(57)【要約】【課題】空気（酸化剤）混合時の温度の異常上昇を適切に抑制できるようにした水熱反応方法および装置を提供する。【解決手段】被処理物をバッチ式で第１反応器に投入し、第１反応器内で水熱反応により被処理物中の有機物を流動化せしめ、第１反応器に押出水を供給して流動化した有機物を第１反応器から押し出し、第１反応器からの流出流体を後段の第２反応器に供給し、第２反応器にて供給されてきた有機物を水熱酸化分解する水熱反応方法において、第１反応器からの流出流体に希釈水を混合し、しかる後に、希釈水混合位置から第２反応器入口までの間にて酸化剤を供給することを特徴とする水熱反応方法、および水熱反応装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物をバッチ式で第１反応器に投入し、第１反応器内で水熱反応により被処理物中の有機物を流動化せしめ、第１反応器に押出水を供給して流動化した有機物を第１反応器から押し出し、第１反応器からの流出流体を後段の第２反応器に供給し、第２反応器にて供給されてきた有機物を水熱酸化分解する水熱反応方法において、第１反応器からの流出流体に希釈水を混合し、しかる後に、希釈水混合位置から第２反応器入口までの間にて酸化剤を供給することを特徴とする水熱反応方法。
【請求項２】
前記第１反応器からの流出流体と前記希釈水の混合流体の温度を水の臨界温度以上にした後に前記酸化剤を供給する、請求項１の水熱反応方法。
【請求項３】
前記第２反応器が所定温度以下に維持されるように、前記押出水の供給水量および／または前記希釈水の混合水量を制御する、請求項１または２の水熱反応方法。
【請求項４】
前記第２反応器が所定温度以下に維持されるように、前記押出水の供給水量と前記希釈水の混合水量の比率を制御する、請求項１〜３のいずれかに記載の水熱反応方法。
【請求項５】
前記第２反応器による処理後の処理流体が所定の処理状態に維持されるように、前記押出水の供給水量および／または前記希釈水の混合水量を制御する、請求項１〜４のいずれかに記載の水熱反応方法。
【請求項６】
前記第２反応器による処理後の処理流体が所定の処理状態に維持されるように、前記押出水の供給水量と前記希釈水の混合水量の比率を制御する、請求項１〜５のいずれかに記載の水熱反応方法。
【請求項７】
所定の処理状態に維持されているか否かを、処理流体からの炭酸ガスおよび／または酸素ガスの検出により判定する、請求項５または６の水熱反応方法。
【請求項８】
被処理物をバッチ式で投入し、水熱反応により被処理物中の有機物を流動化する第１反応器と、流動化した有機物を第１反応器から流出させるために第１反応器に押出水を供給する押出水供給系と、第１反応器からの流出流体を後段の第２反応器に供給する流出流体供給系と、該流出流体供給系を介して供給されてきた有機物を水熱酸化分解する第２反応器とを備えた水熱反応装置において、前記流出流体供給系に、第１反応器からの流出流体に希釈水を混合する希釈水混合系を接続するとともに、希釈水混合位置から第２反応器入口までの間に酸化剤供給系を接続したことを特徴とする水熱反応装置。
【請求項９】
前記希釈水混合系に、第１反応器からの流出流体に希釈水を混合する前に希釈水を加熱する希釈水加熱手段が設けられている、請求項８の水熱反応装置。
【請求項１０】
前記流出流体供給系の希釈水混合位置の後段に、混合流体を加熱する混合流体加熱手段が設けられており、その後段に前記酸化剤供給系が接続されている、請求項８または９の水熱反応装置。
【請求項１１】
前記押出水供給系に、小流量用と大流量用の少なくとも２つの押出水供給手段が設けられている、請求項８〜１０のいずれかに記載の水熱反応装置。
【請求項１２】
前記希釈水混合系に、小流量用と大流量用の少なくとも２つの希釈水供給手段が設けられている、請求項８〜１１のいずれかに記載の水熱反応装置。
【請求項１３】
