CN106593372B - 一种基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋天然气水合物开采及海水淡化技术领域，提供了一种基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置。包括太阳能加热及发电系统、水合物开采系统、海水淡化系统和天然气、淡水收集系统。通过特制的太阳能板加热海水以及发电，为整个开采过程提供电力支持，热海水通过开采装置注入储层，通过凸点式聚光器、多孔型多级聚光透镜将太阳光聚集、加强并引入开采装置和储层中，利用天然气自身所具有的温室效应进行海水淡化以及对注入水的保温，海水淡化产生的高盐度水会加快水合物的分解。本发明实现了就地取材就地利用，实现了水合物开采与海水淡化技术的完美结合，充分利用了天然气的温室性质及海洋区域丰富的太阳能。
Description
技术领域
本发明属于海洋天然气水合物开采及海水淡化技术领域，具体涉及一种基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置。
背景技术
当今化石燃料日益缺乏，新能源的开发已经成为全世界的研究重点。天然气水合物在世界范围内的分布广泛，储量大，清洁高效，已经得到了世界范围内的重视，尤其以海洋环境的储量最为巨大。目前天然气水合物的开采技术主要包括降压开采法、热激开采法和化学试剂注入开采法。热激开采法效率更高，更容易实现，但至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题。
除了能源问题，水资源的短缺和污染也越来越严重。地球上可饮用的淡水资源储量极少，因此海水淡化技术，作为人类未来生存所必需的技术，在世界范围内都得到了巨大的重视，中国在海水淡化技术领域也取得了巨大的进步。目前已公开的海水淡化技术系统都比较复杂，能耗较高，效率较低。
海洋环境下太阳能、风能、潮汐能等可再生资源含量巨大，尤其是太阳能含量尤为丰富。而天然气水合物开采过程中产生的天然气气是一种温室气体，比二氧化碳的温室效应大25倍以上，是一种可利用率极高的保温性气体。
本发明主要针对热激开采法所存在的缺陷，结合海水淡化技术，利用天然气气体的温室性质及海洋区域丰富的太阳能，提出了一种新的水合物开采以及海水淡化的方法和装置，采用了更为简单有效的方法实现海水淡化效率的提高以及降低能耗的使用。
发明内容
本发明针对目前水合物开采所存在的问题，结合海水淡化技术，利用海洋环境下丰富的太阳能，提供了一种基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置。本发明通过特制的太阳能板发电，为整个开采过程提供电力支持，利用太阳能对海水进行加热，通过特制的开采装置将热水注入水合物储层进行天然气的开采，利用特质的凸点式聚光器、多孔型多级聚光透镜将太阳光聚集、加强并引入开采装置和水合物储层中，利用开采的天然气气自身所具有的温室效应进行海水的淡化以及对注入水的保温，并通过海水淡化多产生的高盐度热海水加快水合物的分解。本发明易于实现，清洁高效无污染，实现了就地取材就地利用以及天然气水合物开采与海水淡化技术的结合，可用于水合物的大规模开采和大规模海水淡水。
本发明的技术方案：
一种基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置，包括太阳能加热及发电系统、水合物开采系统、海水淡化系统、天然气和淡水收集系统；
太阳能加热及发电系统包括电能储集装置1、温度检测及报警装置22、热水储集保温箱23、抽水泵24、加热及发电两用太阳能装置25和注水泵27；开采区赋存的海水通过第一抽水泵24-1注入加热及发电两用太阳能装置25中进行加热，加热到100℃后，通过第一注水泵27-1注入到热水储集保温箱23中，通过温度检测及报警装置22实时检测热水储集保温箱23内的水温，热水储集保温箱23内设有电加热装置，当温度低于设定温度时，自动进行加热；加热及发电两用太阳能装置25具有加热以及发电两用的功能，产生的电能通过电能储集装置1进行储存，并为整个天然气水合物开采过程供电，对于海洋中的风能、潮汐能以及其他能量形式的发电也储存在电能储集装置1中；
水合物开采系统包括水合物开采装置、吸气泵、水气分离装置15、多孔型多级聚光透镜16、单向阀17、凸点式聚光器和注气泵；
