CN101704560A - 利用风能、太阳能及热泵技术进行海水淡化、制盐及其副产品综合利用的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种利用风能、太阳能及热泵技术进行海水淡化、制盐及其副产品综合利用的工艺，其主要流程是海水→淡化→空气吹溴→除杂澄清→太阳池升温储卤→蒸发浓缩→压缩结晶制盐→卤水化工等。本发明利用风能、太阳能及热泵技术进行海水淡化、制盐及对其副产品进行综合利用，把海水淡化与制盐及废渣废液综合利用有机结合，把风能及太阳能，可再生能源，作为主要能源，改变海盐生产由露天滩晒作业，由手工操作提升为机械化和自动化作业，彻改变海盐企业的落后面貌。可节约能源，减少污染，节约投资50％左右，节约占地面积约95％，不仅降低了生产成本，更主要的是每产一吨盐能回收约35m²淡水，保护淡水资源。

Description

利用风能、太阳能及热泵技术进行海水淡化、制盐及其副产品综合利用的工艺

技术领域

本发明涉及一种利用风能、太阳能及热泵技术进行海水淡化、制盐及其副产品综合利用的工艺。

背景技术

我国海岸线很长，是海盐生产大国，但是生产技术落后，不能实现厂房化现代化生产，同现代科技发展不相符：(一)年产一吨海盐要占沿海滩地250m²，按全国年产3000万吨计，占用滩地750万公顷，占用大量珍贵的土地资源；(二)露天作业，技术含量低，劳动负荷重，生产成本高，企业效益差；(三)海盐结晶工艺为露天滩晒，受自然条件制约，不能做到稳产高产，产品质量不符合食品卫生安全；(四)滩晒海盐时老卤收集困难，任意排放，严重影响沿海的生态环境；(五)海盐生产过程中蒸发了大量淡水，每产一吨盐约蒸发35吨，没有回收利用，造成资源极大浪费；(六)目前的真空制盐，每产一吨盐要消耗280公斤煤，全国年产三千万吨盐，每年消耗燃煤840万吨，浪费资源，污染大气，与国家提倡的节能减排背道而驰。

发明内容

本发明的目的是利用可再生能源搞海水淡化，保证人类淡水资源的安全，同时克服海盐、化工生产技术中存在的缺陷，提供一种能充分利用风能、太阳能、热泵技术进行海水淡化、制盐及其副产品综合利用的工艺。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为，按如下工艺步骤：

(1)抽纳海水

利用管道抽取海水，海水含盐度为≥3.5°Be；

(2)海水物化预处理

首先用PH值＞12的石灰乳调海水的PH值为8，再加入PH为4.5的聚合氯化铝溶液，使海水的PH值为6～6.5达到等电点，然后进行澄清，澄清后的水供下一步骤使用；沉渣水经无带真空过滤机脱水，水重复回用，滤饼作为复合肥原料；

(3)采用反渗透海水淡化系统制饮用水及高浓卤水

采用反渗透海水淡化系统，其流程为连续渐缩工艺，组体装置为三级，每级都有能量回收器及升压泵，各级工作压力在5.5～11MP₂范围内，电耗控制在2～4kw.h/m³；

海水经淡化后，卤水含盐度由3.5°Be上升至14°Be，1m³的3.5°Be海水浓缩为0.245m³的14°Be卤水；每立方米海水净化后能产淡水750kg，其中10％的淡水经超滤处理后作饮用水，其余90％作为生活和农业用水；

(4)空气吹溴系统

经反渗透系统淡化后卤水浓度为14°Be，在温度≥30℃，压力≤1.5Mpa的条件下，利用射流器加酸和氯气，使卤水酸化及氧化，使溴离子变为单体Br液体，从塔顶喷入往下流，将压缩空气从塔底鼓入，与溴液体在塔内逆向对流，把水蒸汽及溴带出塔外，经吸收、冷凝及分离等工艺制溴，使卤水得到蒸发，浓度达到16°Be，蒸发淡水量55Kg/m³，1m³的3.5°Be海水浓缩为0.19m³的16°Be卤水；

