JP2003080292A

JP2003080292A - 冷却水系のスケール防止方法

Info

Publication number: JP2003080292A
Application number: JP2001279715A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sato; 茂佐藤; Tetsuo Sakamura; 哲郎酒村; Ikuko Nishida; 育子西田
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2003-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】ビル空調、一般工場、石油化学コンビナートな
どの熱交換器の冷却水系のスケール防止を効果的に行う
ことができる冷却水系のスケール防止方法を提供する。【解決手段】開放循環式冷却水系で、冷却水を該冷却水
系で発生するスケールと同一又は類似の無機物と接触さ
せる手段を備えた設備に通水するスケール防止方法にお
いて、スケールと同一又は類似の無機物と接触させる前
に、該冷却水にアルカリ剤を添加することを特徴とする
冷却水系のスケール防止方法。

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【発明の属する技術分野】本発明は、冷却水系のスケー
ル防止方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、ビル
空調、一般工場、石油化学コンビナートなどの熱交換器
の冷却水系のスケール防止を効果的に行うことができる
冷却水系のスケール防止方法に関する。【０００２】【従来の技術】冷却水系、ボイラ水系などの水と接触す
る伝熱面や配管内では、スケール障害が発生する。特
に、省資源、省エネルギーの立場から、冷却水の系外へ
の排棄（ブロー）を少なくして高濃縮運転を行う場合、
溶解している塩類が濃縮されて、伝熱面が腐食しやすく
なるとともに、難溶性の塩となってスケール化する。生
成したスケールは、熱効率の低下、配管の閉塞など、ボ
イラーや熱交換器の運転に重大な障害を引き起こす。生
成するスケール種としては、炭酸カルシウム、硫酸カル
シウム、亜硫酸カルシウム、リン酸カルシウム、ケイ酸
カルシウム、ケイ酸マグネシウム、水酸化マグネシウ
ム、リン酸亜鉛、水酸化亜鉛、塩基性炭酸亜鉛などがあ
る。従来より、カルシウムや系マグネシウム系のスケー
ルに対しては、マレイン酸、アクリル酸、イタコン酸な
どを重合したカルボキシル基を有する重合体が有効であ
り、必要に応じて、ビニルスルホン酸、アリルスルホン
酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン
酸などのスルホン酸基を有するビニルモノマーや、アク
リルアミドなどのノニオン性ビニルモノマーを対象水質
に応じて組み合わせた共重合体が、スケール防止剤とし
て一般的に使用されている。また、特にカルシウム系ス
ケールを対象としては、ヘキサメタリン酸ナトリウム、
トリポリリン酸ナトリウムなどの無機ポリリン酸類や、
ヒドロキシエチリデンジホスホン酸、ホスホノブタント
リカルボン酸などのホスホン酸類も一般的に使用されて
いる。近年、節水や省エネルギーを目的として、可能な
限り水を有効利用するという動きが顕著になってきてお
り、熱交換器についても、冷却水の高濃縮運転への期待
が高まってきている。これに対し、上述した現状のスケ
ール防止剤は、冷却水中に溶解するスケール種（イオ
ン）をスケールとして析出しないように水中に押さえ込
む、すなわち溶解させたままにしておく機能を有するも
のであり、さらなる高濃縮運転の場合には、スケールの
析出を抑制するには限界がある。今後さらに冷却水の高
濃縮運転が広まる中で、現状のスケール防止方法に代わ
る高性能なスケール防止技術の開発が望まれている。本
発明者らは、冷却水系の循環水を、シリカゲル粒子と炭
酸カルシウム粒子とが充填されたカラムに通水すること
により、冷却水系におけるスケールの発生を防止し得る
ことを先に見いだした。この方法によれば、既設の開放
循環冷却水系に簡単な装置を付設するだけで、効率的に
スケール付着を防止することができるが、さらにスケー
ル防止効果を高めることが望まれている。【０００３】【発明が解決しようとする課題】本発明は、ビル空調、
一般工場、石油化学コンビナートなどの熱交換器の冷却
水系のスケール防止を効果的に行うことができる冷却水
系のスケール防止方法を提供することを目的としてなさ
