发电方法与流程

本发明涉及用于发电的方法。具体地，本发明涉及从地热源获得的温盐流的发电。

背景技术：

目前正在致力于不依赖化石燃料的新型和可再生能源。

一种此类研究领域为被称为压力延迟渗透(pro)的方法。在所述方法中，使用半透膜将较低浓度的溶液与较高浓度的溶液分离。膜使得溶剂通过渗透从较低浓度的溶液(具有低渗透压)传送至较高浓度的溶液(具有高渗透压)，并且这致使溶剂所扩散到的膜侧的压力增加。所述压力可以用来发电。少数pro工厂在世界各地运行，并且这些pro工厂通常使用盐度的差异以作为渗透的驱动因素，通常，使用来自河流或湖泊的淡水作为较低浓度溶液的进料流，以及海水用作较高浓度的溶液。heifer等人的j.membranesci.453(2014)337-358是描述pro的评论文章。通常，迄今为止的pro方案已经使用海水和河水混合，并且在试点规模的工厂中，由于实现了低功率密度，已经发现所述方法是不经济的。已有人提出约5w/m²膜的功率密度表示一种发电水平，高于此发电水平pro可以变得经济上可行。在实验室外，在河流/海水混合方案中使用现有膜技术通常不可能实现这种水平的功率密度。

已经进行了许多尝试以通过涉及渗透的方法利用在地下地层中发现的能量。wo2013/164541描述了通过直接渗透发电的方法，其中，较高浓度的溶液为“生产用水”，而较低浓度的溶液为淡水或海水。生产用水为在烃生产期间从烃流分离后获得的水。wo2013/164541还提到从地下地层获得的盐水流可以被用作更高浓度的溶液。

然而，大多数通过渗透发电以及利用地热流中存在的能量的尝试使用完全不同的方法。这在许多文献中描述，其设想使用可从地热源获得的热量作为闭环渗透系统的驱动器。us2010/0024423解释了“开环”pro系统和“闭环”系统之间的差异，其中，在“开环”pro系统中，进料通常为淡水和海水，并且废溶液被排放回环境中，以及在“闭环”系统中，例如通过蒸发，将单一溶液分离为较高浓度和较低浓度的溶液。此类分离需要能量，其可由诸如工业废热的低级热源或诸如地热源的可再生热源提供。us2010/0024423的具体发明为汲取溶液为氨和二氧化碳的闭环渗透系统。描述闭环系统的其它文献包括us2014/0026567和lin等人的environ.sci.technol.2014,48,5306-53113，其中，热传递步骤被用于将溶液分离为较高浓度的溶液和较低浓度的溶液，热量从地热源供应。

然而，没有已知的方法获得在地下地热地层中存在的温盐流中潜在的最大可用能量。我们现在已经发现了能够提高从存在于地下地热地层中的温盐流中提取能量的效率的方法。

技术实现要素：

在一方面，本发明提供了用于发电的方法，所述方法包括以下步骤：

-从地热地层中提取温盐流，并且

-借助于穿过渗透发电机组将存在于所述流中的潜在渗透能转换为电能，在所述渗透发电机组中所述流穿到允许水通过但不允许盐通过的半透膜的一侧，与所述流相比盐度较低的含水流穿到所述膜的另一侧，并且其中

借助于穿过热力发电机组，所述温盐流的温度在所述流进入所述渗透发电机组之前降低，在所述热力发电机组中所述流中存在的热能被转换为电能。

在另一方面，本发明提供了用于发电的方法，所述方法包括以下步骤：

-从地热地层中提取温盐流，并且

-借助于穿过热力发电机组将存在于所述流中的热能转换为电能，并且其中

-借助于穿过渗透发电机组，所述温盐流的盐度在所述流进入所述热力发电机组之前降低，在所述渗透发电机组中所述流穿到允许水通过而不允许盐通过的半透膜的一侧，与所述流相比盐度较低的含水流穿到所述膜的另一侧，从而将存在于所述流中的潜在渗透能转换为电能。

在另一方面，本发明提供了用于发电的方法，其包括从地热地层提取温盐流，以及：

(a)将存在于所述流中的热能转换为电能；以及

(b)借助于穿过渗透发电机组将存在于所述流中的潜在渗透能转换为电能，在所述渗透发电机组中所述流穿到允许水通过但不允许盐通过的半透膜的一侧，与所述流相比盐度较低的含水流穿到所述膜的另一侧。

