CN102320674B - 船用冷热联产海水淡化的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用吸收式热泵把冷冻法和蒸馏法相耦合的船用海水淡化方法和设备，它包括预冷与预热、冷冻与蒸发、洗涤与冷凝、融化和冷凝等步骤。由于本发明充分利用了船舶上不同温度的余热资源，实现冷热联产的海水淡化新方法，整个系统简单可行，操作方便，能量得到最优化利用，并且具备淡化水产量大，淡化水品质高的特点，特别适合船舶上低成本小规模生产，可被广泛应用于海水淡化领域中。

Description

船用冷热联产海水淡化的方法和设备

技术领域

本发明属于海水淡化技术领域，特别是涉及一种船用冷热联产（冷冻法与蒸馏法相耦合）海水淡化的方法和设备。

背景技术

众所周知，各类工程船舶和捕捞渔船均需装备海水淡化设备，以满足船用动力设备运行和船员及旅客生活需要。研究船用海水淡化技术，形成自有知识产权，对于提升造船行业技术竞争力、对推动造船业、海上交通运输业和海洋渔业生产的又好又快发展，促进海岛资源的开发利用等具有重要意义。目前海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、冷冻法。蒸馏法具有可利用低品位热源、装置生产能力大等优点, 是当前海水淡化的主流技术之一，但必需配置多个预热器和一个冷凝器，因此系统结构相对复杂。而冷冻法具有能耗较低、设备不易腐蚀结垢等优点，但常用的冷媒直接接触冷冻方法的工艺过程比较复杂，必须通过分离器才能得到淡化水，容易发生分离不完全，因此造成淡化水成本较高且品质较低，从而限制了它的使用。采用热泵技术把蒸馏法和冷冻法结合起来，使得冷冻法释放出的热量在蒸馏法中得到重新利用，达到能量重复利用的目的，因此具有很大的潜力。这种方法中若采用压缩式热泵技术，将消耗大量的高品位电能，因此技术上并不可取。但是若采用吸收式热泵技术，当利用150℃以上的排气余热资源作为动力时，能量利用上将变得经济可行。从该角度出发，船舶上锅炉、柴油机等动力装置的排气余热（温度大约200℃～400℃）和动力装置冷却水的废热（温度大约80℃～90℃）正好提供了很好的热源条件，因此船用海水淡化技术中考虑把蒸馏法和冷冻法相结合，充分利用船舶上不同温度的余热资源，实现冷热联产海水淡化新方法，具有十分光明的前景。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种淡化水产量大、淡化水品质高并可充分利用船舶上不同温度余热资源的可充分利用船舶上不同温度余热资源的船用冷热联产海水淡化的方法。

本发明的另一个目的在于提供一种系统简单、操作方便、能量得到最大程度优化利用的船用冷热联产海水淡化设备。

为实现上述发明目的，本发明的技术解决方案是：

本发明是一种船用冷热联产海水淡化的方法，它耦合了冷冻法和蒸馏法，包括以下步骤：

（1）预冷与预热：进料海水分两路，一路进料海水经过预冷器进行冷却，生成预冷海水；另一路进料海水先后经过吸收式热泵系统的吸收器和船舶动力装置余热利用系统的循环冷却水热交换器进行两级预热，生成预热海水；

（2）冷冻与蒸发：预冷海水进入吸收式热泵系统的蒸发器直接接触冷媒释放热量，部分海水凝结成冰形成淤浆；预热海水进入吸收式热泵系统的冷凝器和热蒸馏系统的第二效蒸发器、…、第n效蒸发器吸收热量，部分海水汽化形成水蒸汽，每一效蒸发器的浓缩海水逐级自流到第n效蒸发器，从第n效蒸发器的底部作为排污水放出；从上一效蒸发器流入的部分浓缩海水在本效蒸发器内由于两效间压差作用闪发形成水蒸汽；

