JP5817081B2

JP5817081B2 - 溶存酸素除去装置

Info

Publication number: JP5817081B2
Application number: JP2013273821A
Authority: JP
Inventors: 直漆間; 明生其田; 桂子其田
Original assignee: 株式会社ゼックフィールド
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: JP2015116555A

Description

本発明は、水中、又は海水中の溶存酸素を除去する装置に関する。とくに水と海水中に溶存する酸素を窒素ガスのナノバブルによって置換・除去することで、
窒素置換式脱酸素装置、および窒素置換式脱酸素方法に関する。より詳しくは、ボイラ用水、冷却用循環水、飲料水、産業用海水などに適用可能な窒素置換式脱酸素装置、および窒素置換式脱酸素方法に関する。
水中の溶存酸素等を窒素等の不活性ガスと置換することで除去するストリッピング技術による気液接触方法、及びそれを応用した水の脱酸素方法に関する。原水に含有される溶存酸素を除去するための溶存酸素除去装置に関する。

ボイラ用水、冷却用循環水、飲料水、産業用海水などの水処理分野においては、水中の溶存酸素によって、ボイラや附帯装置、蒸気配管、蒸気使用機器、ドレン（凝縮水）回収配管、冷熱機器などに腐食が生じ、装置の故障や重大な事故の発生など、大きな問題を生じさせる可能性がある。このような問題を防止するために、ボイラ用水、冷却用循環水、飲料水などの水処理分野においては、水中の溶存酸素を除去するために、脱酸素装置を用いたり、ボイラ給水中に脱酸素剤を注入したりする対策が講じられている。

脱酸素装置としては、一般に、膜式脱酸素装置、真空式脱酸素装置、窒素置換式脱酸素装置などが知られている。前記膜式脱酸素装置は、特定の高分子膜を利用することにより、被処理水に含まれる溶存酸素を低減させる装置である。また、前記真空式脱酸素装置は、被処理水を処理槽内の上部から下部へ向かって散布し、前記処理槽内を真空吸引することにより、被処理水に含まれる溶存酸素を低減させる装置である。

さらに、前記窒素置換式脱酸素装置は、被処理水に窒素ガスを供給し、被処理水に含まれる溶存酸素を窒素と置換して低減させる装置である。近年この窒素置換式脱酸素装置に関する技術開発が進められている。

原水タンク内の原水を供給ポンプにて送出する原水供給系に接続され、窒素ガス源からガス供給系を経て供給される窒素ガスを、原水供給系を経て供給される原水に接触させることにより、原水中の酸素を除去する脱酸素装置本体と、脱酸素装置本体で脱酸素処理を終えた処理水を原水消費部へ供給するべく、その処理水を処理水ポンプによって給水系内の給水ポンプより上流側に供給する処理水供給系と、給水系へ供給する処理水の水量を原水消費部における原水の使用量より多くして、処理水の一部を給水系内の処理水合流点より上流側を通して原水タンクへ戻すと共に、処理水の原水タンクへの戻り量が所定範囲内に維持されるように前記処理水ポンプの能力を制御する制御部とを具備することにより、処理水の消費側に過不足のない処理水が供給でき、設備運転コストを安く抑えることができる経済性に優れた窒素式脱酸素装置が開示されている（特許文献１参照）。

また、送水管内に窒素ガスを注入する窒素注入手段と、窒素ガスが注入された水を乱流混合するスタティックミキサーと、乱流混合された水を気液分離する気液分離手段とを備えることで、省エネルギー化が可能で脱酸素効率にも優れた脱酸素装置が開示されている（特許文献２参照）。

更に、垂直に立ち上がった脱酸素塔にて、上方から下方に向かう被処理水と、下方から供給されて上方に向かう窒素を対向接触させ、塔の下部から脱酸素水をタンクに供給し、塔の上部から酸素を含んだ窒素ガスを排出する脱酸素装置が提案されている。この脱酸素装置では、タンク内の水を循環処理するとともに、補給水が脱酸素塔の入口に供給される装置構成となっており、給水タンクに大がかりな補強をしなくても、脱酸素塔から直接給水タンクに脱酸素水を供給することができるように工夫されている(特許文献３参照)。

