(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水熱反応により被処理物をバッチ式で処理する水熱反応器であって、
開口部を上部に有し、上部開口部から被処理物を収容し、内部を水熱反応域とする筒状有底の反応器本体と、
反応器本体の上部開口部を開閉する蓋体と、
蓋体による反応器本体の上部開口部の開閉を迅速化する非ボルト締結型急速開閉機構と、
反応器本体の下部又は側部に接続され、超臨界水又は亜臨界水、及び必要に応じて酸化剤を供給する供給管と、
反応器本体の下部又は側部に接続され、処理流体を排出する排出管とを備えたバッチ式水熱反応器において、
前記非ボルト締結型急速開閉機構が、一体型クランプ方式のものであって、
反応器本体の内径と同じ直径の短円柱状の部材である蓋体の周囲に、相互に離隔して外歯歯車状に外方水平方向に突出する複数個の第１突出部を有する外歯部と、
外方に円環状に突出する鍔部を有して、反応器本体の上部開口部に設けられたフランジと、
縦断面で見て上部及び下部がそれぞれ円環状に内方に突出する円環部として形成され、上部と下部との間の中間部が外歯部の第１突出部及びフランジの鍔部の重ね合わせを嵌め込む凹部として形成され、上部円環部に内歯歯車状に第２突出部を備え、かつ下部円環部の内側面をフランジの鍔部の下面に接して反応器本体の上部開口部周りに回動自在に装着されたリング状の内歯部材と、
蓋体を昇降させる昇降機構と、
内歯部材を反応器本体の上部開口部周りに回動させる回動機構とを備え、
内歯部材の第２突出部は、第１突出部と同じ数で第１突出部の先端幅より小さくない間隔で内方水平方向に突出し、かつ内歯部材は蓋体を反応器本体の上部開口部に装着した際、第２突出部の内側面が第１突出部の上面と同じ高さに位置することを特徴とするバッチ式水熱反応器。
【請求項２】
外歯歯車状に外方に突出する第３突出部が相互に離隔してフランジの鍔部に設けられ、かつ第３突出部と同じ数で第３突出部の先端幅より小さくない間隔で内歯歯車状に内方水平方向に突出した第４突出部が内歯部材の下部円環部に設けられ、
内歯部材を反応器本体に装着する際、フランジの第３突出部同士の間から内歯部材の第４突出部を送入することにより内歯部材を反応器本体に装着することを特徴とする請求項１に記載のバッチ式水熱反応器。
【請求項３】
蓋体を反応器本体の上部開口部に装着して反応器本体を閉止する際には、内歯部材の第２突出部同士の間隙から蓋体の外歯部の第１突出部を昇降機構によって下降させて外歯部を内歯部材の下側に位置させ、次いで回動機構によって内歯部材を回動して内歯部材の第２突出部の内側面を外歯部の第１突出部の上面に接触させて、内歯部材の凹部に外歯部及びフランジを嵌め込むことにより、蓋体を反応器本体の上部開口部に固定するとともに反応器本体を閉止し、
蓋体を反応器本体の上部開口部から取り外して反応器本体を開放する際には、回動機構によって内歯部材を回動して内歯部材の第２突出部の内側面と蓋体の外歯部の第１突出部の上面との接触及び外歯部及びフランジの内歯部材の凹部への嵌め込みを解除し、次いで内歯部材の第２突出部同士の間隙から外歯部の第１突出部を上昇させて蓋体を上方に取り外すことを特徴とする請求項１又は２に記載のバッチ式水熱反応器。
【請求項４】
反応器を構成する反応器本体及び蓋体により水熱反応の圧力を保持する圧力容器を形成し、かつ内部を水熱反応域とする反応カートリッジを反応器内に設けて、反応器を二重筒型反応器として構成し、供給管及び排出管を反応カートリッジに接続し、
圧力バランス用流体を反応器と反応カートリッジとの間に送入して、反応器内の圧力と反応カートリッジ内の圧力を所定圧力差に維持することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のバッチ式水熱反応器。
【請求項５】
反応カートリッジが密閉型容器であって、超臨界水又は亜臨界水、及び必要に応じて酸化剤を供給する供給管が、反応器本体の下部又は側部を貫通して反応カートリッジの底部に接続され、かつ供給管の出口開口には分散板が設けられ、
処理流体を排出するために、反応カートリッジ内の上部に入口開口を有する排出管が、反応カートリッジ内を経て反応カートリッジの底部を貫通し、更に反応器本体の下部又は側部を貫通する外部接続口に接続されていることを特徴とする請求項４に記載のバッチ式水熱反応器。
【請求項６】
反応カートリッジの外側に内部加熱器が設けられていることを特徴とする請求項４又は５に記載のバッチ式水熱反応器。
【請求項７】
断熱材からなる断熱壁が内部加熱器の外側に沿って及び反応器本体の内壁に沿って設けてあることを特徴とする請求項６に記載のバッチ式水熱反応器。
【請求項８】
筒状隔壁体が反応カートリッジと反応器本体との間の環状空間に反応カートリッジと同芯状に設けられ、
圧力バランス用空気が反応器本体と隔壁体との間の環状空間に導入され、次いで隔壁体と反応カートリッジとの間を流れ下りて空気断熱層を形成すると共に反応器本体内の圧力と反応カートリッジ内の圧力を所定圧力差に維持しつつ反応カートリッジに導入されることなく反応器本体から外部に排出されることを特徴とする請求項４から７のいずれか１項に記載のバッチ式水熱反応器。
【請求項９】
