一種基於濃度差的介質可循環的海水淡化系統的製作方法
2023-06-15 07:22:16
一種基於濃度差的介質可循環的海水淡化系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於濃度差的介質可循環的海水淡化系統，依次連接海水存放池、高濃度溶液池和電解池；自來水處理廠分別與高濃度溶液池和電解池連接；沉澱溶解池分別與高濃度溶液池和電解池連接；高濃度溶液池和電解池之間設有發電機；海水存放池和高濃度溶液池之間設有半透膜。本發明還公開了採用本發明提供的裝置生產淡水的工藝流程，通過海水存放池和高濃度溶液池的濃度差引入海水存放池中的淡水，得到混合溶液，並通過電解池的進一步反應，把淡水從混合溶液分離出來，其間循環利用生產材料，得到純淨淡水。採用本發明的裝置及工藝流程相對於現有技術成本更低，規模更大。
【專利說明】一種基於濃度差的介質可循環的海水淡化系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種海水淡化系統，特別是一種基於濃度差的介質可循環的海水淡化系統。
【背景技術】
[0002]現有的海水淡化的方法主要有以下兩種:
(I)蒸餾法
蒸餾法原理。把海水加熱使之沸騰蒸發，再把蒸汽冷凝成淡水的過程即為蒸餾法。蒸餾法是最早採用的淡化法，其優點是結構簡單、操作容易，所得淡水水質好等。蒸餾法有很多種，如多效蒸發、多級閃蒸、壓氣蒸餾、膜蒸餾等。
[0003]蒸餾法特點。蒸餾法是一種較早應用的海水淡化法，雖然是一種古老的方法，但由於不斷的改進技術等問題，此法至今仍在被廣泛應用。
[0004](2)反滲透海水淡化系統
反滲透海水淡化系統的技術關鍵在於合理的設計預處理系統、選用合適的高壓泵和能量回收裝置，反滲透中的壓力是由高壓泵提供的，一般在5.0-6.0MPa，整個系統的能量消耗也在此，因此，高壓 泵的選擇十分重要，泵主要分為兩大類:葉片式泵和容積式泵，葉片式泵一般用高速泵和多級離心泵，容積式泵用的是往復泵，葉片式泵的流量比較大些，適合用在處理的量大些，不適合用在如船上，海島等小型海水淡化機上，此時一般用容積式往復泵，但葉片式泵和容積式泵的運行曲線是不同的，葉片式泵的壓力有極值，零流量時最大，壓力隨著流量的增大而降低，容積式泵在轉速固定時，流量不變，壓力隨著外界管路阻力的增大而增大。
[0005]國外海水淡化工程起步早，目前已向大型化、規模化方向發展。全球每日淡化水產量達4970萬噸，其中80%進入自來水的市政管網，尤其在中東等缺水嚴重的地區，美國、新加坡等國的海水淡化利用率也非常高，而我國日產能僅約為67萬噸，相比國外而言仍存在著較大的差距。近年來我國主要應用的反滲透海水淡化技術雖然對海水利用起到了一定的作用，但仍存在著如下問題:①技術和設備與國外有差距，難以參與全球化的市場競爭。我國海水淡化產業雖在政策和技術上取得了重大突破，但一些核心技術和設備還依賴進口，海水淡化行業仍處於規模小、發展慢、成本高、推廣難的階段，離商業化應用還有很長的一段路要走。②價格偏高。比如在天津，居民自來水水價4元/噸，工業為7元/噸，而淡化海水為8元/噸。這也成為了我國海水淡化產業的一個瓶頸。
【發明內容】
[0006]發明目的:本發明的目的在於解決現有的海水淡化系統規模小，製得的飲用水成本高的問題。
[0007]
【發明內容】
:本發明提供以下技術方案:一種基於濃度差的介質可循環的海水淡化系統，依次連接海水存放池、高濃度溶液池和電解池；自來水處理廠分別與高濃度溶液池和電解池連接；沉澱溶解池分別與高濃度溶液池和電解池連接；海水存放池和高濃度溶液池之間設有半透膜。
[0008]一種權利要求1所述裝置的工藝流程，包括以下步驟:
1)從自來水處理廠向高濃度溶液池中引入淡水，並從沉澱溶解池中向高濃度溶液池中引入CaCl2溶液使之飽和；
2)海水存放池中濃度較低的海水中的淡水自動透過半透膜流向濃度較高的CaCl2溶液，產生水頭差，將濃度差中蘊含的滲透壓能轉化為水的重力勢能，水流帶動水輪機轉動發電並進入電解池；
3)電解池中電解裝置電解溶液CaCl2，在陽極產生Cl2，運到自來水處理廠，在陰極產生H2，作為清潔能源進行收集；
