(57)【要約】  原水はヒートポンプ１０の凝縮器１３で加熱された後、蒸気を熱源とした熱交換器４を介して、ＲＯ装置６に供給される。ヒートポンプ１０の蒸発器１１の伝熱チューブ１１ａには、冷凍システム２０の熱交換器２４から流出する温媒体の一部が流通される。伝熱チューブ１１ａを通ることによって降温した媒体が熱交換器２４に循環供給される。冷凍システム２０は、冷凍機本体２１からの冷媒体を空調等の熱交換器２４に循環流通させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理方法において、
該ヒートポンプの熱源流体として、冷凍システムの熱交換器から流出する温媒体を用いることを特徴とする逆浸透処理方法。
【請求項２】
前記ヒートポンプで加熱された原水を、第２熱交換器で加熱した後、前記逆浸透装置に供給することを特徴とする請求項１の逆浸透処理方法。
【請求項３】
前記第２熱交換器に、ボイラからの蒸気を原水加熱用熱源流体として供給することを特徴とする請求項２の逆浸透処理方法。
【請求項４】
前記ヒートポンプで加熱された原水の少なくとも一部をボイラ給水として前記ボイラに送水することを特徴とする請求項３の逆浸透処理方法。
【請求項５】
前記ヒートポンプの凝縮器の伝熱チューブとの間で水が循環される給水タンクを設置し、原水を該給水タンクに供給し、該伝熱チューブと給水タンクとの間で原水を循環させて加熱し、加熱された原水を該給水タンクから前記逆浸透装置に供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項の逆浸透処理方法。
【請求項６】
前記ヒートポンプの凝縮器の伝熱チューブとの間で水が循環される給水タンクを設置し、原水を該給水タンクに供給し、該伝熱チューブと給水タンクとの間で原水を循環させて加熱し、加熱された原水の少なくとも一部をボイラ給水として前記ボイラに送水することを特徴とする請求項４の逆浸透処理方法。
【請求項７】
前記冷凍システムは、冷凍機本体と、該冷凍機本体からの冷媒体が導入され、温媒体が流出する前記熱交換器とを備えており、
該熱交換器から流出する温媒体の一部を該冷凍機本体に戻し、残部を前記ヒートポンプの蒸発器に導入し、該蒸発器で降温した媒体を該熱交換器の冷媒体流入側に戻すことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項の逆浸透処理方法。
【請求項８】
前記冷凍システムは、冷凍機本体と、該冷凍機本体からの冷媒体が導入され、温媒体が流出する前記熱交換器とを備えており、
該熱交換器から流出する温媒体の一部を該冷凍機本体に戻し、残部を前記ヒートポンプの蒸発器に導入し、該蒸発器で降温した媒体を該冷凍機本体に戻すことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項の逆浸透処理方法。
【請求項９】
原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理システムにおいて、
該ヒートポンプの熱源流体として、冷凍システムの熱交換器から流出する温媒体を用いることを特徴とする逆浸透処理システム。
【請求項１０】
前記ヒートポンプで加熱された原水を、さらに加熱して前記逆浸透装置に供給する第２熱交換器を有することを特徴とする請求項９の逆浸透処理システム。
【請求項１１】
前記第２熱交換器に、蒸気を原水加熱用熱源流体として供給するボイラを有することを特徴とする請求項１０の逆浸透処理システム。
【請求項１２】
前記ヒートポンプで加熱された原水の少なくとも一部をボイラ給水として前記ボイラに送水する手段を有することを特徴とする請求項１１の逆浸透処理システム。
【請求項１３】
前記ヒートポンプの凝縮器の伝熱チューブとの間で水が循環される給水タンクを有し、原水を該給水タンクに供給し、該伝熱チューブと給水タンクとの間で原水を循環させて加熱し、加熱された原水を該給水タンクから前記逆浸透装置に供給することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項の逆浸透処理システム。
