CN110316884A - 带能量回收的swro与mcdi耦合海水淡化装置系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统，包括前置过滤单元、SWRO处理单元、MCDI处理单元、后置过滤单元，其中将SWRO处理单元与MCDI处理单元相耦合，通过耦合互补的水路和电路设计进行海水淡化，同时改善水质，并保持装置水路出水连续，通过对SWRO处理单元中高压浓盐水的压力势能和MCDI处理单元中解吸附释放的电能进行回收以减少能耗，与现有RO反渗透及CDI海水淡化的能量回收技术相比，能进一步显著降低能耗，并改善制取淡水的质量。

Description

带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统
技术领域
本发明涉及一种海水淡化装置，特别是一种带能量回收的海水淡化装置系统。
背景技术
随着近海捕捞过度和污染严重，人们将目光转移至深海，海洋牧场承载着中国渔业转型的新希望，这也意味着在国家战略的大背景下，越来越多的渔船要驶向深蓝。但是，远行的渔船航行时间长，淡水是决定船舶能否能够持续航行的重要因素之一，携带蓄水罐无法保证淡水资源质量且占地面积大。随着海水淡化技术的日益成熟、工艺成本的降低等，海水淡化装置可以成为制造淡水的有效选择。
现有海水淡化方式大多采用热法和膜法，其中RO反渗透法凭借其能耗相对较低和结构紧凑等优点在市场上占据优势，其能耗与脱盐率成正比。但SWRO一级脱盐虽然能到达直饮水的浓度，但产出的水质中残存过量的对人体有害的硼离子等二价离子，若想去除这些离子，需要采用BWRO二级反渗透，能耗大大提高，同时，出来的淡水呈酸性，研究表明，一级RO产水对金属的腐蚀性比海水更强。电容去离子(MCDI)作为一种新兴的海水淡化方式，与传统脱盐技术相比，能耗更低、无二次污染、能够有效去除二价离子，但就目前技术而言，在高浓度区域脱盐不占优势。但经过S.Porada,R等人的实验验证，在能耗方面，MCDI较RO法，在处理低离子浓度的海水(小于30mM)时，MCDI占据优势。
其中，流经反渗透膜的浓海水具有较高的压力，而电容去离子装置本身就是一个储能装置，在解吸附过程中伴随着能量的释放，设计合理的能量回收方案可以补充一部分装置能量消耗。
海水淡化装置及其方法(国别：中国，公开号：102786174A，公开日期：2012-11-21)公开了将电解净化系统、电容吸附去离子系统和低压反渗透系统相结合的方法，并将膜电容去离子脱盐放在反渗透装置之前，且没有CDI能量回收考虑。船舶饮用水的制备装备(国别：中国，公开号：207243648U，公开日期：2018-4-17)公开了将超滤、膜电容去离子、反渗透装置相结合的方式，同样将电容吸附去离子系统放置在反渗透系统前，且同样没有能量回收。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种带能量回收的海水淡化装置系统，改善现有海水淡化装置能耗高、二价有害离子难以有效去除等劣势。
技术方案：一种带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统，包括前置过滤单元、SWRO处理单元、MCDI处理单元、后置过滤单元；
SWRO处理单元，包括包含高压泵、RO一级脱盐设备的海水淡化水路，以及包含液压缸A、液压缸B的能量回收水路，原海水经前置过滤单元处理后得到的预处理海水，由高压泵连入RO一级脱盐设备，预处理海水在RO一级脱盐设备中进行高浓度段脱盐，得到高压浓盐水和一级淡海水，液压缸A、液压缸B依次交替进行增压和泄压工作，高压浓盐水经泄压后排出，预处理海水经增压后连入RO一级脱盐设备，实现连续水路脱盐和连续回收高压浓盐水能量；
MCDI处理单元，包括并联设置的MCDI组件A、MCDI组件B、MCDI组件C，MCDI组件A对一级淡海水进行低浓度段脱盐，得到二级淡海水，MCDI组件B对预处理海水进行解吸附且同时为MCDI组件C组件进行充电，MCDI组件B解吸附后排出废水，MCDI组件A、MCDI组件B、MCDI组件C依次交替工作实现连续水路脱盐和连续回收一级淡海水能量，二级淡海水连入后置过滤单元处理后得到直饮淡水。
进一步的，前置过滤单元包括通过管道依次连接的原水泵、多介质过滤器、微滤器，原海水经原水泵、多介质过滤器、微滤器处理后得到预处理海水。
进一步的，后置过滤单元包括通过管道依次连接的PP棉过滤器、活性炭过滤器，二级淡海水经PP棉过滤器、活性炭过滤器处理后得到直饮淡水。