(5)析除Ca²⁺、Mg²⁺离子

上一步骤来的卤水，加入与Mg²⁺当量石灰乳，反应生成氢氧化镁沉淀，把上清液抽到另一容器加入与Ca²⁺当量的纯碱反应生成硫酸钙沉淀，把上清液排入下工序的太阳池中储卤，以上两种沉淀物分开脱水处理，水重复利用，滤饼作为化工和复合肥原料；

(6)太阳池集热、储热、蒸发浓缩及及储卤

利用太阳池中高盐度卤水的梯度差功能，吸收太阳能辐射，进行集热、储热，将卤水蒸化浓缩，使卤水浓度由16°Be升到18°Be，温度由常温升到≥45℃，蒸发淡水量22.7Kg/m³，1m³的3.5°Be海水浓缩为0.1673m³的18°Be卤水。同时太阳池的容积大，利用它来储卤，能保证上下工序的生产连续性，实现生产工艺的物料平衡；

(7)热泵低温蒸发浓缩系统

利用低温高效节能蒸发工艺，用热泵压缩将低温热能变为高温热能，温度≥90℃，加热卤水进行蒸发，另外利用热泵制冷功能，降低水喷射冷凝器中水的温度≤15℃，提高蒸发效率，减少冷却水用量；从步骤(6)来的卤水温度≥45℃，浓度为18°Be，经过热泵低温蒸发浓缩系统后，卤水浓度升到25°Be，温度≥60℃，蒸发淡水量为55Kg/m³，1m³的3.5°Be海水浓缩为0.112m³的25°Be卤水；

(8)压缩蒸发结晶制盐系统

卤水浓度为25°Be时为饱和卤水，浓缩到26°Be时氯化钠就会结晶析出，采用N效二次蒸汽压缩蒸发结晶工艺，每效蒸发面积基本相等，首效加热蒸汽压力≥2.2MPa，温度到125℃，其余各效操作压力、温度根据生产能力、蒸汽压缩机技术参数及结晶器规格而定，本系统连续进排料，为顺流流程，排料温度≤65℃，卤水浓度为28°Be，各效压缩加热蒸汽，汇总经闪蒸发器后，水蒸汽再次压缩提高温度到140℃，又作为产品干燥的热源；

(9)离子置换助晶调浆

将步骤(8)排出的盐浆进行固液分离，固体盐加入新鲜卤水调浆，进行离子置换助晶，使原结晶颗粒增大，并增加产量，把28.5°Be的老卤水进行综合利用生产有机复合肥原料；

(10)废渣废液处理实施步骤如下：

①海水预处理的沉淀物经过滤后，滤饼作生产固态肥原料，按固态肥工艺技术标准生产；

②除钙镁离子的沉淀物为氢氧化镁和碳酸钙，其处理方法如下：

a：碳酸钙作为固态肥的填充料或填土硬化场地。

b：氢氧化镁中和反应

氢氧化镁与硫酸进行中和反应，生成硫酸镁液体，一部分为液态肥原料，其余部分作为硫酸镁产品；

③利用卤水浓缩过程中产生的主要物质Nacl、Na₂SO₄和Kcl，实施芒硝氯化钾法生产硫酸钾：

(11)其他步骤如离心脱水、干燥、分筛、计量及包装等按传统化工工艺进行。

所述反渗透海水淡化技术，是现有成熟的技术，已全面推广及普遍使用。

所述压缩蒸发结晶制盐技术，是现有成熟的技术，已全面推广及普遍应用。

本发明的工艺有海水淡化、卤水蒸发浓缩，压缩蒸发结晶制盐及产品干燥等，所用设备如反渗透高压泵和升压泵，热泵和水喷射水泵，蒸汽压缩机等，以往都是用电动机、柴油机或汽轮机等驱动，占总运行成本的30％以上，现利用风能驱动风力机直接驱动，按一拖二或一拖三传动方式，风能功率成本为0.3元/kw.h，这种方式能减少电能和机械能之间转换时的功率损耗，节约动力费用在15％以上，同时风能为可再生清洁能源，无污染，使新项目能达到节能减排的目的。

