JP5699209B2

JP5699209B2 - イオン交換装置

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Publication number: JP5699209B2
Application number: JP2013515072A
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Inventors: 充余田; 幹雄菅野; 斎木　一彦; 一彦斎木; 礼生松谷; 西川　和宏; 和宏西川
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Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2012-05-01
Publication date: 2015-04-08
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Description

本発明はイオン交換装置に関し、特に火力発電所または原子力発電所の復水処理システムに設置される脱塩塔または再生塔の構成に関する。

火力発電所や原子力発電所では、蒸気発生器等で給水を蒸気とし、蒸気でタービンを駆動することにより発電が行われる。タービンの駆動に使用した蒸気は、復水器で凝縮された後、復水処理システムにおいて復水処理が行われ、再び給水として蒸気発生器等に供給される。火力発電所や原子力発電所における復水処理システムは、大量の復水を処理できることを前提に、復水中の溶解性不純物（イオン性不純物）を除去し、発電設備に必要な水質を安定的に確保することが求められる。イオン性不純物は、通常運転中の他、復水器で冷却水として使用している海水や湖沼水等が万一の漏洩によって復水系に流入した場合にも発生する。

一般に、復水処理システムは、復水中のイオン性不純物を除去する脱塩塔を有している。図１Ａ〜１Ｃには、従来一般的に用いられている脱塩塔の例を示している。図１Ａは加圧水型原子力発電所及び火力発電所で一般的に用いられている脱塩塔１０１ａの断面図を示しており、その一例は特許文献１にも開示されている。図１Ｂは沸騰水型原子力発電所で一般的に用いられている脱塩塔１０１ｂの断面図を示している。これらの脱塩塔は、通常、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが充填された混床式の樹脂充填層１２１ａ，１２１ｂを備えている。

図１Ａに示す脱塩塔１０１ａでは、イオン交換樹脂は脱塩塔１０１ａの下部空間に充填される。脱塩塔１０１ａの上部には復水入口配管１１１ａ、すなわち脱塩処理が行われる前の復水の入口配管が接続されている。イオン交換樹脂の樹脂充填層１２１ａ内には復水の集水管１２３、すなわち脱塩処理が行われた後の復水の集水管が設けられている。集水管１２３は複数のリング状の管からなっており、集水管１２３の表面に集水のための多数の開口が形成されている。集水管１２３はろ過布で覆われることもある。集水管１２３は出口配管１１５ａに接続され、出口配管１１５ａは脱塩塔１０１ａの底部を貫通して、脱塩塔１０１ａの外側に延びている。

図１Ｂに示す脱塩塔１０１ｂでは、脱塩塔１０１ｂの下部空間にイオン交換樹脂の保持板１０４が設けられており、イオン交換樹脂は保持板１０４の上方に充填される。保持板１０４の下方空間は、イオン交換樹脂が充填されず、脱塩処理が行われた後の復水の集水空間となっている。下方空間には、脱塩塔１０１ｂの底部を貫通して脱塩塔１０１ｂの外側に延びる出口配管１１５ｂが接続されている。図１Ｃは図１ＢのＡ部の拡大図を示しており、保持板１０４には多数の開口１０４ａが設けられ、各開口１０４ａにキャップ状のストレーナ１３５が取り付けられている。ストレーナ１３５は、特許文献２，３にも開示されているように、軸１３５ａの周囲にストレーナ部材１３５ｂを周状に配置し、図示しないナットによって固定治具１３５ｃとともに保持板１０４に固定されるようになっている。保持部材１０４は平面状でもよいが、図１Ｂの破線に示すように、曲げ応力を低減するため下側に湾曲した凹状に形成されることもある。
特開平１０−３５１２９７号公報特開平９−２４２１５号公報特開平７−２４１４０６９号公報国際公開第２０１０／１６４１０号パンフレット

このようなイオン交換装置は、イオン交換体によって処理された水をスムーズに装置外へ排出することが難しい。図１Ａに示す脱塩塔では、水は集水管１２３を通って流れ、図１Ｂに示す脱塩塔では、水はストレーナ１３５の側方からストレーナ１３５を通って流れる。すなわち、処理された水の流路面積が制約されやすいことから、圧力損失が高くなる傾向がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされ、圧力損失が低く、イオン交換体によって処理された水をスムーズに装置外へ排出することができるイオン交換装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様に係るイオン交換装置は、内部空間を有する外側容器と、内部空間の少なくとも一部を上側空間と下側空間とに仕切り、上側空間に充填されるようにされたイオン交換体を保持することが可能なイオン交換体保持部と、を有している。イオン交換体保持部は、上面の少なくとも一部において、イオン交換体を保持するとともにイオン交換体によって処理された水を上面から下方へ流通させる流路を備えたスクリーンと、スクリーンを保持するとともにスクリーンを流通した水を下側空間へ流通させる複数の開口を備えたスクリーン保持板と、を有している。スクリーンは、互いに間隔をおいて一方向に延びる複数のワイヤ部材と、ワイヤ部材とスクリーン保持板との間に設けられ、ワイヤ部材と交差する方向に延び、複数のワイヤ部材を保持するとともに、ワイヤ部材とスクリーン保持板との間に複数の空間を形成する複数のサポートロッドと、で構成されている。イオン交換装置は下側空間からスクリーン保持板の複数の開口を通してスクリーンに上向きの空気流を供給する空気供給手段をさらに有している。

イオン交換体保持部の上面の少なくとも一部が、処理された水を下側空間へ流通させる流路を備えた少なくとも１つのスクリーンで構成されているため、流路面積の確保が容易であり、圧力損失が低く抑えられる。

