CN106458641B - 淡化系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用蓄水池的系统和方法，所述蓄水池专门设计用于淡化海水。本发明使得可在低压下蒸发海水并冷凝所得蒸汽。由所述淡化操作产生的海内排放物具有低盐浓度。本发明的系统和方法可用于循环利用淡化海水的能量、甚至是难以循环利用的能量，或可结合其他淡化技术，例如MSF蒸发或MED蒸馏。

Description

淡化系统和方法

技术领域

海水淡化。

背景技术

淡化海水的系统和方法为人们所熟知，并且实际上使用所述系统和方法的数千种淡化装置已在世界范围内投入使用。所采用的主要系统和方法为膜式(基本上为反渗透(RO))和蒸发式(基本上为多级闪蒸(MSF)和多效蒸馏(MED))。存在与这两种系统和方法可能相关或可能不相关的其他技术，例如电气技术、化学技术、冷冻技术或"可再生能源"技术。根据本发明的系统和方法的优点与这些方法中的大多数兼容，但本发明不同于现有的系统和方法。

发明内容

根据本发明的系统和方法的特征在于良好密封的蓄水池的构造和利用。此蓄水池的壁、顶部和任何支柱必须具有承受置于其上的大量负载的必要强度。如果待淡化的水是海水，则蓄水池必须位于海边。所用构造材料必须与海水相容。蓄水池的基部的表面积取决于待产生的淡化水的量，并且仅受土木工程约束条件的限制。蓄水池仅以下述两种方式与外部连通：(1)第一连通方式是经由设置在池顶的装置，所述装置允许整个蓄水池被海水灌注并且所述装置随后关闭以使得蓄水池被良好密封；(2)蓄水池还通过设置在海平面以下的一个或多个开口与海连通。在灌注蓄水池时，这些开口必须被气密密封(借助于控制系统)。在灌注后，这些开口逐渐打开，从而使蓄水池内的海水与海内的水连通。使蓄水池的海水与海内的水连通的简单解决方案之一是在构造期间使蓄水池的基部的水平低于海平面，并且使蓄水池的正面上的这些开口低于海平面。蓄水池的顶部在海平面以上。

现有必要规定蓄水池的顶部将要设置的海拔高度。以下实例将便于此高度的设定：这种类型的蓄水池(高度为海平面以上13米)被海水灌注并且气密密封。然后，蓄水池的海水与海内的水之间连通的(多个)开口逐渐打开。蓄水池中的水位将降低并且将稳定在海平面以上的高度h。考虑3个点。第一点A设置在海内的水平面上。第二点B与A设置在相同的水平面上，但在蓄水池的内部。第三点C设置在蓄水池内的水平面上。点A是露天的，因此处于大气压力(指定为P_a)。假定蓄水池外部的海水和蓄水池中的海水连通，则与点A位于相同水平面处的点B处的压力将等于大气压力。由于在使海内的水与蓄水池的海水连通时蓄水池被灌满，因此点C处存在的压力为在蓄水池中的海水温度下由饱和蒸汽所产生的压力(指定为P_s)。根据流体静力学的基本原理，点B和点C之间的压力差为P_a-P_s＝ρgh，其中ρ为海水的密度，h为点C和点B之间的水平面差值，g为当地重力加速度(大约9.8m/s/s)。可得出h＝(P_a-P_s)/pg，并且h的值为大约9.5至10米。其显然与选择用于示例目的的13m无关，如上式中所示。蓄水池的顶部的海平面以上的高度应等于此高度h加上分配给处理蓄水池中产生的水蒸汽所需的空间的附加高度。

然后足以使用适于对这种蒸汽进行冷凝的系统来经由与闪蒸馏系统相当的系统获得淡化水：水蒸汽的冷凝形成压降并且将来自蓄水池表面的水朝向海去除，将蓄水池表面的水的温度维持在海内的水的温度。因此"闪蒸"现象得以维持。可通过下述方式获得相同的结果：将冷凝操作代替为连续去除位于蓄水池的海水上方的蒸汽的一部分，同时对来自蓄水池表面的水的排空保持不变。去除的蒸汽将随后在蓄水池的外部冷凝，从而获得淡化水。蒸汽的冷凝速率或所述蒸汽的去除速率形成"非平衡容限"。此目的是在待淡化的水的量与其品质(应避免排出连同"蒸馏的"水蒸汽的盐水滴)之间实现折衷。从蓄水池表面排放的一吨水每度温降所释放的能量为：

E＝m C_pΔt，

其中m为去除的水的重量(此处为1000kg)，C_p为去除的海水在恒压下的比热(其等于约4.2千焦/千克/摄氏度)，Δt等于去除的水的温降(此处为Δt为1摄氏度)。此能量损耗取决于海水的盐浓度和温度，并且在这种情况下为约420万焦耳。水在此温度下的汽化潜热等于约240万焦耳，420万焦耳释放约1.75kg蒸汽。可根据已公布的表格来计算或绘制作为各种不同参数(例如可被处理的海水的温度或盐浓度)的函数的p、C_p和汽化潜热的精确值。

