CN113277588A - 一种旋风式冷冻除盐系统及除盐方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水处理技术领域，更具体地说是一种旋风式冷冻除盐系统及除盐方法，该旋风式冷冻除盐系统及除盐方法通过合理的设计完全解决了现有冷冻除盐系统中冷冻过程中热量交换方式不合理的问题、系统内热能不平衡的问题、系统不能持续运行的问题以及运行能效低的问题。旋风式冷冻除盐系统及除盐方法的作用或应用并非用于完全替代传统的膜法或蒸发的处理方式，而是在传统的膜法和蒸发处理工艺之间增加一级中间处理工艺，用于降低整体的投资及运行成本，提高系统的运行稳定性。

Description

一种旋风式冷冻除盐系统及除盐方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，更具体地说是一种旋风式冷冻除盐系统及除盐方法。

背景技术

随着我国工业的发展以及环保意识的逐渐增强，各类废水的近零排放处理要求逐渐增多。当前主流的零排放工艺通常为使用膜法将废水的浓度提升到2％-17％然后使用蒸发的方法进行最终浓缩或结晶。最终达到近零排放的目的。然而无论是使用膜法还是蒸发的方法都面临着运行费用极其高昂的情况。以蒸发为例，查询水的气化潜热表可知在常压情况下，水的气化潜热为2257.6KJ/Kg，因此如果使用电力在常压情况下将水直接蒸发的话，每蒸发1吨100摄氏度的水所需消耗的电能约为627KWH，即便是采用当前较为先进的多效蒸发方法，消耗的电能也将达到80-100KWH，运行成本十分昂贵。而根据相关研究数据显示，使用膜法除盐时，当水中的盐份>10％后膜法处理的运行成本将超过蒸发处理的运行成本，(具体取决于进水水质情况)而且在废水的处理过程中通常废水中的成分比较复杂，当废水被浓缩到一定浓度以后，随着水中的各种污染物的浓度增加，使用膜法处理时膜元件的运行稳定性会急剧下降，频繁的化学清洗会进一步降低系统的整体运行效率，运行成本进一步增加。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种旋风式冷冻除盐系统及除盐方法，通过合理的设计完全解决了现有冷冻除盐系统中冷冻过程中热量交换方式不合理的问题、系统内热能不平衡的问题、系统不能持续运行的问题以及运行能效低的问题。

根据本发明的目的，提供了一种旋风式冷冻除盐系统，包括压缩机、一级散热器、二级散热器、蒸发器/冷风机、出口风量计、蒸发器排水管、背压阀、循环风机及其入口的负压调节阀和出口的压力释放阀、气液分离过滤器、系统进水管、进水降温换热器、制冰塔、制冰塔冷空气吹入口及制冰塔进风导管，所述制冰塔进风导管内部设置进水喷淋装置并和原水进水管以及浓水循环回水管相连；所述制冰塔空气排出口与之相连的制冰塔内部设置导气管；制冰塔锥形底、制冰塔内冰位计、螺旋压榨输送机包含螺旋压榨输送机排水导流槽和落冰导管、多孔滤板、浓水排出口、浓水循环水箱、浓水循环水箱液位计、浓水循环水泵、浓水出水管，所述浓水出水管上设置浓水盐度计；浓水出水三通比例调节阀将浓水出水分往浓水排水管和浓水循环回水管、融冰池、融冰池温度计、融冰池溢流堰、淡水收集池、淡水收集池液位计、淡水输送泵，所述融冰池溢流堰顶部设置滤网。

优选的，所述一级散热器、二级散热器、蒸发器/冷风机采用热泵原理，对系统内部的制冷剂进行不断的压缩、散热、蒸发循环然后将制得的冷量通过蒸发器/冷风机传输到由循环风机鼓入的空气当中然后进入到制冰塔中用于对进入制冰塔的水进行冷却制冰；所述一级散热器中散发的热量用于热能回收或散发到空气或其它冷却介质当中，所述二级散热器中散发的热量用于溶解融冰池中的冰；所述压缩机与一级散热器和冷风机连通；所述二级散热器位于融冰池内，二级散热器分别与冷风机和一级散热器连通；所述冷风机上安置有三组进出管路，冷风机通过第一组管路与二级散热器和压缩机连通，所述第一管路用于系统内部制冷剂的循环；所述冷风机通过第二组管路与制冰塔进风导管和循环风机连通，所述第二管路用于循环产生低温冷空气，为制冰塔内的制冰提供冷源；所述冷风机还设置有蒸发器排水管，用于冷风机的化霜处理；所述冷风机和制冰塔之间的连接管路上设有风量计用于监控冷风机的工作状况；当风量计检测到的蒸发器/冷风机出口风量减小到一定程度时即启动蒸发器/冷风机的化霜程序；蒸发器/冷风机进行化霜状态，化霜排出的水由蒸发器排水管排入到淡水收集池当中。

优选的，所述的系统进水管、进水降温换热器用于利用系统的产水冰中的冷量将被处理的水引入系统当中并降温至接近于摄氏度，以利于在后续处理过程中水在冷冻时消耗的冷量更小，达到最佳节能目的。

