JP2016043292A - 流体処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】処理過程全体における温度差を有効利用して排熱の利用効率の向上に寄与できる流体処理システムを提供する。【解決手段】反応槽１２で処理された処理済み流体を排出する排出管４８は、熱音響装置６の高温側熱交換器７６に接続されている。背圧弁５８には熱媒を用いた熱交換器８６が接続されており、減圧の際に背圧弁５８を凍らせるほどの低温が低温側熱交換器７８に供給される。これにより蓄熱器７４の両端に温度勾配が形成され、熱音響現象による振動エネルギーが発生する。振動エネルギーは発電機構８４により電気エネルギーに変換され、流体処理装置４の処理に係る電力消費部品の電力に利用される。【選択図】図１

Description

本発明は、廃水等の処理対象流体と酸化剤とを混合し、高温、高圧の条件下で処理対象流体中の有機物を酸化分解することによって処理対象流体を処理（浄化の概念を含む）する流体処理装置を備えた流体処理システムに関する。

従来から、ダイオキシン類やＰＣＢ（ポリ塩化ビフェニル）などの難分解物質や、し尿、下水、家畜糞尿、食品工場からの排水などの有機系の処理対象流体を分解、無害化して処理する、超臨界水酸化分解処理装置が知られている。
例えば、超臨界水と酸化剤とを用いて、有機物を含む処理対象流体を酸化反応させて二酸化炭素、水、無機酸などの無害な物質に変換する超臨界水酸化処理装置が知られている。
このような装置において、典型的な反応条件は、圧力が２５〜５０ＭＰａ、温度が５００〜７００℃程度である。

水の臨界温度以上に加熱され、水の臨界圧力よりも低い圧力の高温高圧水に酸化剤を加えた流体を反応槽内で触媒に接触させて酸化反応を促進させる装置も知られている。
触媒を用いる方式によれば、２５０〜５００℃程度の比較的低温で、難分解性の有機物でも良好に酸化分解することができる。
この方式では、超臨界水酸化処理装置の反応条件よりも緩やかな条件（例えば０．５〜２０ＭＰａ、１００〜５００℃）で処理対象流体の処理が行えるため、処理システムの低コスト化に寄与できる。

超臨界水酸化を用いた流体処理装置では、処理過程において多くの排熱が発生する。例えば、分解処理された２００〜５００℃の過熱水蒸気の熱を再び熱エネルギーとして廃液の予熱などに利用することも可能である。
しかし、熱エネルギーは時間とともに減少するため、有効に利用できないことが多い。このことから、エネルギーを蓄える技術が排熱利用の観点において望まれる。
このため、発生した排熱の熱エネルギーを蓄える技術の提案もなされている（特許文献１）。
排熱を熱エネルギー源として有効利用し、流体処理装置のエネルギー消費量を低減できれば、流体処理装置のランニングコストの抑制につながる。

特許文献１に記載の装置では、反応槽内に、気体と可逆的に反応することが可能な物質を含む熱交換型反応器を設け、廃水中の物質を酸化させることにより発生した熱が前記物質に蓄熱される構成となっている。
このようにすることで、反応槽で必要な熱エネルギーの一部を処理過程で生じる熱で代替することができ、結果的に流体処理装置全体のエネルギー消費量を低減することができる。

上記は反応槽内での排熱利用の例であるが、特許文献2では、反応槽から排出された処理済み流体を熱交換器に通して水蒸気を発生させ、発電による電気エネルギーとして利用することも提案されている。

しかしながら、従来の流体処理装置における排熱利用は、所定の温度を超える高温排熱のみ利用されることが多く、処理過程全体における排熱の観点からすれば、利用効率が悪い。
例えば、３００℃を利用の下限としている場合には、排熱温度が３００℃を下回る箇所では排熱利用はなされないこととなる。

