CN108383186A - 一种热空气变压循环水直排的废水浓缩系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热空气变压循环水直排的废水浓缩系统和方法，该系统和方法将空气从空气进气单元经换热器加热得到热空气，以该热空气为载气从蒸馏浓缩塔的进气口进入，在蒸馏浓缩塔内与从蒸馏浓缩塔上端喷下的经过预热的废水对流，废水中部分水分被热空气加热带走，分别得到湿饱和空气和废水浓缩液；该湿饱和空气先经空气热压缩单元压缩，再经预热器相变换热，水蒸气冷凝形成冷凝水和除湿空气，该除湿空气经过空气膨胀单元进入空气进气单元变压循环，冷凝水和浓缩液收集锥斗内的浓缩液自然排放。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理领域，涉及废水的浓缩减量，具体涉及一种热空气变压循环水直排的废水空气蒸馏浓缩系统以及基于该系统的废水空气蒸馏浓缩方法，该废水可以为脱硫废水。
背景技术
脱硫废水零排放系统一般包括预处理单元、浓缩减量单元、末端固化单元三部分。
目前，国内外采用的浓缩减量技术主要有热浓缩(如：MVC/MED蒸发浓缩)、膜浓缩(如：RO高压反渗透、FO正渗透浓缩)。
MVC/MED热浓缩技术：可将脱硫废水预处理产水浓缩至TDS≤20万ppm，主要存在以下问题：1)由于高盐度废水具有较强的腐蚀性，所有与废水接触的设备部件都要使用价格高昂的金属材料，造成了设备成本较高；2)由于蒸汽与废水传热表面极其重要，若换热表面形成结垢，则系统性能将大幅度减低，因此该技术对废水预处理的要求也非常高；3)废水盐度较高时，相应的沸点升高也较高(如氯化钠溶液在饱和浓度条件下沸点升高达13℃)，蒸发浓缩技术此时的能效不高，造成运行成本增加。因此，普遍存在投资、运行维护费用高，占地面积大，设备结垢腐蚀严重等问题。
膜浓缩技术：FO正渗透和RO高压反渗透浓缩技术，可将脱硫废水预处理产水分别浓缩至TDS≤18万ppm和TDS≤10万ppm，投资及运行维护费用、占地面积略低于MVC/MED热浓缩技术，1)为了防止膜元件污堵，其对废水的预处理要求较高，从而增加了预处理的投资和运维费用；2)运行过程中膜元件不断劣化，需要定期清洗和更换，增加了运行维护成本；3)受膜技术的限制，废水的浓缩倍数较低，浓水排放量高于MVC/MED热浓缩技术，增加了末端处理(如：蒸发结晶等)的投资和运维费用；4)普遍存在膜系统清洗困难、清洗周期和使用寿命短、抗负荷冲击能力差等问题。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种热空气变压循环水直排的废水空气蒸馏浓缩系统以及基于该系统的废水空气蒸馏浓缩方法，该废水可以为脱硫废水。
本发明的上述目的是通过下面的技术方案得以实现的：
一种热空气变压循环水直排的废水空气蒸馏浓缩系统，包括空气进气单元、废水进液单元、蒸馏浓缩塔、空气加热单元、热压缩单元、膨胀单元及预热器；
所述蒸馏浓缩塔的下部设有进气口，底部设有浓缩液收集锥斗，顶部设有湿空气出口；
所述空气进气单元包括空气滤清器和风机，空气加热单元包括换热器，空气依次经过空气滤清器、风机、换热器从蒸馏浓缩塔的进气口进入塔体；所述换热器还与为空气加热的热源连通；所述废水进液单元包括废水进液管道，该管道的一端从蒸馏浓缩塔的上部进入塔体并向下开口，另一端为废水进液口；所述预热器设于废水进液管道上，该预热器还通过空气热压缩单元与蒸馏浓缩塔的湿空气出口连通，压缩的湿空气经预热器冷凝除湿后经过空气膨胀单元进入空气进气单元变压循环；
