脫鹽方法和脫鹽設備的製作方法
2023-04-26 07:14:31
專利名稱：脫鹽方法和脫鹽設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用局部未用過的廢熱源來使原水(比如，鹽水、海水)脫鹽的脫鹽方法和脫鹽設備，或者涉及例如通過使硬水軟化來生產淡水或適用水、飲用水或去礦質水的脫鹽方法和脫鹽設備。
背景技術：
在各種不同的設施，比如工廠、海洋建築物和農田中，在內陸地區、島嶼和沙漠區域中，難以得到適合工業用的水、飲用水或農業用水，並且在許多情況下，必須用船或卡車運輸水，或是必須鋪設管道。在另一些情況下，這些設施採用一種膜式或其它型式的脫鹽設備，這些設備肯定要消耗大量的電能。
儘管熱電廠或核電站等等再用了高溫廢熱來由汽輪機發電，但低壓蒸汽及其潛在的熱能都作為廢料排放掉了。事實上，各種低溫熱量存在例如局部的(區域性的)溫差、地熱、和發酵熱。
具有如上所述廢熱源的許多工廠或其它設施，要求用去礦質水或具有低雜質含量的水操作。如上所述利用船、卡車或管道輸送這種水的技術存在以下問題，即運輸費、建造費及維護和管理費用都很高。膜式或其它型式的脫鹽設備消耗大量的電能，而這也對高操作費用產生影響。
為了有效地使鹽水或硬水脫鹽，已經提出了真空蒸髮式脫鹽設備。
尤其是，已經推薦了採用閃蒸系統或多效罐系統的那些設備，作為常用的真空蒸髮式脫鹽設備。
然而，常用的閃蒸或多效脫鹽設備存在以下缺點，即在冷凝器中用來冷卻的水量很大，相應地排放的水量也大，這就造成需要大量的泵功率。
在閃蒸系統中，如果在所用熱源和冷卻水之間的溫差小，則效率變低，並且難以實現一種高效的多效系統。同樣，常用的多效罐系統存在以下缺點，即如果所用熱源和冷卻水之間的溫差小，則不能增加所用的罐數量，來形成多效脫鹽設備。因此，難以改善效率。所以，在所用熱源和冷卻水之間的溫差小的情況下，必須增加設備的傳熱表面積。這造成安裝費用上升，並且必須採用大的安裝區域。
而且，由於這兩類系統都採用連續操作方式，所以必須總是開動流體輸送泵、真空泵等。所以，在整個系統中消耗的動力量很大，並且效率低。關於真空泵，尤其是，由於在低溫條件下產生很高的真空度，所以大量水蒸汽被夾帶在抽出的氣體中。因此，需要有消耗大量動力的大型真空泵。
本發明鑑於上述情況作出，並且本發明的其中一個目的是提供一種脫鹽方法和脫鹽設備，它能通過級聯使用低溫廢熱作為能源，在減少費用下穩定地生產淡水，該低溫廢熱迄今為止都是處理掉沒有利用。
發明概述為了解決上述問題，按照本發明的第一方面，用於原水的脫鹽方法包括以下步驟(1)將原水加入到一有限空間的裝置中；(2)將有限空間的裝置抽真空並使其內部減壓；(3)將低溫廢熱加入到有限空間的裝置中，以便使低溫廢熱和有限空間的裝置中原水進行熱交換，並且在該有限空間的裝置中產生水蒸汽；和(4)冷卻該水蒸汽，以便得到蒸餾水。
有限空間的裝置可以包括一個蒸汽罐。
可供代替的是，有限空間的裝置可以包括許多個串聯連接的蒸發罐，其中將低溫廢熱加入到第一蒸發罐中，並且在每對相鄰的蒸發罐中，下遊側蒸發罐接收來自上遊側蒸發罐中的水蒸汽，用下遊側蒸發罐中的原水冷卻水蒸汽並因而產生蒸餾水，而且還加熱下遊側蒸發罐中的原水並產生水蒸汽。
有限空間的裝置可以包括許多個並排連接的蒸發罐，其中上述步驟(1)－(4)從一個蒸發罐轉換到另一個蒸發罐，以便因而能進行連續的脫鹽操作。
在上述方法中，抽真空步驟可以在開始脫鹽操作期間間歇式或是隨時進行一預定的時間。
將原水加入到有限空間裝置中的步驟，可以通過將有限空間的裝置抽真空，同時敞開有限空間的裝置通向原水源來進行。該方法還可以包括排出有限空間的裝置中濃縮原水的步驟，並且這一步驟可以在敞開有限空間的裝置通向大氣之後，通過敞開有限空間的裝置，並讓濃縮的原水由其向下流動來進行。
按照本發明的第二個方面，脫鹽設備包括一個熱交換器，它與一蒸發罐協同操作，以便使低溫廢熱和蒸發罐的原水進行熱交換，並在該蒸發罐中產生水蒸汽；一個冷凝器，它與原水箱協同操作，以便接收來自蒸發罐的水蒸汽，通過使水蒸汽與原水箱中的原水進行熱交換來冷卻水蒸汽並得到蒸餾水；一個蒸餾水箱，它用於存貯蒸餾水；真空裝置，它用於將蒸發罐抽真空並使其內部減壓，以便促進在蒸發罐中產生水蒸汽；和原水供給裝置，它用於將原水加入到蒸發罐中。
按照本發明的又一方面，脫鹽設備包括一個熱交換器，它與蒸發罐協同操作，以便使低溫廢熱和蒸發罐中的原水進行熱交換，並在該蒸發罐中產生水蒸汽；一個冷凝器，用它接收來自蒸發罐的水蒸汽，通過使水蒸汽和冷卻水經受熱交換來冷卻水蒸汽並得到蒸餾水；一個蒸餾水箱，它用於存貯蒸餾水；真空裝置，它用於將蒸發罐抽真空並使其內部減壓，以便促進在蒸發罐中產生水蒸汽；和原水供給裝置，它用於將原水加入到蒸發罐中。
