スラリからの高密度材料の流体力学的除去

本発明は、異なる密度と異なる粒子構造とを有する成分のスラリから、高密度材料を除去するための装置に関する。

例えば、廃液、機械的に除去された廃液細片、または商用残滓などの材料混合物の湿式機械的処理においては、スラリ、例えば、パルプや懸濁液などが生成されるが、それらは、依然として水中に沈殿可能で鋭い角部を有する例えば砂礫、粗粒砂岩、石、セラミック、またはガラス細片や金属粒子などの相応量の材料を含んでおり、これらが下流の処理工程において操業上の諸問題、例えば、沈積や摩損などを引き起こす。これは、例えば、数年の操業後に面倒な空化作業を要する容器内の沈殿物層として帰結するか、あるいは多大な清掃労力を要するパイプラインの敷設として帰結するか、あるいはこれらの材料の略研磨特性により引き起こされる機械技術上の高度の摩損として帰結する。 発酵に適した有機廃液は、4重量パーセントの鉱物性高密度材料を含み得る(「有機廃液の全面的同時消化」H.キュブラー、K.ホッペンハイト、P.ヒルシュ、A.コトマイア、R.ニムリヒター、H.ノルドジーク、W.ミュッケ、M.スウェレヴ(2000年)、『水の科学技術』第41巻、195頁乃至202頁)。公共のバイオ廃液は、クラネルト他により行われた研究(「消化物中の砂含有量の判定」M.クラネルト、A.ハルトマン、S.ガウル(1999年)『廃液の生物学的処理および環境に関する国際会議ORBIT99の会報』第一部、W.ビドリングマイア他編、313乃至318頁)によれば部分的に25重量%超の廃液の乾燥質量の一部を構成し得る、石、ガラス細片、粗粒砂岩、砂礫、あるいは砂などの相応量の鉱物性高密度材料を含む。バイオ廃液の湿式機械的処理の間に、これらの鉱物性高密度材料の相当部分がパルプ化され、生物学的再生利用に供される。キュブラー他により行われた研究(「バイオ廃液および商用有機廃液の全面的同時消化」H.キュブラー、R.ニムリヒター、K.ホッペンハイト、P.ヒルシュ、A.コトマイア、H.ノルドジーク、M.スウェレヴ、W.ミュッケ(1998年)『廃物からの材料およびエネルギー』P.De ブルイッカー、J.クレチュマー編、アントワープ科学技術協会、195頁乃至202頁)は、バイオ廃液の湿式機械的処理ではパルプが生成され、当該パルプからは、高密度材料の流体力学的分離により、高密度材料として処理されている廃液の湿潤質量のうち約3重量%が除去される、ということを示している。

分級された80mm未満の細片を湿式処理に供する廃液処理工場の操業中、この細片のうち、12乃至14重量%のガラス粒子および鉱物成分の部分が、この細片の湿潤質量として判定された(「堆肥状材料または熱の維持安定化−MBT工場経済学および環境側面に与える影響−ポルトガルおよび英国におけるケーススタディ」J.リタ、J.ブラガ、C.マナル、S.ゴールドスミス、H.キュブラー、T.ラーン、S.シュルト(2015年)『残滓およびバイオ廃液からのエネルギーと原料』M.キューレ‐ヴァイデマイアー、M.バルハー編、キュヴィリアー・ヴェルラグ・ゲッティンゲン、395頁乃至406頁)。

湿式処理からスラリまたは懸濁液を毀損無く確実に再生利用するために、懸濁液から易沈殿性部分を除去することが多い。この目的のために、高密度材料分離器が使用される。異質な材料の除去に加えて、これらの高密度材料分離器は、しかしながら、スラリ内に存在して下流の処理段で再生使用されるべき他の成分、例えば発酵可能な有機材料、の排出を最小限にする必要もある。これは、液体サイクロンと、除去された高密度材料を断続的に排出するために液体サイクロンの下部に設けられる分級管との組み合わせにより、達成可能である。他の成分の排出を減少させるために、洗浄水を分級管に給送することが多い。このようにして、分級管内に対向流が生成され、スラリの他の成分から除去された高密度材料を解放する。

