JP4191837B2 - 超臨界水酸化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超臨界水酸化装置に関し、更に詳細には、下水汚泥、都市ゴミ、産業排水等の無機固形物を含む有機物を超臨界水酸化処理する装置として最適な超臨界水酸化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
環境問題に対する認識の高まりと共に、有機物の酸化、分解能力の高い超臨界水反応を利用して、環境汚染物質を分解、無害化する試みが注目されている。すなわち、超臨界水の高い反応性を利用した超臨界水反応により、従来技術では分解することが難しかった有害な難分解性の有機物、例えば、ＰＣＢ（ポリ塩素化ビフェニル）、ダイオキシン、有機塩素系溶剤等を分解して、二酸化炭素、窒素、水、無機塩などの無害な生成物に転化する試みである。
その試みの一つとして、最近では、このような有害な有機化合物を含む、様々な下水汚泥、都市ゴミ、産業排水等の液状及び固体状の広義の廃棄物の処理にも、超臨界水反応の利用が試みられている。
【０００３】
例えば、生物処理された後の下水汚泥は、従来、下水処理場で脱水処理された後、焼却炉で焼却処理されていた。しかし、焼却法では、下水汚泥の燃焼に伴い、ＮＯX 、ＳＯX 等の有害ガス、煤塵などの有害な環境汚染物が発生し、焼却炉から流出する排ガスに同伴して拡散する。そのために、焼却炉に排ガス処理設備を設けて排ガスを処理することが必要になり、焼却装置の大型化及びコスト高を招くと共に、焼却装置を設けることのできる適地を求めることが極めて難しくなっている。
そこで、近年、下水汚泥を超臨界水酸化処理する方法が提案されている。この方法によれば、下水汚泥中の窒素成分は、窒素ガスとして無害な形で排出され、硫黄は硫酸イオンとして水中に溶け込むが、下水汚泥中のＣａ等の無機成分により中性の塩になる。従って、設備費及び運転費が嵩む排ガス処理設備が不要となり、しかも下水汚泥を環境的にクリーンな成分に経済的に転化することができる。
【０００４】
超臨界水反応装置とは、超臨界水の高い反応性を利用して有機物を分解する装置であって、例えば、難分解性の有害な有機物を分解して無害な二酸化炭素と水に転化したり、難分解性の高分子化合物を分解して有用な低分子化合物に転化したりするために、現在、その実用化が盛んに研究されている。
超臨界水とは、超臨界状態にある水、即ち、水の臨界点を越えた状態にある水を言い、詳しくは、３７４．１℃以上の温度で、かつ２２．０４ＭＰａ以上の圧力下にある状態の水を言う。超臨界水は、有機物を溶解する溶解能が高く、有機化合物に多い非極性物質をも完全に溶解することができる一方、逆に、金属、塩等の無機物に対する溶解能は著しく低い。また、超臨界水は、酸素や窒素などの気体と任意の割合で混合して単一相を構成することができる。
【０００５】
ここで、図２を参照して、粒状の無機固形物を含む有機物、例えば下水汚泥等を超臨界水酸化処理する従来の超臨界水酸化装置の構成を説明する。図２は従来の超臨界水酸化装置の構成を示すフローシートである。
従来の超臨界水酸化装置１０は、図２に示すように、超臨界水酸化反応を行う反応器として、チューブラー状の長い耐圧密閉型反応器１２を備え、反応器１２の上流には反応物を予熱する予熱器１４を、反応器１２の下流には、反応生成物を冷却する熱交換器１６及び冷却器１８を備えている。
更に、超臨界水酸化装置１０は、反応器１２内の圧力を制御する圧力制御弁２０を冷却器１８の下流に、反応生成物をガスとスラリーとに気液分離する気液分離器２２を圧力制御弁２０の下流に、及び、スラリー状の反応生成物を固液分離して、無機固形物を反応生成物から分離する固液分離器２４を備えている。固液分離器２４で分離された無機固形物は、主として、反応物中に含まれ、反応に寄与しなかったものであって、加えて、超臨界水酸化反応により生成した塩を含むこともある。
【０００６】
予熱器１４は、超臨界水酸化反応により酸化処理する無機固形物を含む有機物、例えば下水汚泥と、酸化剤の空気とからなる反応物が流れる内管と、反応物を加熱する熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として構成されている。
反応器１２は、反応物に対する超臨界水酸化反応の反応時間を確保するために、チューブラー状の長尺の長い反応器であって、その全域に超臨界水を滞留させて、超臨界水領域を構成している。反応温度にまで予熱された反応物は、予熱器１４に近い反応器入口から反応器１２に入り、超臨界水酸化され、反応生成物として反応器出口から流出する。
熱交換器１６は、反応器１２から流出した反応生成物が流れる内管と、反応生成物により加熱される熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、冷却器１８は、熱交換器１６を経て降温した反応生成物が流れる内管と、反応生成物を冷却する冷媒体が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、それぞれ、構成されている。尚、予熱器１４、熱交換器１６及び冷却器１８は、反応器１２と同じ径のパイプを内管とし、外管として内管にジャケットを設けたジャケット式熱交換器として構成しても良い。
熱交換器１６で反応生成物により加熱された熱媒が予熱器１４に入って反応物を予熱するように、熱交換器１６の外管と予熱器１４の外管とは、熱媒配管２６により接続されている。
【０００７】
反応物流体、例えば下水汚泥を送入する反応物ライン２８が予熱器１４の内管に接続され、反応物ライン２８には、有機物を酸化する酸化剤、例えば空気を送入する空気ライン３０が合流している。
下水汚泥は下水汚泥ポンプ３２により、空気は空気圧縮機３４により、それぞれ、反応物ライン２８及び空気ライン３０に圧入される。
下水汚泥と空気とからなる反応物は、予熱器１４で超臨界水酸化反応の反応温度まで予熱され、次いで反応器１２に入り、反応器１２の入口から出口に向かって流れる過程で、反応物中の有機物が、超臨界水反応により、主として、水と窒素と二酸化炭素とに転化し、反応生成物として反応器１２から流出する。反応生成物は、熱交換器１６の内管に入り、熱媒を加熱して自身は降温し、次いで冷却器１８の内管に流入し、冷媒体、例えば冷却水により冷却されて流出する。
冷却器１８の内管の出口には、反応生成物ライン３６が接続され、圧力制御弁２０を経て、気液分離器２２に接続されている。気液分離器２２では、反応生成物は、気液分離され、ガス状の反応生成物とスラリー状の反応生成物とに分離される。ガス状の反応生成物は、大気放出又は次の処理工程に移行し、スラリー状の反応生成物は、固液分離器２４に導入される。スラリー状の反応生成物は、固液分離器２４で液状の処理液と無機固形物とに固液分離され、それぞれ、外部に送出される。
【０００８】
上述のように、下水汚泥に代表されるような、無機固形物を含む有機物の超臨界水酸化処理を行う超臨界水酸化装置では、予熱器１４、反応器１２、熱交換器１６及び冷却器１８での無機固形物の沈降、堆積及び無機塩の付着を防ぐために、通常、予熱器１４、熱交換器１６及び冷却器１８の各内管と反応器１２とを同じ内径の管で連続的な１本の管状体として形成し、予熱器１４の内管入口で０．５ｍ／sec 以上の流速になるように設定されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超臨界水酸化反応により有機物中の窒素化合物を窒素ガスにまで分解するためには、一般的な超臨界水酸化条件として設定される６００℃、２５ＭＰａの条件下では、１分以上の反応時間が必要とされている。