所述浓缩液收集锥斗设有排放阀和排液泵，浓缩液经排放阀和排液泵直接排放。
进一步地，所述的空气蒸馏浓缩系统还包括设于塔体进气口处的进气调制机构和设于塔体湿空气出口处的排气调制机构；
所述进气调制机构包括入口气体分布调制器和多个设于入口气体分布调制器下方用于将水平气流引导为垂直气流的入口导流板；所述排气调制机构包括出口气体分布调制器和多个设于出口气体分布调制器上方用于将垂直气流引导为水平气流的出口导流板；
所述入口气体分布调制器、出口气体分布调制器分别包括中间的调制轴体和设于调制轴体四周的调制叶片；入口气体分布调制器的调制轴体的中间为圆柱体，两端为半圆球体或圆锥体；出口气体分布调制器的调制轴体为一下端为半圆球体或圆锥体的圆柱体；所述调制叶片设于圆柱体的下端，包括多个倾斜布置在圆柱体周向方向用于将垂直上升气流调制成旋转上升气流的叶片；
所述出口气体分布调制器位于入口气体分布调制器的垂直上方。
进一步地，所述入口导流板或出口导流板分别由水平段、垂直段以及将水平段和垂直段连接过渡的弧形段组成。
进一步地，所述调制叶片经内箍筋和外箍筋等间距周向固定并套设在气体分布调制器的圆柱体的下端。
进一步地，所述调制轴体为中空结构。
进一步地，所述废水进液管道位于塔体内并向下开口的一端设有雾化器。
进一步地，热源为热水、蒸汽或热烟气。
进一步地，所述空气热压缩单元为机械压缩机或热蒸汽压缩机；所述空气膨胀单元为节流阀或空气膨胀器。循环中的压力差使用压缩和膨胀装置来保持。
一种采用上述系统的废水空气蒸馏浓缩方法：将空气从空气进气单元经换热器加热得到热空气，以该热空气为载气从蒸馏浓缩塔的进气口进入，在蒸馏浓缩塔内与从蒸馏浓缩塔上端喷下的经过预热的废水对流，废水中部分水分被热空气加热带走，分别得到湿饱和空气和废水浓缩液；该湿饱和空气先经空气热压缩单元压缩，再经预热器相变换热，水蒸气冷凝形成冷凝水和除湿空气，该除湿空气经过空气膨胀单元进入空气进气单元变压循环，冷凝水和浓缩液收集锥斗内的浓缩液自然排放。
进一步地，换热器的热源为除尘器前热烟气。
本发明基本原理(以脱硫废水为例)：利用不同温度、压力下饱和湿空气含水量不同(如：90℃饱和空气含湿量为1400g水/kg干空气；而25℃饱和空气含湿量为20g水/kg干空气)，采用填料塔设备使脱硫废水预处理水与调制成旋风流态【注：增强传热传质】干燥空气直接接触，随着温度的升高【注：热源来自气体侧(经电厂除尘器前120-150℃热烟气或热水或蒸汽加热后的≤100℃的热空气)】，饱和湿空气具有较高的分压和较高的含水量，通过干燥空气增湿实现脱硫废水预处理水的蒸发和盐分的浓缩。排出填料塔的高温饱和湿空气经换热器回收热量预热空气后排入脱硫塔作为脱硫工艺补水，产水可达到蒸馏水水质，优于《GB/T19923-2005》的技术标准。空气蒸馏浓缩液用于燃煤电厂干灰渣调湿或排至末端固化单元进行固化处理，从而实现燃煤电厂脱硫废水零排放。
上述技术方案中，加热的空气从进气口进入塔体，在塔内以旋转上升气流与雾化的脱硫浓缩废水对流，经过浓缩的脱硫浓缩废水进入浓缩液收集锥斗，携带水分的湿饱和空气从湿空气出口排出。空气滤清器用于对空气过滤，风机用于为空气提供动力。预热器一方面用于收集湿空气的热量对脱硫废水初步预热，另一方面对湿空气进行冷凝除湿，该冷凝水可达蒸馏水水质，回收利用，除湿的空气从进气口继续利用，避免向大气中排放废气。换热器用于对空气加热至所需温度，为换热器提供热量的热源可以是热水、蒸汽或电厂的热烟气。