CN108217785A - 一种超临界海水淡化的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种超临界海水淡化的方法，海水经高压泵注入超临界海水淡化装置，通过螺旋清垢换热管式的换热装置被预热而进入到盐水分离室，经盐水分离室外置的电加热器升温达到超临界状态，海水中的无机盐在超临界水中成盐晶沉淀在盐水分离室下部析出，处理后的淡化水与盐卤水再次通过螺旋清垢换热管式换热装置被冷却，上半部分出水得到淡水，而下半部分出水得到高浓度的盐卤水。本发明具有工艺结构合理实用、节能经济、操作费用少、除垢等优点，本发明还提供采用上述方法的海水淡化装置，经集成使得结构大大简化，装置的建设与运行成本大幅地降低，大大提高工作效率且整个系统运行也变得极为可靠，本发明极适用于海岛及地下水盐碱化的缺水城市。

Description

一种超临界海水淡化的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种海水淡化的方法与生产装置，尤其涉及一种超临界海水淡化的方法及装置。

背景技术

海水淡化是世界范围内涉及到人类生存和社会发展的长远而重大的问题，近年来，由于人口的大量增长和经济的快速发展，世界不少地区缺水形势日益严峻。发展海水淡化产业，向海洋要淡水是世界各国的共同趋势，海水淡化是实现水资源利用的开源技术，也是世界各国竞相开发的朝阳产业。目前海水淡化技术的种类很多，但当前达到商业规模的主要是蒸馏法和反渗透法。上述方法存在设备维护费用高、结垢严重的问题。

超临界水：是指当气压和温度达到一定值时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。此时水的液体和气体便没有区别，水在超临界状态下(温度＞374.3℃；压力＞22.1MPa)，液相与气相间界面消失，完全交融在一起，成为一种新的呈现高压高温状态的液体。另外，由于无机盐在超临界水中溶解度特别低，因此可以很容易地从中分离出来，处理后所得洁净水完全可供工业生产与日常生活。

经查，现有专利号为CN01102814.9的中国专利《海水超临界淡化同时供能的方法及装置》，将预处理后的海水加压加温至超临界状态，进入超临界海水淡化器中，形成超临界态淡水区，盐份溶入下面的海水形成高温高压浓海水区，两者之间形成沸腾面，超临界淡水通过超临界海水淡化器的超临界淡水出口流出，高温高压浓盐水在盐份的不断溶入和新鲜海水的不断补充下，通过波纹管，从超临界海水淡化器的浓盐水出口流出。这种方法投资较少，且节约了能耗，但是工艺结构上还不够简单合理，且没有解决结垢严重的问题，节能还可以进一步提高，因此还需要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种工艺合理实用、高效节能的超临界海水淡化的方法，不仅解决结垢严重的问题，且能有效降低操作成本。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种结构简单合理、高效节能且操作成本合理、防止结垢的超临界海水淡化装置。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种超临界海水淡化的方法，其特征在于：海水经高压泵注入超临界海水淡化装置，通过螺旋清垢换热管式的换热装置被预热而进入到盐水分离室，经盐水分离室外置的电加热器加热达到超临界状态，海水中的无机盐在超临界水中成盐晶沉淀在盐水分离室下部析出，处理后的淡化水与盐卤水再次通过螺旋清垢换热管式的换热装置被冷却，上半部分出水得到淡水，而下半部分出水得到高浓度的盐卤水。

进一步，所述盐水分离室与换热装置集成为一体，换热装置包括换热装置外壳与内置有螺旋清垢换热管，螺旋清垢换热管内的螺旋可在电机经变速齿轮箱带动下旋转而除垢。

进一步，所述电加热器加热升温时，系统同时通过高压氮气供应系统向装置内输入干燥纯氮气，使装置始终与海水进口保持等压状态，误差<0.5MPa，直至盐水分离室的温度达到调整至400～800℃，整个生产系统压力至23～27MPa，整个系统进入正常运行状态，海水在盐水分离室中的停留时间为100～300秒，海水进口温度与淡水出口或者盐卤水出口的温差为10～50℃。

进一步，所述系统的运行状态下的参数为：盐水分离室运行温度：600℃；生产系统运行压力：25MPa；海水在盐水分离室中的停留时间为180秒，海水进口温度与淡水出口或者盐卤水出口的温差为30℃。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种超临界海水淡化装置，其特征在于：包括耐高压保护外壳以及设置在耐高压保护外壳内的盐水分离室和螺旋清垢换热管式的换热装置，耐高压保护外壳上开设有海水进口、淡水出口、盐卤水出口及氮气进出口，连通盐水分离室经换热装置的海水进口通过管道与连接海水池的高压泵相连接，连通盐水分离室上部经换热装置的淡水出口经管道阀门与淡水池相连，连通盐水分离室下部经换热装置的盐卤水出口通过管道阀门与盐卤水池相连接。

