汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法、及び汚泥のガス化溶融炉
【課題】本発明の目的は、主として下水の生物学的処理により発生する活性汚泥を高効率且つ低コストにガス化溶融処理すると同時に、汚泥中に含有されるリンを回収し、肥料またはリン原料として有効利用することである。
【解決手段】汚泥灰分の融点以上の温度を有する気流床型ガス化溶融炉内へ、炉壁に対して垂直方向の吹き込み角度が下向き０〜４５度となるように、且つ、ガス化溶融炉の炉内直径に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、複数本の原料供給ノズルから気流搬送で吹き込み、前記汚泥を酸素又は酸素富化空気と部分酸化反応させて可燃性ガスを生成すると共に、前記灰分を溶融させてリンを含有するスラグを生成し、当該生成した可燃性ガス及びスラグを回収する。
【解決手段】汚泥灰分の融点以上の温度を有する気流床型ガス化溶融炉内へ、炉壁に対して垂直方向の吹き込み角度が下向き０〜４５度となるように、且つ、ガス化溶融炉の炉内直径に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、複数本の原料供給ノズルから気流搬送で吹き込み、前記汚泥を酸素又は酸素富化空気と部分酸化反応させて可燃性ガスを生成すると共に、前記灰分を溶融させてリンを含有するスラグを生成し、当該生成した可燃性ガス及びスラグを回収する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として下水の生物学的処理により発生する活性汚泥をガス化溶融処理して、汚泥中の有機物等を可燃性ガスとして回収すると共に、汚泥中に含有されるリンをスラグ中に取り込んで回収し、肥料またはリン原料として有効利用する方法、及びそのために使用する汚泥のガス化溶融炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排水、特に下水を生物学的処理によって浄化する際に発生する余剰の活性汚泥（以下汚泥と略す）は、下水道の普及、また下水処理場における高度処理プロセス（窒素、リンの除去等）の導入等に伴って益々増加する傾向にある。これら汚泥は、現状ではその多くが減容化処理の後、単純に埋め立て処分されている。その際の汚泥の形態としては、脱水処理後のいわゆる脱水ケーキ（水分含有率８０質量％程度）、あるいは脱水ケーキを焼却処理後の焼却灰として埋め立てられる場合が大半を占めている。
【０００３】
また、近年では、埋め立て地の逼迫等の理由によって、更なる汚泥の減容化あるいは有効利用を狙いとして、汚泥の溶融処理が一部で実施されている。汚泥の溶融処理は、汚泥を灰の溶融点以上の高温雰囲気下で空気燃焼させることによって、汚泥をスラグへと変換し、汚泥の嵩密度の低減あるいは建設資材等としての有効利用を図る技術である。
【０００４】
汚泥は乾燥状態においては６３００〜２１０００ｋＪ／ｋｇ−ｄｒｙ程度の発熱量を持つのが一般的であるが、通常の下水処理場における最終形態である脱水ケーキの状態においては依然として８０質量％程度の大量の水分を含有しているため、熱損失（炉体からの放散熱、燃焼用空気中の同伴窒素による持ち出し顕熱、水の蒸発潜熱等）を加味すると汚泥自体の持つ発熱量のみで燃焼（すなわち自燃）させることは困難である。従って従来の汚泥焼却炉においては、何らかの方法（炉内へ直接添加する、空気予熱用燃料として使用する等）で補助燃料を使用することが必要不可欠である。なお、補助燃料削減を狙いとして、焼却炉から排出される高温排ガス中の顕熱を熱交換機等の熱回収設備によって間接的に回収し、燃焼空気の予熱に利用する場合が一般的である。
【０００５】
また、通常の汚泥溶融炉においては、溶融炉内を灰の溶融点以上の高温（１１００〜１６００℃程度、焼却炉は灰の融点以下の１０００℃以下）に保つ必要があり、脱水ケーキを直接炉内へ投入したのでは大量の補助燃料が必要なので極めて非効率となるため、事前に乾燥設備によって汚泥の乾燥作業を行う場合が一般的である。しかし、汚泥中の水分を削減して蒸発潜熱による熱損失を防いだ場合であっても、その他の熱損失を加味すると、汚泥を完全に燃焼させたとしても炉内温度を灰の融点以上の高温に維持することは困難であり、汚泥焼却炉の場合と同様、何らかの方法（炉内へ直接添加する、空気予熱用燃料として使用する等）で補助燃料を使用することが必要不可欠である。また当然、前段の乾燥設備においては別途乾燥のための熱源が必要となるが、外部からの燃料（補助燃料、例えば、重油、灯油、軽油、ＬＰＧ、ＬＮＧ、都市ガス、消化ガス等）の導入を極力抑えるため、溶融炉から排出される高温排ガス中の顕熱を廃熱ボイラーや熱交換機等の熱回収設備によって間接的に回収し、乾燥機における必要熱源の一部に充当して用いることが一般的である。
【０００６】
一方、汚泥中には主に排水中に含有されるリンに由来する比較的高濃度のリンが蓄積していることが知られている。汚泥中に含まれるリン濃度は、通常のリン製造プロセスにおける原料であるリン鉱石と同等レベルに達する場合もあるため、近年汚泥を焼却したあとの焼却灰からリンを回収し有効利用を図る技術が提案されている。
【０００７】
例えば、特許文献１および特許文献２においては、汚泥を焼却処理した後の焼却灰をカルシウム成分およびマグネシウム成分と混合後に溶融して生産したスラグをリン肥料（熔成リン肥代替）として使用する汚泥中リンの有効利用方法が提案されている。
【０００８】
また、特許文献３においては、汚泥を乾燥後、気流搬送して溶融炉に吹き込み、酸素又は酸素富化空気で汚泥を部分燃焼して還元ガスとスラグを回収する方法が提案されており、この方法では補助燃料を使用しなくとも汚泥のガス化、溶融が可能となる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−８０９７９号公報
【特許文献２】特開２００３−１１２９８８号公報
【特許文献３】特開平１１−１５９７２２号公報
【非特許文献１】仙波範明、保田静生、西川進、川見佳正、古角雅之「第７回廃棄物学会研究発表会講演論文集」廃棄物学会、１９９６年、ｐ４６４
【非特許文献２】義家亮、西村誠、守富寛「第１１回廃棄物学会研究発表会講演論文集」廃棄物学会、２０００年、ｐ８６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図1に特許文献１および特許文献２に記載されている従来の排水の生物学的処理により発生しリン含有灰分を有する汚泥の有効利用方法（スラグをリン肥料として利用）の基本フローを示す。従来の方法においては、汚泥（脱水ケーキ）１を空気２によって燃焼させることによって減容化する汚泥焼却炉４の後段へ更にリン肥料製造用の灰溶融炉９を設置する２段構成のプロセスとなっている。このようなプロセスにおいては、当然炉を２基分設置するため、設備コストは増大しかつ大きな設置スペースを必要とする。特に、汚泥焼却炉４においては汚泥１（場合によっては補助燃料も一緒に）を過剰の空気２によって高温燃焼させて発生した大量かつ高温の排ガス５（主成分はＮ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）から処理するための一連の排ガス処理設備１１（廃熱回収器、脱塵設備、脱硫設備等）は極めて大がかりなものとなり、設置コストおよび設備スペースが上乗せされる大きな一因となっている。
【００１１】
また、前記した通り、汚泥焼却炉４においては補助燃料３の使用が必要不可欠であり、また、後段の灰溶融炉９においては一般的に電気炉が使用されるため、従来のプロセスにおいては、燃料コスト、電力コスト等のユーティリティーコストが極めて高額になってしまうという問題もあった。
【００１２】
灰溶融炉９内においては汚泥の焼却灰６を肥料化のために必要な副資材８（マグネシウム、カルシウム等）とともに灰の融点以上の高温まで昇温させる必要があり、その際汚泥中に含有される金属成分の一部分は揮発し、スラグから除去されることが知られている。炉内を還元性雰囲気とした場合、揮発は更に促進される（例えば、非特許文献１、２参照）。特許文献２においても炉内を還元性雰囲気に保ち重金属類をスラグ１０中へ極力移行させないようにするものと述べられているが、そのためには炭素源として外部から高価な燃料であるコークス７を添加する必要があった。
【００１３】
尚、特許文献３には、リンの回収については記載されていないが、汚泥の部分酸化反応時間を長く確保するため、汚泥ノズルに相当するバーナーの角度を、燃焼ガスの旋回流が大きくなるように炉壁に沿うようにセットしているため、汚泥中のリンは揮発が促進されて燃焼ガス側に大部分移行してしまい、スラグ中にリンを取り込んで回収することは困難であった。
【００１４】
なお、特に有害な金属成分である水銀、砒素、クロム、鉛、カドミウム、セレン等に関しては元々汚泥中に含有されている量自体が僅かであるため、生成したスラグを有効利用する上で実質的にはほとんど問題とはならない。しかし、亜鉛に関しては、一般家庭で用いられる洗剤等、様々な由来の成分が下水中に多量に排出される関係上、最大１％程度の含有量であることが一般的である。亜鉛はスラグを有効利用する上での有害物質（建設資材として使用する際の溶出の規制値、 肥料として使用する際の含有量の規制値）には指定されていないが、土壌中の含有許容量には規制があるため、特に生成したスラグを肥料として使用する際には、農地の土壌中へ溶け出した亜鉛が徐々に蓄積してしまうという大きな問題があった。
【００１５】
本発明の目的は、汚泥を高効率かつ低コストに溶融処理し、可燃性ガスを回収すると共に、汚泥中に含有されるリンの多くをスラグ中に取り込んで回収し、肥料またはリン原料として使用するためのスラグを得ることが可能な、汚泥有効利用方法及びそのための汚泥のガス化溶融炉を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するための本発明の要旨は次の通りである。
（１）排水の生物学的処理により発生しリンを含有する汚泥を、前記灰分の融点以上の温度を有する気流床型ガス化溶融炉内へ、炉壁に対して垂直方向の吹き込み角度が下向き０〜４５度となるように、且つ、ガス化溶融炉の炉内直径に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、複数本の原料供給ノズルから気流搬送で吹き込み、前記汚泥を酸素又は酸素富化空気と部分酸化反応させて可燃性ガスを生成すると共に、前記灰分を溶融させてリンを含有するスラグを生成し、当該生成した可燃性ガス及びスラグを回収することを特徴とする汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
（２）前記生成したスラグを水中において急冷し、水砕スラグとして回収することを特徴とする（１）記載の汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
（３）前記汚泥に、マグネシウム成分、カルシウム成分、シリカ成分の少なくともいずれかを添加し、当該添加後の汚泥を前記ガス化溶融炉内へ吹き込むことを特徴とする（１）又は（２）に記載の汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
（４）排水の生物学的処理により発生しリンを含有する汚泥のガス化溶融炉であって、前記汚泥を気流搬送で前記ガス化溶融炉の内部に吹き込む原料供給ノズルを複数本有し、当該ノズルは、前記ガス化溶融炉の炉壁に対して垂直方向の吹き込み角度を下向き０〜４５度とし、且つ、前記ガス化溶融炉の炉内直径に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて配置される、又は、お互いに向き合った対向方向に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、主として下水の生物学的処理により発生する余剰の活性汚泥を高効率且つ低コストにガス化溶融処理し、可燃性ガスを回収すると共に、汚泥中に含有されるリンをスラグ中に取り込んで回収し、肥料またはリン原料として有効利用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を詳細に説明する。図２に本発明に関するフローシートを示す。
【００１９】
