JPS605844B2 - 湿式酸化法からエネルギーを回収する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、湿式酸化系からエネルギーを回収する方法お
よび装置に関する。

湿式酸化は既知技術であり、工業的に実施されている。

たとえば、米国特許第２６６５２４９号、第２８２４０
５８号、第２９０３４２５号および第２９４４３９６号
の各明細書を参照されたい。湿式酸化系を用いて有用な
エネルギーを生成する系は特許され、工業的に使用され
てきている。第１図は、現在まで工業的に実施されてい
る湿式酸化系の先行技術の一例のフローシートである。

一般に、このような系の燃料は水中に分散された「廃棄
物」であることが強調されている。従来廃棄物流の処理
が重要視され、エネルギーの生成は二次的なものまたは
付随的なものである。これは湿式酸化装置の主目的が廃
棄物の処理と汚染の排除である廃棄物処理においては妥
当なところである。しかしながら、ある群の燃焼物質、
たとえば固体の廃棄物またはごみ、低級燃料またはふつ
うの燃焼において問題を生ずる燃料、たとえば水分含量
が高い燃料（たとえば、亜炭またはでし、炭）、灰含量
が高い燃料またはィオゥ含量が高い燃料が存在し、これ
らに対して湿式酸化を有利に応用でき、そしてエネルギ
ーの回収において最適化し、変更および改良した湿式酸
化系および装置を使用できる。このような燃料の他の例
は木材廃棄物、廃スラッジおよび生物学的塊として知ら
れている燃料のカテゴリーに属する全てである。本発明
は、このような系に対する必要性から生じた。本発明に
よれば、燃焼性物質、水を含む液体流および遊離酸素含
有ガスを反応器内へ連続的に導入し、燃焼性物質を燃焼
させ、このようにして発生した水蒸気を含有するガス流
を取り出し、そして該ガス流をエネルギー源として利用
することからなる湿式酸化法からエネルギーを回収する
方法において「反応器内で最高位液面を維持し「そして
反応器へ供給する燃焼性物質、液体およびガスのそれぞ
れの量を調節して、該最高位液面を維持するために液体
流を反応器から取り出す必要がない程十分な気化熱を発
生させることを特徴とする方法が提供される。

湿式酸化装置および方法は、反応器と、水を反応器に「
燃料を反応器内の水中に、なちびに酸素含有ガスを連続
的に導入する手段とを含み、さらに燃料の燃焼熱を調節
して、この熱が反応器へ導入されるすべての水を蒸発し
、同時に供給される水の調節により反応器内または反応
器に続く分離器内の液面を一定に維持する手段を含む。

湿式空気酸化において、現在までに建設されまたは考え
られてきた系は、本発明とは反対に、水の実質的な部分
を反応ゾーンから液体として取り出し、そして液面は系
から排出される液体の量を調節することによって維持す
る。本発明を、添付図面を参照しながら、説明する。

第１図は、従来の湿式酸化装置の工程系統図である。

この装置において、系からの液体の流れを調節する弁は
液面に従って位置される。第２図は、本発明を例示する
工程系統図である。

そして、第３，４および５図は、第２図に類似する工程
系統図であるが、その変更を示す。

本発明は、第２図に例示されている。

燃料は、燃焼されうる燃料を有するいかなる物質をも意
味し、反応器１０へ１２から注入される。反応器は水を
ほとんどいっぱいに含み「その液面は一定に維持されて
いる。水と空気はそれぞれ１４および１６から反応器に
導入され「 この反応器は水中に分散または溶解した燃
料が湿式酸化の現象により燃焼するような圧力および温
度に維持される。空気の代わり‘こ、純粋な酸素または
いかなる酸素含有ガスをも使用できる。本発明は、従来
の湿式酸化系と区別される二つの著しい特徴を有する。

