CN101786696B - 利用海洋能的反渗透海水淡化方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种利用海洋能的反渗透海水淡化方法及装置，在海边挖一口井，井分两侧，一侧作为海水井，一侧作为设备井，利用海洋能将海水送进海水井，并使海水井水位高出海平面，装置固定安装在设备井井底，装置包括海水进水和出水系统、待升压海水输送系统、升压设备、海水排水设备、反渗透膜组件、淡水提升系统和浓海水排水系统。通过装置的海水进水系统，将海水井井底的海水引进装置内，并驱动升压设备和排水设备，升压设备制造高压海水，高压海水通过反渗透膜组件产生淡水和剩余浓海水，淡水利用普通的泵提升到地面，浓海水利用余压排出地面，排水设备主要用于排出升压设备内和自身设备内的海水以保持装置的连续运行。

Description

利用海洋能的反渗透海水淡化方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用海洋能形成的高水位和井底低水位之间的压差并进行增压的反渗透海水淡化方法及装置。

背景技术

可以用于海水淡化的方法有很多种，但目前能应用于商业的大规模海水淡化方法主要有蒸馏法和反渗透法，其中反渗透法是所有的海水淡化方法中最节能的。尽管如此，利用反渗透海水淡化方式制取的淡水成本还是偏高，其主要原因之一就是目前极大部分的反渗透海水淡化都是使用高压泵来制造高压海水，需要消耗大量的电能。所以也有一些研究人员在研究不使用高压泵的反渗海水淡化方法。例如，专利申请号为200410039239公开了一种在深海处进行海水淡化的装置，这种装置利用了深海的压力，可是并不能完全取代高压泵，因为所产生的淡水仍然是需要高压泵来提升，而且施工困难。专利申请号为00115749公开了一种深井水柱压差淡净化方法及其设备，这种装置利用深井来代替深海，可以克服海上的恶劣气候变化，但是要挖几百米的深井，施工量也不小，且几百米深的淡水仍然需要高压泵送到地面上来。海洋能是一种可再生能源，取之不净，用之不竭。利用海洋能，例如潮汐能或波浪能，可将海水高度提升，然后利用其海水的压差来发电做功等，但由于压差并不大，其效率往往比较低，不易利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用海洋能的反渗透海水淡化方法及装置，利用海洋能形成的高水位和井底低水位之间的压差，并利用增压设备进行反渗透海水淡化。

本发明是在海边挖一口井，井分两侧，一侧作为海水井，一侧作为设备井。设备井与海水井的底端一样深，利用海洋能如潮汐能或波浪能来提升海水的高度，并将提升高度的海水储存进海水井，海水井水面的水位高于海水排出口的水位，而海水排出口的水位不低于海平面，装置固定安装在设备井井底。装置包括海水进水和出水系统、待升压海水输送系统、升压设备、海水排水设备、反渗透膜组件、淡水提升泵和浓海水排水系统等。通过装置的海水进水系统，将海水井井底的海水引进装置内，并驱动升压设备和排水设备，升压设备制造高压海水，高压海水通过反渗透膜组件产生淡水和剩余浓海水，淡水利用普通的泵提升到地面，浓海水利用余压排出地面，排水设备主要用于排出升压设备内和自身设备内的海水以保持装置的连续运行。

所述的装置包括海水进水和出水系统、待升压海水输送系统、升压设备、海水排水设备、反渗透膜组件、淡水提升系统和浓海水排水系统，通过装置的海水进水系统，将海水井井底的海水引进装置内，并驱动升压设备和排水设备，升压设备制造高压海水，高压海水通过反渗透膜组件产生淡水和剩余浓海水，淡水利用普通的泵提升到地面，浓海水利用余压排出地面，排水设备主要用于排出升压设备内和自身设备内的海水以保持装置的连续运行。

所述的海水进水和出水系统中海水井[3]井底的海水都是通过海水进口进入到设备井井底的装置内，装置内的作业海水都是通过海水出口排到海水排放管中，并通过海水排出口排出。

所述的安装于设备井井底的装置的待升压海水输送系统由海水进水口、阀门、海水过滤器、过滤海水储存罐、活塞缸组成，海水进水口通过管道与两阀门、海水过滤器、过滤海水储存罐、阀门、活塞缸、阀门及高压海水储存罐依次连接；海水进水口通过管道与两阀门、海水过滤器、过滤海水储存罐、阀门、活塞缸、阀门及高压海水储存罐依次连接。