进一步，所述换热装置包括换热装置外壳，换热装置外壳内设置有螺旋清垢换热管，螺旋清垢换热管又分为吸热换热管与放热换热管，紧邻的吸热换热管与放热换热管形成集束间的间隙填充有压密至实的高导热性介质颗粒。

进一步，所述高导热性介质颗粒包括碳化硅、三氧化二铝、二氧化硅和耐高温金属颗粒的至少一种。

进一步，所述换热装置与盐水分离室集成为一体，在耐高压保护外壳内设有用于驱动螺旋清垢换热管内的螺旋旋转的电机和变速齿轮箱，电机通过变速齿轮箱变成多个驱动轴，分别去连接螺旋清垢换热管中的螺旋轴。

进一步，所述盐水分离室外设置有将盐水分离室内的海水加热至超临界状态的电加热器和测温用的温度传感器，保护外壳采用耐高压的保护外壳满足海水超临界要求，保护外壳内和海水进口处设有压力传感器，压力传感器的输出信号端连接到自动化控制系统，自动化控制系统的输出信号端连接到高压氮气供应系统的控制氮气进出阀门，电加热器和温度传感器也连接到自动化控制系统；运行时，通过压力传感器将信号传递到自动化控制系统，再由自动化控制系统指令高压氮气供应系统向装置内输入干燥纯氮气，使装置内氮气压力达到与海水进口处保持等压状态，误差<0.5MPa。

最后，所述耐高压保护外壳内设置的盐水分离室和换热装置包覆有保温材料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：换热装置与盐水分离室集成为一体，使得预热系统、超临界水介质加热系统、盐水分离系统有机结合起来，可以方便地采取有效的保温措施而更加节能，而且很容易达到超临界盐水分离法所需最充分的实现条件(温度＞374.3℃；压力＞22.1MPa)，同时换热管采用螺旋清垢换热管，有效解决结垢堵塞问题。本发明的海水淡化方法具有工艺结构合理实用、节能经济、操作费用少与完全除垢等优点，本发明的装置经集成使得工艺路线大大简化，装置的建设与运行成本大幅降低，大大提高生产效率且整个系统运行也变得极为稳定可靠，本发明适用于海岛及地下水盐碱化的缺水城市。

附图说明

图1是本发明提供的超临界海水淡化方法的生产系统工艺路线示意图；

图2是本发明的超临界海水淡化装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1、2所示，一种超临界海水淡化装置1.1，包括耐高压保护外壳2.9以及设置在耐高压保护外壳2.9内的换热装置2.0、盐水分离室2.1、电加热器2.3、变速齿轮箱2.4和电机2.5，保护外壳2.9采用耐高压的金属材料制成，使其能承担海水超临界所需要的压力要求，换热装置2.0、盐水分离室2.1包覆有保温材料2.6，耐高压保护外壳2.9上开设有海水进口2.10、淡水出口2.12和盐卤水出口2.11，其中海水进口2.10通过管道、高压泵出口阀1.8与高压泵1.2相连接，高压泵1.2的进口通过管道和阀门1.7与海水池1.3相连接，海水进口2.10的另一端通过管道连接换热装置2.0，然后与盐水分离室2.1相连接，高压泵1.2的工作压力要求使其能承担海水超临界工作所需要求，通常可以达到30MPa；淡水出口2.12的一端经管道、阀门1.10连接到淡水池1.5，淡水出口2.12的另一端经管道和通过换热装置2.0与盐水分离室2.1的上部相连接；盐卤水出口2.11经阀门1.9通过管道连接盐卤水池1.4，盐卤水出口2.11的另一端经管道经过换热装置2.0与盐水分离室2.1的下部相连接；换热装置2.0包括换热装置外壳2.8，换热装置外壳2.8内设置有螺旋清垢换热管2.2，螺旋清垢换热管2.2根据功能又分为吸热换热管与放热换热管，换热装置2.0核心是由紧邻的吸热换热管与放热换热管组成，吸热换热管通常是进海水的，而放热换热管通常是出淡水的或出盐卤水的，吸热换热管与放热换热管形成集束之间的间隙填充有压密至实的高导热性介质颗粒，高导热性介质颗粒采用碳化硅颗粒，从而获得节能效果，降低能耗，当然也可以采用三氧化二铝、二氧化硅、耐高温金属颗粒等等，耐高温通常是指要满足海水处于超临界状态要求，如在工作温度600℃再上浮200℃，工程师根据自己需要进行选择参数，换热装置2.0与盐水分离室2.1集成为一体，使得结构更为简化，电机2.5和变速齿轮箱2.4设置在换热装置2.0的外端，电机2.5通过变速齿轮箱2.4变成多个驱动轴，分别去连接换热装置2.0内的螺旋清垢换热管2.2中的螺旋轴，用于驱动螺旋清垢换热管2.2内的螺旋旋转而去除壁面的结垢；在盐水分离室2.1外设置有将盐水分离室2.1内的海水加热至超临界状态的电加热器2.3和测温用的温度传感器，电加热器2.3和温度传感器连接到动化控制系统1.15，通过外加电加热器2.3和温度传感器实施对生产系统温度的控制，由于盐水分离室2.1底部有出料螺旋清垢换热管2.2之螺旋延伸至近进料口，就是靠近盐水分离室2.1的左里侧壁，这样就不会在盐水分离室2.1底部形成大块盐晶，也不会堵塞螺旋清垢换热管2.2，这样大大简化装置，大幅度降低建设与运行成本，且整个系统运行也变得极为可靠；耐高压保护外壳2.9内与海水进口2.10内设有压力传感器，耐高压保护外壳2.9的两端设有高压氮气进口2.13和高压氮气出口2.14，压力传感器的输出信号端连接到自动化控制系统1.15，自动化控制系统1.15的输出信号端连接到高压氮气供应系统1.6前的氮气阀门1.11和高压氮气出口2.14阀门，运行时，通过压力传感器将信号传递到自动化控制系统1.15，再由自动化控制系统1.15指令打开氮气阀门1.11，使高压氮气供应系统1.6向装置内输入干燥纯氮气，使耐高压保护外壳2.9内始终与海水进口处保持等压状态，误差<0.5MPa，最终达到海水淡化超临界装置运行时所需要的压力状态。

