(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を溶媒とした高温高圧下の流体中で有機物の酸化処理を行なう有機物の酸化処理システムにおいて、前記有機物及び酸素もしくは酸化剤が含まれる流体を前記高温高圧下で酸化反応させる反応器と、該反応器に設けられ、前記酸化反応した処理流体を吐出させる絞り機構と、前記吐出された処理流体を気体供給装置から供給される気体と概略同等の圧力に減圧して水分を蒸発させ水蒸気及び固形物に分離する背圧器とを有することを特徴とする有機物の酸化処理システム。
【請求項２】
請求項１において、前記分離した固形物を除去する集塵器を、前記背圧器と連通して設けることを特徴とする有機物の酸化処理システム。
【請求項３】
請求項１において、前記気体供給装置は、前記処理流体を気相と液相に分離する気液分離器、または空気圧縮機で構成されていることを特徴とする有機物の酸化処理システム。
【請求項４】
請求項１において、前記絞り機構は、末広がりノズルで構成されていることを特徴とする有機物の酸化処理システム。
【請求項５】
請求項１において、前記酸素あるいは酸化剤を前記背圧器で発生する水蒸気と熱交換させて加熱する予熱器を設けることを特徴とする有機物の酸化処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水を溶媒とした高温高圧下の流体中で有機物の酸化処理を行なうに好適な処理システム及び処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
有機物を含有する生活廃水、工場廃水等の浄化処理に関しては、微生物による分解反応を利用した方法が広く行われている。この方法では、処理に伴い大量の汚泥が発生する。発生した汚泥は焼却処分、もしくは埋め立てを行なっているが、汚泥をそのまま埋め立てる方法では、埋め立て地の確保が困難であることから、多くは焼却処分を行なっている。
【０００３】
汚泥の焼却は、一般の焼却と同様に焼却炉を用いる方法が最も普及しているが、汚泥を可燃とするためには汚泥中の無機分及び水分等の不燃物の割合を低減する、あるいは汚泥の燃焼を支えるために燃料を付加する等の方策が必要となる。
【０００４】
下水汚泥では水分量が質量割合で97〜98％に達することから、汚泥を濃縮、脱水処理し、水分量を80％程度まで低下させた後、焼却炉へと供給する方法が行われている。
【０００５】
これに替わる方法として湿式酸化法と呼ばれる方法が提案されている。この方法は、２００〜３００℃程度の温度、１００気圧程度の熱水条件下で酸化剤として空気もしくは酸素を強制的に送り込んで、酸化分解反応を起こさせるものである。
【０００６】
この方法は、焼却炉を用いた方法と対比すると、汚泥を水の存在下で酸化できるため、汚泥中の水分量を減少させるといった前処理の簡略化ができるという利点がある。さらに一般の焼却炉に見られるような有害ガスの発生が抑制でき、排ガス処理装置も不要になる。
【０００７】
しかし、この方法は、酸化分解反応の際に発生する灰分や、未反応物である残渣固形物の除去が、酸化処理システムの構築上大きな問題となっている。
【０００８】
分解反応後の流体から固形物を十分に除去できないと、処理後の流体を搬送する配管路が閉塞する恐れがあり、処理システムの信頼性低下に繋がる。
【０００９】
また、例えば特公平１―３８５３２号公報に記載されているように、予熱器などを用いて処理流体の熱エネルギーを回収利用するシステムにおいては、処理後の流体を熱交換器に流通させるため、処理後の流体の固形物が除去されていない場合、熱交換器の伝熱面にこれら固形物が付着することにより、熱交換器の伝熱性能が低下し、処理後の流体のもつ熱エネルギーを有効に利用できない恐れがある。
【００１０】
