特表 2020-505216 定常状態における有機物の熱加水分解および全エネルギー回収のための方法および設備

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2020-505216(P2020-505216A)

(43)【公表日】2020年2月20日

(54)【発明の名称】定常状態における有機物の熱加水分解および全エネルギー回収のための方法および設備

(51)【国際特許分類】

   C02F 11/08 20060101AFI20200124BHJP

   B09B 3/00 20060101ALI20200124BHJP

【ＦＩ】

   C02F11/08ZAB

   B09B3/00 304H

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2019-529983(P2019-529983)

(86)(22)【出願日】2017年12月1日

(85)【翻訳文提出日】2019年6月3日

(86)【国際出願番号】ES2017070795

(87)【国際公開番号】WO2018115547

(87)【国際公開日】20180628

(31)【優先権主張番号】P201631577

(32)【優先日】2016年12月13日

(33)【優先権主張国】ES

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT

(71)【出願人】

【識別番号】516371380

【氏名又は名称】ティーイー・コンサルティング・ハウス・４プラス・ソシエダード・リミターダ

(71)【出願人】

【識別番号】503142980

【氏名又は名称】有限会社シミュレーション・テクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】100145470

【弁理士】

【氏名又は名称】藤井 健一

(72)【発明者】

【氏名】ゴンザレス・カルボ・ラファエル

【テーマコード（参考）】

4D004

4D059

【Ｆターム（参考）】

4D004AA46

4D004AC04

4D004CA39

4D004CB04

4D004CB31

4D004CC03

4D004DA02

4D004DA03

4D004DA06

4D004DA07

4D004DA20

4D059AA03

4D059AA07

4D059BA11

4D059BA21

4D059BC03

4D059BJ00

4D059CB01

4D059EB06

4D059EB08

4D059EB16

(57)【要約】

２回の水蒸気爆発と全エネルギー回収を伴う、定常状態での有機物の熱加水分解のための方法で、最低でも、１）供給段階、段階的な加圧および低、中および高圧レベルの水蒸気の逐次注入と、２）中圧レベルの水蒸気の生成および熱反応を伴う連続水蒸気爆発操作による加水分解の第一段階。３）水蒸気爆発および低圧水蒸気の生成からなる加水分解の第二段階。段階的加圧用ポンプ、流体−蒸気混合器、弁、混合器、減圧要素、タンク、配管および計装制御システムを含むことからなる、本方法を実施するための設備。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

あらゆる種類の有機物の連続熱加水分解の方法であって、完全にエネルギーを回収し、加水分解速度を最適化するために、少なくとも以下の段階の１つを含むもの。
１）供給、段階的加圧および低、中および高圧レベルの水蒸気の逐次注入。
２）中圧レベルの水蒸気の生成および熱反応を伴う連続水蒸気爆発操作による加水分解の第一段階。
３）水蒸気爆発および低圧水蒸気製造からなる加水分解の第二段階。

【請求項2】

請求項１に記載の方法であって、現在存在する方法とは異なり、加熱蒸気の供給、加圧および逐次注入の工程を特徴とし、以下の特徴を有するもの。
−異なる圧力レベルの蒸気を受けて利用することを可能にする段階的な圧力上昇システムを使用する。
いかなる状況においても、タンク（３）および（４）から来る蒸気はシステムに注入される。
熱力学の法則によると、この方法では高濃度の有機物を使用しなくてもエネルギーを完全に回収できること。
−段階的に加圧したときに、対応する液体−ガス混合器に適切に蒸気を注入できるようにする、少なくとも２つのポンプを備えたシステムを使用する。
−段階的に変化する圧力の効果により、より高価で維持が困難な容積式ポンプの代わりに遠心ポンプを使用すること。
−加水分解段階（１１）への供給物の温度および圧力が最高で従来よりも高い２２０℃および２２ｂａｒｇに達すること。
−２番目のフラッシュ（４）のチャンバの圧力を０〜−０．５ ｂａｒｇの値に下げることができる低圧蒸気混合システムを使用し、その結果、加水分解有機物の出口温度が低下し、正味エネルギー消費に影響を与えること。
−生蒸気を混合するための超高速システムを使用して、加水分解される混合物が５秒未満の間、二次反応の出現温度より高い温度にあるようにする。
そのような短時間では、二次反応の程度は無視できること。