【請求項１４】
前記ヒートポンプの凝縮器の伝熱チューブとの間で水が循環される給水タンクを設置し、原水を該給水タンクに供給し、該伝熱チューブと給水タンクとの間で原水を循環させて加熱し、加熱された原水の少なくとも一部をボイラ給水として前記ボイラに送水することを特徴とする請求項１２の逆浸透処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆浸透膜装置を用いて水を処理する逆浸透処理方法及びシステムに係り、特に逆浸透膜装置への給水をヒートポンプで加熱する逆浸透処理方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
逆浸透膜装置（以下、ＲＯ装置ということがある。）にあっては、処理水量維持（水の粘度低下の防止によるフラックスの維持、シリカ飽和溶解度上昇による回収率向上）の為、給水温度を２５℃程度に加温している。この給水の加熱には蒸気、温水、電気ヒーターなどが使用され、エネルギーを消費している。【０００３】
特開２０１２−９１１１８号公報の請求項７には、ＲＯ装置の給水をヒートポンプによって２３〜２５℃に加熱することが記載されているが、同号公報にはヒートポンプの熱源についての具体的記載はなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−９１１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ヒートポンプでＲＯ装置への給水を加熱する逆浸透処理方法及びシステムにおいて、加熱コストを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の逆浸透処理方法は、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理方法において、該ヒートポンプの熱源流体として、冷凍システムの熱交換器から流出する温媒体を用いることを特徴とするものである。【０００７】
本発明の逆浸透処理システムは、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理装置において、該ヒートポンプの熱源流体として、冷凍システムの熱交換器から流出する温媒体を用いることを特徴とするものである。【０００８】
本発明の一態様では、前記ヒートポンプで加熱された原水を、第２熱交換器で加熱した後、前記逆浸透装置に供給する。【０００９】
本発明の一態様では、前記第２熱交換器に、ボイラからの蒸気を原水加熱用熱源流体として供給する。【００１０】
本発明の一態様では、前記ヒートポンプで加熱された原水の少なくとも一部をボイラ給水として前記ボイラに送水する。【００１１】
本発明の一態様では、前記ヒートポンプの凝縮器の伝熱チューブとの間で水が循環される給水タンクを設置し、原水を該給水タンクに供給し、該伝熱チューブと給水タンクとの間で原水を循環させて加熱し、加熱された原水を該給水タンクから前記逆浸透装置に供給する。【００１２】
本発明の一態様では、前記ヒートポンプの凝縮器の伝熱チューブとの間で水が循環される給水タンクを設置し、原水を該給水タンクに供給し、該伝熱チューブと給水タンクとの間で原水を循環させて加熱し、加熱された原水の少なくとも一部をボイラ給水として前記ボイラに送水する。【００１３】
本発明の一態様では、前記冷凍システムは、冷凍機本体と、該冷凍機本体からの冷媒体が導入され、温媒体が流出する前記熱交換器とを備えており、該熱交換器から流出する温媒体の一部を該冷凍機本体に戻し、残部を前記ヒートポンプの蒸発器に導入し、該蒸発器で降温した媒体を該熱交換器の冷媒体流入側に戻す。【００１４】
