JP5885550B2

JP5885550B2 - 海水淡水化装置

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Publication number: JP5885550B2
Application number: JP2012061398A
Authority: JP
Inventors: 功一後藤; 武士松代; 潮子栗原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-03-19
Also published as: JP2013193012A

Description

本発明の実施形態は、海水を淡水化する海水淡水化装置に関する。

逆浸透膜を用いた海水淡水化装置が知られている。この海水淡水化装置は、海水を海水ポンプにて搬送し、前処理膜に流入させる。前処理膜は例えば中空糸膜であり、海水は濾過により固体物が取り除かれた濾過水になる。濾過水は、例えば６ＭＰａ超の浸透圧ポンプにより昇圧され高圧海水になり、逆浸透膜に流入する。逆浸透膜により高圧海水は、膜を通過する淡水と通過しない濃縮海水に分離される。このように飲料水に利用するための淡水を得ている。

特開昭５２−２７０６７号公報特許第４４７５９２５号公報

現在、温水程度の排熱は多量に存在するが、それらは特に使途がなく大気等に捨てられているのが現状である。例えば、分散電源として使用されている発電機付きガスエンジンや発電機付きガスタービンや燃料電池は、冷却が必要であるため温水を多量に発生させている。しかし、冷却塔で大気に放熱させて循環させたり、温水になった工業用水や水道水を排水したりしている。

海水淡水化装置では、これらを有効に利用する使途があると考えられる。海水淡水化装置において、自然エネルギや排熱を海水淡水化に利用することができれば、海水淡水化装置の消費エネルギを低減させたり、薬品注入量を低減させることができると考えられる。

本発明が解決しようとする課題は、自然エネルギや排熱を利用することが可能で、エネルギ消費を低減させることができる海水淡水化装置を提供することである。

課題を解決するため、一実施形態の海水淡水化装置は、次のように構成されている。海水淡水化装置は、逆浸透膜を用いて海水の淡水化を実施する海水淡水化装置であり、太陽熱で熱媒体を加熱する集熱器と、前記海水を加熱する加熱器と、前記集熱器にて加熱された前記熱媒体が、前記加熱器に流入することなく前記集熱器に戻る第１の循環流路と、前記第１の循環流路に設けられた前記熱媒体のタンクと、前記集熱器にて加熱された前記熱媒体が、前記加熱器と前記熱媒体のタンクとに並列に流入し、前記集熱器に戻る第２の循環流路であって、前記熱媒体のタンクの上流側に設けられる開閉弁を備える第２の循環流路と、前記集熱器にて加熱された前記熱媒体が、前記加熱器に流入し、前記集熱器に戻る第３の循環流路と、前記熱媒体のタンクに貯蔵した前記熱媒体が、前記加熱器に流入し、前記熱媒体のタンクに戻る第４の循環流路と、を備え、流路切替えにより、前記第１，２，３，４の循環流路のいずれかに切り替えることができ、淡水化のため前記逆浸透膜に流入する海水の全部、又は一部を、前記集熱器にて加熱された前記熱媒体により前記加熱器で加熱することができる。

第１実施形態にかかる海水淡水化装置の全体を示す構成図。第２実施形態にかかる海水淡水化装置の全体を示す構成図。第３実施形態にかかる海水淡水化装置の全体を示す構成図。第４実施形態にかかる海水淡水化装置の全体を示す構成図。第５実施形態にかかる海水淡水化装置の全体を示す構成図。第６実施形態にかかる海水淡水化装置の全体を示す構成図。第７実施形態にかかる海水淡水化装置の全体を示す構成図。第８実施形態にかかる海水淡水化装置の全体を示す構成図。第１の技術にかかる海水淡水化装置の全体を示す構成図。

