JP2008190831A - ボイラシステム及び発電システム並びにボイラシステムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】下水処理施設で生じた脱水汚泥を燃料として用いることができるボイラシステム及び発電システム並びにボイラシステムの運転方法を提供する。
【解決手段】加圧流動床ボイラ２０と、石炭、水、及び石灰石からなるＣＷＰを混合する混練機３１と、下水処理場４０で生じた脱水汚泥を貯留するホッパ３７を備え、ホッパ３７から脱水汚泥を混練機３１に供給し、混練機３１はＣＷＰと脱水汚泥とを混合して混合燃料を製造して加圧流動床ボイラ２０に供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボイラシステム及び発電システム並びにボイラシステムの運転方法に関し、特に、下水処理施設で生じる脱水汚泥を燃料に含めて有効利用する場合に適用して有用なものである。

下水処理施設では、家庭からの生活排水や雨水などの下水を処理する過程において、大量の有機性汚泥が発生する。このような下水処理施設では下水を浄化するための種々の処理が行われており、このような汚泥の処理も行われている。かかる汚泥処理は、一般に汚泥を濃縮し、そして脱水することで、汚泥を衛生的に減量している。

汚泥処理において、濃縮後の汚泥の組成のうち９８％程度は水分であり、脱水後では水分は汚泥の８０％程度となる。この濃縮後の汚泥は濃縮汚泥とも呼ばれ、脱水後の汚泥は脱水汚泥とも呼ばれる。脱水汚泥は湿った泥土状であるため搬送は容易となるため、下水処理施設から搬送されてセメントやレンガの材料、堆肥として利用されている。他にも、脱水汚泥はボイラの燃料として焼却システムに用いられている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、脱水汚泥にしても水分は全体の８０％程度を占めていることから、脱水汚泥を焼却処分する際には、重油などの助燃剤と共に燃焼する必要があり、多大なエネルギーを要している。また、重油などを用いて焼却することから焼却コストも増大し、更に二酸化炭素など温室効果ガスを排出するという環境への悪影響もある。

特開２００５−３２１１３１号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、下水処理施設で生じた脱水汚泥を燃料として用いることができるボイラシステム及び発電システム並びにボイラシステムの運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、燃料と水とを含む混合燃料を燃焼する火炉を具備するボイラシステムであって、下水処理施設における下水処理により下水から分離されて脱水された脱水汚泥を前記燃料と前記水と共に混合して混合燃料を製造し前記火炉に供給する混合燃料供給手段を具備することを特徴とするボイラシステムにある。

かかる第１の態様では、下水処理施設で生成された脱水汚泥は、ボイラシステムの火炉で燃焼される水を含む燃料に混合されて燃焼される。すなわち、下水処理場において、従来、濃縮汚泥を脱水して脱水汚泥を生成し、重油などの助燃剤と共に脱水汚泥を焼却処理していたが、このような焼却処理の手間やこれに要する費用を削減することができる。また、重油などを用いて焼却しないことから、二酸化炭素などの温室効果ガスの排出量も低減できる。

また、脱水汚泥は、全体の８０％程度が水分で構成されており、残りは汚泥である。この脱水汚泥の水分を利用することで、従来水を含む燃料を製造するために利用されていた水の分量を削減することができる。また、脱水汚泥中の汚泥分も燃焼に供することができ、燃料の使用量も低減することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載するボイラシステムにおいて、前記混合燃料供給手段は、製造した前記混合燃料の粘度に基づいて、所定の粘度となるよう前記燃料、前記水、及び前記脱水汚泥の混合比率を調整する粘度調整手段を具備することを特徴とするボイラシステムにある。

かかる第２の態様では、火炉には、所定の粘度に調整された混合燃料が供給されるようになる。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載するボイラシステムにおいて、前記混合燃料供給手段は、前記燃料、前記水、及び前記脱水汚泥を混合する混合装置と、前記混合装置に水を供給する注水手段と、前記混合装置に前記脱水汚泥を一定の割合で供給する脱水汚泥供給手段と、前記混合装置に燃料を供給する燃料供給手段とを含み構成され、前記粘度調整手段は、前記混合装置で製造された前記混合燃料の粘度に基づいて、所定の粘度となるように前記注水手段による注水量を調整することを特徴とするボイラシステムにある。