本フローにおける設備構成は、汚泥乾燥設備１２の後段に、上部にガスクエンチャー１８が設けられたガス化溶融炉（高温ガス化部）１７が設置され、その後段に、廃熱回収器２３（廃熱ボイラー、空気予熱器等）、高温フィルター（金属フィルター、セラミックスフィルター等）またはサイクロ（登録商標）ン等の脱塵設備２４、脱硫設備２６が配置され、更に、製品である可燃性ガス（クリーン）２７の汚泥乾燥設備１２への循環ライン２９が設けられたものである。
【００２０】
汚泥乾燥設備１２から排出された乾燥汚泥１３は微粉状態であり、気流床型のガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ気流搬送によって投入される。ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内において汚泥は酸素１６をガス化剤とした部分酸化反応（不完全燃焼）によって、１１００〜１６００℃の高温でガス化され、高温の可燃性ガス（主成分はＨ2、ＣＯ、ＣＨ4、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）とスラグへと転換される。
【００２１】
なお、ここで述べるところのスラグとは、汚泥中に含有される灰分がその融点以上の温度において溶融したものを意味する（再度冷却されて固化したものも含む）。また、灰分の融点とはＪＩＳ Ｍ８８０１（灰の溶融性試験方法）において規定される溶流点温度を意味する。
【００２２】
空気（すなわち空気中に含有される酸素）を過剰に加えることによって汚泥を完全燃焼させる必要のある通常の汚泥焼却炉あるいは汚泥溶融炉における炉内雰囲気は酸化性雰囲気となるが、本発明におけるガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内においては酸素不足状態下での反応が起きるため還元性雰囲気となる。そのような高温の還元性雰囲気において汚泥を溶融した場合、汚泥中に含有される重金属類の揮発が促進されることが知られている（例えば非特許文献１、２参照）。
【００２３】
特に本ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ投入された微粉状の汚泥は、瞬時に有機分がガス化されると同時に灰分が溶融し、スラグの微細粒子へと転換される。スラグが微粒子化することによって比表面積が増加し、周囲の還元性雰囲気ガスとの接触するタイミングも増加するため、汚泥中に含有される重金属類、特に含有量の多い亜鉛はその揮発量が飛躍的に増加する。この際のガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ投入する前の微粉状汚泥の粒径は１ｍｍ以下とすることが、重金属の揮発除去量を高める観点から望ましい。揮発した重金属成分は高温の可燃性ガス中へ同伴され、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７から排出される。
【００２４】
なお、汚泥は元来が微生物および細菌の集合体であるため、汚泥乾燥設備１２において水分含有率１５質量％以下程度まで乾燥を行えば、その多くは粒径１ｍｍ以下程度の微粉状態となる。しかし、汚泥乾燥設備１２の方式（例えば、撹拌破砕機付回転乾燥方式）や汚泥の性状によっては、直径1ｍｍより大きな粒状の汚泥が少量混合する場合も起こりうる。これら１ｍｍより大きい粒径の汚泥粒子は、先に述べたスラグからの重金属揮発低下の原因となるばかりではなく、微粉汚泥を気流搬送する際の配管閉塞等のトラブル原因となるため、そのような場合は、汚泥乾燥設備１２の後段にローラーミル、カッターミル等の粉砕機を設置し、すべての汚泥粒子を１ｍｍ以下に調整することが望ましい。また、粉砕機の代わりに振動篩いを設置し、１ｍｍより大きな粒径の汚泥を除去しても良い。
【００２５】
このようにして調整した汚泥粒子は、通常、粒径として１ｍｍ以下、その内１０μｍ以下の粒子を２０％程度の割合で含有する粒度分布となる。なお、汚泥の粒径を必要以上に微細とすることは、多くの動力を消費するばかりではなく、気流搬送する際の配管閉塞や供給用ホッパーの棚つり等のトラブル原因となるため好ましくない。
【００２６】
なお、ここで定義される汚泥の粒子径は篩い分け粒度分布測定装置によって測定されるものである。
【００２７】
なお、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内においては、汚泥中の重金属成分のみならずリンに関しても揮発が起きることが知られている。本気流床型ガス化溶融炉においては炉内にスラグ成分が滞在する時間が比較的短くなるため、電気炉タイプの溶融炉等と比較するとリンの揮発割合自体は減少するものの、揮発した一部のリンは炉後段の設備において付着性の強いダストとして析出し、長期間の安定操業を阻害するため、また、スラグの付加価値向上（スラグに含有されるリン含有量増大）のためには、揮発するリンを可能な限り抑制しスラグ中に移行させることが望ましい。
【００２８】
発明者らは、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内へ吹き込まれた汚泥粒子が炉内に滞留する時間を、汚泥中の有機物が部分酸化反応によって可燃性ガスへと転換するのに必要最低限な短い時間内に制御することによって、汚泥中のリンの揮発を抑制可能であることを見出した。なお、この場合の汚泥粒子とは、元来の汚泥粒子がガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内へ吹き込まれ、汚泥粒子中の有機物は部分酸化反応によってその大半がガスへと転換し、同時に汚泥中に含有される灰分はその融点以上の温度において溶融し、遂にはスラグ粒子へと変換していく一連の過程の粒子を意味する。また、汚泥粒子が炉内に滞留する時間（粒子滞留時間）とは、汚泥粒子がガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内へと吹き込まれてスラグ粒子へと変換し、更にそのスラグ粒子が炉底へ到達するまでの時間を意味する。
【００２９】
なお、汚泥粒子の炉内における滞留時間を短くすることによって汚泥中の有機物が可燃性ガスへと転換した割合を示す指標である炭素転換率が若干低下する場合があるが、汚泥は粒子滞留時間が1秒程度の短時間であっても９０％以上の高い炭素転換率が得られるため、特に問題とはならない。
【００３０】
すなわち、図３に示すように、微粉に調整された乾燥汚泥を気流搬送によって炉内へ投入する原料供給ノズル３０（複数本設置）をガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の壁に対して垂直方向に下向き０度以上の角度となるように設置し、同様の角度で微粉状の汚泥をガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内へ吹き込むことによって、汚泥中の有機物が部分酸化反応によって可燃性ガスへ転換するために必要な時間は確保しつつ、同時に灰分が溶融することによって生じたスラグは不必要に炉内に滞留することなく炉底へと到達し、スラグポット２０へ排出することが可能となる。
【００３１】
また、ノズル内およびノズル手前の汚泥搬送配管における汚泥粒子の閉塞を防止する観点からは原料供給ノズル３０（複数本設置）をガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の壁に対して垂直方向に下向き１５〜４５度の角度となるように設置することがより望ましい。原料供給ノズル３０を０度（水平）よりも上向きに設置した場合、吹き込まれた汚泥粒子およびその後のスラグ粒子はノズルより上方の炉上部まで到達し、その後炉底へと落下する軌跡をたどった結果、炉内に滞留する時間が長くなり、リンの揮発量が増加してしまうため、更にはノズル内およびノズル手前の汚泥搬送配管における汚泥粒子の閉塞が発生する可能性が高くなるため好ましくない。また、４５度よりも吹き込み角度を大きくした場合には、ノズル先に形成させる高温のフレーム（火炎）が炉底や炉壁と接触することによって生じる、炉底や炉壁の損傷が激しくなるために好ましくない。
【００３２】
更に加えて、微粉に調整された乾燥汚泥をガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内へ吹き込む際、炉内の周方向への旋回が大きくなることは、汚泥粒子の滞留時間の増加につながるため好ましくない。すなわち、図４（ａ）、（ｂ）に図示するように、当該原料供給ノズル３０が、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の炉内直径３４に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円３５（図４（ａ）、（ｂ）は１／６の例）の接線方向に向けて複数本設置することが好適である。なお、各ノズル３０は同一の旋回円３５の接線方向に向けられることが好ましいが、ズレてもよい。また、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、旋回円の直径をゼロとし、すべてのノズルが炉の中心軸を向くように設置しても構わない。
【００３３】
原料供給ノズル３０の本数は、２本でも可能であるが、旋回流の安定性から３本以上が好ましく、取り扱い安さ及び経済性の面からは、６本以下が好ましい。
【００３４】
なお、上記に示したような汚泥の吹き込み手段によって、汚泥粒子の滞留時間を適切に制御するためには、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の内径が５ｍ以内、高さが１０ｍ以内の円筒形とし、また、気流搬送によって汚泥粒子を吹き込む際の速度（線流速）を５ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下とすることが望ましい。また、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の内径及び高さの下限としては、内径０．３ｍ以上、高さ０．３ｍ以上とすることが、炉製作の際の作業性、および炉の効率維持の観点から望ましい。
【００３５】
一般的なガス化溶融炉内において、汚泥粒子の滞留時間はガス滞留時間の数倍から数十倍程度の値を示す。しかし、先に述べたような条件に設定することによって、汚泥粒子の滞留時間はガス滞留時間と同様程度の滞留時間を示すようになる。なお、汚泥粒子中の有機物が部分酸化反応によってガスへと転換するのに必要な時間は１〜２秒であるため、粒子滞留時間も同様の１〜２秒の範囲とすることが望ましい。
【００３６】
また、図６に示すように、原料供給ノズル３０が設置されるガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の高さ方向の位置は、炉底部の温度を高温に維持し、スラグを抜き出し易くするために、炉高さ（内のり）の下半分の範囲とすることが望ましい。なお、この際のガス化溶融炉（高温ガス化部）とはガスクエンチャーおよびスラグポットを含めない、高温ガス化部のみを意味する。原料供給ノズル３０の設置位置をこれよりも高い位置とした場合、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の炉底から抜き出されずにガスと共に同伴されるスラグの量が増えるために好ましくない。
【００３７】
生成した溶融状態のスラグは炉底に設置された抜き出し用の穴（スラグタップ）より取り出され、水が充填されているスラグポット２０へと落下する。水中においてスラグは急冷されることによって急速に凝固し（水砕）、ガラス質（非晶質）の凝固体（水砕スラグ）へと変換される。水砕を行うことによって、スラグ中のリン酸は他の成分とガラス状の共融体を形成し、その大半が水溶性ではなくク溶性（２％クエン酸液に可溶）を示すようになる。ク溶性のリン酸は、土壌中あるいは水中において徐々に溶出する性質を持つようになるため、生成したスラグ２１を遅効性肥料（熔成リン肥）として直接有効利用するために好適である。生成したスラグ２１を配合肥料原料あるいはリン製造プロセスの原料であるリン鉱石の代替として使用する場合（本スラグを原料としてリンを製造する場合）、スラグの最終形態は水砕スラグ、徐冷スラグ等どのような形態であっても特に構わない。なお、徐冷スラグを製造する場合は、スラグタップから抜き出した溶融スラグを自然冷却すれば良い。
