(57)【要約】【課題】下水汚泥や家畜糞尿による有機性廃棄物を一般の石炭用燃焼炉にて燃焼処理することのできる炭化燃料の製造方法を提供する。【解決手段】家畜糞尿や下水汚泥を温度範囲が３００〜５５０℃、酸素分圧範囲が０．０１〜０．１気圧の条件にて加熱処理を行い、得られる炭化物を石炭と混合、粉砕して混合燃料を製造する。この際の炭化物の混合比は重量比で１０％以下とする。製造される炭化物の発熱量は家畜糞尿から出発する場合で３５００〜５５００ｋｃａｌ／ｋｇ、下水汚泥から出発する場合で４０００〜６０００ｋｃａｌ／ｋｇであり、また一般的な石炭燃焼炉におけるこの混合燃料の発熱量は石炭のみの場合に比べ遜色のないものである。さらに燃焼により排出される燃焼灰も重金属類の濃度は十分に環境基準を満たす低さであり、最終処分場などへの安全な廃棄を行うことが可能である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
家畜糞尿および／または下水汚泥からなる有機性廃棄物を炭化処理し、生成された炭化物を石炭と混合し粉砕してなる混合燃料の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の前記有機性廃棄物の炭化処理方法において、前記炭化処理の実施温度を３００ないし５５０℃の範囲に保持することを特徴とする有機性廃棄物の炭化物と石炭との混合燃料の製造方法。
【請求項３】
請求項１および２に記載の前記有機性廃棄物の炭化処理方法において、前記炭化処理の際の酸素分圧を０．０１ないし０．１気圧の範囲に保持することを特徴とする有機性廃棄物の炭化物と石炭との混合燃料の製造方法。
【請求項４】
請求項１、２および３に記載の前記混合燃料の製造方法において、前記炭化物を１０重量％以下の割合で石炭と混合すると共に粉砕して用いることを特徴とする有機性廃棄物の炭化物と石炭との混合燃料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は家畜糞尿や下水汚泥からなる有機性廃棄物を原料として加熱処理により炭化物を生成し、石炭と混合、粉砕してなる混合燃料に関する。
【背景技術】
【０００２】
家畜糞尿や下水汚泥に代表される有機性廃棄物を熱源として利用し、熱エネルギーを回収すると共に減容化する手段として、有機性廃棄物を加熱処理することによって炭化物を生成し、それを固体燃料その他として用いる方法が従来から提案されている。以下で従来の有機性廃棄物の加熱処理方法について説明する。
【０００３】
特開２０００−２７３４６０号公報および特開２００２−３３６８９９号公報は加熱による有機性廃棄物の炭化処理方法を示したもので、特開２０００−２７３４６０号公報は約３００℃、特開２００２−３３６８９９号公報では３００〜３５０℃および低酸素分圧の条件下にて有機性廃棄物を炭化処理することにより、炭素分の残留量の多い炭化物を生成する方法である。なお加熱処理温度の下限を３００℃としているのは、それ以下の温度では加熱処理の最中にダイオキシンが発生してしまうことと、生成物中に未分解の有機物が多く残留するために得られた炭化物にてその後発酵が起こり、それに伴い臭気が発生する問題があるためである。
【０００４】
これらの方法にて家畜糞尿や下水汚泥に代表される有機性廃棄物を処理する場合には、生成される炭化物の発熱量が石炭などの化石燃料に比べて低く、また残存する重金属類の含有量が多くなる。特開２０００−２７３４６０号公報では使用する有機性廃棄物として発熱量の高い紙類や厨芥を主に用いることで、また特開２００２−３３６８９９号公報では生成された炭化物を固体燃料として使用せずに主に土壌改良材、融雪材等として用いることでこの問題を回避していた。
【０００５】
一方特開２００３−２４６９９５号公報はこれらの問題点を解決するべく提案された方法である。有機性廃棄物を炭化処理するに際し、処理温度範囲を３００〜８００℃、酸素濃度を５％以下に抑えることで燃焼による灰化を抑えて炭素分の残留量を増加させると共に、生成物を静電分離手段や比重差分離手段を用いて炭素分と灰分とに分離することで残留する炭化物の割合を増加させる。含有される重金属類は灰分と共に炭化物から分離除去されるので、この方法により生成される炭化物の発熱量を高めると同時に重金属類の含有量を低下させることができる。
【特許文献１】特開２０００−２７３４６０号公報
【特許文献２】特開２００２−３３６８９９号公報
