JP2005034805A

JP2005034805A - 水熱反応装置

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Publication number: JP2005034805A
Application number: JP2003276813A
Authority: JP
Inventors: Kunitoshi Suzuki; 邦利鈴木; Minoru Uchida; 稔内田; David A Hazlebeck; エー，ハズルベックダビッド
Original assignee: Komatsu Ltd; Kurita Water Industries Ltd; General Atomics Corp
Current assignee: Komatsu Ltd; Kurita Water Industries Ltd; General Atomics Corp
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】安全性の高い炭酸ガスを低コストで提供することのできる水熱反応装置を提供すること。
【解決手段】本発明の水熱反応装置は、水熱反応器と、該水熱反応器へ被反応物を供給する被反応物供給手段と、酸化剤供給手段と、該水熱反応器で生成した反応生成物を気液分離する気液分離手段と、該気液分離手段から分離された気体（排ガス）中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段と、該酸素測定手段によって測定された酸素濃度に応じて、水熱反応器への酸素の供給を制御する手段とを具備することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水熱反応装置に関する。特には、水熱反応装置からの排ガス成分を炭酸ガス（以下、ＣＯ₂）を主成分とし、他の成分の残留量を制御することができる水熱反応装置に関する。

近年、水熱反応の応用の一形態として、廃棄物中の有機物などを酸化や加水分解させて廃棄物を処理する方法が注目されている。同方法では、水の超臨界又は亜臨界状態で有機物を含む廃棄物と酸化剤及び水とを反応させ、廃棄物中の有機物を短時間で、ほぼ完全に分解することができる。

水の超臨界状態とは、温度が３７４℃以上で、圧力が２２ＭＰａ以上の状態である。亜臨界状態とは、例えば温度が３７４℃以上で、圧力が２．５ＭＰａ以上２２ＭＰａ未満の状態、又は、温度が３７４℃未満で、圧力が２２ＭＰａ以上の状態、又は温度が３７４℃以下で、圧力が２２ＭＰａ未満の状態であって、臨界点に近い高温高圧状態である（例えば、特許文献１参照）。

水熱酸化反応によって廃棄物中の有機物を酸化分解する際は、廃棄物、酸化剤及び水を反応器内へ供給して反応させる。すると、有機物は酸化分解され、主に水とＣＯ₂が生じ、無害化される。そして、生じた反応生成物は、エネルギ回収されるか、又は冷却、減圧された後、気体と液体とに分離される。この場合、酸化反応が完全に行われるように、有機物を酸化反応させるのに必要な理論酸素量に対してかなり過剰の酸素を供給して余裕のある安全領域で反応を実施し、排ガス中にＣＯやＮＯｘ等の有害ガスが発生しないように運転される。

したがって、従来は水熱反応処理後の排ガスにはＣＯ₂以外に、酸素や場合によってはＮ₂Ｏ等の副生成ガスも排ガス中に含まれることがある。

通常、水熱反応後の排気ガスは大気に放出されることが多いが、環境負荷低減の観点から、排ガス中のＣＯ₂を回収して再利用される場合がある。しかし、上述したように、水熱反応の排ガス中には、ＣＯ₂以外に、酸素等が混入しており、その濃度を管理していないため、利用可能なＣＯ₂を回収するためにはＣＯ₂以外のガスを分離してＣＯ₂濃度を高める必要があり、装置が複雑となり、回収コストがかかりすぎるという問題があった（例えば、特許文献２等）。

一方、農作物にＣＯ₂を施して生育を促進するＣＯ₂施用農法は、マスクメロンやイチゴ等の温室栽培等で行われており、マスクメロンやイチゴ等の生産を向上させる手段として注目されている。このＣＯ₂施用農法においては、ビニールハウス内部のＣＯ₂濃度を上昇させるために、ビニールハウス内部にＣＯ₂ガスを放出しているが、市販のＣＯ₂ガスは高純度で高価であるため、コストがかかり普及が遅れているのが現実である。更に、市販の高圧ＣＯ₂ガスは、ボンベに充填されているが、ボンベ内の残量が不明瞭であり、使い終わってから利用者が注文しているため、配送効率が悪く、配送コストが高くなることも、コストが高くなる要因であった。
また、安価なＣＯ₂ガス発生装置として、灯油燃焼式の装置もあるが、排気ガス中にＣＯやＮＯｘ等の有毒ガスが発生するおそれがあり、安全面で問題となる。従って、安全性の高いＣＯ₂ガスを安価に製造、配給することが望まれている。

特開２０００−１０８８号公報特開平１０−１３２２０１号公報

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、水熱反応装置からの排ガス中のＣＯ₂ガスとその他のガスの残留量を制御することのできる水熱反応装置を提供することを目的とする。

上記の問題点を解決するため、本発明の水熱反応装置は、水熱反応器と、該水熱反応器へ被反応物を供給する被反応物供給手段と、酸化剤供給手段と、該水熱反応器で生成した反応生成物を気液分離する気液分離手段と、該気液分離手段から分離された気体（排ガス）中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段と、該酸素測定手段によって測定された酸素濃度に応じて、水熱反応器への酸素の供給を制御する手段とを具備することを特徴とする。
上記水熱反応装置によれば、水熱反応装置からの排ガス中のＣＯ₂ガスとその他のガスの残留量を排ガスの用途に応じて制御することができる。即ち、排ガスの用途に応じて、他の酸素ガス等の含有量を少なくしたり逆に多くしたりすることができる。

