JP2000084576A - 水熱反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反応容器下部に低温領域を設け、塩を溶解
し、塩水として排することなく、無機塩を溶融させて反
応物から分離し、さらに溶融塩を反応容器の外へ排出す
ることが可能な水熱反応装置を提供する。 【解決手段】 無機塩が溶融化剤により溶融した溶融塩
を貯留する貯留部１Ａが下部に設けられ、超臨界状態ま
たは亜臨界状態の水熱反応で使用する反応容器１と、こ
の反応容器１へ被反応物を供給する供給管２１と、反応
容器１から反応生成物を排出する排出管２３と、減圧弁
２５、溶融塩を分離する固液分離器２６を備え、貯留部
１Ａから溶融塩を取り出す取り出し手段と、反応容器１
の内部に付着した無機塩を掻き落とすスクレーパ機構３
１とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、廃棄物分解、エ
ネルギー生成または化学物質製造を目的とする水熱処理
を超臨界状態または亜臨界状態の下で行うのに好適な水
熱反応装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】被反応物を処理して酸化分解したり、加
水分解反応により廃棄物を分解したり、エネルギーを生
成したり、または化学物質を製造する水熱処理は、３０
年以上に亘って研究され、利用されてきている。特に、
近年、３７４℃以上、２２０気圧以上の超臨界状態で、
または、例えば３７４℃以上、２５気圧以上２２０気圧
未満あるいは３７４℃以下、２２０気圧以上、あるいは
３７４℃未満、２２０気圧未満であっても臨界点に近い
高温高圧状態である亜臨界状態で、被反応物と酸化剤を
含んだ水とを反応させることにより、燃焼を含む酸化反
応（以下、単に反応と言うことがある。）を生じさせ、
被反応物中の有機物を短時間でほぼ完全に分解する水熱
処理（以下、水熱反応処理と言うことがある。）が注目
されている。

【０００３】このように水熱処理して被反応物を酸化分
解する場合、被反応物、酸化剤、水を加熱、加圧して反
応容器へ供給し、反応させる。この場合、被反応物が予
め適正量の水を含んでいる場合は、水を供給する必要が
なくなる。そして、反応の結果、有機物は酸化分解さ
れ、水とＣＯ₂ （炭酸ガス）とからなる高温高圧の反応
生成物が得られる。なお、反応生成物は、エネルギー回
収されるか、冷却、減圧され、ガス分と液分とに分離さ
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような超臨界状態
または亜臨界状態で行う水熱反応のプロセスにおいて、
予め少なくとも１種の無機塩を含む原料、あるいは反応
によって少なくとも１種の無機塩を生成する原料を反応
容器へ供給する際、これら少なくとも１種の無機塩の溶
解度が減少するため、配管または反応容器の内側に塩が
析出して固体化し、流体の流れおよび反応に悪影響を及
ぼしたり、流路を閉塞してシステムに重大な障害を与え
る可能性がある。

【０００５】このため、反応容器の内側に析出した塩を
機械的にスクレーパで掻き落としたり、高圧空気を噴射
して析出した塩を除去したり、あるいは反応容器の内側
に多孔性の内筒を配設し、内筒の外側から内側へ向けて
塩が溶解する程度に水を噴射することで塩水として除去
することが行われており、除去された塩は、反応容器の
下部に堆積する。この反応容器の下部に堆積した塩は、
反応容器の下部を塩が溶解する低温領域とすることによ
り、塩水の状態で反応容器の外へ排出される。

【０００６】しかしながら、塩水は、後段で塩を分離す
る際、煩雑な塩と水との分離処理が必要となる。さら
に、反応容器の下部に低温域を設けると、反応容器が大
型化、複雑化し、運転操作が煩雑になる。

【０００７】この発明は、上記したような不都合を解消
するためになされたもので、反応容器下部に低温領域を
設け、塩を溶解し、塩水として排することなく、無機塩
を溶融させて反応物から分離し、さらに溶融塩を反応容
器の外へ排出することが可能な水熱反応装置を提供する
ものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の水熱反応装置
は、無機塩が溶融化剤により溶融した溶融塩を貯留する
貯留部が下部に設けられ、超臨界状態または亜臨界状態
の水熱反応で使用する反応容器と、この反応容器へ被反
応物を供給する供給手段と、反応容器から反応生成物を
排出する排出手段と、反応容器の内部に付着した無機塩
を除去する除去手段とからなるものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図に
基づいて説明する。図１はこの発明の第１実施形態であ
る水熱反応装置の概略構成を示す縦断面図である。

