WO2012122916A1 - 地下自然循环吸热净化系统及海水地下工厂淡化系统 - Google Patents

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    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124Water desalination
    • Y02A20/131Reverse-osmosis

Definitions

  • the underground natural circulation endothermic purification system is further characterized in that the open liquid column passage is formed by laying a pipeline in an abandoned mine and a well or a designed underground well.
  • the underground natural circulation endothermic purification system is further characterized in that the hot cleaning raw liquid pipeline extends from the upper portion of the open liquid column passage to the lower portion of the open liquid column passage and is then laid into the underground purification plant.
  • the underground natural circulation heat absorption purification system is further characterized by an underground purification factory building At the bottom of the open liquid column channel, there is a horizontal position where the space is not connected, and the human-machine channel is connected to the underground purification plant.
  • a plurality of underground geothermal heat absorbing tubes 1 communicate with the upper and lower walls of the open liquid column passage 10 to form a natural water circulation heating system that absorbs geothermal heat.
  • the cleaning stock solution naturally flowing from the sedimentation tank 13 and the filter 12 into the open liquid column passage 10 sinks to the lower portion of the open liquid column passage 10 due to the low water temperature, as shown in Fig. 2 and Fig. 3, many underground hot air suction
  • the heat pipe 1 is surrounded by the outer periphery of the open liquid column passage 10, and is distributed in the formation in different directions.

