JP4926781B2 - 高含水率廃棄物の処理方法及び処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、高含水率廃棄物の処理方法及び処理装置に関し、更に詳しくは、セメント焼成設備を用いて高含水率廃棄物を焼却処理する際に、セメント焼成設備の設備容量を変更することなくクリンカ焼成能力を向上させることによって、この高含水率廃棄物の焼却処理に伴うセメント焼成設備への影響を防止するとともに、この高含水率廃棄物を多量に処理することが可能な高含水率廃棄物の処理方法及び処理装置に関するものである。

従来、水分を多く含む高含水率廃棄物の例として下水処理場から排出される脱水汚泥があり、この脱水汚泥は、これまでは焼却・溶融等の処理がなされてきたが、近年、資源として有効利用するための再利用処理が進められ、セメント焼成設備においても再利用処理が順次増加する傾向にある。また、同様に、焼却場から発生する焼却灰や飛灰等もセメント原料として再利用処理されている。
例えば、脱水汚泥を、乾燥することなく、また、添加剤を用いて前処理することなく、直接セメントキルンの窯尻部または仮焼炉にパイプライン輸送にて導入して焼却する方法（特許文献１等参照）がある。また、焼却飛灰等も、一旦水洗を行ってセメント焼成設備の操業に有害な塩素分を取り除いた後、高含水率の状態のままセメント焼成設備の高温部に直接投入し処理をおこなう方法（特許文献２等参照）がある。

一般に、脱水汚泥は殆どが水と有機物であるから、セメントキルンや仮焼炉で焼却する際に残分となる灰分はごく微量である。したがって、セメントクリンカの成分に影響を及ぼすこともなく、セメントキルン内での焼却処理が可能であり、しかも、焼却灰等の新たな廃棄物を出さないため、有効な処理方法である。また、水洗した焼却飛灰は、洗浄によってもダイオキシン等の有機塩素化合物が残存しているが、この残存している有機塩素化合物を高温処理し無害化することにより、含まれる有害成分を確実に焼却処理することができ、残る無機成分をセメント原料として有効利用することができる。
特開２００２−５２３９７号公報 特開２００１−２５７３１号公報

ところで、前述の高含水率廃棄物をセメントキルンの窯尻部に直接投入する方法では、高含水率廃棄物に含まれる多量の水分の蒸発が、セメントキルンの窯尻部における原料の温度の低下、サスペンションプレヒータや仮焼炉にて加熱および脱炭酸された原料の有する顕熱の低下、セメント原料がクリンカ状に焼結する帯域（キルン焼成帯）の温度の低下等の原因となり、したがって、セメントクリンカが十分焼成されなくなる虞があるという問題点があった。
このような温度や顕熱の低下を生じさせないためには、セメント焼成設備のセメントクリンカ焼成量を極端に低下させる操業が必要となるが、この場合、単位クリンカを焼成するためのガス原単位が高くなり、窯尻温度やサスペンションプレヒータ排ガス温度の上昇が起こり、これに伴って焼成用熱量や電力使用量が高くなり、経済的な操業が不可能になるという問題点があった。

また、セメントクリンカ焼成能力を極端に低下させた場合、所要量のセメント製造を行うことが不可能となる等の虞がある。
このため、セメント焼成設備では、高含水率廃棄物の投入量を制限する必要があり、クリンカ焼成量に対して、せいぜい１〜３％程度までの処理がおこなわれているのが実状である。
さらに、セメント焼成設備で処理されている高含水率廃棄物は、下水汚泥や水洗焼却飛灰等の他、工場汚泥、廃水、中和水、有機性スラッジ等もあり、性状や取り扱い方も多様である。したがって、これらの高含水率廃棄物を全て同一のセメント焼成設備で処理することが望まれているが、これらの多様な高含水率廃棄物を従来のセメント焼成設備に同時に直接投入して焼却処理を行うと、セメント焼成設備に与える影響がより一層大きくなり、必要なセメント生産を行うことが不可能になるという問題点があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、セメント焼成設備を用いて廃棄物を焼却処理するに際して、水分が多く含まれている高含水率廃棄物であっても、セメント焼成設備の操業に与える影響が小さく、セメント焼成能力を維持しつつセメント焼成設備にて効率的に処理することが可能であり、しかも多量の高含水率廃棄物を処理することが可能な高含水率廃棄物の処理方法及び処理装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、セメント焼成設備におけるクリンカの焼成度を維持するための焼成許容範囲を広くすることと、クリンカ焼成のためのガス原単位を少なくすることにより、水分が多量に含まれる高含水率廃棄物をセメント焼成装置に直接投入した場合においても、セメントクリンカ焼成工程が高含水率廃棄物中の単位水分量の蒸発による影響が小さく、セメントクリンカ焼成能力を維持することが容易になることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の高含水率廃棄物の処理方法は、セメント原料を予熱するサスペンションプレヒータと、予熱された前記セメント原料を仮焼する仮焼炉と、この仮焼されたセメント原料を焼成しクリンカとするセメントキルンと、このクリンカを冷却するクリンカクーラとを備えたセメント焼成設備を用いて高含水率廃棄物を焼却処理する方法であって、酸素供給手段から発生した酸素を、前記セメントキルンの燃料燃焼空気、前記仮焼炉の燃料燃焼空気のうちいずれかまたは双方に混入させて燃料燃焼を行うとともに、前記酸素供給手段から発生した酸素を、前記クリンカクーラの冷却用空気に混入させ、前記高含水率廃棄物のうち、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰を、前記セメントキルン、前記仮焼炉、前記サスペンションプレヒータのうちいずれか一個所以上に直接投入し、低粘性の高含水率廃棄物を、前記セメントキルンの窯尻部、前記仮焼炉の二次空気ダクト、前記仮焼炉の上半部から前記サスペンションプレヒータの最下段のサイクロンまでの間のうちいずれか一個所以上に直接投入し、その後焼却処理を行うことを特徴とする。

