CN107434327B - 一种余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统，包括：海水预处理单元，用于过滤海水，脱除重金属有害物质；与海水预处理单元连接的压汽蒸馏单元，用于利用高温蒸汽对海水进行蒸发脱盐，得到预热冷却水和预热浓盐水；与压汽蒸馏单元连接的蒸汽发生单元，用于产生加热蒸汽；与蒸汽发生单元连接的余热回收单元，利用核反应堆或火电厂锅炉的余热对循环水进行加热；与海水预处理单元连接的反渗透膜单元，用于对进流液进行滤过脱盐。该系统具有结构紧凑、简单灵活的特点，不仅可用于小型海水淡化工艺，也可连接多级淡化系统用于海水淡化厂改造。

Description

一种余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统

技术领域

本发明属于脱盐及水处理设备领域，具体涉及一种余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统。

背景技术

水资源和能源是人类社会赖以生存与发展的重要基础。据统计，目前全球近23亿人口生活在用水紧张地区，到2025年全球淡水缺口量将达到2万亿立方米，将有近35亿人口面临水资源短缺的困境，而地下水过度开采所带来的环境问题使得人们的视线聚焦在了充足的海水资源上。

如今，海水淡化技术已在世界范围内广泛投入应用，其按制水原理可以分为热法脱盐和膜法脱盐两类。热法脱盐采用将海水加热到蒸发温度的方式得到含盐度极低的蒸馏水，膜法脱盐利用海水增压后的反渗透压差在膜组件中进行脱盐。

热膜耦合技术作为一种新兴的海水淡化技术，具有广阔的应用前景，由于反渗透膜具有温度上升，膜通量增大的特性，利用热法制水的预热效果可以提高膜法制水的产水率，此外，热膜耦合技术具有热法和膜法制水系统的互补优势，设备投资维护成本较低，水质适用范围较广，具有可调节的产水浓度以及更高的产水量。

目前，热膜耦合系统大多采用低温多效海水蒸发系统(MEE)和反渗透膜海水淡化系统(SWRO)并联运行的方式，即热法和膜法两种系统共用一个海水预处理单元，随后，进流海水经过独立运行的两个系统处理后，制取的淡水按一定比例混合，满足用水的浓度需求。如中国专利CN104355471A所提到的热膜耦合系统，其采用并联方式耦合，并利用燃煤锅炉单元提供蒸汽源和动力，同时将蒸馏水的热量通过换热器交换给浓盐水，提高反渗透膜的进水温度。

对于串联方式的热膜耦合技术，中国专利CN103058438A提出了一种利用蒸汽轮机带动膜系统高压泵做功的能量利用方案，反渗透单元的浓盐水进入低温多效单元进行蒸发操作，达到提高海水回收率的目的。中国专利CN10366835A提供了一种利用清洁能源发电和太阳能供能的热膜耦合系统，同样地，反渗透子系统的浓盐水进入多效蒸馏子系统进行回收利用。中国专利CN103708665A提出了一种风力发电与太阳能发电互补的热膜耦合系统，多效蒸发单元的浓盐水和冷却水混合后作为膜法单元进水。

上述热膜耦合系统的热法脱盐单元均采用多效海水蒸发系统，对物理空间有较高要求，安装维护复杂。热法单元未采用有效的能量回收技术，能量利用率不高，用于发电的太阳能、风能等可再生能源对季节、气候等因素变化敏感，耦合系统的结构不够灵活，对不同工艺要求有较大的局限性。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统，该海水淡化系统结构设计合理，使用简便，高效节能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统，包括：压汽蒸馏单元、反渗透膜单元及海水预处理单元；海水预处理单元的入水口通入海水，出水口分为两路，一路与压汽蒸馏单元相连，另一路与反渗透膜单元相连；其中：

