JP2012116919A - Treatment system of persistent organic waste liquid using nonequilibrium plasma combustion - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非平衡プラズマ燃焼により難分解性有機廃液を分解処理し、分解後の生成物として可燃ガスおよびフラーレン或いは炭素系高機能材料を生成し、当該可燃ガスを発電装置による発電に利用することのできる難分解性有機廃液の処理システムに関する。 The present invention decomposes a hardly decomposable organic waste liquid by non-equilibrium plasma combustion, generates a combustible gas and fullerene or a carbon-based high-functional material as a product after decomposition, and uses the combustible gas for power generation by a power generator. The present invention relates to a treatment system for persistent organic waste liquid that can be used.
変圧器等に使用される電気絶縁油は定期点検による交換によって廃油となる。当該廃油の処理は、近年の環境保全の観点から環境負荷の少ない物質に分解処理する必要がある。 Electrical insulation oil used for transformers, etc. becomes waste oil by replacement by regular inspection. The waste oil needs to be decomposed into a substance having a low environmental load from the viewpoint of environmental conservation in recent years.
廃油の処理方法としては、従来から、高周波誘導熱プラズマを利用した方法がその一例として知られている(特許文献1参照)。 As a method for treating waste oil, a method using high-frequency induction thermal plasma is conventionally known as an example (see Patent Document 1).
上記特許文献1記載の処理方法は、アルゴンガスを酸素や水蒸気および水素等の廃油分解に適した反応ガスに置換した後、高温のプラズマフレームに晒されて1000〜2000℃に加熱された加熱部材に廃油を供給することにより、瞬時に廃油を蒸発・分解し、酸素等との反応を促進する。そして、分解物質は、排気口から外部に廃棄される。
In the processing method described in
この処理方法によれば、廃油を処理するための酸素等の量は、廃油の分解処理に必要な最低限の量ですむため、排出ガス量を抑制できるといった効果を有する。 According to this treatment method, the amount of oxygen or the like for treating the waste oil is the minimum amount necessary for the decomposition treatment of the waste oil, so that the amount of exhaust gas can be suppressed.
然るに、近年、環境保全に加え、資源の有効利用の観点から廃棄物を適正に処理した後、これを有効活用する社会的要請が高まりつつある。前記特許文献1記載の処理方法においては、排出ガスは無害なものであり環境保全の点からは優れているが、その一方で、廃油を分解処理し生成される生成物を直接有効活用することが、資源の有効利用の観点からより好ましい。
However, in recent years, there has been an increasing social demand for effective use of waste after it has been properly treated from the viewpoint of effective use of resources in addition to environmental conservation. In the treatment method described in
そこで、本発明は、上記の課題に鑑みて、難分解性有機廃液を分解処理して生成される可燃ガスを直接発電に利用することのできる難分解性有機廃液の処理システムを提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, the present invention provides a treatment system for a hardly decomposable organic waste liquid that can directly use a combustible gas generated by decomposing a hardly decomposable organic waste liquid for power generation. Objective.
請求項1記載の発明は、難分解性有機廃液を非平衡プラズマ燃焼場中で分解処理する処理装置と、当該処理装置において分解,生成された可燃ガスを利用して発電する発電装置を備えて構成したことを特徴とする。
The invention described in
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記処理装置は、減圧した反応管内にマイクロ波を照射し、分解に用いる酸素と、分解する難分解性有機廃液を投入することにより非平衡プラズマ燃焼場を生成し、該難分解性有機廃液を分解処理することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the processing apparatus irradiates microwaves into a reduced-pressure reaction tube, and inputs oxygen used for decomposition and a hardly-decomposable organic waste liquid to be decomposed. A non-equilibrium plasma combustion field is generated, and the hardly decomposable organic waste liquid is decomposed.
請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2の何れかに記載の発明において、前記処理装置は、反応ガスとして供給される酸素量が、難分解性有機廃液の当量反応に満たない供給量とすることにより、分解後の生成物の大半を可燃ガスとすることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the invention according to the first or second aspect, the amount of oxygen supplied as a reaction gas in the processing apparatus is less than an equivalent reaction of a hardly decomposable organic waste liquid. By making the supply amount, most of the decomposed product is made into a combustible gas.
