CN101448743B - Fgepsc（燃烧、排气、气动、饱和以及冷凝）的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用从不同热源释放的烟气的废热来从海水/微咸水中提供高质量的水的方法和装置。

Description

FGEPSC(燃烧、排气、气动、饱和以及冷凝)的方法和系统

发明领域

本发明涉及通过利用释放/散逸到大气中的废烟气/废气中存在的显热和潜热来增强地、动力地、有效且经济地大量生产高纯水。进一步，本发明涉及利用微咸水/海水与释放/散逸到大气中的燃烧化石燃料的锅炉烟气或涡轮机废气或者当烃气在废气燃烧烟道(flare stack)中燃烧入大气中时产生于烃气燃烧过程中的热气的蒸发、饱和以及蒸发-冷凝的特有方法。上述废热源可以源自好几处来源，类似煤、褐煤、天然气、焦炉煤气等的化石燃料的燃烧；甘蔗渣燃烧的废热以及也存在于加热炉废气和燃烧的烃气中的废热。存在于从除了上述热源之外的热源产生的烟气中的废热也可以用于从海水/微咸水大量生产高纯水。

背景

一般而言，用已知的反渗透法、多级闪蒸法或用常规的蒸发和冷凝法来从海水/微咸水生产优质的水。所有上述这些方法都要求通过电力和/或热能的巨大能量来从微咸水/海水蒸发/分离出水。FGEPSC(燃烧、排气、气动、饱和以及冷凝)(FLARED，GAS EXHAUST，PNEUMATIC，SATURATION AND CONDENSATION)的方法和系统设想了有效地利用废热和水蒸气(存在于被释放到大气中的燃烧化石燃料的锅炉烟气和涡轮机废气中的废热和水蒸气，以及还有散逸到大气中的燃烧的烃气中可以利用的热)。存在于从除了上述热源之外的热源产生的烟气/废气中的废热也可以用于通过使微咸水/海水脱盐来按照如上所述的大量生产高纯水。

发明目的

因此，本发明的目的是改进和动力学上增强以非常低的总生产成本来大量生产高纯水的方法的性能。维持低的操作成本以及确保初始投入资本低来实现此目的。

本发明的目的是提供一种方法，可以依据该方法使用废热作为主要的能源来获得大量的高纯水。

本发明的另一个目的是构想/验证一种方法和系统，可以依据该系统和方法通过使用烟气/废气/燃烧的烃气/加热炉废气中的废热与海水/微咸水相结合来获得高纯水。

本发明的又一个目的是利用存在于烟气中的水蒸气在相变过程中释放的潜热。

本发明的目的还是提取/分离已存在于烟气中的水，从而增加了所产生的高纯水的总产量。

本发明的目的还是在从微咸水/海水中产生高纯水的过程中，在烟气/废气/加热炉废气/燃烧的烃气散逸到大气中之前，同时洗涤、净化和冷却这些气体。

本发明的目的是有效且高效率地利用仍存在于释放到大气中的烟气/废气中的热作为废热，使得锅炉/热电厂的总效率显著提高。

本发明的目的还是通过在烟气/废气/加热炉废气/燃烧的烃气散逸到大气中之前，冷凝来自这些气体中的大量水，从而确保酸性介质本身的稀释来减轻腐蚀(换热管-由于烟气/废气中存在的酸性介质)。

本发明的目的还是使用烟气/废气/燃烧的气体作为容器以分离并容纳来自海水/微咸水中的水，因为烟气/废气/燃烧的烃气几乎不受海水/微咸水的腐蚀性和侵蚀性的影响。

本发明的目的还是使烟气/废气/燃烧的烃气更易于选择性地分离存在于其内的二氧化碳气体，因而有利于碳固定(carbon sequestration)。

发明概述

FGEPSC(燃烧、排气、气动、饱和以及冷凝)的方法和系统引入了利用存在于燃烧化石燃料的烟气/废气、燃烧的烃气和加热炉废气中的显热和潜热来从海水/微咸水中提取水。存在于这些气体中且通常排放/散逸到大气中且通常/经常称为“废热”的热和水蒸气将被用作主要的能源以使海水脱盐来生成高纯水。通常，海水和大气用作散热器以冷却热烟气/废气。在设想的系统中，在热烟气/废气/加热炉废气/燃烧的烃气散逸到大气中之前，将这些气体中可利用的大部分“废热”有效地且高效率地用于从海水/微咸水中提取水。

