CN103626246A

CN103626246A - 一种太阳能海水资源化处理方法

Info

Publication number: CN103626246A
Application number: CN201310557323.6A
Authority: CN
Inventors: 曾庆福; 龙学军; 陈海英; 苏工兵; 徐爱华
Original assignee: Wuhan Textile University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: CN103626246B

Abstract

本发明太阳能海水资源化处理方法包括海水淡化、浓盐水电解步骤，其中海水淡化步骤包括：海水经过预处理单元预处理后，与换热水箱中螺旋换热管内的高温蒸汽进行热交换，高温蒸汽在换热管内冷凝为淡水产物被收集；经换热水箱换热的海水依次由太阳能集热器和蒸发器加热，并在蒸发器中蒸发；蒸发器中海水受热蒸发产生的淡水蒸汽一部分于蒸发器的玻璃盖板内倾斜表面冷凝并收集，另一部分被气泵抽入换热管内与换热管外的原海水进行换热；蒸发器中海水蒸发后，残留的浓盐水通过离子膜电解设备进行电解处理。本发明在海水淡化过程中，可以节约电能和运行成本，所产生的Cl₂、H₂、NaOH可作为氯碱工业原材料。

Description

一种太阳能海水资源化处理方法

技术领域

本发明涉及节能环保的太阳能海水资源化处理方法，特别是涉及一种太阳能海水资源化及其副产物处理工艺系统。

背景技术

目前世界海水淡化装置容量增长迅速，正以10%～30%的速度增长，且增长幅度仍在逐渐增大。全世界有130多个国家正在进行海水淡化，淡化能力一半以上集中在中东海湾国家，占中东淡水来源70%。国内外工程化的海水淡化工艺路线主要为热法和膜法两种。但这两种方法都存在预处理复杂、设备国产化低、能源消耗较大、处理费用较高的问题。海水淡化每吨水综合成本在8元人民币左右。对生活、生产用户大规模的使用比较困难。鉴于环境压力大且面临化石能源枯竭问题，利用新能源进行海水淡化已刻不容缓，其中核能海水淡化和太阳能海水淡化研究最多。此外，将不同的海水淡化常规工艺进行结合，把淡化后的浓盐水加以利用，也是未来海水淡化发展的一个重要趋势。

由于浓盐水通常近海排放，海滩地势平缓，且水深较浅，海水交换能力较差，当盐度超过40‰时，一些生物将会死亡。因此，如果把浓盐水直接排入海湾，必将影响临近海洋生态环境。海水淡化的副产物浓盐水的综合利用，世界各国均有了一定的进展。如美国Somerville等利用海水或海水淡化后浓缩液，先用碱液将镁沉淀，得到镁产品，再利用磷酸处理得到肥料或动物饲料添加剂，最后的澄清卤水用于制盐。日本Nasu等用硫酸或磷酸处理海水后，用NaOH-Ca（OH）₂混合碱试剂调pH，得到氢氧化镁沉淀，澄清液蒸发制盐，制盐母液为氯化钾、氯化钠溶液。德国Berleyev等利用点渗析海水脱盐的同时，电解海水制备氢氧化镁、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氯气和清洁能源氢气等产品，混合碱经转化得到金属镁和金属钙等。所不同的是，制取海水淡化后浓缩液的方法、精制浓海水提取镁和硫酸根离子的方法、以及电解浓盐水制碱的能量来源及制取方式各有着本质的区别。

