JP6999992B1 - 亜臨界水処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
<亜臨界水処理装置>
<<第1実施形態>>
まず、本発明の亜臨界水処理装置の第1実施形態について説明する。
本発明の亜臨界水処理装置は、有機性廃棄物を低分子化して処理物を得る装置である。
ここで、亜臨界水処理とは、水の臨界温度以下の高温であり、かつ、飽和水蒸気圧以上の高圧である高温かつ高圧下で、気体状の亜臨界水を有機性廃棄物に接触させて低分子化する方法である。この低分子化により、有機性廃棄物が分解されて処理物が得られる。
図1に示す亜臨界水処理装置1は、圧力容器2と、圧力容器2に収容された有機性廃棄物を撹拌する撹拌機構3と、有機性廃棄物を加熱する加熱機構4とを有する。なお、以下の説明において、周方向とは、中心線回りの方向を、径方向とは、中心線を中心とした半径の方向を意味する。
本実施形態の圧力容器2は、容器本体21の中心線O21が鉛直方向に沿うように、架台(不図示)によって支持された縦置き型の圧力容器である。この容器本体21は、半球状(ドーム状)の上部鏡板2111を有する上側容器本体211と、半球状(ドーム状)の下部鏡板2121を有する下側容器本体212とを有する。
下側容器本体212に上側容器本体211を重ね合わせ、フランジ部2112とフランジ部2122とを、例えば、ボルト等で締め付けることにより、これらの間を気密的に封止して固定することができる。
なお、上側容器本体211は、下側容器本体212に対して開閉可能なクラッチドアとして構成することもできる。
特に、投入口22の中心線O22および排出口23の中心線O23のそれぞれが、容器本体21の中心線O21に対して傾斜しているので、有機性廃棄物の容器本体21内への投入作業および処理物の容器本体21内からの排出(取出)作業を行い易い。
容器本体21の内側の液体収容部24に、上記液体Lを収容した状態で、圧力容器2を密閉し、加熱機構4により有機性廃棄物の加熱を開始する。これにより、液体収容部24に収容された液体Lから、気体状の亜臨界水が生成され、この亜臨界水を有機性廃棄物に接触させることで、有機性廃棄物の低分子化が進行する。
ここで、上記液体Lは、水を主成分とすればよく、その他の成分を含んでいてもより。その他の成分としては、例えば、過酸化水素、水酸化ナトリウム等が挙げられる。
また、高圧ボイラーを付帯しないので、亜臨界水処理装置1の運転および操作は、ボイラー技士の有資格者によらず、コンビニエンスストアのレジ担当でも行うことができる。したがって、亜臨界水処理装置1の操作性および利便性が極めて高い。
なお、排出口23の設置位置の変更、排出口23の中心線O23の容器本体21の中心線O21に対する角度の調整等により、排出口23の内部空間の全体を、液体収容部24として機能させることもできる。
また、液体収容部24は、排出口23から独立して構成されてもよい。かかる構成としては、例えば、下部鏡板2121の内面に凹没形成した凹部、上部鏡板2111の内面に固定または内面から吊下された容器等が挙げられる。
加熱機構4としては、例えば、アルミナヒーター式、オイルヒータ式、光加熱(赤外線)式、IHヒータ式等を使用することができる。
また、容器本体21の所定箇所には、容器本体21の内部(気体状の亜臨界水)の温度および圧力をそれぞれ測定可能な温度センサおよび圧力センサ(いずれも不図示)が接続される。
撹拌機構3は、さらに、下部鏡板2121の内面に固定された4枚の固定翼34を備える。4枚の固定翼34は、容器本体21の中心線O21を中心として周方向に沿ってほぼ等間隔で配置されている。また、4枚の固定翼34は、撹拌翼32から若干離間して配置されている。
特に、本発明では、撹拌翼32の径方向外側端の回転周速が1.5m/秒以上に設定される。本発明者らの検討によれば、かかる回転周速(回転速度)で撹拌翼32を回転させることにより、液体Lの蒸気(気体状の亜臨界水)と有機性廃棄物とを必要かつ十分に接触させ、有機性廃棄物の低分子化を十分に促進させることができる。
ここで、「容器本体21の亜臨界水処理下での必要空間率」とは、亜臨界水処理の開始時点において、容器本体21の容積に対して、容器本体21の容積と有機性廃棄物の体積との差分(すなわち、容器本体21内の有機性廃棄物が存在しない空間の体積)が占める割合を100分率で表した値である。
また、複数枚の撹拌翼32および固定翼34の設置間隔は、周方向に沿って不均一であってもよい。さらに、撹拌翼32は、回転軸31の軸方向(鉛直方向)に沿った複数箇所(複数段)に配置するようにしてもよい。
