CN104211130A - 一种利用废热的低温蒸发浓缩结晶系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用废热的低温蒸发浓缩结晶系统，包括蒸发室、含有至少一台换热器的换热器组、冷却器、冷凝室以及风机，其中，所述蒸发室、风机以及冷凝室彼此连接形成一闭合循环回路；所述换热器组的入水口与出水口分别与原水口及蒸发器相连，其换热介质入口分别与冷凝室的换热介质出口以及废热源相连，换热介质出口经冷却器与冷凝室的制冷介质入口相连；所述系统还包括与蒸发室的结晶盐出口相连的固液分离器；其中，所述废热源为各种工业废热、余热或废气，如：低温乏气、低温循环水、冲渣水、地热尾水、太阳能热水等。采用本发明的系统及方法，可在相对较低的温度下对高浓度含盐废水进行资源化、无害化处理，能耗低，能量重复利用率高。

Description

一种利用废热的低温蒸发浓缩结晶系统及方法

技术领域

本发明涉及一种废水处理系统，具体涉及一种利用各种工业废热、余热、废气等，可在相对较低的温度下对高浓度含盐废水进行资源化、无害化处理的低温蒸发浓缩结晶系统，此外，本发明还涉及一种利用该系统对高浓度含盐废水进行处理的低温蒸发浓缩结晶方法，属于环保领域。

背景技术

随着我国工业的发展，高浓度含盐废水的产生途径日益广泛，废水量也逐年增加，对生态环境产生了诸多危害。针对高浓度含盐废水，此前工业上主要利用高效耐盐均处理或加水稀释后排放，采用此类处理方式，不仅浪费了大量的水资源，而且不能从总量上控制排入环境中的盐量，难以实现对废水的有效处理。

除上述处理方法外，近年来又出现了许多其它的处理技术，例如多效蒸发(MED)、蒸汽压缩冷凝(VC)、多级闪蒸(MSF)等。多效蒸发是让加热后的盐水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发处理的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。其中，低温多效蒸发是蒸馏法中最节能的方法之一，但其存在的主要问题在于：装置单机处理能力低、易结垢，设备的工程造价高以及传热效率低等。蒸汽压缩冷凝脱盐是盐水预热后，进入蒸发器并在蒸发器内部进行蒸发，其所产生的二次蒸汽经压缩机提高压力后引入到蒸发器的加热侧，蒸汽冷凝后作为产品税引出，以此实现热能的循环利用。然而，采用这种处理工艺，对设备材质的要求极高，且系统运行过程中需要消耗大量的热量，存在一次性投入和运行费用极高的缺点，只可能在特别缺少的地区发电厂中采用。多级闪蒸技术是针对多效蒸发工艺中结垢较为严重的缺点而发展起来的，其问世就得到了广泛的应用及发展，具有设备简单可靠、运行安全性高、防垢性能好、操作弹性大等优点，但其存在能耗相对较高，热量重复利用率等不足。

如何降低蒸发浓缩结晶过程中的能量消耗、提高热能的重复利用率、降低运行成本、并使蒸发浓缩结晶一体化，实现系统的高效稳定运行以及具有一定通用性的系统单元一直是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用各种工业废热、余热、废气等，能在相对较低的温度下对各类高浓度含盐废水进行蒸发浓缩结晶处理，从而实现盐、水有效分离的低温蒸发浓缩结晶系统。此外，本发明的另一目的在于提供一种利用该系统对高浓度含盐废水进行处理的处理方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用废热的低温蒸发浓缩结晶系统，包括蒸发室、含有至少一台换热器的换热器组、冷却器、冷凝室以及风机，其中，所述蒸发室、风机以及冷凝室彼此连接形成一闭合循环回路；所述换热器组的入水口与出水口分别与原水口及蒸发器相连，其换热介质入口分别与冷凝室的换热介质出口以及废热源相连，换热介质出口经冷却器与冷凝室的制冷介质入口相连；所述系统还包括与蒸发室的结晶盐出口相连的固液分离器。

优选的是：所述换热器组包括串联设置的第一换热器和第二换热器，所述第一换热器的入水口与原水入口相通，其换热介质入口与冷凝器的换热介质出口相连，换热介质出口经冷却器与冷凝室的制冷介质入口相连，第一换热器的出水进入到第二换热器中；所述第二换热器的换热介质入口与废热源相连，其出水与蒸发室相连。