优选的，所述制冰塔为中空圆桶状，其上部为旋风式气固分离设备，用于利用冷空气对进水进行冷冻并分离，下部为冰水混合物的收集及排除部分；所述制冰塔冷空气吹入口和位于制冰塔上部的制冰塔进风导管相连接，所述制冰塔进风导管内部设置进水喷淋装置，用于将系统进水喷淋到制冰塔进风导管中，成为细小雾滴；所述制冰塔的进水管分别和原水进水管以及浓水循环回水管相连可分别引入连接来自原水进水和浓水循环回水的两路进水；由进水喷淋装置喷出的细小雾滴先进入制冰塔进风导管随后进入制冰塔中，期间细小雾滴和低温冷空气接触后一部分水迅速结成冰粒同时排出盐份，而另一部分水中由于水中的盐份增加，冰点降低，达到温度平衡后不会进一步被冷冻。从制冰塔进风导管中吹入的气、水、冰混合物以一个倾斜角度吹入制冰塔当中，在冷空气吹入角度和制冰塔内部导气管的共同作用下，制冰塔进风导管吹入的冷空气、水、冰混合物在制冰塔中旋转下降。混合物中的冰晶以及未结冰的雾滴在离心力的作用下被聚集到制冰塔的桶壁附近并逐渐坠落到制冰塔下部的冰水混合区，吹入的冷空气在与制冰塔中的雾滴充分接触后冷量被水吸收，温度逐渐升高后从制冰塔空气排出口中排出，与空气排出口相连的制冰塔内部设置导气管，用于帮助制冰塔中的冰晶和冷空气的分离；从制冰塔空气排出口中排出的空气经循环风机增压，气水分离过滤器除水后进入蒸发器/冷风机中冷却后再次循环回到制冰塔当中。制冰塔内冰位计用于控制螺旋压榨输送机的启停，确保制冰塔中冰粒的高度始终位于制冰塔内冰位计的两个控制点之间。螺旋压榨输送机用于将制冰塔内的冰粒排出到制冰塔外，同时通过压榨的方法将冰粒中夹杂的含有较高盐份的水排出；排出的水由压榨输送机排水导流槽流回到制冰塔当中。压榨后较为纯净的冰顺落冰导管落入到融冰池当中。制冰塔的底部设置多孔滤板用于将制冰塔中的冰粒和水分离开，透过制冰塔的底部设置多孔滤板的浓水经由浓水排出口排出制冰塔。

优选的，所述的浓水循环水箱用于收集制冰塔中排出的由进水经制冰塔去除了一部分含盐分较少的冰而被缩的浓缩水，浓缩水排往浓水循环水箱时排水点的高度位于制冰塔中制冰塔内冰位计和螺旋压榨输送机中间高度位置，确保螺旋压榨输送机所处之处始终位于冰水混合物之中，以便于冰容易被螺旋压榨输送机顺利排出，这一区域我们可将其定义为冰水混合区。浓水循环水箱中设置浓水循环水箱液位计用于控制浓水循环水泵的启停以及浓水循环水箱的排空；浓水循环水泵的出口浓水出水管上设置浓水盐度计用于检测浓水泵出水的盐度并用于控制浓水出水三通比例调节阀的浓水的去向，如浓水中盐度高于设定盐度则浓水排往浓水排水管如浓水盐度低于设定盐度则浓水经浓水循环回水管回到制冰塔中再次被浓缩直至达到设定浓度为止。

优选的，所述的融冰池用于接收并溶解在制冰塔产生并经螺旋压榨输送机压榨后的干净冰块，融冰池和淡水收集池相邻位置设置溢流堰溢流堰顶部设置有滤网融冰池中的水经溢流堰上部的滤网流入到淡水收集池当中，溢流堰和滤网将融冰池中的冰块始终截留在融冰池一侧，同时始终保证融冰池中的液位保持在一定的高度，一方面保证融冰池的融冰效果，另一方面可确保二级散热器和进水降温换热器的换热效果。淡水收集池中设置淡水收集池液位计用于控制淡水输送泵的启停以及淡水的最终排出。融冰池中设置融冰池温度计一方面用以监测融冰池中冰块的溶解情况，另一方面用于调节一级散热器的运行散热量，确保融冰池中冰块可被溶解同时保证融冰池中温度不至于过高而导致二级散热器和进水降温换热器的换热效果变差。

优选的，所述的淡水输送泵和淡水收集池连接，淡水输送泵将淡水收集池中的水抽出并输送出系统之外。

优选的，所述的压缩机、蒸发器/冷风机、循环风机、气液分离过滤器制冰塔、原水进水管、浓水循环回水管相连、制冰塔冷空气吹入口、制冰塔空气排出口、螺旋压榨输送机、螺旋压榨输送机排水导流槽、落冰导管、浓水排出口、浓水循环水箱、浓水循环水泵、浓水出水管、浓水出水三通比例调节阀、浓水循环回水管、融冰池等设备以及与之相连的管路均需设置保温隔热，防止空气中热量进入到系统当中影响系统运行效率。