所述的装置开始运行之前，利用海水井井底海水的静压差将海水引进装置内，并通过进一步的过滤，最后送入两活塞缸、和高压海水储存罐内；在装置开始运行之后，保证一活塞缸和另一活塞缸在升压过程前是充满海水的。

所述的安装于设备井井底的装置的升压设备主要由阀门、活塞缸、活塞、连杆组成，用于升压的大活塞和小活塞是由连杆同轴地刚性连接起来，大活塞在两端面都封闭的大活塞缸内往返运动，并将大活塞缸分成A腔和B腔，小活塞在一端开口的活塞缸内做相应的同轴往返运动，将海水井井底的海水通过海水进口经过两阀门引进A腔，此时关闭阀门，由于水位差造成的一个很大的压强作用于大活塞，通过力学作用传递给小活塞，使活塞缸内的海水达到更大的压强，高压海水储存罐的海水通过阀门和活塞缸连通，获得同样高的压强，然后通过反渗透膜组件，制得淡水；与之对应，用于升压的大活塞和小活塞是由连杆同轴地刚性连接起来，大活塞在两端面都封闭的大活塞缸内往返运动，并将大活塞缸分成E腔和F腔，小活塞在一端开口的活塞缸内做相应的同轴往返运动，将海水井井底的海水通过海水进口经过两阀门引进F腔，此时关闭阀门，由于水位差造成的一个很大的压强作用于大活塞，通过力学作用传递给小活塞，使活塞缸内的海水达到更大的压强，高压海水储存罐的海水通过阀门和活塞缸连通，获得同样高的压强，然后通过反渗透膜组件，制得淡水。

所述的安装于设备井井底的装置的排水设备主要由活塞、连杆、活塞缸的B腔、活塞缸的E腔、连通管道以及连通管道组成，用于排出作业海水的两活塞是由连杆同轴地刚性连接起来的，两活塞分别在两端封闭的两活塞缸内往返运动并将活塞缸分成C腔、D腔、G腔、H腔，当排水设备与海水井的井底通过管道连通时，海水通过海水进口经过两阀门引进C腔，此时关闭阀门，C腔与海水井的井底连通，水位差造成的一个很大的压强作用于活塞，打开两阀门，关一闭阀门，则H腔通过海水出口与海水排出管连通，在海水井水面与海水排出口水位差的作用下，两活塞将向右运动，又由于活塞缸D腔、E腔及管道之间形成液压系统，所以活塞也会推动活塞向右运动，H腔、F腔的海水通过海水出口与海水排出管由海水排出口排出；与之对应，海水通过海水进口经过两阀门引进H腔，此时关闭一阀门，H腔与海水井的井底连通，水位差造成的一个很大的压强作用于活塞，打开两阀门，关闭一阀门，则C腔通过海水出口与海水排出管连通，在海水井水面与海水排出口水位差的作用下，两活塞将向左运动，又由于活塞缸G腔、B腔及管道之间形成液压系统，所以一活塞也会推动另活塞向左运动，C腔、A腔的海水通过海水出口与海水排出管由海水排出口排出。

本发明采用升压设备，既不需要高压泵，也不需要很深的井形成高水位差，只需要利用海洋能提供一个高出海面的水位差作为装置的动力源，而且进行作业的海水和剩余的浓海水分别依靠排水设备和余压自动排出井外。另外，升压设备和排水设备都采用对称设计，所以只需对阀门进行开关控制，装置就能连续运行。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图2是本发明井底装置结构俯视示意图。

具体实施方式

本发明涉及的海水淡化是如下方式实现的：

在海岸边挖一口井，一般为几十米即可，井分两侧，一侧作为海水井，一侧作为设备井。海水井井面水位高出海平面。将装置放置在设备井井底，装置通过海水进水和出水系统与海水井和海水排水管连接。装置内有升压设备，升压设备利用帕斯卡原理以及改变面积后力平衡原理，将海水井底的海水压强进行放大并产生高压海水，升压设备采用对称结构设计，保证不断产出淡水。升压设备产生的高压海水，通过反渗透膜组件制得淡水。淡水需要利用水泵输送到地面，浓海水可以利用余压排出井外。装置还包括排水设备，排水设备也是利用帕斯卡原理，主要作用是将升压装置内的海水通过出水系统排到外井，保证装置的连续运行。

