CN101384323B - 用于从包含至少一种溶解的固体物的水流中提取馏分流的方法 - Google Patents

Abstract

一种方法和系统，其用于从包含至少一种溶解的固体物的水流中提取馏分流，其通过热蒸馏工序，使用来自涡轮机系统中间冷却器的加热水流和排气管加热器的至少其中之一作为热源。

Description

用于从包含至少一种溶解的固体物的水流中提取馏分流的方法

本申请要求2006年2月14日由麦克尔J.埃丁顿提出的，申请号为60/773,045，名称为“用于从包含至少一种溶解的固体物的水流中提取馏分流的方法”的美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明涉及一种通过热蒸馏工序从包含至少一种溶解的固体物的水流，例如海水、盐水、含盐水等等中，提取馏分流的方法，其使用来自压缩机中间冷却器、排气管加热器等至少其中之一的被加热的水流作为热源。

背景技术

在世界的许多地方都短缺饮用水。已经提出和使用了许多种工序，其通过从含盐水、盐水、海水等中提取饮用水来弥补此缺点。典型地，这些工序用于从包含至少一种溶解的固体物质的水中回收馏分。典型地，在将水提供给通过蒸馏去除溶解固体物的工序以产生馏分和携带溶解的固体物的盐水之前，要过滤向这些工序供给的水以除去颗粒。

如在Ettouney Hisham M.、El Dessouky Hisham T.和Alatiqi Imad 1999年9月在“Chemical Engineering Progress”中发表的“Understand ThermalDesalination”所公开的，常用的此类工序包括多效(effect)蒸馏工序、多级闪蒸(flash)工序、反渗透等等。这些蒸馏工序长期以来被用于从包含溶解物的供给水流中提取馏分。这些工序被用于从海水、盐水、含盐水等等中提取脱盐的(蒸馏的)水。基本上，这种热蒸馏工序使用一个或一系列容器(效(effect)或级)，并且在不同效(effect)中在提炼压力下使用蒸发、闪蒸和凝结原理。

已知有使用单个容器的工序，但商业上更常见的是使用多容器系统来提取馏分。单个容器的系统更广泛地用于船上等等。对于在这些蒸馏工序中的热交换器使用多种设计，例如降水膜在外面的水平管、降水膜在里面的垂直管或者带有降水膜的板等等。同样已知并广泛使用多种方法向多容器蒸馏系统添加供给水。

这些工序的热效率部分取决于容器的数量，该数量可从1个到35个或者更多而不等。这些容器需要热源提供热量的初始源，热量被输送穿过系统而在每个容器中产生额外的馏分。对于热蒸馏工序，有多种系统，例如使用蒸汽、机械蒸气压缩、热蒸气压缩、吸收蒸汽压缩、吸附蒸汽压缩等等，来提供这些热量。本领域技术人员熟知这些工序在多效蒸馏工序中的使用。这些工序的商业效用常常取决于从低耗能源获得热量的能力，从而能在不同容器中实现水的蒸发和闪蒸而经济地提取出馏分。

压缩机中间冷却器一般用在气体压缩机、空气压缩机和涡轮机系统的压缩机部件中以减少所需的能量同时压缩流体。中间冷却器是一种热交换器，来自前面压缩机级的热的压缩流体在进入压缩的随后一级之前被其冷却，从而减小在随后的压缩中所需的功。希望向中间冷却器提供低温的冷却流体以使进入中间冷却器的压缩流体的降温最优化，因而适当地使在随后的压缩级中的压缩功最小化。一般来说，中间冷却器可以由空气或水流来冷却，而中间冷却器提供的热量则简单地排放到外部环境中。

当中间冷却器与涡轮机系统一起使用时，被压缩流是气流。从低温压缩机来的热空气进入中间冷却器，在那里通过热交换，空气被更冷的流冷却。被冷却的空气然后被返回到高压压缩机处来进一步压缩。然后，最终的压缩空气流被与燃料流混合，该混合物在透平膨胀机中燃烧和膨胀，其产生轴功率可用于驱动压缩机以及产生电力等。在涡轮机中产生的热废气流可用于热回收系统以产生热流，例如蒸汽等，该热流可用于驱动透平膨胀机等以产生额外的轴能量，所述额外的轴能量可用于驱动发电机、产生额外能量等等。这些系统对本领域技术人员来说是熟知的，不需要详细的论述。

