JP2016205242A

JP2016205242A - 発電・海水淡水化方法およびシステム

Info

Publication number: JP2016205242A
Application number: JP2015088304A
Authority: JP
Inventors: 平野　悟; Satoru Hirano; 悟平野; 洋定行; Hiroshi Sadayuki; 善行秦野; Yoshiyuki Hatano
Original assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Current assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-23
Also published as: JP6289413B2

Abstract

【課題】発電および海水淡水化を効率良く行うことができる発電・海水淡水化システムを提供する。
【解決手段】原料海水に含まれるスケール成分を分離除去するスケール除去装置１０と、スケール成分が除去された原料海水を加熱蒸発させて濃縮海水を生成する蒸発濃縮装置２０と、生成された濃縮海水に半透膜４１を介して濃縮海水よりも浸透圧が低い作動水を浸透させる正浸透膜装置４０と、作動水が半透膜を介して浸透した濃縮海水によりタービン５２を回転させて発電する発電装置５０とを備える発電・海水淡水化システム１。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電・海水淡水化方法およびシステムに関する。

従来の発電・海水淡水化システムとして、例えば特許文献１に開示された構成が知られている。特許文献１の発電・海水淡水化システムは、海水淡水化プラントにおいて海水を蒸発法や逆浸透法により淡水化すると共に、この海水淡水化プラントで生成された濃縮海水を用いて半透膜装置により浸透圧発電を行うように構成されており、製塩プラントの製塩工程において生成された苦汁を濃縮海水に添加することにより、淡水との間に生じる浸透圧エネルギーを向上させている。

特開２０１３−１８１５０１号公報

ところが、上記従来の発電・海水淡水化システムは、発電効率を高めるために苦汁が必須になることから、製造工程が煩雑になるという問題があった。また、十分な浸透圧を確保するために大量の淡水が必要になることから、設置環境の制約を受け易いという問題もあった。

そこで、本発明は、発電および海水淡水化を効率良く行うことができる発電・海水淡水化方法およびシステムの提供を目的とする。

本発明の前記目的は、原料海水に含まれるスケール成分を分離除去するスケール除去ステップと、スケール成分が除去された原料海水を加熱蒸発させて濃縮海水を生成する蒸発濃縮ステップと、生成された濃縮海水に半透膜を介して濃縮海水よりも浸透圧が低い作動水を浸透させる正浸透ステップと、作動水が半透膜を介して浸透した濃縮海水によりタービンを回転させて発電する発電ステップとを備える発電・海水淡水化方法により達成される。この発電・海水淡水化方法において、前記蒸発濃縮ステップは、複数の蒸発缶が前段で生成された蒸気を後段の熱源として導入するように順次接続された多重効用型の蒸発装置を用いて行われることが好ましい。

前記スケール除去ステップは、ＮＦ膜を用いて原料海水からスケール成分を膜分離するステップを含むことが好ましい。

前記蒸発濃縮ステップは、塩分濃度が１０重量％以上の濃縮海水を生成することが好ましい。この場合、前記正浸透ステップは、海水を作動水として使用することができる。

前記スケール除去ステップと前記蒸発濃縮ステップとの間に、スケール成分が除去された原料海水をＲＯ膜により濃縮する膜濃縮ステップを備えることが好ましい。この膜濃縮ステップは、スケール成分が除去された原料海水の一部を前記ＲＯ膜に通水し、前記ＲＯ膜を透過しない原料海水を、スケール成分が除去された原料海水の残部と合流させてもよい。

また、本発明の前記目的は、原料海水に含まれるスケール成分を分離除去するスケール除去装置と、スケール成分が除去された原料海水を加熱蒸発させて濃縮海水を生成する蒸発濃縮装置と、生成された濃縮海水に半透膜を介して濃縮海水よりも浸透圧が低い作動水を浸透させる正浸透膜装置と、作動水が半透膜を介して浸透した濃縮海水によりタービンを回転させて発電する発電装置とを備える発電・海水淡水化システムにより達成される。

本発明によれば、発電および海水淡水化を効率良く行うことができる発電・海水淡水化方法およびシステムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る発電・海水淡水化システムの概略構成図である。本発明の他の実施形態に係る発電・海水淡水化システムの概略構成図である。本発明の更に他の実施形態に係る発電・海水淡水化システムの概略構成図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る発電・海水淡水化システムの概略構成図である。図１に示すように、発電・海水淡水化システム１は、原料海水に含まれるスケール成分を除去するスケール除去装置１０と、原料海水を膜濃縮する膜濃縮装置１２と、原料海水を加熱蒸発させて濃縮海水を生成する蒸発濃縮装置２０と、生成された濃縮海水に半透膜を介して作動水を浸透させる正浸透膜装置４０と、作動水が半透膜を介して浸透した濃縮海水により発電する発電装置５０とを備えている。