しかし、上述した従来の超臨界水酸化装置の場合、反応器を予熱器等と同一径にしたときには、予熱器入口で反応物の流速を０．５ｍ／sec 以上に設定すると、反応器での流速が７ｍ／sec 以上になり、反応器の長さは非現実的な長さになる。
例えば、実験装置レベルの例ではあるが、予熱器、熱交換器及び冷却器の各内管の径を７mmとし、反応器の径を内管と同じ径にすると、予熱器、熱交換器及び冷却器の長さは１００ｍ、反応器の長さは、５００〜１０００ｍにも達する。
【００１０】
このような長さの長い反応器を製作することは、技術的に極めて難しく、しかも製作コストが嵩んで経済性に乏しい。また、設置には広大な敷地を必要とすることから、土地取得費が嵩む上に、そのような広大な敷地を手当てすること自体が難しく、現実には、立地難で適地を見つけることが難しい。
これら様々な理由から、反応器の長さが５００ｍ以上になるような超臨界水酸化装置を実用化することは、技術的及び経済的に難しい。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、無機固形物を含む有機物、例えば下水汚泥を超臨界水酸化処理する際に、無機固形物を沈降・堆積させることなく、十分な反応時間を確保して所定の超臨界水酸化処理を施すことができる超臨界水酸化装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、下水汚泥のように、沈降・堆積し易い粒状の無機固形物を含む有機物を取り扱うことを考慮すると、
１）反応物中の無機固形物が沈降・堆積する反応物の流速、即ち限界流速以上の流速で、反応物を反応器に移送すること。そして、その流速になるように予熱器の内管の径を定めること。
２）反応器内での十分な反応時間を確保しつつ、反応器の長さを現実的な長さにすること。但し、反応器の長さを短くするために、単に、反応器の径を大きくするだけでは、反応器内の反応物の流速が限界流速より低下して、反応器内で無機固形物の沈降・堆積や無機塩の付着物が起こり、閉塞の原因となる。そこで、反応器を垂直ないし傾斜させ、無機固形物が沈降しても押し流されるようにすること。なお、十分な反応時間とは、有機物が完全酸化される時間、例えば有機物中の窒素化合物が窒素ガスまで分解される時間であって、概ね１分以上である。
ということが、必須の条件であると考え、実験を重ねて、本発明を完成するに到った。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る超臨界水酸化装置は、反応物を予熱する予熱部と、予熱された反応物を超臨界水酸化反応させる反応部と、反応器から流出した反応生成物を冷却する冷却部とを備え、無機固形物を含む有機物と酸化剤とからなる反応物に超臨界水酸化処理を施す超臨界水酸化装置において、
予熱部に設けられた反応物の流路は、反応物中の無機固形物が沈降、堆積する第１の限界流速以上の流速で反応物が流れるようにした断面積を有し、冷却部に設けられた反応生成物の流路は、反応生成物中の無機固形物が沈降、堆積する第２の限界流速以上の流速で反応生成物が流れるようにした断面積を有し、
反応部は、反応物が所定時間滞留しつつ下向き流れで流れるように構成され、かつ、反応部の断面積は、予熱部の反応物流路及び冷却部の反応生成物流路のいずれの断面積よりも広くなっているとともに、反応部入口の下流域に、反応物の流入方向に対して交差する方向に延在する面を有する邪魔板を備えていることを特徴としている。
【００１４】
本発明で、第１の限界流速とは、反応物中の無機固形物が沈降・堆積して反応物の流路を閉塞する反応物の下限の流速を言う。換言すれば、反応物が第１の限界流速以上の流速で流れる限り、無機固形物が沈降・堆積して反応物の流路を閉塞するようなことは生じない。
第１の限界流速は、反応物の組成、性状、無機固形物の粒径、含有率等に複雑に依存しているので、過去のデータ、実験等により決めるべき性質の因子である。実用的には、限界流速は、常温で、０．５ｍ／sec 以上の流速である。
第２の限界流速も同様の概念である。
【００１５】
本発明では、予熱部及び冷却部では、無機固形物が沈降・堆積しない十分な流速が得られる一方、反応部では、現実的な反応器の大きさで、十分な反応時間が得られる。
反応器では、反応物の流速は、限界流速以下の流速になるものの、下向き流れにすることにより、沈降した無機固形物は、反応物の下向き流れによって押し流され、下方に移動するので、無機固形物の堆積は起こらない。
【００１６】
予熱部及び冷却部は、任意の形状でよく、例えば直管状、曲管状、螺旋管状、及び蛇管状のいずれでも良く、また、それらの組み合わせでも良い。予熱部及び冷却部の配置は、水平または垂直な配置でも、上向きに又は下向きに傾斜した配置でも良い。また、予熱部及び冷却部の反応部に対する相対的位置又は配置には、制約はなく、予熱部及び冷却部は、反応部の上方に配置されていても、下方に配置されていても良い。
予熱部は、反応物を反応温度に昇温するために設けてあって、予熱器、又は予熱器に加えて他の加熱手段、例えば電熱体による加熱器、ボイラ等を有することもある。
反応部の内径は、十分な反応時間が得られれば、特に限定されるものではないが、反応部の内径を大きくすることは、耐圧強度を確保するために反応部の肉厚を大きくすることが必要になるため、反応部の許容される高さを考慮して、適宜決定することが好ましい。
【００１７】
以上のことから、好適には、反応部は入口から出口に向かって下向きに水平線に対して垂直ないし傾斜して配置され、反応部の断面積は、予熱部の反応物流路の断面積及び冷却部の反応生成物流路の断面積の大きい方の２００％以上である。
反応部は、入口から出口に向かって下向きに水平線に対して垂直ないし傾斜して配置され、好適にはほぼ垂直に配置される。これにより、反応器内で沈降した無機固形物は、入口から出口に向かって下向きで流れる反応物の流れによって押し流され、従って無機固形物が反応器壁に堆積して反応器を閉塞するようなことは生じない。
好適には、反応部を、ほぼ垂直に、例えば鉛直線に沿って配置し、又は水平線に対して７０°以上の角度で傾斜させて配置することが好ましい。
【００１８】
本発明の好適な実施態様では、反応部は、筒状の縦型密閉容器として形成され、
予熱部は、反応物が流れる内管と、反応物を加熱する熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として形成され、
冷却部は、反応生成物と熱交換して熱媒を加熱する熱交換器と、反応生成物を冷媒体で冷却する冷却器とを備え、
熱交換器は、反応生成物が流れる内管と、反応生成物により加熱される熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、冷却器は、熱交換器を経た反応生成物が流れる内管と、反応生成物を冷却する冷媒体が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、それぞれ、形成され、
熱交換器で加熱された熱媒が予熱器で反応物を予熱するように、熱交換器の外管と予熱器の外管との間で熱媒配管が接続されている。
【００１９】
