本発明は、乾燥させた被処理物を炭化させる炭化炉と、炭化炉から排気される分解ガスに含まれる物質を燃焼させて無害化する再燃炉と、再燃炉から排気される燃焼排ガスが給気される熱交換器を備えた燃料化設備の運転方法と燃料化設備に関する。

乾燥機で乾燥させられた被処理物を炭化させる炭化炉から排気される分解ガスを再燃炉で燃焼させて無害化し、それを再燃炉から排気される燃焼排ガスとしてボイラに給気して燃焼排ガスの熱エネルギを利用して蒸気を生成して、生成された蒸気を乾燥機に給気する技術が知られている。(特許文献1)

炭化炉で下水汚泥等の被処理物を低酸素状態下で燃焼して得られた炭化物に、炭化物の自己発熱性を抑制するために所定量の水分を噴霧して加湿して貯留ホッパーに貯留する技術が知られている。(特許文献2)

特開2012−239979号公報

特開2016−124897号公報

しかし、炭化炉から排気される分解ガス中には、硫黄、アンモニア等を含むタール分が含まれており、これを再燃炉で燃焼させると硫黄、アンモニアが結合して硫酸アンモニウム化合物が生成され、これが混在する燃焼排ガスが後段のボイラ等の熱交換器に給気されて冷却されると粘性の高い析出物として熱交換器の伝熱面に付着して、熱交換器の伝熱特性を低下させる恐れがある。そのため、伝熱面に付着した硫酸アンモニウム化合物を定期的に清掃する必要があった。

そこで、本発明の主な課題は、熱交換器の伝熱面に付着する硫酸アンモニウム化合物の生成を抑制できる燃料化設備の運転方法と燃料化設備を提供することにあり、本発明の次なる課題は、ボイラ等の熱交換器の伝熱面に付着した硫酸アンモニウム化合物を剥離させることができる燃料化設備の運転方法と燃料化設備を提供することにある。

上記課題を解決した本発明及び作用効果は次のとおりである。 第1発明は、下水汚泥から炭化物を生成する燃料化設備の運転方法において、 前記燃料化設備は、下水汚泥を炭化させる炭化炉と、前記炭化炉から排気される分解ガス中の有害物質を燃焼させて無害化する再燃炉と、前記再燃炉から排気される燃焼排ガス中の熱エネルギを他の被加熱媒体に伝熱する熱交換器を備え、前記再燃炉に、所定量の消石灰を供給することを特徴とする。

(作用効果) 第1発明によれば、燃料化設備は、下水汚泥を炭化させる炭化炉と、炭化炉から排気される分解ガス中の有害物質を燃焼させて無害化する再燃炉と、再燃炉から排気される燃焼排ガス中の熱エネルギを他の被加熱媒体に伝熱する熱交換器を備え、再燃炉に、所定量の消石灰を供給するので、再燃炉での燃焼によって消石灰から分解生成された生石灰により、再燃炉に給気された分解ガス中のアンモニアと反応する三酸化硫黄の絶対量を削減することができ、熱交換器の伝熱面に付着する硫酸アンモニウム化合物の生成量を削減することができる。また、生成された硫酸アンモニウム化合物は、再燃炉での燃焼によって消石灰から分解生成された生石灰と反応して硫酸カルシウムとなり、硫酸カルシウムは、分解温度が高く高温においても安定して存在することができ、付着生が無いため熱交換器において回収される。これにより、熱交換器の伝熱面に付着する硫酸アンモニウム化合物の生成を削減し、付着した硫酸アンモニウム化合物を容易に除去することができ、熱交換器の伝熱面を安定的に維持し、燃料化設備の長期間の安定運転が可能となる。

第2発明は、第1発明の構成において、前記消石灰を、前記分解ガス中の三酸化硫黄の1当量に対して2〜8当量にしたことを特徴とする。

(作用効果) 第2発明によれば、第1発明による効果に加えて、消石灰を、分解ガス中の三酸化硫黄の1当量に対して2〜8当量にしたので、三酸化硫黄と反応しなかった反応性が高い生石灰が再燃炉から排気される燃焼排ガス中に混在して熱交換器に給気され、熱交換器の伝熱面に付着した硫酸アンモニウム化合物と接触して硫酸アンモニウム化合物を分解して硫酸カルシウムとすることで剥離しやすくなり、容易に除去することができる。