スケール除去装置１０は、原料海水に含まれるカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）や硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）等のスケール成分を分離除去するための装置であり、本実施形態においては、ＮＦ膜（ナノ濾過膜）を備えるＮＦ膜装置としている。スケール除去装置１０は、必ずしもＮＦ膜装置に限定されるものではなく、例えば、イオン交換樹脂等を備えるスケール成分を除去可能な他の装置であってもよい。スケール除去装置１０を透過しない原料海水は、外部に排出される。

膜濃縮装置１２は、スケール除去装置１０を透過した原料海水をＲＯ膜（逆浸透膜）により濃縮する。スケール除去装置１０によりスケール成分が除去された原料海水は、本実施形態においては、一部が膜濃縮装置１２に導入されて膜濃縮された後に残部と合流して、蒸発濃縮装置２０に供給される。但し、スケール除去装置１０を透過した原料海水の全部を膜濃縮装置１２に導入して、膜濃縮するように構成することも可能である。膜濃縮装置１２において、原料海水がＲＯ膜を透過することにより生成された淡水は、後述する蒸発濃縮装置２０の淡水取出管２７を通過する淡水と共に、外部に排出される。膜濃縮装置１２は、原料海水の一部を淡水化することにより、後段の蒸発濃縮装置２０における負荷の軽減を図ることができるが、膜濃縮装置１２を設けずに、スケール除去装置１０を透過した原料海水を蒸発濃縮装置２０に直接導入してもよい。

蒸発濃縮装置２０は、多重効用型（ＭＥＤ）の海水淡水化装置であり、本実施形態では、第１効用缶２０ａ、第２効用缶２０ｂおよび第３効用缶２０ｃの３つの蒸発缶が順次接続された３重効用型としている。蒸発濃縮装置２０の効用数は、特に限定されるものではなく、例えば４以上であってもよい。

第１効用缶２０ａは、内部に形成された蒸発室に、水平に延びる複数の伝熱管２１ａを備える熱交換器２２ａが配置されている。熱交換器２２ａは、伝熱管２１ａの両端に入口ヘッダ２３ａおよび出口ヘッダ２４ａを備えており、パワープラント等の蒸気供給源（図示せず）からサーモコンプレッサ３３を介して入口ヘッダ２３ａに導入された加熱用蒸気が、伝熱管２１ａの内部を通過して、出口ヘッダ２４ａに排出される。伝熱管２１ａの表面には、スケール除去装置１０から散布ノズル２５ａを介して供給された原料海水が散布され、原料海水の一部が伝熱管２１ａの表面で加熱されて蒸発し、原料海水の蒸気が生成される。出口ヘッダ２４ａには、伝熱管２１ａを通過する蒸気が原料海水との熱交換により凝縮した淡水が貯留される。

他の蒸発缶（すなわち、第２効用缶２０ｂおよび第３効用缶２０ｃ）も、蒸発室の内部にそれぞれ熱交換器２２ｂ，２２ｃを備えている。第２効用缶２０ｂおよび第３効用缶２０ｃの構成は、第１効用缶２０ａと同様であるため、図１においては、第１効用缶２０ａと同様の構成部分の符号を、同じ数字で添え字のアルファベットのみを変えて表している。熱交換器２２ｂ，２２ｃを構成する伝熱管２１ｂ，２１ｃの外表面には、それぞれ散布ノズル２５ｂ，２５ｃから原料水が散布される。

各蒸発缶２０ａ〜２０ｃの出口ヘッダ（例えば、第１効用缶２０ａの出口ヘッダ２４ａ）は、１つ後段の入口ヘッダ（例えば、第２効用缶２０ｂの入口ヘッダ２３ｂ）と、淡水移送管２６により接続されている。各蒸発缶の出口ヘッダに貯留された淡水は、最後段の出口ヘッダ（すなわち、第３効用缶２０ｃの出口ヘッダ２４ｃ）に接続された淡水取出管２７により外部に排出される。

