連続的な熱加水分解プロセスおよび装置

 

有機物を含有する汚泥を連続的に熱加水分解する方法であって、
加圧蒸気(100)を前記汚泥中に注入すると同時に、前記汚泥と前記蒸気とを動的ミキサー注入器(4)を用いて混合して、単相混合物を得るステップと、
前記単相混合物を、加圧下で管状反応器(4)に移送し、前記汚泥中に存在する有機物の熱加水分解を可能とする十分な保持時間および十分な温度で、前記反応器中にこの混合物の栓流を生じさせるステップと、
前記単相混合物を、前記管状反応器からの出口において、これに含有される加水分解された有機物のその後の消化が可能となる温度まで冷却するステップと、
前記冷却された単相混合物を減圧するステップとを含む、方法。

 

 

本発明は、有機物を含有する汚泥を連続的に熱加水分解するための方法および装置に関する。これらの汚泥は、例えば家庭廃水の処理に由来するもの(浄化プロセスからの汚泥や、前処理操作に由来する油脂)であってもよく、また工業廃水の処理に由来するものであってもよく、排水物や油脂タンクから生じるものであってもよい。以下文献において、本明細書では「汚泥(sludge)」の用語を用いる。このような汚泥は、10重量%から50重量%の乾燥度を有する。
廃水の処理から生じる汚泥は、家庭と工業のどちらを起源とするものであっても、生物学的手段、特に嫌気性消化(anaerobic digestion)によって処理できる。
生物学的処理の目的は、これら汚泥に含有される有機物を分解することである。この分解は、汚泥の安定化、エネルギー生産の可能化、および/または、汚泥の再減量を目的とすることができる。しかしながら、ある種の有機化合物は、他の化合物よりも生物学的手段によって分解されにくく、熱加水分解による前処理によって生物学的分解プロセスを加速させることが知られている。この熱処理は、通常、加圧下において、100℃超の温度で、実際には220℃まで上昇させてもよく、所定時間、実際には通常30分間、行われる。このような熱加水分解処理を通じて、生分解性の低い有機物は、より生分解されやすい化合物に分解される。
旧来、その後の(subsequent:引き続き行われる)この生物学的分解は、嫌気的に操作される消化槽(digester)と呼ばれる閉鎖系の反応器(closed reactor)の内部で消化によって行うことができる。このような嫌気性の消化槽は、通常は加熱システムを要し、適正な一定温度で操作されなければ、また、適切に撹拌されなければ、正しく働くことができない。この撹拌は、消化槽に投入される汚泥が液状であるほど、すなわち粘度が低いほど、容易に行うことができる。
従来技術として、様々なタイプの熱加水分解法が知られている。中には、加水分解される汚泥を所定量ずつ非連続的に処理することによって行われるもの(バッチ操作と呼ばれる)もあれば、加水分解される汚泥の連続処理、または、少なくとも半連続処理が可能となるように設計された方法もある。
これらの熱加水分解の装置および方法に関する従来技術の中でも、特に特許文献国際公開第96/09882号および国際公開第2006/027062号を引用できるが、これらはどちらもバッチ処理法に関するものである。
このようなバッチ処理法には、処理すべき汚泥の異なるバッチごとに処理サイクルを管理しなければならないという欠点がある。
汚泥を熱加水分解によって連続的または半連続的に処理するための技術には、特許文献EP1198424に記載されている技術や、特許文献国際公開第2009/121873号に記載されている技術が含まれる。
EP1198424に記載されている技術では、汚泥は反応器内に運ばれ、130℃から180℃の輸送温度で、5分間から60分間の輸送時間をかけて移動する。このような処理によって加水分解された汚泥は、続いて熱交換器によって冷却され、消化槽のバイオマスを死滅させない程度まで温度が十分低下していることが確認される。このように回収されたエネルギーは、熱加水分解用の反応器に投入される前の汚泥を加熱するために用いられる。しかしながら、この技術は、蒸気回収ステップを実施するものであって、実際には管理が難しいことが判明しており、ユーザーにとって制約となっている。加えて、これらの蒸気回収ステップは、当該方法を、連続的というよりむしろ半連続的なものにしている。
特許文献国際公開第2009/121873号に記載されている技術では、汚泥は、蒸気が直接注入される管状の熱加水分解用の反応器中で、連続的に処理されている。
この方法は、真(truly)に連続的な方法であるという利点を有する。しかしながら、この方法は、熱加水分解によって汚泥を処理するために実用化されている既存の方法を格段に改良したものではあるが、それでもなお、いくつかの欠点を有している。
第一に、反応器に投入される加水分解される汚泥の粘度が高すぎる場合には、この中に蒸気を注入することが困難となる可能性がある。実際に、この方法は、乾燥比率または「乾燥固形分含有量」が高い汚泥を処理できる。ある乾燥比率を超えると、熱加水分解が不完全であったり、最適でなかったりする可能性があり、これにより、この熱加水分解よりも下流で行われる嫌気性消化のパフォーマンスが限定されることが考えられる。
第二に、本出願人が行った実験では、国際公開第2009/121873号に記載の方法で用いられた熱加水分解用の反応器の内部において熱的および機械的制約が認められ、特別な配置構造が必要となりうることが示された。ある乾燥比率を超える汚泥中では、注入された蒸気が完全に凝縮されないことが観察されたのである。実際に、反応器に注入された蒸気は、好ましい経路をたどることができる。この問題は、国際公開第2009/121873号でも確認されており、特にこの文献の5頁第1段落において、反応器が水平部分を有する場合、蒸気および汚泥は2層、すなわち蒸気を含有する上層と汚泥を含有する下層に分離しやすいことが指摘されている。
ここで、全ての熱加水分解法、特に連続的に機能するようなものにとって重要なフェーズ(phase:局面、相)となるのは、汚泥中への蒸気の移送と汚泥中での蒸気の凝縮である。実際、このフェーズが適切に行われない場合、熱加水分解法のパフォーマンスは、化学反応の観点からも、また、蒸気の使用量が増加するために経済的な観点からも、著しく低下することがある。
そのために、脱水汚泥の熱加水分解法において、効率的な方法で汚泥中に蒸気を注入することが困難となり、この結果、汚泥の粘度が高すぎる場合には、混合することも困難となる。元来、汚泥は粘度が高いため、乾燥度が高くなるほど、蒸気を汚泥中に注入すること、蒸気を汚泥と混合すること、および蒸気のエネルギーを汚泥に転移させて生分解性の低い化合物の熱加水分解を引き起こすことは困難となる。