进一步的，SWRO处理单元的能量回收水路为：液压缸A、液压缸B与RO一级脱盐设备并联，高压浓盐水通过二位五通电磁阀连入液压缸A的右侧腔室，从前置过滤单元出口引出预处理海水分别连入液压缸A、液压缸B的左侧腔室，在左侧腔室都设置有出口，该出口通过管道连入增压泵，增压泵连入RO一级脱盐设备的进口，液压缸B的右侧腔室与液压缸A的右侧腔室、浓水罐通过二位五通电磁阀连接。
进一步的，MCDI组件A、MCDI组件B、MCDI组件C均包括4N个MCDI模块，MCDI模块之间采用并联连接，N为正整数。
进一步的，MCDI模块包括壳体、隔板、阴阳离子交换膜、电极，壳体上开设有进水口、出水口，由壳体和电极组成的空间构成并联的内部水流通道，进水口连入一级淡海水或预处理海水，出水口排出二级淡海水或废水。
进一步的，MCDI处理单元通过电控单元控制不同电路的切换，回收MCDI组件中储存的能量。
进一步的，不同电路依次为并串电路、并并电路、并并串并电路、并串并并电路、串并电路。
进一步的，SWRO处理单元进行高浓度段脱盐，将离子浓度为35000mg/L的预处理海水脱至离子浓度为1165mg/L的一级淡海水，MCDI处理单元进行低浓度段脱盐，将离子浓度为1165mg/L的一级淡海水脱至离子浓度为500mg/L的二级淡海水。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：海水淡化装置系统中将SWRO处理单元与MCDI处理单元相耦合，通过耦合互补的水路和电路设计进行海水淡化，同时改善水质，并保持装置水路出水连续，通过对SWRO处理单元中高压浓盐水的压力势能和MCDI处理单元中解吸附释放的电能进行回收以减少能耗，与现有RO反渗透及CDI海水淡化的能量回收技术相比，能进一步显著降低能耗，并改善制取淡水的质量。
附图说明
图1为本发明的海水淡化装置系统示意图；
图2为MCDI模块结构示意图；
图3为MCDI处理单元电能回收电路图；
图4为MCDI处理单元中，电控单元进行电路控制切换的电路连接方式。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统，如附图1所示，包括前置过滤单元100、SWRO处理单元200、MCDI处理单元300、后置过滤单元400。
前置过滤单元100包括通过管道依次连接的原水箱101、原水泵102、多介质过滤器103、微滤器104，原海水连入原水箱中储存，然后经原水泵、多介质过滤器、微滤器处理，对原海水进行初步杂质过滤，得到预处理海水。
SWRO处理单元200，布置有海水淡化水路和能量回收水路，包括高压泵201、RO一级脱盐设备202、压力计A203、压力计B204、增压泵205、浓水罐206、由液压缸A207和液压缸B208构成的能量回收设备、电磁阀A2091、电磁阀B2092、电磁阀C2093、电磁阀D2094、二位五通电磁阀2095。
海水淡化水路为：高压泵、RO一级脱盐设备通过管道依次连接，从微滤器的出口引出第一路分支连入高压泵的进口，将预处理海水经高压泵加压后在RO一级脱盐设备中进行高浓度段脱盐，预处理海水经高压泵加压后的压力由压力计A测量，RO一级脱盐设备设置两个出口，一个出口排出高压浓盐水进入能量回收水路，另一个出口排出一级淡海水进入MCDI处理单元进行二次除盐。
能量回收水路为：液压缸A、液压缸B与RO一级脱盐设备并联，从RO一级脱盐设备一个出口排出的高压浓盐水通过二位五通电磁阀连入液压缸A的右侧腔室，从微滤器的出口引出第二路分支，将预处理海水分别连入液压缸A、液压缸B的左侧腔室，在左侧腔室都设置有出口，该出口通过管道连入增压泵，增压泵连入RO一级脱盐设备的进口，液压缸B的右侧腔室与液压缸A的右侧腔室、浓水罐通过二位五通电磁阀连接。液压缸A处于增压工作状态时，液压缸A与高压浓盐水进水水路联通，电磁阀A关闭，电磁阀B打开，高压浓盐水不断充满液压缸A的右侧腔室而推动活塞左移，并将压力能传递给左侧腔室中预储存的预处理海水，预处理海水经液压缸和增压泵增压后与经高压泵加压后的预处理海水汇集到一起在RO一级脱盐设备中进行高浓度段脱盐，预处理海水经增压泵增压后的压力由压力计B测量；同时，液压缸B处于泄压工作状态，液压缸B与预处理海水水路联通，电磁阀C打开，电磁阀D关闭，预处理海水不断充满液压缸B的左侧腔室而推动活塞右移，排出交换完压力能的泄压的高压浓盐水，即高压浓盐水泄压后连入浓水罐，液压缸A、液压缸B依次交替进行增压和泄压工作，实现连续水路脱盐和连续回收高压浓盐水能量。
MCDI处理单元300，包括MCDI组件A301、MCDI组件B302、MCDI组件C303、逆止阀304、电导率仪305、电磁阀E3061、电磁阀F3062、电磁阀G3063、电磁阀H3064、电磁阀I3065、电磁阀J3066。
