(57)【要約】【目的】系内の流路を汚染させずに使用できる新規な構成の高温高圧処理装置を提供する。【構成】第１の容器２と、第１の容器の内部を所定の高温高圧状態とするための加熱加圧手段と、第１の容器内に収容される第２の容器２１とを有する高温高圧処理装置において、第２の容器は、内部に被処理物質のための収容空間２８を有する容器本体２９と、容器本体の開口を密封した状態を維持しながら該容器開口に沿って移動可能なプランジャ３０とからなる。容器本体内の被処理物質収容空間は、熱伝導により第１の容器の内部温度と略同一の温度に維持されるとともに、プランジャが容器開口に沿って移動することにより第１の容器の内圧と同一圧力に維持される。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の容器と、第１の容器の内部を所定の高温高圧状態とするための加熱加圧手段と、第１の容器内に収容される第２の容器とを有し、第２の容器は、内部に被処理物質のための収容空間を有する容器本体と、容器本体の開口を密封した状態を維持しながら該容器開口に沿って移動可能なプランジャとからなり、容器本体内の被処理物質収容空間は、熱伝導により第１の容器の内部温度と略同一の温度に維持されるとともに、プランジャが容器開口に沿って移動することにより第１の容器の内圧と同一圧力に維持されることを特徴とする高温高圧処理装置。
【請求項２】
第１の容器と、第１の容器に所定の高温高圧状態の流体物質を導入して第１の容器の内部を所定の高温高圧状態とするための導入手段と、導入手段により第１の容器に導入された流体物質を排出する排出手段と、第１の容器の内部を所定温度に維持する保温手段と、第１の容器内に収容される第２の容器とを有し、第２の容器は、内部に被処理物質のための収容空間を有する容器本体と、容器本体の開口を密封した状態を維持しながら該容器開口に沿って移動可能なプランジャとからなり、容器本体内の被処理物質収容空間は、熱伝導により第１の容器の内部温度と略同一の温度に維持されるとともに、プランジャが容器開口に沿って移動することにより第１の容器の内圧と同一圧力に維持されることを特徴とする高温高圧処理装置。
【請求項３】
導入手段により第１の容器に導入される流体物質が液体または気体の水または二酸化炭素であることを特徴とする請求項２の高温高圧処理装置。
【請求項４】
第１の容器の内部に形成される高温高圧状態が水または二酸化炭素の超臨界状態であることを特徴とする請求項３の高温高圧処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体物質を高温高圧状態に処理するための装置に関し、たとえば、水や二酸化炭素等の流体物質を超臨界状態にするための高温高圧処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の研究により、地球環境の浄化のための難分解物（ＰＣＢ、ダイオキシン等）の分解や、人体に害を及ぼす毒物の分解等に超臨界水反応を効果的に利用できることが明らかになり、一部では実用化のためのセミプラントの運転が開始されている。超臨界水とは、水が臨界温度（３７４℃）および臨界圧力（２２．５ＭＰａ）以上の臨界状態となって気体と液体の境界がなくなって単一相となっているものを言い、溶質を溶解する液体としての特性と拡散性に優れる気体としての特性を兼ね備えており、有機物を酸化分解する能力がきわめて高い。
【０００３】
また、二酸化炭素についても、その臨界温度（３１℃）および臨界圧力（７．３ＭＰａ）以上となった超臨界二酸化炭素を媒体として用いることによって、毒性を持つ物質の分離処理等に有効活用することが有望視されており、たとえば、超臨界二酸化炭素を利用してウラン酸化物を含む固体廃棄物からウランを除去回収する方法が提案されている。
【０００４】
図４は、超臨界反応を利用した廃棄物処理装置の従来構成例を示している。この廃棄物処理装置１０は、超臨界物質で処理すべき廃棄物Ｗを収容する高圧容器１１と、この高圧容器１１を収容するオーブン１２と、このオーブン１２内を用いる流体物質の臨界温度以上の温度条件に維持するコントローラ１３とを有して構成されている。高圧容器１１は流体物質の臨界圧力および臨界温度に耐え得る材質で製作されており、タンク１内の流体物質がポンプ２および導入管３を介して導入される。ポンプ２には、流体物質をその臨界圧力以上の圧力で送液可能なものを用いる必要があり、一般に、タンク１内に液体が収容されている場合はレシプロポンプが用いられ、ガスの場合にはシリンジポンプが用いられる。
【０００５】