【００１０】図１において、Ｒは水熱反応装置を示し、
反応容器１と、この反応容器１の上部の中心または中心
近傍に軸方向へ向けて配設され、反応容器１内へ被反応
物を供給する供給管２１と、反応容器１の上側周面に配
設され、反応容器１から反応生成物を排出する排出管２
３と、反応容器１の下側周面に配設され、反応容器１の
下部に設けられた貯留部１Ａから溶融塩などを排出する
排出管２４と、この排出管２４に配設された減圧弁２５
と、この減圧弁２５よりも下流の排出管２４に配設さ
れ、溶融塩と無機ＳＳとを分離して排出する固液分離器
２６と、スクレーパ機構３１とで構成されている。

【００１１】反応容器１は、内部に円柱状をした反応用
の空間部が形成され、下端部分が開放した円筒部２と、
反応容器１の内面を腐食から保護する目的で円筒部２の
内面に配設されたライナー３と、円筒部２が載置される
基台４とで構成されている。そして、基台４で閉塞され
た円筒部２内の下部は、貯留部１Ａとされている。な
お、基台４は、この実施形態の場合、３層の基台分割部
分５，６，７で構成され、いずれの基台分割部分５，
６，７にも円筒部２の中心に位置する孔８が設けられて
おり、孔８内に可動軸３２の下部が収容されている。

【００１２】まず、一番上の基台分割部分５には、孔８
から半径方向へ延びて上側の周面に開放する排出口９、
および、孔８と同心で、下面が開放した段部１０が周回
方向に設けられている。そして、基台分割部分５の段部
１０と上から二番目の基台分割部分６の上面とが一体と
なって可動軸３２の外側を周回する凹部を形成し、この
凹部にシール部材３３が収容されている。

【００１３】次に、二番目の基台分割部分６には、孔８
に内側が開放して周回する凹部１１が形成され、この凹
部１１にブシュ３４が収容されている。最後に、一番下
の基台分割部分７には、可動軸３２を駆動するチェーン
等が挿入される開口１２と、孔８に内側が開放して周回
する凹部１３とが設けられ、凹部１３にブシュ３５が収
容されている。

【００１４】このように構成された基台４において、可
動軸３２は、前述のブシュ３４，３５および可動軸３２
の下面を支持するスラストワッシャ３６からなる軸保持
機構で回転可能に支持されている。なお、ブシュ３４，
３５は、図示を省略するが、基台分割部分６，７の肉厚
方向、かつブシュ３４，３５の上側をブシュ固定用リン
グ等の嵌め合い構造にするなどして着脱可能にする。

【００１５】また、図示は省略されているが、可動軸３
２の開口１２に対応する高さの位置には、歯車が設けら
れており、反応容器１の外に配置されたモータと、この
モータと可動軸３２の歯車とに張架されたチェーン３７
とで駆動機構が構成されている。なお、駆動機構はオー
バートルク時に作動する安全機構を備えている。

【００１６】上記した可動軸３２の上端部分には、反応
容器１の内側に付着した無機塩などの付着物を掻き取る
ように、反応容器１の内面に下側から上側へ沿う形状の
スクレーパ３８が取り付けられている。このスクレーパ
３８としては、可動軸３２の周囲に所定間隔、例えば６
０度間隔で６本取り付けられている棒状のものであった
り、円筒状で円筒面の複数個所に開口を設けて刃を形成
したものなどを用いることができる。上記した可動軸３
２〜スラストワッシャ３６、駆動機構およびスクレーパ
３８でスクレーパ機構３１が構成されている。

【００１７】次に、動作について説明する。まず、水熱
反応処理をする前に、供給管２１または排出管２３を利
用して、溶融化剤を反応容器１の貯留部１Ａに所定量貯
留させる。なお、溶融化剤とは、対象とする無機塩類に
加えることにより、全体の塩類の融点を希望する温度に
低下させて溶融状態にさせる物質のことを言い、単独ま
たは複数種の混合物であってもよい。この溶融化剤の一
例を示すと、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）単体の融点は
８００℃であるが、溶融化剤として硝酸ナトリウム（Ｎ
ａＮＯ₃ ）を等量添加することにより、混合物の融点は
約３００℃に低下する。

