專利名稱：利用廢產物以提供清潔水的制作方法
技術領域：
本公開屬于涉及或源于使用離網電能(off the grid power)處理污染的和/或非飲用水的裝置、過程、方法和系統。概述 根據一些示例性的實施，公開的是一種系統，其包括配置以從捕獲的太陽能傳熱至蒸汽源的太陽能熱量加熱裝置；配置以將非飲用水蒸餾為清潔水的增濕/除濕裝置；連接蒸汽源至增濕/除濕裝置的蒸汽供應管線；通過非飲用水供應管線連接至增濕/除濕裝置的非飲用水源；通過清潔水出口管線連接至增濕/除濕裝置的清潔水蓄水池；通過濃縮水出口管線連接至增濕/除濕裝置的濃縮水蓄水池。增濕/除濕裝置可進一步包括控制器、泵和鼓風機中的至少一個。控制器、泵和鼓風機中的至少一個可通過太陽能光伏裝置供能。系統可進一步包括高溫流體儲存裝置，其配置以通過換熱器從太陽能熱量加熱裝置的流體傳熱至蒸汽源。增濕/除濕裝置可包括濃縮室；蒸發室；在濃縮室和蒸發室之間的傳熱壁。蒸汽供應管線可被連接至濃縮室；非飲用水供應管線可被連接至蒸發室；清潔水出口管線可被連接至濃縮室；濃縮水出口管線可被連接至蒸發室。增濕/除濕裝置可進一步包括連接濃縮室出口與蒸發室入口的干燥載氣管線；連接蒸發室出口與濃縮室入口的飽和載氣管線。系統可與不具有電能供應的非飲用水源共同放置。根據一些示例性的實施，公開的是一種方法，其包括使增濕/除濕裝置與不具有電能供應的非飲用水源共同放置；收集來自太陽能熱量加熱裝置的熱以產生蒸汽；提供蒸汽和來自非飲用水源的非飲用水至增濕/除濕裝置；操作具有蒸汽的增濕/除濕裝置，藉此非飲用水被分離為蒸餾水和濃縮水。操作增濕/除濕裝置可包括在增濕/除濕裝置的濃縮室內結合蒸汽與飽和載氣；產生蒸餾水和干燥載氣；在增濕/除濕裝置的蒸發室內結合干燥載氣與非飲用水；產生濃縮水和飽和載氣。操作增濕/除濕裝置可進一步包括傳輸至少一些來自濃縮室的熱至蒸發室。可在大約大氣壓下操作增濕/除濕裝置。方法可通過專門以太陽能操作的系統執行。根據一些示例性的實施，公開的是一種系統，其包括配置以傳輸廢熱至蒸汽源的廢熱源；配置以將非飲用水蒸餾為清潔水的增濕/除濕裝置；連接蒸汽源至增濕/除濕裝置的蒸汽供應管線；通過非飲用水供應管線連接至增濕/除濕裝置的非飲用水源；通過清潔水出口管線連接至增濕/除濕裝置的清潔水蓄水池；通過濃縮水出口管線連接至增濕/除濕裝置的濃縮水蓄水池。系統可與包括廢熱源和非飲用水源的設備共同放置。根據一些示例性的實施，公開的是一種方法，其包括使增濕/除濕裝置與包括廢熱源和非飲用水源的設備共同放置；收集來自廢熱源的廢熱以產生蒸汽；提供蒸汽和非飲用水至增濕/除濕裝置；操作具有蒸汽的增濕/除濕裝置，藉此非飲用水被分離為蒸餾水和濃縮水。根據一些示例性的實施，公開的是一種用于蒸餾的模件(module)，其包括配置以從非飲用水蒸餾出清潔水的多個蒸餾塔；連接至多個蒸餾塔中的每一個的供氣管路的主供氣管路；連接至多個蒸餾塔中的每一個的排氣管路的主排氣管路；配置以在主排氣管路和主供氣管路之間交換熱的換熱器。
多個蒸餾塔中的每一個可包括濃縮室；蒸發室；和在濃縮室與蒸發室之間的傳熱壁；連接至濃縮室的蒸汽供應管線；連接至蒸發室的非飲用水供應管線；連接至濃縮室的清潔水出口管線；連接至蒸發室的濃縮水出口管線；連接蒸發室出口與濃縮室入口的飽和載氣管線；連接至蒸發室的供氣管路；連接至濃縮室的排氣管路。根據一些示例性的實施，公開的是一種方法，其包括提供供應空氣至具有多個蒸餾塔的模件；在多個蒸餾塔之間分離供應空氣；在多個蒸餾塔的每一個中，從產出水、蒸汽和供應空氣產生蒸餾水、濃縮水和排出空氣；結合來自多個蒸餾塔的排出空氣；從排出空氣傳熱至供應空氣。產生步驟可包括在蒸餾塔的蒸發室內結合供應空氣與產出水；產生濃縮水和飽和載氣；在蒸餾塔的濃縮室內結合蒸汽與飽和載氣；產生蒸餾水和排出空氣。本公開的其它特征和優勢將部分地在其后的描述和附圖中被闡述，其中本公開的實施被描述和顯示，并且部分地，在參考連同附圖理解的下列描述后對于本領域的那些技術人員將變得顯而易見或可通過本公開的實踐被理解。可通過本公開中具體指出的手段和結合以及任何所附權利要求實現并獲得本公開的優勢。現實技術展示將提高能源和環境任務(i)通過利用目前被廢棄無益的來自發電廠和工業過程的低級廢熱提高能效；(ii)通過在國內理智地利用更多能源增強美國能源安全，并在沒有凈能源使用增長的情況下為美國提供安全和持續的水供應；(iii)通過大規模地實行能夠在不使用壓力、貴金屬壓力容器和電驅動脫鹽泵的情況下實現低成本水脫鹽的獨特新型HDH技術，促進美國競爭能力和恢復科學領導能力；以及(iv)通過代替實施一目前普遍被100%廢棄的能源的再利用一減少全球變暖氣體以及對于建造更多化石燃料發電廠用于龐大的未來脫鹽工廠的需要。加利福尼亞的圣地亞哥已經花費8年時間計劃建造典型的加壓RO脫鹽工廠，其充滿了一長串的預處理和后處理步驟，估計成本超過$85M。當完成時，該工廠將使用大量來自卡爾斯巴德發電站的電處理5千萬加侖/天的海水(150英畝-英尺/天)。該RO工廠將比本文公開的假設的500MW工廠處理稍少的水。但是，如本文討論的HDH處理廠簡單得多。