CN108779764B - 发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于发电的方法。该方法包括：将含水进料流注入盐层中以溶解其中所含的盐，然后从盐层中提取包含所述溶解的盐的咸水流。该方法还包括：通过穿过渗透动力单元将所述咸水流中存在的潜在渗透能量转换成电能，渗透动力单元包括允许水通过但不允许盐通过的半透膜，其中所述咸水流经过半透膜的一侧，低盐度流经过所述膜的另一侧。该方法还包括：使用源自所述低盐度流的输出流作为含水进料流。

Description

发电方法
技术领域
本发明涉及用于发电的方法。具体而言，本发明涉及由在盐层的水溶采矿中使用的流体流发电，以及用于在水溶采矿过程中收集能量的设备。
背景技术
目前，许多努力都是针对不依赖于化石燃料的新型和可再生能源。
一个这样的研究领域是被称为压力延迟渗透(PRO)的工艺。在这个工艺中，使用半透膜将较低浓度的溶液与较高浓度的溶液分离。该膜通过渗透作用使溶剂从较低浓度的溶液(具有低渗透压)流到较高浓度的溶液(具有高渗透压)，并且由于有限空间的体积增加而导致溶剂所扩散到的膜侧上的压力增加。该压力可用来发电。少数PRO工厂在世界各地运作，这些工厂通常使用盐度差作为渗透的驱动力，通常使用来自河流或湖泊的淡水作为较低浓度溶液的进料流，并且使用海水作为较高浓度的溶液。由HeIfer等人所写的J.Membrane Sci.453(2014)337-358是描述PRO的评论文章。在这些中试规模的工厂中，已经发现该过程由于所达到的功率密度低，所以是不经济的。已经有人提出，大约5W/m2的膜功率密度代表这样一个发电水平，高于该水平PRO可能在经济上是可行的。在实验室之外，通常不可能在河流/海水混合方案中使用现有的膜技术达到这种功率密度水平。
已经进行了许多尝试以利用在渗透过程中在地下地层中发现的能量。WO 2013/164541描述了通过直接渗透发电的方法，其中更高浓度的溶液是“生产用水”，而更低浓度的溶液是淡水或海水。生产用水是在烃生产过程中与烃流分离之后获得的水。WO 2013/164541还提到，从地下地层获得的卤水流(brine stream)可用作较高浓度的溶液。
提供更有效的渗透发电过程是有利的。
虽然转向可再生能源是期望的，但是显然，至少目前化石燃料可能仍然是能源混合的重要部分。因此，仍然需要用于储存此类燃料的储存设施。鉴于最近在美利坚合众国和其它地方发现和广泛开采来自页岩地层的天然气，对于储存天然气尤其如此。
一种已知的天然气储存方法是在地下盐层中例如在地下盐丘或岩盐层中创建大型洞穴。这些洞穴是由称为水溶采矿的过程产生的。通常，水溶采矿包括将大量(新鲜)水向下注入到地下盐层中。然后，由水来溶解盐，并将得到的高浓度咸水(highly saline)或饱和卤水(saturated brine)返回到表面。水溶采矿的洞穴随着时间推移逐渐地缩小，水溶采矿过程可周期性地重复以保持洞穴。应当理解的是，除了产生天然气储存洞穴之外，水溶采矿还有其它应用。例如，水溶采矿可用作提取水溶性矿物质的方法，以用于下游应用。
提供更有效的溶解开采过程是有利的。
发明内容
在一个方面中，本发明提供用于发电的方法，该方法包括以下步骤：
-将含水进料流注入盐层中以溶解其中所含的盐，然后从盐层中提取包含所述溶解的盐的咸水流(saline stream)；和
-通过穿过渗透动力单元将所述咸水流中存在的潜在渗透能量转换成电能，渗透动力单元包括允许水通过但不允许盐通过的半透膜，其中所述咸水流通过所述半透膜的一侧，低盐度流通过所述膜的另一侧；以及
-使用源自所述低盐度流的输出流作为含水进料流。
在另一个方面中，本发明涉及发电系统，该发电系统包括：
