JP6600499B2 - 塩水淡水化装置及び塩水淡水化装置の改造方法 - Google Patents

Description

本発明は、海水等の塩水から淡水を得る塩水淡水化装置及び塩水淡水化装置の改造方法に関する。

特許文献１に記載されているように、海水等の塩水から淡水を得るために塩水を蒸留処理すると蒸発という相変化を伴い多大なエネルギーを要するため、蒸留処理と比較してエネルギー効率がよい逆浸透膜装置を用いた塩水淡水化装置が注目されている。

逆浸透膜装置を用いた淡水化装置は、塩水を透過水と濃縮塩水に分離する逆浸透膜装置と、低圧の塩水を所定圧力に昇圧して逆浸透膜装置に供給する高圧ポンプと、逆浸透膜装置から排出された高圧の濃縮塩水で低圧の塩水を昇圧する圧力交換装置と、圧力交換装置で昇圧された塩水をさらに所定圧力に昇圧して逆浸透膜装置に供給するブースターポンプとを備えている。

逆浸透膜装置から排出された濃縮塩水の圧力エネルギーを塩水の昇圧のために回収するために圧力交換装置が組み込まれている。

特許文献１には、塩水供給ポンプの負荷および消費電力を削減できる塩水淡水装置を提供することを目的として、塩水を逆浸透膜部材に供給する塩水供給手段と、前記逆浸透膜部材から放出される濃縮塩水が供給される正浸透膜部材と、前記正浸透膜部材から放出される混合水が供給されると共に、前記塩水供給手段に接続する補助デバイスと、を備え、前記補助デバイスは、前記塩水供給手段への供給電力、前記塩水供給手段への付与圧力および前記塩水供給手段への回転能力の少なくとも一つを増加させる塩水淡水装置が開示されている。

特に、図８には、逆浸透膜装置から排出された濃縮塩水の圧力エネルギーを塩水の昇圧のために回収するべく圧力交換装置が組み込まれ、圧力交換後の濃縮塩水が正浸透膜部材に供給されるように構成された塩水淡水装置が開示されている。

特開２０１４−２００７０８号公報

一般的に海から取水した塩水を淡水化する場合、逆浸透膜装置に供給する前の塩水から異物等を除去するために精密ろ過膜や限外ろ過膜等を備えたろ過装置で前処理する必要がある。

このような前処理用の装置が設置される建屋と逆浸透膜装置が設置される建屋が異なる建屋である場合等、前処理後の塩水を逆浸透膜装置に給水するための長い管路と、前処理後の塩水を圧力交換装置に給水するための長い管路を併設して夫々にポンプを設ける必要がある場合には夫々に配管を設けるための設備費が嵩むという問題があった。

そこで、前処理用の装置が設置された建屋から逆浸透膜装置が設置される建屋までの塩水の給水管路を共用し、逆浸透膜装置が設置される建屋で当該管路を分岐して逆浸透膜装置及び圧力交換装置の夫々に給水するように構成し、さらに高圧ポンプに給水する給水ポンプと圧力交換装置に給水する給水ポンプとを１台のポンプで兼用することで配管の敷設費用や設備費を低減することが考えられる。

しかし、高圧ポンプでキャビテーション等の不都合が生じないように給水ポンプの吐出し圧を調整すると、圧力交換装置に供給される塩水の圧力が圧力交換に最低限必要な圧力よりも高くなり、圧力交換後の濃縮塩水に残圧が発生する。

そのため、従来は、図５に示すように、圧力交換装置６による圧力交換後の濃縮塩水の管路に減圧弁９を設けて減圧後にそのまま放水していた。

本発明の目的は、設備費を低減しながらもエネルギーを有効に活用し、効率の良い塩水淡水化装置及び塩水淡水化装置の改造方法を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による塩水淡水化装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、塩水を透過水と濃縮塩水に分離する逆浸透膜装置と、低圧の塩水を所定圧力に昇圧して前記逆浸透膜装置に供給する高圧ポンプと、前記逆浸透膜装置から排出された高圧の濃縮塩水で低圧の塩水を昇圧する圧力交換装置と、前記圧力交換装置で昇圧された塩水をさらに前記所定圧力に昇圧して前記逆浸透膜装置に供給するブースターポンプと、を備えている塩水淡水化装置であって、前記圧力交換装置から排出される濃縮塩水により駆動される反動水車の残圧を回収する残圧回収装置と、前記反動水車により得られた動力を前記給水ポンプの補助動力として伝達する動力伝達機構を備えている点にある。

