JP6154023B2 - 太陽エネルギ連続熱供給を利用する海水淡水化装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽エネルギ連続熱供給を利用する海水淡水化装置および方法に関し、海水淡水化（内陸の半塩水の淡水化を含む）の技術分野に属する。本発明は、汚水処理の分野にも適用できる。

中国の急速な経済発展に伴い、淡水資源の不足は、経済発展している東南沿岸地域で深刻な問題となっている。北京、上海、天津、青島などの地域では、地下水の過剰な汲み上げに起因する地盤沈下が起きている。そのため、１９８０年台の初頭から、中国では、例えばラン河から天津までの引水計画や、黄河から青島までの引水計画といった引水計画や、南北水遠隔移動計画が着手されている。

遠隔引水計画は、投資金額が多額になるだけでなく、多くの耕地を占有し、また同時に、水供給地域では環境災害が引き起こされる。例えば、黄河から青島までの引水計画では、６万２千ムーの地域が占拠されてしまい、また、黄河の不連続流や植生破壊といった生態系の問題が生じている。生態系環境破壊は、経済的には計り知れない。

また、青島、海口、陵水リー族自治県といった沿岸都市は、淡水河川に近接するため形成されている。しかし、潮の変化や台風などの状況では、海水が河口から約３０〜５０Kmまでも入り込むことがあり、沿岸都市の淡水河川では、実際には水は希釈海水または低品質の淡水となっている。

２１世紀には、エネルギ危機やCO₂の排出と併せて、淡水資源の不足は危機的な状況にある。科学的であり、環境に優しい方法によってより多くの淡水資源を手に入れることは、国内経済の発展、ならびに国内の生活水準の向上に一役買うことになる。

長い間、様々な熱エネルギを利用して海水を加熱し、蒸気を生成し、その蒸気を凝縮させて淡水にすること方法は、沿岸地域の住民や外航船の人たちにとっては、重要な淡水獲得方法であった。再生可能な資源として、太陽エネルギは広く分布しており、埋蔵量に限りがなく、回収や利用がクリーンに行われ、また、CO₂の排出量がゼロである。そのため、再生可能エネルギ資源として、一層多くの人達の関心を集めている。しかし、太陽エネルギの利用は、太陽エネルギの分散性、天候への高い依存性、熱集中の不安定性や非連続性といった問題によって、大きく制限されてしまう。

従って、太陽熱エネルギの高効率回収、および海水淡水化のための昼夜連続運転を含む技術的な手段を見出すことにより、淡水資源の不足を解消することが、有効な方法である。

本発明の目的は、太陽エネルギ連続熱供給を利用する海水淡水化装置および方法を提供することにある。本発明装置および方法は、沿岸地域や内陸の半塩水地域において、非常に環境に優しい方法で淡水を昼夜連続生成することができ、淡水不足問題が解消される。

太陽エネルギ連続熱供給を利用する海水淡水化装置であって、海水浄化システムと、海水脱塩システムを含む。海水脱塩システムは、太陽エネルギ集光集熱装置と、太陽エネルギ蓄熱タンクと、浄化海水加熱器と、少なくとも１段の海水フラッシュ蒸発器を含む。海水フラッシュ蒸発器は、フラッシュ蒸発器本体と、海水冷却器を含む。太陽エネルギ集光集熱装置の熱媒、太陽エネルギ蓄熱タンク、浄化海水加熱器の熱媒熱交換器が連続して連結されて、熱媒循環密封ルートが形成される。海水浄化システム内の浄化海水出口は浄化海水加熱器および海水冷却器と連通する。浄化海水加熱器の海水出口は、フラッシュ蒸発器本体と連通する。フラッシュ蒸発器本体は、濃縮塩水出口と、淡水出口と、蒸気出口を含む。蒸気出口から排出された蒸気は、蒸気を熱源として使用する海水冷却器の蒸気熱交換器を通過し、淡水出口から淡水主管内に回収される。淡水主管の末端に載置される密封式淡水貯蔵タンクは、真空ポンプと連通する。濃縮塩水出口は、製塩工場の配管と連通する。海水冷却器の海水出口は、フラッシュ蒸発器の凝縮器本体を介して、浄化海水加熱器と連通する。少なくとも２段のフラッシュ蒸発器を利用する場合には、前段のフラッシュ蒸発器本体の濃縮塩水出口は、後段のフラッシュ蒸発器本体と連通する。また、最後段のフラッシュ蒸発器の濃縮塩水出口は、製塩工場の配管と連通する。各段のフラッシュ蒸発器本体の圧力が徐々に低下することにより、負圧が形成される。

