JPWO2009040919A1

JPWO2009040919A1 - 汚泥乾燥システム

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Publication number: JPWO2009040919A1
Application number: JP2009518664A
Authority: JP
Inventors: 晋中野; 柴田　貴範; 貴範柴田; 重雄幡宮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2011-01-13
Also published as: WO2009040919A1

Abstract

乾燥処理の対象となる汚泥を貯蔵する汚泥貯蔵タンク１と、汚泥貯蔵タンク１からの汚泥を受け入れるハウジング１１及び蒸気を流通する蒸気流路１３ａを内部に有しハウジング１１内で回転駆動する撹拌装置１３を有し、蒸気流路１３ａを流通する蒸気の凝縮潜熱によりハウジング１１内に導入された汚泥を加熱する汚泥乾燥機２と、汚泥乾燥機２内で汚泥から発生した蒸気を圧縮して昇温昇圧し撹拌装置１３の蒸気流路１３ａに供給する圧縮機２１と、汚泥乾燥機２から圧縮機２１への蒸気の流路に設けられた本体容器５８及び汚泥乾燥機２から本体容器５８内に導入される蒸気に水分を噴霧する噴霧管５３を有し、圧縮機２１に吸気される蒸気中の塵埃を除去するウェットスクラバー１０とを備える。これにより、圧縮機のエロージョンの発生を抑制しつつ大量の汚泥を乾燥処理し、汚泥から発生する消化ガスを有効利用することができる。

Description

本発明は下水処理場等で発生する汚泥を乾燥処理する汚泥乾燥システムに関する。

従来、下水処理場等で発生する汚泥は、消化槽に溜めておいて消化ガスを発生させ、濃縮した後脱水乾燥処理して乾燥汚泥とし、消化ガスによって焼却処理する等して処理していた。汚泥の乾燥には一般に水蒸気を利用するが、水蒸気を得るのに消化ガスやＡ重油を焚いていた。消化ガスは水蒸気の生成のほか汚泥の焼却にも使用される。しかし、汚泥の乾燥のためには大量の蒸気を生成する必要があり、重油焚きボイラー等の助燃料を用いるボイラーの設置が必要になる。また、汚泥乾燥工程で発生した消化ガスを汚泥の乾燥や焼却で消費してしまうため、消化ガスの持つ熱エネルギーを有効活用する上で改善の余地がある。

それに対し、例えば食品工場の乾燥装置では、水蒸気ヒートポンプを用いて汚泥に含まれる水分を水蒸気にし、これを汚泥乾燥の熱源として有効利用する手法が採られている。この方法は、大気圧以下の状態で発生させた水蒸気を大気圧以上に圧縮して１００℃以上の水蒸気を生成し、それを凝縮する際の凝縮潜熱で対象物を乾燥させる方法である（特許文献１等参照）。

特開２００２−１４７９５１号公報

しかしながら、食品工場等で使用されている水蒸気ヒートポンプを下水処理場の汚泥乾燥にそのまま適用した場合、汚泥の処理量の多さから大量の水蒸気を圧縮しなければならないことや、汚泥雰囲気中に浮遊する塵埃が吸気に混入することにより圧縮機の羽根車にエロージョンが発生することが問題となる。

そこで本発明は、圧縮機のエロージョンの発生を抑制しつつ大量の汚泥を乾燥処理し、汚泥から発生する消化ガスを有効利用することができる汚泥乾燥システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、汚泥を貯蔵する汚泥貯蔵タンクと、蒸気の凝縮潜熱により導入された汚泥を加熱する汚泥乾燥機と、汚泥乾燥機内で汚泥から発生した蒸気を圧縮して昇温昇圧し汚泥乾燥機に供給する圧縮機と、圧縮機に吸気される蒸気中の塵埃を噴霧水により除去するウェットスクラバーとを備える。

本発明によれば、圧縮機のエロージョンの発生を抑制しつつ大量の汚泥を乾燥処理し、汚泥から発生する消化ガスを有効利用することができる。

本発明の汚泥乾燥システムの第１の実施の形態の全体構成を表す概略図である。本発明の汚泥乾燥システムの第２の実施の形態の全体構成を表す概略図である。本発明の汚泥乾燥システムの第２の実施の形態に備えられた水蒸気ヒートポンプ５の一構成例を表す断面図を示す。本発明の汚泥乾燥システムの第３の実施の形態の全体構成を表す概略図である。本発明の汚泥乾燥システムの第４の実施の形態の全体構成を表す概略図である。本発明の汚泥乾燥システムの第５の実施の形態の全体構成を表す概略図である。

符号の説明

１汚泥貯蔵タンク
２汚泥乾燥機
３ガスホルダー
４熱交換器
５ヒートポンプ
６ガスタービン原動機
１０ウェットスクラバー
１１ハウジング
１３撹拌装置
１３ａ蒸気流路
１７凝縮水タンク
１８送水ポンプ
１９フィルタ
２０電動機
２１圧縮機
２２電動機ロータ
２５排気管路
３０発電機
３１圧縮機
３２タービン
３４燃焼器
３８減圧弁
５３噴霧管
５８本体容器
６０ロータ
６１羽根車
６３シール用ブラケット
６４シール空気ポート
６５吸気ポート
６６ラビリンスシール
６７水潤滑軸受
６８軸受ブラケット
７４電動機ロータシール
７５電動機ケーシング
７６電動機ステータ
７７ステータコアエンド
７８冷却空気入口
７９冷却空気排出口
８０圧縮機
９０インバータ

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の汚泥乾燥システムの第１の実施の形態の全体構成を表す概略図である。

図１に示す汚泥乾燥システムは、例えば下水処理場等で発生する汚泥を乾燥処理するものであり、本システムにより例えば含水率３０％程度に乾燥処理された汚泥はその後の工程を経て例えば燃料等として利用可能となる。

