JP2015033672A

JP2015033672A - 海水淡水化装置及び海水淡水化方法

Info

Publication number: JP2015033672A
Application number: JP2013165467A
Authority: JP
Inventors: 俊郎三好; Toshiro Miyoshi
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2015-02-19

Abstract

【課題】海洋深層水の温度を、低温であることを利用した上で昇温し、海水淡水化の原水に使用することで、海水淡水化の省エネルギーを図ることができる海水淡水化装置及び海水淡水化方法を提供する。【解決手段】海水淡水化装置１は、表層海水を取水する表層水取水管１０と、海洋深層水を取水する取水ポンプ３及び取水管４を備えている。また、海水淡水化装置１は、濁質除去設備５と、第１の加温装置６と、第２の加温装置７と、高圧ポンプ８と、淡水化する逆浸透膜装置９と、を備えている。発電又は冷房設備３０の媒体（冷媒や熱媒）に使用して第１の加温装置６で熱交換を行って海洋深層水を加温し、さらに表層海水と逆浸透膜装置９で得た海水淡水化の濃縮海水とを使用して第２の加温装置７で熱交換して、さらに海洋深層水を加温する。【選択図】図１

Description

本発明は、海洋深層水を用いて逆浸透膜装置による海水淡水化を行う海水淡水化装置及び海水淡水化方法に関する。

表層の海水に比べ、海洋深層水は水温が低く、例えば約２０℃の水温の差（以下、温度差と述べる）があることが知られている。この温度差を熱交換して冷房を行う技術は、特許文献１〜４に開示されており、温度差を利用して発電を行う技術は特許文献５〜７に開示されている。また、さらに海洋深層水を使い冷房を行って、温度の上昇した海洋深層水を使用して、海水淡水化の運転エネルギーを下げる技術は特許文献８〜１０に開示されている。

特許第４０８４３５２号特開２００５−３０８３１４号公報特開２００５−３０８３１３号公報特開２００５−１５６１２５号公報特開平５−３４０３４２公報特開平７−９１３６１公報特開２０１０−５９８０３号公報特許第４７６２０４８号特開２００５―３３４８８２号公報特開２０１１−２４２０３６号公報

特許文献１〜７に記載された冷房や発電装置では、発電、冷房に使用して加温された海洋深層水の排出温度はそれほど高くなく、逆浸透膜装置を使用した海水淡水化装置に利用しても、最もエネルギー消費の大きな高圧ポンプの消費電力が高くなる問題がある。一方、特許文献８〜１０に記載された海水淡水化装置では、必ずしも海水淡水化のエネルギー削減は十分ではない。特許文献１０には、一度冷媒を冷却することにより加温された海水をさらに冷媒のチラーユニットで熱交換をする技術が開示されているが、一度熱交換を行い、加温されて温度差の小さくなった海水で熱交換することは、設備が過大になることに比べて、運転エネルギーの節約が小さく、メリットが小さくなるという問題がある。

具体的な数値で述べると、暖かい地域、特に熱帯などでは、表層海水の水温が高いが、海洋深層水は水温が低く、表層海水と海洋深層水では２０℃程度の水温差がある。２０℃水温が低いと、逆浸透膜で海水淡水化を行う場合に、運転圧力が１〜１．８Ｍｐａ程度高くなり、海水淡水化の電力消費量、ひいては運転費用が高くなる。一方、海洋温度差発電や、低温海水を利用した冷房を行うのに、取水する海水は５度から１２℃程度が望ましく、発電、冷房に使用した後の海水の排出温度は１２〜１８℃程度に上昇するが、これでも一般的な熱帯での海水淡水化の運転温度と比べると、１０〜２０℃程度低く、海水淡水化の運転圧力は、表層水での運転圧力に比べ０．５〜１．３Ｍｐａは高く、海水淡水化のエネルギー削減は十分ではないと言える。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、海洋深層水の温度を、低温であることを利用した上で昇温し、海水淡水化の原水に使用することで、海水淡水化の省エネルギーを図ることができる海水淡水化装置及び海水淡水化方法を提供することにある。

本発明の海水淡水化装置は、取水した海水を淡水化する海水淡水化装置であって、取水した海水を熱交換の冷熱源として用いることで、海水を加温する前処理を行う第１の加温装置と、前記第１の加温装置によって加温された海水をさらに加温する第２の加温装置と、前記第２の加温装置によって加温された海水を淡水化する逆浸透膜装置と、を備える。

