CN109538430A - 一种利用浓盐水进行发电的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用浓盐水进行发电的装置和方法，属于盐差能发电设备和方法技术领域。其技术方案是：淡水预处理组件通过淡水供水泵和淡水管道与渗透膜组件的淡水侧进口相连接，浓盐水预处理组件通过浓盐水供水泵和浓盐水管道与热交换器相连接，外加热源与热交换器相连接，加热后的浓盐水管道与渗透膜组件的浓盐水进口相连接，渗透膜组件的浓盐水出水管道与水轮发电装置相连接，水轮发电装置的出水管道与压力交换器相连接，压力交换器与热交换器相连接，热交换器与混合处理装置相连接。本发明能够更加高效地利用浓盐水进行发电，为浓盐水的综合利用提供一种新的解决方案，同时减少水资源的浪费，避免浓盐水排放造成的环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用浓盐水进行发电的装置和方法,属于盐差能发电设备和方法技术领域。
背景技术
盐差能指两种含盐浓度不同水之间的化学电位差能，目前研究最多的集中与淡水河与海水交汇处的盐差能利用，这种能源也是一种清洁可再生能源。浓盐水是指水中溶解了大量盐分的废水，本身具有较高的渗透压。在电力、钢铁等大工业中，纯水使用的需求巨大，随之而来的是大量被浓缩的浓盐水被排放出来。目前，对于浓盐水的处理主要是蒸发结晶法，能耗高，成本高，经济效益差，大量的浓盐水无法有效利用而被排放，不仅造成水资源浪费，也可能对生态环境造成破坏。为浓盐水的处理提供新的思路，实现浓盐水的合理利用是目前解决浓盐水问题的关键。
中国专利CN103615363A和CN103603764A分别公开了一种盐差能发电装置和方法和盐差能分级发电系统及方法，通过利用渗透膜进行盐差能发电，并提出盐差能分级的方法来解决渗透膜沿程盐度差下降的问题，但均未提出渗透膜的具体形式，且工艺较为复杂，流程长，单纯依靠盐浓度差来提供渗透压效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用浓盐水进行发电的装置和方法，这种装置和方法能够更加高效地利用浓盐水进行发电，为浓盐水的综合利用提供一种新的解决方案，同时减少水资源的浪费，避免浓盐水排放造成的环境污染。
解决上述技术问题的技术方案是：
一种利用浓盐水进行发电的装置，它包括淡水预处理组件、浓盐水预处理组件、淡水供水泵、浓盐水供水泵、外加热源、压力交换器、热交换器、渗透膜组件、水轮发电装置、混合处理装置，淡水预处理组件通过淡水供水泵和淡水管道与渗透膜组件的淡水侧进口相连接，浓盐水预处理组件通过浓盐水供水泵和浓盐水管道与热交换器相连接，外加热源与热交换器相连接，加热后的浓盐水管道与渗透膜组件的浓盐水进口相连接，渗透膜组件的浓盐水出水管道与水轮发电装置相连接，水轮发电装置的出水管道与压力交换器相连接，压力交换器与热交换器相连接，热交换器与混合处理装置相连接。
上述利用浓盐水进行发电的装置，所述淡水预处理组件、浓盐水预处理组件均由多介质过滤器、臭氧发生器和氧化反应器组成，多介质过滤器与氧化反应器相连，氧化反应器与臭氧发生器相连。
上述利用浓盐水进行发电的装置，所述渗透膜组件由膜组件外壳、膜束、膜丝、膜束支撑组成，渗透膜组件的外部为膜组件外壳，膜束支撑位于膜组件外壳内，膜丝为中空管式结构，膜丝内部为淡水侧，外部为浓盐水侧，若干膜丝组合为一个膜束，多个膜束以同心圆的方式固定于膜束支撑的管道内，淡水在膜丝内部淡水侧，浓盐水在膜丝外侧浓盐水侧，淡水和浓盐水为流动方向相反的相对流动。
