JPH06190382A - 下水スラッジまたは排水の化学的分解処理における熱回収の方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】昇温昇圧下での下水スラッジまたは排水を湿式
酸化、加圧加水分解または化学分解する方法。 【構成】高温流出流体の圧力を減圧し、生成蒸気を水の
相から分離後、低温流入流体に戻して低温流入流体と直
接接触させるため少なくとも蒸気の一部が凝縮し低温流
入流体を加熱することにより低温流入流体と高温流出流
体との熱交換が達成できる。この方法を実施するための
装置において、反応工程後に減圧要素機器１０更に相分
離器１１が続く。蒸気戻り配管１２を、相分離器１１か
ら反応段階８に先行する気液接触器３へと連結する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温及び高圧のもとで
下水スラッジまたは排水を湿式酸化、加圧加水分解また
は化学分解を行う装置において、低温の流入流体と高温
の流出流体との熱交換の方法に関する。本発明はまた、
この方法を実施するための装置にも関する。

【０００２】

【従来の技術】下水スラッジまたは排水の湿式酸化、加
圧加水分解または化学分解は、通常高温、例えば１００
℃を遙かに越えた温度にて実施される。これらの反応に
は高い熱量が求められ、従って高いエネルギー費用が必
要となるが、これを避けるには装置からの高温の流出流
体の流れと低温の流入流体との熱交換を行う、即ち熱回
収の手段を実施する以外にない。従来は、向流式間接熱
交換器がこの目的のために使用されてきた。この技術
は、例えばケミエ−インゲニーア−テクニーク（Ｃｈｅ
ｍｉｅ−Ｉｎｇｅｎｉｅｕｒ−Ｔｅｃｈｎｉｋ）誌６２
巻（１９９０年）７号の５５５頁から５５７頁に記述さ
れている。

【０００３】しかしながら、熱交換器の伝熱表面上に被
膜物が沈着形成することが頻繁であることが分かってお
り、この被膜物の沈着形成は熱交換には逆効果をもたら
し、もっと容易ならぬことにはこの設備の稼働率に重大
な限界をもたらすことになる。この不利益な事態は特
に、例えば加熱工程中に不溶解物質が形成するような場
合には被加熱流体側に起こる。このような物質の一例と
して燐酸鉄があるが、これに加えて温度が上昇すると共
に沈着する物質は他に数多く、その結果として被膜物や
湯垢が沈着する。従って伝熱の低下を来たし、多くの場
合は熱交換器の閉塞に至る。このような結果は活性化さ
れたスラッジの加水分解の場合に見られるが、他の懸濁
液や排水の系にも起こる。

【０００４】従来型の熱交換器のもう一つの不利な点は
流出流体側でガス・クッションが起こる確率が高くなる
ことである可能性がある。熱交換器内での活発な化学反
応による影響を抑えるためにチタンが典型的な物質とし
て湿式酸化に使用されるが、この場合酸素とチタンが自
然に反応（“チタン酸化”）し、重大な危険に止まらず
更に装置の破壊にも繋がる。

【０００５】

【発明の解決点】本発明により提起された課題は、下水
スラッジまたは排水の化学的分解処理における熱回収工
程の装置について稼働率及び運転の信頼性を増すことで
ある。本発明によると、この課題の解決策は、反応段階
（湿式酸化法または加圧加水分解法）の高温流出流体を
減圧し、生成した蒸気を水の相から分離した後低温流入
流体に戻してこの流体と直接接触させることを特徴とし
ている。蒸気は流入流体と混合すると直ちに、すくなく
ともその一部が凝縮し流入流体を加熱する。蒸気中のス
チームの凝縮成分は好ましいことに少なくとも７０％を
補給する。従って、本発明による方法では間接熱交換よ
りもむしろ直接熱交換が起こる。

【０００６】減圧と凝縮が一段で実施され、流入流体へ
の伝熱可能量が必要とするエネルギーを補うに十分でな
い場合、この方法では、なかんずく大きな装置では流出
流体での減圧を数段で行い、生成蒸気を同数の各段に向
流となるように流出流体に戻すような方法をとることが
好ましい。蒸気と流入流体間の熱交換は一器またはそれ
以上の気液接触器で実施される。この熱交換は交流式、
並流式または十字流れ方式にて実施可能であるが、非凝
縮ガスを比較的高い割合で含む蒸気の場合は向流式が好
ましい。

【０００７】本発明によれば、記述の方法を実施するた
めの装置は、反応段階は後に減圧にする一つの要素機器
および一器の相分離器が続くこと、及び蒸気戻り配管が
この分離器から反応段階に先行して位置する気液接触器
へと通じることにより特徴づけられている。

