CN1760136A - 一种包括循环冷却水和锅炉供水的工业用水***清洁生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的工业用水***清洁生产方法包括：将用于锅炉供水和循环冷却水的工业新鲜水取水都给入循环冷却***的冷水池；在***中设置包括膜蒸馏器在内的纯水制取和水处理工艺单元；将经冷却使用后的高温冷却水的一部分给入纯水生产和水处理工艺单元，其余部分仍最终返回冷却塔；纯水生产和水处理工艺单元所生产的纯水一部分用于锅炉生产使用或外供其它用途，另一部分可以返回冷水池但通常并不需要；纯水生产和水处理工艺单元的排污水作为***的最终排污排出***外；控制冷却水浓缩倍数使冷却水无须采取阻垢措施如加入阻垢剂；本发明同时提出了主要工艺参数的控制和优化方法。通过本发明可以实现的技术进步包括：冷却水无须采取阻垢措施、获取廉价纯水、减少取水和排污、减少锅炉生产的燃料消耗。

Description

一种包括循环冷却水和锅炉供水的工业用水***清洁生产方法

一、技术领域

本发明属于工业用水***清洁生产技术领域，特别涉及一种利用疏水性微孔膜生产纯水、回收废热、实现循环冷却水无阻垢剂运行的清洁生产方式及其技术。

二、背景技术

在全世界总取水和总排水中，来自工业的取水和排水占一大半，而在工业取水中用于工业冷却及动力站(锅炉)的供水又占了一大半。很多工业领域如电力、化工行业往往同时具有工业冷却和动力站供水的需求。

动力站取水主要是为锅炉生产提供软化水或脱盐水。目前工业生产中，动力站取水几乎都直接来自新鲜工业供水，并需要进行软化或脱盐处理。通常采用的软化或脱盐工艺有离子交换、电渗析、反渗透、纳滤等。上述工艺的产水率都比较低。离子交换工艺需要消耗大量的再生酸碱等化学品，产生二次污染，是一种较不清洁的工艺。电渗析、反渗透、纳滤等投资或制水成本较高，并且这些膜法制水工艺需要消耗大量的能量。

工业冷却水约占工业总取水的一半以上。冷却过程主要是利用水热容量高的物理性质，经过冷却换热后，水的温度通常要升至50～70℃。在冷却***，为节约水资源，国内外普遍实行冷却水循环使用。循环冷却水***的流量很高，通常是取水的3～4倍以上。在冷却水循环使用过程中，由于蒸发、风吹等原因导致***中水量损失和水质下降。循环冷却水水质下降可以分为两种情况。其一是悬浮污染物增加，其二是溶解性污染物质浓度的增加。循环冷却水中的悬浮污染物主要有下列来源：(1)补充水中携带的悬浮污染物，包括水中原有溶解性污染物因水的物理化学状态的变化转变而成的悬浮污染物；(2)来自空气和被冷却器件上的污物如灰尘、碎屑、飞虫、油污等；(3)循环冷却水***中孳生的微生物物质如细菌、藻类等。循环冷却水溶解性污染物浓度的增加主要是溶解性固体物质浓度的增加。这主要是因蒸发失去的水几乎是纯水，水中原有的溶解性固体依然停留在***中，而新补入的水通常都含有一定浓度的溶解性固体，这意味着循环冷却水***中的溶解性固体浓度有不断增加的趋势。为了维持***中水质水量的稳定，必须通过一定的手段(如水处理或排污)予以控制。对于悬浮污染物的控制比较容易，目前已经发展出各种成熟的工艺，如通过从***中引出部分循环水进行混凝—沉淀(气浮)—过滤—杀菌消毒等常规处理即能有效控制。对于溶解性无机盐类物质浓度的增加并没有合适的处理手段。目前在实际水处理中，对于水中溶解性盐类物质的去除方法主要是反渗透、纳滤、电渗析、离子交换等工艺，这是目前工业供水和民用供水的主要脱盐手段。但这些手段通常都需要较大的投资和运行成本，仅在特殊场合如工业脱盐水生产、海水淡化制饮用水等中采用，对于大规模的循环冷却水处理而言几乎没有实际应用价值。因此，在循环冷却水方面为了控制溶解性固体的浓度几乎都是依赖排污，即不断从***中排出一定量的水(即排污)以排出多余的溶解性固体物质。排污越多，需要补充的水越多。为了减少排污，必须提高排污中的溶解性固体浓度。目前，工业循环冷却水排污的方式是直接从***中排出一定的水量，因此提高排污的浓度实际上意味着需要提高***中所有循环水的浓度，在专业上称之为提高冷却循环水浓缩倍数。这是目前循环冷却水***浓缩运行的基本原理，也是通行的工业冷却水***的运行方式。随着浓缩倍数的增加，水中一些溶解度较小的盐类物质在被冷却对象和管道中结晶沉淀的趋势增加，这就是结垢。结垢的危害非常大，因此提高循环冷却水浓缩倍数并防止结垢是目前工业循环冷却水运行中所要解决的最关键问题，所依赖的手段是各种阻垢方法，其中尤以投加阻垢剂为主。阻垢剂是工业水处理中最大宗的水处理药剂，构成了循环冷却水运行的主要费用(除取水成本外)。对阻垢剂的依赖一方面增加了运行成本，另一方面目前绝大多数阻垢剂都是环境污染物质，势必增加循环冷却水排污对环境的污染。

