CN107140772A - 一种基于液化天然气冷能的复合海水淡化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液化天然气冷能的冷冻‑加水‑离心复合海水淡化方法，包括步骤：(1)LNG与二次冷媒换热并气化，再将二次冷媒通过片冰机将海水冷冻为片状冰和浓海水；(2)将所得片状冰送入过滤式离心脱盐装置，加入原海水；(3)将所得冰水混合物离心处理；(4)将所分离的冰融化。本发明还提出一种基于LNG冷能的海水淡化系统。本发明利用低成本的LNG冷能作为工艺所需冷源，通过加原海水处理加速部分冰的融化过程，同时降低附着在冰表面的卤水黏度，以有助于以机械离心作用分离盐胞，并通过对各级淡化操作的参数进行优化，实现了高脱盐率和高产水率，及降低工程成本、节省时间及能耗、便于实施等因素的平衡，具有极强的工业推广价值。

Description

一种基于液化天然气冷能的复合海水淡化方法及系统

技术领域

本发明涉及油气储运、工程热物理及水处理技术的交叉领域，具体涉及了一种基于液化天然气冷能的冷冻-加水-离心复合海水淡化方法及装置。

背景技术

LNG是常压、低温(-162℃)下的液态天然气，在进入管道输送、用作燃料或化工原料之前均需气化后使用，LNG气化时理论上会释放830kJ/kg的冷能。进口LNG接收站一般建在海港附近，LNG气化释放的冷能通常直接排放到海水中，随着接收站规模的不断扩大，大量的冷能对附近海域的生态环境构成影响。若能将这部分冷能用于海水淡化，则既可以减轻LNG冷能对码头附近海域生态环境的影响又可降低冷冻法海水淡化的成本，具有节能、节水、减少碳排放、综合利用能源资源的意义。随着天然气在我国一次能源消费结构中所占比重的大幅度提高，沿海地区进口LNG码头发展迅速，这为采用冷冻法进行工业化的海水淡化提供了发展的机遇。

冷冻法脱盐作为海水淡化的方法之一，冷源可以采用天然冷源和人工冷源，前者受地理气候条件所限，难以大范围工业化采用，后者需要消耗大量的能源(制冷过程往往需要消耗高品位的电能)。LNG接收站能够为采用冷冻法海水淡化提供低成本的冷源，但单纯的冷冻法与膜法(如反渗透膜法)和热法(如低温多效蒸馏法等)相比，其脱盐率较低，未能成为主流的海水淡化方法。因此将冷冻与后续淡化过程相结合，构建技术经济可行的高脱盐率复合淡化工艺，是实现利用LNG冷能进行海水淡化产业化亟待解决的问题。

现有技术采用的重力脱盐工艺，需要通过消耗能源创造一个高温环境或利用冰与环境的温度差在自然环境中对冰进行加热使其部分融化。如果利用自然温差，环境温度直接影响冰体的融化速度进而影响脱盐速度，而利用能源进行加热更易于控制并提高脱盐工艺的速度，但需要增加运行成本。中国北方地区冬季环境温度较低，利用自然热源进行重力脱盐会使得脱盐过程非常缓慢，如果用常规加热方式提高温度进行重力脱盐过程，不免造成能源的浪费。同时，重力脱盐由于直接依赖于冰的融化，且与外界直接接触的冰表面融化速度快而内部融化速度慢，不利于从内部打开盐胞结构，还需要将经过重力脱盐的冰打碎形成均匀的冰晶颗粒，并在后续的离心脱盐步骤中采用较高的离心速度才能实现充分脱除，导致工艺复杂且耗时长。

现有技术采用的冷冻-微波-离心脱盐工艺中，微波处理过程需要消耗一定的电能。

目前，亟待开发一种更加节能、脱盐率和产水率都高且利于大规模工业化推广的复合海水淡化方法。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种基于液化天然气冷能的复合海水淡化方法，以充分利用LNG气化过程所释放的大量冷能，采用间接传热方式快速冷冻海水，并在此基础上综合利用加水处理及离心脱盐技术，最终得到满足部分工农业生产或民用要求的淡水资源，最大限度地保证工业化生产的连续性并降低后处理的成本。