前記流出流体供給系の第２反応器入口側または前記第２反応器に、温度検出手段が設けられており、該温度検出手段による検出値に基づいて、前記押出水供給系の押出水供給水量および／または前記希釈水混合系の希釈水混合水量を制御する手段が設けられている、請求項８〜１２のいずれかに記載の水熱反応装置。
【請求項１４】
前記流出流体供給系の第２反応器入口側または前記第２反応器に、温度検出手段が設けられており、該温度検出手段による検出値に基づいて、前記押出水供給系の押出水供給水量と前記希釈水混合系の希釈水混合水量の比率を制御する手段が設けられている、請求項８〜１３のいずれかに記載の水熱反応装置。
【請求項１５】
前記第２反応器の後段に、該第２反応器による処理後の処理流体の状態を検出可能な処理状態検出手段が設けられており、該処理状態検出手段による検出値に基づいて、前記押出水供給系の押出水供給水量および／または前記希釈水混合系の希釈水混合水量を制御する手段が設けられている、請求項８〜１４のいずれかに記載の水熱反応装置。
【請求項１６】
前記第２反応器の後段に、該第２反応器による処理後の処理流体の状態を検出可能な処理状態検出手段が設けられており、該処理状態検出手段による検出値に基づいて、前記押出水供給系の押出水供給水量と前記希釈水混合系の希釈水混合水量の比率を制御する手段が設けられている、請求項８〜１５のいずれかに記載の水熱反応装置。
【請求項１７】
前記処理状態検出手段が炭酸ガスおよび／または酸素ガスの検出手段からなる、請求項１５または１６の水熱反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水熱反応方法および装置に関し、とくに、バッチ式の第１反応器と第２反応器とを用いた水熱反応において、温度の異常上昇を確実に防止できるようにした水熱反応方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高温高圧水の存在下での水熱反応、とくに、超臨界水の存在下での水熱酸化反応を利用して、環境汚染物質等を分解、無害化する試みが注目されている。とくに、超臨界水の高い反応性を利用した超臨界水酸化により、従来技術では分解することが難しかった有害な難分解性の有機物、例えば、ＰＣＢ（ポリ塩素化ビフェニル）、ダイオキシン、有機塩素系有機物等を分解して、二酸化炭素、窒素、水、無機塩などの無害な生成物に転化する試みが注目されている。この超臨界水とは、超臨界状態にある水、すなわち、水の臨界点を越えた状態にある水を言い、詳しくは、３７４．１℃以上の温度で、かつ２２．０４ＭＰａ以上の圧力下にある状態の水を言う。超臨界水は、有機物を溶解する溶解能が高く、有機化合物に多い非極性物質をも完全に溶解することができる一方、逆に、金属、塩等の無機物に対する溶解能は著しく低い。また、超臨界水は、空気や酸素、窒素などの気体と任意の割合で混合して単一相を構成することができる。このような超臨界水を用いた超臨界水酸化を含む水熱反応を行う装置が、先に本出願人によりシリーズで提案されている。
【０００３】
たとえば特許文献１に、図３に示すように、被処理物（処理対象物）をバッチ式で反応器（第１反応器１０１）に投入し、第１反応器１０１内で水熱反応により被処理物（とくに、固形物）中の有機物を流動化せしめ、第１反応器１０１に押出水１０２を供給して流動化した有機物を第１反応器１０１から押し出し、後段に設置した酸化用反応器（第２反応器１０３）にて有機物を水熱酸化分解する水熱反応装置が提案されている。この水熱反応装置では、図３に示すように、第１反応器１０１からの流出流体に反応用空気（酸化剤）１０４、超臨界水１０５をこの順または同時に混合し、第２反応器１０３で反応させるという構成である。この第２反応器１０３には加熱器が設けられており、反応に必要な温度を保持するよう調節される。第２反応器１０３からの処理流体は、たとえば冷却水１０６による冷却器１０７で冷却され、処理流体減圧弁１０８により減圧された後、排出される、あるいは所定の行き先へと送られる。
【０００４】
