CN104925883B - 一种浓盐废水的节能浓缩处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浓盐废水的节能浓缩处理装置，由浓盐水蒸发罐、湿空气凝结加热箱、热泵系统、太阳能集热系统以及换热器组成。该装置利用干空气作为浓盐废水蒸发的蒸汽载体，采用热泵系统循环回收湿热蒸汽所蕴含的潜热原理，使得浓盐废水蒸汽凝结成容易处理的冷凝水。饱和湿空气通过各类换热器，水分不断减少，最终形成高温干空气，回到废水浓缩蒸发浓缩罐中继续作为蒸汽载体循环。本发明引入太阳能集热供热与相变蓄热技术，利用太阳能，减少系统能耗，提高系统运行稳定性。由于湿空气冷凝设备与浓盐废水蒸发设备分离设计，避免了浓盐废水对冷凝器的直接腐蚀，提高设备使用寿命。本发明运行成本较低。整套装置，设备简单，工艺流程短，占地面积小，实现了浓盐废水的节能环保处理。

Description

一种浓盐废水的节能浓缩处理装置

技术领域

本发明涉及一种浓盐废水的节能浓缩处理装置，尤其是涉及一种使用空气作用蒸汽载体，利用太阳能等废热余热作为加热热能，通过热泵循环回收冷凝潜热的浓盐废水再浓缩结晶处理装置，属于难处理工业废水（高浓度含盐废水）的环保节能浓缩处理的技术领域。

背景技术

随着经济的发展和生活水平的提高，人们对环境的要求也越来越高。同时由于资源的有限，整个社会都面临着水资源贫乏、能源消耗过大的问题。由于我国工业的快速成长，而相对应的环保处理技术和装置开发跟不上实际需求，使得我国工业污染物，尤其是工业废水的环境污染问题成为目前我国面临的一个急需解决的问题。

近年来，膜处理技术的广泛应用使得工业废水、生活污水浓度得以提高，污水总量得以大幅降低，但是污染物总量没有变化，膜浓缩后的污水难以采用传统的生化方法处理，使得浓缩废水成为二次污染源。一方面，膜浓缩后污水含盐浓度最大也不能超过10%，浓缩过后的污水仍占有大量体积，再处理或往外运输处理困难，成本较高，无法达到零排放要求。另一方面，中国存在大量的中小化工企业，尽管每天产生的浓盐废水量不大，但是COD大于10⁵，含盐浓度超过10%，令传统生化方法无法处理。这些工业废水外运处理成本极高，因此许多企业采用偷偷直排的违法行为，严重污染当地环境，成为目前环保的大难题。

与此同时，中国的人均水资源贫乏，尤其是一些岛屿、沿海盐碱地区及内陆苦咸水地区均属缺乏淡水地区，解决淡水供应不足是我国面临的一个严峻问题。对浓盐废水就地处理，获得可以利用的回用水，也是解决缺水问题的有效方法。

目前浓盐废水的有效处理仍是世界难题，科研技术人员认为采用类似海水淡化技术的热浓缩方法是未来发展方向之一，降低工艺的能耗是其最终目标。海水淡化方法中的蒸馏法使用大量能耗，经济性不高。而太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，利用太阳能进行海水淡化既可节约能源又能满足环保的要求，迎合了发展的需求。另一方面，浓缩处理过程中蒸发排放的湿空气温度较高，所含可利用的潜热高，采用热泵回收这部分能量能够有效降低能耗。

专利号为 CN200410050333.1 的中国发明专利利用太阳光照使海水蒸发，然后再将水蒸汽迅速冷凝，以获取纯净的淡水，虽然装置结构简单，不需任何动力设备，但是其运行效率低，占地面积大。专利号为CN 103159275 B的中国发明专利公开了一种基于直膨式太阳能热泵的海水淡化装置及方法，该发明利用热泵原理，利用太阳能集热蒸发器收集太阳能，喷淋式闪蒸方法将海水淡化。尽管该发明原理可行，但是工艺复杂，设备多，控制难度大，运行故障率高。