从上面的简要论述可以看出：(1)工业生产中的冷却水和动力站供水占新鲜工业供水的绝大部分，在这两个环节设施清洁生产和提高水的循环利用率对于整个工业的清洁生产、节约用水、减少污水排放意义重大；(2)工业生产中的动力站供水基本上都直接来自新鲜工业供水，水处理的目标主要是制取软化水或除盐水，目前的制水工艺或不够清洁、或制水成本和能耗较高；(3)循环冷却水主要利用水的冷却性能，使用后的高温循环水中含有大量废热；(4)排出溶解性固体、污染物防止结垢是循环冷却水排污的主要任务；(5)目前循环冷却水***浓缩运行的排污方式必然导致对阻垢剂的依赖和对环境的污染，是一种相对而言不清洁的生产方式。为此，本发明的目标是提出一种更清洁的循环冷却水—动力站供水运行方式及其工艺方法。本发明中将利用膜蒸馏法实现回收废热、提高水循环利用率、制取纯水、取消向循环冷却水中投加阻垢剂的清洁生产方式。

膜蒸馏，又称为低温膜蒸馏，是一种采用疏水微孔膜、以膜两侧的蒸汽压力差为驱动力的膜分离过程。当不同温度的水溶液被疏水膜分隔的时候，由于膜的疏水性，两侧的水溶液均不能通过膜进入另一侧。但由于高温侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于低温侧，水蒸汽会从高温侧透过膜孔进入低温侧并冷凝成为渗出水，这种通过蒸馏的原理获得的渗出水是一种品质很好的纯水；浓水则留在高温侧成为渗余水。膜蒸馏过程无须将溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程就能够进行，因此又被称为低温膜蒸馏。

膜蒸馏最初是为大规模海水脱盐而提出，早在上世纪60年代就开始了较***的研究。与同为膜法的反渗透工艺相比，膜蒸馏的优点非常显著：(1)膜蒸馏的过程几乎在常压下进行，设备简单，操作方便；(2)在非挥发性水溶液的膜蒸馏过程中，由于仅有水蒸气能透过膜孔，因此蒸馏液十分纯净；(3)可以处理极高浓度的含盐水，甚至可以将溶液浓缩到过饱和状态而成为所谓的膜蒸馏结晶技术，因此膜蒸馏的产水率可以远高于反渗透。但膜蒸馏的缺点也同样显著：由于膜蒸馏是一个相变的过程，汽化潜热降低了热能利用效率，使膜蒸馏成为一种高耗能的过程。因此数十年来，膜蒸馏领域所进行的研究开发主要集中在：(1)降低膜蒸馏过程能耗、提高膜蒸馏装置的性能、降低膜蒸馏装置的成本，如中国专利申请03120257.8、02160555.6、98809445.2、88209756.3、98809445.2，荷兰专利申请NL1012167、美国专利4545862、英国专利申请GB1225254A、德国专利申请3123409、欧洲专利申请0164326、国际专利申请WO8607585A等的记载；(2)开发适合膜蒸馏工艺应用的领域，如中国专利申请02138636.6、01106877.9、01801127.6、93104942.3。但客观地说，由于膜蒸馏与其它脱盐方法如反渗透相比在运行成本上并无优势，因此至今并未获得真正意义上的大规模商用。虽然在对膜蒸馏工艺进行的研究和开发中通常都声称要利用废热资源生产纯水，但在发明人所知范围内，目前在国内外均未有将膜蒸馏工艺应用到循环冷却水—动力站供水***全面清洁生产、回收废热、生产纯水、削减取水和污染排污的发明创造。关于膜蒸馏技术的应用和研究进展，可以参考相关文献(1.膜蒸馏技术的回顾与展望，《天津城市建设学院学报》第9卷第2期pp100～110；2.膜蒸馏技术及其应用研究进展，《膜科学与技术》第23卷第4期pp67～92)。

