AT502797A4 - Solare heizwärmeeinbringung zur meerwasserentsalzung - Google Patents

Description

  T<*>
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Brauch- und Trinkwasser mittels eines mehrstufigen Destillationsverfahrens nach dem MSF (Multi Stage Flash) oder MED (Multi Effect Distillation) Verfahrens mit Zufuhr von Heizwärme.
Gattungsgemässe Anlagen arbeiten mit hoher Wärmerückgewinnung, indem das zuströmende Meerwasser in Serie über die Wärmetauscher der einzelnen Stufen zur Kondensatverflüssigung geleitet wird, wobei nach Austritt aus der obersten Stufe eine Nachheizung im Ausmass von etwa ein bis zwei Stufentemperaturintervallen erfolgt, oder, indem Prozessdampf in die erste Entspannungsstufe eingeleitet wird. Bei solargetriebenen Anlagen erfolgt zumeist eine Nacherwärmung des Meerwassers nach Austritt aus der Vorwärmkolonne über kuperative Wärmetauscher mit Medientrennung zwischen Meerwasserkreis und Kollektorkreis.

   Dieser Wärmetauscher ist jedoch sekundärseitig von starken Ablagerungen belastet und somit wartungsintensiv. Um die Kollektortemperaturen so niedrig als möglich zu halten, wird versucht, direkt mit Meerwasser durchströmte Kollektoren einzusetzen. Dies führt zur Ersparnis des Wärmetauschers zwischen Meerwasser- und Kollektorkreislauf, verlagert jedoch das Problem der Korrosion und Ablagerungen auf Kollektoren und Pufferspeicher. Durch die Entwicklung von entsprechenden Kollektormaterialien aus Kunststoffen und Verbundwerkstoffen wird versucht das Problem der Korrosion und der Ablagerungen zu minimieren und somit einen wirtschaftlichen Einsatz von Sonnenenergie zu ermöglichen.

   Für viele Wärmeabgabesysteme wie zum Beispiel Sonnenkollektoren oder Kühlkreise von wärmetechnischen Anlagen ist jedoch die Temperatur des zuströmenden Meerwassers aus der Vorwärmkolonne zu hoch, um noch eine effiziente Wärmeabgabe bzw. das gewünschte Kühlziel zu erreichen. Zudem müssen Pufferspeicher relativ gross ausgelegt werden, da die Differenz von Vor- zu Rücklauftemperatur nicht all zu hoch ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Gefahr der Korrosion und der Ablagerungen im Kollektorkreis zu beseitigen, ohne einen Wärmetauscher mit Medientrennung zwischen Primär- und Sekundärkreislauf zwischenzuschalten, wobei im Gegensatz zur oben angeführten Lösungsvariante nicht auf die Entwicklung von besonderen Materialen für Kollektoren und Pufferspeicher eingegangen wird, sondern,

   indem eine prozesstechnische Lösung zur Vermeidung des Direktkontaktes von Meerwasser in den Kollektoren angeboten wird. Zudem soll die Rücklauftemperatur zu den Wärmeabgabesystemen niedrig gehalten werden können. Dies wird erfindungsgemäss durch eine Anlage gemäss den Kennzeichen des Anspruches 1 erreicht. Dabei wird Destillat aus der Vorwärmkolonne entnommen, durch den(die) Wärmetauscher der Heizeinrichtung(en) geleitet, und anschliessend in den Destillatkreislauf der Vorwärmkolonne rückgeführt. Die Destillatrückführung erfolgt dabei entweder über eine separate Entspannungskammer, oder direkt in eine der Kondensationsstufen der Vorwärmkolonne.

   Entscheidend für die prozesstechnische Funktion ist die Zumischung in den Destillatstrom der Vorwärmkolonne und nicht in den Meerwasserkreislauf.
Mit dieser Verschaltung ist es möglich, MWE- Anlagen ausschliesslich über Heizwärme zu betreiben, die Rücklauftemperaturen zu den Kollektoren niedrig zu halten und diese mit ablagerungsfreiem Destillat zu durchströmen. Je nach Belieben sind verschiedenste Kombinationen mit mehreren Heizwärmeanbindungen mit unterschiedlichen Destillatentnahmen und Rückführungen, sowie Einbindungen von Kompressoranlagen, möglich. Vorteilhafte Ausführungen sind im Hauptanspruch und in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Grundvariante sieht vor, eine Anlage ausschliesslich über Heizwärme aus thermischen Kollektoren zu betreiben.

   Dabei wird erfindungsgemäss Destillat aus der Destillationskolonne entnommen, in den Kollektoren auf etwa 165 [deg.]C erwärmt, und anschliessend in eine Entspannungskammer mit Dampfzuleitung zum Meerwasserkreis eingeleitet. Der Dampf aus der Entspannungsverdampfung dient zur Resterwärmung des aus der Vorwärmkolonne austretenden Meerwassers, welches anschliessend in fallender Reihenfolge durch die einzelnen Druckstufen der Entspannungsverdampfung geleitet wird. Um die Anlage durchgehend betreiben zu können ist ein entsprechender Pufferspeicher vorzusehen. Je grösser die Differenz von Vorlauftemperatur zu Rücklauftemperatur im Kollektorkreis ist, desto kleiner kann der Pufferspeicher ausgelegt werden.

