JP2008239903A - 炭化製品の発熱抑制処理方法及び発熱抑制処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有機物含有汚泥を炭化処理した後の炭化製品の自己発熱を抑制する発熱抑制処理方法及び発熱処理装置を提供する。
【解決手段】有機物含有汚泥を脱水処理した後の脱水汚泥を乾燥機に通して乾燥処理し、乾燥汚泥を炭化炉１６に通して炭化処理して得た炭化製品を、石灰と石灰を炭化製品の表面に定着させるバインダとを含むコーティング材で処理して、炭化製品をコーティング材で被覆処理しておく。
【選択図】 図６

Description

この発明は、有機物含有汚泥を炭化処理して得た炭化製品の発熱抑制処理方法及び発熱抑制処理装置に関する。

家庭等から排出される有機物含有の排水は一般に下水処理設備で活性汚泥法等により排水処理される。
この排水処理に伴って余剰の有機物含有の下水汚泥が発生するが、排水処理量の増加とともに下水汚泥の発生量も年々増加し、その処理処分が大きな問題となっている。
下水汚泥を処分するに際し、その下水汚泥には多量の水が含有されていてそのままでは処分できず、そこで減量化のために濃縮及び脱水処理したり、或いは更に焼却したり、溶融したりするなど様々な処理が現在施されている。

しかしながら下水汚泥を焼却或いは溶融処理すると多量のエネルギーを消費し、処理コストが高いものとなる。
そこでエネルギー消費の少ない下水汚泥の処理の方法の一つとして、下水汚泥を乾留処理により炭化することが提案されている。
この炭化処理は、下水汚泥が基質中に炭素分を４５質量％程度含んでいることから、焼却，溶融処理のように汚泥中の炭素分を消費してしまうのでなく、汚泥を無酸素或いは低酸素状態で熱分解（炭化）することにより炭素分を残留させ、新しい組成を持つ炭化物（炭化製品）として生成させるものである。

従来にあって、この炭化処理は下水処理設備で発生した余剰の下水汚泥を高分子凝集剤の添加等により凝集させ、続いてこれを脱水機にかけて脱水し、含水率７５〜８５％程度（通常は８０％程度）の脱水汚泥とする。
その後この脱水汚泥を乾燥機内部に投入して、そこで含水率３５〜４５％程度（通常は４０％程度）まで乾燥する。
この乾燥処理では、汚泥の乾燥を行うとともに、これをその後の炭化処理に適した適正粒度、例えば１０ｍｍ程度の大きさの団子状の粒とする造粒を併せて行う。
そしてこのようにして得た乾燥汚泥を炭化炉内に投入し、これを炭化炉内で乾留処理して汚泥を炭化製品とし、炭化炉から排出する。

図７はこの炭化処理を行うための従来の炭化処理設備の具体的構成を示している。
図中２００は熱風発生炉で、脱水汚泥を乾燥するための熱源となる熱風がここで発生せしめられる。
２０１は受入ホッパであり、含水率８０％程度まで脱水された脱水汚泥が、この受入ホッパ２０１に先ず受け入れられる。
ここに受け入れられた脱水汚泥は、中継ホッパ２０２を経て定量供給装置２０４，搬送装置２０５により造粒機を兼ねた乾燥機２０６へと送られ、ここで所定の含水率、具体的には４０％程度の含水率まで乾燥処理されるとともに、粒径１０ｍｍ程度の団子状の粒に造粒される。

乾燥機２０６は、図８に示しているように回転ドラム２０８の内部に撹拌軸２１０を有している。ここで撹拌軸２１０は、回転ドラム２０８の中心から偏心した位置に設けられている。
この撹拌軸２１０からは複数の撹拌羽根２１２が放射状に延び出している。
一方、回転ドラム２０８の内周面には、周方向に所定間隔で複数の板状のリフター２１４が回転ドラム２０８と一体回転する状態で設けられている。
その結果として、回転ドラム２０８内部の汚泥（脱水汚泥）は回転ドラム２０８の回転に伴って、リフター２１４により底部から上方に持ち上げられ、そしてその頂部近くで自重により落下する。
落下した汚泥は、その下側に位置する撹拌羽根２１２の高速回転により細かく砕かれ、回転ドラム２０８の底部側へと落下する。