典型地，由热回收部件获取的能量受到在燃烧涡轮机中燃烧的燃料的硫含量的限制。使用低硫燃料，例如天然气，可以让能接受比高硫燃料例如燃料油的废气温度更低的废气温度的热回收部件获取的热量最大化。这可归因于来自燃烧具有较低硫酸露点的低硫燃料的燃烧涡轮机的废气。为了使热回收部件中的较低温度的零件的腐蚀最小化，热回收部件通常使用再循环系统等使废气的温度保持在水或硫酸的露点以上。

发明内容

根据本发明，提供一种用于通过蒸馏工序从包含至少一种溶解的固体物的水流中提取馏分流的方法，其使用至少一种被加热的水流，所述被加热的水流被作为热源的压缩机中间冷却器或排气管加热器(stack heater)中的至少一个加热，以及可选择的，来自另一热源的被加热流。该方法包括：将包含至少一种溶解的固体物的水流输送到包括多个容器的热蒸馏工序；通过与热源热交换来加热水流以产生被加热的水流；以及，将被加热的水流输送到热蒸馏工序，作为热源和供给水流的至少其中之一。

本发明还包括一种使用来自作为热源的压缩机中间冷却器的被加热的水流，用于从包含至少一种溶解的固体物的水流中提取馏分流的系统，该系统包括：压缩机中间冷却器热交换器；多效蒸馏系统，其包括多个效，每个效包括容器、冷凝器。冷凝物收集器以及用于将流体从效(effect)输送、输送到效以及在效之间输送的流体传输装置；连至多效蒸馏系统的供给入口的入水口；用于从多效蒸馏系统回收馏分并将馏分的一部分输送到中间冷却器入口以产生被加热的馏分流的馏分回收及冷凝系统；以及管道，其用于将被加热的馏分流输送到多效蒸馏系统的入口。

本发明还包括一种使用来自作为热源的压缩机中间冷却器的被加热的水流，用于从包含至少一种溶解的固体物的水流中提取馏分流的系统，该系统包括：压缩机中间冷却器热交换器；多效蒸馏系统，其包括多个效，每个效包括容器、热交换器以及用于将流体从效输送、输送到效以及在效之间输送的流体传输装置；连至多效蒸馏系统的供给入口的入水口；用于从多效蒸馏系统回收馏分的馏分回收及冷凝系统；用于将包含至少一种溶解的固体物的流输送到中间冷却器以产生被加热的水流的管道；以及用于将被加热的水流输送到多效蒸馏系统的入口的管道。

本发明还包括一种使用来自作为热源的压缩机中间冷却器的被加热的水流，从包含至少一种溶解的固体物的水流中提取馏分流的系统，该系统包括：压缩机中间冷却器热交换器；多级闪蒸系统，其包括多个级，每级包括容器、冷凝器、冷凝物收集器以及用于将流体从级输送、输送到级以及在级之间输送的流体传输装置；连至多级闪蒸系统的供给入口的入水口；馏分回收及冷凝系统，其用于从多级闪蒸系统回收馏分并且将一部分馏分输送到中间冷却器的入口以产生被加热的馏分流；以及用于将被加热的馏分流输送到多级闪蒸系统的入口的管道。

本发明还包括一种使用来自作为热源的压缩机中间冷却器的被加热的水流，从包含至少一种溶解的固体物的水流中提取馏分流的系统，该系统包括：压缩机中间冷却器热交换器；多级闪蒸系统，其包括多个级，每级包括冷凝器、冷凝物收集器以及用于将流体从级输送、输送到级以及在级之间输送的流体传输装置；连至多级闪蒸系统的供给入口的入水口；馏分回收及冷凝系统，其用于从多级闪蒸系统回收馏分；导管，其用于将包含至少一种溶解的固体物的流输送到中间冷却器以产生被加热的水流；以及用于将被加热的水流输送到多级闪蒸系统的入口的管道。