本発明の海水淡水化装置の一態様として例えば、前記第１の加温装置が、海洋温度差発電の熱媒を冷却する熱交換機である。

本発明の海水淡水化装置の一態様として例えば、前記第２の加温装置の熱源に、前記逆浸透膜装置から得られる濃縮海水を使用する。

本発明の海水淡水化装置の一態様として例えば、前記第２の加温装置の熱源に、濃縮海水以外の表層海水の追加が可能である。

本発明の海水淡水化装置の一態様として例えば、前記第２の加温装置と前記逆浸透膜装置との間に設けられた高圧ポンプと、前記高圧ポンプより前段に高圧ポンプの保護などのために設けられた、交換可能なフィルターと、を更に備える。

本発明の海水淡水化装置の一態様として例えば、前記第２の加温装置から前記逆浸透膜装置に供給される海水の温度が２０〜３５℃である。

本発明の海水淡水化装置の一態様として例えば、前記第１の加温装置が低温海水を使用した冷房設備の冷媒を冷却する熱交換機である。

本発明の海水淡水化装置の一態様として例えば、前記第１の加温装置の前、もしくは前記第２の加温装置の前、もしくは前記第２の加温装置の後に濁質除去設備を備える、もしくはこれら３箇所のいずれか複数に濁質除去設備を備える。

本発明の海水淡水化装置の一態様として例えば、前記第２の加温装置と前記逆浸透膜装置との間に設けられた高圧ポンプと、前記高圧ポンプより前段で海水を取水する取水管よりも後段に設けられ、取水した海水を清澄な海水にする濁質除去設備と、を更に備える。

本発明の海水淡水化方法は、取水した海水を淡水化する海水淡水化方法であって、取水した海水を熱交換の冷熱源として用いて、海水を加温する前処理を行う第１の加温ステップと、前記第１の加温ステップによって加温された海水をさらに加温する第２の加温ステップと、前記第２の加温ステップによって加温された海水を逆浸透膜装置を用いて淡水化する淡水化ステップと、を備える。

海洋深層水や、その特徴である清澄性、低温性を併せ持っている他の海水、例えば海水井戸の海水を、第１の加温装置で熱交換を行って加温し、さらに表層海水と逆浸透膜装置を使用した海水淡水化の濃縮海水を使用して第２の加温装置で熱交換をすることによって、さらに加温して、逆浸透膜装置に供給する。このことにより、逆浸透膜装置を使用した海水淡水化で最もエネルギー消費の大きい高圧ポンプの消費電力を十分削減でき、省エネルギー型の海水淡水化装置及び海水淡水化方法を提供できる。

本発明に係る海水淡水化装置の第１の実施形態の一例を示すブロック図。本発明に係る海水淡水化装置の第２の実施形態の一例を示すブロック図。本発明に係る海水淡水化装置の第３の実施形態の一例を示すブロック図。

以下、本発明に係る海水淡水化装置及び海水淡水化方法の好適な実施形態を、図１及び図２、図３に基づいて詳述する。

図１は、本発明に係る海水淡水化装置の第１の実施形態の一例を示すブロック図である。

海水淡水化装置１は、海水の表層海水と海洋深層水を利用し、表層海水は、表層水取水管１０を通して取水し、海洋深層水は、海水面Ｓ下の海洋深層水の取水深度に設置されている取水ポンプ３と取水ポンプに連結されている取水管４とを通して取水している。但し取水ポンプ３は海水面近く、もしくは地上に設置されて、取水ポンプ３の吸水口から取水管が取水震度まで延伸されていても良い。一般的に、海洋深層水の温度は、水深５００ｍ以上で１０℃以下、水深１０００ｍ以上で５℃以下程度であり、これより水深の深い部分での温度変化は小さくなる。従って、海洋深層水を取水する場合は、５００〜１０００ｍ程度の水深から取水されたものを用いるのが一般的である。