これらの特徴は、次のとおりである。１ 反応器内の燃
焼熱は、反応器へ供聯合される水の全部を蒸発させるの
に十分であるように調節される。

２ 系は、反応器へ供給される水の量を調節することに
より反応器内の液面を一定に維持することによって、調
節される。

第２図について説明すると、数字１８は出口２０内の出
て行くガス中の酸素を測定する装置を表わし、そして２
２はその上流の圧力を調節する弁である。

先行技術の酸化系におけるように、燃料と空気とは装置
１８によって測定される残留酸素の一定量を維持するよ
うに調節される。弁２２は系を一定のあらかじめ決めた
圧力に維持するように操作する。系の圧力と温度は、非
凝縮性ガスと一緒に反応器から排出される水蒸気の量を
決定する。監視器２４により反応器内の液面を測定する
こと、およびたとえばポンプ２６を経て導入される水の
量を調節して液面を調節することによって、系は連続的
に操作できる。

反応器１０内の液面の自動調節は、監視器２４と結合す
る電気リレーによって行なうことができる。このリレー
は、反応器１０内の液が監視器２４のレベルに到達した
とき、ポンプ２６の作動を停止するか、または液体流を
反応器へ供給するライン１４中の弁を閉じる。反応器内
の燃焼量は、供給された水のすべてを蒸発させる熱を提
供するのに十分でなくてはならない。供給される燃焼物
の必要な最低濃度は、約９，００厭ＴＵ／ガロン（ここ
で、この場合において、ガロンは、燃料中の水と、燃料
とともに供給される水および別々に供給される水との合
計である）に等しい濃度であろうことを示すことができ
る。これは、たとえば米国特許第２９０３４２５号と比
較すると、特定された最小値は３，００肥ＴＵ／ガロン
であり、好ましい値は７，００庇ＴＵ／ガロンである。
米国特許第２４２４０５８号における他の例として、図
面に示される例は約５，６０雌ＴＵ／ガロンの値を有す
る。第２図において、燃料と水は反応器へ別々に注入さ
れることが示されている。

燃料と水は反応器の外部で混合でき、一緒に注入できる
が、好ましい方法は図示されているものである。取り扱
いを促進させるスラリーを形成するためには、燃料とあ
る鼻の水とを混合することが必要でありかつ望ましいこ
とがあり、この場合この目的に対して最小量の水を使用
し、残りは調節の目的で別々に注入する。反応器から出
る非凝縮性ガスと水蒸気は、既知の方法により有用なエ
ネルギーを提供するのに使用できる。

第２図には、タービン発電機が示されている。本発明の
系は、装置から出る液体流に熱を廃棄しないので、第１
図の先行技術の系に比べて、動力発生サイクルの効率を
高くするであろう。たとえば、第１図にもどると、系か
ら出る熱い液体は実質量のエネルギーを含み、このエネ
ルギーは浪費されるので「効率は低下する。当業者は、
ほとんどの実際的応用に対して上記系に欠点を認めるで
あろう。

燃料は、これが非常に純粋な燃料であってさえ、ある量
の無機化合物を含有する。第２図に示す系において、こ
のような化合物は反応器内に沈着するであろう。この系
は無機化合物が沈着するにまかせるようにして操作でき
、この系は周期的に運転停止し、排水し、ついできれい
な水を用いて再始動しなければならないであろう。事実
、バッチ式操作は、可能であり、ある場合には有利であ
ろう。反応器に一定量の燃料を供給する。この反応器を
密閉し、水を−定の調節された液面まで反応器に満たす
。ついで、反応器を加熱し、ある温度において酸素含有
ガスを導入し、燃料を酸化し、燃焼熱を放出させる。ガ
スを反応器から連続的に排出させる。このガスは水蒸気
を運び去る。このようにして取り出された水蒸気は、液
体の水または水溶液もしくは水性スラリーの導入により
置換して、液面をあらかじめ決めたレベルに維持する。
実質的にすべての燃料が酸化されたとき、酸素含有ガス
の導入を停止し、反応器の圧力を解放し、反応器を排水
し、そしてサイクルを繰返す。エネルギー生成装置へガ
スを連続的に流すためには、２個以上の反応器を用意し
、一方の反応器が飽和されたとき、他方の反応器を使用
するようにする。このバッチ系は、本発明の新規な特徴
、すなわち系に供給された水の実質的全部の蒸発および
系へ加えられる水の量の調節により実現される液面の調
節、を満足したことを理解できる。ほとんどの場合、従
来の水蒸気ボイラーにおいて実施されているように燃料
を連続的に注入し、連続的または断続的排泥（ｂｌｏｗ
−ｄｏｗｎ）を行なうことは、いっそう実際的でありか
つ経済的であろう。これは液体流の排出を生じさせるで
あろう。