本发明的另一目的是提出一种基于液化天然气冷能的海水淡化系统。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种基于液化天然气冷能的复合海水淡化方法，为冷冻-加水-离心的复合操作，具体包括步骤：

(1)将液化天然气与二次冷媒充分进行间接换热，得到气态天然气并将冷量传递给二次冷媒，再将所得二次冷媒与海水通过片冰机充分进行间接换热，海水得到冷量后冷冻为片状冰和浓海水；冰水分离后，回收浓海水，片状冰备用；

(2)将步骤(1)所得片状冰送入过滤式离心脱盐装置，并同时向所述过滤式离心脱盐装置加入原海水，得到冰水混合物；

(3)启动所述过滤式离心脱盐装置，将步骤(2)所得冰水混合物进行离心处理，使冰水分离；回收液体，分离出的冰备用；

(4)将步骤(3)所分离的冰完全融化，即得淡化的海水。

本方法不是采用微波等手段从内部打开盐胞，因此需采用片冰机，要求冰的结构更薄。

其中，步骤(1)所述二次冷媒为无水乙醇、丙烷和R410a中的一种，经过换热的冷媒温度为-50～-20℃。冷媒和海水流量不变的情况下，冷媒温度越低，海水结冰率越高，但考虑到冷能利用过程中可能存在梯级利用以及为了避免海水在系统中冻结等原因，冷媒温度不宜过低。

所述二次冷媒循环可采用有相变循环，也可采用无相变循环。冷媒应当尽可能选用稳定、无毒的单一介质或混合介质，有相变循环介质工作压力下的相变温度应符合系统要求，优选为丙烷或R410a制冷剂，进一步优选为R410a制冷剂，无相变循环介质优选为无水乙醇。

本发明步骤(2)将加水处理应用于海冰复合脱盐的中间环节，通过加原海水处理加速一部分冰的融化过程，使盐胞通道主要从外部打开，同时降低附着在冰表面的卤水黏度，以有助于以机械离心作用分离盐胞，提高剩余冰的纯度。同时由于采用了片冰机，使得冰的结构变薄，加原海水处理后可以省略静置、碎冰、微波处理步骤，直接离心处理即可获得优异的脱盐效果，并避免了冰融化率过大的现象，有效地提高了产水率。由于采用本发明步骤(1)所述方法制备而成的冰片性质特殊，本发明选用向所述冰片中加入冰片质量10％～90％，更优选为20％～70％的原海水处理冰片。在实际操作中，所述加水处理设备应尽量使原海水的分布更加均匀。

本发明在采用加原海水处理冷冻后的海冰、使盐胞通道打开并降低附着在冰表面的卤水黏度的基础上，采用机械离心方法分离盐胞。步骤(3)所述过滤式离心脱盐装置的转速为1000～4000r/min；优选地，所述离心过程具体为：在2500～3500r/min条件下离心1～3min。

为稳定产品水的脱盐率，本技术应根据自然环境中海水的实际温度调整加水比例，例如，对于盐度为3％的原海水，如果要求产品水的脱盐率为88％，则当原海水的温度为26.9℃时，需加入的原海水质量为片状冰质量的20％；当原海水的温度为11℃时，需加入的原海水质量为片状冰质量的30％。限于篇幅，不一一提供各温度条件下的试验。(实施例3与4的实验数据对比即为说明)

