JP4368964B2

JP4368964B2 - 固形燃料の製造方法及びその装置

Info

Publication number: JP4368964B2
Application number: JP07061599A
Authority: JP
Inventors: 浩山崎; 章五中島; 仲丸　　孝
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp; Taiheiyo Engineering Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; Taiheiyo Engineering Corp
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2019-03-16
Also published as: JP2000265186A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、廃棄物として処分されている下水道汚泥や製紙スラッジ、食品汚泥等有機性廃棄物を燃料として有効利用する固形燃料の製造方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、下水汚泥、製紙スラッジ、食品汚泥等の有機性廃棄物の大部分は、そのまま埋め立てられたり、焼却後に埋め立てられていた。一部の有機性廃棄物は、堆肥化されて畑等に還元されたり、あるいは焼却時に生じた焼却灰をセメント原料の代替物として有効利用したり、製紙スラッジをそのままあるいは炭化して製鋼炉の保温材として利用していたが、これらの有機性廃棄物は水分が多く、また比較的発熱量が低く、さらに灰分が４０％以上と多いため、燃料としての有効利用はなされていなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
有機性廃棄物を燃料として有効利用するためには、発熱量を確保し、臭気を除去し、ハンドリングが良好なものとする必要がある。また、燃焼後に大量の灰分が発生するため、その処理ルートを確立する必要がある。
有機性廃棄物を燃料として使用するには、有機性廃棄物を乾燥する方法と、乾燥を１歩進めて炭化した後に燃料として利用する方法とが考えられる。これらのうち乾燥による方法は、乾燥のための熱源にエネルギーを必要とし、乾燥後も水分を含んでいると臭気が発生し、また形状も崩れてハンドリング不良となる怖れが非常に高い。従って、乾燥処理後に燃料をただちに燃焼装置に投入出来る設備であれば非常に有効な方法であるが、乾燥後に長距離を輸送したり、貯蔵するような場合は湿分が入り込む可能性が高くなり、臭気の発生が心配される。
【０００４】
このような場合、有機性廃棄物の炭化が有効となる。有機物の炭化は炭焼きに代表されるように古来行われており、特に目新しいものではない（特開平７−８９３６号、特開平８−２９９９９２号、特開平９−６７１８４号等）。しかし、有機性廃棄物を乾燥・炭化することは近年になって実施されてきたものであり、その目的は製鋼保温材、または土壌改良材、肥料等の製造である。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、下水道汚泥、製紙スラッジ、食品汚泥等の有機性廃棄物を燃料として有効利用することができる固形燃料の製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、燃料としての用途に絞った炭化物製造の条件設定を実験により求めて炭化物を製造し、セメントキルンにて燃焼処理することにより、灰処理の問題をも無くしたものである。またボイラー等の燃料として使用した場合もその灰はセメント工場で原料として引き取ることで灰処理問題を無くした。また、長時間の運搬や長期間の貯蔵に関しても腐敗やそれに伴う臭気の発生も全くない状態になり、非常に扱いやすい状態になる。
【０００６】
この発明に係る固形燃料の製造方法は、下水汚泥、製紙スラッジ、食品汚泥等の有機性廃棄物を水分２０〜６０％まで乾燥し、造粒し、空気遮断雰囲気のロータリーキルンを使用して炭化温度３００〜６００℃で４〜２０分間炭化し、その後ただちに冷却し、冷却後の炭化物を乾燥温度７０℃以上１５０℃以下、乾燥時間２〜７時間で乾燥する方法である。
