CN204752259U - 一种基于液化天然气冷能的高脱盐率海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于液化天然气冷能的高脱盐率海水淡化装置，所述装置包括顺序连接的海水供应系统、海水冷冻及重力离心脱盐系统、以及淡水系统；还包括为海水冷冻供能的液化天然气气化系统和二次冷媒相变循环系统。该装置利用了液化天然气气化过程中释放的冷能，综合运用了冷冻脱盐、重力脱盐及离心脱盐技术，步骤简单、节能环保，可以在冷冻脱盐的基础上提高海水脱盐率。

Description

一种基于液化天然气冷能的高脱盐率海水淡化装置

技术领域

本实用新型涉及油气储运、工程热物理及水处理技术的交叉领域，具体涉及了一种基于液化天然气冷能的高脱盐率海水淡化装置。

背景技术

LNG(LiquefiedNaturalGas液化天然气)是常压、低温(-162℃)下的液态天然气，在进入管道输送、用作燃料或化工原料之前，需要通过气化器气化后使用，LNG气化时理论上会放出830kJ/kg冷能。进口LNG接收站一般建在海港附近，LNG气化释放的冷能通常直接排放到海水中，随着接收站规模的不断扩大，大量的冷能对附近海域的生态环境构成影响。若能将这部分冷能用于海水淡化，则有以下诸多好处：减轻LNG气化过程对码头附近海域生态环境的影响；降低冷冻法海水淡化的成本；具有节能、节水、减少碳排放、综合利用能源资源的意义。

冷冻法脱盐作为海水淡化的方法之一，冷源可以采用天然冷源和人工冷源，前者受地理气候条件所限，难以大规模工业化采用，后者需要消耗大量的能源(制冷过程往往需要消耗高品位的电能)。另外，更为关键的是单纯的冷冻法与膜法(如反渗透膜法)和热法(如低温多效蒸馏法等)相比，其脱盐率较低，因此未能成为主流的海水淡化方法。

随着天然气在我国一次能源消费结构中所占比重的大幅度提高，沿海地区进口LNG码头发展迅速，LNG气化所释放的巨大冷能可以为冷冻脱盐法提供不受气候条件限制的免费冷源，这为采用冷冻法进行大规模工业化的海水淡化提供了发展的机遇。

即便进口LNG接收站能够为采用冷冻法海水淡化提供低成本的冷源，仍然需要解决单纯的冷冻法脱盐率低的问题，否则要得到可供工农业生产和民用的淡水，后处理的成本很高。因此，在冷冻脱盐的基础上进一步降低盐浓度，同时不过多地增加成本和能耗，是实现利用LNG冷能进行海水淡化产业化需要解决的问题。

专利文献CN102583848A“基于液态天然气冷能的海水淡化系统及其方法”以及专利文献CN101628740A“利用液化天然气冷量的直接接触冷冻海水淡化方法”，均采用了二次冷媒与海水直接接触的制冰装置，虽然换热效率较高，但存在需要将二次冷媒与冰晶分离、冰晶洗涤以及单纯冷冻法脱盐率低的问题。

专利文献CN101624224A“利用液化天然气冷量的有相变间接冷冻海水淡化方法”以及专利文献CN101628741A“利用液化天然气冷量的无相变间接冷冻海水淡化方法”，虽然采用了二次冷媒与海水间接换热制冰的方法，不需要分离二次冷媒与冰，但仍然属于单纯的冷冻法海水脱盐技术，无法解决脱盐率低的问题。

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有技术中的缺陷，充分利用LNG气化过程所释放的大量冷能，采用冷冻法达到海水的初级脱盐，并在此基础上综合利用成本较低的重力脱盐及离心脱盐技术，经过二级和三级脱盐得到能够满足部分工农业生产或民用要求的淡水资源，最大限度地降低后处理的成本。