通过专利检索发现，目前专门用于浓盐废水的合理化热浓缩技术仍没有得到有效开发，尤其是针对工业废水日处理量在10吨以下的处理技术。通过分析，我们发现有几个问题难以得到有效解决：1）浓盐废水中微生物驯化难度极大，生化处理难以实施；2）浓盐废水具有较强的腐蚀性，在浓缩过程中产生的蒸汽里溶解有腐蚀性气体，如果采用类似海水淡化工艺难以克服容器和换热设备腐蚀问题；3）采用传统的多效蒸发浓缩工艺适合大量废水的处理，而在处理少量废水时能耗高，设备复杂，投资偏高，性价比低；4）太阳能具有不稳定特性，而且太阳能集热器在夜晚无法工作，造成设备处理能力受时间影响较大，并且使得采用的热泵功率较大，增加系统运行复杂程度。

总体来说，目前已有的类似海水淡化热浓缩技术不适宜在少量的浓盐废水处理，我们必须找到一种合适的，适应性强的浓缩蒸发工艺实现浓盐废水的节能环保处理。

发明内容

本发明的目在于提供一种浓盐废水的节能浓缩处理装置，针对现有的小型高盐废水处理设备，在浓缩过程中，蒸发排放的湿空气中潜热值大，可回收利用的能量较多，但是传统工艺一般不予考虑。同时因为湿空气含有腐蚀性气体，对设备具有较大的腐蚀性，使得高盐废水设备材质要求较高。并且由于日照的不稳定性，太阳能集热供热不易实现，普通工艺也难以合理有效利用太阳能。

为了解决以上问题，回收利用浓盐废水过程中产生的湿热蒸汽这部分低品位能源，降低高品位能源的消耗量，提高能源利用效率，同时减小浓盐废水带来的设备腐蚀问题，本发明提出了一种浓盐废水的节能浓缩处理装置。该装置能够循环利用浓盐废水蒸发的湿热蒸汽所蕴含的热能，回用到废水浓缩设备中继续使用。同时采用湿空气冷凝设备与浓盐废水蒸发设备分离设计，避免浓盐废水对冷凝器的直接腐蚀，提高设备使用寿命。在此基础上，引入太阳能集热供热与相变蓄热技术，减少系统能耗，提高系统运行稳定性。

本发明提出的一种浓盐废水的节能浓缩处理装置，该装置由浓盐废水蒸发系统、湿空气凝结加热系统、热泵除湿系统、太阳能集热蓄热系统、余热回收换热器及辅助设备构成，其中：

浓盐废水蒸发系统包括浓盐废水蒸发罐1、喷淋泵14、喷淋头15和气管16，气管16位于浓盐废水蒸发罐1内中部，喷淋头15位于气管16上方，喷淋头15一端通过喷淋泵14连接浓盐废水蒸发罐1一侧，浓盐废水蒸发罐1底部一侧连接第二换热器13；通过气管16喷出的高温干空气加热喷淋头15喷出的浓盐废水，将废水中水分蒸发完全，使之成为废水浓缩；

热泵除湿系统包括压缩泵5，热泵蒸发器4，热泵冷凝器7和节流阀6构成，通过蒸发器4对湿空气的加热，冷凝器7对低温干空气的冷却，实现湿空气的潜热回收利用；

湿空气凝结加热系统包括湿空气凝结加热箱2、第一换热器3、热泵蒸发器4、热泵冷凝器7、蓄热换热器10以及集水沟9，湿空气凝结加热箱2一端连接浓盐废水蒸发罐1一端上部，湿空气凝结加热箱2内依次布置有第一换热器3、热泵蒸发器4、热泵冷凝器7和蓄热换热器10，所述第一换热器3和热泵蒸发器4下方布置有集水沟9；第一换热器3上方设有浓盐废水补水3-1；热泵蒸发器4和热泵冷凝器7之间设有节流阀6，热泵蒸发器4和热泵冷凝器7通过压缩泵5连接；高温饱和湿空气依次通过第一换热器3、热泵蒸发器4、热泵冷凝器7和蓄热换热器10，使得湿空气凝结再凝结，升温再升温，凝结水进入到集水沟9中汇集；集水沟9底部的冷凝水出口连接纯水处理设备12；第一换热器3底部通过管道连接第二换热器13；

