CN101070194A

CN101070194A - 旋转射流闪蒸-压缩式海水淡化方法和系统

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Publication number: CN101070194A
Application number: CNA2006100226094A
Authority: CN
Inventors: 魏仕英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2007-11-14

Abstract

旋转射流闪蒸—压缩式海水淡化方法和系统，将压汽蒸馏和多效闪蒸法融为一体。将热盐水通入旋转射流蒸发压缩器内，在真空下，同时进行闪蒸和压缩，再用生蒸汽与二次蒸汽混合和用太阳能或余废热加热，制成过热蒸汽，使其与降温盐水温差约为12～20℃；再将过热蒸汽冷凝和冷却成用户所需的冷淡水，其放出热量用于加热降温盐水和预热冷海水。系统形成准封闭的热力循环；由此热利用率高达52％和造水比达23，电耗为8kw.h，均为国内现有方法的数倍。系统以水泵为动力，无需冷却水。系统内仅设有蒸汽混合器、冷凝器、两个预热器、热盐水箱、水喷射器、泵等，设备简化，造价低。这将为海水淡化、蒸发浓缩技术开辟新的途径。

Description

旋转射流闪蒸-压缩式海水淡化方法和系统

(一)技术领域：本专利是一种热法海水淡化方法和系统。属于水处理类(C02F)，通过与别的流体直接接触或利用惯性泵送流体(F04F)，雾化装置类(B05B)，加热和制冷联合系统类(F25B)。

(二)背景技术：现有的海水淡化方法有多效闪蒸、多效蒸馏和压汽蒸馏方法。

多效闪蒸法是利用压力差的原理使热盐水闪蒸为二次蒸汽，并多次利用二次蒸汽的热能淡化海水的一种方法。其优点是：蒸发室的结构相对简单，易于大型化，技术成熟。其缺点是：①由于二次蒸汽最终是以汽态形式排出，蒸汽最终的汽化潜热未能得到利用，因此热利用率极低。按国外人士对海湾地区一大型多效闪蒸海水淡化装置的测试，第二二定律的热效率仅为4.3％。②由于需要冷却末效二次蒸汽，因此冷却水耗量极大。③级间温差小，导致多达30效，因此造价高，设备庞大。④由于系统为串联形式，因此操作难度大。当某一环节出现问题，系统失去平衡，导致故障率高。⑤所需的传热面积大。⑥动力消耗大。

多效蒸馏法是以生蒸汽为热解动力，使盐水蒸发，并将二次蒸汽多次利用，获得淡水。其优点是：蒸汽的汽化潜热得到多次利用；与多效闪蒸法比传热而积少、极间温差大、级数少(8-15)。造水比随级数的增加而增大，15效多效蒸馏海水淡化装置在配热泵的情况下，造水比可达14，而目前国内4-5效真空蒸发系统的造水比普遍在4-5之间。多效蒸馏法的缺点是：①由于料液在加热面上沸腾，在同样温度条件下，传热管壁容易结垢，需经常清洗和采用严格的防垢措施。②热效率低。③冷却水耗量大。④辅助动力消耗高。在多效蒸馏系统中，进入系统的饱和生蒸汽压力一般为600Kpa，其热焓值为2755KJ/Kg；由于受到冷却水温制约，排出的末效二次蒸汽压力一般不会低于10Kpa，对应热焓值为2585KJ/Kg；其排出系统的二次蒸汽流量约为进入系统的生蒸汽量的0.86倍，由此系统的热效率η＝2755-0.86×2585/2755＝19％。此外为冷却末效二次蒸汽需用水温为32℃的冷却水量为末效二次蒸汽量的50-70倍，显然这是一个很低的热效率和很大的冷却水耗量。

压汽蒸馏法是将热盐水蒸发过程产生的二次蒸汽，经过压缩提高温度，再作加热蒸汽使用的蒸发装置，其二次蒸汽潜热得到充分利用。以产量为1m³/h的单效蒸发器为例，需要加热蒸汽的热焓为772kw，而采用压汽蒸馏时将压缩机所需的电耗折算成热能，仅需22kw。压气机的电耗随蒸发器传热温差的增加而急剧上升。根据水蒸汽压缩热力学，在绝热压缩的条件下，蒸汽的状态点必需沿着压-焓图的等熵线变化，因此饱和水蒸汽压缩终了的状态必然是过热状态。即是当我们将压力为P₁，温度为T₁，热焓为h₁的饱和水蒸汽压缩P2时，p₂的温度不是对应的饱和水蒸汽的T₂，而是于T₂的过热温度T₃，且

