JP3658602B2 - Method and apparatus for decomposing a hardly decomposable substance - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は環境汚染物質等の難分解物質の分解処理方法及びその装置に関し、特にはフロンガスとかSF6,ハロン,ベンゼン核を持つ有機化合物及びその他の環境を汚染する産業廃棄物等の被分解処理物を酸素、酸素と水もしくは溶媒としての水の蒸気の雰囲気中で反応させる際に、反応装置内に熱電子を注入して活性化エネルギーを与えることにより、被分解処理物の分解開始温度を下げて、酸化分解、加水酸化分解、加水分解及びこれらの組合せによって分解するようにした処理方法とその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から冷媒とかスプレー剤として使用されているフロンガス及び消化剤として使用されているハロンガスは環境汚染物質であることが指摘されており、さらにフロンガスはオゾン層を破壊する物質であるため、これら物質の無害化処理が地球環境を守る観点から全世界的な関心事となっていて各種の対処手段が提案されている。例えばフロンガス処理方法に関しては、水熱反応法,焼却法,爆発反応分解法,微生物分解法,超音波分解法及びプラズマ反応法等が提案されている。
【0003】
これらの処理方法の中で、水熱反応法はフロンガス等に限定することなく、トリクレン等有機溶剤、廃油、ダイオキシン、PCB、糞尿等の産業廃棄物を主体とする被分解物質全般に対し汎用性のある処理方法として注目されている。この水熱反応法では、例えばフロンガスを塩化ナトリウム、二酸化炭素等の安全な物質に分解することができる。
【0004】
水熱反応法を具体化するための装置に関しては、実験室においてオートクレーブを用いた処理実験、例えば苛性ソーダ液,エタノール,フロン液の混合比率、温度の設定値、圧力の設定値及び反応時間の設定値についての実験が行われているが、通常水熱反応は300〜450℃で100〜250(kg/cm2)という高温高圧条件を維持して行われている。
【0005】
本願出願人は先に特願平11−276181号により、被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水のみを供給して、所定の温度に加熱された常圧の反応器内を所定の反応時間経過させて通過させることにより、酸化分解、加水酸化分解、加水分解の3種の分解原理のいずれか又はこれらの組合せに基づいて難分解物質を分解する処理方法と装置に関する提案を行った。この処理方法では分解処理の終了した被分解処理物の蒸気を中和冷却器により冷却することにより液化して排出する。
【0006】
また、上記反応器に被分解処理物の蒸気中の液体成分を分離する単数又は複数個のシャワリング塔と、得られた液体成分を冷却する中和冷却器と、該液体成分をシャワリング塔内に噴霧する循環機構を付設してある。
【0007】
かかる分解処理方法と装置によれば、フロンガスとかベンゼン核を持つ有機化合物及びその他の産業廃棄物等の難分解物質を、酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水のみを供給して常圧で温度のみが上昇した反応器内を所定の反応時間経過させて通過することにより、溶媒としての水の過熱蒸気により加水分解される形態と、酸素による酸化分解の形態及び水と酸素の添加による加水酸化分解の何れかの形態により難分解物質が分解処理され、分解の終了した蒸気は無害化されたガスとして放散されるか、冷却液化して排出することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように水熱反応を利用した分解手段は、反応器内を高温高圧条件を維持しなければならないので、反応器及び圧力調整弁等の構造が複雑になるとともに機械的な強度、例えば引張応力とか熱応力に耐えるための設計が難しく、使用する材料が限定されるという難点がある。また、高温高圧下での固液混合液の圧送と排出を行う機構は複雑であって被分解物質の種類によっても構造を変える必要があり、操作上のコントロールが難しいという問題点がある上、高圧に伴って運転中に配管の破損事故が生じることがあり、安全性確保の観点からも難点を残している。
【0009】
又、先に提案した特願平11−276181号によれば、被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水のみを供給して、所定の温度に加熱された常圧の反応器内を所定の反応時間経過させて通過させることにより、酸化分解、加水酸化分解、加水分解の3種の分解原理のいずれか又はこれらの組合せに基づいて難分解物質を分解することが可能であり、かつ、分解処理の終了した被分解処理物の蒸気を中和冷却器により冷却することによって液化して排出することができるが、例えば分解率が99.9%以上の設定で分解を開始すると、発熱反応によって反応器内の温度が上昇し、フロン等の被分解処理物の量と種類によって反応器内の温度が1200℃以上になるため温度コントロールが困難であるという課題が残っている。
【0010】
特に反応器内の温度が1000℃以上に上昇すると、該反応器の持つ耐食性の限界に達してしまい、装置が劣化するという問題が発生する。反応器の素材として耐熱性能が高いセラミックを用いると1800℃程度まで強度的に耐えるが、例えばフッ酸(HF)と塩酸(HCl)に耐食性のある炭化ケイ素(SiC)を用いた場合でもフッ酸と酸素が同時に存在すると、
SiC+2O2→SiO2+CO2
SiO2+4HF→SiF4+2H2O
として耐食性が急激に低下してしまうという問題がある。また、アルミナは塩酸には高い耐食性を示すが、フッ酸に対しては耐食性が低いという特性がある。厚みが6mmの炭化ケイ素(SiC)とアルミナを試料として、フッ酸と酸素が同時に存在する条件下で1000℃以上の耐食性のテストを行った結果、炭化ケイ素(SiC)では170〜200時間、アルミナでは250〜300時間で試料が破損したり腐食することが観察され、更に他の材料としてハステロイ、インコネル、ステンレス310sを用いた場合でも1200℃を越えると変態点付近で急激に腐食速度が高くなるため実用的に反応器は1000℃以下に保つことが要求される。
【0011】
反応器内の温度上昇を防止するためには、被分解処理物の処理量を少なくするか、別途に冷却装置を設けなければならないが、分解処理効率の低下をきたすとともに装置自体のコストアップを招来してしまうという難点がある。
【0012】
更に被分解処理物としてフロンを想定した場合に、これらフロンの種類によって分解開始温度が異なるため、各フロンに対応して分解するための設定温度を変えなければならない。例えばフロンの種類と比率が不明な回収フロンとか、R12(CFC−12),R134,R134a,R410,R407,R404その他の混合フロンを分解する場合には、分解温度が最も高いR12の設定温度で分解しようとすると、フロン中にR134aが含まれているケースでは反応器内の温度が1300℃を越えることがあり、反応器自体の寿命が極端に低下してしまうという問題が生じる。これらのフロンを分解するための設定温度は、ガス分析によってフロンの種類と比率を調べた上で決定することが必要となる。
【0013】
また、種々のフロンが任意に混合された混合フロンを安定的に分解するためには分解開始温度を下げることが肝要であり、仮に反応器内の発熱量が高くても分解開始温度が低いことによって温度許容範囲に収めることができる。仮に反応器内の温度が少しオーバーするケースでも該反応器の蓋を開けるとか空冷する等の簡易な冷却手段によって十分対応可能であり、被分解処理物の処理量を犠牲にすることなく処理効率を高く維持することが出来るものと考えられる。
【0014】
尚、特開平10−249161号公報には、電極の外周にプラズマガスを流入させ、プラズマアークを通過させる貫通孔を有するプラズマ拘束ノズルを配置し、その外周にプラズマアークと圧縮空気で形成されるプラズジェットを通過させる陽極ノズルを配置し、反応させるフロンを旋回投入孔から投入してフロンとプラズマジェットの接触によりフロンを分解するようにしたフロンのプラズマアーク分解方法及び装置例が開示されている。しかしプラズマによる反応はプラズマを発生させた後に高温部に分解すべきガスを接触させて熱分解し、反応に必要なガスを混合する方法であるため、分解すべきガスを全て混合した状態で全ての種類のガスに同時にプラズマジェットの接触により反応を効率的に行わせることはできない。
【0015】
本発明は環境汚染物質であるフロンガスとかSF6,ハロン,更にはベンゼン核を持つ有機化合物及びその他の産業廃棄物等の難分解物質の分解を行うシステムにおける上記問題点を解消して、反応形態を一律にできるとともに熱エネルギーによって反応器内を高温に加熱しなくても分解反応を効率的に行わせて装置の耐食性を高めるとともに、反応時に有毒ガスとか爆発性を有する可燃性ガスが生成せず、配管の詰まりとか腐食が生じることがない難分解物質の分解処理方法及びその装置を提供することを目的とするものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水を反応器に供給して、所定の温度に加熱された該反応器内に配置されたカソードからアノードに向けて熱電子を放出することにより、この熱電子が被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水の分子や原子に衝突することによって該分子や原子を励起して活性化エネルギーを注入し、被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水を常圧の反応器内で所定の反応時間経過させて通過させることにより、酸化分解、加水酸化分解、加水分解の3種の分解原理のいずれか又はこれらの組合せに基づいて難分解物質を分解するようにした難分解物質の分解処理方法と装置を基本手段として提供する。
【0017】
さらに、被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水にそれぞれに熱電子を放出することにより、この熱電子が被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水の分子や原子に衝突することによって該分子や原子を励起して活性化エネルギーを注入した後に反応器に供給し、被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水を常圧の反応器内で所定の反応時間経過させて通過させることにより、酸化分解、加水酸化分解、加水分解の3種の分解原理のいずれか又はこれらの組合せに基づいて難分解物質を分解する構成、及び被分解処理物、酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水から選択された1又は複数のものに熱電子を放出する構成を提供する。
【0018】