請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求項3の何れかに記載の発明において、前記処理装置は、非平衡プラズマ燃焼場中で難分解性有機廃液を分解することで、通常の燃焼と比較して多くの可燃ガスを生成することを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記載の難分解性有機廃液の処理システム。
According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects of the present invention, the processing apparatus decomposes the hardly decomposable organic waste liquid in a non-equilibrium plasma combustion field, thereby performing normal combustion. The flammable organic waste liquid treatment system according to any one of
請求項5記載の発明は、請求項1乃至請求項4の何れかに記載の発明において、非平衡プラズマ燃焼場を用いることで、従来の燃焼と比較してOHラジカル等のフリーラジカルを多く生成し、反応性の高い反応場で難分解性有機廃液を分解することを特徴とする。
The invention according to
請求項6記載の発明は、請求項1乃至請求項5の何れかに記載の発明において、前記反応管は、難分解性有機廃液を投入するプローブと、該プローブの先端に取り付けられ、投入した難分解性廃液を当該反応管に噴霧するノズルを挿通して構成したことを特徴とする。
The invention according to
請求項7記載の発明は、請求項1乃至請求項6の何れかに記載の発明において、前記処理装置は、難分解性有機廃液を分解処理することにより、前記可燃ガスに加え、炭素系高機能材料或いはフラーレンを生成することを特徴とする。
The invention according to
請求項8記載の発明は、請求項1乃至請求項7の何れかに記載の発明において、前記発電装置は、ガスエンジンまたはガスタービンを備えて構成したことを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to seventh aspects, the power generation device includes a gas engine or a gas turbine.
請求項1記載の発明によれば、難分解性有機廃液を分解処理して生成される可燃ガスを利用して発電装置によって直接発電することができるので、資源の有効利用を図ることができ、環境負荷の低減に貢献できる。
According to the invention described in
請求項2記載の発明によれば、従前の熱平衡プラズマを利用した分解処理装置と比較して、非常に少ないエネルギーで通常の燃焼よりも高い反応場の生成が可能となり、ランニングコストを大幅に低減できる。
According to the invention described in
請求項3記載の発明によれば、反応ガスである酸素の量を当量反応に満たない供給量に制限することにより、非平衡プラズマ燃焼によって難分解性有機廃液を分解した後の生成物の大半を可燃ガスとすることができるので、発電装置による発電量を向上させることができる。 According to the invention described in claim 3, by limiting the amount of oxygen as a reaction gas to a supply amount that does not satisfy the equivalent reaction, most of the product after decomposing the hardly-decomposable organic waste liquid by non-equilibrium plasma combustion. Can be used as combustible gas, so that the amount of power generated by the power generator can be improved.
請求項4記載の発明によれば、本発明の非平衡プラズマ燃焼では反応部にマイクロ波を照射するため安定した反応を実現することができ、反応が意に反して停止するといった問題はなく、分解対象である難分解性有機廃液を継続して効率的に分解処理することが可能となる。
According to the invention described in
請求項5記載の発明によれば、非平衡プラズマ燃焼は減圧した系内にマイクロ波を照射して燃焼を行うため、通常の燃焼よりもOHラジカル等のフリーラジカルを多く生成する、反応性の高い反応場を生成できる。
According to the invention described in
請求項6記載の発明によれば、プローブを通して投入した難分解性廃液を反応管にノズルを利用して霧状に噴霧することにより、難分解性廃液の分解処理を促進することが可能となる。 According to the sixth aspect of the present invention, it is possible to accelerate the decomposition treatment of the hardly decomposable waste liquid by spraying the hardly decomposable waste liquid introduced through the probe in a mist form using a nozzle in the reaction tube. .
請求項7記載の発明によれば、廃液から有用な炭素系高機能材料或いはフラーレンを生成することができる。 According to the seventh aspect of the invention, a useful carbon-based high-functional material or fullerene can be produced from the waste liquid.
請求項8記載の発明によれば、既知のガスエンジンまたはガスタービンを利用することにより、生成した可燃ガスを利用して容易に発電することが可能となる。 According to invention of Claim 8, it becomes possible to generate electric power easily using the produced | generated combustible gas by utilizing a known gas engine or gas turbine.
以下、本発明の実施の形態について図1および図2を用いて説明する。図1は本発明に係る非平衡プラズマ燃焼を用いた難分解性有機廃液の処理システムAを示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 shows a processing system A for hardly decomposable organic waste liquid using non-equilibrium plasma combustion according to the present invention.