【０００８】好ましい実施例では、減圧にする要素機器
としては圧力調節式減圧弁が使用され、一方相分離器と
してはサイクロン分離器が使用される。気液接触器は注
入式凝縮器から成ると有利である。湿式酸化方式に好ま
しい一つの実施例では、反応段階は一器または直列に繋
がった二器以上の気泡塔によって構成される。

【０００９】本発明により以下の利点が与えられる。 − 現在までに知られた方法では被覆沈着物、湯垢及び
熱交換器内での閉塞に帰因する機能不全や危険の原因を
完全に排除可能である。 − 通常特殊な材質で製作される高価な熱交換器の必要
性は最早全く無い。 − 流出流体のフラッシュ蒸発にて、この流体では殆ど
完全にガス抜き（デガッシング）、即ち放散（ストリッ
ピング）が行われる。揮発性有機成分と炭酸ガスは、こ
うして流出流体の液相から除去される。

【００１０】本発明の実施例を添付図を参照しながら以
下に詳細に記述しているが、ここで図１は、産業下水ス
ラッジの湿式酸化法のプロセス・フロー・チャートであ
り、図２は、２段階の減圧を行う排水の加圧加水分解法
のプロセス・フロー・チャートである。

【００１１】乾燥物質含有量が４０から４５ｇ−ＤＭ／
１に濃縮され、かつタンク１に貯蔵されている下水スラ
ッジはポンプ２により注入式凝縮器３（ノズル４）に注
入される。予め加水分解を行うためと、続いて起こる酸
化工程の改良のために、攪拌式タンク５の形をした注入
式凝縮器３の底部に硫酸が注入される。次に予め加水分
解されたスラッジは、ポンプ６及び二成分注入器７によ
り湿式酸化のための反応段階に導かれる。反応段階は、
直列に繋がる三つの気泡塔８から成り、これらを固体の
懸濁物とガスが並流にて溢流運転し通過する。酸化工程
に必要な酸素もまた二成分注入器７を通して反応段階に
導かれ、スラッジのなかに分散する。反応段階の運転温
度はスラッジの成分と使用材質による。本例では、開始
温度は１６０℃である−この温度は比較的安価な材質
（エナメル被膜鋼）が使用できる温度である。酸化工程
に必要な最終温度に到達するには、スタート・アップ中
には装置に熱を供給する必要がある。この目的のため
に、入口９を通して過熱スチームを供給してもよい。最
終温度に到達すると発熱酸化反応が開始する。前述の条
件の下では、熱を供給する必要性は全く無い。

【００１２】次にガス（主に炭酸ガス、スチーム及び過
剰酸素）と酸化されたスラッジの完全に反応した混合物
は耐磨耗性材料で製作された圧力調節弁１０により減圧
される。本実施例によく採用されている温度と圧力にて
減圧後の最適圧力はおおよそ１ｂａｒ、即ち減圧弁後に
圧力制御しないで良いように常圧である。圧力は、必ず
しも常圧に減圧する必要はなく、別の圧力レベル、例え
ば真空の範囲にまでさえ減圧出来る。減圧操作には圧力
下にての高温流出流体の混合物の部分蒸発を伴う。次に
減圧中に生成した蒸気は、サイクロン分離器１１内での
フラッシュ蒸発により冷却された液体から分離され、戻
り配管１２を経て注入式凝縮器３の流入流体と直接接触
する。蒸気は、流出流体の出口温度と選択された圧力に
おける沸点との各エンタルピーの全差のエンタルピーを
所持している。このエンタルピーは、流入流体に戻され
る。不活性ガスが豊富な非凝縮残留蒸気は、注入凝縮器
３の頭上に設置された凝縮器１３の中のスチームを実質
的には含まないで、続いて廃ガスの熱的な精製に委ねら
れる。蒸気が不活性ガス成分を殆ど含まない（大部分は
加圧加水分解）場合は蒸気と流入流体との二相流動は重
要な要因にならない。空気又は酸素、及び炭酸ガスが流
入流体内に存在する場合の湿式酸化では、熱利用は向流
式を採用すれば改善される。注入凝縮器３の蒸気の凝縮
により、蒸気の蒸発潜熱は大部分が流入流体に移動す
る。しかしながら、この方法では噴霧注入される澄んだ
スラッジだけしか、最大限加熱である選択された圧力に
おける水の沸点までは加熱されない。従って、選択され
た圧力があまりにも低いと、蒸気のエンタルピーは一部
分のみだけが利用されるにすぎないため凝縮が不十分と
なる。反対に選択された圧力があまりにも高いと、たし
かに蒸気の流れのエンタルピーは全部利用されるが、蒸
気の質量流束（マス・フロー）がより少なくなり、この
場合も最適な熱利用が達成されない。減圧するレベルが
最適に選択された場合は、図１に示される単一段配置で
は流入流体を流出流体の温度にまで加熱に必要な熱量の
約半分のみが回収できるにすぎないが、湿式酸化中に大
量の十分な熱量（燃焼熱）が供給されるため、乾燥物質
含有率が少なくとも４％まで濃縮された下水スラッジの
場合、この熱回収量は前述の条件下では熱に注目した独
占指向的運転を装置全体として保証するに十分な熱量で
ある。損失した熱は反応段階での酸化熱により補給され
る。