前記酸素に代えて空気を用いる方法、反応器の途中から空気を供給することにより、供給された空気中の酸素によって酸化反応を促進するとともに、供給された空気中の窒素によって反応器内を冷却する方法、及び分解処理の終了した被分解処理物の蒸気を中和冷却器により冷却することにより液化して排出する方法を採用する。
【0019】
更に上記反応器に、被分解処理物の蒸気中の液体成分を分離する単数又は複数個のシャワリング塔と、得られた液体成分を冷却する中和冷却器と、該液体成分をシャワリング塔内に噴霧する循環機構を付設してある。
【0020】
かかる分解処理方法と装置によれば、フロンガスとかベンゼン核を持つ有機化合物及びその他の産業廃棄物等の難分解物質を、酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水を供給して常圧の反応器内を所定の反応時間経過させて通過させる際に、反応器内に配備された活性化エネルギー注入機構を駆動して、各カソードからアノードに向けて熱電子を加速しながら放出することにより、或いは反応器に供給される前に被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水にそれぞれに熱電子を放出することにより、この熱電子が被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水の分子や原子に衝突して励起し、分子や原子がイオン化したり解離してラジカルもしくはイオンとすることで活性化エネルギーが注入される。それに伴って熱エネルギーによって反応器内を高温に加熱しなくても分解反応が効率的に行われ、反応形態を一律にできるとともに溶媒としての水の過熱蒸気により加水分解される形態と、酸素による酸化分解の形態及び水と酸素の添加による加水酸化分解の何れかの形態により難分解物質が分解処理される。その後に分解の終了した蒸気は無害化されたガスとして放散されるか、冷却液化して排出される。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて本発明にかかる難分解物質の分解処理方法及びその装置の具体的な実施形態を説明する。本発明はフロンガス等の環境汚染物質を始めとする難分解物質を常圧の状態で分解処理するものであり、対象とする難分解物質は有機化合物で安定なものをいうが、特に限定はなく、フロンガス、トリクレン等有機溶剤、廃油、ダイオキシン、PCB等ガス化できるもので有ればあらゆるものを対象とし、その状態は固体、液体、気体を問わず特に限定がない。なお、主には有機化合物で有用ではあるが使用後の処理が困難なものや有害なもの、例えばクロロベンゼン、フロン(ハロゲン炭素化合物)、問題となっているダイオキシン等である。
【0022】
本願発明者は種々の改良実験を試みた結果、反応装置内にフロン等の被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水のみを供給して熱エネルギーを注入することにより、酸化分解、加水酸化分解、加水分解の3種の分解原理のいずれか又はこれらの組合せに基づいて難分解物質を分解することができること、及び加熱以外の方法で被分解処理物に活性化エネルギーを注入すれば反応が効率的に進行するという知見を得た。
【0023】
一般に化学反応を円滑に行うためには活性化エネルギーを注入しなければならない。活性化エネルギー注入手段として熱エネルギーを与えることで反応系の温度を上げることが通常行われているが、化学物質によって活性化エネルギーは固有の値を持つものであって、反応が開始する温度も物質によって変化する。そこで加熱以外の方法で物質に活性化エネルギーを与えれば自由エネルギー(ΔG)が(−)であれば化学反応が円滑に進行するものと考えられる。
【0024】
また、反応時には反応器内を高圧状態とすることなく、水を加えた場合には過熱蒸気の雰囲気を維持することによって過熱蒸気中の被分解処理物を分解処理することができるとともに有毒ガスとか可燃性ガスが生成することがない。酸素に代えて単に空気を用いてもよい。
【0025】
なお、酸素と空気はどちらを使用してもよいものであるが、酸素に代えて空気を使用すると、酸素と同時に必要酸素量の4倍の窒素が供給されることとなり、ガス量が増加することとなるが、反応器の冷却効果がある。酸化分解においては酸化熱が発生し、この酸化熱が反応器内の温度を上昇させることとなるが、反応器のあまり高い温度上昇は装置の安全性の面から好ましくない。したがって、反応に全く関与しない窒素の存在によって反応器内の全体温度を下げることができる。
【0026】
本発明によればベンゼン環を開環することが可能であり、本発明が分解対象としているベンゼンは芳香族炭化水素の基本的化合物であってC6H6で表わされ、モノクロロベンゼンはC6H5Clで表わされる。ベンゼン核を持つ有機化合物としてはフェノール類が挙げられる。このフェノール類はベンゼン核にOH基が結合した有機化合物の総称であり、C6H5OHで表わされる。また、本発明によればベンゼン環を骨格構造とするダイオキシン、PCBなども分解して無害化することが可能である。
【0027】
図9は本発明を適用した難分解物質の分解処理方法と装置の基本的実施形態を示すシステム図であり、図中の1はフロン等被分解物タンク、2は流量調整弁、3はエアコンプレッサ、4は流量調整弁、5は溶媒としての水タンク、6は定量ポンプ、7は反応器であり、流量調整弁4,2と定量ポンプ6から導出された配管8,9,10の他端部が反応器7内に導入されている。各配管8,9,10には予備加熱ヒータ11,12,13が配備されている。反応器7にも複数個の加熱ヒータ14,15,16が配備されていて、反応器内の温度分布T1,T2,T3が自在に得られるように制御される。反応器7は被分解処理物と溶媒の水及び空気中の酸素を所定の温度を保って反応させて分解処理するための装置である。29は反応器7に途中から空気を供給するためのエアコンプレッサ、30はその流量調整弁である。
【0028】
17,18,19はシャワリング塔、20は中和冷却器であり、各シャワリング塔17,18,19の下端部は中和冷却器20の内部に挿通されている。各シャワリング塔17,18,19内には反応ガスのみを通過させるテラレット17a,18a,19aが配置されている。21はシャワリング用ポンプ、22はヘッダ、23は冷却器、24は吸引ブロワであり、冷却器23内には中和冷却器20から導出された配管20a,20bが連結されている。23aは冷却水の入口、23bは同冷却水の出口である。反応器7から導出された配管25がシャワリング塔17の中間部に連結され、配管26,27を介してシャワリング塔18,19内を流れ、吸引ブロワ24を通って外部に排気されるようになっている。
【0029】
シャワリング塔17,18,19は被分解処理物の蒸気中の液体成分を分離するための装置であり、図示した3個に限定されず、単数又は複数個のシャワリング塔が配備されている。中和冷却器20は得られた液体成分を冷却し、シャワリング用ポンプ21とヘッダ22は得られた液体成分をシャワリング塔17,18,19内に噴霧して液化を促進する循環機構を構成している。
【0030】
反応器7内は加圧されておらず、排出口側を開放した常圧としている。つまり注入口側の配管の圧力は管路による圧損のみの圧力勾配となっている。このように反応器7は従来の高圧の水熱反応装置と異なって強制的に加圧をしない開放型の装置を使用して被分解処理物質を分解処理できることが本発明の特徴のひとつである。この反応器7内は過熱蒸気によって僅かな圧力が自然に発生し、圧力勾配となって被分解物を移送する。本発明で常圧とはこのように従来の水熱反応装置のように強制的に高圧に加圧することなく、排出口を開放した状態であることを示している。
【0031】
図1は反応器7の構成を示す断面図、図2は図1の要部拡大図、図3は図1のA−A線に沿う断面図である。この反応器7は外周部が保温材31で被覆されており、内部にステンレス製のパイプ32が長手方向に沿って貫設されている。このパイプ32に前記配管8,9,10の他端部が導入されており、パイプ32の外周に前記した複数個の加熱ヒータ14,15,16・・・が配備されている。この反応器7によって被分解処理物と溶媒の水及び空気中の酸素が所定の温度を保って反応する。
【0032】
上記パイプ32の中途部に、本発明の特徴的な構成物である活性化エネルギー注入機構33が配備されている。図2,図3に示したように、活性化エネルギー注入機構33はパイプ32内に熱電子を放出する3個のカソードH1,H2,H3と、この熱電子を受ける3個のアノードP1,P2,P3を主体として構成されている。3個のカソードH1,H2,H3はコイルヒータを兼ねており、これらの各カソードH1,H2,H3と対向する位置にアノードP1,P2,P3が配置されている。各アノードP1,P2,P3は電源E1のプラス側に接続され、コイルヒータを兼ねる各カソードH1,H2,H3の一方側端子は電源E1,E2のマイナス側に接続されているとともに他方側端子は電源E2のプラス側に接続されている。34はアルミナで構成された絶縁用部材である。
【0033】
かかる本実施形態の動作態様を説明する。先ず環境汚染物質であるフロンガスを加水酸化分解によって分解処理する場合を例にとると、被分解物タンク1内にフロンを投入し、エアコンプレッサ3と定量ポンプ6を起動することによって空気とフロンが流量調整弁4,2と配管8,9を通って反応器7内のパイプ32に送り込まれ、同時に溶媒としての水が配管10を通して同様にパイプ32内に一定量だけ送り込まれて適当な比率で混合される。この時に各配管8,9,10に配備された予備加熱ヒータ11,12,13を駆動して予備加熱を行い、反応器7に配備されている3個の加熱ヒータ14,15,16を駆動することにより、パイプ32内の温度分布T1,T2,T3を制御する。
【0034】
反応器7のパイプ32の内部を所定温度範囲に加熱しておくことによって過熱蒸気が発生する。分解処理するために必要な過熱蒸気の温度は被分解処理物によって異なるため、それぞれ被分解処理物に応じて設定する。そして反応器7のパイプ32内で被分解処理物であるフロンCFC−22と溶媒の水及び空気中の酸素とが所定の温度を保って反応して加水酸化分解処理が行われる。反応の途中からエアコンプレッサ29及び流量調整弁30を使用して反応器7のパイプ32内に空気を供給してもよい。
【0035】
上記の分解処理中に反応器7内のパイプ32の中途部に配備された活性化エネルギー注入機構33を駆動して熱電子(e−)により被分解処理物に活性化エネルギーを注入することが本発明の大きな特徴となっている。即ち、図3中の破線に示したようにコイルヒータを兼ねた各カソードH1,H2,H3からアノードP1,P2,P3に向けて熱電子が加速されながら放出され、放出の途中で熱電子が被分解処理物の分子や原子に衝突することによって該分子や原子を励起して、分子や原子がイオン化したり解離してラジカルもしくはイオンとすることで活性化エネルギーが注入される。
【0036】
励起された状態の分子や原子は過剰なエネルギーを放出して安定な状態になろうとする反応性に富んだ粒子群であるから、反応器7内の温度を格別高くしなくても被分解処理物を分解処理することができる。そして反応器7内を過熱蒸気が通過する間に所定の反応時間が経過して、過熱蒸気中の被分解処理物が分解処理され、次段のシャワリング塔17内に送り込まれる。
【0037】
