CN113562915A - 一种利用太阳能的低污染水电联产系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用太阳能的低污染水电联产系统及其运行方法，基于多级定向溶剂萃取技术和压力延迟渗透发电技术，可以实现淡水生产、废水处理以及能量回收功能。本发明通过对多级萃取系统工作温度区间的设计，将多级萃取系统与压力延迟渗透发电系统耦合，降低了系统中的不可逆损失，提高了整个系统的
Figure DDA0003180859770000011
效率和发电效率。通过设计具有储能功能的高温分离罐，在太阳能能量密度较低的阴天或夜晚，也能实现连续产水发电。本发明能够实现对低品位太阳能热能的有效利用，实现淡水与电能联产，同时避免了传统淡水制备中直接排放浓盐水对近海区域的生态环境污染问题。

Description

一种利用太阳能的低污染水电联产系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及海水淡化领域及系统能量优化领域，具体涉及一种利用太阳能的低污染水电联产系统及其运行方法。
背景技术
世界淡水供应一直处于供不应求的状态，而海水作为一个丰富的水资源宝库，无疑可以弥补淡水资源匮乏的空洞。与此同时，全球能源消耗量的不断上升与在2030年之前实现“碳达峰”的目标，使得我们对于一个清洁且高效能源系统的需求日益强烈。而太阳能作为最清洁的能源之一，具有广阔的利用前景，目前已经较为成熟的多级溶剂萃取海水淡化技术(DSE)可以利用低品位热源(如太阳能)，来得到淡水和盐浓度较高的卤水，淡水可以直接在生产生活中利用，但这一系统对处理后母液(卤水)的利用尚有不足，这部分盐浓度较高的母液直接排放导致了近海地区的环境污染，母液中蕴含着丰富的盐浓度差势能理论上可以以较高的转化效率转化为电能，结合目前尚未大规模投入使用但已被证实可行的压力延迟渗透技术(PRO)，我们可以将这部分盐差能转化为高品质电能，提高整个系统的能量利用效率，达到节能减排的目的。同时结合了储能技术，使得整个系统可以在太阳能能量密度较低的阴天或夜晚连续工作。
发明内容
为了解决上述能源利用以及环境污染问题，本发明提出一种利用太阳能的低污染水电联产系统及其运行方法，将经过多级萃取系统后排出的浓盐水通入压力延迟渗透发电装置，实现化学势能与电能的转化，同时将产生盐水通入太阳能蒸发器中，利用其蒸汽潜热的同时将盐水浓缩，可以直接在化工行业中利用，减少排放污染。
为了实现上述目标，本发明采用如下方案：
一种利用太阳能的低污染水电联产系统，太阳能蒸发器1的热蒸汽出口与各个加热器2相连，加热器出口淡水作为产品引出，太阳能蒸发器1的预浓缩海水经加热后与定向溶剂在一级搅拌混合器3.1中混合，一级搅拌混合器3.1出口与具有储能功能的一级高温分离罐4.1入口相连，一级高温分离罐4.1的溶剂出口经泵5、换热器6和热回收器7与一级低温分离罐8.1工质入口相连，一级低温分离罐8.1出口定向溶剂经泵5、换热器6后与一级高温分离罐4.1出口浓盐水进入二级搅拌混合器3.2中混合，二级搅拌混合器3.2出口与具有储能功能的二级高温分离罐4.2入口相连，二级高温分离罐4.2的溶剂出口经泵5、换热器6和热回收器7与二级低温分离罐8.2工质入口相连，二级低温分离罐8.2出口定向溶剂经泵5、换热器6后与一级高温分离罐4.1出口浓盐进入一级搅拌混合器3.1中；
二级高温分离罐4.2出口浓盐水通入浓盐水储罐10中，一级低温分离罐8.1和二级低温分离罐8.2出口淡水通入淡水储罐9中，一部分作为产品淡水引出，另一部分与浓盐水储罐10中浓盐水通入配有稳压器12的压力延迟渗透发电装置11中，压力延迟渗透发电装置11出口盐水重新通入太阳能蒸发器1中。
在多级定向溶剂萃取过程中，循环流通于一级搅拌混合器3.1、二级搅拌混合器3.2、一级高温分离罐4.1、二级高温分离罐分离罐4.2与一级低温分离罐8.1和二级低温分离罐8.2中的定向溶剂为辛酸或离子液体；能够提高萃取效率，降低热损失。
