用于工业过程的可持续冷却的方法和系统的制作方法
【专利说明】用于工业过程的可持续冷却的方法和系统
[0001] 本申请是母案为中国发明专利申请201180069721. 2的分案申请。
[0002] 本申请于 2011 年 9 月 12 日作为CrystalLagoonsCorporationLLC，U.S?国家 公司（指定除美国外的全部国家的申请人）和FernandoFischmannT?(智利公民）的PCT 国际专利申请提交，并且要求2011年3月30日提交的U.S.临时号61/469, 526和2011年 8月1日提交的U.S.发明号13/195,695的优先权，将各申请通过援引并入本文。 发明领域
[0003] 本发明涉及用于处理水的方法和系统，和用经处理的水冷却工业过程。水在大容 器或人工泻湖中处理和储存，具有高透明度和高微生物学品质。大容器或人工泻湖能够充 当吸热库，从工业冷却过程吸收废热，从而以可持续方式创造热能储库，其能够随后用于其 它意图。本申请方法和系统能够用于任意工业冷却系统，采用任意类型的可获得的水，包括 淡水、半咸水和海水。
【背景技术】
[0004] 全世界工业量已显著增加，并且已经改善其生产过程多年。这些工业中的许多需 要向其过程中至少某些提供冷却的系统。许多冷却系统用水作吸热库或传热流体。然而， 水是有限的资源。地下蓄水层、海洋和地表水的过度利用和污染已经发生，导致适宜的水的 量的减少，以及自然界水的品质降低。从而，需要发现以可持续和经济方式用水的新方法以 便以有效方式运用该资源而不损害环境。
[0005] 目前的工业冷却系统常常局限于可获得大量冷却水的区域。例如，冷却系统常常 位于丰富存在该资源的海岸线沿岸或靠近其它天然水源比如河流和大湖泊。相应地，与基 于水的冷却系统的显著缺点是它们常常受限于特定的地理区域。例如，对于350MW煤发电 站，每时可以需要几乎45, 000立方米水进行冷却，比如在工厂换热器中，相当于在1小时内 填满18个奥林匹克游泳池。
[0006] 此外，冷却水吸收的废热一般通过排放加热的水返回天然水源中或通过排放水蒸 气进入大气进入环境中而损失。全世界每天浪费的可回收的能量可以达到全世界每日总耗 电的80%。
[0007] 可以得益于改善的基于水的工业冷却系统的特定代表性环境能够包括，但不限于 下述：
[0008] 热电站
[0009] 人口和技术进展的增加引起对额外能量的迫切要求。全世界能量的显著用途集中 于发电。对电的需求的增长步伐取决于各国现代化及其经济发展。例如，在过去10年发电 量增加几乎40% (参见图1)。该需求导致全世界构建新发电设施的增长。
[0010] 目前，热电站是占优势类型的运行中的发电站。这些电场使用燃料来产生燃烧，用 燃烧加热流体，流体又驱动发电回路中的涡轮机。也有许多发电站用可再生资源--比如太 阳能或地热能--产生驱动流体，驱动流体又驱动涡轮机。还有其它热电站使用核燃料，比 如铀。然而，可获得的统计显示2008年消耗的总能量中，80 %至90 %衍生自热电站中燃烧 的化石燃料。最一般地，这些类型的电站使用煤、油或天然气体。部分地，该大百分比发电 类型是由于化石燃料在全世界的高度可获得性。在1973年，世界能量阵由78. 4%热电站 (包括核电站）组成，而在2008年该百分比已增加至81. 5%。一直持续地需要这些电站改 善它们的操作效率并减少其环境影响。
