(57)【要約】廃棄物を処理するための方法と反応装置であり以下を含む。廃棄物を水熱分解反応し、その生成物を固形燃料と廃水に分離し、固形燃料を燃焼し、燃焼ガスは洗浄される。さらに燃焼によって発生した熱を使い水蒸気を作りだし、廃水は浄化される。高エネルギー効率をしめす一方で、燃焼中に発生した汚染物質の高除去率を示す。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃棄物の処理方法として以下が含まれる。
（a）  廃棄物の水熱分解反応は、１７０〜２５０℃、１８〜２５barの蒸気を使って行われる。
（b）  重力や、遠心力、加圧によりステップ(a)の生成物を液体部分と固体生成物に分離する。
（c）  ステップ（b）で分離した固体生成物を乾燥し、固体燃料を得る。
（d）  ステップ（c）で得られた固体燃料を燃焼させる。
（e）  ステップ（d）で発生した燃焼ガスを洗浄する。
（f）  ステップ（d）で発生した熱を使い１７０〜２５０℃、１８〜２５barの蒸気を発生させ、ステップ（a）に供給する。
（g）  ステップ（b）で分離した液体部分を浄化し、排出する。
【請求項２】
請求項１の方法で、ステップ（a）の水熱分解反応が、Ｃａ、Ｍｇ、ＫやＮａの酸化物か水酸化物、または炭酸塩を含むグループから選択された一つ以上の金属の存在下で行われる。
【請求項３】
請求項１の方法で、洗浄ステップ(e)が乾式洗浄により行われ、Ｈ２ＳＯ4、ＨＣｌ、ＮａＯＨ、(ＣＨ３)２Ｓ、(ＣＨ３)２Ｓ２、Ｎａ２ＳＯ３、Ｏ３またはそれらの混合物を含むグループから少なくとも一つを使用した湿式洗浄。
【請求項４】
請求項１の方法で、洗浄ステップ(e)がＨＣｌ、ＣＯ２、ＣＯ、ＮＯＸ、ＳＯＸまたは重金属を含むグループから選択された一つ以上の汚染物質を除去する。
【請求項５】
請求項１の方法で、ステップ(e)で発生した排出ガスがステップ(c)で大気中に解放される前に乾燥空気として使われる。
【請求項６】
請求項１の方法で、ステップ(d)で発生した熱を使い作りだした蒸気を利用し、さらに電気を発生させるステップを含む。
【請求項７】
請求項１の方法で、廃棄物とは下水や排水汚泥、家畜糞尿、食品廃棄物、農業廃棄物、または、それらの混合物などの有機成分を含んだ都市ごみから成るものを指す。
【請求項８】
請求項１に記載の処理が可能な以下を含む廃棄物処理装置。
（a）  １７０〜２５０℃で１８〜２５barの蒸気で廃棄物を水熱処理するための水熱分解器。
（b）  水熱分解器(a)の生成物を、重力や遠心力、もしくは加圧により液体部分と固体生成物に分ける分離器。
（c）  分離器（ｂ）で分離した固体生成物を乾燥させ、固体燃料を得る乾燥器。
（d）  乾燥器（ｃ）で得られた固形燃料を燃焼する燃焼室。
（e）  燃焼室（ｄ）で発生した燃焼ガスを洗浄するスクラバー
（f）  燃焼室（ｄ）で発生した熱を使い水熱分解器(a)に１７０〜２５０℃、１８〜２５barの蒸気を発生させるためのボイラー。
（g）  分離器（ｂ）で分離された液体を浄化するための清浄器。その後排出。
【請求項９】
請求項８の装置で、水熱分解器(a)が水熱分解工程をＣａ、Ｍｇ、ＫやＮａの酸化物か水酸化物、または炭酸塩を含むグループから選択された一つ以上の金属の存在下で行うこと。
【請求項１０】
請求項８の装置で、スクラバー(e)が乾式洗浄により行われＨ2ＳＯ４、ＨＣｌ、ＮａＯＨ、(ＣＨ3)2Ｓ、(ＣＨ３)２Ｓ２、Ｎａ２ＳＯ３、Ｏ３またはそれらの混合物を含むグループから少なくとも一つを使用した湿式洗浄。
【請求項１１】
請求項８の装置で、スクラバー(e) がＨＣｌ、ＣＯ２、ＣＯ、ＮＯＸ、ＳＯＸや重金属を含むグループから選択された一つ以上の汚染物質を除去する。
【請求項１２】
請求項８の装置で、スクラバー(e)からの排ガスが乾燥器（ｃ）に供給されて、大気に放出される前に乾燥空気として使われる。
【請求項１３】
請求項８の装置で、さらに、燃焼室（ｄ）で発生した熱を使い蒸気を発生させるために追加のボイラーを含み、その蒸気により発電のための発電機を含む。
【請求項１４】
請求項８の装置で、廃棄物は下水や排水汚泥、家畜糞尿、食品廃棄物、農業廃棄物、または、それらの混合物などの有機成分を含んだ都市ごみから成るものを指す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、都市ごみや下水汚泥のような有機廃棄物処理とその装置においてエネルギー効率のよい方法についてである。
【背景技術】
【０００２】
