CN114560534B - 一种基于热渗透原理的发电与海水淡化系统 - Google Patents

一种基于热渗透原理的发电与海水淡化系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于海水淡化及发电技术领域，具体公开了一种基于热渗透原理的发电与海水淡化系统，包括，能利用低品位热源加热海水的加热装置；基于疏水性多孔膜的热渗透淡化模块，包括淡水侧、海水侧以及位于淡水侧和海水侧间的疏水性多孔膜；水力发电装置，用于利用所通入的水流的机械能发电；所述海水侧与所述加热装置连通，用于供加热后的海水通过；所述淡水侧能通入淡水，且与水力发电装置的进水端连通；所述淡水侧与水力发电装置间的通路上还设有用于启闭该通路的工作阀门，所述工作阀门的开启条件为淡水侧内的水压达到指定的发电工作水压。该系统利用太阳能，余热，地热等低品位热源实现水电联产，提高整个海水淡化过程的能效。

Description

一种基于热渗透原理的发电与海水淡化系统
技术领域
本发明属于发电及海水淡化领域，具体涉及一种基于热渗透原理的发电及海水淡化系统。
背景技术
当前淡水资源日益紧张，全球变暖问题日益严重，我国以煤炭为主的能源结构急需改革，高效率低成本的海水淡化技术和高能效低能耗的新能源发电技术日益紧俏。
全球有大量的低品位热源可供开发利用，例如工业余热，太阳能，地热能等。我国工业余热总资源占其燃料消耗总量的17％～67％，其中可回收利用部分约占余热总量的60％。但目前对低品位热源尤其是小于100℃的低品位热源的开发利用并不充分，主要缺少经济高效的低品位热源利用技术。
当把疏水性多孔膜放置在温度不同的两种溶液之间时，膜两侧液体的温差可以产生跨膜蒸汽压差，蒸汽压差会驱动两种液体之间各种成分的气相跨膜传输。基于这种热渗透原理的膜蒸馏技术可利用低品位热源对含非挥发溶质的水溶液进行分离，在海水淡化，超纯水的制备，废水处理和共沸混合物分离中均有很大的利用前景。然而，由于液-气相变过程会消耗大量能量，现有膜蒸馏海水淡化技术存在能耗大，能量利用效率低等缺点，需要对现有技术进行系统集成，工艺与应用扩展以提高整个海水淡化过程的能效。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于热渗透原理的发电与海水淡化系统，通过结合热渗透分离技术和热渗透能量转换技术，利用太阳能，余热，地热等低品位热源实现水电联产，提高整个海水淡化过程的能效。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于热渗透原理的发电与海水淡化系统，该系统包括，
能利用低品位热源加热海水的加热装置；
基于疏水性多孔膜的热渗透淡化模块，包括淡水侧、海水侧以及位于淡水侧和海水侧间的疏水性多孔膜；
水力发电装置，用于利用所通入的水流的机械能发电；
所述海水侧与所述加热装置连通，用于供加热后的海水通过；
所述淡水侧能通入淡水，且与水力发电装置的进水端连通；
所述淡水侧与水力发电装置间的通路上还设有用于启闭该通路的工作阀门，所述工作阀门的开启条件为淡水侧内的水压达到指定的发电工作水压。
进一步的，所述热渗透淡化模块包括膜组件，膜组件为板框式或卷式，包括外部壳体、疏水性多孔膜；
所述疏水性多孔膜将壳体分隔出所述海水侧和所述淡水侧。
进一步的，海水和淡水在热渗透淡化模块中的流向相逆。
进一步的，还包括淡水加压组件，用于利用从热渗透淡化模块输出的高压淡水对输入到热渗透淡化模块的低压淡水进行加压。
优选的，所述淡水加压组件包括压力交换器，所述压力交换器分为高压侧和低压侧，用于将高压侧的水压交换至低压侧；
高压侧的进水端与所述淡水侧的出水端相连；