この高含水率廃棄物の処理方法では、セメント焼成設備のセメントキルンの燃料燃焼空気、仮焼炉の燃料燃焼空気のうちいずれかまたは双方に酸素を混入させることにより、焼成される単位セメントクリンカ当たりのガス原単位が少なくなり、また、クリンカクーラから回収する二次空気量も少なくなり、しかも高温領域の二次空気を回収することとなるので、セメントキルンでのクリンカ焼成帯域の温度が容易に高まり、よって、セメントクリンカの焼成能力を高めることが可能となる。
これにより、高含水率廃棄物のうち、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰を、セメントキルン、仮焼炉、サスペンションプレヒータのうちいずれか一個所以上に直接投入し、低粘性の高含水率廃棄物を、セメントキルンの窯尻部、仮焼炉の二次空気ダクト、仮焼炉の上半部から前記サスペンションプレヒータの最下段のサイクロンまでの間のうちいずれか一個所以上に直接投入し、その後焼却処理を行うこととしても、セメント焼成設備におけるクリンカ焼成量とクリンカ焼成度を維持することが可能となる。
また、セメントクリンカ焼成工程が高含水率廃棄物中の水分の蒸発による影響を受け難くなることにより、セメントの品質を低下させることなく、安定したセメント焼成設備の操業が可能になる。

この高含水率廃棄物の処理方法では、酸素供給手段から発生した酸素をクリンカクーラの冷却用空気に混入させることにより、クリンカクーラから回収する二次空気量がさらに少なくなる。しかも、酸素濃度を調整することによって、クリンカ焼成帯域を適正な温度とすることが可能となり、セメントクリンカの焼成能力をさらに高めることが可能となる。

本発明の高含水率廃棄物の処理方法では、前記高含水率廃棄物の前記仮焼炉または前記セメントキルンへの投入量は、前記セメント焼成設備における前記クリンカの焼成量に対して４重量％以上、前記高含水率廃棄物に含まれる合計含水量に換算して３重量％以上、のいずれかであることが好ましい。

この高含水率廃棄物の処理方法では、高含水率廃棄物の仮焼炉またはセメントキルンへの投入量を上記のように多量に設定した場合であっても、セメントクリンカ単位当たりの焼成に必要なガス量が減少し、セメントクリンカ焼成能力を維持しつつクリンカ焼成帯域の温度も容易に上昇し、よって、セメントクリンカの焼成度も維持されることとなる。
これにより、従来のセメント焼成設備と比較して、セメントキルン内でのクリンカ焼成度を保つための多量の燃焼ガスを必要としなくなり、セメント焼成設備における各所の温度を上昇させずに焼成することが可能となり、従来のセメント焼成設備で生じていた温度上昇に伴うセメント焼成設備の操業に対する悪影響や、セメントキルンにおけるクリンカの焼成度が不足する等の不具合も小さくなる。よって、セメント焼成設備における高含水率廃棄物の処理量を増加させることが可能となる。

本発明の高含水率廃棄物の処理方法では、前記高含水率廃棄物は、下水汚泥、工場汚泥、廃水、中和水、有機性スラッジ、洗浄焼却灰、洗浄飛灰の群から選択される１種または２種以上であり、かつ、高温にて焼却処理を行う廃棄物であることが好ましい。

この高含水率廃棄物の処理方法では、高含水率廃棄物を多様とすることにより、また、この高含水率廃棄物の投入位置を、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰を、セメントキルン、仮焼炉、サスペンションプレヒータのうちいずれか一個所以上とし、低粘性の高含水率廃棄物を、セメントキルンの窯尻部、仮焼炉の二次空気ダクト、仮焼炉の上半部からサスペンションプレヒータの最下段のサイクロンまでの間のうちいずれか一個所以上とすることにより、高含水率廃棄物の性状に応じて投入箇所を選定することが可能となる。これにより、高含水率廃棄物を多量に投入した場合であっても、セメントクリンカ焼成工程の特定の部分に該高含水率廃棄物の処理による影響が集中することがなく、高含水率廃棄物中の水分の蒸発による影響を分散することとなる。さらに、セメントキルンおよび仮焼炉のそれぞれの燃料燃焼用空気の酸素濃度を個々に設定することによって、高含水率廃棄物が投入される箇所に与える影響を小さくし、セメントの品質を低下させることなく、安定したセメント焼成設備の操業が可能になる。

本発明の高含水率廃棄物の処理方法では、前記クリンカクーラは、ペンジュラムクリンカクーラであることが好ましい。
この高含水率廃棄物の処理方法では、クリンカクーラをペンジュラムクリンカクーラとすることにより、セメントキルンおよび仮焼炉それぞれの燃料燃焼用空気の酸素濃度を高く設定し、セメント焼成炉のクリンカ生産能力を上げた場合であっても、クリンカクーラでのクリンカ冷却能力が高められ、生産されるクリンカを十分冷却することが可能になる。

