後、排ガス処理部１７は、この白煙防止処理が施された排ガスを外部に排出する。

また、汚泥焼却装置１および乾燥装置２において、制御部Ｃにより制御される、乾燥用熱交換器１３、乾燥機２２、および循環ブロワ２３が順次接続された循環路が形成される。これによって、乾燥装置２は、乾燥用熱交換器１３から得られた熱エネルギーを用いて、脱水汚泥ケーキを所望の含水率まで乾燥可能に構成される。

循環ブロワ２３は、循環路内で循環ガスを循環させる。乾燥用熱交換器１３は、この循環ガスと流動空気熱交換器１２から供給されたガスとの間で熱交換を行い、供給された排ガスの熱エネルギーによって循環ブロワ２３からの循環ガスＡ２を昇温させ、循環ガスＡ２より高温の循環ガスＡ１とする。乾燥機２２は、循環ガスＡ１を用いて含水率が７８〜８２％の脱水汚泥ケーキＣ２を乾燥させて、含水率が３０％以下の乾燥汚泥ケーキＣ３を生成する。循環ガスＡ１は、１８０〜２００℃の循環ガスＡ１より低温の循環ガスＡ２となって循環ブロワ２３側に供給される。

また、乾燥装置２には、除去手段としてのスクラバー２４が設けられている。このスクラバー２４は、循環路を循環する循環ガスＡ２から所定の比率で分岐されたガスに対して、所定の物質を除去する除去処理、具体的には例えば水分を除去する除湿処理などを行う。スクラバー２４が排出した排ガスとしての乾燥排ガスは、乾燥排ガスファン３１によって排気され、配管（ダクト）を通じて焼却炉１１に供給される。

ここで、この第１の実施形態においては、乾燥排ガスファン３１から焼却炉１１に至る排ガスの供給手段としての配管を二重管３２から構成する。二重管３２は、相互に伝熱可能に構成された内管３２ａと外管３２ｂとを有する。内管３２ａは、その内部に乾燥排ガスを通過可能に構成されているとともに、外管３２ｂは、その内部に流動空気熱交換器１２によって加熱された比較的高温の流動空気を通過可能に構成されている。これにより、外管３２ｂ内の流動空気から内管３２ａ内の乾燥排ガスに熱が移動して、内管３２ａ内の乾燥排ガスが間接加熱される。そして、内管３２ａ内の乾燥排ガスの温度を、乾燥排ガスに含まれるタールの沸点以上、具体的には例えば３５０℃以上、好適には４００℃以上とする。また、二重管３２の内管３２ａ内における乾燥排ガスの加熱を効率良く行い、タールの固液化および内壁への付着を可能な限り防止するために、スクラバー２４および乾燥排ガスファン３１から焼却炉１１に至る配管の長さ、すなわち二重管３２の長さは、設計上可能な限り短くするのが好ましい。

また、以上のように構成された汚泥焼却システムに供給される脱水汚泥ケーキＣ０は、含水率が７８〜８２％である。脱水汚泥ケーキＣ０のうちの約８割は、脱水汚泥ケーキＣ１として混合投入装置３に供給される。一方、残りの約２割の脱水汚泥ケーキＣ２は乾燥装置２に供給され、制御部Ｃによって含水率が３０％以下の所望の含水率となるように制御されて乾燥汚泥ケーキＣ３として乾燥される。この乾燥汚泥ケーキＣ３は、乾燥装置２から混合投入装置３に供給される。

混合投入装置３は、含水率が７８〜８２％の脱水汚泥ケーキＣ１と乾燥機２２によって乾燥された含水率が３０％以下の乾燥汚泥ケーキＣ３とを混合して、自燃含水率の混合汚泥ケーキＣ４を生成する。混合投入装置３は、生成した混合汚泥ケーキＣ４を焼却炉１１に供給する。これにより、焼却炉１１は、補助燃料を用いずに混合汚泥ケーキＣ４を燃焼できるので、汚泥焼却システムのエネルギー効率を向上できる。

また、乾燥機２２内には、外部から常温の不飽和空気Ｅ１が供給される。これとともに、飽和状態に近い循環ガスＡ２の一部が、循環ブロワ２３の下流側でスクラバー２４によって除湿される。このような不飽和空気Ｅ１の流入によって循環ガスＡ１，Ａ２の飽和状態が緩和され、脱水汚泥ケーキＣ２が乾燥される。

