超臨界水酸化大型パイロット

プラントの1000時間
下水汚泥処‡里運転
Thedecomposlng

SeWageOPeration
forlOOO

Sludge(技)第1研究開発部第3研究室
渋谷敏
生

ofmunlCIPa】
hours
by theSuPerCritica】wateroxidation(SCWO)
PrOCeSSuSlng

Shibtlya

宮川

Mamom

石

alarge‑SCaledemonstration

Toshio守Miyagawa井豊

YutakaIshii

空plantToshiy止iSora
西田
Hideo

利之英夫

Nishida

超臨界水酸化法による下水汚泥の分解,減量処理技術の実用化を目指して,大型パイロットプラント(処理能力1.1m池)により1000時間を超える運転を実施した｡その結果,使用している高ニッ
ケル合金鋼は下水汚泥のスラリによる摩耗や超臨界水酸化分解過程での酸化雰囲気による腐食環境において十分使用できることがわかった｡分解処理過程で発生する管内面へのスケーリングのメカニズムを明らかにし,運転方法によるスケーリング抑制策や洗浄時間の短縮化などのノウハウを確立した｡

Large‑SCaleSCWO

hours

aimlng

Witb

SCWO

at

demonstration
eStablishing血eprocess.The

mecbanismprocess
procedure

wasofdecomposition

andreduction

resultsindicatedthatslu汀yOfsludge
scaling

shortening

thewas血ing

surねcek皿OW‑howtime

beenoperated払roverlOOO

ofl.1m3/hhas
teclmology

ofhighnickelalloy

themuniclpalsewage

slndgesteelhadenoughandcoⅢ■OSionbyoxidationatmosphereinSCWOprocess.

on也einner

revealed.And
byacapacity

operation

resisbncetoabrasionbytbe
The

plantwithwasaboutofplplng

athat

scalingoccu汀edcontrolby

duringoperation

theanddecomposition
adescaling

established.

牽み
超臨界水酸化Supercriticalwater

大型パイロットプラント

Large‑SCale

下水汚泥

oxidation

demonstration

Municipalsewage

plant

sludgeない汚泥減量処理技術として注目されている｡この

ま えがき
通常,下水処理場で発生する汚泥は脱水処理され方法は高温･高圧の超臨界水中で酸素を酸化剤とした後に一部がコンポストなどに有効利用されるが,て汚泥を二酸化炭素および水にほぼ完全に酸化分解

大部分は焼却埋立処分される｡とくに都市部では効するものである｡窒素成分は一旦アンモニアを経て率的に減量化するために焼却処理されているものが最終的に窒素ガスに分解され,硫黄成分は硫酸イオ多い｡しかし,焼却処理法はNOx,SOxなどの有ンに変換されて,液相あるいは固相に回収される｡

害ガスや煤塵などを排出し,大気汚染の問題を生じこれに対して超臨界水酸化法は有害ガスを排出しlわJ.46入b.1(20α2/β)

本法を下水汚泥処理へ適用するにあたって,その実用化のための課題を解決するために大型パイロッる｡

トプラントを建設し,実際の汚泥を用いて分解,減

神鋼パンテツク技報

4古量処理運転を実施した｡2002年3月でその処理運転時間が累積1000時間を超えた｡以下に大型パイロッ
トプラントの設備並びに運転概要と,運転中の課題と対応結果について報告する｡

1.大型パイロットプラントの設備概要
当社の大型パイロットプラントの主要部を写真1に示す｡処理能力は廃液1.1m3/bで,世界最大級の能力である｡本パイロットプラントは約20000m3/dの下水処理場から発生する汚泥を処理できる能力を有し,えられるデータはそのまま実プラントの設計

写真1

大型パイロットプラント主要部に活かすことができる｡

PhotoI

Large

scale

SCWO

de皿OnStrationpl皿t

1.1大型パイロットプラント仕様･廃液処理量:1.1m3仙た処理液の熱を回収して約370℃に昇温され,さら･運転圧力:23∵26MPaに,トリムヒ一夕(H200)で温度調整後に反応器･運転温度:500〜600℃へ送られる｡反応器内では有機物は反応罪人口部で供給された酸素と反応して即座に酸化分解される｡･反応器型式:チューブラ式