本発明の高含水率廃棄物の処理装置は、セメント原料を予熱するサスペンションプレヒータと、予熱された前記セメント原料を仮焼する仮焼炉と、この仮焼されたセメント原料を焼成しクリンカとするセメントキルンと、このクリンカを冷却するクリンカクーラとを備えたセメント焼成設備を用いて高含水率廃棄物を焼却処理する装置であって、前記セメントキルンの燃料燃焼空気、前記仮焼炉の燃料燃焼空気のうちいずれかまたは双方に酸素を供給するとともに、前記クリンカクーラの冷却用空気に混入させる酸素供給手段と、前記高含水率廃棄物のうち、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰を、前記セメントキルン、前記仮焼炉、前記サスペンションプレヒータのうちいずれか一個所以上に直接投入する供給手段と、低粘性の高含水率廃棄物を、前記セメントキルンの窯尻部、前記仮焼炉の二次空気ダクト、前記仮焼炉の上半部から前記サスペンションプレヒータの最下段のサイクロンまでの間のうちいずれか一個所以上に直接投入する供給手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明の高含水率廃棄物の処理装置では、セメントキルンの燃料燃焼空気、仮焼炉の燃料燃焼空気のうちいずれかまたは双方に酸素を供給するとともに、前記クリンカクーラの冷却用空気に混入させる酸素供給手段と、前記高含水率廃棄物のうち、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰を、前記セメントキルン、前記仮焼炉、前記サスペンションプレヒータのうちいずれか一個所以上に直接投入する供給手段と、低粘性の高含水率廃棄物を、前記セメントキルンの窯尻部、前記仮焼炉の二次空気ダクト、前記仮焼炉の上半部から前記サスペンションプレヒータの最下段のサイクロンまでの間のうちいずれか一個所以上に直接投入する供給手段とを備えたことにより、焼成される単位セメントクリンカ当たりのガス原単位が少なくなり、クリンカクーラから回収する二次空気量も少なく、しかも高温領域の二次空気を回収することとなり、セメントキルンでのクリンカ焼成帯域の温度が容易に高まり、セメントクリンカの焼成能力が高まる。
これにより、高含水率廃棄物のうち、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰を、セメントキルン、仮焼炉、サスペンションプレヒータのうちいずれか一個所以上に直接投入し、低粘性の高含水率廃棄物を、セメントキルンの窯尻部、仮焼炉の二次空気ダクト、仮焼炉の上半部から前記サスペンションプレヒータの最下段のサイクロンまでの間のうちいずれか一個所以上に直接投入し、その後焼却処理を行うこととしても、セメント焼成設備におけるクリンカ焼成量とクリンカ焼成度を維持することが可能になる。
また、セメントクリンカ焼成工程が高含水率廃棄物中の水分の蒸発による影響を受け難くなり、セメントの品質を低下させることなく、安定したセメント焼成設備の操業が可能になる。

本発明の高含水率廃棄物の処理方法によれば、セメント焼成設備のセメントキルンの燃料燃焼空気、仮焼炉の燃料燃焼空気のうちいずれかまたは双方に酸素を混入させて燃料燃焼を行うとともに、前記酸素供給手段から発生した酸素を、前記クリンカクーラの冷却用空気に混入させるので、焼成される単位セメントクリンカ当たりのガス原単位を少なくすることができる。
また、クリンカクーラから回収する二次空気量も少なくなり、しかも高温領域の二次空気を回収することとなるので、セメントキルンでのクリンカ焼成帯域の温度を容易に高めることができ、その結果、セメントクリンカの焼成能力を高めることができる。
したがって、高含水率廃棄物のうち、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰を、セメントキルン、仮焼炉、サスペンションプレヒータのうちいずれか一個所以上に直接投入し、低粘性の高含水率廃棄物を、セメントキルンの窯尻部、仮焼炉の二次空気ダクト、仮焼炉の上半部から前記サスペンションプレヒータの最下段のサイクロンまでの間のうちいずれか一個所以上に直接投入し、その後焼却処理を行うこととしても、セメント焼成設備におけるクリンカ焼成量とクリンカ焼成度を容易に維持することができる。
また、セメントクリンカ焼成工程が、高含水率廃棄物中の水分の蒸発による影響を受け難くなるので、セメントの品質を低下させることなく、安定したセメント焼成設備の操業を行うことができる。

本発明の高含水率廃棄物の処理装置によれば、セメントキルンの燃料燃焼空気、仮焼炉の燃料燃焼空気のうちいずれかまたは双方に酸素を供給するとともに、クリンカクーラの冷却用空気に混入させる酸素供給手段と、高含水率廃棄物のうち、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰を、セメントキルン、仮焼炉、サスペンションプレヒータのうちいずれか一個所以上に直接投入する供給手段と、低粘性の高含水率廃棄物を、セメントキルンの窯尻部、仮焼炉の二次空気ダクト、仮焼炉の上半部からサスペンションプレヒータの最下段のサイクロンまでの間のうちいずれか一個所以上に直接投入する供給手段と、を備えたので、焼成される単位セメントクリンカ当たりのガス原単位を少なくすることができる。
また、クリンカクーラから回収する二次空気量も少なくなり、しかも高温領域の二次空気を回収することとなるので、セメントキルンでのクリンカ焼成帯域の温度を容易に高めることができ、その結果、セメントクリンカの焼成能力を高めることができる。

したがって、高含水率廃棄物のうち、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰を、セメントキルン、仮焼炉、サスペンションプレヒータのうちいずれか一個所以上に直接投入し、低粘性の高含水率廃棄物を、セメントキルンの窯尻部、仮焼炉の二次空気ダクト、仮焼炉の上半部からサスペンションプレヒータの最下段のサイクロンまでの間のうちいずれか一個所以上に直接投入し、その後焼却処理を行うこととしても、セメント焼成設備におけるクリンカ焼成量とクリンカ焼成度を容易に維持することができる。
また、セメントクリンカ焼成工程が、高含水率廃棄物中の水分の蒸発による影響を受け難くなるので、セメントの品質を低下させることなく、一定の品質のセメントを安定して製造することができ、セメント焼成設備の安定操業を長期間に亘って行うことができる。

本発明の高含水率廃棄物の処理方法及び処理装置の最良の形態について、図面に基づき説明する。
なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明一実施形態のセメント製造設備を示す模式図であり、セメントキルンの窯尻部に高含水率廃棄物の処理装置を設けることにより、高含水率廃棄物を直接セメントキルンの窯尻部に投入して焼却処理を行い、さらに、クリンカクーラの冷却空気や燃料燃焼用一次空気に酸素を供給する酸素発生装置を設けることにより、多量の高含水率廃棄物を焼却処理し、しかも所定のセメント製造を行うセメント製造設備の例である。

