CN111747473B - 一种余热余压能蒸发浓缩设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种余热余压能蒸发浓缩设备及方法，涉及蒸发浓缩装置技术领域，该装置包括压力能回收装置、降膜蒸发装置和空气能压缩装置，通过压力能回收装置对废水进行降压处理并将降压后的废水通入降膜蒸发装置后形成一次蒸汽，利用半齿轮旋转件与齿轮件的顺时针啮合传动使蒸汽腔和空气腔之间存在压力差，进而可控制活塞的上下运动并实现一次蒸汽的吸汽和压缩以及二次蒸汽的形成，且二次蒸汽可作为热源通入降膜蒸发装置中的换热管束上实现废水的蒸发浓缩。因此，本申请无需设计冷凝器和额外的电力输入即可实现冷凝热的回收利用，提高了余热的利用能力，降低了废水的处理能耗和处理成本。

Description

一种余热余压能蒸发浓缩设备及方法
技术领域
本申请涉及蒸发浓缩装置技术领域，特别涉及一种余热余压能蒸发浓缩设备及方法。
背景技术
目前，石油、化工、医药和电镀等行业均会排放大量的低温废水，而由于废水成分复杂、数量巨大，尽管利用生化、电渗析、反渗透等方法处理后可实现大部分水体达标排放，但部分工艺产生的高浓度难降解的工业废水经处理后依然无法达到排放标准，因此，如何有效处理高浓度难降解的工业废水，依旧是目前的技术难点。
现有技术中，一般的废水排放温度在40～60℃，通常直接采取加热蒸发浓缩的方法将废水中的无机盐进行分离去除，实践证明其是可行且是较为理想的技术方法。然而，传统的废水蒸发分离都是通过反应釜、单效蒸发或多效蒸发的方式进行废水的浓缩，其存在处理能耗大、设备复杂的问题，且吨水处理成本甚至高达数百万元。不过，机械压缩MVR技术因其节能优势，在废水蒸发浓缩领域的应用取得了较好的技术推广和工程应用效果。
但是，由于受限于机械压缩需采用电力驱动，因此，MVR技术在压缩的过程中需消耗大量的电力成本，其中，在吨水处理中，仅压缩机电就需约消耗40～60kW·h，其仍然属于高能耗过程；此外，压缩机工作温度至少在70℃以上，其会导致压缩机在蒸发浓缩过程中结垢严重，存在设备检修频繁和运行稳定性较差的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种余热余压能蒸发浓缩设备及方法，以解决相关技术中存在的废水处理能耗大和成本高的问题。
第一方面，提供了一种余热余压能蒸发浓缩设备，包括压力能回收装置、降膜蒸发装置和空气能压缩装置；
所述压力能回收装置用于获取低压废水，其包括旋转叶片以及与该旋转叶片固定连接的驱动轴，所述驱动轴一端延伸至压力能回收装置外并连接有半齿轮旋转件，所述驱动轴用于驱动所述半齿轮旋转件旋转；所述压力能回收装置上设有废水进口和低压废水管线，所述压力能回收装置中的低压废水通过所述低压废水管线通入所述降膜蒸发装置；
所述空气能压缩装置从上至下依次包括蒸汽腔、活塞和空气腔，所述蒸汽腔连通有第二蒸汽管线，所述蒸汽腔中的二次蒸汽通过第二蒸汽管线通入所述降膜蒸发装置，所述活塞下部连接有齿轮件，所述齿轮件与所述半齿轮旋转件啮合传动，所述活塞可在空气能压缩装置内上下移动；
所述降膜蒸发装置连通有第一蒸汽管线，所述降膜蒸发装置中的一次蒸汽通过第一蒸汽管线通入所述蒸汽腔。
一些实施例中，所述降膜蒸发装置包括喷淋装置和换热管束，所述喷淋装置位于所述换热管束的上方且其上的废水朝向所述换热管束喷淋，所述换热管束上设有二次蒸汽输入口，所述二次蒸汽输入口通过第二蒸汽管线与所述蒸汽腔连通，所述降膜蒸发装置上设有一次蒸汽输出口，所述一次蒸汽输出口通过第一蒸汽管线与所述蒸汽腔连通。
所述降膜蒸发装置底部设有浓废水排放管。