与此同时，由于烧碱是我国工业品中能耗大户，电力的消耗和工业盐的采购成本的上涨在很大程度上影响着氯碱企业正常生产和盈利空间，甚至是决定企业生存发展的关键因素，随着能源资源、能源价格上涨，氯碱企业面临的成本压力不断上升，行业发展已由快速规模扩张步入了调整时期，清洁生产、节能减排等政策力促行业转型升级。加之世界经济的不断发展，环境污染等问题日益严重，可再生能源的应用受到了各国的普遍关注。太阳能光伏发电作为可再生能源利用的重要组成部分，得到了众多国家政府的大力支持。20世纪70年代以来，美国、德国、日本等国政府陆续出台相关政策，加大太阳能光伏发电产业的发展力度，使得世界光伏发电产业高速发展。2007年，中国大陆太阳能电池产量达到1088MW，占全世界太阳能电池产量的27.2%，从产量看，我国已经成为太阳能电池的第一生产国。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的问题和局限，提供一种太阳能海水资源化处理方法。该方法将光-热太阳能海水蒸发系统、离子膜电解设备和太阳能光-电系统进行有机结合，海水淡化副产物浓盐水经过收集，由浓盐水精制单元进行精制后，经离子膜电解槽进行电解得到氯气、纯碱、氢气等产物，并对氯气、纯碱、氢气进行储存，系统运行过程中的原料来源为海水、能量来源为太阳能（不带逆变器）。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：按工艺流程依次包括海水淡化步骤、浓盐水电解步骤。所述海水淡化步骤包括：海水经过海水预处理单元预处理后储存于原海水箱中，然后经过提升泵一次提升至换热水箱中，与螺旋换热管内的高温淡水蒸汽进行热交换，高温淡水蒸汽在换热管内冷凝后从管下端流出，为淡水产物被收集；经换热水箱换热的海水进入太阳能集热器被二次加热升温，随后进入蒸发器进行第三次受热升温，并在蒸发器中蒸发；蒸发器中海水受热蒸发产生的淡水蒸汽一部分于蒸发器的玻璃盖板内倾斜表面冷凝并收集，另一部分被气泵抽入换热管内，与换热管外的原海水进行换热冷凝；蒸发器中海水蒸发后，残留的浓盐水在蒸发器底部收集于浓盐水箱内，通过离子膜电解设备进行电解处理。

所述的浓盐水电解步骤可以包括：经过浓盐水精制单元进行精制的饱和浓盐水，通入离子膜电解槽的阳极室进行电解，在阳极室产生的氯气被氯气存储单元通过碱液进行存储；离子膜电解槽的阴极室通入含有少量NaOH的蒸馏水进行电解，在阴极室产生的氢气被储氢单元通过金属氧化物进行存储；阴极室产生的浓NaOH于氢氧化钠收集处进行收集。

所述的太阳能海水资源化处理方法中供电方式可以包括：太阳能光伏电池板将太阳能转变为电能后，由配电箱引出交流和直流两种供电接口，交流供电接口与提升泵、气泵相连；直流供电接口与离子膜电解槽的阴阳极直接相连。

所述的浓盐水精制单元进行精制的方法可以包括：向收集的粗盐水中加入精制剂Na₂CO₃与NaOH，反应后经HVM膜材料与螯合树脂过滤得到精制的饱和浓盐水。

本发明的优点是：系统的原料来源为海水，电力和热力来源为太阳能，产物为淡水、氯碱原材料及氢气。将太阳能海水淡化的副产物浓盐水收集、精制后，用作离子膜电解制烧碱及氢气的原料来源；离子膜电解的动力来源直接由光伏供电系统提供。本发明在充分利用太阳能海水蒸发副产物的同时，构建新型太阳能氯碱工业，形成一条以海水为原料，以太阳能为能源，物质能量流互补的可持续发展型光伏生态产业链。

本发明具有以下的主要优点：

其一.利用太阳能光电系统（不带逆变器）代替市电来源，直流输出对离子膜电解浓盐水系统提供电力来源。

其二.在进行产业化过程中，所用设备可以节约大量的电能，也利用太阳能光电系统省去了相当的运行成本。在电解的过程中，产生的Cl₂、H₂、NaOH可作为氯碱工业原材料。

其三.生产效率高：若于5月份进行海水淡化，所用太阳能光电系统中的4㎡采光面积下每天最高可产37.8kg淡水，即9.45kg/㎡·d（见图5）。离子膜电解生产的NaOH浓度最高可达25%，有效氯产率为80g/h。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中太阳能海水淡化单元的示意图。