高圧ポンプで昇圧された塩水が逆浸透膜装置に供給されて淡水化され、圧力交換装置に供給された塩水が高圧の濃縮塩水と圧力交換されてブースターポンプに供給される。圧力交換装置から排出される濃縮塩水に残圧が生じても、濃縮塩水の残圧が残圧回収装置である反動水車によって動力変換されて回収され、反動水車により回収された動力が動力伝達機構を介してブースターポンプの動力を補助することに利用されるので、ブースターポンプの駆動に必要なエネルギーを低減させることができるようになる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記圧力交換装置は、圧力交換用の複数の流路が所定軸心周りに形成された筒状体と、前記流路の一端側から前記逆浸透膜装置から排出された高圧の濃縮塩水を給水するとともに圧力交換後の低圧の濃縮塩水を排水する濃縮塩水給排水部と、前記流路の他端側から低圧の塩水を給水するとともに圧力交換後の高圧の塩水を排水する塩水給排水部とを備え、前記濃縮塩水給排水部及び前記塩水給排水部が、前記筒状体と相対回転可能に構成されている点にある。

上述した回転式の圧力交換装置を用いると、圧力交換装置の濃縮塩水給排水部から排出される濃縮塩水が安定的に一定の流量に維持される。そのため、残圧回収装置によって安定的且つ効率的に残圧が回収されるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記高圧ポンプ及び前記圧力交換装置に塩水を供給する給水ポンプをさらに備えている点にある。

給水ポンプにより塩水が高圧ポンプと圧力交換装置の夫々に供給され、高圧ポンプで昇圧された塩水が逆浸透膜装置に供給されて淡水化され、圧力交換装置に供給された塩水が高圧の濃縮塩水と圧力交換されてブースターポンプに供給される。高圧ポンプでキャビテーション等が生じないように給水ポンプの吐出し圧が調整されると、圧力交換装置から排出される濃縮塩水に残圧が生じる。そのような場合でも、残圧回収装置によって残圧が適正に回収され、エネルギー損失を十分に低減できるようになる。

本発明による塩水淡水化装置の改造方法の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、塩水を透過水と濃縮塩水に分離する逆浸透膜装置と、低圧の塩水を所定圧力に昇圧して前記逆浸透膜装置に供給する高圧ポンプと、前記逆浸透膜装置から排出された高圧の濃縮塩水で低圧の塩水を昇圧する圧力交換装置と、前記圧力交換装置で昇圧された塩水をさらに前記所定圧力に昇圧して前記逆浸透膜装置に供給するブースターポンプと、を備えている塩水淡水化装置の改造方法であって、前記圧力交換装置から排出される濃縮塩水の配管ラインに残圧回収装置として濃縮塩水で駆動される反動水車を取り付ける工程と、前記反動水車により得られる動力を前記ブースターポンプに伝達する動力伝達機構を組み込む工程と、を備えている点にある。

既存の塩水淡水化装置で利用されていなかったエネルギーを反動水車を用いて回収してブースターポンプの動力として再利用することが可能になり、効率の良い塩水淡水化装置に改造することができるようになる。

以上説明した通り、本発明によれば、設備費を低減しながらもエネルギーを有効に活用し、効率の良い塩水淡水化装置及び塩水淡水化装置の改造方法を提供することができるようになった。

