JP4898970B1 - 水熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水熱処理と脱水処理とを行う装置の省スペース化を図るとともに、水熱処理における高温高圧状態を脱水処理にも有効利用すること。
【解決手段】水熱処理装置本体１に、水熱処理を行う外管３と脱水処理を行う脱水管１１とを設けて、水熱処理機構と脱水処理機構とを一体にする。脱水管１１内に有機性汚泥３１を収納して、亜臨界状態の水蒸気を用いて有機性汚泥に対して亜臨界雰囲気での水熱処理を行う。水熱処理を行った亜臨界状態の高温高圧雰囲気のままでピストン１２を脱水管蓋部１１ａに向けて押すことにより、有機性汚泥を圧縮して含有している液体成分を分離する脱水処理を行う。脱水終了後、開閉バルブ４ａを開けて排気管４から内部の水蒸気を外管３外に放出して、外管３の内部を大気圧まで減圧する。
【選択図】図４

Description

本発明は、脱水機構と脱液機構とを有する水熱処理装置に関する。

従来、水を３７４℃以上の温度かつ２２．１ＭＰａ以上の圧力として、水の臨界点を超えた状態となった、いわゆる水の超臨界状態が知られている。また、水の温度および圧力がこの臨界点に達しない高温高圧の状態である、水の亜臨界状態についても研究が進められている。

高温高圧状態での水熱処理としては、特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１には、有機性汚泥に対して高温高圧処理を行いスラリー状物質を生成し、このスラリー状物質を脱水処理して脱水固形物を回収し、一方で分離液を浄化する水処理を行う有機性汚泥の処理方法が開示されている。この処理方法においては、高温高圧処理として、有機性汚泥の一定量を処理装置に充填し、加圧スチーム吹き込み手段から加圧スチームを吹き込んで、加熱、加圧、および攪拌を行いながら所定時間反応させる回分式反応が採用されている。

また、特許文献１に記載された高温高圧処理を行う処理装置は、いわゆる水熱処理装置として知られている。この水熱処理装置を用いて有機性汚泥を処理する際には、まず、有機性汚泥をスラリー状物質にし、続いて、このスラリー状物質を水熱処理装置から取り出して冷却装置に供給して冷却した後、最終的に脱水装置に供給して脱水することにより、脱水ケーキとする。

特開２００６−０６１８６１号公報

ところで、上述した特許文献１に記載された処理技術においては、高温高圧処理を行う水熱処理装置と、脱水処理を行う脱水装置とが別体に設けられている。これにより、これらの水熱処理装置および脱水装置の設置スペースを広く確保する必要があった。

また、特許文献１に記載された処理技術においては、有機性汚泥などの処理対象物を水熱処理装置において亜臨界状態でスラリー状物質とした後、このスラリー状物質を冷却装置で冷却し、脱水装置で脱水している。このことから、特許文献１においては、水熱処理装置における高温高圧状態をスラリー状物質の生成に利用しているだけであり、水熱処理装置の高温高圧状態によるエネルギーの有効利用が図られていなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、水熱処理と脱水処理とを行う装置の省スペース化を図るとともに、水熱処理における高温高圧状態を脱水処理にも有効利用することができる水熱処理装置を提供することにある。

上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る水熱処理装置は、亜臨界状態の水蒸気を用いて被処理物に対して亜臨界雰囲気において水熱処理可能で、被処理物から分離される液体成分を貯留可能に構成された水熱処理手段と、水熱処理がされた被処理物から液体成分を分離する脱水処理を亜臨界雰囲気において実行可能に構成された脱水処理手段とを有し、脱水処理手段は、水熱処理手段の内部に設けられ、被処理物を収納可能に構成されているとともに、被処理物を圧縮可能なピストンを内部に備え、開口部が形成された脱水管からなることを特徴とする。