圣地亞哥工廠將使用>$100，000/天的電運行它的壓力泵，并且每天使用>1.25MWH的電——使用此處提出的更簡單方法直接利用發電廠廢熱避免二者。因此，以>$36M/年的直接成本和大量額外二氧化碳的產生，在圣地亞哥的單個脫鹽工廠將需要另外456MWH的電能產生。根據一些示例性的實施，公開的是設計以接受來自油或氣井的產出水(“PW”)的產出水再循環設備。由此，它將產生非常清潔的、適于飲用的質量的水和具有高濃度鹽的水。用于該過程的原料將是在當地區域中在天然氣采出期間由天然氣井產生的產出水。附圖本公開的上述特征參照連同附圖考慮的下列描述將變得更加明顯，其中類似參考數字表示類似元件，并且其中圖I顯示了根據本公開的一些示例性實施的增濕/除濕裝置圖；圖2顯示了根據本公開的一些示例性實施的增濕/除濕裝置圖；圖3顯示了根據本公開的一些示例性實施的太陽能系統的圖； 圖4顯示了根據本公開的一些示例性實施的廢熱-供能的系統的圖；圖5顯示了根據本公開的一些示例性實施的包括多個模件的系統的圖；圖6顯示了根據本公開的一些示例性實施的模件的蒸餾塔的圖；圖7顯示了根據本公開的一些示例性實施的包括多個蒸餾塔的模件的視圖；圖8顯示了根據本公開的一些示例性實施的不具有其多個蒸餾塔的模件的視圖；圖9顯示了根據本公開的一些示例性實施的模件的換熱器的視圖；以及

圖10顯示了根據本公開的一些示例性實施的模件的換熱器的視圖。進一步描述如本文使用的，“廢熱”意指對于過程不再有用的熱，通過該過程廢熱被產生。廢熱是否則被消散、釋放或不被其初始過程使用的熱。如本文使用的，“電能供應”意指電能的容易地可獲得的來源。如本文使用的，“非飲用水”意指對于人的消耗不是足夠高質量的水。“非飲用水”包括“微咸水”和“產出水”。2005年6月28日發行的美國專利號6，911，121 ；PCT申請序列號PCT/US00/20366(2001年8月2日作為W0/2001/010101出版)；和美國申請序列號11/859,731 (2008年3月27日作為美國公開號2008/0073200出版)中的每一篇通過引用清楚地并入本文，如同本文充分闡述。在產生美國電能中水的重要作用常常未得到正確評價。清潔和運輸水所需的大量能量使能量/水關系惡化。常規發電廠(包括公用規模(utility-scale)的CSP太陽能裝置)的一半以上的能量變成廢熱(不是電)通過發電廠冷卻塔排至大氣中。本公開示范了該低級廢熱的新型利用——其不使用新能源使微咸水脫鹽，從而通過從否則被浪費的能量提供清潔的可飲用水而做出轉型飛躍。本公開的實施使用來自廢蒸汽的低溫熱，其與水脫鹽過程相容，并在會聚的太陽能(concentrated solar energy)裝置和常規發電動力廠的領域示范中整合二者。本文公開的水凈化產物的實施全部以廢熱而不是電操作。這種方法的實例是 Altela, Inc. (Albuquerque, NM)的 AltelaRainS11 方法。在美國需要大量能源用于水的運輸、凈化、脫鹽等——并且在美國需要極其大量的水用于產生能源(電能、油和氣的采出和精煉、煤和鈾的開采等)。這通常被稱為“能量/水關系”——巨大量的美國能源被消耗用于為美國人提供清潔可飲用的水，并且同時巨大量的美國的水被消耗用于為它的公民制造和輸送能量。
電能的生產產生大量的廢熱。進入發電動力廠的全部輸入能量的最多大約55%作為低級廢熱離開該工廠。即，對于現今在美國的大多數大型燒煤的發電廠而言僅大約45%的輸入能量被轉化為電能。這通過設定的熱力學定律(thermodynamic law)指定,并且燃
料-至-電能的效率轉換(efficiency conversion)的上限通過卡諾循環效率給出-
并且無論用于產生轉動工廠蒸汽渦輪的蒸汽的燃料類型(煤、核能、柴油、天然氣或甚至新型的會聚太陽能)如何，其都是正確的。即，在美國所有用于發電的燃料的一半以上被“浪費”，因為它以低溫廢熱的形式離開發電廠的冷卻塔；能量從未被有成效地利用。然后，那些冷卻塔自身利用大量的水，進一步使美國的能量/水關系惡化，特別是在干旱的西部。即使新型公用規模的會聚太陽能(“CSP”)裝置——因為它們不使用化石燃料產生蒸汽而是有利的一經歷這種同樣的基本卡諾限制，導致它們附帶產生的太陽能的上至60%也被損失在它們的蒸汽渦輪下游的冷卻循環中。在一些示例性的實施中，來自能量產生的低級、低溫廢熱被用于凈化消耗用水以 及內陸微咸水和海水脫鹽中的至少一種。通過這樣做，能量/水關系的“兩半部分”可被充分改善——在通過使用否則被浪費至大氣中的能量提供更多清潔的可飲用水方面做出轉型飛躍。本文公開的是水脫鹽技術，其可以基本上以廢熱而不是電操作。低成本水脫鹽可由從常規發電廠和也正在萌芽的新型公用規模的CSP太陽能裝置放出的低級廢熱完成。微咸內陸水或海水的脫鹽在歷史上已經是非常能源密集的。現有的脫鹽技術進一步使能量/水關系惡化，因為它們都利用電完成脫鹽過程。如上所述，以惡性、無休止的循環方式，該電能又需要大量的水來產生電。傳統的水脫鹽方法都使用加壓容器和大量的電，因此它們中沒有一個適合單獨使用這種廢熱——在接近環境壓力和接近周圍溫度(近似水的沸點或者更低)下被排放的熱。