被処理物が固形物のときには、通液性が高く、フィルタ機能を有する出し入れ自在の固形物保持カートリッジを備え、有機性有害物を含む固形物を固形物保持カートリッジに収容して水熱反応域に保持することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のバッチ式水熱反応器。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載のバッチ式水熱反応器を備えていることを特徴とする水熱反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッチ式水熱反応器、及び水熱反応装置に関し、更に詳細には、開閉が容易で、熱効率が高く、しかも死水域が生じない構成の処理能率の高いバッチ式水熱反応器、及びそのようなバッチ式水熱反応器を備えた水熱反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、有機物の酸化、分解能力の高い超臨界水反応を利用して、環境汚染物質を分解、無害化する試みが注目されている。すなわち、超臨界水の高い反応性を利用した超臨界水反応により、従来技術では分解することが難しかった有害な難分解性の有機物、例えば、ＰＣＢ（ポリ塩素化ビフェニル）、ダイオキシン、有機塩素系溶剤等を分解して、二酸化炭素、窒素、水、無機塩などの無害な生成物に転化する試みである。
その試みの一つとして、最近では、このような有害な有機化合物を含む、様々な下水汚泥、都市ゴミ、産業排水等の液状及び固体状の広義の廃棄物の処理にも、超臨界水反応の利用が試みられている。
【０００３】
ところで、汚染固形物を連続式の超臨界水反応装置で処理する場合には、固形物を粉砕してスラリー化することが必要であるものの、固形物によっては粉砕することが技術的に難しいものもある。また、仮に固形物を粉砕してスラリー化できたとしても、沈殿等のスラリー固有の種々の問題がある。
そこで、被処理固形物をスラリー化することなく、そのままの形態で反応器に投入し、バッチ式で超臨界水処理することが必要になっている。
また、バッチ式反応器は、超臨界水反応に伴う反応器の腐食を抑制することが容易であり、またバッチ毎に反応容器を開放するので、中和に伴い析出した無機塩の排出が容易であるという優れた利点も有する。
【０００４】
ここで、図５を参照して、従来のバッチ式超臨界水反応装置の構成を説明する。図５は従来のバッチ式超臨界水反応装置の構成を示すフローシートである。
従来のバッチ式超臨界水反応装置８０は、被処理対象である有機性固形物をバッチ式で超臨界水反応により処理する装置であって、図５に示すように、バッチ式反応器８１と、反応器８１に超臨界水を送入する送水手段８２と、反応器８１に酸化剤として空気を送入する空気圧縮機８３とを備えている。
【０００５】
反応器８１は、蓋体８１ａと反応器本体８１ｂとから構成され、処理対象固形物を内部に収容して超臨界水処理を施す、開閉自在なオートクレーブ式の反応器であって、容器内部に処理対象固形物を支持し、生成反応物及び超臨界水を通過させる目板状の支持板８４を有する。
蓋体８１ａは、蓋体８１ａ及び反応器本体８１ｂのフランジ同士のボルト締結により反応器本体８１ｂに連結されている。
【０００６】
送水手段８２は、水を収容した水タンク８５と、水タンク８５に収容された水を送水する送水ポンプ８６と、送水ポンプ８６によって送水された水及び後述するブースタ・ポンプ９４によって送水された循環水の合流水を反応器８１から流出した処理流体と熱交換させて合流水を昇温すると共に流体を冷却する熱交換器８７と、超臨界水反応に必要な所定の温度、つまり超臨界水温度に合流水を昇温する加熱炉８８とを備え、送水管８９を介して超臨界水を反応器８１に送水する。
空気圧縮機８３は、圧力調節、流量調節を行うことにより吐出流量を変えることができる流量可変式の圧縮器であって、空気供給管９０及び送水管８９を介して反応器８１に酸化剤として空気を送入する。
【０００７】
反応生成物流出系は、反応器８１から処理流体を流出させる流出管９１と、熱交換器８７の下流に設けられた気液分離器９２と、気液分離器９２の圧力、従って間接的に反応器８１の圧力を制御する圧力制御装置９３と、気液分離して得た水成分を循環するブースタ・ポンプ９４とを備えている。
【０００８】
気液分離器９２は、処理流体を気液分離してガス成分と水成分とに分離する。ガス成分は、気液分離器９２の頂部に接続されたガス放出管９５を経て大気に放出されるか、又は次の処理工程、例えばＣＯガスが許容量以上の濃度でガス中に含まれている場合には、ＣＯコンバータに送られる。
気液分離器９２の圧力を制御する圧力制御装置９３は、ガス放出管９５に設けられた圧力計９６の圧力測定値に基づいて、圧力調節弁９７の弁開度を調節して気液分離器９２の圧力、従って反応器８１内の圧力が所定圧力になるように制御する。また、ガス成分中のＣＯガス濃度を測定するために、ガス放出管９５にはＣＯ濃度計９８が設けてある。
気液分離器９２内の水成分は、ブースタ・ポンプ９４によって昇圧され、循環水として送水管９９を経由して送水管８９に送水される。
【０００９】
バッチ式超臨界水反応装置８０を運転する際には、先ず、反応器８１を開放して、バッチ運転１回分の処理対象固形物を支持板８４上に載せ、反応器８１を閉止する。
次いで、送水ポンプ８６を起動して水タンク８５から水を送水管８９により熱交換器８７を経由して加熱炉８８に送り、加熱して反応器８１に供給する。
反応器８１から流出する処理流体（運転開始当初は水である）は、熱交換器８７を通って気液分離器９２に入り、ブースタ・ポンプ９４により昇圧されて送水管９９を経由、送水管８９に入り、送水ポンプ８６からの水と合流して熱交換器８７及び加熱炉８８で加熱され、次いで反応器８１に入り、徐々に循環が開始される。
ブースタ・ポンプ９４による循環水量が増加するにつれて、送水ポンプ８６による送水量を減少させる。最終的には、ガス放出管９５からガスに同伴して系外に放散する水の量だけ、送水ポンプ８６により補充することになる。
【００１０】
流出管９１に設けた温度計１００で測定した温度が３７０℃程度に到達した時点で、空気圧縮機８３を起動して、空気供給管９０及び送水管８９を経由して水と共に空気を反応器８１に送入する。空気圧縮機８３からの空気供給量は、温度計１００の温度を見ながら温度上昇が速ければ低減し、温度上昇が遅ければ増量する。
