安齋 典*
笠谷 哲司*
山口 典男*
*
風水力機械カンパニー カスタムポンプ事業統括
食料の安定生産に欠かすことのできない肥料を生産するプラントで活躍する高圧ポンプには，アンモニアポンプやカーバメートポンプがあります。当社は，1969年から肥料プラント用高圧ポンプの開発にプロセスオーナーとともに取り組み，現在も社会の要求にあったポンプを開発して，多くのプラントに納めています。これら両ポンプの開発の経緯や構造について紹介します。
豊かに実をつけた広大な農地と高圧ポンプ，一見して結びつかないこの二つは，肥料を介して関わりがあり，40年以上の開発の歴史や取組みがあります。
前回（エバラ時報251号）において，発電用ボイラ給水ポンプ（火力発電所），デスケーリングポンプ（製鉄所），RO高圧ポンプ（海水淡水化）を紹介しました。今回は，人々の暮らしに欠かすことのできない衣食住の「食」に関わる肥料プラントの尿素製造プロセスにおいて，重要な高圧ポンプのアンモニアポンプとカーバメートポンプの技術を紹介します（図1）。
図1 アンモニアポンプとカーバメートポンプの外観
1950年に25億人の地球上の人口は，20世紀末には60億人まで爆発的に増加し 1），それに伴う食糧危機が危惧されたことから，食糧を確保するため農作物の増収の必要があり，農業における肥料の需要が増大しました。
尿素肥料製造の技術開発が進み，現在では，世界三大プロセス 2）として，
（1）
東洋エンジニアリング（株）のACES（Advanced Process for Cost and Energy Saving）法
（2）
Snamprogetti（現SAIPEM社）法
（3）
Stamicarbon法
肥料用の高圧ポンプであるアンモニアポンプとカーバメートポンプは，取扱液の性質に対応した構造と，液漏れを防ぐシールに特徴があります。
尿素原料のアンモニアは揮発性が高く，加圧して液体アンモニアとして送液するため，アンモニアポンプは非常に高圧（15～25 MPa）で使用されます。高圧流体の漏れを確実に防ぐため，ポンプ胴体が外胴と中胴に分かれた二重胴内胴水平割構造の多段ポンプが採用されています。中胴は鋳物でできており，非常に強固な構造となっています（図2）。
図2 アンモニアポンプ3D断面図
中間体のカーバメートが結晶化してポンプ内で固着しないようにカーバメートポンプもまた高圧（15～20 MPa）で使用されますが，アンモニアポンプとは異なり一重胴輪切構造の多段ポンプを採用しています。ポンプ内部でカーバメート液が固結してしまった場合のメンテナンス性に優れています。
多段ポンプの場合，羽根車で発生するスラスト力が羽根車の段数分発生するため，そのスラスト力を吸収する構造が必要不可欠です。そこで，カーバメートポンプ及びアンモニアポンプは，背面合わせ構造という，羽根車の半分を逆方向に配置することで，羽根車同士がスラスト力を打ち消し合う構造としてバランスさせています。特にカーバメートポンプのような一重胴輪切構造の多段ポンプで背面合わせに羽根車を配置することは世界でも非常にユニークな構造です（図3）。
図3 カーバメートポンプ3D断面図
アンモニアポンプとカーバメートポンプは，いずれもギアボックスによってポンプの回転速度を増速させ，約7000 rpmで運転され，プラントの心臓部に位置するため非常に高い信頼性が要求されます。
アンモニアポンプでは，液体アンモニアの揮発を防ぐためにポンプの吸込圧力も高圧になっています。液体アンモニアは強アルカリで毒性があり，漏れを確実に防ぐことが求められますが，揮発性であることから潤滑性が小さく，さらにシール面に入って揮発してしまうことを考慮して，水を供給してシール面を潤滑させます。
カーバメートポンプでは，カーバメート液もまた揮発性，毒性，腐食性があり，精密な面の摺動によって液を封入するメカニカルシールは，更に過酷な条件で使用されます。またカーバメートは結晶化しやすい性質であることから，シール面で液が固着してしまうのを避けるため，同様にシール面に水を供給しています。
これらのメカニカルシールを健全に運転するためには，シールを保護する構造が必要です。その水を供給するシール水供給ユニットは，当社が独自に開発したもので，適切な圧力と供給量に制御することができます（図4）。