低压侧能通入淡水，且低压侧的出水端与所述淡水侧的进水端相连。
优选的，所述压力交换器为旋转式正位移压力交换器。
进一步的，系统中，进入水力发电装置做功发电的淡水流量与疏水微孔膜片的水通量保持一致或相近；
流入和流出淡水加压组件的流量保持一致或相近。
优选的，所述疏水性多孔膜为拉伸强度可达5MPa以上的疏水性多孔膜。
进一步的，所述淡水侧和海水侧中均设有隔网，用于分隔相邻膜片并形成流体通道。
进一步的，还包括能流入、流出及贮藏淡水的淡水缓冲模块，所述淡水缓冲模块从淡水加压组件通入释放了压力的淡水，再向淡水加压组件送出低压淡水。
进一步的，所述水力发电装置为水轮机。
进一步的，还包括海水浓差发电组件，用于利用海水与从所述海水侧中流出的浓盐水间的浓差发电。
进一步的，所述海水浓差发电组件包括：
半透膜组件，包括高浓度侧、低浓度侧以及位于高浓度侧、低浓度侧间的半透膜；
第二水力发电装置，用于利用所通入的水流的机械能发电；
所述低浓度侧用于供海水通过；
所述高浓度侧能通入来自所述海水侧的浓盐水，且与第二水力发电装置的进水端连通；
所述淡水侧与第二水力发电装置间的通路上还设有用于启闭该通路的第二工作阀门，所述第二工作阀门的开启条件为高浓度内的水压达到指定的第二发电工作水压。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
在本发明的发电及海水淡化系统中，通过抽取海水在加热器中被低品位热源升温(<100℃)，再送入热渗透淡化模块的海水侧，热渗透淡化模块另一侧淡水侧内则是高压的常温淡水，高温海水中的水分在膜的高温侧蒸发，穿过疏水性多孔膜后在低温的淡水中冷凝富集，而海水中的盐则不能透过疏水膜；淡水侧出口和水力发电装置连接，高压水流通过水力发电装置做完功后被提供给用户；
在一些实施例中，淡水侧出口的高压水流分成两路，除了前述的通入水力发电装置的一路，另一路则通往淡水加压模块的高压侧进口，淡水加压模块可以回收高压水流的能量，高压侧出口连接淡水缓存模块入水口，卸掉压力的淡水在淡水缓冲模块中暂存，并作为低压淡水被送往淡水加压模块的低压侧被加压。如此，即实现了淡水的循环利用，还利用了高压淡水的压力能来提高进入淡水的淡水压力。
由于在海水淡化过程中，海水浓度提高成为了浓盐水，在一些实施例中，还使用浓差发电组件来利用从海水侧排出的浓盐水与普通海水的之间的浓差进行发电，实现能量的充分回收，由于不似一般浓差发电采用淡水与海水的浓度差，在利用能源的同时节约了淡水资源，提高了能效。
本发明通过结合热渗透分离技术和热渗透能量转换技术，可充分利用太阳能，余热，地热等低品位热源实现水电联产，使得海水淡化从纯能源消耗过程转化为可实现电力产出过程。该系统工作温度和工作压力均较低，结构简单，操作简便，适用于船舶，岛屿及海边地区的供水供电，是一种可以高效利用低品位热源，具有工程应用价值和市场前景的新方案。
附图说明
图1为本发明实施例1中的基于热渗透原理的发电及海水淡化系统结构图；
图2为本发明实施例中膜组件结构示意图；
图3为本发明实施例1中的基于热渗透原理的发电及海水淡化系统结构图。
说明书附图图1图2中的附图标记包括：1、膜组件，2、加热器，3、压力交换器，4、淡水缓冲罐，5、水轮机，6、低压泵，7、海水泵，8、膜组件外部壳体，9、疏水微孔膜片， 10、隔网。