图3是本发明中浓盐水电解单元的示意图。

图4是本发明中光伏供电单元的示意图。

图5是武汉地区5月晴好一天内装置淡水产量与时间关系图。

图中：1.海水预处理单元；2.第一阀门；3.原海水箱；4.第一温度计；5.提升泵；6.第一流量计；7.液位仪；8.换热水箱；9.螺旋换热管；10.第二温度计；11.第三温度计；12.第二阀门；13.第二流量计；14.太阳能集热器；15.第四温度计；16.第三阀门；17.反光镜；18.第五温度计；19.蒸汽流量计；20.气泵；21.蒸发器；22.第四阀门；23.第五阀门；24.浓盐水箱；25.浓盐水精制单元；26.氯气存储单元；27.储氢单元；28.离子膜电解槽；29.氢氧化钠收集处；30.配电箱；31.太阳能光伏电池板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的太阳能海水资源化处理方法，可以将海水蒸发获得淡水产物、浓盐水副产物；利用离子膜电解海水淡化后的浓盐水副产物，可以获得氯、碱等重要化工产品；利用独立的太阳能光伏供电系统为离子膜电解直接提供电解动力（不需逆变器）。形成以海水为原料，以太阳能为能源可持续发展的新型共生产业设备。

本发明提供的太阳能海水资源化处理方法，其包括海水淡化步骤、浓盐水电解步骤，还包括光伏供电单元。具体包括海水预处理单元、第一阀门、原海水箱、第一温度计、提升泵、第一流量计、液位仪、换热水箱、螺旋换热管、第二温度计、第三温度计、第二阀门、第二流量计、太阳能集热器、第四温度计、第三阀门、反光镜、第五温度计、蒸汽流量计、气泵、蒸发器、第四阀门、第五阀门、浓盐水箱、浓盐水精制单元、氯气存储单元、储氢单元、离子膜电解槽、氢氧化钠收集处、配电箱、太阳能光伏电池板。

其中海水淡化步骤包括：海水经过预处理储存于原海水箱中，经过提升泵一次提升至换热水箱中，与螺旋换热管内的高温淡水蒸汽进行热交换，水蒸汽冷凝为淡水产物被收集；经换热水箱换热的海水进入太阳能集热器被二次加热升温，随后进入蒸发器进行三次受热升温，并在蒸发器中蒸发。蒸发器中海水蒸发产生的淡水蒸汽一部分于玻璃盖板处冷凝并收集，另一部分被气泵抽至换热管内与管外的原海水进行换热冷凝。蒸发器中海水蒸发后，残留的浓盐水在蒸发器底部经过阀门收集于浓盐水箱内。

浓盐水电解步骤包括：经过浓盐水精制单元进行精制的饱和浓盐水，通入离子膜电解槽的阳极室进行电解，在阳极室产生的氯气被氯气存储单元进行存储；离子膜电解槽的阴极室通入含有少量NaOH的蒸馏水进行电解，在阴极室产生的氢气被储氢单元进行存储；阴极室产生的浓NaOH于氢氧化钠收集处进行收集。

光伏供电单元包括：光伏电池、配电箱及输出接口。由配电箱引出交流和直流两种电路，交流电供电接口与海水淡化步骤中的提升泵、气泵相连；直流电供电接口与离子膜电解槽的阴阳极直接相连（不需逆变器）。

所述的太阳能海水资源化处理方法中，太阳能海水淡化蒸发器依次与浓盐水收集箱、浓盐水精制单元、离子膜电解槽相连。太阳能海水淡化的淡水产物进行收集，副产物浓盐水依次经过收集箱收集、浓盐水精制单元进行精制处理以及离子膜电解槽进行电解。离子膜电解槽经过饱和浓盐水的参与电解，产生氯气、纯碱、氢气，氯气通入碱液制取次氯酸盐、纯碱常规储存、氢气通过金属氢化物储存。太阳能光伏供电单元通过配电箱供给离子膜电解槽电力来源（不需逆变器），还供电给太阳能海水淡化的用电设备。

所述的太阳能海水资源化处理方法中，太阳能海水淡化系统依次与浓盐水收集箱、浓盐水精制单元、离子膜电解槽相连。离子膜电解槽与氯气存储单元、储氢单元相连及氢氧化钠收集处相连。太阳能光电系统通过配电箱与离子膜电解槽、太阳能海水蒸发系统用电设备相连。