本实用新型的第二目的是提供一种基于液化天然气冷能的高脱盐率海水淡化装置。

所述装置包括顺序连接的海水供应系统、海水冷冻及重力离心脱盐系统、以及淡水系统。所述装置还包括为所述海水冷冻供能的液化天然气气化系统和二次冷媒相变循环系统。

所述海水冷冻及重力离心脱盐系统为本实用新型所述装置的核心，包括顺序连接的制冰机、冰水分离器、重力脱盐槽、碎冰机、以及过滤式离心脱盐装置。

所述制冰机内包含间接换热器；所述间接换热器的一侧为二次冷媒相变循环系统，另一侧为海水分布装置和机械除冰装置。所述间接换热器可以实现液态二次冷媒介质与海水之间的间接换热。

为了实现高效脱盐、精简处理步骤，本实用新型所述海水冷冻及重力离心脱盐系统内，用于运送冰的传送带均优选为可以使冰水自然分离的孔隙结构，使在运输冰的过程中融化得到极少量水分与冰直接分离。

所述液化天然气气化系统为所述海水冷冻提供能量。该系统包括二次冷媒冷凝器；所述二次冷媒冷凝器为高压耐低温间接式换热器，可采用板式、板翅式、管壳式等类型的换热器。

所述二次冷媒冷凝器的一侧为天然气相变系统；所述天然气相变系统的入口端与液化天然气接收站内的储罐相连，出口端与天然气输送管网连接。液化天然气经过加压后进入二次冷媒冷凝器，通过吸收气态二次冷媒的热量气化为气态天然气，输出至天然气输送管网。所述二次冷媒冷凝器的另一侧为二次冷媒相变循环系统。

所述二次冷媒相变循环系统为循环通路；在从二次冷媒冷凝器至间接换热器的阶段内，包含顺序相连的储液罐、二次冷媒泵和逆止阀。所述二次冷媒相变循环系统内含有循环相变的二次冷媒介质；液态的二次冷媒介质存储于储液罐内，经二次冷媒泵输入间接换热器的一侧，吸收海水中的热量后转变成气态，循环进入二次冷媒冷凝器，在其中将从海水中吸收的热量传递给液化天然气后转变成液态，如此循环；所述逆止阀可以防止气态的二次冷媒介质逆流至储液罐中。上述循环过程可以在制冰机和二次冷媒冷凝器之间通过连续进行的循环相变传递热量，实现了能源的充分利用。

在所述海水冷冻及重力离心脱盐系统的实际运行过程中，海水通过海水分布装置被均匀分布于间接换热器一侧的表面，吸收液态二次冷媒介质的冷量后降温，部分海水在换热器表面结冰，由于冷冻形成的冰含盐浓度低于原海水的盐浓度，因此冷冻结冰可作为初级脱盐工艺；冰与剩余的浓海水在冰水分离器中分离后，输送至重力脱盐槽，利用重力脱盐的原理，通过控制融化率，实现二级脱盐；经过二级脱盐后的冰输送至碎冰机，破碎使冰中包含的盐胞破裂；破碎后的冰晶颗粒输送至过滤式离心脱盐装置，利用离心力作用，通过控制离心速度和时间进一步分离纯度较高的冰晶颗粒与盐胞中的盐溶液，实现三级脱盐。上述三个级别的脱盐步骤和设备简单，且节省能源，大大提高了海水的脱盐率，生产的淡水可达到部分工农业生产及民用的要求。

所述淡水系统包括融冰槽。冰晶颗粒在融冰槽中完全融化后得到淡水，再通过管道输出至后处理系统或直接通过水泵及供水管网输出至用户。所述融冰槽内部设置海水预冷盘管，使海水在进入制冰机前与待融化的冰晶颗粒进行热交换，使海水预冷和融冰同时进行，实现了能源的充分利用。所述融冰槽内部还可以设置辅助加热盘管，当海水预冷盘管中待处理海水的热量不能满足融冰所需要的热量时，需要启动辅助加热盘管进行辅助加热；所述辅助加热盘管的热源应当优先采用太阳能等可再生能源、工业余/废热能或其他低品位热能。

