СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОЦЕССА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДОЙ
METHOD OF INDUSTRIAL PROCESS SUPPLY WITH COOLING WATER

Данная заявка подана 12 сентября 2011 г. в качестве международной заявки на патент РСТ. Заявителем для всех государств, за исключением США, является Crystal Lagoons Corporation LLC, национальная корпорация США, и только для США заявителем является Fernando Fischmann Т., гражданин Чили. В заявке испрашивается приоритет по дате предварительной заявки US 61/469526, поданной 30 марта 2011 г., и по дате полезной модели US 13/195695, поданной 1 августа, 2011 г., которые включены в данную заявку по упоминанию.
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу и системе для обработки воды и применению обработанной воды для охлаждения промышленных процессов. Вода, которую обрабатывают и хранят в большом контейнере или искусственной лагуне, обладает высокой прозрачностью и высоким микробиологическим качеством. Большой контейнер или искусственная лагуна может действовать как поглотитель тепла, поглощая отходящее тепло от промышленных процессов охлаждения, таким образом создают запас тепловой энергии экологически безопасным образом, и этот запас затем можно использовать для других целей. Способ и систему можно использовать в любых промышленных системах охлаждения с любым типом доступной воды, включая пресную воду, слабоминерализованную воду и морскую воду.
Уровень техники
В последние годы темпы роста промышленности во всем мире значительно увеличились и значительно усовершенствованы технологические процессы. Большинство отраслей промышленности требуют наличия систем, обеспечивающих охлаждение по меньшей мере некоторых технологических процессов. В большинстве систем охлаждения применяют воду в качестве поглотителя тепла или теплоносителя. Однако вода является ограниченным ресурсом. Происходит разработка месторождений и загрязнение подземных водоносных горизонтов, океанов и поверхностных вод, что приводит к снижению как количества подходящей воды, так и качества доступной природной воды. Следовательно, необходимо найти новые пути экологически безопасного и экономически выгодного применения воды, чтобы использовать данный ресурс эффективным образом и без ущерба для окружающей среды.
3
Современные промышленные системы охлаждения часто ограничены областями, в которых имеется в наличии большой объем охлаждающей воды. Например, системы охлаждения часто расположены вдоль береговой линии океана или вблизи других природных источников воды, таких как реки и большие озера, в которых данный ресурс имеется в большом количестве. Соответственно, существенным недостатком, связанным с системами охлаждения на водной основе, является то, что они часто ограничены определенным географическим расположением. Например, для электростанции мощностью 350 МВт, работающей на угле, требуется приблизительно 45000 м воды в час в целях охлаждения, например, в теплообменниках станции, что эквивалентно заполнению 18 олимпийских плавательных бассейнов только за один час.
Кроме того, отходящее тепло, поглощаемое охлаждающей водой, в основном теряется в окружающей среде из-за сброса нагретой воды обратно в природный источник воды или из-за выброса паров воды в атмосферу. Поддающаяся извлечению энергия, которая ежедневно пропадает впустую по всему миру, может составлять до 80% от всей электроэнергии, потребляемой ежедневно по всему миру.
Конкретные виды типичного оборудования, которое может выиграть от усовершенствованных систем охлаждения на водной основе, включают, но не ограничены перечисленным, следующие виды оборудования.
Тепловые электростанции
Рост населения и развитие технологий привело к большим потребностям в дополнительной энергии. Значительное применение энергии в мире сконцентрировано на получении электричества. Потребность в электроэнергии возрастает благодаря темпам, задаваемым развитием государств и их экономическим развитием. Например, получение электроэнергии возросло приблизительно на 40% за последние 10 лет (см. Фиг.1). Эта потребность привела к интенсификации разработки нового оборудования для получения электроэнергии по всему миру.
Тепловые электростанции в настоящее время являются преобладающим типом электростанций, находящихся в эксплуатации. На таких станциях используют топливо для обеспечения горения, с помощью которого нагревают текучую среду, которая в свою очередь приводит в действие турбину в цикле генерирования электричества. Также существует ряд электростанций, на которых применяют возобновляемые источники, такие как энергия солнечного света или геотермальная энергия, генерирующие рабочую текучую среду, которая в свою очередь приводит в действие турбину. На других тепловых электростанциях применяют ядерное топливо, такое как уран. Однако доступные статистические данные показывают, что общее количество потребляемой энергии в 2008 году, от 80% до 90%, было получено от горения ископаемого топлива на тепловых электростанциях. В большинстве случаев на станциях такого типа используют уголь, нефть или природный газ. Такая большая доля этих станций при получении электричества отчасти обусловлена высокой доступностью ископаемого топлива в мире. В 1973 году мировая энергетическая сеть состояла из 78,4% тепловых электростанций (включая ядерные станции), тогда как в 2008 году их доля увеличилась до 81,5%. Для таких станций существует постоянная потребность в улучшении эффективности их эксплуатации и снижении их влияния на окружающую среду.
С течением времени теплоэлектростанции претерпевали различные изменения, связанные с их эксплуатацией. Например, вносили изменения в отношении выбросов и эффективного использования топлива. Однако остающимся недостатком этих станций является применение систем водного охлаждения. Такие системы имеют несколько недостатков, ограничивающих их применение определенными географическими регионами. Кроме того, использование воды и сопутствующий нагрев воды потенциально оказывают вредное воздействие на окружающую среду, увеличивают стоимость энергии, приводят к интенсивному потреблению воды, потере остаточного тепла и/или имеют высокую стоимость ввода в эксплуатацию и стоимость эксплуатации. Соответственно, необходимы усовершенствованные системы охлаждения для поддержания возрастающих потребностей в энергии и электричестве.
Современными системами охлаждения, используемыми на тепловых электростанциях и в других отраслях промышленности, являются системы прямоточного охлаждения, башенные охладители и пруды-охладители.
Системы прямоточного охлаждения
Одним из основных типов систем охлаждения, используемых в настоящее время, является система «прямоточного» охлаждения, которая относится к системе открытого цикла (т.е. в которой не используют рециркуляцию воды). Система такого типа состоит из водоприемного сооружения для сбора воды из природного источника и водосбросного сооружения для возврата воды обратно в природный источник (например, часто в океан или море). Собранная охлаждающая вода циркулирует через теплообменник, работающий в составе промышленного процесса. В теплообменниках вода действует как поглотитель тепла, посредством чего температура воды возрастает по мере ее прохождения через теплообменник. Затем нагретую воду отводят обратно к природному источнику. Только в США приблизительно на 5500 электростанций используют систему прямоточного охлаждения. На этих станциях используют более 681372 миллионов литров (180000 миллионов галлонов) воды в сутки в целях охлаждения. Это количество, например, в 13 раз превышает количество воды, используемой ежедневно для орошения в Австралии. Системы прямоточного охлаждения имеют множество недостатков, включая вред для окружающей среды из-за всасывания и уничтожения морских организмов, теплового загрязнения окружающей среды возвращаемой нагретой водой; ограниченное расположение систем по береговой линии (или по границе больших водных источников); плохое качество воды и сброс остаточного тепла.
В системах прямоточного охлаждения используют большие объемы воды при относительно низкой стоимости, но это часто приводит к крупномасштабным отрицательным воздействиям на морскую экосистему. Например, система создает рост температуры отводимой воды. В океане резкое увеличение температуры может вызывать серьезные проблемы, даже приводить к смерти живых организмов. Это оказывает вредное влияние на морскую экосистему и жизнедеятельность человека, которая происходит на побережье, такую как рыболовство и другая экономическая деятельность. Система прямоточного охлаждения также может вызывать смерть морских организмов из-за давления всасывания, создаваемого в водоприемном устройстве. Это может затрагивать миллионы рыб, личинок и других водных организмов ежегодно по всему миру, поскольку они всасываются в трубопроводы, ведущие к теплообменникам. Смерть может происходить из-за фильтров или сеток (например, столкновение с фильтрами/сетками или удержание фильтрами или экранами), из-за ротационных насосов (например, при прохождении внутри конструкций и/или потоков при высоком давлении, что вызывает столкновение со стенками), из-за химических веществ, которые могут быть добавлены, и в теплообменниках из-за резкого изменения температуры. Законы в некоторых странах и штатах запрещают применение систем прямоточного охлаждения. Следовательно, существует потребность в новых способах охлаждения, которые являются стабильными во времени и позволяют обеспечить улучшенные характеристики и эффективность.
Другим главным ограничением систем прямоточного охлаждения является их ограниченное местоположение. Как указано выше, установки такого типа обычно должны быть расположены на морском побережье или на территории вдоль рек, чтобы обеспечить лучший прием большого количества воды. Такие местоположения могут создавать значительные проблемы землепользования. Таким образом, данные отрасли промышленности ограничены из-за больших объемов воды, которые необходимо принимать, и эффекта теплового загрязнения в таких местах. Вследствие этого, установки могут создавать различные проблемы в отношении размещения, что приводит к более высокой стоимости и возможному их неприятию жителями населенных пунктов.