れたものである。【０００４】【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、冷却水を冷却水
系で発生するスケールと同一又は類似の無機物と接触さ
せる前に、冷却水にアルカリ剤を添加することにより、
該無機物と接触後の冷却水中のスケール成分の濃度を低
下させ、よりスケールの発生しにくい水質となし得るこ
とを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに
至った。すなわち、本発明は、（１）開放循環式冷却水
系で、冷却水を該冷却水系で発生するスケールと同一又
は類似の無機物と接触させる手段を備えた設備に通水す
るスケール防止方法において、スケールと同一又は類似
の無機物と接触させる前に、該冷却水にアルカリ剤を添
加することを特徴とする冷却水系のスケール防止方法、
を提供するものである。さらに、本発明の好ましい態様
として、（２）スケールと同一又は類似の無機物と接触
させる冷却水のpHが９〜１０になるように冷却水にアル
カリ剤を添加する第１項記載の冷却水系のスケール防止
方法、を挙げることができる。【０００５】【発明の実施の形態】本発明の冷却水系のスケール防止
方法においては、開放循環式冷却水系で、冷却水を該冷
却水系で発生するスケールと同一又は類似の無機物と接
触させる手段を備えた設備に通水するスケール防止方法
において、スケールと同一又は類似の無機物と接触させ
る前に、該冷却水にアルカリ剤を添加する。本発明のス
ケール防止方法は、ビル空調、一般工場、石油化学コン
ビナートなどの熱交換器の冷却水系などに適用し、これ
らの装置を循環する冷却水系の熱交換器本体、冷却水の
ピット、冷却塔などの装置や、配管内などへのスケール
の付着を防止することができる。本発明方法の適用の対
象となるスケールに特に制限はなく、一般に冷却水系で
問題となるスケール全般を対象とすることができ、例え
ば、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、亜硫酸カルシウ
ム、リン酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグ
ネシウム、水酸化マグネシウム、リン酸亜鉛、水酸化亜
鉛、塩基性炭酸亜鉛、シリカなどのスケールを挙げるこ
とができる。本発明方法において、冷却水系で発生する
スケールと同一又は類似の無機物とは、スケール物質と
同じ化学組成を有する無機物、又は、スケール物質と類
似の化学組成を有し、スケール物質と類似の結晶構造を
有する無機物である。スケール物質と同一又は類似の無
機物としては、基本的には、対象となるスケールと結晶
構造が類似し、種晶（seed crystal）になり得るもので
あれば、種類を問わず使用することができる。【０００６】スケール物質の種晶は、冷却水を接触させ
たとき、核となってスケール物質の結晶化を開始させ、
スケール物質の結晶の析出速度を速める物質である。種
晶としての有効性は、適用する冷却水を濃縮することに
より過飽和状態とし、スケール物質と同一又は類似の無
機物と接触させて、スケール物質の結晶が析出する状態
を観察することにより確認することができる。スケール
物質が未知の場合は、適用する冷却水を高度に濃縮し、
析出する結晶をスケールと同一の無機物として使用する
ことができる。例えば、付着防止対象のスケール物質が
炭酸カルシウムである場合、スケールと同一又は類似の
無機物として、炭酸カルシウムの結晶を用いることがで
き、炭酸カルシウムの多形である六方晶系のカルサイ
ト、六方晶系のバテライト、斜方晶系のアラゴナイトの
いずれをも用いることができる。付着防止対象のスケー
ル物質がケイ酸マグネシウムである場合、スケール物質
と同一又は類似の無機物として、オルトケイ酸マグネシ
ウム（フォルステライト）、メタケイ酸マグネシウム、
四ケイ酸マグネシウム（タルク）、三ケイ酸マグネシウ
ム、クリソタイル、セピオライト、オルトケイ酸マグネ
シウムカルシウム、メタケイ酸マグネシウムカルシウム
などを用いることができる。さらに、さまざまな付着防
止対象のスケール物質に応じて、例えば、リン酸カルシ
ウム、リン酸亜鉛、硫酸カルシウム、ケイ酸アルミニウ
ム、ケイ酸カルシウムなどを用いることができる。例え
ば、付着防止対象のスケール物質がシリカであれば、シ
リカゲルのような無機物を用いることができる。【０００７】本発明方法に用いるスケールと同一又は類
似の無機物の形状に特に制限はないが、直径２０μｍ〜
３mmの粒子であることが好ましく、直径５０μｍ〜１mm
の粒子であることがより好ましい。粒子が不定形状であ
る場合、直径とは不定形状の粒子と同体積の球の直径で
ある。無機物の粒子が小さいほど表面積が大きく、活性
