JP2015048718A - 低圧蒸気の再利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】未利用で廃棄される１００℃以下の温水から低圧蒸気を発生させて再利用を可能とする簡易な構造で設備費の安価な低圧蒸気装置を提供すること。
【解決手段】蒸気利用プロセス５から排出される温水を密閉タンク１５に貯留し、その密閉タンクと蒸気圧縮機としてのルーツ式ブロワ３１の吸込側とを接続すると共に当該ルーツ式ブロワ３１の吐出側を蒸気ライン６０に接続し、ルーツ式ブロワ３１の運転により密閉タンク１５内を減圧させて低圧蒸気を発生させ、その低圧蒸気を蒸気ライン６０に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気利用プロセスから排出される１００℃以下の温水（ドレン）から発生させる低圧蒸気を蒸気ラインに供給する低圧蒸気の再利用装置に関する。

蒸気利用プロセスから排出される１００℃以下の温水は、ボイラ給水の予熱や暖房などの用途に限定されているが、その多くは利用されることなく放出されているのが現状である。

因みに、熱媒として利用され潜熱を失った蒸気の一部は、凝縮されて高温高圧の温水となる。その温水をフラッシュタンクに回収・導入し、圧縮機で圧縮してフラッシュ蒸気と温水を熱媒として再利用すれば、ボイラで新たに水から蒸気を得るよりも少ないエネルギーで安価に利用可能な圧力蒸気に再生することができることは知られている。

蒸気圧縮機としては、往復動圧縮機、回転式圧縮機やスクリュー形圧縮機などがある。例えば、特許文献１には、水平に配置されたシリンダーと、そのシリンダー内で回転するロータと、そのシリンダー内に収容される液体のシール媒体を備え、ロータには円錐形のロータ軸に取り付けられたスクリューブレードを有し、そのスクリューブレードは蒸気の吸入側から吐出側に向かってピッチを漸減させている構造のスクリュー形蒸気圧縮機が開示されている。

また、特許文献２には、工場内に配設された高圧蒸気ラインと中圧蒸気ラインから、それぞれ蒸気タービンやプロセス需要に供給し、利用した余剰蒸気を高圧蒸気ライン又は中低圧蒸気ラインから抽気した蒸気を加熱媒体とした熱交換器を用いて加熱し、およそ１５０〜２６０℃の温度範囲で３〜８ｋｇｆ／ｃｍ^２Ｇの加熱蒸気に変えて蒸気タービンに供給するようにした余剰蒸気の有効利用装置が開示されている。

上記スクリュー形蒸気圧縮機やタービン形蒸気圧縮機は、構造上１００℃以下、すなわち大気圧以下での使用ができないことから、蒸気圧縮機としての利用が限られている。このため、廃棄処分される１００℃以下の温水から低圧蒸気を発生させて利用する方法・装置の開発・出現が求められていた。

特開平８−３１２５５３号公報 特開２００５−２８２５１２号公報

本発明の目的は、未利用で廃棄される１００℃以下の温水から低圧蒸気を発生させて再利用を可能とする簡易な構造で設備費の安価な低圧蒸気装置を提供することにある。

前記目的を達成するために請求項１に記載した発明は、蒸気利用プロセスから排出される温水を密閉タンクに貯留し、その密閉タンクと蒸気圧縮機の吸込側とを接続すると共に当該蒸気圧縮機の吐出側を蒸気ラインに接続し、その蒸気圧縮機の運転により前記密閉タンク内を減圧させて発生する低圧蒸気を前記蒸気ラインに供給するように構成したことを特徴とする。

同様の目的を達成するために請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の低圧蒸気の再利用装置において、前記蒸気圧縮機がルーツ式ブロワであって、そのルーツ式ブロワのルーツロータを囲むケーシングの適宜位置に、温水を循環させるジャケットを設けたことを特徴とするものである。

温水を循環させるジャケット構造の採用により熱エネルギーの損失が低下し、ルーツ式ブロワの運転によって生ずる熱エネルギーにより温水の温度が上昇することによりケーシングとルーツロータの温度差が減少する。そして、ケーシングの内周面とルーツロータとのクリアランスを最適に保持することができ、機械効率が向上する。

同様の目的を達成するために請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の低圧蒸気の再利用装置において、前記ルーツロータの軸心を中心として前記ケーシングの吐出側から吸込側に所定角度もどった位置に、前記密閉タンクに貯留される温水の微細粒子を室内へ噴霧するノズルを設けたことを特徴とするものである。

ケーシングの吐出側に近い箇所で温水の噴霧を行うことにより、吸入される蒸気に混入することにより生ずる液化現象が回避されるため、ルーツロータが円滑に回転作動すると共にルーツ式ブロワの下流側にドレントラップを設置する必要がない。加えて、ノズルから密閉タンクに貯留されて供給される温水の微細粒子を室内へ噴霧することにより、ルーツロータやケーシング回りの機械部品の過熱を防止することができる。