Description

地下自然循环吸热净化系统及海水地下工厂淡化系统 技术领域
本发明涉及净化系统及海水淡化系统。 背景技术
利用反渗透技术对不达标的原水进行净化处理是国内外普遍采用的方法。 但 是反渗透净化水技术的重大缺陷是水在低温状态下出水量急剧减少, 由于低温, 水的粘度增加, 水穿过渗透膜的速度和数量平均以每下降 1 °C而减少 3 %, 水温越 低减水量会直线上升。 反渗透膜技术净化水质的最佳温度是 25 °C, 而北方地区冬 天的水温均在 5°C左右, 在此温度下几乎不能出水。
为了解决全球的缺水与污水处理问题, 近几年大力发展净化水处理工程, 中 国的淡净化膜几乎都是国外的产品, 每净化一吨水的价格在几元至十几元之间, 与其它国家差不多, 比南水北调的水成本低许多。 但是由于反渗透膜冬天极度低 温时出不了水, 水处理设备只能正常投运半年左右 (有些工程借用发电厂的余热 加热原水提高水温后再进行反渗透处理, 有些则采用水泵在陆地上向地下的密闭 系统中加压打水强制循环提高水温后再进行反渗透处理) , 这样实际水成本会增 加许多, 所以中国宁愿投入每吨水十几至二十元的成本进行南水北调。 发明内容
本发明的目的是提供一种地下自然循环吸热净化系统, 其依靠自然循环的原 理使水吸收地热, 促使温度升高后再与大气连通的地下净化工厂中进行反渗透净 化处理, 以提高反渗透膜的出水量。
本发明的另一目的在于提供一种海水地下工厂淡化系统, 其可在北方纬度 32 ° 以上特别寒冷地区, 进行反渗透海水淡化。
为实现所述目的的地下自然循环吸热净化系统, 其特点是, 包括敞开式液柱 通道、 清洁原液下沉管道、 地下地热吸热管、 热清洁原液管道、 地下净化工厂、 反渗透净化膜组件、 净化水箱、 净水出口管以及浓液排放管; 清洁原液下沉管道 的上部入口连接至敞开式液柱通道上部的清洁原液源且下部出口位于清洁原液下 沉管道的下部, 多条地下地热吸热管分布在敞开式液柱通道的外侧四周, 且各地 下地热吸热管的下部入口连接至敞开式液柱通道的下部而上部出口连接至敞开式 液柱通道的上部, 地下地热吸热管的下部入口的位置要低于清洁原液下沉管道的 下部出口, 热清洁原液管道的入口连接在敞开式液柱通道的上部且出口连接到地 下净化工厂的反渗透净化膜组件的入口, 反渗透净化膜组件的浓液出口连接浓液 排放管道, 浓液排放管道的出口位置不高于敞开式液柱通道的液位以使热清洁原 液管道至浓液排放管道的管路构成连通器, 净水出口管连接净化水箱。
所述的地下自然循环吸热净化系统, 其进一步的特点是, 清洁原液源由依次 接收原液的沉淀池和过滤器构成。
所述的地下自然循环吸热净化系统, 其进一步的特点是, 反渗透净化膜组件 的净化水出口连接净化水箱, 净化水箱连接净化泵, 净化泵连接通往地面的净水 出口管。
所述的地下自然循环吸热净化系统, 其进一步的特点是, 浓液排放管道经过 敞开式液柱通道并自敞开式液柱通道的下部往上延伸, 在低于敞开式液柱通道液 位的部位穿过敞开式液柱通道壁流出, 经浓液再利用排放管道排放或者灌入浓液 回灌井。
所述的地下自然循环吸热净化系统, 其进一步的特点是, 该敞开式液柱通道 是在废弃了的矿井和水井或设计开挖的地下井中铺设管道构成。
所述的地下自然循环吸热净化系统, 其进一步的特点是, 清洁原液下沉管道 安装有水位稳定控制装置以确定敞开式液柱通道的清洁原液液位线, 地下地热吸 热管的上部出口位于清洁原液液位线以下。
所述的地下自然循环吸热净化系统, 其进一步的特点是, 清洁原液下沉管道 自敞开式液柱通道的上部延伸至敞开式液柱通道的下部, 以使清洁原液下沉管道 的下部出口位于清洁原液下沉管道的下部。
所述的地下自然循环吸热净化系统, 其进一步的特点是, 净水出口管从地下 净化工厂铺设至敞开式液柱通道中, 并自敞开式液柱通道的下部通往敞开式液柱 通道的上部开口而延伸到敞开式液柱通道上部上。