所述降膜蒸发装置上设有蒸馏水出口管线。
所述驱动轴上设有齿轮减速箱。
所述降膜蒸发装置内的压力设为4.2kPa～20kPa。
所述齿轮件为直条齿轮件。
第二方面，提供了一种余热余压能蒸发浓缩设备的余热余压能蒸发浓缩方法，包括以下步骤：
使废水通过废水进口通入压力能回收装置；
压力能回收装置获取低压废水，压力能回收装置中的低压废水通过低压废水管线通入降膜蒸发装置；同时压力能回收装置中的旋转叶片使驱动轴驱动半齿轮旋转件与齿轮件顺时针啮合传动；
降膜蒸发装置内的二次高温蒸汽使该低压废水迅速蒸发并产生一次蒸汽，同时使二次高温蒸汽冷凝为蒸馏水；
半齿轮旋转件与齿轮件咬合，活塞向下运动，使降膜蒸发装置中的一次蒸汽通过第一蒸汽管线通入蒸汽腔；
半齿轮旋转件与齿轮件分开，活塞向上运动，使蒸汽腔中的一次蒸汽压缩形成二次蒸汽，二次蒸汽通过第二蒸汽管线通入降膜蒸发装置。
一些实施例中，降膜蒸发装置内的二次高温蒸汽使该废水迅速蒸发并产生一次蒸汽，包括以下步骤：所述降膜蒸发装置上未被蒸发的废水通过浓废水排放管排出。
所述驱动轴上设有齿轮减速箱，利用所述齿轮减速箱控制所述半齿轮旋转件的转动频率。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：充分利用废水携带的压力能和余热能，同时借助空气压力实现了一次蒸汽的压缩升温，并产生二次蒸汽作为热源加热废水，实现了能量的回收利用，不仅可降低废水处理的能耗，还可降低废水处理的成本。
本申请实施例提供了一种余热余压能蒸发浓缩设备及方法，包括压力能回收装置、降膜蒸发装置和空气能压缩装置，其中空气能压缩装置从上自下依次包括蒸汽腔、活塞和空气腔，蒸汽腔通过第一蒸汽管线和第二蒸汽管线与降膜蒸发装置连通，且压力能回收装置通过低压废水管线与降膜蒸发装置连通；通过压力能回收装置中的旋转叶片对废水进行降压处理，压力能回收装置将降压后的废水通入降膜蒸发装置后形成一次蒸汽，且旋转叶片可驱动半齿轮旋转件与齿轮件啮合传动并使蒸汽腔和空气腔之间存在压力差，进而可控制活塞的上下运动并实现一次蒸汽的吸汽和压缩以及二次蒸汽的形成，而二次蒸汽可作为热源通入降膜蒸发装置中实现废水的蒸发浓缩。因此，本申请无需设计冷凝器和额外的电力输入，其将废水的余热余压能和环境空气的压力能进行充分耦合，即可实现冷凝热的回收利用，提高了余热的利用能力，降低了废水的处理能耗和处理成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种余热余压能蒸发浓缩设备的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种余热余压能蒸发浓缩方法的流程示意图。
图中：1-压力能回收装置，11-驱动轴，2-降膜蒸发装置，21-喷淋装置，22-换热管束，23-蒸馏水出口管线，24-浓废水排放管，3-空气能压缩装置，31-蒸汽腔，32-活塞，33-空气腔，4-低压废水管线，5-半齿轮旋转件，6-齿轮件，7-第一蒸汽管线，71-第一阀门，8-第二蒸汽管线，81-第二阀门，9-废水进口管线。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种余热余压能蒸发浓缩设备及方法，其能解决相关技术中存在的废水处理能耗大、成本高以及设备检修频繁和运行稳定性较差的问题。