なお、造粒後の有機性廃棄物を水分４５％未満にまで乾燥した後、炭化することもできる。また、造粒工程としては、有機性廃棄物を直径３〜１５ｍｍの大きさに造粒することができる。また、ロータリーキルン内の原料の保有率は４〜１７％が適している。
この発明に係る固形燃料の製造装置は、下水汚泥、製紙スラッジ、食品汚泥等の有機性廃棄物を水分２０〜６０％まで乾燥する乾燥機と、乾燥機で乾燥された有機性廃棄物を造粒する造粒装置と、造粒装置で造粒された有機性廃棄物を空気遮断雰囲気中にて温度３００〜６００℃で４〜２０分間炭化するロータリーキルンと、ロータリーキルンで得られた炭化物を冷却する冷却装置と、ロータリーキルンで発生するガスを燃焼した熱との間で熱交換された空気により、冷却装置で冷却された炭化物が乾燥温度７０℃以上１５０℃以下、乾燥時間２〜７時間で乾燥される製品サイロとを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１にこの発明に係る固形燃料の製造装置の構成を概略的に示す。乾燥機３に造粒装置６を介してロータリーキルン９が接続され、ロータリーキルン９に冷却装置１１が接続されている。また、ロータリーキルン９には乾留ガス燃焼炉１３及び熱交換器１４を介してガス処理設備２３が接続されている。
有機性廃棄物は、乾燥機３で水分２０〜６０％にまで乾燥された後、造粒装置６で造粒され、さらにロータリーキルン９において空気遮断雰囲気中で温度３００〜６００℃で４〜２０分間炭化され、その後冷却装置１１で冷却され、セメント原料としてセメント工場へ搬送される。なお、ロータリーキルン９の温度はバーナー１０にて調節する。ロータリーキルン９の乾留ガスは乾留ガス燃焼炉１３で燃焼された後、その一部が乾燥機３の熱源として使用され、残りは熱交換器１４で熱交換される。乾燥機３からの排ガス及び熱交換器１４で熱交換されたガスはガス処理設備２３にて処理され、その後大気中へ排出される。
【０００８】
炭化物を燃料として使用するためには、経済的にも技術的にも発熱量が２,５００ｋＣａｌ／ｋｇ以上、好ましくは３,０００ｋＣａｌ／ｋｇ以上であることが望ましい。また、同時に臭気の残留があってはならないことが条件となる。そのための条件設定を実験により求めた。
【０００９】
１．造粒
造粒は、球状にする方法と、円柱状に引き抜いて適当な大きさにカットする方法とがある。どちらの方法で造粒して構わないが、ここでは球状にする方法に基づいてその大きさを検討した。造粒径が小さい場合、中心部までの炭化が急速に進み、発熱量はあまり残らない。一方、造粒径が大き過ぎる場合も中心部まで炭化されるまでの時間がかかるため、かえって発熱量は低下する傾向を示す。また甚だしい場合、例えば炭化温度を低く設定した場合は臭気が残ることもあった。図２は造粒径及び炭化温度を種々変化させた場合の発熱量を示す。図２によれば造粒径３〜１７ｍｍ、好ましくは７〜１３ｍｍ程度に造粒することで炭化物の発熱量が高い結果となった。また造粒することで炭化条件が一定となり、炭化工程が安定するメリットがある。
【００１０】
２．水分
ロータリーキルン９へ投入する造粒物の水分は、エネルギー効率面のみから考えると０％が好ましいと言える。しかし、実際には水分が低過ぎると表面の酸化が激しくなり、炭化物の発熱量が低下する。また、水分が多過ぎると炭化時間が長くなり、結果的に炭化物の発熱量が低下する。造粒物の水分及び炭化温度を種々変化させた場合の発熱量の測定結果を図３に示す。図３によれば水分は８〜４５％、好ましくは１７〜３５％が最適であることがわかった。なお、この場合の水分は造粒のし易さにおける水分とは異なり、あくまでもロータリーキルン９へ投入する場合の水分である。なお、水分が多過ぎると、条件によっては炭化が完了せずに、臭気が残る場合があり、今回の実験においては、水分５０％、炭化温度３００℃の条件（キルン保有率６％、炭化時間８分）では発熱量は高かったものの、臭気が残った。
【００１１】
３．炭化温度
