JP7440066B2

JP7440066B2 - 尿素水の製造方法

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Publication number: JP7440066B2
Application number: JP2020082828A
Authority: JP
Inventors: 正元金子
Original assignee: Kinsei Sangyo Co Ltd
Current assignee: Kinsei Sangyo Co Ltd
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2024-02-28
Anticipated expiration: 2040-05-08
Also published as: JP2021177112A

Description

本発明は、尿素水（尿素水溶液）の製造方法に関する。

従来、廃棄物等の焼却処理を行う装置において、燃焼排気中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を除去するためにアンモニア（ＮＨ_３）水を用いる方法が知られている。アンモニア水によれば、次式のように、窒素酸化物を分解して窒素と水を得ることができる。
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２ → ４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ

ところが、アンモニアは劇物であり管理が難しいため、アンモニアに代えて取り扱いが容易な尿素（ＣＯ（ＮＨ_２）_２）を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

尿素は水溶液（尿素水）にすると次式のように分解してアンモニアを生成するので、尿素水はアンモニア水と同様に窒素酸化物の分解に用いることができる。
ＣＯ（ＮＨ_２）_２＋Ｈ_２Ｏ → ２ＮＨ_３＋ＣＯ_２

ここで、粉体の尿素を水に溶解する反応は吸熱反応であるので外部から反応系に熱を供給する必要があり、通常、尿素水の製造は粉体の尿素を所定の範囲の温度、例えば６０℃以上の温水に溶解させることにより行われている。

特開２０１３－１０８６６８号公報特開２０１８－１６９１３１号公報

しかしながら、上述のようにして尿素水を製造する際には、所定の温度の温水を得るためには、燃料や電気等のエネルギーを必要とし、燃焼装置のランニングコストが増加する。

本発明は、かかる不都合を解消して、燃料や電気等のエネルギーを別途必要とすることなく、尿素水を製造することができる尿素水の製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の尿素水の製造方法は、所定の範囲の温度の温水に尿素を溶解して尿素水を製造する尿素水の製造方法であって、収納された廃棄物の一部を燃焼させつつ該燃焼熱により該廃棄物の残部を乾留して可燃性ガスを発生させる乾留炉と、該乾留炉から導入される可燃性ガスを燃焼させる燃焼炉とを備える乾留ガス化焼却処理装置における乾留が安定に進行する段階から灰化段階の間において、該乾留炉を構成する材料を保護するウォータージャケットから得られる６０～１００℃の範囲の温度の温水に尿素を溶解することを特徴とする。

廃棄物を焼却処理する焼却処理装置として、例えば、収納された廃棄物の一部を燃焼させつつ該燃焼熱により該廃棄物の残部を乾溜して可燃性ガスを発生させる乾溜炉と、該乾溜炉から導入される可燃性ガスを燃焼させる燃焼炉とを備える乾溜ガス化焼却処理装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

前記乾溜ガス化焼却処理装置では、前記乾溜炉内に収納した廃タイヤ等の廃棄物の一部を燃焼させ、その燃焼熱により該廃棄物の残部を乾溜（熱分解）して、可燃性ガスを生成させる乾溜ガス化を行う。そして、前記乾溜ガス化により生成する可燃性ガスを該乾溜炉から前記燃焼炉に導入して燃焼させる。

このとき、前記乾溜ガス化焼却処理装置では、前記乾留炉に対する空気の供給量を増減することにより前記廃棄物の乾留により生成する可燃性ガスの生成量を調整して、前記燃焼炉における前記可燃性ガスの燃焼温度がほぼ一定となるように制御されている。前記乾溜ガス化焼却処理装置では、前記廃棄物の乾留による熱から前記乾留炉を保護する必要があるが、前述のように、該乾留炉では炉内に対する空気の供給量を増減することにより、前記可燃性ガスの生成量を調整しているので、耐火物のような蓄熱する材料を用いることができず、炉壁をウォータージャケット構造にすることにより、該乾留炉を保護している。

そこで、本発明の尿素水の製造方法では、前記ウォータージャケットから得られる６０～１００℃の範囲の温度の温水に尿素を溶解することにより、燃料や電気等のエネルギーを別途必要とすることなく、尿素水を製造することができる。

