专利名称：一种海水淡化装置和海水淡化方法
技术领域：
本发明主要应用于水处理工业中的海水淡化技术领域，具体涉及一种利用风能、 太阳能和水合物技术对海水进行淡化的海水淡化装置和海水淡化方法。
背景技术：
我国是水资源大国，同时也是人均水资源贫国。全国水资源总量为28124万亿立方，居世界第6位，但人均水资源量仅为2220立方，为世界人均的1/4，而且南北分布极不均勻。随着经济的发展和人民生活水平的提高，对水量的需求越来越大，对水质的要求越来越高，加上我国水资源时空分布不均、超限度的开采、无节制浪费以及随意的污染，使得本来紧张的水资源供需矛盾更加尖锐，淡水资源的缺乏已经成为制约中国经济发展和社会进步的瓶颈。因此，海水淡化技术对于我国和世界都意义重大，市场需求很大。海水淡化，又称“海水脱盐”，是通过物理、化学或物理化学方法从海水中获取淡水的过程。从海水中取出淡水，或除去海水中的盐，都可以达到淡化的目的。淡化海水的方法有蒸馏法、反渗透法、离子交换法、冷冻法、溶剂萃取法等，但目前实际应用的海水淡化技术主要为蒸馏法和膜法两大类。这两类技术要消耗大量的能源，导致成本很高。
发明内容
鉴于此，有必要针对现有的海水淡化技术成本较高的问题，提供一种利用风能、太阳能和水合物技术对海水进行淡化的海水淡化装置和海水淡化方法。一种海水淡化装置，包括海水提取系统、水合物生成系统、水合物工质液固分离系统、水合物太阳能分解系统、风能转化系统、沉淀池、淡水储存罐，海水提取系统用于从大海中提取低温海水，水合物生成系统用于将低温海水和水合物工质混合成固态水合物，水合物工质液固分离系统用于将固态水合物和未反应的浓盐水进行固液分离，水合物太阳能分解系统用于将固态水合物分解成淡水和水合物工质，沉淀池用于将淡水和水合物工质进行沉淀分离，分离后的淡水流入淡水储存罐，分离后的水合物工质流入水合物生成系统，风能转化系统用于为海水提取系统、水合物生成系统、水合物工质液固分离系统提供动力。所述的海水淡化装置，其中，海水提取系统由深水管道和海水泵组成，深水管道和海水泵连接，深水管道深入大海的海底。所述的海水淡化装置，其中，水合物生成系统由水合物反应器、搅拌器、水合物工质泵、水合物工质储存罐组成，搅拌器设置在水合物反应器中，水合物反应器通过管道与海水泵连接，水合物工质泵通过管道与水合物反应器连接，水合物工质泵还通过管道与水合物工质储存罐连接，水合物工质储存罐通过管道与沉淀池的底部连接。所述的海水淡化装置，其中，水合物工质液固分离系统由固液分离器及相应的控制系统组成，固液分离器通过管道与水合物反应器连接，固液分离器还与浓盐水排水管连接，浓盐水排水管的另一端直接通入大海或通入浓盐水蓄水池。所述的海水淡化装置，其中，固液分离器的外壳上设置有水套，水套通过低温海水支管与海水泵连接，水套还连接有冷却水排水管，冷却水排水管的另一端直接通入大海。所述的海水淡化装置，其中，水合物太阳能分解系统由太阳能水合物分解器和太阳能集热板组成，太阳能水合物分解器通过换热管与太阳能集热板连接，太阳能水合物分解器通过管道与固液分离器连接，太阳能水合物分解器还通过管道与沉淀池连接。所述的海水淡化装置，其中，风能转化系统由风机和风能转化分配系统组成，风机和风能转化分配系统连接。所述的海水淡化装置，其中，风能转化分配系统还设置有温度反馈控制系统，当海水提取系统提取的低温海水的温度高于固态水合物的生成温度时，温度反馈控制系统控制风能转化分配系统不启动水合物生成系统。