また、各蒸発缶２０ａ〜２０ｃは、前段で生成された原料水の蒸気を、１つ後段の熱交換器の熱源として導入するように、蒸気移送管２８により順次接続されている。すなわち、第１効用缶２０ａで生成された原料水の蒸気は、蒸気移送管２８を経て第２効用缶２０ｂの入口ヘッダ２３ｂに導入され、第２効用缶２０ｂで生成された原料水の蒸気は、蒸気移送管２８を経て第３効用缶２０ｃの入口ヘッダ２３ｃに導入される。第３効用缶２０ｃで生成された原料水の蒸気は、一部がサーモコンプレッサ３３に吸引されて加熱用蒸気として利用され、残部が蒸気移送管２８を経て凝縮器２９に導入されて淡水となり、淡水取出管２７を通過する淡水と共に外部に排出される。凝縮器２９に供給される原料海水は、蒸気との熱交換により予熱され、原料海水移送管３０により各蒸発缶２０ａ〜２０ｃの散布ノズル２５ａ〜２５ｃに案内される。

各蒸発缶２０ａ〜２０ｃの底部は、１つ後段の底部と濃縮水移送管３１により接続されている。各蒸発缶２０ａ〜２０ｃの底部には、散布ノズル２５ａ〜２５ｃから散布された原料水の一部が蒸発せずに濃縮海水として貯留され、最後段（すなわち、第３効用缶２０ｃ）に接続された濃縮海水取出管３２を介して、不図示のポンプの作動により正浸透膜装置４０に供給される。

正浸透膜装置４０は、半透膜４１により分離された高濃度室４２ａおよび低濃度室４２ｂを備えており、蒸発濃縮装置２０から供給される濃縮海水は、高濃度室４２ａに導入される。低濃度室４２ｂには、高濃度室４２ａの濃縮海水よりも浸透圧が低い作動水が導入される。正浸透膜装置４０は、高濃度室４２ａおよび低濃度室４２ｂにそれぞれ導入された濃縮海水および作動水を、半透膜４１を介して接触させて、作動水側の水を濃縮海水側に移動させる。

発電装置５０は、作動水が半透膜４１を介して浸透することにより流量が増加した濃縮海水により回転するタービン５２を備えている。発電装置５０から排出された濃縮海水は、例えば、原料海水として蒸発濃縮装置２０に供給することができる。

次に、本実施形態の発電・海水淡水化システム１の作動を説明する。まず、原料海水がスケール除去装置１０を通過することにより、原料海水に含まれるスケール成分が分離・除去される（スケール除去ステップ）。スケール成分が除去された原料海水は、一部が膜濃縮装置１２において膜濃縮された後、蒸発濃縮装置２０に供給される（膜濃縮ステップ）。上述したように、膜濃縮ステップは、本発明において必須のものではなく、あるいは、スケール除去装置１０を透過した原料海水の全部を膜濃縮装置１２において膜濃縮してもよい。

蒸発濃縮装置２０においては、スケール成分が除去された原料海水が加熱蒸発することにより、淡水と共に濃縮海水が生成される（蒸発濃縮ステップ）。

正浸透膜装置４０においては、生成された濃縮海水と作動水との浸透圧差によって、低濃度室４２ｂから半透膜４１を介して高濃度室４２ａへの水流Ｆが生じ、高濃度室４２ａ側の流量が増加して濃縮海水の圧力が高められる（正浸透ステップ）。

発電装置５０においては、水流Ｆによって流量が増加した濃縮海水によりタービン５２が回転し、発電が行われる（発電ステップ）。

こうして、原料海水が淡水化されると共に、濃縮海水を利用した浸透圧発電を行うことができる。

本実施形態の発電・海水淡水化システム１によれば、蒸発濃縮装置２０が多重効用型であり、この蒸発濃縮装置２０には、スケール除去装置１０によりスケール成分が除去された原料海水が導入されるので、蒸発濃縮装置２０の効用数を増やしても、各蒸発缶２０ａ〜２０ｃの熱交換器２２ａ〜２２ｃの表面にスケール成分が堆積するのを抑制することができる。したがって、従来技術のように苦汁を添加することなく、濃縮海水の塩分濃度を容易に高めることができる。蒸発濃縮装置２０で生成する濃縮海水の塩分濃度は、１０重量％以上であることが好ましく、このような塩分濃度が得られるように、蒸発濃縮装置２０の効用数や伝熱面積等を適宜設定することが好ましい。蒸発濃縮装置２０は、本実施形態では多重効用型としているが、多段フラッシュ型であってもよい。

また、膜濃縮装置１２を備えることにより、構成のコンパクト化を図りつつ原料海水を蒸発濃縮装置２０への導入前に予め濃縮することができ、蒸発濃縮装置２０での所望濃度への濃縮を容易にすることができる。

