JP7479360B2 - スラッジの水熱炭化および湿式酸化の方法およびシステム - Google Patents

Description

本開示は、スラッジ、特に都市汚泥、または廃水処理プラントからの産業スラッジの水熱炭化の方法に関するものである。

スラッジは、通常、自治体または産業廃水処理プラントでの廃水処理後に残るものである。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、産業廃水処理プラントは、例えばパルプ工場および製紙工場、工業的食品製造施設などの異なる産業プロセスからの排水を処理する。大規模な養豚などの畜産もまた、廃水およびスラッジ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において有用であろう。

廃水処理のための技術は、一般的なレベルで類似しているが、処理される廃棄物の流れの特性、基本設計、地域の要件、および環境問題に応じた特定の解決策を含む。スウェーデンの大規模なプラントでは、廃水処理プロセスは、多くの場合、機械的前処理と、それに続く一次（沈降）および二次（好気性）処理ステップとを含む。場合によっては、処理水中の残留問題物質、例えば薬物残留物、有毒有機物質などを除去するために、異なる形態の三次処理がまた適用される。小規模なプラントでは、これらの段階の１つ以上が、しばいば省略され得る。

使用中のほとんどすべての廃水処理プラントは、処理する必要のあるスラッジを生成する。スラッジは、脱水後にプラントから直接回収するか（好気性スラッジ）、またはスラッジの一部を消化するバイオガスの生成のために最初に嫌気的に処理して、残りを嫌気性スラッジとして回収する。

世界中の廃水処理プラントは、毎年数億メートルトンのスラッジを生成し、その量は急速に増加している。スウェーデンでは、１年当たりの乾燥固形物のトン（ｔＤＳ／ｙ）で表した総スラッジ量は、２０１０年に２５万と報告されており、現在の数値は同じかそれ以上であると推定されている。したがって、スラッジの処理は社会にとって大きな課題であり、現在の解決策は高コストと関連しており、しばしば環境への悪影響も伴う。

１９８６年から、欧州連合は、廃水スラッジの処理および処分を規制するいくつかの指令を採用し、例えば、埋め立て地としてのスラッジの使用、リンの回収、スラッジの焼却などの異なる側面に対処している。様々な指令は、個々の加盟国の国内法に反映されており、例えばスウェーデンでは、２００５年から埋め立て地へのスラッジの廃棄が禁止されている。

今日、廃水スラッジの主な用途は、農業および林業／造林での施肥、地盤建設プロジェクトおよび埋め立て地の被覆と修復のための植物土壌への混合、エネルギー回収を伴う焼却、化学物質の回収と肥料の生産、そして最後に埋め立て地であるが、スラッジが堆肥化などの特定の前処理を受けている場合に限る。

有害な化学物質を破壊し、重金属を安全に取り扱うためのエネルギー回収および煙道ガスおよび灰の適切な処理を伴うスラッジの焼却は、依然として魅力的な代替手段である。しかしながら、スラッジの正確な組成は、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。高濃度の有機成分および／または生物学的成分を含むスラッジは、一般的に脱水が困難である。含水量が非常に高いことが多いため、発電所で焼却した場合の正味発熱量は非常に低いか、またはさらには負となり、サポート燃料（多くの場合化石燃料）の追加が必要になる場合がある。

国際出願公開第２０１７／１１１４６２号

Ｃ－グリーンテクノロジーＡＢ（Ｃ－Ｇｒｅｅｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＡＢ）は、水熱炭化（ＨＴＣ）のステップを含むスラッジの処理のためのプロセスを開発した。

