JP4849264B2 - 海水の鉛直循環装置 - Google Patents

Description

本発明は、海岸線に沿って人工構造物が設けられた沿岸域における、底質・水質環境を改善するための、海水の鉛直循環装置に関するものである。

従来から、湖沼、ダム、運河、城の掘り割り等、陸域内の閉鎖性水域において、種々の底質・水質環境改善対策が施されている。その一例として、底泥の除去、ばっき、噴水、エアバブルによる鉛直循環、密度噴流発生装置の使用等が実施されている。又、底質・水質環境改善は、港湾部等の閉鎖性の高い沿岸域においても同様に強く要請されるものであり、上記底質・水質環境改善技術を利用することも可能である。しかしながら、沿岸域の対象面積は陸域内の閉鎖性水域よりも大きくなることから、陸域内の閉鎖性水域における対策費用と比べ、膨大な費用が必要となる。そこで、港湾部等、沿岸部における閉鎖性海域の底質・水質環境改善により適した技術が研究されている（例えば、非特許文献１）。

「海岸工学論文集」第４９巻（２００２），土木学会，７９１〜７９５項

本発明は、沿岸部における閉鎖性海域の底質・水質環境の改善を図るにあたり、環境負荷を低減しつつ、そのランニングコストの上昇を抑えることを目的とするものである。
上記課題を解決するために、本発明は、底質・水質環境改善が特に必要とされる沿岸域に多く設置されているエネルギー関連施設の廃熱を有効利用することで、廃熱処理の問題を解決し、なおかつ、底質・水質環境改善対策のための、ランニングコストの上昇を抑える。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）海岸線に沿って人工構造物が設けられた沿岸域における、海水の鉛直循環装置であって、近隣の熱源設備から廃熱の供給を受けるための廃熱供給ラインと、海水を汲み上げるためのポンプと、前記廃熱供給ラインから受取る廃熱の熱エネルギーを、前記ポンプの駆動力へと変換するエネルギー変換装置とが陸上に設置され、該陸上から海中へ、海水の取水ラインと、該取水ラインを介して前記ポンプにより汲み上げられた海水を海中へと戻す放水ラインとが延設され、該放水ラインの先端が海底面の近傍まで延び、その先端開口が、前記人工構造物と一定以上の距離を置いて、かつ、前記人工構造物と対向するように配置されている海水の鉛直循環装置。（請求項１）。
本項に記載の海水の鉛直循環装置は、放水ラインの先端が海底面の近傍まで延び、その先端開口が、人工構造物と一定以上の距離を置いて、かつ、人工構造物と対向するように配置されていることにより、放水ラインの先端開口から、ポンプにより汲み上げられた海水を放水することによって、海中に垂直循環流を発生させる。そして、嫌気化した底質に酸素を供給し、好気化させるものである。このようにして、従来、その処理に多大なコストを割いていた廃熱の処理を、本装置の運転エネルギーとして有効利用する。
なお、放水ラインの先端は、海底面から０．５ｍ程度上方に設置されることで、嫌気化した底質に対し、循環流を有効に作用させることができる。

（２）前記取水ラインの先端が海表面の近傍に水没するように設置されている海水の鉛直循環装置（請求項２）。
本項に記載の海水の鉛直循環装置は、取水ラインによって、海表面の飽和酸素水を陸上に汲み上げ、ポンプにより汲み上げられた海水を、放水ラインの先端開口から放水することによって、放水ラインの先端開口と人工構造物との間に、海表面の飽和酸素水による海水の循環流を発生させる。そして、嫌気化した底質に酸素を供給し、好気化させるものである。なお、取水ラインの先端は、本装置が設置される沿岸域の最低水位よりも１ｍ程度下方に設置されることで、飽和酸素水の取水を常に行うことができる。

（３）前記取水ラインの先端が海底面の近傍まで延び、かつ、前記取水ラインを介して前記ポンプにより汲み上げられた海水の、溶存酸素濃度を高める気液混合装置が設けられている海水の鉛直循環装置（請求項３）。
本項に記載の海水の鉛直循環装置は、取水ラインによって、海底面近傍の貧酸素水を陸上部に汲み上げ、気液混合装置によって溶存酸素濃度を高めた後に、ポンプにより汲み上げられた海水を、放水ラインの先端開口から放水することによって、放水ラインの先端開口と人工構造物との間に、飽和酸素水による海水の循環流を発生させる。そして、嫌気化した底質に酸素を供給し、好気化させるものである。なお、取水ラインの先端は、海底面から１ｍ程度上方に設置されることで、海底の浮泥等の巻上げを防ぐことができる。