前記ウォータージャケットから得られる温水の温度が６０℃未満では尿素を完全に溶解することができず、１００℃超とすることは技術的に困難である。

また、前記乾溜ガス化焼却処理装置では、前記乾留炉における前記廃棄物の乾留は、該乾留炉に収容されている廃棄物に着火され、乾留炉の底部の該廃棄物の一部に火床が形成される火床形成段階、該火床の燃焼熱により該廃棄物の残部の乾留が開始される乾留の初期段階、乾留が安定に進行する段階、乾留し得る廃棄物の量が減少し、発生する可燃性ガスの量も減少していく乾留の終了段階を経て最終的に該廃棄物が灰化される灰化段階に至るので、前記ウォータージャケットでは、前記廃棄物の乾留の各段階によって、得られる温水の温度が異なる。そこで、本発明の尿素水の製造方法では、前記温水は、例えば、前記乾溜ガス化焼却処理装置における乾留が安定に進行する段階から灰化段階の間において、前記ウォータージャケットから得ることが好ましい。

本発明の尿素水の製造方法に用いる乾溜ガス化焼却処理装置の構成例を示すシステム構成図。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

本実施形態の尿素水の製造方法は、所定の範囲の温度の温水に尿素を溶解して尿素水を製造する尿素水の製造方法であって、図１に示す乾溜ガス化焼却処理装置１における乾溜炉２ａ、２ｂを構成する材料を保護するウォータージャケットから得られる６０～１００℃の範囲の温度の温水に尿素を溶解する。

図１に示す乾溜ガス化焼却処理装置１は、廃タイヤ等の廃棄物Ａを収納し、その乾留ガス化及び灰化を行う２基の乾溜炉２ａ，２ｂと、乾溜炉２ａ，２ｂにガス通路３ａ，３ｂを介して接続される燃焼炉４とを備える。

乾溜炉２ａ，２ｂは、その上面部にそれぞれ開閉自在な投入扉５ａ，５ｂを備える投入口６ａ，６ｂが形成され、投入口６ａ，６ｂから廃棄物Ａを乾溜炉２ａ，２ｂ内に投入可能とされている。また、乾溜炉２ａ，２ｂの下部は開閉自在の底扉７ａ，７ｂとなっている。そして、乾溜炉２ａ，２ｂは、投入扉５ａ，５ｂ及び底扉７ａ，７ｂを閉じた状態では、その内部が実質的に外部と遮断されるようになっている。

底扉７ａ，７ｂの下部には乾溜炉２ａ，２ｂの内部と隔離された空室８ａ，８ｂが形成されており、空室８ａ，８ｂは、底扉７ａ，７ｂに設けられた複数の給気ノズル９ａ，９ｂを介して、乾溜炉２ａ，２ｂの内部に連通している。乾溜炉２ａ，２ｂの下部の空室８ａ，８ｂには、それぞれ乾溜酸素供給路１０ａ，１０ｂが接続されており、乾溜酸素供給路１０ａ，１０ｂは、酸素供給路１１を介して押込ファン等により構成された酸素供給源１２に接続されている。

乾溜酸素供給路１０ａ，１０ｂにはそれぞれ制御弁１３ａ，１３ｂが設けられ、制御弁１３ａ，１３ｂは弁駆動器１４ａ，１４ｂによりその開度が制御されるようになっている。この場合、弁駆動器１４ａ，１４ｂは、ＣＰＵ等を含む電子回路により構成された制御装置１５により制御される。

さらに、乾溜炉２ａ，２ｂの下部には、それぞれ乾溜炉２ａ，２ｂに収容された廃棄物Ａに着火するための着火装置１６ａ，１６ｂが取り付けられている。着火装置１６ａ，１６ｂは点火バーナ等により構成され、燃料供給装置１７ａ，１７ｂから燃料供給路１８ａ，１８ｂを介して供給される燃料を燃焼させることにより、廃棄物Ａに燃焼炎を供給する。

燃焼炉４は、廃棄物Ａの乾溜により生じる可燃性ガスとその完全燃焼に必要な酸素（空気）とを混合するバーナ部１９と、酸素（空気）と混合された可燃性ガスを燃焼させる燃焼部２０とからなり、燃焼部２０はバーナ部１９の下流側でバーナ部１９に連通している。バーナ部１９の上流側には、ガス通路３ａ，３ｂがそれぞれダンパ２１ａ，２１ｂを介して接続され、乾溜炉２ａ，２ｂにおける廃棄物Ａの乾溜により生じた可燃性ガスがガス通路３ａ，３ｂを介してバーナ部１９に導入される。

