(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器中で、含水可燃性固体(但し、石炭を除く)を加熱温度における飽和水蒸気圧力以上の圧力下で100〜300℃の温度に加熱し、かつ含水可燃性固体に0.01〜20MPaの剪断力を与えることにより含水可燃性固体から脱水する方法。
【請求項２】
剪断力が密閉容器内に備えられた攪拌羽根により与えられるところの請求項1記載の方法。
【請求項３】
加熱温度が110〜250℃であるところの請求項1又は2記載の方法。
【請求項４】
加熱時の圧力が、加熱温度における飽和水蒸気圧力+0.5MPa以下(但し、最大で9.1MPa である)であるところの請求項1〜3のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
剪断力が0. 1〜10MPaであるところの請求項1〜4のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
加熱が3分間〜5時間行われるところの請求項1〜5のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
含水可燃性固体が、汚泥、木材屑、製紙スラッジ、オカラ、バガス、並びに家畜の糞、内臓、脳及び油脂から選ばれるところの請求項1〜6のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
含水可燃性固体が、含水可燃性固体基準で水を25〜85重量%含むところの請求項1〜7のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
請求項1〜8のいずれか一つに記載の方法により、含水可燃性固体から除去された水と水が除去された可燃性固体とを含む混合物を密閉容器中に得て、次いで、該密閉容器中に存在する混合物から水を除去し又は該混合物に水を添加して、該混合物中の水を該混合物基準で30〜75重量%とするところの可燃性固体の水スラリーを製造する方法。
【請求項１０】
水を除去し又は水を添加して得た混合物中の水含有量が、該混合物基準で40〜60重量%であるところの請求項9記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含水可燃性固体を脱水する方法、並びに脱水された可燃性固体の水スラリーを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
含水可燃性固体、例えば汚泥は、ベルトプレス、ロールプレス等による簡易脱水後に水分を70〜80重量%と多量に含んでいる。従って、例えば、流動層焼却炉において焼却処理するために、更に熱風乾燥機等による乾燥が実施されており、この乾燥に多量のエネルギーが消費されている。しかし、該乾燥後においても汚泥は未だ30〜50重量%の水分を含んでいる故、流動層焼却炉による完全燃焼が困難である。従って、該焼却後に灰中に残る未燃分を再度、石油又は天然ガスにより焼却しているのが現状である。加えて、流動層焼却装置に多額の設備費が必要なこと及び該装置の運転コストが嵩むこと等の欠点もあった。また、製材所等から出る木材屑又は製紙スラッジ等も汚泥と同じく流動層焼却炉による完全燃焼が困難であり、同様な方法で焼却処理がなされている。【０００３】
従って、含水可燃性固体から水を簡便に脱水できるばかりでなく、かつ焼却処理に適する形態で含水可燃性固体を回収し得る方法が望まれていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、含水可燃性固体から実質的に水を蒸発させることなく脱水する方法を提供する。これにより、含水可燃性固体から除去された水と水が除去された可燃性固体とを含む、適切な粘度及び水含有量を有する噴霧燃焼が可能な混合物(水スラリー)を安価に製造することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
含水可燃性固体、例えば、汚泥は多量の水分を含有している。該水は、汚泥の細胞組織内に存在している水と土砂に含まれる水とから構成されている。木材屑においては、水は、木材屑の細胞組織内に存在している。本発明者は、これらの水を含水可燃性固体から効率的に取り除いて、噴霧燃焼が可能な混合物(水スラリー)を得るべく検討した。その結果、本発明者により出願され未公開の国際特許出願(PCT/JP2004/010207号)に係る発明を含水可燃性固体に適用すれば、含水可燃性固体から効率的に水を除去することができ、かつまた噴霧燃焼可能なスラリー製品を安価に製造し得ることを見出した。【０００６】
即ち、本発明は、
