JP4156236B2 - 飲用水蒸留システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンジェットエンジン等の熱生成装置の熱源を使用して、海水または有機的、無機的に汚染された源水からの飲用水の回収に関するものである。また、本発明は、加熱および燃焼プロセスで使用された空気から水を回収する目的にも使用できる。
【０００２】
【従来の技術】
海水を淡水化する方法は、様々な技術により提案されている。その例として、以下に主要な２方法を挙げる
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
海水を淡水化する方法は、様々な技術により提案されている。その例として、以下に主要な２方法を挙げる。
淡水化法
淡水化法には、海水を大気圧で１００℃を超える温度にして水蒸気を発生させる方式がある。発生した水蒸気は、水蒸気を凝結させて純粋な水にするための冷媒として周囲の空気または水を使用して、蒸留される。この方法には、次のような長所がある。
１．ほとんどのバクテリアは、水温が６５℃を超えると死滅する。
２．沸騰が目視で確認できるため、システムの監視が容易である。
３．操作原理が理解しやすいため、作業者の訓練が少なくてすむ。
４．蒸留後の水に残る溶解固形物の総量（ＴＤＳ）＜１０ｐｐｍ。
しかしながら、この方法には多くの短所もある。下記はその例である。
１．海水を加熱するという間接的な方法が一般に用いられるため、効率が非常に劣る。
２．海水中の固形物は高温で凝固する性質がある。熱交換器の表面に付着するこの凝固物によって、効率はさらに下がる。
【０００４】
この海水淡水化法の別の方式として、蒸留槽の気圧を下げることにより、海水の沸点を下げ、蒸留を行うものがある。この方式は、エネルギー消費が少ないため、船舶でよく用いられている。この方式の主な欠点は、蒸留温度が低くバクテリアを死滅させられないため、通常は、蒸留水中のバクテリアを死滅させるためにオゾンを発生させる紫外線ランプが必要となる点である。また、蒸留槽の気圧を大気圧より低く保つことが困難なため、大規模な利用にも適さない。
【０００５】
逆浸透法
逆浸透法（Ｒ．Ｏ．）は、イオン、有機固体、および懸濁物質を給水から膜を使用したろ過システムである。従来のろ過とは異なり、透膜システムは給水を透過水流と濃縮水流の２つの流れに分離する。透過水流は半透膜を通る水であり、一方濃縮水流は給水流の一部がシステムから濃縮された固形分を流し出すために使用されているものである。
水は、ポンプによって透膜システムの膜ハウジングに供給される。水流の方向は各ハウジングの上の矢印によって示されている。給水は、ハウジング内で、膜によって分離され、透過水流と濃縮水流の２つの流れとしてハウジング外へ流れる。
複数の膜ハウジングが使用されているシステムでは、透過水流は透過マニホールドで集められる。各膜ハウジングにそれぞれ１つの透過ラインがあると有効である。通常、リリーフ弁または圧力スイッチを取り付けて透過水流の過剰な与圧を防ぐ。透過水流は流量計を通過し、機械の出水点へと流れる。
【０００６】
濃縮水流は最終膜ハウジングを出て、それぞれ調整可能な流量制御バルブのある、濃縮水流および再循環水流の２つの水流に分かれる。濃縮水流バルブには、３つの機能がある。すなわち、機械内部の圧力を制御し、排水される濃縮水流の量を制御し、回収制御を補助する機能である。回収バルブは予め定められた量の濃縮水流をポンプの入り口へと流し、より強い乱流のクロスフローを発生させる。この膜は、圧力によって性能が異なり、一価および多価イオンを除去する割合、効率が異なる。
この方法の効率は、Ｒ．Ｏ．システムを駆動するポンプの効率に大きく左右され、しかもポンプは本来エネルギー効率が非常に悪いものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
１つの方式としては、本発明は飛行には使用できなくなったガスタービンジェットエンジン等の熱発生機関を使用して、ガスタービンヒートエンジンプロセスに使用される燃料の総発熱量の９０％近い効率で、蒸留飲用水を大量に製造する方法に存するものである。これは唯一の方式ではなく、また方式の最も広い範囲を示すものでもない。
本プロセスは、ガスタービンジェットエンジン中に具体化されたカルノー熱エンジン効率サイクルを使用し、また、プロセス進行中の効率的な蒸留および原水の余熱に、ランキンサイクルを使用している。
【０００８】
一例として、本発明は、熱交換手段に給水するために配置された給水手段、熱交換手段に送られた給水を加熱するために熱交換手段に高温流体を供給するように配置された熱発生機関、熱交換手段から供給された熱水を受け入れるために配置された瞬間水蒸発器、および蒸発器内の熱給水から発生した水蒸気を受け入れ、それを水に変換するために配置された復水器から構成される蒸留水システムを提供する。
