CN101671086A

CN101671086A - 一种水处理系统预热工艺

Info

Publication number: CN101671086A
Application number: CN200910070805A
Authority: CN
Inventors: 赵河立; 阮国岭; 苏立永
Original assignee: Tianjin Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization SOA
Current assignee: Tianjin Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization SOA
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2029-10-14
Also published as: CN101671086B

Abstract

本发明公开了一种水处理系统预热工艺，将进入水处理系统的原料水分为两股，其中一股原料水通过产品水换热器与出自水处理系统膜组的产品水换热，另一股原料水通过浓盐水换热器与出自水处理系统膜组的浓盐水换热，换热后的两股原料水汇合，汇合后的原料水经外供热源加热器加热成达标的预热原料水，达标的预热原料水进入水处理系统的膜组分离成产品水和浓盐水，经换热后的浓盐水和产品水分别输出水处理系统。本发明通过对水处理系统产品水和浓盐水的热能进行充分利用，降低了对原料水的预热费用。适用于原料水温度较低的反渗透和纳滤系统，尤其适用于冬季水温较低的反渗透海水淡化系统。可将原料水预热费用大幅降低。

Description

一种水处理系统预热工艺

技术领域

本发明涉及一种膜法水处理预热工艺，特别涉及一种反渗透和纳滤系统预热工艺。

背景技术

对于反渗透淡化技术，原料水温度对系统运行有重大影响。适当提高原料水温度，可提高系统产水量，降低系统能耗。反之，系统的工况将恶化。在冬季，受气温影响，原料水温度通常较低，为保证系统稳定运行，需要对原料水进行预热。如果单纯靠外加热源，能耗较高，从而提高反渗透系统的运行成本。

对于与本发明相关的背景技术，分别介绍如下：

(一)温度对反渗透系统的影响

特定条件下反渗透系统的膜通量是系统设计的重要指标，而系统进水温度是膜通量的重要影响因素，请参见图4。由于系统进水温度分别关系到膜体形变、水体粘度与表面张力等膜体与水体参数，因此，可以认为膜通量间接地受到了进水温度的影响，而影响膜通量的直接因素应为膜体形变、水体粘度与表面张力，其中水体表面张力直接影响膜体亲水性。

以25℃为标准温度，则反渗透膜的相对通量可用以下公式表示：

TCF = \frac{1}{e^{(k * \frac{1}{273 + t} - \frac{1}{298})}} - - - (1)

式中：TCF：相对膜通量

k：常数，与膜材质相关

t：温度，摄氏度

以某公司生产的8040反渗透海水淡化膜为例，对于单根膜，原料水为32000mg/LNaCl溶液，回收率为10％，操作压力为5.5MPa。当原料水温度为15℃时，产水量为25℃时的78％；当原料水温度为1℃时，产水量为25℃时的53％；当原料水温度低于0℃时，由于纯水的冰点为0℃，完全不能产水。

上述数据表明，如果不能提高系统的操作压力，在原料水温度较低的情况下，系统的产量将大幅减低。在1℃时的产水量仅为25℃时一半左右。

如果可以提高系统的操作压力，仍以上述反渗透海水淡化膜为例，25℃时操作压力为5.5MPa。如果保证产水量不变，15℃时操作压力为6.25MPa，1℃时操作压力为8.02MPa。也就是说，在不考虑水泵及电机效率变化的前提下，1℃时耗电量是25℃时的1.46倍。

由以上可知，如果原料水温度过低，将显著降低反渗透系统产量，增加电力消耗，对系统会造成不利影响。

一般情况下，为避免出现上述问题，需要提高原料水的温度，即对原料水进行预热。

(二)常规预热方法及成本

一般情况下，对于反渗透系统，如果需要对原料水进行预热，通常使用加热器(或换热器)，以电、蒸汽、煤、油等为热源，对原料水进行加热。原料水通过加热器(或换热器)后，温度达到设定值，之后再进入反渗透系统。

以下举例对常规预热方法的费用进行说明。

对于一个反渗透海水淡化系统，原料水盐度为35，温度为0℃，系统回收率为40％，需要将原料水温度提高到10℃，则使用电、蒸汽、煤、柴油作为热源，加热热源的费用如下所示：