一种超临界海水淡化的方法，其原理为：海水经高压泵1.2注入超临界海水淡化装置1.1，通过换热装置2.0被预热而进入到盐水分离室2.1，经盐水分离室2.1外电加热器2.3升温达到超临界状态，海水中的无机盐在超临界水中成盐晶沉淀在盐水分离室2.1下部析出，处理后的淡化水与盐卤水再次通过换热装置2.0被冷却，盐水分离室2.1的上半部分出水得到淡水，而盐水分离室2.1的下半部分出水得到高浓度的盐卤水。

具有操作过程为：

第一步骤启动前准备程序，如图1所示：开启所有阀门，由高压泵1.2向整个系统开始注入海水，海水的流程为：经螺旋清垢换热管2.2→盐水分离室2.1→螺旋清垢换热管2.2→盐卤水出口2.11及淡水出口2.12有海水流出时，关闭海水高压泵1.2，同时也关闭阀门1.8、1.9、1.10；

第二步骤装置启动控温升压程序，如图2所示：先由电加热器2.3开始加热升温，随着温度的升高，装置内的海水压力也同时升高，由压力传感器将信号传递到自动化控制系统1.15，再由自动化控制系统1.15指令高压氮气供应系统1.6向装置内输入干燥纯氮气达到耐高压保护外壳2.9内始终与海水进口2.10保持等压状态，误差<0.5MPa，升温与升压时因膨胀而有多余的海水由阀门1.9或1.10在压力达到25MPa时排出。直至盐水分离室2.1温度经电加热器升温调整至600℃，整个生产系统压力恒定至25MPa，整个系统也就将进入正常运行状态；

第三步骤正常运行程序，如图1所示：开启高压泵1.2，保持压力至25MPa恒定下调整至正常运行流量，经自动化控制系统1.15控制电加热器2.3使盐水分离室2.1维持在600℃，并调节海水流速使海水进口温度与淡水或盐卤水出口温度差约为30℃。启动电机2.5经变速齿轮箱2.4带动螺旋清垢换热管2.2内的螺旋缓慢旋转(比如每分钟转一周)而除去管壁呈现的盐垢。

运行状态下的参数：

盐水分离室2.1运行温度：600℃；

生产系统运行压力：25MPa；

海水在盐水分离室2.1中的停留时间：180秒。

第四步骤生产系统关闭程序，如图1所示：关闭正在运行中的电加热器2.3，系统即迅速降温，同时由经自动化控制系统1.15控制高压氮气供应系统1.6打开高压氮气出口2.14阀门等使盐水分离室2.1的压力保持与氮气压力始终相等进行降压，当盐水分离室2.1温度降至200℃以下时，压力降至常压时，即可关闭所有阀门与设备电源。

