土壌加温システム
【課題】広い範囲の土壌を長時間に亘って効率よく加温する。
【解決手段】
本発明の土壌加温システムは、電気ヒーター１１ｂ及び水の受け容器１１ａが内部に設けられた圧力容器１１と、この圧力容器１１内に加圧空気を導入する空気導入部１４と、受け容器に水を供給する水タンク１５及び給水バルブ１６と、土壌Ｇに埋設され、圧力容器１１で生成された加圧蒸気を噴射口１２ｃから土壌Ｇへ噴射する送気管１２と、圧力容器１１と噴射口１２ｃの間に配置され、圧力容器１１と送気管１２との間を連通したり遮断したりする噴射用バルブ１３とを有する。そして、圧力容器１１では、容器内に加圧空気が導入された後、受け容器１１ａに供給された水を電気ヒーター１１ｂによって加圧することで加圧蒸気を生成する。
【解決手段】
本発明の土壌加温システムは、電気ヒーター１１ｂ及び水の受け容器１１ａが内部に設けられた圧力容器１１と、この圧力容器１１内に加圧空気を導入する空気導入部１４と、受け容器に水を供給する水タンク１５及び給水バルブ１６と、土壌Ｇに埋設され、圧力容器１１で生成された加圧蒸気を噴射口１２ｃから土壌Ｇへ噴射する送気管１２と、圧力容器１１と噴射口１２ｃの間に配置され、圧力容器１１と送気管１２との間を連通したり遮断したりする噴射用バルブ１３とを有する。そして、圧力容器１１では、容器内に加圧空気が導入された後、受け容器１１ａに供給された水を電気ヒーター１１ｂによって加圧することで加圧蒸気を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚染土壌の浄化や土壌改良をするために土壌を加温する土壌加温システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、土壌を加温することで土壌を浄化することが行われている。例えば、特許文献１には、生石灰抗と土中水との反応熱によって土壌を加温し、土壌中の汚染物質を揮発させる浄化方法が記載されている。また、特許文献２には、汚染物質を分解可能な微生物を活性化することにより、土壌中の汚染物質を分解する浄化方法が記載されている。一般に微生物は、４０℃程度の暖かい環境下で活性化することが知られているので、土壌を加温することで微生物による浄化能力を高めることができる。また、特許文献３には、土壌中にヒーターを設置し、このヒーターを発熱させることで周囲の土壌を加温する浄化方法が記載されている。さらに、特許文献４には、汚染土壌に高圧蒸気を噴射することで周囲の土壌を加温する浄化方法が記載されている。
【０００３】
なお、土壌の加温は、土壌浄化の他、地盤改良や作物の生育促進の観点からも行われることがある。すなわち、固化材を混合した土壌に対し、固化材の固化を促進する目的で土壌を加温することがある。また、冬期において土壌の温度を適温に保つ目的で土壌を加温することもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２９２３６１号公報
【特許文献２】特開平９−１０７５２号公報
【特許文献３】特開２００２−１１９９５３号公報
【特許文献４】特表平４−５０１２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、生石灰と土中水の反応熱を用いる浄化方法では、土壌を長時間に亘って加温し続けることは困難である。また、生石灰と水が反応すると水酸化カルシウムが生成されるため、土壌がアルカリ性になってしまうという問題がある。
【０００６】
また、ヒーターを使って土壌を加温する浄化方法では、ヒーター近傍の極めて狭い範囲の土壌しか加温できない。このため、広い範囲の土壌を加温するためには、複数のヒーターを用いなければならない。
【０００７】
さらに、高圧蒸気を土中に噴射する浄化方法では、噴射直後に蒸気が凝集して圧力が低くなるため、ヒーターを使う浄化方法と同様に、広い範囲の土壌を加温するためには高圧蒸気の噴射管を多数用いる必要がある。また、この浄化方法では、噴射口周辺の水分量が過度に高くなり、土壌が緩んでしまうという問題もある。加えて、高圧蒸気をボイラー設備で生成し、地上の配管を用いて多数の箇所へ分配するように構成した場合、配管やジョイント部が破損すると高圧蒸気が漏れることとなるため、対策に万全を来さなければならない。加えて、地上に設置された配管では保温処理を施しても熱損失が生じるため、効率が損なわれてしまうという問題が生じる。
【０００８】
なお、加熱された空気を土中に噴射することで土壌を加温することも考えられるが、空気の熱容量は小さ過ぎるため、広い範囲の土壌を加温することは困難である。
【０００９】
本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、広い範囲の土壌を長時間に亘って効率よく加温することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため本発明は、
土壌中に蒸気を噴射することで前記土壌を加熱する土壌加温システムであって、
ヒーター及び液体の受け容器が内部に設けられた圧力容器と、
前記圧力容器内に加圧ガスを導入するガス導入部と、
前記受け容器に液体を供給する液体供給部と、
噴射用バルブを介して前記圧力容器と連通可能に構成され、前記噴射用バルブが閉じられるとともに前記加圧ガスが前記圧力容器に導入された状態で、前記受け容器に供給された液体を前記ヒーターで加熱することによって前記圧力容器内に生成された加圧蒸気を、前記噴射用バルブを開放することで前記土壌中に配置された噴射口から前記土壌へ噴射する蒸気噴射管と、
を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、容器内の加圧蒸気が噴射口から噴射されると、噴射直後の加圧蒸気は、液体蒸発時の膨張に伴う圧力と加圧ガスの圧力とがあわさり、強い力で土壌内を進行する。その後、土壌に熱を吸収されることで液体分が凝集して圧力が低下するが、それでも加圧ガスの圧力が作用するため、蒸気は土壌内をさらに進行できる。これにより、単に蒸気を噴射した場合よりも遠くへ蒸気を拡散させることができ、広い範囲の土壌を加温できる。
【００１２】
そして、蒸気の基となった液体は、空気よりも熱容量が大きいため、加熱された空気を噴射する場合に比べて効率よく土壌を加温できる。さらに、本発明では、加圧蒸気を繰り返し噴射することで、土壌を長期間に亘って加温することができる。
【００１３】
本発明の土壌加温システムにおいて、ガス抜きバルブの開状態で圧力容器の内部と外部を連通させる一方、ガス抜きバルブの閉状態で圧力容器の内部を外部から遮断するガス抜き部を設け、このガス抜きバルブを、噴射用バルブが開放された後に閉状態から開状態に変換するようにした場合には、噴射用バルブが開放されて加圧蒸気が土壌に向けて噴射された後、圧力容器の内部を外気と同じ圧力にすることができる。ここで、容器内に残圧があると、液体供給部に対して容器内の圧力が作用して噴出してしまうこともあり得る。そして、圧力容器の内部を外気と同じ圧力にすることで、次のサイクルにおける加圧蒸気の生成を早期に開始できる。
【００１４】
本発明の土壌加温システムにおいて、噴射口を蒸気噴射管の下端側面に設けた場合には、噴射口から噴射された加圧蒸気が放物線を描くように上方へ拡散するので、広い範囲の土壌を効率よく加温できる。
【００１５】
本発明の土壌加温システムにおいて、受け容器に供給される液体を水にした場合には、加圧された水蒸気が噴射されるので、加温対象の土壌についてｐＨが酸性側に変化したり、アルカリ性側に変化したりすることを抑制できる。
【００１６】
