超臨界水酸化実証実験設備の紹介
Demonstration

Test

円ant

SCWO

for

す濁

(技)研究開発部第3研究室空利之
T=oshiy*uki SiODra也

FlaZuy&Miwa薫Ⅰ(aoru佐

Muraoka

伯

丸

一
Saeki

Kazumaru
田高Kazutaka̲坐.

貝Takata

当社は,有機物を酸化分解する超臨界水酸化(SCWO)実験設備としては,国内で最大処理t能力(1.1mソh)を持つ実証実験設備を完成させた｡今後,各種汚児,工場有機廃水を中心に,
大容量,連続処理の実験運転を進める｡
本稿では,この実証実験設備の概要とエンジニアリング上の留意点及び安全対策,本実験設備にて実証すべき課題を主眼において述べる｡
ShinkoWater

Pantechas(SCWO)

Oxidation

in Japan.

be

will

applicable
practical

Practical

withcontinuous

investlgatedfield,

completed

and

with

this

furtherademonstrationacapacitytreatment

plant.
SCWO

of

test
1.1

m3/hr,of Supercriticalconstruction
thelargest

SCWO

facility

test

for various
water,
sludgeand waste
describes
introdutionof this plant,

process
This

plant

paper

development

schemeandsafetyforprocedureuse.

i
超臨界水酸化Supercritical

実証実験設備Demonstration

test

高濃度有機廃水Highorganic

ま えがき

strengthwateroxidationplant
wastewater

これらの処理後の廃棄物の最終処分場の確保は逼迫

国内外で地球環境保全,資源の適正利用或いは,した問題となっている｡

再利用化が提唱されて久しい｡色々な分野で環境保

そこで近年,リサイクル不可能な廃棄物処理に射全技術,装置の開発,実用化が進められている｡しし超臨界技術がクローズアップされており,中でもかし,それらの設備,装置にしても,処理後の副生

超臨界水酸化法は超臨界水中で酸化反応させ,最終物として廃ガス,廃水,スラッジ,アッシュ等が生生成物は主に二酸化炭素,水となる無害化処理技術

成しそれらにダイオキシン,難分解性有機物,有害と考えられている｡しかしながら,優れた有機物の化学物質が含まれている場合もあり,有害物質や廃分解特性を持つ超臨界水酸化法での実用設備の稼働

棄物を出さない完結型処理となっていない｡また,実績は少ないのが現状である｡

106

神鋼パンテツク技報

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43

No.

2

(2000/3)

当社は実証実験設備の建設を終わり,引き続き実れの方法でも含水率80

ド面での確認を行い技術データの収集を行う｡

しで焼却することは難しい｡2)それに対してSCWO

1.起臨界水酸化プロセスの培徴

では,含水率が90

水の臨界点は374.15℃,●

22.12MPaであり,こ%以上の汚泥を補助燃料な%以上の汚泥でも補助燃料は不要で,しかも熟エネルギーを回収利用することが可

れは水に固有な物性値の一つである｡超臨界水につ能である｡3)汚泥の脱水のために要する動力を考慮

いての詳細な解説は前報1)によるが,その物性をエすると, SCWOの省エネルギー性は更に増すもの

ンジニアリング的観点から考察すると,密度の高いと考えられる｡

気体状態に近いと言うことが出来る｡第1表には,
SCWOに通常利用される温度(400‑650℃)およ

2.当社の超臨界水酸化実証実験設備の概
要び圧力(23‑30MPa)領域での工業上重要な物性

2.1実験設備概要値を示した｡ここで,液体の水が高温で気体状態に

処

理

能

力

1.1

変化すると言うことは,無機塩類の溶解度が激減す

設

計

圧

力

29 MPaることを暗示する｡従って機器の設計では,無機塩

設

計

温

度

620

の析出･スケーリングの防止対策を取ることが極め

フィード貯槽て重要になる｡

設置場所

mソhr
℃

容量10m3

神鋼パンテツク㈱技術研究所内(神戸市西区室谷1丁目1‑4)