この液体流の排出は実際的目的のためだけであること、
そして理想的には系からの液体流の排出は存在しないで
あろうことを理解しなければならない。排泥は、燃料が
理想的ではなく無機不純物を含有するかぎり、必要であ
るだけである。第３および４図は、反応器の底へ加えら
れた排泥ラインを示す。場合によっては、第３および４
図に示すような底からではなく反応器の頂部から擬泥を
取り出すことが望ましいであろう。

このような場合は、たとえば、灰含量が反応器の底へ沈
降するのではなくてその頂部へ上昇する傾向ある燃料を
反応器へ供給するときである。反応器の頂部から９Ｅ泥
を取り出す多数の形状が可能である。このような形状の
１つが第５図に示されている。第５図は、分離器を頂部
に有する反応器を示す。灰とともに少量の残留液体は反
応器の頂部へ上昇し、分離区域へ流れ、そして分離器の
底から抜き出される。このような反応器は、第５図に×
で示すように「反応器の底に同様に排泥ラインを有する
ことができる。本発明の方法自体はこの配置によって影
響を受けないことが理解できる。実質的に水のすべては
蒸発し、反応器からガス流とともに取り出さられる。液
面、この場合分離器内の液面は、系へ供給される水の量
を調節することによって維持される。フローシートは第
１図の先行技術のフローシートに類似するが、その方法
および調節は異なり、本発明に対して新規である。本発
明の主目的は有用なエネルギーを生成することであり、
このようにすること、排出ガスをタービン発電機へ向け
る一手段は第２図に示されており、この図において排ガ
スはタービン２８へはいり、タービン２８は発電機３０
と、ことにライン１６において有用な空気圧縮機３２と
を駆動できる。

また、本発明は、米国特許第２９４４３４６号に記載さ
れる方法を実施する理想的環境を提供する。

この米国特許の方法において、湿式酸化装置から排出さ
れるガス流を有機物質の蒸気で積極的に濃厚にし、この
有機物質を蒸気相で酸化し、これによってタービン発電
機用の過熱ガス流を発生させる。この方法は動力生成サ
イクルの効率におけるよく知られた改良を与える。第３
図は、これをいかに用いるかを示す。

空気流は分割して、その一部分を反応器１０へ行かせ、
残部をライン３６により気相酸化器３４の前の上流に導
入する。これは本発明方法の好ましい態様である。空気
はすべて反応器へ導入でき、ついで反応器内で消費され
なかった酸素は気相酸化器内で利用されるであろうが、
図示されたこの装置は調節の便利な手段を提供するので
好ましい。排出ガス中の酸素に従って調節された空気お
よび燃料の速度を用いかつ反応器内の液面を前述のよう
に維持するとき、空気流を分割して一部分が反応器へ行
き、残部が気相酸化器へ行くようにする場合、反応器へ
供給される空気量は少なくなるため反応器内で起こる酸
化量は少なくなり、そして縞式酸化装置における経験に
従えば、反応器を去る気相中の有機物は増加するであろ
う。気相中のこの有機物質の増大量は質相酸化器内で酸
化されて、該酸化器から排出されるガスの温度を増加さ
せるであろう。同様な方法で、反応器へより多くの空気
が行き、より少ない空気が気相酸化器へ行くように空気
を分割することによって、気相酸化器からの排出ガスの
温度を低下できる。実施例 １ 第３図に示す装置は、８０岬ｓｉ（５６．２【９／地）
ゲージで操作すると仮定する。

