CN101734743A - 一种工业冷却水循环和除盐水生产的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种应用膜蒸馏技术构建工业水冷却循环系统并利用工业废热生产除盐水的方法，在由工业冷却器和冷却塔组成的传统冷却水循环系统中增设膜蒸馏技术单元，在工业冷却器与膜蒸馏技术单元之间形成工业冷却水循环，在膜蒸馏器与冷却塔之间形成冷却塔水循环，热的工业冷却水通过膜蒸馏工艺单元获得冷却的同时产生除盐水，新鲜工业取水补加在工业冷却循环内，控制工业冷却水循环向冷却塔水循环的排水量可以控制工业冷却循环水的浓缩倍数，从而减轻工业冷却水循环内的结垢趋势。本发明的优点主要在于应用工业废热生产纯水、节约工业取水、减少污染排放。
Description
一、技术领域
本发明属于工业冷却和水处理的技术领域，特别涉及一种利用膜蒸馏技术构建冷却水循环系统并利用工业废热生产除盐水的方法。
二、背景技术
很多工业如电力、石化、钢铁等需要对机械、产品或者介质进行冷却，目前最常用的工业冷却方式是循环水冷却，其典型的运行模式附图1所示。其中1为工业冷却器，2为冷却塔。工业废热通过工业冷却器传递给冷却循环水，使冷却循环水升温。升温后冷却循环水在冷却塔内通过通风、蒸发散热等措施重新得到冷却，再循环用于工业冷却。为了保持系统内水量和盐分的平衡，需要向系统内补水，并排出一定量的冷却循环水即排污水。在冷却循环过程中，冷却循环水的盐分浓度提高，其相对于补水的盐分浓度的比率被称为是浓缩倍数。提高浓缩倍数有利于减少排污水量，但过高的浓缩倍数增加了循环冷却水腐蚀和结垢的趋势，对工业生产有害，需要加以控制，这是工业水处理的一个主要任务。目前工业中主要通过向冷却循环水中添加阻垢和缓蚀的药剂，保证冷却循环水能在一定的浓缩倍数下运行。(参见：周本省，《工业水处理》，南京化工大学，2000年)大量药剂的使用既增加了成本也污染了环境。
工业生产中通常还有大量除盐水的需求，有的除盐水被用作工业锅炉的补水，有的除盐水被用作溶剂或者介质。目前用于工业除盐的手段主要是离子交换、电渗析、反渗透、纳滤以及上述一些工艺的组合等。现有的除盐工艺存在投资、消耗、产水率等诸多方面的缺点，综合的除盐水生产成本有时要高达7～8元/吨。(周本省，《工业水处理》，南京化工大学，2000年)
本发明旨在提出一种更经济和更清洁的工业冷却水循环和除盐水生产的方法，其中采用了膜蒸馏的除盐技术。
膜蒸馏，又称为低温膜蒸馏，是一种采用疏水微孔膜、以膜两侧的蒸汽压力差为驱动力的膜分离过程。由于膜的疏水性，在一定条件下，液态的水或者水溶液不能透过膜。如果将热水给入膜的一侧，同时在另一侧通过降温或者抽真空的方式降低水蒸气压，则热侧的水就会以蒸汽的形式通过膜孔进入另一侧，通过冷凝、冷水吸收等方式就可以把透过的水蒸气冷却为除盐水。膜蒸馏过程并不要求热侧的水温度很高，因此这种蒸馏除盐的技术有很多优点。关于膜蒸馏技术的应用和研究进展，可以参考相关文献(1.膜蒸馏技术的回顾与展望，《天津城市建设学院学报》第9卷第2期pp100～110；2.膜蒸馏技术及其应用研究进展，《膜科学与技术》第23卷第4期pp67～92)。由于膜蒸馏除盐的主要驱动力是热能，因此膜蒸馏的过程可以与工业冷却与除盐的需求结合起来，这是本发明的基本出发点。
三、发明内容
本发明提出一种应用膜蒸馏技术的工业冷却水循环和除盐水生产的方法，对照附图说明如下。
附图说明：图1是现有工业水冷却循环模式的原理图，图2是本发明的原理图，图3是本发明提出的两效膜蒸馏方法的原理图。在图1至图3中，1-工业热交换器，2-冷却塔，3-膜蒸馏工艺单元，4-第二效膜蒸馏工艺单元。在附图中，由粗线构成的图案表示相应的工艺装置单元，细实线与箭头一起表示非除盐水流动及方向，由细的虚线和箭头表示的是除盐水流动及方向，冷却塔上的大虚线箭头表示蒸发。
附图1为作为技术对比的现有工业循环冷却水运行模式的原理图，其中1为工业热交换器，2为冷却塔。循环冷却水通过1接受工业废热升温后，经过2的冷却，再循环回工业热交换器，把这个过程称之为传统冷却水循环。工业废热主要通过循环冷却水在冷却塔内的蒸发散发到大气环境中。为了弥补因蒸发等原因损失的水量，同时保持系统内盐分的平衡，需要向系统中补水并向系统外排出少量浓缩后的废水。
