JP2008296192A - 循環型連続式亜臨界水反応処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固形分若しくはゲル状の有機性廃棄物を高濃度にて連続して安定的に亜臨界水処理することが出来る反応装置を提供する。
【解決手段】固形分若しくはゲル状の有機性廃棄物を、高濃度スラリー状態に前処理した後、このスラリー原料を加熱器と気液分離器循環ポンプがループ状に組み込まれた反応系に定量供給して循環させることで常に均一に維持させた状態で亜臨界水処理反応を起こさせながらこの循環系から供給量と同量の分解反応液を連続して定量抜出す。
【選択図】図１

Description

本発明は、これまで長期間連続して亜臨界水処理運転を行うことが困難であった被処理物例えば有機性の固形分及びゲルを、安定的に且つ長期間連続して亜臨界水処理し後工程での生成物利用に回すことが出来る装置を提供することを目的とする。

近時再利用可能な資源として注目されているバイオマスと呼ばれる有機性廃棄物は、その殆どが固形分若しくはゲル状のものであり、高温高圧の連続式亜臨界水処理反応器へ導入しても温度・圧力の変動なく、定量供給、安定分解、定量抜き出しすることが困難であった。このため固形分対応の連続式亜臨界水処理プラントは普及していない。また、固形分対応と称されている連続式反応器も、極端に希釈された低濃度スラリーを処理するものであり、高濃度のスラリーは処理できないものであり、そのうえ連続処理や安定処理に欠けるものしか発表されていない。

これまで発表されている１パス（スルー）方式の連続式亜臨界水処理反応器は、原料スラリーを上部から供給して、下部から抜き出すタイプのものと、下部から供給して、上部もしくは側部からサイドカットで抜き出すものであったが、何れも系内で固液分離が発生するため、液分が優先的に排出され、次第に反応器内部は固形分過多の状態となる。これによって、供給する原料スラリー濃度と、反応器内部のスラリー濃度の関係は崩れてしまい、また正確に把握することも出来ない。この結果、出口の分解液のスラリー濃度も安定せず成行で変動してしまい、後段での濃縮・分離プロセスの外乱となってしまっていた。

これまで１パス（スルー）方式の連続式反応器はまた、固液分離した固形分が、反応器内部に滞留するため、反応器内面に接している部分にはコゲが発生した。さらに原料スラリーの供給に支障が出るほど内部に滞留した場合、途中で滞留固形分を系外に排出する必要があり、このため反応処理の中断が避けられないだけでなく、その付帯設備が複雑で高価となり、又反応器内部の温度・圧力・スラリー濃度・滞留時間の何れもがこのような滞留中変動することが避けられなかった。

また、これまでの１パス（スルー）方式の連続式反応器は、固形分濃度がせいぜい５重量％（Ｗｔ％）以下程度のスラリー濃度が処理可能な濃度の限界であり、結果的に余分なスラリー中の水を加熱するために、無駄なエネルギーが必要となりランニングコストを低減できなかった。さらに、装置も大型化するため、低建設費、省スペース化実現に立ちはだかる大きな障壁となっていた。

一方亜臨界水条件下で有機物を処理すること（特許文献１参照）、またこうした被処理物を無毒化すること（特許文献２参照）は既に知られている。
特開平１７−８１３３０号公報 特開２００５−１０３５３９号公報

本発明の目的は、従来の１パス（スルー）方式の連続式亜臨界水反応器が課題としていた、反応系内部での固液分離による弊害を全て解決し、高濃度スラリーを安定的に供給し、反応器内部の温度、圧力を常に一定の状態に保ち、結果として常に安定した分解液を抜き出すことを可能にし、また、３０〜７０％という高スラリー濃度でも系内の固液分離に支障をなくして安定した運転が出来、希釈水量が少なくて済み、結果的に処理エネルギーコストを下げ、且つ、装置の小型化を可能とし、低建設費、省スペースを実現できるようにすることである。

上記目的を達成するために、本発明は、スラリー状にした被処理物を連続供給して連続的に循環させ亜臨界水反応処理するための循環型連続式亜臨界水反応処理装置であり、該反応処理装置が亜臨界水反応器と気液分離器とを装備し、上記亜臨界水反応器との気液分離器との総合内容積を、上記スラリー状にした被処理物の連続供給量ｘｍ^３／分、循環系の滞留時間ｙ分とするとき、概ねｘｙｍ^３となるように構成したことを特徴とする。

