CN102695676A - 利用废产物以提供清洁水 - Google Patents

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Abstract

一种***，其利用会聚的太阳能或废热提供的热有效地从非饮用水产生清洁水，该***与非饮用水源共同放置，以基于热源提供的蒸汽有效、低成本操作。使用这种***的方法通过提供的蒸汽和非饮用水操作以产生清洁水和浓缩水。

Description

利用废产物以提供清洁水
相关申请
本申请要求2009年10月23日提交的美国临时专利申请序列号61/254,613、2009年10月23日提交的美国临时专利申请序列号61/254,619的全部巴黎公约权益和优先权，它们的内容在此通过引用全文并入，如同本文充分阐述。
背景
技术领域
本公开属于涉及或源于使用离网电能(off the grid power)处理污染的和/或非饮用水的装置、过程、方法和***。
概述
根据一些示例性的实施，公开的是一种***，其包括：配置以从捕获的太阳能传热至蒸汽源的太阳能热量加热装置；配置以将非饮用水蒸馏为清洁水的增湿/除湿装置；连接蒸汽源至增湿/除湿装置的蒸汽供应管线；通过非饮用水供应管线连接至增湿/除湿装置的非饮用水源；通过清洁水出口管线连接至增湿/除湿装置的清洁水蓄水池；通过浓缩水出口管线连接至增湿/除湿装置的浓缩水蓄水池。
增湿/除湿装置可进一步包括控制器、泵和鼓风机中的至少一个。控制器、泵和鼓风机中的至少一个可通过太阳能光伏装置供能。
***可进一步包括高温流体储存装置，其配置以通过换热器从太阳能热量加热装置的流体传热至蒸汽源。
增湿/除湿装置可包括：浓缩室；蒸发室；在浓缩室和蒸发室之间的传热壁。蒸汽供应管线可被连接至浓缩室；非饮用水供应管线可被连接至蒸发室；清洁水出口管线可被连接至浓缩室；浓缩水出口管线可被连接至蒸发室。增湿/除湿装置可进一步包括：连接浓缩室出口与蒸发室入口的干燥载气管线；连接蒸发室出口与浓缩室入口的饱和载气管线。
***可与不具有电能供应的非饮用水源共同放置。
根据一些示例性的实施，公开的是一种方法，其包括：使增湿/除湿装置与不具有电能供应的非饮用水源共同放置；收集来自太阳能热量加热装置的热以产生蒸汽；提供蒸汽和来自非饮用水源的非饮用水至增湿/除湿装置；操作具有蒸汽的增湿/除湿装置，藉此非饮用水被分离为蒸馏水和浓缩水。
操作增湿/除湿装置可包括：在增湿/除湿装置的浓缩室内结合蒸汽与饱和载气；产生蒸馏水和干燥载气；在增湿/除湿装置的蒸发室内结合干燥载气与非饮用水；产生浓缩水和饱和载气。
操作增湿/除湿装置可进一步包括：传输至少一些来自浓缩室的热至蒸发室。可在大约大气压下操作增湿/除湿装置。方法可通过专门以太阳能操作的***执行。
根据一些示例性的实施，公开的是一种***，其包括：配置以传输废热至蒸汽源的废热源；配置以将非饮用水蒸馏为清洁水的增湿/除湿装置；连接蒸汽源至增湿/除湿装置的蒸汽供应管线；通过非饮用水供应管线连接至增湿/除湿装置的非饮用水源；通过清洁水出口管线连接至增湿/除湿装置的清洁水蓄水池；通过浓缩水出口管线连接至增湿/除湿装置的浓缩水蓄水池。
***可与包括废热源和非饮用水源的设备共同放置。
根据一些示例性的实施，公开的是一种方法，其包括：使增湿/除湿装置与包括废热源和非饮用水源的设备共同放置；收集来自废热源的废热以产生蒸汽；提供蒸汽和非饮用水至增湿/除湿装置；操作具有蒸汽的增湿/除湿装置，藉此非饮用水被分离为蒸馏水和浓缩水。
根据一些示例性的实施，公开的是一种用于蒸馏的模件（module），其包括：配置以从非饮用水蒸馏出清洁水的多个蒸馏塔；连接至多个蒸馏塔中的每一个的供气管路的主供气管路；连接至多个蒸馏塔中的每一个的排气管路的主排气管路；配置以在主排气管路和主供气管路之间交换热的换热器。
多个蒸馏塔中的每一个可包括：浓缩室；蒸发室；和在浓缩室与蒸发室之间的传热壁；连接至浓缩室的蒸汽供应管线；连接至蒸发室的非饮用水供应管线；连接至浓缩室的清洁水出口管线；连接至蒸发室的浓缩水出口管线；连接蒸发室出口与浓缩室入口的饱和载气管线；连接至蒸发室的供气管路；连接至浓缩室的排气管路。
根据一些示例性的实施，公开的是一种方法，其包括：提供供应空气至具有多个蒸馏塔的模件；在多个蒸馏塔之间分离供应空气；在多个蒸馏塔的每一个中，从产出水、蒸汽和供应空气产生蒸馏水、浓缩水和排出空气；结合来自多个蒸馏塔的排出空气；从排出空气传热至供应空气。
产生步骤可包括：在蒸馏塔的蒸发室内结合供应空气与产出水；产生浓缩水和饱和载气；在蒸馏塔的浓缩室内结合蒸汽与饱和载气；产生蒸馏水和排出空气。
本公开的其它特征和优势将部分地在其后的描述和附图中被阐述，其中本公开的实施被描述和显示，并且部分地，在参考连同附图理解的下列描述后对于本领域的那些技术人员将变得显而易见或可通过本公开的实践被理解。可通过本公开中具体指出的手段和结合以及任何所附权利要求实现并获得本公开的优势。
