CN100376488C - 液态氯直接投加工艺系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液态氯直接投加工艺系统，它包括在线液氯钢瓶，其特征在于：所述在线液氯钢瓶连接着液态氯沉淀钢瓶，液态氯沉淀钢瓶连接着计量泵，计量泵再连接着液态氯投加器。本发明由于采用上述工艺系统，使之具有诸多优点，1、提高饮用水的水质2、节约投资3、降低运营费用4、本发明专利工艺简单可靠，易于控制，有利于实现水厂的自动化运行。

Description

液态氯直接投加工艺系统
技术领域
本发明涉及一种自来水消毒剂(液态氯)投加工艺系统，尤其是涉及一种液态氯直接投加工艺系统。
背景技术
1835年罗布雷·东林逊博士(Robley Dunglinson)在美国费城发表《人类健康》论文，提出用氯对饮用水进行消毒处理的建议。
1850年约翰·斯诺博士(John Snow)在英国伦敦爆发霍乱之后使用氯对饮用水进行消毒。1897年西姆斯·乌德海德(Sims Woodhead)在英国肯特郡爆发伤寒病之后使用漂白粉溶液(有效成分是氯)作为供水干管的临时消毒措施。1902年比利时的麦道克水厂(Middlekerke)建立世界第一座用氯进行消毒的永久性水厂。1912年美国尼加拉大瀑布水厂用液氯对自来水进行消毒，并采用乔尔格·沃尔斯坦博士(Georg Ornstein)开发的投氯设备。
氯消毒卓有成效。凡采用此法的地方，传染病发病率和死亡率均大幅度降低，且其运行费用低廉，已被世界各国广泛采用。截止二十一世纪初叶，其它消毒方法均处于次要地位。
目前的液氯消毒工艺技术已基本定型化，各国技术规范、设计手册和全部高等学校教材均遵照同一模式进行知识传授，并按这一投氯模式建造更多的新水厂。
目前世界各国饮用水消毒剂的状况
如下表所示：
国家或地区 液氯Cl   二氧化氯Cl.O<sub>2</sub> 臭氧0， 紫外线UV 国家或地区 液氯Cl<sub>2</sub>   二氧化氯ClO<sub>2</sub> 臭氧O<sub>3</sub> 紫外线UV
  澳大利亚   +++   +   +   意大利   +++   +++
  奥地利   +++   +   +   +   日本   +++
  比利时   +++   +   +   中国澳门   +++
  巴西   +   荷兰   +   +   +
  保加利亚   +++   +   挪威   ++   ++
  中国   +++   +   南非   +++   +
  捷克   +++   +   西班牙   +++   +   ++
芬兰 +++ + ++ 瑞典 +++ +
  法国   ++   ++   ++   瑞士   +   ++   ++   ++
  德国   +++   +++   ++   +   英国   +++   +   +
  匈牙利   +++   +   美国   +++   +   +   +
爱尔兰 +++ +
注：+++主要方法；++经常使用的方法；+特殊场合使用的方法。
但是，经过长期的实践，目前公认的投氯工艺并非最佳。本发明提出了新的办法，以达到提高水质，大幅度节约投资，降低运营费用并为水厂自动化运行提供方便条件。
现有投氯工艺的基本特点：先汽化，后投加
1、液态氯由化工厂制成，贮存在专用的钢瓶内，对外销售，钢瓶周转使用；
2、液氯钢瓶运输到水厂后，先用蒸发器将液氯汽化成气态氯，再由专用的加氯机将气态氯定量投入水中。小型水厂可省略蒸发器而靠周围大气向液氯钢瓶加热以实现液态氯的汽化；