本発明の土壌加温システムにおいて、土壌表面を気密状態で覆う気密シートと、この気密シートで覆われた土壌に埋設され、土壌中のガスを吸引するガス吸引部とを設けた場合には、加圧蒸気と共に上昇する土壌中の汚染物質を効率よく回収できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の土壌加温システムによれば、広い範囲の土壌を長時間に亘って効率よく加温することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】土壌浄化システムの全体構成を説明する図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、密閉容器における飽和水蒸気圧及び飽和水蒸気量と容器内温度の関係を説明する図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は土壌浄化システムの動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、蒸気の噴射によって汚染土壌を加温し、土壌を浄化する土壌浄化システムを例に挙げて説明する。この土壌浄化システムは、土壌加温システムに有害物質吸着工程を行う部分を付加することで構成される。
【００２０】
図１に示す土壌浄化システムは、蒸気製造噴射装置１と、吸気管２と、吸引ポンプ３と、気液分離器４と、吸着槽５と、コンプレッサー６と、空気貯留タンク７とを有している。なお、これらの部分のうち、蒸気製造噴射装置１、吸気管２、吸引ポンプ３、気液分離器４、及び、コンプレッサー６が土壌加温システムに相当する。従って、土壌浄化システムは、土壌加温システムに吸着槽５を付加したものといえる。
【００２１】
蒸気製造噴射装置１は、内部で加圧蒸気を生成する圧力容器１１と、この圧力容器１１と連通され、土壌Ｇに埋設される送気管１２（蒸気噴射管）と、圧力容器１１と送気管１２の間に配置される噴射用バルブ１３とを有する。この蒸気製造噴射装置１は、圧力容器１１内で生成された加圧蒸気を、噴射用バルブ１３の制御によって送気管１２に導いて土壌Ｇへ噴射させる。なお、この蒸気製造噴射装置１については、後で詳しく説明する。
【００２２】
吸気管２は、土壌Ｇの内部を地表付近まで上昇した蒸気を吸い込むためのものであり、有孔管やメッシュ状の暗渠管によって構成されている。この吸気管２は、土壌Ｇにおける地表側の位置に、地表に沿って複数横並びに配置されている。なお、本実施形態において、吸気管２が設けられた領域の地表部分は、気密シート８によって覆われている。この気密シート８により、揮発性の有害物質（例えば揮発性有機化合物）が含まれた蒸気を、外部に漏らすことなく回収できる。
【００２３】
吸引ポンプ３は、吸気管２と気液分離器４とを接続する送気配管９の途中に設けられ、吸気管４側から気液分離器４側へ気体を送り出す。従って、この吸引ポンプ３を動作させると、土壌Ｇ中を上昇した蒸気が吸気管２の内部に吸い込まれる。そして、吸い込まれた蒸気は、送気配管９を通じて気液分離器４へと送られる。
【００２４】
気液分離器４は、気体から水分を分離する装置であり、例えばノックアウトドラムによって構成される。そして、水分が分離された後の気体は吸着槽５に送られる。一方、分離された水分（分離水）には、少量ではあるが有機塩素化合物などの有害物質が含まれていることがあり、そのまま下水道などへ放流することはできない。このため、分離水については、水処理用の活性炭などを通過させることによって無害化し、その後排出される。
【００２５】
吸着槽５は、気体中に含まれる有害物質を除去する装置であり、例えば活性炭吸着槽が用いられる。この活性炭吸着槽は、活性炭が充填された吸着室を内部に有し、導入口から導入された気体を活性炭に接触させる。活性炭との接触により、気体に含まれる揮発性の有害物質が活性炭に吸着される。そして、活性炭を通った後の気体は、排出口から排出される。
【００２６】
コンプレッサー６は、吸着槽５から排出された気体を圧縮する装置である。ここで、吸着槽５から排出された気体は、気液分離器４で水分が除去され、吸着槽５で有害物質が吸着されているので、無害な低湿度の空気である。そして、コンプレッサー６で圧縮された空気は、加圧空気として空気貯留タンク７に貯留される。
【００２７】
空気貯留タンク７は、コンプレッサー６から送られてきた加圧空気を貯留するものである。この加圧空気は、蒸気製造噴射装置１の圧力容器１１の内部圧力よりも高い、規定の圧力で貯留されている。そして、加圧蒸気の生成時に圧力容器１１へと送られる。
【００２８】
次に、蒸気製造噴射装置１について詳しく説明する。
【００２９】
蒸気製造噴射装置１は、圧力容器１１と、送気管１２と、噴射用バルブ１３と、空気導入部１４（ガス導入部）と、水タンク１５と、給水バルブ１６と、空気抜き部１７（ガス抜き部）と、安全バルブ１８とを有している。
【００３０】
圧力容器１１は、前述したように加圧蒸気を生成する部分である。本実施形態では、容積が１０Ｌ程度であって耐圧が７気圧程度のものが用いられる。圧力容器１１は後述するように１００℃以上の高温になるため、熱損失をできるだけ抑える目的で、容器の外面或いは内面又は内外面に、ロックウール、ガラスウール、セラミックファイバー等を、例えばブランケット状にした保温材を装着する。この圧力容器１１の内部空間には、水受け容器１１ａと電気ヒーター１１ｂが設けられている。水受け容器１１ａは、水タンク１５から供給された水を受ける部分であり、液体受け部に相当する。この水受け容器１１ａは、例えば上面が開口した金属製のトレイ状部材によって構成される。
【００３１】
電気ヒーター１１ｂは、通電によって発熱し、水の沸点よりも高い温度まで加熱する。この電気ヒーター１１ｂは水受け容器１１ａの内側に配置されている。このため、水が供給された後に電気ヒーター１１ｂが加熱されると、水受け容器１１ａ内の水が蒸発し、圧力容器１１の内部が蒸気で満たされる。後述するように、この蒸気製造噴射装置１では、圧力容器１１に加圧空気を供給した後に電気ヒーター１１ｂを加熱する。このため、電気ヒーター１１ｂの出力は、加圧空気による加圧下であっても、水が蒸発する温度まで水受け容器１１ｂに供給された水を加熱できる程度に定められる。
【００３２】
送気管１２は、蒸気噴射管に相当する部材であり、噴射用バルブ１３を介して圧力容器１１と連通される筒状部材として構成される。そして、蒸気製造噴射装置１の使用時において、送気管１２は、上端部を除く大半の部分が土壌Ｇに埋設される。また、送気管１２の下端は蓋部材によって塞がれており、下端側面には蒸気を噴射する噴射口１２ａが設けられている。なお、送気管１２の長さや太さ、噴射口１２ａの大きさや数は、加圧蒸気の圧力や土壌Ｇの状態などに応じて定められる。
【００３３】
噴射用バルブ１３は、前述したように圧力容器１１と送気管１２の間に配置されており、開状態において圧力容器１１と送気管１２とを連通し、閉状態において圧力容器１１と送気管１２とを遮断する。この噴射用バルブ１３は、開閉状態を外部から電気的に制御できる。
【００３４】
空気導入部１４は、圧力容器１１の内部に加圧空気を導入するための部分であり、空気導入管１４ａと空気導入バルブ１４ｂとを有している。空気導入管１４ａは、一端が圧力容器１１の側面に接続され、他端が空気貯留タンク７からの送気配管９に接続されている。また、空気導入バルブ１４ｂは、空気導入管１４ａの途中に設けられており、開状態において加圧空気の圧力容器１１側への流れを許容し、閉状態において加圧空気の圧力容器１１側への流れを遮断する。この空気導入バルブ１４ｂもまた、制御部によって開閉状態を外部から電気的に制御できる。
【００３５】
水タンク１５は、蒸気の基となる水を貯留する部分であり、給水バルブ１６や給水管１９とともに給水部（液体供給部）となる。本実施形態では、この水タンク１５を圧力容器１１の天井部よりも上方に配設している。水タンク１５の底部と圧力容器１１の天井部とは給水管１９で接続されている。この給水管１９は、水タンク１５に貯留された水を圧力容器１１内に供給するための部材である。そして、給水管１９から圧力容器１１に供給された水は、圧力容器１１の内部を落下して水受け容器１１ａに貯められる。
