JP2024022049A - 地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 水路系統を構成する配管内や熱交換器内のプレートの表面等へのスケールの付着を防止し、バイナリー発電の発電能力の低下を防ぐことができるようにする。【解決手段】 温水循環系５における循環流路７内と、冷却水循環系１０における循環流路１３内の夫々に、酸化ケイ素(ＳｉＯ２)、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）を主成分とするスケール抑制剤を投入する。一方、温水循環系５における循環流路７と、冷却水循環系１０における循環流路１３の夫々の適所に、周方向に沿って千鳥状に矩形状の水流入口を多数設けると共に、各水流入口の夫々の一方側の短辺から内側に延びる半円状に彎曲した水流規制板を設けた直径１２ｍｍ、長さ１２ｍｍの濾材を多数収納してなる固液分離装置２０を設置する。【選択図】 図１
Description
本発明は、地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システムに関するものである。
近年、地熱、太陽熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システムが種々開発され使用に供されるようになり、注目を集めるようになってきた。そして、これら地熱、太陽熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システムにおいては、熱交換器が使用されることが多いが、そのバイナリー発電システムにおける水路系統にあっては、使用を継続していくうちに水路系統の内部に熱伝導阻害物質（スケール）が発生し、該水路系統を構成する配管内や熱交換器内のプレートの表面等に熱伝導阻害物質（スケール）が付着する。そしてこれが次第に堆積し、水の循環が悪くなると共に、充分な熱交換を行うことができなくなる。尚、熱交換器内のプレートの表面にスケールが付着すると、熱交換率が急激に低下する。
即ち、プレート式の熱交換器は非常に薄いため、カルシウム系やマグネシウム系のスケールは、希塩酸や希硫酸で密閉循環薬品洗浄が数回可能であるが、シリカ系のスケールはフッ化アンモニウム等のフッカ物系の強力な腐食性の薬品を使用するため、密閉循環薬品ではすぐに腐食してしまうことから、熱交換器を分解してプレート交換を行わなければならず、バイナリー発電機ではシリカ系スケールとの戦いが最大の難題となっている。
そのため、発電能力が次第に低下し、やがてバイナリー発電システムが停止してしまうことになる。この熱伝導阻害物質（スケール）は主に水中に含まれるカルシウム（Ｃａ）やマグネシウム（Ｍｇ）及びシリカ（Ｓｉ）が冷却塔等で濃縮され、水中懸濁固形物（ＳＳ）が生成され、やがてこれが凝集され、配管内や熱交換器内のプレートの表面に熱伝導阻害物質（スケール）となって付着するものである。
そこで、この水路系統を構成する配管内や熱交換器内のプレートの表面等への熱伝導阻害物質（スケール）、特にシリカ系のスケールの付着を、装置の運転を停止することなく防止することが喫緊の課題となっている。
また、スケール成分のうちシリカとカルシウムでは、熱伝導率の低下の面において、同じ厚みとしてシリカはカルシウムの２倍であり、従来のバイナリー発電システムの水路系統において、それを構成する配管等の内面に付着して堆積したシリカスケールを効率よく除去することが喫緊の課題であった。
従来における斯かるスケール対策としては、防止と除去の２つの方法があり、１つはスケール生成の防止で、もう１つは熱交換器に生成されたスケールの除去である。
具体的手段として、スケール防止対策としては、カルシウムスケール等の場合には、スケールの元となる微細粒子に、ホスホン酸系やポリアクリル酸系又はポリマレイン酸系の高分子凝集剤等を使用して、これを水路系内に注入して、スケールの元となる、微小粒子を粗大フロック化させて排水と伴に冷却水系外に排出することが一般的である。また、一般的には、膜やストレーナー及び砂やアンスラサイト等を利用した濾過器が使用されることが多い。しかし、シリカスケールに対してはこれらの高分子凝集剤では充分な効果がないのが実情である。
一方、プレート式熱交換器等に生成されたスケールの除去の方法としては、システムの稼働を停止して熱交換器のプレート部分の循環水系に薬品（希塩酸、希硫酸等）を投入し、循環洗浄してカルシウムスケール等のスケールを除去する方法（無開放洗浄）が行われ、その廃液を薬品処理して廃棄している。
しかし、シリカスケールの除去に対しては、無開放洗浄での薬品洗浄では充分な効果が得られず、地熱等を利用したバイナリー発電の稼働率の大幅な低下が大きな問題となっている。
そのため、シリカスケールを除去するためには、一般的にはこの無開放洗浄を行わず、システムの稼働を停止して数Ｋｇから数十Ｋｇという重量の大きなプレートを分解して取り出し、これを一枚一枚危険性の高い薬品（２フッ化アンモニウム等）を使用して洗浄しなければならず、熱交換器のプレートが腐食してしまう。そのため、所謂プレートローテーションシステムといわれる、別途用意しておいた新品又はブラシ洗浄など物理的洗浄等によって前もって洗浄された別のプレートと交換する方法がとられている。
