JP2005349299A - 淡水製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小規模でも経済的なコストで淡水製造装置を提供する。
【解決手段】燃焼排ガス１１と海水１２を使用する淡水製造装置であって、燃焼排ガス１１に海水１２を散布して海水中の水分を蒸発させると共に該燃焼排ガスを飽和温度まで増湿冷却する散水装置１５と、増湿冷却した燃焼排ガス１６を冷却して淡水を凝縮させて回収する淡水回収装置１７とを具備してなリ、燃焼排ガス中の水分を海水中の水分と共に回収して効率的に淡水を製造する淡水製造装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃焼排ガス及び海水を使用して工業用水、飲料水、生活用水等として使用するための淡水を製造する装置に関する。

従来より、海水から淡水を製造する方法、いわゆる海水淡水化方法としては、蒸発法、逆浸透膜法、電気透析法、冷凍法等が提案あるいは実用化されており、代表的なものとしては蒸発法と逆浸透膜法がある。蒸発法は、海水を蒸発缶で蒸発させて水蒸気を発生し、次に該発生水蒸気を冷却して淡水として回収する方法である。

蒸発法では、水の蒸発に多量のエネルギを必要とすることから、エネルギの効果的な利用を図るためのシステムが検討されてきたが、その代表として、多段フラッシュ法がある。この多段フラッシュ法では、複数の蒸発缶をシリーズに配置して、各蒸発缶の減圧度を変えることにより各蒸発缶での蒸発温度を変えて、高温側の蒸発缶で生成した蒸気の凝縮熱を低温側に供給する海水の予熱に利用することで、熱回収を行ってはいるが、依然として多くの熱を必要とするという問題は残っている。

また、逆浸透膜法は、水を選択的に通す半透膜を用い、海水側に浸透圧以上の圧力を加えて膜の他方の側から淡水を回収する方法であるが、処理海水を浸透圧以上の圧力まで加圧するため動力費が大きいという問題がある。

このような既存の技術の問題に対処するため、例えば、低レベルのエネルギを用いた蒸発法として、海面付近の温海水をスプレーフラッシュして蒸発した水蒸気を、海中の比較的低温の冷海水で凝縮させる方法や、同様なスプレーフラッシュ法で、温海水としてＬＮＧ火力発電所の復水器からの排水、冷海水としてＬＮＧ火力発電所のＬＮＧ気化器からの排水を用いることが提案されている（特許文献１、特許文献２）。
また、発電設備と組合せることにより前記蒸発法あるいは逆浸透膜法の海水淡水化装置で必要な熱あるいは動力を得る発電・海水淡水化コンバインド方法も提案されている（特許文献３）。

特開平２−２１４５８５号公報 特開平９−５２０８２号公報 特開平１０−４７０１５号公報

前述した多段フラッシュ法に代表される蒸発法では、蒸発缶内を真空側に減圧する必要がある。また、逆浸透膜法では、送液用の高圧ポンプが必要の上、膜の保守が必要である。このため、小規模の造水を目的とする場合には、建設コストが高くなるという問題がある。
さらに、スプレーフラッシュ方式を含めた蒸発法に共通の問題として、造水量に見合うだけの海水を蒸発させる必要があるため、蒸発缶の容量が大きくなるとともに、蒸発に必要な熱量も多くなり、造水コストの増加をもたらすという問題がある。
また、発電設備と海水淡水化装置を組合せる方式は、全体のエネルギ効率を高く取れる点ではメリットがあるが、設備が複雑かつ大型になること、発電設備と海水淡水化装置の負荷バランスを調整した運転が必要になるという問題がある。

本発明は、前記問題に鑑み、小規模な造水プラントでも、低コストで水を供給できる淡水製造装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、燃焼排ガスと海水を使用して淡水を製造する装置であって、燃焼排ガス中に海水を散布する散水装置と、該散水装置を通過した燃焼排ガスから淡水を回収する淡水回収装置とを具備してなることを特徴とする淡水製造装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記燃焼排ガスがクリーンな燃料を燃焼した排ガスであることを特徴とする淡水製造装置にある。

