JP4518827B2 - 凍結融解システムと凍結融解方法 - Google Patents

Description

本発明は凍結融解システムと凍結融解方法に関し、詳しくは、アンモニア吸収冷凍機を用いる凍結融解システムと凍結融解方法に関する。

水を浄化するためには、水中に混在している汚泥などの固形分を分離して除去する必要がある。分離された汚泥は、水分含水率が高く重量があり、輸送費がかさむだけでなく、埋め立てや焼却処理のような後処理に要する負担が大きいため、予め薬品を注入して汚泥を凝集・沈殿分離後、脱水させる方法が用いられる。しかし、この方法では処分汚泥量が注入した薬品量に相当する分、増量すると言う問題がある。

しかも、有機系の凝集剤を使用する場合には、一般に変成ポリマーが含まれているため、これらが環境中に漏出すると、環境ホルモンとして作用する危険性もあるので好ましくない。

そのため、薬品を使用することのない無薬注方式が好ましく、その上、汚泥の増量もなく、汚泥を効果的に脱水でき、脱水後のろ液を原水として循環使用して水資源の有効利用を図ることができ、環境にも悪影響を及ぼさず、しかも難脱水ろ過性の汚泥を含む全ての汚泥に適用可能である方法として凍結融解法を用いることが考えられる。

しかしながら、従来の凍結融解法は、冷凍機に電動圧縮冷凍機を使用したりしているため、電力消費が大きく、経済性に劣るという問題があった。そのため、本願発明者は電動圧縮冷凍機を使用することなく、消費電力の少ない経済性に優れた凍結融解装置と凍結融解方法を発明した（例えば、特許文献１）。
特開２００１−３８４００号公報

しかしながら、処理コスト低減の要請は高く、さらに経済性の優れた凍結融解装置と凍結融解方法の開発が要請されている。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の有する事情に鑑みて、コージェネレーション・プラントとアンモニア吸収冷凍機を使用することにより、一層処理コストを低減可能な経済性に優れる凍結融解システムと凍結融解方法を提供することにある。

上記課題は、各請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明に係る凍結融解システムの特徴構成は、凍結融解槽と、この凍結融解槽に送給された被処理物に対して凍結と融解を行い脱水処理するアンモニア吸収冷凍機と、このアンモニア吸収冷凍機からの放熱を冷却する冷却塔とを備え、凍結した前記被処理物の融解時に発生する冷熱源を、コージェネレーション・プラントに供給される吸気冷却に利用する吸気冷却器が設けられていると共に、前記アンモニア吸収冷凍機を構成する吸収器の冷却に利用可能にする水熱交換器が設けられていることにある。

この構成によれば、凍結した前記被処理物の融解時に発生する冷熱源を、吸気冷却器によりコージェネレーション・プラントに供給される吸気冷却に利用することができるので、コージェネレーション・プラントにおける、例えば蒸気タービンへの燃焼用空気の温度を気温の高い夏期においても低く抑えることができて、その出力を、季節変動に関わらず高く維持できるようになると共に、アンモニア吸収冷凍機の吸収器の冷却に利用できて、熱の有効利用を図れ、システム全体の運転効率を高めて、汚泥などの被処理物の凍結融解処理に要するコストを確実に低減できる。特に、夏期昼間のような電力使用量の多い時間帯においても、使用電力を軽減できるので、凍結融解処理を円滑に稼働できる。

その結果、コージェネレーション・プラントとアンモニア吸収冷凍機を使用することにより、従来技術に比べて一層処理コストを低減可能な経済性に優れる凍結融解システムを提供することができた。

前記コージェネレーション・プラントを構成する廃熱ボイラから発生する水蒸気が、前記アンモニア吸収冷凍機の駆動熱源として利用されることが好ましい。

この構成によれば、廃熱ボイラから発生する水蒸気をアンモニア吸収冷凍機の駆動熱源に利用できるので、従来技術の電動式冷凍機に比べて、消費電力を大幅に低減できる。

又、本発明に係る凍結融解方法の特徴構成は、アンモニア吸収冷凍機により汚泥を凍結・融解して、前記汚泥を脱水する凍結融解法において、凍結した汚泥の融解時に発生する冷熱源を、コージェネレーション・プラントに供給される吸気冷却に利用すると共に、前記アンモニア吸収冷凍機を構成する吸収器の冷却に利用可能になっていることにある。

この構成によれば、コージェネレーション・プラントとアンモニア吸収冷凍機を使用することにより、従来技術に比べて一層処理コストを低減可能な経済性に優れる凍結融解方法を提供することができる。