现实技术展示将提高能源和环境任务：(i)通过利用目前被废弃无益的来自发电厂和工业过程的低级废热提高能效；(ii)通过在国内理智地利用更多能源增强美国能源安全，并在没有净能源使用增长的情况下为美国提供安全和持续的水供应；(iii)通过大规模地实行能够在不使用压力、贵金属压力容器和电驱动脱盐泵的情况下实现低成本水脱盐的独特新型HDH技术，促进美国竞争能力和恢复科学领导能力；以及(iv)通过代替实施——目前普遍被100%废弃的能源的再利用——减少全球变暖气体以及对于建造更多化石燃料发电厂用于庞大的未来脱盐工厂的需要。
加利福尼亚的圣地亚哥已经花费8年时间计划建造典型的加压RO脱盐工厂，其充满了一长串的预处理和后处理步骤，估计成本超过$85M。当完成时，该工厂将使用大量来自卡尔斯巴德发电站的电处理5千万加仑/天的海水(150英亩-英尺/天)。该RO工厂将比本文公开的假设的500MW工厂处理稍少的水。但是，如本文讨论的HDH处理厂简单得多。圣地亚哥工厂将使用>$100,000/天的电运行它的压力泵，并且每天使用>1.25MWH的电——使用此处提出的更简单方法直接利用发电厂废热避免二者。因此，以>$36M/年的直接成本和大量额外二氧化碳的产生，在圣地亚哥的单个脱盐工厂将需要另外456MWH的电能产生。
根据一些示例性的实施，公开的是设计以接受来自油或气井的产出水(“PW”)的产出水再循环设备。由此，它将产生非常清洁的、适于饮用的质量的水和具有高浓度盐的水。用于该过程的原料将是在当地区域中在天然气采出期间由天然气井产生的产出水。
附图
本公开的上述特征参照连同附图考虑的下列描述将变得更加明显，其中类似参考数字表示类似元件，并且其中：
图1显示了根据本公开的一些示例性实施的增湿/除湿装置图；
图2显示了根据本公开的一些示例性实施的增湿/除湿装置图；
图3显示了根据本公开的一些示例性实施的太阳能***的图；
图4显示了根据本公开的一些示例性实施的废热-供能的***的图；
图5显示了根据本公开的一些示例性实施的包括多个模件的***的图；
图6显示了根据本公开的一些示例性实施的模件的蒸馏塔的图;
图7显示了根据本公开的一些示例性实施的包括多个蒸馏塔的模件的视图；
图8显示了根据本公开的一些示例性实施的不具有其多个蒸馏塔的模件的视图；
图9显示了根据本公开的一些示例性实施的模件的换热器的视图；以及
图10显示了根据本公开的一些示例性实施的模件的换热器的视图。
进一步描述
如本文使用的，“废热”意指对于过程不再有用的热，通过该过程废热被产生。废热是否则被消散、释放或不被其初始过程使用的热。
如本文使用的，“电能供应”意指电能的容易地可获得的来源。
如本文使用的，“非饮用水”意指对于人的消耗不是足够高质量的水。“非饮用水”包括“微咸水”和“产出水”。
2005年6月28日发行的美国专利号6,911,121；PCT申请序列号PCT/US00/20366(2001年8月2日作为WO/2001/010101出版)；和美国申请序列号11/859,731(2008年3月27日作为美国公开号2008/0073200出版)中的每一篇通过引用清楚地并入本文，如同本文充分阐述。
在产生美国电能中水的重要作用常常未得到正确评价。清洁和运输水所需的大量能量使能量/水关系恶化。常规发电厂(包括公用规模(utility-scale)的CSP太阳能装置)的一半以上的能量变成废热(不是电)通过发电厂冷却塔排至大气中。本公开示范了该低级废热的新型利用——其不使用新能源使微咸水脱盐，从而通过从否则被浪费的能量提供清洁的可饮用水而做出转型飞跃。本公开的实施使用来自废蒸汽的低温热，其与水脱盐过程相容，并在会聚的太阳能(concentrated solarenergy)装置和常规发电动力厂的领域示范中整合二者。本文公开的水净化产物的实施全部以废热而不是电操作。这种方法的实例是Altela,Inc.(Albuquerque，NM)的AltelaRainSM方法。
在美国需要大量能源用于水的运输、净化、脱盐等——并且在美国需要极其大量的水用于产生能源(电能、油和气的采出和精炼、煤和铀的开采等)。这通常被称为“能量/水关系”——巨大量的美国能源被消耗用于为美国人提供清洁可饮用的水，并且同时巨大量的美国的水被消耗用于为它的公民制造和输送能量。
电能的生产产生大量的废热。进入发电动力厂的全部输入能量的最多大约55%作为低级废热离开该工厂。即，对于现今在美国的大多数大型烧煤的发电厂而言仅大约45%的输入能量被转化为电能。这通过设定的热力学定律(thermodynamic law)指定，并且燃料-至-电能的效率转换(efficiency conversion)的上限通过卡诺循环效率给出——并且无论用于产生转动工厂蒸汽涡轮的蒸汽的燃料类型(煤、核能、柴油、天然气或甚至新型的会聚太阳能)如何，其都是正确的。即，在美国所有用于发电的燃料的一半以上被“浪费”，因为它以低温废热的形式离开发电厂的冷却塔；能量从未被有成效地利用。然后，那些冷却塔自身利用大量的水，进一步使美国的能量/水关系恶化，特别是在干旱的西部。即使新型公用规模的会聚太阳能(“CSP”)装置——因为它们不使用化石燃料产生蒸汽而是有利的——经历这种同样的基本卡诺限制，导致它们附带产生的太阳能的上至60%也被损失在它们的蒸汽涡轮下游的冷却循环中。
