JP2012236176A

JP2012236176A - 海水の淡水化システム及びその方法

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Publication number: JP2012236176A
Application number: JP2011108092A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Muramoto; 知哉村本; Yuichi Nishiyama; 裕一西山; Masaya Okuno; 真也奥野; Noritaka Nakamura; 至高中村; Katsuaki Matsuzawa; 克明松澤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-12-06

Abstract

【課題】システム全体として熱効率を高めて消費エネルギを抑えることができる海水の淡水化システムを提供する。
【解決手段】海水が流通する海水供給流路７と、海水供給流路７の終端に配設された蒸発器４と、蒸発器４によって発生した海水の蒸気又は蒸留水が流通する蒸留水還り流路１３と、蒸気を圧縮するための圧縮機５と、蒸発器４によって発生した海水の濃縮水が流通する濃縮水還り流路１４と、海水供給流路７、蒸留水還り流路１３、濃縮水還り流路１４に配設され、海水と蒸留水及び濃縮水とで熱交換を行うための熱交換ユニット１５とを備え、蒸発器４で海水と圧縮機５にて圧縮された前記蒸気とを熱交換する海水の淡水化システムＳにおいて、蒸気又は蒸留水又は濃縮水又は蒸発器内の海水のうち一又は複数を加熱し、且つ圧縮機５に用いられる発電効率よりも高い熱効率を有する加熱器２５〜２８をさらに備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、海水を淡水化するための淡水化システム及びその方法に関するものである。

海水を淡水化する方法としては、多段フラッシュ法やＲＯ膜法等が用いられていている。多段フラッシュ法は、加熱された海水を減圧された蒸発器で沸騰蒸発させ、その発生蒸気を凝縮して淡水を生産する海水の淡水化方法である。この多段フラッシュ法は、海水の品質を問わず使用でき、大量の淡水を作成できるが、熱効率が悪く、そのために多量のエネルギを必要とする。ＲＯ膜法は、半透膜を通して海水から淡水を得るものである。このＲＯ膜法は、半透膜が海水中の微生物や析出物で目詰まりしないように入念に前処理をする必要があり、その整備にコストがかかり、さらには製造した淡水の塩濃度が高いこと等の難点がある。

一方で、蒸発器での蒸気を圧縮させる蒸気圧縮法による海水の淡水化方法が実用化されている。一般的な蒸気圧縮法は例えば特許文献１に記載されている。すなわち、蒸気を圧縮して断熱温度上昇させ、この温度をもって熱交換に用いるための温度差を得るものである。高圧となった蒸気は沸点が上がるため、高圧蒸気の凝縮点が低圧海水の沸点より高くなり、熱交換ができる。この蒸気圧縮法は上述した多段フラッシュ法と同様、蒸発法に属するが、多段フラッシュ法に比して半分程度のエネルギで運転が可能である。

特開２００８−１８８５１４号公報

しかしながら、上述した蒸気圧縮法で海水を淡水化する方法は、一般的にシステム全体としての熱効率が悪いため、そのシェアが５％程度である。そのため、システム全体として熱交換率を高めて運転効率を向上させる技術が望まれている。

運転効率を高めるためには、濃縮率（蒸発率）を高めればよいが、濃縮率を高めて運転すると、熱交換に用いる伝熱面を広くする必要があるため、スケールが発生しやすくなる。したがって、低濃縮率で消費エネルギを抑える技術が特に望まれている。

本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、低濃縮率であっても、システム全体として熱効率を高めて消費エネルギを抑えることができる海水の淡水化システム及びその方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、海水が流通する海水供給流路と、該海水供給流路の終端に配設された蒸発器と、該蒸発器によって発生した前記海水の蒸気又は蒸留水が流通する蒸留水還り流路と、該蒸留水還り流路に配設され、前記蒸気を圧縮するための圧縮機と、前記蒸発器によって発生した前記海水の濃縮水が流通する濃縮水還り流路と、前記海水供給流路、前記蒸留水還り流路、前記濃縮水還り流路に配設され、前記海水と前記蒸留水及び前記濃縮水とで熱交換を行うための熱交換ユニットとを備え、前記蒸発器で前記海水と前記圧縮機にて圧縮された前記蒸気とを熱交換する海水の淡水化システムにおいて、前記蒸気又は前記蒸留水又は前記濃縮水又は前記蒸発器内の海水のうち一又は複数を加熱し、且つ前記圧縮機に用いられる発電効率よりも高い熱効率を有する加熱器をさらに備えたことを特徴とする海水の淡水化システムを提供する。