通常地，被排放的發電廠能量的大約55%以接近環境壓力的蒸汽的形式進入工廠的冷卻塔。這些傳統脫鹽技術利用壓力完成水與溶解的鹽的分離。基于膜的脫鹽技術(例如，反滲透)和非基于膜的脫鹽技術(例如，多級閃蒸和機械蒸汽壓縮)都在大氣壓以上的壓力下操作。一些后者較老的非-RO脫鹽技術也使用廢熱，但是——其被加壓——它們同樣需要極其大量的電。需要電以運行用于產生需要的壓力的大型泵。除了操作該過程的電的固有高成本，這依賴于壓力然后同樣要求高資本成本的基礎結構，因為壓力的使用需要壓力容器，其必須由異乎尋常的和昂貴的金屬組成以(a)經受住壓力以及(b)減少正被脫鹽的微咸水的腐蝕。因此，資本成本和運行成本用所有目前的脫鹽技術都是高的。本文公開的是獨特的技術，其通過改變所有水脫鹽方法必需利用壓力達到目的的傳統智慧避免以上的高資本成本和運行成本。公開的方法不需要大氣壓以上的壓力。因此，它可由便宜的塑料制造，因為不需要經受壓力梯度。因為整個過程是非加壓的，因此所有的閥、管道、罐等也由便宜的塑料制造。這種塑料同樣具有如金屬具有的不於塞或結垢并且如金屬具有的不腐蝕的附加優勢。本文公開的是本文稱為增濕/除濕(“HDH”)的熱蒸餾方法和裝置。HDH模仿由大自然使用的從非飲用的咸海水產生雨水的相同過程。它是世界上唯一經濟上可行的水脫鹽方法，既不需要壓力也不需要高溫。根據一些示例性的實施，操作溫度在大約212° F(100° C)以下。HDH裝置可不具有活動的機械部件。它不是基于膜的方法如R0，并且因此它不具有於塞或被堵塞的納米尺寸的孔。它最小的通道尺寸比RO膜的孔尺寸大1，000, 000倍，因此它是非常堅固的并且容許將立即淤塞其它水脫鹽設備的混合污染物、高挑戰性的微咸水。HDH方法不需要預處理或后處理步驟，并且它可以使RO膜可容許的鹽度四倍多鹽分的微咸水脫鹽。根據一些示例性的實施，如圖I中顯示的，增濕/除濕裝置50從非飲用水中蒸餾出清潔水。HDH裝置50包括濃縮室20和蒸發室30。傳熱壁40分開至少部分的濃縮室20和蒸發室30并且被配置以在兩個室之間傳熱。另外，傳熱壁40是不可滲透的。根據一些示例性的實施，如圖I中顯示的，蒸汽供應管線62將蒸汽源60連接至濃縮室20的入口。蒸汽源60可以是一個或多個各種蒸汽-產生組件，如本文中進一步公開的。非飲用水供應管線72將非飲用水源70連接至蒸發室30的入口。根據一些示例性的實施，如圖I中顯示的，清潔水出口管線82將清潔水蓄水池80連接至濃縮室20的出口。來自濃縮室20的清潔/蒸餾水是可以飲用的并且可用于各種應用中。來自濃縮室20的清潔/蒸餾水可被提供至一個或多個位置并且被用于各種用途。例 過進一步的實例，來自濃縮室20的至少部分清潔/蒸餾水可儲存于清潔水蓄水池80中。根據一些示例性的實施，如圖I中顯示的，濃縮水出口管線92將濃縮水蓄水池90連接至蒸發室30的出口。來自蒸發室30的濃縮水可以是來自非飲用水的水和污染物的溶液。濃縮水可以比非飲用水具有更高濃度。濃縮水可被提供用于進一步加工、儲存、處理等。根據一些示例性的實施，如圖I中顯示的，干燥載氣管線22將濃縮室20的出口連接至蒸發室30的入口。干燥載氣可包含未引至清潔水出口管線82的濃縮室20的內容物。當來自濃縮室20的干燥載氣從濃縮室20被提供至蒸發室30時，該載氣可傳熱。根據一些示例性的實施，如圖I中顯示的，飽和載氣管線32將蒸發室30的出口連接至濃縮室20的入口。來自蒸發室30的飽和載氣包含在濃縮室20中待分離的可分離液體組分。根據一些示例性的實施，如圖2中顯示的，HDH裝置50可包括供氣管路36和排氣管路26，而不是干燥載氣管線22。例如，操作HDH裝置50所需的空氣可通過供氣管路36從供應空氣源34提供。供應空氣源可以是大氣、儲存的空氣或處理的空氣源。供氣管路36可進料至蒸發室30中。通過HDH裝置50處理的空氣可通過排氣管路26被排放。排氣管路可進料至大氣、儲存區域或處理區域。根據一些示例性的實施，公開了操作HDH 10的方法。在濃縮室20中蒸汽與飽和載氣結合。濃縮室20的內容物被分離為蒸餾水和干燥載氣。蒸餾水通過清潔水出口管線82或另一出口被排出。干燥載氣通過干燥載氣管線22被引至蒸發室30。在蒸發室30中干燥載氣與非飲用水結合。蒸發室30的內容物被分離為濃縮水和飽和載氣。濃縮水通過濃縮水出口管線92被排出。飽和載氣通過飽和載氣管線32被引至濃縮室20。根據一些示例性的實施，通過傳熱壁40從濃縮室20傳熱至蒸發室30。熱也通過干燥載氣從濃縮室20傳遞至蒸發室30而被循環。該過程可由蒸汽供應管線62提供的蒸汽的熱驅動。而且，HDH裝置10可在近似大氣壓下操作。在一些示例性的實施中，除了由于它的全部塑料制造固有的較低的資本成本之夕卜，本文公開的獨特方法完全通過環境壓力的蒸汽而不是電來驅動。因此，它的運行成本也比常規脫鹽技術低得多。當在廢熱源共同放置時，它的運行成本可幾乎接近零，因為以這種定位驅動該過程的能量實質上是沒有的。當前由遍及美國的發電站(generatingstation)、CSP裝置和工業工廠作為廢熱被排放的數千兆_瓦特_小時的低溫、接近環境壓力的蒸汽產生大量非飲用水，其可使用HDH方法以近似零的運行成本脫鹽。