Другой проблемой системы прямоточного охлаждения является плохое качество воды, используемой для охлаждения. В прямоточных системах охлаждения обычно используют морскую воду, которая имеет большое содержание органических веществ. Это отрицательно влияет на теплообменные системы процессов охлаждения. Например, происходит пониженный теплоперенос из-за живых или мертвых организмов, которые прилипают к трубам или засоряют их. Накапливаются биологические загрязнения и начинается их прилипание к внутренней поверхности труб, что снижает теплоперенос и, следовательно, эффективность. Кроме того, новые нормы по охране окружающей среды рекомендуют (а некоторые требуют), чтобы станции работали с высокой эффективностью для максимизации количества энергии, получаемой на единицу топлива. В одном научном исследовании подсчитано, что обрастание в теплообменниках вызывает потери в денежном выражении в промышленно развитых странах на уровне приблизительно 0,25% от валового внутреннего продукта (ВВП).
Другое ограничение систем прямоточного охлаждения состоит в том, что все поглощаемое тепло отводят обратно в природный источник воды без использования тепловой энергии в воде. В некоторых случаях, тепловая энергия, которую теряют впустую, может приближаться к двум третям от общего генерированного тепла, тогда как количество электроэнергии, производимой электростанцией, составляет только одну треть от общего генерированного тепла. Было бы предпочтительным использование этой теряемой ценной энергии для других полезных целей.
Башенные охладители
Другой системой охлаждения, используемой в настоящее время, является башенный охладитель. Такая система обеспечивает охлаждение воды через теплообменник, содержащий воздух внутри испарительных вытяжных труб. Вытяжные трубы содержат резервуар для холодной воды в основании, из которого питают установку посредством насосов, которые обеспечивают циркуляцию через конденсатор установки (камеры охлаждения), тем самым передавая тепло рабочей текучей среды установки воде. Когда отходящая вода высокой температуры достигает вершины башни, она начинает спускаться тонкими струями, чтобы максимизировать площадь контакта для теплопереноса. Некоторые установки снабжены вентиляторами, либо вверху, либо на дне башни, чтобы обеспечивать циркуляцию воздуха вверх для достижения его противоточного контакта с водой. По мере падения воды, она охлаждается, и из-за испарения происходят потери тепла. Когда вода испаряется, растворенные соли опускаются обратно в резервуар с водой, тем самым их концентрация увеличивается. Следовательно, время от времени следует сбрасывать определенное количество воды, и резервуар необходимо пополнять свежей водой. Башенные охладители имеют различные проблемы, связанные с их эксплуатацией, включая высокие темпы отбора и испарение воды, высокую стоимость, ухудшение городской эстетики или эстетики ландшафта и потери увлекаемого остаточного тепла.
Существенной проблемой башенных охладителей является высокий темп отбора воды. Согласно данным научно-исследовательского института электроэнергетики (EPRI, США), для паровой электростанции, работающей на угле, темп отбора воды составляет приблизительно 2082 л/МВт·ч, и расходование воды из-за испарения составляет приблизительно 1817 л/МВт·ч. Кроме того, башенные охладители требуют частого пополнения из-за большого расходования воды, обусловленного высокими темпами испарения. Вся испаренная вода должна быть восполнена, а также время от времени определенное количество воды необходимо сбрасывать из-за увеличения концентрации минеральных веществ в резервуаре, который также необходимо пополнять. Обычно башенные охладители работают на пресной воде, что приводит к высокой стоимости эксплуатации.
Другая основная проблема башенных охладителей состоит в том, что они требуют высоких затрат на ввод в эксплуатацию, эксплуатацию и техническое обслуживание. Например, для станции мощностью 2245 МВт капитальные затраты могут достигать 600 млн. долларов.
Кроме того, башенные охладители ухудшают городскую эстетику и эстетику ландшафта. Это происходит как из-за конструкции башни, так и из-за пара, выпускаемого из башни в атмосферу. Пар портит вид ландшафта и может приводить к увлажнению мостовых, дорог и других близлежащих поверхностей. Дополнительное ограничение башенных охладителей состоит в том, что в них не используют остаточную энергию, поскольку в них сбрасывают фактически все остаточное тепло в атмосферу в виде паров воды. Соответственно, снижается общая энергетическая эффективность процесса.
Пруд-охладитель
Во многих системах охлаждения, используемых в промышленных процессах, применяют пруды-охладители. Пруды-охладители обычно включают большие объемы воды, содержащейся в пруду, из которого извлекают охлаждающую воду. После прохождения через процесс теплообмена на установке воду (при более высокой температуре) выпускают обратно в пруд. Площадь пруда обычно зависит от производительности и эффективности установки. Пруды такого типа используют почти на пятнадцати процентах (15%) теплоэлектростанций в США, где используют уголь, другие виды ископаемого топлива, объединенный цикл, и атомных электростанций. Основными недостатками прудов-охладителей являются большие фактические площади, требующиеся для их реализации, и низкое качество воды, содержащейся в пруду.
Требование больших площадей для реализации пруда-охладителя основано на требовании поддержания низкой температуры, обычно ниже 22°C. Это связано с тем, что как только температура воды начинает подниматься, в воде пруда усиливается рост и распространение водорослей и других организмов, которые создают проблемы в системе охлаждения и в самом пруду. Таким образом, для поддержания низких температур, пруды-охладители имеют очень большие площади, до 2500 га. Учитывая возрастающий дефицит свободной земли, данное решение становится все менее целесообразным.
Другим ограничением прудов-охладителей является низкое качество воды в пруду. На некоторых установках охлаждающая вода из пруда должна подвергаться дополнительной обработке, такой как фильтрация и удаление соединений, которые разрушают оборудование. Низкое качество обусловлено быстрым распространением микроорганизмов, водорослей и оседающими частицами. Качество воды в таких прудах делает их непривлекательными для применения в рекреационных целях, и они могут представлять опасность для здоровья людей, купающихся в пруду.
Также, поскольку температура воды в пруду-охладителе не должна увеличиваться до 25-30°C или более, нагретую воду нельзя использовать для других целей, что приводит к потере ценной тепловой энергии.
Литейная промышленность
Системы водяного охлаждения могут использовать в других отраслях промышленности, таких как литейная и чугунолитейная промышленность. Литейная промышленность имеет очень большое значение, особенно при добыче ископаемых, где металлы плавят с получением других продуктов. В процессе литья образуются газы чрезвычайно высоких температур, которые необходимо охлаждать для последующего выброса или применения. В настоящее время, в большинстве отраслей литейной промышленности используют системы водяного охлаждения, либо с рециркуляцией, либо с прямоточным охлаждением.
Исходя из нужд охлаждения большинства отраслей промышленности и недостатков существующих систем охлаждения, существует потребность в модернизации систем охлаждения, которые работают при более низких затратах, в которых избегают выбросов тепла и сопутствующего теплового разрушения морских экосистем, используют меньшее количество воды, обеспечивают гибкость географического местоположения и/или используют преимущества тепловой энергии, выделяющейся в процессе охлаждения (например, в теплообменнике), для полезных целей.
В US 4254818 в общем описано предотвращение коррозии в системе охлаждения промышленного процесса посредством использования водного солевого раствора с концентрацией 20-35 масс.%. Солевой раствор циркулирует в замкнутом контуре между рабочим теплообменником и прудом-охладителем с подержанием требуемой концентрации солевого раствора, которая должна составлять от 20 до 35 масс.%. Способ охлаждения требует системы охлаждения из металла или сплава, стойкого к коррозии, вызываемой водой и водным солевым раствором, и также требует наличия охлаждающей емкости, содержащей водный солевой раствор с концентрацией от 20 до 35 масс.%, и замкнутого контура между указанной емкостью и системой охлаждения, по которому циркулирует солевой раствор. Чтобы поддерживать требуемую концентрацию солевого раствора, в способе предусмотрено пополнение воды для восполнения потерь и поддержания концентрации соли. Также предусмотрен вариант с использованием вспомогательной емкости или резервуара для осаждения карбоната кальция и сульфата кальция из воды, выходящей из операции охлаждения промышленного процесса, и транспортировки воды без солей в пруд-охладитель, с вариантом, в котором предусматривают извлечение солей.
В US 4254818 требуется применение воды с определенной концентрацией соли, 20-35 масс.%, что ограничивает тип используемой воды. Также в данном патенте не раскрыто применение окисляющих веществ и флокулянтов или коагулянтов, также не раскрыто удаление взвешенных частиц, водорослей, бактерий, металлов и органического вещества. Кроме того, в патенте не обеспечивают экономичную систему фильтрации. Вместо этого в патенте описано применение вспомогательных резервуаров с целью осаждения карбоната кальция и сульфата кальция, что приводит к более высоким затратам на ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание.
Краткое описание изобретения
В этом кратком описании изложены основные принципы изобретения в упрощенной форме, которые также описаны ниже в подробном описании. Не предполагается, что данное краткое описание определяет необходимые или существенные признаки заявленного объекта изобретения. Данное краткое описание не ограничивает область защиты заявленного объекта изобретения. Настоящее изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности и системах охлаждения. Хотя в настоящей заявке ссылаются на конкретные производственные процессы, где могут быть использованы принципы настоящего изобретения, такие процессы представлены с целью демонстрации и не ограничивают область защиты изобретения.
