JP6472042B2 - 被処理物処理装置及び処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素を含有する被処理物、たとえば下水汚泥や、牛糞、鶏糞、酒かす、珈琲かすなどの有機性廃棄物、廃木材や竹材などの木質系バイオマス、および石炭を加熱処理することを含む被処理物処理装置及び処理方法に関する。

炭素を含有する被処理物、たとえば下水汚泥を焼却するのではなく、炭化処理や乾燥処理をして炭化物、または乾燥物（以下、加熱処理物という）を製造し、その加熱処理物を燃料として用いることが実用化されている。

加熱処理物は、自己発熱性を有するので、燃焼設備に送る前には、加熱処理物を冷却したり、酸化処理して自己発熱性を抑制したうえで、貯蔵することが必要である。

このための手段として、特許文献１では、炭化物を水冷コンベヤにより冷却した後、不活性ガスにより気流搬送し、その後加湿機により加湿し、ホッパに貯留することが知られている。

特許第５１２８１５７号公報

しかし、特許文献１のものでは、自己発熱性に鑑み、不活性ガスにより長距離（たとえば２０〜３０ｍ）気流搬送する必要があるが、不活性ガスの使用によりコスト高となるとともに、仮に空気の漏れ込みがあると、炭化物の自己発熱を招くので、搬送気体中の酸素濃度を監視し、酸素濃度を制御する制御手段が必要となり、設備が複雑化する難点が予想される。

そこで、本発明の主たる課題は、設備コストが低廉でありながら、加熱された被処理物の自己発熱性を適確に抑制し得る処理システムを構築することにある。

＜請求項１記載の発明＞
炭素を含有する被処理物を加熱処理する加熱手段と、
前記加熱手段から排出された加熱処理物が直接的に導入されるように接続され、かつ、
ケーシング内に設けたスクリューによって加熱処理物を移動させるスクリュー搬送手段、及び前記ケーシング内に対して水分を添加する水分添加手段を含む加湿機と、
加湿された加熱処理物を、空気流搬送管路を通して空気流搬送する第１の空気流搬送手段と、
前記第１の空気流搬送手段によって搬送された加熱処理物を貯留し、加熱処理物の表面を酸化させ、自己発熱性を抑制する安定化処理する安定化処理手段と、
安定化処理終了物を貯留ホッパに空気搬送する第２の空気搬送手段と、
前記第２の空気流搬送手段によって搬送された安定化処理終了物を燃料として出荷されるまで一時的に貯留する貯留ホッパと、
を有することを特徴とする炭素含有物の処理装置。

（作用効果）
加湿手段により加熱処理物を速やかに冷却するとともに加湿することができる。仮に、特許文献１のように、水冷コンベヤにより炭化物を移送する過程で冷却するようにした場合には、水冷コンベヤ自体の詳細が不明であるから断定的な言葉を避けるとしても、急速な冷却効果を期待することは難しいと思われる。また、水冷コンベヤが間接冷却形式の場合、加熱処理物中のタール分の付着が予想され、トラブルの原因となるが、本発明に従って、炭化物を急冷・加湿すると、タールの生成・付着を防止できるとともに、加熱処理物の残留水分による蒸発潜熱により、炭化物は一定温度以上には上昇せず、自己発熱を抑制できる。
このように炭化物の残留水分により自己発熱を抑制できることにより、空気流搬送が可能となる。その結果、不活性ガスによる気流搬送に伴う不活性ガス自体に伴うコスト高、酸素濃度制御系の設備費負担増を解消できる。
もっとも、気流搬送ではなく、機械系の搬送コンベヤを使用することも考えられるが、搬送中に加熱処理物相互の摩擦や、コンベヤ部材との接触、噛み込みなどにより細分化が生じるので、不利である。
これに対して、気流搬送の場合には、少ないコストで長距離の搬送が可能であり、しかも、機械系の搬送コンベヤと比較すると配置上の自由度が高い。

＜請求項２記載の発明＞
前記加湿機は、ケーシング内に設けたスクリューによって加熱処理物を移動させるスクリュー搬送手段と、前記ケーシング内に対して水分を添加する水分添加手段を含み、前記スクリューのスクリュー羽根が、水分添加手段の位置においては、途切れており、その途切れた部位に撹拌用羽根が設けられている請求項１記載の炭素含有物の処理装置。

