CN103864243A - 一种基于水合物法的两级式海水淡化方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体水合物技术应用领域，具体涉及到一种海水淡化方法与装置。本发明中第一级海水淡化系统利用二氧化碳与海水生成二氧化碳水合物，然后分解得到淡水;第二级海水淡化系统利用丙烷与海水生成丙烷水合物，然后分解得到淡水。两级式海水淡化装置，包括串联的第一级和第二级海水淡化装置，每级淡化装置包括气液供给及其混合单元、气体水合物生成及其输送单元和气体水合物分离分解单元。本发明效率高，耗能低，易于实现。

Description

一种基于水合物法的两级式海水淡化方法与装置

技术领域

本发明属于气体水合物技术应用领域，具体涉及到一种海水淡化方法与装置，其主要用于沿海地区的海水淡化以弥补淡水资源的不足，同时也可用于其他液体浓度提纯及高含盐污水脱盐净化处理领域。

背景技术

地球上水的总量为14亿立方千米，不过淡水储量仅占全球总水量的2.53%，而且其中的68.7%又以固体冰川的形式分布在难以开采的高山和南、北两级地区。在过去的一个世纪里，由于人口增长、工业发展和灌溉农业的发展，水资源需求量猛增，水资源供需矛盾突出。据统计，全世界约有1/3的人生活在中度和高度缺水的地区，约有80个国家，40%的世界人口严重缺水。而我国有2000万人饮水困难，400多座城市严重缺水。在2009年末至2010年在中国的云南、贵州、广西、重庆、四川等地发生了百年一遇的特大干旱事件，预计在2030年我国将会出现缺水高峰。此外，由于工业及生活污水的大量排放，水域污染严重，淡水水质恶化。目前，我国大部分城市和地区的淡水资源都已受到不同程度的破坏。

所谓海水淡化就是脱除海水中多余的盐份和其他矿物质得到淡水的工程。我国海水淡化技术已经发展了近半个世纪,发展到目前为止，主要的海水淡化技术包括蒸馏法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。其中高效蒸馏法（MED）、多级闪蒸法（MSF）和反渗透膜法(RO)是当今海水淡化三大主流淡化技术,并且已经成功开展了大规模的生产应用。但是这些技术分别存在能耗高，腐蚀速度快，结垢情况严重，操作条件苛刻，不够环保等局限性，因而需要更为高效，低耗能，经济环保的海水淡化技术。

基于水合物法的海水淡化是一种冷冻法海水淡化技术，该技术利用水合剂与海水中的水形成水合物晶体，通过固态水合物与液体分离，再将水合物分解，最终得到淡水的方法。这种水合物法能从原理上避免海水淡化过程中的结垢，沉淀等问题，由于水合物合成的温压条件适中，水合剂能循环利用，因此能耗较低，成本也较低。水合物海水淡化技术具有消耗能源少，环境影响小，设备简单易操作等优势，是一种环境友好型的海水淡化技术，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于实现一种基于水合物法的两级式海水淡化方法，并公开一种海水淡化装置，通过各种设备的系统组合，实现了沿海地区高效海水淡化的完整工艺流程，该方法效率高、易于实现。本发明主要解决以下几个问题：1.第一级海水淡化系统利用二氧化碳水合物的分解得到脱除钠、钾、钙等离子的液相，第二级海水淡化系统则利用丙烷水合物的分解进一步脱除液相中的镁、硼等离子，得到合格的淡水。2.发明了海水喷淋气液混合工艺，使生成水合物的气液两相充分混合，从而起到强化水合物生成的目的；2.发明了海水热量利用工艺，提高了系统效率；3.发明了管道式水合物生成方法，保证水合物连续生成及其流动性；4.发明了水合物分解和冷能利用工艺，节约了能源。

本发明所述的一种基于水合物法的海水淡化方法，包括下述步骤：

a.第一级海水淡化系统利用二氧化碳与海水生成二氧化碳水合物，然后分解得到淡水。

1）气液混合步骤：（1）由离心泵从大海中抽出的常温海水经过过滤器去除其中的泥土、沙石等固体杂质后，进入海水储液罐，然后通过海水输送管道到达绕在水合物分离分解器上的海水换热盘管，将其热量释放后，经过海水配给管道的输送到达安装在气液混合器上部的雾化器中，经过雾化的海水以雾滴的形式喷淋进气液混合器。（2）与此同时，储气瓶中的二氧化碳气体经过压缩机从气液混合器下部的进气口进入气液混合器，与雾化的海水充分混合，为水合物的生成提供了有利条件；

2）水合物生成及输送步骤：（1）水合物生成管道置于海底，利用海底的低温环境促使水合物快速生成。（2）在气液混合器中充分混合的二氧化碳和海水进入水合物生成管道，管道内温度由恒温控制系统提供的冷却水控制在2～6℃，管道内压力为1～5MPa。（3）生成的水合物浆液具有流动性，在气液混合器海水进口前设置一加药口，根据水合物浆液的生成情况，加入适量的水合物生成促进剂，保证水合物以较高的速率生成。（4）在管道内生成的水合物浆液通过水合物输送管道输送到水合物分离分解器，水合物浆液的管内流速控制在1.0～3.5m/s；