上記酸素の供給を制御する手段は、水熱反応器に供給する酸化剤量を制御する手段であることが好ましい。
上記酸素の供給を制御する手段は、上記気液分離手段から分離された気体（排ガス）を水熱反応器へ循環する手段であり、水熱反応器への気体（排ガス）の循環量を制御する手段であることが好ましい。
上記酸化剤は純酸素又は酸素リッチガスであることが好ましい。
上記水熱反応装置は、上記気液分離手段から分離された気体（排ガス）中のＮ₂Ｏガス濃度を低減させる手段を備えることが好ましい。
上記Ｎ₂Ｏガス濃度を低減させる手段は触媒であることが好ましい。

また、本発明は、上記水熱反応装置の気液分離手段から分離された気体（排ガス）を農作物用又は産業用ＣＯ₂とすることを特徴とする、水熱反応装置を提供する。
上記水熱反応装置は、更に、上記気液分離手段から分離された気体（排ガス）を貯蔵する排ガス貯蔵手段を備え、該排ガス貯蔵手段に貯蔵された気体（排ガス）を、例えば農作物用又は産業用ＣＯ₂としてボンベに供給する手段を備えていることが好ましい。
上記ボンベは残量センサーを備えていることが好ましい。
上記残量センサーは残量信号伝送手段を備えていることが好ましい。

上記水熱反応装置は、ＣＯ₂利用者の有するボンベから送信される残量信号を受信する手段、受信した残量信号に基づいて、ＣＯ₂が充填されたボンベを配送するための配送計画を自動作成する手段を有することが好ましい。
上記水熱反応装置は、ＣＯ₂利用者の有するボンベから送信される残量信号を受信する手段、受信した残量信号に基づいて、ＣＯ₂が充填されたボンベの需要を予測する手段、及び予測されたボンベの需要量から水熱反応装置の処理量を調整する手段を有することが好ましい。
上記水熱反応装置は、上記被反応物が活性汚泥処理からの余剰汚泥であり、ＣＯ₂利用者の有するボンベから送信される残量信号を受信する手段、受信した残量信号に基づいて、ＣＯ₂が充填されたボンベの需要を予測する手段、及び予測されたボンベの需要量から、活性汚泥処理からの余剰汚泥の反応量を調整する手段を有することが好ましい。

本発明の水熱反応装置によれば、水熱反応を最適範囲で制御しながら、排ガスの用途に応じてＣＯ₂リッチガスと他の成分ガスの残留量を制御した排ガスを提供することができる。

以下、本発明の水熱反応装置について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。

図１に示すように、水熱反応器７の入り口には、酸化剤圧縮装置１からリザーブタンク５及び流量制御弁６を経て酸化剤（純酸素又はリッチガス）を供給する酸化剤供給路Ｌ１が接続している。この酸化剤供給路Ｌ１には、被反応物２を供給するための被反応物供給路Ｌ２、助燃剤３を供給するための助燃剤供給路Ｌ３、水４を供給するための水供給路Ｌ４が接続している。被反応物２はポンプＰ１によって加圧され、予熱器１８で予熱された後、被反応物供給路Ｌ２を通って水熱反応器７に供給される。助燃剤３はポンプＰ２によって加圧され、助燃剤供給路Ｌ３を通って水熱反応器７に供給される。また、水４はポンプＰ３によって加圧され、水供給路Ｌ４を通って水熱反応器７に供給される。
水熱反応器７は耐食性・耐熱性・耐圧性を有する材料で作製されている。同反応器７の内面には、耐食性・耐熱性を有する材料で作製された内張りが設けられている。

水熱反応器７の出口には流体取出路Ｌ５が接続しており、この流体取出路Ｌ５には冷却器８が接続しており、冷却器８の先は気液分離器９につながっている。気液分離器９では、冷却器８で冷却された反応生成物を排ガス（ＣＯ₂等）と廃液とに分離する。気液分離器９の底には、減圧弁１１を備えた廃液管Ｌ７が接続されている。廃液は、冷却後、減圧弁１１で大気圧近くの圧力にまで減圧された後廃液タンク（図示せず）に送られる。

気液分離器９の上部は、処理ガス取出路Ｌ６で蓄ガスタンク１５に接続されている。蓄ガスタンク１５では、排ガスの圧力変動が吸収される。蓄ガスタンク１５はリリーフ弁１６を備えた排気管で外部に接続している。また、蓄ガスタンク１５はボンベ小分け充填装置１７を備えた排気管で配送用ボンベ２２に接続している。気液分離器９で気液分離された排ガスは蓄ガスタンク１５に蓄えられ、ボンベ小分け装置１７によって配送用ボンベ２２に供給される。

処理ガス取出路Ｌ６には、気液分離器から排気された排ガスを配送用ボンベに充填するのに適切な圧力まで減圧するための減圧弁１０、排ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度計１３及び排ガス中の一酸化炭素濃度を測定する一酸化炭素濃度計１４が接続されている。図１に示す水熱反応装置には制御装置１２が備えられており、酸素濃度計１３及び一酸化炭素濃度計１４により測定した酸素濃度及び一酸化炭素濃度によって、後述するように流量制御弁６の開度を調整するようになっている。

気液分離器９で気液分離された排ガスはＣＯ₂を主成分とするものであり、その他、酸素やきわめて微量の一酸化炭素等を含んでいる。本発明の水熱反応装置によれば、排ガス中の酸素及び一酸化炭素の濃度を調整することができる。例えば一酸化炭素濃度Ｘは、人体への影響のない濃度である、５０ｐｐｍ以下とすることが好ましく、１ｐｐｍ程度が更に好ましい。酸素濃度Ｙは、排ガスの使用目的によって異なるが、例えば農作物用途であるＣＯ₂施用農法に用いる場合は、火災防止を考慮すると、２０％以下であることが好ましく、水熱反応上、一酸化炭素濃度を１ｐｐｍ以下に維持できる濃度であれば、酸素濃度Ｙは少ないほど酸素配送効率がよくなるので好ましい。逆に、ビニールハウス内での酸欠事故防止を考慮すると、１２〜２０％程度とすることが好ましい。

