申请日2011.10.20
公开(公告)日2012.06.01
IPC分类号C02F13/12; F23G5/08; F23G7/00; C02F11/10
权利要求书
一種廢棄物處理設備，與水泥製造設備相鄰地設置，並具備：流動床式氣化爐，用以使廢棄物氣化產生熱分解氣體、氣體輸送通道，於保持含有炭和灰分的情況下，將在該氣化爐產生的熱分解氣體輸送到從該水泥製造設備的水泥預熱器到分解爐之間，以及升溫裝置，利用該水泥製造設備的廢熱使提供至該氣化爐的流動化空氣升溫。
如申請專利範圍第1項之廢棄物處理設備，其中，該廢棄物中含有脫水污泥，且該廢棄物處理設備具備能夠將該脫水污泥和脫水污泥以外的廢棄物分別投入該氣化爐的投入裝置。
如申請專利範圍第2項之廢棄物處理設備，其中，該投入裝置形成有使脫水污泥從該氣化爐之流動層上方的多個地方分散投入該流動層的結構。
如申請專利範圍第2項之廢棄物處理設備，其中，該氣化爐具備提供助燃材料至流動層的燃料供給裝置。
如申請專利範圍第4項之廢棄物處理設備，其中，該燃料供給裝置對流動層提供平均粒徑為0.1～3mm的固體助燃材料。
如申請專利範圍第1～5項中任一項之廢棄物處理設備，其具備在將該脫水污泥提供給氣化爐之前，利用水泥製造設備之廢熱使該脫水污泥乾燥的乾燥裝置。
一種廢棄物處理方法，係用於處理含有脫水污泥的廢棄物，並包括：鄰近水泥製造設備設置並使該廢棄物氣化產生熱分解氣體的流動床式氣化爐，利用該水泥製造設備的廢熱使提供至該氣化爐的流動化空氣升溫，同時將該氣化爐產生的熱分解氣體在保持含有炭和灰分的情況下輸送到從該水泥製造設備的水泥預熱器到分解爐之間的氣體輸送通道。
如申請專利範圍第7項之廢棄物處理方法，其中，將該脫水污泥和脫水污泥以外的廢棄物分別投入該氣化爐，同時調整該脫水污泥和脫水污泥以外之廢棄物之至少一者的投入量，以將該流動層的溫度維持於規定的範圍內。
如申請專利範圍第8項之廢棄物處理方法，其中，調整該脫水污泥和脫水污泥以外之廢棄物的投入量之比，以使全部廢棄物的低位發熱量在規定值以上。
如申請專利範圍第9項之廢棄物處理方法，其中，在投入該氣化爐之前預先求出脫水污泥的低位發熱量並加以儲存，首先將脫水污泥以外的廢棄物投入該氣化爐，測定流動層的溫度，並根據該測定結果推定出該脫水污泥以外之廢棄物的低位發熱量，根據該推定值與儲存的該脫水污泥的低位發熱量，調整脫水污泥和脫水污泥以外之廢棄物的投入量之比，以使全部廢棄物的低位發熱量在該規定值以上。
如申請專利範圍第10項之廢棄物處理方法，其中，一邊將脫水污泥和脫水污泥以外的廢棄物投入該氣化爐，一邊測定流動層溫度，並根據該測定結果，調整該脫水污泥的投入量，以使流動層的溫度接近目標值。
如申請專利範圍第8項之廢棄物處理方法，其中，首先，一邊將脫水污泥以外的廢棄物投入該氣化爐，一邊測定流動層的溫度，並根據該測定結果，調整該廢棄物的投入量，以使流動層的溫度比目標值高，其後，一邊將脫水污泥也投入該氣化爐，一邊測定流動層溫度，並根據該測定結果調整該脫水污泥的投入量，以使流動層的溫度為該目標值。
如申請專利範圍第7～12項中任一項之廢棄物處理方法，其中，調整含有該脫水污泥之全部廢棄物的投入量，使得氣化爐內部維持負壓。
说明书
包含污泥的廢棄物的處理設備