上述利用浓盐水进行发电的装置，所述多个渗透膜膜组件可串联和并联使用，以提高处理处理效率和处理规模。
上述利用浓盐水进行发电的装置，所述水轮发电装置包括水轮机和发电机组，水轮机与浓盐水出水管道相连接，发电机组与水轮机相连接。
一种使用上述利用浓盐水进行发电的装置进行发电的方法，它采用以下步骤进行：
a.将淡水和浓盐水分别注入淡水预处理组件、浓盐水预处理组件，对于淡水SS和COD的处理采用多介质过滤和臭氧氧化法，尽可能不添加其它盐类药剂，以免降低盐度差，对浓盐水的处理采用混凝沉淀和高级氧化法，不添加使水中硬度增加的药剂，防止对渗透膜组件的污染；
b. 淡水通过淡水供水泵泵入渗透膜组件的淡水侧；
c.浓盐水通过浓盐水供水泵泵入热交换器，由外加热源进行加热，提高浓盐水进水温度，然后泵入渗透膜组件的浓盐水侧,同时浓盐水供水泵为渗透膜组件浓盐水侧提供一定大小的基础压力，增加浓盐水侧和淡水侧的渗透压差；
d.在渗透膜组件中，在盐度差的作用下，水由淡水侧向浓盐水侧转移，并在浓盐水侧产生流体静压，浓盐水在浓盐水侧基础压力的作用下，驱动连接在浓盐水侧管道上的水轮机，水轮机带动发电机组进行发电；
e.发电后的浓盐水通过压力交换器，由压力交换器回收剩余压力，节省能耗；
f. 经过压力交换的浓盐水通过热交换器进行热交换，热交换器吸收浓盐水的余热；
g. 经过渗透膜组件的淡水和经过压力交换器、热交换器后的浓盐水混合在一起，得到盐分浓度较低的中盐水，中盐水经过混合处理装置，中盐水用于对盐分要求不高的用水场合，或再次进行浓缩制取纯水。
上述利用浓盐水进行发电的方法，所述步骤c中，浓盐水供水泵对浓盐水侧提供的基础压力的大小根据渗透功率密度和淡水侧供水压力值计算，该基础压力值与淡水侧供水压力值得差值为浓淡两侧渗透压差的一半。
上述利用浓盐水进行发电的方法，所述淡水和浓盐水的流量根据具体处理规模、浓盐水和淡水的渗透压、膜通量等参数进行计算确定，且保持沿程方向上各点的渗透压差基本相等，浓盐水的流量是淡水流量的3倍以上。
本发明的有益效果是：
本发明在浓盐水供水管道上安装了热交换器，增加了浓盐水的温度，可提高淡水侧和浓盐水侧的渗透压差，渗透效率更高。外加热源如利用工业低品质余热，可实现余热资源的回收利用。
本发明的渗透膜组件的膜丝采用中空管式结构，浓盐水在膜丝外侧流动形成浓盐水侧，淡水在膜丝内流动形成淡水侧，水由膜丝内向膜丝外转移，使得浓盐水侧膜丝外表面流体为正压状态，浓盐水中大量的硬度结垢粒子不易在膜丝表面沉积，大大降低膜丝堵塞的现象。
本发明的淡水侧和浓盐水侧流体相对流动，有利于保持整个渗透膜组件内沿程方向上渗透压差和基础压力的稳定，提高了渗透效率。
附图说明
图1是本发明的利用浓盐水进行发电的装置的结构示意图；
图2是渗透膜膜组件的结构示意图。
图中标记如下：淡水预处理组件1、浓盐水预处理组件2、淡水供水泵3、浓盐水供水泵4、外加热源5、压力交换器6、热交换器7、渗透膜组件8、膜组件外壳9、膜束10、膜丝11、膜束支撑12、水轮机13、发电机组14、混合处理装置15。
具体实施方式
本发明的利用浓盐水进行发电的装置由淡水预处理组件1、浓盐水预处理组件2、淡水供水泵3、浓盐水供水泵4、外加热源5、压力交换器6、热交换器7、渗透膜组件8、水轮发电装置、混合处理装置15组成。
图1显示，淡水预处理组件1、浓盐水预处理组件2均由多介质过滤器、臭氧发生器和氧化反应器组成，多介质过滤器与氧化反应器相连，氧化反应器与臭氧发生器相连。预处理的作用主要是去除淡水和浓盐水中的COD、SS，防止渗透膜污染和堵塞。
