CN114436357A - 表面喷雾能量回收式污水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种表面喷雾能量回收式污水处理装置，污水经雾化后喷至热板表面受热，发生水垢分离，水汽向上蒸发，淤泥向下沉积；向上蒸发的所述水汽进入管路内，经三通阀分流后，部分蒸汽热交换后以冷凝水形式流出，另一部分蒸汽受热成为过热蒸汽后，通过设于所述热板下方的蒸汽喷口组向上喷出，与所述淤泥及所述水汽再混合，所述淤泥中的水分进一步蒸发，所述水汽中的液滴进一步气化。本装置引入高温制冷剂，形成闭式内循环，达到提升压缩机效率、避免压缩机结垢及腐蚀的效果；利用喷雾和小通道热板高强度换热特点，结合污水饱和闪蒸以及过热蒸汽与淤泥接触式换热方式，采用多道程序提升污水单次处理能力，降低装置能耗。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种表面喷雾能量回收式污水处理装置。
背景技术
近年来，国家对环境保护和清洁生产方面的要求越来越高，水资源的循环利用成为不少行业的重要课题。对于含有贵金属的废水，如任由其排到环境中，不仅污染环境，且会导致贵金属资源的浪费。
蒸汽机械再压缩(MVR)技术作为一种污水处理热方法，由于能源利用率高、经济性好等优点，在国内外逐步得以推广。MVR技术需对蒸汽再压缩，但是蒸汽压缩过热度高且蒸汽中含有液滴和不凝性气体，导致蒸汽压缩机效率不高且压缩机叶片或螺杆易结垢和腐蚀。另外，蒸汽由于密度小，在高蒸发强度下流动阻力较大，由此导致污水单次处理能力较弱，还需额外付出约压缩机功耗的25％，用于污水再循环。
综上所述，一种能够替代蒸汽机械再压缩技术的新型污水处理技术亟待开发。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种污水处理装置，以解决MVR技术中蒸汽压缩机故障率高、效率低的问题，同时提升污水蒸发强度。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种表面喷雾能量回收式污水处理装置，其包括，
污水分离机构，污水经雾化后喷至热板表面受热，发生水垢分离，水汽向上蒸发，淤泥向下沉积；
蒸汽机构，向上蒸发的所述水汽进入管路内，经三通阀分流后，部分蒸汽热交换后以冷凝水形式流出，另一部分蒸汽受热成为过热蒸汽后，通过设于所述热板下方的蒸汽喷口组向上喷出，与所述淤泥及所述水汽再混合，所述淤泥中的水分进一步蒸发，所述水汽中的液滴进一步气化。
优选的，所述热板为立式楔形板，高温制冷剂自下而上流经所述楔形板内部。
优选的，所述楔形板内设有通道贯通上下端口，所述通道上端口小，下端口大，所述通道内设有高密度翅片，所述通道下端口连接有分汽管，所述通道上端口连接有集液管，所述高温制冷剂自所述分汽管进入所述通道内，自所述集液管流出。
优选的，雾化喷嘴分设于所述热板上半部两侧，所述雾化喷嘴喷口朝向所述热板，用于喷射雾化后的污水，喷射方向与所述热板之间的夹角为45°～60°；热板一侧沿高度方向上设有的雾化喷嘴数量为1～2组。
优选的，还设有三股流板式换热器，所述污水在所述三股流板式换热器内受热达到高压饱和状态后再经所述雾化喷嘴喷至所述热板表面受热；自所述热板内流出的所述高温制冷剂进入所述三股流板式换热器内换热降温；部分蒸汽进入所述三股流板式换热器内受热后成为过热蒸汽，通过设于所述热板下方的蒸汽喷口组向上喷出；在所述三股流板式换热器内，所述污水与所述高温制冷剂所在通路相邻且流向相反；所述高温制冷剂与进入所述三股流板式换热器内的蒸汽所在通路相邻且流向相反。