本發明係關於一種利用水泥製造設備衛生地處理廢棄物用的設備，特別是關於包含有高含水率污泥之廢棄物的處理。
近年來，隨著例如發展中國家生活水平的提高，越來越需要對垃圾進行衛生處理，其焚燒處理量增大也在預測內。然而，亦存在建設一般的垃圾焚燒爐需要很大的費用，需要很長工期之問題。而且在日本還存在掩埋分解爐產生之爐灰的掩埋處理場不足之問題，在設立新垃圾處理場的情況下，確立灰熔融爐的設置及灰的再利用方法等是必要條件。
對此，本案發明人開發出有效利用已有的水泥製造設備的垃圾處理系統，首先提出了專利申請(專利文獻1)。此係下述技術：鄰近已有的水泥製造設備設置流動床式氣化爐，於該氣化爐使垃圾等廢棄物氣化，在保持含有炭和灰分不變的情況下將產生的熱分解氣體提供至水泥分解爐或燒成爐(燒成窯)。
若能以上述方式使垃圾的熱分解氣體在水泥分解爐或燒成爐中燃燒，則能夠以比建設新垃圾焚燒爐要低的費用而且能夠在較短的時間建設垃圾處理設備。而且提供至水泥分解爐和燒成爐的熱分解氣體和炭成為燃料的一部分，灰分成為水泥原料的一部分。也就是說，不是停留在只利用已有的水泥製造設備，而是在水泥的製造過程中能夠利用垃圾產生的熱分解氣體、炭以及灰分，而成立互惠關係。
但是，與上述垃圾處理需求增大相同，隨著下水處理場整備的進展，產生的下水污泥之處理量也增大。通常是將下水污泥脫水後掩埋，但是下水污泥可能污染地下水而且具有惡臭，對此有人提出如下所述之將污泥與垃圾一起焚燒，或將其投入氣化爐使其熱分解的方案。又，用已有的垃圾焚燒爐混燒少量的脫水污泥亦為使用中之技術。
作為一例，專利文獻2記載有下述技術：在使用於廢棄物的焚燒或熱分解的流動爐中，藉由改變與固體廢棄物混燒的污泥的供給量，來控制砂層的溫度。而在專利文獻3記載之廢棄物氣化裝置的情況下，用流動床式氣化爐將污泥和污泥以外的廢棄物混燒時，於爐子內提供例如木屑般之高熱量廢棄物，保持所需要的發熱量而使其燃燒、熱分解的技術。
[專利文獻1]中國專利申請公開第101434461號說明書
[專利文獻2]日本特開平11-337036號公報
[專利文獻3]日本特開2006-220365號公報
但是通常脫水污泥的含水率高達約80%，其水分的蒸發潛熱大，而且脫水污泥的固體成分的粒徑比破碎的垃圾小，在流動層氣化、發熱之前飛散的比例高。因此廢棄物中污泥的比例如果高，則流動層的溫度下降，可能難以維持熱分解反應。
因此在已有的焚燒爐與垃圾混燒的污泥的比例通常為5%左右，實際上最多也只能夠處理10%左右。又，如上述專利文獻3般，木屑作為助燃材料使用是有效的，但是不見得像木屑那樣的高熱量廢棄物能夠確保與平常污泥的處理量平衡，因此不能不說這種技術缺乏實用性。例如在同時處理生活廢棄物(0.8千克/人‧日)與生活下水(300升/人‧日)的脫水污泥的情況下，30萬人口的都市同時處理240噸/日的廢棄物與60噸/日的脫水污泥，即必須同時處理20%的污泥。
鑒於這樣的情況，本發明的目的在於，提供即使是處理比以往包含更多高含水率脫水污泥的廢棄物，也能夠使氣化爐的流動層溫度維持於合適的溫度範圍的廢棄物處理設備。
如上所述，本申請的發明人開發研究已有的水泥製造設備與相鄰設置的廢棄物處理設備之間的互惠關係而成立的系統，為了進一步改善該系統，繼續銳意進行研究中，想到利用水泥製造設備的廢熱作為氣化爐流動層維持溫度用的熱源，完成了本發明。
