DE102010044172A1

DE102010044172A1 - Verfahren zur Wasseraufbereitung in einem industriellen Prozess

Info

Publication number: DE102010044172A1
Application number: DE102010044172A
Authority: DE
Inventors: Matthias Fiebiger; Andreas Hauser; Jochen Schäfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-05-24
Also published as: CN103209744A; WO2012065988A1; CN103209744B; US20130228531A1; EP2624927A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wasseraufbereitung in einem industriellen Prozess, wobei Wasser (4) durch einen thermischen Wasseraufbereitungsprozess (6) aufbereitet wird und Wärme für den thermischen Wasseraufbereitungsprozess (6) einem zweiten thermischen Prozess (8) durch Wärmeaustausch entzogen wird und das aufbreitete Wasser einem Verdampfungsprozess (2) zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wasseraufbereitung in einem industriellen Prozess nach dem Patentanspruch 1.
Zur Aufbereitung von Speise- und Kesselwasser wird in industriellen Prozessen insbesondere zur Entgasung und zum Entzug von mineralischen Lösungsprodukten im Speise- bzw. Kesselwasser vor Verdampfungsverfahren dieses Wasser aufbereitet. Hierbei werden insbesondere chemische Verfahren und bezüglich der Entmineralisierung so genannte Umkehrosmose bzw. Ionenaustauschverfahren eingesetzt. Derartige Aufbereitungsverfahren sind besonders energieintensiv und technisch aufwändig. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser für einen industriellen Prozess bereitzustellen, das gegenüber dem herkömmlichen Verfahren bezüglich einer Energiebilanz von Vorteil ist.
Die Lösung der Erfindung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Wasseraufbereitung, insbesondere zur Aufbereitung von Speisewasser oder Kesselwasser, in einem industriellen Prozess ein thermischer Wasseraufbereitungsprozess angewandt. Hierbei wird für den thermischen Wasseraufbereitungsprozess einem zweiten thermischen Prozess durch Wärmeaustausch Wärme entzogen.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Wärme aus einem industriellen Prozess nicht an die Umgebung abgegeben wird, sondern durch einen Wärmetauschprozess zur Aufbereitung von Wasser herangezogen wird.
Dabei ist es zweckmäßig, dass das aufbereitete Wasser insbesondere einem Verdampfungsprozess zugeführt wird. Unter Verdampfungsprozess wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass das Wasser verdampft wird und mit dem entstandenen Dampf ein weiterer Prozess angeregt wird. Der Dampf kann beispielsweise zur Desinfektion von Materialien dienen, er kann ferner zur Aufheizung von Kesseln oder zur direkten Aufheizung von Material dienen.
Unter dem Begriff Speisewasser oder Kesselwasser wird jeweils folgendes verstanden: Speisewasser ist frisches Wasser, das aus der Wasserversorgung dem Prozess zugeführt wird. Kesselwasser ist Wasser, das zur mehrfachen Anwendung in einem Prozess dient und jeweils zurückgewonnen wird.
Als zweckmäßige thermische Wasseraufbereitungsprozesse haben sich das Verdampfen, das Verdunsten oder die so genannte Membrandestillation herausgestellt. Unter Verdampfen versteht man Prozesse, bei denen Wasser über den Siedepunkt erhitzt wird. Verdunstung ist der Übergang von Wasser in die Gasphase bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes. Die Membrandestillation ist ein Verfahren, bei dem Wasser mit Hilfe von Wärmeenergie und unter Ausnutzung einer Membran demineralisiert werden kann.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung besteht darin, dass ein Wärmetauschmedium zum Transport von Wärme zwischen dem zweiten Prozess und dem Wasseraufbereitungsprozess vorgesehen ist. Dabei liegt die Prozesstemperatur des zweiten Prozesses beim Erreichen des Wasseraufbereitungsprozesses zwischen 60°C und 110°C, insbesondere zwischen 70°C und 100°C.
In dem Temperaturniveau zwischen 70°C und 100°C ist das Wärmepotential sehr hoch. Das Nutzungspotential technologisch bedingt ist wiederum sehr gering. Dies liegt darin, dass Temperaturen zwischen 70 und 100°C für die meisten thermischen Prozesse, insbesondere für den Antrieb einer Turbine, nicht geeignet sind. Gerade ein derartiger Prozess mit Abwärme zwischen 70 und 100°C ist für die Wasseraufbereitung deshalb gut geeignet, da insbesondere ein Verdunstungsprozess bzw. ein Membrandestillationsverfahren zur Entmineralisierung bei diesen Temperaturen betrieben werden kann.
