特許 6648350 超臨界水反応装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6648350

(24)【登録日】2020年1月17日

(45)【発行日】2020年2月14日

(54)【発明の名称】超臨界水反応装置

(51)【国際特許分類】

   B01J 3/00 20060101AFI20200203BHJP

   B08B 9/032 20060101ALI20200203BHJP

   F28G 9/00 20060101ALI20200203BHJP

【ＦＩ】

   B01J3/00 A

   B08B9/032 321

   F28G9/00 Z

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2019-565973(P2019-565973)

(86)(22)【出願日】2019年4月26日

(86)【国際出願番号】JP2019018101

【審査請求日】2019年11月28日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度〜平成３０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「再生可能エネルギー熱利用技術開発／その他再生可能エネルギー熱利用システム導入拡大に資する革新的技術開発／食品廃棄物の超臨界ガス化による再生可能熱の創生」にかかる委託研究，産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000211307

【氏名又は名称】中国電力株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504136568

【氏名又は名称】国立大学法人広島大学

(73)【特許権者】

【識別番号】592148878

【氏名又は名称】株式会社東洋高圧

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】和田 泰孝

(72)【発明者】

【氏名】谷川 博昭

(72)【発明者】

【氏名】松村 幸彦

(72)【発明者】

【氏名】野口 琢史

【審査官】 宮部 裕一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１４８１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−９３９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０５８１４３（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 米国特許第５９４１２５７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１８／０８３７９２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｊ ３／００

Ｆ２８Ｇ ９／００

Ｂ０８Ｂ ９／０２７−９／０３２

Ｃ０２Ｆ １／７４

Ｃ０２Ｆ １１／０８

Ｃ１０Ｊ ３／７２

Ｃ１０Ｊ ３／７８

Ｆ１７Ｄ ５／００

Ｃ０２Ｆ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被処理液が導入される内管及び熱媒が導入される外管を有する熱交換器と、
前記内管における前記被処理液の流速を算出するために必要な情報を検出する検出ユニットと、
前記被処理液に加わる圧力を変化させる圧力調整ユニットと、
所定のしきい値を記憶した制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記検出ユニットから得た情報に基づいて算出した前記被処理液の流速が前記しきい値よりも小さい場合に、前記被処理液に加わる圧力が大きくなるように前記圧力調整ユニットを制御する
超臨界水反応装置。

【請求項2】

前記検出ユニットは、前記熱交換器の上流側に設けられた第１圧力計と、前記熱交換器の下流側に設けられた第２圧力計とを含む
請求項１に記載の超臨界水反応装置。

【請求項3】

前記検出ユニットは、前記熱交換器の下流側に設けられた流量計を含む
請求項１又は２に記載の超臨界水反応装置。

【請求項4】

前記圧力調整ユニットは、前記被処理液を前記内管に導くために駆動する主ポンプを含む
請求項１から３のいずれか１項に記載の超臨界水反応装置。

【請求項5】

前記圧力調整ユニットは、前記被処理液を前記内管に導くために駆動する主ポンプとは別の補助ポンプを含む
請求項１から４のいずれか１項に記載の超臨界水反応装置。

【請求項6】

前記圧力調整ユニットは、前記内管の上流側に繋がる上流配管に接続されるアキュムレータと、前記アキュムレータと前記上流配管との間の接続及び分離を切り替えるアキュムレータバルブとを含む
請求項１から５のいずれか１項に記載の超臨界水反応装置。

【請求項7】

前記圧力調整ユニットは、前記内管の下流側に繋がる下流配管に接続される補助減圧器と、前記補助減圧器と前記下流配管との間の接続及び分離を切り替えるブローバルブと、を含む
請求項１から６のいずれか１項に記載の超臨界水反応装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超臨界水反応装置に関する。

【背景技術】

【0002】

バイオマス（焼酎残渣又は下水汚泥等）を超臨界水でガス化する技術が知られている。超臨界水反応装置には、内管及び外管を有する二重管式熱交換器が用いられる。バイオマスを含む被処理液が内管に供給され、被処理液を加熱するための熱媒が外管に供給される。例えば特許文献１には、二重管式熱交換器が用いられた装置の一例が記載されている。特許文献１においては、２つのピストンポンプが設けられることで、被処理液を連続的に反応器に送ることを可能にしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００−２７１４６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１のように被処理液が反応器に向けて連続的に送られる場合であっても、二重管式熱交換器の内管が固形物の堆積によって閉塞することがあった。

【0005】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱交換器の閉塞を防止することができる超臨界水反応装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の目的を達成するため、本発明の一態様に係る超臨界水反応装置は、被処理液が導入される内管及び熱媒が導入される外管を有する熱交換器と、前記内管における前記被処理液の流速を算出するために必要な情報を検出する検出ユニットと、前記被処理液に加わる圧力を変化させる圧力調整ユニットと、所定のしきい値を記憶した制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記検出ユニットから得た情報に基づいて算出した前記被処理液の流速が前記しきい値よりも小さい場合に、前記被処理液に加わる圧力が大きくなるように前記圧力調整ユニットを制御する。

