CN105439352A - 海水淡化和制盐一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海水淡化和制盐一体化装置，包括给水泵、柱塞式增压装置、脉动能交换器、送风机、加热器、喷雾结晶制盐装置、反渗透膜组件、余能回收装置和增压泵；给水泵的进水端与海水连通，出水端分两路，其中一路依次经过柱塞式增压装置、脉动能交换器产生稳定的高压海水，另外一路依次经过余能回收装置、增压泵与从脉动能交换器排出的高压海水汇合进入反渗透膜组件制取淡水，从反渗透膜组件排出的高压浓海水经过余能回收装置产生低压浓海水，低压浓海水进入喷雾结晶制盐装置中，从送风机排出的稳定气流依次经过加热器、脉动能交换器产生脉动的热气流进入喷雾结晶制盐装置中，低压浓海水和脉动的热气流在喷雾结晶制盐装置中混合蒸发结晶制盐。

Description

海水淡化和制盐一体化装置
本申请为中国申请日2015年01月13日，申请号为2015100150200，名称为“海水淡化和制盐一体化的方法及装置”的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种水处理装置，特别是一种海水淡化和制盐的方法及装置。
背景技术
淡水资源匮乏、能源紧缺和环境危机是我国目前面临的三大问题。将海水进行淡化和制盐综合利用，能有效缓解淡水资源紧缺问题，能避免浓海水直接排放，而且还有利于降低能耗和综合成本。尽管如此，目前进行海水淡化和制盐综合利用的能耗及成本仍然很高，严重制约了产业化发展。
2001年1月《农业机械学报》第1期第32卷“脉动气流的喷雾干燥”文献记载，高温、高频振荡气流下的喷雾干燥比传统喷雾干燥的蒸发速率提高25倍以上，除此之外，脉动蒸发干燥还具有节能、设备成本低、改善环境污染现状等优点，因此，为了提高制盐的效率，将淡化后的浓海水喷雾到脉动的热气流中，是当前性价比较高的先进制盐技术。
虽然上述“脉动气流的喷雾干燥”中也公开了“一种脉动燃烧装置”，该装置可以产生脉动的热气流，但该装置结构复杂，性能不稳定，不能被应用于海水淡化制盐中。目前海水淡化、制盐的脉动热气流产生方法为：由送风机产生稳定的空气流，空气流经过加热形成稳定的热气流，稳定的热气流再通过脉动泵产生脉动的热气流，这种脉动的热气流的生产方式需要用到脉动泵，脉动泵的耗能较高，导致系统的能耗居高不下。
另外，目前的海水淡化主要采用反渗透膜技术，反渗透膜技术需要5.0MPa～6.0MPa的高压海水，目前较为理想的海水升压设备为柱塞式增压装置，柱塞式增压装置主要由活塞、活塞杆、泵缸、泵阀、曲柄连杆等构成，工作原理是活塞在外力作用下做往复运动，由此改变工作腔内的容积和压强，在工作腔内形成负压，则贮槽内液体经吸入阀进入工作腔内，当柱塞往复的运动打开和关闭吸入、压出阀门时，工作腔内的液体受到挤压，压力增大，由排出阀排出达到输送液体的目的。由于柱塞式增压装置活塞在移动过程中，其速度不断的变化，造成柱塞式增压装置出水口的水压是脉动的，而脉动的高压水会严重缩短反渗透膜的使用寿命和影响淡水产品的质量，所以不能直接进入反渗透膜组件。因此，目前的柱塞式增压装置的出水口后需要增加稳压装置，以保证达到反渗透膜内的水压稳定。目前常用的稳压装置有减压阀、缓冲罐和蓄能器等，这些稳压过程要消耗很多能量，不仅如此，稳压装置还导致系统结构复杂，设备投入成本和占地面积增加。