炭化工程での炭化温度は最も重要な事項の一つである。炭化温度が高ければ、有機物中の揮発分が揮発し、臭気は完全に消え、炭化時間も早いが、炭化物の発熱量は低下する。また、炭化温度が低いと、有機物中の揮発分の揮発が遅れ、炭化に時間がかかる。炭化温度が低過ぎると、炭化に時間がかかるばかりでなく、粒子の中央部にまで炭化する間に表面の酸化が進み、結果的に発熱量が低下する。炭化温度を種々変化させた場合の発熱量の測定結果を図４に示す。図４によれば、炭化温度３００〜６５０℃で炭化物の発熱量がピークとなることがわかる。また、炭化温度が３００℃以下では炭化が進みにくく、現実的でない。実験の結果、炭化温度２００℃ではいずれの条件においても臭気が残ってしまった。
【００１２】
４．炭化時間
炭化は炭化時間と炭化温度との積により決定される。しかし、炭化時間が長くなれば、酸化が進んで発熱量が低下する。一方、炭化時間が短ければ揮発分が揮発不足となり、甚だしいときには臭気が残ってしまう場合がある。炭化時間と炭化温度を種々変化させた場合の発熱量の測定結果を図５に示す。今回の実験条件では炭化時間３分のとき、臭気が残った。臭気が残らない範囲の実験結果によれば、炭化時間は炭化温度３００℃の時は８〜２４分、４００℃の時は６〜２２分、５００℃の時は５〜２０分、６００℃の時は４〜１８分が最適である結果を得た。今回の実験条件においては炭化時間は４〜２２分、好ましくは６〜１５分が適していると判断した。
【００１３】
５．仕込み量
仕込み量とは、ロータリーキルン９が連続キルンの場合、キルン内の原料保有率または充填率のことであり、キルン容積中に占める原料体積の割合で表される。仕込み量が多過ぎると仕込まれた原料の内部にまで熱が伝わる時間が長くかかり、表面の酸化が進み、炭化物の発熱量が低くなる。一方、仕込み量が少ない場合には、炭化時間を極端に少なくしないと、酸化が進み、やはり発熱量が低下する。また、仕込み量を極端に大きくすると炭化が進まず、臭気が残る結果となった。今回の実験条件では保有率２０％の時、臭気が残った。原料保有率を種々変化させた場合の発熱量の測定結果を図６に示す。この結果によれば、原料保有率は４〜１７％程度、好ましくは５〜１５％程度が最良であることがわかった。
【００１４】
６．炭化物の乾燥温度と乾燥時間
ロータリーキルン９から排出された炭化物の冷却方式として直接水冷方式を採用した場合、炭化物中の水分は４０％前後となる。これは水没式、散水式、さらに水没、散水時間を問わずほぼ一定値となる。このため、炭化物を燃料として使用する場合はこれを乾燥する必要がある。乾燥時間を短くするためには温度は高い程良い。しかし、例えば温度２００℃以上の温風を使用した場合には発火の危険が出てくる。そこで、実験を重ねた結果、温度１５０℃以下であれば発火の危険がないことを確認した。この温度範囲内で乾燥温度を変化させて乾燥時間に対する乾燥速度の関係を調べる実験を行った。その結果、図７に示されるように、乾燥温度１２０℃で２〜３時間、９０℃では３〜７時間乾燥すれば良いことがわかった。温度５０℃では５時間かけても乾燥が完了せず、また温度１５０℃では１時間強の時間で乾燥が完了し、長時間の乾燥では発火の危険が出てくる。あまり長い乾燥時間では容器の容量が大きくなるばかりでなく、過剰乾燥による発火の心配も出てくる。その妥協点が乾燥温度１２０℃で２〜４時間、９０℃では４〜７時間の乾燥時間である。単位被乾燥物重量当たりの風量（単位としてはｍ³／ｋｇｈ）の変化も乾燥時間に影響を与えるが、今回の実験範囲（０.８〜０.５ｍ³／ｋｇｈ）では温度による乾燥時間の変化に比較すれば、単位被乾燥物重量当たりの風量が乾燥時間の変化に与える効果は小さいことがわかる。
【００１５】
実施例１．
図８に実施例１に係る固形燃料の製造装置の構成を示す。汚泥受入設備１に汚泥引き出し装置２を介して乾燥機３が接続され、乾燥機３に一時貯留ホッパー４及び乾燥汚泥引き出し装置５を介して造粒装置６が接続されている。さらに、造粒装置６にペレットサイロ７及びペレット引き出し装置８を介してロータリーキルン９が接続されている。ロータリーキルン９には、冷却装置１１及び製品サイロ１２が接続されると共に乾留ガス燃焼炉１３及び熱交換器１４が接続されている。熱交換器１４には、ガス処理設備として減温塔１５、バグフィルター１６、脱臭装置１７、消石灰添加装置１８、活性炭添加装置１９が接続されている。
【００１６】