第1図に示す臨界点以上の温度と圧力の範囲で超臨界水中に有機物質と酸化剤を混合し,酸化反応を

本実験設備の構築は,当社が技術導入した米国

進行させれば超臨界水酸化と呼ぶことが出来るが,Eco

実際のプロセスでは温度が500‑650℃,圧力が

同社がHuntsman社に納入した世界初の商用
SCWO

25MPa前後であることが多い｡これは,West(EWT)社の技術1)及びTechnologies

SCWO廃水処理設備をベースに,スウェーデンのにおいてはアンモニアが難分解性であって,それよChematur社(EWT技術を導入し,りも低い反応温度では未分解のままアンモニア性窒

イロットプラントを持つ)のノウハウ3)を加え,当230A/hのパ

素として処理水中に残存するおそれがあるためであ社にて各種シュミレーションを行い決定された｡

る｡特に汚泥のようにタンパク質に由来する有機体

2.1.1

窒素を多量に含む場合は,その間題が大きくなりがプロセスフロー

当社の実証実験設備プロセスフローを第2図に示ちである｡反応器の耐久性や経済性を考えると,反す｡各プロセス工程の概容を次に述べる｡

応温度は出来る限り低いことが好ましく,いかに低1)フィード液調整工程

SCWOプラントをい温度で窒素除去を行うかが,設計する上で大きなポイントになる｡

l3)乾燥流動層型プロセスなどが存在するが,いず験運転を行うことにより,プロセスデータおよびハー受け入れた廃液の有機物濃度調整を撹拝機付きの

しかしながら,焼却法に比較してかなり低温度で酸化分解を行うSCWOは,熟エネルギー的には極めて有利である｡通常の焼却法では汚泥を脱水し,含水率を出来る限り下げなければ自燃しない｡汚泥の焼却炉には1)直投多段型,

Pressure[MPa]2)直投流動層塑,

Crl

第1表

1Ca

超臨界水の物性

Table

1

Physicalproperties

Propertyofsupercritical

water

Unit

Supercriticalwater

Densltykg/m3

80‑200Viscosity

Pa･s

2‑3×10￣5

Thermalconductivlty

m2/s
W/m･K

5‑10×10￣8Specificheat∫/kg･K2‑3

22.1

ical polnt

Diffusioncoefficient

IonProduct‑1ogKw

Dielectricconstant

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Temperature

[oc]

21‑24
1‑‑2

(2000/3)

374.2

0.1‑0.2

第1図Fig.

神鋼パンテツク技報

水の状態図
1

Phase

diagram

of

water

107

WaterOxygensupplytanksystemReactorHeat

H eater

excllanger

Off･gas
Cooling

Liqtlid / Gas

Air coo!er

Feed

water

守

separator

Pressure
letdownva lve

tank
Feed

pump

Effluent

第2図
Fig.

tank

SPISCWOフローシート
2

Flow

sheet

of

SP‑SCWO

30000

⊥

rL

I

Fee d
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蒜al?ah?al買‑｢AinF
i｡｡ntr｡.

i

Watertank[1]Beat

守 !room

ReactorTreatedwaterexchanger

⊂::コ

⊂⊃
⊂⊃
⊂⊃

tank[2]寸

WateTtank[2][コlcooberosLel
arator

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'匝】⑳占
第3図
Fig.

108

Air

Coolingcoolertower

T,｡ate9.
且㊦告r;sortank[1]SP‑SCWO配置図(屋内)3

Layoutof

SP‑SCWO(in door)

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調整槽で行い,調整後のフィード液は高粘度液まで対応可能な供給ポンプで送液する｡