T₃＝T₁(P2/P1)^k-1/k

其绝热压缩功率(KJ/kg)W＝(h₂-h₁)+Cp(T₃-T₂)。上两式中：h为饱和水蒸汽的热焓(KJ/Kg)，Cp为水蒸汽定压比热(1.88KJ/kg℃)，K为绝热指数等于1.33，下标1、2、3为状态点。由此获得压缩功率N与压缩比β的关系曲线图4，压缩温升Δt与压缩比β关系曲线图5。图4中N为绝压1T水的功耗(KW.h/T)，图5中ts为被压缩饱和水蒸汽的初始温度。通常压汽蒸馏的压缩比为1.20-1.40，相应地压缩温差为16-30℃，绝热压缩功率为8-15KW.h/T。若考虑压缩机效率为0.6，则吨水电耗为13-25KW，现有压汽蒸馏装置的实际电耗在8.5-16KW.h/T。由此可看出压汽蒸馏法的优点是：过程效率高、比能耗低、过程不需要冷却水。但压气机造价高，易腐蚀和易结垢，启动功率大，难以大型化等缺点，由此限制压汽蒸馏的发展。

(三)发明内容：

本发明提出的旋转射流闪蒸-压缩式海水淡化方法和系统，实现一种将压汽蒸馏法和多效闪蒸法融为一体，其目的是保留多效闪蒸法优点：蒸发室结构简单，易于大型化；克服热利用率低、耗水量大、造价高、设备庞大、操作难度大、故障率高、传热面积大、动力消耗大等缺陷。保留压汽蒸馏法过程效率高、比能耗低、过程不需要冷却水优点；克服压气机造价高，易腐蚀和易结垢，启动功率大，难以大型化等缺点。

其技术方案如下：

旋转射流闪蒸-压缩式海水淡化方法，其特征是

1)将冷海水预热成65～110℃的热盐水，通入旋转射流蒸发压缩器1内，在真空状态下，在转射流蒸发压缩器1一个装置内同时进行闪蒸和压缩，制成二次蒸汽和排出降温盐水；2)将二次蒸汽与生蒸汽混合后升温制成过热蒸汽，使过热蒸汽与降温盐水的温差为12～20℃；3)用降温盐水冷凝过热蒸汽，使之成为热淡水；此时降温盐水被加热成为65～110℃的热盐水；并同时补充预热海水两者混合后经热盐水泵一并再送入旋转射流蒸发压缩器内再次进行闪蒸和压缩；4)将冷凝后热淡水冷却变成用户所需冷淡水；同时将热淡水冷却热量预热冷海水。

上述过热蒸汽可再利用太阳能或余热废热进行加热，升温2℃及以上，再进行冷凝。上述方法中还可排放少部分热盐水经泵提供给设置的下级闪蒸器。

上述旋转射流闪蒸-压缩式海水淡化方法所采用的系统，其特征是

i.该系统内设如下部分：旋转射流蒸发压缩器1(以下简述为蒸发压缩器1)；用于混合二次蒸汽和生蒸汽的蒸汽混合器3；冷凝过热蒸汽的冷凝器5；盛热盐水的热盐水箱10及热盐水泵7；用于向蒸发压缩器1提供真空度的水喷射器2；两个海水预热器6和13以及两者间的海水管路中装设的除氧器12，在两者间的热淡水管路中设淡水箱11，且水喷射器2喷射循环用进水管和出水管与淡水箱11连通；

ii.蒸发压缩器1中设有：从下至上顺次连接的收敛-扩张型蒸发室1.1或圆筒型蒸发室1.5、变容压缩室1.2、蒸气排气室1.3；变容压缩室外壁装有与水喷射器2连通的真空抽气管1.21；蒸气排气室1.3与蒸汽混合器3连通；收敛-扩张型蒸发室1.1或圆筒型蒸发室1.5底端为降温盐水排出口1.11或1.51；变容压缩室1.2内设如下的液悬浮喷雾推进抽气装置1.4：上部的热盐水进水管1.41通过固定于变容压缩室的进液机构与空心旋转水室1.43连通；水室表面对称装两个或以上向下喷的旋转雾化喷头1.45、水室上方周向装两支或以上向上抽的叶片1.44；设水轴承1.46和相应的排水孔1.49；下端装静止摩擦环1.47及压盖1.48。