本実施の形態の汚泥処理システムは、乾燥処理の対象となる汚泥を貯蔵する汚泥貯蔵タンク１と、導入された汚泥を蒸気の凝縮潜熱により加熱し乾燥処理する汚泥乾燥機２と、汚泥乾燥機２に供給する蒸気を昇温昇圧する水蒸気ヒートポンプ５と、汚泥乾燥機２からの凝縮水を蓄える凝縮水タンク１７と、水蒸気ヒートポンプ５に吸気される蒸気中の塵埃を除去するウェットスクラバー１０とを備えている。

汚泥貯蔵タンク１は、例えば下水処理場において消化工程で用いられる消化槽のように汚泥を貯蔵して汚泥を“消化”するものである。ここで言う“消化”とは、汚泥中の有機物を微生物により分解し汚泥の減容化等を図る工程をさし、その過程で発生するガスが消化ガスと呼ばれる。消化ガスは、メタン、二酸化炭素、アンモニア等を含む可燃性のガスである。汚泥貯蔵タンク１内で消化工程を経た汚泥は、コンベヤや油圧ショベル等の汚泥搬送手段（図示せず）による汚泥搬送路４１で汚泥乾燥機２に順次搬送される。

汚泥乾燥機２は、汚泥貯蔵タンク１からの汚泥を受け入れる気密容器であるハウジング１１、ハウジング１１内で回転駆動する撹拌装置１３、及び撹拌装置１３を回転駆動する図示しない駆動装置を備えている。

ハウジング１１は、汚泥搬送経路４１からの汚泥を受け入れる汚泥供給口１４と、内部の汚泥を排出する汚泥取り出し口１５とを備えており、汚泥の供給時や取り出し時に内部に外気が侵入しないように二重扉構造になっている。本実施の形態の場合、汚泥供給口１４はハウジング１１の長手方向（撹拌装置１３の回転軸１２の延伸方向）の一方側（図１中の左側）の上部に、汚泥取り出し口１５はハウジング１１の軸方向の他方側（図１中の右側）の下部に、それぞれ設けられている。また、ハウジング１１には、内部の汚泥から発生した蒸気を取り出す蒸気取り出し口１６が設置されている。この蒸気取り出し口１６は、管路４７を介してウェットスクラバー１０に接続している。

撹拌装置１３は、例えば回転軸１２に多数のパドルを植設したいわゆるパドルミキサ状のものや回転軸１２の周囲にオーガを設けたいわゆるスクリューミキサ状のもの等を用いることができる。いずれも回転に伴って汚泥を撹拌する機能の他、汚泥供給口１４から汚泥取り出し口１５に向かって汚泥を移送する機能を備えている。この撹拌装置１３の内部には、水蒸気ヒートポンプ５で昇温昇圧された蒸気を流通する蒸気流路１３ａが設けられている。本実施の形態では、撹拌装置１３の回転軸１２が中空に形成されており、回転軸１２の軸線方向に延びる中空空間を蒸気流路１３ａとしている。蒸気流路１３ａは、回転軸１２だけでなく汚泥を撹拌・移送するパドル部分又はオーガ部分にも形成して良い。水蒸気ヒートポンプ５から吐出管路２４を介して撹拌装置１３の蒸気流路１３ａに導かれた蒸気は、蒸気流路１３ａを流通する際に撹拌装置１３に接するハウジング１１内の汚泥に凝縮潜熱を与えて凝縮し、これにより汚泥が加熱され乾燥処理される。ハウジング１１内の汚泥は、こうして撹拌・加熱されつつ汚泥取り出し口１５に向かって移送されるうちに徐々に含水率を下げ、汚泥取り出し口１５を介して外部５４に排出される。一方、乾燥処理に伴ってハウジング１１内の汚泥から発生した蒸気やハウジング１１内の空気又はそれらの混合気体は、既述した蒸気取り出し口１６・管路４７を介してウェットスクラバー１０に導かれる。

凝縮水タンク１７は機密性が確保された貯水タンクである。この凝縮水タンク１７には、汚泥乾燥機２の撹拌装置１３の蒸気流路１３ａで凝縮した凝縮水が管路５６を介して導かれる。管路５６には温度検出器１０１が設けられており、温度検出器１０１により検出された管路５６の内部の温度が例えば制御装置（図示せず）に出力される。また、凝縮水タンク１７は、その内部の気体を排出する排気管路２５と、排気管路２５に設けたフィルタ１９及び減圧弁３８と、貯留した凝縮水を排出するドレン管５７と、ドレン管５７に設けた遮断弁４４とを備えている。

さらに、本システムには、運転中、凝縮水タンク１７の内部圧力を外気圧力より高く昇圧する昇圧手段が設けられている。水蒸気ヒートポンプ５の圧縮機２１（後述）や減圧弁３８がこの昇圧手段として機能する。圧縮機２１が駆動することで、圧縮機２１の前後に差圧が生じ、圧縮機２１の吸気側（汚泥乾燥機２のハウジング１１・ウェットスクラバー１０の内部空間を含む上流側の蒸気経路）を外気圧力よりも低くし、圧縮機２１の吐出側（撹拌装置１３の蒸気流路１３ａや凝縮水タンク１７の内部空間を含む下流側の経路）を外気圧力よりも高くする。また、減圧弁３８はフィルタ１９の前後差圧（換言すれば凝縮水タンク１７の内部圧力）として適当な値が確保されるように、例えば圧縮機２１の回転数等、運転状況に応じて開度調整される。