一种海水淡化方法，包括从大海中提取低温海水；将低温海水和水合物工质混合成固态水合物；将固态水合物和未反应的浓盐水进行固液分离；将固态水合物分解成淡水和水合物工质；将淡水和水合物工质进行沉淀分离；将分离后的淡水和水合物工质分别储存。所述的海水淡化方法，其中，水合物工质是四氟乙烷、二氯一氟乙烷、二氟氯乙烷以及它们的混合物中的一种。本发明充分利用了风能、太阳能等可再生能源以及水合冷冻法海水淡化技术，风能直接转化为动能，太阳能直接转化为热能，能量转化过程中能量损失小，且整个操作过程均在常温常压下进行，温度压力变化不大，比常规海水淡化方法节能。本发明所使用的装置和设备大多属于成熟的设备，操作使用方便，成本低。本发明可在我国沿海或岛屿上使用， 而我国北方沿海地区冬春季节经常干旱少雨，但海水温度较低，使用本发明可不必提取深层海水，因此具有很大的应用前景。
图1是本发明海水淡化装置的示意图。
具体实施例方式水合冷冻法作为一种新型海水淡化方法，目前受到了许多国家的关注。水合冷冻法海水淡化技术利用较易生成水合物的小分子物质与海水中的水生成水合物晶体，固液分离后，分解水合物即可得到淡水。水合物法海水淡化技术的最大优点是能耗低、设备简单、 紧凑；在水或盐水中溶解度低；无毒，价廉易得，无爆炸危险。风能、太阳能是优质的清洁可再生能源，具有许多优点取之不尽、用之不竭；就地可取、不需运输；分布广泛，分散使用；不污染环境，不破坏生态。我国幅员辽阔，有18000 多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。
因此，利用水合冷冻法的技术优势，充分使用风能、太阳能等清洁可再生能源，开发新的海水淡化技术对解决沿海地区及海岛能源和淡水资源缺乏具有重要意义，也具有广阔的市场前景。
本发明主要是利用风能、太阳能和水合物技术进行海水淡化，提供一种能够在海岛和海岸对海水进行淡化的海水淡化装置。本发明具有能耗低、适应性广、可就地取材、投资成本低、环境影响小等特点。请参阅图1，本发明海水淡化装置由海水提取系统、水合物生成系统、水合物工质液固分离系统、水合物太阳能分解系统、风能转化系统、沉淀池11、淡水储存罐12组成。
系统由深水管道2和海水泵3组成，深水管道2和海水泵3连接。深水管道2深入大海1的海底。深水管道2的海水入口处设置有过滤装置，用于防止鱼类等生物或海洋垃圾等进入深水管道2内。水合物生成系统由水合物反应器6、搅拌器7、水合物工质泵14、水合物工质储存罐13组成，搅拌器7设置在水合物反应器6中，水合物反应器6通过管道与海水泵3连接， 水合物工质泵14通过管道与水合物反应器6连接，水合物工质泵14还通过管道与水合物工质储存罐13连接，水合物工质储存罐13通过管道与沉淀池11的底部连接。海水泵3提取的低温海水和水合物工质泵14提取的水合物工质在搅拌器7的作用下生成固态的水合物。水合物工质液固分离系统由固液分离器8及相应的控制系统组成。固液分离器8 通过管道与水合物反应器6连接，固液分离器8还与浓盐水排水管16连接，浓盐水排水管 16的另一端直接通入大海1或通入浓盐水蓄水池。固液分离器8可采用常规的分离器(如离心分离器)。固液分离器8的外壳上设置有水套，水套通过低温海水支管17与海水泵3 连接，水套还连接有冷却水排水管15，冷却水排水管15的另一端直接通入大海1。海水泵 3提取的低温海水部分经低温海水支管17流入固液分离器8的水套，然后经冷却水排水管 15流回大海1。水合物太阳能分解系统由太阳能水合物分解器9和太阳能集热板10组成，太阳能水合物分解器9通过换热管与太阳能集热板10连接，太阳能水合物分解器9通过管道与固液分离器8连接。