本发明的基本工艺原理图如附图2所示，是在附图1的基础上，增加了膜蒸馏工艺单元3，膜蒸馏工艺单元最基本的组件包含疏水性微孔膜和使透过膜的蒸汽凝结为水的装置。增加了膜蒸馏工艺单元后，工业冷却过程由附图1中的一个传统冷却循环变为附图2中的两个冷却水循环。在附图2中，把工业冷却器和膜蒸馏工艺单元之间的冷却水循环称为工业冷却水循环，把膜蒸馏工艺单元和冷却塔之间的冷却水循环称为冷却塔水循环。通过工业冷却水循环，工业废热使其中的冷却循环水升温。携带工业废热的冷却循环水在流经膜蒸馏器时，产生的蒸汽携带废热透过膜并使冷却循环水降温。降温的冷却循环水回到工业冷却器循环利用。透过膜的蒸汽在膜蒸馏工艺单元内被凝结为水，经收集后排出成为系统所生产的除盐水，而其所携带的工业废热则被继续传递至冷却塔水循环，并在冷却塔内通过蒸发等途径散发到大气中。为了保证工业冷却水循环中水量和盐分的平衡，需要向系统补水和排水，其补水即为整个系统的补水，其排水则进入冷却塔水循环，控制其补水量和排水量的方法原理与图1所示的传统冷却水循环的方法原理一样。冷却塔水循环以工业冷却水循环的排水为补水，并通过排出水保持系统内盐分的平衡，其排出水即为整个系统的排污水，控制排污水量的方法原理也与图1中排污水的控制原理一样。
在本发明中，通过控制工业水冷却循环向下一个水循环(这里即冷却塔水循环)的排水量，可以调节工业冷却水循环中水的浓缩倍数。由于工业冷却水循环直接用来对工业生产过程中的产品、机械或者介质等进行冷却，温度高，对防腐和防垢的要求高。如果将工业冷却水循环中循环水的浓缩倍数保持在一个合理的低水平，可以消除或者减轻其循环水的结垢趋势，从而消除或者减少缓蚀阻垢剂的使用。
与工业冷却水循环相比，冷却塔水循环的水温要低得多，因此水的结垢和腐蚀趋势较小，有利于将其中的循环水控制在一个较高的浓缩倍数，或者有利于减少缓释阻垢剂的使用。
本发明的主要优点在于，第一，利用工业废热生产除盐水，从而大大降低工业除盐的成本，并节约能源。第二，将传统的一个冷却循环分为工业冷却水循环与冷却塔循环，可以根据生产的需求分别控制工业冷却水循环与冷却塔水循环的浓缩倍数，降低工业冷却中腐蚀与结垢的危害，同时又有利于实现高浓缩倍数排污，节约取水、减少缓蚀阻垢剂使用、减少环境污染。
可以在附图1传统冷却循环的基础上，增加多效的膜蒸馏工艺单元。一种两效膜蒸馏方法的工艺原理如图3所示。图3与图2相比，是在原有的膜蒸馏工艺单元(称为第一效膜蒸馏)的后边再接一个膜蒸馏工艺单元(称为第二效膜蒸馏)。第一效和第二效膜蒸馏工艺单元的工艺形式以及工作原理相似。在第一效和第二效膜蒸馏工艺单元之间用一个工艺水冷却循环连接。工艺水冷却循环以前一个水循环(图3中即为工业水冷却水循环)的排水为补水。通过工艺水冷却循环，工业废热被从第一效膜蒸馏工艺单元传递至第二效膜蒸馏工艺单元，通过第二效膜蒸馏器的工作生产除盐水，并使废热进一步向后边的水循环(在这里是冷却塔循环)传递。类似地，还可以在第二效膜蒸馏工艺单元后设置第三效、第四效或者更多效的膜蒸馏工艺单元。在多效膜蒸馏方法中，各个水循环的温度自工业冷却器一端向冷却塔一端递减，而循环水中盐分的浓度则表现为递增的趋势。一般而言，较后效的膜蒸馏效率不如较前效的膜蒸馏效率高。因此，要根据工业冷却水循环与冷却塔循环之间的水温差以及经济性等因素合理设置膜蒸馏的效数。合理设置膜蒸馏工艺单元的效数，可以使本发明如前所述的优点成倍增加。
应用实例一：在火力发电厂循环冷却水中的应用。
火电厂的燃料燃烧总发热量中只有35％左右转变为电能，而60％以上的热能主要通过锅炉烟囱和汽轮机凝汽器的循环冷却水失散到环境中。相比之下，循环冷却水携带走的废热量又占其中绝大部分。
