CN103787464B - 一种基于浓度差的介质可循环的海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于浓度差的介质可循环的海水淡化系统，依次连接海水存放池、高浓度溶液池和电解池；自来水处理厂分别与高浓度溶液池和电解池连接；沉淀溶解池分别与高浓度溶液池和电解池连接；高浓度溶液池和电解池之间设有发电机；海水存放池和高浓度溶液池之间设有半透膜。本发明还公开了采用本发明提供的装置生产淡水的工艺流程，通过海水存放池和高浓度溶液池的浓度差引入海水存放池中的淡水，得到混合溶液，并通过电解池的进一步反应，把淡水从混合溶液分离出来，其间循环利用生产材料，得到纯净淡水。采用本发明的装置及工艺流程相对于现有技术成本更低，规模更大。

Description

一种基于浓度差的介质可循环的海水淡化系统

技术领域

本发明涉及一种海水淡化系统，特别是一种基于浓度差的介质可循环的海水淡化系统。

背景技术

现有的海水淡化的方法主要有以下两种：

(1)蒸馏法

蒸馏法原理。把海水加热使之沸腾蒸发，再把蒸汽冷凝成淡水的过程即为蒸馏法。蒸馏法是最早采用的淡化法，其优点是结构简单、操作容易，所得淡水水质好等。蒸馏法有很多种，如多效蒸发、多级闪蒸、压气蒸馏、膜蒸馏等。

蒸馏法特点。蒸馏法是一种较早应用的海水淡化法，虽然是一种古老的方法，但由于不断的改进技术等问题，此法至今仍在被广泛应用。

(2)反渗透海水淡化系统

反渗透海水淡化系统的技术关键在于合理的设计预处理系统、选用合适的高压泵和能量回收装置，反渗透中的压力是由高压泵提供的，一般在5.0-6.0MPa，整个系统的能量消耗也在此，因此，高压泵的选择十分重要，泵主要分为两大类：叶片式泵和容积式泵，叶片式泵一般用高速泵和多级离心泵，容积式泵用的是往复泵，叶片式泵的流量比较大些，适合用在处理的量大些，不适合用在如船上，海岛等小型海水淡化机上，此时一般用容积式往复泵，但叶片式泵和容积式泵的运行曲线是不同的，叶片式泵的压力有极值，零流量时最大，压力随着流量的增大而降低，容积式泵在转速固定时，流量不变，压力随着外界管路阻力的增大而增大。

国外海水淡化工程起步早，目前已向大型化、规模化方向发展。全球每日淡化水产量达4970万吨，其中80％进入自来水的市政管网，尤其在中东等缺水严重的地区，美国、新加坡等国的海水淡化利用率也非常高，而我国日产能仅约为67万吨，相比国外而言仍存在着较大的差距。近年来我国主要应用的反渗透海水淡化技术虽然对海水利用起到了一定的作用，但仍存在着如下问题：①技术和设备与国外有差距，难以参与全球化的市场竞争。我国海水淡化产业虽在政策和技术上取得了重大突破，但一些核心技术和设备还依赖进口，海水淡化行业仍处于规模小、发展慢、成本高、推广难的阶段，离商业化应用还有很长的一段路要走。②价格偏高。比如在天津，居民自来水水价4元/吨，工业为7元/吨，而淡化海水为8元/吨。这也成为了我国海水淡化产业的一个瓶颈。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有的海水淡化系统规模小，制得的饮用水成本高的问题。

发明内容：本发明提供以下技术方案：一种基于浓度差的介质可循环的海水淡化系统，其特征在于，依次连接海水存放池、高浓度溶液池和电解池；自来水处理厂分别与高浓度溶液池和电解池连接；沉淀溶解池分别与高浓度溶液池和电解池连接；海水存放池和高浓度溶液池之间设有半透膜，电解池中装有电解溶液CaCl₂，沉淀溶解池所采用的酸为HCl。

一种实施权利要求1的系统的工艺流程，其特征在于，包括以下步骤，

1)从自来水处理厂向高浓度溶液池中引入淡水，并从沉淀溶解池中向高浓度溶液池中引入CaCl₂溶液使之饱和；

2)海水存放池中浓度较低的海水中的淡水自动透过半透膜流向浓度较高的CaCl₂溶液，产生水头差，将浓度差中蕴含的渗透压能转化为水的重力势能，水流带动水轮机转动发电并进入电解池；