液压系统，适于连接到盐层，所述液压系统被布置成向盐层提供含水进料流，并从盐层中提取咸水流；和
渗透动力单元，被布置成使用含水进料流和所述咸水流之间的盐度差通过压力延迟渗透(PRO)发电。
附图说明
图1示出本发明的一个实施例的示意图，其中通过对盐层进行水溶采矿所产生的咸水首先通过渗透动力单元。
图2示出图1的变形，其中使用多个渗透单元。
图3示出图2的变形，其中具有替代性的输入流。
图4示出图3的变形，其中具有替代性的输出流。
图5示出图1的渗透动力单元6。
图6示出使用图1的方法的处理单元。
具体实施方式
本发明的方法可提供改进的水溶采矿(solution-mining)过程和/或改进的发电过程。
本发明的方法使用水溶采矿过程的输入流和输出流之间的盐度差，以通过渗透发电过程从水溶采矿过程产生的咸水流中提取潜在渗透能量。水溶采矿过程的输入流(可称为含水进料流或低盐度进料流)，在进入盐层之前通过渗透动力单元。水溶采矿过程的输出流是咸水流，在离开盐层之后通过渗透动力单元。渗透发电使用高盐度流和低盐度流之间的盐度差。水溶采矿过程的输入流可用作或源自低盐度流。水溶采矿过程的输出流可用作高盐度流或形成高盐度流的来源。以这种方式，水溶采矿过程的输入流可流过包含在渗透动力单元内的半透膜的一侧，而水溶采矿过程的输出流流过另一侧。
在若干方面，使用水溶采矿过程的输入流和输出流之间的盐度差可能是有利的。
由渗透动力单元产生的动力(电力)可全部或部分地用于对水溶采矿过程提供动力。消除或减少水溶采矿过程对外部电能供应的依赖可有助于在更远的位置和/或更多的移动水溶采矿装置进行水溶采矿。在某些情况下，渗透动力单元可产生可在其它地方使用的多余能量。
例如与海水相比，由水溶采矿产生的咸水流提供增加的盐浓度。渗透动力单元的高盐度输入流中增加的盐浓度可允许在压力延迟渗透(PRO)期间增加功率密度。除了由水溶采矿过程的输入流和输出流之间的大的渗透压差提供的增加的功率密度之外，来自水溶采矿的咸水流也可比海水或其它现有技术的高盐度源，具有更低的渗透膜被污染的风险和/或减少所需的预处理量，这是因为来自盐层的咸水流通常与更广泛的环境隔离。因此，将水溶采矿过程和渗透动力单元相结合可产生更有效的渗透发电过程。
水溶采矿过程和渗透发电过程都需要加压的流体流。水溶采矿过程需要注入到盐层中的低盐度进料流和从盐层提取的高盐度输出流的环流。渗透发电过程需要膜的低盐度侧和高盐度侧之间的压力差。将渗透发电过程与水溶采矿过程相结合可减少或消除对用于渗透发电过程的进料流加压的需要，因为所述进料流已经作为水溶采矿过程的一部分被加压，从而提高发电过程的效率。
而且，在渗透发电过程中溶剂穿过膜的转移导致从盐层中提取的咸水流的稀释。这可以有助于废物流的处理，其中例如，出于环境考虑，将防止高盐度流返回到邻近的水体。因此，将水溶采矿过程和渗透动力单元相结合，可以更容易地处理水溶采矿废物。
最终，与单独执行这些过程时相比，本发明结合水溶采矿过程和渗透发电过程的方式可减少消耗的淡水总量。
本发明的方法可使用水溶采矿过程。水溶采矿过程的输入是含水进料流。应当理解，含水进料流的性质必须使得来自盐层的盐溶解到进料流中。含水进料流可注入盐层中以溶解其中包含的盐。水溶采矿过程的输出是包含从盐层中溶解的盐的咸水流。
本发明的方法可使用在渗透发电步骤中从盐层中获得的咸水流。在执行发电步骤之前，咸水流通常经受任何必要的预处理步骤。例如，用于移除固体材料的过滤可能是必要的，其它常规方法也可能是必要的，这取决于流的确切性质。
咸水流的盐含量可以是至多达到饱和度的任何含量。优选地，盐含量为至少10重量％，优选为至少15重量％，优选为至少20重量％，特别是至少25重量％。应当理解，由水溶采矿产生的咸水流可包含多种溶解的盐，其中氯化钠占优势，并且该“盐含量”指的是总盐含量。此类流中存在的盐的确切性质并不重要。类似地，术语高(较高)盐度和低(较低)盐度在本文中用于指具有相应“盐含量”的流，此类流中存在的盐的确切性质并不重要。