スクラバー２４から排出された飽和状態に近い循環ガスＡ２の一部は、乾燥排ガスファン３１によって乾燥排ガスとして排出される。乾燥排ガスファン３１が排出した乾燥排ガスは、二重管３２を通じて焼却炉１１に供給される。このとき、二重管３２の内管３２ａには例えば４０℃程度の温度の乾燥排ガスが通過するとともに、外管３２ｂには、流動空気熱交換器１２によって例えば５５０〜６００℃程度の温度まで加熱された流動空気が通過する。これにより、外管３２ｂ内の加熱された流動空気から内管３２ａ内の乾燥排ガスに熱が移動する。

ここで、流動空気熱交換器１２において加熱される流動空気の流量および温度を制御することによって、内管３２ａ内の乾燥排ガスを、乾燥排ガス中に含まれるタールの沸点以上、具体的には例えば３５０℃以上、好適には４００℃以上の温度まで加熱する。すなわち、流動空気熱交換器１２が二重管３２内の乾燥排ガスに対する加熱手段となる。そして、内管３２ａを通過した乾燥排ガスと外管３２ｂを通過した流動空気とが焼却炉１１に供給されて、有効に再利用される。

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、乾燥排ガスファン３１から焼却炉１１に乾燥排ガスを供給する配管を二重管３２とし、内管３２ａ内に乾燥排ガスを通過させるとともに、外管３２ｂ内に比較的高温の流動空気を通過させ、流動空気から乾燥排ガスに熱を移動させて、内管３２ａ内の乾燥排ガスの温度を含有しているタールの沸点以上になるように制御していることにより、二重管３２内においてタールが固液化し内壁に堆積したり付着したりするのを抑制して、二重管３２が閉塞するのを抑制できる。これにより、乾燥排ガスをスクラバー２４から焼却炉１１に供給するための配管の洗浄などに要する作業者の手間を低減できるとともに、この配管を複数設置する必要がなくなるため、汚泥焼却システムの省スペース化を実現できる。また、二重管３２内の乾燥排ガスの加熱に、焼却炉１１における焼却熱から廃熱されていた余剰な熱量を利用しているため、乾燥排ガスを加熱するために補助燃料などをさらに追加する必要がないので、汚泥焼却システム内で生じている熱をより一層有効利用することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による汚泥焼却システムについて説明する。図２は、この汚泥焼却システムの構成を示すブロック図である。

図２に示すように、この第２の実施形態による汚泥焼却システムにおいては、第１の実施形態と異なり、流動空気熱交換器１２により加熱された流動空気の一部を、スクラバー２４から焼却炉１１に乾燥排ガスを供給する配管３３に直接供給可能に構成されている。その他の構成については第１の実施形態と同様なので、説明を省略する。

この汚泥焼却システムにおいては、スクラバー２４から排出された４０℃程度の比較的低温の乾燥排ガスを、乾燥排ガスファン３１により配管３３を通じて焼却炉１１に供給する際に、流動空気熱交換器１２により５５０〜６００℃程度の温度まで加熱された流動空気の一部を配管３３内に供給する。これにより、配管３３内において、低温の乾燥排ガスが、加熱された流動空気により直接加熱される。流動空気と乾燥排ガスとの混合ガスは、そのエントロピーが増加することによって流動空気の流入温度以下で乾燥排ガスの流入温度以上の温度になる。そこで、流動空気熱交換器１２によって加熱する流動空気の温度や、配管３３に供給する流動空気の量を調整して、混合ガスの温度を含有しているタールの沸点以上の温度にする。このタールの沸点以上の温度は、具体的には例えば３５０℃以上、好適には４００℃以上の温度である。これにより、スクラバー２４から排出される乾燥排ガスは、含有しているタールが固液化することなく、流動空気との混合ガスとなって焼却炉１１に供給される。

以上説明した第２の実施形態によれば、スクラバー２４から排出される乾燥排ガスに、流動空気熱交換器１２によって加熱された流動空気の一部を添加して、乾燥排ガスを、その温度が含有しているタールの沸点以上になるように加熱していることにより、配管３３内において乾燥排ガスに含まれるタールの固液化を防止できるので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

