CN108467144A - 太阳能pv/t脱硫废水处理系统 - Google Patents

Abstract

一种新型太阳能PV/T脱硫废水处理系统，属于太阳能热利用技术领域，该系统包括光伏光热发电集热系统和脱硫废水处理系统组成。本系统通过扩容蒸发器实现各系统的集成耦合，其中光伏光热组件发出的电能通过逆变器发电供给系统和并网发电，同时用低温进料海水冷却光伏电池，提高光伏光热组件的光电转换效率。扩容蒸发器产生的蒸被冷凝为淡水送入吸收塔中用石灰石‑石膏湿法去吸收通入烟气的硫分，从吸收塔产生的脱硫废水用海水对其进行酸碱中和并降低重金属等污染物，再经太阳能加热后扩容蒸发回收水分再次进入循环。本发明可实现太阳能的综合利用并为系统提供充足的电和水，减少一次能源和水的消耗，具有高度的自动化和独立性。

Description

太阳能PV/T脱硫废水处理系统

技术领域

本发明涉及一种将复合抛物面光伏光热组件和脱硫废水处理系统集成在一起的系统，属于太阳能热利用技术领域。

背景领域

传统的太阳能集热器从聚光类型上说分为两类：非聚光型和聚光型。非聚光型的典型代表是平板型和全玻璃真空管型两种。聚光型集热器从聚光类型上分为两类：成像聚光和非成像聚光。成像聚光器能严格聚光产生太阳能成像，而非成像聚光不能产生焦点，只能大致将太阳光汇聚。复合抛物面聚光器（Compound Parabolic Concentrator ，简写CPC），是一种依据边缘光线原理设计的低聚光度非成像聚光器，可将接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到吸收体上，最早由美国芝加哥大学Winston教授从高能物理实验研究中的辐射探测器改进而来的。CPC聚光器的显著的优点是聚光角大、无需实时跟踪太阳、可靠性高和结构简单，因而有一定市场。光伏/光热集热器（Photovoltaic /thermal collector，简写PVT）是利用层压或胶粘技术将太阳能电池与太阳能集热器有机结合起来。按照光生伏特原理，大约有10%～17% 的太阳光能被光伏电池直接转化为电能，剩下的大部分则被转化为热能，并且这部分能量在电池板上无法散出，提高了光伏电池的温度，经研究表明，光伏电池每提升1℃，光电转换效率则降低0.5％。PVT集热器采用强制循环流体（水或空气）来吸收太阳能电池板中未被转化成电能的热量，温度升高的水或空气可用于建筑采暖、生活热水、各种工质预热等。复合抛物面聚光器与光伏光热组件相结合，通过复合抛物面提高聚光比从而增加入射辐射能，一方面提高电池的电能输出功率，而通过光伏光热组件吸收电池背板热量，降低电池板温度，提高电效率。目前，对于CPC-PV/T系统的研究主要是集中在改进系统结构和建筑一体化的应用上，然而对于CPC-PV/T系统耦合海水淡化的工程示范鲜见报道。复合抛物面聚光器与太阳能集热组件相结合，吸收太阳辐射后并将产生的热能传递到传热工质，聚光的提升使工质可获得较大出口水温。太阳能集热器可以有多种分类方式，按集热器工作的温度范围可以将其分为低温集热器(工作温度<100℃)、中温集热器(工作温度在100~200℃之间)和高温集热器(工作温度>200℃)，等等，因此太阳能集热器可作为多种不同类型温度梯度的热源。

在众多烟气脱硫方法中，当前世界上最成熟、应用最广泛的一种是石灰石-石膏湿法烟气脱硫，其采用钙基吸收剂（石灰石或石灰）作为脱硫剂，通过吸收烟气中的二氧化硫，同时烟气中的一部分污染物，如金属、盐、氯离子等也会转移到脱硫浆液中。脱硫废水水质及水量主要受燃煤品质、石灰石品质、脱硫系统的设计及运行、脱硫塔前污染物控制设备以及脱水设备等的影响，一般其水质呈弱酸性，国内约在4.0～6.0之间，悬浮物含量高，其质量浓度可达数万mg/L，并且COD、氟化物、重金属等超标。由于脱硫废水水质的特殊性，脱硫废水处理难度较大；同时，由于金属离子对环境有很强的污染性，因此必须对脱硫废水进行单独处理。当前常用的脱硫废水处理主要是通过加药沉淀处理，简单沉淀无法达到化学标准，而化学沉淀对氯离子盐及硒等金属去除效率低，并且会产生污泥，因此需要研发新的脱硫处理方案。