ところで、この種の流体処理装置では、ある箇所での排熱温度が低くても、処理過程全体からみると大きな温度差（温度勾配）が潜在的に存在している。
例えば、反応槽から排出された高温・高圧の処理済みの流体は最終的に大気圧と同程度に減圧されるが、排ガスの減圧の際には断熱膨張によって背圧弁の温度が低下する。
この場合、高温箇所と低温箇所との間には大きな温度差が存在することになる。
この温度差を他のエネルギーに変換することができれば、局所的な高温箇所での排熱利用ではなく「温度の範囲」として利用できるので、排熱の利用効率を向上させることができる。

本発明は、このような現状に鑑みてなされたもので、処理過程全体における温度差を有効利用して排熱の利用効率の向上に寄与できる流体処理システムの提供を、その主な目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の流体処理システムは、処理対象流体と酸化剤との混合流体を加熱及び加圧状態下で前記処理対象流体中の有機物を酸化反応によって分解し、前記処理対象流体を処理するための反応槽を有する流体処理装置と、熱エネルギーを音波に変換する熱音響装置と、前記熱音響装置で発生した振動エネルギーを他のエネルギーに変換するエネルギー変換手段と、を備え、前記熱音響装置は、音波を伝搬させる流体が閉じ込められた気柱管と、該気柱管の管路中に配置された蓄熱器と、該蓄熱器の一端側に配置された高温側熱交換器と、前記蓄熱器の他端側に配置された低温側熱交換器と、を有し、前記処理対象流体を処理する過程で排出される排熱を前記高温側熱交換器に伝達する構成を有している。

本発明によれば、処理過程全体における温度差を有効利用して排熱の利用効率の向上に寄与できる。

本発明の一実施形態に係る流体処理システムの概要構成図である。 熱音響装置の要部を示す図で、（ａ）は蓄熱器周辺の概要断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。 従来の流体処理装置の概要構成図である。

以下、本発明の一実施形態を図を参照して説明する。
本実施形態の構成を説明する前に、図３に基づいて従来の流体処理装置の構成の概要を説明する。
流体処理装置４は、処理対象流体供給部８と、酸化剤供給部１０と、反応槽１２と、気液分離部（降圧部）１４と、図示しない制御部等を備えている。
以下、各構成について具体的に説明する。

処理対象流体供給部８は、原水タンク１６を有しており、原水タンク１６には、有機物を含む処理対象流体Ｗが未処理の状態で貯留されている。
処理対象流体は攪拌機１８で撹拌されることで、処理対象流体中に含まれる浮遊物質ＳＳ（Suspended solids）が均等に分散され、有機物濃度の均一化が図られる。
撹拌された処理対象流体は、原水供給ポンプ２０によって反応槽１２に向けて圧送される。
処理対象流体は圧送される過程で、原水圧力計２２により圧力を検知される。

処理対象流体は原水量調節弁２４で流量を調整可能となっている。
原水量調節弁２４を通過した処理対象流体を、処理対象流体の流路を囲むように配置された図示しない原水予熱器によって予熱するようにしてもよい。

酸化剤供給部１０は、コンプレッサーからなる酸化剤圧送ポンプ２６を有している。
酸化剤圧送ポンプ２６は、酸化剤として取り込んだ空気Ａを処理対象流体の圧力と同程度の圧力まで圧縮しながら、反応槽１２に向けて送り出す。
空気は圧送される過程で、酸化剤圧力計２８により圧力を検知される。

空気は酸化剤流量調節弁３０で流量を調整可能となっている。
酸化剤流量調節弁３０を通過した空気を、空気の流路を囲むように配置された図示しない予熱器によって予熱するようにしてもよい。

水を亜臨界水、過熱水蒸気又は超臨界水に変化させると共に、廃水中の物質を酸化させるための反応槽１２は、内管３２と外管３４とからなる二重管構造を有している。
処理対象流体供給部８から供給される処理対象流体は、原水供給管３６を介して外管３４の原水導入側端を貫通し、且つ、内管３２内に加圧状態で導入される。
酸化剤供給部１０の空気は酸化剤供給管３８を介して流体排出側近傍から外管３４内に加圧状態で導入される。
内管３２の原水導入側端には、外管３４内に導入された空気を内管３２内に導入する貫通孔４０が形成されている。
内管３２の流体排出側には、触媒としての二酸化マンガン４２が充填されている。