回転ドラム２０８内部の汚泥はこのような撹拌作用を受けながら、図７の熱風発生炉２００から乾燥機２０６の内部に導かれた熱風に曝されて乾燥処理され、次第に水分が減少していく。
そしてこの回転ドラム２０８の傾斜勾配により、更には撹拌羽根２１２による破砕及びその際の飛散作用によって、汚泥が回転ドラム２０８内部を適正な粒度に造粒されながら軸方向に漸次送られて行く。
このようにして乾燥機２０６で乾燥及び造粒処理された後の乾燥汚泥は、続いて搬送装置２１６，２２０により中継ホッパ２１８を経て炭化炉２２２へと搬送され、そこで１０ｍｍ程度の適正な粒度に造粒された含水率４０％程度の団子状の乾燥汚泥が乾留処理により炭化される。

この炭化炉２２２は外熱式ロータリーキルン型のもので、この炭化炉２２２には、図９にも示しているように炉体２２４の内部に乾留容器としての円筒形状のレトルト２２６が設けられており、前段の乾燥機２０６で乾燥及び造粒処理された乾燥汚泥が、図示を省略するスクリューフィーダにてレトルト２２６内部に投入される。

投入された乾燥汚泥は、先ず炉体２２４内部に配設された助燃バーナ（外熱室用バーナ）２２８による外熱室２３０内部の雰囲気加熱によって加熱される。
すると乾燥汚泥中に含まれていた可燃ガスが、レトルト２２６に設けられた吹出パイプ２３２を通じて外熱室２３０の雰囲気中に抜け出し、そしてこの可燃ガスが着火して以後はその可燃ガスの燃焼によりレトルト２２６内部の汚泥の加熱が行われる。
この段階で助燃バーナ２２８は燃焼停止される。

図９に示しているように、炉体２２４の内部には外熱室２３０と仕切られた排ガス処理室２３４が設けられており、外熱室２３０からの排ガスはここに導かれる。
この排ガス処理室２３４には排ガス処理室用バーナ２３６が設けられており、排ガス処理室２３４内に導かれた排ガス中の未燃ガスが、この排ガス処理室用バーナ２３６にて２次燃焼される。

レトルト２２６内部の汚泥は、図中左端からレトルト２２６の回転とともに図中右方向に移って行き（レトルト２２６には若干の勾配が設けてある）、そして最終的に乾留残渣（炭化製品）がレトルト２２６の図中右端の出口２３８、つまり炭化炉２２２から排出される。
一方炭化炉２２２から排出された排ガスは、図７に示しているように熱交換器を経て煙突から大気に放出される。
この種の汚泥の炭化処理設備は、例えば下記特許文献１，特許文献２に開示されている。

以上のようにして得られた炭化製品は現在園芸用土壌，融雪剤等に利用されており、またその他にも様々な用途が検討されている。
その１つとして、かかる炭化製品を燃料として利用することが考えられている。
例えば下記特許文献３には、かかる炭化製品を燃料として用いる点が開示されている。

ところで、炭化炉から排出された炭化製品は一旦貯蔵所に貯蔵されるが、この炭化製品は発熱性の成分を含んでおり、貯蔵中に或いは搬送中に炭化製品が自己発熱を起こして温度上昇し、場合によってその温度が一定温度を超えると燃焼に到ってしまう。

特に炭化製品を燃料用として用いる場合には、通常は６００℃を超える高温度で行われる炭化処理が、高カロリー成分を多く残留させるように６００℃程度以下の低温度で行われ、このような低温度で炭化処理された炭化製品は特に発熱性が高く、上記の自己発熱、更にはその自己発熱に基づいて燃焼に到り易い性質を有している。
従って炭化製品の有効利用を図るためにはこうした自己発熱を抑制し、燃焼に到ってしまうのを未然に防止しておくことが必要である。

尚、下記特許文献４には「下水汚泥を原料とする固形燃料の製造方法」についての発明が示され、そこにおいて、下水汚泥を炭化して得られた汚泥活性炭を乾燥汚泥に混合し固形燃料として用いる点、またそこに生石灰又は消石灰を添加しても良い点が開示されている。
しかしながらこの特許文献４に開示のものは乾燥汚泥を固形燃料として用いるもので、炭化後の汚泥活性炭は消臭剤として乾燥汚泥に加えられるものであり、また生石灰，消石灰も脱臭剤としてのもので、本発明とは異なったものである。

