CN101204641A - 膜蒸发浓缩液体处理系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种膜蒸发浓缩液体处理设备及处理方法。根据本发明的膜蒸发浓缩液体处理系统，采用中空纤维膜组件(1)作为处理设备，上述膜组件的热循环侧设置循环水槽(2)和换热器(6)，在上述换热器(6)中，浓水循环加热；在热循环侧膜的出水端设置浓水排放口，用于排出浓水；在膜组件(1)的冷循环侧设置冷凝器(3)，上述冷凝器(3)后接负压泵(5)，负压泵(5)后设置纯水出口，用以排出所产纯水。通过本发明系统的循环，纯水可以直接回用，高度浓缩的污水则可采用其他物化方法进行处理，大大减少污水排放量。

Description

膜蒸发浓缩液体处理系统及处理方法

技术领域

本发明涉及一种水处理系统及处理方法，尤其涉及一种化工分离领域的一种液体分离处理方法。

背景技术

循环冷却水是工业用水中的用水大项，在石油化工、电力、钢铁、冶金等行业，循环冷却水的用量占企业用水总量的50-90％，某些电厂、化工企业的冷却水占总用水量的90-95％。循环冷却水在系统不断地循环使用中，由于水温、流速的变化，水分不断蒸发，无机离子和有机物逐渐浓缩，水中的Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-等离子、溶解固体和悬浮物相应增加，加之空气中污染物如灰尘、杂物、可溶性气体以及换热器物料泄露等，引起循环冷却水水质变坏，致使水冷换热等设备产生水垢沉积和腐蚀，造成使用效率和寿命降低，甚至妨碍系统的正常运行。

为了防止钙、镁离子水垢的析出，减少泥团杂质等污垢对传热的影响，控制循环冷却水系统金属腐蚀和控制循环冷却水系统微生物的孳生，目前最有效和最常用的方法则是向循环水中加入大量的缓蚀剂、阻垢剂、分散剂、杀生剂等化学药剂，但这些传统处理方法，不能从根本上解决盐与有机物浓缩引起的各种问题，并且投加各种水处理剂的操作系统复杂、药剂费用高，使循环水的总体浓缩倍数不高、运行管理成本很高。

常规冷却水循环过程中，循环冷却水浓缩到一定倍数必须排出一定的浓水，并补充新水，使冷却水中的含盐量、PH值、有机物浓度、悬浮物含量控制在一个合理的允许范围。所以节约循环冷却水的新鲜水用量，减少污水排放，可减轻周边环境的水体污染状况，这对保证环境经济的可持续发展，促进生态环境的良性循环，改善少数地区的人居环境状况有着重要的意义。

反渗透法是近20年来发展起来的膜技术，在循环水处理系统中，一方面可用于排放污水的净化，处理后的水直接重复利用，减少排放量，另一方面可用于补充水的脱盐处理，提高循环水系统的浓缩倍数。在一定的循环冷却水系统中，只要改变补充水的含盐量，就可以改变循环水系统的浓缩倍数，而提高浓缩倍数是保证整个循环冷却水系统经济运行的关键。但是，采用反渗透技术，仍存在两个问题：一是反渗透技术对被处理水质预处理要求高，通常要求采用超、微滤技术作为前级处理，而且，原水温度通常不得高于40℃，导致设备投资高和运行费用高，二是水回收利用率低，一般只能达到70％左右，仍有30％左右浓水排放，排放量大。

因此，研究新的水处理技术，降低投资和运行费用，提高水的利用率，减少污水排放，可以取得显著的经济效益和社会效益。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种液体分离的膜浓缩蒸发浓缩(Membrane Evaporated Concentration，简称MEC)系统和方法。

本发明设计了新的膜蒸发浓缩过程，其将具有一定温度的原液与疏水性多孔膜接触，水蒸汽以气态方式穿过多孔膜，在膜的另一侧被脱除和冷凝收集。通过该工艺过程的循环，在膜一侧可以得到原液浓缩物，富集了污水中的无机离子和有机污垢等溶解态污染物质，在膜的另一侧可以得到纯水。这样，纯水可以直接回用，高度浓缩的污水则可采用其他物化方法进行处理，大大减少污水排放量。