3、加氯机实质上是一个节流阀，运行中靠改变过流通道的截面而改变投氯量。加氯机必须具备微调的功能，因此要求其过流工质具有较大的比容，即变更质量流量时，节流阀阀瓣的位移量不致过小。气态氯的比容是液态氯比容的456倍(0℃，lata)，因而液态氯必须先行汽化才可进入加氯机。如果让液态氯通过节流阀，则因压力降低产生汽化吸热而结冰，堵住节流阀。
4、目前加氯机节流阀的过流截面不大，因此过流工质不可夹带固体颗粒杂质，否则节流阀可能被堵塞。
在液态氯的汽化过程中可以将其中固体颗粒杂质滞留在钢瓶内或蒸发器内，缓解了杂质堵塞问题，这也是目前投氯工艺要求先汽化后投加的原因之一。
但是，现有的加氯设备存在诸多不足：
1、饮用水的水质指标之一余氯难以准确确定：目前的节流式加氯机直接控制的是体积流量，而投氯量是质量流量。但气态氯的比容(单位质量的体积)随其压力和温度的变动而显著增减，故自动加氯机的控制软件十分复杂，手动加氯机更无法解决这一课题。其后果是，目前水厂的出厂水余氯含量的法定合格范围很大，否则无法实用。其典型数据如下：
            冬季0.5-1.0mg/L
            夏季0.8-1.2mg/L
2、投资大：以一座供水量为30万m3/日的中型水厂为例，目前的加氯系统总计投资约150万元(主要设备单价：电力蒸发器20万元/台，自动加氯机15万元/台，液氯钢瓶0.4万元/个)；
3、运营费用高：由于投资大量，大修费、折旧费也高。此外，蒸发器的耗电费用(约3万元/年)高。
4、系统设备复杂，不易控制，不利于实现水厂的自动化运行。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种液态氯可直接投加到水中进行消毒的液态氯直接投加工艺系统。
本发明的目的可通过以下措施来实现：
这种液态氯直接投加工艺系统包括在线液氯钢瓶，所述在线液氯钢瓶中的液态氯经过在线氯阀、沉淀前液氯管道、沉淀前氯阀进入液态氯沉淀钢瓶，经沉淀后氯阀、沉淀后液氯管道进入计量泵，经加压并控制流量后，液态氯经液态氯管道进入液态氯投加器，与经第一分支管道进入液态氯投加器的压力水混合并溶入水中后，形成高浓度的含氯水，然后经含氯水管道进入水射器，水射器形成真空，使含氯水管道中的含氯水不外泄，与第二分支管道进入水射器中的压力水进一步混合稀释，经稀释后的含氯水管道进入快滤池出水管道，再一次混合后，经投氯后滤后水管道进入混合井，再由混合水管道和采样后的水管道进入清水池，经吸水管进入水厂送水泵，加压后送入城市管网；液态氯直接投加工艺系统中还设置有余氯检测和投氯控制环，余氯检测和投氯控制环包括余氯连续检测仪，余氯连续检测仪一端通过余氯采样器连接到混合井的出水管上，另一端连接到计量泵驱动电机的控制柜，计量泵驱动电机再连接到计量泵上；所述液态氯沉淀钢瓶的顶面高程比在线液氯钢瓶的底面高程低。
所述液态氯直接投加工艺系统中还设置有水流量检测投氯控制环，水流量检测投氯控制环包括流量计，流量计的输入口与快滤池连通，流量计的输出口与混合井连通，另外，流量计通过流量计连续信号输出线路与计量泵驱动电机的控制柜连接。
所述计量泵为往复式隔膜计量泵。
所述流量计为电磁流量计。
所述计量泵驱动电机的控制柜为计量泵驱动电机的变频控制柜。
本发明由于采用上述工艺系统，使之具有诸多优点，
1、提高饮用水的水质：计量泵控制的仍是体积流量(其误差为±1％)，但液态氯在温度压力变化时，其比容值变化甚小，它与加氯机的流量特性迥然不同。
采用计量泵直投液氯后，可以在上述背景技术的数据中取用“最佳值范围”。以便既保证充分消毒，又不过量加氯，以利人体健康，还可减少氯耗。
2、节约投资：若采用本发明专利，加氯系统总计投资约30万元(主要设备单价：计量泵0.5万元/台，投加器1万元/台，液氯钢瓶0.4万元/个)。大大降低了投资。