本発明の一態様では、前記冷凍システムは、冷凍機本体と、該冷凍機本体からの冷媒体が導入され、温媒体が流出する前記熱交換器とを備えており、該熱交換器から流出する温媒体の一部を該冷凍機本体に戻し、残部を前記ヒートポンプの蒸発器に導入し、該蒸発器で降温した媒体を該冷凍機本体に戻す。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、冷凍システムの熱交換器から流出する温媒体を熱源としたヒートポンプでＲＯ装置への給水を加熱することにより、該給水の加熱コストを低減することができる。【００１６】
本発明の一態様では、冷凍システムの熱交換器から流出する温媒体をヒートポンプの蒸発器で降温させるので、冷凍機の冷凍負荷を低減することができる。このことで、冷凍機本体の消費電力を削減し、ヒートポンプの設置により生み出されるトータルの便益を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施の形態に係る逆浸透処理システムのブロック図である。
【図２】第２の実施の形態に係る逆浸透処理システムのブロック図である。
【図３】第３の実施の形態に係る逆浸透処理システムのブロック図である。
【図４】第４の実施の形態に係る逆浸透処理システムのブロック図である。
【図５】第５の実施の形態に係る逆浸透処理システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１を参照して第１の実施の形態について説明する。
【００１９】
ＲＯ処理される原水は、配管１からポンプ２によってヒートポンプ１０の凝縮器１３に供給され、加熱された後、配管３から蒸気を熱源とした熱交換器（第２熱交換器）４を通り、配管５を介してＲＯ装置６に供給される。ＲＯ装置６の透過水は配管７から処理水として取り出され、濃縮水は配管８へ流出する。
【００２０】
熱交換器４に蒸気を供給するためのボイラの形式は特に限定されるものではなく、小型貫流ボイラ、水管ボイラ、丸ボイラ、排熱ボイラなどのいずれでもよい。なお、通常運転時には蒸気による加温は必要ないが、後述の冷凍機本体２１の停止時や、ＲＯ装置６の起動時などの加温等に使用する。ただし、必要に応じ、通常運転時においても熱交換器４でＲＯ給水を加熱するようにしてもよい。
【００２１】
ヒートポンプ１０は、周知構成のものであり、蒸発器１１からの代替フロン等の熱媒体を圧縮機１２で断熱圧縮により高温として凝縮器１３に導入し、凝縮器１３からの熱媒体を膨張弁１４を介して蒸発器１１に導入し、断熱膨張させて降温させるように構成されている。凝縮器１３内に設けられた伝熱チューブ１３ａに原水がポンプ２を介して通水され、高温熱媒体と熱交換して加熱される。
【００２２】
蒸発器１１内に設けられた伝熱チューブ１１ａに、冷凍システム２０の熱交換器２４から流出した温媒体の一部が配管３１及びバルブ３２を介して導入される。蒸発器１１内の低温熱媒体との熱交換により降温した冷媒体は、配管３３を介して熱交換器２４に再度導入される。
【００２３】
冷凍システム２０は、ターボ式冷凍機、吸収式冷凍機などの冷凍機本体２１で冷却された冷媒体を、冷凍機本体２１の媒体送出部２１ａから配管２２を介して空調機などの熱交換器（第１熱交換器）２４に供給し、周囲の熱を吸収させて該周囲を冷却する。熱交換器２４で該周囲の熱を吸収して昇温した温媒体の一部が熱交換器２４から媒体循環用ポンプ２５、配管２６、バルブ２７を介して冷凍機本体２１の媒体戻り部２１ｂに戻る。
【００２４】
熱交換器２４から流出した温媒体の残部は、配管２６から分岐した配管３１、バルブ３２を介して蒸発器１１の伝熱チューブ１１ａに流通され、ヒートポンプ熱媒体と熱交換して降温して冷媒体となり、配管３３へ流出する。配管３３は前記配管２２に連なっており、配管３３からの冷媒体は、前記冷凍機本体２１からの冷媒体と合流して熱交換器２４に流入する。
【００２５】
このように、この実施の形態では、ヒートポンプ１０の蒸発器１１の伝熱チューブ１１ａに流通される熱源流体として、熱交換器２４から流出する温媒体を利用している。また、ヒートポンプ１０の蒸発器１１の伝熱チューブ１１ａを通ることによって降温した冷媒体を熱交換器２４に戻すようにしている。
【００２６】