[0011] 随时间，热电站已发生与其操作有关的各种变化。例如，已进行涉及排放和燃料有 效使用的改变。然而，这些电站的其余缺点是使用水冷却系统。这些系统具有数种缺点，使 得应用局限于某些地理位置。额外地，使用水和随之而来对水的加热对环境产生潜在损害 影响，提高能量成本，引起对水的密集使用，浪费残余热量，和/或具有高安装和操作成本。 相应地，需要经改善的冷却系统来匹配增长中的对能量和电力的需求。
[0012] 热电站和其它工业中使用的目前的冷却系统是：一次通过式冷却系统，润湿冷却 塔，和冷却池。
[0013] 一次通过式冷却系统
[0014]目前使用的冷却系统的主要类型之一是〃一次通过式〃冷却系统，这是指开放式 循环系统（也即，不采用水的再循环）。该类型系统由下述组成：从天然来源收集水的水摄 入结构，和将水返回天然来源（例如，常常是海洋）的排放结构。收集的冷却水循环通过充 当工业过程一部分的换热器。在换热器中，水作为吸热库，从而水温随流经换热器而升高。 然后，加热的水排放返回天然来源。仅在美国，大约5, 500个发电站使用一次通过式冷却系 统。这些电站每天使用超过180, 000百万加仑的水用于冷却。比方说，该量超过澳大利亚 每日灌溉用水的13倍。一次通过式冷却系统具有许多缺点，包括抽吸导致的环境损害和海 洋生物死亡；返回的经加热的水的热污染；电站位置受限于海岸线（或大型水源边界）；低 劣品质的水；和残余热量的浪费。
[0015] 一次通过式冷却系统以相对低成本使用大体积的水，但是常常导致对海洋生态系 统的大规模不良作用。例如，该系统使得排放水的温度增加。在海洋中，温度的突然升高能 够导致严重的问题，甚至引起活有机体的死亡。这影响海洋生态系统和在海岸进行的人类 活动，比如渔业和其它经济活动。一次通过式冷却系统还能够由于入水口产生的抽吸作用 导致海洋有机体的死亡。这在全世界每年可以影响上百万的鱼类、幼体和其它水生生物，原 因是它们被吸入通向换热器的导管。因为过滤器或滤网（例如，与过滤器/滤网碰撞或被 过滤器或滤网截住），因为驱动泵（例如，通过高压的内部结构和/或流动导致与壁碰撞）， 由于可能加入的化学品，和由于换热器中的温度剧烈变化，能够发生死亡。一些国家和政府 的法律禁止使用一次通过式冷却系统。因此，需要寻找冷却的新方法，其随时间可持续并且 允许更佳效能和效率。
[0016] 一次通过式冷却系统的又一主要限制是其受限位置。如上文所述，这些类型的电 站一般必须位于海洋或内陆河流的沿岸，以便更佳活动大量水。这些位置能够带来显著土 地使用问题。由此，这些工业受到待获取的大体积水和所述位置的热污染效果的限制。因 此，电站具有位置带来的各种问题，其涉及较高成本和社区居民反对的可能。
[0017] 一次通过式冷却系统的又一问题是用于冷却的低劣的水质。一次通过式冷却系统 一般使用海水，其具有高有机含量。这不利地影响冷却过程的传热系统。例如，传热由于附 着至或堵塞管道的活或死有机体而降低。生物污染产生并且开始附着至管道内表面，降低 传热和从而导致效率更加低下。此外，新的环境标准推荐（和某些需要）电站高效率运转 以使每单元燃料产生的能量最大化。一份研宄估计工业化国家中换热器污染产生金钱损失 的水平为约0. 25%的国内生产总值（⑶P)。
[0018] 一次通过式冷却系统的又一限制是吸收的全部热排放返回天然水源，而并未利用 水中的热能。在某些情况下，浪费的热能能够接近总产生热量的2/3,发电站产生的电能的 量仅为总产生热量的1/3。有利的是将这种浪费的有价值的能量用于其它有益意图。
[0019] 湿式冷却塔