3)电解池中电解装置电解溶液CaCl₂，在阳极产生Cl₂，运到自来水处理厂，在阴极产生H₂，作为清洁能源进行收集；

4)向电解池中通入CO₂使Ca²⁺沉淀形成CaCO₃，得到淡水，并将淡水输回自来水处理厂；

5)将CaCO₃输送到沉淀溶解池中，并在沉淀溶解池中加入HCl生成CaCl₂，得到的CaCl₂重新灌入高浓度溶液池，生成的CO₂重新引到电解池。

作为优化，所述高浓度溶液池和电解池之间设有水轮发电机。

作为优化，所述电解池中设有电解装置。

工作原理：通过海水入池闸门引入海水到海水存放池，通过淡水入池闸门从自来水处理厂向高浓度溶液池中引入淡水，并从沉淀溶解池中向高浓度溶液池中引入CaCl₂溶液使之饱和，其浓度高于海水；利用渗透原理，浓度较低的海水中的水会自动透过半透膜流向浓度较高的CaCl₂溶液，产生水头差，将浓度差中蕴含的渗透压能转化为水的重力势能。水头差达到一定程度时，水流带动水轮机转动发电并进入电解池。在电解池中存在电解装置，其阳极和阴极均为惰性电极。电解溶液CaCl₂，发生如下反应，在阳极发生反应，产生Cl₂，由于Cl₂可用于自来水厂中水的消毒，所以将其通过氯气通道运到自来水处理厂；在阴极发生反应，产生H₂，产生的H₂可通过氢气管道作为清洁能源进行收集。此时电解池中存在电解产物Ca(OH)₂，为沉淀掉Ca²⁺，通过CO₂入口向电解池中通入CO₂使Ca²⁺沉淀形成CaCO₃，得到淡水。打开淡水出池闸门，将淡水输回自来水处理厂。最后将CaCO₃运到沉淀溶解池中，通过HCl入口往沉淀溶解池中加入HCl生成CaCl₂，得到的CaCl₂重新灌入高浓度溶液池实现Ca²⁺循环利用，生成的CO₂重新引到CO₂入口实现CO₂的循环利用。

有益效果：本发明与现有技术相比：采用本发明提供的装置及生产工艺，能够循环的利用工艺流程中用到的材料，并且能够通过水流差带动发电机发电，提供部分的自主供电，节省了成本，并且由于水的重力势能越大，发电量越大，而其中采用材料多为化学用品，量基本维持不变，所以可以进行大规模生产而成本不增加。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如附图1所示一种基于浓度差的介质可循环的海水淡化系统，由海水存放池1、高浓度溶液池2、电解池3、自来水处理厂4、沉淀溶解池5、海水入池闸门6、淡水入池闸门7、CaCl₂入池闸门8、半透膜9、水轮发电机10、电解装置11、阳极12、阴极13、氯气管道14、氢气管道15、CO₂入口16、淡水出池闸门17、CaCO₃进出口18和HCl入口19组成。海水存放池1、高浓度溶液池2和电解池3依次连接；自来水处理厂4分别与高浓度溶液池2和电解池3连接；沉淀溶解池5分别与高浓度溶液池2和电解池3连接；海水存放池1和高浓度溶液池2之间设有半透膜9。高浓度溶液池2和电解池3之间设有水轮发电机10。电解池3中设有电解装置11。

通过海水入池闸门6引入海水到海水存放池1，通过淡水入池闸门7从自来水处理厂4向高浓度溶液池2中引入淡水，并从沉淀溶解池5中向高浓度溶液池2中引入CaCl₂溶液使之饱和，其浓度高于海水；利用渗透原理，浓度较低的海水中的水会自动透过半透膜9流向浓度较高的CaCl₂溶液，产生水头差，将浓度差中蕴含的渗透压能转化为水的重力势能。水头差达到一定程度时，启动发电机10，水流带动水轮机转动发电并进入电解池3。在电解池3中存在电解装置11，其阳极12和阴极13均为惰性电极。电解溶液CaCl₂，在阳极12产生Cl₂，由于Cl₂可用于自来水厂中水的消毒，所以将其通过氯气通道14运到自来水处理厂4；在阴极13产生H₂，产生的H₂可通过氢气管道15作为清洁能源进行收集。此时电解池中存在电解产物Ca(OH)₂，为沉淀掉Ca²⁺，通过CO₂入口16向电解池中通入CO₂使Ca²⁺沉淀形成CaCO₃，得到淡水。打开淡水出池闸门17，将淡水输回自来水处理厂4。最后将CaCO₃运到沉淀溶解池5中，通过HCl入口19往沉淀溶解池5中加入HCl生成CaCl₂，得到的CaCl₂重新灌入高浓度溶液池2实现Ca²⁺循环利用，生成的CO₂重新引到CO₂入口实现CO₂的循环利用。

