CN103626209B - 适用于高原地区的高效热能回收利用方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于高原地区的高效热能回收利用方法及系统。本方法利用聚光式太阳能光热装置对导热油加热至高温，之后应用其对减压蒸发进行快速补热，同时，采用多种方式对热能进行回收，可以回收生产过程中的大部分热能，使用高原地区的连续生产成为可能。通过热能回收利用，使得工业生产所需的电力消耗大大下降，可大幅减少光伏电站的装机容量，极大地降低了固定投资。

Description

适用于高原地区的高效热能回收利用方法及系统

技术领域

本发明涉及一种适用于高原地区，特别是偏远高原地区的高效热能回收利用方法及系统。

背景技术

高原地区，特别是地理位置偏远的高原地区，普遍人烟稀少，昼夜温差大，基础设施薄弱，交通不便，水电供应严重不足。但是同时，高原地区又贮藏着大量的矿产资源有待开发。

如高原地区的盐湖中含有多种高价值的矿物盐，如锂、钾等具有战略意义的盐。但是盐湖中的矿物盐含量普遍较低，大规模开采利用难度较大。受限于恶劣的自然条件，近年来的开采工艺主要是盐湖水晒盐法、矿床开采等方法，其中晒盐法是最环保的开采方法。在晒盐法开采矿物盐的过程中，结晶操作直接影响着开采效率。一般而言，盐湖卤水要经历制卤、浓缩、结晶等多个过程，生产周期达10个月之久，生产效率慢。加速矿物盐结晶有利于缩短开采时间，提高产率。

目前的加速结晶方法主要是太阳池自然蒸发，该方法集中利用日照提高卤水温度，加速矿物盐析出，但此法严重依赖自然天气，受日照强度、风雨等因素的影响，对于产量的提高具有一定的局限性，还是没有从根本上改变“靠天吃饭”的状况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于高原地区的高效热能利用方法及系统。

本发明所采取的技术方案是：

高效热能回收利用方法，包括如下步骤：

1)        利用聚光式太阳能光热装置，将导热油加热至120℃以上，备用；

2)        通过太阳能光热装置对水箱热端内的液态导热介质和预热池中的卤水进行加热，预热后的卤水导入升温釜；

3)        高温热泵从水箱冷端吸热，通过水箱热端向升温釜放热，将升温釜中的卤水加热至所需温度；

4)        将升温釜中的卤水导入反应釜内，抽真空进行减压浓缩，将加热后的导热油导入反应釜内的热交换器对反应釜进行快速补热，将反应釜内减压浓缩中产生的蒸汽通过管路导入预热池内的热交换器进行冷却，得到的蒸馏水收集在蒸馏水箱；

5)        将反应釜内结晶后的高温上清液通过管路导入冷端结晶釜，水箱冷端通过热交换器与冷端结晶釜进行热交换，将高温上清液冷却，冷却结晶后的常温或低温上清液导入上清液沉淀池；

6)        使用导热油对蒸馏水进行加热，并对反应釜内的粗结晶盐进行擦洗，将高温擦洗液导入擦洗液保温釜；

7)        必要时使用加热后的蒸馏水或沉淀后的热擦洗液对系统与卤水接触的装置及管路进行冲洗，回收冲洗液中的热能之后将常温冲洗液回湖。

作为本发明的进一步改进，水箱热端和水箱热端内容纳的液态导热介质独立为水、导热油。

适用于高原地区的高效热能回收利用系统，包括：预热池、升温釜、反应釜、冷端结晶釜、擦洗液保温釜和上清液沉淀池；预热池、升温釜、反应釜、冷端结晶釜和蒸馏水箱均设有热交换器，擦洗液保温釜内设有恒温器；预热池设有连接至升温釜的管路，升温釜设有连接至反应釜的管路，反应釜设有连接至冷端结晶釜和擦洗液保温釜的管路，冷端结晶釜设有连接至上清液沉淀池的管路；