第3発明は、第1発明の構成において、前記消石灰を、前記分解ガス中の三酸化硫黄の1当量に対して2〜15当量にしたことを特徴とする。

(作用効果) 第3発明によれば、第1発明による効果に加えて、消石灰を、分解ガス中の三酸化硫黄の1当量に対して2〜15当量にしたので、三酸化硫黄と反応しなかった反応性が高い生石灰が再燃炉から排気される燃焼排ガス中に混在して熱交換器に給気され、熱交換器の伝熱面に付着した硫酸アンモニウム化合物と接触して硫酸アンモニウム化合物を分解して硫酸カルシウムとすることでより剥離しやすくなり、より容易に除去することができる。

第4発明は、第1〜3のいずれか1項の発明の構成において、前記消石灰を、前記再燃炉に給気される燃焼空気の流路に供給することを特徴とする。

(作用効果) 第4発明によれば、第1〜3のいずれか1項の発明による効果に加えて、消石灰を、再燃炉に給気される燃焼空気の流路に供給するので、消石灰を供給する流路を別途設ける必要がなくなり部品点数を削減することができる。

第5発明は、第1〜4のいずれか1項の発明の構成において、前記熱交換器に、前記熱交換器の伝熱面に空気を吹付けるスートブロワを設け、前記スートブロワを所定時間毎に駆動することを特徴とする。

(作用効果) 第5発明によれば、第1〜4のいずれか1項の発明による効果に加えて、熱交換器に、熱交換器の伝熱面に空気を吹付けるスートブロワを設け、スートブロワを所定時間毎に駆動するので、再燃炉に消石灰を供給して硫酸アンモニウム化合物の生成を抑制する化学的処理に加えて、スートブロワから熱交換器の伝熱面に付着した硫酸アンモニウム化合物や硫酸アンモニウム化合物から生成された硫酸カルシウムに向けて空気を吹付けて除去する物理的処理を併用して、熱交換器の伝熱面を好適な状態に維持することができる。

第6発明は、第1〜5のいずれか1項の発明の構成において、前記スートブロワを、前記熱交換器の前記燃焼排ガスの給気側部と排気側部の温度差が所定温度差以下になった場合に駆動することを特徴とする。

(作用効果) 第6発明によれば、第1〜5のいずれか1項の発明による効果に加えて、スートブロワを、熱交換器の燃焼排ガスの給気側部と排気側部の温度差が所定温度差以下になった場合に駆動するので、熱交換器の伝熱面への付着物による伝熱効率の低下を燃焼排ガスの給気側部と排気側部の温度差により検出してスートブロワが駆動されることとなり、熱交換器の伝熱面に過度の付着物が付着するのを防止することができ、熱交換器の伝熱面への付着物による伝熱効率の低下を防止することができる。

第7発明は、第1〜6のいずれか1項の発明の構成において、前記スートブロワを、前記熱交換器の前記燃焼排ガスの給気側部と排気側部の圧力差が所定圧力差以上になった場合に駆動することを特徴とする。

(作用効果) 第7発明によれば、第1〜6のいずれか1項の発明による効果に加えて、スートブロワを、熱交換器の燃焼排ガスの給気側部と排気側部の圧力差が所定圧力差以上になった場合に駆動するので、熱交換器の伝熱面への付着物による燃焼排ガス流路の閉塞状態を熱交換器の燃焼排ガスの給気側部と排気側部の圧力差により検出してスートブロワが駆動されることとなり、熱交換器の伝熱面に過度の付着物が付着するのをより防止することができ、熱交換器の伝熱面への付着物による燃焼排ガス流路の閉塞を未然に防止することができる。