【請求項3】

請求項１に記載の方法であって、現在存在しているものとは異なる方法による第１の加水分解工程からなり、以下の特徴を有するもの。
−一連の水蒸気爆発＋熱反応段階を使用する。
これは設備の規模を縮小することによってプロセスの全体的な速度論を改善すること。
−有機物の物理的構造の最初の分解を促進するフラッシュタンクとして作動すると同時に、温度による加水分解反応を促進する反応器として作動するタンク（３）を使用すること。
−前もって水蒸気爆発プロセスを経たスラッジに対して温度による加水分解反応を適用し、それによって反応速度が著しく増加し、１４０〜１８０℃の温度および１５分未満の反応時間で操作することが可能になること。

【請求項4】

請求項１に記載の方法であって、現在存在しているものとは異なる、第２の加水分解工程からなり、以下の特徴を有するもの。
・３〜１０ｂａｒｇの圧力から−０．５〜０．５ｂａｒｇの圧力までの２回目の水蒸気爆発を起こすこと。
・請求項１の段階１）に導かれる低圧蒸気を発生させること。

【請求項5】

先行する請求項による方法で、そして現在存在しているものとは異なる方法で、連続的にだけでなく、定常状態であって、その結果としてのプロセスの安定性および制御の容易さを伴って操作する方法。

【請求項6】

請求項１、２、３、４および５に従って、有機物の連続熱加水分解のための設備（１）であって、あらゆる種類の固体を処理することができ、そして特に残留水処理プラントで生成される汚泥を処理するために適しており、既存の技術で必要とされるよりも低い濃度の乾燥物で運転することによってもエネルギー自給を達成する装置であり、以下を装備するもの。
−供給される有機物を段階的に加圧するための少なくとも２つのポンプ（２０）および（２１）。
段階１）では、ストリーム（９）の圧力は３〜８ｂａｒｇの間の値に上昇する。
段階２）では、ストリーム（１１）の圧力を１０〜２２ｂａｒｇの間の値に上昇させる。
−少なくとも３つのスタティック型またはダイナミック型の流体−蒸気混合器（１７）、（１８）、（１９）。
これは、温度が段階的に上がることを許容し、フラッシュ段階において発生する少なくとも低圧（１３）および中圧（１５）の蒸気の利用を可能とする。
−圧力制御またはカット制御バルブとして機能することができるバルブ（１４）。
−供給物（５）の特性に応じてエジェクターとすることができ、それによってタンク圧力（４）を０〜−０．５ｂａｒｇの間の値に下げることができるミキサー（１７）。
−生蒸気を受け取り、二次反応の発生を防ぐために、５秒未満の混合時間で作動するミキサー（１９）。
−圧力（最大２２ｂａｒｇ）および温度（２２０℃）が他の技術による制限を上回るストリーム（１１）。
−蒸気爆発機構によって発生する圧力降下を生じさせるために、処理すべき流速に従って寸法決めされた狭窄部、ノズルまたは弁の間で選択できる減圧要素（２２）および（２３）。
装置（２２）では、入口圧力は１０〜２２ｂａｒｇの間で変動し、最大出口圧力は８ｂａｒｇである。装置（２３）の最大入口圧力は８ｂａｒｇで、出口圧力は−０．５〜０．５ｂａｒｇの範囲である。
−中圧（１５）および低圧（１３）の水蒸気が生成されるフラッシュチャンバとして作動するタンク（３）および（４）。
これらの水蒸気は凝縮したときに加水分解される有機物の温度を上昇させるために使用される。
同様に、タンク（３）は反応器として作用する。
タンク（３）の運転温度は１４０〜１８０℃に設定でき、タンク（４）の運転温度は８０〜１１０℃に設定される。
−図１には示されていないが、定常状態を暗示する請求項５により、設備の全ての点において任意の操作変数の所望の値を予め設定しかつ一定に維持することを可能にするような計装制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、その実施のための方法および設備を含み、廃水からの下水汚泥、家庭および産業廃棄物および他のあらゆる物質を含む有機物処理の分野に適用される。それは固体の嫌気性消化に対する前処理として特別な用途を見出す。