これにより、凝縮水タンク１７の内部が外気よりも高圧に保たれるので、凝縮水タンク１７内の気体成分がフィルタ１９・減圧弁３８を介して大気に放出される。凝縮水タンク１７には、汚泥に含まれるアンモニア等の臭気ガスが凝縮水や蒸気に同伴して導かれ得るが、積極的にフィルタ１９を通して排出することで排気中の臭気成分を効果的に除去することができるようになっている。また、運転停止時、凝縮水タンク１７のメンテナンス時、或いは凝縮水の浄化が必要な場合等には、通常時は閉鎖されている遮断弁４４を開放し、凝縮水タンク１７に貯留された凝縮水をドレン口４８に排出することができるようになっている。

ウェットスクラバー１０は、汚泥乾燥機２から圧縮機２１への蒸気の流路（管路４７，２３の間）に設けられた機密性のある本体容器５８と、汚泥乾燥機２から本体容器５８内に導入される蒸気に水分を噴霧する噴霧管５３とを備えている。

本体容器５８の側部には、汚泥乾燥機２のハウジング１１の蒸気取り出し口１６から延びる管路４７が接続しており、本体容器５８の上部は吸気管路２３を介して水蒸気ヒートポンプ５の圧縮機２１の吸気口に接続している。本体容器５８の下部には、本体容器５８内に溜まった水分を排出するドレン管５９と、ドレン管５９に設けた遮断弁４５とが備えられている。運転停止時、本体容器５８のメンテナンス時、或いは貯留水の浄化が必要な場合等には、通常時は閉鎖されている遮断弁４５を開放し、本体容器５８内の貯留水をドレン口４６に排出することができるようになっている。このドレン水は、ドレン口４６に導かずにポンプ（図示せず）で圧送し、再び噴霧管５３に送ることもできる。

噴霧管５３は、管路４９を介して凝縮水タンク１７に接続している。管路４９の途中には送水ポンプ１８及び噴霧量調整弁５０が設けられており、凝縮水タンク１７内の凝縮水が送水ポンプ１８から吐出され、管路４９を介して噴霧管５３に供給される。噴霧管５３から噴霧される凝縮水タンク１７からの凝縮水量は噴霧量調整弁５０の開度により制御される。噴霧管５３からの噴霧水は、本体容器５８内を上昇する蒸気に対向して流下し、汚泥から発生する蒸気に含まれる塵埃（固形粒子）等が噴霧管５３からの噴霧水により捕集され、塵埃が除去された（或いは低減された）蒸気が吸気管路２３を介して水蒸気ヒートポンプ５に供給されるようになっている。

また凝縮水タンク１７と噴霧管５３を接続する管路４９には、別途設けられた水源（図示せず）から延びる給水管路５２が接続されている。給水管路５２に設けた噴霧量調整弁５１を開くと、図示しない水源からの水分（水道水、工業用水等）がポンプ（図示せず）により噴霧管路５３に供給される。噴霧管５３から噴霧される図示しない水源からの噴霧水量は噴霧量調整弁５１の開度により制御される。また、給水管路５２を流通する水分は、何らかの機器の廃熱や別途設けたヒータにより加熱して温水とすることもできる。

水蒸気ヒートポンプ５は、汚泥乾燥機２のハウジング１１内で汚泥から発生した蒸気を圧縮して昇温昇圧し撹拌装置１３の蒸気流路１３ａに供給する圧縮機２１と、この圧縮機２１を回転駆動する電動機２０と、圧縮機２１の回転軸と同軸に連結した電動機ロータ（回転軸）２２を備えている。圧縮機２１の吸気口は吸気管路２３を介してウェットスクラバー１０に接続しており、吐出口は吐出管路２４を介して汚泥乾燥機２の撹拌装置１３の蒸気流路１３ａに接続している。このとき、吸気管路２３には、外気に接続する外気取り込み管路５５が接続しており、外気取り込み管路５５に設けられた吸気弁１００を開くことにより圧縮機２１に外気を取り込むこともできるようになっている。吸気弁１００の開度は図示しない制御装置により制御される。また、圧縮機２１として、圧縮する蒸気量が比較的少ない場合には遠心圧縮機を用いることができ、より多くの蒸気を圧縮する場合には軸流圧縮機を用いることができる。圧縮機２１は前述したように吸気側と吐出側の前後差圧を生じさせ、吸気側の蒸気経路を外気圧力より低温低圧に、吐出側の蒸気経路を外気圧力より高温高圧にする。電動機２０の電源は外部電源でも良いしシステム内で発電した電力でも良い。

続いて上記構成の本実施の形態の汚泥乾燥システムの運転方法について説明する。運転方法は代表的には次の２通りがある。

第１の運転方法の場合、搬送経路４１上の汚泥の搬送手段、汚泥乾燥機２の撹拌装置１３、水蒸気ヒートポンプ５の運転を開始し、初期の状態では吸気弁１００を所定開度に開放しておく。各機器の運転開始の順序は必ずしも限定されないが、例えば撹拌装置１３と水蒸気ヒートポンプ５の運転開始後、ハウジング１１内に汚泥を導入する。汚泥乾燥機２による汚泥の乾燥処理は、バッチ処理（一定量の汚泥をハウジング１１内に受け入れて汚泥供給口１４及び汚泥取り出し口１５を閉じた状態で汚泥乾燥機２を駆動）することもできるが、連続処理（汚泥供給口１４及び汚泥取り出し口１５を開けた状態で汚泥乾燥機２を駆動し、汚泥を受け入れつつ撹拌・移送し乾燥させつつ排出）することもできる。