【００１８】上記のように構成した反応容器１内へ供給
管２１から被反応物を供給すると、反応容器１内で被反
応物は反応し、反応生成物は排出管２３から排出され
る。この反応の運転を継続すると、水熱反応装置Ｒの稼
働時間の経過に伴って反応容器１の内側への塩の付着量
が多くなって反応領域が狭くなるので、水熱反応装置Ｒ
の稼働時間の経過に伴って駆動機構を作動させ、チェー
ン３７を介して可動軸３２を低速（例えば１ｒｐｍ）で
回転させて回転するスクレーパ３８で反応容器１の内側
に付着した塩を掻き落す。

【００１９】このように反応容器１の内側から掻き落と
された塩、および反応時に落下した塩は、貯留部１Ａ内
の溶融化剤によって融点が下がり、溶融剤に溶融して流
動性が著しく良くなる。この流動性の良くなった溶融塩
は流体と見なせるので、減圧弁２５を介して反応容器１
の貯留部１Ａから常圧の反応域外へ減圧弁２５に障害を
与えることなく溶融塩を連続または断続的に排出する。

【００２０】このように反応容器１の内側に付着した塩
をスクレーパ３８で掻き落として貯留部１Ａの溶融化剤
に溶融させることができるので、無機塩を溶融させて反
応容器１の外へ排出することができ、反応容器１内の反
応領域を有効に利用して水熱反応処理を行うことができ
るとともに、溶融塩を排出しながら水熱反応処理を連続
して行うことができる。また、貯留部１Ａから溶融塩を
排出するので、ほとんど塩のみを排出することができ
る。

【００２１】さらに、貯留部１Ａから固液分離器２６へ
排出された溶融塩は、流動性が良いので、固液分離器２
６での無機ＳＳとの分離が容易になる。また、溶融塩は
温度を下げると凝固するため、二次処理または再利用の
取り扱いが容易になり、また、温度を下げて溶融塩を凝
固させる際、温度を所定の適温に設定することにより、
一部の無機塩は溶融化剤よりも先に凝固するため、溶融
化剤と無機塩とを分離することが可能になる。

【００２２】この第１実施形態において、溶融化剤また
は反応過程で溶融化剤を生成する物質を被反応物と予め
混合して供給管２１から反応容器１へ供給すると、反応
過程で生成された無機塩が溶融化剤に溶融して貯留部１
Ａに溜まることにより、反応容器１の内側に付着する塩
の量を抑制することができるので、スクレーパ機構３１
の稼働率を下げることができるとともに、スクレーパ機
構３１の寿命を長くすることができる。また、固液分離
器２６で分離した溶融塩または溶融化剤を、点線の矢印
で示すように、供給管２１から反応容器１へ供給する
と、反応容器１の内側に付着する塩の量を抑制すること
ができ、溶融塩または溶融化剤を再利用することができ
る。

【００２３】なお、排出管２３は、二点鎖線で示すよう
に、反応容器１の下部で、貯留部１Ａよりも上側に配設
してもよい。また、スクレーパ機構３１を設けない場
合、反応容器１の内側に析出して付着した塩は所定の厚
さ、大きさになると、剥離して落下するが、塩は貯留部
１Ａの溶融化剤で溶融されるため、後段の排出管２４、
減圧弁２５などが塩で目詰まりしなくなる。

【００２４】さらに、排出管２４、減圧弁２５および固
液分離器２６などからなる貯留部１Ａから溶融塩を取り
出す取り出し手段、排出口９を設けない場合は、水熱反
応を所定時間継続した後に水熱反応装置Ｒを停止させ、
貯留部１Ａの溶融塩を取り出し、新たな溶融化を所定量
貯留させればよい。また、超臨界状態または亜臨界状態
の水を主成分とする流体の密度は６００℃、２５０ｋｇ
／ｃｍ² の場合に約０．０７であるのに対し、塩化ナト
リウムと硝酸ナトリウムとを１：１で混合した溶融化剤
を使用した溶融塩は６００℃、２５０ｋｇ／ｃｍ² の場
合に密度が約１．６であるので、溶融塩を比重分離する
ことが可能である。

【００２５】図２はこの発明の第２実施形態である水熱
反応装置の概略構成を示す縦断面図であり、図１と同一
または相当部分に同一符号を付して説明を省略する。図
２において、２２は溶融化剤供給管を示し、溶融化剤を
被反応物とは別に反応容器１の上部へ供給するものであ
り、円周上に複数配設されている。

