CN109539570A - 一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，包括太阳能光热发电系统及污水处理系统。该装置适用于高原地区低温、低压、低氧环境下的污水处理系统。太阳能光热发电系统由槽式集热系统和有机朗肯循环发电系统组成，投资低、易于自动化控制。日照较强时，集热系统所集热量用来推动有机朗肯循环发电系统发电，多余的存储在储热系统内；没有日照或日照强度不足时，储热系统内存储的热量为发电系统提供热量。发电系统发出的电量用于推动设备运转，采用反应池内污水作为冷凝器的冷源，污水吸收冷凝热量用于调整反应池温度使之达到最佳反应温度。该装置具有结构简单、投资少、节能环保优点，充分利用了冷凝散热，具有极高的能源利用率。

Description

一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置
技术领域
本发明设计了一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，属于能源与环境技术领域。
背景技术
中低温太阳能有机朗肯循环光热发电具有结构简单，运行稳定安全，易于实现自动化运行的特点，近年来受到研究者的关注；但是中低温光热发电由于发电效率较低的缺点，使其实际应用受到限制，发电系统的热量损失主要为冷源损失，即冷凝器散热损失，如能对冷凝器散热进行合理利用，将具有极高的经济价值。
污水处理厂多采用生物脱氮除磷工艺，以A2O生物脱氮除磷工艺为例，温度是影响微生物生长活动的重要因素，主要体现在细菌增殖速度和生物活性两个方面，在最佳温度区域，微生物活性较强，处理效果好，而在温度过低时微生物难以增殖，处理效果差。因此在温度较低区域尤其是高原高寒地区，往往需要引入外界热源对反应池进行加热。
西藏自治区高海拔、低温、低压、低氧、昼夜温差大的自然环境条件使常规污水处理厂运行效果差。同时，西藏地区太阳能资源居全国首位，是世界上太阳能最丰富的地区之一。这里阳光直射比例大，年际变化小，大部分地区年日照时间达3100～3400小时，平均每天9小时左右。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有高海拔区域污水处理技术的不足，提供一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，可充分利用太阳能，同时满足对污水处理厂设备用电与处理单元用热的需求，易于自动化控制，安全节能。
本发明具体采用以下技术方案解决问题：
一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，包括太阳能光热发电系统和污水处理系统。太阳能光热发电系统包括槽式太阳能集热系统和有机朗肯循环发电系统。集热系统依次由槽式集光镜、一号控制器、三号控制器、蒸发器、四号控制器、二号控制器、一号循环泵、储热系统、二号循环泵组成；有机朗肯循环发电系统依次由蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、发电机、冷凝循环泵组成。污水处理系统由污水处理工艺包括的各污水处理单元及附属设备及管路组成。该装置采用若干控制器实现当外部日照强时，集热系统所集热量一部分供有机朗肯循环发电系统发电，另一部分存储在储热罐内。当无日照或日照较弱时，储热系统作为热源对发电系统供热。发电系统采用反应池内污水作为冷源，使污水吸收冷凝散热温度升高，保证反应池处于最佳反应温度范围内，同时发电系统发出的电量供污水处理厂设备用电使用。
当白天日照强时，打开一号循环泵，关闭二号循环泵，调节三号、四号控制器所连接管路开度使与储热系统连接的管路关闭而其余两个管路之间处于连通状态，根据污水处理厂设备用电及反应池用热需求，调节一号、二号控制器所连接管路开度，分配进入储热系统及蒸发器的导热介质流量，以满足工艺需求的情况下将多余的热量存储到储热系统内。
当无日照时，一号、二号控制器关闭所连接管路的连通，三号、四号控制器调节所连接管路的开度，同时关闭一号循环泵，打开二号循环泵，由储热系统对发电系统进行供热；
当日照较弱时，调节一号、二号控制器所连接管路开度使与储热系统连接的管路封闭而其它两个管路连通，调节三号、四号控制器所连接管路开度使所连接三个管路均处于连通状态，打开一号循环泵和二号循环泵；根据日照强度大小及工艺对热量需求大小，调节二号循环泵流量以根据日照强度大小改变储热系统对蒸发器供热量。根据污水处理厂设备用电及反应池用热需求在控制系统控制下由槽式集光镜和储热系统同时对发电系统进行供热。
