CN109796099A - 一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统和方法 - Google Patents

一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种反渗透‑‑正渗透‑‑多效蒸馏耦合的海水淡化系统和方法，所述系统包括反渗透海水淡化单元、正渗透单元和高温多效汲取液回收单元。所述的反渗透海水淡化单元用于原海水的初步淡化，所述的正渗透单元用于反渗透海水淡化单元浓海水的二次提浓，所述的高温多效汲取液回收单元用于正渗透汲取液的回收与淡水的产生。本发明可实现工业余热分级利用，同时还可以实现海水淡化淡水回收率的提高与反渗透海水淡化浓海水的深度浓缩。

Description

一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统和方法
技术领域
本发明属于海水淡化和浓海水资源化利用领域，涉及一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统，具体地说，涉及一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化工艺，包括反渗透海水淡化单元、正渗透单元和高温多效汲取液回收单元。所述的正渗透单元用于反渗透海水淡化单元浓海水的二次提浓，所述的高温多效汲取液回收单元用于正渗透汲取液的回收与淡水的产生。本发明可实现工业余热分级利用，同时还可以实现海水淡化淡水回收率的提高与反渗透浓海水的深度浓缩。
背景技术
海水淡化是应对全球水资源危机、解决水资源短缺的有效途径之一。目前，主流的海水淡化技术主要可分为热法和膜法。其中膜法是以反渗透为主，热法则以多效蒸馏和多级闪蒸为主。反渗透法具有设备简单、建设周期短、操作方便、能耗低、适应性强等优点。热法中，多效蒸馏与多级闪蒸相比具有操作温度低、结垢倾向低、能耗低的优点。因此，对于有大量余热的情况，多效蒸馏更具有竞争力。
近年来，海水淡化产业近年来呈急剧增长的趋势，海水淡化过程中产生的浓海水处理问题已成为限制海水淡化发展的重要因素。反渗透产生的浓海水中含有诸多的化学物质，如阻垢剂、消毒剂、pH值调节剂等，同时浓海水温度、盐度均高于海水，大量直排入海势必会破坏海洋生态环境。浓海水中富含钠、镁、钾、钙、溴等元素，且浓度远高于海水，若采用分盐技术对浓海水进行资源化利用，则可以降低海水淡化成本，为推动大规模海水淡化技术的绿色可持续发展提供技术支撑。
正渗透因其能耗低、结垢倾向低、操作温度范围广的特点，正受到越来越多的关注。采用正渗透处理反渗透浓海水，对浓海水进行二次提浓，不仅可以提高淡水回收率，还可以大大降低分盐流程中的结晶器体积。
发明内容
本发明提供了一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统和方法，能进一步提高淡水回收率，提高浓海水盐度，降低吨水能耗。
本发明的技术方案如下：
一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统，包括反渗透海水淡化单元、正渗透单元和高温多效汲取液回收单元，其特征在于：所述的反渗透海水淡化单元包含安保过滤器、加药系统、高压泵、反渗透膜元件、能量回收装置、增加泵、清洗系统、换热器，所述的反渗透海水淡化单元用于原海水的初步淡化；所述的正渗透单元包含正渗透膜组件，所述的正渗透单元用于反渗透海水淡化单元浓海水的二次提浓；所述的高温多效汲取液回收单元包括首效蒸发器、若干中间效蒸发器、末效蒸发器、换热器、冷凝器，所述的高温多效汲取液回收单元用于正渗透汲取液的回收与淡水的产生。
进一步，正渗透膜组件的进口通过管束分别连接反渗透海水淡化单元出口和高温多效汲取液回收单元出口，正渗透膜组件的出口通过管束分别连接钙、镁结晶单元和高温多效汲取液回收单元入口。
