JP5101658B2 - 有機廃棄物を用いた固形燃料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
上記有機廃棄物を脱臭乾燥してなる材料は、減圧発酵乾燥装置で発酵及び乾燥されたものであり、
上記減圧発酵乾燥装置は、
微生物が添加された有機廃棄物が内部に供給され、内部が減圧されるケーシングと、
上記ケーシングの下部に設けられ、内部に熱媒体が供給されて、ケーシング内の有機廃棄物を加熱する加熱部と、
内部に熱媒体が供給される中空回転軸及び送り部と、送り部に固定された掻き取り部を有して回転駆動され、有機廃棄物を加熱しながら攪拌する回転体と、
上記ケーシング内に設けられ、有機廃棄物から生じる蒸気を凝縮する凝縮部と、
上記凝縮部で凝縮された凝縮水と共に、ケーシング内の空気を吸引する真空ポンプと、
上記真空ポンプによって吸引された凝縮水と空気が供給され、微生物が添加されて上記凝縮部との間を循環する冷却水に、上記凝縮水と空気を混合するクーリングタワーと
を有することを特徴としている。
該混合物をi)減圧下で発酵脱臭する工程とii)減圧下で加熱乾燥する工程に付して混合物を脱臭乾燥する工程と、
脱臭乾燥後の混合物に、廃プラスチックからなる高熱量つなぎ成分を添加して総熱量を調整し、これらの材料を混練、圧縮及び成形する工程とを含み、
水分量15%以下、好ましくは10%以下、かつ、熱量5000〜6500kcal/kgに調整されたことを特徴としている。
上記有機廃棄物を脱臭乾燥する工程を複数回繰り返すサイクル工程と、
脱臭乾燥後の被処理物を圧縮及び成形する工程とを含み、
水分含量15%以下、かつ、熱量3300〜3800kcal/kgに調整され、
上記有機廃棄物を脱臭乾燥する工程は、減圧発酵乾燥装置が利用され、この減圧発酵乾燥装置は、
微生物が添加された有機廃棄物が内部に供給され、内部が減圧されるケーシングと、
上記ケーシングの下部に設けられ、内部に熱媒体が供給されて、ケーシング内の有機廃棄物を加熱する加熱部と、
内部に熱媒体が供給される中空回転軸及び送り部と、送り部に固定された掻き取り部を有して回転駆動され、有機廃棄物を加熱しながら攪拌する回転体と、
上記ケーシング内に設けられ、有機廃棄物から生じる蒸気を凝縮する凝縮部と、
上記凝縮部で凝縮された凝縮水と共に、ケーシング内の空気を吸引する真空ポンプと、
上記真空ポンプによって吸引された凝縮水と空気が供給され、微生物が添加されて上記凝縮部との間を循環する冷却水に、上記凝縮水と空気を混合するクーリングタワーと
を有することを特徴としている。
(参考例)
参考例の固形燃料は、
a)有機廃棄物の脱臭乾燥物からなる低熱量成分:30〜40%と、
b)木屑、紙屑、廃タタミ及び繊維屑のうちの少なくとも1つからなる増量成分:15〜20%、
c)廃プラスチックからなる高熱量つなぎ成分:40〜60%とを少なくとも含んでなる。なお、上記各成分割合の合計は、100%以下である。
余剰汚泥等の低熱量成分:2000〜2500kcal/kg
木屑成分:3800kcal/kg
紙屑成分:2900kcal/kg
そこで、高熱量のつなぎ成分として、10000〜11000kcal/kgの熱量を有するc)の廃プラスチックを添加し、これらの混合材料を混練、圧縮及び成形し、固形化して固形燃料とする。
1)水分量が多い有機廃棄物(余剰汚泥等)の低熱量成分に、水分量の少ない木屑、紙屑、廃タタミ及び繊維屑のうちの少なくとも1つからなる増量成分を混合して減圧発酵に適する水分量を有する混合物を調製する工程と;
2)該混合物をi)減圧下で発酵脱臭する工程とii)減圧下で加熱乾燥する工程に付して混合物を脱臭乾燥する工程と、
3)脱臭乾燥後の混合物に、廃プラスチックからなる高熱量つなぎ成分を添加して総熱量を調整し、これらの材料を混練、圧縮及び成形する工程とを含む。
第1工程では、混合物を以下のように調製する。有機廃棄物としての余剰汚泥は、水分含有量が約90%であるので、これに、木屑及び紙屑(いずれも水分量約15%)等の増量成分を混合して水分含有量を約60〜約80%に調整する。なお、有機廃棄物は、水分含有量が80〜99%のものを用いることができる。