   Sowohl aus dieser Sicht als auch dem Bestreben, die mittlere Kollektortemperatur möglichst niedrig zu halten, empfiehlt sich das Destillat für den Kollektorkreis nach Austritt aus der untersten Stufe der Vorwärmkolonne zu entnehmen.
Eine erweiterte Variante sieht vor, zusätzlich zu den thermischen Kollektoren Hybridkollektoren anzubinden. Dies sind nachgeführte Kollektoren mit gekühlten Solarzellen, welche über Spiegel mit hoher Strahlungsintensität beaufschlagt werden. Die Hybridkollektoren wirken über die Tageszeit unterstützend zur Destillatgewinnung, dienen jedoch vorwiegend der Stromerzeugung. In Symbiose mit der Entsalzungsanlage können diese Kollektoren mit ablagerungsfreiem Destillat bei niedriger Rücklauftemperatur durchströmt werden.

   Je nach Einspeisetemperatur (70 - 100 [deg.]C) wird das Destillat an der entsprech enden Temperaturstufe der Vorwärmkolonne in den Destillatstrom rückgeführt. Mit dieser erfindungsgemässen Verschaltung gelingt es, Hybridkollektoren zu einem grosstechnischen Einsatz zu verhelfen. Über den mit diesen Kollektoren erzeugten Solarstrom kann in weiterer Folge Wasserstoff erzeugt werden.
Eine weitere Variante sieht darüber hinaus vor, anstatt der thermischen Kollektoren eine Kompressoranlage für die Grundlast einzusetzen. Dabei wird Dampf aus der Destillationskolonne entnommen und über die Kompressoreinheit in die Kammer zur Resterwärmung des vorgewärmten Meerwassers gebracht. Die Hybridkollektoren können nun in der erfindungsgemässen Weise eingebunden werden.

   Dieses Konzept ist zum Beispiel ideal zur Nachrüstung von bereits bestehenden kompressorgetriebenen Anlagen, welche nach einem stufenweisen Destillationsverfahren funktionieren, geeignet. Pufferspeicher sind nicht notwendig, da die Anlage in einer Art Grundlast durchgehend über die Kompressoreinheit in Betrieb gehalten wird. Bei Grossanlagen ist vorstellbar, die Kompressoreinheit direkt über eine Gasturbinenanlage zu betreiben, und Kühl- als auch Abwärme über destillatdurchströmte Wärmetauscher entsprechend der erfindungsgemässen Verschaltung in die MWEAnlage einzubringen.
Die Erfindung bezieht sich nicht ausschliesslich auf die oben angeführten Varianten, sondern auf alle möglichen Kombinationen die sich aus diesen Varianten ergeben.

   Der Einsatz des erfindungsgemässen Verfahrens der Destillatentnahme aus der Vorwärmkolonne, Erwärmung über ein oder mehrere Heizeinrichtungen sowie Rückführung in den Destillatkreislauf der Vorwärmkolonne, beschränkt sich nicht nur auf Destillationsanlagen von Meerwasser, sondern auch auf Anlagen zur Destillation von Brackwasser und biologisch und chemisch verunreinigtem Wasser zur Brauch- und Trinkwassergewinnung.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.

   Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit Wärmezufuhr über Sonnenkollektoren nach dem allgemeinen Stand der Technik.
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit der erfindungsgemässen Anbindung von thermische Kollektoren.
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit der erfindungsgemässen Anbindung von thermischen Kollektoren und Hybridkollektoren. Fig. 4 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit Dampfzufuhr über eine Kompressoranlage sowie einer Anbindung von Hybridkollektoren. 
Der in Fig.1 dargestellte Stand der Technik ist ein allgemein bekannter Prozess einer MSF(Multi Stage Flash) Destillationsanlage zur Gewinnung von Brauch- bzw. Trinkwasser nach einem thermischen Verfahren.

   Die Wärme aus dem Kollektoren 1 wird von einem Pufferspeicher 4 über einen Wärmetauscher 3 an das vorgewärmte Meerwasser 2 weitergegeben.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit der erfindungsgemässen Anbindung von thermischen Kollektoren 1. Die Entnahme von Destillat 5_1 aus der Vorwärmkolonne 6 für den Kollektorkreis erfolgt bei einer mittleren Stufentemperatur. Die Rückgabe des erhitzten Destillats 5_2 an die Vorwärmkolonne 6 erfolgt über eine vorgelagerte Entspannungskammer 7 mit Dampfzuleitung 8 in eine Kondensationskammer 9 zur Resterwärmung des Meerwassers. Durch Zwischenschaltung eines Pufferspeichers 4 wird sichergestellt, dass die Anlage Tag- und Nacht in Betrieb gehalten werden kann.