3）水合物分离及分解步骤：（1）连续生成的含有高含盐游离水的水合物浆液通过水合物输送管道进入水合物分离分解器，分离出的高含盐水经过处理后排入大海或直接排入大海。（2）固液分离结束后，水合物开始分解成二氧化碳气体和淡水，解释放出的二氧化碳气体经压缩机加压后通过气相循环管道汇入进气管道，进而进入气液混合器。（3）水合物分解出的淡水经过绕在气液混合器上的淡水换热盘管与气液混合器进行冷量交换后，经检验合格进入淡水收集罐并外运，如果淡水中镁、硼等离子含量超标，则经循环管道进入第二级海水淡化系统再次淡化。

b.第二级海水淡化系统利用丙烷与海水生成丙烷水合物，然后分解得到淡水。

1）气液混合步骤：（1）由第一级海水淡化系统供给的水质未达标淡水通过输送管道到达绕在水合物分离分解器上的海水换热盘管，将其热量释放后，输送到安装在气液混合器上部的雾化器中，经过雾化的海水以雾滴的形式喷淋进气液混合器。（2）与此同时，储气瓶中的丙烷气体经过压缩机从气液混合器下部的进气口进入气液混合器，与雾化的未达标淡水充分混合，为水合物的生成提供了有利条件；

2）水合物生成及输送步骤：（1）水合物生成管道置于海底，利用海底的低温环境促使水合物快速生成。（2）在气液混合器中充分混合的丙烷和未达标淡水进入水合物生成管道，管道内温度由恒温控制系统提供的冷却水控制在2～6℃，管道内压力为1～5MPa。（3）生成的水合物浆液具有流动性，在气液混合器海水进口前设置一加药口，根据水合物浆液的生成情况，加入适量的水合物生成促进剂，保证水合物以较高的速率生成。（4）在管道内生成的水合物浆液通过水合物输送管道输送到水合物分离分解器，水合物浆液的管内流速控制在1.0～3.5m/s；

3）水合物分离及分解步骤：（1）连续生成的含有高含盐游离水的水合物浆液通过水合物输送管道进入水合物分离分解器，分离出的高含盐水经过处理后排入大海或直接排入大海。（2）固液分离结束后，水合物开始分解成二氧化碳气体和淡水，解释放出的二氧化碳气体经压缩机加压后通过气相循环管道汇入进气管道，进而进入气液混合器。（3）水合物分解出的淡水经过绕在气液混合器上的淡水换热盘管与气液混合器进行冷量交换后，进入淡水收集罐并外运。

在各工艺流程中，温度、压力由温度计、压力计监测后输送到计算机数据采集系统进行分析处理，从而保证整个系统的正常运行。

上述方法的水合物生成步骤中，在气液混合器海水进口前设置一加药口，根据水合物浆液的生成情况，加入适量的水合物生成促进剂，保证水合物以较高的速率生成。

上述方法的水合物分离分解步骤中，在分离分解器底部安装加热器，加热器动力由太阳能提供，通过加热使水合物高效分解。

上述方法的水合物分离分解步骤中，在输水泵前设置一加药口，根据水合物的分解情况，加入适量的水合物抑制剂，从而提高水合物的分解速度。

上述方法中第二级海水淡化系统所安装的仪表采用本安防爆型仪表，杜绝易燃易爆气体丙烷发生燃烧爆炸的危险。

本发明中，当第一级海水淡化系统所生产的淡水质量达标时，无需使用第二级海水淡化装置，为提高海水淡化规模，此时第二级海水淡化系统改用二氧化碳，两级海水淡化系统同时进行海水淡化工作。

本发明两级式海水淡化装置，包括串联的第一级和第二级海水淡化装置，每级淡化装置包括气液供给及其混合单元、气体水合物生成及其输送单元和气体水合物分离分解单元。

具体部件如下：

（1）第一级海水淡化装置，其中：

气液供给及其混合单元如图2，主要包括数据采集系统(21)，进液通道、进气通道和气液混合装置组成，其中进液通道由过滤器(1)，海水提取泵(2)，流量计(3)、(8)，海水储液罐(4)，海水输送泵(5)，压力计(6)，温度计(7)，海水输送管道(9)构成，进气通道由储气瓶(15)，压缩机(16)，压力计(17)，温度计(18)，流量计(19)，进气管道(20)构成，气液混合装置由海水换热管道(10)，海水配给管道(11)，加药口(12)，气液混合器(13)，液体雾化器(14)构成，海水跟气体分别经过进液通道和进气通道汇入气液混合器(13)；数据采集系统(21)通过设置在进液通道和进气通道上的压力计、温度计、流量计实时检测运行工况；

