JP4355246B2 - 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。このように、固形分濃度が高い有機性廃棄物を装置内部で閉塞を生じさせることなく経済的に高温高圧処理することができる装置は、ほとんど提案されていない。
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も、内部で閉塞を生じさせることなく、経済的に高温高圧処理す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請求項１の発明は、水分を含む有機性廃棄物を水の臨界圧力以下の高温高圧条件下で分解処理する装置であって、予熱器とこれに直結された反応器とからなり、予熱器内の気相条件は圧力が４ＭＰａかつ温度が水分蒸発温度付近に維持され、反応器予熱器内の気相条件は圧力が４ＭＰａかつ温度が水の臨界温度以上に維持されており、反応器の出口側下部には二重ダンパ式の排出管を設け、また反応器から抽出した高温高圧ガスを冷却した高圧水を上記排出管に導入する閉塞防止用のラインを設けたことを特徴とするものである。請求項２の発明では、反応器から抽出した高温高圧ガスを冷却・減圧処理して得た高圧水を上記排出管に導入する。なお、反応器から抽出した高温高圧ガスを予熱器の外管に導くラインを設け、高温高圧ガスを予熱器の熱源として利用したのち、閉塞防止用のラインに導くようにすることが好ましい。

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出口に向かって搬送される。

反応器で酸化分解された残渣は反応器の出口側下部の排出管から排出されるが、二重ダンパ式であるため反応器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。また残渣がこの排出管の内部で閉塞することを防止するため、反応器から抽出した高温高圧ガスを冷却した高圧水、あるいは反応器から抽出した高温高圧ガスを冷却・減圧した高圧水を閉塞防止用のラインを介して上記排出管に導入する。排出管の内部はこの高圧水により洗浄され、閉塞が確実に防止される。

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。
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る。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、それぞれスクリュー式あるいはパドル式の撹拌搬送手段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によって高圧の予熱器１内に注入される。このスラリー注入器７はピストン８を備えたシリンダポンプであり、高圧水ポンプ９から送られる高圧水によりピストン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では加水分解や熱分解による有機物の可溶化が行われる。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（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。

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、予熱器１の熱源として利用される。このように予熱器１の熱源として反応器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冷却され、ドレン水となる。この高温高圧のドレン水はコンデンサ１２において、常温付近まで冷却される。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１２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１２を用いて徐々に冷却することが好ましい。

前記したように、予熱器１に注入された有機性廃棄物は、高圧条件下で水分蒸発温度付近に加熱され加水分解や熱分解による有機物の可溶化が行われる。そして予熱器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を通じて抽出されるが、液と残渣は排出管１１から取り出される。

排出管１１は上下にバルブ１４、１５を備えた二重ダンパ構造であり、図２Ａに示すように常時は上側のバルブ１４を開き、下側のバルブ１５を閉じた状態として液と残渣を排出管１１内に落とす。このときバルブ１６は閉じ、バルブ１７を開いて高圧水を閉塞防止用のライン１９に流しておく。残渣の取り出しの際には上側のバルブ１４を閉じ、下側のバルブ１５を開くとともに、バルブ１７を閉じバルブ１６を開いて高圧水を閉塞防止用のライン１８から排出管１１のバルブ１４の下方に流し、液と残渣を排出する。このように、請求項１の発明では高温高圧ガスを冷却した高圧水を排出管１１内に導入することによって残渣を排出し、閉塞を防止する。

図３は請求項２の発明の実施形態を示すもので、コンデンサ１２の後段に減圧手段１３を設け、高圧水が減圧手段１３を流れるときの圧力損失を利用して減圧する点が相違している。減圧手段１３を通過した後もなお、大気圧よりも十分に高圧の高圧水である。この実施形態では図３に示すように、閉塞防止用のライン１９のみが排出管１１の下側のバルブ１５の下方に接続されている。

この請求項２の発明でも図４Ａに示すように常時は上側のバルブ１４を開き、下側のバルブ１５を閉じた状態として液と残渣を排出管１１内に落とす。なお減圧された高圧水は常に閉塞防止用のライン１９に流しておく。そして残渣の取り出しの際には上側のバルブ１４を閉じ、下側のバルブ１５を開く。残渣の上部の排出管１１の内圧は、減圧された高圧水が導入される残渣の下部よりも高く、例えば０.３ＭＰａ程度の差圧が発生するため、この差圧によって排出管１１から残渣は図４Ｂのように排出される。なおこの差圧が大きいと残渣排出には有利であるが、残渣排出後に上側のバルブ１４を開くときに、排出管１１の内圧と反応器２の内圧との差によって反応系に悪影響が生ずるため、０.３ＭＰａ程度とすることが好ましい。

図５は請求項２の発明の他の実施形態を示すものである。この実施形態においても、常時は上側のバルブ１４を開き、下側のバルブ１５を閉じた状態として液と残渣を排出管１１内に落とすとともに、減圧された高圧水を閉塞防止用のライン１９に流しておく。そして残渣の取り出しの際には上側のバルブ１４を閉じ、下側のバルブ１５を開くと、図６Ｂのように上記した差圧によって残渣は落下する。その後、バルブ１７を閉じ、バルブ１６を開いて減圧された高圧水を閉塞防止用のライン１８から排出管１１内に流し、液と残渣を完全に排出する。この実施形態によれば、差圧と高圧水洗浄との併用により最も確実な閉塞防止が可能となる。

このようにして、排出管１１の下端からはガスと液と残渣との混合体が排出される。これらは気−液・固分離器２０によってガスが分離され、ドレインタンク２１にて固液排水を回収する。

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。特に予熱器における有機物の可溶化、撹拌搬送手段の採用、閉塞防止用のラインによる排出管の洗浄などの技術を組み合わせたことにより、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。

請求項１の発明の実施形態を示す断面図である。 排出管の作動説明図である。 請求項２の発明の実施形態を示す断面図である。 排出管の作動説明図である。 請求項２の発明の他の実施形態を示す断面図である。 排出管の作動説明図である。

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 コンデンサ
１３ 減圧手段
１４ バルブ
１５ バルブ
１６ バルブ
１７ バルブ
１８ 閉塞防止用のライン
１９ 閉塞防止用のライン
２０ 気−液・固分離器
２１ ドレインタンク

Claims (3)

1. 水分を含む有機性廃棄物を水の臨界圧力以下の高温高圧条件下で分解処理する装置であって、予熱器とこれに直結された反応器とからなり、予熱器内の気相条件は圧力が４ＭＰａかつ温度が水分蒸発温度付近に維持され、反応器予熱器内の気相条件は圧力が４ＭＰａかつ温度が水の臨界温度以上に維持されており、反応器の出口側下部には二重ダンパ式の排出管を設け、また反応器から抽出した高温高圧ガスを冷却した高圧水を上記排出管に導入する閉塞防止用のラインを設けたことを特徴とする有機性廃棄物の高温高圧処理装置。
2. 水分を含む有機性廃棄物を水の臨界圧力以下の高温高圧条件下で分解処理する装置であって、予熱器とこれに直結された反応器とからなり、予熱器内の気相条件は圧力が４ＭＰａかつ温度が水分蒸発温度付近に維持され、反応器予熱器内の気相条件は圧力が４ＭＰａかつ温度が水の臨界温度以上に維持されており、反応器の出口側下部には二重ダンパ式の排出管を設け、また反応器から抽出した高温高圧ガスを冷却・減圧した高圧水を上記排出管に導入する閉塞防止用のラインを設けたことを特徴とする有機性廃棄物の高温高圧処理装置。
3. 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の熱源として利用した後、閉塞防止用のラインに導く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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