以下、本実施形態を説明するにあたり、各実施形態の前提となる第１の技術を、図９を用いて説明する。第１の技術である海水淡水化装置を、図９を用いて説明する。第１の技術である海水淡水化装置では、海水１を海水ポンプ２にて搬送し、前処理膜３に流入させる。前処理膜３は例えば中空糸膜であり、海水１は濾過により固体物が取り除かれた前処理後海水４になる。前処理後海水４は、例えば６ＭＰａ超の浸透圧ポンプ５により昇圧され高圧海水６になり、逆浸透膜７に流入する。逆浸透膜７により高圧海水６は、膜を通過する淡水８と通過しない濃縮海水９に分離される。このように第１の技術である海水淡水化装置は、飲料水に利用するための淡水８を得る。

＜第１実施形態＞
第１実施形態にかる海水淡水化装置を、図１を用いて説明する。第１の技術と異なる部分のみ説明し、同一の部分は説明を省略する。第１実施形態にかかる海水淡水化装置では、太陽光線２１が充分に存在し太陽熱が充分に得られる時、開閉弁２２、２３を開き、水ポンプ２４を運転し水２５を循環させる。集熱器２６にて、太陽光線２１の輻射熱により水２５は加熱された後、前処理後海水４が流通する海水加熱器２０に流入する。前処理後海水４は水２５により加熱された後、浸透圧ポンプ５により高圧海水６となる。

水２５は海水加熱器２０にて温度低下する。前処理後海水４は水温上昇により粘性が低下し、逆浸透膜７の膜透過性が上がるので、浸透圧ポンプ５の必要動力、即ち消費電力が低減される。例えば前処理後海水１６の水温が２０℃から２５℃に上昇すると、消費電力は０．２ｋＷｈ／ｍ３低減される。低減される消費電力は水ポンプ２４の消費電力より大きい。ただし、水温上昇により膜阻止率が低下し処理水質は悪化する作用もあるので、水温上昇は大きいほど良いという事ではないので、適当量、水温を上昇させる。

太陽熱が充分には、あるいは夜間のように全く得られない時は、開閉弁２２、２３を閉じ、水ポンプ２４を停止する。自然エネルギを利用する事で、消費電力を低減できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態にかかる海水淡水化装置を、図２を用いて説明する。第２実施形態にかかる海水淡水化装置は、請求項１、２に対応する。第２実施形態について、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、同一の部分は説明を省略する。第２実施形態にかかる海水淡水化装置は、太陽熱が充分に得られる時、開閉弁２２、２３、２７、２９を開き、水ポンプ２４を運転する。第２の水ポンプ３２は運転してもしなくてもよい。

集熱器２６で加熱された水２５は、第２の水３０と第３の水３１に分岐し、それぞれ温水タンク２８と海水加熱器２０を通過した後、合流して循環する。保温されている温水タンク２８の内部温度が充分に上昇したら、開閉弁２７、２９を閉じ水ポンプを停止する。

太陽熱が充分には、あるいは全く得られない時は、開閉弁２２、２３を閉じ、開閉弁２７、２９を開き、水ポンプ２４を停止し、第２の水ポンプ３２を運転する。温水タンク２８から充分な温度である第２の水３０が取り出され、第３の水３１として海水加熱器２０に流入し、前処理後海水４を加熱し循環する。第２実施形態にかかる海水淡水化装置は、第１実施形態と比較し、太陽熱が充分には、あるいは全く得られない時でも効果が発生する。

＜第３実施形態＞
第３実施形態にかかる海水淡水化装置を、図３を用いて説明する。第３実施形態にかかる海水淡水化装置は、請求項１、３に対応する。第３実施形態について、第２実施形態と異なる部分のみ説明し、同一の部分は説明を省略する。

第３実施形態にかかる海水淡水化装置は、太陽熱が充分に得られる時、第２の水３０は蓄熱タンク５２を流通し、蓄熱材５０を加熱する。蓄熱材５０は、液体と固体の相変化を利用する物質を用いるのがよい。蓄熱材５０が充分に温度上昇したら、開閉弁２７、２９を閉じ水ポンプ２４を停止する。