第2工程において、減圧下の発酵脱臭工程と減圧下の加熱乾燥工程は、次の通りに行う。
II―i)発酵脱臭工程では、海、山及び陸に生息する土着菌を採取、培養して用いる。余剰汚泥の減圧発酵には、土着菌として各種の動植物や土壌に生息する菌が有効であることが見出されている。土着菌が生息する動植物や土壌としては、よもぎ、野草、薬草、海辺の草、笹、竹やぶの土、山林の土、魚、海草、果実、パイナップル、リンゴ、ミカン、ビワ及びブドウ等がある。これらに生息する土着菌を、米ぬか又はおが屑で培養して用いる。具体的には、減圧値0.03〜0.07MPaの減圧下、熱媒体温度60〜80℃で半時間から2〜3時間攪拌下に発酵菌を混合して脱臭が行われるので、かかる条件下で発酵生育する発酵菌が好ましい。なお、減圧値とは、大気圧(海抜0mにおいて、一般的に0.10MPa)から降下させる圧力値をいう。そのような発酵菌が有する酵素として、次の公知の酵素:アルコールデハイドロゲナーゼ、ラクテートデハイドロゲナーゼ、グルコース6リン酸デハイドロゲナーゼ、アルデヒドデハイドロゲナーゼ、L・アスパルテイト・ベーターセミアルデヒド・NADPオキシドレクターゼ、グルタミン酸デハイドロゲナーゼ、アスパラギン酸セミアルデヒド・デハイドロゲナーゼ、NADPH2チクトクロームC・リアクターゼ、グルタチオン・デハイドロゲナーゼ、トレハローズリン酸シンテクターゼ、ポリフォスヘエードキナーゼ、エタノールアミンフォスヘエードサイチジル・トランスフェラーゼ、トレハローズフォスファターゼ、メタルチオ・フォスフォ・グリセレート・フォスファターゼ、イヌラーゼ、β−マンノシターゼ、ウリジン・ヌクレオシターゼ、シトシン・ジアミナーゼ、メチルシステインシンテターゼ、アスパラギン酸シンテターゼ、コハク酸デハイドロゲナーゼ、アコニチン酸ハイドロゲナーゼ、フマレイトハイドロゲナーゼ、マレイトデハイドロゲナーゼ、クエン酸シンテターゼ、イソクエン酸デハイドロゲナーゼ、LSNADPオキシダクターゼ、モノアミンオキシダクターゼ、ヒスタミナーゼ、ピルビン酸デカルボキシラーゼ、ATPアーゼ、ヌクレオチドピロフォスファターゼ、エンドポリフォスファターゼ、ATPフォスフォハイドロラーゼ、オロチジン5リン酸デカルボキシラーゼを例示することができ、これらの群から選択された少なくとも1種の酵素を有する菌を使用する。発酵脱臭工程では、およそ半時間から2〜3時間で十分な脱臭を行うことができる。
II−ii)加熱乾燥工程では、発酵脱臭工程の減圧条件よりも低い気圧での減圧条件とし、次第にまたは段階的に減圧量を大きくして行われる。具体的には、減圧値0.05〜0.09MPaの減圧下、熱媒体温度80〜120℃で半時間から1時間攪拌下に加熱乾燥が行われる。乾燥後の混合物の水分含有量は20%以下、好ましくは約15%以下を目標値とすべきである。
脱臭乾燥工程を行う前における組成の一例(カッコ内は組成比率)は、以下のとおりである。
a)余剰汚泥:500kg(40%)、水分含有量90%
b)木屑:100kg(5%)
c)紙屑:100kg(5%)
上記成分を混合して水分含有量80%の混合物とし、これを以下に示す減圧発酵乾燥装置によって、下記の条件下で処理する。
i)発酵工程:減圧値0.03MPa、約1時間
ii)乾燥工程:減圧値0.08MPa、約30分
乾燥後の混合物の水分量を、約15%にすることが可能となる。
脱臭及び乾燥後の混合物に、好ましくは2〜5cmの寸法に粉砕された廃プラスチック200kgを添加し、定量供給機等によって混合する。脱臭乾燥後の低熱量成分及び増量成分に対して、高熱量つなぎ成分を90〜150%の割合で混合する。この低熱量成分及び増量成分と、高熱量つなぎ成分との混合比率は、成形後に得られる固形燃料の熱量が5000〜6500kcal/kgとなるように調整する。