上述の技術構成によれば、浄化海水加熱器の海水出口とフラッシュ蒸発器本体の間に回転速度が変更可能な加熱海水ポンプが設けられる。浄化海水加熱器の海水出口は、加熱海水ポンプを介して、フラッシュ蒸発器本体に設けられた絞り装置と連通し、海水面上に絞り装置は設けられる。フラッシュ蒸発器本体では、絞り装置の上方に消泡装置が設けられ、消泡装置の上方に淡水回収ディスクが設けられ、淡水回収ディスク上に凝縮器本体が設けられる。蒸気出口はフラッシュ蒸発器本体の上部に設けられ、淡水出口は淡水回収ディスクの上方に設けられ、濃縮塩水出口は絞り装置の下方に設けられる。

上述の技術構成によれば、浄化海水加熱器内に海水温度センサおよび予備の熱交換器が設置され、予備の熱交換器は熱媒油加熱炉、電気加熱炉、ボイラからの煙道ガスの排熱、またはタービンからの排気余熱を熱源として利用する。

上述の技術構成によれば、太陽エネルギ蓄熱タンクと浄化海水加熱器の熱交換器の間にヒートポンプが設けられる。

上述の技術構成によれば、太陽エネルギ集光集熱装置はタワー型太陽エネルギ集熱器、パラボラトラフ型真空管集熱器、ガラス真空管集熱器、または熱管型真空管集熱器である。

上述の技術構成によれば、海水浄化システムは多段浄化システムであり、並んで配置される粗濾過用海水抽出井戸と、海水滅菌浄化器と、活性炭濾過層および多繊維フィルタ芯層を備えた多段ウルトラフィルタと、脱酸素および脱炭素用海水脱酸素・脱炭素塔を含む。多段ウルトラフィルタと海水脱酸素・脱炭素塔の間に浄化海水タンクは設けられる。海水脱酸素・脱炭素塔は浄化海水主出口と連通する。海水抽出井戸は、海水汲み上げポンプを介して、海水滅菌浄化器と連通する。海水滅菌浄化器は海水送出ポンプを介して、多段ウルトラフィルタと連通する。多段ウルトラフィルタは、海水送出ポンプを介して、浄化海水タンクと連通する。浄化海水タンクは、第３海水送出ポンプを介して、海水脱酸素・脱炭素塔と連通する。海水脱酸素・脱炭素塔は、浄化海水ポンプを介して、浄化海水主出口と連通する。海水滅菌浄化器には、滅菌剤および凝集剤が加えられる。

上述の技術構成によれば、海水抽出井戸は海岸に建設される。井戸開口は、満潮時の海面よりも上方に設けられ、井戸底面は干潮時ｍｐ海面よりも数メートル下方に設けられる。井戸壁は多孔質コンクリート構造を採用しており、石塊が井戸壁の外側に配置され、石塊の周囲には砂粒が充填される。

上記海水淡水化装置を使用する海水淡水化方法であって、海水の多段浄化により海水を浄化する工程と、太陽エネルギ集光集熱装置により太陽光を回収して、熱媒を加熱することにより、太陽エネルギを熱媒の熱エネルギに変換する工程と、熱媒の熱エネルギにより浄化海水を設定温度に連続加熱する工程と、加熱された浄化海水を少なくとも１段階のフラッシュ蒸発器に送り、フラッシュ蒸発を行なう工程と、フラッシュ蒸発の間に、各段階のフラッシュ蒸発器本体内圧力を徐々に低下させて、負圧を形成する工程と、フラッシュ蒸発後に蒸気を凝縮させて、淡水を分離する工程と、海水冷却器により、残りの蒸気を淡水に変換する工程を含む。

フラッシュ蒸発器底部からの非蒸発濃縮塩水を製塩工場に送る工程を含む。多段フラッシュ蒸発器を利用する場合には、フラッシュ蒸発器底部にある濃縮塩水が連続的に次段のフラッシュ蒸発器に流入し、多段蒸発工程の間に、徐々に凝縮させられて淡水が取り出され、また、蒸発させられなかった濃縮塩水は最終的に製塩工場に運ばれる。太陽エネルギ集光集熱装置によって太陽光の熱エネルギが回収されるとともに、熱媒を利用して浄化海水を加熱すると同時に、熱媒の熱エネルギが太陽エネルギ蓄熱タンクに蓄えられて、夜間または曇天時には、蓄えられた熱媒を使用して浄化海水が連続加熱される。

上述の技術構成によれば、熱媒によって加熱される浄化海水の設定温度は55℃〜70℃、または70℃〜120℃であり、太陽エネルギ集熱装置によって熱媒は178℃〜600℃に加熱される。