反応器８１内の条件が超臨界水反応の所定条件に到達すると、超臨界水反応が開始され、徐々に進行する。超臨界水反応の進行と共に流出管９１から流出する処理流体は、ガス成分、例えばＣＯ2 ガス、ＣＯガスを同伴するようになり、気液分離器９２で分離され、ガス放出管９５を介して放出される。同時に圧力制御装置９３を動作させて、気液分離器９２内の圧力、従って反応器８１内の圧力を所定圧力に制御する。
【００１１】
ＣＯガス濃度計９８で計測したＣＯガス濃度がゼロとなり、酸素濃度が大気中の値と変わらない値になると、反応器８１内の超臨界水反応が終点に達したと判定できる。
超臨界水反応が終点に達した時点で、バッチ式超臨界水反応装置８０全体の圧力を降圧し、次いで反応器８１を開放する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、開閉自在なオートクレーブ式のバッチ式反応器を使って汚染固形物を効率良く処理するためには、以下のようなことが反応器の構成に要請されている。
先ず、第１には、蓋の開閉が容易なことである。つまり、バッチ式反応器を使って汚染固形物を処理する際には、バッチ処理毎に反応器の蓋を開放して汚染固形物を反応器内に収容し、次いで蓋を閉止し、処理後には蓋を開放して残渣を取り出すことが必要である。従って、蓋の開閉が容易でないと、処理能率を向上させることが難しい。
【００１３】
例えば、リングジョイントタイプのガスケットを使用したフランジ構造で反応器の蓋と反応器本体とを連結する方式では、ガスケットの価格が高く、しかもガスケットの許容使用回数は１回であるために、ガスケットのコストが嵩むと言う問題がある。
また、ボルトテンショナーを使用して大きな締め付けトルクでボルトを締め付けることが必要であるために、内容積２００リットル規模の反応器の蓋の１回の開閉に、作業員３人で５〜６時間の作業時間が必要となる。
【００１４】
また、ダブルコーンタイプのガスケットを使用したフランジ構造や、超臨界二酸化炭素反応の反応器でシール構造として採用されているグレイシールタイプのガスケットを使用したフランジ構造で反応器の蓋と反応器本体とを連結する方式では、リングジョイントタイプのガスケットを使用したフランジ構造ほどではないにしろ、同じように開閉に長時間を要し、コストが嵩むという問題がある。
【００１５】
また、上述の３例のガスケットを使用した場合、程度の差こそあれ、ガスケットと接触するフランジのシート面に変形が発生し、しかもガスケットの装着が悪いと圧痕が残る場合もあるので、フランジのシール面の手入れに労力とコストがかかる。
いずれにしろ、バッチ式反応器の蓋と反応器本体の連結方式として上述の３例のガスケットのいずれかを使用したフランジ構造の蓋では、開閉に時間と労力とコストとを要し、実用的ではない。
【００１６】
第２には、反応器に汚染固形物を収容した後の反応器の加熱性及び断熱性が良好なことが必要である。
つまり、効率的なバッチ式反応処理を行うためには、反応器の加熱性及び断熱性を向上させて、反応器の昇温及び冷却に要する時間を短縮することが必要である。
更には、熱容量の大きな反応器自体を加熱すると、所要熱エネルギーが膨大となり、また加熱に長時間を要するなどの問題があるので、反応器自体よりは寧ろ反応領域のみを効率的に加熱することが必要である。
加熱性及び断熱性に関連して、反応器が圧力容器と内筒から構成される圧力バランス型二筒式反応器の場合、圧力容器と内筒の空間に供給する圧力バランス用空気により、内筒の一部、例えば下部が冷却されて内筒内の温度が低下するという問題もある。
【００１７】
第３には、反応器内に死水域が生じないようにすることである。従来の圧力バランス型二筒式反応器では、超臨界水又は亜臨界水を内筒下部に導入すると、内筒下部に死水域が生じるという問題があった。
死水域では、一般的に、未分解物や腐食性流体が滞留し易く、固形物の分解性や、反応器の耐食性にとって好ましいことではない。
【００１８】
以上の説明では、超臨界水反応装置に用いる反応器を例に上げて説明したが、これは超臨界水反応装置に用いる反応器に限る問題ではなく、例えば水熱反応による反応器全般に該当する問題である。
水熱反応とは、高温高圧水、例えば温度１８０℃以上、圧力１ＭＰａ以上の熱水を用いる反応を言う。
【００１９】
そこで、本発明の目的は、開閉が容易で、熱効率が高く、しかも死水域が生じない構成のバッチ式水熱反応器、及びそのようなバッチ式水熱反応器を備えた水熱反応装置を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るバッチ式水熱反応器は、水熱反応により被処理物をバッチ式で処理する水熱反応器であって、
開口部を上部に有し、上部開口部から被処理物を収容し、内部を水熱反応域とする筒状有底の反応器本体と、
反応器本体の上部開口部を開閉する蓋体と、
蓋体による反応器本体の上部開口部の開閉を迅速化する非ボルト締結型急速開閉機構と、
反応器本体の下部又は側部に接続され、超臨界水又は亜臨界水、及び必要に応じて酸化剤を供給する供給管と、
反応器本体の下部又は側部に接続され、処理流体を排出する排出管とを備えたバッチ式水熱反応器において、
前記非ボルト締結型急速開閉機構が、一体型クランプ方式のものであって、
反応器本体の内径と同じ直径の短円柱状の部材である蓋体の周囲に、相互に離隔して外歯歯車状に外方水平方向に突出する複数個の第１突出部を有する外歯部と、
外方に円環状に突出する鍔部を有して、反応器本体の上部開口部に設けられたフランジと、
