JP2014034672A

JP2014034672A - 水素ガス作製装置および水素ガス作製方法

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Publication number: JP2014034672A
Application number: JP2012178263A
Authority: JP
Inventors: Naoshi Honda; 尚士本田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-24
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: JP5793476B2

Abstract

【課題】本発明は、人畜のし尿および有機系廃棄物に適用し、水素ガスを作製すると同時に前記有機系廃棄物等から出る汚染物質を減少することができる水素ガス作製装置および水素ガス作製方法に関するものである。
【解決手段】本発明の水素ガス作製装置は、タンクに、水が高圧状態で入れられる。前記高圧になった水は、熱交換器で高温にした後、有機系廃棄物等を攪拌しながら混合する。また、前記攪拌容器は、高圧ポンプによって、前記有機系廃棄物等および水の混合体を高圧状態にする。前記高圧となった有機系廃棄物等および水の混合体は、スタティック・ミキサーにおいて、高圧および高温状態で通過させることにより、超臨界状態にする。超臨界状態となった有機系廃棄物等および水の混合体は、その後、液体サイクロンを通過する際に水素ガスと不純物に分離される。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機化合物の超臨界水の素化分解力を有機系廃棄物処理、たとえば、人畜のし尿および有機系廃棄物（以下、本明細書において、これらを単に、有機系廃棄物等と記載する）に適用し、水素ガスを作製すると同時に前記有機系廃棄物等から出る汚染物質を減少することができる水素ガス作製装置および水素ガス作製方法に関するものである。なお、本発明の有機系廃棄物等には、活性汚泥法及びメタン発酵法に基づき発生する汚泥も含むこととする。

従来、人畜のし尿等の有機化合物系の廃棄物は、活性汚泥法、あるいはメタン発酵法等により処理されていた。しかし、前記処理方法は、大量の汚泥を発生するだけでなく、その汚泥の処理に問題があった。また、前記処理方法は、メタンガスを得ることができるが、燃焼の際に発生する二酸化炭素を発生する。前記二酸化炭素は、地球温暖化の原因の一つとなっている。

超臨界域の技術開発は、二酸化炭素の臨界点が３０４．２絶対温度、７．３７ＭＰａと、比較的常温近辺にあるため、香料、生薬等、熱に敏感な微量成分抽出に用いられていた。しかし、近年、超臨界水は、中に、プロトン（Ｍ⁺）および水素イオン（ＯＨ^-）の触媒作用に着目して超臨界域において、有機化合物の水素化分解を試みて、水素と少量の炭素、その他の固形物に分解する反応が注目されるようになった。本発明は、有機系廃棄物等を処理して水素を得るものであり、今後、期待される水素社会に必要欠くべからざる技術になっている。

化学工学会超臨界部会流体部会編"超臨界流体入門"（丸善平成20年12月刊）伊藤直次著"水素製造・貯蔵輸送と反応分離膜"（日刊工業新聞社2008年3月刊） S.J.チェン/R.D.テ゛ヘ゛リアン/K.M.ク゛ラウト共著監訳大島英次、編訳山見英雄"静的混合フ゜ロセスの総て"（丸善1973年6月発売、綜研化学研究所発行）

大量生産・大量消費社会の到来に伴い、エネルギーを含む資源確保の動きは、収まる所を知らない。特に、開発途上国の生活水準の向上に伴い、枯渇を危惧されるエネルギー資源の争奪は、軍事紛争を危惧する様相を呈している。核エネルギーの軍事利用技術が拡散しつつある世界は、原爆戦争の危険を孕みつつ緊張を深めている。

従来の主要エネルギーは、殆ど炭化水素を主体とする化石エネルギーであり、燃焼による二酸化炭素の排出は、近年問題視されている、地球気象変動を助長するため、各地で風水害・竜巻等の従来技術で制御困難な災害の原因となっている。これを避けるために開発された核エネルギーを利用する原子力発電は、核廃棄物処理技術未開発の不完全技術であり、放射性廃棄物処理問題の解決に伴い、放射線防御技術の完成を俟って初めて社会的に認知される技術である。

人口の都市集中は、我が國のみ成らず、世界的傾向である。従来、都市廃棄物処理の主要技術である活性汚泥処理法並びにメタン発酵法は、その発生する大量の汚泥処理に対処し兼ねている状態であり、大量エネルギーを必要とする、乾燥減量により漸く、肥料等への利用が主たる処理法の域を脱していない状況である。