【特許文献３】特開２００３−２４６９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特開２００３−２４６９９５にて提案されている有機性廃棄物の炭化処理方法では生成される炭化物は固体燃料として用いるには好適であるが、処理温度範囲が３００〜８００℃と広く、特に高温での処理の場合は燃焼が進行するために得られる炭化物の量が少なくなってしまう。また静電分離手段や比重差分離手段を含むために炭化処理の工程が複雑となり、設備の設置に必要な初期投資が過大なものとなる上に分離された灰分の処理が困難であるという問題がある。この分離された灰分は重金属類を多量に含むため一般の最終処分場などに直接廃棄することはできないため、ここから更に重金属類を分離除去するなどの工程が新たに必要となる。
【０００７】
以上を踏まえ、家畜糞尿や下水汚泥を主とする有機性廃棄物を加熱し加熱処理を行うことで炭化物を得て、これを固体燃料として用いる方法における課題は以下の３点である。第１の課題は、得られる炭化物を燃焼した場合の発熱量が石炭に代表される他の固体燃料に比較して相対的に低いために、石炭用燃焼炉などの一般的な燃焼炉にて従来の固体燃料の代替としてそのまま使用すると燃焼効率の低下を招く点である。既存の固体燃料である石炭の発熱量は一般に５０００〜７０００ｋｃａｌ／ｋｇであり、従来の石炭用燃焼炉等ではそのような高カロリーの固体燃料が使用される場合に燃焼効率が最適化するよう設計されており、加熱処理にて得られた炭化物を固体燃料として用いる場合には石炭用燃焼炉などの従来の一般的な燃焼炉をそのまま用いると燃焼効率が悪化するため、燃焼炉の新設や改造等が必要である。このような設備投資を防ぐには、有機性廃棄物由来の炭化物を燃焼させる際にも固体燃料の発熱量をその値に近づける必要がある。
【０００８】
第２の課題は、家畜糞尿や下水汚泥には重金属類が含まれているため、燃焼炉での使用後に排出される燃焼灰にはこの重金属類が濃縮して残存するという問題の解決である。残存する重金属類の含有率が規定の環境基準値を越えるとこの燃焼灰を最終処分場等に直接廃棄することができなくなるので、重金属類を分離除去するために新たな工程が必要となる。重金属類の除去の工程には一般に多額のコストが必要であるため、この問題は有機性廃棄物の処分作業全体のコスト増加を招く原因となるからである。
【０００９】
第３の課題は、有機性廃棄物の加熱処理による炭化物の生成工程全体での工程の単純化である。特に灰分の分離工程である静電分離手段や比重差分離手段には多大な設備投資が必要であり、このような工程を設けないことにより有機性廃棄物の加熱処理工程のコスト増加を抑える必要がある。
【００１０】
本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、有機性廃棄物を加熱処理することにより得られる炭化物の生成方法ならびに燃焼条件について、上記３点の課題の解決を図る有機性廃棄物の処理方法および燃焼方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
家畜糞尿や下水汚泥からなる有機性廃棄物から発熱量の高い炭化物を生成するために、前記廃棄物を加熱する炭化処理装置の内部雰囲気を、処理温度を３００〜５５０℃、酸素分圧を０．０１〜０．１気圧の範囲に保つようにする。この温度および酸素分圧の条件下で生成される炭化物は、下記の実施例に示される通り家畜糞尿を原料とする場合で３５００〜５５００ｋｃａｌ／ｋｇ、下水汚泥を原料とする場合で４０００〜６０００ｋｃａｌ／ｋｇの発熱量を有している。もし温度もしくは酸素分圧が前記条件より低い場合には加熱処理中にダイオキシンが発生する上に、炭化が十分に進まないために生成物内に水分や未分解の有機物が多く残留するため、生成の後に発酵が起こってそれに伴い臭気が発生する問題が生じる。また逆に温度もしくは酸素分圧が前記条件より高い場合には加熱の際に原料の燃焼が必要以上に進行してしまうために炭素の含有量が減少し、灰分や重金属類の含有量が相対的に増えることになって生成物の発熱量が上記の値より小さくなってしまう。
【００１２】
