CN111285525A

CN111285525A - 一种基于余热回收及除盐的逆流式prmd-pro系统及方法

Info

Publication number: CN111285525A
Application number: CN202010112104.7A
Authority: CN
Inventors: 毛岩鹏; 曹涵
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-02-24
Filing date: 2020-02-24
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2040-02-24
Also published as: CN111285525B

Abstract

本发明公开了一种基于余热回收及除盐的逆流式PRMD‑PRO系统和方法，系统，PRMD‑PRO系统包括两大过程，压力延迟膜蒸馏过程及压力延迟渗透过程。本发明采用压力延迟膜蒸馏过程及压力延迟渗透过程连用，以高温高盐的工业废水(COD＝2000～6000mg/L，PH＝6～9，T＝30～80℃)为原料液，通过压力延迟膜蒸馏过程提取其中的低品质热能，压力延迟渗透过程提取其中的盐差能。最终实现提升能量等级，转化为电能，既提高了二次能源的回收利用率，同时也减少了对环境的污染。

Description

一种基于余热回收及除盐的逆流式PRMD-PRO系统及方法

技术领域

本发明属于二次能源利用及水处理技术领域，涉及利用膜技术回收工业废水中低品质热能的方法，具体涉及一种基于余热回收及除盐的逆流式PRMD-PRO系统及方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

改革开放以来，中国工业发展迅猛，成为“世界制造中心”。作为工业现代化的基础，钢铁工业是我国的支柱产业之一，但同时还是“耗水大户”和“污染大户”。据数据统计，2015年，我国工业废水排放量达1895亿吨，主要集中在造纸印刷、化工、纺织和钢铁等行业。得益于膜材料的迅速发展，近年来一系列以反渗透技术为代表的膜技术在水处理领域得到了广泛的应用。但目前利用反渗透过程对低温废水的处理仅能达到回收纯水的目的，废水中大量的低温热能在处理过程中白白散失到周围的环境中。2015年全国排放钢铁、印染等低温工业废水共计约1895亿吨，废水温度和环境温度分别按60℃和20℃计算，热效率取50％，若能将废水中蕴含的热量全部回收，相当于节约217.26亿吨标准煤，约占全国煤炭年耗量的5％。由此可见，全国每年排放的低温工业废水中蕴含的热能是不可估量的。但由于这部分热源的温度低，现有的余热发电技术普遍效率较低、成本较高，目前对100℃以下的低品质余热利用甚少，这不仅降低了工厂的能源利用率，也给环境带来了一定程度的热污染。

钢铁、火电厂、造纸和印刷等工业在生产过程中的许多环节需要大量的水进行冷却、冲洗等，因此工业废水排放量大，成分复杂。这些废水一般具有BOD值高、COD值高、可生化性差等特点。比如，钢铁工业的生产废水中含有多种金属离子，如钙、锰、锌、铅等金属离子且含有氰化物、焦油等难以生物降解处理的物质；印染过程中需加入大量化工原料及助剂，其排放的废水一般色度高，有机物污染物分子量高，pH值变化范围大，可从呈酸性的化纤印染废水变化到呈强碱性的纯棉废水。水作为最常用的冷却介质，贯穿在整个生产过程中，最终汇集了大量有害、有毒物质，这些废水无法直接利用，若直接排放，则会在生态环境中不断积累，给环境造成破坏，威胁人类生存。但目前国内缺少对工业废水的深度处理工艺，中水回用率低。

传统的余热利用技术主要有热交换技术、热泵技术、制冷制热技术等。这些技术最终实现的只是热量的转移，交换过程中温度逐渐降低，属于能源的降级利用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于余热回收及除盐的逆流式PRMD-PRO系统及方法。

为实现上述发明目的，本发明的一个或多个实施例公开了以下技术方案：

一种基于余热回收及除盐的逆流式PRMD-PRO系统，包括：

压力延迟膜蒸馏组件，其热源端进口与高盐高温废水源连接，其热源端出口与压力延迟渗透组件的原料液端连接；

冷却液通路，为循环通路，其上沿冷却液的流动方向依次设置所述第一压力交换器、冷却液齿轮泵、压力延迟膜蒸馏组件、第一发电装置、过滤装置和冷却液池，所述压力延迟膜蒸馏组件的冷源端设置在冷却液通路上；