バーナ部１９の外周部には、その内部と隔離された空室（図示せず）が形成され、該空室はバーナ部１９の内周部に穿設された複数のノズル孔（図示せず）を介してバーナ部１９の内部に連通している。前記空室には、酸素供給路１１から分岐する燃焼酸素供給路２２が接続されている。

燃焼酸素供給路２２には制御弁２３が設けられ、制御弁２３は弁駆動器２４によりその開度が制御されるようになっている。この場合、弁駆動器２４は、制御装置１５により制御される。

バーナ部１９の上流側には、燃焼装置２５が取り付けられている。燃焼装置２５は点火バーナ等により構成され、燃料供給装置２６から燃料供給路２７を介して供給される燃料を燃焼させることにより、バーナ部１９に導入された可燃性ガスに着火し、或いは燃焼炉４を加熱する。

燃焼部２０の下流側には、燃焼炉４内で燃焼された燃焼排気により加熱される温水ボイラ２８が取り付けられている。温水ボイラ２８の出口側には、温水ボイラ２８で冷却された燃焼排気を排出するダクト２９ａが設けられており、ダクト２９ａは開閉弁３０を介して空冷式熱交換器３１の上端部に接続されている。空冷式熱交換器３１で冷却された燃焼排気は、空冷式熱交換器３１の下部に開閉弁３２を介して接続されたダクト２９ｂにより取出される。

一方、ダクト２９ａからは、開閉弁３０の上流側でダクト２９ｃが分岐しており、ダクト２９ｃは開閉弁３３を介して急冷塔３４の上端部に接続されている。急冷塔３４は、ダクト２９ｃから導入される燃焼排気に散水して冷却するスプレー３５を備えており、スプレー３５は冷却水を供給する給水装置（図示せず）及び空気圧縮機（図示せず）に接続されている。

急冷塔３４で冷却された燃焼排気は、急冷塔３４の下部に開閉弁３６を介して接続されたダクト２９ｄにより取出される。ダクト２９ｄは開閉弁３２，３６の下流側でダクト２９ｂに合流する。

ダクト２９ｂはバグフィルタ３７の一方の端部に接続されており、ダクト２９ｂからバグフィルタ３７に導入される燃焼排気には薬剤サイロ３８から供給される消石灰及び活性炭が混合され、硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）の脱硫及び脱臭が行われる。バグフィルタ３７の他方の端部には、ダクト２９ｅが接続されており、ダクト２９ｅは燃焼炉４内の燃焼排気を誘引する誘引ファン３９を介して煙突４０に接続されている。この結果、ダクト２９ｅに流通される燃焼排気は、煙突４０から大気中に放出される。

また、燃焼炉４の下流側には、温水ボイラ２８を用いない場合に燃焼排気を排出するダクト２９ｆが設けられており、ダクト２９ｆは開閉弁４１を介してダクト２９ａに接続されている。

乾溜ガス化焼却処理装置１において、廃棄物Ａを焼却処理する際には、まず、底扉７ａが閉じた状態で乾溜炉２ａの投入扉５ａを開き、投入口６ａから廃タイヤ等の廃棄物Ａを乾溜炉２ａ内に投入する。次に、制御装置１５により乾溜炉２ａに対する廃棄物Ａの投入が完了し、乾溜炉２ａに廃棄物Ａが収容されていることが検知されると、投入扉５ａを閉じて乾溜炉２ａ内を密封状態としたのち、燃焼炉４の燃焼装置２５を作動させることにより、燃焼炉４の予熱が開始される。

次に、燃焼炉４内の温度が次第に上昇し、例えば７６０℃に達すると、制御装置１５により弁駆動器１４ａが駆動されて制御弁１３ａの開度Ｖａが所定の開度、例えば２５％とされ、乾溜炉２ａに酸素（空気）の供給が開始される。次に、制御装置１５により、乾溜炉２ａに対する廃棄物Ａの投入の完了と、乾溜炉２ａに廃棄物Ａが収容されていること、ダンパ２１ａが開かれていることとが検知されると、乾溜炉２ａの着火装置１６ａが作動されて廃棄物Ａに着火され、廃棄物Ａの部分的燃焼が開始される。