【００３８】
なお、生成したスラグ２１を直接、熔成リン肥として使用するためには、現状の肥料取締法に基づく規格（ク溶性リン酸：１７．０質量％以上、ク溶性苦土（Ｍｇ）：１２．０質量％以上、アルカリ分：４０．０質量％以上、可溶性ケイ酸：２０．０質量％以上を含有）を満たさなければならない。元来の汚泥にはこの規格を満たすだけの成分が含まれていない場合が多いため、別途これらの成分を副資材８として添加してガス化溶融炉（高温ガス化部）１７において汚泥と共に処理する必要がある。
【００３９】
上記規格を満たすためには、マグネシウム成分、カルシウム成分、シリカ成分を添加する必要がある。しかし、得られたスラグ２１を直接熔成リン肥として用いるのではなく、規格外の特殊肥料として、あるいはリン製造原料（リン鉱石代替）等として用いる場合には、これら副資材８を添加する必要はない。
【００４０】
この際添加するマグネシウムの形態は特に問わない。すなわち、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸水素マグネシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイト、焼成ドロマイト、ジャモン石、更にはマグネシウム成分を含有する廃棄物（廃レンガ等）等、どのような形態であっても構わない。
【００４１】
この際添加するカルシウムの形態に関しても、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸水素カルシウム、炭酸カルシウム、ドロマイト、焼成ドロマイト、カルシウム成分を含有する廃棄物（廃レンガ等）等、どのような形態であっても構わない。
【００４２】
同じく、この際添加するシリカの形態に関しても、二酸化ケイ素、珪石、ジャモン石、シリカ成分を含有する廃棄物（廃レンガ等）等、どのような形態であっても構わない。
【００４３】
また、マグネシウム成分、カルシウム成分、シリカ成分の混合割合は、肥料取締法に基づく規格に合うように適宜調整すれば良い。
【００４４】
これら副資材８を汚泥へ添加するタイミングに関し、汚泥乾燥設備１２前の汚泥（脱水ケーキ）１に添加しても良く、また汚泥乾燥設備１２後の乾燥汚泥１３に添加しても良い。しかし、酸化マグネシウムまたは酸化カルシウムを副資材として使用する場合は、汚泥乾燥設備１２前の汚泥（脱水ケーキ）１に添加することが望ましい。添加された酸化マグネシウムまたは酸化カルシウムは脱水ケーキ中に多量に含有される水分と以下の（１）または（２）式で示される反応式によって反応し、脱水ケーキ中の水分の一部が除去されるため、汚泥乾燥設備における所要燃料を削減することが可能となる。
【００４５】
ＭｇＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）2 …（１）
ＣａＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）2 …（２）
なお、副資材８として添加したマグネシウムおよびカルシウムの一部は脱硫剤としても機能する。すなわち汚泥中に含まれる硫黄分を硫化物（ＭｇＳ、ＣａＳ）あるいは硫酸塩（ＭｇＳＯ4、ＣａＳＯ4）としてスラグ中へ固定化することによって、ガス化の際にガス中へ移行する硫黄分（Ｈ2Ｓ、ＣＯＳとして）を減少させる。ガス中へ移行する硫黄分の減少は、ガス化溶融炉後段への設置が必須である脱硫設備１１の規模を削減できるメリットがある。
【００４６】
一方、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７から排出された高温の可燃性ガスは、ガスクエンチャー１８においてスプレー水あるいはクエンチガス１９を吹き込むことによって１０００℃以下にまで冷却し、ガスと共に上部へ飛散したスラグを融点以下の温度で固化することによって灰付着（スラッギング）トラブルを防止した後、廃熱ボイラーあるいは空気予熱器等の廃熱回収器２３へと導入され、更なる熱の有効利用を図るものとするが、ガス中に同伴されるリンの含有量が少ないため、廃熱回収器２３の内面（伝熱面）へのリン由来の強粘着性ダスト析出による設備トラブルを回避することが可能となる。
【００４７】
廃熱回収器２３から排出された可燃性ガスは、フィルター（金属フィルター、セラミックスフィルター、バグフィルター等）またはサイクロ（登録商標）ンからなる脱塵設備２４においてガス中に含有されるダスト分を除去される。ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内において揮発した重金属成分が再び凝縮し、ダスト２５と共に回収可能となるように、脱塵設備２４において導入されるガスの温度は、大部分の重金属成分が凝縮する３５０℃以下とすることが望ましい。
【００４８】
脱塵設備２４から排出された可燃性ガスは脱硫設備２６において精製された後に、その全量あるいは一部を汚泥乾燥用燃料として汚泥乾燥設備において利用する。なお、可燃性ガスの発熱量および生成量は、ガス化される汚泥の発熱量、ガス化条件、及びクエンチ条件に応じて変動するが、可燃性ガス全量を乾燥用燃料として利用してもなお乾燥に必要な熱源が不足する場合には、別途補助燃料３を併用しても良い。また、逆に余剰の可燃性ガス２８が生じた場合、あるいは乾燥用に本可燃性ガス以外の別の熱源を使用した場合には、生成した可燃性ガス２７を乾燥以外の用途（例えば発電用燃料、メタノール等化学品合成原料、水素原料）に利用しても良い。
【００４９】
汚泥乾燥設備１２の方式としては、高温の熱風と汚泥を直接接触させる直接加熱方式のものが、粉砕機を用いずにまたは簡易かつ小型の粉砕機を介するだけで容易に微粉汚泥が得られる点において、また汚泥中の水分含有率（＝水分質量／汚泥質量−ｗｅｔ×１００）を１５％以下にまで低減できる点において好適である。具体的な乾燥機としては、気流乾燥機、熱風粉砕乾燥機、流動層式乾燥機、攪拌機付回転ドラム式乾燥機等、様々な種類のものが利用可能である。
【００５０】
乾燥後の汚泥中の水分含有率は、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の高効率化を達成する観点から、また前述した通り、汚泥は元来が微生物および細菌の集合体であるため、汚泥乾燥設備１２において水分含有率１５質量％以下程度まで乾燥を行えば、その大半は自然に粒径１ｍｍ以下程度の微粉状態となることから、１５質量％以下とすることが望ましい。なお、汚泥の性状によっても異なるが、水分含有率を５質量％以下とすることは、乾燥の際に必要なエネルギー消費量が大きくなるため好ましくない。
【００５１】
ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内の温度は、汚泥中に含まれる灰分の融点に応じた温度に設定され、灰分の融点よりも高い温度とするので１１００℃以上とするが、必要以上の高温とすることは、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内の炉壁の寿命を極度に短縮し、かつ放熱による熱損失も増加するために好ましくないので１６００℃以下とする。
【００５２】
ガス化の際にガス化剤として添加する酸素１６は同伴窒素による持ち出し顕熱を削減する観点から、可能な限り高濃度酸素を用いることが好ましい。しかし、必要以上に高濃度の酸素を製造することは酸素製造設備１５における投入エネルギーの増大等デメリットが増すばかりであり、ガス化そのものに与える影響は少ないため、ここで用いる酸素は一般的な酸素製造法（吸着分離法〈ＰＳＡ〉、深冷分離法）によって製造可能な濃度（８０容量％以上）で良い。また、酸素製造設備１５の規模削減のため、酸素製造設備１５によって製造した酸素を空気と混合した酸素富化空気を酸素の代わりに使用しても良い。この際の酸素富化空気中の酸素濃度は空気中に通常含有される酸素濃度よりも高い濃度であれば、同伴する窒素の持ち出し顕熱によるガス化溶融炉の効率低下を多少なりとも回避できる。しかし、ガス化溶融炉における効率上昇、ガス化溶融炉以降に設置される廃熱回収器２３、脱塵設備２４、脱硫設備２６等一連の機器類の規模削減のためにはガス化剤として酸素富化空気よりも８０容量％以上の酸素を用いることが望ましい。
【００５３】
本発明例においては、酸素を製造するためのエネルギー（電力）が別途必要となるが、従来法と比較して炉出口以降のガス処理関係の設備規模を大幅に縮小できるため、その部分での電力削減分で充分にカバーすることができる。
【００５４】
ここで添加する酸素量は、水分を含有する汚泥中の有機物を完全燃焼させるために必要な酸素量（いわゆる理論酸素量）よりも少ない酸素量とする。ここでいう有機物とは乾燥ベースの汚泥中の灰分を除いた部分（炭素、水素、窒素、硫黄、酸素を主体）を意味する。その割合は汚泥発熱量およびガス化溶融炉内温度を何度に設定するかによって異なるが、理論酸素量を１とした場合の割合で０．２〜０．８の範囲内で調整することが好適である。０．２未満の酸素比では、ガス化せずに未燃物へと転換する有機物が極めて多くなるため、また、０．８を超過する酸素比では、可燃性のガス成分（Ｈ2、ＣＨ4等）へ転換する割合がほとんどなくなり、大部分が燃焼ガス（ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）まで転換してしまうため、本発明の目的からして好ましくない。より好ましくは、０．３〜０．６の範囲内で調整することである。この範囲でガス化を行えば、汚泥の持つ有機物に対して発生する未燃物の割合を３０質量％以下に抑え、かつ可燃性ガス中に含有される可燃性成分の割合を４０容量％以上（ドライガスベース）とすることが可能である。
【００５５】
また、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内の温度制御の目的も兼ねて、ガス化剤としてスチームを酸素１６と併用しても良い。
【００５６】
なお、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内の圧力は特に規定しないが、大気圧よりも低い圧力とした場合には、外部からの空気の漏れ込みによる爆発の危険性があるため好ましくない。また、大気圧よりも高い加圧条件とする場合にはガス化溶融炉をコンパクトにすることのできるメリットもある。
【００５７】
本発明で使用する汚泥として、下水汚泥以外に、産業排水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥（例えば、コークス炉排水（安水）処理設備、ステンレス酸洗排水の処理設備、各種食品工場の排水処理設備から排出される余剰汚泥等）を用いても良い。
【実施例】
【００５８】
実施例１
図７に示したフローに従って、本発明例を実施した。
【００５９】
使用した下水汚泥の分析値を表１に示す（灰の組成に関しては、表示以外の成分を含有し、分析途中のロスも生じるため合計が１００％とならない）。なお、この汚泥は下水処理場の脱水機から排出されたもの（脱水ケーキ）である。
【００６０】
【表１】
【００６１】
下水汚泥（脱水ケーキ）１（１００t/day）を、気流（熱風）型の汚泥乾燥設備に１２おいて乾燥後、生成した乾燥汚泥１３（水分含有量７質量％、平均粒径４７０μｍ）を、汚泥供給ホッパー１４より、酸素製造設備１５の副産物である窒素による気流搬送によってガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ投入した。なお、原料供給ノズルは４本とし、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の炉底から１／３の高さ位置において、下向きの１５度の角度で、各々のノズルからガス化溶融炉の炉内直径に対して１／６の直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、微粉状の乾燥汚泥１３を気流搬送（ガス流速１０ｍ／ｓ、固気比１５）によって吹き込むものとした。
【００６２】
ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内において、汚泥は酸素１６と共に、温度１３５０℃でガス化溶融され、高温の可燃性ガスおよびスラグへと転換すると同時に汚泥中に含有される重金属の一部がガス中へ揮発した。生成した溶融スラグは炉底のスラグタップより抜き出され、スラグポット内において水砕された後に水砕のスラグ２１として回収された。一方、生成した高温の可燃性ガスはガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の上部のガスクエンチャー１８においてスプレー水３６によって９００℃まで冷却された後、空気予熱器３７において顕熱を回収された後、脱塵設備２４へ導入され、ダスト分を除去し、更には脱硫設備２６へ導入され、クリーンな可燃性ガス２７として回収できた。その可燃性ガス２７の全量を燃料ガスとして汚泥乾燥設備１２へ導入し、空気予熱器３７において予熱された空気と共に燃焼させることによって、乾燥熱源として利用した。本実施例に関して、補助燃料は一切必要なく、プロセスを熱的に自立させることが可能であった。
【００６３】
表２にスラグポット２０から回収された水砕スラグ２１の組成を示す。元の汚泥中に含まれていたリンの中の９６％をスラグ中へ移行させることが可能であった。すなわち、リンの揮発は大幅に抑制しつつ、汚泥中に含有されていた重金属を揮発させ、スラグから除去することが可能であった。特に汚泥中に多く含有されていた亜鉛の大部分を除去することが可能であった。
【００６４】
なお、生成したスラグ２１は配合肥料原料として有効利用可能であった。
【００６５】
【表２】
【００６６】
表３に本発明例（実施例１）および従来のリン回収プロセス（流動床型汚泥焼却炉＋リン回収用電気式灰溶融炉）におけるユーティリティー使用量を示す。本発明例においては、従来法よりも補助燃料使用量および電力使用量を大幅に削減できた。また、従来法よりも設備構成が極めてシンプルであるため、設備コストおよび設備設置スペースも７割程度に削減可能であった。
【００６７】
【表３】
【００６８】
実施例２
図８に示したフローに従って、本発明例を実施した。
【００６９】
使用した下水汚泥の分析値を表４に示す（灰の組成に関しては、表示以外の成分を含有し、分析途中のロスも生じるため合計が１００％とならない）。なお、この汚泥は下水処理場の脱水機から排出されたもの（脱水ケーキ）である。
【００７０】
【表４】
【００７１】
下水汚泥（脱水ケーキ）１（１００t/day）を、気流（熱風）型の汚泥乾燥設備１２において乾燥後、生成した乾燥汚泥１３（水分含有量７質量％、平均粒径４７０μｍ）を、副資材８であるドロマイト２．６ｔ／ｄａｙおよび珪石０．５ｔ／ｄａｙと混合後、汚泥供給ホッパー１４より、酸素製造設備１５の副産物である窒素による気流搬送によってガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ投入した。なお、原料供給ノズルは４本とし、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の炉底から１／３の高さ位置において、下向きの１５度の角度で、各々のノズルからガス化溶融炉の炉内直径に対して１／６の直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、副資材が混合された微粉汚泥を気流搬送（ガス流速１０ｍ／ｓ、固気比１５）によって吹き込むものとした。ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内において、汚泥は酸素と共に、温度１４００℃でガス化溶融され、高温の可燃性ガスおよびスラグへと転換すると同時に汚泥中に含有される重金属の一部がガス中へ揮発した。生成した溶融スラグは炉底のスラグタップより抜き出され、スラグポット内において水砕された後に水砕のスラグ（リン肥料）１０として回収された。一方、生成した高温の可燃性ガスはガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の上部のガスクエンチャー１８においてスプレー水３６によって９００℃まで冷却された後、空気予熱器３７において顕熱を回収された後、脱塵設備２４へ導入され、ダスト分を除去し、更には脱硫設備２６へ導入され、クリーンな可燃性ガス２７として回収できた。その可燃性ガス２７の全量を燃料ガスとして汚泥乾燥設備へ導入し、空気予熱器において予熱された空気と共に燃焼させることによって、乾燥熱源として利用した。本実施例に関して、汚泥乾燥設備における補助燃料３としてＡ重油を３Ｌ／ｔ−脱水ケーキ使用した。
【００７２】
表５にスラグポット２０から回収された水砕スラグ１０の組成を示す。元の汚泥中に含まれていたリンの中の９５％をスラグ中へ移行させることが可能であった。すなわち、リンの揮発は大幅に抑制しつつ、汚泥中に含有されていた重金属を揮発させ、スラグから除去することが可能であった。特に汚泥中に多く含有されていた亜鉛の大部分を除去することが可能であった。
【００７３】
なお、生成したスラグ１０は熔成リン肥としての規格を満たしていたため、直接リン肥料として有効利用可能であった。
【００７４】
【表５】
【００７５】
表６に本発明例（実施例１）および従来のリン回収プロセス（流動床型汚泥焼却炉＋リン回収用電気式灰溶融炉）におけるユーティリティー使用量を示す。本発明例においては、従来法よりも補助燃料使用量および電力使用量を大幅に削減できた。また、従来法よりも設備構成が極めてシンプルであるため、設備コストおよび設備設置スペースも７割程度に削減可能であった。
【００７６】
【表６】
【００７７】
比較例
図９に示したフローに従って、本発明例を実施した。
【００７８】
使用した下水汚泥の分析値を表７に示す（灰の組成に関しては、表示以外の成分を含有し、分析途中のロスも生じるため合計が１００％とならない）。なお、この汚泥は下水処理場の脱水機から排出されたもの（脱水ケーキ）である。
【００７９】
【表７】
【００８０】
下水汚泥（脱水ケーキ）１（１００t/day）を、気流（熱風）型の汚泥乾燥設備に１２おいて乾燥後、生成した乾燥汚泥１３（水分含有量７質量％、平均粒径４７０μｍ）を、汚泥供給ホッパー１４より、酸素製造設備１５の副産物である窒素による気流搬送によってガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ投入した。なお、原料供給ノズルは４本とし、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の炉底から１／３の高さ位置において、０度の角度で、各々のノズルからガス化溶融炉の炉内直径に対して１／２の直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、微粉状の乾燥汚泥１３を気流搬送（ガス流速１０ｍ／ｓ、固気比１５）によって吹き込むものとした。
【００８１】
ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内において、汚泥は酸素１６と共に、温度１３５０℃でガス化溶融され、高温の可燃性ガスおよびスラグへと転換すると同時に汚泥中に含有される重金属の一部がガス中へ揮発した。生成した溶融スラグは炉底のスラグタップより抜き出され、スラグポット内において水砕された後に水砕のスラグ２１として回収された。一方、生成した高温の可燃性ガスはガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の上部のガスクエンチャー１８においてスプレー水３６によって９００℃まで冷却された後、空気予熱器３７において顕熱を回収された後、脱塵設備２４へ導入され、ダスト分を除去し、更には脱硫設備２６へ導入され、クリーンな可燃性ガス２７として回収できた。その可燃性ガス２７の全量を燃料ガスとして汚泥乾燥設備１２へ導入し、空気予熱器３７において予熱された空気と共に燃焼させることによって、乾燥熱源として利用した。本実施例に関して、補助燃料は一切必要なく、プロセスを熱的に自立させることが可能であった。
【００８２】
表８にスラグポット２０から回収された水砕スラグ２１の組成を示す。元の汚泥中に含まれていたリンの中でスラグ中へ移行させることができた割合は７７％であった。すなわち、実施例１と比較してリンの揮発が促進され、ダスト中に移行した割合が多くなった。なお、これらリンを高濃度で含有するダストの一部は後段の空気予熱器３７の伝熱面（内面）に付着し、熱交換能力低下の原因となった。
【００８３】
【表８】
【００８４】
図１０に実施例１と同様のガス化条件における、リンのスラグへの移行割合と汚泥の吹き込み角度との関係を示す。吹き込み角度を０度よりも上向き（図中ではマイナスで表示）とすることによって、リンのスラグへの移行割合が小さくなった。また、吹き込み角度を４５度よりも大きくすることによって、炉壁、炉底等のガス化炉体の損傷が激しくなった。更に吹き込み角度を１５度よりも小さくすることによって、汚泥の気流搬送配管内において閉塞が発生する頻度が大きくなった。
【００８５】
図１１に実施例１と同様のガス化条件における、リンのスラグへの移行割合と汚泥の吹き込み方向（炉内直径に対する旋回円径のサイズ）との関係を示す。旋回円径を炉内直径の１／５以上とすることによって、リンのスラグへの移行割合が小さくなった。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】従来技術に関するフローシートである。
【図２】本発明に関するフローシートである。
【図３】本発明の乾燥汚泥の吹き込み方法に関するフローシートである。
【図４】本発明の乾燥汚泥の吹き込み方法に関するフローシートである。
【図５】本発明の乾燥汚泥の吹き込み方法に関するフローシートである。
【図６】本発明の乾燥汚泥の吹き込み方法に関するフローシートである。
【図７】本発明の実施例におけるフローシートおよびマスバランスである。
【図８】本発明の実施例におけるフローシートおよびマスバランスである。
【図９】本発明の比較例におけるフローシートおよびマスバランスである。
【図１０】リンのスラグへの移行割合と汚泥の吹き込み角度との関係を示すグラフである。
【図１１】リンのスラグへの移行割合と汚泥の吹き込み方向（炉内直径に対する旋回円径のサイズ）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８７】
１ 汚泥（脱水ケーキ）
２ 空気
３ 補助燃料
４ 汚泥焼却炉
５ 排ガス
６ 焼却灰
７ コークス
８ 副資材
９ 灰溶融炉
１０ スラグ（リン肥料）
１１ 排ガス処理設備
１２ 汚泥乾燥機
１３ 乾燥汚泥
１４ 汚泥供給ホッパー
１５ 酸素製造設備
１６ 酸素
１７ ガス化溶融炉（高温ガス化部）
１８ ガスクエンチャー
１９ スプレー水またはクエンチガス
２０ スラグポット
２１ スラグ
２２ 可燃性ガス
２３ 廃熱回収器
２４ 脱塵設備技術センター
２５ ダスト
２６ 脱硫設備
２７ 可燃性ガス（クリーン）
２８ 可燃性ガス（余剰分）
２９ 可燃性ガス（クリーン）の汚泥乾燥設備への循環ライン
３０ 原料供給ノズル
３１ 汚泥吹き込み範囲
３２ ガス化溶融炉高さ
３３ 原料供給ノズル設置位置
３４ ガス化溶融炉（高温ガス化部）の炉内直径
３５ 旋回円
３６ スプレー水
３７ 空気予熱器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として下水の生物学的処理により発生する活性汚泥をガス化溶融処理して、汚泥中の有機物等を可燃性ガスとして回収すると共に、汚泥中に含有されるリンをスラグ中に取り込んで回収し、肥料またはリン原料として有効利用する方法、及びそのために使用する汚泥のガス化溶融炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排水、特に下水を生物学的処理によって浄化する際に発生する余剰の活性汚泥（以下汚泥と略す）は、下水道の普及、また下水処理場における高度処理プロセス（窒素、リンの除去等）の導入等に伴って益々増加する傾向にある。これら汚泥は、現状ではその多くが減容化処理の後、単純に埋め立て処分されている。その際の汚泥の形態としては、脱水処理後のいわゆる脱水ケーキ（水分含有率８０質量％程度）、あるいは脱水ケーキを焼却処理後の焼却灰として埋め立てられる場合が大半を占めている。
【０００３】
また、近年では、埋め立て地の逼迫等の理由によって、更なる汚泥の減容化あるいは有効利用を狙いとして、汚泥の溶融処理が一部で実施されている。汚泥の溶融処理は、汚泥を灰の溶融点以上の高温雰囲気下で空気燃焼させることによって、汚泥をスラグへと変換し、汚泥の嵩密度の低減あるいは建設資材等としての有効利用を図る技術である。