（3）洗涤与冷凝：含冰的淤浆送到洗涤室进行冲洗得到纯净的冰块；每一效蒸发器产生的水蒸汽作为下一效蒸发器的加热蒸汽，并在下一效蒸发器内凝结成淡化水，如此直至第n效蒸发器；第二效蒸发器直至第n效蒸发器得到的淡化水汇集后作为温度较高的淡化水放出； 

（4）融化和冷凝：洗涤室的冰块与第n效蒸发器产生的水蒸汽都进入融化室并直接接触混合，冰块融化和蒸汽冷凝同时完成并形成低温淡化水，大部分淡化水经由步骤（1）所述的预冷器换热后作为温度较低的淡化水放出，小部分淡化水送到步骤（3）所述的洗涤室作为洗涤用水，洗涤后的浓海水经由步骤（1）所述的预冷器换热后作为排污水放出。

所述吸收式热泵系统的蒸发器的操作压力为0.9个标准大气压左右，以维持蒸发温度在-3℃左右，所述吸收式热泵系统的发生器的操作压力为9～11.5个标准大气压左右，以控制高压工质蒸汽温度在70℃～80℃之间。

一种船用冷热联产海水淡化设备，它包括冷媒直接接触冷冻系统、吸收式热泵系统、热蒸馏系统、船舶动力装置余热利用系统。

所述的冷媒直接接触冷冻系统由预冷器、冷冻室、洗涤室、融化室和多条管道组成；所述的预冷器的入口连通海水进料管道，其出口通过管道连接冷冻室，来自洗涤室的排污水管道和融化室的淡水管曲折或盘旋穿过预冷器后与排污管道和淡水输出管道连通；所述的冷冻室通过管道与洗涤室连通，洗涤室与融化室连通，融化室的进汽管道与热蒸馏系统第n效蒸发器的水蒸汽出口管道连接，连接融化室出口的第一淡水输出管道分为两路，一路穿过预冷器，一路通过管道连通洗涤室的入口；

所述的吸收式热泵系统由蒸发器、吸收器、发生器、冷凝器、泵、节流阀、节流阀和多条管道组成；所述的蒸发器同时作为冷媒直接接触冷冻系统的冷冻室，其出口通过管道与吸收器连接，海水进料管道曲折或盘旋穿过吸收器；所述的吸收器的出口和入口分别通过管道与发生器入口和出口连接，形成一个循环回路，在吸收器的出口与发生器入口管道上设置泵；在吸收器的入口与发生器出口管道上设置节流阀；

所述的热蒸馏系统由第一效蒸发器、第二效蒸发器、…、第n效蒸发器和多条管道组成；第一效蒸发器、第二效蒸发器、…、第n效蒸发器的入口皆与通过管道与船舶动力装置余热利用系统的输出管道连通，来自吸收式热泵系统的发生器高压工质蒸汽管道曲折或盘旋穿过第一效蒸发器后连通冷媒直接接触冷冻系统的冷冻室，在该管道上设置节流阀；所述的第一效蒸发器的水蒸气出口管道曲折或盘旋穿过第二效蒸发器后与第二淡水输出管道连通，第一效蒸发器的浓海水出口管道连接第二效蒸发器；第二效蒸发器、…、第n效蒸发器之间的连接方式与第一效蒸发器、第二效蒸发器连接方式相同，在第n效蒸发器上设有排污口；

所述的船舶动力装置余热利用系统由动力装置、排气管道、循环冷却水管道和热交换器组成；穿过吸收器的海水进料管道连接热交换器的入口，热交换器的输出管道分别与第一效蒸发器、第二效蒸发器、…、第n效蒸发器的入口连接，循环冷却水管道曲折或盘旋穿设在热交换器与动力装置之间，动力装置的排气管道穿设于吸收式热泵系统的发生器。

