CN103550941B - 一种低温蒸发浓缩装置及高浓度废水浓缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温蒸发浓缩装置，包括卡诺制热循环装置、一蒸发浓缩器，所述的卡诺制热循环装置包括通过管道循环连接的压缩机、蒸发器、膨胀阀、冷凝器；冷凝器加热侧进口连接进料管道；蒸发浓缩器内设有一空气循环通道，空气循环通道包括一料液浓缩区和一冷凝水生成区，空气循环通道底部设有一将冷凝水生成区中的冷空气吹向料液浓缩区的风机。本发明还公开了一种采用上述低温蒸发浓缩装置的高浓度废水浓缩方法。本发明具有的有益效果为：在低温（40℃—95℃）常压下脱盐，脱水和（或）回收高浓度盐和高度污染废水，可生产副产品干净的冷凝水；零排放。

Description

一种低温蒸发浓缩装置及高浓度废水浓缩方法

技术领域

    本发明涉及废水处理领域，特别涉及一种低温蒸发浓缩装置及高浓度废水浓缩方法。

背景技术

高浓度的卤水和化学废水不能直接排入城市废水系统，处理的方式：第1种方式运往特殊的工厂处理，因为费用较高，这些废水只能就地储存，直到没有存储空间为止。第2种方式进多效蒸发器进行多效蒸发浓缩，但是得有蒸汽供应，而且多效蒸发器的级数3到6时，能效才能较高，对于逆流加料流程，完成液的排出温度较高，还可进一步闪蒸浓缩，进一步提高能效。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种可以在低温下进行高倍蒸发浓缩的低温蒸发浓缩装置及采用上述的低温蒸发浓缩装置的高浓度废水浓缩方法。

为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：一种低温蒸发浓缩装置，其特征在于：包括卡诺制热循环装置、一蒸发浓缩器，所述的卡诺制热循环装置包括通过管道循环连接的压缩机、蒸发器、膨胀阀、冷凝器；所述的冷凝器吸热侧进口连接进料管道；

所述的蒸发浓缩器内设有一空气循环通道，空气循环通道包括一料液浓缩区和一冷凝水生成区，空气循环通道底部设有一将冷凝水生成区中的冷空气吹向料液浓缩区的风机；

所述的料液浓缩区上设有一用于热料液和冷空气进行换热的气液换热装置，气液换热装置与冷凝器的吸热侧出口相连；料液浓缩区下方上设有一锥形料液收集部；

所述的冷凝水生成区上设有第一换热器，料液浓缩区中吹过来的热空气连接第一换热器放热侧入口，第一换热器的吸热侧出口通过管道与进料管道相连，冷凝水生成区下方设有一锥形冷凝水收集部，锥形冷凝水收集部通过管道与冷凝水收集罐相连；

还包括第二换热器，第二换热器的吸热侧进口与吸热侧出口连接制冷剂生成装置的制冷剂出口及制冷剂进口；所述的第二换热器设于蒸发浓缩器内或设于蒸发浓缩器外；

当所述的第二换热器设于蒸发浓缩器内时：所述的锥形料液收集部通过管道、第一料泵连接第一换热器的吸热侧进口，第一换热器的放热侧出口连接第二换热器的放热侧进口，第二换热器的放热侧出口的冷空气吹向风机；

当所述的第二换热器设于蒸发浓缩器外部时：所述的锥形料液收集部通过管道、第一料泵连接第二换热器的放热侧进口，第二换热器的放热侧出口连接第一换热器的吸热侧进口，第一换热器的放热侧出口的冷空气吹向风机。

优选的，还包括一间接换热器，所述的间接换热器的吸热侧进口连接进料管道，间接换热器的放热侧进口、放热侧出口分别与卡诺制热循环装置的冷凝器中的吸热侧出口、吸热侧进口相连；所述的气液换热装置与间接换热器的吸热侧出口相连。

