JP4355243B2 - 有機性廃棄物の高温高圧処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、下水汚泥、生ごみ等の水分を含有する有機性廃棄物を高温高圧条件下で分解処理する有機性廃棄物の高温高圧処理装置に関するものである。

下水汚泥、生ごみ等の有機性廃棄物の処理方法としては、現在のところ焼却処理法が主流である。しかし焼却を行う際にはある程度大きな焼却プラントを設計する必要があるため都市部には適するものの、大量の有機性廃棄物が排出されない地方自治体などには焼却処理法は不向きである。そこで現在、焼却に代わる有機性廃棄物の処理技術の開発が急がれている。このような代替技術の主なものとしては、超臨界処理法と湿式酸化法を挙げることができる。

超臨界処理法は、水の臨界圧力（約２２ＭＰａ）及び水の臨界温度（３７４℃）以上の超臨界水を用いて有機性廃棄物の処理を行う方法（特許文献１）である。超臨界水は反応性に富むため酸化処理の反応場として注目されている。実際には圧力２２〜２５ＭＰａ、温度６００〜６５０℃の高温高圧条件下で有機性廃棄物の酸化分解を行う。

この超臨界処理を行わせるためには、２５ＭＰａ以上の吐出圧を持つ特殊なポンプを用いて有機性廃棄物を反応場に供給しなければならないが、このような特殊なポンプは２〜５ＭＰａ程度の吐出圧を持つ通常のポンプとは異なり、固形分濃度の高い流体を圧送することは不得手である。このため取り扱える有機性廃棄物の固形分濃度の上限は１０％（含水率が９０％）であり、固形分濃度がこれよりも高い（含水率の低い）有機性廃棄物の処理には不適当であった。

また、反応は超臨界水に有機性廃棄物と酸素とが完全に溶解した状態で行われるため、高濃度の固形分を処理することはこの点からも困難である。しかも反応条件が過酷であるために装置の腐食などの問題があることはもちろん、酸化剤としての酸素や空気を高圧まで昇圧するために多くのコストがかかるという問題も懸念されている。

一方、湿式酸化法は温度、圧力ともに臨界点以下の液相条件下で有機性廃棄物を酸化分解する方法である。この方法は上記した超臨界処理法に比較して反応条件が緩やかであるから、設備コストやランニングコストは安価であり、また通常の吐出圧を持つポンプを使用できるため、含水率が９０％以下の有機性廃棄物の処理も可能である。しかし湿式酸化法では酸化の度合いに限界があり、特にこの条件下で窒素がアンモニアに転化され、このアンモニアをほとんど分解できないという問題がある。アンモニアの排出規制をクリアするためには別のアンモニア処理装置が必要となるので、結局のところ設備コストやランニングコストが嵩む結果となる。

上記したほか特許文献２に示すように、水の臨界温度以上、臨界圧力以下の亜臨界条件下にて有機物を酸化処理する方法も提案されている。この特許文献２に示された技術は、可燃性物質を運ぶ水流れを例えば圧力１０ＭＰａ、温度６００℃で処理する技術である。しかしこれは水流れを有する廃棄物を対象とするために固形分濃度が低く、装置に対して処理できる固形分が少ないという問題がある。しかも従来はランニングコストに配慮した装置設計についての提案はほとんどなされていない。
特許第３４４０８３５号公報 特許第３０４８３８５号公報

本発明は上記した従来の問題点を解決して、含水率が９０％以下の固形分濃度の高い有機性廃棄物を、内部で閉塞を生じさせることなく高温高圧処理することができ、また消費エネルギを抑制してランニングコストの低減を図ることができる有機性廃棄物の高温高圧処理装置を提供するためになされたものである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、スラリー注入器によって注入された含水率が９０％以下の有機性廃棄物を、圧力４〜２２ＭＰaの高温高圧条件下で酸化分解処理する装置であって、周囲に外管を備えた二重管構造の予熱器と、これに直結された同圧の反応器とからなり、該予熱器内では、有機性廃棄物の可溶化反応を促進し、該反応器内では、前記予熱器内で可溶化された有機性廃棄物を、水の臨界温度以上の気相条件下で酸化分解する反応を促進し、該反応器から抽出した高温高圧ガスを予熱器の外管に導いて予熱器を水分蒸発温度付近に加熱する手段を備えることを特徴とするものである。

