CN1760137A - 一种循环冷却水系统清洁生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出适用于工业和民用循环冷却水系统的清洁生产方法：在系统中设置膜蒸馏器；循环冷却水补水与低温循环水一起构成低温冷却水，并通过系统中的热交换器成为高温冷却水；从高温冷却水中分流一定量给入膜蒸馏器，利用废热通过膜蒸馏器生产纯水并获得浓缩的排污水，所生产纯水返回循环冷却系统的冷却装置如冷却塔中；其余高温冷却水最终给入系统中的冷却装置如冷却塔，冷却装置的出水与循环冷却水补水一起构成低温冷却水；本发明同时提供了主要的优化及控制方法。通过本发明可以取得的技术进步包括：循环冷却水与循环冷却水排污的浓缩倍数相互独立可调、循环冷却水无须采取阻垢措施特别是无须投加阻垢剂、减少排污及节约取水。

Description

一种循环冷却水系统清洁生产方法

一、技术领域

本发明属于工业和民用循环冷却水系统清洁生产技术领域和水处理技术领域，特别涉及一种利用疏水性微孔膜实现循环冷却水系统自发排污并且无须阻垢剂或极少使用阻垢剂运行的清洁生产方法及其水处理工艺。

二、背景技术

在工业和民用中有大量取水被用作冷却水。工业冷却水约占工业总取水的一半以上。冷却过程主要是利用水热容量高的物理性质，经过冷却换热后，水的温度通常要升至50～70℃。在冷却系统，为节约水资源，国内外普遍实行冷却水循环使用。循环冷却水系统的流量很高，通常是取水的3～4倍以上。在冷却水循环使用过程中，由于蒸发、风吹等原因导致系统中水量损失和水质下降。循环冷却水水质下降可以分为两种情况。其一是悬浮污染物增加。循环冷却水中的悬浮污染物主要有下列来源：(1)补充水中携带的悬浮污染物，包括水中原有溶解性污染物因水的物理化学状态的变化转变而成的悬浮污染物；(2)来自空气和被冷却器件上的污物如灰尘、碎屑、飞虫、油污等；(3)循环冷却水系统中孳生的微生物物质如细菌、藻类等。其二是溶解性污染物质浓度的增加，主要是溶解性固体物质浓度的增加。这主要是因蒸发失去的水几乎是纯水，水中原有的溶解性固体依然停留在系统中，而新补入的水通常都含有一定浓度的溶解性固体，这意味着循环冷却水系统中的溶解性固体浓度有不断增加的趋势。为了维持系统中水质水量的稳定，必须通过一定的手段(如水处理或排污)予以控制。对于悬浮污染物的控制比较容易，目前已经发展出各种成熟的工艺，如通过从系统中引出部分循环水进行混凝—沉淀(气浮)—过滤—杀菌消毒等常规处理即能有效控制。对于溶解性无机盐类物质浓度的增加并没有合适的处理手段。目前在实际水处理中，对于水中溶解性盐类物质的去除方法主要是反渗透、纳滤、电渗析、离子交换等工艺，这是目前工业供水和民用供水的主要脱盐手段。但这些手段通常都需要较大的投资和运行成本，仅在特殊场合如工业脱盐水生产、海水淡化制饮用水等中采用，对于大规模的循环冷却水处理而言几乎没有实际应用价值。因此，在循环冷却水方面为了控制溶解性固体的浓度几乎都是依赖排污，即不断从系统中排出一定量的水(即排污)以排出多余的溶解性固体物质。排污越多，需要补充的水越多。为了减少排污，必须提高排污中的溶解性固体浓度。目前，工业循环冷却水排污的方法是直接从系统中排出一定的水量，因此提高排污的浓度实际上意味着需要提高系统中所有循环水的浓度，在专业上称之为提高冷却循环水浓缩倍数。这是目前循环冷却水系统浓缩运行的基本原理，也是通行的工业和民用冷却水系统的运行方法。随着浓缩倍数的增加，水中一些溶解度较小的盐类物质在被冷却器件和管道中结晶沉淀的趋势增加，这就是结垢。结垢的危害非常大，因此提高循环冷却水浓缩倍数并防止结垢是目前工业循环冷却水运行中所要解决的最关键问题，所依赖的手段是各种阻垢方法，其中尤以投加大量阻垢剂为主。阻垢剂是工业水处理中最大宗的水处理药剂，构成了循环冷却水运行的主要费用(除取水成本外)。对阻垢剂的依赖一方面增加了运行成本，另一方面目前绝大多数阻垢剂都是环境污染物质，势必增加循环冷却水排污对环境的污染。

