CN101955238A - 一种海水淡化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海水淡化方法和装置，该方法以风力发电作为工作电源；纯净水加热后进入储热罐，经两路循环供热：一路热水进入多效蒸馏海水淡化装置的第一效作为海水淡化热源，放热后进入储热罐；另一路热水依次进入多效蒸馏海水淡化装置的第一效的预热器到最后一效预热器，预热海水后流回储热罐；第一效蒸发室内的海水在降膜管蒸发后，得到浓海水导出，产生的蒸汽进入第二效降膜管，作为海水蒸发热源；从下一效蒸发室流出的海水经前一级预热器加热后进入前一效蒸发室；最后一效蒸发室产生的蒸汽冷凝后作为生产淡水排出。该装置适用于本发明所述的海水淡化方法，主要包括太阳能集热系统、海水预热系统、多效蒸馏海水淡化系统和热泵系统。

Description

一种海水淡化方法和装置

技术领域

本发明涉及海水淡化技术，具体是一种利用太阳能和风能联合进行多效蒸馏的海水淡化方法和装置。

背景技术

淡水资源的短缺已成为人类面临的重大难题。联合国资料显示，到2025年，世界近三分之一的人口将生活在严重缺水的地区。这促使许多国家投入大量人力和物力研究海水淡化技术。目前进行海水淡化主要有热法和膜法。对于大规模海水淡化工厂，其成本很大程度上取决于消耗电力和蒸汽的成本。为降低生产成本，开发出了全自然能淡化海水的装置，但这类装置大多用于海岛和边远地区，难以形成规模化生产和广泛应用。目前的多效蒸馏海水淡化装置，从启动到稳定产水需经过较长时间，且需消耗大量的热能。

中国专利CN1724395A公开了一种太阳能热泵联合海水淡化装置，利用热泵回收热能，对节能具有一定意义。但它将淡水蒸发获得蒸汽作为海水淡化装置的热源，增加了系统的复杂性，又将淡化产品水引入热泵蒸发器，产品水量较小，能提供的热量有限，同时系统采用蒸汽预热，降低了产水速率。中国专利CN100999340A也公开了一种多级闪蒸风电海水淡化装置，它将热泵用于多级闪蒸海水淡化装置，但每一级均使用热泵加热，结构复杂，同时利用大功率热泵作为工作热源，增加了能耗和成本。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种海水淡化方法和装置。该淡化方法利用风力发电机发电作为工作电源，以电网作为辅助电源，利用太阳能提供热源，利用封闭式热泵回收热能，提高了能源利用率。该淡化装置采用较少的换热设备，系统结构简单、紧凑，能耗小，成本低，适于实际使用。

本发明解决所述淡化方法技术问题的技术方案是，设计一种海水淡化方法，该方法采用以下工艺：以风力发电机发电作为海水淡化装置中使用的热泵、水泵和真空泵的工作电源，并利用电能储存装置储存过剩的电，同时利用电网作为辅助电源；纯净水在太阳能集热器中加热后，进入储热罐，储热罐内的热水经两路循环进行供热：一路热水进入多效蒸馏海水淡化装置的第一效蒸发室内的水平降膜管，作为海水淡化热源，放热后经水泵进入储热罐；另一路热水经水泵依次进入多效蒸馏海水淡化装置的第一效蒸发室的预热器到最后一效蒸发室的预热器，预热海水后流回储热罐；第一效蒸发室内的海水在降膜管表面蒸发后，得到的浓海水在第一效蒸发室下导出，流经热泵蒸发器放热后排出，产生的蒸汽进入第二效蒸发室的降膜管，作为海水蒸发热源；从下一效蒸发室流出的海水经前一级预热器加热后进入前一效蒸发室的喷淋器；最后一效蒸发室产生的蒸汽进入冷凝器冷凝放热后作为生产淡水排出；海水在海水预处理系统中经预处理后在冷凝器中被蒸汽预热；预热能源为最后一效蒸发室产生的蒸汽。

本发明解决所述淡化装置技术问题的技术方案是，设计一种海水淡化装置，其特征在于该装置适用于本发明所述的海水淡化方法，主要包括太阳能集热系统、海水预热系统、多效蒸馏海水淡化系统和热泵系统；所述太阳能集热系统主要由淡水泵、太阳能集热器、储热罐和补水管构成，太阳能集热器的出口与储热罐相连接，储热罐内的水在放热后经过集热水泵与太阳能集热器的进口相连接，补水管与储热罐连接；