難分解性有機廃液の処理システムA(以下、単に処理システムという)は、マイクロ波発生装置1と、マイクロ波導波管2、難分解性有機廃液の投入部3、反応ガス供給部4、反応管5からなる難分解性有機廃液の処理装置Bと、難分解性有機廃液を分解処理した後の生成物を利用する生成物再利用ユニット7によって構成されている。
A processing system A (hereinafter simply referred to as a processing system) for a hardly decomposable organic waste liquid includes a
前記マイクロ波導波管2は、マイクロ波発生装置1から発振されたマイクロ波が反射してマイクロ波発生装置1内に入ることを防止するために、反射したマイクロ波を吸収するアイソレータ8と、マイクロ波の強度を調べるパワーモニタ9、マイクロ波を共振させ、プラズマの発生位置に焦点を合わせるスタブチューナ10を備えて構成されている。11は真空ポンプ6によって気圧調整される反応管5内の気圧を測定するための圧力計である。
The
前記生成物再利用ユニット7は、難分解性有機廃液を分解して生成される生成物を冷却する熱交換器12と、真空ポンプ6が吸引,排出したガス利用して発電する発電装置13から構成されている。
The
なお、14は反応部X(図2参照)における反応状況を目視するための観察窓であり、反応部Xは、マイクロ波導波管2に対して反応管5が垂直に設置され、その上部は投入部3と反応ガス供給部4に接続され、下部は熱交換器12に接続されている。
反応管5内には、上端を投入部3に接続した細管(以下、プローブという)15の下端が、非平衡プラズマ燃焼場の位置上部に延出しており、当該プローブ15の先端(下端)には、投入部3からプローブ15を介して供給された難分解性廃液を霧状に噴霧するためのノズル(以下、噴霧ノズルという)16が取り付けられている。
In the
反応管5は、例えば、透明の石英管によって形成されており、図1に示すマイクロ波発生装置1から発振してプラズマ導波管2を通過したマイクロ波を反応管5内に通過させる。
The
次に、本発明に係る処理システムAによる難分解性有機廃液の処理方法について説明する。図1に示す処理システムAは、絶縁油等の難分解性の有機廃液を分解処理することができる。 Next, the processing method of the hardly decomposable organic waste liquid by the processing system A according to the present invention will be described. The processing system A shown in FIG. 1 can decompose a hardly decomposable organic waste liquid such as insulating oil.
絶縁油としては、例えば、柱上変圧器用の電気絶縁油が存在し、当該絶縁油は、炭素および水素から構成され、その他の元素は含まれない純粋な炭化水素である。 As the insulating oil, for example, there is an electrical insulating oil for a pole transformer, and the insulating oil is a pure hydrocarbon which is composed of carbon and hydrogen and does not contain other elements.
上記の絶縁油を分解処理するに当たっては、まず、図1に示す反応ガス供給部4から反応ガスとして酸素を供給するが、このときの酸素の供給量は、後述する当量反応に満たない量に設定する。供給された酸素は、反応管5内を図1に示す下方へ通過し、図2に示す反応部Xに供給される。
In decomposing the insulating oil, first, oxygen is supplied as a reaction gas from the reaction
次に、真空ポンプ6および圧力計11を用いて、反応管5内を所定圧力(例えば、4kPa)に減圧・固定し、この状態でマイクロ波発生装置1によって生成したマイクロ波を所定の出力(700W等)で発振する。
Next, the inside of the
マイクロ波発生装置1から出力されたマイクロ波は、マイクロ波導波管2、アイソレータ8を介してパワーモニタ9に伝播し、パワーモニタ9により入射電力が検出される。このとき、アイソレータ8は反射したマイクロ波を吸収することによって、マイクロ波発生装置1を保護する。反射したマイクロ波の電力はパワーモニタ9によって検出される。
The microwave output from the
導波管2内を通過したマイクロ波は、スタブチューナ10によって共振され図2に示す反応管内でマイクロ波が最大量消費されるように、反応部Xに入射する。
The microwave that has passed through the
反応部Xに入射したマイクロ波は、透明石英管等からなる反応管5を良好に透過する。このとき、反応管5内には、図1に示す反応ガス供給部4より反応ガスとして酸素が供給されており、この酸素は入射したマイクロ波によって電離してプラズマ化される。
The microwave incident on the reaction part X passes through the
このとき発生するプラズマは、反応管5内が一定圧に減圧(例えば、4kPa)されているので、グロー放電によって生じる。グロー放電は、コロナ放電と比較してより広範囲で安定した放電であり、アーク放電と比較して低エネルギーで生じさせることができる。
The plasma generated at this time is generated by glow discharge since the inside of the
反応部Xにグロー放電プラズマを発生させたら、処理対象である絶縁油を液体の状態で投入部3から投入する。絶縁油は図1又は図2に示すプローブ15から投入する。
絶縁油の投入量は、反応ガスとして供給される酸素量が当量反応に満たない量に設定する。
When glow discharge plasma is generated in the reaction part X, the insulating oil to be processed is introduced from the introduction part 3 in a liquid state. The insulating oil is supplied from the
The input amount of the insulating oil is set so that the amount of oxygen supplied as the reaction gas does not satisfy the equivalent reaction.