内管３２の外面には、コイル状のヒータ４４が配置されている。内管３２の内部の温度は温度センサ４６で検出され、所定の温度になるようにヒータ４４が制御される。
内管３２に導入される処理対象流体の圧力は原水圧力計２２により圧力を検知され、所定の圧力になるように、出口弁６２及び背圧弁５８で調整される。

以上のようにして、内管３２では、処理対象流体供給部８から供給された処理対象流体と、酸化剤供給部１０から外管３４を経由して導入された空気とが混合される。
運転開始時には温度はまだ十分高くなっていないため、ヒータ４４により内管３２内の混合流体の温度を２００〜５５０℃に昇温させる。
空気は、外管３４を経由して内管３２に導入されるため、ヒータ４４で予熱される。
処理対象流体の処理を開始した後は、有機物の酸化反応により発熱するため、処理対象流体の有機物濃度が十分であればヒータ４４による加熱は不要となる。
処理対象流体の有機物濃度が低い場合には発熱温度が不足するため、ヒータ４４による加熱が必要となる。

反応槽１２で分解処理された亜臨界流体や超臨界流体状態の２００〜５００℃の過熱水蒸気は、排出管４８を介して、冷却水５０を熱交換媒体とする熱交換器５２を通り、熱交換することで常温まで冷却される。
常温まで冷却された処理済み流体は気液分離器５４に入り、ここで無機酸等を僅かに含む水と、二酸化炭素ガス、窒素ガス等を含む気体に分離され、無機酸等を僅かに含む水が回収される。
無機酸等を僅かに含む水は、水質基準を確認された後、工業用水として再利用される。

気液分離器５４で分離された気体は、搬送管５６により背圧弁５８まで搬送され、大気中へ放出される。
その際、気体は背圧弁５８で減圧されることにより、温度が０℃程度まで下がり、減圧弁５８は凍りつく。
背圧弁５８の凍結を防止するために、減圧弁５８はヒータ６０で加熱される。
図３において、符号６４、６６、６８は圧力計を、７０は液面計を示している。

図１及び図２に基づいて、本実施形態に係る流体処理システムの構成を説明する。
上記従来構成と同一部分は同一符号で示し、既にした構成上及び機能上の説明は適宜省略する。
図１に示すように、流体処理システム２は、流体処理装置４と、熱音響装置６とを備えている。
熱音響装置６は、音波を伝搬させる流体が閉じ込められた気柱管７２と、該気柱管７２の管路中に配置された蓄熱器７４と、該蓄熱器７４の一端側に配置された高温側熱交換器７６と、蓄熱器７４の他端側に配置された低温側熱交換器７８とを有している。
音波を伝搬させる流体である作動流体としては、空気、窒素、ヘリウム、アルゴン、水素等を採用することができる。

気柱管７２は、断面が円形のステンレス管等により構成されており、上記作動流体が封入されている。
気柱管７２は、略矩形のループ状に形成されたループ部８０と、ループ部８０の一つのコーナー部分に連通するように接続された共鳴部８２とを含んでいる。
共鳴部８２は、ループ部８０と略同径の円形断面を有する管部からなり、その先端にはエネルギー変換手段としての発電機構８４が接続されている。
ループ部８０の長さ及び径は、封入されたガス状の作動流体の自励振動に共振するように設定されている。

反応槽１２で処理された流体を排出する排出管４８は、処理済み流体が高温側熱交換器７６を経て熱交換器５２に向かうように配設されている。
背圧弁５８はエチレングリコールやオイル等の熱媒を用いた熱交換器８６に接続されており、熱媒は熱媒ポンプ８８により搬送管９０を介して低温側熱交換器７８と背圧弁５８との間を循環するようになっている。

図２（ａ）に示すように、蓄熱器７４は、配置箇所における気柱管の軸方向と平行に延びる狭い流路を複数有する。
蓄熱器７４としては、セラミック等からなるハニカム構造体、図２（ｂ）に示すようなステンレス等からなる薄いメッシュを微小間隔で配列したもの、およびステンレス等の金属製繊維を集合させた不織布等を採用することができる。
音波は大気中を伝わる際には熱交換しないが、微細な流路を通過するときは熱交換を発生させる。
この理由により、蓄熱器７４はハニカム等の微細な流路を有する構造体となっている。