この方法によって得られる炭化物の発熱量は一般の石炭の値である５０００〜７０００ｋｃａｌ／ｋｇよりも若干低いために、石炭のみを燃焼させる場合に一般に最適条件となるよう調整されている一般の石炭用燃焼炉では効率的な燃焼をさせることが困難である。またこれら炭化物には原料である家畜糞尿や下水汚泥に由来する重金属類が含まれており、これらは炭化や燃焼の際にほとんど除去されないため最終的に燃焼後の燃焼灰内に濃縮されて残留することになる。燃焼灰に含まれる重金属類の濃度が規定の環境基準値を上回る場合には、燃焼灰を最終処分場などに直接廃棄することはできず、新たに重金属類を除去するための工程が必要となってしまう。これらの問題を解決するために、前記炭化物を単独で燃焼させることをやめ、石炭と混合した上で粉砕して混合燃料として用いることとし、その混合割合を重量比で炭化物が全体の１０％を超えない値とする。この場合は前記混合燃料の石炭に対する発熱量の低下はわずかであり、通常の石炭用燃焼炉にても好適な燃焼が可能な範囲内に収まるため、燃焼炉での燃焼効率が低下することがない。また排出される燃焼灰も重金属類の含有量が少ない石炭起源の燃焼灰との混合したものであるため重金属類の濃度は上昇することがなく、直接廃棄しても環境への影響を与えない範囲となるよう抑えることができる。
【００１３】
以上を踏まえて本発明における課題解決手段は、家畜糞尿や下水汚泥を主とする有機性廃棄物の処理工程を加熱処理による炭化物の生成工程とその後の燃焼工程とに分け、両工程における処理条件をそれぞれ以下の通り定めたものである。
【００１４】
本発明における第１の課題解決手段は、家畜糞尿および／または下水汚泥からなる有機性廃棄物を炭化処理し、生成された炭化物を石炭と混合し粉砕してなる混合燃料の製造方法である。
【００１５】
また第２の課題解決手段は、前記有機性廃棄物の炭化処理方法において、前記炭化処理の実施温度を３００ないし５５０℃の範囲に保持することを特徴とする前記混合燃料の製造方法である。
【００１６】
さらに第３の課題解決手段は、前記有機性廃棄物の炭化処理方法において、前記炭化処理の際の酸素分圧を０．０１ないし０．１気圧の範囲に保持することを特徴とする前記混合燃料の製造方法である。
【００１７】
さらに第４の課題解決手段は、前記混合燃料の製造方法において、前記炭化物を１０重量％以下の割合で石炭と混合すると共に粉砕して用いることを特徴とする前記混合燃料の製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
上述したように本発明にて提案する炭化物の生成および燃焼方法によると、家畜糞尿や下水汚泥を主とする有機性廃棄物を原料として加熱処理により生成する炭化物の発熱量を向上させることができる。さらに石炭に対し１０％以下の割合で混合粉砕してなる混合燃料として用いることで、一般の石炭用燃焼炉においても既存の石炭燃料に比べて遜色のない発熱量を得ることができる。また排出される燃焼灰も重金属類の含有量が低いものとなるため環境基準値を越える危険もなく、最終処分場などへの安全な廃棄を行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図１〜図３に基づいて説明する。
【００２０】
図１は発明の実施例における炭化物の生成および燃焼に関する処理工程の説明図である。炭化処理装置１３は有機性廃棄物に対して炭化処理を行うための炭化炉であり、炉内に投入された家畜糞尿１１や下水汚泥１２などの有機性廃棄物は最適条件下において炭化処理が行われている。生成物である炭化物１４はその後ヤード保管１５がなされるが、炭化処理が十分に行われているために保管中に発酵が起こり、それに伴い臭気が発生することはない。その後炭化物１４は同じくヤード保管１６されている石炭と共に粉体乾燥粉砕機１７に投入され、そこで混合、粉砕、乾燥がなされる。この時の炭化物１４の混合割合は燃料全体に対して重量比で１０％を越えないようにする。混合割合が１０％を越えると、生成される炭化物１４の後述の石炭燃焼炉１８での燃焼効率が急激に低下するためである。そして粉状となった混合燃料はボイラを設置した石炭燃焼炉１８に投入されて燃焼し、例えば蒸気タービン等からなる発電システム１９を稼働させる。この際に発生する煤煙や燃焼灰は電気集塵機・排出器２０に集められ、煤煙中の粒子状物質や二酸化イオウなどの排出規制の設けられた物質が回収されると共に燃焼灰が排出される。なお石炭燃焼炉１８は従来から用いられている一般的な発電用ボイラであり、特に有機性廃棄物の処理を行うための最適化処置を施されているものではない。
【００２１】
前記の炭化処理装置１３における炭化処理の最適条件に関し、実験に基づいて最適条件を求めた結果が図２である。図２（ａ）に示されるように、家畜糞尿の炭化処理を行う場合、酸素分圧が０．０１〜０．１気圧の条件下では好適条件は処理温度が３００〜５５０℃の場合である。処理温度が５５０℃を越える場合には炭化物の発熱量は小さくなってしまうが、これは炭化処理の際に家畜糞尿に含まれる炭化物の燃焼が進むためと考えられる。また処理温度が３００℃を下回る場合には生成される炭化物の発熱量は大きいものの、炭化が不十分であるために生成物中に未分解の有機物が多く残留するためにヤード保管の間に発酵が進んで臭気を発生するほか炭化処理の最中にダイオキシンを発生させる問題のあることが確認されている。
