專利名稱：一種海水淡化裝置和海水淡化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要應(yīng)用于水處理工業(yè)中的海水淡化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可連續(xù)運(yùn)行的利用水合物技術(shù)來進(jìn)行海水淡化的海水淡化裝置和海水淡化方法。
背景技術(shù)：
隨著我國改革開放步伐的逐漸深入，科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人民生活水平有了很大提高，沿海城市和地區(qū)作為我國對外開放的窗口，經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展更是日新月異，有力地帶動了內(nèi)陸地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但與此同時，我國水資源短缺的問題也日益突出。我國陸地水資源利用強(qiáng)度大、利用率低，資源性缺水、水質(zhì)性缺水與工程性缺水并存，江河斷流、地面沉降現(xiàn)象時有發(fā)生。目前，淮河水利用率為60%，遼河為65%，黃河為62%，海河利用率則高達(dá)90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國際公認(rèn)的30% -40%的水資源利用警戒線。我國中東部沿海地區(qū)水資源約占全國水資源總量的43.5%，但天津、上海等沿海城市人均水資源占有量尚不足國際公認(rèn)的1700立方米，資源性缺水問題嚴(yán)重。淡水資源的缺乏已經(jīng)成為制約中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的瓶頸。我國是一個有著寬廣海疆的海洋大國。擁有全長18000多千米的海岸線，北起中朝交界的鴨綠江口，南到中越邊界的北侖河口，擁有渤海(內(nèi)海)、黃海、東海和南海四大海域。如此龐大而豐富的海洋資源如果得到充分的開發(fā)利用，將從根本上解決我國沿海城市和地區(qū)甚至大陸內(nèi)部地區(qū)的生活及工業(yè)用水問題，緩解陸地淡水資源緊缺的資源危機(jī)，也會給我國帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。因此，海水淡化技術(shù)的市場需求很大。海水淡化有多種方法，如蒸餾法、薄膜反滲透法、離子交換法、電滲析法、壓滲法、 冷凍法、溶劑萃取法等，其中能耗是直接決定其成本高低的關(guān)鍵。目前投入應(yīng)用的海水淡化技術(shù)主要是低溫多效蒸餾法、多級閃蒸法和薄膜反滲透法。但是，目前的海水淡化技術(shù)設(shè)備比較復(fù)雜，能耗較大，導(dǎo)致成本較高。因此，開發(fā)新的海水淡化工藝是非常有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要針對目前海水淡化技術(shù)成本較高的問題，提供一種能有效降低成本的可連續(xù)運(yùn)行的利用水合物技術(shù)來進(jìn)行海水淡化的海水淡化裝置和海水淡化方法。一種海水淡化裝置，包括海水供給系統(tǒng)、至少三級水合物生成分解反應(yīng)器、制冷制熱系統(tǒng)、氣體循環(huán)系統(tǒng)，海水供給系統(tǒng)用于為至少三級水合物生成分解反應(yīng)器提供海水水源，至少三級水合物生成分解反應(yīng)器用于使海水和水合反應(yīng)氣體逐級發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使海水的鹽濃度逐級降低，最終獲得淡水，制冷制熱系統(tǒng)用于提供各級水合物生成分解反應(yīng)器中水合物生成或分解所需的冷能和熱能，氣體循環(huán)系統(tǒng)用于為至少三級水合物生成分解反應(yīng)器提供循環(huán)氣體。所述的海水淡化裝置，其中，海水供給系統(tǒng)包括海水泵，海水泵通過管道連接海水儲存罐或直接通入大海。