气体水合物生成及其输送单元如图3，主要包括水合物生成及输送通道和恒温控制系统，其中水合物生成及输送通道由气液混合物输送管道(22)，水合物生成管道(23)，水合物输送管道（24）依次连接构成的通道构成，水合物生成管道(23)上设有压力计（25），温度计（26），数据采集系统（32）通过压力计、温度计实时监测水合物生成及输送单元运行工况，恒温控制系统由恒温水箱（27），冷却水回水管道（28），冷却水循环套管（29），冷却水供给管道（30），高压输送泵（31）构成，水合物生成管道内温度由恒温控制系统提供的冷却水控制在2～6℃，管道内压力为1～5MPa；

气体水合物分离分解单元如图4，主要包括水合物分离分解器（33）、气体释放通道、淡水收集通道，水合物分离分解器（33）上部依次连接减压阀（38），压缩机（39），流量计（40），气体输送管道（41）构成气体释放通道；水合物分离分解器(33)下部连接高含盐水输送管道(42)排放高含盐水或依次连接淡水输送泵(43)，流量计(44)，淡水输送管道(45)、(47)，淡水换热管道(46)，淡水质量检测口(48)，淡水收集罐(49)，次级淡水输送管道(50)构成淡水收集通道；分离分解器(33)上部安装压力计(34)，温度计(35)以监测分离分解器内的压力与温度，并由数据采集系统(51)处理分析以保证系统的正常运行；此外，分离分解器（33）设有加药口(36)、太阳能板加热器(37)以保证水合物的快速分解。

（2）第二级海水淡化装置，其中：

气液供给及其混合单元，主要包括数据采集系统(72)，进液通道、进气通道和气液混合装置组成，其中进液通道由过滤器(52)，海水提取泵(53)，流量计(54)、(59)，液体储罐(55)，液体输送泵(56)，压力计(57)，温度计(58)，液体输送管道(60)构成，进气通道由储气瓶(66)，压缩机(67)，压力计(68)，温度计(69)，流量计(70)，进气管道(71)构成，气液混合装置由液体换热管道(61)，液体配给管道(62)，加药口(63)，气液混合器(64)，液体雾化器(65)构成，液体跟气体分别经过进液通道和进气通道汇入气液混合器(64)；数据采集系统(72)通过设置在进液通道和进气通道上的压力计、温度计、流量计实时检测运行工况；

气体水合物生成及其输送单元，主要包括水合物生成及输送通道和恒温控制系统，其中水合物生成及输送通道由气液混合物输送管道(73)，水合物生成管道(74)，水合物输送管道(75)依次连接构成的通道构成，水合物生成管道(74)上设有压力计(76)，温度计(77)，数据采集系统(83)通过压力计、温度计实时监测水合物生成及输送单元运行工况，恒温控制系统由恒温水箱(78)，冷却水回水管道(79)，冷却水循环套管(80)，冷却水供给管道(81)，高压输送泵(82)构成，水合物生成管道内温度由恒温控制系统提供的冷却水控制在2～6℃，管道内压力为1～5MPa；

气体水合物分离分解单元，主要包括水合物分离分解器(84)、气体释放通道、淡水收集通道，水合物分离分解器(84)上部依次连接减压阀(89)，压缩机(90)，流量计(91)，气体输送管道(92)构成气体释放通道；水合物分离分解器(84)下部连接高含盐水输送管道(93)排放高含盐水或依次连接淡水输送泵(94)，流量计(95)，淡水输送管道(96)、(98)，淡水换热管道(97)，淡水质量检测口(99)，淡水收集罐(100)构成淡水收集通道；分离分解器(84)上部安装压力计(85)，温度计(86)以监测分离分解器内的压力与温度，并由数据采集系统（101）处理分析以保证系统的正常运行；此外，分离分解器(84)设有加药口(87)、太阳能板加热器(88)以保证水合物的快速分解。

包括串联的第一级和第二级海水淡化装置，其特征在于每级淡化装置包括气液供给及其混合单元、气体水合物生成及其输送单元和气体水合物分离分解单元。

本发明的显著优点在以下几个方面：

1）发明了气液两相混合工艺，即海水雾化后以雾滴的形式从气液混合器的上部喷淋进气液混合器，气体则从混合器底部进入混合器，使得气液两相充分混合，为水合物的生成提供了有利的条件。

2）发明了管道式水合物连续生成及输送工艺，将水合物生成管道置于海底，利用海底的低温环境促进水合物的生成。管道生成的水合物以浆液的形式存在，而不是块状固体水合物，从而保证了水合物浆液的连续生成及其流动性。

3）发明了水合物分离及分解工艺，水合物分解产生的气体循环利用，节约了运行费用，并减少了温室气体的排放。利用太阳能为分离分解器中的加热器提供动力，在保证水合物高效分解的同时节约了能源。

4）发明了常温海水与水合物分解反应器进行热量交换及低温淡水与气液混合器进行冷量交换的工艺，提高了系统综合效率，降低了运行费用。

5)）发明了两级式海水淡化方法，并使用不同气体生成水合物，使第一级淡化未达标的淡水进入第二级海水淡化系统再次淡化，保证了淡水的连续生产。

附图说明

图1基于水合物法的两级式海水淡化工艺流程。

图2气液供给及其混合单元。

图3气体水合物生成及其输送单元。

图4气体水合物分离分解单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细地说明：

本发明是一种基于水合物法的两级式海水淡化方法，如图1所示，第一级海水淡化系统内生成二氧化碳水合物，而第二级海水淡化系统内则生成丙烷水合物，各级海水淡化系统均包括气液混合工艺、水合物生成及输送工艺、水合物分离分解工艺三个部分。液体为自然界中的海水或高含盐工业污水。