窒素置換式脱酸素装置の小型化を実現でき、かつ、効率的に安定した脱酸素水を得ることができる新規な技術を提供するために、水中の溶存酸素を窒素と置換することにより、水中の溶存酸素を低減する脱酸素装置であって、被処理水に窒素ガスを注入する窒素ガス注入部と、前記窒素ガスが注入された被処理水を通水する蛇腹状通水管と、を少なくとも備える窒素置換式脱酸素装置を提供する。窒素置換式脱酸素装置によれば、蛇腹状の通水管を用いることで、極めて省スペースな装置にも関わらず、効率的かつ安定した脱酸素水を得ることができることが提案されている（特許文献４参照）。

また一般産業用において実用的であると考えられる窒素置換−多段接触法において、３段以上の多段処理を行っても、窒素消費量があまり減少せず、窒素消費量の削減に限界がある。この気液接触方法は、溶存気体の過飽和を各段において、完全に解消することができるので、３段以上の多段処理においても理論効率に近い窒素消費量に抑制できることが提案されている（特許文献５参照）。

さらに原水に含有される溶存酸素を効率的に除去することのできる窒素置換方式の溶存酸素除去装置を提供するために、溶存酸素除去装置を、窒素ガスを発生するための窒素ガス発生手段と、原水を加圧状態のまま窒素ガスと混合するための第一気液混合槽と、第一気液混合槽で得られた気液混合水を減圧して気液分離するための第一気液分離槽と、第一気液分離槽で気液分離された処理水を加圧して移送するための第一ポンプと、第一ポンプで移送される処理水を窒素ガスと混合するための第二気液混合槽と、第二気液混合槽で得られた気液混合水を減圧して気液分離するための第二気液分離槽と、を備えたものが提案されている（特許文献６参照）。

環境、人体に優しい還元電位水の省エネ製造で、中和工程を省き量産するために中性水である水道水に水素ガスを高効率で溶存させる混合製法で大変高い還元電位の水素の豊富な水を生成することが可能な溶存水素還元水製造装置の提供を目的として、溶存水素還元水製造装置は、１ｍｍ〜６ｍｍ径の貫通穴を設けたオリフィス板を一枚または複数枚をスペーサーリングと交互に組付けた気液混合装置が提案されている（特許文献７参照）。

以上のように、窒素置換式脱酸素装置に関する技術開発は発展の途をたどっているが、装置が大型化するという課題があった。装置構成が複雑であり、装置の高さが高くなるという課題があった。また、既設のタンクに後付けで設置する場合には、設置が煩雑であり、適用が制限されるという課題があった。また、装置の大型化以外でも、タンクに供給された脱酸素水が水面で外気と接触することにより、外気中の酸素が再び溶解し、溶存酸素濃度が上昇してしまうという課題も生じている。

特開２００９−２７９４６６号公報特開２００１−１２９３０４号公報特開２０１０−７８６６号公報特開２０１１−２３００３１号公報特開２０１３−１３８４７号公報特開２００８−２６４６８６号公報特開２００７−３３０９５８号公報

上述のように、窒素置換式脱酸素装置に関する技術開発は進められているが、装置の大型化の問題、装置の構成によっては溶存酸素濃度が上昇してしまうという課題など、まだまだ解決すべき課題を抱えているのが実情である。

そこで、窒素置換式脱酸素装置の小型化を実現でき、かつ、効率的に安定した脱酸素した海水、又は水を得ることができる新規な技術を提供することを主な目的とする。

脱酸素方法を検討した場合に、清浄な水質である場合には、処理効率、部分負荷での運用、窒素等の置換ガスが不要なことを考慮すると膜脱気装置が有利である。しかし、一般産業用で用いられる水質では海水、又は水に含まれる様々な不純物により膜の性能が劣化したり、温水では使用できないなどの制約があり、普及は極めて限定的である。

