CN102583848B - 基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统及其淡化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统，主要由LNG汽化器、冷媒储罐、制冰装置、冰水分离器、冰浆生成器以及融冰换热器组成。海水经融冰换热器预冷后，一部分进入水射式喷射真空泵为冰水分离器提供所需负压，另一部分作为原料海水进入制冰装置；冷媒经LNG汽化器冷却后喷射入制冰装置内，与海水完成直接接触式换热，换热后冷媒经冷媒出口重新泵入至LNG汽化器；海水冷冻后所生成的冰浆从冰浆出口进入冰水分离器，分离出的冰晶再经冰浆生成器进入融冰换热器，最终由海水加热融化成淡水。本发明可充分利用LNG在汽化过程中的冷能实现海水冷冻淡化，既可提高LNG的冷能利用率，又可提高海水淡化的经济和环境效益。

Description

基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统及其淡化方法

技术领域

本发明涉及一种水处理淡化技术，尤其涉及利用液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统及其淡化方法。

背景技术

随着各国环保意识的增强，世界能源结构已在逐步发生变化，天然气已成为人类重点开发和利用的清洁能源之一。为满足能源需求，各国在其沿海城市相继建成一批液化天然气（LNG）接收站，以完成LNG的储存、分配、气化、传输、调峰等工艺过程。在LNG传输过程中，接收站一般需利用海水通过汽化器将LNG加热蒸发成气态天然气，再通过管道输送供用户使用。LNG在气化过程中会释放大量的冷能（约830kJ/kg），这部分冷能通常会随着海水的排放而被直接舍弃掉了，不仅造成了LNG冷能的浪费，而且排放的低温海水还会对周边海域造成一定的环境影响。

而与此同时，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，对淡水的需求越来越大，对水质的要求也越来越高，加上我国水资源时空分布不均、超限度的开采、无节制浪费以及随意排放污染，使得本来紧张的水资源供需矛盾更加尖锐，淡水资源的缺乏已经成为制约我国经济发展和社会进步的瓶颈。

海水淡化技术可将取之不尽的海水作为居民生活、工业生产需求的淡水资源，是解决我国水资源短缺的重要途径之一。在各种海水淡化的方式中，海水冷冻淡化是利用海水在结冰时，盐分被排除在冰晶以外，然后通过对冰晶洗涤、分离、融化后得到淡水。冷冻法与常规淡化方法（膜法和热法）相比，具有下列诸多优点：

（1）由于冰的融化热为334.7kJ/kg，仅是水汽化热（在100℃时为2257.2kJ/kg）的1/7，而且相对于水的沸点，自然状态下的海水更接近于冰点。因此，单独从淡水在海水中分离的角度来考虑，冷冻法与其它淡化方法相比本身能耗较低。

（2）由于冷冻法是在低温条件下操作，海水对设备的腐蚀轻，所以可使用相对廉价的结构建材；同时由于排出的腐蚀生成物少，对环境的污染较小。

（3）无结垢问题，故可省掉对海水除钙、镁等预处理工艺，降低了海水淡化系统的建设成本。

（4）经过分离之后的低温浓海水，还可继续用于冷冻冷藏、制冷空调、低温养殖、浓缩制盐、盐化工等，由此形成梯级冷能利用系统。

综上所述，若能通过合理的系统集成和工艺整合，利用液态天然气的冷能实现海水冷冻淡化，不仅可节省在传统冷冻法中由于机械制冷所消耗的大量电能，提高海水冷冻淡化技术的竞争力，而且对于提高我国液态天然气能源产业的经济效益、环境保护等方面无疑也具有重大的现实意义。因此，目前需要开发研制一种可高效利用液态天然气冷能进行海水冷冻淡化的系统及其淡化方法。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种基于液态天然气（LNG）冷能的海水冷冻淡化系统及其淡化方法，本发明可将LNG在汽化过程中所释放的冷能进行回收利用，通过直接接触式海水冷冻淡化技术实现淡水连续生产的工艺过程。该系统具有设备结构简单、运行可靠、占地空间小、制冰效率高、自动化程度高等特点。通过合理的工艺整合，该系统可与沿海地区的LNG接收站进行共址建设，在满足LNG汽化工艺的同时，完成海水冷冻淡化过程，实现LNG冷能和水资源的梯级利用。因此，本发明系统不仅可有效提高LNG在储运过程中的能量利用率，减少对周边环境所造成的低温污染，而且还可降低冷冻海水所需的动力能耗，降低淡水的生产成本。鉴于上述特点，本发明对于能源和淡水供应均相对紧张的沿海地区无疑具有显著的经济和环境效益。