优选的，还设有水蒸汽冷凝器及预热器，自所述三股流板式换热器内流出的高温制冷剂经管路上的节流阀减压降温后进入所述水蒸汽冷凝器内与从所述三通阀流出的蒸汽发生热交换，所述蒸汽在所述水蒸汽冷凝器内冷凝后进入所述预热器内，再与经污水泵泵入的即将进入所述三股流板式换热器的污水发生热交换，预热所述污水，冷凝水排出。
优选的，自所述水蒸汽冷凝器流出的高温制冷剂经辅热器加热为饱和蒸汽态，再经压缩机压缩后进入所述热板内部。
优选的，所述热板下半部两侧还设有带导轨刮刷，所述带导轨刮刷定期往复沿导轨运动，使黏附于所述热板两侧表面的淤泥被刮落。
优选的，所述热板与所述蒸汽喷口组之间还横向设有不锈钢丝网，所述被刮落的淤泥下落经不锈钢丝网减速并与蒸汽喷口组喷出的过热蒸汽换热后沉积在腔底；所述腔底设有移动式插板，用于排出所述淤泥。
优选的，所述热板上方横向还设有过滤网，所述水汽经过滤网过滤掉水汽中的液滴后进入所述管路内，经加压风扇提供动力后流经所述三通阀分流。
如上所述，本发明的表面喷雾能量回收式污水处理装置具有以下有益效果：
1)本发明所采用的污水处理技术与MVR技术相比，采用高温制冷剂闭式内循环回热利用，高温制冷剂热力性能好，压缩机过热损失小，工作效率得以提高，节能效果更好；且压缩机和换热器不存在结垢和腐蚀风险，系统故障率低；另外，高温制冷剂相比于水蒸气，单位体积流量载热能力更强，意味着流动阻力更低，配合专利所述热板短流通通道设计，克服流阻所需功耗更少；
2)本发明所采用的热板结构为立式楔形结构，通过向热板表面喷射雾化污水，部分水闪蒸，其余雾化污水喷至热板表面，此时热板内侧高温制冷剂在小通道内冷凝，外侧污水蒸发，热板总体换热强度高；带水淤泥在喷嘴高速冲刷和重力作用下流动至热板下部并以膜状换热形式使水分得到进一步蒸发，使单次污水处理浓度高，水垢分离充分；
3)本发明装置采用了部分蒸汽内循环模式，一方面蒸汽携带热量重新与下沉淤泥接触，用于进一步蒸发淤泥中的水分，此举有助于适量提高热板上淤泥含水量，便于淤泥在热板的流动和刮刷清理工作，同时也可降低热板处理污水的负担；另一方面保证与热板表面蒸发的饱和蒸汽混合后为过热蒸汽，防止蒸汽内带液，协同过滤网保护加压风扇，防止加压风扇叶片结垢或腐蚀；
4)本发明装置中三股流板式换热器将高温制冷剂所携带的热量交换给污水及内循环部分的蒸汽，其内冷热流体逆流运行，提升换热效率；污水发生二次预热为高压饱和状态，确保污水流经雾化喷嘴喷出后部分水闪蒸，从而降低热板处理污水的负担；同时，闪蒸有利于雾化液滴发生二次破裂，液滴雾化粒径更小，雾化效果更好，有利于强化热板外侧换热；
5)本发明装置中水蒸汽冷凝器内高温制冷剂与水蒸汽发生热交换，高温制冷剂吸收热量，蒸汽发生冷凝，通过能量交互实现能量的回收利用；
6)本发明装置中蒸汽经水蒸汽冷凝器后进入预热器内将所携带剩余热量传递给自污水泵泵入预热器内的污水，污水在预热器内接受能量，得到初次预热；
7)本发明装置中由于热板不设在侧壁位置，故淤泥不会粘附于侧壁；淤泥被带导轨刮刷定期刮落，在下落途中经不锈钢丝网减速并与蒸汽喷口组喷出的过热蒸汽换热，淤泥中的水分进一步蒸发，淤泥向下沉积至腔底，待累积到限定高度时，通过开启腔底插板即可排出，操作方便，不损伤装置，且不会影响热板的效能。
附图说明
图1为本发明所公开的表面喷雾能量回收式污水处理装置结构示意图；
图2为本发明所公开的表面喷雾能量回收式污水处理装置中热板及带导轨刮刷结构示意图；