【背景技術】

【0002】

さまざまな工業プロセスでは、固体の物理的および化学的構造を変更する必要があり、そのためには前処理を実施する必要がある。特に固体の嫌気性消化の場合には、加水分解段階（可溶化、液化）がプロセスの全体的な律速段階である。加水分解段階による律速を改善するために、嫌気性消化に対する前処理として様々な物理的、化学的および生物学的プロセスが適用され、その結果としてメタン化プロセス全体が改善される。

【0003】

熱加水分解プロセスは、比較的長時間、通常は３０分を超える時間にわたって固体を高温および高圧にさらすことに基づいている。続いて、この熱せられた高温流体は、高圧になった状態を利用して、固体構造に破損を生じさせるいわゆる水蒸気爆発効果を達成するために、急激な減圧またはフラッシュプロセスを受けることができる。他の方法は、熱せられた高温流体のエネルギーを回収するために熱交換器を使用する。

【0004】

フラッシュ段階で生成された蒸気を再循環および凝縮して加水分解段階に至る供給物を加熱することによってエネルギーを回収するすべての技術は、単一の圧力レベルの蒸気を使用している。この圧力はフラッシュチャンバの圧力に対応するので、発生する蒸気は低圧である。

【0005】

この構成では、蒸気に含まれる全てのエネルギーを利用することは不可能であり、これはエネルギー効率の悪いシステムにつながる。エネルギー消費を低減するためには、供給物を非常に高い値まで濃縮することが必要であり、その結果、この操作に起因するコストの増加を招き、それは大量の化学製品の使用を必要とする。

【0006】

特許ＥＳ２５７０８１２Ａ１号は、凝縮性および不凝縮性の攻撃的な生成物を含有する蒸気を圧縮することにより、電気エネルギーを使用しそして複雑なメンテナンスを要する機械的圧縮機を使用してフラッシュチャンバを出る蒸気の圧力を高めることによってこの非効率を解決することを目的とする。また、電気エネルギーを使用する場合、システムはエネルギー的に非効率的である。

【0007】

特許ＥＳ２５３８１７６Ｂ１号は、全ての既存のプロセスおよび設備とは区別される根本的に異なる概念設計によって前記エネルギーの非効率性を解決する。単一の圧力レベルの蒸気を使用する代わりに、２つの圧力レベルの蒸気を使用する。この構成によって、そして熱力学の法則に従って、蒸気に含まれるエネルギーを回収することが可能であり、中程度の濃度の固形物を扱う場合でさえも設備がエネルギー的に自給自足であることを達成する。

【0008】

この事実から出発して、水蒸気爆発を用いて操作する全ての方法および設備は、一連の熱反応段階とそれに続く水蒸気爆発段階を使用する。請求項に記載した方法は、一連の水蒸気爆発段階＋熱反応段階＋水蒸気爆発段階を使用する。この方法はプロセスの全体的な動特性を改善し、よりコンパクトな設置およびより低廉な設置、運転および保守費用をもたらす。

【0009】

本特許は、特許ＥＳ２５３８１７６Ｂ１号を派生させたものであり、その作用分野を拡大している。ポンピング装置の発展および新しい材料の出現により、現在において、加水分解されるべき流体に対して、信頼性が高く、メンテナンスが少なく、その運転条件を支持することができる機械的衝動システムを使用できるようになった。

【0010】

この新たな状況を考慮して、本特許は、全エネルギー回収で運転し、短い滞留時間および一連の段階の水蒸気爆発＋熱反応＋水蒸気爆発でという基本的な特徴を維持しつつ、機械式ポンプシステムを使用する可能性を導入する。

【発明の概要】

【0011】

有機物の連続熱加水分解のための本方法は、少なくとも以下の段階からなる。１）供給、段階的加圧および低、中および高圧レベルの水蒸気の逐次注入。２）中圧レベルの水蒸気の生成および熱反応を伴う水蒸気爆発の連続操作による最初の加水分解段階。３）水蒸気爆発と低圧水蒸気の生成からなる第二の加水分解段階。