（４）前記エネルギー変換装置には、スターリングエンジン及び該スターリングエンジンに駆動される発電機が含まれ、前記ポンプは電動ポンプである海水の鉛直循環装置（請求項４）。
本項に記載の海水の鉛直循環装置は、廃熱供給ラインから受取る廃熱の熱エネルギーと、取水ラインを介してポンプにより汲み上げられた海水の熱エネルギーの差を利用して、スターリングエンジンを駆動する。そして、スターリングエンジンにより発電機を駆動し、発電機から得られる電力により、電動ポンプを駆動するものである。

（５）前記エネルギー変換装置には、スターリングエンジンが含まれ、前記ポンプは該スターリングエンジンに直接駆動されるものである海水の鉛直循環装置（請求項５）。
本項に記載の海水の鉛直循環装置は、廃熱供給ラインから受取る廃熱の熱エネルギーと、取水ラインを介してポンプにより汲み上げられた海水の熱エネルギーの差を利用して、スターリングエンジンを駆動する。そして、スターリングエンジンにより、ポンプを駆動するものである。

（６）前記エネルギー変換手段には、前記廃熱供給ラインから受取る温排水の熱により蒸気を発生させる蒸発器と、蒸気タービンと、前記取水ラインを介して前記ポンプにより汲み上げられた海水により、前記蒸気タービンを駆動した後の蒸気を冷却する濃縮器とを含む蒸気駆動装置と、前記蒸気タービンに駆動される発電機とが含まれ、前記ポンプは電動ポンプである海水の鉛直循環装置（請求項６）。
本項に記載の海水の鉛直循環装置は、蒸発器において、廃熱供給ラインから受取る廃熱の熱エネルギーを利用して蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動し、蒸気タービンにより駆動される発電機から得られる電力により、電動ポンプを駆動するものである。なお、蒸気タービンを駆動した後の蒸気は、濃縮器において海水を用いて冷却され、再び蒸発器へと送られる。

本発明はこのように構成したので、沿岸部における閉鎖性海域の底質・水質環境の改善を図るにあたり、環境負荷を低減しつつ、そのランニングコスト上昇を抑えることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の第１の実施の形態に係る、底質・水質環境を改善するための、海水の鉛直循環装置１０が示されている。この、海水の鉛直循環装置１０は、護岸（岸壁）等、海岸線に沿って人工構造物１２が設けられた沿岸域に設置されるものである。水質環境改善が必要とされる海域は、一般に、閉鎖性の強い海岸域であり、特に護岸（岸壁）等、海岸線に沿って設けられた人工構造物１２には、夏場、堤体に貝類等が付着し、それらの生物の死骸が海底に多数落下して腐敗することにより、更なる環境の悪化を招いている。又、そのような沿岸域には、エネルギー関連施設等が設置されている場合が多い。

そこで、海水の鉛直循環装置１０は、近隣の熱源設備１４から廃熱の供給を受けるための、廃熱供給ライン１６とを備えている。又、廃熱供給ライン１６と共に、海水を汲み上げるためのポンプ１８と、廃熱供給ライン１６から受取る廃熱の熱エネルギーを、ポンプ１８の駆動力へと変換するエネルギー変換装置２０とが、陸上部２２として、陸上（あるいは台船上でも良い）に設置されている。又、陸上部２２から海中２４へ、海水の取水ライン２６と、取水ライン２６を介してポンプ１８により汲み上げられた海水を海中２４へと戻す放水ライン２８とが、延設されている。

取水ライン２６の先端２６ａは、海表面の近傍（例えば、本装置１０が設置される沿岸域の最低水位よりも１ｍ程度下方。）に水没するように、人工構造物１２の端部から鉛直下方へと垂下するようにして、設置されている。一方、放水ライン２８の先端２８ａは海底面の近傍（例えば、海底面から０．５ｍ程度上方。）まで垂下するようにして延びた後、海底面を沖合に向かって更に延び、先端２８ａの開口が、人工構造物１２と一定以上の距離を置いて、かつ、人工構造物１２と対向するように配置されている。ここで、放水ライン２８の先端２８ａと、人工構造物１２との距離は、嫌気化した底質に酸素を供給し、好気化させることが可能な範囲に、概ね一致するものである。
又、これら取水ライン２６及び放水ライン２８を形成するパイプは、鋼管のような硬質な材質、あるいは、いわゆるサニーホースのような柔軟性の高い材質の何れを用いることとしても良く、取水量、放水量や、海象条件を考慮して、適宜選択するものである。また、放水ライン２８は、ブロック２９等を用いることにより、海底に安定的に設置されるものである。

