(57)【要約】【課題】簡易な構成かつ低コストで、排水から有機物と無機物とを共に除去する。【解決手段】排水処理装置３００は、排水Ｙが導入される処理槽３１０と、処理槽３１０に設けられ、導入された排水Ｙの流速を減じる減速領域３１２と、処理槽３１０における減速領域３１２の下流側に配され、底面の鉛直方向の高さが下流側に向かうに従って漸増し、排水Ｙ中の砂を堰き止めるとともに沈降させることで当該砂を堆積させる堰止領域３１４と、処理槽３１０における堰止領域３１４の下流側に配され、砂および油が除去された排水Ｙである処理水を排出する排出流路３３０と、を備え、堰止領域３１４において堆積された砂によって、排水Ｙ中の油が濾過されて砂に残留することで、油が排水Ｙから除去される。【選択図】図３
2014213257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂および油を含有する排水から当該砂および油を除去する排水処理装置であって、
前記排水が導入される処理槽と、
前記処理槽に設けられ、導入された前記排水の流速を減じる減速領域と、
前記処理槽における減速領域の下流側に配され、底面の鉛直方向の高さが下流側に向かうに従って漸増し、前記排水中の砂を堰き止めるとともに沈降させることで当該砂を堆積させる堰止領域と、
前記処理槽における前記堰止領域の下流側に配され、前記砂および油が除去された排水である処理水を排出する排出流路と、
を備え、
前記堰止領域において堆積された砂によって、前記排水中の油が濾過されて該砂に残留することで、該油が該排水から除去されることを特徴とする排水処理装置。
【請求項２】
前記堰止領域の、前記排水の流通方向における水平成分の長さは、前記砂の粒径、および、該砂の質量密度に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の排水処理装置。
【請求項３】
前記堰止領域に設けられ、堆積した前記砂の前記排出流路への流出を防止する防止部をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の排水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化炉で生成した合成ガスを、水で洗浄、精製することで生じた排水を処理する排水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油に代えて、石炭やバイオマス、タイヤチップ等のガス化原料をガス化して合成ガスを生成する技術が開発されている。このようにして生成された合成ガスは、発電システムや、水素の製造、合成燃料（合成石油）の製造、化学肥料（尿素）等の化学製品の製造等に利用されている。合成ガスの原料となるガス化原料のうち、特に石炭は、可採年数が１５０年程度と、石油の可採年数の３倍以上であり、また、石油と比較して埋蔵地が偏在していないため、長期に亘り安定供給が可能な天然資源として期待されている。
【０００３】
従来、石炭のガス化プロセスは、酸素や空気を用いて部分酸化することにより行われていたが、２０００℃といった高温で部分酸化する必要があるため、ガス化炉のコストが高くなるといった欠点を有していた。
【０００４】
この問題を解決するために、水蒸気を利用し、７００℃〜９００℃程度で石炭をガス化する技術が開発されている。この技術では、温度を低く設定することでコストを低減することが可能となるが、生成された合成ガスには、２０００℃の高温で部分酸化して生成した合成ガスと比較して、タールが多く含まれることになる。このとき、合成ガスを利用するプロセスにおいて合成ガスの温度が低下すると、合成ガスに含まれるタールが凝縮し、配管の閉塞、プロセスで使用する機器の故障、触媒の被毒等の問題が生じてしまう。
【０００５】