【０００４】
汚泥は乾燥状態においては６３００〜２１０００ｋＪ／ｋｇ−ｄｒｙ程度の発熱量を持つのが一般的であるが、通常の下水処理場における最終形態である脱水ケーキの状態においては依然として８０質量％程度の大量の水分を含有しているため、熱損失（炉体からの放散熱、燃焼用空気中の同伴窒素による持ち出し顕熱、水の蒸発潜熱等）を加味すると汚泥自体の持つ発熱量のみで燃焼（すなわち自燃）させることは困難である。従って従来の汚泥焼却炉においては、何らかの方法（炉内へ直接添加する、空気予熱用燃料として使用する等）で補助燃料を使用することが必要不可欠である。なお、補助燃料削減を狙いとして、焼却炉から排出される高温排ガス中の顕熱を熱交換機等の熱回収設備によって間接的に回収し、燃焼空気の予熱に利用する場合が一般的である。
【０００５】
また、通常の汚泥溶融炉においては、溶融炉内を灰の溶融点以上の高温（１１００〜１６００℃程度、焼却炉は灰の融点以下の１０００℃以下）に保つ必要があり、脱水ケーキを直接炉内へ投入したのでは大量の補助燃料が必要なので極めて非効率となるため、事前に乾燥設備によって汚泥の乾燥作業を行う場合が一般的である。しかし、汚泥中の水分を削減して蒸発潜熱による熱損失を防いだ場合であっても、その他の熱損失を加味すると、汚泥を完全に燃焼させたとしても炉内温度を灰の融点以上の高温に維持することは困難であり、汚泥焼却炉の場合と同様、何らかの方法（炉内へ直接添加する、空気予熱用燃料として使用する等）で補助燃料を使用することが必要不可欠である。また当然、前段の乾燥設備においては別途乾燥のための熱源が必要となるが、外部からの燃料（補助燃料、例えば、重油、灯油、軽油、ＬＰＧ、ＬＮＧ、都市ガス、消化ガス等）の導入を極力抑えるため、溶融炉から排出される高温排ガス中の顕熱を廃熱ボイラーや熱交換機等の熱回収設備によって間接的に回収し、乾燥機における必要熱源の一部に充当して用いることが一般的である。
【０００６】
一方、汚泥中には主に排水中に含有されるリンに由来する比較的高濃度のリンが蓄積していることが知られている。汚泥中に含まれるリン濃度は、通常のリン製造プロセスにおける原料であるリン鉱石と同等レベルに達する場合もあるため、近年汚泥を焼却したあとの焼却灰からリンを回収し有効利用を図る技術が提案されている。
【０００７】
例えば、特許文献１および特許文献２においては、汚泥を焼却処理した後の焼却灰をカルシウム成分およびマグネシウム成分と混合後に溶融して生産したスラグをリン肥料（熔成リン肥代替）として使用する汚泥中リンの有効利用方法が提案されている。
【０００８】
また、特許文献３においては、汚泥を乾燥後、気流搬送して溶融炉に吹き込み、酸素又は酸素富化空気で汚泥を部分燃焼して還元ガスとスラグを回収する方法が提案されており、この方法では補助燃料を使用しなくとも汚泥のガス化、溶融が可能となる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−８０９７９号公報
【特許文献２】特開２００３−１１２９８８号公報
【特許文献３】特開平１１−１５９７２２号公報
【非特許文献１】仙波範明、保田静生、西川進、川見佳正、古角雅之「第７回廃棄物学会研究発表会講演論文集」廃棄物学会、１９９６年、ｐ４６４
【非特許文献２】義家亮、西村誠、守富寛「第１１回廃棄物学会研究発表会講演論文集」廃棄物学会、２０００年、ｐ８６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図1に特許文献１および特許文献２に記載されている従来の排水の生物学的処理により発生しリン含有灰分を有する汚泥の有効利用方法（スラグをリン肥料として利用）の基本フローを示す。従来の方法においては、汚泥（脱水ケーキ）１を空気２によって燃焼させることによって減容化する汚泥焼却炉４の後段へ更にリン肥料製造用の灰溶融炉９を設置する２段構成のプロセスとなっている。このようなプロセスにおいては、当然炉を２基分設置するため、設備コストは増大しかつ大きな設置スペースを必要とする。特に、汚泥焼却炉４においては汚泥１（場合によっては補助燃料も一緒に）を過剰の空気２によって高温燃焼させて発生した大量かつ高温の排ガス５（主成分はＮ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）から処理するための一連の排ガス処理設備１１（廃熱回収器、脱塵設備、脱硫設備等）は極めて大がかりなものとなり、設置コストおよび設備スペースが上乗せされる大きな一因となっている。
【００１１】
また、前記した通り、汚泥焼却炉４においては補助燃料３の使用が必要不可欠であり、また、後段の灰溶融炉９においては一般的に電気炉が使用されるため、従来のプロセスにおいては、燃料コスト、電力コスト等のユーティリティーコストが極めて高額になってしまうという問題もあった。
【００１２】
灰溶融炉９内においては汚泥の焼却灰６を肥料化のために必要な副資材８（マグネシウム、カルシウム等）とともに灰の融点以上の高温まで昇温させる必要があり、その際汚泥中に含有される金属成分の一部分は揮発し、スラグから除去されることが知られている。炉内を還元性雰囲気とした場合、揮発は更に促進される（例えば、非特許文献１、２参照）。特許文献２においても炉内を還元性雰囲気に保ち重金属類をスラグ１０中へ極力移行させないようにするものと述べられているが、そのためには炭素源として外部から高価な燃料であるコークス７を添加する必要があった。
【００１３】
尚、特許文献３には、リンの回収については記載されていないが、汚泥の部分酸化反応時間を長く確保するため、汚泥ノズルに相当するバーナーの角度を、燃焼ガスの旋回流が大きくなるように炉壁に沿うようにセットしているため、汚泥中のリンは揮発が促進されて燃焼ガス側に大部分移行してしまい、スラグ中にリンを取り込んで回収することは困難であった。
【００１４】
なお、特に有害な金属成分である水銀、砒素、クロム、鉛、カドミウム、セレン等に関しては元々汚泥中に含有されている量自体が僅かであるため、生成したスラグを有効利用する上で実質的にはほとんど問題とはならない。しかし、亜鉛に関しては、一般家庭で用いられる洗剤等、様々な由来の成分が下水中に多量に排出される関係上、最大１％程度の含有量であることが一般的である。亜鉛はスラグを有効利用する上での有害物質（建設資材として使用する際の溶出の規制値、 肥料として使用する際の含有量の規制値）には指定されていないが、土壌中の含有許容量には規制があるため、特に生成したスラグを肥料として使用する際には、農地の土壌中へ溶け出した亜鉛が徐々に蓄積してしまうという大きな問題があった。
【００１５】
本発明の目的は、汚泥を高効率かつ低コストに溶融処理し、可燃性ガスを回収すると共に、汚泥中に含有されるリンの多くをスラグ中に取り込んで回収し、肥料またはリン原料として使用するためのスラグを得ることが可能な、汚泥有効利用方法及びそのための汚泥のガス化溶融炉を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するための本発明の要旨は次の通りである。
（１）排水の生物学的処理により発生しリンを含有する汚泥を、前記灰分の融点以上の温度を有する気流床型ガス化溶融炉内へ、炉壁に対して垂直方向の吹き込み角度が下向き０〜４５度となるように、且つ、ガス化溶融炉の炉内直径に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、複数本の原料供給ノズルから気流搬送で吹き込み、前記汚泥を酸素又は酸素富化空気と部分酸化反応させて可燃性ガスを生成すると共に、前記灰分を溶融させてリンを含有するスラグを生成し、当該生成した可燃性ガス及びスラグを回収することを特徴とする汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
（２）前記生成したスラグを水中において急冷し、水砕スラグとして回収することを特徴とする（１）記載の汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
（３）前記汚泥に、マグネシウム成分、カルシウム成分、シリカ成分の少なくともいずれかを添加し、当該添加後の汚泥を前記ガス化溶融炉内へ吹き込むことを特徴とする（１）又は（２）に記載の汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
（４）排水の生物学的処理により発生しリンを含有する汚泥のガス化溶融炉であって、前記汚泥を気流搬送で前記ガス化溶融炉の内部に吹き込む原料供給ノズルを複数本有し、当該ノズルは、前記ガス化溶融炉の炉壁に対して垂直方向の吹き込み角度を下向き０〜４５度とし、且つ、前記ガス化溶融炉の炉内直径に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて配置される、又は、お互いに向き合った対向方向に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、主として下水の生物学的処理により発生する余剰の活性汚泥を高効率且つ低コストにガス化溶融処理し、可燃性ガスを回収すると共に、汚泥中に含有されるリンをスラグ中に取り込んで回収し、肥料またはリン原料として有効利用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を詳細に説明する。図２に本発明に関するフローシートを示す。
【００１９】
本フローにおける設備構成は、汚泥乾燥設備１２の後段に、上部にガスクエンチャー１８が設けられたガス化溶融炉（高温ガス化部）１７が設置され、その後段に、廃熱回収器２３（廃熱ボイラー、空気予熱器等）、高温フィルター（金属フィルター、セラミックスフィルター等）またはサイクロ（登録商標）ン等の脱塵設備２４、脱硫設備２６が配置され、更に、製品である可燃性ガス（クリーン）２７の汚泥乾燥設備１２への循環ライン２９が設けられたものである。
【００２０】
汚泥乾燥設備１２から排出された乾燥汚泥１３は微粉状態であり、気流床型のガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ気流搬送によって投入される。ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内において汚泥は酸素１６をガス化剤とした部分酸化反応（不完全燃焼）によって、１１００〜１６００℃の高温でガス化され、高温の可燃性ガス（主成分はＨ2、ＣＯ、ＣＨ4、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）とスラグへと転換される。
【００２１】
なお、ここで述べるところのスラグとは、汚泥中に含有される灰分がその融点以上の温度において溶融したものを意味する（再度冷却されて固化したものも含む）。また、灰分の融点とはＪＩＳ Ｍ８８０１（灰の溶融性試験方法）において規定される溶流点温度を意味する。
【００２２】
空気（すなわち空気中に含有される酸素）を過剰に加えることによって汚泥を完全燃焼させる必要のある通常の汚泥焼却炉あるいは汚泥溶融炉における炉内雰囲気は酸化性雰囲気となるが、本発明におけるガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内においては酸素不足状態下での反応が起きるため還元性雰囲気となる。そのような高温の還元性雰囲気において汚泥を溶融した場合、汚泥中に含有される重金属類の揮発が促進されることが知られている（例えば非特許文献１、２参照）。
【００２３】
特に本ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ投入された微粉状の汚泥は、瞬時に有機分がガス化されると同時に灰分が溶融し、スラグの微細粒子へと転換される。スラグが微粒子化することによって比表面積が増加し、周囲の還元性雰囲気ガスとの接触するタイミングも増加するため、汚泥中に含有される重金属類、特に含有量の多い亜鉛はその揮発量が飛躍的に増加する。この際のガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ投入する前の微粉状汚泥の粒径は１ｍｍ以下とすることが、重金属の揮発除去量を高める観点から望ましい。揮発した重金属成分は高温の可燃性ガス中へ同伴され、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７から排出される。