排ガス中の酸素濃度及び一酸化炭素濃度は、十分な安定反応状態においては、流量制御弁６の開度を調整することにより調整可能である。なお、水熱反応は、反応器７の内部に備えられる、温度センサＴ１により温度を測定し、反応温度が一定になるよう、被反応物ポンプＰ１、あるいは助燃剤ポンプＰ２を制御して安定反応状態を促進する。この点について図２を用いて説明する。図２は、排ガス中の酸素及び一酸化炭素濃度を調整するための処理のフローチャートである。

図２に示すように、本発明の水熱反応装置において、一酸化炭素濃度計１４において排ガス中の一酸化炭素濃度を測定する。この一酸化炭素濃度が任意の規定値Ｘｐｐｍ以上であれば、流量制御弁６の開度を大きくする。一方、一酸化炭素濃度が任意の規定値Ｘよりも小さい場合、酸素濃度計１３で排ガス中の酸素濃度を測定する。酸素濃度が任意の規定値Ｙより小さい場合、流量制御弁６の開度を大きくして酸化剤圧縮装置１からの酸化剤（純酸素又は酸素リッチガス）の供給量を増大させる。一方、酸素濃度が任意の規定値Ｙより大きい場合には、流量制御弁６の開度を小さくし、酸化剤圧縮装置１からの酸化剤（純酸素又は酸素リッチガス）の供給量を減少させる。また、酸素濃度が任意の規定値Ｙである場合には、流量制御弁６の開度を維持する。

本発明の水熱反応装置において気液分離器９で気液分離される排ガス中のＣＯ₂濃度を上昇させてＣＯ₂の回収率を上昇させる運転条件としては、例えば気液分離器９の入り口において、水熱反応処理後の流体の温度を３１．１〜３００℃とし、圧力を２〜２５ＭＰａとすることが好ましく、１０〜２５ＭＰａとすることが更に好ましい。ＣＯ₂の回収率を上昇させるためには、ＣＯ₂の溶解度が小さい１５０〜２８０℃程度が好ましい。３１℃以下であるとＣＯ₂が液化してしまう場合があり、３１．１〜１５０℃では液化はしないものの、水への溶解度が大きく回収率が低くなる。

次に、本発明の他の実施の形態に係る水熱反応装置について説明する。
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。
図３に示す水熱反応装置は、基本的な構成は図１に示す水熱反応装置とほぼ同様である。図３に示す構成部品のうち、図１と同じものについては記載を省略した。

図３に示す水熱反応装置においては、処理ガス取出路Ｌ６の減圧弁１０の前に、冷却器２３及びドレンタンク２２’を有している。このように、冷却器２３及びドレンタンク２２’を有しているので、該ガス中の水分除去率を向上させることができる。また、冷却器２３を設けなくても、ドレンタンク２２’のみであってもよい。ドレンタンク２２’にたまった水分は、排液管Ｌ９を通り、気液分離器からの排液管Ｌ９に合流するようになっている。この場合、ドレンタンク２２’入り口における排ガス温度は好ましくは３１．１〜３００℃であり、更に好ましくは４５〜１００℃である。また、冷却器２３の代わりに、あるいは冷却器２３の前後に減圧弁を設け、圧力を若干減圧させることによっても、減圧効果及び断熱膨張による温度低下効果により、排ガス中の水分除去効率を上昇させることができる。

次に、本発明の他の実施の形態に係る水熱反応装置について説明する。
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。
図４に示す水熱反応装置は、基本的な構成は図１に示す水熱反応装置とほぼ同様である。図４に示す構成部品のうち、図１と同じものについては記載を省略した。
図４に示す水熱反応装置においては、気液分離器９の上部から処理ガス取出路Ｌ６が分岐して、排ガス循環路Ｌ８が昇圧機１９、蓄圧器２０及び排ガス循環流量制御弁２１を接続し、排ガス流量制御弁から酸化剤供給路Ｌ１に合流している。このような排ガス循環路Ｌ８を設けることにより、排ガス中のＣＯ₂濃度を高めてＣＯ₂リッチガスを得ることができる。

次に、図１に示す水熱反応装置と図４に示す水熱反応装置も性能を確認するために行った実験結果について説明する。
以下の条件で性能を比較した。
被処理物処理量：１０ｍ³／日
被処理物発熱量：１３３ｋｃａｌ／ｋｇ（高位発熱量）
反応条件：６５０℃、２３．４ＭＰａ
反応器における酸素過剰率：理論当量の２０％
それぞれの性能を表１に示す。

上記表１から明らかなように、本発明の水熱反応装置は、排ガスの循環量を変えることにより、排ガス中の酸素濃度を減少させ、ＣＯ₂を増加させる、等の制御が可能である。それによって、ＣＯ₂以外のガス濃度の制御が可能となる。

次に、本発明の他の実施の形態に係る水熱反応装置について説明する。
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。
図５に示す水熱反応装置は、基本的な構成は図１に示す水熱反応装置とほぼ同様である。図５に示す構成部品のうち、図１と同じものについては記載を省略した。