1-污水泵；2-预热器；3-三股流板式换热器；4-雾化喷嘴；5-热板；5.1-分汽管；5.2-集液管；5.3-高密度翅片；5.4-上端口；5.5-下端口；6-带导轨刮刷；6.1-导轨；6.2-刮刷；7-加压风扇；8-三通阀；9-水蒸汽冷凝器；10-蒸汽喷口组；11-辅热器；12-压缩机；13-节流阀；14-插板；15-不锈钢丝网；16-过滤网。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
本发明所公开的表面喷雾能量回收式污水处理装置中污水经污水泵1泵入预热器2内加热，加热后的污水通过管道流经三股流板式换热器3内发生热交换，达到高压饱和状态，自所述三股流板式换热器3流出的污水通过雾化喷嘴4喷至热板5表面，雾化后的所述污水中水汽蒸发，淤泥黏附于所述热板5上，所述淤泥被带导轨刮刷6定期刮落；蒸发的水汽通过加压风扇7提供动力后流经三通阀8分流，一路蒸汽依次流经所述水蒸汽冷凝器9及所述预热器2内换热后以冷凝水形式流出；一路蒸汽进入所述三股流板式换热器3内过热后通过蒸汽喷口组10向其上方的热板5喷出，所述蒸汽喷口组10喷出的蒸汽升至所述热板5周围与雾化后的污水中的水汽再次混合，形成一次蒸汽内循环；
装置内还设有一条闭环式内循环管路，内循环管路内流经高温制冷剂，所述高温制冷剂在水蒸汽冷凝器9内与蒸汽冷凝水发生热交换，再经辅热器11加热为饱和蒸汽，经压缩机12压缩后进入所述热板5内部，流经所述热板5后的高温制冷剂流入所述三股流板式换热器3内进行热交换，经热交换后的高温制冷剂经管路上的节流阀13减压降温后再次进入水蒸汽冷凝器9内换热，完成一次内循环；
其中，所述雾化喷嘴4、所述热板5、所述带导轨刮刷6及所述蒸汽喷口组10均设于腔体内，腔体底部设有移动式插板14，刮落的淤泥下落至不锈钢丝网15，最后沉积在腔体底部。
热板5为立式楔形板，高温制冷剂自下而上流经所述楔形板内部。所述楔形板内设有通道贯通上下端口，所述通道上端口5.4小，下端口5.5大，以减小高温制冷剂在热板5内的流动阻力；所述通道内设有高密度翅片5.3，用于拓展换热面积，同时提升热板5承压能力；所述通道下端口5.5连接有分汽管5.1，所述通道上端口5.4连接有集液管5.2，所述高温制冷剂自所述分汽管5.1进入所述通道内，自所述集液管5.2流出；通过固定分汽管5.1及集液管5.2的位置，使热板5在腔体内的位置得到固定。
雾化喷嘴4分设于所述热板5上半部两侧，所述雾化喷嘴4喷口朝向所述热板5，用于喷射雾化后的污水，喷射方向与所述热板5之间的夹角为45°～60°，热板5为双面喷雾。热板5一侧高度方向上的雾化喷嘴4数量为1～2组，为了保证雾化喷嘴4喷出的液滴冲击热板5表面时的换热能力，雾化喷嘴4距热板5的距离是固定的，每个雾化喷嘴4喷雾区域覆盖面积也是固定的，这样在高度方向上雾化喷嘴4的数量与热板5的高度是对应的，单个雾化喷嘴4的喷雾面积为5×5cm，若热板5一侧高度方向上设置雾化喷嘴4数量为1组，则热板5长度为10cm(即5cm喷雾长度加5cm刮刷长度)；若热板5一侧高度方向上设置雾化喷嘴4数量为2组，则热板5长度为15cm(即5cm喷雾长度加5cm喷雾长度加5cm刮刷长度)。高度方向上喷嘴数量少，则热板5长度短。本案中热板5长度不超过15cm，其内短通道可以缩短高温制冷剂在热板5通道内的流动长度，减小其流动阻力。
上述的带导轨刮刷6的刮刷6.2柄部与导轨6.1连接，定期往复运动，导轨6.1两端与腔体内壁面固定连接。
热板5上半部分依靠喷雾液滴对表面的冲刷，喷雾液滴速度达10m/s，同时控制喷雾量，保证热板5表面不会烧干，此时在热板5表面会存在200μm左右的液膜，液膜会在重力、液滴冲刷作用下流动至刮刷6.2所在区域，在此区域内液膜进一步蒸发形成淤泥，带导轨刮刷6并不会高频的清洗热板5表面。