每个MCDI组件包括4N(N为正整数)个MCDI模块304，如附图2所示，MCDI模块包括壳体3041、隔板3042、阴阳离子交换膜3043、电极3044，壳体上开设有进水口3045、出水口3046，由壳体和电极组成的空间构成并联的内部水流通道，水流在内部形成“Z”字型流动。如附图3所示，以每个MCDI组件由4个MCDI模块构成说明，4个MCDI模块采用并联连接构成一个MCDI组件，进水口连入一级淡海水或预处理海水，一级淡海水进入内部水流通道进行电容吸附去离子脱盐，出水口排出二级淡海水或废水。
MCDI组件A、MCDI组件B、MCDI组件C并联设置，MCDI处理单元的脱盐流程为：当MCDI组件A工作时，电磁阀E打开，一级淡海水进入MCDI组件A进行低浓度段脱盐，得到二级淡海水，同时电磁阀J打开，预处理海水进入MCDI组件C，MCDI组件C进入解吸附过程且同时为MCDI组件B充电，其余电磁阀H、I、F、G关闭，MCDI组件C解吸附后排出废水；当MCDI组件A达到吸附饱和时，电磁阀E关闭，同时电磁阀F打开，一级淡海水进入MCDI组件B进行低浓度段脱盐，得到二级淡海水，同时电磁阀H打开，预处理海水进入MCDI组件A，MCDI组件A进入解吸附过程且同时为MCDI组件C充电，其余电磁阀E、I、G、J关闭，MCDI组件A解吸附后排出废水；当MCDI组件B达到吸附饱和时，电磁阀F关闭，同时电磁阀G打开，一级淡海水进入MCDI组件C进行低浓度段脱盐，得到二级淡海水，同时电磁阀I打开，预处理海水进入MCDI组件B，MCDI组件B进入解吸附过程且同时为MCDI组件A充电，其余电磁阀H、E、F、J关闭，MCDI组件B解吸附后排出废水。MCDI组件A、MCDI组件B、MCDI组件C依次交替工作，MCDI组件中储存的能量通过电控单元控制不同电路的切换，保证最优的电能回收率，实现连续水路脱盐和连续回收一级淡海水能量。排出的二级淡海水依次流经逆止阀、电导率仪，而后进入后置过滤单元。
MCDI处理单元的能量回收流程为：由于MCDI组件存在吸附和解吸附过程，在解析附过程时MCDI组件无法除盐，因此，设计MCDI组件A、MCDI组件B、MCDI组件C三个循环使用，确保连续水路脱盐和连续回收电能，电路图如附图3所示：当MCDI组件A工作时，电磁阀E打开，开关A3071关闭使直流电源308供给MCDI组件A中剩余电量，电磁阀J打开，MCDI组件C进入解吸附过程，同时开关E3075关闭，为MCDI组件B充电，其余开关B3072、开关C3073、开关D3074、开关F3076打开；当MCDI组件A达到吸附饱和时，电磁阀E关闭，同时电磁阀F打开，MCDI组件B工作，开关B关闭使直流电源供给MCDI组件B中剩余电量，MCDI组件A进入解吸附过程，同时开关F关闭，为MCDI组件C充电，其余开关A、C、D、E打开；当MCDI组件B达到吸附饱和时，电磁阀F关闭，开关B关闭，同时电磁阀G打开，MCDI组件C工作，开关C关闭使直流电源供给MCDI组件C中剩余电量，MCDI组件B进入解吸附过程，同时开关D关闭，为MCDI组件A充电，其余开关A、E、F打开。
MCDI处理单元采用附图3所示的电路连接方式回收电能，通过电控单元进行电路控制切换，按照附图4所示的电路连接方式依次(4a-4b-4c-4d-4e)进行切换，其中前4个MCDI模块构成一个MCDI组件，后4个MCDI模块构成另一个MCDI组件，4a为并串电路、4b为并并电路、4c为并并串并电路、4d为并串并并电路、4e为串并电路，根据实验验证，采用附图3、4的电路连接方式可以回收储存在每个解吸附MCDI组件中的70％的能量。
后置过滤单元400包括通过管道依次连接的PP棉过滤器、活性炭过滤器、淡水罐，二级淡海水经PP棉过滤器、活性炭过滤器处理，进一步改善水的口感，得到直饮淡水，连入淡水罐中储存。
本发明海水淡化装置系统的实际处理能力情况之一：将离子浓度为35000mg/L的预处理海水脱盐至离子浓度为1165mg/L的一级淡海水，再脱盐至离子浓度为500mg/L的二级淡海水，达到直饮水标准。
本发明海水淡化装置系统的原理和作用是：1、利用SWRO法在高浓度下脱盐能耗较低，装置适中，MCDI法在低浓度下脱盐能耗较低，装置小巧，结合两者在各自浓度区间的优势，将SWRO处理单元与MCDI处理单元相耦合，通过耦合互补的水路和电路设计进行海水淡化，保证系统出水的连续性，并且对SWRO处理单元中高压浓盐水的压力势能和MCDI处理单元中解吸附释放的电能进行回收，使得整体的海水淡化装置系统脱盐能耗及成本大大降低；2、通过MCDI处理单元可有效去除传统海水淡化后淡水中过量对人体有害的硼等二价离子，保障水质，制取高质量纯水；3、与现有RO反渗透海水淡化技术相比，本发明避免了二级SWRO和BWRO相结合能耗高的问题，避免了一级RO产水呈酸性造成对金属的腐蚀性比海水更强和原必须用BWRO二级反渗透装置才能去除二价有害离子等问题；4、与现有CDI海水淡化系统相比，解决了CDI海水淡化在高浓度范围内能耗不占优势的问题，在MCDI处理单元采用三个MCDI组件依次交替工作，解决了CDI装置水路不连续的问题。