本発明で、予熱器、熱交換器及び冷却器を形成する二重管式熱交換器とは、いわゆる二重管式の熱交換器に加えて、パイプを内管とし、外管として内管にジャケットを設けたジャケット式熱交換器を含む概念であり、その形状は任意であって、例えば直管状、曲管状、螺旋管状、及び蛇管状のいずれでも良く、また、それらの組み合わせでも良い。
予熱器、熱交換器及び冷却器の各内管の径は、反応物又は反応生成物が限界流速以上の流速で流れるように設定されている限り、それぞれが、同一の径でも、相互に異なる径でも良い。
好適には、熱交換器の内管と、冷却器の内管とを同一径の管状体で形成し、連続して接続する。これにより、反応器の下流では、反応生成物は同じ径の内管を連続して反応生成物の第２の限界流速以上の流速で流れるので、無機固形物が沈降・堆積・付着することなく、反応生成物は、反応器外へ排出される。
【００２０】
ところで、反応物が、第１の限界流速以上の流速で予熱部に設けられた反応物の流路を流れて、その流速で反応部に流入すると、反応物の流れは、その流れエネルギーにより反応部内で短絡流（チャネリング）を形成し、超臨界水酸化反応に寄与することなく反応部から急速に流出し、反応部の容積が有効に利用されないおそれがある。
そこで、本発明では、反応部は、反応部入口の下流域に、反応物の流入方向に対して交差する方向に延在する面を有する邪魔板を備え、邪魔板に反応物を衝突させて反応物の流入エネルギーを消耗させ、短絡流を形成させないようにしている。
【００２１】
邪魔板の形状、取り付け位置は、反応物の流入エネルギーを消耗させ、短絡流を形成させないようにできる限り、制約は無く、好適には、無機固形物が邪魔板上に堆積しないように、金属の円錐殻、又は円錐体からなる邪魔板、金属の角錐体、又は角錐殻からなる邪魔板、金属の半球殻、又は半球体からなる邪魔板、多孔板からなる平板状の邪魔板を使用する。
例えば邪魔板として、金属の円錐殻又は円錐体からなる邪魔板を使用するときには、反応物の流入方向に沿って直径が拡大する円錐面として形成され、円錐面の頂点が反応部入口から下流に反応部の長さの１／２０以上１／５以下の範囲の距離にあるように配置され、かつ、円錐面の底面半径が反応部の半径の１／３以上２／３以下の範囲にある邪魔板を使用する。
また、平板状の邪魔板を使用する時には、半径が反応部の半径の１／３以上２／３以下の範囲にある円板状多孔板として邪魔板を形成し、反応部の反応物入口から下流に反応部の長さの１／２０以上１／５以下の範囲の距離で配置する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
参考例
本参考例は、超臨界水酸化装置の一例であって、図１は、本参考例の超臨界水酸化装置の構成を示すフローシートである。図１に示す機器のうち図２に示す機器と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
本参考例の超臨界水酸化装置４０は、無機固形物を含む有機物、例えば下水汚泥等を超臨界水酸化処理する超臨界水酸化装置であって、図１に示すように、超臨界水酸化反応を行う筒型の反応器４２と、反応器４２の上流には反応物を予熱する予熱器４４を、反応器４２の下流には、反応生成物を冷却する熱交換器４６及び冷却器４８を備えている。
更に、超臨界水酸化装置４０は、従来の超臨界水酸化装置１０と同様に、冷却器４８の下流に、反応器４２内の圧力を制御する圧力制御弁２０を、反応生成物を気液分離する気液分離器２２を圧力制御弁２０の下流に、及び、気液分離されたスラリー状の反応生成物を固液分離して、無機固形物を反応生成物から分離する固液分離器２４を備えている。
【００２３】
予熱器４４は、下水汚泥と、酸化剤の空気とからなる反応物が流れる内管と、反応物を加熱する熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として構成されている。
反応器４２は、反応物に対する超臨界水酸化反応の反応時間を確保するために、従来のチューブラー状の長い長尺反応器に代えて、上部に円錐形の鏡板と、下部に逆円錐形の鏡板とを有する筒状の縦型密閉容器として形成され、その全域に超臨界水を滞留させて、超臨界水領域を構成している。
熱交換器４６は、反応器４２から流出した反応生成物が流れる内管と、反応生成物により加熱される熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、冷却器４８は、熱交換器４６を経て降温した反応生成物が流れる内管と、反応生成物を常温にまで冷却する冷媒体が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、それぞれ、構成されている。予熱器４４、熱交換器４６及び冷却器４８は、図１では直管状に図示されているが、その形状は任意であって、例えば直管状、曲管状、螺旋管状、及び蛇管状のいずれでも良く、また、それらの組み合わせでも良い。
予熱器４４の内管の径は、反応物の流速が第１の限界流速以上になるように、また、熱交換器４６及び冷却器４８の各内管の径は、反応生成物の流速が第２の限界流速以上の流速になるように、例えば０．５ｍ／sec 以上の流速に設定されている。
【００２４】
また、本参考例では、予熱器４４、熱交換器４６、及び冷却器４８は、反応器４２より上部に配置され、予熱器４４、熱交換器４６及び冷却器４８の各内管、予熱器４４から反応器４２までの接続配管５２、反応器４２から熱交換器４６までの接続配管５４、並びに、冷却器４８から圧力制御弁２０までの反応生成物ライン３６は、同じ径のパイプが使用され、熱交換器４６と冷却器４８の各内管は、連続して接続されている。また、接続配管５２、５４の曲がり部は、大きな曲率半径の曲がり部となっている。
熱交換器４６で反応生成物により加熱された熱媒が予熱器４４に入って反応物を予熱するように、熱交換器４６の外管と予熱器４４の外管とは、熱媒配管５０により接続されている。
予熱器４４を出た反応物流体は、接続配管５２により反応器４２上部から反応器４２に導入され、有機物の超臨界水酸化反応が反応器４２で進行する。反応により生成した反応生成物は、反応器４２下部から流出し、熱交換器４６及び冷却器４８の内管を流れる。
予熱器４４から反応器４２までの接続配管５２は、予熱器４４の内管と同一の径になっていて、反応物は第１の限界流速以上の流速で流れる。また、反応器４２の下部から熱交換器４６までの接続配管５４は、熱交換器４６の内管と同一の径になっていて、反応生成物は第２の限界流速以上の流速で流れる。
【００２５】
参考例の具体例
上述の参考例の超臨界水酸化装置４０の構成に従って流量３ｍ３／ｄの下水汚泥を超臨界水酸化処理する実験装置を作製し、評価した。実験装置の具体的な寸法は、以下に示す通りであった。
限界流速として０．５ｍ／ｓｅｃを設定し、予熱器４４、熱交換器４６、冷却器４８の内管の流速を１．０ｍ／ｓｅｃとして、予熱器４４、熱交換器４６及び冷却器４８の内管に内径７ｍｍのパイプを使用した。予熱器４４、熱交換器４６及び冷却器４８の内管の総延長は、１００ｍになった。
反応器４２には、内径１５０ｍｍ、高さ３ｍのパイプ材を使用して、筒型の縦型密閉容器を作製した。
【００２６】
次の超臨界水酸化反応条件下で下水汚泥に超臨界水酸化処理を施したところ、下水汚泥は、ＴＮ（全窒素）除去率が９９％以上になるまで、超臨界水酸化されていた。
超臨界水酸化反応条件
反応温度 ：６５０℃
反応時間 ：９６ｓｅｃ
参考例の具体例及び次の従来例の具体例は、表１に纏めてある。
【表１】
【００２７】
従来例の具体例
