本発明は、蒸気プラント、その操作方法及び既存の蒸気プラントの改造方法に関する。
蒸気を利用する工業用及び加熱工程において、蒸気は、ボイラー内で生成され、高温・高圧下において、配管を介して、蒸気内のエネルギーが利用される様々な工業プロセスへ移される。
蒸気プラント内において、望ましくない効果の発生を防止するため、ボイラーに供給される原水の品質を制御することが重要である。これらの望ましくない効果として、配管やバルブのようなプラントの金属部材の腐食、過熱を招く熱伝達率の低下、及び構成部品の機械強度の低下が含まれる。
水は、硬水または軟水と称される。硬水は、スケールを形成した不純物を含み、一方、軟水はほとんど若しくは全く含まない。硬度はカルシウム及びマグネシウムの無機塩の存在が原因であって、これらの無機物によって、スケールの形成が促進する。もし硬水がボイラーに供給されたら、熱伝達面にスケールが生成し、ボイラーの熱伝達及び熱効率を低下させる。さらに、もしボイラーに供給される水が、特に酸素のような溶解ガス(dissolved gas)を含めば、ボイラー表面、配管、及びその他の表面に腐食を招く。もし水のpHの値が低すぎれば、酸性溶液が金属表面を攻撃し、もし水のpHの値が高くアルカリ性であれば、発泡のような他の問題が生じる。
また、ボイラーの水が、ボイラーから蒸気システムへキャリーオーバーされることによって、制御バルブ及び熱伝達面の汚染、蒸気トラップオリフィスの制約が発生するために、ボイラーの水が、ボイラーから蒸気システムへキャリーオーバーされることを防止することが好ましい。キャリーオーバー(Carryover)は、一般的に、「プライミング(priming)」または「フォーミング(foaming)」によって生じる。プライミングは、ボイラーの水が飛び出して蒸気を発生するものであって、一般的に、非常に高い水位でのボイラーの動作、設計された圧力より低い圧力でのボイラーの動作、または過度な蒸気の需要に起因して生じる。フォーミングは、水面と発生した蒸気との間の空間における泡の形成であって、主として、ボイラーの水に含まれる高レベルの不純物に起因する。
ボイラーが蒸気を生成するにつれて、ボイラーの水に含まれ蒸気とともには煮沸されないあらゆる不純物が、ボイラーの水の内部で濃縮する。すべての溶解固形物(total dissolved solids:TDS)の量が濃縮すればするほど、蒸気泡はより安定する傾向にあり、蒸気泡がボイラーの水面に触れることによる吹き出しが生じない。最終的に、ボイラー内の蒸気空間の要部は蒸気泡で満たされ、泡沫は蒸気プラントの要部に移動される。それゆえ、ボイラーの水に含まれるすべての溶解固形物(TDS)の量を注意深く制御することが好ましい。ボイラーの水のTDSの数値は、センサーを用いてモニタリングされ、TDSの数値を許容範囲に維持させるために、ブローダウン水として知られる水を、ボイラーからブローダウン水容器へ排出する。従来のボイラーは、TDSが2000〜3500ppmの範囲で作動される。ブローダウン水はブローダウン水容器内において冷却水と混合され、ドレインに排出される。
表1に、水に含まれるいくつかの典型的な不純物の技術的及び一般的な名称、化学式、並びにその効果について示す。
上述のように好ましくない影響を最小化するため、供給水としてボイラーに供給する前に、様々な不純物を除去することによって原水を処理することが知られている。例えば、もし水が非常に硬質であればボイラー内でスケールが生成する。もしTDSの数値が非常に高ければ、ボイラー内のTDSの数値が非常に高くなってキャリーオーバーが発生することを防ぐために、ボイラーのブローダウンの比率を増加しなければならない。
蒸気プラントの水処理システムは、一般的に、フィルター装置と軟化装置と逆浸透装置とを有し、原水はこれらの装置を順々に通過する。
フィルター装置は、一般的にカーボンフィルターであって、原水から遊離物質を除去するように機能する。フィルターは、定期的に洗浄され、フィルター内に蓄積される残骸を除去しなければならない。
