JP3147142B2

JP3147142B2 - 蒸気再圧縮式真空濃縮乾燥装置

Info

Publication number: JP3147142B2
Application number: JP28275095A
Authority: JP
Inventors: 野俊之日
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 2001-03-19
Anticipated expiration: 2015-10-31
Also published as: JPH09126652A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、含水性廃棄物、例
えば生ごみ、廃魚、汚泥の脱水・乾燥や廃液の濃縮など
に用いる蒸気再圧縮式真空濃縮乾燥装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、水分を多量に含む廃棄物、たとえ
ば有機性廃棄物や汚泥などは、そのままでは焼却できず
腐敗し易いため、処理に多大の労力をかけている。また
メッキ排水や写真廃液などでは、処理が困難なため海洋
投棄も行われているが、これは国際的にも禁止される方
向にある。

【０００３】水分を多く含んだ可燃性の廃棄物であって
も、水分を蒸発させ含水率を下げることにより、僅かの
助燃剤で焼却できるし、自燃するものはエネルギー源に
できる。有機性廃棄物ではコンポスト化が容易になり、
廃液では輸送コストが下がるので資源回収の道も開くこ
とができる。

【０００４】しかしながら水分を蒸発させるには、水の
大きな蒸発潜熱（１００℃で２，２５７ｋＪ／ｋｇ）に
相当する熱量を加えねばならないため、莫大な熱エネル
ギーが必要である。

【０００５】一方、従来より含水性廃棄物を真空にして
乾燥させる技術が実用化されている。これらは、廃棄物
を入れた気密容器を真空ポンプで低圧に引くと同時に、
ボイラーからの温水または蒸気により真空容器を加熱し
て、中の水分を蒸発させる仕組みである。発生した蒸気
はクーリングタワーからの冷却水によって凝縮させ、水
封式の真空ポンプを使って排水している。

【０００６】水の沸点は大気圧以下にすれば１００℃よ
りも下がるため、廃棄物の熱による変成を少なくして速
やかに乾燥させるばかりでなく、臭気の拡散も防ぐこと
ができる。またアルコール等の可燃性物質を含む廃棄物
も、安全に乾燥させることができる。ただし水の蒸発潜
熱は、真空にしても小さくなる訳ではないので（逆に沸
点が下がると蒸発潜熱は僅かに大さくなる、例えば５０
℃で２，３８３ｋＪ／ｋｇ）、乾燥に要する熱エネルギ
ーを減らすことはできない。

【０００７】蒸発に要する熱エネルギーを減らす技術と
して、従来より多段フラッシュ技術や蒸気再圧縮技術が
知られている。いずれの技術も、蒸発した水蒸気を圧縮
して熱交換器で凝縮（液化）させ、その際の凝縮潜熱を
水の蒸発に使うもので、原理的に高いエネルギー効率が
可能である。

【０００８】特に蒸気再圧縮法は構造が比較的簡単であ
り、電力による効率的な運転が可能なため、廃液濃縮に
実用化されている。しかし、こうした装置は、遠心式圧
縮機を用いた大型機（数十ｋＷ以上）が主であり、抽気
用の真空ポンプや排水ポンプなど補助装置が必要など構
造が複雑で高価となり、用途も廃液の濃縮程度に限られ
ていた。

【０００９】この他に、ヒートポンプの原理によりエネ
ルギー効率の良好な真空蒸発装置が実用化されている。
これは、廃液を入れた気密容器を水エゼクターや真空ポ
ンプにより真空に引き、ＨＣＦＣ−２２（フロン）など
の冷媒によるヒートポンプを使って（冷媒蒸発器で）水
蒸気の凝縮潜熱を吸収し、（冷媒凝縮器で）水に蒸発潜
熱を与えるものである。

【００１０】既存の冷媒（ヒートポンプ）部品を使える
のが利点であるが、冷媒（フロン）や冷凍機油の熱分解
の恐れがあるため、加熱温度を高く出来ず（６０、７０
℃止まり）、水と冷媒の熱交換も必要なので、成績係数
（加熱量を電気入力で除したもの）は３〜５程度と推定
される。これに対して、蒸気再圧縮法では加熱温度が高
く取れるうえ、成績係数は１０以上が容易に得られる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、蒸気再圧縮
の原理を用い、小型・簡便でエネルギー効率の高い真空
濃縮乾燥装置を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、含水性
廃棄物の脱水、乾燥廃液の濃縮に用いる蒸気再圧縮式真
空濃縮乾燥装置において、廃棄物を入れる真空タンク
と、その真空タンクから水蒸気を圧縮して空気を排除す
る水蒸気圧縮機と、前記真空タンクの内部に設けられ真
空タンクと熱的に結合されそして前記水蒸気圧縮機から
の吐出空気が流入する水蒸気凝縮機と、その水蒸気凝縮
機を通って真空タンク内の廃棄物を加熱した不凝縮性ガ
スを自発的に排出する不凝縮性ガス排出手段と、水蒸気
凝縮機で凝縮された凝縮水を自発的に排出する凝縮水排
出手段とよりなっている。