そこで、ガス化炉で生成された合成ガスに水等の液体を噴霧することで、合成ガスに含まれるタール等の粒子を除去する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−４１９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１に記載された技術で合成ガスを精製すると排水が生じる。かかる排水には、石炭由来のタールのみならず、粒子状の無機鉱物（無機物）が含まれている。これらの固形成分（スラッジ）は、ガス化炉でガス化を行う際に熱源となる流動媒体（二酸化ケイ素（シリカ））や、石炭に含まれる酸化鉄、酸化アルミニウム（アルミナ）等の粒子状の無機物で構成される。
【０００８】
このような排水を浄化するためには、排水からタールおよび無機物を双方とも除去しなければならない。そこで、活性汚泥槽といった従来から一般に用いられる処理と、フィルタ濾過といった従来の無機物を取り除く処理を組み合わせて、排水を浄化することが考えられる。しかし、活性汚泥槽では過剰な固形成分を投入すると、活性汚泥槽に無機物が残留したり、活性汚泥と無機物との分離が困難であったりと、活性汚泥の機能が失われることになる。また、フィルタ濾過を採用すると、フィルタがタールで閉塞されてしまい、無機物を捕捉して、浄化した水を透過させるという機能が阻害されてしまう。したがって、現状では、タール等と、スラッジ等の無機物とを双方とも含む排水の処理方法は確立されていなかった。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構成かつ低コストで、排水からタールのみならず粒子状の無機物を共に除去することが可能な排水処理装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の排水処理装置は、砂および油を含有する排水から当該砂および油を除去する排水処理装置であって、排水が導入される処理槽と、処理槽に設けられ、導入された排水の流速を減じる減速領域と、処理槽における減速領域の下流側に配され、底面の鉛直方向の高さが下流側に向かうに従って漸増し、排水中の砂を堰き止めるとともに沈降させることで当該砂を堆積させる堰止領域と、処理槽における堰止領域の下流側に配され、砂および油が除去された排水である処理水を排出する排出流路と、を備え、堰止領域において堆積された砂によって、排水中の油が濾過されて砂に残留することで、油が排水から除去されることを特徴とする。
【００１１】
堰止領域の、排水の流通方向における水平成分の長さは、砂の粒径、および、砂の質量密度に基づいて決定されるとしてもよい。
【００１２】
堰止領域に設けられ、堆積した砂の排出流路への流出を防止する防止部をさらに備えるとしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、簡易な構成かつ低コストで、排水から有機物と無機物とを共に除去することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】合成ガス生成システムを説明するための図である。
【図２】合成ガス精製装置を説明するための図である。
【図３】排水処理装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
（合成ガス生成システム１００）
図１は、合成ガス生成システム１００を説明するための図である。図１に示すように、合成ガス生成システム１００は、合成ガス生成装置１１０と、合成ガス精製装置２００と、排水処理装置３００とを含んで構成される。図１中、ガスの流れを実線の矢印で、砂やガス化原料といった固体の流れを一点鎖線の矢印で、水、油等の液体の流れを白抜きの矢印で示す。
【００１７】
合成ガス生成システム１００は、石油に代えて、石炭やバイオマス、タイヤチップ等の固体原料をガス化して合成ガスを生成する技術である。石炭としては、泥炭、亜炭、褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭、半無煙炭、無煙炭が挙げられる。
【００１８】
