一種循環冷卻水的脫鹽方法
2023-10-18 20:03:19
專利名稱：一種循環冷卻水的脫鹽方法
技術領域：
本發明提出一種循環冷卻水的脫鹽方法，屬於工業水處理領域。本發明採用膜蒸餾技術，利用防腐蝕工業換熱器和冷卻塔的熱交換維持膜蒸餾器膜兩側的穩定溫差，完成循環水的脫鹽過程。將膜蒸餾器冷側低濃度循環水返回冷卻塔循環，實現循環冷卻水的低鹽濃度運行，循環水補水只是彌補系統的蒸發損失與膜蒸餾器排放的濃鹽水量。該方法可大幅減少循環水補水與排汙水量，減少直至取消緩蝕阻垢劑的使用，徹底改變現有工業循環冷卻水的運行及處理方式。
背景技術：
工業冷卻水總量佔工業用水總量的60％以上，因此，在水資源日益緊張的今天，循環冷卻水的處理方法成為節水的關鍵。循環冷卻水系統主要由冷卻塔、換熱設備、循環水泵組成。循環水在系統內完成換熱和冷卻過程。在循環過程中，由於循環水靠水的蒸髮帶走熱量，而在水蒸發的同時也形成所謂水量蒸發損失；並且伴隨著風吹和洩漏損失。為保持一定的循環水水量、水質平衡和提高水的利用率，循環水系統需進行連續補水、排汙和投加一定量的緩蝕阻垢劑。在循環水的上述各種水量損失中，只有排汙是可以減少的。因此，只有設法減少排汙量才能達到節水的目的。為此，國內外大多採用提高循環水的濃縮倍數的方法來達到此目的。主要表現在採用設置旁濾系統、汙水處理後回用於循環水系統等方法上，其中最常用的方法是通過向水中投加阻垢、緩蝕劑的方式來提高濃縮倍數，但大量阻垢劑的使用既增加了成本也汙染了環境。(周本省，《工業水處理》，南京化工大學，2000年)。
本發明中採用的膜蒸餾器是一種採用疏水微孔膜以膜兩側蒸汽壓力差為傳質驅動力的膜分離過程，例如當不同溫度的水溶液被疏水微孔膜分隔開時，由於膜的疏水性，兩側的水溶液均不能透過膜孔進人另一側，但由於熱側水溶液膜界面的水蒸汽壓高於冷側，水蒸汽就會透過膜孔從熱側進人冷側而冷凝，這與常規蒸餾中的蒸發、傳質、冷凝過程十分相似，所以稱其為膜蒸餾過程(Membrane Distillation，MD)。
雖然早在20世紀60年代就開始了較系統的膜蒸餾研究，但當時由於受到技術條件的限制，膜蒸餾的效率不高，在隨後的一段時間裡也出現了一些對該技術進行改進的專利，但在此後膜分離研究者致力於反滲透、超濾、微濾等膜技術來解決水處理問題，膜蒸餾一直沒有引起人們的足夠重視，直到20世紀80年代初由於高分子材料和制膜工藝方面迅速發展，膜蒸餾顯示出其實用潛力，20多年來對這一新型膜分離過程的研究不斷深人。關於膜蒸餾技術的應用和研究進展，可以參考相關文獻(1.膜蒸餾技術及其應用研究進展，《膜科學與技術》第23卷第4期pp67～92)。
膜蒸餾技術具有如下的優點(1)膜蒸餾過程幾乎是在常壓下進行，設備簡單、操作方便，在技術力量較薄弱的地區也有實現的可能性；(2)在非揮發性溶質水溶液的膜蒸餾過程中，因為只有水蒸汽能透過膜孔，所以蒸餾液十分純淨，可望成為大規模、低成本製備超純水的有效手段；(3)該過程可以處理極高濃度的水溶液，如果溶質是容易結晶的物質，可以把溶液濃縮到過飽和狀態而出現膜蒸餾結晶現象，是目前唯一能從溶液中直接分離出結晶產物的膜過程；(4)在該過程中無需把溶液加熱到沸點，只要膜兩側維持適當的溫差，該過程就可以進行，有可能利用太陽能、地熱、溫泉、工廠的餘熱和溫熱的工業廢水等廉價能源。