取水された海洋深層水は、第１の加温装置６に送られて加温され、第２の加温装置７でさらに加温され、高圧ポンプ８で加圧され逆浸透膜装置９で淡水化される。この高圧ポンプ８の前に、交換可能なカートリッジフィルターや、逆洗可能なディスクフィルターなどが設けられても良い。そして、第１の加温装置６及び第２の加温装置７は、第１の海水供給管２０で連結され、第２の加温装置７と高圧ポンプ８及び逆浸透膜装置９は、第２の海水供給管２１で連結されている。一方、表層海水は表層水取水管１０を通って第２の加温装置７に供給される。

海洋深層水は一般的に清澄であるため、通常、逆浸透膜装置９の前に必要となる濁質除去設備が不要であることが多い。しかし、もし海洋深層水の清澄度が不足である場合、もしくはより清澄な海水が必要な場合、図２の第２の実施形態に示される濁質除去設備５を設けても良い。濁質除去設備５は、例えば凝集沈殿や加圧浮上、砂ろ過、膜ろ過、繊維ろ過などであり、取水した海水を必要な清澄度の海水としてから逆浸透膜装置に供給される。第１の実施形態では、濁質除去設備を設けていないが、図２の第２の実施形態では濁質除去設備５を第１の加温装置６の前段で設けている。この濁質除去設備５は第１の加温装置６の前段や後段、または第２の加温装置７の前段や後段に設置することが可能である。また、複数の濁質除去設備５を各装置間に設置するなどしてもよい。また、第１の加温装置６、第２の加温装置７を濁質除去設備５の前段と後段や前段と中間、中間と後段など、別々に配置することも可能である。

第１の加温装置６は熱交換器であり、発電又は冷房設備３０の媒体が通る媒体供給管３１と媒体戻り管３２とが連結されて配置されている。第１の加温装置６は海洋温度差発電の熱媒である気化したアンモニアもしくはアンモニア−水の混合物等を冷却して液化させる、もしくは冷房用の冷媒を冷却して、５〜１０℃程度の海洋深層水が、例えば１２〜１８℃程度に加温される。第１の加温装置６には、例えばプレート式の熱交換器が用いられ、海水による腐食防止のために、材質はチタン等が用いられる。

第２の加温装置７も熱交換器である。第１の加温装置６で加温された海水深層水をさらに加温するために、第１の海水供給管２０を通り第２の加温装置７に供給する。この第２の加温装置７もチタン性のプレート式の熱交換器を用いている。第２の加温装置７では、表層海水の様な温度の高い海水を加温用の熱源として利用している。温度の高い海水を加温用の熱源に利用する理由は以下の通りである。第２の加温装置７の熱媒には、逆浸透膜装置９を利用した海水淡水化装置１の濃縮水を用いるが、濃縮水は淡水として生産された水を除いているため、供給海水に比べて４０〜８０％の水量となっており、熱源としては不足している。また、立ち上げ当初は濃縮水の水温は高圧ポンプ８などで昇圧される過程で若干温度が上昇するが、第２の加温装置７で熱交換して海水を加温するためには温度が低すぎる。従って、表層海水の様な温度の高い海水も熱源として使用することにより、第２の加温装置７での海水深層水に対する加温効果を高くしている。

高圧ポンプ８は、逆浸透膜装置９において海水の浸透圧に打ち勝つだけの圧力を昇圧する。

逆浸透膜装置９は、溶解しているイオンなどの塩分のほとんどの通過を阻止し、水分を透過させる逆浸透膜が装填されており、透過水として脱塩された水が得られる。具体的には海水に高圧ポンプ８で圧力をかけて逆浸透膜に透過させることで、逆浸透膜を透過した真水の透過水と、水分が減少して塩分が濃縮された海水とに分離する。透過水には必要に応じ、次亜塩素酸ナトリウムを添加することもある。

逆浸透膜装置９で淡水化された真水の透過水は、生産水配管２２から生産水として上水供給装置等に送られる。一方、濃縮された海水は、水量が４０〜８０％となり、濃縮水配管２３を通って第２の加温装置７の熱媒側に供給されて、第１の加温装置６で加温された海水深層水にさらに熱を与えた後、放流管２４を通って海に排出される。