【００１３】そして、前記水蒸気圧縮機の温度を所定温
度に保つための圧縮機温度保持手段を備えている。

【００１４】また、前記水蒸気圧縮機から前記水蒸気凝
縮機に至る蒸気配管から水蒸気を外部へ排出して温度を
下げる水蒸気排出手段を備えている。

【００１５】また、前記凝縮水排出手段に連結し、フラ
ッシュ蒸気を分離して前記真空タンク内に戻すフラッシ
ュ蒸気戻し手段を備えている。

【００１６】本発明によれば、含水性廃棄物を入れた真
空タンクからまず空気が水蒸気圧縮機により排除され、
水蒸気圧縮機の吐出空気は水蒸気凝縮器を通って真空タ
ンク内の廃棄物を加熱して不凝縮性ガス排出手段により
排出される。こうして真空タンク内は圧力が下がり、廃
棄物は加熱されるので水分は蒸発し、水蒸気は水蒸気圧
縮機で圧力が高められて水蒸気凝縮器で凝縮水となって
凝縮水排出手段により排出される。この際、水蒸気凝縮
器において凝縮熱により真空タンク内の廃棄物はさらに
加熱される。こうして真空タンク内の廃棄物は乾燥さ
れ、廃液は濃縮される。

【００１７】そして、圧縮機温度保持手段により、例え
ば、水蒸気凝縮器で一部液化した水蒸気を用いて水蒸気
圧縮機を所定温度に維持され、また、水蒸気排出手段に
より、系が過熱した場合は水蒸気を一部排出して温度を
下げる。そして、凝縮水排出手段から排出された凝縮水
から発生するフラシュ蒸気をフラシュ蒸気戻し手段によ
りタンク内に戻し、熱が回収される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を説明する。

【００１９】図１に示す本発明の実施例は、廃棄物Ｗを
入れる真空タンク１、水蒸気を圧縮する水蒸気圧縮機
２、前記真空タンク１内に設けられた水蒸気凝縮器３、
空気などの不凝縮性ガスを抽気ポンプや真空ポンプを用
いず自発的に排出する不凝縮性ガス排出手段としてのレ
リーフ弁４、および凝縮水をポンプ等を用いず自発的に
排出する凝縮水排出手段としてのスチームトラップ５で
構成されている。そして、真空タンク１より水蒸気圧縮
機２へ低圧蒸気配管６ａが、水蒸気圧縮機２より水蒸気
凝縮器３へ高圧側蒸気配管６ｂが配設され、水蒸気凝縮
器３からは二方に分岐し、一方はレリーフ弁４を介して
不凝縮性ガスの排出口へ、他方はスチームトラップ５を
介して凝縮水排出口へ配管されている。真空タンク１
は、廃棄物投入口Ｅおよび廃棄物排出口Ｆを有し、真空
に耐える強度を持ち、そして、外部は断熱されているこ
とが望ましい。水蒸気圧縮機２は真空ポンプの機能を有
し、そして、シリンダの潤滑にオイルを使わないオイル
フリー型の容積式圧縮機、例えば、揺動式、往復式、ス
クリュー式、ルーツ式、ロータリ式等が望ましい。な
お、符号２ｍは圧縮機駆動用のモータを示している。水
蒸気凝縮器３はタンク内の廃棄物Ｗと熱交換するため真
空タンクと熱的に連結されのものでコイル状のもの、あ
るいはタンク１を２重壁としたものなどいずれでもよ
い。