まず、汚泥受入設備１に水分約８０％の下水汚泥を受け入れる。受入方法としては、下水処理場における前工程から高圧ポンプまたはベルトコンベアー、スクリュウコンベア等で受け入れることができる。もちろん、ダンプトラック等による受入も可能である。次に、汚泥受入設備１から汚泥引き出し装置２にて汚泥を引き出す。汚泥引き出し装置２としては、スクリュウコンベア、高圧ポンプ、その他の設備が使用される。引き出した汚泥は乾燥機３に投入される。
【００１７】
本発明にかかわる開発過程において、水分が８０％程度の汚泥は造粒がうまく行かないことがわかり、この実施例１では乾燥機３を造粒装置６の前段に置いている。しかし、造粒・乾燥機の種類によってはこの順番を逆にし、造粒した後に乾燥する順番とすることもできる。乾燥機３の熱源としてはロータリーキルン９の乾留ガスを直接利用する方式と廃熱ボイラを通して蒸気として利用する方式が考えられる。この実施例１ではロータリーキルン９の乾留ガスを用いた直接乾燥方式としている。乾燥機３において、汚泥は水分２５〜６０％にまで乾燥される。これは、造粒に適した水分にするためである。すなわち、水分がこの範囲内にあれば乾燥せずに造粒可能となる。
【００１８】
乾燥後の汚泥は一時貯留ホッパ−４に収容される。一時貯留ホッパ−４への収容は、乾燥機３、造粒装置６、ロータリーキルン９等、各装置間の瞬間的な能力変動を吸収して、連続運転を行うことに配慮したものである。スクリュウコンベア等からなる乾燥汚泥引き出し装置５で一時貯留ホッパー４から乾燥した汚泥が引き出され、造粒装置６に送られる。造粒装置６で造粒したペレットは一旦ペレットサイロ７に収容される。これは、一時貯留ホッパー４と同じ役割、すなわち能力変動吸収の目的を持つものである。スクリュウコンベア等からなるペレット引き出し装置８でペレットサイロ７からペレットが引き出され、ロータリーキルン９の供給ホッパーに送られる。供給ホッパーからはスクリューコンベアでロータリーキルン９に一定容量で供給される。もちろん、ロータリーキルン９へのペレットの供給量は最適な炭化状態となるように調節可能である。ロータリーキルン９の温度はバーナー１０にて調節自在となっている。また、ロータリーキルン９に接続された乾留ガス燃焼炉１３からの高温ガスによってロータリーキルン９内を加熱することも可能である。
【００１９】
次に、ロータリーキルン９で炭化された炭化物は冷却装置１１で冷却される。冷却装置１１は、直接空冷、間接空冷、直接水冷、間接水冷、いずれの方式も選ぶことができるが、この実施例１では最も安全且つ確実な直接水冷方式を採用している。冷却装置１１で冷却された炭化物製品は製品サイロ１２に収容され、出荷されるが、直接水冷した場合、炭化物の水分は３０〜５０％程度になっており、必要に応じて炭化物製品の乾燥が行われる。ロータリーキルン９の乾留ガスは乾留ガス燃焼炉１３で燃焼された後、その一部が乾燥機３の熱源として使用され、残りは熱交換器１４にてファン２０から送られる空気との間で熱交換され、熱交換した空気を使用して製品サイロ１２において炭化物製品の乾燥が行われる。
【００２０】
乾燥機３からの排ガス及び熱交換器１４で熱交換されたガスは、減温塔１５、バグフィルター１６、脱臭装置１７を経て大気中へ排出される。なお、排ガス中の酸性成分を除去するため、消石灰添加装置１８及び活性炭添加装置１９から排ガス中に消石灰、活性炭等を吹き込むこともできる。また、これら減温塔１５、バグフィルター１６、脱臭装置１７、消石灰添加装置１８及び活性炭添加装置１９のいわゆるガス処理を湿式で行うことも可能である。
【００２１】
実施例２．
図９に実施例２に係る固形燃料の製造装置の構成を示す。この実施例２の装置は、図８に示した実施例１の装置において、熱交換器１４で熱交換した空気をペレットサイロ７へ供給して造粒後のペレットの乾燥を行うようにしたものである。このペレットの乾燥は、ペレットの水分を炭化に適したものとするためである。
【００２２】
実施例３．
図１０に実施例３に係る固形燃料の製造装置の構成を示す。この実施例３の装置は、図９に示した実施例２の装置において、乾留ガス燃焼炉１３からの高温の排ガス及びガス処理設備の脱臭装置１７を経たガスによってロータリーキルン９内を加熱するようにしたものである。これにより、乾留ガスの熱エネルギーが、ロータリーキルン９の加熱源、乾燥機３の熱源、ペレットサイロ７におけるペレットの乾燥熱源、製品サイロ１２における炭化物製品の乾燥熱源として最大限に利用されることとなる。
