JP4905942B2 - 炭化品の製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、下水汚泥などの有機性廃棄物を原料として、植物の育成に適したリン酸肥料の原料を製造することができる炭化品の製造方法及び装置に関するものである。

下水処理設備の普及に伴い、下水汚泥の発生量は年々増加している。下水汚泥の処理法として従来は焼却が中心であったが、最近では特許文献１，２に示されるように、下水汚泥を炭化処理することにより汚泥中の可燃分を燃料等として有効利用する方法が開発されている。このほか、下水汚泥等には多量のリンが含まれることに着目し、炭化品をリン酸肥料の原料として活用する方法も検討されている。

植物肥料としては、ク溶性リン酸（クエン酸可溶性リン酸）が５％以上含まれることが求められる。このためには汚泥の炭化処理温度を７００℃以下の範囲とすることが必要であり、これよりも高温で炭化させるとリンが結晶化してしまい、植物の生育に有効なク溶性リン酸が減少してしまう。ところが、７００℃以下の低温で炭化処理を行うと、植物の生育を阻害するタール分を十分に取り除くことができなくなる。

一方、タール分を含まない炭化物を得るためには７００〜８００℃での炭化処理が必要である。ところがこのような温度域で炭化処理を行うと、タール分を揮発蒸発させることはできるもののク溶性リン酸が減少してしまう。従って、これまでのところク溶性リン酸の含有率が高くしかもタール分の少ない炭化品は製造が困難であった。
特開２００４−２５６３２９号公報 特開２００４−２７７４６４号公報

従って本発明の目的は、下水汚泥に代表される有機性廃棄物を原料として、ク溶性リン酸の含有率が高くしかもタール分の少ない炭化品を工業的に製造できる炭化品の製造方法及び装置を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の炭化品の製造方法は、有機性廃棄物を炭化装置により７００℃以下の温度で炭化処理したうえ、炭化装置の後段に接続された内圧が−０．５ｋＰａ〜＋０．５ｋＰａの筒状加熱装置に導入し、２５０〜７００℃に加熱しながら水蒸気を炭化品の進行方向とは逆方向に流し、タール分を除去することを特徴とするものである。有機性廃棄物としては下水汚泥が代表的なものであるが、生ゴミや剪定枝などのバイオマス原料を混合したものでもよく、リンを含む有機性廃棄物、例えば畜産廃棄物や食品工場廃棄物などであってもよい。

また上記の課題を解決するためになされた本発明の炭化品の製造装置は、有機性廃棄物を７００℃以下の温度で炭化処理する炭化装置の後段に、内圧が−０．５ｋＰａ〜＋０．５ｋＰａに維持され、その内部で炭化品を２５０〜７００℃に加熱するスクリュー搬送式の筒状加熱装置を接続するとともに、この筒状加熱装置の出口側に、水蒸気を炭化品の進行方向とは逆方向に供給する接続口を設けたことを特徴とするものである。炭化装置としてはロータリーキルンが使用でき、筒状加熱装置の熱源としては、炭化装置の加熱排気、または炭化装置から得られる可燃性ガスを燃焼した廃熱を利用することができる。外気の浸入を防止するために、搬送用スクリューの軸をシールして、筒状加熱装置内に外気の侵入を防止するシール機構を設けることが好ましい。

本発明によれば、有機性廃棄物を７００℃以下の温度で炭化処理することによりク溶性リン酸の含有率を高めつつ、その後段に設けたスクリュー搬送式の筒状加熱装置において
炭化品を２５０〜７００℃に加熱しつつ、水蒸気を炭化品の進行方向とは逆方向に流し、タール分を水蒸気の流れに同伴させて取り除く。この結果、タール分による植物の生育阻害のおそれが無く、ク溶性リン酸の含有率が高い炭化品を安定して製造することができる。この炭化品はク溶性リン酸肥料の原料としてのみならず、不快なタール臭のない炭化製品を得ることも可能で、リン酸肥料の原料以外の利用用途にも有効である。

