CN104495966B - 一种鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统及工艺方法,采用热泵蒸发器作为热湿空气的除湿器，用热泵冷凝器为空气加热加湿供热，通过热泵工质循环将水蒸汽的冷凝潜热循环利用；采用单级筛板对空气鼓泡加湿，加湿过程中海水置于筛板上面循环流动，减少能耗，降低了淡水生产成本。将加湿和除湿过程设计在同一塔内，冷凝器放置在筛板上面的海水中，为空气鼓泡加湿过程供热，热能量利用率高；蒸发器安装在塔内上部，空气鼓泡加湿直接上升到蒸发器外表面进行除湿，空气流路短。系统装置结构紧凑、产水量高；系统装置可用电网供电驱动，也可独立发电驱动；系统装置可用于沿海、海岛淡化海水，也可用于内陆地区淡化苦咸水。

Description

一种鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统及工艺方法

技术领域

本发明涉及一种鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统及工艺方法，属于海水淡化技术领域。

背景技术

加湿除湿海水淡化法，是众多海水淡化方法中能源消耗量最少、应用最广的方法之一，其热利用效率高，加热蒸发与放热冷凝过程分开进行，有利于对各个过程进行改进和强化，也便于对水蒸汽的凝结潜热进行回收和利用，适用于小型海水淡化装置。目前，影响加湿除湿法应用的关键是高效加湿、高效冷凝潜热回收及先进工艺过程的开发与应用。

传统加湿过程多采用喷淋加湿，由于单级喷淋的加湿率不高，通常采用两级或三级串联喷淋加湿，三级喷淋加湿率为96％左右。为强化加湿过程，还开发了喷淋填料塔，使加湿率提高到98％-100％，但塔内安装填料后，其结构较为复杂，填料层表面易结垢，海水和空气均需要强制循环流动，流动阻力亦增大，导致循环能耗增大，产水成本增高。

除湿过程中，回收利用水蒸汽的冷凝潜热，可提高热能的循环利用率，降低产水能耗与成本。目前，水蒸汽冷凝潜热回收利用的三种主要方式是预热海水、储存后再利用及直接蒸发海水。其中，预热海水法简单，易于实现，应用较为普遍，但因预热后的海水只有约1/7-1/10用来补充消耗的海水，其余大部分海水因其热品位低，无法再利用，而被排放掉，导致总热量回收利用率低；潜热储存再利用法，对储热材料的快速吸热、放热要求高，目前在实现上仍有技术难度；直接蒸发海水法，即直接将水蒸汽的冷凝潜热用于蒸发海水，热回收利用率高，是水蒸汽冷凝潜热回收利用的主要发展方向，但受工艺设计、设备性能等技术的限制，目前应用较少。

2008年，侯少波等人在《Desalination》杂志上发表的文章中，提出了一种由直接喷淋加湿与多级盆式除湿相结合的海水淡化工艺，盆式除湿器具有回收水蒸汽冷凝潜热直接用于蒸发海水的作用，提高了淡水生产能力；2012年，印度人K.S.Reddy等人在《Desalination》杂志上发表的文章中，公开了一种能够回收水蒸汽冷凝潜热的低温多级蒸发与多级冷凝相结合的太阳能海水淡化装置，其采用多级倾斜板结构回收水蒸汽冷凝潜热用于直接蒸发海水；2013年，郑宏飞等人在《Desalination》杂志上发表的文章中，提出了三效管式加湿除湿海水淡化装置,其采用三级不同管径、不同圆心的套管式除湿器，用于回收水蒸汽冷凝潜热蒸发海水。上述三种工艺方法，回收水蒸汽的冷凝潜热均用于直接蒸发海水，因此热利用率高，但由于其空气流动方式均采用自然对流式，因此单位时间内产水量不大。

中国专利CN103449547A中公开了“一种太阳能海水淡化机”,采用串列式多级等温加热多效回热加湿除湿法，改进了传统喷淋加湿工艺，用水蒸汽冷凝潜热预热进料海水，提高了热能利用率；发明专利CN103482714A中涉及了“一种射流-热法海水淡化方法与装置”，其能耗低，性能稳定，加湿效率有所提高。上述两种方法与装置的不足在于加湿工艺较复杂，设备级数多，不便操作和维护。发明专利CN102765768A中提出了“一种用热泵提高海水淡化效率的装置及方法”，它虽然在一定程度上提高了海水淡化效率，降低了产水成本，但其设备较复杂，工序繁琐。

