JP2008183493A - 排水蒸発濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小さな動力で２つの可撓性部材を交互に上下動させることができ、安定した運転と可撓性部材へのスケールの付着による目詰まりを防ぐことができる排水蒸発濃縮装置を提供すること。
【解決手段】タンク２内の下部に排水の液溜り３とこれを加熱する円筒管群（加熱手段）４を設けるとともに、可撓性部材８をタンク２内に移動可能に設置し、該可撓性部材８を上下動させてこれを液溜り３に浸漬する動作と気相中に引き上げる動作を交互に繰り返すことによって該可撓性部材８の表面から水分を蒸発させる排水蒸発濃縮装置１において、２つの可撓性部材８を重量バランスを保った状態で連結して吊り下げ、両可撓性部材８を巻上げ・巻下げ装置（共通の駆動源）６によって交互に上下動させ、これらの一方が液溜り３に浸漬している間に他方が気相中に引き上げられている状態を交互に繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、比較的高濃度の塩類や有害物質が溶解している排水から水分を蒸発させて減容化するための排水蒸発濃縮装置に関するものである。

排水蒸発濃縮装置においては、タンク内の下部に排水の液溜りとこれを加熱する加熱手段を設け、タンク内を例えば真空ポンプによって大気圧以下に減圧して水分の蒸発温度を下げた状態で、前記加熱手段によってタンク内の液溜りを加熱して排水を蒸発させ、蒸発した水蒸気を冷却して凝縮水として回収することが行われる。

ところで、従来の排水蒸発濃縮装置には、加熱手段として一般的には鋼製の熱交換器が使用されていたため、大気圧以上の水蒸気等の高温流体によって排水を間接的に加熱して水分を蒸発させていた。この場合、水分の蒸発は熱交換器の伝熱面で起き、この水分の蒸発によって排水中に含まれる塩分等は濃縮されるが、特に伝熱面のごく近傍では濃縮の度合いが大きくなり、伝熱面に塩分等が析出し易く、伝熱面に析出物が付着することがあった。

上述のように伝熱面に析出物が付着してしまうと熱交換器の伝熱性能が低下するため、伝熱面への析出物の付着を防ぐ必要がある。そのための方法としては、排水中に塩類等の析出の核となる種晶を添加する方法や、付着物を連続的又は間欠的に掻き取る方法等が知られている。

ところが、種晶を添加する方法では、装置の運転時に種晶の濃度を適正範囲内に管理する必要があり、運転操作ミス等によって伝熱面に塩類等が析出した場合には、装置を開放して洗浄する必要があり、性能を回復させるために多大な時間と労力を要するという問題がある。

又、付着物を掻き取る方法では、装置構造が複雑化するという問題がある。

そこで、特許文献１には、排水蒸発濃縮装置の蒸発部と熱交換器部とを完全に分離し、蒸発部には、発泡ガラス板等の可撓性の無い複数の円板状部材から成るカートリッジを設け、排水を沸騰させることなくカートリッジを往復直線運動させて排水中に沈めては引き上げることを繰り返すことによって、前記問題を解決する提案がなされている。
特開平２−１９８６８２号公報

しかしながら、特許文献１において提案された排水蒸発濃縮装置では、カートリッジが撓まないために目詰まりを起こし易く、又、水分を含んだカートリッジは重く、これを上下動させるには大きな動力を必要とするという問題がある。

又、カートリッジは複数の円板状部材を並べて構成されるため、その構造が複雑化するとともに、カートリッジが排水中に浸漬されている間は水分の蒸発は起こらないため、装置の運転が安定化しないという問題もある。