混合された材料を、成形装置によって混練、圧縮及び成形し、その後所定長さに切断して、固形燃料が完成する。成形装置において材料を約100〜180℃に加熱することにより、水分を蒸発させて、固形燃料の固形化時に水分含有量を15%以下、好ましくは10%以下にできる。
成形装置として、例えば2軸のスクリューを有して、材料の逆流を阻止しつつ混練、圧縮及び成形を行うマルチフォーマーを用いることにより、材料の混練圧縮に伴う摩擦熱を利用して高温の加熱が可能となり、固形燃料の水分量を15%以下、好ましくは10%以下にできる。
なお、成形前の材料の水分量が少ない場合は、成形装置としてペレットミルを用いてもよく、ペレットミルは、胴部にダイ孔が設けられた回転円筒体の内側面に沿って転動輪が転動し、回転円筒体内に供給された混合材料を、転動輪の外周面と回転円筒体の内周面との接触に伴って圧縮及び押し出すものである。
本実施形態の固形燃料は、余剰汚泥等の有機廃棄物のみを成分とする。すなわち、参考例における木屑等の増量成分や、廃プラスチック等の高熱量つなぎ成分を用いることなく、有機廃棄物のみを用いて固形燃料を製造する。
1)有機廃棄物を、減圧下で発酵脱臭する工程と、減圧下で加熱乾燥する工程とに付する脱臭乾燥工程と、
2)脱臭乾燥工程を繰り返すサイクル工程と、
3)サイクル工程を経た被処理物を圧縮及び成形する成形工程と含む。以下、各工程を説明する。
第1工程では、水分含有量が80〜99%の有機廃棄物を減圧発酵乾燥装置に供給し、減圧下の発酵脱臭工程と減圧下の加熱乾燥工程を次の通りに行う。
1―i)発酵脱臭工程では、減圧値(大気圧からの圧力の低減値)0.03〜0.07MPaの下、加熱温度60〜80℃の熱媒体により、被処理物の温度を沸点に応じて60〜80℃に加熱して、30分〜3時間の運転時間にわたって発酵を行う。熱媒体には、水蒸気や油等を用いることができる。また、熱媒体以外に電気抵抗を応用した加熱装置を用いてもよい。また、被処理物を攪拌機で攪拌して発酵を促進するのが好ましい。
発酵脱臭工程では、減圧発酵乾燥装置内の被処理物に、参考例で添加したものと同じ微生物を添加する。すなわち、海、山及び陸に生息する土着菌を採取、培養して用いる。有機廃棄物の発酵には、土着菌として各種の動植物や土壌に生息する菌が有効であり、土着菌が生息する動植物や土壌としては、よもぎ、野草、薬草、海辺の草、笹、竹やぶの土、山林の土、魚、海草、果実、パイナップル、リンゴ、ミカン、ビワ及びブドウ等がある。これらに生息する土着菌を、米ぬか又はおが屑で培養して用いるが、後述する条件下で発酵生育する発酵菌が好ましい。
1―ii)加熱乾燥工程では、発酵脱臭工程の減圧条件よりも低い気圧での減圧条件とし、次第にまたは段階的に減圧量を大きくして行われる。具体的には、減圧値(大気圧からの圧力の低減値)0.05〜0.09MPaの下、加熱温度80〜120℃の熱媒体により、被処理物の温度を沸点に応じて40〜60℃に加熱して、30分〜3時間の運転時間にわたって乾燥を行う。熱媒体には、水蒸気や油等を用いることができ、また、熱媒体以外に電気抵抗を応用した加熱装置を用いてもよい。また、被処理物を攪拌機で攪拌して乾燥を促進するのが好ましい。
サイクル工程では、上述の発酵脱臭工程及び加熱乾燥工程からなる脱臭乾燥工程を複数回繰り返す。
サイクル工程の一例を、図10のフローチャートを用いて説明する。まず、サイクル工程のうちの少なくとも第1のサイクルは、減圧発酵乾燥装置に定格量よりも少ない有機廃棄物を投入して脱臭乾燥工程を行う初期運転を行う(ステップS1〜S3)。最初の発酵工程では、参考例におけるものと同様の微生物を添加する。定格量よりも少ない有機廃棄物に脱臭乾燥工程を行うことにより、有機廃棄物に微生物の発酵環境を迅速に形成することができる。第1のサイクルの後、初期運転を継続する場合はステップS1に戻って(ステップS4)、定格量未満の有機廃棄物を減圧発酵乾燥装置に投入し、脱臭乾燥工程のサイクルを繰り返す(ステップS1〜S3)。