说明书附图图3中的附图标记包括：1、膜组件，2、加热器，3、压力交换器，4、淡水缓冲罐，5、水轮机，6、低压泵，7、海水泵，8、第二低压泵，9、第二压力交换器，10、半透膜组件，11、第二水轮机，12、第二海水泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例中的基于热渗透原理的发电及海水淡化系统基本如图1所示，其中包括膜组件 1，加热器2，压力交换器3，淡水缓冲罐4，水轮机5，低压泵6，和海水泵7，各部件之间采用管道连接。如图2所示，膜组件1为板框式，主要包括外部壳体8和疏水微孔膜片9，膜将壳体分隔出海水侧和淡水侧，淡化方式为直接接触式，海水和淡水逆流；海水泵7用于抽取海水，海水进入加热器2中被太阳能加热升温至60℃，再进入膜组件1的海水侧，膜组件1另一侧的淡水侧则是温度为20℃，液压为5MPa的淡水，高温海水中的水分在膜的高温侧即海水侧蒸发，穿过多孔疏水膜9后在低温的淡水中冷凝富集，而海水中的盐则不能透过疏水微孔膜片9；膜组件1淡水侧出口一路连接压力交换器3高压侧进口，高压淡水在压力交换器3中被回收能量用以加压另一侧低压淡水，压力交换器3高压侧出口连接淡水缓冲罐 4入水口；膜组件1淡水侧出口另一路和水轮机5连接，高压水流在做功发电后被提供给用户；淡水缓冲罐4出水口经低压泵6和压力交换器3的低压侧连接至膜组件1淡水侧的进口。
疏水微孔膜9采用机械强度大的膜，例如有机-无机杂化膜，拉伸强度可达5MPa以上，使其可以在膜组件1淡水侧的较高液压下工作。膜组件1的淡水侧和海水侧均设有隔网10，可以起到分隔相邻膜片，形成流体通道的作用，同时还有助于破坏温度/浓度边界层，促进传热传质效率，减缓膜表面如结垢物质等污染物的沉积；为减小淡水侧压力损失，淡水侧隔网较细，厚度较小，海水侧隔网较粗，厚度较大。膜组件1淡水侧进出口，淡水缓冲罐4进出口均设有阀门来控制不同的工作过程。
本实施例中的压力交换器3采用旋转式正位移压力能回收技术，工作效率可达95％以上。系统工作过程中，进入水轮机5做功发电的淡水流量与疏水微孔膜片9的水通量保持一致或相近，压力交换器3低压侧与高压侧流量保持相同或相近，保证系统稳定持续运行。
本实施例的具体工作过程如下：海水泵7用于抽取海水，送至加热器2；在加热器2中海水被太阳能加热升温至60℃，之后进入膜组件1的海水侧流道中；与此同时，在膜组件1的淡水侧流道中充注一定量的20℃(常温)淡水，此时所有阀门保持关闭，使膜组件1淡水侧形成封闭的空间；
膜组件1中膜两侧的温差产生跨膜蒸汽压差，高温海水中的水分在膜的高温侧蒸发，穿过多孔疏水膜后在低温的淡水冷凝富集，而海水中的盐则不能透过疏水膜，从而实现海水淡化。膜组件1淡水侧体积有限，随着水量逐渐增大，压力也随之增大。淡水侧内的水压当达到所需发电工作压力时，依次打开阀v1，v2，v3，v4。高压淡水流出膜组件1后分成两路，一路先流至水轮机5做功，然后供给用户，一路流至压力交换器3的高压侧，与低压侧淡水交换压力能，对低压侧淡水进行加压，随后流至淡水缓冲罐4以备系统循环使用，本实施例中，发电工作压力设定为50MPa。通过调节阀门v5，可使进入水轮机5做功发电的淡水流量与疏水微孔膜片9的水通量保持一致(或相近)，与此同时，淡水缓冲罐4出口的水流经低压泵6和压力交换器3加压至渗透工作压力，进入膜组件1的淡水侧.本实施例中，渗透工作压力设定为5MPa。在高压淡水流出膜组件1的过程中，海水中的水分不断渗透到其中，致使d 淡水侧的水量增加，于是压力基本保持不变，增加的水量通过水轮机5做功后被提供给用户。通过调节阀门v2，可使淡水缓冲罐4的进出流量相等或相近，完成循环。
实施例2
本实施例中的基于热渗透原理的发电及海水淡化系统，基本如图3所示，该系统是在实施例1的基础上增加了缓压渗透式发电装置。所述缓压渗透式发电装置包括第二低压泵8，第二压力交换器9，半透膜组件10，第二水轮机11和第二海水泵12。来自疏水膜组件1的浓盐水经第二低压泵8和第二压力交换器9加压进入半透膜组件10高压侧。半透膜另一侧是第二海水泵12输送的海水。半透膜两侧液体的浓差产生的渗透压差驱动海水中的水渗透到高压浓盐水中，半透膜组件10高压侧出口的盐水分成两股，一股流至第二水轮机11做功，其流量与半透膜的水通量保持一致(或相近)；一路流至第二压力交换器9的高压侧，与低压侧浓盐水交换压力能，对低压侧浓盐水进行加压。