多くの水熱炭化（ＨＴＣ）システムの動作は、通常、例えば電気やガスの形態の、外部エネルギーの供給を必要とする。本発明者らは、スラッジのＨＴＣ処理における外部エネルギーの継続的な供給の必要性が、ＨＴＣ処理の生成物（すなわち、ＨＴＣ処理されたスラリー）を湿式酸化し、次いで湿式酸化されたスラリーをフラッシングに供して、未処理のスラッジをＨＴＣ反応の温度に加熱するために使用できる高温蒸気留分を得ることによって排除または少なくとも大幅に低減できることを見出した。これにより、酸化反応によって放出された熱が回収され、効率的な方法でプロセス内において使用される。ＨＴＣ処理の下流で湿式酸化を実行するもう１つの利点は、ＨＴＣ処理によって化学的酸素要求量（ＣＯＤ）が増加することであり、これは、湿式酸化プロセスで利用できる燃料が増えることを意味する。さらに、ＨＴＣ処理されたスラリーは、入ってくるまたは予熱されたスラッジよりも温度が高く、温度が高いと、温度に依存する湿式酸化反応の速度が高くなる。特許文献１に開示された概念と比較して、本開示の概念は単純化されており、例えば、それはより複雑でない熱回収を可能にする。

したがって、本開示の第１の態様として、廃水処理プラントからのスラッジの水熱炭化の方法であって、
少なくとも１つの第１の蒸気留分を有するスラッジを予熱して、予熱されたスラッジを得るステップと、
第２の蒸気留分を有する予熱されたスラッジをさらに加熱して、加熱されたスラッジを得るステップと、
加熱されたスラッジを反応器内で水熱炭化（ＨＴＣ）に供して、ＨＴＣ処理されたスラリーを得るステップと、
ＨＴＣ処理されたスラリーを酸素ガスなどの酸化剤と混合して、湿式酸化されたスラリーを得るステップと、
湿式酸化されたスラリーをフラッシングに供して、第２の蒸気留分および予冷されたスラリーを得るステップと、
予冷されたスラリーを少なくとも１つのステップでフラッシングに供して、少なくとも１つの第１の蒸気留分および冷却されたスラリーを得るステップと、
冷却されたスラリーを液体留分と固体留分に分離するステップと、
液体留分をさらに処理するために廃水処理プラントにルーティング（routing）するステップとを含む、方法が提供される。

上記の方法の湿式酸化により、液体留分のＣＯＤが減少し、廃水処理プラントでのＣＯＤ低減処理（通常は嫌気性処理）の負荷が減少する。さらに、湿式酸化は粒子状有機物質を消費し、これにより固体留分（通常は別の場所に輸送する必要がある）の体積が減少し、固体留分がリンおよび他の灰成分に富む。

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、ステップｂ）の「酸素ガスの添加」は、（空気の酸素含有量はわずか２１体積％であるため）空気の添加をカバーしていない。空気の代わりに酸素ガスを使用する利点は、反応器により少ない不活性ガスが添加されることである。もう１つの利点は、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、この方法は連続的な方法である。

本開示のスラッジは、好ましくは、廃水処理プラントからの自治体スラッジまたは産業スラッジである。

予冷されたスラリーは、少なくとも２つのステップでフラッシング(flashing)に供されて、異なる温度の少なくとも２つの第１の蒸気留分を得ることができる。これらの少なくとも２つの第１の蒸気留分は、好ましくは予熱ステップでスラッジの連続加熱に使用される。一実施形態では、予冷されたスラリーは、少なくとも３つのステップ（例えば、３または４ステップ）でフラッシングに供されて、好ましくは予熱ステップでのスラッジの連続加熱に使用される異なる温度の少なくとも３つの第１の蒸気留分（例えば、３または４つの第１の蒸気留分）が得られる。

スラッジの乾燥固形分（「全固形分」とも呼ばれる）は、通常、１～３５％、例えば２～３５％、例えば３～３２％である。スラッジが嫌気性スラッジの場合、乾燥固形分は通常１３～３２％である。スラッジが好気性スラッジの場合、乾燥固形分は通常５～１５％である。灰分は、通常、スラッジの乾燥重量の１０～７５％、例えば１２～５０％、例えば３０～５０％である。スラッジの高位発熱量（ＨＨＶ）は、通常３．５～２１ＭＪ／ｋｇ、例えば６～１７ＭＪ／ｋｇ（乾燥重量）である。

