JP2013146642A - Fluid membrane-separation power generation system - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明では、加圧型であり且つクロスフロー方式の膜分離装置で生じたエネルギーを無駄にすることなく活用し、発電処理に利用することで膜分離装置の運転コストを低減するとともに、十分な分離流体の量を得ることができる流体膜分離発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、加圧した供給流体を、クロスフロー方式分離膜エレメントを用いて透過流体と濃縮流体に分離した後、少なくとも高温流体と低温流体を使用する温度差発電装置において、前記濃縮流体を高温流体として用いて発電することを特徴とする。
【選択図】図1The present invention reduces the operating cost of a membrane separation device by using energy generated in a pressure-type and cross-flow type membrane separation device without wasting it and using it for power generation processing. An object of the present invention is to provide a fluid membrane separation power generation system capable of obtaining a sufficient amount of separation fluid.
The present invention relates to a temperature difference power generator using at least a high-temperature fluid and a low-temperature fluid after separating a pressurized supply fluid into a permeation fluid and a concentrated fluid using a cross-flow separation membrane element. Electric power is generated using the concentrated fluid as a high temperature fluid.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、精密濾過膜(MF膜)、限外濾過膜(UF膜)、ナノ濾過膜(NF膜)、逆浸透膜(RO膜)などを用いたクロスフロー方式の分離膜エレメントを用いて、供給流体を透過流体と濃縮流体に分離するとともに、温度差発電装置を用いて発電する流体膜分離発電システムに関する。 The present invention uses a cross-flow type separation membrane element using a microfiltration membrane (MF membrane), an ultrafiltration membrane (UF membrane), a nanofiltration membrane (NF membrane), a reverse osmosis membrane (RO membrane) and the like. The present invention relates to a fluid membrane separation power generation system that separates a supply fluid into a permeation fluid and a concentrated fluid, and generates power using a temperature difference power generation device.
流体分離を行なう場合の膜分離とは、膜の有する孔の形状や大きさ、及び膜の持つ物理的化学的特性、処理対象物質の形状と大きさ、物理的化学的特性、ならびに圧力差など駆動力に関する3つの要素の組み合わせによって行われる分離法である。水処理の対象となる膜分離はその分離対象物質の種類やサイズによって精密濾過膜(MF膜)、限外濾過膜(UF膜)、ナノ濾過膜(NF膜)、逆浸透膜(RO膜)などに分類される。これらの分離膜は、超純水の製造、かん水または海水の脱塩や、排水処理などに好適に用いられる。さらには、染色排水、電着塗料排水や下水などから有害成分を分離し、除去・回収することや、食品用途における有効成分の濃縮などの高度処理に用いることができる。 Membrane separation in the case of fluid separation is the shape and size of the pores of the membrane, the physical and chemical properties of the membrane, the shape and size of the substance to be treated, the physical and chemical properties, the pressure difference, etc. This is a separation method performed by a combination of three elements related to driving force. Membrane separation for water treatment depends on the type and size of the substance to be separated, microfiltration membrane (MF membrane), ultrafiltration membrane (UF membrane), nanofiltration membrane (NF membrane), reverse osmosis membrane (RO membrane) And so on. These separation membranes are preferably used for ultrapure water production, brine or seawater desalination, wastewater treatment, and the like. Furthermore, it can be used for advanced processing such as separation, removal and recovery of harmful components from dyeing wastewater, electrodeposition paint wastewater, sewage, etc., and concentration of active ingredients in food applications.
例えば、海水の脱塩、つまり海水淡水化処理では一般に、ポリアミド系分離機能層を設けた複合逆浸透膜が用いられる。この複合逆浸透膜は、スパイラル型エレメントとして圧力容器内に装填してクロスフロー方式の膜分離装置として提供される。さらに、このような海水淡水化膜分離システムにおいては、濃縮水に残留した圧力を回収装置により回収し、ポンプの駆動に利用する試みが行なわれてきた。(特許文献1参照)。 For example, seawater desalination, that is, seawater desalination treatment, generally uses a composite reverse osmosis membrane provided with a polyamide-based separation functional layer. This composite reverse osmosis membrane is provided in a pressure vessel as a spiral element and provided as a cross-flow type membrane separator. Furthermore, in such a seawater desalination membrane separation system, attempts have been made to recover the pressure remaining in the concentrated water by a recovery device and use it for driving a pump. (See Patent Document 1).