シャワリング塔17では被分解処理物中の反応ガスのみがテラレット17aから配管26,テラレット18a,配管27,テラレット19aを経由して流れ、吸引ブロワ24を通って外部に排気される。被分解処理物中の液体成分は各シャワリング塔17,18,19から中和冷却器20に流入し、一部が配管20aから冷却器23に流入する。この冷却器23の冷却水の入口23aから冷却水を供給して同出口23bから流出させることにより、分解物のガス成分が冷却されて完全に液化される。冷却器23内の温度は分解物のガス成分を液化できる温度であればよく、フロンガスの場合は略25℃とする。
【0038】
液化された分解物をシャワリング用ポンプ21からヘッダ22に送り込み、各シャワリング塔17,18,19内に噴霧することによってガス成分が冷却され、液化が促進される。このように分解物を急冷して液化することによって副生成物の発生が防止されるとともに、ガス状のまま放出して大気中に飛散することによる2次汚染の心配もない。急冷するのは、高温から低温にゆっくりと冷却するとダイオキシンなどの有害副生成物ができるため、有害副生成物の生成を防ぐためである。中和冷却器20に貯留された分解物は定期的に配管28を介して排出され、図外の排液タンク内に送り込まれる。
【0039】
図4は反応器7の他の実施形態を示す断面図、図5は図4のB−B線に沿う断面図である。この反応器7はステンレス製のパイプ35を主体として構成され、該パイプ35の前面壁35aを貫通して配管8,9,10の他端部が導入されている。各配管8,9,10には予備加熱ヒータ11,12,13が配備されており、反応器7にも複数個の加熱ヒータ14,15,16が配備されている。そして前面壁35aの中央部を貫通する位置に熱電子を放出するカソードH4が配置され、パイプ35の内壁中間部に熱電子を受ける3個のアノードP4,P5,P6が配置されている。従ってカソードH4と3個のアノードP4,P5,P6とは反応器7の長手方向、即ち、被分解処理物の流れ方向に離反して配置されており、これらのカソードH4とアノードP4,P5,P6によって活性化エネルギー注入機構が構成される。
【0040】
コイルヒータを兼ねるカソードH4の一方側端子は高圧電源Eのプラス側に接続されているとともに他方側端子は高圧電源Eのマイナス側に接続されており、各アノードP4,P5,P6は高圧電源Eのプラス側に接続されている。
【0041】
このような反応器7の構成によれば、装置自体を小型化できるという特長がある。反応器7の動作態様は図1に示す実施形態と略同一であり、被分解処理物の分解処理中にカソードH4からアノードP4,P5,P6に向けて熱電子が加速しながら放出され、放出の途中で熱電子が被分解処理物の分子や原子に衝突して該分子や原子を励起して、分子や原子がイオン化したり解離してラジカルもしくはイオンとすることで活性化エネルギーが注入される。
【0042】
なお、前記した図1から図4に示す例では被分解処理物とともに酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水を反応器7に供給した後に熱電子を放出して励起するようにしたが、反応器7に供給される前に被分解処理物、酸素、水にそれぞれに熱電子を放出することにより、この熱電子が被分解処理物、酸素、水の分子や原子に衝突することによって該分子や原子を励起して活性化エネルギーを注入するようにしてもよい。あるいは、被分解処理物、酸素、水から選択された1又は複数のものにのみ熱電子を放出するようにしてもよい。
【0043】
上記した反応器7に被分解処理物等を供給する前に熱電子を放出して励起する活性化エネルギー注入機構33の構成の一例を図6から図8に示す。図6は活性化エネルギー注入機構33の他例を示す要部断面図、図7はその左側面図、図8はC−C線に沿う断面図である。図6に示す活性化エネルギー注入機構33は反応器7に連結して、図7に示すように適宜配置で3組装備されている。それぞれ被分解処理物、酸素、水を励起するためのものである。
【0044】
反応器7にはステンレス製のパイプ32が長手方向に沿って絶縁用部材34を介して貫設されており、このパイプ32の端部に熱電子を放出するカソードH4が装備され、該カソードH4には熱電子発生用のヒータ36が連接され、その周囲には電子加速用の筒体37が配備されている。また、パイプ32の反応器側の端部及び反応器の端部は熱電子を受けるためのアノードP7として構成されている。そして、パイプ32の中途部には被分解処理物(酸素又は水)を供給する投入口39が開口している。なお、アノードP7は電源E1のプラス側に接続され、カソードH4の一方側端子は電源E1,E2のマイナス側に接続されているとともに他方側端子は電源E2のプラス側に接続されている。
【0045】
上記装置によれば、活性化エネルギー注入機構33を駆動して熱電子(e−)により反応器7に供給される前に被分解処理物、酸素、水にそれぞれ或いは選択的に熱電子を放出することにより、活性化エネルギーを注入することできる。即ち、図6中のカソードH4からアノードP7に向けて熱電子がヒータ36で加熱されると共に、電子加速用の筒体37で加速されながら放出され、放出の途中の反応場38で熱電子が被分解処理物、酸素、水の分子や原子に衝突することによって該分子や原子を励起して、分子や原子がイオン化したり解離してラジカルもしくはイオンとすることで活性化エネルギーが注入され、その後反応器7に供給されるのである。
【0046】
本実施形態での反応器7の全長は1900mm,3個の加熱ヒータ14,15,16の出力は11kW,フロン流量は10(kg/h),水量は10(kg/h),空気量はR12で0(l/min),R22で120(l/min),R134Aで300(l/min)とした。主なフロンの発熱量は
である。
【0047】
被分解物がR12,即ちフロンCFC−12の場合には、溶媒としての水のみを加えて反応させることにより、下記(1)式の加水分解が進行する。
CCl2F2+2H2O → CO2+2HCl+2HF………………(1)
【0048】
上記(1)式の反応時に活性化エネルギー注入機構33を駆動すると、熱電子(e−)がフロンCFC−12の分子や原子に衝突して分子イオンや解離を伴うラジカル及びラジカルイオンができる。
【0049】
これらの分子イオンやラジカル及びラジカルイオンは高エネルギーで励起された状態であり、反応性に富む粒子であるため、励起された状態の分子や原子が過剰なエネルギーを放出して最も安定な状態、即ち結合エネルギーが最も低くなるようにー方向反応が進行し分解される。そして反応時間が経過してほぼ完全に分解処理され、次段のシャワリング塔17内に送り込まれる。
【0050】
フロンCFC−22の加水分解は、下記の(3)〜(5)式により行われる。
CHClF2+2H2O → CO2+HCl+2HF+H2………(3)
CHClF2+H2O → HCl+2HF+CO……………………(4)
4CHClF2+6H2O → 3CO2+8HF+4HCl+CH4………(5)
(3)(4)(5)式によれば、H2ガス,COガス,CH4ガスという有害もしくは可燃性ガスが生成する問題がある。そこで水とともに空気もしくは酸素を加えて加水酸化分解を行わせると下記の(6)式が進行する。
CHClF2+2H2O+O2 → 2CO2+2HCl+4HF……(6)
従って一酸化炭素COは
2CO+O2=2CO2
となり、水素ガスH2は
2H2+O2=2H2O
となり、メタンガスCH4は
CH4+3O2=CO2+2H2O
となる。従って有害もしくは可燃性ガスは二酸化炭素として無害化されるか水分に変換され、(6)式で示す結果に帰結する。
【0051】
フロンCFC−134aの加水分解は、下記の(7)〜(9)式により行われる。
C2H2F4+2H2O → 4HF+2CO+2H2…………………(7)
C2H2F4+4H2O → 4HF+2CO2+3H2………………(8)
C2H2F4+3H2O → 4HF+CO+2H2+CO2…………(9)
(7)(8)(9)式の場合でもH2ガス,COガスという有害もしくは可燃性ガスが生成するが、水とともに空気もしくは酸素を加えて反応させることによって前記(6)式が進行し、加水酸化分解が行われる。
【0052】
フロンCFC−141bの加水分解は、下記の(10)〜(11)式により行われる。
C2H3Cl2F+2H2O → 2CO+HF+2HCl+2H2……(10)
C2H3Cl2F+4H2O → 2CO2+HF+2HCl+4H2……(11)
(10)(11)式は一酸化炭素,H2ガスが生成するため不適である。そこで水とともに空気もしくは酸素を加えて反応させると下記の(12)(13)式が進行し、加水酸化分解が行われる。
この場合、水、酸素を加えると(12)(13)式のようにCO,H2が発生して不適である。この場合、酸素だけを加えた酸化分解の場合には下記の(14)(15)式が進行する。
C2H3Cl2F+2O2 → 2CO2+2HCl+HF…………(14)
C2H3Cl2F+O2 → 2CO+2HCl+HF ……………(15)
この場合にも(15)式に示されるようにCOガスが生成されるが、実際には酸素過剰の状態で(14)式が優先して起きるため、酸素が十分に過剰な雰囲気を作り、どの過程の分解が起きても最終的には(14)式になるようにすることが可能となる。酸素だけを加えた場合には酸化分解が進行するが、予期できない副生成物ができることがあるため、水を適量添加することによって生じる過熱蒸気の存在が重要となる。従って分解方法としては加水酸化分解が最適である。
【0053】
被分解処理物としてフロンガスを用いた場合には下記の生成物が確認された。先ず気体はCO2,HCl,HFであり、冷却後は水にHCl,HFは溶けて強酸となる。
【0054】
下記の(16)式に示したように、フロンの濃度に応じて苛性ソーダNaOHを加えて炭酸ガスを重炭酸ソーダNaHCO3とし、(17)式のように苛性ソーダと塩酸の反応で食塩NaClを生成して、更に(18)式のように苛性ソーダとフッ酸の反応でフッ化ナトリウムNaFを生成して対処する場合もある。液化後の強酸性液をNaOHで中和する場合、(17)(18)式が、また、必ずCO2が発生するので(16)式も起きて炭酸ガスを放出しない方法も可能となる。
NaOH+CO2 → NaHCO3 …………………………(16)
NaOH+HCl → NaCl+H2O………………………(17)
NaOH+HF → NaF+H2O…………………………(18)
【0055】
以上説明した実施形態は、流体状或は気体状の被分解処理物を分解処理するためのものであり、環境汚染物質としてフロンガスの外にクロロベンゼン,トリクロロエタン等のハロゲン炭化化合物の液状物の分解が可能である。本実施形態によるトリクロロエタン(CH3・CCl3)及びベンゼン核を持つ有機物であるクロロベンゼン(C6H5Cl)の分解反応を説明する。
【0056】
先ずトリクロロエタン(CH3・CCl3)を分解する場合は以下のように反応が進行する。
CH3・CCl3+2O2 → 2CO2+3HCl
【0057】
次にクロロベンゼン(C6H5Cl)を分解する場合は、以下のように分解が進行する。
C6H5Cl+7O2 → 6CO2+2H2O+HCl
【0058】