海水预处理单元，用于过滤海水，脱除重金属有害物质；

压汽蒸馏单元，用于利用高温蒸汽对海水进行蒸发脱盐，得到预热冷却水和预热浓盐水；

反渗透膜单元，用于对进流液进行滤过脱盐；

压汽蒸馏单元和反渗透膜单元分别产出不同盐度的淡化水；

还包括与压汽蒸馏单元连接的蒸汽发生单元，用于产生加热蒸汽；与蒸汽发生单元连接的余热回收单元，用于利用核反应堆或火电厂锅炉的余热对循环水进行加热。

优选地，所述压汽蒸馏单元包括冷凝器、蒸发器及蒸汽引射器；其中：

冷凝器的顶部壳程出口与蒸汽引射器的引射流入口相连，底部壳程出口产出部分淡化水；蒸发器的顶部壳程出口与冷凝器的底部壳程入口相连，底部壳程出口产出浓盐水，管程出口产出部分淡化水；

海水预处理单元出水口与冷凝器相连，在相连的管路上设有第一阀门；

蒸汽发生单元的蒸汽出口与蒸汽引射器的主动流入口相连。

优选地，还包括供水泵，供水泵的入口与蒸发器相连，供水泵的出口与蒸汽发生单元的入口相连，蒸汽发生单元与余热回收单元的热回路相连。

优选地，所述反渗透膜单元包括高压泵、反渗透膜组件、压力能交换器及增压泵；

高压泵的出口与反渗透膜组件的入口相连，反渗透膜组件的膜前出口与压力能交换器高压侧入口相连，压力能交换器的低压侧出口产出部分浓盐水，高压侧出口通过增压泵连接至反渗透膜组件的入口；反渗透膜组件的膜后出口产出部分淡化水。

优选地，海水预处理单元与反渗透膜单元相连的管路分为两个支路，第一支路与压力能交换器相连，且在该支路上设有第二阀门；第二支路与反渗透膜组件相连，且在该支路上设有第三阀门。

优选地，冷凝器的冷却水出水管与反渗透膜单元相连的管路上设有第四阀门，蒸发器的浓盐水出水管与反渗透膜单元相连的路上设有第五阀门。

优选地，还包括与海水预处理单元海水入水口相连的取水泵，取水泵的入口连接海水取水源。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统，首先，其中的压汽蒸馏单元、反渗透膜单元、蒸汽发生单元及余热回收单元，共用一个取水口和海水预处理单元，节省了设备投资和场地空间；其次，采用同一个淡化水出水口，产出的淡化水含盐度可满足不同的工艺需求，提供可按下游端工艺盐度需求变化的产出水；再次，压汽蒸馏单元能够利用高温蒸汽对海水进行蒸发脱盐，得到预热冷却水和预热浓盐水；反渗透膜单元将压汽蒸馏单元的预热冷却水和预热浓盐水作为部分原料液，对预热水回收利用的同时，增加了膜单元的产水率。此外，该系统也采用能量回收技术回收高压浓盐水的压力能，降低高压泵的能耗；余热回收单元利用核反应堆或火电厂锅炉余热加热蒸汽，提供了平稳、能量密度高的热源，具有很好的热经济性。本发明公开的整个余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统具有结构紧凑、简单灵活的特点，不仅可用于小型海水淡化工艺，也可连接多级淡化系统用于海水淡化厂改造。

进一步地，压汽蒸馏单元包括冷凝器、蒸发器及蒸汽引射器，采用能量回收技术对低压蒸汽进行引射，提高热法淡化系统能量利用效率。

进一步地，通过阀门组调节反渗透膜单元与压汽蒸馏单元的进水比例，进入反渗透膜单元的海水可产出由膜参数确定的含盐度较低的淡水，进入压汽蒸馏单元的海水可产出含盐度为零的蒸馏水；因此，对于给定进流量的海水，通过阀门调节进入两个不同单元的进水比例，可以达到不同的淡化水含盐度。