蓄熱器７４の両端で温度勾配が生じると、気柱が自励振動を起こすという熱音響現象により、熱エネルギーの一部が力学的な振動（音波）エネルギーに変換される。
つまり、蓄熱器の細管流路内の作動流体が加熱と冷却、及び、膨張と圧縮の自励振動といった熱力学的過程を経ることで、スターリングサイクルと呼ばれる熱力学的サイクルを繰り返し、熱エネルギーが振動エネルギーに変換される。
この振動エネルギーはループ部８０で共振して、進行波としてループ部８０内に蓄えられる。

反応槽で分解処理された２００℃〜５５０℃の亜臨界流体、超臨界水または過熱水蒸気が高温側熱交換器７６を通ると、処理済み流体の熱が高温側熱交換器７６に伝達され、蓄熱器７４の両端で温度勾配が生じる。
本実施形態における高温側熱交換器７６は、気柱管よりも大径に形成されており、蓄熱器７４との接触部位には、表面積増加構造としての複数のフィン７６ａが気柱管の流路と平行に形成されている。
低温側熱交換器７８も同様の構造となっている。
フィン７６ａによる表面積増加構造によって、高温熱源としての処理済み流体が通るときの伝熱面積が増え、高温側熱交換器７６における熱効率が向上する。
すなわち、熱エネルギーの回収効率を向上させることができる。

例えば、１０ＭＰａ、５００℃の条件下で、廃液（処理対象流体）を１ton／ｈの流速で処理したとき、５００℃の熱を３００℃まで熱交換を行う場合、熱効率を８０％とすると、１５７６ＭＪ／ｈの熱エネルギーを回収することができる。
この場合、１時間あたり約８７．５ｋＷという大きさの電力を生成することができる。
熱音響機関では、高温排熱だけでなく極低温排熱を用いることで、エネルギー変換効率はカルノー効率に匹敵する約３０％になる。

高温側熱交換器７６で熱交換をすることにより冷却された処理済み流体は、図１に示すように、所定の温度までさらに冷却するために熱交換器５２で冷却される。
上記のように、熱媒ポンプ８８により循環する熱媒は熱交換器８６で背圧弁５８との熱交換を行うことで、背圧弁５８を温め、これにより背圧弁５８の冷却を防ぐことが可能である。
またこの技術により、背圧弁が凍結するほど冷却になる条件でも処理装置を可動させることが可能となる。
従って、従来構成におけるヒータ６０は不要となる。
また、背圧弁５８との熱交換で冷却された熱媒が低温側熱交換器７８を通ることで、蓄熱器７４の両端間の温度勾配を大きくすることができ、振動エネルギーの増加、ひいては排熱の利用効率の向上を図ることができる。

図示しないが、発電機構８４は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する直動発電機（リニア発電機）等で構成される。
発電機により生成した電力は、原水供給ポンプ２０や出口圧力計などの電力消費部品に供給される。

熱音響現象では、温度差が存在すれば熱エネルギーを振動エネルギーに変換することができる。
このため、低温側熱交換器７８を設けずに高温側熱交換器７６のみを設ける構成でも蓄熱器７４の両端間に温度勾配が生じ、振動エネルギーを得ることができる。
この場合には処理過程で生じる高温排熱温度（例えば３００℃）と、室温との間の温度差によるエネルギー変換となる。
低温側熱交換器７８を設けない構成では、蓄熱器７４の端自体が低温側熱交換器として機能する。
本実施形態では、低温となる箇所（背圧弁）の熱エネルギーを回収して低温側熱交換器７８に供給する構成としているので、高温排熱（例えば３００℃）と、低温排熱（約０℃）との間の温度差によるエネルギー変換となり、排熱の利用効率をさらに高めることができる。

