JP4896565B2

JP4896565B2 - 乾燥炭化システム

Info

Publication number: JP4896565B2
Application number: JP2006099000A
Authority: JP
Inventors: 英武仕入; 良中島; 潔今井; 巨太郎居安; 恵二朗安村; 幸司林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007270018A

Description

本発明は、脱水汚泥などの有機系廃棄物を熱分解して炭化処理する乾燥炭化システムに関する。

汚泥等の有機系廃棄物を乾燥・炭化するシステムでは、有機系廃棄物を熱分解炉に投入し、これを低酸素状態で加熱して、熱分解ガスである可燃性の乾留ガスと炭化物である熱分解残渣とに分離して排出するようにしている。この場合、炭化工程で発生した乾留ガスを燃焼させ、炭化工程における熱分解炉の熱源とすることは良く知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００３−１８３６６５号公報特開２００３−３４０４９６号公報

この場合、乾留ガスの発生量は、汚泥等の有機系廃棄物の含水率や性状変化等によってばらつきが生じる。このため、発生した乾留ガスだけでは炭化工程を維持できない場合がある。このような場合、補助燃料による追い炊きが必要となる。

本発明の目的は、効率的に炭化処理することにより、汚泥等の有機系廃棄物の含水率や性状等が変化しても補助燃料による追炊きをほとんど必要とせず、発生した乾留ガスにより炭化工程を維持できるエネルギー効率の高い乾燥炭化システムを提供することにある。

本発明の乾燥炭化システムは、投入された有機系廃棄物を低酸素状態で加熱して熱分解し、熱分解ガスと熱分解残渣とに分離して排出する熱分解炉と、この熱分解炉からの熱分解ガス及び必要に応じて補助燃料を導入して燃焼用空気と共に燃焼させ、その燃焼熱で前記熱分解炉を加熱する加熱炉と、前記熱分解炉に投入される有機系廃棄物を加熱してその含水率を低下させる乾燥機と、前記加熱炉から排出される燃焼排ガスの熱エネルギーを回収する熱交換器とを備え、前記熱交換器として、乾燥機と熱分解炉の投入部との間に設けられ、加熱炉から排出される燃焼排ガスを熱源として前記乾燥機で乾燥された廃棄物を予熱するプレヒータを用いることを特徴とする。

また、本発明では、投入される有機系廃棄物の含水率や投入量、発熱量を計測する計測手段、補助燃料の温度や流量を計測する計測手段、熱分解ガスの温度や流量を計測する計測手段、燃焼用空気の温度や流量を計測する計測手段、熱分解残渣の発生量や温度を計測する計測手段、及び燃焼排ガスの温度や流量を計測する計測手段をそれぞれ設け、これら計測手段による計測値から有機系廃棄物、補助燃料、熱分解ガス、及び燃焼用空気の保有熱量の総和を熱分解炉及び加熱炉からなる炭化炉への入熱として求め、前記熱分解ガス、熱分解残渣、及び燃焼排ガスの保有熱量の総和を前記炭化炉からの出熱として求め、これら入熱と出熱の熱収支から、補助燃料を使うことなく発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解することのできる有機系廃棄物の投入量と含水率との関係を算出する演算装置を設け、さらに、前記有機系廃棄物の含水率計測値を用い、上記演算装置により求められた有機系廃棄物の投入量と含水率との関係から、有機系廃棄物の投入量を、補助燃料を使うことなく発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解することのできる投入量に制御する制御装置を設けるとよい。

また、本発明では、制御装置は、有機系廃棄物の投入量計測値を用い、上記演算装置により求められた有機系廃棄物の投入量と含水率との関係から、有機系廃棄物の含水率を、補助燃料を使うことなく発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解することのできる含水率に制御する構成でもよい。

また、本発明では、演算装置は、炭化炉への入熱と出熱の熱収支から、補助燃料を使うことなく発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解することのできる有機系廃棄物の投入量と発熱量との関係を算出し、制御装置は、有機系廃棄物の発熱量計測値を用い、上記演算装置により求められた有機系廃棄物の投入量と発熱量との関係から、有機系廃棄物の投入量を、補助燃料を使うことなく発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解することのできる投入量に制御する構成でもよい。