但膜蒸餾是一個有相變的膜過程，汽化潛熱降低了熱能的利用率，所以在組件的設計上必需考慮到潛熱的回收，以儘可能減少熱能的損耗，並以高效的小型膜組件構成大規模生產體系的靈活性，與其他膜過程相比，膜蒸餾在有廉價能源可利用的情況下才更有實用意義。
在發明人所知範圍內，目前在國內外均未有將膜蒸餾應用到循環冷卻水除鹽的發明創造。數十年來，膜蒸餾應用領域的研究開發工作主要集中在如中國專利申請01801127.6、02138636.6、93104942.3、01106877.9。其中「一種循環冷卻水及低溫水的處理方法」(公開號CN1448342)提出在循環冷卻水系統中設置旁路淨化線，其中採用反滲透作為主要排汙手段。另有「一種工業循環冷卻水的旁流處理方法」(公開號CN1522974A)與前一公開發明相似，只不過提出以離子交換作為主要的循環冷卻水排汙手段。「循環冷卻水的處理方法」(日本專利JK 2003-121094)是為了控制敞開式循環冷卻水系統中的粘泥附著，通過降低冷卻水中溶解氧濃度，使微生物活性降低，再使粘泥控制劑作用於低活性的微生物，從而有效地防止粘泥附著。
目前，現有工業循環冷卻水的處理技術還只是通過投加緩蝕阻垢劑、設置旁濾等手段來提高循環水的濃縮倍數，濃縮倍數的提高意味著水中鹽含量的提高，含鹽量的提高又要求加入更多的緩蝕阻垢劑，這是一個相互矛盾、相互制約的問題，這些技術並不能降低循環冷卻水的鹽含量。而目前反滲透除鹽技術又具有處理成本高，排汙量大等缺點，不利於工業化運行。所以現有技術的缺點主要表現在一、成本過高。電耗、阻垢緩蝕劑構成了高額的處理成本；二、能源的浪費。工業循環冷卻水中蘊藏的大量廢熱排入環境，造成能源的嚴重浪費；三、環境汙染問題。工業循環冷卻水排汙水中含有一定量的有機鹽類緩蝕阻垢劑排入自然水體，必然對環境造成一定的汙染。本發明的提出，可以克服現有工藝方法所存在的種種不足。
發明內容
本發明提出一種利用膜蒸餾對循環冷卻水的脫鹽技術，以現有敞開式循環冷卻塔冷卻系統為例，闡述用膜蒸餾技術處理工業循環冷卻水的原理。
膜蒸餾技術在循環冷卻水處理中的應用主要是在原有水處理的基礎上增加膜蒸餾處理工藝，對原有循環冷卻系統進行少量調整。
原有循環冷卻水處理系統主要是由冷卻塔、與多組工業換熱器組成的熱交換系統構成，將原有熱交換系統中的某一級換熱器更換為耐腐蝕換熱器，利用它和膜蒸餾器構成膜蒸餾熱水側循環系統，換熱器主要用來提高膜蒸餾器熱側的循環水溫度。
在冷卻塔循環系統中，經過工業換熱器升溫後的循環水分流一股高溫排水(或低溫排水)供給膜蒸餾循環，這股高/低溫排水相當於原有循環水系統的排汙水，在與膜蒸餾熱側循環的循環水混合後進入膜蒸餾器的熱側，利用膜蒸餾器中的微孔疏水膜兩側的溫差形成的蒸汽壓差作為驅動力，將水蒸汽由熱側傳至冷側，降溫後的熱側循環水通過耐腐蝕工業換熱器升溫後繼續循環濃縮。膜蒸餾器冷側的循環水由冷卻塔循環中經冷卻塔降溫後的循環水分流提供，並通過膜蒸餾器的傳熱、傳質功能吸收水蒸汽及其潛熱，然後循環至冷卻塔冷卻，在此循環中完成了對循環水的稀釋過程。膜蒸餾熱側循環水完成傳熱、傳質後，水中鹽濃度大幅提高，在不影響膜蒸餾通量的情況下，可維持高鹽濃度循環，只有在通量下降到一定程度時才進行高濃鹽水的間歇排放。