本開示の湿式酸化は、通常、スラリーの全エネルギー含有量を使用しない。それは、例えば、ＨＴＣ処理されたスラリーの熱容量を５～５０％、好ましくは５～２５％、より好ましくは９～１６％低減することができる。この方法で添加される酸化剤の量は、それに応じて適合させることができる。熱容量はボンベ熱量計で測定することができる。

ＨＴＣ処理は、スラッジの熱容量にわずかな影響しか及ぼさない。その結果、未処理スラッジの熱容量の５０～９５％、例えば７５～９５％、例えば８４～９１％が、通常、湿式酸化後に残る。

本開示は、リン（Ｐ）の分離を容易にする。したがって、本開示のスラッジは、リンを、例えばスラッジの乾燥重量の０．５～９％、例えばスラッジの乾燥重量の１～９％、例えばスラッジの乾燥重量の１．５～９％の量で含んでいてもよい。

本開示のスラッジは、好ましくは、炭素（Ｃ）を、例えばスラッジの乾燥重量の９～４６％、例えばスラッジの乾燥重量の２０～４６％の量で含む。

湿式酸化反応に十分な時間を得るために、ＨＴＣ処理されたスラリーと酸化剤との混合物を反応器内に一定期間保持することができる。そのような反応器内における保持時間は、例えば５～４０分、例えば５～２０分とすることができる。そのような反応器の体積は、例えばＨＴＣ用の反応器の体積の５～３０％、例えば５～２０％とすることができる。

酸化剤は、そのような反応器に直接添加することができる。そのような場合、反応器は向流または並流反応器または吸収塔とすることができる。しかしながら、湿式酸化反応のために反応器の上流のＨＴＣ処理されたスラリーに、例えばガスミキサーを使用して、酸化剤を加えることがより好ましい場合がある。

酸化剤が酸素ガスである場合、それは、この方法で処理された乾燥スラッジ１トン当たり６０～２６０ｋｇ、好ましくはこの方法で処理された乾燥スラッジ１トン当たり１００～２００ｋｇ、より好ましくはこの方法で処理された乾燥スラッジ１トン当たり１１０～１５０ｋｇの量で添加することができる。

反応器内における平均保持時間は、通常０．２５～８時間、好ましくは０．５～２時間である。

ＨＴＣ処理されたスラリーの化学的酸素要求量（ＣＯＤ）は、通常少なくとも３０ｇ／ｌ、好ましくは３０～５０ｇ／ｌ、より好ましくは３５～４５ｇ／ｌである。

ＨＴＣ処理されたスラリーの温度は、通常１８０～２５０℃、好ましくは１８０～２３０℃である。より好ましくは、それは１９０～２２５℃である。

湿式酸化は、ＨＴＣ処理されたスラリーの温度を上昇させる。湿式酸化されたスラリーの温度は、例えば２２０～２６０℃、好ましくは２３０～２５０℃、より好ましくは２３５～２４５℃とすることができる。

湿式酸化されたスラリーをフラッシングすることによって得られる高温蒸気留分である第２の蒸気留分の温度は、１９０～２４０℃、好ましくは２００～２３０℃、より好ましくは２１０～２２０℃とすることができる。

この第２の蒸気留分は、予熱されたスラッジの温度を上昇させる。第２の蒸気留分が使用される予熱されたスラッジをさらに加熱するステップは、例えば、少なくとも１０℃（例えば、１０～５０℃）、好ましくは少なくとも１５℃（例えば、１５℃～５０℃）、より好ましくは少なくとも２０℃（例えば２０～５０℃）、例えば少なくとも２５℃（例えば２５～５０℃）の温度上昇をもたらす可能性がある。