此外，此方法是环境友好的，因为在热烟气/废气/加热炉废气/燃烧的烃气散逸到大气中之前，存在于这些气体中的悬浮颗粒物质和含硫的化合物被净化、捕集和沉降。

本发明的目的是有效地利用了存在于烟气/废气中的且通常释放/散逸到大气中的显热和潜热，(类似由连接到废热回收锅炉的燃天然气的涡轮机产生的废气，或者由燃烧化石燃料的蒸汽锅炉/热水产生器产生的烟气，或者燃烧的烃气或加热炉废气)，通过维持低的操作成本并确保低的初始投入资本，来以非常低的生产成本从微咸水/海水生产大量的高纯水。

简述

FGEPSC(燃烧、排气、气动、饱和以及冷凝)的方法和系统设想有效地且高效地利用存在于燃烧的化石燃料的烟气/涡轮机废气/燃烧的烃气/加热炉废气中的热和水蒸气，其通常散逸/释放到大气中且通常被称为“废热”，用来使海水/微咸水脱盐而大量生成高纯水。

在利用燃煤锅炉的热电厂中，大量的烟气(通常每小时约800公吨-210MW容量的发电厂)被释放/散逸到大气中。此烟气含有水(通常，烟气总量的约12％)且烟气也是热的(通常从约100℃到220℃的范围内)并被称为废热。通过在约160℃下，通过每小时处理约200吨热烟气，那么每小时可以从海水获得约300吨的高纯水。

在另一个实施方案中，通常50MW的发电的燃天然气的涡轮机在约500℃下，每小时将会产生约200吨废气。该来自气体涡轮机的极热的废气将会被输送到废热回收设备，以最大化地回收以高压蒸汽或热水形式的热。约115℃的热废气离开废热回收设备且作为“废热”通过烟道散逸到大气中。设想通过在本方法和系统中，通过在约115℃下，每小时处理约200吨此废气，则可以每小时从海水中获得约400吨的高纯水。

在本发明的又一个实施方案中，使也被称为燃烧的烃气的热废气(在约1000℃)通过装置(E和S设备)、蒸发和洗涤设备，其中将微咸水/海水喷射到热废气流中。热废气从火焰的附近被吸入，确保不与废气燃烧烟道直接接触。无论什么时候需要，外部的鼓风机都将会提供足够的大气以完成燃烧的废气中的部分燃烧的/未燃烧的化合物的燃烧。E和S设备被安装、被投入在传送废气的管道内且被安装在管道的顶部附近，热废气在管道的顶部进入管道。请参考(图2和图3)。进行合适的设置以用于向后和向前、向上和向下、侧旋转运动地移动管道D-1的顶端。所有这些运动都可以采用电、机械或液压方式来操作。设想通过在本方法和系统中，通过在约1200℃下，每小时处理约200吨废气(燃烧的烃气)，则可以每小时从海水中获得约900吨的高纯水。

在用海水直接洗涤气体的过程中，热烟气/废气的温度越高，则可以从海水蒸发的水就越多。与燃天然气的联合循环热电厂相比(110℃-120℃)，燃煤热电厂的烟气将具有更高的温度(100℃-220℃)，燃烧的烃气和加热炉废气的温度是非常高的(1000℃-1500℃)。