参考例の具体例と比較するために、従来例の具体例として、反応時間を除き参考例の具体例と同じ反応条件で反応器１２を設計した。
反応器１２は、予熱器１４等と同じ内径７ｍｍのパイプを使用したところ、１００ｍの長さになり、しかも反応時間として７ｓｅｃしか確保することができなかった。その結果、下水汚泥のＴＮ除去率は、２０％という低い値であった。
【００２８】
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る超臨界水酸化装置の実施形態として挙げられた、反応器に邪魔板を備えた超臨界水酸化装置であって、図３は本実施形態例の超臨界水酸化装置の反応器の構成を示す模式的断面図である。
本実施形態例の超臨界水酸化装置は、反応器６０の構成を除いて、図１に示す超臨界水酸化装置４０と同じ構成を備えている。
反応器６０は、図３に示すように、縦型円筒状反応容器であって、反応物は上部の流入管５２から流入し、反応器６０内を下向きに流れて下部の流出管５４から流出する。
反応器６０は、直径の一様な容器本体６２と、容器本体６２の上部にあって流入管５２と容器本体６２とを接続する円錐状の頭部６４と、容器本体６２の下部にあって流出管５４と容器本体６２とを接続する逆円錐状の底部６６とから構成されている。
【００２９】
反応器６０内の入口下流域に、金属の円錐体からなる邪魔板６８が取り付けてある。邪魔板６８は、頂点が反応器入口から距離Ｓの反応器長手方向中心線Ｃ上に位置し、円錐体の長手方向中心線が反応器６０の長手方向中心線に一致し、かつ直径が長手方向中心線に沿って拡大するように形成された高さｈの円錐体である。
邪魔板６８の底面は、反応器６０の直径を含む面にあって、底面の直径ｄは、反応器６０の内径Ｄの１／３以上２／３以下である。距離Ｓは、反応器の高さＨの１／２０以上１／５以下である。
尚、本実施形態例では、邪魔板６８として、金属の円錐体からなる邪魔板を用いているが、これに限らず、反応物中の無機固形物が堆積しない形状であれば良く、例えば、金属の円錐殻からなる邪魔板、金属の角錐体、又は角錐殻からなる邪魔板でも、また、多孔板からなる平板状の邪魔板でも良い。
【００３０】
実施形態例の具体例
実施形態例の反応器６０と同じの構成の反応器を作製したことを除いて、参考例の超臨界水酸化装置４０の構成に従って作製した前述の実験装置を使って、実施形態例の超臨界水酸化装置の性能評価実験を行った。
反応器６０に設けた邪魔板６８は、高さｈが２５ｍｍ、底面の直径が５０ｍｍ、頂点の反応器入口からの距離Ｓが３００ｍｍとした。
次の超臨界水酸化反応条件下で、流量３ｍ３／ｄの下水汚泥に超臨界水酸化処理を施したところ、下水汚泥は、ＴＮ（全窒素）除去率が９９％以上になるまで、超臨界水酸化されていた。
超臨界水酸化条件
反応温度 ：６００℃
反応温度 ：１０３ｓｅｃ
【００３１】
実施形態例との比較のために、参考例の実験装置を使って、即ち邪魔板を備えていないことを除いて実施形態例と同じ実験装置を使って、同じ超臨界水酸化反応条件下で、同じ流量の下水汚泥に超臨界水酸化処理を施し、実施形態例の比較例とした。比較例では、下水汚泥のＴＮ（全窒素）除去率は、８０％にしか達しなかった。
実施形態例の具体例による下水汚泥の超臨界水酸化処理、及び、実施形態例の比較例による下水汚泥の超臨界水酸化処理の結果は、表２に纏めてある。
【表２】
【００３２】
表２から判る通り、実施形態例の具体例では、邪魔板を設けることにより、反応温度が６００℃で９９％以上のＴＮ（全窒素）除去率を得ることができる。一方、参考例の具体例は、表１に示すように、反応温度が６５０℃では９９％以上のＴＮ（全窒素）除去率を得ることができるものの、参考例の具体例と同じ構成の実施形態例の比較例では、反応温度が６００℃ではＴＮ（全窒素）除去率が８０％にしか達しない。
これは、邪魔板を設けることにより、短絡流が防止されて超臨界水酸化反応の進行が促進され、邪魔板が、反応器全体を超臨界水酸化反応に効率的に寄与させる上で、極めて有効であることを示している。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、予熱部、反応部及び冷却部を備え、無機固形物を含む有機物と酸化剤とからなる反応物に超臨界水酸化処理を施す超臨界水酸化装置において、反応物が予熱部の反応物流路を第１の限界流速以上の流速で流れるように、反応生成物が冷却部の反応生成物流路を第２の限界流速以上の流速で流れるように予熱部及び冷却部を形成し、反応物が所定時間滞留しつつ下向き流れで流れるように反応部を形成し、反応部の断面積を広くすることにより、予熱部及び冷却部で無機固形物が沈降・堆積して流路を閉塞させるようなことなく、かつ十分な反応時間を確保しつつ、反応部を実用的な寸法で構成することができる。
また、反応物入口の下流域に、反応物の流入方向に対して交差する方向に延在する面を有する邪魔板を備えることにより、反応部内で短絡流（チャネリング）を防止し、超臨界水酸化反応の進行を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例の超臨界水酸化装置の構成を示すフローシートである。
【図２】 従来の超臨界水酸化装置の構成を示すフローシートである。
【図３】 実施形態例の反応器の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 従来の超臨界水酸化装置
１２ チューブラー状の長い耐圧密閉型反応器
１４ 予熱器
１６ 熱交換器
１８ 冷却器
２０ 圧力制御弁
２２ 気液分離器
２４ 固液分離器
２６ 熱媒配管
２８ 反応物ライン
３０ 空気ライン
３２ 下水汚泥ポンプ
３４ 空気圧縮機
３６ 反応生成物ライン
４０ 参考例の超臨界水酸化装置
４２ 筒型の反応器
４４ 予熱器
４６ 熱交換器
４８ 冷却器
５０ 熱媒配管
５２、５４ 接続配管
６０ 実施形態例の超臨界水酸化装置の反応器
６２ 容器本体
６４ 頭部
６６ 底部
６８ 邪魔板
【発明の属する技術分野】
本発明は、超臨界水酸化装置に関し、更に詳細には、下水汚泥、都市ゴミ、産業排水等の無機固形物を含む有機物を超臨界水酸化処理する装置として最適な超臨界水酸化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
環境問題に対する認識の高まりと共に、有機物の酸化、分解能力の高い超臨界水反応を利用して、環境汚染物質を分解、無害化する試みが注目されている。すなわち、超臨界水の高い反応性を利用した超臨界水反応により、従来技術では分解することが難しかった有害な難分解性の有機物、例えば、ＰＣＢ（ポリ塩素化ビフェニル）、ダイオキシン、有機塩素系溶剤等を分解して、二酸化炭素、窒素、水、無機塩などの無害な生成物に転化する試みである。
その試みの一つとして、最近では、このような有害な有機化合物を含む、様々な下水汚泥、都市ゴミ、産業排水等の液状及び固体状の広義の廃棄物の処理にも、超臨界水反応の利用が試みられている。
【０００３】
例えば、生物処理された後の下水汚泥は、従来、下水処理場で脱水処理された後、焼却炉で焼却処理されていた。しかし、焼却法では、下水汚泥の燃焼に伴い、ＮＯX 、ＳＯX 等の有害ガス、煤塵などの有害な環境汚染物が発生し、焼却炉から流出する排ガスに同伴して拡散する。そのために、焼却炉に排ガス処理設備を設けて排ガスを処理することが必要になり、焼却装置の大型化及びコスト高を招くと共に、焼却装置を設けることのできる適地を求めることが極めて難しくなっている。