従って、一般産業用レベルの脱酸素プロセスにおいては、産業に使用される海水のガスストリッピング技術を応用した窒素置換による多段接触法が有利である。このガス置換の多段接触法の置換ガス量減少に伴う処理効率の悪化と、それを改善しながら装置をコンパクト化し、安価で高性能なガスストリッピング装置を提供することにある。

水中、又は海水中の溶存酸素を除去することにおいて、窒素ガスを水中でナノバブル状態に流通させて、水中の溶存酸素を窒素と置換することにより、水中の溶存酸素を低減・除去する脱酸素装置であって、被処理水に窒素ガスを注入する窒素ガス注入部と、前記窒素ガスが注入された被処理水を通水する平面を有するプレートに複数個の穴を配列し、その穴の配列方向にプレート上面部溝とプレート下面部溝を持ちその上・下溝部が穴内部にて交差するよう設置し、また穴を配したプレートが干渉しないようプレート平板を上下に挟みユニットを上下に集積した複数枚積層体とし、被処理水を前記積層体に通水してナノバブル状態に微細化させることを特徴とする溶存酸素除去装置である。

プレートは、厚さ３〜２０ｍｍで、プレート内数１０個〜１０００個の連携配列した穴と溝部とからなっており、穴の径は２〜５０ｍｍであって、穴の形状は、円形あるいは多角形であって、窒素ガスと海水又は水との供給用の溝部噴流によるベンチュリー効果で効率よく海水又は水と窒素ガスとを、穴の内部にむかってプレート上面部溝とプレート下面部溝が穴内部で交差して通過できるようにしている。

窒素ガスと海水又は水との供給用の溝部噴流によるベンチュリー効果で効率よく海水又は水とをナノバブル状態に微細化させるために、プレートは、厚さ３〜２０ｍｍで、プレート内数１０個〜１０００個の連携配列した穴と溝部とからなっており、穴の径は２〜５０ｍｍであって、穴の形状は、円形、あるいは多角形であって、穴の内部にむかってプレート上面部溝とプレート下面部溝が穴内部で交差し通過できるようにし、プレート上・下面部における溝部の幅を０．５〜５ｍｍ、深さ０．５〜１０ｍｍにして、穴配列の角度を１〜１７９°の範囲内にしている。

加圧ポンプ吸入側から取り入れられた海水又は真水の被処理水と窒素ガスを吸入側より混合させ、該気液混合液を加圧ポンプにより圧送し溝と穴を持つプレートである仕切りプレートのセットユニットを２〜１００枚を組み立てたプレートユニット積層への流水入口側に、５０〜１０００Ｌ／分の流速で、ナノバブル状に微細化するために、混合容器内部に配したプレート内の穴を経由し溝部により噴射し、効率よくキャビテーションを発生させる。

混合容器内部に収納されるプレートユニットは、材質として腐食性に強い樹脂製、又は金属合金製で、溝、穴部を持つプレートと仕切りプレートとのユニットを２〜１００枚積層体として使用される。

本発明に係る窒素置換式脱酸素方法は、水中の溶存酸素を窒素と置換することにより、水中の溶存酸素を低減する脱酸素方法であって、窒素ガス注入工程と、通水工程と、を行う方法である。また、必要に応じて、流量調整工程などを行うことも可能である。以下、各工程について詳細に説明する。

（１）窒素ガス注入工程
窒素ガス注入工程は、被処理水に窒素ガスを注入する工程である。窒素ガス注入工程で行う窒素ガスの注入方法は特に限定されず、窒素置換式脱酸素技術分野において通常用いられるあらゆる方法を自由に選択して用いることができる。例えば、被処理水の循環ラインに圧入することにより窒素ガスを注入する方法、エゼクターなどを用いて吸入させる方法、また、ポンプの吸入側は負圧により効率的な注入など窒素ガスを注入する方法などを挙げることができる。

窒素ガス注入工程において注入する窒素ガスの注入量は、被処理水の溶存酸素濃度や目的に応じて自由に設定することができる。本発明においては、処理水中の溶存酸素をより低下させるためには、通水量１ｍ^３あたり０．００５Ｎｍ^３〜１Ｎｍ^３で窒素ガスを注入することが好ましい。