序号	热源	电	蒸汽	煤	柴油
序号	热源	电	蒸汽	煤	柴油	1	规格	-	0.5MPa	5000大卡	0#
2	锅炉效率	-	-	75％	85％	1	规格	-	0.5MPa	5000大卡	0#
2	锅炉效率	-	-	75％	85％	3	热源单位	kWh	t	t	t
4	热源价格(元)	0.76	160	550	6500	3	热源单位	kWh	t	t	t
4	热源价格(元)	0.76	160	550	6500	5	热源费用(元/吨，以产品水计)	21.03	5.91	3.49	17.88

上表中的热源费用仅为消耗的电、蒸汽、煤、柴油等费用，没有考虑其他消耗和固定成本等其他费用，预热费用会略高于上述数据。

通过上表可知，对于不同的预热方式，生产1吨淡水的热源费用最低为3.49元，最高为21.03元。目前大型反渗透海水淡化的成本约为4～5元/吨，如果需要对原料水进行预热，即便采用最廉价的热源，也需要3.49元/吨，成本将大幅上升，对工程的经济性是很不利的。

我国大部分地区冬季较为寒冷，在冬季，海水、地表水、地下水的温度均较低。对于淡水，其最低温度可到0℃；对于海水，其最低温度可到-2℃以下。在上述极端温度下，反渗透系统无法正常工作。即便原料水的温度略高于0℃，反渗透系统的效率也很低，能耗较高，难以达到额定产量。

为解决反渗透系统的冬季运行问题，需要提高原料水的温度。如果不能使用较高温度的原料水，只能对低温原料水进行加热。如果采用常规预热方法，预热成本太高，甚至会影响工程的可行性。

上面仅从反渗透系统的角度进行了论述，也同样适用于纳滤系统。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种水处理系统预热工艺，当进入水处理系统的原料水温度较低时，使用该预热工艺进行预热，可大幅降低预热费用。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种水处理系统预热工艺，将进入所述水处理系统的原料水分为两股，其中一股原料水通过产品水换热器与出自所述水处理系统膜组的产品水换热，另一股原料水通过浓盐水换热器与出自所述水处理系统膜组的浓盐水换热，换热后的两股原料水汇合，汇合后的原料水经外供热源加热器加热成达标的预热原料水，所述达标的预热原料水进入所述水处理系统的反渗透膜组分离成所述产品水和所述浓盐水，经换热后的所述浓盐水和所述产品水分别输出所述水处理系统。

所述达标的预热原料水经高压泵输送进入所述水处理系统的反渗透膜组。

所述达标的预热原料水出所述外供热源加热器后分为两股，其中一股达标的预热原料水经高压泵加压，另一股达标的预热原料水经压力交换能量回收装置加压后，再经增压泵加压，加压后的两股达标的预热原料水进入所述水处理系统的反渗透膜组；出自所述水处理系统膜组的浓盐水先进入所述压力交换能量回收装置泄压后，再进入所述浓盐水换热器。

所述达标的预热原料水先经功交换能量回收装置加压，再经高压泵输送进入所述水处理系统的反渗透膜组；出自所述水处理系统膜组的浓盐水先进入所述功交换能量回收装置泄压后，再进入所述浓盐水换热器。

本发明具有的优点和积极效果是：将原料水分为两股，分别利用产品水换热器和浓盐水换热器进行预热，系统产生的产品水和浓盐水是上述两个换热器的热源，经过上述两个换热器后的两股原料水汇合，再由外供热源加热器加热到达标温度，通过对水处理系统产品水和浓盐水的热能进行充分利用，降低了对原料水的预热费用。适用于原料水温度较低的反渗透和纳滤系统，尤其适用于冬季水温较低的反渗透海水淡化系统。可将原料水预热费用大幅降低。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的示意图；

图2是本发明第二实施方式的示意图；

图3是本发明第三实施方式的示意图；

图4是反渗透膜相对通量与温度的关系曲线图。

图中：1、产品水换热器，2、浓盐水换热器，3、产品水预热调节阀，4、浓盐水预热调节阀，5、产品水预热流量计，6、浓盐水预热流量计，7、产品水预热温度计，8、浓盐水预热温度计，9、高压泵，10、压力交换能量回收装置，11、增压泵，12、反渗透膜组，13、功交换能量回收装置，14、外供热源加热器，15、总温度计。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，本发明一种水处理系统预热工艺的第一种实施方式：无能量回收装置的反渗透系统预热工艺：