关于第一级气液混合工艺，包括过滤器(1)，海水提取泵(2)，流量计(3)，海水储液罐(4)，海水输送泵(5)，压力计(6)，温度计(7)，流量计(8)，海水输送管道(9)，海水换热管道(10)，海水配给管道(11)，加药口(12)，气液混合器(13)，液体雾化器(14)，储气瓶(15)，压缩机(16)，压力计(17)，温度计(18)，流量计(19)，进气管道(20)，数据采集系统(21)等。由海水提取泵(2)从大海中抽出的海水经过过滤器(1)，去除海水中的污泥、沙石等固体杂质，经过流量计(3)计量海水的瞬时流量及累积流量后，进入海水储液罐(4)进行缓冲；然后海水经过海水输送泵(5)进入海水输送管道(9)，海水瞬时流量及累积流量由流量计(8)测量，海水输送管道(9)的运行工况由压力计(6)、温度计(7)进行监测；海水进入海水换热管道（10）释放出热量后进入海水配给管道（11），为了进一步促进水合物生成在气液混合器液相进口前设置一加药口（12），海水经过液体雾化器（14）雾化成小水滴后进入气液混合器（13）；与此同时，储气瓶（15）中的二氧化碳气体经过压缩机（16）增压后经进气管道（20）进入气液混合器（13），二氧化碳气体瞬时流量及累积流量由流量计（19）测量，进气管道（20）的运行工况由压力计（17）、温度计（18）进行监测。系统压力、温度等运行参数由数据采集系统（21）收集处理，海水与二氧化碳在气液混合器（13）中充分混合，为水合物的生成提供有利条件。

关于第一级水合物生成及输送工艺，包括气液混合物输送管道（22)，水合物生成管道（23)，水合物输送管道（24)，压力计（25)，温度计（26)，恒温控制系统（27)，冷却水回水管道（28)，冷却水循环套管（29)，冷却水供给管道（30)，高压输送泵（31)，数据采集系统（32)等。经过充分混合的二氧化碳气体和海水经过气液混合物输送管道（22)进入水合物生成管道（23)。水合物的生成需要低温、高压环境，水合物生成管道（23)中的低温主要由冷却水循环套管（29)中流动的冷却水来控制。水合物生成管道置于海底，海底的低温高压环境促进了水合物的生成，降低了制冷系统的工作负荷，节约了能源，降低了成本。水合物生成管道（23)中的温度控制在2～6℃，通过气液混合物的注入维持水合物生成管道（23)中的压力，其压力维持在1～5MPa，为二氧化碳水合物的生成提供适宜的环境条件。水合物生成管道（23)由连续弯折的管道构成，其直径与水合物输送管道（24)相同，单根水合物生成管道长12m，管道总长度由海水淡化规模决定，通常为96～120m。水合物生成之后，进入水合物输送管道（24），经过高压输送泵（31）进入水合物分离分解器。水合物输送管道采用单层钢管和防腐层组合方式建造而成，钢管规格Φ480×20，材质为16Mn。水合物生成及输送单元运行工况由压力计（25）、温度计（26）等仪表进行监测，系统压力、温度等运行参数由数据采集系统（32）收集处理。

关于第一级水合物分离分解工艺，包括水合物分离分解器（33），压力计（34），温度计（35），太阳能板加热器（37），加药口（36），减压阀（38），压缩机（39），流量计（40），气体输送管道（41），高含盐水输送管道（42，淡水输送泵（43），流量计（44），淡水输送管道（45）、（47），淡水换热管道（46），淡水质量检测口（48），淡水收集罐（49），次级淡水输送管道（50），数据采集系统（51）等；含有游离水的水合物浆液通过水合物输送管道（31）首先进入水合物分离分解器（33），水合物分离分解器（33）安装有压力计（24），温度计（35），用来检测罐内的压力与温度。水合物分离分解器（33）内设置一层孔隙较为密集的隔离网，固体状水合物颗粒被保留在隔离网上，游离水流入罐底。分离出来的游离水，即高含盐水，通过高含盐水输送管道（42）直接排入大海或经过处理后排入大海。分离分解器（33）中的水合物在常压高温的环境下自行分解，水合物分离分解器（33）吸收海水换热管道（10）中常温海水热交换释放出来的热量，并在分离分解器（33）底部设置太阳能加热器加热器（37），使分离分解器（33）内温度维持在20℃，保证罐内水合物的顺利分解。此外，为进一步提高水合物的分解速度，设置加药口（36），根据水合物的分解情况，适量加入醇类等水合物热力学抑制剂，进一步提高水合物分解速度。水合物分解产生的二氧化碳气体经过减压阀（38）进入气体输送管道（41），进而返回气液混合器再次参与水合物的生成，实现二氧化碳气体的循环利用，节约了运行成本。由于水合物的分解是一个吸热过程，导致分解出来的淡水温度较低，分离出来的淡水经过淡水输送泵（43）后通过淡水输送管道（45）、（47），首先进入绕在气液混合器外的淡水换热管道（46）实现冷量的收集。淡水输送管道的瞬时流量及累积流量由流量计（40）进行测量。在淡水质量检测口（48）取样检测，质量达标的淡水进入淡水收集罐（49），否则通过次级淡水输送管道（50）进入下一级海水淡化系统，在此重复以上步骤进行淡化处理。系统压力、温度等运行参数由数据采集系统（51）收集处理。

