CN115108670A - 耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***及其控制方法，所述***包括形成闭合回路的直接接触式蒸发器、逆流换热器和太阳能集热器；逆流换热器冷端连接有浓水输送管路，热端与直接接触式蒸发器连接，换热器外接有烟气处理***和RO膜***；闭合回路外设有制氢***，制氢***包括电解水槽，电解水槽产生的氢气氧气输送回燃烧器；电解水槽通过储水罐或外接水管补水。所述***利用逆流换热器有效回收烟气、水蒸气混合气中的热量对浓水预热，然后利用太阳能集热器对预热后的浓水加热升温，避免了沼气或天然气的使用；所述***充分利用直接接触式蒸发器的余热，并将回收的冷凝水电解制氢，实现了冷凝水的循环利用，进一步降低了能耗。

Description

耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***及其控制方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及直接接触式蒸发工艺中的热量循环利用方法，具体为耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***及其控制方法。
背景技术
垃圾渗滤液是垃圾在堆放过程中因重力压实、发酵等物理、生物及化学作用产生的废液。渗滤液经过厌氧发酵、生化***处理、膜***过滤后产生符合回用标准的产水以及高含盐浓缩液废水。直接接触式蒸发技术是将燃烧产生的高温烟气直接通入液体中进行蒸发，换热效率高，几乎没有固定换热面，可有效避免传统处置方式的易结垢问题，是一种高效的渗滤液浓缩液处理技术，有助于实现废水的零排放。但蒸发过程需要消耗大量的燃料，能耗较高，在垃圾焚烧厂如无足够的沼气，则需要消耗天然气，通常需要架设燃气专用的管道，建设与运行成本均较高，碳排放也较高。
现有技术CN110482630B提供了一种利用烟气热量的直接接触式蒸发设备及其方法，利用垃圾焚烧厂或热电厂产生的高温烟气对浓缩液进行加热，减少了可燃气体的消耗。现有技术CN110482628A提供了一种利用乏汽热量的直接接触式蒸发处理设备及其方法，利用空气为介质吸收垃圾焚烧厂或热电厂的乏汽热量，加热浓液，减少可燃气体的消耗。现有技术CN212609636U提供了一种直接接触式传热与间接接触式传热耦合的蒸发设备，利用间接接触式蒸发器对浓水进行前端蒸发，直接接触式蒸发器进行末端蒸发，使直接接触传热蒸发的烟气和间接接触传热蒸发的二次蒸汽热量得以回收利用，降低燃气消耗量。现有技术CN106044905A提供了一种高盐有机废水的蒸发处理***，利用浸没蒸发器产生的蒸汽为热源，加热余热蒸发器内的浓缩液；现有技术CN113415843A提供了一种分体式异步浸没燃烧蒸发器，将浓水传热单元与蒸发单元独立，利用真空泵使蒸发单元形成负压，降低蒸发单元的蒸发温度，降低能耗。
以上现有技术均从完善直接接触式蒸发***方向降低能耗，但是均未提出将能量循环利用的思路，如对比文件1中未公开如何在浓缩液处理过程中利用其自身产生的能量，对比文件2和对比文件4与对比文件1类似也是借助外接的能源加热浓液从而减少可燃气体的使用，但是并未将浓液处理过程中的热量利用好，同样的对比文件3和对比文件5也是通过改变***内压力状态以降低能耗，未考虑通过能量循环利用的方式将多余能量利用起来。此外，现有***或工艺还存在以下缺陷：1.现有的直接接触式蒸发工艺中，普遍将燃烧后的烟气及水蒸气混合气送入空冷塔或直接外排，不仅提高了设备成本，而且占地空间大，且直接外排降低了回水率，浪费了混合气热量。2.直接接触式蒸发***多采用内置式的燃烧室，燃烧室内压力波动受液面波动影响大，燃烧器在正压条件下运行，背压的波动及沼气中甲烷含量的波动使燃烧不稳定，容易造成燃烧器熄火。3.直接接触式蒸发燃料多采用天然气或沼气为燃料，对浓水直接加热蒸发，不仅运行成本高昂，消耗大量化石燃料，排放大量温室气体。
发明内容
解决的技术问题：现有技术中在直接接触式蒸发过程中，高温烟气与水直接接触，换热效率高，适用于处理易结晶、易结垢的高盐废液。然而，以上工艺的运行需要消耗大量的沼气和天然气，且蒸发冷凝水没有获得较好的循环利用。本发明利用设于厂房顶棚或外壁的太阳能集热器预热浓水，同时回收利用换热冷凝后的冷凝水，利用太阳能在光伏电池的作用下电解冷凝水制备氢气和氧气，从而减少燃料消耗的同时，提高***的经济效益和环境效益；鉴于此，本发明提供了耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***及其控制方法。