优选的是：所述废热源为各种工业废热、余热或废气，如：低温乏气、低温循环水、冲渣水、地热尾水、太阳能热水等。

优选的是：所述第一换热器为高效防腐的钛板式换热器；所述第二换热器为耐温防腐的列管式换热器或钛板式换热器。

优选的是：所述换热器组前还设有混合槽，所述混合槽的入水口与原水入口及蒸发室的浓盐水出口相连，混合槽的出水口与换热器组的入水口相连。

优选的是：所述蒸发室和冷凝室的结构相同，其内部设有布水系统、填料、收水器以及储槽，且所述布水系统为槽式布水或管式布水。

优选的是：所述蒸发室和冷凝室设置有多个，当多个蒸发室和冷凝室串联使用时，在串联的蒸发室和串联的冷凝室之间设有风管，使得串联的蒸发室和冷凝室整体形成闭合回路；当多个蒸发室和冷凝室并联使用时，每一蒸发室单独引出风管与并联的冷凝室对应连接，使得每一蒸发室和与其对应的冷凝室分别形成一闭合回路。

本发明的另一目的，一种利用如上所述的系统对高浓度含盐废水进行处理的方法，包括以下步骤：

1)原水经泵提升进入到换热器组中换热升温后进入蒸发室中与来自冷凝室的冷空气进行换热蒸发，在风机的作用下，空气在蒸发室和冷凝室内进行强制循环，冷空气在蒸发室内经过与原水换热后携带一部分水气和热量至冷凝室中，并与冷凝室内的清水换热降温，降温后的空气又在风机的作用下重新返回至蒸发室内；

2)蒸发室蒸发产生的含有结晶盐的混合液进入到固液分离器中进行脱水分离，脱水产生的浓水返回至蒸发室中进行循环蒸发；

3)冷凝室中产生的高温清水进入到换热器组与原水进行换热，原水温度升高后进入蒸发室进行换热蒸发，高温清水降温后进入冷却器中再次降温后返回至冷凝器中作为冷却水对空气进行降温。

优选的是：所述换热器组包括串联的第一换热器和第二换热器，原水依次经第一换热器、第二换热器换热升温后进入到蒸发室中进行换热蒸发，且所述第二换热器的换热介质入口与废热源相连。

优选的是：所述废热源为各种工业废热、余热、废气，如：低温乏气、低温循环水、冲渣水、地热尾水、太阳能热水等。

相对于现有的高浓度含盐废水处理系统及方法，本发明所述的系统及方法的有益效果在于：1)本系统利用了各种工业废热、余热、废气等，因此相对于现有的含盐废水处理系统，本系统的能耗低，运行费用少；2)由于利用的是各种废热源，因此本发明的系统不受区域限制，特别适用于资源及能源相对缺乏的地区或偏远山区等地区的高浓度含盐废水的处理；3)整个系统的运行温度在80℃以下低温运行，具有高效、安全、稳定可靠的优势，且采用的是逆流或横流的蒸发室和冷凝室，可有效避免设备在换热过程中存在的结垢风险；4)蒸发室内出来的蒸汽通过在冷凝室内喷淋冷凝，可将水气所携带的能量转移到清水里，升温后的清水进入到换热器组中给原水循环加热，进而显著提高了能量的重复利用率；5)本系统处理彻底，过程中不产生任何污染物，经本系统处理的各种高浓度含盐废水，其最终产物是结晶盐和清水，结晶盐可进入下一提纯分离单元进行回收，而清水可直接回用，因此真正实现了含盐废水的“零排放”、资源化及无害化处理要求，同时，处理过程中部产生任何废气，不向空气中排放任何气体，不污染环境；6)处理对象广泛，可广泛应用于化工物料的连续蒸发结晶、溶剂回收、环境污水处理、工业浓盐水处理、海水淡化处理等；7)无高温高压设备，系统整体造价低，运行安全可靠且智能；8)本发明将蒸发与结晶有效地融合，占地面积小，实现了系统一体化。