図５に示す水熱反応装置においては、処理ガス取出路Ｌ６に、Ｎ₂Ｏ濃度計２４が接続されている。また、Ｎ₂Ｏ濃度計２４の下流には排ガス流路分岐弁２５が接続されており、ガス流路分岐弁２５の下流には吸湿塔３０、Ｎ₂Ｏ分解装置２６が接続されている。窒素を多く含むものを被反応物として用いた場合、水熱反応の副生成物としてＮ₂Ｏガスをわずかに生成する場合がある。Ｎ₂Ｏは有害ガス成分ではないため濃度管理は必ずしもする必要はないが、温暖化係数が大きいため、濃度コントロールが必要な場合がある。

図５に示す水熱反応装置において、酸素濃度、一酸化炭素濃度とともにＮ₂Ｏ濃度を測定し、制御装置１２で濃度を監視する。Ｎ₂Ｏ濃度が高くなった場合、排ガス流路分岐弁２５を切り替え、排ガスをＮ₂Ｏ分解装置２６に送り、Ｎ₂Ｏ分解装置２６でＮ₂Ｏを分解した後、排ガスは蓄ガスタンク１５に送られる。Ｎ₂Ｏ分解装置２６としては、触媒式のものが好ましく用いられる。用いられる触媒に特に制限はないが、例えばゼオライト、酸化すず（ＩＶ）、酸化すずにコバルト化合物（ＩＩ）を加えたものが用いられる。また、一般的に、触媒でＮ₂Ｏを分解する場合、温度は２００〜５００℃であることが必要である。図５に示す水熱反応装置においては、流体取出路Ｌ５に熱回収熱交換器２８を備えており、この熱回収熱交換器２８で熱媒体を加熱し、その熱量を熱媒体循環路Ｌ１０を通してＮ₂Ｏ分解装置２６に送り、Ｎ₂Ｏ分解装置２６を加熱する。運転条件により温度が不足する場合には、熱媒体循環路Ｌ１０に接続された熱媒体加熱器２９によって不足熱量を補う。また、Ｎ₂Ｏ分解装置２６の上流に設けられた吸湿塔３０によって排ガス中の水分が吸湿されるので、触媒の寿命を延ばすことができる。吸湿塔３０内には吸湿剤が充填されており、この吸湿剤としては、例えばゼオライト、シリカゲル等が挙げられる。

本発明の水熱反応装置を用いることによって排ガスをそのままＣＯ₂施用農法に適用してＣＯ₂再資源化システムを実施することができる。
図６は、本発明の水熱反応装置を用いたＣＯ₂再資源化システムの一例であり、水熱反応装置により下水汚泥を原料にＣＯ₂リッチガスを製造し、ＩＴを活用したＣＯ₂リッチガス配給システムを用いて効率的に再資源化するシステムである。
図６に示すＣＯ₂リッチガス小分け充填装置は、複数のビニールハウス３８、３９、充填センター４６、水熱反応装置３４、蓄ガスタンク３５、汚水処理施設、基地局４１、ネットワーク４２、コントロール局４５、配送車４３、及びサーバ４７’を備え、ビニールハウス３８、３９の備えるガス情報出力手段４０から送信されるガス残量信号を基地局４１を介してサーバ４７’で取得し、ビニールハウスに配置されたボンベ５９のガス残量に応じて、配送車４３を補給巡回させることにより、利用者の有するビニールハウスに配置されたボンベ５９内のＣＯ₂リッチガスの残量を管理し、補給するシステムである。

図６に示す汚水処理施設は、活性汚泥処理槽３１、余剰汚泥貯留タンク３２、脱水機３３、制御装置３２及びポンプＰ５からなる。なお、図示はしないが、活性汚泥処理槽３１と、余剰汚泥貯留タンク３２との間に汚泥濃縮槽があってもよい。活性汚泥処理槽３１からの余剰汚泥は、余剰汚泥貯留タンク３２に送られ、水熱反応装置において処理されるまで、余剰汚泥貯留タンク３２に貯留される。水熱反応装置３４と制御装置３２とは接続されており、水熱反応装置３２において汚泥を処理する必要が生じた場合、制御装置３２によってポンプＰ５が作動し、余剰汚泥貯留タンクに貯留されている汚泥が脱水機３３に送られ、次いで、脱水処理された汚泥が水熱反応装置３４に送られ、水熱処理される。なお、図示しない汚泥濃縮槽がある場合は、脱水不要な場合もある。水熱反応装置に送られる汚泥の濃度としては、１〜２５％が好ましく、８〜１５％が更に好ましい。

水熱反応装置３４については、上述したものと同様のものが用いられる。水熱反応装置３４において処理された反応生成物は、図示しないが、水熱処理装置の備える気液分離器によって気液分離され、排ガスが蓄ガスタンク３５に蓄えられる。
蓄ガスタンク３５に蓄えられた排ガス（ＣＯ₂リッチガス）は、減圧弁４９によって大気圧近くの圧力にまで減圧され、パイプライン４８を通してビニールハウス３８に供給される。ビニールハウス３８には、常時ＣＯ₂リッチガスが供給されることになる。

蓄ガスタンク３５は、充填センター４６の備えるＣＯ₂リッチガス小分け充填装置（ボンベ）３６と接続されており、必要に応じて、蓄ガスタンク３５内に蓄えられた排ガス（ＣＯ₂リッチガス）がＣＯ₂リッチガス小分け充填装置３６に送られ、ＣＯ₂リッチガス小分け充填装置に排ガス（ＣＯ₂リッチガス）が充填される。ＣＯ₂リッチガスの製造量が需要量を超え、かつタンクが満タンの場合は、リリーフ弁１６を通して大気に放出される。