水を媒体とする酸化処理方法における固形物の除去方法として、例えば特開平１−２５８８００公報に記載の方法や、特開平８−３８８５３公報に記載の方法がある。ただし、前記公報に記載の方法では、処理システムの信頼性を高めることが難しい、あるいは、酸化処理後の流体から固形物を分離する際に、外部から熱エネルギーを供給するものであるため、多大なエネルギー投入が要求される、といった問題点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の問題点を鑑みてなすもので、酸化反応後の流体から効率よく不燃物等の固形物を削除できる有機物の酸化処理システム及び酸化処理方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における有機物の酸化処理システムの特徴とするところは、水を溶媒として有機物及び酸素もしくは酸化剤が含まれる流体を反応器内で高温高圧下で酸化反応させ、酸化反応した処理流体を絞り機構を通して背圧器に吐出し、吐出された処理流体を、供給される気体と概略同等の圧力に減圧して水分を蒸発させ水蒸気と固形物に分離することにある。
【００１３】
具体的には本発明は次に掲げるシステム及び方法を提供する。
【００１４】
本発明は、水を溶媒とした高温高圧下の流体中で有機物の酸化処理を行なう有機物の酸化処理システムにおいて、前記有機物及び酸素もしくは酸化剤が含まれる流体を前記高温高圧下で酸化反応させる反応器と、該反応器に設けられ、前記酸化反応した処理流体を吐出させる絞り機構と、前記吐出された処理流体を気体供給装置から供給される気体と概略同等の圧力に減圧して水分を蒸発させ水蒸気及び固形物に分離する背圧器とを有することを特徴とする有機物の酸化処理システムを提供する。
【００１５】
好ましくは、前記分離した固形物を除去する集塵器を、前記背圧器と連通して設ける。
【００１６】
好ましくは、前記気体供給装置は、前記処理流体を気相と液相に分離する気液分離器、または空気圧縮機で構成されている。
【００１７】
好ましくは、前記絞り機構は、末広がりノズルで構成されている。
【００１８】
好ましくは、前記酸素あるいは酸化剤を前記背圧器で発生する水蒸気と熱交換させて加熱する予熱器を設ける。
【００１９】
また、本発明は、水を溶媒とした高温高圧下の流体中で有機物の酸化処理を行なう有機物の酸化処理方法において、前記有機物及び酸素もしくは酸化剤が含まれる流体を高温高圧下で酸化反応させ、前記酸化反応した処理流体を吐出させ、前記吐出させた処理流体を、処理容器内の気体より低い圧力に減圧して水分を蒸発させて水蒸気と固形物に分離し、該分離した固形物を捕捉して除去することを特徴とする有機物の酸化処理方法を提供する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例に係わる有機物の酸化処理システムを、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態例に係わる有機物の酸化処理システを示す系統図である。第１の形態例の酸化処理システムは、有機物用タンク１０と、有機物供給ポンプ１１と、酸素用タンク２０と、酸素供給ポンプ２１と、酸素供給用弁２２と、予熱器３０と、反応器４０と、絞り機構４１と、背圧器５０と、集塵器６０と、背圧器５０と集塵器６０を連通する弁５１と、気液分離器７０と、気液分離器７０と背圧器５０を連通する弁５２とから構成されている。
【００２２】
有機物用タンク１０内に貯えられた含水有機物１０Ａは、有機物供給ポンプ１１により予熱器３０に導入される。一方、酸素用タンク２０に貯えられた酸素２０Ａは、酸素供給ポンプ２１により供給され、予熱器３０により予熱された有機物と混合される。
【００２３】
酸素２０Ａと混合された含水有機物は、反応器４０に導入され、高温高圧下で酸化反応される。反応後の流体は、一部は絞り機構４１を通して背圧器５０に導入され、残りの部分は予熱器３０に導入される。
【００２４】
