CN110835188A - 带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，包括前置过滤单元、反渗透处理单元、膜电容去离子处理单元、后置过滤单元、浓差电池发电单元，将反渗透处理单元与膜电容去离子处理单元相耦合，通过耦合互补的水路和电路设计进行海水淡化，改善水质，装置水路出水连续，对反渗透处理单元中高压浓水的压力势能和膜电容去离子处理单元中解吸附释放的电能进行回收，优化节约能耗，浓差电池利用流出反渗透处理单元的低压浓海水与流出前置过滤单元的前置处理海水的浓度差发电，进一步降低系统能耗，减少浓海水直接排放对环境的伤害。
Description
技术领域
本发明涉及海水淡化系统，特别涉及一种带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统。
背景技术
随着近海捕捞过度和污染严重，人们将目光转移至深海，海洋牧场承载着中国渔业转型的新希望，这也意味着在国家战略的大背景下，越来越多的渔船要驶向深蓝。但是，远行的渔船航行时间长，淡水是决定船舶能否能够持续航行的重要因素之一，携带蓄水罐无法保证淡水资源质量且占地面积大。随着海水淡化技术的日益成熟、工艺成本的降低等，海水淡化装置可以成为制造淡水的有效选择。
现有海水淡化方式大多采用热法和膜法，其中RO反渗透法凭借其能耗相对较低和结构紧凑等优点在市场上占据优势，其能耗与脱盐率成正比。但反渗透一级脱盐虽然能到达直饮水的浓度，但产出的水质中残存过量的对人体有害的硼离子等二价离子，若想去除这些离子，需要采用BWRO二级反渗透，能耗大大提高，同时，出来的淡水呈酸性，研究表明，一级RO产水对金属的腐蚀性比海水更强。电容去离子(膜电容去离子)作为一种新兴的海水淡化方式，与传统脱盐技术相比，能耗更低、无二次污染、能够有效去除二价离子，但就目前技术而言，在高浓度区域脱盐不占优势。但经过S.Porada,R等人的实验验证，在能耗方面，膜电容去离子较RO法，在处理低离子浓度的海水(小于30mM)时，膜电容去离子占据优势。
海水淡化装置及其方法(国别：中国，公开号：102786174A，公开日期：2012-11-21)公开了将电解净化系统、电容吸附去离子系统和低压反渗透系统相结合的方法，并将膜电容去离子脱盐放在反渗透装置之前，且没有考虑膜电容去离子能量回收的问题。
船舶饮用水的制备装备(国别：中国，公开号：207243648U，公开日期：2018-4-17)公开了将超滤、膜电容去离子、反渗透装置相结合的方式，同样将电容吸附去离子系统放置在反渗透系统前，且同样没有能量回收。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，用于膜电容去离子能量回收以降低海水淡化装置能耗。
技术方案：本发明所述的带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，包括前置过滤单元、反渗透处理单元、膜电容去离子处理单元、后置过滤单元以及浓差电池发电单元；
反渗透处理单元，包括高压泵、反渗透一级脱盐设备和能量回收装置，原海水经前置过滤处理单元处理后得到的前置处理海水，由高压泵连入反渗透一级脱盐设备，前置处理海水在反渗透一级脱盐设备中进行高浓度段脱盐，得到高压浓海水和一级淡海水，高压浓海水经能量回收装置将压力势能传递给前置处理海水，泄压后的浓海水流入浓差电池发电；经能量回收装置与高压泵增压的前置处理海水一同连入反渗透一级脱盐设备，膜电容去离子处理单元，包括并联设置的膜电容去离子组件A、膜电容去离子组件B以及膜电容去离子组件C，组件A对一级淡海水进行低浓度段脱盐，得到二级淡海水，膜电容去离子组件B对浓海水进行解吸附且同时为膜电容去离子组件C组件进行充电，膜电容去离子组件B解吸附后排出废水，组件A、膜电容去离子组件B以及膜电容去离子组件C依次交替工作实现连续水路脱盐和连续回收解吸附时释放的能量，二级淡海水连入后置过滤单元处理后得到直饮淡水，
浓差电池发电单元，包括若干个浓差电池电堆和蓄电池，低压浓海水与前置处理海水交替流入浓差电池电堆进行发电；每个浓差电池电堆和膜电容去离子组件、蓄电池并联，补充膜电容去离子组件所需的剩余电量，多余的电量由蓄电池储存起来。
进一步的，浓差电池电堆包括若干个串联而成的浓差电池发电组件，浓差电池发电组件由浓海水室和原海水室组成，浓差电池电堆所需的浓差电池组件随着浓度差的降低而增多，根据浓差电池组件中的浓海水室进料给浓差电池组件分级，下一级浓原海水室的进料水为上一级浓海水室出水，每级浓原海水室的进料水均为前置处理海水。