Способы и системы по настоящему изобретению обеспечивают промышленный процесс охлаждающей водой высокого качества, обычно сравнимого с качеством воды плавательных бассейнов, при очень низких затратах. В некоторых воплощениях описаны согласованный способ охлаждения и система, включающая большой контейнер для хранения воды, используемой для подачи в промышленный процесс, в котором воду сначала обрабатывают и поддерживают при высоком качестве, а затем рециркулируют, обеспечивая надежную систему охлаждения в течение продолжительного периода времени. Кроме того, вода, нагретая в промышленном процессе, при необходимости может быть использована для других целей, таких как отопление жилых помещений, поставка горячей воды, термическое опреснение и обогрев парников, а также для различных других промышленных и бытовых целей. При термическом опреснении, подлежащую опреснению воду необходимо нагревать перед пропусканием ее через процессы дистилляции. Следовательно, нагретая вода из контейнера может быть использована для подогрева в процессе термического опреснения.
Также в отраслях промышленности, в которых применяют воду или другие текучие среды при высоких температурах, можно использовать такую «предварительно нагретую» воду для получения водяных паров или пара или для повышения температуры другой текучей среды посредством теплообменника, тем самым повышая эффективность использования энергии и экономическую эффективность.
2
В случае систем охлаждения, используемых на электростанциях, настоящее изобретение позволяет обеспечить согласованный способ охлаждения, обладающий рядом преимуществ перед существующими системами, такими как низкая стоимость, экологичность и стабильность во времени. В настоящем изобретении используют меньше воды, чем в других системах, что позволяет размещать отрасли промышленности в невообразимых ранее местах. Кроме того, поскольку лагуна поглощает тепло процесса охлаждения, может быть создана большая лагуна умеренной температуры (например, запас тепловой энергии), которую можно использовать для большинства промышленных и рекреационных целей. Например, если бы все тепловые электростанции использовали в целях охлаждения настоящее изобретение, которое позволяет использовать иначе теряемую тепловую энергию, выбросы CO могли бы быть снижены на величину до 50% во всему мире.
В отличие от современных систем прямоточного охлаждения, настоящее изобретение позволяет обеспечить согласованный способ охлаждения и систему, включающую лагуну с очищенной водой, работающую в замкнутом контуре, экономически выгодным, надежным и экологичным способом. Способ и система позволяют избежать отрицательного влияния теплового загрязнения окружающей среды, связанного с отведением воды высокой температуры в море и ее влиянием на морские организмы. В конечном счете, настоящее изобретение помогает предотвратить высокую смертность водных организмов, которая может возникнуть из-за систем всасывания устройств известного уровня техники и прохождения через промышленные системы охлаждения. Кроме того, возможно размещение электростанций во множестве различных географических регионов. В некоторых случаях, возможна передислокация электростанций, чтобы обеспечить экономию энергии (например, поскольку станция может быть расположена вблизи с местом, где используют энергию, или близко к центрам потребления, при отсутствии больших расстояний между местом производства и местом потребления).
Более того, настоящее изобретение позволяет повысить эффективность теплообменников посредством использования воды очень высокого качества (например, сравнимой с водой в плавательном бассейне) при низких затратах. Например, морская вода в среднем имеет прозрачность 2 м по горизонтали, тогда как вода по настоящему изобретению имеет прозрачность в горизонтальном направлении до 40 м. Морская вода также содержит большое количество бактерий, тогда как вода по настоящему изобретению содержит значительно меньшее количество органического вещества, предпочтительно почти не содержит органического вещества, после обработки. Таким образом, вода по настоящему изобретению минимизирует биологическое обрастание и предотвращает образование нежелательных наростов на трубах, снижающих теплоперенос. Охлаждающую воду по настоящему изобретению рециркулируют с минимальным пополнением, где пополнение воды в настоящем изобретении в основном необходимо из-за испарения из лагуны.
Наконец, настоящее изобретение позволяет использовать остаточную тепловую энергию, сбрасываемую из промышленного процесса. Например, повышенная температура воды, возвращаемой в охлаждающую лагуну, может быть использована для других целей, таких как отопление жилых помещений, поставка горячей воды, термическое опреснение или другое промышленное и бытовое применение.
По сравнению с башенными охладителями, в настоящем изобретении обеспечивают согласованный способ охлаждения, используемый в системе, которая требует пополнения приблизительно на 20% меньшим количеством воды, по сравнению с башенными охладителями, и происходит испарение приблизительно на 20% меньшего количества воды в атмосферу (на основании текущих оценок и температуры и влажности окружающей среды). Таким образом, настоящее изобретение более благоприятно для окружающей среды и природных источников. Большие лагуны, описанные в данной заявке, также дают преимущества, касающиеся снижения затрат, достижения экономии средств, предположительно до 50%, относительно сооружения и эксплуатации башенных охладителей. Кроме того, в настоящем изобретении обеспечивают лагуну, которая может быть использована для рекреационных целей и как туристическая достопримечательность. Например, могут быть созданы очень большие лагуны с умеренной температурой, при этом их можно использовать для рекреационных целей круглый год. И, как отмечено выше, остаточное тепло лагуны может быть использовано для других промышленных и бытовых целей. Лагуны для рекреационных или промышленных целей могут быть сгруппированы в различных конфигурациях, чтобы обеспечить несколько искусственных охлаждающих лагун в одно и то же время. Такие лагуны могут быть расположены последовательно, параллельно и путем стыковки одной лагуны с другой.
Также в настоящем изобретении обеспечивают способ и систему, имеющие ряд преимуществ по сравнению с прудами-охладителями. Прежде всего, обработанная вода в данном изобретении может достигать температур вплоть до 30°C или вплоть до 50°C или более, при подержании превосходного качества, сравнимого с водой в традиционных плавательных бассейнах. Таким образом, площадь открытой поверхности лагун, раскрытых в данной заявке, может быть по меньшей мере от 3 до 10 раз меньше, чем площадь открытой поверхности традиционных прудов-охладителей. Также, если воду поддерживают при высоких температурах, например 40°C, может быть достигнуто дополнительное снижение площади, что делает лагуны, раскрытые в данной заявке, даже более полезными. Благодаря снижению необходимой площади поверхности контейнера или искусственной лагуны, промышленные станции могут быть построены и эксплуатироваться в областях, которые были недоступны ранее. Кроме того, качество воды, обеспечиваемой в настоящем изобретении, намного превышает качество многих искусственных озер, вода имеет высокую прозрачность при температурах, которые могут составлять от приблизительно 20°C до приблизительно 50°C или выше.
В общем, в настоящем изобретении раскрыты способы и системы для обеспечения воды высокой чистоты и прозрачности из построенной искусственной лагуны или другого искусственного большого водного объекта (например, контейнера). Такую воду можно использовать в качестве передающей тепло текучей среды для охлаждения различных промышленных процессов. Воплощения настоящего изобретения относятся к применению большого количества воды для охлаждения промышленных процессов экономически выгодным и экологически безопасным способом. Контейнер или искусственная лагуна, поставляющие воду, могут действовать как поглотители тепла, поглощающие отработанное тепло промышленных процессов посредством переноса тепла в циркулирующую охлаждающую воду.
В одном воплощении способ обеспечения промышленного процесса охлаждающей водой включает следующие стадии:
2
а) хранение воды в контейнере, имеющем площадь поверхности от 50 до 30000 м на МВт охлаждения, требуемого промышленным процессом, и дно, выполненное с возможностью его очистки с помощью подвижного средства всасывания;
б) обработку воды в контейнере в течение периодов продолжительностью 7 суток для установления окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) по меньшей мере 500 мВ в течение общего времени обработки за каждый период времени 7 суток, зависящего от температуры обрабатываемой воды, причем указанная обработка включает периодическое добавление одного или более дезинфицирующих веществ в воду в контейнере в течение периода времени 7 суток для установления ОВП по меньшей мере 500 мВ, где:
1) для воды, имеющей температуру до 35°C включительно, указанное общее время обработки включает минимальный период примерно 1 ч на каждый °C температуры воды;
2) для воды, имеющей температуру более 35°C, но менее 70°C, указанное общее время обработки включает минимальное количество часов, рассчитываемое по следующему уравнению:
[35 часов] - [(температура воды в °C - 35)×1 ч/°C] = минимальное количество часов, или
3) для воды, имеющей температуру 70°C или более, указанное общее время обработки включает минимальный период примерно 1 ч;
в) активацию с помощью средства согласования следующих операций для поддержания воды в контейнере в пределах параметров качества воды, причем средство согласования способно получать информацию, относящуюся к параметрам, регулируемым указанным средством согласования, обрабатывать ее и выдавать решение в соответствии с полученной информацией, и указанное средство активирует одну или более следующих операций для приведения указанных параметров в их пределы:
1) введение окисляющего вещества в воду в контейнере, чтобы предотвратить превышение концентрации железа и марганца 1,5 ppm;
2) введение коагулянта и/или флокулянта в воду в контейнере, чтобы предотвратить превышение величины мутности 7 НЕМ;
3) всасывание части воды в контейнере, содержащей осевшие частицы, с помощью подвижного средства всасывания, чтобы предотвратить превышение толщины осевшего материала в среднем 100 мм, фильтрацию воды, всасываемой с помощью подвижного средства всасывания, и возврат отфильтрованной воды в контейнер.
г) поставку обработанной охлаждающей воды из контейнера в промышленный процесс, при этом обеспечивают рециркуляцию воды между контейнером и промышленным процессом, промышленный процесс включает систему теплообмена, в которой требуется охлаждение, и охлаждающая вода нагревается в промышленном процессе и затем ее возвращают в контейнер с такой скоростью потока, что разность между температурой охлаждающей воды, поступающей в промышленный процесс, и температурой охлаждающей воды, выходящей из промышленного процесса, составляет по меньшей мере 3°C, и охлаждающая вода, выходящая из промышленного процесса, не вносит более 10 ppm железа в воду контейнера.
