JP7200106B2 - 定常状態における有機物の熱加水分解および蒸気エネルギーを全て回収するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、その実施のための方法および設備を含み、廃水からの下水汚泥、家庭および産業廃棄物および他のあらゆる物質を含む有機物処理の分野に適用される。それは固体の嫌気性消化に対する前処理として特別な用途を見出す。

さまざまな工業プロセスでは、固体の物理的および化学的構造を変更する必要があり、そのためには前処理を実施する必要がある。特に固体の嫌気性消化の場合には、加水分解段階（可溶化、液化）がプロセスの全体的な律速段階である。加水分解段階による律速を改善するために、嫌気性消化に対する前処理として様々な物理的、化学的および生物学的プロセスが適用され、その結果としてメタン化プロセス全体が改善される。

熱加水分解プロセスは、比較的長時間、通常は３０分を超える時間にわたって固体を高温および高圧にさらすことに基づいている。続いて、この熱せられた高温流体は、高圧になった状態を利用して、固体構造に破損を生じさせるいわゆる水蒸気爆発効果を達成するために、急激な減圧またはフラッシュプロセスを受けることができる。他の方法は、熱せられた高温流体のエネルギーを回収するために熱交換器を使用する。

フラッシュ段階で生成された蒸気を再循環および凝縮して加水分解段階に至る供給物を加熱することによってエネルギーを回収するすべての技術は、単一の圧力レベルの蒸気を使用している。この圧力はフラッシュチャンバの圧力に対応するので、発生する蒸気は低圧である。

この構成では、蒸気に含まれる全てのエネルギーを利用することは不可能であり、これはエネルギー効率の悪いシステムにつながる。エネルギー消費を低減するためには、供給物を非常に高い値まで濃縮することが必要であり、その結果、この操作に起因するコストの増加を招き、それは大量の化学製品の使用を必要とする。

特許ＥＳ２５７０８１２Ａ１号は、凝縮性および不凝縮性の攻撃的な生成物を含有する蒸気を圧縮することにより、電気エネルギーを使用しそして複雑なメンテナンスを要する機械的圧縮機を使用してフラッシュチャンバを出る蒸気の圧力を高めることによってこの非効率を解決することを目的とする。また、電気エネルギーを使用する場合、システムはエネルギー的に非効率的である。

特許ＥＳ２５３８１７６Ｂ１号は、全ての既存のプロセスおよび設備とは区別される根本的に異なる概念設計によって前記エネルギーの非効率性を解決する。単一の圧力レベルの蒸気を使用する代わりに、２つの圧力レベルの蒸気を使用する。この構成によって、そして熱力学の法則に従って、蒸気に含まれるエネルギーを回収することが可能であり、中程度の濃度の固形物を扱う場合でさえも設備がエネルギー的に自給自足であることを達成する。

この事実から出発して、水蒸気爆発を用いて操作する全ての方法および設備は、一連の熱反応段階とそれに続く水蒸気爆発段階を使用する。請求項に記載した方法は、一連の水蒸気爆発段階＋熱反応段階＋水蒸気爆発段階を使用する。この方法はプロセスの全体的な動特性を改善し、よりコンパクトな設置およびより低廉な設置、運転および保守費用をもたらす。

本特許は、特許ＥＳ２５３８１７６Ｂ１号を派生させたものであり、その作用分野を拡大している。ポンピング装置の発展および新しい材料の出現により、現在において、加水分解されるべき流体に対して、信頼性が高く、メンテナンスが少なく、その運転条件を支持することができる機械的衝動システムを使用できるようになった。

この新たな状況を考慮して、本特許は、全エネルギー回収で運転し、短い滞留時間および一連の段階の水蒸気爆発＋熱反応＋水蒸気爆発でという基本的な特徴を維持しつつ、機械式ポンプシステムを使用する可能性を導入する。

有機物の連続熱加水分解のための本方法は、少なくとも以下の段階からなる。１）供給、段階的加圧および低、中および高圧レベルの水蒸気の逐次注入。２）中圧レベルの水蒸気の生成および熱反応を伴う水蒸気爆発の連続操作による最初の加水分解段階。３）水蒸気爆発と低圧水蒸気の生成からなる第二の加水分解段階。