根據一些示例性的實施，HDH方法是非常有能效率的——通過常規熱蒸餾正常制造I加侖水的能量使超過3加侖的水脫鹽。常規熱蒸餾(簡單的煮沸、隨后再濃縮)需要約1，050BTU/磅的水或8，750BTU/加侖的水——或以米制單位——約292，000KJ/立方米的水。但是，通過使用便宜的塑料分開方法中的蒸發步驟和濃縮步驟僅200微米——僅僅兩根人類頭發直徑的厚度，該過程重新捕獲超過在簡單的塑料熱交換過程中捕獲的三倍的這種熱，從而減少以上的熱至僅97，300KJ/立方米的水(2，900BTUs/加侖的水)。作為一個實例，典型的500麗發電站每天排出大約12，000MWH的能量。即使僅一半的那種廢熱被用于公開的方法中，其可為HDH方法供能以制造222,000立方米的水 水(180英畝-英尺)。并且該實例500麗工廠僅代表了目前美國蒸汽-渦輪-驅動的460，000MW的產生能力的0. 06%,因此低成本水脫鹽的體積潛能是巨大的(來自僅僅美國蒸汽-驅動的發電站的廢熱的300，000英畝-英尺/天)。進入工廠的冷卻塔的蒸汽產生了大量低溫的ri00° C)接近環境壓力的廢熱，并且其中一小部分可被轉化以驅動HDH方法。與使用的蒸汽的量相比，三倍體積的清潔蒸餾水由HDH方法產生，因此三分之一的蒸餾水將返回至工廠的蒸汽鍋爐——剩余的三分之二可用作清潔可用的水。在大的數量(組、系列、排列、列和線性排列等)中，作為HDH裝置操作的公開的塔提供了清潔的可飲用水，它們以三個不同的方式幫助常規發電廠節省水和能量(i)發電廠目前不得不處理冷卻塔的“排污水(blow-down water)"——由于在冷卻塔內的蒸發變得高鹽含量的水一并且HDH過程的原位存在是理想地適于這種高-TDS的水處理；(ii)提取廢熱以驅動HDH方法的物理作用實際上降低了發電廠需要的冷卻塔的尺寸，這節省了成本和除了本公開的塔制造的脫鹽水之外工廠需要的額外的輸入水，以及(iii)由此節省的水產生了降低的能量荷載和來自不必泵送和運輸同樣多的水至工廠的成本節約一并且較少的能量意味著較少的水。在一些示例性的實施中，公開了完全“離網(off the grid) ”的太陽能供能的水脫鹽廠，其或者獨立于會聚的熱的太陽能收集，或者通過將HDH過程連同CSP發電領域裝置在內陸微咸水源上共同放置。根據一些示例性的實施，如圖3中顯示的，包括增濕/除濕裝置10的系統完全以太陽能操作。太陽能熱量加熱裝置(“STHD”)130加熱傳輸流體。STHD130可包含會聚的太陽能(“CSP”)組件,如拋物柱面鏡(parabolic mirror)。傳輸流體可循環或跟隨通道。傳輸流體可被提供至熱流體儲存室120并通過換熱器110與蒸汽供應管線62的蒸汽交換熱。根據一些不例性的實施，傳輸流體直接與蒸汽供應管線62的蒸汽交換熱。根據一些不例性的實施，STHD 130直接加熱蒸汽供應管線62的蒸汽。根據一些示例性的實施，通過蒸汽供應管線62將蒸汽提供至HDH系統50的HDH裝置10。HDH裝置10的操作通過蒸汽以及其熱驅動。根據一些示例性的實施，其它蒸汽-驅動的蒸餾裝置可被用于代替HDH裝置10，如多級閃蒸蒸餾裝置、蒸汽壓縮脫鹽裝置和多效蒸餾裝置。根據一些示例性的實施，非飲用水供應管線72將非飲用水源70連接至HDH裝置10。清潔水出口管線82將HDH裝置10連接至清潔水蓄水池80。至少部分的清潔水被引至清潔水蓄水池80，并且另一部分被弓I導至換熱器110或以其它方式引導以與蒸汽供應管線62連接。該部分清潔水被再次加熱以進一步驅動HDH裝置10的操作。濃縮水出口管線92將HDH裝置10連接至濃縮水蓄水池90。濃縮水包含來自非飲用水的污染物，但是以更高濃度，使其容納或運輸變得更容易和經濟。根據一些示例性的實施，非飲用水供應管線72將非飲用水源70連接至HDH裝置10。非飲用水可通過廢熱源200產生或與其共同放置。HDH系統50可包括組件52，如控制器、泵和鼓風機。根據一些示例性的實施，組件 52完全通過太陽能光伏裝置54供能。因而，除了 STHD 130和太陽能光伏裝置(“STO”) 54夕卜，不需要外部電能供應。根據一些示例性的實施，僅通過STHD130和/或STO54操作HDH系統50的能力允許它與不需要電能供應的非飲用水源共同放置。HDH系統50可獨立地被操作而不必連接至電網。而且，HDH系統50通過提高操作能力或通過結合多個HDH裝置10或HDH系統50是可升級的。新一代公用規模的CSP發電廠經歷常規化石燃料和核能發電廠經歷的同樣卡諾限制的熱機(heat engine)轉換效率。在這些地點共同放置的HDH方法將允許同樣使用由CSP產生的免費、低級廢熱。CSP電能和清潔水的這種“共同產生”是特別有益的，因為典型的CSP沙漠位置利用它們的冷卻塔的水，在干旱的西南部甚至更加珍貴。另外，CSP單元——沒有它們的發電蒸汽渦輪和發電機——也可與HDH脫鹽一起使用以在遙遠的位置如軍事裝置或具有微咸水但是不接近電網的印第安人保留區(Indian reservation)單獨為水脫鹽供能。根據一些示例性的實施，如圖4中顯示的，包括增濕/除濕裝置10的系統全部以廢熱操作。