CN102730779A - 一种太阳能零液体排放海水淡化装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能海水淡化零液体排放装置和方法，应用液体喷雾方法和多级热空气接触实现海水中的水份快速、低能耗蒸发，100℃-400℃热空气由聚光太阳能集热器提供，微米尺度的海水液滴多次与干热空气进行水份扩散和热量传递，在雾化蒸发器中实现纳米液滴特性蒸发，得到的高温饱和湿空气经湿饱和湿空气冷凝器冷却得到淡水，其余低温饱和空气排空，固体结晶物从雾化蒸发器底部取出。本发明适用于海水淡化或苦咸水及其它电解质水溶液的浓缩分离或液固分离。其结构完善，太阳能利用充分，自动控制性强，效率高。

Description

一种太阳能零液体排放海水淡化装置和方法
技术领域
本发明属于利用太阳能进行液体电解质雾化分离技术，特别是涉及一种太阳能零液体排放海水淡化装置和方法。
背景技术
作为补充淡水的一种重要途径，随着海水淡化技术的发展，特别是膜法技术中的能量回收装置应用和膜性能的提高，海水淡化作为可持续开发淡水资源的手段在越来越多的国家发展起来。然而，现行海水淡化方法水回收率较低，热法海水淡化装置由于蒸汽冷凝需要大量海水，故其淡水回收率为20％～50％，膜法海水淡化装置的水回收率仅为30％～40％，其余大部分海水变成浓盐水被直接排回大海。在脱盐过程中主要加入阻垢剂防止由于浓缩产生Ca2SO4、CaCO3、Ma(OH)2等无机盐垢堵塞膜或沉积在换热管路上影响传热效果，对于膜法而言，还要定期或不定期加入杀生剂防止系统内微生物污垢的生成；由于海水淡化过程伴随着浓缩过程，高浓度盐水中Cl-对设备的腐蚀非常严重。而且，随着从海水淡化方法得到淡水需求的增加、海水淡化规模的增大，将有更多的高浓度、高温(对于热法海水淡化)、含有化学添加剂和腐蚀产物金属离子在内的受污染浓盐水直接排入海洋。可以肯定其对海洋生态的影响程度必将加剧。因此，大规模海水淡化可能引发的环境问题引起了国际社会越来越多的关注，包括海水淡化浓盐水排放对环境的潜在影响与海水淡化浓盐水合理排放等，海水淡化排放浓水已影响到海洋生态环境，有关新技术开发非常必要。
由于脱盐过程伴随着电能或热能的消耗，从环境保护和可持续发展的观点出发，用废热或清洁能源太阳能进行海水脱盐的技术研究也很多，主要是光热法太阳能淡化、光伏法反渗透脱盐、加湿脱湿法淡化，其中热法太阳能淡化主要是将现有热法海水淡化技术与太阳能加热产生蒸汽的简单连接，热效率和单位面积太阳能产水率都低，由于是真空蒸发，设备启动需要很长时间，太阳能又是不连续的能源，连续运行需要其他辅助能源；太阳能光伏反渗透海水淡化能量转化率低；加湿脱湿法淡化主要单位太阳能集热面积是产水量小。
从以上主要海水脱盐技术涉及工艺和材料来看，随在分离过程的进行，无机物结垢出现、沸点升高和渗透压变化会影响淡水的回收率。对于非常规的脱盐方法，比如冷冻法，由于海冰融水含盐量较高和储存问题受到限制；普通的加湿脱-湿法同样需要消耗常压蒸发需要的蒸发潜热；电吸附技术受到电极比表面荷电性能影响，还不适用处理浓盐水。
目前存在的流化床干燥技术耗能高，已知的膜法和热法海水淡化技术在处理高浓度盐水在经济和技术上存在瓶颈，寻求能实现海水包括处理高浓度盐水零液体排放淡化装置和方法非常必要。
发明内容
为解决公知技术中存在的技术问题，本发明提供一种太阳能零液体排放海水淡化装置和方法，目的之一是提供一种具有低能耗、无浓盐水排放的海水或浓盐水液固分离技术。本发明的目的之二是提供一种应用清洁能源太阳能为主要能源进行液固分离。
由于热法海水淡化都是基于宏观尺度连续的二维换热完成蒸发和冷凝过程，从微观毛细现象和纳米效应联想到液滴的蒸发，它由二维蒸发变成三维蒸发，连续性假定就不再有效，因为此时液滴的尺寸与其组成分子的尺寸仅大几个量级，液滴分子的结构和物理性质不能再被忽略。从数学的观点看，此量级上许多变量，如密度、温度等失去了空间和时间续性的特点。随着温度的升高，水的表面张力和其蒸发热会降低。根据已有的相关领域研究成果可以看出，介观液滴在高温蒸发过程中虽然处于亚临界状态，随着温度的升高，气化潜热和表面张力同时降低。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是提供一种太阳能零液体排放海水淡化装置，设有热空气加热装置和雾化蒸发器，其中，热空气加热装置包括风机(1)、气量调节阀(2)和聚光太阳能空气集热器(3)，原海水储罐(16)、加压泵(15)、过滤器(14)和喷嘴(10)组成压力喷雾装置；聚光太阳能空气集热器(3)的出口与雾化蒸发器(4)底部相连接，雾化蒸发器(4)设有多路出口热空气分布器(9)、带有筛网(6)、(7)、(8)、(11)的湿空气出口和喷嘴(10)，从雾化蒸发器上部出来的高温饱和热空气经湿饱和空气冷凝器(12)冷凝得到的淡水进入淡水储槽(13)，固体结晶从雾化蒸发器(4)下部出口到达固体结晶储槽(5)，原海水由原海水储罐(16)经加压泵(15)加压，通过微米过滤器(14)，然后到达喷嘴(10)。