本発明によれば、炭化工程で生じる加熱用燃焼排ガスの熱量を回収することにより高いエネルギー効率を得ることができる。また、入熱と出熱の熱収支から、補助燃料を使うことなく、発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解する、有機系廃棄物の投入量と含水率との関係又は投入量と発熱量との関係を求めることにより、補助燃料を要しない、いわゆる自燃運転を行なうこともできる。

以下、本発明による乾燥炭化システムの一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

まず、図１で示す実施の形態を説明する。図１において、２は本システムの主体となる熱分解炉で、後述する乾燥機１を経て投入された有機系廃棄物を低酸素状態で加熱して熱分解し、熱分解ガス（可燃性の乾留ガス）２３と熱分解残渣（炭化物）１３とに分離して排出する。３は加熱炉で、熱分解炉２からの熱分解ガス２３及び補助燃料２２を導入して燃焼用空気２４と共に燃焼させ、その燃焼熱で熱分解炉２を加熱する。これら熱分解炉２及び加熱炉３の組み合わせを炭化炉８と呼ぶ。

前記乾燥機１は、熱分解炉２に投入される有機系廃棄物を加熱して乾燥させ、その含水率を低下させる。例えば、有機系廃棄物が脱水汚泥の場合、乾燥前の汚泥１１は、一般に含水率８５％程度であるが、乾燥機１を減ることにより含水率５０％程度の乾燥汚泥１２となる。４ａは熱交換器（この例では、廃熱ボイラ）で、加熱炉３から排出される燃焼排ガスの熱エネルギーを回収する。この熱交換器として用いられる廃熱ボイラ４ａは、水２６を導入して蒸気２７を発生させ、この発生した蒸気を乾燥機１の熱源として供給する。乾燥機１では図示しない加熱ジャケットに廃熱ボイラ４ａからの蒸気が供給され、汚泥を加熱し乾燥させる。この乾燥により生じた蒸気２１は外部に排出される。

上記構成において乾燥機１は、有機系廃棄物（例えば、脱水汚泥）１１を乾燥し、乾燥廃棄物（乾燥汚泥）１２と蒸気２１に分離する。乾燥廃棄物１２は、熱分解炉２に投入され、低酸素状態で、加熱炉３により外部から間接的に加熱され、熱分解する。その結果、熱分解残渣（炭化物）１３と可燃性の熱分解ガス（乾留ガス）２３とに分離される。加熱炉３の燃料には、熱分解炉２で発生した熱分解ガス２３を用いる。この他に、機器の立ち上げ時等で熱分解ガス２３のみでは十分な燃焼が得られない場合など、必要に応じて補助燃料２２を使用する。

加熱炉３の燃焼排ガス２５から熱エネルギーを回収する熱交換器として廃熱ボイラ４ａが設けられており、この廃熱ボイラ４ａに供給された水２６は排ガス２５の熱により蒸気２７に変換され、乾燥機１に供給される。

本実施の形態では、有機系廃棄物１１中の水分は乾燥機１で蒸気２１として分離排出されるため、熱分解炉２で蒸発する蒸気量がその分減少する。このため、熱分解炉２で発生する熱分解ガス２３が蒸発で希釈される度合いが少なくなり、発熱量が向上する。また、加熱器３からの燃焼排ガス２５の持つ熱エネルギーは蒸気として回収され、乾燥機１の熱源に利用可能となる。

このように、熱分解ガス２３の発熱量が向上するので、補助燃料２２はほとんど必要なく、その消費量が大幅に減少する。また、従来外部燃料により生成していた蒸気を自己の排ガスのエネルギーで賄えるため、エネルギー効率が向上し乾燥機１のランニングコストを低減することができる。

次に、図２で示す実施の形態を説明する。なお、図１で示した構成と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

この実施の形態では、加熱炉３の燃焼排ガス２５からエネルギーを回収する熱交換器として空気熱交換器４ｂを用いている。この空気熱交換器４ｂは燃焼用空気２４の予熱器として用いられており、空気予熱器４ｂに供給された空気２８は排ガス２５の熱により高温空気２９に変換され、加熱炉３の燃焼用空気２４として供給される。

この実施の形態では、燃焼排ガス２５の持つ熱エネルギーは顕熱として回収され、加熱炉３への入熱が増加する。すなわち、高温空気の顕熱分、加熱炉３への入熱が増加するため、熱分解ガス２３の消費量を減少させることが可能となる。したがって、補助燃料２２を用いることなく、発生した熱分解ガス２３のみを燃料として炭化する自燃運転可能領域が広がる。