淡水预处理组件1对淡水的SS和COD的处理采用多介质过滤和臭氧氧化法，尽可能不添加其它盐类药剂，以免降低盐度差。浓盐水预处理组件2对浓盐水的处理采用混凝沉淀和高级氧化法，不添加使水中硬度增加的药剂，防止对渗透膜组件8的污染。
淡水和浓盐水的区别在于不同含盐浓度，浓盐水可来源于纯水制备后产生的浓缩水，淡水可来源于河水或城市中水，本发明对淡水和浓盐水来源不做具体要求。
图1显示，淡水预处理组件1通过淡水供水泵3和淡水管道与渗透膜组件8的淡水侧进口相连接，向渗透膜组件8泵入淡水。
图1显示，浓盐水预处理组件2通过浓盐水供水泵4将浓盐水泵入渗透膜组件8的浓盐水侧，浓盐水供水泵4为浓盐水侧提供一定大小的基础压力。浓盐水侧基础压力的大小根据渗透功率密度和淡水侧供水压力值计算，该基础压力值与淡水侧供水压力值得差值为浓淡两侧渗透压差的一半。
图1显示，浓盐水管道与热交换器7相连接，外加热源5与热交换器7相连接，对浓盐水进行加热，加热后的浓盐水管道与渗透膜组件8的浓盐水进口相连接。加热浓盐水可以提高浓盐水进水温度，增加浓盐水侧和淡水侧的渗透压差。
根据渗透压差公式π=ΔC·R·ΔT，R为理想气体常数，ΔC为浓盐水和淡水的盐离子浓度差，ΔT为浓盐水和淡水的温度差，提高ΔC和ΔT，可增大浓盐水侧和淡水侧的渗透压差，提高能量密度，有利于能量的转化。
图1显示，渗透膜组件8的浓盐水侧和淡水侧流体的流动方向相反，流体流速根据浓盐水和淡水的渗透压、渗透速率等条件确定，以保持渗透膜组件8内沿程渗透压差基本稳定。
图1显示，渗透膜组件8的浓盐水出水管道与水轮发电装置相连接，水轮发电装置包括水轮,13和发电机组14，水轮机13与浓盐水出水管道相连接，发电机组14与水轮机13相连接。在渗透膜组件8中，在盐度差的作用下，水由淡水侧向浓盐水侧转移，并在浓盐水侧产生流体静压，同时在浓盐水侧基础压力的作用下，可驱动连接在浓盐水侧管道上的水轮机13，进而通过发电机组14转化为电能。
图1显示，水轮发电装置的出水管道与压力交换器6相连接，压力交换器6与热交换器7相连接，热交换器7与混合处理装置15相连接。压力交换器6将部分发电后的浓盐水压力进行回收，节省能耗。热交换器7将浓盐水回水与浓盐水进水进行热交换，回收浓盐水回水中的部分余热，提高浓盐水进水温度。
图1显示，渗透膜组件8排出的淡水和热交换器7排出的浓盐水进入混合处理装置15，混合在一起得到盐分浓度较低的中盐水，中盐水或用于对盐分要求不高的用水场合，或再次进行浓缩制取纯水。
图2显示，渗透膜组件8由膜组件外壳9、膜束10、膜丝11、膜束支撑12组成。渗透膜组件8的外部为膜组件外壳9，膜束支撑12位于膜组件外壳9内，膜丝11为中空管式结构，膜丝11内部为淡水侧，外部为浓盐水侧，若干膜丝11组合为一个膜束10，多个膜束10以同心圆的方式固定于膜束支撑12的管道内，淡水在膜丝11内部淡水侧，浓盐水在膜丝11外侧浓盐水侧，淡水和浓盐水为流动方向相反的相对流动。这种结构形式有利于增大渗透膜与流体的接触面积，增强渗透效率。
多个渗透膜组件8可串联和并联使用，以提高处理处理效率和处理规模。根据两种介质性质和处理规模可以选用多个渗透膜组件8串联使用的方式，增加渗透反应时间，提高能量产率；多个渗透膜组件8并联使用可达到不同的处理规模。
本发明的利用浓盐水进行发电的方法，它采用以下步骤进行：
