特開 2024-29774 都市汚泥のエネルギー利用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024029774

(43)【公開日】2024-03-06

(54)【発明の名称】都市汚泥のエネルギー利用方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 11/10 20060101AFI20240228BHJP

   C02F 11/122 20190101ALI20240228BHJP

【ＦＩ】

C02F11/10 Z ZAB

C02F11/122

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023134989

(22)【出願日】2023-08-22

(31)【優先権主張番号】202211008724.1

(32)【優先日】2022-08-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(71)【出願人】

【識別番号】523320043

【氏名又は名称】中国科学院广州能源研究所

【氏名又は名称原語表記】Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ． ２ Ｎｅｎｇｙｕａｎ Ｒｏａｄ， Ｗｕｓｈａｎ， Ｔｉａｎｈｅ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110001139

【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100130328

【弁理士】

【氏名又は名称】奥野 彰彦

(74)【代理人】

【識別番号】100130672

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 寛之

(72)【発明者】

【氏名】熊祖鴻

(72)【発明者】

【氏名】房科靖

(72)【発明者】

【氏名】魯敏

(72)【発明者】

【氏名】李継青

(72)【発明者】

【氏名】黎涛

(72)【発明者】

【氏名】陳勇

【テーマコード（参考）】

4D059

【Ｆターム（参考）】

4D059AA03

4D059BB03

4D059BE14

4D059BE16

4D059BE48

4D059BK11

4D059DB11

4D059EB01

4D059EB06

4D059EB11

4D059EB20

(57)【要約】      （修正有）

【課題】都市汚泥のエネルギー利用方法を提供する。
【解決手段】方法は、都市汚泥を薬剤で改質させ、プレート＆フレーム式フィルタープレス内に圧送して、熱間加圧、真空負圧及びパージの工程を順次行って段階的に乾燥し、汚泥を含水率が３０％～４０％になるまで脱水して乾燥する、汚泥前処理のステップ（１）と、プレート＆フレーム式フィルタープレスからの汚泥を破砕して汚泥顆粒を取得し、汚泥顆粒に対して除湿、空冷の処理を行った後含水率を２５％以下に低減する、汚泥造粒のステップ（２）と、汚泥顆粒をガス化処理し、ガス化による粗ガスを除塵して、タール除去し、クリーンなガスを得て、かつガス化スラグの残留炭素率を４％未満にする、汚泥ガス化のステップ（３）と、を含む。本発明では、汚泥に対する段階的な脱水乾燥及びガス化の技術により都市汚泥の効率的な無害化、減量化、及びエネルギー利用が図られる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

都市汚泥のエネルギー利用方法であって、
都市汚泥を薬剤で改質させた後、プレート＆フレーム式フィルタープレス内に圧送し、熱間加圧、真空負圧除湿の工程を順次行って段階的に乾燥し、汚泥を含水率が３０％～４０％になるまで脱水して乾燥する、汚泥前処理のステップ（１）と、
プレート＆フレーム式フィルタープレスからの汚泥を破砕して汚泥顆粒を取得し、汚泥顆粒に対して除湿、空冷の処理を行った後、含水率を２５％以下に低減する、汚泥造粒のステップ（２）と、
汚泥顆粒をガス化処理し、ガス化による粗ガスを除塵して、タール除去し、クリーンなガスを得る、汚泥ガス化のステップ（３）と、を含む、ことを特徴とする都市汚泥のエネルギー利用方法。

【請求項2】

ステップ（１）における前記薬剤はＰＡＭ溶液であり、汚泥は、含水率８０％を基準とし、汚泥と薬剤との質量比は４：１である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

ＰＡＭ溶液の溶質の含有量は０．２ｗｔ％である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項4】

ステップ（１）における前記熱間加圧の条件は、圧力が０．８～１．６Ｍｐａであり、温度が６０℃～８０℃である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項5】

ステップ（１）における前記負圧の条件は、－０．０８～－０．０９Ｍｐａである、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項6】

ステップ（３）における前記ガス化の条件は、空気をガス化媒体とし、当量比を０．２３～０．３５、ガス化温度を７００℃～８５０℃とし、ガス化方法として間欠供給－連続ガス化方法を採用することである、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項7】

ステップ（３）におけるガス化によるガス化スラグは、乾法スラグ排出方法で排出される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記乾法スラグ排出方法では、ガス化スラグのスラグ排出温度が６００℃～８００℃である、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、汚泥のエネルギー利用の技術分野に関し、具体的には、都市汚泥のエネルギー利用方法に関する。