ところが、上記のような従来のバッチ式水熱反応装置は、第１反応器からの流出流体に水、酸化剤（空気）を混合して第２反応器で有機物を完全分解する方式であったが、水、空気の混合順序や位置は必ずしも明確ではなく、また、混合後の温度も明確ではなかった。このような場合、混合順序や温度条件が外れると、空気混合時に異常温度上昇が起こる可能性がある。
【０００５】
たとえば、第１反応器からの流出流体は、初期に軽質油を主成分とする有機物を高濃度で含有しているおそれがある。また、第１反応器の温度によっては、第１反応器流出流体が臨界温度以下である場合がある。このような場合、以下のように様々な問題が生じるおそれがある。
（１）第１反応器流出流体にまず空気を混合する場合、有機物を高濃度で含有している第１反応器流出流体と空気が瞬時に反応し、温度が異常上昇するおそれがある。
（２）第１反応器流出流体に空気、超臨界水を同時に混合する場合、第１反応器流出流体の有機物濃度が高すぎる時、超臨界水を加えても有機物濃度が高いままとなるおそれがあり、空気との反応により、温度が異常上昇するおそれがある。
（３）第１反応器流出流体が臨界温度以下である場合、第１反応器流出流体中有機物が疎水性の場合、空気、超臨界水混合後の流体が空気、有機物、水の各相に分離するおそれがあり、空気、有機物部分のみが反応して温度上昇することにより、局所的に高温となるおそれがある。
このように、第２反応器に入る流体の組成、混合状態が悪いために、内部流体が高温になり、装置（とくに第２反応器）の設計温度を超えるおそれがある。
【特許文献１】特開２００３−３４０２６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の課題は、上記のようなおそれを除去するために、空気（酸化剤）混合時の温度の異常上昇を適切に抑制できるようにした水熱反応方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る水熱反応方法は、被処理物をバッチ式で第１反応器に投入し、第１反応器内で水熱反応により被処理物中の有機物を流動化せしめ、第１反応器に押出水を供給して流動化した有機物を第１反応器から押し出し、第１反応器からの流出流体を後段の第２反応器に供給し、第２反応器にて供給されてきた有機物を水熱酸化分解する水熱反応方法において、第１反応器からの流出流体に希釈水を混合し、しかる後に、希釈水混合位置から第２反応器入口までの間にて酸化剤を供給することを特徴とする方法からなる。
【０００８】
この水熱反応方法においては、上記第１反応器からの流出流体と上記希釈水の混合流体の温度を水の臨界温度以上にした後に上記酸化剤を供給することが好ましい。
【０００９】
また、第２反応器が所定温度以下に維持されるように、上記押出水の供給水量および／または上記希釈水の混合水量を制御する、あるいは、第２反応器が所定温度以下に維持されるように、上記押出水の供給水量と上記希釈水の混合水量の比率を制御することが好ましい。
【００１０】
また、第２反応器による処理後の処理流体の状態に基づいて、押出水および／または希釈水の供給を制御することもできる。すなわち、第２反応器による処理後の処理流体が所定の処理状態に維持されるように、押出水の供給水量および／または希釈水の混合水量を制御する、あるいは、第２反応器による処理後の処理流体が所定の処理状態に維持されるように、押出水の供給水量と希釈水の混合水量の比率を制御することができる。所定の処理状態に維持されているか否かを、処理流体からの炭酸ガスおよび／または酸素ガスの検出により判定することが可能である。
【００１１】
本発明に係る水熱反応装置は、被処理物をバッチ式で投入し、水熱反応により被処理物中の有機物を流動化する第１反応器と、流動化した有機物を第１反応器から流出させるために第１反応器に押出水を供給する押出水供給系と、第１反応器からの流出流体を後段の第２反応器に供給する流出流体供給系と、該流出流体供給系を介して供給されてきた有機物を水熱酸化分解する第２反応器とを備えた水熱反応装置において、前記流出流体供給系に、第１反応器からの流出流体に希釈水を混合する希釈水混合系を接続するとともに、希釈水混合位置から第２反応器入口までの間に酸化剤供給系を接続したことを特徴とするものからなる。