置は当社既設実験棟内に建設したため限られたエリフィード液調整槽で濃度調整された廃液を高圧ポ2重管式熱交換器に及び,酸素供給設備が配置されている｡受入れ供給

反応器から流出する高温の反応処理水が利用され熱設備は搬入される廃液を貯蔵,調整する貯槽と,処回収が計られる｡なお,熱交換器の下流にヒーター

理設備に液を送り込む供給ポンプ類が配置されていを設け,立ち上げ時の加熱に使用する｡

る｡屋内の実験設備は,プロセスフローに添ったス
ムーズな流れの配置で決定されており,中央に熟回

本工程で反応器へ処理廃液と酸素を吹き込み有機

収用熱交換器及び,チューブ式リアクタ‑が置かれ物の酸化分解反応を起こさせる｡又,反応熱によるている｡同時に廃液の加熱用ヒーターを設置しボイ過熱を防ぐため冷却水を要所に吹き込む｡このようラー室としている｡周辺にポンプ類,液受け槽類をに酸素吹き込み,及び冷却水吹き込みを数段階に分配置し運転,メンテナンスが容易な配置となっていけて行うマルチステージ方式を採用し,廃水濃度やる｡操作室は設備全体を確認できる位置に置き運転

反応開始温度に応じた温度条件を再現可能にしてい状況が把握しやすくなっている｡

る｡

2.1.4

4)冷却減圧工程

操作圧力･温度

水は臨界圧力22MP

反応工程では分解が完了した処理水は熱交換器に(225kgf/cm2),超臨界温度

374℃以上で超臨界水となるが,その際1章記述の導かれ,供給廃水を予熱することにより熟回収を行

超臨界流体の特性を利用し,さらに酸素を供給する

い,さらにエアークーラーにて冷却された後,減圧ことで酸化分解反応をさせるのが超臨界水酸化プロ

弁で大気圧近くまで減圧される｡実機ではエアークー

セスであり,設備の操作はこの倍以上の圧力,温度ラーの上流に熱回収ボイラーを設置し,スチームをで行われる｡

発生させることが出来る｡

当社の実験設備に於いては,操作圧力24‑275)分離工程MPa,温度400‑600℃の範囲で運転される｡また,

冷却,分離された処理水は気液分離器にて,二酸●ア内で1階フロアーでの平面配置となっている｡屋外に設置された実験設備は,処理液受入れ供給設備て臨界温度近くまで加熱する｡このときの加熱源は

3)反応工程●実験設備配置主実験設備のレイアウトを第3図に示す｡設備配2)加圧･予熱工程
ンプで24‑27MPaに昇圧し,2.1.3

反応系に吹き込みを行う酸素,冷却水の操作圧力は化炭素が主成分であるガスと水に分けられる｡処理

さらに2‑3MPa高いところに設定されている｡

水はいったん貯槽に溜められ,水質をチェックし,無論,これ以下の圧力･温度条件,いわゆる亜臨界

放流基準内ならば,下水に放流する｡

条件下での運転も可能である｡

2.1.2

3.実験設備のエンジニアリング上の留意点

処理能力

処理能力1.1mソhの決定は,汚泥を連続処理す

本実験設備は,処理能力1.1m3/hで有り,汚泥る場合の制御及び,運転の安定性からなされた｡又,処理,工場廃水処理水において比較的大容量の運転

スケール対策は重要なポイントであり,小容量の実が出来,プロセス/運転データ‑,設備のハード面

験設備ではスケーリングが内面壁に起こり閉塞を発の実験運転実績が得られる事が大きな特徴として挙生させやすく,安定した連続運転が出来にくい｡最げられる｡次に設備のエンジニアリング上の留意点も難しいのが,反応器内の圧力制御である｡

24‑27

MPaから大気圧まで減圧するため,その差庄が大きく1つの調節弁で制御しようとすると普通には弁を紹介する｡
3.1酸素ハンドリング留意点
本プロセスには高圧酸素の吹き込みが行われるが,はエロ‑ジョンを受け,数時間の運転でやせ細って酸素の取扱いは特に注意を払わなくてはならない｡

しまう｡そのため,この減圧方法は2段階又は3段

酸素はそれ自身で燃えることはないが,可燃物を燃

階の調節弁を使う特許も出されている｡

焼させる｡酸素は空気中に約21

このように,当社実証実験設備は上記問題点を考%含まれているが,その濃度が高くなるにつれて,可燃物の発火温度が慮し連続運転を可能にする,又はスケーリングを最下がり,燃焼速度が増す｡従って酸素濃度が25小限に抑えるための加熱,反応系内の流動検討を行

越えないように管理し,特に火気を使用する作業でうとともに運転により確証が出来る処理能力としては22%を越えないように管理すべきと言われている｡

決められている｡
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No.