本发明提供一种膜蒸发浓缩液体处理系统，其特征在于：采用中空纤维膜组件作为处理设备，上述膜组件的热循环侧设置循环水槽和换热器，在上述换热器中，浓水循环加热；在热循环侧膜的出水端设置浓水排放口，用于排出浓水；在膜组件的冷循环侧设置冷凝器，上述冷凝器后接负压泵，负压泵后设置纯水出口，用以排出所产纯水。

上述中空纤维膜组件为聚偏氟乙烯或聚丙烯、聚乙烯等疏水性膜组件。根据处理量的不同，可以将多个膜组件并联或同时串联使用。

另外，换热器可以采用具有较高的传热面积的中空纤维膜换热器。同时，也可以引入热泵，提高循环水的温度。

并且，膜组件的热循环侧依次连接设置有污水排放口、膜换热器、循环水槽、循环泵。

在本发明的系统中，待处理的液体可以是自来水、海水或冷却系统排出的热水。将该待处理的液体进入循环槽，经过换热器而被加热后，进入膜装置进行蒸发，蒸发后的液体回到循环槽，再经过换热器而被加热后，再次进入膜装置进行蒸发，由此循环。将热水或循环冷却水引入换热器或热泵，对被处理的浓缩循环水进行加热。对于循环冷却水系统，大量多余的循环冷却热水仍旧按原工艺进入冷却塔进行常规冷却，循环使用。

反复循环处理后的污水或浓缩海水通过浓水排放口排出系统外部，蒸发透过膜的水蒸气在膜组件的冷侧被负压收集，通过冷凝器液化，经过输水泵输送到系统外部供使用。

通常，膜蒸馏过程获取蒸馏水的方法有直接接触、空气吹扫、负压等几种方式，如果在膜的蒸汽透过侧直接水冷，导致能量损失大，本发明采用负压方式，但不同于一般的真空泵抽吸方式，是利用淡水输送泵自然产生的负压，作为产水侧蒸汽输送动力，将蒸气导入冷凝器中进行冷凝收集，从而可以大大降低能耗。

在本发明的系统中，冷凝器也可以采用具有较高的传热面积的中空纤维膜换热器。

在循环冷却水系统中，当原水温度高于80℃时，采用MEC技术，污水排放量低于反渗透方法的十分之一，设备投资不超过反渗透法，运行费用低于反渗透方法，可以替代反渗透技术。

附图说明

图1是本发明膜蒸发浓缩(MEC)液体处理系统示意图；

图2是本发明中膜组件竖立放置方式与排水机构示意图；

图3是本发明中膜组件横向放置方式与排水机构示意图；

图4为本发明膜蒸发浓缩(MEC)用于循环冷却水处理系统示例图。

具体实施方式

本发明的系统如图1所示。系统中采用聚偏氟乙烯或聚丙烯、聚乙烯等疏水性中空纤维膜组件1。在热循环侧设置循环水槽2和换热器6，在上述换热器6中，浓水循环加热。上述换热器6可以是常规换热器，但最好是膜换热器。

在系统的冷循环侧设置冷水池和冷却器(例如冷凝器3)，在热循环侧膜的出水端设置浓水排放口，用于排出浓水；在冷循环侧，循环系统设置负压泵5，并在冷水池设置纯水出口用以排出所产纯水。

在处理系统中，待处理的部分热水直接进入常规冷却塔，部分热水经过换热器6后直接进入冷却塔，部分热水或海水或自来水进入循环水槽。

在冷凝过程中，如果在膜的蒸汽透过侧直接水冷，导致冷能损失大，因此本发明中设置了负压泵5，采用负压抽吸，将水蒸气导入冷凝器3中进行冷凝收集。也可以采用吹扫的方式，将水蒸气导入冷凝器3中进行冷凝收集。冷凝器的冷凝方式可以采用风冷或水冷的方式。

关于换热过程。由于换热器循环水温度过高，在换热器内结垢情况严重，常规循环水系统运行的中、后期，往往由于严重结垢而影响换热效果，造成部分产品温度降不下来，影响正常生产。在电力生产中，循环水突出的问题是在部分换热器中结垢严重，另外也存在运行中含盐量增高，细菌滋生及藻类等问题。在MEC过程中，采用中空纤维膜换热器，具有较高的传热面积，而且，中空纤维膜壁厚较薄，可以抵消高分子材料导热率低于金属的缺点，同时，高分子材料的耐盐类腐蚀性远高于金属材料，因此，中空纤维换热器的预期使用寿命比较长。