优选的，所述的循环风机入口的负压调节阀和出口压力释放阀用于调节系统中的运行压力，确保系统运行过程中内部压力稳定，所述的背压阀和循环风机一起将整个冷风循环系统分割成高压区和低压区两个区域。在高压区内循环风机出口-气液分离过滤器-蒸发器/冷风机-背压阀进口端段气体体积被压缩，相对湿度升高，有助于气体中的水分排出，此外被压缩后温度升高，有助于在蒸发器/冷风机中的热量散除。在低压区内背压阀出口端-制冰塔-循环风机进口段，由于气体压力相对较低，气体体积发生膨胀，一方面气体温度降低，有助于制冰塔中制冰，另一方面相对湿度变低，部分被处理的水在制冰塔中发生蒸发或升华，可带走一部分热量，进一步帮助制冰塔中的水被冷冻。

本发明还提供了一种旋风式冷冻除盐方法，该旋风式冷冻除盐方法适用于上述所述的旋风式冷冻除盐系统，该旋风式冷冻除盐方法主要包括以下步骤：

S1：原水降温处理，首先原水经系统进水管打入进水降温换热器内，进水降温换热器对原水进行降温处理；

S2：原水雾化，原水的水温度降至-摄氏度，降温后的水经原水进水管进入制冰塔进风导管内的进水喷淋装置内，进水喷淋装置将原水分散成细小雾滴状喷洒入进风导管内；

S3：冷风的制备，压缩机、一级散热器、二级散热器和冷风机采用热泵原理，对系统内部的制冷剂压缩、散热和蒸发循环，并将制得的冷风通过冷风机传输到由循环风机鼓入的空气当中；

S4：雾滴与冷风接触，循环风机鼓入的空气经冷风机降温后输入到制冰塔进风导管内，此时冷风与进水喷淋装置喷洒的细小雾滴相遇，细小雾滴与冷风接触后一部分逐渐结成冰粒进入冰塔，另一部分由于盐份浓度增加使得冰点下降，不再继续凝结成冰，冰粒以及未结冰的雾滴在离心力的作用下被聚集到制冰塔的侧壁附近并逐渐坠落到制冰塔底部；

S5：冷空气的循环，吹入的冷空气在与制冰塔中的雾滴充分接触后冷量被水吸收，温度逐渐升高后从空气排出口中排出，制冰塔空气排出口中排出的空气经循环风机增压，气水分离过滤器除水后进入冷风机中冷却后再次循环回到制冰塔当中；

S6：冰水分离处理，冰粒在制冰塔底部聚集成堆，当制冰塔内冰的位置高于冰位计的上控制点，冰位计控制螺旋压榨输送机的启停，将制冰塔的冰粒排出融冰池内，制冰塔的底部设置多孔滤板将冰粒和水分离开，透过制冰塔的底部设置多孔滤板的浓水经由浓水排出口排出制冰塔；

S7：冰的溶解，压榨后的干净冰块，在融冰池中利用进水降温换热器和二级散热器带入的热量溶解成除盐水。

本发明的有益效果如下：

本发明通过合理的设计完全解决了现有冷冻除盐系统中冷冻过程中热量交换方式不合理的问题、系统内热能不平衡的问题、系统不能持续运行的问题以及运行能效低的问题。

本发明所述的一种旋风式冷冻除盐系统及除盐方法的作用或应用并非用于完全替代传统的膜法或蒸发的处理方式，而是在传统的膜法和蒸发处理工艺之间增加一级中间处理工艺，用于降低整体的投资及运行成本，提高系统的运行稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明中冷冻除盐系统的原理图；

图2为传统蒸发的系统；

图3为本发明中冷冻除盐系统分成三段设计的原理图；

图4和图5为本发明中应用冷冻除盐系统图流程图；

图中：压缩机101、一级散热器102、二级散热器103、冷风机104、风量计1041、排水管1042、循环风机105、气水分离过滤器106、系统进水管201、进水降温换热器202、制冰塔301、制冰塔进风导管303、进水喷淋装置3031、导气管3041、制冰塔锥形底305、制冰塔内冰位计306、螺旋压榨输送机307、螺旋压榨输送机排水导流槽3071、落冰导管3072、多孔滤板308、浓水排出口309、浓水循环水箱401、浓水循环水箱液位计402、浓水循环水泵403、浓水盐度计4041、浓水出水三通比例调节阀405、浓水排水管4051、浓水循环回水管4052、融冰池501、融冰池溢流堰503、滤网5031、淡水输送泵601。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

某项目零排放废水项目蒸发器进水参数参见下表：

编号	项目	参数
			1	水量	25T/Hr
2	进水温度	25℃
			3	主要成分	NaCl,浓度为10％

处理要求为零排放处理并分别对当前废水中的水和NaCl进行回收；当采用传统的多效蒸发的处理方法其主要流程和关键控制参数可参照图2所示：采用两级膜法处理工艺，将原水浓缩到浓度为10％左右后采用蒸发处理；而应用一种旋风式冷冻除盐系统同时可选择在原有蒸发器前增加一级一种旋风式冷冻除盐系统，参照图3所示利用冷冻除盐系统将原来的10％的废水的盐份浓缩到20％左右，同时水量从约25T/Hr降低到12.5T/Hr左右。