为了解决上述技术问题，本发明一种基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统予以实现的技术方案是：包括LNG汽化器和冷媒储罐，所述LNG汽化器设有LNG入口和气态天然气出口；所述LNG汽化器的底部与所述冷媒储罐的顶部之间连接有冷媒管道；还包括制冰装置、冰水分离器、冰浆生成器、融冰换热器和海水过滤器；所述制冰装置包括有筒体，所述筒体的上部设有冰浆卸料槽，所述制冰装置的底部设有冷媒出口和多个第一海水入口，所述制冰装置的侧部分别设有多个第一喷头和冷媒回流导管；自所述冷媒储罐至所述制冰装置的多个第一喷头之间及自所述制冰装置的冷媒出口至所述LNG汽化器的顶部之间分别通过连接管道连接有一阀门和一泵体；所述冰浆卸料槽的卸料口位于所述冰水分离器的正上方；所述冰水分离器内设有倾斜的滤网，所述滤网以上的腔体为冰晶腔，所述滤网以下的腔体为盐水腔，所述冰晶腔的腔壁上设有冰晶收集口，所述冰晶收集口通过一滑道连接至所述冰浆生成器，所述盐水腔的侧壁上设有抽气口，所述盐水腔的底部设有盐水出口；所述冰浆生成器的顶部设有第二喷头，所述冰浆生成器的底部设有冰浆出口；所述融冰换热器的顶部设有淡水出口和第二海水入口，所述融冰换热器的底部设有冰浆入口和海水出口；自冰浆生成器的冰浆出口至所述融冰换热器的冰浆入口之间通过连接管道连接有一阀门和一冰浆泵；自海水过滤器与所述第二海水入口之间通过连接管道连接有一阀门和一泵体；所述融冰换热器的淡水出口经一三通接头连接有两路管道，其中：一路上设有阀门并连接至第二喷头，另一路连接至淡水用户；所述融冰换热器的海水出口经另一三通接头连接有两路管道，其中一路上设有一阀门并与所述制冰装置底部的多个第一海水入口并联，另一路上设有一水射式喷射真空泵，所述冰水分离器的盐水腔上的抽气口通过连接管路连接至所述水射式喷射真空泵。

本发明一种基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化工艺，是利用上述基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统在对液态天然气进行汽化的同时利用其释放的冷能进行海水冷冻淡化，所述冷媒储罐中的冷媒采用凝固点低于-80℃，密度大于海水，水中溶解度小于5ppm，无闪点，且对水质不会造成污染的电子氟化液；

步骤一：打开系统中的所有阀门；

步骤二：在LNG汽化器内，液态天然气通过吸收冷媒的热量被加热蒸发成气态天然气，气态天然气通过LNG汽化器上的气态天然气出口传输至天然气用户；LNG汽化器内的冷媒经连接在所述LNG汽化器的底部与所述冷媒储罐的顶部之间的冷媒管道进入冷媒储罐，打开自所述冷媒储罐至所述制冰装置的多个第一喷头之间连接管道上的阀门，冷媒经自所述冷媒储罐至所述制冰装置的多个第一喷头之间连接管道上的泵体分流后传输至多个第一喷头处，冷媒通过第一喷头射入制冰装置的筒体内；经喷淋后的冷媒形成为细小的冷媒液滴；

与此同时，海水经泵体进入所述融冰换热器，海水在所述融冰换热器中通过吸收冰浆中的冷能来降低自身的初始温度，预冷后的海水一部分作为水射式喷射真空泵的动力海水，另一部分通过管道并从第一海水入口进入作为在制冰装置进行制冰的原料海水；海水进入制冰装置的筒体内后以螺旋上升的形式流动；

步骤三：上述冷媒液滴与制冰装置筒体内部流动的海水完成直接接触式换热过程；部分海水与冷媒液滴换热后过冷形成冰晶，从而完成冷冻脱盐过程；由于冷媒、海水和冰的密度是依次减小的，因此在浮力和重力的共同作用下，换热后的冷媒向下沉降至所述制冰装置筒体的底部；海水与冷媒分离后向上流动，形成的冰晶则漂浮在海水表面从而与海水形成冰浆混合物；

步骤四：下沉至所述制冰装置筒体底部的冷媒和夹带在冰浆中的部分冷媒通过冷媒回流导管回流至制冰装置筒体的底部，再经制冰装置的冷媒出口后由设置在自所述制冰装置的冷媒出口至所述LNG汽化器的顶部之间的连接管道上的泵体重新泵入至LNG汽化器内；

步骤五：制冰装置制得的冰浆沿冰浆卸料槽进入冰水分离器上部的冰晶腔，水射式喷射真空泵通过抽气口引射盐水腔中的气体，使所述冰水分离器的腔内形成负压；冰浆中的盐水在重力和大气压力的共同作用下通过滤网进入盐水腔，过滤后的冰晶在重力作用下通过与冰晶收集口连接的滑道滑入至下方的冰浆生成器，位于冰浆生成器顶部的第二喷头将淡水均匀喷洒至冰晶内部，经掺混搅动后再次形成冰浆状态，在系统启动初期，供应第二喷头的淡水来自于系统外部，待系统稳定产水后，系统外部的供淡水阀门关闭，将融冰换热器所产生的部分冰浆融水通向第二喷头作为生成冰浆用水；