本発明に係る水熱処理装置は、上記の発明において、脱水管の一端を貫通したシャフトを備え、シャフトの一端がピストンに連結されているとともにシャフトの他端が回転並進機構に支持され、回転並進機構によりシャフトを並進運動させることによってピストンが並進運動可能に構成されていることを特徴とする。また、この構成において、回転並進機構によってシャフトがシャフトの軸を中心に回転可能に構成され、回転並進機構によりシャフトを軸を中心として揺動させることによって、脱水管を揺動させて被処理物を攪拌可能に構成されていることを特徴とする。

本発明に係る水熱処理装置は、上記の発明において、前記脱水管が円筒形状を有し、前記開口部が円筒部分に形成されているとともに、前記ピストンが前記円筒の内面に部分的に沿った円柱形状を有することを特徴とする。

本発明に係る水熱処理装置は、上記の発明において、分離された液体成分を、水熱処理手段から排出する排液手段をさらに有することを特徴とする。これにより、被処理物を装置から取り出す際に、脱水工程により分離された液体が被処理物に影響を及ぼすことを防止することができる。

本発明に係る水熱処理装置は、上記の発明において、水熱処理手段が、水熱処理手段の内部の気体を排気可能に構成された排気部を備え、排気部によって水熱処理手段の内部の圧力を所定の圧力まで低減可能に構成されていることを特徴とする。

本発明において、水の亜臨界状態とは、温度が１００℃以上３７４℃以下、圧力が０．１ＭＰａ以上２２．１ＭＰａ以下の状態を言い、被対象物が有機性汚泥の場合には、好適には、温度は１２０℃以上２００℃以下、圧力は０．２ＭＰａ以上１．６ＭＰａ以下とする。

本発明に係る水熱処理装置によれば、水熱処理と脱水処理とを行う装置の省スペース化を図ることができるとともに、水熱処理装置における高温高圧状態を脱水処理にも有効利用することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態による水熱処理装置を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態による水熱処理方法を示すフローチャートである。 図３は、本発明の一実施形態による水熱処理装置の動作を説明するための図である。 図４は、本発明の一実施形態による水熱処理装置の動作を説明するための図である。 図５は、本発明の一実施形態による水熱処理装置の動作を説明するための図である。 図６は、本発明の一実施形態による水熱処理装置の動作を説明するための図である。 図７は、本発明の一実施形態による水熱処理装置の動作を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。

まず、本発明の一実施形態による水熱処理装置について説明する。図１に、この一実施形態による水熱処理装置を示す。

図１に示すように、この一実施形態による水熱処理装置は、水熱処理装置本体１と貯留タンク２とから構成されている。水熱処理装置本体１は、外管３、排気管４、吸気管５、排液管６、蓋部７、固定治具８、回転並進機構９、シャフト１０、および脱水管１１を有して構成されている。貯留タンク２には、排気管２１および給液管２２が設けられ、水熱処理装置本体１の排液管６と貯留タンク２の給液管２２とが、バルブ２３を介して連結されている。さらに、貯留タンク２の重力方向に沿った下部側には、ドレン管２４が設けられている。

水熱処理装置本体１の外管３は円筒形状の部分を有し、その円筒形状の回転並進機構９側の一端にフランジ部３ａが設けられている。外管３のフランジ部３ａとは反対側の一端には、固定治具８によって、蓋部７が固定されている。そして、この固定治具８を取り外すことにより、蓋部７を外管３から取り外すことができる。

また、外管３の内部に設けられた脱水管１１は、外管３に沿った円筒形状で、その円筒部分に複数の開口部１１ｂが形成されている。この脱水管１１の内部には、その円筒の内面に部分的に沿った円柱形状のピストン１２が設けられている。そして、シャフト１０が、フランジ部３ａおよび脱水管１１の一端を貫通して、このピストン１２に連結されている。また、外管３および脱水管１１は、その長手方向が水平であり、この長手方向に平行なシャフト１０の長手方向が重力に対してほぼ垂直になる横型に設置されており、外管３の内部においては、重力に従った下側の円筒部分が外管３の底部となる。