縦断面で見て上部及び下部がそれぞれ円環状に内方に突出する円環部として形成され、上部と下部との間の中間部が外歯部の第１突出部及びフランジの鍔部の重ね合わせを嵌め込む凹部として形成され、上部円環部に内歯歯車状に第２突出部を備え、かつ下部円環部の内側面をフランジの鍔部の下面に接して反応器本体の上部開口部周りに回動自在に装着されたリング状の内歯部材と、
蓋体を昇降させる昇降機構と、
内歯部材を反応器本体の上部開口部周りに回動させる回動機構とを備え、
内歯部材の第２突出部は、第１突出部と同じ数で第１突出部の先端幅より小さくない間隔で内方水平方向に突出し、かつ内歯部材は蓋体を反応器本体の上部開口部に装着した際、第２突出部の内側面が第１突出部の上面と同じ高さに位置することを特徴としている。
【００２１】
本発明に係る水熱反応器は、有機性有害物を含む固形物をバッチ式水熱反応処理する反応器として最適であるが、被処理物は固形物に限らず液体でも良い。
本発明では供給管及び排出管は、水熱反応器の開閉を容易にするために、蓋体ではなく反応器本体の下部又は側部に接続されている。
本発明で、非ボルト締結型急速開閉機構とは、一体型クランプ方式、又は通常のクランプ方式の開閉機構であって、蓋の開閉に要する時間が、３０分間以内、長くとも１時間以内になるような開閉機構を意味する。
一体型クランプ方式とはクランプが反応器本体に一体化されている方式であり、クランプ方式とは通称グレイロック方式のようにクランプが反応器本体から分離されている方式のものである。
【００２２】
本発明の好適な実施態様では、急速開閉機構として一体型クランプ方式のものが設けられている。本急速開閉機構は内歯部材の凹部を外歯部の第１突出部と反応器本体のフランジの鍔部の重ね合わせに嵌め込んで内歯部材を固定することにより、蓋体を反応器本体に固定しているので、ボルト締結型とはことなり開閉に要する時間が短い。
つまり、本実施態様の急速開閉機構は、一体型クランプ方式であって、
反応器本体の内径と同じ直径の短円柱状の部材である蓋体の周囲に、相互に離隔して外歯歯車状に外方水平方向に突出する複数個の第１突出部を有する外歯部と、
外方に円環状に突出する鍔部を有して、反応器本体の上部開口部に設けられたフランジと、
縦断面で見て上部及び下部がそれぞれ円環状に内方に突出する円環部として形成され、上部と下部との間の中間部が外歯部の第１突出部及びフランジの鍔部の重ね合わせを嵌め込む凹部として形成され、上部円環部に内歯歯車状に第２突出部を備え、かつ下部円環部の内側面をフランジの鍔部の下面に接して反応器本体の上部開口部周りに回動自在に装着されたリング状の内歯部材と、
蓋体を昇降させる昇降機構と、
内歯部材を反応器本体の上部開口部周りに回動させる回動機構と
を備え、
内歯部材の第２突出部は、第１突出部と同じ数で第１突出部の先端幅より小さくない間隔で内方水平方向に突出し、かつ内歯部材は蓋体を反応器本体の上部開口部に装着した際、第２突出部の内側面が第１突出部の上面と同じ高さに位置する。
蓋体は水平な状態で昇降機構による上下動のみが可能であり、回動しない。一方、内歯部材は回動自在であるものの、反応器本体に一旦装着すると、上下動はできない。
【００２３】
本実施態様の急速開閉機構では、好適には、外歯歯車状に外方に突出する第３突出部が相互に離隔してフランジの鍔部に設けられ、かつ第３突出部と同じ数で第３突出部の先端幅より小さくない間隔で内歯歯車状に内方水平方向に突出した第４突出部が内歯部材の下部円環部に設けられ、
内歯部材を反応器本体に装着する際、フランジの第３突出部同士の間から内歯部材の第４突出部を送入することにより内歯部材を反応器本体に装着する。
これにより、内歯部材を例えば半割り状の２個の部材に分割し、半割り部材の端部をボルト結合して反応器本体に装着する代わりに、リング状の内歯部材をそのままの形態で容易に反応器本体に装着することができる。
【００２４】
本実施態様の急速開閉機構は、蓋体の開閉に際し、以下のように動作する。
つまり、蓋体を反応器本体の上部開口部に装着して反応器本体を閉止する際には、内歯部材の第２突出部同士の間隙から蓋体の外歯部の第１突出部を昇降機構によって下降させて外歯部を内歯部材の下側に位置させ、次いで回動機構によって内歯部材を回動して内歯部材の第２突出部の内側面を外歯部の第１突出部の上面に接触させて、内歯部材の凹部に外歯部及びフランジを嵌め込むことにより、蓋体を反応器本体の上部開口部に固定するとともに反応器本体を閉止し、
蓋体を反応器本体の上部開口部から取り外して反応器本体を開放する際には、回動機構によって内歯部材を回動して内歯部材の第２突出部の内側面と蓋体の外歯部の第１突出部の上面との接触及び外歯部及びフランジの内歯部材の凹部への嵌め込みを解除し、次いで内歯部材の第２突出部同士の間隙から外歯部の第１突出部を上昇させて蓋体を上方に取り外す。
【００２５】
本発明の更に好適な実施態様では、蓋体の下部は反応器本体の内径と同じ直径の封止部として構成され、封止部の外周面にはＯ−リングタイプのパッキン又はオムニシールタイプのパッキンが封止体として設けられ、
蓋体による反応器本体の閉止時には、封止部を反応器本体に嵌入して反応器本体を封止する。
パッキンの材質は、耐高温、耐腐食性を兼ね備えるものであれば、特に限定するものではない。例えばフッ素樹脂からなるパッキンである。
【００２６】
更に好適には、封止を確実にするために、複数本のリング状のパッキンが封止体として封止部の下部から上部に離隔して設けられている。
望ましくは、パッキンによる封止から漏れ出た流体の有無を検出するために、外部と連通する連通管がウイープホールとしてパッキンとパッキンとの間の封止部の外周面に開口しているようにする。
【００２７】
更には、冷却水により封止部を冷却してパッキンの温度をパッキンの許容温度以下に維持する冷却ジャケットが、蓋体の封止部に設けられている。パッキンの許容温度は、材質にもよるが、例えば２５０℃である。