通过合理设计一级高温分离罐4.1、二级高温分离罐4.2、一级低温分离罐8.1和二级低温分离罐8.2的工作温度区间，提高整个系统的
Figure BDA0003180859750000031
效率，实现定向溶剂的循环利用，节约成本；一级高温分离罐4.1和二级高温分离罐4.2工作温度区间处于50℃至80℃区间，实现浓盐水的分离，一级低温分离罐和二级低温分离罐工作温度区间处于30℃至40℃区间，实现淡水的分离。
压力延迟渗透发电装置11采用逆流布置的方式，其中浓盐水与淡水的体积流量之比介于0.4至0.6之间，渗透过程结束后产生的盐水重新通入太阳能热蒸发器1中。
在太阳能蒸发器1中为了保证蒸汽温度，采用太阳能集热器辅助加热的方式，使出口蒸汽温度达到80℃以上。
一级高温分离罐4.1和二级高温分离罐4.2具有储能功能，可储存正常工况下运行过程中产生的热量，在太阳能能量密度较低的阴天或夜晚，通过调整系统运行工况，可以实现淡水和电能的连续生产。
太阳能蒸发器1输出浓盐水已达饱和，能够直接利用于化工行业而避免排放。
所述的一种利用太阳能的低污染水电联产系统的工作方法，将海水通入太阳能蒸发器1，利用低品位太阳能加热产生蒸汽同时将海水浓缩，换热器6利用蒸汽潜热加热海水以及定向溶剂，同时收集冷凝淡水作为产物；加热后的海水与定向溶剂通入一级搅拌混合器3.1，经搅拌混合后通入具有储能功能的一级高温分离罐4.1，由于水在定向溶剂中溶解度升高导致大量水溶于定向溶剂中，分离出浓盐水通入一级搅拌混合器3.2，而水与定向溶剂混合液经过换热器6以及热回收器7进行热量回收利用后通入一级低温分离罐8.1和二级低温分离罐8.2，由于温度下降，溶解度下降，淡水析出，分离后通入淡水储罐9，定向溶剂经泵5和换热器6后通入二级搅拌混合器3.2中，与一级高温分离罐4.1出口浓盐水混合搅拌；二级搅拌混合器3.2出口与具有储能功能的二级高温分离罐4.1入口相连，二级高温分离罐4.2的溶剂出口经泵5、换热器6和热回收器7与二级低温分离罐8.2工质入口相连，二级低温分离罐8.2出口定向溶剂经泵5、换热器6后与一级高温分离罐4.1出口浓盐进入一级搅拌混合器3.1中；
二级高温分离罐4.2出口浓盐水通入浓盐水储罐10中，一级低温分离罐8.1和二级低温分离罐8.2出口淡水通入淡水储罐9中，一部分作为产品淡水引出，另一部分与浓盐水储罐10中浓盐水通入配有稳压器12的压力延迟渗透发电装置11中将盐差能转化为电能，压力延迟渗透发电装置11出口盐水重新通入太阳能蒸发器1中；收集汽化潜热与冷凝淡水，太阳能蒸发器1中浓缩达到饱和的盐水直接用于化工行业而避免排放；在太阳能能量密度较低的阴天或夜晚，利用具有储能功能的一级高温分离罐4.1和二级高温分离罐4.2中储存的热能，调整运行工况，达到连续产水产电的目的。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)通过耦合太阳能蒸发装置、多级定向溶剂萃取技术、压力延迟渗透发电技术，实现利用低品位太阳能的淡水生产、废水处理以及能量回收功能。
2)通过设计多级定向溶剂萃取工作温度区间，可以提高整个系统的
Figure BDA0003180859750000041
效率，实现定向溶剂的循环利用，节约成本。
3)利用储能技术，实现系统全天候连续运行。
附图说明
附图1为本发明系统图。
具体实施方式
下面对本发明的运行过程做进一步说明。
如附图1所示，一种利用太阳能的低污染水电联产系统，包括太阳能蒸发器1、加热器2、一级搅拌混合器3.1和二级搅拌混合器3.2、具有储能功能的一级高温分离罐4.1和二级高温分离罐4.2、泵5、换热器6、热回收器7、一级低温分离罐和二级低温分离罐、淡水储罐9、浓盐水储罐10、压力延迟渗透发电装置11、稳压器12。该系统的主要特征为：将海水通入太阳能蒸发器1，利用低品位太阳能加热产生蒸汽同时将海水浓缩，换热器6利用蒸汽潜热加热海水以及定向溶剂，同时收集冷凝淡水作为产物。