“一种循环冷却水的处理方法”(公开号：CN1448342)提出在循环冷却水***中设置旁路净化线，其中采用反渗透作为主要排污手段。另有“一种工业循环冷却水的旁流处理方法”(公开号CN1522974A)与前一公开发明相似，只不过提出以离子交换作为主要的循环冷却水排污手段。无论是离子交换还是反渗透，其排污的成本都比较高，而且工艺和装置复杂，几乎不可能在大规模循环冷却水***中应用。

三、发明内容

本发明的主要目的是提供一种更清洁的工业循环冷却水—动力站供水生产方式及其相关技术。

本发明提供的工业循环冷却水—动力站供水清洁生产方式包括以下内容：

(1)在***中设置包含疏水性微孔膜的膜蒸馏器。疏水性微孔膜的一侧为高温侧，用以通过高温的水。疏水性微孔膜的另一侧为低温侧，用以冷凝从高温侧渗出的蒸汽并收集冷凝水。在低温侧采取一定的措施，如水冷和气冷，以促进渗出蒸汽的凝集。高温侧的水在膜蒸馏过程中有降温的趋势，因此优选在高温侧采取措施，如从***中另外引入高温循环水Q₂通过换热器G₂对高温侧的水Q₁加热使其与环境气温的差ΔT₁保持在5℃以上，Q₂与Q₁不直接接触。优选ΔT₁＞20℃。

(2)将用于动力站供水的新鲜工业水E₁和循环冷却水补水E₂全部先给入循环冷却水***的冷水池，并用作循环冷却水。

(3)低温的循环冷却水通过换热器G₀冷却被冷却对象后成为高温循环水。控制循环冷却水的循环速度Q₀以控制高温循环水与环境气温的差ΔT₀，优选ΔT₀＝30℃～50℃。

(4)从Q₀(高温循环水)分流出流量为Q₁的高温循环水引入膜蒸馏器的高温侧，利用高温循环水在疏水性微孔膜两侧所产生的蒸汽压力差驱使水蒸气从高温侧透过膜进入低温侧。在疏水性微孔膜的低温侧采取适当的措施，使渗出的水蒸气凝结成30～40℃以上的纯水，其中数量为P₁的纯水供锅炉生产使用或供其它用途使用，其余数量为P₂(或汽水混合物)的纯水用于补充循环冷却水***因蒸发损失的纯水。

(5)纯水P₁可以直接供锅炉生产使用，也可经过滤作业去除其中可能含有的悬浮杂质后再供给锅炉使用。

(6)疏水性微孔膜高温侧残留的最终渗余水B作为***的总排盐水予以排放。总排盐水B中的溶解性固体含量相当于目前脱盐水生产排污和循环冷却水排污中的溶解性固体含量的总和。