冷却水が流れる流路は、特に限定するものではないが、好ましくはパッキンの周辺から流入して積極的にパッキン部分を冷却する構造の方が望ましい。また、冷却水流路は、反応器内の高い圧力がかからないように隔離され、常圧又は低圧の水圧の冷却水を流すことができるようにすることが望ましい。
【００２８】
本発明の好適な実施態様では、反応器を構成する反応器本体及び蓋体により水熱反応の圧力を保持する圧力容器を形成し、かつ内部を水熱反応域とする反応カートリッジを反応器内に設けて、反応器を二重筒型反応器として構成し、供給管及び排出管を反応カートリッジに接続し、圧力バランス用流体を反応器と反応カートリッジとの間に送入して、反応器内の圧力と反応カートリッジ内の圧力を所定圧力差に維持する。
反応カートリッジにより水熱反応域を構成し、反応器本体と蓋体とから圧力容器を構成する二重筒型反応器とすることにより、耐腐食性の高価な金属材料からなる反応カートリッジの所要肉厚を小さくして、水熱反応器の経済性を高めることができる。
つまり、水熱反応器の構成を、耐圧容器である反応器本体及び蓋と、耐腐食性容器である反応カートリッジとの機能別二重筒型容器にすることにより、水熱反応器のコストを低減することができる。
【００２９】
反応カートリッジが密閉型容器であって、超臨界水又は亜臨界水、及び必要に応じて酸化剤を供給する供給管が、反応器本体の下部又は側部を貫通して反応カートリッジの底部に接続され、かつ供給管の出口開口には分散板が設けられ、
処理流体を排出するために、反応カートリッジ内の上部に入口開口を有する排出管が、反応カートリッジ内を経て反応カートリッジの底部を貫通し、更に反応器本体の下部又は側部を貫通する外部接続口に接続されている。
供給管の出口開口に衝突板等の分散板を設けて、超臨界水又は亜臨界水、及び酸化剤の混合流体を分散させ、混合させることにより、従来のように反応カートリッジの下部に死水域を発生させるようなことが抑制される。また、混合により、内部加熱器の加熱を促進させることができる。
【００３０】
また、反応カートリッジの外側に内部加熱器が設けられている。断熱材からなる断熱壁が内部加熱器の外側に沿って及び反応器本体の内壁に沿って設けてある。これにより、反応器本体及び蓋体の加熱を抑制し、水熱反応域のみを加熱して所要熱エネルギーを節減し、昇温に要する時間を低減することができる。
内部加熱器として、シースヒータ、パイプヒータ、抵抗発熱型ヒータ、誘導加熱器の何れかであることが好ましい。
【００３１】
筒状隔壁体が反応カートリッジと反応器本体との間の環状空間に反応カートリッジと同芯状に設けられ、
圧力バランス用空気が反応器本体と隔壁体との間の環状空間に導入され、次いで隔壁体と反応カートリッジとの間を流れ下りて空気断熱層を形成すると共に反応器本体内の圧力と反応カートリッジ内の圧力を所定圧力差に維持しつつ反応カートリッジに導入されることなく反応器本体から外部に排出される。
空気断熱層を形成することにより、反応カートリッジの加熱性及び断熱性を高めることができる。
【００３２】
本発明の好適な実施態様では、被処理物が固形物のときには、通液性が高く、フィルタ機能を有する出し入れ自在の固形物保持カートリッジを備え、有機性有害物を含む固形物を固形物保持カートリッジに収容して、水熱反応域に保持する。
固形物保持ユニットは、固形物を反応器本体内又は反応カートリッジ内の所定領域に保持できる構造であれば、特に構造を限定するものではない。好ましくは、固形物から出る微細物が外部に流出するのを防止するために、フィルタ機能を有する材質で形成され、固形物の出し入れが容易な開閉自在な筒型カートリッジタイプの構造である。
固形物保持カートリッジを使用することにより、固形物の収容及び固形物の処理残渣の排出が容易になる。
【００３３】
本発明に係る水熱反応器は、固形物の水熱反応処理を目的とする限り、固形物の性状、形状に制約なく適用できる。
例えば、本発明に係る水熱反応器は、ＰＣＢやダイオキシンなどの難分解性有害化学物質、それらに汚染された固形物、環境ホルモン物質、環境ホルモンを含んだ固形物、農薬、農薬に汚染された固形物、農薬を含有する土壌等を好適に水熱反応処理することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
水熱反応器の実施形態例
本実施形態例は本発明に係るバッチ式水熱反応器の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例のバッチ式水熱反応器の構成を示す断面図、図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、蓋体の縦断面図及び平面図、並びに図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、内歯部の縦断面図及び矢視Ｉ−Ｉの横断面図である。
本実施形態例のバッチ式水熱反応器（以下、簡単に反応器と言う）１０は、図１に示すように、反応カートリッジとして設けられた密閉型内筒１４と、内筒１４を収容する上部開放の有底反応器本体１６と、反応器本体１６の上部開口を閉止する反応器蓋体１８とを備え、二重筒型の圧力バランス型反応器として構成されている。
【００３５】
また、被処理物である固形物Ｗを収容するために、内筒１４内に出し入れ自在の固形物保持カートリッジ１２が設けられている。
固形物保持カートリッジ１２は、図１に示すように、円筒形のカートリッジ本体２０と、カートリッジ本体２０の直径より僅かに大きな直径を有し、上方からカートリッジ本体２０を蓋する蓋部２２とから構成されていて、処理される固形物Ｗは、カートリッジ本体２０の底壁に支持されて内部に収容される。