利用淡化后的高浓海水进行蒸发结晶制盐，产吨盐投资概算为1500元/吨，而露天滩晒产吨盐投资概算为3000元/吨，节约投资50％，节约占地面积95％。

生产一吨海盐，要3.5°Be海水40m³以上，蒸发淡水≥35m³后得到25°Be饱和卤水4.5m³，若采用传统的露天滩晒制盐工艺，蒸发的淡水无法回收，而本发明专利技术每生产一吨海盐，能回收淡水≥30m³，能精制原生态饮用水3吨位左右，按每支500ml，可产6000支，每支纯利为0.1元/支，共收入纯利600元，此收入完全能抵消反渗透及热泵低温蒸发海水淡化的成本，如此得到的5³的25°Be饱和卤水和35m³生活用水及农田用水的成本费用为零。利用这样卤源搞制盐和化工，它的成本肯定比其他方式降低20％以上。

海水淡化与制盐、化工生产相结合，一、保证制盐和化工生产高质低成本运行；二、能保证人类吃上多元素的海盐；三、产一吨盐能回收35m³淡水，保护人类珍贵的淡水资源；四、废渣废液的综合利用，生产液态及固态腐殖酸有机复合肥为农业生产服务。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图；

具体实施方式

本发明工艺技术能实施，选用设备很重要，工艺所选用的设备都是国内外通用的，根据生产能力、产品质量标准的工艺参数要求，按规格型号选用。另外主要设备驱动能源为风能，利用太阳能为蒸发热能，利用热泵技术进行低温蒸发，利用压缩蒸发结晶制盐等。

(1)风能的利用

我国东南沿海风能很丰富，每m²为200W，m/s的风速每年平均在5000-7000小时，风能可利用率在47％以上，所以利用风能带动风力机驱动生产设备，是利用风能的发展方向。

本发明技术采用三台大型风能风力机为动力能源，第一台直接带动感应发电机及反渗透淡化系统的高压泵；第二台直接带动感应发电机及低温蒸发浓缩系统的热泵；第三台直接带动感应发电机及多效压缩蒸发结晶的蒸发压缩机。每台风力机都是一拖二或一拖三传动方式，当风力达到额定风速时，风力机不但发电供其他设备使用，同时驱动大型设备。当风速不足时，感应发电机利用外电变为电动机来拖动高压泵、热泵及蒸汽压缩机等设备，它的功率配置要比拖动设备功率大15％。风力机与感应发电机的联接方式，采用电磁离合器和超越离合器组合。

风力机传动工作原理：风能驱动风轮带动水平主轴低速(n＝15～45r/min)→变向为垂直轴低速→变向为水平轴低速→变速装置→电磁离合器和超越离合器→感应发电机→法兰联接→大型设备(高压泵、热泵及蒸汽压缩机等).

风力机设计带有自动调速和惯性飞轮储能装置，待风速下降时有补充，保证风机平稳运行。

(2)太阳池的设计

太阳池利用高盐度卤水梯度差功能，吸收太阳能的辐射，实现集热、储热、蒸发浓缩卤水的作用。它的体积容量应为每天生产用卤量的3倍，分为三组池建造，每天一组池投入运行，每池的规格为长∶宽＝1∶0.5，最长不能超过≥100m，深度为3m，地下-2.4m，地上+0.6m。太阳池用透光聚脂塑料板材盖顶，利用它的蒸发和储热能力把卤水浓度由16°Be上升到18°Be，温度为≥45℃，太阳池的容量比较大，它有储卤功能，起到调节上下工序的生产连续性，保证生产线的工艺物料平衡等。

(3)电磁热泵选型

电磁热泵的能量转换为≥98％以上，它没有转轴输出，不存在轴封问题，同时水经过泵一次循环，物料温度可提高3℃，作为工艺中蒸发、浓缩的供卤及循环选用设备。

(4)沉淀设备选型

海水预处理的沉淀设备应选用连续斜板沉降器，它是一种重力沉降器，分散于流体中的固体颗粒借重力作用，达到固液分离的目的，具有沉降面积大，处理量多，同时设备紧凑，占地面积小，无需驱动装置。另外除钙镁的生成物为Mg(OH)2↓和CaCo3↓，选用沉淀池配合太阳池使用为佳。