このように、本発明によれば、圧力損失が低く、イオン交換体によって処理された水をスムーズに装置外へ排出することができるイオン交換装置を提供することができる。

従来の脱塩塔の例を示す断面図である。従来の脱塩塔の例を示す断面図である。従来の脱塩塔の例を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る脱塩塔の断面図である。イオン交換体保持部の分解斜視図である。図３の破線部で示す領域のイオン交換体保持部の部分分解斜視図である。スクリーンと第１のスクリーン保持板の開口との位置関係を示す平面図である。スクリーンと第１のスクリーン保持板の分割パターンを示す模式図である。スクリーンと第１のスクリーン保持板の分割パターンを示す模式図である。スクリーンと第１のスクリーン保持板の分割パターンを示す模式図である。スクリーンと第１のスクリーン保持板の分割パターンを示す模式図である。スクリーンと第１のスクリーン保持板の分割パターンを示す模式図である。イオン交換体保持部の断面図である。イオン交換体保持部（第１のスクリーン保持板）の下面図である。空気供給手段の他の例を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る脱塩塔の、イオン交換体保持部の斜視図である。図１０に示すイオン交換体保持部の部分断面図である。本発明の第３の実施形態に係る脱塩塔（復水脱塩塔）の部分断面図である。図１２に示す脱塩塔のイオン交換体保持部の変形例を示す模式図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。他の実施形態に係るイオン交換体保持部の断面図である。

本発明のイオン交換装置は、典型的には、発電設備の復水の処理に用いられる脱塩塔（脱塩装置）として利用することができる。本発明のイオン交換装置は、発電設備の復水の処理に用いたイオン交換体の再生に用いられる再生塔（再生装置）として利用することもできる他、イオン交換体を保持する全ての容器、及びこの容器からイオン交換体が移送される全ての容器に適用することができる。以下では、脱塩塔として利用されるイオン交換装置の実施形態を中心に説明する。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る脱塩塔の断面図を示している。脱塩塔１は、内部空間２を有する外側容器３を有している。脱塩塔１はまた、内部空間２を上側空間２ａと下側空間２ｂとに仕切るイオン交換体保持部４を有している。イオン交換体保持部４は、上側空間２ａに充填されるようにされたイオン交換体を滑らかな面状に広がる上面４ａで保持することができる。図２のイオン交換体充填層２１はイオン交換体が充填される空間を示している。

イオン交換体は、復水の水質を勘案して選択することができ、例えば、粒状イオン交換樹脂（以下、イオン交換樹脂という）、イオン交換繊維、モノリス状多孔質イオン交換体が挙げられる。中でも、最も汎用的で、優れたイオン除去能力と高いイオン交換容量とを備え、かつ容易に再生が行えるイオン交換樹脂が好ましい。イオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂が挙げられる。陰イオン交換樹脂としては強塩基性陰イオン交換樹脂、弱塩基性陰イオン交換樹脂が挙げられる。陽イオン交換樹脂としては、強酸性陽イオン交換樹脂、弱酸性陽イオン交換樹脂が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。以下では、イオン交換樹脂を例に説明する。

イオン交換樹脂の充填形態は、復水の水質と脱イオン水に求められる水質とを勘案して決定することができる。イオン交換樹脂の充填形態としては、陰イオン交換樹脂の単床形態、陽イオン交換樹脂の単床形態、または陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂の混床もしくは複床形態を用いることができる。特に、陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂の混床形態は、復水中のイオン性不純物である陽イオン成分及び陰イオン成分を高度に除去できるため、好ましい。

脱塩塔１の外側容器３は、容器本体３ａと、容器本体３ａに取付け可能な上蓋３ｂと、を有している。容器本体３ａ及び上蓋３ｂは圧力容器の一部をなす。このため、容器本体３ａは好ましくは円筒形状であり、上蓋３ｂは好ましくは、ボルト等の内部圧力に耐えうる手段によって、容器本体３ａに取り付けられている。上蓋３ｂは容器本体３ａに対し着脱可能（取り外し可能）に設けられているが、開閉のみが可能であるように、ヒンジなどによって取り付けられてもよい。上蓋３ｂには、着脱式の復水入口配管１１が接続されている。容器本体３ａの底面には、復水出口配管１５が接続されている。

脱塩塔１は、内部空間２にイオン交換体保持部４を有している。図３には、イオン交換体保持部の分解斜視図を、図４には、図３の破線部で示す領域のイオン交換体保持部の部分分解斜視図を示している。

イオン交換体保持部４は、イオン交換体を保持する円形のスクリーン５と、スクリーン５の下方に位置しスクリーン５を保持する、円形の第１のスクリーン保持板６と、を有している。スクリーン５の外径は容器本体３ａの内径よりわずかに小さく、従って、スクリーン５はイオン交換体保持部４の上面４ａの全面を構成している。本実施形態では、イオン交換体保持部４の上面４ａ、すなわちスクリーン５の上面５ａは水平面となっている。

スクリーン５は互いに間隔をおいて一方向に延びる複数のワイヤ部材５ｂと、ワイヤ部材５ｂと直交する方向に延び、複数のワイヤ部材５ｂを保持する複数のサポートロッド５ｃと、から構成されている。ワイヤ部材５ｂ及びサポートロッド５ｃは金属または樹脂で作成され、金属で作成されている場合は溶接等の、樹脂で作成されている場合は接着剤等の適宜の手段で、相互に固定されている。ワイヤ部材５ｂとサポートロッド５ｃは直交していなくてもよく、ワイヤ部材５ｂを固定できる限り、任意の角度で交差することができる。

