一种压缩气体储能式膜蒸馏海水脱盐淡化系统及其海水淡化工艺的制作方法

本发明涉及脱盐及水处理领域，涉及一种可进行储能的膜蒸馏海水或苦咸水的脱盐淡化技术，尤其是一种压缩气体储能式膜蒸馏海水脱盐淡化系统及其海水淡化工艺。

背景技术：

水资源和能源是人类社会赖以生存与发展的重要基础，而地下水过度开采所带来的环境问题使得人们的视线聚焦在了充足的海水资源上。如今，海水淡化技术已在世界范围内广泛投入应用，其按制水原理可以分为热法脱盐和膜法脱盐两类。膜蒸馏技术属于一种新兴的海水淡化技术，其具有蒸馏液纯净、常压操作、对外部热源要求低的优点而受到广泛关注。但由于膜蒸馏过程能耗较高，产水能效方面与反渗透等传统方法相比尚存在差距，因而尚未大规模工业化推广。太阳能等可在生能源的利用，使膜蒸馏有望成为极有竞争力的脱盐技术。太阳能驱动膜蒸馏海水淡化系统，最大程度地降低热膜耦合系统的单位产水能耗，对于推动膜蒸馏海水脱盐的产业化应用具有广阔前景。

目前，热膜耦合系统大多采用低温多效海水蒸发系统(mee)和反渗透膜海水淡化系统(swro)并联运行的方式，即热法和膜法两种系统共用一个海水预处理单元，随后，进流海水经过独立运行的两个系统处理后，制取的淡水按一定比例混合，满足用水的浓度需求。如中国专利cn109970151a所提到的太阳能集热管束式海水淡化装置，其采用疏水微孔膜进行蒸馏脱盐，并将膜组件放置于复合抛物面聚光器的上方，解决了利用太阳能加热时聚光效果非均匀的问题。中国专利cn105771662a提出了一种利用光伏型太阳能热泵的膜蒸馏装置，借助光伏发电技术为热泵供电，降低了处理料液的能源消耗。中国专利cn108083369a提出了利用串联式的光伏光热组件同时对膜蒸馏系统进行加热和发电的一体式海水淡化系统，提高了系统间的集成度和便捷性。中国专利cn101302048a提出了一种膜蒸馏海水淡化系统，将膜组件的海水出口和蒸汽出口连接于一热泵实现了海水对蒸汽热量的回收，从而提高了能源使用效率。中国专利cn103708665a提出了一种风力与太阳能发电互补的海水淡化系统，通过与多效蒸发脱盐系统串联耦合，为膜法脱盐单元提供进水。

上述热膜耦合系统的热法脱盐单元均采用多效海水蒸发系统，对物理空间有较高要求，安装维护复杂。热法单元未采用有效的能量回收技术，能量利用率不高，用于发电的太阳能、风能等可再生能源对季节、气候等因素变化敏感，耦合系统的结构不够灵活，对不同工艺要求有较大的局限性。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种压缩气体储能式膜蒸馏海水脱盐淡化系统及其海水淡化工艺，以解决现有技术中热法单元能量利用率不高以及耦合系统的结构不够灵活的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种压缩气体储能式膜蒸馏海水脱盐淡化系统，包括取水泵、海水预处理单元、膜蒸馏单元、集热单元、获能单元和储能单元；

所述海水预处理单元，用于对海水进行净化处理；

所述膜蒸馏单元，用于对净化处理后的海水进行脱盐处理，包括加热器、膜蒸馏组件和淡水收集罐；其中，加热器的管程进口与海水预处理单元的出水口连通，加热器管程出口与膜蒸馏组件的进口连通，加热器的壳程出口与集热单元相连；膜蒸馏组件的膜前出口与海水预处理单元相连，膜蒸馏组件的膜后出口通过两条支路分别连接淡水收集罐和调节阀，淡水收集罐用于采集调节阀不同开度下的淡化水；