【００２０】次に運転操作について述べる。先ず真空タ
ンク１中に含水性廃棄物Ｗを入れ、蓋を閉めて気密状態
にする。次に水蒸気圧縮機２を起動すると、空気が排除
されるためにタンク１内の圧力が下がる。この際に水蒸
気圧縮機２の吐出空気の温度が上がり、水蒸気凝縮器３
を通過する際に廃棄物Ｗを暖める。空気は凝縮しないの
で吐出圧力は上昇し、設定圧力、例えば１．５気圧（１
５２ｋＰａ）以上になればレリーフ弁４が開いて空気が
排出され、真空タンク１内の空気が排除されることによ
り容器内の圧力は下がって行く。

【００２１】水蒸気圧縮機２の真空引き能力が高けれ
ば、常温でも水を沸騰させることができる。例えば２５
℃では、タンク１内部の圧力が３ｋＰａまで下がれば水
が沸騰する。前述の吐出空気の昇温により廃棄物Ｗの温
度が上がるために、沸騰し易くなる（例えば４０℃では
７ｋＰａ）ことが予想できる。こうして蒸発した水蒸気
は、水蒸気凝縮器３で凝縮することにより更に廃棄物Ｗ
を加熱する。凝縮水はスチームトラップ５から排出され
る。こうした運転を継続することにより、真空タンク１
内の温度が徐々に上がり、定格運転状態に達する。定格
運転状態とは、例えばタンク１内が９０℃、７０ｋＰａ
で、例えば水蒸気凝縮器３内飽和温度が１１０℃、１４
３ｋＰａを指す。

【００２２】凝縮圧力は大気圧（１０１ｋＰａ）よりも
高いので、凝縮水および空気を主体とする不凝縮性ガス
はそれぞれの弁５、４から排出される。

【００２３】この時の運転状態を図２に示す公知の圧力
・エンタルピ線図で説明する。図２の縦軸は水（水蒸
気）の圧力、横軸はエンタルピを示し、ここで、廃棄物
Ｗ中の水は点Ａの状態から蒸発し、点Ｂで完全に水蒸気
になる。この水蒸気を水蒸気圧縮機２で圧縮して点Ｃの
状態にする。点Ｃは過熱蒸気である。次にこの圧力と温
度の上昇した水蒸気を水蒸気凝縮器３に導き、ここで完
全に液化させて点Ｄに至る。

【００２４】図２では圧力損失が無く、水蒸気圧縮機２
では断熱圧縮されるように理想化して描かれているが、
実際の圧縮行程はポリトロープ圧縮であり、配管の圧力
損失も生ずる。しかしながら点Ｂから点Ｃへの少ない入
力（電力）で、点Ａから点Ｂへの大きな蒸発熱量を与え
ることができるため、エネルギー効率が極めて高いこと
が理解できる。

【００２５】このようにして真空タンク１内の水を蒸発
させることにより廃棄物Ｗは乾燥し、廃液の場合には濃
縮される。

【００２６】図３には、前記図１に示した装置に、さら
に機能を向上させるための機器・装置が付加された例が
示されている。

【００２７】すなわち、圧縮機温度保持手段として、真
空タンク１内に、第１の凝縮器３ａおよび第２の凝縮器
３ｂの２機が設けられ、水蒸気圧縮機２から第１の凝縮
器３ａに第１の高圧側蒸気配管６ｂが配管され、第１の
凝縮器３ａの出口側から水蒸気圧縮機２のジャケット１
０に第２の高圧側蒸気配管６ｃが、そしてジャッケット
１０の出口側から第２の凝縮器３ｂに配管されている。

【００２８】この圧縮機温度保持手段により、第１の凝
縮器３ａで一部液化した水蒸気は圧縮機２のジャケット
１０に戻り水蒸気圧縮機２の要部を冷却した後、さらに
第２の凝縮器３ｂで凝縮される。水蒸気圧縮機２は過熱
すると材質的な損傷を生じ、一方、冷え過ぎると水蒸気
圧縮機２内部で水が凝縮し液圧縮により水蒸気圧縮機２
が破損することがある。この圧縮機温度保持手段によっ
て水蒸気圧縮機２は適度な温度を維持することができ、
上記の不具合は防止され、さらに、水蒸気圧縮機２の排
熱を真空タンク１内の水分蒸発に利用することができ
る。

【００２９】そして、水蒸気排出手段として、第１の高
圧側蒸気配管６ｂから分岐して蒸気抜き弁１１が設けら
れている。本装置の蒸気系の温度が上がり過ぎた場合
に、この弁１１を開いて水蒸気の一部を捨てることで温
度を下げることができる。