原料水分为两股，分别进入产品水换热器1和浓盐水换热器2，经产品水换热器1预热的原料水经产品水预热调节阀3调节压力，系统通过产品水预热流量计5、产品水预热温度计7对其流量、温度进行监测。经浓盐水换热器2预热的原料水经浓盐水预热调节阀4调节压力，系统通过浓盐水预热流量计6、浓盐水预热温度计8对其流量、温度进行监测；上述两股原料水汇合后经外供热源加热器14进行加热，并通过总温度计15监测温度。之后温度达标的原料水经高压泵9加压后进入反渗透膜组12；反渗透膜组12产出的产品水进入产品水换热器1对原料水进行加热；排出的浓盐水经浓盐水换热器2对原料水进行加热。

请参阅图2，本发明一种水处理系统预热工艺的第二种实施方式：带压力交换能量回收装置的反渗透系统预热工艺：

系统流程在经过总温度计15之前与上述无能量回收装置的反渗透系统预热工艺相同。

温度达标的原料水经总温度计15后，分为两股。一股直接经高压泵9加压，另一股经压力交换能量回收装置10、增压泵11加压，两股水汇合后进入反渗透膜组12。反渗透膜组12产出的产品水进入产品水换热器1对原料水进行加热；排出的经浓盐水经压力交换能量回收装置10泄压后通过浓盐水换热器2对原料水进行加热。

请参阅图3，本发明一种水处理系统预热工艺的第三种实施方式：带功交换能量回收装置的反渗透系统预热工艺：

温度达标的原料水经总温度计15后，进入功交换能量回收装置13、高压泵9、反渗透膜组12。反渗透膜组12产出的产品水进入产品水换热器1对原料水进行加热；排出的浓盐水经功交换能量回收装置13泄压后，通过浓盐水换热器2对原料水进行加热。

本发明的主要设施包括产品水换热器、浓盐水换热器、外供热源加热器、产品水预热温度计、产品水预热流量计、产品水预热调节阀、浓盐水预热温度计、浓盐水预热流量计、浓盐水预热调节阀、总温度计和附属管路等。

本发明的主要工艺流程为：将原料水分为两股，分别标记为原料水a和原料水b。原料水a与产品水换热器相连，经加热后，出口管道安装产品水预热温度计、产品水预热流量计、产品水预热调节阀。原料水b与浓盐水换热器相连，经加热后，出口管道安装浓盐水预热温度计、浓盐水预热流量计、浓盐水预热调节阀。上述两股水经预热后，汇合到一根总管，之后进入外供热源加热器预热，其出口安装总温度计。反渗透系统产出的产品水进入产品水换热器对原料水进行预热；反渗透系统排出的浓盐水进入浓盐水换热器对原料水进行预热。

本发明技术参数确定原则：为降低工程投资和运行成本，本发明技术参数确定原则如下：

1)尽可能固定资产投入，主要考虑降低换热器的换热面积；

2)尽可能降低外供热源的消耗量。

本发明的设计原则：基于上述技术参数确定原则，本发明设计原则如下：

1)确定原料水需要升高的温度、产品水换热器和浓盐水换热器的端差：

结合反渗透工艺需要，确定海水需要提高的温度。虽然较高的温度可提高反渗透系统的性能，但会带来需要外供热量加大，对于系统并不经济。一般情况下，预热后原料水的设计温度确定为10℃左右。

对于本发明，产品水换热器和浓盐水换热器的端差越小，对外供热量的需求就越小，但需要换热器的换热面积越大。综合考虑，换热器的端差宜设定为1～2℃。为节约换热面积，宜将产品水换热器和浓盐水换热器的端差设定为相等。

2)选定产品水换热器和浓盐水换热器：

对于本发明，产品水换热器和浓盐水换热器宜使用板式换热器。换热器材质应充分考虑耐过流介质的腐蚀。

3)确定所需外供热源供热量、外供热源加热方式：

经两个换热器换热后混合后的原料水温度仍不能达到设计温度，两者的差距约为换热器端差，需要使用外供热源加热器继续提高水温。外供热源应尽可能选择廉价热源，优先使用废热。可使用锅炉、电加热器、外供蒸汽、外供热水作为热源，可以采用换热器加热，也可采用电加热器、混合器等加热设备。