所述海水供应系统的入口端分别与原海水入口、重力脱盐槽和过滤式离心脱盐装置相连。原海水在进入海水供应系统前可进行预处理；经过重力脱盐槽、过滤式离心脱盐装置、碎冰机及冰传送带分离出的盐水被回收至所述海水供应系统，与原海水混合后，实现资源的充分利用。

所述海水供应系统的出口端经过融冰槽内部的海水预冷盘管与制冰机内的海水分布装置相连。待处理海水从海水供应系统输出后，经过融冰槽内的海水预冷盘管，与融冰槽内待融化的冰晶粒实现热交换，可以使海水在进入制冰机前实现预冷，从而提高制冰机的出冰率，同时将热量用于将冰晶颗粒融化为淡水，实现了能源的充分利用。

本实用新型所述装置还包括浓海水回收系统。所述浓海水回收系统的入口与冰水分离器的出口相连，回收经过初步的冰冻脱盐后回收的浓海水。本实用新型所得到的浓海水经过浓海水回收系统回收处理后，可以进一步加工利用，如输送至制盐或盐化工厂。

利用本实用新型提供的装置，按照以下步骤即可进行海水淡化：

(1)取原始盐浓度为3～3.5％的海水；将液化天然气与气态二次冷媒充分进行间接换热，得到气态天然气和液态二次冷媒后，再将所述液态二次冷媒与所述海水充分进行间接换热，得到气态二次冷媒以及冰和浓海水；将冰水分离后，回收浓海水，冰备用；

(2)取步骤(1)所得冰，在常压下静置，使冰的融化率为10～50％，回收液体，剩余的冰备用；

(3)取步骤(2)所得剩余的冰，破碎至冰晶颗粒，在2000～8000rpm条件下离心，回收液体，冰晶颗粒备用；

(4)将步骤(3)所得冰晶颗粒完全融化，即可。

所述盐为氯化钠。所述海水的原始盐浓度为3～3.5％，优选为3％。

步骤(1)所述间接换热具体是指：参与热交换的液化天然气与气态二次冷媒、以及液态二次冷媒与海水在不直接接触的情况下进行的换热过程。本实用新型所述的间接换热应充分进行，并确保所交换的能量充分用于海水的冷却结冰过程。

所述二次冷媒选用稳定、无毒、工作压力下相变温度符合系统要求的单一介质或混合介质，优选为丙烷或R410a制冷剂，进一步优选为R410a制冷剂。

经过步骤(1)处理后，所得冰中的盐浓度优选为海水原始盐浓度的35～60％。

所述步骤(1)，在充分利用能源的基础上实现初步脱盐效果。

所述步骤(2)的原理为重力脱盐，在常压下进行。该步骤在冰可融化的温度条件下均可实施。本实用新型在经过步骤(1)处理的基础上，步骤(2)通过合理地控制重力脱盐过程中冰的融化程度进而间接控制脱盐率，同时确保技术方案节省能耗、易于实现。为了提高分离效率并节省能耗，本实用新型优选在静置的同时实现冰水的分离。

步骤(3)所述破碎后，冰晶颗粒的粒径应小于冰中所含盐胞的直径。充分的破碎可以使冰中所含的盐胞破碎，并通过过滤离心使盐与冰充分分离。为了实现最佳的离心除盐效果，所述离心优选为在3000～5000rpm条件下离心3～5min。为了提高分离效率并节省能耗，本实用新型优选在离心的同时实现冰水的分离。

本实用新型提供的方案利用LNG冷能作为初步冷冻脱盐的低成本冷源，在此基础上，以重力脱盐作为二级脱盐，以离心脱盐作为三级脱盐，并通过对各级脱盐操作的参数进行优化，实现了高脱盐率和降低工程成本、节省能耗、便于实施等因素的平衡，具有极强的工业推广价值。