(7)根据新鲜工业供水的水质和疏水性微孔膜运行的经济技术要求，确定总排盐水B的浓缩倍数K₂。

(8)P₁根据动力站生产用水量或其它需求确定。

(9)P₂由循环冷却***的蒸发损失水量E₂、设定的循环冷却水浓缩倍数K₁、设定的总排盐水浓缩倍数K₂确定：

$P_2\≈\frac{K_2-K_1}{K_1(K_2-1)}{E}_2---\left(1\right)$

(10)由于疏水性微孔膜将循环冷却水与排污隔离，使循环冷却水浓缩倍数和其排污的浓缩倍数可以单独控制。控制循环冷却水的浓缩倍数K₁，使循环冷却水无须投加阻垢剂。

(11)控制补入循环冷却水***的纯水量P₂可以控制循环冷却水浓缩倍数，其方法是：

$K_1\≈\frac{K_2{E}_2}{(K_2-1)P_2+E_2}---\left(2\right)$

(12)优选高温循环水Q₁在进入膜蒸馏器之前进行前处理。前处理的目的主要是去除水中的悬浮污染物。前处理的方法可以采用混凝—澄清(沉淀或气浮)—过滤—消毒，也可以采取其它具有类似功能的水处理方法。

结合附图对本发明提供的实现上述清洁生产方式的工艺进行说明：

附图中，粗实线框表示装置或组合装置，粗点线表示疏水性微孔膜，细实线及其箭头表示水流和方向，双线及其箭头表示纯水，方框内、方框旁以及线旁的文字和数字为标注。

来自工业供水的循环冷却水补水和动力站取水均直接给入冷水池1。来自冷水池1的低温循环水，通过热交换器2冷却被冷却对象并成为高温循环水。一部分高温循环水给入前处理单元3，另一部分高温循环水给入热交换器5。前处理单元3主要用来去除循环水中的悬浮固体污染物，前处理单元3优选混凝—澄清(沉淀或气浮)—过滤—消毒工艺组合，也可以选择其它具有类似功能的水处理工艺组合。前处理单元3的产水31给入膜蒸馏器。本发明中的膜蒸馏器包含疏水性微孔膜，除此外也可以包含其它一些设施。本发明中的疏水性微孔膜在材料上可以是由PTFE、PVDF、PE、PP或类似材料制成的商品膜，也可以使用如聚醚砜、聚砜、聚丙稀腈、聚酰胺等制成的所谓非对称性微孔膜；本发明中的疏水性微孔膜，在形状上优选中空纤维膜或管式膜，但也可以采用平板膜、卷式膜或其它形状膜。本实施例中选用PTFE中空纤维膜，高温水给入膜管内，低温蒸汽透过管壁渗出至管外冷凝并收集，渗余液在膜管内并最终排出。本发明工艺中的膜蒸馏器可以仅有一级，但优选为串联的多级膜蒸馏器，每级膜蒸馏器可以包含多个并联的疏水性微孔膜单元。在相邻两级膜蒸馏器之间设置热交换器，用于对前级膜蒸馏器的渗余液进行加热，热交换器的热源来自***中的高温循环水。在本发明如附图所示的实施例中仅表示出两级膜蒸馏器，即膜蒸馏器41和膜蒸馏器42，并设置一个热交换器5。来自热交换器2的高温循环水22流经热交换器5，完成热交换后流入冷却塔6。高温循环水22与渗余液411不直接接触。前处理单元3的产水31首先给入膜蒸馏器41。膜蒸馏器41的渗余液通过热交换器5加热，然后给入膜蒸馏器42。膜蒸馏器42的渗余液421作为排污。多级膜蒸馏器所产的纯水可以单独收集，也可以混合收集。在本实施例中，膜蒸馏器41和42所产纯水混合收集，并根据需要分别提供给动力站和外供纯水，但其中给入冷水池的纯水43按计量P₂控制，P₂可由公式(1)计算。前处理单元3的排污水可与膜蒸馏器的排污水混合作为最终排污，也可以分别排放。本实施例中前处理单元3的排污水与膜蒸馏器的排污水混合作为最终排污水排放。

通过本发明预期可取得以下主要技术进步：

A提高水的重复利用率，降低水耗，减少排污水量

本发明中将目前单独取水、处理和使用的动力站取水E₁首先给入循环冷却水***，发挥E₁本身所具备的冷却功能，这种功能在现有循环冷却水—动力站供水***中被白白浪费了。

由于E₁在冷却作业中相当于一次性冷却水，在离开循环冷却水***时携出一定热量H₁。如果循环冷却水***的原循环流量Q₀₀保持不变，由于增加了E₁作为冷却水，通过热交换器G₀的冷却水量Q₀为：

         Q₀＝Q₀₀+E₁                            (3)

