CN103723850B - 蒸汽装置和运行蒸汽装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了蒸汽装置10，其包括布置以产生蒸汽的锅炉18；反渗透单元14，其具有布置以接收流入水的RO入口46和通过渗透液管线60与锅炉18流体连通的渗透液出口58，其中在使用中反渗透单元14接收流入水并产生渗透液，渗透液通过渗透液管线被供至锅炉18；排放容器20，其与锅炉18流体连通，以接收来自锅炉18的热排放水，及排放容器出口84，其通过排放回流管线与RO入口46流体连通，其中在使用中，排放容器20产生冷却的排放水；和流动控制器86，其具有布置以监测冷却的排放水温度的温度传感器。在使用中，如果冷却的排放水的温度低于阈值，则运行流动控制器86，以将冷却的排放水导入RO入口46。还公开了运行蒸汽装置的方法和升级现有蒸汽装置的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种蒸汽装置、运行蒸汽装置的方法、以及升级现有蒸汽装置的方法。
背景技术
在利用蒸汽的工业和加热过程中，蒸汽产生于锅炉中，并通过管路以高温和高压传递至利用蒸汽中的能量的各种工业过程中。
重要的是控制进料至锅炉的原水质量，以防止在蒸汽装置中发生不期望的效果。这些不期望的效果包括装置的金属组件如管路和阀的腐蚀、以及传热速率的降低，其可以导致组件的过热和机械强度的损失。
水是指“硬的”或“软的”。硬水包含水垢形成性杂质，而软水包括很少或不包含水垢形成性杂质。硬度由钙和镁的矿物盐的存在导致，正是这些矿物盐促使水垢的形成。如果将硬水供至锅炉，则将在传热表面出现水垢，这将降低锅炉的传热和效率。此外，如果供至锅炉中的水包含溶解气体，特别是氧气，则锅炉表面、管路以及其他表面的腐蚀很有可能出现。如果水的pH值过低，则该酸性溶液将会侵蚀金属表面，如果pH值过高且该水是碱性的，则例如泡沫共腾的其他问题可能发生。
还希望防止锅炉水从锅炉被挟带至蒸汽系统中，因为这会导致控制阀和传热表面的污染、以及对蒸汽疏水阀孔口的受限。挟带典型地由“汽水共腾(priming)”或“泡沫共腾(foaming)”导致。汽水共腾是锅炉水喷入蒸汽输出，并且通常由于以过高的水位操作锅炉、在低于其设计压力下操作锅炉或过量的蒸汽需求所致。泡沫共腾是在水面和蒸汽输出之间的空间中形成泡沫，并且主要是由于锅炉水中的高含量杂质。
随着锅炉产生蒸汽，锅炉水中的任何杂质和不随着蒸汽汽化的任何杂质将在锅炉水中浓缩。随着溶解固体总量(TDS)变得越来越浓缩，蒸汽泡趋向于变得更加稳定，当它们接触到锅炉的水面时也不会破裂。最终，锅炉中的大部分蒸汽空间变得充满气泡，并且泡沫被挟带至蒸汽装置的主要部分中。因而，希望小心地控制锅炉水中的溶解固体总量(TDS)。可使用传感器来检测锅炉水的TDS值，并且被称为排放(blowdown)水的水被从锅炉排放到排放容器中，以保持TDS值在可接受的限值内。常规锅炉可在2000-3500ppm范围内的TDS下运行。排放水在排放容器中与较冷的水混合，然后排放至排水。
下表1显示出水中一些典型的杂质的技术名称和常用名称、以及它们的化学符号和它们的效果。
| 名称 | 符号 | 常用名 | 效果 |
| 碳酸钙 | CaCO3 | 白垩、石灰石 | 软水垢 |
| 碳酸氢钙 | Ca(HCO3)2 | 软水垢+CO2 | |
| 硫酸钙 | CaSO4 | 石膏、熟石膏 | 硬水垢 |
| 氯化钙 | CaCl2 | 腐蚀 | |
| 碳酸镁 | MgCO3 | 软水垢 | |
| 硫酸镁 | MgSO4 | 菱镁矿 | 腐蚀 |
| 碳酸氢镁 | Mg(HCO3)2 | 泻盐 | 水垢、腐蚀 |