（ａ）は海水淡水化施設の概略の構成図、（ｂ）は前処理装置概略の構成図 （ａ）は本発明に用いられる圧力交換装置の一例を示す側面図、（ｂ）は同断面図 本発明に用いられる圧力交換装置の他の例を示す説明図 別実施形態を示す海水淡水化施設の概略の構成図 従来の海水淡水化施設の概略の構成図

以下に、本発明による塩水淡水化装置の好ましい実施形態を説明する。
図１（ａ）に示すように、塩水淡水化装置は、淡水化の対象である塩水として海水を取水する取水ポンプ１と、取水された塩水を逆浸透膜装置３に適した水質となるように前処理する前処理装置２と、前処理装置２で前処理された塩水を透過水と濃縮塩水に分離して淡水化する逆浸透膜装置３を備えて構成されている。逆浸透膜装置３から排出された淡水は飲料用水や工業用水として利用される。

図１（ａ）に二点鎖線で示すように、前処理装置２と逆浸透膜装置３とはそれぞれ異なる建屋に設置されている。

図１（ｂ）に示すように、前処理装置２には、海水中の夾雑物を取り除く夾雑物除去装置２Ａと、夾雑物除去装置２Ａで夾雑物が取り除かれた海水を貯留するろ過海水槽２Ｂと、保安フィルター２Ｃと、ろ過海水槽２Ｂに貯留された塩水を保安フィルター２Ｃに給水する送水ポンプ２Ｄ等を備えている。保安フィルター２Ｃは海水中の微細な異物を除去するための精密ろ過膜や限外ろ過膜を備えて構成され、逆浸透膜装置３の詰まりを防止するために設けられている。

前処理装置２が設置された建屋から逆浸透膜装置３が設置された建屋に配管Ｌが敷設され、前処理装置２で前処理された塩水が配管Ｌを介して送水されている。

逆浸透膜装置３が設置された建屋には、低圧の塩水を所定圧力に昇圧して逆浸透膜装置３に供給する高圧ポンプ５と、逆浸透膜装置３から排出された高圧の濃縮塩水で低圧の塩水を昇圧する圧力交換装置６と、圧力交換装置６で昇圧された塩水をさらに所定圧力に昇圧して逆浸透膜装置３に供給するブースターポンプ７とが設けられている。

配管Ｌには給水ポンプ４が設けられ、前処理された塩水が当該給水ポンプ４によって昇圧されて高圧ポンプ５及び圧力交換装置６に分岐供給される。逆浸透膜装置３は、逆浸透膜の一方側の海水に圧力をかけることにより、逆浸透膜の他方側に海水中の各種塩類が除去された淡水を染み出させる装置であり、逆浸透膜でろ過するために、海水が浸透圧以上の所定圧力に昇圧される。

給水ポンプ４で２〜４ｂａｒに昇圧された塩分濃度４％程度の塩水は高圧ポンプ５で４０〜８０ｂａｒ程度に昇圧されて逆浸透膜装置３に供給され、略４０％が淡水化されて排出され、６０％が塩分濃度８％程度に濃縮された塩水として排出される。逆浸透膜装置３から排出された濃縮海水は４０〜８０ｂａ程度の圧力を保持したまま圧力交換装置６に供給される。圧力交換装置６に供給された濃縮海水は給水ポンプ４から圧力交換装置６に分岐供給される２〜４ｂａｒの塩水との間で圧力交換されて、塩水が５８〜７８ｂａｒ程度の圧力に昇圧されるとともに、濃縮海水が１．４〜３．４ｂａｒ程度の圧力に減圧される。

圧力交換装置６で５８〜７８ｂａｒ程度の圧力に昇圧された塩水はブースターポンプ７で６０〜８０ｂａｒ程度の圧力に昇圧された後に高圧ポンプ５の吐出し側配管の塩水と合流して逆浸透膜装置３に供給される。

高圧ポンプ５でキャビテーション等の不都合が生じないように、給水ポンプ４の吐出し圧は２〜４ｂａｒに設定されている。圧力交換装置６に供給される塩水の必要圧力は給水ポンプ４の吐出圧力よりも十分に低い例えば０．６ｂａｒ程度である。そのため、圧力交換装置６で圧力交換され排出される低圧の濃縮塩水には１．４〜３．４ｂａｒ程度の残圧が保持されている。