前記コージェネレーション・プラントを構成する廃熱ボイラから発生する水蒸気を、前記アンモニア吸収冷凍機の駆動熱源として利用することが好ましい。

この構成によれば、アンモニア吸収冷凍機の電力消費を大幅に低減して、凍結融解処理コストの低減に寄与し得る。

本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る凍結融解システムの概略構成を示す。この凍結融解システムは、吸収冷凍機からの放熱機能である冷却塔１と、被処理物である汚泥を凍結し融解して脱水する一組の凍結融解槽２ａ，２ｂと、これら一組の凍結融解槽２ａ，２ｂに温ブライン、冷ブラインを送給して凍結、融解を行う熱源供給するアンモニア吸収冷凍機３（以下、吸収冷凍機ということがある）等とから構成されている。

そして、コージェネレーション・プラントの一環をなす蒸気タービン４から発生する高温の燃焼ガスが廃熱ボイラ１０に導入されて、ここで発生する高温水蒸気が吸収冷凍機３に送られるようになっていて、これを吸収冷凍機３の駆動熱源として利用することにより、従来の吸収冷凍機の駆動源である電動式冷凍機に比べて、消費電力を約１／１０程度に低減可能にしている。

凍結融解槽２ａ，２ｂには、汚泥沈殿池などから引抜きされた汚泥が排泥池を経て濃縮槽などに送られ、数％程度に濃縮されてから、送給されるようになっている。一組の凍結融解槽２ａ，２ｂを設けているのは、一方の凍結融解槽２ａで汚泥を凍結しながら、他方の凍結融解槽２ｂでは、凍結した汚泥を融解して効率よく連続的に汚泥の凍結サイクルと融解サイクルを行うためであり、特に量の多い汚泥を処理する場合に効率が高くなる。後述するように、凍結処理する凍結融解槽２ａには、冷ブライン回路を通して冷ブラインが送給されると共に、融解処理する凍結融解槽２ｂには、温ブライン回路を通して温ブラインが送給される。

もとより、凍結融解槽の組み合わせは一組に限定されるものではなく、処理量が少ない場合など、冷ブライン回路と温ブライン回路とを切り替えつつ１台の凍結融解槽で処理するようにしてもよいし、逆に、より大量の汚泥を処理するような場合には、さらに多数の凍結融解槽の組み合わせを配置して凍結融解処理してもよい。

吸収冷凍機３は、冷媒であるアンモニアを放熱液化する凝縮器５と、アンモニアを蒸発させる蒸発器６と、蒸発器６で蒸発したアンモニア蒸気を吸収剤である水に吸収させる吸収器７と、この吸収器７により冷媒を十分に含んだアンモニア水溶液を溶液ポンプ（図示略）で加圧して送給される発生器８と、アンモニア濃度を高めてこれを凝縮器５に送る精留器（図示略）とを備えて構成されている。更に、上記したように、吸収冷凍機３を作動させる駆動源として、蒸気タービン４から燃焼ガスが導入される廃熱ボイラ１０が接続されている。もっとも、吸収冷凍機３を作動させる駆動源としては、他の汚泥の焼却による排熱エネルギー等、種々のエネルギーを利用あるいは併用できる。

図示はしないが、精留器は、特殊な多孔板トレーを複数個設けた縦形構造をしていて、下部の回収部と上部の濃縮部とに分かれている。そして、発生器から送給されるアンモニア蒸気は回収部に送られ、回収部からアンモニア蒸気は上昇すると共に濃縮部で濃縮されるようになり、アンモニア水は濃度が薄められて下方の回収部に降下するようになっている。

高圧、高濃度アンモニア蒸気は凝縮器５に送られ、ここで冷却塔１からの冷却水と熱交換されて凝縮液化される。凝縮器５に、凝縮しないガス成分を除去する抽気装置を設けてもよい。不凝縮ガスは凝縮あるいは吸収など伝熱特性を低下させるので、これを除去すると、伝熱特性を良好に維持できて都合がよい。尚、図１で図番９は冷却水を送る冷却水ポンプであり、Ｇは蒸気タービンによる発電機を示す。

更に、蒸発器６には冷ブライン回路Ｂ１が接続されていると共に、吸収器７から送給される冷却水には温ブライン回路Ｂ２と熱交換されるようになっている。このブライン回路は、低温の冷ブラインタンク１１と冷ブラインを送給する冷ブラインポンプ１２とからなる冷ブライン回路Ｂ１と、高温の温ブラインタンク１３と温ブラインを送給する温ブラインポンプ１４とからなる温ブライン回路Ｂ２とを備えていると共に、温ブライン回路Ｂ２と冷ブライン回路Ｂ１とを切り換える一対の冷温切換バルブ１５，１５’，１６，１６’が、凍結融解槽２ａ，２ｂと接続されている。

