CN106277142A - 一种深度节能型海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深度节能型海水淡化装置，包括吸收式蒸汽增压装置和低温海水淡化装置。本发明利用工业废热将低温低压的一次蒸汽经过吸收式增压系统变成温度和压力都有一定升高的二次蒸汽，升温后的二次蒸汽又可以作为热源加热海水产生新的一次蒸汽，同时二次蒸汽冷凝为淡水，如此循环进行。本发明在低温海水淡化基础上进一步提高了产水率，特点是将吸收式增压系统和低温海水淡化技术相结合，并引入海水局部加热理念，巧妙设计使得系统可直接回收利用化工行业中低位热能，无冷凝器设计对蒸汽冷凝热进行了深度回收利用。

Description

一种深度节能型海水淡化装置

技术领域

本发明涉及一种深度节能型海水淡化装置，属于海水淡化与节能减排领域。

背景技术

随着经济的快速发展，人类生活水平的不断提高，水资源作为一种基础性资源，已成为制约经济社会发展的重大战略问题。尤其在中国，中国人均水资源只有2100m³，仅为世界平均水平的28％；仅仅北京2012年水资源消耗水平高出总供水量的70％，水资源不足已越来越成为我国高速发展的瓶颈。作为一种稳定的且不受限制的淡水补充途径，海水淡化是解决天然淡水资源缺乏的最具前景的方法之一。热法海水淡化预处理简单，维修周期长，但常规热法海水淡化以消耗高品位能源为代价来换取淡水，热源成本使得淡化成本非常高。利用创新的方法减少海水淡化中能耗问题是解决海水淡化技术难以大面积推广的首要问题。海水淡化与能源密集型行业联合制水，利用低品位低温余热为热源是热法海水淡化技术发展的方向，具备单一海水淡化技术不可比拟的优势。

利用低品位热源进而减少热法海水淡化热耗成本有很多新的方法，比如低温多效技术，其关键是多级多效的使用以及低品位蒸汽的利用大大降低了热源成本，能利用低至70℃蒸汽作为海水淡化热源，将制水成本降到了6-8元/吨，但该技术的发展方向是万吨级超大规模制水，对小规模工程中吨水成本仍然较高。另一种方法，如毛细力驱动技术，该技术以金属粉末烧结多孔体为蒸发面，利用毛细力对蒸发面补水，减少了传统技术海水补充的动力泵的使用，同时降低了海水淡化的温度，可利用低至33℃的热源。但是典型的毛细力驱动淡化技术有一个致命劣势，就是蒸发器使用金属固相烧结技术，该方法成本高昂，高温烧结工艺复杂，另一个存在的重大问题在于运行后期结垢结晶堵住蒸发面，难清洗，可以说固相烧结多孔蒸发面是系统正常运行中难以避免的一个瓶颈问题。专利申请号：201510892409.3，提出了一种海水淡化处理装置，利用毛细驱动实现低温海水淡化，蒸发器采用常规肋片式固体烧结多孔体，蒸发器存在蒸汽通道，减小了换热面积，如果想要大规模产水，整个装置就很庞大；另外采用肋片导热毛细芯，增大了导热热阻，阻碍换热；同时肋与毛细材料需要紧密接触(过盈接触)，对肋表面和毛细芯蒸发面的平整度要求非常高，精度需控制在0.1微米，使得该方案一直限制在实验室规模使用。为了解决肋片导热热阻大，平整度要求高限制大规模应用的问题。专利申请号：201510850716.5，提出了一种毛细驱动海水淡化蒸发器，蒸发室采用平板式一体化固相烧结多孔体，解决了肋片导热热阻大，平整度要求高的难题，但仍存在一个致命问题——大规模应用中换热面成本是常规低温多效海水淡化成本的10-50倍，成本非常高；更为严重的是固相烧结使得装置在运行过程中，盐分在表层或者内部结晶，极易堵塞多孔体，毛细层结垢结晶难以处理，清洗问题难以解决；另外，当蒸发室不凝气过多或者蒸汽产生速率过快时，会致使多孔体和海水侧隔开，导致多孔体无法吸液的问题。