温度差発電については、海洋表層における高温の温海水と海洋深層における低温の冷海水との温度差を利用した温度差発電装置が知られている。このような温度差発電装置は、蒸発器、凝縮器、タービン、発電機、ポンプなどから構成され、これらの構成機器はパイプで連結されている。クローズドサイクルシステムの場合、この装置内に封入されたアンモニア等の作動流体が、液体の状態で蒸発器に送られ、温海水などの高温流体の温度で加熱され、蒸気となる。この蒸気がタービンと発電機を回転させて発電した後、凝縮器で冷海水などの低温流体によって冷却され再び液体になる。この繰り返しによって発電する方法である(特許文献2参照)。 Regarding temperature difference power generation, a temperature difference power generation apparatus using a temperature difference between high-temperature warm seawater in the ocean surface and low-temperature cold seawater in the deep ocean is known. Such a temperature difference power generation device includes an evaporator, a condenser, a turbine, a generator, a pump, and the like, and these constituent devices are connected by a pipe. In the case of a closed cycle system, a working fluid such as ammonia sealed in the apparatus is sent to an evaporator in a liquid state, and heated at a temperature of a high-temperature fluid such as warm seawater to become steam. After the steam rotates the turbine and the generator to generate electric power, the steam is cooled by a low-temperature fluid such as cold seawater in a condenser and becomes liquid again. This is a method of generating electricity by repeating this process (see Patent Document 2).
また、温度差発電装置を用いた海水淡水化について、オープンサイクルシステムにおいて、高温流体から得られた蒸気を凝縮する造水方法が提案されている(特許文献3参照)。 Moreover, about the seawater desalination using a temperature difference power generation device, the fresh water generation method which condenses the vapor | steam obtained from the high temperature fluid in the open cycle system is proposed (refer patent document 3).
前記のような従来の膜分離装置においては、例えば、海水淡水化における逆浸透膜法での膜分離時には海水の浸透圧以上、つまり5〜7MPa程度の加圧が必要となるため、この加圧に必要とされるエネルギーが海水淡水化膜分離装置における運転コストの大部分を占め、造水コストを押し上げる要因となっている。これに対しては前記のように残留圧力を回収する方法などで効率化が検討されているが、原理上限界があるため、十分なものとは言えず、また、世界的な水需要の高まりとともに、さらなる効率化、造水コストの低減が求められている。また、温度差発電システムにおいても、前記のように海水淡水化が検討されているものの、いわゆる蒸発法を用いるものであり、発電システム内で十分な造水量を確保することは困難であった。 In the conventional membrane separation apparatus as described above, for example, during the membrane separation by the reverse osmosis membrane method in seawater desalination, a pressure higher than the osmotic pressure of seawater, that is, about 5 to 7 MPa is required. The energy required for water occupies most of the operating cost of the seawater desalination membrane separation device, which increases the fresh water production cost. In response to this, efficiency has been studied by the method of recovering the residual pressure as described above, but it cannot be said to be sufficient because of its limitations in principle, and the global demand for water is increasing. At the same time, there is a need for further efficiency and reduction of water production costs. Also in the temperature difference power generation system, although desalination of seawater has been studied as described above, the so-called evaporation method is used, and it has been difficult to secure a sufficient amount of fresh water in the power generation system.
本発明では、加圧型の膜分離装置で生じたエネルギーを無駄にすることなく活用し、発電処理に利用することで膜分離装置の運転コストを低減するとともに、十分な分離流体の量も確保できるシステムを提供することを目的とする。 In the present invention, the energy generated in the pressure-type membrane separation apparatus is utilized without wasting it, and is used for power generation processing, thereby reducing the operating cost of the membrane separation apparatus and securing a sufficient amount of separation fluid. The purpose is to provide a system.
本発明は、加圧した供給流体を、クロスフロー方式分離膜エレメントを用いて透過流体と濃縮流体に分離した後、少なくとも高温流体と低温流体を供給する温度差発電装置において、前記濃縮流体を高温流体として供給して発電することを特徴とする流体膜分離発電システムに関する。 The present invention provides a temperature difference power generation apparatus that supplies at least a high-temperature fluid and a low-temperature fluid after separating a pressurized supply fluid into a permeation fluid and a concentrated fluid using a cross-flow type separation membrane element. The present invention relates to a fluid membrane separation power generation system that generates electricity by supplying it as a fluid.
前記低温流体は、分離膜エレメントに供給する前の供給流体を用いることが好ましく、前記高温流体と前記低温流体の温度差は20℃以上になるように前記濃縮流体を加熱することが好ましい。さらに、前記濃縮流体を加熱する場合には太陽エネルギーを用いたものであることが好ましい。 The low-temperature fluid is preferably a supply fluid before being supplied to the separation membrane element, and the concentrated fluid is preferably heated so that the temperature difference between the high-temperature fluid and the low-temperature fluid is 20 ° C. or more. Furthermore, when the concentrated fluid is heated, it is preferable to use solar energy.