所述的地下自然循环吸热净化系统, 其进一步的特点是, 热清洁原液管道自 敞开式液柱通道上部延伸到敞开式液柱通道的下部再铺设到地下净化工厂中。
所述的地下自然循环吸热净化系统, 其进一步的特点是, 地下净化工厂建筑 在敞开式液柱通道底部有间距间隔、 空间不连通的水平位置, 人机通道与地下净 化工厂相连通。
敞开式液柱管道主体设置在地面下, 在与敞开式液柱管道相连通的地下地热 吸热管布置在其周围, 与敞开式液柱通道共同组成吸收地热系统, 经升温的清洁 原液通过管道进入地下净化工厂中的反渗透膜组件进行淡净化处理, 净水汇入净 化水箱后由净水泵打出敞开式液柱通道上部, 产生的浓液则由连通管排出, 因此 利用地下自然循环吸热净化 (系统) 方法升温效果十分明显, 在低温状态下增加 反渗透膜的出水量提供了科学有效的途经。 对废水、 苦咸水、 海水等净化处理提 供优质水资源和改善环境, 是十分有效的办法。
为实现所述目的的海水地下工厂淡化系统, 其特点是, 包括地热井, 地下工 厂, 反渗透膜组件, 淡水箱, 淡水提升泵, 海水浓液管, 浓液排出位差接力泵, 外置或内置式液柱竖管, 人机通道, 通风管道以及控制闸门; 在地下工厂中安装 反渗透膜组件和淡水箱, 人机通道连通地面和地下工厂, 通风管道连通地面和地 下工厂; 洁净的海水进入地热井的下部扩散吸收地热井壁传递的地热, 再经管道 与控制闸门进入外置式或内置式液柱竖管; 在外置式或内置式液柱竖管内的洁净 温热海水在外置式或内置式液柱竖管下部的出水口流出进入地下工厂中的反渗透 膜组件进行淡化, 淡化后的淡水流入淡水箱, 再由淡水提升泵经由设置在外置式 或内置式液柱竖管内的淡水管送出地面, 海水淡化后产出的浓液则经由排放管 道, 排放管道位于外置式或内置式液柱竖管内, 并与外置式或内置式液柱竖管构 成连通器, 该排放管道的浓液排出口水位低于外置式或内置式液柱竖管的水位 线, 浓液排出位差接力泵将排放管道的浓液排出。
所述的海水地下工厂淡化系统, 其进一步的特点是, 还包括将工厂余热加热 了的海水或纬度 15 ° 至赤道间的洁净温热海水直接加入到外置式或内置式液柱竖 管的管道。
所述的海水地下工厂淡化系统, 其进一步的特点是, 地热井的深度大于 600 米。
所述的海水地下工厂淡化系统, 其进一步的特点是, 地下工厂设在地下 600米 处。
所述的海水地下工厂淡化系统, 其进一步的特点是, 通风管道设置在人机通 道中。 本发明一是将地下工厂仍设在约 600米处 (满足 60kgf/cm2的水柱压力就可 以) , 而将加温海水的吸热管设置与专利申请号 "201110065188.4 "不相同, 而 是用更深的地热井代替 "地下自然循环吸热净化系统中与液柱通道构成一体的地 热吸热管" 。 这样地热温度更高, 热量更大, 更适合北方纬度 32° 以上寒带缺水 地区的海水吸热升温, 进一步有利于海水淡化的产淡水量。
下表是地深处温度情况:
Figure imgf000006_0001
因此, 本发明可在北方纬度 32° 以上特别寒冷地区, 在无工厂余热可供时进 行反渗透海水淡化的, 这样不仅可提高产淡水量还可以节省更多电力
二是有工厂余热加热了的海水或纬度 15 ° 至赤道间的洁净温热海水通过液柱 竖管直接进入地下工厂进行反渗透淡化, 进一步节省海水淡化主设备的电力消 耗。 附图概述
本发明的具体特征、 性能由以下的实施例及其附图进一步给出。
图 1为地下自然循环吸热净化系统的系统构造图。
图 2为敞开式液柱通道和地下吸热管道之间的构造的示意图。
图 3为图 1中 A— A方向的剖面图。
图 4是利用多种热源升温海水的地下工厂淡化系统的示意图。
图 5是利用地热井升温海水的地下工厂淡化系统的示意图。
图 6是利用温热海水、 工厂余热升温海水的地下工厂淡化系统的示意图。 附图标记说明:
100-地热井 200-地下工厂 300-反渗透膜组件 400-洁净海水
500-淡水箱 600-海水浓液 700-清洗加药等设备 800-淡水提升泵
900-淡水出口管 1000-外置式或内置式液柱竖管 1100-液柱竖管水位线 1700-人机通道 1900-海水浓液排出位差接力泵 2000-需要吸收地热的 净海水
