CN115135875A

CN115135875A - 渗透溶液开采

Info

Publication number: CN115135875A
Application number: CN202180015107.1A
Authority: CN
Inventors: H·T·马森; L·S·彼泽森
Original assignee: Saltpower Holding ApS
Current assignee: Saltpower Holding ApS
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2021-02-17
Publication date: 2022-09-30
Also published as: CA3167304A1; WO2021165337A1; AU2021223582A1; EP4107392A1; MX2022010019A; BR112022015542A2; IL295401A; US20230107529A1

Abstract

一种用于矿物溶液开采的方法，该方法包括在注入压力下将不饱和流(150)注入矿层(130)中以溶解矿物并提取包含所溶解的矿物的高浓度流(110)。该方法包括通过穿过渗透动力单元(200)将存在于所述高浓度流中的潜在渗透能转化为所述流的总压力的增加，以及通过发电装置(250)发电并将浓度降低的输出流(150)的总压力降低至注入压力，并使用在注入压力下的浓度降低的输出流(150)作为不饱和流(150)。还公开了一种在地下地层中储存燃料的方法。

Description

渗透溶液开采

技术领域

本发明涉及溶液开采。更具体地但非排他地，本发明涉及一种用于矿物(例如盐或钾碱)的溶液开采的方法和一种适用于此类方法的溶液开采系统。

背景技术

一种已知的天然气储存方法是在地下盐层，例如在地下盐丘或岩盐层中建造大型洞穴。这些洞穴是通过称为溶液开采的方法创建的。通常，溶液开采涉及将大量(淡)水注入地下盐层。然后，盐被水溶解，并且所得高盐或饱和盐水返回地表。溶液开采的洞穴随着时间推移逐渐缩小，并且可以周期性地重复溶液开采方法以保持该洞穴。应当理解，溶液开采除了生产天然气储存洞穴之外还具有其它应用。例如，溶液开采可用作提取水溶性矿物以用于下游工业应用的手段。提供更有效的溶液开采方法将是有利的。

题为“发电方法”的WO 2017/149101描述了一种方法，其中将含水进料流注入盐层中以溶解其中所含的盐，然后提取包含所溶解的盐的盐水流。存在于所述盐水流中的潜在渗透能通过穿过渗透动力单元被转化为电能，其中盐水流通过半透膜的一侧，低浓度流通过膜的另一侧。然后将源自低盐度流的输出流用作水性进料流以溶解盐。以该方式生成的电力可以全部或部分用于通过驱动一个或多个泵来操作溶液开采方法。在一个实施方式中，来自高浓度流的输出流的一部分在通过渗透动力单元之后与源自低盐度流的输出流混合，并且所得流用作用于溶解盐的含水进料流。虽然WO 2017/149101的方法提高了溶液开采方法的效率，但提供更有效的方法将是有利的。

题为“发电方法”的WO 2019/011991描述了一种从地热源获得的暖盐水流发电的方法。存在于流中的潜在渗透能通过穿过渗透泵单元转化为所述流的总压力的增加，以减少后续方法步骤中对机械泵送的需要。WO 2019/011991公开了由于渗透泵单元所做的功而增加的流的总压力可以减少将流注入地下所需的功，并且从而提高方法的整体效率。提供更有效的方法将是有利的。

另外和/或可替代地，提供改进的溶液开采方法将是有利的。

发明内容

在本发明的第一方面，提供一种用于矿物溶液开采的方法，该方法包括以下步骤中的一个或多个：

-在注入压力下将不饱和流注入矿层以溶解其中所含的矿物，然后从矿层中提取包含所溶解的矿物的高浓度流，

-通过穿过包括允许溶剂通过但不允许矿物通过的半透膜的渗透动力单元，将存在于所述高浓度流中的潜在渗透能转化为所述流的总压力的增加，其中高浓度流通过半透膜的一侧，低浓度流通过所述膜的另一侧；

-通过使浓度降低的输出流通过发电装置发电，并将通过所述膜之后的源自所述高浓度流的浓度降低的输出流的总压力降低至注入压力；以及

-使用在注入压力下的浓度降低的输出流作为注入矿层的不饱和流。

因此，可以通过发电装置来降低浓度降低的输出流的压力，直到其等于注入矿层所需的压力。这样，可以消除在注入矿层期间泵送浓度降低的输出流的需要。已经发现，调节由涡轮机生成的电量以使浓度降低的输出流的总压力为(总)注入压力，这代表一种操作渗透溶液开采方法的特别有效的方式。另外地或可替代地，这可以避免需要注入泵来对不饱和流加压以进行注入，从而简化用于操作该方法的系统。