【００３６】
給水バルブ１６は、給水管１９の途中に設けられており、水タンク１５から圧力容器１１への水の供給を制御する。給水管１９から排出された水は水量枡（図示せず）を満たし、水量枡が規定量の水で満たされると、この規定量の水が水受け容器１１ａへ落下する。この給水バルブ１６は、例えば電磁弁によって構成され、制御部によって開閉動作が外部から電気的に制御される。従って、給水バルブ１６を制御することで、給水開始や給水終了、給水量を制御することができる。
【００３７】
空気抜き部１７は、圧力容器１１の内部を外部に連通させたり、圧力容器１１の内部を外部から遮断させたりするための部分であり、空気抜き管１７ａと空気抜きバルブ１７ｂとを有している。空気抜き管１７ａは、一端が圧力容器１１の側面に接続され、他端が大気開放されている。また、空気抜きバルブ１７ｂは、空気抜き管１７ａの途中に設けられており、開状態において圧力容器１１の内部を外部に連通させ、閉状態において圧力容器１１の内部を外部から遮断させる。この空気抜きバルブ１７ｂもまた、制御部によって、開閉状態が外部から電気的に制御される。
【００３８】
安全バルブ１８は、圧力容器１１の内部圧力が過度に大きくなる不具合を防止するためのものである。この安全バルブ１８は、バルブ取り付け管２０を介して圧力容器１１に取り付けられている。そして、圧力容器１１の内部圧力が閾値以下の場合には閉状態となっており、この閾値を超えると開状態に切り替わる。この動作により、圧力容器１１の内部圧力は閾値以下に維持される。なお、本実施形態では、耐圧が７気圧の圧力容器１１を用いているため、閾値は７気圧よりも低い値に設定されている。これにより、圧力容器１１の内部圧力は、７気圧を超えないように調整される。また、安全バルブ１８は、規定の内圧（ここでは７気圧）を超えると自動的に開いて内圧を放出する機構になっている。
【００３９】
この蒸気製造噴射装置１では、前述したように、圧力容器１１に加圧空気を導入した後、電気ヒーター１１ｂによって水受け容器１１ａを加熱することで、加圧蒸気を生成する。ここで、この加圧蒸気が有する熱量について説明する。
【００４０】
加圧蒸気の熱量を検討するに際し、説明用の例として、処理条件を次のように定める。すなわち、圧力容器１１の容積を１０Ｌとし、水受け容器１１ａに供給される水の量を１０ｇとする。そして、加圧空気を導入することで、加熱前（２０℃とする）における圧力容器１１の圧力を２気圧（０．２ＭＰａ）とする。また、加熱前における圧力容器１１の内部温度が２０℃であって、圧力容器１１を密閉した状態で１５０℃まで温度を上昇させることとする。
【００４１】
この条件下における圧力容器１１の容器内圧力について検討する。まず、蒸気の分圧について検討する。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、温度１５０℃における飽和水蒸気圧は５０００ｈＰａであり、飽和水蒸気量は２５００ｇ／ｍ３である。この図から、１ｍ３の圧力容器１１であれば、２．５ｋｇの水を蒸気にすることができ、そのときの容器内圧力は０．５ＭＰａ（＝５０００ｈＰａ）になることが判る。本実施形態では、１０Ｌの圧力容器１１を用いるため、温度１５０℃で２５ｇの水を蒸気にすれば、容器内圧力が０．５ＭＰａになる。前述の処理条件において、蒸発させる水の量は１０ｇであるため、この量の水を蒸発させた際の蒸気分圧は、次式（１）から０．２ＭＰａになる。
蒸気分圧＝0.5MPa×(10g/25g)＝0.2MPa … （１）
【００４２】
次に、空気分圧について検討する。前述の処理条件において、加熱前の空気圧力は０．２ＭＰａである。そして、容器内の空気は加熱によって膨張するので、その圧力を高める。膨張後の空気分圧は、次式（２）から約０．３ＭＰａになる。
空気分圧＝0.2MPa×(273K+150K)／(273K+20K)≒0.3MPa … （２）
【００４３】
そして、容器内圧力は、蒸気分圧と空気分圧とを加算した値になるので０．５ＭＰａになる。ここで、水の量を増やせば蒸気の分圧が増えるので容器内圧力が高くなり、水の量を減らせば蒸気の分圧が減るので容器内圧力が低くなる。すなわち、蒸発させる水の量を調整することで、容器内圧力を調整できる。また、加熱温度の設定値を調整することで、容器内圧力を調整できる。
【００４４】
次に、加熱に要する熱量について検討する。ここでは、水の加熱に係る熱量と乾き空気の加熱に係る熱量とに分けて検討する。
【００４５】
水の加熱に係る熱量は、水の蒸発熱と水の比熱とを加算したものになる。このため、次式（３）に示すように、熱量は６６９０ｃａｌとなる。なお、１００℃における水の蒸発潜熱を５３９ｃａｌ／ｇとした。
熱量（水）＝10g×539cal/g＋10g×(150℃−20℃)×1cal/g/℃＝6690cal … （３）
【００４６】
乾き空気の加熱に係る熱量は、次式（４）に示すように、約５７８ｃａｌとなる。なお、空気の比重を１．３ｇ／Ｌ／ａｔｍ、乾き空気の定容比熱を０．１７１ｃａｌ／ｇ／℃とした。
熱量（乾き空気）＝10L×1.3g/L/atm×2atm×(150℃−20℃)×0.171cal/g/℃≒578cal … （４）
【００４７】
従って、合計の熱量は７２６８ｃａｌ（＝３０５２６Ｊ）となり、１０００Ｗのヒーターで約３０秒間加熱した際の熱量に相当する。このため、１０００Ｗよりも大きな出力のヒーターを用いれば、３０秒よりも短い時間で水を蒸発させることができる。ここで、水の加熱に係る熱量と乾き空気の加熱に係る熱量とを比較すると、水の熱量は乾き空気の熱量よりも１０倍以上大きい。このことから水は、加圧蒸気において熱量を高めるための要素としても機能していることが判る。
【００４８】
そして、圧力容器１１内の蒸気が全て噴射口１２ａから噴射され、温度１５℃の土に対する加温に使われたと仮定すると、次式（５）に示すように、１回の蒸気噴射によって約５５０ｇの土を４０℃まで加温できるといえる。なお、土の比熱を０．５３ｃａｌ／ｇ／℃とした。
加温される土の量＝7268cal÷0.53[cal/g/℃]÷(40℃−15℃)≒550ｇ … （５）
【００４９】
例えば、直径２ｍ、深さ５ｍ、体積１５．７ｍ３、質量２３．６トンの土を１５℃から４０℃に加温する場合について考える。この場合、次式（６）に示すように、約４２９００回の噴射を繰り返すことにより、質量２３．６トンの土を加温できる。３０秒間に１回の頻度で噴射を繰り返した場合、所要日数は約１５日となる。また、必要な水の量は、次式（７）に示すように４２９Ｌになる。さらに、噴射される蒸気の体積及び加温対象の土の体積に対する比率は、次式（８），（９）に示すように蒸気の体積が４２９ｍ３となり、比率が約２７倍となる。
【００５０】
繰り返し回数＝23.6トン×1000[kg/トン]÷0.55[kg/回]≒42900回 … （６）
水の必要量＝42900回×0.01[L/回]≒429L … （７）
蒸気の体積＝42900回×0.01[m３/回]≒429m３ … （８）
比率＝429m３÷15.7m３≒27倍 … （９）
【００５１】
従って、本実施形態の蒸気製造噴射装置１を用いることにより、質量で２３．６トンにもなる大量の土を、理論上は１５日程度の期間で加温でき、加温に際して必要となる水の総量も約４３０Ｌと少なく抑えられることが理解できる。
【００５２】
次に、図３を参照し、土壌浄化システムによる土壌Ｇの加温について説明する。
【００５３】
この土壌浄化システムでは、まず、図３（ａ）に示すように、圧力容器１１の内部を大気圧にする。このため、空気抜きバルブ１７ｂを開状態にする。また、給水バルブ１６を開放し、規定量（１０ｇ）の水を水受け容器１１ａに供給する。なお、このとき、噴射用バルブ１３、空気導入バルブ１４ｂ、安全バルブ１８は閉状態になっている。