更に、タンク内での蒸発潜熱を循環水の温度差で回収しようとすると、循環水の流量が大きくなって大きなポンプ動力が必要となるという問題もある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、小さな動力で２つの可撓性部材を交互に上下動させることができ、これらの一方が液溜りに浸漬している間に他方が気相中に引き上げられている状態を交互に繰り返すことによってタンク内での水分の蒸発を常時行わせ、安定した運転と可撓性部材へのスケールの付着による目詰まりを防ぐことができる排水蒸発濃縮装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、タンク内の下部に排水の液溜りとこれを加熱する加熱手段を設けるとともに、表面に水分を保有可能な可撓性部材を前記タンク内に移動可能に設置し、該可撓性部材を上下動させてこれを前記液溜りに浸漬する動作と気相中に引き上げる動作を交互に繰り返すことによって該可撓性部材の表面から水分を蒸発させる排水蒸発濃縮装置において、
２つの前記可撓性部材を重量バランスを保った状態で連結して吊り下げ、両可撓性部材を共通の駆動源によって交互に上下動させ、これらの一方が前記液溜りに浸漬している間に他方が気相中に引き上げられている状態を交互に繰り返すよう構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記タンク内を大気圧以下に減圧する真空ポンプを設けたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記可撓性部材の表面に付着した排水から蒸発した水蒸気を圧縮して加熱する圧縮機を設け、該圧縮機によって加熱された水蒸気の熱を前記加熱手段の加熱源として利用することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記可撓性部材の表面に付着した排水から蒸発した水蒸気から冷媒の蒸発熱を奪って水蒸気を液化させる蒸発器と、該蒸発器において蒸発した冷媒から凝縮熱を放出させて冷媒を液化させる凝縮器を備えたヒートポンプを設け、前記凝縮器における冷媒の凝縮熱を前記加熱手段の加熱源として利用することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、２つの可撓性部材を重量バランスを保ちながら交互に上げ下げするようにしたため、これらの可撓性部材を駆動する駆動源に必要な動力が小さくて済み、運転コストを大幅に削減することができる。

又、タンク内では２つの可撓性部材が交互に気相中に引き上げられるため、これらの可撓性部材のうちの何れか一方は必ず気相中に引き上げられていることとなり、タンク内では水分の蒸発が常時行われる。このため、当該排水蒸発濃縮装置の運転が安定化するとともに、常に蒸発面が形成されているために単位容積及び単位時間当たりの蒸発能力が高く、水分の効率の良い蒸発とそれによる効率の良い濃縮が行われる。

更に、可撓性部材は布等の容易に撓む素材で構成されているため、これらを液相中に交互に浸漬する際に該可撓性部材が撓んで揺動し、該可撓性部材の表面に付着していたスケールが液相中に移動し易い。このため、可撓性部材へのスケールの付着による目詰まりを防ぐことができ、水分の効率の良い蒸発とそれによる濃縮水の濃縮を安定的に行うことができる。

請求項２記載の発明によれば、タンク内を真空ポンプで大気圧以下に減圧することによってタンク内での水分の蒸発温度が下がるため、タンク内での水分の蒸発とそれに伴う排水の濃縮が促進される。

請求項３記載の発明によれば、圧縮機から水蒸気に熱を与え、この熱を与えられた水蒸気の熱を加熱手段の加熱源として利用するようにしたため、タンク内での水分の蒸発とこれに伴う排水の濃縮を促進することができる。

請求項４記載の発明によれば、ヒートポンプにおける冷媒の凝縮熱を加熱手段の加熱源として利用するようにしたため、タンク内の温度よりも高い温度で排水を効率良く加熱し、タンク内での水分の蒸発とこれに伴う排水の濃縮を促進することができる。又、タンク内に発生する水蒸気と冷媒を間接的に接触させて熱交換し、水蒸気から冷媒の蒸発熱（気化熱）にほぼ相当する熱量を奪うことによって水蒸気を冷却するようにしたため、水蒸気を確実に凝縮させて液化させることができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る排水蒸発濃縮装置１の基本構成図であり、図中、２はタンクであって、該タンク２の底部には排水が溜る液溜り３と該液溜り３の排水を加熱する加熱手段としての円筒管群４が設けられている。

又、タンク２内には２つの滑車５が設けられており、これらの滑車５とタンク２外に設置された駆動源としての巻上げ・巻下げ装置６にはワイヤー７が巻装されている。そして、このワイヤー７の両端には、タンク２内に設けられた２つの可撓性部材８の各々が固定部材９を介して吊り下げられている。ここで、２つの可撓性部材８は略同等の重さを有しており、これらは長方形の布を複数枚吊り下げることによって構成されている。可撓性部材８の素材としては、布に限定されず、表面に水分を保有することができる柔軟で可撓性を有するものであれば他の任意のものを用いることができる。