上述の技術構成によれば、熱媒によって加熱される浄化海水の設定温度は70℃であり、太陽エネルギ集熱装置によって熱媒は275℃〜395℃に加熱される。

本発明の高効率太陽エネルギ集熱装置を利用して熱媒（熱媒体油、シリコンオイル、パラフィンワックス、溶融塩など）が加熱され、次に、熱媒を利用して浄化海水を設定温度に加熱する。従って、太陽エネルギ集熱装置による海水の直接加熱によって生じるスケール形成が回避され、海水淡水化装置を最良の温度パラメータで作動させることができ、太陽エネルギ集熱装置も最良のパラメータ（熱媒が275℃〜395℃、或いは178℃〜600℃に加熱される）で作動させることができるので、太陽熱エネルギの回収を最大限効率良く実現する。

また、淡水化工場は概して、２４時間連続の淡水供給が必要とされる。太陽光熱エネルギは熱媒に蓄えられるので、海水を夜間に加熱することができ、淡水が連続して生成される。

太陽エネルギ蓄熱タンクは、夜間や曇天時に太陽熱エネルギの安定出力を維持するとともに、淡水を民間用途や工業用途に２４時間連続供給するように構成される。太陽エネルギ蓄熱タンクの機能は、昼間に太陽エネルギをできるだけ多く蓄えるとともに、蓄えられた太陽エネルギを夜間に使用することである。

海水抽出井戸は海岸に、満潮時の海水面よりも高くに建設され、井戸深さは干潮時の海水面よりも数メートル低くされ、井戸直径は抽出される海水量に応じる。従って、井戸に貯められた海水は海岸の砂によって予め自然濾過されていることから、大部分の海洋生物や不純物が取り除かれる。また、海岸は毎日潮の満引きで海水によって洗浄されることから、海岸は常に天然洗浄濾過機能を維持している。海岸に井戸を建設する方法としては、井戸壁に複数の孔を備えた多孔質コンクリート構造を利用し、井戸壁の周囲に石塊が配置され、海岸の砂粒が石塊の外側に充填される。

海水滅菌浄化器には、海水中のプランクトンや微生物やバクテリアを殺すために滅菌剤（塩素など）が加えられ、次に凝集剤（FeCｌ₂やミョウバンなど）が加えられて、塊物質を沈殿させるとともに、海水を浄化させる。浄化器の上側部分にある上清は海水送出ポンプによって多段ウルトラフィルタに送られ、そこで上清は多段ウルトラ濾過処理され、次に浄化海水が浄化海水タンクに蓄えられる。海水滅菌浄化器の底部（海水送出ポンプ入口の下方）にある堆積物は、（少量の浄化海水を使用して）定期的に流されることにより、排水処理工場に排出される。多段ウルトラフィルタはまた、海水が定期的に逆流させられることにより、各フィルタ層の洗浄機能や濾過機能が回復させられる。

海水脱塩システムが始動させられると、海水送出ポンプによって浄化海水は脱酸素・脱炭素塔へ流入させられて、内部の酸素やCO₂が除去される。海水は概して3.5％の塩分を含有するとともに、高い腐食性を有することから、海水中に酸素やCO₂が存在すると、装置の腐食が促されてしまうので、除去する必要がある。

浄化海水加熱器は加熱容器と、加熱容器内に載置される熱媒熱交換器および予備の熱交換器を含む。熱媒熱交換器は、海水を一定の温度に加熱することを目的として利用される（浄化海水加熱器には加熱された海水の温度を測定するための海水温度センサも設けられる）。しかし、曇天や雨天が続く状況では、２４時間連続淡水供給を確実に行なうことが困難なこともあることから、浄化海水加熱器には予備の熱交換器が設けられており、雨季に様々な補助熱源（熱媒油炉、電気加熱炉、ボイラ煙道ガスの余熱、タービン排気の余熱など）を利用して海水を加熱するようにして、淡水を連続的に生成する。

フラッシュ蒸発器はフラッシュ蒸発器本体と海水冷却器を含む。フラッシュ蒸発器本体には、絞り装置と、破泡装置と、淡水回収ディスクと、凝縮器本体が下から上に設置される。フラッシュ蒸発器本体上に絞り装置を配置することにより、フラッシュ蒸発器に流入するときの海水の圧力を急激に低下させることができる。多量の海水が蒸発させられる。蒸気が上昇する間に、蒸気中を運ばれる大粒の海水の水滴が破泡装置によって妨げられる（破泡装置は、200メッシュ、300メッシュ、400メッシュなどの小孔を備えたワイヤメッシュから作られ、材料はステンレス鋼、チタン合金ワイヤ、または炭素繊維などの耐腐食性材料である）。破泡装置を通過した蒸気は凝縮器本体に到達し、そこで一部の蒸気が凝縮させられて淡水になり、淡水回収ディスクに落下して、淡水タンクに運ばれる一方、残りの蒸気はフラッシュ蒸発器の上部を通過して海水冷却器に流入する。海水は海水冷却中で蒸気熱交換器に噴霧されることにより、潜熱が更に放出され、凝縮された淡水は淡水タンクに運ばれる。