第３の発明は、第１の発明において、
前記燃焼排ガスがボイラで燃焼した排ガスであることを特徴とする淡水製造装置にある。

第４の発明は、第１の発明ないし第３の発明において、前記散水装置は、底部に散布した海水の未蒸発分の受け部、出口部に該燃焼排ガスに同伴された散布海水のミスト分を除去するためのデミスタを有することを特徴とする淡水製造装置にある。

第５の発明は、第１の発明ないし第４の発明において、前記淡水回収装置は、燃焼排ガスと回収した淡水とを気液接触させる気液接触装置、回収した淡水を気液接触装置に供給するための循環装置および循環する淡水を冷却するための冷却装置を有することを特徴とする淡水製造装置にある。

第６の発明は、第５の発明において、前記冷却装置が、冷却水を海水とする間接熱交換器であることを特徴とする淡水製造装置にある。

第７の発明は、第６の発明において、冷却装置で冷却に使用後の海水を前記散水装置の散布海水の補給用に供給する装置を有することを特徴とする淡水製造装置にある。

本発明によれば、燃焼排ガス中にもともと存在している水分からも有効に淡水を回収することができるので、造水のために必要な海水の蒸発量を少なくすることができる。また、海水の蒸発に使用する熱は、燃焼排ガスの排熱であり、新たな熱の投入が不要となるだけでなく、前記燃焼排ガス中の水分を回収するための燃焼排ガスの冷却も同時に行われるため、冷却コストも少なくてすむ。
さらに、本発明によれば、蒸発法で通常必要とされる減圧設備、逆浸透膜法での加圧設備等の特別な設備は必要でないため、小規模の造水設備でも経済的に淡水を製造することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例１に係る淡水製造装置について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係る淡水製造装置を示す概念図である。
図１に示すように、本実施例に係る淡水製造装置３は燃焼設備１からの燃焼排ガス１１及び海水１２を使用して淡水１３を製造する装置であって、前記燃焼排ガス１１中に海水１２を散布する散水装置１５と、海水を散水後の燃焼排ガス１６を冷却して淡水１３を回収する淡水回収装置１７とを具備してなるものである。
淡水製造装置３に使用する燃焼排ガス１１は、必要とされる造水量に応じて主煙道２から分岐され、ダンパ等の風量調整手段（図示していない）により流量を調整する。淡水製造装置３を主煙道２に設置することもできるが、その場合、淡水製造装置保守時に燃焼設備１を停止させる必要がある。一方、図１のように分岐して設置した場合には、淡水製造装置３保守時にも燃焼設備１を停止させる必要が無いことから、運転性には優れている。淡水製造装置３で淡水１３を回収後の燃焼排ガス１８は、再び主煙道２に戻し、煙突４から排出されるが、別途煙道および煙突を設けてもよい。

本実施例にかかる装置によれば、海水１２は、燃焼排ガス１１の排熱により、散水装置１５において蒸発するので、新たな熱の投入が不要である。また、淡水１３は、海水１２の蒸発水分だけでなく、燃焼排ガス１１の保有水分からも回収できるので単なる蒸発法より多くの淡水を製造出来る。また、燃焼排ガス１１中の水分から淡水１３を回収するためには、前記燃焼排ガス１１の温度を、排ガス中の水分が凝縮する温度（露点）以下にする必要があるが、海水１２を散水装置１５に散布することにより、燃焼排ガス中の水分が飽和状態になるまで増湿冷却される。その結果、燃焼排ガス温度が低下するとともに、露点が高くなる結果、淡水回収装置１７での冷却装置の小型化が図れる。