所述的吸收式热泵系统的吸收器作为进料海水的第一级预热器，船舶动力装置余热利用系统的循环冷却水热交换器作为进料海水的第二级预热器。

所述吸收式热泵系统选用正丁烷作为制冷剂，推荐选用壬烷或十二烷作为吸收剂，采用船舶动力装置的排气余热作为供给能量。

采用上述方案后，本发明具有以下几大优点：

1、与各种单独的冷冻法相比，本发明的冷冻系统不需要建立高度真空、也不使用压缩机和分离器等设备，系统结构较为简单，并且很大程度上降低了电耗，同时融化室又起到热蒸馏系统中冷凝器的作用，具有双重功能。

2、热泵系统中蒸发器同时作为冷冻系统的冷冻室，吸收器同时作为热蒸馏系统进料海水的第一级预热器，冷凝器同时作为热蒸馏系统的第一效蒸发器，并且以动力装置排气余热作为供给热源，从而系统结构和能量利用都得到最优化。

3、与常规的热蒸馏法相比，本发明采用吸收器和循环冷却水热交换器替代了预热器，且不再单独配置冷凝器，使得系统结构大为简化，同时吸收器释放的热量和循环冷却水的废热都累加到热蒸馏系统总输入能量中，因此能量利用得到最大化。

4、船舶上动力装置的排气余热作为吸收式热泵系统的供给能量，动力装置冷却水的废热作为热蒸馏系统的预热能量，这两大热源都得到了合理回收利用。

5、冷热联产海水淡化新方法运用吸收式热泵系统把低温多效蒸馏法海水淡化技术和冷冻法海水淡化技术耦合在一起，使之成为一个有机的整体，并使系统集成后简单可行，淡化水产量有所增加。

综上所述，本发明的优点是：充分利用了船舶上不同温度的余热资源，实现冷热联产的海水淡化新方法，整个系统简单可行，操作方便，能量得到最优化利用，并且具备淡化水产量大，淡化水品质高的特点，特别适合船舶上低成本小规模生产，可被广泛应用于海水淡化领域中。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

一、方法（如图1所示）

(1) 预冷与预热：进料海水分两路，一路进料海水经过预冷器11进行冷却，另一路进料海水先后经过吸收式热泵系统2的吸收器22和船舶动力装置余热利用系统4的循环冷却水热交换器44进行两级预热。

(2) 冷冻与蒸发：预冷后海水进入吸收式热泵系统2的蒸发器12直接接触冷媒释放热量凝结成冰形成淤浆；预热后海水进入吸收式热泵系统2的冷凝器24和热蒸馏系统3的第二效蒸发器32、…、第n效蒸发器3n吸收热量汽化成水蒸汽。

(3) 洗涤与冷凝：蒸发器12中含冰的淤浆送到洗涤室13进行冲洗得到纯净的冰块；冷凝器24中产生的水蒸汽经过第二效蒸发器32释放热量凝结成淡化水，同时使第二效蒸发器32的海水沸腾产生新蒸汽,来自冷凝器24的浓缩海水流入第二效蒸发器32部分闪发产生新蒸汽，这两种新蒸汽一起作为下一效蒸发器的加热蒸汽。如此直至第n效蒸发器3n。第二效蒸发器32直至第n效蒸发器3n得到的淡化水汇集后作为温度较高的淡化水放出, 浓缩海水由第n效蒸发器3n的底部作为排污水放出。

(4) 融化和冷凝：洗涤室13的冰块与第n效蒸发器3n产生的水蒸汽都进入融化室14并直接接触混合形成低温淡化水，大部分淡化水（80％－90％）经由步骤(1)所述的预冷器11换热后作为温度较低的淡化水放出，小部分淡化水（10％－20％）送到步骤(3)所述的洗涤室13作为洗涤用水，洗涤后的浓海水经由步骤(1)所述的预冷器11换热后作为排污水放出。

在本方法中,所述吸收式热泵系统2的蒸发器12的操作压力为0.9个标准大气压左右，以维持蒸发温度在-3℃左右，所述吸收式热泵系统2的发生器23的操作压力为9～11.5个标准大气压左右，以控制高压工质蒸汽温度在70℃～80℃之间。