附图说明

图1示出了本发明所述低温蒸发浓缩结晶系统的结构示意图；

图2示出了常压、不同温度下饱和湿空气的含水量图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本发明所述的低温蒸发浓缩结晶系统，包括蒸发室1、由至少一台换热器构成的换热器组、冷却器8、冷凝室6以及风机7，其中，所述蒸发室1、风机7以及冷凝室6通过管道相连形成一闭合循环回路；所述换热器组与原水入口相通，可由多台换热器串联而成，在本实施例中，所述换热器组包括串联而成的第一换热器4和第二换热器5，所述第一换热器4的入水口可直接与原水入口相通，原水依次经第一换热器4、第二换热器5换热升温后进入到蒸发室1中进行换热蒸发；所述第一换热器4的换热介质入口与冷凝室6底部的换热介质出口相连，换热介质出口经冷却器6与冷凝室6顶部的制冷介质入口相连，所述第二换热器5的换热介质入口与废热源相连，所述废热源可以是各种工业废热、余热、废气等，如：低温乏气、低温循环水、冲渣水、地热尾水、太阳能热水等。进一步地，所述系统还包括混合槽2以及固液分离器3，所述混合槽2设于换热器组前，并分别与原水入口以及蒸发室1的浓盐水出口相连，原水及蒸发室1形成的浓盐水先在混合槽2混合后再进入到换热器组中换热；所述固液分离器3通过管道及泵与蒸发室1的结晶盐出口相连，且固液分离器3的浓水出口与蒸发室1相连。此外，本发明所述的低温蒸发浓缩结晶系统还包括各设备间的连接管道和提升泵，以及对整个系统实现自动运行控制的PLC控制系统，以使系统实现自动运行和停车，减少人为操控。

在本发明中，所述蒸发室1和冷凝室6可采用相同的结构，由不锈钢或玻璃钢等具有耐腐蚀性的材料构成，且其内部设有布水系统、填料、收水器以及底部的结晶盐储槽，其中，所述布水系统可为槽式布水或管式布水，采用槽式布水时，槽的底部设有均匀分配的小孔，水在重力的作用下喷洒在填料上，且可设置一层或多层；采用管式布水时，可在蒸发室1的顶部布水，也可在其侧方垂直分层布水，在本实施例中，填料、收水器以及储槽的形式不做具体限定，选用耐温耐腐材料即可，如氯化聚氯乙烯CPVC或硬聚氯乙烯UPVC材质，且收水器可以单独安装，也进而与填料一体组装，以尽可能地阻止蒸发室和冷凝室内的微小液滴被强制循环的空气带走，所述储槽具有一定的坡度，以使蒸发室1内的结晶盐及时顺利排出。本发明中的蒸发室1和冷凝室6内部均可采用逆流或横流式机械通风结构，逆流时水的流向为由上至下，风的流向由下至上，当采用横流时，水的流向为由上至下，风的流向为一侧进，另一侧出，即：自左向右或自右向左，与水流方向成90度，蒸发室1和冷凝室6的外在形式和安装形式不限。此外，根据所需处理的废水量，本发明中的蒸发室1和冷凝室6可多个串联或并联同时使用，当多个蒸发室1和冷凝室6串联使用时，在串联的蒸发室1和串联的冷凝室6之间连接有风管，使得串联的蒸发室1和冷凝室6整体形成闭合回路；当多个蒸发室1和冷凝室6并联使用时，每一蒸发室1单独引出风管与并联的冷凝室6对应连接，使得每一蒸发室1和与其对应的冷凝室6分别形成一闭合回路进行换热。

进一步地，所述风机7可采用轴流变频风机或变频电机通过皮带带动风叶的形式，具有防腐、防潮、防爆等性能，本发明中，所述风机7可单台使用，也可多台串联使用，在蒸发室1和冷凝室6内由风机产生的风速为1-3m/s，以对蒸发室1和冷凝室6内的空气进行强制循环。所述混合槽2采用防腐耐温材料制成，其外在形状在此不做具体限制。所述固液分离器3的内部采用全塑、衬塑、不锈钢316L或更高材质的普通固液分离器或其它能分离结晶体和溶液的防腐耐温设备，其外在形式和结构在此不做具体限定。所述第一换热器4优选高效防腐的钛板式换热器；所述第二换热器5优选耐温防腐的列管式换热器或钛板式换热器。所述冷却器8可采用空气冷却器或凉水塔等常规冷却设备，以对清水进行降温。所述系统中设于各设备间的提升泵可采用具有耐腐蚀性全塑、衬塑、不锈钢316L或其它材质的离心泵或螺杆泵。此外，整个系统中的各设备均采用具有防腐防潮和耐温性能的材质制成，温度范围为30-80℃，同时对系统中除泵以外的设备及管路进行保温处理，以提高能量的重复利用率。