本发明所述的以污水作为发电系统冷源，可采用直接冷却和间接冷却两种方式，直接冷却方式为将待处理污水引入冷凝器冷凝管路中，对有机工质蒸气进行冷却同时污水温度升高；间接冷却方式下冷凝管路为闭环管路，管内冷凝水在冷凝循环泵作用下在冷凝管路内循环流动，在冷凝器内吸热后在污水处理池内放热，使污水温度升高。该装置优先选用直接冷却方式，当污水水质不能满足要求时，应选择间接冷却方式。
本发明的益处是：充分利用高原等地区日照充足的优势，利用太阳能光热发电系统对污水处理厂同时供热、供电，以克服高原地区低温的缺陷；设置储热系统，有效地解决了高原地区昼夜温差大的问题；同时，采用中低温有机朗肯循环发电系统进行发电，具有投资少，运行安全，易于自动化控制的优点；集热系统采用槽式集光镜，技术成熟，中低温可采用导热油作为导热介质不存在凝固而使系统瘫痪的缺陷。
附图说明
图1为本发明的一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置的结构示意图；图2为间接冷却方式示意图。
其中标号解释：1-槽式集光镜，2-一号循环泵，3-一号控制器，4-二号控制器，5-三号控制器，6-四号控制器，7-储热系统，8-二号循环泵，9-蒸发器，10-工质泵，11-膨胀机，12-冷凝器，13-发电机，14-冷凝循环泵。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行描述。
一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，其结构如图1、图2所示，槽式集光镜1，一号控制器3，三号控制器5，蒸发器9，四号控制器6，二号控制器4，循环泵2，二号循环泵8，储热系统7组成太阳能集热系统；蒸发器9，膨胀机11，冷凝器12，工质泵10，发电机13，循环冷凝泵14组成有机朗肯循环发电系统。
一号~四号控制器分别有三个管路接口，用于连接槽式集光镜、储热罐、蒸发器，可以控制各连接管路的联通及管路开度的大小，起到分配管路内介质流量的作用；
本发明所述的太阳能热电联供污水处理装置的工作原理如下：
1）当白天日照强时，打开一号循环泵2，关闭二号循环泵8，由槽式集光镜1单独对系统供热。根据污水处理厂对电能及热能的需求调节一号、二号控制器3、4所连接管路开度大小，使经太阳能集光镜1加热的导热介质分流至蒸发器9及储热系统7，流至蒸发器9内的导热介质与有机朗肯循环发电系统内的有机工质换热后流回槽式集光镜1，流至储热罐7内的导热介质与储热介质换热后流回槽式集光镜1。
2）无日照时，则一号、二号控制器3、4关闭各连接管路的连通，三号、四号控制器5、6调节所连接管路连通，同时打开二号循环泵8关闭一号循环泵2，由储热系统7单独对蒸发器9供热。
3）日照较弱时，则由槽式集光镜1和储热系统7同时对蒸发器9进行供热。此时，调节一号、二号控制器3、4所连接管路开度使与储热系统7连接的管路封闭而其它两个管路连通，调节三号、四号控制器5、6所连接管路开度使所连接三个管路均处于连通状态，打开一号循环泵2和二号循环泵8；根据日照强度大小及工艺对热量需求大小，调节二号循环泵8流量以根据日照强度大小改变储热系统7对蒸发器9供热量，以实现同时供热的需求。

Claims (9)

1.一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，其特征在于：该装置包括太阳能光热发电系统和污水处理系统；太阳能光热发电系统由集热系统和有机朗肯循环发电系统组成，集热系统依次由槽式集光镜（1）、一号控制器（3）、三号控制器（5）、蒸发器（9）、四号控制器（6）、二号控制器（4）、一号循环泵（2）、储热系统（7）、二号循环泵（8）组成；有机朗肯循环发电系统依次由蒸发器（9）、膨胀机（11）、冷凝器（12）、工质泵（10）、发电机（13）、冷凝循环泵（14）组成；污水处理系统由污水处理工艺包括的各污水处理单元及附属设备及管路组成；该装置可同时实现对污水处理厂的供热和供电，并且对太阳能进行梯级利用提高太阳能利用率，集热系统所收集的中高品位的太阳能热量用来供发电系统发电为供污水处理厂用电设备供电，有机朗肯循环发电系统膨胀机（11）出口工质蒸气的中低品味冷凝废热为污水处理系统供热。