综上所述，目前的海水淡化和制盐设备中，存在用于稳定柱塞式增压装置出水口水压的稳压装置和用于产生脉动热气流的脉动泵，导致目前的海水淡化和制盐过程能量消耗大、设备投入多并且成本高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种能量利用和转化效率高，运行成本降低，具有可观的经济效益、社会效益和应用价值的海水淡化和制盐一体化的方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种海水淡化和制盐一体化的方法，该方法为：从大海中抽取的海水经过柱塞式增压装置转化为脉动的高压海水，脉动的高压海水和稳定的热气流在脉动能交换装置内实现能量交换，转化为稳定的高压海水和脉动的热气流，稳压后的高压海水经过反渗透膜组件制取淡水，从反渗透膜组件排出的高压浓海水喷雾到脉动的热气流中蒸发结晶制盐。
作为对上述方法的进一步改进，所述从反渗透膜组件排出的高压浓海水与从大海中抽取的海水在余能回收装置中实现能量交换，从余能回收装置中排出的次高压海水经过高压泵增压后，与从脉动能交换装置排出的高压海水汇流进入反渗透膜组件，从余能回收装置中排出的低压浓海水喷雾到脉动的热气流中蒸发结晶制盐。
一种采用上述方法海水淡化和制盐的装置，该装置包括给水泵、柱塞式增压装置、脉动能交换器、送风机、加热器、喷雾结晶制盐装置、反渗透膜组件、余能回收装置和增压泵；所述给水泵的进水端与大海中的海水连通，所述给水泵的出水端分两路，其中一路依次经过柱塞式增压装置、脉动能交换器产生稳定的高压海水，另外一路依次经过余能回收装置、增压泵，与从脉动能交换器排出的高压海水汇合进入反渗透膜组件制取淡水，从所述反渗透膜组件排出的高压浓海水经过余能回收装置产生低压浓海水，低压浓海水进入所述喷雾结晶制盐装置中，从所述送风机排出的稳定气流依次经过加热器、脉动能交换器产生脉动的热气流进入所述喷雾结晶制盐装置中，所述低压浓海水和脉动的热气流在喷雾结晶制盐装置中混合蒸发结晶制盐。
所述脉动能交换器包括相互隔离的热气流通道和高压海水通道，所述热气流通道内设置有网状的支撑套，所述支撑套内设置有由弹性材料制成的换压囊，所述换压囊设置有与所述高压海水通道连通的进水口。
所述脉动能交换器包括相互隔离的热气流通道和高压海水通道，所述热气流通道位于所述高压海水通道的正上方，所述热气流通道的下侧设置有活塞口，所述高压海水通道的上侧设置有换压室，所述换压室内安装有可伸入所述活塞口内的活塞阀。
所述活塞口处设置有弹性的密封膜。
所述活塞阀上安装有配重块。
本发明的有益效果是：本发明将柱塞式增压装置产生的脉动高压海水的脉动能量通过脉动能交换装置传递到稳定的热气流，形成稳定的高压海水和脉动的热气流，省略了目前海水淡化中的稳压装置和制盐设备中的脉动泵，简化了系统的结构，减少了设备的投入及占地面积，节约了能源，高压海水的脉动能直接传递到稳定的热气流中形成脉动的热气流，脉动能交换装置既代替了稳压装置，又能产生脉动的热气流而不需要额外消耗能量，使原来有害的脉动能得到了充分的利用，达到了双向节能、降低成本的目的，使综合能耗和成本大幅降低，具有可观的经济效益、社会效益和应用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是脉动能交换器的第一种实施方式结构示意图；
图3是脉动能交换器的第二种实施方式结构示意图。
具体实施方式
一种海水淡化和制盐一体化的方法，该方法为：从大海中抽取的海水经过柱塞式增压装置转化为脉动的高压海水，脉动的高压海水和稳定的热气流在脉动能交换装置内实现能量交换，转化为稳定的高压海水和脉动的热气流，稳压后的高压海水经过反渗透膜组件制取淡水，从反渗透膜组件排出的高压浓海水喷雾到脉动的热气流中蒸发结晶制盐。