本発明はまた、上記スラリー状にした被処理物の濃度が固形分物３０〜７０重量％の高濃度スラリーを処理可能であることを特徴とする。
本発明はさらに、上記亜臨界水反応器と上記気液分離器とからなる上記循環系からの処理物の連続的な排出量を上記スラリー状にした被処理物の上記循環系への連続的な供給量にほぼ等しくしたことを特徴とする。

本発明による循環型連続式亜臨界水反応処理装置はまた、上記スラリー状にした被処理物が、液体、固体、ゲル状の単独または混合した有機物を必要に応じて予め粗砕し、これを湿式粉砕して所定の固形分粒子径を有する所定のスラリー濃度にしてなることを特徴とする。

さらになお、本発明は、上記有機物が固形分系有機廃棄物（バイオマス）であることを特徴とする。
本発明はなおまた、上記有機物が下水道汚泥、し尿汚泥、生ごみ、調理残材、畜産物等の精肉加工後の不可食部位、水産加工残滓であることを特徴とする。

本発明はまた、原料スラリーの押込みポンプ、原料定量供給弁を備え、亜臨界水反応器、気液分離器、循環ポンプで構成される循環系内の上記原料スラリーの循環速度を終末沈降速度の数倍に維持することを特徴とする循環型連続式亜臨界水反応処理装置を実現するものである。

本発明による反応処理装置は、前処理として固形分有機物を必要に応じて粗砕した後、水、又は温水、又は熱水と混合して湿式粉砕し、所定のスラリー濃度と、所定の固形分粒子径に調整し、固形分粒子径を概ね１ｍｍ以下にしておくことができる。

また、反応処理装置は、多管式熱交換器による加熱器部と、気液分離を目的とした容器部、循環ポンプから構成し、これらを配管で循環ループに組み込んで、加熱器部は上昇流、容器部は下降流となるように配置し、内部流速が終末沈降速度の数倍〜数十倍となるように設計することにより系内を常に均一なスラリーを循環させることができる。系内のスラリー保有量は滞留時間（分）×単位時間当たりの供給量（ｍ^３／分）にて決定している。これらの条件を満足しながら、更に加熱器部は加熱装置としての反応に必要な伝熱面積を確保できるように構成する。

大学や各種研究機関により近年、亜臨界水処理技術を応用して、固形分系有機廃棄物（バイオマス）の有効利用を図る研究がなされているが、その主なものとして、１）高分子状態の固形分系有機廃棄物を短時間で低分子化できる特性を利用した「高速・高効率メタン発酵とのリンクによるエネルギー回収技術」と、２）その分解性を制御することで、アミノ酸等の中分子有価物として回収する「高付加価値有価物回収技術」の２つがある。前者は主に、下水道汚泥や、し尿泥、生ごみ等を、後者は、調理残材、畜産物等の精肉加工後の不可食部位、水産加工残滓をターゲット原料としている。これらターゲット原料の総計は、我が国の有機系産業廃棄物総量の７５％を超えており、実用化が非常に待たれている。本発明は実用化プラントとして連続式の反応処理により建設費の抑制、省スペース化を実現しつつ低ランニングコストで亜臨界水処理技術を応用したバイオマス利活用を一気に加速させることとなる。なお、被処理物は有機物含みの廃棄物は勿論その種別・形状は問わない。本発明では、被処理原料の種別、形状に合わせて、０〜２段の粗砕機、及び１〜３段の湿式粉砕ポンプを組み合わせて、スラリー濃度及び、固形分粒子径を調整し、スラリー濃度は出来るだけ希釈水を加えないでエネルギーコストを少なくするため３０〜７０Ｗｔ％という高濃度スラリーにても反応器、気液分離器内部の固形分の過剰化と循環系内不均等を解消して連続運転し亜臨界水反応処理をすることが可能である。

この場合、気液分離器内の下向流液面を定量抜取りで制御し、スラリー状の被処理物の排出量＝被処理原料の投入量を一定に保つことで被処理物の系内滞留時間が同時に一定に保たれるため、気液分離器からの排出物の性状は常に安定したものとなる。そして、この処理済みの物質の排出量はバルブ操作等でいつでも任意に設定することができるが、この反応処理系は排出しながらの循環であるため、原料投入量／系内循環量＝未分解率となり、原料投入量１のとき系内循環量１００であれば未分解率が１％となる。この程度の未分解率は、例えば高速高効率メタン発酵回収、アミノ酸回収への応用では極めて有効な反応処理が行われたものとなることは言うまでもない。

