海水淡化能量回收裝置專利最新動態(tài)

1、海水淡化能量回收裝置專利最新動態(tài)海水淡化技術(shù)發(fā)展的一個重要目標是降低運行成本，在運行成本的構(gòu)成中能耗所占的比重最大，所以降低能耗是降低海水淡化成本最有效的手段。反滲透海水淡化是目前海水淡化的主流技術(shù)之一，反滲透海水淡化過程需消耗大量電能提升進水壓力以克服水的滲透壓，反滲透膜排出的濃水余壓高達5.5 6.5MPa，按照40%的回收率計算，排放的濃鹽水中還蘊含約60% 的進料水壓力能量，將這一部分能量回收變成進水能量可大幅降低反滲透海水淡化的能耗，而這一目的實現(xiàn)有賴于利用能量回收技術(shù)。自70 年代以來，隨著反滲透技術(shù)應用于海水/苦咸水淡化，各種形式的能量回收裝置也相繼出現(xiàn)。能量回收裝置目前有水力透

2、平式能量回收裝置和功交換式能量回收裝置兩大類。最早的能量回收裝置是水力透平式，瑞士Calder. AG公司的Pe1 ton Whee 1 透平機和Pump Ginard 公司的Francis 透平機，效率一般為50% -70%，其原理是利用濃鹽水驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動，通過軸與泵和電機相連，將能量輸送至進料原海水，過程需要經(jīng)過“水壓能機械能水壓能”兩步轉(zhuǎn)換。在上面的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進，出現(xiàn)了一些獨特的設(shè)計，其中具代表性的有丹麥Grundfos 公司生產(chǎn)的BMET 透平直驅(qū)泵和美國PEI 公司生產(chǎn)的Hydraulic Turbochargero 兩者均是透平與泵一體化設(shè)計，一根轉(zhuǎn)軸連接兩個葉輪，全部封裝在一個

3、殼體中，濃鹽水流過葉輪時沖擊葉片推動葉輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動透平軸旋轉(zhuǎn)。透平軸直接帶動增壓泵工作輸出機械功，濃水能量轉(zhuǎn)換成原海水的能量轉(zhuǎn)換效率可提高至65% -80%。高壓泵與透平增壓泵兩級串聯(lián)完成原海水的壓力提升，通過透平增壓降低高壓泵所需要的揚程，減少電機動力消耗。但是，由于水力透平式能量回收裝置原理上都要經(jīng)過“水壓能一一機械能一一水壓能”兩步轉(zhuǎn)換，增加了機械能損耗，因此效率較低。80年代，出現(xiàn)了一種新的能量回收技術(shù)，其工作原理是“功交換”通過界面或隔離物，直接把高壓濃鹽水的壓力傳遞給進料海水，過程得到簡化，只需要經(jīng)過“水壓能一一水壓能”一步能量轉(zhuǎn)換，能量回收效率可得到提高。目前反滲透海水淡化工

4、程中應用的功交換式能量回收裝置主要為轉(zhuǎn)子式壓力交換器和活塞式閥控壓力交換器兩類，效率可高達90-97%。轉(zhuǎn)子式壓力交換器以美國ERI公司的PX 轉(zhuǎn)子式壓力交換能量回收裝置為代表。原理是高壓濃鹽水推動圓周開有多個縱向溝槽(類似于多個微型液缸)的無軸陶瓷轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)?；钊介y控壓力交換器以瑞士Calder. AG公司的DWEER 雙功交換能量回收裝置、德國KSB公司的SalTec DT壓力交換器、德國Siemag Transplan公司的PES 壓力交換系統(tǒng)及Ionics公司的DYPREX動力壓力交換器為代表。原理是采用兩個大直徑液缸，其中一個液缸中高壓濃水推動活塞將能量傳遞給低壓原海水向外排液，另一