所述的太阳能海水资源化处理方法中，蒸发器由两个1m×1.5m×0.15m的腔体组成，盖板与底板均为中空透明玻璃盖板，蒸发器底面由上至下依次为1m×1.2m的单向PTFE薄膜、5mm厚黑色羊毛毡、磁控喷溅蓝膜吸热铝板，太阳能集热器为12根热管式集热管与一根通水横管组成，海水箱和换热水箱尺寸均为0.2m×0.2m×0.5m；离子膜电解槽底座为676mm×400mm，饱和食盐水投放室和蒸馏水投放室的尺寸均为160mm×162mm×150mm，阴极室和阳极室的尺寸均为100mm×162mm×210mm，离子膜的尺寸为150mm×150mm，离子膜中64个方格均为为16mm×16mm的尺寸。太阳能光电系统由4块分别250W的光伏电池板，向南30°摆放。配电箱中带有控制器、断路器、逆变器，由此来控制电解槽中电极板的通电情况。

所述的太阳能海水资源化处理方法，海水作为原料在太阳能海水淡化系统内蒸发，产生淡水和副产物浓盐水，淡水直接供生产、生活使用。浓盐水经过浓盐水收集箱收集，经过浓盐水精制单元精制达到满足离子膜电解的饱和浓盐水要求。离子膜电解获得氯气、纯碱、氢气。氯气通入碱液中得到次氯酸盐氯碱工业原料，纯碱常规储存，氢气通过金属氢化物储存。

所述的太阳能海水资源化处理方法，采用新型的膜材料与离子交换树脂将粗盐的精制反应与膜分离耦合，向粗盐水中加入精制剂（Na₂CO₃、NaOH）反应后经HVM膜材料与螯合树脂处理后得到精制浓盐水。

所述的太阳能海水资源化处理方法，太阳能光伏供电单元通过配电箱分别与离子膜电解槽的接电处、太阳能海水淡化系统的用电设备相连，并提供稳定的电力来源。

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提供的太阳能海水资源化处理方法，是通过太阳能海水资源化设备实现的，该设备的结构如图1所示：包括依次相连的海水预处理单元1、原海水箱3、提升泵5和换热水箱8，换热水箱8内设有螺旋换热管9，螺旋换热管9的下端设有淡水收集出口；换热水箱8的下侧出口接至太阳能热管式集热器14的一端入水口，太阳能热管式集热器14的另一端出水口接至太阳能蒸馏器（即蒸发器21），太阳能蒸馏器21两侧的冷凝管路通过气泵20接至螺旋换热管9的上端接口处；太阳能蒸馏器21尾部设有淡水收集出口（由第四阀门22控制），太阳能蒸馏器21尾部端还依次接有浓盐水箱24（与蒸馏器之间接有第五阀门23）和离子膜电解设备。

太阳能集热器包括12根热管式集热管与1根通水横管，热管式集热管均与通水横管相连，海水流过通水横管。太阳能蒸馏器21包括带海水凹槽的箱体，箱体上侧设有盖板双层玻璃，箱体下侧从外层到内层依次设有底面双层玻璃、吸热铝板（设有磁控喷溅蓝膜）、吸热多孔蒸发材料（黑色羊毛毡）和单向透过亲水性薄膜（PTFE单向聚四氟乙烯薄膜）。太阳能蒸馏器21的外部还配有反光镜17。

离子膜电解设备包括依次相连的浓盐水精制单元25和离子膜电解槽28，离子膜电解槽28的阳极室上部设有氯气存储单元26、储氢单元27、氢氧化钠收集单元29，其中浓盐水精制单元25与浓盐水箱24相连。

太阳能光伏电池板31通过配电箱30与离子膜电解槽28相连，配电箱30还设有供电接口与太阳能海水淡化的提升泵5、气泵20的用电接口相连。

海水预处理单元1与原海水箱3之间接有第一阀门2，原海水箱3与提升泵5之间接有第一温度计4，提升泵5与换热水箱8之间接有第一流量计6，换热水箱8的侧面带有液位仪7，换热水箱8的下侧出口依次通过第三温度计11、第二阀门12、第二流量计13接至太阳能热管式集热器14，太阳能热管式集热器14通过第四温度计15、第三阀门16接至太阳能蒸馏器21，螺旋换热管9的淡水收集出口接有第二温度计10，气泵20与螺旋换热管9之间还接有蒸汽流量计19和第五温度计18。