所述海水预热系统主要由预热循环水泵和海水预热器构成，所述海水预热器为依次串联的2-6级，第一级海水预热器一端经预热循环水泵与储热罐连接，第一级海水预热器另一端依次连接第二级海水预热器和最后一级海水预热器，最后一级海水预热器直接与储热罐连接；

所述多效蒸馏海水淡化系统主要包括供热水泵、2-6效蒸发室、2-6降膜管、冷凝器、真空泵、2-6级淡水泵；第一效蒸发室的降膜管通过供热水泵与储热罐相连接；前一效蒸发室的蒸汽管与下一效蒸发室的降膜管相连接，第一效蒸发室的蒸汽管与第二效降膜管连接，第二效蒸发室的蒸汽管与最后一效蒸发室的降膜管连接，最后一效蒸发室的蒸汽管与冷凝器连接；各效降膜管的出口均通过淡水泵与淡水排出管相连接；海水预处理系统经海水泵与冷凝器连接，冷凝器又与并联的两路管路连接，一路通向大海，另一路经海水泵C14与最后一效预热器连接，最后一效预热器与最后一效喷淋器连接；最后一效蒸发室下方的海水经海水泵与第二效预热器连接，第二效预热器与第二效喷淋器连接；第二效蒸发室下方的海水经海水泵与第一效预热器连接，第一效预热器与第一效喷淋器连接；第一效蒸发室下方的浓海水经海水泵依次与热泵蒸发器和浓海水排出管连接；各效蒸发室上端和冷凝器上端均通过真空泵与不凝性气体排出管连接；

所述热泵系统主要包括热泵蒸发器、热泵压缩机、热泵冷凝器和膨胀阀，并按照热泵蒸发器、热泵压缩机、热泵冷凝器和膨胀阀的顺序连接成封闭系统，其中热泵冷凝器置于储热罐内；

该装置还包括并联的风力发电机和辅助电源，风力发电机和辅助电源由切换开关连接，辅助电源与市电连接；该装置中的各用电设备并联，且分别与切换开关相连接。

与现有技术相比，本发明海水淡化方法和装置的显著特点是，可完全利用可再生能源进行海水淡化，所使用的热泵、水泵和真空泵等采用风力发电机作为工作电源，利用太阳能加热，根据风力和太阳能供给能力大小，调节功率，控制产水量，避免风力或太阳能不足时系统停止产水。本发明海水淡化装置设计有不同效数，可满足不同区域和不同产水量要求。根据风力状况，整个装置可不借助电网电力而独立运行，也可用电网电力作为辅助电源，保证连续、足量产水的要求。本发明充分利用可再生能源，适用不同要求，具有巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明海水淡化方法的工艺流程框图；

图2是本发明海水淡化装置的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：

本发明设计的海水淡化方法(简称方法)采用以下工艺(参见图1、2)：以风力发电机发电作为海水淡化装置中使用的热泵、水泵和真空泵的工作电源，并利用电能储存装置储存过剩的电，同时利用电网作为辅助电源；纯净水在太阳能集热器中加热后，进入储热罐，储热罐内的热水经两路循环进行供热：一路热水进入多效蒸馏海水淡化装置的第一效蒸发室内的水平降膜管，作为海水淡化热源，放热后经水泵进入储热罐；另一路热水经水泵依次进入多效蒸馏海水淡化装置的第一效蒸发室的预热器到最后一效蒸发室的预热器，预热海水后流回储热罐；第一效蒸发室内的海水经降膜管蒸发后，得到的浓海水在第一效蒸发室下导出，流经热泵蒸发器放热后排出，产生的蒸汽进入第二效蒸发室的降膜管，作为第二效海水蒸发热源；从下一效蒸发室流出的海水经前一级预热器加热后进入前一效蒸发室的喷淋器；最后一效蒸发室产生的蒸汽进入冷凝器冷凝放热后作为生产的淡水；海水在海水预处理系统中经预处理后在冷凝器中被蒸汽预热；预热能源为最后一效蒸发室产生的蒸汽。

