DE102008004107A1

DE102008004107A1 - Verfahren und Anlage zur Entsalzung von Salzwasser unter Verwendung von MSF-Entsalzungseinheiten mit einem Dampfumlaufsystem

Info

Publication number: DE102008004107A1
Application number: DE102008004107A
Authority: DE
Inventors: Aldo Dr.-Ing. Massarani
Original assignee: Babcock Borsig Service GmbH
Current assignee: Babcock Borsig Service GmbH
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2009-07-16
Also published as: JP2011509182A; EP2229229B1; EP2229229A1; JP5570433B2; WO2009087235A1; MA32067B1; TN2010000282A1; KR20100109552A

Abstract

Um die Leistungen von bestehenden Entsalzungseinheiten zu erhöhen bezüglich der Wasserproduktion oder Anlagenkapazität, des Verhältnisses der gewonnenen Ausbeute (G. O. R.) der Entsalzungsanlage oder des Prozesswirkungsgrades und der Qualität des Destillatwassers, sind ein Verfahren und eine Anlage zur Entsalzung von Salzwasser unter Verwendung eines Wärmezufuhrabschnitts mit einem Soleerhitzer (1), eines Wärmerückgewinnungsabschnitts von Mehrstufen-Entspannungs(MSF)-Destillationseinheiten (2) vorgesehen, wobei eine Entsalzungszone einen Wärmerückgewinnungsabschnitt (3) und einen Wärmeabführungs (4) -Abschnitt zum Kondensieren der Sole und Gewinnen des Destillats umfasst und wobei eine Entsalzungszone einen Wärmerückgewinnungsabschnitt (3) und einen Wärmeabführungs (4) -Abschnitt zum Kondensieren der Sole und Gewinnen des Destillats umfasst, gekennzeichnet durch Bereitstellen wenigstens einer Dampfumlaufleitung (22) von wenigstens einer Stufe des Abführungsabschnitts (4) und/oder des Wärmerückgewinnungsabschnitts (3) für den erzeugten Dampf zu einem Abschnitt oder einer Stufe, die in Bezug auf den Entspannungssolefluss vorgelagert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entsalzung von Salzwasser unter Verwendung eines Wärmezufuhrabschnitts mit einem Soleerhitzer, der durch Heizdampf angetrieben wird, eines Wärmerückgewinnungsabschnitts von Mehrstufen-Entspannungsoder MSF-Destillationseinheiten (MSF für engl. multi-stage flash), eines Wärmeabführungsabschnittes und einer optionalen Entlüftungseinrichtung, sowie eine Anlage zur Entsalzung von Salzwasser mit wenigstens einem Soleerhitzer und einer Entsalzungszone von Mehrstufen-Entspannungs- oder MSF-Destillationseinheiten.
Die Anlage kann auch eine Entlüftungseinrichtung umfassen. Das vorgeheizte Salzwasser wird als eine Umlaufsole in den Wärmerückgewinnungsabschnitt gepumpt, wo die Sole innerhalb des Rohrbündels durch die Kondensation des Dampfes, der innerhalb des Verdampfergehäuses erzeugt wird, stufenweise erhitzt wird. Der kondensierte Dampf wird als ein Destillatstrom gesammelt und zu nachgelagerten Anlagen/Verbrauchern gepumpt.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung MSF-Entsalzungsanlagen. Diese Anlagen basieren auf einem Wärmeprozess, der zwischen zwei verschiedenen Temperaturen arbeitet: der Soletemperaturobergrenze (die aufgrund von Ablagerungsproblemen normalerweise nicht auf über 110 bis 115°C erhöht werden darf) und der Umgebungstemperatur, welche im Allgemeinen die Meerwassertemperatur ist.
Von einem schematischen Gesichtspunkt kann ein MSF-Entsalzungsprozess unter Bezugnahme auf 2 kurz beschrieben werden, wobei drei Abschnitte unterschieden werden können:

– Der Wärmezufuhrabschnitt oder „Soleerhitzer", in welchem die Wärme dem Prozess durch den Heizdampf zugeführt wird, der von einem Dampfkessel oder einer anderen Wärmeanlage kommt.
– Der Wärmerückgewinnungsabschnitt, in welchem die Wärme völlig prozessintern vom Entspannungssolestrom in die Umlaufsole innerhalb des Rohrbündels übergeht.
– Der Wärmeabführungsabschnitt, in welchem die Wärme zwischen den Prozessströmen und dem Kühlstrom frischen Meerwassers ausgetauscht wird. Infolge der niedrigen Temperaturen dieses Teils der Anlage gehen die größeren Mengen von Wärmeenergie an das Meerwasser verloren, und nur eine geringe Menge wird für den Prozess mit dem Zusatzfluss zurückgewonnen.

Sowohl der Wärmerückgewinnungs- als auch der Wärmeabführungsabschnitt umfassen mehrere Verdampfungsstufen. In jeder Stufe wird die Entspannungssole in der Verdampfungskammer verspritzt, in der sie einen Teil ihrer Wärmeenergie abgibt, um reinen Dampf zu erzeugen. Der erzeugte Dampf erreicht die Kondensationszone der Stufe und gibt während der Kondensation seine Wärmeenergie an die Umlaufsole (Wärmerückgewinnungsabschnitt) oder den Meerwasserkühlstrom (Wärmeabführungsabschnitt) ab.
In FR-PS 15 79 110 werden verschiedene Typen von Dampfkompressionsanlagen (VC): ME (ME = Multi-Effekt)- oder MSF (Mehrstufen-Entspannungs-)-Typ, beschrieben, die in beiden Fällen nachgelagert eine Zusatzvorheizung aufweisen, die durch eine MSF-Anlage realisiert wird. In 1 dieses Dokuments ist eine Dampfkompressionsanlage (ME-Typ) dargestellt, die bei den höheren Prozesstemperaturen arbeitet. Der Zusatzstrom wird durch eine MSF-Anlage unter Verwendung des Wärmegehalts im Salzwasser und im Destillatwasser vorgeheizt und verlässt den zuvor erwähnten Teil der Anlage. Ähnlich stellt 2 eine Dampfkompressionsanlage (MSF-Typ) dar, die bei den höheren Prozesstemperaturen arbeitet. Die Zusatzvorheizung wird durch eine MSF-Anlage erreicht. Die anderen Ausführungsformen zeigen, wie eine Gegendruckdampfturbine verwendet werden kann, um zusätzliches Wasser zu produzieren (der Abdampf speist den Soleerhitzer einer zusätzlichen MSF-Anlage) und gleichzeitig den Kompressor der bereits beschriebenen Anlagen anzutreiben.
DE-OS 15 17 493 betrifft einen „Dampfkompressorzyklus", der auf eine MSF-Anlage angewendet wird (diese Kombination ist auch als kombinierter Entsalzungszyklus oder Hybridsystemzyklus bekannt). Der Kompressor ist ein mechanischer Kompressor oder Hubkolbenverdichter, der durch eine Dampfturbine betätigt wird. Der Turbinen- und der Kompressordampf werden in den Soleerhitzer abgeleitet.
Aus US-PS 3,396,086 ist eine Dampfwascheinrichtung bekannt, die es ermöglicht, die Probleme infolge der Ablagerungsbildung innerhalb des mechanischen Kompressors einer Dampfkompressionsentsalzungseinheit zu minimieren und zu lösen, die auch eine Vorheizeinrichtung für Mehrstufen-Entspannungssole umfasst.
US-PS 2,759,882 zeigt eine kombinierte Entsalzungszyklus-VC (Dampfkompression nach engl. vapor compression), und eine MSF (mehrstufige Entspannung nach engl. multi-stage flash) ermöglicht es, die Leistungen eines VC-Prozesses („Entspannungs-” oder „Tauchrohrtyp") mithilfe eines kombinierten Zyklus, der eine MSF-Anlage umfasst, zu verbessern. Die MSF-Anlage hat den Zweck, die Sole für den VC-Prozess vorzuheizen und die Wärme aus der Soleniederblasung und aus Destillatströmen zurückzugewinnen. Daher sind für einen reinen VC-Prozess ein Destillatkühler und ein Niederblaskühler erforderlich. Der bekannte Luftejektor, der in 1 dargestellt ist, ist in allen modernen MSF-Einheiten nach wie vor vorhanden und hat den Zweck, die nichtkondensierbaren Gase aus der Anlage zu entfernen.
In GB-PS 1 143 392 ist ein kombinierter Leistungs- und Entsalzungs(MSF)-Zyklus dargestellt. In diesem MSF-Prozess haben die Stufen höherer Temperatur eine höhere Produktion als die Stufen niedriger Temperatur. Die erste Hälfte des Prozesses produziert um 30% mehr als der zweite Teil. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, den Dampf, der vom zweiten MSF-Teil erzeugt wird, zur Energieerzeugung zu verwenden. Alternativ kann diese Energie für einen Turbokompressor verwendet werden, der es ermöglicht, den Dampf zum Soleerhitzer zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung betrifft geringfügige Modifikationen, die an den bestehenden Entsalzungseinheiten vorzunehmen sind, um das Leistungsverhältnis und das Verhältnis der gewonnenen Ausbeute G. O. R. (Gain Output Ratio) der Anlage zu erhöhen.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Leistungen von bestehenden Entsalzungseinheiten zu erhöhen bezüglich:

– der Wasserproduktion oder Anlagenkapazität,
– des Verhältnisses der gewonnnen Ausbeute (G. O. R.) der Entsalzungsanlage oder Prozesswirkungsgrades und
– der Qualität des Destillatwassers.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen gelöst, die im Oberbegriff von Anspruch 1 spezifiziert sind, wodurch der Dampf, der in wenigstens einer Stufe des Abführungsabschnitts und/oder des Wärmerückgewinnungsabschnitts erzeugt wird, abgezogen und in einen Abschnitt gepumpt wird, der in Bezug auf den Entspannungssolefluss vorgelagert ist. Die Erfindung hat erkannt, dass es möglich ist, die vorhandene latente Wärme in MSF-Entsalzungsanlagen zu verwenden, die sonst verloren gehen würde.
Im Allgemeinen ist die Menge von Dampf, der einzusparen ist, ungefähr gleich der Menge von Dampf ist, die aus den Wärmeabführungsstufen entnommen wird. Durch Berechnungen und technische Formeln wurde ermittelt, dass diese Einsparungen eine positive Wirkung für die Entsalzungsleistung und insbesondere das G. O. R. (Verhältnis der gewonnenen Ausbeute in kg Destillat/kg austretender Dampf) der Anlage – auch Wirkungsrad der Anlage genannt – haben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Anlage gemäß der Erfindung wird der Dampf, der in wenigstens einer Stufe des Abführungsabschnitts erzeugt wird, in den Heizdampf gepumpt, der den Soleerhitzer versorgt.
Hinsichtlich einer anderen vorteilhaften Lehre gemäß dieser Erfindung wird der Dampf, der in wenigstens einer Stufe des Destillationsabschnitts erzeugt wird, in eine andere Destillationsstufe gepumpt, die in Bezug auf den Entspannungssolefluss vorgelagert ist.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf, der in wenigstens einer Stufe des Destillationsabschnitts erzeugt wird, in den Heizdampf gepumpt wird, der den Soleerhitzer versorgt.
Hinsichtlich der Anlage zur Entsalzung von Salzwasser wird die Aufgabe durch Bereitstellen wenigstens einer Dampfleitung von wenigstens einer Stufe des Abführungsabschnitt und/oder des Wärmerückgewinnungsabschnitts für den erzeugten Dampf zu einem Abschnitt oder einer Stufe gelöst, die in Bezug auf den Entspannungssolefluss vorgelagert ist.
Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung gibt es eine zusätzliche Pumpe für die zusätzliche Dampfumlaufleitung. Solch eine zusätzliche Pumpe ist hilfreich, um den Dampfstrom und seine Menge in Bezug auf den Entsalzungsprozess zu steuern.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen Dampfstrahlejektor an der zusätzlichen Dampfumlaufleitung bereit.
Die Vorteile, die durch solch einen Dampfumlauf vom Wärmeabführungsabschnitt zum Wärmezufuhrabschnitt erzielt werden können, ermöglichen viele Modifikationen von Dampfumlaufleitungen innerhalb des Anwendungsbereiches der vorliegenden Erfindung:

– Von jeder Wärmeabführungsstufe zu jeder anderen Wärmeabführungsstufe mit einer höheren Kondensationstemperatur.
– Von jeder Wärmeabführungsstufe zu jeder Wärmerückgewinnungsstufe.
– Von jeder Wärmerückgewinnungsstufe zu jeder anderen Wärmerückgewinnungsstufe mit einer höheren Kondensationstemperatur.
– Von jeder Wärmerückgewinnungsstufe zum Wärmezufuhrabschnitt (Soleerhitzer).
– Von jeder Kombination der vorher erwähnten Wege.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich, ohne darauf beschränkt zu sein, auf alle bestehenden MSF-Entsalzungseinheiten, Kreuzstrom- oder Langrohrkonstruktion, Ein-, Zwei- oder Mehretagentyp. Der Anwendungsbereich dieser Erfindung erstreckt sich auch auf die neuen Entsalzungsanlagen, für welche es möglich ist, eine Vielzahl von verschiedenen zusätzlichen Vorteilen zu finden.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung und insbesondere des Verfahrens gemäß der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und den Zeichnungen spezifiziert. Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung jegliche Änderung und Kombination der beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen.
Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden auf der Basis einer Zeichnung ausführlicher beschrieben, welche bevorzugte Ausführungsbeispiele lediglich veranschaulicht, auf deren Basis die Funktionsweise des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung und auch eine entsprechende Anlage ausführlich beschrieben werden. In den Zeichnungen stellt
1 einen Dampfturbinenprozess zur Energieerzeugung schematisch dar,
2 stellt eine schematische Ansicht einer MSF-Entsalzungsanlage gemäß dem Stand der Technik dar,
3 stellt eine schematische Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Dampfumlaufsystems gemäß der vorliegenden Erfindung dar,
4 stellt eine schematische Ansicht des Dampfumlaufsystems gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, und
5 bis 8 stellen andere mögliche Kombinationen des Dampfumlaufsystems gemäß der Erfindung dar.
Es ist vom thermodynamischen Gesichtspunkt allgemein bekannt, dass die Energie, die von irgendeiner Quelle zurückgewonnen werden kann, vom Temperaturunterschied von der zuvor erwähnten Quelle und der verfügbaren Mindesttemperatur des Umgebungssystems abhängt. Eine „geringe" Energie kann leicht und wirtschaftlich zurückgewonnen werden, aber eine „sehr große Menge" von verfügbarer Energie kann nicht so leicht zurückgewonnen werden.
Hinsichtlich der vorliegenden Erfindung ist die zuvor gemachte Feststellung mit dem folgenden Beispiel auf eine praktischere Weise zu erläutern.
Der Dampf weist einen sehr hohen Gehalt an Energie auf, die auch „latente Wärme" oder „Kondensationswärme" genannt wird (von einem technischen Gesichtspunkt ist es besser, sie als Enthalpie zu bezeichnen). Auf jeden Fall kann diese Energie nur dann zurückgewonnen und durch eine Dampfturbine leicht in mechanische Energie umgewandelt werden, wenn ihr Druck (und folglich ihre Kondensationstemperatur) ausreichend hoch ist. Während der Ausdehnung in die Turbine nimmt der Dampfdruck stufenweise ab, und am Ende des Prozesses sollte die restliche Energie durch den Kondensator in die Umgebung abgegeben werden (Abwärme), wie in 1 veranschaulicht, da es nicht mehr zweckmäßig ist, die Energie bei so niedrigen Temperaturen (oder einem so niedrigen Druck) zurückzugewinnen.
