JP3678596B2

JP3678596B2 - 汚泥処理方法及び装置

Info

Publication number: JP3678596B2
Application number: JP02404699A
Authority: JP
Inventors: 崇中川; 敬大塚
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2019-02-01
Also published as: JP2000218292A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、汚泥を脱水して焼却処理する汚泥処理方法及び装置に関し、例えば下水処理場から排出される汚泥を処理する汚泥処理方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水処理場から排出される汚泥の処理方法として、従来から、汚泥を脱水機で脱水したうえで、焼却炉で焼却処理する方法が用いられている。焼却炉及び後続の排ガス等の処理設備をコンパクトにするためには、脱水した脱水ケーキの含水率をできるだけ少なくすることが好ましい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
汚泥中の有機物等の可燃物の含有率が高くなると、汚泥の発熱量が増し、焼却時の焼却炉の炉内温度が上がって、焼却炉への熱的負荷が増し、汚泥の一部が融解して炉内の壁面にこびりついたりする問題が起こる。従来は、炉内に直接水や空気を注入することで、炉内の温度上昇を抑えていた。しかしながら、このように炉内に水や空気を注入すると、排ガスのガス量が増加するため、排ガス処理設備が大型化してしまうという問題があった。
【０００４】
この問題点に鑑みて、本発明は、排ガスのガス量を増加させることなく焼却炉内の温度上昇を抑え、焼却炉、後続の排ガス処理設備をコンパクトにすることが可能な汚泥処理方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の汚泥処理方法は、汚泥を脱水して脱水ケーキ化する脱水工程と、脱水ケーキを焼却炉で焼却処理する焼却工程とを備えている汚泥処理方法において、焼却炉の温度と脱水ケーキの含水率を基にして、汚泥あるいは脱水ケーキと焼却処理後の焼却灰の混合割合を調整することにより、焼却炉に投入される脱水ケーキの発熱量を焼却炉の温度が目標温度となるよう調整する調整工程をさらに備えていることを特徴とする。
【０００６】
一方、本発明の汚泥処理装置は、汚泥を脱水して脱水ケーキ化する脱水機と、この脱水ケーキを焼却処理する焼却炉とを備えている汚泥処理装置において、汚泥あるいは脱水ケーキに焼却処理後の焼却灰を投入して混合する投入機と、焼却炉の炉内温度と脱水ケーキの含水率を基にして焼却炉の炉内温度が目標温度となるよう投入機による投入量を調整する制御装置と、をさらに備えていることを特徴とする。
【０００７】
汚泥あるいは脱水ケーキに焼却処理後の焼却灰を投入して混合することにより、投入後の汚泥あるいは脱水ケーキの灰分が増加する一方、可燃物含有量、含水率はともに低下する。その結果、単位重量、単位体積あたりの発熱量も低下する。つまり、焼却灰の投入量を制御することで最終的に得られる焼却灰混合脱水ケーキの発熱量を調整することが可能である。こうして焼却する焼却灰混合脱水ケーキの発熱量を調整することで焼却炉の温度が上昇しないよう制御できる。灰分は焼却時の燃焼反応には関与しないので、排ガスは焼却灰の混合の有無に関らず増加することがなく、排ガス処理設備を大型化する必要がない。また、灰分混入による体積増加の影響は少ないので、焼却炉もコンパクト化できる。
【０００８】
この調整工程は、脱水工程に先立って行なっても、脱水工程と焼却工程の間に行なってもよい。つまり、投入機は、脱水機の手前に配置されていても、脱水機と焼却炉の間に配置されていてもよい。脱水の前に汚泥に焼却灰を投入すると、汚泥と焼却灰の混合が容易であり、さらに、脱水効率を高めることができるので、より好ましい。
【０００９】