好ましくは、前記加熱器は、前記蒸留水還り流路であって前記圧縮機と前記蒸発器との間若しくは前記蒸発器と前記熱交換ユニットとの間、又は前記濃縮水還り流路であって前記蒸発器と前記熱交換ユニットとの間、又は前記蒸発器内のいずれか又は複数に配設されている。
さらに好ましくは、前記加熱器は、蒸気加熱器又は加熱炉又はヒートポンプである。
また、本発明では、前記蒸発器での前記海水の濃縮率を６０％以下で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の海水の淡水化システムを用いた海水の淡水化方法を提供する。

本発明によれば、圧縮機とは別に加熱器を設けることにより、システム全体としての消費熱エネルギを低減させることができる。特に、６０％以下の濃縮率で運転する場合において、加熱器を用いることによりその効果が顕著に現れていることを発明者等は確認している。これは、圧縮機は発電効率分の消費電力を無駄に使用しているからであり、この発電効率の影響を受けない加熱器（例えば蒸気加熱器）を用いることによりその無駄がなくなり、結果として熱効率が高まって消費熱エネルギを抑えることができるからである。

本発明に係る海水淡水化システムの装置構成を示した概略図である。加熱器ありとなしの場合の濃縮率と消費エネルギの関係を示したグラフである。濃縮率と加熱量との関係を示したグラフである。本発明に係る海水淡水化システムの詳細を示した概略図である。

本発明が適用される淡水化システムについて説明する。
図１に示すように、このシステムＳは、蒸発器４、圧縮機５及び熱交換ユニット１５を備えている。海水は、海水供給経路７の海水供給端６から蒸発器４へと導かれる。このとき、海水は海水供給流路７にある熱交換ユニット１５を通る。そして海水は蒸発器４で蒸発される。蒸発された海水は蒸気（蒸気状の蒸留水）と濃縮水に分離される。蒸気は蒸留水戻り流路１３を通り、圧縮機５によって圧縮された後に蒸発器４での海水の蒸発のための熱源として用いられる。このときの熱交換により、蒸気は凝縮して液状の蒸留水となる。この後、蒸留水は蒸留水還り流路１３にある熱交換ユニット１５を通って蒸留水回収端１８から回収される。一方で濃縮水は蒸発器４から延びる濃縮水還り流路１４を通り、熱交換ユニット１５を通って濃縮水回収端１９から回収される。

ここで、上述した圧縮機５で蒸気を圧縮するのは、蒸発器４での熱交換の際に必要な熱を得るために温度を上昇させるためである。本発明のシステムＳでは、温度上昇の手段として圧縮機５の他に加熱器２５〜２８のいずれか又はこれらの組み合わせが配設されている。設置箇所としては、蒸気又は蒸留水又は濃縮水又は蒸発器内の海水のうち一又は複数を加熱できる場所である。例えば、図１に示すように、蒸気を加熱するのであれば蒸留水還り流路１３における蒸発器４と圧縮機５との間にある加熱器２５である。蒸留水を加熱するのであれば蒸留水還り流路１３における蒸発器４と熱交換ユニット１５との間にある加熱器２６である。濃縮水を加熱するのであれば濃縮水還り流路１４における蒸発器４と熱交換ユニット１５との間にある加熱器２７である。蒸発器４内の海水を加熱するのであれば蒸発器４内にある加熱器２８である。このような加熱器２５〜２８は、一又は複数箇所に設けられる。このように加熱器２５〜２８の少なくともいずれかを設置することにより、圧縮機５による消費電力を抑えることができる。すなわち、加熱器２５〜２８による加熱量を考慮して、圧縮機５による消費電力は決定される。

加熱器２５〜２８は、圧縮機５に用いられる発電効率よりも高い熱効率を有している。加熱器２５〜２８の具体例としては、蒸気加熱器又は加熱炉又はヒートポンプである。特に蒸気加熱器が好ましい。なお、加熱器には、電気ヒータ等の電熱器は除かれる。電熱器を用いることは、圧縮機５を用いることと同様、発電効率分だけ無駄な電力を用いることになるからである。参考までに、システムＳ全体での消費エネルギを算出する式を記載する。
消費エネルギ［ｋＪ／ｋｇ］＝（加熱器の消費熱エネルギ＋消費電力÷０．４）÷生産水量

なお、式中の０．４は発電効率を４０％と想定して加味したものであり、その分を割り戻して本来の消費エネルギを求めている。また、生産水量は海水から回収する蒸留水の量であり、濃縮率と供給海水量とを乗算した値である。