附图说明

图1为本发明公开的余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统的结构示意图。

其中，1为压汽蒸馏单元；2为反渗透膜单元；3为取水泵；4为海水预处理单元；5为第一阀门；6为冷凝器；7为蒸发器；8为第五阀门；9为第四阀门；10为蒸汽引射器；11为供水泵；12为蒸汽发生单元；13为余热回收单元；14为第二阀门；15为第三阀门；16为高压泵；17为反渗透膜组件；18为压力能交换器；19为增压泵。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明公开的余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统，包括压汽蒸馏单元1、反渗透膜单元2、海水预处理单元4；海水预处理单元4的入水口通入海水，出水口分为两路，一路与压汽蒸馏单元1相连，另一路与反渗透膜单元2相连；其中：

压汽蒸馏单元1，用于利用高温蒸汽对海水进行蒸发脱盐，得到预热冷却水和预热浓盐水；

反渗透膜单元2，用于对进流液进行滤过脱盐；

压汽蒸馏单元1和反渗透膜单元2分别产出不同盐度的淡化水；与压汽蒸馏单元1连接的蒸汽发生单元12，用于产生加热蒸汽；

还包括与压汽蒸馏单元1连接的蒸汽发生单元12，用于产生加热蒸汽；与蒸汽发生单元12连接的余热回收单元13，用于利用核反应堆或火电厂锅炉的余热对循环水进行加热。

优选地，还包括与海水预处理单元4海水入水口相连的取水泵3，取水泵3的入口连接海水取水源

所述压汽蒸馏单元1包括冷凝器6、蒸发器7及蒸汽引射器10；海水预处理单元4出水口与冷凝器6相连，且在相连的管路上设有第一阀门5；冷凝器6的顶部壳程出口与蒸汽引射器10的引射流入口相连，底部壳程出口产出部分淡化水；蒸发器7的顶部壳程出口与冷凝器6的底部壳程入口相连，底部壳程出口产出浓盐水，管程出口产出部分淡化水。蒸汽发生单元12的蒸汽出口与蒸汽引射器10的主动流入口相连。还包括供水泵11，供水泵11的入口与蒸发器7相连，供水泵11的出口与蒸汽发生单元12的入口相连，蒸汽发生单元12与余热回收单元13的热回路相连。

所述反渗透膜单元2包括高压泵16、反渗透膜组件17、压力能交换器18及增压泵19；高压泵16的出口与反渗透膜组件17的入口相连，反渗透膜组件17的膜前出口与压力能交换器18高压侧入口相连，压力能交换器18的低压侧出口产出部分浓盐水，高压侧出口通过增压泵19连接至反渗透膜组件17的入口；反渗透膜组件17的膜后出口产出部分淡化水。

海水预处理单元4与反渗透膜单元2相连的管路分为两个支路，第一支路与压力能交换器18相连，且在该支路上设有第二阀门14；第二支路与反渗透膜组件17相连，且在该支路上设有第三阀门15。冷凝器6的冷却水出水管与反渗透膜单元2相连的管路上设有第四阀门9，蒸发器7的浓盐水出水管与反渗透膜单元2相连的路上设有第五阀门8。

压汽蒸馏单元1中的蒸汽引射器10与反渗透膜单元2中的压力能交换器18作为热膜耦合系统中的能量回收装置回收流体余压，余热回收单元13回收核反应堆或火电厂锅炉等热源的余热，第五阀门8、第四阀门9控制管路回收压汽蒸馏单元1中的冷却水和浓盐水至反渗透膜单元2中作为预热原料液。

本发明通过回收利用余压、余热以及余水的方法，均大大增加了热膜耦合系统的能量利用效率，降低了系统能耗的同时，提高了产水率；根据产水需要及实际运行状况，所提出的耦合系统能够利用阀门调整系统连接方案，具有高度的灵活性；利用核反应堆或火电厂锅炉的余热对循环水进行加热，与风能、太阳能、潮汐能等可再生能热源作热源相比，具有更好的稳定性和热经济性；此外，整个耦合系统结构简单、紧凑，节省物理空间，且安装、维护简便。同时，该耦合系统具有很好的适用性，不仅可用于舰船、岛屿及沿海的小型海水淡化工艺，也很容易与其他多级淡化系统耦合扩容，用于大型海水淡化工艺。