なお、焼却炉の温度は、炉内温度計により随時測定が可能であり、脱水ケーキの含水率はサンプリングにより測定が可能である。炉の温度と脱水ケーキの含水率から脱水ケーキの組成を推定し、焼却炉の炉内温度が目標温度となる発熱量になる組成に調整することが可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る汚泥処理装置の全体フロー図である。
【００１１】
この装置は、汚泥を脱水する脱水機１と、汚泥中の可燃物を焼却して減量処理する焼却炉２と、焼却炉排ガスを処理する排ガス処理設備３と、処理済の排ガスを大気中に放出する煙突４と、排ガスから焼却灰を回収する灰回収設備５を備えている。脱水機１と焼却炉２、焼却炉２と排ガス処理設備３、排ガス処理設備３と煙突４、排ガス処理設備３と灰回収設備５とはそれぞれラインＬ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５により接続されており、脱水機１に汚泥を投入するラインＬ１には、この汚泥に灰回収設備５で回収された焼却灰の一部を混合するラインＬ６が接続されている。
【００１２】
ここで、脱水機１には、フィルタープレス脱水装置、ベルトプレス脱水装置、遠心脱水装置などが好適に使用可能である。また、焼却炉２には、各種の焼却炉が使用可能であるが、流動床式や循環流動層式の焼却炉が好適である。排ガス処理設備３は、排熱ボイラーや空気予熱器などの熱回収設備や急冷塔、脱硝・脱硫設備、集塵機などを組み合わせて構成される。
【００１３】
次に、図１、図２を用いて、本装置の動作、すなわち、本発明に係る汚泥処理方法について説明する。図２は、本装置における物質収支を示している。
【００１４】
下水処理場等で発生した水分を大量に含む汚泥Ｍs(kg)がラインＬ１を介して脱水機１へと供給される。この汚泥の組成は、図２（ａ）に示されるように、水分含有量がγs、可燃分率がＶs、灰分の分率がＡsである。したがって、可燃分の単位重量あたりの発熱量をＱv(kcal/kg)とすると、この汚泥の単位重量あたりの発熱量はＱvＶs(kcal/kg)となる。この下水汚泥に後続の焼却処理によって処理され、灰回収設備５で回収された焼却灰をラインＬ６を介してＭa(kg)混入する。つまり、ラインＬ６がラインＬ１への投入機として機能する。この混入割合の設定については後述する。投入焼却灰の組成は、図２（ｂ）に示されるように、全て不燃性の灰分からなる。したがって、その発熱量は０(kcal/kg)である。こうして下水汚泥と投入焼却灰が混合された脱水前汚泥の組成は、図２（ｃ）に示されるように、水分と可燃分の比率がそれぞれγsＭs／（Ｍs＋Ｍa）、ＶsＭs／（Ｍs＋Ｍa）となり減少する一方、灰分は、（ＡsＭs＋Ｍa）／（Ｍs＋Ｍa）となって増加する。この結果、単位重量あたりの発熱量も｛ＱvＶsＭs／（Ｍs＋Ｍa）｝(kcal/kg)と低下する。
【００１５】
この脱水前汚泥は脱水機１に導かれ、Ｗ(kg)の水が脱水される。なお、デカンタ型などの連続処理が可能な遠心脱水機を用いる場合は、脱水機１内で汚泥が攪拌されるので、汚泥と焼却灰を別ラインで脱水機１に投入しても両者を脱水機１内で混合することができる。つまり、脱水機１が投入機を兼ねることになる。脱水前あるいは脱水時に汚泥に焼却灰を混合することにより、脱水効率を高めることも可能となる。
【００１６】
図２（ｄ）はこうして脱水処理された後の汚泥、すなわち、脱水ケーキの組成を示している。得られる脱水ケーキの重量をＭc(kg)とすると、Ｍc＝Ｍs＋Ｍa−Ｗが成立し、水分比（含水率）は、（γsＭs−Ｗ）／Ｍcと脱水前に比べて減少する一方、可燃分、灰分はそれぞれＶsＭs／Ｍc、（ＡsＭs＋Ｍa）／Ｍcと脱水前に比べて増加する。この結果、単位重量あたりの発熱量も（ＱvＶsＭs／Ｍc）(kcal/kg)と脱水前より増加するが、投入焼却灰量を増加させるに従って、脱水ケーキの単位重量当たりの発熱量は元の下水汚泥よりも低下する。したがって、前述した焼却灰の添加量Ｍaを調整することで、発熱量を調整することが可能である。
【００１７】