また、燃焼設備１用の燃料としては、燃焼によって硫黄酸化物、ばいじん等の生成がほとんどないクリーンな燃料が好適である。これは、燃焼排ガス中に硫黄酸化物、ばいじん等が存在すると、回収された淡水に混入するおそれがあるため、これらを除去するための追加の設備が必要になるためである。このようなクリーンな燃料としては、炭化水素、アルコール、不純物除去後の石炭ガス化ガス等があるが、特に天然ガスあるいは液化石油ガス等の軽質炭化水素が好適である。これらの燃料は、燃料の水素含有率が高いため、燃焼排ガス１１中の水分濃度も高くなる。その結果、散水装置出口の燃焼排ガス１６の飽和温度も高くなり、淡水の回収量を多くすることができる。また、燃料中に炭化水素以外の不純物が少ないため、淡水中の塩分等不純物を低く抑えることができる。これに対し、石炭や重質油等を燃料とした場合には、燃焼排ガス１６の飽和温度が低下するとともに、不純物除去のため追加の設備が必要になるため、造水コストが増加することになる。

燃焼設備１の形態としては、ボイラ、タービン、エンジン等があるが、特にボイラが好適である。これは、燃焼時の空気過剰率が低く抑えられるため、燃焼排ガス１１中の水分濃度が高くなり、前記のように淡水の回収量を多くすることができるためである。このように燃焼排ガス１１としては、硫黄酸化物、ばいじん等をほとんど含まないクリーンな排ガスで、水分濃度が高いものがよく、天然ガス、液化石油ガス等の軽質炭化水素をボイラで燃焼した排ガスがその点で好適である。

次に、図２を参照して具体的な淡水製造装置の一例を説明する。
図２に示すように、燃焼排ガス１１内に海水１２を散布する散水装置１５と、散水装置１５で海水により増湿冷却された燃焼排ガス１６を冷却して淡水１３を回収する淡水回収装置１７とを具備するものである。

ここで、散水装置１５に導入される燃焼排ガス１１は、燃焼設備用に熱を回収した後の１３０℃以上の温度を有する燃焼排ガスであることが望ましい。これは、燃焼排ガス１１の温度が低いと海水散布後の冷却増湿された燃焼ガス１６の温度が低下するため、前記燃焼排ガス１６の保有水分量が低下し、回収できる淡水量が少なくなるからである。従って、燃焼排ガス１１の温度は高いほど淡水の回収量は増加するが、燃焼設備側での熱回収量が低下するので、実質的には２００℃以下の燃焼排ガスが用いられる。

散水装置１５は、海水１２と燃焼排ガスの気液接触部３０、海水供給ポンプ３１、海水供給ノズル３２、海水受け部３３及びデミスタ３４を具備してなる。海水１２は海水供給ポンプ３１により海水受け部３３より汲み上げられ海水供給ノズル３２より前記燃焼排ガス１１中に散布される。海水供給ノズル３２より散布された海水１２は一部が燃焼排ガス１１の熱により蒸発し、残りは海水受け部３３に入る。
海水受け部３３の海水は、蒸発により塩分濃度が少し増加するため、一部を配管３５より抜出して海に戻すとともに、新たに海水１２ａを配管３６から補給する。この新たに配管３６から補給される海水１２ａは、前段で、ろ過等の操作により固形分を取り除いておくことが望ましい。

散水装置１５の気液接触部の形式としては、特に限定されず、一般に使用される気液接触装置であれば使用できる。図２に示す散水装置の例示では、海水を海水供給ノズル３２から燃焼排ガス１１中に単に散水して蒸発させるスプレー塔方式を示しているが、下部にスプレーヘッダを配置し液を噴き上げる液柱塔方式、あるいは充填塔方式として、気液接触用の充填物を設けてもよい。また、燃焼排ガス１１の流れる方向も、図２に例示されるような水平方向でもよいし、垂直方向である上昇流あるいは下降流でもよい。

散水装置１５の燃焼排ガス出口側にはデミスタ３４が設置される。これは、燃焼排ガス１１中に散布された海水１２が一部ミストとして燃焼排ガス中に同伴して、淡水回収装置１７に入り、回収された淡水と一緒になって淡水１３中の塩分量が増加することを防ぐためである。従って、このデミスタ３４の性能は、製造する淡水の塩分濃度が必要とされる既定値以下になるように決められる。