ビニールハウスは、ＣＯ₂施用農法を行うためのものであり、図７に示すように、ビニールハウス本体３８と、ＣＯ₂供給装置５０とからなり、ＣＯ₂供給装置にはＣＯ₂ガスが充填されたボンベ５９が接続されている。ＣＯ₂リッチガスが充填されたボンベ５９はボンベ重量センサ５８の上に積載されており、ＣＯ₂リッチガス中のＣＯ₂リッチガス重量が常時測定され、測定値はガス残量信号として制御装置５５を通して通信装置６０から基地局４１に送信されている。また、圧力センサ５４を用いてＣＯ₂リッチガスボンベ内の圧力を常時測定し、その測定値をガス残量信号としてもよい。

ビニールハウス本体３８には、ＣＯ₂センサー５６が配置されており、ビニールハウス本体３８中のＣＯ２濃度が測定され、その測定値は制御装置５５に送られる。ボンベ５９にＣＯ₂リッチガス放出パイプ５１と接続されており、ＣＯ₂リッチガス放出パイプ５１はＣＯ₂供給装置５０を通り、ビニールハウス本体３８まで伸びている。ＣＯ₂リッチガス放出パイプ５１には、圧力センサ５４、流量計６１、減圧弁５３、流量制御弁５２が接続されている。ＣＯ₂センサー５６によってビニールハウス本体３８中のＣＯ₂濃度が測定され、その値は制御装置５５に送られる。ＣＯ₂濃度が低い場合、制御装置５５によって流量制御弁が開かれ、ボンベ５９内のＣＯ₂リッチガスがビニールハウス３８内に送られる。この際に、ボンベ５９内のＣＯ₂リッチガスは、減圧弁５３によって大気圧近くの圧力にまで減圧された後にビニールハウス本体３８に送られる。一方、ＣＯ₂濃度が高い場合は、制御装置５５によって流量制御弁５２が閉じられる。
適正ＣＯ₂濃度は作物の種類によって異なるが、７００〜２０００ｐｐｍが好ましい。図示しないが、流量制御弁５２の下流側のＣＯ₂リッチガス放出パイプ５１の途中にヒートポンプ式等のガス冷却装置を接続することで、日照量の多い時間帯でもビニールハウス内の温度を低く保って、喚起時間を減らすことにより、より効果的なＣＯ₂施用ができる。

上述したように、通信装置６０から、ガス残量信号が基地局４１に送信される。
ガス残量信号として制御装置５５を通して通信装置６０から基地局４１に送信されている。基地局４１に送信されたガス残量信号は、ネットワーク４２を介してサーバ４７’に出力される。ネットワーク４２は、ＴＣＰ／ＩＰ等の汎用のプロトコルに基づくインターネットとして構成され、このネットワーク４２には、前述したコントロール局４４、サーバ４７’、充填センター４６に設置される端末コンピュータ４７が接続されている。端末コンピュータ４７は、演算処理装置及び記憶装置からなるコンピュータ本体と、このコンピュータ本体に接続されるキーボード、マウス等の入力装置と、ディスプレイ等の表示装置と、を備えた汎用のコンピュータであり、インターネット上でホームページ等を閲覧するためのブラウザソフト、電子メールソフトがインストールされていて、サーバ４７’と通信を行うことができるようになっている。

ボンベ配送手段としての配送車４３は、ビニールハウス３８、３９の所在地を巡回してビニールハウスに設置してあるボンベを交換する車両である。

サーバ４７’は、ネットワーク４２と接続されるWWW（World Wide Web）サーバとして構成され、図８に示すように、種々のプログラムを実行する演算処理装置と、送受信された情報を記憶するハードディスク等の記憶装置とを備える。演算処理装置は、該演算処理装置を含むサーバ全体の動作制御を行うＯＳ（Operating System）上に展開されるプログラムとしての情報入力手段８３、客先位置情報取得手段８４、客先情報受付手段７８、ボンベ残量取得手段８５、ガス使用実績取得手段８６、配送実績受付手段７９、ガス欠時期推定手段８７、配送実績取得手段８８、配送計画配信手段８０、配送計画作成部８９、ガス製造量、ガス充填量配信手段８１、ガス使用料金通知手段８２、ガス使用量算出手段９１を備えている。記憶装置は、上述した各手段で入出力される情報を蓄積した客先位置情報データベース９２及び客先別ガス情報データベース９３を備え、この他に、上述の各手段、及びＯＳを含むプログラムを記憶する領域を備えている。

情報入力手段８３は、客先の情報を入力手段であり、入力された情報は、客先位置情報データベース９２に入力保存され、客先位置情報取得手段８４に出力される。
客先情報受付手段７８は、ビニールハウス７２のＣＯ２リッチガス供給装置７３から送信されたガス残量信号を受け付ける部分であり、受け付けられた情報は、客先位置情報と関連づけられてボンベ残量取得手段８５及びガス使用実績取得手段８６に出力される。ボンベ残量取得手段８６は、ビニールハウスに設置されたＣＯ₂リッチガスを充填したボンベ中のＣＯ₂リッチガスの残量情報を取得する部分であり、ガス使用実績取得手段８６は、各ビニールハウスにおけるＣＯ₂リッチガスの使用実績を取得する部分であり、それぞれの情報を客先別ガス情報データベース９３に出力する。各ビニールハウスにおけるＣＯ₂リッチガスの使用実績は、各ビニールハウスに配置されている流量計の積算値を制御装置を介して取得する。

