JPH108076A - 有機廃棄物の深層水熱反応処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 昇圧用の特殊なポンプを必要とせず、熱交換
器を用いることなく反応後のスラリーの冷却と供給スラ
リーの昇温を行う有機廃棄物の深層水熱反応処理方法を
提供する。 【解決手段】 有機廃棄物を、水相に固形細粒を浮遊さ
せたスラリー状態として高温高圧に曝すことで、有機物
中の化学結合における炭素に対する酸素の含有比率を減
じて、炭酸ガス及び可燃性ガスを生成すると同時に、含
有している化学結合を含むハロゲン元素を、当該水相に
移行する還元反応を起こさせる水熱反応処理方法におい
て、垂直方向に高低差を有し、底部で接続する往復流路
を有する反応器１を用い、前記スラリーａを該反応器の
往路２上部より供給し、流路底部を通り復路３上部より
排出ｂして処理するに際し、該反応器は、流路上部での
供給排出の圧力差と、流路の高低差によりスラリー重量
で発生する圧力とが加わることにより、該流路下部に高
圧を得ると共に、前記往復流路を金属隔壁によって仕切
ることで熱交換させてスラリー温度を高温とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有機廃棄物の水熱
反応処理方法に係り、特に、都市ごみやし尿や下水汚泥
や固形〜汚泥〜廃液の産業廃棄物など、有機固形分を含
む廃棄物を、水の存在下で高温・高圧で熱処理して燃料
化する水熱反応処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、廃棄物の水熱反応による処理は次
のように行っていた。即ち、粗大固形物を主体とする廃
棄物の場合は、細破砕してガラスや瓦礫や金属類などの
無機分をできるかぎり除去し、水を含んで流動性を持っ
たスラリー状態とし、汚泥や廃液などもともと細かくて
破砕の必要がない固形物とか、固形物をほとんど含まな
い廃棄物の場合は、必要に応じて粗大固形物の混入がな
いようにスクリーンを通したスラリーとし、加圧して酸
化剤を断った状態にて、廃棄物の種類によって２５０〜
３５０℃の適当な温度に昇温し、通常数十分間保持して
水熱反応を起こさせる。なお、この水熱反応の過程で、
溶存酸素や化学結合をしている酸素が反応し尽して炭酸
ガスが発生し、さらに、化学結合をしている塩素や臭素
などのハロゲン元素も離脱し、水側に移行し若干の還元
性ガスも生成する還元反応が進行する。

【０００３】このため、含有有機分で、ガスや水溶性成
分に変化せず残ったものも、脱ハロゲン化や脱炭酸化で
チャーと呼ばれる炭化物や油である固形分ないし油分に
変性する。反応後、最終的に大気圧まで減圧するフラッ
シュ操作を行って脱ガスすると同時に温度を下げ、同時
に脱水水洗してハロゲンを除去し、固形分ないし油分を
得る。ここで、この水熱還元反応をおこなわせること
で、固形分ないし油分の発熱量は化学結合をしている酸
素が脱離するなどして、発熱量が高まると同時に脆いも
のとなる。また、水熱還元反応により、分子が分断され
ることで粘性が消失し、脱水が容易となる。従って、得
られた固形分ないし油分は、ハロゲンを除去され含水率
の低い発熱量の高い粉砕しやすいものとすることが出来
る。このようにして、廃棄物を固形分ないし油分の燃料
ないしはＣＷＭなどの燃料の原料とする処理方法が研究
開発途上にある。

【０００４】上記において、油分とはヘキサンやジクロ
ルベンゼン等有機溶媒により抽出されるものであり、残
りをろ過して得たケーキが固形分である。油分には、タ
ールやピッチなど常温においては固形化するものや、水
溶性を有するものも含まれる。水熱反応のための細破砕
粒度は、通常、熱伝動や反応生成物質の水側への移行に
支障が無く流路を閉塞する可能性のほとんどなくなる数
ｍｍ以下としている。前記の従来の水熱反応による処理
の概略構成図を図２に示す。図２において、廃棄物スラ
リーａは高圧ポンプ２０で加圧されて、生成物との熱交
換器２１、２２を経て、熱媒ｆによる熱媒ヒータ２３で
昇温して反応器２４に導入され、熱媒ボイラ２５からの
熱媒ｆにより加熱され、水熱還元反応を進行させる。反
応後、反応生成物は熱交換器２２、２１で温度を下げ、
フラッシュタンク２６で大気圧まで減圧するフラッシュ
操作を行って脱ガスすると同時に温度を下げて、処理ス
ラリーｂと排気ガスｃに分離する。

