CN101792193A - 利用液化天然气冷能进行海水淡化的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用液化天然气冷能进行海水淡化的装置及方法。该方法利用水蒸气在低温与室温下的相平衡压力差，促使海水汽化，并凝固在结晶器中达到利用液化天然气冷能进行海水淡化的目的。其装置主要包括水泵、过滤器、脱气塔、汽化器、结晶器和真空泵等。主要特征为将液化天然气冷能回收与海水淡化相结合，利用液化天然气低温冷能实现在略低于室温下汽化海水从而实现海水淡化，避免了传统冷冻海水淡化法冰晶洗涤、分离较难，淡化效果不佳等缺点，具有合理利用液化天然气冷能，成本低，污染少，原水预处理简单，浓度范围广，对设备腐蚀少，结垢轻，无需二次冷媒，淡水产品只需简单处理即可达国家饮用标准等优点。
Description
技术领域
本发明涉及海水淡化，尤其涉及一种利用液化天然气冷能进行海水淡化的装置及方法。
背景技术
淡水资源紧缺已经成为一个全球性问题，面对这个问题，人们把目光投向了丰富的海水资源，研究经济可行的海水淡化技术十分必要。海水淡化是通过一系列的过程将海水分离为一股可供使用的低盐度的海水)或淡水)和一股高浓度的盐水。
目前，海水淡化的方法从大的分类来讲分为蒸馏法、反渗透法、冷冻法、电渗析法和水合物法等，其中，前两个方法在海水淡化实践中已得到了较广泛的应用。蒸馏法通过由热源驱动的汽化过程实现海水淡化，包括多级闪蒸法、多效蒸馏法和压气蒸馏法等，其中以多级闪蒸法为主。多级闪蒸是一种在20世纪50年代发展起来的海水淡化法，它是针对多效蒸发结垢较严重的缺点而发展起来的，具有设备简单可靠、防垢性能好、易于大型化、操作弹性大以及可利用低位热能和废热等优点。因此一经问世就很快得到应用和发展。虽然这类方法简单、产水量高，但是需要外部供热能给海水淡化装置，其能耗比较高。反渗透法指的是在膜的原水一侧施加比溶液渗透压高的外界压力，原水透过半透膜时，只允许水透过，其他物质不能透过而被截留在膜表面的过程。由于反渗透过程的推动力是压力，过程中没有发生相变化，膜仅起着“筛分”的作用，因此反渗透分离过程所需能耗较低。但是需要高压设备，而且原水利用率只有75-80％，膜的定期清洗也给工程带来诸多不便。
海水在结冰时，盐分被排除在冰晶以外，将冰晶洗涤、分离、融化后即可得到淡水，利用这一原理进行海水淡化的方法即为冷冻法。由于冷冻法具有少污染，腐蚀结垢轻，以及适用的原水浓度范围广等特点，因而被广泛学者所关注。冷冻法可分为间接冷冻法和直接冷冻法，无论是间接还是直接，其工艺基本都包括冰晶的形成、洗涤、分离、融化等。虽然海水在结冰时大量的盐分被排除在冰晶之外，但是在海冰形成过程中仍然会包裹一定量的海水，导致融化所得的淡水仍然含有一定的盐分，淡化效果不佳；直接冷冻法虽能很大程度上提高换热量，但是产品淡水中仍然会溶有少量冷媒；真空蒸发式直接冷冻法的过程中，三相点的控制也是一个难题。
另一方面，天然气继煤和石油之后已成为世界第三大能源，也是目前我国能源战略关注的重点之一。液化天然气作为天然气贸易的重要运输形式，用量日益增长。截止2007年，全球已在沿海地区建成液化天然气接收站六十余座，而我国目前也已在广东、福建、上海、浙江、辽宁等地建成、在建或拟建多座液化天然气接收站。液化天然气通常需要汽化为气态后再供给用户使用，在汽化过程中会释放出大量的冷能。目前，多数情况是利用海水汽化液化天然气，由于不回收利用冷能而造成大量能量浪费。研发经济可行的液化天然气冷能利用方法是目前能源领域的一个研究热点。已有文献报道利用液化天然气冷能液化二次冷媒，然后利用二次冷媒通过直接冷冻法来淡化海水，由于其高效传热性能、无换热面、无结垢腐蚀等一系列优点而得到重视。但该法的淡水产品仍然面临淡化效果不佳、甚至被二次冷媒污染等问题，后处理过程仍然繁琐。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种利用液化天然气冷能进行海水淡化的装置及方法。该方法利用水蒸气在低温与室温下的相平衡压力差，促使海水汽化，并凝固在结晶器中达到利用液化天然气冷能进行海水淡化的目的。