压力延迟渗透组件，其原料液端进口与所述压力延迟膜蒸馏组件的热源端出口连接，其原料液端出口依次连接废水池、MVR膜式蒸发器、结晶器；

驱动液通路，为循环通路，沿驱动液的流动方向依次设置第二压力交换器、驱动液齿轮泵、压力延迟渗透组件、第二发电装置、驱动液回收装置和驱动液池。

一种基于余热回收及除盐的方法，包括如下步骤：

高盐高温废水进入压力延迟膜蒸馏组件中，越过膜的水蒸气分子在冷却液侧冷凝后进入第一发电装置中发电，发电后的冷却液经过滤后，进入压力延迟膜蒸馏组件中循环利用；

经过压力延迟膜蒸馏组件浓缩后的浓水被泵送至压力延迟渗透组件，利用驱动液从浓水中汲取水分，对浓水进行二次浓缩，被稀释的驱动液进入第二发电装置发电，经驱动液再生装置再生后进入压力延迟渗透组件中循环利用；

经过两次浓缩的浓水进行浓缩结晶处理。

与现有技术相比，本发明的以上一个或多个实施例取得了以下有益效果：

通过压力延迟膜蒸馏和压力延迟渗透技术实现了工业废水中低品质余热及盐差能的回收，使二次能源得以合理利用。不仅减少了资源浪费，还缓解了环境污染。并且压力延迟膜蒸馏截留率高，废水经过压力延迟膜蒸馏处理后再进入压力延迟渗透组件可有效缓解渗透膜的膜污染。

PRMD-PRO系统处理工业废水，回收二次能源的机理是水以气体或液体的形式穿过选择性透过膜，致使有限空间内的液体体积持续增加，从而转化为机械能，进一步转化为电能加以利用。将废水中的低品质热能和盐差能经过转化后，提升了能量等级，最终转化为电能。间接降低了化石燃料的消耗量，节约资源的同时也缓解了环境污染。

从二次能源的回收效果来看：压力延迟膜蒸馏系统在40℃温差的驱动下，能量密度可达到7.7W/m²，压力延迟渗透系统在盐水浓度为2wt％的条件下，能量密度可达到7.31W/m²。与商业发电相比，压力延迟渗透和压力延迟膜蒸馏过程的能量密度达到5W/m²即可，因此PRMD-PRO系统经济可行。

从纯水的提取效果来看:压力延迟膜蒸馏以疏水膜为气-液相界面，对大分子、颗粒物等的截留率可达99％，水回收率高于50％，蒸馏效率远高于常规蒸馏方法。压力延迟渗透过程的水回收率最高可达58％，两个系统的联合处理进一步提高了系统的水回收率。

从操作过程来看：压力延迟膜蒸馏和压力延迟渗透分别属于热推动过程和浓差驱动过程，因此常压下即可进行，对膜的机械性能要求不高。二者操作温度不高，并且压力延迟膜蒸馏过程甚至可以低至30℃，因此非常适合回收工业余热这类廉价低品质热源。系统占地面积小，操作简单，而且全年可持续发电，不受环境和季节的影响。膜分离过程本质上属于物理过程，无需另外添加化学试剂，不涉及化学反应，且整个过程中几乎不消耗外界能量，因此具有绿色环保，低能耗，低污染的显著优势。而且压力延迟膜蒸馏过程可作为压力延迟渗透过程的预处理过程，有效缓解了压力延迟渗透过程的膜污染现象，提高整体效率，节约成本。

所以，该系统出水水质稳定，发电过程稳定，不受环境和季节等外界条件影响，运行管理方便，安全可靠，占地面积小，有望发展为效率高，规模大，低成本的二次能源回收方法。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例的循环利用膜技术对工业废水进行余热回收及除盐的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的一种循环利用膜技术对工业废水进行余热回收及除盐的系统结构示意图；

其中，1、原料液池，2、废水蠕动泵，3、温度计，4、压力延迟膜蒸馏组件，5、止回阀，6、压力延迟渗透组件，7、废水池，8、MVR膜式蒸发器，9、结晶器，10、冷却液池，11、第一压力交换器，12、冷却液齿轮泵，13、第一涡轮机，14、过滤装置，15、驱动液池，16、第二压力交换器，17、驱动液齿轮泵，18、第二涡轮机，19、驱动液回收装置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种典型实施方式，提供了一种基于余热回收及除盐的逆流式PRMD-PRO系统，包括：

压力延迟膜蒸馏组件，其热源端进口与高盐高温废水源连接；

冷却液通路，为循环通路，其上沿冷却液的流动方向依次设置所述冷却液齿轮泵、第一压力交换器、压力延迟膜蒸馏组件、第一发电装置、过滤装置和冷却液池，所述压力延迟膜蒸馏组件的冷源端设置在冷却液通路上；