进一步，所述的气液换热装置为喷淋器或无风机冷却塔。

优选的，所述的气液换热装置上方的空气循环通道上设有一除雾板。

进一步，所述的进料管道上还设有一分流管道与锥形料液收集部相连。

进一步，当第二换热器设于蒸发浓缩器内时，还包括第一固液分离装置，所述的第一料泵出口和第一换热器吸热侧进口分别与第一固液分离装置的入口和第一出口相连；当第二换热器设在蒸发浓缩器之外时，还包括第一固液分离装置和第二固液分离装置，所述的第一料泵出口与第二换热器放热侧入口分别与第一固液分离装置的入口和第一出口相连，所述的第二换热器放热侧出口和第一换热器吸热侧进口分别与第二固液分离装置入口和第一出口相连。

具体的，第一固液分离装置和第二固液分离装置上都包括入口、第一出口和第二出口，入口是与流动含有析出固体（如油脂、或晶体等）的过饱和溶液的管道相连，第一出口与流动不含有或少含有析出固体（如油脂、或晶体等）的过饱和溶液的管道相连，第二出口与流动含有较多析出固体（如油脂、或晶体等）的过饱和溶液的管道相连或与含有潮湿固体管道相连；它的作用是利用离心力或膜过滤技术手段将含有析出固体的过过饱和溶液分成2股流：一股流是不含有或少含有析出固体（如油脂、或晶体等）的过饱和溶液，另一股流是与流动含有较多析出固体（如油脂、或晶体等）的过饱和溶液的管道相连或与含有潮湿固体的料口相连。

进一步，所述的锥形料液收集部为双锥形料液收集部，双锥形料液收集部包括第一锥形料液收集部和第二锥形料液收集部，第一锥形料液收集部上设有一过滤网，第一锥形料液收集部通过管道、第一料泵与第一换热器的吸热侧进口相连；第二锥形料液收集部通过第二料泵连接第一固液分离装置的入口，第一固液分离装置的第一出口连接第一锥形料液收集部。

进一步，所述的制冷剂生成装置为卡诺制热循环装置，第二换热器的吸热侧出口连接压缩机与蒸发器间的管道，第二换热器的吸热侧进口连接蒸发器与膨胀阀间的管道；或者第二换热器的吸热侧进口连接压缩机与蒸发器间的管道，第二换热器的吸热侧出口连接蒸发器与膨胀阀间的管道。

进一步，当设有间接换热器时，还包括一膨胀水箱、循环泵，所述的膨胀水箱出水口通过管道与循环泵、冷凝器吸热侧进口相连，冷凝器吸热侧出口通过管道与间接换热器放热侧进口相连，间接换热器放热侧出口连接膨胀水箱进水口或膨胀水箱与循环泵之间的管道。

本发明还包括一种高浓度废水的浓缩方法，其特征在于：采用上述的低温蒸发浓缩装置进行蒸发浓缩；所述的进料管道中的进料液在与卡诺制热循环装置换热后的料液出口温度为50℃-95℃；所述的蒸发浓缩器内的空气循环管道内压力为常压，从料液浓缩区出来的湿热空气温度为45℃-90℃,从冷凝水生成区出来的冷空气温度为0℃-35℃，料液收集部的料液温度为0℃-40℃。

优选的，所述的卡诺制热循环装置中的制冷剂优选为R717。

采用上述技术方案，本发明所述的低温蒸发浓缩装置及高浓度废水浓缩方法，具有的有益效果为：

1)      在低温（40℃—95℃）常压下脱盐，脱水和（或）回收高浓度盐和高度污染废水；

2)      脱盐、脱水或回收过程中低能耗，指每吨冷凝水所耗得电能度数大大降低； 

3)      由于每次滴落下来料液只是析出少量固体，造成积盐、结垢机会大大减少，所以只需少量的清洗即可；

4)      低温蒸发更适合热敏感性的料液处理；

5)      可生产副产品干净的冷凝水；

6)      零排放；

7)      针对高浓度盐废水、染料废水及油脂废水，回收高浓度盐或染料或油脂。

附图说明

图1为本发明所述的低温蒸发浓缩装置示意图1；

图2为本发明所述的低温蒸发浓缩装置示意图2；

图3为本发明所述的低温蒸发浓缩装置示意图3；

图4为本发明所述的低温蒸发浓缩装置示意图4；

图5为本发明所述的低温蒸发浓缩装置示意图5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种低温蒸发浓缩装置，包括卡诺制热循环装置1、一蒸发浓缩器3，所述的卡诺制热循环装置1包括通过管道循环连接的压缩机101、蒸发器102、膨胀阀103、冷凝器104；冷凝器104的吸热侧进口连接进料管道4；所述的蒸发浓缩器3内设有一空气循环通道31，空气循环通道31包括一料液浓缩区311和一冷凝水生成区312，空气循环通道31底部设有一将冷凝水生成区312中的冷空气吹向料液浓缩区311的风机32； 