予熱器３０に導入され、反応前の有機物と熱交換した反応後の流体は、気液分離器７０に導入され、気相と液相に分離された後、気相の部分が弁５２を介して背圧器５０に導入される。
【００２５】
背圧器５０では、絞り機構４１を通して背圧器５０に導入された反応後の流体が、気液分離器７０より発生した気相と概略同等の圧力まで減圧される。減圧されることにより、反応処理後の流体の水分の沸点が下がり、水分は蒸発し、反応後の流体は水蒸気と固形物に分離される。
【００２６】
分離された水蒸気と固形物は、背圧器５０と弁５１を介して連通された集塵器６０に導入され、固形分は集塵器６０により捕捉され、除去される。
【００２７】
図２は、図１に示す第１の実施の形態例の酸化処理システムを好適に稼動させるための反応器４０の形態の例を示す断面図である。また、図３は、図２に示す反応器４０の形態の例を示す上面図である。
【００２８】
図２、または、図３に示す反応器４０は、円筒形状の構造を有し、反応器４０の底部に絞り機構４１が設けられ、反応器４０の側面の、反応器４０の概略上方に有機物を供給する管４５が設けられ、反応器４０の概略下方に有機物を排出する管４６が設けられ、反応器４０の底部には、反応器底部に二重の流路を形成する部材４８が設けられている。
【００２９】
また、管４５は、管４５の中心線と、反応器４０の中心線とが交差しないように設けられている。
【００３０】
図２または図３に示すように反応器４０を構成することにより、管４５から供給される有機物は、前記反応器４０の内面に沿うように流動する。
【００３１】
また、有機物を反応器４０から排出するための管４６が反応器の概略下方に設けられているため、反応器４０内部では、有機物は旋回しながら上方から下方に流動する、すなわち、螺旋状の流れが形成されることになる。このとき、水より比重の重い固形物は、螺旋状の流れの中での遠心力の作用により、反応器４０の中心から離れる向きの力を受けることになる。
【００３２】
従って、反応器４０内面付近には、固形物の濃度が高い部分が形成され、重力の作用により、反応器４０内面に沿い沈降する。そして、反応器４０内面に沿い沈降する、固形物濃度の高い流体は、部材４８と反応器４０の間の流路を流れることになる。
【００３３】
従って、部材４８と反応器４０の間の流路を流れる、固形物濃度の高い流体は、反応器４０内部の螺旋状流れの影響を受けず、固形物の濃度を高く保ったまま、絞り機構４１に導入される。
【００３４】
すなわち、固形物濃度の高い流体を選択的に反応器４０の中心下部付近に集めることができ、絞り機構４１を通して流通される流体の固形物濃度を、反応器内部の処理流体の平均的な固形物濃度に比べて大きくすることができる。
【００３５】
図４は、図１に示す第１の実施の形態例の絞り機構の断面形状を示す図である。図１に示す第１の実施の形態例において、絞り機構４１は円形の流路断面形状を有する末広がりノズルで構成される。
【００３６】
図４に示すように、絞り機構入口部における処理流体の圧力をＰ０、絞り機構の流路断面積が最も小さい部分の流路断面積をＡ＊、絞り機構出口における処理流体の圧力をＰ、絞り機構出口における流路断面積をＡとする。なお、絞り機構入口部における処理流体の圧力Ｐ０は、反応器内部の処理流体の圧力と概略等しい。
【００３７】
高温高圧水は、同じ温度であっても圧力によって密度が異なるため、圧縮性流体として取り扱わなければならない。すると、絞り機構出口、入口における圧力比Ｐ／Ｐ０と、絞り機構出口、最小流路断面積部における流路断面積比Ａ／Ａ＊の関係は、次式（数１）に従わなければならない。
【００３８】
【数１】
0004306028.tif 000002
【００３９】
（数１）において、γは水の比熱比で、有機物の酸化処理に用いられる高温高圧水では１．５乃至１．６の値である。
【００４０】
図５は、（数１）の関係を横軸にＰ／Ｐ０、縦軸にＡ／Ａ＊として示したグラフである。図５に示すように、絞り機構４１を用いて処理流体を減圧させるということは、Ｐ／Ｐ０が１より小さいということなので、いずれの圧力比においても流路断面積比Ａ／Ａ＊は１より大きくなければならない。