汚泥や家畜糞尿、食品廃棄物、農業廃棄物のような有機廃棄物は一般的に嫌気性消化によって処理することで、メタンのようなバイオガスに再生している。嫌気性消化は有用であり、純化されたメタンガスはエネルギー源として使用可能であるが、問題もある。それは、処理時間が長くかかるために高コストの要因になり、エネルギー効率が低いことだ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
埋立処理は環境に悪影響を及ぼさないように制限されているので都市ごみのほとんどは焼却処分によって現在処理されている。焼却処分は熱エネルギーの回収を可能にするが、その処理により発生した飛灰とボトムアッシュは費用のかかる処理手段を必要とする。
【０００４】
最近、水熱分解を使った有機固形廃棄物処理方法が開発されている。しかしながら、この処理方法は、処理の結果として生じた固形燃料生成物がダイオキシンのような塩素化合物を発生させる有毒な有機塩素化合物をかなり大量に含むという問題があり、固形燃料として使う場合は、ＳＣＲ（選択的触媒還元）のような処理方法により除去されなければならない。この理由から、廃棄物からエネルギーへのシステムは、従来の焼却処分方法と比較した時、経済的に実行可能ではない。さらに、従来の焼却処分を使い焼却した場合、水熱分解方法によって得られた固形燃料は粉じんと様々な空気汚染物質を生み出す。しかし粉じん問題は固形燃料をペレット化することで部分的に解決は可能だ。
【０００５】
従来の水熱分解は固形燃料と廃水を遠心装置により分ける。続いて、下水道処理施設で廃水を処理する、しかしそのような廃水は約４０，０００ｍｇ/LのＢＯＤ値と約５０，０００ｍｇ/LのＣＯＤ値を持ち、それらは下水道処理施設で効果的に処理することが出来ないかもしれない。
【０００６】
排ガスを処理するほとんどの従来型の処理方法でもまた、一般的に硫黄分除去に使われている乾燥スクラバーを使っている、しかし、固形燃料の燃焼によって発生する排ガスはＨＣｌやＮＯＸのような乾燥スクラバーで除去が困難な物質を含む。それゆえ、湿式気体スクラバーまたは乾燥スクラバーとの組み合わせが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、この発明の目的は高い熱効率や、有機成分を含んだ廃棄物を処理するための統合された方法、その装置を提供することである。
【０００８】
この発明の構成として、以下のステップを含む廃棄物処理方法を提供する。ステップ(a)は１７０〜２５０℃で１８〜２５barの蒸気を使い廃棄物の水熱分解反応し、ステップ(b)はステップ(a)の生成物を液体部分と固体生成物を、重力、遠心力や過圧により分離、ステップ(c)はステップ(b)で分けられた固体生成物を乾燥し、固体燃料を得て、ステップ(d)はステップ(c)で得られた固形燃料を燃焼、ステップ(e)はステップ(d)で発生した燃焼ガスを洗浄し、ステップ(f)はステップ(d)で発生した熱を使い１７０〜２５０℃で１８〜２５barの水蒸気を発生させステップ(a)に供給し、ステップ(g)はステップ(b)で分離された液体部分を浄化し、排出する。
【０００９】
この発明のもう一つの構成として、以下を含む廃棄物処理方法のための装置を提供する。(a)は１７０〜２５０℃で１８〜２５barの水蒸気で廃棄物を水熱的に処理する反応器、(b)は重力や遠心、加圧により反応器(a)の生成物を液体部分と固体生成物に分けるための分離器、(c)は分離器(b)で分けた固体生成物を乾燥させ、固体燃料を得るための乾燥器、(d)は乾燥器(c)で得られた固体燃料を燃焼するための燃焼室、(e)は  燃焼室(d)で発生した燃焼ガスを洗浄するためのスクラバー、(f)は燃焼室(d)で発生した熱を使い反応器(a)に１７０〜２５０℃、１８〜２５barの水蒸気を発生させるためのボイラー、(g)は分離器(b)で分離された液体を浄化するための清浄器と、その後に排出が続く。
【発明の効果】
【００１０】
水熱分解と資源の再生の総合的なシステムにより廃棄物を処理するための発明した方法と装置は、燃焼の中に発生した汚染の高い除去率を示す一方で、高エネルギー効率を示す。この発明は都市ごみ、下水または廃水汚泥、家畜糞尿、食品廃棄物、農業廃棄物を含む廃棄物を処理するために有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
この発明の上述や他の目的や将来性は、添付の図を参照していただければ、この発明について以下の説明で容易に分かるだろう。それぞれ以下に示す。
【図１】この発明における廃棄物処理方法の例を示したブロック図である。