シリカスケールを除去する手段としては、この方法しかなく、多大な手間とその経済的な負担は計り知れないものがあった。
然るに、地熱等の再生エネルギーを利用したバイナリー発電が普及しない最大の理由として、この熱交換器のスケール、特にシリカスケールによる熱伝導率の低下及び稼働率の低下が大きな障害となっていた。
このバイナリー発電が普及しない最大の理由となっている、スケール対策、特にシリカスケールによる障害を解決する方法として、本発明の完成に至ったものである。
しかし、前記のようなスケール対策で液体有機合成薬品を使用することは危険を伴い、作業者の健康に被害を及ぼす虞があると共に周辺の環境に対して悪影響を及ぼす虞もある。特に、スケール防止剤として多く使用されている、ホスホン酸（有機燐系化合物）等は、冷却塔からの飛散水及び河川・湖沼・海域に対する、富栄養化を招くため、多くの国で使用が禁止となっている。而して、環境に対して悪影響を及ぼすことのないスケール防止システムが必要となるに至った。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであって、水路系統を構成する配管内や熱交換器内のプレートの表面等へのスケールの付着を防止し、もってバイナリー発電の発電能力の低下を防ぐことができるようになした地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システムを提供しようとするものである。
而して、本発明の要旨とするところは、地熱等の熱源と、熱源によって加温された温水を循環させる温水循環系と、作動媒体を循環させると共に蒸気により回転するタービンと発電機を備えた作動媒体循環系と、冷却塔によって冷却した冷却水を循環させる冷却水循環系とからなる地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システムにおいて、前記温水循環系における循環流路内と、前記冷却水循環系における循環流路内の夫々に、酸化ケイ素(ＳｉＯ２)、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）を主成分とするスケール抑制剤を投入する一方、前記温水循環系における循環流路と、前記冷却水循環系における循環流路の夫々の適所に、周方向に沿って千鳥状に矩形状の水流入口を多数設けると共に、各水流入口の夫々の一方側の短辺から内側に延びる半円状に彎曲した水流規制板を設けた直径１２ｍｍ、長さ１２ｍｍの濾材を多数収納してなる固液分離装置を設置したことを特徴とする地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システムにある。
また、上記構成において、スケール抑制剤における酸化ケイ素(ＳｉＯ２)と酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）の割合を５０％：５０％としてもよい。
また、上記構成において、スケール抑制剤における酸化ケイ素(ＳｉＯ２)と酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）の割合を６０％～７０％：４０％～３０％としてもよい。
また、上記構成において、スケール抑制剤に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）又は酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）の１種又は複数種を混合するようにしてもよい。
本発明に係るバイナリー発電システムは、上記の如く、温水循環系における循環流路内と、冷却水循環系における循環流路内の夫々に、スケール抑制剤を投入する一方、温水循環系における循環流路と、冷却水循環系における循環流路の夫々の適所に、固液分離装置を設置したものである。したがって、循環流路を構成する配管内や熱交換器内のプレートの表面等にスケールが付着することを抑制し、もってバイナリー発電の発電能力の低下を防ぐことができるものである。
本発明に用いるスケール抑制剤は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）を主成分とし、更に必要に応じ、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）又は酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）の１種又は複数種を含んでなり、水溶性アモルファスの塊状体である。
そして、これを、温水循環系における循環流路内と、冷却水循環系における循環流路内に投入すると、水溶性アモルファスであることから投入後徐々に溶解し、その成分が水中に混入されるものである。そして、主成分である酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）と、必要に応じて加える酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）又は酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）の作用によって、循環流路を構成する配管内や熱交換器内のプレートの表面等にスケールが付着することを抑制し、又は付着して堆積したシリカスケールを溶解させ除去するものであり、同時にシリカスケール以外のスケールをも除去するものである。また、スケールの発生を防止する他、循環流路を構成する配管等の内面に防錆被膜を形成することにより、これらの腐食を防止することもできるものである。