| 氯化钠 | NaCl | 普通盐 | 电解 |
| 碳酸钠 | Na2CO3 | 洗涤碱或苏打 | 碱度 |
| 碳酸氢钠 | NaHCO3 | 小苏打 | 汽水共腾、泡沫共腾 |
| 氢氧化钠 | NaOH | 苛性钠 | 碱度、脆化 |
| 硫酸钠 | Na2SO2 | 芒硝 | 碱度 |
| 二氧化硅 | SiO2 | 硅石 | 硬水垢 |
表1
已知的是，通过在将原水作为进水供至锅炉之前去除各种杂质来处理原水，可由此减少上述不期望的效果。例如，如果水过硬，则锅炉中形成水垢，并且如果TDS值过高，则锅炉的排放速率必须提高，以防止锅炉中的TDS值变得过高而导致挟带。
蒸汽装置的水处理系统常规地包括过滤器单元、软化器单元和反渗透单元，原水依次通过这些单元。
过滤器单元常规地是碳过滤器，并且起着从原水中去除悬浮固体的作用。过滤器必须周期性地冲洗以清洁过滤器，并洗去过滤器中累积的残渣。
软化器单元起着降低过滤水的硬度的作用，并且通常包括两个软化器容器和盐水罐。每个软化器容器设有钠离子与其结合的树脂。随着过滤水通过树脂，与树脂结合的钠离子被取代并交换水中的钙离子和镁离子，从而降低了水的硬度。在一段时间以后，所有的钠离子将从树脂被取代，并被钙离子和镁离子替换。因此，可通过用来自盐水罐的高浓度氯化钠溶液冲洗树脂，使软化器容器再生。这使得与树脂结合的钙离子和镁离子被钠离子替换。软化器容器随后用水冲洗，以从软化器容器去除未结合的钙离子和镁离子。典型地，当使用一个软化器容器时，另一个进行再生，由此可软化水而不中断。
反渗透单元起着降低经软化的水的TDS值的作用。反渗透单元包括半透膜，其设置在两个腔室之间。具有高的TDS值的软化水被供至腔室之一，并且施用压力。所施加的压力导致具有低TDS值并被称为渗透液的纯水通过半透膜至另一腔室。包含高浓度杂质并由此具有高TDS值的浓缩液保留在所述半透膜的加压侧。渗透液作为进料水通过进料罐供至锅炉，浓缩液则排放至排水。供至反渗透单元的软化水可具有220ppm的TDS值，而用作进料水的渗透液可具有23ppm的TDS值。
如从以上应理解的是，蒸汽装置需要大容量的水来运行。特别地是最终用来产生蒸汽的原水，可以与热的排放水混合的冷水、用于软化器单元的盐水罐的水和用于过滤器和软化器单元的冲洗水。水是经济上昂贵的资源，并且占蒸汽装置大部分的运行成本。此外，这些水中的大部分最终被排放至排水，并且水务局通常会对此征收费用。水资源是有限的资源，并且对水的需求一直在增加。
因此，从经济上和环境的观点来看，希望降低蒸汽装置中水的消耗。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种蒸汽装置，其包括：锅炉，其布置以产生蒸汽；反渗透单元，其具有布置以接收流入水的RO入口，和渗透液出口，其通过渗透液管线与所述锅炉流体连通，其中在使用中所述反渗透单元接收流入水并产生渗透液，渗透液通过渗透液管线被供至所述锅炉；排放容器，其与所述锅炉流体连通以接收来自所述锅炉的热排放水、以及排放容器出口，其通过排放回流管线与RO入口流体连通，其中在使用中，排放容器产生冷却的排放水；和流动控制器，其具有布置以监测冷却的排放水温度的温度传感器(或恒温器)，其中在使用中，如果冷却的排放水的温度低于阈值，则流动控制器运行以将冷却的排放水导入所述RO入口。
通过在反渗透单元中使用来自排放容器的冷却的排放水，几乎无排放水从所述蒸汽装置被排放至排水。因此，可减少来自蒸汽装置的排放水的处置成本，由此降低蒸汽装置的运行费用，并降低蒸汽装置对环境的影响。
进而，可提高通过反渗透单元的流速和通过反渗透单元的流体温度，由此提高所述反渗透单元的效率。这可使反渗透单元的尺寸减小。