在上述脫鹽設備中，低溫廢熱可以包括從工廠內發電用的汽輪機中出來的廢蒸汽的潛熱。
脫鹽設備可以與發電用汽輪機冷凝器串聯和/或並聯結合，或者可以代替冷凝器使用。在用脫鹽設備代替冷凝器的情況下，對只有一組脫鹽設備來說，不容易處理從發電廠排出的大量廢蒸汽。因此，可以通過並聯結合，使用許多個脫鹽設備。
在上述脫鹽設備中，可以設置許多個蒸發罐，其中將熱交換器配置成與第一蒸發罐協同操作，而將冷凝器這樣配置，以便在每對相鄰的蒸發罐中，下遊側蒸發罐接收來自上遊側蒸發罐的水蒸汽，用下遊蒸發罐中的原水冷卻該水蒸汽，並因而產生蒸餾水，而且還加熱了下遊側蒸發罐中的原水並產生水蒸汽。
脫鹽設備可以包括控制裝置，用於控制真空裝置的操作及控制連接到蒸發罐上的控制閥的開和關。
控制裝置可以如此控制真空裝置和控制閥，以便間歇式重複蒸發罐的抽真空和敞開蒸發罐通向大氣，因而能進行分批(間斷的)操作。
在上述脫鹽設備中，可以並排設置許多個蒸發罐，其中每排都包括至少一個蒸發罐，而控制裝置可以如此控制真空裝置和控制閥，以便各排中的蒸發罐不同時敞開通向大氣，因而能連續操作脫鹽設備。這種連續操作可以是規定的操作，或者是隨著廢熱(熱源)的變化操作。
在上述脫鹽設備中，原水供給裝置可以由真空裝置和控制閥構成，該控制閥連接到蒸發罐上，蒸發罐由控制裝置開和關。
脫鹽設備還可以包括濃縮原水或廢鹽水排放裝置，用於從蒸發罐中排出濃縮原水。濃縮原水排放裝置可以由一控制閥構成，該控制閥連接到蒸發罐的下部，蒸發罐用控制裝置開或關。
在上述脫鹽設備中，可以將蒸發罐、熱交換器、冷凝器、蒸餾水箱、真空裝置和原水供給裝置組合在一個構架中。在脫鹽設備還包括濃縮原水排放裝置的情況下，可以再將一濃縮原水排放裝置結合在一個構架中。
可以將許多個這樣組合在一個構架中的脫鹽設備進一步裝配在一個組合件中。
因為本發明的脫鹽設備利用迄今為止未用過的低溫廢熱源(例如，來自熱電廠或核電站的低溫廢熱)作為熱源，因此，能夠有效地利用這種熱量，這種熱量迄今為止都排放掉了。
此外，利用熱電廠或核電站的位置條件，通過利用從熱電廠或核電站排出的低溫廢熱作為熱源，及還利用海水作為最後一級冷凝器的冷卻源，能夠保證極穩定的熱源和冷卻源的供給，並能進行穩定的脫鹽，由於運輸發電燃料和保證廢熱排放地方(亦即熱輻射源)，它們都設置在海邊。
另外，低溫廢熱源是迄今為止未用過的一種能源，它的級聯使用使得有可能排除使用化石燃料並使產生全球變暖的氣體減至最少。這樣，就能利用脫鹽提供一種回收資源的技術，這種技術有利於全球環境。
按照本發明，原水存貯在蒸發罐中，蒸發罐的內部用真空泵減壓，及原水用低溫廢熱加熱。這能夠促進在低溫下蒸發。因此，能夠利用由發電廠等產生的低溫廢熱進行脫鹽。
此外，因為蒸發可以在低溫下進行，所以即使所用的熱源和冷卻水之間的溫差很小，也可以通過應用多效蒸發罐系統並重複使用熱量來改善蒸發效率。
而且，由於存貯在罐中的原水被蒸發，所以能夠進行間歇或分批操作。因此，動力消耗可以顯著減少。尤其是，如果設備是以分批方式操作，並且如果設備的內部是在開始操作時抽真空，及在操作結束時使設備的內部敞開通向大氣，則可以通過起動和停止真空裝置的操作來將原水加入到設備中和排出設備中的濃縮水。因此，設備基本上可以只通過真空泵的操作來操縱。因而，動力消耗可以進一步減少。
而且，通過以分批方式操縱許多個並聯配置的設備，將它們從一個轉換到另一個，可以進行連續操作。
而且，由於設備能夠用高效率和低動力操縱，所以可以將整個設備組合成一個緊湊的組合件。因而，能夠使設備的運輸、裝入和安裝很方便。
從下面結合附圖所作的說明，本發明的上述和另一些目的、特點及優點將變得更明顯，在這些附圖中，作為說明性的例子示出本發明的優選實施例。
附圖的簡要說明圖1是示出按照本發明的脫鹽設備一種基本結構實例的示意圖。
圖2是示出按照本發明的脫鹽設備另一種基本結構實例的示意圖。
圖3是示出按照本發明的脫鹽設備又一種基本結構實例的示意圖。
圖4是示出按照本發明的脫鹽設備再一種基本結構實例的示意圖。
圖5是示出在按照本發明的脫鹽設備中使用的蒸發罐第一基本結構實例的示意圖，其中圖5A是蒸發罐的縱向剖面圖，而圖5B是沿著圖5A中線段B－B所取的截面圖。
圖6是示出在按照本發明的脫鹽設備中所用蒸發罐的第二基本結構實例的縱向剖面圖。
圖7是示出在按照本發明的脫鹽設備中所用蒸發罐的第三基本結構實例的視圖，其中圖7A是蒸發罐的縱向剖面圖，而圖7B是該蒸發罐的平面圖。
圖8是示出在按照本發明的脫鹽設備中所用蒸發罐的第四基本結構實例的縱向剖面圖。
圖9是示出按照本發明的脫鹽設備另一種結構實例的示意圖。
圖10A－10C分別示出代表一個系統結構實例的示意圖，其中利用從發電廠冷凝式汽輪機中排出的低溫和低壓蒸汽，作為用於按照本發明的脫鹽設備的熱源。
