CN108821391A - 一种无预处理工艺的膜法海水淡化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无预处理工艺的膜法海水淡化系统，包括：反渗透子系统，用于入口盐水分离为淡水和浓盐水；压力阻尼渗透和热膜渗透子系统，用于对反渗透子系统出口的浓盐水进行补水升温，返回反渗透子系统的入口，实现梯级补水循环；有机朗肯循环子系统，用于向压力阻尼渗透和热膜渗透子系统提供交换热量；压力阻尼渗透和热膜渗透子系统包括正渗透膜元件、多孔膜元件和深海海水引入机构，反渗透子系统、正渗透膜元件、多孔膜元件、有机朗肯循环子系统依次连接，深海海水引入机构与正渗透膜元件连接，多孔膜元件出口处设有盐度与水温测点。与现有技术相比，本发明对反渗透子系统出口浓盐水进行梯级补水，实现浓盐水循环再利用，降低了投资运行成本。
Description
技术领域
本发明属于海水淡化技术领域，涉及一种膜法海水淡化系统，尤其是涉及一种无预处理工艺的膜法海水淡化系统。
背景技术
淡水是人类生存不可缺少的重要资源之一，据水利部统计，中国的14个沿海开放城市中有9个严重缺乏淡水资源，海水淡化已然成为解决沿海城市淡水资源缺乏的重要技术。现阶段海水淡化技术主要分为蒸馏法、电渗析法和膜法，膜法海水淡化技术以其低能耗、连续稳定运行、占地面积小等优势成为了现今海水淡化技术的主流。
尽管膜法海水淡化技术相较于其它海水淡化方法展现出优势，但仍有许多问题亟待解决。第一、造水成本高。主要运行成本集中在水泵耗电、预处理化学试剂以及反渗透膜的更换费用上，特别是反渗透系统中的高压泵电耗，另外，随着产水水质要求的提高，进口海水预处理工艺要求逐渐提升，为了延长反渗透膜的使用寿命，进口海水还需保持一定的温度，这也间接提高了造水成本。第二、环保压力巨大。预处理污泥和含有化学试剂且具有一定温度的浓盐水长期直接排放，使周边海域动植物生存受到影响，出台相关环保政策已成必然趋势。第三、初期投资成本高。高固定成本致使投资回报周期延长，企业现金流压力增加。
中国专利CN102249459B提出一种海水淡化系统，采用二级反渗透系统虽然增加了造水比、提高了运行效率、减少了运行成本，但由混凝剂加药装置、沉砂池、杀菌剂加药装置、把水从沉砂池提升到多介质过滤器的水泵、多介质过滤器、自清洗过滤器、超滤设备组成的庞大预处理流程使系统初期投资成本过高，且没有考虑到所排污染物的处理问题。中国专利CN104692492B提出一种基于有机朗肯循环的反渗透海水淡化装置，虽然能够减少高压泵电耗同时使水温维持在38℃-45℃，但仅对海水淡化中间部分进行了技术改进，没有考虑到前期预处理过程和后期排放问题，不能视为一个完整的海水淡化系统。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低成本、少排放、稳定运行的膜法海水淡化系统，可以免去造价昂贵、流程复杂、占地面积大的预处理工艺，同时减少能耗与排放。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种无预处理工艺的膜法海水淡化系统，包括：
反渗透子系统，用于入口盐水分离为淡水和浓盐水；
压力阻尼渗透和热膜渗透子系统，用于对反渗透子系统出口的浓盐水进行补水升温，返回反渗透子系统的入口，实现梯级补水循环；
有机朗肯循环子系统，用于向压力阻尼渗透和热膜渗透子系统提供交换热量；
所述压力阻尼渗透和热膜渗透子系统包括正渗透膜元件、多孔膜元件和深海海水引入机构，所述反渗透子系统、正渗透膜元件、多孔膜元件、有机朗肯循环子系统依次连接，所述深海海水引入机构与正渗透膜元件连接，所述多孔膜元件出口处设有盐度与水温测点。
进一步地，所述深海海水引入机构包括相连接的过滤器和海水原水升压泵，过滤器与正渗透膜元件连接，深海海水通过海水原水升压泵和过滤器引入正渗透膜元件中。
进一步地，所述深海海水引自海平面以下15-35米。
进一步地，所述多孔膜元件连接有旁路阀门。
进一步地，所述反渗透子系统包括配水阀门、高压泵、反渗透膜元件、压力交换器和逆止阀，所述配水阀门、高压泵、反渗透膜元件依次连接，所述压力交换器一入口与反渗透膜元件入口连接，另一入口与压力阻尼渗透和热膜渗透子系统出口连接，压力交换器一出口通过逆止阀与压力阻尼渗透和热膜渗透子系统入口连接，另一出口与反渗透膜元件出口连接，所述配水阀门与循环水源连接。