作为本发明的进一步改进，所述从反渗透膜组件排出的高压浓海水与从大海中抽取的海水在余能回收装置中实现能量交换，从余能回收装置中排出的次高压海水经过高压泵增压后，与从脉动能交换装置排出的高压海水汇流进入反渗透膜组件，从余能回收装置中排出的低压浓海水喷雾到脉动的热气流中蒸发结晶制盐。
参照图1，一种采用上述方法海水淡化和制盐的装置，包括给水泵12、柱塞式增压装置15、脉动能交换器3、送风机1、加热器2、喷雾结晶制盐装置4、反渗透膜组件7、余能回收装置8和增压泵9。所述给水泵12的进水端与大海14中的海水连通，所述给水泵12的出水端分两路，其中一路依次经过柱塞式增压装置15、脉动能交换器3产生稳定的高压海水，另外一路依次经过余能回收装置8、增压泵9与从脉动能交换器3排出的高压海水汇合进入反渗透膜组件7制取淡水，制取的淡水流入淡水箱6中储存，从所述反渗透膜组件7排出的高压浓海水经过余能回收装置8产生低压浓海水，低压浓海通过管道接入所述喷雾结晶制盐装置4中，从所述送风机1排出的稳定气流依次经过加热器2、脉动能交换器3产生脉动的热气流进入所述喷雾结晶制盐装置4中，所述低压浓海水和脉动的热气流在喷雾结晶制盐装置4中混合蒸发结晶制盐。
所述柱塞式增压装置15、给水泵12、增压泵9的动力可以来自于电动机，电动机从外电网汲取工作电源，也可以如专利号为201010581552.8的专利文件所公开的技术方案，利用潮汐能及水轮机产生动力，带动柱塞式增压装置15、给水泵12、增压泵9工作。
为了保护系统设备，所述给水泵12的出水口处可以设置海水预处理器11，并在海水预处理器11的两路输出管道中设置第一节流阀10和第二节流阀13。海水预处理器11主要由多介质滤器、炭滤器、保安过滤器等组成。多介质滤器的作用是滤除海水中的泥沙、杂质、悬浮物，降低海水的SDI（污染指数密度）值。炭滤器具有吸附和过滤双重作用，能够滤除海水中的化学有机物、重金属、色度、异味等，改善制得淡水的口感。保安过滤器能够拦截大于5微米的物体，延长反渗透膜组件的使用寿命。
从脉动能交换器3排出的稳定的高压海水的水压为5.0MPa～6.0MPa，从反渗透膜组件7排出的淡水水压为0.15MPa，浓海水水压为4.8MPa～5.8MPa，高压浓海水与低压海水经过余能回收装置8交换能量后，从余能回收装置8排出的次高压海水水压为4.0MPa～4.5MPa，通过增压泵9增压至5.0MPa～6.0MPa，与从脉动能交换器3排出的高压海水汇流，进入反渗透膜组件7中制取淡水，从余能回收装置8中排出的低压浓海水水压为0.45MPa～0.55MPa，0.45MPa～0.55MPa低压浓海水的水压足够保证喷雾的效果。
所述柱塞式增压装置15又称为柱塞式计量泵，如上海顺子机械制造有限公司生产的SZ-B-12.5/20型柱塞式计量泵，最大压力能达到20MPa，冲程频率为58～116次/分，可满足海水增压和产生脉动热气流的要求。
所述余能回收装置8的结构和工作原理与目前海水淡化系统中采用的余能回收装置相同，如公开号为CN102974220B的专利文件公开的水能量回收系统，青岛保税区嘉铭国际贸易有限公司生产的PX系列压力交换器等均可使用。目前的余能回收装置能量回收率可达到90%以上，能大大降低反渗透海水淡化的制水能耗，降低制水成本。
所述喷雾结晶蒸发装置4与目前海水淡化及制盐所用的喷雾结晶蒸发装置结构和工作原理相同，主要由雾化器、喷雾干燥室、冷却室等组成，脉动的热气流进入干燥室，低压浓海水在自身的压力下，通过雾化器进行雾化，以小液滴的形式喷淋到干燥室内，与脉动的热气流混合，在喷雾干燥室内部形成高温、高频振荡状态，热气流与浓海水充分混合，换热面积增大，从而能在很短的时间内达到快速蒸发干燥的目的。