2100-地热井水位线 2200-已经吸收地热升温的洁净海水 2300-通风管道
2400-控制闸门 本发明的最佳实施方式
如图 1所示的实施例中, 图中各箭头表示液体的流动方向。 地下自然循环吸热 净化系统包括地下 (自然循环) 地热吸热管 1、 地下净化工厂 2、 地下净化工厂中 的净化膜组件 3、 清洁热原液管 4、 经过反渗透膜组件处理后的净化水水箱 5、 浓液 排放管 6、 为保证反渗透组件正常运行配置的清洗、 加药等附属设备 7、 净水泵 8、 净水出口管 9、 敞开式液柱通道 10、 原液过滤器 12、 原液沉淀池 13、 原液进入口 14、 浓液排放管道 15、 浓液回灌井 16、 人机通道 17、 水位稳定控制装置 18、 清洁 原液下沉管道 19。
许多地下地热吸热管 1与敞开式液柱通道 10的外壁上、 下相连通, 组成一个吸 收地热的自然水循环加热系统。 从沉淀池 13、 过滤器 12自然流入敞开式液柱通道 10的清洁原液由于水温低, 比重大而下沉至敞开式液柱通道 10下部, 如图 2和图 3 所示, 许多地下地热吸热管 1环绕在敞开式液柱通道 10的外周, 分布在不同方向的 地层中, 吸热后的清洁原液温度升高、 比重变小而上升, 地下地热吸热管 1与敞开 式液柱通道 10组成一个在不设置水泵或外加动力情况下、 清洁原液可吸收地下热 源升温的加热自然循环系统。
经过升温的清洁原液通过清洁热原液管 4可直接进入地下净化工厂 2的反渗透 膜组件 3中进行净化处理, 在地下净化工厂 2中净化可以保持水温, 提高出水量, 降低耗电成本。
地下净化工厂 2与人机通道 17直接相连通, 方便设备的安装维护与运行管理。 地下净化工厂 2的空间不与敞开式液柱通道相连通, 只有水管道相互连接。
经过反渗透膜组件 3净化了的净水流入净化水箱 5经由净水泵 8打出敞开式液柱 通道上部供使用。
经过反渗透膜组件 3浓缩后产生的浓液通过浓液排放管道 15排出, 并采用 "U"型连通管通的原理, 通过管道 15在低于清洁原液液位 11以下位置的排出口自 然的排放至浓液再利用排放口或浓液回灌井 16。
为了保证地下自然循环吸热管中的水能够循环吸热正常进行, 由水位稳定控 制装置 18自动控制敞开式液柱通道 10的水位高度 (通过关闭或开通清洁原液下沉 管道 19实现) , 水位稳定控制装置 18例如是配置有液位传感器的电磁阀, 根据传 感器的信号来开关管道 19。
敞开式液柱通道 10可利用废弃的矿井、 水井或可开挖的地下井中铺设管道形 成, 在本发明的一实施例中, 地下自然循环吸热净化系统在中试时采用的是废弃 了的 150米水井中安装敞开式液柱通道 10与地下地热吸热管 1, 在数九寒天时经过 敞开式液柱通道上部上的原液沉淀池 13再串连过滤器 12, 进入液柱管道 10, 地下 净化工厂 2设在 120米左右的深度 (该处地温 20多。 C ) 。
中试工程水温升高试验记录表: ( V )
Figure imgf000008_0001
在上表中, 气温是指大气温度, 原水水温是指进入清洁原液下沉管道的水温, 淡水水温是指反渗透膜组件输出的淡水水温, 浓水水温是指反渗透膜组件输出的 浓水的水温, 从上表可知, 经由地热加热后, 平均升温 6. 3°C, 反渗透膜组件出水 量比传统方法增大 20 %左右, 如果地下净化工厂的位置设在更深处时或者原水温 度更低时升温幅度将会更大) , 前述实施例运行 4个月, 经 (CMA) 测试鉴定与 国内外传统方法相比淡水量平均多产 30%, 电耗降低 50%以上。 利用地下自然循 环吸热净化系统升温效果十分明显, 在低温状态下增加反渗透膜的出水量提供了 科学有效的途经。 对废水、 苦咸水、 海水等净化处理提供优质水资源和改善环 境, 是十分有效的办法。
图 1所示的地下自然循环吸热净化系统工作原理如后所述。