总压力(p₀)可定义为：

p₀＝p+q+ρgh

其中，p是静压，q是动压，ρ是流体密度，g是于重力加速度，并且h是基准面以上的高度。动态压力可以定义为：

其中，v是流体速度。由于水从低浓度流穿过膜流到高浓度流，因此紧邻半透膜上游的高浓度流的总压力可大于紧邻半透膜下游的浓度降低的输出流的总压力。类似地，由于水从低浓度流穿过膜流到高浓度流，因此紧邻渗透动力单元上游的高浓度流的总压力可大于紧邻渗透动力单元下游的浓度降低的输出流的总压力。

应当理解，增加高浓度流的总压力可引起流的体积流率(即每单位时间通过的液体的体积)和/或质量流率(即每单位时间通过的物质的质量)的相应增加。因此，紧邻半透膜上游的高浓度流的体积流率和/或质量流率可小于紧邻半透膜下游的浓度降低的输出流的体积流率和/或质量流率。

应当理解，浓度降低的输出流可能由于离开渗透动力单元和注入矿层之间的摩擦、管道流动和其它影响而遭受较小的压力损失。然而，此类损失在注入压力中的百分比可以忽略不计。应当理解，没有对浓度降低的输出流做功(例如机械泵送)以增加渗透动力单元的输出和注入井的井口之间的流的总压力。

可以经由注入井将不饱和流注入到矿层中。注入压力可以定义为不饱和流被注入注入井中的压力，不饱和流经由该注入井到达矿层。应当理解，注入压力将取决于各种因素，包括井的结构、矿层和所需的流率。

术语高(较高)浓度和低(较低)浓度在本文中用于指具有溶解在其中的相应含量的矿物的流。

本发明的方法可以使用溶液开采方法。溶液开采方法的输入将是不饱和流。应当理解，不饱和流的特性必须使得来自矿层的矿物(溶质)溶解到不饱和流中。不饱和流可包含溶剂，例如水。溶液开采方法的输出将是包含从矿层中溶解的矿物(溶质)的高浓度流。

本发明的方法可以在渗透发电步骤中使用从矿层获得的高浓度流。在进行发电步骤之前，通常对高浓度流进行任何必要的预处理步骤。例如，可能需要过滤以去除固体物质，其它传统工艺也可能是必要的，这取决于料流的确切性质。

渗透发电步骤的输入是低浓度流和高浓度流。当两股流通过半透膜时，来自低浓度流的溶剂(例如水)将穿过膜流入高浓度流，从而增加所述流的总压力。也就是说，高浓度流中存在的潜在渗透能通过通过半透膜而转化为总压力的增加。通过膜后，高浓度流的浓度将降低，而低浓度流的浓度将增加。

在从膜输出后，降低浓度的流的总压力通过通过发电装置而降低。来自发电装置的输出流的总压力等于注入压力。发电装置可以被配置为将浓度降低的输出流中的压力能转换成电能。发电装置可以包括例如连接到发电机的涡轮机，使得涡轮机的运动引起发电机的运动，从而产生电力。发电装置可以被配置为使得横跨装置的压力降将浓度降低的输出流的总压力降低到注入压力。发电装置可以被配置为使得横跨装置的压力降可以例如由用户或自动地改变，以响应一个或多个方法参数以允许实现所需压力降。

渗透动力单元可以包括压力交换器，该压力交换器被配置为在高浓度流通过半透膜之前将压力从浓度降低的输出流浓度降低的输出流传递至高浓度输出流。可以将来自膜的浓度降低的输出流的第一部分传递至发电装置，并将来自膜的浓度降低的输出流的第二部分转移至压力交换器。在通过压力交换器之后，浓度降低的输出流的第二部分可以从方法中输出，例如作为附加的浓度降低的输出流。使用压力交换器可以进一步提高该方法的效率。

高浓度流的压力在通过膜之前可以使用泵增加。泵可以由使用能量生成装置生成的电力驱动。使用泵来增加高浓度的压力可以增加渗透发电方法的效率和/或允许所有浓度降低的输出流在没有进一步泵送的情况下被重新注入到矿层中。

高浓度流的压力可以在渗透动力单元内(例如使用压力交换器或泵)增加到低于流的渗透压力的压力。

因此，渗透发电步骤的输出是在注入压力下浓度降低的输出流(源自通过膜之后的高浓度流)、浓度增加的输出流(源自通过膜之后的低浓度流)和电力。可以将全部浓度降低的输出流注入到矿层中。注入的浓度降低的输出流可以是浓度降低的输出流的已经通过发电装置的部分。

来自渗透发电步骤的输出还可以包括附加的浓度降低的输出流，其是已经通过渗透动力单元中的压力交换器的浓度降低的输出流的第二部分。附加的浓度降低的输出流可以被发送用于进一步处理。

在通过压力交换器之后，可以在与通过发电装置之后的浓度降低的输出流的第一部分组合之前，使用泵将浓度降低的输出流的第二部分的总压力增加到注入压力。因此，注入其中的浓度降低的输出流可包含第一和第二部分。