【0007】

これにより、内管の中の被処理液の流速が所定値以下になると、圧力調整ユニットの作動によって被処理液の流速が一時的に上昇する。被処理液の流速が上昇すると、内管の内壁に付着していた副生成物が剥がれる。このため、圧力調整ユニットの作動が終了しても被処理液の流速が所定値以上に保たれる。その結果、超臨界水反応装置は、熱交換器の閉塞を防止することができる。

【0008】

超臨界水反応装置の望ましい態様として、前記検出ユニットは、前記熱交換器の上流側に設けられた第１圧力計と、前記熱交換器の下流側に設けられた第２圧力計とを含むことが好ましい。これにより、制御装置は内管の中の被処理液の流速を容易に演算することができる。

【0009】

超臨界水反応装置の望ましい態様として、前記検出ユニットは、前記熱交換器の下流側に設けられた流量計を含むことが好ましい。これにより、制御装置は内管の中の被処理液の流速を容易に演算することができる。

【0010】

超臨界水反応装置の望ましい態様として、前記圧力調整ユニットは、前記被処理液を前記内管に導くために駆動する主ポンプを含むことが好ましい。これにより、内管内の被処理液が上流側から押されるので、被処理液の流速が一時的に大きくなる。

【0011】

超臨界水反応装置の望ましい態様として、前記圧力調整ユニットは、前記被処理液を前記内管に導くために駆動する主ポンプとは別の補助ポンプを含むことが好ましい。これにより、内管内の被処理液が上流側から押されるので、被処理液の流速が一時的に大きくなる。

【0012】

超臨界水反応装置の望ましい態様として、前記圧力調整ユニットは、前記内管の上流側に繋がる上流配管に接続されるアキュムレータと、前記アキュムレータと前記上流配管との間の接続及び分離を切り替えるアキュムレータバルブとを含むことが好ましい。これにより、内管内の被処理液が上流側から押されるので、被処理液の流速が一時的に大きくなる。

【0013】

超臨界水反応装置の望ましい態様として、前記圧力調整ユニットは、前記内管の下流側に繋がる下流配管に接続される補助減圧器と、前記補助減圧器と前記下流配管との間の接続及び分離を切り替えるブローバルブと、を含むことが好ましい。これにより、内管内の被処理液が下流側から引かれるので、被処理液の流速が一時的に大きくなる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、熱交換器の閉塞を防止することができる超臨界水反応装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本実施形態に係る超臨界水反応装置の模式図である。

【図2】図２は、本実施形態に係る熱交換器の模式図である。

【図3】図３は、本実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。

【図4】図４は、内管を流れる被処理液の流速の変化を概念的に示すグラフである。

【図5】図５は、本実施形態に係る閉塞物除去方法を示すフローチャートである。

【図6】図６は、探査工程を説明するための模式図である。

【図7】図７は、探査工程を説明するための模式図である。

【図8】図８は、探査工程を説明するための模式図である。

【図9】図９は、探査工程を説明するための模式図である。

【図10】図１０は、探査工程を説明するための模式図である。

【図11】図１１は、加圧工程を説明するための模式図である。

【図12】図１２は、加圧工程を説明するための模式図である。

【図13】図１３は、第１変形例に係る制御装置の機能ブロック図である。

【図14】図１４は、第２変形例に係る制御装置の機能ブロック図である。

【図15】図１５は、第３変形例に係る制御装置の機能ブロック図である。

【図16】図１６は、第４変形例に係る制御装置の機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

【0017】

（実施形態）
図１は、本実施形態に係る超臨界水反応装置の模式図である。図２は、本実施形態に係る熱交換器の模式図である。図３は、本実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。図４は、内管を流れる被処理液の流速の変化を概念的に示すグラフである。

【0018】

本実施形態に係る超臨界水反応装置１は、加水分解によってバイオマスを、水素、メタン、エタン、一酸化炭素及び二酸化炭素等を含むガスに変化させるための装置である。バイオマスは、例えば焼酎残渣又は下水汚泥等である。

【0019】

図１に示すように、超臨界水反応装置１は、調整タンク１１と、破砕機１２と、主ポンプ１３（圧力調整ユニット５）と、熱交換器３と、予熱器１４と、反応器１５と、冷却器１６と、主減圧器１７と、気液分離器１８と、ガスタンク１９と、触媒回収器２０と、補助ポンプ２２と、アキュムレータ２３と、アキュムレータバルブ２４と、補助減圧器２５と、ブローバルブ２６と、第１圧力計２７（検出ユニット４）と、第２圧力計２８（検出ユニット４）と、流量計２９と、制御装置９と、を備える。

【0020】

調整タンク１１は、バイオマス、水及び触媒を混合するための容器である。触媒は、例えば粉末状の活性炭である。調整タンク１１は、被処理液（バイオマス、水及び触媒の懸濁液）を作製する。反応物は破砕機１２に送られる。

【0021】

破砕機１２は、被処理液の中のバイオマスを破砕するための装置である。破砕機１２は、バイオマスの粒径を小さくし且つ実質的に均一にする。バイオマスの粒径のばらつきは小さい方が好ましい。

【0022】

主ポンプ１３は、バイオマスが破砕された後の被処理液に圧力を加えるための装置である。主ポンプ１３は、例えば多連プランジャポンプである。図１に示すように主ポンプ１３は、配管１０１を介して熱交換器３に接続されている。