そして、タンク２の下部には排水供給管１０が接続されており、この排水供給管１０の途中には熱交換器１１が設けられている。又、タンク２の上部には蒸気管１２が接続されており、この蒸気管１２は圧縮機１３の吸入側に接続され、その途中には真空ポンプ１４が設けられている。尚、入口側を減圧とし、出口側を高圧とすることができる圧縮機を採用すれば、真空ポンプを省略することもできる。

上記圧縮機１３の吐出側からは蒸気管１５が導出しており、この蒸気管１５は前記円筒管群４の入口側に接続されている。そして、円筒管群４の出口側からは凝縮水管１６が導出しており、この凝縮水管１６は気液分離槽１７の上部に接続され、その途中には減圧弁１８が設けられている。

又、上記気液分離槽１７の底部からは凝縮水排出管１９が導出しており、この凝縮水排出管１９の途中には前記熱交換器１１が設けられている。そして、タンク２の底部からは濃縮水排出管２０が導出している。

以上のように構成された排水蒸発濃縮装置１においては、排水は、熱交換器１１にて加熱された後、排水供給管１０からタンク２内の液溜り３に供給される。ここで、後述するように、タンク２内で発生した水蒸気は圧縮機１３によって断熱圧縮されて高温となり、この高温の水蒸気が蒸気管１５から円筒管群４に流されることによってタンク２内の液溜り３に供給された排水が間接的に加熱される。尚、排水供給管１０を流れる排水は熱交換器１１を通過する凝縮水によって加熱される。又、タンク２内の液溜り３に供給された排水を加熱する加熱手段としては、蛇腹管や板状の伝熱手段（プレートコイル）等を用いた熱交換器を使用することができる。

一方、タンク２内は真空ポンプ１４によって大気圧以下の圧力に減圧されており、タンク２内でワイヤー７によって吊り下げられた一対の布等の可撓性部材８は、重量バランスを保った状態で巻上げ・巻下げ装置６によって交互に上下動せしめられ、一方が液溜り３に浸漬している間に他方が気相中に引き上げられている状態が交互に繰り返される。ここで、前述のようにタンク２内は大気圧以下に減圧されているために水分の蒸発温度が下げられて蒸発し易い状態にあり、このような状態で一対の可撓性部材８が液溜り３への浸漬動作と気相への引き上げ動作を繰り返すことによって、気相中に引き上げられている可撓性部材８の表面に付着している排水（濃縮水）からは一部の水分が蒸発し、液溜り３の排水が濃縮される。尚、水分の蒸発量は蒸発面積にほぼ比例するため、本実施の形態のように各可撓性部材８を長方形の複数枚の布で構成して大きな蒸発面積を確保することによって、タンク２の容量当たりの水分蒸発量を大きくすることができる。

而して、本実施の形態では、タンク２内では２つの可撓性部材８が交互に気相中に引き上げられるため、これらの可撓性部材８のうちの何れか一方は必ず気相中に引き上げられていることとなる。従って、タンク２内では水分の蒸発が常時行われることとなり、当該排水蒸発濃縮装置１の運転が安定化するとともに、常に蒸発面が形成されているために単位容積及び単位時間当たりの蒸発能力が高く、水分の効率の良い蒸発とそれによる効率の良い濃縮が行われる。

尚、気相中に引き上げられている可撓性部材８の表面から水分が蒸発すると、そのときの気化熱によってタンク２内の温度が低下して水分が蒸発しにくくなるが、２つの可撓性部材８の液溜り３への浸漬動作と気相への引き上げ動作を繰り返すことによって、水分の蒸発が継続的に行われる。

又、本実施の形態では、２つの可撓性部材８を重量バランスを保ちながら交互に上げ下げするようにしたため、巻上げ・巻下げ装置６に必要な動力が小さくて済み、運転コストを大幅に削減することができる。ここで、巻上げ・巻下げ装置６に必要な動力は、原理的には、両可撓性部材８の水分付着量の差に起因する重力差と摩擦抵抗力に抗するだけの力を発生する値で足りることとなる。