【0012】

汚泥を生成するプラントの通常の実施では、そのようなプロセスへの入口温度は環境の温度であるが、余剰の流体のエネルギーを利用する傾向がある。これは、段階１）のものより広い範囲の入口温度が可能であることを意味し、それは方法および設備の柔軟な概念設計を必要とする。

【0013】

段階１において、加水分解される有機材料（５）は、段階２）へ入る（１１）前に設定値に達するまで加圧および加熱される。加圧は、少なくとも、（２０）と（２１）の流体に対して機械的衝動装置によって達成される。加熱は、少なくとも低圧（１３）、中圧（１５）および高圧（１６）の圧力蒸気を噴射することによって達成される。十分な品質の流体と蒸気の混合を達成するために、少なくともミキサー（１７）、（１８）（１９）が使用される。

【0014】

流体に対する機械的衝動装置（２０）および（２１）、およびその他の設置されるものは、非ニュートン流体を含む流体や高粘度懸濁液の衝動が可能なあらゆる種類のポンプの中から選択される。特に、本発明の一変形形態では、また圧力が段階的に変化するため、他の技術で使用される容積式ポンプよりも安価で維持費が低い遠心ポンプを使用することができる。それらは１〜１０ｂａｒｇの圧力を供給し、２０〜１８０℃の温度範囲で作動しなければならない。ミキサー（１７）、（１８）、（１９）は、スタティック型とダイナミック型の両方から選択される。

【0015】

考えられる種類の有機物の多様性および供給原料（５）の圧力、温度および濃度条件を考慮すると、方法および設備は柔軟でなければならない。本発明の変形形態では、ポンプ（２０）の出力ストリーム（６）はストリーム（７）と（９）に分割される。 ミキサー（１７）を通過した後のストリーム（７）はタンク（２）に戻され、その結果ポンプ（２０）は同時に加圧および再循環システムとして作用する。

【0016】

他の変形例では、バルブ（１４）を閉じることによって、ポンプ（２０）の出力ストリーム（６）が直接ミキサー（１８）に導かれ、それによって再循環ループが遮断される。供給物（５）および低圧蒸気（１３）は直接タンク（２）に導かれる。

【0017】

本発明の一変形形態では、ミキサー（１７）は、ポンプ（２０）によって再循環された物質を衝動流体として使用するエジェクタである。このようにして、良好な混合を達成することに加えて、チャンバ（４）の圧力および出力ストリーム（２４）の温度を下げることが可能である。この事実は、プロセス中のエネルギー消費量の減少につながる。

【0018】

エネルギー収支によれば、流体（１０）は１７０℃より高い温度に到達することができず、これは、難分解性の非生分解性で潜在的に有毒な化合物の形成をもたらす二次反応の発生に対する限界として文献で示されている。ミキサー（１９）において、生蒸気（１６）と加水分解されるべき流体（１０）との極めて急速な混合が達成され、最高２２０℃までの温度に達する。前記二次反応が防止されるように、加熱は５秒未満の極めて短時間で行われる。

【0019】

高温高圧の流体（１１）は瞬間的な減圧を引き起こすことができる要素（２２）を通過し、その結果温度が低下し、水蒸気爆発機構によって固体の構造に最初の破損が生じる。タンク（３）内で、中圧蒸気ストリーム（１５）が生成され、それが段階１）に導かれる。最初の水蒸気爆発を受けた液体分は、１〜１５分の間タンク（３）内に保持され、したがって 温度加水分解反応プロセスが起こる。 この一次加水分解された有機物ストリーム（１２）は段階３）に導かれる。

【0020】

前処理を行わない下水汚泥を用いて操作される変法では、タンク（３）は内部の液体の温度が決して１７０℃を超えないように制御される。 前以て消化された汚泥または他の供給源からの有機物を用いて操作される他の変法では、温度はより高い値、ただし常に二次反応の出現限界以下の温度まで上昇しても良い。