下面从冷冻除盐系统的详细配置以及运行费用来进行分析。

应用冷冻除盐系统详细包括：

包括压缩机101、一级散热器102、二级散热器103、冷风机104、循环风机105、系统进水管201、制冰塔301、制冰塔进风导管303、进水喷淋装置3031、原水进水管3032、导气管3041和融冰池501；所述压缩机101与一级散热器102连通；所述二级散热器103位于融冰池501内，二级散热器103分别与冷风机104和一级散热器102连通，冷风机104上安置有三根出管和两根进管，冷风机104的第一根出管与压缩机101连通，冷风机104的第二根出管为与融冰池501连通，冷风机104的第三根出管与制冰塔进风导管303连通，冷风机104的第一根进管上安置循环风机105，冷风机104的第一根进管与导气管3041连通，冷风机104的第二根进管连通融冰池501，冷风机104的第二根进管与二级散热器103连接；所述进水喷淋装置3031制冰塔进风导管303内。

通过被处理的水量以及进水温度来计算出系统的制冷需求量，根据本方案设计，此处需要冷冻处理的总水量约为12.5T，进水温度在进过一系列的降温措施后可以控制到5摄氏度以下，同时结合考虑到冷冻后水和冰的温度，可计算出制冷机组需要的制冷量约为6.29*106Kj/Hr，以热泵的制冷效率为300％计算，对应的制冷压缩机组总功率约为536KW/Hr左右。

对于一级散热器102来说，主要用于释放系统进水所带入的热量以及整个处理过程中相关电气设备运行所产生的热量，此外还要考虑当系统启动过程中在后续的融冰池501中没有冰时一级散热器102需要负责整套系统的热量散除。

对于二级散热器103来说主要用于进一步对制冷循环系统中的冷媒进行冷却同时为融冰池501中的冰的融化提供热量，理论上其换热能力或换热量应为所制得的冰溶解时所需的热量减去进水换热器所消耗的冷量。

冷风机104的总换热能力和制冷机组一致，考虑到其在运行过程中不可避免的会因结霜而使得其换热逐步降低后需要进行化霜，因此将冷风机104设置成多套，同时设置一定比例的备用，通过设置冷风机104出口风量计1041的方法对每一套当冷风机104出口的风量进行监测，当风量减小到一定程度时即启动相对应/冷风机104的化霜程序，而此时仍需确保冷风机104的换热能力满足正常换热量需求；进入化霜程序的冷风机104的正常运行的进出风管路被切断，直接导入被压缩后温度升高的冷媒，利用被压缩后温度升高的冷媒对在冷风机104进行化霜，这一过程可通过在冷风机104的冷媒回流管上设置一个节流阀和节流阀旁通阀组合来实现，正常运行时旁通阀打开，化霜时旁通阀关闭，化霜排出的水由蒸发器排水管1042排入到淡水收集池504当中。

对于循环风机105用于将冷风机104中被冷却的冷空气鼓入到制冰塔301当中，循环风机105的风量主要取决于系统的制冷量、空气的密度、空气的热容以及设计的冷风机104进出口温差有关，空气的密度和系统内部运行压力及海拔高度有关；循环风机105的设计风压主要用于克服管路系统以及冷风机104以及气水分离过滤器106的运行阻力，同时在系统的高、低压区形成一定的压差，可选用风压为300-50000pa的风机。

所述的系统进水管201、进水降温换热器203用于将被处理的水引入系统当中并利用系统产水冰中的冷量将被处理的水降温至接近于0摄氏度，降低被处理水在结冰时所需的热量，达到节能的目的，此处的进水降温换热器203可选用浸没于融冰池当中的浸没式换热器，换热能力需求根据进水温度和水量进行计算确定。

所述制冰塔301为中空圆桶状，制冰塔301上部与市面上常用的旋风式气固分离设备相同，制冰塔301用于冷空气对进水进行冷冻并分离，制冰塔301下部为冰水混合物的收集及排除部分；制冰塔301的横截面积大小和循环风机105鼓入到制冰塔301中的风量以及制冰塔301中冷空气的流动速度有关。

所述制冰塔301的进水管分别和原水进水管3032以及浓水循环回水管4052相连，制冰塔301的进水管分别引入连接来自原水进水和浓水循环回水的两路进水，此处通过控制浓水循环回水管4052中的压力大于原水进水管3022中压力的方法，优先将浓水循环回水管4052中的水补入到制冰塔301当中，确保首先将浓度不达标的浓水继续浓缩到达标浓度后排放。

低温冷空气经过制冰塔301上部的制冰塔冷空气吹入口吹入制冰塔301当中，在冷空气吹入角度和制冰塔内部导气管3041的共同作用下，吹入口303吹入的冷空气在制冰塔中旋转下降。

进水喷淋装置3021喷出的细小雾滴直接喷向吹入口303附近，由于进水在进水降温换热器202降温后已接近0摄氏度，细小雾滴进入制冰塔内部导气管3041和制冰塔301中后和低温冷空气接触后一部分结成冰粒，另一部分由于盐份浓度增加使得冰点下降，不再继续凝结成冰，小的冰晶以及未结冰的雾滴在离心力的作用下被聚集到制冰塔301的桶壁附近并逐渐坠落到制冰塔301下部的冰水混合区3011。

制冰塔301内冰水混合区3011内设置冰位计306用于控制螺旋压榨输送机307的启停，当制冰塔301内冰的位置高于冰位计306的上控制点，螺旋压榨输送机307则自动启动，当制冰塔301内冰的位置低于冰位计306的下控制点，螺旋压榨输送机307则自动停止，确保制冰塔301中冰粒的高度始终位于制冰塔内冰位计306的两个控制点之间。