絶縁油は単純に液滴として投入すると反応面積が小さく反応効率が悪い。そこで、図2に示す下端(先端)に取り付けた噴霧ノズル16から反応部Xに霧状に噴霧される。霧状にすることで反応面積が増加し、反応効率を向上させることができる。
When insulating oil is simply introduced as droplets, the reaction area is small and the reaction efficiency is poor. Therefore, the spray is sprayed in the form of a mist from the
このとき、絶縁油はプラズマ化している酸素と急激に反応し、非平衡プラズマ燃焼となる。非平衡プラズマ燃焼とは、通常の燃焼が熱平衡な化学反応で進行するのに対し、熱非平衡なプラズマ反応を有する燃焼方法である。 At this time, the insulating oil reacts rapidly with oxygen in the form of plasma, resulting in non-equilibrium plasma combustion. Non-equilibrium plasma combustion is a combustion method having a thermal non-equilibrium plasma reaction, while normal combustion proceeds by a chemical reaction with thermal equilibrium.
非平衡プラズマ燃焼の熱非平衡な化学反応の一例としてフリーラジカル、特にOHラジカルの増加がある。図3の分光分析結果に示すように、通常の燃焼と比較して非平衡プラズマ燃焼では多くのラジカルが検出され、特にOHラジカルについては10倍以上検出されている。 An example of a non-equilibrium plasma combustion thermal non-equilibrium chemical reaction is an increase in free radicals, particularly OH radicals. As shown in the spectroscopic analysis results in FIG. 3, many radicals are detected in non-equilibrium plasma combustion compared to normal combustion, and more than 10 times more are detected especially for OH radicals.
OHラジカルは極めて反応性の強いラジカルであり、難分解性廃棄物を分解するのに非常に有効である。 OH radicals are extremely reactive radicals and are very effective in decomposing refractory waste.
また、反応ガスとしての酸素が当量反応に満たない供給量であるので、通常の燃焼であっても可燃ガスを生成するが、非平衡プラズマ燃焼の場合は、図4に示すようにさらに多くの可燃ガスを生成可能である。なおかつ、難分解性有機廃液がより多くの可燃ガスに転換することで、タール等の副生成物の炭素化合物の合成を抑制することもできる。 In addition, since the amount of oxygen as a reaction gas is less than the equivalent reaction, combustible gas is generated even in normal combustion, but in the case of non-equilibrium plasma combustion, as shown in FIG. Combustible gas can be generated. Moreover, synthesis of by-product carbon compounds such as tar can be suppressed by converting the hardly decomposable organic waste liquid into more combustible gas.
前記生成ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、その他低分子炭化水素からなり、そのうち、水素、一酸化炭素、低分子炭化水素の可燃ガスの割合が全体の8割を占めている。 The product gas is composed of hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, and other low-molecular hydrocarbons. Among them, the proportion of combustible gas of hydrogen, carbon monoxide, and low-molecular hydrocarbons accounts for 80% of the total.
そして、生成された可燃ガスは、真空ポンプ6による吸引力により熱交換器12で冷却された後、発電装置13に排出される。発電装置13としては、ガスエンジンやガスタービンが用いられ、真空ポンプ6から排出された可燃ガスを利用してガスエンジンで発電機を駆動し、又は、ガスタービンを回転させて発電することができる。つまり、廃液から再生可能エネルギーを生成することが可能になる。
The generated combustible gas is cooled by the
加えて、反応管内のプローブ15外周部に別途酸素を供給し、プローブ15の周りは比較的酸素濃度が高い状態を形成することで、煤(炭素)が反応管5内に付着することにより、マイクロ波が当該反応管5を透過することの阻害となることを阻止することができる。
In addition, oxygen is separately supplied to the outer peripheral portion of the
一方、前記可燃ガスの生成の他に、本発明では、炭素系高機能材料やフラーレンを生成することが可能となる。 On the other hand, in addition to the generation of the combustible gas, the present invention can generate a carbon-based high-functional material and fullerene.