軟化装置は、フィルターされた水の硬度を低減させる機能を有し、一般的に2つの軟化容器と1つのブラインタンクとを有する。それぞれの軟化容器には、ナトリウムイオンが結合された樹脂が設けられる。フィルターされた水が樹脂を通過するとき、樹脂に結合するナトリウムイオンは置き換わり、水に含まれるカルシウムイオン及びマグネシウムイオンと交換される。このようにして水の硬度が低下する。しばらくすると、全てのナトリウムイオンは樹脂から移動され、カルシウムイオン及びマグネシウムイオンと置き換わる。それゆえ、ブラインタンクからの塩化ナトリウムの濃溶液によって樹脂を洗浄することによって軟化容器は再生する。これによって、樹脂に結合されたカルシウムイオン及びマグネシウムイオンは、ナトリウムイオンと置き換わる。そして、軟化容器から結合されていないカルシウムイオン及びマグネシウムイオンを除去するために軟化容器は水によって洗浄される。一般的に、一方の軟化容器が使用される間、他の軟化容器は再生され、その結果、水は中断することなく、軟化される。
逆浸透装置は、軟化された水のTDSの数値を減少させる機能を有する。逆浸透装置は、2つのチャンバー間に設けられる半透膜を有する。高いTDSの数値を有する軟化された水は、チャンバーの1つに供給され、圧力が付与される。付与された圧力は、TDSの数値が低く浸透水として知られる純水を、半透膜を介して他のチャンバーに移動させる。不純物の濃度が高くTDSの数値が高い濃縮液は、半透膜の加圧された側に維持される。浸透水は、供給タンクを経由して供給水としてボイラーに供給され、濃縮液はドレインに送られる。逆浸透装置に供給された軟化された水は、TDSの数値が220ppmであって、供給水として用いられる浸透水は、TDSの数値が23ppmである。
上記から認識されるように、蒸気プラントは操作するために相当な容積の水が必要である。特に、最終的に蒸気を生成するために使用される原水、熱いブローダウン水と混合される冷却水、軟化装置のブラインタンク用の水、及びフィルター及び軟化装置用の洗浄水が必要である。水は、財政的に高価な資源であり、蒸気プラントのランニングコストの大部分を占める。さらに、この水の大部分は最終的にドレインに排出され、水の公的機関は典型的に水の貯蓄を課する。水は有限の資源であって、供給水の需要は増加している。
それゆえ、財政面及び環境面の観点から、蒸気プラントの水の消費量を低減することが好ましい。
本発明の一実施形態は、蒸気を生成するために設けられたボイラーと、流入水を受け取るために設けられた逆浸透入口、及び浸透水用導管を介して前記ボイラーに流体連通される浸透水出口を有し、使用状態において、前記流入水を受け取り、かつ前記浸透水用導管を介して前記ボイラーに供給される浸透水を生成する逆浸透装置と、前記ボイラーから熱いブローダウン水を受け取るために前記ボイラーに流体連通され、ブローダウン水用返却導管を介して前記逆浸透入口に流体連通されるブローダウン水容器出口を有し、使用状態において、冷却されたブローダウン水を生成するブローダウン水容器と、前記冷却されたブローダウン水の温度をモニターするために配置された温度センサー(またはサーモスタット)が設けられ、使用状態において、前記冷却されたブローダウン水の温度が閾値より低ければ、前記冷却されたブローダウン水を前記逆浸透入口に送る流量調整部と、を有する蒸気プラントである。
逆浸透装置において、ブローダウン水容器からの冷却されたブローダウン水を使用することによって、蒸気プラントからドレインに排出されるブローダウン水の量が低減する。それゆえ、蒸気プラントからのブローダウン水の処理コストが低減し、蒸気プラントの作動コストを減少させることができ、蒸気プラントの環境への悪影響を減少させることができる。
さらに、逆浸透装置へ流入する流体の流量及び温度が増加し、逆浸透装置の効率が向上する。これによって、逆浸透装置のサイズを小型化することができる。
閾値温度は例えば42度であるが、30度〜50度の間であってもよく、35度〜45度の間であってもよく、また37度〜42度の間であってもよい。