步骤六：再次生成的冰浆通过设置在自冰浆生成器的冰浆出口至所述融冰换热器的冰浆入口之间的连接管道上的冰浆泵泵入至融冰换热器中，冰浆与海水换热后全部融化成淡水；所得淡水除少部分作为在冰浆生成器内与冰晶混合用淡水以外，大部分淡水则作为产品水通过管道传输至淡水用户。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明是利用LNG在汽化过程中所释放的冷能进行海水冷冻淡化，通过海水冷冻淡化工艺实现在LNG汽化的同时生产淡水。本发明系统不仅可实现LNG的冷能利用，降低LNG接收站对周边海域的环境污染，而且也降低了海水冷冻淡化的动力能耗，为沿海地区增加淡水供给，提高了LNG企业的经济和环境效益。

本发明系统中所使用的冷媒具有低凝固点、比热容大、化学稳定性强、不溶于海水且与海水密度差大等特点，在超低温环境下可与海水完成直接接触式换热过程，并利用密度差实现冷媒、海水和冰的自然分离，不仅可降低冰层对海水在冷冻过程中的热阻影响，而且还有利于保证海水在冷冻过程中脱盐效果。

本发明系统中制冰装置利用喷嘴将冷媒直接喷射入海水中从而完成直接接触式换热过程。该方式不仅可增大冷媒与海水的接触面积，有利于提高制冰装置的制冰量和制冰速率，而且由于海水搅动所形成的大量湍流还可提高传热效率，从而可提高系统的冷能利用率，有利于减少冷媒的使用量。

本发明系统中制冰装置底部设有对称布置、且具有一定上倾角度的海水入口的接管，可使海水在制冰装置筒体内进行螺旋式地上升流动，相对于传统的对流方式，该方式可增加海水与冷媒的接触时间，提高海水的含冰率，增加系统的淡水产量。

本发明系统中制冰装置侧部安装有冷媒回流导管，可使由冰浆所夹带上升的冷媒回流至制冰装置筒体底部，从而保证冷媒的回收和循环利用，降低了冷媒的损耗和系统的运行成本。

本发明系统中冰水分离装置采用滤网和水射式喷射真空泵实现冰晶在重力和大气压力的共同作用下完成盐水的分离过程，其设备结构简单、运行可靠、分离效率高，保证了系统的产水品质。

本发明系统中冰浆生成器通过将冰晶与淡水以一定比例掺混制成二次冰浆，不仅可实现冰浆在管道及融冰换热器中的传输，而且可提高在融冰换热器中冰晶与海水的传热系数，实现冰晶的快速融化。

本发明系统中海水通过融冰换热器来吸收冰浆的融化潜热从而完成预冷过程，不仅可达到冰浆融化生产淡水的目的，而且还可降低海水进入制冰装置的初始温度，从而提高海水冷冻的制冰量和系统的冷能利用率。

附图说明

附图是本发明基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统的示意简图。

图中：

1气态天然气出口    2LNG入口           3LNG汽化器

4LNG汽化器冷媒出口 5冷媒储罐入口      6冷媒储罐

7冷媒储罐出口      8冷媒出口          9、14、17、23、44、28、阀门

10、22、45泵体     11盐水腔           12盐水出口

13抽气口           15水射式喷射真空泵 16冰浆出口

18冰浆泵           19冰浆入口         20海水出口

21融冰换热器       24海水过滤器       25第二海水入口

26淡水出口         27冰浆生成器       29第二喷头

30冰晶收集口       31滤网             32冰晶腔

33冰水分离器       34卡槽             36第一喷头

37冰浆卸料槽       38顶盖             39垫圈

40冷媒回流导管     41制冰装置         42筒体

43第一海水入口     46冷媒入口         47冷媒补给口

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如附图所示，本发明.一种基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统，包括LNG汽化器3、冷媒储罐6、制冰装置41、冰水分离器33、冰浆生成器27、融冰换热器21和海水过滤器24。

所述LNG汽化器3为板式或管壳式换热器，材质可选用钛、铝黄铜、不锈钢中的任一种，所述LNG汽化器侧部分别设有LNG入口接管2和气态天然气出口接管1，所述LNG汽化器3的底部设有冷媒出口4，所述LNG汽化器3的顶部设有冷媒入口46。

所述冷媒储罐6的材质选用塑料、玻璃钢和不锈钢中的任一种；所述冷媒储罐6中的冷媒用于实现液态天然气蒸发汽化及海水冷冻淡化，所述冷媒采用具备下列物理属性的电子氟化液：凝固点低于-80℃，密度大于海水，水中溶解度小于5ppm，无闪点，且对水质不会造成污染。所述冷媒储罐6的顶部设有一冷媒补给口47，所述冷媒储罐6的两侧分别设有冷媒储罐入口5和冷媒储罐出口7，所述LNG汽化器3的底部设有冷媒出口4与所述冷媒储罐入口5之间连接有冷媒管道5。