在一些示例性的实施中，来自能量产生的低级、低温废热被用于净化消耗用水以及内陆微咸水和海水脱盐中的至少一种。通过这样做，能量/水关系的“两半部分”可被充分改善——在通过使用否则被浪费至大气中的能量提供更多清洁的可饮用水方面做出转型飞跃。本文公开的是水脱盐技术，其可以基本上以废热而不是电操作。低成本水脱盐可由从常规发电厂和也正在萌芽的新型公用规模的CSP太阳能装置放出的低级废热完成。
微咸内陆水或海水的脱盐在历史上已经是非常能源密集的。现有的脱盐技术进一步使能量/水关系恶化，因为它们都利用电完成脱盐过程。如上所述，以恶性、无休止的循环方式，该电能又需要大量的水来产生电。
传统的水脱盐方法都使用加压容器和大量的电，因此它们中没有一个适合单独使用这种废热——在接近环境压力和接近周围温度(近似水的沸点或者更低)下被排放的热。通常地，被排放的发电厂能量的大约55%以接近环境压力的蒸汽的形式进入工厂的冷却塔。
这些传统脱盐技术利用压力完成水与溶解的盐的分离。基于膜的脱盐技术(例如，反渗透)和非基于膜的脱盐技术(例如，多级闪蒸和机械蒸汽压缩)都在大气压以上的压力下操作。一些后者较老的非-RO脱盐技术也使用废热，但是——其被加压——它们同样需要极其大量的电。需要电以运行用于产生需要的压力的大型泵。除了操作该过程的电的固有高成本，这依赖于压力然后同样要求高资本成本的基础结构，因为压力的使用需要压力容器，其必须由异乎寻常的和昂贵的金属组成以(a)经受住压力以及(b)减少正被脱盐的微咸水的腐蚀。因此，资本成本和运行成本用所有目前的脱盐技术都是高的。
本文公开的是独特的技术，其通过改变所有水脱盐方法必需利用压力达到目的的传统智慧避免以上的高资本成本和运行成本。公开的方法不需要大气压以上的压力。因此，它可由便宜的塑料制造，因为不需要经受压力梯度。因为整个过程是非加压的，因此所有的阀、管道、罐等也由便宜的塑料制造。这种塑料同样具有如金属具有的不於塞或结垢并且如金属具有的不腐蚀的附加优势。
本文公开的是本文称为增湿/除湿(“HDH”)的热蒸馏方法和装置。HDH模仿由大自然使用的从非饮用的咸海水产生雨水的相同过程。它是世界上唯一经济上可行的水脱盐方法，既不需要压力也不需要高温。根据一些示例性的实施，操作温度在大约212°F(100°C)以下。HDH装置可不具有活动的机械部件。它不是基于膜的方法如RO，并且因此它不具有於塞或被堵塞的纳米尺寸的孔。它最小的通道尺寸比RO膜的孔尺寸大1,000,000倍，因此它是非常坚固的并且容许将立即淤塞其它水脱盐设备的混合污染物、高挑战性的微咸水。HDH方法不需要预处理或后处理步骤，并且它可以使RO膜可容许的盐度四倍多盐分的微咸水脱盐。
根据一些示例性的实施，如图1中显示的，增湿/除湿装置50从非饮用水中蒸馏出清洁水。HDH装置50包括浓缩室20和蒸发室30。传热壁40分开至少部分的浓缩室20和蒸发室30并且被配置以在两个室之间传热。另外，传热壁40是不可渗透的。
根据一些示例性的实施，如图1中显示的，蒸汽供应管线62将蒸汽源60连接至浓缩室20的入口。蒸汽源60可以是一个或多个各种蒸汽-产生组件，如本文中进一步公开的。非饮用水供应管线72将非饮用水源70连接至蒸发室30的入口。
根据一些示例性的实施，如图1中显示的，清洁水出口管线82将清洁水蓄水池80连接至浓缩室20的出口。来自浓缩室20的清洁/蒸馏水是可以饮用的并且可用于各种应用中。来自浓缩室20的清洁/蒸馏水可被提供至一个或多个位置并且被用于各种用途。例如，来自浓缩室20的至少部分清洁/蒸馏水可作为蒸汽通过蒸汽供应管线62再循环。通过进一步的实例，来自浓缩室20的至少部分清洁/蒸馏水可储存于清洁水蓄水池80中。
根据一些示例性的实施，如图1中显示的，浓缩水出口管线92将浓缩水蓄水池90连接至蒸发室30的出口。来自蒸发室30的浓缩水可以是来自非饮用水的水和污染物的溶液。浓缩水可以比非饮用水具有更高浓度。浓缩水可被提供用于进一步加工、储存、处理等。
根据一些示例性的实施，如图1中显示的，干燥载气管线22将浓缩室20的出口连接至蒸发室30的入口。干燥载气可包含未引至清洁水出口管线82的浓缩室20的内容物。当来自浓缩室20的干燥载气从浓缩室20被提供至蒸发室30时，该载气可传热。
根据一些示例性的实施，如图1中显示的，饱和载气管线32将蒸发室30的出口连接至浓缩室20的入口。来自蒸发室30的饱和载气包含在浓缩室20中待分离的可分离液体组分。
根据一些示例性的实施，如图2中显示的，HDH装置50可包括供气管路36和排气管路26，而不是干燥载气管线22。例如，操作HDH装置50所需的空气可通过供气管路36从供应空气源34提供。供应空气源可以是大气、储存的空气或处理的空气源。供气管路36可进料至蒸发室30中。通过HDH装置50处理的空气可通过排气管路26被排放。排气管路可进料至大气、储存区域或处理区域。
根据一些示例性的实施，公开了操作HDH 10的方法。在浓缩室20中蒸汽与饱和载气结合。浓缩室20的内容物被分离为蒸馏水和干燥载气。蒸馏水通过清洁水出口管线82或另一出口被排出。干燥载气通过干燥载气管线22被引至蒸发室30。