所述系统还设有导热油箱，导热油箱连接有加热导热油的聚光式太阳能光热装置，以及连接至反应釜内的热交换器和蒸馏水箱热交换器的闭合导热油管路；

水箱热端和预热池连接有用于向其供热的太阳能光热装置；

水箱热端和水箱冷端之间设有高温热泵，水箱热端和升温釜之间设有热交换器；水箱冷端与冷端结晶釜之间设有热交换器；

反应釜连接有抽真空装置，抽真空装置设有将蒸汽导入预热池内的热交换器并延伸至蒸馏水箱的管路；蒸馏水箱设有将蒸馏水导入反应釜和擦洗液保温釜的管路。

作为本发明的进一步改进，预热池由至少两个预热池串联而成。

作为本发明的进一步改进，水箱热端连接有用于向其辅助供热的电热加装置。

作为本发明的进一步改进，上述系统中使用的高温热泵具有：

实现热交换产生热水的多点热平衡换热器，其具有冷水输入端，其出口端输出的热水经过水泵和单向阀后接入水箱热端；

热泵压缩机，其压缩输出的冷媒依次经过蒸发器、节流器后提供给多点热平衡换热器，冷媒从多点热平衡换热器输出后又被热泵压缩机吸入循环；

所述的多点热平衡换热器由多组换热器串联而成，各组换热器间设有交叉流道。

作为本发明的进一步改进，多点热平衡换热器的热水出口端设有温度调节阀，温度调节阀的输出连接水泵。

作为本发明的进一步改进，热泵压缩机与蒸发器之间设有气液分离器。

作为本发明的进一步改进，多点热平衡换热器的冷水输入端设有除污仪。

作为本发明的进一步改进，高温热泵使用的冷媒为质量比为R124:R245a:R22=3：3：1的三元复合冷媒。

本发明的有益效果是：

本发明的方法，可以高效回收热能，同时具备快速换热能力和慢速换热能力，满足工业生产对热的不同需求，可广泛应用于各种需要升温、冷却的工业生产过程，特别适用于盐湖矿物盐的提取。

本发明的系统，可以充分利用高原地区丰富的太阳，高效地回收热能，并为生产提供稳定的供热，满足生产的需要。同时，本发明系统可以副产淡水，进一步满足生产和生活需要。

本发明的系统，设计合理，使用液体和热泵进行热能交换，使的卤水仅在各种釜内进行结晶，不会使卤水输送管路结垢。利用高温导热油对卤水进行快速补热，可以满足水在减压状态下大量蒸发时所需要的热量，可以实现标准化操作，在有阳光的情况下，约1～2小时即可完成一批卤水的浓缩结晶，在午间热量充足的情况下，10～30min即可完成一批卤水的浓缩结晶，大大加快了卤水的浓缩，便于从卤水中提取各种矿物盐，使得生产更为可控，避免了“靠天吃饭”。

使用多级预热池串联，每个预热池中的卤水量相对减少，结合逆流换热，可以更快地得到温度更高的卤水，同时提高换热效率，满足连续生产的需要。

与使用电阻式加热器对液体进行加热相比，本发明的系统可在相同耗电的前提下提升2～3倍的制热量，同时回收了生产流程中绝大部分热能，实现了高原地区的高效热能回收利用，与大幅减少了高原地区工业化提取装置所需要的能源，大大减少了固定投资量，绿色环保。

本系统所使用的高温热泵，换热效率高，通过一级热泵即可在高原地区将水箱热端的温度提升85℃，换热效率高。同时，热泵不与腐蚀性强的卤水直接接触，使用寿命长，可以稳定运行。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明系统高温热泵的结构示意图；

图3是本发明系统多点热平衡换热器的结构示意图。

具体实施方式

高效热能回收利用方法，包括如下步骤：

1)        利用聚光式太阳能光热装置，将导热油加热至120℃以上，备用；

2)        通过太阳能光热装置对水箱热端内的液态导热介质和预热池中的卤水进行加热，预热后的卤水导入升温釜；

3)        高温热泵从水箱冷端吸热，通过水箱热端向升温釜放热，将升温釜中的卤水加热至所需温度；

4)        将升温釜中的卤水导入反应釜内，抽真空进行减压浓缩，将加热后的导热油导入反应釜内的热交换器对反应釜进行快速补热，将反应釜内减压浓缩中产生的蒸汽通过管路导入预热池内的热交换器进行冷却，得到的蒸馏水收集在蒸馏水箱；