そして、温ブライン回路Ｂ２の途中には、冷却された温ブラインが蒸気タービン４の吸気温度を冷却する吸気冷却器１８と熱交換されるようになっていると共に、吸収器７に送給される冷却水と熱交換される水熱交換器１７が接続されている。このように構成されていることから、蒸気タービン４の燃焼用空気を一定以下に冷却できるようになって、例えば、夏期の昼間でも吸気温度を約２０℃程度に抑えることができ、タービン出力を高く維持できるようになっている。因みに、タービン出力は吸気温度が２０℃から３０℃に上昇すると、約１０％程度低下する。

また、吸収器７に送給される冷却水と熱交換される水熱交換器１７により、温ブラインは、年中２５〜２８℃程度に維持される。図２は、冷却水温度３０℃、蒸発温度−３０℃を基準として、吸収器に対する冷却水温度を低温に変化させたとき、駆動用投入エネルギー消費率を示したもので、冷却水温度を約５℃温度低下させると１０％の省エネルギー化が計れる。従って、上記のような構成にすると、夏期の昼間のような水温が高くなる環境においても、吸収冷凍機の成績係数（ｃｏｐ）は高く維持される。

そして、凍結融解槽２ａに送給された汚泥を凍結するときには、吸収冷凍機３の蒸発器６で冷却された冷ブラインが直接凍結融解槽２ａに送り込まれて汚泥を凍結する。例えば、蒸発器６で−２０℃に冷却された冷ブラインが送られて約２時間後、汚泥が完全に凍結（約−１５℃）され、汚泥に含有されている水分の分離ならびに固形物の凝集がなされる。冷ブラインは幾分昇温（約−１９℃）されて、冷ブラインタンク１１を経由して蒸発器６に送られるようになっている。

一方の凍結融解槽２ａの汚泥が凍結される間、他方の凍結融解槽２ｂ中の汚泥は温ブラインの送給により融解され、ろ過性に富んだ改質された汚泥となり、一方の凍結融解槽２ａの汚泥が凍結される時間と略同時間内に融解を完了する。

その後、凍結融解槽２ａについて説明すると、このように汚泥が改質された後、冷温切替バルブ１５，１５’により、冷ブライン回路Ｂ１が閉鎖され、温ブライン回路Ｂ２が開口される。そして、凍結した汚泥を加熱融解させるために、年中２５〜２８℃程度に維持された温ブラインが送給され、凍結融解槽２ａの凍結汚泥は解凍される。その際、温ブラインは冷却され、約１０℃になった温ブラインは温ブラインタンク１３を経由して、上記したように、吸気冷却器１８と熱交換し、水熱交換機１７に送給される。吸収器７へ送られる冷却水は、水熱交換機１７によって熱交換されるので、従来方式の冷却塔による単独の冷却方式よりも吸収液をより低温に冷却して、冷凍機の性能（成績係数；ｃｏｐ）を高めることができる。

この間の時間経過に対する凍結融解温度の変化を、図４に実線で表わしており、凍結融解槽２ａ（Ｎｏ．１）に汚泥張込を行い、約２時間で凍結を完了し、その後冷温ブラインの切替が行われ、温ブラインの送給に伴って凍結汚泥の解凍が始まり、約２時間後に解凍を完了し汚泥が排出される。

解凍された汚泥は、更に不図示の真空脱水機などの脱水装置により脱水ケーキとされ、乾燥されて処理される。乾燥された汚泥ケーキは、焼却炉などにより焼却処理される。その排熱を、吸収冷凍機３の駆動源として利用することもできる。

図１に示す凍結融解システムを用いて、燃料として６４５ｍ³／ｈの都市ガスと燃焼用空気２６．９×１０³ｍ³／ｈを使用し、出力１６５０ｋＷ（発電効率：２２．１％，排熱回収率：５１．５％）のガスタービンを駆動して、廃熱ボイラに燃焼ガス（排熱回収量３８５０ｋＷ：蒸気量＝５５００ｋｇ／ｈ，給水温度＝６０℃）を送給して加熱し、生じた水蒸気を吸収冷凍機の発生器に送給し、吸収冷凍機の駆動熱源とした場合、冷却塔と吸収冷凍機により、ガスタービンへの冷却空気を３０℃から２０℃に冷却するためには、空気の比熱を１．３０ｋＪ／ｍ³・℃とすると、下記化１により９７．４ｋＷを要する。
［化１］
吸気冷却熱量＝２６．９×１０³（ｍ³／ｈ）×１．３０ｋＪ／ｍ³・℃×１０℃
＝３４９，７００ｋＪ／ｈ（９７．４ｋＷ）
一方、廃熱ボイラの排熱回収量は、蒸気量＝５５００ｋｇ／ｈであり、冷凍能力は１４０６ｋＷとなって、上記吸気冷却熱量よりはるかに大きくなり、吸気冷却熱量を１０℃低下するには十分な能力があると言える。