a.将淡水和浓盐水分别注入淡水预处理组件1、浓盐水预处理组件2，对于淡水SS和COD的处理采用多介质过滤和臭氧氧化法，尽可能不添加其它盐类药剂，以免降低盐度差，对浓盐水的处理采用混凝沉淀和高级氧化法，不添加使水中硬度增加的药剂，防止对渗透膜组件的污染；
b. 淡水通过淡水供水泵3泵入渗透膜组件8的淡水侧；
c.浓盐水通过浓盐水供水泵4泵入热交换器7，由外加热源5进行加热，提高浓盐水进水温度，然后泵入渗透膜组件8的浓盐水侧,同时浓盐水供水泵4为渗透膜组件8浓盐水侧提供一定大小的基础压力，增加浓盐水侧和淡水侧的渗透压差；
d.在渗透膜组件8中，在盐度差的作用下，水由淡水侧向浓盐水侧转移，并在浓盐水侧产生流体静压，浓盐水在浓盐水侧基础压力的作用下，驱动连接在浓盐水侧管道上的水轮机13，水轮机13带动发电机组14进行发电；
e.发电后的浓盐水通过压力交换器6，由压力交换器6回收剩余压力，节省能耗；
f. 经过压力交换的浓盐水通过热交换器7进行热交换，热交换器7吸收浓盐水的余热；
g.经过渗透膜组件8的淡水和经过压力交换器6、热交换器7后的浓盐水混合在一起，得到盐分浓度较低的中盐水，中盐水经过混合处理装置15，或用于对盐分要求不高的用水场合，或再次进行浓缩制取纯水。
在上述方法中，步骤c中的浓盐水供水泵4对浓盐水侧提供的基础压力的大小根据渗透功率密度和淡水侧供水压力值计算，该基础压力与淡水侧供水压力值的差值为浓淡两侧渗透压差的一半。
在上述方法中，淡水和浓盐水的流量根据具体处理规模、浓盐水和淡水的渗透压、膜通量等参数进行计算确定，且保持沿程方向上各点的渗透压差基本相等，淡水的流量是浓盐水流量的3倍以上。
在上述方法中，利用外加热源5和浓盐水回水回收热量，使浓盐水进水温度升高，具体升高的温度根据实施地现场热源情况而定，但不能高于渗透膜组件8的耐受温度。
在上述方法中，步骤f中的利用浓盐水回水进行热量回收并不是必须步骤，如果浓盐水回水温度较低，不具有回收价值则步骤f可以舍去。
本发明的一个实施例如下：
采用的浓盐水和淡水离子摩尔浓度分别为0.8mol/L和0.1mol/L，主要离子成分均为Na+、Cl-、SO4 2+，水质指标SS＜10mg/L,COD＜45mg/L；
淡水和浓盐水预处理采用过滤和臭氧氧化法，包含多介质过滤和臭氧氧化两套装置；
多介质过过滤器滤料采用70%活性炭、10%无烟煤、10%颗粒多孔陶瓷和10%石英砂等多种介质，臭氧氧化装置包括臭氧发生器和氧化反应器，臭氧发生器最大臭氧发生量为10g/h，氧化反应器为玻璃钢方形容器，带有机械搅拌装置；
多介质过滤器与氧化反应器连接，氧化反应器与臭氧发生器连接；
淡水预处理单元和浓水预处理单元采用相同的处理方法，但装置和处理能力不同。淡水预处理单元处理能力为200L/h，多介质过滤器滤层高度0.5m，氧化反应器有效容积为50L；浓水预处理单元处理能力为600L/h，多介质过滤器滤层高度1.5m，氧化反应器有效容积为150L；
淡水和浓盐水首先通过多介质过滤器过滤去除SS后，再进入氧化反应器，与臭氧发生器产生的臭氧搅拌混合，进行氧化反应，去除污水COD。
经过预处理后，淡水和浓盐水的SS＜1mg/L,COD＜15mg/L；
淡水供水泵与淡水预处理组件相连，用于将淡水以一定的流量和压力泵入淡水侧。淡水供水泵采用ASP5540隔膜泵，不锈钢泵头，PTFE隔膜，最大供水压力为0.55Mpa,最大供水水量为240L/h；
浓水供水泵与淡水预处理组件相连，用于将淡水以一定的流量和压力泵入浓水侧，浓水供水泵采用QDL2-130高压离心水泵，不锈钢材质，最大供水压力为1.16Mpa,最大供水水量为1000L/h；