所述的冷凝水生成区312上设有第一换热器7、第二换热器8，料液浓缩区311中吹过来的热空气连接第一换热器7放热侧入口，第一换热器7的放热侧出口连接第二换热器8的放热侧进口，第二换热器8的放热侧出口的冷空气吹向风机32，第二换热器8的吸热侧进口与吸热侧出口连接制冷剂生成装置9的制冷剂出口及制冷剂进口，冷凝水生成区312下方设有一锥形冷凝水收集部10，锥形冷凝水收集部10通过管道与冷凝水收集罐11相连；

所述的料液浓缩区311上设有一用于热料液和冷空气进行换热的气液换热装置12，本实施例中气液换热装置12为喷淋器；也可以为无风机冷却塔。气液换热装置12上方最好设有一除雾板20。气液换热装置12与冷凝器104的吸热侧出口相连；料液浓缩区311下方上设有一锥形料液收集部13，锥形料液收集部13通过管道、第一料泵14连接第一固液分离装置15入口150、第一固液分离装置15第一出口151连接第一换热器7的吸热侧进口，第一固液分离装置15的第二出口152排出含有较多析出固体（如油脂、或晶体等）的过饱和溶液，第一换热器7的吸热侧出口通过管道与进料管道4相连；进料管道4上还设有一分流管道16与锥形料液收集部13相连。

如图2所示，其与图1的区别在于，还设有一间接换热器2，间接换热器2的吸热侧进口连接进料管道4，还包括一膨胀水箱5、循环泵6，膨胀水箱5出水口通过管道与循环泵6、冷凝器104吸热侧进口相连，冷凝器104吸热侧出口通过管道与间接换热器2放热侧进口相连，间接换热器2放热侧出口连接膨胀水箱5进水口也可以连接于膨胀水箱与循环泵之间的管道；气液换热装置12与间接换热器2的吸热侧出口相连。

如图3所示，其与图2的区别在于：锥形料液收集部13为双锥形料液收集部，双锥形料液收集部包括第一锥形料液收集部131和第二锥形料液收集部132，第一锥形料液收集部131上设有一过滤网17，第一锥形料液收集部通过管道、第一料泵14与第一换热器7的吸热侧进口相连；第二锥形料液收集部132通过第二料泵18连接第一固液分离装置15入口150，第一固液分离装置15的第一出口151连接第一锥形料液收集部131。

如图4所述：其与图2的区别在于：制冷剂生成装置9直接采用卡诺制热循环装置1，第二换热器8的吸热侧出口连接压缩机101与蒸发器102间的管道，第二换热器8的吸热侧进口连接蒸发器102与膨胀阀103间的管道。

如图5所示，其与图2的区别在于，所述的第二换热器8设于蒸发浓缩器3外部，且锥形料液收集部13通过管道、第一料泵14、第一固液分离装置15第一出口151连接第二换热器8的放热侧进口，第二换热器8的放热侧出口连接第二固液分离装置19入口190，第二固液分离装置19第一出口191连接第一换热器7的吸热侧进口，第二固液分离装置第二出口192排出含有较多析出固体（如油脂、或晶体等）的过饱和溶液；第一换热器7的放热侧出口的冷空气吹向风机32；采用该方式的目的在于，用制冷剂来降温料液浓缩区出来的冷料液，生成温度更低的冷料液再进入第一换热器使从冷凝水生成区的空气更低，从而避免空气循环管道的空气温度持续上升。