図2に示す隔離板25は、複数枚の扇状の仕切り板材251を中心部で互いに展開可能に固定することにより、全体として円形状をなしている。各仕切り板材251には、その厚さ方向に貫通する複数の貫通孔2511が形成されている。貫通孔2511を介して液体Lを排出口23の内側空間(液体収容部24)に供給し、液体Lの蒸気は貫通孔2511を介して容器本体21内に移動することができる。
また、後述するようにコンテナ内に収容することができるようになり、この状態で目的とする場所にまで搬送することができる。
使用する液体Lの量は、特に限定されないが、容器本体21の容積の0.001~0.1倍程度であることが好ましく、0.005~0.05倍程度であることがより好ましい。かかる量の液体Lを使用すれば、有機性廃棄物を低分子化するのに十分な気体状の亜臨界水を生成することができる。
気体状の亜臨界水の具体的な温度および圧力は、200℃程度、20気圧程度であることが好ましい。
亜臨界水処理における時間は、有機性廃棄物の種類等に応じて適宜設定され、特に限定されないが、0.1~10時間程度であることが好ましく、0.5~5時間程度であることがより好ましい。
なお、室温かつ大気圧下での水の誘電率は、約80であり、温度約25℃かつ大気圧下での水のイオン積は、1×10-14mol2/kg2である。
ここで、可溶化率とは、亜臨界水処理後の全有機物に対する可溶性有機物の比率であり、数値が高いほど有機物の低分子化が進んでいることを意味する。
有機性廃棄物の低分子化物の具体例としては、例えば、炭水化物、タンパク質、脂肪等が分解され、これらのそれぞれ対応する糖類、アミノ酸類、高級脂肪酸類等が挙げられる。
また、亜臨界水処理装置1での亜臨界水処理は、その性質上バッチ処理となるが、本発明では、数バッチ/日の割合で実施することができる。
次に、本発明の亜臨界水処理装置の第2実施形態について説明する。
以下、第2実施形態の亜臨界水処理装置1について、第1実施形態の亜臨界水処理装置1との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図3は、亜臨界水処理装置の第2実施形態を部分的に断面で示す概念図である。
投入口22は、その中心線O22が中心線O21にほぼ直交するように、容器本体21の鉛直方向上側に接続されている。一方、排出口23は、中心線O23が中心線O21に対して、投入口22と反対側に向かって傾斜するように、容器本体21の鉛直方向下側の端部に接続されている。
6枚の撹拌翼32は、回転軸31の軸方向(長手方向)に沿って、互いに離間して設けられている。また、6枚の撹拌翼は、容器本体21の内面から若干離間して配置されている。
本実施形態では、撹拌翼32の径方向外側端の回転周速は、2m/秒以上であることが好ましく、3m/秒以上であることがより好ましい。なお、回転周速の上限値は、通常、7m/秒程度である。かかる回転周速であれば、上記効果をより高めつつ、高出力の高価なモータ33の使用を回避することができる。
なお、回転軸31の軸方向に沿った複数箇所(複数段)のぞれぞれには、2枚以上の撹拌翼32が設けられてもよく、各段に設けられる撹拌翼32の枚数が異なっていてもよい。
次に、本発明の亜臨界水処理ユニットについて説明する。
図4は、亜臨界水処理ユニットの実施形態を示す概念図である。
図4に示す亜臨界水処理ユニット100は、上記亜臨界水処理装置1と、この亜臨界水処理装置1に接続されたペレット化装置・半炭化装置10とを有する。
処理物を含む混合物(ペレット原料)は、処理物を含むペレット原料を半炭化する半炭化装置により半炭化した後、これをペレット化装置によりペレット化してもよく、この逆であってもよい。ここで、ペレット化装置は、ペレット原料または半炭化後のペレット原料をペレット化して、ペレットを得る装置である。
有機性廃棄物は、収集地域、時期により組成が異なり、亜臨界水処理により得られた処理物の発熱量も変動する。この発熱量の変動を補完(調整)すること等を目的として、木質バイオマスを処理物と混合することができる。これにより、石炭と同等の安定した発熱量を有し、RPFで定められた全塩素分の質量分率における品質区分と同等の品質を有するペレット(固形燃料)を極めて短時間で良好に製造することができる。
得られるペレットは、燃焼させればCO2を発生するが、木質バイオマスであれば、森林の木々が吸収したCO2を大気中に戻すだけなので、カーボンニュートラルである。したがって、例えば、本実施形態で得られるペレットのような「バイオマスエネルギー燃料」は、エコロジーな燃料とも言える。
また、半炭化により得られたペレットは、含水率および揮発性の有機成分の含有率が抑制されるとともに、純度の高い炭化物で構成される。したがって、ペレットは、その発熱量が増大し、自然環境での耐久性および保存安定性に優れる。