所述阈值可以是42℃。所述阈值可在30℃至50℃之间，或在35℃至45℃之间，或在37℃至42℃之间。
所述蒸汽装置还可包括软化器单元，其布置于排放容器和反渗透单元之间的排放回流管线中。该软化器单元起着在将冷却的排放水供入所述反渗透单元的RO入口之前软化来自排放容器的冷却的排放水的作用。
所述蒸汽装置还可包括布置以接收并暂时存储冷却的排放水的储存罐，冷却的排放水可接收自所述软化器单元。
在使用中，如果所述冷却的排放水的温度高于阈值，则可运行所述流动控制器，以将所述冷却的排放水导入排水。这确保如果所述冷却的排放水的温度确定为将会损坏反渗透单元的半透膜的温度时，则将所述冷却的排放水供至排水，而不是供至RO入口。
所述蒸汽装置还可包括热交换器，其中在使用中，如果冷却的排放水的温度高于阈值，则流动控制器可运行，以将所述冷却的排放水导入所述热交换器中。所述热交换器可布置以预热用于锅炉的进料水。所述热交换器使得所述冷却的排放水的温度进一步降低，以确保其低于阈值，例如43℃，其是它可被排放至排水的最大温度。同样，来自冷却的排放水的有用热量可被热交换器提取，由此改进所述蒸汽装置的效率。
根据本发明的另一个方面，提供了一种运行蒸汽装置的方法，其包括：从锅炉将热排放水供至排放容器，在所述排放容器中，将热排放水与较冷的水混合来产生冷却的排放水；确定出所述冷却的排放水的温度；如果所述冷却的排放水的温度低于阈值，则将所述冷却的排放水供至反渗透单元的RO入口。
所述方法还可包括在将所述冷却的排放水供至所述反渗透单元之前，使所述冷却的排放水通过所述软化器单元。
所述方法还可包括在将所述冷却的排放水供至所述反渗透单元之前，在储存罐中暂时地存储来自所述软化器单元的冷却的排放水。
所述方法还可包括如果所述冷却的排放水的温度高于阈值，则将所述冷却的排放水送至排水。
所述方法还可包括如果所述冷却的排放水的温度高于阈值，则使所述冷却的排放水通过热交换器。
根据本发明的另一个方面，提供了一种改进现有蒸汽装置的方法，所述蒸汽装置包括布置以产生蒸汽的锅炉；排放容器，其与所述锅炉流体连通以接收来自所述锅炉的排放水，并布置以从排放容器出口排出冷却的排放水；和反渗透单元，其具有与所述锅炉流体连通的渗透液出口；所述方法包括：将所述排放容器出口与所述反渗透单元的RO入口流体连接，由此在所述蒸汽装置的使用期间，冷却的排放水可被供至所述RO入口。
本发明可包括任何本文所涉及的特征和/或限制的组合，除非这些特征的组合是相互对立的。
附图说明
参照随附的图1，以下通过示例的方式描述本发明的实施方案，图1示意性地显示蒸汽装置的一部分。
具体实施方式
图1示意性地显示蒸汽装置10的一部分，其包括处理单元12、反渗透单元14、进水罐(热井)16、锅炉18和排放容器20。在使用中，处理单元12和反渗透单元14处理原水，原水通过进水罐16被供至锅炉18以产生蒸汽。由锅炉18所产生的蒸汽在高温和高压下通过管路被传输到利用蒸汽中的能量的各个工业过程中(未显示)。在周期性间隔中，排放水从锅炉18中被排入排放容器20中，在容器20中，排放水被冷却和排放。尽管并未在图1示意中显示，可设置各种泵、阀和传感器，以控制系统周围的水流和蒸汽流。
处理单元12具有用于接收原水的入口22和用于排出处理水的出口24。处理单元12包括碳过滤器形式的过滤器26，和流体串联连接的软化器单元28。过滤器26布置以从原水中去除悬浮固体，软化器单元28布置以降低水的硬度。过滤器26还设有冲洗水管线36和排水管线38。软化器单元28包括第一和第二软化器容器30、32，其每个包含钠离子与其结合的树脂，还包括用于再生软化器容器30、32的盐水罐34。软化器单元28还设有控制阀，其使得过滤水流通过软化器容器30、32之一，而软化器容器30、32的另一个被再生。这使得可连续使用软化器单元28。软化器单元28还设有盐水罐注入管线40、冲洗水管线42和排放管线44。