次に、図３で示す実施の形態を説明する。ここでも、図１及び図２で示した構成と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

この実施の形態では加熱炉３の燃焼排ガス２５からエネルギーを回収する熱交換器として、乾燥廃棄物１２を予熱するプレヒータ４ｃを用い、これを熱分解炉２前段に設ける。すなわち、乾燥機１で乾燥された乾燥廃棄物を、プレヒータ４ｃにより排ガス２５の熱で加熱し、水分をさらに減少させる。

この実施の形態では、熱分解炉２へ供給される乾燥汚泥の含水率がさらに一層低下する。このように乾燥廃棄物の含水率が一層減少するため、補助燃料２２を用いることなく発生した熱分解ガス２３のみを燃料として炭化する自燃運転可能領域が広がる。

また、図示していないが、乾燥機１の前段には、一般に有機系廃棄物１１の沈降工程が設けられている。そこで、加熱炉２から排出される燃焼排ガスの全部または一部をこの沈降工程に加熱源として加え、水熱反応により沈降性を高め、有機系廃棄物１１の含水率を予め低下させるようにしてもよい。

この場合も、熱分解炉２へ供給される乾燥汚泥の含水率が減少するため、補助燃料２２を用いることなく発生した熱分解ガス２３のみを燃料として炭化する自燃運転可能領域が広がる。

次に、図４乃至図６で示す実施の形態を説明する。なお、ここでも図１，２，３と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

この実施の形態は、炭化炉８の上述した自燃運転に関するものである。図４において、熱分解炉２は、その入口部（図示左端部）に、乾燥廃棄物１２の投入量を調整可能な供給装置５を持っている。また、出口側（図示右側）には、熱分解炉２から排出された熱分解残渣１３を搬送する残渣排出装置７がもうけられている。

加熱炉３には燃焼用のバーナ６が設けられている。このバーナ６には、燃料として熱分解炉２で生成された熱分解ガス２３及びプロパンガスなどの補助燃料２２、さらには燃焼用空気２４がそれぞれ供給可能に構成されている。

熱分解炉２内に投入される乾燥廃棄物１２に対しては、その含水率や投入量、発熱量を計測する計測手段１０１が設けられている。また、熱分解炉２に対しては、その内部の温度を計測する計測手段１０２が設けられている。また、加熱炉３に対しても、その内部の温度を計測する計測手段１０３が設けられている。さらに、熱分解残渣１３の発生量や温度を計測する計測手段１０６、熱分解炉２で発生する熱分解ガス２３の温度と流量を計測する計測手段１０７、補助燃料２２の温度や流量を計測する計測手段１０８、燃焼用空気２４の温度や流量を計測する計測手段１０９、がそれぞれ設けられている。

１０４は演算装置で、上述した各計測手段により計測され、収集された運転データからプラント（炭化システム８）のエネルギー収支を計算する。１０５は制御装置で、演算装置１０４からのデータをもとにプラントを制御する。これらの演算及び制御機能については以下説明する。

図４に示す炭化炉８への入熱は、乾燥廃棄物１２と補助燃料２２と熱分解ガス２３と燃焼用空気２４の保有熱量の総和となり、計測手段１０１、１０７，１０８，１０９で採取したデータをもとに演算装置１０４にて計算される。一方、炭化炉８からの出熱は、熱分解ガス２３と熱分解残渣１３と排ガス２５の保有熱量の総和となり、計測手段１０２，１０６，１０７で採取したデータをもとに演算装置１０４にて計算される。そして、これら入熱と出熱の熱収支から、補助燃料２２を使うことなく発生した熱分解ガス２３の燃焼だけで乾燥廃棄物１２を熱分解する（自燃）ことのできる乾燥廃棄物１２の投入量と含水率との関係、または乾燥廃棄物１２の投入量と発熱量との関係が、演算装置１０４にて算出される。

図５は、乾燥廃棄物１２の投入量と含水率との関係を自燃可能な範囲で表した図である。すなわち、上述した熱収支に基くバランス計算により、投入される乾燥廃棄物１２について、ある含水率のもとで自燃可能な最低限の投入量を求め、これをプロットしたものが図示曲線である。したがって、この曲線より上側の投入量では、補助燃料２２無しの自燃により乾燥廃棄物１２を熱分解できる。図５から明らかなように、熱分解炉２に投入される乾燥廃棄物１２の含水率が低ければ、投入量が少なくても自燃することができるが、含水率が高い場合は、多くの乾燥廃棄物を投入して熱分解ガスの発生量を多くしないと自燃することができないことをあらわしている。