3、降低运营费用：由于投资大量节约，大修费、折旧费也大幅度降低。此外，蒸发器的耗电费用(约3万元/年)也节省了。
4、本发明专利工艺设备简单可靠，易于控制，有利于实现水厂的自动化运行。
适用范围
本发明专利适用于自动化运行的大中型水厂。
附图说明
图1是本发明的总体工艺系统图；
图2是本发明中在线液氯钢瓶、液态氯沉淀钢瓶以及计量泵、液态氯投加器等的局部连接放大图；
图3是本发明中液态氯投加器的主视图；
图4是本发明中图3的左视图；
图5是本发明中图3的俯视图。
具体实施方式
本发明以下结合附图和实施例作以详细的描述：
实施例1：如图所示，在线液氯钢瓶1中的液态氯经过在线氯阀3、沉淀前液氯管道4、沉淀前氯阀5进入液态氯沉淀钢瓶6，经沉淀后氯阀7、沉淀后液氯管道8进入计量泵9，经计量泵9加压并控制流量后，液态氯经加压后的液态氯管道12进入液态氯投加器13，与经厂用水第一分支管道38进入液态氯投加器13的压力水混合并溶入水中后，形成高浓度的含氯水，然后经高浓度含氯水管道15进入水射器16，水射器形成真空，使管道15中的高浓度含氯水不可能外泄，厂用水第二分支管道39进入水射器16中的压力水，进一步混合稀释，经稀释后的含氯水管道17进入快滤池出水管道35，再经投氯后滤后水管道18进入混合井19，再由混合后水管道20和采样后的水管道21进入清水池22，经吸水管24进入水厂送水泵25，加压后送入城市管网26；另一端连接到计量泵驱动电机的控制柜11，计量泵驱动电机的控制柜11再连接到计量泵驱动电机10上，计量泵驱动电机10再连接到计量泵9上。
上述液态氯直接投加工艺系统中使用的液态氯投加器13，它包括带过水腔的外壳41，其两端分别为压力水进水口42和出水口52，在外壳上部设置有贯穿过水腔的阀杆46，在外壳下部有液态氯投入口54，阀杆46的锥形前端与液态氯投入口54对应，在阀杆46与外壳之间设置有密封填料44，它被压盖45压紧，在外壳顶部设置有控制阀杆的弹簧函50，弹簧函中设置有底盘47和压力弹簧48，弹簧函通过连接件49与外壳结合在一起。隔流板43把过水腔分为上下两个半圆形过水截面，上部为清水过水腔51，下部为液态氯与水的混合腔53，阀杆46的圆锥形端部压紧液态氯投入口54的圆锥形出口。连接件49为半圆形螺栓连帽。
本发明的工作原理如下：
本发明的基本特点是液态氯直接向水中投加。
1、理论基础：液态氯和气态氯是同一种化学物质，它们的原子结构和分子结构完全相同。其分子式都是Cl2，其拉丁文名称都是Chlorum，其英文名称都是Chlorine。它们都很容易溶入水中并生成次氯酸HOCl，它是体积很小的中性分子，可穿透到细菌内部，破坏细菌的酶系统，而将细菌杀死。因此，将液态氯直接投入水中，与气态氯投入水中相比较，在同等投氯量的情况下，其消毒灭菌效果将完全相同。
当然，液态氯和气态氯的物理性质是不相同的。要想把液态氯变成气态氯，必须向其输入热能，1kg液态氯变成1kg气态氯约需外加热能289kJ，用《米制》单位表示为69kCal。若每小时蒸发1kg液态氯，其外加功率约为0.0823kW，或0.0192KCal/s。因此，若直接把液态氯投入0℃的静止水中，将会形成冰渣，影响水厂的正常运行。但在水厂实际运行中，即使在冬季沉淀池完全冰封时，清水池中的最低水温也能达到0.2℃，况且自来水的投氯量仅为自来水量的百万分之二(2ppm)左右，故不致产生冰渣而影响运行。这一点已为实用新型专利《天然自控液氯蒸发器》ZL99256684.3连续运行三年的成功实践所证实。
2、实践基础：自来水厂的液氯钢瓶如果突然发生泄氯事故，最有效的应急措施是迅速把钢瓶推入沉淀池的水中，以防止剧毒的氯泄入大气，这时钢瓶中的液态氯将可能直接排入水中。经多年实践检验，并未发生爆炸或激烈喷溅等不安全事件。