进一步地，所述压力交换器的出口通过一补压泵与反渗透膜元件出口连接。
进一步地，所述循环水源为温度30℃，且含有杀菌剂和阻垢剂的人工调配盐水。
进一步地，所述有机朗肯循环子系统包括蒸发器、膨胀机、凝汽器、工质泵、热水泵和低温热源，所述低温热源依次连接热水泵、蒸发器和压力阻尼渗透和热膜渗透子系统，实现升温，所述蒸发器、膨胀机、凝汽器、工质泵依次连接形成工质回路，该工质回路中流通有有机工质。
进一步地，所述反渗透子系统为多级反渗透结构。
进一步地，所述反渗透子系统的净水效率大于50％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、通过加入压力阻尼渗透和热膜渗透子系统，实现了反渗透子系统出口浓盐水再循环，无需源源不断地提供高品质海水，仅需在设备启动前注入人工调配的高品质盐水，故可将海水预处理系统整体去除，降低了投资和运行维护成本；
2、压力阻尼渗透和热膜渗透过程存在水分子交换，在管道大小保持不变且安装有止回阀的情况下将产生向高压泵一侧的压力，从而减少高压泵耗能，因此可选择更低扬程的高压泵，进而减少投资和运行成本；
3、由于现有技术中反渗透系统出口浓盐水往往直接排入海中，其含有预处理过程加入的化学药品，盐度高，温度也高于海水表面温度，对水生生物造成危害，预处理过程产生的污泥也难以处理，本发明通过加入梯级补水循环，使浓盐水和污泥的排放量大幅减少，达到环境友好的目的；
4、为增加反渗透膜使用寿命，进口海水需维持一定温度，现有技术多采用浅海取水以降低加温能耗，但浅海海水悬浮杂质和微生物含量大，使预处理污泥排放量大幅增加，也使预处理设备寿命缩短；本发明采用深海取水，微生物与悬浮杂质含量减少90％以上，做简单过滤处理后便可用于压力阻尼渗透系统补水操作，有利于增加正渗透膜元件使用寿命；
5、虽然深海取水水质极好，但水温较低，仅为2℃-5℃，故采用热膜渗透系统作二级补水，补水的同时也提升了水温，使循环水在进入反渗透膜组件时保持最佳温度，在循环水温度过低时，热源可绕开蒸发器直接进入热膜渗透系统。
附图说明
图1是本发明膜法海水淡化系统的结构示意图；
图2是本发明压力阻尼渗透和热膜渗透子系统结构示意图；
图3是本发明压力阻尼渗透原理图；
图4是本发明热膜渗透原理图；
图5是本发明循环水流程图。
图中：1.反渗透子系统，2.压力阻尼渗透和热膜渗透子系统，3.有机朗肯循环子系统，101.高压泵，102.高压盐水管路，103.补压泵，104.反渗透膜元件，105.高压浓盐水管路，106.压力交换器，107.淡水管路，108.低压浓盐水管路，109.逆止阀，110.配水阀门，111.循环水源，201.盐度与水温测点，202.低压盐水管路，203.低压盐水旁路，204.旁路阀门，205.压力阻尼渗透出口盐水管路，206.排水管路，207.正渗透膜元件，208.过滤深海海水管路，209.过滤器，210.海水原水升压泵，211.深海海水，212.热膜渗透热流体出口管路，213.多孔膜元件，214.低温热水管路，301.低温热源，302.热水泵，303.蒸发器，304.工质泵，305.有机工质，306.凝汽器，307.膨胀机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供一种无预处理工艺的膜法海水淡化系统，包括反渗透子系统1、压力阻尼渗透和热膜渗透子系统2和有机朗肯循环子系统3，其中，反渗透子系统1用于入口盐水分离为淡水和浓盐水，压力阻尼渗透和热膜渗透子系统2用于对反渗透子系统1出口的浓盐水进行补水升温，返回反渗透子系统1的入口，实现梯级补水循环，有机朗肯循环子系统3用于向压力阻尼渗透和热膜渗透子系统2提供交换热量。该系统利用压力阻尼渗透与热膜渗透技术使反渗透子系统出口浓盐水得以重复利用，从而免去造价昂贵、流程复杂、占地面积大的预处理工艺，同时减少能耗与排放。
反渗透子系统1包括配水阀门110、高压泵101、反渗透膜元件104、压力交换器106和逆止阀109，配水阀门110连接有循环水源111，循环水源111、配水阀门110、高压泵101、反渗透膜元件104依次连接，压力交换器106一入口通过高压浓盐水管路105与反渗透膜元件104入口连接，另一入口与压力阻尼渗透和热膜渗透子系统2出口连接，压力交换器106一出口通过低压浓盐水管路108和逆止阀109与压力阻尼渗透和热膜渗透子系统2入口连接，另一出口与反渗透膜元件104出口连接。
