JP7261802B2 - 汚泥の酸化とその後の水熱炭化 - Google Patents

Description

本開示は、汚泥、特に廃水処理プラントからの都市汚泥または工業汚泥の水熱炭化の方法に関するものである。

汚泥は通常、地方自治体または工業廃水処理プラントで廃水処理をした後に残るものである。地方自治体の廃水処理プラントは都市からの廃水を処理し、一方、工業廃水処理プラントは様々な工業プロセス、例えばパルプおよび製紙工場、工業用食品生産施設などからの廃水を処理する。畜産、例えば大規模な養豚も、廃水および汚泥のかなりの発生源である。本開示の実施形態は、これらすべての分野で有用であろう。

廃水処理の技術は一般的なレベルでは類似しているが、処理する廃水の流れの特性、基本設計、局所的な要件、環境への配慮に応じた特定の解決策が含まれている。スウェーデンの大規模なプラントにおいて、廃水処理プロセスは、多くの場合、機械的な前処理と、その後の一次（沈殿）および二次（好気）処理工程を含む。いくつかのケースでは、異なる形態の三次処理がまた、処理水中の残りの問題となる物質、例えば薬物残基、毒性の有機物質を除去するために施される。小規模なプラントでは、これらのステージのうちの１つ以上がしばしば省略され得る。

使用中のほとんどすべての廃水処理プラントは、処理する必要がある汚泥を生成する。汚泥は、脱水後にプラントから直接回収される（好気性汚泥）か、またはバイオガス生産のためにまず嫌気的に処理され、そこで汚泥の一部が分解され、残りを嫌気性汚泥として回収する。

世界中の廃水処理プラントは、毎年数億メートルトンの汚泥を生成し、その量は急速に成長している。スウェーデンでは、年間の乾燥固形物のトンで表した総汚泥量（ｔＤＳ／ｙ）は２０１０年に２５万と報告されており、現在の数値はそれ以上であると推定されている。したがって、汚泥処理は社会にとって非常に大きな課題であり、現在の解決策はコストが高く、多くの場合、環境への悪影響も伴う。

欧州連合は１９８６年から、廃水汚泥の処理と処分を規制するいくつかの指示を採用し、例えば、埋立地としての汚泥の使用、リンの回収、汚泥の焼却などの様々な局面に対処している。様々な指示が個々の加盟国内の国内法に反映され、例えばスウェーデンでは、２００５年以降、埋立地での汚泥の処分が禁止されている。

今日、廃水汚泥の主な用途は、農業および林業／造林における施肥、地盤建設プロジェクトのためのプラント土壌への混合および埋立地の被覆および復元、エネルギー回収による焼却、化学物質の回収と肥料の生産、そして最終的には埋立地であるが、汚泥が堆肥化などの特定の前処理を受けている場合である。

エネルギー回収および煙道ガスと灰の適切な処理による、有害化学物質の破壊と重金属の安全な処理のための汚泥の焼却は、魅力的な代替手段として残っている。ただし、汚泥の正確な組成は、流入する廃水の組成と廃水処理プラントのタイプに依存している。高濃度の有機および／または生物学的成分を含む汚泥は、一般的に脱水することが困難である。含水率は非常に高いことが多いため、発電プラントで焼却した場合の正味の発熱量は非常に低いか、またはさらにはマイナスでさえあり、しばしば化石燃料であるサポート燃料の追加が必要になる場合がある。

Ｃ－Ｇｒｅｅｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＡＢは、水熱炭化（ＨＴＣ：ＨｙｄｒｏＴｈｅｒｍａｌ Ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ）の工程を含む汚泥の処理プロセスを開発した。リンは、燃焼前のバイオ燃料から、または燃焼後の灰から抽出され得る。

