(57)【要約】【課題】被反応物の量が変化する場合においても、被反応物と酸化剤とを十分に混合した状態で、反応器内に均一に分散でき、効率よく水熱反応を開始、継続あるいは停止することができる水熱反応装置を提供する。【解決手段】被反応物供給路１１から分岐被反応物供給路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を通して被処理物１３、補助燃料１４、水１５等を含む被反応物を供給装置２、３、４に供給し、酸化剤供給路１２から分岐酸化剤供給路Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６を通して供給装置２、３、４に供給し、混合状態で反応器１に供給して水の超臨界または亜臨界状態で水熱反応を行う際、圧力センサＤ１、Ｄ２の差圧を一定範囲に保つように弁Ｖ１〜Ｖ６を開閉し、被反応物量に対応した吐出口面積を有する供給装置２、３、４を選択する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の超臨界または亜超臨界状態で水熱酸化反応を行う反応器と、
被反応物を供給する被反応物供給路と、
酸化剤を供給する酸化剤供給路と、
異なる吐出口面積を有し被反応物および酸化剤を混合状態で反応器に供給する複数の供給装置と、
被反応物供給路から各供給装置に連絡する分岐被反応物供給路と、
酸化剤供給路から各供給装置に連絡する分岐酸化剤供給路と、
被反応物の流量に対応する吐出口面積の供給装置を選択して被反応物および酸化剤を反応器に供給する制御装置と
を含む水熱反応装置。
【請求項２】
被反応物供給路は被処理物供給路、補助燃料供給路および水供給路が連絡する請求項１記載の装置。
【請求項３】
供給装置は２流路または３流路以上の多流路ノズルである請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
制御装置は供給装置の前後の差圧を一定範囲に保つように制御するものである請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
制御装置は分岐被反応物供給路および分岐酸化剤供給路に設けられた弁の開閉により供給装置の選択を行う請求項１ないし４のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は有機性の被処理物を含む被反応物を、酸化剤の存在下、水の超臨界または亜臨界状態で水熱反応させる水熱反応装置に関し、特に水熱反応の反応制御を安定して行うことができる水熱反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、廃棄物の分解、エネルギーの生成、化学物質の製造等において、水熱反応を用いて被処理物を酸化分解または加水分解させる方法が利用されている。特に近年、水の超臨界状態若しくはそれに近い亜臨界状態で、被処理物と酸化剤を含んだ水とを反応させ、被処理物中の有機物を短時間でほぼ分解できる水熱反応方法が注目されている。この方法では、被処理物中の有機物は燃焼を含む酸化反応により、水と二酸化炭素からなる高温高圧の反応生成物となる。反応生成物はエネルギー回収されるか、または冷却・減圧されてガス分と液体分とに分離される。
【０００３】
水熱反応では被処理物に必要により補助燃料、水等を加えた被反応物を、酸化剤例えば空気と混合して反応器内に供給し水熱反応を行う。この場合、被反応物と酸化剤とを混合状態で、反応器内に均一に分散できるように２流路ノズルを用い、別の流路から送られる被反応物と酸化剤とを混合して反応器内に供給し水熱反応を行うことが提案されている（特開平１０−１３７７４号）。
【０００４】
ところで水熱反応方法では、水熱反応開始の際に反応器内へ補助燃料と水と酸化剤を添加して反応を開始し、反応器内で水熱反応が安定して継続する状態となった時点で被処理物の添加を開始し、供給する被反応物を補助燃料から被処理物へ切り替える方法が採用されている。このような方法では水熱反応開始の際に反応器に供給する被反応物の量が変化する。水熱反応開始後においても、被処理物の量が変化することにより被反応物の量が変化する場合がある。
【０００５】