为了使进入反渗透膜组件7的高压海水更加稳定性，可以在脉动能交换器3和反渗透膜组件7之间的连接管道上加装稳压器5，稳压器5为目前常用的囊式结构，在囊中充入一定压力的气体并置于高压水路中，当海水压力增大时，海水的压力能转化为气体的势能，当海水压力减小时，气体的势能又转化为海水的水压，从而达到保护反渗透膜组件7和提高淡水质量的效果。需要说明的是，目前的海水淡化及制盐系统中的主要稳压装置被本申请的脉动能交换器3所取代，目前采用稳压装置和脉动泵的海水淡化及制盐系统中，也存在稳压幅度较小的起二次稳压作用的二级稳压机构，本申请的稳压器5相当于目前海水淡化及制盐系统中的二级稳压机构。
目前常用的稳压器还有减压阀、缓冲罐和蓄能器等，其中缓冲罐与蓄能器的原理相似，均为利用空气的可压缩膨胀特性。减压阀用于降低液压系统中某一部分的压力，当压力经过有较大阻力的缝隙小孔时，消耗了部分海水的压力能，使压力下降。由于稳压阀中缝隙的大小可根据所需压力大小自行调节，因而能保持出口压力的稳定。缓冲罐主要基于空气的可压缩与膨胀特性，按结构可将缓冲罐分为直接接触式和隔膜式两类。蓄能器和隔膜式缓冲罐相似，即当系统能量富余时，将液压油的压力能转换为势能储存起来，当系统需要时又将势能转换成液压油的压力能释放出来。
所述脉动能交换器3为能量交换器，可以选用现有技术中的能量交换器来实现。本发明提供两种结构简单、效果理想的脉动能交换器结构。
第一种脉动能交换器为弹性换压囊式，具体结构参见图2，所述脉动能交换器3包括相互隔离的热气流通道30和高压海水通道31，热气流通道30的进气口接加热器2的排气端，热气流通道30的排气端接喷雾结晶蒸发装置4，高压海水通道31的进水口接柱塞式增压装置15的出水端，高压海水通道31的出水口接反渗透膜组件7。所述热气流通道30内设置有网状的支撑套32，所述支撑套32内设置有由弹性材料制成的换压囊33，所述换压囊33设置有与所述高压海水通道31连通的进水口34。当水压增大时，弹性的换压囊33向外膨胀，体积增大，增大至与支撑套32体积相等时停止继续增大，当水压减小时，换压囊33弹性作用体积恢复原状，弹性换压囊33的体积变化，引起热气流通道30内气流通道的大小变化，而热气流流量不变，以致热气流时快时慢产生脉动效果，即把脉动的高压海水脉动能传递给了热气流，形成脉动的热气流。
第二种脉动能交换器为重锤式，具体结构参见图3，所述脉动能交换器3包括相互隔离的热气流通道30和高压海水通道31，热气流通道30和高压海水通道31在系统中的连接方式与第一种方式相同。所述热气流通道30位于所述高压海水通道31的正上方，所述热气流通道30的下侧设置有活塞口35，所述高压海水通道31的上侧设置有换压室36，所述换压室36内安装有可伸入所述活塞口35内的活塞阀37，所述活塞阀37上安装有配重块39。
当水压增大时，海水的压力能转化为活塞阀37的重力势能，活塞阀37垂直升高，从换压室36伸入热气流通道30内，使热气流通道30内的气流通道变小，但水压减小后，活塞阀37重力作用自然落下，使热气流通道30内的气流通道变大，活塞阀37向上和向下运动，热气流时快时慢产生脉动效果，即把脉动的高压海水脉动能传递给了热气流，形成脉动的热气流。
为了起到密封作用，所述活塞口35处设置有弹性的密封膜38，活塞阀37向上运动，顶起密封膜38，不但能够达到改变热气流通道30内气流通道大小的目的，也能起到密封作用。
本发明高压海水的脉动能直接传递到稳定的热气流中形成脉动的热气流，脉动能交换装置既代替了稳压装置，又能产生脉动的热气流而不需要额外消耗能量，使原来有害的脉动能得到了充分的利用，达到了双向节能，降低成本的目的，省略了目前海水淡化中的稳压装置和制盐设备中的脉动泵，简化了系统的结构，减少了设备的投入及占地面积，节约了能源，使综合能耗和成本大幅降低。