槽式太阳能集热系统分为油冷却型和DSG型（直接蒸汽发生系统），分别采用油和水为集热工质，油冷却型技术发展已基本成熟，DSG 型系统是采用水作为工作介质，水在给水泵的作用下流入太阳能集热器场阵列吸收太阳辐射能量逐步变为水蒸汽。为了解决阻碍直接蒸汽发生系统稳定运行的两相流问题，华北电力大学在槽式直接蒸汽发生系统(direct steam generation，简写DSG)再循环模式的基础上做了系统改进，提出了扩容蒸发式太阳能蒸汽发生系统。扩容蒸发式太阳能蒸汽发生系统是在直接蒸汽发生系统运行时，其可靠性最高的再循环模式的基础上，将汽水分离器用扩容蒸发器取代，产生的高温蒸汽可作为热源供给工厂等，同时将扩容蒸发器产生的疏水送到回热系统，而不是返回集热场入口，这样便可保证集热器的加热部分和过热部分均为单相流。扩容蒸发器主要是依据闪蒸原理，即：高压的饱和液体进入比较低压的容器中后由于压力的突然降低使这些饱和液体变成一部分的容器压力下的饱和蒸汽和饱和液。

发明内容

本发明的目的是集成太阳能光伏光热系统和脱硫废水处理系统，提出一种新型太阳能PV/T脱硫废水处理系统，该系统实现各系统间参数匹配耦合，提升能源的综合利用，达到节能减排、降低成本的目的。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种新型太阳能PV/T脱硫废水处理系统，由太阳能光伏光热系统、扩容蒸发系统以及脱硫废水处理系统等构成；进料海水首先作为冷媒通过制冷组件冷凝淡水蒸汽，同时被预热进入到光伏光热组件中，然后由复合抛物面聚光器对光伏光热组件聚光从而产生电能供给系统和并网装置；低温海水吸收背板的热能再通过PV/T中间的集热组件加热到110℃以上，接着进入扩容蒸发器扩容蒸发；扩容蒸发器产生的蒸汽进入冷凝组件冷凝为淡水进入脱硫吸收塔中吸收烟气中的硫分，在满足吸收塔的供水需求后多余水分供给锅炉使用，由此完成循环的前半流程。接着脱硫废水进入到废水预处理水池，与海水进行充分的混合，中和废水的ph值，除去混合水中悬浊物再进入光伏光热组件完成按照海水扩容蒸发生产淡水的流程处理混合废水，完成循环的剩余阶段，形成一个完成的废水处理循环系统。

上述的太阳能PV/T脱硫废水处理系统，所述的太阳能光伏光热系统包括多个光伏光热组件串联而成；光伏光热组件包括PVT框架、CPC聚光镜、光伏电池组件和导热板，CPC聚光器安装在PVT框架上，光伏电池组件位于CPC底部，背板通过粘结层粘结在导热板上，导热板下粘结着冷却电池流道；纯集热元件在光伏光热元件的中间，两边为单晶硅电池。

上述的太阳能PV/T脱硫废水处理系统，在太阳能光伏光热系统入水口前装有压力传感器、电动调节阀。光伏光热组件发电部分装有最大功率点跟踪（Maximum Power PointTracking，简写MPPT）太阳能控制器来输出最大电能，然后经过逆变器发电。由于定流量运行时，集热器出口温度随着太阳辐射强度的变化而改变，集热器的热应力会不断变化，易受到损坏，因此通过对压力传感器和电动调节阀传回的电信号进行处理，从而调节进入到光伏光热组件的海水流量，使光伏光热组件出口工质参数稳定，以此来保证系统稳定运行。

上述的太阳能PV/T脱硫废水处理系统，所述的海水淡化系统包括扩容蒸发器、冷凝组件、真空泵和膜蒸馏组件组成。

本发明通过扩容蒸发器实现光伏光热发电集热系统和脱硫废水处理系统的集成耦合，扩容蒸发器产生的蒸汽进入冷凝组件中，由进料海水对其冷凝变为淡水，而蒸汽中的不凝结气体由真空蹦抽取以维持系统的真空状态。然后冷凝器中产生的水进入到吸收塔中除去烟气中的硫分，而脱硫废水与海水混合降低废水的ph值；在保证吸收塔供给水分足够时冷凝的水分作为锅炉给水送入锅炉。

本发明利用低温进料海水冷却光伏光热组件中的光伏电池，在降低光伏电池工作温度的同时加热低温海水，提高光伏光热组件的综合利用效率。系统的输入端设有预处理水池对进料海水依次加入消毒剂、混凝剂、阻垢剂等药剂，再经过吸附、沉淀、过滤、除氧等步骤对进料海水进行初步预处理；接着系统产生的脱硫废水与海水混合，降低脱硫废水的ph值，再加入药剂经凝絮沉淀送入热源加热；系统输出末端的污水通过污水处理池进行处理后排放。

本发明有益的效果为：通过扩容蒸发器实现光伏光热发电集热系统、脱硫废水处理系统的集成耦合，利用各系统的优点进行系统间的优化集成，几乎可实现不需要其他能源的供给，独立由系统中产生的电能供给系统使用，同时产生的水可以补充电厂用水。本发明可实现太阳能的综合利用，减少一次能源和锅炉给水的消耗，并具有高度的自动化和独立性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是太阳能PV/T脱硫废水处理系统结构示意图。