ワイヤ部材５ｂの断面形状は特に限定されないが、上側に一辺が位置するように配置された三角形断面、上側に長辺が位置するように配置された台形断面などが特に好ましい。ワイヤ部材５ｂは上側の間隔が狭く、下側の間隔が広くなっているため、異物がワイヤ部材５ｂ間の隙間に捕捉されることが防止される。ワイヤ部材５ｂの断面形状としては他にも、ホームベース状の断面、円または楕円の半部に相当する断面等が挙げられる。ワイヤ部材５ｂの上面における間隔ｄは、イオン交換樹脂が流出しないように選択されるが、この間隔はイオン交換体保持部４の開口率に影響することから、必要とされる流量、圧力損失などを勘案して決定することが望ましい。

スクリーン５は上記の構成に限定されず、イオン交換樹脂を保持し復水が通過できる開口または流路を有する限り、様々な構成が利用できる。一例として、織金網、打抜金網などの金網を挙げることができる。

スクリーン５は容器本体３ａの内径にほぼ等しい外径の円板であるため、その全面に流路２２を形成することができる。図１Ａに示す従来例では、限られた数のリング状の集水管に限られた数の開口しか設けることができないため、流路の断面積がリング状の集水管の開口で制約され、集水管に大きな差圧が発生する。ろ過布を集水管に巻きつける場合はさらに大きな差圧が発生する。大きな差圧は、特に高流速で復水を供給する場合にポンプの高揚程化と動力費の増加を招く。ポンプの高揚程化はさらに、イオン交換装置を含む系統の設計圧力の増加を招き、プラント全体のコスト増加につながる。図１Ｂに示す従来例ではストレーナの配置密度に限界があるため、流路の断面積がストレーナの流路面積で制約され、同様の問題が生じる。本実施形態は流路面積の制約が小さいため、復水を高流速で処理する場合、特に有効である。

第１のスクリーン保持板６の外径はスクリーン５の外径とほぼ同じである。第１のスクリーン保持板６はスクリーン５及びイオン交換樹脂で生じる差圧荷重の他、スクリーン５の自重、イオン交換樹脂の自重も支持するため、金属で作成することが望ましい。第１のスクリーン保持板６はスクリーン５と一体形成されていてもよく、分離可能であってもよい。

第１のスクリーン保持板６は複数の開口６ａを備えている。図５には、スクリーン５を構成するワイヤ部材５ｂ及びサポートロッド５ｃと、第１のスクリーン保持板６の開口６ａとの位置関係を示している。図４，５から分かる通り、イオン交換体保持部４に保持されたイオン交換樹脂を通過した復水は、互いに隣接するワイヤ部材５ｂの間の間隙５ｄを通過し、次に、互いに隣接するサポートロッド５ｃの間の空間５ｅに入り、その後第１のスクリーン保持板６の開口６ａに流入し、下側空間２ｂに流出する。図５に示すように、互いに隣接するサポートロッド５ｃで囲まれる空間５ｅは、必ずいずれかの開口６ａと連通しており、サポートロッド５ｃで囲まれる空間５ｅに流入した復水が下側空間２ｂに排出されるようになっている。開口６ａは、図５に示すように複数の空間５ｅに跨るように位置してもいいが、一つの空間５ｅだけと連通するように位置してもよい。このように、スクリーン５及び第１のスクリーン保持板６は、イオン交換樹脂によって処理された水を下側空間２ｂへ流通させる流路２２を備えている。下側空間２ｂに排出された復水は脱塩塔１の底部に導かれ、脱塩塔１の底面の復水出口配管１５から脱塩塔１の外部に排出される。

図２を参照すると、イオン交換体保持部４は容器本体３ａの内周面に支持されているが、本実施形態では、筒状の支持体８によっても支持されている。支持体８は内部空間２に位置し、下端が外側容器３の底面に固定されている。イオン交換体保持部４はイオン交換樹脂を保持するため、大きな曲げ応力を受ける。イオン交換体保持部４の中心と外周部の中間付近でイオン交換体保持部４を支持体８によって支持することで、イオン交換樹脂とイオン交換体保持部４の自重の一部を外側容器３の底面に伝達することができる。これによって、イオン交換体保持部４を薄肉化することができる。支持体８の側面には水及び空気の流通用の開口８ａが設けられており、開口８ａの大きさは支持体８の内外を通る水及び空気の流量を考慮して決定することが望ましい。筒状の支持体８に代えて、矩形等の多角形断面の柱状体を用いてもよく、あるいは柱状の支持体を一つの円周に沿って多数設けることもできる。

イオン交換体保持部４、特にスクリーン５は異物の除去、清掃などのために定期的なメンテナンスを行うことが望ましい。イオン交換体保持部４はスクリーン５と第１のスクリーン保持板６を組み合わせた単純な構成であるため、メンテナンスが容易である。スクリーン５と第１のスクリーン保持板６を脱塩塔１から、一体にまたは個別に搬出することも容易である。

さらに、スクリーン５と第１のスクリーン保持板６の少なくともいずれかを分割可能に構成することができる。分割構造を採用することにより、メンテナンス性が向上する場合がある。図６Ａ〜６Ｅは、スクリーン５及び第１のスクリーン保持板６の分割パターンを模式的に示している。スクリーン５と第１のスクリーン保持板６は、それぞれ図６Ａ，６Ｂに示すように分割することができる。第１のスクリーン保持板６は、２つの半円形の内周部６０１ａ，６０１ｂと、リング状の外周部６０２と、に分割することができる。この際、内周部６０１ａ，６０１ｂの外縁部と外周部６０２の内縁部が支持板８に支持されるように分割することが望ましい。スクリーン５は、第１のスクリーン保持板６の２つの内周部６０１ａ，６０１ｂと同じ形状、大きさの２つの内周部５０１ａ，５０１ｂと、扇形に等分割された８つの外周部５０２ａ〜５０２ｈと、に分割することができる。スクリーン５の内周部５０１ａと第１のスクリーン保持板６の内周部６０１ａ同士、及び内周部５０１ｂと内周部６０１ｂ同士を一体化することで、メンテナンス性がさらに向上する。