圖11是示出一種脫鹽系統安排的示意圖，該脫鹽系統裝備有太陽能光生伏打發電設備。
圖12是示出一種組合式脫鹽設備實例的示意圖，其中單罐式脫鹽設備的各設備元件都裝配在一個構架中。
圖13是示出一種組合式脫鹽設備實例的示意圖，其中多效罐式(串聯連接)脫鹽設備的各設備元件都裝配在一個構架中。
圖14是示出一種組合式脫鹽設備實例的示意圖，其中多效罐式(並聯連接)脫鹽設備的各設備元件都裝配在一個構架中。
圖15是示出一種組合式脫鹽設備實例的示意圖，其中許多個組合在一個構架中的設備(圖中是兩個組合件)再裝配在一個組合件中。
圖16示出各組合件安排的實例，其中將兩個以上的組合件進一步裝配在一個組合件中。
圖17示出一種安排的實例，其中利用三個蒸發罐將本發明應用於一種真空蒸髮式脫鹽設備上。
實施本發明的最佳方式下面將參照
本發明的各實施例。圖1是示出按照本發明的脫鹽設備基本結構實例的示意圖。如圖1所示，脫鹽設備具有一個熱交換器10、一個蒸發罐60、和一個原水箱72。將來自熱電廠或核電站或其它發電設施的低溫廢熱源11引入熱交換器10，以便在低溫廢熱源11和傳熱介質13之間進行熱交換，因而將傳熱介質13加熱。將熱的傳熱介質13引入熱交換器92中，該熱交換器92安放在蒸發罐60內的原水62中，以便在傳熱介質13和原水62之間進行熱交換，因而將原水62加熱並因此產生水蒸汽63。傳熱介質13本身被冷卻，並返回熱交換器10。標號11′顯示出一種廢熱冷凝液或鹽水。
將蒸發罐60罐身61中產生的水蒸汽63收集起來並引入冷凝器98中，該冷凝器98安放在原水箱72內的原水71中，以便在水蒸汽63和原水71之間進行熱交換。水蒸汽63冷凝成蒸餾水76，並且還加熱原水71。將蒸餾水存貯在蒸餾水箱T中。蒸發罐60的罐身61內部，用一真空裝置比如真空泵VP經過蒸餾水箱T和控制閥V1、V10減壓。這樣，使罐身61中的原水62在減壓下與傳熱介質13進行熱交換。因此，水蒸汽63高效產生。
在上述脫鹽設備中，將低溫廢熱源11引入熱交換器10來加熱傳熱介質13，並使傳熱介質13和原水62通過熱交換器92進行熱交換。也就是說，熱交換是在低溫廢熱和原水之間間接地進行。然而，可以這樣安排，即把低溫廢熱源11引入熱交換器92中，以便在低溫廢熱源11和原水62之間直接進行熱交換。
圖2是示出按照本發明的脫鹽設備另一種基本結構實例的示意圖。如圖2所示，脫鹽設備具有一個熱交換器10、一個蒸發罐60和一個冷凝器20。將來自熱電廠或核電站或其它發電設施的低溫廢熱源11引入熱交換器10，以便在低溫廢熱源11和傳熱介質13之間進行熱交換，並因而加熱了傳熱介質13。將熱的傳熱介質13引入一熱交換器92中，該熱交換器92安放在蒸發罐60內的原水62中，以便在傳熱介質13和原水62之間進行熱交換，因而使原水62變熱並因此而產生水蒸汽63。傳熱介質13本身被冷卻並返回熱交換器10。
將蒸發罐60罐身61中產生的水蒸汽63收集起來，並引入冷凝器20中，以便在水蒸汽63和冷卻水21之間進行熱交換。水蒸汽63冷凝成蒸餾水，並將該蒸餾水存貯在蒸餾水箱T中。蒸發罐60罐身61的內部，用一真空裝置比如真空泵VP經過蒸餾水箱T和控制閥V1、V10減壓。這樣，使罐身61中的原水62經受在減壓下與傳熱介質13進行熱交換。因此，水蒸汽63高效產生。
在上述脫鹽設備中，將低溫廢熱源11引入熱交換器10中，以便加熱傳熱介質13，並且傳熱介質13和原水62通過熱交換器92進行熱交換。也就是說，熱交換是在低溫廢熱源11和原水62之間間接地進行。然而，可以這樣安排，即把低溫廢熱源11引入熱交換器92，以便在低溫廢熱源11和原水62之間直接進行熱交換。標號21＇顯示出一種回流的冷卻水。
圖3是顯示按照本發明的脫鹽設備又一種基本結構實例的示意圖。如圖3所示，脫鹽設備具有一個熱交換器10和許多個成多級結構配置的蒸發罐60、60′…。將低溫廢熱源11引入熱交換器10，以便在低溫廢熱源11和傳熱介質13之間進行熱交換，並因而加熱了傳熱介質13。將熱的傳熱介質13引入熱交換器92，該熱交換器92安放在第一級蒸發罐60內的原水62中，以便在傳熱介質13和原水62之間進行熱交換，因而加熱原水62並因此產生水蒸汽63。傳熱介質13本身被冷卻並返回熱交換器10。
將第一級蒸發罐60中產生的水蒸汽63收集起來並引入冷凝器(熱交換器)92＇中，該冷凝器(熱交換器)92＇安放在第二級蒸發罐60＇內的原水62＇中，以便在水蒸汽63和原水62＇之間進行熱交換，因而加熱了原水62＇並因此產生水蒸汽63＇。水蒸汽63本身以蒸餾水76形式在蒸餾水箱T中回收。第三級和以後各級蒸發罐也具有與上述蒸發罐相同的功能。也就是說，將與各蒸發罐協同操作的冷凝器這樣配置，以使在每對相鄰的蒸發罐中，下遊側的蒸發罐接收來自上遊側蒸發罐的水蒸汽，以便用下遊側蒸發罐中的原水冷卻水蒸汽，因而產生蒸餾水，並且還加熱下遊側蒸發罐中的原水和產生水蒸汽。