热交换器与浓盐水供水泵相连，用于浓盐水的加温。热交换器采用定制螺旋缠绕不锈钢管式换热器，具备三介质换热能力。外加热源采用0.5Mpa饱和蒸汽。浓盐水进水走壳程，外加热源和浓盐水出水分别走两个螺旋缠绕在壳程外的管程，且浓盐水管程在外加热源管程的前端。
浓盐水壳程水量为170L/h，浓盐水回水管程水量700L/h；蒸汽管程的蒸汽流量为50kg/h，热交换器换热能力不低于500w/(㎡·℃)，有效换热面积2㎡，换热后浓盐水进水温度由20℃提高到40℃左右。
渗透膜组件与淡水供水泵和热交换器相连，渗透膜采用三醋酸纤维素管式渗透膜，膜丝内径2-3mm，膜盐截留率＞98%，膜内外最大耐受压差1.2Mpa，最大耐受温度为60℃，平均水通量30L/(㎡·h·Mpa)，若干管式膜丝扎成管束，若干管束安装固定于容器内形成膜组件，为节省空间，采用两个相同的膜组件进行二级串联的方式运行，总有效过滤面积为6.2m²。
淡水供水泵和浓盐水供水泵分别将淡水和经过升温的浓水打入渗透膜组件。淡水进入膜丝外部的淡水侧，浓水进入膜丝内部的浓水侧。在渗透膜组件内，淡水和浓盐水为方向相反的相对运动。
控制浓水侧的供水压力为1.01Mpa，该压力即为浓水侧的基础压力值。控制淡水侧的供水压力为0.1Mpa；
浓水侧与淡水侧的供水压力差值为0.91Mpa，为浓水侧和淡水侧的渗透压差的一半；
淡水侧的供水水量为170L/h，浓水侧的供水水量为520L/h；
水轮发电机与膜组件浓水出水口相连，水轮发电机由水轮机和发电机两部分组成，由轴承和连杆连接，水轮机用于将浓水侧的流体动能和势能转化为机械能，再由发电机转化为电能。水轮发电机机采用定制微型发电机组，水轮机为斜击式，水轮直径0.1m，最大水流量为1000L/h，射流中心线与转轮回转平面夹角22.5度，发电机额定发电功率为100W。
在浓水侧和淡水侧的渗透压差作用下，部分水由淡水侧向浓水侧转移，并在浓水侧形成流体静压，在基础压力的作用下带动水轮发电机组发电。
压力交换器与水轮发电机组的出口相连，且与热交换器浓盐水出口相连，用于将经过发电后的浓盐水余压回收，并给浓盐水进水增压。压力交换器采用美国ERI公司PX系列实验用小型自驱型旋转式压力交换器，高压侧入口压力1.0Mpa，最大水流量1000L/h，能量回收效率为90%以上。
在该装置条件下，系统发电功率约为40W，折合单位膜面积功率为6.4W/m2；
如浓盐水不经过换热直接以20℃进入系统，发电功率约为35W，将浓盐水加热升温至40℃使发电量提高了约15%，如果外加热源利用了低品质工业余热，可实现低品质余热的回收利用。
本行业的技术人员应该知悉，对于悬浮物和COD的现有成熟处理方法有很多种，不限于多介质过滤和高级氧化法，使用其他方法进行预处理达到合理的进水需求，属于该技术的变种，仍包含在本专利的保护范围内。
Claims (8)
1.一种利用浓盐水进行发电的装置，其特征在于：它包括淡水预处理组件（1）、浓盐水预处理组件（2）、淡水供水泵（3）、浓盐水供水泵（4）、外加热源（5）、压力交换器（6）、热交换器（7）、渗透膜组件（8）、水轮发电装置、混合处理装置（15），淡水预处理组件（1）通过淡水供水泵（3）和淡水管道与渗透膜组件（8）的淡水侧进口相连接，浓盐水预处理组件（2）通过浓盐水供水泵（4）和浓盐水管道与热交换器（7）相连接，外加热源（5）与热交换器（7）相连接，加热后的浓盐水管道与渗透膜组件（8）的浓盐水进口相连接，渗透膜组件（8）的浓盐水出水管道与水轮发电装置相连接，水轮发电装置的出水管道与压力交换器（6）相连接，压力交换器（6）与热交换器（7）相连接，热交换器（7）与混合处理装置（15）相连接。
