CN112093966B - 一种基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿井水零排放处理方法，特别涉及一种基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，属于水处理技术领域。一种基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，所述矿井水零排放全流程包括矿井水的净化处理、膜浓缩处理和蒸发结晶工序，该方法是在矿井水零排放全流程工艺上进行矿井水热能回用，根据矿井水中温度敏感物质含量不同，分为直流式和混流式。本发明方法根据矿井水水温水质和蒸发结晶工序冷却回水水温不同，利用矿井水温度低、比热容大的特性，通过改变矿井水介质在零排放处理中的流程，回收蒸发结晶工序产生的高品位热量，利用这些热量对低温矿井水进行增温，实现提高矿井水零排放全流程中分段工艺效率和节省能耗运行费用等目的。

Description

一种基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法

技术领域

本发明涉及一种矿井水零排放处理方法，特别涉及一种基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，属于水处理技术领域。

背景技术

我国大部分煤矿处于华北、西北等缺水和生态环境脆弱地区，而该地区的矿井水90%以上为高盐矿井水。高盐矿井水常规处理已无法满足排放或回用要求，需要进行零排放处理。特别是近些年来各矿区对高盐矿井水的排放要越来越高，煤炭企业在资源约束与排放限制方面的压力陡然上升，加快落实节能降耗和高盐水污染物零排放已成为必然选择。

我国煤矿矿井水温度通常在15℃-20℃之间，个别矿井水温度在冬季甚至低于10℃，如何保证必要的矿井水温度是矿井水零排放处理过程中需要解决的一个问题。常规做法是增加蒸汽换热器，低温时利用蒸汽加热矿井水，提高温度满足后续膜浓缩工段处理要求；或者是提高膜浓缩阶段的水泵扬程，实现超滤和反渗透处理。无论是哪种方式，都必然增加蒸汽消耗和电能消耗，不是一个经济高效的方法。

高盐矿井水的零排放处理工艺包含净化处理、膜浓缩处理和蒸发结晶处理等工序。其中，膜浓缩处理的效率受到进水温度的影响，对进水温度有限值要求，在一定温度范围内，温度越高处理效率越高，能耗越低。以陶氏超滤膜为例，进水温度允许范围值一般为1~40℃。由于矿井水粘度会随着温度发生变化，因此对于膜组件，在任意工作压力下，其过滤流量或透膜压差都会随着温度变化而呈较大幅度的变化。如14℃下膜组件通量为62L/(m²h)，25℃下膜组件通量为80L/(m²h)，35℃下膜组件通量为95L/(m²h)，温度每下降5℃，产水量就会降低约10%。同样的陶氏反渗透膜也随着温度的升高，所需渗透压逐步降低。如相同条件下20℃下渗透压为68.0bar，25℃下渗透压为64.2bar，30℃下渗透压为62.1bar，35℃下渗透压为60.5bar。工艺参数值变化虽属正常现象，但影响生产效率。为保证较高的膜浓缩效率，一般需要对温度过低或过高的矿井水进行增温或降温调节，这将涉及到能耗管理与运行费用问题。

另外，蒸发结晶必将成为今后高盐矿井水污染物零排放处理技术发展的终端工序，其中机械再压缩蒸发结晶（MVR）和多效蒸发结晶（MED）技术需要采用高品质生蒸汽作为热源，运行成本极高。同时MVR技术需要电力驱动，提高蒸汽参数，耗电量大，运行温度高。据统计，矿井水零排放过程中电耗和蒸汽费用占总运行费用的70%以上，在北方矿区冬季甚至达到85%以上，这成为了影响运行费用的关键因素，需要对蒸发结晶能耗管理和配套冷却工序提出了更高的要求。

同时，蒸发结晶中的冷却需求也比较大，包括二次蒸汽冷凝、蒸汽压缩机冷却、冷冻机组冷却、循环冷却水回水冷却、机封水换热器冷却等。这些也均涉及到能耗管理问题。如果冷却回水中热量未被利用，将造成极大的能量浪费。如果冷却回水流量较小、换热温升较大，回水水温过高直接进入膜浓缩***将造成膜元件损坏。因此，从减少蒸汽需求量的节能降耗角度分析，除需要提高矿井水物料的初始温度外，还需要减少蒸汽冷凝和冷却换热余热的浪费。总之，采取措施对蒸发结晶工序中低品位的蒸汽余热回收利用，将其用于零排放各工段，对节能降耗和有效降低成本具有现实意义。