综上所述，提高空气加湿效率及水蒸汽冷凝潜热的回收利用率，改进空气流动方式，有益于降低加湿除湿海水淡化装置的产水成本、提高产水率。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，克服其设备较复杂，工序繁琐的问题，本发明提出一种鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统及工艺方法，采用高效鼓泡加湿与热泵相耦合，辅之以空气强制加湿除湿循环流动的海水淡化工艺，设备结构简单，易于操作；热利用率高，产水量大，产水成本低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统包括排水阀、筛板、冷凝器、淡水盒、蒸发器、鼓泡塔、再冷却塔、喷气嘴、捕沫网、风机、风量调节阀、液位控制阀、海水预热器、压缩机、节流阀，所述鼓泡塔为筒形、上下两端为圆弧封闭结构，筛板固定在鼓泡塔内下部，且与鼓泡塔内壁通过法兰固连，冷凝器位于筛板上方的海水中,淡水盒固定在鼓泡塔内位于蒸发器的下方,冷凝器入口端与压缩机出口端连接，冷凝器出口端与蒸发器进口端连接,连接管线上设有节流阀,蒸发器出口端与压缩机进口端连接，风机进口端与再冷却塔顶部连接，风机出口端与鼓泡塔底部连接，连接管线上设有风量调节阀，鼓泡塔底部安装有排水阀，所述再冷却塔内上部设有捕沫网，喷气嘴与鼓泡塔连接,喷气嘴位于再冷却塔内下部的淡水中，所述海水预热器位于鼓泡塔外侧，海水预热器出口端与鼓泡塔内筛板上方的海水进口相连通，连接管线上设有液位控制阀，海水预热器的淡水进口与鼓泡塔内淡水盒的淡水排出口相连。

一种采用所述鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统进行海水淡化的工艺方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.采用保温材料对鼓泡塔体进行保温处理；

步骤2.将20～35℃的不饱和空气在风机驱动下进入鼓泡塔内，由下而上穿过筛板在筛板上部海水中鼓泡，强化空气与海水的传质，筛板上海水的高度由液位控制阀控制；

步骤3.空气、海水与冷凝器内的热泵工质之间传热，经鼓泡与加热，得到55～80℃的饱和湿空气；

步骤4.热湿空气在鼓泡塔内向上流动，到达热泵蒸发器的翅片管外表面与管内的热泵工质换热，被冷却至40℃±5℃，并析出部分淡水集于淡水盒中；

步骤5.将淡水盒中淡水引入海水预热器，与温度为20℃±10℃的海水进行换热，海水被预热后温度升高3～10℃，进入鼓泡塔用于加湿空气，回收热量后淡水温度为15～35℃，被排出系统；

步骤6.热湿空气在蒸发器外除湿后，从鼓泡塔顶部流出进入再冷却塔，通过喷气嘴喷射到20℃±10℃的淡水中，与淡水进行热质交换空气被降温冷却，脱出的淡水留在再冷却塔内；

步骤7.空气最后通过再冷却塔顶部的捕沫网，分离出携带的水滴，流出再冷却塔进入风机，进行下一次循环；

步骤8.若筛板上方的海水盐度达到8％，则关闭风机或调节风量调节阀减小风机流量，让筛板上方的海水在重力的作用下通过筛板孔流向鼓泡塔底部，通过排水阀排出。

有益效果

本发明提出的鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统及工艺方法,采用热泵蒸发器作为热湿空气的除湿器，用热泵冷凝器为空气加热加湿供热，通过热泵工质循环，将水蒸汽的冷凝潜热循环利用，能量内循环利用率高。采用单级筛板对空气进行鼓泡加湿，筛板结构简单，易于加工、拆卸和清洗，筛板采用无毒工程塑料制作，有效解决了加湿部件耐海水腐蚀和除垢的问题。加湿过程中海水置于筛板上表面，减少了海水循环流动的能耗，降低了淡水生产成本。将加湿和除湿过程设计在同一塔内，冷凝器放置在筛板上方的海水中，直接为空气鼓泡加湿过程提供热量，热利用率高；蒸发器安装在塔的上部，空气鼓泡加湿后，直接上升到蒸发器外表面进行除湿，空气流路短；系统装置结构紧凑、体积小,产水量高，可设计开发成模块化。系统装置可用电网供电驱动，也可采用独立光伏发电系统驱动。系统装置应用范围广，可用于沿海、海岛淡化海水，也可用于内陆地区淡化苦咸水。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统及工艺方法作进一步详细说明。

图1为本发明鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统示意图。

图中:

1.排水阀2.筛板3.冷凝器4.淡水盒5.蒸发器6.鼓泡塔7.再冷却塔8.喷气嘴9.捕沫网10.风机11.风量调节阀12.液位控制阀13.海水预热器14.压缩机15.节流阀