5)        将反应釜内结晶后的高温上清液通过管路导入冷端结晶釜，水箱冷端通过热交换器与冷端结晶釜进行热交换，将高温上清液冷却，冷却结晶后的常温或低温上清液导入上清液沉淀池；

6)        使用导热油对蒸馏水进行加热，并对反应釜内的粗结晶盐进行擦洗，将高温擦洗液导入擦洗液保温釜；

7)        必要时使用加热后的蒸馏水或沉淀后的热擦洗液对系统与卤水接触的装置及管路进行冲洗，回收冲洗液中的热能之后将常温冲洗液回湖。

为了更为快速地供热，使用聚光式太阳能光热装置将导热油加热至120℃以上，优选加热至150℃以下，更佳的，加热至200℃以上。

水箱热端需要与升温釜换热，加热升温釜内的卤水，液态导热介质的温度一般在70～80℃。为获得更好的加热效果，要求水箱热端内的液态导热介质具有更高的温度。水的价格低廉，安全性较高，无污染，但是其沸点较低；导热油的价格较高，沸点高，安全性好，但是其比热容较低。根据具体的应用需要，液态导热介质可以选择水或导热油，或其他的液态导热介质。

水箱冷端需要与冷端结晶釜换热，介质温度一般不超过40℃。使用比热容高、低成本和高安全性的水作为导热介质更为经济实用。当然，如有特殊要求，也可以采用导热油或其他液态导热介质。

下面结合附图，进一步说明本发明。

参照图1～3，适用于高原地区的高效热能回收利用系统，包括预热池1、升温釜8、反应釜2、冷端结晶釜4、擦洗液保温釜3和上清液沉淀池5；预热池1、升温釜8、反应釜2、和冷端结晶釜4内均设有热交换器，擦洗液保温釜3内设有恒温器；预热池1设有连接至升温釜8的管路，升温釜8设有连接至反应釜2的管路，反应釜2设有连接至冷端结晶釜4和擦洗液保温釜3的管路，冷端结晶釜4设有连接至上清液沉淀池5的管路，

所述系统还设有导热油箱60，导热油箱60连接有加热导热油的聚光式太阳能光热装置，以及连接至反应釜内的热交换器和蒸馏水箱热交换器的闭合导热油管路；

水箱热端61和预热池1连接有用于向其供热的太阳能光热装置；

水箱热端61和水箱冷端62之间设有高温热泵，水箱热端61和升温釜1之间设有热交换器；水箱冷端62与冷端结晶釜4之间设有热交换器；

反应釜2连接有抽真空装置21，抽真空装置21设有将蒸汽导入预热池1内的热交换器并延伸至蒸馏水箱 22的管路；蒸馏水箱 22设有将水导入蒸馏水加热器并延伸至反应釜2和擦洗液保温釜3的管路。

作为本发明的进一步改进，预热池由至少两个预热池串联而成。不同的预热池之间相对独立，可以对其中容纳的卤水进行逐级加热，保证预热末端的卤水可以较快达到所需要的温度。

作为本发明的进一步改进，水箱热端连接有用于向其辅助供热的电热加装置。通过使用辅助供热装置，可以将富余的电力转化为热能，加速生产。同时也避免了直接加热卤水导致加热装置结垢，影响加热效率。

作为本发明的进一步改进，上述系统中使用的高温热泵7具有：

实现热交换产生热水的多点热平衡换热器71，其具有冷水输入端，其出口端输出的热水经过水泵713和单向阀714后接入水箱热端61；

热泵压缩机72，其压缩输出的冷媒依次经过蒸发器721、节流器722后提供给多点热平衡换热器71，冷媒从多点热平衡换热器71输出后又被热泵压缩机72吸入循环；

所述的多点热平衡换热器71由多组换热器715串联而成，各组换热器715间设有交叉流道716。

作为本发明的进一步改进，多点热平衡换热器71的热水出口端设有温度调节阀717，温度调节阀717的输出连接水泵713。

作为本发明的进一步改进，热泵压缩机72与蒸发器721之间设有气液分离器723。

作为本发明的进一步改进，多点热平衡换热器71的冷水输入端设有除污仪718。

作为本发明的进一步改进，高温热泵使用的冷媒为质量比为R124:R245a:R22=3：3：1的三元复合冷媒。该复合冷媒的排气压力在23～24公斤，回气压力在2～3公斤，冷凝温度在115～120℃，在海拔3500～4500米保证热水温度最高达到85℃，满足高原工业化生产应用。