2.根据权利要求1所述的利用浓盐水进行发电的装置，其特征在于：所述淡水预处理组件（1）、浓盐水预处理组件（2）均由多介质过滤器、臭氧发生器和氧化反应器组成，多介质过滤器与氧化反应器相连，氧化反应器与臭氧发生器相连。
3.根据权利要求1所述的利用浓盐水进行发电的装置，其特征在于：所述渗透膜组件（8）由膜组件外壳（9）、膜束（10）、膜丝（11）、膜束支撑（12）组成，渗透膜组件（8）的外部为膜组件外壳（9），膜束支撑（12）位于膜组件外壳（9）内，膜丝（11）为中空管式结构，膜丝（11）内部为淡水侧，外部为浓盐水侧，若干膜丝（11）组合为一个膜束（10），多个膜束（10）以同心圆的方式固定于膜束支撑（12）的管道内，淡水在膜丝（11）内部淡水侧，浓盐水在膜丝（11）外侧浓盐水侧，淡水和浓盐水为流动方向相反的相对流动。
4.根据权利要求1所述的利用浓盐水进行发电的装置，其特征在于：所述多个渗透膜组件（8）可串联和并联使用，以提高处理处理效率和处理规模。
5.根据权利要求1所述的利用浓盐水进行发电的装置，其特征在于：，所述水轮发电装置包括水轮机（13）和发电机组（14），水轮机（13）与浓盐水出水管道相连接，发电机组（14）与水轮机（13）相连接。
6.一种使用上述利用浓盐水进行发电的装置进行发电的方法，它采用以下步骤进行：
a.将淡水和浓盐水分别注入淡水预处理组件（1）、浓盐水预处理组件（2），对于淡水SS和COD的处理采用多介质过滤和臭氧氧化法，尽可能不添加其它盐类药剂，以免降低盐度差，对浓盐水的处理采用混凝沉淀和高级氧化法，不添加使水中硬度增加的药剂，防止对渗透膜组件（8）的污染；
b. 淡水通过淡水供水泵（3）泵入渗透膜组件（8）的淡水侧；
c.浓盐水通过浓盐水供水泵（4）泵入热交换器（7），由外加热源（5）进行加热，提高浓盐水进水温度，然后泵入渗透膜组件（8）的浓盐水侧,同时浓盐水供水泵（4）为渗透膜组件（8）浓盐水侧提供一定大小的基础压力，增加浓盐水侧和淡水侧的渗透压差；
d.在渗透膜组件（8）中，在盐度差的作用下，水由淡水侧向浓盐水侧转移，并在浓盐水侧产生流体静压，浓盐水在浓盐水侧基础压力的作用下，驱动连接在浓盐水侧管道上的水轮机（13），水轮机（13）带动发电机组（14）进行发电；
e.发电后的浓盐水通过压力交换器（6），由压力交换器（6）回收剩余压力，节省能耗；
f. 经过压力交换的浓盐水通过热交换器（7）进行热交换，热交换器（7）吸收浓盐水的余热；
g. 经过渗透膜组件（8）的淡水和经过压力交换器（6）、热交换器（7）后的浓盐水混合在一起，得到盐分浓度较低的中盐水，中盐水经过混合处理装置（15），中盐水用于对盐分要求不高的用水场合，或再次进行浓缩制取纯水。
7.根据权利要求6所述的利用浓盐水进行发电的方法，其特征在于：所述步骤c中，浓盐水供水泵（4）对浓盐水侧提供的基础压力的大小根据渗透功率密度和淡水侧供水压力值计算，该基础压力值与淡水侧供水压力值得差值为浓淡两侧渗透压差的一半。
8.根据权利要求6所述的利用浓盐水进行发电的方法，其特征在于：所述淡水和浓盐水的流量根据具体处理规模、浓盐水和淡水的渗透压、膜通量等参数进行计算确定，且保持沿程方向上各点的渗透压差基本相等，浓盐水的流量是淡水流量的3倍以上。
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