5、個液缸中供料泵壓入低壓原海水補液并排出低壓濃水，兩液缸在PLC 和濃水換向閥的控制下交替排補海水，實現(xiàn)把濃水能量轉(zhuǎn)換成原海水能量的回收過程。目前，這兩種能量回收裝置主要靠國外進口，造價比較高。以下介紹近年來海水淡化能量回收裝置的相關(guān)專利技術(shù)，供企業(yè)、研究機構(gòu)及相關(guān)人員參考。方案1技術(shù)目的：提供一種可簡化反滲透流程，運行可靠、效率高，并且制造成本低的反滲透海水淡化系統(tǒng)用聯(lián)合活塞自增壓能量回收泵。技術(shù)方案：該反滲透海水淡化系統(tǒng)用聯(lián)合活塞自增壓能量回收泵包括兩個液壓缸、連接件、高壓換向閥4 低壓換向閥、兩個封頭、活塞桿、兩個活塞、多個螺栓及螺母；其中兩個液壓缸的一端分別連接在連接件的兩個側(cè)面上:連接

6、件的中心沿軸向貫通形成有一個活塞桿導向孔，活塞桿導向孔的外側(cè)沿軸向貫通形成有一個高壓換向閥閥腔和一個低壓換向閥閥腔，而連接件的外部邊緣則沿徑向形成有兩個分別與高壓換向閥閥腔和低壓換向閥閥腔相連通的高壓鹽水孔和泄壓鹽水孔；兩個封頭分別設(shè)置在兩個液壓缸的外端，并且每個封頭上形成有兩個呈直角形且連通液壓缸內(nèi)外部的液流孔；多個螺栓貫穿兩個封頭及連接件的外部邊緣而設(shè)置在兩個液壓缸的外部，并且兩端用螺母固定:活塞桿貫穿設(shè)置在連接件上的活塞桿導向孔內(nèi):兩個具有聯(lián)合加壓作用的活塞分別連接在活塞桿的兩端，并且外徑分別與兩個液壓缸的內(nèi)徑相同；而高壓換向閥和低壓換向閥則分別安裝在高壓換向閥閥腔和低壓換向閥閥腔的內(nèi)部

7、，并且其上形成有能夠分別與高壓換向閥閥腔和低壓換向閥閥腔相連通的孔。技術(shù)效果：該能量回收泵是利用低壓海水的壓力能和高壓濃鹽水的壓力能一起來驅(qū)使活塞運動，直接將原料海水的壓力提升至反滲透膜器入口操作壓力。由于該能量回收泵用于反滲透海水淡化系統(tǒng)時只需配備一臺具有中低輸出壓頭的原料海水泵來驅(qū)動，無需專門設(shè)置增壓泵和高壓泵，所以系統(tǒng)的能耗和設(shè)備投資都較低。另外，本裝置的能量回收率高達90以上，并且設(shè)備成本低，因此利于在中小型反滲透海水淡化系統(tǒng)中推廣使用。方案2技術(shù)目的：提供一種能夠彌補現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，回收反滲透海水淡化高壓濃鹽水余壓能量的差動式能量回收裝置及方法，用以提升低壓原海水的壓力，完成兩種高低

8、壓液體之間的能量交換，實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。技術(shù)方案：該海水淡化系統(tǒng)的差動式能量回收裝置，包括連接于低壓原水泵出水口的低壓原水進口、連接于高壓原水泵出水口的高壓原水出口、連接于反滲透裝置高壓濃水出水口的高壓濃水進口，還包括完全相同的內(nèi)部設(shè)置有第一活塞的第一液缸和內(nèi)部設(shè)置有第二活塞的第二液缸，所述第一活塞將所述第一液缸分割為第一腔體和第二腔體，所述第一活塞固接有第一活塞桿，所述第二活塞將所述第二液缸分割為第三腔體和第四腔體，所述第二活塞固接有第二活塞桿。技術(shù)效果：該海水淡化系統(tǒng)的差動式能量回收裝置采用液缸直接增壓原理進行特殊設(shè)計，采用一次能量轉(zhuǎn)換，經(jīng)過壓力交換后的高壓海水壓力大于濃鹽水壓力，不需要