在蒸发室30中干燥载气与非饮用水结合。蒸发室30的内容物被分离为浓缩水和饱和载气。浓缩水通过浓缩水出口管线92被排出。饱和载气通过饱和载气管线32被引至浓缩室20。
根据一些示例性的实施，通过传热壁40从浓缩室20传热至蒸发室30。热也通过干燥载气从浓缩室20传递至蒸发室30而被循环。该过程可由蒸汽供应管线62提供的蒸汽的热驱动。而且，HDH装置10可在近似大气压下操作。
在一些示例性的实施中，除了由于它的全部塑料制造固有的较低的资本成本之外，本文公开的独特方法完全通过环境压力的蒸汽而不是电来驱动。因此，它的运行成本也比常规脱盐技术低得多。当在废热源共同放置时，它的运行成本可几乎接近零，因为以这种定位驱动该过程的能量实质上是没有的。当前由遍及美国的发电站(generatingstation)、CSP装置和工业工厂作为废热被排放的数千兆-瓦特-小时的低温、接近环境压力的蒸汽产生大量非饮用水，其可使用HDH方法以近似零的运行成本脱盐。
根据一些示例性的实施，HDH方法是非常有能效率的——通过常规热蒸馏正常制造1加仑水的能量使超过3加仑的水脱盐。常规热蒸馏(简单的煮沸、随后再浓缩)需要约1,050BTU/磅的水或8,750BTU/加仑的水——或以米制单位——约292,000KJ/立方米的水。但是，通过使用便宜的塑料分开方法中的蒸发步骤和浓缩步骤仅200微米——仅仅两根人类头发直径的厚度，该过程重新捕获超过在简单的塑料热交换过程中捕获的三倍的这种热，从而减少以上的热至仅97,300KJ/立方米的水(2,900BTUs/加仑的水)。
作为一个实例，典型的500MW发电站每天排出大约12,000MWH的能量。即使仅一半的那种废热被用于公开的方法中，其可为HDH方法供能以制造222,000立方米的水(6,000MWH×3.6KJ/WH×1立方米/97,300KJ=222,000立方米)，或每天58百万加仑的水(180英亩-英尺)。并且该实例500MW工厂仅代表了目前美国蒸汽-涡轮-驱动的460,000MW的产生能力的0.06%，因此低成本水脱盐的体积潜能是巨大的(来自仅仅美国蒸汽-驱动的发电站的废热的300,000英亩-英尺/天)。进入工厂的冷却塔的蒸汽产生了大量低温的(~100°C)接近环境压力的废热，并且其中一小部分可被转化以驱动HDH方法。与使用的蒸汽的量相比，三倍体积的清洁蒸馏水由HDH方法产生，因此三分之一的蒸馏水将返回至工厂的蒸汽锅炉——剩余的三分之二可用作清洁可用的水。
在大的数量(组、系列、排列、列和线性排列等)中，作为HDH装置操作的公开的塔提供了清洁的可饮用水，它们以三个不同的方式帮助常规发电厂节省水和能量：(i)发电厂目前不得不处理冷却塔的“排污水(blow-down water)”——由于在冷却塔内的蒸发变得高盐含量的水——并且HDH过程的原位存在是理想地适于这种高-TDS的水处理；(ii)提取废热以驱动HDH方法的物理作用实际上降低了发电厂需要的冷却塔的尺寸，这节省了成本和除了本公开的塔制造的脱盐水之外工厂需要的额外的输入水，以及(iii)由此节省的水产生了降低的能量荷载和来自不必泵送和运输同样多的水至工厂的成本节约——并且较少的能量意味着较少的水。
在一些示例性的实施中，公开了完全“离网(off the grid)”的太阳能供能的水脱盐厂，其或者独立于会聚的热的太阳能收集，或者通过将HDH过程连同CSP发电领域装置在内陆微咸水源上共同放置。
根据一些示例性的实施，如图3中显示的，包括增湿/除湿装置10的***完全以太阳能操作。太阳能热量加热装置(“STHD”)130加热传输流体。STHD130可包含会聚的太阳能(“CSP”)组件，如抛物柱面镜(parabolic mirror)。传输流体可循环或跟随通道。传输流体可被提供至热流体储存室120并通过换热器110与蒸汽供应管线62的蒸汽交换热。根据一些示例性的实施，传输流体直接与蒸汽供应管线62的蒸汽交换热。根据一些示例性的实施，STHD 130直接加热蒸汽供应管线62的蒸汽。
根据一些示例性的实施，通过蒸汽供应管线62将蒸汽提供至HDH***50的HDH装置10。HDH装置10的操作通过蒸汽以及其热驱动。根据一些示例性的实施，其它蒸汽-驱动的蒸馏装置可被用于代替HDH装置10，如多级闪蒸蒸馏装置、蒸汽压缩脱盐装置和多效蒸馏装置。
根据一些示例性的实施，非饮用水供应管线72将非饮用水源70连接至HDH装置10。清洁水出口管线82将HDH装置10连接至清洁水蓄水池80。至少部分的清洁水被引至清洁水蓄水池80，并且另一部分被引导至换热器110或以其它方式引导以与蒸汽供应管线62连接。该部分清洁水被再次加热以进一步驱动HDH装置10的操作。
浓缩水出口管线92将HDH装置10连接至浓缩水蓄水池90。浓缩水包含来自非饮用水的污染物，但是以更高浓度，使其容纳或运输变得更容易和经济。
根据一些示例性的实施，非饮用水供应管线72将非饮用水源70连接至HDH装置10。非饮用水可通过废热源200产生或与其共同放置。