このような加熱器を用いた場合と、用いない場合の消費エネルギを比較すると、図２に示すように、Ｂで示す加熱器ありの方がＡで示す加熱器なしよりも消費エネルギが低いことがわかる。これはすなわち、加熱器ありの方がシステムＳ全体として熱効率が高まり、消費エネルギが少なくなっていることを示している。特にその効果は濃縮率６０％以下の場合に現れ、濃縮率が低ければ低いほど顕著となる。

また、その場合に必要な加熱量は、図３に示すように、濃縮率が６０％以下であり低くなればなるほど要する加熱量も多くなる。加熱器によっても加熱量、すなわち消費すべき熱エネルギは必要ではあるが、圧縮機５を用いて昇温させるよりはエネルギが少なくてすむ。圧縮機５を用いることは、上述したように発電効率分無駄な運転をしているが、蒸気加熱器等の加熱器を用いればそのような無駄な運転はないからである。海水を淡水化する場合、濃縮率は予め定められるパラメータである。したがって、濃縮率が定まれば、図３を参照してそれに応じた加熱器による加熱量を定めることができる。

上記と重複する部分もあるが、本発明が適用されるシステムＳについての詳細を以下に説明する。なお、図４では各流路における海水、蒸留水、濃縮水の温度及び圧力を記載している。

図４に示すように、システムＳは、第１の熱交換器１〜３及び蒸発器４を備えている。蒸発器４は海水供給端６と海水供給流路７を介して接続されている。システムＳは、海水供給端６から供給される海水を淡水にするためのものである。海水供給流路７には、第１〜３の熱交換器１、２、３が配設されている。具体的には、海水供給流路７には分離器８が設けられていて、ここで流路７は第１の流路１１及び第２の流路１２に分岐される。第１の流路１１には上述した第１の熱交換器１が配設され、第２の流路１２には上述した第２の熱交換器２及び第３の熱交換器３がそれぞれ第２の流路１２の上流側から順番に配設されている。そして、第１及び第２の流路１１、１２は混合器９にて再び一つの流路となり、蒸発器４に接続される。

蒸発器４は、供給された海水を蒸発させるものである。蒸発器４は気液分離器１０に接続されている。蒸発器４で生じた蒸気及び濃縮水は、気液分離器１０にてそれぞれ分離され、蒸気（蒸気状の蒸留水）は蒸留水還り流路１３に、濃縮水は濃縮水還り流路１４に導かれる。蒸留水還り流路１３には上述した圧縮機５が配設され、この圧縮機５で蒸気は圧縮される。圧縮機５の下流には、上述した蒸発器４、第３の熱交換器３、第１の熱交換器１がそれぞれ順番に配設されている。すなわち、蒸留水は蒸発器４、第３の熱交換器３、第１の熱交換器１の順番でそれぞれ海水と熱交換される。なお、蒸発器４で熱交換されるまでは、蒸留水は蒸気の状態で流通している。蒸留水還り流路１３における第１の熱交換器１のさらに下流には、熱交換器１６が配設されていて、この熱交換器１６にて蒸留水はさらに冷却水によって冷却される。蒸留水還り流路１３は蒸留水回収端１８を出口としている。蒸留水は十分に冷却されてから蒸留水回収端１８より回収される。

一方、濃縮水還り流路１４には上述した第２の熱交換器２が配設されている。すなわち、濃縮水は第２の熱交換器２で海水と熱交換される。濃縮水還り流路１４における第２の熱交換器２のさらに下流には、熱交換器１７が配設されていて、この熱交換器１７にて濃縮水はさらに冷却水によって冷却される。濃縮水還り流路１４は濃縮水回収端１９を出口としている。濃縮水は十分に冷却されてから濃縮水回収端１９より回収される。

さらに、このシステムＳには制御装置２０が備わっている。この制御装置２０は、システム全体としての熱効率を高め、海水の淡水化に要するための無駄なエネルギが極力使用されないようにするためのものである。そのために、制御装置２０は、蒸発器４、圧縮機５、熱交換ユニット１５に接続されている。制御装置２０には、分離器８での海水の分離率を調整するための分離率調整部２１が備わっている。また、圧縮機５による蒸気の圧縮率を定めるための圧縮率演算部２２も備わっている。また、各熱交換器での熱交換温度差を状況に応じて変更するための温度差調整部２３も備わっている。また、蒸発器４内での蒸発による海水の沸点上昇を認識するための沸点上昇認識部２４も備わっている。