なお、この冷凍システム２０の冷凍機本体２１は、冷却用の低温流体として冷却塔４０からの冷水を用いている。
【００２７】
この冷却塔４０では、散水管４１から散水された冷却水が充填材層４２を流下する間にルーバ４３から導入される空気と接触し、蒸発潜熱により冷却されて冷水となり、ピット４４（冷却塔下部水槽）に貯留される。蒸気を含む空気はファン４８により大気中に排気される。ピット４４の冷水は、ポンプ４５、配管４６を介して冷凍機本体２１に供給され、熱交換して昇温する。冷凍機本体２１からの温戻り水が配管４７を介して散水管４１に返送される。
【００２８】
このように構成された図１の逆浸透処理装置では、原水はヒートポンプ１０で加熱された後、必要に応じ熱交換器４で加熱され、ＲＯ装置６に供給される。
【００２９】
この実施の形態では、ヒートポンプ１０の温熱源として、冷凍システム２０に設置された空調機等の熱交換器２４から流出する温媒体を用いており、冷凍機本体２１の冷凍負荷を低減させることができる。また、これによって冷凍機本体２１の消費電力を低減できるので、ヒートポンプ１０で消費される電力がほぼ相殺される。このため、加温用の蒸気の削減額がそのまま便益として計上することができるため、ヒートポンプの設置による投資の回収を早くすることができる。
【００３０】
図２を参照して第２の実施の形態について説明する。
【００３１】
図１の冷凍システム２０では、冷凍機本体２１から配管２２を介して送られてくる冷媒体と、蒸発器１１から配管３３を介して送られてくる冷媒体とを合流させて空調機等の熱交換器２４に流入させているが、図２の実施の形態では、冷凍機本体２１の媒体送出部２１ａから配管２２を介して送られてくる冷媒体のみを熱交換器２４に流入させる。
【００３２】
この熱交換器２４から流出した温媒体は、媒体循環用ポンプ２５によって配管２８に送り出される。送り出された温媒体の一部は、バルブ２９、配管３０を介して冷凍機本体２１の媒体戻り部２１ｂに循環される。
【００３３】
配管２８に送り出された温媒体の残部は、配管２８から分岐した配管３５及びバルブ３６を介して蒸発器１１の伝熱チューブ１１ａに流通され、ヒートポンプ熱媒体と熱交換して降温して冷媒体となり、配管３７から配管３０に合流し、冷凍機本体２１の媒体戻り部２１ｂに戻る。
【００３４】
図２のその他の構成は図１と同様であり、同一符号は同一部分を示している。
【００３５】
この実施の形態においても、図１の実施の形態と同様に、ヒートポンプ１０の温熱源として、冷凍システム２０に設置された空調機等の熱交換器２４から流出する温媒体を用いており、冷凍機本体２１の冷凍負荷を低減することができる。
【００３６】
なお、図１のシステムに従って原水（２０℃）を２５℃に加熱して１００ｍ３／ｈでＲＯ処理し、冷凍機本体２１としてターボ冷凍機（５００ＲＴ）をＣＯＰ（成績係数）５で運転し、冷凍機本体２１の媒体を水とし、冷凍機本体戻り部２１ｂの流入水（温媒体）温度１２℃、冷凍機本体送出部２１ａの流出水（冷媒体）温度７℃とし、熱交換器４に蒸気を供給せず、ヒートポンプ（４７０ｋＷ）をＣＯＰ（成績係数）６で運転する場合、蒸気式熱交換器４のみによって原水を２０℃から２５℃に加温し、蒸気式熱交換器４に蒸気を３台の小型貫流ボイラ（換算蒸発量２０００ｋｇ／ｈ、燃料ＬＮＧ、蒸気圧力０．７ＭＰａ）で供給する場合に比べてエネルギーコストは８０％以下になると試算される。
【００３７】
また、図１のシステムは、原水をヒートポンプのみによって２０℃から２５℃に加温する場合に比べてエネルギーコストは９０％以下になると試算された。
【００３８】
図３を参照して第３の実施の形態について説明する。
【００３９】
図１では、ヒートポンプ１０の凝縮器１３の伝熱チューブ１３ａを通過して加熱された原水は、その全量が配管３から熱交換器４に送水されており、熱交換器４に対し熱源流体としてボイラから蒸気が供給されている。図３では、該配管３を配管５０，６０の２系統に分岐させている。
【００４０】