太陽熱が充分に、あるいは全く得られない時は、開閉弁２２、２３を閉じ、開閉弁２７、２９を開き、水ポンプ２４を停止し、第２の水ポンプ３２を運転する。第２の水３０は蓄熱タンク５２を流通しながら取り出されるので充分な温度であり、第３の水３１として海水加熱器２０に流入し、前処理後海水４を加熱し循環する。

太陽熱が充分には、あるいは全く得られない時に、第３実施形態にかかる海水淡水化装置は、第２実施形態と比較しより長時間、第３の水３１が充分な温度に保たれる効果がある。

＜第４実施形態＞
第４実施形態にかかる海水淡水化装置を、図４を用いて説明する。第４実施形態にかかる海水淡水化装置は、請求項４に対応する。第４実施形態について、第１の技術と異なる部分のみ説明し、同一の部分は説明を省略する。第４実施形態にかかる海水淡水化装置では、前処理後海水４は、集熱器２６を流通する第２の海水５１と流通しない第３の海水５３に分岐し、合流してから浸透圧ポンプ５に流入する。

太陽光線２１が充分に存在し太陽熱が充分に得られる時、開閉弁２２、２３を開き、水ポンプ２４を運転する。この時、開閉弁４０は開いても閉じても中間開度でもよい。集熱器２６にて、太陽光線２１の輻射熱により第２の海水５１は加熱された後、第３の海水５３と合流する。

前処理後海水４は、水温が上昇したこととなり、粘性が低下し、逆浸透膜７の膜透過性が上がるので、浸透圧ポンプ５の必要動力、即ち消費電力が低減される。低減される消費電力は水ポンプ２４の消費電力より大きい。ただし、水温上昇により膜阻止率が低下し、処理水質が悪化することもあるので、水温上昇は大きいほど良いという事ではなく、水温上昇は適当量とするのが好ましい。太陽熱が充分には、あるいは夜間のように全く得られない時は、開閉弁２２、２３を閉じ開閉弁４０を開き水ポンプ２４を停止する。第４実施形態にかかる海水淡水化装置は、自然エネルギを利用する事で、消費電力を低減できる。

＜第５実施形態＞
第５実施形態にかかる海水淡水化装置を、図５を用いて説明する。第５実施形態にかかる海水淡水化装置は、請求項５に対応する。第５実施形態について、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、同一の部分は説明を省略する。

第５実施形態にかかる海水淡水化装置では、分散電源３６は、例えば発電機付きガスエンジン、発電機付きガスタービン、燃料電池、等である。これらは、機体自体に冷却が必要であったり、高温燃焼排ガスをそのままの温度で大気放出させたくなく冷却したりという理由で熱を冷却水に捨てる事が多い機器類である。分散電源３６の排熱は充分に大きく、排熱熱交換器３５から水２５に放熱される。分散電源３６が発電する電力を海水淡水化装置にて各種ポンプの動力等に使用する事が可能なので、分散電源３６が海水淡水化装置の近くに設置される事がある。

第５実施形態にかかる海水淡水化装置で排熱を海水淡水化に利用しない時は、開閉弁２７、２９を開き、開閉弁２２、２３を閉じ第３の水３１は流さず、水ポンプ２４を運転する。第２の水３０は冷却塔３３に流入し、大気３４により冷却され、循環する。大気３４は強制送風してもしなくてもよい。

排熱を海水淡水化に利用する時は、開閉弁２７、２９を閉じ第２の水３０は流さず、開閉弁２２、２３を開く。第３の水３１は海水加熱器２０に流入し前処理後海水４を加熱する。前処理後海水４は水温上昇により粘性が低下し、逆浸透膜７の膜透過性が上がるので、浸透圧ポンプ５の必要動力即ち消費電力が低減される。ただし、水温上昇により膜阻止率が低下し、処理水質が悪化することもあるので、水温上昇は大きいほど良いという事ではなく、水温上昇は適当量とする。よって、海水加熱器２０による第３の水３１の温度低下が充分でない場合は、開閉弁２７、２９を全開あるいは中間開度にし、第２の水３０を冷却塔３３に流通させ、排熱熱交換器３５に戻る水２５を充分に温度低下させる。