水蒸気ヒートポンプ５の起動時には汚泥乾燥機２のハウジング１１内で蒸気が発生しないため、本方法では、初期蒸気が得られるまでの間、空気を昇温させて汚泥を加熱する。つまり、圧縮機２１の起動時に吸気弁１００を介して吸い込まれる外気を圧縮して昇温し、得られた高温空気を汚泥乾燥機２の撹拌装置１３の蒸気流路１３ａに供給する。例えば圧縮機２１の圧力比が４の場合、２０℃の外気は圧縮機２１の吐出側で１６０℃程度に昇温する。昇温させた空気を汚泥乾燥機２に供給して汚泥を加熱することで、徐々に汚泥から蒸気が発生し始める。蒸気が一旦発生すれば、汚泥乾燥機２の撹拌装置１３の蒸気流路１３ａに昇温昇圧された蒸気が供給され、蒸気流路１３ａを流通する蒸気の凝縮潜熱が撹拌装置１３を通して汚泥に伝わるため、汚泥の加熱、蒸気の発生は加速する。また、撹拌装置１３の蒸気流路１３ａで凝縮した凝縮水は凝縮水タンク１７に一旦貯留される。凝縮水タンク１７内の気体成分は排気管路２５を介して放出され、その際に含有する臭気成分はフィルタ１９により除去される。凝縮水タンク１７内の凝縮水は、送水ポンプ１８により送水され、噴霧管５３によってウェットスクラバー１０の本体容器５８内に噴霧される。これにより管路４７を介して汚泥乾燥機２のハウジング１１から圧縮機２１に供給される蒸気中の塵埃が除去される。運転開始時にウェットスクラバー１０における噴霧水量が足りない場合には、その間、噴霧量調整弁５１を開けて噴霧水量を補う。

このように蒸気発生に伴ってシステムが定格運転に移行する際、吸気弁１００の開度は、蒸気発生量の増加に伴って制御装置（図示せず）によって徐々に下げられ、定格蒸気量が得られるときには全閉（又は設定の最小開度）とされる。

制御装置は、撹拌装置１３の蒸気流路１３ａから凝縮水タンク１７に接続する管路５６に設けた温度検出器１０１の検出値を基に、蒸気発生量（系を流通する蒸気量）を判断する。圧縮機２１から吐出される流体に蒸気が含まれるようになると撹拌装置１３の蒸気流路１３ａで凝縮水が生じるため、管路５６内の温度は圧縮空気温度から蒸気の飽和温度に近付いていく（低下する）。例えば圧縮機２１の圧力比を４とした場合、外気を圧縮して４気圧とすると蒸気の飽和温度は約１４２℃になる。制御装置は、圧縮機２１の回転数を基に演算した蒸気の飽和温度と温度検出器１０１による温度検出値との偏差を採り、その偏差を基に蒸気発生量を演算しつつ、その演算値に応じて吸気弁１００の開度を下げていく。そして、温度検出値と飽和温度の偏差が、定格蒸気量を得る上で蒸気飽和温度との関係を基に予め設定しておいた閾値以下になった場合に定格流量の蒸気が発生していると判断し、吸気弁１００を全閉（又は設定の最小開度）にする。

なお、蒸気発生量の検知方法は、管路５６の内部の温度を基に判断する方法に限られない。蒸気発生量検出手段として、例えば温度検出器１０１に代えて管路５６に電磁流量計を設け、その検出信号が制御装置に出力されるようにしても良い。電磁流量計は、コイルに電流を流して管路５６内に磁界を作り、管路５６を流れる導電性液体の流速に従って発生する起電力の大きさを検出して流量を測定するもので、この電磁流量計によって管路５６を流通する流体の液体成分（凝縮水）のみの流量が検出される。つまり、制御装置により、凝縮水の流量を基に蒸気発生量を判断することができる。また、蒸気発生量検出手段として凝縮水タンク１７に液面計を設けておき、運転開始時の初期状態（空の状態）から蒸気発生に伴って上昇する凝縮水タンク１７内の液面を基に、蒸気発生量を判断することもできる。

第２の運転方法の場合、起動時に圧縮機２１の回転数を定格回転数以下に落として運転する。その点を除けば第１の運転方法と同様である。例えば圧縮機２１の定格圧力比が４の場合、圧力比３程度の回転数に抑えて運転すると、２０℃の外気は圧縮機２１の吐出側で１２８℃程度に昇温し、大気圧状態で汚泥から蒸気を発生させることができる。また、圧縮機２１の回転数を落とすことで、水蒸気ヒートポンプ５の運転動力も低減される。

次に、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態によれば、燃料を焚いて発生させた蒸気で汚泥を乾燥させる場合と異なり、処理対象である汚泥そのものから発生した蒸気を水蒸気ヒートポンプ５により昇温昇圧して汚泥の乾燥熱源とするので、汚泥から発生する消化ガスを汚泥の乾燥や焼却以外の目的に有効に利用することができる。

このとき、水蒸気ヒートポンプ５の圧縮機２１に吸気する蒸気が汚泥から発生するものであるため、大量の蒸気を得るために遠心圧縮機や軸流圧縮機を圧縮機２１に用いると、圧縮機２１の回転数が高速であることから大量の蒸気を発生させることができるが、汚泥雰囲気中に浮遊する塵埃（固形粒子）が高速で衝突することによって圧縮機２１の羽根車や翼等にエロージョンが発生する恐れがある。それに対し、圧縮機２１の吸気側にウェットスクラバー１０を設けて圧縮機２１に吸気される水蒸気中に含まれる塵埃を除去することにより、圧縮機２１のエロージョンによる損傷を抑制し、安定して水蒸気ヒートポンプ５を稼動させ、大量の蒸気を発生させることができる。

また、乾燥工程の初期段階では汚泥からの発生蒸気が得られないが、外気を吸い込んで圧縮機２１で圧縮し、昇温させた空気を汚泥乾燥器２の撹拌装置１３の蒸気流路１３ａに送り込むことにより、徐々に汚泥を加熱して初期蒸気を発生させることができる。蒸気が発生すれば、汚泥の加熱・乾燥が加速して汚泥からの発生蒸気によって必要な蒸気量を確保することができ、ウェットスクラバー１０における噴霧水量も汚泥からの発生蒸気で賄える。したがって、システムの起動のため、或いは蒸気発生エネルギーの付加のために油焚きボイラー等を別途必要としない。