多段フラッシュ蒸発器はN個の同じ単段フラシュ蒸発器の組合せである。Nは正の整数である。各単段フラッシュ蒸発器の淡水出力管は、淡水主管を介して、密封された淡水貯蔵タンクと連通する。真空ポンプの入口管は、淡水貯蔵タンクの上部と連結されることにより、真空ポンプが作動する間に、各段のフラッシュ蒸発器内圧力は徐々に低下して負圧が形成され、各段のフラッシュ蒸発器内で加熱された海水が気化されやすくなる。生成された蒸気は潜熱を放出し、淡水に凝縮される。フラッシュ蒸発器の底部にある濃縮塩水は徐々に冷却されて、次段のフラッシュ蒸発器に流入し、そこで、濃縮海水は淡水に凝縮させられる一方、残りの蒸発させられていない濃縮塩水は製塩工場に運ばれる。

本発明を、添付の図面を参照して、以下に説明する。

太陽エネルギ連続熱供給を利用する海水淡水化装置の構造図。 海水抽出井戸の局部を示す構造図。

図１において、1は太陽エネルギ集熱場であり、1aは太陽エネルギ集熱場の送出主管であり、熱媒は主管に収容される。2は太陽熱貯蔵タンクであり、2aはヒートポンプである。3は海水加熱器であり、3bは熱媒熱交換器であり、3cは予備の熱交換器であり、3aは回転速度を調節可能な加熱海水ポンプであり、T3eは海水加熱器3内に載置される温度センサである。4は単段フラッシュ蒸発器であり、Nは正の整数を表し、N＝1であるときに、フラッシュ蒸発器は1段フラッシュ蒸発器であり、N＝２であるときに、フラッシュ蒸発器は２段フラッシュ蒸発器であり、同様にNはN段フラッシュ蒸発器を意味する。一般的にN＝３〜９であり、本発明を実施するための最良の態様では、N＝９で、一番右側が最末端段となる９段フラッシュ蒸発器である。４aはフラッシュ蒸発器の底部に載置される絞り装置であり、４bは破泡装置であり、４cは淡水回収ディスクであり、４dは凝縮器本体であり、４eは海水冷却器であり、その内部に蒸気熱交換器４fが載置される。5は密封淡水貯蔵タンクであり、タンクの上部は配管を介して真空ポンプ5aと連結される。5bは最終段のフラッシュ蒸発器の濃縮塩水出口管に載置される塩水ポンプである。6は海水滅菌浄化器であり、6aは海水抽出井戸であり、満潮時に最も高い海面よりも上に上部があり、井戸の深さは干潮時に海面よりも数メートル低くなり、井戸の直径が（一定量の海水の抽出を達成するのに）適当であるように構成される。6bは海水汲み上げポンプであり、6dは浄化海水入口の切換弁であり、6eは海水滅菌浄化器6の排出弁である（6dが開放されると、6eにより浄化海水が6の底部に導入されて堆積物を流すとともに、6eの出口管は汚水処理工場と連通する）。7は多段ウルトラフィルタであり、7bは活性炭フィルタ層であり、7cは多繊維フィルタ芯層であり、7dは浄化海水導入用の切換弁であり、７eはスラジ排出弁である（7dが定期的に開放されると、7eにより浄化海水が導入されて、7内のフィルタ層を洗い流し、各フィルタ層の洗浄作用および濾過作用を回復させる）。8は浄化海水タンクであり、9は脱酸素・脱炭素塔であり、7aおよび8aは海水送出ポンプであり、9aは浄化海水ポンプである。

図２に示すように、6bは海水汲み上げポンプであり、6aは海水抽出井戸であり、6a1は海岸であり、6a2は満潮時の海水面であり、6a3は最も低い海水面であり、6a4は多孔性コンクリート井戸壁であり、6a5は石塊であり、6a6は井戸底部の海砂であって、時間の経過に伴い堆積するため、定期的に除去する必要がある。