反応器を出た高温の処理液は,熱交換器での熱回収(管径:25A〜40A,長さ:約300m)
1.2

設備フローとエアークーラー(C400)で冷却されて,システ設備フローを図1に示す｡下水処理場からタンクローリー輸送された汚泥はフィードタンク(VOlO)

ム圧力調整弁(PV300)で大気圧近くまで減圧される｡さらに,気液分離器(S600)で排ガスと固形に受け入れられる｡汚泥はフィードタンクに設置さ分を含む液に分離される｡排ガスは,炭酸ガスが主れた撹拝機で均一に撹拝された後,高圧フィードポ成分で大気に放出され,固形分を分離した処理水はンプ(PllO)で約25MPaに加圧され二重管熱交換器(以下,熱交換器と記す)に送られる｡熱交換券(HlOO:チューブ側)では反応器(R300)を通過し下水に放流される｡
本パイロットプラントでは,高圧フィードポンプ
出口から熱交換器,反応器,エアクーラーに至るま

PV300
VOlO
SysteIⅥ1etdown

FeedTa皿kvalve
Aircooler

BlOO

E]阻uentDoubleplpe
beatexchanger

gaS
Tdmbeater
H200
S600
Liq‑gaS
SeparatOr

PllO
且ighpressure
伝edpump

R300
ReactorE盟uentVO70
0Ⅹygentank

Water

EO71
Evaporator

PO71fiighpressure
OXygenpump

図1大型パイロットプラント設備フロー
Fig.1刑owsbeetorlargescaleSCWOdemonこStrationplant4β

神鋼パンテツク技報

VoJ.4β肋.J(20α2/β)で一本のチューブで構成されており,高温,高圧に酸素は液体酸素をポンプで昇圧し,蒸発器で加温,耐え易い構造となっている｡高圧フィードポンプで気化させた後,所定量が倶給される｡
反応は即座に開始するが,反応器が所定の定常温昇圧されてからシステム圧力調整弁で減圧されるまでの処理時間は約10分である(反応器での滞留時間は約1分)｡この簡易な構造のため;高温,高圧に度パターンを示す定常運転に達するには,図2の処かかわらず,容易に運転制御,保守できることが本の反応器内の長さ方向(約300m)での温度分布を法の特長となる｡

図3に示す｡超臨界水下での酸化反応は非常に早く,運転方法秒単位で進むので,反応器内の温度分布は入口部か

1.3

設備の運転は,(∋水循環運転での昇庄,昇温の起動工程,②水循環から汚泥の連続供給に切り替えて理工程に示すように約1時間を要する｡定常運転時

ら急激に温度上昇して最高温度に達している｡
停止工程:降温･降庄

1.3.3

汚泥処理終了時には,汚泥供給をヒートアップ水の酸化分解運転となる処理工程,③汚泥の供給を水循環に切り替えての降温,降庄の停止工程,の3つの供給に切替え,その後しばらくしてから酸素供給の工程からなる｡図2に,昇圧後の反応器の各運転を停止する｡その後,ヒートアップ水の循環で系内工程における温度の経時変化の一例を示す｡の温度を降下させる｡所定の温度でヒートアップ水を停止し,自然放冷で降温,降圧させる｡図2で示1.3.1起動工程:昇庄･昇温

されるようにこの停止工程は約2朋寺間を要してい設備起動時の昇庄･昇温には水(以下,ヒートアップ水と記す)が使用される｡ヒートアップ水は高圧る｡

フィードポンプで約25MPaに昇圧され,反応器に供給される｡反応器を出たヒートアップ水は,熱交2.運転性能
2.1処理汚う尼の性状換器のシェル側を通り,システム減圧弁で減圧され近郊の下水処理場から取寄せた余剰汚泥の性状を表1に示す｡て,気液分離タンクに入る｡分離されたヒートアップ水は,再度高圧フィードポンプに供給されて,反応器に戻される｡このようにヒートアップ水を循環