【００５４】
水受け容器１１ａに水を供給したならば、圧力容器１１に加圧空気を導入する。この場合、図３（ｂ）に示すように、給水バルブ１６及び空気抜きバルブ１７ｂを閉状態にした後に、空気導入バルブ１４ｂを開状態にする。ここで、本実施形態では、圧力容器１１の内部が大気圧であって、空気貯留タンク７に貯留されている加圧空気が規定の圧力であるため、空気導入バルブ１４ｂの開放時間によって圧力容器１１の内部を所望の圧力にすることができる。本実施形態では、圧力容器１１の内部が２気圧になる期間に亘って空気導入バルブ１４ｂを開状態にする。
【００５５】
圧力容器１１に加圧空気を導入したならば、水受け容器１１ａの水を蒸発させる。この場合、図３（ｃ）に示すように、空気導入バルブ１４ｂを閉状態にした後に、電気ヒーター１１ｂに通電する。これにより、水受け容器１１ａが加熱されて容器内の水が蒸発し、圧力容器１１の内部が加圧蒸気Ｖで満たされる。
【００５６】
圧力容器１１の内部が加圧蒸気Ｖで満たされたならば、この加圧蒸気Ｖを噴射する。すなわち、噴射用バルブ１３を開放して、噴射口１２ａから加圧蒸気Ｖを土壌Ｇに向かって噴射する。
【００５７】
ここで、本実施形態では、加圧蒸気Ｖを生成するに際し、水の加熱前に加圧空気を圧力容器１１の内部に導入している。このため、噴射口１２ａから噴射された加圧蒸気Ｖの温度が下がって凝集が生じても加圧空気に伴う圧力が残っており、加圧蒸気Ｖが土壌Ｇ内をさらに進行する。従って、単に蒸気を噴射した場合よりも遠くへ蒸気を拡散させることができ、広い範囲の土壌Ｇを加温できる。また、噴射口１２ａの近傍で多くの水が凝集して地盤が緩くなってしまう不具合も抑制できる。
【００５８】
そして、蒸気を含んだ空気は乾き空気よりも蒸気の分だけ熱容量が大きいので、加熱された乾き空気を噴射する場合に比べて効率良く土壌Ｇを加温することができる。また、加圧蒸気Ｖを瞬間的に噴射させているので、蒸気の進行によって土壌Ｇに空気の通り道ができても反動で土が戻り、空気の通り道が塞がれる。これにより、空気の通り道が一定部分に形成されていることによる不具合、すなわち固定された空気の通り道の周辺のみが他の部分に比べて加温され、土壌Ｇの温度にムラができてしまう不具合を抑制できる。その結果、土壌Ｇを均等に加温することができる。
【００５９】
土壌Ｇに噴射された加圧蒸気Ｖは土壌Ｇの内部を上昇する。ここで、噴射口１２ａが蒸気噴射管の下端側面に設けられているので、図３（ｄ）に矢印で示すように、噴射口１２ａから噴射された加圧蒸気Ｖが放物線を描くように上方へ拡散する。このため、広い範囲の土壌Ｇを効率よく加温できる。そして、本実施形態では、水を蒸発させているので、加温対象の土壌Ｇについて、ｐＨが酸性側に変化したり、アルカリ性側に変化したりすることを抑制できる。
【００６０】
加圧蒸気Ｖが上昇するとき、土壌Ｇに含まれる揮発性の有害物質もこの加圧蒸気Ｖとともに土壌Ｇ内を上昇する。これらの加圧蒸気Ｖ及び有害物質は、地表付近において吸気管２に吸い込まれる。その後、気液分離器４で水分が分離され、吸着槽５で有害物質が吸着される。水分及び有害物質が除去された空気はコンプレッサー６で圧縮され、加圧空気として圧力容器１１に貯留される。圧力容器１１に貯留された加圧空気は、圧力容器１１に供給されて次サイクル用の加圧蒸気の生成に用いられる。
【００６１】
次サイクルでも、図３（ａ）から図３（ｄ）で説明した動作が行われる。ここで、噴射口１２ａから加圧蒸気Ｖが噴射された後、加圧空気の導入に先立って空気抜きバルブ１７ｂを開状態とし、圧力容器１１の内部を大気圧に戻しているので、加圧空気の導入を速やかに行える。すなわち、圧力容器１１内の圧力を大気圧とほぼ等しくしておくことで、給水バルブ１６を開放した際に、圧力容器１１内の蒸気が水タンク１５へ流れ込むことを防止し、上方からの自由落下による水の供給を確実に行うことができる。その結果、加圧蒸気Ｖの生成を早期に開始できる。
【００６２】
以後は、加圧蒸気Ｖの生成と噴射とが繰り返し行われて土壌Ｇが加熱される。このため、土壌Ｇを長期間に亘って加温することができる。そして、１回の噴射で使用される水の量は１０ｇ（１０ｃｃ）程度と極めて少ない。このため、水タンク１５への水の補給頻度も少なくすることができ、作業者の負担が少ない。
【００６３】
＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
以上の各実施形態に関する説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨、目的を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
【００６４】
まず、蒸気生成用の液体に関し、前述の実施形態では水を用いているがこれに限定されない。例えば、エタノールであってもよい。また、浄化用の微生物を活性化させる目的で土壌Ｇを加温する場合には、蒸気生成用の液体に微生物用の栄養素を混ぜてもよい。
【００６５】
また、圧縮空気を供給するに際し、空気貯留タンク７に代えてコンプレッサーを接続してもよいし、圧縮空気に代えて、加圧された窒素ガスを用いてもよい。
【００６６】
さらに、圧力容器１１の容積、送気管１２の長さや太さは、前述の実施形態のものに限定されるものではなく、土壌Ｇの状態にあわせて適宜に設定できる。
【００６７】
また、前述の実施形態では土壌浄化システムを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、地盤改良のために土壌Ｇを加温するシステムであってもよいし、作物の生育促進のために土壌Ｇを加温するシステムであってもよい。そして、作物の生育促進のために土壌Ｇを加温する場合には、作物の栄養素を蒸気生成用の液体に混入させるとよい。
【符号の説明】
【００６８】
１ 蒸気製造噴射装置
２ 吸気管
３ 吸引ポンプ
４ 気液分離器
５ 吸着槽
６ コンプレッサー
７ 空気貯留タンク
８ 気密シート
９ 送気配管
１１ 圧力容器（１１ａ 水受け容器，１１ｂ 電気ヒーター）
１２ 送気管（１２ａ 噴射口）
１３ 噴射用バルブ
１４ 空気導入部（１４ａ 空気導入管，１４ｂ 空気導入バルブ）
１５ 水タンク
１６ 給水バルブ
１７ 空気抜き部（１７ａ 空気抜き管，１７ｂ 空気抜きバルブ）
１８ 安全バルブ
１９ 給水管
２０ バルブ取り付け管
Ｇ 土壌
Ｖ 加圧蒸気
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚染土壌の浄化や土壌改良をするために土壌を加温する土壌加温システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、土壌を加温することで土壌を浄化することが行われている。例えば、特許文献１には、生石灰抗と土中水との反応熱によって土壌を加温し、土壌中の汚染物質を揮発させる浄化方法が記載されている。また、特許文献２には、汚染物質を分解可能な微生物を活性化することにより、土壌中の汚染物質を分解する浄化方法が記載されている。一般に微生物は、４０℃程度の暖かい環境下で活性化することが知られているので、土壌を加温することで微生物による浄化能力を高めることができる。また、特許文献３には、土壌中にヒーターを設置し、このヒーターを発熱させることで周囲の土壌を加温する浄化方法が記載されている。さらに、特許文献４には、汚染土壌に高圧蒸気を噴射することで周囲の土壌を加温する浄化方法が記載されている。
【０００３】
なお、土壌の加温は、土壌浄化の他、地盤改良や作物の生育促進の観点からも行われることがある。すなわち、固化材を混合した土壌に対し、固化材の固化を促進する目的で土壌を加温することがある。また、冬期において土壌の温度を適温に保つ目的で土壌を加温することもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２９２３６１号公報