配送計画作成部８９は、客先別ガス情報データベース９３に入力された情報から、配送計画を作成する部分であり、作成された配送計画は配送計画配信手段８０に出力され、この情報は配送車７４に出力され、配送車７４は、この情報に基づき、ビニールハウス７２に、ＣＯ₂リッチガスを充填したボンベを配送する。
図示しないが、配送車には、通信機能付きＧＰＳカーナビゲーションシステムが設置してあり、配送計画配信手段から送信された情報をカーナビゲーション画面の地図上に配送場所、配送順序、配送経路を表示する。

ガス需要量推定部９０は、配送計画作成部８９からの情報を受け取り、翌日、あるいは当日のリッチガスの総需要量を推定する部分であり、この情報はガス製造量、ガス充填量配信手段８１に出力され、ガス製造量ガス充填量配信手段は、推定された需要量を水熱反応装置の汚泥ポンプＰ５の制御装置、及び充填センター（図７参照）に出力する。この情報に基づき、水熱反応装置で活性汚泥槽又は余剰汚泥貯留タンクから汚泥を取り込み量を制御する。同様に、この情報に基づき、充填センターではＣＯ₂リッチガスの充填量（ボンベ本数）を決定する。

ガス使用料金算出手段９１は、客先別ガス情報データベース９３からガス使用量データを受け取る部分であり、この情報に基づき、客先毎に使用料金を算出し、次いでガス使用料金通知手段８２に算出した使用料金を出力する。ガス使用料金通知手段８２は、ガス使用料金を端末コンピュータ７７に出力する。

客先位置情報データベース９２は、各客先の位置情報を蓄積する部分であり、図９に示すように、情報入力手段８３で入力された客先の緯度情報及び経度情報を１つのレコードとして記録したテーブル構造のデータベースとして構成される。各レコードは、客先位置情報取得手段８４で取得された毎に更新されるようになっていて、図９からもわかるように、各レコードには、客先名、位置情報が記録されるフィールドが設けられている。客先位置情報は、地図上から緯度／経度を読みとり、キーボードで入力してもよいし、電子地図より、テキストデータとして出力し、フレキシブルディスク等の記録媒体を介して入力してもよい。

客先別ガス情報データベース９３は、各客先の有するビニールハウスに設置されたボンベ内のＣＯ₂リッチガスの使用量、残量を蓄積する部分であり、図１０に示すように、ボンベ残量取得手段８５、ガス使用実績取得手段８６、配送実績取得手段８８で取得された情報からなるデータベースである。各テーブルには、各回で取得されたデータが１つのレコードとして記録され、推定ガス欠時期、後述するガス補給優先レベル、当日のガス供給量等が記録される。

次に、上述したＣＯ₂再資源化システムの作用を説明する。
ビニールハウスの制御装置内にあるＣＯ２リッチガス情報出力手段から情報が出力され、ガス欠時期を推定するまでは図１１に示すフローチャートに基づいて実施される。
まず、ビニールハウスの制御装置内にあるＣＯ₂リッチガス情報出力手段からガス残量及びガス使用実績情報を取得する（処理Ｓ９５）。次いで、制御装置内の送信用データ作成手段により、送信用データを作成し（処理Ｓ９６）、作成した送信用データビニールハウスの通信装置よりサーバに送信する（処理Ｓ９７）。なお、送信のタイミングは、１日の作業開始時に行い、前日のデータをサーバに送信するようにしてもよいが、１日の作業終了時にデータをサーバに送信するようにしてもよい。あるいは、一定の時間に定期的に送信してもよい。

サーバ４７’は、客先情報受付手段７８により、客先別情報を取得し（処理Ｓ９８）、ガス残量情報を取得し（処理Ｓ９９）、次いでガス使用実績情報を取得する（処理Ｓ１００）。次に、取得したガス残量情報及びガス使用実績情報に基づき、ガス欠時期を推定し（処理Ｓ１２１）、推定したガス欠時期を客先別ガス情報データベース９３に保存する（処理Ｓ１０２）。
このように、各ビニールハウスに設置されたガス情報出力手段によって、ガス残量情報、ガス使用実績情報がサーバに出力されるように構成されているため、ビニールハウスに設置されたボンベ内のガスの残量、ガス使用実績を人的な手間を介することなく自動的に取得することができ、システムの情報収集の効率化を図ることができる。

配送計画の作成は、図１２に示すフローチャートに基づいて実施される。
まず、客先別ガス情報データベースに蓄積されたデータに基づき、ガス欠時期推定手段によって、ガスがなくなる時期を推定し、これによってガスを優先的に補給する必要のある客先（ガス補給優先レベルＡ）の客先をリストアップし（処理Ｓ１０４）、リストアップされた客先への配送計画を作成する（処理Ｓ１０５）。次いで、巡回時間及び積載量に余裕があるか否かを判断する（処理Ｓ１０６）。巡回時間及び積載量に余裕がある場合、ガス補給優先レベルＡに次いでガスを補給する必要のある客先（ガス補給優先レベルＢ）をリストアップし（処理Ｓ１０８）、リストアップされた客先への配送計画を作成する（処理Ｓ１０５）。次いで、巡回時間及び積載量に余裕がある場合は、次にガスを補給する必要のある客先優先レベル順にリストアップし、この処理を繰り返す。処理１０６において、巡回時間及び積載量に余裕がないと判断した場合は、配送計画を配送車に配信する（処理Ｓ１０７）。次いで、翌日のガス総需要量を算出し（処理Ｓ１０９）、ガス製造量及びガス充填量をサーバに配信する（処理Ｓ１１０）。上述のガス補給優先レベルは、例えば１日以内に補給を必要とするものをレベルＡ、２日以内に補給を必要とするものをレベルＢ、３日以内に補給を必要とするものをレベルＣというように、補給の緊急度に応じてランク付けすることにより行われる。