また、成分である酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）等は、いずれも安全な無機成分であるから、人体や環境に悪影響を及ぼす虞がないものである。また、濃度の点においても、仮に適正値を超えたとしても循環流路を損傷する虞はないものである。このように、本発明に用いるスケール抑制剤は、安全なミネラル成分のみで構成されているから、排水基準にも適合するものである。また、アモルファスの塊状体は固形であり、均一に溶解させることができ、更には運搬や保存が容易である。
また、温水循環系における循環流路と、冷却水循環系における循環流路の夫々の適所に設置する固液分離装置は、水中に懸濁している固形物を分離して系外に排出することにより、これら循環流路を構成する配管内や熱交換器内のプレートの表面等にスケールが付着することを効率よく抑制することができるものである。また、従来のバイナリー発電で行っていた熱交換器の薬品洗浄が不要となった。そして、従来熱交換器の洗浄をするときには、システムの稼働を停止して行う必要があったが、本発明によれば洗浄によるシステムの稼働を停止することがなくなり、発電能力が低下することもないものである。
図６は、本発明による実験結果を示すものであり、固液分離装置のドレン水の分析結果である。これにより、粒径１μm～７０μm程度迄の固形物が完全に除去されていることが明白である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して更に詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システム１の概略的構成図である。また、該バイナリー発電システム１は、地熱等の熱源と、温水を循環させる温水循環系と、作動媒体循環系と、冷却水を循環させる冷却水循環系とからなるものである。
２は前記熱源であり、地熱、工業廃熱、バイオマス、太陽熱、ゴミ焼却熱等が用いられる。また、該熱源２による熱は途中部を温水の温度を高める熱交換器３に接続した循環流路４をもって循環している。
５は前記温水循環系である。また、該温水循環系５は、途中部に前記熱交換器３及び後記液状の作動媒体を加熱して蒸発させる熱交換器６に接続した循環流路７をもって温水を循環している。また、８は前記循環流路７の途中部に設置した温水タンクであり、９は前記循環流路７の温水を循環させるポンプである。
１０は前記冷却水循環系である。また、該冷却水循環系１０は、冷却塔１１と後記タービンを回転させた蒸気を冷却して凝縮させる熱交換器１２とを結ぶ循環流路１３をもって冷却水を循環している。１４は循環流路１３内の冷却水を循環させるポンプである。尚、冷却水としては、水道水、地下水、河川水等が用いられる。
１５は作動媒体循環系である。また、該作動媒体循環系１５はタービン１６、発電機１７と前記熱交換器６及び熱交換器１２とを循環流路１８をもって接続し、図示しないポンプをもって作動媒体を循環している。尚、該作動媒体としては代替フロン（ＨＦＣ－２４５ｆａ）等を用いる。また、前記熱交換器３、６、１２は、本実施形態においては、いずれもプレート式熱交換器を使用している。
而して、本実施形態に係るバイナリー発電システムにおいては、前記温水循環系５における循環流路７内と、前記冷却水循環系１０における循環流路１３内の夫々に後記スケール抑制剤を投入する一方、前記温水循環系５における循環流路７と、前記冷却水循環系１０における循環流路１３の夫々の適所に後記固液分離装置を設置したことを特徴とするものである。尚、スケール抑制剤は、本実施形態においては温水タンク８内と冷却塔１１内の水中に投入している。また、スケール抑制剤を投入するときには、籠状又はメッシュ状の包装体等に収容して行うものであり、投入後徐々に溶解し、その成分が循環流路７、１３内を流れて、それを構成する配管内や熱交換器のプレートの表面等を正常にするものである。また、投入するときには、循環水量及び水質（ｐＨ、電気伝導度、全硬度、Ｃａ硬度、イオン状シリカ等）を確認し、適量を投入するものである。標準的な投入量は、循環水量（ｍ３ｈ又はＬ／ｍ）に対して２０ｐｐｍ（０．００２％）を目安とする。
図２には前記スケール抑制剤１９を示している。該スケール抑制剤１９には、その表面から１ｍｍ～１．５ｍｍの深さのクラック１９′、１９′・・・が入っている。また、該スケール抑制剤１９は、酸化ケイ素(ＳｉＯ２)と酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）を主成分とし、更に必要に応じアルカリ金属の酸化物を含んでなり、水溶性アモルファスの塊状又は粒状である。また、該スケール抑制剤１９は、酸化ケイ素(ＳｉＯ２)と酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）の割合を５０％：５０％としてもよいし、６０％～７０％：４０％：３０％としてもよい。