第５実施形態にかかる海水淡水化装置は、分散電源３６の排熱を利用する事で、消費電力を低減できる。なお、分散電源３６が大気に排出する燃焼排ガスは冷却後でも、前処理後海水４を２５℃まで加熱するほどの温度である場合があり、この場合は当該燃焼排ガスから熱回収し、水２５を加熱してもよい。ガスエンジン、ガスタービンは発電機を接続して分散電源３６として使用される事が多いが、軸動力を取出すが発電は実施しない形態もあり、この場合でもガスエンジン、ガスタービンの排熱は充分に大きく、同様の構成を施す事により効果がある。

＜第６実施形態＞
第６実施形態にかかる海水淡水化装置を、図６を用いて説明する。第６実施形態にかかる海水淡水化装置は、請求項６に対応する。第６実施形態にかかる海水淡水化装置について、第４、５実施形態と異なる部分のみ説明し、同一の部分は説明を省略する。

第６実施形態にかかる海水淡水化装置では、分散電源３６は例えば発電機付きガスエンジン、発電機付きガスタービン、燃料電池、等であり、排熱は充分に大きく、排熱熱交換器３５から冷却海水５６に放熱される。

第６実施形態にかかる海水淡水化装置で、排熱を海水淡水化に利用しない時は、開閉弁２７、２９、４０を開き、開閉弁２２、２３を閉じ第３の水３１は流さず、水ポンプ２４を運転する。冷却海水５６は第２の水３０として冷却塔３３に流入し、大気３４により冷却され、循環する。大気３４は強制送風してもしなくてもよい。

排熱を海水淡水化に利用する時は、開閉弁２７、２９を閉じ第２の水３０は流さず、開閉弁２２、２３を開く。前処理後海水４の全量、あるいは一部は、排熱熱交換器３５を流通する冷却海水５６となり加熱される。この時、開閉弁４０は開いても閉じても中間開度でもよく、閉じていない場合は、前処理後海水４は排熱熱交換器３５を流通する冷却海水５６と流通しない第３の海水５３に分岐し、合流してから浸透圧ポンプ５に流入する。

前処理後海水４は、水温上昇により粘性が低下し、逆浸透膜７の膜透過性が上がるので、浸透圧ポンプ５の必要動力、即ち消費電力が低減される。ただし、水温上昇により膜阻止率が低下し、処理水質が悪化することもあるので、水温上昇は大きいほど良いという事ではなく、水温上昇は適当量とする。よって、海水加熱器２０による第３の水３１の温度低下が充分でない場合は、開閉弁２７、２９を全開あるいは中間開度にし、第２の水３０を冷却塔３３に流通させ、排熱熱交換器３５に戻る水２５を充分に温度低下させる。

第６実施形態にかかる海水淡水化装置は、分散電源３６の排熱を利用する事で、消費電力を低減できる。なお、分散電源３６が大気に排出する燃焼排ガスは、冷却した後でも前処理後海水４を２５℃まで加熱するほどの温度である場合があり、この場合は当該燃焼排ガスから熱回収し、冷却海水５６を加熱してもよい。

ガスエンジン、ガスタービンは、発電機を接続して分散電源３６として使用される事が多いが、軸動力を取出すが発電は実施しない形態もあり、この場合でもガスエンジン、ガスタービンの排熱は充分に大きく、同様の構成を施す事により効果がある。