高温排熱のみを利用する排熱利用方式では、排熱温度が基準を下回る場合には利用できないが、熱音響現象を利用した熱音響装置６を備えた構成とすれば、高温から低温の範囲全てにおいて排熱を利用することができ、利用効率を大幅に高めることができる。
また、熱音響装置６は、気柱管、蓄熱器、高温側熱交換器、低温側熱交換器及びヘリウム等の作動流体から構成され、著しく簡単な構造であり、且つ、可動部を持たないためメンテナンスも不要となる。
したがって、低コストで排熱からエネルギーを回収、再利用する構成を構築することができる。

本実施形態では処理済み流体からの熱を利用したが、反応槽からの放熱も高温側熱交換器の加熱に用いることができる。
この熱を用いることにより、蓄熱器にさらなる温度勾配を形成することができ、発電効率（利用効率）を上げることができる。
低温側熱交換器７８に背圧弁５８で熱交換した低温排熱（低温熱）を供給する構成としたが、本発明はこれに限定されない。
すなわち、高温側熱交換器７６に供給される高温排熱よりも低温で温度勾配を形成できる高温排熱を供給するようにしてもよい。
本実施形態では排熱の利用形態を発電としたが、例えば、気柱管７２をループ部８０のみから構成し、気柱管７２の途中にヒートポンプを備えた熱交換器を設け、振動エネルギーを冷却の熱エネルギーに変換して作業環境を冷却する機構としてもよい。

上記実施形態では、触媒として二酸化マンガンを用いたが、二酸化マンガンの代わりに、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｅ、Ｔｉ等を含む物質を用いてもよい。
また、それらのうち、少なくとも何れか１つを含む化合物でもよい。
また、外管３４に空気を供給する酸化剤供給部１０の代わりに、外管３４にオゾンを供給するオゾン供給部や外管３４に過酸化水素水を供給する過酸化水素水供給部を用いてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

４ 流体処理装置
６ 熱音響装置
１２ 反応槽
５８ 背圧弁
７２ 気柱管
７４ 蓄熱器
７６ 高温側熱交換器
７６ａ、７８ａ 表面積増加構造としてのフィン
７８ 低温側熱交換器
８４ エネルギー変換手段としての発電機構
Ａ 酸化剤としての空気
Ｗ 処理対象流体

特開２０１２−１３９６５４号公報 特開２００７−２２９５５３号公報

Claims (6)

1. 処理対象流体と酸化剤との混合流体を加熱及び加圧状態下で前記処理対象流体中の有機物を酸化反応によって分解し、前記処理対象流体を処理するための反応槽を有する流体処理装置と、
   熱エネルギーを音波に変換する熱音響装置と、
   前記熱音響装置で発生した振動エネルギーを他のエネルギーに変換するエネルギー変換手段と、
   を備え、
   前記熱音響装置は、音波を伝搬させる流体が閉じ込められた気柱管と、該気柱管の管路中に配置された蓄熱器と、該蓄熱器の一端側に配置された高温側熱交換器と、前記蓄熱器の他端側に配置された低温側熱交換器と、を有し、
   前記処理対象流体を処理する過程で排出される排熱を前記高温側熱交換器に伝達する構成を有している流体処理システム。
2. 請求項１に記載の流体処理システムにおいて、
   前記高温側熱交換器に、前記反応槽から排出される処理済みの流体の熱を伝達する流体処理システム。
3. 請求項１又は２に記載の流体処理システムにおいて、
   前記流体処理装置が、前記反応槽から排出された処理済みの流体を減圧する背圧弁を有し、
   前記処理済みの流体を減圧する際に冷却される前記背圧弁から回収した低温熱を前記低温側熱交換器に伝達する構成を有している流体処理システム。
4. 請求項３に記載の流体処理システムにおいて、
   熱媒を介して前記背圧弁との熱交換を行う熱交換器を有し、前記熱媒は前記低温側熱交換器と前記背圧弁との間を循環する流体処理システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の流体処理システムにおいて、
   前記高温側熱交換器と前記低温側熱交換器のうち少なくとも一方は、前記蓄熱器との接触部位に表面積増加構造を有している流体処理システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の流体処理システムにおいて、
   前記エネルギー変換手段が、前記振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構である流体処理システム。

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