図１、図２に示すように、本発明で実施される太陽エネルギ連続熱供給を利用する海水淡水化装置は、海水浄化システムと、海水脱塩システムを含む。海水脱塩システムは、太陽エネルギ集光集熱装置1と、太陽エネルギ蓄熱タンク2と、浄化海水加熱器3と、少なくとも１段の海水フラッシュ蒸発器を含む。海水フラッシュ蒸発器は、フラッシュ蒸発器本体4と、海水冷却器4ｅを含む。太陽エネルギ集光集熱装置1の熱媒室と、太陽エネルギ蓄熱タンク2と、浄化海水加熱器3の熱媒熱交換器3bは、連続して連結されて、熱媒循環経路が形成される。海水浄化システム内の浄化海水送出ポンプ9aの浄化海水出力主管は、浄化海水加熱器3の入口および海水冷却器4eと連通する。浄化海水加熱器3の海水出口は、加熱海水ポンプ3aを介して、第1段フラッシュ蒸発器本体の絞り装置4a入口と連通する。フラッシュ蒸発器本体4は、濃縮塩水出口と、淡水出口と、蒸気出口を含む。蒸気出口から排出された蒸気は、海水冷却器4eの蒸気熱交換器4ｆを通過して、淡水出口から淡水主管内に回収される。淡水主管の端部に載置される密封淡水貯蔵タンク5は真空ポンプ5aと連通する。濃縮塩水出口は濃縮塩水ポンプ5bを介して、製塩工場の配管と連通する。海水冷却器4eの海水出口は、フラッシュ蒸発器本体4の凝縮器本体4dを介して、浄化海水加熱器3の入口主管と連通する。少なくとも２段の海水フラッシュ蒸発器を利用する場合には、海水浄化システムにおいて、浄化海水送出ポンプ9aの浄化海水出口主管は、フラッシュ蒸発器の凝縮器本体4dの海水出口と連通する。前段のフラッシュ蒸発器本体4の濃縮塩水出口は、次段のフラッシュ蒸発器本体4の絞り装置4ａ入口と連通し、最終段のフラッシュ蒸発器本体4の濃縮塩水出口は、濃縮塩水ポンプ5ｂを介して、製塩工場の配管と連通する。各段のフラッシュ蒸発器本体4内圧力が徐々に低下することにより、負圧が形成される。

海水浄化システムは多段浄化システムであり、粗濾過用海水抽出井戸6ａと、海水滅菌浄化器6と、活性炭フィルタ層および多繊維フィルタ芯層を備えた多段ウルトラフィルタ7と、脱酸素および脱炭素用海水脱酸素・脱炭素塔9を含む。多段ウルトラフィルタ7および脱酸素・脱炭素塔9の間に浄化海水タンク8は設けられる。海水脱酸素・脱炭素塔9は浄化海水出口と連通する。海水抽出井戸6ａは、海水汲み上げポンプ6ｂを介して、海水滅菌浄化器6と連通する。海水滅菌浄化器6は、海水送出ポンプ7ａを介して、多段ウルトラフィルタ7と連通する。多段ウルトラフィルタ7は、海水送出ポンプ8ａを介して、浄化海水タンク8と連通する。浄化海水タンク8は、第3の海水送出ポンプ8ａを介して、海水脱酸素・脱炭素塔9と連通する。海水脱酸素・脱炭素塔9は、浄化海水ポンプ9ａを介して、浄化海水出口と連通する。海水滅菌浄化器6には滅菌剤や凝集剤が加えられる。

上述の海水淡水化装置を利用する海水淡水化方法は、海水を多段浄化して浄化海水を生成する工程と、太陽エネルギ集光集熱装置により太陽光を回収して、熱媒を加熱することにより、太陽エネルギを熱媒の熱エネルギに変換する工程と、熱媒の熱エネルギにより浄化海水を設定温度に連続加熱するとともに、加熱された浄化海水を少なくとも1段のフラッシュ蒸発器に送りフラッシュ蒸発を行なう工程と、フラッシュ蒸発の間に各段のフラッシュ蒸発器本体内圧力を徐々に低下させて、負圧を形成する工程と、フラッシュ蒸発後の蒸気を凝縮させて淡水を分離するとともに、残りの蒸気を海水冷却器により淡水に変換させる工程を含む。

蒸発させられなかった濃縮塩水をフラッシュ蒸発器の底部から製塩工場へ送る工程を含む。多段フラッシュ蒸発器を利用する場合には、フラッシュ蒸発器の底部にある濃縮塩水が次段のフラッシュ蒸発器へ連続して流入するとともに、多段蒸発工程の間に、淡水が徐々に凝縮させられて取り出され、蒸発させられなかった濃縮塩水が製塩工場に送られる。太陽エネルギ集光集熱装置によって太陽光の熱エネルギが回収されるとともに、熱媒を利用して浄化海水が加熱されると同時に、熱媒の熱エネルギが太陽エネルギ蓄熱タンクに蓄えられ、夜間や曇天時に蓄えられた熱媒を使用して浄化海水が連続加熱される。

上述の技術構成において、熱媒によって加熱される浄化海水の設定温度は55℃〜70℃、または70℃〜120℃であり、太陽エネルギ集熱装置によって熱媒は178℃〜600℃に加熱される。