＜請求項３記載の発明＞
前記第１の空気流搬送手段は、
前記加湿機の出口側に設けたロータリーバルブ、ゲート式のダブルダンパ又はスイング式のダブルダンパからなる縁切り機構により、前記加湿機内と縁切りされながら排出された加熱処理物を圧送式または吸引式のいずれかで空気流搬送するものである、
請求項１記載の炭素含有物の処理装置。

＜請求項３記載の発明＞
前記加湿機と後段のスクリューコンベヤとは、途中にダブルダンパを介在させて接続され、
前記第１の空気流搬送手段は、吸引ブロワにより前記空気流搬送管路を通して大気を吸引する過程で加熱処理物を圧送式または吸引式のいずれかで空気搬送するものである、
請求項１記載の炭素含有物の処理装置。

＜請求項４記載の発明＞
前記加湿機と後段のスクリューコンベヤとは、途中にダブルダンパを介在させて接続され、
前記第１の空気流搬送手段は、吸引ブロワにより前記空気流搬送管路を通して大気を吸引する過程で加熱処理物を圧送式または吸引式のいずれかで空気搬送するものである、
請求項１記載の炭素含有物の処理装置。

＜請求項５記載の発明＞
前記被処理物が、有機性廃棄物であって、前記加熱処理が炭化処理であることを特徴とする請求項１記載の炭素含有物の処理装置。

＜請求項６記載の発明＞
少なくとも、炭化処理に供する炭素を含有する被処理物の供給条件、炭化特性、炭化処理の運転条件に基づき炭化物の製造量を推定し、その炭化物の製造量に対応して、目標の炭化物の水分となるように加湿量を制御する手段を有する請求項５記載の炭化物の処理装置。

（作用効果）
適確な加湿量制御が可能となる。

＜請求項７記載の発明＞
請求項１記載の炭素含有物の処理装置を用い、請求項１記載の加熱処理物が炭化物であり、加湿された炭化物が、固気比（ｋｇ／ｋｇ）を０．１以上３．０未満で空気搬送される請求項１記載の炭化物の処理方法。

（作用効果）
一般的な空気流搬送では、固気比（ｋｇ／ｋｇ）は１〜１０である。しかるに、固気比（ｋｇ／ｋｇ）を０．１以上３．０未満、より好ましくは０．５〜２．０とする大量の空気を使用する条件で空気流搬送を行うと、炭化物の搬送路中での付着、詰まりを防止できる。ここで、固気比とは、搬送対象物の重量（ｋｇ）を搬送流体の重量（ｋｇ）で除した数値である。

以上のとおり本発明によれば、設備コストが低廉でありながら、炭化物の自己発熱性を適確に抑制し得る等の利点がもたらされる。

本発明の一実施例の概要説明図である。 移動設備の一部破断正面図である。 その横断面図である。 一部破断平面図である。 移動設備に加湿部を組み込んだ例を示す正面図である。 他の処理設備例の概要図である。 別の実施例を示す概要説明図である。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面に示される例を参照しながら詳説する。

＜第１の形態＞
炭素を含有する被処理物の種類を問われるものではないが、代表例では下水汚泥である。下水汚泥は、通常８０％程度の水分を含有するが、適宜形式の乾燥機により、脱水された下水汚泥を、蒸気等を熱源とした間接加熱方式の乾燥機にて乾燥する。
乾燥汚泥の水分は特に限定されるものではないが、ハンドリング性等を考慮すると１０〜３０％、より望ましくは１５〜２５％程度が好適である。乾燥機のタイプは、間接加熱乾燥方式のほか、直接熱風方式等も採用できる。

かくして得た乾燥汚泥Ｍは、ロータリーキルン方式等の炭化炉１０に移送され、低酸素雰囲気下で炭化温度２５０〜６００℃、より望ましくは３００〜３５０℃程度の炭化温度にて炭化処理する。
炭化炉１０のタイプは、ロータリーキルン方式のほか流動床式やスクリュー式等も採用できる。
炭化炉１０から排出された可燃性ガスは、たとえば再燃炉１２に供給され燃焼された後、排ガス処理設備１３を経て外部に排出される。

乾燥汚泥Ｍは、そのまま炭化処理することもできるし、例えばペレット状の造粒をした後に炭化処理することもできる。造粒することにより粒径が揃うため、後段の炭化炉１０にて均一に炭化されるとともに、粉塵の抑制にもつながる。造粒機のタイプとしては、押し出し成型方式や圧縮成型方式、転動造粒方式等が採用できる。