本发明还提供一种所述一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统的海水淡化方法，所述的反渗透海水淡化单元对预处理后的海水进行淡化处理，得到淡水以及浓海水；反渗透海水淡化单元产生的浓海水连接至正渗透单元进行深度浓缩，产生的淡水作为产品水收集；来自正渗透单元的稀释的汲取液首先进入首效蒸发器，以加热蒸汽作为热源，冷凝后的蒸汽用于反渗透进料的预热，蒸发器中产生的浓盐水经浓盐水输送管流入下一效；每一效中产生的蒸汽都在下一效中冷凝作为下一效的热源，冷凝水即作为产品淡水收集；末效产生的浓盐水即为浓缩的汲取液循环至正渗透单元。
进一步，高温多效加热蒸汽加热料液后的冷凝水，可作为多效蒸馏单元进料海水预热的热源，或者冬季反渗透海水淡化单元海水进料预热的热源。
进一步，正渗透单元的温度范围为5～50℃。
进一步，汲取液为无机盐溶液，溶液离子不会发生结垢反应。
更进一步，汲取液采用NH4HCO3、NH4Cl、(NH4)2SO4、NaCl、Na2SO4、KCl、K2SO4、MgCl2、MgSO4中的一种盐溶液或几种盐的混合溶液。
本法明所述的反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化方法，正渗透产生的浓水可用于钙、镁资源化利用，可用于液体盐、原盐生产。
所述的高温多效汲取液回收单元的顶温可高于70℃，高温多效加热蒸汽加热料液后的冷凝水经闪蒸后作为反渗透海水淡化单元的热源，实现工业余热的分级利用
根据本发明所述的反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化方法，当正渗透汲取液中从浓海水侧渗透过的结垢离子浓度达到设定值，采用化学沉淀、离子交换树脂、膜分离中的一种或几种技术进行处理，或定期排放。
所述海水预处理单元可针对不同的进水水质进行组合设计，常用的有混凝沉淀、气浮、过滤及超滤，应保证海水浊度<0.5，SDI值<4，以满足反渗透进水要求。
一般情况下，海水淡化系统中的反渗透浓海水由于缺乏资源化利用技术，采用的是直接外排入海，而本发明的创新点之一是采用正渗透处理反渗透浓水，可以实现反渗透浓水的二次提浓，从而提高整体的淡水回收率，减少浓海水的体积，从而实现与浓海水分盐技术的对接。目前未发现有相关的文献是直接采用正渗透处理反渗透浓海水的。
本发明另一创新点在于采用高温多效蒸发技术回收正渗透汲取液，由于正渗透的高效截留作用，汲取液中结垢离子浓度极低，因此多效蒸发系统可突破传统低温多效海水淡化70℃顶温的限制，与传统的低温多效蒸发相比，热效率更高，传热面积更小，能耗更低。此外，高温多效的冷凝水可以进一步实现工业余热的分级利用，比如在北方地区气温偏低的时期，经闪蒸后可作为反渗透海水淡化单元海水预热的热源。
一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统，包括反渗透海水淡化单元、正渗透单元和高温多效汲取液回收单元.
所述的反渗透海水淡化单元对预处理后的海水进行淡化处理，得到淡水以及浓海水。所述的反渗透海水淡化单元包含安保过滤器、加药系统、高压泵、反渗透膜元件、能量回收装置、增加泵、清洗系统等(见图2)。反渗透海水淡化单元产生的浓海水连接至正渗透单元进行深度浓缩，产生的淡水作为产品水收集。
所述的正渗透单元包括正渗透膜组件，用于对反渗透海水淡化单元产生的浓海水进行二次提浓。所述的正渗透膜组件进口通过管束分别连接反渗透海水淡化单元出口和高温多效汲取液回收单元出口，所述的正渗透膜组件出口通过管束分别连接钙、镁结晶单元和高温多效汲取液回收单元入口。所述的正渗透汲取液采用不含结垢离子的无机盐溶液。正渗透温度范围为20～50℃时，正渗透系统水通量与温度呈正比关系，且溶质正向截留率始终高于97％。因此适当提高正渗透温度有利于降低吨水能耗。
高温多效汲取液回收单元是恢复正渗透单元驱动力、同时实现淡水回收的重要环节。所述的高温多效汲取液回收单元包括首效蒸发器、若干中间效蒸发器、末效蒸发器、换热器、冷凝器。来自正渗透单元3的稀释的汲取液首先进入首效蒸发器，以加热蒸汽作为热源，冷凝后的蒸汽用于反渗透进料的预热，蒸发器中产生的浓盐水经浓盐水输送管流入下一效。每一效中产生的蒸汽都在下一效中冷凝作为下一效的热源，冷凝水即作为产品淡水收集。末效产生的浓盐水即为浓缩的汲取液循环至正渗透单元3。(见图3)所述的高温多效汲取液回收单元的顶温可高于70℃，高温多效加热蒸汽加热料液后的冷凝水经闪蒸后作为反渗透海水淡化单元的热源，实现工业余热的分级利用。为防止循环的汲取液所含的结垢离子浓度达到设定值，采用化学沉淀、离子交换树脂、膜分离中的一种或几种技术进行处理，或定期排放。