【0023】

熱交換器３は、反応前の被処理液と、反応器１５で生成された生成物との間で熱交換するための装置である。図２に示すように熱交換器３は、内管３１と、内管３１の外側に配置された外管３２と、を備える。すなわち、熱交換器３は二重管式熱交換器である。反応前の被処理液が内管３１に供給される。反応器１５で生成された生成物が外管３２に供給される。外管３２は断熱材で覆われている。熱交換器３は、例えば溶接によって形成された複数の管がねじ込み継手で接合されることで形成されている。熱交換器３の長さは例えば１００ｍ程度である。

【0024】

図２に示すように、例えば内管３１は、バルブ１０１１を介して配管１０１に接続されており、バルブ１０３１を介して配管１０３に接続されている。例えば、内管３１の内径は約８ｍｍである。内管３１は、分岐管３１１と、分岐管３１１に設けられるバルブ３１ａと、分岐管３１２と、分岐管３１２に設けられるバルブ３１ｂと、分岐管３１３と、分岐管３１３に設けられるバルブ３１ｃと、を備える。分岐管３１１はガスボンベ３８に接続されている。ガスボンベ３８には例えば窒素が充填されている。分岐管３１２及び分岐管３１３の端部は開放されている。

【0025】

予熱器１４は、熱交換器３を通過した被処理液の温度を所定の温度まで上昇させるための装置である。予熱器１４は、配管１０３で熱交換器３の内管３１と接続されている。予熱器１４には、例えば燃料、酸素及びガスタンク１９に貯留されたガスが供給される。燃料は例えば液化石油ガス（ＬＰＧ：Liquefied Petroleum Gas）等である。燃料及びガスタンク１９のガスが燃焼することで予熱器１４の温度が上昇する。なお、必ずしもガスタンク１９に貯留されたガスが予熱器１４に供給されなくてもよい。

【0026】

反応器１５は、予熱器１４を通過した被処理液を、超臨界水を用いて分解するための装置である。反応器１５は、配管１０４で予熱器１４と接続されている。超臨界水は、水の臨界温度（３７４℃）以上の温度及び水の臨界圧力（２２．１ＭＰａ）以上の圧力を有する水蒸気である。例えば、反応器１５における超臨界水の温度は約６００℃である。反応器１５における超臨界水の圧力は約２５ＭＰａである。反応器１５には、例えば燃料、酸素及びガスタンク１９に貯留されたガスが供給される。燃料及びガスタンク１９のガスが燃焼することで生じた熱により超臨界水が生成される。なお、必ずしもガスタンク１９に貯留されたガスが反応器１５に供給されなくてもよい。反応器１５で生成された生成物（ガス、灰分、活性炭及び水の混合物）は、配管１０５を介して熱交換器３の外管３２に送られる。

【0027】

熱交換器３の外管３２に供給された生成物は、内管３１を通過する被処理液と熱交換する。すなわち、外管３２に供給された生成物は、被処理液を加熱する熱媒である。外管３２を通過したガスの生成物は、例えば約１２０℃まで下がる。

【0028】

冷却器１６は、熱交換器３を通過した生成物の温度を所定の温度まで低下させるための装置である。冷却器１６は、配管１０６で熱交換器３の外管３２と接続されている。

【0029】

主減圧器１７は、冷却器１６を通過した生成物の圧力を降下させるための装置である。主減圧器１７は、配管１０７で冷却器１６と接続されている。例えば、主減圧器１７はキャピラリーチューブである。

【0030】

気液分離器１８は、生成物を灰分、活性炭及び水を含む液体成分と、ガスとに分離するための装置である。気液分離器１８は、配管１０８で主減圧器１７に接続されている。

【0031】

ガスタンク１９は、気液分離器１８で液体成分と分離されたガスを貯留する容器である。ガスタンク１９は、予熱器１４及び反応器１５に接続されており、ガスを予熱器１４及び反応器１５に供給することができる。

【0032】

触媒回収器２０は、気液分離器１８でガスと分離された液体成分から触媒を回収するための装置である。触媒回収器２０は、例えば触媒と灰分との間の沈降速度（終端速度）の違いを利用して液体成分から触媒を分離する。

【0033】

補助ポンプ２２は、配管１０１に接続されたポンプである。補助ポンプ２２は、例えばプランジャポンプである。補助ポンプ２２は、配管１０１を流れる被処理液に圧力を加えることができる。超臨界水反応装置１が正常である時、補助ポンプ２２は停止している。

【0034】

アキュムレータ２３は、高圧流体が蓄えられた装置である。アキュムレータ２３に蓄えられた流体の圧力は、例えば超臨界水反応装置１が正常である時の配管１０１内の圧力より大きい。アキュムレータ２３は、アキュムレータバルブ２４を介して配管１０１に接続されている。アキュムレータバルブ２４は、配管１０１とアキュムレータ２３との間の接続及び分離を切り替えるバルブである。超臨界水反応装置１が正常である時、アキュムレータバルブ２４は閉じている。

【0035】

補助減圧器２５は、例えばキャピラリーチューブである。補助減圧器２５は、ブローバルブ２６を介して配管１０７に接続されている。ブローバルブ２６は、補助減圧器２５と配管１０７との間の接続及び分離を切り替えるバルブである。超臨界水反応装置１が正常である時、ブローバルブ２６は閉じている。