所述的海水淡化裝置，其中，至少三級水合物生成分解反應(yīng)器包括第一級水合物生成分解反應(yīng)器、第二級水合物生成分解反應(yīng)器、第三級水合物生成分解反應(yīng)器；第一級水合物生成分解反應(yīng)器由第一級水合反應(yīng)器、第一級反應(yīng)器隔熱墊圈和第一級水合物分解器通過法蘭相連組成，第一級水合反應(yīng)器和海水泵通過管道相連，第一級水合反應(yīng)器通過管道連接濃鹽水收集器或直接通入大海；第二級水合物生成分解反應(yīng)器由第二級水合反應(yīng)器、第二級反應(yīng)器隔熱墊圈和第二級水合物分解器通過法蘭相連組成，第二級水合反應(yīng)器與第一級水合物分解器通過管道連接，第二級水合反應(yīng)器與第一級水合反應(yīng)器通過管道連接；第三級水合物生成分解反應(yīng)器由第三級水合反應(yīng)器、第三級反應(yīng)器隔熱墊圈和第三級水合物分解器通過法蘭相連組成，第三級水合反應(yīng)器與第二級水合物分解器通過管道連接，第三級水合反應(yīng)器與第二級水合反應(yīng)器通過管道連接，第三級水合物分解器和淡水儲存罐通過管道連接。所述的海水淡化裝置，其中，制冷制熱系統(tǒng)由制冷壓縮機(jī)、第一級冷凝器、第二級冷凝器、第三級冷凝器、熱力膨脹閥、第一級蒸發(fā)器、第二級蒸發(fā)器和第三級蒸發(fā)器通過管道相連組成；第一級冷凝器為第三級水合物分解器提供熱源，第二級冷凝器為第二級水合物分解器提供熱源，第三級冷凝器為第一級水合物分解器提供熱源；第一級蒸發(fā)器為第一級水合反應(yīng)器提供冷源，第二級蒸發(fā)器為第二級水合反應(yīng)器提供冷源，第三級蒸發(fā)器為第三級水合反應(yīng)器提供冷源。所述的海水淡化裝置，其中，氣體循環(huán)系統(tǒng)包括氣體壓縮機(jī)和多個氣體管道，氣體壓縮機(jī)通過氣體管道分別與第一級水合反應(yīng)器和第三級水合物分解器連接，第一級水合物分解器和第二級水合反應(yīng)器通過氣體管道連接，第二級水合物分解器和第三級水合反應(yīng)器通過氣體管道連接，氣體壓縮機(jī)、三級水合物生成分解反應(yīng)器、多個氣體管道構(gòu)成了氣體循環(huán)通路。所述的海水淡化裝置，其中，氣體循環(huán)系統(tǒng)還包括儲氣罐、截止閥、三通，儲氣罐和截止閥通過氣體管道連接，截止閥通過三通連接至氣體循環(huán)通路。一種海水淡化方法，包括提供海水和水合反應(yīng)氣體；海水和水合反應(yīng)氣體進(jìn)入第一級水合物生成分解反應(yīng)器得到濃度較低的鹽水；該濃度較低的鹽水進(jìn)入第二級水合物生成分解反應(yīng)器后，與在第一級水合物生成分解反應(yīng)器中水合物分解得到的水合反應(yīng)氣體反應(yīng)后獲得濃度更低的鹽水；該濃度更低的鹽水進(jìn)入后一級水合物生成分解反應(yīng)器后，與在前一級水合物生成分解反應(yīng)器中水合物分解得到的水合反應(yīng)氣體反應(yīng)，如此重復(fù)，直至得到淡水。所述的海水淡化方法，其中，水合物生成分解反應(yīng)器至少有三級。所述的海水淡化方法，其中，水合反應(yīng)氣體為甲烷、乙烷或丙烷。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點1、設(shè)備簡單、緊湊、成本低；2、海水淡化工質(zhì)為甲烷、乙烷或丙烷等，無毒，不溶于水、易處理；3、工藝流程簡單，操作方便；4、不需要分離水合物和濃鹽水，能量效率較高；5、系統(tǒng)各部分功能明確，具有良好的可升級性和可擴(kuò)充性。


圖1是本發(fā)明海水淡化裝置的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明主要是提供一種通過結(jié)合水合物的物性和形成分解條件，利用水合物和海水密度之差及氣泡的提升作用，使水合物生成和分解在一個容器內(nèi)迅速進(jìn)行，并能連續(xù)生產(chǎn)淡水的海水淡化裝置。請參閱圖1，本發(fā)明連續(xù)式水合物法海水淡化裝置由海水供給系統(tǒng)、至少三級水合物生成分解反應(yīng)器、制冷制熱系統(tǒng)、氣體循環(huán)系統(tǒng)、濃鹽水收集器1、淡水儲存罐21組成。以下是以三級水合物生成分解反應(yīng)器的情況為例進(jìn)行說明。海水供給系統(tǒng)由海水泵2和海水儲存罐3通過管道相連組成，海水泵2也可以通過管道直接通入大海，海水供給系統(tǒng)用于為第一級水合物生成分解反應(yīng)器提供海水水源。