【０００５】なお、下水汚泥の深層水熱反応による酸化
処理という技術が実用化されている。その概略構成図を
図３に示す。図３において、１２００〜１５００ｍほど
の深さに金属二重管２７を地中に垂直に設置し、内管２
８より処理汚泥ｇを酸素ガスｉを混入しながら供給し、
二重管の底にて反転させて二重管の外側２９を通して地
上まで戻す。この間に、混入した酸素ガスで汚泥の有機
物を酸化分解処理するものである。また、該二重管２７
を取り巻いて、伝熱流体ｊを導入する伝熱流体ジャケッ
ト３０が設けられている。そして、この装置では、反応
熱によって二重管内で沸騰が起きて逆流等流れの乱れが
生じることを防ぐため、二重管の外面を水冷ジャケット
３０で冷却している。しかしながら、前記の水熱反応に
よる処理方法には次の様な問題点があった。即ち、２５
０〜３５０℃でも沸騰させないためには、４０〜１７０
ａｔｇ以上の圧力が必要であり、特殊な容積式ポンプを
用いて昇圧する必要があり、設備費や運転費が大きなも
のとなっていた。また、昇温や冷却は、大きな熱交換器
を必要とし、かつ化石燃料を用いた熱媒ボイラーによる
加熱が不可欠であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題点を解消し、昇圧用の特殊なポンプを必要とせ
ず、熱交換器を用いることなく反応後のスラリーの冷却
と供給スラリーの昇温を行い、さらに、化石燃料を用い
ることなく加熱できる有機廃棄物の深層水熱反応処理方
法を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、有機廃棄物を、水相に固形細粒を浮遊
させたスラリー状態として高温高圧に曝すことで、有機
物中の化学結合における炭素に対する酸素の含有比率を
減じて、炭酸ガス及び可燃性ガスを生成すると同時に、
含有している化学結合を含むハロゲン元素を、当該水相
に移行する還元反応を起こさせる水熱反応処理方法にお
いて、垂直方向に高低差を有し、底部で接続する往復流
路を有する反応器を用い、前記スラリーを該反応器の往
路上部より供給し、流路底部を通り復路上部より排出し
て処理するに際し、該反応器は、流路上部での供給排出
の圧力差と、流路の高低差によりスラリー重量で発生す
る圧力とが加わることにより、該流路下部に高圧を得る
と共に、前記往復流路を金属隔壁によって仕切ることで
熱交換させてスラリー温度を高温とすることを特徴とす
る有機廃棄物の深層水熱反応処理方法としたものであ
る。前記の深層水熱反応処理方法において、往路のスラ
リーには、酸化剤を添加し、スラリー中の有機物を部分
酸化してスラリーを上昇させることができ、また、該酸
化剤は、その添加量を流路の下部温度を検知して調節す
るのがよい。本発明で用いる反応器は、内管を金属隔壁
とした二重管構造として、該隔壁の外側をスラリーの下
降する往路とし、内側をスラリーの上昇する復路として
用いるのがよい。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の有機廃棄物の深層水熱反
応処理方法において、スラリーは、反応器を下降して深
いところに移動してゆくことで、増加するスラリー自身
の重力で圧力が上昇してゆき、同時に反応器の下降側と
上昇側をへだてている金属流路壁を介して、上昇してく
る反応後の高温スラリーと熱交換し、昇温してゆく。な
お、圧力上昇は、ほぼ１０ｍ深くなる毎に、１気圧であ
るが、スラリーのかさ密度に比例して増減するので、気
泡が混じる場合は小さくなる。また、この往きと戻りの
スラリー同士の熱交換だけでは反応後のスラリーの持ち
出しの熱量の方が多くなるため、スラリーの反応温度が
維持できなくなる。そこで、熱量を足してやらねばなら
ない。これには、供給スラリーを予め反応後のスラリー
から分離して得た蒸気を直接吹き込む等で予熱したり、
ヒーターでスラリー流路外部から加温したりする方法が
ある。また、供給スラリーに酸化剤を添加してスラリー
中に酸化反応を起こさせ、その反応熱により昇温する方
法もあり、これは特に熱源を必要とせず、最終的なスラ
リー温度は添加する酸化剤の量によって左右される。