さらに、スクリーン５と第１のスクリーン保持板６の少なくともいずれかは、図６Ｃに示すように、中心を通る線で同一の形状に分割してもよく、図６Ｄに示すように、複数の平行線に沿って分割してもよく、図６Ｅに示すように、同心円状に分割してもよい。分割数は限定されないが、４分割〜１８分割が望ましい。第１のスクリーン保持板６を分割する場合、第１のスクリーン保持板６を保持するためのビーム材（図示せず）を設けることが望ましい。

内部空間２には、スクリーン５の上面５ａの少なくとも一部、好ましくは全面に散水するシャワリング管１２が延びている。シャワリング管１２は、リング形状の管にスプレーノズルが一定間隔で設置された構造となっている。流量の確保が容易であること、広い散水範囲が得られることなどから、スプレーノズルは充円錐噴霧型が好ましいが、直進、扇型、空円錐、フラット噴霧型を用いることもできる。スクリーン５全面にシャワリング水を散水することによって、イオン交換樹脂を流動化させ、抜き取り後の残留イオン交換樹脂の量を低減することができる。

内部空間２にはさらに、復水入口配管１１の直下に整流板９が設けられている。整流板９は多数の開口が設けられた概ね円形の板状部材であり、復水入口配管１１から流入した復水をイオン交換樹脂充填層２１に均等に配分する。

イオン交換樹脂の再生には、イオン交換樹脂の抜き取りと充填が必要となる。イオン交換樹脂の抜き取りのため、イオン交換樹脂の抜き取り配管１３が設けられている。抜き取り配管１３は外側容器３の側壁において、イオン交換体保持部４の上面４ａ付近（イオン交換樹脂充填層２１の底部付近）に開口している。イオン交換樹脂の充填のため、イオン交換樹脂充填層２１の上方にイオン交換樹脂を充填するイオン交換樹脂充填配管１４が設けられている。

一般に樹脂の抜き取り口は樹脂充填層の最下部に設けられており、図１Ａの例では脱塩塔１０１ａの最下部に、図１Ｂの例では保持板１０４の直上の位置に設けられている（抜き取り配管１１３ａ，１１３ｂ）。しかし、樹脂は非常に細かい粒状体であり、脱塩塔内部に滞留しやすい。図１Ａの例では、樹脂はリング状の集水管１２３の周囲に滞留しやすく、図１Ｂの例ではストレーナ１３５の周囲に滞留しやすい。不純物を吸着した樹脂が樹脂充填層の最下部に滞留した場合、通水時に不純物を放出する、という不都合もある。このため、樹脂の回収効率の改善が課題となっている。

スクリーン５の上面５ａはイオン交換体保持部４の上面４ａと一致しており、従ってイオン交換体保持部４の上面４ａを構成している。イオン交換体は滑らかな面状に広がる上面で保持される。滑らかな面状に広がる上面は、その輪郭面に凹凸が存在していない。具体的には、イオン交換体保持部４は、イオン交換体を保持するスクリーン５を有し、スクリーン５の上面５ａは、イオン交換体保持部４の上面４ａの少なくとも一部を構成している。つまりスクリーン５の上面５ａは、イオン交換体保持部４の上面４ａと揃えられている。スクリーン５の上面５ａ、従ってイオン交換体保持部４の上面４ａは凹凸のない滑らかな水平面となっているため、イオン交換樹脂を抜き取る際にイオン交換樹脂の移動が遮られず、イオン交換樹脂のスムーズな排出が可能となる。イオン交換体は、イオン交換体保持部の上面を、凹凸などの障害物に邪魔されることなく移動することができ、従来よりも回収効率を高めることができる。

また、図１Ａの例では、集水管１２３は脱塩塔１０１ａの底面に沿うように３次元状に配置されているが、集水管１２３と脱塩塔１０１ａの底面の間には、集水管１２３の取付けのために、一定の空間が必要となる。樹脂はこの空間にも充填される。しかし、脱塩された水は主に集水管１２３の上方の樹脂を通って集水管１２３に流入するため、この空間に充填された樹脂は脱塩機能に十分に寄与せず、設計上は脱塩に寄与しない無効樹脂１２５ａとして扱われる。図１Ｂの例では、ストレーナ１３５は保持部１０４から突き出すように配置されている。樹脂はストレーナ１３５の側部にも充填されるが、脱塩された水は主にストレーナ１３５の上部からストレーナ１３５の内部に流入する。このため、ストレーナ１３５の側部に充填された樹脂は脱塩機能に十分に寄与せず、設計上は脱塩に寄与しない無効樹脂１２５ｂとして扱われる。このように、従来技術のいずれの構成においても、無効樹脂が生じており、運転コストの面から改善が求められている。

本実施形態では、スクリーン５の上面５ａがイオン交換体保持部４の上面４ａと揃えられていることから、無効なイオン交換体の量を低減しイオン交換体の利用効率を高めることができる。