合成ガス生成システム１００では、流動媒体が流動層を形成しているガス化炉内で、水蒸気を利用して、７００℃〜９００℃程度でガス化原料をガス化する（水蒸気ガス化）。この合成ガス生成システム１００では、温度を低く設定することで昇温にかかるコストを低減することが可能となるが、生成された合成ガスには、２０００℃の高温で部分酸化して生成した合成ガスと比較して、タールが多く含まれることとなる。そこで、生成された合成ガスを精製するために、合成ガス精製装置２００が利用される。また、合成ガス精製装置２００で生じた排水を処理するために排水処理装置３００が利用される。以下、合成ガス生成装置１１０、合成ガス精製装置２００、排水処理装置３００の具体的な構成について、その順に説明する。
【００１９】
（合成ガス生成装置１１０）
図１に示すように合成ガス生成装置１１０は、燃焼炉１１２と、媒体分離装置（サイクロン）１１４と、ガス化炉１１６とを含んで構成される。
【００２０】
合成ガス生成装置１１０では、全体として、粒径が３００μｍ程度の硅砂（珪砂）等の砂で構成される流動媒体を熱媒体として循環させている。具体的には、まず、流動媒体は、燃焼炉１１２で１０００℃程度に加熱され、二酸化炭素（ＣＯ２）を含む燃焼排ガスとともに媒体分離装置１１４に導入される。媒体分離装置１１４においては、高温の流動媒体と燃焼排ガスとが分離され、当該分離された高温の流動媒体が、ガス化炉１１６に導入される。そして、ガス化炉１１６に導入された流動媒体は、ガス化炉１１６の底面から導入されるガス化剤（水蒸気、窒素、空気、酸素、不活性ガス等）によって流動層化された後、最終的に、燃焼炉１１２に戻される。
【００２１】
ガス化炉１１６は、例えば、気泡流動層（バブリング流動層）ガス化炉であり、ガス化原料として、例えば、褐炭等の低品位燃料を７００℃〜９００℃程度でガス化させて合成ガスを生成する。本実施形態では、ガス化炉１１６に水蒸気を供給することにより、ガス化原料をガス化させて合成ガスを生成する（水蒸気ガス化）。
【００２２】
そして、ガス化炉１１６で生成された合成ガスＸ１には、タール、スラッジ、水蒸気等が含まれているため、後段の合成ガス精製装置２００に送出されて精製される。合成ガスＸ１に含まれるタールは、粒径が１０μｍ〜２０００μｍ、質量密度が０．８ｇ／ｃｍ３〜２ｇ／ｃｍ３であり、例えば、重質油（３環以上の芳香族、例えば、アントラセン）や軽質油（３環未満の芳香族、例えば、ベンゼン）等の有機物であり、スラッジは、粒径が１０μｍ〜１０００μｍ、質量密度が１ｇ／ｃｍ３〜２ｇ／ｃｍ３であり、例えば、砂（二酸化ケイ素（シリカ））や、石炭に含まれる酸化鉄、酸化アルミニウム（アルミナ）等の粒子状の無機物である。
【００２３】
なお、ここでは、循環流動層方式のガス化炉１１６を例に挙げて説明するが、ガス化原料をガス化するガス化炉であれば、単なる流動層方式のガス化炉や、砂が自重で鉛直下方向に流下することで移動層を形成する移動層方式のガス化炉であってもよい。
【００２４】
（合成ガス精製装置２００）
図２は、合成ガス精製装置２００を説明するための図である。図２に示すように合成ガス精製装置２００は、改質炉（酸化改質炉）２１０と、第１熱交換器２１２と、スプレー塔２１４と、ミストセパレータ２１６と、第２熱交換器２１８とを含んで構成される。図２中、ガスの流れを実線の矢印で、水、油等の液体の流れを白抜きの矢印で示す。
【００２５】
改質炉２１０は、ガス化炉１１６で生成された合成ガスＸ１に酸素や空気を加え、９００〜１５００℃程度にして、合成ガスＸ１に含まれるタールを改質（酸化改質）する。第１熱交換器２１２は、改質炉２１０で改質された合成ガスＸ２と水蒸気との熱交換を行い、合成ガスＸ２の顕熱を水蒸気で回収し、合成ガスＸ２の出口温度を３００℃〜６００℃にする。
【００２６】
スプレー塔２１４は、処理対象である合成ガスＸ２に４０℃程度の冷却水をスプレー噴霧することにより、３００℃〜６００℃となった合成ガスＸ２を７０℃程度に冷却する。これにより、合成ガスＸ２に含まれるタールやスラッジが凝縮し、合成ガスＸ２から除去され、精製ガスＸ３と排水Ｙ１が生成される。そして、スプレー塔２１４は、精製ガスＸ３を後段のミストセパレータ２１６に供給し、水、タールおよびスラッジを含んで構成される排水Ｙ１を排水処理装置３００に送出する。
【００２７】