螺旋压榨输送机307位于冰水混合区3011，用于将制冰塔301的冰粒排出到制冰塔301外；由于螺旋压榨输送机307向外输送的冰粒均从制冰塔301的冰水混合区3011输出，不可避免的会沾染一定量的含有较高盐份的浓水，此时螺旋压榨输送机307的另外一个作用就是通过压榨的作用将这部分浓水压榨排出，此外在压榨过程中有一部分冰受到压力的作用而融化，这部分融化出的水可起到对被压榨的冰进行进一步的淋洗的作用，提高被排出的冰的纯净度；螺旋压榨输送机307排出的水由压榨输送机排水导流槽3071流回到制冰塔301当中，压榨后较为纯净的冰顺落冰导管3072落入到融冰池当中；制冰塔301的底部设置多孔滤板308用于将制冰塔301中的冰粒和水分离开，透过多孔滤板308的浓水排出制冰塔301。

从制冰塔301上端的制冰塔冷空气吹入口吹入的冷空气在与制冰塔301中的雾滴充分接触后温湿度逐渐升高后从制冰塔301的空气排出口中排出，制冰塔301排出的空气经循环风机105增压后再经气水分离过滤器106滤除空气中夹杂的部分水滴后进入冷风机104中冷却后再次循环回到制冰塔301当中。

所述的浓水循环水箱401用于收集制冰塔301中排出的由进水并经制冰塔去除了一部分含盐分较少的冰而被缩的浓缩水，浓缩水排往浓水循环水箱401时排水点的高度为制冰塔301中制冰塔内冰位计306和螺旋压榨输送机307中间的位置，确保螺旋压榨输送机307所处之处始终位于冰水混合物之中。

浓水循环水箱401中设置浓水循环水箱液位计402用于控制浓水循环水泵403的启停以及浓水循环水箱的排空；

浓水循环水泵403的出口浓水排水管4051上设置浓水盐度计4041用于检测浓水泵出水的盐度；后面设置浓水出水三通比例调节阀405用于控制浓水的去向，如浓水中盐度高于或等于设定盐度则浓水排往浓水排水管4051成为最终浓水排放，如浓水盐度低于设定盐度则浓水经浓水循环回水管4052回到制冰塔301中再次被浓缩直至达到设定浓度为止；

所述融冰池501用于接收并溶解在制冰塔301产生并经螺旋压榨输送机307压榨后的干净冰块，融冰池501和淡水收集池504相邻位置安置，融冰池501中的水经溢流堰503上部的滤网5031流入到淡水收集池504当中，溢流堰503和滤网5031将融冰池中的冰块始终截留在融冰池一侧，同时始终保证融冰池501中的液位保持在一定的高度，一方面保证融冰池501的融冰效果，另一方面可确保二级散热器103和进水降温换热器202的换热效果；淡水收集池504中的淡水收集池液位计505用于控制淡水输送泵601的启停以及淡水的最终排出；融冰池501中设置融冰池温度计502用以监测融冰池中冰块的溶解情况，此处可将融冰池内设定温度控制到2-3摄氏度，当融冰池温度计502检测到的融冰池中温度低于设定温度则对一级散热器102进行调节，降低其换热量，以确保二级散热器103中有更多的热量散发到融冰池当中促进融冰池中的冰块溶解，当融冰池温度计502检测到的融冰池501中温度高于设定温度则对一级散热器102进行调节，增加其散热量，从而降低二级散热器103的热量散发，保证经二级散热器103中的冷媒温被充分冷却以及进水降温换热器202中进水的降温效果，确保系统的运行稳定性。

所述的淡水输送泵601和淡水收集池504连通，用于将淡水收集池504中的水抽出并输送至最终回用点，同时保证系统的持续运行。

所述压缩机101、冷风机104、循环风机105、制冰塔301、原水进水管3022、浓水循环回水管4052、制冰塔冷空气吹入口制冰塔空气排出口、螺旋压榨输送机307、螺旋压榨输送机排水导流槽3071、落冰导管3072、浓水循环水箱401、浓水循环水泵403、浓水出水三通比例调节阀405、浓水排水管4051、浓水循环回水管4052、融冰池501、淡水收集池504和淡水输送泵601的外表面以及与之相连的管路均需设有保温隔热层，防止空气中热量进入到系统当中影响系统运行效率。

所述循环风机105的入口安置负压调节阀、循环风机105和出口压力释放阀，且负压调节阀、循环风机105和出口压力释放阀配合用于调节系统中的运行压力，确保系统运行过程中内部压力稳定，整个冷风循环系统分割成高压区和低压区两个区域；在高压区内气体体积被压缩，相对湿度升高，有助于气体中的水分排出，此外被压缩后温度升高，有助于在冷风机104中的热量散除；在低压区内由于气体压力相对较低，气体体积发生膨胀，一方面气体温度降低，有助于制冰塔301中制冰，另一方面相对湿度变低，部分被处理的水在制冰塔301中发生蒸发和升华，可带走一部分热量，进一步帮助制冰塔301中的水被冷冻。