ここで活性化エネルギー注入機構33の駆動原理を理論的に考察すると、一般に電子がエネルギーの最も低い状態にあるときは、原子が基底状態にあるといい、電子がエネルギー的に高い状態は、原子の内部にエネルギーが蓄積された励起状態と呼称される。励起が十分に高くなると、電子は原子核の束縛から逃れて自由電子となる。これが電離であり、自由電子は連続的なエネルギー状態を保っている。つまり電離は内部励起の一つの極限と考えることができる。
【0059】
他方で化学反応を円滑に行うために、衝突によって反応系に加えなければならない最低限のエネルギーを活性化エネルギー(Eact)という。活性化エネルギーの源は動き回っている粒子の運動エネルギーであり、衝突で与えられるエネルギー量はほとんど最低限より少ないが、粒子の一方または両方が異常な早さで動き回っている場合には、粒子間で強烈な衝突が起こり、化学反応を起こすのに十分なエネルギーが与えられる。
【0060】
従って化学反応を起こすためには、十分な活性化エネルギー(Eact)を持って粒子が衝突することが必要であり、前記活性化エネルギー注入機構33を駆動することによって内部励起された自由電子の持つ連続的なエネルギー状態が有効利用され、加熱ヒータ等の熱エネルギー付与手段を用いなくても反応系のエネルギーレベルを上げて化学反応を円滑に進行させることが出来る。
【0061】
また、本発明によれば、分解すべきガスを全て混合した状態で熱電子を注入することが可能であるから、全ての種類のガスに同時に活性化エネルギーが注入されて反応を効率的に行わせることが出来る。
【0062】
表1は活性化エネルギー注入機構33を駆動しないケースでのR22(CFC−22)とR12及びR134Aの各フロンガスについて、分解率と温度の関係を測定した一覧表であり、図10は表1の測定値をプロットしたグラフである。
【0063】
【表1】
【0064】
表1及び図10によれば、R22は850℃で分解率が99.9%に達しているとともにR12は950℃で分解率が99.9%に達しており、R134Aでは800℃で分解率が99.9%に達している。表2は各フロンガスの分解率が99.9%に達してから以降の時間(分)と温度上昇の関係を測定した一覧表であり、図11は表2の測定値をプロットしたグラフである。
【0065】
【表2】
【0066】
表2及び図11によれば、R12は分解率が99.9%に達した後はほぼ930℃近辺にあり、R22は分解率が99.9%に達して18分後に1080℃に達して、以降はほぼ温度が変化しない。これに対してR134Aでは分解率が99.9%に達して18分後に1241℃に達してから以後は、ほぼ1240℃前後にある。
【0067】
表3は前記活性化エネルギー注入機構33を駆動したケースでのR12(CFC−12)とR22及びR134Aの各フロンガスについて、同様に分解率と温度の関係を測定した一覧表であり、図12は表3の測定値をプロットしたグラフである。尚、図3に示すカソードH1,H2,H3とアノードP1,P2,P3の各電極表面積を3.7cm2,材質はタングステン+トリウム,電流は3A,電極表面温度を約1500℃,加速電圧は1kVとした。
【0068】
【表3】
【0069】
表3及び図12によれば、R12は500℃で分解率が99.9%に達しているとともにR22は450℃で分解率が99.9%に達しており、R134Aでは400℃で分解率が99.9%に達している。従って前記表1及び図10のデータよりも400℃〜450℃も低温度の領域でフロンの分解率が99.9%に達していることが分かる。
【0070】
表4は各フロンガスについて自由電子注入時の時間(分)と温度上昇の関係を測定した一覧表であり、図13は表4の測定値をプロットしたグラフである。
【0071】
【表4】
【0072】
表4及び図13によれば、R12は電子注入時に時間の経過とともに温度は600℃〜614℃と変化が少なく、R22は当初550℃の温度が10分経過後に721℃に達し、以降は733℃〜735℃近辺にある。R134Aは当初500℃の温度が12分経過後に854℃に達し、以降は855℃近辺にある。従って何れのケースでも温度の上昇範囲は1000℃以下にあることが分かる。
【0073】
表5は前記活性化エネルギー注入機構33を駆動したケースでの各フロンガスについて、同様に分解率と温度の関係を測定した一覧表であり、図14は表5の測定値をプロットしたグラフである。尚、図3に示すカソードH1,H2,H3とアノードP1,P2,P3間の電流を1.5Aとした以外の測定条件は表3における測定条件と同一とした。
【0074】
【表5】
【0075】
表5及び図14によれば、R12は650℃で分解率が99.9%に達しているとともにR22は600℃で分解率が99.9%に達しており、R134Aでは550℃で分解率が99.9%に達している。従って前記表1及び図10のデータよりも250℃〜300℃も低温度の領域でフロンの分解率が99.9%に達していることが分かる。
【0076】
【表6】
【0077】
表6の(1)は混合フロンについて活性化エネルギー注入機構33を駆動しないケースでR404(CFC−404)の10(kg/h)を、分解率が99.9%まで分解処理した後の温度の変化を測定したデータであり、(2)は同一条件でR404の6(kg/h)を分解処理した後の温度の変化を測定したデータである。(1)では分解処理終了時に800℃に達しており、16分経過後に1000℃を越えて30分経過後には1283℃まで温度が上昇し、(2)では30分経過後の温度が864℃となっている。従ってR404を1度に10(kg/h)分解処理することは高温度により装置の劣化を招来するため好ましくなく、(2)の6(kg/h)程度まで分解処理量を低減させなければならず、作業効率が低下するという難点が生じる。
【0078】
表6の(3)は前記活性化エネルギー注入機構33を駆動して自由電子を注入しながらR404の10(kg/h)を、分解率が99.9%まで分解処理した後の温度の変化を測定したデータであり、図15に前記(1)(2)のデータとともに(3)のデータをプロットしてある。表6の(3)によれば、分解処理終了時に500℃であり、16分経過後に872℃に達し、以後30分まで温度が873℃前後に保たれている。従って本発明によれば、R404を1度に10(kg/h)分解処理しても高温度により装置が劣化する惧れはなく、分解処理量を高く維持して作業効率をアップさせることができる。
【0079】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によればフロンガスとか有機化合物及びその他の産業廃棄物等の難分解物質を、酸素、又は酸素と水、若しくは溶媒としての水のみを供給し、反応器内に配備された活性化エネルギー注入機構を駆動することによってカソードからアノードに向けて熱電子が加速しながら放出され、該熱電子が被分解処理物の分子や原子に衝突して励起することによって活性化エネルギーが注入され、ヒータ等の熱エネルギーによって反応器内を高温に加熱しなくても分解反応が効率的に行わせることができる。特に反応器内の温度上昇を防止するために別途に冷却装置を設ける必要がなく、装置のコストが低廉化されるとともに稼働時に被分解処理物の処理量を犠牲にする惧れがない。
【0080】
そして反応器内で所定の反応を行わせることにより、溶媒としての水の過熱蒸気により加水分解される形態と、酸素による酸化分解の形態及び水と酸素の添加による加水酸化分解の何れかの形態によって難分解物質を分解処理することができる。特に本発明は水熱反応を利用した分解手段のように反応器内を高温高圧に維持する必要がないため、反応器及びその他の圧力調整弁等を不要とし、操作上のコントロールも容易となる利点がある。
【0081】
また、反応形態は一律であって酸化分解、加水酸化分解、加水分解の3種の分解形態が明らかであり、しかも鉄とか炭素鋼等の反応助材を用いていないため、一酸化炭素等の有毒ガスとか水素ガス等の爆発性を有する可燃性ガスは生成しないか、生成しても直ちに無害化処理することが可能となる。更に反応生成物に起因する配管の詰まりとか、途中の配管内で反応が開始されることによる配管の腐食現象を防止することができる。
【0082】
分解の終了したガス成分は冷却することにより液化して排出することが可能であり、常圧下での加熱が主工程となっているため高圧ポンプは不要であり、排出弁とか配管が破損する懸念はない。更に反応は全て反応器の中で起こるクローズドシステムであるので二次汚染がないという効果が得られる。しかもフロンのみならず他の産業廃棄物とかベンゼン核を持つ有機物にも適用可能である。
【0083】
更に本発明によれば、低圧で工程が進行するとともに反応器が1000℃以上の高温に達することが回避されるため、耐食性が格段に向上するとともに反応器自体の材質は任意に選択することが出来る上、機械的な強度及び耐食性、引張応力とか熱応力に耐えるための設計は要求されないという利点があり、各種機器の破損に対する対策は容易であるとともに装置自体の自動化も容易であり、安全性が高いという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した反応器の構成を示す断面図。
【図2】図1の要部拡大図。
【図3】図1のA−A線に沿う断面図。
【図4】反応器の他の実施形態を示す断面図。
【図5】図4のB−B線に沿う断面図。
【図6】活性化エネルギー注入機構の他例を示す要部断面図。
【図7】図6の左側面図。
【図8】図6のC−C線に沿う断面図。
【図9】本発明にかかる難分解物質の分解処理方法と装置の基本的実施形態を示すシステム図。
【図10】活性化エネルギー注入機構を駆動しないケースでの各フロンガスの分解率と温度の関係を示すグラフ。
【図11】フロンガスの分解率が99.9%に達した以降の時間と温度上昇の関係を示すグラフ。
【図12】活性化エネルギー注入機構を駆動したケースでの各フロンガスの分解率と温度の関係を示すグラフ。
【図13】自由電子注入時の時間と温度上昇の関係を示すグラフ。
【図14】活性化エネルギー注入機構を駆動したケースでの各フロンガスの分解率と温度の関係を示すグラフ。
【図15】活性化エネルギー注入機構を駆動したケースと駆動しないケースについて、フロンを99.9%まで分解処理した後の温度の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
1…被分解物タンク
2,4,30…流量調整弁
3,29…エアコンプレッサ
5…水タンク
6…定量ポンプ
7…反応器
11,12,13…予備加熱ヒータ
14,15,16…加熱ヒータ
17,18,19…シャワリング塔
17a,18a,19a…テラレット
20…中和冷却器
21…シャワリング用ポンプ
22…ヘッダ
23…冷却器
24…吸引ブロワ
31…保温材
32,35…パイプ
33…活性化エネルギー注入機構
34…絶縁用部材