本实用新型提供的技术方案具有以下几个方面的优点：

(1)利用LNG冷能淡化海水，节能减排：本实用新型中，液化天然气通过二次冷媒冷凝器吸收二次冷媒的热量，温度升高并气化，相变过程中释放出巨大的冷能；降温液化后的二次冷媒通过制冰机冷冻部分海水，为利用本工艺方法淡化海水提供低成本的冷源；采用本实用新型能够节省制冷所需的能耗，达到节能减排的效果；

(2)步骤简单，淡水品质高于一般冷冻法海水淡化得到的淡水：本实用新型针对单纯的冷冻法海水淡化脱盐率低的特点，以冷冻脱盐作为初级脱盐，在此基础上综合考虑降低工程成本并便于实施，以重力脱盐作为二级脱盐，以离心脱盐作为三级脱盐，经过三级脱盐大大提高了海水的脱盐率，生产的淡水可达到部分工农业生产及民用的要求；

(3)冷热互补，降低能耗：本实用新型中海水在进入制冰机前先通过融冰槽预冷，同时将部分高纯度冰融化为淡水，不仅节约了融冰所需要的热能，同时降低了制冰机内单位制冰量的需冷量；另外，回收并循环使用二级脱盐及三级脱盐过程中分离出的低温海水，也能起到节约预冷量、提高出冰率的作用；

(4)浓海水回收，资源化利用：本实用新型收集初级脱盐得到的高盐浓度海水，可用作制盐或盐化工业的原料，降低其海水浓缩的成本，实现海水淡化后浓海水的资源化利用。

附图说明

图1是本实用新型所述的基于液化天然气冷能的海水淡化装置的示意图；图中：1--二次冷媒冷凝器；2--制冰机；3--冰水分离器；4--重力脱盐槽；5--碎冰机；6--过滤式离心脱盐装置；7--融冰槽；8--海水预冷盘管；9--海水供应系统；10--浓海水回收系统；11--海水分布装置；12--储液罐；13--二次冷媒泵；14--逆止阀；15--辅助加热盘管。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1

一种基于液化天然气冷能的高脱盐率海水淡化装置(如图1所示)，该装置包括顺序连接的海水供应系统9、海水冷冻及重力离心脱盐系统、以及淡水系统；该装置还包括为海水冷冻供能的液化天然气气化系统和二次冷媒相变循环系统；

所述海水冷冻及重力离心脱盐系统包括顺序连接的制冰机2、冰水分离器3、重力脱盐槽4、碎冰机5、以及过滤式离心脱盐装置6；

所述制冰机2内包含间接换热器；所述间接换热器的一侧为二次冷媒循环系统，另一侧为海水分布装置11和机械除冰装置；

所述液化天然气气化系统包括二次冷媒冷凝器1；所述二次冷媒冷凝器1为板式结构，其一侧为天然气相变系统，另一侧为二次冷媒相变循环系统；所述天然气相变系统的入口端与液化天然气接收站内的储罐相连，出口端与天然气输送管网连接；

所述二次冷媒相变循环系统为循环通路，在从二次冷媒冷凝器至间接换热器的阶段内包含顺序相连的储液罐12、二次冷媒泵13和逆止阀14；

所述淡水系统包括融冰槽7；所述融冰槽7的内部设有海水预冷盘管8和辅助加热盘管15；

所述海水供应系统9的入口端分别与原海水入口、重力脱盐槽4和过滤式离心脱盐装置6相连，出口端经过融冰槽7内部的海水预冷盘管8与所述海水分布装置11相连；

该装置还包括浓海水回收系统10；所述浓海水回收系统10的入口与冰水分离器3的出口相连；所述浓海水回收系统10的出口将浓海水输出后进行回收利用。

实施例2

利用实施例1提供的装置，按照以下步骤进行海水淡化：

(1)取原始盐浓度为3％的海水；将液化天然气与气态R410a充分进行间接换热，得到气态天然气和液态R410a后，再将所述液态R410a与所述海水充分进行间接换热，得到气态R410a以及冰和浓海水；冰水分离后，回收浓海水，冰备用；