そこで、近年、下水汚泥を超臨界水酸化処理する方法が提案されている。この方法によれば、下水汚泥中の窒素成分は、窒素ガスとして無害な形で排出され、硫黄は硫酸イオンとして水中に溶け込むが、下水汚泥中のＣａ等の無機成分により中性の塩になる。従って、設備費及び運転費が嵩む排ガス処理設備が不要となり、しかも下水汚泥を環境的にクリーンな成分に経済的に転化することができる。
【０００４】
超臨界水反応装置とは、超臨界水の高い反応性を利用して有機物を分解する装置であって、例えば、難分解性の有害な有機物を分解して無害な二酸化炭素と水に転化したり、難分解性の高分子化合物を分解して有用な低分子化合物に転化したりするために、現在、その実用化が盛んに研究されている。
超臨界水とは、超臨界状態にある水、即ち、水の臨界点を越えた状態にある水を言い、詳しくは、３７４．１℃以上の温度で、かつ２２．０４ＭＰａ以上の圧力下にある状態の水を言う。超臨界水は、有機物を溶解する溶解能が高く、有機化合物に多い非極性物質をも完全に溶解することができる一方、逆に、金属、塩等の無機物に対する溶解能は著しく低い。また、超臨界水は、酸素や窒素などの気体と任意の割合で混合して単一相を構成することができる。
【０００５】
ここで、図２を参照して、粒状の無機固形物を含む有機物、例えば下水汚泥等を超臨界水酸化処理する従来の超臨界水酸化装置の構成を説明する。図２は従来の超臨界水酸化装置の構成を示すフローシートである。
従来の超臨界水酸化装置１０は、図２に示すように、超臨界水酸化反応を行う反応器として、チューブラー状の長い耐圧密閉型反応器１２を備え、反応器１２の上流には反応物を予熱する予熱器１４を、反応器１２の下流には、反応生成物を冷却する熱交換器１６及び冷却器１８を備えている。
更に、超臨界水酸化装置１０は、反応器１２内の圧力を制御する圧力制御弁２０を冷却器１８の下流に、反応生成物をガスとスラリーとに気液分離する気液分離器２２を圧力制御弁２０の下流に、及び、スラリー状の反応生成物を固液分離して、無機固形物を反応生成物から分離する固液分離器２４を備えている。固液分離器２４で分離された無機固形物は、主として、反応物中に含まれ、反応に寄与しなかったものであって、加えて、超臨界水酸化反応により生成した塩を含むこともある。
【０００６】
予熱器１４は、超臨界水酸化反応により酸化処理する無機固形物を含む有機物、例えば下水汚泥と、酸化剤の空気とからなる反応物が流れる内管と、反応物を加熱する熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として構成されている。
反応器１２は、反応物に対する超臨界水酸化反応の反応時間を確保するために、チューブラー状の長尺の長い反応器であって、その全域に超臨界水を滞留させて、超臨界水領域を構成している。反応温度にまで予熱された反応物は、予熱器１４に近い反応器入口から反応器１２に入り、超臨界水酸化され、反応生成物として反応器出口から流出する。
熱交換器１６は、反応器１２から流出した反応生成物が流れる内管と、反応生成物により加熱される熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、冷却器１８は、熱交換器１６を経て降温した反応生成物が流れる内管と、反応生成物を冷却する冷媒体が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、それぞれ、構成されている。尚、予熱器１４、熱交換器１６及び冷却器１８は、反応器１２と同じ径のパイプを内管とし、外管として内管にジャケットを設けたジャケット式熱交換器として構成しても良い。
熱交換器１６で反応生成物により加熱された熱媒が予熱器１４に入って反応物を予熱するように、熱交換器１６の外管と予熱器１４の外管とは、熱媒配管２６により接続されている。
【０００７】
反応物流体、例えば下水汚泥を送入する反応物ライン２８が予熱器１４の内管に接続され、反応物ライン２８には、有機物を酸化する酸化剤、例えば空気を送入する空気ライン３０が合流している。
下水汚泥は下水汚泥ポンプ３２により、空気は空気圧縮機３４により、それぞれ、反応物ライン２８及び空気ライン３０に圧入される。
下水汚泥と空気とからなる反応物は、予熱器１４で超臨界水酸化反応の反応温度まで予熱され、次いで反応器１２に入り、反応器１２の入口から出口に向かって流れる過程で、反応物中の有機物が、超臨界水反応により、主として、水と窒素と二酸化炭素とに転化し、反応生成物として反応器１２から流出する。反応生成物は、熱交換器１６の内管に入り、熱媒を加熱して自身は降温し、次いで冷却器１８の内管に流入し、冷媒体、例えば冷却水により冷却されて流出する。
冷却器１８の内管の出口には、反応生成物ライン３６が接続され、圧力制御弁２０を経て、気液分離器２２に接続されている。気液分離器２２では、反応生成物は、気液分離され、ガス状の反応生成物とスラリー状の反応生成物とに分離される。ガス状の反応生成物は、大気放出又は次の処理工程に移行し、スラリー状の反応生成物は、固液分離器２４に導入される。スラリー状の反応生成物は、固液分離器２４で液状の処理液と無機固形物とに固液分離され、それぞれ、外部に送出される。
【０００８】
上述のように、下水汚泥に代表されるような、無機固形物を含む有機物の超臨界水酸化処理を行う超臨界水酸化装置では、予熱器１４、反応器１２、熱交換器１６及び冷却器１８での無機固形物の沈降、堆積及び無機塩の付着を防ぐために、通常、予熱器１４、熱交換器１６及び冷却器１８の各内管と反応器１２とを同じ内径の管で連続的な１本の管状体として形成し、予熱器１４の内管入口で０．５ｍ／sec 以上の流速になるように設定されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超臨界水酸化反応により有機物中の窒素化合物を窒素ガスにまで分解するためには、一般的な超臨界水酸化条件として設定される６００℃、２５ＭＰａの条件下では、１分以上の反応時間が必要とされている。
しかし、上述した従来の超臨界水酸化装置の場合、反応器を予熱器等と同一径にしたときには、予熱器入口で反応物の流速を０．５ｍ／sec 以上に設定すると、反応器での流速が７ｍ／sec 以上になり、反応器の長さは非現実的な長さになる。
例えば、実験装置レベルの例ではあるが、予熱器、熱交換器及び冷却器の各内管の径を７mmとし、反応器の径を内管と同じ径にすると、予熱器、熱交換器及び冷却器の長さは１００ｍ、反応器の長さは、５００〜１０００ｍにも達する。
【００１０】
このような長さの長い反応器を製作することは、技術的に極めて難しく、しかも製作コストが嵩んで経済性に乏しい。また、設置には広大な敷地を必要とすることから、土地取得費が嵩む上に、そのような広大な敷地を手当てすること自体が難しく、現実には、立地難で適地を見つけることが難しい。
これら様々な理由から、反応器の長さが５００ｍ以上になるような超臨界水酸化装置を実用化することは、技術的及び経済的に難しい。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、無機固形物を含む有機物、例えば下水汚泥を超臨界水酸化処理する際に、無機固形物を沈降・堆積させることなく、十分な反応時間を確保して所定の超臨界水酸化処理を施すことができる超臨界水酸化装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、下水汚泥のように、沈降・堆積し易い粒状の無機固形物を含む有機物を取り扱うことを考慮すると、