本发明的余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统，根据需要选择不同的方案，不同方案使用时的具体工作过程如下：

1、利用压汽蒸馏单元进行海水淡化的方案

打开第一阀门5，关闭其他阀门，运行压汽蒸馏单元1，此时：取水泵3将海水输运至海水预处理单元4后，流经冷凝器6的壳程。海水吸收热量后，温度升高。随后进入蒸发器7，其在壳程与管程中来自蒸汽引射器10的加热蒸汽交换热量，海水达到蒸发温度后发生相变，蒸发器7中蒸发后的浓盐水由底部排出，蒸汽由蒸发器7顶部进入冷凝器6中预热进流海水，交换热量后，部分蒸汽冷凝为淡化水，剩余部分被蒸汽引射器10引射，与主动流混合后进入蒸发器7管程循环，冷凝后部分作为淡化水收集，部分经供水泵11输运至蒸汽发生单元12，蒸汽发生单元12利用余热回收单元13余热将液体加热至饱和状态，随后进入蒸汽引射器10作为引射流体，得到最低盐度的淡化水。

2、利用反渗透膜单元进行海水淡化的方案

打开第二阀门14、第三阀门15，其他阀门保持关闭，运行反渗透膜单元2，此时，取水泵3将部分海水输运至海水预处理单元4后，由高压泵16提供反渗透压差进行加压，随后进入反渗透膜组件17中，高压浓盐水经膜前出口排出，进入压力能交换器18中，将另一部分进流海水增压后，由压力能交换器18低压侧出口排出，而增压海水则由低压侧出口排出，经增压泵19返回膜前进流管路，进行反渗透滤过后，淡化水由膜后出口排出，得到高盐度的淡化水。

3、利用压汽蒸馏和反渗透耦合海水淡化的并联方案

海水同时经方案1和方案2中所述的操作过程。热法和膜法制水系统独立运行，互不干扰，在此方案中，第一阀门5、第二阀门14、第三阀门15打开，其他阀门保持关闭，使得压汽蒸馏单元1和反渗透膜单元2并联运行，产水浓度可以利用不同进水比例进行大范围调节。

4、利用压汽蒸馏和反渗透耦合海水淡化的串联方案

海水同时经方案1和方案2中所述的操作过程。蒸发器7中的浓盐水作为反渗透膜单元2中膜前待加压原料液，提高膜处理的流体温度，起到了余水回收的作用，在此方案中，第一阀门5、第二阀门14、第五阀门8打开，其他阀门保持关闭，使得压汽蒸馏单元1和反渗透膜单元2串联运行。

5、利用压汽蒸馏和反渗透耦合海水淡化的串联方案

海水同时经方案1和方案2中所述的操作过程。蒸发器7中的冷却水作为反渗透膜单元2中膜前待加压原料液，提高膜处理的流体温度，起到了余水回收的作用，在此方案中，第一阀门5、第二阀门14、第四阀门9打开，其他阀门保持关闭，使得压汽蒸馏单元1和反渗透膜单元2串联运行。

6、利用压汽蒸馏和反渗透耦合海水淡化的串联方案

海水同时经方案1和方案2中所述的操作过程。蒸发器7中的浓盐水、冷却水与部分新鲜海水混合，作为反渗透膜单元2中膜前待加压原料液，此方案与方案3并联系统的操作方案都具有产水浓度调节范围广的特点，同样的，系统提高膜处理的流体温度，起到了余水回收的作用，在此方案中，第一阀门5、第二阀门14、第三阀门15、第四阀门9和第五阀门8全部打开，使得压汽蒸馏单元1和反渗透膜单元2串联运行。

综上所述，本发明的优势在于：

(1)提出了一种采用压汽蒸馏技术与反渗透技术制取淡水的热膜耦合海水淡化系统，结构紧凑、简单灵活，不仅可用于小型海水淡化工艺，也易于连接多级淡化系统用于海水淡化厂改造；