図において、１はセメント原料を乾燥・粉砕する原料ミル、２はセメント原料粉を分離するサイクロン、３はセメント原料貯蔵庫、４はセメントキルン、５はクリンカクーラ、６ａ〜６ｃはクリンカクーラ５の冷却ファン、６ｄはセメントキルン４の燃料燃焼用一次空気ファン、７は仮焼炉、８は複数段のサイクロン８ａ〜８ｄからなるサスペンションプレヒータ、９は仮焼炉７の二次空気ダクト、１０は電気集塵機、１１は排気煙突、１２はバーナー、１３はクーラ排気ライン、１４はセメント原料供給ライン、１５はセメント原料粉供給ライン、１６はセメントクリンカ搬送ラインである。

２１は水分を多量に含む有機系の汚泥である高含水率有機汚泥（高含水率廃棄物）をセメントキルン４の窯尻部４ａへ直接投入する高含水率有機汚泥の直接投入処理装置（高含水率廃棄物の供給手段）であり、高含水率有機汚泥を貯留する貯留槽２２と、高含水率有機汚泥のセメントキルン４の窯尻部４ａへの投入量を調整するポンプ２３と、高含水率有機汚泥をセメントキルン４の窯尻部４ａへ搬送し投入する高含水率有機汚泥供給ライン２４とにより構成されている。
このポンプ２３は、セメント焼成設備におけるクリンカの焼成量に対して合計４重量％以上の処理能力を有する。

３１は酸素製造供給装置（酸素供給手段）であり、酸素製造装置３２と、一次空気酸素供給ライン３３と、クリンカクーラ冷却空気酸素供給ライン３４とにより構成されている。
この酸素製造装置３２としては、ＰＳＡ式酸素発生装置、膜分離法による酸素製造装置、深冷分離法による酸素発生装置等が好適に用いられる。
本実施形態では、酸素の生産量が大規模であること、連続して製造することが必要であり、一方、酸素の製造を瞬時に大きく変動させる必要性はない。したがって、これらの条件に合致する酸素製造装置としては、深冷分離法による酸素発生装置が好適である。この深冷分離法の酸素製造装置は、空気を圧縮、冷却して液化させ、酸素、窒素の沸点差を利用して分離するものであり、得られる酸素は比較的純度の高いものである。

本発明においては、セメント焼成に使用される燃料燃焼用空気の酸素濃度を高める目的のみであるので、必ずしも高純度の酸素は必要ではないが、この酸素製造装置３２では、その消費動力とセメント焼成設備での高含水率廃棄物の処理量およびセメントクリンカの生産可能量などを考慮して最適となる条件の酸素純度で操業することとなる。すなわち、この酸素製造装置３２で製造される酸素の純度は、９０％程度以上あれば、本発明を実施する上でセメント焼成設備が要求する酸素を無駄なく供給することができる。

次に、酸素の製造量とセメント焼成設備のクリンカ生産量および高含水率廃棄物の処理量との関連について説明する。
高含水率廃棄物をセメント焼成設備で処理しない場合には、セメントクリンカの増産可能量は酸素供給量によって一義的に決定されるものであり、上記の酸素の純度が９０％以上であれば、増産可能なセメントクリンカ単位当たりの酸素供給量は１８０〜２００Ｎｍ^３／ｔ程度と算出される。

一方、高含水率廃棄物をセメント焼成設備で処理する場合の、この高含水率廃棄物の処理量と供給される酸素量との関係は、例えば、セメントクリンカ生産能力を同等とし、１００％水分とした高含水率廃棄物を処理すると仮定した場合には、単位高含水率廃棄物当たりの酸素供給量は５００〜５５０Ｎｍ^３／ｔ程度と算出される。
換言すれば、このセメント焼成設備においては、高含水率廃棄物の処理にはセメントクリンカ生産量の約２．５〜３倍程度のエネルギーが必要になる。

この酸素製造供給装置３１により発生した酸素は、クリンカクーラ５の上流チャンバに流入するクリンカ冷却空気ファン６ａ、または一次空気ファン６ｄ、あるいはクリンカ冷却空気ファン６ａ及び一次空気ファン６ｄそれぞれに、導入される。

次に、本実施形態のクリンカクーラ５として使用されることが好ましい高効率型クリンカクーラについて説明する。
本実施形態においては、従来型クリンカクーラであっても、その目的を十分に果たし得るものであるが、ここでは、高効率型クリンカクーラを例にとり、セメントクリンカの冷却機構と、冷却空気への酸素供給方法について説明する。

高効率型クリンカクーラは、高温のセメントクリンカの冷却効率が高く、少ない冷却面積で、しかも少ない冷却風量で所定の温度にまで冷却することができるものである。
本実施形態のセメント焼成設備は、セメントキルンや仮焼炉にて富酸素燃焼を行うことに特徴があるので、富酸素燃焼によりセメント焼成能力を容易に向上させることが可能になる。
一般に、セメント焼成能力を上昇させた場合、クリンカクーラでのクリンカ冷却能力が必ずしも対応できない場合がある。本実施形態では、従来型クリンカクーラを高効率型クリンカクーラに替えることにより、増産をおこなった場合であっても、クリンカクーラでのクリンカ冷却能力を十分に対応することができるようにしている。

図２は高効率型クリンカクーラ５の縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図において、４１はセメントキルン４の窯前部４ｂに接続された長尺箱状のクーラ本体、４２はクーラプレート、４３はクーラプレート４２の下面に設けられたグレートサポート、４４は仕切板、４５は冷却空気用配管、４６は配管４５の途中に設けられた屈曲可能なフレキシブル継手、４７ａ〜４７ｄ及び４７ａ_１、４７ａ_２、４７ｂ_１、４７ｂ_２は冷却空気ファン、４８はエアビーム（風箱）である。

クーラプレート４２は、矩形状の板体であり、その表面には横幅方向にスリット状の冷却空気の噴出孔が数本形成されており、このスリット状の噴出孔からは冷却空気が板体表面に沿ってクリンカの進行方向に噴出するものであり、この冷却機構によって、プレート４２の表面が冷却空気により保護されるため、高温クリンカによるプレート表面の熔損を防止することができるものであり、いわゆる波形プレート構造と称されるものである。
このクーラプレート４２は、グレートサポート４３と一体になることで、クーラプレート４２とグレートサポート４３とで囲まれた空間をエアビーム（風箱）４８としている。