外供热源加热器最大处理及外供热源最大供应能力宜大于正常工作设计值，便于系统迅速启动。

4)系统保温：

为降低热损失，可对预热后的原料水输送管道、产品水管道、浓盐水管道、反渗透膜壳、换热器及附属设备等进行保温。

本发明的运行：

a.系统启动：

系统运行时，应首先开启外供热源加热器，对原料水进行预热。启动时可提高外供热源加热器的加热量，使预热后原料水的温度持续升高。当总温度计检测到的温度达到设定值时，调节外供热源加热器的加热量，使总温度计检测到的温度在系统运行过程中一直稳定在设定值。

对产品水预热调节阀、浓盐水预热调节阀经常调节，使产品水预热温度计、浓盐水预热温度计的读数基本相等。为降低管道压力损失，产品水预热调节阀和浓盐水预热调节阀中的一个阀门，应保持全开状态。

b.系统运行：

系统运行过程中，应调节外供热源加热器的加热量，使总温度计检测到的温度在系统运行过程中一直稳定在设定值。

对产品水预热流量计、浓盐水预热流量计的读数进行监测，如果偏离设计值，需要检修换热器。

对换热器的端差进行监测，如果偏离设计值，需要检修换热器。

当原料水温度低于0℃时，用于预热的产品水有结冰的可能，应调节产品水预热调节阀和浓盐水调节阀，保证离开换热器的产品水温度高于0℃。

采用本发明，外加热源对原料水加热的温升仅约等于换热器的传热端差。对于板式换热器，经济传热端差可达到1℃左右。

对于一个反渗透海水淡化系统，原料水盐度为35，温度为0℃，系统回收率为40％，需要外加热源对原料水加热的温升为1.5℃，使用电、蒸汽、煤、柴油作为热源，则加热热源的费用如下所示：

序号	热源	电	蒸汽	煤	柴油
序号	热源	电	蒸汽	煤	柴油	1	规格	-	0.5MPa	5000大卡	0#
2	锅炉效率	-	-	75％	85％	1	规格	-	0.5MPa	5000大卡	0#
2	锅炉效率	-	-	75％	85％	3	热源单位	kWh	t	t	t
4	热源价格(元)	0.76	160	550	6500	3	热源单位	kWh	t	t	t
4	热源价格(元)	0.76	160	550	6500	5	热源费用(元/吨，以产品水计)	3.15	0.89	0.52	2.68

由上表可知，如果采用蒸汽或燃煤锅炉进行加热，每吨淡化水的预热成本将为0.5元左右，较常规预热方法的成本降低85％左右。本发明应用前景广阔。

本发明不但适用于上述的反渗透系统，也同样适用于纳滤系统。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种水处理系统预热工艺，其特征在于，将进入所述水处理系统的原料水分为两股，其中一股原料水通过产品水换热器与出自所述水处理系统膜组的产品水换热，另一股原料水通过浓盐水换热器与出自所述水处理系统膜组的浓盐水换热，换热后的两股原料水汇合，汇合后的原料水经外供热源加热器加热成达标的预热原料水，所述达标的预热原料水进入所述水处理系统的膜组分离成所述产品水和所述浓盐水，经换热后的所述浓盐水和所述产品水分别输出所述水处理系统。

2.根据权利要求1所述的水处理系统预热工艺，其特征在于，所述达标的预热原料水经高压泵输送进入所述水处理系统的反渗透膜组。

3.根据权利要求1所述的水处理系统预热工艺，其特征在于，所述达标的预热原料水出所述外供热源加热器后分为两股，其中一股达标的预热原料水经高压泵加压，另一股达标的预热原料水经压力交换能量回收装置加压后，再经增压泵加压，加压后的两股达标的预热原料水进入所述水处理系统的反渗透膜组；出自所述水处理系统膜组的浓盐水先进入所述压力交换能量回收装置泄压后，再进入所述浓盐水换热器。

4.根据权利要求1所述的水处理系统预热工艺，其特征在于，所述达标的预热原料水先经功交换能量回收装置加压，再经高压泵输送进入所述水处理系统的膜组；出自所述水处理系统膜组的浓盐水先进入所述功交换能量回收装置泄压后，再进入所述浓盐水换热器。