上述したシステムＳを用いて海水を淡水化させる場合、まず、海水供給端６から海水（例えば２０℃）を供給する。ここで、分離率に応じて海水は分離率調整部２１によって調整された分離器８で分離される。この分離率は、蒸発器４での海水の濃縮率（蒸発率）に応じて定められるものであり、作業者が予め決定する。濃縮率としては、上述したように、６０％以下が最も適している。濃縮率が６０％であれば、分離器８での第１の流路１１と第２の流路１２への分離率は、４０：６０となる。なお、図４では濃縮率５０％での温度や圧力を表示している。分離器８によってそれぞれ第１の流路１１と第２の流路１２に流通するように分離された海水は、熱交換ユニット１５にて温度が上昇される。具体的には、第１の流路１１内の海水は、第１の熱交換器１内を通って後述する蒸留水と熱交換される。熱交換後、海水は飽和温度（１０１℃）まで上昇される。

第２の流路１２内の海水は、まず第２の熱交換器２内を通って濃縮水と熱交換される。そして、第３の熱交換器３内を通って蒸留水と熱交換される。第２及び第３の熱交換器２、３での熱交換後、海水は飽和温度（１０１℃）まで上昇される。第１の流路１１及び第２の流路１２は混合器９で一つにまとめられる。すなわち、第１及び第２の流路１１、１２を流通してきた海水は、それぞれ同一の飽和温度の状態で混合される。そして、飽和温度のまま蒸発器４内に導かれ、後述する蒸気（蒸気状の蒸留水）と熱交換されて蒸発される。

蒸発器４で生じた濃縮水は、気液分離器１０にて濃縮水のみが流通する濃縮水還り流路１４に導かれる。このとき、蒸発器４での蒸発により濃縮水は沸点上昇を起こしている。濃縮率が５０％のときは飽和温度１０１℃の海水が濃縮水となって１０２℃になっている。濃縮水はこの状態で第２の熱交換器２で海水と熱交換される。具体的には、濃縮水の入口温度と海水の出口温度が予め定めた熱交換温度差となるように熱交換される。すなわち、１０２℃で濃縮水が入ってくるので、海水は９７℃となる。このようにして、濃縮率５０％で得られた濃縮水の顕熱は第２の熱交換器２で回収される（例えば濃縮水は２５．４℃となる）。そのため、上述した分離器８での分離率は５０％になっている。濃縮水はさらに熱交換器１７で冷却され、濃縮水回収端１９から回収される。
ここで、濃縮水を加熱するのであれば濃縮水還り流路１４における第２の熱交換器２と気液分離器１０との間に加熱器２７を設ける。

蒸発器４で生じた蒸気（蒸気状態の蒸留水）は、気液分離器１０にて蒸気のみが流通する蒸留水還り流路１３に導かれる。ここで蒸気は圧縮率演算部２２の結果に基づいて動作する圧縮機５により圧縮され、温度上昇される。

なおこのとき、加熱器２５〜２８を用いるのであればその加熱量が考慮される。また、蒸気を加熱するのであれば蒸留水還り流路１３における圧縮機５の手前に加熱器２５を設ける。

蒸気は、蒸発潜熱を有している。圧縮機５で圧縮した蒸気が蒸発器４にて海水の蒸発に用いられる。すなわち、飽和温度で蒸発器４に供給された海水は、蒸気の潜熱を用いて熱交換されて蒸発されるため、潜熱はここで回収される。

ここで、蒸発されるべき海水を加熱するのであれば蒸発器４内に加熱器２８を設ける。

蒸発器４を通過後、蒸気は凝縮されて蒸留水となる。上述した圧縮機５での圧縮率は、蒸発器４にて熱交換した後の蒸留水の飽和温度を基準にして定められる。この蒸留水の飽和温度は、蒸発器４を通過した後の海水の飽和温度（海水濃縮（蒸発）後の飽和温度）に対して予め定めた熱交換温度差だけ高く設定される。蒸留水の飽和温度がこの高く設定された温度となるように、蒸気は圧縮機５にて圧縮される。例えば、濃縮率５０％の場合、飽和温度１０１℃で蒸発器４に流入した海水は、蒸気の潜熱を用いて蒸発されて蒸気となるが、このとき濃縮により沸点上昇が起こり、飽和温度は１０２℃となる。予め設定された熱交換温度差が５℃であれば、海水蒸発のために用いられた蒸気は熱交換後１０７℃になって凝縮されるように設定される。飽和温度が１０７℃に相当する蒸留水となるような圧力は飽和蒸気圧表を用いて求められる。例えば、飽和温度が１０７℃の蒸留水を得るためには、圧縮機５で蒸気を２８ｋＰａＧまで圧縮すればよい。なお、沸点上昇の幅は濃縮率によって異なるため、この沸点上昇後の飽和温度の値は、上述した沸点上昇認識部２４に予め入力するか、あるいはセンサ等によって計測した結果を入力してもよい。