图2、3显示了图1中膜组件的排水机构。如图2、3所示，中空纤维膜组件1纯水侧的低位，连接有双阀排水机构8。上述双阀排水机构8包括上部阀门10和下部阀门11。设备工作时，阀门10常开，阀门11常闭，这样，由于疏水膜的渗漏产生的直接透过水由于重力的作用自动进入容器12中，当容器12中存有一定量的渗漏液时，关闭阀门10，打开阀门11，将容器12中的渗漏液排出系统，然后，再次关闭阀门11，打开阀门10，收集疏水膜的渗漏液。

图4为本发明膜蒸发浓缩(MEC)用于循环冷却水处理系统示例图，也是图1显示的处理系统的一个实施例。如图4所示，低品位热水通过热泵(图中为单冷型热泵)，将热量输送至热水循环系统。将要被冷却的水作为冷源进入冷凝器(图中为纤维冷凝器，也可以是常规换热器)。热水循环系统作为热源，通过换热器(图中为中空纤维冷凝器，也可以是常规换热器)对被处理的水进行加热。被加热的被处理水进入膜蒸发器(图中的膜组件)，部分浓水被排放，蒸汽被纯水泵产生的负压抽出到冷凝器被冷凝，进入蒸馏水储槽。

试验证明，随着热循环侧浓缩倍数逐步升高，冷循环侧出水的电导率虽有微小增加，但变化很小，一般都小于2μS/cm，说明本工艺中所用膜对非挥发性固体的截留率接近100％。膜的通量基本上维持在50L/m²·h，这一通量已经高于常规的反渗透通量的一倍左右。

通常循环冷却水的温度为40-50℃，属于低品位热能，为了提高膜蒸发浓缩系统功效，在换热器(6)部分，还可以采用热泵技术。将低品位热能的循环水进入热泵，从中提取能量，将膜蒸发浓缩系统循环浓水加热到60-90℃。利用热泵技术回收循环冷却水余热的工作原理是：热泵利用该余热源作为低温热源，以热泵系统中的工质作为热的载体，在热泵系统内以相变热(汽化潜热或凝结热)形式自低温热源带走热量并输送至高温热源。

热泵是一种把热量从低温端送向高温端的专用设备，是节能的新装置。它由蒸发器、空气压缩机、冷凝器等部分组成，利用少量的工作能源，以吸收和压缩的方式，把一特定环境中低温而分散的热聚集起来，使之成为有用的热能。具体工作过程如下：①过热液体媒体在蒸发器内吸收低温物体的热量，蒸发成气体媒体。②蒸发器出来的气体媒体液压缩机的压缩，变为高温高压的气体媒体。③高温高压的气体媒体在冷凝器中将热能释放给给高温物体、同时自身变为高压液体媒体。④高压液体媒体在膨胀阀中减压，再变为过热液体媒体，进入蒸发器，由此循环进行，完成能量回收过程。

热泵的性能一般用成绩系数(COP)来评价。成绩系数的定义为由低温物体传到高温牧体的热量与所需的动力之比。通常热泵的成绩系数为3-4左右，也就是说，热泵能够将自身所需能量的3到4倍的热能从低温物体传送到高温物体，新型的热泵的成绩系数可以达到6到8，这样，低品位能源将得到更有效的利用。目前热泵的最高出力温度为110度左右。超过这个温度将有可能出现使媒体分解的危险。

当今，已有了多种类型的热泵：如压缩式热泵、吸收式热泵、蒸汽喷射式热泵。热泵的设计中，要依据余热资源的实际温度高低选择工质对，并根据实际的要求选择合适的制冷循环方式。

由于氟利昂对地球大气臭氧有破坏作用，为了保护地球的生态环境，除了提高热泵的成绩系数，有效利用能源以外，各国还致力于新型冷冻媒体的开发。目前已有数种替代氟利昂的媒体得到应用。