【０００９】酸化剤は、過酸化水素が好ましいが、酸素
ガスないしは酸素ガスを含んだ例えば空気などの気体
を、気泡にしてスラリーに添加するのでもよい。この場
合、気泡はスラリーが含む固形分に移動を妨げられて、
スラリーと共に下降してゆき、汚泥や廃液の場合のよう
に、気泡同士がまとまって浮上して、スラリーと分離し
てしまうことは起こりにくく、スラリーに同伴されて深
い所へと運ばれてゆく。そして、深くなるにつれて増加
する圧力で水に溶けて、湿式酸化反応しやすい形態とな
る。添加位置は、常圧又はそれに近い圧力では気泡容積
が大きなものとなるため、スラリーの液圧が４〜５気圧
位の、容易にガス圧が得られ、かつ問題とならぬ程度に
ガス容積が圧縮された圧力の所とすべきである。酸化剤
の添加量が多すぎると、発生熱量が過大となって水蒸気
の泡が生成し、最深部においても消えない状態となり、
その分スラリーの高温高圧下における滞留時間が減少す
るので好ましくない。これを防止するためには、下部近
傍の最終的なスラリー温度を検出して、温度が最深部に
おいての圧力に対し、それを下まわる飽和水蒸気圧とな
る温度となるように、酸化剤の添加量を調節することが
望ましい。

【００１０】地中深くは、一般的に温度が高い。地温が
高ければ反応器や流路は、特に保温や外部加熱をしない
ですむ。特に地熱の高いところでは、地熱の流入により
スラリーの予熱や加温や酸化剤添加量はわずかですむ。
運転開始では、装置を昇温して定常運転に入るため、反
応器に導入するスラリーを十分予熱したり、酸化剤を十
分に加えたりしたうえ、スラリー流量を抑え、温度が上
昇していくのを待つ。一旦温度が上昇してしまえば、後
は酸化剤の添加量調節で温度を容易に調節できる。こ
の、反応が温度律則から酸化剤律則となるための温度
は、廃棄物によって２００〜３５０℃程度の巾がある。
この温度は、紙・活性汚泥・食物残渣などセルロース・
糖類・蛋白質を含むものでは低く、油・有機酸類・プラ
スチック類は一般に高い。油・有機酸類・プラスチック
類は、紙・活性汚泥・食物残渣などセルロース・糖類・
蛋白質を含む廃棄物と一緒にして処理してやると、低
温、ひいては低圧で酸化剤律則にて温度調節できるよう
になる。また、廃棄物の組成変動に対して、安定的に酸
化剤律則で反応させるには、少なくとも２５０〜３５０
℃以上とすることが望ましい。

【００１１】なお、流路の深さは、少くとも５００ｍ、
好ましくは１０００〜１５００ｍ程度とするのがよい。
深い程、圧力が高まるために沸騰が抑えられて昇温可能
温度が高くなる。具体的には、昇温可能な温度は、深さ
５００ｍで約２６０℃、１０００ｍで約３１０℃、１５
００ｍで約３４０℃である。流路断面積は、掘削孔に収
納する関係から全路ほぼ均一とするか、往路（下降路）
に対し、復路（上昇路）を広くし、往路や復路は各々上
から下までほぼ均一とするのがよい。復路を広くするこ
とで、高温後の滞留時間を多くとれると同時に往路で混
入気体がスラリーに同伴し易いように流速を高めるとい
う効果が得られる。流速は、反応温度３００℃で滞留時
間が０．５〜１．５時間となるように、平均で０．３〜
１．２ｍ／ｓとなる程度にすることが適当である。ま
た、当然高温にするほど滞留時間は少なくてすみ、かつ
流路が長くなるため流速を上げられる。深さ５００ｍで
は２５０℃位までの昇温で、滞留時間を１〜３時間前後
とするように往復の平均流速を０．０８〜０．３ｍ／ｓ
まで下げなければならないが、深さ１５００ｍでは３３
０℃位までの昇温とし滞留時間が１時間を切る往復の平
均流速１ｍ／ｓ以上まで上げることができる。具体的に
は、例えば、深さ５００ｍの場合、廃棄物４００トン／
日の処理を５倍に水で希釈して処理するから、往復平均
流速を０．１ｍ／ｓとした場合の往路と復路の断面積合
計は０．４６３ｍ² となり、これは内外二重管構造とし
た反応器とすると、径は０．８ｍ弱ですむ。深さ１００
０ｍとして０．５ｍ／ｓとした場合は径は０．３５ｍ弱
ですむ。