在最後一級處，水蒸汽被引入一個冷凝器98，該冷凝器98安放在原水箱72內的原水71中，以便在水蒸汽和原水71之間進行熱交換來產生蒸餾水76，同樣，也將該蒸餾水76存貯在蒸餾水箱T中。
圖4是示出按照本發明的脫鹽設備再一種基本結構實例的示意圖。除最後一級外，此設備的安排和功能與圖3所示設備的安排和功能相同。也就是說，如圖所示，在本實例中，在最後一級處，將水蒸汽引入一個冷凝器20中，以便在水蒸汽和冷卻水21之間進行熱交換，來產生蒸餾水76。
圖5A和5B是示出蒸發罐60第一基本結構實例的示意圖。如圖5A和5B所示，蒸發罐60具有至少一根傳熱管64，該傳熱管64在一水平安裝的罐身61中水平式延伸。在傳熱管64的兩端處，設置室65和66，用於共同安裝傳熱管64。一個室65裝配一個傳熱介質入口或水蒸汽入口67，而另一個室66裝配一個冷凝的傳熱介質出口或冷凝液出口68。傳熱管64的內部用作傳熱介質的熱輻射部件或用作水蒸汽的冷凝部件，而傳熱管64的外部用作原水62的加熱和蒸發部件。
這樣，蒸發罐60具有結合成一個部件的加熱和蒸發部件並以水平形式配置。因此，簡化了蒸發罐的結構，並且得到即使在溫差小的情況下也具有高性能的罐。傳熱管64可以製成另外的形狀，它能抽真空並顯示出極好的傳熱特性。如上所述配置的蒸發罐60可以這樣整個地傾斜安放，即把用於冷凝後的傳熱介質或冷凝液的出口68設置在用於傳熱介質蒸汽或水蒸汽的入口67的下方，以便傳熱管64中的冷凝液能很容易排出，不過這種安排在圖中未示出。
通過如上所述將整個蒸發罐60傾斜安放，使傳熱管64中的冷凝液毫無阻礙地從出口68排出。在傳熱介質以液相使用的情況下，可以這樣安排，即在下面位置處設置高溫傳熱介質液體入口67＇，而在上面位置處設置低溫傳熱介質液體出口68＇。
將從熱交換器10出來的熱的傳熱介質輸出通過入口67或高溫傳熱介質液體入口67＇引入到傳熱管64中。經受過熱輻射作用的傳熱介質從出口68或低溫傳熱介質液體出口68＇中排出並返回熱交換器10。在多效蒸發罐60的情況下，如圖3和4所示，在前一級蒸發罐60中產生的水蒸汽63從入口67引入傳熱管64中，而蒸餾水從後一級蒸發罐60的出口68中排出。
圖6是示出蒸發罐60第二種基本結構實例的示意圖。圖5和6相同的組成元件都用相同的標號表示。傳熱管64安放在罐身61中，以便傾斜地延伸到蒸發罐60的水平方向或底表面。蒸汽出口68位於蒸汽入口67的下面。在傳熱介質以液相使用的情況下，也可以這樣配置蒸發罐60，以使高溫傳熱介質液體入口67＇設置在下面位置處，而低溫傳熱介質液體出口68＇設置在上面位置處。
通過如上所述將傳熱管64傾斜安放，傳熱管64中的冷凝液毫無阻礙地通過出口68排出。如果將傳熱管64安放在罐身61的直徑D下面一半內，並將原水62的液面近似設定在罐身61的中央處，則蒸發麵積可以達到最大，並且可以得到優質蒸餾水而不夾帶水霧。
圖7A和7B是示出蒸發罐60的第三種基本結構實例的示意圖。圖5、6和7相同組成元件用相同的標號表示。蒸發罐60具有至少一組傳熱管64，它們安放在水平安放的罐身61中。在罐身61的中央處設置一個室69，以便集體安裝各傳熱管64，並且在蒸發罐60的兩側處，設置室65和66，用於集體安裝傳熱管64。位於中央的室69有一用於傳熱介質蒸汽或水蒸汽的入口69＇。兩側處的室65和66都具有相應的用於冷凝的傳熱介質或冷凝液的出口68。
根據圖7中蒸發罐60的安排，儘管在蒸發罐60的罐身61長，並因而傳熱管64變長的情況下，冷凝部分中的壓力損失將不增加，並且傳熱介質或蒸餾水能很容易排放。
圖8是蒸發罐60的第四種基本結構實例的示意圖。圖5－8相同的組成元件用相同的標號表示。蒸發罐60具有傳熱管64，該傳熱管64相對於水平方向傾斜地安放在罐身61中。出口68設置在室69的下面，該室69與中央入口69a連通。如圖8所示，蒸發罐60的安排使傳熱管64中的冷凝液能毫無阻礙地排出。此外，可以將原水62的液面近似設定在罐身61的中央處，並因此可以使蒸發麵積達到最大。因此，可以得到優質蒸餾水而不夾帶水霧。
儘管上面只說明了第一級蒸發罐60的構造，但在第二級或後面各級蒸發罐60＇、60″……中可以採用相同或類似的構造。