【背景技術】

【0002】

経済の急速な発展に伴い、中国では、２０２０年に都市部汚泥の年間発生量はすでに６０００万トンに達した。汚泥は、大量の有機質、細菌や重金属などが含まれているため、資源と汚染源の両方の属性を持っている。そのため、従来の脱水焼却、堆肥化、埋め立て、建材化などの汚泥処理方法では、根本的な解決にならないばかりか、多かれ少なかれ土壌や水、大気への二次汚染を引き起こす。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明は、従来技術に存在する課題を解決するために、汚泥に対する段階的な脱水乾燥及びガス化の技術により都市汚泥の効率的な無害化、減量化、及びエネルギー利用が図られる都市汚泥のエネルギー利用方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明は、
都市汚泥を薬剤で改質させた後、プレート＆フレーム式フィルタープレス（plate and frame filter press）内に圧送し、プレート＆フレーム式フィルタープレスにおいて熱間加圧、真空負圧除湿を順次行うような段階的乾燥を行い、汚泥を含水率が３０％～４０％になるまで脱水して乾燥する、汚泥前処理のステップ（１）と、
プレート＆フレーム式フィルタープレスからの汚泥を破砕して汚泥顆粒を取得し、汚泥顆粒に対して除湿、空冷の処理を行った後、含水率を２５％以下に低減する、汚泥造粒のステップ（２）と、
汚泥顆粒に対して吸い上げ式ガス化処理を行い、ガス化による粗ガスを除塵して、タール除去し、クリーンなガスを得て、かつガス化スラグの残留炭素率を４％未満にする汚泥ガス化のステップ（３）と、を含む、都市汚泥のエネルギー利用方法を提供することを目的とする。

【0005】

本発明では、段階的な脱水乾燥、ガス化技術により汚泥を従来の化石エネルギーに代わるクリーンなガスに変換することにより、汚泥の無害化、減量化、及びエネルギー化が図られる。該技術は、従来の汚泥の熱乾燥や焼却処理の方法に比べて、技術上に大きいな利点がある。すなわち、汚泥に対して段階的な脱水乾燥を行うことにより、効率が高く、そのエネルギー消費量が従来の熱乾燥の６０％しかなく、脱水乾燥工程においては完全に密封され、しかも負圧状態にあり、粉塵や臭気汚染がない。乾燥汚泥は、少量の空気と低い温度でガス化されることにより、粉塵含有量、重金属類の移行量を効果的に制御し、ダイオキシン類の合成を抑制することができる。直接焼却に比べて、煙道ガスの汚染物質の濃度を４０～６０％に削減することができる。汚泥顆粒のガス化によるガス化スラグ（白色）の残留炭素率が３％未満であり、汚泥中の有機成分のガス化を最大化し、汚泥のエネルギー化効率を向上させることができる。ガス化スラグは、特別な処理を施すことなく、原料としてエコ建材を製造することができる。

【0006】

本発明の基本的な理論的根拠は以下のとおりである。水の沸点が負圧下で下がるという原理を利用して汚泥の段階的な乾燥を行い、さらに汚泥のガス化技術を組み合わせて、すなわち低温、低酸素条件下で行う化学反応を行い、ガス化反応により遊離酸素の含有量を効果的に低減させることができ、窒素、硫化物及びベンゼン系の酸化を阻害し、ＳＯｘ、ＮＯｘ及びダイオキシンの発生を抑制することができる。また、低温により汚泥中の重金属の揮発を効果的に抑制することができ、ガス飛灰中の重金属の含有量を低減できる。汚泥ガス化工程においては、ガス流量が少ないため、ガス流によって運ばれる飛灰の量を大幅に低減することができ、ガスの除塵負荷を軽減することができる。

【0007】

好ましくは、ステップ（１）における前記薬剤はＰＡＭ溶液であり、汚泥は、含水率８０％を基準とし、汚泥と薬剤との質量比は４：１である。薬剤の改質は、主として、汚泥顆粒の凝集や沈殿を可能とし、汚泥の脱水効率を高める役割を果たす。

【0008】

さらに好ましくは、ＰＡＭ溶液の溶質の含有量は０．２ｗｔ％である。

【0009】

好ましくは、ステップ（１）における前記熱間加圧の条件は、圧力が０．８～１．６Ｍｐａであり、温度が６０℃～８０℃である。

【0010】

好ましくは、ステップ（１）における前記負圧の条件は、－０．０８～－０．０９Ｍｐａである。

【0011】

好ましくは、ステップ（３）における前記ガス化の条件は、空気をガス化媒体とし、当量比を０．２３～０．３５、ガス化温度を７００℃～８５０℃とし、ガス化方法として間欠供給－連続ガス化方法を採用することである。

【0012】

好ましくは、ステップ（３）におけるガス化によるガス化スラグは、乾法スラグ排出方法で排出される。乾法スラグ排出とは、ガス化スラグを排出するときに、ガス化スラグが高温状態に維持され、空気との燃焼反応が発生することができ、燃焼反応による熱は、熱風によって燃焼室に戻すことで、ガス化スラグ中の炭素含有量を大幅に削減し、汚泥顆粒燃料のエネルギー利用効率を向上させることである。