所述制冰装置41包括有筒体42，所述制冰装置41的筒体顶部设有顶盖38，所述顶盖38与所述筒体42间夹有垫圈39，通过螺栓将三者连接固定，所述筒体42上部为圆柱形筒壁，所述筒体42的底部为倒置的圆锥形，筒体42的材质可选用玻璃钢、塑料和不锈钢中的任一种；所述垫圈39的材质选自于三元乙丙橡胶、丁晴橡胶和硅胶中的任一种；所述筒体42的上部设有冰浆卸料槽37，所述冰浆卸料槽37与水平面呈30～45°倾角，所述冰浆卸料槽37的卸料口位于所述冰水分离器33的正上方；所述制冰装置41的底部设有冷媒出口8和多个第一海水入口43，多个第一海水入口43在所述制冰装置筒体42的周向上均布，所述第一海水入口43的轴线方向与水平方向之间具有40～60°的夹角，以保证高速入射的海水可以在制冰装置的筒体42螺旋上升的流动，所述制冰装置41的一侧设有多个第一喷头36可将冷媒均匀喷入制冰装置筒体42内，另一侧设有和冷媒回流导管40。

所述冰水分离器33内设有倾斜的滤网31，所述冰水分离器33的内壁上设有用于安装滤网31的卡槽34，所述滤网31选用塑料网或不锈钢网；所述滤网31以上的腔体为冰晶腔32，所述滤网31以下的腔体为盐水腔11，所述冰晶腔32呈圆柱形，所述盐水腔11呈倒置的圆锥形；所述冰水分离器33的材质选用塑料、玻璃钢和不锈钢中的任一种；所述冰晶腔32的顶部为敞口，所述冰晶腔32的腔壁上设有冰晶收集口30，所述冰晶收集口30及所述滤网31与水平方向之间均分别具有30～45°的夹角，所述冰晶收集口30的下端面与滤网31上端面平齐且保持具有相同倾斜角度，所述冰晶收集口30通过一滑道连接至所述冰浆生成器27，所述盐水腔11的侧壁上设有抽气口13，所述盐水腔11的底部设有盐水出口12，所述盐水出口12经管路与系统外部相通。

所述冰浆生成器27的顶部和底部均为圆锥形，中间呈圆柱形；所述冰浆生成器27的顶部设有第二喷头29，所述冰浆生成器27的底部设有冰浆出口16；所述冰浆生成器27的材质选用塑料、玻璃钢和不锈钢中的任一种。

所述融冰换热器21选用板式或管壳式换热器，所述融冰换热器21的顶部设有淡水出口26和第二海水入口25，所述融冰换热器21的底部设有冰浆入口19和海水出口20，所述融冰换热器21的材质选用钛、铝黄铜、不锈钢中的任一种。

本发明系统中相关部件之间连接有管道并在管道上设有阀门和泵，详细讲是：

自所述冷媒储罐6至所述制冰装置41的多个第一喷头36之间通过连接管道连接有用于控制冷媒循环流动的阀门9和泵体10，其中，泵体10将冷媒升压后经设置在所述制冰装置上的第二喷头36泵入所述制冰装置的腔体内；自所述制冰装置41的冷媒出口8至所述LNG汽化器3顶部冷媒入口46之间通过连接管道连接有用于控制冷媒循环流动的阀门44和泵体45，所述泵体45将在制冰装置中换热后的冷媒升压后经冷媒入口46泵入至LNG汽化器内，上述管道的连接实现冷媒在冷媒储罐6-制冰装置41-LNG汽化器-冷媒储罐6中的循环。

自冰浆生成器27的冰浆出口16至所述融冰换热器21的冰浆入口19之间通过连接管道连接有用于控制冰浆流动的阀门17和冰浆泵18；所述冰浆泵18通过连接管路将冰浆生成器27中的冰浆排入至所述融冰换热器21中。

自海水过滤器24与所述第二海水入口25之间通过连接管道连接有用于控制海水流动的阀门23和泵体22，所述泵体22将海水升压后泵入至所述融冰换热器中。

所述融冰换热器21的淡水出口26经一三通接头后被分为两路管道，其中：一路上设有用于控制淡水流向至冰浆生成器27顶部的第二喷头29的阀门28，另一路则将淡水排往用户。

所述融冰换热器21的海水出口20经另一三通接头连接有两路管道，其中一路上设有用于控制海水流向所述制冰装置41底部的多个第一海水入口43的阀门14，即经该阀门14后再通过接头将多个设置在所述制冰装置41底部的第一海水入口43并联，另一路上设有一水射式喷射真空泵15，所述冰水分离器33的盐水腔11上的抽气口13通过连接管路连接至所述水射式喷射真空泵15，即所述水射式喷射真空泵15引射口与抽气口13相连接，所述水射式喷射真空泵15排出口经管路与系统外部相通。

利用上述基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统，在对液态天然气进行汽化的同时利用其释放的冷能进行海水冷冻淡化，所述冷媒储罐6中的冷媒采用凝固点低于-80℃，密度大于海水，水中溶解度小于5ppm，无闪点，且对水质不会造成污染的电子氟化液；其工艺是：

