CN105174589A - 低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，属于工业节能领域。包括有机朗肯循环系统、反渗透海水淡化系统和低温多效蒸馏系统；所述有机朗肯循环系统驱动反渗透海水淡化系统以制取淡水，同时有机朗肯循环系统排放的余热为低温多效蒸馏系统提供热源以制取淡水；还包括用以调节进入反渗透海水淡化系统的原料海水温度的调温系统。本发明将有机朗肯循环系统、反渗透海水淡化系统和低温多效蒸馏系统相结合，旨在提高工业余热的高效利用、深度利用和满足不同海水淡化用户的用水水质和水量的要求。

Description

低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置

技术领域

本发明涉及一种可以高效利用余热和制备淡水的装置，属于工业节能领域。

背景技术

水资源是人类社会一切生产、生活的物质基础，没有水和水资源就没有人类。21世纪以来，水资源问题已经成为困扰世界各国经济和社会发展的一个重要的制约因素。目前世界各国常用的局部地区缺水解决方案有远程调水、地下取水、建造水库等，但是长期使用造成了水资源枯竭、浪费土地、地面下沉和破坏生态等众多弊端，不能从根本上解决淡水危机。

海水淡化技术经过几十年的发展，已成为世界上公认的解决缺水的最佳方案。海水淡化不仅可以增加淡水总量，而且不受时空和气候影响。目前海水淡化的主要方法有蒸馏法、电渗析法和反渗透法等。其中，反渗透海水淡化（SWRO）技术无需加热、能耗少，运行过程连续稳定，设备体积小、操作简单，适应性强等技术优势，因此得到了广泛研究和推广。

反渗透海水淡化（SWRO）技术是利用高压泵将原料海水加压，使其压力达到所需的操作压力，然后使加压后的原料海水流入反渗透膜压力容器中进行分离，透过反渗透膜的部分成为淡水，未透过反渗透膜的浓盐水则带着高压排出。近年来，反渗透膜技术、海水的预处理技术、高压浓盐水的回收技术等相关技术都获得了长足发展，使得反渗透海水淡化的生产成本不断下降，但是反渗透膜的寿命和高压泵的能耗仍然制约了反渗透海水淡化的进一步推广。中国专利公开了“一种基于有机朗肯循环的反渗透海水淡化装置”（专利号：201520140199），采用低温余热有机朗肯循环（ORC）为反渗透海水淡化（SWRO）技术所需的高压泵提供动力源，降低了反渗透海水淡化（SWRO）技术的能耗，但是反渗透海水淡化（SWRO）技术的设备成本方面未有显著降低，原因在于反渗透膜为半透膜，价格不菲、寿命不长，每年约有50%的衰减，产水速度降低；而且由于反渗透膜的阻力大，因此运行中需要使用高压泵持续提供动力，进一步降低了反渗透膜的寿命；同时反渗透海水淡化（SWRO）技术产生淡水水质含盐量300ppm左右，对水质要求高的用户不能直接适用，生产灵活性低。

低温多效蒸馏法（LT-MED）产生淡水含盐量低于5ppm，水质完全适用于要求高的用户。低温多效蒸馏法（LT-MED）海水淡化技术是指盐水的最高蒸发温度约70摄氏度的海水淡化技术，由于操作温度降低，传热管材的结垢和腐蚀问题得到了有效控制，因此可以使用廉价的铝合金材料替代贵重的防腐合金，从而有效降低了海水淡化设备的制造成本。低温多效蒸发可以利用低品位的热源作为加热蒸汽，因此其制水的能耗成本大幅度降低。国际原子能委员会认为，在所有蒸馏法中，多效蒸发海水淡化方法在降低海水淡水成本方面最具有潜力。