从上面的简要论述可以看出：(1)排出溶解性固体污染物、防止结垢是循环冷却水排污的主要任务；(2)目前循环冷却水系统的排污方法主要是从系统中排出部分循环冷却水作为排污水，减少排污水量主要依靠提高循环冷却水浓缩倍数；(3)目前循环冷却水系统浓缩运行的排污方法必然导致对阻垢剂的依赖和对环境的污染，是一种相对而言不清洁的生产方法。为此，本发明的目标是提出一种更清洁、更经济的循环冷却水运行方法。本发明中将利用膜蒸馏法实现循环冷却水自发排污(以溶解性固体为主)、不向或极少向循环冷却水中投加阻垢剂的清洁生产方法及其相关技术。

膜蒸馏，又称为低温膜蒸馏，是一种采用疏水微孔膜、以膜两侧的蒸汽压力差为驱动力的膜分离过程。当不同温度的水溶液被疏水膜分隔的时候，由于膜的疏水性，两侧的水溶液均不能通过膜进入另一侧。但由于高温侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于低温侧，水蒸汽会从高温侧透过膜孔进入低温侧并冷凝成为渗出水，这种通过蒸馏的原理获得的渗出水是一种品质很好的纯水；浓水则留在高温侧成为渗余水。膜蒸馏过程无须将溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程就能够进行，因此又被称为低温膜蒸馏。

膜蒸馏最初是为大规模海水脱盐而提出，早在上世纪60年代就开始了较系统的研究。与同为膜法的反渗透工艺相比，膜蒸馏的优点非常显著：(1)膜蒸馏的过程几乎在常压下进行，设备简单，操作方便；(2)在非挥发性水溶液的膜蒸馏过程中，由于仅有水蒸气能透过膜孔，因此蒸馏液十分纯净；(3)可以处理极高浓度的含盐水，甚至可以将溶液浓缩到过饱和状态而成为所谓的膜蒸馏结晶技术，因此膜蒸馏的产水率可以远高于反渗透。但膜蒸馏的缺点也同样显著：由于膜蒸馏是一个相变的过程，汽化潜热降低了热能利用效率，使膜蒸馏成为一种高耗能的过程。因此数十年来，膜蒸馏领域所进行的研究开发主要集中在：(1)降低膜蒸馏过程能耗、提高膜蒸馏装置的性能、降低膜蒸馏装置的成本，如中国专利申请03120257.8、02160555.6、98809445.2、88209756.3、98809445.2，荷兰专利申请NL1012167、美国专利4545862、英国专利申请GB1225254A、德国专利申请3123409、欧洲专利申请0164326、国际专利申请WO8607585A等的记载；(2)开发适合膜蒸馏工艺应用的领域，如中国专利申请02138636.6、01106877.9、01801127.6、93104942.3。但客观地说，由于膜蒸馏与其它脱盐方法如反渗透相比在运行成本上并无优势，因此至今并未获得真正意义上的大规模商用。在发明人所知范围内，目前在国内外均未有将膜蒸馏工艺应用到循环冷却水清洁生产的发明创造。关于膜蒸馏技术的应用和研究进展，可以参考相关文献(1.膜蒸馏技术的回顾与展望，《天津城市建设学院学报》第9卷第2期pp100～110；2.膜蒸馏技术及其应用研究进展，《膜科学与技术》第23卷第4期pp67～92)。

“一种循环冷却水的处理方法”(公开号：CN1448342)提出在循环冷却水系统中设置旁路净化线，其中采用反渗透作为主要排污手段。另有“一种工业循环冷却水的旁流处理方法”(公开号CN1522974A)与前一公开发明相似，只不过提出以离子交换作为主要的循环冷却水排污手段。无论是离子交换还是反渗透，其排污的成本都比较高，而且工艺和装置复杂，几乎不可能在大规模循环冷却水系统中应用。

