CN105423266A - 一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统及其方法，该系统包括：高、中、低压闪蒸罐、蒸汽引射器以及中、低温换热器。在本发明的高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统中，通过高低压闪蒸罐将不同温度的污水进行汽化产生品位不同的高、低温蒸汽，引射器将高、低温蒸汽混合产生中温蒸汽，利用中压闪蒸罐对高压闪蒸底水进行二次闪蒸并产生中温蒸汽，两股中温蒸汽混合后通过中温加热器向中温热用户供热，高含盐的中压闪蒸底水则通过低温加热器向低温热用户供热，中、低温蒸汽在换热器中释放潜热后剩余的冷凝水作为淡水产品回用锅炉，并通过充分回收污水余热并实现水资源再生，提高了用能效率，节约了清水资源消耗。

Description

一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统及其方法

技术领域

本发明涉及热工行业的余热回收和化工行业的污水淡化脱盐领域，特别涉及到两种温度不同的含盐污水的余热综合利用和污水资源化回用。

背景技术

对于国内大多数热工和化工领域，诸如炼油化工、原油开采、热电供暖、食品加工和纺织印刷等行业都需要消耗大量品位的蒸汽资源，以满足加热、蒸馏、汽提和干燥等工艺需求。与此同时，在其他环节又会产生大量的高低品位不同的污水，例如汽包锅炉的排污水、直流锅炉的分离器底水、稠油采出污水、浓缩污水或者染印污水等。这些污水不仅富含大量的热能资源，同时含有大量无机盐和有害物质，如果直接排放到大气中或地面及地下水体中，不仅造成热能浪费，甚至还会产生严重的环境污染。另一方面，国内很多城市及农村面临着用生活和灌溉用水资源短缺的局面，因此分给工业用的清水资源也面临着越来越少的尴尬境地。以西北地区稠油开发为例，一方面稠油区块地处干旱荒漠地区，地面地下淡水资源紧缺。另外一方面，稠油处理会产生大量的除油污水。将污水热能资源全部回收利用，同时进行脱盐淡化回收水资源可谓一举多得，不仅减少排放，保护生态环境，降低了企业对外部清水资源的依赖程度，同时还实现了企业节能降耗、满足了企业可持续发展和创建环境友好型、资源节约型企业的当务之急。

针对高品位污水，目前业界采用的方法包括动力回收和热能回收，对于动力回收方式一般采用多级闪蒸发电系统并带动给水泵，热能回收方式则是将高温水进行梯级闪蒸产生二次闪蒸汽代替低压蒸汽进行伴热和采暖，闪蒸后冷凝水采用密闭方式回收，上述方案仅有理论研究，尚未见工程实例。针对低品位的污水，大庆油田孔店联合站采用油田伴生气为驱动源，利用吸收式热泵提取外排污水余热用于原油加热，从而替代了加热炉系统。河南油田则直接利用污水余热提升采暖补充水的温度。辽河油田采用压缩式热泵系统回收低温污水的余热用以加热原油。可以看出其余热回收仅仅是单股废水的利用。对于原油加热、热力除氧和伴热掺混等用热需求，若采用高温水进行减压闪蒸直接利用，可能会出现能级不匹配或者用能不充分，若单独采用低温污水加热原油，则因品位不够无法直接利用。为了实现污水余热充分回收的同时保证能级匹配，本文提出一种基于不同压力闪蒸工艺和引射式热泵工艺的余热回收系统，进行污水余热梯级利用的同时实现淡水资源的再生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统及其方法，通过热能分级利用实现高、低温污水余热充分回收，并在此基础上实现含盐污水脱盐资源化，并返回热用户进行循环利用。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统，该系统包括高压闪蒸罐、中压闪蒸罐、低压闪蒸罐、蒸汽引射器、中温换热器和低温换热器；其中，所述的高压闪蒸罐的蒸汽出口与蒸汽引射器的主蒸汽入口相连，高压闪蒸罐的底水出口与中压闪蒸罐入口相连；所述低压闪蒸罐的蒸汽出口与蒸汽引射器的引射口相连，低压闪蒸罐的底水出口与排污管道相连接；所述蒸汽引射器的出口、中压闪蒸罐的蒸汽出口均与中温加热器的热源入口相连，中温加热器的热源出口与清水回收装置的入口相连接；所述中压闪蒸罐的底水出口与低温加热器的热源入口相连，低温加热器的热源出口与排污管道相连接。