具体使用时，以图2的低温蒸发浓缩装置为例，从蒸发器出来的低温低压气态冷媒R717在经过压缩机压缩后变成高温高压的气态冷媒，再经过冷凝器换热释放出液化热后，冷凝成高温高压的液态冷媒；高温高压的液态冷媒经过膨胀阀后低温低压的液态冷媒，低温低压的液态冷媒经过风冷蒸发器吸热蒸发成低温低压的气态冷媒。从膨胀水箱中出来的液体，再经过泵加压后，流进冷凝器逐渐吸热升温，出来变成热水，与此同时在放热侧冷媒由气态变成液态。从冷凝器出来的热水流进间接换热器，将热量传给2股不同温差的混合料液，同时逐渐降温，从间接换热器出来的较低温度的冷却水回到膨胀水箱；

来自工艺排放的废水（高浓度的卤水和化学废水），即高浓度废水，与来自第一换热器出来的温度较高的废水混合后去间接换热器吸热升温，变成热废水；

热废水通过喷淋部分蒸发和散发热量给冷空气，从而使得冷空气变成热湿空气,热废水流失水蒸气得到浓缩，且热交换后变成冷废水。收集在底部锥形料液收集部的冷废水，（由于降温造成溶解度降低和蒸发造成的溶质浓度上升，随着循环不断进行，溶质浓度逐渐上升到有固体析出），通过第一料泵先经固液分离后，进入第一换热器，与蒸气量含量较多的热湿空气进行逆流热交换吸收大部分热量，使得冷废水吸热变成温度较高的废水，而温度较高的废水和原料高浓度废水混合后进入间接换热器进行换热升温，从而回收大部分空气温差热量和蒸汽潜热。从第一换热器出来的冷空气再经过第二换热器进行进一步降温变成较冷空气，而较冷空气通过风机加压后流向料液浓缩区；其中热湿空气经过第一换热器和第二换热器降温后产生冷凝水最后落到/流到冷凝水收集装置，而在冷凝水收集装置内的冷凝水通过水泵加压打出。

粗算一下：由于水蒸汽潜热：2260KJ/Kg，直接用电加热水变成一吨蒸汽需要消耗的电能度数=2260*1000*1000/3600/1000≈628(度)；该系统采用卡诺制热循环和回收蒸发热及散热的理论粗算值：

卡诺制热循环：冷源温度30℃，热源温度85℃，那么R717冷媒的制热循环COP<(273+85)/((273+85)-(273+30))=6.51,而查R717冷媒压焓图得R717在30℃低温低压气态的焓值约1480KJ/Kg,绝热过程压缩到85℃高温高压气态的焓值约1680 KJ/Kg，在冷凝器等温液化成高温高压液态的焓值：630 KJ/Kg，其COP=(1680-630)/ (1680-1480)=5.25。

回收蒸发热及散热：在含水汽的空气循环中，热损失主要来至于几个方面：1、冷凝器和间接换热器的之间冷却水和部件的热损失；2、空气循环管道与外界之间的热损失；3、第二换热器降温循环空气所造成的热损失等；估计能量回收效率50-93%，先按70%计算。由于在压缩过程中，电能变成压缩功转化效率低于100%及制热循环中其它损失造成COP比5.25低较多，暂取3，那么蒸发冷凝成一吨冷凝水所消耗的电能度数≈628/3/(1/(1-70%))≈63度。乘数放大效应是指3与(1/(1-70%))相乘，而不是能量回收效果与卡诺制热节能效果相加。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种高浓度废水的浓缩方法，其特征在于：采用低温蒸发浓缩装置进行蒸发浓缩；所述的低温蒸发浓缩装置：包括卡诺制热循环装置、一蒸发浓缩器，所述的卡诺制热循环装置包括通过管道循环连接的压缩机、蒸发器、膨胀阀、冷凝器；所述的冷凝器吸热侧进口连接进料管道；所述的蒸发浓缩器内设有一空气循环通道，空气循环通道包括一料液浓缩区和一冷凝水生成区，空气循环通道底部设有一将冷凝水生成区中的冷空气吹向料液浓缩区的风机；所述的料液浓缩区上设有一用于热料液和冷空气进行换热的气液换热装置，气液换热装置与冷凝器的吸热侧出口相连；料液浓缩区下方上设有一锥形料液收集部；所述的冷凝水生成区上设有第一换热器，料液浓缩区中吹过来的热空气连接第一换热器放热侧入口，第一换热器的吸热侧出口通过管道与进料管道相连，冷凝水生成区下方设有一锥形冷凝水收集部，锥形冷凝水收集部通过管道与冷凝水收集罐相连；还包括第二换热器，第二换热器的吸热侧进口与吸热侧出口连接制冷剂生成装置的制冷剂出口及制冷剂进口；所述的第二换热器设于蒸发浓缩器内或设于蒸发浓缩器外；当所述的第二换热器设于蒸发浓缩器内时：所述的锥形料液收集部通过管道、第一料泵连接第一换热器的吸热侧进口，第一换热器的放热侧出口连接第二换热器的放热侧进口，第二换热器的放热侧出口的冷空气吹向风机；当所述的第二换热器设于蒸发浓缩器外时：所述的锥形料液收集部通过管道、第一料泵连接第二换热器的放热侧进口，第二换热器的放热侧出口连接第一换热器的吸热侧进口，第一换热器的放热侧出口的冷空气吹向风机；