（２）通水工程
通水工程は、窒素ガス注入工程を経た後の被処理水を、加圧ポンプで加圧し該プレートに通水する工程である。窒素ガス注入工程にて窒素ガスが注入された被処理水が、この通水工程で窒素ガスがナノ化し、被処理水中の溶存酸素の窒素との置換が行われる。

通水工程において被処理水の流速は、特に限定されず、本発明の目的を損なわない限り、自由に設定することができる。本発明では特に、水流を０．３〜８ｍ／ｓに調整するのが好ましく、更に好ましくは０．５〜５ｍ/ｓに調整するのがより好ましい。０．３ｍ／ｓ以上とすることにより溶存酸素と窒素との置換が効率的となる。また、５ｍ／ｓ以下とすることにより圧力損失を抑制することができる。

被処理水の流速は、後述する流量調整工程で調整することも可能であるが、処理水量に応じて管の径を選定することで調整することも可能である。

（３）流量調整工程
流量調整工程は、通水工程における流量を調整する工程である。この流量調整工程では、流量調整と合わせて圧力調整をすることも可能である。この流量調整工程は、本発明に係る窒素置換式脱酸素方法では必須ではないが、より効率的に溶存酸素と窒素との置換を行うためには、流量調整工程を行って、所定の流量および圧力に調整することが好ましい。

本発明に係る窒素置換式脱酸素方法において、流量調整工程を行う順番は特に限定されず、通水工程における流量を調整することができれば、窒素置換式脱酸素方法の他の工程と自由な順番で行うことが可能である。本発明では特に、前記窒素ガス注入工程を行った後に行うことが好ましい。前記窒素ガス注入工程を行った後に流量調整工程を行うことで、処理水中の溶存酸素をより低下させることが可能となるからである。例えば、前記窒素ガス注入工程を行った直後に流量調整工程を行う方法、前記通水工程を行った後に流量調整工程を行う方法、前記通水工程と流量調整工程とを同時に行う方法など、いずれの方法を用いることも可能である。

流量調整工程では、調整する流速および圧力は、目的に応じて適宜決定することができる。本発明においては、流速としては、プレート溝に対して０．３〜５ｍ／ｓに調整するのが好ましく、更に好ましくは０．５〜５ｍ/ｓに調整するのがより好ましい。圧力としては、プレート入口直近の圧力が０．０５〜０．６ＭＰａとなるように調整するのが好ましい。

本発明によれば、穴を持つプレートの溝部を用いることで、極めて省スペースな装置にも拘わらず、効率的かつ安定した脱酸素水を得ることができる。窒素置換式脱酸素装置に関する技術開発は進められているが、装置の大型化の問題、装置の構成によっては海水等の水に含有されている酸素での溶存酸素濃度が減少できた。

脱酸素方法を検討した場合に、清浄な水質に近いものである場合には、処理効率、部分負荷での運用、窒素等の置換ガスが不要なことを考慮すると膜脱気装置で有利である。しかし、一般産業用で用いられる水質では海水、又は水に含まれる様々な不純物により膜の性能が劣化したり、温水では使用できないなどの制約があり、普及は極めて限定的である。

溶存酸素除去装置における概略図溶存酸素除去装置で使用されるナノバブル発生におけるプレートの形状図Ａ：上面図Ｂ：下面図Ｃ：正面図Ｄ：平面図溶存酸素除去装置に使用されているプレート穴配列Ａ：配列と角度図Ｂ：プレート穴断面図溶存酸素除去装置に使用されているプレートの穴と溝の詳細図溶存酸素除去装置に使用されているプレート穴流体状況図Ａ：平面図Ｂ：穴流体状況断面図溶存酸素除去装置に使用されているプレートユニット図Ａ：ユニット図Ｂ：ユニット積層図溶存酸素除去装置に使用されている積層ユニット角型収納図Ａ：正面図Ｂ：概略図溶存酸素除去装置に使用されている積層ユニット円型収納図Ａ：正面図Ｂ：概略図溶存酸素除去装置における実施装置図