为了降低塔高，减少设备投资和占用空间，需要提高空气蒸馏浓缩效率，进气调制机构和排气调制机构可以发挥这种效果。入口气体分布调制器、出口气体分布调制器分别包括中间的调制轴体和设于调制轴体四周的调制叶片。出口气体分布调制器位于入口气体分布调制器的垂直上方，都位于塔体的中心线上；入口导流板在垂直方向上位于入口气体分布调制器下方，水平方向上正对空气进气管道；出口导流板在垂直方向上位于出口气体分布调制器上方，水平方向上正对空气排气管道；空气从进气管道进入吹向入口导流板由水平流态引导为垂直流态，再吹向入口入口气体分布调制器由垂直上升流态调制为旋转上升流态，与雾化的脱硫废水传质对流后依次吹向出口气体分布调制器、出口导流板排出。出口气体分布调制器的调制轴体和入口气体分布调制器的调制轴体像一对虚拟轴承，入口气体分布调制器、出口气体分布调制器共同使气流被分布成绕雾化液滴旋转运动的旋风流态，实现高效传质传热，使进出风更加均匀，塔内空间利用率大幅提高，有效降低塔高度。入口气体分布调制器的调制轴体的中间为圆柱体，两端为半圆球体或圆锥体，可以增强调制叶片对气体的旋转调制强度，出口气体分布调制器的调制轴体的下端半圆球体或圆锥体具有同样的作用。循环中的压力差使用压缩和膨胀装置来保持。在循环中，离开蒸馏塔的饱和湿空气用机械压缩机或热蒸汽压缩机(TVC)压缩，然后在预热器中除湿，再使用节流阀或空气膨胀器使除湿后的空气膨胀，膨胀的空气进入空气进气单元被送到蒸馏塔，空气因此在闭合回路中运行。这种变压循环可以显著提高热效率，能量利用率高。
本发明提供的系统和方法可以有效对脱硫废水进行浓缩，同时具有如下优点：
1、浓水排放量远小于其它浓缩减量技术，大大减轻末端处理(如：蒸发结晶等)的投资和运维费用【与MVC/MED热浓缩技术相比，末端处理(如：蒸发结晶等)的投资和运维费用可降低25％以上；与RO高压反渗透浓缩技术相比，末端处理(如：蒸发结晶等)的投资和运维费用可降低50％以上；与FO正渗透浓缩技术相比，末端处理(如：蒸发结晶等)的投资和运维费用可降低32％以上】。
2、系统运行温度为50-95℃左右，可有效利用电厂各种低温废热作为热源。
3、主要工艺设备采用塑料类材料或普通碳钢内衬塑料类材料制造，并采用直接接触传热传质，具有较高的传热传质效率和优良的防腐防垢性能。
4、对预处理水质要求较低，不会增加脱硫废水预处理投资和运维费用；
5、设备投资少、占地面积小、运行维护简单，投资及运维费用远小于其它浓缩减量技术【可降低投资60％以上；可降低运行费用50％以上】，系统运行稳定可靠，处理效果明显，产水可达蒸馏水水质，优于《GB/T19923-2005城市污水再生利用-工业用水水质》(工艺水)的技术标准，全部回用于脱硫工艺水。浓缩减量后浓缩液，可用于灰渣调湿或进行固化处理。
附图说明
图1为脱硫废水空气蒸馏浓缩系统的结构示意图；
图2为入口气体分布调制器的结构示意图；
图3为入口气体分布调制器的调制叶片的结构示意图；
图4为入口气体分布调制器和入口导流板的结构示意图；
图5为出口气体分布调制器和出口导流板的结构示意图；
其中，21-入口导流板，22-出口导流板，23-调制轴体，24-叶片，25-内箍筋，26-外箍筋。
具体实施方式
下面结合实施例具体介绍本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。
该实施例以脱硫废水为例。
如图1所示的一种热空气变压循环水直排的脱硫废水空气蒸馏浓缩系统，包括空气进气单元、脱硫废水进液单元、蒸馏浓缩塔、空气加热单元、热压缩单元、膨胀单元及预热器；