所述集热单元，用于收集太阳能并将太阳能转化为热能，为加热器提供热源；

所述获能单元，用于将获取的可再生能源转化为电能，用于为取水泵、集热单元及储能单元进行供电；

所述储能单元，用于将电能以压缩气体的形式储存，当获能单元受气象条件影响导致电能不足或不稳定时，储能单元辅助获能单元进行供电。

进一步地，所述海水预处理单元，包括预处理设备和预热器，预处理设备的进水口与取水泵相连，预处理设备的出水口与预热器相连；所述预热器包括管程和壳程，预热器的管程进水口与预处理设备的出水口连通，预热器的管程出水口与加热器的管程进水口连通，预热器的壳程进水口与膜蒸馏组件的膜前出水口连通，预热器的壳程出水口输出浓盐水。

所述集热单元包括太阳能集热器、循环泵、水箱和电加热器；

所述水箱为分隔式水箱，水箱顶部设有第一进水口、第一出水口，底部设有第二进水口，水箱一侧设有第二出水口，在水箱内设置分隔板，隔开第一进水口、第一出水口与第二进水口以及第二出水口；水箱的第二出水口与循环泵的进水口连通，循环泵的出水口与太阳能集热器的进水口连通，太阳能集热器的出水口与水箱的第一进水口连接；水箱的第一出水口与加热器的壳程进水口连通，加热器的壳程出水口与所述水箱的第二进水口与连通；

所述电加热器与储能单元和/或获能单元电连接。

进一步地，所述太阳能集热器为平板式太阳能集热器或真空管式太阳能集热器。

进一步地，所述获能单元采用光电板和/或风力发电机组。

进一步地，所述膜蒸馏组件采用直接接触式膜蒸馏组件、气隙式膜蒸馏组件和真空式膜蒸馏组件中的一种或多种。

更进一步地，膜蒸馏组件为单级或多级膜蒸馏组件。

所述储能单元采用压缩气体储能组件；压缩气体储能组件的压缩机和透平膨胀机的级数可调，储能介质采用空气或二氧化碳作为压缩气体，用于储存待转化的做功能量。

更进一步地，压缩气体储能组件包括压缩机、透平膨胀机、储气罐、电机，电机与压缩机电连接，压缩机与储气罐连通，储气罐与透平膨胀机连接；电机利用获能子系统输入的电能带动压缩机运动，将压缩气体存储于储气罐中；当获能子系统电能不足或不稳定时，储气罐储存的压缩气体推动透平膨胀机做功，将机械能转化为电能输出。

更进一步地，压缩气体为空气或二氧化碳。

进一步地，淡水收集罐能够与浓盐水出口管路连通，通过调节阀调节两出口的出水比例能够流出满足不同工艺需求的含盐度的淡化水。

本发明还公开了一种基于上述的压缩气体储能式膜蒸馏海水脱盐淡化系统进行海水淡化的工艺，包括以下步骤：

1)将待处理的海水输入海水预处理单元，对海水进行净化处理；

2)净化后的海水进入加热器管程，利用集热单元对加热器管程中的海水进行加热；

3)加热后的海水进入膜蒸馏组件，经膜蒸馏组件分离后得到冷凝淡化水和预热浓盐水。

进一步地，步骤1)和2)之间还包括对利用预热浓盐水对净化后的海水进行预热的步骤，预热浓盐水失去热量后变成浓盐水。

进一步地，步骤2)中，集热单元内的水经循环泵驱动，流经太阳能集热器进行加热，经水箱流入加热器对管程侧海水进行加热，海水吸收热量后，温度升高；

进一步地，步骤3)中，经膜蒸馏组件分离得到的预热浓盐水从膜蒸馏组件底部排出，重新进入海水预处理单元中与输入的预处理海水交换热量，同时冷凝淡化水与预热浓盐水通过调节阀按比例调节混合后进入淡水收集罐中，得到所需盐度的淡化水。