装置内部で可燃性ガスや可燃性の炭化品が生成されるこの種の装置においては、外気の吸引による爆発を防止するために筒状加熱装置の内圧を大気圧よりもかなり高圧にするのが普通である。しかし本発明では、筒状加熱装置の内圧をゲージ圧で−０．５ｋＰａ〜+０．５ｋＰａという大気圧近傍の圧力としたので、炭化品へのタール分の再付着が抑制され、タール分の除去が効率的に行われる。

また本発明では搬送用スクリューの軸をシールして、筒状加熱装置内への外気の侵入を防止するシール機構を設けたので、上記のような圧力にしても安全であり、特に水蒸気をシール部に供給するようにすれば、より安全である。

以下に本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明に用いる装置構成の一例を示す図であり、炭化装置１と筒状加熱装置２とを垂直管３により接続した形態のものである。炭化装置１は外熱式のロータリーキルンであり、炉本体の外周に加熱用のジャケット４が設けられており、図示しない熱風炉等で発生させた熱風をジャケット４に供給することにより、その内部温度は７００℃以下、より好ましくは５００〜５５０℃に維持されている。また炭化装置１の内部は当然ながら低酸素雰囲気に維持されている。

下水汚泥等の有機性廃棄物は投入ホッパ５から炭化装置１の内部に投入され、７００℃以下の比較的低温で炭化処理される。有機性廃棄物中に含有されている有機物は低酸素雰囲気中で熱分解され、可燃性の乾留ガスと水分を揮発させ炭化される。発生した乾留ガスと水蒸気は炭化装置１の後端部から抜き出され、排ガス処理装置６により除塵・洗浄・乾留ガスの二次燃焼等を行った後、煙突７から放出される。もちろん、この乾留ガスを二次燃焼させずに燃料ガスとして回収することも可能である。

このように有機性廃棄物は７００℃以下の比較的低温で炭化処理されるため、炭化装置１の後端に達した炭化品はク溶性リン酸を豊富に含むが、またタール分も含む。本実施形態では、この炭化品は炭化装置１の後端下部に設けられた垂直管３を通じ、筒状加熱装置２の入口に落下する。

筒状加熱装置２は細長い筒状本体８の内部に搬送用スクリュー９を設置したもので、モータ１０によって搬送用スクリュー９を回転させることにより、炭化品を撹拌しながら出口側に送る。筒状本体８の長さは１〜１０ｍ程度、内径は１００〜２０００mm程度とする。また搬送用スクリュー９の回転速度は１〜２０ｍｉｎ^−１程度とし、毎分５〜３０ｃｍの速度で炭化品を移送する。筒状本体８の外周にはヒータまたはバーナ等の加熱手段１１、もしくは、炭化装置１の加熱排気、または炭化装置１から得られる可燃性ガスを燃焼した廃熱を利用するものが設置されており、内部を２５０〜７００℃に加熱している。この温度が２５０℃未満ではタール分の除去を十分に行えず、７００℃を超えるとク溶性リン酸が減少する。

出口側の接続口１２から、水蒸気を出口側から入口側に向かって流す。その流量は０.１〜１０００L／分とする。水蒸気は、炭化品へ熱を伝える熱伝達性が優れるためタール分を効率良く短時間で揮発飛散させることができる。

炭化品はこの筒状加熱装置２の内部を１５〜１２０分程度の時間をかけて緩やかに移動しながら２５０〜７００℃に加熱され、筒状加熱装置２の出口側から排出されるが、その間に炭化品の進行方向とは逆方向に流れる水蒸気に同伴し、タール分は揮発除去される。水蒸気を炭化品と逆方向に流したのは、水蒸気側に移動したタール分が炭化品に再付着することを防止するためである。このようにしてタール分が除去された炭化品は筒状加熱装置２の出口側から排出され、タール分を含んだ水蒸気は筒状加熱装置２の入口側の垂直管３を通じて炭化装置１の後端部に入り、乾留ガスとともに抜き出される。