盐层可以是盐丘或岩盐层。该盐层可能在地下。可经由一个或多个钻孔进入盐层。可经由钻孔将含水进料流注入盐层中。可经由钻孔从盐层中提取咸水流。进料流和咸水流可以以常规方式注入盐层中并从盐层中提取。
水溶采矿过程可用于产生和/或保持盐层中的盐洞，以用于储存天然气。水溶采矿过程可用于提取用于工业、市政或家庭用途和应用的盐。
渗透发电过程由渗透提供动力，并将潜在渗透能量转换成电能。渗透动力单元是将潜在渗透能量转换成电能的单元。在本发明的方法中可使用任何合适的渗透动力单元。这种单元的关键特征是存在允许水通过但不允许溶解的盐通过的半透膜。这种类膜是可商购的，并且可使用任何合适的膜。此外，可使用新型膜，例如基于包含水通道蛋白的脂质或两亲聚合物基质的膜，水通道蛋白是允许水通过但不允许其它物质通过的蛋白质。此类膜例如描述在WO 2004/011600、WO 2010/091078、US 2011/0046074和WO 2013/043118中。其它新型膜包括基于石墨烯的膜，例如由Cohen-Tanugi等人在Nano Lett.2012,12(7),3602-3608页中和由O’Hern等人在Nano Lett.2014,14(3),1234-1241页中描述的那些膜。可存在多于一个的膜，并且可使用不同类型的膜的组合。因此，渗透动力单元可以包含多于一个的渗透单元，每个渗透单元包含半透膜。除了至少一个膜之外，渗透动力单元包括用于将渗透所产生的压力或流量转换成电能的装置。通常，该装置是连接到发电机的涡轮机，但是可使用任何合适的装置。
除了由水溶采矿过程产生的咸水流之外，渗透发电过程需要进料流，该进料流是具有比从盐层提取的咸水流低的盐度的含水流。这种低盐度流可从任何水源获得，但通常是海水、例如从河流或湖泊获得的淡水或微咸水，或者从工业或市政源获得的废水。当盐层位于海洋、河流或湖泊附近时，根据本发明的方法的经济性可能是特别有利的，所需流的来源和废物流的处理既容易又廉价。在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则“低盐度”应理解为包括零盐度。
因此，渗透发电步骤的初始输入是一个较高盐度流(咸水流)和一个较低盐度流。在通过膜之后，第一流(初始较高盐度)的盐度降低，而第二流(初始较低盐度)的盐度增加。首先经过膜的输出流都具有比原始咸水流低的盐度，并且具有比原始较低盐度流高的盐度——当均衡时，这两个流将具有相等的盐度，但是这不可能在实践中实现。因此，任一输出流均可作为第一流或第二流重新用于第二次经过原始膜，或者作为第一流或第二流通过第二膜。这些重用的流可单独使用，也可与其它输入流合并而使用。来自盐层的咸水流中的高浓度盐可有助于多步渗透发电的使用。取决于每次通过的初始输入流之间的盐度差，每个步骤可具有不同的压力和/或通量设置。以这种方式调节压力和/或通量设置可提高该方法的效率，特别是在多个步骤可与来自盐层的咸水流一起使用的情况下。只要来自渗透单元的流出流具有比低盐度的初始输入流更高的盐度，就可以操作另外的渗透单元。最佳循环次数取决于流的初始含量、膜的效率和选择的流速。
渗透动力单元可以包含多于一个的渗透单元，每个渗透单元包括允许水通过但不允许盐通过的半透膜。每个渗透单元的输出是来自膜的第一(初始较高盐度)侧的第一流出流和来自膜的第二(初始较低盐度)侧的第二流出流。这些流可单独地处理或至少部分地合并。
来自渗透动力单元的输出是一个或多个输出流。取决于渗透动力单元中渗透单元的数量和处理来自每个渗透单元的流出流的方式，这些输出流的性质可以改变。