この型の装置は、独国特許出願公開第19505073号公報に記載されており、当該装置は、廃液材料から生成されたスラリから高密度材料を除去するために平坦な底付きの液体サイクロンを有する。高密度材料分離器の選択性能を高めるために、平坦な底付きサイクロンの下流に、分級管が位置決めされている。除去される高密度材料は、室を一体化した水門システム(ロックシステム)により、分級管の下部に集められ、断続的に排出される。室が空化された後、分級管への遮断弁が開放されると、分級管の内容物と液体サイクロンの内容物の一部とが同時に室内に放出される。他方、室内に在る高密度材料は、固化し、室から排出することが不可能でないにしても、室からの排出が困難になるかもしれない。この結果、高密度材料の選択的除去の領域が毀損され、分離結果物の選択性が悪化する。前記文献においては、液体サイクロン内に行き渡っている圧力に抗して洗浄水を分級管に給送してサイクロンの上部から排出することにより、分級管の清浄効果が改善されるという事実も言及されている。洗浄水としては、水道水その他の液体が供給される。

この種の流体力学的高密度材料分離器の運転中、沈殿性成分の除去の程度ならびに他の成分の排出の程度は、分級管内に対向流を生じる洗浄水の流量により大きく影響される。ここで、洗浄水の流量は、細片(fractions)の所望の分離に関して相反した効果を有する。すなわち、洗浄水の流量を減らすと、懸濁液からの易沈殿性成分の除去は改善されるが、高密度材料細片において生物学的に再生利用可能な成分が除去される割合は増加する。従って、これらは、懸濁液の再生利用のために、下流の処理段から回収される。しかしながら、洗浄水の流量を増やすと、反対の効果が生じる。すなわち、高密度材料の細片において生物学的に再生利用可能な成分が除去された割合は低下するが、懸濁液からの易沈殿性成分の除去は悪化する。図1は、この反対の効果を、75,000Mg/有機廃棄物(Mg/a organic waste)の発酵工場における高密度材料の流体力学的分離に係る処理段の運転結果を用いて示している。

真水の要求とその結果生じる廃水とを制限するために、特に、経済的および生態学的理由から、洗浄水(処理水)として工場内で再循環される水道水を使用することが重要である。従って、高密度材料分離器における圧力レベルに比して十分高い圧力で処理水を利用可能な処理段が必要となる。費用と場所に対する要求条件を鑑みると、処理水管の直径を制限する必要がある。ここで、従来技術では、高密度材料分離器それ自体ならびに湿式機械的処理工場の他の上流および下流装置において、高処理水要求条件のピークが周期的に生じる、ということを本発明者は認識してきた。このことは、分級管の処理水供給において相当な圧力変動が常に生じることにつながる。

ここで、本発明の目的は、装置の分離度を改善すると共に、除去された細片の汚濁を減少させることである。

この目的は、請求項1に記載の装置により、および、請求項13に記載の方法により、達成される。 上述した洗浄水流の影響を考慮して、本発明の背後にある基本概念は、工場の操業のための要求プロファイルに応じて分級管への洗浄水流の最適流量と最適圧力とを判定すること、並びに、それに応じて洗浄水の体積流量を設定すること、である。更に、貯留室への洗浄水の消費を最小化することは、本発明の一部である。 本発明の制御技術は、分級管および上述した貯留室への洗浄水の供給における相当な圧力変動を考慮している。このようにして、分離性能に対する負の影響を除去することができ、その結果、除去された高密度材料の分離品質が上昇し、洗浄水に対する要件が減少する。

本発明によれば、洗浄水の流量の設定は、一方では分級管への給送量に関連し、他方では、分離された高密度材料が導入されて分級管とは別個に設けられる貯留室への給送量に関連する。換言すれば、分級管と分離貯留室との両方が洗浄水で充填される。これは、分級管への給送が調整されて行われ、貯留室への給送が制御されて行われる。調整は、実際の状態と公称状態とを比較してこれに応じてアクチュエータを作動させるが、貯留室への給送の制御は、実際の状態の検出に集中して、対応するアクチュエータを作動させる。

独国特許出願公開第19505073号公報に関して、従来技術における分級管の急激な空化の不利な効果は、既に説明した。ここでは、本発明に係る分離貯留室内への分級管の急激な空化を防ぐために、本発明によれば、空化に続いて制御下で貯留室から洗浄水を溢水させるように構成される。室の必要な換気は、この場合、室の上端部に設けた換気または溢水の開口部を介して行われる。 ここで、貯留室に対する洗浄水の要件を最小化するために、且つ、上述した問題、すなわち、分級管への遮断弁を開放することにより洗浄水が一部だけ充填された貯留室において高密度材料の選択的除去の範囲が崩壊して分離結果物の選択性が悪化するという問題を解決するために、本発明によれば、高密度材料分離器は、貯留室に洗浄水を充填する際に貯留室の空化と洗浄水の溢水の検出を開始するために、貯留室内の高密度材料充填レベルの検出機能を備える。