运行成本分析：

在本实施例中，使用传统蒸发的工艺和应用冷冻除盐系统的的不同之处在于传统蒸发工艺当中有25m3/Hr 10％的浓水直接进入蒸发处理，而应用冷冻除盐系统时使用冷冻除盐系统将25m3/Hr 10％的浓水的水量降低到了12.5m3/Hr左右，最终进入蒸发器进行蒸发处理。

处理成本对比分析，具体如下：

直接蒸发时的耗电功率约80-100KWH/T，25m3/Hr废水的蒸发总电功率约2000-2500KWH/Hr；

冷冻除盐的综合耗电功率约50KWH/T，12.5m3/Hr废水的冷冻除盐处理电功率约500KWH/Hr；而剩余的12.5m3/Hr废水的蒸发电功率1000-1250KWH/Hr，处理总功率约1600-1850KWH/Hr，对比可以发现，应用冷冻除盐系统时，节能效果明显，此外冷冻除盐系统的另一个优势是由于没有高温过程，对设备制造材质的要求相对较低。

实施例2

由于通常来说，含有盐分的水的冰点和溶液中盐份的浓度有一定对应关系，溶液浓度越高，溶液的冰点越低。以氯化钙溶液为例，其不同浓度溶液对应的常压下冰点温度如下表：

同样以施例1中相关参数为例，假设进水中主要成分为氯化钙的话，如果设计将进水在同一个制冰塔中冷冻浓缩到20％浓度时，则必须保证制冰塔中温度低于-18摄氏度或更低，这样的话系统整体操作温度低，系统运行热效率低或投资成本高。

若将系统分成如图3所示的三段设计，浓缩浓度目标分别设定为，13.8％，17.2％和20％的话，则对应的冰点温度约为-9.5℃，-14℃，-18℃，系统进水进入一级冷冻后浓度升高到13.8％左右时在进入二级系统进一步冷冻，随后进入第三级冷冻，利用三级冷冻的方式最终将进水浓缩到最终的目标浓度；此时，从冷风机(104)吹出的低温冷空气首先进入三级冷冻除盐系统，用于对浓度最高冰点最低的水进行冷冻，三级冷冻除盐系统的排风再进入二级冷冻除盐系统对二级冷冻除盐系统的进水即一级冷冻除盐系统的浓水进行冷冻，然后二级冷冻除盐系统的排风再进入一级冷冻除盐系统对系统进水进行冷冻；整个过程中水的浓度逐步被浓缩，而冷空气则被重复利用，系统运行过程效率更高、更加节能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋风式冷冻除盐系统，其特征在于，包括压缩机(101)、一级散热器(102)、二级散热器(103)、蒸发器/冷风机(104)、出口风量计(1041)、蒸发器排水管(1042)、背压阀(1043)、循环风机(105)及其入口的负压调节阀(1051)和出口的压力释放阀(1052)、气液分离过滤器(106)、系统进水管(201)、进水降温换热器(202)、制冰塔(301)、制冰塔冷空气吹入口(302)及制冰塔进风导管(303)，所述制冰塔进风导管(303)内部设置进水喷淋装置(3031)并和原水进水管(3032)以及浓水循环回水管(4052)相连；所述制冰塔空气排出口(304)与之相连的制冰塔(301)内部设置导气管(3041)；制冰塔锥形底(305)、制冰塔内冰位计(306)、螺旋压榨输送机(307)包含螺旋压榨输送机排水导流槽(3071)和落冰导管(3072)、多孔滤板(308)、浓水排出口(309)、浓水循环水箱(401)、浓水循环水箱液位计(402)、浓水循环水泵(403)、浓水出水管(404)，所述浓水出水管(404)上设置浓水盐度计(4041)；浓水出水三通比例调节阀(405)将浓水出水分往浓水排水管(4051)和浓水循环回水管(4052)、融冰池(501)、融冰池温度计(502)、融冰池溢流堰(503)、淡水收集池(504)、淡水收集池液位计(505)、淡水输送泵(601)，所述融冰池溢流堰(503)顶部设置滤网(5031)。

2.根据权利要求1所述的一种旋风式冷冻除盐系统，其特征在于：所述一级散热器(102)、二级散热器(103)、蒸发器/冷风机(104)采用热泵原理，对系统内部的制冷剂进行不断的压缩、散热、蒸发循环然后将制得的冷量通过蒸发器/冷风机(104)传输到由循环风机(105)鼓入的空气当中然后进入到制冰塔(301)中用于对进入制冰塔的水进行冷却制冰；所述一级散热器(102)中散发的热量用于热能回收或散发到空气或其它冷却介质当中，所述二级散热器中散发的热量用于溶解融冰池中的冰；所述压缩机(101)与一级散热器(102)和冷风机(104)连通；所述二级散热器(103)位于融冰池(501)内，二级散热器(103)分别与冷风机(104)和一级散热器(102)连通；所述冷风机(104)上安置有三组进出管路，冷风机(104)通过第一组管路与二级散热器(103)和压缩机(101)连通，所述第一管路用于系统内部制冷剂的循环；所述冷风机(104)通过第二组管路与制冰塔进风导管(303)和循环风机(105)连通，所述第二管路用于循环产生低温冷空气，为制冰塔内的制冰提供冷源；所述冷风机(104)还设置有蒸发器排水管(1042)，用于冷风机(104)的化霜处理；所述冷风机(104)和制冰塔之间的连接管路上设有风量计(1041)用于监控冷风机的工作状况；当风量计(1041)检测到的蒸发器/冷风机(104)出口风量减小到一定程度时即启动蒸发器/冷风机(104)的化霜程序；蒸发器/冷风机(104)进行化霜状态，化霜排出的水由蒸发器排水管(1042)排入到淡水收集池(504)当中。