かかる第３の態様では、脱水汚泥供給手段からは一定量の脱水汚泥が混合装置に供給される。すなわち、混合装置へは、一定量の水が供給されていることになる。これにより、粘度調整手段は、混合装置に供給する水量を調整するにあたり、脱水汚泥供給手段からの脱水汚泥の供給量を制御することなく、注水手段から混合装置への注水量のみを制御すればよい。

本発明の第４の態様は、第１乃至第３の何れか一つの態様に記載するボイラシステムにおいて、前記燃料は、石炭であり、前記混合燃料は、水、石炭、脱水汚泥、及び石灰石を含み製造されたものであり、前記火炉は、加圧流動床ボイラであることを特徴とするボイラシステムにある。

かかる第４の態様では、水、石炭、及び石灰石からなるＣＷＰ（Coal Water Paste）に脱水汚泥を混合して混合燃料を製造し、この混合燃料を加圧流動床ボイラで燃焼することができる。

上記目的を達成するための本発明の第５の態様は、第１乃至第４の何れか一つの態様に記載するボイラシステムを具備する発電システムにある。

かかる第５の態様では、ボイラシステムの火炉で生じた熱エネルギーで発電システムのガスタービン発電機や蒸気タービン発電機を駆動して発電を行うことができる。

上記目的を達成するための本発明の第６の態様は、燃料と水とを含む混合燃料を燃焼する火炉を具備するボイラシステムの運転方法であって、下水処理施設における下水処理により下水から分離されて脱水された脱水汚泥を前記燃料と前記水と共に混合して混合燃料を製造し、この混合燃料を前記火炉に供給して、このボイラに前記混合燃料を燃焼させることを特徴とするボイラシステムの運転方法にある。

かかる第６の態様では、下水処理施設で生成された脱水汚泥は、ボイラシステムの火炉で燃焼される水を含む燃料に混合されて燃焼される。すなわち、下水処理場において、従来、濃縮汚泥を脱水して脱水汚泥を生成し、重油などの助燃剤と共に脱水汚泥を焼却処理していたが、このような焼却処理の手間やこれに要する費用を削減することができる。また、重油などを用いて焼却しないことから、二酸化炭素などの温室効果ガスの排出量も低減できる。また、従来燃料に混合されていた水の分量を削減することができる。更に、脱水汚泥中の汚泥分も燃焼に供することができ、燃料の使用量も低減することができる。

本発明によれば、下水処理施設で生成された脱水汚泥は、ボイラシステムの火炉で燃焼される水を含む燃料に混合されて燃焼される。すなわち、下水処理場において、従来、濃縮汚泥を脱水して脱水汚泥を生成し、重油などの助燃剤と共に脱水汚泥を焼却処理していたが、このような焼却処理の手間やこれに要する費用も削減することができる。また、重油などを用いて焼却しないことから、二酸化炭素などの温室効果ガスの排出量も低減できる。

また、脱水汚泥は、全体の８０％程度が水分で構成されおり、残りは汚泥である。この脱水汚泥の水分を利用することで、従来ＣＷＰを製造するために利用されていた水の分量を削減することができる。また、脱水汚泥中の固形物分も燃焼に供することができ、石炭の使用量も低減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

本実施形態に係るボイラシステムを備える発電システムを説明するに先立ち、下水処理施設における下水処理により生じる濃縮汚泥、及び脱水汚泥について説明する。図１は、下水処理施設における汚泥処理のフローを示す概略図である。