第一級水合物生成分解反應(yīng)器由第一級水合反應(yīng)器7、第一級反應(yīng)器隔熱墊圈8 和第一級水合物分解器9通過法蘭相連組成。第一級水合反應(yīng)器7和海水泵2通過管道相連，第一級水合反應(yīng)器7和濃鹽水收集器1通過管道相連，第一級水合反應(yīng)器7也可以通過管道直接通入大海。第二級水合物生成分解反應(yīng)器由第二級水合反應(yīng)器14、第二級反應(yīng)器隔熱墊圈 13和第二級水合物分解器12通過法蘭相連組成，第二級水合反應(yīng)器14與第一級水合物分解器9通過管道連接，第二級水合反應(yīng)器14與第一級水合反應(yīng)器7通過管道連接。第三級水合物生成分解反應(yīng)器由第三級水合反應(yīng)器17、第三級反應(yīng)器隔熱墊圈 18和第三級水合物分解器19通過法蘭相連組成。第三級水合反應(yīng)器17與第二級水合物分解器12通過管道連接，第三級水合反應(yīng)器17與第二級水合反應(yīng)器14通過管道連接，第三級水合物分解器19和淡水儲存罐21通過管道連接。制冷制熱系統(tǒng)由制冷壓縮機(jī)22、第一級冷凝器20、第二級冷凝器11、第三級冷凝器10、熱力膨脹閥5、第一級蒸發(fā)器6、第二級蒸發(fā)器15和第三級蒸發(fā)器16通過管道相連組成，制冷制熱系統(tǒng)用于提供各級水合物生成分解反應(yīng)器中水合物生成或分解所需的冷能和熱能。其中，第一級冷凝器20為第三級水合物分解器19提供熱源，第二級冷凝器11為第二級水合物分解器12提供熱源，第三級冷凝器10為第一級水合物分解器9提供熱源；第一級蒸發(fā)器6為第一級水合反應(yīng)器7提供冷源，第二級蒸發(fā)器15為第二級水合反應(yīng)器14提供冷源，第三級蒸發(fā)器16為第三級水合反應(yīng)器17提供冷源。氣體循環(huán)系統(tǒng)包括氣體壓縮機(jī)4和多個氣體管道，氣體壓縮機(jī)4通過氣體管道分別與第一級水合反應(yīng)器7和第三級水合物分解器19連接，第一級水合物分解器9和第二級水合反應(yīng)器14通過氣體管道連接，第二級水合物分解器12和第三級水合反應(yīng)器17通過氣體管道連接。因此，氣體壓縮機(jī)4、三級水合物生成分解反應(yīng)器、多個氣體管道構(gòu)成了氣體循環(huán)通路。為了及時補(bǔ)充隨淡水帶出的少量氣體，氣體循環(huán)系統(tǒng)還包括儲氣罐M、截止閥 23、三通25，儲氣罐M和截止閥23通過氣體管道連接，截止閥23通過三通25連接至氣體循環(huán)通路。當(dāng)氣體循環(huán)通路中的氣體壓力過低時，開啟截止閥23并通過三通25給氣體循環(huán)通路補(bǔ)充氣體。本發(fā)明的水合物生成分解反應(yīng)器不限于三級，可根據(jù)具體的海水條件采用四級或更多級水合物生成分解反應(yīng)器來實現(xiàn)。本發(fā)明中生成水合物的密度要求小于1且氣體不溶于水，代表氣體有甲烷、乙烷和丙烷，也可以使用具有相同性質(zhì)的氣體。以下舉例說明海水淡化方法本實施例中，海水的溫度為25°C，使用的水合物工質(zhì)為乙烷氣，乙烷生成水合物的工況溫度為4-5°C，壓力為1.6-2. OMPa。乙烷生成水合物的工況溫度為15_20°C，壓力為 1. 4-1. 8MPa0乙烷氣由氣體壓縮機(jī)4加壓到2. OMI^a進(jìn)入第一級水合反應(yīng)器7。海水則由海水泵 2從海水儲存罐3中泵入第一級水合反應(yīng)器7。高壓乙烷氣體和海水混合并在第一級蒸發(fā)器6的作用下降溫到4°C，高壓乙烷氣體和海水在低溫高壓環(huán)境中生成氣體水合物，同時排除鹽份和雜質(zhì)。由于氣體水合物的密度小于海水，水合物在浮力和循環(huán)氣體的作用下上浮， 在第一級水合物分解器9中升溫到15-20°C分解，并釋放出淡水和氣體，淡水和未反應(yīng)的海水混合成濃度較低的鹽水由第一級水合物分解器9的出口排出并進(jìn)入第二級水合反應(yīng)器 14，而分解得到的乙烷氣體則由第二級水合反應(yīng)器14的底部進(jìn)入第二級水合反應(yīng)器14，完成一級脫鹽過程。