HDH***50可包括组件52，如控制器、泵和鼓风机。根据一些示例性的实施，组件52完全通过太阳能光伏装置54供能。因而，除了STHD 130和太阳能光伏装置(“SPD”)54外，不需要外部电能供应。
根据一些示例性的实施，仅通过STHD130和/或SPD54操作HDH***50的能力允许它与不需要电能供应的非饮用水源共同放置。HDH***50可独立地***作而不必连接至电网。而且，HDH***50通过提高操作能力或通过结合多个HDH装置10或HDH***50是可升级的。
新一代公用规模的CSP发电厂经历常规化石燃料和核能发电厂经历的同样卡诺限制的热机(heat engine)转换效率。在这些地点共同放置的HDH方法将允许同样使用由CSP产生的免费、低级废热。CSP电能和清洁水的这种“共同产生”是特别有益的，因为典型的CSP沙漠位置利用它们的冷却塔的水，在干旱的西南部甚至更加珍贵。另外，CSP单元——没有它们的发电蒸汽涡轮和发电机——也可与HDH脱盐一起使用以在遥远的位置如军事装置或具有微咸水但是不接近电网的印第安人保留区(Indian reservation)单独为水脱盐供能。
根据一些示例性的实施，如图4中显示的，包括增湿/除湿装置10的***全部以废热操作。废热源200加热传输流体。废热源200可以是发电厂或操作其中产生热的方法的任何设备。废热是不可用的或不被产生它的方法使用。传输流体可从废热源200流动或在闭路通道中循环。传输流体可通过换热器110与蒸汽供应管线62的蒸汽交换热。根据一些示例性的实施，废热源200直接加热蒸汽供应管线62的蒸汽。
HDH***50可包括组件52，如控制器、泵和鼓风机。根据一些示例性的实施，组件52通过外部能源、与废热源200共享的能源或独立地太阳能供能。
根据一些示例性的实施，如图4中显示的，废流210可包括传输流体或蒸汽/水，其不再包含足够的热以驱动HDH装置50。废流210可被引至冷却塔、处理单元、储存单元，或引至废热源200用于再循环、再使用或再加热。
根据一些示例性的实施，HDH***50仅通过废热源130操作的能力允许它与包括废热源和非饮用水源70的设备共同放置。例如，废热源130可以来自该设备，并且HDH***50可在该设备和设计以消散来自该设备的热的冷却塔之间。通过进一步的实例，非饮用水源70可以是产生非饮用水的设备的一部分，其可通过HDH***50修复。若有的话，其它能量需要可通过设备提供，例如，其中该设备是发电厂。
来自发电厂的废蒸汽进入塑料HDH塔，随后优化过程参数以从那种蒸汽的低级能量产生最大体积的脱盐水。本公开将通过捕获常规发电厂和CSP太阳能领域装置的蒸汽涡轮排出的近似1.0MBTU/小时的低压蒸汽设计、建造和操作两个现实的发电厂示范，并且然后供应那种蒸汽至在每个位置上的10个HDH塑料脱盐塔。每个HDH塔能够每天使400加仑的水脱盐。因此，当最优化时，每个塔应当一天输送近似4,000加仑的纯蒸馏水，其中每天近似1,500加仑可流回工厂的锅炉以补充在冷却塔提取的蒸汽。ARS-4000塔单元现在是“可随时启动的(shovel-ready)”，仅需要整合来自ARS-4000外部的废蒸汽和优化它的5个操作流速(空气、蒸汽、微咸水、浓缩水和蒸馏水)。
与水脱盐获悉的以前的范例相比，HDH方法是独特的。在本公开中示范的整合的发电/水修复共同发生的技术，一旦在美国电力产生的安装基地中实施后，将对确定的ARPA-E任务具有重大和转型影响。
根据一些示例性的实施，公开的再循环设备具有模件***设计，其中生产能力可被加入至固定的工厂尺寸中。每个模件700具有处理给定单元的PW所需的所有管、鼓风机、泵和罐。蒸汽通过锅炉***独立提供。
每个模件700具有多个(例如，12)增湿/除湿(“HDH”)蒸馏塔631。而且再循环设备具有取决于模件700的数量的多个蒸馏塔631。每个模件和塔在设计上是相同的，并且每个利用相同的方法处理产出水。
***通过使用蒸发/浓缩方法处理产出水。简言之，***从高-TDS的水中去除纯水，产生容易使用的、接近可饮用质量的水，其可通过工厂操作员以期望的无论哪一种方法被使用或销售。因为具有所有再循环操作，该***是废物减少过程，意指存在已经减少至输送至设备的原始体积的20%的所获副产物。该剩余的20%残留副产物可从设备中去除并且通过常规产出水处置方法处理。
实际的再循环速率取决于化学组成和进入产出水中的盐浓度。在给定温度下，产出水中的盐浓度降低了包含在产出水中的水的分压。随后，蒸发速率随着盐浓度增加而降低。因为该过程在操作中浓缩产出水，获得的实际再循环速率将取决于引入至设备内的最初产出水中的总盐浓度变化。通常，与当再循环相对清洁的水时获得的速率相比，蒸发速率的这种降低将平均为大约20%。
图5显示了该工厂的全部流程。根据一些示例性的实施，卡车运输产出水并且装入原始PW罐400中。罐400进料至预处理***500，其然后在PW罐600产生产出水(“PW”)。预处理***500可包括油水分离、化学(氧化、PH平衡)处理、絮凝、斜板澄清器***、污泥浓缩***、通过压滤机脱水、多介质过滤等中的一种或多种。