本発明に係る窒素置換式脱酸素方法は、水中の溶存酸素を窒素と置換することにより、水中の溶存酸素を低減する脱酸素方法であって、窒素ガス注入工程と、通水工程と、流量調整工程などを行うことも可能である。具体的に実施した例を以下に示す。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明するとともに、本発明の効果を検証した。なお、以下に説明する実施例は、本発明の代表的な実施例の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。

上記の溶存酸素除去装置で使用されるナノバブル発生におけるプレートの形状での穴の円形直径を４ｍｍ穴にして、穴の配列数を５列にして、穴の配列方向の穴の上下に溝を持って、その溝の幅０．８ｍｍと１ｍｍのもので、溝の深さを２ｍｍにて加工されたプレートである。このプレートと同寸法の無垢板プレートを上下に重ね、それを１ユニットとし、使用時には９ユニットを重ね、さらに空隙を設けた後、それらを入口と出口のみがある密閉されたケーシング内に収めた溶存酸素除去装置を設けた。使用するポンプは０．４Ｋｗ−１００Ｖの水中ポンプを使用し、窒素ガスを水中ポンプ吸入側より注入混合し、ガス容量はフローメーターを介し２．５Ｌ／分（真水での通水量１ｍ^３あたり０．３Ｎ
ｍ^３で窒素ガス）を入れた。タンク容量は１００Ｌタンクを使用した。表１に示すように海水中の酸素除去量[ＤＯ値]を示した。相当量の脱酸素効果を示した。

実施例１と同様に、溶存酸素除去装置で使用されるナノバブル発生におけるプレートの形状での穴の円形直径を５ｍｍ穴にして、穴の配列数を５列にして、穴の配列方向の穴の上下に溝を持って、その溝の幅０．８ｍｍと１ｍｍのもので、溝の深さを２ｍｍにて加工されたプレートを使用した。このプレートと同寸法の無垢板プレートを上下に重ね、それを１ユニットとし、９ユニットを重ね、さらに空隙を設けた後、それらを入口と出口のみがある密閉されたケーシング内に収めたものを使用した。使用するポンプは０．４Ｋｗ−１００Ｖの水中ポンプを使用し、窒素ガスを水中ポンプ吸入側より注入混合し、ガス容量はフローメーターを介し２．５Ｌ／分を入れた。タンク容量は１００Ｌタンクを使用した。表２に示すように海水中の酸素除去量[ＤＯ値]を示した。相当量の脱酸素効果を示した。

実施例１と同様な操作において、穴の円形直径を６ｍｍ穴にして、穴の配列数を５列にして、溝部の溝の幅０．８ｍｍと１ｍｍのもので、溝の深さを２ｍｍにて加工されたプレートを使用し無垢板プレートを上下に重ね、それを１ユニットとし、９ユニットを重ね、さらに空隙を設けた後、それらを入口と出口のみがある密閉されたケーシング内に収めたものを使用した。ポンプは０．４Ｋｗ−１００Ｖの水中ポンプを使用し、窒素ガスを水中ポンプ吸入側より注入混合し、ガス容量はフローメーターを介し２．５Ｌ／分を入れた。タンク容量は１００Ｌタンクを使用した。表３に示すように海水中の酸素除去量[ＤＯ値]を示した。相当量の脱酸素効果を示した。

実施例１と同様な操作において、穴の円形直径を６ｍｍ穴にして、穴の配列数を５列にして、溝部の溝の幅１．０ｍｍで、溝の深さを２ｍｍにて加工されたプレートを使用し無垢板プレートを上下に重ね、それを１ユニットとし、９ユニットを重ね、さらに空隙を設けた後、それらを入口と出口のみがある密閉されたケーシング内に収めたものを使用した。ポンプは０．４Ｋｗ−１００Ｖの水中ポンプを使用し、窒素ガスを水中ポンプ吸入側より注入混合し、ガス容量はフローメーターを介し２．５Ｌ／分を入れた。タンク容量は１００Ｌタンクを使用した。溝角度を６０度にて実施した。表４に示すように海水中の酸素除去量[ＤＯ値]を示した。相当量の脱酸素効果を示した。

