CN104310514B - 一种高效机械蒸汽再压缩海水淡化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高效机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其包括(1)海水预热；(2)蒸发；(3)蒸汽再压缩；步骤(1)中，将进料海水分成二路，一路经过第一热交换器进行换热，另一路进入第二热交换器进行换热，其中第一热交换器中的热源为蒸发产生的冷凝淡水，第二热交换器的热源为蒸发产生的浓盐水，海水通过与冷凝淡水和浓盐水换热后达到蒸发所需温度；海水淡化方法还包括(4)在海水预热后、蒸发前对海水进行脱气；(5)使蒸发产生的浓盐水的一部分循环回到蒸发器中。本发明能耗可降低至传统机械蒸汽再压缩海水淡化方法的25%及以下，同时本发明对设备和场地要求较低，操作简单，可实现大规模的应用和普及。

Description

一种高效机械蒸汽再压缩海水淡化方法

技术领域

本发明涉及一种利用机械蒸汽再压缩技术进行海水淡化的方法。

背景技术

我国人口众多，淡水资源日趋紧缺，发展海水淡化技术对解决淡水资源的匮乏具有重要的意义。以蒸发方法为基础的海水淡化技术具有膜分离、离子交换等方法所不具有的产水水质、成本等优势。但是传统的单效及多效蒸发技术需要提供大量生蒸汽，并需配置燃煤锅炉及冷却***，会造成难以避免的能源消耗和产生大量的废物排放。同时造成***整体结构复杂，体积庞大，操作和维护困难，运行成本急剧上升。

机械蒸汽再压缩是一种蒸发工艺，简称MVR(Mechanical Vapor Recompression )。是指在蒸发中，将二次蒸汽绝热压缩，随后将其送入蒸发器的加热室作为热源重新使用的一种办法。二次蒸汽经压缩后饱和温度升高，与器内沸腾液体形成足够的传热温差，故可重新作加热剂用。因此只须补充一定量的压缩功，便可利用二次蒸汽的大量潜热。MVR方法不需要外部的热源，***的能耗仅为压缩机和各类泵的能耗，所以节能效果相当显著。

海水中还有大量的氯离子，在高温下会对设备造成严重的腐蚀。另外，低温操作的设备热损失较低，可以节约大量的能源。因此，低温低压海水淡化方具有显著的优势。

低温负压操作，维持蒸发器内真空度需要消耗电能，供水和蒸发后浓海水排放也需要消耗大量余热。一些专利文献报道了采用电能之外的其它方法来获得真空环境，如中国专利 CN101177308A、201310300526.7和 CN202880936U用海水重力和大气压力等方法产生真空，所需能量比传统方式少，但是这些方法工艺复杂，设备体积庞大，对场地要求也很高。中国发明专利201110104604.7、201010300875.5以及200910138238.X 、200910016942等均提供了太阳能热压缩式机械蒸汽再压缩海水淡化装置，但太阳能的季节性、地域性分布不均等特点都成为制约太阳能海水淡化推广的瓶颈，其中201010300875.5、200910016942对浓盐水和产品淡水的余热没有进行回收，造成了能源的极大浪费。另外，这些专利对工作环境有苛刻的要求，设备和装备复杂。太阳能热压缩式机械蒸汽再压缩海水淡化装置基本都是由太阳能集热器、蒸汽喷射器、压缩机、加热室、蒸发器、热交换器等大量设备组成，结构复杂和占地面积大将限制这些工艺的使用。专利20031010755.7公布的MVR海水淡化装置的技术方案是包括蒸汽机械蒸汽压缩机、多个蒸发器和置于蒸发器内的冷凝管、喷淋***等在内的设备，多个蒸发器实现多效逐级蒸发，该工艺不仅设备和***结构复杂，而且未考虑到浓盐水和产品淡水的外排造成的热量散逸，难以实现大规模的应用和普及。

整体而言，现有技术中利用机械蒸汽再压缩技术进行海水淡化的方法总是存在能耗较高、设备体积庞大或对场地要求高等不足，而难以实现大规模的应用和普及。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种设备和工艺简单、能耗和成本低，可靠、高效和便捷的机械蒸汽再压缩海水淡化方法。