多くの水熱炭化（ＨＴＣ）システムの運転には、例えば電気またはガスの形態の外部エネルギーの供給が必要である。

本発明者らは、ＨＴＣ反応の前に予熱された汚泥に酸化剤を添加することにより、汚泥のＨＴＣ処理における外部エネルギーの連続供給の必要性を無くすことができることを見出した。酸化剤の添加は、汚泥の部分的な湿式酸化をもたらす。部分的な湿式酸化は発熱性であり、ＨＴＣ反応の所望の温度に達するのに十分な熱を生成する。この単純な酸化形態は、実行するのが比較的簡単で安価である。
加熱されていない汚泥ではなく予熱された汚泥に酸化剤を添加する利点は、高温になるほどより速い湿式酸化プロセスをもたらすことである（湿式酸化への速度は温度に依存している）。１２０℃を超える温度では、高温になると汚泥内の酸素ガスの溶解度も増加し、これは湿式酸化をさらに促進する（酸素ガスが酸化剤の場合）。さらに、汚泥の粘度は高温で実質的に低くなり、酸化剤との効率的な混合が可能になる。

したがって、汚泥の水熱炭化の方法であって、
ａ）汚泥を予熱して予熱された汚泥を得る工程と、
ｂ）予熱された汚泥に酸化剤を添加する工程と、
ｃ）工程ｂ）からの汚泥を反応器内で水熱炭化（ＨＴＣ）処理に供して、ＨＴＣ処理された汚泥を得る工程とを含む方法が提供される。

酸化剤は、好ましくは酸素ガスである。「酸素ガス」は、少なくとも８０体積％の酸素、好ましくは少なくとも９５体積％の酸素を含むガスを指す。したがって、工程ｂ）の「酸素ガスの追加」は、空気の追加を網羅しない（空気の酸素含有量は２１体積％しかないため）。空気の代わりに酸素ガスを使用する利点は、反応器に追加される不活性ガスがより少ないことである。別の利点は、より効率的な湿式酸化反応である。

当業者によって理解されるように、本方法は連続的な方法である。

工程ｂ）で酸化剤が添加される予熱された汚泥の温度は、通常、少なくとも１２０℃、好ましくは少なくとも１４５℃、例えば１４５～１９５℃である。より好ましくは、それは、少なくとも１５０℃、例えば１５０～１９０℃である。最も好ましくは、それは、少なくとも１６５℃、例えば１６５～１９０℃である。

本開示の汚泥は、好ましくは、廃水処理プラントからの都市汚泥または工業汚泥である。

汚泥の乾燥固形分（「総固形分」とも呼ばれる）は、通常１～３５％、例えば２～３５％、例えば３～３２％である。汚泥が嫌気性汚泥の場合、乾燥固形分は通常１３～３２％である。汚泥が好気性汚泥の場合、乾燥固形分は通常５～１５％である。灰分含有量は、汚泥の乾燥重量の通常１０～７５％、例えば１２～５０％、例えば３０～５０％である。汚泥の高位発熱量（ＨＨＶ）は、通常３．５～２１ＭＪ／ｋｇ（乾燥重量）、例えば６～１７ＭＪ／ｋｇ（乾燥重量）である。

本開示の湿式酸化は、汚泥のＨＨＶ全体を消費しないという意味で部分的である。通常、それは汚泥のＨＨＶの５０％未満を消費し、好ましくは、汚泥のＨＨＶの５～２０％、例えば６～１５％を消費する。工程ｂ）で添加される酸化剤の量は、それに応じて適合され得る。

本開示は、リン（Ｐ）の分離を促進する。したがって、本開示の汚泥は、好ましくはリンを、例えば汚泥の乾燥重量の０．５～９％の量、例えば汚泥の乾燥重量の１～９％、例えば汚泥の乾燥重量の１．５～９％含む。

さらに、処理された汚泥は湿式酸化プロセスの燃料として利用される。最終的なＨＴＣ石炭も、通常は燃料として使用される。したがって、本開示の汚泥は、好ましくは、炭素（Ｃ）を、例えば、汚泥の乾燥重量の９～４６％の量、例えば汚泥の乾燥重量の２０～４６％含む。