【特許文献２】特開平９−１０７５２号公報
【特許文献３】特開２００２−１１９９５３号公報
【特許文献４】特表平４−５０１２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、生石灰と土中水の反応熱を用いる浄化方法では、土壌を長時間に亘って加温し続けることは困難である。また、生石灰と水が反応すると水酸化カルシウムが生成されるため、土壌がアルカリ性になってしまうという問題がある。
【０００６】
また、ヒーターを使って土壌を加温する浄化方法では、ヒーター近傍の極めて狭い範囲の土壌しか加温できない。このため、広い範囲の土壌を加温するためには、複数のヒーターを用いなければならない。
【０００７】
さらに、高圧蒸気を土中に噴射する浄化方法では、噴射直後に蒸気が凝集して圧力が低くなるため、ヒーターを使う浄化方法と同様に、広い範囲の土壌を加温するためには高圧蒸気の噴射管を多数用いる必要がある。また、この浄化方法では、噴射口周辺の水分量が過度に高くなり、土壌が緩んでしまうという問題もある。加えて、高圧蒸気をボイラー設備で生成し、地上の配管を用いて多数の箇所へ分配するように構成した場合、配管やジョイント部が破損すると高圧蒸気が漏れることとなるため、対策に万全を来さなければならない。加えて、地上に設置された配管では保温処理を施しても熱損失が生じるため、効率が損なわれてしまうという問題が生じる。
【０００８】
なお、加熱された空気を土中に噴射することで土壌を加温することも考えられるが、空気の熱容量は小さ過ぎるため、広い範囲の土壌を加温することは困難である。
【０００９】
本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、広い範囲の土壌を長時間に亘って効率よく加温することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため本発明は、
土壌中に蒸気を噴射することで前記土壌を加熱する土壌加温システムであって、
ヒーター及び液体の受け容器が内部に設けられた圧力容器と、
前記圧力容器内に加圧ガスを導入するガス導入部と、
前記受け容器に液体を供給する液体供給部と、
噴射用バルブを介して前記圧力容器と連通可能に構成され、前記噴射用バルブが閉じられるとともに前記加圧ガスが前記圧力容器に導入された状態で、前記受け容器に供給された液体を前記ヒーターで加熱することによって前記圧力容器内に生成された加圧蒸気を、前記噴射用バルブを開放することで前記土壌中に配置された噴射口から前記土壌へ噴射する蒸気噴射管と、
を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、容器内の加圧蒸気が噴射口から噴射されると、噴射直後の加圧蒸気は、液体蒸発時の膨張に伴う圧力と加圧ガスの圧力とがあわさり、強い力で土壌内を進行する。その後、土壌に熱を吸収されることで液体分が凝集して圧力が低下するが、それでも加圧ガスの圧力が作用するため、蒸気は土壌内をさらに進行できる。これにより、単に蒸気を噴射した場合よりも遠くへ蒸気を拡散させることができ、広い範囲の土壌を加温できる。
【００１２】
そして、蒸気の基となった液体は、空気よりも熱容量が大きいため、加熱された空気を噴射する場合に比べて効率よく土壌を加温できる。さらに、本発明では、加圧蒸気を繰り返し噴射することで、土壌を長期間に亘って加温することができる。
【００１３】
本発明の土壌加温システムにおいて、ガス抜きバルブの開状態で圧力容器の内部と外部を連通させる一方、ガス抜きバルブの閉状態で圧力容器の内部を外部から遮断するガス抜き部を設け、このガス抜きバルブを、噴射用バルブが開放された後に閉状態から開状態に変換するようにした場合には、噴射用バルブが開放されて加圧蒸気が土壌に向けて噴射された後、圧力容器の内部を外気と同じ圧力にすることができる。ここで、容器内に残圧があると、液体供給部に対して容器内の圧力が作用して噴出してしまうこともあり得る。そして、圧力容器の内部を外気と同じ圧力にすることで、次のサイクルにおける加圧蒸気の生成を早期に開始できる。
【００１４】
本発明の土壌加温システムにおいて、噴射口を蒸気噴射管の下端側面に設けた場合には、噴射口から噴射された加圧蒸気が放物線を描くように上方へ拡散するので、広い範囲の土壌を効率よく加温できる。
【００１５】
本発明の土壌加温システムにおいて、受け容器に供給される液体を水にした場合には、加圧された水蒸気が噴射されるので、加温対象の土壌についてｐＨが酸性側に変化したり、アルカリ性側に変化したりすることを抑制できる。
【００１６】
本発明の土壌加温システムにおいて、土壌表面を気密状態で覆う気密シートと、この気密シートで覆われた土壌に埋設され、土壌中のガスを吸引するガス吸引部とを設けた場合には、加圧蒸気と共に上昇する土壌中の汚染物質を効率よく回収できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の土壌加温システムによれば、広い範囲の土壌を長時間に亘って効率よく加温することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】土壌浄化システムの全体構成を説明する図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、密閉容器における飽和水蒸気圧及び飽和水蒸気量と容器内温度の関係を説明する図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は土壌浄化システムの動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、蒸気の噴射によって汚染土壌を加温し、土壌を浄化する土壌浄化システムを例に挙げて説明する。この土壌浄化システムは、土壌加温システムに有害物質吸着工程を行う部分を付加することで構成される。
【００２０】
図１に示す土壌浄化システムは、蒸気製造噴射装置１と、吸気管２と、吸引ポンプ３と、気液分離器４と、吸着槽５と、コンプレッサー６と、空気貯留タンク７とを有している。なお、これらの部分のうち、蒸気製造噴射装置１、吸気管２、吸引ポンプ３、気液分離器４、及び、コンプレッサー６が土壌加温システムに相当する。従って、土壌浄化システムは、土壌加温システムに吸着槽５を付加したものといえる。
【００２１】
蒸気製造噴射装置１は、内部で加圧蒸気を生成する圧力容器１１と、この圧力容器１１と連通され、土壌Ｇに埋設される送気管１２（蒸気噴射管）と、圧力容器１１と送気管１２の間に配置される噴射用バルブ１３とを有する。この蒸気製造噴射装置１は、圧力容器１１内で生成された加圧蒸気を、噴射用バルブ１３の制御によって送気管１２に導いて土壌Ｇへ噴射させる。なお、この蒸気製造噴射装置１については、後で詳しく説明する。
【００２２】
吸気管２は、土壌Ｇの内部を地表付近まで上昇した蒸気を吸い込むためのものであり、有孔管やメッシュ状の暗渠管によって構成されている。この吸気管２は、土壌Ｇにおける地表側の位置に、地表に沿って複数横並びに配置されている。なお、本実施形態において、吸気管２が設けられた領域の地表部分は、気密シート８によって覆われている。この気密シート８により、揮発性の有害物質（例えば揮発性有機化合物）が含まれた蒸気を、外部に漏らすことなく回収できる。
【００２３】
吸引ポンプ３は、吸気管２と気液分離器４とを接続する送気配管９の途中に設けられ、吸気管４側から気液分離器４側へ気体を送り出す。従って、この吸引ポンプ３を動作させると、土壌Ｇ中を上昇した蒸気が吸気管２の内部に吸い込まれる。そして、吸い込まれた蒸気は、送気配管９を通じて気液分離器４へと送られる。