【００２６】次に、第１実施形態と異なる部分の動作に
ついて説明する。水熱反応処理を行いながら溶融化剤供
給管２２から反応容器１へ溶融化剤を所定量ずつ供給す
ると、反応過程で生成された塩は溶融化剤に溶融して貯
留部１Ａに溜まる。

【００２７】この第２実施形態においても、第１実施形
態と同様な効果を得ることができる他、溶融化剤供給管
２２から反応容器１へ溶融化剤を供給するので、反応容
器１の内側へ塩が付着するのを抑制できることにより、
スクレーパ機構３１の稼働率をさらに下げることができ
るとともに、スクレーパ機構３１の寿命をさらに長くす
ることができる。

【００２８】この第２実施形態において、固液分離器２
６で分離した溶融塩または溶融化剤を、点線の矢印で示
すように、溶融化剤供給管２２から反応容器１へ、また
は、溶融塩供給管２７から貯留部１Ａへ供給すると、溶
融塩または溶融化剤を再利用することができる。また、
溶融化剤供給管２２から反応容器１へ溶融化剤を供給し
たが、反応過程で溶融化剤を生成する物質を溶融化剤供
給管２２から反応容器１へ供給しても、同様な効果を得
ることができる。なお、溶融化剤または反応過程で溶融
化剤を生成する物質を供給しながら水熱反応処理を行う
場合は、予め貯留部１Ａに溶融化剤を貯留させなくとも
よい。

【００２９】図３はこの発明の第３実施形態である水熱
反応装置の概略構成を示す縦断面図であり、図１および
図２と同一または相当部分に同一符号を付して説明を省
略する。図３において、１６は内筒を示し、上側に設け
たフランジで反応容器１の天井の内側に所定の手段によ
って取り付けらている。

【００３０】この第３実施形態が第１実施形態と異なる
のは、内筒１６が設けられている点のみであり、第１実
施形態と同様な効果を得ることができる。

【００３１】上記した各実施形態において、基台４を円
筒部２の下側に設けたが、基台４を円筒部２の上側に設
けても良く、基台４を円筒部２の上側に設ける場合は、
排出口９を円筒部２の下側に別途設ける。そして、可動
軸３２を回転させることで説明したが、可動軸３２を正
逆方向に回動させたり、上下動させたり、可動軸３２を
回転または回動させながら、例えばカム機構を利用して
上下動させたり、またはバイブレータを利用して振動さ
せてもよい。

【００３２】また、反応容器１の内側、または内筒１６
の内側に析出する塩を除去する除去手段をスクレーパ機
構３１としたが、内筒１６が多孔性あるものを用い、室
反応容器１の上側または周囲から水または空気を反応容
器１内または内筒１６内へ、または内筒１６の孔を利用
して外側から内側へ高圧で噴射させて除去する噴射手段
であってもよい。

【００３３】ここで、溶融化剤の一例を示すと、単塩の
場合は、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ ₃ ）、亜硝酸ナトリ
ウム（ＮａＮＯ₂ ）などの硝酸塩類（または硝酸化
塩）、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ₂ ）などの低融点ハロゲン化
物塩などが使用でき、混合塩の場合は、硝酸ナトリウム
（ＮａＮＯ₃ ）、硝酸カリウム（ＫＮＯ₃ ）、亜硝酸ナ
トリウム（ＮａＮＯ₂ ）を７：４４：４９の比で混合し
た融点が１４２℃のもの、炭酸リチウム（Ｌｉ₂ Ｃ
Ｏ₃ ）、炭酸ナトリウム（Ｎａ₂ ＣＯ₃ ）、炭酸カリウ
ム（Ｋ₂ ＣＯ₃ ）を４１：３６：２３の比で混合した融
点が３９９℃のもの、弗化リチウム（ＬｉＦ）、弗化ナ
トリウム（ＮａＦ）、弗化カリウム（ＫＦ）を４６：１
２：４２の比で混合した融点が４５４℃のもの、塩化銀
（ＡｇＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）を７０：３０の
比で混合した融点が３１８℃のものなどが使用できる。

【００３４】また、アルカリの場合は、水酸化ナトリウ
ム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などが使用
でき、塩とアルカリとを混合しても使用することができ
る。さらに、反応過程で溶融化剤を生成する物質として
は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を生成するナトリウ
ムエトキシド（Ｃ₂ Ｈ₅ ＯＮａ）などのアルコキシド化
合物などを使用することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、反応
容器の内側に付着した塩を除去手段で除去して貯留部へ
貯めることができるので、反応容器内の反応領域を有効
に利用して水熱反応処理を行うことができる。また、溶
融塩として貯留するので、塩を水に溶解させる低温域を
反応容器下部に設ける必要がなく、反応容器内全体を高
温に保持できるため、小型で簡易な反応容器構造にする
ことができる。そして、貯留部から溶融塩を排出するの
で、ほとんど塩のみを排出することができる。