从固液分离器8分离得到的固体水合物在太阳能水合物分解器9中升温后分解。水合物分解需要的热能由太阳能集热板10提供。沉淀池11通过管道与太阳能水合物分解器9连接。淡水储存罐12通过管道与沉淀池11的上部连接。风能转化系统主要由风机4和风能转化分配系统5组成，风机4和风能转化分配系统5连接。风能转化系统主要为海水泵3、搅拌器7、固液分离器8和水合物工质泵14提供动力。风机4采用常规风机，主要功能为将风能转化为机械能。风能转化分配系统5将风机4得到的机械能进行储存和分配。风能转化分配系统5与海水泵3、搅拌器7、固液分离器8和水合物工质泵14之间的动力传递采用常规的传动系统(如皮带或齿轮)。风能转化分配系统5与海水泵3、搅拌器7、固液分离器8和水合物工质泵14的动力传递设备之间设置有离合器，可根据实际情况进行动力分配。风能转化分配系统5还设置有温度反馈控制系统，当海水泵3出口的温度高于水合物的生成温度时，温度反馈控制系统控制风能转化分配系统5不启动水合物工质泵14。 为了减少风能波动对系统的影响，风能转化分配系统5中还设置有储能飞轮。在本发明中，冷却水排水管15和浓盐水排水管16的出口伸入大海1的海水表层。 深水管道2的入口伸入到大海1的深水层。
本发明海水淡化方法的具体步骤如下(1)、风机4获得的动力由风能转化分配系统5进行分配，部分动力传递给海水泵 3，海水泵3开始抽取3_5°C的深层低温海水；(2)、海水泵3抽取的深层低温海水在水合物反应器6中和从水合物工质泵14来的水合物工质混合，并在搅拌器7的作用下生成固态的水合物；(3)、固态的水合物和未反应的浓盐水从水合物反应器6中成浆状流体流入固液分离器8后进行固液分离，浓盐水经浓盐水排水管16排回大海1或通过浓盐水蓄水池储存并进一步加工成氯化钠等化工原料。分离得到的固态水合物则输送到太阳能水合物分解器 9中加热到10°C左右进行分解；(4)、固态水合物在太阳能水合物分解器9中利用太阳能升温到8. 4°C后分解成液态的淡水和水合物工质混合物；(5)、液态的淡水和水合物工质混合物 输送到沉淀池11中进行沉淀分离，比重较大的水合物工质由沉淀池11底部的管道送回水合物工质储存罐13。比重较小的淡水则由沉淀池11上部的管道送入淡水储存罐12中。本发明中使用的水合物工质可以是R134a(四氟乙烷)、R141b( 二氯一氟乙烷)、 R142b (二氟氯乙烷)等以及它们的混合物。水合物工质要求沸点较低，不溶于水，易分离， 无毒。其中，二氯一氟乙烷的沸点为32. 1°C，水合物相变温度为8. 4°C，不溶于水，破坏臭氧潜能值(ODP)为0. 11，全球变暖系数值(GWP)为0. 09，是一种较环保的制冷剂。本发明与现有技术相比具有如下的显著优点和积极效果充分利用了风能、太阳能等可再生能源以及水合冷冻法海水淡化技术，风能直接转化为动能，太阳能直接转化为热能，能量转化过程中能量损失小，且整个操作过程均在常温常压下进行，温度压力变化不大，比常规海水淡化方法节能。本发明所使用的装置和设备大多属于成熟的设备，操作使用方便，成本低。本发明可在我国沿海或岛屿上使用，而我国北方沿海地区冬春季节经常干旱少雨，但海水温度较低，使用本发明可不必提取深层海水， 因此具有很大的应用前景。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种海水淡化装置，其特征在于，包括海水提取系统、水合物生成系统、水合物工质液固分离系统、水合物太阳能分解系统、风能转化系统、沉淀池、淡水储存罐，海水提取系统用于从大海中提取低温海水，水合物生成系统用于将低温海水和水合物工质混合成固态水合物，水合物工质液固分离系统用于将固态水合物和未反应的浓盐水进行固液分离，水合物太阳能分解系统用于将固态水合物分解成淡水和水合物工质，沉淀池用于将淡水和水合物工质进行沉淀分离，分离后的淡水流入淡水储存罐，分离后的水合物工质流入水合物生成系统，风能转化系统用于为海水提取系统、水合物生成系统、水合物工质液固分离系统提供动力。