本開示の湿式酸化は、別個の反応器を必要としない。その代わりに、部分を酸化剤と、例えば酸素ガスミキサーを使用して混合すればよい。したがって、一実施形態では、工程ｃ）の反応器とは別個の反応器は、酸化剤と予熱された汚泥との間の反応に使用されない。そのような一実施形態に必要な機器は、比較的単純であり、したがって安価であり得る。しかしながら、より良好なプロセス制御を達成するために、汚泥が工程ｂ）と工程ｃ）の間の湿式酸化用の反応器を通過することを可能にすることは有益であり得る。そのような反応器内での保持時間は、通常、工程ｃ）の反応器内での保持よりも短い。例えば、湿式酸化用の反応器内での保持時間は１０～６０分、例えば２０～４０分とすることができる。したがって、湿式酸化用の反応器の体積は、通常、工程ｃ）の反応器の体積よりも小さい。例えば、湿式酸化用の反応器の体積は、工程ｃ）の反応器の体積の１０～５０％、例えば２０～４０％とすることができる。

酸化剤が酸素ガスである場合、それは、本方法により処理される乾燥汚泥１トン当たり６０～２６０ｋｇ、好ましくは本方法により処理される乾燥汚泥１トン当たり１００～２００ｋｇ、より好ましくは本方法により処理される乾燥汚泥１トン当たり１１０～１５０ｋｇの量で添加され得る。

工程ｃ）からのＨＴＣ処理汚泥は、フラッシング（ｆｌａｓｈｉｎｇ）により冷却され得る。このようなフラッシングは、好ましくは工程ａ）の予熱に使用される少なくとも１つの蒸気部分を提供する。一実施形態では、フラッシングは、工程ａ）の予熱における汚泥の連続加熱に使用される異なる温度の少なくとも２つ、例えば少なくとも３つの蒸気部分を提供する。

そのような一実施形態では、
・工程ｃ）からのＨＴＣ処理された汚泥をフラッシングに供して、冷却された部分と少なくとも１つの蒸気部分を得るフラッシング装置と、
・少なくとも１つの蒸気部分を工程ａ）の予熱用の予熱装置に送るための蒸気輸送装置とを含む装置を使用することができる。

フラッシング装置は、異なる温度の蒸気部分を提供するために直列に配置された少なくとも２つ、例えば少なくとも３つのフラッシング容器を含むことができる。さらに、予熱装置は、直列に配置された少なくとも２つ、例えば少なくとも３つの蒸気ミキサー、例えばベンチュリミキサーを含むことができる。蒸気送達装置は、汚泥を段階的に予熱することができるように、フラッシング容器を蒸気ミキサーに接続することが好ましい。

工程ｃ）におけるＨＴＣ処理された汚泥の温度は、１８０～２５０℃、好ましくは１８０～２３０℃、より好ましくは１９０～２２５℃である。

汚泥を反応器内のＨＴＣ処理の温度に到達させるには予熱は不十分であるため、湿式酸化の工程が実行される。工程ｃ）のＨＴＣ処理された汚泥の温度は、通常、工程ｂ）で酸化剤が添加された予熱された汚泥の温度よりも少なくとも２０℃高い（例えば、２０～６５℃高い）、好ましくは少なくとも３０℃高い（例えば、３０～６５℃高い）。

工程ｃ）の反応器における平均滞留時間は、典型的には０．２５～８時間、好ましくは０．５～２時間である。

本開示に係る方法の異なる例示的な実施形態を示す。 本開示に係る方法の異なる例示的な実施形態を示す。

本開示に係る方法の第１の例示的な実施形態が図１に概略的に示されている。汚泥は、地方自治体の廃水処理プラント、工業プロセス、または農業や畜産の施設であり得る発生源から受け取る（Ａ）。汚泥は、プラントから直接、またはシステムの一部を形成する貯蔵タンクから受け取ることができる。汚泥は、典型的には、約３０℃の初期温度と約３０％の乾物含有量を有する。例えば同じプロセス／システムからの液体流による任意選択の初期加熱（図示せず）の後、汚泥は予熱装置１０１内で予熱される。予熱は、好ましくは、直列に配置された第１の蒸気ミキサー１０２、第２の蒸気ミキサー１０３、第３の蒸気ミキサー１０４などの蒸気の段階的追加により行われる。各蒸気ミキサー１０２、１０３、１０４の下流には、ポンプ１０２ｐ、１０３ｐ、１０４ｐが配置されている。予熱装置１０１の後、約１７５℃の温度を有する予熱された汚泥が得られる。