さらに、供給される空気の７０％を反応器に向け、残り
の３０％を気相酸化器へ向けると仮定する。反応器から
排出されるガス中には、０．７ポンドの水／ポンド（１
．６３ｋ９の水／ｋ９）の気相酸化器へはいる空気（す
なわち、供給した空気の全量）が存在し、そして気相酸
化器の温度は１．０３００Ｆ（５５４午０）であろう。
タービンの効率が８０％であるとき、このタービンから
の排出ガスは２６３０Ｆ（１２８℃）でありＬ ェンタ
ルピーの減少は４５肥ＴＵ／ポンド（９９１ＢＴＵ／ｋ
９）の空気であろう。圧縮機が４工程装置であり、その
効率が７８％であるとき、圧縮空気１ポンド当り２１波
ＴＵ（圧縮空気ｌｋ９当り４６班ＴＵ）を供給しなけれ
ばならず、図示したこの機械の正味の出力は２３７ＢＴ
Ｕ／ポンド（５２波ＴＵ／ｋ９）の空気であろう。この
単位へ、たとえば加熱値が７，００肥ＴＵ／ポンド（１
５，４１班ＴＵ／ｋ９）である５０ｍｒＤの燃料を供給
した場合、タービンの発電機の軸への正味の出力は約２
１，０００馬力であるつ。

機械的動力の代わりに熱としてエネルギーを回収しよう
とするとき、第４図に示す装置を使用できるであろう。

第４図において、装置４４はガス流から熱を取り出す熱
交換器である。反応器からのガスは加熱に直接使用でき
るが、このガスはかなりな量の蒸気と少量の多少酸素を
含有するガスとの混合物である。このガスはいくぶん腐
食性であって、取扱いが困難である。反応器からのガス
は熱または他の熱交換媒体を加熱するために使用するこ
とが、いっそう便利でありかついつそう実際的であろう
。ガスから熱を取り出るとき、ガス中の水蒸気は凝縮し
て液体になる。第４図は二つのこの液体の交互の通路を
示す。この液体は、図示するように４５から排出でき、
あるいは再循環ポンプ４６により反応器へ再循環させる
ことができる。第４図において、ガスから熱を抽出する
熱交換器を反応器内の液面の下に位置させることができ
るが、熱移動速度と腐食性ふん囲気は図示する位置に比
べて前記位置を不適当とさせるであろう。

また、熱交換器は反応器内のガスのドーム空間内に位置
させることもできる。凝縮蒸気が液体として反応器へも
どる場合、これは反応器へ供給する水に対する必要条件
を減少するであろう。それにもかかわらず、反応器へ供
給する水の量を調節することによって、前述のように調
節を行なう。再び、タービンへの温度は、反応器と気相
酸化器とへの空気の分割比によって調節する。発生また
は回収した機械的動力の量は、前記米国特許第３９４４
３４６号に従う気相酸化において解放される熱を調節す
ることによって、あるいは第４図において熱交換装置４
４によりガスから抽出する熱の量を調節することによっ
て、調節できる。

第４図にモーター発電機として示す電気装置は、状態に
依存して、ある正味の電気出力または入力を有するであ
ろう。エキスパンダーにより生成された動力が圧縮機に
よって必要とする力にちようど釣り合う場合、正味の電
気入力または出力はないであろう。第４図における装置
の特別の応用は、水蒸気が熱交換器内で発生するもので
あろう。