尽管已描述存在过滤器26和软化器单元，但在其他实施方案中也可仅有一个存在。例如，如果原水是软水，则仅设有过滤器。此外，附加的水处理装置或单元可按需并入处理单元12中。
处理单元12的出口24通过流入水管线48流体连接至反渗透单元14的RO入口46。这使得由处理单元12处理的原水可供至反渗透单元14。反渗透单元14布置以降低供自处理单元12的经处理的流入水的溶解固体总量(TDS)。如图1示意性地显示的，反渗透单元14包括由半透膜54分离的流入液腔室50和渗透液腔室52。RO入口46对进料液腔室50开放，流入液腔室50还设有浓缩液出口56，从浓缩液出口56可排放具有高TDS值的浓缩液。渗透腔室52设有渗透液出口58，从渗透液出口58可排放具有低TDS值的渗透液。在使用中，流入腔室50保持在压力下，并将流入水通过RO入口46供至该腔室。被称为渗透液且杂质低的纯水通过膜54，其中纯水可从渗透液出口58排出，而杂质高的浓缩物可从浓缩液出口56排出。
反渗透单元14的渗透液出口58连接至渗透液管线60，渗透液管线60构造以将通过反渗透单元14所产生的渗透液供至进水罐16中。进而，进水罐16通过进水供管线62流体连接至锅炉18，使得在进水罐16中的进水可被供至锅炉18。锅炉62构造为从进水产生蒸汽，并设有蒸汽供管线64，其用于将蒸汽输送和传递至蒸汽装置中的各个过程(未示出)。
锅炉18还设有具有朝向所述锅炉底部的排放出口66，锅炉底部与排放管线68相接。排放管线68将锅炉18连接至排放容器20，使得热排放水可从锅炉18排放至排放容器20中。排放容器20还设有排放管线70，其能够通过排放容器出口84从排放容器20供应冷却的排放水。
除了上述组件，蒸汽装置10还包括流动控制器86，其可运行以将冷却的排放水导入排水，或导入反渗透单元14的RO入口46。流动控制器86包括入口88、温度传感器90和三通阀92、回流出口94和排水出口96。流动控制器86的入口88连接至排放管线70，使得冷却的排放水可被供至流动控制器86。温度传感器90构造为可监测冷却的排放水的温度，阀92构造为根据温度将冷却的排放水导入回流出口94或排水出口96。
流动控制器86的回流出口94通过排放回流管线98流体连通至RO入口46，软化器单元100和储存罐102在流动控制器86和RO入口46之间的排放回流管线98中串联连接。这使得冷却的排放水能够被供至反渗透单元14。
软化器单元100与处理单元12的软化器单元28相似，并且其包括两个软化器容器104和106、以及盐水罐(未示出)。软化器单元100基本上以与处理单元12的软化器单元28相同的方式运行，以降低通过软化器单元100的冷却的排放水的硬度。其还可以相同的方式从盐水罐(未示出)再生。在将(软化)冷却的排放水供至反渗透单元14之前，所述储存罐102可暂时储存(软化)冷却的排放水。
流动控制器86的排水出口96连接至排放管线108，热交换器110布置在排放管线108中。热交换器110的布置用以从所述冷却的排放水中提取有用的热量。例如，热交换器110可用来预热锅炉的进水，并可如此布置于渗透液管线40中，这使得在渗透液通过进水罐16之前，它可预热来自反渗透单元的渗透液。