導入管３に設けられる安全弁４は、配管の詰まり等のトラブルによって容器１２の内圧が異常に上昇したときに開いて圧力開放して事故を未然に防ぐ。圧力解放バルブ５ａおよび５ｂ（後述）は、常時は開放状態であるが、これらバルブを閉止することによって流体物質を高圧容器１１内に封じ込め、周囲の温度を変えることによって内部の圧力を調整することができる。流体物質を常に流し続けるフロー式で装置を運転する場合は、これら圧力解放バルブ５ａ，５ｂは不要である。
【０００６】
オーブン１２としては通常はエアオーブンが用いられ、オーブン１２を取り囲むヒータージャケット１４により内部の空気が加熱され、これによって熱伝導で高圧容器１１内の流体物質をその臨界温度以上に加熱する。オーブン１２内の温度は温度センサ１５で常時検知されており、その結果を受けたコントローラ１３がオーブン１２内の温度を常に所定範囲に維持している。これによって、高圧容器１１内の温度を流体物質の臨界温度以上に加熱するとともに、前述のように、バッチ処理において温度をパラメータとして高圧容器１１の内圧を流体物質の臨界圧力以上の希望する圧力条件に調整することができる。また、高圧容器１１内の温度を常時検知する温度センサ１６を設け、その結果に基づいてコントローラ１３がオーブン１２内の温度を制御するようにしてもよい。図示の構成では流体物質の加熱手段としてオーブン１２を用いているが、これに代えて、高圧容器１１の胴部にカートリッジヒーターを装着して該容器内の流体物質を直接加熱する構成を採用することもできる。
【０００７】
このようにして高圧容器１１内の温度および圧力が流体物質の臨界温度および圧力以上となるので、高圧容器１１内の廃棄物Ｗを超臨界反応で処理する。処理後の廃液は、冷却コイル６、圧力解放バルブ５ｂおよび圧力調整バルブ７を備えた排出管８を介して、廃液タンク９に排出される。冷却コイル６は、高圧容器１１内で処理された高温状態の廃液を冷却して、圧力解放バルブ５ｂおよび圧力調整バルブ７に動作不良等のトラブルが生ずることを未然に防止する。単純な空冷方式の冷却コイル６に代えて、排出管８の周囲に冷却水を循環させる水冷方式の冷却装置を用いてもよい。圧力解放バルブ５ｂは、導入管３に設けられる圧力解放バルブ５ａについて前述したように、バッチ式の場合に設けられ、常時は開放されているが、高圧容器１１の内圧を温度変化に応じて調整する必要があるときに閉止される。圧力調整バルブ７は、ポンプ２の出口からここまでの圧力を一定に維持するためのバルブであり、圧力計を目視しながら手動操作でバルブ開度を調整する手動式と、内部の圧力センサによりバルブを所定の開度に自動調整する自動式のいずれもであっても使用可能である。
【０００８】
流体物質を高温高圧状態に処理するための装置は、上述の超臨界反応を利用した廃棄物処理装置として使用されるほか、各種の用途に使用される。たとえば、地球環境の調査の中で深海海底の熱水噴出口近傍には貝や海老等のコロニーが存在することが認められ、土中には大気中に存在しない硫化硫黄を食料とするバクテリアが発見されており、近年、これらの生態の研究に、熱水噴出口の近傍の条件を再現する試みが行われているが、この研究においても図４に示す構成に近似した実験装置が使用されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す廃棄物処理装置では、高圧容器１１内の廃棄物Ｗを超臨界反応により処理して有害物を分解除去するが、１００％完全に分解することは実際上不可能であるため、濃度は低いものの若干の有害物を含んだ状態の廃液が排出管８を通ることとなり、これを無害化するための後処理が必要であった。
【００１０】
また、上述の熱水噴出口近傍条件を再現するための実験装置にしても、海水を系内で流動させると該海水に含まれるバクテリアですべての流路が汚染されてしまうため、次に別種の海水を行おうとしても、以前の海水中のバクテリアが残留して実験精度を著しく低下させる可能性があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、従来技術における上記問題を解決し、系内の流路を汚染させずに使用できる新規な構成の高温高圧処理装置を提供することを目的とする。
【００１２】
この目的を達成するため、請求項１にかかる本発明は、第１の容器と、第１の容器の内部を所定の高温高圧状態とするための加熱加圧手段と、第１の容器内に収容される第２の容器とを有し、第２の容器は、内部に被処理物質のための収容空間を有する容器本体と、容器本体の開口を密封した状態を維持しながら該容器開口に沿って移動可能なプランジャとからなり、容器本体内の被処理物質収容空間は、熱伝導により第１の容器の内部温度と略同一の温度に維持されるとともに、プランジャが容器開口に沿って移動することにより第１の容器の内圧と同一圧力に維持されることを特徴とする高温高圧処理装置である。