そこで、上述した投入量と含水率との関係を用い、計測手段１０１により計測した乾燥廃棄物１２の含水率から、演算装置１０４において自燃に必要な乾燥廃棄物１２の投入量を算出し、制御装置１０５で供給装置５を制御して自燃範囲に収まるように投入量を調整することができる。また逆に、計測手段１０１により乾燥廃棄物１２の投入量を計測し、この乾燥廃棄物１２の投入量から、演算装置１０４によって自燃に必要な乾燥廃棄物１２の含水率を算出し、制御装置１０５で乾燥機１の運転を制御して、自燃範囲に収まるように乾燥廃棄物１２の含水率を調整することができる。

図６は、乾燥廃棄物１２の投入量と発熱量との関係を自燃可能な範囲で表した図である。すなわち、上述した熱収支に基くバランス計算により、投入される乾燥廃棄物１２について、その発熱量に対する自燃可能な最低限の投入量を求め、これをプロットしたものが図示曲線である。したがって、この曲線より上側の投入量では、補助燃料２２無しの自燃により乾燥廃棄物１２を熱分解できる。図６から明らかなように、熱分解炉２に投入される乾燥廃棄物１２の発熱量が低ければ、多くの乾燥廃棄物１２を投入してもなかなか自燃することができない。しかし、発熱量が高い場合は、乾燥廃棄物１２の投入量が少なくても多くの多くの熱量を生じるので、補助燃料２２を要することなく自然により乾燥廃棄物１２を熱分解することができる。

乾燥廃棄物１２の発熱量はこの乾燥廃棄物１２の組成などから求めることができ、計測手段１０１によりオンラインで計測することも可能である。したがって、図６で示した投入量と発熱量との関係を用い、計測手段１０１により計測した乾燥廃棄物１２の発熱量から、演算装置１０４によって自燃に必要な乾燥廃棄物１２の投入量を算出し、制御装置１０５で供給装置５を制御して自燃範囲に収まるように投入量を調整することができる。

このように各計測値を演算し、それに基いて制御すれば、乾燥廃棄物の含水率、投入量、発熱量が変動しても、それに追従し自燃範囲にプラント状態を維持することができるので、ランニングコストを低減することができる。

なお、図４において、熱分解炉２内への供給装置５に空気投入装置９を設け、熱分解炉２内へ投入される空気量を調整するように構成すると、熱分解炉２内の酸素濃度を制御することが可能となるため、熱分解炉２内における乾燥廃棄物中の炭素等、可燃物の燃焼割合を調節でき、熱分解残渣１３の性状を制御できる。したがって、熱分解残渣（炭化物）１３のリサイクル用途に応じて炭素や灰分の含有量を調節できる。

本発明による乾燥炭化システムの一実施の形態を示すブロック構成図である。本発明による乾燥炭化システムの他の実施の形態を示すブロック構成図である。本発明による乾燥炭化システムのさらに他の一実施の形態を示すブロック構成図である。本発明による乾燥炭化システムの一実施の形態における演算・制御部分を示すブロック構成図である。図４のシステムにより求められた乾燥廃棄物の、自燃可能な投入量と含水率との関係を表す特性図である。図４のシステムにより求められた乾燥廃棄物の、自燃可能な投入量と発熱量との関係を表す特性図である。

符号の説明

１乾燥機
２熱分解炉
３加熱炉
４熱交換器
４ａ廃熱ボイラ
４ｂ空気熱交換器
４ｃプレヒータ
８炭化炉
１２乾燥廃棄物
１３熱分解残渣（炭化物）
２２補助燃料
２３熱分解ガス
２４燃焼用空気
２５燃焼排ガス
１０１，１０２，１０３，１０６，１０７，１０８，１０９計測手段
１０４演算装置
１０５制御装置