特開平１１−３７６４４号公報 特開平１１−３３５９９号公報 特開２０００−８０３８６号公報 特開平１１−３２３３５９号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、炭化製品の自己発熱を抑制する発熱抑制処理方法及び発熱抑制処理装置を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１は発熱処理方法に関するもので、有機物含有汚泥を脱水処理した後の脱水汚泥を乾燥機に通して乾燥処理し、乾燥汚泥を炭化炉に通して炭化処理して得た炭化製品を、石灰と該石灰を該炭化製品の表面に定着させるバインダとを含むコーティング材で処理して、該炭化製品を該コーティング材で被覆することを特徴とする。

請求項２のものは、請求項１において、前記コーティング材が、炭化製品固形分を基準として質量％で５％以上の生石灰を含んでいることを特徴とする。

請求項３のものは、請求項１において、前記コーティング材が、前記炭化製品固形分を基準として質量％で２％以上の消石灰を含んでいることを特徴とする。

請求項４は発熱抑制処理装置に関するもので、有機物含有汚泥を脱水処理した後の脱水汚泥を乾燥機に通して乾燥処理し、乾燥汚泥を炭化炉に通して炭化処理して得た炭化製品の発熱抑制処理装置であって、前記炭化炉から排出された前記炭化製品に対し石灰を添加する石灰添加機と、該石灰の添加後において該石灰を該炭化製品の表面に定着させるバインダと水とを加えて混合するバインダの添加混合機と、を有していることを特徴とする。

発明の作用・効果

以上のように本発明は、石灰と定着剤としてのバインダとを含むコーティング材で炭化製品を処理して、炭化製品の表面をそのコーティング材で被覆処理するものである。

炭化炉から排出された炭化製品の自己発熱の現象は、炭化製品が空気中の酸素と接触して生ずる酸化反応、特に炭化製品の活性部位が空気中の酸素との接触により酸化反応することにより生ずるものである。

しかるに本発明に従って炭化製品の表面をコーティング材で被覆処理した場合、炭化製品の表面と空気中の酸素との接触が断たれて炭化製品の酸化反応、即ち自己発熱が効果的に抑制され、従ってその自己発熱に基づいて炭化製品が燃焼に到るのが有効に防止される。

尚、炭化製品をコーティング材で被覆処理するに際しては、水を加えたスラリー状態で炭化製品及びコーティング材を混合する方法が好適に用いられるが、コーティング材にバインダが含まれていないと、炭化製品の表面を被覆した石灰の粉末粒子は処理後に乾燥して水分が飛んでしまうと炭化製品から剥離し易い。

しかるに本発明ではコーティング材にバインダを含有させており、そのバインダが石灰の粉末粒子を炭化製品の表面に定着させる働きをなすため、コーティング処理後において炭化製品の表面から水分が飛んで乾燥した状態となった場合であっても、石灰の粉末粒子が炭化製品の表面を被覆した状態に良好に保たれ、その後においても炭化製品の自己発熱が効果的に抑制される。

本発明ではまた、炭化製品の表面を覆う粉末粒子として石灰を用いる点を他の特徴としており、このことから次のような効果が得られる。

炭化製品の用途として、石炭火力発電所でこれを石炭燃料とともに燃焼させ発電する燃料としての用途が検討されている。
この石炭燃料の燃焼による発電プロセスでは、燃料中に微量に含まれている硫黄とか塩等が酸性ガスとなって排ガス中に含まれてくる。そのため燃焼工程の後段で排ガス中にＣａ剤を吹き込んで酸性ガスを中和し、有害成分を除去した上で排ガスを大気放出することが行われる。

この場合において本発明では燃料（補助燃料）として用いる炭化製品に予めＣａ剤がコーティングされているため、後段で排ガス中に吹き込むＣａ剤の量を少なくすることができ、排ガスの排出経路上で吹き込まれるＣａ剤のための所要コストを低減できる効果が得られる。

本発明では、石灰として生石灰を用いることができ、この場合生石灰を５％以上の量でコーティング材中に含有させておいたときに発熱抑制効果の高いことが確認されている。
従って本発明では、炭化製品固形分を基準として５％以上の生石灰をコーティング材に含有させておくことが望ましい（請求項２）。