一方、散水装置１５の海水受け部３３の海水は、散水装置での海水の蒸発により塩分濃度が増加してくる。塩分濃度が増加すると、沸点が上昇するため、蒸発が遅くなるとともに、スケーリング、材料の腐食、回収された淡水中の塩分濃度の増加等の問題が生じるため、一部を配管３５よりパージ海水１２ｂとして抜出し、代わりにフレッシュな海水１２ａを配管３６より補給する。この海水の補給は、図２のように散水用循環配管にて行ってもよいし、海水受け部３３に供給してもよい。
補給される海水１２ａの温度は高いほど、散水装置１５での蒸発がしやすくなることおよび出口の燃焼排ガス１６の飽和温度が高くなることから有利である。したがって、後記の淡水回収装置１７で冷却用に使用された海水、あるいはボイラ等プラント側で冷却用に使用された温度の高い海水を使うとより高い造水効率が得られる。

図２のように海水受け部３３からの海水を循環するのではなく、ワンパスフローで散水してもよい。この場合には、海水１２は海水供給ポンプ３１あるいはそれに代わるポンプにより海水供給ノズル３２に送られて散布され、蒸発しなかった海水は海水受け部３３にいったん集められた後、循環使用すること無く配管３５より排出される。この場合、散水する海水温度が低くなるため、燃焼排ガス１６の飽和温度が低下し、淡水製造量としては少し低下するが、装置が簡素化できるという利点がある。

散水装置１５を出た燃焼排ガス１６は、次に淡水回収装置１７に入る。この淡水回収装置１７は、増湿燃焼排ガス１６と淡水の気液接触部４０、淡水供給ポンプ４１、淡水供給ノズル４２、淡水回収槽４３及び淡水冷却装置４４を具備してなる。
散水装置１５で増湿冷却された燃焼排ガス１６は淡水回収装置１７で、淡水供給ポンプ４１より供給される淡水と直接気液接触することにより冷却される。その結果、燃焼排ガス１６中の水分が凝縮して、淡水供給ノズル４２からの淡水と一緒に淡水回収槽４３に入る。淡水回収槽４３に回収された淡水１３は、一部が回収淡水として配管４５より抜出され、残りは淡水冷却装置４４で冷却後、燃焼排ガス１６の冷却用に循環利用される。
淡水回収装置１７の気液接触部の形式も、散水装置１５と同様に特に限定されず、一般に使用される気液接触装置であれば使用できる。図２では燃焼排ガス１６の冷却を促進するため、気液接触用の充填層４６を設けた例を示しているが、特に充填層を設けず、スプレー塔あるいは液柱塔方式を用いてもよい。
燃焼排ガス１６の冷却温度の目安としては、３５〜５０℃が望ましい。これは、冷却温度があまり高くなると、冷却後の燃焼排ガスの飽和水分濃度も多くなることから回収される淡水量（造水量）が低下する。冷却温度を低くすると回収淡水量は増加するが、淡水冷却装置４４が大きくなり、回収淡水量の増加のメリットがなくなるためである。

淡水冷却装置４４は、淡水１３を低温流体４７で間接的に冷却する形式のものであれば特に限定はされず、例えばプレート熱交換器等を用いることができる。図２に示す淡水冷却装置４４では、冷却用淡水循環ラインに低温流体４７で冷却する間接熱交換器を設置した場合を例示しているが、淡水回収槽４３内に、低温流体４７で冷却する間接熱交換器を設置してもよい。
淡水冷却装置４４に使用される低温流体４７としては、海水を使用することが通常であるが、淡水を燃焼排ガスの冷却温度以下まで冷却する能力のあるものであれば特に限定されない。また、燃料として液化天然ガスが使用される場合には、液化天然ガスの冷熱を利用してもよい。なお、液化天然ガスの冷熱等の利用により、容易に淡水冷却を行うことができる場合には、冷却温度をできるだけ低くして、回収淡水量を多くすることが望ましい。
燃焼排ガス１６の冷却を気液接触方式でなく、図２の充填層４６に間接熱交換器を組み込んで冷却して淡水を製造するする方式も考えられるが、図２に示す本発明の方式の方が冷却した回収淡水と直接気液接触させるため、より効果的に冷却できるという利点がある。