【００１３】原則として、蒸気から流入流体への熱の直
接移動を達成する意味では、熱及び物質移動の技術で知
られる気液接触器は全て使用可能である。もっと特定し
て言えば、トリクル・フィルム（缶液膜）接触器、二相
流動充填塔、気泡塔及び噴霧洗浄器並びにジェット洗浄
器も使用可能である。ジェット洗浄器の形をとる注入式
凝縮器は特に適している。何故ならこの凝縮器は、組み
込み部品を持たず、ガス側の圧力損失が低く且つコンパ
クトでがっしりして更に安価な装置である。

【００１４】

【実施例】

タンク１の下水スラッジの濃度：４０から４５ｇＤＭ／
１ 下水スラッジの注入式凝縮器３への入口温度：３０℃ 加水分解された下水スラッジの攪拌式タンク５の出口温
度：９０℃，ｐＨ値＝１から ポンプ６による昇圧：２２ｂａｒ 反応段階における温度：１５０から１６０℃ 反応段階における圧力：２０ｂａｒ（塔頂圧力） 減圧後の圧力：約１ｂａｒ 戻り配管１２における蒸気及び廃ガスの温度：９６℃

【００１５】２段減圧による加圧加水分解法が本出願の
第二の例として記述されている。図２に本方法が組み込
まれたプロセス・フロー・チャートが示されている。処
理すべき未処理の排水と懸濁排水液は、ポンプ１４によ
り底部が攪拌式タンク１６の形をしている注入式凝縮器
１５へと移送される。放出された不活性ガスは、真空ポ
ンプ１８による圧力制御（１７）下にある注入式凝縮器
１５の頂部で除去される。処理すべき下水は、第二のポ
ンプ１９により第一の攪拌式タンク１６から底部が第二
の攪拌式タンク２１の形をしている第二の注入式凝縮２
０へと移送される。第二の攪拌式タンク２１から予め加
水分解された排水は、ポンプ２２により加水分解反応器
２３へと移送される（反応段階）。次に加水分解された
排水は、二段階にて減圧される。第一の減圧段階は、圧
力調節減圧弁２４とそれに続くサイクロン分離器２５と
から成るが、一方第二の減圧段階は、サイクロン分離器
２５の出口に連結しているレベル調節減圧弁２６とそれ
に続く（第二の）サイクロン分離器２７とから成る。戻
り配管２８は、第一の減圧段階のサイクロン分離器２５
から第二の攪拌式タンク２１へと連結している。この配
管を通して第一の減圧段階にて放出された蒸気は、攪拌
式タンク２１に戻るが、そこでは放出された蒸気は、別
に移入され凝縮して自身に凝縮熱を与熱した排水と共に
混合する。第一の攪拌式タンク１６の例に見られるよう
に、不活性ガスは圧力調節減圧弁２９を通して上の方に
逃げる。第二の注入凝縮器は過剰圧下で運転されるので
真空ポンプの必要性は全然ない。

【００１６】第二の減圧段階にて放出した蒸気は、サイ
クロン分離器２７内で液相から分離し、別の戻り配管３
０を通して第一の攪拌式タンク１６に戻り、そこで導入
された排水の流れのなかで凝縮し自身の熱を工程内で与
熱する。従って、この二段階の減圧と循環方法におい
て、第一の減圧段階より低圧低温レベルでの第二の減圧
段階の蒸気は第一の注入式凝縮器１５内の排水の加熱に
使用されるが、より高圧高温レベルの配管２８を経て戻
る蒸気は、更に第二の注入式凝縮器２０の排水の加熱に
使用される。蒸気の減圧と循環方法については二段階を
越える段階でも構わない。この場合は、二段階の実施例
に記述されているように、最も高い凝縮温度を持つ流出
流体からの蒸気は、流入流体の凝縮最終段階に供給され
る。一方、流出流体の減圧最終段階からの蒸気は、流入
流体の第一凝縮段階の熱回収に利用される。このように
して向流運転することにより得られる熱量の過半の熱量
が利用可能となる。段階数の選択は意味ある数でなくて
はならぬが、段階数と共に増加する関連する支出によっ
て段階数に限界があるのは勿論である。スチーム３１を
加圧加水分解のための流入流体に導入することにより熱
収支を補うに必要なエネルギーは供給できる。