酸素ガスは、予熱された汚泥の部分的な湿式酸化を達成するために、酸素ガスミキサー１０５内で予熱された汚泥に添加される。酸素ガスミキサーは、酸素タンク（図示せず）に接続されている。酸素ガスの量は、システムで処理される乾燥汚泥１トン当たり約１３０ｋｇとすることができる。湿式酸化は瞬間的ではない。むしろ、汚泥が酸素ガスミキサー１０５の下流を流れるときに、それは進行しているであろう。

酸素の添加後、汚泥は、汚泥の水熱炭化（ＨＴＣ）のために反応器１０６に送られる。反応器１０６の上流セクションでは、湿式酸化反応が進行している可能性があり、これは、通常、反応器１０６の下流セクションよりも反応器１０６の上流セクションにおいて温度が低いことを意味する。反応器の下流セクションでは、温度は通常２０５～２１５℃の範囲内である。

反応器１０６からのＨＴＣ処理された汚泥は、フラッシング装置１０７でフラッシングに供され、フラッシング装置１０７は、予熱装置１０１で汚泥を予熱するために使用される少なくとも１つの蒸気部分を生成する。好ましくは、フラッシング装置１０７は、異なる温度の蒸気部分を生成するために直列に配置されたいくつかのフラッシング容器を含む。例えば、フラッシング装置１０７は、予熱装置１０１の第３の蒸気ミキサー１０４に送られる比較的高温の蒸気部分を生成する第１のフラッシング容器１０８と、予熱装置１０１の第２の蒸気ミキサー１０３に送られる中程度の温度の蒸気部分を生成する第２のフラッシング容器１０９と、予熱装置１０１の第１の蒸気ミキサー１０２に送られる比較的低温の蒸気部分を生成する第３のフラッシング容器１１０とを含むことができる。

フラッシング装置１０７の下流で得られた冷却されたスラリーは、脱水され（図示せず）、少なくとも１つの液体流（流入する汚泥の初期の加熱および／または希釈に使用できる）およびＨＴＣ石炭を含む濃厚な部分が得られる。

システム１００は、プロセスをコールドスタートするために、電気ヒーターなどの外部熱を使用するヒーター１１１を含むことができる。ヒーター１１１は、好ましくは、酸素ガスミキサーの下流であるが、反応器１０６の上流に配置される。

本開示に係るシステムの第２の例示的な一実施形態が図２に概略的に示されている。汚泥は、地方自治体の廃水処理プラント、工業プロセス、または農業や畜産の施設であり得る発生源から受け取る（Ａ）。汚泥は、プラントから直接、またはシステムの一部を形成する貯蔵タンクから受け取ることができる。汚泥は、典型的には、約３０℃の初期温度と約３０％の乾物含有量を有する。例えば同じプロセス／システムからの液体流による任意選択の初期加熱（図示せず）の後、汚泥は予熱装置１０１内で予熱される。予熱は、好ましくは、直列に配置された第１の蒸気ミキサー１０２、第２の蒸気ミキサー１０３、第３の蒸気ミキサー１０４などの蒸気の段階的追加により行われる。各蒸気ミキサー１０２、１０３、１０４の下流には、ポンプ１０２ｐ、１０３ｐ、１０４ｐが配置されている。予熱装置１０１の後、約１７５℃の温度を有する予熱された汚泥が得られる。

酸素ガスは、予熱された汚泥の部分的な湿式酸化を達成するために、酸素ガスミキサー１０５内で予熱された汚泥に添加される。酸素ガスミキサーは、酸素タンク（図示せず）に接続されている。酸素ガスの量は、システムで処理される乾燥汚泥１トン当たり約１３０ｋｇである。湿式酸化は瞬間的ではない。したがって、酸素ガスミキサー１０５の下流に湿式酸化用の反応器１１２が配置される。このような反応器１１２内での汚泥の滞留時間は、約３０分とすることができ、これは湿式酸化反応に十分であると考えられる。