利用液化天然气冷能进行海水淡化的装置包括第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门、第十四阀门、第十五阀门、第十六阀门、第十七阀门、第十八阀门、第十九阀门、原料海水泵、过滤器、脱气塔、真空泵、第一压力表、第二压力表、第一结晶器、第二结晶器、产品淡水泵、喷淋管、汽化器、浓海水泵；原料海水泵与第一阀门、过滤器、脱气塔、第三阀门、第一结晶器、第十六阀门、喷淋管依次连接；脱气塔与第四阀门、第二结晶器、第十七阀门、喷淋管依次连接；汽化器与第十二阀门、第二结晶器、第十八阀门、产品淡水泵依次连接；汽化器与第九阀门、第一结晶器、第十五阀门、产品淡水泵依次连接；液化天然气管路包括依次连接的第十三阀、第一结晶器和第五阀门；液化天然气管路还包括依次连接的第十四阀门、第二结晶器和第六阀门；脱气塔顶部设有排出不凝性气体的第二阀门；汽化器的底部设置第十九阀门与浓海水泵相连接；第一结晶器的顶部设置第七阀门与真空泵相连接，第一结晶器侧面设有第一压力表；第二结晶器的顶部设置第十阀门与真空泵相连接，第二结晶侧面设有第二压力表；第一结晶器与第三阀门之间引出第八阀门，与第九阀门和汽化器之间的管段相连接；在第二结晶器与第四阀门之间引出第十一阀门，与第十二阀门和汽化器之间的管段相连接。
所述的汽化器高度低于第十五阀门和第十八阀门。
利用液化天然气冷能进行海水淡化的方法是利用由液化天然气提供的低温条件下与室温下水蒸气的相平衡压力差，抽吸汽化器内的水蒸气，使得喷淋管喷淋的海水在室温或者低于室温下汽化，并凝固在第一结晶器或者第二结晶器中，通过来自脱气塔的原料海水复温融化第二结晶器或者第一结晶器中的冰晶生成淡水供给用户使用；液化天然气由于吸收水蒸气凝固为冰的相变潜热以及部分显热而汽化为气态，同时供给用户使用。
本发明将液化天然气冷能回收与海水淡化有机地相结合，利用液化天然气低温冷能实现在低于室温下汽化海水，实现海水淡化，避免了传统冷冻海水淡化法冰晶洗涤、分离较难，淡化效果不佳等缺点，具有合理利用液化天然气冷能，成本低，污染少，原水预处理简单，浓度范围广、对设备腐蚀少，结垢轻，无需二次冷媒，淡水产品只需简单处理即可达国家饮用标准等优点。
附图说明
图1为利用液化天然气冷能进行海水淡化的装置示意图；
图中：第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4、第五阀门5、第六阀门6、第七阀门7、第八阀门8、第九阀门9、第十阀门10、第十一阀门11、第十二阀门12、第十三阀门13、第十四阀门14、第十五阀门15、第十六阀门16、第十七阀门17、第十八阀门18、第十九阀门19、原料海水泵20、过滤器21、脱气塔22、真空泵23、第一压力表24、第二压力表25、第一结晶器26、第二结晶器27、产品淡水泵28、喷淋管29、汽化器30、浓海水泵31；
具体实施方式
如图所示，利用液化天然气冷能进行海水淡化的装置包括第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4、第五阀门5、第六阀门6、第七阀门7、第八阀门8、第九阀门9、第十阀门10、第十一阀门11、第十二阀门12、第十三阀门13、第十四阀门14、第十五阀门15、第十六阀门16、第十七阀门17、第十八阀门18、第十九阀门19、原料海水泵20、过滤器21、脱气塔22、真空泵23、第一压力表24、第二压力表25、第一结晶器26、第二结晶器27、产品淡水泵28、喷淋管29、汽化器30、浓海水泵31；原料海水泵20与第一阀门1、过滤器21、脱气塔22、第三阀门3、第一结晶器26、第十六阀门16、喷淋管29依次连接；脱气塔22与第四阀门4、第二结晶器27、第十七阀门17、喷淋管29依次连接；汽化器30与第十二阀门12、第二结晶器27、第十八阀门18、产品淡水泵28依次连接；汽化器30与第九阀门9、第一结晶器26、第十五阀门15、产品淡水泵28依次连接；液化天然气管路包括依次连接的第十三阀13、第一结晶器26和第五阀门5；液化天然气管路还包括依次连接的第十四阀门14、第二结晶器27和第六阀门6。脱气塔22顶部设有排出不凝性气体的第二阀门2；汽化器30的底部设置第十九阀门19与浓海水泵31相连接；第一结晶器26的顶部设置第七阀门7与真空泵23相连接，第一结晶器26侧面设有第一压力表24；第二结晶器27的顶部设置第十阀门10与真空泵23相连接，第二结晶27侧面设有第二压力表25；第一结晶器26与第三阀门3之间引出第八阀门8，与第九阀门9和汽化器30之间的管段相连接；在第二结晶器27与第四阀门4之间引出第十一阀门11，与第十二阀门12和汽化器30之间的管段相连接。