配管５０に流れた加熱原水は、バルブ５１、給水タンク５２及び配管５３を介して熱交換器４に送水される。また、給水タンク５２には、ヒートポンプ１０で加熱しない原水（以下「非加熱原水」と記す場合あり）を給水タンク５２に供給するために、バルブ８５を備えた配管８６が接続されている。
【００４１】
配管６０に流れた加熱原水は、バルブ６１、第１軟水器６２及び配管６３を介して給水タンク６４に送水される。給水タンク６４には、第２軟水器６５を通過したボイラ用水も、配管６６を介して導入される。軟水器６２，６５は、容器と、該容器内に充填されたイオン交換樹脂とを有し、原水又はボイラ用水を軟水とする。ボイラ用水は原水と同一の水源からの水であってもよく、別の水源からの水であってもよい。
【００４２】
給水タンク６４内の水は、配管６７を介してボイラ７０に供給される。ボイラ７０で発生した蒸気が配管７１を介して熱交換器４に供給される。配管５３からの原水が該熱交換器４で加熱され、ＲＯ装置６に供給される。なお、熱交換器４で蒸気が凝縮することにより生じた凝縮水を給水タンク６４に送水してもよい。
【００４３】
図３のその他の構成は図１と同一であり、同一符号は同一部分を示している。
【００４４】
図３では、ヒートポンプ１０に連なる熱交換器２４及び冷凍機２０及び冷却塔４０の構成は図１の構成となっているが、図２のように構成されていてもよい。
【００４５】
この第３の実施の形態によると、１台のヒートポンプ１０によって、ＲＯ装置６への給水だけでなく、ボイラ７０への給水の一部も加熱することができる。
【００４６】
また、バルブ５１およびバルブ６１により加熱原水の供給先を切替えたり、供給量を調整することができる。そして、バルブ５１およびバルブ６１を用いてヒートポンプ１０による加熱原水を優先的にＲＯ装置６に供給し、加熱原水の余剰分をボイラ７０への給水とすることで、ＲＯ装置６に供給される原水の加温用の蒸気を効果的に削減するとともに、ヒートポンプ１０で加熱した原水を有効に利用することが可能となる。
【００４７】
例えば、加熱原水がＲＯ装置６の給水の設定温度（例えば２５℃）未満の場合には、ＲＯ装置６の給水の全量を加熱原水とするようバルブ５１，バルブ６１を調整する。加熱原水の全量がＲＯ装置６の給水量を上回る場合には、加熱原水の余剰分が給水タンク６４に送水されボイラ給水として使用される。夏場などで、加熱原水がＲＯ装置６の給水の設定温度（例えば２５℃）を超える場合には、バルブ５１，バルブ６１、更にはバルブ８５を調整することで、ＲＯ装置６の給水が設定温度となるように給水タンク６４に供給される加熱原水と非加熱原水の供給量を調整するとともに、加熱原水の余剰分を給水タンク６４に送水する。このようにすることで、ヒートポンプで加熱した原水を一年間を通して、有効に利用することが可能となる。
【００４８】
なお、非加熱原水の温度、或いは、季節によって、加熱原水の供給先を切り替えるようにしても良い。例えば、非加熱原水の温度が所定温度を超えた場合、或いは、夏場においては、ＲＯ装置６の給水の全量を非加熱原水とし、加熱原水は全てボイラ給水として利用するようにバルブ５１，６１および８５を調整してもよい。また、非加熱原水の温度が所定の温度以下の場合、或いは、夏場以外の季節においては、ＲＯ装置６の給水の全量を加熱原水として、加熱原水の余剰分をボイラ給水として利用するように、バルブ５１，６１および８５を調整してもよい。
【００４９】
図４を参照して第４の実施の形態について説明する。
【００５０】
図３のシステムでは、ヒートポンプ１０の凝縮器１３で加熱された原水をそのまま配管３へ送水しているが、図４のシステムでは、配管１からの原水を給水タンク８０に導入し、給水タンク８０内の原水をポンプ８１及び配管８２を介して凝縮器１３の伝熱チューブ１３ａに送水する。伝熱チューブ１３ａから流出した、加熱された原水は、配管８３を介して給水タンク８０に返送される。このようにして給水タンク８０内の原水の温度が高くなる。この給水タンク８０内の温度の高い原水がポンプ８４を介して配管３へ送水される。
【００５１】