一种基于液化天然气冷能的海水淡化系统，包括二次冷媒冷却器、海水片冰机、过滤式离心脱盐装置；

所述二次冷媒冷却器为板式冷却器，冷却器内设置天然气通道和二次冷媒通道，所述二次冷媒通道的出口连接于所述海水片冰机，

所述海水片冰机设置有海水入口，海水片冰机底部连接所述过滤式离心脱盐装置，所述过滤式离心脱盐装置连接有融冰槽。

进一步地，所述过滤式离心脱盐装置具有圆筒形外壳，外壳内有圆筒形筛网，外壳和筛网之间为液体回收区域，所述液体回收区域通过管路连接有浓海水回收箱。

本发明优选技术方案之一为，所述浓海水回收箱为冷量回收换热装置，具有管壳式换热器的结构，回收箱的壳程流体为浓海水，管程流体为原海水，

所述融冰槽内设置有盘管，所述浓海水回收箱的原海水出口连接所述融冰槽内的盘管；融冰槽槽壁和盘管之间为将冰融化为淡水的区域。

可选地，融冰槽内设置有辅助加热盘管。

海水供应系统中的原海水依次经过浓海水回收箱和融冰槽内的原海水预冷盘管与片冰机内的海水分布装置相连。待处理海水经过浓海水回收箱和融冰槽内的原海水预冷盘管，与浓海水和融冰槽内待融化的冰实现间接热交换，可以使海水在进入片冰机前实现预冷，从而提高片冰机的出冰率，同时回收浓海水中的冷量、将冰融化为淡水，实现了能源的充分利用，同时保证了进入片冰机的海水盐度稳定。

其中，所述二次冷媒冷却器通过二次冷媒管路连接于储液罐，所述二次冷媒管路上设置有二次冷媒泵和逆止阀；

所述海水片冰机顶部设置有海水分布装置，所述海水片冰机底部连接有锥形的冰水分离器；所述海水片冰机通过管路连接于浓海水回收箱。

本发明所得到的浓海水经过浓海水回收系统回收处理后，可以进一步加工利用，如输送至制盐或盐化工厂。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的方法及装置，利用低成本的LNG冷能作为基于冷冻过程的海水复合淡化工艺所需冷源，在此基础上，通过加水处理加速一部分冰的融化过程，使盐胞通道打开，同时降低附着在冰表面的卤水黏度，以有助于以机械离心作用分离盐胞，提高剩余冰的纯度，便于控制，步骤简单、节能环保，可以缩短工艺时间，并通过对各级淡化操作的参数进行优化，实现了高脱盐率和高产水率，以及降低工程成本、节省时间及能耗、便于实施等因素的平衡，具有极强的工业推广价值。

附图说明

图1为本发明海水淡化系统结构简图。

图中，1为次冷媒冷却器，101为储液罐，102为二次冷媒泵，103为逆止阀，2为海水片冰机，201为海水分布装置，3为过滤式离心脱盐装置，4为融冰槽，401为融冰槽盘管，402为辅助加热盘管，5为浓海水回收箱，501为原海水预冷盘管，6为冰水分离器。

具体实施方式

以下以具体实施例来进一步说明本发明技术方案。本领域技术人员应当知晓，实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明的范围。

实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。

本发明所述脱盐率是指：处理后所得水中盐的浓度占海水原始盐浓度的百分比。

实施例1：

参见图1，一种基于液化天然气冷能的海水淡化系统，包括二次冷媒冷却器1、海水片冰机2、过滤式离心脱盐装置3；

所述二次冷媒冷却器1为板式冷却器，冷却器内设置天然气通道和二次冷媒通道，所述二次冷媒通道的出口连接于所述海水片冰机2，二次冷媒冷却器1通过二次冷媒管路连接于储液罐101，在二次冷媒管路上设置有二次冷媒泵102和逆止阀103；

海水片冰机2顶部设置有海水分布装置201，所述海水片冰机2底部连接有锥形的冰水分离器6；所述海水片冰机2通过管路连接于浓海水回收箱。

所述过滤式离心脱盐装置3连接有融冰槽4。过滤式离心脱盐装置3具有圆筒形外壳，外壳内有圆筒形筛网，外壳和筛网之间为液体回收区域，所述液体回收区域通过管路连接有浓海水回收箱5。所述浓海水回收箱5为换热装置，回收箱的壳程流体为浓海水，管程流体为原海水。

融冰槽4内设置有盘管，所述浓海水回收箱的原海水出口连接所述融冰槽4内的盘管；融冰槽槽壁和盘管之间为将冰融化为淡水的区域。融冰槽4内还设置有辅助加热盘管402。

海水供应系统中的原海水依次经过浓海水回收箱和融冰槽内的原海水预冷盘管与片冰机内的海水分布装置相连。待处理海水经过浓海水回收箱和融冰槽内的原海水预冷盘管，与浓海水和融冰槽内待融化的冰实现间接热交换，可以使海水在进入片冰机前实现预冷，从而提高片冰机的出冰率，同时回收浓海水中的冷量、将冰融化为淡水，实现了能源的充分利用，同时保证了进入片冰机的海水盐度稳定。