【００１３】
また、請求項２にかかる本発明は、第１の容器と、第１の容器に所定の高温高圧状態の流体物質を導入して第１の容器の内部を所定の高温高圧状態とするための導入手段と、導入手段により第１の容器に導入された流体物質を排出する排出手段と、第１の容器の内部を所定温度に維持する保温手段と、第１の容器内に収容される第２の容器とを有し、第２の容器は、内部に被処理物質のための収容空間を有する容器本体と、容器本体の開口を密封した状態を維持しながら該容器開口に沿って移動可能なプランジャとからなり、容器本体内の被処理物質収容空間は、熱伝導により第１の容器の内部温度と略同一の温度に維持されるとともに、プランジャが容器開口に沿って移動することにより第１の容器の内圧と同一圧力に維持されることを特徴とする高温高圧処理装置である。
【００１４】
請求項３は、請求項２の高温高圧処理装置において、導入手段により第１の容器に導入される流体物質が液体または気体の水または二酸化炭素であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４は、請求項３の高温高圧処理装置において、第１の容器の内部に形成される高温高圧状態が水または二酸化炭素の超臨界状態であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の高温高圧処理装置を、超臨界水を利用した廃棄物処理装置として構成した実施形態を示している。この廃棄物処理装置２０は、超臨界水で処理すべき廃棄物Ｗを収容する容器内容器２１と、この容器内容器２１を収容する高圧容器２２と、この高圧容器２２を収容するオーブン２３と、このオーブン２３内を用いる流体物質（水）の臨界温度以上の温度条件に維持するコントローラ２４とを有して構成されている。高圧容器２２は水の臨界圧力および臨界温度に耐え得る材質で製作されており、タンク１内の水がポンプ２および、安全弁４と圧力解放バルブ５ａを備えた導入管３を介して導入される。高圧容器２２に導入された水は、同容器２２内の高温高圧によって臨界状態とされて超臨界水となり、これにより容器内容器２１に収容された廃棄物Ｗを処理し、有害物質を分解除去する。処理後の廃液は、冷却コイル６、圧力解放バルブ５ｂおよび圧力調整バルブ７を備えた排出管８を介して、廃液タンク９に排出される。
【００１７】
以上の説明から理解されるように、この廃棄物処理装置２０は、従来技術の構成例として図４に示す廃棄物処理装置１０と概ね近似した構成を有しており、相違する点は、被処理廃棄物Ｗを直接高圧容器１１（図４）に収容することに代えて、高圧容器２２（図１）に収容した容器内容器２１に収容したことにあり、且つ、この容器内容器２１に後述のような構成を採用したことにある。かかる相違点に関連しない要素、たとえばタンク１、ポンプ２、導入管３、安全弁４、圧力解放バルブ５ａ，５ｂ、冷却コイル６、圧力調整バルブ７、排出管８、廃液タンク９、コントローラ１３（図４）：２４（図１）、ヒータージャケット１４（図４）：２５（図１）、温度センサ１５，１６（図４）：２６，２７（図１）等については、従来技術に関する図４の構成に用いたものと同様であるので、それらについての詳細な説明は割愛する。
【００１８】
容器内容器２１の構成例が図２および図３に示されている。容器内容器２１は、内部に被処理物質のための収容空間２８を有する容器本体２９と、容器本体の開口を密封した状態を維持しながら該容器開口に沿って移動可能なプランジャ３０とを備えている。容器本体２９の上端部外周にはボルト３１が形成されており、プランジャ３０が挿通する開口３２を有するナット３３をボルト３１に螺合されている。ナット開口３２は容器本体２９の被処理物質収容空間２８と整列しており、略円柱体であるプランジャ３０の外径と略同一の内径を有している。
【００１９】
容器本体２９およびナット３３はいずれも使用温度条件に応じた耐熱性を有するとともに熱伝導性・耐食性に優れた材質で形成されることが好ましく、たとえば、８０℃以下の温度条件ではフッ素樹脂、１５０℃以下の温度条件ではＰＥＥＫ（ポリエーテル−エーテル−ケトン）、３００℃以下の温度条件ではＳＵＳ３１６やチタン、５００℃以下の温度条件ではニッケル合金やチタンが好適に用いられる。プランジャ３０は耐摩耗性や滑動性（鏡面加工性）に優れた材料で形成され、たとえば各種セラミックやＳＵＳ３１６、チタン、サファイア、石英等が好適に用いられる。
【００２０】