また、シャフト１０は、その一端が回転並進機構９に支持されており、回転並進機構９によって長手方向に沿って並進運動可能に構成されているとともに、その軸を中心として回転運動可能に構成されている。そして、回転並進機構９によってシャフト１０を並進させることによりピストン１２を脱水管１１内において並進させることができるように構成されている。また、回転並進機構９によってシャフト１０を軸中心に回転させることにより、脱水管１１を、その円筒形状の円断面の中心でシャフト１０の軸と一致した軸を中心に、回転させることができるように構成されている。

また、脱水管１１の蓋部７側には、脱水管１１と着脱可能で蓋部７に連結された脱水管蓋部１１ａが設けられている。このように脱水管蓋部１１ａは蓋部７に連結されており、蓋部７を外管３から取り外すときに、併せて脱水管蓋部１１ａも脱水管１１から取り外すことができる。

また、排気管４の外気側の一端には、排気管４を通じて外管３の内部を外気や外部装置に開放するための開閉バルブ４ａが設けられている。吸気管５は、水蒸気供給装置（図示せず）から水蒸気を吸気可能に構成されている。排液管６は、外管３の内部の液体を、バルブ２３を介し給液管２２を通じて貯留タンク２に供給する配管である。また、貯留タンク２の排気管２１の一端には、貯留タンク２の内部を外気や外部装置に開放するための開閉バルブ２１ａが設けられている。また、ドレン管２４は、貯留タンク２内の液体を外部に排出する配管であり、ドレン管２４の外気側の一端には、液体を外部に排出するための開閉バルブ２４ａが設けられている。

次に、以上のように構成された水熱処理装置を用いた水熱処理方法について説明する。図２に、この水熱処理方法のフローチャートを示し、図３〜図７に水熱処理方法のそれぞれの工程における水熱処理装置の動作状態を示す。

図２に示すように、この一実施形態による水熱処理方法においては、まず、亜臨界処理工程を行う（ステップＳＴ１）。この亜臨界処理工程においては、図３に示すように、まず、蓋部７および脱水管蓋部１１ａを取り外して、脱水管１１の内部に被処理物としての有機性汚泥３１を収納した後、蓋部７および脱水管蓋部１１ａを閉めて固定治具８により外管３と蓋部７とを密着固定させて外管３の内部を密閉する。

次に、開閉バルブ４ａおよびバルブ２３を閉状態に維持しつつ、外部に設置された、例えばボイラーなどの水蒸気供給機構（図示せず）から吸気管５を通じて、高温高圧の水蒸気を外管３内に供給する。ここで、この一実施形態においては、水蒸気供給機構から供給する水蒸気の温度を１３３℃以上２１２℃以下、具体的には例えば２１０℃とする。これによって、外管３の内部が高温高圧で亜臨界状態の水蒸気で満たされるとともに、脱水管１１の内部にも円筒部分の開口部１１ｂを通じて水蒸気が浸入して、高温高圧で亜臨界状態の水蒸気で満たされる。

また、この高温高圧雰囲気において、回転並進機構９によりシャフト１０をその軸中心に揺動させることにより、脱水管１１が揺動されて有機性汚泥３１が攪拌され、有機性汚泥３１の全体に水蒸気が行き渡る。これによって、有機性汚泥３１に対する亜臨界処理が行われる。また、外管３の底部には、供給された水蒸気が凝集したり、有機性汚泥３１から水分などの液体成分が漏出したりすることによって、処理水３２が貯留する。