在矿井水零排放全流程中，结合零排放工艺流程复杂性、能量需求和消耗大、运行管理要求高等特点，科学合理利用矿井水温度低、比热容大的特性及蒸发结晶工段中产生的低品位热量，同时将膜浓缩和蒸发结晶配套冷却工序特点结合起来的节能降耗能量管理方式较少涉及。因此，如何利用矿井水温度低、比热容大的特性来回收蒸发结晶工段中产生的低品位热量，通过矿井水循环介质利用这些余热，既能提高矿井水零排放全流程各工序的效率，又能节省能耗方面的运行费用，这将成为矿井水零排放全流程中能量与成本管理中亟待解决的问题，也是本发明研究开发一种节能降耗效果好、运行效率高、高盐矿井水污染物实现零排放、具有良好环保效益和经济效益的矿井水零排放全流程节能降耗技术与方法的重要意义所在。

发明内容

本发明针对现有技术中高盐矿井水污染物零排放处理中矿区冷却水源缺乏、运行能耗与运维成本高、***生产效率低、蒸汽冷凝和冷却换热余热浪费严重等缺陷，提供一种基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，该方法 根据矿井水水质特征、蒸发结晶工序冷却功率及回水水温，在全流程设计过程中将蒸发结晶需要冷却的热量转移到净化后的矿井水中，用于提高矿井水温度，无需外供循环冷却水。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，所述矿井水零排放全流程包括矿井水的净化处理、膜浓缩处理和蒸发结晶工序，该方法是在矿井水零排放全流程工艺上进行矿井水热能回用，根据矿井水中温度敏感物质含量不同，分为直流式和混流式：

所述直流式流程是矿井水经净化处理后直接进行蒸汽冷凝或工艺冷却，矿井水增温后的冷却回水依次进入膜浓缩处理工序和蒸发结晶工序，作为蒸发结晶工序的冷却水，用于蒸发结晶过程的冷冻工艺散热及二次汽冷凝，与矿井水冷却回水形成闭环；

所述的混流式流程是矿井水经净化处理后分为两部分，第一部分作为蒸发结晶工序的冷却水，用于蒸发结晶过程的蒸汽冷凝或工艺冷却；第二部分与第一部分增温后的冷却回水混合后依次进入膜浓缩处理工序和蒸发结晶工序，作为蒸发结晶工序的冷却水与第一部分矿井水冷却回水及第二部分矿井水形成闭环。

本发明方法根据矿井水水温水质和蒸发结晶工序冷却回水水温不同，利用矿井水温度低、比热容大的特性，通过改变矿井水介质在零排放处理中的流程，回收蒸发结晶工序产生的高品位热量，利用这些热量对低温矿井水进行增温，实现提高矿井水零排放全流程中分段工艺效率和节省能耗运行费用等目的。

升温后的矿井水温度不超过后续膜浓缩过程中反渗透膜所能耐受的最高温度，通常为35℃；如果蒸发结晶需要冷却的热量不超过矿井水升高到最高温度所需的热量，则可以将矿井水作为唯一冷却介质；如果蒸发结晶需要冷却的热量超过矿井水升高到最高温度所需的热量，则需要设置小规模冷却塔，将超出部分热量散失掉。

本发明结合矿井水零排放处理工艺流程，利用净化后矿井水温度低、比热容大的特性，作为蒸发结晶工序的冷却水，用于蒸发结晶过程冷冻工艺散热及二次汽冷凝。同时根据工艺冷却所需冷却功率和冷却回水温度要求，控制调节低温矿井水与冷却后高温回水流量比例，混合后按要求温度进入后续膜浓缩处理工序、蒸发结晶工序处理。