＜第２の実施の形態＞
図２は本発明の汚泥乾燥システムの第２の実施の形態の全体構成を表す概略図である。第１の実施の形態と同様の部分には図２において図１と同符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態の汚泥乾燥システムと第１の実施の形態との相違点は水蒸気ヒートポンプ５の圧縮機を複数段（本例では２段）にした点であり、本実施の形態の他の構成は第１の実施の形態とほぼ同様である。

すなわち、本実施の形態では、電動機２０の一方側の圧縮機２１に加え、電動機２０の他方側に圧縮機８０が設置されており、前段の圧縮機２１の吐出口と後段の圧縮機８０の吸気口は接続管路８１により接続されている。そして後段の圧縮機８０の吐出管路２４は撹拌装置１３の蒸気流路１３ａに接続している。圧縮機８０のロータは、圧縮機２１のロータとともに電動機ロータ２２と同軸に連結されている。圧縮機８０は圧縮機２１とともに電動機２０の一方側に設けても良いが、本実施の形態のように電動機２０を挟んで配置することで、重量バランスを軸方向に対称にすることができ、ロータの回転動作の安定性を確保し信頼性を向上させることができる。

図２に示したシステムでは、運転中、汚泥乾燥機のハウジング内部から前段の圧縮機２１までの蒸気の経路、具体的には、汚泥乾燥機２のハウジング１１、管路４７、ウェットスクラバー１０の本体容器５８、及び吸気管路２３の内部圧力は外気圧力（大気圧）よりも低く、後段の圧縮機８０よりも下流側の蒸気又は凝縮水の経路、具体的には、吐出管路２４、蒸気流路１３ａ、及び凝縮水タンク１７の内部圧力は外気圧よりも高くなる。圧縮機２１の吸気側の圧力を例えば０．２気圧程度に保持しておくと、ウェットスクラバー１０からの噴霧水が６３℃程度の温水であれば本体容器５８内で蒸発する。例えば圧力比３〜４程度の圧縮機を２段設置することにより水蒸気ヒートポンプ５全体の圧力比は６〜８倍程度になり、例えば大気圧以上、温度２００℃程度の水蒸気を吐出管路２４に送り込むことができる。第１の実施の形態のように単段の圧縮機で水蒸気ヒートポンプ５を構成するよりも水蒸気ヒートポンプ５の前後に差圧を確保する上で有利であり、より高温の蒸気或いは圧縮空気を蒸気流路１３ａに供給することができるとともに、汚泥乾燥機２のハウジング１１の内部圧力を第１の実施の形態と比べてより低く保つことができるので、汚泥の乾燥効果がより向上する。

システムの運転方法は第１の実施の形態と概ね同様で、起動時には、吸気弁１００を介して外気を吸入・圧縮することで高温の圧縮空気を生成し、汚泥乾燥機２や管路系を加熱する。但し、本実施の形態では、ウェットスクラバー１０の内部圧力を下げ水の沸点をより低下させることで、低下させた沸点より高温の温水（例えば６３℃程度）を給水管路５２から噴霧管５３に供給すれば、噴霧水の蒸発割合が増加する。つまり、圧縮空気による汚泥の加熱に依存しなくてもウェットスクラバー１０内の噴霧水から早期に初期蒸気を得ることができるので、起動時の機器の暖機が終了したら吸気弁１００を閉じ、圧縮機２１の上流側の空気を吸引して大気圧以下の条件を作り出し、噴霧量調整弁５１を開いてウェットスクラバー１０内で初期蒸気を発生させる。その後は第１の実施の形態における吸気弁１００の制御と同じ要領で、蒸気量の増加とともに噴霧量調整弁５１の開度を下げていき、定格運転時には噴霧量調整弁５１を閉じる。水蒸気ヒートポンプ５の回転数は、空気圧縮過程、少量蒸気圧縮過程、大量蒸気圧縮過程で、圧縮媒体に含まれる空気量に応じて制御する。

本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果が得られる。それに加えて、ウェットスクラバー１０の噴霧水から初期蒸気が早期に得られるので、起動時間も短縮される。

ここで、図３に本実施の形態の汚泥乾燥システムに備えられた水蒸気ヒートポンプ５の一構成例を表す断面図を示す。

本実施の形態では、乾燥工程の初期段階と水蒸気が十分に発生している段階とではヒートポンプ５の運転方法が異なり、圧縮媒体の成分に応じて適正な圧力比になるように回転数を変える必要がある。大量の気体を圧縮し、しかも気体成分によって運転方法を変更するには、遠心圧縮機や軸流圧縮機等といった、回転数が他種に比して高速で、しかも回転数によって圧力比を調整することができる種類の圧縮機が適している。これは第１の実施の形態や後の実施の形態においても同様である。図３には遠心圧縮機を用いた水蒸気ヒートポンプ５の構成例を表した。