(5)该工艺分为8大单元：其中有反渗透海水淡化能产精制原生态饮用水、生活用水、农田用水及高盐度14°Be卤水的单元；空气吹溴法为制溴及产生高盐度16°Be卤水的单元；除杂与太阳池高浓度卤水梯度差功能起到集热、储热和储卤相结合，使卤水蒸发增浓和升温的单元；利用热泵原理实现低温蒸发卤水增浓的单元；利用多效压缩蒸发结晶制盐的单元；利用废渣废液生产有机复合肥和其他化工产品的单元。以上8大单元技术工艺的主要设备，除特殊专用设备外，其余的均与国内外通用设备基本相同，根据工艺参数设计及选用。

具体的工艺步骤如下：

(1)定点抽纳海水

利用管导抽深海的海水。因为深海的海水含盐度高，一般在≥3.5°Be，含藻类及细菌等微生物杂质少，水的温度比较稳定。

(2)海水物化预处理

海水含有泥沙，胶体及微生物等杂质，这些杂质会影响淡化设备正常运行，降低淡化水的质量。首先用PH值＞12的石灰乳调海水的PH值为8，再加入PH值为4.5的聚合氯化铝溶液，使海水的PH值为6～6.5达到等电点，使海水中杂质聚凝沉淀，并除去部分钙及镁离子，澄清的水为第(3)步骤使用。沉渣水经无带真空过滤机脱水，水重复回用，滤饼作为复合肥原料。

(3)采用反渗透系统制饮用水及高浓卤水

海水淡化方法有几种，其中反渗透法有投资少耗能低等优点，故采用反渗透法淡化系统，其流程为连续渐缩工艺，组体装置为三级，每级都有能量回收器及升压泵，各级工作压力在5.5～11MP₂范围内，电耗控制在2～5kw.h/m³。

海水经淡化后，卤水含盐度由3.5°Be上升至14°Be，从第1步骤起至此步骤体积为1m³的3.5°Be海水浓缩为0.245m³的14°Be卤水。每立方米海水净化后能产淡水750KG，其中10％的淡水经超滤处理后可作原生态饮用水，瓶装销售，其余90％作为生活和农业用水。

(4)空气吹溴系统

经反渗透法系统淡化后卤水浓度为14°Be，温度≥30℃，压力≤1.5Mpa，利用射流器加酸和氯气，使卤水酸化及氧化，使溴离子变为单体Br液体，从塔顶喷入往下流，将压缩空气从塔底鼓入，与溴液体在塔内逆向对流，把水蒸汽及溴带出塔外，经吸收、冷凝及分离等工艺制溴。饱和空气与塔内水蒸汽接触，是饱和空气增湿过程，离开塔体后，是减湿过程，使卤水得到蒸发，浓度达到16°Be，蒸发淡水量55Kg/m³，从第1步骤起至此步骤体积为1m³的3.5°Be海水浓缩为0.19m³的16°Be卤水。

(5)析除Ca²⁺、Mg²⁺离子

卤水中的CaCO₃随着浓度≥16.75°Be后全部析出，而硫酸钙在卤水浓度达20.60°Be，才析出64.16％，故此卤水浓度≤16°Be时，有大量Ca²⁺，Mg²⁺离子要除去，否则影响后工序蒸发设备结晶，其方法为在卤水中加石灰乳和纯碱，与镁钙离子当量反应，生成难溶的盐而沉淀。反应式如下：

Mg²⁺+Ca(OH)₂→Mg(OH)₂↓+Ca²⁺

Ca²⁺+Na₂CO₃→CaCO₃↓+2Na⁺

上工序来的卤水，加入与Mg^a+当量石灰乳，反应生成氢氧化镁沉淀，把上清液抽到另一容器加入与Ca²⁺当量的纯碱反应生成硫酸钙沉淀，把上清液排入下工序的太阳池中储卤。以上两种沉淀物分开脱水处理，水重复利用，滤饼作为化工和复合肥原料。

(6)太阳池集热、储热、蒸发浓缩及及储卤

能利用太阳池中高盐度卤水的梯度差功能，吸收太阳能辐射，进行集热、储热，对新加入的卤水起到加热升温蒸发浓缩的作用，将卤水浓度升到18°Be，温度≥45℃，蒸发淡水量22.7Kg/m³，从第1步骤起至此步骤体积为1m³的3.5°Be海水浓缩为0.1673m³的18°Be卤水。