实施例2

采用实施例1的系统，本实施例给出一种具体的海水淡化操作、及相应的工艺参数：

(1)取原始盐浓度为3％的海水，其经过浓海水回收箱和融冰槽的预冷后，温度为0.1℃；将液化天然气与无水乙醇间接换热，得到气态天然气并使无水乙醇温度降低至-47℃后，再将所得无水乙醇与所述海水充分进行间接换热，在片冰机内使得一部分海水结冰，制得的冰片厚度约为1-3mm；冰水分离后，回收剩余海水，冰备用；

(2)取步骤(1)所得冰501g，送入过滤式离心脱盐装置，同时加入温度为26.9℃、质量为冰质量70％的原海水；

(3)启动过滤式离心脱盐装置，将步骤(2)所得冰水混合物在3000r/min条件下离心2min，进行离心处理，离心的同时使冰水分离；回收液体，剩余的冰备用；

(4)将步骤(3)所得剩余的冰完全融化，即得淡水。

经本实施例处理后，海水的脱盐率为91％；处理后所得水的质量为步骤(2)所取冰质量的45.6％。

实施例3

应用实施例1的系统，按照以下步骤进行海水淡化：

(1)取原始盐浓度为3％的海水；将液化天然气与无水乙醇间接换热，得到气态天然气并使无水乙醇温度降低至-47℃后，再将所述无水乙醇与预冷至0.1℃的海水充分进行间接换热，使得一部分海水结冰；冰水分离后，回收剩余海水，冰备用；

(2)取步骤(1)所得冰500g，送入过滤式离心脱盐装置，同时加入温度为26.9℃、质量为冰质量20％的原海水；

(3)启动过滤式离心脱盐装置，将步骤(2)所得冰水混合物在3000r/min条件下离心2min，进行离心处理，离心的同时使冰水分离；回收液体，剩余的冰备用；

(4)将步骤(3)所得剩余的冰完全融化，即可。

经本实施例处理后，海水的脱盐率为88％；处理后所得水的质量为步骤(2)所取冰质量的59.4％。

实施例4

应用实施例1的系统，按照以下步骤进行海水淡化：

(1)取原始盐浓度为3％的海水；将液化天然气与无水乙醇间接换热，得到气态天然气并使无水乙醇温度降低至-47℃后，再将所述无水乙醇与预冷至0.1℃的海水充分进行间接换热，使得一部分海水结冰；冰水分离后，回收剩余海水，冰备用；

(2)取步骤(1)所得冰499g，送入过滤式离心脱盐装置，同时加入温度为11℃、质量为冰质量30％的原海水；

(3)启动过滤式离心脱盐装置，将步骤(2)所得冰水混合物在3000r/min条件下离心2min，进行离心处理，离心的同时使冰水分离；回收液体，剩余的冰备用；

(4)将步骤(3)所得剩余的冰完全融化，即可。

经本实施例处理后，海水的脱盐率为88％；处理后所得水的质量为步骤(2)所取冰质量的65.4％。

实施例5

应用实施例1的系统，按照以下步骤进行海水淡化：

(1)取原始盐浓度为3％的海水；将液化天然气与无水乙醇间接换热，得到气态天然气并使无水乙醇温度降低至-47℃后，再将所述无水乙醇与所预冷至0.1℃的海水充分进行间接换热，使得一部分海水结冰；冰水分离后，回收剩余海水，冰备用；

(2)取步骤(1)所得冰500g，送入过滤式离心脱盐装置，同时加入温度为11℃、质量为冰质量70％的原海水；

(3)启动过滤式离心脱盐装置，将步骤(2)所得冰水混合物在3000r/min条件下离心2min，进行离心处理，离心的同时使冰水分离；回收液体，剩余的冰备用；

(4)将步骤(3)所得剩余的冰完全融化，即可。

经本实施例处理后，海水的脱盐率为89％；处理后所得水的质量为步骤(2)所取冰质量的57.2％。

实施例6

采用实施例1的系统，本实施例给出一种具体的海水淡化操作、及相应的工艺参数：

(1)取原始盐浓度为3％的海水，其经过浓海水回收箱和融冰槽的预冷后，温度为0.1℃；将液化天然气与无水乙醇间接换热，得到气态天然气并使无水乙醇温度降低至-45℃后，再将所得无水乙醇与所述海水充分进行间接换热，在片冰机内使得一部分海水结冰，制得的冰片厚度约为1-3mm；冰水分离后，回收剩余海水，冰备用；