另外，應該注意，加到蒸發罐60和原水箱72中的原水是鹽水(比如，海水)或硬水，而濃縮的原水可以隨時或定期地通過排放裝置(未示出)經過控制閥V2、V7從蒸發罐60和原水箱72中排出，控制閥V2、V7連接到蒸發罐60和原水箱的下部，而同時，可以隨時或定期地通過原水供給裝置，比如泵S(只示出一個)經過另外的控制閥V3、V8供給原水，控制閥V3、V8與其連接，以便在蒸發罐60和原水箱72內保持一預定的液面。
在蒸發罐60和原水箱72中的濃縮原水62、71，可以從蒸發罐60和原水箱72的下部，經過與其連接的控制閥V2、V7，通過向下自然流動、隨時或定期地排出一預定的量，而同時，可以通過原水供給裝置S(只示出一個)，經過另一控制閥V3、V8，將原水在外部加入蒸發罐60和原水槽72中(此處溫度是低的)，以便原水62、71的水面保持處於恆定的水平。在這種情況下，濃縮原水排放裝置可以由控制閥V2、V7構成，該控制閥V2、V7連接到蒸發罐60或原水箱72的下部。
此外，可以通過打開連接到蒸發罐60下部的控制閥V3，並通過真空泵VP使蒸發罐的內部減壓，將原水加入蒸發罐60中。也就是說，在蒸發操作之前的準備階段，原水供給可以與蒸發罐的抽真空同時進行。在這種情況下，原水供給裝置由控制閥V1、V3、V10和真空泵VP構成。真空泵VP的操作及這些控制閥V1-V10的開和關由控制器C控制。
應該注意，如此設置系統，以便將蒸餾水76存貯在蒸餾水箱T中，並且在設備操作結束和設備內部打開通向大氣之後，通過打開閥V9將蒸餾水供給到每個需要蒸餾水的地方，上述蒸餾水76是通過冷凝蒸發罐60的罐身61中產生的水蒸汽63得到的。
在上述脫鹽設備中所用的低溫廢熱源是一種具有熱能的熱源，該熱能要求一定量外部供給的能量，以便得到用於驅動汽輪機的蒸汽。低溫廢熱源包括從核電站或熱電廠中發電用汽輪機出來的廢蒸汽。低溫廢熱源最好不是從發電廠周期的中間點中抽取的熱量(從發電周期的中間點抽取熱量造成發電效率降低)，而是，脫鹽設備最好應使用未用過的低溫廢熱源，該未用過的低溫廢熱源從冷凝器中排出並且用別的方法處置，因此對發電效率沒有影響。
作為一種低溫廢熱源，通常可以得到範圍從50℃至60℃的廢熱。然而，正如將要參照後面實施例所說明的，如果設備中所用的廢熱具有約30℃的溫度，則本發明的脫鹽設備就提供足夠的性能。
如上所述配置的脫鹽設備可以一天24小時連續工作。然而，脫鹽設備也可以例如如下所述工作。首先，通過操縱原水供給裝置，將一預定量的原水加入到蒸發罐60中，並通過打開閥V1、V10和通過操縱真空泵VP將蒸發罐60抽真空。在蒸發罐60中產生了一預定的真空度之後，關閉閥V1和V10，停止真空泵VP的操作，並開始供給低溫廢熱源11。結果，蒸發蒸餾立即開始。如上所述，通過操縱真空泵VP和控制閥V1、V3、V10，可以同時開始蒸發罐60的抽真空和將原水62加入到蒸發罐中。在分批操作情況下，在脫鹽設備操作期間，適當地，或隨時使該系統進行抽氣，因為在抽真空的早期階段，原水62中的不冷凝氣體不能適當地抽出，該不冷凝的氣體將在蒸發和冷凝期間妨礙熱傳遞。
在蒸發蒸餾進行到了一預定的濃度之後，排出濃縮的原水62，以防鹽的沉積。這可以在打開閥V1和V6使設備與大氣相通後，通過打開連接到蒸發罐下部的閥V2，並讓濃縮的原水由其自然向下流動來做到。然後，在關閉閥V6之後，再如上所述通過操縱真空泵VP和控制閥V1、V3、V10，將新的原水加入到蒸發罐中，並通過真空泵進一步將蒸發罐抽真空，可以繼續進行蒸發蒸餾。在這種情況下，脫鹽設備中所需的動力主要是抽真空所要求的動力，並且真空泵VP只是在操作的開始部分運行一預定的時間，以便形成一預定的真空度。因此，一旦將預定量的原水62加入到蒸發罐60中，並進行抽真空達到一預定的真空度，就可以進行蒸發蒸餾。因此，能夠進行一種分批操作，並且與連續操作不同，該操作可以在減少電力的情況下進行。
為了使系統中不冷凝的氣體比如空氣能有效地排出該系統，通過打開控制閥V1和V10和開動真空泵VP，來定期地從系統中抽出氣體，該不冷凝的氣體在蒸發和冷凝期間阻礙熱傳遞。通過實驗業已證明，通過每2小時抽出氣體60秒鐘，可以得到可靠的蒸發蒸餾效果。然而，也發現，實際上，基本上沒有必要進行抽氣操作，並且能使抽氣時真空泵的操作時間減至最少。
作為例子，如圖9所示，當通過打開蒸發罐60通向大氣補充原水時，轉動轉換閥V4和V5，以便讓傳熱介質13流到與蒸發罐60並聯連接的蒸發罐60＇中，並打開控制閥V1和通向大氣的閥V6。這時，控制閥V1＇仍然關閉，並且使蒸發罐60＇的內部保持在一預定的真空度下。在原水62已排出蒸發罐60之後，關閉通向大氣的閥V6和抽氣閥V1，並通過操縱真空泵VP和打開控制閥V1、V3、V10來使蒸發罐60的內部減壓，以便將原水引入蒸發罐60中。這樣，就更新了原水62。當已將原水62引入蒸發罐60達到預定水平時，關閉控制閥V3。在蒸發罐中的壓力達到一預定的真空度後，關閉控制閥V1、V10，停止真空泵VP的工作，並打開用於蒸發罐60的轉換閥V4和V5，因而開始了正常工作。控制器C控制真空泵VP的工作及這些控制閥V1－V10的開和關。也可以通過進行類似操作來對蒸發罐60＇更換原水。這樣，就能夠連續地利用低溫廢熱源進行規定的連續操作。