炭化炉１０から排出された炭化物は、直接的に加湿機２０に導入される。加湿機２０では、炭化物に直接、水が噴霧され７０〜９０℃程度に急冷されるとともに、５〜２０％、特に好ましは７〜１５％程度の水分となるよう加湿される。加湿機２０のタイプは、ロッド式やパドル式、スクリュー式等が採用でき、またこれらを組み合わせた構造の加湿機２０も採用可能である。
この加湿機２０の詳細例は後述する。

炭化炉１０から排出された炭化物は、自身の余熱によりしばらくは熱分解反応が継続する。熱分解反応によって発生するガス中にはタール成分が含有しているため、時間をかけて炭化物の冷却を行うとガス中のタール成分が凝縮し、炭化物移送ライン等の付着・閉塞の原因となるが、水噴霧による急冷を行うことで自身の余熱による熱分解反応を速やかに終結できるため、タール成分の発生自体を抑制することができ、付着・閉塞のトラブルが起こらない。

炭化物の加湿制御は、炭化炉１０への被処理物の供給条件、被処理物の炭化特性、炭化炉１０の運転情報より炭化物製造量を推定し、設定水分となるよう加湿量を制御する。
通常、固形物に加湿を行う際は、バッファタンクに一時貯留し、一定量を排出しながら一定水量を噴霧することで、一定の水分となるよう調整されるが、上述のように、炭化物の冷却を速やかに行わないとタールの発生により、付着・閉塞のトラブルにつながることから、炭化炉１０から排出直後の炭化物を貯留することなく加湿する必要がある。

加湿機２０出口の炭化物温度と炭化物水分には一定の相関関係が認められることから、所望の水分となる加湿機２０出口の炭化物温度を予め確認しておいて、その温度となるよう加湿水量を調整する制御を採用することもできる。

加湿機２０にて発生するガスは、噴霧水の蒸発により発生する水蒸気が主成分であるが、わずかに発生する熱分解ガス中にはＣＯ等の可燃性ガスや臭気成分が含まれているため、そのまま系外には排出せず、炭化炉１０の再燃炉１２に導入することが望ましい。この場合、炭化炉１０から排出される熱分解ガスと混合して再燃炉１２に導入することが好適である。

炭化炉１０と加湿機２０はシュート１１を介して直接的に接続されているため、加湿機２０より炭化物を取り出す際は、加湿機２０出口にてロータリーバルブ２１等を用いて機内雰囲気と縁切りする必要がある。縁切りする機構としては、ロータリーバルブ２１の他、図６に示すように、ゲート式のダブルダンパ２２，２２やスイング式のダブルダンパ等も採用することができる。

加湿機２０内と縁切りされながら排出された炭化物は、第１の空気流搬送装置により貯留槽４１に移送される。加湿機２０内との縁切りにロータリーバルブを用いた場合は、そのまま空気流搬送ラインに乗り継ぐことができるが、ダブルダンパ２２，２２を採用した場合には、一度に排出される炭化物量が多く空気流搬送ラインの閉塞につながることから、ダブルダンパ２２，２２後段にスクリューコンベヤ２３（図６参照）等の連続式の搬送手段を配し、炭化物量の脈動を抑えることが望ましい。

空気流搬送装置は、吸引式と圧送式のいずれも採用できるが、圧送式の場合は、縁切り機構を通して、空気が加湿機２０及び炭化炉１０内にリークすることに配慮する必要がある。吸引式の場合は、縁切り機構の二次側を大気Ａに開放することで、加湿機２０及び炭化炉１０内のガスのリークや、加湿機２０及び炭化炉１０内への空気のリークが防止できる。そのため、縁切り機構のシール性が低い場合には、吸引式の方が有利である。
なお、空気流搬送装置において使用される気体は、全量が空気であることが好適であるが、必ずしも全量を空気とする必要はなく、空気に燃焼排ガスや、窒素などの不活性ガスを混合した気体であってもよい。

図１の形態の第１の空気流搬送装置吸引式であり、吸引ブロワ３０により空気流搬送管路３０Ａを通して大気Ａを吸引する過程で搬送するものである。搬送空気は炭化物分離装置３１を介して炭化物が分離され、吸引ブロワ３０の吐出側から排気される。
なお、窒素などのキャリアガスＣＧを同伴させることができる。