【００４１】
すなわち、絞り機構は、絞り機構出口における流路断面積が、最も流路断面積が小さい部分の流路断面積よりも大きいような形状である必要がある。
【００４２】
絞り機構４１の流路断面を末広がりの形状とすることにより、圧縮性流体の性質として、絞り機構４１の出口の流体温度は絞り機構４１の入口の流体温度に比べて自動的に低くなる。従って、背圧器５０に流通される流体の温度は、反応器４０内部の流体の温度に比べて低くなる。
【００４３】
尚、図１、または図２に示す第１の実施の形態例では、絞り機構４１は流路断面形状が円形の場合を示しているが、流路断面形状は処理流体が流通するものであれば任意の形状でよい。
【００４４】
反応器内の酸化反応が、例えば水の超臨界状態で行われる場合、反応後の流体は温度が約３８０℃、圧力が約２２ＭＰａとなる。背圧器を設けずに、且つ、弁等を用いて減圧の度合いを調節しようとすると、弁の可動部が高温高圧の流体に曝されることになり、可動部の材料強度等の問題から、弁の信頼性が低くなり、ひいては処理システム全体の信頼性低下に繋がる。
【００４５】
図１に示す第１の実施の形態例によれば、絞り機構４１を末広がりノズルで構成し、絞り機構４１に背圧器５０を設け、さらに、気液分離器７０からの気相部分を弁５２を介して背圧器５０に導入する構成とすることにより、減圧の度合い、すなわち、背圧器５０の圧力を弁５２で調整できる。
【００４６】
気液分離７０から供給される気相の温度は、予熱器３０を通過するため、反応直後の流体の温度よりは低く、弁５２の信頼性を高めることでき、且つ、調整が容易となる。また、絞り機構４１が可動部を持たないため、高温高圧の条件でも安定して機能することができ、結果として、システム全体の信頼性を高めることができる。
【００４７】
また、背圧器５０内の圧力は、絞り機構４１により減圧されるため、反応器４０よりも低い圧力に耐えられるものであればよい。
【００４８】
尚、図１において、酸素の代わりに空気等の他の酸化剤を用いてもよい。
【００４９】
図６は、本発明の第２の実施の形態例に係わる有機物の酸化処理システムを示す系統図である。この構成で図１と異なっているのは、反応器が反応器４０Ａと反応器４０Ｂとで構成され、反応器４０Ａと４０Ｂはシリーズに接続されて設けられ、前記反応器４０Ａ内の流体は、一部は絞り機構４１Ａを通して背圧器５０に導入され、残りの部分は反応器４０Ｂに導入され、反応器４０Ｂ内の流体は、一部は絞り機構４１Ｂを通して背圧器５０に導入され、残りの部分は予熱器３０に導入されている点で、それ以外は図１に示す実施の形態例と同じである。
【００５０】
図６に示す第２の実施の形態例によれば、前段の反応器４０Ａに設けられた絞り機構４１Ａで排出されない固形物がある場合でも、後段の反応器４０Ｂに設けられた絞り機構４１Ｂにより固形物を排出することが可能である。
【００５１】
このように、絞り機構を備えた反応器をシリーズに接続することにより、固形物の除去効率を高めることができる。
【００５２】
尚、図６に示す実施の形態例では、２つの反応器にそれぞれ設けられた絞り機構が１つの背圧器に連通されているが、各々の反応器に個別の背圧器を設けてもよい。
【００５３】
また、図６に示す実施の形態例では、２つの反応器がシリーズに接続されている場合を示したが、３つ以上の反応器をシリーズに接続することにより、さらに良好な固形物分離を行うことができる。
【００５４】
図７は、本発明の第３の実施の形態例に係わる有機物の酸化処理システムを示す系統図である。図７に示す第３の実施の形態例の処理システムは、有機物用タンク１０と、有機物供給ポンプ１１と、酸素用タンク２０と、酸素供給ポンプ２１と、酸素供給用弁２２と、予熱器３０と、反応器４０Ａ,４０Ｂと、絞り機構４１Ａ,４１Ｂと、弁４２Ａ,４２Ｂと、弁４３Ａ,４３Ｂと、背圧器５０Ａ,５０Ｂと、集塵器６０と、背圧器及び集塵器を連通する弁５１Ａ,５１Ｂと、気液分離器７０と、気液分離器及び背圧器を連通する弁５２Ａ,５２Ｂとから構成されている。