上述变容压缩室1.2的进气室1.21与排气室1.22之容积比为1.16-1.20。上述蒸气排气室1.3采用封头型。上述热盐水进水管1.41设于顶端，进水方向为垂直从上至下。上述圆筒型蒸发室1.5内装溅水板1.52和挡水环1.53。

本发明有益效果：

(1)造水比大。按设计工况：热盐水温度75℃，蒸发比2％，二次蒸汽和降温盐水温差为4℃；饱和生蒸汽压力为7bar；太阳能加热温升4℃，加热功率2.1KW.h/T。由图4、图5获得：当二次蒸汽温升为8℃、10℃、12℃时，绝热压缩功率(KW.h/T)分别为4、5.2、5.6，造水比分别为11.5、15.3、23。现有国内多效蒸馏法造水比在10左右，多效真空蒸发法造水比仅4-5。本专利若压缩比取为1.16，温升为12℃时，造水比23为国内现有方法的2-4倍。这将为我国国民经济带来巨大社会效益。(2)热效率高。系统热效率＝1-损耗/输入功率＝1-损耗/(生蒸汽+水泵+太阳能)的输入功率＝1-23/38+7.8+2.1＝0.52。上式中23(KW.h/T)为热淡水和少量热盐水带走的热能，这里粗略取热淡水和冷盐水温差为20℃。由此工况本专利获得热效率52％，为现有各种方法的数倍。(3)无需冷却水。一座年产量30万吨的真空制盐系统的用水量达3600T/h，国内蒸发行业的用水量至少也在每小时数十万吨以上。本专利的完善和实施，将对缓解水资源缺乏的状况起到一定的作用，同时有利于环境改善环境。不仅如此，还能使真空蒸发的用水大户，变成生产饮用水的工厂。(4)由于采用低温蒸发，为产生过热蒸汽补充热能用的是生蒸汽而不是水，补充的热量少，且有利于太阳能和余热废热的利用。(5)系统仅以水泵为动力，故可用柴油发动机带动水泵，可降低水价。(6)系统和蒸发压缩器结构简单，内部无换热器，变常规间接传热传质为直接传热传质，加大速率和温差，减小容积，简化设备，降低造价。(7)流程短，运行可靠性高，操作方便，造价低，有利于在欠发达地区推广应用。(8)蒸发压缩器内不易结垢，维修量小。(9)易于大型化和小型化。(10)操作压力低，安全可靠。(11)蒸发压缩器的热盐水进水管1.41设于顶端，进水方向为垂直从上至下，进水阻力小，水压稳定，便于检修。(12)采用封头形蒸气排气室，变容，对二次蒸汽压缩升温产生效果。

(四)附图说明：

图1本发明系统图

图2实施例1的旋转射流蒸发压缩器1(1A)结构图

图3实施例2的旋转射流蒸发压缩器1(1B)结构图

图4压缩功率N与压缩比β关系曲线图

图5温升Δt与压缩比β关系曲线图

图6液悬浮喷雾推进抽气装置1.4结构图

图7水喷射器2结构图

(五)具体实施方式：

实施例1：见图1、见图2、图4～7

本实施例1的海水淡化方法包括如下步骤：见图1，

1)将预热成70～80℃的热盐水1a，通入旋转射流蒸发压缩器1内，在真空条件下，由下喷旋转喷头1.45作用下，喷射闪蒸成为二次蒸汽1b，同时上抽的旋转叶片1.44抽吸压缩，适度的增压升温。在设计压缩比β(取决于变容压缩室1.2的进气室1.22与排气室1.23之容积比)为1.14-1.16的条件下，二二次蒸汽1b温升Δt1b约为10.5-12.5℃(见图5)；降温盐水1c的温度t1c为63℃左右(见图5中ts)；绝压热压缩功率N约为5.5-6.5KW.h/T(见图4)。盐水蒸发量取决于热盐水温度、真空压力、叶片排气量；热盐水的降温，取决于蒸发水量、一般每蒸发1％，温降约6℃。

2)将二次蒸汽1b与生蒸汽3a混合后升温2～4℃制成混合过热蒸汽3b；其后再用太阳能加热再升温2～4℃，成为过热蒸汽4b，这样过热蒸汽4b与降温盐水的温差达到约20℃。

3)用降温盐水1c冷凝自身闪蒸的过热蒸汽4b，使之成为冷凝热淡水5b；此时降温盐水被加热成为70～80℃的热盐水5c；送入热盐水箱10，排放出的热盐水10c与补充的预热海水6a混合后成为热盐水7a，再经热盐水泵7成为热盐水1a一并再送入蒸发压缩器内再次进行闪蒸和压缩。也就是说用降温盐水1c回收汽化潜热，热盐水既是蒸发液，又是冷凝液，使系统形成准封闭的热力循环，大大提高了系统的热利用率和造水比(详见本发明有益效果)，与压汽蒸馏比电耗低，用太阳能或废热加热低温水蒸汽，降低加热功率和能源等级。