前記供給流体としては海水または、海水を分離処理した水であることが好ましく、さらには、前記供給流体が1MPa以上10MPa以下の圧力で加圧されていることが好ましい。 The supply fluid is preferably seawater or water obtained by separating seawater, and the supply fluid is preferably pressurized at a pressure of 1 MPa to 10 MPa.
また本発明は、加圧ポンプと、加圧ポンプを経由した流体を分離するクロスフロー方式分離膜エレメントと、分離膜から分離された濃縮流体を導入する温度差発電装置を備えた流体膜分離発電システムに関する。 The present invention also relates to a fluid membrane separation power generation comprising a pressure pump, a cross flow separation membrane element that separates the fluid that has passed through the pressure pump, and a temperature difference power generation device that introduces the concentrated fluid separated from the separation membrane. About the system.
本発明は、加圧した供給流体を、クロスフロー方式の分離膜エレメントを用いて透過流体と濃縮流体に分離した後、少なくとも高温流体と低温流体を用いる温度差発電装置において、前記濃縮流体を高温流体として供給することを特徴とする流体膜分離発電システムである。 In the temperature difference power generation apparatus using at least a high temperature fluid and a low temperature fluid after separating a pressurized supply fluid into a permeation fluid and a concentrated fluid using a cross-flow type separation membrane element, the concentrated fluid is heated to a high temperature. It is a fluid membrane separation power generation system characterized by being supplied as a fluid.
本発明で用いる供給流体としては、クロスフロー方式の分離膜エレメントにおいて透過流体と濃縮流体に分離できるものであれば制限されるものではなく、超純水の製造、かん水または海水の脱塩や、排水処理、さらには、染色排水、電着塗料排水や下水などから有害成分を分離する方法、食品用途における有効成分の濃縮など、公知の方法に用いることができるが、工業排水や生活排水、農業用水、海水など、一定の量を継続的に処理する流体であることが好ましい。中でも海水淡水化のための海水や、この海水や前記排水を、砂濾過処理、沈殿処理および/または膜分離処理などにより前処理した水を好ましく用いることができる。 The supply fluid used in the present invention is not limited as long as it can be separated into a permeation fluid and a concentrated fluid in a cross-flow type separation membrane element, production of ultrapure water, brine or seawater desalting, It can be used in well-known methods such as wastewater treatment, methods for separating harmful components from dyeing wastewater, electrodeposition paint wastewater, sewage, etc., and concentration of active ingredients in food applications. A fluid that continuously treats a certain amount such as irrigation water or seawater is preferable. Among these, seawater for desalination of seawater, and water obtained by pretreating the seawater and the wastewater by sand filtration, precipitation and / or membrane separation can be preferably used.
前記供給流体は加圧して分離膜エレメントに供給される。この加圧の方法としては、公知の加圧ポンプを用いる機械的手段を用いることができ、このときに加えられる圧力は供給流体と分離膜の性能に応じて適宜決定すればよいが、一般に1MPa以上10MPa以下であることが好ましく、1.5MPa〜8MPaがより好ましい。 The supply fluid is pressurized and supplied to the separation membrane element. As the pressurizing method, a mechanical means using a known pressurizing pump can be used, and the pressure applied at this time may be appropriately determined according to the performance of the supply fluid and the separation membrane, but generally 1 MPa. It is preferably 10 MPa or less and more preferably 1.5 MPa to 8 MPa.
前記分離膜エレメントは一般に、供給流体の加圧に耐えうる圧力容器に装填して用いられるか、圧力容器一体型のエレメントに加工されて用いられる。本発明では、加圧型でクロスフロー方式を用いる分離膜エレメントであれば、限定されるものではないが、一例として、海水淡水化処理などに用いられる、スパイラル型のポリアミド系複合分離膜エレメントについて説明する。 The separation membrane element is generally used by being loaded into a pressure vessel that can withstand the pressurization of the supply fluid, or processed into a pressure vessel integrated element. In the present invention, there is no limitation as long as it is a pressure separation type separation membrane element that uses a cross-flow method. However, as an example, a spiral type polyamide composite separation membrane element used for seawater desalination is described. To do.
スパイラル型の分離膜エレメントは、特開2000−167358の図2や図3(a)
に示されるように、分離膜と供給側流路材と透過側流路材とが積層された状態で中心管(集水管)の周囲にスパイラル状に巻回され、端部材や外装材などで固定される。このとき、必要に応じて分離膜の各辺は接着され、供給流体と透過流体が混合しない構造になっている。
A spiral separation membrane element is disclosed in FIGS. 2 and 3A of Japanese Patent Laid-Open No. 2000-167358.