この残圧を回収するために、圧力交換装置６から排出される濃縮塩水の残圧を回収する残圧回収装置８が設けられている。

給水ポンプ４により塩水が高圧ポンプ５及び圧力交換装置６に供給され、高圧ポンプ５で昇圧された塩水が逆浸透膜装置３に供給されて淡水化され、圧力交換装置６に供給された塩水が高圧の濃縮塩水と圧力交換されてブースターポンプ７に供給される。

高圧ポンプ５でキャビテーション等が生じないように給水ポンプ４の吐出し圧が調整されるため、圧力交換装置６から排出される濃縮塩水に残圧が生じるが、残圧回収装置によって当該残圧が回収されるので濃縮塩水が放流される際のエネルギー損失を十分に低減できるようになる。

残圧回収装置８は、圧力交換装置６から排出される濃縮塩水により駆動される反動水車８ａを備え、機械カプラ８ｂを介してブースターポンプ７の駆動用の電動モータ８ｃに連結されている。さらにモータ８ｃとブースターポンプ７の回転軸とは機械カプラ８ｄを介して連結されている。

反動水車８ａとしてフランシス水車が好適に用いられ、濃縮塩水により駆動されるフランシス水車の回転動力が電動モータ８ｃを補助する動力として用いられる。その結果、電動モータ８ｃで消費される電力を低減できるようになる。機械カプラ８ｂが、反動水車８ａにより得られた動力を電動モータ８ｃを介してブースターポンプ７に伝達する動力伝達機構となる。反動水車８ａと機械カプラ８ｂによりポンプに対する駆動力をアシストする装置が構成される。

図２には、容積式かつ回転式の圧力交換装置６の一例が示されている。当該圧力交換装置６は、圧力交換用の複数の流路４１，４２が所定軸心周りに形成された筒状体４０と、筒状体４０の一端部に逆浸透膜装置から排出された高圧の濃縮塩水を流路の一端側に給水するとともに圧力交換後の低圧の濃縮塩水を排水する濃縮塩水給排水部１６，１７と、低圧の塩水を流路の他端側に給水するとともに圧力交換後の高圧の塩水を排水する塩水給排水部１５，１８とを備えている。

当該圧力交換装置６は、連結部材１１を介して締結された第１エンドカバー２０と第２エンドカバー３０の間に備えられた円筒形状のケーシング１２を備えている。ケーシング１２内には、第１側方部材５０と、第１側方部材５０と支軸１３及び保持部材１４を介して連結された第２側方部材６０とが収容されている。さらに、第１側方部材５０第２側方部材６０との間には、上述した筒状体４０が支軸１３周りに回転可能に挟持されている。

第１側方部材５０には、逆浸透膜装置から排水された高圧濃縮塩水が供給される第１流体流入路５１と、昇圧された高圧塩水Ｈｏが逆浸透膜装置６へと排出される第２流体流出路５２と、逆浸透膜装置へと供給するために昇圧される前の低圧塩水が供給される第２流体流入路５３と、圧力を伝達し終えた低圧濃縮塩水が排出される第１流体流出路５４とが、その厚み方向に形成されている。

筒状体４０には、複数本の第１流路４１と第２流路４２とが、その回転軸心方向に貫通するように回転軸心周りに配設されている。第１流体流入路５１から第１流路４１に高圧濃縮塩水が供給されると、筒状体４０内で低圧塩水は昇圧されて高圧塩水となり、高圧塩水が第２流路４２から第２流体流出路５２へと流出する。第２流体流入路５３から第２流路４２に低圧塩水が供給されると、回転体４０内で低圧塩水に圧力を伝達した高圧濃縮塩水が第１流路４１から第１流体流出路５４へと流出する。