廢熱源200加熱傳輸流體。廢熱源200可以是發電廠或操作其中產生熱的方法的任何設備。廢熱是不可用的或不被產生它的方法使用。傳輸流體可從廢熱源200流動或在閉路通道中循環。傳輸流體可通過換熱器110與蒸汽供應管線62的蒸汽交換熱。根據一些示例性的實施，廢熱源200直接加熱蒸汽供應管線62的蒸汽。HDH系統50可包括組件52，如控制器、泵和鼓風機。根據一些示例性的實施，組件52通過外部能源、與廢熱源200共享的能源或獨立地太陽能供能。根據一些示例性的實施，如圖4中顯示的，廢流210可包括傳輸流體或蒸汽/水，其不再包含足夠的熱以驅動HDH裝置50。廢流210可被引至冷卻塔、處理單元、儲存單元，或引至廢熱源200用于再循環、再使用或再加熱。根據一些示例性的實施，HDH系統50僅通過廢熱源130操作的能力允許它與包括廢熱源和非飲用水源70的設備共同放置。例如，廢熱源130可以來自該設備，并且HDH系統50可在該設備和設計以消散來自該設備的熱的冷卻塔之間。通過進一步的實例，非飲用水源70可以是產生非飲用水的設備的一部分，其可通過HDH系統50修復。若有的話，其它能量需要可通過設備提供，例如，其中該設備是發電廠。
來自發電廠的廢蒸汽進入塑料HDH塔，隨后優化過程參數以從那種蒸汽的低級能量產生最大體積的脫鹽水。本公開將通過捕獲常規發電廠和CSP太陽能領域裝置的蒸汽渦輪排出的近似I. OMBTU/小時的低壓蒸汽設計、建造和操作兩個現實的發電廠示范，并且然后供應那種蒸汽至在每個位置上的10個HDH塑料脫鹽塔。每個HDH塔能夠每天使400加侖的水脫鹽。因此，當最優化時，每個塔應當一天輸送近似4，000加侖的純蒸餾水，其中每天近似1，500加侖可流回工廠的鍋爐以補充在冷卻塔提取的蒸汽。ARS-4000塔單元現在是“可隨時啟動的(shovel-ready) ”，僅需要整合來自ARS-4000外部的廢蒸汽和優化它的5個操作流速(空氣、蒸汽、微咸水、濃縮水和蒸餾水)。與水脫鹽獲悉的以前的范例相比，HDH方法是獨特的。在本公開中示范的整合的發電/水修復共同發生的技術，一旦在美國電力產生的安裝基地中實施后，將對確定的ARPA-E任務具有重大和轉型影響。根據一些示例性的實施，公開的再循環設備具有模件系統設計，其中生產能力可 被加入至固定的工廠尺寸中。每個模件700具有處理給定單元的PW所需的所有管、鼓風機、泵和罐。蒸汽通過鍋爐系統獨立提供。每個模件700具有多個(例如，12)增濕/除濕(“HDH”)蒸餾塔631。而且再循環設備具有取決于模件700的數量的多個蒸餾塔631。每個模件和塔在設計上是相同的，并且每個利用相同的方法處理產出水。系統通過使用蒸發/濃縮方法處理產出水。簡言之，系統從高-TDS的水中去除純水，產生容易使用的、接近可飲用質量的水，其可通過工廠操作員以期望的無論哪一種方法被使用或銷售。因為具有所有再循環操作，該系統是廢物減少過程，意指存在已經減少至輸送至設備的原始體積的20%的所獲副產物。該剩余的20%殘留副產物可從設備中去除并且通過常規產出水處置方法處理。實際的再循環速率取決于化學組成和進入產出水中的鹽濃度。在給定溫度下，產出水中的鹽濃度降低了包含在產出水中的水的分壓。隨后，蒸發速率隨著鹽濃度增加而降低。因為該過程在操作中濃縮產出水，獲得的實際再循環速率將取決于引入至設備內的最初產出水中的總鹽濃度變化。通常，與當再循環相對清潔的水時獲得的速率相比，蒸發速率的這種降低將平均為大約20%。圖5顯示了該工廠的全部流程。根據一些示例性的實施，卡車運輸產出水并且裝入原始PW罐400中。罐400進料至預處理系統500，其然后在PW罐600產生產出水(“PW”)。預處理系統500可包括油水分離、化學(氧化、PH平衡)處理、絮凝、斜板澄清器系統、污泥濃縮系統、通過壓濾機脫水、多介質過濾等中的一種或多種。模件700是基本單元，通過該模件，公開的方法可增加工廠的處理能力。根據一些示例性的實施，模件700由任意多個蒸餾塔631連同所有相關的鼓風機、泵和需要支撐塔631 的傳遞罐(transfer tankage)。模件700輸入包括蒸汽901(來自鍋爐系統15或另一蒸汽源)；產出水606 (已通過預處理流程的儲存在PW處理罐600中的水);空氣640(外界、周圍空氣輸入)。模件700輸出是濃縮水615 (被返回至PW處理罐600或濃縮水貯藏容器618的通過模件700處理的水)；蒸餾水602 (在蒸餾水貯藏容器775貯藏)；以及排出(或飽和)空氣603。根據一些示例性的實施，如圖5中顯示的，多個模件700—每個具有多個塔631——可連接至每種類型的輸入和輸出管線聯接中的一個。同樣地,基于每種類型的主輸入或輸出中的一種類型操作多個模件700。單個模件的模件和塔操作的描述在下文中說明；根據一些示例性的實施，方法應用于安裝在再循環設備中的所有模件和所有塔。根據一些示例性的實施，如圖6中顯示的，每個塔631具有輸入和輸出管線，其相應于每個模件700的輸入和輸出管線。如圖7和8中顯示的，模件700可被設計為操作所有輸入和輸出流的多個塔單元。根據一些示例性的實施，如圖6中顯示的，產出水606通過傳輸泵被泵送至模件700的每個塔631。該PW 606流經分配PW至每個塔631的歧管。通過控制閥63IA和流量指示器631B手動控制流動至每個單獨的塔631的產出水。按照流量控制閥，產出水進入塔631，其中從產出水中蒸餾出部分清潔水。根據一些示例性的實施，控制每個塔631中的產出水流量以維持170至200 °F的產出水溫度，其通過量表631C在塔頂測量。