由于该系统主要能耗是利用循环冷却水的废热，无须另外补充蒸发热耗，因此运行费用可以大大降低。从循环水的浓水中浓缩提取无机盐类和有机污染物，使整个循环水系统浓缩倍数可以大为提高，并且可大大降低换热器的结垢速率，基本解决了结垢以及提高循环水浓缩倍数这个大问题，保证生产的正常性和长周期运行。

在循环冷却水系统中，当原水温度高于80℃时，采用MEC技术，污水排放量低于反渗透方法的十分之一，设备投资不超过反渗透法，运行费用低于反渗透方法，实现替代反渗透技术。产水电导率小于10μS/cm。

本发明的特色与创新之处在于：

从水系统中浓缩提取污染物，不同于常规处理方法是从水中获取净化水。

采用热泵技术，利用循环水系统废热，能耗低。

将污水高度浓缩，可以配合采用物化手段，将污水固形化，实现系统无废水排放。

采用新型疏水性聚偏氟乙烯中空纤维膜，与以往膜蒸馏用膜相比，材料化学稳定性高、耐温性好、孔隙率高、通过通量大。

该技术在石油、化工、电力和冶金等循环水用量较大的行业有着广泛的应用前景。对某些石化企业、发电厂、热电厂被冷却介质的温度较高，换热设备结垢现象严重，是束缚和困扰企业生产正常发展的一大障碍，采用MEC技术可以利用循环水的废热，将循环水部分高度浓缩后排放，一方面可以提高循环比，减少污水排放，同时还可以减少化学药剂的投加。与采用反渗透技术相比，可以显著降低运行成本、节约投资，并可将浓污水排放量降低至十分之一左右，实现减排目标。应用此项技术的优势十分明显。

另外，该技术还可以用在：

1、大型建筑物空调冷却水处理，节水减排，减少化学药剂使用量。

2、采用太阳能热水器制备生活用纯水，供一般家庭使用和海岛、船舶、野外工作等使用。

3、船舶锅炉余热利用制备生活用纯水，适用于舰艇、远洋船舶等，与反渗透技术相比，占地小、投资低、无震动，运行费用低。

4、海水淡化与制盐、提溴、提钾等海水资源的综合利用。

Claims (7)

1.一种膜蒸发浓缩液体处理设备，其特征在于：

采用中空纤维膜组件(1)作为处理设备，上述膜组件的热循环侧设置循环水槽(2)和换热器(6)，在上述换热器(6)中，浓水循环加热；

在热循环侧膜的出水端设置浓水排放口，用于排出浓水；

在膜组件(1)的冷循环侧设置冷凝器(3)，上述冷凝器(3)后接负压泵(5)，负压泵(5)后设置纯水出口，用以排出所产纯水。

2.根据权利要求1所述的膜蒸发浓缩液体处理设备，其特征在于：

中空纤维膜组件(1)为聚偏氟乙烯或聚丙烯、聚乙烯等疏水性膜组件。

3.根据权利要求1所述的膜蒸发浓缩液体处理设备，其特征在于：

冷凝器(3)、换热器(6)为具有较高的传热面积的中空纤维膜换热器。

4.根据权利要求1所述的膜蒸发浓缩液体处理设备，其特征在于：

换热器(6)可以是热泵及换热系统。

5.根据权利要求1所述的膜蒸发浓缩液体处理设备，其特征在于：

中空纤维膜组件(1)纯水侧的低位，接有双阀排水机构(8)，上述双阀排水机构(8)包括设置在容器(12)上部的上部阀门(10)和设置在容器(12)下部的下部阀门(11)。

6.一种膜蒸发浓缩液体处理方法，其特征在于：

待处理的液体可以是自来水、海水或冷却系统排出的热水，将该待处理的液体进入循环槽，经过换热器或热泵而被加热后，进入膜装置进行蒸发，蒸发后的液体回到循环槽，再经过换热器而被加热后，再次进入膜装置进行蒸发，由此循环，热水或部分冷却系统排出的热水进入换热器，对被处理的循环水进行加热。

7.根据权利要求6所述的膜蒸发浓缩液体处理方法，其特征在于：

利用纯水产水泵的负压将蒸气导入冷凝器中进行冷凝收集。

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