まず、下水処理施設では、下水道を経由して集積された生活排水や雨水などの下水を沈殿池に貯留し、下水中に含まれる物質を沈殿させたり、エアレーション等の各種水処理を行う（ステップＳ１）。このような処理の結果、沈殿池などでは下水から汚泥が分離され、かかる汚泥は、汚泥処理装置に送られる。汚泥処理装置では、汚泥を濃縮処理して濃縮汚泥を生成する（ステップＳ２）。濃縮処理とは、汚泥を沈殿槽に滞留させ比重差と重力により濃縮を行う重力濃縮や、微細な気泡を固形物に付着させ、比重差を逆転し水面に浮き上がらせて濃縮する浮上濃縮などの処理である。こうして生成された濃縮汚泥は２％程度の有機物等の汚泥と、９８％程度の水分とからなる。また、この濃縮汚泥を脱水する装置が設けられている下水処理施設では、濃縮汚泥に高分子凝集剤を添加して、含水率を低下させた脱水汚泥を生成する場合もある（ステップＳ３）。

濃縮汚泥は、例えば、１ｋｇあたりの乾燥熱量が２０００ｋｃａｌであるのに対し、脱水汚泥は１ｋｇあたりの乾燥熱量が４０００ｋｃａｌ程度である。ここで乾燥熱量とは、汚泥から水分を蒸発させた後の乾燥分の熱量のことをいう。従来においてはこの脱水汚泥に重油などの助燃剤を添加して焼却処分していた。一方、本実施形態に係るボイラシステムは、このような助燃剤を用いて焼却処分せずに、脱水汚泥を有効利用する。

ここで、火炉の一例である加圧流動床ボイラを用いたボイラシステムを具備する発電システムについて説明する。図２は、本実施形態に係るボイラシステムを備える発電システムの概略構成図である。この発電システムは、燃料を燃焼することにより蒸気を生成するボイラシステム１０と、この蒸気により駆動される蒸気タービン発電機７０を具備している。

ボイラシステム１０は、火炉の一例である加圧流動床ボイラ２０と、この加圧流動床ボイラ２０に混合燃料を供給する混合燃料供給手段３０とを具備している。

加圧流動床ボイラ２０は、圧力容器と、その内部に設けられた火炉本体とを有している（何れも図示せず）。火炉本体内には、石灰石を主成分とする流動媒体が所定量収容されている。この流動媒体は、図示しない空気供給手段により火炉本体底部から吹き込まれる加圧空気で流動化されて流動床を形成している。そして、混合燃料供給手段３０により流動床に投入された混合燃料は加圧状態（例えば約１ＭＰａ）で燃焼される。

加圧流動床ボイラ２０内には、蒸気タービン発電機７０と接続される伝熱管（図示せず）が引き回されており、加圧流動床ボイラ２０で混合燃料を燃焼することにより生じた熱を利用して伝熱管内に蒸気を発生させ、蒸気タービン発電機７０はこの蒸気で稼動し、発電する。なお、蒸気タービン発電機７０のみならず、加圧流動床ボイラ２０内の燃焼で生じた排ガスを利用するガスタービン発電機を用いてもよい。

混合燃料供給手段３０は、混合燃料を製造し、これを加圧流動床ボイラ２０へ供給するものである。ここで混合燃料とは、燃料としての石炭と、水と、石灰石とからなるＣＷＰ（Coal Water Paste）に脱水汚泥を混合したものをいう。具体的には、混練機３１（混合装置）が石炭、水、石灰石、及び脱水汚泥を混合して混合燃料を製造する。一方、水を貯留するタンク３２と、石炭を貯蔵する石炭バンカ３３と、石灰石を貯蔵する石灰石バンカ３４とが設けられており、これらの装置が混合燃料の各原料を混練機３１に供給している。更に、混練機３１と石炭バンカ３３との間には、石炭を粉砕する粗粉砕機３５及び微粉砕機３６とが配設されている。石炭は、粗粉砕機３５により粗く砕かれた状態で混練機３１に供給されるか、若しくは、粗粉砕機３５で砕かれた後、微粉砕機３６に送られて更に細かく粉砕されると共に水と混ぜられた状態で混練機３１に供給される。