4)为了回收余热，用冷凝热淡水5b和水喷射器2的出水预热冷海水15后成为用户所需的冷淡水14。5)为了补充蒸发水份和平衡盐水浓度，需排放少量的热盐水8a，并经泵8送至下级闪蒸器8B。

为实现上述海水淡化方法，本实施例1所采用的系统如下：

<蒸发压缩器1>：见图2，本实施例1采用高架式蒸发压缩器1A，即整个装置安装位置高。从下至上顺次连接圆筒型蒸发室1.5、变容压缩室1.2、蒸气排气室1.3；变容压缩室壁装真空抽气管1.21与水喷射器2连通；蒸气排气室1.3通过出汽口1.31与蒸汽混合器3连通。圆筒型蒸发室1.5内设有：分散液滴，加速蒸发的溅水板1.52；防止壁流的挡水环1.53；收集盐水并排放的在下方的降温盐水罐1.54；底端为降温盐水排出口1.51。见图2、见图6，变容压缩室1.2内设如下的液悬浮喷雾推进抽气装置1.4：设静止的进液机构1.42固定于变容压缩室1.2顶面中心法兰1.40，(该处外圆为外法兰，内、外两法兰间沿周向开窗口使闪蒸后上升蒸汽通过，从变容压缩室1.2到蒸气排气室1.3)；热盐水进水管1.41从顶端垂直向下与进液机构1.42连通，并通过它与空心旋转水室1.43连通；水室表面对称装两个或以上的下喷旋转雾化喷头1.45；水室上方周向装两支或以上向上抽叶片1.44；并设水轴承1.46和相应的排水孔1.49以及下端装设静止摩擦环1.47及压盖1.48。整个蒸发压缩器1外壳分为用法兰连接的如下三段：顶部进水管段、上中部排汽和压缩段、中下部蒸发排水段。蒸发压缩器1(1A)的工作过程：热盐水1a以约0.3Mpa压力的热盐水泵送入液悬浮喷雾推进抽气装置1.4内，经下喷旋转雾化喷头1.45以雾射流形式喷出，并带动上抽叶片1.44快速旋转；由于设定的圆柱形蒸发室1.5内的真空压力低于热盐水温所对应的饱和蒸汽压力，故热盐水将因压力差而蒸发并降温，闪蒸出来的水蒸汽将被叶片向上抽吸至带走至变容压缩室1.2内，通过机械压缩的方式而增压升温，再经封头型蒸气排气室1.3变容，成为二次蒸汽1b，经排汽口1.31送入蒸汽混合器3。由此看出，热盐水的蒸发压缩过程由同一装置蒸发压缩器1几乎同时快速完成。由于下喷的雾射流水速度达25～28m/S，上流动的闪蒸蒸汽速度小于15m/S，因此不会出现汽流带液的情况。

见图1，本专利系统中除上述‘蒸发压缩器1’外，还设置有如下装置：

<蒸汽混合器3、太阳能加热器4、冷凝器5、热盐水箱10(采用密封式)和热盐水泵7>：蒸汽混合器3进汽口与蒸发压缩器1出汽口1.31连通；生蒸汽进汽口接高温蒸汽源，送入生蒸汽3a；混合过热蒸汽3b的出口与太阳能加热器4的入口用管道连接。太阳能加热器4出口与冷凝器5的进汽口用管道连接，通入过热蒸汽4b；冷凝器5进水口和出水口分别与蒸发压缩器1降温盐水出口1.51和热盐水箱10入水口连通，其出口经热盐水泵7送至热盐水进水管1.41。

<海水预热器6和13、淡水箱11、除氧器12、水喷射器2>：设置海水预热器6用管路连接冷凝器5和淡水箱11，将冷凝热淡水5b降温成热淡水6b并通入淡水箱11中；同时用管路与除氧器12和热盐水箱10出口连通，使除氧海水12b加热成预热海水6a(温度为70～80℃)用于补充热盐水的蒸发量。设置海水预热器13中用淡水箱11中的混合淡水11b冷却成用户所需冷淡水14，同时将冷海水15预热成预热海水12a，再经除氧器12成为除氧预热海水12b，再送入海水预热器6。见图7，水喷射器2设水室2.2，与它连通并向混合室2.4喷射的1个或多个并联的水喷嘴2.3，混合室2.4外装1个或多个并联的与水喷嘴配合的蒸发室2.6，混合室2.4壁开抽气管2.5；抽气管2.5与蒸发压缩器1的真空抽气管1.21连通；水喷射器2喷射循环需用的进水2a由清水泵9从淡水箱中抽取送入，出水2b排入淡水箱11中。