As shown in Fig. 4, the separation membrane, the supply side channel material, and the permeate side channel material are spirally wound around the central tube (collection tube), and the end member, exterior material, etc. Fixed. At this time, each side of the separation membrane is adhered as necessary, and the supply fluid and the permeated fluid are not mixed.
ポリアミド系複合分離膜としては、多孔性支持体上にポリアミド系重合物からなる分離機能層を設けたものが挙げられる。 Examples of the polyamide composite separation membrane include a porous support provided with a separation functional layer made of a polyamide polymer.
前記多孔性支持体としては、分離機能層を形成しうるものであれば特に限定されず、不織布や織布等の基材上にポリスルホンからなる微多孔層を設けたものが好ましく用いられる。他には、ポリイミドやポリフッ化ビニリデン、エポキシ等の多孔性膜を単独で用いることもできる。このとき、多孔性支持体の分離機能層を設ける表面の平均孔径は0.01μm以上1μm以下程度であり、多孔性支持体の厚さとしては、10〜150μm程度である。 The porous support is not particularly limited as long as it can form a separation functional layer, and a porous support made of a polysulfone layer on a substrate such as a nonwoven fabric or a woven fabric is preferably used. In addition, a porous film such as polyimide, polyvinylidene fluoride, and epoxy can be used alone. At this time, the average pore diameter of the surface on which the separation functional layer of the porous support is provided is about 0.01 μm to 1 μm, and the thickness of the porous support is about 10 to 150 μm.
前記ポリアミド系の分離機能層としては、公知の方法を用いることができるが、例えば、多孔性支持体上に多官能アミン成分を含む水溶液被覆層を形成し、そこに多官能酸ハライド成分を含む溶液を接触させることで前記ポリアミド系分離機能層を形成することができる。接触時間としては、通常5秒〜5分であり、余分な溶液を除去した後、接触により生じた界面で縮重合させる。さらに15℃〜35℃の空気中で約1〜10分間乾燥させ、乾燥後に脱イオン水で膜面を洗浄することが好ましい。 A known method can be used as the polyamide-based separation functional layer. For example, an aqueous solution coating layer containing a polyfunctional amine component is formed on a porous support, and the polyfunctional acid halide component is contained therein. The polyamide-based separation functional layer can be formed by contacting the solution. The contact time is usually 5 seconds to 5 minutes, and after the excess solution is removed, condensation polymerization is performed at the interface caused by the contact. Furthermore, it is preferable to dry in air at 15 ° C. to 35 ° C. for about 1 to 10 minutes, and to wash the membrane surface with deionized water after drying.
前記多官能アミン成分としては、芳香族、脂肪族、または脂環式の多官能アミンがあげられる。またこれらの多官能アミン成分は単独で用いてもよく、混合物としてもよい。前記多官能酸ハライド成分としては、芳香族、脂肪族、または脂環式の多官能酸ハロゲン化物を用いることができる。これらの多官能酸ハライド成分においても単独で用いてもよいが、混合物として用いてもよい。 Examples of the polyfunctional amine component include aromatic, aliphatic, or alicyclic polyfunctional amines. Moreover, these polyfunctional amine components may be used alone or as a mixture. As the polyfunctional acid halide component, aromatic, aliphatic, or alicyclic polyfunctional acid halides can be used. These polyfunctional acid halide components may be used alone or as a mixture.
温度差発電装置としては、分離膜エレメントから供給される濃縮流体を高温流体として用いるとともに、別に供給される低温流体を用いて、これらの温度差を原理として発電する装置であれば限定されるものではないが、作動流体を封入された状態で気化と液化を繰り返すクローズドサイクルシステムを例として説明する。 The temperature difference power generation device is limited as long as the concentrated fluid supplied from the separation membrane element is used as a high-temperature fluid, and a device that generates electricity based on the principle of these temperature differences using a separately supplied low-temperature fluid. However, a closed cycle system that repeats vaporization and liquefaction while the working fluid is sealed will be described as an example.
分離膜エレメントから排出され、温度差発電装置に供給される濃縮流体は、適宜必要に応じて加熱され、温度差発電装置に高温流体として送られる。このときの濃縮流体の加熱温度は、作動流体の気化温度や封入圧力に応じて適宜決定されるが、15℃以上120℃以下であり、15℃以上50℃以下で動作する温度差発電装置が好ましい。 The concentrated fluid discharged from the separation membrane element and supplied to the temperature difference power generation device is appropriately heated as necessary and sent to the temperature difference power generation device as a high temperature fluid. The heating temperature of the concentrated fluid at this time is appropriately determined according to the vaporization temperature of the working fluid and the sealing pressure. preferable.