所述蒸馏浓缩塔的下部设有进气口，底部设有浓缩液收集锥斗，顶部设有湿空气出口；
所述空气进气单元包括空气滤清器和风机，空气加热单元包括换热器，空气依次经过空气滤清器、风机、换热器从蒸馏浓缩塔的进气口进入塔体；所述换热器还与为空气加热的热源(热水、蒸汽或热烟气)连通；所述脱硫废水进液单元包括脱硫废水进液管道，该管道的一端从蒸馏浓缩塔的上部进入塔体并向下开口，开口设有雾化器，另一端为脱硫废水进液口；所述预热器设于废水进液管道上，该预热器还通过空气热压缩单元与蒸馏浓缩塔的湿空气出口连通，压缩的湿空气经预热器冷凝除湿后经过空气膨胀单元进入空气进气单元变压循环；空气热压缩单元为机械压缩机或热蒸汽压缩机，空气膨胀单元为节流阀或空气膨胀器；
所述浓缩液收集锥斗设有排放阀和排液泵，浓缩液经排放阀和排液泵直接排放。
所述空气蒸馏浓缩系统还包括设于塔体进气口处的进气调制机构和设于塔体湿空气出口处的排气调制机构(如图2-5所示)；
所述进气调制机构包括入口气体分布调制器和多个设于入口气体分布调制器下方用于将水平气流引导为垂直气流的入口导流板；所述排气调制机构包括出口气体分布调制器和多个设于出口气体分布调制器上方用于将垂直气流引导为水平气流的出口导流板；入口导流板或出口导流板分别由水平段、垂直段以及将水平段和垂直段连接过渡的弧形段组成；
所述入口气体分布调制器、出口气体分布调制器分别包括中间的调制轴体和设于调制轴体四周的调制叶片；入口气体分布调制器的调制轴体的中间为圆柱体，两端为半圆球体或圆锥体；出口气体分布调制器的调制轴体为一下端为半圆球体或圆锥体的圆柱体；所述调制叶片设于圆柱体的下端，包括多个倾斜布置在圆柱体周向方向用于将垂直上升气流调制成旋转上升气流的叶片；具体地，调制叶片经内箍筋和外箍筋等间距周向固定并套设在气体分布调制器的圆柱体的下端。所述调制轴体为中空结构。
所述出口气体分布调制器位于入口气体分布调制器的垂直上方。
一种采用上述系统的脱硫废水空气蒸馏浓缩方法，包括：将空气从空气进气单元经换热器加热得到热空气，以该热空气为载气从蒸馏浓缩塔的进气口进入，在蒸馏浓缩塔内与从蒸馏浓缩塔上端喷下的经过预热的脱硫废水对流，脱硫废水中部分水分被热空气加热带走，分别得到湿饱和空气和脱硫废水浓缩液；该湿饱和空气先经空气热压缩单元压缩，再经预热器相变换热，水蒸气冷凝形成冷凝水和除湿空气，该除湿空气经过空气膨胀单元进入空气进气单元变压循环，冷凝水和浓缩液收集锥斗内的浓缩液自然排放。
具体地，换热器的热源为除尘器前热烟气。
另外，不同工作段应设计取样口、观察口、检修口，方便随时观察取样、观察、开口检修检查内部部件；不同工作段，应配置压力表、温度计。塔体分段制作，法兰连接。不同部件的材质，应根据接触介质的成分和浓度，选择材质。耐腐蚀材料可根据接触介质的成分和浓度选择碳钢内衬耐温≥100℃的橡胶或塑料【如：聚四氟乙烯、玻璃钢、PP聚丙烯、玻璃鳞片等】、或金属【如：不锈钢、钛合金、C276、1.4529等】、或耐温≥100℃的塑料【如：聚四氟乙烯、玻璃钢、PP聚丙烯等】。
