CN108483543B - 一种水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统，目的在于解决现有蒸馏法制备淡化海水成本较高的问题。其包括储水单元、高压泵、高压动力系统、水压稳定单元、机匣、旋流发生器、供气系统、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组、发电机组、金属颗粒供给系统、蒸馏塔、MVR压缩机，旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内。本发明实现了常温、常压条件下水和金属颗粒可控持续反应，成本低廉，效率高，本发明利用旋流冲压，提高了效率，克服了现有海水淡化系统的缺点。进一步，本发明采用水与金属反应，降低了燃料成本，且对生态环境无污染，且具有较强的适应性和极高的应用价值。本发明设计合理，能适应各种工况，具有较好的应用前景。

Description

一种水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统

技术领域

本发明涉及海水淡化处理领域，具体为一种水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统。

背景技术

我国自上世纪50年代开始海水淡化研究，1967-1969年全国组织海水淡化会战，同时开展电渗析、反渗透和蒸馏等多种海水淡化方法的研究。目前，我国在海水淡化方面已基本掌握了“膜法”和“热法”两大主流技术，海水淡化技术已经成熟，并与国际接轨。其中，日产10 万吨级的海水淡化示范工程开始运作，海水淡化产业正在走出技术瓶颈、市场瓶颈和政策瓶颈的困扰，进入前所未有的战略机遇期。

其中，热法即蒸馏法，是使海水受热汽化，复使蒸汽冷凝，从而得到淡水的方法。其过程实质是从蒸馏塔顶获取有价值的低沸点馏分，浓海水则像热电厂蒸馏塔底排出的高沸点残液。蒸馏法一般与火电厂或与核能等新能源结合，利用低品位蒸汽和现有的廉价电力供应，实现水电联产。蒸馏法生产的淡水含盐量很低（TDS＜5ppm），产水可以作为电厂锅炉补充用水，也可以生产纯净水。但采用蒸馏法制备淡水，存在能耗大、设备费用高，设备、管路易结垢与腐蚀的问题。

膜法即反渗透（RO）膜法，其是上个世纪中期才开始采用的一种膜分离淡化法。其中，反渗透膜只允许溶剂透过，不允许溶质透过、扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程称为渗透；此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加大于海水渗透压的外压，则海水中的纯水将反向渗透至淡水中，此即反渗透海水淡化原理。然而，采用反渗透膜法进行海水淡化，需要解决反渗透膜使用寿命和抗污染的问题，且反渗透膜、高压泵、能量回收装置需定期更换，生产成本较高。

与膜法海水淡化技术相比，蒸馏法具有可利用电厂和其他工厂的低品位热、对原料海水水质要求低、装置的生产能力大等优点，是当前海水淡化的主流技术之一。而如何进一步降低蒸馏法淡化海水的成本，成为迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有蒸馏法制备淡化海水成本较高的问题，提供一种水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统。本发明采用旋流冲压，有效提高了涡轮机组前的温度和速度，使效率增加；采用水与金属反应，降低了燃料成本，且对生态环境无污染；采用高温的混合气体作为进料海水蒸发的热源，降低能源的消耗。本发明实现了常温、常压条件下水和金属颗粒可控持续反应，成本低廉，效率高，采用其作为发电系统的动力源，实现了发电系统的连续、稳定发电。进一步，本发明采用水与金属反应，降低了燃料成本，且对生态环境无污染，且具有较强的适应性和极高的应用价值。本发明构思巧妙，设计合理，并能适应各种工况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统，包括储水单元、高压泵、高压动力系统、水压稳定单元、机匣、旋流发生器、供气系统、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组、发电机组、金属颗粒供给系统、蒸馏塔、MVR压缩机，所述旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内，所述金属颗粒供给系统与燃烧室相连且金属颗粒供给系统能向燃烧室内提供金属颗粒以满足金属颗粒与水在燃烧室内反应的需要；

所述储水单元、高压泵、水压稳定单元、设置在机匣内的旋流发生器依次相连且储水单元内的水经高压泵加压、水压稳定单元稳压后能流入机匣的旋流发生器并产生高速水流，所述高压动力系统与高压泵相连且高压动力系统能够向高压泵输出动力进而带动高压泵高速旋转；

所述旋流发生器、冲压锥体、燃烧室沿机匣轴向依次设置且经旋流发生器流出的流体与空气的混合物依次经冲压锥体作用、燃烧室反应后产生高温高速蒸汽，所述供气系统与机匣相连且供气系统提供的气体与高速水流混合后再流经冲压锥体；