同様の目的を達成するために請求項４に記載した発明は、請求項２又は請求項３に記載の低圧蒸気の再利用装置において、前記ルーツ式ブロワの吸込側に内部の真空度を検出する圧力センサを設置し、その圧力センサの検出データに基づいて前記ルーツ式ブロワを駆動するモータの回転速度をインバータ制御するように構成したことを特徴とするものである。

ルーツ式ブロワを駆動するモータの回転速度をインバータ制御することにより、密閉タンク内の圧力を減圧して１００℃以下の温水の蒸発を促進し、再利用可能な低圧蒸気を連続的に発生することが可能となる。

（請求項１の発明）
この低圧蒸気の再利用装置によれば、従来利用されることなく放出されていた１００℃以下の温水を蒸気圧縮機によって低圧蒸気に変換させることにより、蒸気の再利用が可能となる。加えて、装置は簡易な構造であることから、メインテナンスが容易で設備費も安価である。

本発明に係る低圧蒸気の再利用装置の構成図 本発明装置に用いるルーツ式ブロワの正面図 同、ルーツ式ブロワの側面図 ルーツ式ブロワにおける蒸気流量と圧縮比との関係を示すグラフ ルーツ式ブロワにおける動力と差圧との関係を示すグラフ

以下に、本発明の最良の形態例を図面に基づいて説明する。

図１において、本発明に係る低圧蒸気の再利用装置Ａは、蒸気利用プロセスの下流側の一点鎖線で囲まれた部分に相当する構成とされている。

蒸気利用プロセス側においては、蒸気を発生させるボイラ１と、その蒸気を利用する複数のプロセス５とを配管２により接続し、各プロセス５の出口側に夫々設けたスチームトラップ６と密閉タンク１５とが配管１４により接続されている。３は配管２に介装された減圧弁である。各プロセス５から排出されて密閉タンク１５に貯留される温水は、当該タンク１５に設置されたレベルセンサ１６にて容量を検知され、必要に応じてボイラ１に配管７により接続された給水タンク９に温水回収ポンプ１１の作動によって供給するように設けられている。８は配管７に介装された給水ポンプである。密閉タンク１５と温水回収ポンプ１１とを接続する管路１０には電磁弁１２が介装されている。

上記密閉タンク１５と、蒸気圧縮機としてのルーツ式ブロワ３１の吸込側とを配管１９にて接続すると共にルーツ式ブロワ３１の吐出側が蒸気ライン（蒸気管路）６０の一端に接続されている。２０は配管１９に介装された圧力センサである。蒸気ライン６０の他端については、前記各プロセス５の入口側に相当する配管２に接続されている。６１は蒸気ライン６０に介装された温度センサである。

２２はルーツ式ブロワ３１を駆動するモータ、２３は該モータ２０の回転速度を圧力センサ２０により検出される真空度のデータに基づいて制御するためのインバータ制御装置である。５５は密閉タンク１５に貯留される温水の微細粒子を給水ポンプ２７の作動によって後記ルーツ式ブロワ３１の室（ｒ）内へ噴霧するためのノズルである。密閉タンク１５と給水ポンプ２７とを接続する配管２６には、電磁弁２８が介装されている。この電磁弁２８は、上記温度センサ６１の指令に基づいて開閉操作されることによりルーツ式ブロワ３１の吐出側の蒸気温度を調整可能に設けられている。

なお、上記ノズル５５の設置箇所については、ルーツ式ブロワ３１の構造の説明の中で述べる。

図２、図３において、ルーツ式ブロワ３１は、ケーシング３２内に３葉のルーツロータ４１，４１が収容されて当該ケーシング３２の左右両側に取り付けたハウジング３５、３６に備えた軸受３９によりロータシャフト４０が夫々支持されるように設けられている。

３２ａはケーシング３２に設けられた吸込口、３２ｂはケーシング３２に設けられた吐出口である。ケーシング３２の適宜位置には、温水を循環させてルーツ式ブロワ３１の運転による過熱を防止するためのジャケット３３を設けている。また、図２に示すように、ルーツロータ４１の軸心（ｏ）を中心としてケーシング３２の吐出側から吸込側に所定角度、即ち８０度もどった位置に、密閉タンク１５に貯留されて供給される温水の微細粒子を室（ｒ）内へ噴霧するノズル５５を設けている。

左側のハウジング３５に形成された中心穴３７には、軸封部４２が設けられている。４５はロータシャフト４０に嵌着されたリング４３に内縁部４５ａを接触するように中心穴３７に装着された複数個、ここでは２個のドライテフロン（登録商標）シールである。