このような被反応物の量が変化する場合に２流体ノズルを用いると、被反応物と酸化剤とを混合した状態で、反応器内に均一に分散できない場合がある。すなわち被反応物の量が少ない場合は、ノズルの前後で差圧が小さくなるため、被反応物と酸化剤とを十分に混合した状態で噴霧することができず、反応器内に均一に分散できない。その結果、被反応物の未分解物が残留し、処理水質の悪化を招くという問題点がある。この処理水質の悪化を防ぐため、酸化剤の量を多くする方法もあるが、この場合、反応器の腐食が大きくなるという問題点が残る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、被反応物の量が変化する場合においても、被反応物と酸化剤とを十分に混合した状態で、反応器内に均一に分散でき、効率よく水熱反応を開始、継続あるいは停止することができる水熱反応装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の水熱反応装置である。
（１）　水の超臨界または亜超臨界状態で水熱酸化反応を行う反応器と、
被反応物を供給する被反応物供給路と、
酸化剤を供給する酸化剤供給路と、
異なる吐出口面積を有し被反応物および酸化剤を混合状態で反応器に供給する複数の供給装置と、
被反応物供給路から各供給装置に連絡する分岐被反応物供給路と、
酸化剤供給路から各供給装置に連絡する分岐酸化剤供給路と、
被反応物の流量に対応する吐出口面積の供給装置を選択して被反応物および酸化剤を反応器に供給する制御装置と
を含む水熱反応装置。
（２）　被反応物供給路は被処理物供給路、補助燃料供給路および水供給路が連絡する上記（１）記載の装置。
（３）　供給装置は２流路または３流路以上の多流路ノズルである上記（１）または（２）記載の装置。
（４）　制御装置は供給装置の前後の差圧を一定範囲に保つように制御するものである上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の装置。
（５）　制御装置は分岐被反応物供給路および分岐酸化剤供給路に設けられた弁の開閉により供給装置の選択を行う上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の装置。
【０００８】
本発明において水熱反応は、被処理物、補助燃料、水等の被反応物を、酸化剤と混合して反応器内に供給して、水の超臨界または亜臨界状態で水熱反応により分解する。分解は、例えば被処理物の酸化分解、加水分解等によって行われる。超臨界状態とは３７４℃以上、２２ＭＰａ以上の状態である。また亜臨界状態とは例えば３７４℃以上、２．５ＭＰａ以上２２ＭＰａ未満あるいは３７４℃未満、２２ＭＰａ以上の状態、あるいは３７４℃以下、２２ＭＰａ未満であっても臨界点に近い高温高圧状態をいう。
【０００９】
本発明において処理の対象となる被処理物は、有機性の被処理物であり、水熱反応により酸化分解可能な有機物を含むものである。具体的には、廃液、廃棄物、廃溶媒、汚泥、し尿、下水、菌体、プラスチック廃棄物、膜、吸着樹脂、イオン交換樹脂、活性炭等があげられる。被処理物は有機物のほかに無機物を含んでいてもよい。
【００１０】
酸化剤としては、特に限定されないが、例えば空気、酸素富化空気、酸素、液体酸素、過酸化水素水、硝酸塩等があげられる。
水熱反応において被処理物の熱量が不足する場合、補助燃料を反応器に供給して反応を行う。補助燃料としては、ケロシン、イソプロピルアルコール、メタノール等をあげることができる。これらの中でも、ケロシンが好ましい。補助燃料は純物質である必要はなく、例えば他の有機物、無機物、水分などを含有する廃油、廃溶媒であってもよい。
【００１１】
本発明において水熱反応を行うための反応器は、反応を安全かつ安定して行えるものであればどのような形態のものであっても構わない。例えば、チューブ式、ベッセル式、シリンダー式等の反応器、特開平１１−１５６１８６号に示されているような縦筒型反応器、特許第３０３６０７７号に示されているような管型反応器が挙げられる。反応器は超臨界または亜臨界状態で水熱反応を行うことができるように、耐熱、耐圧材料により形成される。例えば、ハステロイ、インコネル、ステンレス等の耐食性の材質によって形成された反応器が好ましい。なお反応熱だけでは超臨界または亜臨界状態に達しない場合に備え、反応器の外部に外部加熱手段を設けることができる。
【００１２】
このような反応器には、被反応物を供給する被反応物供給路と、酸化剤を供給する酸化剤供給路と、異なる吐出口面積を有し被反応物および酸化剤を混合状態で反応器に供給する複数の供給装置と、被反応物供給路から各供給装置に連絡する分岐被反応物供給路と、酸化剤供給路から各供給装置に連絡する分岐酸化剤供給路と、被反応物の流量に対応する吐出口面積の供給装置を選択して被反応物および酸化剤を反応器に供給する制御装置とが設けられる。
【００１３】