作为优选，蒸发结晶过程的冷冻工艺散热、二次汽冷凝均采用间接冷却。

作为优选，所述混流式流程中第一部分矿井水水量根据蒸发结晶过程的冷冻工艺散热及二次汽冷凝等冷却所需功率和冷却回水温度要求而确定；所述混流式流程中第二部分矿井水与第一部分矿井水冷却回水混合后的水温不超过膜浓缩处理工序的最高进水温度。

作为优选，所述的混流式流程中，第二部分与第一部分增温后的冷却回水通过混合装置混合增温，所述混合装置为管道式混合器或净化水池。

作为优选，所述混合装置前端管路上设置流量与温度自动连锁反馈阀组，实现混合前后水温与矿井水流量混合比例的动态关联。

作为优选，当矿井水中钙镁离子浓度为120~200mg/L时采用直流式流程，当矿井水中钙镁离子浓度为30~120mg/L时，采用混流式流程。

作为优选，直流式流程下，低温矿井水Q₀以水温T₀=15~20℃经净化处理后，直接进入工艺冷却或蒸汽冷凝；蒸发结晶工序中，蒸汽初始温度为102~106℃，与低温矿井水间接冷却经汽液相变换热后，将低温矿井水温度从T₀=15~20℃增温至T₁=25~35℃；增温后矿井水Q₀以水温T₁=25~35℃进入膜浓缩处理工序。

作为优选，混流式流程下，低温矿井水Q₀以水温T₀=15~20℃经净化处理后，第一部分流量Q₁以水温T₀=15~20℃直接进入工艺冷却或蒸汽冷凝；根据工艺冷却所需冷却功率P和冷却回水温度T₁ =35~40℃，调节控制矿井水第一部分流量Q₁；低温矿井水第二部分流量Q₂以水温T₀=15~20℃与第一部分经工艺冷却后的冷却回水流量Q₁以水温T₁=35~45℃混合；混合后矿井水Q₀=Q₁+Q₂以水温T₂=25~35℃再依次进入膜浓缩处理工序、蒸发结晶工序。

作为优选，Q₁和Q₂的混合比例根据混合水温T₂=25~35℃要求进行调控。

与现有技术比较，本发明具有以下有益效果：

1.与现有常规矿井水零排放过程中提高水温的做法相比，本发明不是简单利用蒸汽加热矿井水，而是利用矿井水温度低、比热容大的特性，回收蒸发结晶过程中的低品位热量，提高自身温度，满足后续处理要求。同时低温矿井水作为零排放处理蒸发结晶工序循环冷却水，用于蒸发结晶过程冷冻工艺散热及二次汽冷凝，保证蒸发结晶工序正常运行。

2.本发明利用收集的外部余热增加零排放处理过程中膜浓缩处理工序的矿井水进水温度，使其符合膜元件高效运行的进水温度要求，有利于提高膜浓缩效率，延长膜元件寿命，保证膜浓缩工序稳定运行。

3.本发明可以利用矿井水原水温度低、比热容大的特性，作为直接冷却混合水，用于调节蒸发结晶工序冷却回水的过高温度，使其符合膜元件高效运行的进水温度要求，防止进水温度过高对膜元件的损坏。

4.与常规矿井水零排放过程中采用循环冷却水及冷却塔的工艺相比，本发明无需外部冷却水源或冷却塔等设施设备，节约建设投资；同时净化后的矿井水作为冷却介质利用后，水温升高有利于降低溶解性盐类的渗透压，提高溶解度，从而降低高压泵能耗，减少结垢风险或者提高浓缩回收率，具有显著的节能降耗效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法的直流式流程下的工艺流程示意图；

图2为本发明基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法的混流式流程下的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

本发明的核心是提供一种基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，称其为具体实施方式一，所述矿井水零排放全流程包括矿井水的净化处理、膜浓缩处理和蒸发结晶工序，该方法是在矿井水零排放全流程工艺上进行矿井水热能回用，根据矿井水中温度敏感物质含量不同，分为直流式和混流式：当矿井水中钙镁离子浓度为120~200mg/L时采用直流式流程，当矿井水中钙镁离子浓度为30~120mg/L时，采用混流式流程。