3、工艺设备基础：专门为水厂投氯而研制液态氯加氯机在技术上未必合算，至今未见有关技术文献资料。但二十世纪八十年代，化工行业出现了用于腐蚀性介质的往复式隔膜计量泵设备。目前，国内许多专业制造厂已成批量生产这种设备。我们已和他们联系并得到产品样本，其投加量、投加精度、投加压力、介质温度、粘度和对流体中固体颗粒杂质的要求均完全适用于水厂投氯工艺要求。因此，我们把化工行业已定型的设备用于水厂的投氯工艺系统，完全符合社会技术进步的基本规律：各个领域的专业知识互相渗透、互相借鉴、互相促进和提高。
当然，新的投氯工艺会带来新的问题。其中最重要的课题是必须防止压力水倒流入计量泵及其管道中，以防止氯与水接触后产生强烈腐蚀作用而损坏设备、管道和管件。为此我们设计了专用设备《液态氯投加器》，与本发明专利同时申报了实用新型专利。往复式隔膜计量泵同样不允许直径较大的固体颗粒杂质随液体进入泵中(直径0.1mm以下者可少量进入)，因此，本发明专利在系统中增加了液态氯沉淀钢瓶。它是一个普通的液氯钢瓶，液态氯从下部氯瓶阀进入瓶内，在瓶内沉淀去除固体颗粒杂质后，从上部氯瓶阀流出。沉淀瓶的顶部高程必须低于在线氯瓶的底部高程，以防止液态氯在沉淀瓶中汽化。沉淀瓶中液态氯处于完全充满状态，这在其进口、出口阀门处于全开状态并与在线氯瓶、计量泵完全联通的情况下，不存在因温度升高而引发沉淀氯瓶爆裂的可能。但若将沉淀瓶的进口、出口阀同时关闭，而且由于周围环境温度升高而导致瓶内液氯温度升高时，则瓶内液氯将产生极高的压力而导致钢瓶爆裂，这是十分危险的。因此，在《安全运行规程》中必须规定：“液氯沉淀钢瓶的进口、出口阀不得同时关闭，且其管路必须与在线氯瓶和计量泵联通，以保证因升温而导致的热胀体积有安全排出的可能”。另外，可以考虑在沉淀瓶内预先充入一定数量的惰性气体(例如氦气，Helium)，占据氯瓶体积的1/4左右，以消除前述的满瓶热胀危险。此时液氯沉淀钢瓶的进口、出口阀门必须处于同一水平线上。
采用往复活塞式隔膜计量泵直接投加液态氯后，氯的投加变成了间断式投加工艺，这是往复活塞式计量泵的基本特点。但由于往复活塞泵运动频率很高(每分钟数次)和水厂清水池的容积很大，自来水在其中的停留时间(缓冲时间)很长，及氯在水中的高度易溶性，故出厂水的含氯量仍是均匀的，绝对不会影响水质。水厂多年实际运行经验证实，即使中断投氯几分钟，也不会影响消毒效果。下面就系统流程作进一步说明：
如图所示，1是在线液氯钢瓶；2是它的备用氯阀，在线液氯钢瓶1中的液态氯经过在线氯阀3、沉淀前液氯管道4、沉淀前氯阀5进入液态氯沉淀钢瓶6，经沉淀后氯阀7、沉淀后液氯管道8进入往复活塞式隔膜计量泵9，10是计量泵的驱动电机，11是变频控制柜，经加压并控制流量后，液态氯经加压后的液体氯管道12进入液态氯投加器13(压力弹簧14装在液态氯投加器13上，它保证压力水不会倒流入液体氯管道12中)，经与厂用水第一分支管道38进入13的压力水混合并溶入水中后，形成高浓度的含氯水，然后经含氯水管道15进入水射器16，与厂用水第二分支管道39进入水射器16中的压力水进一步混合稀释，经稀释后的含氯水管道17进入快滤池出水管道，再一次混合后，经滤后水管道18进入混合井19，再由混合后水管道20和采样后的水管道21进入清水池22(23是通气孔)，经吸水管24进入水厂送水泵25，加压后送入城市管网26，以上是核心工艺流程。
