25,000 20,000 77% 79% 85% 100% 100% 100% 80% 焼却灰量 ( DSt) 15,000 10,000 5,000 9% 19% 23% 21% 25% 26% 39% 38% 41% 37% 46% 49% 60% 40% 20% 有効利用率 ( % ) 0

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しげじろうかみいしづ
5 years ago
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1 横浜市環境科学研究所所報第 32 号 2008 消化汚泥の燃料化技術への適用性について米山利行川井英夫伊熊信男 ( 横浜市環境科学研究所 ) On the applicability of the digestion sludge to the conversion to fuel technology Toshiyuki Yoneyama,Hideo Kawai,Nobuo Ikuma (Yokohama Environmental Science Research Institute) キーワード : 消化汚泥汚泥有効利用燃料化技術低温炭化油温減圧乾燥要旨地球環境問題を根本から解決するためには従前から大量生産大量消費型社会から持続型経済社会へと移行する以外に有効な方策はないと言われているそのための一つの方策としてエネルギーと物質を併産 ( コプロダクション ) する環境性に優れたプロセスがある下水汚泥は再生可能な有機性資源であるのでこれを燃料として利用することにより CO2 排出削減が可能となるまた国における地球温暖化防止施策および本市の温室効果ガス排出量削減目標達成にも大きく寄与することになる一方石炭火力発電所ではバイオマス由来の燃料を石炭代替燃料として受け入れることで RPS 法に対応することができるとともに輸入依存度が高い石炭が海外事情に大きく左右されている状況下で良質な代替燃料を安定的に確保できるという二重のメリットがあるそこで本市においては燃料受け入れ能力の大きい石炭火力発電所が市内にあることも考慮して消化汚泥の燃料化技術への適用性について検討を行ったので報告する 1 汚泥有効利用の現状と方向性本市では 11 箇所の水再生センターの整備を進め昭和 59 年にすべての水再生センターが稼働しているまた汚泥処理については昭和 62 年に北部汚泥資源化センター平成元年に南部汚泥資源化センターの汚泥集約処理が稼働した汚泥処理は市内 11 箇所の水再生センターから発生する汚泥を集めて北部と南部にある 2 箇所の汚泥資源化センターで処理している図 -1に示すように下水道の資源の有効利用として水再生センターに流入してくる下水は年間を通して水温が安定しており大気に比べ夏は低く冬は高いためヒートポンプの熱源として有効利用でき冷暖房に利用しており高度処理した再生水をせせらぎ用水や道路散水などに利用しまた汚泥を汚泥資源化センターに送り消化タンクで発生したガスをガス発電などに利用している下水汚泥を焼却炉で焼却した灰をややその他 ( 高流動埋戻材 ) に利用しているは建設工事で発生する土に焼却灰と生石灰を混合したもので山砂のかわりに公共工事の埋戻材として利用しているその他では高流動埋戻材は高い流動性により狭隘で複雑な場所への施工が可能で防空壕などの埋め戻しに利用している図 -2に示すように焼却灰の有効利用の推移では発生した下水汚泥を全量焼却し平成 16 年度からは 100% 有効利用しているしかしセメントへの依存度が高くリスク分散およびコスト削減の観点からメニューの多様化を図る必要があるが焼却灰のマテリアルリサイクルを継続していくには焼却灰に含まれる重金属が課題として残っているそこで焼却炉の更新時期に合わせ焼却灰にこだわらない新たなメニューとして消化汚泥成分中の有機物に着目し固形燃料化することが有望と判断したこれにより平成 17 年度の汚泥有効利用 ( 59% 39% その他( 高流動埋戻材 )2%) を将来的には図 -3に示すように汚泥の有効利用方法をおおまかに三分割しリスク分散およびコスト削減を図ることができるまた固形燃料を石炭火力発電所に提供することで貴重な資源である石炭の一部を補うという社会的な貢献を果たすとともに本市にとっても混焼後の焼却灰の処分については全く関与する必要がないという大きなメリットがある汚水汚泥資源化センター下水汚泥焼却炉有効利用焼却灰水再生センター汚泥熱利用高度処理消化ガスをガス発電下水道の資源再生水の利用ヒートポンプによる冷暖房への利用図 -1 下水道資源の有効利用高流動埋戻材