図３は天然ガスを燃料としてボイラ燃焼排ガスを使用した場合の淡水製造装置の一例を示す概略図である。前述した淡水製造装置と装置構成は略同一であるので、同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図３に示すように、ボイラ１ａからの燃焼排ガスは主煙道２から分岐されて淡水製造装置３に送られる。このように主煙道から分岐して淡水製造装置に燃焼排ガスを送ることにより、淡水製造装置の点検等のためにボイラを停止する必要が無く、必要な造水量に応じた運用ができる等の利点がある。このために、主煙道からの分岐部にダンパ５が設けられている。このダンパ５には、必要に応じて風量調整装置を設けて、造水量に応じて燃焼排ガスが分岐されるようにしてもよい。

前記の主煙道２から分岐された燃焼排ガス１１は先ず散水装置１５に送られる。
散水装置１５には、海水供給ポンプ３１、海水供給ノズル３２、海水受け部３３およびデミスタ３４が設けられている。散水装置１５に送られた燃焼排ガス１１は、海水供給ノズル３２よりスプレーされる海水と接触して、飽和温度近くまで、増湿冷却される。
散水装置１５に入る燃焼排ガス１１には、燃料である天然ガスの組成あるいはボイラでの燃焼条件により多少異なるが、通常は１６％弱の水分が含まれている。また、燃焼排ガス１１の温度はボイラ条件にもよるが、２００℃近くの温度を有しているため、燃焼排ガス１１中の水分濃度は飽和状態からかなり離れており、飽和温度まで増湿冷却することにより、海水中の水分を多く蒸発させることができる。
また、海水の散水量は、気液接触装置方式により決るが、スプレー塔あるいは液柱塔方式の場合、海水散水量の目安としては、燃焼排ガス量に対し、０．１〜４（ｌ／Ｎｍ^３）程度が一般に使用される。

この飽和温度は、燃焼排ガス１１の水分濃度、温度、海水供給ノズルから供給される海水の温度などにより異なるが、散水装置入口燃焼排ガス温度が１８０℃程度あれば、飽和温度として６０℃前後となり、散水装置出口の燃焼排ガス中の保有水分は２２％近くまで６％ほど増加する。この増湿冷却された燃焼排ガスは、デミスタでミスト分を除去した後、淡水回収装置１７に送られる。ここで、デミスタでのミスト除去は、淡水回収装置１７で回収される淡水の塩分濃度が要求されるレベル（例えばＷＴＯ基準である２５０ｐｐｍ）以下になるように行われる。一方、海水供給ノズルから散水された海水の未蒸発分は、散水装置１５の下部の海水受け部３３に集められた後、一部は、塩分濃度調整用に抜出し配管３５よりパージ海水１２ｂとして抜出され、残部は海水供給ポンプ３１により再び燃焼排ガスの増湿冷却に使用される。

淡水回収装置１７は、下部に淡水回収槽４３、上部に気液接触用の充填層４６を設置した気液接触装置を擁し、気液接触装置の上部には淡水冷却装置４４で冷却された淡水を散布する淡水供給ノズル４２が設けられている。増湿冷却された燃焼排ガス１６は、淡水供給ノズルから散布される冷却された淡水と接触して温度が低下し、過飽和となった水分が凝縮して散布された淡水と一緒に淡水回収槽４３に入る。例えば、前記に例示した飽和水分濃度が２２％近くの燃焼排ガスの場合、４５℃近くまで冷却すると燃焼ガスの飽和水分濃度は９％近くまで低下し、１３％弱の水分が凝縮して淡水回収槽４３に入る。一方、淡水により冷却された燃焼排ガス１８は主煙道２に送られ煙突４から排出される。
淡水回収槽４３に集められた冷却用に散布された淡水と、燃焼排ガス１６からの凝縮水は、淡水供給ポンプ４１から抜出されて、燃焼排ガス１６からの凝縮水に相当する量が淡水１３として回収され、残りは、淡水冷却装置４４に送られる。