在一些实施例中，冷却液通道上设置有第一压力交换器，再与冷却液齿轮泵连接，提高冷却液的静水压力。压力延迟膜蒸馏组件的冷端的出口分为两股，一股进入第一发电装置，另一股进入第一压力交换器，两股合流后连接过滤装置，过滤装置与冷却液池连接，冷却液池通过第一压力交换器与压力延迟膜蒸馏组件冷却液端的入口连接，将稀释后的冷却液的压力传递给循环利用的冷却液。

压力延迟渗透组件，其原料液端进口与所述压力延迟膜蒸馏组件的热源端出口连接，其原料液端出口依次与废水池、MVR膜式蒸发器、结晶器连接；

在一些实施例中，冷却液的流动方向与废水的流动方向为逆向。

在一些实施例中，所述第一发电装置为第一涡轮机，第二发电装置为第二涡轮机。

在一些实施例中，压力延迟膜蒸馏组件与压力延迟渗透组件之间连接有止回阀。

在一些实施例中，驱动液通道上设置有第二压力交换器，再与驱动液齿轮泵连接，提高驱动液的静水压力。压力延迟渗透组件的驱动液端的出口分为两股，一股连接第二发电装置，另一股连接第二压力交换器，两股合流后连接驱动液回收装置，驱动液回收装置与驱动液池连接，驱动液池通过压力交换器与压力延迟渗透组件驱动液端的入口连接，将稀释后的驱动液的压力传递给循环利用的驱动液。

在一些实施例中，根据驱动液的种类不同，采用不同的驱动液回收装置。驱动液一般具有挥发性，热敏性，或磁性，故回收方法主要包括热分离法及磁分离法等。热分离法主要针对一些具有挥发性的驱动液，如二氧化硫溶液、CO₂-NH₃溶液，此时驱动液回收装置采用加热装置。磁分离法主要针对磁性纳米颗粒驱动液，此时的驱动液回收装置采用磁场装置。根据所用驱动液的不同，采用热分离法或磁场分离等方法可实现纯水的回收和驱动液的循环使用，再生的驱动液重新进入驱动液池循环利用，降低系统成本。

在一些实施例中，驱动液的流动方向与浓水的流动方向为逆向。这种流动方式可以提高膜通量，获得更高的产水率及工作效率。

一种基于余热回收及除盐的方法，包括如下步骤：

经过压力延迟膜蒸馏组件浓缩后的浓水被泵送至压力延迟渗透组件，利用驱动液从浓水中汲取水分，对浓水进行二次浓缩，被稀释的驱动液进入第二发电装置发电，再生后进入压力延迟渗透组件中循环利用；

经过两次浓缩的浓水进行浓缩结晶处理。

在一些实施例中，高温高盐废水的温度为30～80℃。

压力延迟膜蒸馏过程低温废水和冷却水之间的温差影响膜通量，温差越大，膜两侧水蒸气的分压差越大，驱动力越大。

在一些实施例中，高温高盐废水的成分为COD的含量约2000～6000mg/L，PH为6～9，悬浮固体在500～5000mg/L。

在一些实施例中，高温高盐废水的体积流量为0.5～0.8L/min。

控制进入压力延迟膜蒸馏组件的体积流量的目的是控制废水与蒸馏膜接触的程度与时间，确保用最短的时间获得最高的产水率。

在一些实施例中，为了减小水通量引起的膜两侧的体积差，冷却液和驱动液的体积流量稍低于高温高盐废水的体积流量。

在一些实施例中，步骤1)中压力延迟膜蒸馏膜可采用聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)等材质，孔径为0.05～1μm，孔隙率为30～90％，弯曲度为1.05～1.20，膜的热导率为0.15～0.30W/(m·K)。

随着孔径的增加，膜孔研究表明孔径较大时水蒸气分子的传递以克努森-粘性扩散为主导，效果最佳；传质系数也随孔径的增大而增大，但过大会降低膜的截留率和疏水性；高孔隙率可增加蒸发面积，可以降低过程中的热传导损失。较低的膜热导率也可以减少热损失。

在一些实施例中，冷却液采用去离子水，温度为15～25℃。

在一些实施例中，驱动液可采用有机溶液，如柠檬酸钾、乙酸钙、草酸钾、乙酸钾、乙酸铵、氨基甲酸铵、甲酸铵、甲酸钾、乙醇酸钠、丙酸钠及丙酸钙；新型驱动液，如磁性纳米颗粒物、树枝状大分子、环境敏感型聚合水凝胶、亲水的纳米颗粒物、温敏离子溶液；以及无机驱动液，如氯化钠、硝酸钾、硝酸铵等。