１）反応物中の無機固形物が沈降・堆積する反応物の流速、即ち限界流速以上の流速で、反応物を反応器に移送すること。そして、その流速になるように予熱器の内管の径を定めること。
２）反応器内での十分な反応時間を確保しつつ、反応器の長さを現実的な長さにすること。但し、反応器の長さを短くするために、単に、反応器の径を大きくするだけでは、反応器内の反応物の流速が限界流速より低下して、反応器内で無機固形物の沈降・堆積や無機塩の付着物が起こり、閉塞の原因となる。そこで、反応器を垂直ないし傾斜させ、無機固形物が沈降しても押し流されるようにすること。なお、十分な反応時間とは、有機物が完全酸化される時間、例えば有機物中の窒素化合物が窒素ガスまで分解される時間であって、概ね１分以上である。
ということが、必須の条件であると考え、実験を重ねて、本発明を完成するに到った。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る超臨界水酸化装置は、反応物を予熱する予熱部と、予熱された反応物を超臨界水酸化反応させる反応部と、反応器から流出した反応生成物を冷却する冷却部とを備え、無機固形物を含む有機物と酸化剤とからなる反応物に超臨界水酸化処理を施す超臨界水酸化装置において、
予熱部に設けられた反応物の流路は、反応物中の無機固形物が沈降、堆積する第１の限界流速以上の流速で反応物が流れるようにした断面積を有し、冷却部に設けられた反応生成物の流路は、反応生成物中の無機固形物が沈降、堆積する第２の限界流速以上の流速で反応生成物が流れるようにした断面積を有し、
反応部は、反応物が所定時間滞留しつつ下向き流れで流れるように構成され、かつ、反応部の断面積は、予熱部の反応物流路及び冷却部の反応生成物流路のいずれの断面積よりも広くなっているとともに、反応部入口の下流域に、反応物の流入方向に対して交差する方向に延在する面を有する邪魔板を備えていることを特徴としている。
【００１４】
本発明で、第１の限界流速とは、反応物中の無機固形物が沈降・堆積して反応物の流路を閉塞する反応物の下限の流速を言う。換言すれば、反応物が第１の限界流速以上の流速で流れる限り、無機固形物が沈降・堆積して反応物の流路を閉塞するようなことは生じない。
第１の限界流速は、反応物の組成、性状、無機固形物の粒径、含有率等に複雑に依存しているので、過去のデータ、実験等により決めるべき性質の因子である。実用的には、限界流速は、常温で、０．５ｍ／sec 以上の流速である。
第２の限界流速も同様の概念である。
【００１５】
本発明では、予熱部及び冷却部では、無機固形物が沈降・堆積しない十分な流速が得られる一方、反応部では、現実的な反応器の大きさで、十分な反応時間が得られる。
反応器では、反応物の流速は、限界流速以下の流速になるものの、下向き流れにすることにより、沈降した無機固形物は、反応物の下向き流れによって押し流され、下方に移動するので、無機固形物の堆積は起こらない。
【００１６】
予熱部及び冷却部は、任意の形状でよく、例えば直管状、曲管状、螺旋管状、及び蛇管状のいずれでも良く、また、それらの組み合わせでも良い。予熱部及び冷却部の配置は、水平または垂直な配置でも、上向きに又は下向きに傾斜した配置でも良い。また、予熱部及び冷却部の反応部に対する相対的位置又は配置には、制約はなく、予熱部及び冷却部は、反応部の上方に配置されていても、下方に配置されていても良い。
予熱部は、反応物を反応温度に昇温するために設けてあって、予熱器、又は予熱器に加えて他の加熱手段、例えば電熱体による加熱器、ボイラ等を有することもある。
反応部の内径は、十分な反応時間が得られれば、特に限定されるものではないが、反応部の内径を大きくすることは、耐圧強度を確保するために反応部の肉厚を大きくすることが必要になるため、反応部の許容される高さを考慮して、適宜決定することが好ましい。
【００１７】
以上のことから、好適には、反応部は入口から出口に向かって下向きに水平線に対して垂直ないし傾斜して配置され、反応部の断面積は、予熱部の反応物流路の断面積及び冷却部の反応生成物流路の断面積の大きい方の２００％以上である。
反応部は、入口から出口に向かって下向きに水平線に対して垂直ないし傾斜して配置され、好適にはほぼ垂直に配置される。これにより、反応器内で沈降した無機固形物は、入口から出口に向かって下向きで流れる反応物の流れによって押し流され、従って無機固形物が反応器壁に堆積して反応器を閉塞するようなことは生じない。
好適には、反応部を、ほぼ垂直に、例えば鉛直線に沿って配置し、又は水平線に対して７０°以上の角度で傾斜させて配置することが好ましい。
【００１８】
本発明の好適な実施態様では、反応部は、筒状の縦型密閉容器として形成され、
予熱部は、反応物が流れる内管と、反応物を加熱する熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として形成され、
冷却部は、反応生成物と熱交換して熱媒を加熱する熱交換器と、反応生成物を冷媒体で冷却する冷却器とを備え、
熱交換器は、反応生成物が流れる内管と、反応生成物により加熱される熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、冷却器は、熱交換器を経た反応生成物が流れる内管と、反応生成物を冷却する冷媒体が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、それぞれ、形成され、
熱交換器で加熱された熱媒が予熱器で反応物を予熱するように、熱交換器の外管と予熱器の外管との間で熱媒配管が接続されている。
【００１９】
本発明で、予熱器、熱交換器及び冷却器を形成する二重管式熱交換器とは、いわゆる二重管式の熱交換器に加えて、パイプを内管とし、外管として内管にジャケットを設けたジャケット式熱交換器を含む概念であり、その形状は任意であって、例えば直管状、曲管状、螺旋管状、及び蛇管状のいずれでも良く、また、それらの組み合わせでも良い。
予熱器、熱交換器及び冷却器の各内管の径は、反応物又は反応生成物が限界流速以上の流速で流れるように設定されている限り、それぞれが、同一の径でも、相互に異なる径でも良い。
好適には、熱交換器の内管と、冷却器の内管とを同一径の管状体で形成し、連続して接続する。これにより、反応器の下流では、反応生成物は同じ径の内管を連続して反応生成物の第２の限界流速以上の流速で流れるので、無機固形物が沈降・堆積・付着することなく、反応生成物は、反応器外へ排出される。
【００２０】
ところで、反応物が、第１の限界流速以上の流速で予熱部に設けられた反応物の流路を流れて、その流速で反応部に流入すると、反応物の流れは、その流れエネルギーにより反応部内で短絡流（チャネリング）を形成し、超臨界水酸化反応に寄与することなく反応部から急速に流出し、反応部の容積が有効に利用されないおそれがある。
そこで、本発明では、反応部は、反応部入口の下流域に、反応物の流入方向に対して交差する方向に延在する面を有する邪魔板を備え、邪魔板に反応物を衝突させて反応物の流入エネルギーを消耗させ、短絡流を形成させないようにしている。
【００２１】
邪魔板の形状、取り付け位置は、反応物の流入エネルギーを消耗させ、短絡流を形成させないようにできる限り、制約は無く、好適には、無機固形物が邪魔板上に堆積しないように、金属の円錐殻、又は円錐体からなる邪魔板、金属の角錐体、又は角錐殻からなる邪魔板、金属の半球殻、又は半球体からなる邪魔板、多孔板からなる平板状の邪魔板を使用する。