また、通水性を確保し、かつ固形物から生じる微細物を流出させないために、カートリッジ本体２０の筒壁及び底壁、並びに蓋部２２は、フィルタ機能を有する多孔性板、例えばステンレス鋼を原料とする焼結金属で形成されている。
【００３６】
内筒１４は、内部が水熱反応の反応域となる密閉式容器であって、図１に示すように、上部開放で有底の筒体２４と、筒体２４の上部開口を密閉する筒蓋２６とから構成され、筒体２４と筒蓋２６とは、パッキン２５を介するフランジ結合又はクランプ結合により開閉自在に密閉して連結される。
筒体２４は、下部に設けられた複数本の脚部２８を介して反応器本体１６の底板１６ａに支持されていて、筒体２４の底壁２４ａと反応器本体１６の底板１６ａとの間は、空気が自在に流れることができるようになっている。
また、筒体２４の円筒壁及び底壁には、内筒１４内に収容された固形物、水、空気等を加熱するために環状の加熱体３０がコイル状に巻回されている。加熱体３０は、例えばシースヒータである。
【００３７】
更に、筒体２４を断熱して加熱体３０による加熱を促進し、かつ熱の放散を防止するために、例えば溶融シリカなどのセラミック材の断熱材からなる円筒状の断熱壁３２が断熱体として筒体２４の円筒壁に巻回された加熱体３０の外側に設けられている。
また、筒蓋２６の外面には、同じく溶融シリカなどのセラミック材の断熱材からなる板状の断熱壁３３が断熱体として設けられている。
【００３８】
筒体２４は、底板２４ａから離隔して円環状に設けられた支持部３５を備え、固形物保持カートリッジ１２のカートリッジ本体２０の底部周辺部２０ａを支持部３５で支持する。これにより、筒体２４の底板２４ａとカートリッジ本体２０の底部との間には、後述する分散板４２として衝突板（バッフル板）を設置する空間が形成される。
本実施形態例では、内筒１４内の圧力を反応器本体１６内の圧力Ｐより僅かに低い圧力Ｐ′に維持することにより、内筒１４の筒体の設計圧力をＰ−Ｐ′の低い圧力、例えば０．１〜０．３ＭＰａに設定することができる。これにより、高価な耐腐食性金属からなる内筒１４の肉厚を薄くして、内筒１４のコストを低減することができる。
【００３９】
反応器１０、従って反応器１０を構成する反応器本体１６及び蓋体１８は、水熱反応の反応圧力及び反応温度に耐えることができる圧力容器として形成されている。
反応器本体１６は、上部開放で有底の円筒体であって、加熱体３０による内筒１４の加熱を促進するために、例えば溶融シリカなどのセラミック材の断熱材からなる円筒状の断熱壁３４が反応器本体１６の円筒壁の内壁面に沿って断熱体として設けられている。
また、円筒状の隔壁体３６が断熱壁３４及び断熱壁３２からそれぞれ離隔して反応器本体１６の底壁１６ａから直立している。
【００４０】
反応器１０を介して外部から内筒１４に水（超臨界水、亜臨界水を含む）と酸化剤、例えば空気との混合流体を導入する内部導入管３８が、反応器本体１６の底板１６ａの貫通孔４０の内側出口から反応器本体１６内を経て内筒１４の筒体２４の底板２４ａを貫通し、上方に突出している。
内部導入管３８の開口端には、分散板４２、例えば衝突板が設けられ、内部導入管３８から導入された混合流体を分散板４２に衝突させて底板２４ａに沿う流れに向きを変えて均一な分散で内筒１４内に導入するようになっている。これにより、従来の二重筒型反応器の反応カートリッジの底部で生じていたような死水域の発生を防止することができる。
【００４１】
また、処理流体を内筒１４から流出させるために、固形物保持カートリッジ１２の蓋部２２と内筒１４の筒蓋２６との間に流入口４４を有し、固形物保持カートリッジ１２内を経て内筒１４の底板２４ａを貫通して、反応器本体１６の底板１６ａの貫通孔４６に到る処理流体導出管４８が設けられている。
尚、処理流体導出管４８のうち固形物保持カートリッジ１２の蓋部２２から上方に突出している管部分４８ａは、蓋部２２の取り付け、取り外しのために、差し込み結合４９により脱着自在になっている。
【００４２】
本実施形態例では、反応器本体１６内の圧力Ｐを内筒１４内の圧力Ｐ′より僅かに高い圧力に維持するために、反応器本体１６内に圧力バランス用の空気を流入させ、流出させている。
圧力バランス用空気の流入口として貫通孔５０が断熱壁３４と隔壁体３６との間の反応器本体１６の底板１６ａに、また圧力バランス用空気の流出口として貫通孔５２が内筒１４の底板２４ａ下方の反応器本体１６の底板１６ａに設けられている。
【００４３】
圧力バランス用空気は、貫通孔５０から断熱壁３４と隔壁体３６との間に流入して上昇し、次いで隔壁体３６と断熱壁３２との間を下降し、断熱壁３２の下部開口（図示せず）及び内筒１４の脚部２８を経て反応器本体１６の底板１６ａと内筒１４の底板２４ａとの間の空間に到り、続いて貫通孔５２から外部に流出する。
【００４４】
これにより、圧力バランス用空気は、断熱壁３４と隔壁体３６、及び隔壁体３６と断熱壁３２との間に空気断熱層を形成すると共に反応器本体１６内の圧力と内筒１４内の圧力を所定圧力差に維持する。
圧力バランス用空気は、空気断熱層を形成することにより、反応器本体１６の温度が上昇し過ぎないように反応器本体１６を断熱し、常温で供給される圧力バランス用空気が内筒１４を冷却しないように内筒１４を断熱する。
また、経路を流れる間に圧力バランス用空気が加熱され、加熱された圧力バランス用空気が内筒１４の周囲に流入することにより、内筒１４を保温する効果を奏する。
【００４５】
蓋体１８は、一体型クランプ方式の急速開閉機構によって反応器本体１６を閉止するようになっている。