进一步地，当获能单元的电能不足或不稳定时，压缩气体储能单元将储存的压缩功转换为电能形式输出，代替或辅助获能单元中的光电板和/或风力发电机组，对取水泵、循环泵及电加热器供电。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的压缩气体储能式膜蒸馏海水淡化系统，首先，采用集热单元将太阳能转化为热能，为膜蒸馏组件提供热源；采用获能单元将可再生能源转化为电能，为海水预处理单元、加热器、集热单元及压缩气体储能单元供电，所采取的能源均为可再生的清洁能源，在解决水资源匮乏的同时实现了节能环保和低碳排放；其次，采用膜蒸馏技术对海水进行脱盐淡化，降低了传统热法或膜法脱盐工艺中的温度、压力工况条件的要求；再次，采用压缩气体储能单元将获能单元富裕的电能转换成压缩气体进行储存，当获能子系统电能不足或不稳定时辅助获能子系统进行供电，为压缩气体储能式膜蒸馏海水淡化系统的供电提供稳定、储能密度高的可控能量来源。本发明的压缩气体储能式膜蒸馏脱盐淡化系统的能量利用率高，避免了获能单元受季节、气候等因素影响，致使压缩气体储能式膜蒸馏脱盐淡化系统结构不灵活。本发明具有结构紧凑、简单灵活的特点，不仅可用于小型海水淡化工艺，也可用于大型海水淡化厂或脱盐流程的改造。

进一步地，本发明在海水预处理单元和加热器之间还设有预热器，预热器的管程中通有经膜蒸馏组件处理后的预热浓盐水，利用预热浓盐水所携带的热量对净化后的海水进行预热，通过对预热浓盐水的余热进行回收利用，增加了膜蒸馏组件的产水率以及能量利用率。

进一步地，通过调节冷凝淡化水与浓盐水/预热浓盐水的比例，得到不同含盐度的淡化水，为下游工艺提供所需的含盐淡化水。

进一步地，集热单元包括太阳能集热器、循环泵和水箱，太阳能集热器直接将太阳能转化为热能，水箱中的循环水经循环泵输送至太阳能集热器，太阳能集热器对进行加热，经加热后的循环水重新流回水箱，水箱中加热后的循环水流入加热器的壳程，对壳程中的海水进行热交换，失去热量的循环水重新流回水箱。如此往复循环，利用太阳能产生的热量持续不断对海水进行加热，降低了海水淡化过程中能源的消耗以及传热介质的损耗。

进一步地，水箱内部还设有电加热器，在阴雨天可以采用获能单元或压缩气体储能单元提供的电能对水箱中的循环水进行加热，从而使压缩气体储能式膜蒸馏海水淡化系统不受天气的影响，实现了海水全天候的淡化。

附图说明

图1为本发明提出的可储能的膜蒸馏海水淡化系统的结构示意图；

其中：1-取水泵；2-预处理设备；3-预热器；4-加热器；5-膜蒸馏组件；6-调节阀；7-淡水收集罐；8-太阳能集热器；9-循环泵；10-水箱；11-电加热器；12-光电板，13-压缩气体储能单元。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明公开的一种压缩气体储能式膜蒸馏海水淡化系统，包括取水泵1、海水预处理单元、膜蒸馏单元、集热单元、获能单元和储能单元；

所述海水预处理单元，用于对海水进行净化处理；

所述膜蒸馏单元，用于对净化处理后的海水进行脱盐处理，包括加热器4、膜蒸馏组件5和淡水收集罐7；所述加热器4具有管程和壳程；所述集热单元将太阳能转化为热能，为加热器4提供热源；所述获能单元将获取的可再生能源转化为电能，为取水泵1、海水预处理单元、加热器4、膜蒸馏组件5、集热单元及储能单元进行供电；

所述储能单元，用于将电能以压缩气体的形式储存，当获能单元受气象条件影响导致电能不足或不稳定时，储能单元辅助获能单元进行供电。

所述获能单元，用于将获取的可再生能源转化为电能，用于为取水泵1、集热单元及储能单元进行供电，所述获能单元与取水泵1、循环泵9、电加热器11及压缩气体储能单元13电连接；所述压缩气体储能单元13与取水泵1、循环泵9、电加热器11电连接。

所述海水预处理单元，包括预处理设备2和预热器3，预处理设备2的进水口与取水泵1相连，预处理设备2的出水口与预热器3相连；所述预热器3包括管程和壳程，预热器3的管程进水口与预处理设备2的出水口连通，预热器3的管程出水口与加热器4的管程进水口连通，预热器3的壳程进水口与膜蒸馏组件5的膜前出水口连通，预热器3的壳程出水口输出浓盐水。