バッチ法では、処理槽中で撹拌操作が実行されるように設計されており、処理対象となる汚泥と蒸気との完全な混合が促進される。撹拌槽中で生成されたこのような撹拌混合物を経て、汚泥と蒸気との混合は完全となり、最終的に、蒸気が汚泥中で凝縮されて、そのエネルギーがもたらされるのである。しかしながら、バッチ操作法と同様に連続操作法でも、主要な課題は汚泥の乾燥度に基づくものであり、実際に、本明細書において上記した特許文献中に記載され権利請求されている技術を、少なくとも工業化の規模に移行するには、汚泥を、乾燥物質が25重量%までに限定しなければならない。
特許文献国際公開第2009/121873号では、反応器中で静的または動的ミキサーを使用して、この蒸気と汚泥との混合状態を改良することが推奨されている。これについては、国際公開第2009/121873号の5頁最後の段落で説明されている。反応器の水平部分に蒸気が注入されるような場合に、特にこのようなミキサーが推奨されているのは、本明細書の上記で指摘したように、このような水平部分は、蒸気が好ましい放出経路を見出して(finding)汚泥と十分に混合せず、したがってそのエネルギーを適切に汚泥に伝えない特殊な傾向を持つ領域であることが確認されているからである。この傾向により、熱加水分解用の反応器のパフォーマンスは低下する。しかしながら、本出願人の知る限り、このような動的または静的ミキサーを使用した工業化の規模の実施形態は、商業化の規模の設備に有効に実施されているものは、今日までないことに留意すべきである。
さらに、これらの設備では、加水分解用の反応器が非常に長尺(length)である。この非常に長尺なものは、これに相当する長い保持時間、または汚泥および蒸気の反応器中での長い保持時間を有することによって、蒸気から汚泥へのエネルギー転移率を最適化できる。しかしながら、このように非常に長尺な反応器の生産原価は、必然的に高くなる。
本発明は、国際公開第2009/121873号に開示されている技術を改良した方法と、この方法の適用に関連した装置を提供することを目的とする。この文献は、本明細書で記載する発明に最も近い従来技術と考えられる。
特に、従来技術によって有効に使用されうる最大乾燥固形分含有量よりも高い乾燥固形分含有量を有する、熱加水分解の対象となる汚泥の処理を可能とし、旧来、汚泥の熱加水分解に引き続いて行われる消化のパフォーマンスを低下させることなく達成しうる方法と、その装置について記載することは、本発明の目的の1つである。
また、反応器中で、汚泥と蒸気とが均質な温度となる混合物を得て、パフォーマンス値の高い熱処理を実現し、不均質な温度に関連する反応器の機械的制約を排除することを可能にするような、この種の方法及び装置を提案することも、本発明の目的の1つである。
さらに、汚泥の加水分解に必要な蒸気の消費量を低減させる方法とその装置を開示することも、本発明の別の目的である。
さらに、従来技術のものに比べて容量が小さく、特に短尺な反応器の利用を可能とすると同時に、汚泥中の蒸気の凝縮を最適化するような方法と、その装置について記載することも、本発明の別の目的である。
さらに、汚泥の殺菌処理を可能にするような方法と、その装置について記載することも、本発明の別の目的である。
これらの目的の全てまたは一部は、まず、有機物を含有する汚泥を連続的に熱加水分解する方法に係る本発明によって、達成される。ここで、前記方法は、
加圧蒸気(pressurized steam)を前記汚泥中に注入すると同時に、前記汚泥と前記蒸気とを動的ミキサー注入器(dynamic mixer−injector)を用いて混合して、単相混合物(single−phase mixture)を得るステップと、
前記単相混合物を、加圧下で管状反応器(tube reactor)に移送し、前記汚泥中に存在する有機物の熱加水分解を可能とするのに十分な温度および十分な保持時間で、前記反応器中に流れ込むこの混合物の栓流(plug flow)を生じさせるステップと、
前記単相混合物を、前記管状反応器からの出口において、これに含有される加水分解された有機物のその後の消化が可能となる温度まで冷却するステップと、
前記冷却された単相混合物を減圧するステップと
を含む。
本記載において、「動的ミキサー注入器」という用語は、前記汚泥を連続的に受け入れる好ましくは円筒形のチャンバと、前記チャンバ中に直接蒸気を注入するための手段と、モータ駆動される機械的手段によって前記チャンバに投入される様々な相(phase)の激しい撹拌を促す手段とで構成されたあらゆるミキサーをいうと解されることに留意されたい。撹拌は、汚泥と蒸気との単相混合物を得ることを可能とするのに十分な強さで行われる。実際には、このような手段は、500rpmを超える速度、好ましくは1000rpmから2000rpmの速度で回転するロータで駆動する回転軸に取り付けた羽根によって、有利に構成できる。このような撹拌手段の目的は、物質をチャンバ中に押し込むことではなく、これを単に撹拌することである点に留意されたい。よって、撹拌手段に羽根が含まれる場合には、これらの羽根は、当業者の知識に基づいて、駆動された時に物質をチャンバに向かって動かすことがないような形状とされる。
本発明に係る連続的な熱加水分解法では、動的ミキサー注入器中の物質の保持時間は短い。したがって、ミキサー注入器の好ましくは円筒形のチャンバは、容量が小さくてよく、有利である。この結果、この物質がチャンバ内に通過する際の負荷損失も小さくなる。実際に、この負荷損失は10%よりも小さいはずである。
したがって、本発明の構成において使用されるミキサー注入器は、撹拌手段を備えたタンクで構成され、物質保持時間が長く、この物質を一度に一定量しか処理できないような単純なミキサーとは異なっている。
このミキサー注入器は、例えばウォームねじ(worm screw)を用いた装置のような、単純な汚泥移送装置とも異なる。
このように、本発明では、引き続き管状反応器中で実施される熱加水分解ステップの上流において、加圧蒸気と、加水分解される汚泥とを混合して、加熱した汚泥の完全な単相混合物を得ることを提案する。
このように、本発明によれば、汚泥を加圧蒸気と混合するフェーズは、熱加水分解のフェーズとは明らかに異なる。さらに、これらのフェーズはどちらも、独自の装置内で効率的に行われる。
熱加水分解に先立って行われる単相混合により、動的ミキサー注入器において、汚泥中で蒸気を凝縮させることが可能となる。この均質な混合物は、続いて反応器に運ばれ、栓流となって流れうる。単相で液相(liquid phase)の形態となって、混合物は、生分解性の低い化合物が最適化された方法で効率的に熱的に加水分解されうるような、均一またはほぼ均一な温度の反応器に投入される。