【0036】

第１圧力計２７は、熱交換器３の内管３１の上流側に設けられた圧力計である。第１圧力計２７は、配管１０１に設けられている。第１圧力計２７は、内管３１に入る前の被処理液に加わっている圧力を計測する。

【0037】

第２圧力計２８は、熱交換器３の内管３１の下流側に設けられた圧力計である。第２圧力計２８は、配管１０３に設けられている。第２圧力計２８は、内管３１から排出された被処理液に加わっている圧力を計測する。

【0038】

流量計２９は、熱交換器３の内管３１の下流側に設けられる。流量計２９は、配管１０３に設けられている。流量計２９は、内管３１から排出された被処理液の流量を計測する。

【0039】

制御装置９は、例えばコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、インターフェース（Ｉ／Ｆ）等を備える。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェース（Ｉ／Ｆ）が連携することで、制御装置９の各機能が実現する。

【0040】

図３に示すように、制御装置９は、流速演算部９１と、比較部９２と、記憶部９３と、制御部９４と、を含む。流速演算部９１は、第１圧力計２７及び第２圧力計２８（検出ユニット４）から信号を受け取る。流速演算部９１は、第１圧力計２７及び第２圧力計２８から得た情報と、記憶部９３にある情報とに基づいて、内管３１の中の被処理液の流速を演算する。例えば記憶部９３が、第１圧力計２７の計測値及び第２圧力計２８の計測値の差（差圧）と、内管３１の中の被処理液の流速との関係を記憶している。差圧と内管３１の中の被処理液の流速との関係は、例えば予め実験等で求められる。

【0041】

比較部９２は、流速演算部９１が算出した流速を、記憶部９３に記憶された流速のしきい値Ｖ（図４参照）と比較する。比較部９２は、流速演算部９１が算出した流速がしきい値Ｖより小さかった場合に、制御部９４に信号を送る。

【0042】

比較部９２から信号を受けた制御部９４は、被処理液に加わる圧力が大きくなるように主ポンプ１３（圧力調整ユニット５）を制御する。これにより、図４に示すように内管３１の中の被処理液の流速が上昇する。

【0043】

被処理液が熱交換器３で加熱される過程において、副生成物（例えばチャー又はタール等）が生成される。副生成物は微粒子の状態で被処理液中を浮遊する。副生成物の粒径が大きくなると副生成物が沈降しやすくなる。沈降した副生成物は内管３１の内壁に付着する。特に、内管３１の内壁にある溶接のビード又は内管３１の屈曲部周辺で副生成物が堆積しやすい。内管３１の内壁に堆積した副生成物の量が多くなると、副生成物が内管３１の閉塞物となり、内管３１が閉塞する可能性がある。上述した特許文献１のように、被処理液に連続的に圧力が加えられる場合であっても、内管３１の中の被処理液の流速が常に十分な大きさになるとは限らない。このため、被処理液の流速の低下が繰り返されることにより内管３１が閉塞することがある。

【0044】

これに対して、本実施形態においては、検出ユニット４、制御装置９及び圧力調整ユニット５があることで、内管３１の中の被処理液の流速が所定値以下になると、被処理液の流速が一時的に上昇する。被処理液の流速が上昇すると、内管３１の内壁に付着していた副生成物が剥がれる。このため、圧力調整ユニット５の作動が終了しても被処理液の流速が所定値以上に保たれる。その結果、内管３１における閉塞が防止される。

【0045】

なお、主ポンプ１３は必ずしも多連プランジャポンプでなくてもよく、その他の種類のポンプ（例えばピストンポンプ）であってもよい。補助ポンプ２２は、必ずしもプランジャポンプでなくてもよく、その他の種類のポンプ（例えばピストンポンプ）であってもよい。

【0046】

アキュムレータ２３は、内部の流体の圧力を高めるためのポンプに接続されていてもよい。例えば、補助ポンプ２２がアキュムレータ２３に接続されており、アキュムレータ２３の内部の流体の圧力が低下した時に補助ポンプ２２によってアキュムレータ２３が加圧されてもよい。

【0047】

なお、補助減圧器２５及びブローバルブ２６は、必ずしも配管１０７に配置されていなくてもよく、少なくとも熱交換器３の下流側に位置する配管に配置されていればよい。例えば、補助減圧器２５及びブローバルブ２６が配管１０３に配置されていてもよい。

【0048】

なお、本実施形態に係る超臨界水反応装置１においては、流量計２９、補助ポンプ２２、アキュムレータ２３、アキュムレータバルブ２４、補助減圧器２５及びブローバルブ２６はなくてもよい。

【0049】

図５は、本実施形態に係る閉塞物除去方法を示すフローチャートである。図６は、探査工程を説明するための模式図である。図７は、探査工程を説明するための模式図である。図８は、探査工程を説明するための模式図である。図９は、探査工程を説明するための模式図である。図１０は、探査工程を説明するための模式図である。図１１は、加圧工程を説明するための模式図である。図１２は、加圧工程を説明するための模式図である。