整理番号 P3070[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for decomposing a hardly decomposable substance such as an environmental pollutant, and in particular, an organic compound having Freon gas, SF6, halon, benzene nuclei and other industrial wastes that contaminate the environment. When oxygen is reacted in an atmosphere of oxygen, oxygen and water, or water vapor as a solvent, thermal electrons are injected into the reaction apparatus to give activation energy, thereby lowering the decomposition start temperature of the object to be decomposed. In particular, the present invention relates to a treatment method and an apparatus for decomposing by oxidative degradation, hydrolytic degradation, hydrolysis and combinations thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, it has been pointed out that chlorofluorocarbon gas used as a refrigerant or spray agent and halon gas used as a digestive agent are environmental pollutants, and chlorofluorocarbon gas is a substance that destroys the ozone layer. Detoxification treatment has become a global concern from the viewpoint of protecting the global environment, and various countermeasures have been proposed. For example, hydrothermal reaction methods, incineration methods, explosion reaction decomposition methods, microbial decomposition methods, ultrasonic decomposition methods, plasma reaction methods, and the like have been proposed for chlorofluorocarbon gas treatment methods.
[0003]
Among these treatment methods, the hydrothermal reaction method is not limited to chlorofluorocarbons, but is versatile for all degradable substances mainly composed of organic solvents such as trichlene, waste oil, dioxin, PCB, manure, etc. It is attracting attention as a certain processing method. In this hydrothermal reaction method, for example, Freon gas can be decomposed into safe substances such as sodium chloride and carbon dioxide.
[0004]
Regarding equipment for realizing the hydrothermal reaction method, processing experiments using an autoclave in the laboratory, for example, the mixing ratio of caustic soda solution, ethanol, chlorofluorocarbon solution, temperature setting value, pressure setting value and reaction time setting Experiments on values have been conducted, but the normal hydrothermal reaction is 100 to 250 kg / cm at 300 to 450 ° C.2) Under the high temperature and high pressure conditions.
[0005]
According to Japanese Patent Application No. 11-276181, the applicant of the present application previously supplied oxygen, oxygen and water, or water as a solvent together with the object to be decomposed, and heated to a predetermined temperature at a normal pressure reactor. The present invention relates to a processing method and apparatus for decomposing a hardly decomposable substance on the basis of any one of the three decomposition principles of oxidative decomposition, hydrolytic decomposition, and hydrolysis, or a combination thereof by passing through a predetermined reaction time. Proposed. In this processing method, the steam of the decomposition target after the decomposition process is liquefied and discharged by cooling with a neutralization cooler.
[0006]
In addition, one or a plurality of showering towers for separating the liquid component in the vapor of the material to be decomposed into the reactor, a neutralization cooler for cooling the obtained liquid component, and the liquid component for the showering tower A circulation mechanism for spraying inside is attached.
[0007]
According to such a decomposition treatment method and apparatus, refractory substances such as chlorofluorocarbons or organic compounds having a benzene nucleus and other industrial wastes are supplied by supplying only oxygen or oxygen and water, or water as a solvent, at normal pressure. By passing through the reactor in which only the temperature has increased for a predetermined reaction time, it is hydrolyzed by the superheated steam of water as a solvent, the form of oxidative decomposition by oxygen and the addition of water and oxygen The hardly decomposable substance is decomposed by any form of hydrolytic decomposition, and the vapor after the decomposition is dissipated as a detoxified gas, or it can be liquefied and discharged.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the decomposition means using the hydrothermal reaction must maintain the high-temperature and high-pressure conditions in the reactor, so that the structure of the reactor and the pressure regulating valve becomes complicated and mechanical strength, for example, tensile It is difficult to design to withstand stress and thermal stress, and there is a problem that the material to be used is limited. In addition, the mechanism for pumping and discharging the solid-liquid mixture under high temperature and high pressure is complicated, and it is necessary to change the structure depending on the type of substance to be decomposed. A piping damage accident may occur during operation due to high pressure, and there are still difficulties from the viewpoint of ensuring safety.