表５に示す通り、溶存酸素量の推移は6ミリプレートを用いた場合に飛躍的に脱酸素効果が向上することが分かった。

１．溶存酸素除去装置
２．プレート
３．混合器
４．加圧ポンプ
５．窒素ガス
６．海水、又は真水
７．混合器用プレート穴
８．混合器用プレート上面溝
９．混合器用プレート下面溝
１０．混合器用プレート上面溝の流体流れ
１１．混合器用プレート下面溝の流体流れ
１２．溝部形状幅
１３．溝部形状深さ
１４．穴配列角度
１５．プレートユニット積層
１６．プレートユニットケーシング内設置
１７．流体流れ
１８．ケーシング
１９．混合液入口
２０．ガス注入部
２１．実施試験装置
２２．混合器用空隙
２３．接続用空隙部
２４．バルブ
２５．空隙部
２６．混合液出口
２７．プレート用平板
２８．溝の幅
２９．溝の高さ

Claims

水中、又は海水中の溶存酸素を除去することにおいて、窒素ガスを水中でナノバブル状態に流通させて、水中の溶存酸素を窒素と置換することにより、水中の溶存酸素を低減・除去する脱酸素装置であって、被処理水に窒素ガスを注入する窒素ガス注入部と、前記窒素ガスが注入された被処理水を通水する平面を有するプレートに複数個の穴を配列し、その穴の配列方向にプレート上面部溝とプレート下面部溝を持ちその上・下溝部が穴内部にて交差するよう設置し、また穴を配したプレートが干渉しないようプレート平板を上下に挟みユニットを上下に集積した複数枚積層体とし、被処理水を前記積層体に通水してナノバブル状態に微細化させることを特徴とする溶存酸素除去装置。
プレートは、厚さ３〜２０ｍｍで、プレート内数１０個〜１０００個の連携配列した穴と溝部とからなっており、穴の径は２〜５０ｍｍであって、穴の形状は、円形あるいは多角形であって、窒素ガスと海水又は水との供給用の溝部噴流によるベンチュリー効果で効率よく海水又は水と窒素ガスとを、穴の内部にむかってプレート上面部溝とプレート下面部溝が穴内部で交差して通過できるようにしていることを特徴する請求項１に記載の溶存酸素除去装置。
窒素ガスと海水又は水との供給用の溝部噴流によるベンチュリー効果で効率よく海水又は水とをナノバブル状態に微細化させるために、プレートは、厚さ３〜２０ｍｍで、プレート内数１０個〜１０００個の連携配列した穴と溝部とからなっており、穴の径は２〜５０ｍｍであって、穴の形状は、円形、あるいは多角形であって、穴の内部にむかってプレート上面部溝とプレート下面部溝が穴内部で交差し通過できるようにし、プレート上・下面部における溝部の幅を０．５〜５ｍｍ、深さ０．５〜１０ｍｍにして、穴配列の角度を１〜１７９°の範囲内にしていることを特徴する請求項１、又は請求項２に記載の溶存酸素除去装置。
加圧ポンプ吸入側から取り入れられた海水又は真水の被処理水と窒素ガスを吸入側より混合させ、該気液混合液を加圧ポンプにより圧送し、溝と穴を持つプレートと平板である仕切りプレートのセットユニットを２〜１００枚を組み立てたプレートユニット積層への流水入口側に、５０〜１０００Ｌ／分の流速で、ナノバブル状に微細化するために、混合容器内部に配したプレート内の穴を経由し溝部により噴射し、効率よくキャビテーションを発生させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の溶存酸素除去装置。
混合容器内部に収納されるプレートユニットは、材質として腐食性に強い樹脂製、又は金属合金製で、溝、穴部を持つプレートと仕切りプレートとのユニットを２〜１００枚積層体として使用されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の溶存酸素除去装置。