【図２】この発明における廃棄物処理方法のほかの例を示したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
この発明において、ここで使われている“廃棄物”と言う表現は、有機成分を含む都市ごみや、下水または廃水汚泥、家畜糞尿、食品廃棄物、農業廃棄物や、それらの混合物のような有機性廃棄物を含んでいる。
【００１３】
下文で、この発明による処理方法は以下の例により詳細に述べられるが、それは説明のためだけに提供されるものであって、この発明に関して制限をするものではない。
【００１４】
水熱分解反応
有機成分を含む廃棄物は入り口より反応器（圧力容器）に供給される。
【００１５】
そして、１７０〜２５０℃、１８〜２５barの水蒸気が、回転翼を使い機械的攪拌されながら反応器に供給される。この水蒸気はボイラーから発生する。反応器内が１７０〜２５０℃に到達した後、２０〜９０分、供給された蒸気によりこの状態を維持する。より望ましくは水熱分解反応の状態は１９０〜２１５℃、１９〜２２bar。
【００１６】
この状態が上記の範囲内に含まれるとき、廃棄物中のより有機塩素が分解され、廃棄物中でアルカリ成分と反応し有機塩が生成する、それは固体廃棄物の燃焼で発生するＨＣｌやダイオキシンの量を減少させる。さらに、廃棄物中のより多くの窒素や硫黄の量が蒸発し、凝縮水（コンデンスウォーター）を通して運ばれ、また液相中に溶け込み、固形廃棄物の燃焼に由来するＮＯＸやＳＯＸの量を減少することも可能だ。
【００１７】
この発明で使われている反応器は、好ましくはバッチ式の反応器がよい。
【００１８】
水熱分解反応は、廃棄物の固相中での塩素の除去率を増加させるために、酸化物や水酸化物、炭酸塩の形でＣａ、Ｍｇ、ＫとＮａを含む化合物から選ばれた一つかそれ以上の金属の存在下で行われる。
【００１９】
これらの金属化合物は容易に水中に溶解し、固相中で電子を求電子性の塩素原子に与え、塩素が下の反応図１に示すように安定した陰イオンの存在になる。電子豊富な塩素陰イオンはカルシウムやマグネシウムのような陽イオンと共にペアになり、固相から液相へ塩素が移動可能になる。
【００２０】
【化１】
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【００２１】
例えば、固相に有機塩素３．４重量％と無機塩素０重量％を含むプラスチック廃棄物を反応式の化１のように処理をした時に、０．２％以下に有機塩素の量は減り、無機塩は約２重量％に増加する。
【００２２】
上記のように、液相中の塩素陰イオン（Ｃｌ-）は凝縮または浄化過程の間、溶解した状態で存在し、自然の水系またはダイオキシンのような有毒な有機塩素化合物を発生しない汚水処理施設へ環境的にも安全に処理され放出される。
【００２３】
さらに、水熱分解で得られた固形残渣の燃焼はダイオキシンのような有機塩素化合物をほとんど発生せず、それは排ガス処理によって単純な処理ができる。
【００２４】
水熱分解が完了したとき、蒸気の供給は止まり、反応器に入っている蒸気はコンデンサーに排出される。反応器の内圧が大気圧まで減少した後、生成物は反応器から排出され、分離器（脱水器）に送られる。生成物は湿った固形状か、７０〜９０％の水分量を持ったスラリー状の液体になる。
【００２５】
凝縮
反応器の内側の水蒸気はコンデンサーに移動し、１００℃かそれ以下の凝縮管を通ることで凝縮される。
【００２６】
凝縮水はＶＯＣｓ（揮発性の有機化合物、悪臭の元）を含み、ＢＯＤとＣＯＤ値が２，０００〜６，０００ｍｇ/Lを示す。その凝縮水は清浄器に送られる。
【００２７】
固液分離
水熱分解反応で得られた生成物は分離器（脱水機）に送られ、重力や遠心力、または加圧により機械脱水し、固体生成物と液体部分を分離し、約５０〜７０％の含水率を持った固体残渣を得る。その固体生成物は乾燥器に送られ、液体部分は廃水処理に送られる。
【００２８】
乾燥
分離器で分離した固体生成物は、さらに熱風を使い乾燥器で脱水し、含水率が１０〜３０％になり、固体燃料になる。
【００２９】
好ましくは、スクラバーから来る熱排ガスを、熱効率を最大にするために乾燥空気として使う。その乾燥工程を通して、スクラバーから供給された熱風は、温度が減少し、低温の空気が大気中に放出される。
【００３０】
それゆえ、この発明は排ガスの温度を低下させることで、大気汚染を減少させ、燃焼から熱を再利用することで高いエネルギー効率を示す。その乾燥工程で得られた固形燃料は燃焼室へ送られる。
【００３１】
固形燃料の燃焼
乾燥器から得られた固形燃料は燃焼室で完全に燃焼させる。望ましくは、全工程から出るＶＯＣｓやアンモニアを含む廃棄ガス、特に浄化工程から来るものは燃焼室に供給され、不快な臭い成分を除去するように乾燥した固形燃料と共に燃焼する。