この脱水ケーキを焼却炉２へ投入して８００〜９００℃程度で燃焼させて焼却処理する。脱水ケーキの発熱量を調整することで、炉内温度を調整することが可能である。さらに、炉内温度が目標温度となるよう、焼却灰の添加量Ｍaをフィードバック制御して調整してもよい。
【００１８】
焼却炉２内では、脱水ケーキを図２（ｅ）に示されるようにＡ(kg)の空気を付加して燃焼させることで、同図（ｆ）及び（ｇ）にそれぞれ示されるように、｛（１−Ａs）Ｍs＋Ａ−Ｗ｝(kg)の排ガスと、（ＡsＭs＋Ｍa）(kg)のダスト（焼却灰）が生成される。この排ガスとダストはラインＬ３を介して排ガス処理設備３に送られ、排ガスは同設備で処理されたうえで、ラインＬ４を介して煙突４から大気中へと放出される。一方、焼却灰は排ガス処理設備３で分離されてラインＬ５を介して灰回収設備５へと送られ、このうちＭa(kg)が前述したようにラインＬ６を介して戻される。
【００１９】
排ガス処理設備３に送られる排ガスの量は、投入された焼却灰の量とは無関係であり、焼却灰を投入したことによって増加することはない。そして、脱水した水の量だけ減少しているので、排ガス体積が低減され、処理設備をコンパクト化することが可能である。一方、ダストは焼却灰の添加によって増加するが、ダストの体積は排ガスの体積に比べると極端に小さいので、その増加量に伴う処理設備への負荷増加は大きくない。そして、本装置においては、焼却灰の一部が循環するだけであるため、外部から添加剤を添加するのと異なり、添加剤の保管施設等が不要で添加剤のコストもかからないので、低コストで実現できる。
【００２０】
ここで、焼却炉２の温度調整のための焼却灰の添加量制御について図３を参照して詳細に説明する。図３は、焼却炉に投入された汚泥の灰分、含水率に対する炉頂温度（循環流動層式焼却炉内の頂部部分の温度）となる自燃限界線を示す線図である。
【００２１】
脱水ケーキの可燃分の単位重量あたりの発熱量はほぼ一定であり、焼却炉２の熱容量は既知であるから、所定の焼却炉２においては、燃焼させる脱水ケーキの組成がわかれば、補助燃料を使用せず、可燃分を完全燃焼させた時の炉内温度を算出することができる。また、脱水ケーキの含水率、可燃分率、灰分率をそれぞれγc、Ｖc、Ａcとすると、γc＋Ｖc＋Ａc＝１が成立するので、いずれか２つがわかれば、他の１つは算出できる。図３は、ある循環流動層式焼却炉において、所定量の汚泥を投入して補助燃料を供給することなく完全燃焼させた場合に、この焼却炉の炉頂部分の温度が一定となる含水率と灰分率の関係を求めて線図として表したものである。焼却炉の炉内容積９７ｍ³、脱水ケーキの投入量は１００ｔ／日、可燃分の高位発熱量は約５６００kcal/kgとして計算した。
【００２２】
図中▲１▼▲２▼▲３▼で示す線は、それぞれ炉頂温度が８００℃、８５０℃、９００℃となる線を示しており、灰分率あるいは含水率が高くなるほど、すなわち、可燃分率が低くなるほど炉頂温度は低下することがわかる。そして、▲１▼▲２▼▲３▼の各曲線において、灰分率と含水率は、
γc＝ａＡc²＋ｂＡc＋ｃ
の関係を満たすことがわかった。この式は焼却炉の炉形状、運転条件と炉頂温度等により、自燃限界となる汚泥成分を数点算出し、これらの点の近似曲線を最小二乗法により求めたものである。つまり、ａ、ｂ、ｃは定数となる。
【００２３】
次に、ある脱水ケーキを燃焼させたときの炉頂温度が目標より高いときに、炉頂温度を目標温度に調整するために必要な脱水ケーキ１ｋｇに対して添加すべき焼却灰の量Ｍa1（kg）の算出について説明する。調整前の脱水ケーキの含水率、可燃分率、灰分率をそれぞれγc1、Ｖc1、Ａc1、調整後の脱水ケーキの含水率、可燃分率、灰分率をそれぞれγct、Ｖct、Ａctとすると、
γct＝ａＡct²＋ｂＡct＋ｃ …（１）
を満たすａ、ｂ、ｃは既知である。調整前の脱水ケーキ１ｋｇに対して灰分１００％の焼却灰Ｍa1（ｋｇ）を添加するのであるから、
γct＝γc1／（１＋Ｍa1） …（２ａ）
Ｖct＝Ｖc1／（１＋Ｍa1） …（２ｂ）
Ａct＝（Ａc1＋Ｍa1）／（１＋Ｍa1） …（２ｃ）
がそれぞれ成立する。（２ａ）（２ｃ）式を（１）式に代入して整理すると、