図4 シール水供給ユニット
肥料プラントの大規模化や新設される中，建設後数十年を経た小規模の肥料プラントが数多く稼動しています。これらの小規模プラントではプランジャーポンプが運転されていますが，ポンプ液漏れの高頻度化に伴う部品交換と高いメンテナンスコストなどから「できれば遠心式ポンプを使いたい」との声が出ています。このため，小規模プラント向けのアンモニアポンプの開発に着手しました。
小型アンモニアポンプ開発の課題の一つは，小水量化への対応でした。従来のアンモニアポンプは，内胴として上下二つ割りの鋳物ボリュート構造で，鋳物の製造上の制限によって現状よりも小さい水量への対応が困難でした。そこで，小水量化への対応が比較的容易なディフューザ型を採用しました。
従来，当社には二重胴型多段ポンプとして二種類のモデルがあり，一つは従来型アンモニアポンプでも採用しているHxB型［図5（a）］（内胴が上下二つ割りのボリュート型ポンプ）で，もう一つはDC型［図5（b）］（中胴輪切り構造のディフューザ型ポンプ）です。
今回開発した小型アンモニアポンプ（図6）は，DC型と基本構造は同じものですが，DC型の羽根車配列構造が「全羽根車が同一方向を向いている」ことに対して，小型アンモニアポンプはHxB型と同じように「羽根車背面合わせ配列」構造を採用しました。これによって，従来のアンモニアポンプと同様な回転体設計を採用しつつ，小水量に対応できる二重胴ポンプとすることができました。取扱液の性質から実績を重視される肥料プラント市場において，従来と異なる製品を認めていただくのはハードルが高いものでしたが，米国向けに納入することができ，これから市場で活躍することが期待されます。
図5 当社二重胴型多段ポンプモデル
図6 高速型小型アンモニアポンプ
これまでのカーバメートポンプは，高速運転をするための機器構成として原動機（モータ）とポンプの間に増速ギアボックスを入れた「原動機＋増速ギアボックス＋ポンプ」となっています。
しかしながら近年，よりシンプルな機器構成の要求が市場で出てきたことから，増速ギアボックスを廃した「直結型カーバメートポンプ」を開発しました。これによって，機器構成が「原動機＋ポンプ」とシンプルになることに加え，従来の高速型では必須であった「軸受潤滑用の強制給油ユニット」を廃することも可能になりました。
直結型は従来型よりも羽根車段数は増加しますが，機器構成がシンプルになることから，イニシャルコスト，メンテナンスコストが抑えられ，さらに，設置面積も小さくなることも利点です。既に市場投入を開始しており，5プラント，ポンプ10台を納入しています（図7）。
図7 直結型カーバメートポンプ
私がこのポンプを設計していたころ，上司から次のような話を聞きました。
『インドのローカルな道路を走っていると，見渡す限り広大な農地いっぱいにトウモロコシ畑が広がっていた。そこに大きなトラックがトウモロコシをいっぱいに積んで走っていく。その時に本当に世界では食糧が必要とされていると感じた。』という話でした。この話を聞いて，自分が実際に設計しているポンプが世界の人の役に立っていることを実感して，とても嬉しくなったことを覚えています。
このタイトルは縁の下の力持ちというタイトルですが，当社のポンプは縁の下で世界の平和を支えていると実感できるポンプです。このポンプと巡り合えたことに感謝するとともに，このポンプとともに世界のお客様や世界の人々の役に立ち続けたいと考えています。
これからも新しい技術に挑戦することを忘れず，更に世界に貢献できるポンプを創り出していきたいです。
1） 国連人口基金東京事務所 世界人口推移グラフ
2） かはく技術史体系（技術の系統化調査報告書）Ⅸ.食品・医薬品・農林漁業 03肥料製造技術の系統化
藤沢工場ものづくり50年の歴史
1966年頃の藤沢工場
縁の下の力持ち 高圧ポンプ －活躍場所編ー
100万kW火力発電所内で活躍する50％容量ボイラ給水ポンプ
RO方式海水淡水化用大容量、超高効率高圧ポンプの納入
長段間流路内の流線と後段羽根車入口の流速分布
縁の下の力持ち ドライ真空ポンプ －真空と真空技術の利用ー
真空の領域と用途例
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