＜第７実施形態＞
第７実施形態にかかる海水淡水化装置を、図７を用いて説明する。第７実施形態にかかる海水淡水化装置は、請求項７に対応する。第７実施形態にかかる海水淡水化装置について、第５実施形態と異なる部分のみ説明し、同一の部分は説明を省略する。

蒸気タービンプラントは、復水器に海水を使用する事が多く、海水淡水化装置と同様に海近くに設置される事が多い。蒸気タービンプラントにてボイラ排ガスから二酸化炭素を分離回収するシステムがあるが、そのプロセスにて必要な加熱源として蒸気タービンからの抽気蒸気が使われるものがある。

その抽気蒸気による加熱後、抽気蒸気は温度低下し、復水器に廃棄される。この時、抽気蒸気は、一部あるいは全部が凝縮している場合もある。この温度低下後の抽気蒸気の熱により、水２５を加熱する。更に温度低下した抽気蒸気は復水器に廃棄する。図７では、二酸化炭素分離回収システム３９にて熱回収し終わった熱媒体３７が流出し、熱回収器３８に流入する。熱媒体３７は抽気蒸気、又はそれにより加熱された液体である。

排熱を海水淡水化に利用する時は、開閉弁２２、２３、５９を開き、開閉弁５８を閉じ水ポンプ２４を運転する。熱媒体３７は熱回収器３８を流通し、水２５を加熱する。熱媒体３７は、熱回収器３８にて温度低下した後、二酸化炭素分離回収システム３９に戻る。前処理後海水４は、水温上昇により粘性が低下し、逆浸透膜７の膜透過性が上がるので、浸透圧ポンプ５の必要動力、即ち消費電力が低減される。

第７実施形態にかかる海水淡水化装置は、二酸化炭素分離回収システム３９の排熱を利用する事で、消費電力を低減できる。排熱を海水淡水化に利用しない時は、開閉弁５８を開き開閉弁２２、２３、５９を閉じ水ポンプ２４を停止する。熱媒体３７は、熱回収器３８を流通しないで二酸化炭素分離回収システム３９に戻り、問題はない。

尚、開閉弁５８、５９や熱媒体３７が熱回収器３８をバイパスする配管はなくてもよい。バイパス配管のない構成の場合は、排熱を海水淡水化装置に利用しない時も、熱媒体３７は熱回収器３８を流通するが、水２５による温度低下のないまま二酸化炭素分離回収システム３９に戻るので、バイパス配管がある場合と同様となり、問題はない。

＜第８実施形態＞
第８実施形態にかかる海水淡水化装置を、図８を用いて説明する。第８実施形態にかかる海水淡水化装置は、請求項８に対応する。第８実施形態にかかる海水淡水化装置について、第６、７実施形態と異なる部分のみ説明し、同一の部分は説明を省略する。排熱を海水淡水化に利用する時は、開閉弁２２、２３、５９を開き、開閉弁５８を閉じ水ポンプ２４を運転する。この時、開閉弁４０は開いても閉じても中間開度でもよく、閉じていなかった場合は、前処理後海水４は熱回収器３８を流通する水２５と流通しない第３の海水５３に分岐し、合流してから浸透圧ポンプ５に流入する。

熱媒体３７は熱回収器３８を流通し、水２５を加熱する。熱媒体３７は熱回収器３８にて温度低下した後、二酸化炭素分離回収システム３９に戻る。前処理後海水４は、水温上昇により粘性が低下し、逆浸透膜７の膜透過性が上がるので、浸透圧ポンプ５の必要動力、即ち消費電力が低減される。

第８実施形態にかかる海水淡水化装置は、二酸化炭素分離回収システム３９の排熱を利用する事で、消費電力を低減できる。排熱を海水淡水化に利用しない時は、開閉弁５８、４０を開き開閉弁２２、２３、５９を閉じ、水ポンプ２４を停止する。熱媒体３７は、熱回収器３８を流通しないで二酸化炭素分離回収システム３９に戻り、問題はない。

