CN102030393A - 一种电吸附除盐节能系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电吸附除盐节能系统及方法，涉及水处理领域，用以解决现有技术实际能耗较大的问题。系统包括：两组电吸附模块，交替进入再生阶段和工作阶段；电能回收单元，位于所述两组电吸附模块之间，回收进入再生阶段电吸附模块所存储的电能，以及将回收的电能充到进入工作阶段的电吸附模块上。方法包括：将电吸附除盐系统中进入再生阶段的电吸附模块所存储的电能回收；将回收的电能充到电吸附除盐系统中进入工作阶段的电吸附模块上。本发明将现有技术予以释放的电能回收再利用，因此可大幅降低实际能耗，降低运营成本。
Description
技术领域
本发明涉及水处理领域，特别是涉及一种电吸附除盐节能系统及方法。
背景技术
随着我国经济、社会的突飞猛进发展，能源和水资源短缺的矛盾日益加剧。
电吸附水处理技术是利用吸附水中离子的现象，使水中溶解的盐类在电极表面富集浓缩而实现水的除盐/淡化的新型技术。其作用原理如图1所示。含有各类离子的原水从一端进入由阴、阳电极形成的通道，最终从另一端流出。原水在阴、阳电极之间流动时，由于受到电场的作用，水中的离子将分别向带相反电荷的电极迁移，并被该电极吸附，储存在电极表面所形成的双电层中，从而使通道中的溶解盐类的浓度大大降低，实现水的除盐/淡化。
从理论上讲，电吸附的工作过程所需的能耗主要是用于离子的迁移，而在实际运用中，其能耗远远高于理论计算值。
发明内容
本发明提供了一种电吸附除盐节能系统及方法，用以解决现有技术实际能耗较大的问题。
本发明提供的一种电吸附除盐节能系统，包括：两组电吸附模块，交替进入再生阶段和工作阶段；电能回收单元，位于所述两组电吸附模块之间，回收进入再生阶段电吸附模块所存储的电能，以及将回收的电能充到进入工作阶段的电吸附模块上。
根据本发明一优选实施例，电能回收单元为充放电控制装置，将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能直接充到进入工作阶段电吸附模块上。
根据本发明一优选实施例，电能回收单元包括：可控逆变装置，将进入再生阶段电吸附模块所存储的直流电能逆变后反馈回交流电网；以及可控整流装置，将交流电网中的交流电能转换为直流电能，并施加到进入工作阶段的电吸附模块上。
根据本发明一优选实施例，电能回收单元为双向升降压DC/DC变换装置，进行降压能量转换，将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能充到进入工作阶段的电吸附模块上，以及进行升压能量转换，使处于再生阶段的电吸附模块所存储的电能进一步充到进入工作阶段的电吸附模块上。
进一步，双向升降压DC/DC变换装置包括：四个功率开关器件和一个电感；其中，第一功率开关器件与第二功率开关器件串联；第三功率开关器件与第四功率开关器件串联；第一功率开关器件和第三功率开关器件的正极通过电感连接；第二功率开关器件和第四功率开关器件的正极直接相连；第一功率开关器件的负极和第二功率开关器件的正极与一组电吸附模块连接；第三功率开关器件的负极和第四功率开关器件的正极与另一组电吸附模块连接。
本发明提供的一种电吸附除盐节能方法，包括下列步骤：将电吸附除盐系统中进入再生阶段的电吸附模块所存储的电能回收；将回收的电能充到电吸附除盐系统中进入工作阶段的电吸附模块上。
根据本发明一优选实施例，通过充放电控制装置将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能直接充到进入工作阶段电吸附模块上。
根据本发明一优选实施例，通过可控逆变装置将进入再生阶段电吸附模块所存储的直流电能逆变后反馈回交流电网；通过可控整流装置将交流电网中的交流电能转换为直流电能，并施加到进入工作阶段的电吸附模块上。
根据本发明一优选实施例，通过双向升降压DC/DC变换装置进行降压能量转换，将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能充到进入工作阶段的电吸附模块上；以及进行升压能量转换，使处于再生阶段的电吸附模块所存储的电能进一步充到进入工作阶段的电吸附模块上。