【0050】

仮に内管３１が副生成物によって閉塞した場合、超臨界水反応装置１は停止させられる。例えば、流量計２９の流量が所定値以下になった場合に超臨界水反応装置１が停止する。超臨界水反応装置１が停止すると、被処理液の流れが停止する一方、熱交換器３の温度は高いままである。このため、被処理液が過熱され炭化が進行する。また、内管３１内の圧力低下に伴い水分が蒸発しやすくなるので、被処理液が触媒（活性炭）と共に固形化する。熱交換器３がある程度冷却された後、閉塞物を除去するために内管３１に高圧の水が供給される。これにより閉塞物が内管３１から排出されることもあるが、閉塞物が内管３１の一部（溶接のビード又は内管３１の屈曲部周辺等）に集積し、閉塞物の圧密が生じることがある。このような場合、閉塞物を除去するための清掃が必要となる。ただし熱交換器３を分解することは困難であるため、閉塞物を直接除去することはできない。また、高圧の気体を内管３１に供給することで閉塞物が除去される可能性もあるが、長い時間を要するため超臨界水反応装置１の稼働率を低下させる点で望ましくない。

【0051】

図５に示すように、本実施形態に係る閉塞物除去方法は、探査工程Ｐ１と、挿入工程Ｐ２と、注入工程Ｐ３と、引抜工程Ｐ４と、加圧工程Ｐ５と、排出確認工程Ｐ６と、水洗工程Ｐ７と、再洗浄工程Ｐ８と、を含む。

【0052】

作業者は、まず閉塞物３９（図６参照）の位置を特定する（探査工程Ｐ１）。例えば閉塞物３９がバルブ３１ｃと内管３１の下流側端部との間にあるとする。探査工程Ｐ１においては、まず内管３１の一端が開放させられる。例えば配管１０３（図２参照）が内管３１から外される。そして、内管３１の一端にあるバルブ１０１１及び内管３１の中間にあるバルブ３１ｂが開けられる。内管３１に設けられたその他のバルブ（バルブ３１ａ及びバルブ３１ｃ）は閉められる。そして、主ポンプ１３によって水が配管１０１を介して内管３１に供給される。バルブ１０１１とバルブ３１ｂとの間に閉塞物がないので、図６の破線で示すように水が流れる。次にバルブ３１ｂが閉められ、バルブ３１ｂの下流側に位置するバルブ３１ｃが開けられる。バルブ３１ｂとバルブ３１ｃとの間に閉塞物がないので、図７の破線で示すように水が流れる。次にバルブ３１ｂ及びバルブ３１ｃの両方が閉められる。バルブ３１ｃの下流に閉塞物３９があるので、図８に示すように水が流れなくなる。このため、作業者は、探査工程Ｐ１によりバルブ３１ｃと内管３１の下流側端部との間に閉塞物３９があることを認識できる。

【0053】

次に作業者は、可撓性チューブ３５を内管３１に挿入する（挿入工程Ｐ２）。可撓性チューブ３５の材質は特に限定されない。例えば、可撓性チューブ３５はシリコンで形成されていてもよいし、ポリテトラフルオロエチレンで形成されていてもよい。可撓性チューブ３５の外径は内管３１の内径より小さい。例えば、可撓性チューブ３５の外径は約２ｍｍである。可撓性チューブ３５は、図９に示すように内管３１の可撓性チューブ３５を挿入できる部分（上流側端部、バルブ３１ｂ、バルブ３１ｃ、及び下流側端部）のうち閉塞物３９から最も近い箇所（バルブ３１ｃ）から内管３１に挿入される。可撓性チューブ３５と内管３１の内壁との間の摩擦を低減するため、潤滑剤として界面活性剤等が可撓性チューブ３５の表面に塗布されていてもよい。可撓性チューブ３５は、図１０に示すように先端が閉塞物３９に当たるまで内管３１に挿入される。可撓性チューブ３５が閉塞物３９から最も近い箇所から内管３１に挿入されるので、可撓性チューブ３５が短くて済む。また、注入工程Ｐ３で使用される界面活性剤の量が少なくて済む。

【0054】

次に作業者は、可撓性チューブ３５に界面活性剤を注入する（注入工程Ｐ３）。例えば注射器３６が使用される。図１０に示すように、注射器３６の先端が可撓性チューブ３５の端部に連結された後、注射器３６に圧力が加えられる。可撓性チューブ３５の先端は閉塞物３９に接しているので、界面活性剤が閉塞物３９に塗布される。より具体的には、可撓性チューブ３５に界面活性剤の水溶液が注入される。水溶液中の界面活性剤の質量パーセント濃度は例えば７％である。界面活性剤は、疎水基を有するので、活性炭を含む閉塞物３９に水よりも浸透しやすい。界面活性剤の一例としては、両性界面活性剤であるアルキルアミンオキシドが挙げられる。界面活性剤は、非イオン界面活性剤又は陽イオン界面活性剤であればより好ましい。両性界面活性剤、非イオン界面活性剤及び陽イオン界面活性剤は、陰イオン界面活性剤と比較して、閉塞物３９に含まれる活性炭に吸着しやすいので、閉塞物３９を分解しやすい。