(2)取步骤(1)所得冰499g，送入过滤式离心脱盐装置，同时加入温度为27℃、质量为冰质量60％的原海水；

(3)启动过滤式离心脱盐装置，将步骤(2)所得冰水混合物在2000r/min条件下离心2min，进行离心处理，离心的同时使冰水分离；回收液体，剩余的冰备用；

(4)将步骤(3)所得剩余的冰完全融化，即得淡水。

经本实施例处理后，海水的脱盐率为86％；处理后所得水的质量为步骤(2)所取冰质量的50.64％。

以上的实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于液化天然气冷能的复合海水淡化方法，其特征在于，为冷冻-加水-离心的复合操作，具体包括步骤：

(1)将液化天然气与二次冷媒充分进行间接换热，得到气态天然气并将冷量传递给二次冷媒，再将所得二次冷媒与海水通过片冰机充分进行间接换热，海水得到冷量后冷冻为片状冰和浓海水；冰水分离后，回收浓海水，片状冰备用；

(2)将步骤(1)所得片状冰送入过滤式离心脱盐装置，并同时向所述过滤式离心脱盐装置加入原海水，得到冰水混合物；

(3)启动所述过滤式离心脱盐装置，将步骤(2)所得冰水混合物进行离心处理，使冰水分离；回收液体，分离出的冰备用；

(4)将步骤(3)所分离的冰完全融化，即得淡化的海水。

2.根据权利要求1所述的复合海水淡化方法，其特征在于，步骤(1)所述二次冷媒为无水乙醇、丙烷和R410a中的一种，经过换热的冷媒温度为-50～-20℃。

3.根据权利要求1所述的复合海水淡化方法，其特征在于，步骤(1)进入片冰机的海水为预冷过的海水，温度为0～5℃；步骤(3)离心分离出的浓海水、和步骤(4)冰融化过程用于预冷海水。

4.根据权利要求1～3任一项所述的复合海水淡化方法，其特征在于，步骤(2)所述原海水为未经预先冷却或加热的海水，其原始盐浓度为3～3.5％；加入的原海水质量为片状冰质量的10％～90％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中离心的速度为1000～4000r/min；优选地，所述离心具体为：在2500～3500r/min转速下离心1～3min。

6.一种基于液化天然气冷能的海水淡化系统，其特征在于，包括二次冷媒冷却器、海水片冰机、过滤式离心脱盐装置；所述二次冷媒冷却器为板式冷却器，冷却器内设置天然气通道和二次冷媒通道，所述二次冷媒通道的出口连接于所述海水片冰机，

所述海水片冰机设置有海水入口，海水片冰机底部连接所述过滤式离心脱盐装置，所述过滤式离心脱盐装置连接有融冰槽。

7.根据权利要求6所述的海水淡化系统，其特征在于，所述过滤式离心脱盐装置具有圆筒形外壳，外壳内有圆筒形筛网，外壳和筛网之间为液体回收区域，所述液体回收区域通过管路连接有浓海水回收箱。

8.根据权利要求7所述的海水淡化系统，其特征在于，所述浓海水回收箱为冷量回收换热装置，具有管壳式换热器的结构，回收箱的壳程流体为浓海水，管程流体为原海水，所述融冰槽内设置有盘管，所述浓海水回收箱的原海水的出口连接所述融冰槽内的盘管；融冰槽槽壁和盘管之间为将冰融化为淡水的区域。

9.根据权利要求6～8任一项所述的海水淡化系统，其特征在于，所述二次冷媒冷却器通过二次冷媒管路连接于储液罐，所述二次冷媒管路上设置有二次冷媒泵和逆止阀。

10.根据权利要求6～8任一项所述的海水淡化系统，其特征在于，所述海水片冰机顶部设置有海水分布装置，所述海水片冰机底部连接有锥形的冰水分离器；所述海水片冰机通过管路连接于浓海水回收箱。