(57)【要約】【課題】  凍結した被処理物の融解時に発生する冷熱源の内、特に低い冷熱源を有効利用して、エネルギー効率が一層高く、経済性に優れる凍結融解システムと凍結融解方法を提供する。【解決手段】  凍結融解槽２と、この凍結融解槽２に送給された被処理物に対して凍結と融解とを行うアンモニア吸収冷凍機３と、このアンモニア吸収冷凍機３を冷却する冷却塔１と、アンモニア吸収冷凍機３を構成する吸収器６の冷却を、凍結した被処理物の融解時に発生する冷熱源を利用可能にする温ブライン回路Ｂ２とを有する。温ブライン回路Ｂ２の途中に、被処理物の融解時に発生する冷熱源の一部を取り出し利用可能にする熱交換器１５が設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凍結融解槽と、この凍結融解槽に送給された被処理物に対して凍結と融解とを行うアンモニア吸収冷凍機と、このアンモニア吸収冷凍機を冷却する冷却塔と、前記アンモニア吸収冷凍機を構成する吸収器の冷却を、凍結した前記被処理物の融解時に発生する冷熱源を利用可能にする温ブライン回路とを有する凍結融解システムにおいて、
前記温ブライン回路の途中に、前記被処理物の融解時に発生する冷熱源の一部を取り出し利用可能にする熱交換手段が設けられていることを特徴とする凍結融解システム。
【請求項２】
前記温ブライン回路において、前記熱交換手段の下流側に、前記凍結融解槽と吸収器の冷却水系統とに温ブラインの通流を切り換える切換手段が設けられている請求項１の凍結融解システム。
【請求項３】
前記熱交換手段に、蓄熱水槽が接続されている請求項１又は２の凍結融解システム。
【請求項４】
アンモニア吸収冷凍機により被処理物を凍結し、これを融解すると共に、前記アンモニア吸収冷凍機を構成する吸収器の冷却を、温ブライン回路を介して凍結した前記被処理物の融解時に発生する冷熱源を利用可能にする凍結融解方法において、
前記温ブライン回路の途中に設けた熱交換手段により、前記被処理物の融解時に発生する冷熱源の一部を取り出し利用可能にすることを特徴とする凍結融解方法。
【請求項５】
前記温ブライン回路において、前記熱交換手段の下流側に設けた切換手段により、前記凍結融解槽と吸収器とに温ブラインの通流を切り換える請求項４の凍結融解方法。
【請求項６】
前記熱交換手段に蓄熱水槽を接続し、この蓄熱水槽に蓄積された冷熱源を利用可能にする請求項４又は５の凍結融解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は凍結融解システムと凍結融解方法に関し、詳しくは、凍結融解槽と、この凍結融解槽に送給された被処理物に対して凍結と融解とを可能にするアンモニア吸収冷凍機と、このアンモニア吸収冷凍機を冷却する冷却塔と、前記アンモニア吸収冷凍機を構成する吸収器の冷却を、凍結した前記被処理物の融解時に発生する冷熱源を利用可能にする温ブライン回路とを有する凍結融解システムと凍結融解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排水を浄化するためには、排水中に汚泥などの固形分が混在しているので、汚泥を水分から分離、すなわち固液分離を必要とする。しかながら汚泥の性状は、原水の状態や使用する凝集剤によって異なり、その成分は一般に、水酸化アルミニウム、粘土質、コロイド質、微生物および他の有機、無機の物質で構成されていて、水分が多くゼラチン状である。従って、ろ過性が悪く、しかも分離された汚泥の水分含水率が高いため、輸送費、埋め立て焼却などの後処理に少なくない負担がかかる。そのため、後処理する前に薬品注入による凝集作用を利用する方法が用いられている。無機系凝集剤の石灰、塩化第二鉄を注入薬品として使用する場合、ろ過性は改善されるが、薬品注入することによって処分汚泥量が増量するという問題がある。
【０００３】
一方、有機系の高分子凝集剤はどうしても変性ポリマーを含むため、これらが環境中に漏洩すると、生物生育を阻害する環境ホルモンとしての働きをする恐れがあり、特に浄水処理する分野ではその使用が制限される。
【０００４】
そこで、汚泥を脱水する方法としては、無薬注方式が好ましく、ろ過水を原水に返送し再利用でき、水資源を有効に利用できる。そのうち特に好ましいのは、ろ過性能がよくて環境に余り影響を与えない凍結融解法である。この凍結融解法は、全ての汚泥に対して適用でき、低含水率の脱水汚泥が得られ、薬品を使用しないために処分された汚泥の増量がなく、土壌還元の際に問題を生じない等の優れた特徴がある。
【０００５】