配送計画作成部８９は、客先位置情報データベース９２及び客先別ガス情報データベース９３に蓄積された情報に基づいて、配送計画を作成する。具体的な配送計画の作成は図１３に示されるフローチャートに基づいて行われる。まず、配送計画作成部８９は、リストアップされた客先の位置情報を取得し（処理Ｓ１１１）、各客先の位置情報に基づいて、客先間の距離を算出する（処理Ｓ１１２）。
次に、配送計画作成部８９は、各客先を巡回する経路を確認し、総合距離を算出する（処理Ｓ１１３）。そして、この総合距離から巡回に要する総時間を算出する（処理Ｓ１１４）。配送計画作成部８９は、組み合わせ得るすべての経路について巡回時間を算出し（処理Ｓ１１５），そのうち巡回時間が最小となる経路を選択する（処理Ｓ１１６）。

ガス使用量算出手段９１は、客先別ガス情報データベースに蓄積された情報に基づいて、ガス使用量を算出し、次いでガス料金の通知を行う。具体的なガス使用量の算出は図１４に示されるフローチャートに基づいて行われる。まず、ガス使用量算出手段９１は、客先別ガス情報データベースに蓄積された、当月のガス供給量データを読み込み（処理Ｓ１１７）、このガス供給量データから客先別の当月使用料金を算出する（処理Ｓ１１８）。次いで、処理Ｓ１１８で得られた使用料金をガス使用料金通知手段に通知を行い（処理Ｓ１１９）、図示しない金融機関等にも通知し、客先の口座からガス使用料金の引き落としを行う（処理Ｓ１２０）。

以上の説明においてＣＯ₂リッチガスである排ガスをＣＯ₂施用農法に用いた例を中心に説明したが、それ以外にも、産業用用途として、高純度ＣＯ₂ガス製造用原料ガス、アルカリ性水やアルカリ廃水の中和剤、消火剤、化学原料用ＣＯ₂等が挙げられる。

次に、ＣＯ₂リッチガスから更にＣＯ₂純度の高いガスを得る方法を説明する。
このような高純度ＣＯ₂の用途として、溶接等の産業用用途が挙げられる。この用途に用いるには、ＣＯ₂の精製工程にかけてＣＯ₂純度を高める。ＣＯ₂の精製方法としてはＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption)法と深冷却分離法がある。

図１５は、本発明の水熱反応装置を用いて、ＰＳＡ法により高純度ＣＯ₂ガスを製造する装置の構成を示す図である。図１５に示すように、高純度のＣＯ₂ガスを製造する装置は、被反応物タンク６３内にある被反応物がポンプ６４を加圧することによって水熱反応装置６５に送られる。図には示していないが、水熱反応装置６５で生成した排ガスを気液分離器で排ガスと排液とに分離した後、排ガスがＣＯ₂リッチガス蓄ガスタンク６６に供給される。ＣＯ₂リッチガス蓄ガスタンク６６に供給された排ガスは、次いで吸湿塔６７に送られ、水分を除去した後、ＰＳＡ法により高純度装置６８に送られる。ＰＳＡ装置６８には、例えば、モレキュラーシーブ等の吸着剤が充填されており、ＣＯ₂以外のガス（酸素、Ｎ₂Ｏ、窒素等）が吸着され、ＣＯ₂以外のガスを不純物として排気する。ＰＳＡでは通常純度９９％以上のガスを製造することができる。

回収したＣＯ₂を溶接用として用いる場合には、ＣＯ₂純度を９９．９５ｖｏｌ％以上にすることが必要である。ＰＳＡ法ではこの純度まで上げることができないので、深冷分離法によらねばならない、しかし、深冷分離法では原料ガス中のＣＯ₂濃度が９０％以上必要である。これは不純物ガスに伴ってＣＯ₂が失われるためである。原料純度が８０ｖｏｌ％以下ではほとんどのガスが不純物に伴って失われてしまう。経済的に回収するためには原料純度を９０ｖｏｌ％以上が必要であり、９８ｖｏｌ％程度であることがより望ましい。深冷分離法では、製品ＣＯ₂を液体で取り出すことができる。液体炭酸ガスはガスに比べて容積が小さくて済み、運搬や貯蔵に適している。また、必要に応じてドライアイスにすることもできる。液体炭酸ガスやドライアイスは各種の用途に用いることができる。

なお、必要に応じて、このようにして得られた高純度ＣＯ₂ガス又はドライアイスは農業作物用に用いてもよいことは当然である。ドライアイスをＣＯ₂施用農法に用いた場合を図１６を用いて説明する。
図１６に示すＣＯ₂施用農法においては、水熱反応装置（水熱反応装置については上述したものと同様であり、その説明を省略する）にドライアイス製造装置６７が接続されており、このドライアイス製造装置６７によりＣＯ₂リッチガスよりＣＯ₂が深冷分離法により液化した後、ドライアイス６８を製造し、そのドライアイス６８を各ビニールハウスに搬送し、それを原料として冷却ＣＯ₂リッチガスを製造する。ビニールハウスに設置されたＣＯ₂供給装置５０内のドライアイス搬入反応、貯蔵、投入手段により、ドライアイスを一時貯蔵し、必要量をドライアイス破砕手段により自動投入する。ドライアイス破砕手段においては、ドライアイスを１〜３ｍｍ程度に粉砕し、粉砕工程中に気化した冷却ＣＯ₂ガスと一緒にドライアイス微粉末をブロアーでビニールハウス内の配管内に自動投入する。また、図示しないが、ドライアイス破砕手段とブロアーとの間に、ＣＯ₂気化手段を設けて、ドライアイス微粉末を十分気化させてから、冷却ＣＯ₂リッチガスをブロアーを用いてビニールハウスに送給してもよい。ドライアイス破砕手段の方式は限定されないが、かき氷製造装置と同様な刃物による連続切削方式によるものであってもよい。
その際、ビニールハウス内部はＣＯ₂センサーにてＣＯ₂濃度を測定し、適切なＣＯ₂濃度（７００〜２０００ｐｐｍ）になるように制御装置で制御する。その際、ビニールハウス内部の温度が下がりすぎてしまう場合には、図示しない暖房装置を起動して適切な温度に制御する。