三、发明内容

本发明的主要目的是提供一种更清洁的工业循环冷却水运行方法及其相关水处理工艺。

本发明提供的工业循环冷却水清洁运行方法是：以疏水性微孔膜为隔离循环冷却水与循环冷却排污水的手段，将经过冷却作业的高温(通常为50～70℃)循环水给入上述疏水性微孔膜的一侧，并使疏水性微孔膜的另一侧维持适当的低温或低压；以高温循环水自身携带的废热资源为主要驱动力，使循环水自发浓缩成为系统的排污水；根据给排水成本、所用膜的生产能力以及操作运行的需要，控制排污水的浓缩倍数，达到减少排放水量的目标；根据用于冷却的循环水在不加或极少加阻垢剂而不会在被冷却器件及系统器壁上结垢的具体要求，通过控制溶解性固体的总排出量，控制循环冷却水的浓缩倍数，该浓缩倍数可以为＜1、＝1或＞1；达成削减取水和排水量、消除或大幅削减阻垢剂使用，实现总体更经济和更清洁的循环冷却水系统运行目标。设循环冷却水最佳控制浓缩倍数为K₁、通过疏水微孔膜排放的排污水最佳浓缩倍数为K₂，系统的总蒸发损失水量为E，忽略风吹损失水量和漏损水量，则引入膜一侧的循环水量F为：

F＝K₂E/K₁(K₂-1)                                 (1)

经过自发浓缩排放的排污水量B为：

B＝E/(K₂-1)                                        (2)

(注：本发明所说的“自发浓缩”包含两层含义。一是从热力学原理的角度，该过程是一个自由能降低的过程，可以在无输入功的条件下自发进行。二是从工业生产的角度，由于被处理水本身含有大量废热，对膜蒸馏过程而言，无须对被处理的水进行加热。从上述两个角度，本发明的方法都无需耗能，但这并不意味着不需要为系统的运行提供动力如水泵消耗的电能等)。

本发明提出的循环冷却水自发排污(溶解性固体)水处理工艺是：由基本工艺组合与膜蒸馏工艺单元组成；根据去除循环冷却水中的悬浮固体污染物和杀菌消毒的需要确定基本工艺组合，优选采用混凝—沉淀(或气浮)—过滤—消毒，但也可以选择具有相同作用的其它工艺组合；使高温循环冷却水首先通过基本工艺组合进行处理，处理后的出水按照公式(1)计算的量F给入膜蒸馏工艺单元，多余部分与其它高温循环水一起给入冷却塔或类似装置，不足部分则直接从高温循环水中取水补足；膜蒸馏工艺单元优选布置在冷却塔内或冷水池中，但也可以布置在其它位置；膜蒸馏单元的渗出蒸汽经冷却塔或冷水冷凝后进入冷水池，膜蒸馏单元的渗余水作为溶解性固体排污水，可单独排放也可与其它排污混合排放。

结合实施例，对本发明的水处理工艺进行说明。在实施例附图中以粗直线(框)表示各种装置和工艺单元(组合)，其中点线表示疏水性微孔滤膜；以细直线表示循环冷却水，其上的箭头表示循环冷却水的流动方向；以双线表示排污，其中虚双线表示含浓缩溶解性固体的排污；细的自由曲线是标注线；图中的数字或文字是标注。