Claims

投入された有機系廃棄物を低酸素状態で加熱して熱分解し、熱分解ガスと熱分解残渣とに分離して排出する熱分解炉と、
この熱分解炉からの熱分解ガス及び必要に応じて補助燃料を導入して燃焼用空気と共に燃焼させ、その燃焼熱で前記熱分解炉を加熱する加熱炉と、
前記熱分解炉に投入される有機系廃棄物を加熱してその含水率を低下させる乾燥機と、
前記加熱炉から排出される燃焼排ガスの熱エネルギーを回収する熱交換器とを備え、
前記熱交換器として、乾燥機と熱分解炉の投入部との間に設けられ、加熱炉から排出される燃焼排ガスを熱源として前記乾燥機で乾燥された廃棄物を予熱するプレヒータを用いる
ことを特徴とする乾燥炭化システム。
投入される有機系廃棄物の含水率や投入量、発熱量を計測する計測手段、補助燃料の温度や流量を計測する計測手段、熱分解ガスの温度や流量を計測する計測手段、燃焼用空気の温度や流量を計測する計測手段、熱分解残渣の発生量や温度を計測する計測手段、及び燃焼排ガスの温度や流量を計測する計測手段をそれぞれ設け、
これら計測手段による計測値から有機系廃棄物、補助燃料、熱分解ガス、及び燃焼用空気の保有熱量の総和を熱分解炉及び加熱炉からなる炭化炉への入熱として求め、前記熱分解ガス、熱分解残渣、及び燃焼排ガスの保有熱量の総和を前記炭化炉からの出熱として求め、これら入熱と出熱の熱収支から、補助燃料を使うことなく発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解することのできる有機系廃棄物の投入量と含水率との関係を算出する演算装置を設け、
さらに、前記有機系廃棄物の含水率計測値を用い、上記演算装置により求められた有機系廃棄物の投入量と含水率との関係から、有機系廃棄物の投入量を、補助燃料を使うことなく発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解することのできる投入量に制御する制御装置を設けた
ことを特徴とする請求項１に記載の乾燥炭化システム。
投入される有機系廃棄物の含水率や投入量、発熱量を計測する計測手段、補助燃料の温度や流量を計測する計測手段、熱分解ガスの温度や流量を計測する計測手段、燃焼用空気の温度や流量を計測する計測手段、熱分解残渣の発生量や温度を計測する計測手段、及び燃焼排ガスの温度や流量を計測する計測手段をそれぞれ設け、
これら計測手段による計測値から前記有機系廃棄物、補助燃料、熱分解ガス、及び燃焼用空気の保有熱量の総和を熱分解炉及び加熱炉からなる炭化炉への入熱として求め、前記熱分解ガス、熱分解残渣、及び燃焼排ガスの保有熱量の総和を前記炭化炉からの出熱として求め、これら入熱と出熱の熱収支から、補助燃料を使うことなく発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解することのできる有機系廃棄物の投入量と含水率との関係を算出する演算装置を設け、
さらに、前記有機系廃棄物の投入量計測値を用い、上記演算装置により求められた有機系廃棄物の投入量と含水率との関係から、有機系廃棄物の含水率を、補助燃料を使うことなく発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解することのできる含水率に制御する制御装置を設けた
ことを特徴とする請求項１に記載の乾燥炭化システム。
投入される有機系廃棄物の含水率や投入量、発熱量を計測する計測手段、補助燃料の温度や流量を計測する計測手段、熱分解ガスの温度や流量を計測する計測手段、燃焼用空気の温度や流量を計測する計測手段、熱分解残渣の発生量や温度を計測する計測手段、及び燃焼排ガスの温度や流量を計測する計測手段をそれぞれ設け、
これら計測手段による計測値から前記有機系廃棄物、補助燃料、熱分解ガス、及び燃焼用空気の保有熱量の総和を熱分解炉及び加熱炉からなる炭化炉への入熱として求め、前記熱分解ガス、熱分解残渣、及び燃焼排ガスの保有熱量の総和を前記炭化炉からの出熱として求め、これら入熱と出熱の熱収支から、補助燃料を使うことなく発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解することのできる有機系廃棄物の投入量と発熱量との関係を算出する演算装置を設け、
さらに、前記有機系廃棄物の発熱量計測値を用い、上記演算装置により求められた有機系廃棄物の投入量と発熱量との関係から、有機系廃棄物の投入量を、補助燃料を使うことなく発生した熱分解ガスの燃焼だけで有機系廃棄物を熱分解することのできる投入量に制御する制御装置を設けた
ことを特徴とする請求項１に記載の乾燥炭化システム。