表1余剰汚泥の性状している状態で,トリムヒータが点火され,反応器TablelPrope爪y

入口が所定の温度まで昇温される｡図2で示される

Sludgeようにこの起動工程は約2.5時間を要している｡

2譜e(占芳Ci｡Slu｡ge34000〜53000ppm

1.3.2

oftreatedexcess

sludgeExcesssludge

3.2〜5.2%

処理工程:汚泥の酸化分解

口1timateanalysISOf

所定温度まで昇温された後,ヒートアップ水からSlndge

汚泥へと供給が切り替えられる｡汚泥は昇庄,昇温され,トリムヒーターで所定温度に調整された後,反応器に供給される｡反応器入口部では,酸化剤としての酸素が同時に供給されて汚泥と混合される｡

Element

Compositionwt%

CE0N
SCl

41

5.5
24
7.8
0.65
1.2

1.8
18P
A1203,SiO2&etc.
Snm

Sta叫【ep‑′h)

SbutdoⅧStep
2.呂hagesngeoxIa仇OneCOⅦpOSlbo□sld廿慧e甲冨5b
巳ⅥJ

2.5h0010035′h)

3 (U00P

5 <U0500'lTemper血reincreasmg
1b
FloⅦChangefrombeat･upWatertOS師ageS】血geamdsta止oroxyge□】岬tion▼012345(i789【p]0‑召已Od已芦

[d白之]の与冨巴仁[00]○‑召巴邑∈芦Stableoparation

10Time[b]固Fig.2200

昇庄後の反応器の各運転工程における温度の経時変化
Tempera山repro丘1eReactor

lわJ.4β入b.J(2〃α2/β)ofeachoperation

step

60(Inlet)山

図3Fig.3

神鋼パンテツク技報

120180Distance如mlheinletorReactor[m]240300(0口tlet)

反応器の温度分布Tempera山repro色1eofreactor

47写真2に,処理前の余剰汚泥と処理後の処理水を示す｡左側は被処理液の余剰濃縮汚泥,右側は処理液を一定時間静置して,浮遊していた無機塩を沈降させたものである｡汚泥は約10分たらずの超臨界水酸化処理で,無害な処理液と無機固形残さに分解される｡
2.2

運転性能

2.2.1COD(Cr)の分解率
供給汚泥のCODと処理液中のCODの分析値から分解率を求めている｡図4に各反応器温度での写真

2

処理前の余剰汚泥と処理後の処理水

Pboto

2SludgeandCOD分解率を示す｡反応器温度が500℃以上で,efnuent

CODは99.5%以上の安定した分解率が得られてい100%る｡

簡素の供給量

2.2.2

■′●

0ノ凸フ%

うに倶給酸素量と,未消費酸素量から求まる｡ここて設定する｡

qノ8 %7 %(uノで供給酸素量は供給汚泥のCOD分析値を目安にし▲Uノ%′h〕[漢]ヨヨ岩屯日Qu名(hQ)qOU

汚泥の酸化に必要な酸素倶給量は,以下に示すよ

a:[僕給酸素量:kg仙]b:[排ガス量:kg仙]500

c:[排ガス中の酸素濃度:%]/(100)d:[未消費酸素量:kg/h]

520540

図4Fig.4

X580

600

%

COD(Cr)分解率
decomposition

CODratee:[汚泥酸化に必要な酸素量:kg/h]
d=b560

Reactortemperahlre[Oc]

c70

e=a‑d

中の酸素濃度は排ガス放出の安全の面から20%以上になる場合,窒素ガスを注入している｡また0%近辺では汚泥の未分解となる｡したがって,5〜15%の範囲で運転管理される｡
酸素供給過剰率は以下のように求まる｡[酸素供給過剰率:‑]=a/e′人U(U[票】笥叫‑忘コ弓0月.〇白OU忘訳出d図5に排ガス中の酸素濃度の変化を示す｡排ガス[竜王勺0ぜ⊂0叫入火