熱処理の温度は、200~700℃程度であることが好ましく、200~300℃程度であることがより好ましい。また、熱処理の時間は、1~24時間程度であることが好ましく、1~3時間程度であることがより好ましい。
かかる条件で半炭化処理を行うことにより、ペレット原料を確実に半炭化状態とすることができる。
ここで、半炭化状態とは、ペレット原料の半分程度が炭化物に変換された状態を言う。
また、本実施形態の亜臨界水処理ユニット100は、図4に示すように、亜臨界水処理装置1、ペレット化装置・半炭化装置10を収容した状態で搬送可能なコンテナ200を有する。
コンテナ200は、亜臨界水処理装置1およびペレット化装置・半炭化装置10を収容した状態で、大型車両300に積載されている。これにより、亜臨界水処理ユニット100を、目的に応じて、所定の箇所に移動させることができる。
なお、高圧ボイラーが付帯された大型の亜臨界水処理装置では、これのみがコンテナに収容可能であり、ペレット化装置・半炭化装置を含むその他の設備は、異なるコンテナに収容せざるを得ず、亜臨界水処理ユニットを設置するための極めて広いスペースを確保する必要がある。したがって、かかる亜臨界水処理ユニットは、市街地に設置するのが困難である。
また、容器本体21の内側に、有機性廃棄物の亜臨界水処理に使用する液体Lを収容する液体収容部24を設けることにより、高圧ボイラーを必要としない比較的小型の亜臨界水処理装置を提供することができる。この場合、高圧ボイラーを必要としないため、亜臨界水処理装置は、安全性が高く、操作が容易である。したがって、亜臨界水処理装置は、場所を選ばず、例えば、市街地のような目的とする場所に設置することができる。
また、この場合、加熱機構4を省略してもよい。
ここで、水処理装置は、亜臨界水処理装置1から排出されたガスを水処理する装置であり、その処理方法は、水処理の目的や基準に応じて選定される。この水処理装置は、例えば、加圧浮上処理を行う装置等で構成することができる。また、脱臭処理装置は、亜臨界水処理装置1から排出されたガスを脱臭処理する装置であり、例えば、吸着フィルター装置等で構成することができる。
なお、亜臨界水処理ユニット100は、亜臨界水処理装置1と、ペレット化装置、半炭化装置、水処理装置および脱臭処理装置のうちの少なくとも1つの装置とを有していればよい。この場合、コンテナ200は、亜臨界水処理装置1および上記少なくとも1つの装置を収容する。
したがって、亜臨界水処理ユニット100を構成する複数の装置は、コンテナ200の容積(サイズ)に応じて、全ての装置を1つのコンテナ200に収容してもよく、複数のコンテナ200に分けて収容するようにしてもよい。後者の場合、複数のコンテナ200の容積は、互いに同一であっても、異なっていてもよい。
前記亜臨界水処理装置において、前記容器本体の中心線は、鉛直方向に沿っており、前記撹拌翼の径方向外側端の回転周速が5m/秒以上に設定される、亜臨界水処理装置。
前記亜臨界水処理装置において、複数枚の前記撹拌翼が、前記回転軸の鉛直方向下側の端部に設けられている、亜臨界水処理装置。
前記亜臨界水処理装置において、前記容器本体の中心線は、鉛直方向とほぼ直交する方向に沿っており、前記撹拌翼の径方向外側端の回転周速が2m/秒以上に設定される、亜臨界水処理装置。
前記亜臨界水処理装置において、複数枚の前記撹拌翼が、前記回転軸の軸方向に沿って、互いに離間して設けられている、亜臨界水処理装置。
前記亜臨界水処理装置において、前記圧力容器は、さらに、前記容器本体の内側に設けられ、前記有機性廃棄物の亜臨界水処理に使用する液体を収容する液体収容部を備える、亜臨界水処理装置。
前記亜臨界水処理装置において、前記排出口の内側空間の少なくとも一部が、前記液体収容部として機能する、亜臨界水処理装置。
前記亜臨界水処理装置において、さらに、前記容器本体と前記排出口との境界部に設けられ、前記液体の蒸気の通過を許容するが、前記有機性廃棄物の通過を阻止する隔離板を有する、亜臨界水処理装置。
前記亜臨界水処理装置において、前記排出口の中心線は、前記容器本体の中心線に対して、前記投入口と反対側に向かって傾斜している、亜臨界水処理装置。
前記亜臨界水処理装置において、さらに、前記有機性廃棄物を加熱する加熱機構を有し、前記加熱機構は、前記容器本体の鉛直方向下側の部分を覆うように設けられている、亜臨界水処理装置。
もちろん、この限りではない。
(実施例1)
まず、図1に示す亜臨界水処理装置を準備した。なお、容器本体の容量は、286Lであった。
次に、圧力容器の排出口の内側空間に、15Lの水道水(亜臨界水を生成するための液体)を供給した。