次に、乾溜炉２ａでは、制御装置１５により弁駆動器１４ａが制御されて、制御弁１３ａの開度Ｖａが段階的に増大される。これに伴って、乾溜炉２ａにおける廃棄物Ａの部分的燃焼は、次第に拡大して安定化し、廃棄物Ａの底部に火床が形成される（火床形成段階）。

前記火床が形成されると着火装置１６ａは停止され、廃棄物Ａの部分的燃焼の熱により廃棄物Ａの他の部分の乾溜が開始され、可燃性ガスの生成が始まり、該可燃性ガスはガス通路３ａを介してバーナ部１９に導入される（乾留の初期段階）。

バーナ部１９では、制御装置１５により弁駆動器２４が駆動されて制御弁２３の開度が所定の開度とされ、酸素供給源１２から酸素供給路１１、燃焼酸素供給路２２を介して酸素（空気）が供給されている。そこで、前記可燃性ガスは、燃焼酸素供給路２２を介して供給される酸素（空気）と混合され、燃焼装置２５から供給される燃焼炎により着火されて、燃焼部２０における燃焼が開始される。

乾溜炉２ａにおける可燃性ガスの発生が活発になり、該可燃性ガスが燃焼炉４において自然燃焼を開始すると、燃焼炉４内の温度は次第に上昇し、予め設定された第１の温度（以下、第１の設定温度という）、例えば９３０℃に達する。

前記可燃性ガスの燃焼により燃焼炉４内の温度が前記第１の設定温度に達すると、燃焼装置２５が停止され、制御装置１５は、前記可燃性ガスの燃焼により、燃焼炉４内の温度が該第１の設定温度に維持されるように制御弁１３ａの開度Ｖａを調整し、乾溜炉２ａにおける該可燃性ガスの生成をフィードバック制御する（乾留が安定に進行する段階）。

乾溜炉２ａは、前記乾留による熱から炉材を保護する必要があるが、該炉材に耐火物のような蓄熱する材料を用いると、蓄熱された熱量が、炉内に対する空気の供給量の増減による前記可燃性ガスの生成量の調整の妨げとなる。そこで、乾溜炉２ａは、炉壁を図示しないウォータージャケット構造にすることにより、前記乾留による熱から炉材を保護している。

燃焼部２０における前記可燃性ガスの燃焼により発生する燃焼排気は、温水ボイラ２８で冷却されてダクト２９ａに排出され、又は、温水ボイラ２８を経由することなく、ダクト２９ｆを介してダクト２９ａに排出される。

ダクト２９ａに排出された前記燃焼排気は、温水ボイラ２８を経由した場合には、ダクト２９ａから空冷式熱交換器３１に導入されてさらに冷却され、ダクト２９ｂに排出される。また、温水ボイラ２８を経由しなかった場合には、ダクト２９ｃから急冷塔３４に導入されて冷却され、ダクト２９ｄを介してダクト２９ｂに排出される。

次に、ダクト２９ｂに排出された前記燃焼排気は、薬剤サイロ３８から供給される消石灰及び活性炭と混合されて脱硫及び脱臭され、バグフィルタ３７に導入されて灰や塵埃等が除去された後、ダクト２９ｅに排出され、さらに煙突４０から大気中に放出される。

乾溜炉２ａにおける乾溜ガス化が進行し、乾溜炉２ａ内において可燃性ガスを生成させることができる廃棄物Ａは殆ど失われると（乾留の終了段階）、第２の乾溜炉２ｂで生成した可燃性ガスが燃焼炉４に導入され、第２の乾溜炉２ｂで生成した可燃性ガスが燃焼炉４内で燃焼されるようになる。その後、乾溜炉２ａ内において乾溜により可燃性ガスを生成させることができる廃棄物Ａは全く失われると、制御装置１５は弁駆動器１４ａを介して制御弁１３ａの開度を所定の開度、例えば７０％に維持し、乾溜炉２ａ内の廃棄物Ａを灰化させる（灰化段階）。そして、廃棄物Ａが灰化した後は、制御装置１５は弁駆動器１４ａを介して、制御弁１３ａが閉弁されるまでその開度を所定の割合で減少させる。

乾溜炉２ａでは、廃棄物Ａの灰化が終了し、制御弁１３ａが閉弁されたならば、底扉７ａを下降させて灰化物の払い出し（灰出し）を行ったのち、底扉７ａを元の位置に復帰させる。そして、投入扉５ａを開き、投入口６ａから廃タイヤ等の廃棄物Ａを乾溜炉２ａ内に投入して、次回の処理を準備する。