初期運転を終える場合(ステップS4)、減圧発酵乾燥装置に有機廃棄物を定格量まで投入して脱臭乾燥工程を行う定量運転を行う(ステップS5〜S8)。定量運転では、サイクルの乾燥工程(ステップS7)が終わるごとに、被処理物の一部を排出する(ステップS8)。なお、排出する被処理物の一部とは、乾燥工程が終了したときの被処理物の80%程度であるのが好ましい。ステップS8で排出した一部の被処理物は、成形装置に送って圧縮成形を行う。定量運転を継続する場合(ステップS9)、ステップS5に戻り、有機廃棄物を定格量に達するまで投入して、残留した一部の被処理物に新たな有機廃棄物を追加した後、脱臭乾燥工程を繰り返す(ステップS6〜S7)。
このように、定量運転では、各サイクルの終了時に排出する被処理物の量を、全体のうちの一部(例えば乾燥工程終了時の被処理物の80%)にするので、減圧発酵乾燥装置に被処理物の他の部分(例えば20%)を残すことにより、減圧発酵乾燥装置内に既に形成された発酵環境を継続して後のサイクルに引き継ぐことができる。したがって、減圧発酵乾燥装置の運転を一旦開始すれば、途中で微生物の追加を行うことなく、複数ステップの工程を行うことができる。
また、新たな有機廃棄物は水分量が90%以上である場合が多いが、減圧発酵乾燥装置に乾燥後の被処理物の他の部分を残しておくことにより、新たな有機廃棄物を投入した直後においても、発酵に適した50%程度の水分量にすることができる。
本実施形態のサイクル工程は、後述する減圧発酵乾燥装置で行うことができ、定格容量が4tのケーシングを備えた減圧発酵乾燥装置は、1日あたり約4tの有機廃棄物の脱臭乾燥処理を行うことができる。
このようにして有機廃棄物に処理を行った被処理物は、臭気が大幅に削減され、また、水分量が例えば15%程度にまで大幅に削減される。
なお、被処理物の水分量は、20%以下であれば固形化が可能となるが、十分な保形性を得るために15%以下にするのが好ましい。
定量運転における各サイクルで減圧発酵乾燥装置から排出された被処理物は、定量供給機等を介して、参考例と同様の成形装置によって圧縮及び成形し、所定長さに切断して固形燃料が完成する。成形装置において、被処理物の圧縮に伴う圧縮熱が生成されるが、被処理物を加熱装置で約100〜180℃に加熱するのが好ましい。これにより、水分を効率よく蒸発させて、固形燃料の水分量を固形化時に15%以下、好ましくは10%以下にすることができる。
本実施形態において、成形装置としてマルチフォーマーを用いるのが好ましいが、成形装置としてペレットミルを用いてもよい。
上記参考例及び実施形態の固形燃料の製造方法のいずれも、減圧発酵・減圧加熱乾燥工程及び圧縮成形工程に以下の装置を利用するのが好ましい。
5 ボイラー
10 ケーシング
11 上部ケーシング
12 下部ケーシング
20 回転体
50 凝縮部
60 クーリングタワー
G 凝縮水
VP 真空ポンプ
W 被処理物
100 圧縮成形装置
Claims (10)
- 有機廃棄物を脱臭乾燥してなる材料を圧縮成形して固形化してなり、水分量15%以下の条件下で熱量3300〜3800kcal/kgに調整された固形燃料であって、
上記有機廃棄物を脱臭乾燥してなる材料は、減圧発酵乾燥装置で発酵及び乾燥されたものであり、
上記減圧発酵乾燥装置は、
微生物が添加された有機廃棄物が内部に供給され、内部が減圧されるケーシングと、
上記ケーシングの下部に設けられ、内部に熱媒体が供給されて、ケーシング内の有機廃棄物を加熱する加熱部と、
内部に熱媒体が供給される中空回転軸及び送り部と、送り部に固定された掻き取り部を有して回転駆動され、有機廃棄物を加熱しながら攪拌する回転体と、
上記ケーシング内に設けられ、有機廃棄物から生じる蒸気を凝縮する凝縮部と、
上記凝縮部で凝縮された凝縮水と共に、ケーシング内の空気を吸引する真空ポンプと、
上記真空ポンプによって吸引された凝縮水と空気が供給され、微生物が添加されて上記凝縮部との間を循環する冷却水に、上記凝縮水と空気を混合するクーリングタワーと
を有することを特徴とする有機廃棄物を用いた固形燃料。 - 有機廃棄物は、余剰汚泥、畜産の糞尿、農業廃棄物、水産業廃棄物、農水産加工業廃棄物及び食品工業廃棄物のうちの少なくとも1つを含む請求項1記載の固形燃料。