图1是一种余热余压能蒸发浓缩设备的结构示意图，包括压力能回收装置1、降膜蒸发装置2和空气能压缩装置3；压力能回收装置1内设有旋转叶片以及与该旋转叶片固定连接的驱动轴11，压力能回收装置1上的废水进水口上连通有废水进口管线9，废水通过废水进口管线9流入压力能回收装置1内的旋转叶片上，根据动量守恒定律，废水的压力能和动能转化为旋转机械能，使旋转叶片旋转，且废水压力降低；驱动轴11一端延伸至压力能回收装置1外并连接有半齿轮旋转件5，当废水经压力能回收装置1降压后，其压力损失可被压力能回收装置1利用并转化为旋转机械能，使旋转叶片旋转并带动驱动轴11驱动半齿轮旋转件5进行顺时针运行；低压废水管线4一端与压力能回收装置1连通，另一端与降膜蒸发装置2的输入端连通，降压后的废水可通过低压废水管线4流入降膜蒸发装置2。
降膜蒸发装置2包括喷淋装置21、换热管束22和蒸馏水出口管线23，喷淋装置21位于换热管束22的上方且其上的废水朝向换热管束22喷淋，优选的，喷淋装置21位于换热管束22的正上方，可保证喷淋装置21上的废水尽可能地喷淋到换热管束22上，提高废水的利用率；换热管束22上设有二次蒸汽输入口，该二次蒸汽输入口通过第二蒸汽管线8与蒸汽腔31连通，第二蒸汽管线8用于供蒸汽腔31内的二次蒸汽通入换热管束22中进行废水的蒸发浓缩；优选的，换热管束22上还设有蒸馏水出口，该蒸馏水出口连通有蒸馏水出口管线23，蒸馏水出口管线23用于供换热管束22内的蒸馏水排出；降膜蒸发装置2上设有一次蒸汽输出口，该一次蒸汽输出口通过第一蒸汽管线7与蒸汽腔31连通，第一蒸汽管线7用于供降膜蒸发装置2内的一次蒸汽通入蒸汽腔31中；优选的，第一蒸汽管线7上设有第一阀门71，第二蒸汽管线8上设有第二阀门81，第一阀门71和第二阀门81均设为电动阀门，可实现余热余压能蒸发浓缩设备的智能化控制，提高工作效率和安全性。
空气能压缩装置3从上自下依次包括蒸汽腔31、活塞32和空气腔33，蒸汽腔31通过第一蒸汽管线7和第二蒸汽管线8与降膜蒸发装置2连通；活塞32下部连接有齿轮件6，齿轮件6优选为直条齿轮件，齿轮件6与半齿轮旋转件5啮合传动，活塞32可在空气能压缩装置3内上下移动。当半齿轮旋转件5的齿轮与齿轮件6的齿轮咬合时，废水的压力能拉动活塞32向下运动；当半齿轮旋转件5的齿轮与齿轮件6的齿轮分开时，由于蒸汽腔31中压力降低，空气腔33内的压力驱动活塞32向上运动，空气能压缩装置3的压缩升温能力可达10℃～40℃。
优选的，降膜蒸发装置2的底部设有浓废水排放管24，废水在换热管束22中二次高温蒸汽(50℃)的作用下，绝大部分会被迅速蒸发并产生一次蒸汽，但依然存在部分未蒸发的废水，此时该未被蒸发的废水会以浓缩液的形式经浓废水排放管24流出，可解决废水长时间停留在降膜蒸发装置2而引起的蒸发浓缩过程中结垢严重的问题，不仅可减少设备检修的频率，还可进一步保证设备运行的稳定性。
优选的，驱动轴11上设有齿轮减速箱，通过该齿轮减速箱可对半齿轮旋转件5的转动频率进行控制，使半齿轮旋转件5具有多种不同的转动频率，通过多种不同的转动频率可完成对活塞32运动频率的控制，进而提高空气能压缩装置3的压缩升温能力。
优选的，降膜蒸发装置2内的压力设为4.2kPa～20kPa，使蒸发温度达到30℃～60℃，使得设备可在低于70℃的温度下进行废水的蒸发浓缩工作，可解决现有技术中设备需在高于70℃的环境下才可进行废水的蒸发浓缩工作而引起的结垢严重的问题，进而可减少设备检修的频率并可进一步保证设备运行的稳定性。
参见图2所示，本发明实施例还提供了一种余热余压能蒸发浓缩设备的余热余压能蒸发浓缩方法，其步骤如下：
S1：使废水通过废水进口通入压力能回收装置1。
S2：压力能回收装置1获取低压废水，压力能回收装置1中的低压废水通过低压废水管线4通入降膜蒸发装置2；同时压力能回收装置1中的旋转叶片使驱动轴11驱动半齿轮旋转件5与齿轮件6顺时针啮合传动。