また、このように濃縮海水の塩分濃度を十分高めて正浸透膜装置４０の高濃度室４２ａに導入することにより、低濃度室４２ｂに導入する作動水として通常の海水（例えば、塩分濃度が３．５重量％）を使用した場合でも、発電装置５０での発電に必要な浸透圧差を確保することができる。したがって、淡水を大量に使用することが困難な設置環境でも、本実施形態の発電・海水淡水化システム１を使用することが可能である。一方、作動水として淡水を使用できる場合には、正浸透膜装置４０において濃縮海水と作動水との大きな浸透圧差が得られるため、発電装置５０における発電量を高めることができる。なお、正浸透膜装置４０に導入される濃縮海水は、スケール除去装置１０によってスケール成分が除去されているので、半透膜４１の汚染を防止することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態には限定されない。例えば、本実施形態においては、スケール除去装置１０によりスケール成分が除去された原料海水の一部を膜濃縮装置１２で膜濃縮した後に原料海水の残部と合流させて、蒸発濃縮装置２０の凝縮器２９に導入しているが、原料海水のみでは凝縮器２９の冷却用として不足する場合、図２に示すように、原料海水は凝縮器２９を経ずに各蒸発缶２０ａ〜２０ｃに供給する一方、凝縮器２９には冷却海水を導入することができる。この場合、凝縮器２９から排出された冷却海水の一部を、蒸発濃縮装置２０におけるスケール発生が問題にならない程度に原料海水と合流させて、各蒸発缶２０ａ〜２０ｃに供給することができる。

図２に示す構成は、図３に示すように、膜濃縮装置１２のＲＯ膜を透過せずに濃縮された原料海水の流出路に動力回収装置６０を更に設けてもよい。動力回収装置６０は、膜濃縮装置１２において膜濃縮された原料海水と、膜濃縮装置１２への導入前の原料海水との間で圧力交換を行うことにより、膜濃縮装置１２で濃縮された原料海水の圧力エネルギーを回収することができる。なお、図２および図３において、図１と同様の構成部分には、同一の符号を付している。

１発電・海水淡水化システム
１０スケール除去装置
１２膜濃縮装置
２０蒸発濃縮装置
２０ａ〜２０ｃ蒸発缶
４０正浸透膜装置
４１半透膜
５０発電装置
５２タービン

Claims

原料海水に含まれるスケール成分を分離除去するスケール除去ステップと、
スケール成分が除去された原料海水を加熱蒸発させて濃縮海水を生成する蒸発濃縮ステップと、
生成された濃縮海水に半透膜を介して濃縮海水よりも浸透圧が低い作動水を浸透させる正浸透ステップと、作動水が半透膜を介して浸透した濃縮海水によりタービンを回転させて発電する発電ステップとを備える発電・海水淡水化方法。
前記蒸発濃縮ステップは、複数の蒸発缶が前段で生成された蒸気を後段の熱源として導入するように順次接続された多重効用型の蒸発装置を用いて行われる請求項１に記載の発電・海水淡水化方法。
前記スケール除去ステップは、ＮＦ膜を用いて原料海水からスケール成分を膜分離するステップを含む請求項１または２に記載の発電・海水淡水化方法。
前記蒸発濃縮ステップは、塩分濃度が１０重量％以上の濃縮海水を生成し、
前記正浸透ステップは、海水を作動水として使用する請求項１から３のいずれかに記載の発電・海水淡水化方法。
前記スケール除去ステップと前記蒸発濃縮ステップとの間に、スケール成分が除去された原料海水をＲＯ膜により濃縮する膜濃縮ステップを備える請求項１から４のいずれかに記載の発電・海水淡水化方法。
前記膜濃縮ステップは、スケール成分が除去された原料海水の一部を前記ＲＯ膜に通水し、前記ＲＯ膜を透過しない原料海水を、スケール成分が除去された原料海水の残部と合流させる請求項５に記載の発電・海水淡水化方法。
原料海水に含まれるスケール成分を分離除去するスケール除去装置と、
スケール成分が除去された原料海水を加熱蒸発させて濃縮海水を生成する蒸発濃縮装置と、
生成された濃縮海水に半透膜を介して濃縮海水よりも浸透圧が低い作動水を浸透させる正浸透膜装置と、
作動水が半透膜を介して浸透した濃縮海水によりタービンを回転させて発電する発電装置とを備える発電・海水淡水化システム。