增加浓度的输出流可通过排放到邻近的水体，例如海洋、河流或湖泊中，或排放到与矿层不同的地层中而被处理掉。可以是没有任何增加浓度的输出流注入到矿层中。

矿层可以在地下。可以理解，溶液开采产生的高浓度流可包含多种溶解矿物。矿物可以是盐。因此，矿层可以是盐层，例如盐丘或岩盐层。应当理解，从盐层提取的流可包含多种溶解的盐，并且“盐含量”是指总盐含量。此类流中存在的盐的确切性质并不重要。此类流可包含大量的氯化钠、氯化钾、氯化钙和/或钾盐(包含钾的水溶性形式的盐)。或者，矿物可以不是盐。矿层可以不是地热地层。高浓度流可以不是暖流，例如不是暖盐水流。高浓度流可以是温度低于45℃，例如低于40℃，例如低于35℃的冷流。

高浓度流的浓度可以达到饱和。对于盐，高浓度流的盐含量为至少10重量％，优选至少15重量％，特别是至少20重量％。

与源自矿层的高浓度流一样，渗透发电需要低浓度流，该低浓度流是矿物(溶质)浓度低于高浓度流的流。该低浓度流可以从任何来源获得，但通常是海水、淡水或微咸水，例如从河流、湖泊或含水层获得，或从工业或市政来源获得的废水、工艺冷凝水或来自发电厂的冷凝水。在整个说明书中，除非上下文另有要求，“低浓度”应理解为包括零浓度。

可以将从矿层提取的全部高浓度流传递至渗透动力单元。

可以将所述高浓度流的第一部分传递至渗透动力单元，并且将所述高浓度流的第二部分从该方法输出，例如作为高浓度输出流。

高浓度输出流可用作工业方法的输入。因此，本文所述的溶液开采方法可用于提取矿物(例如盐或钾碱)以用于工业。在溶液开采方法用于矿物提取的情况下，高浓度输出流通常是饱和流(这对大多数工业方法是有利的)。在此类方法中，第二部分的流量可以等于溶剂从低浓度流穿过半透膜到高浓度流的流量。这意味着系统内的流体体积可以保持恒定，从而允许连续生产。高浓度流的饱和可以通过控制第二部分的流量和溶剂的流量之间的比率来实现。因此，该方法可以包括改变作为高浓度输出流的流体输出量和/或穿过膜的溶剂流(例如通过改变渗透发电步骤的参数)以提供饱和时的高浓度流。

可替代地，可以将高浓度输出流酌情处置，例如进入附近的水道，例如河流、湖泊或海洋。这可以是本发明被用于生产用于燃料储存的洞穴的情况。在此类情况下，具有较低浓度的高浓度输出流可能是有利的，因为此类流的处置可能更容易。该较低的浓度可以通过改变第二部分的流量与从低浓度流穿过半透膜到高浓度流的溶剂流量的比率来实现。增加溶剂流量将导致第二部分中的降低浓度。因此，该方法可以包括改变作为高浓度输出流的流体输出量和/或穿过膜的溶剂流(例如通过改变渗透发电步骤的参数)以提供高浓度输出流的预定浓度。

第二渗透力单元可以位于上述(第一)渗透力单元的上游。第二渗透力单元可以具有上面参考第一实施方式描述的任何特征，除非此类特征与下面描述的第二渗透力单元的特征不兼容。

可以将来自第二渗透动力单元的浓度降低的输出流用作第一渗透动力单元中的高浓度流。在第二渗透单元中，浓度降低的输出流的总压力可以通过通过发电装置降低至高浓度流进入第一渗透动力单元的半透膜时的压力。

以该方式使用多个渗透动力单元可以允许优化工艺以提高工艺效率，例如通过允许不同的单元在不同的压力和/或不同的膜下运行。

渗透发电方法以渗透为动力，并且将潜在的渗透能转化为电能。渗透动力单元是将潜在的渗透能转化为电能的单元。在本发明的方法中可以使用任何合适的渗透动力单元。此类单元的关键特征是存在允许水通过但不允许溶解的盐通过的半透膜。此类膜是可商购的，并且可以使用任何合适的膜。可以存在多于一种的膜，并且可以使用不同类型的膜的组合。因此，渗透动力单元可以包含多于一个的渗透单元，每个渗透单元包含半透膜。渗透动力单元除了至少一个膜之外，还包括用于将渗透生成的压力或流量转换成电能的部件。通常，该部件是连接到发电机的涡轮机，但可以使用任何合适的部件。