实施例2：见图1、图3、图4～7

见图3，本实施例2中蒸发压缩器1是采用低架式蒸发压缩器1B，即整个装置安装位置较低。实施例1中圆筒型蒸发室1.5用收敛-扩张型蒸发室1.1替代；下部设有的降温盐水罐为1.12，底部的降温盐水排出口为1.11。其余与实施例1完全相同。

Claims

1.旋转射流闪蒸-压缩式海水淡化方法，其特征是该方法包括如下步骤：

i.将冷海水预热成65～110℃的热盐水，通入旋转射流蒸发压缩器(1)内，在真空状态下，在旋转射流蒸发压缩器(1)一个装置内同时进行闪蒸和压缩，制成二次蒸汽和排出降温盐水；

ii.将二次蒸汽与生蒸汽混合后升温制成过热蒸汽，使过热蒸汽与降温盐水的温差为12～20℃；

iii.用降温盐水冷凝过热蒸汽，使之成为热淡水，此时降温盐水被加热成为65～110℃的热盐水；并同时补充预热海水，两者混合后经热盐水泵一并再送入旋转射流蒸发压缩器(1)内再次同时进行闪蒸和压缩；

iv.将冷凝后热淡水冷却变成用户所需的冷淡水；并用热淡水冷却放出的热量预热冷海水。

2.按权利要求1所述海水淡化方法，其特征是过热蒸汽利用太阳能或余热废热再次进行加热，升温2℃及以上，再进行冷凝。

3.按权利要求1所述海水淡化方法，其特征是排放少部分热盐水经泵提供给设置的下级闪蒸器。

4.按权利要求1所述旋转射流闪蒸-压缩式海水淡化方法的系统，其特征是

i.该系统内设有如下部分：旋转射流蒸发压缩器(1)；用于混合二次蒸汽和生蒸汽的蒸汽混合器(3)；冷凝过热蒸汽的冷凝器(5)；盛热盐水的热盐水箱(10)及热盐水泵(7)；用于向旋转射流蒸发压缩器(1)提供真空度的水喷射器(2)；设两个海水预热器(6)和(13)以及在两者间的海水管路中装设除氧器(12)，在两者间的热淡水管路中设淡水箱(11)，且水喷射器(2)喷射循环用的进水管和出水管与该淡水箱(11)连通；

ii.旋转射流蒸发压缩器(1)中设有：从下至上顺次连接的收敛-扩张型蒸发室(1.1)或圆筒型蒸发室(1.5)、变容压缩室(1.2)、蒸气排气室(1.3)；变容压缩室(1.2)外壁装有与水喷射器(2)连通的真空抽气管(1.21)；蒸气排气室(1.3)与蒸汽混合器(3)连通；收敛-扩张型蒸发室(1.1)或圆筒型蒸发室(1.5)底端为降温盐水排出口(1.11)或(1.51)；在变容压缩室(1.2)内设如下的液悬浮喷雾推进抽气装置(1.4)：上部的热盐水进水管(1.41)通过固定于变容压缩室的进液机构(1.42)与空心旋转水室(1.43)连通；水室表面对称装两个或以上的向下喷的旋转雾化喷头(1.45)；水室上方周向装两支或以上的上抽的叶片(1.44)；并设水轴承(1.46)和相应的排水孔(1.49)；下端装静止摩擦环(1.47)及压盖(1.48)。

5.按权利要求4所述海水淡化装置，其特征是在蒸汽混合器(3)和冷凝器(5)之间装设太阳能加热器或余热废热装置(4)。

6.按权利要求4所述海水淡化装置，其特征是所述变容压缩室(1.2)的进气室与排气室之容积比为1.16-1.20。

7.按权利要求4所述海水淡化装置，其特征是所述蒸气排气室(1.3)采用封头型。

8.按权利要求4所述海水淡化装置，其特征是热盐水进水管(1.41)设于顶端，进水方向为垂直从上至下。

9.按权利要求4所述海水淡化装置，其特征是圆筒型蒸发室(1.5)内装溅水板(1.52)和挡水环(1.53)。