第8発明は、下水汚泥から炭化物を生成する燃料化設備において、 前記燃料化設備は、下水汚泥を炭化させる炭化炉と、前記炭化炉から排気される分解ガス中の有害物質を燃焼させて無害化する再燃炉と、前記再燃炉から排気される燃焼排ガス中の熱エネルギを他の被加熱媒体に伝熱する熱交換器を備え、前記再燃炉に、所定量の消石灰を供給する供給手段を設けたことを特徴とする。

(作用効果) 第8発明によれば、燃料化設備は、下水汚泥を炭化させる炭化炉と、炭化炉から排気される分解ガス中の有害物質を燃焼させて無害化する再燃炉と、再燃炉から排気される燃焼排ガス中の熱エネルギを他の被加熱媒体に伝熱する熱交換器を備え、再燃炉に、所定量の消石灰を供給する供給手段を設けたので、再燃炉での燃焼によって消石灰から分解生成された生石灰により、再燃炉に給気された分解ガス中のアンモニアと反応する三酸化硫黄の絶対量を削減することができ、熱交換器の伝熱面に付着する硫酸アンモニウム化合物の生成量を削減することができる。また、生成された硫酸アンモニウム化合物は、再燃炉での燃焼によって消石灰から分解生成された生石灰と反応して硫酸カルシウムとなり、硫酸カルシウムは、分解温度が高く高温においても安定して存在することができ、付着生が無いため熱交換器において回収される。これにより、熱交換器の伝熱面に付着する硫酸アンモニウム化合物の生成を削減し、付着した硫酸アンモニウム化合物を容易に除去することができ、熱交換器の伝熱面を安定的に維持することができる。

再燃炉に給気された分解ガス中のアンモニアと反応する三酸化硫黄の絶対量を低減して熱交換器の伝熱面に付着する硫酸アンモニウム化合物の生成量を削減することができる。

下水汚泥燃料化設備の説明図である。

コントローラの接続図である。

スートブロワの操作方法の説明図である。

図1に示すように、下水汚泥燃料化設備は、下水汚泥等の被処理物を貯留する貯留器10と、被処理物に含まれる水分を除去して乾燥被処理物にする乾燥機20と、乾燥被処理物を低酸素状態下で炭化させる炭化炉30と、炭化炉30から排気される分解ガスに含まれるタール等の物質を燃焼させて無害化する再燃炉40と、再燃炉40から排気される燃焼排ガスに含まれる熱エネルギを活用する排熱ボイラ等の熱交換器50と、熱交換器50から排気される燃焼排ガスに含まれるダスト等の塵埃を除去する排煙処理塔60を備えて構成されている。

貯留器10に貯留されている被処理物の水分率は約75〜80%である。被処理物は、流路11を通って乾燥機20の供給口に供給される。乾燥機20に供給された被処理物は、乾燥機20内において乾燥機20に給気される高温の蒸気によって間接的に加熱される。これにより、被処理物の水分が除去されて被処理物の水分率が約25%まで低減して乾燥被処理物にすることができる。

乾燥機20に給気される蒸気は、熱交換器50で生成された蒸気である。本実施形態では、熱交換器50は廃熱ボイラである。熱交換器50で生成された蒸気は、流路51を通って所定量の蒸気を貯留するスチームヘッダ55の給気口に給気される。スチームヘッダ55に給気された蒸気は、流路56を通って乾燥機20の蒸気供給口に供給される。

乾燥機20から排気される乾燥排気ガスは、流路21を通って乾燥排気ガスに含まれるダスト等の塵埃を除去するスクラバ25の給気口に給気される。スクラバ25から排気される乾燥排気ガスは、流路26を通って送風機27の給気口に給気される。送風機27から排気される乾燥排気ガスは、流路28を通って再燃炉40の給気口に給気され、後述する炭火炉30で生成される分解ガスとともに燃焼される。これにより、乾燥排気ガスに含まれる臭気分が再燃炉40で燃焼処理される。また、スクラバ25から排気される乾燥排気ガス中には、アンモニアが含まれている。

乾燥被処理物は、流路22を通って炭化炉30の供給口に供給される。炭化炉30に供給された乾燥被処理物は、炭化炉30内において炭化炉30に給気される炭化炉熱風によって低酸素状態下で250〜350℃に間接的に加熱される。これにより、乾燥被処理物が炭化されて燃焼材として活用できる炭化物にすることができる。なお、炭化物は、炭化炉30の排出口に連結されたコンベヤ31を介して外部に排出される。