进一步的，流出能量回收装置的高压海水与流出高压泵的高压海水压力相当，能量回收装置为自增压式能量回收装置或者差压式能量回收装置；能量回收装置若为自增压式能量回收装置，不需要增压泵二次增压，若为差压式能量回收装置，还需增压泵进行二次增压。
进一步的，前置过滤单元包括通过管道依次连接的原水泵、多介质过滤器以及微滤器；原海水经原水泵、多介质过滤器以及微滤器处理后得到前置处理海水。
进一步的，后置过滤单元包括通过管道依次连接的PP棉过滤器和活性炭过滤器，级淡海水经PP棉过滤器、活性炭过滤器处理后得到直饮淡水。
进一步的，膜电容去离子组件A、膜电容去离子组件B以及膜电容去离子组件C均包括至少1个膜电容去离子组件，1个膜电容去离子组件由4个膜电容去离子模块并联而成。
进一步的，膜电容去离子模块包括壳体、隔板、阴阳离子交换膜以及电极，壳体上开设有一级淡海水进水口、二级淡海水出水口、前置处理海水进水口、废水出水口，由壳体和电极组成的空间构成并联的内部水流通道。
进一步的，膜电容去离子处理单元通过电控单元控制电路的切换，回收膜电容去离子组件中储存的能量，该电路依次为并联串连电路、并联并联电路、并联并联串连并联电路、并联串连并联并联电路以及串连并联电路。
有益效果：本发明的海水淡化装置系统将反渗透处理单元与膜电容去离子处理单元相耦合，通过耦合互补的水路和电路设计进行海水淡化，改善水质，装置水路出水连续，对反渗透处理单元中高压浓水的压力势能和膜电容去离子处理单元中解吸附释放的电能进行回收，优化节约能耗，与现有反渗透法、膜电容去离子法海水淡化、海水能量回收技术相比，进一步降低能耗；浓差电池利用浓海水与前置处理海水的浓度差发电，不仅补充膜电容去离子所需的剩余电量，也进一步稀释浓海水，达到节能减排的目的。
附图说明
图1为本发明的海水淡化装置系统示意图；
图2为膜电容去离子模块结构示意图；
图3为膜电容去离子处理单元电能回收电路图；
图4为膜电容去离子处理单元中，电控单元进行电路控制切换的电路连接方式；
图5为浓差电池发电单元，浓差电池电堆与系统各部件的配合关系。
附图标记
100、前置过滤单元；101、原水箱；102、原水泵；103、多介质过滤器；104、微滤器；
200、反渗透处理单元；201、高压泵；202、反渗透一级脱盐设备；203、压力计A；204、压力计B；205、压力计C；206、能量回收装置；
300、膜电容去离子处理单元；301、膜电容去离子组件A；302、膜电容去离子膜电容去离子组件B；303、膜电容去离子膜电容去离子组件C；3041、海水进水电磁阀A；3042、海水进水电磁阀B；3043、海水进水电磁阀C；3051、一级淡海水进水电磁阀A；3052、一级淡海水进水电磁阀B；3053、一级淡海水进水电磁阀C；3061、废水电磁阀A；3062、废水电磁阀B；3063、废水电磁阀C；3071、二级淡海水出水电磁阀A；3072、二级淡海水出水电磁阀B；3073、二级淡海水出水电磁阀C；308、膜电容去离子模块；3081、壳体；3082、隔板；3083、阴阳离子交换膜；3084、电极；3085、一级淡海水进水口；3086、二级淡海水出水口；3087、前置处理海水进水口；3088、废水出水口；3091、开关A；3092、开关A；3093、开关C；3094、开关D；3095、开关E；3096、开关F；
400、后置过滤单元浓；401、PP棉过滤器；402、活性炭过滤器；
500、差电池发电单元；501、浓差电池电堆；5011、浓差电池发电组件；502、蓄电池；
具体实施方式
如图1所示，一种带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，包括前置过滤单元100、反渗透处理单元200、膜电容去离子处理单元300、后置过滤单元400以及浓差电池发电单元500。
前置过滤单元100包括通过管道依次连接的原水泵102、多介质过滤器103以及微滤器104；原海水经原水泵102、多介质过滤器103以及微滤器104处理后得到前置处理海水。
反渗透处理单元200，包括高压泵201、反渗透一级脱盐设备202、压力计A203、压力计B204、压力计C205以及能量回收装置206，原海水经前置过滤单元100处理后得到的前置处理海水，由高压泵201连入反渗透一级脱盐设备202，前置处理海水在反渗透一级脱盐设备202中进行高浓度段脱盐，得到高压浓海水和一级淡海水，高压浓海水经能量回收装置206将压力势能传递给前置处理海水，泄压后的浓海水流入浓差电池发电；经能量回收装置206与高压泵201增压的前置处理海水一同连入反渗透一级脱盐设备202。