上述の技術構成において、熱媒によって加熱される浄化海水の設定温度は70℃であり、太陽エネルギ集熱装置によって熱媒は275℃〜395℃に加熱される。

太陽エネルギによって熱が連続供給される海水淡水化装置を使用して海水を淡水にするためには、最初に海水汲み上げポンプ6ｂが始動させられて、海水が海水抽出井戸6ａから抽出されて、海水滅菌浄化器6へ送られる。海水抽出井戸6ａは海岸に建設され、満潮時の海面6ａ2よりも高く、井戸の深さは干潮時の海面6ａ3よりも低くされることにより、井戸に貯められた海水が海岸の砂によって予め自然濾過されて、大部分の海洋生物や不純物が取り除かれる。また、海岸は毎日潮の満引きで海水によって洗浄されることから、海岸は常に天然の洗浄濾過機能を維持している。海岸に井戸を建設する方法としては、井戸壁に複数の孔を備えた多孔質コンクリート構造6ａ4を利用し、井戸壁の周囲に石塊6ａ5が配置され、海岸の砂が石塊の外側に充填される。

海水滅菌浄化器6には、滅菌剤（塩素など）が加えられて海水中のプランクトンや微生物やバクテリアが殺され、次に凝集剤（FeCｌ₂やミョウバンなど）が加えられて、塊物質を沈殿させるとともに、海水を浄化させる。浄化器の上部にある上清は海水送出ポンプ7ａによって多段ウルトラフィルタ7に送られ、そこで上清は多段ウルトラ濾過処理され、次に浄化海水が浄化海水タンク8に蓄えられる。海水滅菌浄化器6の底部（7ａ入口の下方）にある堆積物は、（少量の浄化海水を使用して）定期的に洗浄されることにより、排水処理工場に排出される。多段ウルトラフィルタ7はまた、海水が定期的に逆流させられることにより、各フィルタ層の洗浄機能や濾過機能が回復させられる。

海水脱塩システムが始動させられると、海水ポンプ8ａによって浄化海水は脱酸素・脱炭素塔9へ流入させられて、内部の酸素やCO₂が除去される。海水は概して3.5％の塩分を含有するとともに、高い腐食性を有することから、酸素やCO₂の存在により、装置の腐食が促されてしまうので、除去が必要である。

海水脱塩時に、太陽エネルギ集熱場1によって昼間に回収された太陽光は、1ａ内において熱媒の熱エネルギに変換され、熱エネルギは熱媒を介して蓄熱タンク2に蓄えられる。熱媒2はヒートポンプ2ａの駆動により海水加熱器3の熱交換器3ｂへ流入して、浄化海水を加熱する（概ね55℃〜120℃まで）。本実施例では、温度は70℃に設定されている。加熱された海水は加熱海水ポンプ3ａによって第1段フラッシュ蒸発器本体4へ送り出される（加熱海水ポンプの速度は第1段フラッシュ蒸発器4に送られる海水の流速を制御することにより調節されて、フラッシュ蒸発器本体4の海面高さが制御される）。加熱された海水の圧力は、フラッシュ蒸発器本体4内の圧力が負圧であるので、絞り装置4aを通過するときに急激に低下して、蒸気に変換される。蒸気が上昇する間に、蒸気中の大粒の海水の水滴が破泡装置によって妨げられて、フラッシュ蒸発器本体の底部へ落下する。蒸気はフラッシュ蒸発器本体の上部へ上昇し、凝縮器本体4ｄに到達すると、潜熱を放出する。蒸気の一部が凝縮されて淡水となり、淡水回収ディスク4ｃに落下し、配管を介して密封淡水貯蔵タンクに貯められ、また、残りの凝縮されなかった蒸気は海水冷却装置4ｅの熱交換器4fに流入し、そこで蒸気は再度相対的に低温の海水によって冷却させられて、潜熱が放出され、凝縮された淡水は淡水主管内に回収されて、密封された淡水貯蔵タンクに貯められる。一方、密封淡水貯蔵タンク5の上部に配置される真空ポンプ5ａの作動により、第1段フラッシュ蒸発器本体および第2段フラッシュ蒸発器本体の間に圧力差が形成されるので、第1段フラッシュ蒸発器本体の底部にある濃縮塩水は、第2段フラッシュ蒸発器に自動的に流入する。濃縮塩水が第2段フラッシュ蒸発器に入ると、4ａから４ｆへの淡水生成工程が再度繰り返される。上述の工程は、最終段のフラッシュ蒸発器本体まで繰り返される。最終段は第9段フラッシュ蒸発器である。最終段のフラッシュ蒸発器本体からの濃縮塩水は、塩水ポンプ5ｂを介して製塩工場へ最終的に送られ、後続の加工が行われる。従って、第1段フラッシュ蒸発器へ流入する海水は９段階の蒸発工程で処理され、約40％の海水が凝縮されて淡水へ変換される。