【００１２】
この水熱反応装置においては、上記希釈水混合系に、第１反応器からの流出流体に希釈水を混合する前に希釈水を加熱する希釈水加熱手段が設けられている構成を採用することができる。また、流出流体供給系の希釈水混合位置の後段に、混合流体を加熱する混合流体加熱手段が設けられており、その後段に前記酸化剤供給系が接続されている構成を採用することもできる。
【００１３】
また、上記押出水供給系に、小流量用と大流量用の少なくとも２つの押出水供給手段が設けられている構成とすることもでき、上記希釈水混合系に、小流量用と大流量用の少なくとも２つの希釈水供給手段が設けられている構成とすることもできる。
【００１４】
また、上記流出流体供給系の第２反応器入口側または前記第２反応器に、温度検出手段が設けられており、該温度検出手段による検出値に基づいて、押出水供給系の押出水供給水量および／または希釈水混合系の希釈水混合水量を制御する手段が設けられている構成とすることができる。また、上記流出流体供給系の第２反応器入口側または前記第２反応器に、温度検出手段が設けられており、該温度検出手段による検出値に基づいて、押出水供給系の押出水供給水量と希釈水混合系の希釈水混合水量の比率を制御する手段が設けられている構成とすることもできる。
【００１５】
また、上記第２反応器の後段に、該第２反応器による処理後の処理流体の状態を検出可能な処理状態検出手段が設けられており、該処理状態検出手段による検出値に基づいて、押出水供給系の押出水供給水量および／または希釈水混合系の希釈水混合水量を制御する手段が設けられている構成とすることができる。また、上記第２反応器の後段に、該第２反応器による処理後の処理流体の状態を検出可能な処理状態検出手段が設けられており、該処理状態検出手段による検出値に基づいて、押出水供給系の押出水供給水量と希釈水混合系の希釈水混合水量の比率を制御する手段が設けられている構成とすることもできる。処理状態検出手段としては、炭酸ガスおよび／または酸素ガスの検出手段を用いることができる。
【００１６】
このような本発明に係る水熱反応方法および装置においては、第１反応器からの流出流体にまず希釈用の水を混合し、次いで酸化剤（酸化用の空気）を混合した後に、第２反応器に供給する。この構成により、第１反応器流出流体中の有機物濃度が高い場合には、たとえば押出水を減らすと共に希釈水を増やすことで、第２反応器流入流体の有機物濃度を所定値以下とすることができる。その状態で酸化剤（空気）を混合することで、有機物全量が反応した際の発熱量により温度上昇しても、設計温度以上まで流体温度が上昇することを防ぐことができる。つまり、空気混合直後に第１反応器からの流出流体中の有機物全量が反応しても混合流体温度が第２反応器の設計温度以上まで上昇することを防ぐために、希釈水混合後の流体中有機物濃度が所定の値以下となるように押出水と希釈水の量や比率を変化させることができる。
【００１７】
また、第１反応器からの流出流体中の有機物が疎水性の場合、希釈用の水を混合した時点で臨界温度以上となるように温度調節を行なった希釈水を供給するか、希釈用の水を混合後に臨界温度以上まで昇温させる加熱手段を設けることにより、空気混合前に超臨界状態とし、第２反応器入口にて空気を加えて第２反応器にて有機物を酸化するようにすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る水熱反応方法および装置によれば、第１反応器からの流出流体に対し酸化剤混合前に希釈水を加え、第２反応器における反応前に有機物濃度を適切に調節することで、酸化剤混合時の反応による温度の異常上昇を抑制することができる。また、酸化剤混合前に超臨界状態としておくことで、酸化剤混合時にも局所反応を起こすことがなくなり、局所的な温度の異常上昇も抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る水熱反応装置を示している。