通过膜后，第一流(初始浓度较高)的浓度将降低，而第二流(初始浓度较低)的浓度将增加。第一次通过膜的输出流将具有比原始高浓度流更低的浓度和比原始低浓度流更高的浓度—在平衡时，两个流具有相等的盐度，但在实践中这不太可能实现。因此，任一输出流都可以作为第一流或第二流再次通过原始膜，或作为第一流或第二流通过第二膜而重复使用。这些重复使用的流可以单独使用，或与其它输入流合并。从矿层中提取的流中的高浓度矿物可有助于多步骤渗透发电的使用。取决于每次通过的初始输入流之间的盐度差异，每个步骤可具有不同的压力和/或通量设置。以该方式调整压力和/或通量设置可以提高过程的效率。只要来自渗透单元的流出流具有高于较低浓度的初始输入流的较高浓度，就可以运行附加的渗透单元。最佳循环次数将取决于流的初始含量、膜的效率和选择的流率。

渗透动力单元可以包含多于一个的渗透单元，每个渗透单元包括允许溶剂(例如水)通过但不允许矿物通过的半透膜。每个渗透单元的输出是来自膜的第一(初始较高浓度)侧的第一流出流和来自膜的第二(初始较低浓度)侧的第二流出流。这些流可以单独处理或至少部分合并。

来自渗透动力单元的至少一个输出流(浓度降低的输出流)将源自原始高浓度流。该流可具有比低浓度流更高的盐度，但比高浓度流具有更低的浓度，并且能够溶解来自盐层的盐。该流用作注入矿层的不饱和流。

应当理解，注入不饱和流、提取高浓度流、转化潜在渗透能、发电和降低压力的步骤是同时执行的。

根据本发明的第二方面，提供了一种在地下地层中储存燃料的方法，该方法包括使用第一方面的方法在矿层中产生和/或保持空隙，并将燃料注入其中以用于储存。使用渗透溶液开采方法来生产燃料储存系统可以减少与燃料的地下储存相关联的能源需求(并因此降低成本)。

燃料可以是氢、沼气、天然气、甲醇和/或氨，例如液态或气态形式。

燃料可在地下地层中储存一周以上，例如一个月以上，例如多个月。

根据本发明的第三方面，提供了一种溶液开采系统，包括以下中的一个或多个：

-适合连接到矿层的液压系统，所述液压系统布置为在注入压力下将不饱和流注入矿层并从矿层提取高浓度流；和/或

-渗透动力单元，其被布置为使用高浓度流和低浓度流之间的浓度差通过压力延迟渗透(PRO)发电，该渗透动力单元被配置为将源自高浓度流的浓度降低的输出流在通过渗透动力单元之后的总压力降低至注入压力；并且其中

该系统被布置为使得浓度降低的输出流被传递至液压系统以用作不饱和流。

溶液开采系统的至少一部分(例如渗透动力单元和/或液压系统)可以安装在移动平台上，例如道路车辆，例如卡车、重型货车(HGV)或类似车辆或与此类车辆一起使用的拖车。在移动平台上安装包括渗透动力单元和/或液压系统的溶液开采系统可有助于在电力供应有限的位置进行溶液开采。本发明的方法可以包括将安装在移动平台上的发电系统移动到具有地下矿层的第一位置。该方法可以包括在第一位置处执行本发明的方法。该方法可以包括将安装在移动平台上的发电系统移动到具有地下矿层的第二不同位置，并且在第二位置处执行本发明的方法。

溶液开采系统可以包括一个或多个泵和控制系统以及用于执行溶液开采方法的其它常规部件。溶液开采系统的至少一部分(例如一个或多个泵和/或控制系统)可以安装在移动平台上。

在矿层是地下矿层的情况下，渗透动力单元可以位于地面之上。渗透动力单元可以位于例如安装在移动平台上。

应当理解，本发明的方法可以描述为发电方法，因为渗透发电单元产生电力。应当理解，所产生的电量将取决于方法参数而变化。渗透动力单元可以提供足够的电力来为溶液开采方法提供动力并提供盈余电力以供其它地方使用，或者刚好足够的电力来为溶液开采方法提供动力，或者除了渗透动力单元提供的动力之外，可能还需要外部电源来运行溶液开采方法。

渗透动力单元可以包括壳体。渗透动力单元可以包括入口，例如在壳体中，高浓度流经由该入口进入渗透动力单元。渗透动力单元可以包括出口，例如在壳体中，浓度降低的输出流经由该出口离开渗透动力单元。紧邻入口上游的高浓度流的总压力可以小于紧邻出口下游的降低浓度流的总压力。出口处浓度降低的输出流的总压力可以等于注入压力。渗透动力单元可以包括出口，例如在壳体中，附加的浓度降低的输出流经由该出口离开渗透动力单元。

该系统可以被配置为使得所述高浓度流的第一部分被传递至渗透动力单元，并且所述高浓度流的第二部分作为高浓度输出流从系统中输出。该系统(例如液压系统)可以包括第二部分经由其离开系统的出口。