毛细法淡化技术对低温热源的使用一定程度上减少了热源成本，但低热源的利用意味着该技术很难向低温多效技术一样，通过循环利用蒸汽冷凝热大幅度降低能耗成本。因为33℃热源对海水的传热温差已经足够小，无法设置成多级对冷凝热循环利用。尽管通过机械压缩的方法能够解决这个问题，但机械压缩是电力输入，电力成本高，其直接增加了淡化成本，非常不适合主导低温热源深度回收利用的毛细法海水淡化技术的推广应用。目前存在的吸收式增压循环是一种典型的蒸汽升压装置，它相对于传统的机械电力压汽方法减少了高品位电能做功，可以利用低温热能进行蒸汽加压循环。但在能源日渐紧缺的今天，大力倡导节能减排的背景下吸收式循环仍是一个高耗能过程，限定了该方法的应用领域，若能通过某种手段进一步降低吸收式加压循环过程的能耗输入，对推进吸收式加压系统的应用有重大创新意义。如专利申请号：201310024546.6，提出了一种太阳能空调海水淡化系统，进行蒸汽加压，取代传统机械压缩，同时采用低温多效，提高能源利用率；但是该系统多处需要升压泵，需要消耗较多高位电能，不具备深度节能优势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种深度节能型海水淡化装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种深度节能型海水淡化装置，包括海水淡化池、具有高度差的蒸汽吸收池和蒸汽发生池，所述海水淡化池下部为亲水粉末堆积体，换热管埋入亲水粉末堆积体的表层，顶部有抽真空口与真空装置连接；所述蒸汽发生池和蒸汽吸收池内都有溴化锂-水溶液作为吸收剂，由液体管路连接，所述蒸汽发生池内的吸收剂通过溶液泵与蒸汽吸收池顶部连通；

海水通过海水进水管流经蒸汽吸收池内的吸收剂后，通过海水管进入亲水粉末堆积体，浓缩后从另一侧的盐水管流出，蒸发产生的蒸汽通过一次蒸汽管进入蒸汽吸收池；所述蒸汽发生池内吸收剂中有工业余热管路，产生的蒸汽通过二次蒸汽管与换热管连接，冷凝后从另一端的淡水管流出。

本发明利用工业废热将低温低压的一次蒸汽变成温度和压力都有一定升高的二次蒸汽，升温后的二次蒸汽又可以作为热源加热海水产生新的一次蒸汽，同时二次蒸汽冷凝为淡水，如此循环进行。

蒸汽吸收池与蒸汽发生池通过自然溶液柱连接。海水淡化池中，换热管埋入亲水粉末堆积体表层，二次蒸汽在换热管内凝结将热量传给管外的海水，海水蒸发产生新的一次蒸汽。其中，蒸发产生的一次蒸汽通过一次蒸汽管与蒸汽吸收池相连，而在蒸汽发生池中升压升温后的蒸汽通过二次蒸汽管与换热管相连。冷的海水由进水管进入蒸汽吸收池中起到提高蒸汽吸收率和对海水预热的作用，预热后的海水由海水管流入亲水粉末堆积体中，在毛细抽吸力作用下被吸到表层与换热管换热，海水受热蒸发，而未蒸发的海水沿着盐水管流出装置。

本发明特点是利用非固相毛细蒸发器成型技术解决传统毛细法淡化技术中的两大技术瓶颈:一是典型的粉末烧结成型技术成本异常昂贵；二是固相烧结多孔体在后期盐分结垢的清洗方面困难，堵塞严重。无补偿室设计方案(补偿室与亲水多孔堆积体融合)的方式解决了海水中不凝气析出导致多孔介质无法吸液的问题。在蒸汽的升温升压方面，避免了吸收式增压装置中升压泵的使用，利用重力升压回收蒸汽冷凝热，提高造水比，无冷凝器的设计实现深度节能。

相比传统技术本系统的优越性在于：

1)蒸汽吸收-蒸发循环中，利用重力升压，不需要溶液泵，装置简单、节能。

2)海水淡化室中，利用亲水粉末形成的多孔介质提供动力补充海水，完美解决了常规毛细法的清洗问题，由于粉末是自然堆积，采用水流固相打散的方法，不仅可以解决毛细芯表面的结晶问题，固体内部的结晶问题也可以很好地解决，并且清洗简单，易操作，是常规海水淡化所不能实现的。并且该多孔体不需要肋片，细沙的导热系数为0.28-0.34W/(m²·K)，比固体烧结多孔体导热系数(1.9W/(m²·K))低得多，减小导热热阻，增加换热量，利于海水蒸发；换热面上不需要设置专门的蒸汽通道，增大了换热面积，利于热量传递。除此之外，亲水粉末可优选沙粒、吸水塑料粉末等，成本低，利于市场推广。