凍結融解法の原理は、汚泥中に含有する水分とその表面に付着する水分が存在することに着目し、冷凍されることにより水分を氷の結晶として成長させ、その際に汚泥は未凍結ゾーンに押しやられて微細な粒子どうしが大きなブロック状に結合合体しながら濃縮して、ろ過特性を改善するものである。更に、全体に凍結すると氷の生成の膨張力により、汚泥に強力な圧縮力が加わるため、汚泥の組織（蛋白質や炭水化物のミセル構造あるいはゲル状物質のゲル状構造など）が破壊されて内部に包含されている水分が流出し、より脱水効果が高くなる。
【特許文献１】特開２００１−３８４００公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の凍結融解法は、冷凍機に電動圧縮冷凍機を用いているため、消費電力の負担が大きく経済性に劣るという問題がある。
【０００７】
ところで、近年、ノンフロン系冷媒としてアンモニアを冷媒として使用するアンモニア冷凍機の中でも吸収冷凍機は、熱駆動によって冷凍サイクルを作動させるため、汚泥の焼却およびコージェネレーションシステム（ＣＧＳ）等の排熱エネルギーを有効に利用でき、しかも電動圧縮冷凍機に比べて吸収冷凍機の所要電力は約１／１０となり、顕著な省電力効果が実現できるものとなることが判明した。
【０００８】
そして、本発明者らは、アンモニア吸収冷凍機を構成する吸収器の冷却を、凍結した被処理物の融解時に発生する冷熱源を有効活用して、装置全体の熱効率を高め省電力を実現可能にする発明をした（特許文献１）。
【０００９】
しかしながら、凍結した被処理物の融解時に発生する冷熱源の内、全てを吸収器の冷却に利用する必要はなく、特に５℃以下の比較的低い冷熱源は必ずしも吸収器の冷却に有効ではないこともあり、他の用途に利用する方が一層熱エネルギーを利用価値が高くなることが判明した。
【００１０】
そこで本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、凍結した被処理物の融解時に発生する冷熱源の内、特に低い冷熱源を有効利用して、エネルギー効率が一層高く、経済性に優れる凍結融解システムと凍結融解方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明に係る凍結融解システムの特徴構成は、凍結融解槽と、この凍結融解槽に送給された被処理物に対して凍結と融解とを行うアンモニア吸収冷凍機と、このアンモニア吸収冷凍機を冷却する冷却塔と、前記アンモニア吸収冷凍機を構成する吸収器の冷却を、凍結した前記被処理物の融解時に発生する冷熱源を利用可能にする温ブライン回路とを有ていて、前記温ブライン回路の途中に、前記被処理物の融解時に発生する冷熱源の一部を取り出し利用可能にする熱交換手段が設けられていることにある。
【００１２】
この構成によれば、温ブライン回路を介して、凍結した被処理物の融解時に発生する冷熱源の内、融解時に生じる冷熱源、例えば５℃以下程度の冷熱源を確実に取り出すことができ、各種空調機器の冷熱源や、ガスタービンの給気冷却や、浄水場における高度浄水処理設備のオゾン発生器に対するジャケット冷却などに有効に利用することができる。
【００１３】
その結果、凍結した被処理物の融解時に発生する冷熱源の内、特に低い冷熱源を有効利用して、エネルギー効率が一層高く、経済性に優れる凍結融解システムを提供することができた。
【００１４】
前記温ブライン回路において、前記熱交換手段の下流側に、前記凍結融解槽と吸収器の冷却水系統とに温ブラインの通流を切り換える切換手段が設けられていることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、被処理物が融解し始めた初期の冷熱源を取り出して有効利用できると共に、被処理物の融解が進んで温ブラインの温度が上昇してくると、温ブラインの通流を切り換えて吸収器に利用でき、凍結融解槽の融解を促進することができて、凍結融解槽の融解時間を短くできる。
【００１６】
前記熱交換手段に、蓄熱水槽が接続されていることが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、凍結融解槽を作動させる限り、昼夜をとわず利用できるので、各種の冷熱源を必要とする設備、装置などに利用し易い。
【００１８】