【００２４】
気液分離器４は、気体から水分を分離する装置であり、例えばノックアウトドラムによって構成される。そして、水分が分離された後の気体は吸着槽５に送られる。一方、分離された水分（分離水）には、少量ではあるが有機塩素化合物などの有害物質が含まれていることがあり、そのまま下水道などへ放流することはできない。このため、分離水については、水処理用の活性炭などを通過させることによって無害化し、その後排出される。
【００２５】
吸着槽５は、気体中に含まれる有害物質を除去する装置であり、例えば活性炭吸着槽が用いられる。この活性炭吸着槽は、活性炭が充填された吸着室を内部に有し、導入口から導入された気体を活性炭に接触させる。活性炭との接触により、気体に含まれる揮発性の有害物質が活性炭に吸着される。そして、活性炭を通った後の気体は、排出口から排出される。
【００２６】
コンプレッサー６は、吸着槽５から排出された気体を圧縮する装置である。ここで、吸着槽５から排出された気体は、気液分離器４で水分が除去され、吸着槽５で有害物質が吸着されているので、無害な低湿度の空気である。そして、コンプレッサー６で圧縮された空気は、加圧空気として空気貯留タンク７に貯留される。
【００２７】
空気貯留タンク７は、コンプレッサー６から送られてきた加圧空気を貯留するものである。この加圧空気は、蒸気製造噴射装置１の圧力容器１１の内部圧力よりも高い、規定の圧力で貯留されている。そして、加圧蒸気の生成時に圧力容器１１へと送られる。
【００２８】
次に、蒸気製造噴射装置１について詳しく説明する。
【００２９】
蒸気製造噴射装置１は、圧力容器１１と、送気管１２と、噴射用バルブ１３と、空気導入部１４（ガス導入部）と、水タンク１５と、給水バルブ１６と、空気抜き部１７（ガス抜き部）と、安全バルブ１８とを有している。
【００３０】
圧力容器１１は、前述したように加圧蒸気を生成する部分である。本実施形態では、容積が１０Ｌ程度であって耐圧が７気圧程度のものが用いられる。圧力容器１１は後述するように１００℃以上の高温になるため、熱損失をできるだけ抑える目的で、容器の外面或いは内面又は内外面に、ロックウール、ガラスウール、セラミックファイバー等を、例えばブランケット状にした保温材を装着する。この圧力容器１１の内部空間には、水受け容器１１ａと電気ヒーター１１ｂが設けられている。水受け容器１１ａは、水タンク１５から供給された水を受ける部分であり、液体受け部に相当する。この水受け容器１１ａは、例えば上面が開口した金属製のトレイ状部材によって構成される。
【００３１】
電気ヒーター１１ｂは、通電によって発熱し、水の沸点よりも高い温度まで加熱する。この電気ヒーター１１ｂは水受け容器１１ａの内側に配置されている。このため、水が供給された後に電気ヒーター１１ｂが加熱されると、水受け容器１１ａ内の水が蒸発し、圧力容器１１の内部が蒸気で満たされる。後述するように、この蒸気製造噴射装置１では、圧力容器１１に加圧空気を供給した後に電気ヒーター１１ｂを加熱する。このため、電気ヒーター１１ｂの出力は、加圧空気による加圧下であっても、水が蒸発する温度まで水受け容器１１ｂに供給された水を加熱できる程度に定められる。
【００３２】
送気管１２は、蒸気噴射管に相当する部材であり、噴射用バルブ１３を介して圧力容器１１と連通される筒状部材として構成される。そして、蒸気製造噴射装置１の使用時において、送気管１２は、上端部を除く大半の部分が土壌Ｇに埋設される。また、送気管１２の下端は蓋部材によって塞がれており、下端側面には蒸気を噴射する噴射口１２ａが設けられている。なお、送気管１２の長さや太さ、噴射口１２ａの大きさや数は、加圧蒸気の圧力や土壌Ｇの状態などに応じて定められる。
【００３３】
噴射用バルブ１３は、前述したように圧力容器１１と送気管１２の間に配置されており、開状態において圧力容器１１と送気管１２とを連通し、閉状態において圧力容器１１と送気管１２とを遮断する。この噴射用バルブ１３は、開閉状態を外部から電気的に制御できる。
【００３４】
空気導入部１４は、圧力容器１１の内部に加圧空気を導入するための部分であり、空気導入管１４ａと空気導入バルブ１４ｂとを有している。空気導入管１４ａは、一端が圧力容器１１の側面に接続され、他端が空気貯留タンク７からの送気配管９に接続されている。また、空気導入バルブ１４ｂは、空気導入管１４ａの途中に設けられており、開状態において加圧空気の圧力容器１１側への流れを許容し、閉状態において加圧空気の圧力容器１１側への流れを遮断する。この空気導入バルブ１４ｂもまた、制御部によって開閉状態を外部から電気的に制御できる。
【００３５】
水タンク１５は、蒸気の基となる水を貯留する部分であり、給水バルブ１６や給水管１９とともに給水部（液体供給部）となる。本実施形態では、この水タンク１５を圧力容器１１の天井部よりも上方に配設している。水タンク１５の底部と圧力容器１１の天井部とは給水管１９で接続されている。この給水管１９は、水タンク１５に貯留された水を圧力容器１１内に供給するための部材である。そして、給水管１９から圧力容器１１に供給された水は、圧力容器１１の内部を落下して水受け容器１１ａに貯められる。
【００３６】
給水バルブ１６は、給水管１９の途中に設けられており、水タンク１５から圧力容器１１への水の供給を制御する。給水管１９から排出された水は水量枡（図示せず）を満たし、水量枡が規定量の水で満たされると、この規定量の水が水受け容器１１ａへ落下する。この給水バルブ１６は、例えば電磁弁によって構成され、制御部によって開閉動作が外部から電気的に制御される。従って、給水バルブ１６を制御することで、給水開始や給水終了、給水量を制御することができる。
【００３７】
空気抜き部１７は、圧力容器１１の内部を外部に連通させたり、圧力容器１１の内部を外部から遮断させたりするための部分であり、空気抜き管１７ａと空気抜きバルブ１７ｂとを有している。空気抜き管１７ａは、一端が圧力容器１１の側面に接続され、他端が大気開放されている。また、空気抜きバルブ１７ｂは、空気抜き管１７ａの途中に設けられており、開状態において圧力容器１１の内部を外部に連通させ、閉状態において圧力容器１１の内部を外部から遮断させる。この空気抜きバルブ１７ｂもまた、制御部によって、開閉状態が外部から電気的に制御される。
【００３８】
安全バルブ１８は、圧力容器１１の内部圧力が過度に大きくなる不具合を防止するためのものである。この安全バルブ１８は、バルブ取り付け管２０を介して圧力容器１１に取り付けられている。そして、圧力容器１１の内部圧力が閾値以下の場合には閉状態となっており、この閾値を超えると開状態に切り替わる。この動作により、圧力容器１１の内部圧力は閾値以下に維持される。なお、本実施形態では、耐圧が７気圧の圧力容器１１を用いているため、閾値は７気圧よりも低い値に設定されている。これにより、圧力容器１１の内部圧力は、７気圧を超えないように調整される。また、安全バルブ１８は、規定の内圧（ここでは７気圧）を超えると自動的に開いて内圧を放出する機構になっている。
【００３９】
この蒸気製造噴射装置１では、前述したように、圧力容器１１に加圧空気を導入した後、電気ヒーター１１ｂによって水受け容器１１ａを加熱することで、加圧蒸気を生成する。ここで、この加圧蒸気が有する熱量について説明する。
【００４０】
加圧蒸気の熱量を検討するに際し、説明用の例として、処理条件を次のように定める。すなわち、圧力容器１１の容積を１０Ｌとし、水受け容器１１ａに供給される水の量を１０ｇとする。そして、加圧空気を導入することで、加熱前（２０℃とする）における圧力容器１１の圧力を２気圧（０．２ＭＰａ）とする。また、加熱前における圧力容器１１の内部温度が２０℃であって、圧力容器１１を密閉した状態で１５０℃まで温度を上昇させることとする。
【００４１】