本发明采用如下设计(参见图1)：储热罐为整个系统热能的集散中心。热能收集分两路进行，一是当太阳能充足时，纯净水在太阳能集热器内吸收太阳能后进入储热罐；二是当太阳能不足或在晚上运行时，利用热泵系统工质吸收由海水淡化系统第一效排出的高温浓海水的热，工质在储热罐内放热，使水温升高。太阳能加热和热泵系统加热两种途径可同时进行，也可仅利用其中一路。储热罐的供热分两路进行，一是进入海水淡化系统各效的预热器中，用于将进入海水淡化系统各效的海水加热至饱和水状态；二是进入海水淡化系统第一效的蒸发冷凝管内，用于蒸发管外表面的海水。储热罐的应用及其方法是本发明的特点之一，减少了系统换热设备的使用，降低了设备费同时提高了换热效率。当储热罐集水和供水口设计合理时，能有效的对冷热水进行混合，而不需要额外的混合装置。系统通过储热罐直接利用热水供热，而不是采用蒸汽供热，并可将集热和供热组成封闭的水路系统，简化了设备，提高系统紧凑性。在前一效得到的蒸汽作为热源进入下一效降膜管内用于管外海水蒸发，经过预处理的海水依次从海水淡化系统的最后一效到达第一效，最后由热泵系统吸热后排出。海水淡化的过程与一般的多效蒸馏海水淡化系统采用的方法相同。

本发明设计的海水淡化装置(参见图2、1)，其特征在于该装置适用于本发明所述的淡化方法，主要包括太阳能集热系统A、海水预热系统B、多效蒸馏海水淡化系统C和热泵系统D；所述太阳能集热系统A主要由淡水泵A1、太阳能集热器A2、储热罐A4和补水管A3构成，太阳能集热器A2的出口与储热罐A4相连接，储热罐A4内的水在放热后经过集热水泵A1与太阳能集热器A2的进口相连接，补水管A3与储热罐A4连接。

所述海水预热系统B主要由预热循环水泵B1和海水预热器构成，所述海水预热器为依次串联的2-6级(但不排除更多级，实施例为3级)，第一级海水预热器B2的一端经预热循环水泵B1与储热罐A4连接，第一级海水预热器B2另一端依次连接第二级海水预热器B3和最后一级海水预热器B4，最后一级海水预热器B4直接与储热罐A4连接。

所述多效蒸馏海水淡化系统C主要包括供热水泵、2-6效蒸发室、2-6降膜管、冷凝器、真空泵、2-6级淡水泵等。第一效蒸发室C3的降膜管C24通过供热水泵C1与储热罐A4相连接；前一效蒸发室的蒸汽管与下一效蒸发室的降膜管相连接，实施例中为三效，第一效蒸发室C3的蒸汽管C4与第二效降膜管C22连接，第二效蒸发室C6的蒸汽管C7与最后一效蒸发室的降膜管C20连接，最后一效蒸发室C9的蒸汽管C10与冷凝器C11连接；各效降膜管的出口均通过淡水泵C19与淡水排出管C18相连接；海水预处理系统C16经海水泵C17与冷凝器C11连接，冷凝器C11又与并联的两路管路连接，一路通向大海，另一路经海水泵C14与最后一效预热器B4连接，最后一效预热器B4与最后一效喷淋器C8连接；最后一效蒸发室C9下方的海水经海水泵C21与第二效预热器B3连接，第二效预热器B3与第二效喷淋器C5连接；第二效蒸发室C6下方的海水经海水泵C23与第一效预热器B2连接，第一效预热器B2与第一效喷淋器C2连接；第一效蒸发室下方的浓海水经海水泵C25依次与热泵蒸发器D1和浓海水排出管C26连接；各效蒸发室上端和冷凝器上端均通过真空泵C12与不凝性气体排出管C13连接。

所述热泵系统D主要包括热泵蒸发器D1、热泵压缩机D2、热泵冷凝器D3和膨胀阀D4，并按照热泵蒸发器、热泵压缩机、热泵冷凝器和膨胀阀的顺序连接成封闭系统，其中热泵冷凝器D3置于储热罐A4内。