(1)密閉容器中で、含水可燃性固体(但し、石炭を除く)を加熱温度における飽和水蒸気圧力以上の圧力下で100〜300℃の温度に加熱し、かつ含水可燃性固体に0.01〜20MPaの剪断力を与えることにより含水可燃性固体から脱水する方法である。【０００７】
また、本発明は、
(2)上記(1)記載の方法により、含水可燃性固体から除去された水と水が除去された可燃性固体とを含む混合物を密閉容器中に得て、次いで、該密閉容器中に存在する混合物から水を除去し又は該混合物に水を添加して、該混合物中の水を該混合物基準で30〜75重量%とするところの可燃性固体の水スラリーを製造する方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、噴霧燃焼に適した粘度及び水含有量を有する、含水可燃性固体から除去された水と水が除去された可燃性固体とを含む混合物(水スラリー)を簡便かつ安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明において脱水に付される含水可燃性固体としては、例えば、汚泥、木材屑、製紙スラッジ、オカラ、バガス、並びに家畜の糞、内臓、脳、その他の蛋白質部分及び油脂等の畜産廃棄物等が挙げられる。該含水可燃性固体の水含有量は、含水可燃性固体基準で、上限が好ましくは85重量%、より好ましくは70重量%であり、下限が好ましくは25重量%、より好ましくは30重量%、更に好ましくは40重量%である。含水可燃性固体基準で40〜70重量%の含水可燃性固体が特に好ましく使用される。水含有量が上記上限を超えるものは、下記の粉砕前又は粉砕後に、例えば、ベルトプレス、ロールプレス等による加圧により予め水を除去して上記範囲にしておくことが好ましい。【００１０】
含水可燃性固体は好ましくは所定の粒度に粉砕して使用される。該粒度は、上限が好ましくは200メッシュ、より好ましくは150メッシュ、更に好ましくは100メッシュであり、下限が好ましくは3メッシュ、より好ましくは30メッシュ、更により好ましくは50メッシュである。含水可燃性固体の粒度が上記下限未満では、水スラリーにしたときに可燃性固体が沈降し易くなり、上記上限を超えては、水スラリーの粘度が上昇するほか、粉砕に余分な動力が消費される。【００１１】
本発明においては、該含水可燃性固体は次いで密閉容器に導入されて脱水される。該密閉容器は、含水可燃性固体を加圧下に加熱し得、かつ含水可燃性固体に剪断力を与えることができるものでなければならない。例えば、特開2000‐169274号公報に記載された攪拌羽根を持つ1軸の加圧・加熱型混練装置を使用することができる。また、例えば、一軸又は二軸、好ましくは二軸のスクリュー型の攪拌羽根を持つ混練機、又は例えば、挽肉又は魚のミンチを作るためのいわゆるスクリューフィーダーに使用されるスクリューを備えた混練機が使用され得る。該密閉容器はバッチ式又は連続式のいずれのものであってもよい。連続式の密閉容器は、含水可燃性固体の装入及び水を取り除かれた可燃性固体の抜き出し、並びに気体状又は液体状の水の抜き出しを本発明の所定の条件を維持しつつ連続的に実施し得るものであればよい。【００１２】
加熱温度は、上限が300℃、好ましくは250℃、より好ましくは200℃であり、下限が100℃、好ましくは150℃、より好ましくは170℃である。温度が上記上限を超えては含水可燃性固体が熱分解し、かつ装置コストが著しく高くなり、上記下限未満では脱水による本発明の効果が得られない。また加熱時間は、上限が好ましくは5時間、より好ましくは3時間、更に好ましくは1時間、特に好ましくは30分間であり、下限が好ましくは3分間、より好ましくは5分間、更に好ましくは10分間である。該加熱により、含水可燃性固体に含まれる水の1kg当り好ましくは最大2,300kJの熱を与える。【００１３】
加熱中の圧力の下限は、加熱温度における飽和水蒸気圧力以上の圧力、好ましくは加熱温度における飽和水蒸気圧力+0.1MPa以上の圧力、より好ましくは加熱温度における飽和水蒸気圧力+0.2MPa以上の圧力である。該圧力を保持することにより、含水可燃性固体から除去された水を液体状態に保つことができ、従って、脱水中に不要な蒸発潜熱を与える必要がない。また、該圧力の上限は、好ましくは加熱温度における飽和水蒸気圧力+1.0MPa、より好ましくは加熱温度における飽和水蒸気圧力+0.5MPa、更に好ましくは加熱温度における飽和水蒸気圧力+0．3MPaである。但し、加熱中の最大圧力は加熱温度の最大値300℃における飽和水蒸気圧＋1.0MPa(=約9.6MPa)が好ましい。上記上限を超えても効果に大きな相違がなく、装置コストが高くなるばかりで好ましくない。加熱中の圧力は、加熱により含水可燃性固体から発生する水蒸気のほか、好ましくは不活性ガス、例えば、窒素、アルゴン等を使用して調節することができる。【００１４】