液压系统可以包括注入井，不饱和流经由该注入井注入到矿层中。井口处不饱和流的总压力可以是注入压力。

渗透动力单元可以包括压力交换器、用于高浓度流的泵、用于低浓度流的泵和/或如上所述的发电装置。

根据本发明的第四方面，提供了一种矿物溶液开采的方法，该方法包括：

-将不饱和流注入矿层以溶解其中所含的矿物，然后从矿层中提取包含所溶解的矿物的高浓度流，

-通过穿过包括允许溶剂通过但不允许矿物通过的半透膜的渗透单元将存在于所述高浓度流中的潜在渗透能转化为所述流的总压力的增加，以及其中高浓度流通过半透膜的一侧，低浓度流通过所述膜的另一侧；

-通过使浓度降低的输出流通过发电装置，在通过膜之后发电并降低源自高浓度流的浓度降低的输出流的总压力；

-将浓度降低的输出流注入矿层用作不饱和流；以及

其中，所述高浓度流的第一部分被传递到渗透单元并且所述高浓度流的第二部分从该方法输出，例如作为高浓度输出流。

第四方面的方法可以具有以上结合第一、第二或第三方面描述的任何特征。当溶液开采的目的是从矿层生产高浓度流以用于工业时，第三方面的方法可以找到特定的应用。例如，在电解工艺中使用高浓度流时。

在本发明的另一方面中，提供了一种在矿物物质浓缩物(substanceconcentration)的开采方法(溶液开采方法)中使用压力延迟渗透(PRO)系统的方法，所述方法包括将合适的低浓度溶液在低压下泵送至所述渗透动力系统的半透膜的第一侧，并且将来自所述物质浓缩物的具有第一部分的高浓度溶液引导至所述膜的第二侧，其中，通过在半透膜上扩散，来自低浓度溶液的物质与所述第一部分高浓度溶液混合，形成稀释溶液(例如，浓度降低的输出流)，其返回到物质浓缩物(例如，作为不饱和流)，其中所述高浓度溶液的第二部分被引导至进一步处理。

第一部分高浓度溶液可以在压力交换器中在低于高浓度和低浓度溶液之间的渗透压差的压力下加压，从而增加了稀释溶液的体积。

第一部分高浓度溶液可以在被引导至所述半透膜之前在高压泵中被加压。

可以将部分稀释溶液引导至压力交换器以对进入的第一部分高浓度溶液加压。

可以将增加体积的稀释溶液引导到物质浓缩物中。

可以将增加体积的稀释溶液引导至发电装置。

所述方法可包括在由至少两级(A，B)组成的系统上操作，其中来自前一级A(第二渗透动力单元)的低浓度溶液用作用于随后的级B(第一渗透动力单元)的高浓度溶液。稀释溶液可以先在前一级A用于发电，然后在注入压力下用高压泵加压，然后在后续级B中输送至膜。高压泵可以用于将进入的高浓度溶液加压到前一级A，在通过膜之后，将其引导至发电装置，诸如涡轮机。

所述方法可以包括在由所述物质浓缩物中的矿物生成的渗透力作用下所述流体被引导至渗透动力系统，在渗透动力系统和物质浓缩物之间循环流体。

在本发明的另一方面，提供了一种使用渗透动力系统从物质浓缩物中提取矿物的系统，所述系统包括使用在所述渗透动力系统中生成的渗透力在所述渗透动力系统和所述物质浓缩物之间循环流体的流动路径，其中将高浓度溶液从具有所述第一部分的物质浓缩物引导至所述渗透动力系统的半透膜的第二侧并且将第二部分引导至进一步处理，当稀释溶液从渗透动力系统再循环到其中时，所述高浓度溶液在所述物质浓缩物内形成，在所述渗透动力系统中由低浓度溶液形成的所述稀释溶液被用低压泵泵送到所述半透膜的所述第一侧。该系统可以进一步包括根据根据前述任一方面的方法进行操作的部件。

物质浓缩物可以是地下矿物矿石。

进一步的处理可以是为了发电，诸如从地热源获得的温盐水蒸汽发电的方法。

当然应当理解，关于本发明的一个方面所描述的特征可以并入本发明的其它方面。例如，本发明的方法可以结合参考本发明的设备描述的任何特征，反之亦然。

附图说明

现在将仅参考所附示意图通过示例的方式描述本发明的实施方式，在附图中：

图1示出示例溶液开采方法(不在本发明的范围内)；

图2示出根据本发明的第一示例溶液开采方法；

图3示出根据本发明的第二示例溶液开采方法；

图4示出用于图2或3的方法的渗透动力单元的更多细节；

图5示出根据本发明的第三示例溶液开采方法的一部分，它是图2或3的方法的变型；以及

图6示出根据本发明的示例设备。

具体实施方式

图1示意性地示出典型溶液开采方法(不是根据本发明的)，其中使用泵120将合适的低浓度溶液100注入地下矿层130，诸如地下矿物矿石，以产生高浓度溶液110，并将其送至进一步处理140。矿物矿石可以包括糖或盐，例如氯化钠、氯化钾、氯化钙或其它盐。