所述涡轮机组与燃烧室相连且燃烧室内产生的高温高速蒸汽能带动涡轮机组转动，所述涡轮机组与发电机组同轴相连且涡轮机组能带动发电机组转动进而发电；

所述MVR压缩机的入口与蒸馏塔的出口相连，所述蒸馏塔的入口、MVR压缩机的出口分别与机匣尾端相连。

所述高压动力系统为柴油机或汽油机或电机中的一种或多种。

所述供气系统为若干个且供气系统均布于机匣上。

所述金属颗粒供给系统为铝粉颗粒供给系统，或镁粉颗粒供给系统，或镁铝混合颗粒供给系统。

所述水压稳定单元包括蓄能器、截止阀，所述储水单元、高压泵、蓄能器、旋流发生器依次相连，所述截止阀设置在蓄能器与旋流发生器之间的管道上且通过截止阀能调节单位时间内进入燃烧室的水流量。

所述高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向不在同一直线上。

所述高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向相垂直。

针对前述问题，本发明提供一种水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统。

其包括储水单元、高压泵、高压动力系统、水压稳定单元、机匣、旋流发生器、供气系统、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组、发电机组、金属颗粒供给系统、蒸馏塔、MVR压缩机，旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内。本发明中，储水单元可以为水池。

其中，储水单元、高压泵、水压稳定单元、设置在机匣内的旋流发生器依次相连，储水单元内的水先经高压泵加压，经高压泵输出的高压水流入水压稳定单元，再流入旋流发生器；高压动力系统与高压泵相连，其用于为高压泵输出动力，进而带动高压泵高速旋转；旋流发生器、冲压锥体、燃烧室沿机匣轴向依次设置在机匣内，旋流发生器、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组依次相连；旋流发生器流出的流体，依次流经冲压锥体、燃烧室。高压水流入旋流发生器后，会产生高速的流体；高压水流入旋流发生器，流出后的部分高速水流与管壁接触产生汽化，根据空化理论，在通入空气作用下，在管壁内高速流动；供气系统与机匣相连，供气系统会提供空气，在高速水流和机匣之间形成空泡，使高速水流与管壁隔离，使得流体在空化条件下在管壁内高速流动。之后，液态水、水蒸气、空气混合后的高速流体通过冲压锥体后温度、压力上升，进入燃烧室内，部分高温、高压、高速水蒸气与燃烧室内的金属颗粒进行反应，放出大量的热，使燃烧室内金属颗粒和水充分反应，部分液态水吸收金属颗粒与水反应放出的热量，转化为水蒸气。燃烧室产生大量的高温高速蒸汽进入涡轮机组中，并带动涡轮机组转动；同时，涡轮机组与发电机组同轴相连，涡轮机组转动时带动发电机组同步运行进而发电，所产生的电能提供给系统源动力以及保证其他装置的正常工作；从涡轮机组后流出的蒸汽进入蒸馏塔，作为海水蒸发的热源，使淡水和海水分离。残余蒸汽经MVR压缩机增压，蒸汽饱和温度相应提高，再输入到蒸馏塔蒸发器管束内，循环利用。

进一步，本发明中高压动力系统可以为柴油机或汽油机或电机中的一种或多种。

作为优选，供气系统为若干个，并均匀分布在机匣上。作为优选，金属颗粒供给系统中的金属颗粒为铝粉或镁粉。

本发明中，水压稳定单元包括蓄能器、截止阀，储水单元、高压泵、蓄能器、旋流发生器依次相连，截止阀设置在蓄能器与旋流发生器之间的管道上。

本申请中，高压泵、蓄能器与机匣里的旋流发生器相连，经高压泵输出的水流入蓄能器，再流入旋流发生器，截止阀在蓄能器与旋流发生器之间的管道上。旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内，供气系统与机匣相连，供气系统为若干个，并均匀分布在机匣上。旋流发生器、冲压锥体、燃烧室、喷管依次设置在机匣的轴线上。金属颗粒供给系统与燃烧室相连，金属颗粒供给系统会供给燃烧室铝粉或镁粉。供气系统会提供空气，形成空泡，使高速水流与管壁隔离，使得流体在空化条件下在管壁内高速流动，进而通过冲压锥体后能够与金属颗粒发生反应。进一步，高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向不在同一直线上；高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向相垂直。