この熱交換手段は、断熱ダクトを横切る多数のフィン付き炭素鋼管を有する断熱ダクトを備えていてよい。高温流体の流れはダクト内に流れ込み、給水の流れはチューブを通って流れるように配置されている。
【０００９】
この熱発生機関は、高温流体を気体の状態で前記熱交換手段に供給するように設置されたジェットエンジンであり、この気体の流れは前記瞬間水蒸発器に部分真空を作り出すように設置されていることが好ましい。
もう１つの好ましい例では、熱発生機関は燃料ガスの状態の高温流体の流れのための再生過熱経路を備えた燃料ガスバーナーである。
この熱交換手段が、前記エンジンの下流に配置された第１の熱交換器、および高温流体から残留熱を受け取るように前記第１の熱交換器の下流に配置された第２の熱交換器、および第１の熱交換器内の供給圧を高め、第１の熱交換器から引き出せる顕熱および潜熱を増加させるように配置されたポンプを備えていることも好ましい。
【００１０】
前記蒸発器が固体搬送手段を備えていることがさらに好ましい。この搬送手段は、真空を保持するために断続的に作動してよい。このこの搬送手段は乾燥空気の向流が流れる回転チャンバから成っていてよい。
または、この搬送手段は、円筒内のペーストから水を搾り出す、円筒内脱水スクリューであってよい。
可能な場合は、エンジンをその地方で産出する炭化水素ガス、例えば採鉱作業で得られるメタン、エチレンのようなパイプラインガス、またはケロシンのような液体炭化水素を使用するように改造する。適用例によっては、水の電気分解による水素を用いてもよい。この熱発生機関は、カルノーサイクルを可能にし、必要な熱を供給するため設置され、そのサイクルの原理が応用される。したがって、炉、またはボイラーが有用であるが、大きな熱量を得るには、適切な規模の発熱量を持ち、取り付けが経済的な、使用済みのジェットエンジンが好適である。
【００１１】
熱発生機関がガスタービンエンジンである場合、バイパス空気の割合の大きなターボファン型が好適である。ジェットエンジンからの高温の排気は、断熱ダクトを横切るように配された多数のフィン付き炭素鋼管を有する断熱ダクトへ誘導される。この高温（＞６５０℃）の排気が熱交換手段を通る際に、チューブ内の海水、またはその他の源水の状態で給水は、圧力下で、給水の所定の沸点より高い所定の温度まで加熱される。
加熱された水は、ノズルを通って瞬間蒸留槽の形の蒸発器の中へ放出される。この瞬間蒸留槽は、給水が６０℃で瞬間的に蒸発する真空圧に保たれている。
【００１２】
第２の熱交換器は、給水を比較的高温の第１の熱交換器へ送る前に予熱するために使用される。熱交換器のチューブ内に鉱物が堆積するのを防ぐため、ポンプを使用して高温の熱交換器内を高速で水を循環させてよい。ただし、循環水の１回の通過で水温の上昇が２℃を超えないようにする。これによって熱交換器の水チューブ内に鉱物が堆積するのを最小限にすることができる。
給水は、通常、比例および積分・微分（ＰａｎｄＩＤ）制御を用いるプロセスの温度、流量、および圧力を動的に制御するために可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）を使用するデジタルコントロールシステム（ＤＣＳ）で制御されるポンプで、熱交換手段へ流される。これによってメンテナンス以外は全く、またはごくわずかの操作しか必要としない、全システムの自動化が可能になる。
【００１３】
流入する給水は、高温の第１の熱交換器を通る前に予熱用の第２の熱交換器へ導くことができる。
流入する水は、第２の熱交換器内で流入する給水に対する熱伝達を行っている間に、蒸発器または真空瞬間蒸留槽から流れてくる水蒸気の冷却、凝縮に使用してもよい。
このシステムは、大量の熱を発生するため、全ての高温部はＭｉｃｒｏｐｏｒｅ（登録商標）断熱材で断熱してよい。低温の部分は、ポリスチレンフォームおよびアルミ箔で断熱してよい。
【００１４】
本発明から予測される飲料水の生産量は、次のように計算される。
４４４２馬力相当（ＥＨＰ）のジェットエンジンの場合：
ＥＨＰからキロワット（ｋｗ）への変換＝ＨＰ×０．７４６
ｋｗからジュール（Ｊ）への変換＝ｋｗ×３６００×１０００
水温を１００℃に上昇させるのに必要なエネルギー＝Ｔ２（出水温度）
Ｔ１（入水温度）×水重量＝ジュール
したがって、４４４２×０．７４６×１０００×３６００＝１１，９２９，４３５，２００ジュール（ジェットエンジンの出力）
水温が１００℃に上昇した水の量
１ｋｇ（水）×４．２×１０００（水の比熱）×３０℃（予想される入水・出水温度温度の差）＝１２６，０００ジュール
これに、水を水蒸気に変えるための熱量（＝２，０８９，０００ジュール）を加える必要がある。
したがって１１，９２９，４３５，２００÷２，２１５，０００＝５，３８５ｋｇ（最初の１時間で蒸留される水）
生産される蒸留水１ｋｇあたりの燃料費＝ジェットエンジンに投入した燃料費÷生産された水の量
【００１５】