この条件下における圧力容器１１の容器内圧力について検討する。まず、蒸気の分圧について検討する。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、温度１５０℃における飽和水蒸気圧は５０００ｈＰａであり、飽和水蒸気量は２５００ｇ／ｍ３である。この図から、１ｍ３の圧力容器１１であれば、２．５ｋｇの水を蒸気にすることができ、そのときの容器内圧力は０．５ＭＰａ（＝５０００ｈＰａ）になることが判る。本実施形態では、１０Ｌの圧力容器１１を用いるため、温度１５０℃で２５ｇの水を蒸気にすれば、容器内圧力が０．５ＭＰａになる。前述の処理条件において、蒸発させる水の量は１０ｇであるため、この量の水を蒸発させた際の蒸気分圧は、次式（１）から０．２ＭＰａになる。
蒸気分圧＝0.5MPa×(10g/25g)＝0.2MPa … （１）
【００４２】
次に、空気分圧について検討する。前述の処理条件において、加熱前の空気圧力は０．２ＭＰａである。そして、容器内の空気は加熱によって膨張するので、その圧力を高める。膨張後の空気分圧は、次式（２）から約０．３ＭＰａになる。
空気分圧＝0.2MPa×(273K+150K)／(273K+20K)≒0.3MPa … （２）
【００４３】
そして、容器内圧力は、蒸気分圧と空気分圧とを加算した値になるので０．５ＭＰａになる。ここで、水の量を増やせば蒸気の分圧が増えるので容器内圧力が高くなり、水の量を減らせば蒸気の分圧が減るので容器内圧力が低くなる。すなわち、蒸発させる水の量を調整することで、容器内圧力を調整できる。また、加熱温度の設定値を調整することで、容器内圧力を調整できる。
【００４４】
次に、加熱に要する熱量について検討する。ここでは、水の加熱に係る熱量と乾き空気の加熱に係る熱量とに分けて検討する。
【００４５】
水の加熱に係る熱量は、水の蒸発熱と水の比熱とを加算したものになる。このため、次式（３）に示すように、熱量は６６９０ｃａｌとなる。なお、１００℃における水の蒸発潜熱を５３９ｃａｌ／ｇとした。
熱量（水）＝10g×539cal/g＋10g×(150℃−20℃)×1cal/g/℃＝6690cal … （３）
【００４６】
乾き空気の加熱に係る熱量は、次式（４）に示すように、約５７８ｃａｌとなる。なお、空気の比重を１．３ｇ／Ｌ／ａｔｍ、乾き空気の定容比熱を０．１７１ｃａｌ／ｇ／℃とした。
熱量（乾き空気）＝10L×1.3g/L/atm×2atm×(150℃−20℃)×0.171cal/g/℃≒578cal … （４）
【００４７】
従って、合計の熱量は７２６８ｃａｌ（＝３０５２６Ｊ）となり、１０００Ｗのヒーターで約３０秒間加熱した際の熱量に相当する。このため、１０００Ｗよりも大きな出力のヒーターを用いれば、３０秒よりも短い時間で水を蒸発させることができる。ここで、水の加熱に係る熱量と乾き空気の加熱に係る熱量とを比較すると、水の熱量は乾き空気の熱量よりも１０倍以上大きい。このことから水は、加圧蒸気において熱量を高めるための要素としても機能していることが判る。
【００４８】
そして、圧力容器１１内の蒸気が全て噴射口１２ａから噴射され、温度１５℃の土に対する加温に使われたと仮定すると、次式（５）に示すように、１回の蒸気噴射によって約５５０ｇの土を４０℃まで加温できるといえる。なお、土の比熱を０．５３ｃａｌ／ｇ／℃とした。
加温される土の量＝7268cal÷0.53[cal/g/℃]÷(40℃−15℃)≒550ｇ … （５）
【００４９】
例えば、直径２ｍ、深さ５ｍ、体積１５．７ｍ３、質量２３．６トンの土を１５℃から４０℃に加温する場合について考える。この場合、次式（６）に示すように、約４２９００回の噴射を繰り返すことにより、質量２３．６トンの土を加温できる。３０秒間に１回の頻度で噴射を繰り返した場合、所要日数は約１５日となる。また、必要な水の量は、次式（７）に示すように４２９Ｌになる。さらに、噴射される蒸気の体積及び加温対象の土の体積に対する比率は、次式（８），（９）に示すように蒸気の体積が４２９ｍ３となり、比率が約２７倍となる。
【００５０】
繰り返し回数＝23.6トン×1000[kg/トン]÷0.55[kg/回]≒42900回 … （６）
水の必要量＝42900回×0.01[L/回]≒429L … （７）
蒸気の体積＝42900回×0.01[m３/回]≒429m３ … （８）
比率＝429m３÷15.7m３≒27倍 … （９）
【００５１】
従って、本実施形態の蒸気製造噴射装置１を用いることにより、質量で２３．６トンにもなる大量の土を、理論上は１５日程度の期間で加温でき、加温に際して必要となる水の総量も約４３０Ｌと少なく抑えられることが理解できる。
【００５２】
次に、図３を参照し、土壌浄化システムによる土壌Ｇの加温について説明する。
【００５３】
この土壌浄化システムでは、まず、図３（ａ）に示すように、圧力容器１１の内部を大気圧にする。このため、空気抜きバルブ１７ｂを開状態にする。また、給水バルブ１６を開放し、規定量（１０ｇ）の水を水受け容器１１ａに供給する。なお、このとき、噴射用バルブ１３、空気導入バルブ１４ｂ、安全バルブ１８は閉状態になっている。
【００５４】
水受け容器１１ａに水を供給したならば、圧力容器１１に加圧空気を導入する。この場合、図３（ｂ）に示すように、給水バルブ１６及び空気抜きバルブ１７ｂを閉状態にした後に、空気導入バルブ１４ｂを開状態にする。ここで、本実施形態では、圧力容器１１の内部が大気圧であって、空気貯留タンク７に貯留されている加圧空気が規定の圧力であるため、空気導入バルブ１４ｂの開放時間によって圧力容器１１の内部を所望の圧力にすることができる。本実施形態では、圧力容器１１の内部が２気圧になる期間に亘って空気導入バルブ１４ｂを開状態にする。
【００５５】
圧力容器１１に加圧空気を導入したならば、水受け容器１１ａの水を蒸発させる。この場合、図３（ｃ）に示すように、空気導入バルブ１４ｂを閉状態にした後に、電気ヒーター１１ｂに通電する。これにより、水受け容器１１ａが加熱されて容器内の水が蒸発し、圧力容器１１の内部が加圧蒸気Ｖで満たされる。
【００５６】
圧力容器１１の内部が加圧蒸気Ｖで満たされたならば、この加圧蒸気Ｖを噴射する。すなわち、噴射用バルブ１３を開放して、噴射口１２ａから加圧蒸気Ｖを土壌Ｇに向かって噴射する。
【００５７】
ここで、本実施形態では、加圧蒸気Ｖを生成するに際し、水の加熱前に加圧空気を圧力容器１１の内部に導入している。このため、噴射口１２ａから噴射された加圧蒸気Ｖの温度が下がって凝集が生じても加圧空気に伴う圧力が残っており、加圧蒸気Ｖが土壌Ｇ内をさらに進行する。従って、単に蒸気を噴射した場合よりも遠くへ蒸気を拡散させることができ、広い範囲の土壌Ｇを加温できる。また、噴射口１２ａの近傍で多くの水が凝集して地盤が緩くなってしまう不具合も抑制できる。
【００５８】
そして、蒸気を含んだ空気は乾き空気よりも蒸気の分だけ熱容量が大きいので、加熱された乾き空気を噴射する場合に比べて効率良く土壌Ｇを加温することができる。また、加圧蒸気Ｖを瞬間的に噴射させているので、蒸気の進行によって土壌Ｇに空気の通り道ができても反動で土が戻り、空気の通り道が塞がれる。これにより、空気の通り道が一定部分に形成されていることによる不具合、すなわち固定された空気の通り道の周辺のみが他の部分に比べて加温され、土壌Ｇの温度にムラができてしまう不具合を抑制できる。その結果、土壌Ｇを均等に加温することができる。
【００５９】
土壌Ｇに噴射された加圧蒸気Ｖは土壌Ｇの内部を上昇する。ここで、噴射口１２ａが蒸気噴射管の下端側面に設けられているので、図３（ｄ）に矢印で示すように、噴射口１２ａから噴射された加圧蒸気Ｖが放物線を描くように上方へ拡散する。このため、広い範囲の土壌Ｇを効率よく加温できる。そして、本実施形態では、水を蒸発させているので、加温対象の土壌Ｇについて、ｐＨが酸性側に変化したり、アルカリ性側に変化したりすることを抑制できる。