また、該スケール抑制剤１９は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）の１種又は複数種からなるアルカリ金属の酸化物を含んでもよい。
また、上記成分に加えて炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）を含めるようになしてもよい。
而して、該スケール抑制剤１９は、空調設備、熱交換器等における水路系統、特に水を循環させる水路系統に用いるに好適であり、これらの水路系統に投入して用いるものである。
図３乃至図５には、前記固液分離装置２０を示している。また、該固液分離装置２０は、その中に、環状をなす濾材本体２１に、その周方向に沿って千鳥状に矩形状の水流入口２２、２２・・・を多数設けると共に、各水流入口２２、２２・・・の夫々の一方側の短辺から内側に延びる半円状に彎曲した水流規制板２３、２３・・・を設けた直径１２ｍｍ、長さ１２ｍｍの濾材２４を多数収納したものである。
次に、該固液分離装置２０の作用について説明する。
図３に示す如く、通水筒２５を経て水の流入口２６から固液分離装置２０内に流入した固形不純物が混入した水は、その分離室２７内に充填した濾材２４、２４・・・をもって固液分離され、固形物は邪魔板２８の小孔２８ａを通過して固形物沈降室２９に沈降し、分離された水は水の流出口３０から流出するものである。尚、固形物沈降室２９内に沈降した固形物Ｃはその底部に沈殿し、所定の時期に固形物排出口３１から排出されるものである。また、固形物Ｃの排出に当たっては、タイマーにより所定期間毎に自動的にドレン抜きを行うことにより、システムをメンテナンスフリーとすることができる。
図３に示す如く、通水筒２５を経て水の流入口２６から固液分離装置２０内に流入した固形不純物が混入した水は、その分離室２７内に充填した濾材２４、２４・・・をもって固液分離され、固形物は邪魔板２８の小孔２８ａを通過して固形物沈降室２９に沈降し、分離された水は水の流出口３０から流出するものである。尚、固形物沈降室２９内に沈降した固形物Ｃはその底部に沈殿し、所定の時期に固形物排出口３１から排出されるものである。また、固形物Ｃの排出に当たっては、タイマーにより所定期間毎に自動的にドレン抜きを行うことにより、システムをメンテナンスフリーとすることができる。
また、濾材２４による分離作用は、図５に示す通りであり、濾材２４に設けた多数の水流入口２２、２２、・・・の夫々から濾材本体２１内に水が流入すると、この流入した水は、各水流入口２２、２２・・・の夫々の半円状に彎曲した水流規制板２３、２３・・・における同列の前後の水流規制板２３、２３間に流入し、これらによって回転流となる。そしてこのとき、遠心力によって比重差の大きい固形物は水の当たる一方側の水流規制板２３、２３の前面に突き当たると共に、水流中に未だ残っている固形物はもう一方の水流規制板２３、２３の後面に突き当たることになり、もって水中の固形物が分離されるものである。そして、分離した固形物は濾材本体２１の側方から流入する水によって押し流され、沈降するものである。尚、Ｗは水流を、Ｃは固形物を示す。
このように、単一の濾材２４において複数箇所で固液分離が行われ、そして固液分離装置２０の分離室内には多数の濾材２４を充填するものであり、加えて濾材２４は向きを不揃いにして充填するものであるから、固液分離装置２０の分離室内の水流は乱流となって次々に濾材２４に接触するから、従来の固液分離装置に比してはるかに分離効率を向上させることができるものである。また、上記作用によって固液分離を行うものであるから、１μｍ～７０μｍ程度迄の微細な粒径の固形物をも分離除去することができるものである。また、目詰まりを起こすことがないから、頻繁な清掃を不要とすると共に、大量な水を必要とする逆洗浄をも不要とすることができるものである。また、固液分離装置２０と濾材２４のいずれもステンレス製とした場合には、腐食することなく長期の使用が可能となるものである。尚、本実施形態においては固液分離装置２０を３台使用しているが、圧力損失が０．０１２ＭＰａ（０．１２Ｋｇｆ／ｃｍ２）以下と非常に少ないから、ポンプに負担をかけることがないため支障となることはない。
１ バイナリー発電システム
２ 熱源
３ 熱交換器
４ 循環流路
５ 温水循環系
６ 熱交換器
７ 循環流路
８ 温水タンク
９ ポンプ
１０ 冷却水循環系
１１ 冷却塔
１２ 熱交換器
１３ 循環流路
１４ ポンプ
１５ 作動媒体循環系
１６ タービン
１７ 発電機
１８ 循環流路
１９ スケール抑制剤
２０ 固液分離装置
２１ 濾材本体
２２ 水流入口
２３ 水流規制板
２４ 濾材
２５ 通水筒
２６ 水の流入口
２７ 分離室
２８ 邪魔板
２８ａ 小孔
２９ 固形物沈降室
３０ 水の流出口
３１ 固形物排出口
２ 熱源
３ 熱交換器
４ 循環流路
５ 温水循環系
６ 熱交換器
７ 循環流路
８ 温水タンク
９ ポンプ
１０ 冷却水循環系
１１ 冷却塔
１２ 熱交換器
１３ 循環流路
１４ ポンプ