イオン交換体保持部４の上面は、図２に破線で示すように下側に湾曲した凹状面（上面４ｂ）、すなわち椀状の形状を有していてもよい。この場合、イオン交換樹脂の抜き取り配管１３’は凹状面の最下部に接続され、イオン交換体保持部４を貫通して脱塩塔１の外部まで延びることができる。スクリーン５及び第１のスクリーン保持板６は共に、下側に湾曲したほぼ同一の椀状の形状に形成される。椀状の形状に形成することで曲げ応力が低減するため、支持体８を省略できる場合がある。勿論、支持体８を設けることもできる。イオン交換体保持部４の上面４ｂは凹凸のない滑らかな凹状面となっているため、イオン交換樹脂を抜き取る際にイオン交換樹脂の移動が遮られず、しかも、凹状面の最下部にイオン交換樹脂の抜き取り配管１３’が設けられるので、イオン交換樹脂が一層スムーズに排出される。

図７は、イオン交換体保持部４の断面図を示している。第１のスクリーン保持板６には複数の管１７が取り付けられている。管１７は第１のスクリーン保持板６に溶接等によって固定されていてもよく、第１のスクリーン保持板６に取り外し可能に取り付けられていてもよい。図８は、イオン交換体保持部４（第１のスクリーン保持板６）の下面図であり、開口６ａの図示は省略している。下側空間２ｂには、外側容器３の外部から供給された空気をスクリーン５の複数の位置、具体的には複数の管１７に分配する配管１８が設けられている。配管１８は空気供給源（図示せず）に接続された主管１８ａと、主管１８ａから分岐した複数の枝管１８ｂと、からなる空気供給手段である。全ての管１７は主管１８ａまたはいずれかの枝管１８ｂに接続され、空気供給源の空気が供給される。主管１８ａには弁１８ｃが設けられており、復水の処理時には弁１８ｃが閉止し、処理された復水の空気供給源への流入が防止される。配管の構成はこれに限定されず、径の異なるリング状の配管を同心円状に配置し、これらを互いに接続する構成でもよい。管１７は開口６ａに接続されてもよく、この場合、管１７は復水の通水時には復水の流路として機能し、空気供給時には空気供給手段として機能する。

イオン交換樹脂の排出時には弁１８ｃが開放され、スクリーン５の複数の位置、すなわち複数の管１７に上向きの空気流が供給される。空気は管１７、互いに隣接するサポートロッド５ｃの間の空間５ｅ、互いに隣接するワイヤ部材５ｂの間の開口５ｄ（図７には図示せず）を流通する。空気は開口５ｄを通り、スクリーン５の上面５ａから上昇流となって、スクリーン５の複数の位置から排出される。スクリーン５のワイヤ部材５ｂは極めて多数設けられているため、スクリーン５の上面５ａのほぼ全面から均一に空気流が排出される。これによって、イオン交換樹脂はスクリーン５の上面５ａから持ち上げられ、上方から供給されるシャワリング水と協働して、イオン交換樹脂をスムーズに移動させ、脱塩塔１の外部に排出する。

図１Ａに示す従来の構成の場合も、リング管を空気供給源として用いることが可能である。しかし、空気の流出位置がリング管に限られているため、空気をイオン交換樹脂に対して均一に供給することは困難である。図１Ｂに示す従来の構成の場合は、比較的均一に空気を供給できるが、保持板１０４とイオン交換樹脂の接触面に直接空気を供給できないことから、最下層のイオン交換樹脂を十分に流動化させることができない。本実施形態は、最下層のイオン交換樹脂に対しより均一に空気を供給することができる。

上述した空気供給手段は、イオン交換樹脂の逆洗にも利用できる。逆洗は、イオン交換樹脂が水中にある状態で、イオン交換体保持部４の下方から上向きの空気を供給する操作である。供給された空気は、イオン交換体保持部４を通過する際に気泡となって、イオン交換樹脂充填層２１内を上昇する。この際、気泡の上昇流により、イオン交換樹脂のエアスクラビング洗浄が行われ、イオン交換樹脂の表面の付着物が剥離される。

図９は、空気供給手段の他の例を示している。外側容器３の側面（底面でもよい）に、下側空間２ｂに開口する空気供給ノズル１６が設けられている。イオン交換体保持部４の第１のスクリーン保持板６には、下側空間２ｂに延びる複数の管２７が取り付けられている。これらの管２７も、上述の実施形態と同様、第１のスクリーン保持板６に溶接等によって固定されていてもよく、第１のスクリーン保持板６に取り外し可能に取り付けられていてもよい。管２７は図７，８に示す管１７とほぼ同じ構成であるが、各々の管２７の側面の一部には開口２７ａが設けられている。空気供給ノズル１６から供給された空気は第１のスクリーン保持板６の下面付近に滞留し、開口２７ａの圧力損失に応じた空気層が形成され、空気が開口２７ａから管２７の内部に流入する（図９の矢印参照）。特に空気供給ノズル１６が外側容器３の側面に開口する場合は、空気供給ノズル１６から供給された空気が特定の管２７だけに集中して流入しないように、管２７の下端は空気供給ノズル１６の下端より下方に位置することが望ましい。