図１において、１は被処理物（処理対象物）が投入される第１反応器、２は第１反応器１の後段に設置され、第１反応器１から送られてきた有機物を含む流出流体を水熱酸化分解する第２反応器を示している。被処理物は、第１反応器１にバッチ式で投入され、水熱反応により、たとえば加水分解により、被処理物中の有機物が流動化される。この流動化した有機物を第１反応器１から流出させるために、押出水供給系３から第１反応器１に押出水４が供給される。なお、第１反応器１に供給される空気５は、押出水４による押し出しの最後の段階で、第１反応器１内に残っている有機物を、超臨界雰囲気にして酸化分解するために、そのときのみに供給されるものである。これにより、第１反応器１内を残留する不溶性無機物を除いて実質的に空にでき、次のバッチ処理に移行できる。
【００２０】
第１反応器１からの流出流体を後段の第２反応器２に供給するために、流出流体供給系（配管）６が設けられており、該流出流体供給系６を介して、上記流動化有機物を含む第１反応器１からの流出流体が第２反応器２に供給され、第２反応器２にて水熱酸化分解される。この流出流体供給系６に、第１反応器１からの流出流体に希釈水７を混合する希釈水混合系８が接続されている。そして、この希釈水混合系８による希釈水混合位置から第２反応器２の入口までの間に、酸化剤としての反応用空気９を供給する酸化剤供給系１０が接続されている。
【００２１】
第２反応器２の入口側または第２反応器２には（本実施態様では、第２反応器２の入口側に）、内部流体（上記第１反応器１からの流出流体と希釈水７との混合流体）の温度を検出する温度検出手段１１が設けられている。この温度検出手段１１による検出値に基づいて、制御装置１２により、押出水供給系３の押出水供給水量および／または希釈水混合系８の希釈水混合水量を制御できるようになっている。また、この温度検出手段１１による検出値に基づいて、押出水供給系３の押出水供給水量と希釈水混合系８の希釈水混合水量の比率を制御することもでき、各水量の絶対量と比率の両方を制御するようにすることもできる。
【００２２】
第２反応器２からの処理流体は、排出系１３を介して排出されるが、本実施態様では、冷却水１４を通水した冷却器１５により冷却されたのち、処理流体減圧弁１６により減圧され、排出されるか、所定の行き先に送られる。本実施態様では、この処理流体減圧弁１６による減圧直後の位置に、処理流体の処理後の状態を検出可能な手段としての炭酸ガス検出手段１７が設けられており、検出された炭酸ガス濃度により有機物の酸化分解処理が十分に行われたか否かが判定できるようになっている。第２反応器２やその入口側での異常高温による不十分な処理も判定できるので、この炭酸ガス検出手段１７による検出値に基づいて、制御装置１２により、押出水供給系３の押出水供給水量および／または希釈水混合系８の希釈水混合水量、および／または、押出水供給水量と希釈水混合水量の比率を制御することもできる。したがって、たとえば、この炭酸ガス検出手段１７による制御を、前述の温度検出手段１１による制御のバックアップ制御とすることができる。なお、炭酸ガス検出手段１７に代えて酸素ガス検出手段を用いてもよい。検出された酸素ガス濃度によっても有機物の酸化分解処理が十分に行われたか否かを判定でき、さらに炭酸ガス検出手段１７とともに酸素ガス検出手段を並設設置して、両者の検出結果から処理後の状態を検出可能にしてもよい。
【００２３】
このような構成により、たとえば、第１反応器１からの流出流体中の有機物濃度が高い場合には押出水を減らすと共に希釈水を増やすことで、第２反応器２への流入流体の有機物濃度を所定値以下とすることができる。その状態で酸化剤としての反応用空気を混合することで、有機物全量が反応した際の発熱量により温度上昇しても、第２反応器２や流出流体供給系６の設計温度以上まで流体温度が上昇することを防ぐことができる。
【００２４】