應該注意，圖9中並聯的蒸發罐60＇數目不一定限於一個，而是可以用兩個或多個蒸發罐60＇。此外，可以將許多排如圖4所示成多級結構配置的蒸發罐並聯連接。這樣，就能如上述情況所述，連續利用低溫廢熱源來進行規定的連續操作。還能隨著廢熱源的改變進行操作，例如，一種其中通過改變操縱的蒸發罐數目來改變被處理的水量。
如上所述，由於本發明的脫鹽設備所用的電力主要是如真空泵所要求的電力，所以總的電力消耗減至最少。如果進行分批操作，因為只是在操作開始時操縱真空泵，以便在蒸發罐中形成一預定的真空度，所以特別有效地使電力消耗減至最少。
順便說說，不一定總是必需單獨提供真空泵。事實上，能夠利用發電廠或其它類似設施中所設置的真空泵。也可以如後面所述，設置太陽能光生伏打發電設施，而不需要任何的外部電源。這樣，就能夠利用應用自然界能量的發電設備，比如太陽能光生伏打發電或風能發電設備來作為電力源。
圖10A是示出一種系統結構實例的示意圖，其中如上所述配置的脫鹽設備並聯連接到發電廠中用於發電的汽輪機(比如，一種冷凝式汽輪機)冷凝器上。從鍋爐100排出的蒸汽通過一儲汽筒101供給到冷凝式汽輪機102上，以便驅動發電機103。從冷凝式汽輪機102中排出的蒸汽在一低壓蒸汽冷凝器104中冷凝，存貯在冷凝液箱105中，並通過一汽水分離器106返回鍋爐100。
按照本發明的脫鹽設備200並聯連接到低壓蒸汽冷凝器104上。通過用從冷凝式汽輪機102出來的蒸汽供給脫鹽設備200來進行脫鹽，上述從冷凝式汽輪機102出來的蒸汽具有壓力為0.03-0.05kg/cm2，和溫度為24-34℃，用它作為低溫熱源，而用溫度為15-25℃的海水作為原水和冷卻水。結果，證明該脫鹽設備能夠有效的脫鹽。儘管在本例中脫鹽設備與低壓蒸汽冷凝器104並聯結合，但應該注意，脫鹽設備200可以如圖10B所示串聯結合到低壓蒸汽冷凝器104上或者可以如圖10C所示用脫鹽設備代替低壓蒸汽冷凝器104。在後一種情況下，可以這樣安排，即不安裝低壓蒸汽冷凝器104，而是將從冷凝式汽輪機102中排出的全部低壓蒸汽都引入脫鹽設備200中。
還應注意，上述從冷凝式汽輪機中排出的蒸汽壓力和溫度及海水的溫度僅僅是例子，而低溫廢熱源的壓力和溫度及原水的溫度隨低溫廢熱源的種類、系統安裝的區域等而變。
圖11是示出一種脫鹽系統安排的示意圖，該系統設置有一個太陽能光生伏打發電設施，其中脫鹽設備也包括太陽能光生伏打發電設施，因此脫鹽設備利用由太陽能光生伏打發電設施供給的電力作為驅動電力。
更準確地說，如圖所示，太陽能光生伏打發電設施300設置許多個太陽能電池301，並由此通過發電控制板302將發出的電力存貯在蓄電池303中。此外，根據需要將驅動電力供給到真空泵304上，該真空泵304連接到脫鹽設備200的真空系統上。
圖12－15示出利用按照本發明的脫鹽設備的構成實例，其中將脫鹽設備的各元件裝配在一個機架中作為一個組合件。圖1－4、9和12－15中相同的標號表示相同的元件。
圖12示出一個實例，其中單罐式脫鹽設備的各設備元件都裝配在一個機架F中。也就是說，圖2所示的蒸發罐60，熱交換器92、冷凝器20、蒸餾水箱T和真空泵VP都裝配在一個機架F中作為一個組合件U。如果希望的話，可以將熱交換器10裝配在該組合件U中。
圖13示出一個實例，其中多效罐式(2級串聯連接)脫鹽設備的各設備元件都裝配在一個機架F中。也就是說，圖4所示的蒸發罐60、60＇，熱交換器92、92＇，冷凝器20、蒸餾水箱T和真空泵VP都裝配在一個機架F中作為一個組合件U＇。如果希望的話，可以將熱交換器10裝配在該組合件U′中，並且可以增加級的數目。
圖14示出一個實例，其中多效罐式(2級並聯連接)脫鹽設備的各元件裝配在一個機架F中。也就是說，圖9所示的蒸發罐60、60＇、熱交換器92、92＇、冷凝器20、20＇、蒸餾水箱T和真空泵VP裝配在一個機架F中作為組合件U＇，並且可以增加級的數目。還有，如果希望的話，可以用一個冷凝器20代替兩個冷凝器20，20。
圖15示出一種結構實例，其中許多個如上所述的組合式脫鹽設備進一步裝配在一個組合件U中。在此實施例中，兩個圖13所示的多效罐式脫鹽設備組合件U＇以上下配置的方式配裝。儘管沒有示出，但圖14所示的多效罐式脫鹽設備(其中多個級並聯連接)的組合件U″可以裝配在一個組合件中，並且可以進一步增加其中級的數目。