更に、可撓性部材８は布等の容易に撓む素材で構成されているため、これらを液相中に交互に浸漬する際に該可撓性部材８が撓んで揺動し、該可撓性部材８の表面に付着していたスケールが液相中に移動し易い。このため、可撓性部材８へのスケールの付着による目詰まりを防ぐことができ、水分の効率の良い蒸発とそれによる濃縮水の濃縮が安定的に行われる。又、タンク２内の液溜り中には２つの可撓性部材８の何れか一方が浸漬されており、この可撓性部材８が円筒管群４を覆うため、円筒管群４へのスケールの付着が防がれ、円筒管群４における熱交換が良好に行われて排水（濃縮水）の加熱が高効率且つ安定的になされる。

ところで、濃縮水に含まれる塩類等は、水分の蒸発が進んで温度が低下することによって析出することがあるが、析出するのは可撓性部材８の表面であって円筒管群４ではないため、装置上のトラブルが発生することはない。又、仮に析出物が可撓性部材８の表面全体に付着したとしても、可撓性部材８の液相への浸漬と気相への引き上げの繰り返しによって析出物上に新たな蒸発面が形成されるため、水分の蒸発能力が低下することはない。

又、加熱手段である円筒管群４の表面で排水（濃縮水）の沸騰による水分蒸発が起きないように、円筒管群４を通過する水蒸気の温度がコントロールされている上、円筒管群４の表面付近では温度上昇によって塩分等の溶解度が上昇するため、円筒管群４の表面に析出物が形成されることはない。因みに、塩類は温度が高いほど溶解度が高くなる傾向にある。

而して、以上のように水分の蒸発によって濃縮されたタンク２内底部の液溜り３中の濃縮水は、濃縮水排出管２０から連続的又は間欠的にタンク２外へと排出される。

他方、水分の蒸発によってタンク２内に発生した水蒸気は、蒸気管１２から圧縮機１３へと導入されて断熱圧縮されて加熱され、高温となった水蒸気は前述のように円筒管群４を通過する際にタンク２内底部の濃縮水を加熱する。そして、濃縮水の加熱によって温度の下がった水蒸気は、減圧弁１８によって減圧されてその一部が凝縮して液化し、凝縮水管１６から気液分離槽１７に導入されて気液が分離され、凝縮水が凝縮水排出管１９を通って熱交換器１１を通過し、この凝縮水によって排水供給管１０を流れる排水が前述のように加熱される。

＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２を図２に基づいて説明する。

図２は本発明の実施の形態２に係る排水蒸発濃縮装置の基本構成図であり、本図においては図１に示したものと同一要素には同一符号を付しており、以下、それらについての再度の説明は省略する。

前記実施の形態では、熱交換器１１と円筒管群４において排水を加熱する加熱流体としてタンク２内で発生した水蒸気（凝縮水）を用い、この水蒸気に圧縮機１３から熱を付与するようにしたが、本実施の形態は、加熱流体として冷却水を用い、この冷却水に冷凍運転されるヒートポンプから冷媒の凝縮熱を付与して冷却水を加熱するとともに、タンク２内で発生した水蒸気と冷媒を間接的に接触させて熱交換し、水蒸気から冷媒の蒸発熱（気化熱）にほぼ相当する熱量を奪うことによって、水蒸気を冷却してこれを凝縮させるようにしたことを特徴とする。

図２に示すように、ヒートポンプは、圧縮機２１と、凝縮器として機能する熱交換器２２と、膨張弁２３及び蒸発器として機能する熱交換器２４を冷媒配管によって連結して閉ループ回路として構成されている。

而して、ヒートポンプは冷凍運転されており、圧縮機２１で圧縮された高温・高圧の気相冷媒は冷却水配管２５を流れる冷却水によって冷却されて液化し、液化した高圧の液相冷媒は、膨張弁２３によって断熱膨張して減圧された後、蒸発器として機能する熱交換器２４において蒸気から気化熱を奪って気化する。そして、気化した気相冷媒は圧縮機１３に吸引されて再度圧縮され、以後、同様の作用が繰り返される。尚、冷媒には、アンモニア、二酸化炭素、フロン類等が使用される。