上述步骤，由运行自动化控制系统1.15实现。

下面在运行温度分别在400℃、600℃、800℃下，运行压力：25MPa，海水在盐水分离室2.1中的停留时间：180秒；按照上述步骤对海水进行淡化处理，得到结果如下：

1、运行温度：400℃：进水氯化钠:33000mg/l

淡化水氯化钠:250mg/l

2、运行温度：600℃：进水氯化钠:33000mg/l

淡化水氯化钠:130mg/l

3、运行温度：800℃：进水氯化钠:33000mg/l

淡化水氯化钠:90mg/l

可以看到随着温度升高，淡化效果越好，从淡化效果与节能角度考虑，我们选择600℃为最佳温度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超临界海水淡化的方法，其特征在于：海水经高压泵注入超临界海水淡化装置，通过螺旋清垢换热管式的换热装置被预热而进入到盐水分离室，经盐水分离室外置的电加热器升温达到超临界状态，海水中的无机盐在超临界水中成盐晶沉淀在盐水分离室下部析出，处理后的淡化水与盐卤水再次通过螺旋清垢换热管式的换热装置被冷却，上半部分出水得到淡水，而下半部分出水得到高浓度的盐卤水。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述盐水分离室与换热装置集成为一体，换热装置包括换热装置外壳与内置有螺旋清垢换热管，螺旋清垢换热管内的螺旋在电机经变速齿轮箱带动下旋转而除垢。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：经所述电加热器升温时，系统同时通过高压氮气供应系统向装置内输入干燥纯氮气，使装置内氮气压力始终与海水进口保持等压状态，误差<0.5MPa，直至盐水分离室的温度达到调整至400～800℃，整个生产系统压力至23～27MPa，整个系统即进入正常运行状态，海水在盐水分离室中的停留时间为100～300秒，海水进口温度与淡水出口或者盐卤水出口的温差为10～50℃。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述系统的运行状态下的参数为：盐水分离室运行温度：600℃；生产系统运行压力：25Mpa；海水在盐水分离室中的停留时间为180秒，海水进口温度与淡水出口或者盐卤水出口的温差为30℃。

5.一种超临界海水淡化装置，其特征在于：包括耐高压保护外壳以及设置在耐高压保护外壳内的盐水分离室和螺旋清垢换热管式的换热装置，耐高压保护外壳上开设有海水进口、淡水出口、盐卤水出口及氮气进出口，连通盐水分离室经换热装置的海水进口通过管道与连接海水池的高压泵相连接，连通盐水分离室上部经换热装置的淡水出口经管道阀门与淡水池相连，连通盐水分离室下部经换热装置的盐卤水出口通过管道阀门与盐卤水池相连接。

6.根据权利要求5所述的超临界海水淡化装置，其特征在于：所述换热装置包括换热装置外壳，换热装置外壳内设置有螺旋清垢换热管，螺旋清垢换热管又分为吸热换热管与放热换热管，紧邻的吸热换热管与放热换热管形成集束间的间隙填充有压密至实的高导热性介质颗粒。

7.根据权利要求6所述的超临界海水淡化装置，其特征在于：所述高导热性介质颗粒包括碳化硅、三氧化二铝、二氧化硅和耐高温金属颗粒的至少一种。

8.根据权利要求6所述的超临界海水淡化装置，其特征在于：所述换热装置与盐水分离室集成为一体，在耐高压保护外壳内设有用于驱动螺旋清垢换热管内的螺旋旋转的电机和变速齿轮箱，电机通过变速齿轮箱变成多个驱动轴，分别去连接螺旋清垢换热管中的螺旋轴。

9.根据权利要求5至8任一权利要求所述的超临界海水淡化装置，其特征在于：所述盐水分离室外设置有将盐水分离室内的海水加热至超临界状态的电加热器和测温用的温度传感器，保护外壳采用耐高压的保护外壳满足海水超临界要求，保护外壳内和海水进口处设有压力传感器，压力传感器的输出信号端连接到自动化控制系统，自动化控制系统的输出信号端连接到高压氮气供应系统的控制氮气进出阀门，电加热器和温度传感器也连接到自动化控制系统；运行时，通过压力传感器将信号传递到自动化控制系统，再由自动化控制系统指令高压氮气供应系统向装置内输入干燥纯氮气，使装置内氮气压力达到与海水进口处保持等压状态，误差<0.5MPa。

10.根据权利要求9所述的超临界海水淡化装置，其特征在于：所述耐高压保护外壳内设置的盐水分离室和换热装置包覆有保温材料。