ＡＭa1²＋ＢＭa1＋Ｃ＝０ …（３）
ただし、Ａ＝ａ＋ｂ＋ｃ
Ｂ＝２ａＡc1＋ｂ（１＋Ａc1）＋２ｃ−γc1
Ｃ＝ａＡc1²＋ｂＡc1＋ｃ−γc1
が成立し、（３）式からＭa1を求めることができる。
【００２４】
具体的には、図３の線図において、▲２▼の曲線においては、ａ＝０．００１５、ｂ＝−０．８１、ｃ＝０．７７となる。ここで、調整前の脱水ケーキの灰分、含水率がそれぞれ５％、７０％（Ｐ点）であったとすると、（３）式のＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ−０．０３４、−０．００１３、０．０３４であり、Ma1＝０．９８となる。この結果、調整後の脱水ケーキの灰分、含水率は図に占めされるようにそれぞれ５２．１％、３５．３％（Ｑ点）となる。
【００２５】
実際の制御においては、例えば、炉内温度計によりオンラインでの測定が容易な焼却炉２の炉頂温度と、脱水機１出口においてサンプリングにより測定可能な脱水ケーキの含水率をそれぞれ測定してこれらを基にして図３の曲線からケーキの灰分率を推定し、（３）式を用いて最適な焼却灰投入量を求めてこの投入量となるよう灰回収設備５からラインＬ６への供給量を制御すればよい。さらに、精密に調整する場合は、多少の時間遅れを伴うことになるが、脱水ケーキあるいは汚泥をサンプリングして灰分率あるいは可燃分率、発熱量を測定し、これをもとにして投入量を調整してもよい。
【００２６】
以上の説明では、脱水機１の手前で汚泥に焼却灰を投入する装置及び方法について説明してきたが、図１に点線で示すラインＬ６’を介して脱水機１の後で脱水ケーキに焼却灰を投入してもよい。この場合は、脱水ケーキと焼却灰を混合、攪拌する装置を設けることが好ましい。あるいは、焼却炉に直接、必要な量の焼却灰を投入してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る汚泥処理方法及び装置によれば、汚泥あるいは脱水ケーキに焼却灰を混合してその発熱量を調整しているので、可燃分の多い汚泥を処理する場合でも、炉内温度を低く抑えることができる。また、排ガス量が増加することがないので、後続の排ガス処理設備が大型化することがなく、コンパクト化できる。
【００２８】
さらに、脱水前の汚泥に焼却灰を添加すれば、脱水効率が向上して好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る汚泥処理装置の全体フロー図である。
【図２】図１の装置における物質収支を示している。
【図３】循環流動層式焼却炉において投入された汚泥の灰分、含水率に対する炉頂温度を示す線図である。
【符号の説明】
１…脱水機、２…焼却炉、３…排ガス処理設備、４…煙突、５…灰回収設備、Ｌ１〜Ｌ６…ライン。

Claims

汚泥を脱水して脱水ケーキ化する脱水工程と、前記脱水ケーキを焼却炉で焼却処理する焼却工程とを備えている汚泥処理方法において、
前記焼却炉の温度と前記脱水ケーキの含水率を基にして、前記汚泥あるいは前記脱水ケーキと焼却処理後の焼却灰の混合割合を調整することにより、焼却炉に投入される前記脱水ケーキの発熱量を前記焼却炉の温度が目標温度となるよう調整する調整工程をさらに備えていることを特徴とする汚泥処理方法。
前記調整工程を脱水工程に先立って行うことを特徴とする請求項１記載の汚泥処理方法。
前記調整工程を脱水工程と焼却工程の間に行うことを特徴とする請求項１記載の汚泥処理方法。
汚泥を脱水して脱水ケーキ化する脱水機と、前記脱水ケーキを焼却処理する焼却炉とを備えている汚泥処理装置において、
前記汚泥あるいは前記脱水ケーキに焼却処理後の焼却灰を投入して混合する投入機と、
前記焼却炉の炉内温度と前記脱水ケーキの含水率を基にして前記焼却炉の炉内温度が目標温度となるよう前記投入機による投入量を調整する制御装置と、
をさらに備えていることを特徴とする汚泥処理装置。
前記投入機は、前記脱水機の手前に配置されていることを特徴とする請求項４記載の汚泥処理装置。
前記投入機は、前記脱水機と前記焼却炉の間に配置されていることを特徴とする請求項４記載の汚泥処理装置。