0090

1呂0

酸素供給過剰率の実績は,1.1〜1.2であった｡酸素の費用は運転費の半分近くを占めており,この過270

Ti血e[minユ

図5Fig.5

排ガス中酸素濃度変化
0ⅩygenCOnC.in

剰率を低く押さえることが,運転原単位の改善に大e粗uentgas

きく影響する｡
2.3(U0運転管理(リノ01.3.2の処理工程で述べたように,反応器が定常運分解される｡このことは,処理液のCOD分析結果により確認されるが,定常運転時には,CODは即

7O[日已].呂80U

転に達すると,汚泥はほぼ完全に二酸化炭素と水に(>0ハU

座に測定結果が得られない｡代わりに運転管理は,′LU(U5O4O
つJO

2 (U11O

排ガス中のCO濃度をオンライン測定している｡￣o10

CO濃度が50ppm以下を運転管理値としており,こ30405060708090110100

TiTne[min]の倍以下ではCODは排出基準値以下になっている｡

図

図6に示すように,本プラントにおいて排ガス中のFig.64∂

206

神鋼パンテツク技報

排ガス中CO濃度変化(安定運転時)
CO

conc.ine皿uentgas(stable operation)
lわJ.46肋.J(2〃α!/β)120

CO濃度は20ppm以下の安定した運転がおこなわれ上でスケーリングが起きやすい｡スケーリングによた｡

り,機器の差庄上昇と伝熱性能低下が大きくなると,3.1000時間運転で得られた成果スケール除去洗浄が必要となる｡したがって,温度条件による無機塩の溶解特性や有機物の炭化特性を1000時間運転は,装置稼動の実用化の見通しを得る一つの目安と考えている｡パイロット運転では把握することがスケール除去対応に効果的となる｡

供給汚泥の持ち込み制約から8時間/日の起動,停3.3.2

止の繰り返しとなり,装置上は加温,冷却の繰り返

スケーリング対策

スケール生成の抑制運転法として,スケールの生成が起こり易い反応器入口の加温域で,反応器入口しで厳しい条件を課すことになっている｡
本法の技術課題とされている以下の項目について,1000時間運転での実状と対応について以下に記す｡の昇温流体と,反応器出側の熟回収をおこなう加温流体との温度差を小さくすること,また,昇温流体を水の臨界温度以上にしないことである｡さらに管3.1汚泥の前処理汚泥を約23MPa以上に安定的に昇圧するために壁を必要以上に高温にしないこと,管内の半径方向高圧フィードポンプに入る前の段階で前処理が必要の温度分布を大きくしないこともスケーリングの抑である｡とくに汚泥は固形物を含み,その固形物が制効果となる｡

高圧フィードポンプの逆止弁部分に詰まり,汚泥の上記での運転条件で,機器差庄上昇と伝熱性能低吐出圧力および吐出量の低下に影響を与える｡これ下の予測から,洗浄時期を決定し,洗浄を当初からに対して,問題となる固形物(約￠1mm以上)を組み込んだスケ㌧ジュールで運転をおこなう｡洗浄は,分離除去すること,弁体を固形物の詰まりにくい型

主に差庄上昇の原因と考えられる機器内に堆積した式のものに変更することで,昇庄の安定性を確保しスケールを洗い流しのための水洗浄と,伝熱性能低た｡

下の原因と考えられる機器内壁に付着したスケール装置材料の耐食･耐久性
本装置は高温,高圧の条件下で,しかも多くの溶3.2を除去するための酸洗浄とを組み合わせて短時間でおこなった｡

存酸素を含む流体にさらされており,厳しい腐食環

パイロット運転では,上記の予測で決定された洗境下にある｡また,スラリが高速で流れることから浄時期毎に水洗することでスケールを除却すること摩耗に対しても厳しい環境にある｡本法では,このができ,安定的な運転をおこなうことができた｡