实施例一如附图1所示：

将一部分循环冷却水引入一个水处理工艺路线，引入水处理工艺路线的循环水既可以全部来自冷却作业3后高温循环水4，也可以部分来自冷水池5的低温循环水；该水处理工艺路线包含基本工艺组合21和膜蒸馏排盐工艺单元22；以去除悬浮污染物为主要目标的基本工艺组合21优选常规的混凝—沉淀(气浮)—过滤—杀菌消毒组合工艺，也可以是其它具有去除悬浮污染物和杀菌消毒功能的水处理工艺组合；膜蒸馏排盐工艺单元22是本发明的水处理工艺路线的核心；使一部分高温循环水221流入膜蒸馏工艺单元22，经膜蒸馏处理后，将渗余水222作为溶解性固体排污水，渗余水222可以单独排放，也可以与基本工艺组合21的排污水212混合在一起作为总排污水7；膜蒸馏工艺单元的馏出蒸汽223经冷凝后进入冷水池5；流入膜蒸馏工艺单元22的高温循环水221优选为经过上述基本工艺组合21处理后的产水211的一部分或全部(如果基本工艺组合21的进水来自高温循环水4)，也可以全部是或一部分是直接引自升温后的循环水4；本发明中的膜蒸馏工艺单元22，其中包含疏水性微孔滤膜220，但不仅限于此；本发明中的疏水性微孔滤膜220，在材料上可以是由PTFE、PVDF、PE、PP或类似材料制成的商品膜，也可以使用如聚醚砜、聚砜、聚丙稀腈、聚酰胺等制成的所谓非对称性微孔过滤膜；本发明中优选地，例如通过涂敷涂层或其它方法对用作微孔滤膜220的膜材料进行表面改性，将这些膜材料表面的全部或部分进行疏水性处理；本发明中的疏水性微孔滤膜，在形状上优选中空纤维膜或管式膜，但也可以采用平板膜、卷式膜或类似形状膜；本发明中的膜蒸馏工艺单元22，其在工艺布置上优选布置在循环冷却水系统的冷却塔6之内或冷水池5之中，也可以布置在其它低温冷却水位置上或单独冷却的系统之中。

实施例二是实施例一的一种变例，是在实施一的基础上将膜蒸馏单元分为串连的若干段，前段膜蒸馏的渗余液作为下段膜蒸馏的进水。在段与段之间设置热交换器，以高温循环水为热源，使前段膜蒸馏单元的渗余液再次升温，以提高最终排污的浓缩倍数。具体的实施方法如图2所示：

图2中与图1中相同编号具有相同意义，在图2中膜蒸馏工艺单元包括两个串联的单元段，在两个单元段之间设置热交换器23。自上而下，高温循环水经过第一段膜蒸馏工艺单元后渗余液进入热交换器23，经过热净化器23加热后再进入第二个膜蒸馏工艺单元，第二个膜蒸馏工艺单元的渗余液作为最终排污222。高温循环水热交换器23加热第一段膜蒸馏单元后流出并进入循环冷却水冷却装置。再热交换器23中，第一膜蒸馏单元段的渗余液与加热用循环冷却水相互隔离，仅发生热的交换。

膜蒸馏工艺单元段的数目可以设置为多段，图2中仅表示出两个膜蒸馏工艺单元段。

本发明利用循环冷却水所含的废热克服了膜蒸馏工艺的主要缺点，而应用膜蒸馏工艺的主要优点来克服现有循环冷却水系统运行方法的固有弊病，从而构造一种新型的循环冷却水系统运行方法。对于以水为冷却介质的工业企业而言，由于循环冷却水在使用后本身即携带了大量废热(高于环境温度)，因此利用膜蒸馏法排出系统中非挥发性固体污染物，膜蒸馏方法的优势就显露无遗。膜蒸馏脱盐工艺中高温侧的最佳工作温度为50～70℃，恰巧是冷却器件后高温循环水的温度范围。由于膜将生产中的循环冷却水与循环冷却水排污隔离开来，因此可以使得无须根据排污的需要来设定循环冷却水浓度，反之循环冷却水排污的浓度也不再依赖循环冷却水浓度。理论上，只要通过膜蒸馏装置排出足够的非挥发性固体，则循环冷却水浓度可与补水浓度相近甚至低于补水浓度，循环水排污的浓度也可以任意提高直至将水中的盐结晶为固体排出。因此，通过本发明预期可取得下列主要成果：

(1)可以仅根据阻垢的需要设定循环冷却水浓缩倍数，取消或者大幅减少阻垢剂的使用，这不仅可以减少药剂消耗，而且环保意义十分显著。

(2)可以仅根据排污的需要设定排污的浓缩倍数，减少排污水量，节约用水。

Claims (10)