蒸気プラントはさらに、前記ブローダウン水容器及び前記逆浸透装置の間で前記ブローダウン水用返却導管に配置される軟化装置を有する。この軟化装置は、冷却されたブローダウン水が逆浸透装置の逆浸透入口に供給される前に、ブローダウン水容器からのブローダウン水を軟化するように機能する。
蒸気プラントはさらに、前記軟化装置から前記冷却されたブローダウン水を受け取って一時的に貯蔵するために設けられた貯蔵タンクを有する。
使用状態において、もし前記冷却されたブローダウン水の温度が前記閾値より高ければ、前記流量調整部は、前記冷却されたブローダウン水をドレインに向かうように操作する。これによって、もし冷却されたブローダウン水の温度が、逆浸透装置の半透膜に損傷を与える温度であれば、冷却されたブローダウン水は、逆浸透入口に供給されるよりむしろ確実にドレインに排出される。
蒸気プラントはさらに、熱交換器を有し、使用状態において、もし前記冷却されたブローダウン水の温度が前記閾値より高ければ、前記流量調整部は、前記冷却されたブローダウン水を前記熱交換器に向かうように操作する。熱交換器は、ボイラーへの供給水を予熱するために設けられる。熱交換器は、冷却されたブローダウン水の温度をさらに下げ、確実にドレインに排出可能な最大温度である閾値温度(例えば43度)より低くする。また、冷却されたブローダウン水の有効な熱は熱交換器によって抽出され、蒸気プラントの効率が向上する。
本発明の他の実施形態は、熱いブローダウン水を、ボイラーから、冷却されたブローダウン水を生成するために冷却水と混合されるブローダウン水容器へ供給する工程と、前記冷却されたブローダウン水の温度を測定する工程と、もし前記冷却されたブローダウン水の温度が閾値より低ければ、前記冷却されたブローダウン水を逆浸透装置の逆浸透入口に供給する工程と、を有する蒸気プラントの操作方法である。
操作方法はさらに、前記冷却されたブローダウン水を前記逆浸透装置に供給する前に、前記冷却されたブローダウン水を軟化装置に通す工程を有する。
操作方法はさらに、前記冷却されたブローダウン水が前記逆浸透装置に供給される前に、前記軟化装置からの前記冷却されたブローダウン水を一時的に貯蔵する工程を有する。
操作方法はさらに、もし前記冷却されたブローダウン水の温度が前記閾値より高ければ、前記冷却されたブローダウン水をドレインに送る工程を有する。
操作方法はさらに、もし前記冷却されたブローダウン水の温度が前記閾値より高ければ、前記冷却されたブローダウン水を熱交換器に通す工程を有する。
本発明の他の実施形態は、蒸気を生成するために設けられたボイラーと、前記ボイラーからブローダウン水を受け取るために前記ボイラーに流体連通され、ブローダウン水容器出口から冷却されたブローダウン水が出るブローダウン水容器と、前記ボイラーと流体連通する浸透水出口を備える逆浸透装置と、を有する既存の蒸気プラントを改造する方法であって、使用状態において前記冷却されたブローダウン水が逆浸透入口に供給されるように、前記ブローダウン水容器出口を前記逆浸透入口と流体連通する工程を有する方法である。
蒸気プラントの一部を模式的に示す図である。
本発明は、互いに排他的な特徴の組み合わせを除いて、ここに言及される特徴のあらゆる組み合わせを構成することができる。
以下、例として、蒸気プラントの一部を模式的に示す図1を参照して、本発明に係る実施形態について説明する。
図1は、処理装置12、逆浸透装置14、供給タンク(温水溜め)16、ボイラー18、及びブローダウン水容器20を有する蒸気プラント10の一部を模式的に示す図である。使用時において、処理装置12及び逆浸透装置14は、蒸気を生成するために、供給タンク16を経由してボイラー18に供給される原水を処理する。ボイラー18によって生成された蒸気は、高温・高圧下において、配管を介して、蒸気内のエネルギーが利用される様々な工業プロセスへ移される(不図示)。ブローダウン水は、定期的に、ボイラー18からブローダウン水容器20へ排出され、ブローダウン水容器20では冷却されかつ排出される。図1には示されないが、水及び蒸気の流れを制御するために、装置の周囲に、様々なポンプ、バルブ、及びセンサーが設けられる。