4)向電解池中通入CO2使Ca2+沉澱形成CaCO3,得到淡水，並將淡水輸回自來水處理廠；
5)將CaCO3輸送到沉澱溶解池中，並在沉澱溶解池中加入HCl生成CaCl2,得到的CaCl2重新灌入高濃度溶液池，生成的CO2重新引到電解池。
[0009]作為優化，所述高濃度溶液池和電解池之間設有水輪發電機。
[0010]作為優化，所述電解池中設有電解裝置。
[0011 ] 工作原理:通過海水入池閘門引入海水到海水存放池,通過淡水入池閘門從自來水處理廠向高濃度溶液池中引入淡水，並從沉澱溶解池中向高濃度溶液池中引入CaCl2溶液使之飽和，其濃度高於海水；利用滲透原理，濃度較低的海水中的水會自動透過半透膜流向濃度較高的CaCl2溶液，產生水頭差，將濃度差中蘊含的滲透壓能轉化為水的重力勢能。水頭差達到一定程度時，水流帶動水輪機轉動發電並進入電解池。在電解池中存在電解裝置，其陽極和陰極均為惰性電極。電解溶液CaCl2，發生如下反應，在陽極發生反應，產生Cl2，由於Cl2可用於自來水廠中水的消毒，所以將其通過氯氣通道運到自來水處理廠；在陰極發生反應，產生H2，產生的H2可通過氫氣管道作為清潔能源進行收集。此時電解池中存在電解產物Ca (OH) 2，為沉澱掉Ca2+，通過CO2入口向電解池中通入CO2使Ca2+沉澱形成CaCO3，得到淡水。打開淡水出池閘門，將淡水輸回自來水處理廠。最後將CaCO3運到沉澱溶解池中，通過HCl入口往沉澱溶解池中加入HCl生成CaCl2,得到的CaCl2重新灌入高濃度溶液池實現Ca2+循環利用，生成的CO2重新引到CO2入口實現CO2的循環利用。
[0012]有益效果:本發明與現有技術相比:採用本發明提供的裝置及生產工藝，能夠循環的利用工藝流程中用到的材料，並且能夠通過水流差帶動發電機發電，提供部分的自主供電，節省了成本，並且由於水的重力勢能越大，發電量越大，而其中採用材料多為化學用品，量基本維持不變，所以可以進行大規模生產而成本不增加。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0014]如附圖1所示一種基於濃度差的介質可循環的海水淡化系統，由海水存放池1、高濃度溶液池2、電解池3、自來水處理廠4、沉澱溶解池5、海水入池閘門6、淡水入池閘門7、CaCl2入池閘門8、半透膜9、水輪發電機10、電解裝置11、陽極12、陰極13、氯氣管道14、氫氣管道15、CO2入口 16、淡水出池閘門17、CaCO3進出口 18和HCl入口 19組成。海水存放池1、高濃度溶液池2和電解池3依次連接；自來水處理廠4分別與高濃度溶液池2和電解池3連接；沉澱溶解池5分別與高濃度溶液池2和電解池3連接；海水存放池I和高濃度溶液池2之間設有半透膜9。高濃度溶液池2和電解池3之間設有水輪發電機10。電解池3中設有電解裝置11。
[0015]通過海水入池閘門6引入海水到海水存放池I,通過淡水入池閘門7從自來水處理廠4向高濃度溶液池2中引入淡水，並從沉澱溶解池5中向高濃度溶液池2中引入CaCl2溶液使之飽和，其濃度高於海水；利用滲透原理，濃度較低的海水中的水會自動透過半透膜9流向濃度較高的CaCl2溶液，產生水頭差，將濃度差中蘊含的滲透壓能轉化為水的重力勢能。水頭差達到一定程度時，啟動發電機10，水流帶動水輪機轉動發電並進入電解池3。在電解池3中存在電解裝置11，其陽極12和陰極13均為惰性電極。電解溶液CaCl2，在陽極12產生Cl2，由於Cl2可用於自來水廠中水的消毒，所以將其通過氯氣通道14運到自來水處理廠4 ;在陰極13產生H2，產生的H2可通過氫氣管道15作為清潔能源進行收集。此時電解池中存在電解產物Ca (OH)2,為沉澱掉Ca2+，通過CO2入口 16向電解池中通入CO2使Ca2+沉澱形成CaCO3，得到淡水。打開淡水出池閘門17，將淡水輸回自來水處理廠4。最後將CaCO3運到沉澱溶解池5中，通過HCl入口 19往沉澱溶解池5中加入HCl生成CaCl2，得到的CaCl2重新灌入高濃度溶液池2實現Ca2+循環利用，生成的CO2重新引到CO2入口實現CO2的循環利用。