所述的汽化器30高度低于第十五阀门15和第十八阀门18。
利用液化天然气冷能进行海水淡化的方法是利用由液化天然气提供的低温条件下与室温下水蒸气的相平衡压力差(例如：在室温293K，水蒸气的气液相平衡压力为2317.7Pa；在水的三相点273.16K，气液固三相平衡压力为611.65Pa；而在200K，水蒸气的气固相平衡压力仅为0.16Pa。可见，随着温度降低，水蒸气的相平衡压力显著降低。)，抽吸汽化器30内的水蒸气，使得喷淋管29喷淋的海水在室温或者低于室温下汽化，并凝固在第一结晶器26或者第二结晶器27中，通过来自脱气塔22的原料海水复温融化第二结晶器27或者第一结晶器26中的冰晶生成淡水供给用户使用；液化天然气由于吸收水蒸气凝固为冰的相变潜热以及部分显热而汽化为气态，同时供给用户使用。
以下结合附图1对本发明的具体运行过程作进一步的描述：
1.开启第七、第八、第九、第十、第十一和第十二阀门，其他阀门均关闭，启动真空泵对汽化器和两个结晶器抽真空。
2.完成抽真空之后，关闭阀门第七、第八、第九、第十和第十一阀门，开启第一、第二、第三、第十六、第十二、第十四和第六阀门。原料海水泵泵送原料海水，经过第一阀门进入过滤器，去除海水中混有的泥沙等杂质。过滤后的原料海水进入脱气塔，进行减压脱气，脱除溶解在海水中的不凝性气体)如氧气等)，以减少运行过程中在结晶器内的不凝性气体聚集。脱气后的海水经第三阀门、第一结晶器和第十六阀门，由喷淋管在汽化器内喷淋。由于是初次运行，第一结晶器中还没有冰，因此海水流经第一结晶器时没有被冷却，仍处于室温。由于液化天然气通过第十四阀门流经第二结晶器，汽化后的天然气由第六阀门排出，因而第二结晶器处于低温状态。汽化器中的水蒸气被抽吸至第二结晶器中，由液化天然气的冷量凝固成冰，这种源于第二结晶器与汽化器温差的水蒸气相平衡压力差导致的抽吸作用，促使汽化器中的海水不断汽化。而喷淋方式可以大大增加海水的表面积，提升汽化的速率。汽化后的浓海水聚集在汽化器的底部，开启第十九阀门并由浓海水泵抽出装置。为了将凝固在第二结晶器中的冰融化为淡水产品排出系统，需要进行切换操作。
3.切换操作：在上述阀门开闭状态下，关闭第三阀门，开启第八阀门，由于汽化器的高度位置低于第十六阀门，因此第三阀门和第十六阀门之间穿越第一结晶器的管线中的海水将由于自身重力下降至第十六阀门以下位置，而第三阀门和第十六阀门之间管线流道由来自汽化器的水蒸气填充。之后，关闭第八阀门和第十六阀门。这样，后续液化天然气流经第一结晶器时，第三阀门和第十六阀门之间管线内就不会因为存在海水而冻堵管线。然后进一步，关闭第十二、第十四和第六阀门，开启第四、第十七、第十八、第九、第十三和第五阀门。脱气后的海水经第四阀门、第二结晶器和第十七阀门，由喷淋管在汽化器内喷淋。海水使得第二结晶器中的冰融化为产品淡水经第十八阀门，由淡水产品泵排出系统，而海水本身被预冷。由于液化天然气通过第十三阀门流经第一结晶器，汽化后的天然气由第五阀门排出，因而第一结晶器处于低温状态。汽化器中的水蒸气被抽吸至第一结晶器中，由液化天然气的冷量凝固成冰。汽化后的浓海水聚集在汽化器的底部，开启第十九阀门并由浓海水泵抽出系统。为了将凝固在第一结晶器中的冰融化为淡水产品排出系统，需要进行切换操作。
4.切换操作：在上述阀门开闭状态下，关闭第四阀门，开启第十一阀门，由于汽化器的高度位置低于第十七阀门，因此第四阀门和第十七阀门之间穿越第二结晶器的管线中的海水将由于自身重力下降至第十七阀门以下位置，而第四阀门和第十七阀门之间管线流道由来自汽化器的水蒸气填充。之后，关闭第十一阀门和第十七阀门。这样，后续液化天然气流经第二结晶器时，第四阀门和第十七阀门之间管线内就不会因为存在海水而冻堵管线。然后进一步，关闭第九、第十三和第五阀门，开启第三、第十六、第十五、第十二、第十四和第六阀门。脱气后的海水经第三阀门、第一结晶器和第十六阀门，由喷淋管在汽化器内喷淋。海水使得第一结晶器中的冰融化为产品淡水经第十五阀门，由淡水产品泵排出系统，而海水本身被预冷。由于液化天然气通过第十四阀门流经第二结晶器，汽化后的天然气由第六阀门排出，因而第二结晶器处于低温状态。汽化器中的水蒸气被抽吸至第二结晶器中，由液化天然气的冷量凝固成冰。汽化后的浓海水聚集在汽化器的底部，开启第十九阀门并由浓海水泵抽出装置。