第２の蒸気留分の温度は、通常、加熱されたスラッジの温度よりも９～４０℃高い。好ましくは、それは１０～３５℃高く、例えば１０～３０℃高く、例えば１０～２１℃高い。

さらに、第２の蒸気留分の温度は、通常、予熱されたスラッジの温度よりも２５～７５℃高い。好ましくは、それは３０～７０℃高く、より好ましくは４０～６０℃高い。

第１の態様の他の実施形態は、以下の第２の態様についての議論から導き出すことができる。

本開示の第２の態様として、廃水処理プラントからのスラッジの水熱炭化（ＨＴＣ）のためのシステムであって、
ＨＴＣ処理されたスラリーが得られるようにスラッジをＨＴＣにさらすための反応器（ＨＴＣ反応器）と、
湿式酸化および冷却されたスラリーを液体留分と固体留分に分離するための分離装置と、
スラッジをＨＴＣ反応器にルーティングするためのスラッジルーティング装置であって、スラッジルーティング装置は、予熱装置および他の加熱装置を含み、他の加熱装置は、予熱装置の下流に配置される、スラッジルーティング装置と、
ＨＴＣ処理されたスラリーをＨＴＣ反応器から分離装置にルーティングするためのスラリールーティング装置であって、スラリールーティング装置は、ＨＴＣ処理されたスラリーを酸化剤と混合するためのミキサーと、第１および第２のフラッシング装置とを含み、ミキサーは、第１のフラッシング装置の上流に配置され、第２のフラッシング装置は、第１のフラッシング装置の下流に配置される、スラリールーティング装置と、
第１のフラッシング装置から他の加熱装置に蒸気をルーティングするための第１の蒸気ルーティング装置と、
第２のフラッシング装置から予熱装置に蒸気をルーティングするための第２の蒸気ルーティング装置と、
液体留分を分離装置から廃水処理プラントにルーティングするための液体留分ルーティング装置とを含む、システムが提供される。

当業者によって理解されるように、システムは連続プロセスに適合されており、ＨＴＣ反応器は連続反応器である。

酸化剤は好ましくは酸素ガスであり、ミキサーは好ましくは酸素ガスミキサーである。向流または並流反応器または吸収塔などの他のタイプの酸化装置もまた使用することができる。

湿式酸化反応のための時間を提供するために、スラリールーティング装置は、ミキサーと第１のフラッシング装置との間に配置された第２の反応器を含むことができる。ミキサーはまた、第２の反応器の一部であってもよい。

湿式酸化反応に必要な時間は通常、ＨＴＣプロセスに必要な時間よりも短いので、第２の反応器の体積は、ＨＴＣ反応器の体積の５～３０％、例えば５～２０％とすることができる。

第２のフラッシング装置は、異なる温度の蒸気留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つの蒸気ミキサーを含むことができる。第２の蒸気ルーティング装置は、好ましくは、スラッジを段階的に予熱できるように、フラッシング容器を蒸気ミキサーに接続する。

