(57)【要約】【課題】高い安全性と、従来の液体酸素方式と同程度以上の経済性を有する水熱反応方法及び装置を提供する。【解決手段】水熱反応装置１は、気液分離器３７で分離された排ガスの一部を水熱反応器３に再投入する排ガス循環系統９を備える。排ガス循環系統９において、排ガスの一部は予熱器５３、５７で予熱され、また、昇圧機５５で昇圧された後、加熱炉５９で加熱される。そして、この排ガスは排ガス供給管１７を通って供給管１１に合流する。供給管１１内では酸素源１３から供給される酸素が排ガスで希釈された後、水熱反応器３に供給される。また、廃液は予熱器２１で予熱された後、水熱反応器３に供給される。酸素を排ガスで安全な濃度に希釈するため、反応装置内や反応後の処理において危険性がない。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水熱反応器中で酸素を酸化剤として水熱反応させる方法において、
前記水熱反応器で発生した後に該水熱反応器に再循環させる排ガスで酸素を希釈した後に前記水熱反応器に供給することを特徴とする水熱反応方法。
【請求項２】
水熱反応器と、
該水熱反応器の反応生成物を気液分離する気液分離器と、
該気液分離器で分離された気体（排ガス）の一部を前記水熱反応器に再投入する手段と、
酸素を前記排ガスで希釈した後に前記水熱反応器に供給する手段と、
を具備することを特徴とする水熱反応装置。
【請求項３】
前記排ガスを前記水熱反応器に供給する循環ガス管路と、
該管路に合流し、該管路に酸素を送り込む酸素管路と、
前記循環ガス管路の前記酸素管路の合流点の前又は後に設けられた予熱器と、
を具備することを特徴とする請求項２記載の水熱反応装置。
【請求項４】
前記水熱反応器に送り込む処理対象液を予熱する、前記予熱器と同一又は別個の予熱器をさらに具備することを特徴とする請求項３記載の水熱反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有害廃液の処理等のための水熱反応方法及び装置に関する。特には、廃液を安全かつ経済的に処理できる水熱反応方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、水熱反応の応用の一形態として、廃棄物中の有機物などを酸化や加水分解させて廃棄物を処理する方法が注目されている。同方法では、水の超臨界又は亜臨界状態で有機物を含む廃棄物と酸化剤（あるいは水）とを反応させ、廃棄物中の有機物を短時間で、ほぼ完全に分解することができる。
【０００３】
水の超臨界状態とは、温度が３７４℃以上で、圧力が２２ＭＰａ以上の状態である。亜臨界状態とは、例えば、温度が３７４℃以上で、圧力が２．５ＭＰａ以上２２ＭＰａ未満の状態、又は、温度が３７４℃未満で、圧力が２２ＭＰａ以上の状態、又は温度が３７４℃以下で、圧力が２２ＭＰａ未満の状態であって、臨界点に近い高温高圧状態である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
水熱酸化反応によって廃棄物中の有機物を酸化分解する際は、廃棄物、酸化剤及び水を反応器内へ供給して反応させる。すると、有機物は酸化分解（あるいは加水分解）され、主に水と二酸化炭素が生じる。そして、生じた反応生成物は、エネルギ回収されるか、又は冷却、減圧された後、気体と液体とに分離される。
【０００５】
このような水熱酸化反応を起こさせる水熱反応装置（以下、ＳＣＷＯ装置ともいう）には、酸化剤の供給方式で分類した場合、主に圧縮空気方式と液体酸素方式とがある。
圧縮空気方式では、酸化剤として、空気圧縮機で圧縮された空気を反応器に供給する。この空気圧縮機は高価であり、価格がＳＣＷＯ装置全体の設備費の２５％以上を占める。また、負荷変動などを見込むと、より大きな能力を有する圧縮機が必要になる。圧縮機の標準容量は、メーカーの標準品の場合、種類が限られており、必要以上の能力を持った圧縮機を設置せざるを得ない場合が多い。さらに、圧縮機の動力消費が大きく、反応装置の運転費の大半を占めることになる。圧縮機は無負荷運転時にも動力を消費するので、さらに運転費を要する。また、圧縮機の構造は複雑であるため、故障が多い。このため、メンテナンスも複雑になり、圧縮機メーカーの専門の技術者を招くことが必要となる。
【０００６】