【0021】

流体（１２）の圧力はタンク（３）を基準として課せられた温度と平衡になる圧力であるが、要素（２３）を通過するときに減圧される。タンク（４）内で、段階１）に運ばれる低圧蒸気ストリーム（１３）と消化に供される加水分解有機物ストリーム（２４）とが分離される。

【0022】

本発明の変形形態では、タンク（４）の圧力は大気圧よりわずかに高く、０〜０．２ｂａｒｇの範囲である。他の変形例では、この変形例において真空システムとして作用するエジェクタである混合器（１７）の効果により、タンク（４）内の圧力は−０．５〜０ｂａｒｇの間に維持することができる。

【0023】

使用される方法の結果として、システムは連続的に動作するだけでなく、既存の技術とは異なり、それはまた定常状態で動作する。これは、一旦操作変数（例えば流量、レベル、圧力および温度）が設定されたならば、それらは経時的に変化しないことを意味する。この振る舞いは、より高い安定性で動作し、より単純な制御システムを必要とし、より柔軟かつ堅牢で、そしてより良い性能を得るプロセスをもたらす。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明による実施のための設備の図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0025】

図１に続いて、特許請求の範囲に記載された本発明および設置を実行するために使用される手段に従って方法が説明される。使用される手段は次のとおり。タンクまたは容器（２）、（３）、（４）。 機械的衝動および流体加圧装置（２０）、（２１）。 流体 - 蒸気混合器（１７）、（１８）、（１９）。 膨張要素（２２）、（２３）。

【0026】

選択された変法では、下水汚泥は加水分解されるが、予め濃縮され室温である（５）。 エジェクター（１７）において、供給物（５）は、低圧蒸気（１３）および再循環ストリーム（７）と混合される。 再循環ループを閉じるために、エジェクタの出力ストリーム（８）は容器（２）に戻される。全ての低蒸気（１３）は系内で凝縮する。 設計条件および課された再循環流量に応じて、再循環ループを出るストリーム（９）は、７０〜１００℃の温度および３〜８ｂａｒｇの値の圧力を有する。

【0027】

第一の加圧および加熱段階の後のストリーム（９）は、ミキサー（１８）中で中圧蒸気（１５）を受け取る。エネルギー収支によれば、運転条件において、中高圧蒸気ストリームの導入後の温度は、二次反応の発生に対応する熱レベルに達することなく、１２０〜１６０℃の間で推移する。この流体（１０）はポンプ（２１）によって加圧され、８〜２０ｂａｒｇの間の圧力に達する。 超高速ミキサー（１９）において、流体は、１０〜２２ｂａｒｇの圧力で生蒸気注入（１６）を受け、その温度を１６０〜２２０℃に上昇させることができる。

【0028】

この超急速加熱の後、高温高圧汚泥（１１）は減圧要素（２２）を通過し、タンク（３）において段階１）に導かれる中圧蒸気ストリーム（１５）と液体ストリーム（１２）に分割される。液体は、タンク（３）内で１〜１５分の所定時間内で保持される。この順序では、有機物は最初に水蒸気爆発プロセスにかけられ、次に熱プロセスによる反応プロセスにかけられる。その結果、タンク（３）はフラッシュタンクと反応器という二重の機能を果たす。 上記の場合、タンク（３）内の温度は、１４０から１８０℃の間の予め設定され制御された設定値に維持される。

【0029】

予め設定された反応時間の間タンク（３）内に留まった後、３〜９ｂａｒｇの間の圧力で予め加水分解された有機材料ストリーム（１２）は減圧要素（２３）を通過してフラッシュチャンバとして作用するタンク（４）内に入り、段階１）に運ばれる低圧蒸気ストリーム（１３）と、消化にもたらされる加水分解汚泥ストリーム（２４）とに分割される。タンク圧力（４）は−０．５〜０．５ｂａｒｇの間で変わりえる。 上記の変形において、さらにポンプ（２０）を再循環する液体の比率によって、タンク（４）内の圧力は−０．１ｂａｒｇでありそしてストリーム（２４）の出口温度は９７℃である。

【図1】

【国際調査報告】