從第二級水合反應(yīng)器14進(jìn)來的高壓乙烷氣體(壓力在1. SMPa左右)和從第一級水合物分解器9進(jìn)來的較濃鹽水混合，并在低溫高壓環(huán)境中生成氣體水合物，同時進(jìn)一步排除鹽份和雜質(zhì)。同樣，水合物在浮力和循環(huán)氣體的作用下上浮，在第二級水合物分解器12 中分解并釋放出淡水和乙烷氣體，淡水和未反應(yīng)的海水混合成濃度較低的鹽水由第二級水合物分解器12的出口排出并進(jìn)入第三級水合反應(yīng)器17，而分解得到的乙烷氣體則由第三級水合反應(yīng)器17的底部進(jìn)入第三級水合反應(yīng)器17，完成二級脫鹽過程。為有效提高海水利用率，第二級水合反應(yīng)器14底部排出的較高濃度鹽水再進(jìn)入第一級水合反應(yīng)器7參與反應(yīng)。從第三級水合反應(yīng)器17進(jìn)來的高壓乙烷氣體(壓力在1. 6MPa左右)和從第二級水合物分解器12進(jìn)來的低濃度鹽水混合，并在低溫高壓環(huán)境中生成氣體水合物，同時進(jìn)一步排除鹽份和雜質(zhì)。同理，水合物在浮力和循環(huán)氣體的作用下上浮，在第三級水合物分解器 19中分解并釋放出淡水和氣體，得到的淡水由管道輸送到淡水儲存罐21，完成最后的脫鹽過程。乙烷氣體(壓力在1. 4MPa左右)則經(jīng)過氣體壓縮機(jī)4加壓后再次進(jìn)入第一級水合反應(yīng)器7繼續(xù)反應(yīng)，進(jìn)行下一輪循環(huán)。同理，為有效提高海水利用率，第三級水合反應(yīng)器17 底部排出的較高濃度鹽水進(jìn)入第二級水合反應(yīng)器14繼續(xù)參與水合物反應(yīng)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點1、設(shè)備簡單、緊湊、成本低；2、海水淡化工質(zhì)為甲烷、乙烷或丙烷等，無毒，不溶于水、易處理；3、工藝流程簡單，操作方便；4、不需要分離水合物和濃鹽水，能量效率較高；5、系統(tǒng)各部分功能明確，具有良好的可升級性和可擴(kuò)充性。以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種海水淡化裝置，其特征在于包括海水供給系統(tǒng)、至少三級水合物生成分解反應(yīng)器、制冷制熱系統(tǒng)、氣體循環(huán)系統(tǒng)，海水供給系統(tǒng)用于為至少三級水合物生成分解反應(yīng)器提供海水水源，至少三級水合物生成分解反應(yīng)器用于使海水和水合反應(yīng)氣體逐級發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使海水的鹽濃度逐級降低，最終獲得淡水，制冷制熱系統(tǒng)用于提供各級水合物生成分解反應(yīng)器中水合物生成或分解所需的冷能和熱能，氣體循環(huán)系統(tǒng)用于為至少三級水合物生成分解反應(yīng)器提供循環(huán)氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海水淡化裝置，其特征在于海水供給系統(tǒng)包括海水泵，海水泵通過管道連接海水儲存罐或直接通入大海。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海水淡化裝置，其特征在于至少三級水合物生成分解反應(yīng)器包括第一級水合物生成分解反應(yīng)器、第二級水合物生成分解反應(yīng)器、第三級水合物生成分解反應(yīng)器；第一級水合物生成分解反應(yīng)器由第一級水合反應(yīng)器、第一級反應(yīng)器隔熱墊圈和第一級水合物分解器通過法蘭相連組成，第一級水合反應(yīng)器和海水泵通過管道相連，第一級水合反應(yīng)器通過管道連接濃鹽水收集器或直接通入大海；第二級水合物生成分解反應(yīng)器由第二級水合反應(yīng)器、第二級反應(yīng)器隔熱墊圈和第二級水合物分解器通過法蘭相連組成，第二級水合反應(yīng)器與第一級水合物分解器通過管道連接，第二級水合反應(yīng)器與第一級水合反應(yīng)器通過管道連接；第三級水合物生成分解反應(yīng)器由第三級水合反應(yīng)器、第三級反應(yīng)器隔熱墊圈和第三級水合物分解器通過法蘭相連組成，第三級水合反應(yīng)器與第二級水合物分解器通過管道連接，第三級水合反應(yīng)器與第二級水合反應(yīng)器通過管道連接，第三級水合物分解器和淡水儲存罐通過管道連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的海水淡化裝置，其特征在于制冷制熱系統(tǒng)由制冷壓縮機(jī)、第一級冷凝器、第二級冷凝器、第三級冷凝器、熱力膨脹閥、第一級蒸發(fā)器、第二級蒸發(fā)器和第三級蒸發(fā)器通過管道相連組成；第一級冷凝器為第三級水合物分解器提供熱源，第二級冷凝器為第二級水合物分解器提供熱源，第三級冷凝器為第一級水合物分解器提供熱源；第一級蒸發(fā)器為第一級水合反應(yīng)器提供冷源，第二級蒸發(fā)器為第二級水合反應(yīng)器提供冷源， 第三級蒸發(fā)器為第三級水合反應(yīng)器提供冷源。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的海水淡化裝置，其特征在于氣體循環(huán)系統(tǒng)包括氣體壓縮機(jī)和多個氣體管道，氣體壓縮機(jī)通過氣體管道分別與第一級水合反應(yīng)器和第三級水合物分解器連接，第一級水合物分解器和第二級水合反應(yīng)器通過氣體管道連接，第二級水合物分解器和第三級水合反應(yīng)器通過氣體管道連接，氣體壓縮機(jī)、三級水合物生成分解反應(yīng)器、 多個氣體管道構(gòu)成了氣體循環(huán)通路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的海水淡化裝置，其特征在于氣體循環(huán)系統(tǒng)還包括儲氣罐、截止閥、三通，儲氣罐和截止閥通過氣體管道連接，截止閥通過三通連接至氣體循環(huán)通路。
7.—種海水淡化方法，其特征在于，包括提供海水和水合反應(yīng)氣體；海水和水合反應(yīng)氣體進(jìn)入第一級水合物生成分解反應(yīng)器得到濃度較低的鹽水；該濃度較低的鹽水進(jìn)入第二級水合物生成分解反應(yīng)器后，與在第一級水合物生成分解反應(yīng)器中水合物分解得到的水合反應(yīng)氣體反應(yīng)后獲得濃度更低的鹽水；該濃度更低的鹽水進(jìn)入后一級水合物生成分解反應(yīng)器后，與在前一級水合物生成分解反應(yīng)器中水合物分解得到的水合反應(yīng)氣體反應(yīng)，如此重復(fù)，直至得到淡水。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的海水淡化方法，其特征在于水合物生成分解反應(yīng)器至少有三級。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的海水淡化方法，其特征在于水合反應(yīng)氣體為甲烷、乙烷或丙焼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可連續(xù)運(yùn)行的利用水合物技術(shù)來進(jìn)行海水淡化的海水淡化裝置和海水淡化方法，海水淡化裝置包括海水供給系統(tǒng)、至少三級水合物生成分解反應(yīng)器、制冷制熱系統(tǒng)、氣體循環(huán)系統(tǒng)，海水供給系統(tǒng)用于為至少三級水合物生成分解反應(yīng)器提供海水水源，至少三級水合物生成分解反應(yīng)器用于使海水和水合反應(yīng)氣體逐級發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使海水的鹽濃度逐級降低，最終獲得淡水，制冷制熱系統(tǒng)用于提供各級水合物生成分解反應(yīng)器中水合物生成或分解所需的冷能和熱能，氣體循環(huán)系統(tǒng)用于為至少三級水合物生成分解反應(yīng)器提供循環(huán)氣體。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點設(shè)備簡單、緊湊、成本低；不需要分離水合物和濃鹽水，能量效率較高。
文檔編號C02F103/08GK102351255SQ20111017981
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者李棟梁, 梁德青 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所