在电吸附除盐系统的实际运行过程中，发现其实际能耗要远远高于理论计算值，即浪费了很大一部分可以加以回收利用的能耗。本发明将现有技术予以释放的电能回收再利用，因此可大幅降低实际能耗，降低运营成本。
附图说明
图1为现有技术原理示意图；
图2为本发明实施例中的系统结构示意图；
图3为本发明优选实施例中的系统结构示意图；
图4为本发明优选实施例中的系统结构示意图；
图5为本发明优选实施例中的系统结构示意图；
图6为图5中双向升降压DC/DC变换装置403的具体电路图。
图7为本发明实施例中的方法步骤流程图；
图8为本发明优选实施例中的步骤流程图；
图9为本发明优选实施例中的步骤流程图。
具体实施方式
现有技术中电吸附工作/再生过程实际即是电能的储存/释放过程，当电吸附模块需再生时，将正、负极短接，将其储存的电能完全释放，方能实现电吸附模块的再生。电吸附除盐过程即是超级电容器的充放电过程，在放电过程中，电能是一种浪费，同时初始短接电流也较大。经发明人研究发现，电吸附模块是双电层结构，相当于一个电容器，可以充放电，并且双电层的充放电是可逆的，即电能具有可回收性。因此，可采用两组电吸附模块交替工作，一组模块再生时，另一组模块工作，可将进入再生阶段的电吸附模块短接时释放的电能供给进入工作阶段的电吸附模块，用于工作。这样既可节约电能，使得实际能耗减小，又可避免直接短接的大电流放电对设备带来的损害。下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参见图2所示，为本发明实施例的系统结构示意图，包括：第一组电吸附模块101，第二组电吸附模块102和位于两组电吸附模块之间的电能回收单元103。
其中，两组电吸附模块，交替进入再生阶段和工作阶段。
电能回收单元103，回收进入再生阶段电吸附模块所存储的电能，以及将回收的电能充到进入工作阶段的电吸附模块上。
可见，本实施例虽然原理简单，实施容易，成本较低，仅增加了电能回收单元103，但可将进入再生阶段电吸附模块所存储的电能回收并充到进入工作阶段的电吸附模块上，使得在现有技术中被释放掉的部分电能得以再利用，因此相对于现有技术能耗要低，而且由于存在充放电过程，使得可避免直接短接的大电流放电对设备带来的损害。
为了达到更优的效果，本发明还提供了优选实施例，参见图3所示，包括：第一组电吸附模块201，第二组电吸附模块202和位于两组电吸附模块之间的充放电控制装置203。
其中，两组电吸附模块，交替进入再生阶段和工作阶段。
充放电控制装置203将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能直接充到进入工作阶段电吸附模块上，直到两组模块的电压达到平衡，即可实现电能的回收再利用。
可见，本实施例虽然原理简单，实施容易，成本较低，仅增加了充放电控制装置203，但可将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能直接充到进入工作阶段电吸附模块上，以此不断循环交替运行，使得在现有技术中被释放掉的部分电能得以再利用，因此相对于现有技术能耗要低，而且由于存在充放电过程，使得可避免直接短接的大电流放电对设备带来的损害。
为了达到更优的效果，本发明还提供了优选实施例。整流是把交流电变为直流电的过程，利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。逆变是与整流相对应的一个转换过程，即将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的过程。具体参见图4所示，本实施例包括：第一组电吸附模块301和第二组电吸附模块302，位于两组电吸附模块之间的可控逆变装置303、交流电网304以及可控整流装置305。本实施例及图4均以一个完整转换过程为例，即第一组电吸附模块301为将进入再生阶段电吸附模块，第二组电吸附模块302为进入工作阶段的电吸附模块，如此循环，不再赘述。