以本发明如上所述的系统对高浓度含盐废水进行处理，其主要原理是利用如图2所示的不同温度条件下饱和湿空气的含水量的不同进行蒸发分离，通过对循环空气进行加热和冷却，使其在饱和蒸汽压的推动下不断地吸收和释放一定量的水蒸气，进而实现浓盐水的蒸发与结晶。所述系统的处理方法包括以下步骤：

1)原水经泵提升进入到换热器组中换热升温后进入蒸发室1中与来自冷凝室6的冷空气进行换热蒸发，在风机7的作用下，空气在蒸发室1和冷凝室6内进行强制循环，冷空气在蒸发室1内经过与原水换热后携带一部分水气和热量至冷凝室6中，并与冷凝室6内的清水换热降温，降温后的空气又在风机7的作用下重新返回至蒸发室1内；

优选的是：所述换热器组包括与依次串联的第一换热器4和第二换热器5，所述第一换热器4可与原水入口直接相连，原水依次经第一换热器4、第二换热器5换热升温至预定值后进入到蒸发室1中进行换热蒸发；所述第二换热器5的换热介质入口与废热源相连，所述废热源可以是各种工业废热、余热、废气等，如：低温乏气、低温循环水、冲渣水、地热尾水、太阳能热水等；

更进一步优选的是：所述原水入口与第一换热器4之间还设有一混合槽2，原水与蒸发室1蒸发产生的浓盐水先在混合槽2中混合后再进入到换热器组中换热升温；

2)蒸发室1蒸发产生的含有结晶盐的混合液下沉到蒸发室1的底部，并经泵提升进入到固液分离器3中，在离心力的作用下进行脱水分离，脱水产生的浓水返回至蒸发室1中进行循环蒸发；

3)冷凝室6中产生的高温清水经泵提升进入到换热器组的第一换热器4中与原水进行换热，原水温度升高后进入蒸发室进行换热蒸发，高温清水降温后进入冷却器8中再次降温后返回至冷凝器6中作为冷却水对空气进行降温，并在风机7的作用下，冷凝室6内形成的冷空气进入到蒸发室1内；

由于冷凝室6内的水不断增加，可由泵输送到系统外部进行再利用，该水属于蒸馏水，TDS可达100us/cm，非常干净，可直接回用。

本发明中，虽然蒸发室1和冷凝室6可采用相同的内部结构，但其作用并不相同，在蒸发室1内，是通过循环原水给空气加热，而在冷凝室6内则是通过循环冷却水给空气进行降温。根据不同温度的空气所携带的水气不同，进行事先蒸发结晶过程。从能量平衡角度上来说，水气所携带的能量由蒸发室1转移到冷凝室6，再由冷凝室6转移到蒸发室1中，整个系统的能量是平衡的，但由于在传递过程中有热量损失，所以通过利用各种形式的工业废热、余热、废气等，如：低温乏气、低温循环水、冲渣水、地热尾水、太阳能热水等，在相对较低的温度下对各类高浓度含盐废水进行蒸发浓缩结晶从而达到盐水的有效分离。

实施例1

20％的氯化钠以5m³/h的流量进入本发明所述的浓缩蒸发结晶系统进行处理，其处理结果如表1所示：其中，表1中的a、b至k分别对应于图1中的取样点a、b至k。

表1氯化钠浓盐水蒸发浓缩结晶表

上述浓盐水经本发明的蒸发浓缩结晶系统及方法处理后，获得每立方产水所需要的能耗小于30KW·h。

实施例2

20％的硫酸钠浓盐水以5m³/h的流量进入本发明所述的浓缩蒸发结晶系统进行处理，其处理结果如表1所示：其中，表1中的a、b至k分别对应于图1中的取样点a、b至k。