以下结合实例说明具体的实现方式：

实施例1

如图1所示，海水井水面2高出地面1一定的高度，如8米左右。海水排出口48与地面1平齐，海水井3深度为38米左右。利用海洋能，如潮汐能和波浪能，将大海50中的海水通过海水上升通道49送进并灌满海水井3。当该系统正常运行之后，海水排出管47内也是充满海水的。本发明装置固定安装在设备井51的井底，装置从海水井3的井底的海水进口4引进海水，引进的海水一部份用作制造淡水的原海水，另一部分用于驱动升压设备和排水设备，并通过海水出口46将装置内的作业海水排放到海水排放管47中。

如图2所示，在装置第一次运行之前装置内是没有海水的，所有的阀门处于关门状态。当装置要运行时，首先要打开阀门5和阀门45，打开阀门5是为了让海水井3井底的海水(大约38米水柱的静压)由海水进口4进入设备井51井底的装置内。打开阀门45是为了让设备井51井底的装置内的作业海水在完成作业后能够排入海水排水管47内。阀门5和阀门45在装置运行的过程就不再关闭，阀门5是进水总阀，阀门45是出水总阀，设置两个总阀主要是为了设备井51井底的装置维修用的。

之后，打开阀门6，让海水井3的井底的海水(大约38米水柱的静压)通过海水过滤器11，最后进入海水储存罐18中；这时的活塞缸22内没有海水，打开阀门20，海水储存罐18内的海水进入并充满活塞缸22，打开阀门23，使得海水充满高压海水储存罐25，当海水充满高压海水储存罐25和海水储存罐18时，关闭阀门6及阀门20。这样一来准备工作就作好了。

打开阀门7，使得具有一定静压的海水井3的井底的海水(大约38米水柱的静压)由海水进口4进入活塞缸12的A腔，这时的阀门8是关闭的。当海水进入活塞缸12的A腔时，海水开始推动活塞13向右运动。活塞13通过连杆14推动活塞21开始压缩活塞缸22内的海水，由于活塞13的面积是活塞21面积的21倍左右，所以活塞缸22内的海水压强可以达到活塞缸12的A腔内的海水压强的21倍左右。当活塞缸22内的海水水压达到海水淡化所需的水压时，由于阀门23是开通的，高压海水储存罐25内的海水压强也达到活塞缸22内的海水压强，高压海水进入反渗透海水淡化装置24，淡化后的浓海水由浓海水排放口26排出，淡水由淡水泵从淡水出口19输出地面。

在活塞13、连杆14、活塞21一起向右推进的同时，打开阀门9、阀门42以及阀门44。由于活塞16和活塞39面积是相等的，而活塞16的面积是活塞37面积的4倍左右，且海水井水面2要比海水排出口48要高出8米左右。所以当海水从海水进口4进入并充满活塞缸15的C腔时，活塞16、连杆17、活塞39一起向右运动，同时由于活塞缸15的D腔、活塞缸36的E腔和管道33形成液压系统，根据液压原理，可知活塞37也向右运动。活塞缸36的F腔和活塞缸38的H腔内的作业海水排到海水排放管47中，并通过海水排出口48排出井外。

在活塞13向右推进的同时，打开阀门40，使得海水井3井底的海水(大约38米水柱的静压)由海水进口4，通过海水过滤器35，进入海水储存罐29中；这时的活塞缸30内没有海水，打开阀门27，使得海水由海水储存罐29，进入活塞缸30内。

活塞13到达最右端时，同时启动的活塞16也到达最右端，由于D腔、E腔及管道33之间形成液压系统，活塞37也到达最右端。这时，活塞缸22内的高压海水都排出，关闭阀门23，开通阀门28，活塞缸30内充满海水，准备被压缩。

之后，打开阀门41，关闭阀门42，使得海水井3的井底的海水(大约38米水柱的静压)经过海水进口4，进入活塞缸36的F腔。开始推动活塞37，继而推动连杆32，继而推动活塞31向左运动。活塞31开始压缩活塞缸30内的海水，由于活塞37的面积是活塞31的21倍左右，所以活塞缸30内海水的压强可以达到F腔内海水压强的21倍左右。当活塞缸30内的海水水压达到海水淡化所需的水压时，由于阀门28是开通的，高压海水储存罐25内的海水压强也达到活塞缸30内海水的压强，高压海水由活塞缸30进入高压海水储存罐25，并由高压海水储存罐25进入反渗透海水淡化装置24，淡化后的浓海水由浓海水排放口26排出，淡水由淡水泵从淡水出口19输出到地面。