与实施例1相比，本实施例中的缓压渗透式发电装置利用膜组件1出口浓盐水与海水之间的浓差进行发电，提高了系统的能量效率。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。同时，实施例中公知的具体结构及特性等常识，在此并未作过多描述。最后，本发明要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种基于热渗透原理的发电与海水淡化系统，其特征在于，包括，
能利用低品位热源加热海水的加热装置；
基于疏水性多孔膜的热渗透淡化模块，包括淡水侧、海水侧以及位于淡水侧和海水侧间的疏水性多孔膜；
水力发电装置，用于利用所通入的水流的机械能发电；
所述海水侧与所述加热装置连通，用于供加热后的海水通过；
所述淡水侧能通入淡水，且与水力发电装置的进水端连通；
所述淡水侧与水力发电装置间的通路上还设有用于启闭该通路的工作阀门，所述工作阀门的开启条件为淡水侧内的水压达到指定的发电工作水压；
还包括淡水加压组件，用于利用从热渗透淡化模块输出的高压淡水对输入到热渗透淡化模块的低压淡水进行加压；
所述淡水侧和海水侧中均设有隔网，用于分隔相邻膜片并形成流体通道，淡水侧隔网较细，厚度较小，海水侧隔网较粗，厚度较大；
还包括海水浓差发电组件，用于利用海水与从所述海水侧中流出的浓盐水间的浓差发电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热渗透淡化模块包括膜组件，膜组件为板框式或卷式，包括外部壳体、疏水性多孔膜；
所述疏水性多孔膜将壳体分隔出所述海水侧和所述淡水侧。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述淡水加压组件包括压力交换器，所述压力交换器分为高压侧和低压侧，用于将高压侧的水压交换至低压侧；
高压侧的进水端与所述淡水侧的出水端相连；
低压侧能通入淡水，且低压侧的出水端与所述淡水侧的进水端相连。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，系统中，进入水力发电装置做功发电的淡水流量与疏水微孔膜片的水通量保持一致或相近。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述疏水性多孔膜为拉伸强度可达5MPa以上的疏水性多孔膜。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括能流入、流出及贮藏淡水的淡水缓冲模块，所述淡水缓冲模块从淡水加压组件通入释放了压力的淡水，再向淡水加压组件送出低压淡水。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述海水浓差发电组件包括：
半透膜组件，包括高浓度侧、低浓度侧以及位于高浓度侧、低浓度侧间的半透膜；
第二水力发电装置，用于利用所通入的水流的机械能发电；
所述低浓度侧用于供海水通过；
所述高浓度侧能通入来自所述海水侧的浓盐水，且与第二水力发电装置的进水端连通；
所述淡水侧与第二水力发电装置间的通路上还设有用于启闭该通路的第二工作阀门，所述第二工作阀门的开启条件为高浓度内的水压达到指定的第二发电工作水压。
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