膜电容去离子处理单元300，包括并联设置的膜电容去离子组件A301、膜电容去离子膜电容去离子组件B302、电容去离子膜电容去离子组件C303、海水进水电磁阀A3041、海水进水电磁阀B3042、海水进水电磁阀C3043、一级淡海水进水电磁阀A3051、一级淡海水进水电磁阀B3052、一级淡海水电磁阀C3053、废水电磁阀A3061、废水电磁阀B3062、废水电磁阀C3063、二级淡海水出水电磁阀A3071、二级淡海水出水电磁阀B3072、二级淡海水出水电磁阀C3073；容去离子组件A301对一级淡海水进行低浓度段脱盐，得到二级淡海水，膜电容去离子膜电容去离子组件C303303对浓海水进行解吸附且同时为膜电容去离子膜电容去离子组件C303进行充电，膜电容去离子膜电容去离子组件C303解吸附后排出废水，膜电容去离子组件A301、膜电容去离子膜电容去离子组件B302以及膜电容去离子膜电容去离子组件C303依次交替工作实现连续水路脱盐和连续回收解吸附时释放的能量，二级淡海水连入后置过滤单元400处理后得到直饮淡水。
海水淡化水路为：高压泵201、反渗透一级脱盐设备202通过管道依次连接，从微滤器104的出口引出第一路分支连入高压泵201的进口，将前置处理海水(离子浓度35000mg/L)经高压泵201加压后在反渗透一级脱盐设备202中进行高浓度段脱盐(脱至1165mg/L)，前置处理海水经高压泵201加压后的压力由压力计A203渗透一级脱盐设备设置两个出口，一个出口排出高压浓海水进入能量回收水路，压力由压力计B204测量，另一个出口排出一级淡海水进入膜电容去离子处理单元300进行二次除盐。
膜电容去离子组件A301、膜电容去离子膜电容去离子组件B302以及膜电容去离子膜电容去离子组件C303均包括至少1个膜电容去离子组件，1个膜电容去离子组件由4个膜电容去离子模块C308并联而成。
膜电容去离子模块308包括壳体3081、隔板3082、阴阳离子交换膜3083以及电极3084，壳体3081上开设有一级淡海水进水口3085、二级淡海水出水口3086、前置处理海水进水口3087、废水出水口3088，由壳体3081和电极3084组成的空间构成并联的内部水流通道，水流在内部形成“Z”字型流动。
以每个膜电容去离子组件由4个膜电容去离子模块C308构成说明，4个膜电容去离子模块C308采用并联连接构成一个膜电容去离子组件，一级淡海水进水口3085连入一级淡海水，一级淡海水进入内部水流通道进行电容吸附去离子脱盐，二级淡海水出水口3086排出二级淡海水。前置处理海水进水口3087连入前置处理海水，前置处理海水进入内部水流通道冲洗电容解吸附时释放的离子，废水出水口3088排出废水。
膜电容去离子组件A301、膜电容去离子膜电容去离子组件B302以及膜电容去离子膜电容去离子组件C303并联设置，膜电容去离子处理单元的脱盐流程为：当膜电容去离子组件A301工作时，一级淡海水进水电磁阀A3051、二级淡海水出水电磁阀A3071打开，一级淡海水进入膜电容去离子组件A进行低浓度段脱盐，得到二级淡海水(离子浓度从1165mg/L脱至500mg/L)，同时海水电磁阀B3042、废水电磁阀B3062打开，前置处理海水进入膜电容去离子膜电容去离子组件C303，膜电容去离子膜电容去离子组件C303进入解吸附过程且同时为膜电容去离子膜电容去离子组件B302充电，其余电磁阀关闭，膜电容去离子膜电容去离子组件C303解吸附后排出废水；当膜电容去离子组件A301达到吸附饱和时，一级淡海水进水电磁阀A3051、二级淡海水出水电磁阀A3071关闭，同时一级淡海水进水电磁阀B3052、二级淡海水出水电磁阀B3072打开，一级淡海水进入膜电容去离子膜电容去离子组件B302进行低浓度段脱盐，得到二级淡海水，同时海水电磁阀A3041、废水电磁阀A3061打开，前置处理海水进入膜电容去离子组件A301，膜电容去离子组件A301进入解吸附过程且同时为膜电容去离子膜电容去离子组件C303充电，其余电磁阀关闭，膜电容去离子组件A301解吸附后排出废水；当膜电容去离子膜电容去离子组件B302达到吸附饱和时，一级淡海水进水电磁阀B3052、二级淡海水出水电磁阀B关闭，同时一级淡海水进水电磁阀C3053、二级淡海水出水电磁阀C打开，一级淡海水进入膜电容去离子膜电容去离子组件C303进行低浓度段脱盐，得到二级淡海水，同时海水电磁阀B3042、废水电磁阀B3062打开，前置处理海水进入膜电容去离子膜电容去离子组件B302，膜电容去离子膜电容去离子组件B302进入解吸附过程且同时为膜电容去离子组件A301充电，其余电磁阀关闭，膜电容去离子膜电容去离子组件B302解吸附后排出废水。