１５ 作動媒体循環系
１６ タービン
１７ 発電機
１８ 循環流路
１９ スケール抑制剤
２０ 固液分離装置
２１ 濾材本体
２２ 水流入口
２３ 水流規制板
２４ 濾材
２５ 通水筒
２６ 水の流入口
２７ 分離室
２８ 邪魔板
２８ａ 小孔
２９ 固形物沈降室
３０ 水の流出口
３１ 固形物排出口
而して、本発明の要旨とするところは、地熱等の熱源と、熱源によって加温された温水を循環させる温水循環系と、作動媒体を循環させると共に蒸気により回転するタービンと発電機を備えた作動媒体循環系と、冷却塔によって冷却した冷却水を循環させる冷却水循環系とからなる地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システムにおいて、前記温水循環系における循環流路内と、前記冷却水循環系における循環流路内の夫々に、酸化ケイ素(ＳｉＯ２)、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）を主成分とし、塊状で、上下の表面から１ｍｍ～１．５ｍｍの深さのクラックが入っているスケール抑制剤を投入する一方、前記温水循環系における循環流路と、前記冷却水循環系における循環流路の夫々の適所に、周方向に沿って千鳥状に矩形状の水流入口を多数設けると共に、各水流入口の夫々の一方側の短辺から内側に延びる半円状に彎曲した水流規制板を設けた直径１２ｍｍ、長さ１２ｍｍの濾材を多数収納してなる固液分離装置を設置したことを特徴とする地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システムにある。
図２には前記スケール抑制剤１９を示している。該スケール抑制剤１９には、その表面から１ｍｍ～１．５ｍｍの深さのクラック１９′、１９′・・・が入っている。また、該スケール抑制剤１９は、酸化ケイ素(ＳｉＯ２)と酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）を主成分とし、更に必要に応じアルカリ金属の酸化物を含んでなり、水溶性アモルファスの塊状又は粒状である。また、該スケール抑制剤１９は、酸化ケイ素(ＳｉＯ２)と酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）の割合を５０％：５０％としてもよいし、６０％～７０％：４０％～３０％としてもよい。
Claims (5)
- 地熱等の熱源と、熱源によって加温された温水を循環させる温水循環系と、作動媒体を循環させると共に蒸気により回転するタービンと発電機を備えた作動媒体循環系と、冷却塔によって冷却した冷却水を循環させる冷却水循環系とからなる地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システムにおいて、前記温水循環系における循環流路内と、前記冷却水循環系における循環流路内の夫々に、酸化ケイ素(ＳｉＯ２)、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）を主成分とするスケール抑制剤を投入する一方、前記温水循環系における循環流路と、前記冷却水循環系における循環流路の夫々の適所に、周方向に沿って千鳥状に矩形状の水流入口を多数設けると共に、各水流入口の夫々の一方側の短辺から内側に延びる半円状に彎曲した水流規制板を設けた直径１２ｍｍ、長さ１２ｍｍの濾材を多数収納してなる固液分離装置を設置したことを特徴とする地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システム。
- スケール抑制剤を、温水循環系における循環流路の温水タンク内の水中と、冷却水循環系における循環流路の冷却塔内の水中に投入してなる請求項１記載の地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システム。
- 請求項１のスケール抑制剤における酸化ケイ素(ＳｉＯ２)と酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）の割合を５０％：５０％としてなる請求項１記載の地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システム。
- 請求項１のスケール抑制剤における酸化ケイ素(ＳｉＯ２)と酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）の割合を６０％～７０％：４０％～３０％としてなる請求項１記載の地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システム。
- 請求項１のスケール抑制剤に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）又は酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）の１種又は複数種を混合してなる請求項１記載の地熱等の再生可能エネルギーを利用したバイナリー発電システム。
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