【0055】

次に作業者は、可撓性チューブ３５を内管３１の外に引き抜く（引抜工程Ｐ４）。可撓性チューブ３５が内管３１から出された後、バルブ３１ｃが閉められる。

【0056】

次に作業者は、内管３１に気体を供給し加圧する（加圧工程Ｐ５）。内管３１に供給される気体は例えば窒素である。図１１に示すように、バルブ３１ａが開けられることでガスボンベ３８から内管３１に向かって窒素が流れ込む。内管３１は窒素により加圧される。例えば、内管３１に気体を供給する前に、図１１に示すように内管３１の開放した端部（下流側端部）に回収容器３７が設けられる。界面活性剤が閉塞物３９に浸透する早さは内管３１内の圧力に比例するので、界面活性剤の閉塞物３９への浸透が促進される。また、水は閉塞物３９を通過することができないが、気体は閉塞物３９をある程度通過する。閉塞物３９には上流側からだけではなく通過する気体からも圧力が加わるので、界面活性剤の閉塞物３９への浸透がより促進される。閉塞物３９は炭化物であるため、界面活性剤の疎水基と親和性を有する。このため、閉塞物３９が徐々に崩壊していく。閉塞物３９に穴が開くと、圧力が加わった気体が一気に放出される。気体の流れに乗って閉塞物３９が回収容器３７に向かって排出される。

【0057】

例えば内管３１内の圧力は、ガスボンベ３８により約１４．７ＭＰａまで上昇する。さらに、図１１に示すように、主ポンプ１３を駆動させることで配管１０１側から内管３１に圧力が加えられてもよい。これにより、内管３１内の圧力を主ポンプ１３の設計圧力まで上昇させることができる。例えば主ポンプ１３が高圧ピストンポンプであれば、主ポンプ１３の設計圧力は約２９ＭＰａである。

【0058】

加圧工程Ｐ５を所定時間継続した後、内管３１から閉塞物３９が排出された場合（排出確認工程Ｐ６、Ｙｅｓ）、作業者は内管３１に水を送る（水洗工程Ｐ７）。例えば主ポンプ１３を用いて内管３１に水が供給される。界面活性剤は親水基を有するので水と親和性を有する。加圧工程Ｐ５で除去されなかった閉塞物３９が水と共に洗い流される。また、内管３１の内壁に付着した界面活性剤が洗い流される。

【0059】

加圧工程Ｐ５を所定時間継続した後、内管３１から閉塞物３９が排出されなかった場合（排出確認工程Ｐ６、Ｎｏ）、作業者は閉塞物３９の位置を再度特定する（探査工程Ｐ１）。閉塞物３９は、必ずしも一箇所だけにあるとは限らない。すなわち、複数箇所において閉塞物３９が生じている可能性がある。このため、注入工程Ｐ３で界面活性剤が塗布されなかった他の閉塞物３９を除去するために、探査工程Ｐ１から加圧工程Ｐ５までが繰り返される。

【0060】

水洗工程Ｐ７の後、作業者は、内管３１に過酸化水素水を送る（再洗浄工程Ｐ８）。過酸化水素水を内管３１に送ることで、水洗工程Ｐ７でも除去できなかった閉塞物３９の一部又はその他の異物が除去される。例えば主ポンプ１３を用いて内管３１に過酸化水素水が供給される。過酸化水素水は、所定温度に加熱される。

【0061】

閉塞物３９と同じ物質（以下、実験対象）に対して実験が行われた。第１の実験対象は界面活性剤の水溶液に６か月間浸された。界面活性剤はアルキルアミンオキシドである。水溶液中の界面活性剤の質量パーセント濃度は例えば７％である。第２の実験対象は水に６か月間浸された。第１の実験対象及び第２の実験対象に加わる大気圧以外の圧力は０．０００４ＭＰａであった。実験の結果、第１の実験対象が崩壊した一方、第２の実験対象は元の形状をほぼ保っていた。これにより、閉塞物３９を内管３１から除去するために界面活性剤が有効であることがわかる。また、界面活性剤が閉塞物３９に浸透する早さは閉塞物３９に加わる圧力に比例する。このため、上述した加圧工程Ｐ５において内管３１に加えられる圧力が仮に２９ＭＰａであった場合、界面活性剤が閉塞物３９に浸透する早さは実験に比べて７２５００倍程度となる。すなわち、加圧工程Ｐ５が３．５分程度保たれると閉塞物３９が崩壊することが予測される。

【0062】

なお、探査工程Ｐ１において必ずしも配管１０１を介して内管３１に気体が供給されなくてもよい。例えば、配管１０３を介して内管３１に気体が供給されてもよい。また、挿入工程Ｐ２において可撓性チューブ３５は、分岐管３１３ではなく、例えば内管３１の下流側端部から挿入されてもよい。

【0063】

なお、閉塞物除去方法において上述した探査工程Ｐ１、排出確認工程Ｐ６、水洗工程Ｐ７及び再洗浄工程Ｐ８はなくてもよい。閉塞物除去方法は、少なくとも挿入工程Ｐ２、注入工程Ｐ３、引抜工程Ｐ４及び加圧工程Ｐ５を含むことで閉塞物３９を除去できる。