一方、液体酸素方式は、圧縮空気の代わりに、液体酸素を気化した純酸素を酸化剤として用いる。
この方法においては、純酸素を使用するため安全性に問題がある。特に、塩類を含む廃液を処理する場合には、装置の耐食性を確保するために、反応器をＴｉ（チタン）で内張りする必要がある。反応器内の酸素濃度が高いと、このＴｉが発火する危険性がある。また、一般に、圧縮空気や酸素などの酸化剤は、理論必要量よりも多く供給される。すると、酸素の場合、排出ガス中にも酸素が約４０％程度の濃度で残留することもあるため、ＳＣＷＯ装置や廃棄先にも厳重な安全対策が必要になる。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、高い安全性と、従来の液体酸素方式と同程度以上の経済性を有する水熱反応方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１０８８号公報
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するため、本発明の水熱反応方法は、  水熱反応器中で酸素を酸化剤として水熱反応させる方法において、  前記水熱反応器で発生した後に該水熱反応器に再循環させる排ガスで酸素を希釈した後に前記水熱反応器に供給することを特徴とする。
本発明の水熱反応装置は、  水熱反応器と、  該水熱反応器の反応生成物を気液分離する気液分離器と、  該気液分離器で分離された気体（排ガス）の一部を前記水熱反応器に再投入する手段と、  酸素を前記排ガスで希釈した後に前記水熱反応器に供給する手段と、を具備することを特徴とする。
酸素を排ガスで安全な濃度に希釈するため、反応装置内や反応後の処理において危険性がない。また、高価な空気圧縮機を使用しないため、従来の液体酸素方式と同程度の経済性が得られる。
【００１０】
本発明においては、  前記排ガスを前記水熱反応器に供給する循環ガス管路と、  該管路に合流し、該管路に酸素を送り込む酸素管路と、  前記循環ガス管路の前記酸素管路の合流点の前又は後に設けられた予熱器と、を具備することとできる。さらに、  前記水熱反応器に送り込む処理対象液を予熱する、前記予熱器と同一又は別個の予熱器をさらに具備することが好ましい。
排ガスや廃液を予熱することにより、反応器における高温雰囲気を効率的にかつ経済的に作ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。
この水熱反応装置１は、水熱反応器３と、この水熱反応器３に被反応物を供給する供給系統５と、反応器３から出る反応生成物を気液分離する気液分離系統７と、この気液分離系統７で分離された排ガスの一部を循環させる排ガス循環系統９とから主に構成されている。
【００１２】
供給系統５において、水熱反応器３の入口には、被反応物を供給する供給管１１が接続している。この供給管１１には、酸素源１３から延びる酸素供給管１５と、後述する排ガス循環系統９から延びる排ガス供給管１７が接続している。酸素源１３には、液体酸素を気化した純酸素が収容されている。この純酸素は酸素供給管１５から供給管１１を通って水熱反応器３に供給される。
被処理物である廃液は廃液槽１９に貯留されている。廃液は第１予熱器２１で予熱された後、廃液供給管２３を通って水熱反応器３に供給される。また、水熱反応器３には、図示されないが、燃料（アルコールや灯油等の石油類）を供給する供給管も接続している。
【００１３】
水熱反応器３は耐食性・耐熱性・耐圧性を有する材料で作製されている。同反応器３の内面には、耐食性・耐熱性を有する材料で作製された内張りが設けられている。
水熱反応器３の底の付近には、急冷水タンク２５から延びた急冷水供給管２７が接続している。急冷水は、反応生成物中の塩等の堆積物の温度を下げて流動性を高めて、堆積物を排出しやすい状態にする。
【００１４】
水熱反応器３の出口には排出管２９が接続しており、この排出管２９は熱回収器３１につながっている。熱回収器３１では、排出管２９から排出された反応生成物等の熱を回収している。
【００１５】
気液分離系統７において、熱回収器３１の先には、冷却器３３を備えた排出管３５が接続している。この排出管３５は気液分離器３７につながっている。気液分離器３７では、冷却器３３で冷却された反応生成物を排ガス（ＣＯ２等）と排液に分離する。気液分離器３７の底には、減圧弁３９を備えた排液管４１が接続されている。排液は、減圧弁３９で大気圧近くの圧力にまで減圧された後廃液タンク（図示されず）に送られる。