有益的技术效果：
1、淡水回收率提高。在传统反渗透海水淡化的基础上，针对反渗透的浓水，正渗透可额外实现45％以上的回收率。
2、浓水二次提浓，有利于钙镁沉淀，大大减少后续结晶器体积。采用正渗透汲取液处理含钙镁浓海水，即使浓缩钙、镁浓度倍数较高时产生碳酸钙沉淀，由于微溶盐在膜附近浓缩，碳酸钙晶体在溶液主体中形成。在垂直的水力曳力作用下，在正渗透膜表面形成疏松的结垢层。当垢层达到一定厚度后，在膜表面水流剪切力作用下，垢层脱落，该情况对装置运行产生的影响较小。
3、工业余热分级利用，降低吨水能耗。反渗透海水淡化浓海水资源化利用多采用高压反渗透或电渗析，能耗较高。采用正渗透处理采用反渗透浓海水，只需提供流体输送所需的能量；采用高温多效回收汲取液，与高压反渗透或电渗析相比，吨水能耗更低。高温多效的冷凝水可以进一步实现工业余热利用，比如在北方地区气温偏低的时期，可作为反渗透海水淡化单元海水预热的热源。
附图说明
图1为本发明一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统工艺流程图；
其中：1-海水预处理设备，2-反渗透海水淡化单元，3-正渗透单元，4-高温多效汲取液回收单元，5-钙镁资源化利用单元。
图2为反渗透单元工艺流程图；
其中：6-安保过滤器，7-加药系统，8-高压泵，9-反渗透膜元件，10-能量回收装置，11-增压泵，12-清洗液，13-清洗泵，14-换热器。
图3为高温多效汲取液回收单元结构图；
其中：01-首效蒸发器，02～N-中间效蒸发器，(N+1)-末效蒸发器；201-换热器，202-冷凝器，203-浓盐水输送管。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种正渗透耦合多效蒸馏的海水淡化系统，包括：海水预处理单元1、反渗透海水淡化单元2、正渗透单元3、高温多效汲取液回收单元4；其中，
海水预处理单元1可针对不同的进水水质进行组合设计，常用的有混凝沉淀、气浮、过滤及超滤，应保证海水浊度<0.5，SDI值<4，以满足反渗透进水要求，预处理后的海水进入反渗透海水淡化单元2；
反渗透海水淡化单元2包含安保过滤器、加药系统、高压泵、反渗透膜元件、能量回收装置、增加泵、清洗系统等。反渗透海水淡化单元2排放的浓海水进入正渗透单元3。
正渗透单元3用于反渗透浓海水的进一步浓缩。汲取液采用NH4HCO3、NH4Cl、(NH4)2SO4、NaCl、Na2SO4、KCl、K2SO4、MgCl2、MgSO4中的一种盐溶液或几种盐的混合溶液。在5～50℃之间，正渗透系统水通量与温度呈正比关系，且溶质正向截留率始终高于97％。由于正渗透单元3进料温度在35～45℃之间，水通量高于20℃情况下的通量。从而降低了正渗透的运行成本。正渗透单元3二次提浓后的浓盐水TDS可达到84000ppm以上，与高温多效汲取液回收单元4的浓盐水进行换热后，依次进入钙镁资源利用单元5。正渗透过程中稀释的汲取液流入高温多效汲取液回收单元4。
高温多效汲取液回收单元4用于汲取液的提浓，为正渗透单元3提供渗透压差驱动力。由于正渗透单元3的溶质正向截留率可保持在高于97％的水平，使得单元4的进料中结垢离子含量极低，因此单元4的顶温可高于70℃，从而降低了换热面积。进入高温多效汲取液回收单元4的加热蒸汽加热料液后的冷凝水，进入平衡桶进行闪蒸，得到的蒸汽可作为多效蒸馏单元进料海水预热的热源，或者冬季反渗透海水淡化单元海水进料预热的热源。
作为反渗透蒸发单元2的热源。提浓的汲取液经换热后循环至正渗透单元3，产生的淡水与单元2、生蒸汽冷凝产生的淡水混合作为产品水。
钙镁资源化利用单元5为若干反应结晶器。产生的浓盐水进入该工段，制备碳酸钙、氢氧化镁、碳酸镁、水滑石等无机功能材料。由于浓海水经过了正渗透的二次提浓，因此钙镁资源化利用单元5的反应器体积大大减少。经过钙、镁脱硬处理，该浓盐水可进行进一步资源化利用。