水合物开采装置分为真空绝热层18、注水层19和采气层20三部分，注水层19位于水合物开采装置最内侧，采用导热性能材料制成，真空绝热层18位于水合物开采装置最外侧并将其抽真空，真空绝热层18的外壳采用绝缘材料制成，采气层20处于真空绝热层18和注水层19之间；水合物开采装置下设置无规则锯齿形开采头12，无规则锯齿形开采头12用于增大开采面积，使其容易插入天然气水合物储层11，进行深度开采；热水储集保温箱23内加热的海水通过水泵注入水合物开采装置的注水层19中，注水层19上部设有单向阀17，防止水回流影响注水效率，注水层19下部设有圆形带孔喷水头13，使水均匀多方向的注入天然气水合物储层11中，并且加大出水压力；开采产生的天然气通过处于采气层20下部的第一吸气泵14-1加快在采气层20中的流动，并通过与第一吸气泵14-1相连的水气分离装置15去除含杂质的海水，最后通入天然气收集装置4中，在第一吸气泵14-1的作用下，天然气水合物储层11压力降低，进一步促进了水合物的分解；太阳光通过处于采气层20正上方的第一凸点式聚光器21-1进行采集和加强，并将其导入采气层20中，利用等间距分布于采气层20中的多孔型多级聚光透镜16不断向下传递到天然气水合物储层11中，通过射入的太阳光和开采的天然气产生的温室效应对注入的热水进行保温；通过射入天然气水合物储层11的太阳光以及注入的含盐度更高的高温海水两种方式，提高了开采的效率，减少了能耗。
海水淡化系统包括凹形天然气储集箱5、倾斜式循环冷凝管6、倾斜式水汽收集管7、淡水收集箱8、凸点式聚光器21、抽水泵24、排水泵27和盐度检测装置28；将封闭的凹形天然气储集箱5固定于水合物开采装置周围，凹形天然气储集箱5由透明的钢化玻璃制作而成，通过安装在凹形天然气储集箱5上方的多个第二凸点式聚光器21-2将太阳光进一步收集加强并射入到凹形天然气储集箱5中，利用天然气的温室效应所产生的热量来加快凹形天然气储集箱5的凹形槽中海水的蒸发；蒸发的水汽通过安置于凹形天然气储集箱5内腔中的倾斜式水汽收集管7进行收集，倾斜式水汽收集管7下部设有喇叭形收集管9，加大水汽收集面积；包裹在倾斜式水汽收集管7外侧的倾斜式循环冷凝管6通过第二抽水泵24-2和第二排水泵27-2实现温度较低的海水的循环流动，为倾斜式水汽收集管7提供低温环境，实现收集到的水汽的冷凝作用，冷凝水通过自身重力流入淡水收集箱8中；当盐度检测装置28检测到凹形天然气储集箱5的凹形槽中的海水盐度升高至60％以上时，将得到的高浓度盐水通过第三抽水泵24-3抽送至热水储集保温箱23中循环利用。在水合物开采区域周围安置多个海水淡化系统，实现海水淡化的高效大量的收集。
天然气收集系统包括天然气收集装置4，在水合物开采装置周围安装有多个天然气收集装置4，便于利用；在天然气收集装置4和水合物开采装置内部安装有天然气浓度以及温度检测装置，防止杂质的混入以及危险的发生。
本发明的有益效果：解决了天然气水合物开采过程中的能耗问题以及热激法开采时的热量流失问题，实现了就地取材就地利用的水合物以及海水淡化的有效结合，充分利用了太阳能以及天然气自身的性质。为实现天然气水合物的大规模、高效环保节能的开采提供了可行的方法，同时，对于天然气水合物开采方法的后续研究具有重要的意义。
附图说明
图1是基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置的系统示意图。
图2是基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置的水合物开采装置的结构示意图。
图3是一种基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置的海水淡化装置的结构示意图。
图4(a)是基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置的多孔型多级聚光透镜的侧视结构示意图。
图4(b)是基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置的多孔型多级聚光透镜的俯视结构示意图。
图5(a)是基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置的凸点式聚光器的侧视结构示意图。