【００５５】
有機物用タンク１０内に貯えられた含水有機物１０Ａは、有機物供給ポンプ１１により予熱器３０に導入される。一方、酸素用タンク２０に貯えられた酸素２０Ａは、酸素供給ポンプ２１により供給され、予熱器３０により予熱された有機物と混合される。酸素２０Ａと混合後の有機物は、反応器４０Ａを含む系統および／または反応器４０Ｂを含む系統に導入される。
【００５６】
反応器４０Ａを含む系統では、弁４２Ａ,４３Ａ及び弁５１Ａ,弁５２Ａが開いている場合、酸素２０Ａと混合された有機物は、反応器４０Ａに導入され、高温高圧下で酸化反応される。
【００５７】
反応後の流体は、一部は絞り機構４１Ａを通して背圧器５０Ａに導入され、残りの部分は弁４３Ａを介して予熱器３０に導入される。予熱器３０に導入され、反応前の有機物と熱交換した前記反応後の流体は、気液分離器７０に導入され、気相と液相に分離された後、気相の部分が弁５２Ａを介して前記背圧器５０Ａに導入される。
【００５８】
背圧器５０Ａでは、絞り機構４１Ａを通して背圧器に導入される反応後の流体が、気液分離器７０より発生した気相と概略同等の圧力まで減圧される。減圧されることにより、反応処理後の流体の水分の沸点が下がり、水分は蒸発し、前記反応後の流体は水蒸気と固形物に分離される。
【００５９】
分離された水蒸気と固形物は、背圧器５０Ａと弁５１Ａを介して連通された集塵器６０に導入され、固形分は集塵器６０により捕捉され、除去される。
【００６０】
反応器４０Ｂを含む系統では、弁４２Ｂ,４３Ｂ及び弁５１Ｂ,弁５２Ｂが開いている場合、酸素２０Ａと混合された有機物は、反応器４０Ｂに導入され、高温高圧下で酸化反応される。
【００６１】
反応後の流体は、一部は絞り機構４１Ｂを通して背圧器５０Ｂに導入され、残りの部分は弁４３Ｂを介して予熱器３０に導入される。予熱器３０に導入され、反応前の有機物と熱交換した前記反応後の流体は、気液分離器７０に導入され、気相と液相に分離された後、気相の部分が弁５２Ｂを介して背圧器５０Ｂに導入される。
【００６２】
背圧器５０Ｂでは、絞り機構４１Ｂを通して背圧器に導入される反応後の流体が、気液分離器７０より発生した気相と概略同等の圧力まで減圧される。減圧されることにより、反応処理後の流体の水分の沸点が下がり、水分は蒸発し、前記反応後の流体は水蒸気と固形物に分離される。
【００６３】
分離された水蒸気と固形物は、背圧器５０Ｂと弁５１Ｂを介して連通された集塵器６０に導入され、固形分は集塵器６０により捕捉され、除去される。
【００６４】
図７に示す第３の実施の形態例によれば、反応器４０Ａを含む系統と、反応器４０Ｂを含む系統とを共に稼動させることにより、有機物の処理量を多くすることが可能となる。
【００６５】
また、反応器４０Ａを含む系統と、反応器４０Ｂを含む系統のどちらか一方の系統で、反応を停止させて部品交換等の保守、点検作業が必要な場合、他方の系統を稼動させることにより、保守、点検作業時においてもシステム全体を停止させることなく処理を行うことができ、システムの信頼性を高めることができる。
【００６６】
尚、図７に示す実施の形態例では、反応器を含む系統が２つ並列に設けられている場合を示したが、反応器を含む系統を３つ以上並列に接続することにより、さらに信頼性の高いシステムを構成することができる。
【００６７】
図８は、本発明の第４の実施の形態例に係わる有機物の酸化処理システムを示す系統図である。この構成で図７と異なっているのは、集塵器が集塵器６０Ａと集塵器６０Ｂとで構成され、集塵器６０Ａは弁５１Ａを介して背圧器５０Ａと連通して設けられ、集塵器６０Ｂは弁５１Ｂを介して背圧器５０Ｂと連通して設けられている点で、それ以外は図７に示す実施の形態例と同じである。
【００６８】