被反応物供給路には好ましくは被処理物供給路、補助燃料供給路および水供給路が連結される。供給装置は分岐被反応物供給路と分岐酸化剤供給路とが連絡し、これらの供給路から供給される被反応物および酸化剤を混合して反応器に供給するように構成される。この供給装置はそれぞれの供給路に連絡する２流路ノズルが好ましいが、３流路以上の多流路ノズルでもよい。このような供給装置は複数個使用し、それぞれの供給装置は異なる吐出口面積を有するものを使用する。各分岐被反応物供給路と分岐酸化剤供給路には弁を設けて特定の分岐被反応物供給路、分岐酸化剤供給路および供給装置を選択できるようにするのが好ましい。
【００１４】
制御装置は被反応物の流量に対応する吐出口面積の供給装置を選択するために、特定の分岐被反応物供給路、分岐酸化剤供給路および供給装置を選択できるように、弁の開閉を制御するようにするのが好ましい。分岐酸化剤供給路および供給装置の選択は、例えば供給装置の前後の差圧を測定することにより行うことができる。従って供給装置前後の差圧を一定範囲に保つように制御することにより、被反応物供給量に対応した制御を行うことができる。制御装置はこのようにして被反応物の流量に対応する吐出口面積の供給装置を選択するように構成される。
【００１５】
反応器に被反応物供給路から被反応物を供給し、酸化剤供給路から酸化剤を供給し、水の超臨界または亜臨界状態での水熱反応を開始する。このとき被反応物供給路には被処理物供給路から被処理物、補助燃料供給路から補助燃料、水供給路から水が供給される。そして制御装置において被反応物の流量に対し、適切な吐出圧力が発生する吐出口面積の供給装置を選択し、その供給装置に連絡する分岐反応物供給路および分岐酸化剤供給路からそれぞれ被反応物および酸化剤を供給する。これらの被反応物および酸化剤を供給装置内で混合して反応器に吐出し、水熱反応を行う。
【００１６】
例えば運転開始または停止時のように、あるいは運転中に流量低下したときのように被反応物量が少ないときは吐出口面積の小さい供給装置を選択し、量が多くなるに従って順次吐出口面積の大きい供給装置に切換えていく。これにより、供給装置前後の吐出圧力は一定範囲に保たれ、供給装置の吐出圧力は均等化する。従って被処理物と酸化剤とを十分に混合した状態で噴霧することができ、これにより被反応物と酸化剤を反応器内に均一に分散させて水熱反応を効率化することができる。また被反応物の量が少なくても酸化剤の量を多くする必要がなく、反応器の腐食は少なくなる。
【００１７】
処理量の変動に合わせ反応器への供給ノズルを変更し、ノズルの差圧を一定に保つことができ、ノズルの差圧を測定するセンサーと連動して、供給ノズルを選択することができる。よって、装置の運転を止めることなくその径を任意に変更できるノズルにより、処理対象有機物とその他物質を反応器に供給し、この際処理量の変動に合わせ反応器への供給ノズル径を変更し、ノズルの差圧を一定に保つことができる。
【００１８】
被反応物供給路、分岐被反応物供給路から被反応物を供給し、他の分岐被反応物供給路へ切換えた後は、補助燃料または水を洗浄剤として供給し、洗浄を行うことができる。その洗浄水は、そのまま水熱反応により処理してもよいし、被処理物と合わせて処理してもよい。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、被反応物の量が変化する場合においても、被反応物と酸化剤とを十分に混合した状態で、反応器内に均一に分散でき、効率よく水熱反応を開始、継続あるいは停止することができる水熱反応装置が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。図１は実施形態の水熱反応装置の系統図である。
【００２１】
図１において、１は反応器であって、水の超臨界または亞臨界状態で水熱反応を行うように構成されている。反応器１の上部には異なる吐出口面積を有する複数の供給装置２、３、４が設けられている。供給装置２、３、４は内筒５、外筒６、吐出口７を有する２重管ノズルからなり、吐出口７の面積は供給装置２、３、４の順に大きくなっている。供給装置２、３、４の内筒５には、被反応物供給路１１から分岐し、かつ弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を有する分岐被反応物供給路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３がそれぞれ連絡している。供給装置２、３、４の外筒６には酸化剤供給路１２から分岐し、かつ弁Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を有する分岐酸化剤供給路Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６がそれぞれ連絡している。