蒸発器４を通過した蒸留水は、わずかに蒸気が包含された状態である。この蒸気が有する潜熱は第３の熱交換器３にて回収される。具体的には、第２の熱交換器２で温度上昇された海水をさらに飽和温度まで高めるために用いられる。ここでは海水の顕熱と蒸留水が有する蒸気の潜熱とが熱交換される。これにより、第２の熱交換器２で９７℃まで上昇した海水の温度は、飽和温度である１０１℃までさらに上昇される。したがって、上述したように、第１の流路１１又は第２の流路１２を経て混合器９にて混合された海水はともに飽和温度の１０１℃であるため、蒸発器４内での海水の温度低下を防止でき、蒸発に関するエネルギのロスを防止することができる。なお、システムＳ全体としてみると第３の熱交換器３による熱回収は少量であるため、ここでの海水の温度上昇は蒸留水の潜熱を用いずに他の加熱手段を用いてもよい。

第３の熱交換器３を通過した蒸留水は、第１の熱交換器１で海水と熱交換される。具体的には、蒸留水の入口温度が１０７℃である場合に、海水の出口温度は１０１℃となる。上述では、熱交換温度差を５℃としたが、このような値にすると、海水の出口温度が１０２℃となってしまい、海水が飽和温度よりも高くなってしまうので蒸発してしまう。したがって、海水の出口温度が飽和温度となることを限度として、予め定めた熱交換温度差以上の最小値を新たな熱交換温度差として定める。この例では新たな熱交換温度差は６℃になり、海水は飽和温度の１０１℃まで上昇される。なお、この判断は上述した温度差調整部２３にて行われる。このようにして、濃縮率５０％で得られた蒸留水の顕熱は、第１の熱交換器１で回収される（例えば蒸留水は２８℃となる）。そのため、上述した分離器８での分離率は５０％になっている。上流水はさらに熱交換器１６で冷却され、濃縮水回収端１８から回収される。

ここで、蒸留水を加熱するのであれば蒸留水還り流路１３における第１の熱交換器２と第３の熱交換器３との間に加熱器２６を設ける。

まとめると、第１〜第３の熱交換器１〜３及び蒸発器４における熱交換温度差は、蒸留水又は濃縮水が有する顕熱の入口温度と海水の出口温度が予め定めた一定の値となるように制御され、このうち海水の出口温度が飽和温度を超える熱交換器においては予め定めた熱交換温度差以上の最小値を新たな熱交換温度差とする。また、蒸発器４に流入する海水の温度は、一定の飽和温度とする。

４蒸発器
５圧縮機
７海水供給流路
１３蒸留水還り流路
１４濃縮水還り流路
１５熱交換ユニット
２５加熱器
２６加熱器
２７加熱器
２８加熱器

Claims

海水が流通する海水供給流路と、
該海水供給流路の終端に配設された蒸発器と、
該蒸発器によって発生した前記海水の蒸気又は蒸留水が流通する蒸留水還り流路と、
該蒸留水還り流路に配設され、前記蒸気を圧縮するための圧縮機と、
前記蒸発器によって発生した前記海水の濃縮水が流通する濃縮水還り流路と、
前記海水供給流路、前記蒸留水還り流路、前記濃縮水還り流路に配設され、前記海水と前記蒸留水及び前記濃縮水とで熱交換を行うための熱交換ユニットと
を備え、
前記蒸発器で前記海水と前記圧縮機にて圧縮された前記蒸気とを熱交換する海水の淡水化システムにおいて、
前記蒸気又は前記蒸留水又は前記濃縮水又は前記蒸発器内の海水のうち一又は複数を加熱し、且つ前記圧縮機に用いられる発電効率よりも高い熱効率を有する加熱器をさらに備えたことを特徴とする海水の淡水化システム。
前記加熱器は、前記蒸留水還り流路であって前記圧縮機と前記蒸発器との間若しくは前記蒸発器と前記熱交換ユニットとの間、又は前記濃縮水還り流路であって前記蒸発器と前記熱交換ユニットとの間、又は前記蒸発器内のいずれか又は複数に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の海水の淡水化システム。
前記加熱器は、蒸気加熱器又は加熱炉又はヒートポンプであることを特徴とする請求項１又は２に記載の海水の淡水化システム。
前記蒸発器での前記海水の濃縮率を６０％以下で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の海水の淡水化システムを用いた海水の淡水化方法。