【0064】

以上で説明したように、超臨界水反応装置１は、被処理液が導入される内管３１及び熱媒が導入される外管３２を有する熱交換器３と、内管３１における被処理液の流速を算出するために必要な情報を検出する検出ユニット４と、被処理液に加わる圧力を変化させる圧力調整ユニット５と、所定のしきい値Ｖを記憶した制御装置９と、を備える。制御装置９は、検出ユニット４から得た情報に基づいて算出した被処理液の流速がしきい値Ｖよりも小さい場合に、被処理液に加わる圧力が大きくなるように圧力調整ユニット５を制御する。

【0065】

これにより、内管３１の中の被処理液の流速が所定値以下になると、圧力調整ユニット５の作動によって被処理液の流速が一時的に上昇する。被処理液の流速が上昇すると、内管３１の内壁に付着していた副生成物が剥がれる。このため、圧力調整ユニット５の作動が終了しても被処理液の流速が所定値以上に保たれる。その結果、超臨界水反応装置１は、熱交換器３の閉塞を防止することができる。

【0066】

また超臨界水反応装置１において、検出ユニット４は、熱交換器３の上流側に設けられた第１圧力計２７と、熱交換器３の下流側に設けられた第２圧力計２８とを含む。これにより、制御装置９は内管３１の中の被処理液の流速を容易に演算することができる。

【0067】

また超臨界水反応装置１において、圧力調整ユニット５は、被処理液を内管３１に導くために駆動する主ポンプ１３である。これにより、内管３１内の被処理液が上流側から押されるので、被処理液の流速が一時的に大きくなる。

【0068】

本実施形態に係る閉塞物除去方法は、被処理液が導入される内管３１及び熱媒が導入される外管３２を有する熱交換器３を備えた超臨界水反応装置１に対する閉塞物除去方法である。閉塞物除去方法は、内管３１に設けられた開口から可撓性チューブ３５を内管３１の閉塞物３９に接触するまで挿入する挿入工程Ｐ２と、可撓性チューブ３５を介して閉塞物３９に界面活性剤を送る注入工程Ｐ３と、注入工程Ｐ３の後に可撓性チューブ３５を内管３１の外に出す引抜工程Ｐ４と、引抜工程Ｐ４の後に内管３１に気体を送り閉塞物３９に圧力を加える加圧工程Ｐ５と、を含む。

【0069】

挿入工程Ｐ２及び注入工程Ｐ３により、閉塞物３９に界面活性剤を直接塗布することができる。これにより、界面活性剤が閉塞物３９に浸透する。その後の引抜工程Ｐ４及び加圧工程Ｐ５により、界面活性剤が塗布された閉塞物３９に圧力が加わると共に、閉塞物３９にある微小な隙間を気体が通り抜ける。これにより、閉塞物３９への界面活性剤の浸透が早くなり、閉塞物３９の崩壊が促進される。したがって、閉塞物除去方法は、超臨界水反応装置１における熱交換器３の閉塞物３９を取り除くことができる。

【0070】

閉塞物除去方法は、挿入工程Ｐ２の前に、内管３１における閉塞物３９の位置を特定する探査工程Ｐ１を含む。これにより、内管３１の可撓性チューブ３５を挿入できる部分のうち閉塞物３９から最も近い箇所から可撓性チューブ３５を挿入することが可能となる。このため、可撓性チューブ３５が短くて済み且つ注入工程Ｐ３で使用される界面活性剤の量が少なくて済む。

【0071】

閉塞物除去方法は、加圧工程Ｐ５の後に、内管３１に水を送る水洗工程Ｐ７を含む。閉塞物３９の崩壊が進むと、液体が通過できる程度の穴が開くので、内管３１に水を送ることが可能となる。これにより、加圧工程Ｐ５で除去しきれなかった閉塞物３９が水と共に洗い流される。

【0072】

閉塞物除去方法は、水洗工程Ｐ７の後に、内管３１に過酸化水素水を送る再洗浄工程Ｐ８を含む。これにより、水洗工程Ｐ７でも除去できなかった閉塞物３９の一部又はその他の異物が除去される。

【0073】

閉塞物除去方法において界面活性剤は、両性界面活性剤である。これにより、閉塞物３９がより崩壊しやすくなる。

【0074】

閉塞物除去方法において界面活性剤は、非イオン界面活性剤である。これにより、閉塞物３９がより崩壊しやすくなる。

【0075】

閉塞物除去方法において界面活性剤は、陽イオン界面活性剤である。これにより、閉塞物３９がより崩壊しやすくなる。

【0076】

（第１変形例）
図１３は、第１変形例に係る制御装置の機能ブロック図である。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

【0077】

第１変形例に係る検出ユニット４Ａは、流量計２９である。制御装置９Ａの流速演算部９１Ａは、流量計２９から信号を受け取る。流速演算部９１Ａは、流量計２９から得た情報と、記憶部９３にある情報とに基づいて、内管３１の中の被処理液の流速を演算する。例えば記憶部９３が、流量計２９の計測値と、内管３１の中の被処理液の流速との関係を記憶している。流量計２９の計測値と内管３１の中の被処理液の流速との関係は、例えば予め実験等で求められる。なお、検出ユニット４Ａは、流量計２９、第１圧力計２７及び第２圧力計２８を含んでいてもよい。このような場合、流速演算部９１Ａで演算される流速の精度が向上する。

【0078】

このように検出ユニット４Ａは、熱交換器３の下流側に設けられた流量計２９を含む。これにより、制御装置９Ａは内管３１の中の被処理液の流速を容易に演算することができる。