炭素系高機能材料の生成は、マイクロ波の出力を高めること、或いは、所定の触媒を分解する廃液(絶縁油)に混入させることにより促進させることが可能となる。そして、生成した炭素系高機能材料やフラーレンは、未分解の絶縁油とともに反応管5下部より回収することができる。
The production of the carbon-based high-functional material can be promoted by increasing the output of the microwave or mixing it with a waste liquid (insulating oil) that decomposes a predetermined catalyst. And the produced | generated carbon-type highly functional material and fullerene can be collect | recovered from the
以上の方法により、投入した絶縁油を非平衡プラズマ燃焼場で分解することによって、絶縁油等の難分解性有機廃液から発電用の可燃ガスと、炭素系高機能材料或いはフラーレンを生成することができる。なお、炭素系高機能材料としては、ダイヤモンドをはじめ、自動車やスポーツ用品等に利用され、今後は半導体としての利用が期待されるカーボンナノ材料、切削工具や自動車部品の表面加工に利用されるDLC(ダイヤモンドライクカーボン)、医薬品、化粧品、半導体材料に利用が検討されているフラーレン等が考えられる。また、フラーレンは、潤滑剤や太陽電池材料として利用可能である。 By using the above method, the injected insulating oil is decomposed in a non-equilibrium plasma combustion field, so that a combustible gas for power generation and a carbon-based highly functional material or fullerene can be generated from a hardly decomposable organic waste liquid such as insulating oil. it can. Carbon-based high-performance materials are used in diamonds, automobiles and sporting goods, etc. Carbon nanomaterials that are expected to be used as semiconductors in the future, DLC used for surface processing of cutting tools and automotive parts (Diamond-like carbon), pharmaceuticals, cosmetics, fullerenes being considered for use in semiconductor materials, and the like are considered. In addition, fullerene can be used as a lubricant or a solar cell material.
以上説明したように、本発明の難分解性有機廃液の処理システムは、絶縁油等の難分解性有機廃液を高効率で分解し、可燃ガスやフラーレン或いは炭素系高機能材料に改質することができ、生成した可燃ガスは、ガスエンジンやガスタービンを利用して発電に利用することができる。 As described above, the processing system for persistent organic waste liquid according to the present invention decomposes persistent organic waste liquid such as insulating oil with high efficiency and reforms it into combustible gas, fullerene or carbon-based high-performance material. The generated combustible gas can be used for power generation using a gas engine or a gas turbine.
また、マイクロ波を照射し廃液を分解処理することで、廃液の供給が不安定になっても反応が停止することがなく、安定した分解が可能である。 In addition, when the waste liquid is decomposed by irradiation with microwaves, the reaction does not stop even if the supply of the waste liquid becomes unstable, and stable decomposition is possible.
さらに、廃液を噴霧ノズルから霧状に噴霧することにより、廃油の反応面積が増大し、廃液を効率的に分解処理することが可能となる。 Further, by spraying the waste liquid in a mist form from the spray nozzle, the reaction area of the waste oil is increased, and the waste liquid can be efficiently decomposed.
非平衡プラズマ燃焼を用いた難分解性有機廃液の分解処理に利用可能である。 It can be used for decomposition treatment of persistent organic waste liquid using non-equilibrium plasma combustion.
1 マイクロ波発生装置
2 マイクロ波導波管
3 投入部
4 反応ガス供給部
5 反応管
6 真空ポンプ
7 生成物再利用ユニット
8 アイソレータ
9 パワーモニタ
10 スタブチューナ
11 圧力計
12 熱交換器
13 発電装置
14 観察窓
15 細管(プローブ)
16 噴霧ノズル
A 難分解性有機廃液の処理システム
B 難分解性有機廃液の処理装置
X 反応部
DESCRIPTION OF
16 Spray nozzle A Refractory organic waste liquid treatment system B Refractory organic waste liquid treatment equipment X Reactor
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