[0020] 目前使用的又一冷却系统是湿式冷却塔。这些系统通过在蒸发烟囱内与空气热交 换来冷却水。烟囡含有位于底部的冷却水储库，其通过循环经过工厂冷凝器（冷却装置） 的泵送料至工厂，由此将工厂工作流体的热量转移至水中。在高温流出水达到塔顶部时，其 开始以细喷流下降，使接触面积最大化用于传热。某些厂在塔顶部或底部设有风扇，以将空 气向上循环以便实现与水的对流接触。随着水降落，其冷却并通过蒸发发生热损失。在水 蒸发时，溶解的盐降落返回水槽，由此增加其浓度。因此，一定量的水必须多次冲洗而储库 必须用淡水进料。湿式冷却塔具有与其运行有关的各种问题，包括高抽取率和水的蒸发，高 成本，城市美学或景观的劣化，和捕获的残余热量的损失。
[0021] 湿式冷却塔的显著问题是使用大量水。根据电功率研宄所（EPRI)，对于运用煤的 蒸汽驱动发电站，水抽取率是约2, 082升/MWh，而由于蒸发的水消耗率是约1，817升/MWh。 此外，由于高蒸发率引起的繁重的水消耗，湿式冷却塔需要频繁的重新装满。全部蒸发的水 必须进行替换以及由于槽中矿物浓度的升高必须多次冲洗一定量的水，该槽也必须重新装 满的。一般地，湿式冷却塔使用淡水工作，引起较高操作成本。
[0022] 湿式冷却塔的又一主要问题是，它们具有高安装，操作，和维护成本。例如，对于 2, 245MW的工厂，基建投资可以达到600百万美元。
[0023] 此外，湿式冷却塔导致城市美学和景观的劣化。这是由于塔的结构和塔向大气中 排放的蒸汽。蒸汽干扰景观并且能够导致人行道、公路和其它相邻表面的润湿。湿式冷却塔 的又一限制是，它们不利用残余能量，它们实质上将全部残余热量作为水蒸气排放入大气。 相应地，该过程的总能量效率被降低。
[0024] 冷却池
[0025] 目前工业过程所用的许多冷却系统使用冷却池。冷却池一般地包括大体积的水， 其包含于从其抽取冷却水的池塘。在通过工厂中的热交换过程之后，水（具较高温度）排 放返回池塘。池塘面积一般地取决于工厂的容量和效率。在美国使用煤、其它化石燃料、组 合循环的热电站和核电站中的几乎百分之十五（15% )使用这些类型的池塘。冷却池的主 要缺点设备需要的大物理面积和池塘所含的低劣水质。
[0026] 冷却池设备所需要的大面积基于待保持的低温一一般地低于22°C。这是因为，一 旦水温开始上升，池塘水就更容易生长和繁殖藻类和其它有机体，这导致冷却系统和池塘 本身的问题。因此，为了保持低温，冷却池具有很大面积，多至2, 500公顷。考虑土地使用 越来越少，该技术方案变得越来越不具有活力。
[0027] 冷却池的又一限制是池塘的低劣水质。在一些厂中，来自池塘的冷却水必须经历 额外处理比如过滤并除去损害机械的化合物。低劣品质是由于微生物、藻类的繁殖和沉淀 物颗粒。这些池塘中的水质使他们对于娱乐用途毫无吸引力，并且它们可以给使用池塘的 人群带来健康危险。
[0028] 另外，由于不允许冷却池中的水温增至25_30°C或更多，加热的水不能用于其它意 图，因此浪费有价值的热能。
[0029] 铸造工业
[0030] 其它工业，比如铸造和铸件工业，可以使用冷却水系统。铸造工业重要性很高，特 别是对于矿业，其中熔化金属以产生其它产品。在铸造过程中，气体以极高温度产生，必须 将其冷却以随后排放或使用。目前，绝大多数铸造工业使用水冷却系统，其是循环式或一次 通过式冷却系统。
[0031] 基于许多工业的冷却需要和现有冷却系统的缺点，目前需要改善的冷却系统，其 以较低成本运行，避免热污染和海洋生态系统的有关热损害，使用更少的水，允许地理位置 的灵活性，和/或出于有用意图利用冷却过程（例如换热器）中产生的热能。
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