この種の装置においては、外気の吸引による爆発を防止するために、筒状加熱装置２の内圧を大気圧よりもかなり高圧にするのが普通である。しかし本発明では前記したように、筒状加熱装置２の内圧をゲージ圧で−０．５ｋＰａ〜+０．５ｋＰａという大気圧近傍の圧力とする。このような微負圧〜微正圧とすることにより、炭化品からのタール分の揮発が抑制されず、後記する実施例のデータに示すように、タール分の除去が効率的に行われる。

このように外気の吸引を防ぎ、筒状加熱装置２の内部を−０．５ｋＰａ〜+０．５ｋＰａに維持するには、搬送用スクリュー９の軸９ａと筒状加熱装置２の筒状本体８とをシールするシール機構１５を設けることが好ましい。図２に示されるように、シール機構１５は主に、搬送用スクリューの軸９ａをシールするリング状のパッキン１５ａと、このパッキン１５ａを保持する本体部材１５ｂと、気体供給管１５ｄとから構成されている。

パッキン１５ａは、搬送用スクリュー９の軸９ａの軸方向にある一定の間隔をおいて、軸９ａの外表面に密着して、２個取り付けられている。本体部材１５ｂは、筒状本体８に隣接して配置され、２個のパッキン１５ａの、搬送用スクリュー９の軸９ａの軸方向の動きを規制し、パッキン１５ａの外周を包囲して、パッキン１５ａを保持している。２個のパッキン１５ａの間には、搬送用スクリュー９の軸９ａの全周にわたって空隙１５ｃが形成されている。この空隙１５ｃに気体を供給する気体供給管１５ｄが接続されている。

気体供給管１５ｄには水蒸気が供給され、軸９ａの空隙１５ｃに露出している部分の全周を、水蒸気でパージし、筒状加熱装置２内に外気が侵入することを確実に防止している。従って、筒状本体８の内圧が微負圧であっても筒状本体８内部には、空気が混入して、高温の乾留ガスと接触して爆発する危険性がない。なお、筒状本体８の内部圧力を微正圧にした場合にも、上記のようなシール機構１５を設けることが好ましい。

このように本発明によれば、有機性廃棄物を原料としてク溶性リン酸の含有率が高くしかもタール分の少ない炭化品を工業的に製造することができる。以下に実施例を示す。

下水処理場のベルトプレス脱水機から排出される下水脱水汚泥（含水率７４％）を５００〜５５０℃で予備乾燥させた乾燥汚泥（含水率１０％）の汚泥サンプルを製造した。これを実施形態において説明した炭化装置に供給し、炭化温度を５００℃、５５０℃、６００℃に変えて処理した。なおこの温度は炭化装置１と筒状加熱装置２とも同一とし、内圧はともに０ｋＰａ（大気圧）とした。使用した筒状加熱装置２の内径は５００ｍｍ、長さ４ｍであり、キャリアガスとして水蒸気及び窒素ガスを炭化品とは逆方向に流した。炭化装置１内の滞留時間は６０分、筒状加熱装置２内の滞留時間は２０分である。

得られた炭化品につき、ク溶性リン酸の含有率とタール分を測定した。なおタール分の測定は、日本肥糧株式会社が作成し公表している「下水汚泥炭化物中のタール分簡易測定法」に基づき、炭化品をエタノールと接触させてタール分を抽出し、分光光度計で２００〜８００nmの吸光度を測定する方法で行った。評価は０から５までの数値で示されるが、植物肥料としては０．５以下であることが要求されるものである。その結果を表１に示す。なお表１には比較のため、筒状加熱装置を使用しない場合のデータも示した。

このデータに示されるように、本発明によればク溶性リン酸の濃度が高くタール分を含有しない炭化品を得ることができた。しかし、炭化装置のみを用いた従来法では植物肥料として要求されるタール分０．５以下の基準を満足できなかった。また、水蒸気の場合は、窒素ガスの場合に比べて、タール除去時間は１／３程度の短時間で処理が可能であることが確認できた。