水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统工作时，用高压动力系统带动高压水泵，经高压泵输出的水流入蓄能器，通过调节截止阀调节单位时间内进入燃烧室的水流量。高压水流入旋流发生器，流出后的部分高速水流与管壁接触产生汽化；根据空化理论，在通入空气作用下，流体出现空化，使得流体在空化条件下在管壁内高速流动。高速水流和部分气体的混合流体流经冲压锥体后，压力和温度迅速上升，部分液态水产生汽化。高温的液态水和水蒸气流经冲压体后，进入燃烧室，与金属颗粒进行反应，放出大量的热；此时，水是氧化剂，金属颗粒是燃料。部分液态水吸收金属颗粒与水反应放出的热量，转化为水蒸气，促使燃烧室产生大量的高温高速蒸汽。燃烧室产生大量的高温高速蒸汽，推动涡轮机组，涡轮机组与发电机组同轴相连，涡轮机组依靠蒸汽的膨胀力带动发电机进行发电，产生的电能提供给系统源动力以及保证其他装置的正常工作。从涡轮机组后流出的蒸汽进入蒸馏塔，作为海水蒸发的热源，使淡水和海水分离。残余蒸汽利用MVR（机械蒸汽再压缩），经压缩机增压，蒸汽饱和温度相应提高，再输入到蒸发器管束内，循环利用。

综上所述，本发明提供一种水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统，其利用人工通气空化和旋流冲压，提高了发电效率，克服了现有发电技术所存在的缺陷。本发明中，水反应金属燃料旋流冲压发电系统工作时，用动力机械带动高压水泵，高压水经过旋流发生器，将在管壁内高速流动，根据空化理论，高速运动水流与管壁固体接触表面会产生汽化，同时，将压缩空气采用一定的方式注入管壁内，以保证产生超空化的条件，这样管壁内的流体能够维持高速流动；高速水流和部分汽体的混合流体流经冲压锥体后，压力和温度迅速上升，部分液态水产生汽化；液态水和水蒸气流经冲压体后，进入燃烧室，与固体金属颗粒进行反应，此时水是氧化剂，固体金属颗粒是燃料，燃烧室产生大量的高温高速蒸汽。蒸汽推动涡轮机组，涡轮机组依靠蒸汽的膨胀力带动发电机进行发电，而从涡轮机组后流出的蒸汽进入蒸馏塔，作为海水蒸发的热源，使淡水和海水分离。本发明利用旋流冲压，提高了效率，克服了现有海水淡化系统的缺点；同时，设计合理，具有很好的应用前景。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1）经过旋流冲压产生高压高速的流体，加大与金属粉末的接触面积，加快了反应速率，使涡轮前流体的速度增加，温度升高，可以提高海水淡化的效率；

2）残余的蒸汽被利用后，原来要废弃的蒸汽就得到了充分的利用，回收了潜热，又提高了热效率，减少了对外部加热及冷却资源的需求，降低能耗，减少污染，进行海水淡化；

3）本发明设计合理，具有很好的应用前景。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明中水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统的整体结构示意图。

图2为本发明中水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统的工作过程示意图。

图中标记：1为储水单元，2为高压泵，3为高压动力系统，4为蓄能器，5为截止阀，6为机匣，7为旋流发生器，8为供气系统，9为冲压锥体，10为燃烧室，11为涡轮机组，12为发电机组，13为金属颗粒供给系统，14为蒸馏塔，15为MVR压缩机。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图所示，本实施例的水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统包括储水单元、高压泵、高压动力系统、水压稳定单元、机匣、旋流发生器、供气系统、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组、发电机组、金属颗粒供给系统、蒸馏塔、MVR压缩机，旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内。本实施例中，储水单元采用水池，或进水口，进水管。高压动力系统采用柴油机。

储水单元、高压泵、水压稳定单元、旋流发生器依次相连，储水单元内的水经高压泵加压、水压稳定单元后能流入机匣的旋流发生器，并产生高速水流。高压动力系统与高压泵相连，高压动力系统能够向高压泵输出动力进而带动高压泵高速旋转。旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣的轴线上，经旋流发生器流出的流体与空气的混合物依次经冲压锥体作用、燃烧室反应后产生高温高速蒸汽。供气系统与机匣相连，供气系统提供的气体与高速水流混合后再流经冲压锥体，其也是发生空化的必要条件。

同时，涡轮机组与燃烧室相连，燃烧室内产生的高温高速蒸汽带动涡轮机组转动；涡轮机组与发电机组同轴相连且相匹配，涡轮机组带动发电机组转动，进而发电。MVR压缩机入口与蒸馏塔出口相连，蒸馏塔入口、MVR压缩机出口与机匣尾端相连。