所述冰中盐的浓度为海水原始盐浓度的39％；

(2)取步骤(1)所得冰，在常压下静置，使冰的融化率为49％，静置的同时使冰水分离；回收液体，剩余的冰备用；

(3)取步骤(2)所得剩余的冰，破碎至冰晶颗粒，在3000rpm条件下离心4min，离心的同时使冰水分离；回收液体，冰晶颗粒备用；

(4)将步骤(3)所得冰晶颗粒完全融化，即可。

经本实施例处理后，海水的脱盐率为99.17％；处理后所得水的质量为步骤(1)所得冰质量的7.54％。

实施例3

利用实施例1提供的装置，按照以下步骤进行海水淡化：

(1)取原始盐浓度为3％的海水；将液化天然气与气态R410a充分进行间接换热，得到气态天然气和液态R410a后，再将所述液态R410a与所述海水充分进行间接换热，得到气态R410a以及冰和浓海水；冰水分离后，回收浓海水，冰备用；

所述冰中盐的浓度为海水原始盐浓度的60％；

(2)取步骤(1)所得冰，在常压下静置，使冰的融化率为39.5％，静置的同时使冰水分离；回收液体，剩余的冰备用；

(3)取步骤(2)所得剩余的冰，破碎至冰晶颗粒，在5000rpm条件下离心4min，离心的同时使冰水分离；回收液体，冰晶颗粒备用；

(4)将步骤(3)所得冰晶颗粒完全融化，即可。

经本实施例处理后，海水的脱盐率为96.8％；处理后所得水的质量为步骤(1)所得冰质量的35.8％。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于液化天然气冷能的高脱盐率海水淡化装置，其特征在于，所述装置包括顺序连接的海水供应系统、海水冷冻及重力离心脱盐系统、以及淡水系统；

所述海水冷冻及重力离心脱盐系统包括顺序连接的制冰机、冰水分离器、重力脱盐槽、碎冰机、以及过滤式离心脱盐装置；

所述淡水系统包括融冰槽；

所述装置还包括为海水冷冻供能的液化天然气气化系统和二次冷媒相变循环系统；所述二次冷媒相变循环系统位于液化天然气气化系统与制冰机之间。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述制冰机内包含间接换热器，所述间接换热器的一侧为二次冷媒相变循环系统，另一侧为海水分布装置和机械除冰装置。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述液化天然气气化系统包括二次冷媒冷凝器；

所述二次冷媒冷凝器的一侧为天然气相变系统，另一侧为二次冷媒相变循环系统；所述天然气相变系统的入口端与液化天然气接收站内的储罐相连，出口端与天然气输送管网连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述二次冷媒相变循环系统为位于所述二次冷媒冷凝器与间接换热器之间的循环通路，在从二次冷媒冷凝器至间接换热器的阶段内包含顺序相连的储液罐、二次冷媒泵和逆止阀。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述海水供应系统的入口端分别与原海水入口、重力脱盐槽和过滤式离心脱盐装置相连，出口端与海水分布装置相连。

6.根据权利要求2或5所述的装置，其特征在于，所述融冰槽内部包含海水预冷盘管；

所述海水供应系统的出口端经过融冰槽内部包含的海水预冷盘管与海水分布装置相连。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述融冰槽内部还包含辅助加热盘管。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述海水冷冻及重力离心脱盐系统内，用于运送冰的传送带为使冰水自然分离的孔隙结构。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括浓海水回收系统；所述浓海水回收系统的入口与冰水分离器的出口相连。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述浓海水回收系统的出口通往制盐厂或盐化工厂。