在活塞37向左推进的同时，关闭阀门7，打开阀门8，关闭阀门9，打开阀门10，关闭阀门44，打开阀门43。由于活塞16和活塞39面积是相等的，而活塞39的面积是活塞13面积的4倍左右，且海水井水面2要比海水排出口48高出8米左右。所以当海水进入活塞缸38的H腔时，活塞39、连杆17及活塞16一起向左运动，同时由于B腔、G腔和连通管道34形成液压系统，根据液压原理，可知活塞13也向左运动。A腔和C腔内的海水通过管道排到海水排放管47中，并通过海水排出口48排出井外。

在活塞37向左推进的同时，这时的活塞缸22内没有海水，打开阀门20，使得海水由海水储存罐18进入活塞缸22，由于活塞21不断的向左运动，活塞缸22的容积不断扩大，并不断充满过滤海水。由于海水储藏罐18内的水不断进入活塞缸22内，所以要对海水储藏罐18内进行过滤海水补给，当储存罐18内的过滤海水水位没有达到规定水位时，阀门6打开进行补水，当水位达到规定水位时阀门6关闭。

活塞37到达最左端时，同时启动的活塞39也到达最左端，由于G腔、B腔及管道34之间形成液压系统，活塞21也到达最左端。这时，活塞缸30内的海水全部排出，活塞缸22内充满待压海水，关闭阀门28和阀门20。

到此为止，装置的一个完整循环过程结束。只要重复以上的循环就能连续不断的产出淡水。

Claims (6)

1.一种利用海洋能的反渗透海水淡化方法，其特征是在海边挖一口井，井分两侧，一侧作为海水井，一侧作为设备井，设备井与海水井的底端一样深，利用海洋能来提升海水的高度，并将提升高度的海水储存进海水井，海水井水面[2]的水位高于海水排出口[48]的水位，而海水排出口[48]的水位不低于海平面，装置固定安装在设备井井底；装置包括海水进水和出水系统、待升压海水输送系统、升压设备、海水排水设备、反渗透膜组件、淡水提升系统和浓海水排水系统，通过装置的海水进水系统，将海水井井底的海水引进装置内，并驱动升压设备和排水设备，升压设备制造高压海水，高压海水通过反渗透膜组件产生淡水和剩余浓海水，淡水利用普通的泵提升到地面，浓海水利用余压排出地面，排水设备主要用于排出升压设备内和自身设备内的海水以保持装置的连续运行。

2.据权利要求1所述的利用海洋能的反渗透海水淡化方法，其特征是海水进水和出水系统中海水井[3]井底的海水都是通过海水进水口[4]进入到设备井[51]井底的装置内，装置内的作业海水都是通过海水出口[46]排到海水排放管[47]中，并通过海水排出口[48]排出。

3.一种利用海洋能的反渗透海水淡化的装置，其特征是安装于设备井[51]井底的装置的待升压海水输送系统由海水进水口[4]、阀门一[5]、阀门二[6]、阀门三[20]、阀门四[23]、阀门五[40]、阀门六[27]、阀门七[28]、海水过滤器一[11]、海水过滤器二[35]、过滤海水储存罐一[18]、过滤海水储存罐二[29]、活塞缸一[22]以及活塞缸二[30]组成，海水进水口[4]通过管道与阀门一[5]、阀门二[6]、海水过滤器一[11]、过滤海水储存罐一[18]、阀门三[20]、活塞缸一[22]、阀门四[23]及高压海水储存罐[25]依次连接；海水进水口[4]通过管道与阀门一[5]、阀门五[40]、海水过滤器二[35]、过滤海水储存罐二[29]、阀门六[27]、活塞缸二[30]、阀门七[28]及高压海水储存罐[25]依次连接。

4.据权利要求1所述的的利用海洋能的反渗透海水淡化方法，其特征是装置开始运行之前，利用海水井[3]井底海水的静压差将海水引进装置内，并通过进一步的过滤，最后送入活塞缸一[22]、活塞缸二[30]和高压海水储存罐[25]内；在装置开始运行之后，保证活塞缸一[22]和活塞缸二[30]在升压过程前是充满海水的。