ボイラーの供ｖ給水を熱交換器へ入れると、全装置はボ
イラーとなる。いくらかの正味の動力が生成されるなら
ば水蒸気と動力とが生成され、工業的設備のための水蒸
気と動力を発生させるために広く使用される種類の設備
が得られる。ここではこれらは従来のボイラーに類似し
、このボイラーにおいて高圧の過熱ＯＫ蒸気が生成し、
この水蒸気は「トッピングタービン」を通過して電力を
発生し、このタービンから出る水蒸気は加熱用にまたは
「プラント水蒸気」として使用される。前述の基本的ボ
イラー系を用いると、供孫舎燃料がィオウ倉量の高い石
炭である場合、大きな利益をこの系から得ることができ
る。

ィオウ含量の高い石炭は豊富であるが、それを燃焼する
と二酸化ィオウが大気中へ排出されるので、利用そ困難
である。ィオゥ含量が高い石炭をこの明細書中に概説し
た方法に従って酸化すると、ィオウは液相中にとどまる
ことがわかった。このィオウは酸化されて硫酸になり、
あるいはアルカリを系に加えてこの硫酸を中和すると、
ィオウはアルカリの硫酸塩として存在するであろう。こ
のィオウは汚染性の二酸化イオウとして大気中へ逃げな
い。また、湿式酸化反応によって生成する窒素の酸化物
は存在せず、そして反応器から気相中へ粒状物質は実質
的に逃げない。イオゥ酸化物、窒素酸化物および粒状物
質は、石炭を燃焼するボイラーにおいて重大な問題であ
る。溢式酸化の分野の専門家は、基本燃料としてィオゥ
含量の高い石炭を供総合する系はいろいろな固体および
水性の廃棄物用の「焼却炉」としても使用できることが
わかるであるつｏ実施例 ２ 実施例１におけるように空気を分割してその７０％が反
応器へ行き、残りの３０％が気相酸化器へ行く第４図に
おけるような方法を仮定する。

反応器から出るガスおよび水蒸気を４３００Ｆ（２２１
００）に冷却すると仮定する。これは０．１１８ポンド
の２０岬ｓｉｇの水蒸気／ポンドの供給空気（０．２６
０ｋ９の１４．１ｋ９／仇ゲージの水蒸気／ｋ９の供給
空気）を発生する。ガス相酸化器内の燃焼熱は、この装
置へ行く空気の量が同じであるので、同じであるであろ
う。しかしながら、気相中の水蒸気はより少ないので、
温度上昇はより高く、タービンへの温度は１１８１０Ｆ
（６斑。○）となるであろう。この機械を通る乾燥空気
１ポンド当り４１がＴＵ（ｌｋ９当り９０７ＢＴＵ）が
抽出され、発電機の軸への正味の出力は１８がＴＵ／ポ
ンド（４０１ＢＴＵ／ｋ９）の空気であろう。実施例
３ 反応器から出るガスを４１００Ｆ（２１ぴ０）に冷却し
、したがって０．２８９ポンドの２０岬Ｓｉｇの水蒸気
ノポンドの空気（０．６３７ｋ９の１４．１ｋ９／仇ゲ
ージの水蒸気／ｋ９の空気）が発生する以外は、上のよ
うな装置と方法を仮定する。

タービンへの温度は１３３０Ｆ（７２３つ○）であろう
。全体のタービンの出力は３８蟹ＴＵ／ポンド（８４紐
ＴＵ／ｋ９）の空気であり、正味の出力は１５由ＴＵで
あろう。当業者は、この系の効率はよく知られた手段、
たとえばタービン発電機の排ガスを使用して供給水また
は空気を予熱すること、によって増大できそしてそのエ
ネルギーを擬泥から回収できることがわかるであろう。