ケロシン１リットルあたりの熱量は約４５，０００，０００ジュールである。これでジェットエンジンの出力１１，９２９，４３５，２００ジュールを割ると＝１時間あたりケロシン２６５リットル。これに１リットルあたり０．２２ドルを掛け、生産される水５，３８５ｋｇで割る。＝２６５×０．２２÷５，３８５＝水１リットルあたり０．０１１ドル。これは熱損失１００％の場合であり、熱回収９５％の場合を考えると１リットルあたりの費用は（０．０１１ドル÷１００）×５＝０．０００５５セントとなる。
【発明の実施の形態】
【００１６】
本発明の明確な理解と実際的な効果のため、以下に本発明の非限定的な実施例を示す図について述べる。
図１に示す飲用水蒸留システム１０において、熱発生機関１２は、ＲＢ２１１航空機エンジンであり、このエンジン１２の燃料としてケロシンが使用されている。このようなモーターはメーカーの推奨飛行時間を超えても、大量の蒸留プロセス、即ち１時間あたり４０〜５０キロリットルの規模の熱発生機関としては、依然有用である。モーターは推力を発生させるよりも熱発生機関として作動するように調整されている。安定した条件下で運転し、燃料としてケロシンを使用した場合、１１５０℃のエンジン温度が得られる。燃焼したガスの温度が約６５０℃の水平ダクト１４への排気は、第１の熱交換器１６のステンレス鋼のクロスチューブに吹き付ける。これらのチューブにはポンプ１８によって循環する水が供給される。循環ポンプ２０が水圧を上げ、沸点を上昇させる。水温は約１６５℃に上昇する。
【００１７】
ポンプ１８は海水タンク２２から給水を常時送り込む。海水には、約３５ｇ／ｌの固形分が含まれている。この固形分は、給水がステンレス鋼のフィン付きのクロスチューブを備えた第２の熱交換器２４を通る間に周囲の温度によって加熱された場合も溶解したままである。
循環ポンプ２０は第１の熱交換器内の給水の圧力を上げ、給水は熱交換器を出て真空蒸発器２６内に噴霧され、放出される。熱水流はバルブ２８によって制御される。蒸発器２６は、エンジン１２の空気の流れを利用するベンチュリー管３０への接続によって、大気圧より低い圧力に保たれている。高温の給水が蒸発器２６内に放出されると、水は蒸発し、断熱膨張により冷える。低圧によって給水は約６０℃で沸騰する。したがって容器２６はスプレー乾燥機の働きをし、固形分は水蒸気から容器２６の底へ落ち、固形分処理部５０に集められる。（図２参照）
容器２６内の水蒸気は第２の熱交換器２４へとパイプ３４を通って流れる給水によって冷却されている復水器３２に到達する。蒸留された水は容器２６から出るパイプ３６を通って排出される。
【００１８】
エンジン１２および熱交換器１６および２４は、断熱カバー３８に囲まれている。バルブ４０および４２は、給水を第２の熱交換器２４へ送り込む予熱交換器４４への給水の調節に使用される。バルブ３６はパイプ３４を通る冷却水の流量を調節する。
蒸発器２６からの固形分は、ペースト状になってコレクター５２へ入る。このペーストはオーガー５４によって、一対のローラー５８上で回転する水平円筒５６（直径３００ｍｍ）の内部へ送られる。入り側の端は、蒸発器２６内部の容器と接続するポート６２を備えたカバー６０によって閉じられている。出側の端は、円筒の回転（４ｒｐｍ）と反対方向の渦巻状の旋条を備えたインジェクター６６を通じて熱風の乾燥向流を通すカバー６４によって閉じられている。ペーストを分配するための縦方向のバーリフター６８が円筒５６に溶接されている。固形分はポート７０を通って円筒５６から出て行く。これと同様の機械的なペーストの機械的な脱水処理にも使用できる。
【００１９】
３ＲＰＭに制御された可変速モーターを備えた減速ドライブアッセンブリ７２がオーガー送り込み５４の駆動に使用されている。４ｒｐｍに制御された可変速モーターを備えた減速もう１つのドライブアッセンブリ７４がローラー５８の駆動に使用されている。
上記は本発明の実例として挙げられているが、ここで述べた発明の範囲を大きく逸脱することなく、これについて多くの変更および修正がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の１つの実施形態に関する概要図である。
【図２】 図２は、図１に示すシステムのための固形分処理ミルの実施形態に関する概要図である。

Claims (14)

1. 熱交換手段に対し給水を供給するため配置された給水手段と、
   熱交換手段内の給水を加熱するための熱交換手段に、高温流体の流れを供給するため配置された熱発生機関と、
   加熱水を蒸発させるため熱交換手段から加熱給水を受け取るため配置された瞬間水蒸発器と、
   蒸発器内の加熱された給水から生成された蒸気を受け取って、その蒸気を水に変換する復水器と
   を備えた水蒸留システムにおいて、
   熱発生機関が、高温流体の流れを気体の形で熱交換手段に対し供給するため配置されたジェットエンジンであり、
   瞬間水蒸発器内に部分真空を作るため気体流が導入されるよう配置された抽気手段を追加して備える