下面结合从盐湖中提取碳酸锂，进一步说明本发明方法和系统。

高效热能回收利用提取碳酸锂的方法，包括如下步骤：

1)      利用聚光式太阳能光热装置，将导热油加热至200℃以上，备用；

2)      通过太阳能光热装置以及辅可选的辅助电加热装置将水箱热端内的水加热至80℃以上，同时将预热池中的卤水进行预热，将预热后的卤水导入升温釜；

3)      将水箱热端内的热水循环导入升温釜内的换热盘管，将升温釜中的卤水加热至70℃以上；

4)      将升温釜中的温度达70℃以上卤水导入反应釜内，抽真空进行减压浓缩，同时将加热后的导热油导入反应釜内的热交换器对反应釜进行快速补热，保证卤水可以持续快速沸腾，快速蒸发浓缩；将减压浓缩中产生的蒸汽通过管路导入预热池内的热交换器进行冷却，释放出的热先对二级预热池（高温）进行加热，冷凝后的热水导入一级预热池（低温）的换热器，这样通过逆流换热，使得卤水与蒸汽（热水）之间保持较大的温差，既可以将二级预热温中的卤水有效地预热，又可以充分回收蒸汽中的潜热；得到的蒸馏水收集在蒸馏水箱，备用；

5)      将反应釜内结晶后的高温上清通过管路导入冷端结晶釜，将水箱冷端内的液态导热介质循环导入冷端结晶釜内的换热盘管，将冷端结晶釜内的高温上清液冷却，温度降低后，上清液中的盐饱和结晶，得到K、Na盐；冷却结晶后的常温或低温上清液导入上清液沉淀池，进行进一步的回收处理或补充至盐湖中，减少其对盐湖生态的破坏；

6)      使用导热油对蒸馏水进行加热，使用加热后的蒸馏水对沉积在反应釜内的碳酸锂粗结晶盐进行擦洗，溶解其中的K、Na盐，收集擦洗液导入擦洗液保温釜，保温沉降，进一步回收其中的碳酸锂；收集、干燥反应釜内的碳酸锂结晶；

7)      当设备运行一段时间后，使用加热后的蒸馏水或擦洗液保温釜内的上清液对系统与卤水接触的装置和管路进行冲洗，冼去管路中、反应釜、擦洗液保温釜内因为长期运行而生成的盐垢，回收冲洗液中的热能之后将冲洗液回湖。

按上述生产工艺，约1～2小时即可完成一批卤水的浓缩结晶，在午间热量充足的情况下，10～30min即可完成一批卤水的浓缩结晶。按一天8～10小时的工作时间计算，当天即可完成多批卤水的浓缩结晶，收集得到的碳酸锂可以统一集中在擦洗液保温釜内保温过夜，待晶体长大后继续后处理得到纯度高达90%以上的碳酸锂结晶，完全摆脱了“靠天吃饭”的传统生产工艺。

本发明方法及系统，可以回收利用系统中近60～70%的热能，可以使配套的太阳能光伏发电电站的装机容量降低至原装机容量的25～33%，大幅减少了固定投资。

试验数据表明，在海拔3700以上的高原地区，采用聚光式太阳能光热装置，一般在上午10：00左右即可达到100℃以上的温度，直至18：30左右，其温度依然可以保护在120℃以上，完全可以实现工业化生产，彻底改变了现有盐湖的生产工艺。

Claims (11)