图中的28为采集滤后水含氯量的取样器，27是余氯采样泵28的吸水管，29是余氯采样泵28的出水管，30是余氯连续检测仪，余氯连续检测仪30上装有排水漏斗31，32是余氯连续检测仪30的信号线路(4-20mA)，代表着水中的含氯量，与控制柜11相连通。33是滤后水流量计，34是滤后水管道，35是计量后的水管道，36是流量计33发出的电子信号(4-20mA)的输出线路，代表着滤后水的流量，与往复活塞式隔膜计量泵9的控制柜11相连。37是水厂自用压力水管路，分为两路，它们为厂用水第一分支管道38和厂用水第二分支管道39，分别供给液态氯投加器13和水射器16，作为压力水源。
以上是双环自动控制系统。实际应用时，也可采用单环自控系统，此时去掉发出的电子信号(4-20mA)的输出线路33和城市管网26即可。
实施例2：：如图所示，在线液氯钢瓶1中的液态氯经过在线氯阀3、沉淀前液氯管道4、沉淀前氯阀5进入液态氯沉淀钢瓶6，经沉淀后氯阀7、沉淀后液氯管道8进入计量泵9，经计量泵9加压并控制流量后，液态氯经加压后的液态氯管道12进入液态氯投加器13，与经厂用水第一分支管道38进入液态氯投加器13的压力水混合并溶入水中后，形成高浓度的含氯水，然后经高浓度含氯水管道15进入水射器16，水射器形成真空，使管道15中的高浓度含氯水不可能外泄，与厂用水第二分支管道39进入水射器16中的压力水进一步混合稀释，经稀释后的含氯水管道17进入快滤池出水管道35，再经投氯后滤后水管道18进入混合井19，再由混合后水管道20和采样后的水管道21进入清水池22，经吸水管24进入水厂送水泵25，加压后送入城市管网26；液态氯投加工艺系统中还设置有余氯检测投氯控制环，余氯检测投入控制环包括余氯连续检测仪30，余氯连续检测仪30一端通过余氯采样器28连接到混合井19的出水管上，另一端连接到计量泵驱动电机的控制柜11，计量泵驱动电机的控制柜11再连接到计量泵驱动电机10上，计量泵驱动电机10再连接到计量泵9上。所述液态氯投加系统中还设置有水流量检测投氯控制环，它包括流量计33，流量计33的输入口与快滤池40连通，流量计33的输出口与混合井19连通，另外，流量计33通过流量计连续信号输出线路36与计量泵驱动电机的控制柜11连接。计量泵9为往复式隔膜计量泵。液态氯沉淀钢瓶6的顶面高程比在线液氯钢瓶1的底面高程低。流量计33为电磁流量计。计量泵驱动电机的控制柜11为计量泵驱动电机的变频控制柜。
上述液态氯直接投加工艺系统中使用的液态氯投加器13，它包括带过水腔的外壳41，外壳的过水腔两端分别为压力水进水口42和出水口52，在外壳上部设置有贯穿过水腔的阀杆46，在外壳下部开设有液态氯投入口54，阀杆46的前端与液态氯投入口54对应，在阀杆46与外壳之间设置有密封填料44，同时密封填料44被压盖45压紧，在外壳顶部设置有控制阀杆的弹簧函50，弹簧函中设置有弹簧函底盘47和压力弹簧48，弹簧函通过连接件49与外壳结合在一起。阀杆46的圆锥形端部压紧液态氯投入口54的圆锥形出口。连接件49为半圆形螺栓连帽。
实施例3：本发明包括实施例2：如图所示，本发明包括在线液氯钢瓶1中的液态氯经过在线氯阀3、沉淀前液氯管道4、沉淀前氯阀5进入液态氯沉淀钢瓶6，经沉淀后氯阀7、沉淀后液氯管道8进入计量泵9，经计量泵9加压并控制流量后，液态氯经加压后的液态氯管道12进入液态氯投加器13，与经厂用水第一分支管道38进入液态氯投加器13的压力水混合并溶入水中后，形成高浓度的含氯水，然后经高浓度含氯水管道15进入水射器16，水射器形成真空，使管道15中的高浓度含氯水不可能外泄，与厂用水第二分支管道39进入16中的压力水进一步混合稀释，经稀释后的含氯水管道17进入快滤池出水管道35，再经投氯后滤后水管道18进入混合井19，再由混合后水管道20和采样后的水管道21进入清水池22，经吸水管24进入水厂送水泵25，加压后送入城市管网26；液态氯投加工艺系统中还设置有余氯检测投氯控制环，余氯检测投入控制环包括余氯连续检测仪30，余氯连续检测仪30一端通过余氯采样器28连接到混合井19的出水管上，另一端连接到计量泵驱动电机的控制柜11，计量泵驱动电机的控制柜11再连接到计量泵驱动电机10上，计量泵驱动电机10再连接到计量泵9上。