设在未引入E₁前，通过换热器G₀后循环冷却水水温增加Δt₀₀，并设水的热容h为常数，则总交换热量H₀：

         H₀＝Q₀₀Δt₀₀C                         (4)

在引入E₁后，水温增加Δt₀：

$\mathrm{\Δ}{t}_0=\frac{H_0}{Q_{0}C}=\frac{Q_{00}\mathrm{\Δ}{t}_{00}C}{(Q_{00}+E_1)C}=\frac{Q_{00}}{Q_{00}+E_1}\mathrm{\Δ}{t}_{00}---\left(5\right)$

显而易见，Δt₀＜Δt₀₀，亦即在引入E₁之后高温循环水的升温幅度减小。若假设E₁＝0.3Q₀₀、Δt₀₀＝40℃，根据 $\mathrm{\Δ}{t}_0=\frac{H_0}{Q_{0}C}=\frac{Q_{00}\mathrm{\Δ}{t}_{00}C}{(Q_{00}+E_1)C}=\frac{Q_{00}}{Q_{00}+E_1}\mathrm{\Δ}{t}_{00}$ 计算引入E₁后高温循环水升温Δt₀＝30.7℃，比原升温约低10℃，则高温循环冷却水在冷却塔中的蒸发损失率约下降20％～30％，相当于节约循环水补水20％～30％。如果保持循环冷却水流经热交换器G₀的速度不变，即Q₀＝Q₀₀，则需要通过冷却塔冷却的水量将下降E₁，蒸发损失率也将下降约20％～30％。

B获取廉价纯水资源

目前工业企业制取纯水或脱盐水所采用的工艺主要是离子交换、反渗透、电渗析或纳滤，这些工艺都要消耗大量的资源(化学品、能量)，制水成本都比较高。而本发明中利用废热资源采用膜蒸馏工艺制取纯水，与目前所用的制水方法相比几乎没有消耗，加之膜蒸馏工艺所需要的设备非常简单，因此制水成本将是十分低廉，初步估计制水的运行费约在0.1元/吨左右。

由于废热资源十分丰富，在本发明中通过膜蒸馏工艺制造纯水根本无须象目前膜蒸馏工艺那样追求热能利用效率，因此对膜蒸馏***的设备要求十分低。假设生产每吨纯水消耗的热量相当于将水加热10℃(这种热量损失水平是普通膜蒸馏制水工艺根本不允许的)，并假设目前循环冷却水体系高温循环水与环境气温的差为30℃，则已有的废热资源足以生产3倍于循环冷却水量的温暖纯水(30℃～40℃)，远远超过一半工业企业对动力站供水的需求。因此，利用本发明，具有大量废热资源的企业可以生产大量的外供纯水。

C回收废热资源，削减锅炉生产燃料费

通过本发明的方法获取的纯水温度将在40℃左右，相当于供给锅炉的水预加热20℃～30℃，将大幅削减锅炉生产的燃料费，经济意义和社会意义十分显著。

D无须向循环冷却水中投加阻垢剂

通过本发明使循环冷却水与排污的浓缩倍数可以分别控制。利用废热通过膜蒸馏工艺可以实现循环冷却水自发浓缩排污，因此可以将循环冷却水控制在无须投加阻垢剂的浓缩倍数以内，从而节约药剂费并削减对环境的污染。

Claims (10)

1.一种工业用水中循环冷却水和动力站供水***清洁生产方式，主要包括：

——提高水的重复利用率，降低水耗，减少排污，

——获取廉价纯水，

——回收高温循环冷却水中的废热，削减锅炉生产燃料费，

——循环冷却水中无须加入阻垢剂，

其特征在于：将动力站用于制取除盐水、软化水或纯水的取水E₁先给入循环冷却水***，优选将动力站用于制取除盐水、软化水或纯水的取水E1先全部给入循环冷却***的冷水池，

低温的循环冷却水通过换热器G₀冷却被冷却对象后成为高温循环水，控制循环冷却水的循环速度Q₀以控制高温循环水与环境气温的差ΔT₀，

设置包括膜蒸馏器在内的纯水制取和水处理工艺流程，从Q₀中分出一部分高温循环水Q₁通过所说的制水和水处理工艺流程制取纯水和排放废水，其中数量为P₁的纯水供锅炉生产使用或供其它用途使用，其余数量为P₂(或汽水混合物)的纯水用于补充循环冷却水***因蒸发损失的纯水，