可选择地，来自热交换区的由来自涡轮机等的热废气流加热的被加热水流或者来自透平膨胀机的被加热水流可用于代替或者附加到来自中间冷却器的被加热水流。在上面讨论的实施例中，任一这些流可以单独使用，或者和所有或任一其他流一起作为热源使用，以产生被加热的水流。

在水流和中间冷却器或热交换区之一或两者之间的热交换可通过中间热传输流体以及必要的热交换器来进行。

附图说明

图1为本发明的工序的一实施例的示意图，其中馏分用于对多效蒸馏工序的热俘获；

图2为本发明的第二实施例，其中海水用于对多效蒸馏工序的热俘获；

图3为本发明的另一实施例，其包括使用海水用于热俘获的多级闪蒸系统；和

图4为一实施例，其包括多级闪蒸系统，其中使用馏分用于热俘获。

具体实施方式

在对附图的说明中，从始自终相同的标记用于指代相同或相似的部件。另外请注意到由于许多设备对本领域技术人员是非常熟悉的，为了简洁，实现所示流动所必需的如许多泵、阀、非冷凝除气设备、压力交换器、蒸汽压缩机等等并未示出。

图1示出一工序，其包括用于产生电力的涡轮机系统12，该系统包括低压压缩机14、高压压缩机16、中间冷却器62、燃烧室28、透平膨胀机20和发电机22。此类系统为本领域技术人员所熟知，因此不再进一步详细描述。

从涡轮机系统12来的热废气用在热回收系统36中，在热回收系统36中，在多个热交换区38、40、42、44、46和48中从废气流回收热量以产生输送到管线50上的蒸汽流的蒸汽。热回收系统36可以由更多或更少的交换区组成，可以在不同热交换区之间使用不同蒸汽。水流通过管线39充入热回收系统36。在适当处理后，冷却的废气通过管线52排出。回收的蒸汽，通过管线50被输送到蒸汽涡轮机54等等，该涡轮机等通过轴58轴接到发电机56上，该发电机56利用流体流60发电，所述流体流60包含通过管线60回收的通过管线39充入的水所产生的蒸汽和冷凝液的其中之一或两者。此类系统为本领域技术人员所熟知，因此不再进一步详细描述。

本领域技术人员同样了解的是中间冷却器62的使用，如图示其用于接受来自低压压缩机14的排放的热空气流64，以进行冷却并且返回到高压压缩机16的入口66。如先前提到的那样，通常使用经济的热交换物质在中间冷却器62中冷却热空气。为此目的，已经使用各种流体例如空气、水，以及各种其他热交换流体。

多效蒸馏系统示出为70。该多效蒸馏系统包括效(effect)72、74、76、78、80和82。正如本领域技术人员所知道那样，多效蒸馏系统可以包括更多或更少效，在这些效之间可以输送各种流。

包含溶解的固体物的水流，例如来自管线98的海水，通过管线94供应到馏分冷却器96上。在馏分冷却器96中，来自管线108的初级液体馏分流被冷却到相对较低的温度，一般是在约95°F以下，并通过管线118输送到中间冷却器62作为冷却流。如果在馏分冷凝器100中能实现充分的冷却，或者如果在用于中间冷却器62的热交换流体中可以容忍更高温度的馏分流，在一切情况下都不是必须要使用馏分冷却器96。也可以使用其他方法冷却到中间冷却器62的流。在馏分冷凝器100中，如所示，来自多效蒸馏部分的馏分是从最后的效82回收来的。回收流102，其一般主要是馏分蒸汽，带有通过管线104回收的一般为混合的馏分蒸汽及馏分的流。在这些流中蒸汽和液体的比例可以不同，但无论如何，蒸汽流在馏分冷凝器100中针对海水流冷凝而该馏分通过管线110回收。输送到馏分冷却器96的馏分被进一步冷却以便为中间冷却器62提供更冷的交换流体。