所述热板5与所述蒸汽喷口组10之间还横向设有不锈钢丝网15，所述被刮落的淤泥下落经不锈钢丝网15减速并与蒸汽喷口组10喷出的过热蒸汽换热后沉积在腔底，不锈钢丝网15网孔大小为10～30目。
本装置中污水处理分预热和正常工作两种模式。
预热：装置处于初始工作阶段，开启辅热器11、压缩机12对装置预热，之后开启污水泵1、加压风扇7，待装置出口排出冷凝水时，预热工作结束，关闭辅热器11。
正常工作：污水经污水泵1加压后被预热器2初步预热后再经三股流板式换热器3被二次预热至饱和状态，之后通过雾化喷嘴4喷出，部分水闪蒸，其余雾化喷至热板5表面蒸发，带水淤泥在喷嘴高速冲刷和重力作用下流动至热板5下部并以膜状换热方式进一步蒸发，淤泥被带导轨刮刷6定期刮落，在下落途中经不锈钢丝网15减速并与蒸汽喷口组10喷出的过热蒸汽换热，淤泥中的水分进一步蒸发，淤泥储存至腔内底部，待累积到限定高度时，开启插板14排出；混合后的过热蒸汽经过滤网16过滤杂质和液滴后通过加压风扇7提供动力并流经三通阀8，部分蒸汽流经三股流板式换热器3过热后通过蒸汽喷口组10喷出，剩余蒸汽在水蒸汽冷凝器9内冷凝后流经预热器2预热污水，最后冷凝水排出。
蒸汽流经三通阀8时部分蒸汽内循环，一方面用于进一步蒸发淤泥中的水分，另一方面保证与热板5表面蒸发的饱和蒸汽混合后为过热蒸汽，防止蒸汽内带液，协同过滤网16保护加压风扇7。蒸汽带液，液滴中会有盐类或其他杂质，长期使用风扇叶片会腐蚀或结垢。
上述三股流板式换热器3内冷流体为蒸汽、污水，热流体为高温制冷剂，冷热流体逆流流动；高温制冷剂将蒸汽过热和污水二次预热为饱和状态，保证饱和污水流经雾化喷嘴4后部分水闪蒸，过热蒸汽和淤泥接触式换热，从而降低热板5污水处理负担。
高温制冷剂的流动顺序是：先经过水蒸汽冷凝器9，然后通过辅热器11，只不过在预热阶段，水蒸汽冷凝器9无法将高温制冷剂蒸发，因此高温制冷剂虽然流过水蒸汽冷凝器9，但并未蒸发，此时辅热器11是开启状态，可以将高温制冷剂加热为饱和蒸汽；当水蒸汽冷凝器9内有水蒸汽流过且可保证高温制冷剂在水蒸汽冷凝器9内蒸发时，辅热器11是处于关闭状态，高温制冷剂流过辅热器11，但是辅热器11并不会加热。
应选用热力性能好的高温制冷剂，在市场现有的高温制冷剂中首选R123。
高温制冷剂为闭式内循环，核心部件压缩机12相比MVR技术中的蒸汽压缩机，不存在结垢和腐蚀风险，过热损失小，效率更高；相比MVR技术，由于引入中间工质高温制冷剂回收能量，导致传热温差大于MVR技术，但是高温制冷剂热力性质优于水蒸气，压缩机效率高，同等换热强度下高温制冷剂内循环阻力小，且无需额外提供水循环泵，总体而言节能效果更好，且运行维护成本更低。
本案中除了采用内循环管路结构，还设计了几处能量交互结构：
三股流板式换热器3：所述污水在所述三股流板式换热器3内受热达到高压饱和状态后再经所述雾化喷嘴4喷至所述热板5表面受热；自所述热板5内流出的所述高温制冷剂进入所述三股流板式换热器3内换热降温；部分蒸汽进入所述三股流板式换热器3内受热后成为过热蒸汽，通过设于所述热板5下方的蒸汽喷口组10向上喷出；在所述三股流板式换热器3内，所述污水与所述高温制冷剂所在通路相邻且流向相反；所述高温制冷剂与进入所述三股流板式换热器3内的蒸汽所在通路相邻且流向相反。
水蒸汽冷凝器9：自所述三股流板式换热器3内流出的高温制冷剂经管路上的节流阀13减压降温后进入所述水蒸汽冷凝器9内与从所述三通阀8流出的蒸汽发生热交换。
预热器2：所述蒸汽在所述水蒸汽冷凝器9内冷凝后进入所述预热器2内，再与经污水泵1泵入的即将进入所述三股流板式换热器3的污水发生热交换，预热所述污水，冷凝水排出。