濃縮流体を加熱する方法は特に限定されるものではなく、適宜周辺環境や装置設計に応じて火力、電熱線、太陽熱などを用いることができるが、エネルギー効率の観点からは、太陽光や太陽熱などの太陽エネルギーを用いて加熱する方法が好ましい。加熱方法としては、供給流体や濃縮流体の配管として金属などの熱伝導率の高い物質を用いるとともに、その部位に適切な公知の加熱を行えば良い。他には、前記配管として透明配管を用いるとともに、太陽光との対称位置に凹面鏡を設置して流体を加熱することや、透明配管内の太陽光との対称位置に当たる片面を鏡面とすることで太陽エネルギーを流体に集めて加熱することも好ましく用いられる。また加熱位置としては、加圧ポンプからの熱転移を考慮すると、加圧後の供給流体に対して行うことが好ましい。さらには、膜分離前、膜分離後、分離膜エレメント内、のいずれでも良く、これらを複数位置で組み合わせても良いが、膜分離前および/または、膜分離後に加熱することが好ましい。膜分離前に加熱すると、常温よりも高温の流体を分離膜エレメントに供給した場合に分離膜の透過性能を向上させられることがわかっているため、分離膜の透過性能を向上することができる。さらに、一定の温度で分離膜エレメントに供給することができるため、膜分離性能を一定に制御しやすくなる。また、膜分離後に加熱した場合には、加熱のエネルギーを無駄にすることなく、高温流体として用いる濃縮流体のみを効率的に加熱することができる。したがって、加圧された供給流体に対して、膜分離前に40℃以下程度の予備加熱を行い、膜分離後に必要水準までの加熱を行うことが好ましい。 The method of heating the concentrated fluid is not particularly limited, and heating power, heating wire, solar heat, etc. can be used as appropriate according to the surrounding environment and device design, but from the viewpoint of energy efficiency, sunlight, solar heat, etc. The method of heating using solar energy is preferable. As a heating method, a material having a high thermal conductivity such as a metal may be used as a supply fluid or concentrated fluid pipe, and appropriate known heating may be performed on the portion. In addition to using a transparent pipe as the pipe, a concave mirror is installed at a position symmetrical to sunlight and the fluid is heated, or one side of the transparent pipe facing the position symmetrical to sunlight is used as a mirror surface. It is also preferable to collect solar energy into a fluid and heat it. The heating position is preferably performed on the pressurized supply fluid in consideration of heat transfer from the pressurizing pump. Furthermore, any of the separation membrane element may be used before membrane separation, after membrane separation, or within the separation membrane element, and these may be combined at a plurality of positions, but it is preferable to heat before membrane separation and / or after membrane separation. Since it is known that when the fluid is heated before the membrane separation, the permeation performance of the separation membrane can be improved when a fluid having a temperature higher than room temperature is supplied to the separation membrane element, the permeation performance of the separation membrane can be improved. Furthermore, since it can supply to a separation membrane element at fixed temperature, it becomes easy to control membrane separation performance uniformly. Further, when heating is performed after membrane separation, only the concentrated fluid used as the high-temperature fluid can be efficiently heated without wasting heating energy. Therefore, it is preferable to preheat the pressurized supply fluid to about 40 ° C. or less before membrane separation and to heat to the required level after membrane separation.
温度差発電装置に供給される低温流体は、凍結しておらず、流動に不具合のない流体であるとともに、できる限り低温のものが好ましいこと以外は特に限定されるものではなく、4℃以上20℃以下の流体を用いることが好ましい。例えば、分離膜への供給流体、河川水、海水、海洋深層水や、アルコールなどの分離対象流体以外の流体、を用いることができるが、特に、膜分離と発電におけるシステム効率の観点からは分離膜への供給流体の一部を用いることが好ましく、より好ましくは、加圧前の供給流体である。 The low-temperature fluid supplied to the temperature difference power generation device is not particularly limited except that it is a fluid that is not frozen and has no malfunction in flow, and preferably has a low temperature as much as possible. It is preferable to use a fluid of less than or equal to ° C. For example, a fluid other than the separation target fluid such as supply fluid to the separation membrane, river water, seawater, deep ocean water, or alcohol can be used. It is preferable to use a part of the supply fluid to the membrane, more preferably the supply fluid before pressurization.
低温流体と高温流体の温度差は、作動流体にアンモニアを用いた、カリーナサイクルやウエハラサイクルなどの高効率の装置を用いる場合、20℃以上あることが好ましく、25℃以上であることが好ましい。温度差は高ければ高い方が良いが、エネルギー効率の観点からの温度差としては90℃以下、好ましくは50℃以下である。 The temperature difference between the low-temperature fluid and the high-temperature fluid is preferably 20 ° C. or higher, and more preferably 25 ° C. or higher when a highly efficient apparatus using ammonia as a working fluid, such as a Carina cycle or Uehara cycle, is used. The higher the temperature difference, the better. However, the temperature difference from the viewpoint of energy efficiency is 90 ° C. or less, preferably 50 ° C. or less.