通過將各設備元件組合成一個組合件或是通過將組合式的設備進一步裝配成一個如上所述的組合件，則可以很容易進行設備的運輸、裝入、安裝等等。順便說說，在上述實例中，根據真空泵的性能和設備的能力，可以採用一個真空泵VP代替許多個真空泵。
圖16示出各組合件安排的實例，其中將兩個以上並聯連接的組合件裝配在一個組合件中。在圖16中，標號22是原水，23是濃縮的原水，T＇是傳熱介質箱，P＇是傳熱介質泵，24是淡水，及P是淡水泵。在傳熱介質以液相使用的情況下，傳熱介質箱T＇和傳熱介質泵P＇都不需要。(實例)圖17示出一個實例，其中利用成三效結構配置(串聯配置)的蒸發罐，將本發明應用到真空蒸髮式脫鹽設備上。與上述實施中相同的標號代表相同的組成元件。
本例中的操作條件如下1)操作方式分批操作每批5小時，一天重複4次，各批操作之間的轉換時間是1小時。操作周期總計是24小時。2)溫度條件所用熱源廢蒸汽溫度為34℃冷卻水海水溫度為15℃3)真空泵渦旋式(Scroll)真空泵1.5kW真空泵在每5小時分批操作開始時操作約30分鐘。
4)蒸發罐尺寸1.2m3/罐在設備的各部分處的溫度和流速如圖中所示。
在本例中，由設備最後所得到的蒸餾水量是2.4噸/天。設備中所消耗的電力，包括冷卻水泵在內是26.37千瓦時/天(kwh/day)，而不包括冷卻水泵在內(亦即僅是真空泵的電力)是3.5kwh/day。
結果，生產水的功率是包括冷卻水泵在內是10.99千瓦時/噸(kwh/Ton)，而不包括冷卻水泵在內是1.45kwh/Ton。不包括冷卻水泵所耗電力的生產水的功率，要比採用與實例中相同溫度的廢熱水和冷卻水的閃蒸式脫鹽設備的功率多40餘倍。
工業應用如上所述，本發明提供下列優越效果(1)本發明的脫鹽設備採用迄今為止未用過的低溫廢熱源作為熱源，例如從熱電廠或核電站出來的低溫廢熱。因此，可以有效地利用這種熱，而這種熱迄今為止都排放掉了。(2)通過利用從熱電廠或核電站排出的低溫廢熱作為脫鹽設備的熱源，及還利用海水作為最後一級冷凝器的冷卻源，利用熱電廠或核電站的布局條件，能夠保證極穩定的熱源和冷卻源的供給，並能進行穩定的脫鹽，考慮到發電燃料的運輸及保證廢熱排放的地方(亦即，熱輻射源)，熱電廠或核電站設置在海邊。另外，作為一種低溫廢熱，可以利用共同產生的廢熱和隔離區域(比如一個帳篷等)中發電機出來的廢熱。作為冷卻源，可以利用從冷卻塔出來的水，或者級聯使用由其出來的水是可能的。(3)低溫廢熱源的級聯使用，使它能排除使用化石燃料，並使產生的總暖氣量減至最少，上述低溫廢熱源迄今為止未用過。這樣，通過對環境有益的脫鹽作用，可以提供一種回收資源的技術。(4)在本發明中，原水存貯在蒸發罐中，並且用真空泵使罐的內部減壓。而且，原水用低溫廢熱加熱，因而能促進在低溫下蒸發。因此，能夠利用從發電廠等出來的低溫廢熱進行脫鹽。(5)此外，由於能夠進行低溫操作，所以即使在所用的熱源和冷卻水之間的溫差很小，通過應用多效蒸發罐系統和重複使用熱量，可以改善蒸發效率。(6)而且，由於存貯在蒸發罐中的原水被蒸發，所以可以進行間歇或分批的操作。因此，動力消耗能夠顯著減少。尤其是，如果這樣以分批方式操縱設備，即在操作開始時，將設備的內部抽真空，並在操作結束時，使設備的內部敞開通向大氣，則能夠將原水加入到設備中，並且能夠排出設備中的濃縮水。此外，真空泵基本上只是在分批操作的開始部分工作一預定的時間，以便在蒸發罐中形成一預定的真空度。因此，動力消耗能夠進一步減少。(7)而且，通過操縱許多個並聯的分批設備，將它們從一個設備轉到另一個設備，也可以進行連續操作。(8)因為設備可以高效率和低動力操縱，所以可以將整個設備組合成一個緊湊的組合件。因此，很容易運輸、裝入和安裝該設備。
權利要求
1．原水的脫鹽方法，包括以下步驟(1)將原水加入一限定空間的裝置中；(2)將上述限定空間的裝置抽真空並使其內部減壓；(3)將低溫廢熱加入到上述限定空間的裝置中，以便上述低溫廢熱和限定空間的裝置中原水經受熱交換，並在上述限定空間的裝置中產生水蒸汽；和(4)冷卻上述水蒸汽，以便得到蒸餾水。
2．如權利要求1所述的脫鹽方法，其特徵在於上述限定空間的裝置包括一個蒸發罐。
3．如權利要求1所述的脫鹽方法，其特徵在於上述限定空間的裝置包括許多個蒸發罐，它們串聯連接；上述低溫廢熱加入到第一蒸發罐中；和在每對相鄰的蒸發罐中，下遊側罐接收來自上遊側蒸發罐的水蒸汽，用下遊側蒸發罐中的原水冷卻水蒸汽並因而產生蒸餾水，而且還加熱下遊側蒸發罐中的原水並產生水蒸汽。
4．如權利要求1所述的脫鹽方法，其特徵在於上述限定空間的裝置包括許多個蒸發罐，它們並排連接；將上述步驟(1)－(4)從一個蒸發罐轉換到另一個蒸發罐，以便因而能進行連續脫鹽操作。
5．如權利要求1－4其中之一所述的脫鹽方法，其特徵在於上述抽真空步驟間歇式或隨時進行。