将产生的高纯水的总量中，超过90％的水将会是非常高纯度的(通常，水含有的TDS—总溶解固体小于5ppm-每百万分之一)。

上面标示的数字是指示性的且将根据位置、环境条件、被燃烧的化石燃料的质量和量、被燃烧的可燃烃气的质量和量、加热炉的型号和尺寸而变化。烟气/废气的质量、量和温度以及海水/微咸水的可获得性、质量和温度也是控制所设想的方法和装置的操作的重要参数。

详细过程的描述(参考图1)

根据本发明，在鼓风机B1的帮助下，使燃煤热电厂情况下的热烟气(约160℃)、来自废气燃烧烟道的燃烧的烃气情况下的热废气(约1000℃)以及来自燃天然气的联合循环发电厂的热废气(约110℃)通过装置(E和S设备)、蒸发和洗涤设备，其中将海水/微咸水喷射到热烟气/废气的流中。热烟气通过入口No.2进入装置且通过若干喷嘴No.1a喷射海水。

在此装置(E和S设备)内，将七个不同的设备按顺序地、连续地和同时地进行操作。

●A1是混合区，在该区中，通过有策略地设置喷嘴且将海水/微咸水以细雾喷射到气体中来确保海水/微咸水与烟气/废气的充分混合。

●A2是骤冷区(quenching zone)，在该区中，热烟气的温度显著降低-燃煤热电厂的情况下，从约160℃降到约60℃；以及来自废气燃烧烟道的废气的情况下，从约1200℃降到约70℃；以及燃天然气的联合循环发电厂释放的热废气的情况下，从约110℃降到接近65℃。

●A3是蒸发区，在该区中，利用存在于烟气中的显热蒸发来自海水/微咸水中的一些水量并与气体本身结合/混合。

●A4是中和区，在该区中，存在于烟气/废气中的大部分酸性介质被存在于海水/微咸水中的碱性介质中和。

●A5是饱和区，在该区中，确保烟气/废气现在在所需的温度下被水完全饱和。

●A6是洗涤区，在该区中，存在于烟气/废气中的悬浮颗粒物质被海水/微咸水俘获，从而使得烟气相对不含颗粒物质。

●A7是分离区，在该区中，充满湿气的烟气/废气从现在含有悬浮颗粒物质的海水/微咸水中分离出来。

现在含有悬浮颗粒物质的海水/微咸水通过出口No.：3离开装置(E和S设备)-蒸发和洗涤设备。充满湿气的烟气通过出口No.：4，通过诱导通风式鼓风机B1被吸入以进入单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)。在单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)中效应的数目取决于进入其内的饱和烟气/废气的温度和体积。

充满温湿气的烟气现在通过入口No.：5进入单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)内的管排。在单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)的壳程上维持所需的真空，同时将冷的海水/微咸水喷射到管的顶部。海水/微咸水通过喷嘴No.：6a进入单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)中，且在海水/微咸水中的一些水因热和真空而蒸发之后，通过出口No.：7离开单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)。蒸发的低压水蒸气通过其到机械蒸汽压缩机(MVC设备)的路径上的出口No.：8离开单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)，机械蒸汽压缩机(MVC设备)在三级单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)中也维持真空。冷烟气现在通过出口No.：9离开三级单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)以进入烟道S1，用于通过出口No.：10散逸到大气中。在烟道S1的底部，烟气中冷凝的水滴作为优质的水通过出口No.：11而被分离和除去。

机械蒸汽压缩机(MVC设备)，当其维持在单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)中的真空时，还通过入口No.：12吸入单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)内产生的低压蒸气。机械蒸汽压缩机(MVC设备)随后压缩低压蒸气以在将压缩蒸气通过出口No.：14释放到多效蒸馏(MED设备)中之前，提高低压蒸气的温度。在电动机的帮助下，操作机械蒸汽压缩机(MVC设备)。机械蒸汽压缩机(MVC)设备唯一能增加/提高所产生的高纯水的总量。可以操作FGEPSC(燃烧、排气、气动、饱和以及冷凝)的方法和系统而无需安装机械蒸汽压缩机(MVC)设备。根据进入多效蒸馏(MED设备)的压缩的低压蒸气所要求的温度和压力，可以为单效蒸发-冷凝器(SEEC设备)的每一分级串联设置许多机械蒸汽压缩机(MVC)设备。压缩的低压蒸气的温度和压力越高，将会由多效蒸馏(MED设备)产生的高纯水的量越多。