亦即本發明以與水泥製造設備相鄰設置的廢棄物處理設備為物件，具備：流動床式氣化爐，用以使廢棄物氣化產生熱分解氣體;氣體輸送通道，使於上述氣化爐產生的熱分解氣體在保持含有炭和灰分的情況下輸送到從上述水泥製造設備的水泥預熱器到分解爐之間;以及升溫裝置，其係利用上述水泥製造設備的廢熱使提供給上述氣化爐的流動化空氣升溫。
藉由於這樣的結構，對處理廢棄物用的流動床式氣化爐升溫過的流動化空氣，因此即使是廢棄物中含有比較多的脫水污泥，也能夠將氣化爐的流動層的溫度保持於合適的範圍。流動化空氣的升溫由於利用水泥製造設備的廢熱，故可不消耗助燃材料或大大減少其消耗量，很適合環境保護。
而且在氣化爐產生的熱分解氣體在保持含有炭和灰分的情況下利用氣體輸送通道輸送到水泥預熱器、分解爐，其燃燒產生的熱被利用於水泥原料的預熱和分解。脫水污泥產生的水蒸汽也與該熱分解氣體一起輸送，同時，如上所述使用於流動化空氣的升溫熱量也被輸送到水泥預熱器和分解爐。
也就是說，水泥製造設備的廢熱被使用於氣化爐流動層之溫度的維持後，再度與在該處產生的熱分解氣體等一起返回水泥製造設備。換句話說，藉由將廢棄物處理設備與水泥製造設備組合，能夠有效利用水泥製造設備產生的熱量，維持氣化爐流動層的溫度，其結果是，能夠將比以往多的污泥與垃圾等同時處理。
於上述廢棄物處理設備中，較佳為具備能夠將脫水污泥和脫水污泥以外的廢棄物分別投入氣化爐的投入裝置。這樣一來，不僅調整含有脫水污泥的廢棄物的總投入量，而且調整發熱量互不相同的脫水污泥和脫水污泥以外之其他廢棄物中的某一種的投入量，改變兩者的投入量的比例亦能調整流動層的溫度。特別是調整高含水率的脫水污泥的投入量是有效的。
還有，在這裏所謂“投入量”是單位時間的投入量，所謂對其“進行調整”也意味著根據例如流動層的溫度來改變投入量的反饋控制外，預先調查脫水污泥和脫水污泥以外的廢棄物的發熱量，設定脫水污泥和脫水污泥以外的廢棄物的投入量乃至於其比例等之運作條件，將流動層的溫度維持於規定範圍內。
作為一例，例如，如果調整脫水污泥和脫水污泥以外的廢棄物的投入量比例，以使得含有脫水污泥的全部廢棄物的低位發熱量為規定值(例如800～1200千卡/千克左右)以上，則能夠由它們自己的燃燒確保熱分解用的熱量，可不需提供助燃材料。
因此，在投入氣化爐之前預先進行脫水污泥的成分分析等，求出其低位發熱量而加以儲存。而且首先在氣化爐中投入脫水污泥以外的廢棄物，測定流動層的溫度，根據該測定結果推定脫水污泥以外之廢棄物的低位發熱量。而且根據該推定值與上述儲存的脫水污泥的低位發熱量，調整脫水污泥和脫水污泥以外之廢棄物的投入量的比例，以使全部廢棄物的低位發熱量在上述規定值以上即可。
也可如上述般調整投入量的比例，並且一邊把脫水污泥和脫水污泥以外的廢棄物投入氣化爐一邊測定流動層的溫度，根據該測定結果改變脫水污泥的投入量，以此使流動層的溫度接近目標值。藉由改變高含水率之脫水污泥的投入量，能夠迅速調整流動層的溫度。
作為另一例子，首先一邊把脫水污泥以外的廢棄物投入氣化爐一邊測定流動層溫度，根據該測定結果調整上述廢棄物(不包含脫水污泥)的投入量，以此使流動層的溫度高於目標值。其後亦可一邊把脫水污泥投入氣化爐一邊測定流動層的溫度，根據該測定結果調整脫水污泥的投入量，藉此使流動層的溫度為上述目標值。