因为密度随着矿物溶解在低浓度溶液100中而增加，所以需要泵送能量将质量等于密度差的溶液从地层提升到地表。如果密度差为200kg/m³，并且溶液从2km深度提取，则需要大约39bar的注入压力(不包括系统中的压力损失)。

图2示出根据本发明的示例溶液开采方法，其中从物质浓缩物130中提取盈余的高浓度溶液110，并在矿层130和合适的PRO系统200之间再循环，剩余的高浓度溶液110被送往进一步处理140。低浓度溶液100由进料泵120在低压下进料到PRO系统200，在那里它与高浓度溶液110混合以产生稀释溶液150。全部稀释溶液150混合物被注入到矿层130中以溶解附加矿物。高浓度溶液110的提取体积和重新注入的稀释溶液150的体积必须相等，以保持矿层150中的恒定体积。这样，低浓度溶液100和高浓度溶液110的混合从发生在矿层130中转移到渗透动力系统200，在渗透动力系统可以收集能量，允许通过低浓度溶液100和高浓度溶液110的自发混合来驱动提取。

图3示出图2中所示方法的变型。这里，从地层130提取的高浓度溶液110的全部体积被送到PRO系统200，其在该系统中与低浓度溶液100混合。所得的稀释溶液150的一部分被送回地层130，而稀释溶液160的其余部分被送至进一步处理140。在该设置中，被送至进一步处理140的稀释流160的浓度将低于提取的高浓度流110。因此，本发明的该版本对于进一步处理不依赖于并且优选较低浓度的情况是有用的。例如排放作为天然气或其它储存的洞穴开采的一部分的稀释的地层水，其中具有高浓度矿物的水可能难以处理。可以从图2中给出的布局中获得相同的最终结果，但这需要进一步的处理步骤，包括附加的渗透动力单元。在图3的布局中，这可以在一个系统中使用更少组件完成。

图4示出适用于图2或3的系统的示例PRO型渗透动力单元200。高浓度溶液110在压力交换器210(例如热交换器、旋转压力交换器等)中在低于高浓度110和低浓度100溶液之间的渗透压力差的压力下加压。然后将加压的高浓度溶液送至半透膜220的一侧，而低浓度溶液100被送到膜220的另一侧。低浓度溶液在被送到膜220之前使用进料泵230加压。由于渗透压力差，溶剂会自发地从低浓度侧移动到高浓度侧以平衡膜220上的化学势。这产生了稀释溶液150，其总压力高于输入到半透膜220的高浓度流110的总压力。该稀释溶液150的第一部分被引导至发电装置250(诸如涡轮机)以产生电力。稀释溶液150的第二部分被传递至压力交换器210，在此来自稀释溶液150的压力被转移至高浓度溶液110。

通过发电装置250将稀释溶液150的第一部分的总压力降低至注入压力。然后可以将稀释溶液150传递至矿层130，而不需要任何附加的机械泵送。这可以提供特别有效的溶液开采方法，特别是与使用在渗透动力单元200中生成的电力驱动的泵来对稀释溶液150加压的那些方法相比。

在一些实施方式中，从压力交换器210输出的稀释溶液150的第二部分不被重新注入到矿层130中。在图2的方法中，它可以与高浓度溶液110组合以送至进一步处理140或视情况处置，例如进入附近的水道。在图3的方法中，稀释溶液150的第二部分可以作为流160被送至进一步处理。

在一些实施方式中，进入压力交换器210的全部流110被重新注入地层130。在该情况下，从压力交换器210输出的稀释溶液150的第二部分和从发电装置250输出的稀释溶液150的第一部分必须组合并重新注入。在第二部分与第一部分(其已经处于注入压力)重新结合之前，通过压力交换器210之后，使用泵(未示出)将第二部分加压至注入压力。

在一些实施方式中，不存在压力交换器。在相同或进一步的实施方式中，在通过膜220之前，使用泵对高浓度溶液110加压。这使得所有加压稀释溶液150可用于通过发电装置250(通过其将稀释溶液150的压力降低到注入压力)，并且从而允许全部稀释溶液150被直接送至注射。

只有高浓度溶液110必须在注射所需的高压(>30bar)下加压，而低浓度溶液100可以使用低压(<15bar)泵送到膜。需要动力来驱动用于高浓度溶液110的泵或压力交换器和用于低浓度溶液100的低压泵230，并且通过在高于注入压力的压力下操作PRO方法，发电装置可以利用用于能量生成的压力梯度(为高压泵和低压泵提供动力)，而稀释溶液150可以直接用于注射。