一方石灰として消石灰を用いたところ、炭化製品固形分を基準として２％以上の量で効果的に発熱抑制できることが確認されており、従って本発明では消石灰を用いる場合において、これを炭化製品固形分を基準として２％以上の量でコーティング材に含有させておくことが望ましい（請求項３）。
尚バインダは炭化製品固形分を基準として２％以上含有させておくことで、良好な結果の得られることが確認されている。

次に請求項４は、炭化炉から排出された炭化製品に対し石灰を添加する添加機と、その添加後においてバインダと水とを加えて混合するバインダの添加混合機とを含んで炭化製品の発熱抑制処理装置を構成したもので、この装置を用いることで請求項１の方法を好適に実施することができる。

次に本発明の実施形態を以下に詳しく説明する。
炭化炉で６００℃以下の低温で炭化処理されて炭化炉から排出された、表１に示す化学組成の炭化製品５００ｇ（固形分質量）に対し、生石灰とバインダから成るコーティング材を水とともに加えてそれらを混合し、炭化製品の表面をコーティング材で被覆処理し、その後に炭化製品の自己発熱試験を行って発熱性を調べた。
尚、表１では炭化製品の化学組成と併せて、下水汚泥を脱水機にかけて脱水した後の脱水汚泥（含水率は約８０％）の化学組成も併せて示している。

この自己発熱性評価のための試験では、先ず炭化製品に対して生石灰を添加して混合し、その後にバインダと水とを加えて更に全体を混合し自己発熱試験に供した。
尚、炭化製品の平均粒径３ｍｍに対し、生石灰粉末の平均粒径は０．０１ｍｍで、生石灰の粉末粒子は炭化製品の粒子に対し十分微細なものである。
ここでバインダとしては、アクリル酸エステル共重合樹脂５６％，ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル２％，水４２％の混合液からなるアクリル酸エステル共重合体エマルジョン（バインダＢ）を用い、添加量は炭化製品固形分を基準とし、質量％で２％とした。

具体的にはバインダの添加量は、炭化製品固形分の質量５００ｇ×０．０２の１０ｇとした。
生石灰の添加量は、炭化製品固形分の質量を基準として２％，５％，１０％と添加量を変化させ、生石灰無添加のものと併せてそれぞれについて自己発熱試験を行った。
ここで生石灰の添加量が例えば１０％である場合、その添加量は５００ｇ×０．１の５０gとなる。

尚水の添加量は、生石灰１モルに対して反応するのに必要な水を１モルとしたとき、その８倍量とした。
具体的には生石灰の添加量が１０％であるとき
（５０［ｇ］／５６．０８）×１８×８倍＝１２８．４ｇ
とした。
ここで５６．０８は生石灰（ＣａＯ）の分子量で、１８は水（Ｈ_２Ｏ）の分子量である。

自己発熱試験は、図１に示しているように空気循環式の恒温槽１０の内部に、試料を入れたステンレス製網籠１２をセットし、そしてその試料の中心部に熱電対１４を挿入し、恒温槽１０の内部を１４０℃まで昇温してその温度に保持し、このときの試料の温度変化を追跡することにより行った。

その結果が図２に示してある。
図２に示しているようにコーティング処理していないもの、及び生石灰（ＣａＯ）２％添加のものは自己発熱を起し、恒温槽の温度である１４０℃を超えて大きく温度上昇しているのに対し、生石灰を５％添加したコーティング材及び生石灰を１０％添加したコーティング材にてコーティング処理したものについては効果的に自己発熱が抑制され、最終的に恒温槽の温度である１４０℃に温度収束して行くことが分る。

次に生石灰に代えて消石灰（Ｃａ(ＯＨ)_２）を用い、その添加量を炭化製品固形分の質量を基準として２％，５％，１０％と変化させ、同様の自己発熱試験を行った。
尚この試験においてもバインダとしてアクリル酸エステル共重合体エマルジョンを用い、その添加量も上記と同様の２％とした。
尚水の添加量も上記と同様の量とした。具体的には、消石灰を１０％添加した場合には、生石灰１０％添加したときと同じく水の添加量は１２８．４ｇとした。
尚消石灰粉末の平均粒径は０．０１ｍｍで、炭化製品の粒径に対し十分微細なものである。

図２で示したように生石灰添加の場合には、５％以上の添加で自己発熱抑制効果が認められたが、図３に示しているように消石灰添加の場合には２％以上の添加で自己発熱抑制効果が表われている。
即ち消石灰添加の場合には生石灰添加よりも少ない量で自己発熱抑制効果が生じている。