又、エネルギー変換装置２０は、図２に示されるように、スターリングエンジン３０及びスターリングエンジン３０に駆動される発電機３２により構成される。ポンプ１８は電動ポンプであり、発電機３２で発電された電力Ｅにより駆動される。なお、必要に応じ、スターリングエンジン３０によって、ポンプ１８を直接駆動する構成を作用することも可能である。

又、エネルギー変換手段２０として、図３に示されるように、廃熱供給ライン１６から受取る温排水の熱により蒸気を発生させる蒸発器３４と、蒸気タービン３６と、ポンプ１８により汲み上げられた海水により、蒸気タービン３６を駆動した後の蒸気を冷却する濃縮器３８とを含む蒸気駆動装置４０を用いることとしても良い。なお、蒸気タービン３６を駆動した後の蒸気は、濃縮器３８において海水を用いて冷却され、再び蒸発器３４へと送られることで、再循環される。又、蒸気駆動装置４０内を循環する水は、蒸気駆動装置４０の腐食を防ぐために純水が望ましい。

上記構成をなす、本発明の第１の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能となる。まず、海水の鉛直循環装置１０は、放水ライン２８の先端２８ａが海底面の近傍まで延び、先端２８ａの開口が、人工構造物１２と一定以上の距離を置いて、かつ、人工構造物１２と対向するように配置されていることにより、放水ライン２８の先端２８ａの開口から、ポンプ１８により汲み上げられた海水を放水することによって、海中２４に垂直循環流を発生させることができる。そして、嫌気化した底質４２に酸素を供給し、好気化させるものである。なお、放水ライン２８の先端は、海底面から０．５ｍ程度上方に設置されることで、底質４２に対し、循環流を有効に作用させることができる。

又、本発明の第１の実施の形態に係る海水の鉛直循環装置１０は、取水ライン２６によって、海表面の飽和酸素水を陸上に汲み上げ、ポンプ１８により汲み上げられた海水を、放水ライン２８の先端２８ａの開口から放水することによって、放水ライン２８の先端２８ａの開口と人工構造物１２との間に、海表面の飽和酸素水による海水の循環流を発生させるものである。そして、嫌気化した底質４２に酸素を供給し、好気化させるものである。なお、取水ライン２６の先端２６ａは、海水の鉛直循環装置１０が設置される沿岸域の最低水位よりも１ｍ程度下方に設置されることで、飽和酸素水の取水を常に行うことができる。

又、エネルギー変換装置２０は、図２に示されるように、廃熱供給ライン１６から受取る廃熱の熱エネルギーと、取水ライン２６を介してポンプ１８により汲み上げられた海水の熱エネルギーの差を利用して、スターリングエンジン３０を駆動するものである。そして、スターリングエンジン３０により発電機３２を駆動し、発電機３２から得られる電力Ｅにより、ポンプ１８を駆動するものである。電力Ｅに余剰分が生じた場合には、他の用途にも有効利用される。なお、スターリングエンジン３０にて熱エネルギーが取り出された廃熱又は排水は、廃棄ライン１７を介して適切に廃棄される。

更に、廃熱供給ライン１６から受取る廃熱の熱エネルギーが、より大きい場合には、エネルギー変換装置２０として、図３に示される蒸気駆動装置４０を用いることも可能である。この場合には、蒸発器３４において、廃熱供給ライン１６から受取る廃熱の熱エネルギーを利用して蒸気を発生させ、この蒸気により蒸気タービン３６を駆動し、蒸気タービン３６により駆動される発電機３２により得られる電力Ｅにより、ポンプ１８を駆動するものである。

続いて、図４、図５を参照しながら、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本発明の第１の実施の形態と同一部分、若しくは、相当する部分については、詳しい説明を省略する。
本発明の第２の実施の形態に係る海水の鉛直循環装置４４は、図４に示されるように、取水ライン２６の先端２６ａが海底面の近傍（例えば、海底面から１ｍ程度上方。）まで延びている。又、陸上部２２には、取水ライン２６を介してポンプ１８により汲み上げられた海水の、溶存酸素濃度を高めるための、気液混合装置４６が含まれている。そして、スターリングエンジン３０により発電機３２を駆動し、発電機３２から得られる電力Ｅにより、ポンプ１８及び気液混合装置４６を駆動するものである。なお、図示は省略するが、図３の例と同様に、エネルギー変換装置２０として、図３に示される蒸気駆動装置４０を用いることも可能である。