进一步，本实施例中，供气系统为若干个且供气系统均布于机匣上。进一步，本实施例中，金属颗粒供给系统与燃烧室相连，金属颗粒供给系统主要用于向燃烧室内提供金属颗粒，以满足金属颗粒与水在燃烧室内反应的需要。本实施例中，金属颗粒供给系统可以为铝粉颗粒供给系统，或镁粉颗粒供给系统，或镁铝混合颗粒供给系统。

本实施例的海水淡化系统工作时，用动力机械带动高压泵，高压水经过旋流发生器，将在管壁内高速流动，高速运动水流与管壁固体接触表面会产生汽化；同时，根据空化理论，将压缩空气采用一定的方式注入管壁内，以保证产生超空化的条件，这样管壁内的流体能够维持高速流动；高速水流和部分汽体的混合流体流经冲压锥体后，压力和温度迅速上升，部分液态水产生汽化；液态水和水蒸气流经冲压锥体后，进入燃烧室，并与固体金属颗粒进行反应，此时，水是氧化剂，固体金属颗粒是燃料，燃烧室产生大量的高温高速蒸汽。高温高速蒸汽推动涡轮机组，涡轮机组依靠蒸汽的膨胀力带动发电机组进行发电，产生的电能提供给系统源动力以及保证其他装置的正常工作。从涡轮机组后流出的蒸汽进入蒸馏塔，作为海水蒸发的热源，使淡水和海水分离。残余蒸汽利用MVR压缩机增压，蒸汽饱和温度相应提高，再输入到蒸发器管束内，循环利用。

经试验验证，本发明的海水淡化装置能够实现海水的高效淡化，且成本低，运行稳定可靠，能够用于海岛等环境的海水淡化处理，具有较好的效果。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统，其特征在于，包括储水单元、高压泵、高压动力系统、水压稳定单元、机匣、旋流发生器、供气系统、冲压锥体、燃烧室、涡轮机组、发电机组、金属颗粒供给系统、蒸馏塔、MVR压缩机，所述旋流发生器、冲压锥体、燃烧室依次设置在机匣内，所述金属颗粒供给系统与燃烧室相连且金属颗粒供给系统能向燃烧室内提供金属颗粒以满足金属颗粒与水在燃烧室内反应的需要；

所述储水单元、高压泵、水压稳定单元、设置在机匣内的旋流发生器依次相连且储水单元内的水经高压泵加压、水压稳定单元稳压后能流入机匣的旋流发生器并产生高速水流，所述高压动力系统与高压泵相连且高压动力系统能够向高压泵输出动力进而带动高压泵高速旋转；

所述旋流发生器、冲压锥体、燃烧室沿机匣轴向依次设置且经旋流发生器流出的流体与空气的混合物依次经冲压锥体作用、燃烧室反应后产生高温高速蒸汽，所述供气系统与机匣相连且供气系统提供的气体与高速水流混合后再流经冲压锥体；

所述涡轮机组与燃烧室相连且燃烧室内产生的高温高速蒸汽能带动涡轮机组转动，所述涡轮机组与发电机组同轴相连且涡轮机组能带动发电机组转动进而发电；

所述MVR压缩机的入口与蒸馏塔的出口相连，所述蒸馏塔的入口、MVR压缩机的出口分别与机匣尾端相连。

2.根据权利要求1所述水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统，其特征在于，所述高压动力系统为柴油机或汽油机或电机中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统，其特征在于，所述供气系统为若干个且供气系统均布于机匣上。

4.根据权利要求1所述水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统，其特征在于，所述金属颗粒供给系统为铝粉颗粒供给系统，或镁粉颗粒供给系统，或镁铝混合颗粒供给系统。

5.根据权利要求1~4任一项所述水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统，其特征在于，所述水压稳定单元包括蓄能器、截止阀，所述储水单元、高压泵、蓄能器、旋流发生器依次相连，所述截止阀设置在蓄能器与旋流发生器之间的管道上且通过截止阀能调节单位时间内进入燃烧室的水流量。

6.根据权利要求1~4任一项所述水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统，其特征在于，所述高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向不在同一直线上。

7.根据权利要求6所述水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统，其特征在于，所述高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向相垂直。

8.根据权利要求5所述水反应金属燃料旋流冲压海水淡化系统，其特征在于，所述高压泵、水压稳定单元、旋流发生器所在直线与机匣的轴向不在同一直线上。

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