次に、図２に示すように、亜臨界中脱水工程を行う（ステップＳＴ２）。この亜臨界中脱水工程においては、図４に示すように、外管３および脱水管１１の内部が高温高圧で亜臨界状態に維持されており、その圧力が０．１ＭＰａ以上２２．１ＭＰａ以下、好適には、０．２ＭＰａ以上１．６ＭＰａ以下、より好適には、０．７ＭＰａ以上１．１ＭＰａ以下、具体的には例えば０．９ＭＰａであり、その温度が１２０℃以上２００℃以下、好適には、１６０℃以上１８０℃以下、具体的には例えば１７０℃である。このような高温高圧の亜臨界状態において、回転並進機構９によってシャフト１０を外管３の内部に向けて並進させる。これにより、ピストン１２が脱水管蓋部１１ａに向かって移動されて、ピストン１２と脱水管蓋部１１ａとの間で有機性汚泥３１が圧縮され、脱水処理が行われる。有機性汚泥３１が脱水管１１の内部で圧縮されると、有機性汚泥３１に含まれる水分などの液体成分（脱水ろ液）が脱水管１１の開口部１１ｂを通じて排出される。これにより、外管３内にさらに処理水３２が貯留される。

このとき、亜臨界処理がされた有機性汚泥３１は、その内部に含まれる液体状の水分の粘度が低下している。そのため、亜臨界処理がされた有機性汚泥３１を、亜臨界状態の高温高圧雰囲気において脱水することにより、圧縮による脱水性を向上させることができ、高温高圧の亜臨界状態を脱水処理に有効利用することができる。

次に、図２に示すように、亜臨界中脱液工程を行う（ステップＳＴ３）。この亜臨界中脱液工程においては、図５に示すように、外管３の内部を亜臨界状態の高温高圧雰囲気に維持しつつ、バルブ２３を開けて開状態にする。これにより、外管３の内部の高圧状態によって処理水３２（図４参照）に雰囲気圧力が作用して、処理水３２が外管３から排液管６と給液管２２とを通じて貯留タンク２に急速に供給される。このように、外管３の内部の処理液３２が排出されることにより、後述する取り出し工程において有機性汚泥３１が水分に接触することを防止することができる。また、バルブ２３が開状態となっていることから、外管３の内部の処理水３２が貯留タンク２に供給されると、貯留タンク２の内部の雰囲気も外管３の内部と同様の高温高圧雰囲気となる。

次に、図２に示すように、脱気工程を行う（ステップＳＴ４）。この脱気工程においては、図６に示すように、まず、バルブ２３を閉じて閉状態とする。その後、排気管４の開閉バルブ４ａを開けて開状態とする。これにより、外管３の内部の水蒸気などの蒸気が外部に放出され、外管３の内部の雰囲気圧が亜臨界状態の高温高圧雰囲気による雰囲気圧未満の所定の圧力、具体的には例えば大気圧まで低下される。一方、貯留タンク２において開閉バルブ２１ａを開けて開状態とする。これにより、貯留タンク２の内部の水蒸気などの蒸気が外部に放出され、貯留タンク２の内部の圧力が徐々に所定の圧力、例えば大気圧まで低下される。このように開閉バルブ４ａや開閉バルブ２１ａを介して排出された蒸気は、必要に応じて外気に放出されたり外部装置（図示せず）に供給されたりする。そして、貯留タンク２の内部の圧力が例えば大気圧程度まで十分に下がった後、開閉バルブ２４ａを開けることにより、貯留タンク２の内部の処理水３２がドレン管２４を通じて外部に排出される。

また、上述した脱気工程前における外管３の内部の高温高圧雰囲気においては、有機性汚泥３１に含有された液体状の水分の多くが１００℃より高い温度となっている。そして、この状態から、脱気工程を行って外管３の内部の圧力を大気圧まで減圧させると、圧縮された有機性汚泥３１に含有された１００℃以上の水分は水蒸気となって蒸発し、外管３の外部に放出される。これにより、亜臨界中脱水工程において脱水処理がされた有機性汚泥３１からさらに水分が除去され、脱水効率をより一層向上させることができる。

次に、図２に示すように、取り出し工程を行う（ステップＳＴ５）。この取り出し工程においては、図７に示すように、外管３および蓋部７から固定治具８を取り外し、蓋部７を外管３から取り外すとともに脱水管蓋部１１ａを脱水管１１から取り外す。