このエアビーム４８は、図３に示すように、クーラ本体４１の幅方向に仕切板４４により２分割されており、それぞれの区画に送風する冷却空気ファン４７ａ_１、４７ａ_２、４７ｂ_１、４７ｂ_２によって一定の冷却空気がエアビーム４８を経由してクーラプレート４２の表面のスリット状の噴出孔からクリンカ層に対してクリンカの進行方向（図２中矢印方向）に噴出される。
この冷却空気によって、クリンカの冷却がクーラ本体４１の幅方向に均一にしかも効率よく行われるようになっている。しかも、噴出する空気量を減少させた場合であっても、上述した冷却機構によりプレート４２の表面の熔損を防止することができる。さらに、少ない空気量でクリンカを冷却した後の冷却空気は、高温度となるので、２次空気の熱回収率を高めることができる。

この高効率型の冷却機構は、セメントキルン４及び仮焼炉７での燃料燃焼用２次空気の回収領域に設けられており、クリンカクーラ５の全冷却面積に対して２５〜３５％の面積に設置することで十分な高温二次空気を回収することができるとともに、良好なクリンカ冷却が得られるものである。

上記の酸素製造供給装置３１により供給される酸素は、上記の高効率型の冷却機構を有する領域に冷却空気を送風している冷却空気ファン４７ａ_１、４７ａ_２、４７ｂ_１、４７ｂ_２にのみ供給されるものであり、これら冷却空気ファン４７ａ_１、４７ａ_２、４７ｂ_１、４７ｂ_２の空気取り入れ側のダクトに導入して、冷却空気に混入される。セメントキルン４の二次空気中の酸素濃度を高めた操業を行う場合には、冷却空気ファン４７ａ_１、４７ａ_２により多くの酸素を供給することとなり、また、仮焼炉７の二次空気の酸素濃度を高めた操業を行う場合には、冷却空気ファン４７ｂ_１、４７ｂ_２により多くの酸素を供給することとなる。

一方、セメントキルン４のバーナー１２によって形成されるフレーム中の燃料燃焼速度をより高くする必要がある場合には、一次空気ファン６ｄにより多くの酸素を供給することとなる。これらの酸素の導入箇所への分配と供給量は、要求されるクリンカ生産量や高含水率廃棄物の処理量、および使用燃料等によって、セメント操業状態を確認しつつ決定されるものであるが、それぞれの箇所への酸素供給量を調整することによって、容易に所定の操業状態を保つことが出来る。

次に、上記のセメント焼成設備を用いて高含水率廃棄物を焼却処理する方法について説明する。
ここで焼却処理される高含水率廃棄物は、下水汚泥、工場汚泥、廃水、中和水、有機性スラッジ、洗浄焼却灰、洗浄飛灰の群から選択される１種または２種以上であり、かつ、高温にて焼却処理を行う廃棄物であり、多様な廃棄物である。
このように多様な高含水率廃棄物のうち、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰の投入位置は、セメントキルン４、仮焼炉７、サスペンションプレヒータ８のうちいずれかとすることができるが、特に、セメントキルン４の窯尻部４ａが好ましい。

一方、廃水などのほぼ１００重量％が液体である低粘性の高含水率廃棄物の投入位置は、セメントキルン４の窯尻部４ａの他、仮焼炉７の二次空気ダクト９、仮焼炉７の上半部からサスペンションプレヒータ８の最下段のサイクロン８ｄまでの間、のうち一個所以上が可能であるが、特に、仮焼炉７の上半部からサスペンションプレヒータ８の最下段のサイクロン８ｄまでの間であると、この投入によるセメント焼成装置に与える影響が小さいので好ましい。

高含水率廃棄物の投入位置を上記のように選択した理由は、投入された高含水率有機汚泥、廃水、洗浄飛灰などに含まれる臭気成分や有機成分が完全に燃焼分解され、しかも新たな臭気成分などを発生させる虞のない温度領域である必要があるからであり、最下段のサイクロン８ｄより燃焼ガスで上流側の位置であれば良い。
また、高含水汚泥の場合は、投入箇所を仮焼炉７とすると、含まれる水分が急激に蒸発することにより、仮焼炉７の燃料燃焼フレームの形成に対して悪影響を及ぼすので好ましくない。

また、前述の廃水の投入処理の場合にもあるように、セメントキルン４の窯尻部４ａ、仮焼炉７の二次空気ダクト９、仮焼炉７の上半部からサスペンションプレヒータ８の最下段のサイクロン８ｄまでの間では、それぞれの個所によって高含水率廃棄物のセメント焼成設備に与える影響が変化する。
例えば、セメントキルン４の窯尻部４ａの場合では、投入された高含水率汚泥は直ちにセメントキルン４に導入され蒸発によって主にセメント原料の温度を低下させることとなり、セメントキルン４でのクリンカ焼成が難しくなるが、特にセメントキルン４に導入される二次空気中の酸素濃度を高めることにより、クリンカ焼成温度を確保することで容易に対応することができる。

ただし、過剰な酸素濃度はセメントキルン４の内部温度を急激に高めることとなるので、高含水率廃棄物をセメントキルン４の窯尻部に集中することは避けることが好ましい。
一方、仮焼炉７の二次空気ダクト９に投入する場合には、この二次空気ダクト９内での急激な水分蒸発により二次空気温度が低下することとなる。よって、セメント原料の脱炭酸を維持するために仮焼炉７の二次空気の酸素濃度を高め、また燃料を増加することによって容易に必要な脱炭酸を得ることが可能となる。