在某些实施例中，压力交换器106转换效率为97％，其出口通过一补压泵103与反渗透膜元件104出口连接，防止水循环倒流。压力交换器106耗能为92.4kJ/s；反渗透子系统出口浓盐水浓度根据其级数不同而变化，但应保证其浓度高于反渗透子系统进口水浓度的两倍以上，即反渗透子系统1净水效率大于50％。
在某些实施例中，循环水源111为温度30℃，且含有杀菌剂和阻垢剂的人工调配盐水。
在某些实施例中，反渗透子系统1可为多级反渗透结构。
如图2所示，压力阻尼渗透和热膜渗透子系统2包括正渗透膜元件207、多孔膜元件213和深海海水引入机构，正渗透膜元件207一入口与反渗透子系统1的逆止阀109连接，另一入与深海海水引入机构连接，正渗透膜元件207一出口连接有排水管路206，另一出口通过压力阻尼渗透出口盐水管路205与多孔膜元件213的一入口连接；多孔膜元件213另一入口通过低温热水管路214与有机朗肯循环子系统3连接，多孔膜元件213一出口连接有热膜渗透热流体出口管路212，另一出口通过低压盐水管路202与反渗透子系统1的高压泵101和压力交换器106连接，该另一出口设置有盐度与水温测点201，该另一出口还可通过低压盐水旁路203连接一旁路阀门204，旁路阀门204的出口与压力阻尼渗透出口盐水管路205连接。
在某些实施例中，可根据盐度与水温测点201的测量结果控制配水阀门110和旁路阀门204开闭程度。如当盐度与水温测点201检测发现循环水含盐量高于35000mg/L或水温低于30℃时，旁路阀门204开启，部分循环水将经低压盐水旁路203重回多孔膜元件213吸收水分子和热量，也可开启配水阀门110补充循环水；当检测到水温高于45℃时，海水原水升压泵210功率增加，使正渗透膜元件207两侧水通量增加，进一步增大传热量，系统循环水温降低。
深海海水引入机构包括相连接的过滤器209和海水原水升压泵210，过滤器209与正渗透膜元件207连接，深海海水通过海水原水升压泵210、过滤器209及过滤深海海水管路208引入正渗透膜元件207中。在某些实施例中，深海海水可引自海平面以下15-35米。
有机朗肯循环子系统3包括蒸发器303、膨胀机307、凝汽器306、工质泵304、热水泵302和低温热源301，低温热源301为整个系统主要动力来源，低温热源301依次连接热水泵302、蒸发器303和压力阻尼渗透和热膜渗透子系统2，实现升温，蒸发器303、膨胀机307、凝汽器306、工质泵304依次连接形成工质回路，该工质回路中流通有有机工质305，膨胀机307可用于直接拖动高压泵101运行。从经济、安全、环保的角度出发，并以温室效应指数(GWP)、臭氧层衰减指数(ODP)和ASHRAE安全级别为参考，可以使用R134a或R245fa作为有机朗肯循环子系统的有机工质。
图3是本发明压力阻尼渗透原理图，正渗透膜元件207两侧进口分别连接低压浓盐水管路108和过滤后的深海海水208，由于浓度梯度，水分子将自发从含盐浓度较低一侧向含盐浓度渗透，实现补水功能；因海水侧存在浓差极化现象，故反渗透系统1出口浓盐水无法一次稀释至进口含水量。
为防止正渗透膜元件207海水侧结垢，海水侧三种主要盐类的溶度积常数应满足Ksp(CaSO4)＜1.25×10-3、Ksp(CaCO3)＜8.7×10-9和Ksp(Mg(OH)2)＜1.8×10-11三个条件，即海水侧浓缩倍数不应超过深海原水的12倍。
图4是本发明热膜渗透原理图，多孔膜元件213两侧进口分别为压力阻尼渗透出口盐水管路205和蒸发器303出口的低温热水管路214，由于温度梯度，水分子将自发从高温侧向低温侧渗透，实现二级补水，至此故反渗透系统1出口浓盐水恢复至入口含水量，同时达到反渗透膜元件104最佳工作温度。
如图5所示，上述无预处理工艺的膜法海水淡化系统的工作流程为：