海水の淡水化効果は、加熱される海水の温度と常に正の相関関係にあるわけではない。海水が75℃〜78℃に加熱されると、海水中の塩分（ナトリウム、カルシウム、マグネシウムイオン）は装置内で急速にスケールを形成し、伝熱作用を及ぼして、作業効率を低下させる。海水にスケール抑制剤を加えることにより、海水が120℃に加熱されたときでも、スケールの形成を抑制することができるが、後続工程でスケール抑制剤を除去するのに、多大な費用が生じてしまう。従って、本実施例ではスケール形成を抑制するための最良の温度パラメータは、約70℃または70℃である。55℃〜70℃、70〜120℃、または其の他の温度範囲であっても、本発明の海水淡水化工程の実施は可能であるが、全体的な効果としては、70℃の温度よりは劣る。

本発明の効果は、以下のとおりである。

第１に、太陽エネルギ集光集熱装置の高効率を達成するための最良の温度パラメータ（現用の太陽エネルギ集光集熱装置の最良の作動パラメータ）は275℃〜395℃（熱媒体油を媒体として利用した場合）、または178℃〜610℃（溶融塩を媒体として利用した場合）であることから、本発明は高効率の太陽エネルギ集熱装置の熱媒（熱媒体油、シリコンオイル、パラフィンワックス、および溶融塩）を利用して、太陽エネルギ集光集熱装置の温度作動パラメータを満たすとともに、熱媒を使用して海水を約70℃に加熱する。したがって、太陽エネルギ集光集熱装置によって海水を直接加熱することにより生じるスケールの形成が回避され、海水フラッシュ蒸発淡水化装置を最良の温度パラメータで作動させるとともに、太陽エネルギ集熱装置を最良の温度パラメータで作動させるので、太陽熱エネルギを最大限回収する効果を達成する。

第２に、淡水化工場は一般的に、２４時間連続の淡水供給が必要とされる。熱媒（熱媒体油、シリコンオイル、パラフィンワックス、溶融塩など）によって太陽光の熱エネルギは蓄えられるので、海水を夜間に加熱することができ、淡水が連続生成される。

本実施例では多段フラッシュ蒸発器構造を採用し、高効率の太陽エネルギ集光集熱装置を利用することから、相対的に分散する太陽エネルギを効率よく回収することができ、海水の加熱および蒸発を達成する。海水の淡水化率は40％に達し、貯蔵された太陽エネルギを夜間や曇天時に用いて淡水生成を連続作動させる。生成された淡水は高品質であり、また、飲料水の基準を満たすものである。さらに、クリーンな太陽エネルギを主に利用することから、海水淡水化工程は環境に優しく、高効率、高収率である。

本発明の詳細な実施形態について記載および図示してきたが、本発明の権利範囲はこれに限定されものではなく、本発明の請求の範囲の範囲内での同等の変更であっても、本発明の保護範囲に含まれる。

Claims (9)