ルーツ式ブロワ３１の運転中にルーツロータ４１側から中心穴３７に漏出する蒸気は、中心穴３７に連通するように形成されたドレン穴３８から回収することにより、軸受３９側へ進入するのを防止するように設けている。

右側のハウジング３６についても、左側の軸封部４２と同様の構成としていることから、便宜上説明を省略し、図３の図面に同じ符号を付した。

なお、ケーシング３２とハウジング３５・３６に関して蒸気による腐食が懸念される場合には、通常使用されているステンレス材料と同等の耐食性を有して熱膨張率の低いオーステナイト系球状黒鉛鋳鉄材料（例えば、ニレジストＤ５）を採用することができる。

４８はハウジング３５に取り付けられたシールケース、４９はロータシャフト４０の左端部に固定されたプーリである。５１はロータシャフト４０の右端部に固定されたタイミングギヤ、５２はハウジング３６に取り付けられたギヤカバーである。

しかして、ルーツ式ブロワ３１の運転により、蒸気利用プロセス５から排出される温水が貯留される密閉タンク１５の内部を減圧させることにより低圧蒸気を発生させ、その低圧蒸気を蒸気ライン６０に供給する低圧蒸気の再利用装置Ａが構成される。

本発明に係る低圧蒸気の再利用装置Ａの作用については、各構成の説明の中で触れていることから説明を省略する。

（実験）
本発明に係る低圧蒸気の再利用装置Ａについて実験を行ない、蒸気圧縮機として用いたルーツ式ブロワの特性を調べた。実験結果を図４、図５のグラフに示す。
ルーツ式ブロワ
口径：４０ｍｍ
回転数：２０００ｒｐｍ
モータの動力：７．５ｋＷ
蒸気温度：１２０℃（８０℃の温水を利用）
ノズルからの噴霧量：７５ｍｌ／分

実験の結果、空気量から蒸気量に換算した値よりも多くの蒸気量が得られた。このことは、過熱蒸気により比体積が増加したため、容積効率が向上したことが原因であると考えられる。さらに、過熱蒸気の発生を防止するためにルーツ式ブロワの室内へ温水を噴霧したことにより、効率よく再蒸発したものと考えられる。また、図５に示すように、動力に関しては、蒸気での実測値と空気での特性値と比べると、殆ど差異がないことが確認された。

なお、図４において、実測空気流量から蒸気流量に換算した値を「ブロワ換算蒸気流量」としてグラフに表している。以下に、その換算に用いた換算式と計算例を示す。

（計算例）
圧縮比２．４６における計算例を示す。
吸込圧力：５７．３ｋＰＡ
吐出圧力：１４１．３ｋＰＡ
圧縮比：２．４６
理論空気量：２．１２８ｍ^３／ｍｉｎ
回転数：２０００ｒｐｍ
実測空気量：１．１８ｍ^３／ｍｉｎ
ガス分子量：１８
空気分子量：２９

上記各数値を数１に代入することにより、ガス量０．９２（ｍ^３／ｍｉｎ）が得られる。その数値と実測空気量を図４のグラフ中に表示した。他の圧縮比についても同様の計算方法でガス量を求めてグラフにプロットした。

Ａ・・・本発明に係る低圧蒸気の再利用装置
５・・・プロセス
１５・・・密閉タンク
２０・・・圧力センサ
２２・・・モータ
３１・・・ルーツ式ブロワ（蒸気圧縮機）
３２・・・ケーシング
３３・・・ジャケット
４１・・・ルーツロータ
５５・・・ノズル
６０・・・蒸気ライン

Claims (4)

1. 蒸気利用プロセスから排出される温水を密閉タンクに貯留し、その密閉タンクと蒸気圧縮機の吸込側とを接続すると共に当該蒸気圧縮機の吐出側を蒸気ラインに接続し、その蒸気圧縮機の運転により前記密閉タンク内を減圧させて発生する低圧蒸気を前記蒸気ラインに供給するように構成したことを特徴とする低圧蒸気の再利用装置。
2. 前記蒸気圧縮機がルーツ式ブロワであって、そのルーツ式ブロワのルーツロータを囲むケーシングの適宜位置に、温水を循環させるジャケットを設けたことを特徴とする請求項１に記載の低圧蒸気の再利用装置。
3. 前記ルーツロータの軸心を中心として前記ケーシングの吐出側から吸込側に所定角度もどった位置に、前記密閉タンクに貯留される温水の微細粒子を室内へ噴霧するノズルを設けたことを特徴とする請求項２に記載の低圧蒸気の再利用装置。
4. 前記ルーツ式ブロワの吸込側に内部の真空度を検出する圧力センサを設置し、その圧力センサの検出データに基づいて前記ルーツ式ブロワを駆動するモータの回転速度をインバータ制御するように構成したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の低圧蒸気の再利用装置。

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