步骤一：打开系统中的所有阀门；

下述步骤二至步骤四是利用上述冷媒的循环换热完成LNG的加热汽化和海水的冷冻制冰过程；

步骤二：在LNG汽化器3内，液态天然气通过吸收冷媒的热量被加热蒸发成气态天然气，蒸发形成的气态天然气通过LNG汽化器3上的气态天然气出口1传输至天然气用户；LNG汽化器3内冷却后的冷媒经连接在所述LNG汽化器3的底部与所述冷媒储罐6的顶部之间的冷媒管道5进入冷媒储罐6，在冷媒储罐6中冷媒可进行充分地混合，以保证冷媒温度的均匀性和流量供给的稳定性；通过所述冷媒储罐6至所述制冰装置41的多个第一喷头36之间连接管道上的阀门9可对实际进入制冰装置41内的冷媒流量进行控制；冷媒经自所述冷媒储罐6至所述制冰装置41的多个第一喷头36之间连接管道上的泵体10升压后并分流传输至多个第一喷头36处，冷媒通过第一喷头36在制冰装置筒体42内部喷射出大量微小的冷媒液滴；与此同时，海水经泵体22进入所述融冰换热器21，海水在所述融冰换热器21中通过吸收冰浆中的冷能来降低自身的初始温度，海水与冰浆换热后冷却降温至接近冰点，随后一部分海水作为水射式喷射真空泵15的动力海水来引射冰水分离器盐水腔11中的气体，另一部分通过管道并从第一海水入口43进入作为在制冰装置41进行制冰的原料海水，此部分的海水流量可通过阀门14进行调节，海水进入制冰装置的筒体42内后以螺旋上升的形式流动；

步骤三：上述冷媒液滴与制冰装置筒体42内部流动的海水完成直接接触式换热过程；部分海水与冷媒液滴换热后过冷形成冰晶，从而完成冷冻脱盐过程；由于冷媒、海水和冰的密度是依次减小的，因此在浮力和重力的共同作用下，换热后的冷媒向下沉降至所述制冰装置筒体42的底部；海水与冷媒分离后向上流动，形成的冰晶则漂浮在海水表面从而与海水形成冰浆混合物；

步骤四：下沉至所述制冰装置筒体42底部的冷媒和夹带在冰浆中的部分冷媒通过冷媒回流导管40回流至制冰装置筒体42的底部，再经制冰装置41的冷媒出口8后由设置在自所述制冰装置41的冷媒出口8至所述LNG汽化器3的顶部之间的连接管道上的泵体45重新泵入至LNG汽化器3内；

步骤五：制冰装置41制得的冰浆沿冰浆卸料槽37进入冰水分离器33上部的冰晶腔32，水射式喷射真空泵15通过抽气口13引射盐水腔11中的气体，由于冰水分离器盐水腔11中的部分气体被抽吸排出，因此在其腔内形成了一定的负压力，当冰浆进入冰水分离器33后，冰浆中的盐水在重力和大气压力的共同作用下通过滤网31进入盐水腔11，并最终通过盐水出口12排出至系统外部；过滤后的冰晶则保留在滤网31之上，在重力作用下通过与冰晶收集口30连接的滑道滑入至下方的冰浆生成器27，阀门28控制位于冰浆生成器27顶部的第二喷头29将淡水均匀喷洒至冰晶内部，经掺混搅动后再次形成冰浆状态，在系统启动初期，供应第二喷头29的淡水来自于系统外部，待系统稳定产水后，系统外部的供淡水阀门关闭，将融冰换热器21所产生的部分冰浆融水通向第二喷头29作为生成冰浆用水；

步骤六：为了便于冰晶在管道中的传输以及快速融化，需将过滤后的冰晶与淡水相混合重新制成二次冰浆。冰浆生成器27利用融冰换热器21所制得的部分淡水作为与冰晶混合用淡水，通过其顶部的冰浆生成器喷头29将淡水均匀喷洒至冰晶内部，经掺混搅动后再次形成冰浆状态；再次生成的冰浆通过设置在自冰浆生成器27的冰浆出口16至所述融冰换热器21的冰浆入口19之间的连接管道上的冰浆泵18泵入至融冰换热器21中，冰浆与海水换热后全部融化成淡水；所得淡水除少部分作为在冰浆生成器27内与冰晶混合用淡水以外，大部分淡水则作为产品水通过管道传输至淡水用户。