图5(b)是基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化方法与装置的凸点式聚光器的俯视结构示意图。
图中：1电能储集装置；2风能；3潮汐能；4天然气收集装置；
5凹形天然气储集箱；6倾斜式循环冷凝管；7倾斜式水汽收集管；
8淡水收集箱；9喇叭形收集管；10海水层；11天然气水合物储层；
12无规则锯齿形开采头；13圆形带孔喷水头；14-1第一吸气泵；
14-2第二吸气泵；14-3第三吸气泵；15水气分离装置；
16多孔型多级聚光透镜；17单向阀；18真空绝热层；19注水层；
20采气层；21-1第一凸点式聚光器；21-2第二凸点式聚光器；
22温度监测及报警装置；23热水储集保温箱；24-1第一抽水泵；
24-2第二抽水泵；24-3第三抽水泵；24-4第四抽水泵；
25加热及发电两用太阳能装置；26-1第一控制开关；26-2第二控制开关；
26-3第三控制开关；26-4第四控制开关；26-5第五控制开关；
26-6第六控制开关；26-7第七控制开关；26-8第八控制开关；
26-9第九控制开关；27-1第一排水泵；27-2第二排水泵；28盐度检测装置。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图对本发明作进一步详细的说明。
如图所示所示，按所述的装置结构连接，使用该装置进行天然气水合物开采及海水淡化。
(1)检查：所有开关和泵关闭，保证所有装置、管道不漏水不漏气，保证海洋资源充足。
(2)充水-加热-储存：打开第一控制阀门26-1和第二控制阀门26-2，第一抽水泵24-1自动运转，将海水抽送到加热及发电两用太阳能装置25中，充满后，第一控制阀门26-1和第二控制阀门26-2关闭，都抽水泵24-1自动停止运转。当太阳能装置将水加热到一定温度后，第三控制开关26-3、第四控制开关26-4和第五控制开关26-5打开，第一排水泵27-1打开，将热水收集到热水储集保温箱23中，通过温度监测及报警装置22监控其中的水温，当温度降低时，利用热水储集保温箱23自身的电热加热功能进行保温处理。在此过程中加热及发电两用太阳能装置25以及风能2、潮汐能3产生的电能都储存在电能储集装置1中，为整个开采以及海水淡化过程提供能量。
(3)注水：当热水储集保温箱23储满水时，第六控制阀门26-6自动打开，热水通过注水层19注入水合物储层中，通过圆形带孔喷水头加大出水压力，并且使热水更均匀多方向的注入水合物储层中。
(4)循环：当热水储集保温箱23中水量减少到警戒线后，即完成了一次注水，重复(2)、(3)步骤，进行下一次注水过程，如此循环。
(5)集气-聚光-保温：水合物储层分解产生的天然气流经水气分离装置15后通过采气层20充满水合物开采装置上腔，第七控制阀门26-7自动打开，第一吸气泵14-1和第二吸气泵14-2自动打开，将气体收集到天然气收集装置4中，进行天然气的储存和运输。通过第一多凸点式聚光器21-1和孔型多级聚光透镜16将太阳光进一步汇聚输送到采气层20中直至水合物储层中，利用分解产生的天然气极强的温室效应对注水层19进行有效的保温。
(6)进气-冷凝-收集：第八控制阀门26-8自动打开的同时，第三抽气泵14-3也同时打开，当凹形的天然气储集箱5中充满天然气并达到一定压力时，第二抽水泵24-2、第四抽水泵24-4和第二排水泵27-2同时自动运转，实现冷海水的循环流动以及倾斜式循环冷凝管6的冷凝作用。通过第二凸点式聚光器21-2将太阳光进一步收集加强并射入到凹形的天然气储集箱中，利用天然气的温室效应使凹形的天然气储集箱5的凹槽内保持较高温度。海水在此装置内加快蒸发，产生的水汽通过喇叭形收集管9进入到倾斜式水汽收集管7中，在倾斜式循环冷凝管6的作用下，水汽凝结，并在自重的作用下流入到淡水收集箱8中，将淡水收集。当盐度检测装置28检测到盐度到达60％以上时，第九控制开关24-9和第三抽水泵24-3同时打开，将高盐度海水注入热水储集保温箱23中，利用高盐度海水加快水合物的分解。
Claims (1)
1.一种基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化装置，其特征在于，该基于太阳能技术的天然气水合物开采及海水淡化装置包括太阳能加热及发电系统、水合物开采系统、海水淡化系统、天然气和淡水收集系统；