このように、高含水率有機汚泥や廃水などの投入個所、および、その後の水分の蒸発挙動によって、セメント焼成設備内の各所に与える影響が変化する。したがって、多量の高含水率廃棄物を投入する場合には、特定の個所に集中投入することを避け、例えば、セメントキルン４の窯尻部４ａ及び仮焼炉７の二次空気ダクト９、仮焼炉７の上半部から最下段サイクロン８ｄまでの間等、２箇所以上に分散して投入し、それぞれの箇所への投入量に応じてセメントキルン４および仮焼炉７の二次空気の酸素濃度を設定して燃料燃焼を行うことにより、より安定した高含水率廃棄物の処理が可能となる。

本発明のセメント焼成設備においては、富酸素燃焼をおこなうことにより、クリンカクーラ５から回収する二次空気の原単位が低下するので、回収する二次空気は高温度領域に移動することとなる。また、燃焼ガス原単位の低下により回収する二次空気全体の顕熱は低下するが、一方、セメント焼成設備におけるガスと原料の熱交換が進み、サスペンションプレヒータ８からの排ガスの温度低下および排ガス原単位が低下することとなる。よって、富酸素燃焼によるセメントクリンカの焼成のための熱量原単位はほとんど変化しないが、セメントクリンカ焼成能力は増加することとなる。

このような状態にて、高含水率廃棄物を上記の箇所のいずれか１箇所以上に投入処理した場合、セメントクリンカの生産能力の低下と熱量原単位の増加に伴う回収二次空気の原単位の増加が起こる。しかしながら、従来例と比較して熱量原単位の増加に伴う新たな回収二次空気は高温度となるので、熱量原単位の増加は大きくならない。この熱量原単位の増加は、概ね従来例の熱量原単位の増加の約６０％程度の増加に留まる。

本実施形態のセメント製造設備によれば、酸素製造供給装置３１と、高含水率有機汚泥の直接投入処理装置２１とを備えたので、酸素の供給による富酸素燃焼を行うことにより、ガス原単位の減少によるセメント焼成能力の増加を図ることができ、セメントキルン４内のクリンカ焼成帯域の温度を容易に高めることができる。
したがって、より効率のよい二次空気を回収することにより、過剰な燃焼ガスを必要としなくなり、高含水率有機汚泥を多量に処理する場合であっても、所定のセメント生産量を確保しつつセメントクリンカの焼成のための熱量原単位の増加を小さくし、得られるクリンカの品質を保つことができる。

以下、実施例及び比較例にて本発明をより詳しく説明する。
比較例は、従来のセメント焼成設備において、高含水率廃棄物を処理した操業値より、その影響を確認したものであり、また、実施例は、同様のセメント焼成設備において、クリンカクーラにて冷却空気に酸素を付加した場合について、その操業値を予測したものである。

「比較例１〜６」
比較例１〜６として、従来型クリンカクーラを付設した下記のセメント焼成設備を用い、下水汚泥（高含水率汚泥）および水分がほぼ１００重量％の廃液（廃水）の投入量および投入位置を変化させ処理試験を行った。
なお、これらの下水汚泥、廃水、セメント焼成設備等の概要は下記の通りである。

（１）下水汚泥
含水率 ８２％（固形分 １８％）
固形分の性状
組成 ：灰分１４．２％、揮発分７０％、固形炭素８．３％
元素分析：炭素３７．４％、水素５．７％、窒素４．４％、酸素３６．３％
発熱量（高位）：３５００Ｋｃａｌ／ｋｇ
（真発熱量３１００Ｋｃａｌ／ｋｇ）
理論燃焼空気量：３．８Ｎｍ^３／ｋｇ
理論燃焼ガス量：４．４Ｎｍ^３／ｋｇ
（２）廃水
水分ほぼ１００重量％の中和等の処理廃液

（３）セメント焼成設備Ａ
従来のセメント焼成設備である。
ａ．サスペンションプレヒータおよび仮焼炉
５段サイクロン型サスペンションプレヒータ及び流動炉式仮焼炉（Ｎ−ＳＦ型）
ｂ．セメントキルン
セメントキルンサイズ １００ｍＬ×５．３ｍφ
ｃ．クリンカクーラ
従来型クリンカクーラ（バブ日立社製）

ここでは、従来のセメント焼成設備Ａについて下水汚泥もしくは廃水の投入処理量および投入位置を選定し、下水汚泥または廃水の投入の無いセメントクリンカ生産量（クリンカ生産能力）に対して１重量％、４重量％、７重量％、の３水準で変更させた場合について、セメント焼成設備のクリンカ生産能力、クリンカ品質（焼成度）およびクリンカ焼成熱量原単位等の操業における変化を調べた。
なお、投入位置については、下水汚泥はセメントキルン窯尻部を、また廃水は仮焼炉を選定した。
また、操業条件は、サスペンションプレヒータ８の排ガス温度が３８０℃以上になった場合に、最上段のサイクロン８ａのガスの入り口から水の噴霧を行い、最上段のサイクロン８ａの排ガス温度を３８０℃に維持した。
これらの結果を表１に示す。

また、下水汚泥を全く投入しない場合を「基準」とし、下水汚泥または廃水の処理を増加させた場合について、セメント焼成設備の操業値の変化について調べた。各操業条件における燃料焚比、セメント焼成設備の各部温度、操業状況の評価結果を表２に示す。
なお、表２中の「温度変化量」とは、基準値からの温度変化量（温度差）のことである。
なお、表２中の操業状況の判断基準は下記の通りである。
○：クリンカの焼成度の維持及び長時間の連続操業に支障が無い場合。
△：セメントキルンの燃焼ガス量が確保できない等により、頻繁にクリンカ焼成量をより低下させて対応する等の場合。
×：クリンカ焼成度の維持が難しく、連続操業が困難である場合。

表１及び表２によれば、約４％の下水汚泥の処理時には、セメント焼成設備の操業の継続が可能であったものの、セメントキルン窯尻温度の上昇に伴うアンザツ付着が増加した場合にはクリンカ焼成度を維持することが難しく、著しくクリンカ焼き出し量を低下させる必要があるなどの問題点があった。
また、約６％の下水汚泥の処理時には、セメント焼成設備の操業、が不安定となり、クリンカ焼成度を確保することが困難であった。