図３は、本発明に係る海水淡水化装置の第３の実施形態の一例を示すブロック図である。

第１の実施形態と異なる点は、取水ポンプ３が海水井戸Ｗの海水井戸海水面Ｔ下の取水深度に設けていることである。本発明の海水の取水は、海洋深層水が望ましいが、海洋深層水の特徴である清澄性、低温性を併せ持っておれば、海水井戸Ｗによる取水でも使用できる。熱帯の海水の浅い井戸では、海水の表層水が井戸に入り込んでくるために、井戸の海水温も高いことが多いが、深井戸などで十分低温の海水が取水できる場合は、井戸の海水を用いても良い。また、取水される水は、海水でなくとも、塩分を含み、それを除去する必要のある水であれば、かん水でも良い。

海水は表層海水が最も温度が高く、水深が深くなるに従って温度が低くなるため、海洋深層水の海水淡水化では、放流濃縮海水と表層海水とは温度が異なる。そのために海洋深層水を取水して、海水淡水化後の濃縮海水を海水の表層面に排出した場合の環境変化を抑えるには、放流する濃縮海水を濃縮水の温度と同じ深さの海中まで放流管２４を延長し、放流することで可能となるが、本発明の実施形態では、表層海水と濃縮海水との温度差が小さいので、放流管２４の長さは短くてすむこととなる。

＜具体的数値での説明＞
＜実施例１＞
海洋深層水の温度が５℃、表層水の温度が３０℃の条件で冷海水による冷房の冷媒を冷却した後、さらに加温されて海水淡水化により飲料水を得るケースである。

海洋深層水は５℃で取水された後、第１の加温装置６にて冷房用の冷媒を冷却して、冷媒の熱を受けて１２℃程度に加温される。この時、冷媒は１２℃程度に冷却されて冷房装置３０に戻され、冷房を行ってまた１５℃程度に温度が上昇した後、第１の加温装置６に戻ってくる。第１の加温装置６で加温された海洋深層水は、第２の加温装置７を通り、表層海水によって加温され、２５℃程度となって高圧ポンプ８に供給される。高圧ポンプ８は、逆浸透膜装置９において海水の浸透圧に打ち勝つだけの圧力を昇圧し、逆浸透膜装置９に送るが、５℃であれば６．８Ｍｐａ程度の圧力を必要とするのに対して、２５℃では５．４Ｍｐａ程度の圧力でよく、この圧力差により生産水あたりで１．４ＫＷｈ／ｍ^３程度の、電力消費が削減できる。

＜実施例２＞
海洋深層水の温度が１０℃、表層水の温度が３５℃の条件で海洋温度差発電を行った後、さらに加温されて海水淡水化により飲料水を得るケースである。

海洋深層水は１０℃で取水された後、第１の加温装置６にて海洋温度差発電の熱媒を冷却して、熱媒の熱を受けて１８℃程度に加温される。この海洋温度差発電の熱媒はアンモニア単体、アンモニア−水の混合気体、などがあげられるが、アンモニア−水の混合気体が効率がよい。熱媒は気体の状態から１２℃程度に冷却されて液体となり発電又は冷房設備３０（例えば海洋温度差発電設備）に戻され、温度の高い表層海水と熱交換することにより気化してタービンを回して発電を行い、第１の加温装置６に戻ってくる。第１の加温装置６で加温された海洋深層水は、第２の加温装置７を通り、表層海水によって加温され、３０℃程度となって高圧ポンプ８に供給される。高圧ポンプ８は逆浸透膜装置９において海水の浸透圧に打ち勝つだけの圧力を昇圧し、逆浸透膜装置９に送るが、１０℃であれば６．６Ｍｐａ程度の圧力を必要とするのに対して、３０℃では５．３Ｍｐａ程度の圧力でよくこの圧力差により、生産水あたりで１．３ＫＷｈ／ｍ^３程度の、電力消費が削減できる。

海洋深層水や、その特徴である清澄性、低温性を併せ持っている他の３〜１５℃程度の海水を、発電又は冷房設備３０である海洋温度差発電や低温海水を利用した冷房等の媒体（冷媒や熱媒）に使用して第１の加温装置６で熱交換を行って加温し、さらに表層海水と逆浸透膜装置９で得た海水淡水化の濃縮海水とを使用して第２の加温装置７で熱交換をすることによって、さらに加温して、２０〜３５℃で逆浸透膜装置９に供給する。