3.根据权利要求2所述的一种旋风式冷冻除盐系统，其特征在于，所述的系统进水管(201)、进水降温换热器(202)用于利用系统的产水(冰)中的冷量将被处理的水引入系统当中并降温至接近于0摄氏度，以利于在后续处理过程中水在冷冻时消耗的冷量更小，达到最佳节能目的。

4.根据权利要求3所述的一种旋风式冷冻除盐系统，其特征在于，所述制冰塔(301)为中空圆桶状，其上部为旋风式气固分离设备，用于利用冷空气对进水进行冷冻并分离，下部为冰水混合物的收集及排除部分；所述制冰塔冷空气吹入口(302)和位于制冰塔(301)上部的制冰塔进风导管(303)相连接，所述制冰塔进风导管(303)内部设置进水喷淋装置(3031)，用于将系统进水喷淋到制冰塔进风导管(303)中，成为细小雾滴；所述制冰塔(301)的进水管分别和原水进水管(3032)以及浓水循环回水管(4052)相连可分别引入连接来自原水进水和浓水循环回水的两路进水；由进水喷淋装置(3031)喷出的细小雾滴先进入制冰塔进风导管(303)随后进入制冰塔(301)中，期间细小雾滴和低温冷空气接触后一部分水迅速结成冰粒同时排出盐份，而另一部分水中由于水中的盐份增加，冰点降低，达到温度平衡后不会进一步被冷冻。从制冰塔进风导管(303)中吹入的气、水、冰混合物以一个倾斜角度吹入制冰塔(301)当中，在冷空气吹入角度和制冰塔内部导气管(3041)的共同作用下，制冰塔进风导管(303)吹入的冷空气、水、冰混合物在制冰塔中旋转下降。混合物中的冰晶以及未结冰的雾滴在离心力的作用下被聚集到制冰塔(301)的桶壁附近并逐渐坠落到制冰塔(301)下部的冰水混合区，吹入的冷空气在与制冰塔中的雾滴充分接触后冷量被水吸收，温度逐渐升高后从制冰塔空气排出口(304)中排出，与空气排出口(304)相连的制冰塔内部设置导气管(3041)，用于帮助制冰塔中的冰晶和冷空气的分离；从制冰塔空气排出口(304)中排出的空气经循环风机(105)增压，气水分离过滤器(106)除水后进入蒸发器/冷风机(104)中冷却后再次循环回到制冰塔当中。制冰塔内冰位计(306)用于控制螺旋压榨输送机(307)的启停，确保制冰塔中冰粒的高度始终位于制冰塔内冰位计(306)的两个控制点之间。螺旋压榨输送机用于将制冰塔内的冰粒排出到制冰塔外，同时通过压榨的方法将冰粒中夹杂的含有较高盐份的水排出；排出的水由压榨输送机排水导流槽(3071)流回到制冰塔当中。压榨后较为纯净的冰顺落冰导管(3072)落入到融冰池当中。制冰塔(301)的底部设置多孔滤板(308)用于将制冰塔中的冰粒和水分离开，透过制冰塔(301)的底部设置多孔滤板(308)的浓水经由浓水排出口(309)排出制冰塔。

5.根据权利要求4所述的一种旋风式冷冻除盐系统，其特征在于，所述的浓水循环水箱(401)用于收集制冰塔(301)中排出的由进水经制冰塔去除了一部分含盐分较少的冰而被缩的浓缩水，浓缩水排往浓水循环水箱(401)时排水点的高度位于制冰塔(301)中制冰塔内冰位计(306)和螺旋压榨输送机(307)中间高度位置，确保螺旋压榨输送机(307)所处之处始终位于冰水混合物之中，以便于冰容易被螺旋压榨输送机(307)顺利排出，这一区域我们可将其定义为冰水混合区(3011)。浓水循环水箱中设置浓水循环水箱液位计(402)用于控制浓水循环水泵(403)的启停以及浓水循环水箱的排空；浓水循环水泵(403)的出口浓水出水管(404)上设置浓水盐度计(4041)用于检测浓水泵出水的盐度并用于控制浓水出水三通比例调节阀(405)的浓水的去向，如浓水中盐度高于设定盐度则浓水排往浓水排水管(4051)如浓水盐度低于设定盐度则浓水经浓水循环回水管(4052)回到制冰塔(301)中再次被浓缩直至达到设定浓度为止。