また、本発明に係る凍結融解方法の特徴構成は、アンモニア吸収冷凍機により被処理物を凍結し、これを融解すると共に、前記アンモニア吸収冷凍機を構成する吸収器の冷却を、温ブライン回路を介して凍結した前記被処理物の融解時に発生する冷熱源を利用可能にする方法において、前記温ブライン回路の途中に設けた熱交換手段により、前記被処理物の融解時に発生する冷熱源の一部を取り出し利用可能にすることにある。
【００１９】
この構成によれば、凍結した被処理物の融解時に発生する冷熱源の内、特に低い冷熱源を有効利用して、エネルギー効率が一層高く、経済性に優れる凍結融解方法を提供することができる。
【００２０】
前記温ブライン回路において、前記熱交換手段の下流側に設けた切換手段により、前記凍結融解槽と吸収器とに温ブラインの通流を切り換えることが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、被処理物が融解し始めた初期の冷熱源を取り出して有効利用できると共に、凍結融解槽の融解を促進することができて、凍結融解槽の融解時間を短くできて都合がよい。
【００２２】
前記熱交換手段に蓄熱水槽を接続し、この蓄熱水槽に蓄積された冷熱源を利用可能にすることが好ましい。
【００２３】
この構成によれば、凍結融解槽を作動させる限り、昼夜をとわず利用できて都合がよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る凍結融解システムの概略全体構成を表す。
【００２５】
この凍結融解装置は、冷却源である冷却塔１と被処理物である汚泥を凍結あるいは融解する凍結融解槽２とアンモニア吸収冷凍機３（以下、単に「吸収冷凍機」ということがある）とからなる。冷却塔１は、吸収冷凍機３で使用する冷媒のアンモニアを冷却する冷却水を冷却するために設けられていて、凝縮器４、吸収器６に通水される。凍結融解槽２は、図１では１台のみを示すが、通常、複数台並列して設置されている。図示はしないが、汚泥沈殿池などから引抜きされた汚泥が排泥池を経て濃縮槽などに送られ、数％程度に濃縮されてから、凍結融解槽２に送給されるようになっている。
【００２６】
吸収冷凍機３は、冷媒であるアンモニアを放熱液化する凝縮器４と、アンモニアを蒸発させる蒸発器５と、蒸発器５で蒸発したアンモニア蒸気を吸収剤である水に吸収させる吸収器６と、この吸収器６により冷媒を十分に含んだアンモニア水溶液を発生器７へ加圧送給する溶液ポンプ（図示略）と駆動熱源でアンモニア水溶液を加熱し、アンモニア蒸気と吸収剤とに分離する発生器７と、アンモニア濃度を高めてこれを凝縮器４に送る精留器８とを備えて構成されている。更に、吸収冷凍機３を作動させる駆動源として、図示はしないが、汚泥の焼却、コージェネレーション等の排熱エネルギーが供給されるようになっている。
【００２７】
精留器８は、図示はしないが、特殊な多孔板トレーを複数個設けた縦形構造をしていて、下部の回収部と上部の濃縮部とに分かれている。そして、発生器から送給されるアンモニア蒸気は回収部に送られ、回収部からアンモニア蒸気は上昇すると共に濃縮部で濃縮されるようになり、アンモニア水は濃度が薄められて下方の回収部に降下するようになっている。
【００２８】
高圧、高濃度アンモニア蒸気は凝縮器４に送られ、ここで冷却塔１からの冷却水と熱交換されて凝縮液化される。尚、図１で図番１４は冷却水を送る冷却水循環ポンプである。
【００２９】
更に、蒸発器５にはブライン回路が接続されている。このブライン回路は、低温の冷ブラインタンク９と冷ブラインを送給する冷ブライン循環ポンプ１０とからなる冷ブライン回路Ｂ１と、高温の温ブラインタンク１１と温ブラインを送給する温ブライン循環ポンプ１２とからなる温ブライン回路Ｂ２とを備えていると共に、温ブライン回路Ｂ２と冷ブライン回路Ｂ１とを切り換える一対の冷温切換バルブ１３が設けられている。そして、蒸発器５には冷ブライン回路Ｂ１が接続されていると共に、吸収器６には温ブライン回路Ｂ２の熱交換する冷却水が接続されている。
【００３０】
凍結融解槽２に送給された汚泥を凍結するときには、吸収冷凍機３の蒸発器５で冷却された冷ブラインが直接凍結融解槽２に送り込まれて汚泥を凍結する。例えば、蒸発器５で−３０℃に冷却された冷ブラインが送られて約９０分後、汚泥が完全に凍結（約−１５℃）され、汚泥に含有されている水分の分離ならびに固形物の凝集がなされる。冷ブラインは幾分昇温（約−２５℃）されて、冷ブラインタンク９を経由して蒸発器５に送られる。汚泥が改質された後、冷温切替バルブ１３により、冷ブライン回路Ｂ１が閉鎖され、温ブライン回路Ｂ２が開口される。
【００３１】