In 2 ist das schematische Diagramm einer MSF-Entsalzungsanlage gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Sie umfasst einen Soleerhitzer 1, einen Wärmerückgewinnungsabschnitt 3, der mehrere Verdampfungsstufen 2 umfasst, einen Wärmeabführungsabschnitt 4 und als eine Option eine Entlüftungseinrichtung 5. In jeder Stufe wird ein Teil von Umlaufsole verdampft, und der Dampf wird kondensiert, wodurch das Destillat gewonnen wird. Meerwasser wird durch eine Leitung 6 durch eine Pumpe 7 in den Wärmeabführungsabschnitt 4 gepumpt und als ein „Zusatz" über eine Leitung 8 in die Entlüftungseinrichtung 5 weitergeleitet. Überschüssiges Meerwasser wird über eine Leitung 9 abgeleitet.
Das entlüftete Meerwasser und ein Teil von konzentrierter Sole werden über eine Leitung 10 durch die Soleumlaufpumpe 11 in den Wärmerückgewinnungsabschnitt 3 gefüllt und kühlen die verschiedenen MSF-Destillationsstufen 2 ab. Nach dem Verlassen der letzten Einheit 2 (auf der linken Seite in 2) wird die Sole im Soleerhitzer 1 erhitzt und über eine Leitung 12 in die Einheit 2 (ganz links) des Wärmerückgewinnungsabschnitts 3 und von da in einem Fluss in umgekehrter Richtung in alle anderen Destillationseinheiten 2 zurückgeführt.
Der Soleerhitzer 1 wird durch Dampf erhitzt, der über eine Leitung 13 von einer (nicht veranschaulichten) Wärmequelle kommt. Das Kondensat im Soleerhitzer 1 wird über eine Leitung 14 durch die Pumpe 15 abgesaugt.
Nach dem Verlassen der letzten Einheit 2 (auf der rechten Seite in 2) fließt die Entspannungssole über eine Leitung 16 in den Wärmabführungsabschnitt 4, wo weiteres Kondensat erzeugt wird. Eine Leitung 17 bringt die Sole in die Entlüftungseinrichtung 5 zurück, von wo der Soleumlaufprozess fortgesetzt wird. Überschüssige Sole wird aus der Entlüftungseinrichtung 5 über eine Leitung 18 durch die Solepumpe 19 ausgetrieben und ausgeblasen.
Im Wärmerückgewinnungsabschnitt 3 und danach im Wärmeabführungsabschnitt 4 wird die Sole an den kalten Rohren kondensiert, und das gesammelte Destillat wird über eine Leitung 20 durch die Destillatpumpe 21 abgesaugt.
Aus 2 und der zuvor beschriebenen physikalischen Erscheinung ist leicht zu erkennen, dass, wenn der Dampf, der in einer oder mehr Stufen des Abführungsabschnitts 4 erzeugt wird, abgezogen werden kann und wenn der zuvor erwähnte Dampf in den Wärmezufuhrabschnitt (Soleerhitzer 1) gepumpt wird, eine Menge von Heizdampf, der vom Dampfkessel oder von anderen Prozessen kommt, eingespart werden kann.
Folglich erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf alle Modifikationen des MSF-Entsalzungsprozesses, die mit einem Dampfumlaufsystem zwischen dem Wärmeabführungsabschnitt 4 zum Wärmezufuhrabschnitt (Soleerhitzer 1) vorgenommen werden können, wie in 3 und 4 dargestellt. In 3 wird Dampf von der ersten Stufe des Wärmeabführungsabschnitts 4 über eine Leitung 22 und eine Pumpe 23 genommen und in den Heizdampf eingeleitet, der zum Soleerhitzer 1 führt.
Das Dampfumlaufsystem, das Gegenstand dieser Erfindung ist, kann durch eine drehende oder volumetrische Dampfkompression erhalten werden, wie in 3 dargestellt, oder es kann mit einem Dampfstrahlejektor 24 erhalten werden, wie in 4 beschrieben.
5, 6, 7 und 8 stellen einige bevorzugte Ausführungsformen von möglichen Kombinationen des Dampfumlaufsystems gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
In 5 ist veranschaulicht, dass die Dampfumlaufleitung 22 vom Wärmeabführungsabschnitt 4 zum Wärmerückgewinnungsabschnitt 3 führt. 6 zeigt eine Umlaufleitung 22 und eine Pumpe 23 innerhalb des Wärmerückgewinnungsabschnitts 3. 7 zeigt eine Dampfumlaufleitung 22 und eine Pumpe 23 zwischen einer Destillationsstufe 2 und dem Wärmezufuhrabschnitt. In 8 ist eine Kombination von verschiedenen Umlaufleitungen 22, 22', 22'' mit entsprechenden Pumpen 23, 23', 23'' veranschaulicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- FR 1579110 [0006]
- DE 1517493 [0007]
- US 3396086 [0008]
- US 2759882 [0009]
- GB 1143392 [0010]