提取馏分流110作为产品馏分流。通过管线114回收被加热的海水，一部分被加热的海水作为入水口水流通过管线114输送到多效蒸馏系统。如本领域技术人员所熟知的那样，可以在系统的多个点或者单个点上加入这些水。根据意愿，一部分被加热的海水通过管线116排放回海里或者排放到其他用途。通过管线106从多效蒸馏系统中排弃盐水流。

多效蒸馏系统被认为是为本领域技术人员所熟知的并且可在多种模式下工作。例如，系统可以设计成前向进给(feed forward)、平行进给(parallel feed)、平行/交叉进给(parallel/cross feed)等等。进入的水可以充入到第一效或者可以在效之间分配等等。这些效可以水平或垂直指向。另外，多效蒸馏系统可以包括热蒸汽压缩、机械蒸汽压缩等等。其他多效蒸馏系统可以基于吸收或者吸附蒸馏工序。本发明被认为是可以应用于这些不同的多效蒸馏系统中。如前面所指出的那样，本领域技术人员熟知对这些系统的操作。

根据本发明，在中间冷却器62中被加热的馏分流通过管线84被传送到闪蒸区88，在那里它可被分成蒸汽流，其通过管线92被回收并被传送到热交换器作为多效蒸馏系统中的交换流体，以及液体流，其通过管线90被传送到多效蒸馏系统。如所示，该流的蒸汽成分通过管线92充入到第一效72中的热交换器。该流的液体成分通过管线90回收并可作为液体传送到第一效72上。可以理解，如果需要，这些流可以以多种方式被引入到一个或多个容器中。如所示，从管线92来的流的液体和蒸汽成分都被充入到第一效72。

第二流通过管线86可被充入到容器72中。该流的提取是通过：从多效蒸馏工序经由管线89收回中间馏分流并将其输送到热回收系统36的部件48上。可选择地，可以考虑通过管线114提供给管线89的海水流，连同适当的闪蒸箱系统等一起。可根据在管线86的流中的要求的温度任意选择这一部分。一般，通过管线89收回的中间流在约120°到140°华氏温度下收回，在部件48中该流被加热到约200°到300°华氏温度。如前面所论述的那样，对该流而言最佳的温度取决于所燃烧的燃料，低硫燃料容许较低的温度。选择返回温度以使在涡轮机系统中的废气的可利用热量的经济效用最大化，以便利用否则将被浪费的来自涡轮机系统废气的残余热量。该流可以在闪蒸区88中闪蒸，并进行如对管线84中的被加热流的描述一样的相同的分离，或者，可选择的，它可以被输送回各个部分。

另一选择是使用来自管线60的流。该管线表示来自透平膨胀机54的废气和冷凝物。该流可以输送到第一效72并作为发热流充入或者作为动力蒸汽供给热蒸汽压缩机。

管线60中的温度最好在第一效72的饱和温度点或者其附近。类似地，管线84中的温度是从约200°到350°华氏温度。

通过使用图1所示的工序，馏分流用于中间冷却器62中的热交换流体。这样减小了热交换器62中结垢或类似的倾向并提供想要的制冷。热量有利地在中间冷却器62中被回收并在多效蒸馏工序中如上所述被使用以产生馏分，该馏分在许多领域中是期望的产品。

可选择的，可以使用图2所示的工序的实施例。在该实施例中，由于海水通过管线118被直接充入到中间冷却器62中，因此没有馏分冷却器96。通过这一工序更冷的流被输送到中间冷却器62。象介绍的那样，海水通常比馏分冷却器96中提取的馏分更冷。海水可能比使用馏分要求更昂贵的建筑材料。