根據一些示例性的實施，為了操作，方法可需要新鮮空氣的供給。可需要空氣以驅動從產出水溶液中蒸發出水。利用供應空氣鼓風機644將供應空氣640輸送至塔631。供應空氣640通過使用氣對氣換熱器(HEX) 632被預熱。例如，交叉流動換熱器幫助將熱的、濕的排出空氣流603A中的熱能傳遞進入冷卻器供應空氣流640。供應空氣640在微小的正壓下進入每個塔631。然后，空氣通過塔631被分配以最佳化蒸發過程。傳感器646確定是否鼓風機644正在操作。這通過控制系統感應。如果鼓風機644出故障,控制系統關閉模件。根據一些示例性的實施，公開的方法是熱力過程，意味著熱驅動由產出水中蒸發出水。供應蒸汽901至每個塔以提供驅動蒸發過程所需要的能量。可利用低壓蒸汽鍋爐系統產生塔所需的蒸汽。原始蒸汽被引入至每個塔以驅動蒸餾過程。在蒸汽管的塔側面上每個塔具有手動的蒸汽流量控制643和壓力表644。工廠操作員手動設定蒸汽壓力以最大化塔效率。根據一些示例性的實施，PW中一定百分比的水在每個途徑中被蒸發。剩余的水具有最初PW的所有鹽但是體積減少。因而，它是更加濃縮的，并且被稱為濃縮水(“CW”)。在過程中，PW 606進入每個塔并且CW 615離開每個塔。全面地，工廠多次循環PW直至CW中的鹽濃度達到期望水平。根據一些示例性的實施，在每個單獨途徑中產生的CW 615通過重力從塔池(tower basin)中流出進入CW轉移池。來自模件中所有塔的所有CW可被收集至相同的CW池618中；每個模件具有自己的CW轉移池。根據一些示例性的實施，一些蒸發的水在塔中蒸餾并且通過DW沉水池離開塔。在每個單獨的途徑中產生的DW 602通過重力流出塔池進入DW池775。根據一些示例性的實施，供應空氣640被用于蒸發PW中的一些水。一些那種水冷凝出來，同時一些存在于空氣中。這種濕空氣以水蒸汽飽和并通過位于塔底部的兩個DW沉水池中的一個離開塔。排出空氣603A使用通過氣對氣換熱器632抽出空氣的鼓風機645從塔中排出以預熱供應空氣640。壓力傳感器647告知控制系統鼓風機正在工作。如果它檢測到零或低壓情況，控制系統通知工廠操作員并關閉模件。在離開換熱器后，空氣通過適當高度的排氣煙囪被排放至大氣中，這是工廠操作員的責任。
根據一些示例性的實施，如圖6、7和8中顯示的，每個塔631具有相應的排出空氣流603A和供應空氣流640A。每個塔的流會聚并結合(例如，通過歧管)以連接至相應于模件700的主排出空氣流603和主供應空氣流640。根據一些示例性的實施，會聚至主排出空氣流603的多個排出空氣流603A被提供至換熱器632。通過來自塔631的排出氣產生的熱被傳遞至主供應空氣流640的進入氣體中。由于已接收熱，主供應空氣流640分為每個塔631的單獨排出空氣流603A。根據一些示例性的實施，如圖8和9中顯示的，換熱器632可并入主排出空氣流603、主供應空氣流640、鼓風機645和鼓風機644中的每一個的至少部分以及相應的傳感器和控制器。因此，排出空氣和供應空氣的熱交換在模件水平而不是塔水平下執行。這允許多個塔操作以提供可升級的操作特性而不需要塔自身被升級。進一步地，每個模件而不是每個塔僅需要一個換熱器。這降低了涉及換熱器的生產、連接物、鼓風機、泵、量表、監控器、控 制器等的初始費用，否則需要該費用為每個塔提供一個換熱器。另外，降低了操作成本。然而每個塔的換熱器和支撐組件可引起大的操作成本，通過在模件水平下操作組件，需要較少的組件用于支撐多個塔。實驗數據由每個模件使用12個塔的模件系統編輯。將空氣從32° F加熱至175° F的沒有換熱器的系統比將來自塔的排出空氣從140° F加熱至175° F的系統使用多得多的能量。表I
每模件使用的能量^總量的百分比^ (BTU/小時)(％>
供應至模件為熱蒸餾4,000,000100.0%
過程供能的蒸汽能量
沒有換熱器，將模件的875,6752IJ%
空氣從32°F加熱至 175T所需的能量
有換熱器，將模件的空116,42419% 氣從從140叩加熱.辛
175°F所需丨
_____用換熱器節省的能景759,25119:0%........................................................如顯示的，用于加熱空氣的模件使用的總能量的百分比從總消耗的21. 9%降低為總消耗的2. 9%。就成本節約而言,確定了下列各項表2..............結果.......................總量的百分比........I
(%)
______制造供應負模_件為熱蒸餾過程供能的_蒸汽_能_過所________________________4:0iMi%^
的天然氣的M:, (MCF/小時)I