貯留室の空化は、測定により貯留室内の高密度材料の最大充填レベルが判定されたときにのみ行われる。従って、貯留室の充填総量は常に担保され、その結果、必要な空化処理工程の数は最小化される。洗浄水による貯留室の充填は、処理水が貯留室の溢水として検出されたときにのみ終了する。二つの設備構成により、洗浄水に対する要件は最小化される。

室を処理水で充填するこの処理は、また、時間制御下で、且つ測定により貯留室の充満状態を担保しつつ、行われてもよい。この場合、制御システムは、以下の事実を考慮し得なければならない。すなわち、 分級管の詰まりを引き起こし得る分級管内での高密度材料の滞留を防ぐために、貯留室の空化を十分早期に行う必要がある。このため、貯留室は、空化時に、除去された高密度材料で完全には充填されていないことが多い。従って、同量の高密度材料を除去可能とするためには、より多くの空化/充填サイクルが必要となる。分級管への遮断弁を開放する前に貯留室を再び洗浄水で充填する必要があるので、空化/充填サイクルの数を増やすことは、洗浄水の消費量を増やすことにつながる。

別の好適な実施形態では、貯留室の空化は、高密度材料の最大充填レベルの検出により開始され、空の貯留室を充填する際の処理水の給送は、室からの処理水の溢水の検出を以て終了する。貯留室の空化は、高密度材料の最大充填レベルの検出後に、分級管への遮断弁を閉じ、貯留室の下方の遮断弁を開放することにより、行われる。

有利な一実施形態では、貯留室内で高密度材料の塊が膠着するのを防ぐために、短時間噴出された洗浄水が時間制御下で貯留室に給送される。これにより、室の開放時には、塊は全て離脱するかあるいは除去される。

分級管への洗浄水の流量を調節するために、これらのアクチュエータは、洗浄水用の流量計と結合される。この流量計は、固形物を含む水流に適したものでなければならない。室を充填するための固形物含有処理水の溢水の検出は、静電容量型近接スイッチまたは赤外光バリアを用いて行われる。次の通り示す添付図面を参照して、以下、本発明を説明する。

10g/l(グラム毎リットル)の高密度材料の流体力学的分離後の懸濁廃液中の易沈殿性鉱物材料の濃度(●)と、除去された高密度材料の乾燥質量での有機材料部分の濃度(△)と、を洗浄水の流量の増加に応じて示した図。

積分流量測定によるディスク作動素子を使用し、懸濁材料を含む処理水を用いた場合の分級管への洗浄水の規制流を示した図。

高密度材料の流体力学的分離の、本発明にかかる実施形態を示した図。

真水と、固形物を含む処理水と、を500l/h(リットル毎時)の流量で用いた場合における制御回路の案内ジャンプ応答を示した図。

材料混合物を処理する際に洗浄水を生産するために、先ず最初に、固液分離を用いる処理の一部として、洗浄用の処理水が生成される。特に、有機廃棄物を処理および再利用する際には、固体含有量が低い処理水の生成が問題となる。これは、有機廃棄物由来の懸濁液が、繊維状で僅かな密度差を持つ超微粒軟泥成分を含有するためである。この結果、沈殿剤および凝集剤の商業使用時で1乃至10g/l(グラム毎リットル)の相当量の懸濁物質を含有する洗浄水を提供する処理水抽出が可能となる。また、デカンタ型遠心分離と、遠心分離液のポリマ計量(polymer metering)およびそれに続く例えば250μmの細長隙間付きスクリーンを用いた微細スクリーニングと、を組み合わせた二段階脱水の場合、処理水における懸濁材料の濃度は、しばしば0.5乃至4g/l程度になる。

洗浄水の均一な供給を実現するためには、処理水におけるスラリの割合に応じてアクチュエータを選択することがここでは重要となる。これは、特に、アクチュエータ内で、処理水中に懸濁された材料により部分的に多少の移動が行われるためである。アクチュエータとしては、軸線周りに互いに調整可能であり且つそれらの反対方向への動きが自由通路を無限の変化量で変化させるディスク、あるいはホースピンチ弁、ボールセクタ弁またはボール弁から構成されたアクチュエータが適することが判明した。