压缩的低压蒸气现在作为热源，通过喷嘴No.：15进入多效蒸馏(MED设备)的第一效应内的管排，其中低压蒸气冷凝且作为高质量的水去除。在多效蒸馏(MED设备)的壳程上维持所需的真空，同时将冷的海水/微咸水喷射到管的顶部。海水/微咸水通过喷嘴No.：16a进入多效蒸馏(MED设备)，且在海水/微咸水中的一些水因热和真空而蒸发之后，通过共同的出口No.：17离开多效蒸馏(MED设备)，用于再循环或处置到海水中。

蒸发的低压水蒸气离开多效蒸馏(MED设备)的第一效应以作为热源进入多效蒸馏(MED设备)的第二效应的管程。在一系列保持在真空下的效应中重复此过程。在每一个效应中，将海水/微咸水喷射到管上，迫使一些水因热和真空而蒸发，同时稍后在管内冷凝成高质量的水。

从多效蒸馏(MED设备)中通过No.：20收集并移出所有冷凝的高质量的水。由冷凝器和真空泵组成的真空装置VS1应该在多效蒸馏(MED设备)的所有效应中维持所需的真空，用于通过入口No.：22吸入最后的且最终的低压蒸气。冷的海水作为冷却剂将通过入口No.：18进入冷凝器并通过出口No.：19离开以被返回到海中。冷凝的水蒸气将通过出口No.：21离开冷凝器。

为了安全操作，将提供必要的仪表装置和控制系统。进入和离开系统的烟气的温度和体积、进入和离开系统的海水的温度和量、低压水蒸气和压缩的低压水蒸气的压力、温度和体积将用合适的测量装置和控制装置来控制和测量。系统正常操作所消耗的电能将会被测量和记录。将用合适的测量装置和分析装置对进入和离开系统的海水/微咸水和烟气/废气进行定期的化学分析。

本发明的特征

●本发明提供了废热-(以其他方式散逸到大气/海中的显热和潜热)的高效利用，以产生大量优质的水。

●改进了(燃煤的/燃天然气的)热电厂的总热效率。因为额外地和最大化地利用了仍存在于烟气中以及目前作为废热散逸到大气中的可利用的热。

●认识到了以下事实，即巨大量潜热形式的热能能够在目前散逸到大气中的热烟气中获得。这主要是由于由燃煤/燃天然气的热电站释放的烟气中存在的大量水蒸气。

●易于利用烟气本身来从海水分离出水，充分认识到，烟气是几乎惰性的且能够抵抗海水的侵蚀性和腐蚀性。

●在用由热电站的燃煤锅炉释放的热烟气从海水分离出水的过程中，烟气本身得到净化和洗涤，导致了更好的和更干净的环境。将颗粒物质捕集在洗涤液(海水)中；且海水的碱性中和了腐蚀性的硫的氧化物。

●热烟气的洗涤、净化和骤冷使得更易于选择性地分离存在于其内的二氧化碳气体，从而有利于碳固定。

●显著降低了高度腐蚀性的热烟气的温度，使得建筑物的外来材料(类似钛/蒙乃尔合金/因科镍合金等)不需要被推荐用于抵抗因烟气中存在的硫的氧化物导致的腐蚀。内衬有橡胶/塑料的碳素钢容器将足够了。

●冷凝来自烟气的大量的水将确保仍存在于烟气中的未被洗涤的痕量酸性介质(逃脱海水洗涤的痕量硫的氧化物)的稀释。由冷凝水对酸性介质的稀释是高到以使得酸性介质实际上是无腐蚀性的。因此，换热器管可以由不锈钢或铝制成。