[0016]以日產15000噸的海水淡化工程為例。半透膜的使用壽命以3年計，工程的折舊年限以15年計，銀行貸款的還款年限以15年、年利率以6%計，本系統的年利用率以95%計算，海水淡化成本的各項費用分別為:
Cl)使用中化學藥品消耗費用:15000噸/天的本系統的化學藥品加入量為:鹽酸0.2元/kg,淡化一噸水需6.4k g鹽酸,故化學藥品消耗總費用為1.28元。
[0017](2)電力消耗費用:本系統的閘門平均日電力消耗定為4kWh，抽水平均日電力消耗為2kWh，加上引水和其他附屬設置及照明等的費用，淡化一噸淡水的總電力消耗為
6.5kWh。另外，估計本系統中的發電機的日平均發電功率為100001^11，每噸水最終消耗5.8kWh。每度電價以0.3元計，海水反滲透的噸水電力成本為1.74元。另外，電解的電耗主要靠該系統中的發電自供。
[0018](3)職工工資和福利費用:整個系統每班設3人操作。人員的配備採用三班9人制，人均年工資20000元，每噸淡化水的勞動力費用為:0.034元。福利費用取為工資額的15%，每噸淡水的福利費用為0.005元。職工工資福利費用為0.04元/噸。
[0019](4)大修及檢修維護費用:本系統的年大修及檢修維護費用定為其固定資產原值的1.5%,則每噸淡化水的維修費用為0.23元。
[0020](5)管理費:管理費取為勞動力費用的20%，每噸淡化水的管理費用為0.008元。
[0021](6)膜更換費用:海水反滲透膜壽命以3年計，膜的更換費用為0.923元。
[0022](7)固定資產折舊費用:固定資產的折舊年限為15年，固定資產殘值為4%,固定資產原值為8000萬元(含初期氯化鈣投入的成本)，每噸淡水的固定資產折舊費用為0.97元。
[0023]綜上，本系統的單位造水成本:1.28+1.74+0.04+0.23+0.008+0.923+0.97=5.12元/噸。[0024]目前海水淡化的平均成本約為8元/噸，而據經濟分析，利用本系統進行海水淡化，成本約5.12元/噸，低於平均成本36%。地球上海水總質量約為1.32K 1018噸，若其中的萬分之一用於海水淡化，而假定用本系統進行淡化的海水佔被淡化海水的十分之一，那麼本系統可以節省成本380000億。這說明本系統在同類海水淡化系統中佔據了絕對優勢， 並且隨著半透膜技術的發展，本系統的單位生產成本將進一步降低。
【權利要求】
1.一種基於濃度差的介質可循環的海水淡化系統，其特徵在於:依次連接海水存放池、高濃度溶液池和電解池；自來水處理廠分別與高濃度溶液池和電解池連接；沉澱溶解池分別與高濃度溶液池和電解池連接；海水存放池和高濃度溶液池之間設有半透膜。
2.根據權利要求1所述的基於濃度差的介質可循環的海水淡化系統，其特徵在於:所述高濃度溶液池和電解池之間設有水輪發電機。
3.根據權利要求1所述的基於濃度差的介質可循環的海水淡化系統，其特徵在於:所述電解池中設有電解裝置。
4.一種權利要求1所述裝置的工藝流程，其特徵在於:包括以下步驟: 1)從自來水處理廠向高濃度溶液池中引入淡水，並從沉澱溶解池中向高濃度溶液池中引入CaCl2溶液使之飽和； 2)海水存放池中濃度較低的海水中的淡水自動透過半透膜流向濃度較高的CaCl2溶液，產生水頭差，將濃度差中蘊含的滲透壓能轉化為水的重力勢能，水流帶動水輪機轉動發電並進入電解池； 3)電解池中電解裝置電解溶液CaCl2，在陽極產生Cl2，運到自來水處理廠，在陰極產生H2，作為清潔能源進行收集； 4)向電解池中通入CO2使Ca2+沉澱形成CaCO3,得到淡水，並將淡水輸回自來水處理廠； 5)將CaCO3輸送到沉澱溶解池中，並在沉澱溶解池中加入HCl生成CaCl2,得到的CaCl2重新灌入高濃度溶液池，生成的CO2重新引到電解池。
【文檔編號】C25B1/02GK103787464SQ201410010410
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月10日 優先權日:2014年1月10日
【發明者】張磊, 周雅, 許伊, 魯洋, 董明 申請人:河海大學