3)无补偿室设计方案(采用补偿室与亲水多孔自然堆积体融合的方式)解决了海水中不凝气析出导致多孔介质无法吸液的问题。

4)利用大气压力和水柱重力方法，在10.3m高的水柱上方形成低压的自然空间，可以获得很高的真空度，降低海水蒸发温度，最低可达33℃，解决热法海水淡化成本高的瓶颈。

5)二次蒸汽将热量传递给海水产生新的一次蒸汽，自身则在蒸汽管道内直接冷凝为淡水，不需要单独设置冷凝器，结构紧凑。

6)吸收式制冷与低温海水淡化结合，将海水淡化产生的一次蒸汽通过吸收式过程产生高温高压的二次蒸汽，继续作为海水淡化中热源，该设计使得整个淡化过程没有冷凝热损失，相当于常规的毛细驱动淡化方法的10效，实现深度节能。

附图说明

图1为本发明结构示意图，1.海水淡化室，2.换热管，3.亲水粉末堆积体，4.抽真空口，5.一次蒸汽管，6.淡水管，7.二次蒸汽管，8.海水管，9.盐水管，10.蒸汽吸收池，11.蒸汽发生池，12.溶液泵，13.海水进水管，14.液体管路，15.工业余热管路。

具体实施方式

一种深度节能型海水淡化装置，包括海水淡化池、具有高度差的蒸汽吸收池和蒸汽发生池，所述海水淡化池下部为亲水粉末堆积体，换热管埋入亲水粉末堆积体的表层，顶部有抽真空口与真空装置连接；所述蒸汽发生池和蒸汽吸收池内都有溴化锂-水溶液作为吸收剂，由液体管路连接，所述蒸汽发生池内的吸收剂通过溶液泵与蒸汽吸收池顶部连通；

其中，海水淡化室1蒸发产生的蒸汽通过一次蒸汽管5与蒸汽吸收池10相连，而在蒸汽发生池中升压后的蒸汽通过二次蒸汽管7与换热管2相连。

冷的海水由进水管13进入蒸汽吸收池中起到提高蒸汽吸收率和对海水预热的作用，预热后的海水由海水管8流入亲水粉末堆积体3中，在毛细抽吸力作用下被吸到表层与换热管2换热，海水受热蒸发，而未蒸发的海水沿着盐水管9流出装置。

蒸汽发生池、蒸汽吸收池中采用的吸收剂为溴化锂-水溶液；蒸汽吸收池10溴化锂溶液吸收海水淡化室1产生的一次蒸汽变为稀溶液，稀溶液在重力作用下经由液体管路14自然流向蒸汽发生池11，过程中依靠溶液柱重力进行升压，不需要典型吸收式系统中的升压泵；稀溴化锂溶液在蒸汽发生器11中被加热，温度升高，水在溴化锂溶剂中溶解度降低溢出，形成压力和温度都有一定提升的二次蒸汽；二次蒸汽由二次蒸汽管7进入换热管2中，加热管外壁吸附的海水，产生新的一次蒸汽，一次蒸汽沿一次蒸汽管5进入蒸汽吸收池10中被吸收，而二次蒸汽自身则冷凝为淡水经淡水管6流出。完成一个循环。

其中，蒸汽吸收池10和蒸汽发生池11的压力差约为6.5-8kPa(此处取6.5kPa)，传统吸收式循环采用升压泵加压来提供这个压力差值，需要消耗高品位的电能；在此我们创新性地提出了利用水柱重力实现蒸汽吸收池10中溶液由低压到蒸汽发生池11中高压的转换，将蒸汽发生池(7.35kPa,40℃)放在地面，吸收池(0.85kPa，5℃)置于空中，两者间通过液体管路14连接，高度差设计为ΔH＝Δp/ρg＝0.65m，即可实现升压过程；而溴化锂溶液从发生池回流至吸收池时，所需溶液泵12提供的泵功为也就是说溶液泵只需要克服摩擦阻力即可，所需泵功很小。