●确保移动的蒸汽(多效蒸馏设备的主要能源)的温度不会升到70℃之上。这使得在多效蒸馏设备中低温蒸发和冷凝。存在于腐蚀性海水中的盐会促使显著减小换热器管的尺度。因而，可以推荐铝管来代替昂贵的钛管。

●充分利用以下事实，即与最终消费者可以从市场上购得的以其他方式产生的电力的成本相比，热电厂的电力的成本是非常低的。

Claims (20)

1.一种用于有效利用废热来使海水/微咸水脱盐生成高纯水的方法，所述废热由各种来源产生且通常散逸到大气中，且所述方法的特征在于所述废热来源包括来自化石燃料的燃烧的烟气/废气；所述废热也存在于加热炉废气和燃烧的烃气中以及甘蔗渣的燃烧中，所述方法包括以下步骤：

在鼓风机(B1)和隔热管道(2)的帮助下，将所述烟气/废气引导至蒸发和洗涤设备，通过若干喷嘴(1a)将海水/微咸水喷射到所述蒸发和洗涤设备中，且将被污染的海水/微咸水通过出口(3)排出所述蒸发和洗涤设备，用于再循环或进一步处理；

在所述蒸发和洗涤设备中使热烟气/废气与海水/微咸水混合，促使热的骤冷并降低了烟气/废气的温度，使得海水/微咸水中的一些量的水因存在于烟气/废气中的显热而蒸发；

促进存在于烟气/废气中的酸性介质与存在于海水/微咸水中的碱性介质中和；

确保烟气/废气用水蒸气完全饱和；

通过将悬浮颗粒捕集在海水/微咸水中来帮助净化烟气/废气；

将充满温湿气的烟气/废气从被污染的海水/微咸水中分离出来；

使充满温湿气的烟气/废气进入设置在单效蒸发冷凝器设备内的管排，通过若干喷嘴(6A)将海水/微咸水喷射到所述管排的顶部，使得所述管排内充满温湿气的烟气/废气冷却，从而促使水蒸气的冷凝和显热的释放；

通过在所述单效蒸发冷凝器设备的壳程上维持所需的真空于低温下，交换所释放的热来从海水蒸发一些水，因而产生了低压水蒸气；

干净的且冷的烟气/废气通过管道(9)从所述单效蒸发冷凝器设备排出并通过烟道(S1)散逸到大气中，来自所述单效蒸发冷凝器设备的浓缩的海水/微咸水通过出口(7)放出，用于再循环或进一步处理；

在多效蒸馏设备和真空系统的第一效应内使低压蒸气冷凝从而有助于使低压水蒸气从所述单效蒸发冷凝器设备通过隔热管道(12)通向所述多效蒸馏设备；

使低压水蒸气作为热源通过入口(14)进入设置在所述多效蒸馏设备的第一效应内的管排；

通过若干喷嘴(16A)将海水/微咸水喷射到管排上，以冷却和冷凝所述管内的低压水蒸气，从而产生了高纯水并迫使释放潜热；

在所述壳程上维持所需的真空并交换所释放的热来从海水/微咸水中蒸发一些水以产生更多的低压水蒸气；

将来自所述多效蒸馏设备的浓缩的海水/微咸水通过出口(20)放出，用于再循环或进一步处理；

通过所述真空系统在所述多效蒸馏设备内形成并维持真空，以除去不可冷凝的气体，这些气体已经通过渗漏和海水/微咸水而进入到所述系统中；

为了安全且正常的操作，应该为整个方法和系统设置有必要的且合适的仪表装置和控制系统。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述废热的来源还是从热能电厂、工厂、电站所产生的烟气/废气。

3.如权利要求1所述的方法，其中燃煤热电站情况下的烟气温度在100℃-220℃的范围内且所述烟气具有10％-15％范围内的含水量。

4.如权利要求1所述的方法，其中在由燃气轮机和废热回收锅炉组成的燃天然气的联合循环发电厂的情况下散发的废气的温度在100℃-120℃的范围内且废气具有20％-25％范围内的含水量。