イオン交換樹脂の排出時には空気供給ノズル１６から下側空間２ｂに空気が供給される。下側空間２ｂは残留水、シャワリング水等の水で満たされており、供給された空気は第１のスクリーン保持板６の下面６ｂ付近に滞留する。空気流量を適切に選択することによって、第１のスクリーン保持板６の下面６ｂのほぼ全面と接するように空気層２２が形成される。空気層２２の空気は各管２７の開口２７ａを通して管２７の内部に流入し、前述の実施形態と同じ経路を辿って、スクリーン５の上面５ａから上昇流となって排出される。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る脱塩塔の、イオン交換体保持部の斜視図である。図１１は、イオン交換体保持部の部分断面図である。本実施形態では、イオン交換体保持部３４は、複数の互いに離隔して配置されたスクリーン３５を有している。各スクリーン３５は第１の実施形態と同様のワイヤ部材３５ｂとサポートロッド３５ｃからなり、全体が円形に形成されている。スクリーン３５は皿状のスクリーン受け部材３５ｄに保持され、スクリーン受け部材３５ｄの底面中央は開口３５ｅとなっている。この開口３５ｅには前述した管１７または２７と同様の構成の管３７が接続されている。管３７はスクリーン受け部材３５ｄに溶接等によって固定されていてもよく、スクリーン受け部材３５ｄに取り外し可能に取り付けられていてもよい。管３７は復水の流路と空気の供給路を兼ねる構成とすることが望ましい。

イオン交換体保持部３４はさらに、第２のスクリーン保持板３６を有している。第２のスクリーン保持板３６は第１のスクリーン保持板６と同様の円形部材であり、スクリーン受け部材３５ｄを挿入可能な複数の開口３６ａを備えている。スクリーン３５の取り付けられたスクリーン受け部材３５ｄを開口３６ａに挿入したときに、スクリーン３５の上面３５ａは、第２のスクリーン保持板３６の上面３６ａと一致する。このように、複数のスクリーン３５は対応する複数の開口３６ａによって保持され、各スクリーン３５は、スクリーン３５の上面３５ａがイオン交換体保持部３４の上面３４ａの一部を構成するように、第２のスクリーン保持板３６の上面３６ａと揃えられている。本実施形態は、図１Ｂに示す従来構成の改良された構成として好適に適用することができる。

本実施例でも、第２のスクリーン保持板３６を下側に湾曲した椀状の形状とすることができる。その場合、第２のスクリーン保持板３６の上面３６ａが滑らかな曲面となるように、スクリーン３５は第２のスクリーン保持板３６の上面３６ａに沿って、斜めに取り付けることが望ましい。

本実施形態においても、図７〜９を参照して説明した空気供給手段を設けることができる。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る脱塩塔４１の部分断面図である。本実施形態の脱塩塔４１は、内部空間の一部にフィルター部を有する復水脱塩塔である。具体的には、脱塩塔４１の内部空間は内壁４２によって、半径方向に内周部と外周部に仕切られ、内周部がろ過材５０が配置されフィルター部を構成するろ過室４３、外周部が脱塩部を構成する脱塩室４４になっている。以下に述べる実施形態では、イオン交換樹脂によって処理される前の水がフィルター部を通るが、イオン交換樹脂によって処理された水がフィルター部を通るようにすることもできる。

内壁４２は本実施形態では概ね円筒形状であり、外側容器４５と同心円状に設けられている。内壁４２は外側容器４５の底面まで上下方向に延びており、脱塩室４４の下部は、イオン交換樹脂が充填されるイオン交換樹脂充填層４６となっている。内壁４２は、下端が全周で外側容器４５の底部に達しており、内壁４２の外側と内側とが完全に仕切られている。これに対し、内壁４２の上端は内部空間で終端している。このため、ろ過室４３と脱塩室４４は、内壁４２の上方に位置する外側容器４５の上部空間４７を介して連通している。

内壁４２は外側容器４５と比べ、薄肉の構造物とすることができる。これは、本実施形態では、ろ過室４３が内壁４２を介して、脱塩室４４の内側に配置されているため、内壁４２には事実上、ろ過室４３及び脱塩室４４で発生する圧力損失に相当する差圧しか掛らないためである。このため、内壁４２の物量を減らし、復水脱塩塔の設備コストの低減が可能となる。

内壁４２はわずかな差圧しか掛らないため、形状の自由度が高く、必要に応じて三角断面、四角断面、六角断面、八角断面などの多角形断面形状を採用することが容易である。ただし、差圧に対する耐圧性の確保や、後述するイオン交換樹脂のフラッシング水流をスムーズに生じさせる観点からは、内壁４２は円筒形またはこれに近い多角形断面形状であることが好ましい。

内壁４２の上端には仕切板４８が支持されている。仕切板４８は、内壁４２の内側空間を覆ってろ過室４３の頂面を画定する。内壁４２の下部部分にはろ過室４３の底部を画定する分散板４９が固定されている。分散板４９は、例えばろ過材５０と等しい数の貫通孔４９ａが設けられた、円形の部材である。分散板４９の下方は外側容器４５の底部の中央領域となっており、復水が供給される入口配管５１に接続された入口ノズル５２が設けられている。ろ過材５０としては、中空糸膜モジュールが特に好適に用いられる。復水は入口ノズル５２から外側容器４５の内部に流入し、中空糸膜を透過し中空糸膜の内部（中空孔）に至る。復水はさらに、各中空糸膜の上端面から流出口を通って上部空間４７に流出する。

外側容器４５の側壁と内壁４２の外側面との間には、脱塩室４４と同一の断面を有するリング状のイオン交換体保持部５３が設けられている。イオン交換体保持部５３は、外縁が外側容器４５の側壁に沿って、内縁が内壁４２に沿って、周方向に連続的に延びている。イオン交換体保持部５３の内側縁部は、内壁４２の下部部分に溶接等で固定されている。イオン交換体保持部５３は脱塩室４４の底面を画定するとともに、その上面でイオン交換樹脂を保持し、イオン交換樹脂充填層４６を形成する。イオン交換体保持部５３の下方は外側容器４５の底部の外周領域となっており、出口配管６２に接続された出口ノズル６４が設けられている。