次にバインダの種類による影響を調べるため、生石灰（ＣａＯ）１０％，消石灰（Ｃａ(ＯＨ)_２）１０％添加の下でバインダの種類を上記のアクリル酸エステル共重合体エマルジョンと、ポリビニルアルコール水溶液（バインダＡ）とで変えて、同じように自己発熱試験を行った。
その結果が図４及び図５に示してある。
尚図４は石灰として生石灰を用いた場合を、図５は石灰として消石灰を用いた場合をそれぞれ表している。

ここでバインダの添加量は、アクリル酸エステル共重合体エマルジョン，ポリビニルアルコール水溶液の何れも２％とした。
尚ポリビニルアルコール水溶液は、ポリビニルアルコール１５％に水８５％を加えた水溶液とした。

これらの結果から、アクリル酸エステル共重合体エマルジョンと、ポリビニルアルコール水溶液とでバインダの種類の違いによる影響はそれほど認められなかった。

次に図６は炭化製品の発熱抑制処理装置の例を示したものである。図中１６は炭化炉で、１８は炭化製品の発熱抑制処理装置である。ここで炭化炉１６は、基本的に図９に示したものと同様のものである。

図６に示す設備では、炭化炉１６から排出された炭化製品が先ず冷却器２０で冷却され、その後に配合コンベヤ２４に載せられて図中右方向に移動して行く。
そしてその配合コンベヤ２４にて搬送される炭化製品に対して石灰ホッパ２２に収容された生石灰又は消石灰が添加されてそこで両者が混合され（ここでは石灰ホッパ２２と配合コンベヤ２４とで石灰の添加機が構成される）、そしてその混合物に対し、バインダの添加混合機２６においてバインダ及び水が添加されて、パドルミキサ式の混練機２７により全体が混合され、燃料用の炭化製品がこれより排出される。
このようにしてコーティング材でコーティング処理された炭化製品は、石炭火力発電所での燃料用として好適に使用可能なものである。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれは一例示である。
例えば本発明は生石灰と消石灰とを混合した形態でコーティング材に含有させ、炭化製品をコーティング処理するといったことも可能であるなど、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を態様で実施可能である。

自己発熱試験の説明図である。 生石灰とバインダとを添加した場合の自己発熱試験の結果を示した図である。 消石灰とバインダとを添加した場合の自己発熱試験の結果を示した図である。 生石灰とバインダとを添加し且つバインダの種類を変えたときの自己発熱試験の結果を示した図である。 消石灰とバインダとを添加し且つバインダの種類を変えたときの自己発熱試験の結果を示した図である。 炭化製品の発熱抑制処理装置の一例を示した図である。 従来の汚泥の炭化処理設備の一例を示す図である。 図７における乾燥機の構成を示す図である。 図７における炭化炉を示す図である。

符号の説明

１６ 炭化炉
２４ 配合コンベヤ
２６ 添加混合機

Claims (4)

1. 有機物含有汚泥を脱水処理した後の脱水汚泥を乾燥機に通して乾燥処理し、乾燥汚泥を炭化炉に通して炭化処理して得た炭化製品を、石灰と該石灰を該炭化製品の表面に定着させるバインダとを含むコーティング材で処理して、該炭化製品を該コーティング材で被覆することを特徴とする炭化製品の発熱抑制処理方法。
2. 請求項１において、前記コーティング材が、炭化製品固形分を基準として質量％で５％以上の生石灰を含んでいることを特徴とする炭化製品の発熱抑制処理方法。
3. 請求項１において、前記コーティング材が、前記炭化製品固形分を基準として質量％で２％以上の消石灰を含んでいることを特徴とする炭化製品の発熱抑制処理方法。
4. 有機物含有汚泥を脱水処理した後の脱水汚泥を乾燥機に通して乾燥処理し、乾燥汚泥を炭化炉に通して炭化処理して得た炭化製品の発熱抑制処理装置であって、
   前記炭化炉から排出された前記炭化製品に対し石灰を添加する石灰添加機と、該石灰の添加後において該石灰を該炭化製品の表面に定着させるバインダと水とを加えて混合するバインダの添加混合機と、を有していることを特徴とする炭化製品の発熱抑制処理装置。

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