9、增壓泵再次增壓，能量轉(zhuǎn)換效率高，節(jié)省了運行成本，進一步降低了反滲透系統(tǒng)的能耗。方案3技術(shù)目的：提供一種結(jié)構(gòu)簡單、濃水能量回收效率較高的反滲透濃水能量回收裝置及車載海水淡化裝置。技術(shù)方案：該反滲透濃水能量回收裝置，包括原水端、濃水端，所述原水端設(shè)有原水進口和原水出口，所述濃水端設(shè)有濃水進口和濃水出口。所述原水端與濃水端之間設(shè)有無軸轉(zhuǎn)子，所述無軸轉(zhuǎn)子沿軸向開有多個孔道，所述原水端與濃水端之間通過所述多個孔道相遇。技術(shù)效果：該反滲透濃水能量回收裝置采用直接接觸正位移技術(shù)，高、低壓流體在孔道中交換能量，并依靠轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)運行。能量回收裝置與高壓泵并聯(lián)使用，在相同產(chǎn)水量的情況下通過減少高

10、壓泵的流量來降低能耗。能夠提高濃水能量回收效率，降低海水淡化系統(tǒng)整體運行費用。我國研制出海水淡化能量回收裝置  經(jīng)過兩年多的不斷改進和持續(xù)攻關(guān)，一種具有升壓功能的新型反滲透淡化用能量回收裝置近日在國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所研制成功。它的研究成功標志著我國有了自主知識產(chǎn)權(quán)的海水淡化能量回收裝置，將結(jié)束我國海水淡化能量回收設(shè)備依靠進口的歷史，有力地推動我國海水淡化產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。    據(jù)了解，能量回收設(shè)備、反滲透膜和高壓泵并稱為反滲透海水淡化技術(shù)三大關(guān)鍵設(shè)備。能量回收技術(shù)的發(fā)展更是近年來反滲透海水淡化成本不斷降低的重要原因，對反滲透淡化

11、技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化具有非常大的促進作用。在國際上，此類能量回收技術(shù)屬于高端技術(shù)，目前僅被少數(shù)幾個發(fā)達國家所掌握。在我國反滲透膜、高壓泵均已有自主研發(fā)產(chǎn)品問世，而能量回收裝置雖然也有高校、研究所在進行研究，但由于一些關(guān)鍵技術(shù)沒有解決，尚未成功研制出可以工程應用的定型產(chǎn)品，國內(nèi)反滲透海水淡化工程所用的能量回收設(shè)備全部依靠進口。    該所研制的能量回收裝置采用功交換原理，包括能量交換缸、兩位五通換相閥、配流閥、蓄能器、自控系統(tǒng)等5個主要部分。通過巧妙的設(shè)計及實驗驗證，解決了將原水通過能量回收設(shè)備直接升壓至所需壓力、五通換相閥精確換相、消除輸出壓力波動等關(guān)鍵技術(shù)。實驗表明：新

12、研制出的該能量回收設(shè)備平均有效能量回收效率達到96.3%，輸出壓力波動僅為±0.1兆帕，各項運行指標均達到同類產(chǎn)品的先進水平，而制造成本不足同類進口產(chǎn)品價格的一半。    目前該所已試制出了一臺樣機，經(jīng)嚴格測試，各項指標均達到要求后，安裝在該所質(zhì)檢中心反滲透膜性能檢測平臺上。能量回收樣機的投入使用，使檢測平臺的高壓泵所配電機負荷從37千瓦降低到5千瓦，不但節(jié)約了檢測平臺的制造成本，降低了檢測平臺能耗，也大大降低了設(shè)備噪音，使實驗室具有較好的工作環(huán)境。目前，該所檢測平臺已經(jīng)承擔了多次反滲透海水膜檢測任務(wù)，在膜檢測的過程中，能量回收設(shè)備運行穩(wěn)定，表現(xiàn)出了良好

13、的工作性能，為膜測試工作提供了良好的技術(shù)設(shè)備保障。信息來源中國海洋報反滲透海水淡化能量回收技術(shù)的發(fā)展及應用作者：潘獻輝 時間：2010-12-01活塞式閥控壓力交換器：活塞式閥控壓力交換器以瑞士CalderAG公司的DWEER雙功交換能量回收裝置、德國KSB公司的SalTec DT壓力交換器、德國Siemag Transplan公司的PES壓力交換系統(tǒng)及Ionics公司的DYPREX動力壓力交換器為代表3、4。原理是采用兩個大直徑液缸，其中一個液缸中高壓濃水推動活塞將能量傳遞給低壓原海水向外排液，另一個液缸中供料泵壓入低壓原海水補液并排出低壓濃水，兩液缸在PLC和濃水換向閥的控制下交替排補海水