在另一方面，本发明提供发电系统，包括：

-与从地热地层提取的温盐流的连接装置，

-被布置成通过使用高盐度输入流和低盐度输入流之间的盐度差的压力滞后渗透(pro)来发电的渗透发电机组，以及

-被布置成通过从温盐流提取热能从而产生冷却的输出流来发电的热力发电机组，并且其中

所述系统被布置成使得热力发电机组的冷却输出流被传送给渗透发电机组以用作高盐度输入流。

在另一方面，本发明提供了用于发电的方法，其包括从地热地层提取温盐流，以及：

-借助于穿过渗透发电机组将存在于所述流中的潜在渗透能转换为电能，在所述渗透发电机组中所述流穿到允许水通过但不允许盐通过的半透膜的一侧，与所述流相比盐度较低的含水流穿到所述膜的另一侧，以及

其中，所述渗透发电机组包含超过一个的渗透机组，每个渗透机组包括允许水通过但不允许盐通过的半透膜。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施例的示意图，其中，温盐地热流首先通过热交换器，其次通过渗透发电机组。

图2示出了本发明的替代实施例的示意图，其中，温盐地热流首先通过渗透发电机组，其次通过热交换器。

图3示出了图1的使用了多个渗透机组的变型。

图4示出了具有替代输入流的图3的变型。

图5示出了具有替代输出流的图4的变型。

图6示出了图1和图2的渗透发电机组6。

具体实施方式

本发明的方法可使用来自地热地层的盐流提高能量生成的效率。本发明的方法从获自地热地层的相同的温盐流中提取热能和潜在渗透能。除了可从同一源提取两种不同类型的能量所预期的发电增加之外，这两种能量提取过程可以彼此互补以减少由来自地热地层的温盐蒸汽的某些特性引起的每种过程的低效率。

与例如海水相比，来自地热地层的盐流可提供增加的盐浓度。渗透发电机组的高盐度输入流中增加的盐浓度可允许在压力延缓渗透(pro)期间增加功率密度。与海水或其它现有技术的高盐度源相比，来自地热地层的盐流还可以具有较低的渗透膜结垢的风险和/或减少所需的预处理量，因为来自地热地层的盐流通常与更广泛的环境隔离。然而，此类水流的高温可能降低当前可用的渗透膜的工作效率和/或降低当前可用的渗透膜的使用寿命。

来自地热地层的盐流可提供用于发电的有用的热能源。然而，在发电过程中温度下降时，此类地热流的非常高的盐含量可能产生固体盐的沉淀。此类沉淀可能导致热发电机组的结垢和/或降低热发电过程中的效率。

在热力发电机组位于地热地层和渗透发电机组的入口之间的流动路径上的情况下，热力发电机组的输出为冷却的盐流，其被传送给渗透发电机组。与从地热地层获得的温流相比，较冷的(与来自地热地层的温流相比)盐流可更好地适合于渗透发电过程。例如，较冷的盐流可产生渗透膜的效率和/或膜的寿命的增加。

如果渗透发电机组位于地热地层和热力发电机组的入口之间的流动路径上，则渗透发电机组的输出为盐度降低的温流，其被传送给热力发电机组。在渗透发电过程期间发生的温流的盐度的降低可能意味着随着热发电过程中的温度下降，固体盐的沉淀减少，从而减少结垢和/或提高热发电过程的效率。

为了方便起见，将从地热地层提取的温盐流中存在的热能转换为电能的过程在下文中可被称为步骤(a)。将存在于所述流中的潜在渗透能转换为电能的过程在下文中可被称为步骤(b)。

本发明的方法使用从地热地层获得的温盐流。温流使用常规钻井技术从地面提取，并且在进行步骤(a)和(b)之前通常经过任何必要的预处理步骤。例如，根据温流的确切性质，过滤以去除固体材料可能是必要的，其它常规方法也是如此。

热力发电机组可被定义为将热能转换为电能的机组。可使用任何合适的装置将包含在地热流中的热能转换为电能。例如，所述流可通过包括热交换器的热力发电机组。另选地，特别是在所述流具有非常高的温度和高压的情况下，热力发电机组可包括蒸汽发生器。来自地热流的蒸汽可被用于直接驱动蒸汽发生器。处理可为液相或气相或两者的温流的常规装置是公知的，并且本发明中可使用任何此类装置。在许多情况下优选使用热交换器，特别是在从地热地层涌出来的温盐流的初始温度小于150℃的情况下。

地热地层可产生温度为至少45℃，优选至少55℃的温盐流。例如，地热地层可产生温度在45℃和70℃之间的温盐流。使温盐流通过热力发电机组可将所述流的温度降低至少50％。例如，通过热力发电机组可将流的温度从45℃和70℃之间降低到15℃和20℃之间。