其中，两组电吸附模块，交替进入再生阶段和工作阶段。
可控逆变装置303，将进入再生阶段电吸附模块所存储的直流电能逆变后反馈回交流电网304；以及可控整流装置305，将交流电网304中的交流电能转换为直流电能，并施加到进入工作阶段的电吸附模块上。
可见，本实施例增加了可控逆变装置303和可控整流装置305，并利用交流电网304作为存储媒介，使得在现有技术中被释放掉的部分电能得以再利用，因此相对于现有技术能耗要低，而且由于存在充放电过程，使得可避免直接短接的大电流放电对设备带来的损害。
为了达到更优的效果，本发明还提供了优选实施例，参见图5所示，包括：第一组电吸附模块401，第二组电吸附模块402和位于两组电吸附模块之间的双向升降压DC/DC变换装置403。
其中，两组电吸附模块，交替进入再生阶段和工作阶段。
双向升降压DC/DC变换装置403，进行降压能量转换，将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能充到进入工作阶段的电吸附模块上，以及进行升压能量转换，使处于再生阶段的电吸附模块所存储的电能最大程度的充到进入工作阶段的电吸附模块上，并进一步降低进入再生阶段的电吸附模块的电压。
更为详尽的，双向升降压DC/DC变换装置403的具体电路可参见图6所示，包括：四个功率开关器件和一个电感。图6中两个电容代表两组电吸附模块。
其中，第一功率开关器件W1与第二功率开关器件W2串联；第三功率开关器件W3与第四功率开关器件W4串联；第一功率开关器W1件和第三功率开关器件W3的正极通过电感L连接；第二功率开关器件W2和第四功率开关器件W4的正极直接相连；第一功率开关器件W1的负极和第二功率开关器件W2的正极与一组电吸附模块C1连接；第三功率开关器件W3的负极和第四功率开关器件W4的正极与另一组电吸附模块C2连接。
当左侧的电吸附模块C1进行再生时，右侧的电吸附模块C2进行工作；反之，当右侧的电吸附模块C2进行再生时，左侧的电吸附模块C1进行工作。中间部分为双向升降压DC/DC变换装置。当能量交换开始时，进入再生阶段的电吸附模块的电压为额定电压，而进行工作的电吸附模块的电压为零，这时双向升降压DC/DC变换装置进行降压能量转换。当两组电吸附模块的电压平衡以后，处于再生阶段的电吸附模块的电压将低于处于工作阶段的电吸附模块的电压，这时双向升降压DC/DC变换装置进行升压能量转换，使处于再生阶段的电吸附模块所存储的电能最大程度的充到进入工作阶段的电吸附模块上，并进一步降低进入再生阶段的电吸附模块的电压。
可见，本实施例增加了双向升降压DC/DC变换装置403，使得在现有技术中被释放掉的部分电能得以再利用，因此相对于现有技术能耗要低，而且由于存在充放电过程，使得可避免直接短接的大电流放电对设备带来的损害。本实施例的双向升降压DC/DC变换装置403主要采用了四个功率开关器件，不仅功率开关器件少，而且可以大大降低无源器件的容量，从而最大限度地降低系统的硬件成本。同时可以灵活控制系统的输出电压的升降，稳定水处理的工艺过程。不仅如此，通过系统的控制可以选择电流控制方式，使水处理过程更加高效节能。
如图7所示，为本发明实施例的电吸附除盐节能方法的步骤流程图，包括下列步骤：
501、将电吸附除盐系统中进入再生阶段的电吸附模块所存储的电能回收。
501、将回收的电能充到电吸附除盐系统中进入工作阶段的电吸附模块上。
可见，本实施例虽然原理简单，实施容易，成本较低，但可将进入再生阶段电吸附模块所存储的电能回收并充到进入工作阶段的电吸附模块上，使得在现有技术中被释放掉的部分电能得以再利用，因此相对于现有技术能耗要低，而且由于存在充放电过程，使得可避免直接短接的大电流放电对设备带来的损害。
为了达到更优的效果，本发明还提供了优选实施例，在实际的工程应用中，电吸附除盐系统标准的配置是交替运行的两组电吸附模块，本实施例中统称为第一组电吸附模块和第二组电吸附模块，参见图8所示，包括下列步骤：
601、当第一组电吸附模块在工作时，第二组电吸附模块就处于再生状态。