В одном воплощении система по настоящему изобретению для поставки охлаждающей воды в промышленный процесс включает следующее:
- контейнер для хранения охлаждающей воды, включающий дно для приема осевших частиц;
- линию подачи в контейнер поступающей воды;
- средство согласования для периодического активирования операций, необходимых для регулирования параметров охлаждающей воды в их заранее заданных пределах;
- средство введения химических веществ, активируемое средством согласования;
- подвижное средство всасывания для перемещения по дну контейнера и всасывания охлаждающей воды, содержащей осевшие частицы;
- движущее средство для обеспечения перемещения подвижного средства всасывания по дну контейнера;
- фильтрующее средство для фильтрации охлаждающей воды, содержащей осевшие частицы;
- коллекторную линию, соединяющую подвижное средство всасывания и фильтрующее средство;
- возвратную линию из фильтрующего средства в контейнер;
- линию впуска в теплообменник от контейнера к промышленному процессу, и
- линию возврата воды из промышленного процесса в контейнер.
В системе дно контейнера обычно включает мембраны, геомембраны, мембраны из геоткани, пластмассовую облицовку, бетон, бетон с покрытием, или их сочетания. Средство согласования выполнено с возможностью получения информации, обработки этой информации и активации других операций, таких как операции, выполняемые средством введения химических веществ, подвижным средством всасывания и фильтрующим средством. Средство введения химических веществ обычно включает инжекторы, пульверизаторы, ручное введение, дозаторы по массе, трубопроводы или их сочетания. Движущее средство приводит в действие подвижное средство всасывания и обычно включает рельсовую систему, кабельную систему, самоходную систему, движущую систему с ручным управлением, роботизированную систему, систему с дистанционным управлением, судно с двигателем, плавающее устройство с двигателем или их сочетание. Фильтрующее средство включает фильтры патронного типа, песчаные фильтры, микрофильтры, ультрафильтры, нанофильтры или их сочетание и обычно соединено с подвижным средством всасывания с помощью коллекторной линии, включающей гибкий шланг, жесткий шланг, трубу или их сочетание.
Настоящее изобретение направлено на решение различных проблем с загрязнением окружающей среды, возникающих в промышленных процессах охлаждения, включая тепловое загрязнение и отрицательное влияние на окружающую среду, вызванное таким тепловым загрязнением. Изобретатель новой технологии, раскрытой в данной заявке, Mr. Fernando Fischmann, разработал много новых предложений по технологии обработки воды, которые были быстро внедрены по всему миру. За короткий период времени технологии изобретателя, относящиеся к рекреационным чистым лагунам, включены в более чем 180 проектов по всему миру. Об изобретателе и его усовершенствованиях технологии обработки воды написано более 2000 статей, как можно видеть на сайте http://press.crustal-lagoons.com/. Изобретатель также удостоен важных международных наград за инновации и предпринимательство в связи с данными усовершенствованиями технологии обработки воды, и у него брали интервью основные средства массовой информации, включая CNN, ВВС, FUJI и Bloomberg′s Businessweek.
Как представленное выше краткое описание изобретение, так и последующее подробное описание изобретения, снабженное примерами, носят только пояснительный характер. Соответственно, представленное выше краткое описание изобретения и последующее подробное описание изобретения не следует считать ограничивающими. Кроме того, могут быть обеспечены признаки или изменения, в дополнение к описанным в данной заявке. Например, определенные воплощения могут включать различные сочетания признаков, описанных в подробном описании изобретения.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют различные воплощения настоящего изобретения.
На Фиг.1 представлена зависимость, демонстрирующая увеличение выработки электроэнергии в мире, в ТВт, за период с 1993 по 2008 гг.
На Фиг.2 представлена блок-схема, демонстрирующая теплообменную систему по воплощению настоящего изобретения.
На Фиг.3 представлена блок-схема, демонстрирующая использование воды из содержащей воду конструкции, такой как лагуна, в качестве теплообменной текучей среды, согласно настоящему изобретению.
На Фиг.4 представлен вид сверху содержащей воду конструкции, такой как лагуна, в воплощении настоящего изобретения.
На Фиг.5 представлена схема, демонстрирующая возможное рекреационное и промышленное использование содержащей воду конструкции, такой как лагуна, в качестве теплообменной текучей среды по настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
В последующем подробном описании изобретения сделаны ссылки на прилагаемые чертежи. Помимо описанных воплощений изобретения, возможны его модификации, адаптации и другие усовершенствования. Например, могут быть сделаны замены, дополнения или модификации элементов, представленных на чертежах, и способы, описанные в данной заявке, могут быть модифицированы путем замены, изменения порядка или добавления стадий в раскрытых способах. Соответственно, последующее подробное описание не ограничивает область изобретения. Хотя системы и способы описаны с использованием термина «включающий», различные устройства или стадии, системы и способы также могут «в основном состоять из» или «состоять из» различных устройств или стадий, если не указанное иное. Кроме того, термины в единственном числе предполагают включение альтернатив во множественном числе, например, по меньшей мере один элемент, если не указано иное. Например, в описании «дезинфицирующее вещество», «линия впуска», «подвижное средство всасывания» и т.д. охватывают одно или более чем одно дезинфицирующее вещество, подвижное средство всасывания, одну или более чем одну линию впуска и т.д., если не указано иное.
Определения
В свете настоящего описания, приведенные ниже термины или фразы следует понимать следующим образом.
Термины «контейнер» или «вмещающее средство» в данной заявке в общем используют для описания любого большого искусственного водного объекта, и он охватывает такие термины, как искусственные лагуны, искусственные озера, искусственные пруды, бассейны и т.п.
Термин «средство согласования» в общем используют в данной заявке для описания автоматизированной системы, которая способна получать информацию, обрабатывать ее и выдавать решение в соответствии с этой обработкой. В одном воплощении изобретения все это может осуществлять оператор, тогда как в другом воплощении это можно осуществлять с помощью компьютера, соединенного с датчиками.
Термин «средство введения химических веществ» в общем используют в данной заявке для описания любой системы, которая позволяет добавлять или вводить химические вещества, например, в воду в контейнере или лагуне.
Термин «подвижное средство всасывания» в общем используют в данной заявке для описания любого устройства всасывания, которое способно перемещаться по поверхности дна контейнера и всасывать любой осевший материал или частицы.
Термин «движущее средство» в общем используют в данной заявке для описания любого движущего устройства, которое позволяет обеспечить движение, путем проталкивания или протягивания, другого устройства.
Термин «фильтрующее средство» в общем используют в данной заявке для описания любой системы фильтрации, которая может включать фильтры, сита и/или сепараторы и т.п.
Как используют в данной заявке, основные типы воды и соответствующие им концентрации (в мг/л) общего количества растворенных твердых веществ (ОКРТВ) включают питьевую воду с ОКРТВ≤1500; слабоминерализованную воду с 1500≤ОКРТВ≤10000 и морскую воду с ОКРТВ>10000.
Как используют в данной заявке, термин «вода высокого микробиологического качества» включает предпочтительное количество аэробных бактерий менее 200 КОЕ/мл, более предпочтительно, менее 100 КОЕ/мл и, наиболее предпочтительно, менее 50 КОЕ/мл.
Как используют в данной заявке, термин «высокая прозрачность» включает предпочтительный уровень мутности менее 12 нефелометрических единиц мутности «НЕМ», более предпочтительно, менее 10 НЕМ, и наиболее предпочтительно, менее 7 НЕМ.
Как используют в данной заявке, термин «небольшая часть», соответствующая фильтруемому объему воды, включает поток до 200 раз меньший, чем поток, фильтруемый традиционно скомпонованными системами фильтрации воды плавательных бассейнов.
Как используют в данной заявке, термин «традиционная система фильтрации воды плавательного бассейна», или «обычная система фильтрации воды плавательного бассейна», или «обычная система фильтрации плавательного бассейна» включает систему фильтрации, которая фильтрует весь объем обрабатываемой воды от 1 до 6 раз в сутки, обычно с помощью централизованного фильтрующего устройства.
Как описано выше, промышленные системы охлаждения обычно требуют больших объемов воды высокого качества, при низких затратах, для питания теплообменников процессов конденсации или охлаждения в большинстве отраслей промышленности. В основном в теплообменниках используют воду, поскольку она обладает теплоемкостью приблизительно в 4 раза большей, чем воздух, обеспечивая высокую эффективность теплопереноса. В теплообменных процессах охлаждающая вода поступает в теплообменник при начальной температуре, поглощает тепло, что увеличивает температуру охлаждающей воды, например, по меньшей мере на 3°C, или от 3°C до 20°C, или приблизительно на 10°C. Затем охлаждающая вода с более высокой температурой выходит из теплообменника и ее выпускают, подают рециклом обратно в лагуну или применяют в каких-либо других процессах ниже по потоку. Например, искусственную лагуну можно использовать для снижения температуры воды, которая выходит из промышленного процесса охлаждения, но перед выпуском воды в водный источник.
Кроме того, качество охлаждающей воды также имеет очень большое значение, поскольку в зависимости от ее качества, теплоперенос в теплообменниках является более или менее эффективным, что влияет на стоимость эксплуатации и технического обслуживания установки. Качество охлаждающей воды, используемой в настоящее время, сильно зависит от водного источника, из которого отбирают воду, например, моря, рек, озер и т.п.
