CN105399169A - 利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化系统及方法，系统包括第一蒸发组、第二蒸发组、冷凝器、产品水闪蒸罐、产品水平衡罐、浓盐水闪蒸罐、浓盐水平衡罐、效间泵、进料泵、原料水泵、蒸汽喷射真空泵、冷却水泵、产品水泵和浓盐水泵；第一蒸发组包括有N个板式蒸发器；第二蒸发组包括M个板式蒸发器；产品水闪蒸罐为(N-1+M)个；浓盐水闪蒸罐为M个；本发明的系统采用分组进料方式，对原料海水进行了重复利用，大大降低原料水进料泵耗电量，降低整套系统电耗，解决了现有多效板式蒸馏海水淡化造水经济性问题。首效蒸发器采用两个板堆组合的升膜蒸发，解决低温热水热利用效率低的问题。

Description

利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化系统及方法

技术领域

本发明提供了一种利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化工艺流程，属于海水淡化领域。

背景技术

在我国的沿海孤岛、船舶游艇、海上平台等特定地区或场合，能源和淡水也普遍相对短缺。这些地区往往需要自行解决动力供应，例如配备小型燃气轮机、柴油发电机、太阳能等，而淡水供应则主要依靠自然降雨的收集或船只从外地装运，不仅成本高，而且淡水补给十分有限，远远不能满足海岛居民的生活以及国防、科研观测考察以及旅游开发等方面的需求。对海岛而言，一旦遇上持续干旱或台风等恶劣天气，岛上的医院、学校以及工矿企业等单位常常无法维持正常运作，岛上居民的生产和生活无法得到安全保障。

因此，对于沿海孤岛、船舶游艇、海上平台等特定地区或场合，基于其能源和淡水的供给条件，因地制宜地发展各种基于余热利用的低温蒸馏海水淡化技术，充分利用能源转化设备中低品位的余热，实现能量在系统中的梯级利用，对于解决当地水资源短缺问题，提高能源利用率及综合经济效益，无疑具有重要的现实意义和广阔的市场前景。

低温蒸馏海水淡化技术中，普遍采用的是降膜蒸发过程。降膜蒸发过程分为两种类型：水平管降膜过程和板式降膜过程。多效板式蒸馏海水淡化方法就是采用板式降膜蒸发的技术。

多效板式蒸馏海水淡化装置(MEP)与传统多效蒸馏海水淡化装置相比，其主要区别在于蒸发器内采用板式换热器取代了传统的管壳式换热器。板式换热器具有紧凑、高效和换热性能优良的特点。其体积远小于管壳式换热器。板式换热器的技术优势主要包括以下5个方面：

(1)蒸发器内部采用采用了标准化的板式换热片作为传热面，其在现场可进行快速安装，无需繁重的穿管和管板连接工作，提高了工程的施工进度和可靠性。

(2)海水在板缝间实现降膜蒸发，蒸发器内部无需喷淋设备，而且板片的传热效率相对传热管更高，因此设备的结构更加紧凑，占地空间更小。

(3)根据产水量要求可调整板片数量，装机容量弹性高，后期规模扩建成本低。

(4)装置的换热板片、壳体等关键设备均采用高性能的耐腐蚀材料，因此装置的使用寿命长，通常在25年以上，而且运行性能稳定，设备的使用效率高，全年运行时间可在90％以上。

(5)装置即使在长期运行后，板片可采用现场酸洗或人工物理清洗的方式除掉板片上的全部污物，其传热性能可恢复至原有水平。

对于多效板式蒸馏海水淡化装置(MEP)，目前典型进料方式分为三种：顺流进料、逆流进料和平流进料。顺流进料方式蒸发器结垢风险最小，但经济性较差；逆流进料有效地改善了造水经济性，但需要多台效间泵，增加了系统的复杂性与运行电耗；平流进料当蒸发器效数较多时，原料水进料泵耗电量大大增加。因此，当所需板式蒸发器效数较多时(3效以上)，现有的顺流、逆流或平流进料方式存在造水经济性差、运行电耗高等问题。

多效板式蒸馏海水淡化技术的另外一个不足之处是当低品位热能为低温热水时，由于热水加热侧属于无相变传热，换热系数较低，因此存在热利用效率低的问题。

综合上述，当前多效板式蒸馏海水淡化装置(MEP)的缺点可概括为：

(1)当所需板式蒸发器效数较多时(3效以上)，现有的顺流、逆流或平流进料方式存在造水经济性差、运行电耗高等问题；

(2)当低品位热源为低温热水时，热水热量难以充分利用，以致热利用效率低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供具有显著的经济、社会和环境效益的一种利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化系统。