该系统运行过程如下：由离心泵（海水提取泵）从大海中提取的常温海水首先进入海水储液罐进行缓冲，然后经过配水管道的输送到达绕在水合物分解反应器上的盘管中，与水合物分解反应器中的水合物进行热量交换后，经过注水管道的输送到达安装在气液混合器上部的雾化器中，经过雾化的海水以雾滴的形式喷淋进气液混合器。与此同时，由储气瓶提供的二氧化碳气体经过压缩机从气液混合器下部的进气口进入气液混合器，与雾化的海水充分混合，为水合物的生成提供了有利条件；在气液混合器中充分混合的二氧化碳和海水进入水合物生成管道，水合物生成管道中的低温主要由冷却水循环套管中流动的冷却水来控制。水合物生成管道置于海底，海底的低温高压环境促进了水合物的生成，降低了制冷系统的工作负荷，节约了能源，降低了成本。水合物生成管道（24）中的温度控制在2～6℃，通过气液混合物的注入维持水合物生成管道（24）中的压力，其压力维持在1～5MPa，为二氧化碳水合物的生成提供适宜的环境条件，管道内添加水合物促进剂，根据水合物浆液的生成情况，加入适量的水合物生成促进剂，保证水合物以较高的速率生成。含有游离水的水合物浆液通过水合物输送管道首先进入水合物分离分解器，水合物分离分解器安装有压力计，温度计，用来检测罐内的压力与温度。水合物浆液在分离分解反器中逐步分解成二氧化碳气体和淡水。水合物分离分解器内设置一层孔隙较为密集的隔离网，固体状水合物颗粒被保留在隔离网上，游离水流入罐底。分离出来的游离水，即高含盐水直接排入大海或经过处理后排入大海。分离分解器中的水合物在常压高温的环境下自行分解，水合物分离分解器吸收海水换热管道中常温海水热交换释放出来的热量，并在分离分解器底部设置太阳能加热器加热器，使分离分解器内温度维持在20℃，保证罐内水合物的顺利分解。此外，为进一步提高水合物的分解速度，设置加药口，根据水合物的分解情况，适量加入醇类等水合物热力学抑制剂，进一步提高水合物分解速度。水合物分解产生的二氧化碳气返回气液混合器再次参与水合物的生成，实现二氧化碳气体的循环利用，节约了运行成本。由于水合物的分解是一个吸热过程，导致分解出来的淡水温度较低，分离出来的淡水经过淡水输送泵后通过淡水输送管道，首先进入绕在气液混合器外的淡水换热管道实现冷量的收集。淡水输送管道的瞬时流量及累积流量由流量计进行测量。在淡水质量检测口取样检测，质量达标的淡水进入淡水收集罐，或淡水中镁、硼等离子含量超标，则经循环管道进入第二级海水淡化系统再次淡化。

关于第二级气液混合工艺，包括过滤器（52），液体提取泵（53），流量计（54），液体储罐（55），液体输送泵（56），压力计（57），温度计（58），流量计（59），液体输送管道（60），液体换热管道（61），液体配给管道（62），加药口（63），气液混合器（64），液体雾化器（65），储气瓶（66），压缩机（67），压力计（68），温度计（69），流量计（70），进气管道（71），数据采集系统（72）等。由第一级海水淡化系统供给的水质未达标淡水进入液体换热管道（61）释放出热量后进入液体配给管道（62），为了进一步促进水合物生成在气液混合器液相进口前设置一加药口（63），海水经过液体雾化器（65）雾化成小水滴后进入气液混合器（64）；与此同时，储气瓶（66）中的丙烷气体经过压缩机（67）增压后经进气管道（71）进入气液混合器（64），丙烷气体瞬时流量及累积流量由流量计（70）测量，进气管道（71）的运行工况由压力计（68）、温度计（69）进行监测。系统压力、温度等运行参数由数据采集系统（72）收集处理，海水与丙烷气体在气液混合器（64）中充分混合，为水合物的生成提供有利条件。