温盐流的盐含量可为直到饱和的任何含量。优选地，盐含量为至少10重量％，优选至少15重量％，特别是至少20重量％。应理解，来自地热源的盐流可包含多种溶解的盐，其中氯化钠占优势，并且“盐含量”是指总盐含量。存在于此类流中的盐的确切性质不重要。

对于步骤(a)，温流通过热力发电机组，例如一个或多个热交换器和/或蒸汽发生器，以提取被转换为电能的热能。可使用任何类型的常规热力发电系统。如果步骤(a)在步骤(b)之前进行，则步骤(a)的输出为冷却的盐流，并且其用作步骤(b)的进料。如果步骤(a)在步骤(b)之后进行，则步骤(a)的输出将是废物流，其可根据需要例如通过重新注入地热地层中或者排放到邻近地层海、河流或湖泊中来进行处置。

步骤(b)通过渗透提供动力，并将潜在渗透能转换为电能。渗透发电机组为将潜在渗透能转换为电能的机组。在本发明的方法中可以使用任何合适的渗透发电机组。此类机组的关键特征在于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，并且可使用任何合适的膜。此外，可使用新型膜，例如基于含有水通道蛋白的脂质或两亲性聚合物基质的膜，水通道蛋白为允许水通过但不允许其它物质通过的蛋白质。此类膜在例如wo2004/011600、wo2010/091078、us2011/0046074和wo2013/043118中描述。其它新型类型的膜包括基于石墨烯的膜，例如由cohen-tanugi等人在nanolett.2012,12(7),pp.3602-3608和o'hem等人在nanolett.2014,14(3),pp.1234-1241所描述的那些基于石墨烯的膜。可存在不止一种的膜，并且可使用不同类型的膜的组合。因此，渗透发电机组可包含超过一个渗透机组，每个渗透机组包含半透膜。除了至少一个膜，渗透动力机组将包括用于将渗透所产生的压力或流动转换为电能的装置。通常，这装置为连接到发电机的涡轮，但是可使用任何合适的装置。

除了源自地热地层的盐进料流之外，步骤(b)需要进料流，其为具有比源自地热地层的盐流低的盐度的含水流。此较低盐度流可从任何来源获得，但通常是海水，例如从河流或湖泊获得的淡水或微咸水，或从工业或市政源获得的废水。当地热井位于海、河流或湖泊附近时，根据本发明的方法的经济性可能是特别有利的，因为必需流的供应和废物流的处置既容易又便宜。在本说明书中，除非上下文另有要求，否则“较低盐度”应理解为包括零盐度。

因此，步骤(b)的初始输入为一个较高盐度流和一个较低盐度流。在通过膜之后，第一流(初始较高盐度)将在盐度方面降低，而第二流(初始较低盐度)将在盐度方面增加。第一次通过膜的输出流将具有比原始的温盐流低的盐度，以及比原始低盐度流更高的盐度-在平衡时，两个流将具有相等的盐度，但是这不可能在实践中实现。因此，任一输出流可以作为第一流或第二流重复用于在原始膜上第二次通过，或作为第一流或第二流在第二膜上重复使用。这些重用的流可被单独使用，或与其它输入流合并。来自地热地层的温盐流中的高浓度盐可促进多步渗透发电的使用。取决于每次通过时初始输入流之间的盐度差，每个步骤可具有不同的压力和/或通量设置。以此方式调整压力和/或通量设置可提高所述方法的效率，特别是在可使用来自地热地层的温盐流的多个步骤的情况下。只要来自渗透机组的排出流具有比较低盐度的初始输入流更高的盐度，就可以操作另外的渗透机组。最佳循环数将取决于流的初始含量，膜的效率和所选的流速。

如果步骤(b)在步骤(a)之后进行，则来自步骤(b)的最终输出将是来自膜的第一侧的废物流和来自膜的第二侧的废物流，并且这些流可以单独处理或合并。所述废物流可根据需要进行处置，例如通过再注入地热地层中，或排放到相邻的海、河流或湖泊中。如果步骤(b)在步骤(a)之前进行，则来自步骤(b)的最终输出将是来自原始温盐流的一个流，其现在具有降低的盐度但仍保持热量并且处于高于环境温度的温度。然后将此流用作步骤(a)的进料。

本发明方法的效率将取决于温盐流的初始温度和压力并且也取决于所述流所含盐的量和性质。确定所述方法的效率的另一关键特征在于半透膜的性能，并且取决于两个因素的组合的优化：通过膜可获得的水的通量和膜可以排除盐的效率。如上所述的多个渗透机组的使用也可以影响总体方法效率。