14、，實現(xiàn)了濃水能量轉(zhuǎn)換成原海水能量的回收過程。 活塞式閥控壓力交換器需配備增壓泵以使初步升壓的原海水進入RO系統(tǒng)，由活塞隔離濃水和原海水，能量回收效率一般高于92。DWEER能量回收裝置見圖4。國內(nèi)的研究狀況 國內(nèi)對能量回收裝置的研究起步較晚，進行反滲透用能量回收裝置研究的主要有中科院廣州能源所、天津大學、杭州水處理中心和天津海水淡化研究所等4家單位，研發(fā)方向均為雙液壓缸功交換式能量回收裝置。 廣州能源所研發(fā)的試驗樣機為帶活塞桿的雙液壓缸功交換式能量回收裝置(專利號：2005100353288)，使用電磁閥進行高、低壓水的切換，并用蓄能器穩(wěn)定壓力。試驗表明，穩(wěn)定壓力的效果不錯。 天津大學的雙液壓

15、缸功交換式能量回收裝置使用多個氣動閥進行高、低壓水的切換，由PLC控制閥門的動作，在1000 m3d的反滲透海水淡化試驗平臺上進行了試驗，取得了一定效果5、6，并申請了專利(專利號：2005100142959)。 杭州水處理中心設(shè)計的能量回收裝置主要由雙液壓缸、止回閥和四通功能閥組成，兩臺液壓缸通過活塞桿定位，并固定在一條直線上。裝置設(shè)計申請了發(fā)明專利(專利號：2005100501171)。 天津海水淡化研究所自主研發(fā)了一臺具備升壓功能的差動式反滲透能量回收裝置，流量可達18 m3h。在反滲透海水淡化試驗平臺上進行了系統(tǒng)試驗，通過168 h的連續(xù)不間斷運轉(zhuǎn)測試表明：裝置運行穩(wěn)定，有效能量回收率

16、>90，壓力波動<02 MPa。已申請發(fā)明專利1項、實用新型專利2項(專利號分別為2010101229522、2010201295534、2010201 295534)。 上述幾家單位的研究成果雖然還沒有在海水淡化工程中得到推廣應用，但工業(yè)化發(fā)展及應用前景良好。 能量回收裝置性能比較及發(fā)展趨勢 幾種國外能量回收裝置的性能對比見表1。 表1中前兩種為水力透平式，用于與高壓泵串聯(lián)安裝，通過降低高壓泵所需的揚程達到節(jié)能的目的，不需要增壓泵和自動閥門，但效率較低，特別是低流量時效率更低；后三種為功交換式，用于與高壓泵并聯(lián)安裝，通過減小高壓泵所需的流量達到節(jié)能的目的，需要配置增壓泵，在很寬的

17、流量范圍內(nèi)均能達到較高的效率。 功交換式能量回收裝置由于具有較高的能量回收效率，能更有效地降低反滲透海水淡化系統(tǒng)能耗的優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外研究和開發(fā)的熱點，其產(chǎn)品市場占有率也呈逐年快速增長的發(fā)展趨勢。 能量回收裝置在國內(nèi)的應用 國外能量回收裝置在我國海水淡化工程中的應用情況見表2。 表2中除PX為功交換式能量回收裝置外，其他均為水力透平式能量回收裝置。從發(fā)展趨勢來看，前幾年水力透平式應用較多，但近幾年功交換式能量回收裝置特別是PX在建成的海水淡化工程中已被普遍采用。 SWRO能量回收裝置主要有水力透平式和功交換式兩大類。水力透平式用于與高壓泵串聯(lián)安裝，通過降低高壓泵所需揚程達到節(jié)能的目的，不需要