关于第二级水合物生成及输送工艺，包括气液混合物输送管道（73），水合物生成管道（74），水合物输送管道（75），压力计（76），温度计（77），恒温控制系统（78），冷却水供给管道（79），冷却水循环套管（80），冷却水回水管道（81），高压输送泵（82），数据采集系统（83）等。经过充分混合的丙烷气体和海水经过气液混合物输送管道（73）进入水合物生成管道（74）。水合物的生成需要低温、高压环境，水合物生成管道（74）中的低温主要由冷却水循环套管（80）中流动的冷却水来控制。水合物生成管道置于海底，海底的低温高压环境促进了水合物的生成，降低了制冷系统的工作负荷，节约了能源，降低了成本。水合物生成管道（74）中的温度控制在2～6℃，通过气液混合物的注入维持水合物生成管道（74）中的压力，其压力维持在1～5MPa，为丙烷水合物的生成提供适宜的环境条件。水合物生成管道（73）由连续弯折的管道构成，其直径与水合物输送管道（75）相同，单根水合物生成管道长12m，管道总长度由海水淡化规模决定，通常为96～120m。水合物生成之后，进入水合物输送管道（75），经过高压输送泵（82）进入水合物分离分解器。水合物输送管道采用单层钢管和防腐层组合方式建造而成，钢管规格Φ480×20，材质为16Mn。水合物生成及输送单元运行工况由压力计（76）、温度计（77）等仪表进行监测，系统压力、温度等运行参数由数据采集系统（83）收集处理。

关于第二级水合物分离分解工艺，包括水合物分离分解器（84），压力计（85），温度计（86），太阳能板加热器（88），加药口（87），减压阀（89），压缩机（90），流量计（91），气体输送管道（92），高含盐水输送管道（93），淡水输送泵（94），流量计（95），淡水输送管道（96）、（98），淡水换热管道（97），淡水质量检测口（99），淡水收集罐（100），数据采集系统（101）等。含有游离水的水合物浆液通过水合物输送管道（75）进入水合物分离分解器（84），水合物分离分解器（84）安装有压力计（85），温度计（86），用来检测罐内的压力与温度。水合物分离分解器（84）内设置一层孔隙较为密集的隔离网，固体状水合物颗粒被保留在隔离网上，游离水流入罐底。分离出来的游离水，即高含盐水，通过高含盐水输送管道（93）直接排入大海或经过处理后排入大海。分离分解器（84）中的水合物在常压高温的环境下自行分解，水合物分离分解器（84）吸收海水换热管道（61）中常温海水热交换释放出来的热量，并在分离分解器（84）底部设置太阳能加热器加热器（88），使分离分解器（84）内温度维持在20℃，保证罐内水合物的顺利分解。此外，为进一步提高水合物的分解速度，设置加药口（87），根据水合物的分解情况，适量加入醇类等水合物热力学抑制剂，进一步提高水合物分解速度。水合物分解产生的丙烷气体经过减压阀（89）进入气体输送管道（92），进而返回气液混合器再次参与水合物的生成，实现丙烷气体的循环利用，节约了运行成本。由于水合物的分解是一个吸热过程，导致分解出来的淡水温度较低，分离出来的淡水经过淡水输送泵（96）、（98）后通过淡水输送管道（96）、（98），首先进入绕在气液混合器外的淡水换热管道（97）实现冷量的收集。淡水输送管道的瞬时流量及累积流量由流量计（95）进行测量。进过淡化后的淡水进入淡水收集罐（100）。系统压力、温度等运行参数由数据采集系统（101）收集处理。

第二级海水淡化系统运行过程如下：由第一级海水淡化系统供给的未达标淡水经过配水管道的输送到达绕在水合物分解反应器上的盘管中，与水合物分解反应器中的水合物进行热量交换后，经过注水管道的输送到达安装在气液混合器上部的雾化器中，经过雾化的海水以雾滴的形式喷淋进气液混合器。与此同时，由储气瓶提供的丙烷气体经过压缩机从气液混合器下部的进气口进入气液混合器，与雾化的海水充分混合，为水合物的生成提供了有利条件；在气液混合器中充分混合的丙烷气体和海水进入水合物生成管道，水合物生成管道中的低温主要由冷却水循环套管中流动的冷却水来控制。水合物生成管道置于海底，海底的低温高压环境促进了水合物的生成，降低了制冷系统的工作负荷，节约了能源，降低了成本。水合物生成管道（24）中的温度控制在2～6℃，通过气液混合物的注入维持水合物生成管道中的压力，其压力维持在1～5MPa，为丙烷水合物的生成提供适宜的环境条件，管道内添加水合物促进剂，根据水合物浆液的生成情况，加入适量的水合物生成促进剂，保证水合物以较高的速率生成。含有游离水的水合物浆液通过水合物输送管道首先进入水合物分离分解器，水合物分离分解器安装有压力计，温度计，用来检测罐内的压力与温度。水合物浆液在分离分解反器中逐步分解成丙烷气体和淡水。水合物分离分解器内设置一层孔隙较为密集的隔离网，固体状水合物颗粒被保留在隔离网上，游离水流入罐底。分离出来的游离水，即高含盐水直接排入大海或经过处理后排入大海。分离分解器中的水合物在常压高温的环境下自行分解，水合物分离分解器吸收海水换热管道中常温海水热交换释放出来的热量，并在分离分解器底部设置太阳能加热器加热器，使分离分解器内温度维持在20℃，保证罐内水合物的顺利分解。此外，为进一步提高水合物的分解速度，设置加药口，根据水合物的分解情况，适量加入醇类等水合物热力学抑制剂，进一步提高水合物分解速度。水合物分解产生的丙烷气体返回气液混合器再次参与水合物的生成，实现丙烷气体的循环利用，节约了运行成本。由于水合物的分解是一个吸热过程，导致分解出来的淡水温度较低，分离出来的淡水经过淡水输送泵后通过淡水输送管道，首先进入绕在气液混合器外的淡水换热管道实现冷量的收集。淡水输送管道的瞬时流量及累积流量由流量计进行测量。经过淡化处理后的淡水进入淡水收集罐，并外运。