图3示出包括多级闪蒸系统的一优选实施例。该多级闪蒸系统包括多个级122，但其只部分编号。每级包括冷凝器部件124，制冷流体输送穿过该部件。用于闪蒸的在合适温度和压力下的盐水池128经过每一级122的底部并且闪蒸(蒸发)而产生由冷凝器124冷凝的蒸汽，从而产生馏分，该馏分被收集在多个冷凝收集器126中并作为馏分产品收回。在示出的实施例中，通过管线94供应海水。

应该理解，提及海水仅仅是说明性的，水可以是海水、盐水、含盐水或其他包含溶解物质的水溶液。

海水通过管线94引入，一部分水被输送到管线118用于冷却中间冷却器62并产生被加热的供给水，所述供给水通过管线84输送到多级闪蒸工序中。一部分海水在用来在两个后面的级中提取馏分以后，如所示，可以通过管线116输送而排放出去。另一部分海水被输送到冷凝器124并最终输送到热交换器130。这里，通过与来自管线60的流，其为来自用于驱动发电机等的透平膨胀机54的排放流，的热交换，海水在热交换器130被进一步加热。来自管线60的冷却的水通过管线61被输送以作为蒸汽冷凝物返回，其可被排弃、返回到热回收部件36等等。然后被加热的水在适于在级中被闪蒸的温度下被输送到工序中作为盐水池128，当液体流经连续的级时，各个级在减小的压力和减下的温度下操作。

通过将一部分海水作为制冷流体充入到冷凝器，同时来自排热级的被加热的海水部分被排弃，部分通过管线136作为输送到剩余级中的冷凝器的制冷流体的一部分而再循环，完成排热(示出为最后两级)。

本领域技术人员熟知这些容期的操作，因此不需要详细的说明，但应注意到在对这些容器的操作中可以有很多变化。在前面引用的题目为“Understand Thermal Desalination”的文献中，已经相当详尽地论述了这些工序的操作。

通过本发明的工序，中间流可以经由管线89除去并输送到热回收系统36的相对较低温度的部分，在该系统中从来自涡轮机20的废气中回收热量。该流在部件48中被加热并经由管线86返回到多级闪蒸工序的一个中间部件。

这样除去的流89的温度最好是从约120°到140°华氏度，返回流86的温度则从约160°到250°华氏度。管线84中的流的温度最好是约200°到350°华氏度。从多级闪蒸工序回收并在热交换器130中被加热的制冷流体最好在从约175°到250°或更高的华氏温度下返回到工序。如前面论述的那样，最理想的温度依赖于其他工序条件等而改变。

通过上述工序，海水用于来自中间冷却器62的热回收。这可能导致在中间冷却器62或类似部件中的热交换面出现结垢或其他污染。尽管海水流易于用多级闪蒸工序来处理，它可能导致需要更频繁地清洁中间冷却器62及类似部件。

图4示出类似地工序，但提供热交换器140以使用海水作为冷却剂来冷却一部分馏分，其然后通过管线118被输送到中间冷却器62中进行热交换。然后该流返回到多级闪蒸工序的较早的一级，此处示出为第一级。

前面已经说明，冷却剂在热交换器130中被加热并输送到工序中而形成从其中除去馏分的盐水池。如图所示，在管线84和86中的那些流返回到它们被返回的级中的馏分收集器内。这些流构成馏分，其在工序中的不同级中被除去并用于热回收以向多级闪蒸工序提供热量。

根据本发明，可以有效使用多效蒸馏工序或者多级闪蒸工序。

前面的附图示出了这样的工序，其中通过利用来自气涡轮中间冷却器以及热回收系统的热量，组合循环发电厂与脱盐工厂相结合。然而，应该意识到可以发展其他工序同样也能利用来自中间冷却器及/或热回收系统的热量，用在脱盐工厂中。也可以发展工序利用这些热源中的任意一个。这样的工序可包括与脱盐工厂成为一体的简单循环发电厂，其同样利用来自气体涡轮机中间冷却器和热回收系统的热量，或者仅利用来自气体涡轮机中间冷却器(或热回收系统)之一的热量。这样的热回收系统可以与透平膨胀机或类似装置一起使用或单独使用。