供給流体は加圧のためにポンプを経由する際、熱エネルギーの転移により供給流体の温度が2〜3℃上昇する。これは上記ウエハラサイクルで必要とする動作温度差が25℃程度であるため、この熱エネルギーは10%程度にも相当するものであり、このエネルギーを余すことなく利用できる。 When the supply fluid passes through the pump for pressurization, the temperature of the supply fluid rises by 2 to 3 ° C. due to the transfer of thermal energy. This is because the difference in operating temperature required in the above wafer cycle is about 25 ° C., so this thermal energy is equivalent to about 10%, and this energy can be used without surplus.
温度差発電装置としては、オープンサイクルシステムやクローズドサイクルシステム、これらのハイブリットサイクルシステムがあるが、適切な方法を用いることができる。これらは共通して、蒸発器、凝縮器、タービン、発電機、ポンプなどから構成され、これらの構成機器はパイプで連結される。例えば海面表層水を高温流体とし、海洋深層水を低温流体とするクローズドサイクルシステムの場合、この装置内に封入されたアンモニア等の作動流体が、液体の状態で蒸発器に送られ、蒸発器内で海面表層水の温度で加熱され蒸気となり、この蒸気がタービンと発電機を回転させて発電した後、海洋深層水の温度となっている凝縮器によって冷却され再び液体になる。この繰り返しによって発電することができる。 As the temperature difference power generation device, there are an open cycle system, a closed cycle system, and a hybrid cycle system thereof, and an appropriate method can be used. These are commonly composed of an evaporator, a condenser, a turbine, a generator, a pump, and the like, and these components are connected by a pipe. For example, in the case of a closed cycle system in which sea surface water is a high-temperature fluid and deep ocean water is a low-temperature fluid, a working fluid such as ammonia enclosed in this device is sent to the evaporator in a liquid state, and the inside of the evaporator Then, the steam is heated at the temperature of the surface water of the sea surface and becomes steam. After generating power by rotating the turbine and the generator, the steam is cooled by the condenser having the temperature of the deep sea water and becomes liquid again. Power can be generated by repeating this process.
蒸発器および凝縮器としては、高温流体および低温流体と作動流体が混合せず、熱交換が適切に行なうことができ、さらに前記流体により腐食しないものであれば特に限定されるものではなく用いることができる。なお、蒸発器内においては、気化しやすくするために、大気圧よりも減圧することが好ましい。また、蒸発器および凝縮器大きさおよび形状については熱交換効率を考慮して適宜設計することが好ましい。タービンおよび発電機としても、作動流体蒸気により腐食しないものであれば、適宜市販のものを用いることができる。 The evaporator and the condenser are not particularly limited as long as the high-temperature fluid, the low-temperature fluid, and the working fluid are not mixed, heat exchange can be appropriately performed, and further, corrosion is not caused by the fluid. Can do. In the evaporator, it is preferable to reduce the pressure from atmospheric pressure in order to facilitate vaporization. In addition, it is preferable to appropriately design the size and shape of the evaporator and the condenser in consideration of the heat exchange efficiency. As the turbine and the generator, commercially available ones can be used as long as they are not corroded by the working fluid vapor.
作動流体としては、アンモニア、フロン化合物、炭化水素化合物、水や、これらの混合物が挙げられるが、動作効率の観点から、アンモニアと水の混合物であり、アンモニアを70〜95重量%用いた物質を特に好ましく用いることができる。 Examples of the working fluid include ammonia, a chlorofluorocarbon compound, a hydrocarbon compound, water, and a mixture thereof. From the viewpoint of operation efficiency, the working fluid is a mixture of ammonia and water, and a substance using 70 to 95% by weight of ammonia is used. It can be particularly preferably used.
構成機器を連結するパイプとしては、特に限定されるものではなく、金属や樹脂パイプなどを用いることができるが、特に断熱効果が高いものを好ましく用いることができる。必要に応じて、適宜断熱材を用いることが効率を高める上で好ましい。 The pipe for connecting the component devices is not particularly limited, and a metal or resin pipe can be used, but a pipe having a particularly high heat insulating effect can be preferably used. If necessary, it is preferable to use an appropriate heat insulating material in order to increase efficiency.