ミストセパレータ２１６は、精製ガスＸ３に、４０℃程度の冷却水を、スプレー塔２１４における粒径よりも小さい水滴としてスプレー噴霧する。これにより、スプレー塔２１４では十分に分離、除去できなかった精製ガスＸ３に含まれる霧状のタールやスラッジが凝縮し、精製ガスＸ３から除去され、精製ガスＸ４と排水Ｙ２が生成される。そして、ミストセパレータ２１６は、精製ガスＸ４を後段の第２熱交換器２１８に供給し、水、タールおよびスラッジを含んで構成される排水Ｙ２を排水処理装置３００に送出する。
【００２８】
第２熱交換器２１８は、海水、ブライン等を用いて、精製ガスＸ４を３０℃以下にさらに冷却する。これにより、さらに残存した水およびタールが凝縮し精製ガスＸ４から除去されて、精製ガスＸ５が生成される。第２熱交換器２１８で生じた、水、タールおよびスラッジを含んで構成される排水Ｙ３は、排水処理装置３００に送出される。
【００２９】
（排水処理装置３００）
図３は、排水処理装置３００を説明するための図である。図３に示すように、排水処理装置３００は、処理槽３１０を含んで構成される。本実施形態の図３では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。処理槽３１０には、スプレー塔２１４からの排水Ｙ１、ミストセパレータ２１６からの排水Ｙ２、第２熱交換器２１８からの排水Ｙ３（以下、排水Ｙ１〜Ｙ３を纏めて、「排水Ｙ」と称する）が導入される。
【００３０】
処理槽３１０における、排水Ｙの流通方向の最も上流側には、減速領域３１２が設けられる。図３（ａ）に示すように、減速領域３１２は、排水Ｙの流通方向の上流側から下流側（図３中、Ｘ軸方向）に向かうに従って、処理槽３１０が設置される接地面Ｇからの鉛直方向（図３中、Ｚ軸方向）の距離が漸減する傾斜面で構成され、導入された排水Ｙの流速を減じる機能を有する。減速領域３１２の傾斜面と水平面（図３中、ＸＹ平面）とが為す角αは、４５°〜８０°が好ましい。角αが４５°未満であると、処理槽３１０の図３中Ｘ軸方向の長さが不要に長くなってしまい、排水処理装置３００の設置面積が大きくなってしまう。また、角αが８０°を上回ると、排水Ｙの流速を減じる割合が低くなってしまい、排水Ｙの流れが乱れてしまう。
【００３１】
減速領域３１２を備えて、処理槽３１０に導入された排水Ｙの流速を減じる構成により、排水Ｙの流れが乱れて排水Ｙが攪拌されてしまう事態を回避することができ、後述する堰止領域３１４において、スラッジを確実に堆積させることが可能となる。
【００３２】
また、図３（ａ）に示すように、処理槽３１０における減速領域３１２の下流側には、堰止領域３１４が設けられている。本実施形態において堰止領域３１４は、上流側から順に第１の傾斜面３１４ａと、第２の傾斜面３１４ｂとで構成され、いずれも排水Ｙ中のスラッジ（砂）を堰き止めるとともに沈降させることで当該スラッジを堆積させる機能を有する。
【００３３】
具体的に説明すると、堰止領域３１４は、底面の鉛直方向の高さ、すなわち、処理槽３１０が設置される接地面Ｇからの鉛直方向（図３中、Ｚ軸方向）の距離が下流側に向かうに従って漸増する第１の傾斜面３１４ａと、底面の鉛直方向の高さが下流側に向かうに従って漸増するとともに第１の傾斜面３１４ａよりも水平面との為す角γが小さい第２の傾斜面３１４ｂとで構成される。
【００３４】
堰止領域３１４を備える構成により、排水Ｙの流れとともに移動するスラッジが堰止領域３１４で堰き止められ、減速領域３１２と堰止領域３１４とで形成される領域に、排水Ｙ中のスラッジを沈降させることができる。これにより、減速領域３１２と堰止領域３１４とで形成される領域にスラッジを堆積させる、すなわち、スラッジの層３２０を形成することが可能となる（図３（ｂ）参照）。
【００３５】
ここで、図３（ｂ）に示すように、排水Ｙ中のスラッジは、ストークスの式に従って、相対的に質量密度および粒径が大きいスラッジＳＨは、沈降速度が速いため、相対的に上流側に堆積し、相対的に質量密度および粒径が小さいスラッジＳＬは、スラッジＳＨと比較して沈降速度が遅いため、相対的に下流側に堆積する。つまり、スラッジの層３２０におけるスラッジの質量密度および粒径は、上流側から下流側に向かうに従って徐々に小さくなることとなる。また、タールのうち、粒径が１０μｍ〜１０００μｍ、質量密度が１ｇ／ｃｍ３〜２ｇ／ｃｍ３のもの（重質油）は、スラッジとともに沈降する。