太阳能加热及发电系统包括电能储集装置(1)、温度检测及报警装置(22)、热水储集保温箱(23)、抽水泵(24)、加热及发电两用太阳能装置(25)和注水泵(27)；开采区赋存的海水通过第一抽水泵(24-1)注入加热及发电两用太阳能装置(25)中进行加热，加热到100℃后，通过第一注水泵(27-1)注入到热水储集保温箱(23)中，通过温度检测及报警装置(22)实时检测热水储集保温箱(23)内的水温，热水储集保温箱(23)内设有电加热装置，当温度低于设定温度时，自动进行加热；加热及发电两用太阳能装置(25)具有加热以及发电两用的功能，产生的电能通过电能储集装置(1)进行储存，并为整个天然气水合物开采过程供电，对于海洋中的风能、潮汐能的发电也储存在电能储集装置(1)中；
水合物开采系统包括水合物开采装置、吸气泵、水气分离装置(15)、多孔型多级聚光透镜(16)、单向阀(17)、凸点式聚光器和注气泵；
水合物开采装置分为真空绝热层(18)、注水层(19)和采气层(20)三部分，注水层(19)位于水合物开采装置最内侧，采用导热性能材料制成，真空绝热层(18)位于水合物开采装置最外侧并将其抽真空，真空绝热层(18)的外壳采用绝缘材料制成，采气层(20)处于真空绝热层(18)和注水层(19)之间；水合物开采装置下设置无规则锯齿形开采头(12)，无规则锯齿形开采头(12)用于增大开采面积，使其容易插入天然气水合物储层(11)，进行深度开采；热水储集保温箱(23)内加热的海水通过水泵注入水合物开采装置的注水层(19)中，注水层(19)上部设有单向阀(17)，防止水回流影响注水效率，注水层(19)下部设有圆形带孔喷水头(13)，使水均匀多方向的注入天然气水合物储层(11)中，并且加大出水压力；开采产生的天然气通过处于采气层(20)下部的第一吸气泵(14-1)加快在采气层(20)中的流动，并通过与第一吸气泵(14-1)相连的水气分离装置(15)去除含杂质的海水，最后通入天然气收集装置(4)中，在第一吸气泵(14-1)的作用下，天然气水合物储层(11)压力降低，进一步促进了水合物的分解；太阳光通过处于采气层(20)正上方的第一凸点式聚光器(21-1)进行采集和加强，并将其导入采气层(20)中，利用等间距分布于采气层(20)中的多孔型多级聚光透镜(16)不断向下传递到天然气水合物储层(11)中，通过射入的太阳光和开采的天然气产生的温室效应对注入的热水进行保温；通过射入天然气水合物储层(11)的太阳光以及注入的含盐度更高的高温海水两种方式，提高了开采的效率，减少了能耗；
海水淡化系统包括凹形天然气储集箱(5)、倾斜式循环冷凝管(6)、倾斜式水汽收集管(7)、淡水收集箱(8)、凸点式聚光器(21)、抽水泵(24)、排水泵(27)和盐度检测装置(28)；将封闭的凹形天然气储集箱(5)固定于水合物开采装置周围，凹形天然气储集箱(5)由透明的钢化玻璃制作而成，通过安装在凹形天然气储集箱(5)上方的多个第二凸点式聚光器(21-2)将太阳光进一步收集加强并射入到凹形天然气储集箱(5)中，利用天然气的温室效应所产生的热量来加快凹形天然气储集箱(5)的凹形槽中海水的蒸发；蒸发的水汽通过安置于凹形天然气储集箱(5)内腔中的倾斜式水汽收集管(7)进行收集，倾斜式水汽收集管(7)下部设有喇叭形收集管(9)，加大水汽收集面积；包裹在倾斜式水汽收集管(7)外侧的倾斜式循环冷凝管(6)通过第二抽水泵(24-2)和第二排水泵(27-2)实现温度较低的海水的循环流动，为倾斜式水汽收集管(7)提供低温环境，实现收集到的水汽的冷凝作用，冷凝水通过自身重力流入淡水收集箱(8)中；当盐度检测装置(28)检测到凹形天然气储集箱(5)的凹形槽中的海水盐度升高至60％以上时，将得到的高浓度盐水通过第三抽水泵(24-3)抽送至热水储集保温箱(23)中循环利用；在水合物开采区域周围安置多个海水淡化系统，实现海水淡化的高效大量的收集；
天然气收集系统包括天然气收集装置(4)，在水合物开采装置周围安装有多个天然气收集装置(4)，便于利用；在天然气收集装置(4)和水合物开采装置内部安装有天然气浓度以及温度检测装置，防止杂质的混入以及危险的发生。
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