CN116253385A - 一种浓盐水溶液的浓缩方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用工业余热作为热源浓缩工业浓盐水的一种装置与方法，包括以下过程：循环冷却水热水或高炉冲渣水经过直立换热管换热，高炉冲渣水经过换热管换热冷却后温度降低，直立管外在金属丝网的作用下经布水器布水形成浓盐水水膜，浓盐水水膜吸收热量蒸发浓缩，循环冷却水热水或高炉冲渣水余热得到回收利用，流入后序水处理系统，浓盐水被浓缩后进入后序结晶等处理工序。本发明在保证盐水浓缩效果的同时，又达到了冷却过程节水、浓缩过程节能的目的，并且对工业低温余热高炉冲渣水回收利用。

Description

一种浓盐水溶液的浓缩方法及装置

技术领域

本发明涉及工业过程中制备脱盐水或循环水排污产生的浓盐水或各种需要浓缩的水溶液的浓缩方法及装置，特别是以循环冷却水冷却过程释放热或高炉冲渣水作为浓缩过程热源，并结合循环冷却水水膜冷却结构，解决传统浓盐水浓缩方法能耗高、装置造价高昂、核心部件更换频繁、运行操作复杂等问题，在保证盐水浓缩效果的同时，又达到了冷却过程节水、浓缩过程节能的目的，并且对工业低温余热高炉冲渣水回收利用，属于工业冷却和工业水处理领域。

背景技术

在冶金、化工等很多工业生产过程中，制备脱盐水或循环水排污均会产生大量浓盐水，浓盐水的过度排放会直接导致江河水质矿化度提高，给地表水、地下水带来严重污染，浓盐水的“零排放”或控制排放成为保护水环境的重要措施。越来越高的环保要求、水资源的短缺、零排放的需求，使得浓盐水合理化处理，资源化利用变得极为重要，浓水的处理问题必须作为任何膜工艺设计和评估的一个组成部分来处理，处理和任何处理的成本都可能对企业的整体经济可行性产生相当大的影响，因此，浓盐水的处理、排放、资源化利用问题非常重要。浓盐水处理过程的投资、运行成本的大幅增加，是处理过程中企业必须考虑的问题，而决定企业成本的重要因素是蒸发结晶前的浓盐水量，对浓盐水浓缩减量化，可有效降低成本，但是浓盐水的浓缩同样需要装置的投资及运行能源消耗，因此在保证盐水浓缩效果的同时，同时保持浓缩工艺及装置的低投资，低能耗成为企业增效的重要要求。

浓盐水的传统浓缩方法主要包括热浓缩、膜浓缩、电吸附方法等。热浓缩是通过加热浓盐水促进水分蒸发进行浓缩的方法，其主要投资为蒸发过程的能源消耗，一般所用热源为企业产生的高温蒸汽，消耗了大量蒸汽，使得运行能耗费用较高，并且蒸发过程中结垢，蒸发浓缩设备复杂，导致清洗困难，使得运行维护费用增加；膜浓缩方法对进水要求严格，因此增加大量预处理装置投资，并且膜易堵塞，需定期清洗，控制复杂，投资高；电吸附方法由于电极吸附容量低，导致浓缩程度不是很高，并且电极价格昂贵，重复利用效果差，电极更换频繁，运行费用高。因此解决浓盐水浓缩过程结垢及其清洗复杂、能耗和装置投资高等问题，探索一种既能保证浓盐水浓缩效果，又能保证装置较低投资，运行能耗低的浓盐水浓缩方法及装置对于冶金、化工、电力等行业浓盐水浓缩处理领域企业的节能增效尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种保证浓盐水浓缩效果的同时，又达到冷却过程节水、盐水浓缩过程节能的方法和装置。通过高效有机地结合循环冷却水冷却过程和浓盐水浓缩过程，根据两者均具有的水的传热过程，构建一种循环冷却水水膜蒸发浓盐水浓缩方法及装置。通过内部流通循环冷却水或高炉冲渣水的直立设置的直立换热管及上部高效的布水器流下的需要浓缩的水溶液，在直立换热管外壁形成流动的浓盐水水膜，形成水膜蒸发直立换热系统；直立换热管外壁卷有与管壁密切接触的金属丝网使水膜平铺换热管壁，保证传热面积利用率。依靠循环冷却水或高炉冲渣水冷却过程中的间壁传热，浓盐水水膜吸收传热热量而实现水分蒸发，并且在水膜表面通风，进一步增加水分蒸发速率，从而完成浓盐水的快速高效浓缩过程。本发明实现了循环水冷却工序或高炉冲渣水余热利用与浓盐水浓缩工序的高效有机结合，为保证环冷却水冷却过程或钢铁冶金过程节水、浓盐水浓缩过程节能，减少装置投资、运行费用的目的提供了工艺方法及装备保障。