同気液分離器３７の上部は、排気管４３で蓄圧器４５に接続されている。蓄圧器４５では、排ガスの圧力変動が吸収される。同蓄圧器４５は減圧弁４９を備えた排気管５１で外部に接続している。
【００１６】
排気循環系統９は、蓄圧器４５の先に接続した第３予熱器５３、同第３予熱器の先に接続した昇圧器５５、同昇圧器の先に接続した第２予熱器５７、同第２予熱器の先に接続した加熱炉５９から主に構成される。そして加熱炉５９から排ガス供給管１７が延び、同供給管１７の先は供給管１１に合流している。この排気循環系統９内において、反応器３から排出された反応生成物が気液分離された後の排ガスが循環する。
【００１７】
第３予熱器５３では、排ガスを約１２０℃に予熱し、第２予熱器５７では、排ガスを約２３０℃に予熱する。そして、加熱炉５９では、排ガスを約５５０℃程度に加熱する。
【００１８】
また、この水熱反応装置１には、熱媒体（油）の循環管路７１（図の破線で示す）が設けられている。熱媒体循環管路７１では、熱回収器３１と、第１予熱器２１、第２予熱器５７、第３予熱器５３との間で、熱媒体循環装置（ポンプ）７３により熱媒体を循環させている。各予熱器には、熱回収器３１で回収された熱が媒体を介して供給され、廃液や排ガスを予熱している。
【００１９】
次に、この水熱反応装置１の作用について説明する。
まず、酸素源１３から純酸素を酸素供給管１５と供給管１１を通して水熱反応器３に供給する。同時に、廃液槽１９の廃液を予熱器１で約２３０℃に予熱した後、廃液供給管２３を通して水熱反応器３に供給する。これらの物質は、水熱反応器３内において、温度が６５０℃程度、圧力が２３．５ＭＰａ程度の条件下で水熱反応して反応生成物を生成する。反応生成物は、水熱反応器３の出口から排出管２９を通って熱回収器３１に送られる。このとき、急冷水が急冷水タンク２５から水熱反応器３の底部に供給され、反応生成物の温度を下げて流動性を高めている。
【００２０】
反応生成物は、熱回収器３１で熱が回収された後、冷却器３３で約１００℃まで冷却され、排気管３５を通って気液分離器３７に送られる。気液分離器３７では、反応生成物を排ガスと排液に分離する。排液は、減圧弁３９で減圧後、排液管４１を通って処理タンクに回収される。一方、排ガスは、蓄圧器４５に送られ、一部の排ガスは減圧弁４９で減圧された後、排気管５１から排出される。
【００２１】
また、蓄圧器４５に送られた排ガスの一部は、第３予熱器５３で約１２０℃程度に予熱された後、昇圧器５５で約３２ＭＰａ程度に昇圧される。第３予熱器５３の目的は、気液分離後の排ガスが水滴を同伴していると、昇圧器５５に影響を与えるので、水滴を蒸発させることである。昇圧後、第２予熱器５７で約２３０℃に予熱された後、加熱炉５９に送られる。加熱炉５９の材質の選定や構造上、加熱炉５９における排ガスの予熱温度は約５００〜５５０℃程度が適当である。加熱炉５９から出た排ガス供給管１７は供給管１１に合流しており、この排ガスは、供給管１１内において、酸素源１３から送られた酸素を約２１％（空気と同じ酸素濃度）となるように希釈する。
【００２２】
すなわち、水熱反応器３には、５００℃程度に加熱され、かつ、３２ＭＰａ程度に昇圧された排ガスに酸素が加えられて供給される。そして、廃液も第１予熱器２１で約２３０℃に予熱されている。このため超臨界反応のための高温高圧雰囲気を効率的に起こすことができる。また、酸素は、主にＣＯ２が成分である排ガスによって、安全な濃度に希釈されているため、安全性を確保できる。希釈後の酸素濃度は２１〜５０％程度が好ましい。
【００２３】
なお、各予熱器においては、熱回収器３１で熱回収し、熱媒体循環装置７３で循環する媒体（油）によって熱が供給されている。
【００２４】
次に、この例の水熱反応装置の性能を確認するために行った実験結果について説明する。
比較として、従来の圧縮空気方式、液体酸素方式による装置を用いて、以下の条件で性能を比較した。
廃液処理量：１０ｍ３／日
廃液発熱量：１３０ｋｃａｌ／ｋｇ（高位発熱量）
反応条件：６５０℃、２３．５ＭＰａ
廃液予熱温度：２３０℃
循環排ガス予熱温度：５５０℃
【００２５】
各方式での性能を表１に示す。
【表１】