模件700是基本单元，通过该模件，公开的方法可增加工厂的处理能力。根据一些示例性的实施，模件700由任意多个蒸馏塔631连同所有相关的鼓风机、泵和需要支撑塔631的传递罐(transfer tankage)。
模件700输入包括：蒸汽901(来自锅炉***15或另一蒸汽源)；产出水606(已通过预处理流程的储存在PW处理罐600中的水)；空气640(外界、周围空气输入)。模件700输出是：浓缩水615(被返回至PW处理罐600或浓缩水贮藏容器618的通过模件700处理的水)；蒸馏水602(在蒸馏水贮藏容器775贮藏)；以及排出(或饱和)空气603。
根据一些示例性的实施，如图5中显示的，多个模件700——每个具有多个塔631——可连接至每种类型的输入和输出管线联接中的一个。同样地，基于每种类型的主输入或输出中的一种类型操作多个模件700。
单个模件的模件和塔操作的描述在下文中说明；根据一些示例性的实施，方法应用于安装在再循环设备中的所有模件和所有塔。
根据一些示例性的实施，如图6中显示的，每个塔631具有输入和输出管线，其相应于每个模件700的输入和输出管线。如图7和8中显示的，模件700可被设计为操作所有输入和输出流的多个塔单元。
根据一些示例性的实施，如图6中显示的，产出水606通过传输泵被泵送至模件700的每个塔631。该PW 606流经分配PW至每个塔631的歧管。通过控制阀631A和流量指示器631B手动控制流动至每个单独的塔631的产出水。按照流量控制阀，产出水进入塔631，其中从产出水中蒸馏出部分清洁水。根据一些示例性的实施，控制每个塔631中的产出水流量以维持170至200℉的产出水温度，其通过量表631C在塔顶测量。
根据一些示例性的实施，为了操作，方法可需要新鲜空气的供给。可需要空气以驱动从产出水溶液中蒸发出水。利用供应空气鼓风机644将供应空气640输送至塔631。供应空气640通过使用气对气换热器(HEX)632被预热。例如，交叉流动换热器帮助将热的、湿的排出空气流603A中的热能传递进入冷却器供应空气流640。供应空气640在微小的正压下进入每个塔631。然后，空气通过塔631被分配以最佳化蒸发过程。传感器646确定是否鼓风机644正在操作。这通过控制***感应。如果鼓风机644出故障，控制***关闭模件。
根据一些示例性的实施，公开的方法是热力过程，意味着热驱动由产出水中蒸发出水。供应蒸汽901至每个塔以提供驱动蒸发过程所需要的能量。可利用低压蒸汽锅炉***产生塔所需的蒸汽。原始蒸汽被引入至每个塔以驱动蒸馏过程。在蒸汽管的塔侧面上每个塔具有手动的蒸汽流量控制643和压力表644。工厂操作员手动设定蒸汽压力以最大化塔效率。
根据一些示例性的实施，PW中一定百分比的水在每个途径中被蒸发。剩余的水具有最初PW的所有盐但是体积减少。因而，它是更加浓缩的，并且被称为浓缩水(“CW”)。在过程中，PW 606进入每个塔并且CW 615离开每个塔。全面地，工厂多次循环PW直至CW中的盐浓度达到期望水平。
根据一些示例性的实施，在每个单独途径中产生的CW 615通过重力从塔池(tower basin)中流出进入CW转移池。来自模件中所有塔的所有CW可被收集至相同的CW池618中；每个模件具有自己的CW转移池。
根据一些示例性的实施，一些蒸发的水在塔中蒸馏并且通过DW沉水池离开塔。在每个单独的途径中产生的DW 602通过重力流出塔池进入DW池775。
根据一些示例性的实施，供应空气640被用于蒸发PW中的一些水。一些那种水冷凝出来，同时一些存在于空气中。这种湿空气以水蒸汽饱和并通过位于塔底部的两个DW沉水池中的一个离开塔。排出空气603A使用通过气对气换热器632抽出空气的鼓风机645从塔中排出以预热供应空气640。压力传感器647告知控制***鼓风机正在工作。如果它检测到零或低压情况，控制***通知工厂操作员并关闭模件。在离开换热器后，空气通过适当高度的排气烟囱被排放至大气中，这是工厂操作员的责任。
根据一些示例性的实施，如图6、7和8中显示的，每个塔631具有相应的排出空气流603A和供应空气流640A。每个塔的流会聚并结合(例如，通过歧管)以连接至相应于模件700的主排出空气流603和主供应空气流640。
根据一些示例性的实施，会聚至主排出空气流603的多个排出空气流603A被提供至换热器632。通过来自塔631的排出气产生的热被传递至主供应空气流640的进入气体中。由于已接收热，主供应空气流640分为每个塔631的单独排出空气流603A。
根据一些示例性的实施，如图8和9中显示的，换热器632可并入主排出空气流603、主供应空气流640、鼓风机645和鼓风机644中的每一个的至少部分以及相应的传感器和控制器。
因此，排出空气和供应空气的热交换在模件水平而不是塔水平下执行。这允许多个塔操作以提供可升级的操作特性而不需要塔自身被升级。进一步地，每个模件而不是每个塔仅需要一个换热器。这降低了涉及换热器的生产、连接物、鼓风机、泵、量表、监控器、控制器等的初始费用，否则需要该费用为每个塔提供一个换热器。另外，降低了操作成本。然而每个塔的换热器和支撑组件可引起大的操作成本，通过在模件水平下操作组件，需要较少的组件用于支撑多个塔。