【００２４】
なお、汚泥は元来が微生物および細菌の集合体であるため、汚泥乾燥設備１２において水分含有率１５質量％以下程度まで乾燥を行えば、その多くは粒径１ｍｍ以下程度の微粉状態となる。しかし、汚泥乾燥設備１２の方式（例えば、撹拌破砕機付回転乾燥方式）や汚泥の性状によっては、直径1ｍｍより大きな粒状の汚泥が少量混合する場合も起こりうる。これら１ｍｍより大きい粒径の汚泥粒子は、先に述べたスラグからの重金属揮発低下の原因となるばかりではなく、微粉汚泥を気流搬送する際の配管閉塞等のトラブル原因となるため、そのような場合は、汚泥乾燥設備１２の後段にローラーミル、カッターミル等の粉砕機を設置し、すべての汚泥粒子を１ｍｍ以下に調整することが望ましい。また、粉砕機の代わりに振動篩いを設置し、１ｍｍより大きな粒径の汚泥を除去しても良い。
【００２５】
このようにして調整した汚泥粒子は、通常、粒径として１ｍｍ以下、その内１０μｍ以下の粒子を２０％程度の割合で含有する粒度分布となる。なお、汚泥の粒径を必要以上に微細とすることは、多くの動力を消費するばかりではなく、気流搬送する際の配管閉塞や供給用ホッパーの棚つり等のトラブル原因となるため好ましくない。
【００２６】
なお、ここで定義される汚泥の粒子径は篩い分け粒度分布測定装置によって測定されるものである。
【００２７】
なお、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内においては、汚泥中の重金属成分のみならずリンに関しても揮発が起きることが知られている。本気流床型ガス化溶融炉においては炉内にスラグ成分が滞在する時間が比較的短くなるため、電気炉タイプの溶融炉等と比較するとリンの揮発割合自体は減少するものの、揮発した一部のリンは炉後段の設備において付着性の強いダストとして析出し、長期間の安定操業を阻害するため、また、スラグの付加価値向上（スラグに含有されるリン含有量増大）のためには、揮発するリンを可能な限り抑制しスラグ中に移行させることが望ましい。
【００２８】
発明者らは、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内へ吹き込まれた汚泥粒子が炉内に滞留する時間を、汚泥中の有機物が部分酸化反応によって可燃性ガスへと転換するのに必要最低限な短い時間内に制御することによって、汚泥中のリンの揮発を抑制可能であることを見出した。なお、この場合の汚泥粒子とは、元来の汚泥粒子がガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内へ吹き込まれ、汚泥粒子中の有機物は部分酸化反応によってその大半がガスへと転換し、同時に汚泥中に含有される灰分はその融点以上の温度において溶融し、遂にはスラグ粒子へと変換していく一連の過程の粒子を意味する。また、汚泥粒子が炉内に滞留する時間（粒子滞留時間）とは、汚泥粒子がガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内へと吹き込まれてスラグ粒子へと変換し、更にそのスラグ粒子が炉底へ到達するまでの時間を意味する。
【００２９】
なお、汚泥粒子の炉内における滞留時間を短くすることによって汚泥中の有機物が可燃性ガスへと転換した割合を示す指標である炭素転換率が若干低下する場合があるが、汚泥は粒子滞留時間が1秒程度の短時間であっても９０％以上の高い炭素転換率が得られるため、特に問題とはならない。
【００３０】
すなわち、図３に示すように、微粉に調整された乾燥汚泥を気流搬送によって炉内へ投入する原料供給ノズル３０（複数本設置）をガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の壁に対して垂直方向に下向き０度以上の角度となるように設置し、同様の角度で微粉状の汚泥をガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内へ吹き込むことによって、汚泥中の有機物が部分酸化反応によって可燃性ガスへ転換するために必要な時間は確保しつつ、同時に灰分が溶融することによって生じたスラグは不必要に炉内に滞留することなく炉底へと到達し、スラグポット２０へ排出することが可能となる。
【００３１】
また、ノズル内およびノズル手前の汚泥搬送配管における汚泥粒子の閉塞を防止する観点からは原料供給ノズル３０（複数本設置）をガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の壁に対して垂直方向に下向き１５〜４５度の角度となるように設置することがより望ましい。原料供給ノズル３０を０度（水平）よりも上向きに設置した場合、吹き込まれた汚泥粒子およびその後のスラグ粒子はノズルより上方の炉上部まで到達し、その後炉底へと落下する軌跡をたどった結果、炉内に滞留する時間が長くなり、リンの揮発量が増加してしまうため、更にはノズル内およびノズル手前の汚泥搬送配管における汚泥粒子の閉塞が発生する可能性が高くなるため好ましくない。また、４５度よりも吹き込み角度を大きくした場合には、ノズル先に形成させる高温のフレーム（火炎）が炉底や炉壁と接触することによって生じる、炉底や炉壁の損傷が激しくなるために好ましくない。
【００３２】
更に加えて、微粉に調整された乾燥汚泥をガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内へ吹き込む際、炉内の周方向への旋回が大きくなることは、汚泥粒子の滞留時間の増加につながるため好ましくない。すなわち、図４（ａ）、（ｂ）に図示するように、当該原料供給ノズル３０が、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の炉内直径３４に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円３５（図４（ａ）、（ｂ）は１／６の例）の接線方向に向けて複数本設置することが好適である。なお、各ノズル３０は同一の旋回円３５の接線方向に向けられることが好ましいが、ズレてもよい。また、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、旋回円の直径をゼロとし、すべてのノズルが炉の中心軸を向くように設置しても構わない。
【００３３】
原料供給ノズル３０の本数は、２本でも可能であるが、旋回流の安定性から３本以上が好ましく、取り扱い安さ及び経済性の面からは、６本以下が好ましい。
【００３４】
なお、上記に示したような汚泥の吹き込み手段によって、汚泥粒子の滞留時間を適切に制御するためには、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の内径が５ｍ以内、高さが１０ｍ以内の円筒形とし、また、気流搬送によって汚泥粒子を吹き込む際の速度（線流速）を５ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下とすることが望ましい。また、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の内径及び高さの下限としては、内径０．３ｍ以上、高さ０．３ｍ以上とすることが、炉製作の際の作業性、および炉の効率維持の観点から望ましい。
【００３５】
一般的なガス化溶融炉内において、汚泥粒子の滞留時間はガス滞留時間の数倍から数十倍程度の値を示す。しかし、先に述べたような条件に設定することによって、汚泥粒子の滞留時間はガス滞留時間と同様程度の滞留時間を示すようになる。なお、汚泥粒子中の有機物が部分酸化反応によってガスへと転換するのに必要な時間は１〜２秒であるため、粒子滞留時間も同様の１〜２秒の範囲とすることが望ましい。
【００３６】
また、図６に示すように、原料供給ノズル３０が設置されるガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の高さ方向の位置は、炉底部の温度を高温に維持し、スラグを抜き出し易くするために、炉高さ（内のり）の下半分の範囲とすることが望ましい。なお、この際のガス化溶融炉（高温ガス化部）とはガスクエンチャーおよびスラグポットを含めない、高温ガス化部のみを意味する。原料供給ノズル３０の設置位置をこれよりも高い位置とした場合、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の炉底から抜き出されずにガスと共に同伴されるスラグの量が増えるために好ましくない。
【００３７】
生成した溶融状態のスラグは炉底に設置された抜き出し用の穴（スラグタップ）より取り出され、水が充填されているスラグポット２０へと落下する。水中においてスラグは急冷されることによって急速に凝固し（水砕）、ガラス質（非晶質）の凝固体（水砕スラグ）へと変換される。水砕を行うことによって、スラグ中のリン酸は他の成分とガラス状の共融体を形成し、その大半が水溶性ではなくク溶性（２％クエン酸液に可溶）を示すようになる。ク溶性のリン酸は、土壌中あるいは水中において徐々に溶出する性質を持つようになるため、生成したスラグ２１を遅効性肥料（熔成リン肥）として直接有効利用するために好適である。生成したスラグ２１を配合肥料原料あるいはリン製造プロセスの原料であるリン鉱石の代替として使用する場合（本スラグを原料としてリンを製造する場合）、スラグの最終形態は水砕スラグ、徐冷スラグ等どのような形態であっても特に構わない。なお、徐冷スラグを製造する場合は、スラグタップから抜き出した溶融スラグを自然冷却すれば良い。
【００３８】
なお、生成したスラグ２１を直接、熔成リン肥として使用するためには、現状の肥料取締法に基づく規格（ク溶性リン酸：１７．０質量％以上、ク溶性苦土（Ｍｇ）：１２．０質量％以上、アルカリ分：４０．０質量％以上、可溶性ケイ酸：２０．０質量％以上を含有）を満たさなければならない。元来の汚泥にはこの規格を満たすだけの成分が含まれていない場合が多いため、別途これらの成分を副資材８として添加してガス化溶融炉（高温ガス化部）１７において汚泥と共に処理する必要がある。
【００３９】
上記規格を満たすためには、マグネシウム成分、カルシウム成分、シリカ成分を添加する必要がある。しかし、得られたスラグ２１を直接熔成リン肥として用いるのではなく、規格外の特殊肥料として、あるいはリン製造原料（リン鉱石代替）等として用いる場合には、これら副資材８を添加する必要はない。
【００４０】
この際添加するマグネシウムの形態は特に問わない。すなわち、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸水素マグネシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイト、焼成ドロマイト、ジャモン石、更にはマグネシウム成分を含有する廃棄物（廃レンガ等）等、どのような形態であっても構わない。
【００４１】
この際添加するカルシウムの形態に関しても、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸水素カルシウム、炭酸カルシウム、ドロマイト、焼成ドロマイト、カルシウム成分を含有する廃棄物（廃レンガ等）等、どのような形態であっても構わない。
【００４２】
同じく、この際添加するシリカの形態に関しても、二酸化ケイ素、珪石、ジャモン石、シリカ成分を含有する廃棄物（廃レンガ等）等、どのような形態であっても構わない。
【００４３】
また、マグネシウム成分、カルシウム成分、シリカ成分の混合割合は、肥料取締法に基づく規格に合うように適宜調整すれば良い。
【００４４】
これら副資材８を汚泥へ添加するタイミングに関し、汚泥乾燥設備１２前の汚泥（脱水ケーキ）１に添加しても良く、また汚泥乾燥設備１２後の乾燥汚泥１３に添加しても良い。しかし、酸化マグネシウムまたは酸化カルシウムを副資材として使用する場合は、汚泥乾燥設備１２前の汚泥（脱水ケーキ）１に添加することが望ましい。添加された酸化マグネシウムまたは酸化カルシウムは脱水ケーキ中に多量に含有される水分と以下の（１）または（２）式で示される反応式によって反応し、脱水ケーキ中の水分の一部が除去されるため、汚泥乾燥設備における所要燃料を削減することが可能となる。
【００４５】
ＭｇＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）2 …（１）
ＣａＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）2 …（２）
なお、副資材８として添加したマグネシウムおよびカルシウムの一部は脱硫剤としても機能する。すなわち汚泥中に含まれる硫黄分を硫化物（ＭｇＳ、ＣａＳ）あるいは硫酸塩（ＭｇＳＯ4、ＣａＳＯ4）としてスラグ中へ固定化することによって、ガス化の際にガス中へ移行する硫黄分（Ｈ2Ｓ、ＣＯＳとして）を減少させる。ガス中へ移行する硫黄分の減少は、ガス化溶融炉後段への設置が必須である脱硫設備１１の規模を削減できるメリットがある。
【００４６】
一方、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７から排出された高温の可燃性ガスは、ガスクエンチャー１８においてスプレー水あるいはクエンチガス１９を吹き込むことによって１０００℃以下にまで冷却し、ガスと共に上部へ飛散したスラグを融点以下の温度で固化することによって灰付着（スラッギング）トラブルを防止した後、廃熱ボイラーあるいは空気予熱器等の廃熱回収器２３へと導入され、更なる熱の有効利用を図るものとするが、ガス中に同伴されるリンの含有量が少ないため、廃熱回収器２３の内面（伝熱面）へのリン由来の強粘着性ダスト析出による設備トラブルを回避することが可能となる。
【００４７】
廃熱回収器２３から排出された可燃性ガスは、フィルター（金属フィルター、セラミックスフィルター、バグフィルター等）またはサイクロ（登録商標）ンからなる脱塵設備２４においてガス中に含有されるダスト分を除去される。ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内において揮発した重金属成分が再び凝縮し、ダスト２５と共に回収可能となるように、脱塵設備２４において導入されるガスの温度は、大部分の重金属成分が凝縮する３５０℃以下とすることが望ましい。
【００４８】
脱塵設備２４から排出された可燃性ガスは脱硫設備２６において精製された後に、その全量あるいは一部を汚泥乾燥用燃料として汚泥乾燥設備において利用する。なお、可燃性ガスの発熱量および生成量は、ガス化される汚泥の発熱量、ガス化条件、及びクエンチ条件に応じて変動するが、可燃性ガス全量を乾燥用燃料として利用してもなお乾燥に必要な熱源が不足する場合には、別途補助燃料３を併用しても良い。また、逆に余剰の可燃性ガス２８が生じた場合、あるいは乾燥用に本可燃性ガス以外の別の熱源を使用した場合には、生成した可燃性ガス２７を乾燥以外の用途（例えば発電用燃料、メタノール等化学品合成原料、水素原料）に利用しても良い。
【００４９】
汚泥乾燥設備１２の方式としては、高温の熱風と汚泥を直接接触させる直接加熱方式のものが、粉砕機を用いずにまたは簡易かつ小型の粉砕機を介するだけで容易に微粉汚泥が得られる点において、また汚泥中の水分含有率（＝水分質量／汚泥質量−ｗｅｔ×１００）を１５％以下にまで低減できる点において好適である。具体的な乾燥機としては、気流乾燥機、熱風粉砕乾燥機、流動層式乾燥機、攪拌機付回転ドラム式乾燥機等、様々な種類のものが利用可能である。
【００５０】
乾燥後の汚泥中の水分含有率は、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の高効率化を達成する観点から、また前述した通り、汚泥は元来が微生物および細菌の集合体であるため、汚泥乾燥設備１２において水分含有率１５質量％以下程度まで乾燥を行えば、その大半は自然に粒径１ｍｍ以下程度の微粉状態となることから、１５質量％以下とすることが望ましい。なお、汚泥の性状によっても異なるが、水分含有率を５質量％以下とすることは、乾燥の際に必要なエネルギー消費量が大きくなるため好ましくない。
【００５１】
ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内の温度は、汚泥中に含まれる灰分の融点に応じた温度に設定され、灰分の融点よりも高い温度とするので１１００℃以上とするが、必要以上の高温とすることは、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内の炉壁の寿命を極度に短縮し、かつ放熱による熱損失も増加するために好ましくないので１６００℃以下とする。
【００５２】
ガス化の際にガス化剤として添加する酸素１６は同伴窒素による持ち出し顕熱を削減する観点から、可能な限り高濃度酸素を用いることが好ましい。しかし、必要以上に高濃度の酸素を製造することは酸素製造設備１５における投入エネルギーの増大等デメリットが増すばかりであり、ガス化そのものに与える影響は少ないため、ここで用いる酸素は一般的な酸素製造法（吸着分離法〈ＰＳＡ〉、深冷分離法）によって製造可能な濃度（８０容量％以上）で良い。また、酸素製造設備１５の規模削減のため、酸素製造設備１５によって製造した酸素を空気と混合した酸素富化空気を酸素の代わりに使用しても良い。この際の酸素富化空気中の酸素濃度は空気中に通常含有される酸素濃度よりも高い濃度であれば、同伴する窒素の持ち出し顕熱によるガス化溶融炉の効率低下を多少なりとも回避できる。しかし、ガス化溶融炉における効率上昇、ガス化溶融炉以降に設置される廃熱回収器２３、脱塵設備２４、脱硫設備２６等一連の機器類の規模削減のためにはガス化剤として酸素富化空気よりも８０容量％以上の酸素を用いることが望ましい。
【００５３】
本発明例においては、酸素を製造するためのエネルギー（電力）が別途必要となるが、従来法と比較して炉出口以降のガス処理関係の設備規模を大幅に縮小できるため、その部分での電力削減分で充分にカバーすることができる。
【００５４】
ここで添加する酸素量は、水分を含有する汚泥中の有機物を完全燃焼させるために必要な酸素量（いわゆる理論酸素量）よりも少ない酸素量とする。ここでいう有機物とは乾燥ベースの汚泥中の灰分を除いた部分（炭素、水素、窒素、硫黄、酸素を主体）を意味する。その割合は汚泥発熱量およびガス化溶融炉内温度を何度に設定するかによって異なるが、理論酸素量を１とした場合の割合で０．２〜０．８の範囲内で調整することが好適である。０．２未満の酸素比では、ガス化せずに未燃物へと転換する有機物が極めて多くなるため、また、０．８を超過する酸素比では、可燃性のガス成分（Ｈ2、ＣＨ4等）へ転換する割合がほとんどなくなり、大部分が燃焼ガス（ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）まで転換してしまうため、本発明の目的からして好ましくない。より好ましくは、０．３〜０．６の範囲内で調整することである。この範囲でガス化を行えば、汚泥の持つ有機物に対して発生する未燃物の割合を３０質量％以下に抑え、かつ可燃性ガス中に含有される可燃性成分の割合を４０容量％以上（ドライガスベース）とすることが可能である。
【００５５】
また、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内の温度制御の目的も兼ねて、ガス化剤としてスチームを酸素１６と併用しても良い。
【００５６】
なお、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内の圧力は特に規定しないが、大気圧よりも低い圧力とした場合には、外部からの空気の漏れ込みによる爆発の危険性があるため好ましくない。また、大気圧よりも高い加圧条件とする場合にはガス化溶融炉をコンパクトにすることのできるメリットもある。
【００５７】
本発明で使用する汚泥として、下水汚泥以外に、産業排水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥（例えば、コークス炉排水（安水）処理設備、ステンレス酸洗排水の処理設備、各種食品工場の排水処理設備から排出される余剰汚泥等）を用いても良い。
【実施例】
【００５８】
実施例１
図７に示したフローに従って、本発明例を実施した。
【００５９】
使用した下水汚泥の分析値を表１に示す（灰の組成に関しては、表示以外の成分を含有し、分析途中のロスも生じるため合計が１００％とならない）。なお、この汚泥は下水処理場の脱水機から排出されたもの（脱水ケーキ）である。
【００６０】
【表１】
【００６１】
下水汚泥（脱水ケーキ）１（１００t/day）を、気流（熱風）型の汚泥乾燥設備に１２おいて乾燥後、生成した乾燥汚泥１３（水分含有量７質量％、平均粒径４７０μｍ）を、汚泥供給ホッパー１４より、酸素製造設備１５の副産物である窒素による気流搬送によってガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ投入した。なお、原料供給ノズルは４本とし、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の炉底から１／３の高さ位置において、下向きの１５度の角度で、各々のノズルからガス化溶融炉の炉内直径に対して１／６の直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、微粉状の乾燥汚泥１３を気流搬送（ガス流速１０ｍ／ｓ、固気比１５）によって吹き込むものとした。
【００６２】
ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内において、汚泥は酸素１６と共に、温度１３５０℃でガス化溶融され、高温の可燃性ガスおよびスラグへと転換すると同時に汚泥中に含有される重金属の一部がガス中へ揮発した。生成した溶融スラグは炉底のスラグタップより抜き出され、スラグポット内において水砕された後に水砕のスラグ２１として回収された。一方、生成した高温の可燃性ガスはガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の上部のガスクエンチャー１８においてスプレー水３６によって９００℃まで冷却された後、空気予熱器３７において顕熱を回収された後、脱塵設備２４へ導入され、ダスト分を除去し、更には脱硫設備２６へ導入され、クリーンな可燃性ガス２７として回収できた。その可燃性ガス２７の全量を燃料ガスとして汚泥乾燥設備１２へ導入し、空気予熱器３７において予熱された空気と共に燃焼させることによって、乾燥熱源として利用した。本実施例に関して、補助燃料は一切必要なく、プロセスを熱的に自立させることが可能であった。
【００６３】
表２にスラグポット２０から回収された水砕スラグ２１の組成を示す。元の汚泥中に含まれていたリンの中の９６％をスラグ中へ移行させることが可能であった。すなわち、リンの揮発は大幅に抑制しつつ、汚泥中に含有されていた重金属を揮発させ、スラグから除去することが可能であった。特に汚泥中に多く含有されていた亜鉛の大部分を除去することが可能であった。
【００６４】
なお、生成したスラグ２１は配合肥料原料として有効利用可能であった。
【００６５】
【表２】
【００６６】
表３に本発明例（実施例１）および従来のリン回収プロセス（流動床型汚泥焼却炉＋リン回収用電気式灰溶融炉）におけるユーティリティー使用量を示す。本発明例においては、従来法よりも補助燃料使用量および電力使用量を大幅に削減できた。また、従来法よりも設備構成が極めてシンプルであるため、設備コストおよび設備設置スペースも７割程度に削減可能であった。
【００６７】
【表３】
【００６８】
実施例２
図８に示したフローに従って、本発明例を実施した。
【００６９】
使用した下水汚泥の分析値を表４に示す（灰の組成に関しては、表示以外の成分を含有し、分析途中のロスも生じるため合計が１００％とならない）。なお、この汚泥は下水処理場の脱水機から排出されたもの（脱水ケーキ）である。
【００７０】
【表４】
【００７１】