【００１７】二段階減圧による加圧加水分解法の前述の
例は次の運転パラメーターで実施される。 第一の注入式凝縮器１５への排水入口温度：２５℃ 第一の攪拌式タンク１６出口の排水温度：８７℃ 第二の攪拌式タンク２１出口の排水温度：１３７℃ 反応段階２３の圧力：１０ｂａｒ（頂部圧力） 反応段階２３の温度：１８０℃ サイクロン分離器２５内の流出流体温度：１４０℃ サイクロン分離器２７内の流出流体温度：４０℃ 戻り配管２８内の圧力と温度：３．６ｂａｒ／１４０℃ 戻り配管３０内の圧力と温度：０．７ｂａｒ／９０℃ 圧力は全て絶対圧力である。プラントに効果的保温を施
し熱収支を補うに必要なスチーム量は０．１２ｔ−スチ
ーム／ｔ−流入流体である。もし熱回収がないと０．３
２ｔ−スチーム／ｔ−流入流体のスチーム量が使われ
る。このことは、エネルギー需要量を約１／３に低下さ
せている。（使用スチーム：３０ｂａｒ飽和スチーム）

【００１８】本発明は次の態様を含む。 （１）高温及び高圧のもとで下水スラッジまたは排水を
湿式酸化、加圧加水分解または化学分解を行う装置につ
いての低温の流入流体と高温の流出流体との熱交換の方
法において、高温の流出流体の圧力を減圧し、生成した
蒸気を水の相から分離し、低温の流入流体に戻すに際
し、少なくともその蒸気の一部が凝縮して流入流体を加
熱するように蒸気と流入流体を直接接触せしめることを
特徴とする方法。 （２）上記（１）にて請求された方法において、減圧を
数段階にて行い、生成蒸気は同数の各段階への流入流体
に向流となるように入れることを特徴とする方法。 （３）上記（１）にて請求され、上記（２）に記載され
た方法において、流入流体が気液接触器内にて向流、並
流または十字流れ方式で循環蒸気と接触することを特徴
とする方法。 （４）湿式酸化、加圧加水分解または化学分解のための
圧力反応段階（８，２３）から成り、上記（１）にて請
求され、上記（２）及び（３）に記載された方法を実施
するための集合装置において、反応段階（８，２３）の
次に減圧要素機器（１０，２４，２６）更に相分離器
（１１，２５，２７）が続くこと、及び蒸気戻り配管
（１２，２８，３０）が相分離器（１１，２５，２７）
から加圧反応段階（８，２３）の前工程になる気液接触
器（３，１６，２０）へと設置されることを特徴とする
装置。 （５）上記（４）の集合装置において、気液接触器が一
つの注入式凝縮器から成ることを特徴とする装置。 （６）上記（４）及び（５）の集合装置において、湿式
酸化のための反応段階が一器または直列に配置された二
器以上の気泡塔（８）から成ることを特徴とする装置。

【図面の簡単な説明】

【図１】産業下水スラッジの湿式酸化法のプロセス・フ
ロー・チャート

【図２】２段階の減圧を行う排水の加圧分解法のプロセ
ス・フロー・チャート

【符号の説明】

１ タンク ２ ポンプ ３ 注入式凝縮器 ４ ノズル ５，１６，２１攪拌式タンク ６ ポンプ ７ 二成分注入器 ８ 気泡塔 １０ 圧力調節弁 １１ サイクロン分離器 １３ 凝縮器 １５，２０ 注入式凝縮器 ２３ 反応段階 ２５，２７ サイクロン分離器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラウス・ホルツアー ドイツ連邦共和国デイー51381 レーフエ ルクーゼン、アム・フアルケンベルク 11

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温及び高圧のもとで下水スラッジまた
   は排水を湿式酸化、加圧加水分解または化学分解を行う
   装置についての低温の流入流体と高温の流出流体との熱
   交換の方法において、高温の流出流体の圧力を減圧し、
   生成した蒸気を水の相から分離し、低温の流入流体に戻
   すに際し、少なくともその蒸気の一部が凝縮して流入流
   体を加熱するように蒸気と流入流体を直接接触せしめる
   ことを特徴とする方法。