此時，脫水污泥以外的廢棄物的投入量可以維持一定，亦可改變其投入量。又可以不調整脫水污泥的投入量，取取代以調整脫水污泥以外的廢棄物的投入量。通常氣化爐在空氣比小於1的無氧狀態下運作，因此如果使廢棄物的投入量增大，則與其熱容量相應，層溫度降低。另一方面，如果增大流動化空氣的供給量，作為燃燒更旺，層溫度上升。
而且如上所述，於本發明中，由於利用水泥製造設備的廢熱使進入氣化爐的流動化空氣升溫，藉由調整該升溫的程度、即調整提供給流動化空氣的熱量，亦能調整流動層的溫度。也就是說，除了包含脫水污泥的廢棄物的投入量外，藉由調整流動化空氣的供給量乃至於其溫度等，亦能夠控制流動層的溫度，因此在控制得到提高的同時，其自由度也高了。例如能夠使氣化爐內維持為負壓、或合適地維持流動介質的流動化狀態等，使各種條件能夠得到滿足同時能夠維持流動層於合適的溫度。
但是如上所述將脫水污泥投入氣化爐之流動層的情況下，如果大量將其投入一處，則在其附近會發生局部溫度大幅度下降的情況，熱分解反應可能無法產生。因此在使脫水污泥的投入比例增加的情況下，最好是脫水污泥從氣化爐流動層的上方的多個地方分散投入上述流動層。藉此，能夠方便對流動層的溫度的控制，有利於將該溫度維持於規定的範圍。
而且於即便是如上述般使流動化空氣升溫，亦無法夠維持層溫度的情況下，也可具備對流動層提供助燃材料的燃料供給裝置。藉此，則能夠處理更多的脫水污泥，同時即使脫水污泥以外的廢棄物是發熱量比設想的發熱量低的所謂低品位廢棄物，也能夠利用助燃材料的燃燒維持層溫度。
具體地說，這樣的助燃材料可以採用炭微粉般的固體助燃材料，將其投入流動層上方的空塔部。於此情況下，炭微粉顆粒若過細，則會隨著熱分解氣體的氣流從氣化爐排出，另一方面，如果顆粒過大則在流動層內立即下沈，也許不能夠對燃燒作出充分的貢獻。因此炭微粉的平均粒徑最好是0.1～3mm左右。
還有，助燃材料不限於炭微粉，除此以外也可以是例如廢輪胎、塑膠、木片、炭、泥炭化合物等，只要是能夠在流動層內燃燒的材料即可，不限定其種類。
在上述廢棄物處理設備中，亦可具備於將脫水污泥提供給氣化爐之前，利用水泥製造設備的廢熱將其乾燥的乾燥裝置。藉此，能夠提高含有脫水污泥的廢棄物的發熱量，有利於維持流動層的溫度。由於脫水污泥的含水率低，將其投入時流動層的局部溫度下降也得到抑制。
如上所述，如果採用本發明的廢棄物處理設備，即使於在氣化爐中處理的廢棄物中大量含有高含水率的脫水污泥的情況下，也能夠利用水泥製造設備的廢熱使流動化空氣升溫，藉此，能夠將流動層的溫度維持於規定的範圍。也就是說，在水泥製造設備中產生的熱能夠得到有效利用，在廢棄物處理設備中能夠在處理垃圾等的同時處理比以往多的脫水污泥。
下面參照附圖對本發明的較佳的實施形態進行說明。圖1是第1實施形態的廢棄物處理設備100以及與其相鄰設置的水泥製造設備200的總體系統圖。圖1中左側表示的廢棄物處理設備100在氣化爐1中使廢棄物熱分解，將產生的氣體(熱分解氣體)用在水泥的燒成步驟中混合燃燒。該熱分解氣體量例如為2～3萬Nm3/h左右，與圖示的水泥製造設備200的廢氣量(例如30萬Nm3/h)相比要少得多，因此廢棄物處理設備100可以在已有的水泥廠近旁設置，而幾乎無須對已有的水泥廠進行任何修改。