【0013】

さらに好ましくは、前記乾法スラグ排出方法においては、具体的には、ガス化スラグの排出温度が６００℃～８００℃である。

【発明の効果】

【0014】

従来技術に比べて、本発明は以下の利点を有する。
１．伝統的なエネルギーの節約：都市汚泥を利用して汚泥顆粒燃料を生産し、汚泥のエネルギー密度と輸送効率を向上させ、さらに効率的なガス化技術によって汚泥の高効率、クリーンエネルギー利用を実現し、化石エネルギーを節約することができる。１トンの乾燥汚泥のエネルギー化により、標準的な石炭を０．１８～０．２５トン節約でき、二酸化炭素の排出量を０．４８～０．６７トン削減できる。つまり、汚泥のエネルギー利用は、中国が推進している「カーボンピークアウト・カーボンニュートラル」戦略に完全に合致しているものである。
２．環境汚染の低減：汚泥焼却技術に比べて、汚泥ガス化はＳＯ_ｘ、ＮＯ_ｘ及びダイオキシンの発生を大幅に低減することができ、有毒有害物質の環境への影響を軽減することができる。
３．ガス化スラグは直接資源化利用が可能であること：従来の熱分解ガス化技術に比べて、本技術に係る汚泥ガス化スラグは、残留炭素率が非常に低く（４％未満）、各種のエコ建材の製造に直接利用することができる。従来の熱分解ガス化技術で得られたガス化スラグ中の残留炭素は一般的に１０％を上回り、高すぎる残留炭素率により、ガス化スラグの資源化利用の妨げとなり、後続利用のために、焼却して脱炭素処理を行う必要がある。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施例による都市汚泥のエネルギー利用方法のプロセスのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下の実施例は、本発明をさらに説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。

【0017】

特に定義されない限り、以下で使用されるすべての専門用語は、当業者が通常理解するものと同じ意味を有する。本明細書で使用される専門用語は、特定の実施例を説明するためのものに過ぎず、本発明の特許範囲を限定することを意図するものではない。特に断らない限り、本明細書に記載された実験材料及び試薬はすべて本技術分野の通常の市販品である。

【0018】

本実施形態に係る都市汚泥のエネルギー利用方法は、次のステップを含む。

【0019】

エネルギー化前の都市汚泥は、汚泥顆粒が分散しており、ろ過網が目詰まりしやすいので、汚泥の脱水効率を高めるように、汚泥顆粒を凝集させるための前処理を必要とする。都市下水処理場で濃縮された汚泥（含水率は約９５％）は、薬剤で改質された後、プレート＆フレーム式フィルタープレスに圧送され、プレート＆フレーム式フィルタープレス内で熱間加圧（圧力０．８～１．６Ｍｐａ、温度６０℃～８０℃）、真空負圧除湿（－０．０８～－０．０９Ｍｐａ）、パージの工程を順次行い、汚泥を含水率が３０％～４０％になるまで脱水して乾燥する。プレート＆フレーム式フィルタープレスからの汚泥を破砕した後、乾燥汚泥貯留タンクに入れ、乾燥汚泥貯留タンクにはスクリューコンベアと上部除湿ファンが設けられ、汚泥中の水分をさらに除去することができる。乾燥汚泥貯留タンク内の汚泥は、スクリューコンベアによって造粒機に入れられて押し固められ、汚泥及びそれに含まれる水分が押し固め・摩擦の過程中に加熱され（約８０℃）、大量の水蒸気が発生し、汚泥顆粒が除湿、空冷された後、都市汚泥の含水率を２５％以下に低減することができる。該汚泥顆粒は、エネルギー密度が高く、輸送が容易であり、発熱量が７０００～１００００ｋＪ／ｋｇである。

【0020】

上記の段階的な脱水乾燥により処理された汚泥顆粒は、ガス化技術を利用して、ガス化媒体を空気、当量比を０．２３～０．３５、ガス化温度を７００℃～８５０℃とするガス化条件により処理される。ガス化の過程には、間欠供給－連続ガス化の方法が採用され、汚泥顆粒燃料に対して乾燥、熱分解、還元、酸化の工程を順次行い、ガス化全体が完了し、これにより、汚泥中の有機成分のＨ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、ＣＯ_２等のガス、小分子炭化水素類物質やベンゼン系物質（タール）への変換が実現される。ガス化による粗ガスを除塵・タール除去した後、火力発電、燃料合成、都市のガス供給などの分野に幅広く適用できるクリーンなガスが得られる。ガス化スラグは、残留炭素率が４％未満であるため、環境にやさしい各種の建材の製造に直接適用することができる。
実施例１