来自渗透动力单元的至少一个输出流源自原始较低盐度流。该流可具有较高的盐度，但仍然能够溶解盐层中的盐。该流用作注入盐层中的含水进料流。
渗透动力单元的一个输出流可以是废物流。该废物流可具有比源自原始较低盐度流的输出流更高的盐度。(一个或多个)废物流可根据需要被处理，例如通过排放到邻近的海洋、河流或湖泊中。取决于进入邻近水体中的可允许排放浓度，系统中渗透单元的数量可以变化，直到在废物流中获得允许的盐浓度。
本发明方法的效率取决于咸水流的初始温度和压力，也取决于该流所含盐的数量和性质。确定该方法效率的另一个关键特征是半透膜的性能，并且最佳化取决于下面两个因素的组合：可通过膜获得的水通量，和膜可排除盐的效率。如上所述使用多个渗透单元也可以影响整个过程效率。
应当理解，同时执行注入含水进料流、提取咸水流和转换潜在渗透能量的步骤。
本发明可以提供发电系统。该发电系统可以包括液压系统。发电系统可以包括渗透动力单元。发电系统可以安装在移动平台上，例如道路车辆，例如卡车、重型货车(HGV)或类似车辆，或者与这种车辆一起使用的拖车。将包括渗透动力单元和/或液压系统的发电系统安装在移动平台上可有助于在电能供应受限的位置进行水溶采矿。该方法可以包括将安装在移动平台上的发电系统移动到具有地下盐层的第一位置。该方法可以包括在第一位置执行本发明的方法。该方法可以包括：将安装在移动平台上的发电系统移动到具有地下盐层的不同的第二位置，和在第二位置执行本发明的方法。
本发明的设备可以包括水溶采矿系统。该水溶采矿系统可以包括一个或多个泵和控制系统，以及用于执行水溶采矿过程的其它常规装置。水溶采矿系统的至少一部分，例如一个或多个泵和/或控制系统可安装在移动平台上。
在盐层是地下盐层的情况下，渗透动力单元可位于地面之上。渗透动力单元可位于例如安装在移动平台上。
应当理解，本发明的方法可被描述为发电过程，因为渗透动力单元发电。应当理解，产生的电量取决于过程参数而变化。渗透动力单元可提供足够的电能来为水溶采矿过程提供动力并提供多余的电能以用于其它地方，或者仅提供足够的电能来为水溶采矿过程提供动力，或者除了渗透动力单元提供的电能之外，可能需要外部的电能供应来运行水溶采矿过程。
图1示意性地示出本发明的一个示例性实施例。在图1中，从盐层1中提取的咸水流2通过一个或多个预处理步骤3，得到的流4被传送到渗透动力单元6，在渗透动力单元6中使咸水流2在允许水通过但不允许盐通过的半透膜(未示出)的一侧流动。比流2和4的盐度低的含水流7来自水源5(其例如可以是海水、来自河流或湖泊的水或废水)，通过一个或多个预处理步骤8，并且得到的流9被传送到渗透动力单元6，在渗透动力单元6中使流9在半透膜的另一侧流动。在渗透动力单元6内，水从流9经由半透膜流入流4，由于有限空间中体积的增加导致压力增加，并且最终该额外的压力通过未示出的常规装置转换成电能。这种水流将增加初始较低盐度流9的盐度，并降低第二流4的盐度。来自渗透动力单元6的输出形成源自初始较低盐度流(即，流9减去已流经半透膜的水)的含水出口流10和源自咸水流(即，流4加上已流经半透膜的水)的含水出口流11。含水出口流10注入盐层1中，在盐层1中含水出口流10溶解其中包含的盐并随后被提取作为咸水流2。含水出口流11可以被处理到从中提取流7的水源5例如，海洋、河流或湖泊中。替代性地，含水出口流11的一部分或全部可与含水出口流10结合，以插入盐层中。在一些实施例中，含水出口流11可经受进一步的处理步骤，以提取其中包含的盐和/或其它矿物质以用于工业。