在图1中示意性地示出了本发明的一个实施例。在图1中，来自地热源的温盐流1经过一个或多个预处理步骤2，并且所得的流3被传送给热交换器4。在热交换器4中，热能被提取并且最终通过未示出的常规装置转换为电能，并且温盐流3被冷却并作为冷却的盐流5排出。流5被传送给渗透发电机组6，在渗透发电机组6中，流5在允许水通过而不允许盐通过的半透膜的一侧(未示出)流动。具有比流1、3和5更低的盐度的含水流7(例如，可为海水、来自河流或湖泊的水或废水)通过一个或多个预处理步骤8，所得的流9被传送给渗透发电机组6，在此处促使所得的流9在半透膜的另一侧流动。在渗透动力装置6内，水从流9经由半透膜流入流5，由于在限定空间中的体积增加而致使压力增加，并且此过量压力最终通过未示出的常规装置转换为电能。来自渗透发电机组6的输出形成一个或两个含水的排出流10和/或11，其根据需要来进行处置，例如通过重新注入到从中提取流1的地热地层中或注入水源，例如从中提取流7的海、河流或湖泊中。

图2中示出了替代实施例。在图2中，来自地热源的温盐流1经过一个或多个预处理步骤2，并且所得的流3被传送给渗透发电机组6，在此处促使所得的流3在允许水通过而不允许盐通过的半渗透膜的一侧流动(未示出)。具有比流1和3更低的盐度的含水流7(例如，可为海水、来自河流或湖泊的水或废水)通过一个或多个预处理步骤8，所得的流9被传送给渗透发电机组6，在此处促使所得的流9在半透膜的另一侧流动。在渗透动力装置6内，水从流9流入流3，由于在限定空间中的体积增加而致使压力增加，并且此过量压力最终通过未示出的常规装置转换为电能。自渗透发电机组6的排出流12对应于输入流3，现在由于来自流9的水通过半透膜而体积增加。流12仍然高于环境温度，并且被传送给用于提取热能的装置，例如热交换器4。在热交换器4中，热能被提取并且最终被未示出的常规装置转换为电能。热流12被冷却并作为流11离开。排出流10和11根据需要来进行处置，例如通过重新注入到从中提取流1的地热地层中或者注入水源，例如从中提取流7的海、河流或湖泊中。

图3示出了图1的方法的变型，其中，多个渗透机组6a、6b和6c在根据本发明的发电系统中串联连接。在图3中，符号1至5、7、8和10具有图1中给出的含义。每个渗透机组6a、6b和6c包含允许水通过但不允许盐通过的半透膜(未示出)。原始高盐流5在半透膜的一侧流动，而低盐度流9a在另一侧流动。具有比原始地热输入流3和5的盐含量低的盐含量的来自渗透机组6a的输出流11a被进料给第二渗透机组6b，输出流11a在此穿到半透膜的一侧。在通过一个或多个预处理步骤8之后，从原始含水流7获得相对低盐度水的第二输入流9b。尽管流11a和9b之间的盐度差低于流5和9a之间的盐度差，但是盐度仍然存在差异，并且可以通过渗透生成电能。来自渗透机组6b的输出流11b(其盐含量低于原始地热输入流3和5的盐含量，并且也低于流11a的盐含量)被进料给第三渗透机组6c，输出流11b在此处从相对低盐度水的另一输入流9c被传送给半透膜的另一侧。尽管流11b和9c之间的盐度差低于流5和9a之间或流11a和9b之间的盐度差，但是盐度仍然存在差异，并且可以通过渗透生成电能。来自图3的方法的输出流为含水排出流10a、10b、10c和11c，并且这些流可根据需要处理。

图4示出了图3的变型，其中，相对低盐度的水的输入流9a、9b和9c作为单独的输入流7a、7b和7c提供，每个输入流经历一个或多个预处理步骤8a、8b和8c。

图5示出了图4的输出流以不同的方式处理的变型。来自渗透机组6a的排出流10a和11a被合并，并且合并的流的至少一部分作为输入流12提供给渗透机组6b。合并的流12将具有比原始地热输入流3和5的盐含量更低的盐含量，并且尽管流12和流9b之间的盐度差低于流5和9a之间的盐度差，但是仍然存在盐度差异，并且可以通过渗透生成电能。类似地，来自渗透机组6b的排出流10b和11b被合并，并且合并的流的至少一部分作为输入流13提供给渗透机组6c。

应理解，图3、图4和图5示出了由每个含有半透膜的3个渗透机组组成的渗透发电机组，但是可以使用任何合适数量的机组，所述选择由技术和经济因素的组合确定。通常，温盐流1的初始盐度越高，可使用的渗透机组的数量越多。