処理装置12は、原水を受け取るための入口22及び処理された原水を排出するための出口24を有する。処理装置12は、カーボンフィルターで形成されるフィルター26及び連続的に流体接続された軟化装置28を有する。フィルター26は、原水から遊離物質を除去するために配置され、軟化装置28は、水の硬度を低減するために配置される。フィルター26はまた、洗浄水用導管36及びドレイン用導管38を有する。軟化装置28は、第1及び第2の軟化容器30,32を有し、それぞれの軟化容器30,32は、ナトリウムイオンが結合された樹脂を含む。また、軟化装置28は、軟化容器30,32を再生するためのブラインタンク34を有する。軟化装置28はまた、フィルターされた水を一方の軟化容器30,32に送り他方の軟化容器30,32は再生されるための制御バルブが設けられる。これによって、軟化装置28は連続的に使用される。軟化装置28はまた、ブラインタンク34を満たす導管40、洗浄水用導管42、及びドレイン用導管44を有する。
1つのフィルター26及び1つの軟化装置28が記載されたが、他の実施形態ではどちらか1つが存在してもよい。例えば、もし原水が軟水ならば、フィルターのみが設けられ得る。さらに、追加の水処理デバイスまたは装置が必要に応じて、処理装置12に組み込まれてもよい。
処理装置12の出口24は、流入水用導管48によって、逆浸透装置14の逆浸透入口46に流体接続される。これによって、処理装置12において処理された原水は、逆浸透装置14に供給される。逆浸透装置14は、処理装置12から供給される処理水のTDSの数値を低減するために配置される。図1に模式的に示すように、逆浸透装置14は、半透膜54によって区切られた流入チャンバー50及び浸透チャンバー52を有する。逆浸透入口46は、高いTDSの数値を有する濃縮液が排出されるための濃縮液出口56が備えられる流入チャンバー50に設けられる。浸透チャンバー52には、低いTDSの数値を有する浸透水が排出されるための浸透水出口58が設けられる。使用時において、流入チャンバー50は圧力が維持され、流入水は逆浸透入口46を介してこのチャンバーに供給される。浸透水及び不純物が少ないとして知られる純水は、半透膜54を介して、浸透水出口58から放出され、一方、高濃度の不純物が含まれる濃縮液は濃縮液出口56から放出される。
逆浸透装置14の浸透水出口58は、逆浸透装置14によって生成された浸透水を供給タンク16に供給するために設けられた浸透水用導管60に連結される。次に供給タンク16は、供給水用導管62によってボイラー18に流体接続されるため、供給タンク16内の供給水はボイラー18に供給される。ボイラー18は、供給水から蒸気を生成するために構成され、蒸気を蒸気プラント内の様々な装置(不図示)に送るための、蒸気供給導管64が設けられる。
ボイラー18にはまた、ブローダウン水用導管68と連結されボイラーの下部に向かうブローダウン水用出口66が設けられる。ブローダウン水用導管68は、熱いブローダウン水がボイラー18からブローダウン水容器20に移動するように、ボイラー18及びブローダウン水容器20を連結する。ブローダウン水容器20にはさらに、冷却されたブローダウン水が、ブローダウン水容器出口84を介してブローダウン水容器20から供給されるブローダウン水用導管70が設けられる。
上述した構成に加えて、蒸気プラント10はさらに、冷却されたブローダウン水を直接ドレインに、または逆浸透装置14の逆浸透入口46に、供給することが可能な流量調整部86を有する。流量調整部86は、入口88、温度センサー90、三方弁92、返却出口94、及びドレイン用出口96を有する。流量調整部86の入口88は、冷却されたブローダウン水が流量調整部86に供給されるように、ブローダウン水用導管70に接続される。温度センサー90は、冷却されたブローダウン水の温度をモニターするために設けられ、三方弁92は、冷却されたブローダウン水を温度によって返却出口94またはドレイン用出口96に供給するために設けられる。
流量調整部86の返却出口94は、ブローダウン水用返却導管98によって、逆浸透入口46に流体接続され、軟化装置100及び貯蔵タンク102は、流量調整部86及び逆浸透入口46の間で、ブローダウン水用返却導管98に順番に接続される。これによって、冷却されたブローダウン水は、逆浸透装置14に供給される。