膜电容去离子组件A301、膜电容去离子膜电容去离子组件B302、膜电容去离子膜电容去离子组件C303依次交替工作，膜电容去离子组件中储存的能量通过电控单元控制不同电路的切换，保证最优的电能回收率，实现连续水路脱盐和连续回收解吸附时释放的能量。排出的二级淡海水进入后置过滤单元400。
膜电容去离子处理单元的能量回收流程为：由于膜电容去离子组件存在吸附和解吸附过程，在解析附过程时膜电容去离子组件无法除盐，因此，设计膜电容去离子组件A301、膜电容去离子膜电容去离子组件B302、膜电容去离子膜电容去离子组件C303三个循环使用，确保连续水路脱盐和连续回收电能，电路图如附图3所示：当膜电容去离子组件A301工作时，开关A3091关闭使浓差电池500供给膜电容去离子组件A301中剩余电量，电容去离子膜电容去离子组件C进入解吸附过程，同时开关E3095关闭，为膜电容去离子膜电容去离子组件B302充电，其余开关B3092、开关C3093、开关D3094、开关F3096打开；当膜电容去离子组件A301达到吸附饱和时，膜电容去离子膜电容去离子组件B302工作，开关B关闭使浓差电池供给膜电容去离子膜电容去离子组件B302中剩余电量，膜电容去离子组件A301进入解吸附过程，同时开关F3096关闭，为膜电容去离子膜电容去离子组件C303充电，其余开关A3091、C3093、D3094、E3095打开；当膜电容去离子膜电容去离子组件B302达到吸附饱和时，开关B3092关闭，同时打开，膜电容去离子膜电容去离子组件C303工作，开关C关闭使浓差电池供给膜电容去离子膜电容去离子组件C303中剩余电量，膜电容去离子膜电容去离子组件B302进入解吸附过程，同时开关D3094关闭，为膜电容去离子组件A301充电，其余开关A3091、E3095、F3096打开。
膜电容去离子处理单元300采用附图3所示的电路连接方式回收电能，通过电控单元进行电路控制切换，按照附图4所示的电路连接方式依次(4a-4b-4c-4d-4e)进行切换，其中前4个膜电容去离子模块C308构成一个膜电容去离子膜电容去离子组件B302，后4个膜电容去离子模块C308构成另一个膜电容去离子膜电容去离子组件B302，4a为并联串连电路、4b为并联并联电路、4c为并联并联串连并联电路、4d为并联串连并联并联电路以及4e为串连并联电路，根据实验验证，采用附图3、4的电路连接方式可以回收储存在膜电容去离子膜电容去离子组件B302中的70％左右的能量。
后置过滤单元400包括通过管道依次连接的PP棉过滤器401和活性炭过滤器402，级淡海水经PP棉过滤器401和活性炭过滤器402处理后得到直饮淡水。
浓差电池发电单元500，包括若干个浓差电池电堆501和蓄电池502，低压浓海水与前置处理海水交替流入浓差电池电堆501进行发电；每个浓差电池电堆501和膜电容去离子膜电容去离子组件B302、蓄电池502并联，补充膜电容去离子组件B302所需的剩余电量，多余的电量由蓄电池502储存起来。
浓差电池电堆501包括若干个串联而成的浓差电池发电组件5011，浓差电池发电组件5011由浓海水室和原海水室组成，浓差电池电堆所需的浓差电池组件随着浓度差的降低而增多，根据浓差电池组件中的浓海水室进料给浓差电池组件分级，下一级浓原海水室的进料水为上一级浓海水室出水，每级原海水室的进料水均为前置处理海水。随着浓差电池组件级数的增加，浓差电池组件中浓海水室与原海水室的浓度差降低，浓差电池组件的发电量降低，因此每个浓差电池电堆可能包含一级或多级浓差电池组件。
Claims (8)
1.一种带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，其特征在于：
包括前置过滤单元(100)、反渗透处理单元(200)、膜电容去离子处理单元(300)、后置过滤单元(400)以及浓差电池发电单元(500)；