他に、温度差発電装置単独のシステムにおいては高温流体および低温流体を流動させるためのポンプがそれぞれ必要であるが、本発明によれば、膜分離処理の流体圧力を利用できるため、温度差発電装置における作動流体を流動させるポンプ以外の流動ポンプ、つまり、高温流体用と、低温流体に供給流体を用いた場合には低温流体用の、いずれのポンプも省略して動作させることができるため、省エネルギー効果が高い。 In addition, in the system of the temperature difference power generation device alone, a pump for flowing the high temperature fluid and the low temperature fluid is required respectively. However, according to the present invention, the fluid pressure of the membrane separation process can be used. Flow pumps other than the pump that flows the working fluid in the device, that is, for high-temperature fluids, and when the supply fluid is used for low-temperature fluids, any pump for low-temperature fluids can be omitted and operated. High energy saving effect.
温度差発電装置での発電に利用した後の高温流体および低温流体は、特に限定されるものではないが、そのエネルギーや流体自体が膜分離システムに戻されて循環されることが好ましい。高温流体は、前記圧力エネルギー回収装置を用いて、圧力エネルギーを回収、再利用することが好ましい。圧力エネルギー回収装置としては例えば、Energy Recovery社のPXシリーズなどが挙げられる。また、さらにこの高温流体が高温であることを有効利用するために、各種蒸発法により淡水化する方法も組み合わせて好ましく用いることができる。低温流体は、分離膜エレメントへの供給流体として戻すことが好ましいが、さらに、前記圧力エネルギー回収装置への供給流体として供給し、圧力エネルギーを付加して分離膜エレメントに供給する方法が好ましく用いられる。 The high-temperature fluid and the low-temperature fluid after being used for power generation in the temperature difference power generation device are not particularly limited, but it is preferable that the energy and fluid itself be returned to the membrane separation system and circulated. The high temperature fluid is preferably recovered and reused by using the pressure energy recovery device. Examples of the pressure energy recovery device include the PX series manufactured by Energy Recovery. Further, in order to effectively utilize the high temperature of the high-temperature fluid, a method of desalination by various evaporation methods can be preferably used in combination. The low-temperature fluid is preferably returned as the supply fluid to the separation membrane element, but a method of supplying the pressure energy as a supply fluid to the pressure energy recovery device and supplying pressure energy to the separation membrane element is preferably used. .
前記圧力エネルギー回収装置を用いる場合、この回収装置までの配管や装置などは高圧の流体圧力に耐えうる耐圧仕様の構成とする必要がある。そのため、耐圧構成が最小限度で済むように、加圧した供給流体を供給する分離膜の直後に前記圧力エネルギー回収装置を設け、これ以降の流体を適度に減圧することが好ましい。このときの減圧後の圧力は、特に限定されるものではないが、好ましくは0.1〜2MPa程度である。 In the case of using the pressure energy recovery device, the pipes and devices up to the recovery device need to have a pressure resistant configuration capable of withstanding a high fluid pressure. For this reason, it is preferable to provide the pressure energy recovery device immediately after the separation membrane for supplying the pressurized supply fluid so that the pressure-resistant configuration is minimized, and moderately reduce the pressure of the fluid thereafter. Although the pressure after pressure reduction at this time is not particularly limited, it is preferably about 0.1 to 2 MPa.
以下に、本発明における流体膜分離発電システムの具体例を図1に基づいて示すが、本発明はこれに限定されるものではない。 Although the specific example of the fluid membrane separation power generation system in this invention is shown based on FIG. 1 below, this invention is not limited to this.
図1は海水淡水化逆浸透膜システムの後に温度差発電システムを設けた本発明の流体膜分離発電システムの一例である。これについて順を追って説明する。 FIG. 1 is an example of a fluid membrane separation power generation system of the present invention in which a temperature difference power generation system is provided after a seawater desalination reverse osmosis membrane system. This will be explained step by step.