蒸気ミキサーは、ベンチュリミキサーであってもよい。

それ以外の場合、第１の態様の実施形態は、変更すべきところは変更して第２の態様に適用される。

本開示に係るスラッジ処理のためのシステムの例示的な一実施形態を示す。

本開示に係るシステム１００の例示的な一実施形態は、図１に概略的に示されている。スラッジは、廃水処理プラント１０１から受け取られる。スラッジは、プラント１０１から直接か、またはシステム１００の一部を形成する貯蔵タンク（図示せず）から受け取られ得る。スラッジは、通常、約３０℃の初期温度および約３０％の乾燥物質含有量を有する。任意選択の初期加熱（図示せず）の後、スラッジは予熱装置１０３で予熱される。予熱は、好ましくは、例えば直列に配置された第１の蒸気ミキサー１０４および第２の蒸気ミキサー１０５において、蒸気の段階的添加によって実行される。各蒸気ミキサー１０４、１０５の下流には、ポンプ１０４ｐ、１０５ｐが配置されている。予熱装置１０３の後、約１７５℃の温度を有する予熱されたスラッジが得られる。予熱されたスラッジは、通常蒸気ミキサーであり、その後にポンプ１０６ｐが配置される他の加熱装置１０６内でさらに加熱される。さらに加熱されたスラッジは反応器１０８に供給され、そこでスラッジは水熱炭化（ＨＴＣ）を受ける。通常２００～２１５℃の温度を有するＨＴＣ処理されたスラリーが、反応器１０８から引き出される。ＨＴＣ処理されたスラリーの圧力は、ポンプ（図示せず）によってわずかに増加する。次に、酸素ガスミキサー１１０内で、ＨＴＣ処理されたスラリーに酸素ガスが添加される。酸素ガスミキサーは、加圧された酸素タンク（図示せず）に接続されている。酸素ガスの量は、システム１００で処理される乾燥スラッジ１トン当たり約２５０ｋｇとすることができる。湿式酸化は瞬間的ではない。むしろそれは、留分が酸素ガスミキサー１１０の下流に流れるときに進行する。したがって、発熱性湿式酸化反応のための時間を許容するために、第２の反応器１１１を酸素ガスミキサー１１０の下流に配置することができる。第２の反応器１１１から得られた湿式酸化されたスラリーは、通常約２４０℃の温度を有し、第１のフラッシング装置１１２に導かれ、約２２０℃の温度を有する高温蒸気留分および予冷されたスラリーを生成する。高温蒸気留分は、他の加熱装置１０６にルーティングされ、したがって、予熱されたスラッジを加熱するために使用される。

予冷されたスラリーは、第２のフラッシング装置１１３内でフラッシングに供され、これは、予熱装置１０３内でスラッジを予熱するために使用される少なくとも１つの蒸気留分を生成する。好ましくは、フラッシング装置１１３は、異なる温度の蒸気留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１１３は、予熱装置１０３の第２の蒸気ミキサー１０５にルーティングされる「中」温の蒸気留分を生成する第１のフラッシング容器１１４と、予熱装置１０３の第１の蒸気ミキサー１０４にルーティングされる比較的低温の蒸気留分を生成する第２のフラッシング容器１１５とを含むことができる。

第２のフラッシング装置１１３の下流で得られた冷却されたスラリーは、分離装置１１６によって分離され、さらなる処理のために廃水処理プラント１０１に戻される液体流と、上流の湿式酸化プロセスによってリンなどの灰成分に富む固体留分になる。

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１０７を含むことができる。ヒーター１０７は、好ましくは、他の加熱装置１０６の下流であるが反応器１０８の上流に配置される。

予熱装置１０３、他の加熱装置１０６、関連するポンプおよびヒーター１０７は、スラッジを反応器１０８にルーティングするためのスラッジルーティング装置１０２の一部を形成する。

酸素ガスミキサー１１０、第２の反応器１１１、第１のフラッシング装置１１２、および第２のフラッシング装置１１３は、ＨＴＣ処理されたスラリーを反応器１０８から分離装置１１６にルーティングするためのスラリールーティング装置１９０の一部を形成する。

Claims (15)