本发明的第二个目的是提供利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化方法。

本发明的技术方案概述如下：

利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化系统，包括第一蒸发组I、第二蒸发组II、冷凝器7、产品水闪蒸罐、产品水平衡罐17、浓盐水闪蒸罐、浓盐水平衡罐11、效间泵21、进料泵19、原料水泵18、蒸汽喷射真空泵24、冷却水泵20、产品水泵22和浓盐水泵23；第一蒸发组I包括有N个板式蒸发器；第二蒸发组II包括M个板式蒸发器；产品水闪蒸罐为(N-1+M)个；浓盐水闪蒸罐为M个；其特征是原料水泵18通过管道依次与冷凝器7、进料泵19连接后分别与第二蒸发组II的M个板式蒸发器连接；冷凝器7通过冷却水排放管道与冷却水泵20连接；第二蒸发组的M个板式蒸发器分别通过管道与效间泵21连接；效间泵21通过管道分别与第一蒸发组I的N个板式蒸发器连接；第一蒸发组I和第二蒸发组II的板式蒸发器通过不凝气管道与蒸汽喷射真空泵24连接；冷凝器7通过不凝气管道与蒸汽喷射真空泵24连接；第一蒸发组I内的首个板式蒸发器1通过二次蒸汽管道依次与相邻的板式蒸发器连接后再与第二蒸发组II的板式蒸发器依次连接，再与冷凝器7连接：第一蒸发组I内从首个板式蒸发器1起通过剩余浓盐水管道依次与相邻的板式蒸发器连接后再依次与各个浓盐水闪蒸罐连接，再与浓盐水平衡罐11连接后与浓盐水泵23连接；除首个板式蒸发器1外的各个第一蒸发组的板式蒸发器和各个第二蒸发组的板式蒸发器通过产品水管路分别与对应的产品水闪蒸罐连接；末效产品水闪蒸罐通过产品水管路依次与产品水平衡罐17和产品水泵22连接；冷凝器7通过产品水管路与产品水平衡罐17连接；产品水平衡罐17通过闪蒸蒸汽管路与第二蒸发组的末效板式蒸发器和冷凝器7之间的二次蒸汽管道连接；(N-1+M)个产品水闪蒸罐分别通过闪蒸蒸汽管路与本效板式蒸发器连接；各个浓盐水闪蒸罐通过闪蒸蒸汽管路分别与本效板式蒸发器连接；浓盐水平衡罐11通过闪蒸蒸汽管路与冷凝器连接；(N-1+M)个产品水闪蒸罐的每两个相邻的产品水闪蒸罐间通过管道连接；第一蒸发组的首效板式蒸发器1设置有低品位热源进口和低品位热源出口；N＝2-8个，M＝2-8个。

首效板式蒸发器1内部设置有两个板堆，其余各效板式蒸发器内均为一个板堆；首效板式蒸发器1内部的两个板堆分别命名为第一板堆25和第二板堆26，来自效间泵21的管道分别与第一板堆25和第二板堆26底部连接；低品位热源进口和低品位热源出口之间通过管道串连第一板堆25和第二板堆26，第一板堆25和第二板堆26的顶部通过管道汇合为二次蒸汽管道。

利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化方法，包括如下步骤：

1)使用上述利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化系统；

2)原料海水通过原料水泵18进入冷凝器7中预热；

3)预热后的原料海水，其中一部分通过冷却水泵20排放，另一部分作为进料海水通过进料泵19分别进入到第二蒸发组II的各效板式蒸发器中进行蒸发；

4)将第二蒸发组II的各效板式蒸发器剩余的浓盐水汇总后经效间泵21打入第一蒸发组I各效板式蒸发器中蒸发；进入首效板式蒸发器中的低品位热源与进料浓盐水热交换后由低品位热源出口排出，从第一蒸发组I内的首个板式蒸发器始，各效板式蒸发器产生的二次蒸汽引入下一效重复利用；除首效板式蒸发器1外的各个第一蒸发组的板式蒸发器和各个第二蒸发组的板式蒸发器产生的产品水，进入与各效板式蒸发器相连的产品水闪蒸罐中并在各效产品水闪蒸罐间呈阶梯状流动并逐级闪蒸冷却，经闪蒸冷却后的产品水汇集到产品水平衡罐17并由产品水泵22输出；