Настоящее изобретение относится к способу и системе обеспечения промышленного процесса охлаждающей водой высокого микробиологического качества, сравнимого с качеством воды плавательных бассейнов, при низких затратах. Благодаря рециркуляции охлаждающей воды, может быть достигнут сбалансированный процесс и в то же время обеспечивают нагревание большого объема воды, таким образом создавая запасы тепловой энергии для других применений, таких как отопление жилых помещений, поставка горячей воды, термическое опреснение, обогрев парников и т.п., а также для различных других промышленных и бытовых целей.
2
2
2
2
2
2
Большие объемы обработанной воды подают из большого контейнера или искусственной лагуны. Площадь поверхности контейнера или лагуны можно определить в некоторых воплощениях по количеству энергии, которую следует рассеять в промышленном процессе. Обычно площадь поверхности может составлять от приблизительно 50 м до приблизительно 30000 м на МВт охлаждения, требующегося для промышленного процесса. В некоторых воплощениях площадь поверхности может составлять от приблизительно 50 мдо приблизительно 10000 м, или от приблизительно 50 м до приблизительно 5000 м на МВт охлаждения, требующегося для промышленного процесса. Контейнер или лагуну можно использовать для рекреационных или промышленных целей, и они могут быть сгруппированы в различных конфигурациях, чтобы обеспечить использование нескольких искусственных охлаждающих лагун или контейнеров в одно и то же время. Такие лагуны или контейнеры могут быть расположены последовательно, параллельно и посредством соединения одной лагуны или контейнера с другой (другим).
В соответствии с воплощениями, раскрытыми в данном описании, способы и системы позволяют обрабатывать большие объемы воды при низких затратах. Обычно это включает очистку воды и удаление взвешенных твердых частиц из воды без фильтрации всего объема воды, а посредством фильтрации только небольшой части, соответствующей объему до 200 раз меньшему, чем в традиционных способах фильтрации воды плавательных бассейнов. Обработанная вода, полученная с помощью таких способов и систем, может быть использована для промышленных целей, например для подачи в промышленный теплообменный процесс.
На Фиг.2 представлено воплощение настоящего изобретения относящееся к теплообменной системе. Система на Фиг.2 изображает упрощенный процесс 9 теплоэлектростанции. Однако основная концепция теплообмена, показанная на Фиг.2, может быть использована для любого промышленного процесса, в котором требуется охлаждение материала или устройства. На Фиг.2 пар проходит через одну или более турбин 5 и затем поступает в теплообменник 3, в котором пар конденсируют. Нагретый пар 7 поступает в теплообменник, где поглощается тепло, и вещество выходит в виде конденсата 8. Конденсат 8 может проходить через насосную систему 6, где его направляют в бойлер 4, чтобы снова преобразовать в пар для пропускания через турбины 5. В теплообменнике 3 поглощающая тепло текучая среда, которая может представлять собой поступающую охлаждающую воду 1, которую подают с заранее заданной температурой, проходит через теплообменник и поглощает тепло из пара 7 и затем выходит 2 при более высокой температуре.
3
3
3
3
3
Система по изобретению обычно включает контейнер, средство согласования, средство введения химических веществ, подвижное средство всасывания и фильтрующее средство. На Фиг.3 показано воплощение системы по изобретению, в котором воду из контейнера или искусственной лагуны используют как теплообменную среду в промышленном процессе. Система включает линию 11 впуска воды в контейнер или искусственную лагуну 12. Размер контейнера или искусственной лагуны не ограничен особым образом, однако в большинстве воплощений контейнер или искусственная лагуна может иметь объем по меньшей мере 10000 м или, альтернативно, по меньшей мере 50000 м. Предусмотрено, что контейнер или лагуна может иметь объем 1 миллион м, 50 миллионнов м, 500 миллионнов м или более. Контейнер или искусственная лагуна 12 имеет дно 13, выполненное с возможностью приема осевшего материала, такого как бактерии, водоросли, взвешенные твердые частицы, металлы и другие частицы, оседающие из воды. Также присутствует регулирующее устройство или средство 10 согласования, которое отслеживает и регулирует операции, чтобы привести параметры 14 качества воды в соответствующие их пределы. Такие операции могут включать активацию 16 средства 18 введения химических веществ и активацию 17 подвижного средства 22 всасывания. Подвижное средство 22 всасывания перемещается по дну лагуны, всасывая воду, содержащую осевшие частицы, полученные в результате какой-либо описанной в данной заявке операции, что может влиять на качество воды. Также обеспечено движущее средство 23, которое обеспечивает перемещение подвижного средства всасывания, так что подвижное средство всасывания может перемещаться по дну лагуны. Всасываемую воду подают на фильтрующее средство 20, которое обеспечивает фильтрацию воды, содержащей осевшие частицы, таким образом, устраняют необходимость фильтрования всего объема воды (например, фильтруют только небольшую часть воды в лагуне за такой же период времени, как в случае обычной системы фильтрации для бассейна).
Всасываемую воду можно направлять в фильтрующее средство с помощью коллекторной линии 19, соединенной со средством всасывания. Также обеспечена возвратная линия 21 от фильтрующего средства обратно в лагуну для возврата отфильтрованной воды. Линия 1 подачи охлаждающей воды обеспечивает подачу охлаждающей воду из лагуны в промышленный процесс 9, например в теплообменник, а возвратная линия 2 обеспечена для поставки воды с более высокой температурой, поступающей из промышленного процесса охлаждения, обратно в лагуну. В некоторых воплощениях такая вода, поступающая из промышленного процесса охлаждения обратно в лагуну, не вносит более 100 ppm железа в воду в контейнере или лагуне. Средство 10 согласования может изменять поток обработанной охлаждающей воды в промышленный процесс 9. От промышленного процесса 9 может поступать информация 15 на средство 10 согласования для установления заранее заданных пределов качества воды.
Линия 11 впуска воды может включать обработанную воду, пресную воду, слабоминерализованную воду или морскую воду, обрабатываемую в соответствии со способом и системой по изобретению. Способ и система могут включать средство 10 согласования, которое позволяет периодически активировать операции, необходимые для приведения регулируемых параметров (например, параметры качества воды) в пределы, определяемые оператором или заданные заранее. В воплощениях промышленный процесс 9 может передавать информацию 15 на средство 10 согласования для установления заранее заданных пределов качества воды. В настоящем изобретении используют меньше химических веществ, чем в традиционных системах обработки воды плавательных бассейнов, поскольку химические вещества вводят в соответствии с нуждами системы посредством применения алгоритма, который зависит от температуры воды; таким образом избегают необходимости подержания постоянных концентраций химических веществ в воде, что привело бы к более высоким затратам на эксплуатацию. Таким образом, можно обеспечить значительное снижение количества используемых химических веществ, вплоть до 100 раз, по сравнению с традиционной обработкой воды плавательных бассейнов, что значительно снижает затраты на эксплуатацию.
Вода, возвращаемая в лагуну, начинает медленно циркулировать и смешивается со всем объемом воды в лагуне, достигая более низкой температуры. Потери тепла могут быть вызваны теплообменом с окружающей средой посредством теплопередачи, конвекции и/или испарения. Обеспечена по меньшей мере одна точка 1 забора воды из лагуны в промышленный процесс и по меньшей мере одна точка 2 возврата воды с более высокой температурой из промышленного процесса в лагуну, и их предпочтительно располагают на таком расстоянии, что на температуру воды в точке забора воды не влияет температура воды в точке возврата. Кроме того, можно реализовать уменьшение площади/объема лагуны, если температура воды в точке возврата и/или температура воды в лагуне являются более высокими.
Информация, поступающая на средство согласования, может быть получена посредством визуального наблюдения, эмпирических методов, алгоритмов, основанных на практическом опыте, с помощью электронных датчиков или их сочетания. Средство согласования может включать одного или более оператора, электронные устройства или любое средство, позволяющее получать информацию, обрабатывать эту информацию и активировать другие операций, и это включает их сочетания. Один из примеров средства согласования представляет собой компьютерное устройство, такое как персональный компьютер. Средство согласования также может включать датчики, применяемые для получения информации, относящейся к параметрам качества воды.
Средство введения химических веществ активируют с помощью средства согласования, и оно позволяет вводить или добавлять в дозированном количестве химические вещества в воду. Средство введения химических веществ включает, но не ограничено перечисленным, инжекторы, пульверизаторы, ручное введение, дозаторы по массе, трубопроводы и их сочетания.
Дно контейнера или лагуны обычно включает непористый материал, или его покрывают непористым материалом. Непористые материалы могут представлять собой мембраны, геомембраны, мембраны из геоткани, пластмассовую облицовку, бетон, бетоном с покрытием или их сочетания. В предпочтительном воплощении изобретения дно контейнера или искусственной лагуны включает пластмассовую облицовку.
Подвижное средство всасывания перемещается по дну контейнера или лагуны, всасывая воду, содержащую осевшие частицы и материалы, полученные в результате каких-либо операций, раскрытых в данной работе. Движущее средство может быть соединено с подвижным средством всасывания, позволяя осуществлять перемещение подвижного средства всасывания по дну контейнера. Движущее средство приводит в действие подвижное средство всасывания посредством использования такой системы, как рельсовая система, кабельная система, самоходная система, движущая система с ручным управлением, роботизированная система, система с дистанционным управлением, судно с двигателем или плавающее устройство с двигателем или их сочетания. В предпочтительном воплощении изобретения, движущее средство включает судно с двигателем.