Claims (6)

1.一种基于水合物法的两级式海水淡化方法，其特征在于它包括以下步骤：

a. 第一级海水淡化系统利用二氧化碳与海水生成二氧化碳水合物，然后分解得到淡水；

1）气液混合步骤：（1）由离心泵从大海中抽出的常温海水经过过滤器去除固体杂质后，进入海水储液罐，然后通过海水输送管道到达绕在水合物分离分解器上的海水换热盘管，将其热量释放后，经过海水配给管道的输送到达安装在气液混合器上部的雾化器中，经过雾化的海水以雾滴的形式喷淋进气液混合器;（2）与此同时，储气瓶中的二氧化碳气体经过压缩机从气液混合器下部的进气口进入气液混合器，与雾化的海水充分混合；

2）水合物生成及输送步骤：（1）水合物生成管道置于海底，利用海底的低温环境促使水合物快速生成;（2）在气液混合器中充分混合的二氧化碳和海水进入水合物生成管道，管道内温度由恒温控制系统提供的冷却水控制在2～6℃，管道内压力为1～5MPa;（3）生成的水合物浆液具有流动性，在气液混合器海水进口前设置一加药口，根据水合物浆液的生成情况，加入适量的水合物生成促进剂，保证水合物以较高的速率生成;（4）在管道内生成的水合物浆液通过水合物输送管道输送到水合物分离分解器，水合物浆液的管内流速控制在1.0～3.5m/s；

3）水合物分离及分解步骤：（1）连续生成的含有高含盐游离水的水合物浆液通过水合物输送管道进入水合物分离分解器，分离出的高含盐水经过处理后排入大海或直接排入大海;

（2）固液分离结束后，水合物开始分解成二氧化碳气体和淡水，释放出的二氧化碳气体经压缩机加压后通过气相循环管道汇入进气管道，并进入气液混合器;（3）水合物分解出的淡水经过绕在气液混合器上的淡水换热盘管与气液混合器进行冷量交换后，经检验合格进入淡水收集罐并外运，如果淡水中镁、硼等离子含量超标，则经循环管道进入第二级海水淡化系统再次淡化;

b. 第二级海水淡化系统利用丙烷与海水生成丙烷水合物，然后分解得到淡水;

1）气液混合步骤：（1）由第一级海水淡化系统供给的水质未达标淡水通过输送管道到达绕在水合物分离分解器上的海水换热盘管，将其热量释放后，输送到安装在气液混合器上部的雾化器中，经过雾化的海水以雾滴的形式喷淋进气液混合器;（2）与此同时，储气瓶中的丙烷气体经过压缩机从气液混合器下部的进气口进入气液混合器，与雾化的未达标淡水充分混合；

2）水合物生成及输送步骤：（1）水合物生成管道置于海底，利用海底的低温环境促使水合物快速生成;（2）在气液混合器中充分混合的丙烷和未达标淡水进入水合物生成管道，管道内温度由恒温控制系统提供的冷却水控制在2～6℃，管道内压力为1～5MPa;（3）生成的水合物浆液具有流动性，在气液混合器海水进口前设置一加药口，根据水合物浆液的生成情况，加入适量的水合物生成促进剂，保证水合物以较高的速率生成;（4）在管道内生成的水合物浆液通过水合物输送管道输送到水合物分离分解器，水合物浆液的管内流速控制在1.0～3.5m/s；

3）水合物分离及分解步骤：（1）连续生成的含有高含盐游离水的水合物浆液通过水合物输送管道进入水合物分离分解器，分离出的高含盐水经过处理后排入大海或直接排入大海;（2）固液分离结束后，水合物开始分解成丙烷气体和淡水，解释放出的丙烷气体经压缩机加压后通过气相循环管道汇入进气管道，并进入气液混合器;（3）水合物分解出的淡水经过绕在气液混合器上的淡水换热盘管与气液混合器进行冷量交换后，进入淡水收集罐并外运；

在各工艺流程中，温度、压力由温度计、压力计监测后输送到计算机数据采集系统进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于水合物分离分解步骤中，在分离分解器底部安装加热器，加热器动力由太阳能提供，通过加热使水合物高效分解。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于水合物分离分解步骤中，在输水泵前设置一加药口，根据水合物的分解情况，加入适量的水合物抑制剂，从而提高水合物的分解速度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当第一级海水淡化系统所生产的淡水质量达标时，无需使用第二级海水淡化装置，为提高海水淡化规模，此时第二级海水淡化系统改用二氧化碳，两级海水淡化系统同时进行海水淡化工作。