二、设备

如图1、图2所示，本发明是一种船用冷热联产海水淡化设备，它包括冷媒直接接触冷冻系统1、吸收式热泵系统2、热蒸馏系统3、船舶动力装置余热利用系统4。

所述的冷媒直接接触冷冻系统1由预冷器11、冷冻室12、洗涤室13、融化室14和多条管道组成；所述的预冷器11的入口连通海水进料管道10，其出口通过管道连接冷冻室12，来自洗涤室13的排污水管道和融化室14的淡水管曲折或盘旋穿过预冷器11后与排污管道和淡水输出管道连通；所述的冷冻室12通过管道与洗涤室13连通，洗涤室13与融化室14连通，融化室14的进汽管道与热蒸馏系统第n效蒸发器3n的水蒸汽出口管道连通，连接融化室14出口的第一淡水输出管道15分为两路，一路穿过预冷器11，一路通过管道连通洗涤室13的入口。

海水经由预冷器11冷却后，进入冷冻室12中与冷媒直接接触并放热凝结成冰，含冰的淤浆经由洗涤室13冲洗后，冰块进入融化室14与从热蒸馏系统来的水蒸汽直接接触混合形成低温淡化水，大部分淡化水经由预冷器11吸热后作为温度较低的淡化水放出，小部分淡化水送到洗涤室13作为洗涤用水，洗涤后的浓海水经由预冷器11吸热后作为排污水放出。

所述的吸收式热泵系统2由蒸发器12、吸收器22、发生器23、冷凝器24、泵25、节流阀26、节流阀27和多条管道组成。所述的蒸发器12同时作为冷媒直接接触冷冻系统的冷冻室12，其出口通过管道与吸收器22连接，海水进料管道10曲折或盘旋穿过吸收器22；所述的吸收器22的出口和入口分别通过管道与发生器23入口和出口连接，形成一个循环回路，在吸收器22的出口与发生器23入口管道上设置泵25；在吸收器22的入口与发生器23出口管道上设置节流阀26。

所述的冷凝器24同时作为热蒸馏系统的第一效蒸发器24，吸收器22作为热蒸馏系统中进料海水的第一级预热器，发生器23由船舶动力装置排气余热供给热量。系统选用正丁烷作为制冷剂，推荐选用壬烷或十二烷作为吸收剂。

所述的热蒸馏系统3由第一效蒸发器24、第二效蒸发器32、…、第n效蒸发器3n和多条管道组成；第一效蒸发器24、第二效蒸发器32、…、第n效蒸发器3n的入口皆与通过管道与船舶动力装置余热利用系统4的输出管道连通，来自热泵系统2的发生器23高压工质蒸汽管道曲折或盘旋穿过第一效蒸发器24后连通冷媒直接接触冷冻系统1的冷冻室12，在该管道上设置节流阀27；所述的第一效蒸发器24的水蒸气出口管道242曲折或盘旋穿过第二效蒸发器32后与第二淡水输出管道30连通，第一效蒸发器24的浓海水出口管道241连接第二效蒸发器32；第二效蒸发器32、…、第n效蒸发器3n之间的连接方式与第一效蒸发器24、第二效蒸发器32连接方式相同，不再赘述。第n效蒸发器3n的水蒸汽出口管道与冷冻系统的融化室14进汽管道连接，在第n效蒸发器3n上设有排污口40。

采用低温多效蒸馏海水淡化技术。进料海水先经过吸收器22获得溶解热完成第一次预热，再经过循环冷却水热交换器44获得冷却水废热完成第二次预热，然后送入第一效蒸发器24吸热并部分汽化，所产生的蒸汽直接用作第二效蒸发器32的加热蒸汽。在第二效蒸发器32中，加热蒸汽放热凝结成淡化水作为温度较高的淡化水放出，同时使海水沸腾产生新蒸汽；来自第一效的浓缩海水，由于两效间的压差而部分闪发产生新蒸汽，这两种新蒸汽一起作为下一效蒸发器的加热蒸汽。如此直至最后一效。浓缩海水由第n效蒸发器3n的底部排出，而第n效蒸发器3n产生的蒸汽送到冷冻系统的融化室14与冰块直接接触混合，冰块融化和蒸汽冷凝的淡化水，一部分作为洗涤水，其余作为低温淡化水放出。