例えば邪魔板として、金属の円錐殻又は円錐体からなる邪魔板を使用するときには、反応物の流入方向に沿って直径が拡大する円錐面として形成され、円錐面の頂点が反応部入口から下流に反応部の長さの１／２０以上１／５以下の範囲の距離にあるように配置され、かつ、円錐面の底面半径が反応部の半径の１／３以上２／３以下の範囲にある邪魔板を使用する。
また、平板状の邪魔板を使用する時には、半径が反応部の半径の１／３以上２／３以下の範囲にある円板状多孔板として邪魔板を形成し、反応部の反応物入口から下流に反応部の長さの１／２０以上１／５以下の範囲の距離で配置する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
参考例
本参考例は、超臨界水酸化装置の一例であって、図１は、本参考例の超臨界水酸化装置の構成を示すフローシートである。図１に示す機器のうち図２に示す機器と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
本参考例の超臨界水酸化装置４０は、無機固形物を含む有機物、例えば下水汚泥等を超臨界水酸化処理する超臨界水酸化装置であって、図１に示すように、超臨界水酸化反応を行う筒型の反応器４２と、反応器４２の上流には反応物を予熱する予熱器４４を、反応器４２の下流には、反応生成物を冷却する熱交換器４６及び冷却器４８を備えている。
更に、超臨界水酸化装置４０は、従来の超臨界水酸化装置１０と同様に、冷却器４８の下流に、反応器４２内の圧力を制御する圧力制御弁２０を、反応生成物を気液分離する気液分離器２２を圧力制御弁２０の下流に、及び、気液分離されたスラリー状の反応生成物を固液分離して、無機固形物を反応生成物から分離する固液分離器２４を備えている。
【００２３】
予熱器４４は、下水汚泥と、酸化剤の空気とからなる反応物が流れる内管と、反応物を加熱する熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として構成されている。
反応器４２は、反応物に対する超臨界水酸化反応の反応時間を確保するために、従来のチューブラー状の長い長尺反応器に代えて、上部に円錐形の鏡板と、下部に逆円錐形の鏡板とを有する筒状の縦型密閉容器として形成され、その全域に超臨界水を滞留させて、超臨界水領域を構成している。
熱交換器４６は、反応器４２から流出した反応生成物が流れる内管と、反応生成物により加熱される熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、冷却器４８は、熱交換器４６を経て降温した反応生成物が流れる内管と、反応生成物を常温にまで冷却する冷媒体が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、それぞれ、構成されている。予熱器４４、熱交換器４６及び冷却器４８は、図１では直管状に図示されているが、その形状は任意であって、例えば直管状、曲管状、螺旋管状、及び蛇管状のいずれでも良く、また、それらの組み合わせでも良い。
予熱器４４の内管の径は、反応物の流速が第１の限界流速以上になるように、また、熱交換器４６及び冷却器４８の各内管の径は、反応生成物の流速が第２の限界流速以上の流速になるように、例えば０．５ｍ／sec 以上の流速に設定されている。
【００２４】
また、本参考例では、予熱器４４、熱交換器４６、及び冷却器４８は、反応器４２より上部に配置され、予熱器４４、熱交換器４６及び冷却器４８の各内管、予熱器４４から反応器４２までの接続配管５２、反応器４２から熱交換器４６までの接続配管５４、並びに、冷却器４８から圧力制御弁２０までの反応生成物ライン３６は、同じ径のパイプが使用され、熱交換器４６と冷却器４８の各内管は、連続して接続されている。また、接続配管５２、５４の曲がり部は、大きな曲率半径の曲がり部となっている。
熱交換器４６で反応生成物により加熱された熱媒が予熱器４４に入って反応物を予熱するように、熱交換器４６の外管と予熱器４４の外管とは、熱媒配管５０により接続されている。
予熱器４４を出た反応物流体は、接続配管５２により反応器４２上部から反応器４２に導入され、有機物の超臨界水酸化反応が反応器４２で進行する。反応により生成した反応生成物は、反応器４２下部から流出し、熱交換器４６及び冷却器４８の内管を流れる。
予熱器４４から反応器４２までの接続配管５２は、予熱器４４の内管と同一の径になっていて、反応物は第１の限界流速以上の流速で流れる。また、反応器４２の下部から熱交換器４６までの接続配管５４は、熱交換器４６の内管と同一の径になっていて、反応生成物は第２の限界流速以上の流速で流れる。
【００２５】
参考例の具体例
上述の参考例の超臨界水酸化装置４０の構成に従って流量３ｍ３／ｄの下水汚泥を超臨界水酸化処理する実験装置を作製し、評価した。実験装置の具体的な寸法は、以下に示す通りであった。
限界流速として０．５ｍ／ｓｅｃを設定し、予熱器４４、熱交換器４６、冷却器４８の内管の流速を１．０ｍ／ｓｅｃとして、予熱器４４、熱交換器４６及び冷却器４８の内管に内径７ｍｍのパイプを使用した。予熱器４４、熱交換器４６及び冷却器４８の内管の総延長は、１００ｍになった。
反応器４２には、内径１５０ｍｍ、高さ３ｍのパイプ材を使用して、筒型の縦型密閉容器を作製した。
【００２６】
次の超臨界水酸化反応条件下で下水汚泥に超臨界水酸化処理を施したところ、下水汚泥は、ＴＮ（全窒素）除去率が９９％以上になるまで、超臨界水酸化されていた。
超臨界水酸化反応条件
反応温度 ：６５０℃
反応時間 ：９６ｓｅｃ
参考例の具体例及び次の従来例の具体例は、表１に纏めてある。
【表１】
従来例の具体例
参考例の具体例と比較するために、従来例の具体例として、反応時間を除き参考例の具体例と同じ反応条件で反応器１２を設計した。
反応器１２は、予熱器１４等と同じ内径７ｍｍのパイプを使用したところ、１００ｍの長さになり、しかも反応時間として７ｓｅｃしか確保することができなかった。その結果、下水汚泥のＴＮ除去率は、２０％という低い値であった。
【００２８】
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る超臨界水酸化装置の実施形態として挙げられた、反応器に邪魔板を備えた超臨界水酸化装置であって、図３は本実施形態例の超臨界水酸化装置の反応器の構成を示す模式的断面図である。
本実施形態例の超臨界水酸化装置は、反応器６０の構成を除いて、図１に示す超臨界水酸化装置４０と同じ構成を備えている。
反応器６０は、図３に示すように、縦型円筒状反応容器であって、反応物は上部の流入管５２から流入し、反応器６０内を下向きに流れて下部の流出管５４から流出する。
反応器６０は、直径の一様な容器本体６２と、容器本体６２の上部にあって流入管５２と容器本体６２とを接続する円錐状の頭部６４と、容器本体６２の下部にあって流出管５４と容器本体６２とを接続する逆円錐状の底部６６とから構成されている。
【００２９】
反応器６０内の入口下流域に、金属の円錐体からなる邪魔板６８が取り付けてある。邪魔板６８は、頂点が反応器入口から距離Ｓの反応器長手方向中心線Ｃ上に位置し、円錐体の長手方向中心線が反応器６０の長手方向中心線に一致し、かつ直径が長手方向中心線に沿って拡大するように形成された高さｈの円錐体である。