なお、予熱器と反応器の内部にそれぞれ撹拌搬送手段を設けることが好ましく、予熱器の内部に、下側にドレン水を通す孔を備えた整流板を設けることが好ましい。また予熱器の外管で凝縮した高温高圧水を冷却するコンデンサと減圧手段を設けることが好ましい。

本発明の有機性廃棄物の高温高圧処理装置は、水の臨界圧力以下の高温高圧条件に保たれた予熱器とこれに直結された同圧の反応器とからなり、有機性廃棄物は予熱器において水分蒸発温度付近まで昇温する。この際、加水分解や熱分解によって有機物が可溶化され、有機性廃棄物が含水率９０％以下の固形分濃度の高いものである場合にも、閉塞等のトラブルが防止される。予熱器を出た有機性廃棄物は反応器に入り、水の臨界温度以上の気相条件下にて有機物が酸化分解される。なお、予熱器と反応器の内部にそれぞれ撹拌搬送手段を設けることが好ましく、分解残渣は撹拌搬送手段により排出される。

また予熱器は二重管構造であり、反応器から抽出した高温高圧の排気ガスを予熱器の外管に直接導いて予熱器を水分蒸発温度付近に加熱する。このため消費エネルギの無駄がなくなり、ランニングコストの低減を図ることができる。

以下に図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態を示す。
（全体構成）図１において、１は予熱器、２は予熱器１に直結された反応器である。予熱器１は外管３を備えた二重管構造であり、反応器２は外周にヒータ４を備え、内部を水分蒸発温度以上に維持している。これらの予熱器１と反応器２の内部は水の臨界圧力以下の高圧、例えば４ＭＰａに維持されている。予熱器１と反応器２は直結されているため、内部は同一圧力に保たれている。なお予熱器１と反応器２の内部には、それぞれ撹拌搬送手段５、６が設けられている。

下水汚泥、生ごみ等の水分を含む有機性廃棄物はスラリー注入器７によって予熱器１に注入される。このスラリー注入器７はピストン８を備えたシリンダピストンポンプであり、高圧水ポンプ９によりピストン８を押し下げて有機性廃棄物を高圧の予熱器１内に注入する。予熱器１を通過した有機性廃棄物は反応器２に送られ、水の臨界温度以上の気相条件下にて有機物が酸化分解される。分解されたガスはライン１０から抽出され、残部（ガス、液、残渣）は反応器２の後端下部に設けられた排出管１１から排出される。排出管１１は上下にバルブ１２，１３を備えた二重ダンパ構造であり、反応器２の内部圧力を低下させることなく反応生成物を取り出すことができるようになっている。

（予熱器）本発明では、反応器２から抽出された高温高圧ガスを予熱器１の外管３に直接導き、予熱器１を水分蒸発温度付近に加熱する。すなわち、反応器２内の高温高圧ガスは反応器２の上部に接続されたライン１０を通じて予熱器１の外管３に直接導入される。外管３の内部には図２に示される整流板１４が適当な間隔で設置されている。これらの整流板１４はＣ型形状をしたもので、開口部１５を図２Ｂのように下側にしたものと、図２Ｃのように上側にしたものとを交互に配置し、高温高圧ガスとの接触性を高めている。開口部１５を上側にした整流板１４には下部にドレン水を通す孔１６を形成しておく。

予熱器１において熱交換を十分に行い、予熱器１の内部温度を水分蒸発温度以上にしたい場合には、整流板１４の孔１６を大きくしてドレン化した排水を速やかに排出する。また必要に応じて予熱器１を入口側が低くなるように傾斜させることもできる。この場合にも内部の有機性廃棄物は撹拌搬送手段５により出口側に搬送されるので、入口側に戻ることはない。なお撹拌搬送手段５はシールの必要のないマグネット式とすることが好ましい。

また、予熱器１の内部温度を水分蒸発温度以下にしたい場合には、整流板１４の孔１６を小さくしてドレン化した排水を内部に留める。ドレン水があると導入された高温高圧ガスのエネルギがドレン水の昇温に使用され、外管３の全体が水分蒸発温度付近に均一化される。この場合には整流板１４の孔１６を上側に設けることもできる。

（反応器２）反応器２の形状は好ましくは円筒形であり、その下部に撹拌搬送手段６が配置されている。酸素供給ライン１７から内部に酸素が分割供給され、また注水ライン１８から水を分割供給できるようになっている。酸素による酸化反応により反応熱が発生するため、予熱器１よりも内径を大きくしておく。温度制御は酸素と水の分割注入により行うことができる。