逆浸透膜装置９を利用した海水淡水化装置１では、海洋深層水の水温が２０℃程度高くなれば、運転圧力が１〜１．８Ｍｐａ程度下げることができ、海水淡水化の電力消費量を抑えることができる。この運転圧力の低下により、海水淡水化の生産水量当たりで、１．０〜１．８ＫＷｈ／ｍ^３程度の電力を削減できることになる。第１の加温装置６では、海洋深層水の水温を１０〜１８℃程度加温し、第２の加温装置７では、海洋深層水の水温を２０〜３５℃程度加温することが可能である。

上述の海水は海洋深層水、海水井戸Ｗ等からの海水等、広い意味で用いられている。また、海洋深層水について上述したが、海洋深層水の特徴である清澄性、低温性を併せ持っておれば、海洋深層水に限定されない。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明に係る海水淡水化装置及び海水淡水化方法は、熱帯地方の海岸沿いの地域等に省エネルギーで上水供給設備を整備する用途に適用可能である。

１：海水淡水化装置
３：取水ポンプ
４：取水管
５：濁質除去設備
６：第１の加温装置
７：第２の加温装置
８：高圧ポンプ
９：逆浸透膜装置
１０：表層水取水管
２０：第１の海水供給管
２１：第２の海水供給管
２２：生産水配管
２３：濃縮水配管
２４：放流管
３０：発電又は冷房設備
３１：媒体供給管
３２：媒体戻り管
Ｓ：海水面
Ｔ：海水井戸海水面
Ｗ：海水井戸

Claims

取水した海水を淡水化する海水淡水化装置であって、
取水した海水を熱交換の冷熱源として用いることで、海水を加温する前処理を行う第１の加温装置と、
前記第１の加温装置によって加温された海水をさらに加温する第２の加温装置と、
前記第２の加温装置によって加温された海水を淡水化する逆浸透膜装置と、
を備える海水淡水化装置。
請求項１に記載の海水淡水化装置であって、
前記第１の加温装置が、海洋温度差発電の熱媒を冷却する熱交換機である海水淡水化装置。
請求項２に記載の海水淡水化装置であって、
前記第２の加温装置の熱源に、前記逆浸透膜装置から得られる濃縮海水を使用する海水淡水化装置。
請求項３に記載の海水淡水化装置であって、
前記第２の加温装置の熱源に、濃縮海水以外の表層海水の追加が可能な海水淡水化装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の海水淡水化装置であって、
前記第２の加温装置と前記逆浸透膜装置との間に設けられた高圧ポンプと、
前記高圧ポンプより前段に設けられた、交換可能なカートリッジフィルターまたは逆洗可能なディスクフィルターの少なくとも一つと、を更に備える海水淡水化装置。
請求項３に記載の海水淡水化装置であって、
前記第２の加温装置から前記逆浸透膜装置に供給される海水の温度が２０〜３５℃である海水淡水化装置。
請求項１に記載の海水淡水化装置であって、
前記第１の加温装置が低温海水を使用した冷房設備の冷媒を冷却する熱交換機である海水淡水化装置。
請求項７に記載の海水淡水化装置であって、
前記第２の加温装置の熱源に、前記逆浸透膜装置から得られる濃縮海水を使用する海水淡水化装置。
請求項８に記載の海水淡水化装置であって、
前記第２の加温装置の熱源に、濃縮海水以外の表層海水の追加が可能な海水淡水化装置。
請求項１から９のいずれか１項に記載の海水淡水化装置であって、
前記第２の加温装置と前記逆浸透膜装置との間に設けられた高圧ポンプと、
前記高圧ポンプより前段で海水を取水する取水管よりも後段に設けられ、取水した海水を清澄な海水にする濁質除去設備と、を更に備える海水淡水化装置。
請求項９に記載の海水淡水化装置であって、
前記第２の加温装置の後段における前記逆浸透膜装置に供給される海水の温度が２０〜３５℃である海水淡水化装置。
取水した海水を淡水化する海水淡水化方法であって、
取水した海水を熱交換の冷熱源として用いて、海水を加温する前処理を行う第１の加温ステップと、
前記第１の加温ステップによって加温された海水をさらに加温する第２の加温ステップと、
前記第２の加温ステップによって加温された海水を逆浸透膜装置を用いて淡水化する淡水化ステップと、
を備える海水淡水化方法。