本発明の第２の実施の形態に係る気液混合手法としては、例えば「ハイドス工法」が用いられる。ハイドス工法は、無酸素（貧酸素）となりやすい環境にある水域の底層から汲み上げた水に、酸素発生装置（ＰＳＡ）で発生させた酸素を気液混合装置４６で混合して、高濃度酸素混合水を作るものである。ここで、ＰＳＡで発生させた酸素の濃度は９０％程度であるが、窒素をゼオライト等によって吸着除去する為、通常の空気注入に比べ概ね５倍の酸素溶解量を得るものである。又、気液混合装置４６の放流時の減圧により、溶解酸素の一部は気泡径が数ミクロンのマイクロバブルとなり、水に溶存しやすく、かつ、水中の上昇速度も極めて遅いので、海水中に長く滞留し、周辺の無酸素（貧酸素）水域の底質改善に効果的に寄与するものである。
従って、本発明の第２の実施の形態によれば、海表面の飽和酸素水の取水が困難か、又は適切でないような場合であっても、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることが可能となる。

以上のごとく、本発明の第１、第２の実施の形態によれば、従来、その処理に多大なコストを割いていた、エネルギー関連施設等の廃熱を、海水の鉛直循環装置１０、４４の運転エネルギーとして有効利用することにより、環境負荷を低減しつつ、閉鎖性海域の底質・水質環境改善対策のための、ランニングコストの上昇を抑えることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る海水の鉛直循環装置の模式図である。 図１に示される海水の鉛直循環装置のエネルギー変換装置として、スターリングエンジンを採用した場合の模式図である。 図１に示される海水の鉛直循環装置のエネルギー変換装置として、蒸気駆動装置を採用した場合の模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る海水の鉛直循環装置の模式図である。 図４に示される海水の鉛直循環装置のエネルギー変換装置として、スターリングエンジンを採用した場合の模式図である。

符号の説明

１０、４４：海水の鉛直循環装置、 １２：人工構造物、１４：熱源設備、１６：廃熱供給ライン、１８：ポンプ、２０：エネルギー変換装置、２２：陸上部、２４：海中、２６：取水ライン、２６ａ：取水ラインの先端、２８：放水ライン、２８ａ：放水ラインの先端、３０：スターリングエンジン、３２：発電機、３４：蒸発器、３６：蒸気タービン、３８：濃縮器、４０：蒸気駆動装置、４２：嫌気化した底質、４６：気液混合装置

Claims (6)

1. 海岸線に沿って人工構造物が設けられた沿岸域における、海水の鉛直循環装置であって、
   近隣の熱源設備から廃熱の供給を受けるための廃熱供給ラインと、海水を汲み上げるためのポンプと、前記廃熱供給ラインから受取る廃熱の熱エネルギーを、前記ポンプの駆動力へと変換するエネルギー変換装置とが陸上に設置され、該陸上から海中へ、海水の取水ラインと、該取水ラインを介して前記ポンプにより汲み上げられた海水を海中へと戻す放水ラインとが延設され、
   該放水ラインの先端が海底面の近傍まで延び、その先端開口が、前記人工構造物と一定以上の距離を置いて、かつ、前記人工構造物と対向するように配置されていることを特徴とする海水の鉛直循環装置。
2. 前記取水ラインの先端が海表面の近傍に水没するように設置されていることを特徴とする請求項１記載の海水の鉛直循環装置。
3. 前記取水ラインの先端が海底面の近傍まで延び、かつ、前記取水ラインを介して前記ポンプにより汲み上げられた海水の、溶存酸素濃度を高める気液混合装置が設けられていることを特徴とする請求項１記載の海水の鉛直循環装置。
4. 前記エネルギー変換装置には、スターリングエンジン及び該スターリングエンジンに駆動される発電機が含まれ、前記ポンプは電動ポンプであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の海水の鉛直循環装置。
5. 前記エネルギー変換装置には、スターリングエンジンが含まれ、前記ポンプは該スターリングエンジンに直接駆動されるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の海水の鉛直循環装置。
6. 前記エネルギー変換手段には、前記廃熱供給ラインから受取る温排水の熱により蒸気を発生させる蒸発器と、蒸気タービンと、前記取水ラインを介して前記ポンプにより汲み上げられた海水により、前記蒸気タービンを駆動した後の蒸気を冷却する濃縮器とを含む蒸気駆動装置と、前記蒸気タービンに駆動される発電機とが含まれ、前記ポンプは電動ポンプであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の海水の鉛直循環装置。

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