利用膜蒸餾技術處理工業循環冷卻水，可實現以下目標1、補水量、排汙水量大幅下降從理論上講，膜蒸餾可回收100％的水，但在實際運行中當鹽達到一定濃度時繼續濃縮對節水已變得毫無意義，在本工藝中，循環水系統不直接排汙，排汙由膜蒸餾裝置間接排出，而膜蒸餾裝置可維持很高濃縮倍數運行，所以循環水系統補充水量很小。理論上只需補充系統的蒸發損失及最終排汙的水量。系統的排汙水量也因為膜蒸餾熱側可維持高鹽濃度運行而顯著降低。
2、削減甚至取消緩蝕、阻垢劑，避免循環水排汙對環境的汙染目前提高循環水濃縮倍數減少排汙的方法是向循環水中投加緩蝕阻垢劑。而緩蝕阻垢劑基本上是一些有機鹽類，這些鹽類隨循環水排汙，進入自然水體，對環境造成了一定的汙染。本工藝中，吸收了水蒸汽(純水)的膜蒸餾器冷側循環水回流至冷卻塔循環，對冷卻塔循環的循環水進行不斷稀釋，通過設計膜蒸餾器的膜面積，可以維持該循環水在低鹽濃度下運行，從根本上解決了鹽的問題，因而可以減少甚至完全取消緩蝕、阻垢劑的使用。消除緩蝕阻垢劑給環境帶來的汙染。
3、廢熱利用，降低膜蒸餾處理成本膜蒸餾的運行費用主要是在熱源上，本工藝中膜蒸餾器主要利用工業換熱器的廢熱源，顯著降低了處理成本。
總之，用膜蒸餾處理工業循環冷卻水的技術是從充分利用系統廢熱、減少取水、減少排汙水(有些排汙水現成為重點監控的對象)、減少或取消緩蝕阻垢劑等的角度出發，從根本上改變現有工業循環冷卻水的使用、處理方式。
結合附圖
對本發明提出的方法進行進一步說明。
附圖中，A、B、C、D分別代表膜蒸餾器、耐腐蝕工業換熱器、工業換熱器、冷卻塔；1、2、3、4、5、6分別代表高溫排水、低溫排水、工業取水、蒸發損失、排汙濃鹽水、工藝介質；右側粗實線中R-CT為冷卻塔循環，左側較細實線圈中R-MD為膜蒸餾循環；短虛線意味著多組工業換熱器，長虛線意味著可選則的排水管線；細實線、粗實線及其箭頭表示水流和方向。
應用實例一在火力發電廠循環冷卻水中的應用。
大中型火力發電廠凝汽式汽輪機的排汽在冷凝器中被來自冷水塔水池的循環水冷卻，蒸汽凝結成水，放出凝結熱。此熱量被通過冷凝器的循環水帶走。循環水溫度提高後，再回到冷水塔中進行冷卻，大量的蒸發損失造成循環水的不斷濃縮，只有通過大量補水及投加緩蝕阻垢劑來維持循環水一定濃縮倍數運行，造成處理成本的提高。
採用本發明的循環水除鹽方法，將最後一級凝汽式汽輪機的冷凝器更換為聚四氟換熱器B，使B與膜蒸餾器A組成膜蒸餾循環；從其它冷凝器C中獲取了熱量的循環水分一股水高溫水1給如膜蒸餾循環R-MD，進入膜蒸餾器的熱側；從其它冷凝器C中獲取了熱量的循環水經冷卻塔D降溫後，也分一股降溫水進入膜蒸餾器A的冷側；兩股水在膜蒸餾器A內的疏水微孔膜兩側進行傳質、傳熱，使冷側水升溫並獲取無鹽水，流入冷卻塔循環R-CT後，使循環冷卻水得到稀釋；微孔膜熱側的水經傳質、傳熱後溫度降低，水量不斷減少，鹽分增高，可通過補給熱水1和控制排汙水5來維持膜蒸餾器A的正常通量。實現循環冷卻水的低鹽濃度及高濃縮倍數運行，工業取水3隻是彌補系統的蒸發損失4與膜蒸餾器排放的濃鹽水量。該方法可大幅減少取水與排汙水量，減少直至取消緩蝕阻垢劑的使用，可改變現有工業循環冷卻水的使用、處理方式。