符号３４ａ，３４ｂは、プランジャ３０と容器本体２９／ナット３３の間の密着性を増大させて容器内容器２１を圧力平衡状態で使用させるためのフェラルであり、フッ素樹脂やカーボングラファイト製のものが好適に使用可能である。図２の構成では容器本体２９の上端部の内周側を面取りしてフェラル３４ａを装着して、主としてプランジャ３０と容器本体２９との間の密着性を増大させており、図３の構成ではナット３３の下端部の内周側を面取りしてフェラル３４ｂを装着して、主としてプランジャ３０とナット３３との間の密着性を増大させている。これらの機能を兼ね備えるためにフェラル３４ａ，３４ｂを併用してもよいし、これらを一体化したフェラルを装着してもよい。
【００２１】
以上のように構成された廃棄物処理装置２０をバッチ式に使用する場合の用法を説明すると、まず、容器内容器２１の容器本体２９の収容空間２８に処理すべき廃棄物（ＰＣＢやダイオキシン等の有機廃棄物を含む焼却灰等）と水を入れ、プランジャ３０をこの収容空間２８に装着した後、ナット３３とフェラル３４ａ，３４ｂとで封止する。
【００２２】
この容器内容器２１を高圧容器２２に入れ、高圧容器２２の蓋（図示せず）をナット（図示せず）等で締め付けて所定の耐圧性を付与する。
【００２３】
タンク１内の水をポンプ２で吸い上げ、導入管３を介して耐圧容器２２内に送液し、さらに圧力調整バルブ７までの排出管８を水で満たした後、圧力調整バルブ７を作動して、系全体が水の臨界圧力以上の所要の圧力条件となるように調整する。
【００２４】
ヒータージャケット２５を駆動してオーブン２３を加熱し、熱伝導により高圧容器２２を加熱して、その内部が水の臨界温度以上の所定温度に加熱されたことを温度センサ２７で検知し、該温度に維持する。
【００２５】
このようにして高圧容器２２内の圧力／温度が水の臨界圧力／温度以上に維持されると、圧力平衡状態を形成するように高圧容器２２内の容器内容器２１のプランジャ３０が容器本体２９の空間２８およびナット３３の開口に沿って移動するので空間２８の内圧が外圧（高圧容器２２内の圧力）と略同一になり、また、容器本体２９およびナット３３の材質の熱伝導性を介してその中の温度も外気温（高圧容器２２内の温度）と略同一になる。したがって、容器内容器２１に収容した水が超臨界状態となり、超臨界反応によって廃棄物中の有害有機物を酸化分解して無害化する。
【００２６】
圧力調整バルブ７および温度センサ２７に付設されたモニターを監視しながら高圧容器２２内の温度および圧力が所定条件に一定時間維持されていることを確認した後、ポンプ２およびヒータージャケット２５を停止し、自然空冷の後、容器内容器２１を取り出す。容器内容器２１に入れた廃棄物は、所定時間の超臨界反応を受けて有害有機物が酸化分解されているが、１００％完全な無害化処理は現実には不可能であり、若干の有害有機物が残存している。しかしながら、この廃棄物処理装置によれば、タンク１内の水がポンプ２に吸い上げられて導入管３を経て高圧容器２２内に導入されるものの、処理すべき廃棄物は容器内容器２１に収容されているのでこれと直接接触することがないので、排出管８を経て廃液タンク９に収容される廃液は廃棄物によって汚染されていない。したがって、特別な後処理を必要とせずに、そのまま廃棄することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、第１の容器内に収容した第２の容器に被処理物質が収容されているので、第１の容器の内部を所定の高温高圧状態とするために用いられる流体物質が被処理物質と接触することがなく、汚染の懸念がない。したがって、特別な後処理を必要とせずに、そのまま廃棄することができ、安全性および処理効率に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高温高圧処理装置を、超臨界水を利用した廃棄物処理装置として構成した実施形態を示す概略構成図である。
【図２】この廃棄物装置に用いる容器内容器の一例の上面図（ａ）および側断面図（ｂ）である。
【図３】この廃棄物装置に用いる容器内容器の他例の上面図（ａ）および側断面図（ｂ）である。
【図４】従来技術による超臨界水利用の廃棄物処理装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１　タンク
２　ポンプ
３　導入管
４　安全弁
５ａ，５ｂ　圧力解放バルブ
６　冷却コイル
７　圧力調整バルブ
８　排出管
９　廃液タンク
２０　廃棄物処理装置
２１　容器内容器
２２　高圧容器
２３　オーブン
２４　コントローラ
２５　ヒータージャケット
２６，２７　温度センサ
２８　被処理物質収容空間
２９　容器本体
３０　プランジャ
３１　ボルト
３２　ナットの開口
３３　ナット
３４ａ，３４ｂ　フェラル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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