炭化物は加湿により自己発熱性が抑制されているため、大気による空気流搬送が可能である。流速は、炭化物の平均粒子径により決定されるが、４ｍｍ程度以下では１０〜２０ｍ／ｓｅｃ程度、４ｍｍ程度以上では２０〜３０ｍ／ｓｅｃ程度に設定するのが望ましい。造粒しないで炭化する場合には、４ｍｍ程度以下の炭化物となるので、好適には流速を１０〜１３ｍ／ｓｅｃとするのがよい。なお、本発明における平均粒子経とは、体積基準の粒径分布において累積が５０％となる粒子径を意味する。

加湿機２０出口の炭化物は温度が７０〜８０℃程度で水分を含んでおり、空気流搬送ラインで付着する懸念があるため、固気比を低めに設定することで、炭化物表面の水分の蒸発を促進するとともに湿度を下げて結露による付着成長を防止する。空気流搬送の固気比（ｋｇ／ｋｇ）は通常１〜１０程度に設定されるが、上記のように空気流搬送ラインの付着を防止するためには、０．１〜３．０、特に０．５〜２．０が好適である。

搬送空気を事前に除湿することで、付着防止をより確実にすることができる。除湿方法は、冷却方式、圧縮方式、吸着方式、吸収方式等が採用できる。また、搬送空気に事前に温風や熱風を混合することで湿度を下げる方式も採用できる。

空気流搬送された炭化物は、炭化物分離装置３１により搬送空気から分離された後、後段機器に移送される。炭化物分離装置３１は、バグフィルターやサイクロンが採用できる。また、炭化物中に微粉が含まれる場合、ハンドリング性向上等を目的として、微粉分離機構（例えば風力選別）と炭化物分離装置３１を組み合わせても良い。

この後段機器（仕向先処理手段）は、空気流搬送手段によって搬送された炭化物の自己発熱性を抑制する安定化処理する安定化処理手段である。図示例では、安定化処理槽４１に炭化物は一時貯留され、安定化処理槽４１に供給される空気や酸素ガスやオゾン水や過酸化水素水と接触させることで炭化物表面を酸化させる。その結果、加熱処理物の自己発熱性が抑制される。なお、安定化処理槽４１に移送する炭化物は、水分を含むので、その蒸発潜熱により温度上昇が抑制され、安定化が確実に行われる。安定化処理手段は、貯留された加熱処理物に含グリセリン溶液等の樹脂材料や、炭化の過程で副生する水溶性タール水溶液を噴霧し、表面をコーティングする方法などの適宜の自己発熱性を抑制する方法を採用できる。

安定化処理が終了した炭化物は、たとえば吸引方式による、第２の空気搬送手段５０により、第２の炭化物分離装置３２を通って、貯留ホッパ６０に一時的に貯留され、燃焼設備への燃料Ｆとして出荷される。
安定化処理槽４１から排出される炭化物の温度が比較的高い温度の場合、吸引空気を冷却器５１により冷却することができる。
なお、安定化処理が終了した炭化物は、空気流搬送手段に限らずベルトコンベヤやフライトコンベヤ、バケットコンベヤ等で搬送してもよい。
他方、本実施の形態では、空気流搬送手段によって搬送された加熱処理物を自己発熱性抑制処理としての安定化処理の例であるが、本発明は、かかる安定化処理のほか、必要される目的の仕向け先における処理のために加熱処理物を搬送する形態にも適用できる。
なお、加熱処理物の性状によって、安定化処理手段を省略してもよく、空気流搬送手段の搬送先を貯留ホッパ６０とすることもできる。
また、安定化処理槽４１は、貯留ホッパ６０と同等の貯留機能を備えることも可能である。この場合、第２の気流搬送手段５０、第２の炭化物分離装置３２、および貯留ホッパ６０を省略し、安定化処理槽４１を安定化処理貯留手段として使用してもよい。

＜第２の形態＞
図６には、他の例を示したもので、加湿機２０からの加湿炭化物を、ダブルのゲート式ダンパ２２，２２を採用した場合には、一度に排出される炭化物量が多く空気流搬送ラインの閉塞につながることから、ダブルダンパ２２，２２後段にスクリューコンベヤ２３を配し、炭化物量の脈動を抑える形態である。

＜加湿機の例＞
加湿機としては、図２〜図５に示すように、ケーシング２０Ａ内に、スクリュー軸２０Ｂ及びクリュー羽根２０Ｃを一軸、望ましくは図示のように２軸のスクリューコンベヤとしたものを使用できる。また、スクリュー自体は搬送する機能はあるが、撹拌効果は基本的にない。
そこで、図５に示すように、スクリューのスクリュー羽根２０Ｃが、水分添加手段の位置においては、途切れており、その途切れた部位に撹拌用羽根２０Ｄを設けておくと、炭化物が撹拌、混合されている状態で、水分添加ノズル２０Ｅにより水分を添加できるので、炭化物全体を効果的に冷却、加湿できる。水分添加ノズル２０Ｅは１箇所に限定されるものではなく、複数箇所設けても良い。なお、水分添加により速やかに冷却した方がタール成分の発生を抑制できるため、長手方向の中心から炭化物の供給口側に配した方が望ましい。