所述直流式流程是矿井水经净化处理后直接进行蒸汽冷凝或工艺冷却，矿井水增温后的冷却回水依次进入膜浓缩处理工序和蒸发结晶工序，作为蒸发结晶工序的冷却水，用于蒸发结晶过程的冷冻工艺散热及二次汽冷凝，与矿井水冷却回水形成闭环；

所述的混流式流程是矿井水经净化处理后分为两部分，第一部分作为蒸发结晶工序的冷却水，用于蒸发结晶过程的蒸汽冷凝或工艺冷却；第二部分与第一部分增温后的冷却回水混合后依次进入膜浓缩处理工序和蒸发结晶工序，作为蒸发结晶工序的冷却水与第一部分矿井水冷却回水及第二部分矿井水形成闭环。

更进一步地，所述的混流式流程中，第二部分与第一部分增温后的冷却回水通过混合装置混合增温，所述混合装置选择管道式混合器或净化水池。所述混合装置前端管路上设置流量与温度自动连锁反馈阀组，实现混合前后水温与矿井水流量混合比例的动态关联。

实际运行中，高盐矿井水温度一般为10~37℃，较多为15~20℃，膜元件高效运行温度最高限值不宜超过40℃。膜浓缩处理工序高效运行所需适宜温度为35℃左右，而低温矿井水进水温度无法满足膜浓缩处理进水最佳温度要求。

图1所示的直流式流程工艺，低温矿井水经净化处理后，由于初始进水温度较低会影响矿井水中溶解性盐类的渗透压和溶解度，不可直接进入膜浓缩工序，而是进入工艺冷却或蒸汽冷凝，用于蒸发结晶过程冷冻工艺散热及二次汽冷凝。同时冷却过程中收集的外部低品位余热可将低温矿井水加热至膜元件高效运行所需温度，再进入膜浓缩处理和蒸发结晶工序，提高了膜浓缩效率，保护了膜元件寿命，余热循环利用可节省电能和蒸汽耗量，减少了运行成本。

直流式流程下，低温矿井水Q₀以水温T₀=15~20℃经净化处理后，直接进入工艺冷却或蒸汽冷凝。蒸发结晶工序中，蒸汽初始温度为102~106℃，与低温矿井水间接冷却经汽液相变换热后，将低温矿井水温度从T₀=15~20℃增温至T₁=25~35℃。增温后矿井水Q₀以水温T₁=25~35℃进入膜浓缩处理工序。

图2所示的混流式流程工艺，低温矿井水经净化处理后分为两部分，第一部分由于初始进水温度较低会影响矿井水中溶解性盐类的渗透压和溶解度，不可直接进入膜浓缩工序，而是直接进入工艺冷却或蒸汽冷凝，用于蒸发结晶过程冷冻工艺散热及二次汽冷凝。同时冷却过程中收集的外部低品位余热可将低温矿井水加热。如果第一部分流量较小或蒸发结晶工艺冷却功率较高，冷却后可使冷却回水温度超过膜元件高效运行温度最高限值。因此，高温冷却回水需要与第二部分低温矿井水混合降温，混合后温度可控制调节至膜元件高效运行所需温度再进入浓缩处理和蒸发结晶工序，提高了膜浓缩效率，保护了膜元件寿命，废热循环利用可节省电能和蒸汽耗量，减少了运行成本。

混流式流程下，低温矿井水Q₀以水温T₀=15~20℃经净化处理后，第一部分流量Q₁以水温T₀=15~20℃直接进入工艺冷却或蒸汽冷凝。根据工艺冷却所需冷却功率P和冷却回水温度T₁要求（T₁一般为35~40℃），调节控制矿井水第一部分流量Q₁。低温矿井水第二部分流量Q₂以水温T₀=15~20℃与第一部分经工艺冷却后的冷却回水流量Q₁以水温T₁=35~45℃混合。混合比例根据混合水温T₂=25~35℃要求进行调控。混合后矿井水Q₀=Q₁+Q₂以水温T₂=25~35℃再依次进入膜浓缩处理工序、蒸发结晶工序。