汚泥を生成するプラントの通常の実施では、そのようなプロセスへの入口温度は環境の温度であるが、余剰の流体のエネルギーを利用する傾向がある。これは、段階１）のものより広い範囲の入口温度が可能であることを意味し、それは方法および設備の柔軟な概念設計を必要とする。

段階１において、加水分解される有機材料（５）は、段階２）へ入る（１１）前に設定値に達するまで加圧および加熱される。加圧は、少なくとも、（２０）と（２１）の流体に対して機械的衝動装置によって達成される。加熱は、少なくとも低圧（１３）、中圧（１５）および高圧（１６）の圧力蒸気を噴射することによって達成される。十分な品質の流体と蒸気の混合を達成するために、少なくともミキサー（１７）、（１８）（１９）が使用される。

流体に対する機械的衝動装置（２０）および（２１）、およびその他の設置されるものは、非ニュートン流体を含む流体や高粘度懸濁液の衝動が可能なあらゆる種類のポンプの中から選択される。特に、本発明の一変形形態では、また圧力が段階的に変化するため、他の技術で使用される容積式ポンプよりも安価で維持費が低い遠心ポンプを使用することができる。それらは１～１０ｂａｒｇの圧力を供給し、２０～１８０℃の温度範囲で作動しなければならない。ミキサー（１７）、（１８）、（１９）は、スタティック型とダイナミック型の両方から選択される。

考えられる種類の有機物の多様性および供給原料（５）の圧力、温度および濃度条件を考慮すると、方法および設備は柔軟でなければならない。本発明の変形形態では、ポンプ（２０）の出力ストリーム（６）はストリーム（７）と（９）に分割される。 ミキサー（１７）を通過した後のストリーム（７）はタンク（２）に戻され、その結果ポンプ（２０）は同時に加圧および再循環システムとして作用する。

他の変形例では、バルブ（１４）を閉じることによって、ポンプ（２０）の出力ストリーム（６）が直接ミキサー（１８）に導かれ、それによって再循環ループが遮断される。供給物（５）および低圧蒸気（１３）は直接タンク（２）に導かれる。

本発明の一変形形態では、ミキサー（１７）は、ポンプ（２０）によって再循環された物質を衝動流体として使用するエジェクタである。このようにして、良好な混合を達成することに加えて、チャンバ（４）の圧力および出力ストリーム（２４）の温度を下げることが可能である。この事実は、プロセス中のエネルギー消費量の減少につながる。

エネルギー収支によれば、流体（１０）は１７０℃より高い温度に到達することができず、これは、難分解性の非生分解性で潜在的に有毒な化合物の形成をもたらす二次反応の発生に対する限界として文献で示されている。ミキサー（１９）において、生蒸気（１６）と加水分解されるべき流体（１０）との極めて急速な混合が達成され、最高２２０℃までの温度に達する。前記二次反応が防止されるように、加熱は５秒未満の極めて短時間で行われる。

高温高圧の流体（１１）は瞬間的な減圧を引き起こすことができる要素（２２）を通過し、その結果温度が低下し、水蒸気爆発機構によって固体の構造に最初の破損が生じる。タンク（３）内で、中圧蒸気ストリーム（１５）が生成され、それが段階１）に導かれる。最初の水蒸気爆発を受けた液体分は、１～１５分の間タンク（３）内に保持され、したがって 温度加水分解反応プロセスが起こる。 この一次加水分解された有機物ストリーム（１２）は段階３）に導かれる。

前処理を行わない下水汚泥を用いて操作される変法では、タンク（３）は内部の液体の温度が決して１７０℃を超えないように制御される。 前以て消化された汚泥または他の供給源からの有機物を用いて操作される他の変法では、温度はより高い値、ただし常に二次反応の出現限界以下の温度まで上昇しても良い。

流体（１２）の圧力はタンク（３）を基準として課せられた温度と平衡になる圧力であるが、要素（２３）を通過するときに減圧される。タンク（４）内で、段階１）に運ばれる低圧蒸気ストリーム（１３）と消化に供される加水分解有機物ストリーム（２４）とが分離される。

本発明の変形形態では、タンク（４）の圧力は大気圧よりわずかに高く、０～０．２ｂａｒｇの範囲である。他の変形例では、この変形例において真空システムとして作用するエジェクタである混合器（１７）の効果により、タンク（４）内の圧力は－０．５～０ｂａｒｇの間に維持することができる。