所述的船舶动力装置余热利用系统4由动力装置41、排气管道42、循环冷却水管道43和热交换器44组成。穿过吸收器22的海水进料管道连接热交换器44的入口，热交换器44的输出管道分别与第一效蒸发器24、第二效蒸发器32、…、第n效蒸发器3n的入口连接，循环冷却水管道43曲折或盘旋穿设在热交换器44与动力装置41之间，动力装置41的排气管道42穿设于吸收式热泵系统的发生器23，对热泵系统释放热量。循环冷却水热交换器44作为热蒸馏系统中进料海水的第二级预热器。

本发明的工作原理：

如图2所示，进料海水分两路进入系统。

第一路进料海水经过预冷器11冷却后，进入冷冻室12中与冷媒正丁烷直接接触并放热结成冰，含冰的淤浆经由洗涤室13冲洗后，冰块进入融化室14与从热蒸馏系统3来的水蒸汽直接接触混合形成低温淡化水，大部分淡化水经由预冷器11换热后作为温度较低的淡化水放出，小部分淡化水送到洗涤室13作为洗涤用水，洗涤后的浓海水经由预冷器11换热后作为排污水放出。

第二路进料海水先经过吸收器22获得溶解热完成第一次预热，再经过循环冷却水热交换器44获得冷却水废热完成第二次预热，然后进入热蒸馏系统的第一效蒸发器24、第二效蒸发器32、…、第n效蒸发器3n吸收热量并部分汽化。第一效蒸发器24产生的蒸汽用作第二效蒸发器32的加热蒸汽，加热蒸汽放热凝结成淡化水作为温度较高的淡化水放出，同时使第二效蒸发器32的海水沸腾产生新蒸汽；来自第一效蒸发器24的浓缩海水进入第二效蒸发器32部分闪发产生新蒸汽，这两种新蒸汽一起作为下一效蒸发器的加热蒸汽。如此直至最后一效。浓缩海水由第n效蒸发器3n的底部作为排污水放出，而第n效蒸发器3n产生的蒸汽送到融化室14与冰块直接接触混合，冰块融化和蒸汽冷凝的淡化水，一部分作为洗涤水，其余作为低温淡化水放出。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，各管路的布置可有多种方式，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种船用冷热联产海水淡化的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）预冷与预热：进料海水分两路，一路进料海水经过预冷器进行冷却，生成预冷海水；另一路进料海水先后经过吸收式热泵系统的吸收器和船舶动力装置余热利用系统的循环冷却水热交换器进行两级预热，生成预热海水；

（2）冷冻与蒸发：预冷海水进入吸收式热泵系统的蒸发器直接接触冷媒释放热量，部分海水凝结成冰形成淤浆；预热海水进入吸收式热泵系统的冷凝器和热蒸馏系统的第二效蒸发器、…、第n效蒸发器吸收热量，部分海水汽化形成水蒸汽，每一效蒸发器的浓缩海水逐级自流到第n效蒸发器，从第n效蒸发器的底部作为排污水放出；从上一效蒸发器流入的部分浓缩海水在本效蒸发器内由于两效间压差作用闪发形成水蒸汽；

（3）洗涤与冷凝：含冰的淤浆送到洗涤室进行冲洗得到纯净的冰块；每一效蒸发器产生的水蒸汽作为下一效蒸发器的加热蒸汽，并在下一效蒸发器内凝结成淡化水，如此直至第n效蒸发器；第二效蒸发器直至第n效蒸发器得到的淡化水汇集后作为温度较高的淡化水放出； 