1. 太陽エネルギ連続熱供給を利用する海水淡水化装置であって、海水浄化システムおよび海水脱塩システムを含み、
   前記海水脱塩システムは、太陽エネルギ集光集熱装置と、太陽エネルギ蓄熱タンクと、浄化海水加熱器と、少なくとも1段の海水フラッシュ蒸発器を含み、
   前記海水フラッシュ蒸発器は、フラッシュ蒸発器本体と海水冷却器を含み、
   前記太陽エネルギ集光集熱装置の熱媒室、太陽エネルギ蓄熱タンク熱媒と、浄化海水加熱器の熱媒熱交換器は連続して連結されて、熱媒循環密封ルートが形成され、
   前記海水浄化システムの浄化海水出口主管は前記浄化海水加熱器および海水冷却器と連通し、前記浄化海水加熱器の海水出口は、フラッシュ蒸発器と連通し、
   前記フラッシュ蒸発器本体は、濃縮塩水出口と、淡水出口と、蒸気出口を含み、前記蒸気出口から排出された蒸気は前記海水冷却器の蒸気熱交換器を通過して、淡水出口から淡水主管内に回収され、前記淡水主管の端部に載置された密封式淡水貯蔵タンクは真空ポンプと連通し、濃縮塩水出口は製塩工場の配管と連通し、
   前記海水冷却器の海水出口は前記フラッシュ蒸発器本体の凝縮器本体を介して、前記浄化海水加熱器と連通し、少なくとも２段のフラッシュ蒸発器が利用される場合には、前段のフラッシュ蒸発器本体の濃縮塩水出口は次段のフラッシュ蒸発器本体と連通し、最後段のフラッシュ蒸発器本体の濃縮塩水出口は、製塩工場の配管と連通し、各段におけるフラッシュ蒸発器本体内圧力が徐々に低下させられることにより、負圧が形成され、
   前記海水浄化システムは多段浄化システムであり、連続して配置される粗濾過用海水抽出井戸と、海水滅菌浄化器と、活性炭フィルタ層および多繊維フィルタ芯層を備えた多段ウルトラフィルタと、脱酸素および脱炭素用海水脱酸素・脱炭素塔を含み、
   前記多段ウルトラフィルタおよび海水脱酸素・脱炭素塔の間に浄化海水タンクは設けられ、前記脱酸素・脱炭素塔は浄化海水主出口と連通し、
   前記海水抽出井戸は海水汲み上げポンプを介して海水滅菌浄化器と連通し、前記海水滅菌浄化器は海水送出ポンプを介して多段ウルトラフィルタと連通し、前記多段ウルトラフィルタは海水送出ポンプを介して前記浄化海水タンクと連通し、前記浄化海水タンクは第３の海水送出ポンプを介して前記海水脱酸素・脱炭素塔と連通し、前記海水脱酸素・脱炭素塔は浄化海水ポンプを介して前記浄化海水主出口と連通し、
   前記海水滅菌浄化器には滅菌剤および凝集剤が加えられる
   海水淡水化装置。
2. 前記浄化海水加熱器の海水出口とフラッシュ蒸発器本体の間に回転速度が調節可能な加熱海水ポンプが設けられ、前記浄化海水加熱器の海水出口は、前記加熱海水ポンプを介して前記フラッシュ蒸発器本体に設けられた絞り装置と連通し、前記絞り装置は海水面上方に設けられ、前記フラッシュ蒸発器本体では、前記絞り装置の上方に破泡装置が設けられ、前記破泡装置の上方に淡水回収ディスクが設けられ、前記淡水回収ディスク上に凝縮器本体が設けられ、前記蒸気出口は前記フラッシュ蒸発器本体の頂部に設けられ、前記淡水出口は前記淡水回収ディスクの上方に設けられ、前記濃縮塩水出口は前記絞り装置の下方に設けられる、請求項１の海水淡水化装置。
3. 前記浄化海水加熱器に海水温度センサおよび予備の熱交換器が設けられ、前記予備の熱交換器は熱媒油加熱炉、電気加熱炉、ボイラ排気の余熱、またはタービン排気の余熱を熱源として利用する、請求項１または２の海水淡水化装置。
4. 前記太陽エネルギ蓄熱タンクおよび前記浄化海水加熱器の熱交換器の間にヒートポンプが設けられる、請求項１の海水淡水化装置。
5. 前記太陽エネルギ集光集熱装置はタワー型太陽エネルギ集熱器、パラボラトラフ型真空管集熱器、ガラス真空管集熱器、または熱管型真空管集熱器である、請求項１または４の海水淡水化装置。
6. 前記海水抽出井戸は海岸に建設され、井戸開口は満潮時に海面上方にあるように設けられ、井戸の底面は干潮時に海面の数メートル下方にあるように設けられ、井戸壁は多孔質コンクリート構造を採用し、石塊が井戸壁の外側に配置され、砂が石塊の周縁に充填される、請求項１の海水淡水化装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の海水淡水化装置を使用する海水淡水化方法であって、海水を多段浄化して淡水を生成する工程と、太陽エネルギ集光集熱装置により太陽光を回収して、熱媒を加熱することにより、太陽エネルギを熱媒の熱エネルギに変換する工程と、熱媒の熱エネルギにより浄化海水を設定温度に連続加熱する工程と、加熱された浄化海水を少なくとも１段のフラッシュ蒸発器に送り、フラッシュ蒸発を行なう工程と、フラッシュ蒸発の間に、各段のフラッシュ蒸発器本体内圧力を徐々に低下させて、負圧を形成する工程と、フラッシュ蒸発後に蒸気を凝縮させて、淡水を分離する工程と、海水冷却器により、残りの蒸気を淡水に変換させる工程と、フラッシュ蒸発器底部からの非蒸発濃縮塩水を製塩工場に送る工程とを含み、
   多段フラッシュ蒸発器を利用する場合には、フラッシュ蒸発器底部にある濃縮塩水が連続的に次段のフラッシュ蒸発器に流入し、多段蒸発工程の間に、徐々に凝縮させられて取り出され、また、蒸発させられなかった濃縮塩水は製塩工場に運ばれ、
   太陽エネルギ集光集熱装置によって太陽光の熱エネルギが回収されるとともに、熱媒を利用して浄化海水を加熱すると同時に、熱媒の熱エネルギが太陽エネルギ蓄熱タンクに蓄えられて、夜間または曇天時には、蓄えられた熱媒を使用して浄化海水が連続加熱される海水淡水化方法。
8. 前記熱媒によって加熱される浄化海水の設定温度は55℃〜70℃、または70℃〜120℃であり、前記太陽エネルギ集光集熱装置によって前記熱媒は178℃〜600℃に加熱される、請求項７の海水淡水化方法。
9. 前記熱媒によって加熱される浄化海水の設定温度は70℃であり、前記太陽エネルギ集光集熱装置によって前記熱媒は275℃〜395℃に加熱される、請求項７の海水淡水化方法。

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