特に、約６％の水準では、セメントキルンの窯尻部の温度の上昇に伴う急激なアンザツ付着の増加や、燃焼ガス量が低下することにより、クリンカ焼成帯のクリンカ温度を維持することが難しく、操業に対する悪化要因が多くなり、長時間の連続操業は困難な状況であった。
クリンカ焼成能力の変化については、セメント焼成設備（A）においては、下水汚泥の処理量に対して約３重量倍のクリンカ焼成量が低下する。また、クリンカ焼成の熱量原単位は、３〜４％の処理範囲において下水汚泥１重量％添加当たり熱量原単位は２.０％程度悪化することが確認された。
したがって、セメント焼成設備Ａにおける下水汚泥の処理可能量は、セメント焼成設備の安定操業が可能な範囲のみにて行われるとすると、無添加時のクリンカ焼成能力に対して約３〜４％以下となる。

「実施例１〜７」
従来のセメント焼成設備Ａに本発明の酸素製造供給装置を付設し、一部は従来のクリンカクーラを高効率型クリンカクーラに変更した下記のセメント焼成設備Ｂ、Ｃを用い、比較例と同様にしてセメント焼成設備のクリンカ生産能力、クリンカ品質（焼成度）およびクリンカ焼成熱量原単位等の操業における変化を予測計算により調べた。
予測の条件は、酸素の付加をクリンカクーラの冷却空気に導入するものとし、セメントキルンの一次空気等を含む燃料燃焼用空気の酸素濃度を２３％、仮焼炉用の燃料燃焼用空気の酸素濃度を２５％とした場合について、セメント焼成能力の増加、および高含水率廃棄物の処理の可能量について行った。

（１）セメント焼成設備Ｂ
従来のセメント焼成設備（セメント焼成設備Ａ）＋酸素製造供給装置
（２）セメント焼成設備Ｃ
従来のセメント焼成設備（セメント焼成設備Ａ）のクリンカクーラを高効率型クリンカクーラに変更＋酸素製造供給装置
高効率型クリンカクーラ：ＩＫＮ社製ペンジュラムクリンカクーラ

実施例１〜７それぞれの想定条件は下記のとおりである。
・実施例１（操業想定例１）；セメント焼成設備Ｂにおいて、上記の富酸素燃焼条件にて高含水率廃棄物の処理を行わない場合で、クリンカ焼成能力の増加とその操業を想定。
・実施例２（操業想定例２）；セメント焼成設備Ｂにおいて、上記の富酸素燃焼条件にて高含水率廃棄物の処理を比較例３と同等量処理を行った場合の操業想定。
・実施例３（操業想定例３）；セメント焼成設備Ｂにおいて、上記の富酸素燃焼条件にて高含水率廃棄物の処理を行い、クリンカ焼成能力を基準値と同じとする操業において、高含水率廃棄物の処理可能量とその操業を想定。
・実施例４（操業想定例４）；セメント焼成設備Ｂにおいて、上記の富酸素燃焼条件にて高含水率廃棄物の処理を行い、より高含水率廃棄物の処理量を増加した場合の操業想定。

・実施例５（操業想定例５）；セメント焼成設備Ｂにおいて、上記の富酸素燃焼条件にて高含水率廃棄物の処理を行い、高含水率廃棄物の投入箇所を二箇所とした場合の操業想定。
・実施例６（操業想定例６）；セメント焼成設備Ｃにおいて、上記の富酸素燃焼条件にて高含水率廃棄物の処理を行わない場合で、クリンカ焼成能力の増加とその操業を想定。
・実施例７（操業想定例７）；セメント焼成設備Ｃにおいて、上記の富酸素燃焼条件にて高含水率廃棄物の処理を行い、より高含水率廃棄物の処理量を増加した場合の操業想定。
これらの結果を表３及び表４に示す。

表３及び表４によれば、富酸素燃焼を行ったセメント焼成設備Ｂおよびセメント焼成設備Ｃによる高含水率廃棄物の処理においては、想定計算結果から次の操業状態の変化が現れることが分かった。
（１） 富酸素燃焼により、セメント焼成設備のクリンカ焼成能力の向上が可能となる。
（２） 富酸素燃焼により回収する二次空気原単位が低下するので、該二次空気は高温度領域のみの回収となり、特に仮焼炉二次空気において顕著に温度が上昇する。

（３） 富酸素燃焼により、ガス原単位の減少により、燃料燃焼ガス温度の上昇およびサスペンションプレヒータの上段領域の熱交換後のガス温度の低下が起こる。また、窯尻温度の低下に繋がると予想できる。
（４） 従って、富酸素燃焼では、セメントクリンカの焼成のための熱量原単位は、ほとんど変化しない。
（５） 富酸素燃焼下での、高含水率廃棄物の処理は、上記の（２）、（３）の現象により、特に熱量原単位に与える影響が緩和され、小さくなる。

実施例１では、セメントキルンの一次空気等を含む燃料燃焼用空気の酸素濃度を２３％、仮焼炉用の燃料燃焼用空気の酸素濃度を２５％としたので、燃焼用空気原単位の低下に伴って回収する二次空気温度が高温領域のみに移動することにより、特に仮焼炉の二次空気の温度上昇が顕著になる一方、サスペンションプレヒータの２段目のサイクロン出口温度等が低下することにより、クリンカ焼成能力が約２２％向上する他、熱量原単位が若干低下した。