我国工业余热资源总量高达8亿吨标煤，占我国总能耗约30%。低温余热有机朗肯循环（ORC）采用低沸点工质吸收热量汽化，进入透平（透平指将流体工质中蕴有的能量转换成机械功的机器，又称涡轮或涡轮机）膨胀做功驱动高压泵，排放的系统余热还可以作为低温多效蒸馏法（LT-MED）的热源，将反渗透海水淡化（SWRO）、低温多效蒸馏法（LT-MED）与低温余热有机朗肯循环（ORC）的耦合系统可以提高低温余热利用效率，减小不可逆损失，对于降低生产费用、提高生产的灵活性等方面都有较大的优势，对促进能源的高效利用和水资源的可持续发展具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，将有机朗肯循环系统、反渗透海水淡化系统和低温多效蒸馏系统相结合，旨在提高工业余热的高效利用、深度利用和满足不同海水淡化用户的用水水质和水量的要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，包括有机朗肯循环系统、反渗透海水淡化系统和低温多效蒸馏系统；所述有机朗肯循环系统驱动反渗透海水淡化系统以制取淡水，同时有机朗肯循环系统排放的余热为低温多效蒸馏系统提供热源以制取淡水。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述有机朗肯循环系统包括与系统余热管道相连通的蒸发器、与蒸发器的有机工质管道相连通的膨胀机、与膨胀机出口相连通的凝汽器、与凝汽器的有机工质管道出口相连通的工质泵，工质泵的出口连通蒸发器的有机工质管道入口；所述蒸发器还设置有用于与有机工质换热的余热排放管道，凝汽器还设置有用于与有机工质换热的原料海水管道。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述低温多效蒸馏系统包括与凝汽器的原料海水出口相连接的电动调节阀Ⅱ，电动调节阀Ⅱ的原料海水出口连接低温多效蒸馏装置，低温多效蒸馏装置的余热入口连接蒸发器的余热排放管道，低温多效蒸馏装置的余热出口连接余热排放管道Ⅰ，低温多效蒸馏装置的淡水出口连接淡水箱，低温多效蒸馏装置的浓盐水出口连接浓盐水箱。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述反渗透海水淡化系统包括与凝汽器的原料海水出口相连通的高压泵，高压泵的原料海水出口与能量回收器的原料海水入口连接，能量回收器的原料海水出口连接反渗透膜，反渗透膜的淡水出口连接淡水箱，反渗透膜的浓盐水出口连接能量回收器，能量回收器的浓盐水出口连接浓盐水箱。

本发明技术方案的进一步改进在于：还包括用以调节进入反渗透海水淡化系统的原料海水温度的调温系统，所述调温系统包括用以调节系统余热管道1流量的电动调节阀Ⅰ、与电动调节阀Ⅰ的余热出口相连接的再热器，再热器的原料海水入口连接能量回收器的原料海水出口，再热器的原料海水出口连接反渗透膜，再热器的余热排放口连接余热排放管道Ⅱ。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述有机朗肯循环系统中使用的有机工质为苯。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述低温多效蒸馏装置为多效横管降膜蒸发器。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述蒸发器、凝汽器和再热器均为对流换热装置。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述能量回收器为压力交换器。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述能量回收器为能量回收率＞80%、盐排除率＞95%的压力交换器。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明以节能减排和增加淡化储备为出发点，提供了一种低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，其中有机朗肯循环系统连续高效利用工业余热，作为反渗透海水淡化系统中高压泵的驱动动力，余热再热器调节进入反渗透膜的海水温度，保证反渗透膜的高通透性，同时有机朗肯循环系统排放的余热作为低温多效蒸馏系统的热源，继续深度利用工业余热能将海水淡化，低温多效蒸馏法（LT-MED）生产出的产品水是完全的纯水（蒸馏水），通过与反渗透系统的耦合，调配两套系统的淡水生产比例，可以实现各种行业对水质的要求，从而实现工业余热深度利用和高效海水淡化。

1、本发明将有机朗肯循环系统、反渗透海水淡化系统和低温多效蒸馏系统相结合，旨在提高工业余热的高效利用、深度利用和满足不同海水淡化用户的用水水质和水量的要求。本系统在充分利用低品位能源驱动海水通过反渗透膜生产淡水的基础上，将蒸发器排出的余热作为低温多效蒸馏系统的热源，继续进行海水淡化，提高了能源的综合利用效率。

2、本发明还包括用以调节进入反渗透海水淡化系统的原料海水温度的调温系统，调温系统的再热器调节进入反渗透膜的原料海水温度，适当提高原料海水温度，可以降低原料海水的黏度，提高反渗透膜的通透性。研究表明：在温度高于20℃，温度升高1℃，反渗透膜的透水量可以增加2%~3%。本发明克服了传统原料海水进入温度不可调的缺点，保证了反渗透膜一直处于最佳进水温度下工作。