加热后的海水与定向溶剂通入一级搅拌混合器3.1，经搅拌混合后通入具有储能功能的一级高温分离罐4.1，由于水在定向溶剂中溶解度升高导致大量水溶于定向溶剂中，分离出浓盐水通入一级搅拌混合器3.2，而水与定向溶剂混合液经过换热器6以及热回收器7进行热量回收利用后通入一级低温分离罐8.1和二级低温分离罐8.2，由于温度下降，溶解度下降，淡水析出，分离后通入淡水储罐9，定向溶剂经泵5和换热器6后通入二级搅拌混合器3.2中，与一级高温分离罐4.1出口浓盐水混合搅拌。二级搅拌混合器3.2出口与具有储能功能的二级高温分离罐4.1入口相连，二级高温分离罐4.2的溶剂出口经泵5、换热器6和热回收器7与二级低温分离罐8.2工质入口相连，二级低温分离罐8.2出口定向溶剂经泵5、换热器6后与一级高温分离罐4.1出口浓盐进入一级搅拌混合器3.1中。
二级高温分离罐4.2出口浓盐水通入浓盐水储罐10中，一级低温分离罐8.1和二级低温分离罐8.2出口淡水通入淡水储罐9中，一部分作为产品淡水引出，另一部分与浓盐水储罐10中浓盐水通入配有稳压器12的压力延迟渗透发电装置11中将盐差能转化为电能，压力延迟渗透发电装置11出口盐水重新通入太阳能蒸发器1中。收集汽化潜热与冷凝淡水，太阳能蒸发器1中浓缩达到饱和的盐水可以直接用于化工行业而避免排放。在太阳能能量密度较低的阴天或夜晚，利用具有储能功能的一级高温分离罐4.1和二级高温分离罐4.2中储存热能，调整运行工况，达到连续产水产电的目的。
作为本发明的优选实施方式，在太阳能加热器中采用太阳能集热器辅助加热方式，使出口蒸汽温度升高到80℃以上。
作为本发明的优选实施方式，将一级高温分离罐4.1和二级高温分离罐4.2的工作温度区间设计在50℃至80℃之间，一级低温分离罐8.1和二级低温分离罐8.2的工作温度区间设计在30℃至40℃之间；
作为本发明的优选实施方式，按照逆流布置压力延迟渗透发电装置11，其中浓盐水与淡水体积流量之比为0.4至0.6之间，渗透过程结束后产生的盐水通入太阳能热蒸发器1中进行重新利用。
本发明提出的一种利用太阳能的低污染水电联产系统，基于多级定向溶剂萃取技术和压力延迟渗透发电技术，可以实现淡水生产、废水处理以及能量回收功能。本发明通过对多级萃取系统工作温度区间的设计，将多级萃取系统与压力延迟渗透发电系统耦合，降低了系统中的不可逆损失，提高了整个系统的
Figure BDA0003180859750000061
效率和发电效率。通过设计具有储能功能的一级高温分离罐4.1和二级高温分离罐4.2，在太阳能能量密度较低的阴天或夜晚，也能实现连续产水发电。该发明能够实现对低品位太阳能热能的有效利用，实现淡水与电能联产，同时避免了传统淡水制备中直接排放浓盐水对近海区域的生态环境污染问题。

Claims (8)

1.一种利用太阳能的低污染水电联产系统，其特征在于，太阳能蒸发器(1)的热蒸汽出口与各个加热器(2)相连，加热器出口淡水作为产品引出，太阳能蒸发器(1)的预浓缩海水经加热后与定向溶剂在一级搅拌混合器(3.1)中混合，一级搅拌混合器(3.1)出口与具有储能功能的一级高温分离罐(4.1)入口相连，一级高温分离罐(4.1)的溶剂出口经泵(5)、换热器(6)和热回收器(7)与一级低温分离罐(8.1)工质入口相连，一级低温分离罐(8.1)出口定向溶剂经泵(5)、换热器(6)后与一级高温分离罐(4.1)出口浓盐水进入二级搅拌混合器(3.2)中混合，二级搅拌混合器(3.2)出口与具有储能功能的二级高温分离罐(4.2)入口相连，二级高温分离罐(4.2)的溶剂出口经泵(5)、换热器(6)和热回收器(7)与二级低温分离罐(8.2)工质入口相连，二级低温分离罐(8.2)出口定向溶剂经泵(5)、换热器(6)后与一级高温分离罐(4.1)出口浓盐进入一级搅拌混合器(3.1)中；
二级高温分离罐(4.2)出口浓盐水通入浓盐水储罐(10)中，一级低温分离罐(8.1)和二级低温分离罐(8.2)出口淡水通入淡水储罐(9)中，一部分作为产品淡水引出，另一部分与浓盐水储罐(10)中浓盐水通入配有稳压器(12)的压力延迟渗透发电装置(11)中，压力延迟渗透发电装置(11)出口盐水重新通入太阳能蒸发器(1)中。