其中，蒸汽吸收池中的经溶液泵12抽吸回的溴化锂溶液喷淋而下，可以充分吸收一次蒸汽；吸收过程放出的热量由深冷海水带走，兼之预热海水的作用。

其中，蒸汽发生池11的外热源温度不需要很高，高于发生器的蒸发温度5℃即可，可以利用太阳能、地热能、电厂废水余热等低品位能源。

其中，系统利用毛细力驱动海水进入蒸发室补充蒸发海水，与常规海水淡化相比，多孔介质是由亲水粉末形成的自然堆积体。蒸发器采用亲水非烧结介质形成的自然堆积体，完美解决了常规毛细法的清洗问题。尽管常规毛细法有采用反清洗的方法，但只能对表面结垢起到缓解作用，对于内部结晶结垢则没有作用；而本发明中的多孔介质是自然堆积，采用水流固相打散的方法，不仅可以解决毛细芯表面的结晶问题，固体内部的结晶问题也可以很好地解决，并且清洗简单，易操作，是常规毛细法海水淡化所不能实现的。

其中，亲水粉末是一种亲水耐腐蚀非烧结多孔材料，可采用沙粒、吸水高分子粉末等，粒径微米量级，可以提供较大毛细驱动力。

其中，补偿室与亲水多孔自然堆积体融合的方式解决了海水中不凝气析出导致多孔介质无法吸液的问题。

其中，二次蒸汽管道直接埋在自然堆积体表层，加强换热，与海水换热产生一次蒸汽的同时，自身冷凝为淡水，不需要冷凝器。

工业余热用来实现对蒸汽发生池中溶液进行升温，使吸收池中的水蒸发出来，考虑换热温差，工业余热温度应至少比一次蒸汽温度要高5℃。

亲水粉末堆积层是一种亲水性的耐海水腐蚀粉末，为保证海水从堆积层底层能被抽吸至表层换热管外，其粉末粒径应该为微米级别，优选的粉末粒径小于50微米。

亲水粉末是一种导热系数非常差的材料，使得热量可以尽可能用于加热换热管外壁的海水，实现对海水的局部加热。而不会导热给底层海水被以盐水排放形式带走，尽可能多的产生淡水，为此其材质优选地可以是沙粒、吸水塑料粉末等。

本发明的技术关键点：

1)将吸收式制冷与海水淡化结合，蒸汽吸收池与蒸汽发生池间利用溶液自然液柱实现重力升压，不需要升压泵；

2)蒸发室利用耐腐蚀亲水粉末堆积体形成的多孔介质提供毛细动力补充海水，完美解决了常规毛细法的清洗问题，由于是自然堆积，采用一定压力水流冲击细沙打散的方法，不仅可以解决毛细芯表面的结晶问题，固体内部的结晶问题也可以很好地解决。

3)亲水粉末可采用沙粒、吸水塑料粉末等，又不仅限于此，其核心是亲水非烧结介质；成本低，利于市场推广。

Claims (5)

1.一种深度节能型海水淡化装置，包括海水淡化池、具有高度差的蒸汽吸收池和蒸汽发生池，所述海水淡化池下部为亲水粉末堆积体，换热管埋入亲水粉末堆积体的表层，顶部有抽真空口与真空装置连接；所述蒸汽发生池和蒸汽吸收池内都有溴化锂-水溶液作为吸收剂，由液体管路连接，所述蒸汽发生池内的吸收剂通过溶液泵与蒸汽吸收池顶部连通；

海水通过海水进水管流经蒸汽吸收池内的吸收剂后，通过海水管进入亲水粉末堆积体，浓缩后从另一侧的盐水管流出，蒸发产生的蒸汽通过一次蒸汽管进入蒸汽吸收池；所述蒸汽发生池内吸收剂中有工业余热管路，产生的蒸汽通过二次蒸汽管与换热管连接，冷凝后从另一端的淡水管流出。

2.根据权利要求1所述的海水淡化装置，其特征在于，所述蒸汽吸收池和蒸汽发生池的压力差为6.5-8kPa，利用液体管路中的水柱高程实现。

3.根据权利要求1所述的海水淡化装置，其特征在于，所述工业余热管路的温度应比一次蒸汽温度至少高5℃。

4.根据权利要求1所述的海水淡化装置，其特征在于，所述亲水粉末堆积体中的粉末粒径小于50微米。

5.根据权利要求4所述的海水淡化装置，其特征在于，所述粉末材质是沙粒。