【００６０】
加圧蒸気Ｖが上昇するとき、土壌Ｇに含まれる揮発性の有害物質もこの加圧蒸気Ｖとともに土壌Ｇ内を上昇する。これらの加圧蒸気Ｖ及び有害物質は、地表付近において吸気管２に吸い込まれる。その後、気液分離器４で水分が分離され、吸着槽５で有害物質が吸着される。水分及び有害物質が除去された空気はコンプレッサー６で圧縮され、加圧空気として圧力容器１１に貯留される。圧力容器１１に貯留された加圧空気は、圧力容器１１に供給されて次サイクル用の加圧蒸気の生成に用いられる。
【００６１】
次サイクルでも、図３（ａ）から図３（ｄ）で説明した動作が行われる。ここで、噴射口１２ａから加圧蒸気Ｖが噴射された後、加圧空気の導入に先立って空気抜きバルブ１７ｂを開状態とし、圧力容器１１の内部を大気圧に戻しているので、加圧空気の導入を速やかに行える。すなわち、圧力容器１１内の圧力を大気圧とほぼ等しくしておくことで、給水バルブ１６を開放した際に、圧力容器１１内の蒸気が水タンク１５へ流れ込むことを防止し、上方からの自由落下による水の供給を確実に行うことができる。その結果、加圧蒸気Ｖの生成を早期に開始できる。
【００６２】
以後は、加圧蒸気Ｖの生成と噴射とが繰り返し行われて土壌Ｇが加熱される。このため、土壌Ｇを長期間に亘って加温することができる。そして、１回の噴射で使用される水の量は１０ｇ（１０ｃｃ）程度と極めて少ない。このため、水タンク１５への水の補給頻度も少なくすることができ、作業者の負担が少ない。
【００６３】
＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
以上の各実施形態に関する説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨、目的を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
【００６４】
まず、蒸気生成用の液体に関し、前述の実施形態では水を用いているがこれに限定されない。例えば、エタノールであってもよい。また、浄化用の微生物を活性化させる目的で土壌Ｇを加温する場合には、蒸気生成用の液体に微生物用の栄養素を混ぜてもよい。
【００６５】
また、圧縮空気を供給するに際し、空気貯留タンク７に代えてコンプレッサーを接続してもよいし、圧縮空気に代えて、加圧された窒素ガスを用いてもよい。
【００６６】
さらに、圧力容器１１の容積、送気管１２の長さや太さは、前述の実施形態のものに限定されるものではなく、土壌Ｇの状態にあわせて適宜に設定できる。
【００６７】
また、前述の実施形態では土壌浄化システムを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、地盤改良のために土壌Ｇを加温するシステムであってもよいし、作物の生育促進のために土壌Ｇを加温するシステムであってもよい。そして、作物の生育促進のために土壌Ｇを加温する場合には、作物の栄養素を蒸気生成用の液体に混入させるとよい。
【符号の説明】
【００６８】
１ 蒸気製造噴射装置
２ 吸気管
３ 吸引ポンプ
４ 気液分離器
５ 吸着槽
６ コンプレッサー
７ 空気貯留タンク
８ 気密シート
９ 送気配管
１１ 圧力容器（１１ａ 水受け容器，１１ｂ 電気ヒーター）
１２ 送気管（１２ａ 噴射口）
１３ 噴射用バルブ
１４ 空気導入部（１４ａ 空気導入管，１４ｂ 空気導入バルブ）
１５ 水タンク
１６ 給水バルブ
１７ 空気抜き部（１７ａ 空気抜き管，１７ｂ 空気抜きバルブ）
１８ 安全バルブ
１９ 給水管
２０ バルブ取り付け管
Ｇ 土壌
Ｖ 加圧蒸気
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土壌中に蒸気を噴射することで前記土壌を加熱する土壌加温システムであって、
ヒーター及び液体の受け容器が内部に設けられた圧力容器と、
前記圧力容器内に加圧ガスを導入するガス導入部と、
前記受け容器に液体を供給する液体供給部と、
噴射用バルブを介して前記圧力容器と連通可能に構成され、前記噴射用バルブが閉じられるとともに前記加圧ガスが前記圧力容器に導入された状態で、前記受け容器に供給された液体を前記ヒーターで加熱することによって前記圧力容器内に生成された加圧蒸気を、前記噴射用バルブを開放することで前記土壌中に配置された噴射口から前記土壌へ噴射する蒸気噴射管と、
を有することを特徴とする土壌加温システム。
【請求項２】
ガス抜きバルブの開状態で前記圧力容器の内部と外部を連通させ、前記ガス抜きバルブの閉状態で前記圧力容器の内部を外部から遮断するガス抜き部を有し、
前記ガス抜きバルブは、前記噴射用バルブが開放された後に閉状態から開状態に変換されることを特徴とする請求項１に記載の土壌加温システム。
【請求項３】
前記噴射口は前記蒸気噴射管の下端側面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の土壌加温システム。
【請求項４】
前記液体は水であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の土壌加温システム。
【請求項５】
土壌表面を気密状態で覆う気密シートと、
前記気密シートで覆われた前記土壌に埋設され、前記土壌中のガスを吸引するガス吸引部とを有することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の土壌加温システム。
【請求項１】
土壌中に蒸気を噴射することで前記土壌を加熱する土壌加温システムであって、
ヒーター及び液体の受け容器が内部に設けられた圧力容器と、
前記圧力容器内に加圧ガスを導入するガス導入部と、
前記受け容器に液体を供給する液体供給部と、
噴射用バルブを介して前記圧力容器と連通可能に構成され、前記噴射用バルブが閉じられるとともに前記加圧ガスが前記圧力容器に導入された状態で、前記受け容器に供給された液体を前記ヒーターで加熱することによって前記圧力容器内に生成された加圧蒸気を、前記噴射用バルブを開放することで前記土壌中に配置された噴射口から前記土壌へ噴射する蒸気噴射管と、
を有することを特徴とする土壌加温システム。
【請求項２】
ガス抜きバルブの開状態で前記圧力容器の内部と外部を連通させ、前記ガス抜きバルブの閉状態で前記圧力容器の内部を外部から遮断するガス抜き部を有し、
前記ガス抜きバルブは、前記噴射用バルブが開放された後に閉状態から開状態に変換されることを特徴とする請求項１に記載の土壌加温システム。
【請求項３】
前記噴射口は前記蒸気噴射管の下端側面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の土壌加温システム。
【請求項４】
前記液体は水であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の土壌加温システム。
【請求項５】
土壌表面を気密状態で覆う気密シートと、
前記気密シートで覆われた前記土壌に埋設され、前記土壌中のガスを吸引するガス吸引部とを有することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の土壌加温システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１７７６６６（Ｐ２０１１−１７７６６６Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４５３１２（Ｐ２０１０−４５３１２）
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【Ｆターム（参考）】
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