未经净化处理的原液 14进入沉淀池 13中进行多级沉淀, 经过沉淀后的原液再 进入过滤器 12进行粗滤和精滤处理, 经过滤的清洁原液自然流入 (不用水泵) 敞 开式液柱通道 10中, 敞开式液柱通道 10中清洁原液水位的高低即清洁原液液位 11 的高低由水位稳定控制装置 18控制, 在敞开式液柱通道上部上经预处理的清洁原 液流入敞开式液柱通道 10时温度较低, 比重大而通过清洁原液下沉管道 19下沉至 敞开式液柱通道 10的下部经由自然循环地下地热吸热管 1吸收了地热而使清洁原液 升温, 比重变轻而自然上升至地下地热吸热管 1的上部出口而引成一个自然循环系 统。 吸收地热升温后的清洁原液通过热清洁原液管道 4进入地下净化工厂 2中设置 的反渗透净化膜组件 3进行淡净化处理, 经净化处理的净化水汇集流入净化水箱 5 中由净化泵 8打出敞开式液柱通道上部, 经净水出口管 9供使用。 经过反渗透净化 膜组件 3净化过程中产生的浓液则由浓液排放管 6在 "U"型连通管原理的连通作用 下在低于敞开式液柱通道液位 11的部位穿过敞开式液柱通道壁流出, 经浓液再利 用排放管道 15排放或者灌入浓液回灌井 16。
人机通道 17与地下净化工厂 2相连通, 方便设备安装、 设备更换, 人员进 出、 维修保养、 设备运行中工人操作管理。
反渗透净化膜组件在运行过程中必须要进行周期性清洗、 加药工作, 所以清 洗、 加药等辅助设备 7安装在地下净化工厂 2内。 图 4至图 6为本发明三个不同的实施例, 其相同之处以相同的附图标记来说 明。 在图 4至图 6中, 附图标记 2100标示地热井的水位; 附图标记 2000标示需要吸 收地热的清洁海水。
如图 4利用多种热源升温海水的地下工厂淡化系统, 包括地热井 100, 地下工 厂 200, 反渗透膜组件 300, 淡水箱 500, 淡水提升泵 800, 海水浓液管 600, 浓液排 出位差接力泵 1900, 外置或内置式液柱竖管 1000, 人机通道 1700, 通风管道 2300, 控制闸门 2400; 需要吸热地热升温的海水经过预处理成为洁净的海水后通 过管道 2000与控制阀进入地热井 1下部扩散吸收地热井壁传递的地热使海水升温上 升, 再经管道 2200与控制阀 2400进入外置式或内置式液柱竖管 1000。
在液柱竖管 1000中达到所需的水位高度 1100, 在液柱竖管 1000内的洁净温热 海水在液柱竖管 1000下部出水口流出进入反渗透膜组件 300进行淡化, 淡化后的淡 水流入淡水箱 500, 再由淡水提升泵 800经由设置在液柱竖管 1000内的淡水管送出 地面, 海水淡化后产出的浓液 600则经由置在液柱竖管 1000内的排放管道与液柱竖 管 1000构成 U型连通器, 由于沿程与局部阻力浓液排出口水位低于液柱竖管水位 线 1100, 此时由海水浓液排出位差接力泵 1900运行将浓液排出。
如果已经吸收工厂余热而升温了的洁净海水或纬度 15 ° 至赤道间的洁净温热 海表水 400可直接进入外置式或内置式液柱竖管 1000, 在液柱竖管 1000中达到所需 的水位高度 1100时由液柱竖管 1000下部出水口流出进入反渗透膜组件 300进行淡 化, 淡化后的淡水流入淡水箱 500, 再由淡水提升泵 8将淡水送出地面, 海水淡化 后产生的浓液 600则由设置在液柱竖管内的排放管道构 U型连通器, 由于沿程阻力 与局部阻力, 浓液排出口水位低于液柱竖管水位线 1100, 此时由海水浓液排出位 差接力泵 1900运行, 将浓液排出。
图 5所示的实施例与图 4相比, 是仅利用地热来加温海水的实施例。
图 6所示的实施例与图 4相比, 是仅利用有工厂余热加热了的海水或纬度 15 ° 至赤道间的洁净温热海水通过液柱竖管直接进入地下工厂进行反渗透淡化, 进一 步节省海水淡化主设备的电力消耗。

Claims

权利要求