図３に示した圧縮機２１，８０はともに同型の遠心圧縮機であり、ここでは代表して圧縮機２１の構成について説明する。

圧縮機２１は、圧縮機ケーシング６２と、圧縮機ケーシング６２内で回転駆動する羽根車６１とを備えている。圧縮機ケーシング６２と羽根車６１の間には軸方向から径方向に向かうにつれて流路面積が減少する圧縮流路が形成されている。圧縮機ケーシング６２には羽根車６１の軸方向から吸気管２３が接続しており、高速回転する羽根車６１により軸方向から吸い込んだ圧縮媒体を圧縮流路に通して圧縮し、接続管路８１に吐出する。後段の圧縮機８０でも同様に、接続管路８１からの圧縮媒体を軸方向から吸い込んでさらに圧縮し、吐出管路２４に吐出して撹拌装置１３の蒸気流路１３ａに送り込む。第１の実施の形態のように圧縮機２１単段で水蒸気ヒートポンプ５を構成する場合、後段の圧縮機８０と接続管路８１を省略し、圧縮機２１の吐出口と撹拌装置１３の蒸気流路１３ａを吐出管路２４で接続すれば良い。圧縮機の数は、吸気圧、吐出圧、及び蒸気供給量（定格値）に応じて選定される。

一方、電動機２０は、電動機２０のボディをなす円筒状の電動機ケーシング７５、電動機ケーシング７５の軸方向端面に取り付けたリング状の軸受ブラケット６８、軸受ブラケット６８の中心孔に取り付けた水潤滑軸受６７、電動機ケーシング７５の内周部に固定された複数の電動機ステータ７６、複数の電動機ステータ７５の間で回転自在に支持された電動機ロータ２２等で構成されている。電動機ロータ２２及び圧縮機２１，８０の羽根車６１からなり一体となって回転するロータ６０の軸部分が軸受ブラケット６８を貫通し、このロータ６０が水潤滑軸受６７によって軸支されている。ロータ６０の支持箇所は電動機ロータ２２でも羽根車６１の回転軸部分でも良い。電動機ロータ２２は永久磁石を内蔵しており、電動機ステータ７６に電力供給することにより回転駆動する。水潤滑軸受６７は軸受ブラケット６８に嵌合した状態で軸方向外側（電動機２０と反対側）から軸受抑え板８３により固定されている。

水潤滑軸受６７には、軸受ブラケット６８に設けた潤滑剤供給孔６９及び潤滑剤排出孔７０が接続している。また軸受ブラケット６８には、水潤滑軸受６７に隣接して排水ポート７１が設けられている。これにより、図示しないポンプから供給される潤滑剤としての水が潤滑材供給孔６９を介して水潤滑軸受６７に供給され、水潤滑軸受６７を潤滑した潤滑水がロータ６０の外周面を伝わって排水ポート７１に導かれ、排水ポート７１を介して潤滑材排出孔７０から排出されるようになっている。

また、軸受ブラケット６８の電動機ステータ７６側には、固定台７２、シール固定台７３、及び非接触型の電動機ロータシール７４が取り付けられている。固定台７２は軸受ブラケット６８の電動機ステータ７６との対向端面に固定され、シール固定台７３はその固定台７２に固定されている。電動機ロータシール７４は、シール固定台７３によって電動機ロータ２２の外周面に対向するように設けられている。また、電動機ケーシング７５には、電動機ロータ２２を冷却する冷却空気をその内部に取り込む冷却空気入口７８、及び取り込んだ冷却空気を外部に排出する冷却空気排出口７９が設けられている。図３中に実線で示した矢印は電動機ロータ７８内の冷却空気の主な流通経路を示しており、冷却空気入口７８を介して電動機ケーシング７５内に侵入した冷却空気は、その後、電動機ステータ７６と電動機ロータ２２の間を通って冷却空気排出孔７９から排出される。しかし、一部の冷却空気は、電動機ロータシール７４を通過し水潤滑軸受６７及び排水ポート７１を介して潤滑剤排出孔７０に抜けて行く。電動機ロータシール７４をラビリンスシール等の非接触型のシール構造として電動機２０から水潤滑軸受６７に抜ける空気流を作り出すことにより、水潤滑軸受６７の潤滑水の電動機ロータ２０側への漏出を抑制している。

なお、シール固定台７３の表面には微小な溝を設けておくことが好ましい。シール固定台７３の表面には、電動機２０の駆動に伴って電動機ステータ７６・ステータコイルエンド７７・発電機ロータ２２等から発生する誘導起電力に起因して渦電流が発生し駆動電力が増大する場合があるが、微小な溝を設けておくことによってこの渦電量を低減することができる。

さらに、軸受ブラケット６８の内周部には、リング状にシール用ブラケット６３が取り付けられている。このシール用ブラケット６３は、圧縮機２１，８０の羽根車６１と電動機２０との間に位置し、その内周部には、圧縮機２１，８０から水潤滑軸受７８に向かって順に、ラビリンスシール６６、吸気ポート６５、シール空気ポート６４、ラビリンスシール８２がロータ６０に対向して設けられている。

ラビリンスシール６６は圧縮機２１，８０からの蒸気が電動機２０側へ漏出することを抑制する手段である。吸気ポート６５は真空ポンプ等の吸引機器（図示せず）に接続され、圧縮機２１，８０のうち同じ側の圧縮機の吸気圧力と同程度まで減圧されている。シール空気ポート６４は別途設けたコンプレッサと図示しない空気供給管路を介して接続しており、コンプレッサからの加圧空気によって隣接する吸気ポート６５よりも高圧に保たれている。これにより、ラビリンスシール６６を介して圧縮機２１，８０側から蒸気が漏出しても、シール空気ポート６４が加圧されているので吸気ポート６５からシール空気ポート６４への蒸気の流入はなく、漏出した蒸気は効果的に吸気ポート６５に吸入される。また、水潤滑軸受６７に給水することによって圧縮機２１，８０に潤滑水が侵入し得るが、シール空気ポート６４が加圧されているので、ラビリンスシール８２からシール空気ポート６４への潤滑水の漏出も抑制される。