S3：降膜蒸发装置2内的二次高温蒸汽使该低压废水迅速蒸发并产生一次蒸汽，同时使二次高温蒸汽冷凝为蒸馏水。
S4：半齿轮旋转件5与齿轮件6咬合，活塞32向下运动，使降膜蒸发装置2中的一次蒸汽通过第一蒸汽管线7通入蒸汽腔31。
S5：半齿轮旋转件5与齿轮件6分开，活塞32向上运动，使蒸汽腔31中的一次蒸汽压缩形成二次蒸汽，二次蒸汽通过第二蒸汽管线8通入降膜蒸发装置2。
优选的，降膜蒸发装置2的底部设有浓废水排放管24，废水在换热管束22中二次高温蒸汽(50℃)的作用下，绝大部分会被迅速蒸发并产生一次蒸汽，但依然存在部分未蒸发的废水，此时该未被蒸发的废水会以浓缩液的形式经浓废水排放管24流出，可解决废水长时间停留在降膜蒸发装置2而引起的蒸发浓缩过程中结垢严重的问题，不仅可减少设备检修的频率，还可进一步保证设备运行的稳定性。
优选的，驱动轴11上设有齿轮减速箱，通过该齿轮减速箱可对半齿轮旋转件5的转动频率进行控制，使半齿轮旋转件5具有多种不同的转动频率，通过多种不同的转动频率可完成对活塞32运动频率的控制，进而提高空气能压缩装置3的压缩升温能力。
具体地，本发明的详细工作原理如下：
目前，工艺无机盐废水的温度为40℃，压力为0.2MPa，因此，可将降膜蒸发装置2的运行压力设计为4.2kPa，对应产生的一次蒸汽温度为30℃；并可将空气能压缩装置3对一次蒸汽进行绝热压缩后产生的二次蒸汽压力设为12.3kPa，对应饱和温度为50℃。
当废水经过废水进口管线9通入压力能回收装置1时，压力从0.2MPa降低至4.2kPa，再经低压废水管线4流入降膜蒸发装置2中；废水的压力损失被压力能回收装置1利用，使旋转叶片旋转并带动驱动轴11驱动半齿轮旋转件5进行顺时针运行，然后在降膜蒸发装置2和空气能压缩装置3中完成蒸发浓缩、吸气和压缩三个过程。
蒸发浓缩过程：流入降膜蒸发装置2的废水经喷淋装置21均匀喷淋到换热管束22外表面并降膜流动，换热管束22内部的二次高温蒸汽(50℃)使得管外废水迅速蒸发并产生一次蒸汽；而管内的二次高温蒸汽(50℃)冷凝为蒸馏水且沿着蒸馏水出口管线53排出；未蒸发的废水以浓缩液的形式经浓废水排放管24流出。
吸汽过程：半齿轮旋转件5顺时针转动过程中齿轮部分与齿轮件6的齿轮咬合时，将第一阀门71开启、第二阀门81关闭，此时活塞32向下运行，蒸汽腔31膨胀，降膜蒸发装置2中产生的一次蒸汽通过第一蒸汽管线7被抽吸至空气能压缩装置3中的蒸汽腔31内。
压缩过程：半齿轮旋转件5顺时针转动过程中齿轮部分与齿轮件6的齿轮分开时，将第一阀门71关闭、第二阀门81开启，由于空气能压缩装置3中的空气腔33与蒸汽腔31之间存在压力差，此时，活塞32将被环境空气推动向上运行，蒸汽腔31中吸入的一次蒸汽被空气能压缩，压缩后产生温度和压力都升高的二次蒸汽，二次蒸汽经过第二蒸汽管线8流入降膜蒸发装置2的换热管束22中，完成一个循环，并开始下一个蒸发浓缩的过程。
因此，本申请将废水的余热能和余压能进行深度利用，余热能用于降膜蒸发产生一次蒸汽，余压能驱动空气能压缩装置3实现对一次蒸汽的吸汽过程，巧妙地借助空气能实现对一次蒸汽进行绝热压缩并产生温度和压力都升高的二次蒸汽；而二次蒸汽可作为热源通入换热管束22中实现废水的蒸发浓缩，无需设计冷凝器和额外的电力输入，即可实现空气能压缩机的连续运行和冷凝热的回收利用，提高了余热的利用能力，降低了废水的处理能耗和处理成本。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种余热余压能蒸发浓缩设备，其特征在于，包括：压力能回收装置(1)、降膜蒸发装置(2)和空气能压缩装置(3)；