本发明采用如下方案实现：

水溶液的浓缩方法，其特征是热源在换热管内流动，需要浓缩的水溶液在所述换热管外壁面流动，在所述换热管外壁面流动的水溶液与空气直接接触。

所述方法，其特征在于所述热源为需要降低温度的循环冷却水热水或工业中废弃的低温余热高炉冲渣水；循环冷却水热水经过所述换热管换热冷却后作为循环冷却水冷水返回需要冷却水的冷却水用户，或循环冷却水热水经过所述换热管换热冷却后再进入二级冷却过程冷却后作为循环冷却水冷水返回需要冷却水的冷却水用户，所述二级冷却为循环水与空气直接接触的凉水塔冷却或与空气间接接触冷却的翅片式空气冷却，或与低温水间接接触的冷却方式。高炉冲渣水经过所述换热管换热冷却后温度降低，余热得到回收利用，流入后序水处理系统，或高炉冲渣水经过所述换热管换热冷却后再进入二级冷却过程冷却后作为高炉冲渣用水返回再进行冲渣，所述二级冷却可大幅节约高炉冲渣的新水使用量。

所述方法，其特征在于所述管内流动热源的换热管采用与水平面垂直的直立管，需要浓缩的水溶液从直立管上部沿直立管外壁面向下流动，形成水膜。

所述方法，其特征在于所述直立换热管外壁卷有金属丝网，需要浓缩的水溶液与金属丝网接触后可在换热管壁平铺且增大水膜停留时间；所述金属丝网为可拆卸的布置方式，丝网需要清洗时可将丝网拆下进行丝网清洗；所述金属丝网为一层或多层叠加组成。

所述方法，其特征在于所述与换热管外壁流动的水直接接触的空气由风机驱动流动或由吸风塔吸引流动，所述空气流动方向为向上流动或横向流动。

实现所述水溶液的浓缩方法的装置，其特征在于所述装置至少由换热管、金属丝网、布水器、风机及外罩组成；所述换热管与水平面垂直设置形成直立换热管，直立换热管内流通高炉冲渣水，直立换热管外壁设有可拆卸的金属丝网，在换热管外壁与金属丝网中间流通需要浓缩的水溶液，形成稳定的水膜，在所述直立换热管外壁流动的水溶液与空气直接接触，所述布水器设置在直立换热管的上部，布水器为倒锥形布水器或圆筒形布水器的任意一种，倒锥形布水器至少包括圈体外壳、进水口，布水环路，所述圈体外壳为下部直径小于上部直径的倒锥形圈体，布水环路为环隙布水环路或/和溢流布水环路，环隙布水环路为圈体外壳与直立冷却管外壁之间留有一定宽度的环形缝隙作为水溶液向下流动的通道，水溶液从环形缝隙形成的环隙布水环路流出沿直立换热管外壁面向下流动，溢流布水环路是水溶液可从布水器圈体外壳上部溢流而出的溢流布水环路，水溶液从该溢流布水环路流出沿倒锥形圈体外壳的外壁面及直立换热管外壁面向下流动，所述倒锥形圈体外壳的外壁与水平面的夹角在60°～80°之间。

所述圆筒形布水器至少包括圈体外壳、进水口，环隙布水环路，圈体外壳为圆筒圈体，环隙布水环路为圈体外壳与直立换热管外壁之间留有一定宽度的环形缝隙作为水溶液向下流动的通道，水溶液能够从该环形缝隙形成的环隙布水环路流出沿直立换热管外壁面向下流动。