实验数据由每个模件使用12个塔的模件***编辑。将空气从32°F加热至175°F的没有换热器的***比将来自塔的排出空气从140°F加热至175°F的***使用多得多的能量。
表1
如显示的，用于加热空气的模件使用的总能量的百分比从总消耗的21.9%降低为总消耗的2.9%。就成本节约而言，确定了下列各项：
表2
进一步地，关于对模件和工厂水平的影响确定了下列各项：
表3
成本(＄)
  通过使用换热器节省的天然气的成本，＄/年/模件   ＄26,604
  通过使用换热器节省的天然气的成本，＄/年/工厂(4模件)   ＄106,417
虽然已经依据目前认为是最实用和优选的实施方式描述了方法和工具，但应当理解，本公开并不需要限于公开的实施方式。其意欲涵盖包括在权利要求的精神和范围内的各种变型和类似的安排，其范围应当按照最广义的解释以便包括所有这些变型和类似的结构。本公开内容包括所附权利要求的任何和所有的实施方式。
还应当理解在不偏离本公开的本质的情况下可以做各种改变。这种改变也隐含包括在说明书中。它们也落入本公开的范围内。应当理解本公开意欲产生一项专利，其独立地且又作为总***、并以方法和设备模式涵盖本公开的众多方面。
另外，本公开的各种要素与权利要求的每一项也可以通过各种方式实现。应当理解本公开包括每一项这种变型，不管是任何设备实施方式、方法或者过程实施方式的实施方式变型，或者甚至仅仅是这些的任意要素的变型。
特别地，应当理解，因为本公开涉及本公开的要素时，每个要素的用词可以用等价的设备术语或方法术语表达——即便只是功能或结果相同。
应当认为这种等价的、更广义的或甚至更上位的术语包括在每个要素或动作的描述中。需要时这类术语可以替换以使本公开要求的隐含地宽的覆盖范围清楚。
应当理解，所有的动作可以表示为进行该动作的装置或引起该动作的要素。
类似地，应当理解公开的每项物理要素包括该物理要素所促进的动作的公开。
在本专利申请中所述的任何专利、出版物或其它参考文献通过引用并入本文。另外，对于每个使用的术语，应当理解，除非其在本申请中的使用与这种解释不一致，否则应当理解对于每个术语并入了普通词典的定义，并且所有定义、可选术语和同义词，比如包括在技术人员公认的标准技术词典和最新版Random House Webster'sUnabridged Dictionary的至少一中的都通过引用并入本文。
最后，在信息公开声明(Information Disclosure Statement)中或其他与本申请一起提交的信息声明中列举的所有对比文件附于此并通过引用并入本文；然而，对于上面的每项，在可能认为这种通过引用并入的信息或声明与这项/这些公开的授权不一致的情况，这类声明明确地不被认为是申请人所做。
在这方面，应当理解，出于实际的原因，且为了避免潜在地增加数百个权利要求，申请人只提出具有初始从属关系的权利要求。
应当理解，以超范围法条要求的程度存在支持——包括但不限于美国专利法35USC 132或其它这种法律——以允许增加在一个独立权利要求或概念下提出的各种从属关系或其它要素的任一种，作为任何其它独立权利要求或概念下的从属关系或要素。
就进行非实质性替代的而言，在申请人实际上没有撰写任何权利要求以字面包括任何具体实施方式的情况，以及在其它适用的情况，不应当理解申请人以任何方式意欲或实际地放弃这种覆盖范围，因为申请人不能够简单地预期所有的可能性；合理地，不应当预期本领域技术人员撰写字面包括了这类可选实施方式的权利要求。
此外，根据传统的权利要求解释，过渡词语“包括(comprising)”的使用用于主张本文的“开放式(open-end)”权利要求。因此，除非文中另作规定，应当理解术语“包括(compromise)”或变型比如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”，意欲暗示包括所述的要素或步骤，或者要素或步骤的组，但不排除任何的其它要素或步骤或者要素或步骤的组。
这些术语应当解释为其最广义的形式以便给予申请人法律允许的最广的覆盖范围。

Claims (27)

1.一种***，其包括：
太阳能热量加热装置，其被配置以从捕获的太阳能传热至蒸汽源；
增湿/除湿装置，其被配置以将非饮用水蒸馏为清洁水；
蒸汽供应管线，其将所述蒸汽源连接至所述增湿/除湿装置；
非饮用水源，其通过非饮用水供应管线连接至所述增湿/除湿装置；
清洁水蓄水池，其通过清洁水出口管线连接至所述增湿/除湿装置；
浓缩水蓄水池，其通过浓缩水出口管线连接至所述增湿/除湿装置。
2.权利要求1所述的***，其中所述增湿/除湿装置进一步包括控制器、泵和鼓风机中的至少一个。
3.权利要求2所述的***，其中所述控制器、泵和鼓风机中的至少一个通过太阳能光伏装置供能。
4.权利要求1所述的***，其进一步包括高温流体存储装置，其被配置以通过换热器从所述太阳能热量加热装置的流体传热至所述蒸汽源。
5.权利要求1所述的***，其中所述增湿/除湿装置包括：
浓缩室；
蒸发室；