使用される方法の結果として、システムは連続的に動作するだけでなく、既存の技術とは異なり、それはまた定常状態で動作する。これは、一旦操作変数（例えば流量、レベル、圧力および温度）が設定されたならば、それらは経時的に変化しないことを意味する。この振る舞いは、より高い安定性で動作し、より単純な制御システムを必要とし、より柔軟かつ堅牢で、そしてより良い性能を得るプロセスをもたらす。

本発明による実施のための設備の図を示す。

図１に続いて、特許請求の範囲に記載された本発明および設置を実行するために使用される手段に従って方法が説明される。使用される手段は次のとおり。タンクまたは容器（２）、（３）、（４）。 機械的衝動および流体加圧装置（２０）、（２１）。 流体 - 蒸気混合器（１７）、（１８）、（１９）。 膨張要素（２２）、（２３）。

選択された変法では、下水汚泥は加水分解されるが、予め濃縮され室温である（５）。 エジェクター（１７）において、供給物（５）は、低圧蒸気（１３）および再循環ストリーム（７）と混合される。 再循環ループを閉じるために、エジェクタの出力ストリーム（８）は容器（２）に戻される。全ての低蒸気（１３）は系内で凝縮する。 設計条件および課された再循環流量に応じて、再循環ループを出るストリーム（９）は、７０～１００℃の温度および３～８ｂａｒｇの値の圧力を有する。

第一の加圧および加熱段階の後のストリーム（９）は、ミキサー（１８）中で中圧蒸気（１５）を受け取る。エネルギー収支によれば、運転条件において、中高圧蒸気ストリームの導入後の温度は、二次反応の発生に対応する熱レベルに達することなく、１２０～１６０℃の間で推移する。この流体（１０）はポンプ（２１）によって加圧され、８～２０ｂａｒｇの間の圧力に達する。 超高速ミキサー（１９）において、流体は、１０～２２ｂａｒｇの圧力で生蒸気注入（１６）を受け、その温度を１６０～２２０℃に上昇させることができる。

この超急速加熱の後、高温高圧汚泥（１１）は減圧要素（２２）を通過し、タンク（３）において段階１）に導かれる中圧蒸気ストリーム（１５）と液体ストリーム（１２）に分割される。液体は、タンク（３）内で１～１５分の所定時間内で保持される。この順序では、有機物は最初に水蒸気爆発プロセスにかけられ、次に熱プロセスによる反応プロセスにかけられる。その結果、タンク（３）はフラッシュタンクと反応器という二重の機能を果たす。 上記の場合、タンク（３）内の温度は、１４０から１８０℃の間の予め設定され制御された設定値に維持される。

予め設定された反応時間の間タンク（３）内に留まった後、３～９ｂａｒｇの間の圧力で予め加水分解された有機材料ストリーム（１２）は減圧要素（２３）を通過してフラッシュチャンバとして作用するタンク（４）内に入り、段階１）に運ばれる低圧蒸気ストリーム（１３）と、消化にもたらされる加水分解汚泥ストリーム（２４）とに分割される。タンク圧力（４）は－０．５～０．５ｂａｒｇの間で変わりえる。 上記の変形において、さらにポンプ（２０）を再循環する液体の比率によって、タンク（４）内の圧力は－０．１ｂａｒｇでありそしてストリーム（２４）の出口温度は９７℃である。

Claims (4)