【００２２】
またこの時に生成される炭化物の発熱量は図２（ａ）に示されるように３５００〜５５００ｋｃａｌ／ｋｇであった。さらに炭化処理装置内の酸素分圧を変化させた場合には、酸素分圧が０．０１気圧未満では家畜糞尿の炭化が進行せず、また０．１気圧を超える場合は炭化物の燃焼が過度に進行するために得られる炭化物の発熱量が低下することが確認されている。一方下水汚泥の炭化処理についても同様に実験を行い、図２（ｂ）に示される結果を得た。炭化処理の好適条件は家畜糞尿の場合と同じであり、処理温度が３００〜５５０℃の間、酸素分圧が０．０１〜０．１気圧の間である。またこの場合の発熱量は４０００〜６０００ｋｃａｌ／ｋｇであった。
【００２３】
以上の処理温度および酸素分圧の条件の下で得られた炭化物を石炭と十分に混合、粉砕、乾燥させて混合燃料とし、発電用ボイラとして用いられる汎用の石炭燃焼炉にて燃焼実験を行った。なおこの際に炭化物と石炭との混合、粉砕、乾燥が不十分である場合、混合燃料の燃焼効率の低下が発生する。炭化物と石炭との混合比を変化させた場合の発熱量および燃焼効率の変化について図３に示す。図３（ａ）は汎用の石炭燃焼炉における炭化物を石炭との混合比と発熱量の関係を示すグラフであるが、炭化物の混合比が重量比で１０％以下であれば混合燃料の実際の発熱量はほとんど低下しないが、１０％を越えると混合燃料の実際の発熱量が急激に落ち込むことが分かる。また、炭化物の混合比は２〜３％の場合は発熱量が特に高く、より好ましい。
【００２４】
この傾向は図３（ｂ）に示す混合燃料の炭化物の混合比と燃焼効率の関係を示すグラフではより明瞭である。石炭燃焼炉における燃焼効率は、炭化物の混合比が重量比で１０％を越えると急激に下降し、その後は混合比が増大すると緩やかに下降していく。このことは汎用の石炭燃焼炉の燃焼効率が燃料の発熱量に依存しており、さらに石炭のみの燃焼の場合に最適化されているために混合燃料の発熱量が低下すると燃焼効率自体が下がり、得られる熱量を効率的にエネルギーとして取り出すことができなくなるためと考えられる。以上から、有機廃棄物を炭化処理することで生成した炭化物を石炭と混合して燃焼させる場合、燃焼効率にほとんど影響を与えることのない混合比は重量比で１０％以下とした場合であり、理想的には炭化物の混合比が２〜３％の場合である。これらの場合は炭化物を問題なく燃焼処理することが可能である。
【００２５】
なお炭化物の混合比を重量比で１０％以下とした場合には生成される燃焼灰に含まれる重金属類の濃度は十分に環境基準を満たす低さであり、石炭燃焼炉から排出される燃焼灰を最終処分場などにそのまま廃棄可能であることは、燃焼灰の分析の結果確認済みである。またこの場合の混合燃料の発熱量は石炭のみの場合に比べてもわずかに低いのみであり、燃焼を行う石炭燃焼炉を発電用ボイラとして稼働した場合でもその発電量は石炭のみの燃焼の場合に比べて遜色のないものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例における炭化物の生成および燃焼に関する処理工程の説明図。
【図２】本発明の実施例における家畜糞尿および下水汚泥の炭化処理に関する説明図。（ａ）：家畜糞尿の炭化処理に関する好適な温度と酸素分圧の条件を示すグラフ。（ｂ）：下水汚泥の炭化条件に関する好適な温度と酸素分圧の条件を示すグラフ。
【図３】本発明の実施例における炭化物の発熱量および燃焼効率に関する説明図。（ａ）：石炭燃焼炉にて炭化物を石炭と混合して燃焼させる場合の混合比と発熱量の関係を示すグラフ。（ｂ）：石炭燃焼炉にて炭化物を石炭と混合して燃焼させる場合の混合比と燃焼効率の関係を示すグラフ。石炭のみの燃焼の場合を効率１００％とする。
【符号の説明】
【００２７】
１１：家畜糞尿
１２：下水汚泥
１３：炭化処理装置
１４：炭化物
１５：ヤード保管（炭化物）
１６：ヤード保管（石炭）
１７：粉体乾燥粉砕機
１８：石炭燃焼炉（ボイラー）
１９：発電システム
２０：電気集塵機・排出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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