技术方案：耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***，所述***包括形成闭合回路的直接接触式蒸发器、逆流换热器和太阳能集热器；其中，直接接触式蒸发器内置或外接燃烧器，并在蒸发器底部连接有沉降槽，沉降槽与直接接触式蒸发器之间设有回流管，并通过泵将槽内上清液回输至蒸发器内；逆流换热器冷端连接有浓水输送管路，热端与直接接触式蒸发器连接，换热器外接有烟气处理***和RO膜***，RO膜***连接有储水罐；闭合回路外设有制氢***，制氢***包括电解水槽，水槽内的阳极、阴极分别连接有氧气罐和氢气罐，其中氧气罐经空气管路与燃烧器连通，氢气罐经燃气管路与燃烧器连通；电解水槽通过储水罐或外接水管补水。
优选的，逆流换热器采用紧凑式布置方式，传热面积密度达800m2/m3，能够有效回收烟气、水蒸气混合气中的气化潜热。
优选的，RO膜***采用碟管式反渗透膜，运行压力达60-80bar，水分子透过膜片进入净水通道，污染物被膜截留。
优选的，烟气处理***包括碱洗塔和酸洗塔，其中碱洗塔采用逆流式多层设计，使烟气及碱液接触均匀；酸洗塔末端设有活性炭吸附装置进一步吸收烟气中的污染物，烟气经碱洗酸洗后可直接排放。
优选的，太阳能集热器采用平板型翼管式集热器，每吨浓水布设面积为0.8-1.5m2。太阳能集热器布置于厂区顶棚及建筑物表面，集热器可将太阳的辐射能转换为热能。集热器表面吸收涂层采用蓝膜涂层，对太阳能辐射的吸收率可达0.93，具有极高的光热转换效率。
优选的，燃烧器内置于直接接触式蒸发器，可极大降低***的散热损失。
优选的，制氢***为利用光伏发电的电解水制氢***、光解水制氢***或太阳能热解水***。
以上任一所述耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***的控制方法，所述方法包括以下步骤：
S1、直接接触式蒸发器内蒸发换热后的烟气、水蒸气混合气进入逆流换热器，混合气温度为88-90℃，逆流换热器冷端接入常温浓水，在换热器内混合气和浓水换热使得混合气冷却，其中的水蒸气释放气化潜热凝结为冷凝水，冷凝水经RO膜***去除有机物和氨氮后进入储水罐备用；换热后的烟气进入烟气处理***，分别经碱洗去除挥发性有机酸、酸洗去除碱性污染物，最后达标排放；其中换热器内的浓水吸收水蒸气潜热后由常温升高至45-50℃；
S2、将S1中获得初步升温的浓水送至太阳能集热器，进一步升温至75-80℃，然后经进水泵输送至直接接触式蒸发器内蒸发浓缩；
S3、在直接接触式蒸发器内浓水与混合气直接接触换热，浓水升温、蒸发，换热后的烟气、水蒸气温度为88-90℃；在蒸发器内上升过程中，部分水蒸气释放气化潜热成为雾状水滴，并于烟气、剩余水蒸气一同输送至逆流换热器内，蒸发器内的浓水得到蒸发浓缩形成浓缩液；
S4、蒸发器内浓水的浓缩倍率达到10倍以上时，间隔开启蒸发器底部的电磁阀，将浓缩液排入沉降槽，浓缩液在沉降槽内静置分层，上部为上清液、底部为盐泥；上清液由泵送入回流管并输送至蒸发器内继续蒸发，盐泥进行填埋或焚烧；
S5、制氢***中将太阳能转换为电能，光伏组件正极连接电解水槽的阳极、负极连接阴极，在阴极和阳极分别制得氢气和氧气，然后分别储存于氢气罐和氧气罐，氢气罐连接燃气管路、氧气罐连接空气管路，分别汇入燃烧器内燃烧；电解水槽内的水来自S1储水罐内的水或外接水管补水；蒸发每吨浓水需补水0.1t。氢气是常见燃料中热值最高的，可达143MJ/kg,约为天然气的2.5倍，每千克的水参与电解，可产生0.11kg的氢气，燃烧放热量为15.9MJ,不考虑热量损失，则可供蒸发浓水7kg。
优选的，S1中RO膜***设有反洗模式，使得膜组件连续使用，所述***实现冷凝水中的有机物和氨氮去除率达99.5％，冷凝水回水率大于90％。
优选的，S5中的电解水槽采用固体氧化物电解槽，其能源利用率在88-95％之间，能最大限度的利用太阳能。
有益效果：(1)所述***利用逆流换热器有效回收烟气、水蒸气混合气中的热量对浓水预热，然后利用太阳能集热器对预热后的浓水加热升温，避免了沼气或天然气的使用；(2)所述***充分利用直接接触式蒸发器的余热，并将回收的冷凝水电解制氢，实现了冷凝水的循环利用，进一步降低了能耗，减少碳排放。
附图说明
图1是本发明所述耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例中涉及的相关名词解释如下：