所述压力能回收装置(1)用于获取低压废水，其包括旋转叶片以及与该旋转叶片固定连接的驱动轴(11)，所述驱动轴(11)一端延伸至压力能回收装置(1)外并连接有半齿轮旋转件(5)，所述驱动轴(11)用于驱动所述半齿轮旋转件(5)旋转；所述压力能回收装置(1)上设有废水进口和低压废水管线(4)，所述压力能回收装置(1)中的低压废水通过所述低压废水管线(4)通入所述降膜蒸发装置(2)；
所述空气能压缩装置(3)从上至下依次包括蒸汽腔(31)、活塞(32)和空气腔(33)，所述蒸汽腔(31)连通有第二蒸汽管线(8)，所述蒸汽腔(31)中的二次蒸汽通过第二蒸汽管线(8)通入所述降膜蒸发装置(2)，所述活塞(32)下部连接有齿轮件(6)，所述齿轮件(6)与所述半齿轮旋转件(5)啮合传动，所述活塞(32)可在空气能压缩装置(3)内上下移动；
所述降膜蒸发装置(2)连通有第一蒸汽管线(7)，所述降膜蒸发装置(2)中的一次蒸汽通过第一蒸汽管线(7)通入所述蒸汽腔(31)。
2.如权利要求1所述的一种余热余压能蒸发浓缩设备，其特征在于：所述降膜蒸发装置(2)包括喷淋装置(21)和换热管束(22)，所述喷淋装置(21)位于所述换热管束(22)的上方且其上的废水朝向所述换热管束(22)喷淋，所述换热管束(22)上设有二次蒸汽输入口，所述二次蒸汽输入口通过第二蒸汽管线(8)与所述蒸汽腔(31)连通，所述降膜蒸发装置(2)上设有一次蒸汽输出口，所述一次蒸汽输出口通过第一蒸汽管线(7)与所述蒸汽腔(31)连通。
3.如权利要求1所述的一种余热余压能蒸发浓缩设备，其特征在于：所述降膜蒸发装置(2)底部设有浓废水排放管(24)。
4.如权利要求1所述的一种余热余压能蒸发浓缩设备，其特征在于：所述降膜蒸发装置(2)上设有蒸馏水出口管线(23)。
5.如权利要求1所述的一种余热余压能蒸发浓缩设备，其特征在于：所述驱动轴(11)上设有齿轮减速箱。
6.如权利要求1所述的一种余热余压能蒸发浓缩设备，其特征在于：所述降膜蒸发装置(2)内的压力设为4.2kPa～20kPa。
7.如权利要求1所述的一种余热余压能蒸发浓缩设备，其特征在于：所述齿轮件(6)为直条齿轮件。
8.一种采用如权利要求1所述的余热余压能蒸发浓缩设备的余热余压能蒸发浓缩方法，其特征在于，包括以下步骤：
使废水通过废水进口通入压力能回收装置(1)；
压力能回收装置(1)获取低压废水，压力能回收装置(1)中的低压废水通过低压废水管线(4)通入降膜蒸发装置(2)；同时压力能回收装置(1)中的旋转叶片使驱动轴(11)驱动半齿轮旋转件(5)与齿轮件(6)顺时针啮合传动；
降膜蒸发装置(2)内的二次高温蒸汽使该低压废水迅速蒸发并产生一次蒸汽，同时使二次高温蒸汽冷凝为蒸馏水；
半齿轮旋转件(5)与齿轮件(6)咬合，活塞(32)向下运动，使降膜蒸发装置(2)中的一次蒸汽通过第一蒸汽管线(7)通入蒸汽腔(31)；
半齿轮旋转件(5)与齿轮件(6)分开，活塞(32)向上运动，使蒸汽腔(31)中的一次蒸汽压缩形成二次蒸汽，二次蒸汽通过第二蒸汽管线(8)通入降膜蒸发装置(2)。
9.如权利要求8所述的一种余热余压能蒸发浓缩方法，其特征在于：所述降膜蒸发装置(2)内的二次高温蒸汽使该低压废水迅速蒸发并产生一次蒸汽，包括以下步骤：
所述降膜蒸发装置(2)上未被蒸发的废水通过浓废水排放管(24)排出。
10.如权利要求8所述的一种余热余压能蒸发浓缩方法，其特征在于：所述驱动轴(11)上设有齿轮减速箱，利用所述齿轮减速箱控制所述半齿轮旋转件(5)的转动频率。
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