(海水淡水化逆浸透膜システム)
まず、取水ポンプ1から原海水(原水)101を取水し、砂濾過装置2、限外濾過膜(UF膜)前処理装置3を経てUF膜ろ過水槽5に貯留する。この際、微生物の繁殖抑制や殺菌の目的で薬剤注入装置4から次亜塩素酸ナトリウム約1ppmを添加した。その後、UF膜ろ過水槽5に貯留された水は供給ポンプ6により約0.5MPaの圧力で送水する。その際、薬剤注入装置4で注入した次亜塩素酸ナトリウムによりRO膜が化学劣化することを抑制するため、薬剤注入装置7から還元剤である重亜硫酸ナトリウム3ppmを添加し、さらに難溶性塩類(スケール)の発生を抑制するために薬剤注入装置8からスケール防止剤(ナルコ社製 パーマトリートPC191)を3ppm注入した。この時点で20℃の供給水を、高圧ポンプ9により約5.5MPaに加圧し、水温23℃の状態で、ポリアミド系分離膜のスパイラル型エレメントを耐圧容器内に収容した逆浸透膜(RO膜)分離装置10に導入して、透過水103と濃縮水104に分離した。
(Seawater desalination reverse osmosis membrane system)
First, raw seawater (raw water) 101 is taken from the
この濃縮水104は、直後に圧力エネルギー回収装置21により圧力を回収し、高圧ポンプ9の手前から取水した供給水に圧力エネルギーを転移して、高圧ポンプ9の後のRO膜供給水102と混合する。一方、圧力エネルギー回収装置21により減圧された濃縮水104は、黒色の屋外配管で構成された太陽熱加熱装置11で加熱し、30℃となった濃縮水を、さらに加熱器(電気ボイラ)12で加熱して50℃とした。なお、電気ボイラ12の加熱程度は加熱装置11の加温状態と連動して50℃まで昇温させる構成とした。この加熱した濃縮水を、温度差発電システムで用いる高温流体105として蒸発器13に供給した。
This
(温度差発電システム)
温度差発電システムにおいては、作動流体107としてアンモニア90重量%と純水10重量%の混合物を用いた。蒸発器13において高温流体105と作動流体107で熱交換を行い、気液分離器15において作動流体蒸気と作動流体液体に分離した。この作動流体蒸気はタービン16に送られ、発電機17を回転させて発電を行い、この電力を高圧ポンプ9の動力として用いた。その後、タービン16より排出された作動流体蒸気は凝縮器14に送られ、低温流体106と熱交換を行って液体となり、貯留タンク19に入る。低温流体106は、供給ポンプ6の後、薬剤注入装置7および8の前の水を用いており、凝縮器14で使用された後の低温流体106は、UF膜ろ過水槽5に戻される。一方、作動流体液体は貯留タンク18に一旦貯められ、凝縮器14に送られた後、貯留タンク19に貯留された。この貯留タンク19に貯留された作動流体はポンプ20を用いて蒸発器13に送られ、この操作を繰り返すことで発電を行う。
(Temperature difference power generation system)
In the temperature difference power generation system, a mixture of 90 wt% ammonia and 10 wt% pure water was used as the working fluid 107. Heat exchange was performed between the high-temperature fluid 105 and the working fluid 107 in the
上記のとおり本発明は、流体膜分離と温度差発電を用いた流体膜分離発電システムを提供する。このシステムでは膜分離における流体分離の性能に影響を与えることなく、これまで無駄に消費されてきた流体膜分離の流体にかかる圧力および熱エネルギーを無駄なく消費することができる。例えば、膜分離のための加圧により流体に加えられた2〜3℃のエネルギーは、高効率温度差発電装置を駆動することができる20〜30℃の温度差に対して約10%のエネルギーであるため、少なくとも同程度の省エネルギーを実現することができる。また、流体膜分離に不可欠な流体の流動圧力を用いることで、温度差発電装置の駆動に不可欠な、高温流体および低温流体を流動させるポンプを用いることなく発電機能を動作させることができる。 As described above, the present invention provides a fluid membrane separation power generation system using fluid membrane separation and temperature difference power generation. In this system, the pressure and heat energy applied to the fluid of the fluid membrane separation, which has been wasted until now, can be consumed without wasting without affecting the performance of the fluid separation in the membrane separation. For example, the energy of 2 to 3 ° C. applied to the fluid by pressurization for membrane separation is about 10% of energy for the temperature difference of 20 to 30 ° C. that can drive the high-efficiency temperature difference power generator. Therefore, at least the same level of energy saving can be realized. Further, by using the fluid flow pressure indispensable for fluid membrane separation, the power generation function can be operated without using a pump for flowing the high temperature fluid and the low temperature fluid, which is indispensable for driving the temperature difference power generation device.
1 取水ポンプ
2 砂濾過装置
3 限外濾過膜(UF膜)前処理装置
4,7,8 薬剤注入装置
5 UF膜ろ過水槽
6 供給ポンプ
9 高圧ポンプ
10 逆浸透膜(RO膜)濾過装置
11 太陽熱加熱装置
12 加熱器(電気ボイラ)
13 蒸発器
14 凝縮器
15 気液分離器
16 タービン
17 発電機
18,19 貯留タンク
20 作動流体ポンプ
21 圧力エネルギー回収装置
101 原水
102 RO膜供給水
103 透過水
104 濃縮水
105 高温流体
106 低温流体
107 作動流体
DESCRIPTION OF
13 Evaporator 14 Condenser 15 Gas-
Claims (7)
A fluid membrane separation power generation system comprising a pressurization pump, a cross-flow type separation membrane element that separates a fluid that has passed through the pressurization pump, and a temperature difference power generation device that introduces a concentrated fluid separated from the separation membrane.
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