通过充分利用装置内部能量，以热量交换形式实现能量的回收利用，既节约成本，也提升效率，便于装置的整体运作和维护。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种表面喷雾能量回收式污水处理装置，其特征在于，包括，
污水分离机构，污水经雾化后喷至热板表面受热，发生水垢分离，水汽向上蒸发，淤泥向下沉积；
蒸汽机构，向上蒸发的所述水汽进入管路内，经三通阀分流后，部分蒸汽热交换后以冷凝水形式流出，另一部分蒸汽受热成为过热蒸汽后，通过设于所述热板下方的蒸汽喷口组向上喷出，与所述淤泥及所述水汽再混合，所述淤泥中的水分进一步蒸发，所述水汽中的液滴进一步气化。
2.根据权利要求1所述的表面喷雾能量回收式污水处理装置，其特征在于，所述热板为立式楔形板，高温制冷剂自下而上流经所述楔形板内部。
3.根据权利要求2所述的表面喷雾能量回收式污水处理装置，其特征在于，所述楔形板内设有通道贯通上下端口，所述通道上端口小，下端口大，所述通道内设有高密度翅片，所述通道下端口连接有分汽管，所述通道上端口连接有集液管，所述高温制冷剂自所述分汽管进入所述通道内，自所述集液管流出。
4.根据权利要求2所述的表面喷雾能量回收式污水处理装置，其特征在于，雾化喷嘴分设于所述热板上半部两侧，所述雾化喷嘴喷口朝向所述热板，用于喷射雾化后的污水，喷射方向与所述热板之间的夹角为45°～60°；热板一侧沿高度方向上设有的雾化喷嘴数量为1～2组。
5.根据权利要求2所述的表面喷雾能量回收式污水处理装置，其特征在于，还设有三股流板式换热器，所述污水在所述三股流板式换热器内受热达到高压饱和状态后再经所述雾化喷嘴喷至所述热板表面受热；自所述热板内流出的所述高温制冷剂进入所述三股流板式换热器内换热降温；部分蒸汽进入所述三股流板式换热器内受热后成为过热蒸汽，通过设于所述热板下方的蒸汽喷口组向上喷出；在所述三股流板式换热器内，所述污水与所述高温制冷剂所在通路相邻且流向相反；所述高温制冷剂与进入所述三股流板式换热器内的蒸汽所在通路相邻且流向相反。
6.根据权利要求5所述的表面喷雾能量回收式污水处理装置，其特征在于，还设有水蒸汽冷凝器及预热器，自所述三股流板式换热器内流出的高温制冷剂经管路上的节流阀减压降温后进入所述水蒸汽冷凝器内与从所述三通阀流出的蒸汽发生热交换，所述蒸汽在所述水蒸汽冷凝器内冷凝后进入所述预热器内，再与经污水泵泵入的即将进入所述三股流板式换热器的污水发生热交换，预热所述污水，冷凝水排出。
7.根据权利要求6所述的表面喷雾能量回收式污水处理装置，其特征在于，自所述水蒸汽冷凝器流出的高温制冷剂经辅热器加热为饱和蒸汽态，再经压缩机压缩后进入所述热板内部。
8.根据权利要求2所述的表面喷雾能量回收式污水处理装置，其特征在于，所述热板下半部两侧还设有带导轨刮刷，所述带导轨刮刷定期往复沿导轨运动，使黏附于所述热板两侧表面的淤泥被刮落。
9.根据权利要求8所述的表面喷雾能量回收式污水处理装置，其特征在于，所述热板与所述蒸汽喷口组之间还横向设有不锈钢丝网，所述被刮落的淤泥下落经不锈钢丝网减速并与蒸汽喷口组喷出的过热蒸汽换热后沉积在腔底；所述腔底设有移动式插板，用于排出所述淤泥。
10.根据权利要求1所述的表面喷雾能量回收式污水处理装置，其特征在于，所述热板上方横向还设有过滤网，所述水汽经过滤网过滤掉水汽中的液滴后进入所述管路内，经加压风扇提供动力后流经所述三通阀分流。
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