また、第１反応器１における押出水による押し出しは、一般に完全なプラグフローにはならないので、初期押出時には有機物濃度が高く、押出終了時には順次補給されてくる押出水によって有機物濃度が低くなっていることが想定される。これに応じて、初期は押出水流量を小さくし、希釈水流量を大きくするが、押出終了時には押出水流量を大きくし、希釈水流量を小さくすることにより、流出流体の有機物濃度の均一化あるいは変動幅の縮小が可能となり、処理の効率化を図ることができる。
【００２５】
また、このような場合、押出水および希釈水の流量を大きく変化させる必要が生じる場合があるが、通常の供給手段である高圧ポンプでは大きく変化する流量に対して全流量領域で安定供給することが難しい場合が多い。そこで、図示しないが、押出水および／または希釈水供給手段としてのポンプは、大流量用および小流量用の２つをそれぞれ並列で設け、必要な流量変化に対応できるようにすることが好ましい。
【００２６】
また、処理対象物によっては、第１反応器流出流体と希釈水の混合時の状態が臨界温度以下の場合、第１反応器からの流出流体中の有機物が水と分離し、油相と水相に分離するおそれがある。この状態で空気を混合すると、分離した油相と酸化剤（反応用空気）との反応により油相部分と空気のみが局所的に温度上昇するおそれがある。したがって、空気混合前までに第１反応器からの流出流体と希釈水の混合流体を超臨界状態にしておく必要がある。その手段としては、（１）希釈水を第１反応器流出流体との混合前に加熱して、混合後の温度が超臨界状態になるように希釈水の供給量および加熱手段出口温度を調節する手法、（２）第１反応器流出流体と希釈水を混合後に設けた加熱器により、超臨界状態とする手法、（３）希釈水を加熱手段で加熱した後に第１反応器流出流体と混合し、混合後さらに別に設けた加熱手段により超臨界状態とする手法がある。
【００２７】
図２は、上記手法のうち、（３）の手法を採用した、本発明の別の実施態様に係る水熱反応装置を示している。すなわち、図１に示した実施態様に比べ、希釈水混合系８に、希釈水用加熱器２１が設けられ、流出流体供給系６に、混合後流体再加熱用加熱器２２が設けられている。このような構成とすることにより、第１反応器流出流体中に疎水性有機物があったとしても、空気混合前に超臨界状態とすることにより水に完全混合した状態で空気と混合されるため、局所的な異常温度上昇が抑制される。なお、図２には押出水や希釈水の流量やその比率の制御系は図示していないが、図１に示したのと同様の態様で設置できる。
【００２８】
なお、上記各実施態様においては、酸化剤として空気を例示したが、特にこれに限定されるものではなく、酸素、過酸化水素等を酸化剤として使用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る水熱反応方法および装置は、第１反応器とその後段に第２反応器を備えたあらゆる水熱反応に適用可能であり、とくに第２反応器で超臨界水熱酸化反応を行う装置、方法に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施態様に係る水熱反応装置の概略機器系統図である。
【図２】本発明の別の実施態様に係る水熱反応装置の概略機器系統図である。
【図３】従来の水熱反応装置の概略機器系統図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  第１反応器
２  第２反応器
３  押出水供給系
４  押出水
５  空気
６  流出流体供給系
７  希釈水
８  希釈水混合系
９  酸化剤としての反応用空気
１０  酸化剤供給系
１１  温度検出手段
１２  制御装置
１３  排出系
１４  冷却水
１５  冷却器
１６  処理流体減圧弁
１７  炭酸ガス検出手段
２１  希釈水用加熱器
２２  混合後流体再加熱用加熱器
【図１】
2006000732.tif 000003
【図２】
2006000732.tif 000004
【図３】
2006000732.tif 000005