按上述方案，所述高压闪蒸罐的入口通过调节阀与高温污水输入管道相连，低压闪蒸罐的入口通过调节阀与低温污水输入管道相连。

按上述方案，所述中温换热器的冷源入口与外界需要加热的介质输入管道相连接，中温换热器的冷源出口与所述的外界需要加热的介质输出管道相连接。具体地，所述中温换热器的冷源入口与外界需要加热的原油输入管道相连接，中温换热器的冷源出口与所述的外界需要加热的原油输出管道相连接。也就是说，外界需要加热的介质(如原油)流经中温加热器进行加热。

按上述方案，所述低温换热器的冷源入口与外界需要加热的介质输入管道相连接，低温换热器的冷源出口与所述的外界需要加热的介质输出管道相连接。具体地，所述低温换热器的冷源入口与外界需要加热的补充水输入管道相连接，低温换热器的冷源出口与所述的外界需要加热的补充水输出管道相连接。也就是说，外界需要加热的介质(如补充水)流经低温加热器进行加热。

按上述方案，所述的外界需要加热的补充水输出管道与清水回收装置的入口相连接。

按上述方案，所述的清水回收装置的出口与油田注气锅炉的入水口相连接。

按上述方案，所述油田注气锅炉的蒸汽出口与气液分离器的入口相连接。

按上述方案，所述高压闪蒸罐的入口与汽液分离器的底水出口的相连。

一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用方法，包括如下步骤：

1)高温污水通入高压闪蒸罐中进行闪蒸产生高压闪蒸蒸汽和高压闪蒸底水，所得高压闪蒸蒸汽通入蒸汽引射器主作为驱动蒸汽；

2)低温污水通入低压闪蒸罐中进行闪蒸得到低压闪蒸蒸汽和低压闪蒸底水，所得低压闪蒸蒸汽通入蒸汽引射器主作为被引射蒸汽，低压闪蒸底水通过排污管线排出系统；

3)驱动蒸汽和被引射蒸汽在蒸汽引射器内部混合膨胀后形成中温中压蒸汽，所述中压闪蒸罐闪蒸接收所述的高压闪蒸底水并进行闪蒸，得到中压闪蒸蒸汽和中压闪蒸底水；

4)所述中温中压蒸汽、所述中压闪蒸蒸汽均通入中温换热器中进行热交换以回收余热，然后收集于清水回收装置中；所述中压闪蒸底水通入低温换热器中进行热交换以回收余热，然后排放。

按上述方案，外界需要加热的介质(如原油)流经中温加热器与中温中压蒸汽、所述中压闪蒸蒸汽进行热交换；外界需要加热的介质(如补充水)流经低温加热器与中压闪蒸底水进行热交换。

按上述方案，外界需要加热的补充水流经低温加热器与中压闪蒸底水进行热交换，所得低温补充水进行回收，可以储存于清水回收装置中。

按上述方案，所述的清水回收装置收集的清水可以作为淡水资源用于油田注气锅炉中。

按上述方案，所述的低温污水的温度为65-90℃，为来自油田联合站的稠油污水，矿化度通常为3000-50000g/L；所述的高温污水来自直流锅炉出口汽液分离器的分离底水或汽包锅炉的排污水，温度在300℃以上，且为饱和水，通常矿化度为10000g/L以上；油田注汽锅炉的补给水来源实际上是由补充水和中压闪蒸蒸汽的冷凝水组成，也是含盐，只是盐度低，矿化度7000g/L以下。

按上述方案，所述高压闪蒸罐工作压力0.8-1.2Mpa，高压闪蒸蒸汽和闪蒸水参数与之相同；中压闪蒸罐工作压力0.11-0.13Mpa，中压闪蒸蒸汽和闪蒸水参数与之相同；低压闪蒸罐工作压力0.01-0.05Mpa，低压闪蒸蒸汽和闪蒸水参数与之相同；蒸汽引射器的主蒸汽入口参数对应于高压闪蒸蒸汽参数，引射口对应于低压闪蒸蒸汽参数，出口对应于中压闪蒸蒸汽参数；中温中压蒸汽参数与中压闪蒸蒸汽参数相同。