为解决以上问题，本发明采取如下技术方案：

一种高效机械蒸汽再压缩海水淡化方法，该方法采用机械蒸汽再压缩***对海水进行淡化，该方法包括：

(1)海水预热：进料海水经过海水预热器进行预热，使海水达到蒸发所需温度；

(2)蒸发：预热后的海水进入蒸发器，蒸发器内的压力维持为负压，海水在蒸发器内蒸发，部分海水汽化形成水蒸汽，残余的海水形成浓盐水；

(3)蒸汽再压缩：海水汽化形成的水蒸汽进入机械式压缩机进行压缩，压缩后温度和压力提高的蒸汽进入到蒸发器中，在蒸发室内释放热量后冷凝形成冷凝淡水；

特别是：

步骤(1)中，将进料海水分成二路，一路经过第一热交换器（冷凝淡水热交换器）进行换热，另一路进入第二热交换器（浓盐水热交换器）进行换热，其中第一热交换器中的热源为蒸发产生的冷凝淡水，第二热交换器的热源为蒸发产生的浓盐水，海水通过与冷凝淡水和浓盐水换热后达到蒸发所需温度；

所述海水淡化方法还包括：

(4)在海水预热后、蒸发前对海水进行脱气，以除去海水中所含有的室温不凝结气体；

(5)使蒸发产生的浓盐水的一部分循环回到蒸发器中，剩余部分通入到第二热交换器中与进料海水进行换热。

优选地，步骤(2)中，蒸发器的操作压力为9.6KPa~84.5KPa，蒸发温度为45℃-95℃。

优选地，步骤(1)中，进入第一热交换器的冷凝淡水的温度为60~100℃，进入第二热交换器的浓盐水的温度为45~95℃。

优选地，步骤(1)中，经过第一热交换器的海水与经过第二热交换器的海水的流量比为1:0.8~1.2。

优选地，在第一热交换器和第二热交换器的入口和出口处安装有温度检测设备。进入第一热交换器和第二热交换器的海水的流量比例通过可调节的分配控制阀来调节。实际中，可以根据进入热交换器的浓盐水和冷凝水的温度及流量调节进入浓盐水热交换器和冷凝淡水热交换器的海水比率，改善余热回收效果，同时将海水的温度与浓盐水循环泵耦合控制，根据海水的温度调节浓盐水循环泵的循环盐水比率，使海水可以达到蒸发温度。

优选地，第一热交换器和第二热交换器均采用高效的板式热交换器。

根据本发明，步骤(4)中，所述室温不凝结气体包括氧气、氮气和二氧化碳等。

步骤(4)中，脱气的方法采用真空式脱气方法，该方法设备简单，且过程中不使用任何药品。

优选地，步骤(5)中，将产生的浓盐水的5%~30%循环回蒸发器中，更优选地，将产生的浓盐水的8%~15%循环回蒸发器中。

优选地，步骤(5)中，将要循环回蒸发器的浓盐水与脱气后的海水混合后，一起通入蒸发器中。更优选地，通过浓盐水循环泵将浓盐水打入海水进料管道中，且将浓盐水循环泵管路与浓盐水排出管路连通，通过控制浓盐水循环泵的流量来控制循环浓盐水的量。

优选地，所述的蒸发器采用降膜蒸发器，并在其内安装压力检测设备、水温检测设备和浓盐水浓度检测设备；所述压缩机采用变频控制压缩机并配备温度和压力检测设备。更优选地，蒸发器为横管式降膜蒸发器。该类型的蒸发器具有传热性能好、蒸发强度大等特点。蒸发器由蒸发室、分配腔和回收腔组成，为相互隔离的密闭腔体，冷凝管束水平布置于蒸发室内并连通分配腔和回收腔，分布装置位于冷凝管束上方，喷淋的海水在冷凝管外形成液膜，由管内的蒸汽冷凝释放的相变热加热沸腾形成蒸汽。形成的蒸汽经由蒸汽出口管输送至压缩机，被压缩后的蒸汽的温度和压力都得到提高。压缩后的蒸汽经过与蒸发器相连的蒸汽入口管重新进入蒸发器的冷凝管内冷凝，释放出相变热加热管外的海水。冷凝液即淡水产品在分配腔和回收腔内富集，然后由冷凝水泵排出。

优选地，蒸发器、压缩机、热交换器以及所需使用的泵和控制阀组均与PLC控制柜连接并受控制。

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优势：

1、海水中溶解有一定比率的气体，这些气体在温度升高和海水盐度增高时，会逐渐析出，夹杂在蒸汽中。当蒸汽在蒸发室作为加热介质冷凝时，这些蒸汽不会冷凝，这些不凝气的存在会使***冷凝压力升高，对传热过程造成很大的阻碍，本发明方法在蒸发前，将海水中的溶解气脱除，改善了蒸发器的传热效果，降低了能耗；

2、使蒸发在负压下进行，蒸发温度可以较低，通过热交换器回收蒸发产生的冷凝淡水和浓盐水的余热即可将海水预热到可以直接蒸发的温度，无需对***进行额外的热量输入，有效地降低了能耗；