邪魔板６８の底面は、反応器６０の直径を含む面にあって、底面の直径ｄは、反応器６０の内径Ｄの１／３以上２／３以下である。距離Ｓは、反応器の高さＨの１／２０以上１／５以下である。
尚、本実施形態例では、邪魔板６８として、金属の円錐体からなる邪魔板を用いているが、これに限らず、反応物中の無機固形物が堆積しない形状であれば良く、例えば、金属の円錐殻からなる邪魔板、金属の角錐体、又は角錐殻からなる邪魔板でも、また、多孔板からなる平板状の邪魔板でも良い。
【００３０】
実施形態例の具体例
実施形態例の反応器６０と同じの構成の反応器を作製したことを除いて、参考例の超臨界水酸化装置４０の構成に従って作製した前述の実験装置を使って、実施形態例の超臨界水酸化装置の性能評価実験を行った。
反応器６０に設けた邪魔板６８は、高さｈが２５ｍｍ、底面の直径が５０ｍｍ、頂点の反応器入口からの距離Ｓが３００ｍｍとした。
次の超臨界水酸化反応条件下で、流量３ｍ３／ｄの下水汚泥に超臨界水酸化処理を施したところ、下水汚泥は、ＴＮ（全窒素）除去率が９９％以上になるまで、超臨界水酸化されていた。
超臨界水酸化条件
反応温度 ：６００℃
反応温度 ：１０３ｓｅｃ
【００３１】
実施形態例との比較のために、参考例の実験装置を使って、即ち邪魔板を備えていないことを除いて実施形態例と同じ実験装置を使って、同じ超臨界水酸化反応条件下で、同じ流量の下水汚泥に超臨界水酸化処理を施し、実施形態例の比較例とした。比較例では、下水汚泥のＴＮ（全窒素）除去率は、８０％にしか達しなかった。
実施形態例の具体例による下水汚泥の超臨界水酸化処理、及び、実施形態例の比較例による下水汚泥の超臨界水酸化処理の結果は、表２に纏めてある。
【表２】
表２から判る通り、実施形態例の具体例では、邪魔板を設けることにより、反応温度が６００℃で９９％以上のＴＮ（全窒素）除去率を得ることができる。一方、参考例の具体例は、表１に示すように、反応温度が６５０℃では９９％以上のＴＮ（全窒素）除去率を得ることができるものの、参考例の具体例と同じ構成の実施形態例の比較例では、反応温度が６００℃ではＴＮ（全窒素）除去率が８０％にしか達しない。
これは、邪魔板を設けることにより、短絡流が防止されて超臨界水酸化反応の進行が促進され、邪魔板が、反応器全体を超臨界水酸化反応に効率的に寄与させる上で、極めて有効であることを示している。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、予熱部、反応部及び冷却部を備え、無機固形物を含む有機物と酸化剤とからなる反応物に超臨界水酸化処理を施す超臨界水酸化装置において、反応物が予熱部の反応物流路を第１の限界流速以上の流速で流れるように、反応生成物が冷却部の反応生成物流路を第２の限界流速以上の流速で流れるように予熱部及び冷却部を形成し、反応物が所定時間滞留しつつ下向き流れで流れるように反応部を形成し、反応部の断面積を広くすることにより、予熱部及び冷却部で無機固形物が沈降・堆積して流路を閉塞させるようなことなく、かつ十分な反応時間を確保しつつ、反応部を実用的な寸法で構成することができる。
また、反応物入口の下流域に、反応物の流入方向に対して交差する方向に延在する面を有する邪魔板を備えることにより、反応部内で短絡流（チャネリング）を防止し、超臨界水酸化反応の進行を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例の超臨界水酸化装置の構成を示すフローシートである。
【図２】 従来の超臨界水酸化装置の構成を示すフローシートである。
【図３】 実施形態例の反応器の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 従来の超臨界水酸化装置
１２ チューブラー状の長い耐圧密閉型反応器
１４ 予熱器
１６ 熱交換器
１８ 冷却器
２０ 圧力制御弁
２２ 気液分離器
２４ 固液分離器
２６ 熱媒配管
２８ 反応物ライン
３０ 空気ライン
３２ 下水汚泥ポンプ
３４ 空気圧縮機
３６ 反応生成物ライン
４０ 参考例の超臨界水酸化装置
４２ 筒型の反応器
４４ 予熱器
４６ 熱交換器
４８ 冷却器
５０ 熱媒配管
５２、５４ 接続配管
６０ 実施形態例の超臨界水酸化装置の反応器
６２ 容器本体
６４ 頭部
６６ 底部
６８ 邪魔板
Claims (5)
- 反応物を予熱する予熱部と、予熱された反応物を超臨界水酸化反応させる反応部と、反応器から流出した反応生成物を冷却する冷却部とを備え、無機固形物を含む有機物と酸化剤とからなる反応物に超臨界水酸化処理を施す超臨界水酸化装置において、
予熱部に設けられた反応物の流路は、反応物中の無機固形物が沈降、堆積する第１の限界流速以上の流速で反応物が流れるようにした断面積を有し、冷却部に設けられた反応生成物の流路は、反応生成物中の無機固形物が沈降、堆積する第２の限界流速以上の流速で反応生成物が流れるようにした断面積を有し、
反応部は、反応物が所定時間滞留しつつ下向き流れで流れるように構成され、かつ、反応部の断面積は、予熱部の反応物流路及び冷却部の反応生成物流路のいずれの断面積よりも広くなっているとともに、反応部入口の下流域に、反応物の流入方向に対して交差する方向に延在する面を有する邪魔板を備えていることを特徴とする超臨界水酸化装置。 - 反応部は入口から出口に向かって下向きに水平線に対して垂直ないし傾斜して配置され、反応部の断面積は予熱部の反応物流路の断面積及び冷却部の反応生成物流路の断面積の大きい方の２００％以上であることを特徴とする請求項１に記載の超臨界水酸化装置。
- 反応部は、筒状の縦型密閉容器として形成され、
予熱部は、反応物が流れる内管と、反応物を加熱する熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として形成され、
冷却部は、反応生成物と熱交換して熱媒を加熱する熱交換器と、反応生成物を冷媒体で冷却する冷却器とを備え、
熱交換器は、反応生成物が流れる内管と、反応生成物により加熱される熱媒が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、冷却器は、熱交換器を経た反応生成物が流れる内管と、反応生成物を冷却する冷媒体が流れる外管とからなる二重管式熱交換器として、それぞれ、形成され、
熱交換器で加熱された熱媒が予熱器で反応物を予熱するように、熱交換器の外管と予熱器の外管との間で熱媒配管が接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超臨界水酸化装置。 - 邪魔板は、反応物の流入方向に沿って直径が拡大する円錐面として形成され、円錐面の頂点が反応部の反応部入口から下流に反応部の長さの１／２０以上１／５以下の範囲の距離にあるように配置され、かつ、円錐面の底面半径が反応部の半径の１／３以上２／３以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超臨界水酸化装置。
- 邪魔板は、半径が反応部の半径の１／３以上２／３以下の範囲にある円板状多孔板として形成され、反応部の反応部入口から下流に反応部の長さの１／２０以上１／５以下の範囲の距離で配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超臨界水酸化装置。
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