【００３０】また、フラッシュ蒸気戻し手段として、前
記スチームトラップ５の凝縮水排出口にフラシュ蒸気セ
パレータ１２ａが設けられ、ガスパージャー１２ｂを介
して真空タンク１に配管されている。これにより、スチ
ームトラップ５から排出された凝縮水は減圧されてフラ
ッシュ蒸気を発生し、セパレータ１２ａで分離されてタ
ンク１に戻され、熱が回収される。

【００３１】また、補助ヒータ１３が真空タンク１内に
設けられている。この補助ヒータ１３は電熱、またはス
チームで加熱され、始動時の昇温を速やかにする。

【００３２】また、撹拌機１４が真空タンク１内に設け
られている。この撹拌機１４で廃棄物Ｗを撹拌すること
によって、水蒸気凝縮器３との伝熱が促進され、廃棄物
Ｗが盛り換えされる。

【００３３】そして、サーミックベント１５がレリーフ
弁４と並列に設けられている。これにより、レリーフ弁
４の作動圧以下において不凝縮性ガス、すなわち空気を
排出することができる。

【００３４】なお、本装置において廃棄物中に油を混ぜ
れば、固形廃棄物の隙間を油が埋め、伝熱性能を改善す
る効果がある。廃棄物を後工程で焼却して発電等で熱利
用する場合には油の混入は問題を生じない。油は食料油
や鉱物油の廃油でよいので、廃油処理も同時に行うこと
が可能になる。また、魚、獣肉、野菜等の食品かすを本
装置により天ぷら処理した後、脱脂・粉砕して飼料など
に加工することも可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、下
記の優れた効果を奏する。（１）運転効率が高いため、乾燥・濃縮工程の大幅な
省エネルギーが可能になる。（２）補機類が少なく、構造が筒単なため製作費が低
い。またメンテナンスも容易である。（３）電力利用なので操作が容易である。（４）小型化が可能。（５）排水処理、臭気対策が容易になる。（６）火を使わないので、アルコール等の可燃性物質
を含む廃棄物も、安全に乾燥させることができる。（７）以上の理由により廃棄物のリサイクルや適正処
理が促進される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す系統図。

【図２】本発明の運転状態を説明する水の圧力・エンタ
ルピ線図。

【図３】本発明の別の実施例の構成を示す系統図。

【符号の説明】

１・・・真空タンク２・・・水蒸気圧縮機３、３ａ、３ｂ・・・凝縮器４・・・レリ−フ弁５・・・スチームトラップ６ａ・・・低圧側蒸気配管６ｂ・・・第１の高圧側蒸気配管６ｃ・・・第２の高圧側蒸気配管１０・・・ジャッケット１１・・・蒸気抜き弁１２ａ・・・フラッシュ蒸気セパレータ１２ｂ・・・ガスパージャ１３・・・補助ヒータ１４・・・撹拌装置１５・・・サーミックベント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F26B 5/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】含水性廃棄物の脱水、乾燥廃液の濃縮に
用いる蒸気再圧縮式真空濃縮乾燥装置において、廃棄物
を入れる真空タンクと、その真空タンクから水蒸気を圧
縮して空気を排除する水蒸気圧縮機と、前記真空タンク
の内部に設けられ真空タンクと熱的に結合されそして前
記水蒸気圧縮機からの吐出空気が流入する水蒸気凝縮機
と、その水蒸気凝縮機を通って真空タンク内の廃棄物を
加熱した不凝縮性ガスを自発的に排出する不凝縮性ガス
排出手段と、水蒸気凝縮機で凝縮された凝縮水を自発的
に排出する凝縮水排出手段とよりなることを特徴とする
蒸気再圧縮式真空濃縮乾燥装置。
【請求項２】前記水蒸気圧縮機の温度を所定温度に保
つための圧縮機温度保持手段を備えた請求項１記載の蒸
気再圧縮式真空濃縮乾燥装置。
【請求項３】前記水蒸気圧縮機から前記水蒸気凝縮機
に至る蒸気配管から水蒸気を外部へ排出して温度を下げ
る水蒸気排出手段を備えた請求項１または請求項２記載
の蒸気再圧縮式真空濃縮乾燥装置。
【請求項４】前記凝縮水排出手段に連結し、フラッシ
ュ蒸気を分離して前記真空タンク内に戻すフラッシュ蒸
気戻し手段を備えた請求項１ないし請求項３のいずれか
に記載の蒸気再圧縮式真空濃縮乾燥装置。