Воду, всасываемую подвижным средством всасывания, можно направлять в фильтрующее средство. Фильтрующее средство принимает поток воды, всасываемый подвижным средством всасывания, и фильтрует всасываемую воду, содержащую осевшие частицы и материалы, таким образом устраняют необходимость фильтрации всего объема воды (например, фильтруют только небольшую часть). Фильтрующее средство включает, но не ограничено перечисленным, фильтр патронного типа, песчаный фильтр, микрофильтр, ультрафильтр, нанофильтр и их сочетания. Всасываемую воду можно направлять в фильтрующее средство посредством коллекторной линии, соединенной с подвижным средством всасывания. Коллекторную линию выбирают из гибких шлангов, жестких шлангов, труб из любого материала и их сочетаний. Система может включать линию от фильтрующего средства обратно в контейнер или лагуну для возврата отфильтрованной воды.
На Фиг.4 показан вид сверху системы по изобретению. Контейнер или искусственная лагуна может включать систему 11 подающих труб для пополнения контейнера или лагуны, необходимого из-за испарения или других потерь воды (например, выпуска или впитывания в грунт). Система также может включать инжекторы 24, расположенные по периметру контейнера или искусственной лагуны, для введения или добавления в дозированном количестве химических веществ в воду. Также можно использовать скиммеры 25 для удаления с поверхности масел и частиц.
В одном воплощении система обеспечения охлаждающей воды высокого микробиологического качества для промышленного процесса включает следующие элементы:
- контейнер для хранения охлаждающей воды, включающий дно для приема осевших частиц;
- линию подачи в контейнер поступающей воды;
- средство согласования для периодического активирования операций, необходимых для регулирования параметров охлаждающей воды в их заранее заданных пределах;
- средство введения химических веществ, активируемое средством согласования;
- подвижное средство всасывания для перемещения по дну контейнера и всасывания охлаждающей воды, содержащей осевшие частицы;
- движущее средство для обеспечения перемещения подвижного средства всасывания по дну контейнера;
- фильтрующее средство для фильтрации охлаждающей воды, содержащей осевшие частицы;
- коллекторную линию, соединяющую подвижное средство всасывания и фильтрующее средство;
- возвратную линию из фильтрующего средства в контейнер;
- линию впуска в теплообменник от контейнера к промышленному процессу, и
- линию возврата воды из промышленного процесса в контейнер.
Эта же система позволяет удалять соединения или материалы, которые склонны к оседанию при добавлении химического вещества, поскольку подвижное средство всасывания всасывает все осевшие частицы со дна контейнера.
Способ обработки воды по изобретению можно осуществлять при низких затратах, по сравнению с традиционными системами обработки воды плавательных бассейнов, благодаря тому, что в настоящем изобретении применяют меньше химических веществ и обеспечивают меньшее потребление энергии, чем в традиционных системах обработки воды плавательных бассейнов. В одном аспекте, в настоящем способе используют значительно меньше химических веществ, поскольку в нем применяют алгоритм, позволяющий поддерживать ОВП (окислительно-восстановительный потенциал) по меньшей мере 500 мВ в течение определенного периода времени, в зависимости от температуры воды, тем самым сохраняя высокое микробиологическое качество воды в соответствии с фактической необходимостью для воды. Настоящий способ осуществляют посредством системы, описанной в данной заявке, которая включает средство согласования, которое определяет, когда подавать требуемые химические вещества, чтобы привести регулируемые параметры в их пределы, на основе информации, полученной от системы. Поскольку используют средство согласования, химические вещества вводят только тогда, когда они необходимы, избегая необходимости поддерживать постоянную концентрацию химических веществ в воде. Таким образом обеспечивают значительное снижение количества химических веществ, вплоть до 100 раз по сравнению с традиционными системами обработки воды плавательных бассейнов, что приводит к снижению затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание.
В другом воплощении способ и система по изобретению предусматривают фильтрацию только небольшой части всего объема воды за определенный период времени, по сравнению с традиционными системами фильтрации воды плавательных бассейнов, которые предусматривают фильтрацию намного большего объема воды за тот же промежуток времени. В одном воплощении небольшая часть от всего объема воды вплоть до 200 раз меньше, чем поток, обрабатываемый в традиционных системах фильтрации воды плавательных бассейнов, которые фильтруют весь объем воды. Фильтрующее средство в способе и системе по изобретению эксплуатируют в течение более коротких периодов времени, благодаря командам, получаемым от средств согласования. Таким образом, фильтрующее средство имеет очень небольшую емкость, что приводит к снижению вплоть до 50 раз капитальных затрат и потребления энергии по сравнению с централизованным фильтрующим устройством, требующимся в традиционной системе фильтрации воды плавательных бассейнов.
Способ обеспечения промышленного процесса охлаждающей водой включает следующие стадии:
2
а) хранение воды в контейнере, имеющем площадь поверхности от 50 до 30000 м на МВт охлаждения, требуемого промышленным процессом, и дно, выполненное с возможностью его очистки с помощью подвижного средства всасывания;
б) обработку воды в контейнере в течение периодов продолжительностью 7 суток для установления окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) по меньшей мере 500 мВ в течение общего времени обработки за каждый период времени 7 суток, зависящего от температуры обрабатываемой воды, причем указанная обработка включает периодическое добавление одного или более дезинфицирующих веществ в воду в контейнере в течение периода времени 7 суток для установления ОВП по меньшей мере 500 мВ, где:
1) для воды, имеющей температуру до 35°C включительно, указанное общее время обработки включает минимальный период примерно 1 ч на каждый °C температуры воды;
2) для воды, имеющей температуру более 35°C, но менее 70°C, указанное общее время обработки включает минимальное количество часов, рассчитываемое по следующему уравнению:
[35 часов] - [(температура воды в °C - 35)×1 ч/°C] = минимальное количество часов, или
3) для воды, имеющей температуру 70°C или более, указанное общее время обработки включает минимальный период примерно 1 ч;
в) активацию с помощью средства согласования следующих операций для поддержания воды в контейнере в пределах параметров качества воды, причем средство согласования способно получать информацию, относящуюся к параметрам, регулируемым указанным средством согласования, обрабатывать ее и выдавать решение в соответствии с полученной информацией, и указанное средство активирует одну или более следующих операций для приведения указанных параметров в их пределы:
1) введение окисляющего вещества в воду в контейнере, чтобы предотвратить превышение концентрации железа и марганца 1,5 ppm;
2) введение коагулянта и/или флокулянта в воду в контейнере, чтобы предотвратить превышение величины мутности 7 НЕМ;
3) всасывание части воды в контейнере, содержащей осевшие частицы, с помощью подвижного средства всасывания, чтобы предотвратить превышение толщины осевшего материала в среднем 100 мм, фильтрацию воды, всасываемой с помощью подвижного средства всасывания, и возврат отфильтрованной воды в контейнер.
г) поставку обработанной охлаждающей воды из контейнера в промышленный процесс, при этом обеспечивают рециркуляцию воды между контейнером и промышленным процессом, промышленный процесс включает систему теплообмена, в которой требуется охлаждение, и охлаждающая вода нагревается в промышленном процессе и затем ее возвращают в контейнер с такой скоростью потока, что разность между температурой охлаждающей воды, поступающей в промышленный процесс, и температурой охлаждающей воды, выходящей из промышленного процесса, составляет по меньшей мере 3°C, и охлаждающая вода, выходящая из промышленного процесса, не вносит более 10 ppm железа в воду контейнера.
Вода, обрабатываемая с помощью способа по изобретению, может быть обеспечена из природного источника воды, такого как океаны, грунтовые воды, озера, реки, обработанная вода или их сочетания.
Дезинфицирующие вещества вводят в воду с помощью средства введения химических веществ, чтобы поддерживать уровень ОВП по меньшей мере 500 мВ в течение минимального периода времени в соответствии с температурой воды, в течение периодов 7 суток единовременно. Дезинфицирующие вещества включают, но не ограничены перечисленным, озон, бигуанидовые продукты, альгицидные и антибактериальные вещества, такие как соединения меди; соли железа; спирты; хлор и соединения хлора; пероксиды; фенольные соединения; йодофоры; четвертичные амины (поличетвертичные аммониевые соединения), в основном такие как хлорид бензалкония и s-триазин; надуксусную кислоту; соединения на основе галогенов; соединения на основе брома и их сочетания.
Если температура воды составляет вплоть до 35°C, поддерживают уровень ОВП по меньшей мере 500 мВ в течение минимального периода 1 ч на каждый градус Цельсия температуры воды. Например, если температура воды составляет 25°C, тогда поддерживают уровень ОВП по меньшей мере 500 мВ в течение минимального периода 25 ч, который может быть распределен в течение периода 7 суток.
Если температура воды составляет более 35°C и менее 70°C, уровень ОВП по меньшей мере 500 мВ поддерживают в течение минимального количества часов, которое рассчитывают по следующему уравнению:
(35 часов)-(температура воды в°C - 5) = минимальное количество часов.
Например, если температура воды составляет 50°C, уровень ОВП по меньшей мере 500 мВ поддерживают в течение минимального периода 20 часов ([35]-[50-35]), который может быть распределен в течение периода 7 суток.