实现所述水溶液的浓缩方法的装置，其特征在于所述装置至少包括：与水平面垂直设置的直立换热管、金属丝网、布水器、水溶液供水泵；所述布水器设置在直立换热管的上部，布水器进水口与水溶液供水泵出水口侧相连接。

具体说明如下：

水溶液的浓缩过程是水溶液吸收在换热管内流动的循环冷却水热水或高炉冲渣水的热量，使自身含有的水分吸热蒸发，盐浓度逐渐提高，从而实现水溶液的浓缩的过程。循环冷却水或高炉冲渣水与水溶液通过换热管进行间接传热，热源为需要降低温度的循环冷却水热水或工业低温废热高炉冲渣水，热水在换热管内流动，水溶液在管壁外表面向下流动，在换热管外壁的一层或多层金属丝网作用下形成稳定的水膜，水溶液水膜中的水分受热逐渐蒸发，产生的水蒸气被流经水溶液表面的空气带走，水分蒸发后的浓缩水溶液达到浓缩要求后进行后续的蒸发结晶操作或其他处理；换热冷却后的循环冷却水冷水从换热管导出后返回需要冷却水的用户，或在冷却温度达不到要求的情况下，循环冷却水在经过水溶液浓缩冷却后再进入二级冷却，二级冷却后的循环冷却水返回需要冷却水的用户；换热冷却后的高炉冲渣水冷水从换热管到处后进入后序水处理系统，或再进入换热管循环再次利用余热。

水溶液浓缩所采用的热源为循环冷却水热水或高炉冲渣水，而水溶液同时成为了循环冷却水冷却冷源，实现了企业循环水冷却工序与水溶液浓缩工序的有效结合；实现了企业低温余热回收利用与水溶液浓缩工序的有效结合；循环水热源温度一般处于43～60℃，属于低温热源，为企业废热，高炉冲渣水热源温度一般处于60～95℃，属于低温热源，属于工业废热。相对于传统热浓缩技术采用高温蒸汽作为能源，利用此低温热源节省了水溶液浓缩过程消耗的能源。由于循环冷却水热水温度较低，为保证蒸发传热温差，因此在冷却过程中循环水冷却温度区间可以灵活设定，如大气温度低则可冷却后的循环水返回需要冷却水用户，或如大气温度较高也可在蒸发浓缩冷却后再经过凉水塔进一步冷却后返回冷却水用户，或在蒸发浓缩冷却后采用与空气间接接触冷却的翅片式空气冷却方式冷却至要求后返回冷却水用户，还可以在蒸发浓缩冷却后与低温水间接接触的冷却方式进一步冷却得到满足用户要求的循环冷却水。在节省水溶液浓缩过程能源的同时，循环水在冷却过程中节省了新水消耗。

针对浓缩后水溶液的特性，换热管采用导热性好并且不易腐蚀的材料，如铝或不锈钢，并且管道采用光管，管道采用与水平面垂直布置的直立管方式。采用光管更易于清洗，光管可简化布水结构，使得布水相较简单；管道采用与水平面垂直的直立管布置方式，使得水膜相对均匀，并且换热管外壁布有一次或多层金属丝网，使水膜稳定，防止出现干管现象，有利于蒸发浓缩操作的进行。水溶液在换热管外壁形成水膜流动方式，不仅布水简单，而且水膜蒸发方式相对于换热管直接置于水溶液中的传热蒸发，水膜形式使得水溶液中的水分更容易蒸发。

布水器环绕直立换热管通过支架固定于直立换热管的上部，每排的单个直立管布水结构相互结合，组成一个完整的布水槽结构，通过布水槽将水溶液流至每一个直立管与布水器圈体外壳形成的布水环隙流路，通过布水环隙流路流出布水器，沿直立换热管外壁向下流动形成水膜。布水器设计为倒锥形布水器时，由于倒锥形布水圈外壁与水平面呈60°～80°的夹角，因此水溶液也可采用溢流方式进行布水。布水器也可设计为圆筒形布水器，仅通过布水环隙流路进行布水。