旧来、管状反応器からの出口において、加水分解された有機物を含有するこの単相混合物を、必要に応じて希釈し、引き続き行われる消化が可能となるような温度および濃度にする。
このように、本発明は、加水分解される汚泥と蒸気との混合が、熱加水分解用の反応器中ではなく、その上流で行われるという特徴によって、従来技術、特に特許文献国際公開第20069/121873号とは明らかに異なる。
このような選択肢は、反応器に組み込まれた静的または動的ミキサーを使用する可能性を示唆した、この従来技術の教示を脱却するものである。この従来技術では、熱加水分解が最適化されるほど均質な混合物を得ることはできない。本発明は、この課題を解決するものであり、この混合物を反応器の上流で生成することで、この反応器に投入される相を完全に均質なものにするとともに、十分な保持時間をかけて、言い換えれば十分な長さを備えた反応器によって、熱的に加水分解されうる全ての物質を加水分解しうるような方法で、蒸気によってこの混合物の内部に供給されたエネルギーを汚泥へと転移し得る。
反応器を通って移動する汚泥および蒸気が均質であれば、この混合物中の温度を均一にすることができる。このように温度が均一であれば、反応器の内部に蒸気を導入するための好ましい経路が必要でなくなり、この結果、このような好ましい流路の出現に伴う熱的および機械的な制約をなくすことができる。
特に、蒸気と汚泥とが完全に混合されれば、汚泥の粘度は一様に低下し、もって汚泥のせん断力に関連する機械的な影響(effect)をなくすことができる。
反応器の上流で加熱された汚泥の単相の均質な混合物(加水分解される汚泥と蒸気から得た)を、動的ミキサー注入器の内部において得ることは、乾燥固形分含有量が高く、特に乾燥固形分含有量が20重量%を超えるような汚泥の加水分解処理が可能になるという利点がある。
本発明の好ましい変形形態の1つによれば、前記単相混合物は、前記ミキサー注入器からの出口において、100℃から200℃の温度を有し(すなわち、反応器内が前記汚泥中に存在する有機物の熱加水分解が可能な温度であり)、および、絶対圧1バール(bar a)から絶対圧25バールの圧力下にある。本記載では、圧力の単位を絶対圧バールまたはbar aとしていることに留意されたい。
前記単相混合物は、前記ミキサー注入器からの出口において、150℃から170℃の温度を有し(すなわち、反応器内が前記汚泥中に存在する有機物の熱加水分解が可能な温度であり)、および、5バールから20バールの圧力を有することが有利である。
本発明の好ましい変形形態の1つによれば、単相混合物の生成に用いられる蒸気は、100℃から220℃の温度および絶対圧1バールから絶対圧23バールの圧力を有していてもよい。これらの全ての許容値のうち、この蒸気には、180℃から200℃の温度、絶対圧10バールから絶対圧16バールの圧力が選択されることが好ましい。
汚泥に供給される蒸気の量は、これら汚泥の乾燥固形分含有量や、加水分解される有機物の濃度に依存する。
本明細書で上記したように、単相混合物の反応器内部での保持時間は、有機物の熱加水分解が可能となるのに十分なものとされるが、原則として、10分間から2時間の範囲にあることが好ましく、20分間から40分間の範囲にあることが特に好ましい。
前記単相混合物の前記反応器内での保持時間は、少なくとも20分間で、反応器中の前記混合物の温度は、少なくとも100℃であることが有利であり、これにより、汚泥全体が、十分に長い時間、十分に高い温度の下で蒸気に曝されて、本発明の方法において前記汚泥の殺菌処理も可能となる。汚泥の殺菌を行うには、70℃超の温度を少なくとも20分間、汚泥に適用することが必要である。
本発明の好ましい変形形態の1つによれば、管状反応器の出口において、単相混合物に含有される加水分解された有機物の引き続き行われる消化が可能となる温度まで冷却するステップは、水および/もしくは汚泥の添加、並びに/または熱交換器の使用によって行ってもよい。これにより、この単相混合物を希釈することもできる。実際、このような希釈は、これらの熱的な加水分解された汚泥の引き続き行われる効率的な消化を可能とするために必要である。この混合物は、続いて十分に低い温度に到達し、消化槽中の生物相(biology)に合わせて十分に希釈される。
また、本発明に係る方法は、汚泥を動的ミキサー注入器に移送するために、これら汚泥の脱水および均質化のための予備的ステップを含むことが好ましく、これらの予備的ステップにより、汚泥は、10重量%から50重量%、有利には20重量%から35重量%の乾燥固形分含有量を有するものとされる。従来技術の装置では、実際には、25重量%を超える乾燥固形分含有量を有する汚泥は、効率的に加水分解できないことを思い起こ(recall)されたい。
本発明の方法の有利な変形形態の1つには、動的な混合を実施するための、汚泥の乾燥固形分含有量に応じた条件を適用するためのステップが含まれる。このように、動的ミキサー注入器には、羽根付ロータが含まれる。これらの羽根の回転速度は、乾燥固形分含有量によって変えることができるため、この乾燥固形分含有量が高くても、単相混合物を生成することが可能である。
別の態様によれば、本発明は、上記方法を実施するためのあらゆる方法を網羅するものでもあり、その方法は、
有機物を含有する汚泥を取り入れる手段と、
加圧蒸気を取り入れる手段と、
熱加水分解用の管状反応器と、
前記管状反応器よりも下流に設けられた希釈水および/または汚泥を注入する手段と、
前記管状反応器よりも下流に設けられた冷却手段とを含み、
熱加水分解用の前記管状反応器よりも上流に設けられた、少なくとも1つの動的ミキサー注入器と、
前記冷却手段よりも下流に設けられた減圧手段とを含むことを特徴とする。
本発明に係るこのような装置は、動的ミキサー注入器が、工業的な加水分解用の管状反応器の上流に配されており、熱加水分解用の反応器には組み込まれていないという特徴によって、国際公開第2009/121873号に開示された従来技術とは明らかに異なる。本明細書で上記したように、熱的に加水分解される汚泥を蒸気と混合するための機器の使用、すなわち動的ミキサーの使用、並びに、これら汚泥中に含有される熱的に加水分解可能な化合物を熱加水分解するための独自の機器、すなわち管状反応器によって、この熱加水分解用の管状反応器の働きが最適化される。この最適化によって、加水分解された化合物の含有量が高い、消化槽の内部で容易に消化可能な加水分解された汚泥を得ることになり、この管状反応器の小容量化が可能となる。