具体实施方式

本实施例是一种鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统及工艺方法。

参阅图1，鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统由排水阀1、筛板2、冷凝器3、淡水盒4、蒸发器5、鼓泡塔6、再冷却塔7、喷气嘴8、捕沫网9、风机10、风量调节阀11、液位控制阀12、海水预热器13、压缩机14、节流阀15组成。鼓泡塔6为筒形、上下两端为圆弧封闭结构，鼓泡塔6底部安装排水阀1。筛板2固定在鼓泡塔6内下部，且与鼓泡塔6内壁通过法兰固定连接，冷凝器3安装在筛板2上方的海水中,淡水盒4固定安装在鼓泡塔6内蒸发器5的下方；冷凝器3入口端与压缩机14出口端通过管线连接，冷凝器3出口端与蒸发器5进口端通过管线连接,连接管线上设有节流阀15,蒸发器5出口端与压缩机14进口端通过管线连接。风机10为空气循环提供动力，风机10进口端与再冷却塔7顶部通过管线连接，风机10出口端与鼓泡塔6底部通过管线连接，连接管线上设置有风量调节阀11用于调节空气流量。空气由鼓泡塔6底部进入鼓泡塔6内，自下而上穿过筛板孔，在筛板2上的海水中鼓泡。在鼓泡过程中，空气、海水同时与冷凝器3中的热泵工质进行换热，空气与海水被加热升温，同时海水获得热量后部分蒸发，将空气加湿。热湿空气在鼓泡塔6内向上流动，在蒸发器5外被冷却并析出部分淡水，空气最终流出鼓泡塔6，析出的淡水落入淡水盒4中。

再冷却塔7内上部设置有捕沫网9，喷气嘴8与鼓泡塔6通过管线连接,喷气嘴8置于再冷却塔7内下部的淡水中。从鼓泡塔6流出的空气为饱和湿空气，进入再冷却塔7后，通过浸没在塔内淡水中的喷气嘴8被喷射到淡水中，与淡水进行传热传质，空气被进一步冷却降温脱出部分淡水。被冷却后的空气在再冷却塔7内由下向上流动，通过塔内顶部的捕沫网9分离出携带的少量水滴后，流出再冷却塔7进入风机10，进行下一次循环。

海水预热器13固定安装在鼓泡塔6外侧，海水预热器13出口端与鼓泡塔6内筛板2上方的海水进口通过管线相连通，连接管线上设有液位控制阀12，海水预热器13的淡水进口与鼓泡塔内淡水盒4的淡水排出口相连通。在海水预热器13中，进入的冷海水与淡水盒4输出的淡水换热，海水被淡水预热后进入筛板2上方；鼓泡塔6内筛板上的海水层高度由液位控制阀12控制。

采用上述系统的工艺方法是:首先对鼓泡塔体进行保温处理；空气加湿除湿过程为闭式循环，空气流量通过风量调节阀11进行控制，将20～35℃的不饱和空气在风机驱动下进入鼓泡塔内，由下而上穿过筛板在筛板上部海水中鼓泡，使海水剧烈扰动，强化空气与海水之间的传质；空气、海水与冷凝器内的热泵工质之间传热，经鼓泡与加热，得到45℃～80℃的饱和湿空气；热湿空气在鼓泡塔内向上流动，到达蒸发器的翅片管外表面，与管内的热泵工质换热，被冷却至40℃±5℃并析出部分淡水，淡水集于淡水盒中，同时热泵工质在管内吸热蒸发。将淡水盒中的淡水通过管线引入海水预热器，使之与温度为20℃±10℃的冷海水进行换热，海水被预热后温度升高3～10℃，进入筛板上方用于加湿空气，筛板上海水的高度由液位控制阀控制，回收热量后淡水温度为15～35℃，被排出系统。热湿空气在蒸发器外除湿后，从鼓泡塔顶部流出进入再冷却塔，通过浸没在再冷却塔内冷淡水中的喷气嘴，喷射到20℃±10℃的冷淡水中，与淡水进行热质交换，空气被进一步降温冷却，脱出的淡水留在再冷却塔内；空气释放的热量散失到周围环境中，空气最后通过再冷却塔内顶部的捕沫网，分离出携带的水滴，流出再冷却塔进入风机，进行下一次循环。循环作业中，采用海水盐度计测量筛板上方的海水盐浓度，如果海水盐浓度的质量百分比达到8％，则可关闭风机或通过调节风量调节阀减小风机流量，让筛板上方的海水在重力的作用下通过筛板孔流向鼓泡塔底部；若鼓泡塔底部积水较多，则将排水阀打开排出。系统停止运行时，先关闭风机，让海水通过筛板和鼓泡塔底部的排水阀全部排出。