所述的进料管道中的进料液在与卡诺制热循环装置换热后的料液出口温度为50℃-95℃；所述的蒸发浓缩器内的空气循环管道内压力为常压，从料液浓缩区出来的湿热空气温度为45℃-90℃,从冷凝水生成区出来的冷空气温度为0℃-35℃，料液收集部的料液温度为0℃-40℃。

2.根据权利要求1所述的一种高浓度废水的浓缩方法，其特征在于：还包括一间接换热器，所述的间接换热器的吸热侧进口连接进料管道，间接换热器的放热侧进口、放热侧出口分别与卡诺制热循环装置的冷凝器中的吸热侧出口、吸热侧进口相连；所述的气液换热装置与间接换热器的吸热侧出口相连。

3.根据权利要求2所述的一种高浓度废水的浓缩方法，其特征在于：还包括一膨胀水箱、循环泵，所述的膨胀水箱出水口通过管道与循环泵、冷凝器吸热侧进口相连，冷凝器吸热侧出口通过管道与间接换热器放热侧进口相连，间接换热器放热侧出口连接膨胀水箱进水口或膨胀水箱与循环泵之间的管道。

4.根据权利要求1所述的一种高浓度废水的浓缩方法，其特征在于：所述的气液换热装置为喷淋器或无风机冷却塔；所述的气液换热装置上方的空气循环通道上设有一除雾板。

5.根据权利要求1所述的一种高浓度废水的浓缩方法，其特征在于：所述的进料管道上还设有一分流管道与锥形料液收集部相连。

6.根据权利要求1所述的一种高浓度废水的浓缩方法，其特征在于：当第二换热器设于蒸发浓缩器内时，还包括第一固液分离装置，所述的第一料泵出口和第一换热器吸热侧进口分别与第一固液分离装置的入口和第一出口相连；当第二换热器设在蒸发浓缩器之外时，还包括第一固液分离装置和第二固液分离装置，所述的第一料泵出口与第二换热器放热侧入口分别与第一固液分离装置的入口和第一出口相连，所述的第二换热器放热侧出口和第一换热器吸热侧进口分别与第二固液分离装置入口和第一出口相连。

7.根据权利要求6所述的一种高浓度废水的浓缩方法，其特征在于：所述的锥形料液收集部为双锥形料液收集部，双锥形料液收集部包括第一锥形料液收集部和第二锥形料液收集部，第一锥形料液收集部上设有一过滤网，第一锥形料液收集部通过管道、第一料泵与第一换热器的吸热侧进口相连；第二锥形料液收集部通过第二料泵连接第一固液分离装置的入口，第一固液分离装置的第一出口连接第一锥形料液收集部。

8.根据权利要求1所述的一种高浓度废水的浓缩方法，其特征在于：所述的制冷剂生成装置为卡诺制热循环装置，第二换热器的吸热侧出口连接压缩机与蒸发器间的管道，第二换热器的吸热侧进口连接蒸发器与膨胀阀间的管道；或者第二换热器的吸热侧进口连接压缩机与蒸发器间的管道，第二换热器的吸热侧出口连接蒸发器与膨胀阀间的管道。

9.根据权利要求1所述的一种高浓度废水的浓缩方法，其特征在于：所述的卡诺制热循环装置中的制冷剂为R717。