反渗透处理单元(200)，包括高压泵(201)、反渗透一级脱盐设备(202)和能量回收装置(206)，原海水经前置过滤处理单元处理后得到的前置处理海水，由高压泵(201)连入反渗透一级脱盐设备(202)，前置处理海水在反渗透一级脱盐设备(202)中进行高浓度段脱盐，得到高压浓海水和一级淡海水，高压浓海水经能量回收装置(206)将压力势能传递给前置处理海水，泄压后的浓海水流入浓差电池发电；经能量回收装置(206)与高压泵(201)增压的前置处理海水一同连入反渗透一级脱盐设备(202)，
膜电容去离子处理单元(300)，包括并联设置的膜电容去离子组件A(301)、膜电容去离子组件B(302)以及膜电容去离子组件C(303)，组件A对一级淡海水进行低浓度段脱盐，得到二级淡海水，膜电容去离子组件B(302)对浓海水进行解吸附且同时为膜电容去离子组件C(303)组件进行充电，膜电容去离子组件B(302)解吸附后排出废水，组件A、膜电容去离子组件B(302)以及膜电容去离子组件C(303)依次交替工作实现连续水路脱盐和连续回收解吸附时释放的能量，二级淡海水连入后置过滤单元处理后得到直饮淡水，
浓差电池发电单元(500)，包括若干个浓差电池电堆(501)和蓄电池(502)，低压浓海水与前置处理海水交替流入浓差电池电堆(501)进行发电；每个浓差电池电堆(501)和膜电容去离子组件、蓄电池(502)并联，补充膜电容去离子组件所需的剩余电量，多余的电量由蓄电池(502)储存起来。
2.根据权利要求1所述的带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，其特征在于浓差电池电堆(501)包括若干个串联而成的浓差电池发电组件(5011)，浓差电池发电组件(5011)由浓海水室和原海水室组成，浓差电池电堆所需的浓差电池组件随着浓度差的降低而增多，根据浓差电池组件中的浓海水室进料给浓差电池组件分级，下一级浓海水室的进料水为上一级浓海水室出水，每级原海水室的进料水均为前置处理海水。
3.根据权利要求1所述的带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，其特征在于流出能量回收装置(206)的高压海水与流出高压泵(201)的高压海水压力相当，能量回收装置(206)为自增压式能量回收装置(206)或者差压式能量回收装置(206)；能量回收装置(206)若为自增压式能量回收装置(206)，不需要增压泵二次增压，若为差压式能量回收装置(206)，还需增压泵进行二次增压。
4.根据权利要求2或3所述的带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，其特征在于前置过滤单元(100)包括通过管道依次连接的原水泵(102)、多介质过滤器(103)以及微滤器(104)；原海水经原水泵(102)、多介质过滤器(103)以及微滤器(104)处理后得到前置处理海水。
5.根据权利要求2所述的带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，其特征在于后置过滤单元(400)包括通过管道依次连接的PP棉过滤器(401)和活性炭过滤器(402)，级淡海水经PP棉过滤器(401)和活性炭过滤器(402)处理后得到直饮淡水。
6.根据权利要求2所述的带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，其特征在于膜电容去离子组件A(301)、膜电容去离子组件B(302)以及膜电容去离子组件C(303)均包括至少1个膜电容去离子组件，1个膜电容去离子组件由4个膜电容去离子模块(C308)并联而成。
7.根据权利要求2所述的带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，其特征在于膜电容去离子模块(308)包括壳体(3081)、隔板(3082)、阴阳离子交换膜(3083)以及电极(3084)，壳体(3081)上开设有一级淡海水进水口(3085)、二级淡海水出水口(3086)、前置处理海水进水口(3087)、废水出水口(3088)，由壳体(3081)和电极(3084)组成的空间构成并联的内部水流通道。
8.根据权利要求2所述的带能量回收装置和浓差电池发电装置的海水淡化系统，其特征在于膜电容去离子处理单元(300)通过电控单元控制电路的切换，回收膜电容去离子组件中储存的能量，该电路依次为并联串连电路、并联并联电路、并联并联串连并联电路、并联串连并联并联电路以及串连并联电路。
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