図３に、炭化温度とク溶性リン酸濃度の関係のグラフを示す。図３のグラフから明らかなように、炭化処理温度が５００℃〜７００℃にて、ク溶性リン酸濃度が最も濃縮された炭化品を得ることができる。

次に、炭化炉及び筒状加熱装置の温度条件及び炉内圧を変化させた場合の、タール分簡易測定の結果を示す。

表１のＲＵＮ１、ＲＵＮ２の結果より、筒状加熱装置の加熱温度が１５０℃、２００℃の場合には、炭化品に含まれるタール分の除去が不十分であり、筒状加熱装置の加熱温度が２８０℃の場合は、炭化品に含まれるタール分の除去が十分となる。このため、筒状加熱装置の加熱温度を２５０℃以上にする。

表１のＲＵＮ５とＲＵＮ６の結果より、炭化装置及び筒状加熱装置の内部が本発明範囲を超える正圧の場合には、エタノールにて抽出されるタール分が多く、炭化品に含まれるタール分の残量が多い。これは、炭化装置内に投入された有機性廃棄物は、水分が蒸発した後、乾留ガスが発生するが、炭化装置や筒状加熱装置内の圧力が高い場合には、有機性廃棄物が炭化して炭化品となった表面に、乾留ガス中のタール分が付着・凝固してしまうからである。従って、炭化装置や筒状加熱装置の内圧を、ＲＵＮ３，ＲＵＮ４に示すように本発明範囲内とすることにより、タール分が十分に除去された炭化品を得ることができる。

本発明の実施形態を示す装置構成図である。 シール機構の詳細図である。 炭化温度とク溶性リン酸濃度の関係を示すグラフを示す。

符号の説明

１ 炭化装置
２ 筒状加熱装置
３ 垂直管
４ ジャケット
５ 投入ホッパ
６ 排ガス処理装置
７ 煙突
８ 筒状本体
９ 搬送用スクリュー
９ａ 軸
１０ モータ
１１ 加熱手段
１２ 出口側の接続口
１５ シール機構
１５ａ パッキン
１５ｂ 本体部材
１５ｃ 空隙
１５ｄ 気体供給管

Claims (6)

1. 有機性廃棄物を炭化装置により７００℃以下の温度で炭化処理したうえ、炭化装置の後段に接続された内圧が−０．５ｋＰａ〜＋０．５ｋＰａの筒状加熱装置に導入し、２５０〜７００℃に加熱しながら水蒸気を炭化品の進行方向とは逆方向に流し、タール分を除去することを特徴とする炭化品の製造方法。
2. 有機性廃棄物が下水汚泥を主としたもの、又は、下水汚泥に生ゴミや剪定枝などのバイオマス原料を混合したものであることを特徴とする請求項１に記載の炭化品の製造方法。
3. 有機性廃棄物を７００℃以下の温度で炭化処理する炭化装置の後段に、内圧が−０．５ｋＰａ〜＋０．５ｋＰａに維持され、その内部で炭化品を２５０〜７００℃に加熱するスクリュー搬送式の筒状加熱装置を接続するとともに、この筒状加熱装置の出口側に、水蒸気を炭化品の進行方向とは逆方向に供給する接続口を設けたことを特徴とする炭化品の製造装置。
4. 炭化装置がロータリーキルンであることを特徴とする請求項３に記載の炭化品の製造装置。
5. 筒状加熱装置の熱源は、炭化装置の加熱排気、または炭化装置から得られる可燃性ガスを燃焼した廃熱を利用するものであることを特徴とする請求項３に記載の炭化品の製造装置。
6. 搬送用スクリューの軸をシールして、筒状加熱装置内に外気の侵入を防止するシール機構を設けたことを特徴とする請求項３に記載の炭化品の製造装置。

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