5)将第一蒸发组I各效板式蒸发器产生的浓盐水引入下一效板式蒸发器进行逐级闪蒸，将第一蒸发组I的末效板式蒸发器产生的浓盐水引入浓盐水闪蒸罐进行逐级闪蒸，经闪蒸冷却后的浓盐水汇集到浓盐水平衡罐11，并由浓盐水泵23排出；

6)在蒸汽喷射真空泵24的作用下，第一蒸发组I的各效板式蒸发器、第二蒸发组II的各效板式蒸发器和冷凝器内部保持负压状态，使第一蒸发组I的各效板式蒸发器和第二蒸发组II的各效板式蒸发器的操作温度均在70℃以下。

优选的：浓盐水在首效板式蒸发器中的第一板堆25和第二板堆26的板间流道内进行升膜蒸发、在第一蒸发组I的其它各效板式蒸发器内板堆的板间流道内进行降膜蒸发，进料海水在第二蒸发组II的各效板式蒸发器内板堆的板间流道内进行降膜蒸发。

本发明的优点：

(1)本发明的系统采用分组进料的方式，对原料海水进行了重复利用，大大降低原料水进料泵的耗电量，从而降低整套系统的电耗，解决了现有多效板式蒸馏海水淡化造水经济性的问题。

(2)首效蒸发器采用两个板堆组合的升膜蒸发工艺，以解决低温热水热利用效率低的问题。

附图说明

图1为本发明利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化系统示意图。

图2为首效板式蒸发器内部两个板堆组合示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化系统(见图1)，包括第一蒸发组I(以第一蒸发组I包括有3个板式蒸发器为例，分别为板式蒸发器1、板式蒸发器2和板式蒸发器3)、第二蒸发组II(以第二蒸发组II包括3个板式蒸发器为例，分别为板式蒸发器4、板式蒸发器5和板式蒸发器6)、冷凝器7、产品水闪蒸罐、产品水平衡罐17、浓盐水闪蒸罐、浓盐水平衡罐11、效间泵21、进料泵19、原料水泵18、蒸汽喷射真空泵24、冷却水泵20、产品水泵22和浓盐水泵23；产品水闪蒸罐是5个(分别是产品水闪蒸罐12、产品水闪蒸罐13、产品水闪蒸罐14、产品水闪蒸罐15、产品水闪蒸罐16)；浓盐水闪蒸罐为3个(分别是浓盐水闪蒸罐8、浓盐水闪蒸罐9、浓盐水闪蒸罐10、)；原料水泵18通过管道依次与冷凝器7、进料泵19连接后分别与第二蒸发组II的3个板式蒸发器连接；冷凝器7通过冷却水排放管道与冷却水泵20连接；第二蒸发组的3个板式蒸发器分别通过管道与效间泵21连接；效间泵21通过管道分别与第一蒸发组I的3个板式蒸发器连接；第一蒸发组I和第二蒸发组II的板式蒸发器通过不凝气管道与蒸汽喷射真空泵24连接；冷凝器7通过不凝气管道与蒸汽喷射真空泵24连接；第一蒸发组I内的首个板式蒸发器1通过二次蒸汽管道依次与相邻的板式蒸发器连接后再与第二蒸发组II的板式蒸发器依次连接，再与冷凝器7连接：第一蒸发组I内从首个板式蒸发器1起通过剩余浓盐水管道依次与相邻的板式蒸发器连接后再依次与各个浓盐水闪蒸罐连接，再与浓盐水平衡罐11连接后与浓盐水泵23连接；除首个板式蒸发器1外的各个第一蒸发组的板式蒸发器和各个第二蒸发组的板式蒸发器通过产品水管路分别与对应的产品水闪蒸罐连接；末效产品水闪蒸罐16通过产品水管路依次与产品水平衡罐17和产品水泵22连接；冷凝器7通过产品水管路与产品水平衡罐17连接；产品水平衡罐17通过闪蒸蒸汽管路与第二蒸发组的末效板式蒸发器6和冷凝器7之间的二次蒸汽管道连接；5个产品水闪蒸罐分别通过闪蒸蒸汽管路与本效板式蒸发器连接；各个浓盐水闪蒸罐通过闪蒸蒸汽管路分别与本效板式蒸发器连接；浓盐水平衡罐11通过闪蒸蒸汽管路与冷凝器连接；5个产品水闪蒸罐的每两个相邻的产品水闪蒸罐间通过管道连接；第一蒸发组的首效板式蒸发器1设置有低品位热源进口和低品位热源出口；