本実施形態においては、凍結した被処理物の融解時に発生する冷熱源の内、特に５℃以下の比較的低い冷熱源を他に利用すべく、蓄熱水槽１６と接続された熱交換手段である熱交換器１５が温ブライン回路Ｂ２の途中に設けられている。すなわち、冷ブライン回路Ｂ１の作用により凍結融解槽２で凍結された汚泥を融解させるため、冷温切換バルブ１３を温ブライン側に切り換えて温ブライン回路Ｂ２を作用させると、温ブライン回路Ｂ２を通流する温ブラインは急速に温度低下し、０℃付近に低下した温ブラインにより、熱交換器１５と接続され熱交換される蓄熱水槽１６の温度が低下される。この場合、温ブラインの温度を温度指示計１８により監視しており、その結果に基づいて切換手段の１種である三方切換バルブ１７を切り換えるように制御される。温ブラインが５℃程度、好ましくは３℃程度に上がると、温ブラインを熱回収器２０へ通流させ、同時に冷熱回収用ポンプを停止し、凍結融解槽２へ通流させる（Ｂ１２回路）。
【００３２】
融解初期めより零度以下に下げられた温ブラインにより、熱交換器１５と熱交換される蓄熱水槽１６の温度も低下されるので、この蓄熱水槽１６の冷水並びに氷を、各種空調機器の冷熱源や、ガスタービンの給気冷却や、更には、浄水場における高度浄水処理設備のオゾン発生器に対するジャケット冷却などに利用できる。この蓄熱水槽１６の冷水は、凍結融解槽２を作動させる限り、昼夜をとわず利用できる。特に、ガスタービンの給気冷却に利用する場合など、夏期昼間のような電力消費ピークが高くなるときに利用できるので、極めて重宝となる。尚、Ｐは冷熱回収水循環ポンプである。
【００３３】
凍結融解槽２における汚泥の融解が進行すると、温ブラインの温度も上昇して０℃以上となり、熱交換器１５で熱交換されなく蓄熱水槽１６の水温が５℃程度以下にならなくなる。その際、温度指示計１８により三方切換バルブ１７を切り換えて、加温された温ブラインを吸収器６の冷却に利用する（Ｂ１２回路）。
【００３４】
吸収器６の出側の温ブライン温度は約３０℃程度に加温されているので、凍結融解槽２中の汚泥の融解が加速される。通常、この融解は約９０分程度で完了するので、従来技術のように温ブラインの全てを吸収器６の冷却に使用する場合と比べて長くなることはない。
【００３５】
従来のように、吸収器入口冷却水温度を約２０℃まで冷却するのに、融解熱を全て利用するのに比べて、本システムでは、一部空調などで利用できる温度５〜１２℃の冷水として回収できるため、システム全体の熱効率を総合的に高いものにしている。
【００３６】
解凍された汚泥は、更に不図示の真空脱水機などの脱水装置により脱水ケーキとされ、乾燥されて処理される。乾燥された汚泥ケーキは、焼却炉などにより焼却処理される。その排熱を、吸収冷凍機３の駆動源として利用することができる。
〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態では、温ブラインのＢ１１回路とＢ１２回路への切り換えを、温度指示計１８の結果に基づき三方切換バルブ１７を切り換えることによる方式を採用したが、これに代えて、タイマーにより所定時間経過後、三方切換バルブ１７を切り換えるようにしてもよい。これは、予め凍結融解槽での凍結および融解処理時間が判明している場合に採用でき、設備コストの低減に寄与できる。
（２）上記実施形態では、温ブライン回路Ｂ２の途中に温ブラインタンク１１を設けるれを示したが、凍結した被処理物の融解時に発生する冷熱源を利用する際には、温ブラインタンク１１を経由しないように構成してもよい。このようにすると凍結した被処理物の融解時に発生する冷熱源を、温ブラインタンク１１の冷却に消費することなく、より有効に利用できて好ましい。
（３）上記実施形態では、蓄熱水槽を用いて冷熱源を取り出すようにしたが、蓄熱水槽を用いることなく、直接熱交換器から冷熱を得るようにしてもよい。
（４）被処理物としては、各種汚泥の他、凍結融解して脱水する必要のある食品工業、化学工業などに用いられる中間処理物などであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の凍結融解システムの概略全体構成図
【符号の説明】
【００３８】
１        冷却塔
２        凍結融解槽
３        アンモニア吸収冷凍機
６        吸収器
１５      熱交換手段
１６      蓄熱水槽
１７      切換手段
２０      熱回収器
Ｂ２      温ブライン回路
Ｐ        冷熱回収水循環ポンプ
【図１】
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