急速開閉機構は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、蓋体１８の外周に設けられた外歯部５４と、蓋体１８を水平な状態で上下に昇降させる昇降機構（図示せず）と、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、外方に円環状に突出する鍔部５５ａを有して、反応器本体１６の上部開口部に設けられたフランジ５５と、反応器本体１６の上部をリング状に囲む内歯部材５６と、内歯部材５６を反応器本体の上部開口部周りに回動させる回動機構（図示せず）とから構成されている。
【００４６】
蓋体１８は、図２（ａ）に示すように、反応器本体１６の内径より大きな直径の上部の大径部１８ａと、反応器本体１６の内径と等しい直径の下部の小径部１８ｂとからなる短円柱状の部材である。
蓋体１８の小径部１８ｂを反応器本体１６の上部開口に嵌入し、封止することにより、反応器本体１６を閉止することができる。
【００４７】
外歯部５４は、蓋体１８の大径部１８ａの外周に設けられていて、水平方向に突出する１２個の肉厚の厚い第１突出部５４ａを大径部１８ａの外周に等間隔で外歯歯車状に備えている。
第１突出部５４ａは、図２（ｂ）に示すように、蓋体１８の半径方向を対称軸として左右対称な形状の台形であって、先端の幅が基端の幅より僅かに小さく、先端の両端及び基端の両端にアールを設けた形状である。第１突出部５４ａ同士の間隔は先端幅に等しく、従って先端の幅＋基端の幅の１２倍が大径部１８ａの円周に等しくなっている。
【００４８】
小径部１８ｂは、直径が反応器本体１６の上部開口の開口径と同じ寸法であって、小径部本体５８ａと、小径部本体５８ａの下部に設けられた冷却ジャケット板５８ｂとから構成されている。
小径部本体５８ａの外周面には、小径部本体５８ａと冷却ジャケット板５８ｂとの連結部に設けられている第１パッキン溝と、第１パッキン溝から離隔して上方に設けられた第２パッキン溝とを備え、それぞれに、第１パッキン６０及び第２パッキン６２として許容温度が２５０℃のフッ素樹脂からなるＯ−リングが装着されている。
【００４９】
第１パッキン６０と第２パッキン６２との間には、外部に連通する連通管６４がウイープホールとして開口し、第１パッキン６０による封止から漏れ出た流体を圧力計６６で検出することができる。
また、連通管６４の外部開口端には開閉弁６８が設けてあり、開閉弁６８を開放して漏れ出た流体を外部に排出するようになっている。
【００５０】
冷却ジャケット板５８ｂには、第１パッキン６０及び第２パッキン６２の温度が許容温度以上に上昇しないように、小径部１８ｂを冷却する冷却水流路７０が冷却ジャケット板５８ｂに沿ってコイル状に設けられている。
冷却水流路７０は、冷却ジャケット板５８ｂに設けられた溝と小径部本体５８ａの下面とから構成され、流入管７２からパッキン冷却用の水温の低い冷却水を第１パッキン６０に近い位置に送水して冷却水流路７０に流し、水温が高くなった冷却水を中央の流出管７４から排水するようになっている。
また、冷却水流路７０と第１パッキン６０との間には、パッキン溝が設けられ、封止用パッキン７６が装着されている。これにより、冷却水の圧力を反応器１０内の圧力から絶縁することができるので、冷却水の所要圧力を低い圧力に維持することができる。
【００５１】
内歯部材５６は、図３（ａ）に示すように、反応器本体１６の上部開口部に装着されたリング状の部材である。
内歯部材５６は、図３（ａ）に示すように、縦断面で見て上部円環部５７ａ及び下部円環部５７ｂがそれぞれ円環状に内方に突出する円環部として形成され、上部と下部との間の中間部５７ｃが外歯部５４の第１突出部５４ａ及びフランジ５５の鍔部５５ａの重ね合わせを嵌め込む凹部として形成されている。
そして、内歯部材５６は、反応器本体１６に設けられた支持機構５９によって支持され、下部円環部５７ｂの内側面をフランジ５５の鍔部５６ａの下面に接して反応器本体１６の上部開口部周りに回動自在に装着されている。
支持機構５９は、内歯部材５６の下部円環部５７ｂの外側面に接する複数個の回転自在なローラ５９ａと、ローラ５９ａを回転自在に支持する軸受け部５９ｂと、反応器本体１６に取り付けられた支持体５９ｃとで構成されていて、反応器本体１６の周りに少なくとも３個が等間隔で設けてある。
【００５２】
また、内歯部材５６は、図３（ｂ）に示すように、外歯部５４の各第１突出部５４ａと対になるように内方に突出する１２個の台形で肉厚の厚い第２突出部５６ａを内歯歯車状に周囲に等間隔で上部円環部５７ａに備えている。
第２突出部５６ａは、第１突出部５４ａと同様に、先端の幅が基端の幅より僅かに小さく、先端の両端及び基端の両端にアールを設けた形状であって、第２突出部５６ａ同士の間隔は先端幅に等しい。
第２突出部５６ａは、基本的には第１突出部５４ａと同じ形状であって、第２突出部５６ａの先端の幅及び基端の幅が、それぞれ、第１突出部５４ａの先端の幅及び基端の幅に等しく、隣り合う第２突出部５６ａの間に第１突出部５４ａが丁度ピッタリ収まるようになっている。
【００５３】
フランジ５５は、反応器本体１６の上部開口部に設けられたフランジであって、図示しないが、外歯歯車状に外方に突出する第３突出部が相互に離隔してフランジ５５の鍔部５５ａに設けられている。
また、第３突出部と同じ数で第３突出部の先端幅より小さくない間隔で内歯歯車状に内方水平方向に突出した第４突出部（図示せず）が内歯部材５６の下部円環部５７ｂに設けられている。
内歯部材５６を反応器本体１６に装着する際には、フランジ５５の第３突出部同士の間から内歯部材５６の第４突出部を送入することにより、内歯部材５６を反応器本体１６に装着する。
これにより、内歯部材５６を例えば半割り状の２個の部材に分割し、半割り部材の端部をボルト結合して反応器本体１６に装着する代わりに、リング状の内歯部材５６をそのままの形態で容易に反応器本体１６に装着することができる。
【００５４】