下水汚泥（脱水ケーキ）１（１００t/day）を、気流（熱風）型の汚泥乾燥設備１２において乾燥後、生成した乾燥汚泥１３（水分含有量７質量％、平均粒径４７０μｍ）を、副資材８であるドロマイト２．６ｔ／ｄａｙおよび珪石０．５ｔ／ｄａｙと混合後、汚泥供給ホッパー１４より、酸素製造設備１５の副産物である窒素による気流搬送によってガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ投入した。なお、原料供給ノズルは４本とし、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の炉底から１／３の高さ位置において、下向きの１５度の角度で、各々のノズルからガス化溶融炉の炉内直径に対して１／６の直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、副資材が混合された微粉汚泥を気流搬送（ガス流速１０ｍ／ｓ、固気比１５）によって吹き込むものとした。ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内において、汚泥は酸素と共に、温度１４００℃でガス化溶融され、高温の可燃性ガスおよびスラグへと転換すると同時に汚泥中に含有される重金属の一部がガス中へ揮発した。生成した溶融スラグは炉底のスラグタップより抜き出され、スラグポット内において水砕された後に水砕のスラグ（リン肥料）１０として回収された。一方、生成した高温の可燃性ガスはガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の上部のガスクエンチャー１８においてスプレー水３６によって９００℃まで冷却された後、空気予熱器３７において顕熱を回収された後、脱塵設備２４へ導入され、ダスト分を除去し、更には脱硫設備２６へ導入され、クリーンな可燃性ガス２７として回収できた。その可燃性ガス２７の全量を燃料ガスとして汚泥乾燥設備へ導入し、空気予熱器において予熱された空気と共に燃焼させることによって、乾燥熱源として利用した。本実施例に関して、汚泥乾燥設備における補助燃料３としてＡ重油を３Ｌ／ｔ−脱水ケーキ使用した。
【００７２】
表５にスラグポット２０から回収された水砕スラグ１０の組成を示す。元の汚泥中に含まれていたリンの中の９５％をスラグ中へ移行させることが可能であった。すなわち、リンの揮発は大幅に抑制しつつ、汚泥中に含有されていた重金属を揮発させ、スラグから除去することが可能であった。特に汚泥中に多く含有されていた亜鉛の大部分を除去することが可能であった。
【００７３】
なお、生成したスラグ１０は熔成リン肥としての規格を満たしていたため、直接リン肥料として有効利用可能であった。
【００７４】
【表５】
【００７５】
表６に本発明例（実施例１）および従来のリン回収プロセス（流動床型汚泥焼却炉＋リン回収用電気式灰溶融炉）におけるユーティリティー使用量を示す。本発明例においては、従来法よりも補助燃料使用量および電力使用量を大幅に削減できた。また、従来法よりも設備構成が極めてシンプルであるため、設備コストおよび設備設置スペースも７割程度に削減可能であった。
【００７６】
【表６】
【００７７】
比較例
図９に示したフローに従って、本発明例を実施した。
【００７８】
使用した下水汚泥の分析値を表７に示す（灰の組成に関しては、表示以外の成分を含有し、分析途中のロスも生じるため合計が１００％とならない）。なお、この汚泥は下水処理場の脱水機から排出されたもの（脱水ケーキ）である。
【００７９】
【表７】
【００８０】
下水汚泥（脱水ケーキ）１（１００t/day）を、気流（熱風）型の汚泥乾燥設備に１２おいて乾燥後、生成した乾燥汚泥１３（水分含有量７質量％、平均粒径４７０μｍ）を、汚泥供給ホッパー１４より、酸素製造設備１５の副産物である窒素による気流搬送によってガス化溶融炉（高温ガス化部）１７へ投入した。なお、原料供給ノズルは４本とし、ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の炉底から１／３の高さ位置において、０度の角度で、各々のノズルからガス化溶融炉の炉内直径に対して１／２の直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、微粉状の乾燥汚泥１３を気流搬送（ガス流速１０ｍ／ｓ、固気比１５）によって吹き込むものとした。
【００８１】
ガス化溶融炉（高温ガス化部）１７内において、汚泥は酸素１６と共に、温度１３５０℃でガス化溶融され、高温の可燃性ガスおよびスラグへと転換すると同時に汚泥中に含有される重金属の一部がガス中へ揮発した。生成した溶融スラグは炉底のスラグタップより抜き出され、スラグポット内において水砕された後に水砕のスラグ２１として回収された。一方、生成した高温の可燃性ガスはガス化溶融炉（高温ガス化部）１７の上部のガスクエンチャー１８においてスプレー水３６によって９００℃まで冷却された後、空気予熱器３７において顕熱を回収された後、脱塵設備２４へ導入され、ダスト分を除去し、更には脱硫設備２６へ導入され、クリーンな可燃性ガス２７として回収できた。その可燃性ガス２７の全量を燃料ガスとして汚泥乾燥設備１２へ導入し、空気予熱器３７において予熱された空気と共に燃焼させることによって、乾燥熱源として利用した。本実施例に関して、補助燃料は一切必要なく、プロセスを熱的に自立させることが可能であった。
【００８２】
表８にスラグポット２０から回収された水砕スラグ２１の組成を示す。元の汚泥中に含まれていたリンの中でスラグ中へ移行させることができた割合は７７％であった。すなわち、実施例１と比較してリンの揮発が促進され、ダスト中に移行した割合が多くなった。なお、これらリンを高濃度で含有するダストの一部は後段の空気予熱器３７の伝熱面（内面）に付着し、熱交換能力低下の原因となった。
【００８３】
【表８】
【００８４】
図１０に実施例１と同様のガス化条件における、リンのスラグへの移行割合と汚泥の吹き込み角度との関係を示す。吹き込み角度を０度よりも上向き（図中ではマイナスで表示）とすることによって、リンのスラグへの移行割合が小さくなった。また、吹き込み角度を４５度よりも大きくすることによって、炉壁、炉底等のガス化炉体の損傷が激しくなった。更に吹き込み角度を１５度よりも小さくすることによって、汚泥の気流搬送配管内において閉塞が発生する頻度が大きくなった。
【００８５】
図１１に実施例１と同様のガス化条件における、リンのスラグへの移行割合と汚泥の吹き込み方向（炉内直径に対する旋回円径のサイズ）との関係を示す。旋回円径を炉内直径の１／５以上とすることによって、リンのスラグへの移行割合が小さくなった。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】従来技術に関するフローシートである。
【図２】本発明に関するフローシートである。
【図３】本発明の乾燥汚泥の吹き込み方法に関するフローシートである。
【図４】本発明の乾燥汚泥の吹き込み方法に関するフローシートである。
【図５】本発明の乾燥汚泥の吹き込み方法に関するフローシートである。
【図６】本発明の乾燥汚泥の吹き込み方法に関するフローシートである。
【図７】本発明の実施例におけるフローシートおよびマスバランスである。
【図８】本発明の実施例におけるフローシートおよびマスバランスである。
【図９】本発明の比較例におけるフローシートおよびマスバランスである。
【図１０】リンのスラグへの移行割合と汚泥の吹き込み角度との関係を示すグラフである。
【図１１】リンのスラグへの移行割合と汚泥の吹き込み方向（炉内直径に対する旋回円径のサイズ）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８７】
１ 汚泥（脱水ケーキ）
２ 空気
３ 補助燃料
４ 汚泥焼却炉
５ 排ガス
６ 焼却灰
７ コークス
８ 副資材
９ 灰溶融炉
１０ スラグ（リン肥料）
１１ 排ガス処理設備
１２ 汚泥乾燥機
１３ 乾燥汚泥
１４ 汚泥供給ホッパー
１５ 酸素製造設備
１６ 酸素
１７ ガス化溶融炉（高温ガス化部）
１８ ガスクエンチャー
１９ スプレー水またはクエンチガス
２０ スラグポット
２１ スラグ
２２ 可燃性ガス
２３ 廃熱回収器
２４ 脱塵設備技術センター
２５ ダスト
２６ 脱硫設備
２７ 可燃性ガス（クリーン）
２８ 可燃性ガス（余剰分）
２９ 可燃性ガス（クリーン）の汚泥乾燥設備への循環ライン
３０ 原料供給ノズル
３１ 汚泥吹き込み範囲
３２ ガス化溶融炉高さ
３３ 原料供給ノズル設置位置
３４ ガス化溶融炉（高温ガス化部）の炉内直径
３５ 旋回円
３６ スプレー水
３７ 空気予熱器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排水の生物学的処理により発生しリンを含有する汚泥を、前記灰分の融点以上の温度を有する気流床型ガス化溶融炉内へ、炉壁に対して垂直方向の吹き込み角度が下向き０〜４５度となるように、且つ、ガス化溶融炉の炉内直径に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、複数本の原料供給ノズルから気流搬送で吹き込み、前記汚泥を酸素又は酸素富化空気と部分酸化反応させて可燃性ガスを生成すると共に、前記灰分を溶融させてリンを含有するスラグを生成し、当該生成した可燃性ガス及びスラグを回収することを特徴とする汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
【請求項２】
前記生成したスラグを水中において急冷し、水砕スラグとして回収することを特徴とする請求項１記載の汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
【請求項３】
前記汚泥に、マグネシウム成分、カルシウム成分、シリカ成分の少なくともいずれかを添加し、当該添加後の汚泥を前記ガス化溶融炉内へ吹き込むことを特徴とする請求項１又は２に記載の汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
【請求項４】
排水の生物学的処理により発生しリンを含有する汚泥のガス化溶融炉であって、前記汚泥を気流搬送で前記ガス化溶融炉の内部に吹き込む原料供給ノズルを複数本有し、当該ノズルは、前記ガス化溶融炉の炉壁に対して垂直方向の吹き込み角度を下向き０〜４５度とし、且つ、前記ガス化溶融炉の炉内直径に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて配置されることを特徴とする汚泥のガス化溶融炉。
【請求項１】
排水の生物学的処理により発生しリンを含有する汚泥を、前記灰分の融点以上の温度を有する気流床型ガス化溶融炉内へ、炉壁に対して垂直方向の吹き込み角度が下向き０〜４５度となるように、且つ、ガス化溶融炉の炉内直径に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて、複数本の原料供給ノズルから気流搬送で吹き込み、前記汚泥を酸素又は酸素富化空気と部分酸化反応させて可燃性ガスを生成すると共に、前記灰分を溶融させてリンを含有するスラグを生成し、当該生成した可燃性ガス及びスラグを回収することを特徴とする汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
【請求項２】
前記生成したスラグを水中において急冷し、水砕スラグとして回収することを特徴とする請求項１記載の汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
【請求項３】
前記汚泥に、マグネシウム成分、カルシウム成分、シリカ成分の少なくともいずれかを添加し、当該添加後の汚泥を前記ガス化溶融炉内へ吹き込むことを特徴とする請求項１又は２に記載の汚泥からの可燃性ガス及びスラグの回収方法。
【請求項４】
排水の生物学的処理により発生しリンを含有する汚泥のガス化溶融炉であって、前記汚泥を気流搬送で前記ガス化溶融炉の内部に吹き込む原料供給ノズルを複数本有し、当該ノズルは、前記ガス化溶融炉の炉壁に対して垂直方向の吹き込み角度を下向き０〜４５度とし、且つ、前記ガス化溶融炉の炉内直径に対して１／５より小さな直径からなる炉と同軸の旋回円の接線方向に向けて配置されることを特徴とする汚泥のガス化溶融炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２５２９９２（Ｐ２００７−２５２９９２Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７７６１１（Ｐ２００６−７７６１１）
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００９９７５９
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００９９７５９
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
【Ｆターム（参考）】
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