2.根据权利要求1所述的海水淡化装置，其特征在于海水提取系统由深水管道和海水泵组成，深水管道和海水泵连接，深水管道深入大海的海底。
3.根据权利要求2所述的海水淡化装置，其特征在于水合物生成系统由水合物反应器、搅拌器、水合物工质泵、水合物工质储存罐组成，搅拌器设置在水合物反应器中，水合物反应器通过管道与海水泵连接，水合物工质泵通过管道与水合物反应器连接，水合物工质泵还通过管道与水合物工质储存罐连接，水合物工质储存罐通过管道与沉淀池的底部连接。
4.根据权利要求3所述的海水淡化装置，其特征在于水合物工质液固分离系统由固液分离器及相应的控制系统组成，固液分离器通过管道与水合物反应器连接，固液分离器还与浓盐水排水管连接，浓盐水排水管的另一端直接通入大海或通入浓盐水蓄水池。
5.根据权利要求4所述的海水淡化装置，其特征在于固液分离器的外壳上设置有水套，水套通过低温海水支管与海水泵连接，水套还连接有冷却水排水管，冷却水排水管的另一端直接通入大海。
6.根据权利要求4或5所述的海水淡化装置，其特征在于水合物太阳能分解系统由太阳能水合物分解器和太阳能集热板组成，太阳能水合物分解器通过换热管与太阳能集热板连接，太阳能水合物分解器通过管道与固液分离器连接，太阳能水合物分解器还通过管道与沉淀池连接。
7.根据权利要求1所述的海水淡化装置，其特征在于风能转化系统由风机和风能转化分配系统组成，风机和风能转化分配系统连接。
8.根据权利要求7所述的海水淡化装置，其特征在于风能转化分配系统还设置有温度反馈控制系统，当海水提取系统提取的低温海水的温度高于固态水合物的生成温度时， 温度反馈控制系统控制风能转化分配系统不启动水合物生成系统。
9.一种海水淡化方法，其特征在于，包括从大海中提取低温海水；将低温海水和水合物工质混合成固态水合物；将固态水合物和未反应的浓盐水进行固液分离；将固态水合物分解成淡水和水合物工质；将淡水和水合物工质进行沉淀分离；将分离后的淡水和水合物工质分别储存。
10.根据权利要求9所述的海水淡化方法，其特征在于水合物工质是四氟乙烷、二氯一氟乙烷、二氟氯乙烷以及它们的混合物中的一种。
全文摘要
本发明提供一种利用风能、太阳能和水合物技术对海水进行淡化的海水淡化装置和海水淡化方法，其中，海水淡化装置包括海水提取系统、水合物生成系统、水合物工质液固分离系统、水合物太阳能分解系统、风能转化系统、沉淀池、淡水储存罐，风能转化系统用于为海水提取系统、水合物生成系统、水合物工质液固分离系统提供动力。本发明充分利用了风能、太阳能等可再生能源以及水合冷冻法海水淡化技术，风能直接转化为动能，太阳能直接转化为热能，能量转化过程中能量损失小，且整个操作过程均在常温常压下进行，温度压力变化不大，比常规海水淡化方法节能。本发明所使用的装置和设备大多属于成熟的设备，操作使用方便，成本低。
文档编号C02F1/22GK102320675SQ20111017978
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者关进安, 唐翠萍, 李栋梁, 梁德青 申请人:中国科学院广州能源研究所