1. 定常状態におけるあらゆる種類の有機物の連続熱加水分解の方法であって、蒸気エネルギーを全て回収し、さらに、加水分解速度を大幅に向上するために、少なくとも以下の段階からなる方法。
   段階１）加水分解される有機材料をミキサー（１７）に供給し、当該ミキサー１７）内で、逐次注入される低圧レベルの水蒸気と混合し、続いて、前記低圧レベルの水蒸気と混合された加水分解される有機材料を、機械的衝動装置（２０）により段階的に加圧するとともに、ミキサー（１８）へと供給し、当該ミキサー（１８）内で、逐次注入される中圧レベルの水蒸気と混合し、続いて、前記中圧レベルの水蒸気と混合された加水分解される有機材料を、流体加圧装置（２１）により段階的に加圧するとともに、ミキサー（１９）へと供給し、当該ミキサー（１９）内で、逐次注入される高圧レベルの水蒸気と混合する。
   段階２）前記逐次注入される高圧レベルの水蒸気と混合された加水分解される有機材料を受け、減圧要素（２２）による水蒸気爆発操作に続く、加水分解処理を行うタンク（３）内における、前記ミキサー（１８）に逐次注入される中圧レベルの水蒸気の生成および熱反応を伴う加水分解を行う加水分解の第一段階。
   段階３）前記加水分解の第一段階において加水分解が行われた加水分解される有機材料を受け、減圧要素（２３）による水蒸気爆発操作に続く、加水分解処理を行うタンク（４）内における、前記ミキサー（１７）に逐次注入される低圧レベルの水蒸気の生成を伴う加水分解を行う加水分解の第二段階。
   且つ、前記段階１）において、高圧レベルの水蒸気をミキサー（１９）に逐次注入する際に、前記ミキサー（１９）に、高圧レベルの水蒸気である生蒸気を混合し、二次反応の出現温度より高い温度にあるようにするが、減圧要素（２２）を通過するまでの保持時間を５秒未満の短時間にすること。
2. 請求項１に記載の方法であって、加熱蒸気の供給、加圧および逐次注入の工程を特徴とし、以下の特徴を有するもの。
   －前記段階１）において、前記加水分解される有機材料を機械的衝動装置（２０）及び流体加圧装置（２１）により段階的に加圧する際に異なる圧力レベルの蒸気を受けて利用することを可能にする段階的な圧力上昇システムを使用する。
   －前記段階１）において、前記ミキサー（１７）には低圧レベルの水蒸気、ミキサー（１８）には中圧レベルの水蒸気をそれぞれ逐次注入する際、いかなる状況においても、前記タンク（３）および前記タンク（４）から来る蒸気は流路を経てシステムに注入されることで、高濃度の有機物を使用しなくても蒸気エネルギーを全て回収できること。
   －前記段階１）において、前記加水分解される有機材料を機械的衝動装置（２０）及び流体加圧装置（２１）により段階的に加圧する際に、対応する液体－ガス混合器である前記ミキサー（１７）、ミキサー（１８）及びミキサー（１９）に適切に蒸気を注入できるようにする、少なくとも２つのポンプである機械的衝動装置（２０）及び流体加圧装置（２１）を備えたシステムを使用する。
   －前記段階１）において、段階的に変化する圧力の効果により、より高価で維持が困難な容積式ポンプの代わりに遠心ポンプを機械的衝動装置（２０）及び流体加圧装置（２１）に使用すること。
   －前記段階１）において、加水分解段階へ供給される前記加水分解される有機材料である供給物（１１）の温度および圧力が最高で従来よりも高い２２０℃および２２ｂａｒｇに達すること。
   －２番目のフラッシュタンクとして作動する前記タンク（４）のチャンバの圧力を０～－０．５ ｂａｒｇの値に下げることができる低圧蒸気混合システムを前記段階３）において使用し、その結果、加水分解有機物の出口温度が低下し、正味エネルギー消費に影響を与えること。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記加水分解の第一段階が、以下の特徴を有するもの。
   －前記段階２）において、前記水蒸気爆発操作及び中圧レベルの水蒸気の生成および熱反応を伴う加水分解である熱反応段階を一連に行い、前記連続熱加水分解の方法における全体的な処理速度を改善すること。
   －前記段階２）において、減圧要素（２２）通過後に生成する中圧レベルの水蒸気を分離するフラッシュタンクとして作動すると同時に、温度による加水分解反応を促進する反応器として作動する流路で接続された前記タンク（３）を使用すること。
   －前記段階２）において、前もって水蒸気爆発プロセスを経た前記有機材料に対して温度による加水分解反応を適用し、それによって反応速度が著しく増加し、１４０～１８０℃の温度および１５分未満の反応時間で操作することが可能になること。
4. 請求項１に記載の方法であって、前記加水分解の第二段階が、以下の特徴を有するもの。
   ・３～１０ｂａｒｇの圧力から－０．５～０．５ｂａｒｇの圧力までの２回目の水蒸気爆発を起こすこと。
   ・前記段階１）に導かれる低圧蒸気を発生させること。

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