在一些实施例中，压力延迟渗透组件中的渗透膜主要采用醋酸纤维素和芳香聚酰胺两种材质，如二醋酸纤维素膜，三醋酸纤维素膜，聚酰胺复合膜等。

在一些实施例中，从压力延迟膜蒸馏组件及压力延迟渗透组件中流出的被稀释的冷却液和驱动液分别被分为两股，一股进入相应的发电装置，其余驱动液进入相应的压力交换装置，两者汇合后再生，再生后的冷却液和驱动液分别循环回压力延迟膜蒸馏组件及压力延迟渗透组件。

进一步的，从膜组件流出的冷却液和驱动液均被分为两股，其中一股的体积流量与其进入膜组件时的体积流量相同，进入相应的发电装置，余下的冷却液或驱动液为另一股，进入相应的压力交换器。

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例1

如图1和图2所示，一种基于余热回收及除盐的逆流式PRMD-PRO系统，包括原料液池1、冷却液池10、压力延迟膜蒸馏组件4、压力延迟渗透组件6、第一压力交换器11、冷却液齿轮泵12、第一涡轮机13、过滤装置14、驱动液池15、第二压力交换器16、驱动液齿轮泵17、第二涡轮机18、驱动液回收装置19、废水池7、MVR膜式蒸发器8和结晶器9。冷却液池10的出口连接第一压力交换器11的上侧入口；一压力交换器11的上侧入口连接冷却液齿轮泵12入口；原料液池1和冷却液齿轮泵12的出口分别连接压力延迟膜蒸馏组件4两侧的两个入口；压力延迟膜蒸馏组件4的冷却液出口分别连接第一压力交换器11下侧入口及第一涡轮机13入口，第一压力交换器11下侧出口及第一涡轮机13出口连接过滤装置14入口，过滤装置14出口连接冷却液池10；压力延迟膜蒸馏组件4的原料液出口连接压力延迟渗透组件6原料液侧入口，出口连接废水池7入口，废水池7出口连接MVR膜式蒸发器8入口，MVR膜式蒸发器8出口连接结晶器9入口。驱动液池15出口连接第二压力交换器16上侧入口；第二压力交换器16上侧出口连接驱动液齿轮泵17入口；液齿轮泵17出口连接压力延迟渗透组件6驱动液侧入口；压力延迟渗透组件6驱动液侧出口分别连接第二压力交换器16下侧入口和第二涡轮机16入口，第二压力交换器16下侧出口和第二涡轮机16出口连接驱动液回收装置18入口；驱动液回收装置18出口连接驱动液池14。

本发明的余热回收及除盐系统共形成一条通路及两个循环。废水依次经过压力延迟膜蒸馏、压力延迟渗透两个过程进行浓缩后送入废水池，最后到MVR膜式蒸发器、结晶器进行进一步处理。冷却液在压力延迟膜蒸馏组件中被稀释后，分为两股，一股的体积流量与冷端进口的冷却液的体积流量相同，进入发电装置，其余冷却液进入压力交换装置，二者汇合后一并进入进入过滤装置得到再生的冷却液，送入冷却液池。驱动液在压力延迟渗透组件中被稀释后，分为两股，一股的体积流量与进入驱动液端的驱动液的体积流量相同，进入发电装置，其余驱动液进如压力交换装置。二者汇合后一并进入驱动液回收装置得到再生的驱动液，送入驱动液池。

原料液池为保温容器，压力延迟膜蒸馏组件的原料液及冷却液分别从压力延迟膜蒸馏组件两侧的入口进入，采用逆向流的流动方式。压力延迟渗透组件的原料液及驱动液分别从压力延迟渗透组件两侧的入口进入，采用逆向流的流动方式。这种流动方式可以提高膜通量，获得更高的产水率及工作效率。

被稀释的部分冷却液及驱动液分别进入相应的发电装置，其余被稀释的冷却液及驱动液进入相应的压力交换装置。

所有的冷却液合流后进入过滤装置，经过回收，30％进入冷却液池循环使用，其余70％纯水被资源化，可重新用作工业生产、居民生活用水。

废水处理的具体方法为：

1)高盐高温废水(80℃，COD＝4000mg/L)由原料液池进入PRMD膜组件，越过膜的水蒸气分子在冷却液(20℃)侧冷凝。

2)冷却液先进入第一压力交换器和冷却液齿轮泵提升静水压力，再进入压力延迟膜蒸馏组件。出口的冷却液分为两股，一股进入能量回收装置，其余冷却液进入压力交换器为新的冷却液加压。