発明者により管理されるべき処理水の供給における前記圧力変動のために、この点について、貯留室を充填する際に体積流量が相応に変動する。この結果、室を完全に充填するために、適正量の時間が充填処理用として確保されるべきである。これらの時間の確保は、処理と加圧を必要とする処理水の量を不必要に増やしてしまう恐れがある。これを避けるために、有利な一実施形態においては、室を充填するのに必要な処理水の量が、貯留室内の充填水位を測定することにより、あるいは貯留室からの処理水の溢水を検出することにより、最小化される。

図3は、液体サイクロン(1)と分級管(2)と貯留室(3)とから成る、高密度材料の流体力学的分離の本発明に係る一実施形態の図を示す。高密度材料の流体力学的分離の本発明に係る実施形態において、分級管(2)への洗浄水の流れは、調節されて貯留室(5)に案内される。好適な一実施形態において、分級管内への洗浄水の流れは、懸濁材料により容易に移動されずに上述したように自己清浄機能を有するアクチュエータ(6)を用いて調節される。

別の好適な一実施形態において、空の貯留室を充填する際の処理水の供給は、室からの処理水(7)の溢水の検出により制御される。洗浄水の流量を調節するために、適切なアクチュエータとして上述した各機素は、好適な一実施形態において、洗浄水(8)用の流量計と結合される。この流量計は、固形物を含む水の流れに適したものでなければならない。室を充填するための固形物を含む処理水(7)の溢水は、静電容量型近接スイッチまたは赤外光バリア(infrared light barrier)を用いて検出してもよい。

ボール弁を用いて分級管内の洗浄水の上昇流を制御する試みは、良好な結果をもたらした。以下の表は、試行期間における洗浄水の上昇流の推移を示す。洗浄水の上昇流の公称値は、500l/h(リットル毎時)であった。ここでは、ボール弁の位置は、必要に応じて手動で補正された。ボール弁は、固体付着物を洗い流すために、周期的に、短時間全開された。

しかしながら、固形物を含む材料の流れのそうした制御のためには、ボールセクタ弁は、ボールセクタ弁内の封止部が研磨性の高密度材料にあまり晒されないので、構造上、ボール弁より優れている。

スロットル装置におけるフラット回転スライド構造(flat rotary slide construction)のモータ調整弁により、直線的な流れの変化が可能となる。係る弁は、電気モータと連携して、固形物を含む処理水と共に洗浄水の定常流をも確保する比例調整アクチュエータを構成する。流体供給が停止したときに洗浄水の流れを可能な限り一定に維持するために、停電が生じた場合に予め採用された弁位置が保持されるように、調整が設計される。

フラット回転スライドスロットル装置を用いた上昇流の調整の調整特性を考察するための水に係る実験の結果、システムの起動時における迅速な調節と共に、公称値への変化ならびに圧力変化補正のための良好な調整特性が示された(図4)。ジーグラ・ニコルス法を用いた調整器を配置することにより、良好な調整結果が得られる。水の上昇流の体積流量は制御回路(control circuit)の案内ジャンプ応答シーケンス(guiding jump response sequence)に明瞭な影響を及ぼすので、公称流量による調整器の調整は、最良の調整結果をもたらす。ここでは、PI(比例積分)制御器で十分でありアクチュエータの応力を減じる、ことが分かった。真水でパラメータ化された調整器は、固形物が充満した洗浄水では、オーバーシュート幅と補正時間とが大きくなるため、最適調整特性を示さない(図4)。従って、運転工場の洗浄水の流量で、調整器を設定しなければならない。

図2は、懸濁材料を含む処理水を用いた場合の分級管への洗浄水の規制流につき、上流の磁気誘導流量測定と組み合わせてフラット回転スライドスロットル弁を使用した場合における、流体力学的高密度材料分離器の運転結果を示す。これらのシステム構成要素を用いることにより、固形分を含む処理水の分級管への供給量は、公称値で比較的一定に維持され得る。

一般に、懸濁材料による弁の移動を完全には排除し得ない。従って、かかる移動を除去するために、有利な一実施形態においては、アクチュエータを意図的に短時間十分に前方に移動することにより、移動の可能性を完全に除去している。この短時間の全開は、時間制御して行われ、洗浄水の定常流のリセットを支援する。

真水および処理水を用いた実験の結果、室の充填時にその溢水管内で、換気空気と廃液との間の位相変化を、静電容量型近接スイッチまたは赤外光バリアを用いて確実に測定し得ることが判明した。