(2)压汽蒸馏单元采用能量回收技术对低压蒸汽进行引射，可提高热法淡化系统能量利用效率；

(3)余热回收单元利用核反应堆或火电厂锅炉余热加热蒸汽，提供了平稳、能量密度高的热源，具有很好的热经济性；

(4)该耦合系统可根据运行工况实施多种制水方案，可实现反渗透膜单元将压汽蒸馏单元的冷却水和浓盐水作为部分原料液，优点在于对预热水回收利用的同时，增加了膜系统的产水率。

需要说明的是，本发明所提供的具体实施例，是结合图1对本发明的技术方案和有益效果进行的详细描述，而不应用于限定本发明的保护范围，对于类似系统的不同操作工艺方案，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统，其特征在于，包括：压汽蒸馏单元（1）、反渗透膜单元（2）及海水预处理单元（4）；海水预处理单元（4）的入水口通入海水，出水口分为两路，一路与压汽蒸馏单元（1）相连，另一路与反渗透膜单元（2）相连；其中：

海水预处理单元（4），用于过滤海水，脱除重金属有害物质；

压汽蒸馏单元（1），用于利用高温蒸汽对海水进行蒸发脱盐，得到预热冷却水和预热浓盐水；

反渗透膜单元（2），用于对进流液进行滤过脱盐；

压汽蒸馏单元（1）和反渗透膜单元（2）分别产出不同盐度的淡化水；

还包括与压汽蒸馏单元（1）连接的蒸汽发生单元（12），用于产生加热蒸汽；与蒸汽发生单元（12）连接的余热回收单元（13），用于利用核反应堆或火电厂锅炉的余热对循环水进行加热；

所述反渗透膜单元（2）包括高压泵（16）、反渗透膜组件（17）、压力能交换器（18）及增压泵（19）；

高压泵（16）的出口与反渗透膜组件（17）的入口相连，反渗透膜组件（17）的膜前出口与压力能交换器（18）高压侧入口相连，压力能交换器（18）的低压侧出口产出部分浓盐水，高压侧出口通过增压泵（19）连接至反渗透膜组件（17）的入口；反渗透膜组件（17）的膜后出口产出部分淡化水；

海水预处理单元（4）与反渗透膜单元（2）相连的管路分为两个支路，第一支路与压力能交换器（18）相连，且在该支路上设有第二阀门（14）；第二支路与反渗透膜组件（17）相连，且在该支路上设有第三阀门（15）；

冷凝器（6）的冷却水出水管与反渗透膜单元（2）相连的管路上设有第四阀门（9），蒸发器（7）的浓盐水出水管与反渗透膜单元（2）相连的路上设有第五阀门（8）。

2.根据权利要求1所述的余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统，其特征在于，所述压汽蒸馏单元（1）包括冷凝器（6）、蒸发器（7）及蒸汽引射器（10）；

海水预处理单元（4）出水口与冷凝器（6）相连，且在相连的管路上设有第一阀门（5）；冷凝器（6）的顶部壳程出口与蒸汽引射器（10）的引射流入口相连，底部壳程出口产出部分淡化水；蒸发器（7）的顶部壳程出口与冷凝器（6）的底部壳程入口相连，底部壳程出口产出浓盐水，管程出口产出部分淡化水。

3.根据权利要求2所述的余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统，其特征在于，蒸汽发生单元（12）的蒸汽出口与蒸汽引射器（10）的主动流入口相连。

4.根据权利要求2所述的余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统，其特征在于，还包括供水泵（11），供水泵（11）的入口与蒸发器（7）相连，供水泵（11）的出口与蒸汽发生单元（12）的入口相连，蒸汽发生单元（12）与余热回收单元（13）的热回路相连。

5.根据权利要求1~4中任意一项所述的余热余压余水回收的热膜耦合海水淡化系统，其特征在于，还包括与海水预处理单元（4）海水入水口相连的取水泵（3），取水泵（3）的入口连接海水取水源。

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