3、本发明将反渗透海水淡化系统与低温多效海水淡化系统相结合，根据两套系统产生淡水的水质不同，调节分配系统的产水量，研究表明：低温多效蒸馏装置产生淡水含盐量低于5ppm，而反渗透海水淡化系统产生淡水水质含盐量300ppm左右。本系统克服了各行各业用户对水质的各种要求，满足了不同用户的用水需要，生产灵活性高。

4、本发明低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置具有成本低，能耗少，操作方便，产水量高以及可以深度利用热能等优点，因此本发明所述海水淡化系统可广泛应用于环保、能源、电力、海洋等行业，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1的系统结构示意图；

图2是本发明实施例2的系统结构示意图；

其中，1、系统余热管道，2、余热排放管道Ⅰ，3、蒸发器，4、膨胀机，5、凝汽器，6、工质泵，7、原料海水管道，8、高压泵，9、能量回收器，10、再热器，11、反渗透膜，12、淡水箱，13、浓盐水箱，14、电动调节阀Ⅰ，15、余热排放管道Ⅱ，16、电动调节阀Ⅱ，17、低温多效蒸馏装置。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1

如图1所示，低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置包括有机朗肯循环系统、反渗透海水淡化系统和低温多效蒸馏系统三部分。

所述有机朗肯循环系统包括与系统余热管道1相连通的蒸发器3、与蒸发器3的有机工质管道相连通的膨胀机4、与膨胀机4出口相连通的凝汽器5、与凝汽器5的有机工质管道出口相连通的工质泵6，工质泵6的出口连通蒸发器3的有机工质管道入口；所述蒸发器3还设置有用于与有机工质换热的余热排放管道，凝汽器5还设置有用于与有机工质换热的原料海水管道7。从工艺生产中通过系统余热管道1排放的余热在蒸发器3中经过对流换热加热低沸点有机工质生成蒸汽，工质蒸汽通过膨胀机4做功后，经过凝汽器5冷却，工质泵6加压后进入蒸发器3继续换热蒸发，如此循环反复。

有机朗肯循环系统中的蒸发器3和凝汽器5均为对流换热装置，有机工质满足循环效率高、传热流动性好、安全环保的热点，可选择苯、R11、R113、R123、R141B、R236EA、R245CA、R245FA、R365MFC、丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷中的一种。

所述反渗透海水淡化系统包括与凝汽器5的原料海水出口相连通的高压泵8，高压泵8的原料海水出口与能量回收器9的原料海水入口连接，能量回收器9的原料海水出口连接反渗透膜11，反渗透膜11的淡水出口连接淡水箱12，反渗透膜11的浓盐水出口连接能量回收器9，能量回收器9的浓盐水出口连接浓盐水箱13。通过原料海水管道7传输的经过预处理的海水流经凝汽器5，冷却膨胀机做功后的有机工质而被加热升温，通过膨胀机4驱动的高压泵8加压、能量回收器9再次升压后进入反渗透膜11，产生的淡水进入淡水箱12储存，浓盐水排入浓盐水箱13，从而达到生产淡水的目的。所述能量回收器9为能量回收率＞80%、盐排除率＞95%的压力交换器。

所述低温多效蒸馏系统包括与凝汽器5的原料海水出口相连接的电动调节阀Ⅱ16，电动调节阀Ⅱ16的原料海水出口连接低温多效蒸馏装置17，低温多效蒸馏装置17的余热入口连接蒸发器3的余热排放管道，低温多效蒸馏装置17的余热出口连接余热排放管道Ⅰ2，低温多效蒸馏装置17的淡水出口连接淡水箱12，低温多效蒸馏装置17的浓盐水出口连接浓盐水箱13。通过电动调节阀Ⅱ16控制进入低温多效蒸馏装置17的原料海水量，来调节低温多效蒸馏装置17产生淡水的水量，使进入淡水箱12中的淡水与反渗透海水淡化系统产生的淡水混合后满足用户的要求。低温多效蒸馏装置17为多效横管降膜蒸发器。

有机朗肯循环系统产生的动力直接作为反渗透海水淡化系统高压泵8的驱动动力使用，有机朗肯循环系统排放的系统余热作为低温多效蒸馏系统的热源，继续深度利用工业余热能将海水淡化，反渗透海水淡化系统和低温多效蒸馏系统对有机朗肯循环系统起到稳定作用，三个系统之间相互配合、相互增益，形成一个非常稳定的低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置。