が高くなるために、スケール防止効果が大きくなるが、
粒子が小さいと冷却水と接触させたときに無機物の粒子
が冷却水中にリークしやすくなる。ストレーナーなどで
粒子をろ別することもできるが、粒子が小さく目の細か
いストレーナーを用いると流量が少なくなり、冷却水と
無機物の粒子とを効率よく接触させることが困難になる
おそれがある。また、無機物の粒子が大きすぎると表面
積が小さくなり、スケール防止効果が十分に発現しない
おそれがある。本発明方法において、冷却水をスケール
と同一又は類似の無機物と接触させる手段を備えた設備
に特に制限はなく、例えば、無機物の粒子を充填した冷
却水を通水するカラムや、無機物の粒子と接触できるよ
うに撹拌機を備え、冷却水が通過する反応槽などを挙げ
ることができる。撹拌機を備えた冷却水が通過する反応
槽は、必要に応じて、その後段に沈殿槽、ろ過器などを
設置することができる。【０００８】本発明方法において、冷却水と無機物を接
触させる手段を備えた装置の設置場所に特に制限はな
く、例えば、冷却水系の循環水ラインの配管に直結する
ことができ、循環水ラインの配管に分岐を設けて設置す
ることもでき、あるいは、冷却水ピットからポンプなど
を用いてカラム又は反応槽に通水し、カラム又は反応槽
から流出する水を冷却水ピットに返送することもでき
る。冷却水は、その全量に相当する量が、１日に１回以
上スケールと同一又は類似の無機物と接触することが好
ましい。冷却水を無機物と接触させることにより、無機
物の表面が結晶成長の核となり、冷却水中のスケール成
分が固体として析出する。その結果、冷却水中のスケー
ル成分の濃度が低下し、冷却水がスケールを発生しにく
い水質となって、スケールの付着を防止することができ
る。本発明方法において、スケールと同一又は類似の無
機物の使用量に特に制限はなく、無機物粒子の平均粒子
径、粒子の比表面積、冷却水系の濃縮倍数、冷却水の水
質などに応じて適宜選択することができる。おおよその
目安としては、冷却水系の保有水量１ｍ³に対して、無
機物５０ｇ以上であることが好ましい。冷却水系の運転
開始時に無機物の量が少なくても、冷却水中のスケール
成分の析出による結晶成長、結晶成長中の結晶の二次核
の生成などにより、スケールと同一の無機物の量が次第
に増加する。【０００９】本発明方法においては、冷却水を発生する
スケールと同一又は類似の無機物と接触させる前に、冷
却水にアルカリ剤を添加する。添加するアルカリ剤に特
に制限はなく、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリ
ウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、炭酸ナ
トリウム、重炭酸ナトリウムなどを挙げることができ
る。冷却水にアルカリ剤を添加することにより、冷却水
中のスケール成分がより過飽和な状態となり、無機物を
種晶としてその表面に析出しやすくなり、冷却水中のス
ケール成分の濃度がより効率的に低下する。本発明方法
においては、アルカリ剤の添加により、スケールと同一
又は類似の無機物と接触させる冷却水のpHを９〜１０に
調整することが好ましい。無機物と接触させる冷却水の
pHが９未満であると、スケール成分をより過飽和の状態
にして、無機物の表面への析出を促進する効果が十分に
発現しないおそれがある。無機物と接触させる冷却水の
pHが１０を超えると、作業環境面の安全性に問題が生ず
るおそれがある。アルカリ剤が水酸化ナトリウムなどの
強アルカリである場合は、冷却水全体のpHはほとんど上
昇しない量であっても、添加した箇所は局部的にpHが上
がり、その箇所はスケール成分が高度に過飽和の状態に
なる。また、アルカリ剤が重炭酸ナトリウムであれば、
添加した箇所の重炭酸イオンの濃度が上昇し、炭酸カル
シウムが高度に過飽和の状態になる。その結果、いずれ
の場合でも、この状態の冷却水を無機物に接触させるこ
とにより、効率的に水中からスケール成分を除去するこ
とができる。アルカリ剤の添加方法に特に制限はない
が、アルカリ剤を適当な濃度の水溶液とし、ポンプなど
を用いて一定量を注入する方法は、制御が容易であり、
好適に用いることができる。【００１０】本発明方法においては、必要に応じて、他
のスケール防止剤、防食剤、スライムコントロール剤な
どを併用することができる。他のスケール防止剤として
は、例えば、ポリアクリル酸、アクリル酸共重合体、ポ
リマレイン酸、マレイン酸又は無水マレイン酸の共重合
体、ポリイタコン酸、イタコン酸共重合体などの有機重
合体、ニトリロトリメチレンホスホン酸、ヒドロキシエ
チリデンジホスホン酸、ホスホノブタントリカルボン