本发明的工作原理是：该所述低压闪蒸罐接收低温污水，并将该股低温污水闪蒸为低压闪蒸蒸汽；该所述高压闪蒸罐接收高温污水，并将高温污水进行闪蒸产生高压闪蒸蒸汽；该所述蒸汽引射器主蒸汽入口端接收高压闪蒸蒸汽作为驱动蒸汽，该所述蒸汽引射器引射口接收低压闪蒸蒸汽作为被引射蒸汽，在该所述引射器内部通过节流、卷吸、混合、扩压等作用实现低压闪蒸蒸汽的绝热压缩，并形成中温中压蒸汽；该所述中温换热器用于接收中温中压蒸汽，对中温热用户(如原油等)进行加热；所述中压闪蒸罐接收来自高压闪蒸罐的闪蒸底水，并将高温闪蒸底水进行闪蒸产生中压闪蒸蒸汽，该股中温中压蒸汽则直接通入到中温换热器对中温热用户进行加热；中温中压蒸汽在所述中温换热器中释放潜热后冷凝下来形成净化水，该净化水可作为淡水资源用于锅炉等；所述低温换热器则接受来自中压闪蒸罐产生的中温闪蒸底水，用于对低温热用户(如补充水等)进行加热。另外，高温污水和低温污水都是含盐的，经过闪蒸出蒸汽并被冷凝后就变成了低盐或者不含盐的淡化水，实现污水的脱盐淡化过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、相对于高、低温污水独自直接利用方式，本发明的用能方式效率更高，且污水产率更高，经济性好，排污少；2、相对于吸收式热泵系统，本系统规模小，流程简单，投资更低，经济效益更可观；3、相对直燃型热泵，本系统无需使用外部公用能源。4、淡化脱盐并充分回收污水余热并实现水资源再生，提高了用能效率，节约了清水资源消耗。

附图说明

图1为本发明的一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统原理性示意图。

图2为实施例中的高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统示意图。

其中，1-高压闪蒸罐、2-中压闪蒸罐、3-低压闪蒸罐、4-蒸汽引射器、5-中温换热器、6-低温换热器、7-清水回收装置、8-排污管道、9-注汽锅炉、10汽水分离器。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例

一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统，如图2所示，包括高压闪蒸罐1、中压闪蒸罐2、低压闪蒸罐3、蒸汽引射器4、中温换热器5、低温换热器6、清水回收装置(给水泵)7、排污管道8、注汽锅炉9、汽水分离器10；

其中，所述的高压闪蒸罐1的蒸汽出口与蒸汽引射器4的主蒸汽入口相连，高压闪蒸罐1的底水出口与中压闪蒸罐2入口相连；所述低压闪蒸罐3的蒸汽出口与蒸汽引射器4的引射口相连，低压闪蒸罐3的底水出口与排污管道8相连接；所述蒸汽引射器4的出口、中压闪蒸罐2的蒸汽出口均与中温加热器5的热源入口相连，中温加热器5的热源出口与清水回收装置7的入口相连接；所述中压闪蒸罐2的底水出口与低温加热器6的热源入口相连，低温加热器6的热源出口与排污管道8相连接。

按上述方案，所述高压闪蒸罐1的入口通过调节阀与高温污水输入管道相连，低压闪蒸3罐的入口通过调节阀与低温污水输入管道相连。

按上述方案，所述中温换热器5的冷源入口与外界需要加热的介质输入管道相连接，中温换热器5的冷源出口与所述的外界需要加热的介质输出管道相连接。具体地，所述中温换热器5的冷源入口与外界需要加热的原油输入管道相连接，中温换热器5的冷源出口与所述的外界需要加热的原油输出管道相连接。也就是说，外界需要加热的介质(如原油)流经中温加热器5进行加热。

按上述方案，所述低温换热器6的冷源入口与外界需要加热的介质输入管道相连接，低温换热器6的冷源出口与所述的外界需要加热的介质输出管道相连接。具体地，所述低温换热器6的冷源入口与外界需要加热的补充水输入管道相连接，低温换热器6的冷源出口与所述的外界需要加热的补充水输出管道相连接。也就是说，外界需要加热的补充水流经低温加热器6进行加热，加热后的补充水输出管道与清水回收装置7的入口相连接。