热泵除湿系统包括压缩泵5，热泵蒸发器4，热泵冷凝器7和节流阀6构成，通过热泵蒸发器4对湿空气的加热，热泵冷凝器7对低温干空气的冷却，实现湿空气的潜热回收利用；

太阳能集热蓄热系统包括太阳能集热器8、蓄热换热器10和循环水泵17，蓄热换热器10顶部通过管道和循环水泵17连接太阳能集热器8，太阳能集热器8通过管道蓄热换热器10底部；太阳能集热器8产生的热水在蓄热换热器10进一步加热干空气，同时蓄积过多的热能；

余热回收换热器及辅助设备包括风机11，所述风机11一端连接湿空气凝结加热箱2另一端，风机11另一端连接气管16，所述风机11用于空气循环；第二换热器13用于回收浓缩后的高温废水热能以及纯水处理设备12处理凝结水使之达标排放。

本发明的工作过程如下：

高温高湿空气在管道负压的作用下进入凝结加热箱2中，湿空气首先在第一换热器3中与进入处理系统的低温浓盐废水进行凝结换热，高温高湿空气被低温浓盐废水冷却，其所含水蒸气在第一换热器3壁面凝结，形成冷凝水，然后流入汇集到集水沟9中。低温浓盐废水则被高温高湿空气加热至一定温度，回收了一部分湿空气中的潜热热能。经过冷却后的高温高湿空气继续进入热泵系统中的蒸发器4中，由于蒸发器中的温度更低，继续将湿空气中的大部分水分凝结，形成凝结水，汇集到集水沟9，湿空气成为干冷空气，而制冷剂在蒸发器4回收湿空气中水蒸气潜热。

在热泵系统中，制冷剂在蒸发器4中回收高温高湿空气中的水蒸气潜热，制冷剂在压缩机5作用，成为高温高压蒸汽，进入到冷凝器7中。经过蒸发器4冷却除湿后的干冷空气进入到热泵系统的冷凝器7中，被加热成高温干空气。制冷剂在冷凝器7中放出热量成为液态，经过节流阀6节流作用，成为低温低压蒸汽，进入蒸发器4中，从而循环冷却高温高湿空气。

被热泵冷凝器7加热后的高温干空气继续进入蓄热换热器10中进一步加热，提高自身温度，然后通过风机11输送至气管16中，循环蒸发高盐废水雾状颗粒。

太阳能集热器8产生热水通过水泵17泵入蓄热换热器10中，一部分热能用于加热干空气，多余的热能蓄积在蓄热换热器10中，在没有太阳能的时候释放出来用于加热干空气。该系统一方面能够提供绿色热能供系统使用，另一方面通过蓄热换热器，能够有效提高系统运行的稳定性。

另外，经过第一换热器3被加热的浓盐废水补水进入第二换热器13与从浓盐废水罐1底部排出的被浓缩后的浓盐水换热，吸收一部分排出系统的高浓缩浓盐废水热能，再进入浓盐废水罐1中喷淋蒸发。通过第二换热器13，能够提高浓盐废水进入系统的温度，进一步降低系统能耗。

集水沟中的冷凝水进入存水处理装置12中，经过简单处理既可以成为能够使用的达标生活用水。

从整体系统来看，该高盐废水浓缩装置通过热泵系统回收蒸汽潜热；利用太阳能集热系统降低运行能耗，利用蓄热换热器提高太阳能集热器运行稳定性；利用空气作为载体，避免具有腐蚀性的浓盐废水直接与凝结换热器接触，避免核心设备腐蚀，从而有效的解决上述提出的浓盐废水浓缩的技术难题。