在使用中，原水被供至处理罐12的进口22，并通过碳过滤器26以除去水中的任何悬浮颗粒。然后将过滤水通过软化器单元28以降低水的硬度。软化器单元28包括两个软化器容器30、32，过滤水通过这些容器30、32中的一个时，另一个容器被再生(如以下详述的)。当过滤水通过软化器容器30、32中的树脂时，水中的镁离子或钙离子取代并交换与树脂结合的钠离子。这样由此通过用钠离子取代镁离子或钙离子而降低了水的硬度。然后使过滤和软化过的水通过流入水管线48作为处理过的流入水进入反渗透单元14的RO入口46。处理过的流入水进入到反渗透单元14的流入液腔室50中，并承受高压。低杂质并因此具有低TDS值的渗透液通过膜54进入渗透液腔室52，而高杂质并因此具有高TDS值的浓缩液保留在流入液腔室50中。所述浓缩液以已知的速度通过反渗透单元14的浓缩液排出口56。相对软且具有相对低的TDS值的渗透液通过渗透液管线60进料至进水罐16中。各种化学物被供至进水罐16中的进料水。锅炉进料水通过进料水供管线62进料至锅炉18，在锅炉18中其被加热产生蒸汽。所述蒸汽通过蒸汽供管线64被传输至蒸汽装置10的各个工业过程。
在锅炉18的锅炉水中的杂质由于其不被汽化而浓缩，所述锅炉水的TDS值因此增大。如前所述，如果TDS值过高，则锅炉中的形成的泡沫可被挟带进入所述蒸汽系统的其余地方。因此，在周期性间隔中，具有高TDS值的排放水通过排放水管线68经过排放出口66从锅炉18中排放至排放容器20。排放水的温度如果对其而言过高则不能立即排放至排水。因此，在其通过排放容器出口84从排放容器20排出之前，供至排放容器20的热排放水在排放容器20中与较冷的水混合。
在该实施方案中，冷却的排放水通过排放容器出口84排出，并供至流动控制器86。流动控制器86的温度传感器90监测冷却的排放水的温度，流动控制器86确定其是否高于或低于阈值，在该实施方案中，阈值为42℃。
如果冷却的排放水的温度低于阈值，流动控制器86运行阀92，以便将冷却的排放水通过排放水回流管线98导入RO入口46。在到达反渗透单元14之前，使冷却的排放水通过软化器单元100的软化器容器104、106之一。然后在将软化的冷却的排放水供至所述RO入口46之前，将软化的冷却的排放水通入储存罐102中，在其中水被暂时储存。
设定流动控制器86的阈值温度，使得如果冷却的排放水被导入RO入口46，则其到达反渗透单元14时，它低于将会损害反渗透单元14的膜54的温度。例如，膜54可承受至多为37℃的温度。如果情况如此，必须设定流动控制器86的阈值，使得在冷却的排放水到达反渗透单元14时，其具有37℃或更低的温度。如果在流动控制器86和反渗透单元14之间的水的热损失预期为5℃，则流动控制器86的阈值可设定为42℃。但是，如果回流管线98被良好隔热，则该阈值将不得不降低。
供至RO入口46的冷却的排放水可以具有比来自处理单元12的通过流入水管线48供应的流入水更高的温度。所述冷却的排放水因此将起着提高反渗透单元14中水温的作用。该温升可导致反渗透单元14更有效地起作用，并能够使用较小的反渗透单元。此外，通过将所述冷却的排放水供至RO入口46，通过反渗透单元14的水的流速将提高。这还可提高反渗透单元14的效率。因此，在反渗透单元14中使用冷却的排放水可提供反渗透单元的运行效率的改进，并确保较少冷却的排放水被排放入排水，由此至少降低了处置排放水的成本。
如果冷却的排放水的温度高于所述阈值，流动控制器86运行阀92，从而使冷却的排放水被导入热交换器110，然后通过排水管线108导入排水。热交换器110起着进一步降低冷却的排放水的温度的作用，并且提取可用于预热进料水的有用的热量。热交换器110可起到进一步冷却排放水的作用，使得在将其排放至排水之前，其低于法定限值(例如43℃)。如果热交换器110被用来预热进水，其可以提高锅炉18的效率。
虽然已描述了该阈值为42℃，但应理解的是，可设定任何合适的阈值温度。
虽然未在图1中显示出，附加的流动控制器可设在RO入口46之前的排放回流管线98中。该附加的流动控制器可以监测排放回流管线98中的冷却的排放水的温度，并且如果所述温度高于37℃，该水可被排放至排水，以保护反渗透单元14的半透膜。