也可以组合使用多个渗透动力单元200以提高方法的效率。图5包括此类系统的示例，该系统包括图4中所示类型的两个渗透动力单元(A,B)(尽管该系统可以包括任意数量的彼此连续的级(A,B))。来自前一级A的稀释溶液150用作后续级B的高浓度溶液110。来自后续级B的稀释溶液150通过发电系统250以使出口压力等于注入压力。然后将稀释溶液重新注入矿层130。两个级A、B可以在不同的压力下运行，前一级A中的压力高于后续级B中的压力。为了最大限度地产生能量，希望在高压下运行PRO方法，但是随着压力增加，由于渗透压力差随着溶剂穿过膜220而减小，所以可获得的稀释溶液150的稀释程度降低。如此所示的双级操作允许更大的能量生成和稀释到更低的浓度。这可能意味着需要从物质浓缩物130中提取更少的附加盐水(高浓度溶液110)以运行PRO方法。

在图5的方法的一种变型中，A、B两级中都省略压力交换器210。相反，使用泵对高浓度溶液110加压，然后在前一级A中通过膜220以产生稀释溶液150。在通过前一级A的发电装置250之后，稀释溶液150用作后续级B的高浓度溶液110。在一些实施方式中，通过前一级A的发电装置250将稀释溶液150的压力降低到后续级B的膜220的操作压力。也就是说，来自前一级A的稀释溶液可以直接通过后续级B的膜而无需任何泵送，从而无需任何附加的泵。这样，在溶液进入下一级B膜220之前，不需要附加的泵或压力交换器来对溶液加压。

图6示出与盐层130一起使用的移动式生产单元350的示意图。注入井310和提取井315从地表延伸到位于盐层130内的盐洞330。生产单元300的流出端口340连接到注入井310并且流入端口345连接到提取井315(这些连接在图6中用虚线示出)。移动式单元350包括渗透动力单元200、控制系统(未示出)和溶液开采系统的其它元件，为了清楚起见这里未示出。移动式单元350还包括流入端口360和输出流端口365，两者都连接到水源(未示出)。在移动式单元350内，液压系统将渗透动力单元200连接到各个端口，如图所示(在图6中由虚线示出)；流入端口360连接到渗透动力单元的低盐度输入端，流出端口365具有渗透动力单元200的废物(低盐度)输出，流出端口340具有源自高盐度输入的流的渗透动力单元输出，以及流入端口345具有渗透动力单元200的高盐度输入。源自高盐度输入的流的渗透动力单元输出的总压力与在流出端口340和注入井310的井口处的流的总压力基本上相等(排除较小的管道流量损失等)。因此，在渗透动力单元200的输出和注入井310的井口之间没有泵。来自提取井315的高盐度流的一部分(未示出)在移动式生产单元350的上游被分离并送去进一步处理，例如在工业方法中使用。一旦洞穴330已经被开采，燃料(例如氢、沼气、天然气、甲醇和/或氨)可以被泵入洞穴中储存。

在图6中所示方法的变型中，来自提取井315的全部高盐度流被送到渗透动力单元200，并且来自高盐度输入的一部分流在通过渗透动力单元200之后可以通过流出端口365与废物流一起排出。以该方式，可以保持洞穴330中的体积平衡。

可以理解，图6的设备可以用其它矿物代替盐。

本发明对溶液开采方法效率的影响可以从以下系统的考虑中看出(所有这些系统每小时生产100m³的饱和盐水)。

传统的溶液开采方法使用注入泵对流体加压以注入盐层。如下图所示，此类方法需要163kW/小时的能量输入才能操作。

方法		注入泵	总计
				流量	m<sup>3</sup>/h	103.09
压力	bar	40
				效率		0.7
能量	kW	-163	-163

用于溶液开采方法的能量需求如下所示，该溶液开采方法使用来自包括涡轮机的渗透动力单元的电力来驱动注入泵，该注入泵对流体进行加压以注入盐层。进料泵和抽料泵用于在通过半透膜之前分别对低浓度流和高浓度流加压，使用此类泵可以提高渗透动力单元的效率并平衡膜两侧的流量。ERD是一种能量回收装置，其可将压力从低浓度输出流转移到高浓度输入流。它由抽料泵送料。在下面的示例方法中，注入泵将所有的稀释盐水返回到盐层。此类方法需要43kW/小时的能量输入才能操作。

方法		进料泵	抽料泵	ERD	涡轮机	注入泵	总计
								流量	m<sup>3</sup>/h	129	62	62	102	165
压力	bar	8.9	2	80	80	24.5
								效率		0.7	0.63	0.95	0.84	0.7
能量	kW	-47.5	-5.7	-8.3	185.5	-167	-43

根据本发明的示例方法的能量需求如下所示。由于涡轮机将压力降低到注入压力，因此不需要注入泵。同样，所有的稀释盐水都返回到盐层。此类方法需要4kW/小时的能量输入才能操作。此外，该效率可以在没有压力交换器的情况下实现，从而减少系统中所需的组件数量。

方法		进料泵	抽料泵	涡轮机	注入泵	总计
							流量	m<sup>3</sup>/h	129	63.5	167	-
压力	bar	9.2	80	24.2	-
							效率		0.7	0.9	0.84	0.7
能量	kW	-49	-163	208	0	-4