将来自蓄水池表面的一吨水朝向海去除仅需少量的能量，因为这样做时，势能被转换成压能(当其转回大气压力时，水将具有所述压能)。在水从蓄水池表面的水平向海转移期间，仅需补偿摩擦能(由于水的粘度所致)。

为了限制可被水蒸汽夹带的海水滴的存在，必须限制从蓄水池的水面去除水蒸汽的速度。此速度的容许值通常为每秒数米。通过限制由来自蓄水池的水蒸汽的冷凝而导致的压降来获得此结果。安装金属网格(Demister)将致使可被蒸汽夹带的盐水滴得以保持。另一方面，应该指出的是，从蓄水池朝向海去除的水的盐分浓度的增加与在其他淡化系统和方法中所历经的增加相比非常低。本发明的淡化方法非常环保。

可通过加入一个或多个叠置的低高度(大约40cm)的水槽来增加蓄水池中处理的水量，所述水槽在蓄水池的内部、高于蓄水池中的水的表面并且与所述表面平行。蓄水池内部的海水(其温度为海内的水的温度)被泵送到这些水槽中。每个水槽中的冷凝系统使水蒸汽冷凝。这些水槽中的水朝向海连续地去除。对于相同的蓄水池覆盖面积而言，水槽的堆叠增加淡化水的量，所述淡化水的量与层级数量成比例。可以前述情况相同的方式去除水蒸汽。

还可加入操作方式与第一蓄水池相同的第二蓄水池。向此第二蓄水池供给通过尺寸足够的泵和管道从海内部供应的海水。海内部的进水点处于海平面以下的深度Z。进水点的深度越深，海水的温度越低，压力越高。向蓄水池供水无需大量的能量，因为随深度减小而减小的压能被转换成势能。泵所消耗的能量用于补偿管道中由于水的粘度导致的摩擦而损耗的能量。

因此，提供两个蓄水池：第一蓄水池，其中温度为位置邻近蓄水池的海内的水的温度，所述水用于供给所述蓄水池；和第二蓄水池，其中水处于较低温度。可通过设定进水点的深度Z来选择此温度。在这种情况下，来自第二蓄水池的冷水用于冷凝第一蓄水池的水蒸汽。这可通过若干方式来实现。这两个蓄水池可通过防漏管道来连接，所述防漏管道将用于以与MSF或MED蒸馏中所用方案类似的方案进行冷凝。例如，如果将冷水注入设置在包含第一蓄水池的水蒸汽的空间中的管道，则所述蒸汽的一部分会冷凝，并且如此冷凝的水可通入用于收集其的蓄水池。来自第二蓄水池的冷水排放到海中；在此操作期间，此冷水的温度已升高。

如果面朝蓄水池与海的连通开口的海平面的大的波动将会妨碍淡化操作，则可对此海平面进行稳定。为此，可向海中加入提供闭合围堵空间的壁，所述壁面朝蓄水池与海之间的连通开口。还可加入海水处理系统以对进入这些围堵空间并进入以供给(多个)蓄水池的水进行处理；此处理系统可安装在所述壁本身内。

采用本发明进行海水淡化的投资成本和操作成本显著低于所有其他所用方法的成本。此类设施几乎无需维护，但当需要维护时，可由水下作业人员进行，维护方式使得不会中断设施操作，并且特别是使得蓄水池无需排空和重新灌注。

Claims (15)

1.一种海水淡化方法，其包括：

-在海边提供密封的蓄水池，所述密封的蓄水池包括设置在池顶的灌注装置以及设置在海平面以下并且与海连通的一个或多个开口；

-通过所述灌注装置来用海水灌注所述蓄水池，其中所述开口被气密密封，然后关闭所述灌注装置以使所述蓄水池密封；

-逐渐打开所述开口，从而使所述蓄水池内的水与海内的水连通，由此，所述蓄水池中的水位将降低并且将稳定在海平面以上的高度h，由此，在蓄水池中高于所述高度h处产生蒸汽，并且由此，所述蓄水池的顶部将具有的海拔高度等于高度h加上处理所述蓄水池中所产生的水蒸汽所需的附加高度；

-冷凝所产生的水蒸汽，从而获得淡化水；和

-将来自所述蓄水池的表面的水朝向海去除，以便将所述蓄水池的所述表面处的水的温度维持在所述海内的水的温度，从而实际上维持"闪蒸"现象。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述蓄水池的基部设置在海平面以下，其中所述开口设置在面朝海的所述蓄水池的正面上，在海平面以下。