大中型火力发电厂凝汽式汽轮机的排汽在冷凝器中被来自冷水塔水池的循环水冷却，蒸汽凝结成水，放出凝结热。此热量被通过冷凝器的循环水带走。循环水温度提高后，再回到冷水塔中进行冷却，将带出的热量释放到大气中。已知一火电厂，其冷却塔每天的蒸发损失水量为10000立方米，循环水在冷却蒸汽冷凝器后的出水温度为60℃，在这一温度下如果循环冷却水浓缩倍数低于2则不会产生结垢。当温度降低到40℃时，循环水浓缩倍数低于2.5时也不会产生结垢。该厂原来采用如附图1所示的传统冷却循环水工艺，为了节约取水，必须使最后排水的浓缩倍数大于4，该厂为此需要向冷却循环水系统添加大量的阻垢缓蚀剂。利用本发明，采用如图2所示的方法构建冷却水循环系统和除盐水生产系统。将工业冷却循环的浓缩倍数控制为2，因此无需在其中添加阻垢缓蚀剂就可保证工业冷却循环水不结垢。工业水冷却循环从气轮机的冷凝器中获取废热后进入膜蒸馏工艺单元，进入膜蒸馏工艺单元的温度为55℃，出口温度为40℃。冷却塔水循环进入膜蒸馏工艺单元时的进水温度为25℃，出水温度为35℃，向其中加入相当于传统工艺一半的药剂量就可以保持冷却塔循环的最终排水浓度达到4。膜蒸馏工艺单元日产除盐水8000立方米，冷却塔日蒸发量减少至约9000立方米。因此通过本发明的方法，可以生产出与冷却塔蒸发量相当的除盐水量，使除盐水生产的成本大大降低，节约了能源。同时由于降低了阻垢缓蚀剂用量并减少了蒸发损失，减少了污染排放、节约了取水，取得良好的经济和社会效益。
应用实例二：在纺织印染行业中的应用
目前高温高压溢流染色机进行加工织物时，在染色工序完成后、由于缸体的染液处于高压(一般在0.4-0.6MPa)、高温(一般在130℃左右)状态下，直接排液会引起织物强烈收缩起皱，影响染色质量，同时会损坏外部的沟道并危及操作人员的安全。所以，通常的做法是先泄压冷却降温，然后进行水洗。高温高压溢流染色机中染液的冷却降温，是利用冷却水通过热交换器来实现的。每进行一次高温高压染色加工，都要用冷却水进行冷却，由于冷却水每次的用量相对较少(视不同工艺约为加工布重的20-40倍)，而且为间歇式排放，使回收再利用这部分冷却水有一定的难度。
采用如附图3所示的方法，将高温高压溢流染色机染色后的高温水通过工业冷却水循环传递至第一效膜蒸馏工艺单元，再通过工艺冷却水循环传递至第二效膜蒸馏工艺单元，最后通过冷却塔释放到大气中。通过这一方法，可以生产出相当于冷却塔蒸发量两倍的除盐水量，同时实现节约能源、节约取水、降低水处理药剂消耗、减少污染排放的综合清洁生产目标。
Claims (3)
1.一种工业冷却水循环和除盐水生产的方法，其特征是：在由工业冷却器和冷却塔组成的传统冷却水循环系统中，增设膜蒸馏技术单元，膜蒸馏技术单元包括疏水性微孔膜，疏水性微孔膜阻止液态的水或者水溶液水通过膜孔，但允许水蒸气通过膜孔，透过膜孔进入膜另一侧的水蒸气被凝结成水；
在工业冷却器与膜蒸馏技术单元之间形成工业冷却水循环，在膜蒸馏器与冷却塔之间形成冷却塔水循环；
在工业冷却水循环中，循环的水通过工业冷却器获取工业废热并升温，然后进入膜蒸馏技术单元，其中携带的工业废热随水蒸气一起进入膜蒸馏技术单元内，通过膜蒸馏技术单元降温后的循环水分流一部分进入冷却塔水循环，剩余的循环水在补充工业取水后再回到工业冷却器；
膜蒸馏技术单元接受来自工业水循环的水蒸汽，水蒸汽经凝结和收集后成为系统所生产的除盐水，在此过程中产生的热量被传递给冷却塔水循环中的循环水，
在冷却塔水循环中，循环水从膜蒸馏技术单元吸收热量后升温，其中一部分水被排出系统成为系统的排污水，其余的与来自工业冷却水循环的分流水一起进入冷却塔，在冷却塔内得到冷却后再回到膜蒸馏技术单元。
2.如权利要求1所说的一种工业冷却水循环和除盐水生产的方法，其特征是：将工业冷却水循环中的循环水浓缩倍数控制在较低的水平，消除或减轻其结垢趋势，减少或者消除在其中使用阻垢剂的需求。
3.如权利要求1所说的一种工业冷却水循环和除盐水生产的方法，其特征是：包含多效膜蒸馏技术单元，相邻的两效膜蒸馏技术单元之间形成一个工艺冷却水循环，前一个工艺冷却水循环的排水作为后一效工艺冷却水循环的补水，工业冷却水循环的排水作为第一效和第二效之间工艺冷却水循环的补水，最后两效膜蒸馏技术单元之间的工艺冷却水循环的排水作为冷却塔循环的补水。
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