（4）融化和冷凝：洗涤室的冰块与第n效蒸发器产生的水蒸汽都进入融化室并直接接触混合，冰块融化和蒸汽冷凝同时完成并形成低温淡化水，大部分淡化水经由步骤（1）所述的预冷器换热后作为温度较低的淡化水放出，小部分淡化水送到步骤（3）所述的洗涤室作为洗涤用水，洗涤后的浓海水经由步骤（1）所述的预冷器换热后作为排污水放出。

2.根据权利要求1所述的船用冷热联产海水淡化的方法，其特征在于：所述吸收式热泵系统的蒸发器的操作压力为0.9个标准大气压，以维持蒸发温度在-3℃，所述吸收式热泵系统的发生器的操作压力为9～11.5个标准大气压，以控制高压工质蒸汽温度在70℃～80℃之间。

3.根据权利要求1所述方法设计的一种船用冷热联产海水淡化设备，其特征在于：它包括冷媒直接接触冷冻系统、吸收式热泵系统、热蒸馏系统、船舶动力装置余热利用系统；

所述的冷媒直接接触冷冻系统由预冷器、冷冻室、洗涤室、融化室和多条管道组成；所述的预冷器的入口连通海水进料管道，其出口通过管道连接冷冻室，来自洗涤室的排污水管道和融化室的淡水管曲折或盘旋穿过预冷器后与排污管道和淡水输出管道连通；所述的冷冻室通过管道与洗涤室连通，洗涤室与融化室连通，融化室的进汽管道与热蒸馏系统第n效蒸发器的水蒸汽出口管道连接，连接融化室出口的第一淡水输出管道分为两路，一路穿过预冷器，一路通过管道连通洗涤室的入口；

所述的吸收式热泵系统由蒸发器、吸收器、发生器、冷凝器、泵、节流阀、节流阀和多条管道组成；所述的蒸发器同时作为冷媒直接接触冷冻系统的冷冻室，其出口通过管道与吸收器连接，海水进料管道曲折或盘旋穿过吸收器；所述的吸收器的出口和入口分别通过管道与发生器入口和出口连接，形成一个循环回路，在吸收器的出口与发生器入口管道上设置泵；在吸收器的入口与发生器出口管道上设置节流阀；

所述的热蒸馏系统由第一效蒸发器、第二效蒸发器、…、第n效蒸发器和多条管道组成；第一效蒸发器、第二效蒸发器、…、第n效蒸发器的入口皆与通过管道与船舶动力装置余热利用系统的输出管道连通，来自吸收式热泵系统的发生器高压工质蒸汽管道曲折或盘旋穿过第一效蒸发器后连通冷媒直接接触冷冻系统的冷冻室，在该管道上设置节流阀；所述的第一效蒸发器的水蒸气出口管道曲折或盘旋穿过第二效蒸发器后与第二淡水输出管道连通，第一效蒸发器的浓海水出口管道连接第二效蒸发器；第二效蒸发器、…、第n效蒸发器之间的连接方式与第一效蒸发器、第二效蒸发器连接方式相同，在第n效蒸发器上设有排污口；

所述的船舶动力装置余热利用系统由动力装置、排气管道、循环冷却水管道和热交换器组成；穿过吸收器的海水进料管道连接热交换器的入口，热交换器的输出管道分别与第一效蒸发器、第二效蒸发器、…、第n效蒸发器的入口连接，循环冷却水管道曲折或盘旋穿设在热交换器与动力装置之间，动力装置的排气管道穿设于吸收式热泵系统的发生器。

4.根据权利要求3所述的船用冷热联产海水淡化设备，其特征在于：所述的吸收式热泵系统的吸收器作为进料海水的第一级预热器，船舶动力装置余热利用系统的循环冷却水热交换器作为进料海水的第二级预热器。

5.根据权利要求3所述的船用冷热联产海水淡化设备，其特征在于：所述吸收式热泵系统选用正丁烷作为制冷剂，选用壬烷或十二烷作为吸收剂，采用船舶动力装置的排气余热作为供给能量。

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