3)两股冷却液一同进入过滤装置过滤后，重新进入冷却液池循环利用。

4)经过MD过程浓缩的浓水被泵送入PRO膜组件作为原料液，另选合适的驱动液(CO₂-NH₃)从原料液中汲取纯水。

5)驱动液先进入第二压力交换器和驱动液齿轮泵提升静水压力，再进入压力延迟渗透组件。出口被稀释的驱动液分为两股，一股进入能量回收装置，一股进入压力交换器为新的驱动液加压。

6)两股驱动液再一同进入驱动液回收装置回收后，重新回到驱动液池，循环利用。此处的驱动液回收装置为加热器。原料液废水经过两次浓缩后，排放入专用的废液池再进行下一步浓缩结晶处理。

经过压力延迟膜蒸馏和压力延迟渗透两步浓缩后，系统水通量最高达29.492kg/m²·h，热电转化效率高达卡诺循环效率的30％，85％的低品质余热得以回收。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于余热回收及除盐的逆流式PRMD-PRO系统，其特征在于：包括：

压力延迟膜蒸馏组件，其热源端进口与高盐高温废水源连接，其热源端出口与压力延迟渗透组件原料液端连接；

2.根据权利要求1所述的基于余热回收及除盐的逆流式PRMD-PRO系统，其特征在于：冷却液的流动方向与废水的流动方向为逆向；

优选的，所述第一发电装置为第一涡轮机，第二发电装置为第二涡轮机。

3.根据权利要求1所述的基于余热回收及除盐的逆流式PRMD-PRO系统，其特征在于：压力延迟膜蒸馏组件与压力延迟渗透组件之间连接有止回阀。

4.根据权利要求1所述的基于余热回收及除盐的逆流式PRMD-PRO系统，其特征在于：冷却液通道上设置有第一压力交换器，压力延迟膜蒸馏组件的冷端的出口分为两股，一股进入第一发电装置，另一股进入第一压力交换器，两股合流后连接过滤装置，过滤装置与冷却液池连接，冷却液池通过第一压力交换器与压力延迟膜蒸馏组件冷却液端的入口连接，将稀释后的冷却液的压力传递给循环利用的冷却液。

5.根据权利要求1所述的基于余热回收及除盐的逆流式PRMD-PRO系统，其特征在于：驱动液通道上设置有第二压力交换器，压力延迟渗透组件的驱动液端的出口分为两股，一股连接第二发电装置，另一股连接第二压力交换器，两股合流后连接驱动液回收装置，驱动液回收装置与驱动液池连接，驱动液池通过压力交换器与压力延迟渗透组件驱动液端的入口连接，将稀释后的驱动液的压力传递给循环利用的驱动液；

优选的，驱动液的流动方向与浓水的流动方向为逆向。

6.一种基于余热回收及除盐的方法，其特征在于：包括如下步骤：

经过两次浓缩的浓水进行浓缩结晶处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：高温高盐废水的温度为30～80℃，高温高盐废水的成分为COD的含量约2000～6000mg/L，PH为6～9，悬浮固体在500～5000mg/L；

优选的，高温高盐废水的体积流量为0.5～0.8L/min。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：压力延迟膜蒸馏膜可采用聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯或聚丙烯，孔径为0.05～1μm，孔隙率为30～90％，弯曲度为1.05～1.20，膜的热导率为0.15～0.30W/(m·K)。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：冷却液采用去离子水，温度为15～25℃；

优选的，驱动液可采用有机驱动液、新型驱动液或无机驱动液；

进一步优选的，有机驱动液为柠檬酸钾、乙酸钙、草酸钾、乙酸钾、乙酸铵、氨基甲酸铵、甲酸铵、甲酸钾、乙醇酸钠、丙酸钠或丙酸钙；

新型驱动液为磁性纳米颗粒物、树枝状大分子、环境敏感型聚合水凝胶、亲水的纳米颗粒物或温敏离子溶液；

无机驱动液为氯化钠、硝酸钾或硝酸铵；

优选的，压力延迟渗透组件中的渗透膜采用醋酸纤维素和芳香聚酰胺两种材质。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：从压力延迟膜蒸馏组件及压力延迟渗透组件中分别流出的被稀释的冷却液和驱动液分为两股，一股进入相应的发电装置，其余驱动液进入相应的压力交换装置，两者汇合后再生，再生后的冷却液和驱动液分别循环回压力延迟膜蒸馏组件及压力延迟渗透组件；

优选的，两股驱动液其中一股的体积流量与进入膜组件时的体积流量相同，进入相应的发电装置，余下的冷却液或驱动液为另一股，进入相应的压力交换器。