/I-； $ 4/MCF下制造供頗模件為熱蒸餾過1 供H $100.0%
的蒸汽能.K所耑的人然I的成木，($/小時)16.00I
通過使用換熱器節省的天然氣的量，(MCF/小時) OJ19M I 通過使用換熱器節將的天然氣的成本，($/小時) $3,04 19.0% I進一步地，關于對模件和工廠水平的影響確定了下列各項表3
成本($)
通過使用換熱器節省的天然氣的成本，$/年/模件 $26,604
通過使用換熱器節省的天然氣的成本，$/年/工廠~$106,417 (4模件)雖然已經依據目前認為是最實用和優選的實施方式描述了方法和工具，但應當理解，本公開并不需要限于公開的實施方式。其意欲涵蓋包括在權利要求的精神和范圍內的各種變型和類似的安排，其范圍應當按照最廣義的解釋以便包括所有這些變型和類似的結構。本公開內容包括所附權利要求的任何和所有的實施方式。還應當理解在不偏離本公開的本質的情況下可以做各種改變。這種改變也隱含包括在說明書中。它們也落入本公開的范圍內。應當理解本公開意欲產生一項專利，其獨立地且又作為總系統、并以方法和設備模式涵蓋本公開的眾多方面。另外，本公開的各種要素與權利要求的每一項也可以通過各種方式實現。應當理解本公開包括每一項這種變型，不管是任何設備實施方式、方法或者過程實施方式的實施方式變型，或者甚至僅僅是這些的任意要素的變型。特別地，應當理解，因為本公開涉及本公開的要素時，每個要素的用詞可以用等價的設備術語或方法術語表達——即便只是功能或結果相同。應當認為這種等價的、更廣義的或甚至更上位的術語包括在每個要素或動作的描述中。需要時這類術語可以替換以使本公開要求的隱含地寬的覆蓋范圍清楚。應當理解，所有的動作可以表示為進行該動作的裝置或引起該動作的要素。類似地，應當理解公開的每項物理要素包括該物理要素所促進的動作的公開。在本專利申請中所述的任何專利、出版物或其它參考文獻通過引用并入本文。另外，對于每個使用的術語，應當理解，除非其在本申請中的使用與這種解釋不一致，否則應當理解對于每個術語并入了普通詞典的定義，并且所有定義、可選術語和同義詞，t匕如包括在技術人員公認的標準技術詞典和最新版Random House Webster’s UnabridgedDictionary的至少一中的都通過引用并入本文。最后，在信息公開聲明(Information Disclosure Statement)中或其他與本申請一起提交的信息聲明中列舉的所有對比文件附于此并通過引用并入本文；然而，對于上面的每項，在可能認為這種通過引用并入的信息或聲明與這項/這些公開的授權不一致的情況，這類聲明明確地不被認為是申請人所做。在這方面，應當理解，出于實際的原因，且為了避免潛在地增加數百個權利要求，申請人只提出具有初始從屬關系的權利要求。應當理解，以超范圍法條要求的程度存在支持——包括但不限于美國專利法35USC 132或其它這種法律——以允許增加在一個獨立權利要求或概念下提出的各種從屬關系或其它要素的任一種，作為任何其它獨立權利要求或概念下的從屬關系或要素。 就進行非實質性替代的而言，在申請人實際上沒有撰寫任何權利要求以字面包括任何具體實施方式
的情況，以及在其它適用的情況，不應當理解申請人以任何方式意欲或實際地放棄這種覆蓋范圍，因為申請人不能夠簡單地預期所有的可能性；合理地，不應當預期本領域技術人員撰寫字面包括了這類可選實施方式的權利要求。此外，根據傳統的權利要求解釋，過渡詞語“包括(comprising)”的使用用于主張本文的“開放式(open-end)”權利要求。因此，除非文中另作規定，應當理解術語“包括(compromise) ”或變型比如“包括(comprises) ”或“包括(comprising) ”,意欲暗示包括所述的要素或步驟，或者要素或步驟的組，但不排除任何的其它要素或步驟或者要素或步驟的組。這些術語應當解釋為其最廣義的形式以便給予申請人法律允許的最廣的覆蓋范圍。
權利要求
1.一種系統，其包括 太陽能熱量加熱裝置，其被配置以從捕獲的太陽能傳熱至蒸汽源； 增濕/除濕裝置，其被配置以將非飲用水蒸餾為清潔水； 蒸汽供應管線，其將所述蒸汽源連接至所述增濕/除濕裝置； 非飲用水源，其通過非飲用水供應管線連接至所述增濕/除濕裝置； 清潔水蓄水池，其通過清潔水出ロ管線連接至所述增濕/除濕裝置； 濃縮水蓄水池，其通過濃縮水出ロ管線連接至所述增濕/除濕裝置。
2.權利要求I所述的系統，其中所述增濕/除濕裝置進ー步包括控制器、泵和鼓風機中的至少ー個。
3.權利要求2所述的系統，其中所述控制器、泵和鼓風機中的至少ー個通過太陽能光伏裝置供能。
4.權利要求I所述的系統，其進ー步包括高溫流體存儲裝置，其被配置以通過換熱器從所述太陽能熱量加熱裝置的流體傳熱至所述蒸汽源。
5.權利要求I所述的系統，其中所述增濕/除濕裝置包括 濃縮室； 蒸發室； 所述濃縮室和所述蒸發室之間的傳熱壁。
6.權利要求5所述的系統，其中 所述蒸汽供應管線被連接至所述濃縮室；所述非飲用水供應管線被連接至所述蒸發室；所述清潔水出口管線被連接至所述濃縮室；所述濃縮水出口管線被連接至所述蒸發室。