【００１２】反応器を下降し昇温して行ったスラリー
は、酸化剤を加えた場合も含め、やがて酸化剤の水熱酸
化反応による消費とともに反応熱の発生による昇温は鈍
化し、酸化剤を消費し尽して、水熱還元反応を進行させ
ながら最深部で反転し、下降してくるスラリーと金属隔
壁を介して熱交換することで、温度を減じながら上昇し
てゆき、圧力を減じてゆく。水熱還元反応は十分に温度
が降下して進行できなくなるまで続く。ここで、熱交換
には温度勾配が必要であるために、下降側の往路よりも
上昇側の復路のほうが温度は高い。そのため、途中でス
ラリーの温度における飽和蒸気圧がスラリーの圧力より
も高くなり、その分スラリー中の水分が沸騰して、スラ
リーの圧力がほぼ飽和蒸気圧である温度まで降下するよ
うになり、上昇するに従って減温しつつ含有ガス量を増
加させてゆく。上昇スラリーは、発生した飽和水蒸気を
含むガスにより、固気液三相流となって下降スラリーよ
りも重量を減じて浮力が生じて、下降スラリーを吸引す
る力が発生するため、スラリーの下降上昇のための動力
は、特に必要としない。逆に、スラリー供給部が過剰不
圧とならないよう、スラリー排出部にて排出を制限して
圧力を持たせるのが好ましい。この圧力は、スラリー供
給部の圧力によって制御してやるとよい。

【００１３】酸化剤に酸素ガスや空気などの気体を用い
る場合には、添加気体容積を小さくしかつ溶解を促進す
るため、設定圧を高めとすることが望ましい。もちろ
ん、高圧とすることでスラリー中の気体容積を小さなも
のとして、スラリーの上昇や下降の流路断面を小さなも
のとすることができる。一般的に、スラリー供給部圧力
を２〜３気圧程度とするのが望ましい。このように、有
機廃棄物を水相に固形細粒を浮遊させたスラリー状態と
して、高圧及びその圧力以下の飽和水蒸気圧にある高温
下で反応させることで、酸化剤消費後は、有機物中の化
学結合における炭素に対する酸素の含有比率を減じて、
炭酸ガス及び可燃性ガスを生成すると同時に、含有して
いる化学結合を含むハロゲン元素を当該水相に移行する
水熱還元反応が進行する。これを、１００℃以下まで冷
却して脱水し、油分、固形分を分離すれば、含水率の低
い、脆い、発熱量の高い固体を得ることができる。これ
は、そのまま燃料として使用することもでき、また水中
微粉砕のうえ表面活性剤によってエマルジョン状態で安
定化し、ＣＷＭと同様の液体燃料類似のものとすること
も可能である。

【００１４】反応器のスラリーで下降及び上昇を行う流
路は、公知の汚泥の深層水熱酸化処理とは逆の二重管構
造として、内管を金属隔壁とし、その外側を往路の下降
側とし、内側を復路の上昇側とするのがよい。これは、
各流路壁における水平方向での温度分布をほとんど無く
すことで、温度差に起因する熱膨張差による流路の歪や
曲がりや応力発生を防ぐと共に、粘性や含有固形スラリ
ーの作用で、スラリー内部での混合が起こりにくく含有
ガス量も少ない往路のスラリー下降側を、中抜き円形の
流路断面側とし、含有ガス量の高い粘性の低い復路のス
ラリー上昇側を、単純な円形断面として、気液固混相流
における流路断面方向における逆流や流れの停滞を抑え
るためである。また、外側に低温側のスラリーを持って
くることで、熱放散を抑え、地熱流入量を高め、火傷防
止、などさまざまな優位性を持つ。さらに、酸化反応に
よる温度上昇は、スラリー下降側で起こるため、酸化剤
添加や温度制御や反応進行計測のための温度検出も、ス
ラリー下降側を外側としたほうが容易である。

【００１５】なお、酸化反応の進行が速くて、スラリー
が深い部分に到達する前にスラリー温度が上昇しても、
沸騰により蒸発潜熱の形で熱が奪われて、その深度にお
ける圧力に応じた飽和水蒸気圧の温度に留まり、反応を
制御する方向に動く。また、発生した蒸気は、スラリー
中に含まれる固形分によって移動をはばまれるために、
分離したり浮上したりせずにスラリー中に保持されてお
り、深部にゆくにつれて高まる圧力で、その蒸発潜熱を
放出しながら水蒸気は凝縮して、再び水に戻ってしまう
のであまり問題とならない。反応器のスラリー出口にお
いて、同伴してきた水蒸気を含むガスは、反応後のスラ
リーより分離のうえ、供給スラリーに吹き込み、水蒸気
などの凝縮によって量を減ずると同時に供給スラリーの
予熱が行われる。