筒状体４０は、第１側方部材５０から流入する各流体及び第１側方部材５０へと流出する各流体のエネルギーによって、第１側方部材５０と第２側方部材６０、及び保持部材１４で区画された空間内で支軸１３周りに回転するように構成されている。回転体４０の回転に伴って、複数の第１流路４１が順に第１流体流入路５１、第１流体流出路５４と連通し、複数の第２流路４２が順に第２流体流入路５３、第２流体流出路５２と連通し、回転体４０への各流体の流入及び流出が連続的に行われる。つまり、濃縮塩水給排水部１６，１７及び塩水給排水部１５，１８を備えた第１エンドカバー２０と筒状体４０とは相対回転可能に構成されている。

筒状体４０に形成された一部流路の一端から供給される高圧の濃縮塩水により当該流路の他端から供給される低圧の塩水が昇圧されて排出されるとともに、他の一部流路の他端から供給される低圧の塩水により圧力交換後の濃縮塩水が排出される動作が上述の相対回転により連続的に行なわれることで、圧力交換装置の濃縮塩水給排水部から排出される濃縮塩水が安定的に一定の流量に維持されるようになり、残圧回収装置８によって安定的且つ効率的に残圧が回収されるようになる。

図３には、容積式かつ回転式の圧力交換装置６の他の例が示されている。当該圧力交換装置６は、圧力交換用の複数の流路が所定軸心周りに形成された筒状体４０と、筒状体４０の端部に逆浸透膜装置から排出された高圧の濃縮塩水を流路の一端側に給水するとともに圧力交換後の低圧の濃縮塩水を排水する濃縮塩水給排水部１６，１７と、低圧の塩水を流路の他端側に給水するとともに圧力交換後の高圧の塩水を排水する塩水給排水部１５，１８とを備えている。そして、濃縮塩水給排水部１６，１７及び塩水給排水部１５，１８と筒状体４０とは相対回転可能に構成されている。

圧力交換装置として、筒状体４０のような回転体を備えずに、塩水と濃縮塩水との間で直接圧力交換する方式、例えばピストン式の圧力交換装置等を用いることも可能である。

しかし、回転体を備えない場合は各流路へ流体を導入する切替弁を備えて流体の流入及び流出を切り替える必要があり、そのために濃縮排水の流れや圧力に変動が生じる。その結果、残圧の回収が安定して行なえない。また、塩水と濃縮塩水との間に部材を介して圧力を交換する構成を採用した圧力交換装置もあるが、部材の摩擦損失が生じる。そのため、塩水と濃縮塩水とが筒状体４０の回転により他の部材を介さず直接に圧力を直接交換する図２，３に示したような圧力交換装置を用いるのが最適である。

さらに、水車による圧力交換装置でも本願に適用可能ではあるが濃縮排水の残圧が低いため残圧回収装置での残圧の回収量が少なく容積式かつ回転式の圧力交換装置ほど効果は高くない。

図４に示すように、同様の目的で、残圧回収装置８で回収されたエネルギー、つまり反動水車８ａにより得られた動力を給水ポンプ４の補助動力として伝達する動力伝達機構８ｂを備えてもよい。

さらに、反動水車８ａにより得られた動力により発電する発電機を備えて発電し、塩水淡水化装置に備えた各種の電気設備に給電するように構成してもよい。

尚、反動水車は水車の羽根車で圧力を回収する能力に優れており、容積式かつ回転式の圧力回収装置のように残圧が残る場合には、速度を回収する能力に優れている衝動水車より好適な残圧を回収する装置となる。

上述した実施形態では、逆浸透膜装置３の近傍に給水ポンプ４を設けた構成を説明したが、給水ポンプを設置せず、前処理装置２に備えた送水ポンプ２Ｄで代用してもよい。

この場合、ブースターポンプ７に必要な圧力を送水ポンプ２Ｄで供給する必要があり、送水ポンプ２Ｄの能力アップに伴うコスト上昇や、前処理装置２からブースターポンプ７までの配管Ｌを高い圧力に耐えるように材質を変更したり管厚を厚くすることからコスト上昇をもたらしたりするので、上述した実施形態のように給水ポンプ４を逆浸透膜装置３の近傍に設けるのが好ましい。