设备启动时，循环水源111中的人工调配盐水经配水阀门110送入反渗透子系统1，随后配水阀门110关闭，仅当设备停止或循环水损失过多时再次开启，其中人工调配盐水的PH值稳定，温度为30℃，含盐种类固定，杀菌剂、阻垢剂充足；循环过程中，人工调配盐水经高压泵101加压至6MPa的高压后进入反渗透膜元件104，淡水经淡水管路107送出，高压浓盐水经高压浓盐水管路105进入压力交换器106，其压力由5.9MPa降低至0.18MPa；紧接着，低压浓盐水经低压浓盐水管路108进入正渗透膜元件207吸收水分子并被降温至12℃，随后进入多孔膜元件213吸收水分子并被加热至35℃，多孔膜元件213的热量由有机朗肯循环子系统3提供；温度和含盐量均达到反渗透膜元件104进口要求的循环水，一部分经高压泵101加压，一部分经压力交换器106和补压泵103加压，之后汇聚至高压盐水管路102完成循环，进入高压泵101和压力交换器106的循环水比例由反渗透膜元件104净水效率决定。上述过程对反渗透子系统出口浓盐水进行梯级补水，实现浓盐水循环再利用，浓盐水和污泥排放量大幅减少。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种无预处理工艺的膜法海水淡化系统，其特征在于，包括：
反渗透子系统(1)，用于入口盐水分离为淡水和浓盐水；
压力阻尼渗透和热膜渗透子系统(2)，用于对反渗透子系统(1)出口的浓盐水进行补水升温，返回反渗透子系统(1)的入口，实现梯级补水循环；
有机朗肯循环子系统(3)，用于向压力阻尼渗透和热膜渗透子系统(2)提供交换热量；
所述压力阻尼渗透和热膜渗透子系统(2)包括正渗透膜元件(207)、多孔膜元件(213)和深海海水引入机构，所述反渗透子系统(1)、正渗透膜元件(207)、多孔膜元件(213)、有机朗肯循环子系统(3)依次连接，所述深海海水引入机构与正渗透膜元件(207)连接，所述多孔膜元件(213)出口处设有盐度与水温测点(201)。
2.根据权利要求1所述的无预处理工艺的膜法海水淡化系统，其特征在于，所述深海海水引入机构包括相连接的过滤器(209)和海水原水升压泵(210)，过滤器(209)与正渗透膜元件(207)连接，深海海水通过海水原水升压泵(210)和过滤器(209)引入正渗透膜元件(207)中。
3.根据权利要求2所述的无预处理工艺的膜法海水淡化系统，其特征在于，所述深海海水引自海平面以下15-35米。
4.根据权利要求1所述的无预处理工艺的膜法海水淡化系统，其特征在于，所述多孔膜元件(213)连接有旁路阀门(204)。
5.根据权利要求1所述的无预处理工艺的膜法海水淡化系统，其特征在于，所述反渗透子系统(1)包括配水阀门(110)、高压泵(101)、反渗透膜元件(104)、压力交换器(106)和逆止阀(109)，所述配水阀门(110)、高压泵(101)、反渗透膜元件(104)依次连接，所述压力交换器(106)一入口与反渗透膜元件(104)入口连接，另一入口与压力阻尼渗透和热膜渗透子系统(2)出口连接，压力交换器(106)一出口通过逆止阀(109)与压力阻尼渗透和热膜渗透子系统(2)入口连接，另一出口与反渗透膜元件(104)出口连接，所述配水阀门(110)与循环水源(111)连接。
6.根据权利要求5所述的无预处理工艺的膜法海水淡化系统，其特征在于，所述压力交换器(106)的出口通过一补压泵(103)与反渗透膜元件(104)出口连接。
7.根据权利要求5所述的无预处理工艺的膜法海水淡化系统，其特征在于，所述循环水源(111)为温度30℃，且含有杀菌剂和阻垢剂的人工调配盐水。
8.根据权利要求1所述的无预处理工艺的膜法海水淡化系统，其特征在于，所述有机朗肯循环子系统(3)包括蒸发器(303)、膨胀机(307)、凝汽器(306)、工质泵(304)、热水泵(302)和低温热源(301)，所述低温热源(301)依次连接热水泵(302)、蒸发器(303)和压力阻尼渗透和热膜渗透子系统(2)，实现升温，所述蒸发器(303)、膨胀机(307)、凝汽器(306)、工质泵(304)依次连接形成工质回路，该工质回路中流通有有机工质(305)。
9.根据权利要求1所述的无预处理工艺的膜法海水淡化系统，其特征在于，所述反渗透子系统(1)为多级反渗透结构。
10.根据权利要求1所述的无预处理工艺的膜法海水淡化系统，其特征在于，所述反渗透子系统(1)的净水效率大于50％。
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