イオン交換体保持部５３は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の構成とすることができる。前者の場合、リング状のイオン交換体保持板の上にリング状のスクリーンが設置される。この場合、イオン交換体保持部５３のメンテナンスを容易とするため、スクリーンは分割構造とすることが望ましく、リング状のスクリーンを同一形状の扇形に分割することが特に好ましい。後者の場合、多数の開口が設けられたリング状のイオン交換体保持板に、開口を介して多数の円形のスクリーンが設置される。この場合、イオン交換体保持部５３のメンテナンスを容易とするため、スクリーンの設置されたリング状のイオン交換体保持板を同一形状の扇形に分割することが特に好ましい。

本実施形態においても、前述の空気供給手段を同様に設けることができる。図１２に示す実施形態では、外側容器４５の側壁には、イオン交換樹脂の抜き取り及び逆洗の際にイオン交換体保持部５３の下方空間に空気を供給する空気供給ノズル５７が設けられており、イオン交換体保持部５３は管２７と同様の管５８を備えている。

外側容器４５の側壁と内壁４２の外側面との間の、イオン交換体保持部５３の上方には、脱塩室４４の頂面を画定する整流板５４が設けられている。整流板５４は外側容器４５の側壁と内壁４２との間を、外縁が外側容器４５の側壁に沿って、内縁が内壁４２に沿って、周方向に連続的に延びる、イオン交換体保持部５３と同様のリング状の構造物である。整流板５４は仕切板４８よりも若干下方に設けられている。このため、ろ過室４３を出た復水は、仕切板４８の流出口から流出した後、仕切板４８の外側に位置する整流板５４にオーバーフローする。整流板５４に流れ込んだ復水は、整流板５４の上面に分散して一時的に滞留し、液面がほぼ均一化される。整流板５４には複数の開口が設けられており、整流板５４の上面に一時的に滞留した復水は、各開口から脱塩室４４に向けてほぼ均等な量で落下する。

イオン交換樹脂の抜き取りのため、イオン交換樹脂の抜き取り配管６１が設けられている。抜き取り配管６１はイオン交換体保持部５３の上面に開口し、下方へ延びている。抜き取り配管６１の代わりに、外側容器４５の側壁において、イオン交換体保持部５３の上面付近（イオン交換樹脂充填層４６の底部付近）に開口する抜き取り配管６１’を設けてもよい。この場合、イオン交換体保持部５３の上方には、外側容器４５の側壁に開口するフラッシングノズル５６を設けることが望ましい。フラッシングノズル５６は、イオン交換樹脂の抜き取り時に外側容器４５の側壁側から水平方向に送出され、イオン交換樹脂をイオン交換体保持部５３の上面に沿って周方向に押し流す水流を供給する。脱塩室の上部には、第１の実施形態と同様のシャワリング管６３が設けられている。

イオン交換樹脂の充填のため、整流板５４の下方で、イオン交換樹脂充填層４６の上方にはイオン交換樹脂を充填するイオン交換樹脂充填配管５５が設けられている。イオン交換樹脂充填配管５５は脱塩室４４の上部位置に開口している。イオン交換樹脂をできるだけ平坦に充填するため、樹脂面平坦化ノズル５９を備えることもできる。図１２に破線で示すように、樹脂面平坦化ノズル５９は、脱塩室４４の側方位置で外側容器４５に開口しており、概ね水平方向に空気流を供給する。

外側容器４５の側壁には、ろ過室４３の下方空間と接続された空気供給配管６５と、ろ過室４３の上部と接続された空気排出配管６０と、が設けられている。空気供給配管６５及び空気排出配管６０はろ過材５０の逆洗時に、ろ過室４３に空気を流通させる。

イオン交換体保持部５３の上面は図１３に示すように、イオン交換樹脂の抜き取り配管６１に向かって下向きに傾斜していてもよい。イオン交換体保持部５３の上面が凹凸のない滑らかな面であり、重力の効果も生じるため、イオン交換樹脂の回収が容易となる。傾斜したイオン交換体保持部は第１及び第２の実施形態でも採用することができる。

本発明を復水処理システムの脱塩塔を例に説明したが、本発明は前述のように再生塔にも適用することができる。再生塔の基本的な構成は図２に示す脱塩塔と同様である。再生塔の内部には脱塩塔から回収された使用済みのイオン交換樹脂が充填され、復水の代わりに酸またはアルカリの薬剤が注入され、イオン交換の原理によって、使用済みのイオン交換樹脂が再生される。再生塔は脱塩塔に設けられているのと同様のイオン交換体保持部を備えており、上述したのと同様の構成をとることができる。

特に、再生塔ではアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を一緒に塔内に供給し、両者を比重比を利用して分離することがある。この際、イオン交換体保持部の下方から空気流を供給し、逆洗と同様の操作を行う場合がある。本発明によれば、空気流をイオン交換樹脂に均一に供給することができるため、分離効率が向上する。

さらに、本発明は発電設備の復水処理システムだけでなく、水処理用のイオン交換装置全般に適用することができる。

本発明において、イオン交換体保持部の上面は水平面または下方に突き出す湾曲した凹状面であることが好ましいが、例えば、図１４Ａ〜１４Ｈのように多少の段差を有していてもかまわない。これらの図はイオン交換体保持部の概略断面図を示しており、ハッチングで示した部位がスクリーン４として構成されている。図１４Ａでは中央部が上方に突き出しており、凸部の上面がスクリーンとなっている。図１４Ｂでは中央部が下方に突き出しており、凹部の上面がスクリーンとなっている。図１４Ｃでは中央部が上方に突き出しており、凸部の上面及び側面がスクリーンとなっている。図１４Ｄでは中央部が下方に突き出しており、凹部の上面及び側面がスクリーンとなっている。図１４Ｅでは中央部が上方に突き出しており、上面全域がスクリーンとなっている。図１４Ｆでは中央部が下方に突き出しており、上面全域がスクリーンとなっている。図１４Ｇでは中央部が上方に突き出しており、上面全域及び側面がスクリーンとなっている。図１４Ｈでは中央部が下方に突き出しており、上面全域及び側面がスクリーンとなっている。