优选地，冷凝淡化水出水口与浓盐水出水口/预热浓盐水出水口管路汇合，通过调节冷凝淡化水与浓盐水/预热浓盐水的比例，得到不同盐度的含盐淡化水。

优选地，膜蒸馏组件5的膜后出水口连通有淡水收集罐7，淡水收集罐7收集含盐淡化水。

优选地，膜蒸馏组件5为直接接触式膜蒸馏组件、气隙式膜蒸馏组件和真空式膜蒸馏组件中的一种或多种，膜蒸馏组件为单级或多级膜蒸馏组件。

优选地，所述获能单元包括光电板12或风力发电机组中的一种或两种。

优选地，所述集热单元包括太阳能集热器8、循环泵9和水箱10，所述水箱10具有两个进水口和两个出水口；所述水箱10的第一出水口与循环泵9的进水口连通，循环泵9的出水口与太阳能集热器8的进水口连通，太阳能集热器8的出水口与水箱10的第一进水口连接；所述水箱10的第二出水口与加热器4的壳程进水口连通，加热器4的壳程出水口与所述水箱10的第二进水口与连通。水箱10中的循环水经循环泵9驱动，流经太阳能集热器9进行加热，加热后的循环水流回水箱10；加热后的循环水流入加热器4的壳程中，与加热器4管程的海水进行热交换，热交换后的循环水重新流回水箱10，如此往复循环，对海水进行不间断供热。

优选地，太阳能集热器8为平板式集热器或真空管式集热器。

进一步地，所述水箱10的内部还设有电加热器11，电加热器11与压缩气体储能单元和/或获能单元电连接。在阴雨天可以采用获能单元或压缩气体储能单元提供的电能对水箱中的循环水进行加热，从而使压缩气体储能式膜蒸馏海水淡化系统不受天气的影响，实现了海水全天候的淡化。

优选地，还包括与海水预处理单元进水口连通的取水泵1，所述的取水泵1的进水口连通海水。

优选地，压缩气体储能单元13包括压缩机、透平膨胀机、储气罐和电机，电机与压缩机电连接，压缩机与储气罐连通，储气罐与透平膨胀机连接；电机利用获能子系统输入的电能带动压缩机运动，将压缩气体存储于储气罐中；当获能子系统电能不足或不稳定时，储气罐储存的压缩气体推动透平膨胀机做功，将机械能转化为电能输出，压缩气体为空气或二氧化碳。

本发明公开的基于上述压缩气体储能式膜蒸馏海水淡化系统进行海水淡化的方法，利用获能单元对海水预处理单元、加热器、膜蒸馏组件、集热单元进行供电，包括以下步骤：

1)将待处理的海水输入海水预处理单元，对海水进行净化处理；

2)净化后的海水进入加热器管程，利用集热单元对加热器管程中的海水进行加热；

3)加热后的海水进入膜蒸馏组件，经膜蒸馏组件分离后得到冷凝淡化水和预热浓盐水。

优选地，步骤1)和2)之间还包括对利用预热浓盐水对净化后的海水进行预热的步骤，预热浓盐水失去热量后变成浓盐水。当获能单元的电能的电能不足或不稳定时，压缩气体储能单元将储存的压缩气体转换为电能输出，辅助获能单元进行供电。

实施例1：

如图1所示，一种压缩气体储能式膜蒸馏脱盐淡化系统，主要包括：取水泵1、预处理设备2、加热器4、膜蒸馏组件5、太阳能集热器8、光电板12、压缩气体储能单元13。其中，取水泵1的入口连接需要脱盐的水源，出口与预处理设备2的进水口相连；预处理设备2的出水口与预热器3的管程进水口连通，预热器3的管程及壳程出口分别与加热器4的入口及预热浓盐水出口相连，加热器4的管程及壳程侧出口分别与膜蒸馏组件5的入口及集热系统中的水箱10相连，膜蒸馏组件5的膜前出口(输出预热浓盐水)及膜后出口(输出冷凝淡化水)分别与预热器3的壳程(热交换后输出浓盐水)及淡水收集罐7相连，浓盐水出水口与冷凝淡化水通过管路汇合，管路上设有调节阀6，通过控制调节阀6的开度，得到不同含盐度的淡化水。