602、当第二组电吸附模块再生将要完成的同时，第一组电吸附模块工作也会在同时完成，而在两组电吸附模块交换工作状态之前需要把第一组电吸附模块上的电能释放到第二组电吸附模块上，本实施例直接通过充放电控制装置将需要放电的第一组电吸附模块上的电压直接施加到第二组电吸附模块的两侧，等到二者电压达到平衡以后，即停止回收。
603、第二组电吸附模块进入工作状态，第一组电吸附模块进入再生状态。
604、同理步骤602，第二组电吸附模块放电，第一组电吸附模块充电。
可见，本实施例可将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能直接充到进入工作阶段电吸附模块上，以此不断循环交替运行，使得在现有技术中被释放掉的部分电能得以再利用，因此相对于现有技术能耗要低，而且由于存在充放电过程，使得可避免直接短接的大电流放电对设备带来的损害。
为了达到更优的效果，本发明还提供了优选实施例，在实际的工程应用中，电吸附除盐系统标准的配置是交替运行的两组电吸附模块，本实施例中统称为第一组电吸附模块和第二组电吸附模块，包括下列步骤：
701、当第一组电吸附模块在工作时，第二组电吸附模块就处于再生状态。
702、在第一组电吸附模块进行工作时，需要在电极两端施加一定的直流电压，所以先将交流电网上的电能通过可控整流装置变为直流电再施加到第一组电吸附模块中。
703、当需要使第一组电吸附模块再生时，将第一组电吸附模块中所存储的直流电能通过可控逆变装置逆变后再反馈回交流电网，这样可以回收一部分电能，以备下一循环利用。
704、第二组电吸附模块进入工作状态，第一组电吸附模块进入再生状态。
705-706、同理步骤702-703，第二组电吸附模块放电，第一组电吸附模块充电。
可见，本实施例通过可控逆变装置和可控整流装置，并利用交流电网作为存储媒介，使得在现有技术中被释放掉的部分电能得以再利用，因此相对于现有技术能耗要低，而且由于存在充放电过程，使得可避免直接短接的大电流放电对设备带来的损害。
为了达到更优的效果，本发明还提供了优选实施例，在实际的工程应用中，电吸附除盐系统标准的配置是交替运行的两组电吸附模块，本实施例中统称为第一组电吸附模块和第二组电吸附模块，参见图9所示，包括下列步骤：
801、第一组电吸附模块在工作时，第二组电吸附模块就处于再生状态。
802、当能量交换开始时，第一组电吸附模块进入再生阶段，其电压为额定电压，而第二组电吸附模块进入工作阶段，其电压为零，这时双向升降压DC/DC变换装置进行降压能量转换。将第一组电吸附模块所存储的电能充到第二组电吸附模块。当两组电吸附模块的电压平衡以后，处于再生阶段的电吸附模块(即第一组电吸附模)的电压将低于处于工作阶段的电吸附模块(即第二组电吸附模)的电压，这时双向升降压DC/DC变换装置进行升压能量转换，使处于再生阶段的电吸附模块所存储的电能最大程度的充到进入工作阶段的电吸附模块上，并进一步降低进入再生阶段的电吸附模块的电压。
803、第二组电吸附模块进入工作状态，第一组电吸附模块进入再生状态。
804、同理步骤802，第二组电吸附模块放电，第一组电吸附模块充电。
可见，本实施例通过双向升降压DC/DC变换装置，使得在现有技术中被释放掉的部分电能得以再利用，因此相对于现有技术能耗要低，而且由于存在充放电过程，使得可避免直接短接的大电流放电对设备带来的损害。本实施例的双向升降压DC/DC变换装置具体可采用图6所示的电路，主要采用了四个功率开关器件，不仅功率开关器件少，而且可以大大降低无源器件的容量，从而最大限度地降低系统的硬件成本。同时可以灵活控制系统的输出电压的升降，稳定水处理的工艺过程。不仅如此，通过系统的控制可以选择电流控制方式，使水处理过程更加高效节能。
在具体实现中，为了满足系统生产工艺的要求，采用了恒压限流输出的控制策略，即控制系统在输出电流限以下保证输出电压恒定。在进行能量回收时，将一组模块中的电能回馈到另一组模块中去，而且可以和系统的直流电源(恒压)相容，共同给该电吸附模块供电。可回收电压最低点为模块电压的30％以上。能量回收过程应是双向的，即可在两电吸附组模块之间交互进行。能量回收过程的单个周期应在20分钟以内。