2.如权利要求1中所述的一种利用太阳能的低污染水电联产系统，其特征在于：在多级定向溶剂萃取过程中，循环流通于一级搅拌混合器(3.1)、二级搅拌混合器(3.2)、一级高温分离罐(4.1)、二级高温分离罐分离罐(4.2)与一级低温分离罐(8.1)和二级低温分离罐(8.2)中的定向溶剂为辛酸或离子液体；能够提高萃取效率，降低热损失。
3.如权利要求1中所述的一种利用太阳能的低污染水电联产系统，其特征在于：通过合理设计一级高温分离罐(4.1)、二级高温分离罐(4.2)、一级低温分离罐(8.1)和二级低温分离罐(8.2)的工作温度区间，提高整个系统的
Figure FDA0003180859740000021
效率，实现定向溶剂的循环利用，节约成本；一级高温分离罐(4.1)和二级高温分离罐(4.2))工作温度区间处于50℃至80℃区间，实现浓盐水的分离，一级低温分离罐和二级低温分离罐工作温度区间处于30℃至40℃区间，实现淡水的分离。
4.如权利要求1中所述的一种利用太阳能的低污染水电联产系统，其特征在于：压力延迟渗透发电装置(11)采用逆流布置的方式，其中浓盐水与淡水的体积流量之比介于0.4至0.6之间，渗透过程结束后产生的盐水重新通入太阳能热蒸发器(1)中。
5.如权利要求1中所述的一种利用太阳能的低污染水电联产系统，其特征在于：在太阳能蒸发器(1)中为了保证蒸汽温度，采用太阳能集热器辅助加热的方式，使出口蒸汽温度达到80℃以上。
6.如权利要求1中所述的一种利用太阳能的低污染水电联产系统，其特征在于：一级高温分离罐(4.1)和二级高温分离罐(4.2)具有储能功能，可储存正常工况下运行过程中产生的热量，在太阳能能量密度较低的阴天或夜晚，通过调整系统运行工况，可以实现淡水和电能的连续生产。
7.如权利要求1中所述的一种利用太阳能的低污染水电联产系统，其特征在于：太阳能蒸发器(1)输出浓盐水已达饱和，能够直接利用于化工行业而避免排放。
8.权利要求1至7任一项所述的一种利用太阳能的低污染水电联产系统的工作方法，其特征在于：将海水通入太阳能蒸发器(1)，利用低品位太阳能加热产生蒸汽同时将海水浓缩，换热器(6)利用蒸汽潜热加热海水以及定向溶剂，同时收集冷凝淡水作为产物；加热后的海水与定向溶剂通入一级搅拌混合器(3.1)，经搅拌混合后通入具有储能功能的一级高温分离罐(4.1)，由于水在定向溶剂中溶解度升高导致大量水溶于定向溶剂中，分离出浓盐水通入一级搅拌混合器(3.2)，而水与定向溶剂混合液经过换热器(6)以及热回收器(7)进行热量回收利用后通入一级低温分离罐(8.1)和二级低温分离罐(8.2)，由于温度下降，溶解度下降，淡水析出，分离后通入淡水储罐(9)，定向溶剂经泵(5)和换热器(6)后通入二级搅拌混合器(3.2)中，与一级高温分离罐(4.1)出口浓盐水混合搅拌；二级搅拌混合器(3.2)出口与具有储能功能的二级高温分离罐(4.1)入口相连，二级高温分离罐(4.2)的溶剂出口经泵(5)、换热器(6)和热回收器(7)与二级低温分离罐(8.2)工质入口相连，二级低温分离罐(8.2)出口定向溶剂经泵(5)、换热器(6)后与一级高温分离罐(4.1)出口浓盐进入一级搅拌混合器(3.1)中；
二级高温分离罐(4.2)出口浓盐水通入浓盐水储罐(10)中，一级低温分离罐(8.1)和二级低温分离罐(8.2)出口淡水通入淡水储罐(9)中，一部分作为产品淡水引出，另一部分与浓盐水储罐(10)中浓盐水通入配有稳压器(12)的压力延迟渗透发电装置(11)中将盐差能转化为电能，压力延迟渗透发电装置(11)出口盐水重新通入太阳能蒸发器(1)中；收集汽化潜热与冷凝淡水，太阳能蒸发器(1)中浓缩达到饱和的盐水直接用于化工行业而避免排放；在太阳能能量密度较低的阴天或夜晚，利用具有储能功能的一级高温分离罐(4.1)和二级高温分离罐(4.2)中储存的热能，调整运行工况，达到连续产水产电的目的。
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