图6示出了图1和图2的渗透发电机组6的更多细节。来自地热源的盐输入流20(其可例如为图1的流3或图2的流5)被传送给渗透机组21并在膜22的一侧流动，渗透机组21包含允许水通过但不允许盐通过的半透膜22。具有比流20低的盐度的水流23进入渗透机组21并在膜22的另一侧流动。箭头24示出了借助于穿过膜22的渗透的水输送的方向。由现在包含较高浓度的盐的原始输入流20组成的输出流25离开渗透机组21。由现在包含较低浓度的盐的原始输入流20组成的输出流26经由涡轮27离开渗透机组21，涡轮27驱动发电机28从而产生电能。

在另外的方面，本发明提供根据以下条款的方法和/或发电系统：

1.一种用于发电的方法，所述方法包括以下步骤：

-从地热地层中提取温盐流，并且

-借助于穿过渗透发电机组将存在于所述流中的潜在渗透能转换为电能，在所述渗透发电机组中所述流穿到允许水通过但不允许盐通过的半透膜的一侧，与所述流相比盐度较低的含水流穿到所述膜的另一侧，并且其中

借助于穿过热力发电机组，所述温盐流的温度在所述流进入所述渗透发电机组之前降低，在所述热力发电机组中所述流中存在的热能被转换为电能。

2.根据第1条所述的方法，其中，借助于使所述流穿过热交换器来降低所述温盐流的温度。

3.根据第1条或第2条所述的方法，其中，所述温盐流具有至少45℃的温度。

4.根据第3条所述的方法，其中，所述温盐流具有至少55℃的温度。

5.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述温盐流具有至少10重量％的盐含量。

6.根据第5条所述的方法，其中，所述温盐流具有至少15重量％的盐含量。

7.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述盐度较低的含水流为海水、从河流或湖泊获得的淡水或微咸水、或从工业或市政源获得的废水。

8.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述渗透发电机组包含超过一个渗透机组，每个渗透机组包括允许水通过但不允许盐通过的半透膜。

9.根据第8条所述的方法，其中，来自一个渗透机组的输出流用作第二渗透机组的输入流。

10.一种发电系统，包括：

-与从地热地层提取的温盐流的连接装置，

-被布置成通过使用高盐度输入流和低盐度输入流之间的盐度差的压力滞后渗透(pro)来发电的渗透发电机组，以及

-被布置成通过从温盐流提取热能从而产生冷却的输出流来发电的热力发电机组，并且其中，所述系统被布置成使得所述热力发电机组的冷却的输出流被传送给所述渗透发电机组以用作高盐度输入流。

11.一种用于发电的方法，包括从地热地层提取温盐流，以及：

-借助于穿过渗透发电机组将存在于所述流中的潜在渗透能转换为电能，在所述渗透发电机组中所述流穿到允许水通过但不允许盐通过的半透膜的一侧，与所述流相比盐度较低的含水流穿到所述膜的另一侧，以及

其中，所述渗透发电机组包含超过一个的渗透机组，每个渗透机组包括允许水通过但不允许盐通过的半透膜。

12.根据第11条所述的方法，其中，来自一个渗透机组的输出流用作第二渗透机组的输入流。

13.一种用于发电的方法，包括从地热地层提取温盐流，以及以下步骤：

(a)将存在于所述流中的热能转换为电能；以及

(b)借助于穿过渗透发电机组将存在于所述流中的潜在渗透能转换为电能，在所述渗透发电机组中所述流穿到允许水通过但不允许盐通过的半透膜的一侧，与所述流相比盐度较低的含水流穿到所述膜的另一侧。

14.根据第13条所述的方法，其中，步骤(a)在步骤(b)之前进行。

15.根据第13条或第14条所述的方法，其中，步骤(a)通过使所述流穿过热交换器而进行。

16.根据第13-15条中任一项所述的方法，其中，所述温盐流具有至少45℃的温度。

17.根据第16条所述的方法，其中，所述温盐流具有至少55℃的温度。

18.根据第13-17条中任一项所述的方法，其中，所述温盐流具有至少10重量％的盐含量。

19.根据第18条所述的方法，其中，所述温盐流具有至少15重量％的盐含量。

20.根据第13-19条中任一项所述的方法，其中，在步骤(b)中使用的盐度较低的含水流为海水、从河流或湖泊获得的淡水或微咸水、或从工业或市政源获得的废水。

21.根据第13-20条中任一项所述的方法，其中，所述渗透发电机组包含超过一个渗透机组，每个渗透机组包括允许水通过但不允许盐通过的半透膜。

22.根据第21条所述的方法，其中，来自一个渗透机组的输出流为用作第二渗透机组的输入流。