JPS602120B2 - 湿式空気酸化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は湿式空気酸化装置の改良装置に関する。

湿式酸化則ち湿式空気酸化は良く知られており、また商
業的に使用されている。例えばアメリカ特許２６６５２
４９号発明の明細書を参照されたい。また、湿式酸化装
置におけるエネルギー即ち動力の回収も知られており、
また実用化されている。Ｍｏｒ餌ｎとＳａｕｌとによる
文献“ＴｈｅＺｉｍｍｅｍ脇ｎｎＰｒｏｃｅｓｓ ｌｎ
ａ Ｓｏｄａ Ｐｕｌｐ ＭＩｌｌ Ｒｅｃｏｖ
ｅｒｙＳ＄ｔｅｍ”（ＡＰＰＩＴＡ、第２２筈、Ｎｏ．
３）を御覧頂きたい。他の参考文献はアメリカ特許２９
４４３９６号明細書；Ｇｕｃｃｉｏｎｅによる文献“Ｗ
ｅｔＣｏｍｂ職ｔｉｏｎｏｆ Ｓｅｗａｇｅ ＳＩｕｄ
袋 Ｓｏｌｉｄｓ Ｄｉｓｐｏｓａｌ Ｐｒｏｂｌｅｍ
ｓ”（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｎｅｅｎｎｇ、１９６
４年５月２５日）：○．日．Ｔｅｌｅｔｚｋｅによる文
献“ＷｅｔＡｉｒ○ｘｉｄａｔｉｏｎ’’（Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌＥｎｇｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｒｏ釘ｅｓｓ、１９６
４年１月）である。添付図面（図面において第１〜４図
は先行技術を示すフローダイヤグラムである）を参照願
いたい。

第１図のフローシートは、比較的濃厚な液体即ち“強液
体”に使用できる市販装置を示す。これら液体は、１０
０夕／どないしそれ以上という高い化学的酸素要求量（
ＣＯＤ）を特徴とする。かかる液体の例はパルプ黒液と
濃厚な工業廃液である。ＣＯＤ低下率は一般に９０％な
いしそれ以上である。強液体フローシート（第１図）の
顕著な特徴は、液相と気相とが反応器から出た直後に、
例えば反応器の頭部に組み入れられた分離器内で、分離
され、供給液体中の水分の実質部分が蒸発され、気相と
なって反応器を去ることである。反応器からのガスはま
ず蒸気発生器に送られて純粋な蒸気を作り、これにより
該ガスを冷却させて水蒸気の実質部分を凝縮させ、つい
で凝縮物は液体の水として分離器から除去される。気相
は、機械的動力回収のためにエキスパンダ／発電機その
他の装置に送られる。この装置の欠点は、エキスパンダ
／発電機が最大装置温度を利用しないということである
。

ガス流が反応器から直接にエキスパンダ／発電機に送ら
れるならば、エキスパンダ排気温度が低すぎて純粋な蒸
気を発生させることはできない。しかし、大部分の商業
的利用においては、第１図に示される如く純粋な蒸気を
発生させることに一定の経済的利点がある。この装置の
別の欠点は、最大量の蒸気を作るために反応器からのガ
ス流を低温に冷却する時には、生成低温ガス流がエキス
パンダ通過中に膨張して排気温度が水の凍結点よりかな
り低くなりエキスパンダにおいて重大な問題が生ずるこ
とである。それゆえ外部の熱源を使ってこのガスを再加
熱することが必要であろう。第２図は、比較的に希薄な
液体とスラッジ、即ち“弱液体”、に商業的に利用でき
るフローシートである。かかる液体のＣＯＤは１００夕
／ク未満である。かかる液体の一例は、典型的には４０
〜６０夕／その範囲のＣＯＤを持つ下水スラツジである
。ＣＯＤ低下率は典型的には５０〜８５％の範囲にある
。それゆえ第２図における如く気相と液相とから熱を抽
出する必要がある。反応器からの排出流の全体が冷却さ
れるので、ガスの最終温度は、ガスはまだ熱いのではあ
るが、最大反応器温度より低い。第３図に示される如く
反応器から出た直後に相が分離されるならば、同一の予
熱効果を達成できることがわかる。

第３図のフローシステムにおし、ては気相のみが第２予
熱器を通過して第２分離器に送られる。この装置は２個
の分離器を必要とし、また２つの液体流（酸化液体と、
第２分離器からの凝縮液）を発生させるので一層複雑で
あることがわかる。実際の場合には、特に下水スラッジ
を処理する時には、第２図、第３図のフローシートのい
ずれの分離器からのガスもまだかなりの量の炭化水素を
含んでいるので、エキスパンダ／発電機を通過させるか
大気中に放出する前に更に処理する必要がある。