本实施例中，(1)采用单级筛板鼓泡加湿工艺，加湿效率达100％。(2)筛板是在平板中间部位打孔制成，根据开孔直径、开孔数以及开孔排列方式的不同，筛板可有多种不同形式:筛板孔径范围为0.5mm～8mm；开孔数由孔径与开孔率决定，开孔率为0.1％～10％之间；开孔排列方式为三角形,或正方形,或同心圆形。(3)将鼓泡加湿和除湿过程设计在同一鼓泡塔内，冷凝器安装在筛板上方的海水中，为加湿过程供热；蒸发器作为热湿空气的除湿器，安装在鼓泡塔内上部。(4)加工淡水盒时,淡水盒的边长要大于上方蒸发器的边长，以完全接受蒸发器表面凝结的淡水；淡水盒设计边长要保证淡水盒外壁与鼓泡塔内壁之间留有较大的流通截面，以减少空气流动的阻力；流通截面的最小宽度大于鼓泡塔直径的1/100，需根据流动阻力的计算结果确定。(5)冷凝器浸入在筛板上方的海水中，冷凝器采用耐腐蚀金属多排翅片管水平布置，根据计算所需传热面积的大小实行上下多层平行布局；蒸发器采用多排翅片管水平布置，根据所需传热面积的大小，翅片管排实行上下多层平行布局。(6)再冷却塔内顶部出口处设置不锈钢捕沫网，捕集空气夹带水滴，以减少淡水损失，并防止水滴对风机的腐蚀和液击。

Claims (2)

1.一种鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统，其特征在于:包括排水阀、筛板、冷凝器、淡水盒、蒸发器、鼓泡塔、再冷却塔、喷气嘴、捕沫网、风机、风量调节阀、液位控制阀、海水预热器、压缩机、节流阀，所述鼓泡塔为筒形、上下两端为圆弧封闭结构，筛板固定在鼓泡塔内下部，且与鼓泡塔内壁通过法兰固连，冷凝器位于筛板上方的海水中,淡水盒固定在鼓泡塔内位于蒸发器的下方,冷凝器入口端与压缩机出口端连接，冷凝器出口端与蒸发器进口端连接,连接管线上设有节流阀,蒸发器出口端与压缩机进口端连接，风机进口端与再冷却塔顶部连接，风机出口端与鼓泡塔底部连接，连接管线上设有风量调节阀，鼓泡塔底部安装有排水阀，所述再冷却塔内上部设有捕沫网，喷气嘴与鼓泡塔连接,喷气嘴位于再冷却塔内下部的淡水中，所述海水预热器位于鼓泡塔外侧，海水预热器出口端与鼓泡塔内筛板上方的海水进口相连通，连接管线上设有液位控制阀，海水预热器的淡水进口与鼓泡塔内淡水盒的淡水排出口相连。

2.一种采用权利要求1所述的鼓泡加湿与热泵循环耦合的海水淡化系统进行海水淡化的工艺方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.采用保温材料对鼓泡塔体进行保温处理；

步骤2.将20～35℃的不饱和空气在风机驱动下进入鼓泡塔内，由下而上穿过筛板在筛板上部海水中鼓泡，强化空气与海水的传质，筛板上海水的高度由液位控制阀控制；

步骤3.空气、海水与冷凝器内的热泵工质之间传热，经鼓泡与加热，得到55～80℃的饱和湿空气；

步骤4.饱和湿空气在鼓泡塔内向上流动，到达热泵蒸发器的翅片管外表面与管内的热泵工质换热，被冷却至40℃±5℃并析出部分淡水集于淡水盒中；

步骤5.将淡水盒中淡水引入海水预热器，与温度为20℃±10℃的海水进行换热，海水被预热后温度升高3～10℃，进入鼓泡塔用于加湿空气，回收热量后淡水温度为15～35℃，被排出系统；

步骤6.饱和湿空气在蒸发器外除湿后，从鼓泡塔顶部流出进入再冷却塔，通过喷气嘴喷射到20℃±10℃的淡水中，与淡水进行热质交换空气被降温冷却，脱出的淡水留在再冷却塔内；

步骤7.空气最后通过再冷却塔顶部的捕沫网，分离出携带的水滴，流出再冷却塔进入风机，进行下一次循环；

步骤8.若筛板上方的海水盐度达到8％，则关闭风机或调节风量调节阀减小风机流量，让筛板上方的海水在重力的作用下通过筛板孔流向鼓泡塔底部，通过排水阀排出。