したがって、本発明に係るこのような装置によって、容量の小さな反応器中における汚泥の熱加水分解による処理が可能となる。これは、従来技術に比して無視できない経済的利点である。
すでに明記されているように、本発明を実施するにあたっては、様々なタイプの動的ミキサーを用いることができる。ただし、本発明に係る装置には、羽根付ロータを備えたチャンバを有する動的ミキサー注入器が設けられていることが有利であり、本明細書の上記において示したように、ロータの回転速度は、汚泥の乾燥固形分含有量に適合させることが可能で、実際には500rpm超、好ましくは1000rpmから2000rpmの間で回転される。羽根そのものの外形は、汚泥の乾燥固形分含有量および粘度に適合させることができる点に留意されたい。
特許国際公開第2009/121873号に係る従来技術は、その一般的な説明部分において、管状反応器としてあり得る形状のほとんど全てを提示している。ただし、この特許文献中に挙げられた技術の実施形態では、この反応器を横型に形成することが推奨されている。この特許文献国際公開第2009/121873号に記載された一実施形態では、管状反応器の一端部に汚泥の入口を設け、この端部の近傍に蒸気の注入口を設けて、加水分解された汚泥の出口をこの管状反応器の他端部に設け、この第2の端部に冷却水を注入する手段を設けている。この特許文献国際公開第2009/121873号に記載された別の実施形態では、熱加水分解用の管状反応器は、長尺(longer)な第2の水平部分から拡張(extend)された第1の鉛直部分を有している。これらの好ましい実施形態が、どれも比較的長尺な水平部分を有しているのは、十分長い保持時間の間、汚泥を蒸気と接触させなければならないという要請によるもので、これによって、熱加水分解が起こるだけでなく、この加水分解に先立って、反応器の起点で注入された蒸気が管状反応器中において汚泥中に凝縮され、汚泥の加水分解に必要なエネルギーが転移される。
本発明では、蒸気の注入は、動的ミキサー注入器を使用して、反応器の上流において行われるので、反応器内に到達するのは完全に混合された単相混合物であり、この反応器は、もはや凝縮器としては作用せず、熱加水分解用の反応器としてのみ作用すればよい。したがって、従来技術のものと比較して、その容量を小さくすることができる。実際、従来技術では、反応器は、凝縮器および反応器の両方として作用するため、大容量で、特に長尺なものとなっている。
本発明によれば、使用する熱加水分解用の反応器は、様々な形状とすることができる。ただし、好ましい変形形態の1つによれば、熱加水分解用の管状反応器は鉛直方向に配置され(縦型であり)、下端部に吸込口を、上端部に吐出口を有する。
別の好ましい変形形態によれば、この熱加水分解用の管状反応器は、第2の鉛直セクションから直接拡張(directly extended)された第1の鉛直セクションを有し、反応器の吸込口は、前記第1の鉛直セクションの基部に設けられ、前記反応器の吐出口は、前記第2の鉛直セクションの基部に設けられる。本発明の文脈においては、「第2の鉛直セクションから直接拡張された」第1の鉛直セクションという表現は、第1の鉛直セクションと第2の鉛直セクションとの間に直線的な水平セクションが設けられていないような実施形態を網羅すると解されることに留意されたい。実際、本発明に係る装置の管状反応器は、熱加水分解用の反応器であって、凝縮器としても作用する反応器ではないため、このような水平セクションは不要である。
さらに別の変形形態によれば、熱加水分解用の前記管状反応器は、第2の鉛直セクションに連結された第1の鉛直セクションを有し、反応器の吸込口は前記鉛直セクションのヘッド部に設けられ、前記反応器の吐出口は前記第2の鉛直セクションの基部に設けられる。
興味深い変形形態の1つによれば、本発明に係る装置は、反応器の下流に設けられた熱交換器も含む。
また、装置は、熱加水分解用の管状反応器内の圧力を維持するために、その装置内にポンプおよびバルブ、好ましくは一軸ねじポンプを含むことも有利である。
本発明および本発明の様々な利点は、下記図面を参照した実施形態の記載によって、より容易に理解されるであろう。
この浄化槽から下流に消化槽が設けられた設備に組み込んだ、本発明に係る汚泥の熱加水分解装置(一点鎖線で囲んだ部分)の概略図である。 本発明において使用しうる熱加水分解用の管状反応器の形態を表している図である。 本発明において使用しうる、別の形態の熱加水分解用の管状反応器を表している図である。 本発明において使用しうる、さらに別の形態の熱加水分解用の管状反応器を表している図である。 一方のグラフは、動的ミキサー注入器が組み込まれておらず、蒸気および汚泥が反応器のヘッド部分に運ばれるような、特許文献国際公開第2009/121873号に係る従来技術の設備の管状反応器の内部での温度推移を示し、他方のグラフは、動的ミキサー注入器が組み込まれており、蒸気および汚泥が内部で混合された後に均質な単相混合物の形態で反応器のヘッド部分に運ばれるような、本発明に相当する設備の管状反応器の内部での温度推移を示す。
図1には、本発明に係る装置が模式的に表されている。この装置1000は、消化槽9を含む設備に組み込まれているが、消化槽9は、本発明に係る装置自体の一部ではない。
このような設備は、溶解−消化(lysis−digestion:LD)法を実施するのに用いることができるが、本発明に係る方法を、いわゆる消化−溶解(DL)法や、消化−溶解−消化(DLD)法などの公知の従来技術の構成に組み込むことも可能であることに留意されたい。なお、いわゆるDL法の構成では、汚泥の一部は、加水分解された後に、消化槽に還流される。
まず、汚泥は遠心分離され、図1に示すように、パイプ1によってホッパ2に運ばれる。このホッパは、これら汚泥を均質化可能な2本のウォームねじを備えている。
これら2本のウォームねじは、動的ミキサー注入器4に汚泥を供給する供給ポンプ3に汚泥を押し込む役割も果たす。脱水され、均質化されてホッパ2から吐出された汚泥は、このようにポンプ3によってパイプへと送り込まれ、これら汚泥を誘導する手段を用いて、動的ミキサー注入器4へと誘導される。この動的ミキサー注入器4は、図1には示されていない蒸気発生装置によって発生された蒸気100を注入する手段も備えている。ミキサー注入器は、回転軸に取り付けられ、1000rpmから2000rpmの速度で回転するロータによって駆動される羽根からなる撹拌手段を備えた円筒形のチャンバを含む。この回転速度は、汚泥の乾燥固形分含有量に合わせて調整できる。ミキサー注入器内を連続的に移動する物質の保持時間は短く、実際に10分間よりも短い。羽根は、チャンバ内の物質を前へと動かすものではなく、物質を激しく撹拌するのみである。