炭化炉30に給気される炭化炉熱風は、熱風炉34内で加熱された燃焼ガスである。都市ガスやメタンガス等の補助燃料は、流路32を通って熱風炉34の供給口に供給され、燃焼空気は、流路33を通って熱風炉34の給気口に給気される。

熱風炉34に供給された補助燃料は、熱風炉34内において燃焼して熱風炉34に給気される炭化炉熱風を加熱する。これにより、炭化炉熱風を所定の温度まで昇温して、炭化炉30において乾燥被処理物を250〜350℃で間接的に加熱することができる。

熱風炉34から排気される炭化炉熱風は、流路35を通って炭化炉30の外筒の給気口に給気される。また、炭化炉30内で乾燥被処理物を加熱して温度が下がった炭化炉熱風は、流路36を通って送風機37の給気口に給気され、送風機37から排気される炭化炉熱風は、流路38を通って熱風炉34の給気口に給気される。

炭化炉30で乾燥被処理物を炭化することで生成される分解ガスは、流路39を通って再燃炉40の給気口に給気される。また、炭化炉30から排気される分解ガス中には、硫黄、アンモニア等を含むタール分が含まれている。

都市ガスやメタンガス等の補助燃料は、流路41を通って再燃炉40の供給口に供給され、燃焼空気は、流路42を通って再燃炉40の給気口に給気される。これにより、再燃炉40に供給された補助燃料は、炭化炉30から流路39を通って給気される分解ガスと、流路28を通って給気される乾燥排気ガスとともに再燃炉40内において燃焼して再燃炉40内の温度を900〜1000℃に昇温させることができる。

再燃炉40から排気される燃焼排ガスは、流路45を通って熱交換器50の燃焼排ガスの給気口に給気される。熱交換器50に給気された燃焼排ガスは、被加熱媒体である水を間接的に加熱して蒸気を生成する。

熱交換器50の伝熱面に付着する硫酸アンモニウムの生成を抑制する消石灰等の抑制剤は、供給手段47から粉末の状態で流路43を通って再燃炉40の供給口に供給される。

再燃炉40に供給された抑制剤である消石灰(Ca(OH)₂)は、再燃炉40の高温下で(化1)で示すように生石灰(CaO)と水(H₂O)に分解生成される。

(化1) Ca(OH)₂ → CaO+H₂O

生成された生石灰(CaO)は、(化2)で示すように再燃炉40に給気された分解ガス中の硫黄(S)が酸化して生成された三酸化硫黄(SO₃)と反応して硫酸カルシウム(CaSO₄)を生成する。

(化2) CaO+SO₃ → CaSO₄

これにより、(化3)で示す再燃炉40に給気された乾燥排気ガスと分解ガス中のアンモニア(NH₃)と反応する三酸化硫黄(SO₃)の絶対量を大幅に低減して熱交換器50の伝熱面に付着する硫酸アンモニウム((NH₄)₂SO₄)の生成量を大幅に削減することができる。

(化3) 2NH₃+SO₃+H₂O → (NH₄)₂SO₄

本実施形態では、抑制剤を再燃炉40の供給口に接続された流路43を通して供給しているが、抑制剤を燃焼空気に混在させて再燃炉40の給気口に接続された流路42を通して供給することもできる。これにより、抑制剤を供給する流路を別途設ける必要がなくなり部品点数を削減することができる。

本実施形態では、抑制剤として消石灰(Ca(OH)₂)を使用している。これにより、分解温度が1460℃と高く、900〜1000℃に昇温された再燃炉40内でも安定している硫酸カルシウム(CaSO₄)を生成して、三酸化硫黄(SO₃)を効率的に除去することができる。

なお、抑制剤として苛性ソーダ(NaOH)を使用した場合に生成される硫酸ナトリウム(Na₂SO₄)の分解温度は884℃であり、水酸化マグネシウム(Mg(OH)₂)を使用した場合に生成される硫酸マグネシウム(MgSO₄)の分解温度は1185℃であるので、900〜1000℃に昇温された再燃炉40内では不安定となり三酸化硫黄(SO₃)を効率的に除去することができない。