实施例2

本实施例与实施例1的区别为：参见图2，还包括用以调节进入反渗透海水淡化系统的原料海水温度的调温系统，共四个系统。所述调温系统包括用以调节系统余热管道1流量的电动调节阀Ⅰ14、与电动调节阀Ⅰ14的余热出口相连接的再热器10，再热器10为对流换热装置。再热器10的原料海水入口连接能量回收器9的原料海水出口，再热器10的原料海水出口连接反渗透膜11，再热器10的余热排放口连接余热排放管道Ⅱ15。通过电动调节阀Ⅰ14控制系统余热管道1进入再热器10的余热蒸汽量，来调节进入反渗透膜11的原料海水温度，使原料海水温度达到35～48℃，令反渗透膜11保持最佳通透性，不仅提高反渗透产水速度，而且对反渗透膜的寿命也非常有益。对于常规反渗透膜，在原料海水温度高于20℃情况下，温度升高1℃，透水量可以增加2%~3%，有效提高原料海水过滤效果，降低反渗透海水淡化的生产成本。

Claims (10)

1.一种低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，其特征在于：包括有机朗肯循环系统、反渗透海水淡化系统和低温多效蒸馏系统；所述有机朗肯循环系统驱动反渗透海水淡化系统以制取淡水，同时有机朗肯循环系统排放的余热为低温多效蒸馏系统提供热源以制取淡水。

2.根据权利要求1所述的低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，其特征在于：所述有机朗肯循环系统包括与系统余热管道（1）相连通的蒸发器（3）、与蒸发器（3）的有机工质管道相连通的膨胀机（4）、与膨胀机（4）出口相连通的凝汽器（5）、与凝汽器（5）的有机工质管道出口相连通的工质泵（6），工质泵（6）的出口连通蒸发器（3）的有机工质管道入口；所述蒸发器（3）还设置有用于与有机工质换热的余热排放管道，凝汽器（5）还设置有用于与有机工质换热的原料海水管道（7）。

3.根据权利要求2所述的低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，其特征在于：所述低温多效蒸馏系统包括与凝汽器（5）的原料海水出口相连接的电动调节阀Ⅱ（16），电动调节阀Ⅱ（16）的原料海水出口连接低温多效蒸馏装置（17），低温多效蒸馏装置（17）的余热入口连接蒸发器（3）的余热排放管道，低温多效蒸馏装置（17）的余热出口连接余热排放管道Ⅰ（2），低温多效蒸馏装置（17）的淡水出口连接淡水箱（12），低温多效蒸馏装置（17）的浓盐水出口连接浓盐水箱（13）。

4.根据权利要求3所述的低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，其特征在于：所述反渗透海水淡化系统包括与凝汽器（5）的原料海水出口相连通的高压泵（8），高压泵（8）的原料海水出口与能量回收器（9）的原料海水入口连接，能量回收器（9）的原料海水出口连接反渗透膜（11），反渗透膜（11）的淡水出口连接淡水箱（12），反渗透膜（11）的浓盐水出口连接能量回收器（9），能量回收器（9）的浓盐水出口连接浓盐水箱（13）。

5.根据权利要求1～4任一项所述的低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，其特征在于：还包括用以调节进入反渗透海水淡化系统的原料海水温度的调温系统，所述调温系统包括用以调节系统余热管道（1）流量的电动调节阀Ⅰ（14）、与电动调节阀Ⅰ（14）的余热出口相连接的再热器（10），再热器（10）的原料海水入口连接能量回收器（9）的原料海水出口，再热器（10）的原料海水出口连接反渗透膜（11），再热器（10）的余热排放口连接余热排放管道Ⅱ（15）。

6.根据权利要求5所述的低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，其特征在于：所述有机朗肯循环系统中使用的有机工质为苯。

7.根据权利要求5所述的低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，其特征在于：所述低温多效蒸馏装置（17）为多效横管降膜蒸发器。

8.根据权利要求5所述的低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，其特征在于：所述蒸发器（3）、凝汽器（5）和再热器（10）均为对流换热装置。

9.根据权利要求5所述的低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，其特征在于：所述能量回收器（9）为压力交换器。

10.根据权利要求9所述的低温余热驱动的热膜耦合海水淡化装置，其特征在于：所述能量回收器（9）为能量回收率＞80%、盐排除率＞95%的压力交换器。