加えて、本実施の形態の汚泥乾燥システムには、電動機ロータ２２の回転数を制御するインバータ（周波数制御装置）９０が備えられている。インバータ９０は、別途設けた電源９１から電動機２０に供給される電力の周波数を電動機２０の目的回転数に応じて制御装置（図示せず）から出力される指令値に従って調整し、電動機２０（電動機ロータ２２）の回転数を制御する。インバータ９０を介して周波数制御された交流電圧を電動機ステータ７６に印加することにより、目的の回転速度でロータ６０が回転するようになっている。

図３に示したような圧縮機構造によって、ロータ６０の回転数に応じて圧力比を変化させることができるので、圧縮媒体の気体成分に応じて回転数を変えて運転することができる。また、軸受の潤滑剤に水を用いることにより蒸気中に油が混入することがないので、ウェットスクラバー１０や凝縮水タンク１７への油の混入がなくなるため、ドレン水の浄化処理の負担を軽減することもできる。さらに、電動機ケーシング７５内に取り込む冷却空気によって、電動機２０の冷却に加え、水潤滑軸受６７の潤滑水の電動機２０への侵入を抑制することができることもメリットである。なお、図３では、電動機と圧縮機からなる水蒸気ヒートポンプへの適用例を図示したが、図３に示したシール構造、潤滑水・冷却空気の供排構造は、例えば後述するガスタービン原動機６及び発電機３０を含むタービン駆動式の各種発電設備にも適用可能である。

＜第３の実施の形態＞
図４は本発明の汚泥乾燥システムの第３の実施の形態の全体構成を表す概略図である。既出の図面と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態の汚泥乾燥システムが第１及び第２の実施の形態と相違する点は、汚泥貯蔵タンク１から発生する消化ガスを燃料として発電し、電動機２０の駆動用の電力を得る点である。すなわち、システム自体の動力を系内で生じるエネルギーで賄う実施の形態である。

図４に示したように、本実施の形態の汚泥乾燥システムは、第１又は第２の実施の形態の汚泥乾燥システムに、汚泥貯蔵タンク１内の汚泥から発生する消化ガスを貯蔵するガスホルダー３、ガスホルダー３に貯蔵された消化ガスを燃料として駆動するガスタービン原動機６、ガスタービン原動機６で得られた回転動力を電気エネルギーに変換する発電機３０を追加した構成である。

ガスホルダー３は、ガスタンク等のガス貯留設備であり、ガス管路９を介して汚泥貯蔵タンク１と接続している。ガス管路９には必要であれば消化ガスをガスホルダー３に送り込むポンプやファン等を設置する。

ガスタービン原動機６は、吸気管路３６を介して吸気した空気を圧縮する圧縮機３１、圧縮機３１からの圧縮空気とともに消化ガスを燃焼し燃焼ガスを生成する燃焼器３４、燃焼器３４から送り込まれる燃焼ガスにより回転動力を得るタービン３２を備えている。圧縮機３１、タービン３２のロータは回転軸３３を介して発電機３０のロータと同軸上に連結されており、タービン３２で得られた回転動力は発電機３０にて電気エネルギーに変換される。また、燃焼器３４は燃料管路３７を介してガスホルダー３に接続している。燃料管路３７には燃料調整弁４２が設けられており、燃料調整弁４２の開度によりガスホルダー３から燃焼器３４に供給される消化ガスの流量が調整されるようになっている。タービン３２からの排気は、排気管路４０を介して排出される。

上記構成により、汚泥から発生した消化ガスを燃焼器４２で燃焼し、高温の燃焼ガスがタービン３２で膨張することによって得られる駆動力で発電機３０を駆動して発電する。発電機３０で発生した電力は、破線で示した電気配線３５を介して水蒸気ヒートポンプ５の電動機２０に供給される。本実施の形態では発電機３０が電動機２０の電源となる。発電機３０からの供給電力は、前述したようにインバータ９０（図３参照）によって周波数制御される構成とすることが好ましい。このように、本実施の形態では、汚泥貯蔵タンク１で発生した消化ガス、すなわち系内で取得したエネルギーによって発電し水蒸気ヒートポンプ５を駆動する。その他の構成は前に説明した実施の形態と同様である。

本実施の形態によれば、前述した各実施の形態と同様の効果の他、汚泥乾燥システムそのものの必要電力を処理対象物である汚泥から得るので、外部電源からの供給電力によって水蒸気ヒートポンプを駆動する場合に比べ、より有効にエネルギー活用することができ省エネルギー化に寄与することができる。

＜第４の実施の形態＞
図５は本発明の汚泥乾燥システムの第４の実施の形態の全体構成を表す概略図である。既出の図面と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態も第３の実施の形態と同じく消化ガスを発電燃料とする実施の形態であるが、第３の実施の形態と相違する点は、ガスタービンの排出ガスを利用する点である。本実施の形態の汚泥乾燥システムは、図４に示した第３の実施の形態の汚泥乾燥システムに、ウェットスクラバー１０の噴霧管５３に送水する水をガスタービン原動機６からの排気ガスとの熱交換により加熱する熱交換器４を追加設置した構成である。熱交換器４は、排気管路４０を流れるタービン３２からの排気の熱により給水管路５２を流れる供給水を加熱し、高温の温水を発生させる。噴霧量調整弁５１が開放された場合、給水管路５２を流れる温水は噴霧管５３を介してウェットスクラバー１０の内部に噴霧される。その他の構成は第３の実施の形態と同様である。

本実施の形態の場合、第３の実施の形態と同様の効果に加え、システムの原動機の廃熱により温水を発生させることができるので、例えばウェットスクラバー１０における噴霧水を一部蒸発させて初期蒸気を発生させる場合、噴霧水の加熱用の熱源をシステム外部の熱源に依存せず系内で賄うことができる。よって、より独立性の高い高効率なシステムとすることができる。