以上实例结合附图详细说明了本发明的工艺流程，仅用于说明及帮助理解本发明工艺可行性，并不构成对本发明的保护范围限制，根据不同目标需求，可相应调整、修改，凡是与本发明相同或相似的设计均属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统，包括反渗透海水淡化单元、正渗透单元和高温多效汲取液回收单元，其特征在于：所述的反渗透海水淡化单元包含安保过滤器、加药系统、高压泵、反渗透膜元件、能量回收装置、增加泵、清洗系统、换热器，所述的反渗透海水淡化单元用于原海水的初步淡化；所述的正渗透单元包含正渗透膜组件，所述的正渗透单元用于反渗透海水淡化单元浓海水的二次提浓；所述的高温多效汲取液回收单元包括首效蒸发器、若干中间效蒸发器、末效蒸发器、换热器、冷凝器，所述的高温多效汲取液回收单元用于正渗透汲取液的回收与淡水的产生。
2.根据权利要求1所述一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统，其特征在于：正渗透膜组件的进口通过管束分别连接反渗透海水淡化单元出口和高温多效汲取液回收单元出口，正渗透膜组件的出口通过管束分别连接钙、镁结晶单元和高温多效汲取液回收单元入口。
3.一种根据权利要求1或2所述一种反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化系统的海水淡化方法，其特征在于：所述的反渗透海水淡化单元对预处理后的海水进行淡化处理，得到淡水以及浓海水；反渗透海水淡化单元产生的浓海水连接至正渗透单元进行深度浓缩，产生的淡水作为产品水收集；来自正渗透单元的稀释的汲取液首先进入首效蒸发器，以加热蒸汽作为热源，冷凝后的蒸汽用于反渗透进料的预热，蒸发器中产生的浓盐水经浓盐水输送管流入下一效；每一效中产生的蒸汽都在下一效中冷凝作为下一效的热源，冷凝水即作为产品淡水收集；末效产生的浓盐水即为浓缩的汲取液循环至正渗透单元。
4.根据权利要求3所述的反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化方法，其特征在于：高温多效加热蒸汽加热料液后的冷凝水，可作为多效蒸馏单元进料海水预热的热源，或者冬季反渗透海水淡化单元海水进料预热的热源。
5.根据权利要求3所述的反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化方法，其特征在于：正渗透单元的温度范围为5～50℃。
6.根据权利要求3所述的反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化方法，其特征在于：汲取液为无机盐溶液，溶液离子不会发生结垢反应。
7.根据权利要求3所述的反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化方法，其特征在于：汲取液采用NH4HCO3、NH4Cl、(NH4)2SO4、NaCl、Na2SO4、KCl、K2SO4、MgCl2、MgSO4中的一种盐溶液或几种盐的混合溶液。
8.根据权利要求3所述的反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化方法，其特征在于：正渗透产生的浓水可用于钙、镁资源化利用，可用于液体盐、原盐生产。
9.根据权利要求3所述的反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化方法，其特征在于：所述的高温多效汲取液回收单元的顶温可高于70℃，高温多效加热蒸汽加热料液后的冷凝水经闪蒸后作为反渗透海水淡化单元的热源，实现工业余热的分级利用。
10.根据权利要求3所述的反渗透--正渗透--多效蒸馏耦合的海水淡化方法，其特征在于：当正渗透汲取液中从浓海水侧渗透过的结垢离子浓度达到设定值，采用化学沉淀、离子交换树脂、膜分离中的一种或几种技术进行处理，或定期排放。
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