在上述过程中，通过冷媒储罐6顶部设有的冷媒补给口47可定期向其内投放一定数量的冷媒，以弥补冷媒在循环过程中的损耗的冷媒。

实施例：

本发明一种基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统及其淡化方法的一个具体实施例如下。

进入LNG汽化器3的LNG流量保持在1m³/h，压力为0.2MPa，温度为-162℃，经冷媒加热后，LNG蒸发汽化成温度为0℃的气态天然气。用于冷媒循环的泵体45将冷媒泵入进LNG汽化器3，流量为10m³/h，压力为0.2MPa。LNG汽化器3的冷媒入口温度保持在-30℃，进入LNG汽化器3换热后的冷媒温度降低至-80℃。由用于冷媒循环的另一泵体10将低温冷媒从冷媒储罐6泵入至制冰装置41，流量保持在10m³/h，压力为0.2MPa。与此同时，原海水由泵体22泵入融冰换热器21内，流量保持在30m³/h，压力为0.4MPa，温度为25～30℃，与二次冰浆换热后，海水温度降低至0℃。部分原海水作为制冰装置41的原料海水，流量保持在10m³/h，与冷媒完成直接接触式换热后形成含冰率为20%的冰浆，其余海水则作为水射式喷射真空泵15的动力海水。水射式喷射真空泵15引射冰水分离器盐水腔11中的气体，使冰水分离器盐水腔11的真空度保持在70～80%之间。冰浆进入冰水分离器后，盐水在重力和大气压力的作用下被分离排出。经过冰浆生成器27后，淡水与冰晶混合生成二次冰浆，经融冰换热器21后最终融化成淡水。部分淡水循环作为冰浆生成器的混合用淡水，流量保持在0.5m³/h。在此工艺参数下，海水冷冻淡化系统的产水量可达30m³/d，脱盐率在85～95%之间。

本发明一种基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统中，

所述LNG汽化器3采用板式换热器，材料为钛，换热总面积10m²。所述LNG汽化器3LNG入口2处的接管管径为DN15，气态天然气出口1处、冷媒出口4处及冷媒入口46处分别连接的接管的管径均为DN80，上述接管材质均为316L不锈钢，所述接管与LNG汽化器3均通过焊接连接。

所述冷媒储罐6为长方体，尺寸为2000×1000×1000mm，壁厚为3mm，材质为316L不锈钢；冷媒储罐入口5和冷媒储罐出口7处均分别焊接有管径均为DN80的接管，冷媒补给口47处焊接有管径为DN50的接管，各接管材质均为316L不锈钢。

所述制冰装置的顶盖38外形为圆台形，大径为500mm，小径为300mm，高度为400mm，壁厚为15mm，材质为316L不锈钢；制冰装置筒体42上部外形为圆柱形，直径为500mm，高度为2000mm，底部外形为圆锥形，直径为500mm，高度为700mm，上下两部分壁厚均为15mm，材质为316L不锈钢；所述制冰装置顶盖38与所述制冰装置筒体42之间夹有垫圈39，三者通过螺栓连接固定；所述垫圈39大径为520mm，小径为500mm，厚度为4mm，材质选自于三元乙丙橡胶、丁晴橡胶和硅胶中的任一种；所述筒体42底部沿对称的设有两个海水入口43，且均连接有管径为DN40的接管，冷媒出口8处连接有管径为DN100的接管，侧部的冷媒回流导管40的管径为DN50，与冷媒回流导管40对面的一侧上设有3个第一喷头36每个第一喷头36上连接有管径为DN40的喷头接管35，其顶部的冰浆卸料槽37的开口尺寸为300×200mm，上述接管及冰浆卸料槽37的材质均为316L不锈钢；两个海水入口43处的接管沿筒体42轴线对称布置，海水入口43的接管轴线与筒体42边缘相切且与水平面呈45°倾角；海水入口接管43的外端通过三通及管路与海水阀门14连接；自所述制冰装置冷媒出口8至LNG汽化器3之间及自冷媒罐出口7至第一喷头35之间的连接管道上分别依次设有控制冷媒流速、流量及压力的阀门44（9）和泵体45（10）；所述泵体45将换热后的冷媒升压后泵入至LNG汽化器内，所述泵体10将冷媒升压后通过管路分别泵入至所述3个第一喷头的接管35后通过第一喷头36泵入制冰装置41内，所述第一喷头36为实心锥喷头，工作压力0.2MPa，喷淋角度45°，其材质为塑料。

所述冰浆卸料槽37与水平面呈45°倾角；所述冰浆卸料槽37出口位于所述冰水分离器33的正上方；所述冰水分离器33上部外形为圆柱形、底部外形为圆锥形，直径为500mm，壁厚为15mm，材质可选用塑料、玻璃钢和不锈钢中的任一种。

所述冰水分离器33的上部为敞口，中部设有卡槽34，所述卡槽34安装于冰水分离器33内壁且与水平面呈45°倾角；所述卡槽34上安装有滤网31，所述滤网31的过滤精度为60目，材质为不锈钢；所述滤网31将冰水分离器33分为上下两腔体，其中上腔体为冰水分离器冰晶腔32，下腔体为冰水分离器盐水腔11；所述冰水分离器盐水腔11底部的盐水出口12处连接有管径为DN80的接管，冰水分离器侧部的抽气口13处设有1个管径为DN20的接管，上述接管材质均为316L不锈钢，接管与冰水分离器33均采用焊接连接；所述冰晶腔32侧部的冰晶收集口30的开口尺寸为300×200mm；所述盐水出口12经管路与系统外部相通；所述冰晶收集口30的下端面与滤网31上端面平齐且保持相同倾斜角度45°；所述冰晶收集口30通过滑道与所述冰浆生成器27相连通。