この目的に触媒気相酸化装置が使用されている。かかる
装置に対する典型的なフ。

ーシートを第４図に示す。分離器からのガスは子熱器を
通過し、ついで装置を始動させるためのみに使用される
燃料燃焼始動型ヒーターを通過し、ついで炭化水素の気
相酸化が行われる触媒床を通過して進む。この触媒床か
ら出る流れは酸化を受けたため高温であり、従って触媒
床への導入流を予熱するために使用できる。このガスは
ついでエキスパンダ／発電機に送られる。この装置は例
えば超加熱され、気相酸化が起きない場合よりも高温に
あるガスがエキスパンダ／発電機に流出され、この高温
が良く知られる通りエキスパンダの性能に利するので特
定条件下では有利である。しかし、特定の供給液体（特
に下水スラッジ）の場合には多くの操作上に問題が生じ
ている。触媒は触媒害と汚れとに害され、無効になる。
容器とパイプとを高温用に設計しなければならないので
装置が複雑で高価である。下水スラッジその他の窒素含
有液体の場合にはアンモニアの如き窒素化合物がガス中
に存在し、これらは別の問題を作り出す硝酸に酸化する
煩向がある。また、高揮発性物質を含む特定の液体の場
合には揮発性炭化水素がガス中に発見され、これらは時
として自然的な制御されない方法で装置の様々な部分で
酸化して破損を生じさせ、また危険を作り出す。この問
題は、これら液体を処理する時には気相と液相の“熱時
分離”をおそらくは避けるべきであるという結論が得ら
れる程に重大である。第２図に示されるフローシートに
そう場合の別の問題点は、温度制御が困難であることで
ある。温度制御は、アメリカ特許２９０３４２５号明細
書に一般的に記載されている装置によって子熱器内で移
転される熱量を調節することにより行われる。しかし、
実施した場合この制御操作に必要な弁は詰まり、腐食し
、そのため制御は困難であり、多くの場合不満足なもの
である。本発明により、反応器、この反応器の子熱器、
動力回収手段、該予熱器を通じて彼処理液体と空気とを
該反応器に供給し、また該反応器からの酸化生成物を供
給される空気と液体の温度に近い温度にまで冷却する手
段、この低温で液相と気相とを分離する手段、この分離
手段からの比較的に乾燥し冷えたガス流中に制御量の水
を注入する手段、このガス流を該反応器からの生成物で
加熱して該注入水を実質上完全に蒸発させ、また所望な
らば超加熱するための手段、および、かくて発生された
ガス流を動力回収手段に送るための手段からなる湿式酸
化装置が提供される。

更に本発明により、反応器、その子熱器、動力回収手段
、該予熱器を通じて該反応器に被処理液体と空気を供給
する手段、反応器から出た直後にまたは反応器の上部内
で液相と気相とを分離するための手段、水蒸気の実質部
分を凝縮させるために気相を冷却するための手段、冷却
ガスを反応器排出温度に近い温度に再加熱する手段、お
よび再加熱ガスを動力回収手段に送るための手段からな
る湿式酸化装置も提供される。

第５，６図は本発明を例示しているフローダイヤグラム
である。

第５図において、導入される被処理液体と空気とは導管
１０、子熱器１２、導管１６を通って反応器１４に入る
。反応器からの排出流は１８で示され、これは熱交換器
（再加熱器２０）を通って子熱器１２に進み、ついで導
管２２を通って分離器２４に進み、ガス即ち蒸気は導管
２６、再加熱器２０、ついで導管２６を通って、機械的
エネルギー回収のためにエキスパンダ発電機２８に進む
。本明細書において、用語“空気”は純粋酸素を含め全
ての酸素含有ガスを示すために使用されている。

本装置により反応器排出流は、例えば反応器に導入され
る被処理液体および空気との熱交換により、また更には
液相から低温で分離されるガス流での冷却により再加熱
器（熱交換器）において冷却され、また一般には１４０
ｑｏ（２０００Ｆ）未満の、好ましくは聡℃（１５００
Ｆ）未満の低温に熱調整される。

液体と空気、あるいは液体は別個に、は加熱されて反応
器に入る。

反応器生成物はまずガス流と熱交換し、それにより装置
の最大温度を使用して該ガスを再加熱し、ついで第２熱
交換器に送られ、それにより反応器に導入される液体、
または液体と空気との混合物を加熱する。反応器からの
酸化生成物は、反応器に導入される液体、または液体と
空気の温度近くに冷却される。これは（技術的に）可能
であり、また経済的にも実行可能である。熱交換器のコ
ストと、酸化生成物から回収される熱の価値との間には
経済的採算（ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）が取れるであろう。
本発明の顕著な特徴は、ガス流を再加熱する熱交換器に
おいて酸化生成物から除かれる熱量により装置の制御が
可能である点である。