3、本发明中将部分浓盐水循环，能够有效的维持***的稳定，同时也高效地回收了余热，降低了能耗。

整体而言，本发明方法的能耗可降低至传统机械蒸汽再压缩海水淡化方法的25%及以下，极大的降低了海水淡化成本，同时本发明对设备和场地要求较低，操作简单，可实现大规模的应用和普及。

附图说明

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明：

图1为本发明海水淡化方法的工艺流程图；

其中：1、海水分配控制阀；2、浓盐水热交换器；3、冷凝淡水热交换器；4、真空脱气塔；5、海水泵；6、蒸发器；7、机械蒸汽压缩机；8、浓盐水循环泵；9、浓盐水排出泵；10、浓盐水罐；11、冷凝水泵；12、淡水罐。

具体实施方式

参见图1，本发明提供一种低温高效机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其采用的***包括彼此之间通过管路相连接的海水分配控制阀1、浓盐水热交换器2、冷凝淡水热交换器3、真空脱气塔4、海水泵5、降膜蒸发器6、机械蒸汽压缩机7、 浓盐水循环泵8、浓盐水排出泵9、浓盐水罐10、 冷凝水泵11和淡水罐11等。

进料海水分别经过浓盐水热交换器2和冷凝淡水热交换器3与浓盐水和冷凝淡水换热后被加热，加热后的海水进入真空脱气塔4脱除室温不凝气后与浓盐水循环泵8的浓盐水混合后进入降膜蒸发器6。

降膜蒸发器6采用横管式降膜蒸发器，该类型的蒸发器具有传热性能好、蒸发强度大大等特点。降膜蒸发器6由蒸发室、分配腔和回收腔组成，为相互隔离的密闭腔体，冷凝管束水平布置于蒸发室内并连通分配腔和回收腔，分布装置位于冷凝管束上方，喷淋的海水在冷凝管外形成液膜，由管内的蒸汽冷凝释放的相变热加热沸腾形成蒸汽。形成的蒸汽经由蒸汽出口管输送至机械蒸汽压缩机7，被压缩后的蒸汽的温度和压力都得到提高。压缩后的蒸汽经过与蒸发器相连的蒸汽入口管重新进入蒸发器的冷凝管内冷凝，释放出相变热加热管外的海水。冷凝液即淡水产品在分配腔和回收腔内富集，然后由冷凝水泵11排出。

蒸发器6在低温低压下操作，在蒸发器6中安装有压力、温度、盐度检测设备，在机械蒸汽压缩机7中安装有温度、压力检测设备。蒸汽机械再压缩机 7、蒸发器 6、浓盐水循环泵8及相关的控制阀组均与 PLC 控制柜连接并受控制，调节浓盐水循环泵8的流量和压缩机的功率，稳定***的压力和温度。

蒸发室底部设置浓缩液出口，蒸发得到的浓盐水经过浓缩液出口排出。为了避免外界温差变化会给***带来的影响，本发明中将部分浓盐水循环，不仅更高效的回收了余热，也能够有效的维持***的稳定。浓盐水循环比率占浓盐水的5-30%，优选8%~15%。

浓盐水和冷凝淡水在浓盐水热交换器2、冷凝淡水热交换器3中换热加热海水，回收余热，然后分别进入浓盐水储罐10和淡水储罐11。进入热交换器2,3的冷凝水的温度为约60~100℃，浓盐水的温度为45~95℃。本发明中将余热充分回收，采用高效的板式热交换器回收余热，同时余热回收装置可以将海水预热到可以直接蒸发的温度，因此无需对***进行额外的热量输入，有效的降低了能耗。

在浓盐水热交换器2、冷凝淡水热交换器3的入口和出口处安装有温度检测设备；浓盐水热交换器2、冷凝淡水热交换器3和控制阀组1均与 PLC 控制柜连接并受控制。控制阀组1设为可调节的分配控制阀，用于调节进入冷凝淡水热交换器3和浓盐水热交换器2的流量比率，可以根据进入热交换器的浓盐水和冷凝水的温度及流量调节进入浓盐水热交换器和冷凝淡水热交换器的海水比率，改善余热回收效果，同时将海水的温度与浓盐水循环泵8耦合控制，根据海水的温度调节浓盐水循环泵8的循环盐水比率，使海水可以达到蒸发温度。

实施例

一种海水淡化方法，淡水的出水比率为50%，该方法包括连续进行的下列步骤：

(1)、海水预热：约20℃的海水首先经过海水分配阀组1调节进入浓盐水热交换器2、冷凝水热交换器3的流量比率为1:1，浓盐水热交换器2和冷凝水热交换器3分别通入有温度约75℃的浓盐水和温度约80℃的冷凝淡水，通过换热，海水的温度提高至约70℃，蒸发产生的全部冷凝淡水均送入冷凝淡水换热器3进行换热，蒸发产生的浓盐水的90%送入浓盐水热交换器2进行换热，换热后的浓盐水排放至浓盐水罐10。换热后的冷凝淡水产品输送至淡水罐12；