直接接触式蒸发器：利用燃烧产生的高温烟气与渗滤液浓水直接接触，浓缩液吸热蒸发的焚烧换热装置，换热效率高达95％；蒸发后水蒸气与烟气一起排出，水蒸气凝结为冷凝水，可回收利用。
逆流换热器：一种管式换热器，换热器内、外的冷、热流体的流动方向呈相反方向布置，使得热流体得到冷却，冷流体得到升温。
太阳能集热器：一种将太阳的辐射能转换为热能，并将热能传向流体通道中传热工介质的设备。其中平板式集热器结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，最有利于实现太阳能***与建筑结合。
光伏发电电解水制氢技术：光伏发电电解水制氢技术原理是将光伏组件产生的电能供给电解槽***，进而电解水制氢。根据电解槽的不同，目前电解水制氢技术分为碱性电解水制氢技术、质子交换膜纯水电解制氢技术和固体氧化物电解制氢技术。
实施例1
耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***，所述***包括形成闭合回路的直接接触式蒸发器、逆流换热器和太阳能集热器；其中，直接接触式蒸发器内置燃烧器，并在蒸发器底部连接有沉降槽，沉降槽与直接接触式蒸发器之间设有回流管，并通过泵将槽内上清液回输至蒸发器内；逆流换热器冷端连接有浓水输送管路，热端与直接接触式蒸发器连接，换热器外接有烟气处理***和RO膜***，RO膜***连接有储水罐；闭合回路外设有制氢***，制氢***包括电解水槽，水槽内的阳极、阴极分别连接有氧气罐和氢气罐，其中氧气罐经空气管路与燃烧器连通，氢气罐经燃气管路与燃烧器连通；电解水槽通过储水罐或外接水管补水。
其中，逆流换热器采用紧凑式布置方式，传热面积密度达800m2/m3。
RO膜***采用碟管式反渗透膜，运行压力达60-80bar。
烟气处理***包括碱洗塔和酸洗塔，其中碱洗塔采用逆流式多层设计，酸洗塔末端设有活性炭吸附装置。
太阳能集热器采用平板型翼管式集热器，每吨浓水布设面积为0.8-1.5m2。
制氢***为利用光伏发电的电解水制氢***。
以上所述耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***的控制方法，所述方法包括以下步骤：
S1、直接接触式蒸发器内蒸发换热后的烟气、水蒸气混合气进入逆流换热器，混合气温度为90℃，逆流换热器冷端接入常温浓水，在换热器内混合气和浓水换热使得混合气冷却，其中的水蒸气释放气化潜热凝结为冷凝水，冷凝水经RO膜***去除有机物和氨氮后进入储水罐备用；换热后的烟气进入烟气处理***，分别经碱洗去除挥发性有机酸、酸洗去除碱性污染物，最后达标排放；其中换热器内的浓水吸收水蒸气潜热后由常温升高至50℃；
S2、将S1中获得初步升温的浓水送至太阳能集热器，进一步升温至80℃，然后经进水泵输送至直接接触式蒸发器内蒸发浓缩；
S3、在直接接触式蒸发器内浓水与混合气直接接触换热，浓水升温、蒸发，换热后的烟气、水蒸气温度为90℃；在蒸发器内上升过程中，部分水蒸气释放气化潜热成为雾状水滴，并于烟气、剩余水蒸气一同输送至逆流换热器内，蒸发器内的浓水得到蒸发浓缩形成浓缩液；
S4、蒸发器内浓水的浓缩倍率达到10倍以上时，间隔开启蒸发器底部的电磁阀，将浓缩液排入沉降槽，浓缩液在沉降槽内静置分层，上部为上清液、底部为盐泥；上清液由泵送入回流管并输送至蒸发器内继续蒸发，盐泥进行填埋或焚烧；
S5、制氢***中将太阳能转换为电能，光伏组件正极连接电解水槽的阳极、负极连接阴极，在阴极和阳极分别制得氢气和氧气，然后分别储存于氢气罐和氧气罐，氢气罐连接燃气管路、氧气罐连接空气管路，分别汇入燃烧器内燃烧；电解水槽内的水来自S1储水罐内的水或外接水管补水。
其中，S1中RO膜***设有反洗模式，使得膜组件连续使用，所述***实现冷凝水中的有机物和氨氮去除率达99.5％，冷凝水回水率大于90％。S5中的电解水槽采用固体氧化物电解槽，其能源利用率在88-95％之间。
实施例2
与实施例1不同之处在于，制氢***采用光解水制氢***。
实施例3
与实施例1不同之处在于，制氢***采用太阳能热解水***。
实施例4
与实施例1不同之处在于，S1中换热器内的浓水吸收水蒸气潜热后由常温升高至45℃；S2中经太阳能集热器的进一步加热，浓水升温至75℃；S3中在直接接触式蒸发器内浓水与混合气直接接触换热，浓水升温、蒸发，换热后的烟气、水蒸气温度为88℃。

Claims (10)