このように、本発明においては、水熱反応処理条件を変えることにより炭酸ガス以外の不純物ガスの含有量を事由に制御できるので、排ガスの用途に応じた排ガスを得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。排ガス中の酸素及び一酸化炭素濃度を調整するための処理のフローチャートである。本発明の第２の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。本発明の第３の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。本発明の第４の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。本発明の水熱反応装置を用いたＣＯ₂再資源化システムの一例としてのＣＯ₂施用農法の構成を示す図である。ビニールハウスの構成を示す図である。前記実施形態におけるシステムを構成するサーバの構造を表すブロック図である。客先位置情報データベースの構造を表す模式図である。客先別ガス情報データベースの構造を表す模式図である。実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。本発明の水熱反応装置を用いて、例えば溶接用に用いることのできる、高純度のＣＯ₂ガスを製造する装置の構成を示す図である。本発明の水熱反応装置を用いたＣＯ₂再資源化システムの一例としてのＣＯ₂施用農法の構成を示す図である。

符号の説明

１酸化剤圧縮装置２被反応物
３助燃剤４水
５リザーブタンク６流量制御弁
７水熱反応器８冷却器
９気液分離器１０減圧弁
１１減圧弁１２制御装置
１３酸素濃度計１４一酸化炭素濃度計
１５蓄ガスタンク１６リリーフ弁
１７ボンベ小分け装置１８予熱器
１９昇圧機２０蓄圧器
２１排ガス循環流量制御弁２２配送用ボンベ
２２’ ドレンタンク２３冷却器
２４Ｎ₂Ｏ濃度計２５排ガス流路分岐弁
２８熱回収熱交換器２９熱媒体加熱器
３０吸湿塔３１活性汚泥処理槽
３２余剰汚泥貯留タンク３２制御装置
３３脱水機３４水熱反応装置
３５蓄ガスタンク３６ボンベ
３８ビニールハウス３９ビニールハウス
４６充填センター４０ガス情報出力手段
４１基地局４２ネットワーク
４３配送車４４コントロール局
４６充填センタ４７端末コンピュータ
４７’ サーバ４９減圧弁
５０ＣＯ₂供給装置５１ＣＯ₂リッチガス放出パイプ
５２流量制御弁５３減圧弁
５４圧力センサ５５制御装置
５６ＣＯ₂センサ５８ボンベ重量センサ
５９ボンベ６０通信装置
６１流量計６３被反応物タンク
６４ポンプ６５水熱反応装置
６６ＣＯ₂リッチガス蓄ガスタンク６７吸湿塔
６８ＰＳＡ装置６９減圧弁
７０パイプライン７１溶接機
７８客先情報受付手段７９配送実績受付手段
８０配送計画配信手段８１ガス製造量、ガス充填量配信手段
８２ガス使用料金通知手段８３情報入力手段
８４客先位置情報取得手段８５ボンベ残量取得手段
８６ガス使用実績取得手段８７ガス欠時期推定手段
８８配送実績取得手段８９配送計画作成部
９１ガス使用量算出手段９２客先位置情報データベース
９３客先別ガス情報データベースＬ１酸化剤供給路
Ｌ２被反応物供給路Ｌ３助燃剤供給路
Ｌ４水供給路Ｐ１ポンプ
Ｐ２ポンプＬ５流体取出路
Ｌ６処理ガス取出路Ｌ７廃液管
Ｌ８排ガス循環路Ｌ９排液管
Ｌ１０熱媒体循環路Ｐ５ポンプ

Claims

水熱反応器と、
該水熱反応器へ被反応物を供給する被反応物供給手段と、
酸化剤供給手段と、
該水熱反応器で生成した反応生成物を気液分離する気液分離手段と、
該気液分離手段から分離された気体（排ガス）中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段と、
該酸素測定手段によって測定された酸素濃度に応じて、水熱反応器への酸素の供給を制御する手段とを具備することを特徴とする水熱反応装置。
上記酸素の供給を制御する手段が、水熱反応器に供給する酸化剤量を制御する手段である、請求項１に記載の水熱反応装置。
上記酸素の供給を制御する手段が、上記気液分離手段から分離された気体（排ガス）を水熱反応器へ循環する手段であり、水熱反応器への気体（排ガス）の循環量を制御する手段である、請求項１に記載の水熱反応装置。
上記酸化剤が純酸素又は酸素リッチガスである、請求項２又は３に記載の水熱反応装置。
上記気液分離手段から分離された気体（排ガス）中のＮ₂Ｏガス濃度を低減させる手段を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水熱反応装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の水熱反応装置の気液分離手段から分離された気体（排ガス）を農作物用又は産業用炭酸ガスとすることを特徴とする、水熱反応装置。