图2是光伏光热系统结构示意图。

图中各标号清单为：1、锅炉；2、吸收塔；3、烟囱；4、耐腐蚀水泵；5、废水预处理池；6、耐腐蚀水泵；7、压力传感器；8、电动流量调节阀；9、光伏光热组件；；10、MPPT控制器；11、逆变器；12、并网装置；13、扩容蒸发器；14、排污处理池；15、盐水泵；16、冷凝器；17、真空泵；18、复合抛物面聚光器；19、光伏光热电池板；20、冷却流道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为太阳能PV/T脱硫废水处理系统结构示意图。图中，1、锅炉；2、吸收塔；3、烟囱；4、耐腐蚀水泵；5、废水预处理池；6、耐腐蚀水泵；7、压力传感器；8、电动流量调节阀；9、光伏光热组件；；10、MPPT控制器；11、逆变器；12、并网装置；13、扩容蒸发器；14、排污处理池；15、盐水泵；16、冷凝器；17、真空泵。如图所示：首先，进料海水在盐水泵15的增压下进入到废水预处理池5中，依次加入消毒剂、混凝剂、阻垢剂，再经过吸附、沉淀、过滤、除氧等步骤对进料海水进行预处理。经过预处理的海水由耐腐蚀水泵6增压送入到冷却流道20，由光伏光热组件9加热升温到110℃；由于太阳辐照曲线不稳定，为了保证系统稳定输出额定参数的工质，光伏光热组件9前入口段用压力传感器7和电动流量调节阀8调节的入口流量，以保证出口工质参数保持不变。光伏光热组件9接受太阳辐射，经由MPPT控制器10追踪光伏电池的最大功率点并以最大功率输出直流电，随后输入光伏逆变器11，光伏逆变器11将输入的直流电转化为交流电，供给系统内部或并网装置12。

在光伏光热组件9中输出的蒸汽由冷凝器16冷凝后在增压水泵增压下送到吸收塔2中，按照石灰石—石膏湿法对锅炉1中排除烟气进行脱硫作业，脱硫后的烟气最终排到烟囱3；而脱硫废水由耐腐蚀水泵4增压送入废水预处理池5中与海水进行混合，调节混合溶液的ph，再经凝絮沉淀处理后送入光伏光热组件9中进行循环，从而完成系统的水循环过程。

图2为光伏光热组件示意图。图中，17、电池板背板换热元件；18、背板换热组件。复合抛物面聚光器18对光伏光热电池板19聚光，光伏光热电池板19两边是电池板，中间是纯光热组件。冷却流道20中的冷却水首先吸收两边电池背板热量，再由中间纯光热元件加热提高水温到110℃以上，然后将背板冷却流道20产生的饱和水送入到扩容蒸发器13中进行扩容蒸发。

在扩容蒸发器13产生的蒸汽送入冷凝器16中对海水预热，同时将冷凝的淡水捕捉汇集进入吸收塔2中，冷凝产生的不凝结气体由真空泵17吸收以维持冷却装置的真空。冷凝器16中通入冷海水来吸收蒸汽的热量，同时预热海水然后送入到废水预处理5与脱硫废水混合，从而加快海水与脱硫废水的热化学反应。由于扩容蒸发器13的排出的污水含有一定量对环境污染的有害物，因此需要送入到排污处理池14中进行处理后排放。

在废水预处理5中，海水的ph值通常在8左右，呈弱碱性，且海水中存在大量的OH-离子；而脱硫废水的ph大约在4.0~6.0之间，且含有大量的重金属离子，因此可以通过海水与脱硫废水的混合，脱硫废水的酸性，并在废水预处理5中通过凝絮沉淀降低脱硫废水的悬浊物。

本发明利用扩容蒸发器13作为蒸发组件，光伏光热组件9作为供热源，冷却海水作为ph调节试剂，通过扩容蒸发器13将热端的光伏光热组件9、冷端冷凝器16集成耦合，其中光伏光热组件9产生的电能可供给系统使用，保证系统独立稳定运行，实现能源的综合利用；同时通过对脱硫废水处理回收脱硫废水中的水并对海水进行淡化，因此可获得大量补给水补充电厂水消耗，降低成本。

Claims (3)

1.一种新型太阳能PV/T脱硫废水处理系统，由光伏光热系统及脱硫废水处理系统组成，特征在于：该系统通过扩容蒸发器将各系统集成耦合，光伏光热系统作为供电端为整个系统提供电能，同时也作为热源为脱硫废水处理系统提供热能，通过阀门调节不同光照条件下进入光伏光热系统的水流量以此保证系统的稳定运行。

2.根据权利要求1所述的太阳能PV/T脱硫废水处理系统，其特征是，所述的光伏光热系统由多个光伏光热组件串联而成，光伏光热组件中间是纯集热元件，两边为单晶硅电池，可在发电的同时加热水，获得较高的出口水温。

3.根据权利要求1所述的太阳能PV/T脱硫废水处理系统，其特征是，第一阶段进料海水被加热后经扩容蒸发器扩容蒸发产生蒸汽，蒸汽被冷凝组件冷凝送入吸收塔吸收烟气硫分，第二阶段吸收塔产生的脱硫废水与海水混合使混合调节酸碱中和并降低重金属污染物，然后再经加热扩容蒸发等过程，至此完成循环过程。