该装置还包括并联的风力发电机E1和辅助电源，风力发电机E1和辅助电源由切换开关连接，辅助电源与市电连接；该装置中的各用电设备并联，且分别与切换开关相连接。

本发明设计的海水淡化装置(简称装置)适用于本发明所述的淡化方法，该装置包括太阳能集热器加热系统、海水预热系统、热泵系统和多效蒸馏海水淡化系统等子系统，各子系统均与储热罐连接。太阳能集热器用于吸收太阳能，加热封闭的纯净水，通过管道与储热罐相连；利用水泵将储热罐内的热水通过管道沿第一效到最后一效输送到各海水预热器内，海水预热器置于多效蒸馏海水淡化系统每一效的上部，放热后的冷水流回到储热罐；储热罐内的热水通过水泵直接输送到海水淡化系统第一效降膜管内，放热后再流回储热罐；热泵系统包括热泵蒸发器、热泵冷凝器、热泵压缩机和膨胀阀等部件，由多效蒸馏海水淡化系统第一效排出的高温浓海水进入热泵蒸发器放热，热泵冷凝器置于储热罐内加热循环水；多效蒸馏海水淡化系统与常用的系统的区别主要在于第一效直接采用热水供热，考虑到液态水的表面换热系数小于冷凝过程的表面换热系数，根据不同的设计要求，第一效降膜管的尺寸可大于后面效降膜管的尺寸，第一效降膜管内管壁还可进行强化传热处理。

本发明海水淡化方法和装置的工作原理和过程是：储热罐A4内的水经淡水泵A1进入太阳能集热器A2，吸热后进入储热罐A4，储热罐A4的上方设有淡水补水管A3，避免淡水损失。储热罐A4中的热水经过两路循环供热后再流回储热罐A4，一路热水经预热循环水泵B1依次进入多效蒸馏海水淡化系统的第一效蒸发室到最后一效蒸发室上方的预热器B2、B3和B4，用于预热海水；另一路热水经过供热水泵C1进入多效蒸馏海水淡化系统的第一效蒸发室C3内的降膜管C24，为海水蒸发提供热量，放热后的冷水流回到储热罐A4。每一效蒸发室内的海水由喷淋器喷出，在降膜管表面降膜蒸发，得到的浓海水在蒸发室下方排出，产生的蒸汽经蒸汽管进入下一效降膜管内，作为下一效海水蒸发的热源，最后一效蒸发室产生的蒸汽进入冷凝器C11冷凝为淡水。各效降膜管和冷凝器内的蒸汽冷凝后，得到的全部淡水经淡水泵C19由淡水排出管C18排出。海水在海水预处理系统C16中经过滤、脱气并按一定比例加入阻垢剂后，经海水泵C17进入冷凝器C11，海水在冷凝器中经蒸汽预热后分成两股水流，一股水流经海水排出管C15排入大海，另一股水流经海水泵C14进入最后一效预热器B4，经预热后再进入最后一效喷淋器C8。每一效海水由该效喷淋器喷入蒸发室，在该效降膜管表面蒸发，剩下的海水在蒸发室下方排出，经海水泵进入前一效预热器，然后经蒸发室内的喷淋器喷出。由第一效降膜管C24排出的浓海水温度较高，为充分利用其热量，采用热泵节能的优点，让浓海水经海水泵C25进入热泵蒸发器D1，放热后的浓海水经浓海水排出管C26排出。热泵系统的工质在热泵蒸发器D1内蒸发吸收浓海水的热后，经热泵压缩机D2进入热泵冷凝器D3冷凝放热，热泵冷凝器D3置于储热灌A4，储热罐A4中的水吸热后温度进一步升高。热泵系统工质在热泵冷凝器D3中放热后经热泵膨胀阀D4再进入热泵蒸发器D1，构成封闭循环系统。在太阳能充足时可不启动热泵系统，在无太阳能或太阳能不足时，可单独利用热泵供热。各效蒸发室C3、C6和C9以及冷凝器C11均与真空泵C12连接，不凝性气体经不凝性气体排出管C13排出。系统运行的各个淡水泵A1、B1、C1和C19，海水泵C14、C17、C21、C23和C25，真空泵C12和热泵压缩机D2采用风力发电机E1供电。为防止风速太慢影响系统正常工作，利用储电装置储存电力过剩时的电能，利用市电电网作为辅助电源。

本发明利用风力发电机作为海水淡化装置中使用的水泵、真空泵和热泵压缩机的工作电源，利用热泵系统回收余热。其特点是：储热灌作为整个系统热量集散中心，水在太阳能集热器中加热后进入储热罐，储热灌内的热水经过两路循环流动，一路经水泵依次进入海水淡化装置的第一效到最后一效的蒸发室上方的预热器，用于预热海水，然后流回储热罐，另一路热水进入海水淡化装置的第一效降膜管内作为海水蒸发的热源，放热后再流回储热罐。热泵系统用于回收第一效排出的高温浓海水。本发明装置根据风力状况，可不借助辅助电源的电网电力而独立运行，适用于某些不具备电网电源或者不需要连续产水的场所；当然也可用电网电力作为辅助电源，避免风力或太阳能不足时系统停止产水，以保证连续、足量产水的要求。