淡水冷却装置４４に送られた淡水は、冷却用海水ポンプ４８より送られた海水１２により間接的に冷却されてから、前記淡水回収装置１７の気液接触部上部に設けられた淡水供給ノズル４２に送られ再び燃焼排ガスの冷却に使用される。一方、淡水冷却装置４４で淡水との熱交換により温度が上昇した海水は、一部を、散水装置１５用の補給海水１２ａとして配管３６により、散水装置１５の海水受け部に供給し、残部は海に排出される。この補給海水１２ａの流量が多いほど散水装置で循環供給される海水の塩分濃度の増加は抑えられるが、供給海水１２ａの温度は、循環海水の温度より通常低いため、散水装置出口の燃焼排ガス１６の温度が低下し、淡水製造量が減少する。一方、流量があまり少ないと塩分が濃縮され上述したような沸点上昇、スケーリング等の問題が生じるので好ましくない。

以上、上述した実施例では、１００万Ｎｍ^３の燃焼排ガスから、約１００ｍ^３強の淡水を製造することができる。また、燃料を天然ガスから液化石油ガスに変更した場合でも、燃焼排ガス１１の水分濃度の低下により少し回収できる淡水製造量が低下する以外（他の条件を上述の実施例と同一とした場合）同様にして淡水を製造することができる。

以上のように、本発明は、燃焼排ガスを用いて海水より淡水を製造するので、減圧設備や加圧設備が不要のため、小規模でも経済性に優れた淡水製造装置に用いて適している。

実施例１に係る淡水製造装置を示す概念図である。 実施例１に係る淡水製造装置の具体的な設備構成を示す図である。 実施例２に係る淡水製造装置の概略図である。ある。

符号の説明

１ 燃焼設備
１ａ ボイラ
２ 主煙道
３ 淡水製造装置
４ 煙突
５ ダンパ
１１、１６、１８ 燃焼排ガス
１２ 海水
１２ａ 補給用海水
１２ｂ パージ海水
１３ 淡水
１５ 散水装置
１７ 淡水回収装置
３０ 散水装置 気液接触部
３１、４８ 海水供給ポンプ
３２ 海水供給ノズル
３３ 海水受け部
３４ デミスタ
４０ 淡水回収装置 気液接触部
４１ 淡水供給ポンプ
４２ 淡水供給ノズル
４３ 淡水回収槽
４４ 淡水冷却装置
４６ 充填層
４７ 淡水冷却装置用低温流体

Claims (7)

1. 燃焼排ガスと海水を使用して淡水を製造する装置であって、
   燃焼排ガス中に海水を散布する散水装置と、
   該散水装置を通過した燃焼排ガスから淡水を回収する淡水回収装置とを
   具備してなることを特徴とする淡水製造装置。
2. 請求項１において、
   前記燃焼排ガスがクリーンな燃料を燃焼した排ガスであることを特徴とする淡水製造装置。
3. 請求項１において、
   前記燃焼排ガスがボイラで燃焼した排ガスであることを特徴とする淡水製造装置。
4. 請求項１ないし請求項３において、
   前記散水装置は、底部に散布した海水の未蒸発分の受け部、出口部に該燃焼排ガスに同伴された散布海水のミスト分を除去するためのデミスタを有することを特徴とする淡水製造装置。
5. 請求項１ないし請求項４において、
   前記淡水回収装置は、燃焼排ガスと回収した淡水とを気液接触させる気液接触装置、回収した淡水を気液接触装置に供給するための循環装置および循環する淡水を冷却するための冷却装置を有することを特徴とする淡水製造装置。
6. 請求項５において、
   前記冷却装置が、冷却水を海水とする間接熱交換器であることを特徴とする淡水製造装置。
7. 請求項６において、冷却装置で冷却に使用後の海水を前記散水装置の散布海水の補給用に供給する装置を有することを特徴とする淡水製造装置。

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