【００３６】
また、減速領域３１２の傾斜面と第１の傾斜面３１４ａとの為す角βは、６０°〜１２０°であり、角γは、０°〜３５°である。角βが６０°未満であると、砂を十分に堆積させることができず、１２０°を上回ると、第１の傾斜面３１４ａの傾斜を確保することができない。
【００３７】
また、堰止領域３１４の、排水Ｙの流通方向における水平成分（図３中、Ｘ軸成分）の長さＨＡは、少なくともスラッジの粒径、および、スラッジの質量密度に基づいて決定される。なお、長さＨＡは、スラッジの粒径および質量密度に加えて、実証値による係数（無次元数）に基づいて決定されてもよい。さらに、第１の傾斜面３１４ａの、排水Ｙの流通方向における水平成分（図３中、Ｘ軸成分）の長さＨ１は、水深Ｄ以下である。
【００３８】
このように、堰止領域３１４において、スラッジが堆積されてスラッジの層３２０が形成されると、当該スラッジの層３２０によって、排水Ｙ中のタール（粒径が１０μｍ〜２０００μｍ、質量密度が０．８ｇ／ｃｍ３〜１ｇ／ｃｍ３の軽質油）が濾過されてスラッジの層３２０に残留することで、タールが排水Ｙから取り除かれる。
【００３９】
こうして、排水Ｙからスラッジおよびタールが除去された処理水は、第２の傾斜面３１４ｂの下流側に配される排出流路３３０から排出されることとなる。
【００４０】
また、第２の傾斜面３１４ｂには、スクリーン等で構成される防止部３４０が設けられる。防止部３４０を備える構成により、堆積した砂の排出流路３３０への流出を防止するとともに、処理水のみを排出流路３３０へ導くことが可能となる。
【００４１】
そして、処理槽３１０におけるスラッジの堆積量が予め定められた量以上となったら、予め定められた量を維持するように、ホイールローダ等の搬出機を用いて、スラッジを処理槽３１０外に取り出す。ここで、予め定められた量は、排水Ｙ中のタールを十分濾過できるスラッジの量である。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態にかかる排水処理装置３００によれば、排水Ｙ中のスラッジを堆積させて、スラッジの層３２０を形成し、当該スラッジの層３２０によってタールを除去することが可能となる。つまり、排水処理装置３００は、上述した処理槽３１０が有する特徴的な形状により、排水Ｙを導入するだけで、排水Ｙ中のスラッジ（無機物）とタール（有機物）を共に除去することが可能となる。
【００４３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４４】
例えば、上述した実施形態において、排水処理装置３００が、ガス化炉１１６において生成された合成ガスＸ１を精製（洗浄）することで得られた排水Ｙを処理する場合について説明したが、排水処理装置３００は、砂（無機物）および油（有機物）を含む様々な排水から砂および油を除去することができる。
【００４５】
また、排水処理装置３００の上流側に、排水Ｙに凝集剤を導入する槽（凝集沈殿槽）を設けておき、凝集沈殿槽において油（タール）を凝集させて除去してもよい。
【００４６】
また、上述した実施形態において、減速領域３１２と、堰止領域３１４とが連続した処理槽３１０について説明したが、減速領域３１２と堰止領域３１４とは必ずしも連続する必要はなく、例えば、減速領域３１２と堰止領域３１４との間に水平面や鉛直下方にカーブした面を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、ガス化炉で生成した合成ガスを、水を用いて洗浄、精製することで生じた排水を処理する排水処理装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
３００  排水処理装置
３１０  処理槽
３１２  減速領域
３１４  堰止領域
３１４ａ  第１の傾斜面
３１４ｂ  第２の傾斜面
３３０  排出流路
３４０  防止部
【図１】
2014213257.tif 000003
【図２】
2014213257.tif 000004
【図３】
2014213257.tif 000005