近年提案されている超臨界域における超臨界水、水素化処理法は、都市汚泥・畜産廃棄物中の有機化合物を水素化分解して水素を得る技術で、有機化合物系廃棄物を超臨界域で処理するので、水素等のガスのほか、汚泥発生は炭素等その他の少量の固形物である。これらの問題点としては、反応が高温・高圧域で行われる為、有機化合物中に含まれる硫黄・窒素化合物由来の腐蝕性高い物質に対する防蝕性の装置材料に乏しく、大型の装置構成が困難であった。

本発明は、超臨界水域の特性に基づき迅速な反応が期待できるので、可動部分のない、小型の静的混合管型（スタティック・ミキサー）の流通反応装置を高温・高圧・耐蝕鋼で製作し、電気炉中に配置した小型反応装置に関する。本発明の装置は、攪拌のための可動部分が無く、小型であり、若し腐蝕が進行した場合に、部品交換が容易であり、有機化合物の超臨界水水素化分解装置であり、発生する水素ガスが、エネルギー源として燃焼させても水を発生するのみであり、地球環境の変動原因となる、二酸化炭素等の、地球気候変動要因化合物を発生しない、夙に将来の到来を予測されている水素社会における主要気体燃料に位置付けられている水素ガス発生技術を提供する手段に関する装置の提案である。因みに、水素ガスは、地球上の何処からも、自噴することのないガスである。

（第１発明）
本発明の水素ガス作製装置は、人畜のし尿および有機系廃棄物（以下、本明細書において、これらを単に、有機系廃棄物等と記載する）を超臨界域で処理することにより、水素ガスを得ることができるものであり、水を入れるタンクと、前記タンク内の水を高圧状態にする高圧ポンプと、前記高圧ポンプによって高圧になった水を高温にする熱交換器と、前記熱交換器によって高圧および高温となった前記水に有機系廃棄物等を混合する混合器と、前記水と有機系廃棄物等の混合体を通すとともに、右ひねりと左ひねりのらせん状が交互に連続して複数個数が珠繋ぎになっているエレメントを管状体の内部に交換可能な状態で取り付けたスタティック・ミキサーと、前記高圧および高温となった混合体が前記スタティック・ミキサー内を通過することにより、超臨界状態とした後にできる水素ガスと不純物を分離する液体サイクロンと、前記分離された水素ガスを前記熱交換器を通して冷却した状態で蓄える水素ガス貯蓄槽と、から少なくとも構成されていることを特徴とする。

（第２発明）
第２発明の水素ガス作製方法は、人畜のし尿および有機系廃棄物（以下、本明細書において、これらを単に、有機系廃棄物等と記載する）を超臨界域で処理することにより、水素ガスを得ることができるものであり、タンク内に入れられた水を高圧ポンプによって高圧状態にする工程と、前記高圧ポンプによって高圧になった前記水を熱交換器によって高温にする工程と、前記高圧および高温の水に有機系廃棄物等を混合器によって混合する工程と、右ひねりと左ひねりのらせん状が交互に連続して複数個数が珠繋ぎになっているエレメントを管状体の内部に交換可能な状態で取り付けたスタティック・ミキサー内を前記熱交換器によって高圧および高温となった前記有機系廃棄物等および水を通す工程と、前記水と有機系廃棄物等の混合体が前記スタティック・ミキサー内を通過することにより、超臨界状態とした後にできる水素ガスと不純物を液体サイクロンによって分離する工程と、前記分離された水素ガスを前記熱交換器を通して冷却した後に水素ガス貯水層に蓄える工程と、から少なくとも構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、畜産業の廃棄物は、中小都市において、汚泥処理が可能になった。また、従来の活性汚泥法又はメタン発酵法による大型装置によって処理していた各種廃棄物は、本発明によって小型装置で処理が可能になった。

本発明によれば、発生した水素ガスは、地球環境貢献型ガス資源として使用可能である。将来の水素社会におけるメタン等の炭化水素資源代替の、水素ガス化技術にも応用可能である。

また、本発明によれば、従来の有機系廃棄物の活性汚泥処理法に比し、汚泥処理費用が格段に軽減され、燃料として利用可能な水素ガスと少量の固形物のみを副製する技術である。

本発明によれば、従来の活性汚泥処理において生じる、処理に困難であった大量の汚泥は、総て利用可能な水素ガスと、少量の有用な稀元素等を含む固形物のみにする事が出来るようになった。

本発明によれば、機械的可動部分がないので、摩耗の恐れは少ないだけでなく、水素ガスが発生するため、ガス漏洩、防爆に関する安全に留意するだけであり、安価な装置となる。