Наконец, если температура воды составляет 70°C или более, уровень ОВП по меньшей мере 500 мВ поддерживают в течение минимального периода 1 ч.
Окисляющие вещества вводят в воду или распределяют в ней для поддержания и/или предотвращения превышения концентраций железа и марганца 1,5 ppm. Подходящие окисляющие вещества включают, но не ограничены перечисленным, марганцовокислые соли; пероксиды; озон; персульфат натрия; персульфат калия; окисляющие вещества, полученные электролитическим способом; соединения на основе галогенов и их сочетания. Обычно окисляющие вещества вводят в воду и/или распределяют в ней с помощью средства (4) введения химических веществ.
Ингибиторы отложений вводят в воду или распределяют в ней для снижения или предотвращения отложений, например, в теплообменнике промышленного процесса. Неограничивающие примеры ингибиторов отложений включают, но не ограничены перечисленным, соединения на основе фосфонатов, такие как фосфоновая кислота, ФБТК (фосфобутантрикарбоновая кислота), хроматы, полифосфаты цинка, нитриты, силикаты, органические вещества, каустическую соду, полимеры на основе яблочной кислоты, полиакрилат натрия, натриевые соли этилендиаминтетрауксусной кислоты, ингибиторы коррозии, такие как бензотриазол, и их сочетания.
Флокулянт или коагулянт вводят в воду или распределяют в ней для агрегирования, агломерации, коалесценции и/или коагуляции ожидаемых частиц в воде, которые затем оседают на дно контейнера. В основном флокулянты или коагулянты вводят в воду или распределяют в ней с помощью средства введения химических веществ. Подходящие флокулянты или коагулянты включают, но не ограничены перечисленным, полимеры, такие как катионные полимеры и анионные полимеры; соли алюминия, такие как хлоргидрат алюминия, алюминиевые квасцы и сульфат алюминия; четвертичные аммониевые соединения и поличетвертичные аммониевые соединения; оксид кальция; гидроксид кальция; сульфат двухвалентного железа;, хлорид трехвалентного железа; полиакриламид; алюминат натрия; силикат натрия; натуральные продукты, такие как хитозан, желатин, гуаровая камедь; альгинаты; семена моринги; производные крахмала и их сочетания. Фракция воды, в которой собираются или оседают хлопья, обычно представляет собой слой воды на дне контейнера. Хлопья образуют осадок на дне контейнера, который затем удаляют с помощью подвижного средства всасывания, что не требует фильтрации всей воды в контейнере, например, фильтруют только небольшую часть.
Средство введения химических веществ и подвижное средство всасывания в способе и системе по изобретению периодически активируют с помощью средства согласования, чтобы привести регулируемые параметры в соответствие их пределам. Средство введения химических веществ и подвижное средство всасывания активируют в соответствии с требованиями системы, что приводит к применению значительно меньшего количества химических веществ, по сравнению с традиционными системами обработки воды плавательных бассейнов, и фильтрации небольшой части общего объема воды, вплоть до 200 раз меньшей, чем в традиционных системах фильтрации воды плавательных бассейнов, где фильтруют весь объем воды за тот же период времени. В некоторых воплощениях, рассмотренных в данном описании, «небольшая часть» фильтруемой воды может составлять менее приблизительно 30%, менее приблизительно 25%, менее приблизительно 20%, менее приблизительно 15%, менее приблизительно 10%, менее приблизительно 9%, менее приблизительно 8%, менее приблизительно 7%, менее приблизительно 6%, менее приблизительно 5%, менее приблизительно 4%, менее приблизительно 3%, менее приблизительно 2%, менее приблизительно 1%, менее приблизительно 0,9%, менее приблизительно 0,8%, менее приблизительно 0,7%, менее приблизительно 0,6%, менее приблизительно 0,5% в сутки от общего объема воды.
В способе и системе, раскрытых в данном описании, средство согласования получает информацию, относящуюся к параметрам качества воды и соответствующим их пределам. Информация, принимаемая средством согласования, может быть получена эмпирическими методами. Средство согласования также выполнено с возможностью получения информации, обработки этой информации и активации требуемых в соответствии с этой информацией операций, включая сочетания этих возможностей. Одним примером средства согласования является компьютерное устройство, такое как персональный компьютер, соединенный с датчиками, который обеспечивает измерение параметров и активацию операций в соответствии с такой информацией.
Типичными операциями, которые активируют с помощью средства согласования, включают:
- периодическую активацию средства введения химических веществ, с обеспечением информации относительно дозировки и добавления подходящих химических веществ для подержания регулируемых параметров качества воды в соответствующих их пределах;
- периодическую активацию подвижного средства всасывания с одновременной активацией фильтрующего средства для фильтрования воды, всасываемой подвижным средством всасывания; таким образом обеспечивают фильтрацию только небольшой части воды в контейнере или искусственной лагуне, по сравнению с традиционно сконструированными централизованными системами фильтрации плавательных бассейнов.
Средство согласования также снабжает информацией подвижное средство всасывания, чтобы активировать подвижное средство всасывания. Средство согласования позволяет одновременно активировать фильтрующее средство, чтобы фильтровать поток, засасываемый подвижным средством всасывания, т.е. обеспечивать фильтрацию только небольшой части всего объема воды. Подвижное средство всасывания активируют с помощью средства согласования, чтобы избежать превышения толщины осевшего материала обычно более 100 мм. Фильтрующее средство и подвижное средство всасывания эксплуатируют только при необоримости поддержания параметров воды в их пределах, например, только несколько часов в сутки, в отличие от традиционных систем фильтрации, которые эксплуатируют по существу непрерывно. В других воплощениях подвижное средство всасывания может предотвращать превышение толщины осевшего материала 50 мм, или 25 мм, или 15 мм. В некоторых примерах контейнер или искусственную лагуну используют для рекреационных целей, помимо того, что они служат в качестве источника охлаждающей воды для промышленных процессов.
В некоторых воплощениях подвижное средство всасывания может перемещаться по дну искусственной лагуны, тщательно всасывая поток воды, содержащий осевшие частицы, в результате чего дно лагуны становится легко видимым через воду. Более того, дно лагуны может быть любого цвета, включая белый, желтый или светло-голубой, что часто придает водному объекту привлекательный цвет. В одном воплощении горизонтальная видимость через воду лагуны может составлять по меньшей мере 4 м, по меньшей мере 6 м, по меньшей мере 10 м или по меньшей мере 15 м, и в некоторых случаях вплоть до 40 м.
Помимо применения для охлаждения, вода в искусственной лагуне может быть достаточного качества и чистоты, чтобы отвечать государственным нормам для рекреационной воды с непосредственным контактом и/или государственным нормам качества воды плавательных бассейнов. Например, вода, содержащаяся в искусственной лагуне, может отвечать бактериологическим требованиям Агентства по охране окружающей среды для рекреационной воды с непосредственным контактом, как определено в ЕРА Criteria for Bathing (Full Body Contact) Recreational Waters, 1986.
На Фиг.5 проиллюстрированы воплощения различного рекреационного и промышленного применения контейнера или искусственной лагуны 12, раскрытой в данном описании. Контейнер или искусственная лагуна 12 включает линию 2 подачи и линию 1 отведения воды. В одном воплощении 33 проиллюстрированы различные применения лагуны, содержащей нагретую воду (запас тепловой энергии): отопление жилых помещений 30, подача горячей воды для целей термического опреснения 28, обогрев парников 29 или процесс предварительного нагревания текучих сред или подача предварительно нагретой воды для различных промышленных процессов 27, а также другие разнообразные применения 31 в промышленности и коммунальном хозяйстве. В другом воплощении 32 представлено использование лагуны 12, содержащей нагретую воду (запас тепловой энергии), для коммерческих/рекреационных целей, например застройка 26 окружающей лагуну территории.
Примеры
В последующих примерах термины в единственном числе включают множественные альтернативы (по меньшей мере один). Представленная информация является иллюстративной, и существуют другие воплощения, которые попадают в область защиты настоящего изобретения.
Пример 1
3
2
Способ и систему по настоящему изобретению можно использовать для охлаждения масляного генератора. Контейнер объемом 200 м и площадью поверхности приблизительно 285 м заполняли морской водой с концентрацией ОКРТВ приблизительно 35000 ppm. Температура воды в контейнере составляла 35°C. Исходя из этой температуры, поддерживали уровень ОВП по меньшей мере 500 мВ в течение периода (35·1)=35 часов в течение недели. В понедельник, для поддержания ОВП в течение периода 12 ч, в воду добавляли гипохлорит натрия, чтобы достичь концентрации 0,16 ppm в воде. Позже на неделе, в среду, поддерживали ОВП в течение периода 9 ч, путем обеспечения такой же концентрации гипохлорита натрия. Наконец, в пятницу поддерживали концентрацию 0,16 ppm гипохлорита натрия в воде в течение оставшихся (35-12-9)=14 ч, чтобы выработать 35 ч в неделю. Не было необходимости осуществлять дополнительный окислительный процесс для регулирования концентраций железа и марганца, поскольку гипохлорит натрия имел достаточный окислительно-восстановительный потенциал для окисления железа и марганца. Вводили флокулянт перед тем, как мутность достигала 7 НЕМ, и в качестве него вводили Crystal Clear до достижения концентрации 0,09 ppm в контейнере.