2 25,000 20,000 77% 79% 85% 100% 100% 100% 80% 焼却灰量 ( DSt) 15,000 10,000 5,000 9% 19% 23% 21% 25% 26% 39% 38% 41% 37% 46% 49% 60% 40% 20% 有効利用率 ( % ) 0 H 元 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 0% 埋立量ハマレンガ高流動埋戻材有効利用率図 -2 焼却灰の有効利用の推移 (H 元 ~H17) その他 2% 39% 59% 燃料化 17 年度将来図 -3 将来的な汚泥有効利用計画 2 燃料化技術の検討本市では発生する汚泥を全量濃縮消化しているため脱水ケーキ中に含まれる有機物は未消化のものと比較して 50% 程度減少しているまた固形燃料化した場合合流式下水道や浄水汚泥に由来する無機分が多いため全国レベルで先行している事例とは異なり特別な汚泥として取り扱う必要がある汚泥の燃料化手法としては一般的に 3 種類 ( 図 -4 図 -5 図-6) があげられているがこれらの特徴を石炭火力発電所で燃料として使用している微粉炭と比較して表 -1にまとめた横浜市内には石炭火力発電所があり固形燃料を製造した後の受入等については輸送の面から有利な状況にあるが同時に大手製油会社の工場が近接し廃食用油の確保も容易であると考えられる製品の保有エネルギーからはカロリーの高い油温減圧乾燥が有利であるまた灰分では炭化は不利であるが外観が石炭に類似していることやハンドリングを考慮した場合炭化の方が優位である炭化については低温炭化方式の研究が進んでおり従前の方式よりカロリーアップが可能であるなお造粒乾燥は汚泥のイメージがそのまま残るので石炭火力発電所において受入れが難しく有価性に乏しいと考えられるため低温炭化と油温減圧乾燥に絞って比較検討を行った

3 クラバー再燃炉ス図 -4 炭化方式熱交換器水返流水燃料空気熱風発生装置熱分解ガス脱水汚泥乾燥機炭化装置 ( 炭化物 ) 図 -5 油温減圧乾燥方式燃料ボイラミスト分離装置コンデンサ脱臭装置脱水汚泥汚泥混合燃料タンク蒸気予備加熱タンク水分等油温減圧乾燥機冷却水凝縮水 ( 返流水 ) 媒体油 ( 廃食用油 ) 媒体油計量タンク分離油油分離装置 ( 油乾燥物 ) 図 -6 造粒乾燥方式燃料熱源装置 ( 脱臭装置 ) 熱媒油ガス分脱水汚泥造粒混合機汚泥造粒乾燥機分離ホッパ循環汚泥 ( 造粒乾燥汚泥 )

4 表 -1 燃料化技術の比較燃料化種別原料炭化物微粉炭油温減圧乾燥物造粒乾燥物評価項目 ( 脱水ケーキ ) 高温低温 ( 設計標準石炭例 ) 汚泥を低酸素状態で加熱し減圧状態での廃油等汚泥の粘着性を利用し石炭を 200 程度概要水揮発性ガスを放出させるの中で汚泥を加熱て核粒子に付着させ乾の熱風で乾燥させ ( 消化汚泥 ) し芯部までの水を燥付着を繰り返して粒ながら微粉炭機で放出させる状汚泥を成長させる粉末状にする発熱量 (MJ/kg) 14~16 7~11 14~16 22~24 14~16 26 灰分 (%) 30~40 70~80 40~50 19~24 30~40 20 水分 (%) 80 前後 <2 <2 <3 < 外観 - 黒フレーク状黒ペレット状黒顆粒状ねずみ色粒状黒塊状臭気 - 無臭微臭廃油臭汚泥臭無臭自然発火性 - 小中 ( 加湿不要 ) 大 ( 通気抑制 ) 小小燃料比 (-) - >5 約 0.3 約 0.1 約 ( 豪州の一例 ) 総合評価技術導入の検討 1 技術開発の方法現在各方面で開発が進められている新しい低温炭化技術は従来よりも炭化温度を低く設定する等により炭化の進行を制御し燃料に適した高発熱量の炭化物が得られるものであるが新しい技術であり実績がない油温減圧乾燥は石炭火力発電所での使用実績があるものの製造時において添加した植物油の抽出設備が大掛かりになりまた自然発火を抑制する技術を開発する必要があると考えられるこれらの技術的な課題解決のための実証試験やスケールアップの検討とともに燃料としての性能品質 ( 仕様 ) 設備の安定性維持管理性環境影響製品安全性基準さらには石炭火力発電所への適用性評価等を行っていく必要があるがこの特殊な汚泥の研究開発をどのように進めるのか本市には民間企業等との共同研究スキームがあるが公平性競争性透明性を確保しつつ進めていかなければならないという課題もある的な運転維持管理コストを検討する必要がある 3 エネルギー収支からの検討エネルギー収支の把握は燃料化システムの計画設計および設置後の維持管理を行う上で運転条件設定のために非常に重要である図 -7に有機分 61% 含水率 80% の脱水ケーキを現状の焼却炉と同等の日量 200t を低温炭化処理した場合のヒートバランスの検討結果を示す燃料として外部にエネルギーを持ち出す分インプットとして乾燥のための補助燃料を必要としその熱量は排水や廃熱等として系外に出て行くことになる熱効率を高めて補助燃料の削減を図るためにはこの排水熱や既存の焼却炉廃熱を消化槽の加温に利用することによって高温のガス発電廃熱を乾燥用に利用可能とするなど総合的にエネルギー利用率を高める工夫を検討する必要がある 2 目標コストの設定費用対効果におけるコストの基準は焼却後に焼却灰を利用にかかる処分費を含めた費用を下回ることが条件である焼却炉を更新するケースと炉と新たな燃料化炉を導入するケースを比較した場合炉の建設費用は安価であるが運転経費は乾燥に要する燃料費が大きく燃料化炉の方が若干高くなると算出されたしかしを売却する際の収入が見込めることや焼却灰の処分費が不要となることなどとも合わせると脱水ケーキ1tあたりの処理コストは燃料化炉を新規導入した方が 10% 程度低くなると推定されるなお今後の包括委託への移行や炉の更新に伴う 4 炉から 3 炉体制への変更等総合図 -7 汚泥燃料化設備ヒートバランス補助燃料 55% 放熱等 7% 脱水汚泥 45% 燃焼空気パージガス燃料化設備 3% 固形燃料上水冷却水排水 50% 40%