酸、ヘキサメタリン酸ナトリウムなどのリン系化合物な
どを挙げることができる。防食剤としては、例えば、ク
ロム酸塩、亜鉛塩などの重金属塩、ニトリロトリメチレ
ンホスホン酸、ヒドロキシエチリデンジホスホン酸、ホ
スホノブタントリカルボン酸、ヘキサメタリン酸ナトリ
ウムなどのリン系化合物、アニオン性有機重合体などを
挙げることができる。スライムコントロール剤として
は、例えば、ヒドラジン、有機ハロゲン化合物などを挙
げることができる。図１は、本発明の実施の一態様の説
明図である。カラム１に、冷却水系で発生するスケール
と同一又は類似の無機物の粒子２が充填されている。ポ
ンプ３により、冷却塔ピットの冷却水がカラムに上向流
で通水され、カラム内で無機物の粒子と接触する。冷却
水がカラムに流入する直前に、アルカリ剤貯槽４のアル
カリ剤が、ポンプ５により冷却水に注入される。カラム
から流出する冷却水は、冷却塔ピットへ返送される。本
発明方法によれば、スケール成分を含む冷却水と、スケ
ールと同一又は構造が類似する無機物が接触することに
より、無機物が種晶となり、水中のスケール成分が種晶
を核として析出する。さらに、冷却水にアルカリ剤を添
加することにより、スケール成分がより過飽和の状態に
なり、効率的に結晶化して析出しやすくなる。その結
果、水中のスケール成分の濃度が低下して、スケールが
発生しにくい水質に変化すると推定される。【００１１】【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細
に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限
定されるものではない。実施例において、試験は下記の
方法により行った。すなわち、伝熱面積が０.１６ｍ²の
熱交換器を有する保有水量０.１ｍ³の開放循環冷却水系
に、厚木市水を補給水とし、濃縮倍数を１２倍として運
転した。使用した厚木市水の水質は、pH７.６、電気伝
導率１７９μＳ／ｍ、カルシウム硬度４０mgCaCO₃／
Ｌ、Ｍアルカリ度５４mgCaCO₃／Ｌ、塩化物イオン濃度
１２mgCl^-／Ｌであった。濃縮倍数は、水中の塩素イオ
ン濃度を測定することにより算出し、制御した。熱交換
器チューブの材質は銅で、外径は１９mmである。温水温
度は８０℃、冷却水入口温度は３０℃、出口温度は４０
℃、冷却水の循環水流速は０.５ｍ／ｓで、３０日間運
転した。冷却塔ピットに、図１に略図を示す内径４０m
m、高さ１,０００mmのアクリル樹脂製カラムを接続し、
カラムに炭酸カルシウム１００ｇを充填し、冷却水を
０.４２Ｌ／min（流速２０ｍ／ｈ）で上向流で通水し、
カラムから流出する水は冷却塔ピットに返送した。ま
た、アルカリ剤として、濃度１,０００mg／Ｌ重炭酸ナ
トリウム水溶液を、冷却水がアクリル樹脂製カラムヘ流
入する直前の配管に、２.８mL／minの流量で注入した。
運転開始２日後、４日後、６日後、１０日後、２１日
後、３０日後に冷却水のカルシウム硬度をＪＩＳＫ０
１０１１５.２.１にしたがって測定した。また、３０
日間の運転後、熱交換器チューブの重量増加から、スケ
ール付着速度を算出した。【００１２】実施例１カラムに粒子径１００〜２５０μｍの重質炭酸カルシウ
ム１００ｇを充填し、濃度１,０００mg／Ｌ重炭酸ナト
リウム水溶液を２.８mL／minの流量で注入して、３０日
間の運転を行った。重炭酸ナトリウム水溶液注入後の冷
却水のpHは、９.１であった。運転開始２日後、４日
後、６日後、１０日後、２１日後及び３０日後の濃縮倍
数は、それぞれ４.１、８.２、１２.１、１２.４、１
２.１及び１２.２倍であり、冷却水のカルシウム硬度
は、それぞれ１１８、９６、８９、９１、８８及び８９
mgCaCO₃／Ｌであった。スケール付着速度は、０.１mg／
cm²／３０日であった。実施例２カラムに充填する重質炭酸カルシウムとして、粒子径１
８０〜４５０μｍの重質炭酸カルシウムを用いた以外
は、実施例１と同様にして、３０日間の運転を行った。
運転開始２日後、４日後、６日後、１０日後、２１日後
及び３０日後の濃縮倍数は、それぞれ３.９、８.０、１
１.９、１２.２、１２.１及び１２.３倍であり、冷却水
のカルシウム硬度は、それぞれ１２１、１００、８６、
８８、９３及び９０mgCaCO₃／Ｌであった。スケール付
着速度は、０.２mg／cm²／３０日であった。比較例１カラムヘ流入する冷却水に重炭酸ナトリウム水溶液を注
入しなかった以外は、実施例１と同様にして、３０日間
の運転を行った。冷却水のpHは、８.６であった。運転
開始２日後、４日後、６日後、１０日後、２１日後及び
３０日後の濃縮倍数は、それぞれ４.０、８.５、１２.