＜第３の形態＞
図７は、他の例を示したもので、微粉炭を被処理物として乾燥処理を行うものである。第１の形態と同一の装置については説明を省略する。
乾燥機１００に供給された微粉炭ＭＣは、８０〜１５０℃の温度で加熱されたのち、加湿機２０で加湿される。
本形態では、乾燥機として、間接式加熱式乾燥機であるスチームチューブドライヤ（以下、ＳＴＤ）を採用した。なお、乾燥機として、スチームチューブドライヤ以外に、外熱キルンなどの間接加熱式乾燥機や、気流乾燥機、流動乾燥機などの直接加熱式乾燥機を用いることができる。

１０…炭化炉、２０…加湿機、２０Ａ…ケーシング、２０Ｂ…スクリュー軸、２０Ｃ…スクリュー羽根、２０Ｄ…撹拌羽根、２０Ｅ…水分添加ノズル、２１…ロータリーバルブ、２２…ゲート式ダンパ、３０…吸引ブロワ、３０Ａ…空気流搬送管路、３１,３２…炭化物分離装置、４１…安定化処理槽、５０…第２の空気流搬送手段、Ｍ…乾燥汚泥、Ｗ…水、Ａ…大気、Ｆ…燃料。

Claims (7)

1. 炭素を含有する被処理物を加熱処理する加熱手段と、
   前記加熱手段から排出された加熱処理物が直接的に導入されるように接続され、かつ、
   ケーシング内に設けたスクリューによって加熱処理物を移動させるスクリュー搬送手段、及び前記ケーシング内に対して水分を添加する水分添加手段を含む加湿機と、
   加湿された加熱処理物を、空気流搬送管路を通して空気流搬送する第１の空気流搬送手段と、
   前記第１の空気流搬送手段によって搬送された加熱処理物を貯留し、加熱処理物の表面を酸化させ、自己発熱性を抑制する安定化処理する安定化処理手段と、
   安定化処理終了物を貯留ホッパに空気搬送する第２の空気搬送手段と、
   前記第２の空気流搬送手段によって搬送された安定化処理終了物を燃料として出荷されるまで一時的に貯留する貯留ホッパと、
   を有することを特徴とする炭素含有物の処理装置。
2. 前記加湿機は、ケーシング内に設けたスクリューによって加熱処理物を移動させるスクリュー搬送手段と、前記ケーシング内に対して水分を添加する水分添加手段を含み、前記スクリューのスクリュー羽根が、水分添加手段の位置においては、途切れており、その途切れた部位に撹拌用羽根が設けられている請求項１記載の炭素含有物の処理装置。
3. 前記第１の空気流搬送手段は、
   前記加湿機の出口側に設けたロータリーバルブ、ゲート式のダブルダンパ又はスイング式のダブルダンパからなる縁切り機構により、前記加湿機内と縁切りされながら排出された加熱処理物を圧送式または吸引式のいずれかで空気流搬送するものである、
   請求項１記載の炭素含有物の処理装置。
4. 前記加湿機と後段のスクリューコンベヤとは、途中にダブルダンパを介在させて接続され、
   前記第１の空気流搬送手段は、吸引ブロワにより前記空気流搬送管路を通して大気を吸引する過程で加熱処理物を圧送式または吸引式のいずれかで空気搬送するものである、
   請求項１記載の炭素含有物の処理装置。
5. 前記被処理物が、有機性廃棄物であって、前記加熱処理が炭化処理であることを特徴とする請求項１記載の炭素含有物の処理装置。
6. 少なくとも、炭化処理に供する炭素を含有する被処理物の供給条件、炭化特性、炭化処理の運転条件に基づき炭化物の製造量を推定し、その炭化物の製造量に対応して、目標の炭化物の水分となるように加湿量を制御する手段を有する請求項５記載の炭化物の処理方法。
7. 前記加熱処理物が炭化物であり、加湿された炭化物が、固気比（ｋｇ／ｋｇ）を０．１以上３．０未満で空気搬送される請求項１記載の炭化物の処理方法。

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