5 4 事業化への検討事業化にあたっては焼却炉の更新時期に合わせプラントの設置は既存の焼却炉の跡地に製造 ( 処理 ) 能力は現状の汚泥処理量と焼却炉の稼働率を考慮すると 75[t/d] 2 基の段階施行が望ましい結果となった事業スキームは一例として PFI を導入する方法が考えられるが公設民営 (DB+O) も検討した事業者である SPC は市と汚泥処理委託契約を締結することにより汚泥資源化センターから発生する脱水ケーキを引き取って固形燃料を製造するまた同時に燃料ユーザー等と燃料販売契約を締結して固形燃料を販売することで事業を運営していくこの場合固形燃料の価値をどう評価するかによって汚泥処理費用に影響する ( 図 -8) 現在までの調査では市内の石炭代替燃料としてのユーザーは火力発電所 1 社のみであるが一定程度の競争環境と事業の成立性を確保する必要があるので事業化における今後の検討課題でもあるまた温暖化対策としての検討では燃料化することにより CO2 や N2O などの温室効果ガスの排出削減がどこまでできるのかを検証する必要がある図 -8 事業フロー図 5 今後の方向性横浜市ではディスポーザの利用等で今後増え続けることが確実である下水汚泥を今後も有効利用率 100% を維持していくためにはリスクの分散とコスト削減の両面から見直すことが急務となっている汚泥の燃料化は廃棄物の最終的な有効利用の観点から本市にとってメリットがある汚泥処理であり事業であるので今後は環境創造局が一丸となって本市における下水汚泥燃料化の研究開発に速やかに取り組む必要があると思っているそのためには早急に外部に検討会などのプロジェクトチームを設置する等して局の経営方針に合致しかつ公平性透明性競争性を確保しながらさらなる検討を進めていく必要があると考えているなおバイオマスのサーマルリサイクルとしてはガス化技術があるがガス化は汚泥の保有エネルギーの多目的利用技術として燃料化の次の技術であると判断している国出資者銀行等補助金出資配当融資返済汚泥処理契約横浜市完成施設移管施設設計建設契約 PFI 事業者等燃料販売契約電力事業者設備請負契約操業保守契約フラント会社操業保守会社 4 法的な検討下水汚泥の処理に関して現在は濃縮消化脱水および焼却の一連の行程を下水道法に基づいて下水道事業の一環として行っているため廃掃法の適用は受けないが下水汚泥はあくまでも産業廃棄物であるため現在の処理行程を変更して燃料化等を行う場合には廃掃法上の検討が必要となるそこで本市の産廃規制部局と協議したところ今後新たに燃料化行程を設ける場合については下水道事業として本市が自ら行う場合には廃掃法の適用外となるが PFI 事業者や指定管理者が行う場合は施設許可および業許可が必要となってくるとの見解であったまた乾燥造粒は汚泥を乾燥するだけであるため製品が廃棄物とみなされる可能性がある油温減圧乾燥については先行事例があるので問題はないが他事業廃棄物 ( 廃食油 ) を持ち込むことになるため有価でない場合は別途許可が必要となる可能性がある

資料４国土交通省資料

資料４国土交通省資料資料 4 国土交通省における循環型社会形成の取組平成 23 年 10 月 Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism 目次 1. 建設リサイクルの推進 1 2. 下水道における未利用資源エネルギーの有効利用の促進 2 3. リサイクルポート施策の推進 6 4. 海面処分場の計画的な整備 10 5. 広域地方計画における地域循環圏