【００３６】また、溶融化剤または反応過程で溶融化剤
を生成する物質を供給する手段を設けたので、溶融化剤
または物質を供給しながら水熱反応処理を行うと、反応
容器の内側へ塩が付着するのを抑制できるので、除去手
段の稼働率を下げることができる。さらに、貯留部から
溶融塩を取り出す取り出し手段を設けたので、溶融塩を
排出しながら水熱反応処理を連続して行うことができ
る。そして、取り出し手段に固液分離手段を設けたの
で、無機ＳＳ分と溶融塩とを分離することができ、この
溶融塩を再利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施形態である水熱反応装置の
概略構成を示す縦断面図である。

【図２】この発明の第２実施形態である水熱反応装置の
概略構成を示す縦断面図である。

【図３】この発明の第３実施形態である水熱反応装置の
概略構成を示す縦断面図である。

【符号の説明】

Ｒ 水熱反応装置 １ 反応容器 １Ａ 貯留部 ２ 円筒部 ３ ライナー ４ 基台 ５〜７ 基台分割部分 ８ 孔 ９ 排出口 １０ 段部 １１，１３ 凹部 １２ 開口 １６ 内筒 ２１ 供給管 ２２ 溶融化剤供給管 ２３，２４ 排出管 ２５ 減圧弁 ２６ 固液分離器 ２７ 溶融塩供給管 ３１ スクレーパ機構 ３２ 可動軸 ３３ シール部材 ３４，３５ ブシュ ３６ スラストワッシャ ３７ チェーン ３８ スクレーパ

フロントページの続き (71)出願人 598124375 ジェネラル アトミックス インコーポレ イティッド アメリカ合衆国 カリフォルニア州 サン ディエゴ ジェネラル アトミックス コ ート 3550 (72)発明者 畠 康彦 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 (72)発明者 堀 謙三 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 (72)発明者 北野 清之 東京都港区赤坂２丁目３番６号 株式会社 小松製作所内 (72)発明者 脇田 正明 東京都新宿区西新宿３丁目４番７号 栗田 工業株式会社内 (72)発明者 中山 哲 東京都新宿区西新宿３丁目４番７号 栗田 工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4D050 AA12 AA20 AB11 AB19 AB45 BB01 BC01 BC02 BC10 BD02 CA15 CA20

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無機塩が溶融化剤により溶融した溶融塩
   を貯留する貯留部が下部に設けられ、超臨界状態または
   亜臨界状態の水熱反応で使用する反応容器と、 この反応容器へ被反応物を供給する供給手段と、 前記反応容器から反応生成物を排出する排出手段と、 前記反応容器の内部に付着した無機塩を除去する除去手
   段と、 からなる水熱反応装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の水熱反応装置におい
   て、 前記溶融化剤は、塩、アルカリ、または塩とアルカリと
   の混合物である、 ことを特徴とする水熱反応装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の水熱反
   応装置において、 前記溶融化剤または反応過程で前記溶融化剤を生成する
   物質を前記被反応物と予め混合して前記反応容器へ前記
   供給手段で供給し、または前記溶融化剤または反応過程
   で前記溶融化剤を生成する物質を前記被反応物と別に前
   記反応容器へ供給する溶融化剤供給手段を設け、または
   前記溶融化剤が前記貯留部に予め貯留されている、 ことを特徴とする水熱反応装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の水熱反応装置におい
   て、 前記貯留部から前記溶融塩を取り出す取り出し手段を設
   けた、 ことを特徴とする水熱反応装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の水熱反応装置におい
   て、 前記取り出し手段に固液分離手段を設けた、 ことを特徴とする水熱反応装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の水熱反応装置におい
   て、 前記固液分離手段で分離した溶融塩を、前記供給手段、
   または前記反応容器の上部、または前記貯留部へ供給す
   る溶融塩供給手段を設けた、 ことを特徴とする水熱反応装置。
7. 【請求項７】 請求項１に記載の水熱反応装置おいて、 前記除去手段は、無機塩を掻き取る掻き取り手段、また
   は高圧流体を噴射して無機塩を除去する噴射手段であ
   る、ことを特徴とする水熱反応装置。