また、蓋体１８を反応器本体１６の上部開口に装着した際には、第２突出部５６ａの内側面が第１突出部５４ａの上面と同じ高さになるように、内歯部材５６の内側面及び反応器本体１６のフランジ５５の鍔部５５ａの寸法が調整されている。
【００５５】
蓋体１８を反応器本体１６の上部開口に装着して反応器本体１６を閉止するときには、蓋体１８を昇降機構によって下降させる。その際、図１に示すように、内歯部材５６の第２突出部５６ａ同士の間隙から外歯部５４の第１突出部５４ａを下降させて外歯部５４を内歯部材５６の下側に位置させる。
次いで、回動機構によって内歯部材５６を回動して内歯部材５６の第２突出部５６ａの内側面を外歯部５４の第１突出部５４ａの上面に接触させて、内歯部材５６の凹部５７ｃを外歯部５４及びフランジ５５に嵌め込み、固定することにより、蓋体１８を反応器本体１６の上部開口部に固定するとともに反応器本体を閉止する。
【００５６】
蓋体１８を反応器本体１６の上部開放部から取り外して反応器本体１６を開放するときには、回動機構（図示せず）で内歯部材５６を回動して、内歯部材５６の第２突出部５６ａの内側面と蓋体１８の外歯部５４の第１突出部５４ａの上面との接触及び外歯部５４及びフランジ５５の内歯部材５６の凹部５７ｃへの嵌め込みを解除する。
次いで、内歯部材５６の第２突出部５６ａ同士の間隙から外歯部５４の第１突出部５４ａを上昇させて蓋体１８を上方に取り外す。
【００５７】
第１突出部５４ａの上面、及び第２突出部５６ａの内側面は、それぞれ、第２突出部５６ａの内側面又は第１突出部５４ａの上面との接触、固定を強固にするために、テーパが設けられている。
また、第１突出部５４ａの横断面を楔状にして第２突出部５６ａの下に入り易く、かつ相互の固定が強固になるようにしても良い。
【００５８】
水熱反応装置の実施形態例
上述の反応器１０を使用した水熱反応装置１１０は、図４に示すように、従来のバッチ式超臨界水反応装置８０の送水管８９と空気供給管９０の合流管を反応器１０の貫通孔４０に、流出管９１を反応器１０の貫通孔４６にそれぞれ接続し、圧力バランス用空気を反応器１０の貫通孔５０に供給し、貫通孔５２から排出することを除いて、基本的には図５に示す従来のバッチ式超臨界水反応装置８０の構成と同じである。また、反応器１０に設けた内部加熱器３０で内筒１４を加熱することにより、加熱炉８８を省くこともできる。
但し、圧力バランス用空気を反応器１０に供給する際には、反応器１０を二重筒型反応器として機能させるために、圧力バランス用空気の供給圧を反応器１０内の圧力より０．１〜０．３ＭＰａだけ高く維持する。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、蓋体による反応器本体の上部開口部の開閉を迅速化する非ボルト締結型急速開閉機構を備え、超臨界水又は亜臨界水、及び必要に応じて酸化剤を供給する供給管を反応器本体の下部又は側部に接続し、処理流体を排出する排出管を反応器本体の下部又は側部に接続することにより、開閉が容易で処理能率の高いバッチ式水熱反応器及びバッチ式水熱反応装置を実現している。
また、本発明に係る水熱反応器を使用することにより、スラリー化に伴うトラブルが多い連続スラリー式水熱反応法の問題点を解決し、有害化学物質に汚染された固形廃棄物を水熱反応処理で安全に、かつ完全にバッチ処理することが可能となる。また、水熱反応技術の適用に際し、バッチ処理の処理量を増加させることが可能となるので、水熱反応技術の適用範囲を拡大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例のバッチ式水熱反応器の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、蓋体の断面図及び平面図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、内歯部材の断面図及び矢視Ｉ−Ｉの断面図である。
【図４】実施形態例のバッチ式超臨界水反応装置の構成を示すフローシートである。
【図５】従来のバッチ式超臨界水反応装置の構成を示すフローシートである。
【符号の説明】
１０  実施形態例のバッチ式水熱反応器
１２  固形物保持カートリッジ
１４  密閉型内筒
１６  反応器本体
１８  蓋体
２０  カートリッジ本体
２２  蓋部
２４  筒体
２５  パッキン
２６  筒蓋
２８  脚部
３０  加熱体
３２  断熱壁
３３  断熱壁
３４  断熱壁
３５ 支持部
３６  隔壁体
３８  内部導入管
４０  貫通孔
４２  分散板
４４  流入口
４６  貫通孔
４８  処理流体導出管
４９  差し込み結合
５０  貫通孔
５２  貫通孔
５４  外歯部
５４ａ  第１突出部
５５  フランジ
５５ａ  鍔部
５６  内歯部材
５６ａ  第２突出部
５７ａ  上部円環部
５７ｂ  下部円環部
５７ｃ  凹部
５８ａ  小径部本体
５８ｂ  冷却ジャケット板
６０  第１パッキン
６２  第２パッキン
６４  連通管
６６  圧力計
６８  開閉弁
７０  冷却水流路
７２  流入管
７４  流出管
７６  封止用パッキン
８０  従来のバッチ式超臨界水反応装置
８１  バッチ式反応器
８２  送水手段
８３  空気圧縮機
８４  目板状の支持板
８５  水タンク
８６  送水ポンプ
８７  熱交換器
８８  加熱炉
８９  送水管
９０  空気供給管
９１  流出管
９２  気液分離器
９３  圧力制御装置
９４  ブースタ・ポンプ
９５  ガス放出管
９６  圧力計
９７  圧力調節弁
９８  ＣＯ濃度計
９９  送水管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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