腐食,摩耗環境を考慮して高ニッケル合金鋼を採用

4.下水汚泥処理への適用した｡内視鏡観察の結果では1000時間運転で反応

国8に現在の一般的な下水処理および汚泥焼却処器,熱交換器の内面に腐食の兆候は見られず,また,理プロセスを示す｡下段には従来法の汚泥処理に代

超音波による材料の肉厚測定結果でも,肉厚の減損替した超臨界水酸化法を組み込んだ場合の処理フローはほとんど無かった｡

を付け加えている｡
汚泥処理フローの中で,超臨界水酸化処理するた

これは,本運転で処理した下水汚泥には,表1の汚泥性状に示すように,腐食要因となる成分(塩素イオン,硫酸イオン等)の含有が少なかったことのめの被処理汚泥として,濃縮汚泥と脱水汚泥の処理が可能であるが,汚泥濃度は高濃度ほど,処理容量影響が大きい｡つまり,塩素濃度1000ppm以下の条件では,高ニッケル合金鋼は超臨界水酸化処理プ
00

ロセス用材料として十分･使用に耐えることが確認できた｡＼スケーリング対応

3.3.1スケーリングのメカニズム

図7に水の臨界圧力(22.1MPa)下での無機物と有機物の温度と溶解度の関係を示す｡無機物は温度上昇で溶解度が減少し,水の臨界温度(374℃)前Tァpicalorg皿ic[㌔盲]音一叫召一〇∽

3.3

CO皿pOundTypicalinorg皿ic
COmpOund＼

後で大きく減少し,無機塩として析出する｡一方,

0100

200

有機物は高温無酸素の条件下で炭化しスケールを生成する｡これらの無機物,有機物が管内のスケーリ

図7Fig.7

ングの要因となる｡また,温度領域として300℃以
lわJ.4β肋.J(20α!/β)300(374ゝ00500600

Temperah汀e[℃]

神鋼パンテツク技報

有機物と無横物の溶解度(圧力:22.1MPa)
SolubilityoftyplCalorganic

andinorganicCOm‑poundinwater(at22.1MPa)
49

Sewage一◆

Gritcbamber

Pr血∬ySettlingtank

AeratioIl

SettlingtaI止

tank

Disin氏ction

Treated
Vater

Sludgerett汀nPrima甲山udge

Excesssludge(Existingtreatment)

Sl11dge

Anaerobic
digestioll

thickening

Dewaterlng[垂壷垂亘卜十Asbes

Sludgetlnckening(SCWOtreatment)

As血es

anddewaterlng

Retumwater

8

図Fig.8下水汚泥処理へ超臨界水酸化法の適用
Flow

Diagramofwastewater

processlng

WithSCWOが少なくなることで,設備規模が小さくなり設備費がえられやすいと考えられる｡

が低減される｡

6.今後の展望既設の脱水工程までの設備を活用する場合には,

大型パイロットプラントによる1000時間運転仁脱水後の汚泥を流動化処理した上で,超臨界水酸化実施により,技術課題となっていた材料の耐食性お設備の高圧フィードポンプに供給することにする｡

済

5.経性

よびスケーリング対策に関して,解決の目処が得られた｡今後は,解決策を盛り込んだ運転により,装従来の焼却法との経済性の比較では,高濃度置としての信頼性確認をおこなっていく予定である｡(TS:10%)汚泥の処理において,超臨界水酸化設
備の設置面積は,焼却設備の約2/3になり,補助む

すび

超臨界水酸化法は,有害ガスを発生させないシン

燃料も起動時を除いて,ほとんど使用されなくなる｡

プルでクリーンな次世代の下水汚泥減量処理技術でしたがって,年間総費用が約3〜4割の低減となる｡

ある｡大型パイロットプラントで1000時間運転しさらに,有害ガスの発生が無いことから建設の合意た実績が,普及の促進となることを期待したい｡

連絡先
渋苓

敏

技術開発本部
第1研究開発部
第3研究室

生

TEL

O78‑992‑6525

FAX

O78‑992‑6504

E‑mailt.shib叩a@pantec.co.jp

古0

神鋼パンテツク技報

Ⅵ)J.4β凡b.J(20α〜/β〕