上述技术方案中，加热的空气从进气口进入塔体，在塔内以旋转上升气流与雾化的脱硫浓缩废水对流，经过浓缩的脱硫浓缩废水进入浓缩液收集锥斗，携带水分的湿饱和空气从湿空气出口排出。空气滤清器用于对空气过滤，风机用于为空气提供动力。预热器一方面用于收集湿空气的热量对脱硫废水初步预热，另一方面对湿空气进行冷凝除湿，该冷凝水可达蒸馏水水质，回收利用，除湿的空气从进气口继续利用，避免向大气中排放废气。换热器用于对空气加热至所需温度，为换热器提供热量的热源可以是热水、蒸汽或电厂的热烟气。为了降低塔高，减少设备投资和占用空间，需要提高空气蒸馏浓缩效率，进气调制机构和排气调制机构可以发挥这种效果。入口气体分布调制器、出口气体分布调制器分别包括中间的调制轴体和设于调制轴体四周的调制叶片。出口气体分布调制器位于入口气体分布调制器的垂直上方，都位于塔体的中心线上；入口导流板在垂直方向上位于入口气体分布调制器下方，水平方向上正对空气进气管道；出口导流板在垂直方向上位于出口气体分布调制器上方，水平方向上正对空气排气管道；空气从进气管道进入吹向入口导流板由水平流态引导为垂直流态，再吹向入口入口气体分布调制器由垂直上升流态调制为旋转上升流态，与雾化的脱硫废水传质对流后依次吹向出口气体分布调制器、出口导流板排出。出口气体分布调制器的调制轴体和入口气体分布调制器的调制轴体像一对虚拟轴承，入口气体分布调制器、出口气体分布调制器共同使气流被分布成绕雾化液滴旋转运动的旋风流态，实现高效传质传热，使进出风更加均匀，塔内空间利用率大幅提高，有效降低塔高度。入口气体分布调制器的调制轴体的中间为圆柱体，两端为半圆球体或圆锥体，可以增强调制叶片对气体的旋转调制强度，出口气体分布调制器的调制轴体的下端半圆球体或圆锥体具有同样的作用。循环中的压力差使用压缩和膨胀装置来保持。在循环中，离开蒸馏塔的饱和湿空气用机械压缩机或热蒸汽压缩机(TVC)压缩，然后在预热器中除湿，再使用节流阀或空气膨胀器使除湿后的空气膨胀，膨胀的空气进入空气进气单元被送到蒸馏塔，空气因此在闭合回路中运行。这种变压循环可以显著提高热效率，能量利用率高。
本发明提供的系统和方法可以有效对脱硫废水进行浓缩，同时具有如下优点：
1、浓水排放量远小于其它浓缩减量技术，大大减轻末端处理(如：蒸发结晶等)的投资和运维费用【与MVC/MED热浓缩技术相比，末端处理(如：蒸发结晶等)的投资和运维费用可降低25％以上；与RO高压反渗透浓缩技术相比，末端处理(如：蒸发结晶等)的投资和运维费用可降低50％以上；与FO正渗透浓缩技术相比，末端处理(如：蒸发结晶等)的投资和运维费用可降低32％以上】。
2、系统运行温度为50-95℃左右，可有效利用电厂各种低温废热作为热源。
3、主要工艺设备采用塑料类材料或普通碳钢内衬塑料类材料制造，并采用直接接触传热传质，具有较高的传热传质效率和优良的防腐防垢性能。
4、对预处理水质要求较低，不会增加脱硫废水预处理投资和运维费用；
5、设备投资少、占地面积小、运行维护简单，投资及运维费用远小于其它浓缩减量技术【可降低投资60％以上；可降低运行费用50％以上】，系统运行稳定可靠，处理效果明显，产水可达蒸馏水水质，优于《GB/T19923-2005城市污水再生利用-工业用水水质》(工艺水)的技术标准，全部回用于脱硫工艺水。浓缩减量后浓缩液，可用于灰渣调湿或进行固化处理。
上述实施例的作用在于具体介绍本发明的实质性内容，但本领域技术人员应当知道，不应将本发明的保护范围局限于该具体实施例。
Claims (10)
1.一种热空气变压循环水直排的废水空气蒸馏浓缩系统，其特征在于：包括空气进气单元、废水进液单元、蒸馏浓缩塔、空气加热单元、热压缩单元、膨胀单元及预热器；
所述蒸馏浓缩塔的下部设有进气口，底部设有浓缩液收集锥斗，顶部设有湿空气出口；