5.一种两级式海水淡化装置，包括串联的第一级和第二级海水淡化装置，其特征在于每级淡化装置包括气液供给及其混合单元、气体水合物生成及其输送单元和气体水合物分离分解单元。

6.如权利要求5所述的两级式海水淡化装置，其特征在于，具体部件如下：

（1）第一级海水淡化装置，其中：

气液供给及其混合单元，主要包括数据采集系统(21)，进液通道、进气通道和气液混合装置组成，其中进液通道由过滤器（1），海水提取泵（2），流量计（3）、（8），海水储液罐（4），海水输送泵（5），压力计（6），温度计（7），海水输送管道（9）构成，进气通道由储气瓶（15），压缩机（16），压力计（17），温度计（18），流量计（19），进气管道（20）构成，气液混合装置由海水换热管道（10），海水配给管道（11），加药口（12），气液混合器（13），液体雾化器（14）构成，海水跟气体分别经过进液通道和进气通道汇入气液混合器（13）；数据采集系统（21）通过设置在进液通道和进气通道上的压力计、温度计、流量计实时检测运行工况；

气体水合物生成及其输送单元，主要包括水合物生成及输送通道和恒温控制系统，其中水合物生成及输送通道由气液混合物输送管道（22），水合物生成管道（23），水合物输送管道（24）依次连接构成的通道构成，水合物生成管道（23）上设有压力计（25），温度计（26），数据采集系统（32）通过压力计、温度计实时监测水合物生成及输送单元运行工况，恒温控制系统由恒温水箱（27），冷却水回水管道（28），冷却水循环套管（29），冷却水供给管道（30），高压输送泵（31）构成，水合物生成管道内温度由恒温控制系统提供的冷却水控制在2～6℃，管道内压力为1～5MPa；

气体水合物分离分解单元，主要包括水合物分离分解器（33）、气体释放通道、淡水收集通道，水合物分离分解器（33）上部依次连接减压阀（38），压缩机（39），流量计（40），气体输送管道（41）构成气体释放通道；水合物分离分解器（33）下部连接高含盐水输送管道（42）排放高含盐水或依次连接淡水输送泵（43），流量计（44），淡水输送管道（45）、（47），淡水换热管道（46），淡水质量检测口（48），淡水收集罐（49），次级淡水输送管道（50）构成淡水收集通道；分离分解器（33）上部安装压力计（34），温度计（35）以监测分离分解器内的压力与温度，并由数据采集系统（51）处理分析以保证系统的正常运行；此外，分离分解器（33）设有加药口（36）、太阳能板加热器（37）以保证水合物的快速分解；

（2）第二级海水淡化装置，其中：

气液供给及其混合单元，主要包括数据采集系统（72），进液通道、进气通道和气液混合装置组成，其中进液通道由过滤器（52），海水提取泵（53），流量计（54）、（59），液体储罐（55），液体输送泵（56），压力计（57），温度计（58），液体输送管道（60）构成，进气通道由储气瓶（66），压缩机（67），压力计（68），温度计（69），流量计（70），进气管道（71）构成，气液混合装置由液体换热管道（61），液体配给管道（62），加药口（63），气液混合器（64），液体雾化器（65）构成，液体跟气体分别经过进液通道和进气通道汇入气液混合器（64）；数据采集系统（72）通过设置在进液通道和进气通道上的压力计、温度计、流量计实时检测运行工况；

气体水合物生成及其输送单元，主要包括水合物生成及输送通道和恒温控制系统，其中水合物生成及输送通道由气液混合物输送管道（73），水合物生成管道（74），水合物输送管道(75)依次连接构成的通道构成，水合物生成管道(74)上设有压力计(76)，温度计(77)，数据采集系统(83)通过压力计、温度计实时监测水合物生成及输送单元运行工况，恒温控制系统由恒温水箱(78)，冷却水回水管道(79)，冷却水循环套管(80)，冷却水供给管道(81)，高压输送泵(82)构成，水合物生成管道内温度由恒温控制系统提供的冷却水控制在2～6℃，管道内压力为1～5MPa；

气体水合物分离分解单元，主要包括水合物分离分解器(84)、气体释放通道、淡水收集通道，水合物分离分解器(84)上部依次连接减压阀(89)，压缩机(90)，流量计(91)，气体输送管道(92)构成气体释放通道；水合物分离分解器(84)下部连接高含盐水输送管道(93)排放高含盐水或依次连接淡水输送泵(94)，流量计(95)，淡水输送管道(96)、(98)，淡水换热管道(97)，淡水质量检测口(99)，淡水收集罐(100)构成淡水收集通道；分离分解器(84)上部安装压力计(85)，温度计(86)以监测分离分解器内的压力与温度，并由数据采集系统(101)处理分析以保证系统的正常运行；此外，分离分解器(84)设有加药口(87)、太阳能板加热器(88)以保证水合物的快速分解。

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