   Abgesehen von den Pumpen wird die Anlage ausschliesslich thermisch getrieben.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit der erfindungsgemässen Anbindung von thermischen Kollektoren 1 und Hybridkollektoren 10. Die Destillatauskopplung 5_1 für beide Kollektorkreise erfolgt bei Austritt aus der Vorwärmkolonne 6. Von den thermischen Kollektoren 1 wird das erhitzte Destillat über einen Pufferspeicher 4 in die Entspannungskammer 7 eingebracht. Die Hybridkollektoren 10 geben das erwärmte Destillat 5_2 direkt in eine der oberen Stufen der Vorwärmkolonne 6 weiter. Im Idealfall erfolgt die Destillateinleitung variabel wählbar in jene Stufe, in welcher ungefähr die Temperatur des zugeführten Destillats (5_2) vorherrscht.

   Abgesehen von den Pumpen wird die Anlage ausschliesslich thermisch getrieben.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, welche in der Grundlast über eine Kompressoranlage 11 betrieben wird. Die Anbindung der Hybridkollektoren 10 dient vorwiegend der Stromerzeugung. Erfindungsgemäss wird das Destillat 5_1 bei Austritt aus der Vorwärmkolonne entnommen und nach Erwärmung durch die Hybridkollektoren 10 in eine der oberen Stufen der Vorwärmkolonne 6 rückgeleitet.

   Die Hybridkollektoren 11 können aufgrund der niederen Einspeisetemperatur die MWE- Anlage ohne Kompressorunterstützung nicht eigenständig in Betrieb halten, leisten jedoch einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung des Destillatausstosses.
Bei den in allen Figuren schematisch dargestellten erfindungsgemässen Merkmalen ist darauf hinzuweisen, dass die einzelnen Bauteile sowie Zuleitungen in allen verschiedenen Ausführungsvarianten und Materialien gefertigt sein können.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Destillationsanlage nach dem MSF- (Multi Stage Flash) oder MED- (Multi Effect Distillation) Verfahren mit solarer Heizwärmeeinbringung, dadurch gekennzeichnet, dass Destillat (5_1) aus der Vorwärmkolonne (6) entnommen wird, über ein oder mehrere Heizeinrichtungen (1, 10, ... ) erwärmt wird, und anschliessend in den Destillatkreislauf der Vorwärmkolonne (6) rückgeführt wird.

1. Destillationsanlage nach dem MSF- (Multi Stage Flash) oder MED- (Multi Effect Distillation) Verfahren mit einer speziellen Methode der Heizwärmeeinbringung, dadurch gekennzeichnet, dass DestillaK[Iota]M) aus der Vorwärmkolonne (6) entnommen wird, über ein oder mehrere Heizeinrichtungen (1, 10, ... ) erwärmt wird, und anschliessend in den Destillatkreislauf der Vorwärmkolonne (6) rückgeführt wird.

2. MSF/MED- Destillationsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des erhitzten Destillats (5_2) über eine vorgelagerte Kammer (7) mit Dampfüberleitung (8) in eine Kammer (9) zur Resterwärmung des Meerwassers erfolgt.

2. MSF/MED- Destillationsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des erhitzten Destillats (5_2) über eine vorgelagerte Kammer (7) mit Dampfüberleitung (8) in eine Kammer (9) zur Resterwärmung des Meerwassers erfolgt.

3. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Destillatentnahme (5_1) nach Austritt aus der Vorwärmkolonne (6) erfolgt.

3. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Destillatentnahme (5_1) nach Austritt aus der Vorwärmkolonne (6) erfolgt.

4. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des Destillats (5_2) variabel schaltbar in unterschiedliche Stufen der Vorwärmkolonne (6) erfolgt.

4. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des Destillats (5_2) variabel schaltbar in unterschiedliche Stufen der Vorwärmkolonne (6) erfolgt.

5. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kreisläufe zur Destillaterwärmung mit unterschiedlichen Entnahme- und Rückgabestellen von und zu der Vorwärmkolonne (6) angekoppelt sind.

5. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kreisläufe zur Destillaterwärmung mit unterschiedlichen Entnahme- und Rückgabestellen von und zu der Vorwärmkolonne (6) angekoppelt sind.

6. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompressoreinheit (11) zur Aufrechterhaltung der Grundlast angekoppelt ist.

6. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompressoreinheit (11) zur Aufrechterhaltung der Grundlast angekoppelt ist.

7. MSF/MED- Destillationsanlage nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass Hybridkollektoren (10) ohne einen Pufferspeicher (4) vorzusehen an die Destillationsanlage angekoppelt werden. 1 <EMI ID=6.1> Patentansprüche

7. MSF/MED- Destillationsanlage nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass Hybridkollektoren (10) ohne einen Pufferspeicher (4) vorzusehen an die Destillationsanlage angekoppelt werden. <EMI ID=6.1>

NACHGEREICHT