また、再燃炉40内で三酸化硫黄(SO₃)と反応しなかった未反応な生石灰(CaO)は、再燃炉40から排気される燃焼排ガス中に混在して、流路45を通って熱交換器50の燃焼排ガスの給気口に給気される。これにより、消石灰(Ca(OH)₂)よりも反応性が高い生石灰(CaO)は、熱交換器50の伝熱面に付着した硫酸アンモニウム((NH₄)₂SO₄)と接触して、(化4)で示すように硫酸アンモニウム((NH₄)₂SO₄)をアンモニア(NH₃)と、硫酸カルシウム(CaSO₄)と、水(H₂O)に分解する。これにより、伝熱面に付着した硫酸アンモニウム((NH₄)₂SO₄)は、剥離しやすい硫酸カルシウム(CaSO₄)として容易に除去することができる。

(化4) CaO+(NH₄)₂SO₄ → NH₃+CaSO₄+H₂O

再燃炉40に供給する消石灰(Ca(OH)₂)の当量を、再燃炉40において存在する三酸化硫黄(SO₃)1当量に対して2〜8当量に設定するのが好ましい。これにより、三酸化硫黄(SO₃)を効率的に除去し、熱交換器50の伝熱面に付着した硫酸アンモニウム((NH₄)₂SO₄)も効率的に除去することができる。

また、再燃炉40に供給する消石灰(Ca(OH)₂)の当量を、再燃炉40において存在する三酸化硫黄(SO₃)1当量に対して2〜15当量に設定するのがより好ましい。これにより、三酸化硫黄(SO₃)をより効率的に除去し、熱交換器50の伝熱面に付着した硫酸アンモニウム((NH₄)₂SO₄)もより効率的に除去することができる。

再燃炉40から排気される燃焼排ガス中には、再燃炉40内で三酸化硫黄(SO₃)と反応しなかった未反応な生石灰(CaO)、再燃炉40内で酸化して生成された二酸化硫黄(SO₂)、再燃炉40内で生石灰(CaO)と反応しなかった未反応な三酸化硫黄(SO₃)、硫酸カルシウム(CaSO₄)等が含まれている。

熱交換器50内の燃焼排ガス温度は250〜350℃となり、これにより、燃焼排ガスに含まれる熱エネルギを効率的に活用し、また、熱交換器50内で生石灰(CaO)と硫酸アンモニウム((NH₄)₂SO₄)を効率的に反応させることができる。なお、本実施形態では熱交換器50は廃熱ボイラとして説明したが、これに限られるものではなく、燃焼排ガスの熱エネルギを間接的に被加熱媒体に伝熱して昇温するものであればよく、シェルアンドチューブ式やプレート式等の熱交換器にも適用できる。

熱交換器50内には、伝熱面に付着した硫酸アンモニウム((NH₄)₂SO₄)等の付着物に外部から給気される圧縮空気や蒸気等を吹付けて付着物を除去するスートブロワ71が設けられている。なお、スートブロワ71の駆動方法については後述する。

熱交換器50から排気される燃焼排ガスは、流路52を通って排煙処理塔60の給気口に給気される。また、熱交換器50から排気される燃焼排ガス中には、二酸化硫黄(SO₂)等が含まれている。

排煙処理塔60に給気された燃焼排ガスは、排煙処理塔60内に設けられた複数の噴霧器61から噴霧される苛性ソーダ(NaOH)と衝突する。これにより、燃焼排ガスは、燃焼排ガス中の二酸化硫黄(SO₂)、アンモニア(NH₃)等が除去されて、無害で無臭な燃焼排ガスになる。

排煙処理塔60から排気される燃焼排ガスは、流路62を通って送風機63の給気口に給気される。送風機63から排気される燃焼排ガスは、流路64を通って大気中に排気される。