2004283801.tif 000003
【００２６】
上記の表からわかるように、本発明の水熱反応器は、燃料の消費量は、排ガスを循環させていない液体酸素方式に比べて多いが、排ガス中の酸素をリサイクルすることになるので、酸素消費量は液体酸素方式よりも少なくなっている。また、ランニングコストは従来の液体酸素方式と同じであり、圧縮空気方式よりも安価である。さらに予熱温度や希釈率、燃料の種類を変えることにより、液体酸素方式よりも安価にできると予想される。
さらに、酸素を希釈して水熱反応器に供給しているため、排ガス中の残存酸素濃度を、液体酸素方式よりも大幅に減少させることができる。
【００２７】
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。
この例の水熱反応装置１´は、図１の水熱反応装置と比べて、廃液の供給の仕方が異なる。図２において、図１と同じ作用・効果を有する機構、部品は、図１と同じ符号を付し、説明を省略する。
【００２８】
この例においては、第１予熱器２１から出た廃液供給管１５´は、加熱炉５９を経て水熱反応器３につながっている。これにより、廃液は第１予熱器２１で約２３０℃に予熱された後、供給管１５´を通って加熱炉５９に送られる。そして、加熱炉５９で約３１０℃程度に加熱された後反応器３へ供給される。廃液を予熱及び加熱することにより、水熱反応に要する燃料や酸素の量を減らすことができる。
【００２９】
次に、この例の水熱反応装置の性能について説明する。
比較として、廃液の予熱温度を２３０℃とした装置を用いて、以下の条件で性能を比較した。
廃液処理量：１０ｍ３／日
廃液発熱量：１３０ｋｃａｌ／ｋｇ（高位発熱量）
反応条件：６５０℃、２３．５ＭＰａ
廃液予熱温度：３１０℃、２３０℃
循環排ガス予熱温度：５５０℃
【００３０】
各方式での性能を表２に示す。
【表２】
2004283801.tif 000004
【００３１】
表２からわかるように、廃液を加熱していない場合に比べて、酸素消費量をさらに下げることができ、燃料消費量も若干下がっている。そして、その分ランニングコストを低減できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、再循環させた排ガスで酸素を希釈しているため、酸素方式の水熱反応装置において安全性を確保できる。また、排ガスや廃液を予熱することにより、従来の液体酸素方式と同程度の経済性を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第２の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る水熱反応装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  水熱反応装置                  ３  水熱反応器
５  供給系統                      ７  気液分離系統
９  排ガス循環系統              １１  供給管
１３  酸素源                      １５  酸素供給管
１７  排ガス供給管                １９  廃液槽
２１  第１予熱器                  ２３  廃液供給管
２５  急冷水タンク                ２７  急冷水供給管
２９  排出管                      ３１  熱回収器
３３  冷却器                      ３５  排出管
３７  気液分離器                  ３９  減圧弁
４１  排液管                      ４３  排気管
４５  蓄圧器                      ４９  減圧弁
５１  排気管                      ５３  第３予熱器
５５  昇圧器                      ５７  第２予熱器
５９  加熱炉                      ７１  熱媒体循環管路
７３  熱媒体循環装置（ポンプ）
【図１】
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【図２】
2004283801.tif 000006