軟化装置100は、処理装置12の軟化装置28と同様の構成であり、2つの軟化容器104,106及びブラインタンク(不図示)を有する。軟化装置100は実質的に、処理装置12の軟化装置28と同様の方法で作用し、冷却されたブローダウン水が通過することによって冷却されたブローダウン水の硬度が低減する。軟化装置100はまた、同様の方法によって、ブラインタンク(不図示)によって再生される。貯蔵タンク102は、(軟化され)冷却されたブローダウン水を逆浸透装置14に供給する前に、一時的に貯蔵することができる。
流量調整部86のドレイン用出口96は、ドレイン用導管108に接続され、熱交換器110は、ドレイン用導管108に配置される。熱交換器110は、冷却されたブローダウン水から有効な熱を抽出するために配置される。熱交換器110は、ボイラーへの供給水を予熱するために用いられ、例えば、供給タンク16に供給される前の逆浸透装置14からの浸透水を予熱し得る。
使用時において、原水は処理装置12の入口22から供給され、原水内のあらゆる浮遊粉塵を除去するためにカーボンフィルター26を通過する。それからフィルターされた水は、水の硬度を低減させるために軟化装置28を通過する。軟化装置28は、2つの軟化容器30,32を構成し、フィルターされた水は、これらの軟化容器30,32の1つを通過し、他方の軟化容器30,32は(以下で説明されるように)再生される。フィルターされた水は、軟化容器30,32内の樹脂を通過するため、水に含まれるマグネシウムまたはカルシウムイオンが樹脂に連結されるナトリウムイオンに代わり、置き換わる。このため、マグネシウム及びカルシウムイオンがナトリウムイオンと交換されて、水の硬度が低減される。それから、フィルターされ軟化された水は、流入水用導管48を介して、流入水を処理する逆浸透装置14の逆浸透入口46に供給される。処理された流入水は、逆浸透装置14の流入チャンバー50に入り、高圧を受ける。不純物が少なく低いTDSの数値を有する浸透水は、半透膜54を介して浸透チャンバー52に入り、一方、不純物が多く結果的に高いTDSの数値を有する濃縮液は、流入チャンバー50に留まる。濃縮液は、逆浸透装置14の濃縮液出口56から既知の率で排出される。比較的柔らかく低いTDSの数値を有する浸透水は、浸透水用導管60を介して供給タンク16に供給される。様々な化学物質が、供給タンク16内の供給水に供給される。ボイラーの供給水は、供給水用導管62を介して、蒸気を生成するために加熱されるボイラー18に供給される。蒸気は、蒸気供給導管64を介して、蒸気プラント10内の様々な工業プロセスへ移される。
ボイラー18内のボイラー水の不純物は蒸発しないため濃縮し、それゆえボイラー水のTDSの数値は上昇する。上述のとおり、もしTDSの数値が高すぎれば、蒸気システムの残部にキャリーオーバーされるボイラー内で泡沫が形成される。それゆえ、周期的に、高いTDSの数値を有するブローダウン水は、ブローダウン水用出口66を介しブローダウン水用導管68を経由して、ボイラー18からブローダウン水容器20へ送られる。ブローダウン水の温度は、すぐにドレインに排出するには高温すぎる。それゆえ、ブローダウン水容器20に供給される熱いブローダウン水は、ブローダウン水容器出口84を介して、ブローダウン水容器20から出る前にブローダウン水容器20において冷却水と混合される。
本実施形態において、冷却されたブローダウン水は、ブローダウン水容器出口84から出て、流量調整部86に供給される。流量調整部86の温度センサー90は、冷却されたブローダウン水の温度をモニターし、流量調整部86は、その温度が閾値より上か下かを測定する。本実施形態では閾値温度は例えば42度である。
もし冷却されたブローダウン水の温度が閾値温度より低ければ、流量調整部86は、冷却されたブローダウン水がブローダウン水用返却導管98を介して逆浸透入口46に向かうように、三方弁92を操作する。冷却されたブローダウン水は逆浸透装置14に到着する前に、軟化装置100の軟化容器104,106の1つを通過する。そして、軟化され冷却されたブローダウン水は逆浸透入口46に供給される前に、貯蔵タンク102を通過する。貯蔵タンク102では、ブローダウン水が一時的に貯蔵される。