3.根据权利要求1或2所述的方法，所述水蒸汽的一部分从所述蓄水池连续地去除，然后在所述蓄水池外部冷凝。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述蓄水池的内部提供一个或多个叠置的水槽，所述水槽高于水的表面并且与所述表面平行，由此，将来自所述蓄水池内部的海水泵送到所述水槽中，并且将所述水槽中的水朝向海连续地去除，由此，所述水蒸汽在每个水槽中冷凝。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述蓄水池为第一蓄水池，并且所述方法还包括：

-从处于海平面以下的深度Z处的海内部的进水点向作用方式与所述第一蓄水池相同的第二蓄水池供给海水，所述供给通过泵和管道进行，其中所述第二蓄水池中的水的温度低于所述第一蓄水池中的水的温度，由此，所述第二蓄水池中的水用于冷凝所述第一蓄水池中的所述水蒸汽，并且由此，将在所述冷凝期间历经升温的来自所述第二蓄水池的水去除到海中；

其中，将来自所述第二蓄水池的水注入设置在其中设置有所述第一蓄水池的所述水蒸汽的空间中的管道，以冷凝所述水蒸汽的一部分并将冷凝水通入用于收集所述水的蓄水池。

6.根据权利要求1所述的方法，其中面朝所述蓄水池的开口的海平面通过提供闭合围堵空间的壁来稳定，并且其中提供处理系统，所述处理系统设置在围堵壁中，用于对进入所述围堵空间并用于供给所述蓄水池的海水进行处理。

7.根据权利要求1所述的方法，其包括循环利用由其他设施所提供的能量，其中经由横穿所述蓄水池的管道向所述蓄水池中注入热量，并且对所述蓄水池的已被加热的水的蒸馏经由配备冷凝器的连续水槽系统实现。

8.根据权利要求1所述的方法，其还包括通过多级闪蒸或多效蒸馏来进行淡化。

9.一种海水淡化系统，其包括：

-设置在海边的密封的蓄水池，其包括设置在池顶的灌注装置以及设置在海平面以下并且与海连通的一个或多个开口，所述灌注装置被配置成允许所述蓄水池用海水灌注，然后所述开口被气密密封；

-控制系统，其被配置成在灌注所述蓄水池期间关闭所述开口，接着在所述灌注之后逐渐打开所述开口，从而使所述蓄水池中容纳的水与海内的水连通，所述蓄水池中的水位降低并且将稳定在海平面以上的高度h，由此，水蒸汽在所述蓄水池中高于所述高度h处产生，并且由此，所述蓄水池本身的顶部具有的海拔高度等于高度h加上分配给处理所述蓄水池中所产生的所述水蒸汽所需的空间的附加高度；

-对所述蓄水池中产生的所述水蒸汽进行冷凝的系统，从而允许产生淡化水；和

-用于将来自所述蓄水池的表面的水去除到海中的系统，以便将所述蓄水池的所述表面处的水的温度维持在所述海内的水的温度，从而维持"闪蒸"现象。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述蓄水池的基部设置在海平面以下，其中所述开口设置在面朝海的所述蓄水池的正面上，在海平面以下。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其包括用于连续地去除所述蓄水池的所述水蒸汽的一部分并且用于冷凝所述蓄水池外部的所述水蒸汽的装置。

12.根据权利要求9所述的系统，其包括在所述蓄水池内部叠置的一个或多个水槽，所述水槽高于水的表面并且与所述表面平行，并且还包括这样的系统，其用于将海水从所述蓄水池的内部朝向所述水槽泵送，将来自所述水槽的水朝向海连续地去除，并且对每个所述水槽中的水蒸汽进行冷凝。

13.根据权利要求9所述的系统，其中所述蓄水池为第一蓄水池，并且所述系统还包括：

-作用方式与所述第一蓄水池相同的第二蓄水池，通过泵和管道从处于海平面以下的深度Z处的海内部的进水点向所述第二蓄水池供给海水，其中所述第二蓄水池中的水的温度低于所述第一蓄水池中的水的温度，用于冷凝所述第一蓄水池的水蒸汽的系统使用来自所述第二蓄水池的水；

-用于朝向海去除来自所述第二蓄水池的水的系统，来自所述第二蓄水池的所述水的温度在所述冷凝期间已升高；

并且所述系统包括：

-管道，所述管道设置在其中设置有所述第一蓄水池的所述水蒸汽的空间中，其中将来自所述第二蓄水池的水注入所述管道以冷凝所述水蒸汽的一部分并将冷凝水通入用于收集其的蓄水池。

14.根据权利要求9所述的系统，其包括：

-壁，其提供面朝所述蓄水池的所述开口的闭合围堵空间，以用于稳定海平面；和

-处理系统，所述处理系统设置在围堵壁中，用于对进入所述围堵空间并且供给所述蓄水池的海水进行处理。

15.根据权利要求9所述的系统，其包括：

-装置，其用于循环利用其他设施所提供的能量，并且用于通过横穿所述蓄水池的管道向所述蓄水池中注入热量，由此，所述装置经由配备冷凝器的连续水槽系统对所述蓄水池的已被加热的水进行蒸馏。