所述多路出口热空气分布器9空气出口有两个以上。
所述湿饱和空气冷凝器12的冷端流体可以用于原海水预热。
所述原海水储罐16可以是储存海水，也可以储存其它不同浓度无机电解质溶液。
所述聚光太阳能空气集热器3为聚光加热系统，可以是CPC聚光即热或槽式聚光集热或碟式聚光。
所述喷嘴10可以是压力雾化喷嘴也可以是空气雾化喷嘴，喷嘴雾化压力0.3-0.8MPa，雾化后液滴体积中位数直径小于200μm。
所述雾化蒸发器4也可以用于不同浓度的液体电解质浓缩。
所述聚光太阳能空气集热器(3)加热空气温度在100℃-400℃。
本发明还提供一种太阳能海水淡化零液体排放装置的分离方法，其中，空气经聚光太阳能集热器加热，经喷嘴雾化的液滴在蒸发过程中多次与多路出口热空气分布器出口的干热空气接触实现纳米蒸发。
本发明的效果是：本发明避开渗透压升高、沸点升高等因素影响，并且，不再添加任何阻垢剂、杀生剂等化学添加剂，用太阳能实现水份高效、快度蒸发。
附图说明
图1是本发明太阳能零液体排放海水淡化装置示意图；
图中：
1、风机    2、气量调节阀    3-聚光太阳能空气集热器    4、雾化蒸发器
5、固体结晶储槽    6、7、8、11、筛网    9、多路出口热空气分布器
10、喷嘴    12、湿饱和空气冷凝器    13、淡水储槽    14、微米过滤器
15、加压泵     16、原海水储罐。
具体实施方式
结合附图及实施例对本发明的一种太阳能零液体排放海水淡化装置和方法详细加以说明。
本发明的原理：基于电解质水溶液在高温干空气中的蒸发过程就是水分子高度分散的过程，不同于一般加湿-脱湿分离过程，也不同与高耗能的流化床干燥技术，由于大多采用喷淋或填料使载体空气达到操作温度下湿度饱和，喷淋液滴远比喷雾液滴粒径大，并且，热空气温度低时，介观蒸发效应不显著，本发明将电解质溶液采用雾化方式预蒸发，雾化液滴体积中位数直径在200μm以下，加上从宏观到微观过程的快速低汽化潜热的亚临界蒸发过程，实现低能耗、快速液固分离。
分离装置和运行方法主要应用太阳能作为能源，用清洁可持续利用能源或工业废热作为电解液分离的主要能源，不但节约常规矿物质能源，降低温室气体的排放。太阳能是清洁能源中应该优先关注的问题之一，太阳能应用这些材料的工作温度范围可分为低温(温度＜100℃)，中温(100℃＜T＜400℃)，高温度(T＞400℃)。一般平板集热器或真空管集热器可以满足低温需求，中温需要抛物线聚光集热器来提供，而高温则由具有中央接收器的蝶式集热器完成。槽式抛物线聚光非常适合150℃-400℃的聚光集热。
如图1所示，一种太阳能海水淡化零液体排放装置和方法，包括风机1、气量调节阀2和聚光太阳能空气集热器3组成的热空气加热装置，原海水储罐16、加压泵15、过滤器14和喷嘴10组成压力喷雾装置；聚光太阳能空气集热器3的出口与雾化蒸发器4底部相连接，雾化蒸发器4设有多路出口热空气分布器9、带有筛网6、7、8、11的湿空气出口；从雾化蒸发器上部出来的高温饱和热空气经湿饱和空气冷凝器12冷凝得到的淡水进入淡水储槽13，从雾化蒸发器，下部出口得到固体结晶物5，原海水由原海水储罐16经加压泵15加压，通过微米过滤器14，然后到达喷嘴10。
多路出口热空气分布器5空气出口在两个以上。
聚光太阳能空气集热器3为聚光加热系统，可以是CPC聚光即热或槽式聚光集热或碟式聚光。
喷嘴10可以是压力雾化喷嘴也可以是空气雾化喷嘴，喷嘴雾化压力0.3-0.8MPa，雾化后液滴体积中位数直径小于200μm。
聚光太阳能空气集热器3加热空气温度在100℃-400℃。
利用上述的海水淡化零液体排放装置的分离方法是经喷嘴雾化的液滴在蒸发过程中多次与多路出口热空气分布器出口的干热空气接触实现多级纳米蒸发。
实施例1