所述浓缩室和所述蒸发室之间的传热壁。
6.权利要求5所述的***，其中：
所述蒸汽供应管线被连接至所述浓缩室；所述非饮用水供应管线被连接至所述蒸发室；所述清洁水出口管线被连接至所述浓缩室；所述浓缩水出口管线被连接至所述蒸发室。
7.权利要求6所述的***，其进一步包括：
干燥载气管线，其连接所述浓缩室出口与所述蒸发室入口；
饱和载气管线，其连接所述蒸发室出口与所述浓缩室入口。
8.权利要求6所述的***，其进一步包括：
饱和载气管线，其连接所述蒸发室出口与所述浓缩室入口；
供气管路，其连接至所述蒸发室；
排气管路，其连接至所述浓缩室。
9.权利要求1所述的***，其中所述***与不具有电能供应的非饮用水源共同放置。
10.一种方法，其包括：
使增湿/除湿装置与不具有电能供应的非饮用水源共同放置；
收集来自太阳能热量加热装置的热以产生蒸汽；
提供所述蒸汽和来自所述非饮用水源的非饮用水至所述增湿/除湿装置；
操作具有所述蒸汽的所述增湿/除湿装置，藉此将所述非饮用水分离为蒸馏水和浓缩水。
11.权利要求10所述的方法，其中操作所述增湿/除湿装置包括：
在所述增湿/除湿装置的浓缩室内结合所述蒸汽与饱和载气；
产生所述蒸馏水和干燥载气；
在所述增湿/除湿装置的蒸发室内结合所述干燥载气与所述非饮用水；
产生浓缩水和所述饱和载气。
12.权利要求11所述的方法，其中操作所述增湿/除湿装置进一步包括：
传递来自所述浓缩室的至少一些热至所述蒸发室。
13.权利要求11所述的方法，其中所述增湿/除湿装置在近似大气压下操作。
14.权利要求11所述的方法，其中所述方法通过专门以太阳能操作的***执行。
15.一种***，其包括：
废热源，其被配置以传递废热至蒸汽源；
增湿/除湿装置，其被配置以将非饮用水蒸馏为清洁水；
蒸汽供应管线，其将所述蒸汽源连接至所述增湿/除湿装置；
非饮用水源，其通过非饮用水供应管线连接至所述增湿/除湿装置；
清洁水蓄水池，其通过清洁水出口管线连接至所述增湿/除湿装置；
浓缩水蓄水池，其通过浓缩水出口管线连接至所述增湿/除湿装置。
16.权利要求15所述的***，其中所述增湿/除湿装置包括：
浓缩室；
蒸发室；
在所述浓缩室和所述蒸发室之间的传热壁。
17.权利要求16所述的***，其中：
所述蒸汽供应管线被连接至所述浓缩室；
所述非饮用水供应管线被连接至所述蒸发室；
所述清洁水出口管线被连接至所述浓缩室；
所述浓缩水出口管线被连接至所述蒸发室。
18.权利要求17所述的***，进一步包括：
干燥载气管线，其连接所述浓缩室出口与所述蒸发室入口；
饱和载气管线，其连接所述蒸发室出口与所述浓缩室入口。
19.权利要求17所述的***，进一步包括：
饱和载气管线，其连接所述蒸发室出口与所述浓缩室入口；
供气管路，其连接至所述蒸发室；
排气管路，其连接至所述浓缩室。
20.权利要求15所述的方法，其中所述***与包括所述废热源和所述非饮用水源的设备共同放置。
21.一种方法，其包括：
使增湿/除湿装置与包括废热源和非饮用水源的设备共同放置；
收集来自所述废热源的废热以产生蒸汽；
提供所述蒸汽和非饮用水至所述增湿/除湿装置；
操作具有所述蒸汽的所述增湿/除湿装置，藉此将所述非饮用水分离为蒸馏水和浓缩水。
22.权利要求21所述的方法，其中操作所述增湿/除湿装置包括：
在所述增湿/除湿装置的浓缩室内结合所述蒸汽与饱和载气；
产生所述蒸馏水和干燥载气；
在所述增湿/除湿装置的蒸发室内结合所述干燥载气与所述非饮用水；
产生浓缩水和所述饱和载气。
23.权利要求22所述的方法，其中操作所述增湿/除湿装置进一步包括：
传递来自所述浓缩室的至少一些热至所述蒸发室。
24.一种用于蒸馏的模件，其包括：
多个蒸馏塔，其被配置以从非饮用水中蒸馏出清洁水；
主供气管路，其连接至所述多个蒸馏塔中的每一个的供气管路；
主排气管路，其连接至所述多个蒸馏塔中的每一个的排气管路；
换热器，其被配置以在所述主排气管路和所述主供气管路之间交换热。
25.权利要求24所述的模件，其中所述多个蒸馏塔中的每一个包括：
浓缩室；
蒸发室；和
在所述浓缩室和所述蒸发室之间的传热壁；
连接至所述浓缩室的蒸汽供应管线；
连接至所述蒸发室的非饮用水供应管线；
连接至所述浓缩室的清洁水出口管线；
连接至所述蒸发室的浓缩水出口管线；
连接所述蒸发室出口与所述浓缩室入口的饱和载气管线；
连接至所述蒸发室的供气管路；
连接至所述浓缩室的排气管路。
26.一种方法，其包括：
提供供应空气至具有多个蒸馏塔的模件；
在所述多个蒸馏塔之间分离所述供应空气；
在所述多个蒸馏塔中的每一个中，从产出水、蒸汽和所述供应空气产生蒸馏水、浓缩水和排出空气；
结合来自所述多个蒸馏塔的所述排出空气；
从所述排出空气传热至所述供应空气。
27.权利要求26所述的方法，其中所述产生步骤包括：
在所述蒸馏塔的蒸发室内结合所述供应空气与所述产出水；
产生所述浓缩水和饱和载气；
在所述蒸馏塔的浓缩室内结合所述蒸汽与所述饱和载气；
产生所述蒸馏水和所述排出空气。
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