【００２３】
実施例４．
図１１に実施例４に係る固形燃料の製造装置の構成を示す。この実施例４の装置は、図１０に示した実施例３の装置において、乾燥機３の後段に配置されていた一時貯留ホッパー４、乾燥汚泥引き出し装置５及び造粒装置６の代わりに乾燥機３の前段に造粒装置６とペレットタンク２１及びペレット引き出し手段２２を設けたものである。このような配置としても、有機性廃棄物から発熱量の大きな燃料を得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、従来そのまま埋め立て、あるいは焼却後の灰を埋め立てていた、下水汚泥等の有機性廃棄物を、ボイラーやセメントキルン等の燃料として使用することが可能となり、資源の有効利用と共に埋め立て地の延命を図ることができるようになった。また、下水汚泥等の有機性廃棄物の炭化物をボイラーあるいはセメントキルン等の燃料代替として使用することにより、燃料資源の温存と二酸化炭素排出量の低減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る固形燃料の製造装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】造粒径と発熱量との関係を示すグラフである。
【図３】原料水分と発熱量との関係を示すグラフである。
【図４】炭化温度と発熱量との関係を示すグラフである。
【図５】炭化時間と発熱量との関係を示すグラフである。
【図６】原料保有率と発熱量との関係を示すグラフである。
【図７】乾燥時間と発熱量との関係を示すグラフである。
【図８】実施例１に係る固形燃料の製造装置の構成を示すブロック図である。
【図９】実施例２に係る固形燃料の製造装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】実施例３に係る固形燃料の製造装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】実施例４に係る固形燃料の製造装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１汚泥受入設備、２汚泥引き出し装置、３乾燥機、４一時貯留ホッパー、５乾燥汚泥引き出し装置、６造粒装置、７ペレットサイロ、８ペレット引き出し装置、９ロータリーキルン、１０バーナー、１１冷却装置、１２製品サイロ、１３乾留ガス燃焼炉、１４熱交換器、１５減温塔、１６バグフィルター、１７脱臭装置、１８消石灰添加装置、１９活性炭添加装置、２０ファン、２１ペレットタンク、２２ペレット引き出し手段。

Claims

下水汚泥、製紙スラッジ、食品汚泥等の有機性廃棄物を水分２０〜６０％まで乾燥し、造粒し、空気遮断雰囲気のロータリーキルンを使用して炭化温度３００〜６００℃で４〜２２分間炭化し、その後ただちに冷却し、冷却後の炭化物を乾燥温度７０℃以上１５０℃以下、乾燥時間２〜７時間で乾燥することを特徴とする固形燃料の製造方法。
造粒後の有機性廃棄物を水分４５％未満にまで乾燥した後、炭化することを特徴とする請求項１に記載の固形燃料の製造方法。
有機性廃棄物は直径３〜１５ｍｍの大きさに造粒されることを特徴とする請求項１または２に記載の固形燃料の製造方法。
ロータリーキルン内の原料の保有率が４〜１７％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の固形燃料の製造方法。
下水汚泥、製紙スラッジ、食品汚泥等の有機性廃棄物を水分２０〜６０％まで乾燥する乾燥機と、
前記乾燥機で乾燥された有機性廃棄物を造粒する造粒装置と、
前記造粒装置で造粒された有機性廃棄物を空気遮断雰囲気中にて温度３００〜６００℃で４〜２２分間炭化するロータリーキルンと、
前記ロータリーキルンで得られた炭化物を冷却する冷却装置と、
前記ロータリーキルンで発生するガスを燃焼した熱との間で熱交換された空気により、前記冷却装置で冷却された前記炭化物が乾燥温度７０℃以上１５０℃以下、乾燥時間２〜７時間で乾燥される製品サイロと
を備えたことを特徴とする固形燃料の製造装置。