[0009]
Further, according to the previously proposed Japanese Patent Application No. 11-276181, oxygen, oxygen and water, or water as a solvent alone is supplied together with the material to be decomposed, and a normal pressure heated to a predetermined temperature is obtained. By passing through the reactor after a predetermined reaction time, it is possible to decompose difficult-to-decompose substances based on any of the three decomposition principles of oxidative decomposition, hydrolytic decomposition, and hydrolysis, or a combination thereof. In addition, the vapor of the material to be decomposed after being decomposed can be liquefied and discharged by cooling with a neutralization cooler. For example, the decomposition can be performed with a decomposition rate of 99.9% or more. When started, the temperature inside the reactor rises due to the exothermic reaction, and the temperature inside the reactor becomes 1200 ° C. or higher depending on the amount and type of the decomposing treatment material such as chlorofluorocarbon, so that the temperature control is difficult. To have.
[0010]
In particular, when the temperature in the reactor rises to 1000 ° C. or more, the limit of the corrosion resistance of the reactor is reached, causing a problem that the apparatus deteriorates. When ceramic with high heat resistance is used as the material of the reactor, it can withstand up to about 1800 ° C. For example, hydrofluoric acid even when silicon carbide (SiC), which has corrosion resistance to hydrofluoric acid (HF) and hydrochloric acid (HCl), is used. And oxygen at the same time,
SiC + 2O2→ SiO2+ CO2
SiO2+ 4HF → SiF4+ 2H2O
There is a problem that the corrosion resistance is rapidly reduced. Alumina has high corrosion resistance to hydrochloric acid, but has low corrosion resistance to hydrofluoric acid. As a result of conducting a corrosion resistance test at 1000 ° C. or higher under conditions where hydrofluoric acid and oxygen are simultaneously present using silicon carbide (SiC) having a thickness of 6 mm and alumina as a sample, 170 to 200 hours for silicon carbide (SiC), alumina In this case, it is observed that the sample is damaged or corroded in 250 to 300 hours, and even when Hastelloy, Inconel, or stainless steel 310s is used as another material, the corrosion rate increases rapidly near the transformation point when it exceeds 1200 ° C. Therefore, the reactor is required to be kept at 1000 ° C. or lower practically.
[0011]
In order to prevent the temperature inside the reactor from rising, it is necessary to reduce the processing amount of the material to be decomposed or to provide a separate cooling device. However, this reduces the efficiency of the decomposition treatment and increases the cost of the device itself. There is a difficulty of being invited.
[0012]
Furthermore, when chlorofluorocarbon is assumed as a material to be decomposed, the decomposition start temperature differs depending on the type of chlorofluorocarbon. Therefore, the set temperature for decomposition must be changed corresponding to each chlorofluorocarbon. For example, when decomposing recovered CFCs whose types and ratios are unknown, or R12 (CFC-12), R134, R134a, R410, R407, R404 and other mixed CFCs, the decomposition temperature is the highest at the set temperature of R12. When the decomposition is attempted, in the case where R134a is contained in the chlorofluorocarbon, the temperature in the reactor may exceed 1300 ° C., resulting in a problem that the lifetime of the reactor itself is extremely reduced. The set temperature for decomposing these chlorofluorocarbons must be determined after examining the type and ratio of chlorofluorocarbons by gas analysis.
[0013]
In addition, in order to stably decompose mixed CFCs in which various CFCs are arbitrarily mixed, it is important to lower the decomposition start temperature. Even if the amount of heat generated in the reactor is high, the decomposition start temperature must be low. Can be within the allowable temperature range. Even if the temperature in the reactor is slightly over, it can be dealt with by simple cooling means such as opening the lid of the reactor or air-cooling, so that the processing efficiency can be achieved without sacrificing the throughput of the material to be decomposed. Is considered to be able to maintain high.
[0014]
In JP-A-10-249161, a plasma constraining nozzle having a through hole for allowing plasma gas to flow into the outer periphery of the electrode and allowing the plasma arc to pass therethrough is disposed on the outer periphery of the plasma arc and compressed air. Disclosed is a method and an apparatus for decomposing a freon plasma arc in which an anode nozzle that allows a plasma jet to pass through is disposed, and a freon to be reacted is introduced from a swivel introduction hole and the flon is decomposed by contact between the freon and the plasma jet. . However, the reaction by plasma is a method in which the gas to be decomposed is brought into contact with the high temperature part after the plasma is generated and thermally decomposed, and the gas necessary for the reaction is mixed. Therefore, all the gases to be decomposed are mixed. It is not possible to cause the reaction to be efficiently performed by simultaneously contacting a gas of this kind with a plasma jet.
[0015]
The present invention eliminates the above problems in a system that decomposes environmentally hazardous substances such as chlorofluorocarbons, SF6, halon, organic compounds having benzene nuclei and other industrially degradable substances such as industrial waste, and provides a reaction form. It can be made uniform, and the thermal decomposition of the reactor can efficiently perform the decomposition reaction without heating the reactor to a high temperature, improving the corrosion resistance of the device, and no toxic gas or explosive combustible gas is generated during the reaction. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for decomposing a hardly decomposable substance that does not cause clogging or corrosion of piping.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention supplies oxygen, oxygen and water, or water as a solvent together with a substance to be decomposed to the reactor, and is placed in the reactor heated to a predetermined temperature. By releasing thermoelectrons from the cathode toward the anode, the thermoelectrons collide with oxygen, oxygen and water, or water molecules or atoms as a solvent together with the object to be decomposed, thereby causing the molecules and atoms to collide. Excitation and activation energy is injected, and oxygen or oxygen and water, or water as a solvent is allowed to pass through the reactor under normal pressure after passing through a predetermined reaction time. Provided as a basic means is a method and apparatus for decomposing a hardly decomposable substance that decomposes the hardly decomposable substance based on one of the three decomposition principles of hydrolytic decomposition and hydrolysis, or a combination thereof. .
[0017]
Furthermore, by releasing thermoelectrons to oxygen or oxygen and water or water as a solvent together with the object to be decomposed, these thermoelectrons together with the object to be decomposed are oxygen or oxygen and water or a solvent. The molecules and atoms are excited to collide with water molecules and atoms to inject activation energy and then supplied to the reactor, and oxygen, oxygen and water, or water as a solvent is usually supplied with the substance to be decomposed. A structure in which a hardly decomposed substance is decomposed on the basis of any one of the three decomposition principles of oxidative decomposition, hydrolytic decomposition, and hydrolysis, or a combination thereof, by passing through a pressure reactor through a predetermined reaction time. And one or more selected from the substance to be decomposed, oxygen, oxygen and water, or water as a solventofA configuration for emitting thermal electrons is provided.
[0018]
The method using air instead of oxygen, by supplying air from the middle of the reactor, promotes the oxidation reaction by oxygen in the supplied air, and cools the reactor by nitrogen in the supplied air And a method of liquefying and discharging the vapor of the material to be decomposed after being decomposed by cooling with a neutralization cooler.
[0019]
Further, the reactor includes one or a plurality of showering towers for separating liquid components in the vapor of the substance to be decomposed, a neutralization cooler for cooling the obtained liquid components, and the liquid components for the showering tower. A circulation mechanism for spraying inside is attached.
[0020]
According to such a decomposition treatment method and apparatus, oxygen, or oxygen and water, or water as a solvent is supplied by supplying chlorofluorocarbon or an organic compound having a benzene nucleus and other industrial waste, or water at a normal pressure. By driving the activation energy injection mechanism provided in the reactor when passing through the reactor after a predetermined reaction time, the thermal electrons are discharged from each cathode toward the anode while accelerating. Alternatively, before being supplied to the reactor, oxygen is released together with the substance to be decomposed, or oxygen and water, or water as a solvent, respectively. Activation energy by colliding with molecules and atoms of oxygen and water or water as a solvent to excite them and ionizing or dissociating them into radicals or ions It is injected. Accordingly, the decomposition reaction is efficiently performed without heating the reactor to a high temperature by heat energy, the reaction form can be made uniform, and the form hydrolyzed by the superheated steam of water as a solvent, and oxygen The hardly decomposable substance is decomposed in any form of oxidative decomposition and hydrolytic decomposition by addition of water and oxygen. Thereafter, the vapor that has been decomposed is either dissipated as a detoxified gas or liquefied and discharged.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of a method for decomposing a hardly decomposable substance and its apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present invention, a hardly decomposable substance including an environmental pollutant such as chlorofluorocarbon gas is decomposed at normal pressure, and the target hardly decomposed substance is an organic compound that is stable, but there is no particular limitation. As long as it can be gasified such as organic solvents such as chlorofluorocarbon, trichrene, waste oil, dioxin, PCB, etc., the state is not particularly limited regardless of whether it is solid, liquid or gas. It is mainly organic compounds that are useful but difficult to treat after use or harmful ones such as chlorobenzene, chlorofluorocarbon (halogen carbon compound), dioxins in question.