図８に示す第４の実施の形態例によれば、集塵器６０Ａまたは６０Ｂの一方において、集塵能力の低下等により保守、点検作業が必要な場合でも、他方の集塵器を含む系統を稼動させることにより、システム全体を停止させることなく、有機物の処理と、保守、点検作業を同時に行うことができるため、信頼性の高いシステムを構成することができる。
【００６９】
図９は、本発明の第５の実施の形態例に係わる有機物の酸化処理システムを示す系統図である。この構成で図１に示す第１の実施の形態例と異なっているのは、集塵器６０で固形物を除去されたあとの水蒸気Ｄを酸素予熱器８０に導入し、水蒸気Ｄと酸素２０Ａを熱交換させて、酸素２０Ａを予熱するという点で、それ以外は図１に示す実施の形態例と同じである。
【００７０】
高温水を用いた有機物の酸化処理では、反応器内で良好な酸化反応を行うためには、有機物を反応器に導入する前にある程度の温度まで予熱する必要がある。
【００７１】
図９に示す第５の実施の形態例によれば、酸素２０Ａを、酸素予熱器８０にて、集塵器から供給される水蒸気と熱交換させて予熱することにより、酸素２０Ａと有機物との混合による温度の低下を防ぐことができ、良好な酸化反応を行わせることが可能となる。
【００７２】
また、本実施の形態例によれば、酸素２０Ａを予熱するために、外部からエネルギーを投入する必要がないため、自立運転型のエネルギー利用効率の高いシステムを構成することが可能である。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、高温水を用いた有機物の酸化処理システムにおいて、反応器に絞り機構を設け、さらに、背圧器を設けたことで、固形物を含む反応処理水を連続的に反応器から排出し、且つ、連続的に固形物を除去することができる。これにより、酸化処理システムを効率的に運転させることができる。
【００７４】
また、固形物を含む反応処理水を反応器から排出する絞り機構は、可動部を持たないため、高温高圧下でも安定して機能するため、処理システム全体の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例に係わる酸化処理システムを示す系統図である。
【図２】図１の反応器の形態例を示す断面図である。
【図３】図１の反応器の形態例を示す上面図である。
【図４】図１の絞り機構の形状を示す概略図である。
【図５】絞り機構の流路断面積条件を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施の形態例に係わる酸化処理システムを示す系統図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態例に係わる酸化処理システムを示す系統図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態例に係わる酸化処理システムを示す系統図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態例に係わる酸化処理システムを示す系統図である。
【符号の説明】
１０…有機物用タンク、１０Ａ…含水有機物、１１…有機物供給ポンプ、２０…酸素用タンク、２０Ａ…酸素、２１…酸素供給ポンプ、３０…予熱器、４０,４０Ａ,４０Ｂ…反応器、４１,４１Ａ,４１Ｂ…絞り機構、５０,５０Ａ,５０Ｂ…背圧器、６０,６０Ａ,６０Ｂ…集塵器、７０…気液分離器、８０…酸素予熱器。
【図１】
0004306028.tif 000003
【図２】
0004306028.tif 000004
【図３】
0004306028.tif 000005
【図４】
0004306028.tif 000006
【図５】
0004306028.tif 000007
【図６】
0004306028.tif 000008
【図７】
0004306028.tif 000009
【図８】
0004306028.tif 000010
【図９】
0004306028.tif 000011