1.一种循环冷却水系统的清洁生产方法，其包括：

——使循环冷却水浓缩倍数和排污水浓缩倍数相互独立，

——使循环水自发浓缩成为系统的排污水，

——控制排污水的浓缩倍数减少排放和取水水量，

——控制循环冷却水的浓缩倍数，

其特征在于：通过疏水性微孔膜使循环冷却水和排污水相互隔离，将一定量F的高温循环水给入疏水性微孔膜的一侧，通过高温循环水自身携带的废热驱使水蒸汽自发透过疏水性微孔膜进入其另一侧经冷凝后冷凝回到系统中，并使高温循环水浓缩成为排污水，控制给入疏水性微孔膜一侧的高温循环水的量，使循环冷却水无须投加或极少投加阻垢剂而不会发生结垢，

优选地，对给入疏水性微孔膜一侧的高温循环水进行前处理以去除其中的悬浮污染物并杀菌消毒。

2.如权利要求1所说的一定量F，其特征在于：设循环冷却水浓缩倍数为K₁、排污水浓缩倍数为K₂、系统中的蒸发量为E并忽略系统中的漏损水量和风吹损失水量，其量F≈(K₂E)/[K₁(K₂-1)]。

3.如权利要求1所说的高温循环水，其特征是：优选在给入疏水性微孔膜之前进行包括混凝-沉淀(气浮)-过滤-消毒在内的预处理，预处理也可以是其它类似的工艺组合，目的是去除水中的悬浮污染物以及杀菌消毒。

4.一种循环冷却水处理工艺，用于排除循环冷却水系统包括溶解性固体在内的污染物，其特征在于：由基本工艺组合与膜蒸馏工艺单元组成，

进入膜蒸馏工艺单元的水一定是在对被冷却器件进行冷却作业后的高温循环水，

优选高温循环水在进入膜蒸馏单元前通过基本工艺组合进行前处理以去除其中的悬浮污染物并杀菌消毒，通过基本工艺组合处理的水量可以大于或等于给入膜蒸馏单元的水量，

如通过基本工艺组合处理的水量大于给入膜蒸馏工艺单元的水量，所多出的水量直接进入循环冷却系统的冷却塔或类似装置，基本工艺组合产生的排污水和膜蒸馏工艺单元高温测产生的渗余水排出循环冷却水系统。

5.如权利要求4所说基本工艺组合，其特征是：优选混凝-沉淀(气浮)-过滤-杀菌消毒，但也可以是其它类似具有去除悬浮污染物功能的水处理工艺。

6.如权利要求4所说的膜蒸馏工艺单元，其特征是：包含疏水性微孔滤膜，

在材料上可以是由PTFE、PVDF、PE、PP或类似材料制成的商品膜，也可以使用如聚醚砜、聚砜、聚丙稀腈、聚酰胺等制成的所谓非对称性微孔过滤膜，优选地(例如通过涂敷涂层或其它方法)对用作微孔滤膜的膜材料进行表面改性，将这些膜材料表面的全部或部分进行疏水性处理，

在形状上优选中空纤维膜或管式膜，但也可以采用平板膜、卷式膜或类似形状膜。

7.如权利要求4所说的膜蒸馏工艺单元，其特征是：在进行工艺布置时优选地，布置在循环冷却水系统的冷却塔内，或布置在循环冷却系统的冷水池内。

8.如权利要求4所说的膜蒸馏工艺单元，其特征是：水蒸汽自高温侧透过如权利要求6所说的疏水性微孔滤膜后，经冷凝并返回循环冷却水系统。

9.如权利要求4所说的膜蒸馏工艺单元，其特征是：可以分为相互串联的2段或多端，前一膜蒸馏段的渗余液作为下一段膜蒸馏的进水，段与段之间设置热交换器，并以高温循环水作为热源加热前端膜蒸馏段的渗余液，最末端膜蒸馏段的渗余液作为最终排污。

10.如权利要求8所说的水蒸气，其特征是：当膜蒸馏工艺单元布置在循环冷却水系统的冷却塔或冷水池中时无须专门收集。

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