動的ミキサー注入器4よりも上流には、洗浄水取入口200が配される。このような取水手段200を通して、必要に応じて動的ミキサー注入器を洗浄できる。
動的ミキサーからの出口において、このミキサーの内部で生成された単相混合物を、パイプによって熱加水分解用反応器5へと移送することができる。
この熱加水分解用反応器5の内部では、165℃から180℃の温度で、反応器の内方を絶対圧8バールから絶対圧10バールの圧力(この点について、特に汚泥の乾燥固形分含有量に応じて、これよりも低圧または高圧で実施してもよいことに留意されたい)に維持しながら、処理が行われる。
反応器5への入口に位置する水吸込口101は、設備の運転開始の際または設備のメンテナンスフェーズの間に実行されうる洗浄フェーズの間、洗浄水を反応器へと誘導可能にするために設けられている。
一方、反応器5からの出口には、非凝縮性のガスが生じた場合にこれを除去するためのドレイン102が設けられている。
反応器5中の加水分解された汚泥は、続いてパイプによって熱交換器7へと運ばれる。この熱交換器7に到達する前に、水注入手段201によって冷却水および希釈水が加水分解された汚泥中に誘導される。必要に応じて、交換器7の後でも、この希釈を行うことができる。
交換器7からの出口において、希釈された汚泥は消化槽9へと運ばれる。減圧ユニット8は、文字通り圧力を低下させるものであり、熱加水分解用反応器5内に生じている圧力を維持するために用いられる。本実施例では、このユニットは、熱交換器と消化槽との間に設けられた一軸ねじポンプからなる。その他の実施形態では、このユニットは、バルブや、この機能を果たすのに用いられる他のいかなるユニットからなるものであってもよい。
本発明に係る装置からの出口において、熱的に加水分解された汚泥は消化槽9へと送られ、既に熱加水分解されているためにそこで容易に消化されうる。
図1は、本発明に係る装置を組み込んだ設備の模式図であることを明示しておく。特に、汚泥と蒸気との単相混合物の熱加水分解を行う反応器5は、異なった形状を有していてもよい。これらの形状のうちの3つについて、図2、図3、および図4に示す。
図2に示すように、反応器5は縦型(vertical)の形状を有する。反応器の下部には、蒸気とともに加熱された汚泥の単相混合物の取入口501が設けられており、上部には、反応器からの吐出口502が設けられている。上部には、非凝縮性のガスを除去するためのドレイン503と、また反応器の内側に生じている圧力を測定するための手段が設けられている。
図3に示すように、熱加水分解用反応器は、その基部に汚泥と蒸気との単相混合物の取入口401が設けられた第1の鉛直セクションを有しており、この第1の鉛直セクションは、基部に加水分解された汚泥の放出口402が設けられた第2の鉛直部分に直接連結されている。これら2つの鉛直部分の間の接合部には、非凝縮性のガスが存在する場合にこれを除去するためのドレイン403が設けられている。また、反応器内の圧力および温度を測定する手段も配されている。この構成において、第2の鉛直セクション部分は、第1の鉛直セクションに直接連結されており、両者の間には水平なセクションがないことに留意されたい。
図4に示すように、熱加水分解用反応器は、ヘッド部に汚泥と蒸気との単相混合物の取入口601を備えた第1の鉛直セクションを有し、この第1の鉛直セクションは、基部に加水分解された汚泥の放出口602を備えた第2の鉛直部分に直接連結されている。これら2つの鉛直部分の間の接合部には、非凝縮性のガスが存在する場合にこれを除去するためのドレイン603が設けられている。また、反応器内の圧力および温度を測定する手段も配されている。このような構成において、第2の鉛直セクション部分は、第1の鉛直セクションに直接連結されており、両者の間に水平なセクションがないことに留意されたい。
図5は、熱加水分解用反応器の内部に生じた温度の経時変化を示している。
− 一方は、本発明において、熱加水分解用反応器の上流に設けた動的ミキサー注入器を使用したものであり、
− 他方は、従来技術に係る類似の設備において、動的ミキサー注入器を用いずに、反応器の基部に蒸気を注入したもの、である。
この図5に示すように、本発明では、反応器の内部に生じた温度は、設定温度に達するまで徐々に上昇し、設定温度に維持されて、その温度において、処理された汚泥中に含有される加水分解可能な有機化合物の最適な熱溶解が可能となっていることが分かる。
従来技術では、反応器内で認められた温度は、最初、注入される蒸気の温度である。その後、温度は大きく変化する。これは、この従来技術に係る技術では、蒸気と汚泥との完全な混合が、計画的には起こらないという事実に起因する。それどころか、反応器内部で認められた温度の変動は、この内部を流れる多くの相の存在に起因する。ここに記載した実施例では、蒸気は、汚泥が注入される速度(実際には3m/秒未満)よりも遥かに早い速度で(実際5m/秒超)注入されるため、蒸気は、この汚泥を通過する際に、好ましい通路を見出し、汚泥と完全には混合されず、そのエネルギーを効率的に汚泥に伝えられないのである。
対して、本発明に係る動的ミキサー注入器を加水分解用反応器の上流で用いることによって、混合物は、完全に液化した均質な単相混合物として、この反応器に到達する。したがって、この反応器中で栓流として流れうる。反応器内は、保持時間の間、設定温度に保たれる。したがって、蒸気のエネルギーは、最適化された方法で汚泥に転移され、生分解性の低い化合物を効率的に加水分解できる。
本発明を通じて、所定量の汚泥を加水分解するためのエネルギーの理論量と、この加水分解を得るために有効に使用された量とが、ほぼ一致することにも留意されたい。この点について、流体の温度を、温度Aから温度Bへと上昇させるのに必要なエネルギーを算出することが容易であることにも留意されたい。本出願人が行った実験の構成において、算出された蒸気の理論流速は、絶対圧13バールで1時間あたり蒸気25キログラムであり、実験によって汚泥を効率的に加水分解するために有効に必要であった蒸気の流速は、これと一致することが示された。
従来技術の設備では、汚泥を加熱するために有効に注入される蒸気の量(15kg/h)が、理論的に算出される量(25kg/h)よりも小さいために、加水分解される汚泥と蒸気との混合物が不完全であったことが示された。すなわち、汚泥中で凝縮されていない一定量の蒸気が存在していたのである。ここに記載した実験は、本発明への関心を裏付けるものである。
最後に、本発明によれば、従来技術の反応器の容量よりも、20%から25%も小さい容量の反応器の使用が可能となることに留意されたい。