所述空气进气单元包括空气滤清器和风机，空气加热单元包括换热器，空气依次经过空气滤清器、风机、换热器从蒸馏浓缩塔的进气口进入塔体；所述换热器还与为空气加热的热源连通；所述废水进液单元包括废水进液管道，该管道的一端从蒸馏浓缩塔的上部进入塔体并向下开口，另一端为废水进液口；所述预热器设于废水进液管道上，该预热器还通过空气热压缩单元与蒸馏浓缩塔的湿空气出口连通，压缩的湿空气经预热器冷凝除湿后经过空气膨胀单元进入空气进气单元变压循环；
所述浓缩液收集锥斗设有排放阀和排液泵，浓缩液经排放阀和排液泵直接排放。
2.根据权利要求1所述的空气蒸馏浓缩系统，其特征在于：还包括设于塔体进气口处的进气调制机构和设于塔体湿空气出口处的排气调制机构；
所述进气调制机构包括入口气体分布调制器和多个设于入口气体分布调制器下方用于将水平气流引导为垂直气流的入口导流板；所述排气调制机构包括出口气体分布调制器和多个设于出口气体分布调制器上方用于将垂直气流引导为水平气流的出口导流板；
所述入口气体分布调制器、出口气体分布调制器分别包括中间的调制轴体和设于调制轴体四周的调制叶片；入口气体分布调制器的调制轴体的中间为圆柱体，两端为半圆球体或圆锥体；出口气体分布调制器的调制轴体为一下端为半圆球体或圆锥体的圆柱体；所述调制叶片设于圆柱体的下端，包括多个倾斜布置在圆柱体周向方向用于将垂直上升气流调制成旋转上升气流的叶片；
所述出口气体分布调制器位于入口气体分布调制器的垂直上方。
3.根据权利要求2所述的空气蒸馏浓缩系统，其特征在于：所述入口导流板或出口导流板分别由水平段、垂直段以及将水平段和垂直段连接过渡的弧形段组成。
4.根据权利要求2所述的空气蒸馏浓缩系统，其特征在于：所述调制叶片经内箍筋和外箍筋等间距周向固定并套设在气体分布调制器的圆柱体的下端。
5.根据权利要求2所述的空气蒸馏浓缩系统，其特征在于：所述调制轴体为中空结构。
6.根据权利要求1所述的空气蒸馏浓缩系统，其特征在于：所述废水进液管道位于塔体内并向下开口的一端设有雾化器。
7.根据权利要求1所述的空气蒸馏浓缩系统，其特征在于：热源为热水、蒸汽或热烟气。
8.根据权利要求1所述的空气蒸馏浓缩系统，其特征在于：所述空气热压缩单元为机械压缩机或热蒸汽压缩机；所述空气膨胀单元为节流阀或空气膨胀器。
9.一种采用权利要求1-8任一所述系统的废水空气蒸馏浓缩方法，其特征在于：将空气从空气进气单元经换热器加热得到热空气，以该热空气为载气从蒸馏浓缩塔的进气口进入，在蒸馏浓缩塔内与从蒸馏浓缩塔上端喷下的经过预热的废水对流，废水中部分水分被热空气加热带走，分别得到湿饱和空气和废水浓缩液；该湿饱和空气先经空气热压缩单元压缩，再经预热器相变换热，水蒸气冷凝形成冷凝水和除湿空气，该除湿空气经过空气膨胀单元进入空气进气单元变压循环，冷凝水和浓缩液收集锥斗内的浓缩液自然排放。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：换热器的热源为除尘器前热烟气。
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| CN201810235081.1A CN108383186A (zh) | 2018-03-21 | 2018-03-21 | 一种热空气变压循环水直排的废水浓缩系统和方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110482629A (zh) * | 2019-09-25 | 2019-11-22 | 清华大学 | 利用空气传递烟气热量的直接接触蒸发处理设备及其方法 |
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