2.根据权利要求1所述的一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，其特征在于：该装置不仅适用于附图所示污水处理工艺，也适用于其它对温度有需求的污水处理工艺。
3.根据权利要求1所述的一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，其特征在于：有机朗肯循环发电系统的冷源为各处理单元的污水，可根据需要调整出水单元，由污水对进入冷凝器的有机工质蒸气进行冷却，同时污水吸收热量温度升高；所述的冷源不仅限于附图所示的冷栅间流出的污水，可根据实际情况以各反应池内污水作为冷源。
4.根据权利要求3所述的一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，其特征在于：冷源冷却的方式分为直接冷却和间接冷却两种，直接冷却方式，工艺反应池内的污水直接在冷凝循环泵（14）作用下流入冷凝器（12）吸热升温后流入下一反应池；间接冷却方式，冷凝器（12）中冷凝管路为闭式环路，管路内流动冷却水，冷却水在冷凝循环泵（14）作用下在冷凝器（12）内吸热后流至工艺反应池放热使反应池内污水温度升高。
5.根据权利要求1所述的一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，其特征在于：根据日照强度大小与工艺用热需求调整系统运行方式，具体为：
当白天日照强时，打开一号循环泵（2），关闭二号循环泵（8），调节三号、四号控制器（5、6）所连接管路开度使与储热系统（7）连接的管路关闭而其余两个管路之间处于连通状态，根据污水处理厂设备用电及反应池用热需求，调节一号、二号控制器（3、4）所连接管路开度，分配进入储热系统（7）及蒸发器（9）的导热介质流量，以满足工艺需求的情况下将多余的热量存储到储热系统（7）内；
当无日照时，一号、二号控制器（3、4）关闭所连接各管路的连通，三号、四号控制器（5、6）调节所连接管路的开度，同时关闭一号循环泵（2），打开二号循环泵（8），由储热系统（7）对发电系统进行单独供热；
当日照较弱时，调节一号、二号控制器（3、4）所连接管路开度使与储热系统（7）连接的管路封闭而其它两个管路连通，调节三号、四号控制器（5、6）所连接管路开度使所连接三个管路均处于连通状态，打开一号循环泵（2）和二号循环泵（8）；根据日照强度大小及工艺对热量需求大小，调节二号循环泵（8）流量以根据实际需求改变储热系统（7）对蒸发器（9）供热量；此时，根据污水处理厂设备用电及反应池用热需求在控制系统控制下由槽式集光镜（1）和储热系统（7）同时对发电系统进行供热。
6.据权利要求1所述的一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，其特征在于：所述的一号~四号控制器（3、4、5、6）的功能是根据控制系统信号调节与各个控制器所连接的各个管路的开闭程度，所述的控制器可以为三通调节阀但不限于三通调节阀。
7.根据权利要求1所述的一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，其特征在于：所述的储热系统（7）可以为采用相变蓄热的潜热储热系统，也可以为显热储热系统，显热储热系统可以采用单罐斜温层储热方式或者双罐储热方式；可根据实际情况选择不同的储热系统，储热系统内包含相应的换热装置，实现与流入储热系统的换热介质换热以完成储放热过程。
8.根据权利要求1所述的一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，其特征在于：所述的控制系统包括各种探测器及相关软件、硬件组成，控制系统可实现对外显示系统运行情况，及对系统进行控制。
9.根据权利要求1所示的一种适合高原地区的太阳能热电联供污水处理装置，其特征在于：
集热系统内的集热工质优先选用导热油，可防止在温度较低时发生凝固堵塞现象，有机朗肯循环发电系统采用有机工质，如R123、R113等；有机朗肯寻循环发电系统的膨胀机后连接发电机，发电机发电供应污水厂用电设备用电需求；同时也可以根据需求直接在膨胀机后连接风机等旋转机械设备用于曝气。
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