图2示出图1的方法的变形的一部分，其中渗透动力单元5包括串联连接的多个渗透单元6a、6b和6c。相同的元件用相同的附图标记表示。这里仅讨论图2实施例中与图1实施例不同的那些元件。每个渗透单元6a、6b和6c包含允许水通过但不允许盐通过的半透膜(未示出)。低盐度流9分支成三个流9a、9b、9c，每个流通向渗透单元6a、6b、6c中不同的一个。原始高咸水流4在第一单元6a的半透膜的一侧流动，而从原始较低盐度流9获得的较低盐度流9a在另一侧流动。如结合图1所讨论的，来自渗透单元6a的输出流10a被注入盐层中，该输出流10a源自较低盐度流9a。来自渗透单元6a的输出流11a具有低于原始输入流4的盐含量，并被供应到第二渗透单元6b，其在第二渗透单元6b中经过半透膜的一侧。从流9获得的相对低盐度水的第二输入流9b在另一侧流动。虽然流11a和9b之间的盐度差小于流4和9a之间的盐度差，但是仍然存在盐度差，并且可通过渗透来发电。如结合图1所讨论的，来自渗透单元6b的输出流10b被注入盐层中，该输出流10b源自较低盐度流9b。来自渗透单元6b的输出流11b具有低于原始输入流4并也低于流11a的盐含量，并被供应到第三渗透单元6c，其在第三渗透单元6c中从相对低盐度水的另一输入流9c经过半透膜的另一侧。虽然流11b和9c之间的盐度差小于流4和9a之间或者流11a和9b之间的盐度差，但是仍然存在盐度差，并且可通过渗透来发电。如结合图1所讨论的，来自渗透单元6c的输出流10c被注入盐层中，该输出流10c源自较低盐度流9c。来自图2的方法的输出流是源自初始较低盐度流9并注入盐层中的含水流出流10a、10b、10c以及源自咸水流4的含水流11c。
图3示出图2的变形，其中相对低盐度水的输入流9a、9b和9c被提供作为单独的输入流7a、7b和7c，每个输入流经历一个或多个预处理步骤8a、8b和8c。
图4示出图3的变形，其中以不同的方式处理输出流。来自渗透单元6a的出口流10a和11a被合并，并且合并的流的至少一部分作为输入流12提供到渗透单元6b。合并的流12具有低于原始输入流4的盐含量，虽然流12和流9b之间的盐度差小于流4和9a之间的盐度差，但是仍然存在盐度差，并且可通过渗透来发电。类似地，来自渗透单元6b的出口流10b和11b被合并，并且合并的流的至少一部分作为输入流13提供到渗透单元6c。
应当理解，图2、图3和图4示出渗透动力单元6，该渗透动力单元6由三个渗透单元6组成，每个渗透单元包含半透膜，但是可使用任何合适数量的单元，该选择由技术和经济因素的组合确定。通常，咸水流1的初始盐度越高，可使用的渗透单元的数量就越多。
图5示出图1的渗透动力单元5的更多细节。从盐层中提取的咸水流20(例如其可以是图1的流2或4)被传送到包含允许水通过但不允许盐通过的半透膜22的渗透单元21，并且在膜22的一侧流动。盐度低于流20的含水流23进入渗透单元21并在膜22的另一侧流动。箭头24示出通过渗透穿过膜22的水传输方向。源自原始输入流23并且现在包含较高浓度盐的输出流25离开渗透单元21。由现在包含较低浓度盐的原始输入流20组成的输出流26经由涡轮机27离开渗透单元21，涡轮机27驱动发电机28从而发电。
图6示出与盐层152一起使用的移动生产单元150的示意图。钻孔153a和153b从表面延伸到位于盐层152内的盐洞154。生产单元150的流出端口156连接到钻孔153a，流入端口157连接到钻孔153b(这些连接在图6中用虚线示出)。移动单元150还包括渗透动力单元158，以及为了清楚起见而未在这里示出的水溶采矿系统的泵和其它元件。移动单元150还包括流入端口162和输出流端口164，两者都连接到水源(未示出)。在移动单元150内，液压系统将渗透动力单元158连接到各种端口，如下所示(在图6中由虚线所示)：流入端口162连接到渗透动力单元的低盐度输入，流出端口164连接到渗透动力单元158的废物输出，流出端口156连接到源自低盐度输入的流的渗透动力单元输出，流入端口157连接到渗透动力单元158的高盐度输入。泵(未示出)位于液压系统上的不同点处，以便沿所需的方向移动流体。