本发明申请的权利要求保护范围不仅仅限于上述实施例。在本发明的技术方案下，可实施不同的实施例，或者对所述该实施例进行改进，例如，太阳能集热器中集热管数量的多少，多效蒸馏海水淡化系统的效数增减等，都可以根据具体的使用环境和要求做相应的设计。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种海水淡化方法，该方法采用以下工艺：以风力发电机发电作为海水淡化装置中使用的热泵、水泵和真空泵的工作电源，并利用电能储存装置储存过剩的电，同时利用电网作为辅助电源；纯净水在太阳能集热器中加热后，进入储热罐，储热罐内的热水经两路循环进行供热：一路热水进入多效蒸馏海水淡化装置的第一效蒸发室内的水平降膜管，作为海水淡化热源，放热后经水泵进入储热罐；另一路热水经水泵依次进入多效蒸馏海水淡化装置的第一效蒸发室的预热器到最后一效蒸发室的预热器，预热海水后流回储热罐；第一效蒸发室内的海水在降膜管表面蒸发后，得到的浓海水在第一效蒸发室下导出，流经热泵蒸发器放热后排出，产生的蒸汽进入第二效蒸发室的降膜管，作为海水蒸发热源；从下一效蒸发室流出的海水经前一级预热器加热后进入前一效蒸发室的喷淋器；最后一效蒸发室产生的蒸汽进入冷凝器冷凝放热后作为生产淡水排出；海水在海水预处理系统中经预处理后在冷凝器中被蒸汽预热；预热能源为最后一效蒸发室产生的蒸汽。

2.一种海水淡化装置，其特征在于该装置适用于权利要求1所述的海水淡化方法，主要包括太阳能集热系统、海水预热系统、多效蒸馏海水淡化系统和热泵系统；所述太阳能集热系统主要由淡水泵、太阳能集热器、储热罐和补水管构成，太阳能集热器的出口与储热罐相连接，储热罐内的水在放热后经过集热水泵与太阳能集热器的进口相连接，补水管与储热罐连接；

所述海水预热系统主要由预热循环水泵和海水预热器构成，所述海水预热器为依次串联的2-6级，第一级海水预热器一端经预热循环水泵与储热罐连接，第一级海水预热器另一端依次连接第二级海水预热器和最后一级海水预热器，最后一级海水预热器直接与储热罐连接；

所述多效蒸馏海水淡化系统主要包括供热水泵、2-6效蒸发室、2-6降膜管、冷凝器、真空泵、2-6级淡水泵；第一效蒸发室的降膜管通过供热水泵与储热罐相连接；前一效蒸发室的蒸汽管与下一效蒸发室的降膜管相连接，第一效蒸发室的蒸汽管与第二效降膜管连接，第二效蒸发室的蒸汽管与最后一效蒸发室的降膜管连接，最后一效蒸发室的蒸汽管与冷凝器连接；各效降膜管的出口均通过淡水泵与淡水排出管相连接；海水预处理系统经海水泵与冷凝器连接，冷凝器又与并联的两路管路连接，一路通向大海，另一路经海水泵C14与最后一效预热器连接，最后一效预热器与最后一效喷淋器连接；最后一效蒸发室下方的海水经海水泵与第二效预热器连接，第二效预热器与第二效喷淋器连接；第二效蒸发室下方的海水经海水泵与第一效预热器连接，第一效预热器与第一效喷淋器连接；第一效蒸发室下方的浓海水经海水泵依次与热泵蒸发器和浓海水排出管连接；各效蒸发室上端和冷凝器上端均通过真空泵与不凝性气体排出管连接；

所述热泵系统主要包括热泵蒸发器、热泵压缩机、热泵冷凝器和膨胀阀，并按照热泵蒸发器、热泵压缩机、热泵冷凝器和膨胀阀的顺序连接成封闭系统，其中热泵冷凝器置于储热罐内；

该装置还包括并联的风力发电机和辅助电源，风力发电机和辅助电源由切换开关连接，辅助电源与市电连接；该装置中的各用电设备并联，且分别与切换开关相连接。

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