第一蒸发组I的板式蒸发器的个数N还可以是2-8中的任意正整数，第二蒸发组II的板式蒸发器的个数M还可以是2-8中的任意正整数。

首效板式蒸发器1内部设置有两个板堆，其余各效板式蒸发器内均为一个板堆；首效板式蒸发器1内部的两个板堆分别命名为第一板堆25和第二板堆26，来自效间泵21的管道分别与第一板堆25和第二板堆26底部连接；低品位热源进口和低品位热源出口之间通过管道串连第一板堆25和第二板堆26，第一板堆25和第二板堆26的顶部通过管道汇合为二次蒸汽管道。

利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化方法，包括如下步骤：

1)使用上述利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化系统，即第一蒸发组I包括有3个板式蒸发器；第二蒸发组II包括3个板式蒸发器；

2)原料海水通过原料水泵18进入冷凝器7中预热；

3)预热后的原料海水，其中一部分通过冷却水泵20排放，另一部分作为进料海水通过进料泵19分别进入到第二蒸发组II的各效板式蒸发器中进行蒸发；

4)将第二蒸发组II的各效板式蒸发器剩余的浓盐水汇总后经效间泵21打入第一蒸发组I各效板式蒸发器中蒸发；进入首效板式蒸发器中的低品位热源与进料浓盐水热交换后由低品位热源出口排出，从第一蒸发组I内的首个板式蒸发器始，各效板式蒸发器产生的二次蒸汽引入下一效重复利用；除首效板式蒸发器1外的各个第一蒸发组的板式蒸发器和各个第二蒸发组的板式蒸发器产生的产品水，进入与各效板式蒸发器相连的产品水闪蒸罐中并在各效产品水闪蒸罐间呈阶梯状流动并逐级闪蒸冷却，经闪蒸冷却后的产品水汇集到产品水平衡罐17并由产品水泵22输出；

5)将第一蒸发组I各效板式蒸发器产生的浓盐水引入下一效板式蒸发器进行逐级闪蒸，将第一蒸发组I的末效板式蒸发器产生的浓盐水引入浓盐水闪蒸罐进行逐级闪蒸，经闪蒸冷却后的浓盐水汇集到浓盐水平衡罐11，并由浓盐水泵23排出；

6)在蒸汽喷射真空泵24的作用下，第一蒸发组I的各效板式蒸发器、第二蒸发组II的各效板式蒸发器和冷凝器内部保持负压状态，使第一蒸发组I的各效板式蒸发器和第二蒸发组II的各效板式蒸发器的操作温度均在70℃以下。

浓盐水在首效板式蒸发器中的第一板堆25和第二板堆26的板间流道内进行升膜蒸发、在第一蒸发组I的其它各效板式蒸发器内板堆的板间流道内进行降膜蒸发，进料海水在第二蒸发组II的各效板式蒸发器内板堆的板间流道内进行降膜蒸发。

第一效蒸发器设计成这样结构的原因是：(1)单侧相变传热的控制热阻在无相变一侧，即加热热水侧，热水串联进料增长了热水流程，则延长换热时间，有利于显热的传递；(2)热水加热侧只是利用热水的显热，换热系数较低，两个板堆串联相当于减小了流体当量直径，使流速增大，有利于减薄热边界层，强化换热；(3)海水蒸发侧存在相变过程，海水汽化，体积骤然增大，而海水并联升膜进料相当于增大了流体当量直径，有利于蒸汽的快速溢出和分离，提高蒸发效率。

Claims (4)