5.如权利要求1所述的方法，其中在也被称为燃烧的烃气的热废气情况下的烟气和从加热炉散发的气体的温度在1000℃-1500℃的范围内。

6.如权利要求5所述的方法，其中热废气从火焰的附近被吸入，确保不与废气燃烧烟道直接接触，无论什么时候需要，外部的鼓风机都将会提供足够的大气以完成仍存在于废气中的部分燃烧的/未燃烧的有机化合物的燃烧；所述蒸发和洗涤设备被安装、被投入在传送废气的所述管道内且被安装在所述管道的顶部附近，热废气在所述管道的顶部进入所述管道。

7.如权利要求1所述的方法，其中在所述蒸发和洗涤设备内被进行的设备操作还在填料塔、吸收塔喷雾室内被单独地或组合一起被进行。

8.如权利要求1所述的方法，其中交换所释放的热以便通过在所述单效蒸发冷凝器设备的壳程上维持所需的真空，而在低温下从海水蒸发一些水，因而产生了低压水蒸气。

9.如权利要求1所述的方法，其中由所述单效蒸发冷凝器设备产生的所述低压水蒸气直接地或者通过机械蒸汽压缩机设备或者通过热蒸汽压缩设备通向所述多效蒸馏设备。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述机械蒸汽压缩机设备和所述热蒸汽压缩设备用于提高由所述单效蒸发冷凝器设备产生的低压水蒸气的温度和压力，因而增加/提高了利用低压水蒸气作为热源通过所述多效蒸馏设备来从海水/微咸水产生的高纯水的量。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述蒸发的低压水蒸气通过所述多效蒸馏设备的出口(17)离开第一效应以作为热源通过喷嘴(16A)进入所述多效蒸馏设备的第二效应以在真空下从海水蒸发水，以及同样冷凝以产生高纯水。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述蒸发-冷凝的过程重复进行在所述单效蒸发冷凝器设备情况下的一系列分级和多效蒸馏设备的一系列效应中。

13.如权利要求1所述的方法，其中烟气/废气在散逸到大气中之前，当提取存在于其内的显热和水蒸气时，同时洗涤、净化和冷却烟气/废气。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述方法使存在于烟气中的二氧化碳更易于选择性地分离，因而有利于碳固定。

15.一种用于利用来自如权利要求1所述的各种来源的废热的系统，包括下面的单元操作的成套设备：鼓风机B1连同蒸发和洗涤设备、单效蒸发冷凝器设备、机械蒸汽压缩机设备和多效蒸馏设备。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述蒸发和洗涤设备包括用于混合烟气/废气与海水的区域A1，A2区是骤冷区，A3是蒸发区，A4是中和区，A5是饱和区，A6是洗涤区以及A7是分离区。

17.如权利要求15所述的系统，其包括所述单效蒸发冷凝器设备，所述单效蒸发冷凝器设备具有带入口(5)的管排，充满湿气的烟气/废气通过入口(5)进入所述单效蒸发冷凝器设备，在所述单效蒸发冷凝器设备的壳程上维持真空且将海水/微咸水喷射到所述管的顶部上，所述海水/微咸水通过入口(6a)进入所述设备并通过出口(7)离开。

18.如权利要求15所述的系统，其中在电动机的帮助下操作所述机械蒸汽压缩机设备并使其维持真空，以及还通过其入口(12)吸入低压蒸气，低压蒸气随后通过出口(14)被释放到所述多效蒸馏设备。

19.如权利要求15所述的系统，其中所述多效蒸馏设备包括管和外壳；用于海水进入的入口(16a)，其中在所述壳程上维持真空，以及出口(17)，高纯水通过出口(17)从所述多效蒸馏设备离开；浓缩的海水/微咸水通过出口(20)从所述多效蒸馏设备被放出，用于再循环或进一步处理。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述多效蒸馏设备具有一系列效应，通过真空系统将所述一系列效应维持在真空下。

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