被反応物供給路１１には、被処理物槽１３、補助燃料槽１４、水槽１５からそれぞれの供給路１７、１８、１９が連絡している。Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３はポンプ、Ｃはコンプレッサである。Ｄ１、Ｄ２はそれぞれ被反応物供給路１１および反応器１の圧力を検出する圧力センサであり、両者間の差圧を検出するようになっている。１０は制御装置であって、ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３およびコンプレッサＣを制御するほか、圧力センサＤ１、Ｄ２の差圧により弁Ｖ１〜Ｖ６を制御して分岐被反応物供給路Ｌ１〜Ｌ３および分岐酸化剤供給路Ｌ４〜Ｌ６を、被反応物の量に応じて選択するように構成されている。
【００２２】
上記の水熱反応装置においては、被処理物槽１３から被処理物をポンプＰ１により供給し、必要により補助燃料または水を補助燃料槽１４または水槽１５からポンプＰ２、Ｐ３により供給し、これらの混合物を被反応物として被反応物供給路１１から分岐被反応物供給路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のいずれかを通していずれかの供給装置２、３、４の内筒５に供給する。一方酸化剤供給路１２から酸化剤として空気をコンプレッサＣで加圧して送り、分岐酸化剤供給路Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６のいずれかを通していずれかの供給装置２、３、４の外筒６に供給する。これにより、被反応物と酸化剤とは十分に混合されて吐出口７から吐出され、水熱反応が行われる。
【００２３】
水熱反応の立上げ時は補助燃料および水を送って水熱反応を立ち上げるため、被反応物量は少ない。水熱反応が立ち上がった時点で、補助燃料を減少し、被処理物量を増加して被反応物を被処理物主体に切り換えていく。このため立上げ時は被反応物量が少ないが、次第に被反応物量は増加する。このほか被処理物量の変動により、被反応物量の増減がある。
【００２４】
制御装置１０では圧力センサＤ１、Ｄ２で検出した差圧を基に、差圧が大きいときは被反応物流量が少ないものとして弁Ｖ１、Ｖ４を開き、吐出口面積の小さい供給装置２を選択して被反応物および酸化剤を供給する。被反応物量が増加した時点で弁Ｖ１、Ｖ４を閉じ、弁Ｖ２、Ｖ５を開いて吐出口面積の大きい供給装置３を選択する。そして被反応物量が最大の時点で弁Ｖ３、Ｖ６を開いて吐出口が最大の供給装置４を選択する。これらの場合、単一の供給装置を選択してもよいが、複数の供給装置を組み合わせて選択することにより、さらに広い範囲の反応物量の変化に対応することができる。
【００２５】
このように被反応物量に応じて吐出口面積の異なる供給装置２、３、４を選択することにより、供給装置２、３、４からの吐出圧力は均等化し、被反応物と酸化剤とを十分に混合した状態で噴霧することができ、これにより被反応物と酸化剤を反応器１内に均一に分散させて水熱反応を効率化することができる。また被反応物の量が少なくても酸化剤の量を多くする必要がなく、反応器１の腐食は少なくなる。
【００２６】
上記の説明において、差圧により分岐被反応物供給路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を選択しているが、流量を直接測定して供給路の選択を行ってもよい。また、供給装置２、３、４のノズルとして単一のノズルの吐出口を変化させるタイプのものは、吐出角度が変化して反応条件が変化するか、異なる吐出口面積のものを用いることによって同方向への吐出を行って、反応を効率化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の水熱反応装置の系統図である。
【符号の説明】
１　　反応器
２、３、４　　供給装置
５　　内筒
６　　外筒
７　　吐出口
１０　　制御装置
１１　　被反応物供給路
１２　　酸化剤供給路
１３　　被処理物槽
１４　　補助燃料槽
１５　　水槽
１７、１８、１９　　供給路
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３　　分岐被反応物供給路
Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６　　分岐酸化剤供給路
Ｖ１〜Ｖ６　　弁
Ｃ　　コンプレッサ
Ｄ１、Ｄ２　　圧力センサ
【図１】
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