再放熱器内で酸化生成物から多すぎるか少すぎる熱が除
かれるならば、予熱器で利用できる熱は少すぎるか多す
ぎ、従って、装置温度は再加熱量の制御により制御でき
ることがわかる。これは、その流動制御が前に説明した
如く困難なので反応器から出る酸化生成物の制御によっ
ては達成されないが、被再加熱ガス流の水分含量、圧力
の調整により、またガス流を再加熱器を迂回させること
により達成される。水を６０で示される通り分離器から
の冷ガス中に注入でき、ガスと水とが加熱されるに従い
水は蒸発し、従って注入水の蒸発潜熱の形の大きな熱低
下が起きる。

一般には被再加熱ガスの圧力を反応器の圧力近くに維持
すれば充分であり、反応器とエキスパンダの間でのみ装
置圧力の低下がある。しかし、更に多くの熱を除くこと
が必要ならば、弁６２を使ってガスの圧力を反応器圧力
より実質上低くさせて再加熱器内で大量に蒸発させるこ
とにより、ガスの圧力を絞ることができる。ガスの圧力
を下げる時には更に低温でより多量の水が蒸発でき、従
って反応器排出流の温度が低下し、該排出流からより多
くの熱が除かれることは当業者に明らかであろう。一方
、子熱器により更に多くの熱を供給する必要があるなら
ば水の量を減らし、またガス流の圧力を高めることがで
きる。更に多くの熱を予熱器に供ｖ給しなければならな
いならばガスを再加熱器を迂回させることができる。ガ
ス流は清浄でまた比較的に低温であるだろうからこれは
容易な操作であろう。本発明の別の顕著な特徴は「気相
と液相とが低温で分離されることであり、これは“冷分
離’’と呼ぶことができる。

２つの溢式酸化装置を並べて下水スラッジ処理を行なう
設備においては、“熱時分離器”を用いて運転される装
置における分離効率が、冷分離を実施する第２の装置で
の分離効率よりはるかに劣ることが発見された。

この現象は他の湿式酸化装置でも実証されている。その
理由ははっきりとはわかっていないがこの現象は否定で
きない事実である。更に、上記“熱時分離器”装置のガ
ス流中の有機物質はアップダウン（ｕｐｄｏｗｍ）流ガ
スの処理装置を汚し、またつまらせる。熱時分離装置は
前述の如く操作の困難性と危険とにみまわれるが冷分離
装置ははるかに容易に運転・操作されると一般に言うこ
とができる。それゆえ本装置は、袷分離器を操作しなが
ら効率的な機械的動力回収を実施できる緑式酸化装置と
なる。本発明は、第２図のフロートシートが通常適用さ
れる下水スラッジの如き弱液体に応用される時に最も役
立つであろう。しかし、本発明は強液体にも有効に応用
して、前に列挙した如き時定の操作上の問題点をなくす
ことができる。第６図は、本発明の原理を利用して強液
体用湿式酸化装置を改良できることを示しているフロー
トシートである。気相と液相とは反応器３０を出た直後
にあるいは反応器の上部内で分離される。気相はまず再
加熱器３２に行き、ついで蒸気発生器に行く。ガス中の
水蒸気の多くは凝縮され、分離器３６による如くして装
置から液体凝縮物として除去される。乾燥ガスは再加熱
のためにエキスパンダー発電機１２８での膨張段階前に
導管３８によりまた膨張段階の間に導管４０，４２によ
り再加熱器に行く。ガスを多数回再加熱できることが本
発明の本適用の特徴である。ここでは２回の再加熱が示
されたが５回ないしそれ以上の再加熱が可能である。こ
れは、ガス流にはわずかな熱が加えられるのみではある
が、蒸発潜熱がガスから除かれ、また水蒸気流が反応器
から排出されるという事実により可能とされる。それゆ
え反応器排出流の温度低下値は分離器からの乾燥ガスの
温度上昇値よりはるかに小さい。第５図の実施態様にお
けるエキスパンダー発電機の代わり‘こ各段の間に再加
熱器３２を有する多段エキスパンダー発電機１２８を用
いることも可能である。本発明の適用に可能な多数の配
列があるが、その原理は第５図と第６図のフローシート
に明示されている。実施例 １ ５０夕／そのＣＯＤを持つ下水スラッジを、ＣＯＤ低下
率が８５％である緑式酸化に付した。