本発明による循環型連続式亜臨界水反応処理装置の実施プラントの一例を示す図１を見るに、原料タンク１の上部投入口３から、液状、固形物、半固形状すなわちゲル状など多様な形態で種類を問わない原料が投入されると、タンク１下方の弁４を開放し、且つ三方弁５を原料タンク１側に切替えて、粗砕及び又は精砕の機能を持つ粉砕ポンプ２を作動させる。この間、原料は管路ａ、管路ｂを流れて循環粉砕されながら均一なスラリーになる。原料の破砕が完了した後、三方弁５を原料スラリー供給タンク６側に切替えて、原料タンク１内のスラリー液のほぼ全量を管路ａ、管路ｃを通って移液する。空になった原料タンク１には再度上部投入口３から原料が投入され、前述した粉砕を繰り返す。このことにより、原料をスラリー化させる工程はバッチ処理となるが、原料スラリーの供給工程以降は連続工程となる。攪拌機を備えた原料スラリー供給タンク６から管路ｄを流下した破砕処理済みの原料スラリーをモーノポンプ７によって循環ポンプ１７のサクション側から連続式亜臨界水反応器Ａに導入する。この時、モーノポンプで粗定量供給し、原料定量供給弁１２によって精定量供給をかける２段定量供給をかけることで、供給精度を上げている。この粗精の流量差分は、圧力計１０で供給圧力を維持しながら、リリーフ弁９で管路ｆを通して、原料スラリー供給タンク６に還流させている。

この亜臨界水反応器Ａの加熱器部１４の胴側内には、ボイラ等からの加熱媒体１３（蒸気又は熱媒油）が、加熱媒体供給弁１５を経て供給され、加熱器部１４の直立細管群内部を上昇する原料スラリーと熱交換して原料スラリー側を亜臨界状態に導く。亜臨界水状態の被処理物は循環ポンプ１７により、気液混相の状態で温度計１８により測温されながら高速流で加熱器部１４を流過し、加熱器部１４の上部に配置した管路ｇ１から、隣接設置した反応器の気液分離器部１６に導出させる。この際、管路ｇ１内では圧力損失が発生し、加熱器部１４と気液分離器部１６に微妙な圧力差が生じてしまい、この差が循環流量や液面制御に外乱となる恐れがあるため、発生した差圧を気液分離器部１６頂部で消去するように管路ｇ２で加熱器部１４と気液分離器部１６の均圧化を図っている。気液分離器部１６の液状部分はその液頭圧ですなわち自圧で液面コントロール弁２５を介して管路ｉから分解水溶液として抜出される。気液分離器部１６内における液面は、差圧伝送器２０、２１で監視しながら液面表示制御部２６からの指令信号で液面コントロール弁２５の開閉を行うことによって一定液面に維持されている。なお、気液分離器部１６内の液温は温度計１９で測温され表示されている。液面コントロール弁２５から被処理物を抜出す時、一部はフラッシュして蒸気になるが、管路ｉを経て凝縮器へ送入され、ここで凝縮させて全量回収される。

上記気液分離器部１６上部には、安全弁２２と共に、圧力逃し弁２４を設けているが、反応器系内に閉塞等の異常がない限り通常はいずれも作動しない。圧力逃し弁２４は圧力計２３の圧力が予め設定された圧力を超えると、設定圧力に戻そうと作動する。反応器系の運転制御圧力と安全弁吹出し圧力、圧力逃し弁作動圧力の間には、反応器系の運転制御圧力＜圧力逃し弁作動圧力＜安全弁吹出し圧力の関係があり、多少の外乱でいきなり安全弁２２が作動しないようにしている。よって、安全弁２２が作動した場合の排気は、直接大気放出であるが、圧力逃し弁２４が作動した場合の排気は、凝縮器で凝縮させ液体分を回収している。

以上気液分離器１６からの被処理物すなわち亜臨界水反応による分解水溶液は、自圧抜取りで液面レベルを維持しているが、原料スラリーの連続供給量ｘｍ^３／分の下では、分解水溶液の自圧抜取りしながらの滞留時間をｙ分としたとき、循環系の内容積をｘｙｍ^３とすることにより循環系の滞留時間を一定にできかつ終末沈降速度の数倍の速い流れを生じさせて固形分の沈降・滞留を避けることができる。従って１フィードの原料供給で１００回の循環を行わせた場合でも微細化した未又は半反応物質が抜取りした分解水溶液に混在することになるが、この程度の分解物であれば後工程での処理には問題とならないことであろう。