尽管已经参考特定实施方式对本发明进行了描述和说明，但是本领域普通技术人员将理解，本发明适用于本文未具体说明的许多不同变化。

在前面的描述中，提到了具有已知、明显或可预见的等效方式的整数或元素，则这些等效方式在此并入，如同单独阐述一样。应参考权利要求书以确定本发明的真实范围，其应被解释为包括任何此类等效方式。读者还将理解，被描述为优选的、有利的、方便的等的本发明的整体或特征是可选的并且不限制独立权利要求的范围。此外，应当理解，这些可选的整体或特征虽然在本发明的一些实施方式中可能有益，但在其它实施方式中可能是不期望的并且因此可以不存在。

Claims

1.一种用于矿物溶液开采的方法，所述方法包括：

-在注入压力下将不饱和流注入矿层以溶解其中所含的矿物，然后从所述矿层中提取包含所溶解的矿物的高浓度流，

-通过穿过包括允许溶剂通过但不允许所述矿物通过的半透膜的渗透动力单元，将存在于所述高浓度流中的潜在渗透能转化为所述流的总压力的增加，其中所述高浓度流通过所述半透膜的一侧，低浓度流通过所述膜的另一侧；

-通过使浓度降低的输出流通过发电装置发电，并将通过所述膜之后的源自所述高浓度流的浓度降低的输出流的总压力降低至所述注入压力；以及

-使用所述注入压力下的所述浓度降低的输出流作为注入所述矿层的不饱和流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高浓度流的第一部分被传递至所述渗透动力单元，并且从所述方法输出所述高浓度流的第二部分。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述矿层提取的全部高浓度流被传递至所述渗透动力单元。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述浓度降低的输出流的第一部分传递至所述发电装置，并且将所述浓度降低的输出流的第二部分传递至压力交换器，在所述压力交换器中来自所述第二部分的压力在所述高浓度流通过所述半透膜之前被转移到所述高浓度流。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述浓度降低的输出流的所述第二部分在通过所述压力交换器之后从所述方法输出。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，在通过所述压力交换器之后，所述浓度降低的输出流的所述第二部分在与通过所述发电装置之后的所述浓度降低的输出流的所述第一部分组合以在所述注入压力下产生浓度降低的输出流之前，使用泵将所述浓度降低的输出流的所述第二部分的压力增加到所述注入压力。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述高浓度流在通过所述半透膜之前，在所述渗透动力单元中使用泵加压。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述高浓度流被传递至第二渗透动力单元，所述第二渗透动力单元的浓度降低的输出流被传递至所述渗透动力单元以用作所述高浓度流，并且其中，所述第二渗透动力单元的浓度降低的输出流的总压力是所述高浓度输入流进入所述半透膜时的总压力。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述发电装置包括涡轮机。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述矿层是盐层。

11.一种用于在地下地层中储存燃料的方法，所述方法包括使用前述权利要求中任一项所述的方法在矿层中产生和/或保持空隙，并将所述燃料注入其中进行储存。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述燃料包括氢、沼气、天然气、甲醇和/或氨。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述燃料为液态或气态形式。

14.一种溶液开采系统，包括

-适合连接到矿层的液压系统，所述液压系统被布置为在注入压力下将不饱和流注入所述矿层并从所述矿层提取高浓度流；

-渗透动力单元，其被布置为使用所述高浓度流和低浓度流之间的浓度差通过压力延迟渗透(PRO)发电，所述渗透动力单元被配置为将从所述高浓度流通过所述渗透动力单元后导出的浓度降低的输出流的总压力降低至所述注入压力；并且其中

所述系统被布置为使得所述浓度降低的输出流被传递至所述液压系统以用作所述不饱和流。

15.根据权利要求14所述的溶液开采系统，其中，所述渗透动力单元和/或所述液压系统安装在移动平台上。

16.根据权利要求14或15所述的溶液开采系统，所述系统被配置为使得所述高浓度流的第一部分被传递至所述渗透动力单元，并且所述高浓度流的第二部分作为高浓度输出流从所述系统输出。

17.一种用于矿物溶液开采的方法，所述方法包括：

-将不饱和流注入矿层以溶解其中所含的矿物，然后从所述矿层中提取包含所溶解的矿物的高浓度流，

-通过穿过包括允许溶剂通过但不允许所述矿物通过的半透膜的渗透单元，将存在于所述高浓度流中的潜在渗透能转化为所述流的总压力的增加，其中所述高浓度流通过所述半透膜的一侧，低浓度流通过所述膜的另一侧；

-通过使浓度降低的输出流通过发电装置发电，并降低通过所述膜之后的源自所述高浓度流的浓度降低的输出流的总压力；

-将所述浓度降低的输出流注入所述矿层以用作所述不饱和流；并且

其中，所述高浓度流的第一部分被传递到所述渗透单元，并且所述高浓度流的第二部分从所述方法输出，例如作为高浓度输出流。