【0021】

図１に示すように、本実施例による都市汚泥のエネルギー利用方法は、次のステップを含む。
１．汚泥前処理：まず、都市汚泥スラリーにＰＡＭ溶液を加えて改質させ、ここで、汚泥は、含水率８０％を基準とし、汚泥とＰＡＭ溶液との質量比は４：１であり、ＰＡＭ溶液の溶質の含有量は０．２ｗｔ％であった。改質された汚泥を凝集し、沈殿させた後、プレート＆フレーム式フィルタープレス内に圧送し、圧力：１．０Ｍｐａ、温度：７０℃という熱間加圧条件での熱間加圧工程と、－０．０８５Ｍｐａという真空負圧条件での真空負圧除湿工程とを順に行い、都市汚泥を高度で乾燥し、含水率が４０％未満の乾燥汚泥を得た。最後に、汚泥造粒装置により乾燥汚泥を成形して造粒した。乾燥汚泥は、均一に破砕された後、汚泥造粒装置に送られた。汚泥に対して押し出し成形、真空除湿、空冷技術による処理を行った後、振動篩で汚泥顆粒を篩分けし、実際のガス化要件を満たす汚泥顆粒燃料（含水率は２５％未満）を得た。
２．汚泥顆粒燃料のガス化：吸い上げ式固定床ガス化システムを用いて、汚泥顆粒燃料に対してガス化処理を行った。具体的には、まず、汚泥顆粒燃料を間欠的に固定床ガス化炉に送り、空気をガス化媒体とし（当量比０．２３～０．２６）、８００℃の温度で連続的なガス化を行い、ガス化粗ガスを得た。次に、ガス化粗ガスに対して、除塵（燃料ガス中の固体顆粒を除去）、タール除去（液体タールが還流管路を介してガス化炉内に噴出され、ガス化を繰り返す）の処理を含む浄化処理を行い、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、ＣＯ_２、Ｎ_２などを主成分とするクリーンなガスを得た。ガス化スラグは、乾法スラグ排出で定量的に排出し（ガス化スラグの排出温度は７００℃）、ガス化スラグの残留炭素率が４％未満であり、環境にやさしい各種の建材の製造に直接適用することができる。
比較例１

【0022】

圧力：１．０Ｍｐａ、温度：６０℃という熱間加圧条件での熱間加圧工程と、パージ工程とを行った後、濃縮された都市汚泥を高度で乾燥した以外は、実施例１と同様の方法で汚泥を処理した。得られた乾燥汚泥の含水率が４０％を超えた。
比較例２

【0023】

－０．０８５Ｍｐａという真空負圧条件での真空負圧除湿工程と、パージ工程とを行った後、濃縮された都市汚泥を高度で乾燥した以外は、実施例１と同様の方法で汚泥を処理した。得られた乾燥汚泥の含水率が４０％を超えた。
比較例３

【0024】

ガス化スラグについては、従来の熱分解ガス化技術におけるスラグ排出方法、すなわち、湿法スラグ排出（湿法スラグ排出：スラグ排出中、ガス化スラグを水と接触させて急激に降温させる）の方法でスラグを排出した以外は、実施例１と同様の方法で汚泥を処理した。ガス化スラグの残留炭素率が一般的に１０％を超えた。
実施例２

【0025】

熱間加圧条件としては、圧力を０．８Ｍｐａ、温度を８０℃とし、真空負圧条件としては－０．０８Ｍｐａとし、ガス化条件としては、当量比を０．２６～０．３０、ガス化温度を７５０℃とした以外は、実施例１と同様の方法で汚泥を処理した。ガス化スラグの残留炭素率が３．５％未満であり、環境にやさしい各種の建材の製造に直接適用することができる。
実施例３

【0026】

熱間加圧条件としては、圧力を１．６Ｍｐａ、温度を６０℃とし、真空負圧条件としては－０．０９Ｍｐａとし、ガス化条件としては、当量比を０．３０～０．３２、ガス化温度を８５０℃として以外は、実施例１と同様の方法で汚泥を処理した。ガス化スラグの残留炭素率が３％未満であり、環境にやさしい各種の建材の製造に直接適用することができる。
実施例４

【0027】

熱間加圧条件としては、圧力を１．２Ｍｐａ、温度を７５℃とし、真空負圧条件としては－０．０９Ｍｐａとし、ガス化条件としては、当量比を０．３２～０．３５、ガス化温度を７００℃とした以外は、実施例１と同様の方法で汚泥を処理した。ガス化スラグの残留炭素率が２．５％未満であり、環境にやさしい各種の建材の製造に直接適用することができる。

【0028】

以上の実施例の説明は、本発明の技術的解決手段及びその核心的思想の理解を助けるためのものに過ぎず、当業者にとっては、本発明の原理から逸脱することなく、本発明にいくつかの改良及び変更を加えることができ、これらの改良及び変更も本発明の請求項の特許範囲内に含まれるものとする。

【図1】