Claims (9)

1.一种带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统，其特征在于：包括前置过滤单元、SWRO处理单元、MCDI处理单元、后置过滤单元；
SWRO处理单元，包括包含高压泵、RO一级脱盐设备的海水淡化水路，以及包含液压缸A、液压缸B的能量回收水路，原海水经前置过滤单元处理后得到的预处理海水，由高压泵连入RO一级脱盐设备，预处理海水在RO一级脱盐设备中进行高浓度段脱盐，得到高压浓盐水和一级淡海水，液压缸A、液压缸B依次交替进行增压和泄压工作，高压浓盐水经泄压后排出，预处理海水经增压后连入RO一级脱盐设备，实现连续水路脱盐和连续回收高压浓盐水能量；
MCDI处理单元，包括并联设置的MCDI组件A、MCDI组件B、MCDI组件C，MCDI组件A对一级淡海水进行低浓度段脱盐，得到二级淡海水，MCDI组件B对预处理海水进行解吸附且同时为MCDI组件C组件进行充电，MCDI组件B解吸附后排出废水，MCDI组件A、MCDI组件B、MCDI组件C依次交替工作实现连续水路脱盐和连续回收一级淡海水能量，二级淡海水连入后置过滤单元处理后得到直饮淡水。
2.根据权利要求1所述的带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统，其特征在于：前置过滤单元包括通过管道依次连接的原水泵、多介质过滤器、微滤器，原海水经原水泵、多介质过滤器、微滤器处理后得到预处理海水。
3.根据权利要求1所述的带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统，其特征在于：后置过滤单元包括通过管道依次连接的PP棉过滤器、活性炭过滤器，二级淡海水经PP棉过滤器、活性炭过滤器处理后得到直饮淡水。
4.根据权利要求1所述的带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统，其特征在于：SWRO处理单元的能量回收水路为：液压缸A、液压缸B与RO一级脱盐设备并联，高压浓盐水通过二位五通电磁阀连入液压缸A的右侧腔室，从前置过滤单元出口引出预处理海水分别连入液压缸A、液压缸B的左侧腔室，在左侧腔室都设置有出口，该出口通过管道连入增压泵，增压泵连入RO一级脱盐设备的进口，液压缸B的右侧腔室与液压缸A的右侧腔室、浓水罐通过二位五通电磁阀连接。
5.根据权利要求1所述的带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统，其特征在于：MCDI组件A、MCDI组件B、MCDI组件C均包括4N个MCDI模块，MCDI模块之间采用并联连接，N为正整数。
6.根据权利要求5所述的带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统，其特征在于：MCDI模块包括壳体、隔板、阴阳离子交换膜、电极，壳体上开设有进水口、出水口，由壳体和电极组成的空间构成并联的内部水流通道，进水口连入一级淡海水或预处理海水，出水口排出二级淡海水或废水。
7.根据权利要求1所述的带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统，其特征在于：MCDI处理单元通过电控单元控制不同电路的切换，回收MCDI组件中储存的能量。
8.根据权利要求7所述的带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统，其特征在于：不同电路依次为并串电路、并并电路、并并串并电路、并串并并电路、串并电路。
9.根据权利要求1所述的带能量回收的SWRO与MCDI耦合海水淡化装置系统的，其特征在于：SWRO处理单元进行高浓度段脱盐，将离子浓度为35000mg/L的预处理海水脱至离子浓度为1165mg/L的一级淡海水，MCDI处理单元进行低浓度段脱盐，将离子浓度为1165mg/L的一级淡海水脱至离子浓度为500mg/L的二级淡海水。
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