イオン交換体保持部の上面は、図１４Ｉ〜１４Ｌのように曲面となっていてもかまわない。図１４Ｉでは、中央部が上方に突き出しており、上面全域がスクリーンとなっている。図１４Ｊでは中央部が下方に突き出しており、上面全域がスクリーンとなっている。図１４Ｋでは、中央部が上方に突き出しており、中央の凸部の上面がスクリーンとなっている。図１４Ｌでは中央部が下方に突き出しており、中央の凹部の上面がスクリーンとなっている。

イオン交換体保持部の上面は、図１４Ｍ〜１４Ｔのように円錐形または円錐台形となっていてもかまわない。図１４Ｍでは、円錐の中央部が上方に突き出しており、中央の凸部の上面がスクリーンとなっている。図１４Ｎでは、円錐の中央部が下方に突き出しており、中央の凹部の上面がスクリーンとなっている。図１４Ｏでは、円錐の中央部が上方に突き出しており、上面全域がスクリーンとなっている。図１４Ｐでは、円錐の中央部が下方に突き出しており、上面全域がスクリーンとなっている。図１４Ｑでは、円錐台の中央部が上方に突き出しており、中央の凸部の上面がスクリーンとなっている。図１４Ｒでは、円錐台の中央部が下方に突き出しており、中央の凹部の上面がスクリーンとなっている。図１４Ｓでは、円錐台の中央部が上方に突き出しており、上面全域がスクリーンとなっている。図１４Ｔでは、円錐台の中央部が下方に突き出しており、上面全域がスクリーンとなっている。

これらの各図１４Ａ〜１４Ｔにおいて、イオン交換体保持部の回収効率を高め、無効なイオン交換体の量を低減するため、高低差ｈはできるだけ小さいことが望ましく、具体的にはイオン交換体保持部の厚さの２倍以下であることが好ましい。

１脱塩塔
２内部空間
３外側容器
４，３４イオン交換体保持部
４ａ，３４ａイオン交換体保持部の上面
５，３５スクリーン
５ａ，３５ａスクリーンの上面
５ｂ，３５ｂワイヤ部材
５ｃ，３５ｃサポートロッド
６第１のスクリーン保持板
８支持体
２１イオン交換樹脂充填層
３６第２のスクリーン保持板
３６ａ第２のスクリーン保持の上面
３７管

Claims

内部空間を有する外側容器と、
前記内部空間の少なくとも一部を上側空間と下側空間とに仕切り、前記上側空間に充填されるようにされたイオン交換体を保持することが可能なイオン交換体保持部と、
を有し、
前記イオン交換体保持部は、上面の少なくとも一部において、前記イオン交換体を保持するとともに前記イオン交換体によって処理された水を前記上面から下方へ流通させる流路を備えたスクリーンと、前記スクリーンを保持するとともに前記スクリーンを流通した水を前記下側空間へ流通させる複数の開口を備えたスクリーン保持板と、を有し、
前記スクリーンは、互いに間隔をおいて一方向に延びる複数のワイヤ部材と、前記ワイヤ部材と前記スクリーン保持板との間に設けられ、前記ワイヤ部材と交差する方向に延び、前記複数のワイヤ部材を保持するとともに、前記ワイヤ部材と前記スクリーン保持板との間に複数の空間を形成する複数のサポートロッドと、で構成されており、
前記下側空間から前記スクリーン保持板の前記複数の開口を通して前記スクリーンに上向きの空気流を供給する空気供給手段をさらに有する、イオン交換装置。
前記空気供給手段は一端が前記開口に取り付けられ、前記開口の下方に位置する他端に向けて延びる管と、前記外側容器の側面で、前記他端よりも高い位置に取り付けられ、前記下側空間に空気を導入する空気供給ノズルと、を有する、請求項１に記載のイオン交換装置。
前記管は、側面に開口を有する、請求項２に記載のイオン交換装置。
前記イオン交換体保持部の前記上面に前記イオン交換体の抜き取り口を有し、前記イオン交換体保持部の前記上面は前記抜き取り口に向かって下向きに傾斜している、請求項１から３のいずれか１項に記載のイオン交換装置。
前記イオン交換体保持部は、前記イオン交換体保持部の前記上面の全面を構成する前記スクリーンと、前記スクリーンを保持する前記スクリーン保持板と、を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のイオン交換装置。
前記スクリーンの前記上面に散水する手段を有している、請求項１から５のいずれか１項に記載のイオン交換装置。
前記内部空間は、内壁により半径方向に内周部と外周部に仕切られ、前記内周部はろ過材が配置されフィルター部を構成するろ過室であり、前記外周部は脱塩部を構成する脱塩室であり、前記イオン交換体保持部は前記脱塩室に設けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載のイオン交換装置。
発電設備の復水の処理に用いられる、請求項１から７のいずれか１項に記載のイオン交換装置。
発電設備の復水の処理に用いたイオン交換体の再生に用いられる、請求項１から７のいずれか１項に記載のイオン交換装置。