湿式酸化用の反応器１１２からの湿式酸化された汚泥の温度は、通常２００～２１５℃である。この湿式酸化された汚泥は、汚泥の水熱炭化（ＨＴＣ）用の反応器１０６に送られる。温度は、発熱反応（例えば、ＨＴＣ反応および場合によっては残留酸素による酸化）および熱損失のために、ＨＴＣ反応器１０６の異なる位置の間でわずかに変動する可能性がある。ＨＴＣ反応器１０６内の汚泥の保持時間は、約１．５時間、すなわち湿式酸化用の反応器１１２内での保持時間よりも約３倍長くすることができる。したがって、ＨＴＣ反応器の体積は、湿式酸化用の反応器１０６の体積よりも３倍大きくすることができる。

反応器１０６からのＨＴＣ処理された汚泥は、フラッシング装置１０７でフラッシングに供され、フラッシング装置１０７は、予熱装置１０１で汚泥を予熱するために使用される少なくとも１つの蒸気部分を生成する。好ましくは、フラッシング装置１０７は、異なる温度の蒸気部分を生成するために直列に配置されたいくつかのフラッシング容器を含む。例えば、フラッシング装置１０７は、予熱装置１０１の第３の蒸気ミキサー１０４に送られる比較的高温の蒸気部分を生成する第１のフラッシング容器１０８と、予熱装置１０１の第２の蒸気ミキサー１０３に送られる中程度の温度の蒸気部分を生成する第２のフラッシング容器１０９と、予熱装置１０１の第１の蒸気ミキサー１０２に送られる比較的低温の蒸気部分を生成する第３のフラッシング容器１１０とを含むことができる。

フラッシング装置１０７の下流で得られた冷却されたスラリーは、脱水され（図示せず）、少なくとも１つの液体流（流入する汚泥の初期の加熱および／または希釈に使用できる）およびＨＴＣ石炭を含む濃厚な部分が得られる。

システム１００は、プロセスをコールドスタートするために、電気ヒーターなどの外部熱を使用するヒーター１１１を含むことができる。ヒーター１１１は、好ましくは、酸素ガスミキサーの下流であるが、反応器１０６の上流に配置される。

Claims (11)

1. 汚泥の水熱炭化の方法であって、
   ａ）少なくとも１つの蒸気部分を使用して前記汚泥を予熱して、１４５～１９５℃の予熱された汚泥を得る工程と、
   ｂ）前記１４５～１９５℃の予熱された汚泥に酸化剤を添加する工程と、
   ｃ）工程ｂ）からの前記汚泥を反応器中で水熱炭化（ＨＴＣ）処理に供して、ＨＴＣ処理された汚泥を得る工程と
   ｄ）工程ｃ）からの前記ＨＴＣ処理された汚泥をフラッシングに供して、前記少なくとも１つの蒸気部分および冷却部分を得る工程と
   を含む方法。
2. 前記汚泥は、工程ｂ）と工程ｃ）の間で湿式酸化用反応器を通過する、請求項１に記載の方法。
3. 前記湿式酸化用反応器の体積は、工程ｃ）の前記反応器の体積よりも小さい、請求項２に記載の方法。
4. 前記湿式酸化用反応器の体積は、工程ｃ）の前記反応器の体積の１０～５０％である、請求項３に記載の方法。
5. 前記湿式酸化用反応器の体積は、工程ｃ）の前記反応器の体積の２０～４０％である、請求項４に記載の方法。
6. 前記汚泥は、廃水処理プラントからの都市汚泥または工業汚泥である、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 工程ｃ）における前記ＨＴＣ処理された汚泥の温度は、１８０～２５０℃である、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 工程ｃ）における前記ＨＴＣ処理された汚泥の温度は、工程ｂ）において前記酸化剤が添加された前記予熱された汚泥の温度よりも少なくとも２０℃高い、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 工程ｂ）において前記酸化剤が追加される前記予熱された汚泥の温度は、１５０～１９０℃である、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 工程ｃ）の前記反応器における平均滞留時間は、０．２５～８時間である、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
11. 工程ｂ）で添加される酸化剤の量は、湿式酸化反応が前記汚泥の高位発熱量（ＨＨＶ）を５～４９％減少させる量である、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。

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