ヒートポンプが以上のような冷凍サイクルを繰り返すと、冷却水は、凝縮器として機能する熱交換器２２において冷媒の凝縮潜熱にほぼ相当する熱量を付与されて温度が上昇し、この加熱された冷却水が冷却水配管２５を通って円筒管群４に導入されてタンク２内の排水（濃縮水）の加熱に供される。尚、排水（濃縮水）の加熱によって温度の下がった冷却水は、熱交換器１１を通過する際に、排水供給管１０を流れる排水を加熱する。

又、タンク２内で発生した水蒸気は、蒸発器として機能する熱交換器２４において冷媒から蒸発潜熱（気化熱）を奪われるために冷却されて凝縮し、凝縮水管１６を通って気液分離槽１７に導入される。気液分離槽１７では気液が分離され、凝縮水のみが凝縮水排出管１９から排出される。又、水分の蒸発によって濃縮されたタンク２内底部の液溜り３中の濃縮水は、濃縮水排出管２０から連続的又は間欠的にタンク２外へと排出される。

以上のように、本実施の形態では、ヒートポンプにおける冷媒の凝縮熱を円筒管群４と熱交換器１１における排水（濃縮水）の加熱源として利用するようにしたため、タンク２内の温度よりも高い温度で排水を効率良く加熱し、タンク２内での水分の蒸発とこれに伴う排水の濃縮を促進することができる。

又、タンク２内に発生する水蒸気から冷媒の蒸発熱（気化熱）を奪うことによって水蒸気を冷却するようにしたため、水蒸気を確実に凝縮させて液化させることができる。

本実施の形態に係る排水蒸発濃縮装置１の他の構成は前記実施の形態と同様であるため、本実施の形態においても前記実施の形態１と同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態１に係る排水蒸発濃縮装置の基本構成図である。 本発明の実施の形態２に係る排水蒸発濃縮装置の基本構成図である。

符号の説明

１ 排水蒸発濃縮装置
２ タンク
３ 液溜り
４ 円筒管群（加熱手段）
５ 滑車
６ 巻上げ・巻下げ装置（駆動源）
７ ワイヤー
８ 可撓性部材
９ 固定部材
１０ 排水供給管
１１ 熱交換器
１２ 蒸気管
１３ 圧縮機
１４ 真空ポンプ
１５ 蒸気管
１６ 凝縮水管
１７ 気液分離槽
１８ 減圧弁
１９ 凝縮水排出管
２０ 濃縮水排出管
２１ 圧縮機
２２ 熱交換器（凝縮器）
２３ 膨張弁
２４ 熱交換器
２５ 冷却水配管

Claims (4)

1. タンク内の下部に排水の液溜りとこれを加熱する加熱手段を設けるとともに、表面に水分を保有可能な可撓性部材を前記タンク内に移動可能に設置し、該可撓性部材を上下動させてこれを前記液溜りに浸漬する動作と気相中に引き上げる動作を交互に繰り返すことによって該可撓性部材の表面から水分を蒸発させる排水蒸発濃縮装置において、
   ２つの前記可撓性部材を重量バランスを保った状態で連結して吊り下げ、両可撓性部材を共通の駆動源によって交互に上下動させ、これらの一方が前記液溜りに浸漬している間に他方が気相中に引き上げられている状態を交互に繰り返すよう構成したことを特徴とする排水蒸発濃縮装置。
2. 前記タンク内を大気圧以下に減圧する真空ポンプを設けたことを特徴とする請求項１記載の排水蒸発濃縮装置。
3. 前記可撓性部材の表面に付着した排水から蒸発した水蒸気を圧縮して加熱する圧縮機を設け、該圧縮機によって加熱された水蒸気の熱を前記加熱手段の加熱源として利用することを特徴とする請求項１又は２記載の排水蒸発濃縮装置。
4. 前記可撓性部材の表面に付着した排水から蒸発した水蒸気から冷媒の蒸発熱を奪って水蒸気を液化させる蒸発器と、該蒸発器において蒸発した冷媒から凝縮熱を放出させて冷媒を液化させる凝縮器を備えたヒートポンプを設け、前記凝縮器における冷媒の凝縮熱を前記加熱手段の加熱源として利用することを特徴とする請求項１又は２記載の排水蒸発濃縮装置。
   

Images