もし冷却されたブローダウン水が逆浸透入口46に向かうならば、逆浸透装置14に到着するまでに、ブローダウン水の温度が逆浸透装置14の半透膜54に損傷を与える温度より小さくなるように、流量調整部86の閾値温度は設定される。例えば、半透膜54は最高で37度の温度に耐えられる。このとき、冷却されたブローダウン水が逆浸透装置14に到着するまでにはブローダウン水の温度が37度以下となるように、流量調整部86の閾値温度は設定されるべきである。もし、流量調整部86及び逆浸透装置14間の熱損失が5度であるならば、流量調整部86の閾値温度は42度に設定することができる。しかしながら、もしブローダウン水用返却導管98が適切に断熱されていたら、閾値温度を下げることができる。
逆浸透入口46に供給された冷却されたブローダウン水は、処理装置12からの流入水用導管48を介して供給される流入水の温度よりも、高い温度となる。それゆえ冷却されたブローダウン水は、逆浸透装置14内の水の温度を上昇させるように機能する。このように温度が上昇することによって、逆浸透装置14をより高効率に機能させ、逆浸透装置14をより小型化することができる。さらに、冷却されたブローダウン水を逆浸透入口46に供給することによって、逆浸透装置14を通る水の流量は増加する。これはまた、逆浸透装置14の効率を向上させる。それゆえ、逆浸透装置14において冷却されたブローダウン水を使用することによって、逆浸透装置14の操作の効率を向上させ、かつドレインに排出されるブローダウン水を確実に減少させてブローダウン水の処理コストを少なくとも低減させる。
もし、冷却されたブローダウン水の温度が閾値より高ければ、流量調整部86は、冷却されたブローダウン水が熱交換器110に向かい、ドレイン用導管108を介してブローダウン水が排出されるように、三方弁92を作動する。熱交換器110は、冷却されたブローダウン水の温度をさらに低下させ、かつ供給水を予熱するために使用される有益なエネルギーを抽出するように機能する。熱交換器110はさらに、冷却されたブローダウン水がドレインに排出される前に、法的限界(例えば43度)より低くするために、ブローダウン水を冷却するように機能する。もし熱交換器110が供給水を予熱するために使用されるならば、ボイラー18の効率は向上する。
閾値は42度であると上述したが、当然のことながらあらゆる適切な閾値が設定され得る。
図1には示されないが、逆浸透入口46の前であってブローダウン水用返却導管98に、追加の流量調整部が設けられてもよい。この追加の流量調整部は、ブローダウン水用返却導管98内の冷却されたブローダウン水の温度をモニターすることができ、もし温度が37度を超えていれば、逆浸透装置14の半透膜を守るために、水はドレインに排出される。
流量調整部86は温度センサー90を有すると上述したが、当然ながら温度センサーは、サーモスタット、2種の金属からなる弁、または冷却されたブローダウン水の温度をモニターし弁の開閉を制御する他のあらゆる部品であってもよい。
図1に関する上述した蒸気プラント10の構成要素のいくつかは、完全に異なって構成されるが、すでに既存の蒸気プラント10に存在する。それゆえ、蒸気プラント10の他の部分にブローダウン水容器20からの冷却されたブローダウン水を使用するために、既存の蒸気プラント10を改良または改造することができ、既存の蒸気プラントをより効率よく環境に優しくすることができる。
ある特定の導管によって、ある特定の構成が他の構成に流体連通され、この連通は直接的または間接的であることが好ましく、他の構成は2つの構成の間の流体経路に配置される。例えば、上述の実施形態で、逆浸透装置14は、浸透水用導管60を介してボイラー18に流体接続される。しかしながら、供給タンク16は2つの構成の間の流体経路に配置され、さらに供給タンク16からボイラー18までの供給用導管62が設けられてもよい。