按上述方案，所述的清水回收装置7的出口与油田注气锅炉9的入水口相连接，所述油田注气锅炉9的蒸汽出口与气液分离器10的入口相连接，所述高压闪蒸罐1的入口与汽液分离器10的底水出口的相连。

一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用方法，包括如下步骤：

1)油田注气锅炉9产生的干度约为75％的高压湿蒸汽经过汽液分离器10进行气液分离器，分离出的干蒸汽直接用于井场注汽，剩余的高温分离底水含盐较高，由汽液分离器9底部排出；高压闪蒸罐1接受来自气液分离器9的高温分离底水(即高温污水)，并在内部进行高压闪蒸，闪蒸出来的高压蒸汽直接进入蒸汽引射器4作为驱动蒸汽；

2)低压闪蒸罐3接收来自油田联合站的稠油污水(即低温污水)，并在内部进行低压闪蒸，闪蒸出来的低压蒸汽通过卷吸作用进入蒸汽引射器4的引射口作为被引射蒸汽，低压闪蒸罐3的底部出口介质为低压闪蒸底水，因其温度低，含盐高不能再使用，直接通过排污管线8排出系统；

3)驱动蒸汽和被引射蒸汽在蒸汽引射器4内部混合膨胀后形成中温中压蒸汽，中压闪蒸罐2接收来自高压闪蒸罐1的高压闪蒸底水，并在内部进行中压闪蒸，得到中压闪蒸蒸汽和中压闪蒸底水；

4)所述中温中压蒸汽、所述中压闪蒸蒸汽均通入中温换热器5中，与原油进行热交换对原油进行加热，与此同时中温中压蒸汽、所述中压闪蒸蒸汽转化为蒸汽冷凝回水，收集于清水回收装置7中，可以作为锅炉补给水的水源；中压闪蒸罐2底部出口的中压闪蒸底水(污水)还具有一定的温度，该股中压闪蒸底水直接进入低温换热器6对注气锅炉补充水进行加热，然后再将换热降温后的中压闪蒸底水通过排污管线8排出系统。

在应用本发明的一具体实施例中，其中低温稠油污水温度90℃，补充水温度20℃，联合站附近有一注汽站，有2台48t/h注汽锅炉和配套汽液分离器，注气锅炉出口蒸汽压力为14.2MPa，温度为337.8℃；干度75％的湿蒸汽分离出干蒸汽后产生12t/h含盐的高温污水。依据本发明设计余热利用工艺，低温稠油污水低压闪蒸压力取0.02MPa，驱动蒸汽压力取1MPa(即高压闪蒸蒸汽的压力)，出口压力维持在0.11MPa(中压闪蒸蒸汽的压力、中温中压闪蒸蒸汽的压力)。

考虑到胜利西部新区蒸汽价格约为120CNY/t，天然气价格按2.11CNY/Nm3计算，将废水闪蒸与蒸汽引射热泵系统同减压蒸汽直掺加热、燃气水套炉加热两种方式相比。则蒸汽直掺加热运行成本为0.2CNY/kWh，燃气水套炉加热运行成本为0.264CNY/kWh，蒸汽引射热泵系统所用为余热资源，不计运行成本。需要说明的是，宏观上讲废水闪蒸与热泵联合系统不仅体现在节约燃料导致的节能减排，同时也表现在制清水所带来的节能降耗的收益。就本发明所述系统回收潜热而言，每吨高温分离底水闪蒸并引射出的混合蒸汽(中温中压蒸汽)制热量达到324kWh，高压闪蒸底水闪蒸后的中压闪蒸汽回收制热量达到57kWh，系统总计制热量达到381kWh，可节约直掺蒸汽0.61t，节省蒸汽费72.9CNY；制热后剩余的蒸汽冷凝水回用锅炉，较之常温补给清水节省加热量56kWh，中压闪蒸底水加热清水回收显热量为41kWh，系统回收显热总计97kWh，则节省燃煤费用为7.5CNY，节能费用总计80.4CNY。另一方面，本发明所述系统同时可以实现废水制淡水，代替补给清水开发费2.2CNY/m³，污水回灌费5.9CNY/m³，则每吨高温分离底水节省水处理费用共计4.9CNY。综合节能节水效益可知每吨高温分离底水节省资金85.3CNY/t，经济效益非常明显。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统，其特征在于包括高压闪蒸罐、中压闪蒸罐、低压闪蒸罐、蒸汽引射器、中温换热器和低温换热器；其中，所述的高压闪蒸罐的蒸汽出口与蒸汽引射器的主蒸汽入口相连，高压闪蒸罐的底水出口与中压闪蒸罐入口相连；所述低压闪蒸罐的蒸汽出口与蒸汽引射器的引射口相连，低压闪蒸罐的底水出口与排污管道相连接；所述蒸汽引射器的出口、中压闪蒸罐的蒸汽出口均与中温加热器的热源入口相连，中温加热器的热源出口与清水回收装置的入口相连接；所述中压闪蒸罐的底水出口与低温加热器的热源入口相连，低温加热器的热源出口与排污管道相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统，其特征在于所述高压闪蒸罐的入口通过调节阀与高温污水输入管道相连，低压闪蒸罐的入口通过调节阀与低温污水输入管道相连。