Der Aufwand bei der Aufbereitung von Kessel- und Speisewasser insbesondere zur weiteren Verdampfung ist besonders dann erheblich, wenn der Prozessdampf auch direkt mit den zu erhitzenden Rohstoffen eingesetzt wird. Dies ist beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, wobei Lebensmittel durch Dampf erhitzt werden, oder in der Papierindustrie der Fall. Hierbei wird nämlich der Dampf verbraucht und kann nicht zurückgewonnen werden, was dazu führt, dass jeweils neues Speisewasser in den Prozess eingespeist werden muss und entsprechend aufbereitet werden muss.
Durch die Verwendung eines mehrstufigen Verdunstungsverfahrens werden hohe Wasserreinheiten erreicht. Dadurch werden Probleme wie Korrosion oder Ablagerung in den nachgeschalteten Prozessen reduziert. Die Entgasung und Entmineralisierung erfolgen innerhalb des Verdunstungsverfahrens in einem Prozessschritt. Es sind nicht mehrere diesbezüglich spezifische Verfahren erforderlich.
Weitere Ausgestaltungsformen sowie weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Zeichnungen.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Wasseraufbereitung unter Nutzung der Prozessabwärme eines weiteren Prozesses und
2 eine schematische Darstellung einer Membrandestillationsanlage.
In 1 ist der Prozess zur Wasseraufbereitung schematisch beschrieben. Hierbei wird Wasser 4, das durch den Pfeil links angedeutet ist, in einen Wasseraufbereitungsprozess 6 eingeleitet. Hierbei kann es sich um bereits schon einmal verwendetes Kesselwasser oder um Frischwasser bzw. Speisewasser handeln. Die Aufbereitung des Wassers 4 in dem Aufbereitungsprozess 6 dient zur späteren Verdampfung in einem Dampferzeuger 18. Der im Dampferzeuger 18 durch einen Verdampfungsprozess 2 erzeugte Dampf kann verschiedenartig in weiteren Prozessschritten verwendet werden. Der Dampf kann beispielsweise zur Temperierung von Lebensmitteln verwendet werden. Ferner kann der Dampf in der Papierindustrie genutzt werden. Der Dampf kann zur Temperierung oder auch zur Desinfektion angewandt werden.
Zur Wasseraufbereitung im Wasseraufbereitungsprozess 6 wird einem zweiten thermischen Prozess 8 über einen Wärmetauscher 16 Wärme entzogen. Ein Wärmetauschmedium 10 in einem geschlossenen Kreisprozess weist dabei im Wärmetauscher 16 eine Temperatur zwischen 60 und 110°C, insbesondere zwischen 70 und 100°C, auf. Das Wärmetauschmedium 10 wird im warmen Zustand 14 dem Verdampfungsprozess 6 zugeführt. Hierbei ist wiederum ein Wärmetauscher 20 vorgesehen, der die Wärme des warmen Wärmetauschmediums 14 an das Wasser 4 abgibt. Hierbei wird das Wasser 4 erhitzt. Das Wärmetauschmedium 10 wird über eine Pumpe 22 als kaltes Wärmetauschmedium 12 zum Prozess 8 und zum Wärmetauscher 16 zurückgeführt. Der Kreislauf beginnt von neuem.
Der thermische Wasseraufbereitungsprozess 6 kann beispielsweise ein Verdampfungsverfahren, ein Verdunstungsverfahren oder ein Membrandestillationsverfahren sein. Im Weiteren soll insbesondere auf die beiden letztgenannten Verfahren eingegangen werden.
Bei dem Verdunstungsverfahren handelt es sich um ein Verfahren, das unterhalb 100°C angewandt wird. Deshalb eignet sich dieses Verfahren insbesondere als mehrstufiges Verdunstungsverfahren besonders gut zur Nutzung der niedergrädigen Abwärme des thermischen Prozesses 8, die in der Regel Temperaturen von weniger als 100°, aber mehr als 70° liefert. Prozesse mit Abwärme in diesen Temperaturbereichen treten in industriellen Anwendungen häufig auf, sind aber schwer zur Wärmerückgewinnung nutzbar. Dies liegt insbesondere daran, dass Temperaturen unter 100° nicht zum Antrieb einer Dampfturbine zur Stromerzeugung geeignet sind. In der Regel werden Prozesse aus diesem Temperaturbereich abgekühlt, indem die Wärmeenergie einfach an die Umgebung abgegeben wird. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein energetisch sehr günstiges Verfahren, um derartig schwer nutzbare Abwärmemengen wirtschaftlich und ökologisch vorteilhaft zu nutzen.
Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung lässt sich für den Wasseraufbereitungsprozess 6 ein Membrandestillationsverfahren heranziehen. Die Membrandestillation wird üblicherweise zur Entsalzung von Meerwasser verwendet, sie kann jedoch zweckmäßig zur Aufbereitung und Demineralisierung von an sich wenig Salz enthaltendem Speisewasser angewandt werden. Die Membrandestillation ist eine Mischung aus thermischen und Membran-Entsalzungsverfahren, bei dem eine hydrophobe Membran 36 eingesetzt wird, die nur Wasserdampf durchlässt, flüssiges Wasser jedoch zurückhält. Auf der einen Seite 36 der Membran befindet sich warmes mineralhaltiges Wasser und auf der anderen Seite eine kältere Fläche. Durch den Gegenstrombetrieb der Anlage wird erreicht, dass auf den ganzen Längen der Membran eine Temperaturdifferenz besteht (vgl. 2). Die dadurch entstehende Differenz des Wasserdampfpartialdruckes bewirkt, dass Wassermoleküle von der warmen auf die kalte Seite der Membran 36 gelangen. Die Membran 36 ist hydrophob, also aus einem Material, das verhindert, dass sie direkt vom flüssigen Wasser 4 benetzt wird. Hierfür eignet sich beispielsweise Polytetrafluoräthylen. Die Membran 36 ist sehr dünn und besitzt Porengrößen von ca. 35 μm. Bei technischen Anwendungen ist sie auf einem hier nicht dargestellten Kunststoffsubstrat befestigt, das zur mechanischen Unterstützung dient. Dieses Substrat weist größere Poren auf und besteht ebenfalls aus einem hydrophoben Material. Das System arbeitet nach dem Wärmeübergangsprinzip. Das kalte mineralhaltige Wasser strömt durch einen Kondensatoreinlauf 26 ein und erwärmt sich durch die Kondensationswärme von z. B. 20°C (T1) auf z. B. 75°C (T2). Danach wird es gemäß 2, die eine beispielhafte Darstellung des Wasseraufbereitungsprozesses 6 aus 1 darstellt, durch den Wärmetauscher 20 auf 80°C erwärmt, um eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz zu erreichen. Das Wasser 4 wird in einen Verdampferkanal 32 geleitet und diffundiert als Dampf durch die Membran 36. Gleich danach kondensiert das Wasser 4 der Membran 36 gegenüber Folie 34, die durch das kalte Wasser 4, das durch den Kondensatorkanal 28 einläuft, im Gegenstromprinzip gekühlt ist. In einem Destillatkanal 38 wird das kondensierte Wasser 4 über einen Destillatablauf 40 abgeleitet. Das Wasser 4 mit einer höheren mineralischen Konzentration läuft über den Konzentratablauf 42 ab.
Das durch den Konzentratablauf 42 abgelaufene Wasser 4 kann ein weiteres Mal der Membrandestillation zugeführt werden; Das durch den Destillatablauf 40 abgelaufene Wasser 4 kann direkt weiter zum Dampferzeuger 18 geführt werden.
Die Wärme, die über die Wärmetauscher 16 und 20 dem Wasseraufbereitungsprozess 6 zugeführt wird, kann aus demselben industriellen Prozess stammen, in dem auch der Wasserdampf aus dem Verdampfungsprozess 2 eingespeist wird. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, innerhalb eines industriellen Betriebes aus verschiedenen, unabhängigen Prozessen die Abwärme, die im Bereich zwischen 60°C und 110°C, bzw. im Bereich zwischen 70°C und 100°C liegt, in einem Wärmespeicher zurückzugewinnen und diese dem thermischen Wasseraufbereitungsprozess zuzuführen. Hierdurch kann die ansonsten nutzlos an die Umgebung abgegebene Wärme zunächst einem hier nicht dargestellten zentralen Energiespeicher zugeführt werden und dann für thermische Wasseraufbereitungsverfahren, die jeweils auch in einer Mehrzahl in einem industriellen Betrieb vorhanden sein können, genutzt werden.

Claims

Verfahren zur Wasseraufbereitung, wobei Wasser (4) durch einen thermischen Wasseraufbereitungsprozess (6) aufbereitet wird und Wärme für den thermischen Wasseraufbereitungsprozess (6) einem zweiten thermischen Prozess (8) durch Wärmeaustausch entzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das aufbereitete Wasser einem Verdampfungsprozess (2) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als thermischer Wasseraufbereitungsprozess (6) ein Verdampfungsprozess, ein Verdunstungsprozess und/oder ein Membrandestillationsprozess angewandt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauschmedium (10) zum Transport von Wärme zwischen dem zweiten Prozess (8) und dem Wasseraufbereitungsprozess (6) vorgesehen ist, dessen Prozesstemperatur beim Erreichen des Wasseraufbereitungsprozesses zwischen 60°C und 110°C, insbesondere zwischen 70°C und 100°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Verdunstungsverfahren um ein mehrstufiges Verdunstungsverfahren handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite thermische Prozess (8) ein Prozess zur Papierherstellung oder zur Lebensmittelherstellung ist.