  1. 有機物を含有する汚泥を連続的に熱加水分解する方法であって、
    加圧蒸気を前記汚泥中に注入すると同時に、前記汚泥と前記蒸気とを動的ミキサー注入器を用いて混合して、単相混合物を得るステップと、
    前記単相混合物を、加圧下で管状反応器に移送し、前記汚泥中に存在する有機物の熱加水分解をするとともに、前記反応器中にこの混合物の栓流を生じさせるステップと、
    前記単相混合物を、前記管状反応器からの出口において、これに含有される加水分解された有機物のその後の消化が可能となる温度まで冷却するステップと、
    前記冷却された単相混合物を減圧するステップと
    を含む、方法。

  2. 前記単相混合物が、前記ミキサー注入器からの出口において、100℃から200℃の温度を有し、および、絶対圧1バールから絶対圧25バールの圧力下にあることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

  3. 前記単相混合物が、前記ミキサー注入器からの出口において、150℃から170℃の温度を有し、および、絶対圧5バールから絶対圧20バールの圧力下にあることを特徴とする、請求項2に記載の方法。

  4. 前記単相混合物の生成に用いられる蒸気が、100℃から220℃、好ましくは180℃から200℃の温度を有し、および、絶対圧1バールから絶対圧23バール、好ましくは絶対圧10バールから絶対圧16バールの圧力下にあることを特徴とする、請求項2または3に記載の方法。