   ことを特徴とするシステム。
2. 内部の水を所定の流量で再循環させることにより、熱交換手段内の圧力を増加するため配置された水再循環手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記熱交換手段が、
   前記機関に対する下流に配置された第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器に対して下流に配置され、高温流体から残留熱を受ける第２熱交換器と、
   第１熱交換器から顕熱および潜熱の抽出を増加するために、第１熱交換器内の供給圧を増加する配置となっているポンプを有する水再循環手段と
   を備えている
   ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 比較的高温の第１熱交換器とポンプとを使用して、水を高速で高温熱交換器を通じて再循環する前に、第２熱交換器を使用して給水を予熱し、水の温度上昇が水の各経路において２℃以下であることを確実にし、それにより熱交換器内の固体層堆積をいずれも軽減する
   ことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 流入給水が、第１熱交換器に入る前に、予熱のため第２熱交換器に向かう経路と、
   流入給水が、第二熱交換器内で流入給水に対する熱交換を行う前に、復水器内で水蒸気を冷却し復水するため使用される経路と
   を備えている
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載のシステム。
6. ジェットエンジンが、燃焼ガスの形の高温流体の流れのための加熱経路を有する燃料ガスバーナーである
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載のシステム。
7. 熱交換手段が断熱ダクトを備え、
   前記断熱ダクトの内部に断熱ダクトを横切る方向に配置された多数のフィン付き炭素鋼管が設けられ、
   高温流体の流れが前記断熱ダクトに流入する配置となっており、
   給水が前記炭素鋼管を通って流れる配置となっている
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のシステム。
8. 加熱給水の蒸発により生じる固体を、いずれも蒸発器から搬送するため、蒸発器と一体になった固体搬送手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載のシステム。
9. 固体搬送手段が、蒸発器における真空状態を維持するため、断続的に動作する配置となっている
   ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 固体搬送手段が、乾燥空気の向流を伴う回転チャンバを備える
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載のシステム。
11. 固体搬送手段が、円筒内のペーストから水を絞り出す脱水スクリューを円筒内に備える
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載のシステム。
12. 熱発生機関が、採鉱作業からのメタンを含む炭化水素ガス、又はエチレン若しくは液体炭化水素を含むパイプラインガス、又は電気分解水からの水素を消費するのに適している
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１つに記載のシステム。
13. 水の温度と、流量と圧力とを動的に制御するため配置されたポンプと制御手段とを用いて、給水が熱交換手段に引き込まれる
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１つに記載のシステム。
14. ジェットエンジンが、バイパス空気の割合が大きいターボファン型ガスタービンジェットエンジンであり、
    ジェットエンジンからの高温排気が、断熱ダクトを横切る方向に配置された多数のフィン付き炭素鋼管を有する熱交換手段を備える断熱ダクトを通る方向に向けられ、
    システムは、
    排気ガス（＞６５０℃）が熱交換手段を通り、
    海水又はその他の水源から採られて前記炭素鋼管内へ入れられた給水が、給水の所定沸点よりも高い所定温度まで加圧下で加熱され、そして、
    加熱された水が次いでノズルを通じて、給水が６０℃で瞬時に沸騰することの出来る真空圧に保たれた瞬間蒸発チャンバの形の蒸発器中に、解放される
    配置となっている
    ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

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