【００３２】
燃焼の温度は望ましくは８５０〜１，２００℃。燃焼器システムは立ち上げのためだけに存在し、燃焼のための高温は投入された物質の熱量により維持される。
【００３３】
燃焼室内に導入された制御システムで、熱処理は補助され、排出までの灰の移動を制御可能である。安全の為に高温カメラシステムの監視が導入され、処理時に排出される粉じんや、オフガス中のＮＯＸのような汚染物を低く押えるために燃焼の最適状態を計算することが可能である。この設計により、乾燥した固形燃料はペレット化せずに燃焼できる。
【００３４】
その灰は排出され、ＣＯ２やＣＯ、ＮＯＸ、ＳＯＸを含む燃焼ガスや重金属はスクラバーに送られる。その燃焼で発生した熱はボイラーに供給される。
【００３５】
蒸気発生
燃焼室から発生した熱はボイラーに供給され、１７０〜２５０℃、１８〜２５barの蒸気を発生させる。蒸気は水熱分解器に供給される。
【００３６】
ガス洗浄
燃焼室から排出された燃焼ガスはスクラバーに供給され、基準値以下まで汚染物質が取り除かれる。望ましくは、スクラバーを通して除去される汚染物質は、大気汚染の原因である粉じんや重金属のような粒子状物質と、ＨＣｌやＣＯ２、ＣＯ、ＮＯＸやＳＯＸのようなガス状の汚染物質である。
【００３７】
ガス中の汚染物質は以下のような湿式洗浄工程により処理される。
【００３８】
１）３段湿式洗浄工程
燃焼ガスは、酸性スクラバー、中性スクラバー、塩基性スクラバーの３段洗浄工程により処理される。
【００３９】
悪臭ガス→〔酸性スクラバー〕→〔中性スクラバー〕→〔塩基性スクラバー〕→クリーンガス  
【００４０】
塩基性汚染物質（ＮＨ３、（ＣＨ３）３Ｎ）はＨ２ＳＯ４かＨＣｌで処理。
【化２】
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【化３】
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【化４】
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【化５】
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【００４１】
酸性汚染物質(H2S)はNaOHで処理。
【化６】
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【００４２】
中性汚染物質  (ＣＨ３)２Ｓ, (ＣＨ３)２Ｓ２)について。
【化７】
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【化８】
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【００４３】
その他汚染物質は吸着により除去する。
【００４４】
２）２段湿式洗浄工程
さらに、燃焼室から排出される燃焼ガスは以下に示すような２段洗浄工程によってオゾンや、アルカリを使って処理される、これによりコンパクトなシステム配置を可能にし、それ故、その工程は簡易化され、洗浄のための区画は縮小できる。オゾン酸化スクラバーとアルカリスクラバーは相乗的に燃焼ガス中の汚染物質を除去する。
【００４５】
悪臭ガス→〔オゾン酸化スクラバー〕→〔アルカリスクラバー〕→クリーンガス
【００４６】
〔オゾン酸化洗浄工程〕について。
【００４７】
塩基性汚染物質(ＮＨ３, (ＣＨ３)３Ｎ)の処理。
【化９】
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【化１０】
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【００４８】
酸性汚染物質の処理。
【化１１】
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【００４９】
中性汚染物質((ＣＨ３)２Ｓ, (ＣＨ３)２Ｓ２)の処理。
【化１２】
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【化１３】
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【００５０】
〔アルカリ洗浄工程〕について。
【００５１】
ＨＣｌ (除去率: ９５−９８%)の処理
【化１４】
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【化１５】