一般に、高温場に水を直接注入すると体積が１０００倍以上に膨張して水蒸気爆発が発生するおそれがあるが、本発明の装置は内部が高圧であるため、直接注水による温度制御が可能である。例えば圧力が４ＭＰａであると注入された水の体積膨張は６０倍、１０ＭＰａであれば１７倍、臨界圧力である２２ＭＰａであれば１倍となる。このように本発明では水を直接注水することで反応器２の温度制御を行い、また熱を高温高圧の水蒸気として無駄なく回収することができ、前記した予熱器１の熱源としての利用が可能である。

（作用）このように構成された本発明の高温高圧処理装置では、水分を含む有機性廃棄物をスラリー注入器７によって予熱器１に注入し、高圧条件下で水分蒸発温度付近に加熱して加水分解や熱分解による有機物の可溶化を行う。前記したとおり、予熱器１の熱源としては反応器２から抽出された高温高圧ガスが用いられるので、エネルギの無駄がない。

予熱器１を出た有機性廃棄物は反応器２に入り、注入された酸素により水の臨界温度以上の気相条件下にて有機物が酸化分解され、ガスと液と残渣となる。ガスはライン１０を通じて予熱器１の外管３に直接導入される。液と残渣は排出管１１から二重ダンパを介して取り出される。

予熱器１の外管３に導入された高温高圧ガスは予熱器１を加熱することによってそれ自体は温度し、ドレン水となる。この高温高圧のドレン水はコンデンサ２０において冷却され、常温付近まで冷却する。ドレン水は反応器２のガス由来のものであるから、残渣が含まれないので冷却時に閉塞を招くことはなく、コンデンサ２０を小型化することができる。なお、廃液中にシアン等の有害成分が存在する場合にも、２００℃〜水分蒸発温度の温度条件にて十分な時間をかけて冷却を行えば、シアン等を分解することができる。このため蛇管状のコンデンサを用いて徐々に冷却することが好ましい。また冷却された高圧水は減圧手段２１により減圧され、排出管１１に導かれる。

以上に説明したように、本発明によれば下水汚泥、生ごみ等の水分を含有する有機性廃棄物を高温高圧条件下で分解処理することができる。特に水分含有率が９０％未満の有機性廃棄物をも、閉塞のおそれなく酸化分解処理することができる。しかも反応器から抽出した高温高圧の排気ガスを予熱器の外管に直接導いて予熱器を水分蒸発温度付近に加熱するので、ランニングコストの低減を図ることができる。

本発明の実施形態を示す断面図である。 予熱器の断面図である。

符号の説明

１ 予熱器
２ 反応器
３ 外管
４ ヒータ
５ 撹拌搬送手段
６ 撹拌搬送手段
７ スラリー注入器
８ ピストン
９ 高圧水ポンプ
１０ ライン
１１ 排出管
１２ バルブ
１３ バルブ
１４ 整流板
１５ 開口部
１６ 孔
１７ 酸素供給ライン
１８ 注水ライン
２０ コンデンサ
２１ 減圧手段

Claims (4)

1. スラリー注入器によって注入された含水率が９０％以下の有機性廃棄物を、圧力４〜２２ＭＰaの高温高圧条件下で酸化分解処理する装置であって、
   周囲に外管を備えた二重管構造の予熱器と、これに直結された同圧の反応器とからなり、
   該予熱器内では、有機性廃棄物の可溶化反応を促進し、
   該反応器内では、前記予熱器内で可溶化された有機性廃棄物を、水の臨界温度以上の気相条件下で酸化分解する反応を促進し、
   該反応器から抽出した高温高圧ガスを予熱器の外管に導いて予熱器を水分蒸発温度付近に加熱する手段を備えることを特徴とする有機性廃棄物の高温高圧処理装置。
2. 予熱器と反応器の内部に、それぞれ撹拌搬送手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の有機性廃棄物の高温高圧処理装置。
3. 予熱器の内部に、下側にドレン水を通す孔を備えた整流板を設けたことを特徴とする請求項１記載の有機性廃棄物の高温高圧処理装置。
4. 予熱器の外管で凝縮した高温高圧水を冷却するコンデンサと減圧手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の有機性廃棄物の高温高圧処理装置。

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