2

(2000/3)%を実証実験設備規模になると,酸素ボンベでは間に神鋼パンテツク技報

109

合わなくなり,どうしても液体酸素設備を設置しなに行う必要が有る｡高温高圧の環境下で,かつ反応ければならなくなる｡液体酸素は純度99.8%であ器内では溶存酸素量も多くきわめて厳しい腐食環境る｡これが液体である場合には温度が低いため,そ下に置かれることになる｡特に応力腐食割れには注れほど問題はないが,超臨界水酸化に使用する場合意が必要である｡又超臨界水中に塩素が共存する場には,圧力が30MPa以上にもなるため,比較的低合の腐食作用は従来の知見では計り知れない場合が温で可燃物を燃焼させる可能性がある｡酸素配管のある｡このような過酷な環境条件下での材質選定は場合,この火災を防ぐことが最大の対策で,次のと限られた材料になってくる｡

おりである｡

選定条件として高温における優れた機械的性質を(1)流速を大きくしない持ち,クリープ強度,特に疲労強度の高いことが要

これは錆や固形物等が配管中に有る場合に,酸素求される｡また,溶接における熱影響部の粒界腐食

流速が早いと錆や固形物が配管の内壁と擦れて火花感受性が小さいこと｡高温域で広範囲での厳しい腐を発生する｡この火花が発火源になって配管を容易

食環境に優れていることが必要である｡に燃焼させることが起こる｡

現段階ではこれらの条件を完全にクリアーする材(2)配管材料選定

料を見つけることは難しいが,これに近い材料とし火花対策の一つに,火花の出ない配管材を使用すては一般的には高ニッケル合金が考えられる｡

る方法がある｡例えばモネルや銅系統のチューブの使用が勧められる｡但しモネルは高価である上に,一加工しにくいという欠点がある｡また,銅系統のチュー

Huj]simna≡iSi*2:‑;#1i:;志ブは強度が弱く,圧力によっては使用できないか,

3.3

使用できても強度のあるものは特殊で容易に手に入を添加し固溶化した合金を採用している｡
適用法規

今回の超臨界水酸化実証実験設備に於いて,超臨らない｡

界水状態の部分はその特性から液体とガス体の両方(3)急激に昇圧しないことの物性を示す.一方超臨界水中へ酸素を吹き込む当急激に供給配管を昇圧すると,酸素そのものは断プロセスに於いては酸素による酸化反応を起こし,熱膨脹をして温度が下がるが,配管内に残っていた

CO2ガスが発生することになる｡この場合第一種圧

大気圧に近い酸素又は空気は,急激に圧縮されるこ

力容器(大気圧における沸点を超える温度の液体をとになり,圧縮熱で温度が上がり,有慢系のガスケッ

その内部に保有する容器)か,高圧ガス保安法,特トを容易に燃焼させる｡圧縮比によっては鉄錆をも定設備検査規則(常用温度において圧力が1MPa発火させるほど温度が上昇する｡

以上の圧縮ガス)に該当するかの議論があった｡最(4)バルブの選定

終的には高圧ガス保安協会の判断を仰ぎ,高圧ガス

ボールバルブを急激に閉めると,流れが突然堰き止められるため,瞬間的に局部的に圧縮されること

特定設備検査規則の適用を受ける事とした｡そのほになり,圧縮熱が発生し,有機系のバルブ部品やガt
三三霊諾夏至票誓三騒音防止

スケットがあると火災が発生する恐れがある｡酸素

3.4

ラインには,玉形弁がベストである｡しかも急激な

弁

選

定

超臨界水酸化設備に使用する弁類は高圧の条件に開閉は禁物で,ゆっくりと操作するのがよい｡

耐えうる必要がある｡圧力条件300Kクラスの弁は(5)禁油処理
高圧酸素配管中に,有機物が残っていると,火花

一般的に選定可能であるが,超臨界水状態の温度が伴う場合の弁選定は限られてくる｡このため当実験の発生や,圧縮熟により容易に発火し,火災が発生設備においては高温ライン上には弁の設置を行わず,する恐れがある｡酸素を通す前に完壁に洗浄しなけ