実施例２〜５は、クリンカクーラを従来型としたセメント焼成設備Ｂにおける高含水率廃棄物の処理量を順次増加していった操業状態を予測したものであるが、高含水率廃棄物の処理が操業に及ぼす影響は、高含水率廃棄物の添加量１重量％当たりクリンカ焼成熱量原単位で１〜１．３％の増加に留まる。これにより、サスペンションプレヒータの上段領域のガス温度が低下し、窯尻部の温度が上昇することのない操業が可能になった。
以上により、高含水率廃棄物の処理可能量は、クリンカ焼成量に対して５重量％以上となった。したがって、高含水率廃棄物の処理量を１０重量％以上としても、操業が十分可能であることが予想される結果となった。

実施例６、７は、クリンカクーラを高効率型としたセメント焼成設備Ｃにおける操業状態を予測したものであるが、高効率型クリンカクーラの導入によりクリンカクーラの熱交換の向上を図ることができるので、より多くのクリンカの生産が可能になる。さらに、クリンカ焼成熱量原単位の低減が可能になり、クリンカ焼成量を維持しつつより多量の高含水率廃棄物の処理が可能になる。

以上のように、従来型のセメント焼成設備Ａと比較すると、実施例のセメント焼成設備Ｂ、Ｃは、富酸素燃焼を行うことにより、高含水率廃棄物のセメント焼成設備に及ぼす影響をクリンカ焼成熱量原単位で約５０〜６０％に低減することができ、クリンカ焼成能力を向上させることができることが分かった。
さらに、高含水率廃棄物の処理量の増加に伴う操業への影響を緩和または減少させることができるので、所定量のクリンカ焼成量を確保しつつ多量の高含水率廃棄物を処理することが十分可能であることが分かった。

本発明の一実施形態のセメント製造設備を示す模式図である。 本発明の一実施形態のセメント製造設備の高効率型クリンカクーラを示す縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

符号の説明

１ 原料ミル
２ サイクロン
３ セメント原料貯蔵庫
４ セメントキルン
４ａ 窯尻部
４ｂ 窯前部
５ クリンカクーラ
６ａ〜６ｃ クリンカクーラ冷却ファン
７ 仮焼炉
８ サスペンションプレヒータ
８ａ〜８ｄ サイクロン
９ 二次空気ダクト
１０ 電気集塵機
１１ 排気煙突
１２ バーナー
１３ クーラ排気ライン
１４ セメント原料供給ライン
１５ セメント原料粉供給ライン
１６ セメントクリンカ搬送ライン
２１ 高含水率有機汚泥の直接投入処理装置
２２ 貯留槽
２３ ポンプ
２４ 高含水率有機汚泥供給ライン
３１ 酸素製造供給装置
３２ 酸素製造装置
３３ 一次空気酸素供給ライン
３４ クリンカクーラ冷却空気酸素供給ライン
４１ クーラ本体
４２ クーラプレート
４３ グレートサポート
４４ 仕切板
４５ 冷却空気用配管
４６ フレキシブル継手
４７ａ〜４７ｄ、４７ａ_１、４７ａ_２、４７ｂ_１、４７ｂ_２ 冷却空気ファン
４８ エアビーム

Claims (5)

1. セメント原料を予熱するサスペンションプレヒータと、予熱された前記セメント原料を仮焼する仮焼炉と、この仮焼されたセメント原料を焼成しクリンカとするセメントキルンと、このクリンカを冷却するクリンカクーラとを備えたセメント焼成設備を用いて高含水率廃棄物を焼却処理する方法であって、
   酸素供給手段から発生した酸素を、前記セメントキルンの燃料燃焼空気、前記仮焼炉の燃料燃焼空気のうちいずれかまたは双方に混入させて燃料燃焼を行うとともに、前記酸素供給手段から発生した酸素を、前記クリンカクーラの冷却用空気に混入させ、
   前記高含水率廃棄物のうち、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰を、前記セメントキルン、前記仮焼炉、前記サスペンションプレヒータのうちいずれか一個所以上に直接投入し、低粘性の高含水率廃棄物を、前記セメントキルンの窯尻部、前記仮焼炉の二次空気ダクト、前記仮焼炉の上半部から前記サスペンションプレヒータの最下段のサイクロンまでの間のうちいずれか一個所以上に直接投入し、その後焼却処理を行うことを特徴とする高含水率廃棄物の処理方法。
2. 前記高含水率廃棄物の前記仮焼炉または前記セメントキルンへの投入量は、前記セメント焼成設備における前記クリンカの焼成量に対して４重量％以上、前記高含水率廃棄物に含まれる合計含水量に換算して３重量％以上、のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の高含水率廃棄物の処理方法。
3. 前記高含水率廃棄物は、下水汚泥、工場汚泥、廃水、中和水、有機性スラッジ、洗浄焼却灰、洗浄飛灰の群から選択される１種または２種以上であり、かつ、高温にて焼却処理を行う廃棄物であることを特徴とする請求項１または２記載の高含水率廃棄物の処理方法。
4. 前記クリンカクーラは、ペンジュラムクリンカクーラであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の高含水率廃棄物の処理方法。
5. セメント原料を予熱するサスペンションプレヒータと、予熱された前記セメント原料を仮焼する仮焼炉と、この仮焼されたセメント原料を焼成しクリンカとするセメントキルンと、このクリンカを冷却するクリンカクーラとを備えたセメント焼成設備を用いて高含水率廃棄物を焼却処理する装置であって、
   前記セメントキルンの燃料燃焼空気、前記仮焼炉の燃料燃焼空気のうちいずれかまたは双方に酸素を供給するとともに、前記クリンカクーラの冷却用空気に混入させる酸素供給手段と、
   前記高含水率廃棄物のうち、粘性の高い高含水率汚泥や洗浄飛灰を、前記セメントキルン、前記仮焼炉、前記サスペンションプレヒータのうちいずれか一個所以上に直接投入する供給手段と、低粘性の高含水率廃棄物を、前記セメントキルンの窯尻部、前記仮焼炉の二次空気ダクト、前記仮焼炉の上半部から前記サスペンションプレヒータの最下段のサイクロンまでの間のうちいずれか一個所以上に直接投入する供給手段と、
   を備えてなることを特徴とする高含水率廃棄物の処理装置。

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