＜第５の実施の形態＞
図６は本発明の汚泥乾燥システムの第５の実施の形態の全体構成を表す概略図である。既出の図面と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態も第３の実施の形態と同じく消化ガスの燃焼エネルギーにより水蒸気ヒートポンプを駆動する実施の形態であるが、ガスタービン原動機６の回転動力で直接水蒸気ヒートポンプ（圧縮機２１）を駆動する点で第３の実施の形態と異なる。すなわち、本実施の形態は、第３の実施の形態の汚泥乾燥システムから、発電機３０、電気配線３５、電動機２０、インバータ９０等を省略し、ガスタービン原動機６の回転軸３３に圧縮機２１のロータを同軸上に連結した構成にほぼ等しく、その他の構成については第３の実施の形態と同様である。本実施の形態の場合、圧縮機２１の回転数を調整するには、燃料調整弁４２の開度調整によってタービン３２の回転数を制御する。

本実施の形態の汚泥乾燥システムにおいても、第３の実施の形態とほぼ同様の効果が得られる。しかも、第３の実施の形態のように、タービン３２の回転動力を一旦電気エネルギーに変換し、再び電動機２０で電気エネルギーを回転動力に変換する場合に比べ、タービン３２の回転動力で直接圧縮機２１を駆動するのでエネルギー損失が少ない。但し、圧縮機２１の回転数制御については第３の実施の形態のように電動機２０で圧縮機２１を駆動する構成の方が有利である。

Claims

乾燥処理の対象となる汚泥を貯蔵する汚泥貯蔵タンクと、
前記汚泥貯蔵タンクからの汚泥を受け入れるハウジング、及び蒸気を流通する蒸気流路を内部に有し前記ハウジング内で回転駆動する撹拌装置を有し、前記蒸気流路を流通する蒸気の凝縮潜熱により前記ハウジング内に導入された汚泥を加熱する汚泥乾燥機と、
前記汚泥乾燥機内で汚泥から発生した蒸気を圧縮して昇温昇圧し、前記撹拌装置の蒸気流路に供給する圧縮機と、
前記汚泥乾燥機から前記圧縮機への蒸気の流路に設けられた本体容器、及び前記汚泥乾燥機から前記本体容器内に導入される蒸気に水分を噴霧する噴霧管を有し、前記圧縮機に吸気される蒸気中の塵埃を除去するウェットスクラバーと
を備えたことを特徴とする汚泥乾燥システム。
請求項１の汚泥乾燥システムにおいて、
前記撹拌装置の蒸気流路で凝縮した凝縮水を蓄える凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンク内の凝縮水を前記ウェットスクラバーの噴霧管に送水する送水ポンプと
を備えたことを特徴とする汚泥乾燥システム。
請求項２の汚泥乾燥システムにおいて、
前記凝縮水タンクに設けられ前記凝縮水タンク内の気体を排出する排気管路と、
前記排気管路に設けられ前記凝縮水タンクから排出される気体の臭気成分を除去するフィルタと、
前記凝縮水タンクの内部圧力を外気圧力より高くする昇圧手段と
を備えたことを特徴とする汚泥乾燥システム。
請求項１〜３のいずれかの汚泥乾燥システムにおいて、
前記圧縮機を２段設け、前記汚泥乾燥機のハウジング内部から前段の圧縮機までの蒸気の経路の内部圧力を外気圧力よりも低く、後段の圧縮機よりも下流側の蒸気又は凝縮水の経路を外気圧力よりも高くすることを特徴とする汚泥乾燥システム。
請求項１の汚泥乾燥システムにおいて、
前記汚泥貯蔵タンク内の汚泥から発生する消化ガスを貯蔵するガスホルダーと、
前記ガスホルダーに貯蔵された消化ガスを燃料として駆動するガスタービン原動機と、
前記ガスタービン原動機で得られた回転動力を電気エネルギーに変換する発電機と、
前記発電機で発電された電力により回転駆動し前記圧縮機を駆動する電動機と
を備えたことを特徴とする汚泥乾燥システム。
請求項１の汚泥乾燥システムにおいて、
前記汚泥貯蔵タンク内の汚泥から発生する消化ガスを貯蔵するガスホルダーと、
前記ガスホルダーに貯蔵された消化ガスを燃料として駆動し、得られた回転動力で前記圧縮機を駆動するガスタービン原動機と
を備えたことを特徴とする汚泥乾燥システム。
請求項５又は６の汚泥乾燥システムにおいて、
前記ウェットスクラバーの噴霧管に送水する水を前記ガスタービン原動機からの排気ガスとの熱交換により加熱する熱交換器を備えたことを特徴とする汚泥乾燥システム。
請求項４の汚泥乾燥システムにおいて、
電動機ケーシングと、
前記電動機ケーシングの内周部に固定された複数の電動機ステータと、
前記複数の電動機ステータの間で回転自在に支持され、永久磁石を内蔵し両端に連結された前記圧縮機のロータとともに一体のロータを構成する電動機ロータと、
前記圧縮機の前記電動機ケーシング側に設けた蒸気シール部と、
前記蒸気シール部の前記電動機ケーシング側に設けられ、前記蒸気シール部から漏出する前記圧縮機側からの蒸気を吸引する吸気ポートと、
前記吸気ポートの前記電動機ケーシング側に設けられ、加圧空気が供給されるシール空気ポートと、
前記シール空気ポートの前記電動機ケーシング側に設けられ、前記一体のロータを回転自在に支持する水潤滑軸受と、
前記電動機ケーシングに設けられ、前記電動機ロータを冷却する冷却空気を前記電動機ケーシング内に供給する冷却空気入口と
を有する電動機を備えたことを特徴とする汚泥乾燥システム。
請求項１の汚泥乾燥システムにおいて、
前記電動機への供給電力の周波数を調整し前記電動機の回転数を制御するインバータを備えたことを特徴とする汚泥乾燥システム。