尚、本実施形態では、乾溜炉２ａの場合を例として説明しているが、乾溜炉２ｂも乾溜炉２ａの場合と全く同一の構成を備え、全く同一に作動する。

ところで、乾溜ガス化焼却処理装置１では、燃焼炉４で前記可燃性ガスを燃焼させる際に、前記硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）と共に窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）も発生するので、前記燃焼排気を煙突４０から大気中に放出する前に、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を除去する操作（脱硝）を行う必要がある。前記脱硝は、燃焼炉４から煙突４０に至る経路中のどこかで、例えば前記燃焼排気に尿素水を噴射する等の方法により、前記燃焼排気を尿素水に接触させることにより行うことができる。

ここで、前記尿素水は、粉体の尿素を水に溶解することにより製造することができるが、粉体の尿素を水に溶解する反応は吸熱反応であるので外部から反応系に熱を供給する必要があり、例えば、粉体の尿素を所定の範囲の温度、例えば、６０～１００℃の温水に溶解させることにより製造されている。

しかし、前記範囲の温度の温水を得るには、乾溜ガス化焼却処理装置１とは別に、燃料や電気等のエネルギーを必要とし、燃焼装置のランニングコストが増加するばかりか、乾溜ガス化焼却処理装置１が山間部等に設置されるときには前記エネルギーを得ることが困難な場合もある。

そこで、本実施形態では、乾留炉２ａ，２ｂに、前記乾留による熱から炉材を保護する設けられているウォータージャケットから得られる６０～１００℃の範囲の温度の温水に尿素を溶解することにより、容易に尿素水を得ることができる。前記範囲の温度の温水は、例えば、乾留炉２ａ，２ｂにおける廃棄物Ａの乾留における、乾留が安定に進行する段階から灰化段階の間において、前記ウォータージャケットから得ることができる。

本実施形態の尿素水の製造方法は、例えば、モータにより回転駆動される撹拌羽根と、水位計とを備える撹拌槽に、粉体の尿素と前記ウォータージャケットから得られる６０～１００℃の範囲の温度の温水とを投入して撹拌することにより実施することができる。前記撹拌槽は、途中に開閉バルブを備える給湯配管を介して前記ウォータージャケットに接続される一方、途中に送液ポンプを備える移送配管を介して尿素水貯留タンクに接続されている。

前記撹拌槽では、例えば、粉体の尿素４トンに対し、前記範囲の温度の温水６トンを投入して前記撹拌羽根で撹拌することにより、４０質量％の濃度の尿素水を得ることができる。前記粉体の尿素は、例えば、フレキシブルコンテナバック（フレコン）を用いて前記撹拌槽に投入することができる。また、前記範囲の温度の温水は前記給湯配管の途中に備えられた開閉バルブを開閉することにより所定量を前記撹拌槽に投入することができ、前記範囲の温度の温水の投入量は前記水位計により把握することができる。

本実施形態の尿素水の製造方法では、まず、所定量（例えば４トン）の粉体の尿素を前記撹拌槽に投入した後、前記給湯配管から少量の前記温水を前記撹拌槽に投入し、前記撹拌羽根を回転駆動して撹拌することにより、前記粉体の尿素をスラリー乃至濃厚溶液とする。そして、次に、前記給湯配管から前記温水を所定量（例えば６トン）まで前記撹拌槽に投入し、前記撹拌羽根によりさらに撹拌することにより、所定の濃度（例えば４０質量％）の尿素水を得ることができる。得られた尿素水は、前記送液ポンプを駆動することにより前記移送配管を介して前記尿素水貯留タンクに移送される。

１…乾溜ガス化焼却処理装置、２ａ，２ｂ…乾溜炉、４…燃焼炉。

Claims

所定の範囲の温度の温水に尿素を溶解して尿素水を製造する尿素水の製造方法であって、
収納された廃棄物の一部を燃焼させつつ該燃焼熱により該廃棄物の残部を乾留して可燃性ガスを発生させる乾留炉と、該乾留炉から導入される可燃性ガスを燃焼させる燃焼炉とを備える乾留ガス化焼却処理装置における乾留が安定に進行する段階から灰化段階の間において、該乾留炉を構成する材料を保護するウォータージャケットから得られる６０～１００℃の範囲の温度の温水に尿素を溶解することを特徴とする尿素水の製造方法。