На основании информации, полученной от системы, средство согласования активировало подвижное средство всасывания перед тем, как толщина осевшего слоя материала превышала 100 мм. Осевший материал, продукт согласованного способа, всасывали с помощью устройства, которое перемещали по поверхности контейнера, и собранный поток фильтровали через песчаный фильтр со скоростью 5 л/с. Не было необходимости фильтровать весь объем воды. Устройство всасывания отбирало только небольшую часть от общего объема воды, содержащую осадки, и доставляло эту воду к песчаному фильтру. Затем отфильтрованную воду возвращали обратно в контейнер из песчаного фильтра через возвратную линию.
Очищенную воду использовали для охлаждения одного дизельного двигателя Hyundai, модель D6CA. Тип двигателя: 6 цилиндров, с вертикально расположенными цилиндрами, охлаждаемый водой. Генератор представлял собой Stanford 125 кВА. В теплообменник дизельного двигателя заливали фильтрованную воду из контейнера. Температура подаваемой в теплообменник воды составляла 35°C, а температура воды, отводимой обратно в контейнер, составляла 39,3°C, таким образом, температура охлаждающей воды увеличивалась приблизительно на 4,3°C. Поток рециркулируемой воды каждого генератора составлял 3,45 л/с. Таким образом, генератор охлаждали, и в то же время использовали остаточное тепло для нагревания воды в контейнере, которая поддерживалась при высокой температуре, вследствие такого теплообмена. Тепловая энергия водяного охлаждения составляла приблизительно 62 кВт, в результате чего отношение поверхность/МВт составляло:
Нагретую воду использовали в плавательном бассейне умеренной температуры для рекреационных целей, таким образом обеспечивали высокую экономию энергии по сравнению с нагреванием воды с помощью традиционных способов (например, с помощью бойлера).
Пример 2
2
3
Способ и систему по настоящему изобретения можно использовать для обработки и содержания воды для охлаждения теплоэлектростанции мощностью 420 МВт. Можно построить искусственную лагуну площадью поверхности приблизительно 360000 м, объемом приблизительно 540000 м и с температурой воды приблизительно 45°C. В приведенной ниже таблице показаны оцененные площади поверхности (гектар=га), которые могут потребоваться для охлаждения электростанции мощностью 420 МВт, исходя из температуры воды в лагуне:
Воду в лагуну можно подавать через линию подачи воды, отбирая воду из моря с общим количеством растворенных твердых веществ приблизительно 35000 ppm, до заполнения лагуны.
Температура воды в контейнере составляет 45°C, что выше 35°C, поэтому ОПР поддерживали по меньшей мере 500 мВ в течение общего количества 25 ч (35-[45-35]=25), распределенных по периоду 7 суток. Например, во вторник можно добавлять бромид натрия для поддержания концентрации 0,134 ppm в воде в течение 12 ч, а затем в пятницу на той же неделе, введение химического вещества можно повторить таким же образом в течение 13 ч, таким образом вырабатывая общее количество 25 ч в течение 7 суток.
Средство согласования, которым может являться оператор, получает информацию относительно регулируемых параметров способа и системы (например, различные параметры качества воды). Может отсутствовать необходимость добавления окисляющего вещества в воду, поскольку бромид натрия обычно имеет достаточный окислительно-восстановительный потенциал для окисления железа и марганца.
Для выполнения стадии флокуляции можно вводить Crystal Clear перед тем, как мутность достигнет 7 НЕМ, с получением концентрации 0,08 ppm в воде. Добавление флокулянта можно повторять каждые 48 часов.
После оседания бактерий, металлов, водорослей и других твердых веществ и перед тем, как толщина слоя осевшего материала достигает 15 мм, средство согласования может активировать подвижное средство всасывания, которое включает 9 устройств всасывания, перемещающихся по дну лагуны, всасывая воду, содержащую какие-либо осевшие частицы. Каждое из 9 устройств всасывания может быть соединено с движущим средством, в данном случае судном с двигателем. Поток воды, содержащий осевшие частицы, для каждого устройства всасывания можно перекачивать с помощью насоса мощностью 5,5 кВт в фильтрующее средство через гибкие шланги.
Всасываемый поток для каждого устройства всасывания фильтруют с помощью песчаных фильтров со скоростью 21 л/с. Таким образом избегают необходимости фильтровать весь объем воды, вместо этого фильтруют только фракцию воды, содержащую осевшие частицы, засасываемые устройствами всасывания, что составляет вплоть до 200 раз меньше, чем объем воды, фильтруемый традиционными системами фильтрации плавательных бассейнов. Отфильтрованную воду возвращают обратно в лагуну с помощью возвратной линии, которая представляет собой гибкий шланг.
Обработанную воду используют в качестве охлаждающей воды для тепловой электростанции мощностью 420 МВт. Рассеиваемая мощность (или тепло), скорость потока воды и подъем температуры воды взаимосвязаны согласно следующему уравнению:
p
Q=m·c·ΔT,
p
где c представляет собой удельную теплоемкость воды при постоянном давлении, приблизительно 4,000 кДж/(кг·К).
3
Следовательно, для станции мощностью 420 МВт скорость потока охлаждающей воды составляет 54000 м/ч с увеличением температуры охлаждающей воды приблизительно на 7°C. Площадь поверхности лагуны составляет 36 га, что составляет 0,086 га на каждый МВт требуемого охлаждения.
Охлаждающую воду в теплообменник теплоэлектростанции можно подавать из лагуны с помощью различных средств. Температура воды в лагуне и, следовательно, температура поступающей в теплообменник охлаждающей воды, составляет приблизительно 45°C. После выхода из теплообменника, воду возвращают обратно в лагуну при температуре приблизительно 52°C. Таким образом, температура воды, используемой в промышленном процессе охлаждения, возрастает приблизительно на 7°C.
Возвращаемая обратно в лагуну вода, которая находится при более высокой температуре, начинает медленно протекать через лагуну, смешиваясь с общим объемом воды лагуны, что снижает температуру возвращаемой воды. Температура лагуны остается равной в среднем приблизительно 45°C, и воду можно снова извлекать из лагуны для применения в промышленном процессе охлаждения или подавать ее на непрерывной основе. Обработанная вода в лагуне имеет следующие параметры:
Как видно из данного примера, применение данного изобретения имеет несколько преимуществ перед существующими системами охлаждения, включающих предотвращение вредного воздействия на морскую экосистему как из-за тепловых выбросов, так и из-за всасывания водных организмов в промышленный процесс, поскольку проиллюстрированная система представляет собой систему рециркуляции воды в замкнутом контуре, не соединенную с океаном или природными водными источниками; низкие затраты на ввод в эксплуатацию и эксплуатацию по сравнению с башенными охладителями и другими известными системами охлаждения; возможность размещения промышленной станции в невообразимых ранее местах, поскольку благодаря низкому потреблению воды из водного источника нет необходимости размещать промышленную станцию рядом с морем или другим природным водным источником, и в то же время создание большого запаса энергии для множества других применений, таких как отопление жилых помещений, поставка горячей воды и термическое опреснение, а также для другого промышленного, бытового и/или рекреационного применения.
Благодаря низкой стоимости фильтрующего средства, в котором фильтруют только небольшую часть от общего объема воды (до 200 раз меньше, чем в традиционных системах фильтрации плавательных бассейнов), и пониженному применению химических веществ (вплоть до 100 раз меньше, чем используемые в традиционных системах) возможно содержать такие большие объемы воды высокой прозрачности. Использование традиционных технологий фильтрации и дезинфекции было бы экономически нерентабельно для контейнеров или лагун таких больших размеров.
С помощью традиционной системы фильтрации бассейна часто фильтруют весь объем воды до 6 раз за сутки, что влечет за собой высокие затраты на ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание, помимо потребления большого количества энергии в ходе процесса. Для лагуны 36 га, представленной выше, чтобы фильтровать весь объем воды до 6 раз в сутки, может потребоваться площадь застройки 1 га для установки всей системы фильтрации, что делает такое строительство и техническое обслуживание нерентабельным и, следовательно, любая сопутствующая система охлаждения не будет экономически оправдана. Кроме того, ниже представлено сравнение в показателях затрат для вышеописанного примера.
При использовании 9 устройств всасывания и системы, описанной в данной заявке, затраты на ввод в эксплуатацию снижают приблизительно в 50 раз, а затраты на эксплуатацию снижают приблизительно в 25 раз. Следовательно, контейнеры или лагуны представляют конкурентоспособные и экономически рентабельные варианты для обеспечения охлаждающей воды для электростанций и других промышленных процессов.
Хотя описаны определенные воплощения изобретения, могут существовать и другие воплощения. Кроме того, любые описанные стадии способа или ступени могут быть модифицированы любым образом, включая изменение порядка стадий и/или включение или удаление стадий, без выхода за пределы области защиты изобретения. В то время как описание включает подробное раскрытие изобретения и соответствующие чертежи, область защиты изобретения представлена нижеследующей формулой изобретения. Кроме того, хотя описание изложено с использованием конкретных технических признаков и/или действий, формула изобретения не ограничена признаками или действиями, описанными выше. Напротив, конкретные признаки и действия, описанные выше, раскрыты в качестве иллюстративных аспектов и воплощений изобретения. Различные другие аспекты, воплощения, модификации и эквиваленты признаков и действий, которые может предположить средний специалист в данной области техники после прочтения описания данной заявки, не выходят за пределы сущности или области защиты заявленного изобретения.