(7)热泵低温蒸发浓缩系统

利用“低温高效节能蒸发工艺”(专利申请号200810219214.2)，用热泵压缩将低温热能变为高温热能，温度≥90℃，加热卤水进行蒸发，另外利用热泵制冷功能，降低水喷射冷凝器中水的温度≤15℃，提高蒸发效率，减少冷却水用量。从第6步骤来的卤水温度≥45℃，浓度为18°Be，经过热泵低温蒸发浓缩系统后，卤水浓度升到25°Be，温度≥60℃，蒸发淡水量为55Kg/m³，从第1步骤起至此步骤体积为1m³的3.5°Be海水浓缩为0.112m³的25°Be卤水。

(8)压缩蒸发结晶制盐系统

卤水浓度为25°Be时为饱和卤水，浓缩到26°Be时氯化钠就会结晶析出，此为蒸发结晶制盐工艺.采用N效二次蒸汽压缩蒸发结晶工艺，每效蒸发面积基本相等，首效加热蒸汽压力≥2.2MPa，温度到125℃，其余各效操作压力、温度根据生产能力、蒸汽压缩机技术参数及结晶器规格而定，本系统连续进排料，为顺流流程，排料温度≤65℃，卤水浓度为28°Be，各效压缩加热蒸汽，汇总经闪蒸发器后，水蒸汽再次压缩提高温度到140℃，又作为产品干燥的热源.

(9)离子置换助晶调浆

将第8步骤排出的盐浆进行固液分离，固体盐加入新鲜卤水调浆，实现离子置换助晶作用，使盐结晶颗粒增大，增加产量，保证质量。把28.5°Be的老卤水进行综合利用生产有机复合肥原料.

(10)废渣废液处理实施步骤如下：

在生产过程有大量废渣废液排放，这些物质是生产有机复合肥很好的原料，为了节约能源，以生产液态肥为主，固态为辅。

①海水预处理的沉淀物经过滤后，滤饼作生产固态肥原料，按固态肥工艺技术标准，以湿态加入、与其他养份混合经堆化发酵为发酵肥。

②除钙镁离子的沉淀物为氢氧化镁和碳酸钙，均为难溶物，其处理方法为如下：

a：碳酸钙可作为固态肥的填充料，也可作填土硬化场地。

b：氢氧化镁中和反应。

氢氧化镁与硫酸进行中和反应，生成硫酸镁液体，一部分可为液态肥原料，其余部分作为硫酸镁产品。

③卤水浓缩至16°Be经过除钙镁离子后，卤水中主要物质有Nacl、Na₂SO₄和Kcl，在结晶制盐过程中，大部分的氯化钠析出，当卤水为28°Be时，这三种物质仍存在，可以实施芒硝氯化钾法生产硫酸钾：

按化工部矿山设计研究院根据芒硝与氯化钾转化生产硫酸钾的原理，设计生产工艺流程，运用有关相图与控速分解结晶原理。控制其相互转化条件，使氯化钾转化率比原来提高10％以上，而母液蒸发量比原来工艺减少

控制了太快的复分解反应速度，使产品结晶颗粒度增大，而采用母液直接蒸发结代替冷冻脱硝工艺，使硫酸钾纯度达到98％以上，副产品氯化钠纯度提高，氯离子含量少于0.5％。

反应式

Kcl+Na₂SO₄→NaKSO₄+Nacl

Kcl+NaKSO₄→K₂SO₄+Nacl

(11)其他步骤按传统化工工艺进行，如离心脱水、干燥、分筛、计量及包装等相同。

Claims (1)

1.一种利用风能、太阳能及热泵技术进行海水淡化、制盐及其副产品综合利用的工艺，其特征是按如下工艺步骤：

(1)抽纳海水

利用管道抽取海水，海水含盐度为≥3.5°Be；

(2)海水物化预处理

首先用PH值＞12的石灰乳调海水的PH值为8，再加入PH为4.5的聚合氯化铝溶液，使海水的PH值为6～6.5达到等电点，然后进行澄清，澄清后的水供下一步骤使用；沉渣水经无带真空过滤机脱水，水重复回用，滤饼作为复合肥原料；

(3)采用反渗透海水淡化系统制饮用水及高浓卤水

采用反渗透海水淡化系统，其流程为连续渐缩工艺，组体装置为三级，每级都有能量回收器及升压泵，各级工作压力在5.5～11MP₂范围内，电耗控制在2～5kw.h/m³；