1 . 地下自然循环吸热净化系统, 其特征在于, 包括敞开式液柱通道、 清洁 原液下沉管道、 地下地热吸热管、 热清洁原液管道、 地下净化工厂、 反渗透净化 膜组件、 净化水箱、 净水出口管以及浓液排放管; 清洁原液下沉管道的上部入口 连接至敞开式液柱通道上部的清洁原液源且下部出口位于清洁原液下沉管道的下 部, 多条地下地热吸热管分布在敞开式液柱通道的外侧四周, 且各地下地热吸热 管的下部入口连接至敞开式液柱通道的下部而上部出口连接至敞开式液柱通道的 上部, 地下地热吸热管的下部入口的位置要低于清洁原液下沉管道的下部出口, 热清洁原液管道的入口连接在敞开式液柱通道的上部且出口连接到地下净化工厂 的反渗透净化膜组件的入口, 反渗透净化膜组件的浓液出口连接浓液排放管道, 浓液排放管道的出口位置不高于敞开式液柱通道的液位以使热清洁原液管道至浓 液排放管道的管路构成连通器, 净水出口管连接净化水箱。
2. 如权利要求 1所述的地下自然循环吸热净化系统, 其特征在于, 清洁原液 源由依次接收原液的沉淀池和过滤器构成。
3. 如权利要求 1所述的地下自然循环吸热净化系统, 其特征在于, 反渗透净 化膜组件的净化水出口连接净化水箱, 净化水箱连接净化泵, 净化泵连接通往地 面的净水出口管。
4. 如权利要求 1所述的地下自然循环吸热净化系统, 其特征在于, 浓液排放 管道经过敞开式液柱通道并自敞开式液柱通道的下部往上延伸, 在低于敞开式液 柱通道液位的部位穿过敞开式液柱通道壁流出, 经浓液再利用排放管道排放或者 灌入浓液回灌井。
5. 如权利要求 1所述的地下自然循环吸热净化系统, 其特征在于, 该敞开式 液柱通道是在废弃了的矿井和水井或设计开挖的地下井中铺设管道构成。
6. 如权利要求 1所述的地下自然循环吸热净化系统, 其特征在于, 清洁原液 下沉管道安装有水位稳定控制装置以确定敞开式液柱通道的清洁原液液位线, 地 下地热吸热管的上部出口位于清洁原液液位线以下。
7. 如权利要求 1所述的地下自然循环吸热净化系统, 其特征在于, 清洁原液 下沉管道自敞开式液柱通道的上部延伸至敞开式液柱通道的下部, 以使清洁原液 下沉管道的下部出口位于清洁原液下沉管道的下部。
8. 如权利要求 3所述的地下自然循环吸热净化系统, 其特征在于, 净水出口 管从地下净化工厂铺设至敞开式液柱通道中, 并自敞开式液柱通道的下部通往敞 开式液柱通道的上部开口而延伸到敞开式液柱通道上部上。
9. 如权利要求 1所述的地下自然循环吸热净化系统, 其特征在于, 热清洁原 液管道自敞开式液柱通道上部延伸到敞开式液柱通道的下部再铺设到地下净化工 厂中。
10. 如权利要求 1所述的地下自然循环吸热净化系统, 其特征在于, 地下净 化工厂建筑在敞开式液柱通道底部有间距间隔、 空间不连通的水平位置, 人机通 道与地下净化工厂相连通。
11 . 海水地下工厂淡化系统, 其特征在于, 包括地热井, 地下工厂, 反渗透 膜组件, 淡水箱, 淡水提升泵, 海水浓液管, 浓液排出位差接力泵, 外置或内置 式液柱竖管, 人机通道, 通风管道以及控制闸门; 在地下工厂中安装反渗透膜组 件和淡水箱, 人机通道连通地面和地下工厂, 通风管道连通地面和地下工厂; 洁 净的海水进入地热井的下部扩散吸收地热井壁传递的地热, 再经管道与控制闸门 进入外置式或内置式液柱竖管; 在外置式或内置式液柱竖管内的洁净温热海水在 外置式或内置式液柱竖管下部的出水口流出进入地下工厂中的反渗透膜组件进行 淡化, 淡化后的淡水流入淡水箱, 再由淡水提升泵经由设置在外置式或内置式液 柱竖管内的淡水管送出地面, 海水淡化后产出的浓液则经由排放管道, 排放管道 位于外置式或内置式液柱竖管内, 并与外置式或内置式液柱竖管构成连通器, 该 排放管道的浓液排出口水位低于外置式或内置式液柱竖管的水位线, 浓液排出位 差接力泵将排放管道的浓液排出。
12. 如权利要求 11所述的海水地下工厂淡化系统, 其特征在于, 还包括将工 厂余热加热了的海水或纬度 15 ° 至赤道间的洁净温热海水直接加入到外置式或内 置式液柱竖管的管道。
13. 如权利要求 11所述的海水地下工厂淡化系统, 其特征在于, 地热井的深 度大于 600米。
14. 如权利要求 11所述的海水地下工厂淡化系统, 其特征在于, 地下工厂设 在地下 600米处。
15. 如权利要求 11所述的海水地下工厂淡化系统, 其特征在于, 通风管道设 置在人机通道中。
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