以上説明したように、本実施形態にかかる海水淡水化装置によれば、自然エネルギや、分散電源等の排熱を海水淡水化に利用し、海水淡水化装置の消費エネルギ低減を図ることができる。

尚、本実施形態では、前処理膜３、逆浸透膜７としたが、これらは、内部に前処理膜、あるいは逆浸透膜を備え、これら膜で内部を区画し、これら膜による濾過性能や浸透圧の作用を利用した機器を指している。又、本実施形態は制御装置を備え、制御装置からの指示で作動するものとしてもよい。

尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…海水、２…海水ポンプ、３…前処理膜、４…前処理後海水、５…浸透圧ポンプ、６…高圧海水、７…逆浸透膜、８…淡水、９…濃縮海水、１６…濾過水、２０…海水加熱器、２１…太陽光線、２２、２３…開閉弁、２４…水ポンプ、２５…水、２６…集熱器、２７、２９…開閉弁、２８…温水タンク、３０…第２の水、３１…第３の水、３２…第２の水ポンプ、４０…開閉弁、５２…蓄熱タンク、３３…冷却塔、３４…大気、３５…排熱熱交換器、３６…分散電源、３７…熱媒体、３８…熱回収器、３９…二酸化炭素分離回収システム、５０…蓄熱材、５１…第２の海水、５３…第３の海水、５６…冷却海水、５８…開閉弁。

Claims

逆浸透膜を用いて海水の淡水化を実施する海水淡水化装置であり、
太陽熱で熱媒体を加熱する集熱器と、
前記海水を加熱する加熱器と、
前記集熱器にて加熱された前記熱媒体が、前記加熱器に流入することなく前記集熱器に戻る第１の循環流路と、
前記第１の循環流路に設けられた前記熱媒体のタンクと、
前記集熱器にて加熱された前記熱媒体が、前記加熱器と前記熱媒体のタンクとに並列に流入し、前記集熱器に戻る第２の循環流路であって、前記熱媒体のタンクの上流側に設けられる開閉弁を備える第２の循環流路と、
前記集熱器にて加熱された前記熱媒体が、前記加熱器に流入し、前記集熱器に戻る第３の循環流路と、
前記熱媒体のタンクに貯蔵した前記熱媒体が、前記加熱器に流入し、前記熱媒体のタンクに戻る第４の循環流路と、
を備え、
流路切替えにより、前記第１，２，３，４の循環流路のいずれかに切り替えることができ、
淡水化のため前記逆浸透膜に流入する海水の全部、又は一部を、前記集熱器にて加熱された前記熱媒体により前記加熱器で加熱することができることを特徴とした海水淡水化装置。
逆浸透膜を用いて海水の淡水化を実施する海水淡水化装置であり、
太陽熱で熱媒体を加熱する集熱器と、
前記海水を加熱する加熱器と、
前記集熱器にて加熱された前記熱媒体が、前記加熱器に流入することなく前記集熱器に戻る第１の循環流路と、
前記第１の循環流路に設けられた蓄熱材のタンクと、
前記集熱器にて加熱された前記熱媒体が、前記加熱器と前記蓄熱材のタンクとに並列に流入し、前記集熱器に戻る第２の循環流路であって、前記蓄熱材のタンクの上流側に設けられる開閉弁を備える第２の循環流路と、
前記集熱器にて加熱された前記熱媒体が、前記加熱器に流入し、前記集熱器に戻る第３の循環流路と、
前記蓄熱材のタンクに貯蔵した前記熱媒体が、前記加熱器に流入し、前記蓄熱材のタンクに戻る第４の循環流路と、
を備え、
流路切替えにより、前記熱媒体が流れる流路を、前記第１，２，３，４の流路のいずれかに切り替えることができ、
淡水化のため前記逆浸透膜に流入する海水の全部、又は一部を、前記集熱器にて加熱された前記熱媒体により前記加熱器で加熱することができることを特徴とした海水淡水化装置。