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【化１６】
2013511386.tif 000018
【００５２】
ＳＯＸ (除去率: ９５−９８%)の処理。
【化１７】
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【化１８】
2013511386.tif 000020
【００５３】
ＮＯＸ (ＮＯ, ＮＯ２) (除去率: ９０−９５%)の処理。
【化１９】
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【化２０】
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【００５４】
上記の説明として、この発明での洗浄は乾式洗浄と、湿式洗浄を含み、汚染物質により３段又は２段の工程を選択し使う。最適な工程を提供することで、様々な汚染物質を効果的に処理する。スクラバーからの廃水は清浄器（廃水処理設備）に送られる。
【００５５】
浄化（廃水処理）
分離器により分離された液体や、コンデンサーを通った凝縮水、スクラバーから出た廃水はすべて清浄器（廃水処理設備）に流れ込み、排水可能な基準まで清浄化する。
【００５６】
水熱分解反応で発生した蒸気を凝縮することで得られた凝縮水は、それぞれ低いＢＯＤとＣＯＤ値を持つ、すなわち、それぞれ約５，０００ｍｇ/Lと６，０００ｍｇ/Lで、汚水処理施設へ投入可能な水準である。しかしながら、その分離器（脱水機）から分離した液体は４０，０００ｍｇ/LのＢＯＤ値と、５０，０００ｍｇ/LのＣＯＤＣｒ値を示し、下水処理工程を妨げることになる。
【００５７】
それゆえに、この発明は高濃度の有機廃水を安全基準まで処理するための浄化工程を含み、有機廃水を川や湖のような天然の水系へ、もしくは汚水処理施設へ直接排水できるようにする。清浄器の中で、高濃縮の有機廃水は高酸素移動速度で微生物により効果的に処理される。
【００５８】
以下の式を基本とし、ガスは液体中に一定の温度でその圧力に比例して溶解する、ガスは圧を制御する事により最大限度まで溶解することも可能だ。清浄器中の曝気タンクは好気性微生物にＤＯ（溶存酸素）を供給する事に優れている。
【数１】
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【００５９】
ここで、Ｐはガス圧（atm）、kHはヘンリー則の定数(L&middot;atm/mol)、Ｃはガスの溶解度（mol/L）である。前述のように十分な溶存酸素が供給されることで、高濃度（８，０００〜２２，０００ｍｇ/L）のＭＬＳＳ（活性汚泥浮遊物）は反応性が増加する（ＭＬＳＳ≒反応性）ように維持され、最適な性能を持つ従来の曝気タンクの５分の１以下というサイズのコンパクトな施設を可能にする。
【００６０】
清浄器で処理された水は、以下のプロセスによりさらに処理される。第一固液分離→高効率反応（廃水処理）→第二固液分離、そこで処理された水はＢＯＤが５００〜３，０００ｍｇ/L、ＣＯＤが５００〜３，０００ｍｇ/L、Ｔ−Ｎが５００〜２，０００ｍｇ/L、Ｔ−Ｐが１０〜５００ｍｇ/Lになり、汚水処理施設に排水可能な基準になる。
【００６１】
処理された排水が川のような自然に直接排出される場合、脱窒と脱リンの工程が以下のように加えられる。脱水→嫌気性反応→脱窒→高効率反応→沈殿→高度処理、高度処理は自然に排出可能な基準に合わせるために必要なものである。浄化工程は脱水固形ケーキが残り、それは再び水熱分解器へ送られ、他の廃棄物と共に処理される。
【００６２】
発電
この発明は追加のボイラーと発電機をさらに含む場合もある。
【００６３】
図２にあるように、燃焼室で発生した熱の一部を追加のボイラー（排熱ボイラー）に供給させ、そこから発生した蒸気は発電機に運ばれ、発電し、プラントに供給する。余剰蒸気は水熱分解器へ供給される。
【００６４】
この発明は前述の仕様の実施形態に配慮して説明されているが、添付の請求項によって定義されるような発明の範囲内に含まれ、技術的にそれらの派生による様々な改良や変更が、その発明になされるかもしれないと認識するべきである。
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【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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