例えば、上述した実施形態においては、スクラバー２４から排出された乾燥排ガスを、乾燥排ガスファン３１によって、または直接、焼却炉１１に供給しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。具体的には、タールが気体状で含有されている乾燥排ガスを焼却炉以外の他の設備に供給する場合にも、本発明を適用することが可能である。

また、上述の実施形態においては、流動空気熱交換器１２を加熱手段とし、流動空気熱交換器１２によって加熱された流動空気によって、二重管３２内や配管３３内の乾燥排ガスを加熱しているが、必ずしもこの構成に限定されるものではない。具体的には、焼却炉１１において生じる熱を直接利用したり、乾燥用熱交換器１３や白煙防止空気熱交換器１５を利用したりすることによって、二重管３２内や配管３３内の乾燥排ガスを加熱しても良い。この場合には、焼却炉１１、乾燥用熱交換器１３、または白煙防止空気熱交換器１５が乾燥排ガスの加熱手段となる。また、焼却炉１１、流動空気熱交換器１２、乾燥用熱交換器１３、および白煙防止空気熱交換器１５以外にも、汚泥焼却システムにおいて熱エネルギーが余剰になっている設備を加熱手段として採用することも可能である。

さらに、上述の実施形態において、乾燥機２２は、脱水汚泥ケーキを乾燥可能な乾燥機であれば、種々の乾燥機を採用することが可能である。

１ 汚泥焼却装置
２ 乾燥装置
３ 混合投入装置
１１ 焼却炉
１２ 流動空気熱交換器
１３ 乾燥用熱交換器
１５ 白煙防止空気熱交換器
１６ 白煙防止空気ファン
１７ 排ガス処理部
２２ 乾燥機
２３ 循環ブロワ
２４ スクラバー
３１ 乾燥排ガスファン
３２ 二重管
３２ａ 内管
３２ｂ 外管
３３ 配管
Ａ１，Ａ２ 循環ガス
Ｃ 制御部
Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２ 脱水汚泥ケーキ
Ｃ３ 乾燥汚泥ケーキ
Ｃ４ 混合汚泥ケーキ
Ｅ１ 不飽和空気

Claims (3)

1. 循環路を通じて循環する循環ガスを用いて汚泥を乾燥させる乾燥機と、
   前記乾燥機が乾燥した汚泥を焼却し、焼却排ガスを生成する焼却手段と、
   前記焼却排ガスと流動空気とを熱交換して、流動空気を加熱する熱回収手段と、
   前記流動空気と熱交換した後の前記焼却排ガスと前記循環ガスとを熱交換して、前記循環ガスを加熱する熱交換器と、
   汚泥を乾燥させた後の前記循環ガスから所定の比率で分岐されたガスから、所定の物質を除去する除去手段と、
   前記除去手段から排出される乾燥排ガスを他の設備に供給する供給手段と、
   を有し、
   前記熱回収手段は、加熱した前記流動空気を用いて、前記供給手段内の前記乾燥排ガスを、前記乾燥排ガスに含まれるタールの沸点以上の温度に加熱するものである、
   汚泥焼却システム。
2. 前記他の設備が前記焼却手段であり、前記供給手段が、前記除去手段から排出される乾燥排ガスを前記焼却手段に供給する配管であることを特徴とする請求項１に記載の汚泥焼却システム。
3. 循環路を通じて循環する循環ガスを用いて汚泥を乾燥する汚泥乾燥ステップと、
   乾燥した前記汚泥を焼却し、焼却排ガスを生成する焼却ステップと、
   前記焼却排ガスと流動空気とを熱交換して、前記流動空気を加熱する熱回収ステップと、
   前記流動空気と熱交換した後の前記焼却排ガスと前記循環ガスとを熱交換して、前記循環ガスを加熱する熱交換ステップと、
   汚泥を乾燥させた後の前記循環ガスから所定の比率で分岐されたガスから、所定の物質を除去する除去ステップと、
   前記除去ステップを行う除去手段から排出された乾燥排ガスを他の設備に供給する際に、前記熱回収ステップで加熱された前記流動空気を用いて、前記乾燥排ガスを、前記乾燥排ガスに含まれるタールの沸点以上の温度に加熱する加熱ステップと、
   を含むことを特徴とする乾燥排ガスの加熱方法。

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