本发明提供的太阳能海水资源化处理方法，包括海水淡化步骤和浓盐水电解步骤，此外还包括光伏供电单元。

该方法具体步骤为：

（1）海水淡化：

经过海水预处理单元1的海水收集在原海水箱3中，经过提升泵5一次提升至换热水箱8中，与螺旋换热管9内的高温淡水蒸汽进行热交换，水蒸汽冷凝为淡水产物被收集；经换热水箱9换热的海水进入太阳能集热器14进行第二次加热升温（85～90℃），随后进入蒸发器21进行第三次受热升温（95～100℃），并在蒸发器21中蒸发。蒸发器21中海水受热蒸发产生的淡水蒸汽一部分于玻璃盖板处冷凝并收集，另一部分被气泵20抽至换热管9内与管外的原海水进行换热冷凝。

（2）浓盐水电解：

蒸发器21中海水蒸发后，残留的浓盐水在蒸发器底部经过阀门23收集于浓盐水箱24内。浓盐水箱24内的浓盐水经过浓盐水精制单元25进行精制，将精制后的饱和浓盐水通入离子膜电解槽28的阳极室进行电解，在阳极室产生的氯气被氯气存储单元26通入碱液进行存储。

离子膜电解槽的阴极室通入含有少量NaOH的蒸馏水进行电解，在阴极室产生的氢气被储氢单元27进行金属氢化物储氢；阴极室产生的NaOH溶液于氢氧化钠收集处29进行常规储存。

所述NaOH的质量浓度最高可达25%。

（3）光伏供电：

由光伏供电单元提供电能。

该光伏供电单元中，光伏电池31与配电箱30相连，由配电箱30引出交流和直流两种电路，交流电供电接口与海水淡化步骤中的提升泵5、气泵20相连；直流电供电接口与离子膜电解槽20的阴阳极直接相连（不需逆变器）。

上述海水淡化步骤和浓盐水电解步骤所需电能，均通过光伏供电单元提供稳定的电力来源。

Claims

1.一种太阳能海水资源化处理方法，其特征在于：按工艺流程依次包括海水淡化步骤、浓盐水电解步骤，其中海水淡化步骤包括：海水经过海水预处理单元（1）预处理后储存于原海水箱（3）中，然后经过提升泵（5）一次提升至换热水箱（8）中，与螺旋换热管（9）内的高温淡水蒸汽进行热交换，高温淡水蒸汽在换热管（9）内冷凝后从管下端流出，为淡水产物被收集；经换热水箱（8）换热的海水进入太阳能集热器（14）被二次加热升温，随后进入蒸发器（21）进行第三次受热升温，并在蒸发器（21）中蒸发；蒸发器（21）中海水受热蒸发产生的淡水蒸汽一部分于蒸发器（21）的玻璃盖板内倾斜表面冷凝并收集，另一部分被气泵（20）抽入换热管（9）内，与换热管（9）外的原海水进行换热；蒸发器（21）中海水蒸发后，残留的浓盐水在蒸发器底部收集于浓盐水箱（24）内，通过离子膜电解设备进行电解处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，浓盐水电解步骤包括：经过浓盐水精制单元（25）进行精制的饱和浓盐水，通入离子膜电解槽（28）的阳极室进行电解，在阳极室产生的氯气被氯气存储单元（26）通过碱液进行存储；离子膜电解槽（28）的阴极室通入含有少量NaOH的蒸馏水进行电解，在阴极室产生的氢气被储氢单元（27）通过金属氧化物进行存储；阴极室产生的浓NaOH于氢氧化钠收集处（29）进行收集。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，太阳能海水资源化处理方法中供电方式包括：太阳能光伏电池板（31）将太阳能转变为电能后，由配电箱（30）引出交流和直流两种供电接口，交流供电接口与提升泵（5）、气泵（20）相连；直流供电接口与离子膜电解槽（28）的阴阳极直接相连。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，浓盐水精制单元（25）进行精制的方法包括：向收集的粗盐水中加入精制剂Na₂CO₃与NaOH，反应后经HVM膜材料与螯合树脂过滤得到精制的饱和浓盐水。