本発明の他の有用な応用は、水性スラリーまたは水溶液
をふつうの手段で濃縮することが困難または不可能であ
る場合、それらを濃縮する手段を提供することである。

第２図を参照すると、固体燃料は前の場合のように１２
から注入されるであろう。濃縮するスラリーまたは溶液
は１４からはいる。水のほとんどは反応器からのガスと
ともに取り出され、そして生じた「排泥」は系の生成物
となるであろう。この系の操作と調節は前述のとおりで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の湿式酸化装置の工程系統図である。 第２図は「本発明を例示する工程系統図である。第３図
，第４図および第５図は、第２図に類似するが、その変
更を示す工程系統図である。１０・・・・・・反応器、
１２……燃料注入口、１４・・・・・・水導入口「 １
６…・・・空気導入口、２０・・・・・−出口、２４…
・・・液面監視器、２６・・・…ポンプ、３４・・・・
・・気相酸化器、３６…・・・ライン、４４…・・・熱
交換器。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼性物質、水を含む液体流および遊離酸素含有ガ
   スを反応器内へ連続的に導入し、燃焼性物質を燃焼させ
   、このようにして発生した水蒸気を含有するガス流を取
   り出し、そして該ガス流をエネルギー源として利用する
   ことからなる湿式酸化法からエネルギーを回収する方法
   において、反応器内で最高位液面を維持しそして反応器
   へ供給する燃焼性物質、液体およびガスのそれぞれの量
   を調節して、該最高位液面を維持するために液体流を反
   応器から取り出す必要がない程十分な気化熱を発生させ
   ることを特徴とする方法。 ２ 取り出されたガス流中での気相酸化によって、該ガ
   ス流中に過加熱水蒸気を生成させることを特徴とする、
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 反応器へ導入される遊離酸素含有ガスの流れを、反
   応器から取り出されるガス流中に導入される流れに分割
   して、反応器から取り出されるガス流中での気相酸化工
   程を行なうことを特徴とする、特許請求の範囲第２項記
   載の方法。 ４ 反応器から取り出されたガス流を熱交換器に通して
   、この熱交換器内を流れるボイラー供給水に熱を与える
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１〜３項のいずれ
   かに記載の方法。 ５ 燃焼性物質が燃焼性廃棄物からなることを特徴とす
   る、特許請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載の方法
   。 ６ 燃焼性物質が低級燃料または固体のごみからなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１〜５項のいずれかに
   記載の方法。 ７ 燃料がイオウ含量の高い石炭であり、該燃料中に含
   有されるイオウと灰を、系中に供給される水の最小部と
   のスラリーおよび／または溶液として取り出すことを特
   徴とする、特許請求の範囲第６項記載の方法。 ８ 該方法を水性スラリまたは水溶液の蒸発に応用し、
   反応器へ導入される水を該スラリーまたは水溶液から提
   供することを特徴とする、特許請求の範囲第１〜７項の
   いずれかに記載の方法。 ９ 反応器と、燃焼性物質、水を含有する液体流および
   遊離酸素含有ガスを該反応器へ導入する手段と、該反応
   器の上部から加熱蒸気を取り出す出口と、該出口と連絡
   し、ガス流の熱エネルギーを利用する水蒸気タービンま
   たは他の手段とから成る湿式空気酸化装置において、加
   熱された蒸気を反応器から取り出す手段２０の下の反応
   器内に位置する液面監視器２４を備え、該監視器２４は
   反応器に液体流を導入する手段２６，１４へ、最高位液
   面に達するとき該液体流の導入を自動的に停止させるよ
   うに操作的に接続していることを特徴とする、湿式空気
   酸化装置。 １０ 反応器１０の上部から加熱蒸気を取り出す手段２
   ０と連絡する気相酸化装置３４を備えることを特徴とす
   る、特許請求の範囲第９項記載の装置。 １１ 酸素含有ガスを反応器１０に供給する枝管と反応
   器１０から出口手段２０に供給する枝管とを有する導管
   手段３６を備えることを特徴とする、特許請求の範囲第
   １０項記載の装置。 １２ 反応器１０の上部から加熱蒸気を取り出す手段２
   ０中に熱交換器４４を備え、該熱交換器４４はボイラー
   の供給水を加熱するようにされていることを特徴とする
   、特許請求の範囲第９〜１１項のいずれかに記載の装置
   。