以海水淡化时淡水回收率为40%和能耗成本为50%，淡水的价格为6元/t，海盐的生产成本为130元/t即0.13元/公斤，矿盐的生产成本为0.24元/公斤计算，本发明的综合效益分析如下：
海水的平均含盐度为3.5%，即1t海水中含盐量为35公斤。采用常规海水淡化方法，生产1t淡水，需2.5t海水，而2.5t海水中含有海盐为：2.5×35=87.5公斤，生产87.5公斤海盐相比生产87.5公斤矿盐的差额利润为：87.5×（0.24-0.13）=9.625元，这就是生产海盐的一大经济优势。
利用海水制取海盐时，海水饱和浓度为26%，按照这个浓度进行计算，当1t海水被蒸发至135公斤时，海水达到饱和并开始有海盐被析出，需要蒸发掉的淡水为865公斤。采用本发明的方法及装置，1t海水经过海水淡化后，有400公斤的淡水已经被回收，则剩余600公斤浓海水中含有35公斤海盐。所以，利用剩余浓海水制取海盐时能耗成本降低率为：50%×400/865=23%，也就相当于海盐生产成本降低了0.13元/公斤×23%≈0.03元/公斤。那么生产1t淡水并利用浓海水制取海盐，海盐成本降低了87.5公斤×0.03元/公斤≈2.6元。
本发明省略了脉动泵，使得系统能效能够提高10%以上，那么生产1t淡水，海盐的制取成本又降低了0.13元/公斤×50%×10%×87.5公斤=0.57元。
所以，采用本发明的方法及装置制取1t淡水，能节约成本：2.6+0.57=3.17元。
以日产10000t淡水的海水淡化为例，日产10000t淡水，可以制取海盐875t，则利用常规方法，每天需要成本为130×875+6×10000=173750元，那么一年（按365天）的成本为173750×365=6341.875万元，采用本发明的方法及装置一年能够节约成本365×10000×3.17=1157.05万元，具有可观的经济效益、社会效益和应用价值。

Claims (1)

1.一种海水淡化和制盐一体化装置，其特征在于该装置包括：给水泵（12）、柱塞式增压装置（15）、脉动能交换器（3）、送风机（1）、加热器（2）、喷雾结晶制盐装置（4）、反渗透膜组件（7）、余能回收装置（8）和增压泵（9）；所述给水泵（12）的进水端与大海中的海水连通，所述给水泵（12）的出水端分两路，其中一路依次经过所述柱塞式增压装置（15）、脉动能交换器（3）产生稳定的高压海水，另外一路依次经过余能回收装置（8）、增压泵（9）与从脉动能交换器（3）排出的高压海水汇合进入反渗透膜组件（7）制取淡水，从所述反渗透膜组件（7）排出的高压浓海水经过余能回收装置（8）产生低压浓海水，低压浓海水进入所述喷雾结晶制盐装置（4）中，从所述送风机（1）排出的稳定气流依次经过所述加热器（2）、脉动能交换器（3）产生脉动的热气流进入所述喷雾结晶制盐装置（4）中，所述低压浓海水和脉动的热气流在喷雾结晶制盐装置（4）中混合蒸发结晶制盐；所述脉动能交换器（3）包括相互隔离的热气流通道（30）和高压海水通道（31），所述热气流通道（30）位于所述高压海水通道（31）的正上方，所述热气流通道（30）的下侧设置有活塞口（35），所述高压海水通道（31）的上侧设置有换压室（36），所述换压室（36）内安装有可伸入所述活塞口（35）内的活塞阀（37）；所述活塞口（35）处设置有弹性的密封膜（38）。
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