18、增壓泵和自動閥門，單機流量大，但效率較低，特別是低流量時效率更低；功交換式用于與高壓泵并聯(lián)安裝，通過減小高壓泵所需流量達到節(jié)能的目的，一般需要配置增壓泵，單機流量較小，可并聯(lián)使用，在很寬的流量范圍內(nèi)均能達到較高的效率。 功交換式能量回收裝置由于具有較高的能量回收效率，已經(jīng)逐漸成為海水淡化行業(yè)中研究和開發(fā)的熱點，其產(chǎn)品市場占有率也呈逐年快速增長的發(fā)展趨勢，近年來國內(nèi)海水淡化工程大多采用美國ERI公司的PX能量回收裝置。 我國在SWRO能量回收技術(shù)方面的研發(fā)起步較晚，發(fā)展比較遲緩，裝置形式較單一，大都局限于雙液壓缸功交換式，整體水平同國際先進技術(shù)還有很大的差距，但工業(yè)化發(fā)展及應用前景較好。隨著我國

19、淡水資源的日益缺乏，反滲透海水淡化工程必將大力發(fā)展，因而研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的能量回收裝置具有深遠的意義。 海水淡化技術(shù)發(fā)展的一個重要目標是降低運行成本，在運行成本的構(gòu)成中能耗所占的比重最大，降低能耗是降低海水淡化成本最有效的手段。反滲透海水淡化(SWRO)是目前海水淡化的主流技術(shù)之一，反滲透海水淡化過程需消耗大量電能提升進水壓力以克服水的滲透壓，反滲透膜排出的濃水余壓高達5565 MPa，按照40的回收率計算，排放的濃鹽水中還蘊含約60的進料水壓力能量，將這一部分能量回收變成進水能量可大幅降低反滲透海水淡化的能耗，而這一目標的實現(xiàn)有賴于能量回收技術(shù)的利用。 通過能量回收裝置的應用大幅降低

20、了淡化水的生產(chǎn)成本，促進了反滲透淡化技術(shù)的推廣和應用，并使之成為最具競爭力和發(fā)展速度最快的海水淡化技術(shù)。因此，能量回收與反滲透膜和高壓泵并列成為反滲透海水淡化系統(tǒng)中的三大關(guān)鍵技術(shù)。 國外SWRO能量回收技術(shù)的發(fā)展 20世紀70年代，隨著反滲透技術(shù)開始用于海水苦咸水的淡化，各種形式的能量回收裝置也相繼出現(xiàn)。能量回收裝置總體上分為兩類，即水力透平式和功交換式。 水力透平式能量回收裝置 最早的能量回收裝置是水力透平式，瑞士CalderAG公司的Pehon Wheel透平機和Pump Ginard公司的Francis透平機，效率一般為5070。其原理是利用濃鹽水驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動，通過軸與泵和電機相連，將能

21、量輸送至進料原海水，過程需要經(jīng)過“水壓能機械能水壓能”兩步轉(zhuǎn)換1。 水力透平機與高壓給水泵電機同軸連接，一般是高壓給水泵雙出軸兩側(cè)分置電機和透平機，也可以是電機雙出軸兩側(cè)分置水泵和透平機。透平機作電機的第二驅(qū)動助推電機，通過減小電機轉(zhuǎn)矩，降低電機動力消耗。 在上述基礎(chǔ)上經(jīng)過改進出現(xiàn)了一些獨特的設(shè)計，其中最具代表性的有丹麥Grundfos公司生產(chǎn)的BMET透平直驅(qū)泵和美國PEI公司生產(chǎn)的Hydraulic Turbo charger。兩者均是透平機與泵一體化設(shè)計，一根轉(zhuǎn)軸連接兩個葉輪，全部封裝在一個殼體中，濃鹽水流過葉輪時通過沖擊葉片而推動葉輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動透平軸旋轉(zhuǎn)。透平軸直接帶動增壓泵工作輸出機械功，濃水能量轉(zhuǎn)換成原海水能量的轉(zhuǎn)換效率可提高至6580。 高壓泵與透平機增壓泵兩級串聯(lián)完成原海水的壓力提升，通過透平增壓降低高壓泵所需揚程，減少電機動力消耗。所不同的是BMET的透平增壓泵與高壓泵是一個整機，其中透平增壓泵位于高壓泵的進口(見圖1)；而Turbo charg