5.据权利要求3所述的利用海洋能的反渗透海水淡化的装置，其特征是安装于设备井[51]井底的装置的升压设备主要由阀门八[7]、阀门九[8]、活塞缸三[12]、活塞缸一[22]、活塞一[13]、活塞二[21]、连杆一[14]、阀门十[41]、阀门十一[42]、活塞缸二[30]、活塞缸四[36]、活塞三[31]、活塞四[37]、连杆二[32]、阀门四[23]及阀门七[28]组成，用于升压的活塞一[13]和活塞二[21]是由连杆一[14]同轴地刚性连接起来，活塞一[13]在两端面都封闭的活塞缸三[12]内往返运动，并将活塞缸三[12]分成A腔和B腔，活塞二[21]在一端开口的活塞缸一[22]内做相应的同轴往返运动，将海水井井底的海水通过海水进水口[4]经过阀门一[5]和阀门八[7]引进A腔，此时关闭阀门九[8]，由于水位差造成的一个很大的压强作用于活塞一[13]，通过力学作用传递给活塞二[21]，使活塞缸一[22]内的海水达到更大的压强，高压海水储存罐[25]的海水通过阀门四[23]和活塞缸一[22]连通，获得同样高的压强，然后通过反渗透膜组件，制得淡水；与之对应，用于升压的活塞四[37]和活塞三[31]是由连杆二[32]同轴地刚性连接起来，活塞四[37]在两端面都封闭的活塞缸四[36]内往返运动，并将活塞缸四[36]分成E腔和F腔，活塞三[31]在一端开口的活塞缸二[30]内做相应的同轴往返运动，将海水井井底的海水通过海水进水口[4]经过阀门一[5]和阀门十[41]引进F腔，此时关闭阀门十一[42]，由于水位差造成的一个很大的压强作用于活塞四[37]，通过力学作用传递给活塞三[31]，使活塞缸二[30]内的海水达到更大的压强，高压海水储存罐[25]的海水通过阀门七[28]和活塞缸二[30]连通，获得同样高的压强，然后通过反渗透膜组件，制得淡水。

6.据权利要求3所述的利用海洋能的反渗透海水淡化装置，其特征是安装于设备井[51]井底的装置的排水设备主要由活塞五[16]、活塞六[39]、连杆三[17]、活塞缸五[15]、活塞缸六[38]、活塞缸三[12]B腔、活塞缸四[36]的E腔、连通管道一[33]以及连通管道二[34]组成，用于排出作业海水的活塞五[16]、活塞六[39]是由连杆三[17]同轴地刚性连接起来的，活塞五[16]、活塞六[39]分别在两端封闭的活塞缸五[15]、活塞缸六[38]内往返运动并将活塞缸分成C腔、D腔、G腔、H腔，当排水设备与海水井[3]的井底通过管道连通时，海水通过海水进口[4]经过阀门一[5]和阀门十二[9]引进C腔，此时关闭阀门十三[10]，C腔与海水井[3]的井底连通，水位差造成的一个很大的压强作用于活塞五[16]，打开阀门十四[44]、阀门十五[45]，关闭阀门十六[43]，则H腔通过海水出口[46]与海水排放管[47]连通，在海水井水面[2]与海水排出口[48]水位差的作用下，活塞五[16]、活塞六[39]将向右运动，又由于活塞缸D腔、E腔及连通管道一[33]之间形成液压系统，所以活塞五[16]也会推动活塞四[37]向右运动，H腔、F腔的海水通过海水出口[46]与海水排放管[47]由海水排出口[48]排出；与之对应，海水通过海水进水口[4]经过阀门一[5]和阀门十六[43]引进H腔，此时关闭阀门十四[44]，H腔与海水井[3]的井底连通，水位差造成的一个很大的压强作用于活塞六[39]，打开阀门十三[10]、阀门十五[45]，关闭阀门十三[10]，则C腔通过海水出口[46]与海水排放管[47]连通，在海水井水面[2]与海水排出口[48]水位差的作用下，活塞五[16]、活塞六[39]将向左运动，又由于活塞缸G腔、B腔及连通管道二[34]之间形成液压系统，所以活塞六[39]也会推动活塞一[13]向左运动，C腔、A腔的海水通过海水出口[46]与海水排放管[47]由海水排出口[48]排出。

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