如此往复切换，就能够实现利用液化天然气冷能进行连续的海水淡化。
值得注意的是，脱气塔不可能完全脱除原料海水中的不凝性气体，长期运行时，残余的不凝性气体将在结晶器中聚集，为了消除不凝性气体聚集而对系统产生不利影响，需采用真空泵对结晶器进行抽真空，以便将聚集的不凝性气体排出系统。具体而言，对于第一结晶器，可以在刚切换到凝固水蒸气的工况时，暂时关闭与汽化器连接的第九阀门，而开启第七阀门，启动真空泵抽除不凝性气体，然后再关闭第七阀门和真空泵，打开第九阀门，进入正常运行。而对于第二结晶器，同样可以在刚切换到凝固水蒸气的工况时，暂时关闭与汽化器连接的第十二阀门，而开启第十阀门，启动真空泵抽除不凝性气体，然后再关闭第十阀门和真空泵，打开第十二阀门，进入正常运行。
Claims (3)
1.一种利用液化天然气冷能进行海水淡化的装置，其特征在于包括第一阀门(1)、第二阀门(2)、第三阀门(3)、第四阀门(4)、第五阀门(5)、第六阀门(6)、第七阀门(7)、第八阀门(8)、第九阀门(9)、第十阀门(10)、第十一阀门)11)、第十二阀门(12)、第十三阀门(13)、第十四阀门(14)、第十五阀门(15)、第十六阀门(16)、第十七阀门(17)、第十八阀门(18)、第十九阀门(19)、原料海水泵(20)、过滤器(21)、脱气塔(22)、真空泵(23)、第一压力表(24)、第二压力表(25)、第一结晶器(26)、第二结晶器(27)、产品淡水泵(28)、喷淋管(29)、汽化器(30)、浓海水泵(31)；原料海水泵(20)与第一阀门(1)、过滤器(21)、脱气塔(22)、第三阀门(3)、第一结晶器(26)、第十六阀门(16)、喷淋管(29)依次连接；脱气塔(22)与第四阀门(4)、第二结晶器(27)、第十七阀门(17)、喷淋管(29)依次连接；汽化器)30)与第十二阀门(12)、第二结晶器)27)、第十八阀门(18)、产品淡水泵(28)依次连接；汽化器(30)与第九阀门(9)、第一结晶器(26)、第十五阀门(15)、产品淡水泵(28)依次连接；液化天然气管路包括依次连接的第十三阀(13)、第一结晶器(26)和第五阀门(5)；液化天然气管路还包括依次连接的第十四阀门(14)、第二结晶器(27)和第六阀门(6)；脱气塔(22)顶部设有排出不凝性气体的第二阀门(2)；汽化器(30)的底部设置第十九阀门(19)与浓海水泵(31)相连接；第一结晶器(26)的顶部设置第七阀门(7)与真空泵(23)相连接，第一结晶器(26)侧面设有第一压力表(24)；第二结晶器(27)的顶部设置第十阀门(10)与真空泵(23)相连接，第二结晶(27)侧面设有第二压力表(25)；第一结晶器(26)与第三阀门(3)之间引出第八阀门(8)，与第九阀门(9)和汽化器(30)之间的管段相连接；在第二结晶器(27)与第四阀门(4)之间引出第十一阀门(11)，与第十二阀门(12)和汽化器(30)之间的管段相连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用液化天然气冷能进行海水淡化的装置其特征在于汽化器(30)的高度低于第十五阀门(15)和第十八阀门(18)。
3.一种使用如权利要求1所述装置的利用液化天然气冷能进行海水淡化方法，其特征在于利用由液化天然气提供的低温条件下与室温下水蒸气的相平衡压力差，抽吸汽化器(30)内的水蒸气，使得喷淋管(29)喷淋的海水在室温或者低于室温下汽化，并凝固在第一结晶器(26)或者第二结晶器(27)中，通过来自脱气塔(22)的原料海水复温融化第二结晶器(27)或者第一结晶器(26)中的冰晶生成淡水供给用户使用；液化天然气由于吸收水蒸气凝固为冰的相变潜热以及部分显热而汽化为气态，同时供给用户使用。
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