図１は本発明の水素ガス作製装置を説明するためのブロック構成図である。

本発明の水素ガス作製装置および水素ガス作製方法は、人畜のし尿および有機系廃棄物（活性汚泥法及びメタン発酵法に基づき発生する汚泥も含む−以下、本明細書において、これらを単に、有機系廃棄物等と記載する）を水素ガスと固形物とに分けることにより、水素ガスを利用するためのものである。本発明の水素ガス作製装置は、前記有機系廃棄物等を超臨界域で処理することにより、水素ガスを得ることができる。前記有機系廃棄物等は、通常、廃棄処理するものであるが、本発明の水素ガス作製装置は、超臨界域での処理と、スタティック・ミキサーによる処理とによって、前記不要となった有機系廃棄物等から水素ガスを得ることができるものである。

たとえば、タンクには、水が入れられる。前記タンクは、高圧ポンプによって、前記水を高圧状態にする。前記高圧となった水は、熱交換器によって高温にする。前記高圧および高温の水に有機系廃棄物等が混合される。前記水と有機系廃棄物等からなる混合体は、固形物を分離した後、スタティック・ミキサーにいれられる。本発明に使用するスタティック・ミキサーは、右ひねりと左ひねりのらせん状が交互に連続して複数個数が珠繋ぎに接続されている。また、前記スタティック・ミキサーは、複数個のらせん状をそれぞれ管状体の内部で交換が容易なように取り付けられている。

前記有機系廃棄物等および水の混合体は、高圧および高温状態で、スタティック・ミキサー内を通過することにより、超臨界状態になる。超臨界状態となった有機系廃棄物等および水の混合体は、その後、液体サイクロンを通過する際に水素ガスと不純物に分離される。前記分離された水素ガスは、前記熱交換器を通して冷却した状態で水素ガス貯蓄槽に蓄えられる。

図１は本発明の水素ガス作製装置を説明するためのブロック構成図である。図１において、本発明の水素ガス作製装置は、タンク１１と、高圧ポンプ１２と、熱交換器１４と、エジェクター混合器１５と、第１の液体サイクロン１７と、スタティック・ミキサー１８と、第２の液体サイクロン１９と、気液分離装置２１と、圧力・流量制御装置２４とから少なくとも構成されている。また、前記各装置の間には、必要に応じて、制御弁１３、１６、２０、２２、２３が設けられており、前記圧力・流量制御装置２４の制御により圧力あるいは流量をコントロールできるようになっている。

タンク１１には、高圧ポンプ１２によって、水が導入される。前記高圧ポンプ１２は、水の臨界点圧力22.04Mpa以上の圧送能力である事が必要である。前記制御弁１３は、タンク１１内の圧力および流量を制御する。前記熱交換１４は、前記水を高温にするとともに、反応残渣水を得る。前記エジェクター混合器１５は、前記有機化合物（人畜のし尿、有機系廃棄物、および活性汚泥法及びメタン発酵法に基づき発生する汚泥）、すなわち、有機系の廃棄物汚泥を含む総てのもの、が混合される。

前記制御弁１６は、前記エジェクター混合器１５によって混合された前記有機化合物および水の圧力および流量を制御する。前記第１の液体サイクロン１７は、前記有機化合物を固形物として分離し、前記固形物以外のものをスタティック・ミキサー１８に供給する。前記スタティック・ミキサー１８は、右回り（右ひねり）と左回り（左ひねり）のらせん状エレメントから成る。前記右回りと左回りのエレメントは、連結されいる。前記エレメントの先端は、後端に対して９０度の角度をなすように配列されている。一般に前記エレメントの一個の長さは、直径の約１．５倍である。

前記エレメントは、複数個数珠つなぎにまとめて、管の中に取付けるられる。前記エレメント全体は、適当な大きさのハウジング（パイプ）内に、溶接あるいははめ合い、ロウ付け、熱収縮、遠心鋳造等で固定される。前記スタティック・ミキサー１８の材質は、炭素鋼、ステンレス・スチール、合金、特殊鋼、ガラス、ガラス繊維、塩化ビニール樹脂、その他のプラスチック、鉄筋コンクリート製のものがある。前記スタティック・ミキサー１８における流れは、入口のらせん状エレメントで、二つに分割され、エレメントの形状で決まる流線をたどる。

こうして得られた流体は、エレメントを通過すると、百万回以上の分割（２の２０乗回）が起こる。分割層数は、Ｓ＝２ⁿ（Ｓは分割層数）。エレメントの捻じり方向は、右ねじりと左ねじりと交互に逆になっているから、それぞれの接続部で全体の流れの方向を反転する。

前記スタティック・ミキサー１８は、図示されていない電熱加熱炉内に配置されている。前記スタティック・ミキサー１８の温度は、温度制御装置（図示されていない）により制御されて、647.3 ｋ以上に加熱して、超臨界雰囲気になる。前記スタティック・ミキサー１８中の有機化合物は、水素化分解し、水素ガスと炭素等の固形物になる。