[0022]
As a result of trying various improvement experiments, the inventor of the present application supplied oxygen, oxygen and water, or water as a solvent alone together with a substance to be decomposed such as chlorofluorocarbon in the reactor, and injected thermal energy. It is possible to decompose a hardly decomposable substance based on any one of the three decomposition principles of oxidative decomposition, hydrolytic decomposition, and hydrolysis, or a combination thereof, and to provide activation energy to the material to be decomposed by a method other than heating. It was found that the reaction proceeds efficiently if injected.
[0023]
In general, activation energy must be injected in order to perform a chemical reaction smoothly. It is common practice to raise the temperature of the reaction system by applying thermal energy as an activation energy injection means, but the activation energy has a specific value depending on the chemical substance, and the temperature at which the reaction starts is also It depends on the substance. Therefore, if activation energy is applied to the substance by a method other than heating, the chemical reaction is considered to proceed smoothly if the free energy (ΔG) is (−).
[0024]
In addition, when water is added without causing the reactor to be in a high-pressure state during the reaction, the decomposition target in the superheated steam can be decomposed by maintaining the atmosphere of the superheated steam, and toxic gas, etc. No combustible gas is generated. Air may be used instead of oxygen.
[0025]
Note that either oxygen or air may be used. However, if air is used instead of oxygen, nitrogen is supplied four times as much as the required amount of oxygen simultaneously with oxygen, increasing the amount of gas. However, there is a cooling effect of the reactor. In the oxidative decomposition, heat of oxidation is generated, and this heat of oxidation raises the temperature in the reactor. However, a very high temperature rise in the reactor is not preferable from the viewpoint of safety of the apparatus. Thus, the overall temperature in the reactor can be lowered by the presence of nitrogen that is not involved in the reaction at all.
[0026]
According to the present invention, it is possible to open a benzene ring, and the benzene to be decomposed by the present invention is a basic compound of an aromatic hydrocarbon, and C6H6Monochlorobenzene is C6H5It is represented by Cl. Examples of organic compounds having a benzene nucleus include phenols. These phenols are a general term for organic compounds in which an OH group is bonded to a benzene nucleus.6H5Expressed as OH. In addition, according to the present invention, dioxins, PCBs and the like having a benzene ring as a skeleton structure can be decomposed and rendered harmless.
[0027]
FIG. 9 is a system diagram showing a basic embodiment of a method and apparatus for decomposing a hardly decomposed material to which the present invention is applied. Compressor, 4 is a flow control valve, 5 is a water tank as a solvent, 6 is a metering pump, 7 is a reactor, and other than the
[0028]
[0029]
The showering towers 17, 18, and 19 are devices for separating liquid components in the vapor of the object to be decomposed, and are not limited to the three illustrated, but a single or a plurality of showering towers are provided. . The
[0030]
The inside of the
[0031]
1 is a cross-sectional view showing a configuration of the
[0032]
In the middle of the
[0033]
The operation mode of this embodiment will be described. First, taking as an example the case of decomposing chlorofluorocarbon gas, which is an environmental pollutant, by hydrolytic decomposition, chlorofluorocarbon is introduced into the
[0034]
Superheated steam is generated by heating the inside of the
[0035]
During the above-described decomposition process, the activation
[0036]
Since the excited molecules and atoms are a group of highly reactive particles that release excessive energy and become stable, the decomposition treatment can be performed without particularly increasing the temperature in the
[0037]
In the showering
[0038]
The liquefied decomposition product is sent from the showering
[0039]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another embodiment of the
[0040]
Cathode H that doubles as coil heater4The one side terminal is connected to the positive side of the high-voltage power source E, and the other side terminal is connected to the negative side of the high-voltage power source E.4, P5, P6Is connected to the positive side of the high-voltage power supply E.
[0041]
Such a configuration of the
[0042]
In the example shown in FIGS. 1 to 4 described above, oxygen, oxygen and water, or water as a solvent is supplied to the
[0043]
An example of the configuration of the activation
[0044]
A
[0045]
According to the above apparatus, the activation
[0046]
The total length of the
It is.
[0047]
When the substance to be decomposed is R12, that is, CFC-12, the hydrolysis of the following formula (1) proceeds by adding only water as a solvent for reaction.
CCl2F2+ 2H2O → CO2+ 2HCl + 2HF (1)
[0048]
When the activation
[0049]
These molecular ions, radicals and radical ions are excited with high energy and are highly reactive particles, so the excited molecules and atoms release excess energy and are in the most stable state. That is, the -directional reaction proceeds and decomposes so that the binding energy becomes the lowest. Then, the reaction time elapses and the decomposition process is almost complete, and the reaction product is fed into the
[0050]
Hydrolysis of CFC-22 is carried out according to the following formulas (3) to (5).
CHClF2+ 2H2O → CO2+ HCl + 2HF + H2……… (3)
CHClF2+ H2O → HCl + 2HF + CO (4)
4CHClF2+ 6H2O → 3CO2+ 8HF + 4HCl + CH4......... (5)
According to equations (3), (4) and (5), H2Gas, CO gas, CH4There is a problem of generating harmful or flammable gas called gas. Therefore, when air or oxygen is added together with water to cause oxidative decomposition, the following equation (6) proceeds.
CHClF2+ 2H2O + O2 → 2CO2+ 2HCl + 4HF (6)
Therefore, carbon monoxide CO
2CO + O2= 2CO2
And hydrogen gas H2Is
2H2+ O2= 2H2O
Methane gas CH4Is
CH4+ 3O2= CO2+ 2H2O
It becomes. Therefore, harmful or flammable gas is detoxified as carbon dioxide or converted into moisture, resulting in the result shown in equation (6).
[0051]
Hydrocarbon CFC-134a is hydrolyzed by the following formulas (7) to (9).
C2H2F4+ 2H2O → 4HF + 2CO + 2H2………………… (7)
C2H2F4+ 4H2O → 4HF + 2CO2+ 3H2……………… (8)
C2H2F4+ 3H2O → 4HF + CO + 2H2+ CO2............ (9)
(7) Even in the case of (8) and (9), H2Although harmful or flammable gases such as gas and CO gas are generated, the above equation (6) proceeds by adding air or oxygen together with water to cause the reaction to be hydrolyzed.
[0052]
Hydrocarbon CFC-141b is hydrolyzed by the following formulas (10) to (11).
C2H3Cl2F + 2H2O → 2CO + HF + 2HCl + 2H2...... (10)
C2H3Cl2F + 4H2O → 2CO2+ HF + 2HCl + 4H2...... (11)
(10) Equation (11) is carbon monoxide, H2Since gas is generated, it is not suitable. Therefore, when air or oxygen is added together with water to cause the reaction, the following formulas (12) and (13) advance, and hydrolytic decomposition is performed.
In this case, when water and oxygen are added, CO, H as shown in equations (12) and (13)2Is unsuitable. In this case, the following equations (14) and (15) proceed in the case of oxidative decomposition with only oxygen added.
C2H3Cl2F + 2O2 → 2CO2+ 2HCl + HF …… (14)
C2H3Cl2F + O2 → 2CO + 2HCl + HF (15)
In this case as well, CO gas is generated as shown in the equation (15). However, since the equation (14) is preferentially generated in an oxygen-excess state, an atmosphere in which oxygen is sufficiently excessive is created. Regardless of the decomposition of any process, the equation (14) can be finally obtained. When only oxygen is added, oxidative decomposition proceeds, but an unexpected by-product may be formed. Therefore, the presence of superheated steam generated by adding an appropriate amount of water is important. Therefore, hydrolytic decomposition is the most suitable decomposition method.
[0053]
When CFC gas was used as the decomposition target, the following products were confirmed. First, the gas is CO2, HCl and HF, and after cooling, HCl and HF dissolve in water and become strong acids.
[0054]
As shown in the following equation (16), caustic soda NaOH is added according to the concentration of chlorofluorocarbon, and carbon dioxide gas is converted to sodium bicarbonate NaHCO 3.3In some cases, sodium chloride is generated by the reaction of caustic soda and hydrochloric acid as in the formula (17), and sodium fluoride NaF is generated in the reaction of the caustic soda and hydrofluoric acid as in the formula (18). . When neutralizing the strongly acidic liquid after liquefaction with NaOH, the equations (17) and (18) must be2Therefore, a method in which the equation (16) also occurs and carbon dioxide gas is not released becomes possible.