本发明的一种太阳能零液体排放海水淡化装置，包括风机1、气量调节阀2和聚光太阳能空气集热器3组成的热空气加热装置；其特征是：原海水储罐16、加压泵15、过滤器14和喷嘴10组成压力喷雾装置，喷嘴10前端雾化前压力为0.5MPa；聚光太阳能空气集热器3的出口的热空气温度为280℃，并与雾化蒸发器4底部相连接，雾化蒸发器4设有多路出口热空气分布器9、带有筛网6、7、8、11的湿空气出口；从雾化蒸发器上部出来的高温饱和热空气经湿饱和空气冷凝器12冷凝得到的淡水进入淡水储槽13，从雾化蒸发器下部出口得到固体结晶物储槽5，原海水由原海水储罐16经加压泵15加压，通过微米过滤器14，然后到达喷嘴10。
实施例2
本发明的一种太阳能零液体排放海水淡化方法，原海水由原海水储罐16经加压泵15加压，通过微米过滤器14，然后到达喷嘴10。经喷嘴10雾化的液滴在蒸发过程中多次与多路出口热空气分布器9出口的干热空气接触实现多级纳米蒸发。
太阳能零液体排放海水淡化过程：含盐量为35000mg/L的海水，由原海水储罐16经加压泵15加压到0.6MPa，通过规格为10微米的过滤器14，然后到达喷嘴10。喷嘴10雾化的体积中位数直径为120μm，槽式聚光太阳能空气加热，3出口空气温度为265℃，经过四级出口热空气分布器9，由扩散和蒸发得到的水蒸汽进入空气流中，并经带有筛网6、7、8、11的湿空气出口到达空气冷凝器12，冷凝得到的淡水进入淡水储槽13，冷凝器前混合饱和湿空气温度为80℃，出冷凝器饱和湿空气温度为45℃并排空，得到含盐量为270mg/L的淡水进入淡水储13。固体结晶从雾化蒸发器4底部出口到达固体结晶储槽5。
实施例3
4m2水平放置焦距为27.5mm的抛物线聚光集热系统，受热管为φ58/70双通真空集热管，空气流量为25m3/h，空气温度由环境温度23℃升至260℃，20℃的海水以流速3L/h在0.4MPa压力下雾化，控制出口湿空气温度在75℃，海水中水分完全蒸发，得到结晶盐100g，同时还得到含盐量为300mg/L的淡水3L。
本实施例具有所述的太阳能零液体排放海水淡化装置和方法，工艺简单、无需添加任何化学添加剂，实现零液体排放。

Claims (9)

1.一种太阳能海水淡化零液体排放装置，设有热空气加热装置和雾化蒸发器，其特征在于：热空气加热装置包括风机(1)、气量调节阀(2)和聚光太阳能空气集热器(3)，原海水储罐(16)、加压泵(15)、过滤器(14)和喷嘴(10)组成压力喷雾装置；聚光太阳能空气集热器(3)的出口与雾化蒸发器(4)底部相连接，雾化蒸发器(4)设有多路出口热空气分布器(9)、带有筛网(6)、(7)、(8)、(11)的湿空气出口和喷嘴(10)，从雾化蒸发器上部出来的高温饱和热空气经湿饱和空气冷凝器(12)冷凝得到的淡水进入淡水储槽(13)，固体结晶从雾化蒸发器(4)下部出口到达固体结晶储槽(5)，原海水由原海水储罐(16)经加压泵(15)加压，通过微米过滤器(14)，然后到达喷嘴(10)。
2.根据权利要求1所述的海水淡零液体排放化装置，其特征在于：所述多路出口热空气分布器(9)空气出口有两个以上。
3.根据权利要求1所述的海水淡化零液体排放装置，其特征在于：所述湿饱和空气冷凝器(12)的冷端流体可以用于原海水预热。
4.根据权利要求1所述的海水淡化零液体排放装置，其特征在于：所述原海水储罐(16)可以是储存海水，也可以储存其它不同浓度无机电解质溶液。
5.根据权利要求1所述的海水淡化零液体排放装置，其特征在于：所述聚光太阳能空气集热器(3)为聚光加热系统，可以是CPC聚光即热或槽式聚光集热或碟式聚光。
6.根据权利要求1所述的海水淡化零液体排放装置，其特征在于：所述喷嘴(10)可以是压力雾化喷嘴也可以是空气雾化喷嘴，喷嘴雾化压力0.3-0.8MPa，雾化后液滴体积中位数直径小于200μm。
7.根据权利要求1所述的海水淡化零液体排放装置，其特征在于：所述雾化蒸发器(4)也可以用于不同浓度的液体电解质浓缩。
8.根据权利要求1所述的海水淡化零液体排放装置，其特征在于：所述聚光太阳能空气集热器(3)加热空气温度在100℃-400℃。
9.根据权利要求1所述的海水淡化零液体排放装置的分离方法，其特征在于：空气经聚光太阳能集热器加热，经喷嘴雾化的液滴在蒸发过程中多次与多路出口热空气分布器出口的干热空气接触实现纳米蒸发。
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