本发明提出的一种浓盐废水的节能浓缩处理装置，与现有广泛使用的浓盐废水处理工艺或设备相比，其特点及优势在于：

（1）该浓盐废水的节能浓缩处理装置，采用热浓缩处理工艺，能够适应各种浓度和各种成份的含盐浓度废水，适应性远比生化处理工艺强，提高处理装置的通用性。

（2）该浓盐废水的节能浓缩处理装置，利用热泵系统回收利用蒸发浓缩过程中产生的湿热蒸汽这部分低品位能源，降低高品位能源的消耗量，提高能源利用效率，符合绿色、节能、环保的要求。

（3）该浓盐废水的节能浓缩处理装置，利用空气作为蒸汽载体，避免浓盐废水与核心设备冷凝换热器的直接接触，解决了设备腐蚀问题。

（4）该浓盐废水的节能浓缩处理装置，利用太阳能集热与蓄热换热器的组合，充分使用绿色能源的同时能够系统热能的平衡使用，使得系统整体运行稳定，降低了设备故障率。

（5）该浓盐废水的节能浓缩处理装置，充分利用换热器进行余热回收，例如高温高湿空气加热浓盐废水，可以降低热泵系统电能消耗；能耗浓缩后的废水热能回收，空气始终在装置内部运行使用等等，使得系统消耗大为减少，降低了装置的运行成本，因此该装置其具有广阔的应用前景。

附图说明

图1 为本发明浓盐废水的节能浓缩处理装置整体结构示意图。

图中标号：1浓盐废水蒸发罐，2湿空气凝结加热箱，3第一换热器，3-1浓盐废水补水，4热泵蒸发器，5热泵压缩机，6节流阀，7热泵冷凝器，8太阳能集热器，9集水沟，10蓄热换热器，11风机，12纯水处理设备，12-1冷凝水，12-2纯水出水，13第二换热器，13-1浓缩后高浓废水，13-2冷却后的浓缩后高浓废水，14喷淋泵，15喷淋头，16气管，17循环水泵。

具体实施方式

以下结合附图1和发明人依本发明技术方案所完成的具体实例，对本发明作进一步的详细描述。

具体实施例1：浓盐废水的节能浓缩处理装置的运行过程

如图1所示，该装置的主体主要由浓盐水蒸发罐1，湿空气凝结加热箱2，热泵系统、太阳能集热系统以及各个换热器组成。

在浓盐废水蒸发罐1中，喷淋泵14从罐内抽取加热后的浓浓盐废水，输送至喷淋头15，通过喷淋头15使得浓盐废水形成雾状颗粒，在喷淋头15下方的气管16中喷出高温干空气，在温度和空气水分浓度差的作用下浓盐废水雾状颗粒表面的的水分得到充分蒸发，最终形成高温饱和湿空气。

高温饱和湿空气在管道负压的作用下从蒸发罐2进入凝结加热箱2中。首先高温饱和湿空气通过第一换热器3的同时，低温浓盐废水补水3-1也进入第一换热器3中，两种流体在第一换热器3中进行间壁式换热。高温饱和湿空气在第一换热器3壁面冷却凝结形成冷凝水，汇集到集水沟9中，高温饱和湿空气中水分大幅降低。低温浓盐废水则被加热至一定温度，可以回收一部分湿空气中的潜热热能。

经过冷却后的湿空气在负压作用下进入热泵系统中的蒸发器4中，由于蒸发器管内的制冷剂温度低，能够将湿空气中的大部分水分凝结在蒸发器4表面，形成凝结水，也汇集到集水沟9中，湿空气成为干冷空气。

蒸发器4中的液态制冷剂吸收湿空气冷凝潜热变成气态进入到压缩机5，在压缩机作用下成为高温高压蒸汽，进入到冷凝器7中。而经过蒸发器4冷却除湿后的干冷空气在负压作用下进入到冷凝器7中，通过间壁加热，被制冷剂加热成高温干空气。制冷剂蒸汽在冷凝器7中被干冷空气冷却成液态，经过节流阀6的节流作用，成为低温低压蒸汽，进入蒸发器4中，从而循环冷却进入凝结加热箱2的高温饱和湿空气。

被冷凝器7加热后高温干空气在负压作用下进入蓄热换热器10中被进一步加热，空气温度得以提高，然后通过风机11输送至气管16中，用于循环蒸发高盐废水雾状颗粒中的水分。