NaOH + CO2 → NaHCO3 ………………………… (16)
NaOH + HCl → NaCl + H2O ………………………… (17)
NaOH + HF → NaF + H2O ………………………… (18)
[0055]
The embodiment described above is for decomposing a fluid or gaseous object to be decomposed, and in addition to chlorofluorocarbon, trichloroethane and other halogenated carbon compounds as an environmental pollutant are decomposed. Is possible. Trichloroethane (CH) according to this embodiment3・ CCl3) And chlorobenzene (C6H5The decomposition reaction of Cl) will be described.
[0056]
First, trichloroethane (CH3・ CCl3), The reaction proceeds as follows.
CH3・ CCl3+ 2O2 → 2CO2+ 3HCl
[0057]
Next, chlorobenzene (C6H5When decomposing Cl), the decomposition proceeds as follows.
C6H5Cl + 7O2 → 6CO2+ 2H2O + HCl
[0058]
Here, theoretically considering the driving principle of the activation
[0059]
On the other hand, the minimum energy that must be added to the reaction system by collision is the activation energy (Eact). The source of activation energy is the kinetic energy of the moving particles, and the amount of energy given in the collision is almost less than the minimum, but if one or both of the particles are moving around at an unusually fast rate, A strong collision takes place and gives enough energy to cause a chemical reaction.
[0060]
Therefore, sufficient activation energy (Eact), The continuous energy state of the free electrons internally excited by driving the activation
[0061]
In addition, according to the present invention, it is possible to inject thermoelectrons in a state where all the gases to be decomposed are mixed, so that activation energy is simultaneously injected into all kinds of gases to perform the reaction efficiently. It can be made.
[0062]
Table 1 is a list of the R22 (CFC-22), R12, and R134A freon gases in the case where the activation
[0063]
[Table 1]
[0064]
According to Table 1 and FIG. 10, R22 has a decomposition rate of 99.9% at 850 ° C. and R12 has a decomposition rate of 99.9% at 950 ° C., and R134A has a decomposition rate of 800 ° C. Has reached 99.9%. Table 2 is a table in which the relationship between the time (minutes) and the temperature rise after the decomposition rate of each chlorofluorocarbon gas reaches 99.9%, and FIG. 11 is a graph in which the measured values in Table 2 are plotted. .
[0065]
[Table 2]
[0066]
According to Table 2 and FIG. 11, R12 is in the vicinity of 930 ° C. after the decomposition rate reaches 99.9%, and R22 reaches 1080 ° C. 18 minutes after the decomposition rate reaches 99.9%. After that, the temperature hardly changes. On the other hand, in R134A, the decomposition rate reaches 99.9%, reaches 1241 ° C. 18 minutes later, and thereafter is approximately 1240 ° C.
[0067]
Table 3 is a table in which the relationship between the decomposition rate and the temperature is similarly measured for each of the fluorocarbon gases of R12 (CFC-12), R22, and R134A in the case where the activation
[0068]
[Table 3]
[0069]
According to Table 3 and FIG. 12, R12 has a decomposition rate of 99.9% at 500 ° C., R22 has a decomposition rate of 99.9% at 450 ° C., and R134A has a decomposition rate of 400 ° C. Has reached 99.9%. Therefore, it can be seen from the data in Table 1 and FIG. 10 that the decomposition rate of CFCs reaches 99.9% in a region as low as 400 ° C. to 450 ° C.
[0070]
Table 4 is a table in which the relationship between the time (min) at the time of free electron injection and the temperature rise is measured for each Freon gas, and FIG. 13 is a graph in which the measured values in Table 4 are plotted.
[0071]
[Table 4]
[0072]
According to Table 4 and FIG. 13, the temperature of R12 hardly changes with time as 600 ° C. to 614 ° C. at the time of electron injection, and R22 reaches 721 ° C. after the temperature of 550 ° C. has elapsed for 10 minutes. It is in the vicinity of ° C-735 ° C. R134A initially reaches 854 ° C. after 12 minutes at a temperature of 500 ° C., and thereafter is around 855 ° C. Therefore, it can be seen that the temperature increase range is 1000 ° C. or lower in any case.
[0073]
Table 5 is a table in which the relationship between the decomposition rate and the temperature is similarly measured for each of the CFCs in the case where the activation
[0074]
[Table 5]
[0075]
According to Table 5 and FIG. 14, R12 has a decomposition rate of 99.9% at 650 ° C., R22 has a decomposition rate of 99.9% at 600 ° C., and R134A has a decomposition rate of 550 ° C. Has reached 99.9%. Therefore, it can be seen from the data in Table 1 and FIG. 10 that the decomposition rate of chlorofluorocarbon reaches 99.9% in the low temperature region of 250 ° C. to 300 ° C.
[0076]
[Table 6]
[0077]
(1) in Table 6 shows a case where 10 (kg / h) of R404 (CFC-404) is decomposed to a decomposition rate of 99.9% in the case where the activation
[0078]
Table 3 (3) shows the change in temperature after decomposing 10 (kg / h) of R404 to a decomposition rate of 99.9% while driving the activation
[0079]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, refractory substances such as chlorofluorocarbons, organic compounds, and other industrial waste are supplied by supplying only oxygen or oxygen and water, or water as a solvent. By driving the activation energy injection mechanism installed in the thermal energy, thermal electrons are emitted from the cathode toward the anode while accelerating, and the thermal electrons are activated by colliding with molecules and atoms of the object to be decomposed and being excited. Thus, the decomposition reaction can be efficiently performed without heating the inside of the reactor to a high temperature by the heat energy of a heater or the like. In particular, it is not necessary to provide a separate cooling device in order to prevent the temperature in the reactor from rising, so that the cost of the device is reduced and there is no risk of sacrificing the throughput of the decomposition target during operation.
[0080]
And by carrying out a predetermined reaction in the reactor, a form hydrolyzed by superheated steam of water as a solvent, a form of oxidative decomposition by oxygen and a form of hydrolytic decomposition by addition of water and oxygen By this, it is possible to decompose the hardly decomposable substance. In particular, the present invention eliminates the need for maintaining the reactor at a high temperature and high pressure unlike the decomposition means utilizing hydrothermal reaction, thus eliminating the need for a reactor and other pressure regulating valves, and facilitating operational control. There are advantages.
[0081]
Moreover, the reaction form is uniform, and three kinds of decomposition forms of oxidative decomposition, hydro-oxidative decomposition, and hydrolysis are obvious, and since reaction aids such as iron and carbon steel are not used, carbon monoxide or the like An explosive combustible gas such as a toxic gas or hydrogen gas is not generated or can be immediately rendered harmless even if generated. Further, it is possible to prevent clogging of the piping due to clogging of the piping due to the reaction product or the start of the reaction in the piping on the way.
[0082]
The gas components that have been decomposed can be liquefied and discharged by cooling, and heating under normal pressure is the main process, so a high-pressure pump is not necessary and the discharge valve or piping may be damaged. There is no. Furthermore, since all the reactions are closed systems that take place in the reactor, the effect is obtained that there is no secondary contamination. Moreover, it can be applied not only to CFCs but also to other industrial wastes and organic substances having a benzene nucleus.
[0083]
Furthermore, according to the present invention, since the process proceeds at a low pressure and the reactor is prevented from reaching a high temperature of 1000 ° C. or higher, the corrosion resistance is remarkably improved and the material of the reactor itself can be arbitrarily selected. In addition, it has the advantage that mechanical strength and corrosion resistance, design to withstand tensile stress or thermal stress is not required, measures against damage to various devices are easy and automation of the device itself is also easy, safety Is effective.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a reactor to which the present invention is applied.
FIG. 2 is an enlarged view of a main part of FIG.
3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another embodiment of a reactor.
5 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part showing another example of the activation energy injection mechanism.
7 is a left side view of FIG.
8 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG.
FIG. 9 is a system diagram showing a basic embodiment of a method and apparatus for decomposing a hardly decomposable substance according to the present invention.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the decomposition rate of each chlorofluorocarbon gas and the temperature when the activation energy injection mechanism is not driven.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the time after the decomposition rate of Freon gas reaches 99.9% and the temperature rise.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the decomposition rate of each chlorofluorocarbon gas and the temperature in the case where the activation energy injection mechanism is driven.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between time and temperature rise during free electron injection.
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the decomposition rate of each chlorofluorocarbon gas and the temperature in the case where the activation energy injection mechanism is driven.
FIG. 15 is a graph showing a change in temperature after decomposing chlorofluorocarbon to 99.9% for a case where the activation energy injection mechanism is driven and a case where the activation energy injection mechanism is not driven.
[Explanation of symbols]
1 ... Decomposed object tank
2, 4, 30 ... Flow control valve
3, 29 ... Air compressor
5 ... Water tank
6 ... Metering pump
7 ... Reactor
11, 12, 13 ... Preheating heater
14, 15, 16 ... heater
17, 18, 19 ... Showering tower
17a, 18a, 19a ... Terralet
20 ... Neutralization cooler
21 ... Showering pump
22 ... Header
23 ... Cooler
24 ... Suction blower
31. Insulation material
32, 35 ... pipe
33 ... Activation energy injection mechanism
34. Insulating member
Reference number P3070
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