3.根据权利要求1所述的一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统，其特征在于所述中温换热器的冷源入口与外界需要加热的原油输入管道相连接，中温换热器的冷源出口与所述的外界需要加热的原油输出管道相连接；所述低温换热器的冷源入口与外界需要加热的补充水输入管道相连接，低温换热器的冷源出口与所述的外界需要加热的补充水输出管道相连接。

4.根据权利要求3所述的一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统，其特征在于所述的外界需要加热的补充水输出管道与清水回收装置的入口相连接。

5.根据权利要求1所述的一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统，其特征在于所述的清水回收装置的出口与油田注气锅炉的入水口相连接。

6.根据权利要求1所述的一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用系统，其特征在于所述油田注气锅炉的蒸汽出口与气液分离器的入口相连接，所述高压闪蒸罐的入口与汽液分离器的底水出口的相连。

7.一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用方法，其特征在于包括如下步骤：

1)高温污水通入高压闪蒸罐中进行闪蒸产生高压闪蒸蒸汽和高压闪蒸底水，所得高压闪蒸蒸汽通入蒸汽引射器主作为驱动蒸汽；

2)低温污水通入低压闪蒸罐中进行闪蒸得到低压闪蒸蒸汽和低压闪蒸底水，所得低压闪蒸蒸汽通入蒸汽引射器主作为被引射蒸汽，低压闪蒸底水通过排污管线排出系统；

3)驱动蒸汽和被引射蒸汽在蒸汽引射器内部混合膨胀后形成中温中压蒸汽，所述中压闪蒸罐闪蒸接收所述的高压闪蒸底水并进行闪蒸，得到中压闪蒸蒸汽和中压闪蒸底水；

4)所述中温中压蒸汽、所述中压闪蒸蒸汽均通入中温换热器中进行热交换以回收余热，然后收集于清水回收装置中；所述中压闪蒸底水通入低温换热器中进行热交换以回收余热，然后排放。

8.根据权利要求7所述的一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用方法，其特征在于所述的低温污水的温度为65-90℃；所述的高温污水温度在300℃以上。

9.根据权利要求7所述的一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用方法，其特征在于所述高压闪蒸罐的高压闪蒸罐工作压力0.8-1.2Mpa；中压闪蒸罐工作压力0.11-0.13Mpa；低压闪蒸罐工作压力0.01-0.05Mpa；所述蒸汽引射器的主蒸汽入口参数与高压闪蒸罐的蒸汽参数相同，引射口的工作参数与低压闪蒸罐的蒸汽参数相同，出口的工作参数与中压闪蒸罐的蒸汽参数相同；中温中压蒸汽参数一与中压闪蒸罐的蒸汽参数相同。

10.根据权利要求7所述的一种高低温污水余热梯级利用和资源化回用方法，其特征在于外界需要加热的介质一流经中温加热器进行热交换；外界需要加热的补充水流经低温加热器与中压闪蒸底水进行热交换，所得低温补充水进行回收储存于清水回收装置中；所述的清水回收装置收集的清水作为淡水资源用于油田注气锅炉中。