从高温循环水中引入高温循环水Q₂通过换热器G₂对膜蒸馏器高温侧的水Q₁加热使其与环境气温的差ΔT₁保持在5℃以上，Q₂与Q₁不直接接触，

纯水P₁可以直接供锅炉生产使用，也可经过滤作业去除其中可能含有的悬浮杂质后再供给锅炉使用，

膜蒸馏器高温侧残留的最终渗余水B作为***的总排盐水予以排放，并根据新鲜工业供水的水质和疏水性微孔膜运行的经济技术要求，确定总排盐水B的浓缩倍数K₂，

P₂由循环冷却***的蒸发损失水量E₂、设定的循环冷却水浓缩倍数K₁、设定的总排盐水浓缩倍数K₂确定：

$P_2\≈\frac{K_2-K_1}{K_1(K_2-1)}{E}_2,$

控制循环冷却水的浓缩倍数K₁，使循环冷却水无须投加阻垢剂，控制补入循环冷却水***的纯水量P₂可以控制循环冷却水浓缩倍数，其方法是：

$K_1\≈\frac{K_2{E}_2}{(K_2-1)P_2+E_2},$

2.如权利要求1所说的高温循环水与环境气温的差ΔT₀，其特征是：优选ΔT₀＝30℃～50℃。

3.如权利要求1所说的温度差ΔT₁，其特征是：优选ΔT₁＞20℃。

4.如权利要求1所说的高温循环水Q₁，其特征是：在进入膜蒸馏器之前进行前处理以去除去除水中的悬浮污染物并消毒杀菌。

5.如权利1所说的制取纯水，其特征是：所制的纯水温度控制在30℃～40℃以上。

6.一种实现工业用水中循环冷却水和动力站供水***清洁生产方式的工艺，内容包括：

——回收废热，

——制取纯水，

——对水进行处理，

——获得排污，

其特征是：工艺流程中包含冷水池1、用于冷却被冷却对象的热交换器2、前处理单元3、膜蒸馏器4、热交换器5、冷却塔6，来自工业供水的循环冷却水补水和动力站取水均直接给入冷水池1，来自冷水池1的低温循环水通过热交换器2冷却被冷却对象并成为高温循环水，

一部分高温循环水给入前处理单元3进行主要去除悬浮污染物和杀菌消毒的处理，

另一部分高温循环水给入热交换器5，在对膜蒸馏器4中的渗余水进行加热后流入冷却塔6，

前处理单元3的产水给入膜蒸馏器4，膜蒸馏器4所产纯水一部分返回冷水池1，其余供动力站锅炉使用或作为外供纯水，

前处理单元3的排污水和膜蒸馏器4的渗余水作为***的总排污水。

7.如权利要求6所说的前处理单元3，其特征是：优选混凝-澄清(沉淀或气浮)-过滤-消毒工艺组合，也可以选择其它具有类似功能的水处理工艺组合。

8.如权利要求6所说的膜蒸馏器，其特征是：包含疏水性微孔膜，疏水性微孔膜在材料上可以是由PTFE、PVDF、PE、PP或类似材料制成的商品膜，也可以使用如聚醚砜、聚砜、聚丙稀腈、聚酰胺等制成的所谓非对称性微孔膜，在形状上优选中空纤维膜或管式膜，但也可以采用平板膜、卷式膜或其它形状膜。

9.如权利要求6和权利要求8所说的膜蒸馏器，其特征是：优选为串联的多级膜蒸馏器，每级膜蒸馏器可以包含多个并联的疏水性微孔膜单元，上一级膜蒸馏器的渗余水作为下一级膜蒸馏器的进水，在相邻两级膜蒸馏器之间设置热交换器，用于对上一级级膜蒸馏器的渗余水进行加热，热交换器的热源来自***中的高温循环水。

10.如权利要求6和权利要求9所说的膜蒸馏器，其特征是：如果采用串联的多级膜蒸馏器，每级膜蒸馏器所产的纯水可以单独收集也可以根据不同的组合混合收集，最后一级膜蒸馏器的渗余液作为排污水。

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