太阳能集热器8与蓄热换热器10配合使用，循环水泵17将太阳能集热器获得的高温热水输送至蓄热换热器10中。高温热水中的一部分热能用于加热干空气，剩余的热能则蓄积在蓄热换热器10中。蓄积的热能能够在太阳能集热器效率较低的时候，例如夜晚，释放出来用于加热干空气。蓄热换热器10可以采用显热蓄热，也可以采用相变蓄热。

经过第一换热器3被加热的浓盐废水补水3-1进入第二换热器13与从浓盐废水蒸发罐1底部排出的被浓缩后的浓盐水13-1进行换热，再吸收一部分排出系统的高浓缩浓盐废水13-1热能，然后再进入浓盐废水罐1中进行喷淋蒸发。通过第二换热器13，最终的浓缩废水13-2温度得到降低。

集水沟9中的冷凝水12-1进入纯水处理装置12中，经过简单处理既可以成为能够使用的达标生活用水12-2。

本发明未涉及部分装置的具体结构等均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种浓盐废水的节能浓缩处理装置，其特征在于该装置由浓盐废水蒸发系统、湿空气凝结加热系统、热泵除湿系统、太阳能集热蓄热系统、余热回收换热器及辅助设备构成，其中：

浓盐废水蒸发系统包括浓盐废水蒸发罐(1)、喷淋泵(14)、喷淋头(15)和气管(16)，气管(16)位于浓盐废水蒸发罐(1)内中部，喷淋头(15)位于气管(16)上方，喷淋头(15)一端通过喷淋泵(14)连接浓盐废水蒸发罐(1)一侧，浓盐废水蒸发罐(1)底部一侧连接第二换热器(13)；通过气管(16)喷出的高温干空气加热喷淋头(15)喷出的浓盐废水，将废水中水分蒸发完全，使之成为浓缩废水；

湿空气凝结加热系统包括湿空气凝结加热箱(2)、第一换热器(3)、热泵蒸发器(4)、热泵冷凝器(7)、蓄热换热器(10)以及集水沟(9)，湿空气凝结加热箱(2)一端连接浓盐废水蒸发罐(1)一端上部，湿空气凝结加热箱(2)内依次布置有第一换热器(3)、热泵蒸发器(4)、热泵冷凝器(7)和蓄热换热器(10)，所述第一换热器(3)和热泵蒸发器(4)下方布置有集水沟(9)；第一换热器(3)上方设有浓盐废水补水(3-1)；热泵蒸发器(4)和热泵冷凝器(7)之间设有节流阀(6)，热泵蒸发器(4)和热泵冷凝器(7)通过压缩泵(5)连接；高温饱和湿空气依次通过第一换热器(3)、热泵蒸发器(4)、热泵冷凝器(7)和蓄热换热器(10)，使得湿空气凝结再凝结，升温再升温，凝结水进入到集水沟(9)中汇集；集水沟(9)底部的冷凝水出口连接纯水处理设备(12)；第一换热器(3)底部通过管道连接第二换热器(13)；

热泵除湿系统包括压缩泵(5)，热泵蒸发器(4)，热泵冷凝器(7)和节流阀(6)构成，通过热泵蒸发器(4)对湿空气的冷却，热泵冷凝器(7)对低温干空气的加热，实现湿空气的潜热回收利用；

太阳能集热蓄热系统包括太阳能集热器(8)、蓄热换热器(10)和循环水泵(17)，蓄热换热器(10)顶部通过管道和循环水泵(17)连接太阳能集热器(8)，太阳能集热器(8)通过管道蓄热换热器(10)底部；太阳能集热器(8)产生的热水在蓄热换热器(10)进一步加热干空气，同时蓄积过多的热能；

余热回收换热器及辅助设备包括风机(11)，所述风机(11)一端连接湿空气凝结加热箱(2)另一端，风机(11)另一端连接气管(16)，所述风机(11)用于空气循环；第二换热器(13)用于回收浓缩后的高温废水热能以及纯水处理设备(12)处理凝结水使之达标排放。