  5. 前記単相混合物の前記反応器内での前記保持時間が、10分間から2時間、好ましくは20分間から40分間であることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。

  6. 前記単相混合物の前記反応器内での前記保持時間が少なくとも20分間であり、前記混合物の前記反応器内での温度が少なくとも100℃であって、前記汚泥の殺菌を可能とすることを特徴とする、請求項5に記載の方法。

  7. 前記単相混合物が、前記反応器の下流において、水または汚泥が添加されることにより、冷却され、希釈されることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。

  8. 汚泥の脱水および均質化を行って、汚泥の乾燥固形分含有量を10%重量から50重量%、好ましくは20重量%から35重量%とする予備的ステップを含むことを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の方法。

  9. 請求項1から8のいずれか1項に記載の方法を実施するための装置であって、
    有機物を含有する汚泥を取り入れる手段と、
    加圧蒸気を取り入れる手段と、
    熱加水分解用の管状反応器と、
    前記管状反応器よりも下流に設けられた、希釈水および/または汚泥を注入する手段と、
    前記管状反応器よりも下流に設けられた冷却手段とを含み、
    前記熱加水分解用の管状反応器よりも上流に設けられた、少なくとも1つの動的ミキサー注入器と、
    前記冷却手段よりも下流に設けられた減圧手段とを含むことを特徴とする装置。

  10. 前記動的ミキサー注入器が、チャンバと、500rpm超、好ましくは1000rpmから2000rpmで回転する羽根付ロータとを有することを特徴とする、請求項9に記載の装置。

  11. 前記熱加水分解用の管状反応器が、鉛直方向に配置され、下端部に吸込口を、上端部に吐出口を有することを特徴とする、請求項9または10に記載の装置。

  12. 前記熱加水分解用の管状反応器が、第2の鉛直セクションから直接拡張された第1の鉛直セクションを有し、前記反応器の吸込口が、前記第1の鉛直セクションの基部に設けられ、前記反応器の吐出口が、前記第2の鉛直セクションの基部に設けられていることを特徴とする、請求項9または10に記載の装置。

  13. 前記熱加水分解用の管状反応器が、第2の鉛直セクションから直接拡張された第1の鉛直セクションを有し、前記反応器の吸込口が、前記第1の鉛直セクションの頂部に設けられ、前記反応器の吐出口が、前記第2の鉛直セクションの基部に設けられていることを特徴とする、請求項9または10に記載の装置。

  14. 前記反応器の下流に設けられた熱交換器を含むことを特徴とする、請求項9から13のいずれか1項に記載の装置。

  15. 前記熱加水分解用の管状反応器内の圧力を維持するためのポンプまたはバルブを含むことを特徴とする、請求項9から請求項14のいずれか1項に記載の装置。

 

 