次に、回転並進機構９によりシャフト１０を外管３の内側の向き（図７中、押し方向）に押し入れることにより、圧縮され脱水された有機性汚泥３１の脱水ケーキが脱水管１１から取り出される。この有機性汚泥３１の脱水ケーキは、焼却処分又は埋め立て処理がされる。

次に、回転並進機構９によりシャフト１０を外管３から外側の向き（図７中、戻し方向）に引くことにより、ピストン１２が連動して最初の位置に復帰される。その後、脱水管１１の内部に新たに処理される有機性汚泥３１が収納されると、上述したステップＳＴ１〜ステップＳＴ５の工程が行われて有機性汚泥に対する水熱処理が実行される。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、従来別体で構成されていた水熱処理と脱水処理とを同一の水熱処理装置によって行っていることにより、この水熱処理装置を含む有機性汚泥の処理システムの省スペース化を図ることができるとともに、水熱処理における高温高圧雰囲気を脱水処理にも有効利用することができる。また、従来のように有機性汚泥３１の水熱処理装置から脱水処理装置への搬送が不要になるため、水熱処理プロセスにおける工程数を削減することができる。また、亜臨界状態の高温雰囲気において有機性汚泥３１に対して脱水処理を行った後、さらに亜臨界状態の高圧雰囲気から、この雰囲気圧未満の所定の圧力である大気圧に減圧して有機性汚泥３１に含有される水分を蒸発させていることにより、脱水処理を２段階で行うことになるため、脱水ケーキとされた有機性汚泥３１の含水率をより一層低減することができる。

上述の一実施形態においては、外管３および脱水管１１をその長手方向が水平になる横型に設置しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、外筒３および脱水管１１をその長手方向が垂直になる縦型としてもよい。

１ 水熱処理装置本体
２ 貯留タンク
３ 外管
３ａ フランジ部
４，２１ 排気管
４ａ，２１ａ，２４ａ 開閉バルブ
５ 吸気管
６ 排液管
７ 蓋部
８ 固定治具
９ 回転並進機構
１０ シャフト
１１ 脱水管
１１ａ 脱水管蓋部
１１ｂ 開口部
１２ ピストン
２２ 給液管
２３ バルブ
２４ ドレン管
３１ 有機性汚泥
３２ 処理水

Claims (7)

1. 亜臨界状態の水蒸気を用いて被処理物に対して亜臨界雰囲気において水熱処理可能で、前記被処理物から分離される液体成分を貯留可能に構成された水熱処理手段と、
   前記水熱処理がされた被処理物から液体成分を分離する脱水処理を前記亜臨界雰囲気において実行可能に構成された脱水処理手段とを有し、
   前記脱水処理手段は、前記水熱処理手段の内部に設けられ、前記被処理物を収納可能に構成されているとともに、前記被処理物を圧縮可能なピストンを内部に備え、開口部が形成された脱水管からなる
   ことを特徴とする水熱処理装置。
2. 前記脱水管の一端を貫通したシャフトを備え、前記シャフトの一端が前記ピストンに連結されているとともに前記シャフトの他端が回転並進機構に支持され、前記回転並進機構により前記シャフトを並進運動させることによって前記ピストンが並進運動可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の水熱処理装置。
3. 前記回転並進機構によって前記シャフトが前記シャフトの軸を中心に回転可能に構成され、前記回転並進機構により前記シャフトを前記軸を中心として揺動させることによって、前記脱水管を揺動させて前記被処理物を攪拌可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の水熱処理装置。
4. 前記脱水管が円筒形状を有し、前記開口部が円筒部分に形成されているとともに、前記ピストンが前記円筒の内面に部分的に沿った円柱形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水熱処理装置。
5. 前記分離された液体成分を、前記水熱処理手段から排出する排液手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水熱処理装置。
6. 前記水熱処理手段が、前記水熱処理手段の内部の気体を排気可能に構成された排気部を備え、前記排気部によって前記水熱処理手段の内部の圧力を所定の圧力まで低減可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水熱処理装置。
7. 前記被処理物が有機性汚泥であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の水熱処理装置。

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