所述冰浆生成器27顶部和底部外形均为圆锥形、中间部分为圆柱形，直径为500mm，高度为800mm，壁厚为10mm，材质可选用塑料、玻璃钢和不锈钢中的任一种；所述冰浆生成器27顶部设有第二喷头（即冰浆生成器的喷头）29，所述第二喷头29为实心锥喷头，工作压力0.2MPa，喷淋角度45°，材质为塑料；所述冰浆生成器27底部的冰浆出口16处焊接有管径为DN80的接管；自所述冰浆出口16至融冰换热器冰浆入口19之间的管道上依次设有用于控制冰浆流速和压力的阀门17和冰浆泵18；所述融冰换热器21选用板式换热器，材料为钛，换热总面积10m²；所述融冰换热器21的冰浆入口19处、融冰换热器21的淡水出口26处、融冰换热器的海水入口25处及融冰换热器的海水出口20处均焊接有DN80的接管，材质均为316L不锈钢。所述冰浆泵18通过管路将冰浆排入至所述融冰换热器冰浆入口19；所述融冰换热器淡水出口26连接的管路经三通后被分为两路，一路经一阀门28与第二喷头29相连接，另一路则将淡水排往用户；自所述融冰换热器的海水入口25至系统的海水进口之间的连接管道上依次设有控制海水流速和压力及过滤海水的泵体22、阀门23和过滤器24；所述泵体22将海水升压后泵入至所述融冰换热器的海水入口25；所述融冰换热器海水出口20处连接的管路经三通后被分为两路，一路与阀门14相连接通向制冰装置的海水入口43，另一路与水射式喷射真空泵15的进口相连接；所述水射式喷射真空泵15引射口与抽气口13相连接；所述水射式喷射真空泵15的排出口经管路与系统外部相通。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，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，而不是限制性的，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的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统，包括LNG汽化器（3）和冷媒储罐（6），所述LNG汽化器（3）设有LNG入口（2）和气态天然气出口（1）；所述LNG汽化器（3）的底部与所述冷媒储罐（6）的顶部之间连接有冷媒管道（5）；

其特征在于：

还包括制冰装置（41）、冰水分离器（33）、冰浆生成器（27）、融冰换热器（21）和海水过滤器（24）；

所述制冰装置（41）包括有筒体（42），所述筒体（42）的上部设有冰浆卸料槽（37），所述制冰装置（41）的底部设有冷媒出口（8）和多个第一海水入口（43），所述制冰装置（41）的侧部分别设有多个第一喷头（36）和冷媒回流导管（40）；

自所述冷媒储罐（6）至所述制冰装置（41）的多个第一喷头（36）之间及自所述制冰装置（41）的冷媒出口（8）至所述LNG汽化器（3）的顶部之间分别通过连接管道连接有一阀门和一泵体；

所述冰浆卸料槽（37）的卸料口位于所述冰水分离器（33）的正上方；

所述冰水分离器（33）内设有倾斜的滤网（31），所述滤网（31）以上的腔体为冰晶腔（32），所述滤网（31）以下的腔体为盐水腔（11），所述冰晶腔的腔壁上设有冰晶收集口（30），所述冰晶收集口（30）通过一滑道连接至所述冰浆生成器（27），所述盐水腔（11）的侧壁上设有抽气口（13），所述盐水腔（11）的底部设有盐水出口（12）；

所述冰浆生成器（27）的顶部设有第二喷头（29），所述冰浆生成器（27）的底部设有冰浆出口（16）；

所述融冰换热器（21）的顶部设有淡水出口（26）和第二海水入口（25），所述融冰换热器（21）的底部设有冰浆入口（19）和海水出口（20）；

自冰浆生成器（27）的冰浆出口（16）至所述融冰换热器（21）的冰浆入口（19）之间通过连接管道连接有一阀门（17）和一冰浆泵（18）；

自海水过滤器（24）与所述第二海水入口（25）之间通过连接管道连接有一阀门（23）和一泵体（22）；

所述融冰换热器（21）的淡水出口（26）经一三通接头连接有两路管道，其中：一路上设有阀门并连接至第二喷头（29），另一路连接至淡水用户；

所述融冰换热器（21）的海水出口（20）经另一三通接头连接有两路管道，其中一路上设有一阀门并与所述制冰装置（41）底部的多个第一海水入口（43）并联，另一路上设有一水射式喷射真空泵（15），所述冰水分离器（33）的盐水腔（11）上的抽气口（13）通过连接管路连接至所述水射式喷射真空泵（15）。

2.根据权利要求1所述的基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统，其特征在于：所述冷媒储罐（6）中的冷媒用于实现液态天然气蒸发汽化及海水冷冻淡化，所述冷媒采用具备下列物理属性的电子氟化液：凝固点低于-80℃，密度大于海水，水中溶解度小于5ppm，无闪点，且对水质不会造成污染。