所述液态氯投加系统中还设置有水流量检测投氯控制环，它包括流量计33，流量计33的输入口与快滤池40连通，流量计33的输出口与混合井19连通，另外，流量计33通过流量计连续信号输出线路36与计量泵驱动电机的控制柜11连接。计量泵9为往复式隔膜计量泵。液态氯沉淀钢瓶6的顶面高程比在线液氯钢瓶1的底面高程低。流量计33为电磁流量计。计量泵驱动电机的控制柜11为计量泵驱动电机的变频控制柜。
上述液态氯直接投加工艺系统中使用的液态氯投加装置，它包括带过水腔的外壳41，外壳的过水腔两端分别为压力水进水口42和出水口52，在外壳上部设置有贯穿过水腔的阀杆46，在外壳下部开设有液态氯投入口54，阀杆46的前端与液态氯投入口54对应，在阀杆46与外壳之间设置有密封填料44，同时密封填料44被压盖45压紧，在外壳顶部设置有控制阀杆的弹簧函50，弹簧函中设置有弹簧函底盘47和压力弹簧48，弹簧函通过连接件49与外壳结合在一起。隔流板43把外壳的过水腔分为上下两个半圆形过水截面，上部为清水过水腔51，下部为液态氯混合腔53。阀杆46的圆锥形端部压紧液态氯投入口54的圆锥形出口。连接件49为半圆形螺栓连帽。

Claims (5)

1.一种液态氯直接投加工艺系统，所述液态氯直接投加工艺系统包括在线液氯钢瓶(1)，其特征在于：所述在线液氯钢瓶(1)中的液态氯经过在线氯阀(3)、沉淀前液氯管道(4)、沉淀前氯阀(5)进入液态氯沉淀钢瓶(6)，经沉淀后氯阀(7)、沉淀后液氯管道(8)进入计量泵(9)，经加压并控制流量后，液态氯经液态氯管道(12)进入液态氯投加器(13)，与经第一分支管道(38)进入液态氯投加器(13)的压力水混合并溶入水中后，形成高浓度的含氯水，然后经含氯水管道(15)进入水射器(16)，水射器形成真空，使含氯水管道(15)中的含氯水不外泄，与第二分支管道(39)进入水射器(16)中的压力水进一步混合稀释，经稀释后的含氯水管道(17)进入快滤池出水管道，再一次混合后，经投氯后滤后水管道(18)进入混合井(19)，再由混合水管道(20)和采样后的水管道(21)进入清水池(22)，经吸水管(24)进入水厂送水泵(25)，加压后送入城市管网(26)；液态氯直接投加工艺系统中还设置有余氯检测和投氯控制环，余氯检测和投氯控制环包括余氯连续检测仪(30)，余氯连续检测仪(30)一端通过余氯采样器(28)连接到混合井(19)的出水管上，另一端连接到计量泵驱动电机的控制柜(11)，计量泵驱动电机(10)再连接到计量泵(9)上；所述液态氯沉淀钢瓶(6)的顶面高程比在线液氯钢瓶(1)的底面高程低。
2.根据权利要求1所述的液态氯直接投加工艺系统，其特征在于：所述液态氯直接投加工艺系统中还设置有水流量检测投氯控制环，所述水流量检测投氯控制环包括流量计(33)，流量计(33)的输入口与快滤池(40)连通，流量计(33)的输出口与混合井(19)连通，另外，流量计(33)通过流量计连续信号输出线路(36)与计量泵驱动电机的控制柜(11)连接。
3.根据权利要求1或2所述的液态氯直接投加工艺系统，其特征在于：所述计量泵(9)为往复式隔膜计量泵。
4.根据权利要求2所述的液态氯直接投加工艺系统，其特征在于：所述流量计(33)为电磁流量计。
5.根据权利要求1或2所述的液态氯直接投加工艺系统，其特征在于：所述计量泵驱动电机的控制柜(11)为计量泵驱动电机的变频控制柜。
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