虽然已描述了流动控制器86包括温度传感器90，但应理解的是，所述温度传感器可以是恒温器或双金属阀或用于监测所述冷却的排放水温度并控制阀的开关的任何其他合适的组件。
参照附图1，上述的蒸汽装置10的一些组件已存在于现有的蒸汽装置中；虽然构造整体上有所不同。因此，它可升级或改进现有的蒸汽装置10，以将来自排放容器20的冷却的排放水用于蒸汽装置10的其他部分，由此使现有的蒸汽装置更有效，并对环境友好。
已描述了特定组件通过特定管线与另一个组件流体连通，但应理解的是，这可以是直接或间接的，并且其他组件可布置在两者之间的流路中。例如，在上述的实施方案中，反渗透单元14可通过渗透液管线60与锅炉18流体连通。但是，进水罐16布置在这两者之间的流路上，并且从进水罐16至所述锅炉18设置另一个流体管线62。
Claims (11)
1.一种蒸汽装置，其包括：
锅炉，其布置以产生蒸汽；
反渗透单元，其具有布置以接收流入水的RO入口，和通过渗透液管线与所述锅炉流体连通的渗透液出口，其中在使用中，所述反渗透单元接收流入水并产生渗透液，所述渗透液通过渗透液管线被供至所述锅炉；
排放容器，其与所述锅炉流体连通，以接收来自所述锅炉的热排放水，以及排放容器出口，其通过排放回流管线与所述RO入口流体连通，其中在使用中，所述排放容器产生冷却的排放水；和
流动控制器，其具有布置以监测所述冷却的排放水的温度的温度传感器，其中在使用中，如果所述冷却的排放水的温度低于阈值，则运行所述流动控制器，以将所述冷却的排放水导入所述RO入口。
2.权利要求1的蒸汽装置，其还包括软化器单元，所述软化器单元布置在所述排放容器和反渗透单元之间的排放回流管线中。
3.权利要求2的蒸汽装置，其还包括布置以接收和暂时存储来自所述软化器单元的冷却的排放水的储存罐。
4.前述权利要求中任一项的蒸汽装置，其中在使用中，如果所述冷却的排放水的温度高于阈值，则运行所述流动控制器，以将所述冷却的排放水导入排水。
5.权利要求4的蒸汽装置，其还包括热交换器，其中在使用中，如果所述冷却的排放水的温度高于阈值，则运行所述流动控制器，以将所述冷却的排放水导入所述热交换器。
6.一种运行蒸汽装置的方法，其包括：
将来自锅炉的热排放水供至排放容器，在所述排放容器中热排放水与较冷的水混合，以产生冷却的排放水；
确定所述冷却的排放水的温度；和
如果所述冷却的排放水的温度低于阈值，则将所述冷却的排放水供至反渗透单元的RO入口。
7.权利要求6的方法，其还包括：
在将所述冷却的排放水供至所述反渗透单元之前，使所述冷却的排放水通过软化器单元。
8.权利要求7的方法，其还包括：
在将所述冷却的排放水供至所述反渗透单元之前，在储存罐中暂时存储来自所述软化器单元的冷却的排放水。
9.权利要求6-8中任一项的方法，其还包括：
如果所述冷却的排放水的温度高于阈值，则将所述冷却的排放水送入排水。
10.权利要求9的方法，其还包括：
如果所述冷却的排放水的温度高于阈值，则使所述冷却的排放水通过热交换器。
11.一种改进现有的蒸汽装置以提供如权利要求1-5任一项所述的蒸汽装置的方法，所述方法包括：
将所述排放容器出口与所述反渗透单元的RO入口流体连接，使得在所述蒸汽装置的使用过程中，冷却的排放水能够被供至所述RO入口；和
提供流动控制器，其具有布置以监测所述冷却的排放水的温度的温度传感器，其中在所述蒸汽装置的使用中，如果所述冷却的排放水的温度低于阈值，则运行所述流动控制器以将所述冷却的排放水导入所述RO入口。
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