應用實例二在煉焦行業中的應用煉焦氣化廠鼓風冷凝循環水系統為3臺1400m2煤氣初冷器和1臺60×10kW制冷機組提供循環冷卻水，系統保有水量約400m3，循環水量約800m3/h。該循環水系統靠近焦爐、煤場和焦場，受粉塵影響較大。另外，該段循環水的補充水源為煤礦深井水經過冷卻器換熱後回用的二次用水，其溫度、硬度、濁度等都較高，水質變化大，導致整個系統內的管道和換熱設備出現了嚴重的結垢和腐蝕，嚴重地影響了生產的安全與穩定。採用本發明的循環水除鹽方法，將其中一臺煤氣初冷器的冷凝器更換為聚四氟換熱器B，使B與膜蒸餾器A組成膜蒸餾循環；從其它冷凝器C中獲取了熱量的循環水分一股高溫水1給如膜蒸餾循環R-MD，進入膜蒸餾器的熱側；從其它冷凝器C中獲取了熱量的循環水經制冷機組D降溫後，也分一股降溫水進入膜蒸餾器A的冷側；兩股水在膜蒸餾器A內的疏水微孔膜兩側進行傳質、傳熱，使冷側水升溫並獲取脫鹽水，流入冷卻塔循環R-CT後，使循環冷卻水得到稀釋；微孔膜熱側的水經傳質、傳熱後溫度降低，水量減少，鹽分增高，可通過補給熱水1和控制排汙水5來維持膜蒸餾器A的正常通量。實現循環冷卻水的低鹽濃度及高濃縮倍數運行，工業取水3隻是彌補系統的蒸發損失4與膜蒸餾器排放的濃鹽水量。該方法可大幅減少取水與排汙水量，取消緩蝕阻垢劑的使用，可改變現有工業循環冷卻水的使用、處理方式，滿足生產要求降低生產成本。
權利要求
1.一種循環冷卻水的脫鹽方法，其特徵是在冷卻塔循環系統中，經過工業換熱器升溫後的循環水分流一股高溫排水(或低溫排水)供給膜蒸餾循環，該股水與膜蒸餾循環的循環水混合後進入膜蒸餾器的熱側，利用膜蒸餾器中的微孔疏水膜兩側的蒸汽壓差為驅動力，將水蒸汽由熱側傳至冷側，降溫後的熱側循環水通過耐腐蝕工業換熱器升溫後循環濃縮；膜蒸餾器冷側的循環水由冷卻中經冷卻塔降溫後的循環水分流提供，並通過膜蒸餾器的傳熱、傳質功能吸收水蒸汽及其潛熱，然後循環至冷卻塔冷卻，在此循環中完成了對循環水的稀釋過程；膜蒸餾熱側循環水完成傳熱、傳質後，水中鹽濃度大幅提高，在不影響膜蒸餾通量的情況下，可維持高鹽濃度循環，只有在通量下降到一定程度時才進行高濃鹽水的間歇排放。
2.如權利要求1所說的一種循環冷卻水的脫鹽方法，其特徵在於將原有冷卻系統中的某一級工業換熱器更換為耐防腐蝕換熱器，利用它和膜蒸餾器構成膜蒸餾循環。
3.如權利要求1所說的一種循環冷卻水的脫鹽方法，其特徵在於膜蒸餾器可以採用多個小型膜蒸餾器進行並聯、串聯組合，以達到循環水高濃縮倍數運行的要求。
4.如權利要求1所說的一種循環冷卻水的脫鹽方法，其特徵在於工業冷卻塔循環的工業換熱器可以採用多個工業換熱器串聯、並聯組合方式。
5.如權利要求1所說的一種循環冷卻水的脫鹽方法，其特徵在於所用膜蒸餾器可採用直接接觸膜蒸餾、真空膜蒸餾、空氣隙膜蒸餾膜蒸餾類型。
6.如權利要求1所說的一種循環冷卻水的脫鹽方法，其特徵在於膜蒸餾器的熱側與冷側的循環介質可採用錯流或並流流態方式進行傳熱、傳質。
7.如權利要求1所說的一種循環冷卻水的脫鹽方法，其特徵在於冷卻塔循環可以為密閉循環也可為敞口循環。
全文摘要
本發明提出一種循環冷卻水除鹽方法，屬於工業水處理領域。本發明採用膜蒸餾技術，利用耐腐蝕工業換熱器和冷卻塔的熱交換維持膜蒸餾器膜兩側的穩定溫差，完成循環水的脫鹽過程。將膜蒸餾器冷側低濃度鹽水返回冷卻塔循環，實現循環冷卻水的低鹽濃度運行，循環水補水只是彌補系統的蒸發損失與膜蒸餾器排放的濃鹽水量。該方法可大幅減少循環水補水與排汙水量，減少直至取消緩蝕阻垢劑的使用，徹底改變現有工業循環冷卻水的運行及處理方式。
文檔編號C02F1/04GK1962467SQ20051011766
公開日2007年5月16日 申請日期2005年11月9日 優先權日2005年11月9日
發明者王小軍, 王軍 申請人:王小軍, 王軍