表2硫酸钠浓盐水蒸发浓缩结晶表

上述浓盐水经本发明的蒸发浓缩结晶系统及方法处理后，获得每立方产水所需要的能耗小于30KW·h。

本发明的蒸发浓缩结晶系统，适用于各行业的高浓度浓盐水处理，由于可在温度较低(30-80℃)的环境下完成结晶分离或浓缩分离，最终得到的是粗盐和TDS可达100us/cm的蒸馏水，粗盐可进入下一单元操作进行精制，蒸馏水可循环再利用。因此，本发明所述的系统可真正意义上实现废水的“零排放”处理，同时也显著降低了含盐废水处理的运行成本。本发明系统采用一体化结构，占地面积小，并且使用PLC自动化控制，减少了人为操控。同时，由于不涉及高温高压设备，因此该系统安全稳定，运行可靠。

本发明已通过优选的实施方式进行了详尽的说明。然而，通过对前文的研读，对各实施方式的变化和增加也是本领域的一般技术人员所显而易见的。申请人的意图是所有这些变化和增加落在了本发明权利要求的保护范围中。相似的编号通篇指代相似的元件。为清晰起见，在附图中可能有将某些线、层、元件、部件或特征放大的情况。

本文中使用的术语仅为对具体的实施例加以说明，并非意在对本发明进行限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)均与本发明所属领域的一般技术人员的理解相同。还须明确的是，除在本文中有明确的定义外，诸如字典中通常定义的术语应该解释为在本说明书以及相关技术的语境中可具有一致的意思，而不应解释的理想化或过分形式化。公知的功能或结构处于简要和清楚地考虑或不再赘述。

Claims (10)

1.一种利用废热的低温蒸发浓缩结晶系统，其特征在于：包括蒸发室、含有至少一台换热器的换热器组、冷却器、冷凝室以及风机，其中，所述蒸发室、风机以及冷凝室彼此连接形成一闭合循环回路；所述换热器组的入水口与出水口分别与原水口及蒸发器相连，其换热介质入口分别与冷凝室的换热介质出口以及废热源相连，换热介质出口经冷却器与冷凝室的制冷介质入口相连；所述系统还包括与蒸发室的结晶盐出口相连的固液分离器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述换热器组包括串联设置的第一换热器和第二换热器，所述第一换热器的入水口与原水入口相通，其换热介质入口与冷凝器的换热介质出口相连，换热介质出口经冷却器与冷凝室的制冷介质入口相连，第一换热器的出水进入到第二换热器中；所述第二换热器的换热介质入口与废热源相连，其出水与蒸发室相连。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述废热源为各种工业废热、余热或废气。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述第一换热器为高效防腐的钛板式换热器；所述第二换热器为耐温防腐的列管式换热器或钛板式换热器。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述换热器组前还设有混合槽，所述混合槽的入水口与原水入口及蒸发室的浓盐水出口相连，混合槽的出水口与换热器组的入水口相连。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述蒸发室和冷凝室的结构相同，其内部设有布水系统、填料、收水器以及储槽，且所述布水系统为槽式布水或管式布水。

7.根据权利要求1或6所述的系统，其特征在于：所述蒸发室和冷凝室设置有多个，当多个蒸发室和冷凝室串联使用时，在串联的蒸发室和串联的冷凝室之间设有风管，使得串联的蒸发室和冷凝室整体形成闭合回路；当多个蒸发室和冷凝室并联使用时，每一蒸发室单独引出风管与并联的冷凝室对应连接，使得每一蒸发室和与其对应的冷凝室分别形成一闭合回路。

8.一种利用如权利要求1或2所述的系统对高浓度含盐废水进行处理的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)原水经泵提升进入到换热器组中换热升温后进入蒸发室中与来自冷凝室的冷空气进行换热蒸发，在风机的作用下，空气在蒸发室和冷凝室内进行强制循环，冷空气在蒸发室内经过与原水换热后携带一部分水气和热量至冷凝室中，并与冷凝室内的清水换热降温，降温后的空气又在风机的作用下重新返回至蒸发室内；

2)蒸发室蒸发产生的含有结晶盐的混合液进入到固液分离器中进行脱水分离，脱水产生的浓水返回至蒸发室中进行循环蒸发；

3)冷凝室中产生的高温清水进入到换热器组与原水进行换热，原水温度升高后进入蒸发室进行换热蒸发，高温清水降温后进入冷却器中再次降温后返回至冷凝器中作为冷却水对空气进行降温。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述换热器组包括串联的第一换热器和第二换热器，原水依次经第一换热器、第二换热器换热升温后进入到蒸发室中进行换热蒸发，且所述第二换热器的换热介质入口与废热源相连。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述废热源为各种工业废热、余热、废气。