7.權利要求6所述的系統，其進ー步包括 干燥載氣管線，其連接所述濃縮室出口與所述蒸發室入口 ； 飽和載氣管線，其連接所述蒸發室出ロ與所述濃縮室入ロ。
8.權利要求6所述的系統，其進ー步包括 飽和載氣管線，其連接所述蒸發室出口與所述濃縮室入口 ； 供氣管路，其連接至所述蒸發室； 排氣管路，其連接至所述濃縮室。
9.權利要求I所述的系統，其中所述系統與不具有電能供應的非飲用水源共同放置。
10.ー種方法，其包括 使增濕/除濕裝置與不具有電能供應的非飲用水源共同放置； 收集來自太陽能熱量加熱裝置的熱以產生蒸汽； 提供所述蒸汽和來自所述非飲用水源的非飲用水至所述增濕/除濕裝置； 操作具有所述蒸汽的所述增濕/除濕裝置，藉此將所述非飲用水分離為蒸餾水和濃縮水。
11.權利要求10所述的方法，其中操作所述增濕/除濕裝置包括 在所述增濕/除濕裝置的濃縮室內結合所述蒸汽與飽和載氣； 產生所述蒸餾水和干燥載氣； 在所述增濕/除濕裝置的蒸發室內結合所述干燥載氣與所述非飲用水；產生濃縮水和所述飽和載氣。
12.權利要求11所述的方法，其中操作所述增濕/除濕裝置進ー步包括 傳遞來自所述濃縮室的至少ー些熱至所述蒸發室。
13.權利要求11所述的方法，其中所述增濕/除濕裝置在近似大氣壓下操作。
14.權利要求11所述的方法，其中所述方法通過專門以太陽能操作的系統執行。
15.—種系統,其包括 廢熱源，其被配置以傳遞廢熱至蒸汽源； 增濕/除濕裝置，其被配置以將非飲用水蒸餾為清潔水； 蒸汽供應管線，其將所述蒸汽源連接至所述增濕/除濕裝置； 非飲用水源，其通過非飲用水供應管線連接至所述增濕/除濕裝置； 清潔水蓄水池，其通過清潔水出ロ管線連接至所述增濕/除濕裝置； 濃縮水蓄水池，其通過濃縮水出ロ管線連接至所述增濕/除濕裝置。
16.權利要求15所述的系統，其中所述增濕/除濕裝置包括 濃縮室； 蒸發室； 在所述濃縮室和所述蒸發室之間的傳熱壁。
17.權利要求16所述的系統，其中 所述蒸汽供應管線被連接至所述濃縮室； 所述非飲用水供應管線被連接至所述蒸發室； 所述清潔水出ロ管線被連接至所述濃縮室； 所述濃縮水出ロ管線被連接至所述蒸發室。
18.權利要求17所述的系統，進一歩包括 干燥載氣管線，其連接所述濃縮室出口與所述蒸發室入口 ； 飽和載氣管線，其連接所述蒸發室出ロ與所述濃縮室入ロ。
19.權利要求17所述的系統，進一歩包括 飽和載氣管線，其連接所述蒸發室出口與所述濃縮室入口 ； 供氣管路，其連接至所述蒸發室； 排氣管路，其連接至所述濃縮室。
20.權利要求15所述的方法，其中所述系統與包括所述廢熱源和所述非飲用水源的設備共同放置。
21.—種方法,其包括 使增濕/除濕裝置與包括廢熱源和非飲用水源的設備共同放置； 收集來自所述廢熱源的廢熱以產生蒸汽； 提供所述蒸汽和非飲用水至所述增濕/除濕裝置； 操作具有所述蒸汽的所述增濕/除濕裝置，藉此將所述非飲用水分離為蒸餾水和濃縮水。
22.權利要求21所述的方法，其中操作所述增濕/除濕裝置包括 在所述增濕/除濕裝置的濃縮室內結合所述蒸汽與飽和載氣； 產生所述蒸餾水和干燥載氣；在所述增濕/除濕裝置的蒸發室內結合所述干燥載氣與所述非飲用水； 產生濃縮水和所述飽和載氣。
23.權利要求22所述的方法，其中操作所述增濕/除濕裝置進ー步包括 傳遞來自所述濃縮室的至少ー些熱至所述蒸發室。
24.一種用于蒸餾的模件，其包括 多個蒸餾塔，其被配置以從非飲用水中蒸餾出清潔水； 主供氣管路，其連接至所述多個蒸餾塔中的每ー個的供氣管路； 主排氣管路，其連接至所述多個蒸餾塔中的每ー個的排氣管路； 換熱器，其被配置以在所述主排氣管路和所述主供氣管路之間交換熱。
25.權利要求24所述的模件，其中所述多個蒸餾塔中的每ー個包括 濃縮室； 蒸發室；和 在所述濃縮室和所述蒸發室之間的傳熱壁； 連接至所述濃縮室的蒸汽供應管線； 連接至所述蒸發室的非飲用水供應管線； 連接至所述濃縮室的清潔水出口管線； 連接至所述蒸發室的濃縮水出口管線； 連接所述蒸發室出口與所述濃縮室入口的飽和載氣管線； 連接至所述蒸發室的供氣管路； 連接至所述濃縮室的排氣管路。
26.—種方法,其包括 提供供應空氣至具有多個蒸餾塔的模件； 在所述多個蒸餾塔之間分離所述供應空氣； 在所述多個蒸餾塔中的每ー個中，從產出水、蒸汽和所述供應空氣產生蒸餾水、濃縮水和排出空氣； 結合來自所述多個蒸餾塔的所述排出空氣； 從所述排出空氣傳熱至所述供應空氣。
27.權利要求26所述的方法，其中所述產生步驟包括 在所述蒸餾塔的蒸發室內結合所述供應空氣與所述產出水； 產生所述濃縮水和飽和載氣； 在所述蒸餾塔的濃縮室內結合所述蒸汽與所述飽和載氣； 產生所述蒸餾水和所述排出空氣。
全文摘要
一種系統，其利用會聚的太陽能或廢熱提供的熱有效地從非飲用水產生清潔水，該系統與非飲用水源共同放置，以基于熱源提供的蒸汽有效、低成本操作。使用這種系統的方法通過提供的蒸汽和非飲用水操作以產生清潔水和濃縮水。
文檔編號C02F1/14GK102695676SQ201080059077
公開日2012年9月26日 申請日期2010年10月22日 優先權日2009年10月23日
發明者N·A·戈德歇爾 申請人:奧特拉公司