３、１２.２、１２.１及び１２.３倍であり、冷却水の
カルシウム硬度は、それぞれ１３９、１２２、１２１、
１１６、１１４及び１１１mgCaCO₃／Ｌであった。スケ
ール付着速度は、１.２mg／cm²／３０日であった。比較例２重質炭酸カルシウムを充填したカラムに冷却水を通水せ
ず、重炭酸ナトリウム水溶液も添加しなかった以外は、
実施例１と同様にして、３０日間の運転を行った。運転
開始２日後、４日後、６日後、１０日後、２１日後及び
３０日後の濃縮倍数は、それぞれ４.２、８.３、１２.
１、１２.１、１２.３及び１２.２倍であり、冷却水の
カルシウム硬度は、それぞれ１４２、１５９、１３３、
１３１、１２９及び１２６mgCaCO₃／Ｌであった。スケ
ール付着速度は、１４.３mg／cm²／３０日であった。実
施例１〜２の結果を第１表に、比較例１〜２の結果を第
２表に示す。【００１３】【表１】【００１４】【表２】【００１５】第１表に見られるように、冷却水にアルカ
リ剤として重炭酸ナトリウムを添加したのち、カラムで
重質炭酸カルシウムと接触させた実施例１〜２において
は、冷却水のカルシウム硬度が低く、スケール付着速度
が小さく、冷却水中のスケール成分が重質炭酸カルシウ
ムの表面に析出して水中の濃度が低下し、スケールが発
生しにくい水質となったことが裏付けられている。これ
に対して、第２表に見られるように、冷却水にアルカリ
剤を添加することなく、重質炭酸カルシウムと接触させ
た比較例１においては、冷却水のカルシウム硬度が実施
例１〜２よりはやや高く、スケール付着速度もやや大き
く、冷却水中のスケール成分の重質炭酸カルシウムの表
面への析出が、実施例１〜２よりも不完全であることが
分かる。また、冷却水にアルカリ剤を添加せず、重質炭
酸カルシウムとの接触も行わなかった比較例２では、ス
ケール付着速度が著しく大きく、運転開始後間もなくス
ケール成分が過飽和状態に達し、その後濃縮されたスケ
ール成分が、スケールとして熱交換器チューブに付着し
たと考えられる。【００１６】【発明の効果】本発明方法によれば、冷却水にアルカリ
剤を添加したのち、スケールと同一又は類似の無機物と
接触させることにより、冷却水中のスケール成分を無機
物の表面に析出させ、水中のスケール成分の濃度を下げ
てスケールが発生しにくい水質とし、スケール付着を防
止することができるので、開放循環式冷却水系の高濃縮
運転が可能になる。

【図面の簡単な説明】【図１】図１は、本発明の実施の一態様の説明図であ
る。【符号の説明】１カラム２無機物の粒子３ポンプ４アルカリ剤貯槽５ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ０１Ｄ 9/02 Ｂ０１Ｄ 9/02 ６０１Ｃ６０３６０３Ａ６０８６０８Ａ６２５６２５ＺＣ０２Ｆ 5/02 Ｃ０２Ｆ 5/02 Ｂ (72)発明者西田育子東京都新宿区西新宿三丁目４番７号栗田工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】開放循環式冷却水系で、冷却水を該冷却水
系で発生するスケールと同一又は類似の無機物と接触さ
せる手段を備えた設備に通水するスケール防止方法にお
いて、スケールと同一又は類似の無機物と接触させる前
に、該冷却水にアルカリ剤を添加することを特徴とする
冷却水系のスケール防止方法。