6.根据权利要求5所述的一种旋风式冷冻除盐系统，其特征在于，所述的融冰池(501)用于接收并溶解在制冰塔(301)产生并经螺旋压榨输送机(307)压榨后的干净冰块，融冰池(501)和淡水收集池(504)相邻位置设置溢流堰(503)溢流堰顶部设置有滤网(5031)融冰池中的水经溢流堰(503)上部的滤网(5031)流入到淡水收集池(504)当中，溢流堰和滤网将融冰池中的冰块始终截留在融冰池一侧，同时始终保证融冰池(501)中的液位保持在一定的高度，一方面保证融冰池的融冰效果，另一方面可确保二级散热器(103)和进水降温换热器(202)的换热效果。淡水收集池中设置淡水收集池液位计(505)用于控制淡水输送泵(601)的启停以及淡水的最终排出。融冰池(501)中设置融冰池温度计(502)一方面用以监测融冰池中冰块的溶解情况，另一方面用于调节一级散热器(102)的运行散热量，确保融冰池中冰块可被溶解同时保证融冰池中温度不至于过高而导致二级散热器(103)和进水降温换热器(202)的换热效果变差。

7.根据权利要求6所述的一种旋风式冷冻除盐系统，其特征在于，所述的淡水输送泵(601)和淡水收集池(504)连接，淡水输送泵(601)将淡水收集池(504)中的水抽出并输送出系统之外。

8.根据权利要求7所述的一种旋风式冷冻除盐系统，其特征在于，所述的压缩机(101)、蒸发器/冷风机(104)、循环风机(105)、气液分离过滤器(106)制冰塔(301)、原水进水管(3022)、浓水循环回水管(4052相连)、制冰塔冷空气吹入口(302)、制冰塔空气排出口(304)、螺旋压榨输送机(307)、螺旋压榨输送机排水导流槽(3071)、落冰导管(3072)、浓水排出口(309)、浓水循环水箱(401)、浓水循环水泵(403)、浓水出水管(404)、浓水出水三通比例调节阀(405)、浓水循环回水管(4052)、融冰池(501)等设备以及与之相连的管路均需设置保温隔热，防止空气中热量进入到系统当中影响系统运行效率。

9.根据权利要求8所述的一种旋风式冷冻除盐系统，其特征在于，所述的循环风机入口的负压调节阀(1051)和出口压力释放阀(1052)用于调节系统中的运行压力，确保系统运行过程中内部压力稳定，所述的背压阀(1043)和循环风机(105)一起将整个冷风循环系统分割成高压区和低压区两个区域。在高压区内(循环风机(105)出口-气液分离过滤器(106)-蒸发器/冷风机(104)-背压阀(1043)进口端段)气体体积被压缩，相对湿度升高，有助于气体中的水分排出，此外被压缩后温度升高，有助于在蒸发器/冷风机(104)中的热量散除。在低压区内(背压阀(1043)出口端-制冰塔(301)-循环风机(105)进口段)，由于气体压力相对较低，气体体积发生膨胀，一方面气体温度降低，有助于制冰塔中制冰，另一方面相对湿度变低，部分被处理的水在制冰塔中发生蒸发或升华，可带走一部分热量，进一步帮助制冰塔中的水被冷冻。

10.一种旋风式冷冻除盐方法，其特征在于，该旋风式冷冻除盐方法适用于权利要求1-9中所述的任一旋风式冷冻除盐系统，该旋风式冷冻除盐方法主要包括以下步骤：

S1：原水降温处理，首先原水经系统进水管(201)打入进水降温换热器(202)内，进水降温换热器(202)对原水进行降温处理；

S2：原水雾化，原水的水温度降至0-5摄氏度，降温后的水经原水进水管(3032)进入制冰塔进风导管(303)内的进水喷淋装置(3031)内，进水喷淋装置(3031)将原水分散成细小雾滴状喷洒入进风导管(303)内；

S3：冷风的制备，压缩机(101)、一级散热器(102)、二级散热器(103)和冷风机(104)采用热泵原理，对系统内部的制冷剂压缩、散热和蒸发循环，并将制得的冷风通过冷风机(104)传输到由循环风机(105)鼓入的空气当中；

S4：雾滴与冷风接触，循环风机(105)鼓入的空气经冷风机(104)降温后输入到制冰塔进风导管(303)内，此时冷风与进水喷淋装置(3031)喷洒的细小雾滴相遇，细小雾滴与冷风接触后一部分逐渐结成冰粒进入冰塔(301)，另一部分由于盐份浓度增加使得冰点下降，不再继续凝结成冰，冰粒以及未结冰的雾滴在离心力的作用下被聚集到制冰塔(301)的侧壁附近并逐渐坠落到制冰塔(301)底部；

S5：冷空气的循环，吹入的冷空气在与制冰塔(301)中的雾滴充分接触后冷量被水吸收，温度逐渐升高后从空气排出口(304)中排出，制冰塔空气排出口(304)中排出的空气经循环风机(105)增压，气水分离过滤器(106)除水后进入冷风机(104)中冷却后再次循环回到制冰塔(301)当中；

S6：冰水分离处理，冰粒在制冰塔(301)底部聚集成堆，当制冰塔(301)内冰的位置高于冰位计(306)的上控制点，冰位计(306)控制螺旋压榨输送机(307)的启停，将制冰塔(301)的冰粒排出融冰池(501)内，制冰塔(301)的底部设置多孔滤板(308)将冰粒和水分离开，透过制冰塔(301)的底部设置多孔滤板(308)的浓水经由浓水排出口(309)排出制冰塔(301)；

S7：冰的溶解，压榨后的干净冰块，在融冰池(501)中利用进水降温换热器(202)和二级散热器(103)带入的热量溶解成除盐水。

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