次に、熱交換器50の伝熱面に向けて外部から給気される圧縮空気や蒸気等を吹付けるスートブロワ71の駆動方法の一例として、スートブロワ71を駆動するコントローラ70について説明する。図2に示すように、コントローラ70の入力側には、熱交換器50の燃焼排ガスの給気側部と排気側部における圧力差を測定するマノメータ等の圧力センサ75と、熱交換器50で熱交換された燃焼排ガスの温度を測定する熱電対等の温度センサ76と、インターバル時間を計測するタイマ77が所定の入力インターフェース回路を介して接続されている。一方、コントローラ70の出力側には、スートブロワ71が所定の出力インターフェース回路を介して接続されている。

次に、スートブロワ71の駆動方法について説明する。図3に示すように、ステップS1において、コントローラ70にスートブロワ71を駆動する基準となる設定圧力との圧力差ΔPと、設定温度との温度差ΔTと、インターバル時間Hと、スートブロワ71の駆動時間Kをコントローラ70に入力して、ステップS2に進む。

ステップS2において、コントローラ70は、タイマ77で計測されたインターバル時間hを0秒に変更して、ステップS3に進む。

ステップS3において、コントローラ70は、圧力センサ75で測定された圧力差を判断する。設定圧力差から圧力センサ75で測定された圧力差を減算して求めた圧力差Δpが、ステップS1で入力された圧力差ΔP以下である場合には、ステップS4に進む。一方、設定圧力差から圧力センサ75で測定された圧力差を減算して求めた圧力差Δpが、ステップS1で入力された圧力差ΔPよりも大きい場合には、ステップS6に進む。また、ステップS1で入力する圧力差ΔPを0.5〜1.0kPaに設定するのが好ましい。これにより、熱交換器50の伝熱面に過度の付着物が付着するのを防止することができる。

ステップS4において、コントローラ70は、温度センサ76で測定された温度を判断する。設定温度から温度センサ76で測定された温度を減算して求めた温度差Δtが、ステップS1で入力された温度差ΔT以上である場合には、ステップS5に進む。一方、設定温度から温度センサ76で測定された温度を減算して求めた温度差Δtが、ステップS1で入力された温度差ΔTよりも小さい場合には、ステップS6に進む。また、ステップS1で入力する温度差ΔTを30〜50℃に設定するのが好ましい。これにより、熱交換器50の伝熱面に過度の付着物が付着するのを防止することができる。

ステップS5において、コントローラ70は、タイマ77で計測されたインターバル時間を判断する。タイマ77で計測されたインターバル時間hが、ステップS1で入力されたインターバル時間Hを超えた場合には、ステップS6に進む。一方、タイマ77で計測されたインターバル時間hが、ステップS1で入力されたインターバル時間H以内である場合には、ステップS3に戻る。また、ステップS1で入力するインターバル時間Hを4〜8時間に設定するのが好ましい。これにより、熱交換器50の伝熱面に過度の付着物が付着するのを防止することができる。

ステップS6において、コントローラ70は、スートブロワ71を、ステップS1で入力された駆動時間Kに亘って駆動する。これにより、再燃炉40に消石灰(Ca(OH)₂)を供給して硫酸アンモニウム((NH₄)₂SO₄)の生成を抑制する化学的処理に加えて、スートブロワ71から熱交換器50の伝熱面に付着した硫酸アンモニウム((NH₄)₂SO₄)に向けて圧縮空気や蒸気等を吹付けて除去する物理的処理を併用して、熱交換器50の伝熱面を好適な状態に維持することができる。また、ステップS1で入力する駆動時間Kを6〜10分に設定するのが好ましい。これにより、熱交換器50の伝熱面に付着した付着物に圧縮空気や蒸気等を吹付けて、付着物を効率良く剥離することができる。

本発明は、乾燥させた下水汚泥を炭化させる炭化炉と、炭化炉から排気される分解ガスに含まれるタール等の物質を燃焼させて無害化する再燃炉と、再燃炉から排気される燃焼排ガスが給気される熱交換器を備えた燃料化設備の運転用法に適用することができる。

30 炭化炉 40 再燃炉 42 流路 47 供給手段 50 熱交換器 71 スートブロワ