Claims

Verfahren zur Entsalzung von Salzwasser unter Verwendung eines Wärmezufuhrabschnitts mit einem Soleerhitzer, der durch Heizstrom angetrieben wird, eines Wärmerückgewinnungsabschnitts von Mehrstufen-Entspannungs(MSF)-Destillationseinheiten, eines Wärmeabführungsabschnitts und einer optionalen Entlüftungseinrichtung, wobei Meerwasser entlüftet und als eine Umlaufsole in die Wärmerückgewinnungs- und Wärmeabführungsabschnitte gepumpt wird, wobei die Sole kondensiert und das Destillat gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf, der in wenigstens einer Stufe des Abführungsabschnitts und/oder des Wärmerückgewinnungsabschnitts erzeugt wird, abgezogen und in einen Abschnitt oder eine Stufe gepumpt wird, die in Bezug auf den Entspannungssolefluss vorgelagert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf, der in wenigstens einer Stufe des Abführungsabschnitts erzeugt wird, in den Heizdampf gepumpt wird, der den Soleerhitzer versorgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf, der in wenigstens einer Stufe des Destillationsabschnitts erzeugt wird, in eine andere Destillationsstufe gepumpt wird, die in Bezug auf den Entspannungssolefluss vorgelagert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf, der in wenigstens einer Stufe des Destillationsabschnitts erzeugt wird, in den Heizdampf gepumpt wird, der den Soleerhitzer versorgt.
Anlage zur Entsalzung von Salzwasser mit wenigstens einem Soleerhitzer (1), einer Entsalzungszone von Mehrstufen-Entspannungs(MSF)-Destillationseinheiten (2) und einer optionalen Entlüftungseinrichtung (5), wobei eine Entsalzungszone einen Wärmerückgewinnungsabschnitt (3) und einen Wärmeabführungs(4)-Abschnitt zum Kondensieren der Sole und Gewinnen des Destillats umfasst, gekennzeichnet durch Bereitstellen wenigstens einer Dampfumlaufleitung (22) von wenigstens einer Stufe des Abführungsabschnitts (4) und/oder des Wärmerückgewinnungsabschnitts (3) für den erzeugten Dampf zu einem Abschnitt oder einer Stufe, die in Bezug auf den Entspannungssolefluss vorgelagert ist.
Anlage nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Pumpe (23) für die zusätzliche Dampfumlaufleitung (22).
Anlage nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Dampfumlaufleitung (22) in einen Damfstrahlejektor (24) führt.