次に、撹拌機を低速起動した後、投入口から200kgのシュレッダーゴミ(紙類の裁断物)を容器本体内に投入した。その後、投入口を閉塞した状態とし、加熱機構により加熱を開始した。加熱は、先に液体収納部の水道水を加熱した後に、生成する亜臨界水の温度を220℃、圧力を25気圧に設定し、2時間、亜臨界水処理を実施した。また、撹拌翼の径方向外側端の回転周速を5m/秒に設定して、撹拌翼を回転させた。
まず、高圧ボイラーを付帯する図4に示す亜臨界水処理装置を準備した。なお、容器本体の容量は、3m3であった。
次に、撹拌機を低速起動した後、投入口から2100kgのシュレッダーゴミ(紙類の裁断物)を容器本体内に投入した。
次に、高圧ボイラーから亜臨界水を供給した、なお、亜臨界水の温度を220℃、圧力を25気圧に設定し、2時間、亜臨界水処理を実施した。また、撹拌翼の径方向外側端の回転周速を2m/秒に設定して、撹拌翼を回転させた。
撹拌翼の径方向外側端の回転周速を1m/秒に設定した以外は、実施例2と同様にして、亜臨界水処理を実施した。
これに対して、比較例では、有機性廃棄物は蒸されたような状態に留まり、その低分子化が困難であった。図6は、比較例の亜臨界水処理で得られた有機性廃棄物の未低分子化物の写真である。
2 :圧力容器
21 :容器本体
211 :上側容器本体
2111 :上部鏡板
2112 :フランジ部
2113 :上部貫通孔
212 :下側容器本体
2121 :下部鏡板
2122 :フランジ部
2123 :下部貫通孔
22 :投入口
221 :胴部
222 :開口
223 :蓋部
23 :排出口
231 :胴部
232 :開口
233 :蓋部
24 :液体収容部
25 :隔離板
251 :仕切り板材
2511 :貫通孔
29 :架台
3 :撹拌機構
31 :回転軸
32 :撹拌翼
33 :モータ
34 :固定翼
35 :ベルト
39 :架台
4 :加熱機構
10 :ペレット化装置・半炭化装置
100 :亜臨界水処理ユニット
200 :コンテナ
300 :大型車両
L :液体
O21 :中心線
O22 :中心線
O23 :中心線
Claims (8)
- 有機性廃棄物を低分子化して処理物を得る亜臨界水処理装置であって、
圧力容器と、前記圧力容器に収容された前記有機性廃棄物を撹拌する撹拌機構とを有し、
前記圧力容器は、中心線が鉛直方向に沿って配置された容器本体と、前記有機性廃棄物を前記容器本体内に投入する投入口と、前記処理物を前記容器本体内から排出する排出口とを備え、
前記撹拌機構は、前記容器本体の中心線に沿って配置された回転軸と、前記回転軸から径方向外側に伸びる少なくとも1枚の撹拌翼とを備え、
前記撹拌翼の径方向外側端の回転周速が5m/秒以上に設定される、亜臨界水処理装置。 - 請求項1に記載の亜臨界水処理装置において、
複数枚の前記撹拌翼が、前記回転軸の鉛直方向下側の端部に設けられている、亜臨界水処理装置。 - 請求項1または請求項2に記載の亜臨界水処理装置において、
亜臨界水処理の開始時点において、前記容器本体の容積に対して、前記容器本体の容積と前記有機性廃棄物の体積との差分が占める割合が30%以上に設定される、亜臨界水処理装置。 - 請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の亜臨界水処理装置において、
前記圧力容器は、さらに、前記有機性廃棄物の亜臨界水処理に使用する液体を収容する液体収容部を備える、亜臨界水処理装置。 - 請求項4に記載の亜臨界水処理装置において、
前記排出口の内側空間の少なくとも一部が、前記液体収容部として機能する、亜臨界水処理装置。 - 請求項4または請求項5に記載の亜臨界水処理装置において、
さらに、前記容器本体と前記液体収容部との境界部に設けられ、前記液体の蒸気の通過を許容するが、前記有機性廃棄物の通過を阻止する隔離板を有する、亜臨界水処理装置。 - 請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の亜臨界水処理装置において、
前記排出口の中心線は、前記容器本体の中心線に対して、前記投入口と反対側に向かって傾斜している、亜臨界水処理装置。 - 請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の亜臨界水処理装置において、
さらに、前記有機性廃棄物を加熱する加熱機構を有し、
前記加熱機構は、前記容器本体の鉛直方向下側の部分を覆うように設けられている、亜臨界水処理装置。
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