在使用中，低盐度流在泵的作用下，从水源经由端口162吸入渗透动力单元158。在经过膜(未示出)之后，源自低盐度输入的流通过钻孔153a下面的泵经由端口156注入盐洞154中。同时地，在泵的作用下，近乎饱和的咸水流从盐洞154从钻孔153b中抽出，并经由端口157进入处理单元。咸水流从端口157被泵送到渗透动力单元的高盐度输入端。在经过膜(未示出)之后，源自高盐度输入的流通过端口164排出并返回到水源。

Claims (16)

1.一种用于发电的方法，包括以下步骤：
-将含水进料流注入盐层中以溶解其中所含的盐，然后从所述盐层中提取包含溶解的盐的咸水流；和
-通过穿过渗透动力单元，使用压力延迟渗透(PRO)将所述咸水流中存在的潜在渗透能量转换成电能，所述渗透动力单元包括允许水通过但不允许盐通过的半透膜，其中所述咸水流经过所述半透膜的一侧，低盐度流经过所述膜的另一侧；以及
-使用源自所述低盐度流的输出流作为所述含水进料流。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述盐层是盐丘或岩盐层。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中注入所述含水进料流和提取所述咸水流的步骤用于产生或保持所述盐层中的盐洞，以用于储存天然气。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中注入所述含水进料流和提取所述咸水流的步骤用于生产用于工业、市政或家庭用途的盐。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中由所述渗透动力单元产生的电能中的至少一些用于为注入所述含水进料流和提取所述咸水流的方法提供动力。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述渗透动力单元包含多于一个的渗透单元，每个渗透单元包括允许水通过但不允许盐通过的半透膜。
7.如权利要求6所述的方法，其中来自一个渗透单元的输出流用作第二渗透单元的输入流。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述咸水流具有至少10重量％的盐含量。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述咸水流具有至少15重量％的盐含量。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述咸水流具有至少25重量％的盐含量。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述含水进料流是海水、从湖泊河流获得的淡水或微咸水、或者从工业或市政源获得的废水。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述渗透动力单元安装在移动平台上。
13.一种发电系统，包括：
液压系统，适于连接到盐层，所述液压系统被布置成向所述盐层提供含水进料流，并从所述盐层中提取咸水流，和
渗透动力单元，被布置成使用所述含水进料流和所述咸水流之间的盐度差通过压力延迟渗透(PRO)发电。
14.如权利要求13所述的发电系统，其中所述发电系统安装在移动平台上。
15.如权利要求14所述的发电系统，其中所述液压系统适于连接到低盐度水源，所述液压系统布置成从所述水源中提取低盐度流并将所述低盐度流传送到所述渗透动力单元。
16.如权利要求15所述的发电系统，其中所述含水进料流源自所述低盐度流。
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