更に、混練機３１に脱水汚泥を供給する脱水汚泥供給手段として、ホッパ３７とポンプ３８と流量制御弁３９とが設けられている。ホッパ３７は、下水処理場４０で生成された脱水汚泥を貯留するものである。本実施形態では、脱水汚泥は搬送車両４１により搬送されてホッパ３７に貯留されているが、このような形態に限定されず、例えば下水処理場４０からホッパ３７へ至るパイプラインを設け、このパイプラインを介して直接的にホッパ３７に脱水汚泥が供給されるようにしてもよい。

ホッパ３７に貯留された脱水汚泥は、ホッパ３７と混練機３１との間に配設された管路を通じて、ポンプ３８により昇圧されて混練機３１に供給される。かかる管路には流量制御弁３９が介装されており、流量制御弁３９の開度を調節することで脱水汚泥が一定の割合で混練機３１に供給されるようになっている。また、脱水汚泥は濃縮汚泥に比べて含水率が低く泥土状であるため、ポンプ３８は、容積式のポンプを用いている。

また、ボイラシステム１０には、制御装置５０（粘度調整手段）が設けられている。制御装置５０は、一般的な機能を備える情報処理機器である。具体的にはＣＰＵと共に、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びハードディスクなどの記憶装置を具備し、液晶画面などの表示部及びキーボードなどの入力部を備えている（何れも図示せず）。

制御装置５０は、混練機３１で製造された混合燃料の粘度を検出するセンサーから、この粘度を示す信号に基づいて、混合燃料の粘度が所定値となるようにタンク３２から混練機３１に供給される注水量を制御する。

かかる構成のボイラシステム１０を具備する発電システムでは、下水処理場４０から搬送された脱水汚泥と、ボイラシステム１０に貯蔵された水、石炭、石灰石とが混練機３１により混合されて、混合燃料が製造される。加圧流動床ボイラ２０は混練機３１より混合燃料を供給され、火炉本体に形成された流動床内で混合燃料を燃焼する。そして、この燃焼により生じた熱エネルギーを利用して蒸気タービン発電機７０を駆動し発電する。

以上に説明したように、脱水汚泥は、加圧流動床ボイラ２０で燃焼される水、石炭、石灰石からなる燃料であるＣＷＰに混合されて燃焼される。すなわち、下水処理場において、従来、濃縮汚泥を脱水して脱水汚泥を生成し、重油などの助燃剤と共に脱水汚泥を焼却処理していたが、このような焼却処理の手間やこれに要する費用を削減することができる。また、重油などを用いて焼却しないことから、二酸化炭素などの温室効果ガスの排出量も低減できる。

また、脱水汚泥は、全体の８０％程度が水分で構成されおり、残りは汚泥である。この脱水汚泥の水分を利用することで、従来ＣＷＰを製造するために利用されていた水の分量を削減することができる。また、脱水汚泥中の汚泥分も燃焼に供することができ、石炭の使用量も低減することができる。特に、脱水汚泥は、濃縮汚泥に比べて含水率が低いため単位重量あたりの熱量が高く、濃縮汚泥を用いた場合よりも石炭の使用量の低減効果は大きい。

また、脱水汚泥は、同一容積ならば濃縮汚泥よりも汚泥成分（固形物分）の量は多い。したがって、搬送車両４１は下水処理場４０からより多くの汚泥を搬出することができ、輸送費用を低減することができる。

更に、本実施形態に係るボイラシステム１０は、加圧流動床ボイラ２０を具備する既設のボイラシステムや発電システムに対しても、容易に適用することができる。例えば、図２に示すように破線Ａにより囲まれた部分を既設部分とすると、破線Ｂに囲まれた部分を新規に付加すればよい。すなわち、既設のボイラシステムに対し、ホッパ３７、ポンプ３８、及び流量制御弁３９を付加するだけで、本実施形態に係るボイラシステム１０を実施することができる。