このラインへの接続する配管に設けた弁は直接高いればならない｡また工事中に内部を汚さないような温度がかかることのないように設計されている｡
構造上注意を要するのはスピンドル部のシール性管理をしなければならない｡
以上の対策を本実験設備には考慮しており高圧酸であるがここには耐圧用の強化TFE系,カーボン素による,火災事故の発生を抑えるように設計され系のパッキン或いはFKMている｡

した｡また,ボール弁のシート材は強化TFE又は

3.2

材料選定

メタルである｡酸素吹き込み高圧ラインに使用して超臨界設備での材料選定は重要なポイントで慎重
110(フッ素ゴム系)を選定

いる調節弁のシート部は,銅系の合金とし金属間の神鋼パンテツク技報

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第4国
Fig.

●

4

SP‑SCWO

DCSシステム構成

SP‑SCWO

DCS

Systemconstruction

接触による火花の発生を抑え燃焼性の少ない材質で実施されない場合,設備の破損,また時として人身火災防止対策をとり,安全性を高めている｡

事故につながることもある｡安全対策としては設備

3.5

ハード面及び運転制御面が考えられ本設備に組み込設備の制御システム

SCWO設備は実験設備であるが,運転は操作室からのDCS

まれた安全対策を以下に述べる｡(分散型制御システム)による中央制御が可能でありDCS画面上ですべての操作ができ(第4図参照)｡る｡①高温,高圧用材料でかつ耐食材料を選定する｡(参停電に依るモーター停止,或いは計装空気供給停止となった場合の対処として,自動コントロー

安全対策及び,緊急時の対応としてオペレ一夕‑
CRTは各2台設置している｡機能とた,停電時用として非常用電源装置を設置し緊I/0モニタリング機能,調節制御機能,シー

急時の処置及び確認を行うため制御システム系

キーボード,
して,ル弁はフェイル･セーフの機能を組み込む｡まを生かしておく｡

ケンス制御機能,ロジック制御機能等があり,操作③設備のライン毎に,異常昇庄が起こる可能性がモードは手動,自動,遠隔自動モードがある｡
このようなDCSにより運転操作を行うとともに
運転データ‑の収集,編集をも行いプロセス解析を有る場合,安全弁,レリーフ弁を設置する｡(む酸素の取扱い
前述3.1項｢酸素ハンドリング留意点+で容易に行えるようなシステムを構築している｡

示した内容について実施する｡

4.安全対策
本実験設備は高温,高圧での操作のため,安全面⑤インターロックの考慮は確実に実施されなければならない｡これが
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神鋼パンテツク技報

運転制御面からみて圧力,温度,差庄,処理111

後の排出物の性状等が通常のコントロール範囲を越えた異常値を示した場合に働くインターロッ

5.建設工事状況
本実験設備の建設は1999年12月に着工し,建設工

クシステムがある｡設備に組み込まれている主事は予定通り,な内容を示す｡に設備状況を示す｡

a)酸素流量の過多
酸素流量計が過剰の酸素を検出した場合に6.実証実験の内容と課題b

2000年3月に完了した｡写真1‑3実証実験では下水汚泥及び有機性排水を中心に処

は酸素の供給を停止する｡

理実験を進める｡一口に汚泥といってもその性状は)反応器温度の異常昇温採取地城,季節,降雨状況により異なっており,有奴応器湿度が設定値を越えた場合,酸素フィードを停止する｡