図４のその他の構成は図３と同一であり、同一符号は同一部分を示している。図４のシステムによっても、図３のシステムと同様の効果が得られる。なお、図４では、原水を給水タンク８０と凝縮器１３とを循環させるので、図３の場合よりも高い温度に加熱された原水を配管３へ送り出すことができる。
【００５２】
図４では、ヒートポンプ１０に連なる熱交換器２４、冷凍機２０及び冷却塔４０の構成は図１の構成となっているが、図２のように構成されていてもよい。
【００５３】
図３の装置を想定し、以下の条件で運転した場合の蒸気コストを試算した結果を表１に示す。
【００５４】
＜運転条件＞
ボイラ：貫流ボイラ、換算蒸発量６０００ｋｇ／ｈ×１０台、燃料ＬＮＧ、蒸気圧力０．７ＭＰａ
ＲＯ装置：原水供給量１００ｍ３／ｈ
ヒートポンプ：４７０ｋＷ、ＣＯＰ（成績係数）６
ＲＯ給水の加温以外の蒸気使用量：２４０，０００ｔ／年
ヒートポンプでの原水の平均加温温度：５℃
ＬＮＧ単価：５０円／Ｎｍ３＝蒸気単価３９６３円／ｔ、５℃の熱回収で蒸気の燃料が０．８％（蒸気単価３９３１円）削減されると仮定。
【００５５】
［試験例１］
ヒートポンプによる加熱原水の全量をボイラ給水として利用し、ＲＯ給水はボイラからの蒸気（１，２２８ｔ／年）で原水を２０℃から２５℃に加熱。
【００５６】
［試験例２］
夏場以外の季節はヒートポンプによる加熱原水の全量をＲＯ給水として利用。夏場は原水が２５℃あるとして原水を加熱することなく利用。ボイラ給水は全量を加熱してない原水を使用した。
【００５７】
［試験例３］
夏場はヒートポンプによる加熱原水の全量をボイラ給水として利用し、それ以外の季節はヒートポンプによる加熱原水の全量をＲＯ給水として利用した。
【００５８】
【表１】
2020008884.tif 000003
【００５９】
表１に示す通り、季節によってヒートポンプによる加熱原水の供給先を切り替えることで、ＲＯ装置に供給される原水の加温用の蒸気を効果的に削減するとともに、ヒートポンプで加熱した原水を有効に利用することで、蒸気コストを抑制することが可能となった。
【００６０】
図５を参照して第５の実施の形態について説明する。
【００６１】
この実施の形態は、図１のシステムにおいて、給水タンク８０、ポンプ８１、配管８２，８３、ポンプ８４を設置したものである。図４の場合と同じく、原水を伝熱チューブ１３ａと給水タンク８０との間を循環させて加熱する。加熱された原水がポンプ８４から配管３を介してＲＯ装置６のみへ送水される。
【００６２】
この実施の形態によると、図１の場合よりも、高い温度に加熱された原水がＲＯ装置に送水される。
【００６３】
上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態とされてもよい。
【００６４】
例えば、図１，２，５では、蒸気式熱交換器４を用いているが、蒸気式熱交換器４の代わりに蒸気以外を熱源とする熱交換器を設置してもよい。
【００６５】
本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
【００６６】
本出願は、２０１８年７月６日付で出願された日本特許出願２０１８−１２９２５７に基づいており、その全体が引用により援用される。
【符号の説明】
【００６７】
４  蒸気式熱交換器
６  ＲＯ装置
１０  ヒートポンプ
１１  蒸発器
１２  圧縮機
１３  凝縮器
１４  膨張弁
２０  冷凍システム
２１  冷凍機本体
２４  熱交換器
４０  冷却塔
５２，６４，８０  給水タンク
７０  ボイラ
【図１】
2020008884.tif 000004
【図２】
2020008884.tif 000005
【図３】
2020008884.tif 000006
【図４】
2020008884.tif 000007
【図５】
2020008884.tif 000008
【国際調査報告】
2020008884.tif 000009
2020008884.tif 000010
2020008884.tif 000011
2020008884.tif 000012