1. 廃水処理プラントからのスラッジの水熱炭化の方法であって、
   少なくとも１つの第１の蒸気留分を供給して前記スラッジを予熱して、予熱されたスラッジを得るステップと、
   第２の蒸気留分を供給して前記予熱されたスラッジをさらに加熱して、加熱されたスラッジを得るステップと、
   前記加熱されたスラッジを反応器内で水熱炭化（ＨＴＣ）に供して、ＨＴＣ処理されたスラリーを得るステップと、
   前記ＨＴＣ処理されたスラリーを酸化剤と混合して、湿式酸化されたスラリーを得るステップと、
   前記湿式酸化されたスラリーをフラッシングに供して、前記第２の蒸気留分および予冷されたスラリーを得るステップと、
   前記予冷されたスラリーを少なくとも１つのステップでフラッシングに供して、前記少なくとも１つの第１の蒸気留分および冷却されたスラリーを得るステップと、
   前記冷却されたスラリーを液体留分と固体留分に分離するステップと、
   前記液体留分をさらに処理するために前記廃水処理プラントにルーティングするステップとを含み、
   前記第２の蒸気留分は、予熱されたスラッジをＨＴＣ反応の温度に加熱するために使用される、方法。
2. 前記ＨＴＣ処理されたスラリーの温度は、１８０～２５０℃である、請求項１に記載の方法。
3. 前記湿式酸化されたスラリーの温度は、２２０～２６０℃である、請求項１～２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記第２の蒸気留分の温度は、１９０～２４０℃である、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記予熱されたスラッジをさらに加熱するステップは、少なくとも１０℃の温度上昇をもたらす、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第２の蒸気留分の温度は、前記加熱されたスラッジの温度よりも９～４０℃高い、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記第２の蒸気留分の温度は、前記予熱されたスラッジの温度よりも２５～７５℃高い、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. スラッジは、自治体スラッジまたは産業スラッジである、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記予冷されたスラリーは、少なくとも２つのステップでフラッシングに供されて、異なる温度の少なくとも２つの第１の蒸気留分が得られる、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ＨＴＣ処理されたスラリーを前記酸化剤と混合するステップと、前記湿式酸化されたスラリーをフラッシングにさらすステップとの間の滞留時間は、５～７５分である、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
11. 廃水処理プラントからのスラッジの水熱炭化（ＨＴＣ）のためのシステムであって、
    ＨＴＣ処理されたスラリーが得られるようにスラッジにＨＴＣを行うための反応器（ＨＴＣ反応器）と、
    湿式酸化および冷却されたスラリーを液体留分と固体留分に分離するための分離装置と、
    スラッジを前記ＨＴＣ反応器にルーティングするためのスラッジルーティング装置であって、前記スラッジルーティング装置は、予熱装置および他の加熱装置を備え、前記他の加熱装置は、前記予熱装置の下流に配置される、スラッジルーティング装置と、
    ＨＴＣ処理されたスラリーを前記ＨＴＣ反応器から前記分離装置にルーティングするためのスラリールーティング装置であって、前記スラリールーティング装置は、前記ＨＴＣ処理されたスラリーを酸化剤と混合するためのミキサーと、第１および第２のフラッシング装置とを備え、前記ミキサーは、前記第１のフラッシング装置の上流に配置され、前記第２のフラッシング装置は、前記第１のフラッシング装置の下流に配置される、スラリールーティング装置と、
    前記第１のフラッシング装置から前記他の加熱装置に蒸気をルーティングするための第１の蒸気ルーティング装置と、
    前記第２のフラッシング装置から前記予熱装置に蒸気をルーティングするための第２の蒸気ルーティング装置と、
    前記液体留分を前記分離装置から前記廃水処理プラントにルーティングするための液体留分ルーティング装置と
    を備える、システム。
12. 前記スラリールーティング装置は、前記ミキサーと前記第１のフラッシング装置との間に配置された第２の反応器を備える、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記ミキサーは、前記第２の反応器の一部である、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第２の反応器の体積は、前記ＨＴＣ反応器の体積の５～３０％である、請求項１２または１３に記載のシステム。
15. 前記第２のフラッシング装置は、異なる温度の蒸気留分を提供するために直列に配置された少なくとも２つのフラッシング容器を備え、
    前記予熱装置は、直列に配置された少なくとも２つの蒸気ミキサーを備え、
    前記第２の蒸気ルーティング装置は、前記スラッジを段階的に予熱できるように、前記少なくとも２つのフラッシング容器を前記少なくとも２つの蒸気ミキサーに接続する、請求項１１～１４のいずれか一項に記載のシステム。

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