6．如權利要求5所述的脫鹽方法，其特徵在於上述抽真空步驟在開始脫鹽操作時進行一預定的時間。
7．如權利要求1－6其中之一所述的脫鹽方法，其特徵在於上述將原水加入到限定空間的裝置中的步驟，通過將上述限定空間的裝置抽真空，同時打開限定空間的裝置通向原水源來進行。
8．如權利要求1所述的脫鹽方法，還包括排出上述限定空間的裝置中濃縮原水的步驟，上述排放步驟是在打開限定空間的裝置通向大氣後，通過打開該限定空間的裝置，並讓濃縮原水從該裝置向下流動來進行。
9．脫鹽設備，包括一個熱交換器，它與一個蒸發罐協同操作，以便使低溫廢熱和蒸發罐中的原水經受熱交換，並在該蒸發罐中產生水蒸汽；一個冷凝器，它與一個原水箱協同操作，以便接收來自上述蒸發罐的水蒸汽，通過使水蒸汽與原水箱中的原水經受熱交換，來冷卻水蒸汽，並得到蒸餾水；一個蒸餾水箱，它用於存貯上述蒸餾水；真空裝置，它用於將上述蒸發罐抽真空並使其內部減壓，以便促進在上述蒸發罐中產生水蒸汽；和原水供給裝置，它用於將原水供給到上述蒸發罐中。
10．脫鹽設備，包括一個熱交換器，它與一個蒸發罐協同操作，以便使低溫廢熱和蒸發罐中的原水經受熱交換，並在該蒸發罐中產生水蒸汽；一個冷凝器，用它來接收來自上述蒸發罐的水蒸汽，通過使水蒸汽和冷卻水經受熱交換來冷卻水蒸汽，並得到蒸餾水；一個蒸餾水箱，它用於存貯上述蒸餾水；真空裝置，它用於將上述蒸發罐抽真空並使其內部減壓，以便促進在上述蒸發罐中產生水蒸汽；和原水供給裝置，它用於將原水供給到上述蒸發罐中。
11．按照權利要求9或10所述的脫鹽設備，其特徵在於上述低溫廢熱是工廠裡用於發電的汽輪機中廢蒸汽的潛熱。
12．按照權利要求11所述的脫鹽設備，其特徵在於上述脫鹽設備串聯和/或並聯結合到上述發電用汽輪機的冷凝器上，或是代替該冷凝器用。
13．按照權利要求9或10所述的脫鹽設備，其特徵在於設置許多個蒸發罐，上述熱交換器配置成與第一蒸發罐協同操作；並且上述冷凝器這樣配置，以便在每對相鄰的蒸發罐中，下遊側蒸發罐接收來自上遊側蒸發罐的水蒸汽，用下遊側蒸發罐中的原水冷卻水蒸汽並因而產生蒸餾水，而且還加熱了下遊側蒸發罐中的原水並產生水蒸汽。
14．按照權利要求9－13其中之一所述的脫鹽設備，其特徵在於上述脫鹽設備還包括控制裝置，用於控制上述真空裝置的操作，並且開和關連接到上述蒸發罐上的控制閥。
15．按照權利要求14所述的脫鹽設備，其特徵在於上述控制裝置控制真空裝置和控制閥，以便間歇式重複對蒸發罐抽真空的操作和打開蒸發罐通向大氣的操作。
16．按照權利要求14或15所述的脫鹽設備，其特徵在於並排設置許多個蒸發罐，其中每一排都包括至少一個蒸發罐，上述控制裝置控制真空裝置和控制閥，以使所有排中的各蒸發罐都不是同時敞開通向大氣，因而能夠連續操作。
17．按照權利要求14－16其中之一所述的脫鹽設備，其特徵在於上述原水供給裝置由真空裝置和控制閥構成，該控制閥連接到蒸發罐的下部，它通過控制裝置打開或關閉。
18．按照權利要求14－17其中之一所述的脫鹽設備，該脫鹽設備還包括濃縮原水排放裝置，它用於排出蒸發罐中的濃縮水。
19．按照權利要求18所述的脫鹽設備，其特徵在於上述濃縮原水排放裝置由控制閥構成，該控制閥連接到蒸發罐的下部，它通過控制裝置打開或關閉。
20．按照權利要求10－17其中之一所述的脫鹽設備，其特徵在於上述蒸發罐、熱交換器、冷凝器、蒸餾水箱、真空裝置和原水供給裝置都組合在一個機架中。
21．按照權利要求18或19所述的脫鹽設備，其特徵在於上述蒸發罐、熱交換器、冷凝器、蒸餾水箱、真空裝置、原水供給裝置和濃縮原水排放裝置都組合在一個機架中。
22．按照權利要求20或21所述的脫鹽設備，其特徵在於多個上述組合在一個機架中的脫鹽設備進一步裝配在一個組合件中。
全文摘要
利用低溫廢熱,脫鹽設備能以低成本穩定地得到淡水,其中脫鹽設備包括:一個熱交換器(92),它與蒸發罐(60)協同操作,以便使低溫廢熱(1)和原水(62)在蒸發罐(60)中經受熱交換,並在蒸發罐(60)中產生水蒸汽(63);一個冷凝器(98),它與原水箱(72)協同操作,以便接收來自蒸發罐(60)的水蒸汽,通過使水蒸汽(63)和原水(71)在原水箱(72)中經受熱交換來冷卻水蒸汽(63)並得到蒸餾水(76);一個蒸餾水箱,它用於存貯蒸餾水(76);真空裝置,它用於將蒸發罐(60)抽真空並使其內部減壓,以便促進在蒸發罐(60)中產生水蒸汽(63);和原水供給裝置,它用於將原水加入到蒸發罐中。
文檔編號B01D5/00GK1283167SQ98812641
公開日2001年2月7日 申請日期1998年12月24日 優先權日1997年12月25日
發明者神谷一郎, 楢崎祐三, 黑田哲生 申請人:株式會社荏原製作所