【００１６】次に、図面を用いて本発明の処理方法を具
体的に説明する。図１に、本発明の深層水熱反応処理方
法に用いる装置の概略構成図を示す。図１において、反
応器１は外管２と内管３を有し、内管３には上部に気液
分離タンク６が配備されており、また、外管２の中途に
は空気ヘッダ４が設けられて酸化剤としての圧縮空気ｄ
と接続されている。廃棄物スラリーａは、予熱タンク５
に導入されて、気液分離タンク６で分離された蒸気ｅに
より余熱されると共に、スラリー供給部の圧力が２〜３
気圧となるように、圧力調節器１０により調整弁８を制
御している。また、予熱タンク５には、レベル調節器１
２が設けられており、排気ガスｃの排出量を調整弁９で
制御することにより、タンク５内の流量を調節してい
る。

【００１７】次いで、スラリーは予熱タンク５から、反
応器１の外管２の上部に導入され、外管２を降下して行
き、温度と圧力を上げながら水熱還元反応を進行してい
く。その際、外管下部に配備された監視用温度計１５に
より、スラリー温度を測定しており、スラリー温度が所
定の温度に上昇しない場合は温度制御計器１４の指令に
より圧縮空気ｄの調整弁１３を開き、外管の圧力が４〜
５気圧の位置に空気ヘッダ４から空気ｄを導入する。そ
れによりスラリー温度は上昇し、所定の温度に達する。
そして、スラリーは反応器１の最下端において所定の温
度と圧力に達し、反転して内管３から上昇し、下降する
スラリーと熱交換しながら温度を下げ、気液分離タンク
６に達する。気液分離タンク６では、水熱還元反応処理
されたスラリーが、レベル調節器１１の信号により調整
弁７を制御しながら抜き出され、一方、排出する蒸気は
予熱タンク５で供給スラリーの予熱に利用される。ま
た、抜き出された処理スラリーは、冷却して固液分離さ
れ、燃料等で利用される。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、特に高圧ポンプを用い
ることなく高圧を得、特に熱交換器を用いることなく反
応後のスラリーを冷却すると同時にその熱を供給スラリ
ーの昇温に利用し、空気など酸化剤を供給スラリーに添
加するのみで不足の熱量を補うことが可能となる。従っ
て、廃棄物の水熱反応処理の設備を簡素なものとし、エ
ネルギー収支を大幅に改善するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の深層水熱反応処理方法に用いる装置の
一例を示す概略構成図。

【図２】従来の水熱還元反応処理装置の概略構成図。

【図３】公知の汚泥の水熱酸化反応処理装置の概略構成
図。

【符号の説明】

１：深層水熱反応器、２：外管、３：内管、４：空気ヘ
ッダ、５：予熱タンク、６：気液分離タンク、７，８，
９：調整弁、１０：圧力調節器、１１，１２：レベル調
節器、１３：調整弁、１４：温度制御計器、１５：監視
用温度計、ａ：廃棄物スラリー、ｂ：処理スラリー、
ｃ：排気ガス、ｄ：圧縮空気、ｅ：水蒸気、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有機廃棄物を、水相に固形細粒を浮遊さ
   せたスラリー状態として高温高圧に曝すことで、有機物
   中の化学結合における炭素に対する酸素の含有比率を減
   じて、炭酸ガス及び可燃性ガスを生成すると同時に、含
   有している化学結合を含むハロゲン元素を、当該水相に
   移行する還元反応を起こさせる水熱反応処理方法におい
   て、垂直方向に高低差を有し、底部で接続する往復流路
   を有する反応器を用い、前記スラリーを該反応器の往路
   上部より供給し、流路底部を通り復路上部より排出して
   処理するに際し、該反応器は、流路上部での供給排出の
   圧力差と、流路の高低差によりスラリー重量で発生する
   圧力とが加わることにより、該流路下部に高圧を得ると
   共に、前記往復流路を金属隔壁によって仕切ることで熱
   交換させてスラリー温度を高温とすることを特徴とする
   有機廃棄物の深層水熱反応処理方法。
2. 【請求項２】 前記往路のスラリーには、酸化剤を添加
   し、スラリー中の有機物を部分酸化してスラリー温度を
   上昇させることを特徴とする請求項１記載の有機廃棄物
   の深層水熱反応処理方法。
3. 【請求項３】 前記酸化剤は、その添加量を流路の下部
   温度を検知して調節することを特徴とする請求項２記載
   の有機廃棄物の深層水熱反応処理方法。
4. 【請求項４】 前記反応器は、内管を金属隔壁とした二
   重管構造として、該隔壁の外側をスラリーの下降する往
   路とし、内側をスラリーの上昇する復路としたことを特
   徴とする請求項１又は２記載の有機廃棄物の深層水熱反
   応処理方法。