その際の熱収支を図３に示すと共に、図４に凍結融解過程における吸収冷凍機の運転による時間経過と温度変化とから冷熱回収量（斜線部分）を表す。尚、図３で括弧内は各装置運転時の消費電力能を表す。

以上の結果、廃熱利用することにより、ガスタービンから発生した電力を有効に利用しながら、季節変動による電力事情の影響を受けることなく、システム全体を効率よく稼働させることができ、凍結融解処理における省エネルギーを達成でき、処理コスト低減ができることになる。

〔別実施の形態〕

本発明の一実施形態に係る凍結融解システムの概略全体構成図 吸収器の冷却水温度とエネルギー消費率の関係を示すグラフ 実施例における熱収支を表すフロー図 実施例における凍結・融解プロセス時の時間経過に対する温度変化と冷熱回収量を示すグラフ

符号の説明

１ 冷却塔
２ａ，２ｂ 凍結融解槽
３ アンモニア吸収冷凍機
７ 吸収器
１０ 廃熱ボイラ
１７ 水熱交換器
１８ 吸気冷却器

Claims (4)

1. 凍結融解槽と、この凍結融解槽に送給された被処理物に対して凍結と融解を行い脱水処理するアンモニア吸収冷凍機と、このアンモニア吸収冷凍機からの放熱を冷却する冷却塔とを備え、
   低温の冷ブラインタンクと冷ブラインを送給する冷ブラインポンプとからなる冷ブライン回路と、高温の温ブラインタンクと温ブラインを送給する温ブラインポンプとからなる温ブライン回路とを備え、温ブライン回路と冷ブライン回路が、それらを切り換えるための冷温切換バルブを介して前記凍結融解槽に接続され、
   前記アンモニア吸収冷凍機を構成する蒸発器に前記冷ブライン回路が接続され、当該アンモニア吸収冷凍機を構成する吸収器に送給される冷却水と熱交換される水熱交換器、およびコージェネレーション・プラントを構成する蒸気タービンの吸気温度を下げる吸気冷却器と前記温ブライン回路が接続され、
   凍結した前記被処理物の融解時に発生する冷熱源により冷却された前記温ブラインが、前記吸気冷却器と熱交換し、前記吸収器に送給される冷却水と熱交換される水熱交換器に送られる構成とした凍結融解システム。
2. 前記蒸気タービンから発生する高温の燃焼ガスが前記コージェネレーション・プラントを構成する廃熱ボイラに送られ、当該廃熱ボイラから発生する高温水蒸気が前記アンモニア吸収冷凍機に送られ駆動熱源として利用可能に構成されている請求項１の凍結融解システム。
3. アンモニア吸収冷凍機により汚泥を凍結・融解して、前記汚泥を脱水する凍結融解法において、
   低温の冷ブラインタンクと冷ブラインを送給する冷ブラインポンプとからなる冷ブライン回路と、高温の温ブラインタンクと温ブラインを送給する温ブラインポンプとからなる温ブライン回路とを備え、温ブライン回路と冷ブライン回路が、それらを切り換えるための冷温切換バルブを介して汚泥を凍結・融解するための凍結融解槽に接続され、
   前記アンモニア吸収冷凍機を構成する蒸発器に前記冷ブライン回路が接続され、当該アンモニア吸収冷凍機を構成する吸収器に送給される冷却水と熱交換される水熱交換器、およびコージェネレーション・プラントを構成する蒸気タービンの吸気温度を下げる吸気冷却器と前記温ブライン回路が接続され、
   凍結した前記被処理物の融解時に発生する冷熱源により冷却された前記温ブラインが、前記吸気冷却器と熱交換し、前記吸収器に送給される冷却水と熱交換される水熱交換器に送られる構成とした凍結融解方法。
4. 前記蒸気タービンから発生する高温の燃焼ガスが前記コージェネレーション・プラントを構成する廃熱ボイラに送られ、当該廃熱ボイラから発生する高温水蒸気が前記アンモニア吸収冷凍機に送られ駆動熱源として利用可能に構成されていることを特徴とする請求項３の凍結融解方法。

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