反応器内部は、被処理物の分解特性及び、目的分解物を得るための最適条件（温度、圧力、滞留時間）に維持されており、被処理物のどの部分をとってみても均一な性状となっている。温度、圧力滞留時間の制限はないが、実用的には温度１６０℃から３００℃、圧力０．７２〜８．７ＭＰａＧ、滞留時間は１５〜１２０分の範囲から設定するとよい。

分解物の抜出しは、反応器内の液面制御（液面計、液面制御弁）にて行うことにより反応器内部は常に滞留時間が一定となるばかりか、循環ポンプのキャビテーションを防止することが出来る。

被処理物の処理能力について例示すると、試作プラントでは重量比でおから（豆腐製造工程で生成される調理前のおから）：水＝４０：６０のスラリー を１リットル／分（１．４４ｍ^３／日、約１．５ｔｏｎ／日ペース）の処理量で、温度１６２℃、圧力０．７２ＭＰａＧ、滞留時間６０分で連続処理した。さらに、表１に示す鶏不可食部位：水＝５０:５０のスラリーを１リットル／分の処理量で温度１６２℃、圧力０．７２ＭＰａＧ、滞留時間６０分にて連続処理した。この結果、表１に示す組成の分解前の原料スラリーが表２の組成の分解液に分解し、さらに分解液のアミノ酸分析で表３のような良好な分解結果が確認できた。なお、表３の分析方法はポストカラム誘導体化高速液体クロマトグラフ法による。

前述の如く、現在、我が国で処分に困窮している有機性廃棄物の７５％程度を対象原料とすることが出来ること、低建設費、省スペースでプラントを建設することができ、更に低ランニングコストで運転ができ、且つ高価格で販売することができる生成物を得ることができるようになることから、バイオマス利活用プラントとして、初めて独立採算が可能となること、また、大型の複合商業ビルや、大型のアミューズメントパーク等では、大量の生ゴミや調理残滓が発生するが、省スペースでプラントが建設が出来ることから、地産地消型でのバイオマス利活用が可能となる。

図１は、本発明装置を含む亜臨界水処理のフローシートである。

Claims (7)

1. スラリー状にした被処理物を連続供給して連続的に循環させ亜臨界水反応処理するための反応処理装置であり、該反応処理装置が亜臨界水反応器と気液分離器とを装備し、上記亜臨界水反応器と気液分離器との総合内容積を、上記スラリー状にした被処理物の連続供給量ｘｍ^３／分、循環系の滞留時間ｙ分とするとき概ねｘｙｍ^３となるように構成したことを特徴とする循環型連続式亜臨界水反応処理装置。
2. 上記スラリー状にした被処理物が固形分物３０〜７０重量％の高濃度スラリーであることを特徴とする請求項１に記載の循環型連続式亜臨界水反応処理装置。
3. 上記亜臨界水反応器と上記気液分離器とからなる上記循環系からの処理物の連続的な排出量は、上記スラリー状にした被処理物の上記循環系への連続的な供給量にほぼ等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の循環型連続式亜臨界水反応処理装置。
4. 上記スラリー状にした被処理物は、液体、固体、ゲル状の単独または混合した有機物を必要に応じて予め粗砕し、これを湿式粉砕して所定の固形分粒子径を有する所定のスラリー濃度にしてなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の循環型連続式亜臨界水反応処理装置。
5. 上記有機物が固形分系有機廃棄物（バイオマス）であることを特徴とする請求項４に記載の循環型連続式亜臨界水反応処理装置。
6. 上記有機物が下水道汚泥、し尿汚泥、生ごみ、調理残材、畜産物等の精肉加工後の不可食部位、水産加工残滓であることを特徴とする請求項４または５に記載の循環型連続式亜臨界水反応処理装置。
7. 原料スラリーの押込みポンプ、原料定量供給弁を備え、亜臨界水反応器、気液分離器、循環ポンプで構成される循環系内の上記原料スラリーの循環速度を終末沈降速度の数倍に維持することを特徴とする循環型連続式亜臨界水反応処理装置。

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