フローシートは第５図に示される通りであった。地点１
での空気と液体との温度は６鱗０（８ｙＦ）、地点４４
での反応器出口温度は４０７０（５２００Ｆ）、地点４
６での分離器温度は７３『０（１２００Ｆ）だった。反
応器圧力は約１０５【９／地（１５０奴ｓｊｇ）だった
。分離器からの冷ガスを約５６ｋ９／洲（８０岬ｓｉｇ
）の圧力に絞り、絞った後のガス中に約３００夕（０．
８４ポンド）／空気４５３夕（１ポンド）の水を注入し
た。ついでこの混合物を、水の全てを蒸発させるために
再加熱器内で加熱し、再加熱器から約３５１℃（４５４
０Ｆ）の温度で出し、ついでエキスパンダー発電機２８
に送った。このエキスパンダ／発電機の全効率は７０％
だつたので、スラッジと空気に対して必要なポンプ送り
動力の９３％が回収された。反応器入口（地点４８）温
度は４１１０Ｆであり、再加熱器を出た酸化スラツジお
よびガスの地点５０での温度は３３２℃（４３００Ｆ）
だった。実施例 ２ パルプ黒液を第６図の湿式酸化装置で酸化した。

装置圧力は２１０ｋ９／地（３００蛇ｓｉｇ）で、最大
反応器温度は４７ｙｏ（６０００Ｆ）だった。反応器か
らのガス流を３０７０（４０００Ｆ）に冷却し、気相と
液相とを分離した。ガスが３０７０（４０００Ｆ）の温
度で膨張して大気圧になると排気温度は−４５．が○（
一５００Ｆ）未満となり、排出ガス中の水は極めて小量
ではあっても凍結して操作を実施不可能とする。それゆ
えガスを加熱することが必要であった。再加熱は燃焼型
加熱器（ｆｉｒｅｄｈｅａｔｅｒ）を用いてもあるいは
蒸気を使っても達成できるが、これら方法は外部エネル
ギー源の使用を必要とする。本実施例ではエキスパンダ
を５段装置とし、ガスを初めの３段前に２６０℃（５０
００Ｆ）に、第４段前に３０７０（４０００Ｆ）に加熱
し、第５段前には再加熱しなかった。効率が７５％なの
で最終排気温度は３３ｑｏ（９２０Ｆ）であり、これは
装置に供給された空気の温度にほぼ等しかった。即ち、
エキスパンダの排気中に廃棄された熱は少なく、また再
加熱温度を調整することによりエキスパンダ排気温度を
、湿式酸化装置に供給される周囲空気よりも低い値に調
整できることがわかった。上記実施例において全加熱量
は１７雌ＴＵ／ガス４５３夕（１ポンド）であった。

反応器からのガスは再加熱器で約３０か０（５７ぷＦ）
に冷却されたが、蒸気発生のために十分な温度をまだ保
持していた。本明細書の開示において、動力回収エキス
パンダは発電機を運転するように示されているが、し、
かなる他の有用な装置、例えばコンブレッサー、ポンプ
等、にも同様に動力付与できる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は先行技術に係る湿式空気酸化を示すフロー
ダイヤグラムである。 第５図と第６図とは本発明を例示しているフローダイヤ
グラムである。１２……予熱器、１４，３０……反応器
、２０，３２・・・・・・再加熱器、２４，３６・・・
・・・分離器、２８，１２８・・・・・・エキスパンダ
ー発電機。 ＦＩＧ．ｌＦＩＧ．２ ＦＩＧ．３ ＦＩＧ．４ ＦＩＧ．５ ＦＩＧ．６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反応器、その予熱器、動力回収手段、該予熱器を通
   じて該反応器に被処理液を単独でまたは被処理液と空気
   とを供給する手段、該反応器からの酸化生成物を供給さ
   れる空気と被処理液との温度に近い温度に冷却する手段
   、およびその冷却で得られた低温で該酸化生成物の液相
   と気相とを分離する手段からなる湿式酸化装置において
   、分離手段２４からの比較的乾燥し冷えたガス流中に制
   御量の水を注入するための手段６０、該ガス流を該反応
   器からの生成物により加熱して注入水を実質上完全に蒸
   発させ、また所望ならば超加熱するための手段２０、お
   よび、かくて発生されたガス流を動力回収手段２８に送
   るための手段２６を含み、該反応器からの流れを冷却す
   る手段が、分離された、水を注入されたガス流を加熱す
   る熱交換器からなり、該予熱器は、該冷却手段を通過し
   た後の、該反応器からの被酸化生成物からの熱で加熱さ
   れる、ことを特徴とする装置。 ２ 冷却乾燥流を、ガス流加熱手段２０を迂回させるた
   めの迂回手段を有する、特許請求の範囲第１項に記載の
   湿式酸化装置。 ３ 動力回収手段２８が多段装置からなる、特許請求の
   範囲第１項または第２項に記載の湿式酸化装置。 ４ 多段装置の段の間でガスを再加熱する手段を有する
   、特許請求の範囲第３項に記載の湿式酸化装置。