在直立换热管外壁流动的水膜与流经水膜表面的空气直接接触，空气流动时掠过水膜表面。相对传统热浓缩技术，增加通风操作，可大幅增加水膜水分蒸发速率，一方面，水分的蒸发为分子的无规则运动，通风操作增加了水分子的无规则运动速率，从而加大增加了水分蒸发速率，另一方面，空气流过水膜及时带走了蒸发水分，防止了湿度饱和，使直立换热管各部位的水分蒸发推动力始终维持较高，通过增加通风操作，弥补了由于循环水作为热源温度低造成的水分蒸发速率低的缺点。空气流动方向为向上流动或横向流动，不同的流动方法对应不同的气象条件。当空气的相对湿度较低时，空气与水膜接触时间可相对较长，充分发挥空气的优势，因此空气流动可选择向上流动；当空气的相对湿度较高时，空气中水蒸气易饱和，因此空气与水膜接触时间不宜较长，空气流动可选择横向流动。空气的流动通过风机或吸风塔提供动力，空气的流动方式可根据换热负荷、空气条件而设置，也可在直立换热管外围加设围筒，如百叶窗等，通过其开启部分的范围即开度进行调节。当围筒打开高度较高时，空气可直接横向穿过直立换热管；当围筒只在直立换热管底部打开时，空气从底部进入，然后沿着直立换热管向上流动。

本发明的有益效果是高效地结合循环冷却水冷却或钢铁企业低温余热回收利用和浓盐水浓缩过程，循环冷却水热水或高炉冲渣水成为水溶液浓缩过程的热源，水溶液成为了循环冷却水的冷却冷源，实现了冷却过程节水、低温余热回收利用、盐水浓缩过程节能；换热管采用直立光管简化了水膜布水结构与清洗结构，使得布水与清洗都简单化，节省了装备投资，并更易清洗；换热管外壁布置了可拆卸的金属丝网强化了水膜布水稳定性，保证了水膜的停留时间，增大了传热效率。本发明为实现水溶液的浓缩及循环水冷却效果或高炉冲渣水废热的回收利用，实现节水节能，企业增效目的提供了技术方法及装备保障。

附图说明

图1：以循环冷却水为热源的水溶液的浓缩流程示意图；

图2：倒锥形布水器结构示意图；

图3：圆筒形布水器结构示意图；

其中：1-直立换热管，2-风机，3-凉水塔，4-生产工艺冷却设备，5-水泵，6-循环冷却水或高炉冲渣水热水，7-一级循环水冷水，8-循环冷却水冷水，9-布水环路缝隙，10-浓盐水水溶液，11-水溶液出水，12-直立换热管底部集液池，13-圆筒形直立换热管布水器，14-外排浓缩水溶液，15-金属丝网，16-空气，17-布水器储水槽，18-倒锥形直立换热管布水器，19-环隙布水环路。

实施方式

实施例1

本实施例是冶金工业利用循环冷却水水膜蒸发冷却方法进行浓盐水浓缩的工艺应用例，如图1所示。在企业需要冷却的生产工艺冷却设备4中进行冷却过程中，循环冷却水冷水吸收热量产生循环冷却水热水8，并送入直立换热管1内；同时企业产生的需要浓缩的水溶液10，一般为浓盐水，由水泵送入圆筒形直立换热管布水器13，通过布水器使水溶液在金属丝网15的作用下沿直立换热管外壁面稳定向下流动。在直立换热管1内，循环冷却水热水8与换热管外的水溶液10进行换热，同时在直立换热管1外壁面空间通入空气16，并与水溶液10进行传热传质。在循环冷却水热水、水溶液与空气共同作用下，循环水热水8放出热量被冷却，产生一级循环水冷水7；水溶液吸收传递来的热量，其中的部分水分吸热蒸发，产生的蒸汽进入空气中，被空气携带从装置排出；水溶液中的水分蒸发后，产生浓缩液经直立换热管底部集液池12收集后的外排浓缩水溶液14送入后续的浓缩液蒸发结晶工序。

直立换热管上部布水与直立换热管外壁面在金属丝网15作用下形成水膜的情况如图2所示，水溶液进入圆筒形直立管布水器19的布水器储水槽17后，从环隙布水环路19流出沿直立换热管外壁向下流动，并在直立换热管外壁金属丝网15的作用下形成水膜，最后进入直立换热管底部集液池12。