3.根据权利要求1所述的基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统，其特征在于：所述在制冰装置筒体（42）底部的多个第一海水入口（43）沿制冰装置筒体（42）周向上均布；所述第一海水入口（43）的轴线方向与水平方向之间具有40～60°的夹角。

4.根据权利要求1所述的基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统，其特征在于：所述冰水分离器（33）的盐水腔（11）呈倒置的圆锥形；所述冰水分离器（33）的内壁上设有用于安装滤网（31）的卡槽（34）；所述冰晶收集口（30）及所述滤网（31）与水平方向之间均分别具有30～45°的夹角。

5.根据权利要求1所述的基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统，其特征在于：所述融冰换热器（21）选用板式或管壳式换热器，所述融冰换热器（21）的材质选用钛、铝黄铜、不锈钢中的任一种。

6.一种基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化工艺，其特征在于：利用如权利要求1所述的基于液态天然气冷能的海水冷冻淡化系统在对液态天然气进行汽化的同时利用其释放的冷能进行海水冷冻淡化，所述冷媒储罐（6）中的冷媒采用凝固点低于-80℃，密度大于海水，水中溶解度小于5ppm，无闪点，且对水质不会造成污染的电子氟化液；其工艺是：

步骤一：打开系统中的所有阀门；

步骤二：在LNG汽化器（3）内，液态天然气通过吸收冷媒的热量被加热蒸发成气态天然气，气态天然气通过LNG汽化器（3）上的气态天然气出口（1）传输至天然气用户；LNG汽化器（3）内的冷媒经连接在所述LNG汽化器（3）的底部与所述冷媒储罐（6）的顶部之间的冷媒管道（5）进入冷媒储罐（6），打开自所述冷媒储罐（6）至所述制冰装置（41）的多个第一喷头（36）之间连接管道上的阀门（9），冷媒经自所述冷媒储罐（6）至所述制冰装置（41）的多个第一喷头（36）之间连接管道上的泵体（10）分流后传输至多个第一喷头（36）处，冷媒通过第一喷头（36）射入制冰装置（41）的筒体（42）内；经喷淋后的冷媒形成为细小的冷媒液滴；

与此同时，海水经泵体（22）进入所述融冰换热器（21），海水在所述融冰换热器（21）中通过吸收冰浆中的冷能来降低自身的初始温度，预冷后的海水一部分作为水射式喷射真空泵（15）的动力海水，另一部分通过管道并从第一海水入口（43）进入作为在制冰装置（41）进行制冰的原料海水；海水进入制冰装置的筒体（42）内后以螺旋上升的形式流动；

步骤三：上述冷媒液滴与制冰装置筒体（42）内部流动的海水完成直接接触式换热过程；部分海水与冷媒液滴换热后过冷形成冰晶，从而完成冷冻脱盐过程；由于冷媒、海水和冰的密度是依次减小的，因此在浮力和重力的共同作用下，换热后的冷媒向下沉降至所述制冰装置筒体（42）的底部；海水与冷媒分离后向上流动，形成的冰晶则漂浮在海水表面从而与海水形成冰浆混合物；

步骤四：下沉至所述制冰装置筒体（42）底部的冷媒和夹带在冰浆中的部分冷媒通过冷媒回流导管（40）回流至制冰装置筒体（42）的底部，再经制冰装置（41）的冷媒出口（8）后由设置在自所述制冰装置（41）的冷媒出口（8）至所述LNG汽化器（3）的顶部之间的连接管道上的泵体（45）重新泵入至LNG汽化器（3）内；

步骤五：制冰装置（41）制得的冰浆沿冰浆卸料槽（37）进入冰水分离器（33）上部的冰晶腔（32），水射式喷射真空泵（15）通过抽气口（13）引射盐水腔（11）中的气体，使所述冰水分离器（33）的腔内形成负压；冰浆中的盐水在重力和大气压力的共同作用下通过滤网（31）进入盐水腔（11），过滤后的冰晶在重力作用下通过与冰晶收集口（30）连接的滑道滑入至下方的冰浆生成器（27），位于冰浆生成器（27）顶部的第二喷头（29）将淡水均匀喷洒至冰晶内部，经掺混搅动后再次形成冰浆状态，在系统启动初期，供应第二喷头（29）的淡水来自于系统外部，待系统稳定产水后，系统外部的供淡水阀门关闭，将融冰换热器（21）所产生的部分冰浆融水通向第二喷头（29）作为生成冰浆用水；

步骤六：再次生成的冰浆通过设置在自冰浆生成器（27）的冰浆出口（16）至所述融冰换热器（21）的冰浆入口（19）之间的连接管道上的冰浆泵（18）泵入至融冰换热器（21）中，冰浆与海水换热后全部融化成淡水；所得淡水除少部分作为在冰浆生成器（27）内与冰晶混合用淡水以外，大部分淡水则作为产品水通过管道传输至淡水用户。

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