1.利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化系统，包括第一蒸发组(I)、第二蒸发组(II)、冷凝器(7)、产品水闪蒸罐、产品水平衡罐(17)、浓盐水闪蒸罐、浓盐水平衡罐(11)、效间泵(21)、进料泵(19)、原料水泵(18)、蒸汽喷射真空泵(24)、冷却水泵(20)、产品水泵(22)和浓盐水泵(23)；第一蒸发组(I)包括有N个板式蒸发器；第二蒸发组(II)包括M个板式蒸发器；产品水闪蒸罐为(N-1+M)个；浓盐水闪蒸罐为M个；其特征是原料水泵(18)通过管道依次与冷凝器(7)、进料泵(19)连接后分别与第二蒸发组(II)的M个板式蒸发器连接；冷凝器(7)通过冷却水排放管道与冷却水泵(20)连接；第二蒸发组的M个板式蒸发器分别通过管道与效间泵(21)连接；效间泵(21)通过管道分别与第一蒸发组(I)的N个板式蒸发器连接；第一蒸发组(I)和第二蒸发组(II)的板式蒸发器通过不凝气管道与蒸汽喷射真空泵(24)连接；冷凝器(7)通过不凝气管道与蒸汽喷射真空泵(24)连接；第一蒸发组(I)内的首个板式蒸发器(1)通过二次蒸汽管道依次与相邻的板式蒸发器连接后再与第二蒸发组(II)的板式蒸发器依次连接，再与冷凝器(7)连接：第一蒸发组(I)内从首个板式蒸发器(1)起通过剩余浓盐水管道依次与相邻的板式蒸发器连接后再依次与各个浓盐水闪蒸罐连接，再与浓盐水平衡罐(11)连接后与浓盐水泵(23)连接；除首个板式蒸发器(1)外的各个第一蒸发组的板式蒸发器和各个第二蒸发组的板式蒸发器通过产品水管路分别与对应的产品水闪蒸罐连接；末效产品水闪蒸罐通过产品水管路依次与产品水平衡罐(17)和产品水泵(22)连接；冷凝器(7)通过产品水管路与产品水平衡罐(17)连接；产品水平衡罐(17)通过闪蒸蒸汽管路与第二蒸发组的末效板式蒸发器和冷凝器(7)之间的二次蒸汽管道连接；(N-1+M)个产品水闪蒸罐分别通过闪蒸蒸汽管路与本效板式蒸发器连接；各个浓盐水闪蒸罐通过闪蒸蒸汽管路分别与本效板式蒸发器连接；浓盐水平衡罐(11)通过闪蒸蒸汽管路与冷凝器连接；(N-1+M)个产品水闪蒸罐的每两个相邻的产品水闪蒸罐间通过管道连接；第一蒸发组的首效板式蒸发器(1)设置有低品位热源进口和低品位热源出口；N＝2-8个，M＝2-8个。

2.根据权利要求1所述的利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化系统，其特征是；首效板式蒸发器(1)内部设置有两个板堆，其余各效板式蒸发器内均为一个板堆；所述首效板式蒸发器(1)内部的两个板堆分别命名为第一板堆25和第二板堆(26)，来自效间泵(21)的管道分别与第一板堆25和第二板堆(26)底部连接；低品位热源进口和低品位热源出口之间通过管道串连第一板堆25和第二板堆(26)，第一板堆25和第二板堆(26)的顶部通过管道汇合为二次蒸汽管道。

3.利用低品位热能的多效板式蒸馏海水淡化方法，其特征是包括如下步骤：

1)使用权利要求1所述系统；

2)原料海水通过原料水泵(18)进入冷凝器(7)中预热；

3)预热后的原料海水，其中一部分通过冷却水泵(20)排放，另一部分作为进料海水通过进料泵(19)分别进入到第二蒸发组(II)的各效板式蒸发器中进行蒸发；

4)将第二蒸发组(II)的各效板式蒸发器剩余的浓盐水汇总后经效间泵(21)打入第一蒸发组(I)各效板式蒸发器中蒸发；进入首效板式蒸发器中的低品位热源与进料浓盐水热交换后由低品位热源出口排出，从第一蒸发组(I)内的首个板式蒸发器始，各效板式蒸发器产生的二次蒸汽引入下一效重复利用；除首效板式蒸发器(1)外的各个第一蒸发组的板式蒸发器和各个第二蒸发组的板式蒸发器产生的产品水，进入与各效板式蒸发器相连的产品水闪蒸罐中并在各效产品水闪蒸罐间呈阶梯状流动并逐级闪蒸冷却，经闪蒸冷却后的产品水汇集到产品水平衡罐(17)并由产品水泵(22)输出；

5)将第一蒸发组(I)各效板式蒸发器产生的浓盐水引入下一效板式蒸发器进行逐级闪蒸，将第一蒸发组(I)的末效板式蒸发器产生的浓盐水引入浓盐水闪蒸罐进行逐级闪蒸，经闪蒸冷却后的浓盐水汇集到浓盐水平衡罐(11)，并由浓盐水泵(23)排出；

6)在蒸汽喷射真空泵(24)的作用下，第一蒸发组I的各效板式蒸发器、第二蒸发组(II)的各效板式蒸发器和冷凝器内部保持负压状态，使第一蒸发组(I)的各效板式蒸发器和第二蒸发组II的各效板式蒸发器的操作温度均在70℃以下。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述步骤1)为使用权利要求2所述系统；其特征是浓盐水在所述首效板式蒸发器中的第一板堆25和第二板堆26的板间流道内进行升膜蒸发、在第一蒸发组I的其它各效板式蒸发器内板堆的板间流道内进行降膜蒸发，进料海水在第二蒸发组II的各效板式蒸发器内板堆的板间流道内进行降膜蒸发。