集热单元中的太阳能集热板8与循环泵9和水箱10相连，用于采集太阳辐射并加热循环水。此外，水箱10内设有电加热器11，电加热器11与压缩气体储能单元电连接，电加热器11对水箱10内的循环水进行加热。水箱10设有两个进水口和两个出水口；水箱10的第一出水口与循环泵9的进水口连通，循环泵9的出水口与太阳能集热器8的进水口连通，太阳能集热器8的出水口与水箱10的第一进水口连接。水箱10中的循环水经循环泵9驱动，流经太阳能集热器8进行加热，加热后的循环水流回水箱10；加热后的循环水流入加热器4的壳程中，与流经加热器4管程的原料水进行热交换，热交换后的循环水重新流回水箱10，如此往复循环，对海水进行不间断供热。

获能单元中的光电板12与用电设备如电加热器11、循环泵9、取水泵1、压缩气体储能单元13电相连，为全系统供电；所述压缩气体储能单元13将电能转化为压缩气体的机械能储存，待有电力需求时将压缩气体储存的能量通过膨胀机做功输出为电能，为所连接的用电设备如电加热器11、循环泵9、取水泵1供电。压缩气体储能组件13由压缩机、透平膨胀机、储气罐、电机、阀门、仪表等辅助设备构成。

压缩气体储能式膜蒸馏脱盐淡化系统，在使用时：

取水泵1将海水输运至预处理设备2后，流经预热器3和加热器4的管程。集热单元内的水经循环泵9驱动，流经太阳能集热器8进行加热，经水箱10流入加热器4壳程对加热器4管程中的海水进行加热，海水吸收热量后，温度升高。随后进入膜蒸馏组件5，海水达到蒸发温度后发生相变，预热浓盐水由膜蒸馏组件5的膜前出口排出，进入预热器3的壳程中与进流海水交换热量(预热浓盐水失去热量变成浓盐水)，同时冷凝淡化水从膜蒸馏组件5的膜后出口排出，与浓盐水经调节阀6按比例调节混合后进入淡水收集罐7中，得到所需盐度的淡化水。

本发明通过利用风能、太阳能等可再生能源发电及余热回收的方法，增加了膜蒸馏系统的能量利用效率，降低了系统能耗的同时，提高了产水率；根据产水需要及实际运行状况，利用调节阀门开度调整产出淡水的含盐度，具有高度的灵活性；结合压缩气体储能单元进行储能，与传统电源储存方式相比，具有更好的稳定性；此外，整个海水淡化系统结构简单、紧凑，节省物理空间，且安装、维护简便。同时，该耦合系统具有很好的适用性，不仅可用于舰船、岛屿及沿海的小型海水淡化工艺，也很容易与其他多级淡化系统耦合扩容，用于大型海水淡化工艺。

本发明的创新之处在于在常规膜蒸馏系统中还集成了储能系统。因为膜蒸馏的优势是可以用太阳能、风能等可再生能源驱动，但恰恰可再生能源受气象条件影响大，不稳定。所以利用储能系统将富余能量储存，供阴雨等获能不充足时使用。因此，本发明的系统在日照充分时段、风力充足期，获能单元能够持续为压缩气体储能单元和海水淡化系统同时供电，当日照或风力不足时，则由储能单元将储存的能量进行释放，为海水淡化系统供电。

综上所述，本发明的优势效果体现在：

(1)采用膜蒸馏技术制取淡水的脱盐系统，优点在于，膜法脱盐过程不需提供较高的膜渗透压力，也不用将海水加热到沸点温度；

(2)采用集热单元供热，获能单元提供的电能辅助供热，解决了膜蒸馏过程能耗较高的能效问题，可提高脱盐淡化系统能量利用效率；

(3)利用预热器回收浓盐水余热，具有很好的热经济性，利用调节阀控制淡水与浓盐水的混合盐度，具有较好的产水灵活性。

(4)创新的引入了一种压缩气体的储能单元，该预处理设备2可根据实际运行需要提供全时段的稳定供电，解决了可再生能源获取时的不稳定、不连续等问题，可辅助可再生能源发电中的动态运行、削峰填谷、调频调峰等过程，为脱盐系统的供电提供稳定、储能密度高的可控能量来源。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。