常规的矿井水零排放处理工艺中，在膜浓缩工段利用生蒸汽加热矿井水、在蒸发结晶工段采用循环冷却水及冷却塔工艺。相比这种常规的矿井水零排放处理工艺，本发明回收蒸发结晶工段低品位热量提高矿井水温度，满足膜浓缩工段处理要求；同时利用净化后矿井水作为蒸发结晶工段的冷却介质，膜浓缩工段不需消耗生蒸汽，蒸发结晶工段无需外部冷却水源或冷却塔等设施设备，节约建设投资；同时净化后的矿井水作为冷却介质利用后，水温升高有利于降低溶解性盐类的渗透压，提高溶解度，从而降低高压泵能耗，减少结垢风险，提高浓缩回收率。具体地，本实施方式可节省额外冷却水源和电耗费用约15~20%，冬季减少蒸汽费用约40~50%，具有显著节能降耗效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，所述矿井水零排放全流程包括矿井水的净化处理、膜浓缩处理和蒸发结晶工序，其特征在于：该方法是在矿井水零排放全流程工艺上进行矿井水热能回用，根据矿井水中温度敏感物质含量不同，分为直流式和混流式：

所述直流式流程是矿井水经净化处理后直接进行蒸汽冷凝或工艺冷却，矿井水增温后的冷却回水依次进入膜浓缩处理工序和蒸发结晶工序；

所述的混流式流程是矿井水经净化处理后分为两部分，第一部分作为蒸发结晶工序的冷却水，用于蒸发结晶过程的蒸汽冷凝或工艺冷却；第二部分与第一部分增温后的冷却回水混合后依次进入膜浓缩处理工序和蒸发结晶工序；

当矿井水中钙镁离子浓度为120~200mg/L时采用直流式流程，当矿井水中钙镁离子浓度为30~120mg/L时，采用混流式流程；

直流式流程下，低温矿井水Q₀以水温T₀=15~20℃经净化处理后，直接进入工艺冷却或蒸汽冷凝；蒸发结晶工序中，蒸汽初始温度为102~106℃，与低温矿井水间接冷却经汽液相变换热后，将低温矿井水温度从T₀=15~20℃增温至T₁=25~35℃；增温后矿井水Q₀以水温T₁=25~35℃进入膜浓缩处理工序；

混流式流程下，低温矿井水Q₀以水温T₀=15~20℃经净化处理后，第一部分流量Q₁以水温T₀=15~20℃直接进入工艺冷却或蒸汽冷凝；根据工艺冷却所需冷却功率P和冷却回水温度T₁=35~40℃，调节控制矿井水第一部分流量Q₁；低温矿井水第二部分流量Q₂以水温T₀=15~20℃与第一部分经工艺冷却后的冷却回水流量Q₁以水温T₁=35~45℃混合；混合后矿井水Q₀=Q₁+Q₂以水温T₂=25~35℃再依次进入膜浓缩处理工序、蒸发结晶工序。

2.根据权利要求1所述的基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，其特征在于：蒸发结晶过程的工艺冷却、蒸汽冷凝均采用间接冷却。

3.根据权利要求1所述的基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，其特征在于：所述混流式流程中第一部分矿井水水量根据蒸发结晶过程的工艺冷却、蒸汽冷凝所需功率和冷却回水温度要求而确定；

所述混流式流程中第二部分矿井水与第一部分矿井水冷却回水混合后的水温不超过膜浓缩处理工序的最高进水温度。

4.根据权利要求1所述的基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，其特征在于：所述的混流式流程中，第二部分与第一部分增温后的冷却回水通过混合装置混合增温，所述混合装置为管道式混合器或净化水池。

5.根据权利要求1所述的基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，其特征在于：所述混合装置前端管路上设置流量与温度自动连锁反馈阀组，实现混合前后水温与矿井水流量混合比例的动态关联。

6.根据权利要求1所述的基于矿井水零排放全流程的节能降耗方法，其特征在于：Q₁和Q₂的混合比例根据混合水温T₂=25~35℃要求进行调控。

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