1.高效热能回收利用方法，包括如下步骤：

1)        利用聚光式太阳能光热装置，将导热油加热至120℃以上，备用；

2)        通过太阳能光热装置对水箱热端内的液态导热介质和预热池中的卤水进行加热，预热后的卤水导入升温釜；

3)        高温热泵从水箱冷端吸热，通过水箱热端向升温釜放热，将升温釜中的卤水加热至所需温度；

4)        将升温釜中的卤水导入反应釜内，抽真空进行减压浓缩，将加热后的导热油导入反应釜内的热交换器对反应釜进行快速补热，将反应釜内减压浓缩中产生的蒸汽通过管路导入预热池内的热交换器进行冷却，得到的蒸馏水收集在蒸馏水箱；

5)        将反应釜内结晶后的高温上清液通过管路导入冷端结晶釜，水箱冷端通过热交换器与冷端结晶釜进行热交换，将高温上清液冷却，冷却结晶后的常温或低温上清液导入上清液沉淀池；

6)        使用导热油对蒸馏水进行加热，并对反应釜内的粗结晶盐进行擦洗，将高温擦洗液导入擦洗液保温釜。

2.根据权利要求1所述的高效热能回收利用方法，其特征在于：使用加热后的蒸馏水或沉淀后的热擦洗液对系统与卤水接触的装置及管路进行冲洗，回收冲洗液中的热能之后将常温冲洗液回湖。

3.根据权利要求1或2所述的高效热能回收利用方法，其特征在于：水箱冷端和水箱热端的液态导热介质独立为水或导热油。

4.适用于高原地区的高效热能回收利用系统，包括：预热池、升温釜、反应釜、冷端结晶釜、擦洗液保温釜和上清液沉淀池；预热池、升温釜、反应釜、冷端结晶釜和蒸馏水箱均设有热交换器，擦洗液保温釜内设有恒温器；预热池设有连接至升温釜的管路，升温釜设有连接至反应釜的管路，反应釜设有连接至冷端结晶釜和擦洗液保温釜的管路，冷端结晶釜设有连接至上清液沉淀池的管路，其特征在于：

所述系统还设有导热油箱，导热油箱连接有加热导热油的聚光式太阳能光热装置，以及连接至反应釜内的热交换器和蒸馏水箱热交换器的闭合导热油管路；

水箱热端和预热池连接有用于向其供热的太阳能光热装置；

水箱热端和水箱冷端之间设有高温热泵，水箱热端和升温釜之间设有热交换器；水箱冷端与冷端结晶釜之间设有热交换器；

反应釜连接有抽真空装置，抽真空装置设有将蒸汽导入预热池内的热交换器并延伸至蒸馏水箱的管路；蒸馏水箱设有将蒸馏水导入反应釜和擦洗液保温釜的管路。

5.根据权利要求4所述的高效热能回收利用系统，其特征在于：预热池由至少两个预热池串联而成。

6.根据权利要求4所述的高效热能回收利用系统，其特征在于：水箱热端连接有用于向其辅助加热装置。

7.根据权利要求4所述的高效热能回收利用系统，其特征在于：所述的高温热泵具有：

实现热交换产生热水的多点热平衡换热器，其具有冷水输入端，其出口端输出的热水经过水泵和单向阀后接入水箱热端；

热泵压缩机，其压缩输出的冷媒依次经过蒸发器、节流器后提供给多点热平衡换热器，冷媒从多点热平衡换热器输出后又被热泵压缩机吸入循环；

所述的多点热平衡换热器由多组换热器串联而成，各组换热器间设有交叉流道。

8.根据权利要求7所述的高效热能回收利用系统，其特征在于：所述的多点热平衡换热器的热水出口端设有温度调节阀，温度调节阀的输出连接水泵。

9.根据权利要求7所述的高效热能回收利用系统，其特征在于：所述的热泵压缩机与蒸发器之间设有气液分离器。

10.根据权利要求7所述的高效热能回收利用系统，其特征在于：所述的多点热平衡换热器的冷水输入端设有除污仪。

11.根据权利要求7所述的高效热能回收利用系统，其特征在于：所述的高温热泵使用的冷媒为质量比为R124:R245a:R22=3：3：1的三元复合冷媒。