本领域技术人员容易理解，应该使从海水或类似物中提取馏分所需要的高质量热能量最小化。本发明的工序使得通过引入来自涡轮机和热回收系统的热源，可以从蒸馏系统产生更多的水，否则所述热源会被浪费。使用来自发电厂的这些热源得到高效的工序，其利用了在发电厂中不容易利用的热源。

在图1和图2中的引入到闪蒸箱88的流仅为说明性的。其他的引入这些流的方法或者在脱盐系统内它们的引入或去除位置也可以用来使特定的脱盐系统的结构或操作条件最优化。

这些特征的组合产生了一个令人吃惊的优异工序，其利用经常作为废热流的热源来生产另一个有价值的副产品。

尽管已经参照其某几个优选实施例描述了本发明，要指出的是所描述的这些实施例是说明性的，而不是要从根本上限定，在本发明的范围内可以作出许多改变和修改。基于对优选实施例的上述描述，对本领域技术人员来说，这种改变和修改许多被认为是显而易见的和有利的。

Claims (22)

1.一种用于通过热蒸馏工序从包含至少一种溶解的固体物的水流中提取馏分流的方法，所述热蒸馏工序使用由包括压缩机中间冷却器的热源加热的至少一种被加热水流，该方法包括：

a)将所述包含至少一种溶解的固体物的水流输送到包括多个容器的热蒸馏工序；

b)通过与所述热源的热交换来加热水流以产生被加热的水流；以及

c)将所述被加热的水流作为热供应和供水水流至少其中之一输送到该热蒸馏工序以产生馏分流；

其中，压缩机中间冷却器是涡轮机系统的组成部分，被压缩的流体为空气流，被压缩的空气流被传送到涡轮机系统。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热蒸馏工序为多效蒸馏工序。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述热蒸馏工序包括容器、热交换器、用于将流体输送到各个效、从各个效输送以及在各个效之间输送的流体传输装置、到热交换器内的加热流体入口以及供给入口。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多效蒸馏工序包括多效蒸馏、热蒸汽压缩、机械蒸汽压缩、吸收蒸汽压缩和吸附蒸汽压缩布置。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多效蒸馏工序包括前向进给、平行或平行交叉/交叉流布置。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在中间冷却器中加热的水流是馏分流和海水流的至少其中之一。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述包括至少一种溶解的固体物的水流为海水。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在将海水充入到该多效蒸馏工序之前加热海水。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，海水通过与来自多效蒸馏工序的馏分流热交换而被加热以产生冷却的液体馏分流。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，馏分流在一选定温度下被从热蒸馏工序收回，输送到排气管加热器中的废气流与该废气流进行热交换以在一更高的温度上产生一被加热的馏分流，然后返回蒸馏工序。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输送到热源进行加热的水流为海水。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述被加热的水流是被加热的馏分流和被加热的海水流的至少其中之一。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，通过中间热传递流体，所述被加热的水流被热源间接加热。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，该热蒸馏工序为多级闪蒸工序。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述热蒸馏工序包括容器、热交换器、用于将流体输送到各级、从各级输送以及在各级之间输送的流体传输装置、到热交换器内的加热流体入口以及供给入口。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述在中间冷却器中被加热的水流是馏分流和海水流的至少其中之一。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述包含至少一种溶解的固体物的水流为海水。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，在将海水充入到多级闪蒸工序之前加热海水。

19.根据权利要求1所述的方法，其中，包含至少一种溶解的固体物的流的水流在一选定温度下被从热蒸馏工序收回，并被输送到排气管加热器中的一废气流与该废气流进行热交换上以在一更高的温度上产生一包含至少一种溶解的固体物的流的被加热的水流，然后返回蒸馏工序。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述被加热的水流通过一闪蒸箱被输送到热蒸馏工序。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述被加热的水流是馏分流和海水流的至少其中之一，并且通过一闪蒸箱被输送到多效蒸馏工序。

22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述被加热的水流是馏分流和海水流的至少其中之一，并且通过一闪蒸箱被输送到多级闪蒸工序。

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