(2)、脱气：预热后的海水进入真空脱气塔4，脱除其中的溶解气，这些溶解气是室温不凝结的气体，包括氧气，氮气，二氧化碳等；

(3)、蒸发、再压缩：脱气后的海水与10%的浓盐水混合后进入蒸发器6，在蒸发器6中，海水经过分布装置后完成喷淋，喷淋的海水在冷凝管外吸热沸腾，部分形成蒸汽，蒸发在温度70℃以及压力45KPa下进行，形成的蒸汽由压缩机7压缩后提高温度至85℃和压力为57.8KPa后再重新进入蒸发器6的冷凝管内冷凝产生冷凝淡水，同时加热管外的海水形成蒸汽。

对比例

一种海水淡化方法，淡水的出水比率为50%，该方法包括连续进行的下列步骤：

(1)、海水预热：约20℃的海水经过常规的采取电加热方式的海水预热器进行预热至70℃；

(2)、蒸发：海水进入降膜蒸发器，在降膜蒸发器中，蒸发在温度70℃以及压力45KPa下进行，海水经过分布装置后完成喷淋，喷淋的海水在冷凝管外吸热沸腾，部分形成蒸汽，部分形成浓盐水，浓盐水送至浓盐水罐，形成的蒸汽由压缩机压缩后提高温度至85℃和压力为57.8KPa后再重新进入蒸发器的冷凝管内冷凝产生冷凝淡水，冷凝淡水送至淡水罐，同时加热管外的海水形成蒸汽。蒸汽在冷凝时会渐渐释放出不凝气，不凝气累计后会改变蒸汽的冷凝压力，造成***温度的波动。

生产100m³的淡化水，实施例和对比例方法所需能耗分别为约2000kW.h和8000kW.h。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1. 一种高效机械蒸汽再压缩海水淡化方法，该方法采用机械蒸汽再压缩***对海水进行淡化，所述方法包括：

(1)海水预热：进料海水经过海水预热器进行预热，使海水达到蒸发所需温度；

(2)蒸发：预热后的海水进入蒸发器，蒸发器内的压力维持为负压，海水在蒸发器内蒸发，部分海水汽化形成水蒸汽，残余的海水形成浓盐水；

(3)蒸汽再压缩：海水汽化形成的水蒸汽进入机械式压缩机进行压缩，压缩后温度和压力提高的蒸汽进入到蒸发器中，在蒸发室内释放热量后冷凝形成冷凝淡水；

其特征在于：

步骤(1)中，将进料海水分成二路，一路经过第一热交换器进行换热，另一路进入第二热交换器进行换热，其中第一热交换器中的热源为蒸发产生的冷凝淡水，第二热交换器的热源为蒸发产生的浓盐水，海水通过与冷凝淡水和浓盐水换热后达到蒸发所需温度，其中进入第一热交换器的冷凝淡水的温度为60~100℃，进入第二热交换器的浓盐水的温度为45~95℃，经过第一热交换器的海水与经过第二热交换器的海水的流量比为1:0.8~1.2；

步骤(2)中，蒸发器的操作压力为9.6KPa~84.5KPa，蒸发温度为45℃-95℃；

所述海水淡化方法还包括：

(4)在海水预热后、蒸发前对海水进行脱气，以除去海水中所含有的室温不凝结气体；

(5)使蒸发产生的浓盐水的一部分循环回到蒸发器中，剩余部分通入到第二热交换器中与进料海水进行换热，且将要循环回蒸发器的浓盐水与脱气后的海水混合后，一起通入蒸发器中。

2. 根据权利要求1所述的高效机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于：步骤(4)中，所述室温不凝结气体包括氧气、氮气和二氧化碳。

3. 根据权利要求1所述的高效机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于：步骤(5)中，将产生的浓盐水的5%~30%循环回蒸发器中。

4. 根据权利要求1所述的高效机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于：通过浓盐水循环泵将浓盐水打入海水进料管道中，且将浓盐水循环泵管路与浓盐水排出管路连通，通过控制浓盐水循环泵的流量来控制循环浓盐水的量。

5. 根据权利要求1所述的高效机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于：所述的蒸发器采用降膜蒸发器，并在其内安装压力检测设备、水温检测设备和浓盐水浓度检测设备；所述压缩机采用变频控制压缩机并配备温度和压力检测设备。

6. 根据权利要求1或4或5所述的高效机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于：所述蒸发器、压缩机、热交换器以及所需使用的泵和控制阀组均与PLC控制柜连接并受控制。