また、ホッパ３７からは、流量制御弁３９の開度を調整することで、一定量の脱水汚泥が混練機３１に供給されている。すなわち、ホッパ３７から混練機３１へは、一定量の水が供給されていることになる。これにより、制御装置５０は、混練機３１に供給する水量を調整するにあたり、タンク３２から混練機３１への注水量のみを制御すればよく、粘度調整を容易に実現することができる。特に、前述したように既設のボイラシステムにこのような制御装置５０が設けられているならば、ホッパ３７、ポンプ３８、及び流量制御弁３９を新設しても、制御装置５０に係る装置等に変更を加える必要がない。

また、燃料としては、水、石炭、石灰石からなるＣＷＰに脱水汚泥を混合したが、これに限定されない。例えば、ＣＷＭ（Coal Water Mixture）やエマルジョン燃料に脱水汚泥を混合してもよい。ＣＷＭは、石炭に水を混合したスラリー状の燃料であり、エマルジョン燃料は、重油、軽油などに水を添加して、エマルジョン化（乳化）を促進させる添加剤を添加した液体燃料である。脱水汚泥は、これらのＣＷＭやエマルジョン燃料に混合される水や石炭、重油等を代替し、又は補完するものとして利用できる。そして、火炉は加圧流動床ボイラに限定されず、水が混合された燃料を燃焼する火炉であれば、本発明に係るボイラシステム（発電システム）に適用することができる。

本発明は、下水処理施設で生成される脱水汚泥を燃料として用いる産業で利用することができる。

下水処理施設における汚泥処理のフローを示す概略図である。 本実施形態に係るボイラシステムを備える発電システムの概略構成図である。

符号の説明

１０ ボイラシステム
２０ 加圧流動床ボイラ
３０ 混合燃料供給手段
３１ 混練機
３２ タンク
３３ 石炭バンカ
３４ 石灰石バンカ
３５ 粗粉砕機
３６ 微粉砕機
３７ ホッパ
３８ ポンプ
３９ 流量制御弁
４０ 下水処理場
４１ 運搬車両
５０ 制御装置
７０ 蒸気タービン発電機

Claims (6)

1. 燃料と水とを含む混合燃料を燃焼する火炉を具備するボイラシステムであって、
   下水処理施設における下水処理により下水から分離されて脱水された脱水汚泥を前記燃料と前記水と共に混合して混合燃料を製造し前記火炉に供給する混合燃料供給手段を具備することを特徴とするボイラシステム。
2. 請求項１に記載するボイラシステムにおいて、
   前記混合燃料供給手段は、製造した前記混合燃料の粘度に基づいて、所定の粘度となるよう前記燃料、前記水、及び前記脱水汚泥の混合比率を調整する粘度調整手段を具備することを特徴とするボイラシステム。
3. 請求項２に記載するボイラシステムにおいて、
   前記混合燃料供給手段は、前記燃料、前記水、及び前記脱水汚泥を混合する混合装置と、前記混合装置に水を供給する注水手段と、前記混合装置に前記脱水汚泥を一定の割合で供給する脱水汚泥供給手段と、前記混合装置に燃料を供給する燃料供給手段とを含み構成され、
   前記粘度調整手段は、前記混合装置で製造された前記混合燃料の粘度に基づいて、所定の粘度となるように前記注水手段による注水量を調整することを特徴とするボイラシステム。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載するボイラシステムにおいて、
   前記燃料は、石炭であり、
   前記混合燃料は、水、石炭、脱水汚泥、及び石灰石を含み製造されたものであり、
   前記火炉は、加圧流動床ボイラであることを特徴とするボイラシステム。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載するボイラシステムを具備する発電システム。
6. 燃料と水とを含む混合燃料を燃焼する火炉を具備するボイラシステムの運転方法であって、
   下水処理施設における下水処理により下水から分離されて脱水された脱水汚泥を前記燃料と前記水と共に混合して混合燃料を製造し、この混合燃料を前記火炉に供給して、このボイラに前記混合燃料を燃焼させることを特徴とするボイラシステムの運転方法。