以日产15000吨的海水淡化工程为例。半透膜的使用寿命以3年计，工程的折旧年限以15年计，银行贷款的还款年限以15年、年利率以6％计，本系统的年利用率以95％计算，海水淡化成本的各项费用分别为：

(1)使用中化学药品消耗费用：15000吨/天的本系统的化学药品加入量为：盐酸0.2元/kg，淡化一吨水需6.4kg盐酸，故化学药品消耗总费用为1.28元。

(2)电力消耗费用：本系统的闸门平均日电力消耗定为4kWh，抽水平均日电力消耗为2kWh，加上引水和其他附属设置及照明等的费用，淡化一吨淡水的总电力消耗为6.5kWh。另外，估计本系统中的发电机的日平均发电功率为10000kWh，每吨水最终消耗5.8kWh。每度电价以0.3元计，海水反渗透的吨水电力成本为1.74元。另外，电解的电耗主要靠该系统中的发电自供。

(3)职工工资和福利费用：整个系统每班设3人操作。人员的配备采用三班9人制，人均年工资20000元，每吨淡化水的劳动力费用为：0.034元。福利费用取为工资额的15％，每吨淡水的福利费用为0.005元。职工工资福利费用为0.04元/吨。

(4)大修及检修维护费用：本系统的年大修及检修维护费用定为其固定资产原值的1.5％，则每吨淡化水的维修费用为0.23元。

(5)管理费：管理费取为劳动力费用的20％，每吨淡化水的管理费用为0.008元。

(6)膜更换费用：海水反渗透膜寿命以3年计，膜的更换费用为0.923元。

(7)固定资产折旧费用：固定资产的折旧年限为15年，固定资产残值为4％，固定资产原值为8000万元(含初期氯化钙投入的成本)，每吨淡水的固定资产折旧费用为0.97元。

综上，本系统的单位造水成本：

1.28+1.74+0.04+0.23+0.008+0.923+0.97＝5.12元/吨。

目前海水淡化的平均成本约为8元/吨，而据经济分析，利用本系统进行海水淡化，成本约5.12元/吨，低于平均成本36％。地球上海水总质量约为1.32×1018吨，若其中的万分之一用于海水淡化，而假定用本系统进行淡化的海水占被淡化海水的十分之一，那么本系统可以节省成本380000亿。这说明本系统在同类海水淡化系统中占据了绝对优势，并且随着半透膜技术的发展，本系统的单位生产成本将进一步降低。

Claims (4)

1.一种基于浓度差的介质可循环的海水淡化系统，其特征在于，依次连接海水存放池、高浓度溶液池和电解池；自来水处理厂分别与高浓度溶液池和电解池连接；沉淀溶解池分别与高浓度溶液池和电解池连接；海水存放池和高浓度溶液池之间设有半透膜，电解池中装有电解溶液CaCl₂，沉淀溶解池所采用的酸为HCl。

2.根据权利要求1所述的基于浓度差的介质可循环的海水淡化系统，其特征在于，所述高浓度溶液池和电解池之间设有水轮发电机。

3.根据权利要求1所述的基于浓度差的介质可循环的海水淡化系统，其特征在于，所述电解池中设有电解装置。

4.一种实施权利要求1的系统的工艺流程，其特征在于，包括以下步骤，

1)从自来水处理厂向高浓度溶液池中引入淡水，并从沉淀溶解池中向高浓度溶液池中引入CaCl₂溶液使之饱和；

2)海水存放池中浓度较低的海水中的淡水自动透过半透膜流向浓度较高的CaCl₂溶液，产生水头差，将浓度差中蕴含的渗透压能转化为水的重力势能，水流带动水轮机转动发电并进入电解池；

3)电解池中电解装置电解溶液CaCl₂，在阳极产生Cl₂，运到自来水处理厂，在阴极产生H₂，作为清洁能源进行收集；

4)向电解池中通入CO₂使Ca²⁺沉淀形成CaCO₃，得到淡水，并将淡水输回自来水处理厂；

5)将CaCO₃输送到沉淀溶解池中，并在沉淀溶解池中加入HCl生成CaCl₂，得到的CaCl₂重新灌入高浓度溶液池，生成的CO₂重新引到电解池。