塩水を透過水と濃縮塩水に分離する逆浸透膜装置と、低圧の塩水を所定圧力に昇圧して前記逆浸透膜装置に供給する高圧ポンプと、前記逆浸透膜装置から排出された高圧の濃縮塩水で低圧の塩水を昇圧する圧力交換装置と、前記圧力交換装置で昇圧された塩水をさらに前記所定圧力に昇圧して前記逆浸透膜装置に供給するブースターポンプとを備えている既存の塩水淡水化装置に対して、上述した塩水淡水化装置に改造することにより、利用されていなかったエネルギーを回収して再利用することが可能になり、効率の良い塩水淡水化装置に改造することができるようになる。

即ち、塩水淡水化装置の改造方法は、圧力交換装置から排出される濃縮塩水の配管ラインに濃縮塩水の残圧を回収する残圧回収装置を取り付ける工程と、残圧回収装置で回収された残圧による得られる動力を給水ポンプまたはブースターポンプに伝達し、或いは残圧回収装置に付属する発電機を駆動する動力伝達機構を組み込む工程とを備えて構成されている。

残圧回収装置８が上述した反動水車８ａを備えて構成される場合、機械カプラ８ｂ等が動力伝達機構となる。

以上説明した塩水淡水化装置の具体的構成は実施形態の記載に限定されるものではなく、本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

３：逆浸透膜装置
４：給水ポンプ
５：高圧ポンプ
６：圧力交換装置
７：ブースターポンプ
８：残圧回収装置
８ａ：反動水車

Claims (4)

1. 塩水を透過水と濃縮塩水に分離する逆浸透膜装置と、低圧の塩水を所定圧力に昇圧して前記逆浸透膜装置に供給する高圧ポンプと、前記逆浸透膜装置から排出された高圧の濃縮塩水で低圧の塩水を昇圧する圧力交換装置と、前記圧力交換装置で昇圧された塩水をさらに前記所定圧力に昇圧して前記逆浸透膜装置に供給するブースターポンプと、を備えている塩水淡水化装置であって、
   前記圧力交換装置から排出される濃縮塩水により駆動される反動水車の残圧を回収する残圧回収装置と、前記反動水車により得られた動力を前記給水ポンプの補助動力として伝達する動力伝達機構を備えている塩水淡水化装置。
2. 前記圧力交換装置は、圧力交換用の複数の流路が所定軸心周りに形成された筒状体と、前記流路の一端側から前記逆浸透膜装置から排出された高圧の濃縮塩水を給水するとともに圧力交換後の低圧の濃縮塩水を排水する濃縮塩水給排水部と、前記流路の他端側から低圧の塩水を給水するとともに圧力交換後の高圧の塩水を排水する塩水給排水部とを備え、前記濃縮塩水給排水部及び前記塩水給排水部が、前記筒状体と相対回転可能に構成されている請求項１記載の塩水淡水化装置。
3. 前記高圧ポンプ及び前記圧力交換装置に塩水を供給する給水ポンプをさらに備えている請求項１または２記載の塩水淡水化装置。
4. 塩水を透過水と濃縮塩水に分離する逆浸透膜装置と、低圧の塩水を所定圧力に昇圧して前記逆浸透膜装置に供給する高圧ポンプと、前記逆浸透膜装置から排出された高圧の濃縮塩水で低圧の塩水を昇圧する圧力交換装置と、前記圧力交換装置で昇圧された塩水をさらに前記所定圧力に昇圧して前記逆浸透膜装置に供給するブースターポンプと、を備えている塩水淡水化装置の改造方法であって、
   前記圧力交換装置から排出される濃縮塩水の配管ラインに残圧回収装置として濃縮塩水で駆動される反動水車を取り付ける工程と、
   前記反動水車により得られる動力を前記ブースターポンプに伝達する動力伝達機構を組み込む工程と、を備えている塩水淡水化装置の改造方法。

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