1.耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***，其特征在于，所述***包括形成闭合回路的直接接触式蒸发器、逆流换热器和太阳能集热器；其中，直接接触式蒸发器内置或外接燃烧器，并在蒸发器底部连接有沉降槽，沉降槽与直接接触式蒸发器之间设有回流管，并通过泵将槽内上清液回输至蒸发器内；逆流换热器冷端连接有浓水输送管路，热端与直接接触式蒸发器连接，换热器外接有烟气处理***和RO膜***，RO膜***连接有储水罐；闭合回路外设有制氢***，制氢***包括电解水槽，水槽内的阳极、阴极分别连接有氧气罐和氢气罐，其中氧气罐经空气管路与燃烧器连通，氢气罐经燃气管路与燃烧器连通；电解水槽通过储水罐或外接水管补水。
2.根据权利要求1所述的耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***，其特征在于，逆流换热器采用紧凑式布置方式，传热面积密度达800m2/m3。
3.根据权利要求1所述的耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***，其特征在于，RO膜***采用碟管式反渗透膜，运行压力达60-80bar。
4.根据权利要求1所述的耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***，其特征在于，烟气处理***包括碱洗塔和酸洗塔，其中碱洗塔采用逆流式多层设计，酸洗塔末端设有活性炭吸附装置。
5.根据权利要求1所述的耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***，其特征在于，太阳能集热器采用平板型翼管式集热器，每吨浓水布设面积为0.8-1.5m2。
6.根据权利要求1所述的耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***，其特征在于，燃烧器内置于直接接触式蒸发器。
7.根据权利要求1所述的耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***，其特征在于，制氢***为利用光伏发电的电解水制氢***、光解水制氢***或太阳能热解水***。
8.权利要求1-7任一所述耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、直接接触式蒸发器内蒸发换热后的烟气、水蒸气混合气进入逆流换热器，混合气温度为88-90℃，逆流换热器冷端接入常温浓水，在换热器内混合气和浓水换热使得混合气冷却，其中的水蒸气释放气化潜热凝结为冷凝水，冷凝水经RO膜***去除有机物和氨氮后进入储水罐备用；换热后的烟气进入烟气处理***，分别经碱洗去除挥发性有机酸、酸洗去除碱性污染物，最后达标排放；其中换热器内的浓水吸收水蒸气潜热后由常温升高至45-50℃；
S2、将S1中获得初步升温的浓水送至太阳能集热器，进一步升温至75-80℃，然后经进水泵输送至直接接触式蒸发器内蒸发浓缩；
S3、在直接接触式蒸发器内浓水与混合气直接接触换热，浓水升温、蒸发，换热后的烟气、水蒸气温度为88-90℃；在蒸发器内上升过程中，部分水蒸气释放气化潜热成为雾状水滴，并于烟气、剩余水蒸气一同输送至逆流换热器内，蒸发器内的浓水得到蒸发浓缩形成浓缩液；
S4、蒸发器内浓水的浓缩倍率达到10倍以上时，间隔开启蒸发器底部的电磁阀，将浓缩液排入沉降槽，浓缩液在沉降槽内静置分层，上部为上清液、底部为盐泥；上清液由泵送入回流管并输送至蒸发器内继续蒸发，盐泥进行填埋或焚烧；
S5、制氢***中将太阳能转换为电能，光伏组件正极连接电解水槽的阳极、负极连接阴极，在阴极和阳极分别制得氢气和氧气，然后分别储存于氢气罐和氧气罐，氢气罐连接燃气管路、氧气罐连接空气管路，分别汇入燃烧器内燃烧；电解水槽内的水来自S1储水罐内的水或外接水管补水。
9.根据权利要求8所述的耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***的控制方法，其特征在于，S1中RO膜***设有反洗模式，使得膜组件连续使用，所述***实现冷凝水中的有机物和氨氮去除率达99.5％，冷凝水回水率大于90％。
10.根据权利要求8所述的耦合太阳能的浓液蒸发和循环利用***的控制方法，其特征在于，S5中的电解水槽采用固体氧化物电解槽，其能源利用率在88-95％之间。
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