结合循环冷却水冷却和浓盐水浓缩过程，实现了冷却过程节水、盐水浓缩过程节能。换热管采用直立光管简化了水膜布水结构与清洗结构，节省了装备投资，换热管外壁采用了一层或多层金属丝网强化了布膜效果，增大了传热效率，金属光管和金属丝网可拆卸的设计使结垢层更易清洗；水溶液在管壁外形成流动形成水膜，促进了蒸发过程，同时水膜表面与空气直接接触，进一步促进水膜水分蒸发，解决了循环冷却水作为热源温度较低的问题；水溶液中混入布水胶球，采用布水胶球水可有效减少直立换热管上的结垢。本发明综合实现了节水、节能，企业增效的目的。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是循环冷却水热水经过直立换热管进行一级冷却后，对一级循环水冷水再次进行二级冷却时，二级冷却过程采用与空气间接接触冷却的翅片式空气冷却，或与低温水间接接触的冷却方式。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是循环冷却水热水经过直立换热管1冷却后作为循环冷却水冷水直接返回生产工艺冷却设备4，对需要冷却水的工序进行冷却，不需对循环水进行二级冷却。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是掠过直立换热管的冷空气的引动方式为吸风塔，吸风塔适用于水溶液浓缩处理量较大，需要传热量大、风量大的场合，或者工厂已有建成的吸风塔，仅需略微改建即能利用的场合，如电力行业的凉水塔下部布置浓缩装置。

实施例5

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是布水器布水方式为环隙布水环路与溢流布水环路相结合的方式，如图3所示。布水器采用倒锥形直立换热管布水器18，小直径圈体外壳底部与直立换热管外壁之间设有布水环隙流路19，同时水流也可从其顶部溢出，沿圈体外壳外部面向下流动至直立换热管外壁，并沿直立换热管外壁向下流动形成水膜，与其管内流动的冷却水间接换热，并与空气接触蒸发浓缩；倒锥形直立换热管布水器外壁与水平面呈60～80°的任意夹角。

实施例6

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是直立换热管内的热源是高炉冲渣水，高炉冲渣水经过直立换热管1冷却后进入后序的水处理系统或再次用于冲渣。

Claims (3)

1.一种水溶液的浓缩方法，其特征是热源在换热管内流动，需要浓缩的水溶液在所述换热管外壁面流动，在所述换热管外壁面流动的水溶液与空气直接接触；换热管采用与水平面垂直的直立管，需要浓缩的水溶液从直立管上部沿直立管外壁面向下流动，形成水膜；在所述直立换热管外壁卷有金属丝网，该丝网与换热管外壁密切接触。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于所述直立换热管外壁卷有的金属丝网采用可拆卸方式固定在直立换热管外壁，直立换热管换热时，金属丝网固定在直立换热管外壁，丝网清洗时，将丝网拆下进行丝网清洗。

3.实现权利要求1所述水溶液的浓缩方法的装置，其特征在于所述装置至少由换热管、布水器、风机及外罩组成；所述换热管与水平面垂直设置形成直立换热管，直立换热管内流通循环冷却水，直立换热管外壁与需要浓缩的水溶液直接接触，在所述直立换热管外壁流动的水溶液与空气直接接触，所述布水器设置在直立换热管的上部，布水器为倒锥形布水器或圆筒形布水器的任意一种，倒锥形布水器至少包括圈体外壳、进水口，布水环路，所述圈体外壳为下部直径小于上部直径的倒锥形圈体，布水环路为环隙布水环路或/和溢流布水环路，环隙布水环路为圈体外壳与直立冷却管外壁之间留有一定宽度的环形缝隙作为水溶液向下流动的通道，水溶液从环形缝隙形成的环隙布水环路流出沿直立换热管外壁面向下流动，溢流布水环路是水溶液可从布水器圈体外壳上部溢流而出的溢流布水环路，水溶液从该溢流布水环路流出沿倒锥形圈体外壳的外壁面及直立换热管外壁面向下流动，所述倒锥形圈体外壳的外壁与水平面的夹角在60°～80°之间；

所述直立换热管外壁卷有金属丝网，该丝网与换热管外壁密切接触，金属丝网为一层或多层叠加组成。

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