本発明において剪断力は上記の加熱中に含水可燃性固体に与えられる。剪断力の上限は20MPa、好ましくは10MPa、より好ましくは5MPa、更に好ましくは3MPaであり、下限は0.01MPa、好ましくは0.1MPa、より好ましくは0.5MPaである。上記上限を超えては、モーター動力負荷が大きくなり、上記下限未満では、脱水が不十分であると共に、脱水による本発明の効果が得られない。該剪断力は密閉容器内に備えられた攪拌羽根により与えられる。本発明における剪断力は、下記のようにして得ることができる。粘度(20℃)が既知の標準物質、例えば、日本グリース株式会社製の粘度校正用標準液(JIS  Z8809)JS100粘度86mPa・s、JS14000粘度12Pa・s及びJS160000粘度140Pa・sを夫々、所定の密閉容器、例えば、図2に示す密閉容器(2軸スクリュー型ニーダ、容器内有効容積8リットル、容器内長さ600mm、容器長径160mm、容器短径100mm、攪拌羽根直径96mm、攪拌羽根は一軸当り合計13枚あり、そのピッチは、石炭供給口に最も近い箇所で70mmであり、順次、下流側に向かって4mmづつ減少し、製品取り出し口に最も近い箇所で22mmである)に入れて、温度20℃において、備えられた攪拌羽根を60回転/分で回転して回転軸にかかるトルクを測定する。粘度(20℃)が140Pa・sを超える値については、アスファルトに灯油を混合して調製した混合液(例えば、東機産業株式会社製のBS型粘度計を用いて測定した粘度(20℃)が6400Pa・sである混合液)を使用して上記と同じくトルクを測定する。ここで、上記測定液は、密閉容器内の攪拌羽根全体が該液中に完全につかるまで入れられる。また、密閉容器に測定液を入れない空の状態におけるトルクを測定する（このときの剪断力をゼロとする）。このようにして、粘度既知の各測定液のトルクを読み取り、下記式
(数1)
剪断力(Pa)=[粘度(Pa・s)×剪断速度(s-1)]/トルクの読み取り値
から剪断力を求めて、例えば図１に示すトルクと剪断力との関係を得る。上記の式中、剪断速度は下記式で表される。下記式においてsin3.5°は、図2に示す装置固有の値である。該値は攪拌羽根の形状により求められ、攪拌羽根の形状により相違する。
(数2)
剪断速度(s-1)≒2×3.14×(1秒当りの回転数)÷sin3.5°
このように上記の関係から、回転軸にかかるトルクを測定することにより剪断力を求めることができる。例えば、図2に示す密閉容器に関しては図1に示す関係から剪断力を求めることができる。攪拌羽根を備えた密閉容器の軸トルクは装置特有のものであるため、装置が変わればトルクも変化する。従って、使用する装置毎に、上記と同一条件下に図１のようなトルクと剪断力との関係を得なければならない。このようにして、いかなる装置においても、回転軸にかかるトルクを測定することにより、剪断力を求めることができる。【００１５】
上記の本発明の方法によれば、脱水後に密閉容器中に、含水可燃性固体から除去された水と水が除去された可燃性固体とを含む混合物(水スラリー)が得られる。該混合物の水含有量は、使用した含水可燃性固体の水含有量により決定される。該混合物は、水スラリーの形態でガス化炉又はボイラー等に供され得る。利用の形態に応じて該混合物の水含有量を増加又は減少することができる。ガス化原料や燃料として用いる場合には、該混合物の水含有量は、該混合物基準で好ましくは30〜50重量%であり、より好ましくは40〜50重量%である。一方、含水廃棄物として焼却処理する場合には、該混合物に含有されている可燃性固体が、含有されている水の蒸発潜熱以上の発熱量を有していればよく、該混合物の水含有量は、該混合物基準で好ましくは40〜75重量%であり、より好ましくは40〜70重量%である。上記の濃度にすることにより、該混合物の粘度(20℃)を好ましくは10〜2,000センチポイズ(=cP=mPa・s)、より好ましくは20〜700センチポイズ(=cP=mPa・s)、更に好ましくは30〜500センチポイズ(=cP=mPa・s)にすることができる。これにより、輸送等の取り扱いに適した水スラリーとすることができる。該混合物の濃度を上記範囲にする方法に特に制限はない。好ましくは、脱水後に密閉容器中に得られた該混合物から水を除去し又は該混合物に水を添加することにより実行される。水は密閉容器中の該混合物から水蒸気として抜き出すことができる。これにより、密閉容器で一段階において、所望の濃度の水スラリーを含水可燃性固体中に含まれている水を使用して製造することができて、装置の簡略化を図ることができる。また、含水可燃性固体から得られた水には使用した含水可燃性固体由来の少量の有機物が含まれている。これが界面活性剤としての働きをすることから、上記の水スラリーへの界面活性剤の添加を省略することもできる。
【００１６】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。【００１７】