前記スタティック・ミキサー１８の出口側には、第２の液体サイクロン１９が設けられている。前記第２の液体サイクロン１９は、反応により析出した固形物を除去し、制御弁２０で発生水素ガスを流量を制御する。気液分離装置２１は、制御弁２２により流量が制御されて、前記熱交換器１４により、温度を下げるとともに、前記水を加熱する際の熱源の一部にする。また、気液分離装置２１は、制御弁２３を介して、疎製水素ガスを取り出すことができる。

超臨界水素化分解反応は、超臨界域において、次のようになる。
Ｈ₂Ｏ＝( Ｈ⁺）＋（ＯＨ^-）プロトンと水酸イオンに解離し、それぞれ触媒として、有機化合物の水素化分解に関与するので、反応速度が迅速であり、分解性生成物は、少量の炭素等の固形物と水素を含むガスのみである。

有機化合物の水素化分解について、
動物の生活廃棄物は、有機化合物が主体である。有機化合物は、炭水化物と呼ばれるように、炭素と水素・酸素を骨幹とする炭水化物に枝化合物である、窒素・燐等の化合物の複合体である。セルローズグルコース等の有機化合物は、超臨界水中で、容易にガス化して最終的に、ＣＯ・ＣＯ₂・Ｃ・ＣＨ₄・Ｈ₂等に完全分解する。都市廃棄物・畜産廃棄物中の有機化合物を水の超臨界域中で分解すれば、前述のガス及び若干の炭素等の固形物を生成し、廃棄物処理における困難な大量の汚泥処理が、本発明の工程により極めて容易になる。

水素ガス取得の効果について、
水素ガスは、地球気候変動に関与しない将来貴重なガスであるが、地球上に自噴しないガスである。本発明は、有機廃棄物の処理廃棄物の容量減少効果と共に、水素ガスをエネルギー資源として取得することが、経済的にも地球環境保全上極めて有望・有効な技術を提供するものである。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、本発明は、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。

１１・・・タンク
１２・・・高圧ポンプ
１４・・・熱交換器
１５・・・エジェクター混合器
１７・・・第１の液体サイクロン
１８・・・スタティック・ミキサー
１９・・・第２の液体サイクロン
２１・・・気液分離装置
２４・・・圧力・流量制御装置
１３、１６、２０、２２、２３・・・制御弁

Claims

人畜のし尿および有機系廃棄物（以下、本明細書において、これらを単に、有機系廃棄物等と記載する）を超臨界域で処理することにより、水素ガスを得ることができる水素ガス作製装置において、
水を入れるタンクと、
前記タンク内の水を高圧状態にする高圧ポンプと、
前記高圧ポンプによって高圧になった水を高温にする熱交換器と、
前記熱交換器によって高圧および高温となった前記水に有機系廃棄物等を混合する混合器と、
前記水と有機系廃棄物等の混合体を通すとともに、右ひねりと左ひねりのらせん状が交互に連続して複数個数が珠繋ぎになっているエレメントを管状体の内部に交換可能な状態で取り付けたスタティック・ミキサーと、
前記高圧および高温となった混合体が前記スタティック・ミキサー内を通過することにより、超臨界状態とした後にできる水素ガスと不純物を分離する液体サイクロンと、
前記分離された水素ガスを前記熱交換器を通して冷却した状態で蓄える水素ガス貯蓄槽と、
から少なくとも構成されていることを特徴とする水素ガス作製装置。
人畜のし尿および有機系廃棄物（以下、本明細書において、これらを単に、有機系廃棄物等と記載する）を超臨界域で処理することにより、水素ガスを得ることができる水素ガス作製方法において、
タンク内に入れられた水を高圧ポンプによって高圧状態にする工程と、
前記高圧ポンプによって高圧になった前記水を熱交換器によって高温にする工程と、
前記高圧および高温の水に有機系廃棄物等を混合器によって混合する工程と、
右ひねりと左ひねりのらせん状が交互に連続して複数個数が珠繋ぎになっているエレメントを管状体の内部に交換可能な状態で取り付けたスタティック・ミキサー内を前記熱交換器によって高圧および高温となった前記有機系廃棄物等および水を通す工程と、
前記水と有機系廃棄物等の混合体が前記スタティック・ミキサー内を通過することにより、超臨界状態とした後にできる水素ガスと不純物を液体サイクロンによって分離する工程と、
前記分離された水素ガスを前記熱交換器を通して冷却した後に水素ガス貯水層に蓄える工程と、
から少なくとも構成されていることを特徴とする水素ガス作製方法。