【0079】

（第２変形例）
図１４は、第２変形例に係る制御装置の機能ブロック図である。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

【0080】

第２変形例に係る圧力調整ユニット５Ｂは、補助ポンプ２２である。制御装置９Ｂの制御部９４Ｂは、比較部９２から信号を受けると補助ポンプ２２を駆動する。被処理液に加わる圧力が大きくなるので、内管３１の中の被処理液の流速が上昇する。なお、第２変形例における検出ユニット４は、第１変形例で示したように流量計２９であってもよい。圧力調整ユニット５Ｂは、補助ポンプ２２に加えて主ポンプ１３を含んでいてもよい。

【0081】

このように圧力調整ユニット５Ｂは、被処理液を内管３１に導くために駆動する主ポンプ１３とは別の補助ポンプ２２を含む。これにより、内管３１内の被処理液が上流側から押されるので、被処理液の流速が一時的に大きくなる。

【0082】

（第３変形例）
図１５は、第３変形例に係る制御装置の機能ブロック図である。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

【0083】

第３変形例に係る圧力調整ユニット５Ｃは、アキュムレータ２３と、アキュムレータバルブ２４と、を含む。制御装置９Ｃの制御部９４Ｃは、比較部９２から信号を受けるとアキュムレータバルブ２４を開ける。アキュムレータ２３に蓄えられた圧力が被処理液に加わるので、内管３１の中の被処理液の流速が上昇する。なお、第３変形例における検出ユニット４は、第１変形例で示したように流量計２９であってもよい。圧力調整ユニット５Ｃは、アキュムレータ２３及びアキュムレータバルブ２４に加えて補助ポンプ２２又は主ポンプ１３を含んでいてもよい。

【0084】

このように圧力調整ユニット５Ｃは、内管３１の上流側に繋がる上流配管（配管１０１）に接続されるアキュムレータと２３、アキュムレータ２３と上流配管（配管１０１）との間の接続及び分離を切り替えるアキュムレータバルブ２４とを含む。これにより、内管３１内の被処理液が上流側から押されるので、被処理液の流速が一時的に大きくなる。

【0085】

（第４変形例）
図１６は、第４変形例に係る制御装置の機能ブロック図である。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

【0086】

第４変形例に係る圧力調整ユニット５Ｄは、補助減圧器２５と、ブローバルブ２６と、を含む。制御装置９Ｄの制御部９４Ｄは、比較部９２から信号を受けるとブローバルブ２６とを開ける。被処理液が熱交換器３の下流側に引かれるので、内管３１の中の被処理液の流速が上昇する。なお、第４変形例における検出ユニット４は、第１変形例で示したように流量計２９であってもよい。圧力調整ユニット５Ｄは、補助減圧器２５及びブローバルブ２６に加えて、アキュムレータ２３、アキュムレータバルブ２４、補助ポンプ２２又は主ポンプ１３を含んでいてもよい。

【0087】

このように圧力調整ユニット５Ｄは、内管３１の下流側に繋がる下流配管（配管１０７）に接続される補助減圧器２５と、補助減圧器２５と下流配管（配管１０７）との間の接続及び分離を切り替えるブローバルブ２６と、を含む。これにより、内管３１内の被処理液が下流側から引かれるので、被処理液の流速が一時的に大きくなる。

【符号の説明】

【0088】

１ 超臨界水反応装置
１０１ 配管（上流配管）
１０１１ バルブ
１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８ 配管（下流配管）
１０３１ バルブ
１１ 調整タンク
１２ 破砕機
１３ 主ポンプ
１４ 予熱器
１５ 反応器
１６ 冷却器
１７ 主減圧器
１８ 気液分離器
１９ ガスタンク
２０ 触媒回収器
２２ 補助ポンプ
２３ アキュムレータ
２４ アキュムレータバルブ
２５ 補助減圧器
２６ ブローバルブ
２７ 第１圧力計
２８ 第２圧力計
２９ 流量計
３ 熱交換器
３１ 内管
３２ 外管
３１１、３１２、３１３ 分岐管
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ バルブ
３５ 可撓性チューブ
３７ 回収容器
３８ ガスボンベ
３９ 閉塞物
４、４Ａ 検出ユニット
５、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ 圧力調整ユニット
９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ 制御装置
９１ 流速演算部
９２ 比較部
９３ 記憶部
９４、９４Ｂ、９４Ｃ、９４Ｄ 制御部
Ｐ１ 探査工程
Ｐ２ 挿入工程
Ｐ３ 注入工程
Ｐ４ 引抜工程
Ｐ５ 加圧工程
Ｐ６ 排出確認工程
Ｐ７ 水洗工程
Ｐ８ 再洗浄工程

【要約】

超臨界水反応装置は、被処理液が導入される内管及び熱媒が導入される外管を有する熱交換器と、内管における被処理液の流速を算出するために必要な情報を検出する検出ユニットと、被処理液に加わる圧力を変化させる圧力調整ユニットと、所定のしきい値を記憶した制御装置と、を備える。制御装置は、検出ユニットから得た情報に基づいて算出した被処理液の流速がしきい値よりも小さい場合に、被処理液に加わる圧力が大きくなるように圧力調整ユニットを制御する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】