- 有機廃棄物を、減圧下で発酵脱臭する工程と、減圧下で加熱乾燥する工程とに付して脱臭乾燥する工程と、
上記有機廃棄物を脱臭乾燥する工程を複数回繰り返すサイクル工程と、
脱臭乾燥後の被処理物を圧縮及び成形する工程とを含み、
水分含量15%以下、かつ、熱量3300〜3800kcal/kgに調整され、
上記有機廃棄物を脱臭乾燥する工程は、減圧発酵乾燥装置が利用され、この減圧発酵乾燥装置は、
微生物が添加された有機廃棄物が内部に供給され、内部が減圧されるケーシングと、
上記ケーシングの下部に設けられ、内部に熱媒体が供給されて、ケーシング内の有機廃棄物を加熱する加熱部と、
内部に熱媒体が供給される中空回転軸及び送り部と、送り部に固定された掻き取り部を有して回転駆動され、有機廃棄物を加熱しながら攪拌する回転体と、
上記ケーシング内に設けられ、有機廃棄物から生じる蒸気を凝縮する凝縮部と、
上記凝縮部で凝縮された凝縮水と共に、ケーシング内の空気を吸引する真空ポンプと、
上記真空ポンプによって吸引された凝縮水と空気が供給され、微生物が添加されて上記凝縮部との間を循環する冷却水に、上記凝縮水と空気を混合するクーリングタワーと
を有することを特徴とする有機廃棄物を用いた固形燃料の製造方法。 - 上記サイクル工程は、定格量よりも少ない有機廃棄物に脱臭乾燥工程を少なくとも1サイクル行う初期運転と、この初期運転の後に定格量の有機廃棄物に脱臭乾燥工程を行う定量運転とを含む請求項3記載の有機廃棄物を用いた固形燃料の製造方法。
- 上記サイクル工程の定量運転が終了する毎に、被処理物の一部を排出すると共に、新たな有機廃棄物を定格量に達するまで供給する請求項4記載の有機廃棄物を用いた固形燃料の製造方法。
- 発酵脱臭工程に、海、山及び陸に生息する土着菌を採取、培養して用いる請求項3記載の固形燃料の製造方法。
- 上記土着菌がよもぎ、野草、薬草、海辺の草、笹、竹やぶの土、山林の土、魚、海草、果実、パイナップル、リンゴ、ミカン、ビワ及びブドウの少なくとも1つに生息する菌を含み、米ぬか又はおが屑で培養して用いる請求項6記載の固形燃料の製造方法。
- 減圧発酵時の減圧条件が減圧乾燥時の減圧条件よりも小さく、減圧発酵から減圧乾燥に移る際に減圧量を次第にまたは段階的に大きくする請求項3記載の固形燃料の製造方法。
- 成形時に材料の水分含有量を15%以下まで加熱乾燥させる請求項3記載の固形燃料の製造方法。
- 上記土着菌が、アルコールデハイドロゲナーゼ、ラクテートデハイドロゲナーゼ、グルコース6リン酸デハイドロゲナーゼ、アルデヒドデハイドロゲナーゼ、L・アスパルテイト・ベーターセミアルデヒド・NADPオキシドレクターゼ、グルタミン酸デハイドロゲナーゼ、アスパラギン酸セミアルデヒド・デハイドロゲナーゼ、NADPH2チクトクロームC・リアクターゼ、グルタチオン・デハイドロゲナーゼ、トレハローズリン酸シンテクターゼ、ポリフォスヘエードキナーゼ、エタノールアミンフォスヘエードサイチジル・トランスフェラーゼ、トレハローズフォスファターゼ、メタルチオ・フォスフォ・グリセレート・フォスファターゼ、イヌラーゼ、β−マンノシターゼ、ウリジン・ヌクレオシターゼ、シトシン・ジアミナーゼ、メチルシステインシンテターゼ、アスパラギン酸シンテターゼ、コハク酸デハイドロゲナーゼ、アコニチン酸ハイドロゲナーゼ、フマレイトハイドロゲナーゼ、マレイトデハイドロゲナーゼ、クエン酸シンテターゼ、イソクエン酸デハイドロゲナーゼ、LSNADPオキシダクターゼ、モノアミンオキシダクターゼ、ヒスタミナーゼ、ピルビン酸デカルボキシラーゼ、ATPアーゼ、ヌクレオチドピロフォスファターゼ、エンドポリフォスファターゼ、ATPフォスフォハイドロラーゼ、オロチジン5リン酸デカルボキシラーゼからなる群から選択された少なくとも1種の酵素を含む請求項6記載の固形燃料の製造方法。
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