実施例において使用した含水固形可燃物は汚泥であり、下記の表1の性状を有する。【００１８】
(表1)
汚泥
水分                          52.1重量%
灰分                          16.8重量%
揮発分                        25.4重量%
固定炭素                       5.7重量%
発熱量（HHV）                1790 Kcal/kg【００１９】
上記の表1における水分、灰分、揮発分、固定炭素及び発熱量は工業分析法(JIS Ｍ 8812)に基づいて測定したものである。【００２０】
トルクの測定は、トルクが140kg・cmを超える際には山崎P-100R式回転トルクメーターを使用し、上記トルク値以下では、山崎SS-50R式回転トルクメーターを使用した。
【実施例１】
【００２１】
密閉容器として、図2に示されているような2軸スクリュー型ニーダを使用した。図2中、１は含水可燃性固体供給口であり、２はスクリューであり、３はバルブであり、４は蒸気抜きバルブであり、５は製品取り出し用バルブである。表1に示した性状を有する汚泥を予め30〜100メッシュに粉砕した。粉砕した汚泥10kgを該容器に仕込んだ。次いで、容器内の圧力を窒素ガスで0.7MPaにした後、スクリューを回転しつつ加熱を開始し、温度を170℃に調節した。該温度に達した後、直ちに容器内の圧力を1MPaに調節し、かつ、攪拌軸にかかるトルクを測定し、図1に示したトルクと剪断力との関係を使用して、剪断力を0.5MPa に調節した。容器内の圧力、温度及び剪断力を上記値に保持しつつ1時間処理して汚泥から水を取り除いた。次いで、環境温度まで冷却して水スラリーを取り出した。得た水スラリーの粘度(20℃)は、580センチポイズ(cP=mPa・s)であった。該水スラリーは噴霧可能であり、発熱量（HHV）は原料と同じ1790 Kcal/kgであった。該水スラリーを、乾燥機を用いて107℃１時間で乾燥後、減少量を該スラリー中の水として該水スラリーの水含有量を算出した。その結果、該水スラリーの水含有量は、該水スラリー基準で約52重量%であった。これは、使用した汚泥中の工業分析の水分である約52重量%にほぼ等しく、汚泥がほぼ完全に脱水されていることを示した。上記のスラリー粘度は東機産業株式会社製のBS型粘度計を用いて測定した。【００２２】
比較例1
剪断力を0.5MPa から0.001MPa とした以外は、実施例1と同一に実施した。得た水スラリーの粘度(20℃)は著しく高く測定不能であった。実施例1と同一の方法で測定した水スラリーの水含有量は約２１重量%であった。該スラリーは十分に脱水がなされておらずペースト状であり噴霧できる粘度以上のものであった。
【実施例２】
【００２３】
特開2000‐169274号公報に記載された攪拌羽根を持つ1軸の加圧・加熱型混練装置を使用した。表1に示した性状を有する汚泥を予め30〜100メッシュに粉砕した。粉砕した汚泥5kgを該装置の槽内に仕込んだ。次いで、槽内の圧力を窒素ガスで0.7MPaにした後、スクリューを回転しつつ加熱を開始し、温度を170℃に調節した。該温度に達した後、直ちに槽内の圧力を1.0MPaに調節し、かつ、攪拌軸にかかるトルクを測定し、予め作成しておいたトルクと剪断力との関係を使用して、剪断力を0.5MPaに調節した。槽内の圧力、温度及び剪断力を上記値に保持しつつ1時間処理して汚泥から水を取り除いた。次いで、環境温度まで冷却して水スラリーを取り出した。得た水スラリーの粘度(20℃)は、450センチポイズ(cP=mPa・s)であった。該水スラリーは噴霧可能であり、発熱量（HHV）は原料と同じ1790 Kcal/kgであった。また、実施例1と同一の方法で測定した水スラリーの水含有量は約52重量%であり、汚泥がほぼ完全に脱水されていることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図1は、図2に示したニーダにおけるトルクと剪断力との関係を示したグラフである。
【図２】図2は、電気加熱式2軸スクリュー型ニーダの概略図である。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明により、含水可燃性固体から除去された水と水が除去された可燃性固体とを含む、適切な粘度及び水含有量を有する混合物(水スラリー)を安価に製造することができる。該混合物は噴霧燃焼が可能であることから、ガス化原料及びボイラー燃料等に有用である。また、汚泥、オカラ、バガス、畜産糞は、液状であり、蛋白質や澱粉質を多く含むことから、バクテリアによるメタン発酵用原料としても利用可能である。
【図１】
0004416175.tif 000002
【図２】
0004416175.tif 000003