海水经淡化后，卤水含盐度由3.5°Be上升至14°Be，1m³的3.5°Be海水浓缩为0.245m³的14°Be卤水；每立方米海水净化后能产淡水750kg，其中10％的淡水经超滤处理后作饮用水，其余90％作为生活和农业用水；

(4)空气吹溴系统

经反渗透系统淡化后卤水浓度为14°Be，在温度≥30℃，压力≤1.5Mpa的条件下，利用射流器加酸和氯气，使卤水酸化及氧化，使溴离子变为单体Br液体，从塔顶喷入往下流，将压缩空气从塔底鼓入，与溴液体在塔内逆向对流，把水蒸汽及溴带出塔外，经吸收、冷凝及分离等工艺制溴，使卤水得到蒸发，浓度达到16°Be，蒸发淡水量55Kg/m³，1m³的3.5°Be海水浓缩为0.19m³的16°Be卤水；

(5)析除Ca²⁺、Mg²⁺离子

上一步骤来的卤水，加入与Mg²⁺当量石灰乳，反应生成氢氧化镁沉淀，把上清液抽到另一容器加入与Ca²⁺当量的纯碱反应生成硫酸钙沉淀，把上清液排入下工序的太阳池中储卤，以上两种沉淀物分开脱水处理，水重复利用，滤饼作为化工和复合肥原料；

(6)太阳池集热、储热、蒸发浓缩及及储卤

利用太阳池中高盐度卤水的梯度差功能，吸收太阳能辐射，进行集热、储热，将卤水蒸化浓缩，使卤水浓度由16°Be升到18°Be，温度由常温升到≥45℃，蒸发淡水量22.7Kg/m³，1m³的3.5°Be海水浓缩为0.1673m³的18°Be卤水；

(7)热泵低温蒸发浓缩系统

利用低温高效节能蒸发工艺，用热泵压缩将低温热能变为高温热能，温度≥90℃，加热卤水进行蒸发，另外利用热泵制冷功能，降低水喷射冷凝器中水的温度≤15℃，提高蒸发效率，减少冷却水用量；从步骤(6)来的卤水温度≥45℃，浓度为18°Be，经过热泵低温蒸发浓缩系统后，卤水浓度升到25°Be，温度≥60℃，蒸发淡水量为55Kg/m³，1m³的3.5°Be海水浓缩为0.112m³的25°Be卤水；

(8)压缩蒸发结晶制盐系统

卤水浓度为25°Be时为饱和卤水，浓缩到26°Be时氯化钠就会结晶析出，采用N效二次蒸汽压缩蒸发结晶工艺，每效蒸发面积基本相等，首效加热蒸汽压力≥2.2MPa，温度到125℃，其余各效操作压力、温度根据生产能力、蒸汽压缩机技术参数及结晶器规格而定，本系统连续进排料，为顺流流程，排料温度≤65℃，卤水浓度为28°Be，各效压缩加热蒸汽，汇总经闪蒸发器后，水蒸汽再次压缩提高温度到140℃，又作为产品干燥的热源；

(9)离子置换助晶调浆

将步骤(8)排出的盐浆进行固液分离，固体盐加入新鲜卤水调浆，进行离子置换助晶，使原结晶颗粒增大，并增加产量，把28.5°Be的老卤水进行综合利用生产有机复合肥原料；

(10)废渣废液处理实施步骤如下：

①海水预处理的沉淀物经过滤后，滤饼作生产固态肥原料，按固态肥工艺技术标准生产；

②除钙镁离子的沉淀物为氢氧化镁和碳酸钙，其处理方法如下：

a：碳酸钙作为固态肥的填充料或填土硬化场地；

b：氢氧化镁中和反应

氢氧化镁与硫酸进行中和反应，生成硫酸镁液体，一部分为液态肥原料，其余部分作为硫酸镁产品；

③利用卤水浓缩过程中产生的主要物质Nacl、Na₂SO₄和Kcl，实施芒硝氯化钾法生产硫酸钾：

(11)其他步骤如离心脱水、干燥、分筛、计量及包装等按传统化工工艺进行。