根据理论计算，处理2000ppm的含盐废水时，电吸附设备的理论电耗为0.14～0.66kWh，但实际应用过程中其电耗在1.5～1.8kWh，因此有近50～70％的能耗可以加以回收利用。理论上可以回收50％以上的电能，实际效果也达到了20％以上，有效降低了电吸附设备的处理能耗，使目前的电吸附除盐系统的单位制水电耗降至0.5～1.0kWh/m3水左右，带来巨大的经济效益的同时也具有显著的环境效益。
在应用了本发明以后的电吸附水处理技术能够满足当前需求，与其它技术相比具有明显的技术和成本优势。
(1)使电能能够通过变换器实现两组电吸附模块之间的双向流动，并且能够使电吸附模块的残留电压尽可能低；
(2)能降低电吸附除盐系统的能耗在30％以上，使电吸附水处理技术真正具备了运行成本低的优点；
(3)电吸附模块直接短接放电，电流较大，会大幅增加工程投资，因此应用了能量回收以后，等于增加预充电/预放电步骤，可有效降低电流，降低投资成本；
(4)提高系统的工作效率，保证系统的稳定高效运行。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种电吸附除盐节能系统，其特征在于，包括：
两组电吸附模块，交替进入再生阶段和工作阶段；
电能回收单元，位于所述两组电吸附模块之间，回收进入再生阶段电吸附模块所存储的电能，以及将回收的电能充到进入工作阶段的电吸附模块上。
2.如权利要求1所述的电吸附除盐节能系统，其特征在于，所述电能回收单元为充放电控制装置，将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能直接充到进入工作阶段电吸附模块上。
3.如权利要求1所述的电吸附除盐节能系统，其特征在于，所述电能回收单元包括：可控逆变装置，将进入再生阶段电吸附模块所存储的直流电能逆变后反馈回交流电网；以及可控整流装置，将交流电网中的交流电能转换为直流电能，并施加到进入工作阶段的电吸附模块上。
4.如权利要求1所述的电吸附除盐节能系统，其特征在于，所述电能回收单元为双向升降压DC/DC变换装置，进行降压能量转换，将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能充到进入工作阶段的电吸附模块上；以及进行升压能量转换，使处于再生阶段的电吸附模块所存储的电能进一步充到进入工作阶段的电吸附模块上。
5.如权利要求4所述的电吸附除盐节能系统，其特征在于，所述双向升降压DC/DC变换装置包括：四个功率开关器件和一个电感；
其中，第一功率开关器件与第二功率开关器件串联；第三功率开关器件与第四功率开关器件串联；第一功率开关器件和第三功率开关器件的正极通过电感连接；第二功率开关器件和第四功率开关器件的正极直接相连；第一功率开关器件的负极和第二功率开关器件的正极与一组电吸附模块连接；第三功率开关器件的负极和第四功率开关器件的正极与另一组电吸附模块连接。
6.一种电吸附除盐节能方法，其特征在于，包括下列步骤：
将电吸附除盐系统中进入再生阶段的电吸附模块所存储的电能回收；
将回收的电能充到电吸附除盐系统中进入工作阶段的电吸附模块上。
7.如权利要求6所述的电吸附除盐节能方法，其特征在于，通过充放电控制装置将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能直接充到进入工作阶段电吸附模块上。
8.如权利要求6所述的电吸附除盐节能方法，其特征在于，通过可控逆变装置将进入再生阶段电吸附模块所存储的直流电能逆变后反馈回交流电网；
通过可控整流装置将交流电网中的交流电能转换为直流电能，并施加到进入工作阶段的电吸附模块上。
9.如权利要求6所述的电吸附除盐节能方法，其特征在于，通过双向升降压DC/DC变换装置进行降压能量转换，将进入再生阶段电吸附模块所存储的部分直流电能充到进入工作阶段的电吸附模块上；以及进行升压能量转换，使处于再生阶段的电吸附模块所存储的电能进一步充到进入工作阶段的电吸附模块上。
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