Patent trol of patentswamp
類似の特許
装置およびプロセスは、水処理からの汚泥を加水分解するために、および加水分解された汚泥を嫌気性消化に適切なように調整するために提供される。提供される方法は、脱水された汚泥を生じるための脱水、蒸気供給プロセスにおける脱水された汚泥の加水分解、加水分解の前の汚泥間の熱伝達を伴う脱水された汚泥の予備加熱、および汚泥と水との間の熱伝達および水の注入を用いる汚泥の冷却および希釈、および加水分解された汚泥の嫌気的な消化を含む。提供される装置は、通常、垂直に方向付けられた向流式汚泥間熱交換器、加水分解反応器および付属する蒸気源、汚泥と水との間の熱交換器、および希釈ユニットを含む。いくつかの可変フローポンプおよびバルブに、プロセスを制御するために命令を出せるように温度および圧力検出器が配置される。
本発明は、エネルギー転換のために、有機材料、さらに詳しくはバイオマスを前処理するための方法および装置について記載し、該方法は予熱容器(4)を用いる第1予熱工程、加水分解反応器(5)を用いる加水分解工程および減圧容器(6)を用いる減圧工程を含み、該有機材料の前記予熱容器(4)から前記加水分解反応器(5)への移送は重力によっておよび前記反応器(5)内を真空にすることによって達成される。この方法により材料の前記予熱容器(4)から前記反応器(5)への非常に速い移送がもたらされる。さらに、前記反応器(5)の充填容量は高周波圧力センサおよび前記反応器の上部に水蒸気(3A)を供給することによって制御され、必要なヘッドスペースが提供される。本発明は該方法を実行するための装置についても記載する。
バイオマスの熱的生分解および脱水のための方法が記載され、該方法は以下の工程を含むことを特徴とする:生物学的残留材料(8)を消化槽(6)から脱水装置(9)に導きかつ前記材料を典型的には15〜25%乾物となるまで脱水する工程、脱水した前記材料(10)を装置(12)に導きかつ典型的には145〜170℃で典型的には10〜40分間熱加水分解を行う工程、加水分解したバイオマス(14)を迅速減圧に供し前記バイオマス中で水蒸気爆発がもたらされる工程、熱加水分解し水蒸気爆発させた高温の前記バイオマス(14)を、典型的には85〜105℃で閉鎖脱水ユニット(16)、典型的には遠心分離機内で、典型的には35〜60%乾物となるまで脱水する工程、脱水した前記バイオマス(18)を冷却器(19)、好ましくは空気冷却器内で冷却しかつ典型的には40〜75%乾物となるまで蒸発させることにより前記バイオマスをさらに脱水する工程、バイオガスを増産するために消化槽(6)の上流に、相当量の加水分解した有機物および熱を含む、液相(17)を前記脱水ユニット(16)から導く工程。また、前記方法を行うための装置も記載される。

本発明は、有機物熱加水分解システムにおいて、反応槽を1又は2以上使用して、PLC又はマイコンに格納された運転ロジッグの制御プログラムにより制御して、消化効率を高め、消化後の脱水における脱水ケーキを最小化し、反応槽から出る廃熱を調整槽予熱に使うように構成することで、運転エネルギを節約し、連続的に発生する廃熱を連続的に利用することができる有機物熱加水分解システムの運転ロジッグに関する。
【選択図】
図1
本発明は、放射性成分によって汚染されたリン酸溶液を除染槽(4)からリサイクルするための方法および設備に関する。消費されたリン酸溶液を含水シュウ酸溶液で希薄化することで、その際にシュウ酸鉄を分離させ、リン酸溶液を他の設備部品を除染するために使用する。前記除染槽(4)内でのリン酸(3b)の鉄イオン含有量を連続的に測定し、前記除染槽(4)からリン酸(3b)を連続的に取り出して、濃縮され浄化されたリン酸(3a)に交換することで、前記除染槽(4)内で溶解している鉄が特定の濃度を越えないようにする。本発明による解決手段には、リン酸溶液を除染槽からリサイクルするための設備内に、少量のリン酸溶液を循環させればよく、設備内の複数の槽に必要な作業容積が著しく低減されるという利点がある。その結果、電気化学的除染からの鉄(II)イオンのリン酸溶液の浄化を移動型設備を用いて行うことが可能である。
本発明は、切削機械加工により孔内で生じた切り屑を破断するためのユニットを備えた、孔内で切り屑を生じる切削機械加工用の装置に関する。装置は、長手方向軸を有する主要素(2)を備え、この主要素は、その長手方向軸に対して本質的に垂直に移動可能であるカッター(3)を有する少なくとも1つの可動カッターヘッド(1)を備えている。装置は、直線運動用機構を含む。カッター(3)上に切削油を噴射するためのノズル(9)がカッターヘッド(1)上に配置されており、ノズル(9)はカッターヘッドと共に移動可能である。液体ダクト(5)は、高圧の切削油用供給源およびノズルと連通状態にある。
酸化リンおよび金属酸化物を含む有機廃棄物、特に下水汚泥のリサイクル処理方法において、当該廃棄物は、塩素担体と混合され、続いて、0.85≦λ≦1.6の空気比で熱処理され、少なくとも部分的に酸化される。生成した金属塩化物は排出されて回収され、金属塩化物の排出後に、残留フラクションが単体リンの回収のために還元される。
本発明は、円筒状の穴(35)の複合型の精密旋削とホーニング加工をする装置(1)に関し、本発明による装置1は、送り可能なホーニング砥石(29)だけを有してもよく、また、加工中に送り可能な切削チップ(7)を有してもよい。
【選択図】図1
セメント・クリンカーの製造においてリンを含む代替燃料を回収する方法では、セメント・クリンカー製造工程のロータリー・キルンとは別の熱分解反応器内で、セメント・クリンカー製造工程からの廃熱を使用して代替燃料を熱分解し、それによって放出されたエネルギーをセメント・クリンカー製造工程に供給し、リンを含む代替燃料の熱分解残留物を熱分解反応器から排出し、それゆえ、熱分解反応器内で、リンを含む代替燃料の熱分解残留物を、ハロゲン担体としてのセメント・キルン・バイパス生成物と混合し、生成された重金属ハロゲン化物を取り出す。
本発明は、有機ミネラル肥料の主成分として用いられる生活および産業排水を殺菌するための技術に関するものである。提案される殺菌方法は、要求される殺菌度を達成するまで、1.0秒以下のパルス持続時間、20mmHg以下の圧力で、リザーバおよび高速作用バルブを用いて、下水汚泥への高速パルス減圧効果を及ぼすことによって行われる。本発明の使用の技術的結果は、殺菌工程の速度を上げること、およびその方法を簡略化することである。
To top