機性排水に至っては工場毎に,様々な種類,性状があり処理条件は異なってくる｡当初の実証実験としc)フィードポンプの故障
高圧ポンプの故障等フィード系が停止又はて,これらの処理物の酸化分解データを収集,解析し,処理技術を確証していくと同時に,運転技術の故障を起こした場合,酸素供給を停止する｡⑥ヒーター設備
ヒーターはボイラー設備として設計されており安全弁をはじめ,必要な安全装置を備えてい一る｡(カ配管の熟応力
運転湿度が高温となる配管ラインの熟応力チェックを行い,配管設計,サポート計画に考慮されている｡⑧運転時,運転員の安全を確保するために保護面,
眼鏡,手袋等の保護具の着用を義務付け安全面には細心の注意が払われている｡
以上,考えられる危険予知を行い,その危険分析

写真1

主設備外観

Photo･1

General

view

of

main

equlpment

により,装置を安全に操作する上で必要な対策が本設備に取られている｡

i

く
(

艦仙ふ

i

写真
Photo.2

112

2

廃液受入供給貯槽

写真

Feed

Photo.3tank

神鋼パンテツク技報

3

酸素設備
0Ⅹygensupplysystem

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(2000/3)

確立を行っていく｡

技術を確立することが有効となる｡

ここで課題として問題になるのは,まず金属材科

む

す

び

の腐食防止対策及び生成塩の分離除去方法があげら

環境基準が改定される度に厳しくなっているが,れる｡腐食対策については,個々の廃棄物を含む超その意味でも超臨界水を溶媒とし酸化反応を行うプ

臨界水中における材料の腐食状態の把握を行い,材ロセスでの汚泥,有機廃液の処理による排出物質は

料選定,腐食防止対策を行う必要がある｡さらに進完全に無害化されており,環境問題にも適合したもめて腐食機構を解明し耐腐食性の高い材料の開発もので今後,環境問題,工業的にも重要性が増してく必要となる｡

ると考えられる｡このためにも今後,当社は本実験

生成塩の除去方法の確立は連続運転を行うために設備での運転により超臨界水酸化のプロセス,技術重要であると同時に,塩の析出を起こさせないための確立を行い,廃棄物処理分野でも,社会に貢献しの処理物の前処理技術と併せて検討を進めることもたい｡

必要となる｡
メカニカル面で高圧スラT)‑ポンプ,システム圧[参考文献]

力調節弁の耐久性の確認,特に安部のエロ‑ジョン

1)三輪和也ほか:神鋼パンテツク技報Vol.42,(1998),

及びコロージョンによる腐食状況の把握,場合によっ

●

No.1

p.ll

2)平岡正勝編著:汚泥処理.再資源化技術とシステムて望警慧妄竺冨悪霊芸芸霊宝芝三こ湖,プ｡セス
p.158㈱ティー･アイ･シー(1994)
3)三輪和也ほか:神鋼パンテツク技報Vol.43,(1999), p.16の経済性向上のためにスチーム剛又,動力回収等の

No.1

連絡先
空

利

之

技術開発本部

三輪

和也

技術開発本部

研究開発部
第3研究室

村

技術開発本部

岡

研究開発部

研究開発部
第3研究室

第3研究室

主任研究員
TE

L

FAX
E‑mail佐伯

078‑992‑6525

TE

078‑992‑6504

FAX

t.sora@pantec.
丸一

E‑mailco.jp

技術開発本部
研究開発部
第3研究室

高

田

一

L

078‑992‑6525

TE

078‑992‑6504

FAX

k･miwa@pantec.
貴

TE
FAX

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43

L

No.

(2000/3)

2

co.jp

室長
FAX

co.jp

k･muraoka@pantec.

研究開発部

TE

078‑992‑6504

k･saeki@pantec.

078‑992‑6504

第3研究室

078‑992‑6525

E‑mail078‑992‑6525

技術開発本部

(工学博士)

次席研究員

l

co.jp

E‑mailL

E‑mailL

078‑992‑6525
078‑992‑6504

t･takada@pantec.

神鋼パンテツク技報co.jp113